KR101829088B1 - 철-야금 유닛의 폐가스로부터 이산화탄소 농축 유체를 생성하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

철-야금 유닛의 폐가스로부터 이산화탄소 농축 유체를 생성하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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알라인 브리글리아
카에욱스 올리비에르 데
리차드 두베티에르-그레니에르
알라인 귈라드
사비에르 트라베르삭
크리스토프 스잠레스키
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레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
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Abstract

본 발명은 제1의 압축기(C1)에서의 폐가스의 적어도 일부를 압축하고; 흡착 유닛(PSA)에서 흡착 방법에 의하여 임의로 건조시킨 폐가스를 분리하여 이산화탄소 농축 및 일산화탄소 결핍 가스(6) 및 이산화탄소 결핍 및 일산화탄소 농축 가스(5)를 생성하고; 분리 유닛(SP)에서 이산화탄소 농축 가스(6)를 분리하여 이산화탄소 농축 유체(7) 및 일산화탄소 함유 재순환 가스(9)를 생성하며; 분리 유닛(SP)으로부터 재순환 가스를 흡착 유닛의 유입 압력에서 흡착 유닛(PSA)을 향하여 재순환시키며; 이산화탄소 결핍 가스(5)의 적어도 일부를 상기 철-야금 유닛(HF) 또는 또 다른 철-야금 유닛으로 이송하는 것을 포함하는, 철-야금 유닛(HF)의 폐가스로부터 이산화탄소 농축 유체(7)를 생성하는 방법에 관한 것이다.

Description

철-야금 유닛의 폐가스로부터 이산화탄소 농축 유체를 생성하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING A FLUID ENRICHED WITH CARBON DIOXIDE FROM A WASTE GAS OF A FERROUS-METALLURGY UNIT}
본 발명은 철 야금 유닛으로부터의 폐가스, 예를 들면 고로(blast furnace)로부터 또는 미드렉스(Midrex), DRI 또는 코렉스(Corex)® 장치로부터의 폐가스로부터 이산화탄소 농축 유체를 생성하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명은 종래 기술의 방법의 단점을 극복하며, 특히 임의로 재순환과 함께 철 야금 유닛에서 CO2를 포획하기 위한 방법에 대하여
- 일산화탄소 농축 배기가스를 감소시키며,
- 고로용 코크스의 소비를 감소시키며,
- 고로의 생산성을 증가시키며,
- 장치의 회전기를 단순화시키며,
- 조절을 용이하게 하며,
- 에너지 소비에서의 악화를 방지하는 것에 기여한다.
흡착 유닛의 상류에 있는 압축기는 실질적으로 일정한 압축비로 작동되므로, 철 야금 유닛으로부터의 폐가스의 압력이 변동되는 경우, 흡착 유닛의 상류에서의 압력의 감소를 초래한다. 본 발명에 의한 방법은 특히 재순환 가스에 의하여 CO에 대한 우수한 고유 출력 및 약 100%의 CO에 대한 전체 출력과 함께 이러한 상이한 유입 압력을 흡착 유닛이 수용하도록 할 수 있다.
이산화탄소 농축 유체는 예를 들면 70 몰% 이상의 이산화탄소를 포함하며 기체 또는 액체 형태일 수 있다.
WO-A-2006/106253에는 이산화탄소 농축 가스 및 일산화탄소 농축 폐가스를 생성하기 위하여 흡착 공정에 이어서 증류에 의한 정제 공정을 사용하는 것이 공지되어 있다.
FR-2 848 123에는 아민을 사용한 세정에 의하여 철 야금 유닛으로부터 폐가스의 분리 방법이 기재되어 있다. 아민을 사용한 세정 방법은 가변 압력의 공급물 흐름과 함께 작동될 수 없다.
US2003/0047037에는 천연 가스인 퍼징 가스를 사용하며 천연 가스와 혼합하여 철 야금 유닛으로 이송하고자 하는 단독 흐름을 생성하여 흡착에 의하여 철 야금 유닛으로부터 폐가스를 분리하는 방법이 기재되어 있다.
