KR101455898B1 - 탈황 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탈황 공정에 관한 것으로, 이 공정에서는 가스 혼합물을 분리 공정으로 처리하여 그 가스의 산 성분을 분리함으로써 이산화탄소 및 황 화합물, 특히 황화수소를 함유하는 산 가스를 형성하고, 산 가스를 원소 황을 분리하기 위한 클라우스 플랜트에 이송하며, 클라우스 플랜트에서 배출되는 잔류 가스를 추가 분리로 처리하여 클라우스 공정에서 형성된 물을 적어도 일부를 제거하고, 단지 기술적 순수 산소만을 산소 함유 반응 가스로서 클라우스 플랜트에 공급하며, 이산화탄소를 직접 봉쇄 또는 산업적 이용을 허용하는 순도로 클라우스 플랜트의 하류에서 제거한다.

Description

탈황 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR DESULFURIZATION}
본 발명은 탈황 공정으로서, 가스 혼합물이 분리 공정으로 처리되어 그 가스의 산 성분을 분리함으로써 이산화탄소 및 황 화합물, 특히 황화수소를 함유하는 산 가스를 형성하는 탈황 공정에 관한 것이다. 이 공정에서, 가스의 산 성분은 우선 적당한 흡착제에 의해 가스 스트림으로부터 제거되고, 이로써 유용한 가스 성분으로부터 분리된다. 순환으로 운반되는 흡착제의 재생에서, 그 흡착제에 함유된 산 가스 성분은 방출된 후, 클라우스 플랜트(Claus Plant)로 이송된다.
그 클라우스 공정은 일반적으로 공기 중에서 산 가스를 소각함으로써 수행되며, 여기서 황화수소(H2S)는 연소 공기 중에 존재하는 산소(O2)와 반응하여 원소 황 및 물(H2O)을 형성하게 되고, 원소 황(S)은 콘덴서에서 하류 냉각에 의해 분리된다(Ullmann's Encyclodepia of Industrial Chemistry, volume 10, edition 4, 1975, page 594). 그 공지된 클라우스 공정을 이용하면, 98% 까지의 수율이 일반적으로 달성될 수 있다. 잔류 가스의 추가 정제를 달성하기 위해서, 그 잔류 가스는 잔류 가스 정제 공정으로 처리될 수 있다. 클라우스 공정에서 형성된 원소 황은 추출되어 상업적으로 이용될 수 있지만, 그 정제된 잔류 가스는 일반적으로 사용되는 일 없이 환경으로 배출된다.
일명 온실 가스로서, 이산화탄소는 지구 온실 효과에 기여하므로, 이산화탄소의 추가적인 방출을 방지할 필요성이 있다. 현재, 공정 가스로서 다량의 이산화탄소의 양을 필요로 하는 공지된 공정이 또한 존재한다. 예를 들면, 이산화탄소는 오일 회수에서의 수율을 증가시키는데 사용될 수 있고, 그 오일 회수에서는 이산화탄소가 오일 저장소 내로 주입된다(향상된 오일 회수, EOR: enhanced oil recovery). 이산화탄소를 봉쇄하여 방출을 감소시키기 위해서 그리고 산업적 이용을 위해서, 이산화탄소는 다른 성분, 예를 들면 질소로부터, 보통 상당한 비용을 들여서 제거되어야 한다.
문헌 EP 0 059 412 A2는 연소 공정에서, 특히 클라우스 시스템의 조작에서 밸라스트 가스의 양을 조절하는 공정에 관한 것으로, 여기서 형성된 잔류 가스는 일반적인 방식으로 환경으로 방출된다. 최적 연소를 달성하기 위해서, 공기 및 기술적 순수 산소(technically pure oxygen)가 공급되어야 하고, 공기와 기술적 순수 산소의 비율은 연소 가스 중의 불활성 가스의 각자 양에 적합하도록 되어 있다. 용어 "기술적 순수 산소"는 주로 산소로 구성되고, 회수 공정에서 형성되며, 일반적으로 산업상 대규모로 수행되는 가스를 의미한다. 그 순도는 일반적으로 90% 이상이고, 극저온 분해 공정에서 그 순도는 전형적으로 98% 이상이다.
또한, 논문[H. Fisscher, Chemie - Ing .- Techn ., vol. 39, 1967, pages 515-520]으로부터 공지되어 있는 바와 같이, 산 가스의 전환이 충분히 높은 연소 온도를 달성하도록 하기 위해서, 기술적 순수 산소는 황화수소의 양이 20 부피% 내지 약 5 부피%일 때 클라우스 플랜트에 공급되어야 한다. 그 잔류 가스는 또한 배기 가스로서 통상적인 방식으로 방출된다.
본 발명의 목적은 산 가스 내에 함유된 이산화탄소의 이용을 저 비용으로 허용하도록 하는 도입부에 설명된 특징을 갖는 공정을 이용가능하게 하는 데 있다.
