KR101302602B1 - 제철 폐기물 및 폐열로부터 수소 및/또는 다른 가스를생성하는 방법 - Google Patents

제철 폐기물 및 폐열로부터 수소 및/또는 다른 가스를생성하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제철 슬래그(steel plant slag) 및 폐기물을 이용한 물의 열-화학적 분해에 의한 수소가스 생산장치에 관한 것으로서, 물의 열-화학적 분해에 의해 수소를 생성하기 위해 슬래그와 탄소질 플럭스에 물을 첨가하는 과정을 포함하는 물로부터 수소가스를 생산하는 신규한 방법에 관한 것이다.
슬래그, 물 분해, 수소, 재생, 플럭스

Description

제철 폐기물 및 폐열로부터 수소 및/또는 다른 가스를 생성하는 방법{A METHOD FOR PRODUCING HYDROGEN AND/OR OTHER GASES FROM STEEL PLANT WASTES AND WASTE HEAT}
본 발명은 제철 폐기물 및 폐열로부터 수소 및/또는 다른 가스를 생성하기 위한 방법에 관한 것이다. 생성된 가스 스트림(stream)은 또한 수소, 일산화탄소 및 다른 가스들을 포함한다.
석유, 천연가스 및 석탄과 같은 재생 불가능한(non-renewable) 에너지원의 사용 및 소모가 증가함에 따라 실용가능한 대체연료로써 수소에 대한 관심이 증대되고 있다. 수소가스를 분리 및 수집하기 위한 다수의 공정이 있다. 이들 공정 중 가장 널리 알려진 공정은 전기분해와 고온의 핵반응 또는 석유공정플랜트(petroleum processing plants)를 이용하여 물을 수소 및 산소로 분해하는 것이다. 이러한 공정들은 전기분해 또는 황산(sulphuric acid), 옥소화 수소(hydrogen iodide), 금속아연(metallic zinc) 및 산화아연(zinc oxide)과 같은 폐루프(closed-loop) 재생 및 처리를 요하는 다른 화학약품(chemicals)의 사용을 수반하기 때문에 고비용이 소요된다.
제철 플랜트에서, 1600 내지 1700℃의 온도하에서 LD 슬래그로 지칭되는 전로(basic oxygen converters)로부터 생성된 용융 슬래그와 같은 폐기물은 제거(removal) 및 추가의 공정을 위해 구덩이에 매립된다. 본 발명에서 이러한 폐기물의 열은 수소가스 또는 수소 및 일산화탄소를 포함하는 가스 스트림을 생성하는데 이용될 수 있다.
따라서, 본 발명의 주된 목적은 환원제(reducing agent)의 존재하에 물 및/또는 스팀 또는 이들(물과 스팀)의 혼합물을 분해함으로써 수소를 생성하기 위해 용융 슬래그와 같은 제철 폐기물의 열을 사용하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 탄소질 물질의 존재하에 물 또는 스팀 또는 이들(물과 스팀)의 혼합물을 분해함으로써 수소, 일산화탄소 및/또는 다른 가스를 생성하기 위해 제철 폐기물을 사용하는 것이다.
물은 1800°K, 즉, 1527℃의 온도에서 수소와 산소로 분해된다. 본 발명에서 물 및/또는 스팀은 용융 슬래그(molten slags)와 같은 제철 폐기물에서 얻을 수 있는 열을 사용함으로써 수소 및 산소로 분해될 수 있다.
용융 슬래그의 폐기물은 탈황(desulphurisation), 전로, 전기 아크로(EAF), 고로 슬래그(blast furnace slag), SAF(submerged arc furnace) 내의 크롬철 및 망간철 슬래그 또는 이들의 혼합물을 포함한다.
반응장치 내에서 물 및/또는 스팀은 예를 들면, 탄소질 물질과 같은 환원제의 존재하에 용융 슬래그와 접촉한다.
FeO 및/또는 석탄(coal), 코크스(coke) 또는 내화성블록(refractory blocks) 형태의 탄소와 같은 다른 환원제의 존재는 수소생성공정을 증강한다. 작업 온도(operating temperature)(1500℃ 이상)에서 여전히 수소는 산소와 재결합하여 물을 형성할 수 있다. 그러나, 슬래그 내에 존재하는 FeO는 산소와 반응하여 Fe2O3 및 Fe3O4와 같은 높은 원자가의 산소(higher valence oxides)를 형성한다.
