KR101321072B1 - 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조장치 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조장치가 개시된다. 본 발명에 의한 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조장치는 메탄 함유 제철 부생가스의 제1 예비처리장치, 상기 제1 예비처리장치와 이격되어 배치된 이산화탄소 함유 제철 부생가스의 제2 예비처리장치, 상기 제1 예비처리장치에 의해 처리된 메탄 함유 제철 부생가스와 상기 제2 예비처리장치에 의해 처리된 이산화탄소 함유 제철 부생가스를 혼합시킨 혼합가스에 스팀을 공급하는 스팀 발생장치, 상기 스팀이 공급된 혼합가스를 공급받아 개질시켜 일산화탄소를 포함하는 환원가스로 변환시키는 개질 반응장치를 포함한다.
Description
본 발명은 합성가스 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제철 공정가스를 이용한 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조장치에 관한 것이다.
현재 일관 제철소에서 용철을 제조하는 공정은 주로 고로 공법에 의존하고 있으며 대부분 철광석의 환원제로 석탄에서 발생한 CO가스를 사용하고 있다.
한편, 일관 제철공정에서는 CH4/CO/H2를 포함한 다양한 부생가스가 발생되며 대부분 철강 제품생산을 위한 가열기, 전력생산을 위한 발전소등에 사용되고 있으며 사용된 제철 부생가스는 다량의 CO2를 포함한 폐가스 형태로 제철소에서 배출되고 있다.
따라서 현재 일관 제철소에서는 용철 제조공정, 철강제품 생산을 위한 가열공정, 필요전력 수급을 위한 제철소 발전공정에서 대량의 CO2가 발생하고 있다. 예를 들어, 1톤의 철강제품을 생산 하기 위해서는 약 2.18톤의 이산화탄소(CO2)가 발생한다.
현재 제철공정에서의 CO2발생을 줄이기 위해 용철생산 환원제비 저감을 포함한 공정 효율향상의 노력을 하고 있으나 고로 중심의 일관제철 공정의 공정효율은 이미 그 한계치에 도달해 있어 추가적인 CO2 저감이 매우 힘든 상황이다.
한국 공개특허 2010-0107763호(2010.10.06 공개).
본 발명에서는 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 일관 제철공정에서 발생되는 이산화탄소를 메탄과 반응시켜 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)를 포함하는 합성가스 제조장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 제철 공정가스를 이용한 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조장치는 메탄 함유 제철 부생가스의 제1 예비처리장치, 상기 제1 예비처리장치와 이격되어 배치된 이산화탄소 함유 제철 부생가스의 제2 예비처리장치, 상기 제1 예비처리장치에 의해 처리된 메탄 함유 제철 부생가스와 상기 제2 예비처리장치에 의해 처리된 이산화탄소 함유 제철 부생가스를 혼합시킨 혼합가스에 스팀을 공급하는 스팀 발생장치, 상기 스팀이 공급된 혼합가스를 공급받아 개질시켜 일산화탄소 및 수소를 포함하는 가스로 변환시키는 개질 반응장치를 포함한다.
상기 메탄 함유 제철 부생가스는 COG(COKE OVEN GAS)인 것을 특징으로 한다.
상기 이산화탄소 함유 제철 부생가스는 고로 배가스, 파이넥스 공정의 유동환원로 배가스, 제철소 발전설비의 배가스 및 철강제품 생산을 위한 가열로 배가스 및 코크 오븐 가열로 배가스 중에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 이산화탄소 함유 제철 부생가스는 상기 개질 반응장치에서 배출되는 배가스를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 스팀 발생장치는 상기 개질 반응장치에서 배출되는 배가스로부터 열원을 공급받는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 예비처리장치는, 상기 메탄 함유 제철 부생가스를 저장하기 위한 제1 저장챔버, 및 상기 제1 저장챔버로부터 배출된 메탄 함유 제철 부생가스 정제설비를 포함한다.
상기 제1 예비처리장치는, 상기 제1 저장챔버에서 배출된 메탄 함유 제철 부생가스에 메탄을 추가적으로 공급하기 위한 액화천연가스(LNG) 취입 도관, 및 상기 액화천연가스로부터 황을 제거하기 위한 탈황설비를 더 포함한다.
상기 제2 예비처리장치는, 상기 이산화탄소 함유 제철 부생가스를 저장하기 위한 제2 저장챔버, 상기 제2 저장챔버에서 배출된 이산화탄소 함유 제철 부생가스 정제설비를 포함한다.
