KR20090066882A - 석탄화학 부산물로부터 수소가스 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 석탄화학 부산물로부터 수소가스 제조방법에 관한 것으로, 원료인 콜타르와 가성소다를 1 : 2~3의 무게비로 혼합하여 250~300℃에서 예열 처리한 후, 800~900℃의 슬러리 반응기에 투입하여 콜타르 혼합물을 가스화 시키고 스팀개질 반응기 및 압력스윙 흡착탑을 거쳐서 고순도의 수소가스를 얻는 것이다.

상기 본 발명에 따르면, 석탄으로부터 코크스를 생산하면서 발생하는 부산물인 콜타르를 회수하여 몇 단계의 전처리 공정을 거친 후 증류공정에 온도에 따른 증류물을 분리함으로써 모든 화학제품의 원료로 사용될 수 있는 수소가스를 얻을 수 있다.

석탄화학, 콜타르, 부산물, 수소, 수소가스, 제조방법

Description

석탄화학 부산물로부터 수소가스 제조방법{Preparation of hydrogen from coal chemical by-product}

본 발명은 석탄화학 부산물로부터 수소가스 제조방법에 관한 것으로, 원료인 콜타르와 가성소다를 1 : 2~3의 무게비로 혼합하여 250~300℃에서 예열 처리한 후, 800~900℃의 슬러리 반응기에 투입하여 콜타르 혼합물을 가스화 시키고 스팀개질 반응기 및 압력스윙 흡착탑을 거쳐서 고순도의 수소가스를 얻는 것이다.

상기 본 발명에 따르면, 석탄으로부터 코크스를 생산하면서 발생하는 부산물인 콜타르를 회수하여 몇 단계의 전처리 공정을 거친 후 증류공정에 온도에 따른 증류물을 분리함으로써 모든 화학제품의 원료로 사용될 수 있는 수소가스를 얻을 수 있다.

제철공정에서 석탄을 코크스오븐에 장입하여 제선공정에서 요구하는 코크스를 생산하고, 부산물로서 코크스오븐가스와 콜타르가 발생하게 된다.

이러한 코크스오븐가스나 콜타르를 재활용하는 기술로는 예를 들면 대한민국 공개특허 2004-99679(2004.12.02)에는 도시쓰레기 소각로에서 발생하는 다이옥신 저감을 위한 배가스 처리기술이나 수처리에 쓰이는 활성탄 대신, 제철소에서 코크스 제조공정 중에 발생하는 액체 질소냉각 폐 코크스 분진이나 수냉각 비활성 코크스를 이용하여 간단한 활성화 공정을 통해 활성 코크스를 제조하는 기술이 소개되어 있다.

또한, 대한민국 공개특허 2004-56537(2004.7.1)에는 코크스 더스트를 이용한 탄소 성형체의 제조 방법으로서, 핏치를 분쇄하여 핏치 분말을 제조하고, 여기에 코크스 더스트를 혼합하고 가압성형하여 성형체를 제조한 다음, 상기 성형체를 불활성 분위기 중에서 소성함으로써 입도가 미세하여 처리가 곤란한 코크스 더스트를 이용하여 야금용 도가니 등으로 이용할 수 있는 탄소 성형체를 제조하는 기술이 소개되어 있지만, 부산물을 수소에너지로 재활용하는 기술은 아직 확인되지 않고 있다.

한편, 최근 신에너지로 각광을 받고 있는 수소에너지로서 화석연료 및 기타 여러 가지 방법으로 수소가스를 제조하는 방법이 연구 및 실용화 단계에 있다.

기존에 수소를 제조하는 대표적인 방법은 천연가스를 고온 하에서 스팀과 반응시키는 스팀개질 반응이 사용되고 있지만, 천연가스 가격이 지속적으로 상승함에 따라 수소 제조비용이 상승하게 되어 천연가스와 비슷한 성분을 가지고 있는 바이오가스를 이용하여 수소를 제조하려고 하고 있다.

이와 같이 천연가스 이외에도 폐기물을 고온 하에서 열분해 하여 수소를 제조하는 방법이 대두되고 있지만, 폐기물의 종류가 다양하여 운전조건을 최적화하기 가 곤란하다.