슬래그 바로 근처에서 산소의 열역학반응은 감소하며, 따라서 수소와 산소의 재결합 기회를 감소시킨다. 탄소(석탄, 코크스 또는 내화재 블록 형태)와 같은 강한 탈산제의 존재는 산소의 이동역학을 증대시키며 또한 수소생성공정의 효율을 개선한다. 폐기물은 탄소질 물질과 같은 환원제로서 제강 플랜트에서 풍부하게 입수가능하며, 반응장치 내에서 환원제의 존재하에 물 및/또는 스팀을 용융 슬래그와 접촉시킴으로써 수소의 생성을 돕는데 이용된다.
따라서 본 발명은 반응장치 내에 용융 슬래그와 같은 제강 플랜트로부터 입수한 용융 폐기물을 제공하는 과정과; 환원제의 존재하에 상기 용융 슬래그를 물 및/또는 스팀과 접촉시켜 수소 및/또는 다른 가스의 스트림을 생성하는 과정; 및 상기 반응장치로부터 수소 및/또는 다른 가스를 추출하는 과정을 포함하는 제철 폐기물 및 폐열로부터 수소 및/또는 다른 가스들을 생성하기 위한 방법을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 제철 폐기물 및 제철 폐기물의 폐열을 이용하여 가스의 스트림을 생성하기 위한 장치의 개략도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
물 및/또는 스팀은 LD 슬래그 또는 다른 제철 폐기물 위에 1600℃ 이상의 온도로 분사된다. 상기 물은 예를 들면, 정전기 반응장치 내부 또는 레이들 내부 또는 포트(1) 내부 또는 그라운드 위(on ground)에 있는 정지된 것이거나 움직이는 것(예를 들면, 쏟아 부어지거나 상하로 기울어져 흐르거나 또는 컨베이어 위에 있다)이다. 송수관(3)을 통해 분사된 물은 고온의 슬래그와 접촉하는 즉시 분해된다. 방출가스는 상부영역에 위치하고 있는 후드(2)를 통해 유입되어 가스수집 파이프(4)를 이용하여 수집된다.
물이 용융 슬래그 내로 분사되는 동안 반응장치 내에서 용융 슬래그의 바람직한 온도는 1250℃보다 높다.
물 분해에 의해 생성된 산소는 일산화탄소 형성에 기여하는 탄소와 반응할 것이다. 이어서 수소 및 일산화탄소를 포함하는 가스 스트림은 반응장치로부터 수집될 수 있다.
본 발명에서 가스 스트림 생성물은 1:0.2 내지 1:1 부피비의 수소 및 일산화탄소를 포함한다.
상기 반응장치 내에서 생성된 가스 스트림은 적어도 10 부피%의 수소가스 및 15 부피% 이하의 이산화탄소를 포함한다.
다른 실시예에서, 추출된 가스 스트림은 1:1 내지 약 8:1 비율의 수소 및 일산화탄소를 포함할 수 있다.
재생을 위해 가스 스트림으로부터 물을 추출할 수 있다.
물은 분사노즐을 사용한 물 분사에 의해 반응장치 내에서 용융 슬래그와 접촉한다. 랜스를 사용하여 상기 반응장치 내의 용융 슬래그 내로 스팀을 또한 주입할 수 있다.
환원제 또는 탄소질 물질을 물 및/또는 스팀과 함께 반응장치 내의 용융 슬래그 내로 주입할 수 있다.
상기 용융 금속 내로 주입될 상기 탄소질 물질은 석탄, 코크스, 강철 플랜트 폐기물, 생활폐기물 및 석탄광산 유래의 석탄 폐기물(waste coal from coal mines)로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질을 포함할 수 있다. 주입된 탄소질 물질에 대한 물의 비율은 약 1:0.1 내지 1:1이다.
수소생성을 촉진하기 위해 상기 용융 슬래그 및 탄소질 물질에 플럭스를 첨가할 수 있다.
본 발명에 의해 생성된 수소 및/또는 다른 가스의 스트림으로부터 상기 수소 및 일산화탄소를 분리할 수 있다.
강철 플랜트 및 강철 플랜트의 폐열의 사용은 수소 또는 수소 및 일산화탄소를 생성하기 위한 비용효율이 높은 방법이다. 세계적으로 연간 생성되는 9000만 톤의 LD 슬래그를 수소가스를 공급하는 주원료로 사용할 수 있다.

