KR102213598B1 - 제철 부생가스로부터 수소 분리 및 메탄 농축을 위한 시스템 및 그 운전 방법 - Google Patents

제철 부생가스로부터 수소 분리 및 메탄 농축을 위한 시스템 및 그 운전 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제철 부생 가스를 처리하기 위한 공정 기술에 관한 것으로서, 본 발명의 제철 부생 가스를 이용한 수소 분리 및 메탄 농축 방법은, 제철 부생 가스 전처리 단계; 및 전처리된 제철 부생 가스에서 압력스윙흡착(PSA) 또는 진공-압력스윙흡착(VPSA)을 통해 수소를 분리하는 수소 분리 단계;를 포함하고, 상기 수소 분리 단계는, 제1 활성탄, 제2 활성탄 및 알루미나를 내부에 충진한 흡착탑을 이용하여 수행되는 것이고, 상기 제1 활성탄 및 제2 활성탄은 기공의 평균 크기가 상이한 것이다.

Description

제철 부생가스로부터 수소 분리 및 메탄 농축을 위한 시스템 및 그 운전 방법{SYSTEM FOR HYDROGEN GAS SEPERATION AND METHANE GAS CONCENTRATION FROM BY-PRODUCT GAS AND OPERATING METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 제철 부생 가스를 이용하고 처리하는 기술에 관한 것이다.
최근에는 석유자원의 고갈 및 지구환경문제에서 비롯된 에너지 체계의 변화에 따른 태양, 풍력, 수소에너지 등으로 대표되는 미래 에너지 산업의 연구개발이 활발히 진행되고 있다.
특히, 환경 오염 우려가 적은 수소는 연소시 이산화탄소를 방출하지 않으며 자연계에 다량의 수소 공급원을 가지고 있다는 측면에서 각광을 받고 있다. 수소를 제조하는 방법으로는 수소 제조 원료로 물이 가장 얻기 쉽고 풍부한 자원으로서 물을 전기분해하는 방법이 가장 효율적인 수소제조 방법이다.
다만 현 단계에서는 석유, 천연가스, 석탄 등 화석연료를 사용하여 수소를 제조하는 방법이 가장 경제적이어서 95%의 이상의 수소가 화석연료를 이용한 증기개질법으로 제조되고 있다. 그러나 화석연료는 고갈성 에너지원이고 또한 처리 시에 이산화탄소 배출이라는 환경적으로 바람직하지 못한 점 때문에 화석연료를 사용하지 않고 수소를 만드는 비중이 증가할 것으로 예상된다.
또한, 산업페기물로부터 수소 가스를 얻는 방법도 제시되고 있는데, 제철 산업을 가진 우리나라의 현실을 고려하면 주요 수소 공급원으로 제선공정에서 발생하는 부생가스 중 코크스 오븐 가스(COG)등을 포함하는 가스를 들 수 있다. 이와 같이 COG와 같은 제철 부생 가스를 활용하여 수소를 얻는 방법으로 PSA 를 통해 수소를 분리하는 것이 대표적인 기술이다. 상기와 같은 부생 가스에 포함되어 있는 수소의 양은 약 355,000 톤으로 추산되며, 실제 이 중 극히 일부만이 제철소에서 필요로 하는 수소를 만드는 데 쓰이고, 대부분은 자체 열원으로 사용하고 있다고 알려져 있다.
그러나, 제철 부생가스는 석탄 원료로부터 기인함으로 다양한 불순물 (H2S, NH3, BTX, Tar 등)을 포함하고 있어 기존 수소 제조 공정 적용에 한계가 있고, 부생가스를 제선용 (함)수소 제조의 원료로 공급하기 위해서는 불순물을 제거하기 위한 고효율의 가스정제 공정 개발이 반드시 선행되어야 한다.
또한, 최근에는 이와 같은 공정을 통해 수소 가스를 분리해냄과 동시에 메탄 가스를 보다 효과적으로 농축하고 그를 활용하기 위한 공정 기술에 대한 연구가 진행 중에 있다.