수소는 석유를 대체할 수 있는 에너지로 여겨지고 있고, 제철공정에서 발생하는 부산물인 콜타르는 많은 탄화수소화합물로 구성되어 있어 열분해 등의 방법에 의하여 탄화수소에 결합되어 있는 수소를 떼어냄으로써 화학제품의 원료보다 고부가가치제품을 생산하는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명에서는 이러한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 제철공정에서 발생하는 부산물로서 다량의 탄화수소화합물로 구성되어 있는 콜타르를 열분해 등의 몇 단계의 공정을 거쳐 고순도의 수소를 제조하는 방법을 제공하고자 한다.

본 발명에서는 제철공정에서 발생하는 부산물인 콜타르와 가성소다를 혼합하여 예열 처리한 후, 슬러리 반응기에 투입하여 콜타르 혼합물을 가스화 시키고 스팀개질 반응기 및 압력스윙 흡착탑을 거치는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 제철공정의 부산물이 콜타르를 고부가가치 제품인 수소의 생산기술을 확보함으로써 향후 예측되는 수소 경제사회로의 이행을 촉진할 수 있고, 석유를 대체할 수 있는 신에너지를 생산하게 되어 국가경쟁력을 크게 향상시킬 수 있다.

본 발명은 콜타르와 가성소다를 혼합하여 예열 처리한 후, 슬러리 반응기에 투입하여 콜타르 혼합물을 가스화 시키고 스팀개질 반응기 및 압력스윙 흡착탑을 거치는 것을 특징으로 한다.

여기서, 원료인 콜타르와 가성소다는 1 : 2~3의 무게비로 혼합하고, 예열처리는 250~300℃에서, 슬러리 반응기의 온도는 800~900℃가 바람직하다.

구체적으로, 본 발명의 콜타르에서 수소를 제조하기 위해서는 원료인 콜타르에 가성소다를 일정비율로 혼합하고 일정 온도에서 일차적으로 콜타르를 분해하는 단계를 거친 후, 슬러리 반응기에 투입하여 일정온도에서 콜타르를 완전 분해하게 된다.

이때 발생되는 가스 중에는 수소, 이산화탄소 및 메탄을 함유하고 있으므로 수소의 순도를 높이기 위해서는 메탄을 스팀과 반응시키는 스팀개질 반응기를 통과한 후 이산화탄소를 분리하기 위하여 압력스윙 흡착탑을 거쳐서 고순도의 수소를 제조한다.

본 발명에서는 제철공정에서 발생하는 부산물인 콜타르가 많은 탄화수소화합물로 구성되어 있는 점을 감안하여, 열분해 등의 방법에 의하여 탄화수소에 결합되어 있는 수소를 떼어냄으로써 신 에너지인 수소를 제조할 수 있는 것이다.

이하 본 발명을 첨부한 도면을 통하여 좀더 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 수소가스 제조방법의 공정도를 나타낸다.

우선, 제철공정의 부산물인 콜타르에 시판되고 있는 50%인 가성소다 수용액을 무게비로 2~3의 비율로 혼합하여 온도가 250~300℃인 혼합 반응기(1)에서 반응시킨다. 그러므로 혼합 반응기(1)에서 가성소다는 강알칼리로서 콜타르를 구성하고 있는 고분자량의 탄화수소를 경탄화수소로 분해하게 된다.

이때, 가성소다 수용액의 농도가 높을수록 콜타르를 구성하고 있는 고분자량의 탄화수소 분해율이 증가하게 되지만, 가성소다 농도를 증가시키는 공정이 필요하여 경제성이 떨어지게 된다.

또한, 콜타르와 가성소다가 혼합된 혼합 반응기(1)의 온도를 250~300℃로 한정하는 이유는 슬러리 반응기(2)에서 콜타르 중 탄화수소의 분해를 촉진하기 위한 예열처리공정이다.

예열처리공정의 온도가 250℃보다 낮을 시에는 콜타르의 유동성이 낮아 슬러리 반응기(2)로의 이송이 곤란하고, 300℃이상인 경우에는 콜타르의 분해반응이 격렬하여 슬러리 반응기(2)에 공급되는 배관 내에 콜타르 분해로 생성된 가스로 인하여 후공정에 부하가 증가하게 된다.

