KR100467722B1 - Apparatus and method for removing water from the acid gas - Google Patents
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Abstract
본 발명은 코크스오븐 가스를 정제하는 과정에서 탈거탑 상부로 배출되는 산성가스로부터 수분을 제거하기 위한 방법에 관한 것으로서, 상기 산성가스를 열교환기에서 열교환시켜 상대습도를 40 ~ 50%로 유지하는 단계와, 상기 열교환기를 통과한 산성가스를 멤브레인으로 구성되어 있는 수분분리장치로 통과시켜 산성가스중의 수분을 제거하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하므로, 열교환기와 멤브레인 수분분리장치를 활용하여 산성가스중의 수분을 제거함으로써, 산성가스의 온도를 최대한 유지하면서 산성가스중의 수분을 제거할 수 있고 또한 탈황공정에서의 에너지절감 효과를 얻을 수가 있다.The present invention relates to a method for removing water from an acid gas discharged to an upper part of a stripping tower in the process of purifying coke oven gas, and maintaining the relative humidity at 40 to 50% by heat-exchanging the acid gas in a heat exchanger. And, by passing the acid gas passed through the heat exchanger to the water separation device consisting of a membrane to remove the water in the acid gas, it is characterized in that, by utilizing the heat exchanger and membrane water separation device in the acid gas By removing the water, the water in the acid gas can be removed while maintaining the temperature of the acid gas as much as possible, and the energy saving effect in the desulfurization step can be obtained.
Description
본 발명은 산성가스중의 수분을 제거하여 산성가스의 품질을 향상시키기 위한 수분제거장치 및 수분제거방법에 관한 것이고, 더 상세하게는 산성가스로부터수분을 효과적으로 제거할 수 있을 뿐만 아니라 산성가스가 보유하고 있는 열량을 탈황공정에서 활용할 수 있도록 하는 산성가스로부터 수분을 제거하는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a water removal device and a water removal method for improving the quality of acid gas by removing water in the acid gas, and more particularly, it is possible to effectively remove water from the acid gas as well as retain the acid gas. The present invention relates to an apparatus and a method for removing moisture from an acid gas so as to utilize a calorific value in a desulfurization process.
일반적으로, 공정상에서 발생하는 안수를 흡수액으로 이용하여 코크스오븐 가스중 황화수소를 흡수 제거하는 석탄화학공정에 있어서 황화수소를 함유한 안수는 탈거탑에서 스팀에 의해 증류되고, 탈거탑 상부에서는 산성가스를 분리하고 있다.In general, in a coal chemical process in which a coke oven gas absorbs and removes hydrogen sulfide by using ordination generated in the process as an absorbent liquid, hydrogen sulfide-containing water is distilled by steam in a stripping column, and an acid gas is separated from the stripping column. Doing.
이러한 산성가스는 액체황을 생산하는 단위설비인 클라우스 탈황공정에 도입되고 있다. 하지만, 산성가스 중에는 다량의 불순물이 함유되어 있어 탈황공정에 문제를 발생시키고 있는데, 그 중에서도 특히 수분에 의한 영향이 가장 심각하다.This acid gas is introduced into the Klaus desulfurization process, a unit for producing liquid sulfur. However, acidic gas contains a large amount of impurities, which causes problems in the desulfurization process, and among them, the influence by water is the most serious.
따라서, 상기 탈거탑에 유입되는 스팀이 산성가스와 함께 클라우스 탈황공정으로 유입되는 것을 막기 위하여 냉각수 유량을 조절하여 산성가스 내의 수분을 응축제거하고 있다.Therefore, in order to prevent the steam flowing into the stripping column from being introduced into the Claus desulfurization process together with the acid gas, the flow rate of the cooling water is controlled to condense and remove moisture in the acid gas.
