KR102571132B1 - 제철공정-전기분해-연료전지 운전방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제철소 화성 공정으로부터 배출되는 배가스로부터 암모니아 및 산성가스를 분리하는 단계; 및 상기 암모니아를 연료전지의 연료로 투입하거나 또는, 전기분해를 수행하여 수소 및 질소를 제조하는 단계를 포함하는 제철공정-전기분해-연료전지 운전방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 화성공정의 산성가스 중 암모니아를 수소 및 질소로 분해하여, 배관 패쇄 및 부식을 방지하고, 클라우스 공정에서의 촉매활성저하를 방지할 수 있으며, 또한, 제철소의 부산물로부터 질소 및 수소를 생산하여 제철공정에 재공급할 수 있는 효과가 있다.

Description

제철공정-전기분해-연료전지 운전방법 {Method for operating of steelmaking process, electrolysis and fuel cell complex system}
본 발명은 제철공정-전기분해-연료전지 운전방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 제철공정에서 발생하는 암모니아 및 열원을 재활용하기 위해 전기분해 및 연료전지가 통합된 복합시스템의 운전방법에 관한 것이다.
도 1은 일반적으로 제철소의 코크스 오븐에서 발생되는 코크스 오븐 가스(Coke Oven Gas, COG)를 처리하기 위한 화성공정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 화성공정은 크게 타르(Tar) 회수 설비(10), 배송 설비(20), 정제 설비(30), 조경유 회수 설비(40), 유황 회수 설비(50) 및 폐수 처리 설비(60)로 구성되며, 타르(Tar) 회수 설비에서는 석탄을 고온 건류할 때 발생된 COG 중의 타르를 비중차이에 의해 분리하여 회수하는 공정이 수행되고, 배송 설비를 통하여 COG의 정제효율 향상을 위한 냉각 및 타르 미스트(Tar Mist)를 제거하여 정제공정으로 배송된다.
정제 공정에서는 COG에 포함되어 있는 대표적인 불순물인 황화수소(H2S) 및 암모니아(NH3)를 스크러버(scrubber)에서 안수(암모니아수) 및 연수를 활용하여 포집하고, 조경유 회수설비는 BTX 스크러버에서 경유분(benzene, toluene, xylene)을 흡수유로 포집 후 증류하여 조경유를 생산한다.
유황 회수 설비에서는 안수를 증류 및 농축 할 때 발생하는 산성 가스(acid gas) 중 황화수소를 액체유황으로 회수하고, 암모니아는 열분해하며, 폐수 처리 설비에서 석탄의 수분, 연수 및 스팀 사용으로 발생하는 폐수를 미생물로 생물화학적 처리, 약품으로 화학적 처리한다.
도 2는 산성가스를 처리하기 위한 종래의 클라우스(Claus) 공정을 개략적으로 나타낸 것이다. 상기 화성공정 설비 중에서 유황 회수 설비로 유입되는 산성가스(Acid gas)는 암모니아, 황화수소 및 기타 수용성 기체 성분들을 포함하고 있으며, 클라우스 설비(70)에서 고온의 공기분위기 하에, 하기와 같은 반응을 통하여, 암모니아는 질소와 기타 산화물로 분해되고, 황화수소는 황과 물로 분해된다.
2NH3 + 3/2O2 → N2 + 3H2O
2NH3 + O2 → N2 + H2 + 2H2O
2NH3 + O2 → N2 + 2H2 + H2O
H2S + 3/2O2 → SO2 + H2O
2H2S + 5/2O2 → 2SO2 + H2O + H2
H2S + O2 →S2 + 2H2O
2H2S + 1/2O2 → S2 + H2O + H2
한편, 산성가스 중의 암모니아는 낮은 연소온도로 인한 불완전 연소시, 다음과 같은 반응에 의해, 질소산화물(NOx) 및 암모늄 설페이트(ammonium sulfate ((NH4)2SO4))를 형성할 수 있고, 이에 따른 배관 패쇄 및 부식이 일어날 수 있다.
2NH3 + 5/2O2 → 3H2O
NO + 1/2O2 → NO2
NO2 + SO2 → NO + SO3
또한, 클라우스 공정의 촉매반응기에서는 NOx로 인한 촉매활성저하로 유황 전환율 감소 및 유황생산량 저하가 일어날 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 실정을 감안하여 안출된 것으로, 제철소의 화성공정에서 발생되는 암모니아를 열분해하는 종래 기술의 문제점을 해결하고, 화성공정에서 발생되는 암모니아 및 열원으로 수소, 질소 및 전기를 생산하여, 이를 제철공정 내에서 재사용하도록 하는 제철공정-전기분해-연료전지 운전방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 제철소 화성 공정으로부터 배출되는 배가스로부터 암모니아 및 산성가스를 분리하는 단계; 및 상기 암모니아를 연료전지의 연료극에 투입하거나 또는, 전기분해를 수행하여 수소 및 질소를 제조하는 단계를 포함하는 제철공정-전기분해-연료전지 운전방법이 제공된다.