본 발명은 고로로부터 유래하는 일산화탄소 농축 이산화탄소 제거된 가스의 일부 또는 전부를 재순환시키는 것을 제공한다. 이러한 방법은 특히 주철 1 톤당 코크스의 소비를 감소시킬 수 있을 뿐 아니라, 고로의 생산성을 증가시키는 잇점을 제공할 수 있다.
고로로부터 유래하는 폐가스는 플랜트의 충전율의 함수로서 변경될 수 있는 압력을 갖는다. 이러한 변동은 통상적으로 1 바보다 크며, 이는 PSA에 대한 일정한 배출 압력을 유지하면서 시판 장치에 대한 통상의 기술에 의하여서는 허용되지 않는다. 고로의 압력 및 폐가스의 몰 흐름은 실질적으로 비례하여 변경되어 고로 가스를 압축시키기 위하여 장치의 흡입부에서 부피에 의하여 사실상 일정한 흐름을 생성한다는 점에 유의하여야 한다.
본 발명에 의하면, 흡착 유닛이 수용하는 폐가스의 압력은 변경되도록 한다. 흡착 유닛은 제1의 압력에서 가스를 분리하도록 설계되었으나, 제1의 압력보다 2 바 이상만큼 더 낮은 제2의 압력에서 감소된 출력으로 작동될 수 있다.
본 발명의 주제에 의하면, 폐가스의 적어도 일부를 제1의 압축기에서 압축시키고, 압축된 폐가스를 임의로 건조시키고, 임의로 건조된 폐가스를 흡착 유닛에서 흡착 공정에 의하여 분리하여 이산화탄소 농축 및 일산화탄소 결핍 가스 및 이산화탄소 결핍 및 일산화탄소 농축 가스를 생성하며, 이산화탄소 농축 가스를 분리 유닛에서 분리하여 이산화탄소 농축 유체 및 일산화탄소 포함 재순환 가스를 생성하며, 이산화탄소 농축 유체를 생성물로서 배출시키고, 재순환 가스를 분리 유닛으로부터 흡착 유닛으로 흡착 유닛의 유입 압력에서 재순환시키고, 바람직하게는 이산화탄소 결핍 가스의 적어도 일부를 재가열한 후 이산화탄소 결핍 가스의 적어도 일부를 철 야금 유닛 또는 또 다른 철 야금 유닛으로 이송시키는, 이산화탄소 및 일산화탄소를 포함하는 철 야금 유닛으로부터의 폐가스로부터 출발하여 이산화탄소 농축 유체를 생성하는 방법을 제공한다.
기타의 임의의 주제에 의하면,
- 제1의 작동 중에, 제1의 압축기에서 압축된 폐가스가 압축기의 배출구에서 8 내지 15 바 (abs)의 제1의 압력, 제1의 유속 및 일산화탄소의 제1의 농도를 가지며, 제2의 작동 중에, 제1의 압축기에서 압축된 폐가스가 압축기의 배출구에서 3 내지 7 바 (abs)의 제2의 압력, 제1의 유속 미만인 제2의 유속 및 제1의 농도 미만인 일산화탄소의 제2의 농도를 가지며,
- 재순환 가스의 적어도 일부가 제1의 압축기의 배출 압력과 실질적으로 동일한 압력에서 흡착 유닛으로 재순환되어 흡착 유닛에서 분리되며,
- 이산화탄소 농축 가스가 분리 유닛의 상류의 제2의 압축기에서 압축되거나 재순환 가스가 분리 유닛과 흡착 유닛 사이에서 압축되며,
- 분리 유닛이 0℃보다 낮은 온도에서 하나 이상의 냉각 단계에 이어서 예를 들면 증류 유닛일 수 있는 하나 이상의 상 분리 단계에 의하여 작동되며,
- 예를 들면 제1의 압축기의 상류에 연결된 송풍기에 의하여 제1의 압축기의 출구 압력을 조절하여 제1 및/또는 제2의 압력을 실질적으로 일정하게 유지하며,
- 제1의 압축기의 상류의 저장 시설로 폐가스를 이송하고 저장 시설로부터 제1의 압축기에 공급하여 제1의 압축기의 출구 압력을 조절하며,
- 재순환 가스의 압력을 변경시켜 제1의 작동 중에는 더 높은 압력 그리고 제2의 작동 중에는 더 낮은 압력이 되며,
- 흡착 유닛이 제1의 작동 중에는 제1의 일산화탄소 분리 출력 그리고 제2의 작동 중에는 제1의 출력보다 낮은 제2의 일산화탄소 분리 출력을 가지며,
- 폐가스가 가변 압력으로 철 야금 유닛으로부터 배출되며,
- 이산화탄소 결핍 가스의 적어도 일부를 또 다른 유체와 혼합하지 않으면서 철 야금 유닛 또는 또 다른 철 야금 유닛으로 이송하며,
- 재순환 가스를 흡착 유닛의 상류에서 임의로 건조시킨 폐가스와 혼합한다.