종래에 진행되었던 연구가 제철 부생 가스로부터 수소 가스를 얼마나 효율적으로 분리해내 활용할 것인지에 관한 것이었다면, 최근에는 수소 가스의 분리 및 활용에서 더 나아가 메탄 가스 또한 효과적으로 농축하여 활용할 수 있는 방법까지도 개발되고 있는 것이다.
따라서, 산업계에서는 제철 부생 가스로부터 수소 가스와 메탄 가스를 보다 효과적으로 분리해내고 활용할 수 있는 고효율의 가스 분리 및 정제 기술의 개발이 필요한 실정이었다.
본 발명의 목적은 상술한 산업계의 필요에 부응하고 나아가 제철 부생 가스의 활용 공정을 보다 효율적으로 개선하기 위한 것이다.
본 발명은 종전에 TSA 와 PSA(또는 VPSA)와 같이 둘 이상의 공정으로 나누어 진행되던 제철소 부생 가스 처리 공정을 하나의 단계로 통합한 개선된 공정을 제안하는 것으로서, 장치의 수를 줄이고 공정 효율을 높임으로써 더욱 효율적인 제철 부생 가스의 활용 방법 및 시스템을 제안하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 수소 가스의 회수율은 극대화하면서, 종래의 기술 대비 메탄 가스의 농축율 및 회수율을 향상시키는 것을 목표로 한다.
본 발명의 제철 부생 가스를 이용한 수소 분리 및 메탄 농축 방법은, 제철 부생 가스 전처리 단계; 및 전처리된 제철 부생 가스에서 압력스윙흡착(PSA) 또는 진공-압력스윙흡착(VPSA)을 통해 수소를 분리하는 수소 분리 단계;를 포함하고, 상기 수소 분리 단계는, 활성탄, 메조포러스 카본, 알루미나, 실리카 및 실리카 겔로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 내부에 충진한 흡착탑을 이용하여 수행되는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소 분리 단계는, 둘 이상의 기공 크기를 가지는 활성탄의 조합을 이용하여 메탄 및 방향족 화합물을 동시에 흡착하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 활성탄은 제1 활성탄과 제2 활성탄을포함하고, 상기 제1 활성탄은 기공의 평균 크기가 0.35 nm 내지 1.5 nm 인 것이고, 상기 제2 활성탄은 기공의 평균 크기가 0.6 nm 내지 20 nm 인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 활성탄 및 상기 제2 활성탄의 중량비는, 1 : 99 내지 99 : 1 인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소 분리 단계는, 물리적인 원리를 이용하여 각종 가스를 선별적으로 흡착하는 공정을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제철 부생 가스 전처리 단계는, 타르 제거 단계; 및 수분 및 황 화합물 제거 단계; 중 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소 분리 단계 이전에, 미량의 수분; BTX; 및 2환 또는 3환 구조를 포함하는 방향족 유기화합물; 중 하나 이상을 제거하기 위한 TSA 공정-프리(TSA process-free) 인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소 분리 단계는, 1 bar 내지 25 bar 의 흡착 압력과, 0.01 bar 내지 2 bar의 탈착 압력에서 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소 분리 단계에서, 상기 전처리된 제철 부생 가스는 수소-리치(H2-rich) 스트림과 메탄-리치(CH4-rich) 스트림으로 분리되는 것이고, 상기 메탄-리치 스트림은, 미량의 수분, BTX 및 2환 또는 3환 구조를 포함하는 방향족 유기화합물 중 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제철 부생 가스는, COG(Coke Oven Gas), FOG(FINEX Off Gas), LDG(전로 (부생) 가스) 및 BFG(Blast Furnace Gas)를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측에 따르는 제철 부생 가스를 이용한 수소 분리 및 메탄 농축 시스템은, 전처리된 제철 부생 가스를 공급하는 공급부; 및 상기 공급부로부터 전처리된 제철 부생 가스를 전달받아, 압력스윙흡착(PSA) 또는 진공-압력스윙흡착(VPSA)을 통해 수소-리치(H2-rich) 스트림과 메탄-리치(CH4-rich) 스트림으로 분리하는 수소 분리부;를 포함하고, 상기 수소 분리부는, 활성탄, 메조포러스 카본, 알루미나, 실리카 및 실리카 겔로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 흡착탑을 포함하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 흡착탑은, 메탄 가스 및 미량의 수분; BTX; 및 2환 또는 3환 구조를 포함하는 방향족 유기화합물; 중 하나 이상을 흡착하는 것일 수 있다.
