분철광석의 유동 환원에 대한 Process Engineering

김 용 하

부경대학교 화학공학과

Process Engineering on the Fluidization and Reduction of

Fine Iron Ores

Yong-Ha, Kim

Department of Chemical Engineering, Pukyong National University, Pusan

서론

용융환원과 직접제철법은 현재의 용광로법을 대체 내지는 보조할 차세대의 제철법으로써 주목받으며 연구개발이 진행되고 있다. 여러가지 방식이 제안, 연구되고 있는데 원료공급의 안정 측면에서 분철광석의 직접사용을 전제조건으로 하고 있어 철광석의 가스환원에는 공통적으로 유동층을 택하고 있다. 즉 DIOS (일)의 경우는 sinterfeed, 즉 -8 mm정도의 분철광석을 사전처리없이 기포유동층에 투입 예열하고 FeO까지 예비환원한후 최종환원의 용융환원로에 공급하는 방식을1), 그리고 HIsmelt (호주)의 경우에는 -1 mm의 분철광석을 순환유동층에서 예비환원한후 용융환원로로 공급하는 방식을2), FINEX (한/오스트리아)와 FINMET (베네주엘라/오스트리아)에서는 각각 -8 mm와 -12 mm의 분철광석을 3단과 4단의 다단식 기포유동층에서 예열, 예비및 최종환원하여 용융가스화로에 투입 또는 환원철로 제품화하는 방식을3) 개발중에 있다.

본 고에서는 이와같은 분철광석의 유동층 환원로 개발에 있어서 유동 및 환원 의 주요 특성을 파악하고 이를 Bench-Scale 유동층 환원로의 설계에 적용한 결과를 보고하고자 한다.

유동 환원 특성과 Process Eng.

1. 철광석 원료

Fig. 1은 현재 용광로 조업에서 소결용으로 사용되고 있는 분철광석의 입도분포를 나타낸 것으로, 미립과 대립자가 혼합되어 입도분포가 넓다. 따라서 입경에 따른 비산, 편석, 체류시간 불균형, sticking등의 문제점이 예상되어 안정된 유동상태를 얻기 어려운 입자에 속한다. 그러나 유동층 환원로의 개발에 있어서 -8 mm 철광석의 사용은 pelletfeed와 sinterfeed를 거의 대부분 사용 할 수 있다는 것이며 이는 원료 대응성면에서 중요한 사항으로 이와 관련된 유동화 기술의 개발이 필요하다.

2. 유동화 상태

입도분포가 넓은 분철광석의 기본적인 유동화 상태에 관한 검토를 위해서는 먼저 최소유동화속도의 추정이 중요하다. 여러 가지 식들이 제안되어 있으나 다음과 같은 Wen-Yu 식4)이 일반적으로 많이 이용되고 있다.

Remf = {(33.7)2 + 0.0408 Ar}1/2 - 33.7

Wen-Yu 식은 입도가 좁은 계를 대상으로 한 경험식임에도 넓은 입도범위의 분철광석에도 조화평균경을 대표치로써 적용가능하였다.

입도범위가 넓은 경우 대립 철광석의 편석으로 인해 환원시 분산판 직상부에서  sticking의 가능성이 높아진다.  층 하부에 분포되는 대립자의 운동에 주목하여

대립자가 층 하부에 정체하지 않고 층 전체에서 균일하게 운동하기 시작하는 공탑가스 속도를 평균 입경, 입도분포등을 변화시켜 가면서 측정하였다. 그 결과로부터 공탑가스 유속을 조화평균경 기준의 최소유동화속도의 2 - 4 이상으로 설정하면 넓은 입도에 대한 편석을 해소하면서 균일한 유동화 조건이 만족됨을 알았다5). 그러나 가스유속의 증대에 따라 carryover되는 미립자의 양 증가, 입도별 환원율의 불균형에 대한 미립자의 순환과 체류시간 제어, 사이클론의 집진 효율에 따른 비산 손실, 그리고 소요가스량의 증대와 가스이용율의 저하등에 대한 대책이 필요하였다.

