PERED 직접환원 기술: 가속화된 에너지효율적 철 생산

PERED 직접환원철 생산 기술

PERED 기술은 '페르시안 리덕션(Persian Reduction)' 기술로도 알려져 있습니다. 2007년 '마인즈 앤 메탈스 엔지니어링 GmbH'가 발명 및 특허를 취득한 직접환원 기술입니다. PERED 직접환원 공정은 펠릿이나 덩어리광 형태의 철산화물을 고체상태에서 환원가스 도움을 받아 용융 없이 고금속화 제품으로 전환해 제강용으로 적합하게 만듭니다. 이 기술은 직접환원철(DRI) 생산을 위한 직접환원 공정을 개선합니다.

이 공정은 가스 기반 직접환원 공정으로, 직접환원 공정의 다양한 영역에서 경험을 가진 전문가팀이 개발해 모든 공정 흐름이 메인 공정에서 관리되어 최적의 효율적 결과를 얻도록 했습니다. 가장 널리 사용되는 환원가스는 개질천연가스이나, 코렉스 가스, 코크스로 가스 등 다른 가스도 사용 가능합니다. PERED 기술은 자본비용, 물소비, 유지보수비, 에너지소비를 낮춥니다.

PERED에서는 개선된 냉각법과 오염가스 배출 감소로 더 낮은 온도에서 환원공정이 진행됩니다. 더 적은 열, 더 균질한 환원가스, 더 제어 가능한 펠릿 투입, 원심압축기 사용으로 물, 전기, 가스 소요량이 줄어들고 운전 및 유지보수비도 절감됩니다.

PERED 직접환원 플랜트 출하형태: (1) 냉간 직접환원철(CDRI), (2) 열간 브리켓 철(HBI), (3) CDRI/HBI 조합, (4) HBI/열간 직접환원철(HDRI), (5) CDRI/HDRI.

에너지효율 및 운영유연성

PERED 기술은 향상된 에너지효율 기술로 에너지와 자원을 절약합니다. 에너지 및 원자재 최적 활용으로 생산비용 절감과 더불어 타 가스기반 직접환원 공정 대비 환경친화적입니다. 운전 중 유연성 증대. 다양한 원료(고황 광석 등)와 에너지원 사용에 유연하게 설계. 공정에서 최대 50%까지 덩어리광 사용 가능. 검증된 고압 운전. 건식 공정가스 사용으로 동일 시스템에서 더 높은 가스유량 확보, 동일생산 시 전력소비 감소 또는 생산증대 가능.

상업플랜트 실적

PERED 기술 기반 최초 직접환원 플랜트(설계능력 0.8 Mtpa)가 2017년 6월 이란 후제스탄주 샤데간시에서 가동개시. DRI 플랜트 문제없이 시운전. 제품 금속화율 93% 이상, 탄소함량 1.5% 이상. 75 tph 플랜트 용량이 첫날 달성되었으며 양호한 유틸리티 소비실적 기록. 설계용량도 단기간 내 도달. 제2 PERED DRI 플랜트(0.8 Mtpa)가 2017년 10월 이란 동아제르바이잔주 미아네 스틸 콤플렉스에서 준공(그림 1). 0.8 Mtpa 2기와 0.3 Mtpa 1기 추가건설 중. 0.3 Mtpa 중국 플랜트는 코크스로 가스 기반.

그림 1 이란 동아제르바이잔주 미아네 스틸 콤플렉스 PERED DRI 플랜트

PERED 공정 주요 개선사항

PERED 공정은 기존 가스기반 직접환원 기술 대비 여러 개선사항을 포함합니다. 가장 주목할 만한 특징:

• 철산화물 투입원료에서 산소(O₂) 제거와 제품 DRI 탄소화(카버라이징)를 위해 중단없는 환원가스 흐름을 이용하는 연속공정
• 수직샤프트로 상부가스 재순환으로 연료소비 최소화
• 수직샤프트로 내 철산화물 환원 중 생성된 이산화탄소(CO₂) 활용하도록 특별설계된 가스개질시스템. 매트(그을음) 생성 없이 천연가스 촉매전환 설계로 메탄(CH₄) 부분산화를 위한 외부 산소원 불필요
• 주공기, 천연가스, 투입가스 예열로 최대 열회수 달성 설계

수직샤프트로 혁신

PERED 공정에서 주요설비 혁신과 검토는 수직샤프트로부터 시작. 샤프트로는 독자적 종류로, 내부 고체/가스 흐름 패턴 개선으로 내부 반응 향상 설계. 이로 인해 환원영역 부피증가로 생산속도 향상. 이중 환원가스 주입으로 로내 가스분포 개선. 광석부담 투입과 로내 분포 개선으로 더 나은 결과 달성. 새롭게 발명된 투입파이프 도입으로 로내 광석부담 분포 개선.