본 발명은 제철 부생 가스의 활용 공정을 보다 효율적으로 개선할 수 있으며, 종전에 TSA 와 PSA(또는 VPSA)와 같이 둘 이상의 공정으로 나누어 진행되던 제철소 부생 가스 처리 공정을 하나의 단계로 통합한 개선된 공정을 제안함으로써 종래의 공정에 비해 더욱 효율적인 제철 부생 가스의 활용 방법 및 시스템을 제공하는 효과가 있다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따르면, 하나의 공정이 생략됨에 따라 가스 처리에 소요되는 시간과 비용이 절감되는 효과를 기대할 수 있다.
나아가, 수소 가스의 회수율을 높은 수준으로 유지하면서 종래의 기술 대비 메탄 가스의 활용도를 더욱 끌어올림으로써, 제철 부생 가스를 이용하여 수소 뿐 아니라 메탄까지도 높은 효율로 이용할 수 있어, 폐 자원 활용율를 극대화하는 효과가 있다.
도 1은, 통상적으로 이용되는 제철 부생 가스 처리를 통하여 수소 가스를 분리해내는 각 공정 단계를 나타내는 공정도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에서 제안하는 방법에 따라 수행되는 제철 부생 가스를 이용한 수소 분리 및 메탄 농축 공정의 각 단계를 나타내는 공정도이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은, 통상적으로 이용되는 제철 부생 가스 처리를 통하여 수소 가스를 분리해내는 각 공정 단계를 나타내는 공정도이다.
기존의 방식에 따르면, 제철소 부생 가스로부터 Tar나 과량의 수분, 황 화합물 등을 제거하기 위한 전처리 공정을 최소한 한 두 단계 수행한 후, TSA 공정을 통하여 기타 불필요한 유기화합물(BTX, 2환 및 3환을 포함하는 방향족 화합물) 및 미량 수분을 제거하고, 그 다음 단계로서 PSA 공정을 통하여 수소 가스를 메탄 가스와 분리해내는 공정이 진행되었다.
상기 BTX(조경유(Light oil)는 코크스 건류 시 발생하는 가스 중 벤젠(Benzene), 톨루엔(Toluene), 자일렌(Xylene), 나프탈렌(Naphthalene) 등의 방향족 탄화수소 성분이 포집하여 생산된 오일 성분을 지칭하는 것으로, 수분을 제외하는 경우 약 80% 이상이 벤젠으로 이루어져 있으며, 석탄을 처리하는 과정 중 발생하는 부생 가스(COG, LDG, FOG 및 BFG)는 종류에 따라 수소, 메탄, 일산화 탄소 등을 추가적으로 함유할 수 있다.
즉, 일전에는 제철 부생 가스로부터 수소 가스나 메탄 가스를 추출해내기 위하여 전처리 공정 이후에 흡착제 성능 저하를 발생시키는 BTX, 2환 및 3환을 포함하는 방향족 화합물, 황 화합물 및 수분을 제거하는 공정(TSA 공정)을 수행하였다. 그 다음으로 비로소 PSA 공정을 통하여 고효율로 수소 가스를 분리해내고 있었으며, 대부분의 기술들은 PSA 공정 효율을 증가시켜 수소 가수 회수율을 높이기 위한 방법에 초점이 맞추어져 있었다.
그러나 본 발명의 일 측에서는 상술한 TSA 공정과 PSA 공정을 하나의 단계로 통합할 수 있는 새로운 공정을 제시하고자 하며, 이를 통합하기 위해 흡착탑 내부에 적어도 두 종류 이상의 활성탄과 메조포러스 카본, 알루미나, 실리카 및 실리카 겔 등을 흡착제로 하여 충진하고 이를 이용하는 방법을 제안한다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에서 제안하는 방법에 따라 수행되는 제철 부생 가스를 이용한 수소 분리 및 메탄 농축 공정의 각 단계를 나타내는 공정도이다.