상기 제2 예비처리장치는, 정제된 상기 이산화탄소 함유 제철 부생가스의 일부 또는 전부로부터 이산화탄소를 분리하기 위한 이산화탄소 분리장치를 더 포함한다.
상기 이산화탄소 분리장치는 상기 개질 반응장치에서 배출되는 배가스로부터 열원을 공급받는 것을 특징으로 한다.
일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조장치는 상기 메탄 함유 제철 부생가스와 이산화탄소 함유 제철 부생가스가 혼합된 혼합가스를 승압하기 위한 승압장치를 더 포함한다.
상기 승압된 혼합가스를 상기 개질 반응장치 내의 반응온도에 적합하도록 승온시키기 위한 승온장치를 더 포함한다.
상기 승온장치는 상기 개질 반응장치에서 배출되는 배가스로부터 열원을 공급받는 것을 특징으로 한다.
상기 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조장치는 상기 개질 반응장치에서 혼합가스를 개질시켜 제조된 일산화탄소 함유 환원가스의 일부 또는 전부로부터 수소를 제조하기 위한 수소 제조장치를 더 포함한다.
상기 수소 제조장치는, 상기 일산화탄소 함유 환원가스의 수소 함량을 증폭시키기 위한 수성가스 시프트 반응기, 및 상기 수소가 증폭된 일산화탄소 함유 환원가스로부터 수소를 분리하기 위한 수소 분리장치를 더 포함한다.
또한, 상기 수소 제조장치는, 개질된 상기 일산화탄소 함유 환원가스를 냉각시키기 위한 열회수장치를 더 포함한다.
상기 수성가스 시프트 반응기는 상기 스팀 발생장치로부터 스팀을공급받는 것을 특징으로 한다.
상기 수소 분리장치에 의해 분리된 수소의 일부는 상기 개질 반응장치에 의해 개질된 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스와 혼합되는 것을 특징으로 한다.
상기 수소 분리장치에서 배출된 이산화탄소 함유 배가스는 상기 이산화탄소 함유 제철 부생가스와 혼합되는 것을 특징으로 한다.
상기 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조장치는 상기 개질 반응장치에 공급되는 상기 혼합가스 중의 메탄, 이산화탄소, 스팀의 몰비율이 0 ≤ H2O/CO2 ≤ 5, 0.1 ≤ (H20+CO2)/CH4 ≤ 5 를 만족시킨다.
본 발명의 일 실시예에 의한 철광석 환원시스템은 상기 합성가스 제조장치에 의해 제조된 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스를 철광석 환원장치에 공급하여 철광석을 환원시킬 수 있다.
상기 철광석 환원장치는 고로(blast furnace) 또는 파이넥스 공정의 유동환원로인 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의한 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조방법은 메탄 함유 제철 부생가스 예비처리하는 단계, 이산화탄소 함유 제철 부생가스 예비처리하는 단계, 예비처리된 상기 메탄 함유 제철 부생가스와 이산화탄소 함유 제철 부생가스를 혼합하여 혼합가스를 생성한 후 일정압력으로 승압하는 단계, 상기 승압된 혼합가스를 일정온도로 승온하는 단계, 상기 승온된 혼합가스를 개질 반응장치에 공급하여 일산화탄소 및 수소를 포함하는 가스로 개질시키는 단계를 포함한다.
상기 메탄 함유 제철 부생가스 예비처리하는 단계는, 메탄 함유 제철 부생가스를 정제하는 단계, 및 상기 정제된 메탄 함유 제철 부생가스에 액화천연가스(LNG)를 혼합하는 단계를 포함한다.
상기 메탄 함유 제철 부생가스는 COG(COKE OVEN GAS)인 것을 특징으로 한다.
상기 이산화탄소 함유 제철 부생가스 예비처리하는 단계는, 이산화탄소 함유 제철 부생가스를 정제하는 단계, 및 상기 정제된 이산화탄소 함유 제철 부생가스의 일부 또는 전부로부터 이산화탄소를 분리하는 단계를 포함한다.
상기 이산화탄소 함유 제철 부생가스는 고로 배가스, 파이넥스 공정의 유동환원로 배가스, 제철소 발전설비의 배가스 및 철강제품 생산을 위한 가열로 배가스 및 코크 오븐 가열로 배가스 중에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 이산화탄소 함유 제철 부생가스는 상기 개질 반응장치에서 배출되는 배가스를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조방법은 상기 승온된 혼합가스에 스팀을 공급하는 단계를 더 포함한다.
