KR101455886B1 - 황산 생산 방법 및 이 방법을 수행하기 위한 설비 - Google Patents

황산 생산 방법 및 이 방법을 수행하기 위한 설비 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 황산 회수 플랜트에서 생성된 SO2 함유 원가스가 SO2에서 SO3로의 촉매 반응이 발생하는 적어도 하나의 반응기를 통과하도록 하고, 이에 의해 형성된 SO3을 황산으로 전환하는 황산 생산 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 황산 회수 플랜트에서 유출되는 가스 스트림의 적어도 일부의 스트림을 후처리 스테이지에서 H2 풍부 가스에 의해 수소화한다. 수소화에 의해 형성된 H2S 함유 가스 스트림을 코크스 오븐 플랜트나 석유화학 플랜트의 H2S 가스 스크루버 내로 주입한다. 본 발명은 또한 그러한 방법을 수행하기 위한 설비에 관한 것이다.
Figure R1020097021062
황산, 회수, 촉매, 황화수소, 석유화학 플랜트, 코크스 오븐 플랜트

Description

황산 생산 방법 및 이 방법을 수행하기 위한 설비{METHOD FOR PRODUCING SULPHURIC ACID AND INSTALLATION FOR CARRYING OUT SAID METHOD}
본 발명은, 황산 회수 플랜트에서 생성된 SO2 함유 원가스(raw gas)가, SO2가 SO2에서 SO3로의 촉매 반응을 겪게 되는 적어도 하나의 반응기를 통과하도록 하고, 이에 의해 형성된 SO3을 황산으로 전환하는 황산 생산 방법에 관한 것이다.
원가스는 예를 들면 코크스 오븐 가스(coke-oven gas)의 정제 중에 축적되는 황화수소 함유 폐가스의 연소 또는 촉매 전환에 의해 생성될 수 있다. 이 원가스는 주로 SO2 함량이 3 내지 12%(v/v)이다. 이러한 원가스는 통상 폐열 보일러에서 냉각되고, 선택적으로는 공기에 의해 O2/SO2의 초과 화학양론적 비율(superstoichiometric ratio)을 달성하도록 희석된다. SO3을 생성하기 위한 SO2의 발열 반응은 400 내지 650℃의 온도에서 촉매, 예를 들면 V2O5 촉매에 의해 발생한다. 이렇게 형성된 SO3은 냉각되어, 흡수 장치 내의 농축 황산에 흡수된다. 문헌상에서 접촉식 방법으로도 지칭되고 있는 공지의 방법에서, SO2와 황산 미스트 형 태의 SO3이 실질적 배출물로서 발생한다. SO2 배출물은 SO2에서 SO3으로의 불완전한 전환으로 초래된다. 전환되지 않은 SO2는 단지 흡수 장치에 의해 매우 소량만이 흡수된다. SO2 배출물은 이 배출물을 감소시키려는 적절한 조치가 취해지지 않는다면 3000㎎/N㎥에 이를 수 있다.
SO2 배출물을 감소시키기 위한 다양한 방법이 공지되어 있다. O2/SO2의 높은 비율은 대체로 보다 낮은 온도 수준에서 SO2의 전환을 열역학적으로 촉진시킬 수 있다. 세슘 도핑 촉매를 사용하면 그러한 전환을 개선시키고 SO2 배출물을 줄일 수 있다. 마지막으로, 전환 정도를 향상시키기 위해, 촉매 스테이지의 개수를 증가시키거나, 중간 흡수 장치를 최종 촉매 스테이지 전에 마련할 수 있다. 그러나, 몇몇 경우에 황산 회수 플랜트의 운용 비용은 전술한 방법에 의해 상당히 증가한다. 게다가, 그러한 방법들은 공정 기술 및 플랜트 기술의 측면에서 복잡하며, 기존의 황산 회수 플랜트를 제한된 정도로 개장(改裝)하는 데에만 적합하다. 황산 회수 플랜트에서 SO2 배출물을 감소시키기 위한 공지의 방법의 개요는 H. Wiesenberger의 "State of the art in sulfuric acid production"[Monographs, Vol. 137 (2001), 7 내지 23 페이지, ISBN 3-8557-583-1]이라는 문헌에 제시되어 있다.
SO2를 분리하는 데에 있어서, 고도의 분리가 달성되는 발전소, 쓰레기 소각 플랜트 및 산업 설비에서는 석고 현탁 스크루버가 이용되고 있다. 하류측에 황산 회수 플랜트를 구비하고 있는 코크스 오븐 플랜트나 석유화학 플랜트에서는 일반적으로 석고 현탁 스크루버가 이용될 수 없다. SO2 배출물은 코크스 오븐 가스의 정제 플랜트의 H2S 스크루버 또는 석유화학 플랜트의 상응하는 가스 스크루버 내로 도입될 수 없는데, 이는 생성되는 염이 통상의 코크스 오븐 가스 정제 시스템의 하류측 스테이지 또는 석유화학 플랜트에서의 상응하는 장비를 방해하기 때문이다.
