KR101475561B1 - 철 및 ｃｏ와 ｈ2를 함유하는 원료 합성 가스의 동시 제조를 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 철 광석 및 탄소 함유 환원제를 넣은 고로를 이용하여 철 및 CO와 H2를 함유하는 원료 합성 가스를 동시 제조하는 방법에 관한 것이다. 고로에 공급되는 탄소 함유 환원제의 양은 철 생산에 필요한 연료량보다 많다. 고로 공정 및 원료 합성 가스 생산을 위해 기술적으로 순수한 산소를 고로에 공급한다. 또한, 탑상 가스로서 고로에서 배출되는 원료 합성 가스 중의 CO/H2 비를 조절하기 위하여 및/또는 산소 분사의 취입 온도를 완화하기 위하여 CO2 및/또는 증기를 고로에 공급한다.

Description

철 및 ＣＯ와 Ｈ2를 함유하는 원료 합성 가스의 동시 제조를 위한 방법{METHOD FOR THE SIMULTANEOUS PRODUCTION OF IRON AND A CRUDE SYNTHESIS GAS THAT CONTAINS CO AND H2}
본 발명은 CO 및 H2를 함유하는 원료 합성 가스 및 철을 동시에 제조하는 방법에 관한 것이다.
합성 가스는 합성 반응에 이용되고 주로 일산화탄소 및 수소로 이루어지는 가스 혼합물이다. 일부 CO/H2 조합에서, 수성 가스, 분해된 가스 및 메탄올 합성 가스 또는 옥소 가스와 같은 구체적인 명칭은 그 기원 또는 그 용도를 기초로 정립되었다. 합성 가스는 액체 연료의 생산을 위한 출발 물질 혼합물로서의 역할을 할 수 있다. 예컨대, 합성 가스는 피셔-트롭시(Fischer-Tropsch) 공정에 사용되어 디젤 연료를 생성한다. 가솔린 연료는 MTG (메탄올에서 가솔린으로) 공정을 이용하여 생성될 수 있으며, 여기서 합성 가스는 먼저 메탄올로 전환되고, 메탄올은 추후 추가의 방법 단계에서 가솔린으로 전환된다.
기본적으로, 모든 탄소 함유 물질이 합성 가스 제조에 이용될 수 있다. 이들은 화석 연료인 석탄, 석유 및 천연 가스 뿐만 아니라 플라스틱, 토탄, 목재 또는 예컨대 도시 폐기물이나 농업 폐기물과 같은 기타 바이오매스와 같은 출발 물질을 포함한다. 고체가 사용될 경우, 이들은 원료 합성 가스가 부분 산화 또는 증기 분해에 의하여 생성될 수 있도록 먼저 복잡한 방식으로 파쇄되어야 한다. 이후, 원료 합성 가스는 추가의 단계에서 처리된다. 이들 측정 모두는 높은 투자 비용을 초래하며, 이것은 합성 가스로부터 액체 가스를 제조하는 데 장애이다.
철 및 메탄올 또는 암모니아의 동시 제조 방법은 US 4,013,454호에 개시된다. 철 광석, 탄소 함유 환원제 및 산소와 CO2로 구성되는 연료 가스는 고로로 공급된다. 약 80% CO 및 20% CO2를 함유하는 노 가스가 고로 공정에서 발생한다. 노 가스는 화학 반응 및 흡착 절차에 의하여 처리되어, 메탄올 공정 또는 암모니아 공정에 사용될 수 있는 합성 가스를 생성한다. 메탄올 공정 또는 암모니아 공정에 적당한 합성 가스를 생성하기 위하여, 실질적으로 CO 및 CO2로 이루어지는 노 가스를 전환하는 데는 다수의 추가의 방법 단계 및 따라서 추가의 투자 비용이 필요하다.
본 발명의 과제는 투자 비용 뿐만 아니라 합성 가스 생산을 위한 운전 비용도 감소시키고 CO2 밸런스를 개선시키는 것이다.