환원영역(상부존) 특수기능

• 특수 투입파이프에 의한 산화물 투입 및 분포
• 높이-직경비 최적화로 로 이용률 향상
• 환원반응 최적화: Fe(산화물)+CO=Fe(금속)+CO₂ 및 Fe(산화물)+H₂=Fe(금속)+H₂O

환원반응 최적화 요인

• 로 환원영역 내 설비 없음
• 특수 투입파이프로 내부 물질분포 개선에 따른 미분생성 감소
• 로내 유효환원부피 최적화
• 가스누출 오염가능성 제거 설계
• 자본비와 유지보수비 절감 특별설계

환원영역 설계특성

• 상부 디시드엔드로부터 이중 상부가스 취출구 설계
• 균일한 제품품질 위한 개선된 부담온도 프로파일
• 상부가스 덕트 내화물 수명향상을 위한 철광석 미분/펠릿 캐리오버 감소
• 필요환원영역 부피확보 위한 로크기 최적화
• 효율개선으로 낮은 배가스온도 → 세정기 부하감소
• 이중 환원가스 주입
• 직사각형 버슬포트 설계로 가스주입개선 및 유지보수성 향상
• DRI 팽창대응 테이퍼 내화물구조
• 산소주입으로 다양한 온도/가스조성 유연성
• 버슬가스 이용률 개선
• 로내 가스분포 개선
• 로전체 균일한 베드온도
• 로내 클러스터링 가능성 제거
• 덩어리광 사용 유연성
• 생산성과 제품품질 향상

로 내부 현장 개질(In-situ Reforming)

수직샤프트로 내부에서도 가스 현장개질 발생. 뜨거운 버슬가스는 일정% CH₄, CO₂, H₂O 함유. 이 가스가 금속철(촉매작용)과 접촉하면 샤프트로 내부에서 추가 환원가스 생성. 현장개질 반응:

CH₄ + H₂O = CO + 3H₂ (ΔH > 0, 흡열)

CH₄ + CO₂ = 2CO + 2H₂ (ΔH > 0, 흡열)

흡열 현장개질반응은 높은 버슬가스온도 요구하지만, 고온에서는 펠릿/덩어리광 열화, 미분생성, 클러스터링 발생. PERED 샤프트로 설계는 이중 버슬포트로 버슬가스 내 CH₄량 최적화해 베드온도 제어.

가스개질기 특수기능

• 천연가스 개질로 배가스 회수열교환기에서 예열
• 개질로 스택가스 열회수시스템
• 촉매관 사용하는 멀티베이 개질기. 250mm 직경 개질관 사용, 공간요구량 적게 설계
• 공정전용 촉매 'Performex' 개발

냉각영역

수직샤프트로 냉각영역에 360° 회전 부담피더. 최첨단 피더설계로 냉각영역 균일성능 제공. 4개 독립제어 회전축으로 냉각영역에 부담투입. 냉각존이므로 워터재킷 불필요. 클러스터 형성 시 역회전과 속도제어로 제거. 냉각가스 외부헤더에서 주입, 뜨거운 냉각가스 형상화된 취출구로 균일회수. 헤더에 내화물 없어 고장가능성 없음. 세정기 입자제거 설계. 가스압축 후 수직로 하부제품출구존으로 공급.

0.8 Mtpa PERED 플랜트 대표사양 및 소비량

표 1 PERED 플랜트 대표사양
순번	항목	단위	값
1	생산능력	Mtpa	0.8
2	산화물펠릿크기	mm	5-35
3	수직로 직경	m	약 5.5
4	전체높이	m	약 52
5	시간당생산율	t/h	105
6	연간플랜트운전시간	시간	8,000
7	수직로운전온도	°C	850
8	로상부정상운전압력	kg/cm² g	0.6
9	로하부정상운전압력	kg/cm² g	최대 2.1
10	환원가스소요량	Nm³/h	170,000
11	제품톤당환원가스	Nm³	1,600
12	DRI밀도	t/m³	1.7
13	철산화물밀도	t/m³	2.3

PERED 직접환원 플랜트 유용한 특징

• 상업플랜트 성공적 운전으로 검증된 공정
• 낮은 단위 자본비용
• 낮은 단위 에너지소비로 낮은 에너지비용
• 낮은 플랜트운영비
• 낮은 단위 물소비
• 낮은 환경오염수준
• CDRI, HDRI, HBI 등 다양한 제품옵션
• 철산화물 사용유연성: 최대 50% 덩어리광 사용가능
• 고황광석 사용 공정유연성
• 1 Mtpa 초과 용량플랜트 설계가능