한편, 탈거탑 상부에서 배출되는 산성가스는 클라우스 탈황공정에 적합한 온도로 유지되어 급송하는데, 이는 열교환기에서의 수분응축을 최대화시키고 탈황공정에서의 에너지절감 효과를 거둘 수 있다.Meanwhile, the acid gas discharged from the upper part of the stripping column is maintained at a temperature suitable for the Klaus desulfurization process and is fed, which maximizes the condensation of the heat exchanger and has an energy saving effect in the desulfurization process.
열교환기에서 가스중 수분제거와 온도와는 역비례관계를 갖고 있어서, 탈황공정의 에너지절감 효과를 거두기 위해서 일정온도의 산성가스가 탈황공정에 공급되고 있다.Since the heat exchanger has an inverse relationship with the removal of water from the gas and the temperature, in order to achieve the energy saving effect of the desulfurization process, acid gas at a constant temperature is supplied to the desulfurization process.
그러므로 열교환기에 의한 수분의 응축제거는 한계가 있다.Therefore, the condensation removal of moisture by the heat exchanger is limited.
본 발명은 상기된 바와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 산성가스로부터 수분제거는 열교환에 의한 응축제거방식으로는 한계가 있으므로, 외부에서 유입되는 에너지원도 없이 산성가스로부터 수분을 효과적으로 제거하여 클라우스 탈황공정에 유입되는 산성가스의 품질을 향상시키기 위한 산성가스로부터 수분을 제거하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the conventional problems as described above, the water removal from the acid gas is limited to the condensation removal method by heat exchange, so that the water from the acid gas without the energy source from the outside It is an object of the present invention to provide an apparatus and a method for effectively removing water from an acid gas to improve the quality of the acid gas introduced into the desulfurization process by removing.
도 1은 본 발명에 따라서 산성가스 중의 수분제거를 위하여 냉각수와의 열교환에 의한 공정에 멤브레인 수분분리장치를 활용한 공정도이다.1 is a process chart using a membrane water separator in a process by heat exchange with cooling water to remove water in an acid gas according to the present invention.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Major Parts of Drawings>
1 : 황화수소 흡수탑1: hydrogen sulfide absorption tower
2 : 산성가스 증류탑2: acid gas distillation column
3 : 클라우스 탈황공정3: Klaus desulfurization process
4 : 열교환기4: heat exchanger
5 : 멤브레인 수분분리장치5: membrane water separator
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 코크스오븐 가스를 정제하는 과정에서 탈거탑 상부로 배출되는 산성가스로부터 수분을 제거하기 위한 방법은 상기 산성가스를 열교환기에서 열교환시켜 상대습도를 40 ~ 50%로 유지하는 단계와, 상기 열교환기를 통과한 산성가스를 멤브레인으로 구성되어 있는 수분분리장치로 통과시켜 산성가스중의 수분을 제거하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, according to the present invention, a method for removing moisture from the acid gas discharged to the upper part of the stripping column in the process of purifying the coke oven gas heat exchange the acid gas in a heat exchanger 40 ~ relative humidity Maintaining at 50%, and passing the acid gas passed through the heat exchanger to a water separation device consisting of a membrane to remove the water in the acid gas.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 코크스오븐 가스를 정제하는 과정에서 발생되어 탈황처리하도록 클라우스 탈황공정으로 유입되는 산성가스로부터 수분을 제거하기 위한 장치는 상기 산성가스를 냉각수와 열교환시켜 냉각시키는 열교환기와, 상기 열교환기로부터 배출된 산성가스로부터 수분을 제거하는 멤브레인으로 구성된 수분분리장치를 포함한 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention, the apparatus for removing water from the acid gas generated in the process of refining the coke oven gas and introduced into the desulfurization process to the desulfurization process is a heat exchanger for cooling the acid gas by heat exchange with cooling water; And, characterized in that it comprises a water separator consisting of a membrane for removing water from the acid gas discharged from the heat exchanger.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described a preferred embodiment of the present invention.