그 목적은 본 발명에 따라 특허청구범위의 제1항에 따른 공정에 의해 달성된다. 본 발명에 따르면, 산 가스 내에 존재하는 황 성분 분율 및 이산화탄소 분율은 가장 순수한 가능 형태로 개별적으로 추출되어야 한다. 선행 기술로부터 공지된 공정을 이용하면, 대부분 순수 분리가 매우 높은 고비용으로만 가능한데, 그 이유는 공지된 흡수 공정이 고 선택성으로 가스 혼합물로부터 한편으로는 황 성분을 다른 한편으로는 이산화탄소를 분리할 수 없기 때문이다. 그러나, 조합된 산 가스 분율에서 이산화탄소와 황 성분의 조합된 분리를 실시하는 것은 비교적 간단하고, 여기서 그 조합된 가스 분율은 추가 처리를 위해 클라우스 플랜트에 이송되고, 이어서 본 발명의 공정의 영역 내에 속하는 원소 황 및 이산화탄소로 저렴한 비용으로 전환된다. 이소화탄소와 황 성분의 조합된 분리의 경우, 예를 들면, 화학적으로 그리고 물리적으로 작용하는 스크러빙(scrubbing) 방법이 이용될 수 있다. 본 발명에 따르면, 클라우스 플랜트는 산소 함유 반응 가스로서 단지 기술적 순수 산소만을 수용한다. 그러므로, 매우 유리한 방식으로, 이는, 산 가스를 처리할 때, 후속적으로 이산화탄소로부터 고 비용으로 분리되어야 하는 불활성 가스 성분이 첨가되지 않는 결과를 달성하게 된다.
본 발명 공정의 바람직한 실시양태의 영역 내에서, 최대 허용된 연소 온도가 클라우스 플랜트의 연소 체임버 내에서 초과될 때, 공정으로부터 유래된 잔류 가스의 일부는 클라우스 플랜트의 하류 단부에서 제거되어 기술적 순수 산소와 함께 냉각을 위해 연소 체임버로 이송된다. 본원에서 설명된 수단을 통해, 연소 공정의 정확한 제어는 이산화탄소 농도 효과를 방해하는 일 없이 가능하다.
이산화탄소 및 황 성분, 특히 H2S, COS 및 머캅탄으로 기본적으로 구성되는 산 가스의 경우, 거의 완전 분리가 그렇게 달성될 수 있다. 클라우스 공정에서 황 성분과 산소의 반응에 의해 발생된 물 및 원소 황이 잔류 가스로부터 응축되므로, 이산화탄소의 농도가 크게 증가하게 된다. 잔류할 수 있는 황 화합물의 임의 잔류물의 적어도 대부분을 제거하기 위해서, 클라우스 플랜트에서 배출되는 잔류 가스는 하류 가스 정제 공정으로 처리될 수 있다. 예를 들면, 수소화가 수행될 수 있어서, 잔류 가스 내 H2S 이외에도 존재하는 황 성분이 H2S로 수소화된다. 이어서, 잔류 가스가 켄칭 처리되고, 선택적인 스크러빙이 바람직하게는 화학 흡착제에 의해 수행되며, 이와 같이 잔류 가스 내에 여전히 존재하는 H2S의 대부분을 제거하게 된다. 황 성분의 추가적인 제거 후, 잔류 가스는 이산화탄소, 물 및 소량의 일산화탄소 및 수소로 기본적으로 구성된다. 예를 들면, SCOT(등록상표) 공정(Shell Claus off-gas treatment)이 적합한 잔류 가스 정제 공정이다.
수소 및/또는 일산화탄소의 일부를 물 및/또는 이산화탄소로 전환시키기 위해서, 기술적 순수 산소에 의한 잔류 가스의 후-연소(after-burning)가 바람직하게는 접촉 공정(catalytic process)에서 수행될 수 있다. 클라우스 플랜트에 최초 공급된 산 가스는 황 화합물 및 이산화탄소로 기본적으로 구성되는 경우, 잔류 가스 정제 공정을 수행한 후 그리고 수소 및/또는 일산화탄소를 제거하는 후-연소를 수행한 후, 잔류 가스는 단지 거의 순수한 이산화탄소 및 수증기만을 함유하고, 잔류 가스의 추가 처리에서 응축된다. 게다가, 그 가스를 건조시키는 공지된 방법이 또한 물 함량을 추가로 감소시키기 위해서 이용될 수 있다. 물의 제거 후 이산화탄소로 기본적으로 구성되는 잔류 가스가 봉쇄(sequestration)를 위해, 즉 특히 지리적 형성 영역, 예컨대 오일의 매장층(deposit of oil), 천연 가스 매장층(natural gas deposit), 대수층(acquifer), 석탄 광맥층(coal seam)에서 또는 심해에서 저장을 위해 또는 기술적 사용을 위해 일반적으로 압축 또는 액화되고, 이로써 이산화탄소의 일시적 저장 또는 수송이 제공될 수 있다. 제공되는 이산화탄소의 추가적인 사용에 따라, 가스 상태의 순도는 유리하게 80 부피%, 바람직하게는 90 부피%, 특히 바람직하게는 95 부피%에 이른다.
