KR101948991B1 - A complex system comprising steelmaking process, SOEC and SOFC - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 코크스공정, 소결공정, 파이넥스 및 고로를 포함하는 제선공정과, 제강공정과 연주공정과 압연공정을 포함하는 제철공정에서 발생한 부생가스를 고체산화물 전기분해전지 및 고체산화물 연료전지의 연료로 사용하고; 제철공정의 열원을 이용하여 생산된 수증기 및 고체산화물 연료전지에서 생산된 전기를 고체산화물 전기분해전지에 공급하고; 고체산화물 전기분해전지에서 생산된 수소 및 산소를 제철공정에 이용하도록 구성된, 제철공정-고체산화물 전기분해전지-고체산화물 연료전지 복합시스템을 제공하는 것이다. 본 발명에 의해 제철공정에서 필요로 하는 수소 일산화탄소 및 산소를 이산화탄소의 발생없이 공급하고 제철공정의 부생가스를 활용하여 고효율 친환경 발전을 할 수 있는 장점이 있다.The present invention relates to a method of manufacturing a solid oxide electrolytic cell and a fuel of a solid oxide fuel cell, the method comprising: performing a sintering process including a coke process, a sintering process, a FINEX and a blast furnace, ≪ / RTI > Supplying electricity generated in the water vapor and solid oxide fuel cells produced using the heat source of the steel making process to the solid oxide electrolysis cell; A solid oxide fuel cell hybrid system configured to use hydrogen and oxygen produced in a solid oxide electrolytic cell for a steelmaking process. According to the present invention, there is an advantage that hydrogen carbon monoxide and oxygen required in a steel making process can be supplied without generation of carbon dioxide and high efficiency, environmentally friendly power generation can be performed by utilizing byproduct gas in a steelmaking process.
Description
본 발명은 제철공정의 부생가스 및 열원을 재활용하기 위해 고체산화물 전기분해 전지 및 고체산화물 연료전지를 통합한 복합시스템이다.The present invention relates to a composite system in which a solid oxide electrolytic cell and a solid oxide fuel cell are integrated to recycle the by-product gas and the heat source in a steel making process.
도 1에 도시된 바와 같이, 제철공정은 크게 제선공정, 제강공정, 연주공정 및 압연공정으로 구성된다. As shown in FIG. 1, a steelmaking process is largely composed of a steelmaking process, a steelmaking process, a performance process, and a rolling process.
제선공정은 쇳물을 생산하는 기초공정으로서 철광석과 원료탄을 고로 상부에 넣고, 아래에서 열풍을 불어넣어 철광석을 환원시킴으로써 쇳물을 생산하는 공정이다.The ironmaking process is the basic process for producing iron scrap, which is the process of producing scrap iron by putting iron ore and coking coal on top of the furnace and blowing hot air from below to reduce iron ore.
제강공정은 쇳물에서 불순물을 제거하여 강철을 만드는 공정으로서, 고로에서 생산된 쇳물에는 탄소, 인, 황 등의 불순물이 많이 존재하므로, 산소를 불어넣어 탄소, 인, 황 등을 제거하는 정련과정이다. The steelmaking process is a refining process to remove carbon, phosphorus and sulfur by blowing oxygen because there are many impurities such as carbon, phosphorus and sulfur in the refuse produced in the blast furnace. .
연주공정은 액체 상태의 철을 고체로 만드는 공정으로서, 불순물이 제거된 쇳물을 주형에 넣은 후 연속 주조하여 슬라브, 블룸, 빌릿 등의 중간 소재를 만드는 공정이다. The casting process is a process to make solid iron in liquid state. It is a process to make intermediate material such as slab, bloom and billet by continuously casting the dirt removed from impurities into a mold.
마지막으로, 압연공정은 철을 강판이나 선재로 만드는 공정으로서, 슬라브, 블룸, 빌릿 등을 회전하는 롤 사이로 통과시켜 늘이거나 얇게 만드는 공정이며, 크게 열간압연과 냉간압연으로 구분된다.Finally, the rolling process is a process of making steel into steel or wire, and is a process of stretching or thinning slabs, blooms, billets, etc. through rotating rolls, and is roughly divided into hot rolling and cold rolling.
제선공정의 고로에서는 코크스(원료탄)가 연소되며 열과 일산화탄소를 공급하고, 아래 반응식과 같이 생성된 일산화탄소(CO)에 의해 산화철의 환원반응이 일어난다.In the blast furnace of the refining process, coke (coking coal) is burned to supply heat and carbon monoxide, and the reduction reaction of iron oxide occurs by carbon monoxide (CO) generated as shown in the following reaction formula.
CO(g) + 3Fe2O3(s) → CO2 (g) + 2Fe3O4(s)CO (g) + 2Fe 3 O 4 (s)? CO 2 (g) + 3Fe 2 O 3 (s)
4CO(g) + Fe3O4(s) → 4CO2 (g) + 3Fe (sl) 4CO (g) + Fe 3 O 4 (s) → 4CO 2 (g) + 3Fe (sl)
(단, s =고체, g=기체, sl= 고체/액체)(Where s = solid, g = gas, sl = solid / liquid)
상기 환원반응에 의해 필연적으로 다량의 이산화탄소(CO2)가 발생되며, 이산화탄소 배출규제를 고려한다면, 이산화탄소를 완전히 회수하거나 이산화탄소의 발생이 없는 새로운 제선공정이 요구된다. A large amount of carbon dioxide (CO 2 ) is inevitably generated by the reduction reaction, and when a carbon dioxide emission regulation is taken into consideration, a new carbonization process free from carbon dioxide or generating no carbon dioxide is required.