본 발명의 목적 및 이것을 위한 방안은 철 광석 및 탄소 함유 환원제를 넣은 고로를 이용하여 철 및 CO 및 H2를 함유하는 원료 합성 가스를 동시 제조하는 방법인데, 여기서
- 고로에 공급되는 탄소 함유 환원제의 양이 철 생산에 필요한 연료량보다 크고,
- 고로 공정 및 원료 합성 가스 제조를 위해 기술적으로 순수한 산소가 고로에 공급되며,
- 또한, 노 가스로서 고로에서 배출되는 원료 합성 가스의 CO/H2 비를 조절하기 위하여 및/또는 산소 분사의 취입 온도를 완화하기 위하여 CO2 및/또는 증기가 고로에 공급된다.
일반적으로, 고로는 층마다 광석 및 코크스로 채워진다. 충전 물질은 아래로 미끄러져 점점 더 고온의 고로 구역으로 간다. 산소는 고로의 하부에서 취입된다. 따라서, 탄소 함유 환원제의 일부가 연소하여 일산화탄소 및 이산화탄소를 형성하며 이것은 벌크 광석 물질 안으로 올라간다. 철 광석은 상승 기체 및 고온의 탄소 함유 환원제에 의하여 금속 철로 환원된다. 본 발명에 따르면, 순수 철 생산에 비하여 추가량의 탄소 함유 환원제가 고로에 공급된다. 이 추가량은 원료 합성 가스량의 생성을 최대화하기 위하여 코크스, 석탄, 오일, 플라스틱, 천연 가스, 재생 가스, 코크스로 가스 또는 폐가스의 형태로 공급될 수 있다. 산소량은 연료량에 맞춰지며, 또한 순수 철 생산에 필요한 양보다 많다. 고로 공정은, 본 발명에 따르면, 노 가스가 소정 합성 가스 조성에 상응하거나 또는 적어도 이것에 가까운 양비로 CO 및 H2를 이미 함유하도록 실시된다. 또한, 고로 공정은 노 가스로서 인출되는 원료 합성 가스의 CO2 비율이 낮도록 실시되는 것이 바람직하다. CO/H2 비율을 조절하기 위하여, CO2 및/또는 증기가 고로에 추가로 공급된다. 이산화탄소는 코크스와 반응하여 일산화탄소를 생성할 수 있다: C + CO2 → 2 CO. 또한, 이산화탄소는 수소와의 반응에 사용되어 일산화탄소 및 증기를 형성할 수 있다: CO2 + H2 → CO + H2O. 고로에서 배출되는 노 가스의 CO/H2 함량을 조절하기 위하여 증기가 또한 추가의 성분으로서 첨가되는 경우, 고로 내에서 고온에서 증기가 코크스와 반응하여 일산화탄소 및 수소를 생성할 수 있다: C + H2O → CO + H2. 또한, 증기도 일산화탄소를 이산화탄소로 전환시키는 데 이용될 수 있다: CO + H2O → CO2 + H2.
본 발명에 따른 방법을 이용하면, 기존의 철 생산 시스템이 이용되므로 명백히 비용적으로 더 유리한 방식으로 규정에 부합하는 합성 가스를 생성하는 것이 가능하다. 공급되는 연료의 대부분이 이미 철 생성에 필요하므로 본 발명에 따른 합성 가스 및 철의 동시 제조에서는 운전 비용이 또한 덜 든다. CO2 밸런스는 종래의 방법에 비하여 명백히 더 유리하다. 공급된 연료로부터 동시에 두 생성물이 생성된다. 연료 가스가 원료 합성 가스로서 사용되므로, 철 뿐만 아니라 추가의 가치있는 물질도 생성될 수 있다. 노 가스는 연소 가스를 예열하기 위하여 열적으로 이용될 뿐만 아니라 그 재료 면에서도 이용되고 에컨대 디젤, 가솔린 또는 메탄올과 같은 다른 생성물의 출발 물질을 형성한다. 종래의 고로 공정에 비하여, 단지 연료에 대한 약간 추가의 수요가 필요하다. 이것은 별도로 운전되는 방법을 위한 연료의 합보다 명백히 낮다. 추가의 연료 수요에 대한 보답으로서, 추가의 가치있는 물질, 예컨대 디젤 연료가 수득되는데, 이를 위해 석탄 가스화를 이용한 종래 생산의 경우 대략 동일한 양의 석탄이 가스화되어야 했다.
