용광로 내 산소 증강

현대 제철 공정에서의 산소 이점

용광로 철 제조 공정은 수 세기 동안 근본적으로 변화하지 않았다. 코크스, 철광석, 용제가 상부로 투입되고, 용융 철과 슬래그가 하부에서 배출되며, 뜨거운 공기가 투이어를 통해 불어넣어진다. 그러나 세부 사항은 상당히 진화했고, 산소 농축은 지난 50년간 가장 영향력 있는 개선 기술 중 하나이다.

용광로에 산소를 주입하여 연소 공기 내 산소 농도를 21%에서 25% 이상으로 높이면, 용광로의 열적·화학적 거동이 근본적으로 변화한다. 즉각적인 효과는 화염 온도 상승이며, 이는 산화철을 금속 철로 환원시키는 반응 속도를 가속화한다. 부차적 효과로는 생산성 향상, 코크스 소비 감소, 그리고 철 1톤당 이산화탄소 배출량 감소가 있다.

산소가 용광로 열역학에 미치는 영향

수학적 계산은 간단하지만 그 함의는 매우 중요하다. 공기 중에는 약 79%의 질소가 포함되어 있으며, 이 질소는 반응에 참여하지 않고 용광로를 통과한다. 이 질소는 열을 흡수하는데, 이 열은 본래 철광석 환원에 사용될 수 있는 열이다. 산소가 공기 중 질소를 대체하여 분사되면, 비활성 기체 가열에 낭비되는 열이 줄어든다. 그 결과 불꽃 온도가 상승하고, 동일한 코크스 사용률로 더 많은 광석을 처리할 수 있게 된다.

산소 농축률이 1% 증가할 때마다 불꽃 온도는 약 50°C 상승한다. 산소 농도가 25%에 이르면 불꽃 온도는 약 2,200°C에 달해, 21%일 때의 약 2,000°C보다 높아진다. 이 높아진 불꽃 온도는 여러 운영상 개선을 가능하게 한다: 분말 석탄 분사율 증가, 코크스 사용량 감소, 생산량 증대.

단점은 산소 농축이 용광로의 교란에 대한 민감도를 높인다는 점이다. 산소 농도 25%에서 운전 중인 용광로는 산소 농도 21%에서 운전 중인 용광로보다 열 관성력이 낮다. 안정적인 운전을 유지하려면 부담 분포, 풍온, 습기 함량을 보다 정밀하게 제어해야 한다.

생산성 향상: 데이터가 보여주는 바

산소 농축이 생산성에 미치는 영향은 충분히 입증되어 있다. 통합 철강 제련소의 산업 데이터에 따르면, 산소 농축률이 1% 증가할 때마다 생산 속도가 약 3~4% 향상되며, 이는 풍온이 안정적이고 부담 품질이 일관된 조건을 전제로 한다. 산소 농축률이 25%일 경우, 자연 공기 운전 대비 생산성 향상 폭은 12~16%에 달한다.

코크스 사용량 감소는 특히 가치가 높다. 코크스는 고로 공정에서 가장 비싼 원자재이며, 그 생산 과정에서 막대한 양의 이산화탄소가 배출된다. 연간 200만 톤 규모의 제철소에서 코크스 소비량을 5% 줄이면, 연간 약 500만 달러의 코크스 비용 절감 효과와 함께 탄소 발자국도 상응하여 감소한다.

실제 적용 사례: 중국 북부 통합 제철소

중국 북부에 위치한 대규모 통합 제철소가 18개월에 걸쳐 단계적 산소 농축 프로그램을 도입하였다. 이 시설은 기존에 다른 공정용으로 산소를 생산하는 공기분리장치를 보유하고 있었으나, 그동안 고로 풍구에 산소를 주입하지는 않았다. 이번 프로젝트는 풍구 수준에 산소 주입 랜스를 설치하고, 추가 산소 유량을 제어할 수 있도록 제어 시스템을 업그레이드하며, 운영자가 새로운 운전 조건을 숙지할 수 있도록 교육하는 내용을 포함하였다.

결과는 첫 번째 분기 내에 측정 가능했다. 산소 농축을 24.5%로 적용한 결과, 생산량이 11% 증가했고, 코크스 소비율은 7% 감소했다. 제철소는 주요 자본 투자 없이 이러한 성과를 달성했는데, 필요한 산소는 이미 생산 중이었고, 고로에 대한 개조도 비교적 미미한 수준이었다. 회수 기간은 산소 생산 및 주입 비용 대비 코크스 절감액과 증가된 생산 가치를 기준으로 산정했으며, 12개월 이하였다.

