In the iron and steel making industry, sintering process precedes blast furnace process and agglomerates powdered iron ore to form larger particles as feed material of the blast furnace. In order to improve sintering production, productivity, or pollutant emission control, techniques such as flue gas recirculation (FGR), oxygen and liquefied natural gas (LNG) enrichment have been devised. Main purposes and effects of FGR for sintering process can be summarized as follows. The amount of exhaust gas vented through a stack can be reduced, which contributes to alleviate requirements for flue gas cleaning facilities and helps to cope with the augmenting environmental regulations. Efficiency of the gas treating facilities such as desulfurization, denitrification, or particulate matter collectors can be improved due to increased pollutants concentration by recirculating flue gas. Moreover, energy saving can be achieved due to the utilization of high temperature flue gas as supplied inlet gas, which may help to reduce coke consumption. The application of flue gas recirculation incurs the variation of process configurations or inlet and outlet gas conditions which exerts direct influence on reactions in the bed or system operations. Therefore, there needs to check the possible changes of waste gas and supply gas conditions under the conceived plant configuration when the FGR system is applied to the sinter plant.
The aim of this study was to build a process model for FGR sintering process at the point of the entire sintering bed, and to investigate and express possible changes of inlet and outlet gas conditions according to different process configurations in a quantitative manner. The process model was built using Aspen plus, a flowsheet process simulator. Main reactions considered in the model were sintered ore cooling and inlet gas preheating, coke combustion, iron oxide formation and limestone decomposition, and moisture drying and condensation. Structures in the bed and input material conditions were determined by referring to the previous researches. Normal sintering process which uses ambient air was set as the base case and modified for cases of FGR sintering process. Subcases of FGR process had different flue gas extraction and injection locations. Results of inlet and outlet gas conditions were presented and compared in terms of gas temperature, concentration, moisture and oxygen contents, density and viscosity, and volumetric flow rate.
Results of normal sinter processes, or base cases, were considerably well matched to the previous researches in terms of outlet gas temperature, concentration, and moisture distribution pattern as well as solid layer temperature and moisture distribution. Results of FGR sintering were plotted and compared among cases to show the variations of inlet and outlet gas conditions which can affect to the combustion reactions in the bed or equipment requirements along the gas passages. In addition, effects of FGR were also showed in terms of stack gas flow rate and coke combustion temperature. Process model of this study can be expected to be used for investigating and providing basic conceptions for the application of FGR and for oxygen or LNG enrichment sintering process.
소결(sintering)은 금속이나 세라믹 등의 분말 입자에 열을 가하여 표면이 용융되면서 입자간의 결합이 일어나 치밀화되는 과정을 말한다. 제선, 제강, 연주, 압연으로 이루어지는 철강 생산 과정에서 소결은 가장 초기 단계의 공정이며, 쇳물(용선)을 생산하는 용광로의 장입 원료로써 분철광석을 부분용융을 통한 괴성광(塊成鑛)으로 가공하는 목적으로 적용되고 있다. 소결 과정에서 베드 내에서는 코크스의 연소, 석회석의 하소, 원료층 내 수분 증발 및 응축, 고체 및 기체 물질 간 열전달 등 여러 관련 반응이 동시에 이루어진다. 소결광의 품질과 생산성은 유입가스 조건, 입자 크기 및 수분 함량, 베드 균일도 및 높이 등 운전조건 설정에 따라 많은 차이를 나타내기 때문에 이들 인자들을 효율적으로 제어하는 것이 매우 중요하다.
최근 철강 수요의 증가에 따른 소결공정의 생산성 증대가 요구되고 있으며, 또한 전 세계적으로 환경 및 에너지 문제가 대두됨에 따라 환경오염물질 발생 및 배출 제어와 공정의 에너지 효율 개선 움직임의 중요성 역시 높아지고 있다. 이와 관련하여 배가스 재순환(flue gas recirculation, FGR) 적용 및 LNG 부화(enrichment)를 통한 균일소성법, 그리고 고생산성 확보를 위한 산소 부화 소결 기술 등 소결공정의 개선을 위한 여러 방안들이 고안됨에 따라 특히 출입 가스 조건 변화를 유발하게 되며, 유입 가스의 작용이 베드 내 연소 및 소결반응에 직접적인 영향을 주는 중요 요인 중 하나임을 고려하면 공정 구성 상 이에 대한 다양한 예측 및 분석이 이루어질 필요가 있다고 할 수 있다.