상기 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조방법은 개질된 상기 일산화탄소 함유 환원가스의 일부 또는 전부로부터 수소를 제조하는 단계를 더 포함한다.
상기 수소의 제조는 상기 일산화탄소 함유 환원가스를 냉각시키는 단계, 상기 냉각된 일산화탄소 함유 환원가스를 수성가스 시트프 변환하는 단계, 및 상기 수성가스 시트프 변환된 환원가스로부터 수소를 분리하는 단계를 포함한다.
상기 제조된 수소는 상기 개질된 가스와 혼합되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 철광석 환원방법은 상기 제조방법에 의해 제조된 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스를 철광석 환원장치에 공급함으로써 철광석을 환원시킬 수 있다.
상기 철광석 환원장치는 고로 또는 파이넥스 공정의 유동환원로인것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 일관 제철공정에서 발생하는 이산화탄소를 메탄과 반응시켜 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)를 포함하는 합성가스를 제조하여 철광석 환원에 재활용하거나 디메틸에테르(DME) 등의 제조에 이용함으로써 제철소에서 발생하는 이산화탄소 발생량을 대폭 저감할 수 있다.
도 1은 본원발명의 일 실시예에 의한 제철 공정가스를 이용한 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조장치의 계통도를 도시한 도면이다.
도 2는 본원발명에 의한 제철 공정가스를 이용한 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스의 제조공정도이다.
도 3은 본원발명에 다른 실시예에 의한 제철 공정가스를 이용한 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조장치의 계통도를 도시한 도면이다.
도 2는 본원발명에 의한 제철 공정가스를 이용한 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스의 제조공정도이다.
도 3은 본원발명에 다른 실시예에 의한 제철 공정가스를 이용한 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조장치의 계통도를 도시한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 제철 공정가스를 이용한 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조장치에 대하여 설명하기로 한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본원발명의 일 실시예에 의한 제철 공정가스를 이용한 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조장치의 계통도이다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 제철 공정가스를 이용한 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조장치는 메탄 함유 제철 부생가스의 제1 예비처리장치(10), 이산화탄소 함유 제철 부생가스의 제2 예비처리장치(20), 상기 제1 예비처리장치(10)에 의해 처리된 메탄 함유 제철 부생가스와 상기 제2 예비처리장치(20)에 의해 처리된 이산화탄소 함유 제철 부생가스를 혼합시킨 혼합가스에 스팀을 공급하는 스팀 발생장치(30), 상기 스팀이 공급된 혼합가스를 개질시켜 일산화탄소를 포함하는 환원가스로 변환시키는 개질 반응장치(40), 및 상기 일산화탄소를 포함하는 환원가스를 이용하여 철광석을 환원시키는 철광석 환원장치(50)를 포함한다.
상기 제1 예비처리장치(10)는, 상기 메탄 함유 제철 부생가스를 저장하기 위한 제1 저장챔버(13), 및 상기 제1 저장챔버(13)로부터 배출된 메탄 함유 제철 부생가스 정제설비(15)를 포함한다. 상기 메탄 함유 제철 부생가스는 상기 제1 저장챔버(13) 없이 직접 가스 도관을 통해 공급될 수 도 있다.
또한, 상기 제1 예비처리장치(10)는, 상기 제1 저장챔버(13)에서 배출된 메탄 함유 제철 부생가스에 메탄을 추가적으로 공급하기 위한 액화천연가스(LNG) 취입 도관(17), 및 상기 액화천연가스로부터 황을 제거하기 위한 탈황설비(19)를 더 포함할 수 있다.
상기 메탄 함유 제철 부생가스에는 일관 제철공정에서 코크스 오븐 가스(COG; COKE OVEN GAS)와 같은 메탄(CH4)을 다량 함유한 부생가스가 포함된다. 코크스 오븐 가스는 메탄 이외에 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 질소 및 타르(tar) 등을 포함한다.
이러한 부생가스에는 아래에 기술한 개질 반응장치(40) 내의 촉매에 피독물질이 될 수 있는 타르, 황, 더스트(dust) 등이 포함되어 있어 적절한 정제설비(15)를 거쳐 제거하게 된다.
부생가스의 정제에는 건식집진, 습식집진, 사이클론, H2S 제어, BTX 제어 등의 방법이 사용될 수 있다.
한편, 메탄 함유 제철 부생가스를 개질시켜 제조되는 환원가스의 발생량 및 환원가스 중의 환원성 가스(CO, H2)의 비율을 증가시키기 위해 추가적으로 외부에서 공급되는 메탄 함유 가스, 예를 들어 액화천연가스(LNG)를 정제된 메탄 함유 제철 부생가스와 혼합시킬 수 있다.