하지만, 상기 방안은 현실적으로 달성하기 어렵기 때문에, 이에 대한 대안으로 수소환원제철공정이 활용될 수 있다. 수소환원 제철공정에 따라 고농도의 수소를 환원제로 사용하면, 아래 반응식과 같이 철광석의 산소와 반응해 물이 되므로 이산화탄소를 발생시키지 않고 철 제조가 가능하다.However, since the above measures are difficult to achieve in practice, a hydrogen reduction steel manufacturing process can be utilized as an alternative to this. Hydrogen reduction When high concentration of hydrogen is used as a reducing agent according to steelmaking process, iron can be produced without generating carbon dioxide because it reacts with oxygen of iron ore as the following reaction formula.
H2(g) + 3Fe2O3(s) → H2O (g) + 2Fe3O4(s)H 2 (g) + 3Fe 2 O 3 (s)? H 2 O (g) + 2Fe 3 O 4 (s)
4H2(g) + Fe3O4(s) → 4H2O (g) + 3Fe (sl) 4H 2 (g) + Fe 3 O 4 (s)? 4H 2 O (g) + 3Fe (sl)
(단, s =고체, g=기체, sl= 고체/액체)(Where s = solid, g = gas, sl = solid / liquid)
수소환원 제철공정에 필요한 수소는, 제철공정에서 발생하는 수소함유 부생가스의 개질이나 열분해 그리고 제철소내의 수소 재순환을 통해 공급할 수 있다. 제선공정의 부생가스로는, 석탄건류과정에서 발생되는 코크스오븐가스(COG: Coke Oven Gas), 파이넥스설비에서 발생되는 파이넥스배출가스(FOG: Finex Off Gas), 고로에서 발생되는 고로가스(BFG: Blast Furnace Gas) 등이 있다. 제강공정에서는, 전로에서 린츠도나비츠가스(LDG: Linz-Donawitz Gas)가 발생된다.Hydrogen reduction Hydrogen required for the steelmaking process can be supplied by reforming and pyrolysis of hydrogen-containing by-product gases generated in steelmaking processes and hydrogen recirculation in the steelworks. Coke oven gas (COG) generated in the process of coal coal combustion, Finex off gas (FOG) generated in FINEX plant, blast gas generated in the blast furnace (BFG: Blast Furnace Gas). In the steelmaking process, Linz-Donawitz gas (LDG) is generated in the converter.
각 부생가스의 일반적인 가스조성 및 발열량은 아래 표 1과 같다.The general gas composition and calorific value of each by-product gas are shown in Table 1 below.
(kcal/Nm3)Calorific value
(kcal / Nm 3 )
이러한 부생가스들은 철강공정에 직접 재이용되거나, 가스터빈 복합발전을 통해 전기와 열을 생산하는데 이용된다.These byproduct gases can be directly reused in steel processes or used to produce electricity and heat through combined gas turbine power generation.
그러나, 수소환원 제철공정에 필요한 수소를 공급하기 위해, 부생가스를 개질하거나 열분해하는 경우에 생산되는 수소는, 탄화수소계열의 연료로부터 수소를 얻게 되므로 이산화탄소 배출량을 감소시키는 효과가 크지 않다. 또한, 부생가스를 활용하여 전기 및 열을 생산하는 가스터빈 복합발전의 경우도 여러 변환을 거치므로 에너지 효율이 낮아지는 단점이 있다.However, in order to supply hydrogen required for the hydrogen reduction steel manufacturing process, hydrogen produced when the by-product gas is reformed or pyrolyzed produces hydrogen from hydrocarbon-based fuel, so that the effect of reducing carbon dioxide emissions is not so great. In addition, the gas turbine combined-cycle power generation that generates electricity and heat by using the by-product gas also has various drawbacks, such that the energy efficiency is lowered.
도 2에 도시된 바와 같이, 기존 고체산화물 연료전지(SOFC)의 경우는, 일반적으로 수소(H2) 및 메탄(CH4)을 주된 연료로 사용한다. 한편, 일산화탄소의 경우에는 수성가스 전환반응(Water gas shift reaction)에 의해 이산화탄소와 수소를 생산하고, 이때 생산된 수소를 SOFC의 연료로 사용한다. 하지만, 일산화탄소를 SOFC의 연료로 직접 사용할 수도 있는데, 이 경우 연료극에서 직접 전기화학반응에 의해 일산화탄소가 이산화탄소로 변환되면서 전기를 생산한다.As shown in FIG. 2, in the case of a conventional solid oxide fuel cell (SOFC), hydrogen (H 2 ) and methane (CH 4 ) are generally used as the main fuel. On the other hand, in the case of carbon monoxide, carbon dioxide and hydrogen are produced by a water gas shift reaction, and the produced hydrogen is used as the fuel of the SOFC. However, carbon monoxide can also be used directly as a fuel in SOFCs, which produce electricity by converting carbon monoxide into carbon dioxide by electrochemical reactions directly at the anode.