본 발명에 따르면, 클라우스 탈황공정에 유입되는 산성가스의 품질을 향상시키기 위하여, 탈거탑 상부에서 배출되는 산성가스가 유입되는 열교환기(4) 내에서 산성가스 중의 상대습도를 조절한다. 그리고, 산성가스를 멤브레인으로 구성되어 있는 수분분리장치(5)에 통과시킴으로써, 산성가스 중의 수분을 효과적으로 제거한다.According to the present invention, in order to improve the quality of the acid gas flowing into the desulfurization process, the relative humidity in the acid gas is adjusted in the heat exchanger 4 into which the acid gas discharged from the upper part of the stripping column flows. Then, the acid gas is passed through the water separator 5 composed of the membrane, thereby effectively removing the water in the acid gas.
즉, 열교환기(4)에서의 냉각수유량은 산성가스 2000Nm3/hr을 기준으로 30 ~ 40m3/hr로 유지한다. 또한, 산성가스 중의 상대습도는 40 ~ 50%로 유지한다.That is, the cooling water flow rate in the heat exchanger 4 is maintained at 30 to 40m 3 / hr based on the acid gas 2000Nm 3 / hr. In addition, the relative humidity in the acid gas is maintained at 40 to 50%.
그리고, 상대습도가 40-50%인 산성가스로부터 수분을 제거하기 위하여, 수분분리장치(5)의 멤브레인 특성 중 수분투과도는 1×10-7cm3(STP)/cm2sec.cm-Hg 이하이고, 황화수소/수분의 선택투과도는 500 이상으로 유지된다.In addition, in order to remove moisture from the acidic gas having a relative humidity of 40-50%, the moisture permeability among the membrane properties of the water separator 5 is 1 × 10 -7 cm 3 (STP) / cm 2 sec.cm-Hg The permeability of hydrogen sulfide / water is maintained below 500 or less.
멤브레인 수분분리장치(5)에서 멤브레인을 투과하여 수분이 분리제거된 산성가스는 클라우스 탈황공정(3)으로 도입되고, 수분분리장치(5)의 멤브레인을 투과하지 못하고 수분을 함유한 산성가스는 폐수처리설비로 보내어져서 폐수처리된다.The acid gas from which the water is separated and removed through the membrane in the membrane water separator 5 is introduced into the Klaus desulfurization process (3), and the acid gas containing water without passing through the membrane of the water separator 5 is wastewater. It is sent to a treatment facility for wastewater treatment.
이하, 본 발명에 따른 산성가스로부터 수분을 제거하는 장치의 구성에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the configuration of an apparatus for removing water from an acidic gas according to the present invention will be described in detail.
도 1에는 코크스오븐 가스중 황화수소를 흡수하여 클라우스 탈황공정에서 액체황을 생산하는 공정이 개략적으로 도시되어 있다.1 schematically illustrates a process of absorbing hydrogen sulfide in the coke oven gas to produce liquid sulfur in a Klaus desulfurization process.
즉, 코크스오븐에서 석탄을 건류하면서 발생하는 30℃로 냉각된 코크스오븐 가스중 황화수소는 탈거탑(2) 저부에서 나오는 흡수액으로 황화수소 흡수탑(1)에서선택적으로 제거된다.That is, hydrogen sulfide in the coke oven gas cooled to 30 ° C. generated by coking coal in the coke oven is selectively removed from the hydrogen sulfide absorption tower 1 as an absorbing liquid from the bottom of the stripping tower 2.
탈거탑(2)에서 황화수소가 선택분리된 산성가스는 열교환기(4)에서 냉각수와의 열교환에 의하여 냉각되면서 응축하며, 그 결과 산성가스로부터 수분이 제거된다.The acid gas from which hydrogen sulfide is selectively separated in the stripping column 2 is condensed while being cooled by heat exchange with cooling water in the heat exchanger 4, and as a result, water is removed from the acid gas.