외부에서 공급되는 액화천연가스(LNG)와 메탄 함유 부생가스의 혼합 비율은 제철소에서 발생하는 부생가스의 수급상황 및 액화천연가스의 수급상황을 고려하여 혼합될 수 있다. 따라서, 제철소 부생가스의 비율이 100%인 경우 또는 외부 공급 액화천연가스가 100%인 경우도 가능하다.
액화천연가스를 공급하는 경우, 액화천연가스에 포함된 황의 제거를 위한 탈황설비(19)가 추가될 수 있다.
상기 제2 예비처리장치는, 상기 이산화탄소 함유 제철 부생가스를 저장하기 위한 제2 저장챔버(23), 상기 제2 저장챔버(23)에서 배출된 이산화탄소 함유 제철 부생가스 정제설비(25)를 포함한다. 상기 이산화탄소 함유 제철 부생가스는 제2 저장챔버(23)에 저장되지 않고 직접 도관(pipe)를 통해 공급될 수 도 있다.
상기 이산화탄소 함유 제철 부생가스는 일관 제철공정에서 발생하는 고로 배가스(blast furnace offgas), 파이넥스(FINEX) 공정의 유동환원로의 배가스, 제철소 발전설비의 배가스, 철강제품 생산을 위한 가열로 배가스, 코크 오븐 가열로 배가스를 포함하며 이러한 배가스에는 다량의 이산화탄소가 포함되어 있다.
상기 이산화탄소 함유 제철 부생가스를 적절한 정제공정을 거쳐 개질 반응장치(40)의 촉매에 피독물질이 될 수 있는 타르, 황, 더스트 등을 제거하게 된다.
또한, 정제된 이산화탄소 함유 부생가스에 철광석의 환원반응에 관여하지 않는 질소 등의 비활성 가스가 많은 경우, 하기에 기술할 개질 반응장치(40)에 의해 개질된 환원가스내의 환원성 가스(CO, H2) 농도를 저하시키고 개질 반응장치(40)에 필요 이상의 많은 열량이 소모되므로 상기 이산화탄소 함유 부생가스의 일부 혹은 전부의 정제된 이산화탄소 함유 제철 부생가스를흡수법, 압력순환흡착(PSA; Pressure Swing Adsorption)법, 멤브레인법 등을 이용한 이산화탄소 분리장치(27)을 이용하여 이산화탄소를 분리한 후 다시 이산화탄소 함유 부생가스와 혼합하는 방법으로 비활성 가스의 농도를 감소시킬 수 있다.
한편, 아민, 암모니아 등을 흡수액으로 이용하는 흡수법으로 이산화탄소를 분리할 경우 흡수액의 재생을 위하여 열량이 필요하며 이러한 열량은 개질 반응장치(40)에서 발생하는 고온의 배가스로부터 적절한 열교환을 통해 공급받을 수 있다.
정제된 상기 메탄 함유 제철 부생가스와 이산화탄소 함유 제철 부생가스를 혼합하여 혼합가스를 생성한 후 압축기를 이용하여 철광석 환원장치(50), 예를 들어 고로(blast furnace), 파이넥스 공정의 유동환원로 운전압력인 3~10Barg 까지 승압시킬 수 있다.
상기 승압된 혼합가스를 히터 및 열교환기를 이용하여 아래에 기술한 개질 반응장치(40)에서의 반응온도인 600~1,000℃ 까지 승온시키게 된다. 이경우, 승온에 필요한 열량의 일부 혹은 전부는 개질 반응장치(40)에서 발생하는 고온의 배가스로부터 적절한 열교환을 통해 공급될 수 있다.
한편, 메탄 함유 제철 부생가스와 이산화탄소 함유 제철 부생가스의 혼합가스를 승압 및 승온을 한 후, 스팀 발생기를 통해 생성된 스팀(steam)을 일부 혼합할 수 있다. 스팀을 메탄과 이산화탄소가 혼합된 혼합가스에 섞게 되면 개질 반응장치(40) 내에서 탄소(carbon)이 촉매층에 침적되는 것을 완화시킬 수 있으며 개질 반응시 수소 발생량이 증가될 수 있다.
스팀의 생산에 필요한 열량의 일부 혹은 전부는 개질 반응장치(40)에서 발생하는 고온의 배가스로부터 적절한 열교환을 통해 공급받을 수 있다.