상기 수소를 연료전지의 연료극에 투입하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 분리된 산성가스를 클라우스 공정에 투입하는 단계; 및 상기 클라우스 공정에서 배출되는 스팀을 연료전지의 공기극에 투입하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 클라우스 공정에서 배출되는 스팀을 암모니아 분리 장치에 투입하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 수소를 제철공정에 투입하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 질소를 제철공정에 투입하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 연료전지에서 생성된 전기를 전기분해 장치에 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 배가스는 코크스 오븐 가스일 수 있다.
상기 코크스 오븐 가스는 타르 제거장치 및 코크스 오븐 가스 정제장치를 포함하는 화성장치로부터 정제된 가스일 수 있다.
본 발명에 따르면, 화성공정의 산성가스 중 암모니아를 수소 및 질소로 분해하여, 배관 패쇄 및 부식을 방지하고, 클라우스 공정에서의 촉매활성저하를 방지할 수 있다.
또한, 제철소의 부산물로부터 질소 및 수소를 생산하여 제철공정에 재공급할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 코크스 오븐 가스를 처리하기 위한 화성공정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 산성가스를 처리하기 위한 클라우스 공정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 제철공정-전기분해-연료전지 운전방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
이하, 다양한 실시예를 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.
본 발명은 제철공정-전기분해-연료전지 운전방법에 관한 것으로, 도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 제철공정-전기분해-연료전지 운전방법을 개략적으로 나타낸 것이다. 이하, 도 3을 참조하여, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 제철소 화성 공정으로부터 배출되는 배가스로부터 암모니아 및 산성가스를 분리하는 단계; 및 상기 암모니아를 연료전지(100)의 연료극에 투입하거나 또는, 전기분해를 수행하여 수소 및 질소를 제조하는 단계를 포함하는 제철공정-전기분해-연료전지 운전방법이 제공된다.
제철소 화성 공정으로부터 배출되는 배가스는 제철소의 코크스 오븐에서 발생되는 코크스 오븐 가스일 수 있다. 예를 들어, 석탄을 고온 건류할 때 발생된 코크스 오븐 가스일 수 있으며, 타르 제거장치 및 코크스 오븐 가스 정제장치를 포함하는 화성장치, 보다 상세하게는 타르 회수 공정, 배송 공정, 정제 공정, 조경유 회수 공정, 유황 회수 공정 및 폐수 처리 공정을 거친 정제된 코크스 오븐 가스를 사용할 수도 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 암모니아 분리설비(80)에서 상기 배가스로부터 암모니아 및 산성가스를 분리하는 단계가 수행되며, 분리된 산성가스는 클라우스 설비(70)로 공급된다. 상기 암모니아 분리설비(80)는 특별하게 한정되지 않으며, 암모니아 분리를 위해 당 업계에서 통상적으로 사용되는 설비일 수 있다. 예를 들어, 탈기탑 및 열교환기 등을 구비하는 암모니아 스팀 스트리핑 장치에 의해 배가스에 포함된 암모니아가 분리될 수 있으며, 후술하는 것과 같이, 클라우스 공정에서 배출되는 고온의 스팀이 암모니아 분리 설비에 공급될 수 있다.
클라우스 공정에서는 물과 상온의 공기를 공급하여, 하기와 같은 반응을 통해, 산성가스에 포함된 황을 회수하고, 고온의 공기(스팀)을 생성한다.
H2S + 3/2O2 → SO2 + H2O
2H2S + 5/2O2 → 2SO2 + H2O + H2
H2S + O2 → S2 + 2H2O
2H2S + 1/2O2 → S2 + H2O + H2
후술하는 바와 같이, 클라우스 공정에서 생성된 상기 고온의 스팀은 연료전지(100)의 공기극에 투입되어 전기를 생성하는데 사용될 수 있고, 상기 전기는 다시 전기분해 장치(90)로 공급될 수 있다. 한편, 연료전지(90) 및 전기분해 장치(100)의 구성 및 원리는 통상의 기술자에 널리 알려져 있으므로, 여기서는 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명에 따르면, 클라우스 공정에 투입되기 전 배가스에 포함된 암모니아가 분리되므로, 질소산화물의 생성을 방지할 수 있으며, 이에 따라, 질소산화물로 인한, 촉매활성저하에 따른 유황 전환율 감소 및 유황생산량 저하를 방지할 수 있다. 또한, 암모늄 설페이트의 형성를 방지할 수 있으므로, 이에 따른 배관 패쇄 및 부식을 방지할 수 있다.