그리고, 열교환기(4)를 통과한 상대습도가 50% 이하인 산성가스는 멤브레인 수분분리장치(5)에서 수분제거된 후 클라우스 탈황공정(3)으로 보내어져 탈황처리되어 액체황을 생산하게 된다.In addition, the acidic gas having a relative humidity of 50% or less that passes through the heat exchanger 4 is removed from the membrane water separator 5, and then sent to the Claus desulfurization process 3 to be desulfurized to produce liquid sulfur.
상술된 바와 같이, 탈거탑(2) 상부로 배출되는 산성가스로부터 수분을 분리하기 위하여 사용하고 있는 열교환기(4)는 냉각수의 유량조절에 의하여 산성가스로부터 수분을 응축제거하고 있지만, 클라우스 탈황공정(3)에 도입되는 산성가스중 수분은 최대한 억제하면서, 산성가스의 온도는 떨어뜨리지 않도록 하여 탈황공정에서의 에너지 절감 효과를 얻도록 해야 한다.As described above, the heat exchanger 4 used to separate water from the acid gas discharged to the stripping column 2 is condensed and removed from the acid gas by adjusting the flow rate of the cooling water. Water in acid gas introduced in (3) should be minimized while the temperature of acid gas should not be lowered to obtain energy saving effect in desulfurization process.
즉, 탈거탑(2) 상부의 산성가스는 열교환기(4)에서의 냉각수 유량 조절에 의하여 상대습도가 40-50%인 산성가스가 되도록 수분제거된다. 그리고, 수분제거된 산성가스는 멤브레인 수분분리장치(5)를 거쳐 산성가스중의 수분을 제거하여 클라우스 탈황공정(3)으로 유입한다.That is, the acid gas of the upper part of the stripping column 2 is removed by water so that the relative humidity may be 40-50% of the acid gas by adjusting the flow rate of the cooling water in the heat exchanger 4. Then, the dehydrated acid gas is removed through the membrane water separator 5 to remove moisture in the acid gas and flows into the desulfurization process 3 of the flask.
한편, 열교환기(4)에서 냉각수 유량을 30 ~ 40m3/hr로 조절하는 이유는 탈거탑(2) 상부를 통해 배출되는 산성가스의 온도를 추후 탈황공정에서 최대한으로 유지하기 위한 것이다. 이때, 냉각수 유량이 30m3/hr이하이면 산성가스의 온도을 최대한 유지할수 있으나, 산성가스로부터 수분의 제거효율이 높지 않게 되어 멤브레인 수분분리장치(5)에서 멤브레인 오염원인을 제공한다. 또한, 냉각수 유량이 40m3/hr 이상이면 산성가스의 온도가 급격히 떨어져서 탈황공정에서의 에너지절감 효과를 기대할 수 없게 된다.On the other hand, the reason for adjusting the cooling water flow rate in the heat exchanger 4 to 30 ~ 40m 3 / hr is to maintain the temperature of the acid gas discharged through the stripping tower 2 to the maximum in the future desulfurization process. At this time, if the flow rate of the cooling water is 30m 3 / hr or less, the temperature of the acidic gas can be maintained as much as possible, but the removal efficiency of moisture from the acidic gas is not high, thereby providing a cause of membrane contamination in the membrane water separator 5. In addition, when the flow rate of the cooling water is 40 m 3 / hr or more, the temperature of the acidic gas drops sharply, and energy saving effect in the desulfurization process cannot be expected.
산성가스중의 상대습도를 40 ~ 50%로 유지한다면, 수분이 멤브레인을 팽윤시켜 줌으로써, 황화수소의 투과를 촉진하게 되지만, 상대습도가 50% 이상이면 멤브레인의 팽윤현상을 극대화시켜 수분의 투과도가 증가하는 반면 선택투과도가 낮아지게 되어 황화수소의 투과가 저하된다. 또한, 상대습도가 40% 이하이면, 수분의 투과도가 적어질 뿐만 아니라 황화수소의 투과도 적어지게 되어 수분분리장치에서 차압이 상승하게 된다.If the relative humidity in the acid gas is maintained at 40 to 50%, the water swells the membrane to promote hydrogen sulfide permeation, but if the relative humidity is more than 50%, the permeability of the membrane is maximized by maximizing the swelling of the membrane. On the other hand, the permeability of the hydrogen sulfide is lowered because the selectivity is lowered. In addition, when the relative humidity is 40% or less, not only the moisture permeability is decreased, but also the permeation of hydrogen sulfide is reduced, so that the differential pressure increases in the water separator.
