KR20000040628A - 고비점탄화수소 흡착제 및 이 흡착제를 이용한 탄화수소의 연속제거방법 - Google Patents

고비점탄화수소 흡착제 및 이 흡착제를 이용한 탄화수소의 연속제거방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제철소 코크오븐가스 등에 함유된 고비점 탄화수소를 흡착제거하는 흡착제에 관한 것으로, 그 목적은 가스중에 포함된 고비점의 탄화수소 성분에 대한 흡착능이 우수하면서도 쉽게 재생하여 사용 가능한 흡착제 및 고비점 탄화수소를 연속적으로 제거하는 방법을 제공함에 있다.
이러한 목적을 갖는 본 발명은, 활성탄소섬유 또는 활성탄에 전이금속이 담지되어 있는 고비점 탄화수소 흡착제: 및 고비점 탄화수소를 함유하는 가스를 본 발명의 흡착제가 수용된 제 1흡착칼럼과 제 2흡착칼럼에 교대로 유입하여 흡착하면서, 가스가 유입되지 않는 흡착칼럼에 히터로 가열한 공기를 교대로 공급하여 흡착칼럼에 수용된 본 발명의 흡착제를 재생하는 것을 포함한 고비점 탄화수소를 연속적으로 제거하는 방법에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.
이러한 본 발명은 6개월에서 1년정도 사용하여 폐기하던 기존의 흡착제와는 달리 흡착제를 재생하여 반영구적으로 사용할 수 있으며, 기존의 활성탄 흡착탑보다 훨씬 적은 양의 흡착제를 사용하여 고비점 탄화수소를 제거할 수 있는 효과가 있다.

Description

고비점 탄화수소 흡착제 및 이 흡착제를 이용한 탄화수소의 연속제거방법
본 발명은 고비점의 탄화수소 흡착제에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄화수소에 대한 흡착능이 우수하면서도 재생가능한 흡착제 및 이 흡착제를 이용하여 탄화수소를 연속적으로 제거하는 방법에 관한 것이다.
제철소의 코크스 공장에서는 코크스 제조시 부산물로 코크 오븐가스(Coke Oven Gas, COG)가 발생된다. COG에는 수소가 약 59%, 메탄이 약 24% 포함되어 있기 때문에 제철소에서는 COG를 연료로 사용할 뿐만 아니라, PSA(Pressure Swing Adsorption)장치를 이용하여 99.999%의 고순도 수소를 제조하는 원료로 사용하고 있다. 그러나, COG의 성분중에는 나프탈렌 등 타르 계통의 고비점의 탄화수소 성분들이 약 0.05g/Nm3정도 함유되어 있기 때문에 PSA설비 전단에 활성탄과 같은 흡착제를 사용하여 고비점 탄화수소 성분을 흡착하여 제거하고 있다. 이러한 흡착설비에서 흡착제로 이용되는 활성탄에 일정량의 오염물질이 흡착되어 흡착효율이 떨어지면 이 활성탄을 새로 교체하여야 한다. 왜냐하면, 고비점의 탄화수소는 일반적인 가열방법에 의해서는 탈착이 잘 안되기 때문에 활성탄을 재생하여 사용할 수 없기 때문이다. 보통 활성탄의 교체주기는 6개월∼1년 정도이다.
한편, COG에는 H2S 성분이 약 5g/Nm3정도 포함되어 있기 때문에 COG를 연료로 사용하기 위해서는 정제과정을 거쳐야 한다. 즉, 암모니아가 함유된 용액으로 H2S를 포집하고, H2S가 농축된 용액은 증류설비를 거친 후에 클라우스 공정에서 황성분을 제거하게 된다. 증류설비를 거쳐 크라우스 공정으로 들어가는 가스는 일반적으로 산성가스(Acid Gas)라 불리는데, COG정제공정 및 클라우스 공정의 효율적인 조업을 위해서는 산성가스의 성분분석이 필요하다. 그러나, 산성가스의 성분을 분석하는 방법에 있어서, 산성가스는 다량의 물과 암모니아를 함유하고 있기 때문에 채집병에 가스 채집후 분석하면 분석오차가 크게 된다. 따라서, 분석기를 산성가스가 있는 장소에 직접 설치하여 산성가스가 분석기내로 직접 인입되도록 하여 분석하여야 정확한 분석을 할 수 있다. 그러나, 산성가스를 시료채취관을 통하여 분석기내로 유입하는 방법에 있어서, 산성가스에 포함된 고비점의 탄화수소성분(타르 성분)이 시료채취관에 응집되어 배관이 막히기 때문에 고비점 탄화수소성분을 연속적으로 제거할 수 있는 방법이 필요하다.