하기에서는 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에서 제안하는 제철 부생 가스를 이용한 수소 분리 및 메탄 농축 방법에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 제철 부생 가스를 이용한 수소 분리 및 메탄 농축 방법은, 제철 부생 가스 전처리 단계; 및 전처리된 제철 부생 가스에서 압력스윙흡착(PSA) 또는 진공-압력스윙흡착(VPSA)을 통해 수소를 분리하는 수소 분리 단계;를 포함하고, 상기 수소 분리 단계는, 활성탄, 메조포러스 카본, 알루미나, 실리카 및 실리카 겔로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 내부에 충진한 흡착탑을 이용하여 수행되는 것이다.
상기 수소 분리 단계는 압력스윙흡착 또는 진공-압력스윙흡착을 통해 수행될 수 있다. 본 발명에서는 상기 수소 분리 단계에서 기본적으로 PSA 기반 공정을 통해 수소와 메탄을 별도의 라인으로 분리하는 것이며, 일 예에 따르면 VPSA 공정을 적용할 수도 있다. 종래의 방법에 따르면 TSA 공정에서 수행되어야 할 기타 가스 제거 공정들을 본 발명의 실시예에서는 PSA 기반 공정 또는 VPSA 기반 공정 내에서 함께 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소 분리 단계는, 둘 이상의 기공 크기를 가지는 활성탄의 조합을 이용하여 메탄 및 방향족 화합물을 동시에 흡착하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 활성탄은 제1 활성탄과 제2 활성탄을포함하고, 상기 제1 활성탄은 기공의 평균 크기가 0.35 nm 내지 1.5 nm 인 것이고, 상기 제2 활성탄은 기공의 평균 크기가 0.6 nm 내지 20 nm 인 것일 수 있다.
제1 활성탄은 수 nm 크기의 마이크로포어를 가지는 것일 수 있고, 이를 통해서 메탄 가스의 효과적인 흡착을 기대할 수 있다. 제2 활성탄은 수 nm 내지 수십 nm 크기의 상대적으로 더 큰 마이크로 포어 크기를 가지는 것일 수 있고, 이를 통해 방향족 화합물을 흡착할 수 있다. 이 때, 상기 제1 활성탄은 기공의 평균 크기가 0.35 nm 내지 1.5 nm 인 것이고, 상기 제2 활성탄은 기공의 평균 크기가 0.6 nm 내지 20 nm 인 것이 바람직할 수 있다.
이는 물리 흡착의 원리를 이용하여 가스를 선별 흡착하는 것으로서, 일 예에서는 추가적으로 분자체 원리가 적용될 수도 있다.
방향족 화합물의 경우, 분자의 Kinetic Diameter의 사이즈가 메탄에 비해서 상대적으로 상당히 크다. 하나의 예로서, 가장 작은 방향족 화합물인 벤젠의 Kinetic Diameter는 0.58 nm 임에 비해 메탄의 Kinetic Diameter는 0.38 nm이다. 따라서, 이러한 두 종류의 분자가 혼합된 가스에서 각각을 효과적으로 흡착하기 위해서는 각각의 Kinetic Diameter에 맞는 흡착제를 별도로 구성하는 것이 바람직하다.
기체 분자의 Kinetic Dimeter의 사이즈와 흡착 역할을 수행하는 활성탄의 기공 크기는 흡착력을 결정하게 된다. 부생 가스의 기체 분자의 Kinetic Diameter 대비 활성탄의 기공 크기가 너무 크면, 흡착제의 물리적 흡착력이 떨어지는 문제가 생길 수 있다. 따라서 흡착을 의도하는 가스 별로 적절한 기공 크기의 활성탄을 선정하여 이용하는 것이 중요할 수 있다. 본 발명의 일 예에서는 흡착 공정의 공정 변수에 따라서 흡착 대상이 되는 부생 가스 내의 화학 물질마다 흡착량에 주요한 기공 크기를 다르게 설계하여 흡착탑에 충진하고 이용할 수 있다.