도 2에 도시된 바와 같이, 기존 고체산화물 전기분해전지(SOEC)의 경우는, 일반적으로 소량의 수소와 다량의 물(H2O)을 연료극에 주입하고 있다. 연료극에 물만 주입할 수도 있으나, 전극의 재산화방지를 통해 내구성 및 신뢰성을 향상시키기 위해, 소량의 수소를 혼합하여 주입한다. SOEC의 연료극에서는 수소가 생산되고 공기극에서는 산소가 생산되는데, 이들의 효율적인 활용 방안이 요구된다.As shown in FIG. 2, in the case of a conventional solid oxide electrolytic cell (SOEC), a small amount of hydrogen and a large amount of water (H 2 O) are generally injected into the fuel electrode. Although only water can be injected into the anode, a small amount of hydrogen is mixed and injected in order to improve durability and reliability through prevention of re-oxidation of the electrode. Hydrogen is produced in the anode of SOEC and oxygen is produced in the cathode, and efficient utilization of these is required.
상기 제철공정, SOFC 및 SOEC를 결합하려는 시도가 있었는데, 일예로 SOFC에서 생산된 전기를 이용하여 물을 전기분해하고, 전기분해로 생산된 수소 및 산소를 제철공정에 이용하는 기술(미국특허등록번호 제5454853호)이 있으나, 제철공정에 필요한 연료를 공급한다는 점에만 주목한 기술이다. 또한, 상기 선행기술에서 좀 더 부가하여, 제철공정의 열원으로 SOFC에 공급되는 수증기를 발생시키는 기술(국제공개번호 WO2011-116141)이 있으나, 상기 선행기술과 마찬가지로 제철공정에 필요한 연료 공급 측면에만 주목하고 있다.There has been an attempt to combine the above-described steel making process, SOFC and SOEC, for example, a technique of electrolyzing water using electricity produced from an SOFC and using hydrogen and oxygen produced by electrolysis in a steelmaking process 5454853), but it is a technology that focuses only on supplying the necessary fuel for the steelmaking process. In addition, in the above prior art, there is a technique (International Publication No. WO2011-116141) for generating water vapor to be supplied to the SOFC as a heat source for a steelmaking process. However, like the prior art, .
본 발명은 제철공정에서 발생하는 부생가스를 재활용하는 종래 기술의 문제점을 해결하는 것으로서, 제철공정에서 발생되는 부생가스 및 열원을 이용하여 수소, 산소 및 전기를 생산하고, 이를 복합 시스템내에서 재사용하도록 하는 제철공정-SOEC-SOFC 복합시스템을 제공한다.The present invention solves the problems of the prior art for recycling by-product gas generated in a steelmaking process, and it can produce hydrogen, oxygen and electricity using by-product gas and heat source generated in a steelmaking process and reuse it in a complex system To-SOEC-SOFC composite system.
본 발명은 상기 과제를 해결하고자, 코크스공정, 소결공정, 파이넥스 및 고로를 포함하는 제선공정과, 제강공정과 연주공정과 압연공정을 포함하는 제철공정에서 발생한 부생가스를 고체산화물 전기분해전지 및 고체산화물 연료전지의 연료로 사용하고; 제철공정의 열원을 이용하여 생산된 수증기 및 고체산화물 연료전지에서 생산된 전기를 고체산화물 전기분해전지에 공급하고; 고체산화물 전기분해전지에서 생산된 수소 및 산소를 제철공정에 이용하도록 구성된, 제철공정-고체산화물 전기분해전지-고체산화물 연료전지 복합시스템을 제공하는 것이다.In order to solve the above-described problems, the present invention provides a method of manufacturing a solid oxide electrolytic cell and a method of manufacturing a solid oxide electrolytic cell, comprising the steps of: performing a sintering process including a coke process, a sintering process, a FINEX and a blast furnace, As fuel for oxide fuel cells; Supplying electricity generated in the water vapor and solid oxide fuel cells produced using the heat source of the steel making process to the solid oxide electrolysis cell; A solid oxide fuel cell hybrid system configured to use hydrogen and oxygen produced in a solid oxide electrolytic cell for a steelmaking process.
상기 제선공정은 수소환원공정을 추가로 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 고체산화물 전기분해전지에서 생산된 수소를 단독으로 또는 제철공정의 부생가스와 혼합하여 수소환원공정에 이용할 수 있다.The ladle forming process may further include a hydrogen reduction process. In this case, the hydrogen produced in the solid oxide electrolytic cell can be used alone or in combination with by-product gas in a steelmaking process and used in a hydrogen reduction process.
상기 고체산화물 전기분해전지에서 생산된 산소는 제강공정에 이용할 수 있다. 고체산화물 전기분해전지에서 생산된 일산화탄소를 코크스공정에 이용 가능하다. 또한, 고체산화물 전기분해전지에서 생산된 수소 또는 일산화탄소 또는 이들 모두가 고체산화물 연료전지에 공급될 수 있다.Oxygen produced in the solid oxide electrolytic cell can be used in the steelmaking process. The carbon monoxide produced in the solid oxide electrolysis cell can be used in the coke process. In addition, hydrogen or carbon monoxide produced in a solid oxide electrolytic cell, or both, may be supplied to the solid oxide fuel cell.
고체산화물 전기분해전지 또는 고체산화물 연료전지에 공급되는 부생가스는 코크스오븐가스(COG), 파이넥스배출가스(FOG), 고로가스(BFG), 린츠도나비츠가스(LDG) 또는 이들의 조합이 가능하다.The byproduct gas supplied to the solid oxide electrolytic cell or the solid oxide fuel cell can be coke oven gas (COG), FINEX exhaust gas (FOG), blast furnace gas (BFG), Linz or Wittig gas (LDG) .