본 발명의 또다른 주제에 의하면,
i) 철 야금 유닛,
ii) 철 야금 유닛으로부터 유래하는 폐가스의 적어도 일부를 압축시키는 제1의 압축기,
iii) 임의로 건조시킨 폐가스를 흡착 공정에 의하여 분리하여 이산화탄소 농축 및 일산화탄소 결핍 가스 및 이산화탄소 결핍 및 일산화탄소 농축 가스를 생성하는 흡착 유닛,
iv) 이산화탄소 농축 가스에서 분리를 실시하여 이산화탄소 농축 유체 및 일산화탄소 포함 재순환 가스를 생성하는 분리 유닛, 및 장치로부터의 생성물로서 이산화탄소 풍부 유체를 배출시키기 위한 수단,
v) 재순환 가스를 분리 유닛으로부터 흡착 유닛으로 이송하기 위한 파이프, 및
vi) 이산화탄소 결핍 가스의 적어도 일부를 철 야금 유닛 또는 또 다른 철 야금 유닛으로 이송하기 위한 파이프를 포함하는, 이산화탄소 및 일산화탄소를 포함하는 철 야금 유닛으로부터의 폐가스로부터 출발하는 이산화탄소 농축 유체를 생성하기 위한 장치가 제공된다.
분리 유닛은 물리적 또는 화학적 용매를 사용한 세정을 위한 유닛 또는 상의 냉각 및 분리에 의한 분리를 위한 유닛, 예를 들면 0℃ 미만에서 작동하는 증류 유닛일 수 있다.
흡착 유닛의 유입구의 압력과 실질적으로 동일하도록 하기 위하여 재순환 가스의 압력을 변경시키기 위한 수단이 임의로 제공된다.
분리 유닛은 0℃ 미만의 온도에서의 분리를 위한 유닛일 수 있다.
장치는 흡착 유닛의 상류에서 폐가스의 압력에서의 변동을 없애기 위한 수단을 포함할 수 있다.
두 가지 압력은 0.5 바 이하 정도로 상이할 경우 실질적으로 동일하다.
본 발명은 본 발명에 의한 방법을 나타내는 도면을 참조하여 보다 구체적으로 기재할 것이다.
CO2 풍부 유체는 30 몰% 이상의 이산화탄소 또는 50 몰% 이상의 이산화탄소를 포함할 수 있다.
도 1은 CO2 풍부 유체를 생성하기 위한 장치와 통합된 철 야금 유닛, 예를 들면 미드렉스, DRI 또는 코렉스 장치 또는 고로를 도시한다. 고로의 예시된 경우에서, 고로에는 산소 및 분쇄된 탄소 및 철광석 M 및 또한 코크스를 공급한다. 유닛은 유닛의 충전에 의하여 변경될 수 있는 양으로 폐가스(1)를 생성한다.
