WO2017111415A1 - 열풍로를 이용한 이산화탄소 분해 및 재활용 방법 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a technology for decomposing and reusing carbon dioxide generated in large quantities in the process of producing molten steel from iron ore.
  • the present invention is to separate the carbon dioxide from the waste gas discharged from the blast furnace (Blast Furnace) and to send it to the hot-blast furnace heat storage chamber together with the methane gas to decompose it into carbon monoxide and hydrogen using the heat storage and exothermic energy to reduce the iron ore in the furnace
  • the present invention relates to a technique for reusing as a reducing gas.
  • the heat source burned in the furnace combustion chamber 3 is used to regenerated the refractory brick inside the heat storage chamber 2.
  • the air is sent through the blower 6 to the heat storage chamber, the temperature is raised to about 1,250 ° C., and the air is blown to the furnace 1 to be used as a furnace heat source.
  • carbon dioxide emitted from the furnace generates about 2.0 tons of carbon dioxide when producing 1.0 ton of molten iron, and about 80% of the carbon dioxide produced in the steel process is produced in the iron making process. Since this is a major culprit of global warming, steel companies around the world are using various methods to solve the carbon dioxide problem.
  • FIG. 2 shows that in order to solve the problem of carbon dioxide generated in the steel process in the European Union, the separated carbon dioxide (9) is transported through a carbon dioxide separation device (8) and stored in a closed mine or deep sea (10). It also relates to a thermal efficiency improving technique of blowing carbon monoxide and waste heat back to the smelter in a carbon dioxide separation apparatus 8 (European Federal Assistance Technology).
  • the above-mentioned method is not a technique for solving carbon dioxide, which is the main culprit of global warming, because it is not related to the technology of decomposing carbon dioxide using the heat storage stored in the heat storage chamber of the hot stove and the exothermic energy of methane gas.
  • the present invention is to solve the above problems, and sends carbon dioxide separated from the waste gas discharged from the furnace (blast furnace, Blast Furnace) to the heat storage chamber of the hot stove, and supplied from the outside and the thermal energy stored in the heat storage chamber of the hot stove It relates to a technique for decomposing this using the heat of combustion of methane gas.
  • the carbon dioxide and methane gas are sent to the regenerator chamber by hot air according to the present invention, the carbon dioxide and methane gas are decomposed into carbon monoxide and hydrogen gas due to the regenerated heat and combustion heat, and the iron ore is reduced by sending the decomposed carbon monoxide and hydrogen gas back to the furnace.
  • the present invention relates to a technique for acting as a reducing gas.
  • the carbon dioxide and methane gas which are simply separated are sent to the heat storage chamber of the hot stove, and the waste gas generated during the heat storage of the furnace and the hot stove to increase the decomposition efficiency is not limited to the technology of decomposing and reusing carbon dioxide using the heat and combustion heat.
  • the preheating of carbon dioxide and methane gas using we propose a technique that includes addition of methane gas to the addition of water vapor or oxygen, which is abundant in steel processing.
  • the present invention uses the heat energy stored in the heat storage chamber of the hot stove and the heat of combustion of methane gas supplied from the outside to solve the existing problems, the carbon dioxide separated from the waste gas discharged from the furnace (blast furnace, Blast Furnace)
  • the present invention relates to a technology for disassembling the heat by sending it to the heat storage chamber.
  • the heat storage in the heat storage chamber is heat storage using the heat generated by burning the combustion gas in the combustion chamber, and when the heat storage is completed, the air is put in the opposite direction to raise the temperature to about 1,250 °C to use as a heat source of the furnace have.
  • carbon dioxide and methane gas is sent to the hot-air heat storage chamber to achieve the object according to the present invention.
  • the flow rate of carbon dioxide and methane gas (30 to 70%) and (70 to 30%), respectively.
  • the most efficient flow rate is 50% and 50% respectively. It's time to use%. In order to promote the reaction, the residence time may be maintained at the same level as when blowing air.
  • the present invention when carbon dioxide and methane gas is sent to the regenerator chamber, the carbon dioxide and methane gas are decomposed into carbon monoxide and hydrogen gas due to the regenerated heat and combustion heat, and the decomposed carbon monoxide and hydrogen gas are sent back to the furnace.