한편, 본 발명의 복합시스템은 상기 고체산화물 전기분해전지 및 고체산화물 연료전지 전에 열교환기, 연소기 또는 이들의 조합을 추가로 포함할 수 있다. 여기에서 개질기는 고체산화물 연료전지 전에 부생가스 중의 탄화수소를 수소로 개질하여 고체산화물 연료전지에 공급한다.On the other hand, the combined system of the present invention may further include a heat exchanger, a combustor, or a combination thereof before the solid oxide electrolytic cell and the solid oxide fuel cell. Wherein the reformer reforms hydrocarbons in the by-product gas to hydrogen before the solid oxide fuel cell and supplies the reformed gas to the solid oxide fuel cell.
상기 열교환기는 제철공정의 열원(폐열)을 이용하거나 고체산화물 연료전지의 연료극 생성물의 열원을 이용하거나 연소기의 열원을 이용하거나 이들의 조합을 이용하는 것이 가능하다. 열교환기는 고체산화물 전기분해전지 및 고체산화물 연료전지에 공급되는 연료 또는 공기 또는 이들 모두를 예열할 수 있다.The heat exchanger can utilize a heat source (waste heat) of a steelmaking process, a heat source of a fuel electrode product of a solid oxide fuel cell, a heat source of a combustor, or a combination thereof. The heat exchanger may preheat the fuel and / or the air supplied to the solid oxide electrolysis cell and the solid oxide fuel cell.
상기 연소기는 제철공정의 부생가스, 고체산화물 연료전지의 연료극 생성물, 고체산화물 연료전지의 공기극 생성물 또는 이들 조합을 이용하여 열교환기에 필요한 열원을 공급할 수 있다. The combustor can supply the heat source necessary for the heat exchanger by using the by-product gas of a steel making process, the anode electrode product of the solid oxide fuel cell, the cathode electrode product of the solid oxide fuel cell, or a combination thereof.
한편, 제철공정의 열원 또는 연소기의 열원을 이용하여 고체산화물 전기분해전지 또는 고체산화물 연료전지 또는 이들 모두를 작동온도까지 가열하는 것도 가능하다.On the other hand, it is also possible to heat the solid oxide electrolysis cell or the solid oxide fuel cell, or both, to the operating temperature by using the heat source of the iron making process or the heat source of the combustor.
본 발명에 의해 제철공정에서 필요로 하는 수소 및 산소를 이산화탄소의 발생없이 공급하고 제철공정의 부생가스를 활용하여 고효율 친환경 발전을 할 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, there is an advantage that hydrogen and oxygen required in a steel making process can be supplied without generation of carbon dioxide and highly efficient eco-friendly power generation can be performed by utilizing byproduct gas in a steelmaking process.
도 1은 종래 제철공정에 대한 구성도이다.
도 2는 종래 SOFC 및 SOEC의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일예에 따른 제철공정-SOEC-SOFC 복합시스템에 대한 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 SOFC 및 SOEC 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
도 5 내지 도7은 본 발명의 추가 실시예에 따른 제철공정-SOEC-SOFC 복합시스템의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.1 is a block diagram of a conventional steel manufacturing process.
2 schematically shows a configuration of a conventional SOFC and SOEC.
3 is a configuration diagram of a steelmaking process-SOEC-SOFC composite system according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 schematically illustrates the SOFC and SOEC configuration according to the present invention.
5 to 7 schematically illustrate the construction of a steel-making process-SOEC-SOFC composite system according to a further embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments of the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below.
본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭이 사용되며, 이에 따라 중복되는 부가적인 설명은 아래에서 생락된다. 아래에서 참조되는 도면들에서는 축적비가 적용되지 않는다.In describing these embodiments, the same designations are used for the same configurations, and redundant additional descriptions will be omitted below. In the drawings referred to below, the accumulation ratio is not applied.
본 발명은, 코크스공정, 소결공정, 파이넥스 및 고로를 포함하는 제선공정과, 제강공정과 연주공정과 압연공정을 포함하는 제철공정에서 발생한 부생가스를 고체산화물 전기분해전지 및 고체산화물 연료전지의 연료로 사용하고; 제철공정의 열원을 이용하여 생산된 수증기 및 고체산화물 연료전지에서 생산된 전기를 고체산화물 전기분해전지에 공급하고; 고체산화물 전기분해전지에서 생산된 수소 및 산소를 제철공정에 이용하도록 구성된, 제철공정-고체산화물 전기분해전지-고체산화물 연료전지 복합시스템을 제공하는 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a solid oxide electrolytic cell and a fuel of a solid oxide fuel cell, the method comprising: performing a sintering process including a coke process, a sintering process, a FINEX and a blast furnace, ≪ / RTI > Supplying electricity generated in the water vapor and solid oxide fuel cells produced using the heat source of the steel making process to the solid oxide electrolysis cell; A solid oxide fuel cell hybrid system configured to use hydrogen and oxygen produced in a solid oxide electrolytic cell for a steelmaking process.
본 발명의 일 실시예로서 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 제철공정-고체 산화물 전기분해전지-고체산화물 연료전지 복합시스템은 수소유동환원공정 및 H2 고로 등의 수소환원공정을 포함할 수 있다.3, the steel-making process-solid oxide electrolysis cell-solid oxide fuel cell hybrid system according to an embodiment of the present invention may include a hydrogen flow reduction process and a hydrogen reduction process such as an H 2 blast furnace have.