개질 반응장치(40)로 공급되는 메탄, 이산화탄소, 스팀의 몰 비율은 H2O/CO2의 경우 0 이상 5 이하가 바람직하며 (H20+CO2)/CH4의 경우, 0.1 이상 5 이하가 바람직하다.
여기서, 스팀과 이산화탄소의 비율인 H2O/CO2 를 상기와 같이 한정한 것은 이산화탄소(CO2)의 재활용 측면에서 볼 때 스팀(H2O)을 공급하지않고 이산화탄소(CO2)만으로 메탄과 이산화탄소의 반응을 유도하는 것이 가장 유리하기 때문이다. 즉, H2O/CO2=0 으로 하는 것이 바람직하다.
그러나, CH4/CO2 만으로 반응을 유도하면 촉매층에 카본침적이 심하게 발생하여 반응기 운전에 악영향을 주게 되어 카본 침적을 방지하기위해 수분을 넣어주는 것이 유리하기 때문이다.
또한, H2O/CO2 비율을 5이하까지 상승시키면 촉매층의 카본침적을 충분히 방지할 수 있으나 그 이상으로는 카본 침적의 방지 효과가 포화상태에 이르기 때문이다.
한편, (H2O+CO2)/CH4 비율과 관련하여, 일반적으로 메탄(CH4)과 반응하는 스팀(H2O), 이산화탄소(CO2)의 비율이 높을수록 메탄(CH4)의 전환율이 높아진다. 그러나, 스팀(H2O), 이산화탄소(CO2)의 비율이 메탄(CH4) 대비 과도하게 높으면 공정효율 및 운전비용이 과도하게 증가하게 되므로, (H2O+CO2)/CH4 비율은 0.1이상 5이하인 것이 바람직하다.
개질 반응장치(40)에서의 주요 개질반응은 아래 식과 같다.
CH4 + CO2 → 2CO + 2H2 ···· (1)
CH4 + H2O → CO + 3H2 ···· (2)
제철소에서 발생되는 이산화탄소는 상기 반응식 (1)을 통해 일산화탄소로 재생되어 환원가스로 재활용 가능하므로 제철소 발생 이산화탄소을 대폭 저감시킬 수 있다.
위 반응식 (1), (2)의 개질반응들은 흡열반응이므로 반응에 필요한 열량은 반응기 외부 자켓에서 연료의 연소에 의해 공급될 수 있다. 이때 발생하는 고온의 배가스는 반응기 외부로 배출되어 스팀 발생기, 혼합가스의 승온, 이산화탄소 분리에 필요한 열량으로 사용될 수 있다.
상기 개질 반응장치(40)는 고정층(fixed bed) 또는 유동층 반응기가 사용될 수 있다. 고정층 반응기는 개질 촉매가 반응기 내부에 충진된 상태로 배치되어 있고, 유동층 반응기는 유동반응기 내부에서 촉매가 유동하면서 개질반응이 일어나게 된다.
상기 개질 반응장치내 촉매는 백금, 니켈 계열의 소재가 사용될 수있다.
개질 반응장치(40)에서 생산된 개질 환원가스는 압력 3~10Barg, 온도 600~1,000℃를 유지하고 있어 추가적인 장치없이 고로 및 유동환원로의 환원가스로 사용이 가능하다.
수소 제조장치(80)는, 상기 일산화탄소 함유 환원가스의 수소 함량을 증폭시키기 위한 수성가스 시프트 반응기(83), 및 상기 수소가 증폭된 일산화탄소 함유 환원가스로부터 수소를 분리하기 위한 수소 분리장치(85)를 더 포함할 수 있다.
보다 상세하게, 개질된 환원가스의 일부는 열회수장치(81)를 통해 200~450℃까지 냉각 후 수성가스 시프트 반응기(83)(WGSR; Water Gas Shift Reactor)를 이용하여 환원가스내 수소의 함량을 증폭시킨 후 압력순환흡착(PSA)법 또는 멤브레인법 등을 이용한 수소 분리장치(85)를 통해 수소를 분리시킬 수 있다.
상기 스팀 발생기에서 생산된 스팀은 수성가스 시프트 반응기(83)에 공급되어 수소량을 증폭시킬 수 있다.
수성가스 시프트 반응기(83)에서는 아래 반응식 (3)과 같이 환원가스 내의 일산화 탄소가 스팀과 반응하여 수소와 이산화탄소를 생성하게 된다.