멤브레인의 재질로는 셀룰로이드 아세테이트, 폴리이미드, 폴리설파이드, 폴리우레아, 폴리에테르설폰 및 이들의 유도체을 이용한 고분자 물질이 사용된다.As the material of the membrane, a polymer material using celluloid acetate, polyimide, polysulfide, polyurea, polyethersulfone and derivatives thereof is used.
또한, 수분분리장치에 멤브레인을 구성하고 있는 형식은 스파이럴 및 할로우 파이버형식으로 이루어져 있다.In addition, the membrane constituting the water separator is composed of spiral and hollow fiber type.
위에서 언급한 재질의 고분자를 사용함에 있어, 멤브레인의 수분투과도는 1 ×10-7cm3(STP)/cm2seccm-Hg 이하이고, 황화수소/수분의 선택투과도는 500 이상을 갖고 있어야 한다. 즉, 수분의 투과도가 커지게 되면 탈황공정에 공급되는 산성가스중 수분함량이 증가되어 탈황공정에 악영향을 미치게 되고, 선택투과도가 이보다 작게 되면 황화수소 뿐만 아니라 수분도 함께 탈황공정에 공급되어 액체황 생산량이 감소하게 된다.In using the polymer of the above-mentioned materials, the moisture permeability of the membrane should be 1 × 10 -7 cm 3 (STP) / cm 2 seccm-Hg or less, and the hydrogen sulfide / moisture selective permeability should be 500 or more. In other words, when the water permeability increases, the water content of the acid gas supplied to the desulfurization process is increased, which adversely affects the desulfurization process. When the selectivity is smaller than this, not only hydrogen sulfide but also water is supplied to the desulfurization process to produce liquid sulfur. This decreases.
한편, 산성가스중 수분분리장치(5)에서 멤브레인을 투과하지 못하는 수분에는 황화수소를 함유하지 않고 있으므로 폐수처리설비로 보내어 처리한다.On the other hand, the moisture that does not penetrate the membrane in the water separator 5 of the acidic gas does not contain hydrogen sulfide, so it is sent to the wastewater treatment facility for treatment.
[실시예 1]Example 1
황화수소 흡수탑(1)에서 코크스오븐 가스중 황화수소를 흡수한 흡수액이 탈거탑(2)에 급송되어 탈거탑(2) 상부에서 나오는 2000Nm3/hr인 산성가스(황화수소: 45% 수분: 55% )을 수분투과도가 1×10-8cm3(STP)/cm2seccm-Hg이고, 황화수소/수분 선택투과도가 800인 할로우 파이버형식의 폴리이미드 멤브레인을 사용한 수분분리장치를 통과한 산성가스의 특성은 하기 [표 1]과 같다.The absorbing liquid absorbing hydrogen sulfide in the coke oven gas in the hydrogen sulfide absorption tower (1) is fed to the stripping column (2) and acidic gas (hydrogen sulfide: 45% water: 55%) at 2000 Nm 3 / hr from the top of the stripping column (2). The characteristics of acidic gas passed through a water separator using a hollow fiber type polyimide membrane with a water permeability of 1 × 10 -8 cm 3 (STP) / cm 2 seccm-Hg and a hydrogen sulfide / water selectivity of 800 It is as following [Table 1].