이 경우, 상기 고체산화물 전기분해전지에서 생산된 수소를 단독으로 또는 제철공정의 부생가스와 혼합하여 수소환원공정에 이용할 수 있다. 또한, 상기 고체산화물 전기분해전지에서 생산된 산소는 제강공정에 이용할 수 있다. In this case, the hydrogen produced in the solid oxide electrolytic cell can be used alone or in combination with by-product gas in a steelmaking process and used in a hydrogen reduction process. In addition, the oxygen produced by the solid oxide electrolytic cell can be used for the steelmaking process.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고체산화물 연료전지는 수소 및 메탄이 다량 포함된 코크스오븐가스(COG)나 일산화탄소가 다량 포함된 파이넥스배출가스(FOG), 고로가스(BFG), 린츠도나비츠가스(LDG) 등의 부생가스를 연료로 사용한다. 이때 고체산화물 연료전지에 공급되는 연료는 상기 가스들이 혼합된 혼합가스를 공급하거나 각각의 부생가스가 독립적으로 고체산화물 연료전지에 공급될 수 있다. As shown in FIG. 4, the solid oxide fuel cell according to the present invention includes a fuel exhaust gas (FOG) containing a large amount of coke oven gas (COG) or carbon monoxide containing a large amount of hydrogen and methane, blast furnace gas (BFG) By-product gas such as Dowanitz gas (LDG) is used as fuel. At this time, the fuel supplied to the solid oxide fuel cell may be supplied with the mixed gas in which the gases are mixed, or each by-product gas may be independently supplied to the solid oxide fuel cell.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고체 산화물 전기분해전지는 반응에 필요한 수증기를 제철공정의 폐열을 사용하여 생산하며, 제철공정의 폐열로 SOEC 및 SOFC를 작동온도까지 가열할 수 있고, 반응 후 생산된 수소는 수소화원제철공정에 사용하고 반응 후 생산된 산소는 제강공정의 전로에 사용할 수 있다.As shown in FIG. 4, the solid oxide electrolytic cell according to the present invention can produce water vapor necessary for the reaction using waste heat of a steelmaking process, heat SOEC and SOFC to the operating temperature with waste heat of a steelmaking process, Hydrogen produced after the reaction is used in the hydrogenation process and oxygen produced after the reaction can be used in the process of the steelmaking process.
본 발명의 고체산화물 전기분해전지의 경우 부생가스에 소량의 수소를 포함하고 있으므로 부생가스와 수증기를 고체산화물 전기분해전지에 주입할 경우, 별도의 수소공급이 필요하지 않다. In the case of the solid oxide electrolytic cell of the present invention, the byproduct gas contains a small amount of hydrogen. Therefore, when the by-product gas and the water vapor are injected into the solid oxide electrolytic cell, no separate hydrogen supply is required.
또한, H2 유동환원이나 H2 고로 등의 수소환원공정에서 순수 수소만 필요한 경우에는, 연료극에 수소와 물만을 공급하고, 반응 후 물을 제거하여 수소환원제철공정에 수소만을 공급한다. 수소환원공정에 공급되는 수소의 함량조절이 필요한 경우에는, 부생가스의 유량과 고체산화물 전기분해전지에서 생산되는 수소량을 각각 제어하여 원하는 함량의 수소를 수소환원제철 공정에 공급할 수 있다. In addition, when only pure hydrogen is required in a hydrogen reduction process such as H 2 flow reduction or H 2 blast furnace, only hydrogen and water are supplied to the fuel electrode, and water is removed after the reaction to supply only hydrogen to the hydrogen reduction steelmaking process. When it is necessary to control the amount of hydrogen supplied to the hydrogen reduction process, the desired amount of hydrogen can be supplied to the hydrogen reduction steelmaking process by controlling the flow rate of the by-product gas and the amount of hydrogen produced in the solid oxide electrolytic cell.
또한, 고체산화물 전기분해전지의 공기극의 경우에 산소가 생산되므로, 전로와 같이 순산소가 필요한 경우에 유용하다. 필요한 산소를 압력변동흡착법(PSA: Pressure swing adsorption)과 같은 공정을 이용하여 일반 공기를 분리하여 공급하는 것보다, 고체산화물 전기분해전지를 이용하는 것이 저비용으로 순산소를 공급할 수 있다.Further, since oxygen is produced in the case of the cathode of the solid oxide electrolytic cell, it is useful when pure oxygen such as a converter is required. It is possible to supply pure oxygen at a low cost by using a solid oxide electrolytic cell rather than separately supplying the required oxygen by using a process such as pressure swing adsorption (PSA).
도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 제철공정-고체 산화물 전기분해 전지-고체산화물 연료전지 복합시스템의 구성도이다.5 is a configuration diagram of a steel-making process-solid oxide electrolysis cell-solid oxide fuel cell hybrid system according to another embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따른 제철공정-SOEC-SOFC 복합시스템은 코크스공정에서 나오는 코크스오븐가스(COG), 파이넥스 공정에서 나오는 파이넥스배출가스(FOG), 고로에서 발생하는 고로가스(BFG) 및 전로에서 나오는 린츠도나비츠가스(LDG)를 각각 정제부에서 불순물을 제거한 후 연료탱크로 유입되어 혼합/저장된다. The steelmaking process -SOEC-SOFC complex system according to the embodiment of the present invention is characterized in that the coke oven gas (COG) from the coke process, the FINEX exhaust gas (FOG) from the FINEX process, the blast furnace gas (BFG) The resulting Linz and Donitz gases (LDG) are introduced into the fuel tank after being removed from the refinery and mixed / stored.