CO2 풍부 유체의 제조를 위한 장치는 PSA, VSA 또는 VPSA 타입일 수 있는 PSA 흡착 유닛 및 분리 유닛(SP)을 포함한다. 분리 유닛은 물리적 또는 화학적 용매에 의한 세정, 예를 들면 아민 또는 MDEA를 사용한 세정에 의한 분리용 유닛이 될 수 있다. 대안으로, SP 유닛에서의 분리는 하나 이상의 냉각 단계를 실시한 후 하나 이상의 상 분리 단계를 실시하는 상온보다 낮은 온도(0℃ 미만)에서의 정제에 의하여 실시될 수 있다. SP는 예를 들면 열 교환기 이후의 증류 컬럼 및 임의로 기타의 도면에 도시한 압축기(C2)일 수 있다.
철 야금 유닛, 예를 들면 고로(HF)는 수소, 질소, 이산화탄소, 수증기 및 주성분으로서 일산화탄소를 포함하는 폐가스(1)를 생성한다.
필터(F)에서의 여과후, 기체의 일부(P)를 퍼징하고, 나머지(3)를 압축기(C1)에서 소정 압력으로 압축시킨다. 그 후, 압축된 가스를 건조기(D)에서 건조시키고, 흡착 유닛의 상류로 이송한다. 유닛은 일산화탄소 농축 및 이산화탄소 결핍 흐름(6) 및 이산화탄소 결핍 및 일산화탄소 농축 흐름(5)을 생성한다. 흐름(6)은 압축기(C2)에서 압축후 사실상 심지어 CO2 농축 유체(7), 예를 들면 액체 CO2를 생성하기 위한 액화기 또는 증류 컬럼을 포함할 수 있는 유닛(SP)으로 이송한다. 그럼에도 불구하고, 압축기(C2)의 존재는 임의적인 사항이다. 흐름(9)은 PSA 유닛의 유입구로 다시 이송되는 일산화탄소를 포함하는 폐가스이다. 압축기(C2)의 부재하에서 또는 심지어 이러한 압축기가 존재하는 경우라도, 흐름(3)의 압력을 달성하기 위하여 흡착에 의한 정제의 상류에서 흐름(9)을 압축시키는 것을 고려할 수 있다.
일산화탄소 농축 흐름(5)은 바람직하게는 카우퍼(Cowper) 타입의 열 교환기(C)에서 가열하고, 고로(HF)로 이송하여 연료로서 작용하게 된다.
바람직한 대안의 형태에 의하면, 제1의 작동 중에, 명목(nominal) 작동에서, 고로는 8 내지 10 바 (abs)로 압축기(C1)에 의하여 압축되는 제1의 낮은 압력에서 가스를 생성한다. 압축된 흐름은 제1의 유속을 가지며, 45 몰%의 일산화탄소를 포함한다. 이를 PSA 유닛에서 정제하고, 제1의 흐름과 관련하여 생성된 일산화탄소 농축 흐름을 고로로 이송시킨다. 폐흐름(9)은 일반적인 예에 대하여 설명한 바와 같이 SP로부터 재순환된다.
고로의 감소된 충전의 경우에서, 제2의 작동 중에, 가스(1)의 압력은 제1의 낮은 압력보다 더 낮은 압력으로 감소되며, 그의 흐름은 절반으로 감소되며, 일산화탄소의 농도는 40 몰%로 감소된다. 장치는 작동을 지속한다. 압축기(C1)의 압축비는 실질적으로 일정하므로, PSA의 유입구에서의 가스는 3 내지 7 바 (abs)이다. 이러한 경우에서, 재순환(9)이 잔존하는 CO를 다시 첨가하지 않으면, PSA 유닛의 작동이 열화되며, 예를 들어 더 높은 압력의 경우에서보다 흐름(6)에 더 많은 일산화탄소가 잔존하며, 흐름(5)에 대한 일산화탄소 배출은 감소된다. 선행의 경우에 대하여서보다 CO가 더 농축된 흐름(6)은 SP에서 처리되며, 함유된 CO의 실질적으로 전부는 흐름(9)에 존재한다.