  • the present invention relates to a technique for reusing iron ore as a reducing gas.
  • the present invention ultimately decomposes carbon dioxide generated in the furnace into carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) by using a huge amount of accumulated thermal energy stored in the regenerator chamber and combustion heat of methane gas. Afterwards, the carbon monoxide and hydrogen blown into the furnace to meet the oxygen in the iron ore (Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 ) to act as a reduction gas (reduction gas) to make iron (Fe). Therefore, the present invention has the advantage of having two effects of producing carbon dioxide decomposition and reducing gas required in the furnace.
  • the present invention not only reduces the carbon dioxide problem by decomposing carbon dioxide from the global warming gases discharged from the furnace in large quantities, but decomposed carbon monoxide and hydrogen are reduced to a heat source and an iron ore in the furnace. The effect is to play a role at the same time.
  • FIG. 1 discloses a general structure of producing molten iron using a general furnace 1.
  • the carbon dioxide and methane gas separated from the carbon dioxide separation unit (8) through the blower (6) hot stove heat storage chamber (2) By blowing in the furnace, carbon dioxide is decomposed in the heat storage chamber to produce the reducing gas required in the furnace.
  • FIG. 3 illustrates the technique according to the present invention, when the heat storage in the hot stove heat storage chamber 2 is completed, carbon dioxide and methane gas separated from the carbon dioxide separation apparatus 8, or carbon dioxide and methane gas and water vapor, or Carbon dioxide, methane gas and oxygen are blown through the blower (6) to the hot stove heat storage (2).
  • carbon dioxide (CO 2 ) is showing an endothermic reaction that requires heat from the outside in order to decompose into carbon monoxide (CO) and 0.5 O 2 .
  • CO carbon monoxide
  • the decomposition efficiency is only about 10.8%. Not only does the heat storage stored in the heat storage room not only decompose enough carbon dioxide, but it does not even raise the temperature to 1,250 ° C, which is required for the furnace.
  • carbon dioxide and methane gas may be used to mix oxygen or water vapor or oxygen and water vapor.
  • the preheater it is economical to preheat it by passing carbon dioxide and methane gas after heating it through a heat exchanger with waste heat generated during heat storage of the hot blast furnace.
  • the blowing gas of methane and carbon dioxide may be introduced into the combustion chamber to decompose carbon dioxide.
  • the present invention not only can reduce the carbon dioxide problem by decomposing carbon dioxide from the global warming factor discharged from the furnace in large quantities, but the decomposed carbon monoxide and hydrogen serve as a reducing gas to reduce the iron ore in the furnace. It is effective at the same time. Therefore, the present invention is highly useful for solving the carbon dioxide problem in the steel making process (Iron Making Processes).

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Abstract

본 발명은 열풍로(Hot Stove)의 축열실에 저장된 열에너지와 외부에서 공급된 메탄 가스의 연소열을 사용하여 용광로(고로, Blast Furnace)에서 배출된 폐가스 중 이산화탄소를 분리해서 이산화탄소를 열풍로 축열실로 보내서 이를 분해하는 기술에 관한 것이다. 또한, 본 발명에 의해서 이산화탄소와 메탄 가스를 열풍로 축열실로 보내게 되면 축열과 연소열로 인해 이산화탄소와 메탄 가스는 일산화탄소와 수소 가스로 분해가 되며, 분해된 일산화탄소와 수소 가스는 용광로로 다시 보내게 되면 철광석을 환원시키는 환원 가스로 역할을 하는 기술에 관한 것이다.

Description

열풍로를 이용한 이산화탄소 분해 및 재활용 방법
본 발명은 철광석으로부터 용선(Molten Steel)을 생산하는 과정에서 대량으로 발생이 되는 이산화탄소를 분해해서 다시 재사용(Recycling)하는 기술에 관한 것이다.