Claims (19)

  1. 수소를 포함하는 가스들의 스트림을 생성하는 방법에 있어서,
    반응장치 내에 제철 공장으로부터의 용융 폐기물인 FeO를 함유하는 용융 슬래그를 공급하는 과정과;
    환원제의 존재하에 상기 용융 슬래그를 물 또는 스팀, 또는 물과 스팀의 혼합물과 접촉시켜서 슬래그 내의 FeO를 물 또는 스팀, 또는 물과 스팀의 혼합물로부터 유래한 산소와 반응시킴으로써, 수소를 포함하는 가스들의 스트림을 생성하는 접촉과정; 및
    생성된 가스들의 스트림을 상기 반응장치로부터 추출하는 과정으로서 상기 생성된 가스들의 스트림 내의 수소:일산화탄소의 부피비가 1:0.2 내지 1:1 범위내인 과정을 포함함을 특징으로 하는 수소를 포함하는 가스들의 스트림을 생성하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 용융 슬래그는
    제강 탈황(desulphurisation) 슬래그, 제강 전로 슬래그, SAF(submerged arc furnace) 내의 크롬철 또는 망간철 슬래그 중 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 수소를 포함하는 가스들의 스트림을 생성하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 접촉과정은
    분사노즐을 사용하여 상기 용융 슬래그에 물 또는 스팀, 또는 물과 스팀의 혼합물을 분사하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 수소를 포함하는 가스들의 스트림을 생성하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 물의 분사 과정 동안 상기 용융 슬래그의 온도는 1250℃보다 높은 것을 특징으로 하는 수소를 포함하는 가스들의 스트림을 생성하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 접촉과정은
    랜스를 사용하여 상기 용융 슬래그에 스팀을 주입하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 수소를 포함하는 가스들의 스트림을 생성하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 접촉과정은
    상기 용융 슬래그에 물 또는 스팀, 또는 물과 스팀의 혼합물을 분사하면서 반응장치 내로 환원제를 주입하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 수소를 포함하는 가스들의 스트림을 생성하는 방법.
  7. 삭제
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  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 6 항에 있어서, 상기 환원제는
    석탄, 코크스, 및 석탄광산 유래의 석탄 폐기물로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질을 포함하는 탄소질 물질인 것을 특징으로 하는 수소를 포함하는 가스들의 스트림을 생성하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 탄소질 물질에 대한 물의 중량비는 1:0.1 내지 1:1임을 특징으로 하는 수소를 포함하는 가스들의 스트림을 생성하는 방법.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 반응장치에서 추출된 상기 가스들의 스트림은
    적어도 10 부피%의 수소를 포함함을 특징으로 하는 수소를 포함하는 가스들의 스트림을 생성하는 방법.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 반응장치에서 추출된 상기 가스들의 스트림은
    15 부피% 이하의 이산화탄소를 포함함을 특징으로 하는 수소를 포함하는 가스들의 스트림을 생성하는 방법.
  19. 삭제
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