고로내 높은 반응 온도는 기술적으로 순수한 산소를 사용하여 고로 공정을 운전함으로써 달성될 수 있다. 이로써 산소의 예열 없이 수행할 수 있다. 원료 합성 가스의 생성에 기술적으로 순수한 산소를 이용함으로써 합성 가스의 더 높은 수율이 달성되는데, 그 이유는 공기 예열을 이용한 종래의 운전 방법과 달리 예열을 위한 노 가스의 소모가 없어지기 때문이다. 그럼에도 불구하고 산소의 예열이 필요한 경우, 가열될 산소 스트림이 질소를 더 함유하는 공기 스트림보다 훨씬 더 적으므로, 이것에 필요한 노 가스의 양은 종래의 고로 공정의 경우에서보다 적다. 순수한 산소를 이용하는 경우, 생성되는 원료 합성 가스는 임의의 질소를 더 함유하지 않는다. 이것은 복잡한 질소 분리가 생략되므로 추가의 처리를 상당히 촉진한다. 끝으로, 노 가스가 공기 예열을 위해 소실되지 않으므로 고로 공정의 CO2 밸런스도 순수한 산소의 사용에 의해 개선된다. 종래의 고로 공정의 경우, 노 가스의 약 3분의 1이 공기 예열에 필요하며, 이 공정 동안 CO2로 반응된다. 본 발명에 따른 산소 유도 공정의 경우, 이 양은 합성 가스로서 추가로 이용가능하며 가치있는 물질의 생성에 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 다른 구체예는 원료 합성 가스내 황 함량을 최소화하는 물질이 고로에 공급되는 것을 제공한다. 이 목적을 위해, 탄산칼슘을 철 광석과 함께 공급하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 방법의 다른 유리한 구체예에 따르면, 원료 합성 가스의 일부가 고로로 재순환된다. 원료 합성 가스는 일산화탄소를 함유하며, 이것은 철 광석의 환원제로서 작용한다.
노 가스로서 고로에서 배출되는 원료 합성 가스로부터 분진이 제거되며, 이것은 이후 가치있는 물질로서 사용될 수 있다. 노 가스로서 발생하는 원료 합성 가스가 규정에 따른 CO/H2 비를 갖지 않는 경우, 외부 공급원으로부터의 일산화탄소 및/또는 수소를 고로 가스 안으로 혼합하거나 증기 첨가 하에 CO 전환에 의하여 원료 합성 가스를 반응시켜 H2 및 CO2를 생성할 수 있다. 이러한 식으로, 고로에 공급되는 CO2는 또한 고로에서 배출되는 원료 합성 가스로부터 수득될 수 있다. 고로에 공급되는 CO2가 CO 전환을 거친 원료 합성 가스로부터 수득되는 경우가 실용적이다.
본 발명에 따른 방법의 유리한 구체예는, 원료 합성 가스의 적어도 일부가 증기 첨가 하에 CO 전환에 의하여 반응하여 수소 및 CO2를 생성하고 수소가 차후의 압력 변화 흡착 시스템(Pressure Swing Adsorption - PSA 시스템)에서 수득되며, 이로써 CO2가 농후한 배기 가스 스트림이 온도 조정을 위해 압력 변화 흡착 시스템에서 유래하여 고로 안으로 다시 재순환되는 것을 제공한다. 특히, 압력 변화 흡착 시스템에서 유래하는 CO2가 농후한 배기 가스 스트림은 산소 분사 냉각을 위해 이용될 수 있다.