CO + H2O → H2 + CO2 ···· (3)
분리된 수소가스는 외부 수소시장에 공급하거나 개질된 환원가스와 혼합하여 환원가스 내의 수소의 함량을 증대시킬 수 있다.
수소가 다량으로 함유된 환원가스를 고로 또는 파이넥스 공정의 유동환원로에 사용할 경우 수소에 의한 철광석 환원속도 개선으로 용철 및 환원철 생산 속도를 향상시킬 수 있다.
이때, 수소 분리장치(85)에서 발생하는 이산화탄소 함유 배가스는 이산화탄소 함유 제철 부생가스와 혼합되어 개질 환원가스를 생성하는 데 사용될 수 있다.
도 2는 본원발명에 의한 제철 공정가스를 이용한 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스의 제조공정도이다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 제철 공정가스를 이용한 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조방법은 메탄 함유 제철 부생가스 예비처리하는 단계, 이산화탄소 함유 제철 부생가스 예비처리하는 단계, 예비처리된 상기 메탄 함유 제철 부생가스와 이산화탄소 함유 제철 부생가스를 혼합하여 혼합가스를 생성한 후 일정압력으로 승압하는 단계, 상기 승압된 혼합가스를 일정온도로 승온하는 단계, 상기 승온된 혼합가스를 개질 반응장치(40)에 공급하여 일산화탄소 및 수소를 포함하는 가스로 개질시키는 단계를 포함한다.
상기 메탄 함유 제철 부생가스 예비처리하는 단계는, 메탄 함유 제철 부생가스를 정제하는 단계; 및 상기 정제된 메탄 함유 제철 부생가스에 액화천연가스(LNG)를 혼합하는 단계를 포함하는 일산화탄소 및 수소를 포함한다.
이 경우, 상기 메탄 함유 제철 부생가스는 COG(COKE OVEN GAS)인 것을 특징으로 한다.
상기 이산화탄소 함유 제철 부생가스 예비처리하는 단계는, 이산화탄소 함유 제철 부생가스를 정제하는 단계; 및 상기 정제된 이산화탄소 함유 제철 부생가스의 일부 또는 전부로부터 이산화탄소를 분리하는 단계를 포함한다.
상기 이산화탄소 함유 제철 부생가스는 고로 배가스, 파이넥스 공정의 유동환원로 배가스, 제철소 발전설비의 배가스 및 철강제품 생산을 위한 가열로 배가스 및 코크 오븐 가열로 배가스 중에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 이산화탄소 함유 제철 부생가스는 상기 개질 반응장치에세 배출되는 배가스를 더 포함한다.
상기 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조방법은 상기 승온된 혼합가스에 스팀을 공급하는 단계를 더 포함한다.
또한, 상기 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조방법은 개질된 상기 일산화탄소 함유 환원가스의 일부 또는 전부로부터 수소를 제조하는 단계를 더 포함한다.
상기 수소의 제조는 상기 일산화탄소 함유 환원가스를 냉각시키는 단계; 상기 냉각된 일산화탄소 함유 환원가스를 수성가스 시트프 변환하는 단계; 및 상기 수성가스 시트프 변환된 환원가스로부터 수소를 분리하는 단계를 포함한다.
상기 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스(syngas)는 철광석 환원을 위한 환원가스 또는 디메틸에테르(DME)의 제조에 사용될 수 있다.
도 3은 본원발명의 일 실시예에 의한 제철 공정가스를 이용한 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스를 이용하여 철광석을 환원하는 철광석 환원시스템을 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 철광석 환원방법은 상기 합성가스 제조방법에 의해 제조된 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스를 철광석 환원장치에 공급하여 철광석을 환원시킬 수 있다.