부생가스 혼합연료는, 제철공정의 폐열 또는 고체산화물 연료전지의 연료극 생성물의 열원을 이용하여 열교환기에서 가열된 후, 개질기에서 개질반응에 의해 혼합연료에 포함된 탄화수소 가스가 수소로 변환되어 열교환기에서 추가적으로 가열된 후, 고체 산화물 연료전지로 유입된다. 고체산화물 연료전지의 공기극에는 공기가 송풍기를 통해 유입되며, 열교환기에서 가열된 후 고체 산화물 연료전지 스택으로 공급된다. The by-product gas mixture fuel is heated in a heat exchanger using waste heat of a steelmaking process or a heat source of a fuel electrode product of a solid oxide fuel cell, and then the hydrocarbon gas contained in the mixed fuel is converted into hydrogen by a reforming reaction in the reformer, And then flows into the solid oxide fuel cell. Air is introduced into the air electrode of the solid oxide fuel cell through the blower, heated in the heat exchanger, and then supplied to the solid oxide fuel cell stack.
고체 산화물 연료전지에서 나오는 고온의 연료극 배기가스는 개질기로 유입되는 부생가스 혼합연료를 열교환기를 통해 가열시킨 후, 연소기로 유입되어 고체 산화물 연료전지의 공기극 배기가스와 혼합되어 연소기에서 연소된다. 연소기에서 나오는 고온의 배기가스는, 열교환기를 통해 고체 산화물 연료전지에 유입되는 연료 및 공기를 작동온도까지 가열시킨 후 배출된다. The high temperature anode exhaust gas from the solid oxide fuel cell heats the by-product gas mixture fuel flowing into the reformer through the heat exchanger, then flows into the combustor and is mixed with the cathode exhaust gas of the solid oxide fuel cell and burned in the combustor. The hot exhaust gas from the combustor is exhausted after heating the fuel and air entering the solid oxide fuel cell through the heat exchanger to the operating temperature.
한편, 부생가스 혼합연료와 물은 열교환기에서 제철공정에서 발생되는 폐열에 의해 가열된 후, 고체산화물 전기분해전지의 연료극에 공급된다. 고체산화물 전기분해전지의 공기극에는, 공기가 송풍기를 통해 유입된 후 열교환기에서 제철공정에서 발생되는 폐열에 의해 가열된 후 공급된다. On the other hand, the by-product gas mixture fuel and water are heated by the waste heat generated in the steel making process in the heat exchanger, and then supplied to the fuel electrode of the solid oxide electrolytic cell. In the air electrode of the solid oxide electrolytic cell, air is supplied through the blower after being heated by waste heat generated in a steel making process in a heat exchanger.
고체산화물 전기분해전지에서 나오는 고온의 연료극 배기가스는, 분리공정에서 수소, 일산화탄소 및 기타 배기가스로 분리된 후, 수소는 수소환원공정에 사용되고, 일산화탄소는 코크스공정에 사용되며, 나머지 배기가스는 배출된다. 고체산화물 전기분해전지에서 나오는 고온의 공기극 배기가스는 분리공정에서 산소와 질소가 분리된 후 산소는 제강공정(전로)에 사용된다. 한편, 고체산화물 전기분해전지에서 생성되는 수소와 일산화탄소를 고체산화물 연료전지에 활용할 수도 있다.The hot anode effluent from the solid oxide electrolytic cell is separated into hydrogen, carbon monoxide and other exhaust gases in the separation process, then hydrogen is used in the hydrogen reduction process, carbon monoxide is used in the coke process, do. The hot cathode exhaust from the solid oxide electrolysis cell is used for the steelmaking process (converter) after oxygen and nitrogen are separated in the separation process. On the other hand, hydrogen and carbon monoxide generated in a solid oxide electrolytic cell may be utilized in a solid oxide fuel cell.
도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 제철공정-SOEC-SOFC 복합시스템의 구성도이다.6 is a configuration diagram of a steelmaking process-SOEC-SOFC composite system according to another embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따른 제철공정-SOEC-SOFC 복합시스템은, 코크스공정에서 나오는 코크스오븐가스(COG), 파이넥스 공정에서 나오는 파이넥스배출가스(FOG), 고로에서 발생하는 고로가스(BFG) 및 전로에서 나오는 린츠도나비츠가스(LDG)를 각각 정제부에서 불순물을 제거한다.The steelmaking process-SOEC-SOFC composite system according to the embodiment of the present invention is a system for producing a coke oven gas (COG) from a coke process, a FINEX exhaust gas (FOG) from a FINEX process, a blast furnace gas (BFG) (LDG) from the refinery, respectively.
수소의 함량이 높은 COG 및 FOG는 단독 또는 혼합가스 형태로 열교환기에서 가열된 후, 개질기에서 개질반응에 의해 연료에 포함된 탄화수소 가스가 수소로 변환되어, 열교환기에서 추가적으로 가열된 후 고체산화물 연료전지로 유입된다. 고체산화물 연료전지의 공기극에는, 공기가 송풍기를 통해 유입된 후 열교환기에서 가열되어 공급된다. COG and FOG, which are high in hydrogen content, are heated in a heat exchanger in the form of a single gas or a mixed gas, and then the hydrocarbon gas contained in the fuel is converted into hydrogen by the reforming reaction in the reformer and further heated in the heat exchanger, And flows into the battery. In the air electrode of the solid oxide fuel cell, air is introduced through a blower and then heated in a heat exchanger and supplied.