특히 유리한 방법 변형의 경우, 수소를 함유하는 미정제 가스는 코크스로에서 생성되며, 이 가스는 고로 가스내로 혼합된다. 이와 관련하여, 먼저 코우킹 설비를 정화하고 잔류 가스로부터의 수소의 분리를 수행하는 것이 유리한 것으로 판명된다. 이후 수소 스트림을 표적화된 방식으로 고로에서 추출되는 노 가스 안으로 계량해 넣을 수 있다. 일산화탄소가 농후한 미정제 가스는 고로에서 생성되고 수소가 농후한 미정제 가스는 코크스로에서 생성되므로 고로 공정 및 코크스로 공정으로부터 합동 합성 가스 제조는 특히 유리한 것으로 판명된다. 상기 두 공정은 합성 가스 생성에서 서로 보완한다. 또한, 고로 공정에 코크스가 필요하므로 대부분의 코우킹 설비는 고로 근방에 배치된다.
석탄 가스화 시스템, 천연 가스 POX, 자동열 개질기, 또는 증기 개질기가 또한 외부 수소 공급원의 역할을 할 수 있다. 또한, 제2의 고로가 표적화된 운전 방법에 의하여 수소 생성을 위해 설치될 수 있다.
본 발명의 다른 이점은 예컨대 다수의 고로가 한 위치에 또는 한 위치 근방에 배치되는 경우 몇가지 고로의 합성 가스를 합할 수 있다는 것 및 추가의 합성 및 생성물 처리가 더 큰 규모로, 즉 정유 공장 규모로 실시될 수 있어 전체적으로 비용면에서 더 유리하다는 것에 있다. 상기 처리는 기존의 정유 공장에서 실시될 수도 있다. 예컨대 석탄 가스화 시스템, 재생 원료를 이용하는 가스화 시스템 등과 같은 합성 가스를 생성하는 추가의 설비가 비용적으로 유리한 방식으로 전체 복합물에 통합될 수 있다.
본 발명에 따른 방법을 이용하여 생성되는 원료 합성 가스는 상이한 제조 방법에 이용될 수 있다. 예컨대, 피셔-트롭쉬 공정의 범위 내에서 연료의 생성에 이용될 수 있다. 마찬가지로, 이것은 메탄올 합성 방법의 범위 내에서 이용될 수 있다. 이후 메탄올은 MTG 공정에 따라 가솔린으로 전환될 수 있다. 또한, 합성 가스가 SNG로 전환될 수 있다. 마찬가지로, 생성되는 합성 가스가 옥소 합성 또는 암모니아 생성에 이용될 수 있다.

Claims (8)

  1. 철 광석 및 탄소 함유 환원제를 넣은 고로를 이용하여, 철 및 CO와 H2를 함유하는 원료 합성 가스를 동시 제조하는 방법으로서,
    고로에 공급되는 탄소 함유 환원제의 양이 철 생산에 필요한 연료량보다 크고,
    고로 공정 및 원료 합성 가스 생산을 위해 기술적으로 순수한 산소가 고로에 공급되며,
    또한, 노 가스로서 고로에서 배출되는 원료 합성 가스의 CO/H2 비를 조절하기 위하여 및/또는 산소 분사의 취입 온도를 완화하기 위하여 CO2 및/또는 증기가 고로에 공급되고,
    노 가스로서 발생하는 원료 합성 가스의 양을 최대화하기 위하여 탄소 함유 환원제를 코크스, 석탄, 오일, 플라스틱, 천연 가스, 재순환 가스, 코크스로 가스 또는 폐가스의 형태로 철 생산에 필요한 연료량을 초과하여 고로에 더 공급하고,
    원료 합성 가스의 적어도 일부가 증기의 첨가 하에 CO 전환에 의하여 반응하여 H2 및 CO2를 생성하고, 수소가 후속 압력 변화 흡착 시스템에서 수득되며, 여기서 CO2가 농후한 배기 가스 스트림이 온도 조정을 위해 압력 변화 흡착 시스템으로부터 고로 안으로 다시 재순환되어 고로에 공급되는 CO2가 CO 전환을 거친 원료 합성 가스로부터 수득되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 원료 합성 가스내 황 함량을 감소시키기 위한 물질을 고로에 공급하는 것인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 노 가스의 일부가 고로 안으로 다시 재순환되는 것인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 노 가스로서 고로에서 배출되는 원료 합성 가스로부터 분진을 제거하는 것인 방법.
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