Hot Reducing Gas (HRG) Utilization on Blast Furnace: Techno-Economic and CO2 Mitigation Impact Analysis

Abstract

This thesis addresses the carbon mitigation problem in the steel sector. The steel sector is one of the most carbon-intensive industries, and the sustainable strategies to reduce CO2 emission on integrated mill plants are discussed continuously. The goal is to find a strategy to reduce coke use during the operation of a blast furnace (BF). To overcome the global challenge, three different strategies are suggested and compared. To achieve these goals, appropriate processes are designed and simulated, and the key processes are mathematically formulated and validated with either experimental observation or theoretical or, previous works. In the first strategy, the tuyere injection of hot reducing gas (HRG) from low-rank coal (LRC) gasification in the BF is simulated. LRC gasification by entrained-flow gasifier is introduced to make gaseous fuel, and the cleaning process of the raw syngas is implemented using Aspen Plus V10. The effects of HRG injection are evaluated using a BF mathematical model derived from the Rist operating diagram. Integrated results from raw fuel to the BF were analyzed considering economic, energy, and environmental aspects. In the second strategy, a vacuum-pressure-swing adsorption (VPSA) process is suggested that uses CuCl/Boehmite adsorbent as a novel material to separate and recycle blast furnace gas (BFG) from a steel mill. Two factors are expected to be important: (1) BFG-separation efficiency of the VPSA, (2) coke replacement. According to the operating pressure and purification level, five cases are simulated using a mathematical model: three adsorption pressures (6.4 ~ 2.5 bar) at moderate CO purity (CO 90 %), three purity levels (85 ~ 99 %) at moderate adsorption pressure (4.0 bar). In the third strategy, the solid oxide electrolysis cell (SOEC) process is applied as a source of H2 for use as an alternative to CO as the reductant in a BF. In the study, maximum H2 injection is shown for the technical aspect, and demonstrates the process’ economic viability, considering the learning-by-doing effects on the price of the SOEC system.

전 세계적으로 중요한 문제 중 하나인 기후변화에 대한 해결책을 제시하기 위하여, 철강 산업에서 탄소 배출을 줄일 수 있는 세 가지 전략을 제시하였다. 철강 산업에서 용선을 생산하는 가장 핵심적인 공정인 고로를 중심으로 대체 연료 활용 전략에 대하여 논하였고, 이에 대한 기술-경제성 및 이산화탄소 감축 효과를 추산하였다. 고로에 원료로써 투입되는 코크스를 부분적으로 대체 하기 위하여 고로 풍구에 고온의 환원가스를 주입하는 시도를 통하여 세 가지 전략에 대한 기술적-경제적-환경적 우위를 비교하였다. 첫 번째 전략은 저급 석탄 가스화 및 합성 가스 청정 설비 모델링을 통한 고온의 합성 가스 생산 및 주입에 대해 평가하는 것이었으며, 두 번째 전략은 고로 가스의 일산화탄소 부화를 통한 재순환을 통하여 기술적인 실현 가능성, 경제적 타당성, 그리고 이산화탄소 감축 효과를 추산하는 것이었다. 마지막 전략으로써 재생 가능한 전력 생산을 활용한 수소 생산 및 이에 대한 고로 주입에 대하여 논하였다. 세 가지 전략 비교를 통하여 우리는 대체 연료 활용 전략과 이산화탄소 감축 노력의 비용 간의 맞교환 관계가 발생함을 확인할 수 있었다. 첫 번째와 두 번째 전략의 경우, 현 시점에서 경제적으로 타당한 것으로 분석되었으나, 친환경 에너지를 활용한 수소 생산 및 고로 활용 전략의 경우, 2040-2050년에 비로소 경제적 타당성을 확보할 수 있음을 보였다. 본 연구를 통해 철강산업에서 탄소 중립을 실현하기 위해 필요한 요소 기술에 대해 비교할 수 있었으며, 이를 통하여 친환경 제철소 설계를 위한 기틀을 마련할 수 있었다. 후속 연구로써 범 구조를 갖는 제철소 모든 단위 공정을 고려한 공정 설계, 경제성 평가 및 이에 대한 최적화가 필수적이며, 이를 통하여 탄소 중립을 실현할 수 있을 것으로 기대한다. 아울러, 시간이 흐름에 따라 기술의 성숙도가 증가하고 제적으로 추가적인 이익이 발생할 경우 탄소 중립을 넘어서 네거티브 배출도 가능할 수 있음을 보였다는 것에 의의가 있다.