이와 같은 각종 작동을 고려하기 위하여, 제2의 작동에 대하여서보다 제1의 작동에 대하여 더 높은 압력에서 흐름(9)을 생성하여야만 할 것이다. 이를 위하여, 한편으로는 제1의 작동 중에 더 높은 압력으로 흐름(6)을 압축시킬 수 있거나, 제1의 작동 중에 더 높은 압력으로 흐름(9)을 압축시킬 수 있거나, 다른 한편으로는 가스(6 또는 9)를 제2의 작동 중의 압력으로 감소시킬 수 있다.
3 내지 7 바의 범위 및 8 내지 10 바의 범위인 압력에서의 이와 같은 주요 변형 이외에, 흐름(3)의 압력은 또한 PSA 정제 장치의 작동을 방해할 수 있는 1 바 미만의 작은 신속 변경을 실시할 수 있다.
이러한 작은 변경을 감소시키고자, 압축기(C1)의 압축비는 변경될 수 있다. 추가로 또는 대안으로, 송풍기(B)는 압축기(C1)의 상류에 첨가될 수 있다. 도면에서 예시한 또 다른 가능성은 가스(3)를 수용하는 저장 시설(S)을 설치하는 것으로 이루어지며 압축기(C1)의 유입 압력/유속을 조절하여 완충 장치로서 작동한다.
유속 및/또는 압력에서의 변동을 고려하기 위하여 카우퍼 가열기(C)의 상류 및 하류에서 완충 장치(S)의 임의의 존재도 또한 보고된다.
도 2의 경우, 송풍기(B)는 압축기(C1)의 상류 및 압축기(C2)의 상류에 첨가될 수 있다.
도 3의 경우, 건조기(D)는 더 이상 압축기(C1)의 상류에 존재하지 않지만, 압축기(C2)의 상류에 존재한다. 이와 같은 대안의 형태는 모든 도면에 적용될 수 있다.
그래서, 재순환으로 인하여, 고로의 감소된 충전에 의하여 생성되는 이와 같은 낮은 압력에서 공정을 실시할 수 있게 된다.
가능하게는 제1의 작동과 제2의 작동 사이의 사이클(단계의 시간 및 압력)을 변경시킬 필요가 있다.
이산화탄소 결핍 가스(5)는 임의로 폐가스(1)가 유래하는 것을 제외한 철 야금 유닛으로 이송될 수 있다.

Claims (16)

  1. 이산화탄소 및 일산화탄소를 포함하는 철 야금 유닛(HF)으로부터의 폐가스로부터 출발하여 이산화탄소 농축 유체를 생성하는 방법으로서,
    폐가스의 적어도 일부를 제1의 압축기(C1)에서 압축시키고, 압축된 폐가스를 임의로 건조시키고, 임의로 건조된 폐가스를 흡착 유닛(PSA)에서 흡착 공정에 의하여 분리하여 이산화탄소 농축 및 일산화탄소 결핍 가스 및 이산화탄소 결핍 및 일산화탄소 농축 가스를 생성하며, 이산화탄소 농축 가스를 분리 유닛(SP)에서 분리하여 이산화탄소 농축 유체 및 일산화탄소 포함 재순환 가스를 생성하며, 이산화탄소 농축 유체를 생성물(7)로서 배출시키고, 재순환 가스를 분리 유닛으로부터 흡착 유닛으로 흡착 유닛의 유입 압력으로 재순환시키고, 이산화탄소 결핍 가스의 적어도 일부를 철 야금 유닛 또는 또 다른 철 야금 유닛으로 이송시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제1의 작동 중에, 제1의 압축기(C1)에서 압축된 폐가스가 압축기의 배출구에서 8 내지 15 바 (abs)의 제1의 압력, 제1의 유속 및 일산화탄소의 제1의 농도를 가지며, 제2의 작동 중에, 제1의 압축기에서 압축된 폐가스가 압축기의 배출구에서 3 내지 7 바 (abs)의 제2의 압력, 제1의 유속 미만인 제2의 유속 및 제1의 농도 미만인 일산화탄소의 제2의 농도를 갖는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 재순환 가스의 적어도 일부가 제1의 압축기(C1)의 배출 압력과 실질적으로 동일한 압력으로 흡착 유닛(PSA)으로 재순환되어 흡착 유닛에서 분리되는 방법.