구체적으로, 본 발명은 용광로(Blast Furnace)에서 배출되는 폐가스로부터 이산화탄소를 분리하여 이것을 메탄 가스와 함께 열풍로 축열실로 보내서 축열과 발열 에너지를 이용하여 일산화탄소와 수소로 분해시킨 후 이를 용광로 내 철광석을 환원시키는 환원 가스로 재사용하는 기술에 관한 것이다.
도 1은 일반적인 용광로(1)를 이용하여 용선(Molten Iron)을 생산하는 일반적인 구조로써 메탄 가스가 주성분인 철강공정에서 생산되는 부생 가스인 BFG(Blast Furnace Gas)와 COG(Coke Oven Gas)를 열풍로 연소실(3)에서 연소한 열원을 이용하여 축열실(2) 내부에 있는 내화 벽돌에 축열을 하게 된다. 축열이 완료되면 송풍기(6)를 통해 공기를 축열실로 보내서 약 1,250℃로 승온시켜 용광로(1)로 송풍을 함으로써 용광로 열원으로 사용하게 된다.
일반적으로, 용광로에서 배출되는 이산화탄소는 용선(Molten Iron) 1.0 톤 생산 시 약 2.0 톤의 이산화탄소가 발생이 되며, 철강공정에서 생산되는 이산화탄소의 약 80%가 제선공정(Iron Making Process)에서 만들어지며, 이것은 지구 온난화의 주범이기 때문에 전세계 철강사들은 이산화탄소 문제를 해결하기 위해 여러 방법을 사용하고 있다.
그 대표적인 기술로서, 도 2는 유럽 연합에서 철강공정에서 발생되는 이산화탄소 문제를 해결하기 위해 이산화탄소 분리 장치(8)을 통해 분리된 이산화탄소(9)를 수송해서 폐광이나 깊은 바닷속에 저장하는(10) 것을 설명하는 것이며, 또한 이산화탄소 분리 장치(8)에서 일산화탄소와 폐열을 용광로로 다시 송풍하는(12) 열효율 향상 기술에 관한 것이다(유럽연방 지원 기술).
이 기술은 이산화탄소를 이송하고 매장하는 데 비용이 많이 필요할 뿐만 아니라, 부식성이 강한 이산화탄소 이송에 필요한 고가의 강재을 사용해야 하는 문제를 가지고 있다.
최근에는 이러한 문제점을 해결하기 위해 여러 가지 방법에 대해서 많이 소개가 되고 있다. 미국 특허공개번호 제2014-0130639호에서는 태양광 및 풍력 등 재생 에너지를 이용해서 이산화탄소를 분해해서 재사용하는 것이며, 미국 특허공개번호 제2014-0047818호, 중국 특허공개번호 제103380216호, 유럽 특허공개번호 제2350324호, 미국 특허공개번호 제2012-0214116호, 유럽 특허공개번호 제0032523호에서는 주로 폐열을 재사용하거나 폐가스를 열풍로로 재사용함으로써 열효율 향상을 시키는 기술에 대해서 소개하고 있다.
위에서 언급된 방법은 이산화탄소를 열풍로의 축열실에 저장된 축열과 메탄 가스의 발열 에너지를 이용하여 분해하는 기술에 관한 것이 아니기 때문에 지구 온난화의 주범인 이산화탄소 해결에 관한 기술이 아니다.
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위한 것으로, 용광로(고로, Blast Furnace)에서 배출된 폐가스로부터 분리된 이산화탄소를 열풍로(Hot Stove)의 축열실로 보내고, 열풍로의 축열실에 저장된 열에너지와 외부에서 공급된 메탄 가스의 연소열을 사용하여 이를 분해하는 기술에 관한 것이다.
또한 본 발명에 의해서 이산화탄소와 메탄 가스를 열풍로 축열실로 보내게 되면 축열과 연소열로 인해 이산화탄소와 메탄 가스는 일산화탄소와 수소 가스로 분해가 되며, 분해된 일산화탄소와 수소 가스를 용광로로 다시 보내서 철광석을 환원시키는 환원 가스로의 역할을 하게 하는 기술에 관한 것이다.