또한, 상기 철광석 환원장치는 고로 또는 파이넥스 공정의 유동환원로인 것을 특징으로 한다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 제1 예비처리장치, 13 : 제1 저장챔버, 15 : 정제설비, 17 : 액화천연가스 취입도관, 19 : 탈황설비, 20 : 제2 예비처리장치, 23 : 제2 저장챔버, 25 : 정제설비, 27 : 이산화탄소 분리장치, 30 : 스팀 발생장치, 40 : 개질 반응장치, 50 : 철광석 환원장치, 60 : 승압장치, 70 : 승온장치, 80 : 수소 제조장치, 81 : 열회수장치, 83 : 수성가스 시프트 반응기, 85 : 수소 분리장치
Claims (37)
- 메탄 함유 제철 부생가스의 제1 예비처리장치;
상기 제1 예비처리장치와 이격되어 배치된 이산화탄소 함유 제철 부생가스의 제2 예비처리장치;
상기 제1 예비처리장치에 의해 처리된 메탄 함유 제철 부생가스와 상기 제2 예비처리장치에 의해 처리된 이산화탄소 함유 제철 부생가스를 혼합시킨 혼합가스에 스팀을 공급하는 스팀 발생장치; 및
상기 스팀이 공급된 혼합가스를 공급받아 개질시켜 일산화탄소 및수소를 포함하는 가스로 변환시키는 개질 반응장치를
포함하는 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 메탄 함유 제철 부생가스는 COG(COKE OVEN GAS)인 것을 특징으로 하는 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 이산화탄소 함유 제철 부생가스는 고로 배가스, 파이넥스 공정의 유동환원로 배가스, 제철소 발전설비의 배가스, 철강제품 생산을 위한 가열로 배가스 및 코크 오븐 가열로 배가스 중에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조장치. - 제 3 항에 있어서,
상기 이산화탄소 함유 제철 부생가스는 상기 개질 반응장치에서 배출되는 배가스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 스팀 발생장치는 상기 개질 반응장치에서 배출되는 배가스로부터 열원을 공급받는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 예비처리장치는,
상기 메탄 함유 제철 부생가스를 저장하기 위한 제1 저장챔버; 및
상기 제1 저장챔버로부터 배출된 메탄 함유 제철 부생가스 정제설비를 포함하는 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조장치. - 제 6 항에 있어서,
상기 제1 예비처리장치는,
상기 제1 저장챔버에서 배출된 메탄 함유 제철 부생가스에 메탄을추가적으로 공급하기 위한 액화천연가스(LNG) 취입 도관; 및
상기 액화천연가스로부터 황을 제거하기 위한 탈황설비를 더 포함하는 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제2 예비처리장치는,
상기 이산화탄소 함유 제철 부생가스를 저장하기 위한 제2 저장챔버;
상기 제2 저장챔버에서 배출된 이산화탄소 함유 제철 부생가스 정제설비를 포함하는 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조장치. - 제 8 항에 있어서,
상기 제2 예비처리장치는,
정제된 상기 이산화탄소 함유 제철 부생가스의 일부 또는 전부로부터 이산화탄소를 분리하기 위한 이산화탄소 분리장치를 더 포함하는 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조장치. - 제 9 항에 있어서,
상기 이산화탄소 분리장치는 상기 개질 반응장치에서 배출되는 배가스로부터 열원을 공급받는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 메탄 함유 제철 부생가스와 이산화탄소 함유 제철 부생가스가 혼합된 혼합가스를 철광석 환원장치의 조업압력으로 승압하기 위한 승압장치를 더 포함하는 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조장치. - 제 11 항에 있어서,
상기 승압된 혼합가스를 상기 개질 반응장치 내의 반응온도에 적합하도록 승온시키기 위한 승온장치를 더 포함하는 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조장치. - 제 12 항에 있어서,
상기 승온장치는 상기 개질 반응장치에서 배출되는 배가스로부터 열원을 공급받는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 개질 반응장치에서 혼합가스를 개질시켜 제조된 일산화탄소 함유 환원가스의 일부 또는 전부로부터 수소를 제조하기 위한 수소 제조장치를 더 포함하는 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조장치. - 제 14 항에 있어서,
상기 수소 제조장치는,
상기 일산화탄소 함유 환원가스의 수소 함량을 증폭시키기 위한 수성가스 시프트 반응기; 및
상기 수소가 증폭된 일산화탄소 함유 환원가스로부터 수소를 분리하기 위한 수소 분리장치를 더 포함하는 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조장치. - 제 15 항에 있어서,
상기 수소 제조장치는,
개질된 상기 일산화탄소 함유 환원가스를 냉각시키기 위한 열회수장치를 더 포함하는 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조장치. - 제 15 항에 있어서,
상기 수성가스 시프트 반응기는 상기 스팀 발생장치로부터 스팀을공급받는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조장치. - 제 15 항에 있어서,
상기 수소 분리장치에 의해 분리된 수소의 일부는 상기 개질 반응장치에 의해 개질된 일산화탄소 함유 환원가스와 혼합되어 상기 철광석 환원장치에 공급되는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조장치. - 제 15 항에 있어서,
상기 수소 분리장치에 의해 분리된 수소의 일부는 철광석 환원을 위한 용도 이외에 사용되기 위해 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조장치. - 제 15 항에 있어서,
상기 수소 분리장치에서 배출된 이산화탄소 함유 배가스는 상기 이산화탄소 함유 제철 부생가스와 혼합되는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조장치. - 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 개질 반응장치에 공급되는 상기 혼합가스 중의 메탄, 이산화탄소, 스팀의 몰비율은 아래의 식 (1), (2)를 만족시키는 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조장치.