  4. 제3항에 있어서, 이산화탄소 농축 가스가 분리 유닛의 상류의 제2의 압축기(C2)에서 압축되거나 재순환 가스가 분리 유닛과 흡착 유닛 사이에서 압축되는 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 분리 유닛(SP)이 0℃보다 낮은 온도에서 하나 이상의 냉각 단계에 이어서 하나 이상의 상 분리 단계에 의하여 작동되는 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1의 압축기(C1)의 출구 압력을 조절하여 제1 및/또는 제2의 압력을 실질적으로 일정하게 유지하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 제1의 압축기(C1)의 상류의 저장 시설로 폐가스를 이송하고 저장 시설로부터 제1의 압축기에 공급하여 제1의 압축기의 출구 압력을 조절하는 방법.
  8. 제2항에 있어서, 재순환 가스(9)의 압력을 변경시켜 제1의 작동 중에는 더 높은 압력 그리고 제2의 작동 중에는 더 낮은 압력이 되는 방법.
  9. 제2항 또는 제8항에 있어서, 흡착 유닛(PSA)이 제1의 작동 중에는 제1의 일산화탄소 분리 출력 그리고 제2의 작동 중에는 제1의 출력보다 낮은 제2의 일산화탄소 분리 출력을 갖는 방법.
  10. 제1항, 제2항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 폐가스(1)가 가변 압력으로 철 야금 유닛(HF)으로부터 배출되는 방법.
  11. 제1항, 제2항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 이산화탄소 결핍 가스의 적어도 일부를 또 다른 유체와 혼합하지 않으면서 철 야금 유닛 또는 또 다른 철 야금 유닛(HF)으로 이송하는 방법.
  12. 제1항, 제2항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 재순환 가스(9)를 흡착 유닛의 상류에서 임의로 건조시킨 폐가스(3)와 혼합하는 방법.
  13. 이산화탄소 및 일산화탄소를 포함하는 철 야금 유닛(HF)으로부터의 폐가스로부터 출발하는 이산화탄소 농축 유체를 생성하기 위한 장치로서,
    i) 철 야금 유닛,
    ii) 철 야금 유닛으로부터 유래하는 폐가스(1,3)의 적어도 일부를 압축시키는 제1의 압축기(C1),
    iii) 임의로 건조시킨 폐가스를 흡착 공정에 의하여 분리하여 이산화탄소 농축 및 일산화탄소 결핍 가스(6) 및 이산화탄소 결핍 및 일산화탄소 농축 가스(5)를 생성하는 흡착 유닛(PSA),
    iv) 이산화탄소 농축 가스에서 분리를 실시하여 이산화탄소 농축 유체(7) 및 일산화탄소 포함 재순환 가스(9)를 생성하는 분리 유닛(SP), 및 장치로부터의 생성물로서 이산화탄소 풍부 유체를 배출시키기 위한 수단,
    v) 재순환 가스를 분리 유닛으로부터 흡착 유닛으로 이송하기 위한 파이프, 및
    vi) 이산화탄소 결핍 가스의 적어도 일부를 철 야금 유닛 또는 또 다른 철 야금 유닛으로 이송하기 위한 파이프
    를 포함하는 장치.
  14. 제13항에 있어서, 분리 유닛(SP)은 0℃ 미만의 온도에서의 분리를 위한 유닛인 장치.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 흡착 유닛의 상류에서의 폐가스의 압력의 변동을 없애기 위한 수단으로서 송풍기(B), 저장 시설(S) 또는 상기 둘 다를 포함하는 장치.
  16. 제1항에 있어서, 상기 이산화탄소 결핍 가스의 적어도 일부를 재가열한 후 철 야금 유닛 또는 또 다른 철 야금 유닛으로 이송시키는 방법.
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