본 발명에서 단순하게 분리된 이산화탄소와 메탄 가스를 열풍로의 축열실로 보내서 축열과 연소열을 이용하여 이산화탄소를 분해하고 재사용하는 기술에 그치는 것이 아니라, 분해 효율을 높이기 위해 용광로와 열풍로 축열 시 발생되는 폐가스를 이용하여 이산화탄소와 메탄 가스를 예열하는 것을 포함할 뿐 만 아니라 메탄 가스에 추가해서 철강공정에서 많이 발생되는 수증기나 산소를 첨가하는 것을 포함한 기술을 제안하고자 한다.
본 발명은 기존의 문제점을 해결하기 위하여 열풍로(Hot Stove)의 축열실에 저장된 열에너지와 외부에서 공급된 메탄 가스의 연소열을 사용하여, 용광로(고로, Blast Furnace)에서 배출된 폐가스로부터 분리된 이산화탄소를 열풍로 축열실로 보내어 이를 분해하는 기술에 관한 것이다.
일반적으로, 축열실에 축열이 되는 것은 연소가스를 연소실에서 연소하여 발생된 열을 이용하여 축열을 하며, 축열이 완료되면 반대 방향으로 공기를 집어넣어 약 1,250℃로 승온하여 용광로의 열원으로 사용하고 있다. 여기서, 축열이 완료된 후 취입하는 공기 대신에 이산화탄소와 메탄 가스를 열풍로 축열실로 보내서 본 발명에 의한 목적을 달성하고자 한다.
축열실의 축열이 완료된 후 이산화탄소와 메탄가스의 유량은 각각 (30 ~ 70%)와 (70 ~ 30%) 유지하는 것이 좋으며, 가장 반응효율이 좋은 유량은 이산화탄소와 메탄가스를 각각 50%와 50%로 할 때이다. 반응을 촉진하기 위해 체류시간은 기존에 공기를 송풍할 때와 동일한 수준을 유지하면 된다.
또한, 본 발명에 따라, 이산화탄소와 메탄 가스를 열풍로 축열실로 보내게 되면, 축열과 연소열로 인해 이산화탄소와 메탄 가스는 일산화탄소와 수소 가스로 분해가 되며, 분해된 일산화탄소와 수소 가스를 용광로로 다시 보내서 철광석을 환원시키는 환원 가스로 재사용하는 기술에 관한 것이다.
따라서, 본 발명은 궁극적으로 열풍로 축열실에 저장된 엄청난 양의 축열(Accumulated Thermal Energy)와 메탄 가스의 연소열을 이용하여 용광로에서 발생되는 이산화탄소를 일산화탄소(CO)와 수소(H2)로 분해를 한 후에 이를 용광로로 다시 송풍하는 것으로써, 용광로 내로 송풍된 일산화탄소와 수소는 철광석(Fe2O3, Fe3O4) 중에 산소와 만나서 철(Fe)를 만드는 환원 가스(Reduction Gas)의 역할을 하기 때문에, 본 발명은 이산화탄소 분해와 용광로에서 필요한 환원 가스를 생산하는 두 가지 효과를 가질 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 실시예에 따라 본 발명은 용광로에서 대량으로 배출되는 지구온난화 주범이 이산화탄소를 분해함으로써 이산화탄소 문제를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 분해된 일산화탄소와 수소는 용광로에서 열원 및 철광석을 환원시키는 환원 가스로의 역할을 동시에 하는 효과가 있다.
또한, 종래 용선 공정의 설비 및 열원을 활용하여 이산화탄소를 분해할 수 있다는 점에서 경제적으로 유리하다.
도 1은 일반적인 용광로(1)를 이용하여 용선(Molten Iron)을 생산하는 일반적인 구조를 개시한 것이다.
도 2는 유럽 연합에서 철강공정에서 발생되는 이산화탄소 문제를 해결하기 위해 이산화탄소 분리 장치(8)를 사용한 구조를 개시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따라 열풍로 축열실(2)을 이용한 구조를 개시한 것이다.