본 발명은 가스중에 포함된 고비점의 탄화수소 성분에 대한 흡착능이 우수하면서도 쉽게 재생하여 사용가능한 흡착제를 제공하는데, 그 목적이 있다.
나아가, 본 발명은 본 발명의 흡착제로 고비점의 탄화수소를 흡착하고 이를 재생하면서 연속적으로 고비점 탄화수소를 제거하는 방법을 제공하는데, 또 다른 목적이 있다.
도 1은 가스중의 고비점 탄화수소성분을 연속적으로 제거하기 위한 설비의 개략도
*도면의 주요부분에 대한 설명*
1......제 1흡착칼럼 2......제 2흡착칼럼
3......밸브 4...... 히터
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고비점 탄화수소 흡착제는, 활성탄소섬유 또는 활성탄에 전이금속이 담지되어 있는 것을 포함하여 구성된다.
상기 또 다른 목적을 달성하기 위한 고비점 탄화수소 연속제거방법은,
고비점 탄화수소를 함유하는 가스를 본 발명의 흡착제가 수용된 제 1흡착칼럼에 유입시켜 고비점 탄화수소를 흡착제로 흡착하고 정제가스는 배출하는 단계;와 동시에
본 발명의 흡착제가 수용된 제 2흡착칼럼에 일정온도의 공기를 공급하여 흡착제에 흡착된 고비점 탄화수소성분을 물과 이산화탄소로 분해하고 이를 배출하여 흡착제를 재생하는 단계;를 행한 다음, 상기 제 1흡착칼럼으로 유입되는 가스를 제 2흡착칼럼으로 유입하여 고비점 탄화수소를 흡착하면서 일정온도의 공기를 제 1흡착칼럼으로 공급하여 흡착제를 재생하는 단계;를 연속적으로 반복하여 행하는 것을 포함하여 구성된다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
[흡착제]
본 발명은 흡착제에 산화촉매 작용을 하는 Mn, Ni, Fe, Cr, Co등의 전이금속을 담지하여 산화분위기에서 흡착된 고비점의 탄화수소를 물과 이산화탄소로 분해하여 재생하여 사용하는데, 그 특징이 있다.
본 발명에 따라 흡착제에는 전이금속을 담지하는데, 여기에 적용되는 흡착제로는 고비점의 탄화수소 성분을 쉽게 흡착할 수 있는 활성탄소섬유나 활성탄이 바람직하다. 이러한 흡착제에 담지되는 전이금속은, 활성탄이나 활성탄소섬유에 흡착된 고비점 탄화수소를 공급되는 산소와의 산화반응을 촉진시켜 고비점의 탄화수소를 이산화탄소와 물로 분해시켜주는 촉매작용을 한다.
상기 흡착제에 담지되는 전이금속은 산화촉매작용을 할 수 있는 것이면 모두 사용가능하며, 그 예로는 Mn, Ni, Fe, Cr, Co 등이 있다. 이러한 전이금속은 일정량 담지만 되면 산소와의 산화반응을 촉진시켜 고비점의 탄화수소를 이산화탄소와 물로 분해시켜주는 촉매작용을 하는데, 효율을 고려할 때 흡착제의 총중량을 기준으로 0.5∼15%가 담지되는 것이 바람직하다. 금속함량이 너무 낮은 경우는 재생시 촉매작용이 원활하지 못하고, 함량이 너무 많은 경우는 금속성분이 활성탄소섬유나 활성탄에 잘 분산되지 않아 촉매효율이 떨어진다.
[고비점 탄화수소성분의 연속제거 방법]
본 발명은 가스중의 고비점 탄화수소를 상기 본 발명의 흡착제가 수용된 두 개의 흡착칼럼에 교대로 유입하면서 유입되지 않는 흡착칼럼을 재생하면서 연속적으로 고비점 탄화수소성분을 제거하는데, 그 특징이 있다.
본 발명은 고비점 탄화수소를 함유하는 가스를 본 발명의 흡착제가 수용된 제 1흡착칼럼과 제 2흡착칼럼에 교대로 유입하여 흡착하면서, 가스가 유입되지 않는 흡착칼럼에 히터로 가열한 공기를 교대로 공급하여 흡착칼럼에 수용된 본 발명의 흡착제를 재생한다. 흡착제에 담지되어 있는 전이금속은, 활성탄이나 활성탄소섬유에 흡착된 고비점 탄화수소를 공급되는 산소와의 산화반응을 촉진시켜 고비점의 탄화수소를 이산화탄소와 물로 분해시켜서 흡착제의 재생이 가능하도록 한다.