독일 특허 제26 58 208호에서 개시하고 있는 탄화수소의 연소 중에 생성된 폐가스로부터 황 산화물을 제거하는 방법에서는 폐가스 내에 함유된 황 산화물을 촉매 전환 구역에서 황화수소로 환원시키고 있다. 이 황화수소는 폐가스 스트림으로부터 추출되어, 정제된 폐가스 스트림은 단지 적은 양의 황만을 함유하게 된다.
미국 특허 제2,992,884호에서는 황산 생산으로부터의 잔류 가스를 수소에 의해 환원시키는 것을 개시하고 있다.
독일 특허 제21 66 916호[GB 1,344,471]로부터 공지된 방법에서는 폐가스를 황의 촉매 수소화에 의해 정제하고 있는데, 수소의 화학양론적 양을 이용하여 폐가스 내에 함유된 이산화황을 H2S로 전환하고 수성 알칼리 용액에서의 흡수 후에 황으로 전환하고 있다.
미국 특허 제4,919,912호에서는 SO2 함유 가스 스트림을 클라우스 반응(Claus reaction)이 일어나는 반응 구역을 통과시켜 원소 황을 형성하는 방법을 개시하고 있다. 가스 스트림이 클라우스 반응을 위해 초과 화학양론적 양의 SO2를 함유하고 있고 있기 때문에, 이러한 클라우스 반응으로부터의 폐가스는 과잉의 SO2를 황화수소로 전환시키는 수소화 영역에 공급된다. 황화수소는 유출 가스로부터 추출되어 다시 전술한 반응 구역으로 공급되어, 클라우스 반응에 의해 황을 생성하는 데에 이용될 수 있다.
본 발명의 목적은 황산 회수 플랜트에서 발생하는 SO2 배출물을 가능한 한 완전히 제거하는 데에 있다. 특히, 본 발명은 코크스 생산 공정 및 석유화학 플랜트에서의 기존의 황산 회수 플랜트를 이에 활용할 수 있는 가스 스크루버를 이용하여 개장할 수 있게 할 것이다. 신규의 플랜트의 계획 시에, 높은 수율 및 에너지 효율로 농축 황산을 생산할 수 있도록 하는 데에 본 발명의 방법이 기여할 것이다.
본 발명의 대상은 물론 전술한 목적을 달성할 하기 위한 해법은, 황산 회수 플랜트에서 생성된 SO2 함유 원가스가 SO2에서 SO3로의 촉매 반응이 발생하는 적어도 하나의 반응기를 통과하도록 하고, 이에 의해 형성된 SO3을 황산으로 전환하는 황산 생산 방법으로서, 황산 회수 플랜트에서 유출되는 가스 스트림의 SO2 배출물을 감소시키기 위해, 황산 회수 플랜트에서 유출되는 SO2 함유 가스의 적어도 일부의 스트림을 H2 풍부 가스에 의해 수소화(hydrogenation)시키고, 이 수소화로 형성된 H2S 함유 가스 스트림을 코크스 오븐 플랜트나 석유화학 플랜트의 H2S 스크루버 내로 주입하는 것인 황산 생산 방법이다. 본 발명에 따른 방법에 있어서, H2S 함유 가스 스트림은 코크스 오븐 플랜트 및 석유화학 플랜트에서 가스 정제를 위해 통상 마련된 H2S 가스 스크루버 내로 다시 주입된다. 본 발명에 따른 방법은, 코크스 생산 공정 및 석유화학 플랜트에서의 기존의 황산 회수 플랜트를 개장하는 데에 적합하며, 가스와 관련하여 황산 회수 플랜트가 거의 배출물 없이 작동하게 할 수 있다.
황산 회수 플랜트가 코크스 오븐 플랜트 공정의 일부분인 경우, 코크스 오븐 가스가 SO2 배출물을 수소화하는 데에 이용될 수 있다. 게다가, 수소화에 의해 형성된 H2S 함유 가스를 코크스 오븐 가스를 위한 정제 플랜트의 H2S 가스 스크루버로 다시 재순환시킬 수도 있다.
가스 스트림은 바람직하게는 수소화 반응기로 유입되기 전에, 그 수소화 반응기로부터 유출되는 가스 스트림과 열교환에 의해 가열된다.