3. 유동층 형태

입도분포가 넓은 철광석을 사용치 않을 수 없는 경우 설정된 유동층내 가스유속에 대해  입경이 적은 것은 가스와 함께 비산하며 입경이 큰 입자는 유동화 하지않는등 하나의 층내에 여러가지 유동화 상태가 섞여있는 상황이 예상된다. 이에 따라 DIOS의 경우, 예비환원에 적용된 기포유동층은 입자를 유동층내에서 분급하여 비산되는 미립자는 사이클론에서 포집 회수하며, 대립자는 예비환원후 분산판 중앙의 배출관를 통해 불출하는 기능을 갖추고 있다. 이때 미립자의 일부는 입자순환장치에 의해 층으로 되돌리면서 입도별 환원율이 일정하게 유지되도록 하며 층내에 잔류하는 대립자에 대해서는 적정한 기포 유동상태가 유지되도록 층내 가스유속을 설정하였다. 유사한 이유로 -12 mm 철광석을 다단식으로 환원하는 FINMET나 FIOR 역시 기포유동층을 택하고 있으나, 상대적으로 미분 철광석을 사용하는 HIsmelt에서는 순환유동층을 택하고 있다. 어느 경우에나 입도분포가 넓은 철광석의 유동시 가스 유속에 따라 위의 유동화 상태에서 언급한 문제가 뒤따르므로 유동층 형태의 결정에는 이에 대한 충분한 검토와 기술적 개선이 요구된다. FINEX에서는 원통형 기포유동층외에 Fig. 2에서 보는 바와 같이 미립과 대립자를 가스비산에 의해 두 개의 반응기별로 분급시키고 각 반응기내 입자의 조화평균경을 기준한 가스유속으로 기포 유동을 시키면서 배출하는 Twin 유동층과 층내 미립과 대립의 축방향 분포를 제어할 수 있는 Taper형 유동층에 대한 기술개발을 추진하고 있다.

4. 철광석의 환원과 분화

철광석 입자는 예열 및 환원의 진행과 함께 구조가 약해져 입자간의 충돌시 분화 (열적 및 환원 분화)가 일어나면서 비산하는 비율도 증대된다. 이에 대해서는 고온의 유동층내에서 복잡하게 진행되는 입자거동에 대해 입경별 체류시간의 해석과 환원가스의 조건 (조성 및 산화도, 온도, 압력, dust 함량), 가스원단위 (= 환원가스 유량/광석 공급량), 가스유속 그리고 가스와 광석의 접촉시간 (철광석의 체류시간, 장치의 다단화, 순환 횟수)에 따른 분화와 환원 거동 그리고 비산 광석의 손실에 대한 연구가 다각적으로 진행되고 있다. 이는 환원로 본체뿐아니라 부대설비 (집진기, 가스화로등)의 설계에도 직접적으로 영향을 미치는 중요한 요소연구중의 하나이기 때문이다.

환원온도와 광석 체류시간이 환원거동에 가장 큰 영향을 주며 약 800 oC의 층내온도에서 목표로 하는 환원율을 달성하기에는 약 30 - 60 min의 광석 체류시간이 필요하다. DIOS에서 온도별 환원율에 대한 미립자의 순환비 영향을 측정한 결과, 미립계는 순환비의 증가에 따라 체류시간이 증가되면서 환원율이 상승되었으며 대립계와 동일한 환원율은 순환비 1 - 2에서 가능함을 알았다6).

철광석 원료와 유동 환원된 철광석간의 입도분포 변화로부터 측정된 철광석의 분화 정도는 사용한 광종과 유동 환원의 조건에 따라 그 정도가 다르겠지만 분화도가 무시할 수 없을 정도로 큼을 알 수 있었다5). 분화의 진행정도는 층내 대립계와 미립계의 분배에 영향을 줄 뿐 아니라 층 하부에서의 안정유동 조건의  설정, 순환량의 결정,  집진 장치으로의 부하등에 결정적인 작용을 하므로 이를

정확히 추정하는 것이 바람직하다.

철광석의 유동 환원에서는, 최소유동화속도에 대한 과잉 유속과 유동층 높이와 같은 유동화에 의한 외부 에너지외에 철광석 고유의 성상 (환원분화지수, 열에 의한 균열성, 입도분포)과 환원조건 (층내온도, 가스조성)이 분화를 지배하는 인자로 분화와 이들과의 관계가 공정 설계에서 반드시 반영되어야 한다.

5. 집진효율과 비산 손실

유동환원로에서 철광석을 환원한 후에는 최대한 전량을 다음 공정으로 이송하는 것이 바람직하다. 그러나 유동층에서는 사이클론에서 비산된 미립자와 가스를 분리해야 하기 때문에 사이클론에서의 집진효율은 원료원단위 (= 광석 공급량/제품 생산량)에 직접적인 영향을 미치게 된다.

철광석의 환원 분화율, 순환비와 가스유속 증가에 따른 배출가스내 dust 농도 그리고 사이클론의 집진 효율은 철광석의 비산 손실과 밀접한 관계가 있다. 장치의 scale-up에 앞서 이에 대한 보다 정량적 해석과 함께 기술적 개선이 시급하다.

참고문헌

1. 北川 融, 日本□□□□-學會誌, 75(10), 890-898 (1996)

2. A. Hasan and R. Whipp, I&SM, 35-40 (April 1995)

3. B.L. Cusack, G.S. Wingrove and G.J. Hardie, I&SM, 13-20 (February 1995)

4. C.Y. Wen and Y.H. Yu, AIChE J., 12, 610-612 (1960)

5. T. Ariyama, S. Isozaki, S. Matsubara, H. Kawata and I. Kobayashi, ISIJ     International, 33(12), 1220-1227 (1993)

6. T. Ariyama, S. Isozaki, S. Matsubara, H. Kawata, K. Kondo, and

I. Kobayashi, ISIJ International, 33(12), 1211-1219 (1993)