본 연구에서는 공정모사기를 이용하여 베드 길이 전체의 관점에서 소결공정 모델링이 시도되었다. 기존의 user defined in-house code model 들과 비교하면 공정모사기를 이용한 모델링은 세부적인 현상을 모사하는 데에는 원하는 정밀도나 구체적인 표현에 제한이 있을 수 있으나, 여러 위치에서 물질 및 열 수지를 확인하고 공정에 관련된 기본 물질 및 혼합물의 물성치 등의 결과를 정량적으로 확인하는 데에는 보다 효율적이다. 또한 공정 구성 및 입력 조건의 변화에 대한 적용이 비교적 간편하게 이루어질 수 있으므로 배가스 재순환에 따른 다양한 공정 변경의 경우에서 출입가스의 조건 변화 등의 결과를 살펴보는 목적으로 공정모사기를 이용한 모델링의 작성이 고려되었다.
모델링에서 베드 전체 길이는 wind box에 따라 임의로 단순화된 구간으로 구분되었으며, 하나의 wind box 구간이 하나의 단위 블록으로 표현되어 전체 베드는 이러한 단위 블록의 연속으로 구성되었다. 원료는 첫 단위 블록에서 공급되어 베드 길이에 따라 해당되는 반응을 거친 후 다음 단위 블록으로 전달되며, 산화제는 각 단위 블록 별로 분배되어 공급되는 것으로 구성하였다. 단위 블록은 일반적으로 알려진 베드 내 반응 영역 구성 및 기본적 반응들을 고려하여 작성되었으며, 하나의 단위 블록은 높이 방향의 층으로 가정된 여러 구역의 연속으로 구성되었다.
모델링 결과는 공기를 사용하는 기본 소결공정 및 가정된 흡입 및 주입 위치의 구성을 갖는 배가스 순환 소결 공정의 경우에 대하여 살펴보았으며, 고려된 주요 요인은 가스 온도, 조성, 산소 및 수분 함량, 밀도 및 점성, 체적 유량 등이다. 다양한 구성을 갖는 배가스 순환 소결공정의 결과 비교를 통하여 배가스 흡입 위치에 따른 순환 가스 조건의 변화 및 순환 가스 주입 위치에 따른 배가스 조건의 변화 경향을 살펴볼 수 있었고, 기존 연구들의 결과를 바탕으로 이러한 출입가스 조건의 변화가 베드 내 반응에 미칠 수 있는 영향에 대한 간접적인 고찰이 이루어질 수 있었다. 또한 베드 내 영향의 관점 외에 공정 구성 변화에 따른 가스 조건 변화가 가스 처리 장치 및 연결 통로 등 관련 설비의 작동에 영향을 미칠 수 있는 변화 내용에 대하여도 살펴볼 수 있었다.
모델링에 있어서 공정모사기 이용에 따른 구체적인 물리화학적 현상 표현의 정도 및 모델링을 위한 단순화 가정에 따라 실제 현상을 완전하게 나타내는 데에 한계가 있을 수 있다. 하지만 본 연구에서는 베드 내 세부적인 연소 및 소결 현상 확인의 관점이 아닌 시스템 전체의 관점에서 공정 모델링을 통한 접근이 이루어졌으며, 모델링을 통해 특히 배가스 순환과 같이 출입 물질 조건에 변화를 가져오는 경우에 대하여 다양한 요소들에 대한 정량적인 표현이 가능하고, 공정 구성 변화에 따른 차이를 살펴보는 데에 있어 기초적인 아이디어를 제공하는 것에 활용될 수 있다. 보다 구체적이고 실제적인 결과 확인을 위해서는 공급되는 산화제 및 반응 원료량의 분포에 대한 추가적인 고려가 이루어질 필요가 있으며, 이를 바탕으로 차후 배가스 순환 소결과 유사한 관점으로 산소 부화 및 LNG 부화 소결공정에 대한 모델링이 이루어질 수 있을 것으로 생각된다.