SO2 함유 원가스는 특히 코크스 오븐 가스의 정제 중에 축적되는 황화수소 함유 가스의 연소 또는 촉매 전환에 의해 생성될 수 있다. 본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예에 따르면, 황산 회수 플랜트에서 유출되는 SO2 배출물을 함유한 가스 스트림은 제1 부분 스트림과 제2 부분 스트림으로 나눠져, 제1 부분 스트림은 SO2 함유 가스 원가스로 재순환되며, 제2 부분 스트림은 전술한 후처리 스테이지에 주입되어, H2 풍부 가스에 의해 수소화된다. 황산 수율은 황산 회수 플랜트에서 유출되는 가스 스트림을 부분적으로 SO2 함유 원가스 스트림으로 재순환시킴으로써 개선될 수 있다. 본 발명에 따른 SO2 배출물의 원가스 스트림으로의 부분적 재순환은 구체적으로는 황산 회수의 효율을 양호하게 유지하면서 보다 낮은 정도의 SO2에서 SO3으로의 촉매 전환 반응을 허용할 수 있다는 다른 이점을 갖는다. 게다가, 이는 SO2 배출물의 일부를 원가스로 다시 재순환시킴으로써, 원가스 내에 낮은 수분 함량이 달성되어, 황산의 농도를 증진시키고 고농축 황산을 얻는 데에 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 다른 유리한 실시예에서는, SO2 함유 원가스를 황화수소 함유 가스의 2단 연소에 의해 생성하고, 제1 부분 스트림을 제2 연소 스테이지 전에 원가스에 주입한다. SO2의 촉매 전환에 의해 형성된 SO3은 흡수 장치 내의 농축 황산에 적절히 흡수된다.
본 발명은 또한 본 발명의 방법을 수행하기 위한 청구항 7에 따른 설비에 관한 것이다. 이 설비의 바람직한 실시예는 청구항 8 및 9에 기재되어 있다.
이하, 예시적인 실시예를 참조하여 본 발명을 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 방법의 흐름도이다.
도 2는 추가로 SO2 함유 원가스 내로 SO2 배출물을 부분적으로 재순환시키고 있는 도 1의 방법을 나타내는 도면이다.
SO2 함유 원가스를 처음에 생성하는 황산 회수 플랜트(1)를 가정한다. SO2 함유 원가스(2)는 산성 가스 성분을 함유한 공기 스트림(4)과 함께 연소로(5)에 주 입되는 황화수소 함유 폐가스(3)의 초과 화학양론적 연소에 의해 생성된다. 도시한 실시예에서, 연소는 2개의 연속하는 연소 챔버(6, 6')에서 수행되며, 여기서 O2/SO의 초과 화학양론적 비율을 달성하도록 선택적으로 가스 스트림이 공기(7)에 의해 희석된다. 고온의 SO2 함유 원가스(2)는 냉각기(8)에서 냉각되어, 직렬로 연결된 복수의 반응기(9)에 주입되며, 여기서 SO2에서 SO3으로의 발열 촉매 반응이 예를 들면 V2O2 촉매에 의해 일어난다. 스테이지들 사이에서 가스가 열교환기(10)에 의해 다음 촉매 스테이지의 입구 온도로 냉각된다. SO2 풍부 가스 스트림(11)이 형성되어 농축 황산에 의해 작용하는 흡수 장치(12)에 공급된다. 황산을 위한 액체 회로(13)가 흡수 장치(12)에 마련된다. 황산은 흡수 장치(12)의 저부로부터 취출되고 냉각되어 그 상부로 돌려 보내진다. 가스로부터의 SO2는 농축 황산에 흡수된다. 흡수된 양에 상응하는 황산의 부분 스트림(14)은 생성물 스트림으로서 방출된다. 물(15)이 액체 회로에 공급되어, 황산의 농도를 조절할 수 있다.
흡수 장치(12)로부터 유출되는 가스 스트림(16)은 SO2 배출물을 함유한다. 촉매 스테이지(9)의 구조에 따라, 그 수준은 3000㎎/N㎥에 이를 수 있다. 황산 회수 플랜트(1)에서 유출되는 SO2 배출물을 함유한 가스 스트림(16)은 도 1에 도시한 방법에서 H2 풍부 가스(18)에 의해 후처리 스테이지(17)에서 수소화된다. 수소화에 의해 형성된 H2S 가스 스트림(19)은 황산 회수 플랜트(1)의 상류에 위치하는 도시 생략한 코크스 오븐 플랜트나 석유화학 플랜트의 스크루빙 프로세스로 되돌려 보내진다.
주성분으로서 H2, CH4와 소량의 CO, CNHM 및 CO2를 함유하는 코크스 오븐 가스가 SO2 배출물의 수소화에 이용된다. 수소화에 의해 형성된 H2S 함유 가스(19)는 코크스 오븐 가스를 위한 정제 플랜트의 H2S 가스 스크루버로 재순환된다.
가스 스트림(16)은 수소화 반응기(20) 내로 유입되기 전에 그 수소화 반응기(20)에서 유출되는 가스 스트림과의 열교환에 의해 예열된다.