<부호의 설명>
1: 용광로 (Blast Furnace)
2: 열풍로 축열실 (Heat Accumulator of Hot Stove)
3: 열풍로 연소실 (Furnace of Hot Stove)
4: 코크스 오븐 가스 홀더(COG Holder)
5: 용광로 가스 홀더 (BFG Holder)
6: 송풍기 (Blower)
7: 송풍용 파이프
8: 이산화탄소 분리 포집기
9: 이산화탄소가 풍부한 가스
10: 이산화탄소 저장소
11: 가열장치 (Heater)
12: 파이프
13: 이산화탄소 공급 장치
14: 메탄이 포함된 가스 또는 산소 공급 장치
본 발명의 일 실시예에 따르면, 열풍로 축열실(2)에 축열이 완료가 되면, 이산화탄소 분리 장치(8)에서 분리된 이산화탄소와 메탄 가스를 송풍기(6)을 통해 열풍로 축열실(2)로 송풍을 하여, 축열실 내에서 이산화탄소를 분해하여 용광로에서 필요한 환원가스를 생산하게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 부호가 사용되며, 이에 따라 중복되는 부가적인 설명은 아래에서 생락된다. 아래에서 참조되는 도면들에서는 축적비가 적용되지 않는다.
도 3은 본 발명에 의한 기술을 설명하는 것으로써 열풍로 축열실(2)에 축열이 완료가 되면, 이산화탄소 분리 장치(8)에서 분리된 이산화탄소와 메탄 가스, 또는 이산화탄소와 메탄 가스 그리고 수증기, 또는 이산화탄소와 메탄 가스 그리고 산소를 송풍기(6)을 통해 열풍로 축열시(2)로 송풍을 하게 된다.
여기서는 이해를 돕기 위해 간단하게 이산화탄소와 메탄 가스를 가지고 설명을 하도록 한다. 이산화탄소와 메탄 가스가 열풍로 축열실에서 반응하는 반응식을 보면 다음과 같다.
CH4 + CO2 → 2 CO + 2 H2
CO2 → CO + 0.5 O2 - 2.9 eV/mol
여기에서, 이산화탄소(CO2)가 일산화탄소(CO)와 0.5 O2로 분해가 되기 위해서는 외부로부터 열을 필요로 하는 흡열반응을 보이고 있다. 용광로에 필요한 가스량을 만족하기 위해서, CO2만을 공급하고, 열풍로 축열실에 저장된 열원만을 이용하여 CO2를 분해하게 되면 그 분해 효율이 약 10.8% 밖에 되지 않는다. 축열실에 저장된 축열 만으로는 이산화탄소를 충분히 분해할 수 없을 뿐만 아니라 용광로에 필요한 1,250℃로 승온 조차도 되지 않는다.
따라서 열풍로 축열실에 저장된 축열에 추가적인 열원을 만들기 위해서 이산화탄소에 메탄 가스를 혼합하여 열풍로 축열실에 보내게 되면 약 86.2 %의 효율을 보일 뿐만 아니라, 분해된 일산화탄소와 수소는 용광로에 필요한 온도인 1,250℃로 승온이 됨을 알 수 있다.
본 발명에 따라 앞에서 설명한 것을 정리하면 다음 표와 같으며, 제안 1이 가장 효율이 높음을 알 수 있다.
Influent Gas Effluent Gas 반응후 Gas량 필요열량(Kcal) 가용열량(Kcal) 반응율(%)
Air Air Air 없음 174,813 174,813 0
CO2 CO2 CO + 0.5 O2 50% ↑ 1,623,370 174,813 10.8
제안1 CH4 + CO2 2CO + 2H2 100% ↑ 207,319 174,813 86.20
제안2 3CH4 +CO2 +2O2 4CO + 4H2 + 2H2O 67% ↑ 580,297 419,673 64.59
상기 표에서 언급이 되지 않았지만, 이산화탄소와 메탄 가스에 산소나 또는 수증기 또는 산소와 수증기를 혼합하여 사용할 수 있다.
그리고 효율을 향상 시키기 위해서 용광로(1)에서 배출되는 폐열과 열풍로 연소 시 발생되는 폐열을 이용하여 이산화탄소와 메탄 가스를 예열함으로써 효율을 높일 수 있게 된다. 예열기의 구성으로는 열풍로 축열 시 발생되는 폐열로 열교환기를 통과시켜 가열한 후 여기를 이산화탄소와 메탄가스가 통과됨으로써 예열을 하는 것이 경제적이다.