고체 산화물 연료전지에서 나오는 고온의 연료극 배기가스는 개질기로 유입되는 부생가스 연료를 열교환기를 통해 가열시킨 후, 연소기로 유입되어 고체 산화물 연료전지의 공기극 배기가스와 혼합되어 연소기에서 연소된다. 이때 연소기에 공급되는 가스는 일산화탄소의 함량이 높은 BFG 및 LDG를 사용하도록 구성될 수 있다. 연소기에서 나오는 고온의 배기가스는, 열교환기를 통해 고체 산화물 연료전지에 유입되는 연료 및 공기를 작동온도까지 가열시킨 후 배출된다. The high temperature anode exhaust gas from the solid oxide fuel cell heats the byproduct gas fuel flowing into the reformer through the heat exchanger, then flows into the combustor and is mixed with the cathode exhaust gas of the solid oxide fuel cell and burned in the combustor. At this time, the gas supplied to the combustor may be configured to use BFG and LDG having a high content of carbon monoxide. The hot exhaust gas from the combustor is exhausted after heating the fuel and air entering the solid oxide fuel cell through the heat exchanger to the operating temperature.
일산화탄소의 함량이 높고 수소의 함량이 낮은 BFG 및 LDG와 물은, 열교환기에서 제철공정에서 발생되는 폐열에 의해 가열된 후, 고체 산화물 전기분해전지로 공급된다. 고체산화물 전기분해전지의 공기극에는, 공기가 송풍기를 통해 유입되어 열교환기에서 제철공정에서 발생되는 폐열에 의해 가열된 후 공급된다. BFG, LDG and water, which have high carbon monoxide content and low hydrogen content, are heated by waste heat generated in a steel making process in a heat exchanger, and then supplied to a solid oxide electrolytic cell. In the air electrode of the solid oxide electrolytic cell, air is introduced through a blower and heated by waste heat generated in a steel making process in a heat exchanger and then supplied.
고체산화물 전기분해전지에서 나오는 고온의 연료극 배기가스는, 분리공정에서 수소, 일산화탄소 및 기타 배기가스로 분리된 후, 수소는 수소환원공정에 사용되고, 일산화탄소는 코크스공정에 사용되며, 나머지 배기가스는 배출된다. 고체산화물 전기분해전지에서 나오는 고온의 공기극 배기가스는, 분리공정에서 산소와 질소가 분리된 후 산소는 제강공정(전로)에 사용된다. The hot anode effluent from the solid oxide electrolytic cell is separated into hydrogen, carbon monoxide and other exhaust gases in the separation process, then hydrogen is used in the hydrogen reduction process, carbon monoxide is used in the coke process, do. The hot cathode exhaust from the solid oxide electrolysis cell is used in the steelmaking process (converter) after oxygen and nitrogen are separated in the separation process.
도 7은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 제철공정-SOEC-SOFC 복합시스템의 구성도이다.7 is a configuration diagram of a steel-making process-SOEC-SOFC composite system according to another embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따른 제철공정-SOEC-SOFC 복합시스템은, 코크스공정에서 나오는 코크스오븐가스(COG), 파이넥스 공정에서 나오는 파이넥스배출가스(FOG), 고로에서 발생하는 고로가스(BFG) 및 전로에서 나오는 린츠도나비츠가스(LDG)를 각각 정제부에서 불순물을 제거한다.The steelmaking process-SOEC-SOFC composite system according to the embodiment of the present invention is a system for producing a coke oven gas (COG) from a coke process, a FINEX exhaust gas (FOG) from a FINEX process, a blast furnace gas (BFG) (LDG) from the refinery, respectively.
수소의 함량이 높은 COG 및 FOG는 단독 또는 혼합가스 형태로 열교환기에서 가열된 후, 개질기에서 개질반응에 의해 연료에 포함된 탄화수소 가스가 수소로 변환되어, 열교환기에서 추가적으로 가열된 후 고체산화물 연료전지로 유입된다. 고체산화물 연료전지의 공기극에는, 공기가 송풍기를 통해 유입된 후 열교환기에서 가열되어 공급된다.COG and FOG, which are high in hydrogen content, are heated in a heat exchanger in the form of a single gas or a mixed gas, and then the hydrocarbon gas contained in the fuel is converted into hydrogen by the reforming reaction in the reformer and further heated in the heat exchanger, And flows into the battery. In the air electrode of the solid oxide fuel cell, air is introduced through a blower and then heated in a heat exchanger and supplied.
고체 산화물 연료전지에서 나오는 고온의 연료극 배기가스는 개질기로 유입되는 부생가스 연료를 열교환기를 통해 가열시킨 후, 연소기로 유입되어 고체 산화물 연료전지의 공기극 배기가스와 혼합되어 연소기에서 연소된다. 이때 연소기에 공급되는 가스는 일산화탄소의 함량이 높은 BFG 및 LDG를 사용하도록 구성될 수 있다. 연소기에서 나오는 고온의 배기가스는, 열교환기를 통해 고체 산화물 연료전지에 유입되는 연료 및 공기를 작동온도까지 가열시킨 후 배출된다. The high temperature anode exhaust gas from the solid oxide fuel cell heats the byproduct gas fuel flowing into the reformer through the heat exchanger, then flows into the combustor and is mixed with the cathode exhaust gas of the solid oxide fuel cell and burned in the combustor. At this time, the gas supplied to the combustor may be configured to use BFG and LDG having a high content of carbon monoxide. The hot exhaust gas from the combustor is exhausted after heating the fuel and air entering the solid oxide fuel cell through the heat exchanger to the operating temperature.