[표 1]TABLE 1
상기 [표 1]에서 시료 1과 시료 2에서 냉각수 유량에 따라 상대습도가 달라져 수분분리장치를 거친 산성가스중에는 황화수소의 함량이 증가하였지만, 냉각수 유량조절에 의한 낮은 상대습도을 가질수록 수분의 제거효율이 뛰어났다. 또한, 유입된 산성가스는 수분분리장치를 통하여 전량 유출되었다.In Table 1, the relative humidity of the sample 1 and the sample 2 varies depending on the flow rate of the cooling water, so that the content of hydrogen sulfide is increased in the acid gas passed through the water separation device. Excellent In addition, the introduced acid gas was completely leaked through the water separator.
하지만, 냉각수 유량이 증가된 시료 3과 시료 4의 경우에는 상대습도가 너무적어지게 되어 수분분리장치의 멤브레인을 팽윤효과가 없어서 수분분리장치에서 차압상승으로 유입 산성가스유량의 86, 74%만이 유출되었다.However, in case of Sample 3 and Sample 4 with increased cooling water flow rate, the relative humidity becomes too small, so there is no swelling effect on the membrane of the water separator, so only 86, 74% of the acid gas flows out due to the differential pressure rise in the water separator. It became.
[실시 예 2]Example 2
황화수소 흡수탑에서 코크스오븐 가스중 황화수소를 흡수한 흡수액이 탈거탑에 급송되어 탈거탑 상부에서 나오는 2000Nm3/hr인 산성가스(황화수소: 45% 수분: 55% )을 수분투과도가 1×10-8cm3(STP)/cm2seccm-Hg이고, 황화수소/수분 선택투과도가 200인 할로우 파이버형식의 폴리설파이드 멤브레인을 사용한 수분분리장치를 통과한 산성가스의 특성은 하기 [표 2]와 같다.In the hydrogen sulfide absorption tower, the absorbent liquid absorbing hydrogen sulfide in the coke oven gas is fed to the stripping tower and the acidic gas (hydrogen sulfide: 45% water: 55%) of 2000 Nm 3 / hr from the top of the stripping column is water-transmitted at 1 × 10 -8. The characteristics of the acid gas passed through the water separator using a hollow fiber type polysulfide membrane having cm 3 (STP) / cm 2 seccm-Hg and a hydrogen sulfide / water selectivity of 200 are shown in Table 2 below.
[표 2]TABLE 2
상기 [표 2]에서는 상대습도를 변화시키더라도 산성가스중에는 황화수소뿐만 아니라 수분도 다량 함유하고 있는 것으로 보아 수분분리장치의 선택투과도가 중요한 인자인 것을 보여주고 있다.[Table 2] shows that even if the relative humidity is changed, the permeability of the water separation device is an important factor because the acid gas contains a large amount of water as well as hydrogen sulfide.
즉, 시료 2의 경우에는 상대습도가 수분분리장치의 조건에 적합하기는 하지만, 수분분리장치의 선택투과도가 낮으므로 인하여 수분이 다량 함유하고 있다.That is, in the case of Sample 2, although the relative humidity is suitable for the conditions of the water separator, the moisture permeability of the water separator is low, so that it contains a large amount of water.
따라서, 본 발명에 의하면, 열교환기와 멤브레인 수분분리장치를 활용하여 산성가스중의 수분을 제거함으로써, 산성가스의 온도를 최대한 유지하면서 산성가스중의 수분을 제거할 수 있고 또한 탈황공정에서의 에너지절감 효과를 얻을 수가 있다.Therefore, according to the present invention, by removing the moisture in the acid gas by using a heat exchanger and a membrane water separator, it is possible to remove the moisture in the acid gas while maintaining the temperature of the acid gas as much as possible, and also to save energy in the desulfurization process. You can get the effect.
이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명이 속하는 분야의 당업자는 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 요지로부터 벗어나지 않고 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있다는 것을 인식하여야 한다.The foregoing is merely illustrative of the preferred embodiments of the present invention and those skilled in the art to which the present invention pertains may make modifications and changes to the present invention without departing from the spirit and gist of the invention as set forth in the appended claims. It should be recognized.
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