도 2에 도시한 변형례의 방법은, 황산 회수 플랜트(1)에서 유출되는 SO2 배출물을 함유한 가스 스트림(16)이 2개의 부분 스트림(21, 21')으로 나눠져, 제1 부분 스트림(21)은 SO2 함유 원가스(2)로 재순환되고, 제2 부분 스트림(21')은 후처리 스테이지(17)에서 H2 풍부 가스(18)에 의해 수소화된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 예시적인 실시 형태에서, SO2 함유 원가스는 황화수소 함유 가스의 2단 연소에 의해 생성되고, 제1 부분 스트림(21)은 제2 연소 스테이지(6') 전에 원가스에 주입된다.
본 발명은 또한 전술한 방법을 수행하기 위한 설비에 관한 것이다.

Claims (9)

  1. 황산 회수 플랜트(1)에서 생성된 SO2 함유 원가스(raw gas)(2)가 SO2에서 SO3로의 촉매 반응이 발생하는 적어도 하나의 반응기(9)를 통과하도록 하고, 이에 의해 형성된 SO3을 황산으로 전환하는 황산 생산 방법으로서,
    황산 회수 플랜트(1)에서 유출되는 가스 스트림(16)의 SO2 배출물을 감소시키기 위해, 황산 회수 플랜트(1)에서 유출되는 SO2 함유 가스의 적어도 일부의 스트림을 H2 풍부 가스(18)에 의해 수소화(hydrogenation)하고, 이 수소화로 형성된 H2S 함유 가스 스트림(19)을 코크스 오븐 플랜트나 석유화학 플랜트의 H2S 가스 스크루버 내로 주입하는 것인 황산 생산 방법.
  2. 제1항에 있어서, 코크스 오븐 가스를 사용하여 SO2 배출물을 수소화하는 것인 황산 생산 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 수소화 반응기(20) 내로 유입되기 전에, 가스 스트림을 수소화 반응기(20)에서 유출되는 가스 스트림과의 열교환에 의해 예열하는 것인 황산 생산 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 SO2 함유 원가스(2)는 황화수소 함유 가스(3)의 연소 또는 촉매 전환에 의해 생성되며, 상기 황산 회수 플랜트(1)에서 유출되는 SO2 배출물을 함유한 가스 스트림(16)은 제1 부분 스트림(21)과 제2 부분 스트림(21')으로 나눠져, 제1 부분 스트림(21)은 SO2 함유 원가스(2)로 다시 재순환되며, 제2 부분 스트림(21')은 후처리 스테이지(17)에 주입되어 H2 풍부 가스(18)에 의해 수소화되는 것인 황산 생산 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 SO2 함유 원가스(2)는 황화수소 함유 가스(3)의 2단 연소에 의해 생성되고, 상기 제1 부분 스트림(21)은 제2 연소 스테이지(6') 전에 상기 SO2 함유 원가스(2)와 혼합되는 것인 황산 생산 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, SO2의 촉매 전환에 의해 형성된 SO3은 흡수 장치(12) 내의 농축 황산에 흡수되는 것인 황산 생산 방법.
  7. 제1항에 따른 황산 생산 방법을 수행하기 위한 설비로서,
    SO2에서 SO3으로의 촉매 반응을 위한 적어도 하나의 반응기(9) 및 황산에 의해 작동하는 흡수 장치(12)를 구비하는 황산 회수 플랜트(1); 및
    상기 황산 회수 플랜트(1)에서 유출되는 가스 스트림(16)의 적어도 하나의 부분 스트림이 공급될 수 있는 후처리 스테이지(17)
    를 포함하며, 상기 후처리 스테이지(17)는 공급되는 가스 스트림의 SO2 배출물을 수소화하도록 H2 풍부 가스가 공급되는 수소화 반응기(20)를 포함하며, 수소화에 의해 형성된 H2S 함유 가스 스트림(19)은 후처리 스테이지에 연결된 가스 스크루버에 주입되며, 이 가스 스크루버는 코크스 오븐 가스를 위한 정제 플랜트의 구성 요소인 것인 설비.
  8. 제7항에 있어서, 상기 후처리 스테이지(17)는 수소화 반응기(20) 내로 유입되기 전의 가스 스트림을 상기 수소화 반응기(20)에서 유출되는 가스 스트림과의 열교환에 의해 예열하는 열교환기를 포함하는 것인 설비.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 황산 회수 플랜트(1)는 황화수소 함유 가스의 연소 또는 촉매 전환에 의해 SO2 함유 원가스(2)를 생성하는 연소로(5)를 포함하며, 황산 회수 플랜트에서 유출되는 SO2 배출물을 함유한 가스 스트림의 제1 부분 스트림(21)을 SO2 함유 원가스로 되돌려 보내는 재순환 장치가 마련되어 있는 것인 설비.
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