본 발명에서 흡착제의 재생에 사용되는 공기는 300℃∼400℃까지 가열되는 것이 바람직하다. 재생온도가 너무 낮은 경우는 흡착된 고비점의 탄화수소 성분이 완전히 분해되지 않기 때문에 흡착시 흡착제의 효율이 떨어지게 되며, 재생온도가 너무 높으면 활성탄소섬유가 산소와 반응하여 이산화탄소 등으로 되기 때문에 흡착제의 손실이 일어난다.
이러한 고비점 탄화수소의 연속제거방법을 도 1를 통해 상세히 설명한다. 고비점 탄화수소성분을 함유한 가스는 제 1흡착칼럼(1)로 유입된다. 제 1흡착칼럼(1)에서는 활성탄소섬유 또는 활성탄에 Mn과 같은 금속이 담지된 산화촉매 작용을 하는 흡착제가 충진되어 있어서 고비점 탄화수소성분이 흡착되고, 정제된 가스만 빠져나간다. 한편, 제 1흡착컬럼(1)에서 흡착이 이루어지는 동안 제 2흡착칼럼(2)에서는 흡착제의 재생이 이루어진다. 히터(4)를 통과하면서 일정온도로 가열된 공기는 제 2흡착칼럼(2)으로 들어가고, 제 2흡착칼럼(2)에 있는 흡착제에 흡착된 고비점 탄화수소성분은 흡착제의 촉매작용에 의해 산화반응을 거쳐 이산화탄소와 물로 분해되어 제 2흡착칼럼(2)에서 빠져나오기 때문에 흡착제가 재생된다. 이와 같이 흡착칼럼(1)(2)에서 흡착과 재생을 교대로 하면 고비점 탄화수소의 연속제거가 가능해진다.
본 발명은 상기와 같이 고비점 탄화수소성분을 쉽게 흡착할 뿐만 아니라 가열된 공기에 의해 쉽게 재생이 될 수 있도록 산화촉매 작용을 하는 흡착제를 수용하는 두 개의 흡착칼럼을 사용하므로서, 가스중의 고비점탄화수소를 연속적으로 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 활성탄 흡착탑보다 훨씬 적은 양의 흡착제를 사용하여 고비점 탄화수소를 제거할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 통하여 보다 구체적으로 설명한다.
[실시예 1]
활성탄소섬유 20g을 Mn(NO3)2용액에 담그고, 이를 잘 혼합하면서 천천히 가열하여 용액을 완전히 날려보내고 건조한 후, 400℃에서 1시간 열처리하여 활성탄소섬유에 흡착제의 총 중량을 기준으로 Mn이 5중량% 담지된 흡착제를 제조하였다. 이렇게 제조된 흡착제는 제철소의 COG가스를 대상으로 고비점의 탄화수소 성분에 대한 흡착능을 측정하였다. 흡착실험은 흡착제 10g이 충진된 칼럼내로 COG가스를 일정유속으로 10시간동안 통과시킨 후 흡착제의 무게를 측정하였다. 비교예로 전이금속이 담지되지 않은 활성탄과 활성탄소섬유에 대하여 같은 실험을 하였다.
흡 착 제 5%Mn/활성탄소섬유 활성탄 활성탄소섬유
흡착량(g/10g흡착제) 0.448 0.432 0.452
표 1에 나타난 바와 같이, 활성탄소섬유에 Mn을 담지한 흡착제는 활성탄소섬유 자체와 비슷한 흡착능을 나타내며, 활성탄보다는 오히려 효율이 좋았다.
[실시예 2]
실시예 1에서 고비점의 탄화수소를 흡착한 흡착제를 갖고 재생실험을 하였다. 재생실험은 흡착제에 공기의 온도를 바꾸어 가면서 흘려서 재생한 다음, 흡착제의 무게를 측정하여 재생율을 측정하였다. 비교예로 실시예 1의 활성탄과 활성탄소섬유에 대해서도 같이 실시하여 표 2에 그 결과를 나타내었다.
흡착제 재생율(%)
250℃ 300℃ 350℃ 400℃
5%Mn/활성탄소섬유 92.5 98.4 100 100
활성탄 42.3 54.5 69.7 75.2
활성탄소섬유 45.6 55.4 73.8 80.2
표 2에서 알 수 있듯이, 금속을 담지하지 않은 활성탄과 활성탄소섬유는 완전히 재생되지 않았으나, 본 발명에 따라 전이금속이 담지된 활성탄소섬유는 100%재생되었음을 확인할 수 있다.