한편, 열풍로 축열실에서 이산화탄소를 분해하기 위해 축열을 이용하면서 연소열을 함께 이용할 수도 있다. 또한, 또다른 실시예로서, 메탄과 이산화탄소의 송풍가스를 연소실로 도입하여 이산화탄소를 분해할 수도 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
본 발명의 실시예에 따라 본 발명은 용광로에서 대량으로 배출되는 지구온난화 주범이 이산화탄소를 분해함으로써 이산화탄소 문제를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 분해된 일산화탄소와 수소는 용광로에서 철광석을 환원시키는 환원 가스로의 역할을 동시에 하는 효과가 있다. 따라서 본 발명은 철강공정 특히 제선공정(Iron Making Processes)에서 이산화탄소 문제를 해결하는 데 그 활용성이 높다.

Claims (10)

  1. 용광로에서 배출된 가스를 분리하는 이산화탄소 분리장치,
    이산화탄소를 메탄가스와 혼합하여 송풍시키는 혼합송풍기,
    혼합송풍기에서 송풍된 혼합 가스를 취입하여 일산화탄소 및 수소를 생성하면서 용광로에 고온 가스를 공급하는 열풍로를 포함하는 용광로 배출 이산화탄소 재생 장치
  2. 제1항에 있어서, 상기 열풍로는 축열실과 연소실을 구비하며, 이산화탄소 분해가 축열실, 연소실 또는, 축열실 및 연소실에서 수행됨을 특징으로 하는 용광로 배출 이산화탄소 재생 장치
  3. 제1항에 있어서, 혼합송풍기에 수증기 및 산소의 하나 이상이 추가로 혼합됨을 특징으로 하는 용광로 배출 이산화탄소 재생 장치
  4. 제1항에 있어서, 용광로에서 배출되는 폐열, 열풍로 연소시 발생되는 폐열, 또는 이들의 조합을 이용하여 이산화탄소와 메탄 가스를 예열하는 예열기를 추가로 포함함을 특징으로 하는 용광로 배출 이산화탄소 재생 장치
  5. 제1항에 있어서, 열풍로로 취입되는 이산화탄소와 메탄가스의 유량은 각각 (30 ~ 70%)와 (70 ~ 30%)임을 특징으로 하는 용광로 배출 이산화탄소 재생 장치
  6. 용광로에서 배출된 가스에서 이산화탄소를 분리시키는 단계,
    이산화탄소를 메탄가스와 혼합하여 열풍로로 송풍시키는 단계,
    혼합송풍기에서 송풍된 혼합 가스를 열풍로로 취입시켜 일산화탄소 및 수소를 생성시키는 단계,
    생성된 일산화탄소 및 수소를 용광로로 공급시키는 단계를 포함하는 용광로 배출 이산화탄소를 재생하는 방법
  7. 제6항에 있어서, 상기 열풍로는 축열실과 연소실을 구비하며, 이산화탄소 분해가 축열실, 연소실 또는, 축열실 및 연소실에서 수행됨을 특징으로 하는 용광로 배출 이산화탄소를 재생하는 방법
  8. 제6항에 있어서, 혼합송풍기에 수증기 및 산소의 하나 이상이 추가로 혼합됨을 특징으로 하는 용광로 배출 이산화탄소를 재생하는 방법
  9. 제6항에 있어서, 용광로에서 배출되는 폐열, 열풍로 연소시 발생되는 폐열 또는 이들의 조합을 이용하여 이산화탄소와 메탄 가스를 예열하는 단계를 추가로 포함함을 특징으로 하는 용광로 배출 이산화탄소를 재생하는 방법
  10. 제6항에 있어서, 열풍로로 취입되는 이산화탄소와 메탄가스의 유량은 각각 (30 ~ 70%)와 (70 ~ 30%)임을 특징으로 하는 용광로 배출 이산화탄소를 재생하는 방법
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