기공 크기가 한 종류의 활성탄만이 포함될 경우, 본 발명에서 의도하는 다양한 종류의 가스들을 모두 흡착할 수 없는 문제가 생길 수 있다.
일 예로서, 상기 수소 분리 단계에서는, 상기 기공 크기가 서로 다른 제1 활성탄 및 제2 활성탄을 이용할 수 있으며, 그 외에도 메조포러스 카본을 추가로 포함하여 이용할 수 있다.
상기 알루미나는 흡착탑 내부에 공급되어 존재하는 수분 및 일부 BTX를 제거하기 위한 것일 수 있다. 특히 활성화된 알루미나(Activated Alumina)의 경우 BTX를 효과적으로 흡착할 수 있다.
상기 알루미나는 제철 부생 가스 전처리 단계에서 과량의 수분 제거 공정을 포함하였음에도 남아있는 미량의 수분을 추가적으로 제거해주는 역할을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 흡착탑은 내부에 충진된 제올라이트를 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 제올라이트를 상기 흡착탑에 추가적으로 충진시킬 경우, 질소 가스를 비롯한 불순물을 흡착할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제철 부생 가스 전처리 단계는, 타르 제거 단계; 및 수분 및 황 화합물 제거 단계; 중 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소 분리 단계 이전에, 미량의 수분; BTX; 및 2환 또는 3환 구조를 포함하는 방향족 유기화합물; 중 하나 이상을 제거하기 위한 TSA 공정-프리(TSA process-free) 인 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 본 발명은 TSA 전처리 공정을 생략함에도 그와 대등하거나그 이상의 효과를 거둘 수 있도록 의도하고 설계된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소 분리 단계는, 1 bar 내지 25 bar 의 흡착 압력과, 0.01 bar 내지 2 bar의 탈착 압력에서 수행되는 것일 수 있다.
상기 수소 분리 단계는, 통상적인 PSA 또는 VPSA 공정에 이용되는 방식을 통하여 수행될 수 있다. 이 때 PSA 또는 VPSA 공정에서 이용되는 장치로는, 공기압축기와 진공펌프 이외에 흡착베드와 밸브수단 그리고 기타 기계장치와 배관등을 포함할 수 있다.
상기 수소 분리 단계에서는 흡착 및 탈착 공정을 포함할 수 있는데, 상기 흡착 공정은 압력이 1 bar 내지 25 bar 일 수 있다.
상기 흡착 압력이 1 bar 미만일 경우, 수소 및 메탄을 제외한 부산물들이 흡착되는 속도가 느리거나, 완전히 흡착되지 않는 문제가 생길 수 있고, 물질의 흡착량이 줄어들어 흡착탑의 크기가 커지고, 흡착제의 양이 많아짐으로 인한 공정 비용상의 문제가 발생할 수 있다. 한편, 상기 흡착 압력이 25 bar 초과의 경우 흡착 압력이 지나치게 높아 공정 효율 및 공정 비용(압축기에 소요되는 에너지의 비용 및 다단 압축기 설치와 관련된 고가 부품 소요 비용) 측면에서 문제가 생길 수 있다. 상기 흡착 공정은 바람직하게는 5 bar 내지 15 bar 에서 수행되는 것일 수 있다.
상기 탈착 공정은 압력이 0.01 bar 내지 2 bar 에서 수행되는 것일 수 있다. 상기 탈착 공정은 상기 흡착탑 내에 충진된 물질에 흡착된 물질들을 탈착해내기 위한 공정이다. 상기 탈착 압력이 너무 높으면 흡착제의 성능이 저하되는 문제 발생하여 흡착제의 재생 사용이 어려울 수 있고, 상기 탈착 압력이 너무 낮으면 진공 펌프 사용에 따른 공정 비용의 문제(진공도가 커질수록 소모되는 에너지의 양이 커짐, 또한 펌프의 스펙이 올라감에 따라서 공정 설치비도 증가)가 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소 분리 단계에서, 상기 전처리된 제철 부생 가스는 수소-리치(H2-rich) 스트림과 메탄-리치(CH4-rich) 스트림으로 분리되는 것이고, 상기 메탄-리치 스트림은, 미량의 수분, BTX 및 2환 또는 3환 구조를 포함하는 방향족 유기화합물 중 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
상기 수소 분리 단계에서는, 수소 가스를 독립적인 스트림 라인으로 분리해 내는 것을 하나의 특징으로 하며, 그 외 메탄 가스는 최대한 높은 효율로 기타 부산물들과 섞여서 별도의 스트림 라인으로 분리될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제철 부생 가스는, COG(Coke Oven Gas), FOG(FINEX Off Gas), LDG(전로 (부생) 가스) 및 BFG(Blast Furnace Gas)를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측에서는 제철 부생 가스를 이용한 수소 분리 및 메탄 농축 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측에 따르는 제철 부생 가스를 이용한 수소 분리 및 메탄 농축 시스템은, 전처리된 제철 부생 가스를 공급하는 공급부; 및 상기 공급부로부터 전처리된 제철 부생 가스를 전달받아, 압력스윙흡착(PSA) 또는 진공-압력스윙흡착(VPSA)을 통해 수소-리치(H2-rich) 스트림과 메탄-리치(CH4-rich) 스트림으로 분리하는 수소 분리부;를 포함하고, 상기 수소 분리부는, 활성탄, 메조포러스 카본, 알루미나, 실리카 및 실리카 겔로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 흡착탑을 포함하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 흡착탑은, 메탄 가스 및 미량의 수분; BTX; 및 2환 또는 3환 구조를 포함하는 방향족 유기화합물; 중 하나 이상을 흡착하는 것일 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (12)

  1. 제철 부생 가스 전처리 단계; 및
    전처리된 제철 부생 가스에서 압력스윙흡착(PSA) 또는 진공-압력스윙흡착(VPSA)을 통해 수소를 분리하는 수소 분리 단계;를 포함하고,
    상기 수소 분리 단계는, 활성탄; 및 메조포러스 카본, 알루미나, 실리카 및 실리카 겔로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나;를 내부에 충진한 흡착탑을 이용하여 수행되는 것이고,
    상기 수소 분리 단계는, 둘 이상의 기공 크기를 가지는 활성탄의 조합을 이용하여 메탄 및 방향족 화합물을 동시에 흡착하는 것이고,
    상기 활성탄은 제1 활성탄과 제2 활성탄을 포함하고, 상기 제1 활성탄은 기공의 평균 크기가 0.35 nm 내지 1.5 nm 인 것이고, 상기 제2 활성탄은 기공의 평균 크기가 0.6 nm 내지 20 nm 인 것이고,
    상기 수소 분리 단계는, 1 bar 내지 25 bar의 흡착 압력과, 0.01 bar 내지 2 bar의 탈착 압력에서 수행되는 것인,
    제철 부생 가스를 이용한 수소 분리 및 메탄 농축 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 활성탄 및 상기 제2 활성탄의 중량비는,
    1 : 99 내지 99 : 1 인 것인,
    제철 부생 가스를 이용한 수소 분리 및 메탄 농축 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수소 분리 단계는, 물리적인 원리를 이용하여 부생 가스 분자를 선별적으로 흡착하는 공정을 포함하는 것인,제철 부생 가스를 이용한 수소 분리 및 메탄 농축 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제철 부생 가스 전처리 단계는,
    타르 제거 단계; 및
    수분 및 황 화합물 제거 단계; 중 하나 이상을 포함하는 것인,
    제철 부생 가스를 이용한 수소 분리 및 메탄 농축 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수소 분리 단계 이전에,
    미량의 수분; BTX; 및 2환 또는 3환 구조를 포함하는 방향족 유기화합물; 중 하나 이상을 제거하기 위한 TSA 공정-프리(TSA process-free) 인 것인,
    제철 부생 가스를 이용한 수소 분리 및 메탄 농축 방법.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 수소 분리 단계에서,
    상기 전처리된 제철 부생 가스는 수소-리치(H2-rich) 스트림과 메탄-리치(CH4-rich) 스트림으로 분리되는 것이고,
    상기 메탄-리치 스트림은, 미량의 수분, BTX 및 2환 또는 3환 구조를 포함하는 방향족 유기화합물 중 하나 이상을 포함하는 것인,
    제철 부생 가스를 이용한 수소 분리 및 메탄 농축 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제철 부생 가스는,
    COG, BFG, FOG 및 LDG를 포함하는 것인,
    제철 부생 가스를 이용한 수소 분리 및 메탄 농축 방법.
  11. 전처리된 제철 부생 가스를 공급하는 공급부; 및
    상기 공급부로부터 전처리된 제철 부생 가스를 전달받아, 압력스윙흡착(PSA) 또는 진공-압력스윙흡착(VPSA)을 통해 수소-리치(H2-rich) 스트림과 메탄-리치(CH4-rich) 스트림으로 분리하는 수소 분리부;를 포함하고,
    상기 수소 분리부는, 활성탄; 및 메조포러스 카본, 알루미나, 실리카 및 실리카 겔로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나;를 포함하는 흡착탑을 포함하는 것이고,
    상기 수소 분리부는, 둘 이상의 기공 크기를 가지는 활성탄의 조합을 이용하여 메탄 및 방향족 화합물을 동시에 흡착하는 것이고,
    상기 활성탄은 제1 활성탄과 제2 활성탄을 포함하고, 상기 제1 활성탄은 기공의 평균 크기가 0.35 nm 내지 1.5 nm 인 것이고, 상기 제2 활성탄은 기공의 평균 크기가 0.6 nm 내지 20 nm 인 것이고,
    상기 수소 분리부는, 1 bar 내지 25 bar의 흡착 압력과, 0.01 bar 내지 2 bar의 탈착 압력으로 수행되는 것인,
    제철 부생 가스를 이용한 수소 분리 및 메탄 농축 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 흡착탑은,
    메탄 가스 및 미량의 수분; BTX; 및 2환 또는 3환 구조를 포함하는 방향족 유기화합물; 중 하나 이상을 흡착하는 것인,
    제철 부생 가스를 이용한 수소 분리 및 메탄 농축 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102329389B1 (ko) * 2020-12-02 2021-11-22 한국화학연구원 철강산업의 코크스 오븐가스(cog)로부터 수소의 분리 및 회수 시스템 및 방법
KR102644171B1 (ko) * 2021-10-29 2024-03-05 한국화학연구원 철강산업의 코크스 오븐 가스(cog)로부터 수소의 분리 및 회수 시스템 및 방법

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100271539B1 (ko) 1997-03-07 2000-11-15 마쉬 윌리엄 에프 온도스윙흡착방법
JP2002212575A (ja) 2001-01-16 2002-07-31 Nippon Steel Corp 精製コークス炉ガスの高度処理装置および利用方法
KR100427676B1 (ko) 1995-12-06 2004-07-27 이데미츠 엔지니어링 가부시키가이샤 폐기가스에포함된가스상탄화수소의처리또는회수방법

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101765687B1 (ko) * 2015-12-18 2017-08-07 재단법인 포항산업과학연구원 건류 후반 코크스 오븐 가스를 이용한 고순도 수소 제조 방법
KR101873961B1 (ko) * 2016-09-02 2018-07-03 재단법인 포항산업과학연구원 제철 부생가스를 이용한 환원가스 제조 방법 및 그 제조 장치

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100427676B1 (ko) 1995-12-06 2004-07-27 이데미츠 엔지니어링 가부시키가이샤 폐기가스에포함된가스상탄화수소의처리또는회수방법
KR100271539B1 (ko) 1997-03-07 2000-11-15 마쉬 윌리엄 에프 온도스윙흡착방법
JP2002212575A (ja) 2001-01-16 2002-07-31 Nippon Steel Corp 精製コークス炉ガスの高度処理装置および利用方法

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