0 ≤ H2O/CO2 ≤ 5 ···· (1)
0.1 ≤ (H20+CO2)/CH4 ≤ 5 ···· (2) - 제 1 항 내지 제 20항 중 어느 한 항에 의한 합성가스 제조장치에 의해 제조된 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스를 철광석 환원장치에 공급하여 철광석을 환원시키는 철광석 환원시스템.
- 제 22 항에 있어서,
상기 철광석 환원장치는 고로(blast furnace) 또는 파이넥스 공정의 유동환원로인 것을 특징으로 하는 철광석 환원시스템. - 메탄 함유 제철 부생가스 예비처리하는 단계;
이산화탄소 함유 제철 부생가스 예비처리하는 단계;
예비처리된 상기 메탄 함유 제철 부생가스와 이산화탄소 함유 제철 부생가스를 혼합하여 혼합가스를 생성한 후 일정압력으로 승압하는 단계;
상기 승압된 혼합가스를 일정온도로 승온하는 단계; 및
상기 승온된 혼합가스를 개질 반응장치에 공급하여 일산화탄소 함유 환원가스로 개질시키는 단계를
포함하는 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조방법. - 제 24 항에 있어서,
상기 메탄 함유 제철 부생가스 예비처리하는 단계는,
메탄 함유 제철 부생가스를 정제하는 단계; 및
상기 정제된 메탄 함유 제철 부생가스에 액화천연가스(LNG)를 혼합하는 단계를 포함하는 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조방법. - 제 25 항에 있어서,
상기 메탄 함유 제철 부생가스는 COG(COKE OVEN GAS)인 것을 특징으로 하는 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조방법. - 제 24 항에 있어서,
상기 이산화탄소 함유 제철 부생가스 예비처리하는 단계는,
이산화탄소 함유 제철 부생가스를 정제하는 단계; 및
상기 정제된 이산화탄소 함유 제철 부생가스의 일부 또는 전부로부터 이산화탄소를 분리하는 단계를 포함하는 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조방법. - 제 27 항에 있어서,
상기 이산화탄소 함유 제철 부생가스는 고로 배가스, 파이넥스 공정의 유동환원로 배가스, 제철소 발전설비의 배가스 및 철강제품 생산을 위한 가열로 배가스 및 코크 오븐 가열로 배가스 중에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조방법. - 제 28 항에 있어서,
상기 이산화탄소 함유 제철 부생가스는 상기 개질 반응장치에세 배출되는 배가스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조방법. - 제 24 항에 있어서,
상기 승온된 혼합가스에 스팀을 공급하는 단계를 더 포함하는 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조방법. - 제 24 항에 있어서,
개질된 상기 일산화탄소 함유 환원가스의 일부 또는 전부로부터 수소를 제조하는 단계를 더 포함하는 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조방법. - 제 31 항에 있어서,
상기 수소의 제조는 상기 일산화탄소 함유 환원가스를 냉각시키는 단계;
상기 냉각된 일산화탄소 함유 환원가스를 수성가스 시트프 변환하는 단계; 및
상기 수성가스 시트프 변환된 환원가스로부터 수소를 분리하는 단계를 포함하는 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조방법. - 제 24 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 개질 반응장치에 공급되는 상기 혼합가스 중의 메탄, 이산화탄소, 스팀의 몰비율은 아래의 식 (1), (2)를 만족시키는 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스 제조방법.
0 ≤ H2O/CO2 ≤ 5 ···· (1)
0.1 ≤ (H20+CO2)/CH4 ≤ 5 ···· (2) - 제 24 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 의한 합성가스 제조방법에 의해 제조된 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스를 철광석 환원장치에 공급하여 철광석을 환원시키는 철광석 환원방법.
- 제 34 항에 있어서,
상기 철광석 환원장치는 고로 또는 파이넥스 공정의 유동환원로인 것을 특징으로 하는 철광석 환원방법. - 제 21 항에 의한 합성가스 제조장치에 의해 제조된 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스를 철광석 환원장치에 공급하여 철광석을 환원시키는 철광석 환원시스템.
- 제 33 항에 의한 합성가스 제조방법에 의해 제조된 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스를 철광석 환원장치에 공급하여 철광석을 환원시키는 철광석 환원방법.
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