일산화탄소의 함량이 높고 수소의 함량이 낮은 BFG 및 LDG와 물은, 열교환기에서 BFG 및 LDG와 공기가 연소기에서 연소되어 나오는 고온의 배기가스에 의해 가열된 후, 고체 산화물 전기분해전지로 공급된다. 고체산화물 전기분해전지의 공기극에는, 공기가 송풍기를 통해 유입되어 열교환기에서 제철공정에서 발생되는 폐열에 의해 가열된 후 공급된다.BFG, LDG and water, which have high carbon monoxide content and low hydrogen content, are heated in the heat exchanger by BFG and LDG and the hot exhaust gas burned in the combustor, and then supplied to the solid oxide electrolytic cell. In the air electrode of the solid oxide electrolytic cell, air is introduced through a blower and heated by waste heat generated in a steel making process in a heat exchanger and then supplied.
고체산화물 전기분해전지에서 나오는 고온의 연료극 배기가스는, 분리공정에서 수소, 일산화탄소 및 기타 배기가스로 분리된 후, 수소는 수소환원공정에 사용되고, 일산화탄소는 코크스공정에 사용되며, 나머지 배기가스는 배출된다. 고체산화물 전기분해전지에서 나오는 고온의 공기극 배기가스는, 분리공정에서 산소와 질소가 분리된 후 산소는 제강공정(전로)에 사용된다. The hot anode effluent from the solid oxide electrolytic cell is separated into hydrogen, carbon monoxide and other exhaust gases in the separation process, then hydrogen is used in the hydrogen reduction process, carbon monoxide is used in the coke process, do. The hot cathode exhaust from the solid oxide electrolysis cell is used in the steelmaking process (converter) after oxygen and nitrogen are separated in the separation process.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It will be obvious to those of ordinary skill in the art.
Claims (15)
A sintering process including a coke process, a sintering process, a FINEX and a blast furnace, a by-product gas generated in a steelmaking process including a steelmaking process, a casting process and a rolling process, as fuel for a solid oxide fuel cell; Supplying electricity generated in the water vapor and solid oxide fuel cells produced using the heat source of the steel making process to the solid oxide electrolysis cell; The method of claim 1, wherein the solid oxide electrolytic cell further comprises hydrogen, carbon monoxide and oxygen produced in the solid oxide electrolytic cell, Which is used in a hydrogen reduction process by mixing with byproduct gas of a solid oxide fuel cell.
The composite system of claim 1, wherein the oxygen produced in the solid oxide electrolytic cell is used in a steelmaking process, a solid oxide electrolytic cell, and a solid oxide fuel cell hybrid system.
The composite system of claim 1, wherein the carbon monoxide produced in the solid oxide electrolytic cell is used in a coke process, a steel-making process, a solid oxide electrolytic cell, and a solid oxide fuel cell.
The method of claim 1, wherein the by-product gas is selected from the group consisting of a coke oven gas (COG), a FINEX exhaust gas (FOG), a blast furnace gas (BFG), a Linz or Wittg gas (LDG) Decomposition Battery - Solid Oxide Fuel Cell Complex System.
7. The method according to claim 6, wherein the coke oven gas and the FINEX exhaust gas in the by-product gas are supplied to the fuel electrode of the solid oxide fuel cell, or the blast furnace gas and the Linz Donawitz gas are supplied to the fuel electrode of the solid oxide electrolytic cell, Oxide Electrolysis Battery - Solid Oxide Fuel Cell Complex System.
The process of claim 1, further comprising a heat exchanger, a combustor, or a combination thereof prior to the solid oxide electrolytic cell and the solid oxide fuel cell.
The system of claim 1, further comprising a reformer for reforming hydrocarbons in the by-product gas into hydrogen before the solid oxide fuel cell.
The method of claim 8, wherein the heat exchanger is a steelmaking process that uses a heat source of a steelmaking process, uses a heat source of a fuel electrode product of a solid oxide fuel cell, uses a heat source of a combustor, or a combination thereof. Oxide fuel cell hybrid system.
9. The method of claim 8, wherein the combustor is selected from the group consisting of a steelmaking process, a solid oxide electrolysis cell, and a solid oxide fuel cell complex using a by-product gas of a steel making process, a fuel electrode product of a solid oxide fuel cell, a cathode electrode product of a solid oxide fuel cell, system.
12. The composite system of claim 11, wherein the combustor is supplied with a blast furnace gas and a Linz or Donz gas.
9. The combined system of claim 8, wherein the fuel and / or air supplied to the solid oxide electrolytic cell and the solid oxide fuel cell are preheated by a heat exchanger.
9. The method of claim 8, further comprising the steps of: a steelmaking process - a solid oxide electrolysis cell - a solid oxide fuel cell, which heats the solid oxide electrolysis cell or solid oxide fuel cell or all of them to an operating temperature using a heat source of a steel making process or a heat source of the combustor Complex system.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |