KR102328125B1 - 부생가스를 이용한 수소 제조 장치 - Google Patents

부생가스를 이용한 수소 제조 장치 Download PDF

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Abstract

부생가스를 이용한 수소 제조 장치를 제공한다. 본 발명에 따른 수소 제조 장치는, 파이넥스 배가스에 포함된 불순물 성분을 집진하기 위한 스크러버, 파이넥스 배가스로부터 이산화탄소를 분리하기 위한 제1 이산화탄소 분리기, 및 제1 이산화탄소 분리기를 통과한 제1 부생가스로부터 수소 압력변동흡착을 통해 수소를 분리하기 위한 제1 수소 분리기를 포함한다.

Description

부생가스를 이용한 수소 제조 장치{DEVICE FOR MANUFACTURING HYDOGEN USING BY-PRODUCT GAS}
본 발명은 부생가스를 이용한 수소 제조 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 화석 연료를 대체 하는 차세대 친환경 및 고효율 에너지 캐리어(Carrier)로서 수소(H2)가 많은 관심을 받고 있으며, 수소 경제의 가치 사슬(Value Chain)(생산-저장-운송-활용) 측면에서 볼 때, 경제적 수소 생산 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
현재, 수소의 대부분은 석유 정제 공정에서 발생하는 부생수소 및 석유화학 부산물인 나프타(Naptha) 또는 천연액화가스(LNG) 및 석탄(Coal) 등 화석 연료를 공급 원료(Feed Stock)로 개질 또는 압축 분리 방법을 통한 수소 및 일산화탄소 분리 방법이 경제성을 가지고 생산 중에 있다.
또한, 제철 산업에서는 열원 및 철광석의 환원목적으로 사용하는 코크스를 제조하기 위해 석탄을 코크스 오븐(Coke Oven)에 장입하여 건류시키면서 코크스 오븐 가스(COG: Coke Oven Gas)를 발생한다.
코크스 오븐 가스는 다량의 수소를 함유하는 대표적인 제철 부생가스로써 코크스 오븐 가스를 원료로 하여 수소를 생산하는 경우 원료 가스에 포함된 일산화탄소(CO)를 스팀(Steam)을 이용하여 수소(H2)로 치환하여 주는 수성 가스 전환 반응(Water Gas Shift Reaction)(CO+H2O → CO2+H2) 공정을 통해 수소를 생산할 수 있다.
또한, 용선을 제조할 수 있는 신 제선 공정인 파이넥스(FINEX) 공정은 전통적인 고로에서 사용하는 열풍 대신 순 산소를 사용함으로써 용융로 내에서 환원 기능과 용융 기능을 분리하여 반응하게 된다.
용융로 내 장입된 석탄은 연소 및 석탄 휘발분 분해를 통한 환원가스를 생성하게 되는데 용융로 직상부에서는 상온의 석탄이 낙하하여 승온 되므로 용융로 챠 베드(Char Bed)를 빠져나가는 가스의 온도는 통상적으로 700~800℃ 수준이 된다.
이 온도 분위기에서는 챠 베드 상부에서 휘발되는 석탄 휘발분이 일산화탄소(CO)와 수소(H2) 성분으로 완전 분해되지 않으며, 메탄(CH4) 및 타르와 같은 방향족 탄화수소 상태로 용융로를 빠져나가게 되는 비율이 많아지게 된다.
이러한 석탄 휘발분을 다시 일산화탄소(CO) 및 수소(H2) 성분으로 분해하기 위해 돔(Dome) 분위기 온도 승온이 이루어 지게 된다.
이러한 과정을 통해 발생한 환원가스는 다단의 유동로 내부로 철광석의 환원을 위해 공급되며 다단 유동로를 거친 파이넥스 배가스(FOG: FINEX Off Gas)를 이용하여 수소를 제조하는 방안이 연구되고 있다.
그러나, 수소 생산을 위한 공급 원료로써 파이넥스 배가스(FOG)는 수소 함량이 매우 낮고 일산화탄소(CO) 가스의 분리 및 개질을 위한 설비 규모가 증가하게 되므로, 경제성을 확보하면서 파이넥스 배가스를 이용한 간단한 수소 제조가 곤란하였다.
본 발명은 파이넥스 공정 가스인 제철 부생 가스로부터 수소 가스의 개질 없이도 고순도의 수소를 간단하게 생산할 수 있도록 한 부생가스를 이용한 수소 제조 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 제1 측면에 따른 부생가스를 이용한 수소 제조 장치는, 파이넥스 공정의 다단의 유동 환원로에서 배출되는 파이넥스 배가스(FOG)에 포함된 불순물 성분을 집진하기 위한 스크러버를 포함할 수 있다.
수소 제조 장치는, 스크러버를 통과한 파이넥스 배가스로부터 이산화탄소 압력변동흡착을 통해 이산화탄소를 분리하기 위한 제1 이산화탄소 분리기와, 제1 이산화탄소 분리기를 통과한 이산화탄소가 분리된 제1 부생가스로부터 수소 압력변동흡착을 통해 수소를 분리하기 위한 제1 수소 분리기를 포함할 수 있다.
스크러버와 제1 이산화탄소 분리기의 사이에는 스크러버를 통과한 파이넥스 배가스를 설정 압력으로 압축하기 위한 적어도 하나 이상의 제1 압축기가 설치될 수 있다.
제1 이산화탄소 분리기와 제1 수소 분리기 사이에는 제1 부생가스를 설정 압력으로 압축하기 위한 제2 압축기가 설치될 수 있다.
본 발명의 제2 측면에 따른 부생가스를 이용한 수소 제조 장치는, 파이넥스 공정의 다단의 유동 환원로에서 배출되는 파이넥스 배가스(FOG)에 포함된 불순물 성분을 집진하기 위한 스크러버와, 스크러버를 통과한 상기 파이넥스 배가스를 설정 압력으로 압축하기 위한 복수개의 압축기를 포함할 수 있다.
이 제2 측면에 따른 수소 제조 장치는, 복수개의 압축기 중 어느 하나의 압축기를 통하여 설정 압력으로 압축되어 배출되는 파이넥스 배가스인 제2 부생가스로부터 수소 압력변동흡착을 통해 수소를 분리하기 위한 제2 수소 분리기를 포함할 수 있다.
또한, 이 제2 측면에 따른 수소 제조 장치는, 복수개의 압축기 중 다른 하나 이상의 압축기를 통과한 파이넥스 배가스로부터 이산화탄소 압력변동흡착을 통해 이산화탄소를 분리하기 위한 제2 이산화탄소 분리기를 포함할 수 있다.
본 발명의 제3 측면에 따른 부생가스를 이용한 수소 제조 장치는, 파이넥스 공정의 다단의 유동 환원로에서 배출되는 파이넥스 배가스(FOG)에 포함된 불순물 성분을 집진하기 위한 스크러버와, 스크러버를 통과한 파이넥스 배가스로부터 이산화탄소 압력변동흡착을 통해 이산화탄소를 분리하기 위한 제1 이산화탄소 분리기를 포함할 수 있다.
이 제3 측면에 따른 수소 제조 장치는, 파이넥스 배가스와, 제1 이산화탄소 분리기를 통해 분리된 이산화탄소를 포함하는 제1 테일 가스를 혼합한 제3 부생가스로부터 수성가스전이 반응을 통해 수소와 이산화탄소를 포함하는 가스를 생성하는 제1 수성가스전이 반응기를 포함할 수 있다.
이 제3 측면에 따른 수소 제조 장치는, 제1 수성가스전이 반응기를 통과한 수소와 이산화탄소를 포함하는 가스로부터 수소 압력변동흡착을 통해 수소를 분리하기 위한 제3 수소 분리기를 포함할 수 있다.
제1 이산화탄소 분리기와 제1 수성가스전이 반응기 사이에는 제3 부생가스를 설정 압력으로 압축하기 위한 제3 압축기가 설치될 수 있다.
본 발명의 제4 측면에 따른 부생가스를 이용한 수소 제조 장치는, 파이넥스 공정의 다단의 유동 환원로에서 배출되는 파이넥스 배가스(FOG)를 저장하기 위한 배가스 저장소를 포함할 수 있다.
이 제4 측면에 따른 수소 제조 장치는, 배가스 저장소로부터 배출되는 파이넥스 배가스의 일부인 제4 부생가스로부터 수성가스전이 반응을 통해 수소와 이산화탄소를 포함하는 가스를 생성하는 제4 수성가스전이 반응기를 포함할 수 있다.
또한, 이 제4 측면에 따른 수소 제조 장치는, 제4 수성가스전이 반응기를 통과한 수소와 이산화탄소를 포함하는 가스로부터 수소 압력변동흡착을 통해 수소를 분리하기 위한 제4 수소 분리기를 포함할 수 있다.
배가스 저장소와 제4 수성가스전이 반응기 사이에는 배가스 저장소에서 배출되는 파이넥스 배가스를 설정 압력으로 압축하기 위한 제4 압축기가 설치될 수 있다.
본 발명의 제5 측면에 따른 부생가스를 이용한 수소 제조 장치는, 파이넥스 공정의 다단의 유동 환원로에서 배출되는 파이넥스 배가스로부터 이산화탄소 압력변동흡착을 통해 이산화탄소를 분리하기 위한 제1 이산화탄소 분리기를 포함할 수 있다.
이 제5 측면에 따른 수소 제조 장치는, 제1 이산화탄소 분리기를 통하여 분리된 이산화탄소를 포함하는 제1 테일 가스로부터 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소 분리 장치를 포함할 수 있다.
또한, 제5 측면에 따른 수소 제조 장치는, 이산화탄소 분리 장치로부터 배출되는 이산화탄소 분리된 테일 가스인 제5 부생가스를 수성가스전이 반응을 통해 수소와 이산화탄소를 포함하는 가스를 생성하는 제5 수성가스전이 반응기를 포함할 수 있다.
제5 측면에 따른 수소 제조 장치는, 제5 수성가스전이 반응기를 통과한 수소와 이산화탄소를 포함하는 가스로부터 수소 압력변동흡착을 통해 수소를 분리하기 위한 제5 수소 분리기를 포함할 수 있다.
유동 환원로와 제1 이산화탄소 분리기 사이에는 파이넥스 배가스에 포함된 불순물 성분을 집진하기 위한 스크러버가 설치되고, 스크러버와 제1 이산화탄소 분리기의 사이에는 스크러버를 통과한 파이넥스 배가스를 설정 압력으로 압축하기 위한 적어도 하나 이상의 제1 압축기가 설치될 수 있다.
본 발명의 측면에 따른 실시예에 의하면, 파이넥스 공정 가스인 제철 부생 가스로부터 고순도의 수소를 간단하게 생산할 수 있으며, 이와 같이 생산된 수소를 파이넥스 공정에 안정적으로 공급하여 분철광석의 환원율을 높일 수 있다.
또한, 부생가스로부터 수소 가스의 개질 없이 수소 가스를 생산할 수 있으므로, 수소 가스의 개질에 필요한 에너지 투입 비용 및 개질 장치가 필요하지 않게 되므로 그 만큼 경제적으로 수소 가스를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 부생가스를 이용한 수소 제조 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 부생가스를 이용한 수소 제조 장치의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 부생가스를 이용한 수소 제조 장치의 개략적인 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 부생가스를 이용한 수소 제조 장치의 개략적인 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 부생가스를 이용한 수소 제조 장치의 개략적인 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.
이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 부생가스를 이용한 수소 제조 장치의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 부생가스를 이용한 수소 제조 장치는, 파이넥스 공정에서 다단의 유동 환원로(100)에서 배출되어 배가스 저장소(110)로 파이넥스 배가스(FOG)를 배출하는 제1 배출라인(10)에 연결될 수 있다.
수소 제조 장치는, 스크러버(scrubber)(120), 제1 이산화탄소 분리기(130), 및 제1 수소 분리기(140)를 포함할 수 있다.
스크러버(scrubber)(120)는 제1 배출라인(10)에 설치되어 파이넥스 배가스에 포함된 더스트와 타르 등의 불순물 성분을 집진할 수 있다.
제1 이산화탄소 분리기(130)는 제1 배출라인(10)에서 분기되는 제1 분기라인(11)에 설치되어, 스크러버(120)를 통과한 이산화탄소(CO2)를 포함하는 파이넥스 배가스로부터 이산화탄소 압력변동흡착(CO2 PSA)을 통해 이산화탄소를 분리할 수 있다.
제1 수소 분리기(140)는 제1 이산화탄소 분리기(130)와 제1 분기라인(11)에 의해 연결되어, 제1 이산화탄소 분리기(130)를 통과한 공정 가스로서 이산화탄소가 분리된 제1 부생가스로부터 수소 압력변동흡착(H2 PSA)을 통해 수소를 분리할 수 있다.
제1 분기라인(11)은 제1 배출라인(10)과의 교차점(P1)에서 분기되어 다단의 유동 환원로(110)에 연결될 수 있다.
또한, 스크러버(120)와 제1 이산화탄소 분리기(130)의 사이의 제1 분기라인(11)에는, 스크러버(120)를 통과한 파이넥스 배가스를 제1 이산화탄소 분리기(130)에서 이산화탄소의 용이한 분리를 위해 제1-1 설정압력으로 압축하기 위한 적어도 하나 이상의 제1-1 압축기(150)가 설치될 수 있다.
제1 이산화탄소 분리기(130)와 제1 수소 분리기(140) 사이의 제1 분기라인(11)에는, 제1 이산화탄소 분리기(130)를 통과한 제1 부생가스를 제1 수소 분리기(140)에서 수소의 용이한 분리를 위해 제1-2 설정압력으로 압축하기 위한 제1-2 압축기(160)가 설치될 수 있다.
여기서, 제1 부생가스는 제1 부생가스에서 메탄(CH4) 가스가 차지하는 조성비가 2.0vol% 이하이며, 타르가 포함되어 있지 않으며, 제1 부생가스에서 수소(H2) 가스가 차지하는 조성비가 35~45 vol% 범위 내인 가스를 가리킨다.
제1 부생가스의 압력은 대략적으로 5~6 bar의 압력 범위를 가지며, 제1 부생가스의 온도는 대략적으로 20~30℃의 온도 범위를 가질 수 있다.
은 제1 부생가스의 조성비의 일 예를 나타낸다.
CO CO2 H2 CH4 O2 N2
46.4 vol% 3 vol% 29.7 vol% 1.9 vol% 0 vol% 19.0 vol%
[표 1]에 나타낸 제1 부생가스의 조성비는 예시적인 것이며, 메탄(CH4)의 조성비와 수소(H2)의 조성비의 설정 범위 내에서 각 구성성분의 조성비의 조절이 가능하다. 그리고, 제1 수소 분리기(140)에서 분리된 수소는 수소함량이 99.9% 이상이며, 나머지 기타 성분(CO, Cl, S, H2O)이1PPM(Parts Per Million) 미만인 고순도 수소일 수 있다.
제1 수소 분리기(140)에서 분리된 수소는 제1 분기라인(11)을 통하여 다단의 유동 환원로(100)에 공급하여 철광석을 환원하는데 이용될 수 있다.
또한, 제1 수소 분리기(140)에서 분리된 수소는 유동 환원로(100)에 공급하지 않고 다른 공급처 또는 저장소로 공급하여 활용될 수 있다.
제1 이산화탄소 분리기(130)를 통하여 분리된 이산화탄소(CO2)를 포함하는 제1 테일 가스는 제1 연결라인(13)을 통하여 제1 배출라인(10)으로 배출될 수 있다.
도 1에서 미설명된 인용부호 21, 23은 제1 배출라인(10)에 각각 설치된 유량 조절 밸브를 가리키며, 인용부호 30은 용융 가스화로를 가리키며, 인용부호 40은 사이클론을 가리키며, 인용부호 101은 유동 환원로에 철광석을 공급하기 위한 호퍼를 가리킨다.
이하에서, 도 1을 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 부생가스를 이용한 수소 제조 장치의 작동 과정에 대해서 설명한다.
다단의 유동 환원로(100)에서 배출되는 파이넥스 배가스는 제1 배출라인(10)을 통하여 배가스 저장소(110)로 이송된다.
제1 배출라인(10)을 통하여 이송되는 파이넥스 배가스는 스크러버(120)를 통과하면서 파이넥스 배가스에 포함된 더스트와 타르 등의 불순물이 제거된다.
이와 같이 불순물이 제거된 파이넥스 배가스의 일부는 제1 분기라인(11)으로 이송되고, 나머지 일부는 제1 배출라인(10)을 통하여 배가스 저장소(110)로 이송된다.
제1 분기라인(11)으로 이송된 파이넥스 배가스는, 제1-1 압축기(150)를 통과하면서 제1-1 설정압력으로 압축된 후 제1 이산화탄소 분리기(130)로 이송된다.
제1 이산화탄소 분리기(130)로 이송된 파이넥스 배가스는 제1 이산화탄소 분리기(130)에서 이산화탄소 압력변동흡착(CO2 PSA)을 통해 이산화탄소가 분리된 후 공정가스인 제1 부생가스로서 제1-2 압축기(160)로 이송된다.
제1-2 압축기(160)로 이송된 제1 부생가스는, 제1-2 압축기(160)를 통과하면서 제1-2 설정압력으로 압축된 후 제1 수소 분리기(140)로 이송된다.
이 때, 제1 부생가스는 35~45 vol% 범위 내의 수소를 함유하고 있으며, 제1 부생가스의 압력은 대략적으로 5~6 bar의 압력 범위를 가지며, 제1 부생가스의 온도는 대략적으로 20~30℃의 온도 범위를 가지고 있다.
그리고, 제1 수소 분리기(140)로 이송된 제1 부생가스는, 제1 수소 분리기(140)에서 수소 압력변동흡착(H2 PSA)을 통해 수소가 분리되고, 제1 부생가스에서 분리된 수소는 제1 분기라인(11)을 통하여 다단의 유동 환원로(100)로 공급되거나 기타 다른 저장소로 공급되어 활용될 수 있다.
또한, 제1 부생가스에서 분리된 수소는 유동 환원로(100)에 공급하기 전에, 유동 환원로(100)에 취입하기 적합한 온도와 압력으로 조절하기 위하여 열교환기(미도시)를 이용하여 설정 온도로 승온하고, 에어 부스터(air booster)(미도시)를 이용하여 설정 압력으로 변환하여 공급될 수 있다.
이와 같이, 제1 수소 분리기(140)의 전단에 위치한 스크러버(120), 제1 이산화탄소 분리기(130)를 거치면서 더스트 및 타르 등 불순물 성분을 일정량까지 낮추고 이산화탄소가 분리된 제1 부생가스를 이용하고, 제1 부생가스를 제1 수소 분리기(140)만을 통과시켜 간단하게 수소를 제조할 수 있다.
또한, 수소를 제조한 후 유동 환원로로 공급하기 위한 가스의 압력 확보 목적으로 대용량의 압축기를 사용하여 막대한 전력을 사용하기 보다 유동 환원로에 필요한 최소한의 압력을 확보하기 위한 에어 부스터를 활용하여 수소 가스를 유동환원로에 승압하여 공급할 수 있게 된다.
또한, 제1 수소 분리기(140)에서 제1 부생가스로부터 분리된 수소는 수소 함량이 99.9 vol% 이상이므로, 제1 수소 분리기(140)를 통해 제1 부생가스로부터 고순도 수소를 생산할 수 있으며, 제1 부생가스로부터 수소 가스의 개질 없이 수소의 분리가 가능하다.
따라서, 파이넥스 배가스의 공정 가스로서 제1 부생가스를 이용하여 간단하게 수소를 제조할 수 있으며, 수소 가스의 개질에 필요한 에너지 투입 비용 및 개질 장치가 필요하지 않게 되므로 그 만큼 경제적으로 수소 가스를 제조할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 부생가스를 이용한 수소 제조 장치의 개략적인 구성도이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 부생가스를 이용한 수소 제조 장치는 하기에서 특별히 설명하는 사항 이외에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 부생가스를 이용한 수소 제조 장치에서 설명한 사항과 동일하므로 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 부생가스를 이용한 수소 제조 장치는, 제2-1 압축기(151), 복수개의 제2-2 압축기(152, 153), 제2 수소 분리기(142), 및 제2 이산화탄소 분리기(132)를 포함할 수 있다.
제2-1 압축기(151)는 제1 분기라인(11)에 설치되고, 스크러버(120)를 통과한 이산화탄소(CO2)를 포함하는 파이넥스 배가스를 제2-1 설정 압력으로 압축할 수 있다.
복수개의 제2-2 압축기(152, 153)는 제1 분기라인(11)에 설치되고, 스크러버(120)를 통과한 이산화탄소(CO2)를 포함하는 파이넥스 배가스를 제2-2 설정 압력으로 압축할 수 있다.
제2 수소 분리기(142)는 제2-1 압축기(151)에서 제2-1 설정 압력으로 압축된 공정가스인 제2 부생가스로부터 수소 압력변동흡착(H2 PSA)을 통해 수소를 분리할 수 있다.
또한, 제2 이산화탄소 분리기(132)는 복수개의 제2-2 압축기(152, 153)를 통과한 파이넥스 배가스로부터 이산화탄소 압력변동흡착을 통해 이산화탄소를 분리할 수 있다.
제2 수소 분리기(142)에서 분리된 수소는 다른 공급처 또는 저장소로 공급하여 활용할 수 있다.
또한, 제2 수소 분리기(142)에서 수소가 분리된 나머지 제2-1 테일 가스는 제2-1 연결라인(14)을 통하여 제2-1 압축기(151)와 교차점(P1) 사이의 제1 분기라인(11)에 공급될 수 있다.
여기서, 제2 부생가스는 제2 부생가스에서 메탄(CH4) 가스가 차지하는 조성비가 1.8 vol% 이하이며, 타르가 포함되어 있지 않으며, 제2 부생가스에서 수소(H2) 가스가 차지하는 조성비가 13~23 vol% 범위 내인 가스를 가리킨다.
제2 부생가스의 압력은 대략적으로 5~6 bar의 압력 범위를 가지며, 제2 부생가스의 온도는 대략적으로 30~40℃의 온도 범위를 가질 수 있다.
는 제2 부생가스의 조성비의 일 예를 나타낸다.
CO CO2 H2 CH4 O2 N2
33.0 vol% 37.0 vol% 18.0 vol% 1.6 vol% 0 vol% 10.4 vol%
[표 2]에 나타낸 제2 부생가스의 조성비는 예시적인 것이며, 메탄(CH4)의 조성비와 수소(H2)의 조성비의 설정 범위 내에서 각 구성성분의 조성비의 조절이 가능하다. 또한, 제2-2 압축기(152, 153)를 통과한 파이넥스 배가스는 제2 이산화탄소 분리기(132)를 통과하면서 이산화탄소 압력변동흡착(CO2 PSA)을 통해 이산화탄소가 분리된 후 제1 분기라인(11)을 통하여 유동 환원로(100)에 공급될 수 있다.
그리고, 제2 이산화탄소 분리기(132)에서 파이넥스 배가스로부터 분리된 이산화탄소를 포함하는 제2-2 테일 가스는 제1 배출라인(10)에 연결된 제2-2 연결라인(15)을 통하여 배출될 수 있다.
이와 같이, 예비 압축기인 제2-1 압축기(151)를 통과하여 제2-1 설정 압력으로 압축된 제2 부생가스로부터 수소를 분리하게 되므로, 수소 제조 시 소요되는 승압 및 공정 운용 에너지를 최소화할 수 있는 이점이 있다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 부생가스를 이용한 수소 제조 장치의 개략적인 구성도이다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 부생가스를 이용한 수소 제조 장치는 하기에서 특별히 설명하는 사항 이외에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 부생가스를 이용한 수소 제조 장치에서 설명한 사항과 동일하므로 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 3을 참고하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 부생가스를 이용한 수소 제조 장치는, 제1 이산화탄소 분리기(130), 제1 수성가스전이 반응기(170), 및 제3 수소 분리기(143)를 포함할 수 있다.
제1 수성가스전이 반응기(170)는 제1 배출라인(10)에 설치되어 제1 배출라인(10)을 통하여 배출되는 파이넥스 배가스와, 제1 연결라인(13)을 통하여 제1 배출라인(10)으로 합류되는 제1 테일 가스를 혼합한 혼합 가스인 제3 부생가스로부터 수성가스전이 반응(WGSR)을 통해 수소와 이산화탄소를 포함하는 가스를 생성할 수 있다.
제3 수소 분리기(143)는 제1 배출라인(10)에 설치되고, 제1 수성가스전이 반응기(170)를 통과한 수소와 이산화탄소를 포함하는 가스로부터 수소 압력변동흡착(H2 PSA)을 통해 수소를 분리할 수 있다.
제1 배출라인(10)을 통하여 배출되는 파이넥스 배가스와, 제1 연결라인(13)을 통하여 제1 배출라인(10)으로 합류되는 제1 테일 가스는 제2 교차점(P2)에서 합류된다.
제2 교차점(P2)과 제1 수성가스전이 반응기(170) 사이의 제1 배출라인(10)에는, 제3 부생가스를 제1 수성가스전이 반응기(170)에서 수성가스전이 반응에 용이한 제3 설정 압력으로 압축하기 위한 제3-1 압축기(155)를 포함할 수 있다.
여기서, 제3 부생가스는 제3 부생가스에서 메탄(CH4) 가스가 차지하는 조성비가 1.6 vol% 이하이며, 타르가 포함되어 있지 않으며, 제3 부생가스에서 수소(H2) 가스가 차지하는 조성비가 10~20 vol% 범위 내인 가스를 가리킨다.
제3 부생가스의 압력은 대략적으로 0.01~0.5 bar의 압력 범위를 가지며, 제3 부생가스의 온도는 대략적으로 20~40℃의 온도 범위를 가질 수 있다.
은 제3 부생가스의 조성비의 일 예를 나타낸다.
CO CO2 H2 CH4 O2 N2
35.0 vol% 41.0 vol% 15.0 vol% 1.5 vol% 0 vol% 7.5 vol%
[표 3]에 나타낸 제3 부생가스의 조성비는 예시적인 것이며, 메탄(CH4)의 조성비와 수소(H2)의 조성비의 설정 범위 내에서 각 구성성분의 조성비의 조절이 가능하다. 또한, 제3 수소 분리기(143)에서 분리된 수소는, 제3 수소 분리기(143)와 유동 환원로(100)를 연결하는 제3 연결라인(16)을 통하여 유동 환원로(100)에 공급하여 철광석을 환원하는데 이용될 수 있다.
제3 연결라인(16)에는 제3 수소 분리기(143)에서 분리된 수소를 유동 환원로(100)에서 필요한 압력과 온도로 각각 조절하기 위한 에어 부스터(156) 및 열교환기(157)를 포함할 수 있다.
즉, 제3 부생가스를 이용한 수소 제조 장치는, 수소를 함유한 파이넥스 배가스의 공정 가스를 이용하여 제3 수소 분리기(143) 및 제1 수성가스전이 반응기(170)를 이용하여 수소를 간단하게 제조할 수 있다.
또한, 제3 부생가스를 이용하여 수소 제조 공정에서 발생하는 수소 제조 공정에서 발생하는 수소(H2) 가스 외 테일 가스(Tail Gas)의 승온 및 승압이 불필요 하게 되어 테일 가스 공정 재순환을 위한 승온 및 승압 공정이 불필요 하게 되는 장점이 있다.
제1 실시예와 마찬가지로 수소를 제조한 후 생성한 수소를 유동 환원로로 공급하기 위한 가스의 압력 확보 목적으로 대용량의 압축기를 사용하여 막대한 전력을 사용하기 보다 필요 최소한의 압력을 확보하기 위한 에어 부스터(156), 열교환기(157)를 활용하여 수소 가스를 유동 환원로(100)에 승압, 승온하여 공급할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 부생가스를 이용한 수소 제조 장치의 개략적인 구성도이다.
본 발명의 제4 실시예에 따른 부생가스를 이용한 수소 제조 장치는 하기에서 특별히 설명하는 사항 이외에는 본 발명의 제3 실시예에 따른 부생가스를 이용한 수소 제조 장치에서 설명한 사항과 동일하므로 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 4를 참고하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 부생가스를 이용한 수소 제조 장치는, 배가스 저장소(110), 제4 수성가스전이 반응기(4-3), 및 제4 수소 분리기(4-5)를 포함할 수 있다.
배가스 저장소(110)는 파이넥스 공정의 다단의 유동 환원로(100)에서 배출되는 파이넥스 배가스(FOG)를 저장할 수 있다.
제4 수성가스전이 반응기(4-3)는 배가스 저장소(110)로부터 배출되는 파이넥스 배가스의 일부인 제4 부생가스로부터 수성가스전이 반응(WGSR)을 통해 수소와 이산화탄소를 포함하는 가스를 생성할 수 있다.
또한, 제4 수소 분리기(4-5)는 제4 수성가스전이 반응기(4-3)에 연결되고, 제4 수성가스전이 반응기(4-3)를 통과한 수소와 이산화탄소를 포함하는 가스로부터 수소 압력변동흡착(H2 PSA)을 통해 수소를 분리할 수 있다.
또한, 배가스 저장소(110)와 제4 수성가스전이 반응기(4-3) 사이에는, 배가스 저장소(110)에서 배출되는 파이넥스 배가스를 설정 압력으로 압축하여 제4 수성가스전이 반응기(4-3)로 공급하기 위한 제4 압축기(4-1)가 설치될 수 있다.
배가스 저장소(110)에는 파이넥스 배가스를 배출하는 제2 배출라인(12)이 연결되고, 제2 배출라인(12)에 제4 압축기(4-1)가 설치될 수 있다.
또한, 제2 배출라인(12)에는 제2 분기라인(12-1)이 분기되고, 제2 분기라인(12-1)에는 제4 수성가스전이 반응기(4-3)가 설치될 수 있다.
여기서, 제4 부생가스는 제4 부생가스에서 메탄(CH4) 가스가 차지하는 조성비가 1.6 vol% 이하이며, 타르가 포함되어 있지 않으며, 제2 부생가스에서 수소(H2) 가스가 차지하는 조성비가 10~20 vol% 범위 내인 가스를 가리킨다.
제4 부생가스의 압력은 대략적으로 0.01~0.5 bar의 압력 범위를 가지며, 제4 부생가스의 온도는 대략적으로 20~40℃의 온도 범위를 가질 수 있다.
는 제4 부생가스의 조성비의 일 예를 나타낸다.
CO CO2 H2 CH4 O2 N2
35.0 vol% 41.0 vol% 15.0 vol% 1.5 vol% 0 vol% 7.5 vol%
[표 4]에 나타낸 제4 부생가스의 조성비는 예시적인 것이며, 메탄(CH4)의 조성비와 수소(H2)의 조성비의 설정 범위 내에서 각 구성성분의 조성비의 조절이 가능하다. 제4 수소 분리기(4-5)에서 분리된 수소는 필요한 공급처로 이송될 수 있다.
또한, 제4 수소 분리기(4-5)를 통과하는 제4 테일 가스는 제4-1 연결라인(12-3)을 통하여 다시 배가스 저장소(110)와 제4 압축기(4-1) 사이의 제2 배출라인(12)으로 공급되거나, 또는 제4-2 연결라인(12-5)을 통하여 배열회수 보일러(HRSG: Heat Recovery Steam Generator)(4-7)에 공급될 수 있다.
그리고, 제4 압축기(4-1)를 통과한 파이넥스 배가스 중 다른 일부는 가스 터빈(4-9)에 공급되어 가스 터빈(4-9)의 구동에 이용될 수 있다.
제4 실시예의 제4 부생가스는 제3 실시예의 제3 부생가스의 조성과 유사하지만, 배가스 저장소(110)를 기준으로 후단에 설치된 부생복합 발전, 즉 가스 터빈(4-9), 배열회수 보일러(4-7) 설비에 취입하는 가스를 이용하는 점에서 제3 부생가스와 차이가 있다.
즉, 제4 실시예의 수소 제조 장치는 부생복합 발전에 공급하는 파이넥스 배가스인 제4 부생가스를 발전설비에 입력하기 하기 위한 예비 처리, 승압 및 열량 안정화 단계를 거친 가스를 이용한 수소 제조 장치이다.
제4 실시예의 수소 제조 장치는, 기존 파이넥스 공정 가스를 이용한 수소 제조 장치에 비해 파이넥스 공정에 미치는 영향도가 극히 낮으며, 발전소 공급 가스 조건에 따라 수소 제조 장치에 적합한 가스 조성 및 압력을 유지할 수 있는 장점이 있다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 부생가스를 이용한 수소 제조 장치의 개략적인 구성도이다.
본 발명의 제5 실시예에 따른 부생가스를 이용한 수소 제조 장치는 하기에서 특별히 설명하는 사항 이외에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 부생가스를 이용한 수소 제조 장치에서 설명한 사항과 동일하므로 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 5를 참고하면, 본 발명의 제5 실시예에 따른 부생가스를 이용한 수소 제조 장치는, 제1 이산화탄소 분리기(130), 이산화탄소 분리 장치(CPU: Carbon dioxide Purification Unit)(5-1), 제5 수성가스전이 반응기(5-3), 및 제5 수소 분리기(5-5)를 포함할 수 있다.
이산화탄소 분리 장치(5-1)는 제1 이산화탄소 분리기(130)와 제5-1 연결라인(11-1)에 의하여 연결되고, 제1 이산화탄소 분리기(130)를 통하여 분리된 이산화탄소(CO2)를 포함하는 제1 테일 가스로부터 고순도 이산화탄소(CO2)를 분리할 수 있다.
또한, 제5 수성가스전이 반응기(5-3)는 이산화탄소 분리 장치(5-1)와 연결되고, 이산화탄소 분리 장치(5-1)로부터 배출되는 이산화탄소 분리된 테일 가스인 제5 부생가스를 수성가스전이 반응(WGSR)을 통해 수소와 이산화탄소를 포함하는 가스를 생성할 수 있다.
제5 수소 분리기(5-5)는 제5 수성가스전이 반응기(5-3)와 연결되고, 제5 수성가스전이 반응기(5-3)를 통과한 수소와 이산화탄소를 포함하는 가스로부터 수소 압력변동흡착(H2 PSA)을 통해 수소를 분리하기 위한 제5 수소 분리기(5-5)를 포함할 수 있다.
여기서, 제5 부생가스는 제5 부생가스에서 메탄(CH4) 가스가 차지하는 조성비가 2.5 vol% 이하이며, 타르가 포함되어 있지 않으며, 제2 부생가스에서 수소(H2) 가스가 차지하는 조성비가 8~15 vol% 범위 내인 가스를 가리킨다.
제5 부생가스의 압력은 대략적으로 0.01~0.5 bar의 압력 범위를 가지며, 제5 부생가스의 온도는 대략적으로 20~30℃의 온도 범위를 가질 수 있다.
는 제5 부생가스의 조성비의 일 예를 나타낸다.
CO CO2 H2 CH4 O2 N2
61.0 vol% 0.2 vol% 10.3 vol% 2.4 vol% 0 vol% 26.0 vol%
[표 5]에 나타낸 제5 부생가스의 조성비는 예시적인 것이며, 메탄(CH4)의 조성비와 수소(H2)의 조성비의 설정 범위 내에서 각 구성성분의 조성비의 조절이 가능하다. 이산화탄소 분리 장치(5-1)는 제5 수성가스전이 반응기(5-3)와 제5-2 연결라인(11-2)에 의하여 연결되며, 제5 수성가스전이 반응기(5-3)는 제5 수소 분리기(5-5)와 제5-3 연결라인(11-3)에 의하여 연결될 수 있다.
제5 수소 분리기(5-5)는 제5-4 연결라인(11-4)에 의하여 제5-1 연결라인(11-1)에 연결될 수 있다.
제5 수소 분리기(5-5)에서 분리된 수소는 필요한 공급처로 이송될 수 있다.
또한, 이산화탄소 분리 장치(5-1)에서 분리된 이산화탄소(CO2)는 필요한 공급처로 공급되거나 배출될 수 있다.
제5 실시예의 수소 제조 장치는 파이넥스 공정에서 운영중인 이산화탄소(CO2) 분리 장치(CPU)(5-1) 이후에 발생하는 CPU 테일 가스인 제5 부생가스를 이용하여 수소를 제조하는 장치이다.
즉, 온실 가스인 이산화탄소(CO2)를 감소하는 대신 발생하는 이산화탄소(CO2)를 활용하는 이산화탄소 포집 활용(CCU: Carbon Capture Utilization)의 일환으로 고순도 이산화탄소(CO2) 분리를 위한 이산화탄소 분리 장치(5-1)에서 고순도 CO2 가스를 분리한 후 발생하는 제5 부생가스를 이용하는 장치이다.
따라서, 제5 부생가스를 이용한 수조 제조 장치에 의하여 수소 함량 및 높은 압력 조건을 이용하여 수소를 제조할 수 있다.
본 개시를 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
10: 제1 배출라인 11: 제1 분기라인
100: 유동 환원로 110: 배가스 저장소
120: 스크러버 130: 제1 이산화탄소 분리기
140: 제1 수소 분리기 150: 제1-1 압축기
160: 제1-2 압축기

Claims (11)

  1. 파이넥스 공정의 다단의 유동 환원로에서 배출되는 파이넥스 배가스(FOG)에 포함된 불순물 성분을 집진하기 위한 스크러버,
    상기 스크러버를 통과한 파이넥스 배가스로부터 이산화탄소 압력변동흡착을 통해 이산화탄소를 분리하기 위한 제1 이산화탄소 분리기, 및
    상기 제1 이산화탄소 분리기를 통과한 파이넥스 배가스로부터 이산화탄소가 분리된 제1 부생가스로부터 수소 압력변동흡착을 통해 수소를 분리하기 위한 제1 수소 분리기
    를 포함하고,
    상기 스크러버는 제1 배출라인에 설치되고,
    상기 제1 이산화탄소 분리기는 상기 제1 배출라인에서 분기되어 상기 유동 환원로에 연결되는 제1 분기 라인에 설치되고,
    상기 제1 수소 분리기는 상기 제1 분기 라인에 의하여 상기 제1 이산화탄소 분리기와 연결되는, 부생가스를 이용한 수소 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스크러버와 상기 제1 이산화탄소 분리기의 사이에는, 상기 스크러버를 통과한 파이넥스 배가스를 설정 압력으로 압축하기 위한 적어도 하나 이상의 제1 압축기가 설치되는 부생가스를 이용한 수소 제조 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 이산화탄소 분리기와 상기 제1 수소 분리기 사이에는, 상기 제1 부생가스를 설정 압력으로 압축하기 위한 제2 압축기가 설치되는 부생가스를 이용한 수소 제조 장치.
  4. 파이넥스 공정의 다단의 유동 환원로에서 배출되는 파이넥스 배가스(FOG)에 포함된 불순물 성분을 집진하기 위한 스크러버,
    상기 스크러버를 통과한 파이넥스 배가스를 설정 압력으로 압축하기 위한 복수개의 압축기,
    상기 복수개의 압축기 중 어느 하나의 압축기를 통하여 설정 압력으로 압축되어 배출되는 파이넥스 배가스인 제2 부생가스로부터 수소 압력변동흡착을 통해 수소를 분리하기 위한 제2 수소 분리기
    를 포함하고,
    상기 스크러버는 제1 배출라인에 설치되고,
    상기 복수의 압축기는 상기 제1 배출라인에서 분기되어 상기 유동 환원로에 연결되는 제1 분기 라인에 설치되고,
    상기 제2 수소 분리기에서 수소가 분리된 나머지 테일 가스는 연결라인을 통하여 상기 제1 분기 라인에 공급되는, 부생가스를 이용한 수소 제조 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수개의 압축기 중 다른 하나 이상의 압축기를 통과한 파이넥스 배가스로부터 이산화탄소 압력변동흡착을 통해 이산화탄소를 분리하기 위한 제2 이산화탄소 분리기를 포함하는 부생가스를 이용한 수소 제조 장치.
  6. 파이넥스 공정의 다단의 유동 환원로에서 배출되는 파이넥스 배가스(FOG)에 포함된 불순물 성분을 집진하기 위한 스크러버,
    상기 스크러버를 통과한 파이넥스 배가스로부터 이산화탄소 압력변동흡착을 통해 이산화탄소를 분리하기 위한 제1 이산화탄소 분리기,
    상기 파이넥스 배가스와, 상기 제1 이산화탄소 분리기를 통해 분리된 이산화탄소를 포함하는 제1 테일 가스를 혼합한 제3 부생가스로부터 수성가스전이 반응을 통해 수소와 이산화탄소를 포함하는 가스를 생성하는 제1 수성가스전이 반응기, 및
    상기 제1 수성가스전이 반응기를 통과한 수소와 이산화탄소를 포함하는 가스로부터 수소 압력변동흡착을 통해 수소를 분리하기 위한 제3 수소 분리기
    를 포함하고,
    상기 제1 수성가스전이 반응기와 상기 제3 수소 분리기는 제1 배출라인에 설치되고,
    상기 제1 이산화탄소 분리기는 상기 제1 배출라인에서 분기되어 상기 유동 환원로에 연결되는 제1 분기 라인에 설치되고,
    상기 제3 수소 분리기에서 분리된 수소는 상기 제3 수소 분리기와 상기 유동 환원로를 연결하는 제3 연결라인을 통하여 상기 유동 환원로에 공급되는, 부생가스를 이용한 수소 제조 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 이산화탄소 분리기와 상기 제1 수성가스전이 반응기 사이에는, 상기 제3 부생가스를 설정 압력으로 압축하기 위한 제3 압축기가 설치되는 부생가스를 이용한 수소 제조 장치.
  8. 파이넥스 공정의 다단의 유동 환원로에서 배출되는 파이넥스 배가스(FOG)를 저장하기 위한 배가스 저장소,
    상기 배가스 저장소로부터 배출되는 파이넥스 배가스의 일부인 제4 부생가스로부터 수성가스전이 반응을 통해 수소와 이산화탄소를 포함하는 가스를 생성하는 제4 수성가스전이 반응기, 및
    상기 제4 수성가스전이 반응기를 통과한 수소와 이산화탄소를 포함하는 가스로부터 수소 압력변동흡착을 통해 수소를 분리하기 위한 제4 수소 분리기
    를 포함하고,
    상기 배가스 저장소에는 파이넥스 배가스를 배출하는 제2 배출라인이 연결되고,
    상기 제2 배출라인에는 제2 분기라인이 분기되고,
    상기 제2 분기라인에 상기 제4 수성가스전이 반응기가 설치되는, 부생가스를 이용한 수소 제조 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 배가스 저장소와 상기 제4 수성가스전이 반응기 사이에는, 상기 배가스 저장소에서 배출되는 파이넥스 배가스를 설정 압력으로 압축하기 위한 제4 압축기가 설치되는 부생가스를 이용한 수소 제조 장치.
  10. 파이넥스 공정의 다단의 유동 환원로에서 배출되는 파이넥스 배가스로부터 이산화탄소 압력변동흡착을 통해 이산화탄소를 분리하기 위한 제1 이산화탄소 분리기,
    상기 제1 이산화탄소 분리기를 통하여 분리된 이산화탄소를 포함하는 제1 테일 가스로부터 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소 분리 장치,
    상기 이산화탄소 분리 장치로부터 배출되는 이산화탄소 분리된 테일 가스인 제5 부생가스를 수성가스전이 반응을 통해 수소와 이산화탄소를 포함하는 가스를 생성하는 제5 수성가스전이 반응기, 및
    상기 제5 수성가스전이 반응기를 통과한 수소와 이산화탄소를 포함하는 가스로부터 수소 압력변동흡착을 통해 수소를 분리하기 위한 제5 수소 분리기
    를 포함하고,
    상기 제1 이산화탄소 분리기는 제1 배출라인에서 분기되어 상기 유동 환원로에 연결되는 제1 분기 라인에 설치되고,
    상기 이산화탄소 분리 장치는 상기 제1 이산화탄소 분리기와 제5-1 연결라인에 의하여 연결되는, 부생가스를 이용한 수소 제조 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 유동 환원로와 상기 제1 이산화탄소 분리기 사이에는 파이넥스 배가스에 포함된 불순물 성분을 집진하기 위한 스크러버가 설치되고,
    상기 스크러버와 상기 제1 이산화탄소 분리기의 사이에는 상기 스크러버를 통과한 파이넥스 배가스를 설정 압력으로 압축하기 위한 적어도 하나 이상의 제1 압축기가 설치되는 부생가스를 이용한 수소 제조 장치.
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