운영상의 어려움이 있었다. 가스 흐름이 특정 구역을 따라 선호적으로 이동하는 채널링 현상을 방지하기 위해, 부하 분포를 보다 자주 점검해야 했다. 이는 불균일한 환원과 잠재적 스캐폴드 형성을 유발할 수 있다. 운영 팀은 벨리스 탑 충전 패턴을 조정하여 이를 보완했고, 초기 산소 주입 후 6주 이내에 고로가 안정화되었다.

고로 주입을 위한 산소 공급 고려 사항

고로 산소 농축에 사용되는 산소는 일반적으로 현장 내 공기 분리 장치 또는 파이프라인 공급을 통해 확보한다. 다른 산소 용도에 비해 순도 요구 수준은 낮은 편으로, 고로 주입에는 90~95% 산소가 충분하지만, 의료용 또는 반도체 제조용은 99.5% 이상의 순도를 요구한다. .

이러한 낮은 순도 요구 조건은 공급 방식의 선택 폭을 넓힌다. 진공 압력 변화 흡착(VPSA) 시스템은 저온 공기 분리 방식보다 낮은 설비 투자비 및 운영비로 90~95% 산소를 생산할 수 있으나, 보통 소규모 용량에 국한된다. 대규모 제철소의 경우 여전히 저온 공기 분리 장치(ASU)가 표준으로 채택되며, 이 장치는 99.5% 이상의 고순도 산소를 생산할 뿐 아니라 질소 및 아르곤 동시 생산도 가능하다.

산소 주입 시스템 자체는 신중한 공학적 설계를 필요로 한다. 산소는 고로의 배압(보통 3~5바)을 극복할 수 있을 만큼 충분한 압력으로 공급되어야 한다. 주입 랜스는 투이어 레벨에서 발생하는 고온(약 2,000°C)을 견딜 수 있도록 설계되어야 하며, 산소 유량은 원하는 농축 수준을 유지하기 위해 정밀하게 제어되어야 한다.

산소 취급 시 고려해야 할 안전 사항

산소 농축은 주의가 필요한 안전 사항을 동반한다. 산소는 공기보다 훨씬 강력하게 연소를 촉진하므로, 누출이나 탄화수소와의 의도치 않은 접촉은 화재 위험을 초래할 수 있다. 산소 주입 배관은 산소 서비스 기준에 따라 설계되어야 하며, 엄격한 청결성 요구사항과 적절한 재료를 사용해야 한다.

산업 표준이 이러한 우려 사항을 직접 다룹니다. 압축가스 협회(CGA)의 CGA G-4.1은 산소 시스템 세정 및 설계에 대한 포괄적인 지침을 제공합니다. ASME B31.3은 산소 용도 파이프링에 대한 요구사항을 다루며, 재료 선정 및 접합부 설계를 포함합니다.

산소 농축을 도입하는 시설은 가동 전에 철저한 위험 검토를 수행해야 하며, 이는 잠재적 누출 상황, 비상 정지 절차, 그리고 운영자 교육을 포함해야 합니다. 적절한 공학적 통제 수단과 운영 절차를 적용하면 이러한 위험은 관리 가능합니다.

산소 농축이 타당한 경우와 그렇지 않은 경우

산소 농축은 만능 해결책이 아닙니다. 경제성은 산소 비용, 코크스 가격, 그리고 추가 생산물의 가치에 따라 달라집니다. 현장 내 산소 생산 설비(특히 여유 용량을 보유한 공기분리장치, ASU)를 갖춘 제철소는 자연스럽게 해당 기술을 도입하기에 적합합니다. 기존 산소 공급 인프라가 없는 제철소는 자본 투자 결정을 내려야 하는데, 이는 공기분리장치(ASU) 또는 진공압력변동흡착장치(VPSA)를 설치할 것인지, 아니면 자연 공기 운전으로 인한 낮은 생산성으로 운영할 것인지를 선택하는 것입니다.

용광로별 고려 사항도 존재한다. 최대 생산 능력에 가까운 용량으로 가동 중인 용광로의 경우, 산소 농축으로 인한 추가적인 생산성 향상 여력이 제한될 수 있다. 이때 병목 현상은 기본 산소 용광로나 연속 주조와 같은 하류 공정으로 이동하게 된다. 이러한 경우, 산소 농축은 기대되는 생산성 향상을 달성하지 못할 수도 있다.

코크스 공급에 제약이 있거나 코크스 가격이 높은 용광로에서는 경제성이 더욱 매력적으로 작용한다. 절감된 코크스 1톤은 구매하지 않아도 되고, 운반하거나 용광로에 투입하지 않아도 되는 양이다.

그린파이어 철강소용 산소 생산을 위한 저온 공기 분리 장비를 공급하며, 아시아 전역의 통합 철강 제조 시설에 설치 실적을 보유하고 있다.