기술적 순수 산소에 의한 수소 및/또는 일산화탄소의 후-연소 이외에도 또는 그 대안으로, 상기 열거된 성분이 또한 잔류 가스의 압력 및/또는 온도의 변화에 의해 제거될 수도 있다. 예를 들면, 잔류 가스 정제 공정이 수행된 후 가스 콘덴서 및 켄칭 컬럼에 의해 대부분의 수증기를 제거한 잔류 가스를 제공하고, 이어서 이산화탄소를 압축하여 액화시키는 것이 가능하다. 이어서, 일산화탄소 및 수소가 적당한 분리 장치에서 액화된 이산화탄소로부터 제거될 수 있다.
클라우스 플랜트에 공급된 산 가스가 또한 이산화탄소 및 황 성분 이외에도, 불활성 가스 성분을 함유하는 경우, 적어도 하류 분리의 비용은 최소화될 수 있는데, 그 이유는 본 발명의 탈황 공정을 이용하면, 추가 불활성 가스 성분이 공급되지 않기 때문이다.
매우 유리한 방식으로, 본 발명에 따라 제공된 바와 같이 기술적 순수 산소의 이용은 또한 주어진 분량의 산 가스에 대한 클라우스 플랜트의 보다 작은 치수 및 임의로 제공되는 잔류 가스 정제 장치의 보다 작은 치수를 허용하므로, 기술적 순수 산소를 제공하는 데 필요한 추가적 비용이 상쇄될 수 있다.
본 발명의 주제는 또한 특허청구범위의 제11항에 따란 공정을 수행하기 위한 장치이다. 일반적인 성분 이외에도, 그 장치는 특히 클라우스 플랜트의 연소 라인의 유입구를 클라우스 플랜트의 하류 가스 도관 또는 클라우스 플랜트의 하류에 있는 잔류 가스를 위한 저장 용기에 연결하는 연결 라인을 포함한다. 또한, 제어 유닛이 유입구에서 공정에 내재한 잔류 가스의 혼합물을 온-디멘드 제어(on-demand control)하기 위한 연속 라인 상에 구비되어 있다.

Claims (11)

  1. 가스 혼합물을 분리 공정으로 처리하여 그 가스의 산성 성분을 분리함으로써 이산화탄소 및 황 화합물을 함유하는 산 가스를 형성시키고, 그 산 가스를 원소 황의 분리를 위한 클라우스 플랜트에 이송시키며, 산소 함유 반응 가스로서 단지 기술적 순수 산소(technically pure oxygen)만을 공급하며, 이산화탄소를 직접 봉쇄(sequestration) 또는 산업적 이용을 허용하는 순도로 클라우스 플랜트의 하류에서 제거하는 탈황 방법으로서, 잔류 가스는 기술적 순수 산소로 후-연소(after-burning) 처리하여 수소 및 일산화탄소를 제거하며, 그리고 수증기는 그 잔류 가스로부터 응축하고, 공정에 내재한 잔류 가스의 일부로서 클라우스 플랜트의 하류에서 취한 일부의 혼합물은, 최대 허용된 연소 온도가 클라우스 플랜트의 연소 체임버에서 초과할 때, 클라우스 플랜트에 공급하는 것을 특징으로 하는 탈황 방법.
  2. 제1항에 있어서, 잔류 가스의 접촉 후-연소 공정(catalytic after-burning process)을 수행하는 것을 특징으로 하는 탈황 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 황 화합물은 황화수소를 함유하는 것인 탈황 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 모든 산 가스 성분은 분리 공정에서 가스 혼합물로부터 함께 제거하고, 조합 분율의 산 가스로서 추출하는 것을 특징으로 하는 탈황 방법.
  5. 제4항에 있어서, 분리 공정은 가스 혼합물을 물리적 및/또는 화학적 흡착제로 스크러빙 처리하는 과정 및 그 흡착제를 재생시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 탈황 방법.
  6. 제1항에 있어서, 클라우스 플랜트에서 배출되는 잔류 가스는 잔류 가스 정제 공정으로 처리하는 것을 특징으로 하는 탈황 방법.
  7. 제6항에 있어서, 잔류 가스 정제 공정은 쉘 클라우스 오프-가스 처리공정(Shell Claus off-gas treatment)인 것을 특징으로 하는 탈황 방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 잔류 가스는 추가 이용을 위해 압축되는 것을 특징으로 하는 탈황 방법.
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