[실시예 3]
실시예 1과같이 활성탄소섬유에 Mn을 담지하되, 담지량을 1중량%, 10중량%, 15중량%로 바꾸어 흡착제를 제조하였다. 실시예 1과같이 흡착을 시킨후 실시예 2와같은 방법으로 온도에 따라 재생율을 측정하여 그 결과를 표 3에 나타내었다.
흡착제 재생율(%)
250℃ 300℃ 350℃ 400℃
1%Mn/활성탄소섬유 85.2 95.4 99.1 100
10%Mn/활성탄소섬유 94.7 99.3 100 100
15%Mn/활성탄소섬유 93.1 98.9 100 100
표 3에서 알 수 있듯이, Mn의 담지량이 증가하면 재생율도 증가하지만, 15중량%로 담지량이 증가하면 다소 떨어진다.
[실시예 4]
실시예 1과같이 흡착제를 제조하되, 금속을 Ni, Fe, Cr, Co로 바뀌어 활성탄소 섬유에 금속이 5중량% 담지된 흡착제를 제조하였다. 실시예 2와 같은 방법으로 재생율을 측정하여 표 4에 그 결과를 나타내었다.
흡착제 재생율(%)
250℃ 300℃ 350℃ 400℃
5%Ni/활성탄소 섬유 89.3 94.5 98.7 100
5%Fe/활성탄소 섬유 90.7 95.6 99.3 100
5%Cr/활성탄소 섬유 92.3 97.5 100 100
5%Co/활성탄소 섬유 93.1 96.2 98.8 100
표 4에서 확인할 수 있듯이, Ni, Fe, Cr, Co의 전이금속은 재생율에 있어 약간의 차이는 있음을 확인할 수 있으며, 대부분 재생율이 높았다.
[실시예 5]
실시예 1과같이 흡착제를 제조하되, 활성탄에 Mn이 5중량%담지된 흡착제를 제조하여 실시예 2와같은 방법으로 재생율을 측정하였다. 그 결과를 표 5에 나타내었다.
흡착제 재생율(%)
250℃ 300℃ 350℃ 400℃
5%Mn/활성탄 88.4 96.3 100 100
표 5에서 확인할 수 있듯이, 활성탄의 경우도 재생율이 높아 탄화수소를 흡착과 재생을 반복하여 연속적으로 사용할 수 있음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 반영구적으로 사용가능한 고비점 탄화수소 흡착제를 제공할 수 있으며, 이 흡착제는 고비점 탄화수소를 연속하여 제거할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 고비점 탄화수소를 흡착하여 제거하는 흡착제에 있어서,
    활성탄소섬유 또는 활성탄에 전이금속이 담지되어 있는 고비점 탄화수소 흡착제.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 전이금속은 Mn, Ni, Fe, Cr, Co중에서 선택된 1종이상임을 특징으로 하는 흡착제.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 전이금속은 흡착체의 총중량 기준으로 0.5∼15중량% 담지되어 있음을 특징으로 하는 흡착제.
  4. 가스중의 고비점 탄화수소를 흡착하여 제거하는 방법에 있어서,
    상가 가스를 청구항 1항의 흡착제가 수용된 제 1흡착칼럼에 유입시켜 고비점 탄화수소를 흡착제로 흡착하고 정제가스는 배출하는 단계;와 동시에
    상기 청구항 1항의 흡착제가 수용된 제 2흡착칼럼에 일정온도의 공기를 공급하여 흡착제에 흡착된 고비점 탄화수소성분을 물과 이산화탄소로 분해하고 이를 배출하여 흡착제를 재생하는 단계;를 행한 다음, 상기 제 1흡착칼럼으로 유입되는 가스를 제 2흡착칼럼으로 유입하여 고비점 탄화수소를 흡착하면서 일정온도의 공기를 제 1흡착칼럼으로 공급하여 흡착제를 재생하는 단계;를 연속적으로 반복하여 행하는 것을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 고비점 탄화수소를 연속하여 제거하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 흡착제의 재생은 300∼400℃의 온도범위에서 산화반응에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
KR1019980056298A 1998-12-18 1998-12-18 고비점탄화수소 흡착제 및 이 흡착제를 이용한 탄화수소의 연속제거방법 KR20000040628A (ko)

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