한편, 분리된 암모니아는 연료전지(100)의 연료로서, 연료극에 투입될 수 있다. 또한, 상기 암모니아를 전기분해장치(90)에서 전기분해하여 수소 및 질소를 생산한 후, 생산된 수소를 연료전지의 연료로서 연료극에 투입할 수 있다. 또한, 연료전지(100)의 공기극에는 상술한 클라우스 공정에서 생성된 고온의 스팀이 투입될 수 있다. 본 발명에 따르면, 클라우스 공정에서 생성된 고온의 스팀이 공급되므로, 연료전지(100)의 구동온도까지 온도를 상승하기 위한 에너지 소비를 저감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 클라우스 공정에서 생성된 고온의 스팀은 암모니아 분리장치(80)로 공급되어, 암모니아 스팀 스트리핑에 의해 배가스의 암모니아를 분리할 수 있으며, 이에 따라, 스팀 생성에 필요한 에너지를 절약할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 제철 공정에서 발생하는 부산물을 연료전지(100)에 공급하여 전기를 생산할 수 있고, 이는 상술한 전기분해 장치(90)에 공급되거나, 또는 다른 제철공정에 사용될 수 있다.
암모니아를 전기분해하여 생성된 수소는 연료전지(100)의 연료극에 투입되는 것 이외에도 제철공정(110)에 투입되어 재활용될 수 있다. 예를 들어, 클라우스 설비의 버너에 공급하거나, 제강공정의 수소환원공정 연료 등으로 사용될 수 있다.
암모니아를 전기분해하여 생성된 질소 또한, 제철공정(110)에 투입되어 재활용될 수 있다. 예를 들어, 제철공정 중 분위기 가스로 사용되거나, 기체 또는 수증기와 치환하여 퍼징을 위한 목적으로 사용되거나, 유체 속의 용존 오염물 등을 제거하기 위한 스트리핑을 위해 사용되는 등 다양한 용처에 사용될 수 있다.
상술한 것과 같이, 본 발명은 제철소 화성공정에서 발생되는 암모니아를 전기분해 및 연료전지의 연료로 사용하고, 제철소 화성공정에서 발생한 열원을 이용하여 생산된 스팀을 연료전지에 공급하고, 연료전지에서 생산된 전기를 전기분해전지에 공급하고, 전기분해전지에서 생산된 질소 및 수소를 제철공정에 이용하도록 구성된, 제철공정-전기분해-연료전지 복합시스템을 제공할 수 있다.
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.
10: 타르 회수 설비
20: 배송 설비
30: 정제 설비
40: 조경유 회수 설비
50: 유황 회수 설비
60: 폐수 처리 설비
70: 클라우스 설비
80: 암모니아 분리 설비
90: 전기분해 설비
100: 연료전지
110: 제철공정

Claims (9)

  1. 제철소 화성 공정으로부터 배출되는 배가스로부터 암모니아 및 산성가스를 분리하는 단계;
    상기 암모니아를 연료전지의 연료극에 투입하거나 또는, 전기분해를 수행하여 수소 및 질소를 제조하는 단계;
    상기 분리된 산성가스를 클라우스 공정에 투입하는 단계;
    상기 클라우스 공정에서 배출되는 스팀을 연료전지의 공기극에 투입하는 단계; 및
    상기 수소 및 질소를 제철공정에 투입하는 단계를 포함하는 제철공정-전기분해-연료전지 운전방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수소를 연료전지의 연료극에 투입하는 단계를 포함하는 제철공정-전기분해-연료전지 운전방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 클라우스 공정에서 배출되는 스팀을 암모니아 분리 장치에 투입하는 단계를 포함하는 제철공정-전기분해-연료전지 운전방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지에서 생성된 전기를 전기분해 장치에 공급하는 단계를 포함하는 제철공정-전기분해-연료전지 운전방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 배가스는 코크스 오븐 가스인 제철공정-전기분해-연료전지 운전방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 코크스 오븐 가스는 타르 제거장치 및 코크스 오븐 가스 정제장치를 포함하는 화성장치로부터 정제된 가스인 제철공정-전기분해-연료전지 운전방법.
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