콜타르와 가성소다의 혼합비율을 한정하는 이유는 콜타르 중 탄화수소의 분해율과 밀접한 관계를 가지는 인자로서 혼합비율이 낮으며 분해율이 저조하고 혼합비율이 높게 되면 슬러리 반응기(2)에 부하가 증가하게 되어 슬러리 반응기(2)의 운전을 어렵게 하게 된다.

이와 같이 250~300℃의 예열처리공정을 거친 후 800~900℃인 슬러리 반응기(2)에서 가성소다와 콜타르가 균일하게 혼합됨으로써 콜타르를 구성하는 탄화수소를 분해하고자 한다.

슬러리 반응기(2)에 공급하는 열원으로는 제철공정에서 발생하는 폐열을 이용하고, 슬러리 반응기(2)의 온도를 800~900℃로 한정하는 이유는 콜타르의 분해율에 큰 영향을 미치기 때문이다.

상기에서 제시한 슬러리 반응기(2) 온도가 낮을 시에는 분해율이 저조하게 되고, 900℃이상의 온도는 콜타르를 이용한 수소제조에 있어서 경제성이 떨어지게 된다.

슬러리 반응기(2)에서 발생하는 가스는 수소, 메탄 및 이산화탄소를 함유하고 있으므로 수소함량을 증대하기 위하여 흡착탑(도시 생략)을 갖춘 분리기(3)를 거쳐 스팀개질 반응기(4)를 이용하여 메탄을 수소로 전환하고 고순도의 수소를 분리하기 위하여 활성탄과 제올라이트를 흡착제로 한 압력스윙 흡착탑(5)을 사용함으로써 고순도의 수소를 제조할 수가 있었다.

이하, 실시예 및 비교예를 통하여 상세히 설명한다.

[실시예 1]

가성소다와 콜타르의 혼합비율을 2의 무게비로 하여 예열처리공정에서 혼합한 후 900℃인 슬러리 반응기에서 공급한 후 발생하는 수소량은 콜타르 무게당 3~3.5 입방미터이다.

[실시예 2]

가성소다와 콜타르의 혼합비율을 2의 무게비로 하여 예열처리공정에서 혼합한 후 850℃인 슬러리 반응기에서 공급한 후 발생하는 수소량은 콜타르 무게당 2.5~3 입방미터이다.

[실시예 3]

가성소다와 콜타르의 혼합비율을 3의 무게비로 하여 예열처리공정에서 혼합한 후 900℃인 슬러리 반응기에서 공급한 후 발생하는 수소량은 콜타르 무게당 4.5~5 입방미터이다.

[비교예 1]

가성소다와 콜타르의 혼합비율을 2의 무게비로 하여 예열처리공정에서 혼합한 후 700℃인 슬러리 반응기에서 공급한 후 발생하는 수소량은 콜타르 무게당 1~1.5 입방미터이다.

[비교예 2]

가성소다와 콜타르의 혼합비율을 1의 무게비로 하여 예열처리공정에서 혼합한 후 950℃인 슬러리 반응기에서 공급한 후 발생하는 수소량은 콜타르 무게당 1.5~2 입방미터이다.

상기 실시예 및 비교예에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 비하여 슬러리 반응기의 온도가 본 발명의 범위(800~900℃)를 벗어난 각 비교예에서는 발생하는 수소량이 현저하게 줄어드는 것을 알 수 있어, 본 발명의 우수성을 확인할 수 있다.

도 1은 본 발명의 수소가스 제조방법의 공정도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1. 혼합 반응기 2. 슬러리 반응기 3. 분리기

4. 스팀개질 반응기 5. 압력스윙 흡착탑

Claims (2)

1. 석탄화학 부산물인 콜타르와 가성소다를 혼합하여 예열 처리한 후, 슬러리 반응기에 투입하여 콜타르 혼합물을 가스화 시키고 스팀개질 반응기 및 압력스윙 흡착탑을 거쳐서 고순도의 수소를 얻는 것을 특징으로 하는 석탄화학 부산물로부터 수소가스 제조방법
2. 제1항에 있어서,

   상기 콜타르와 가성소다는 1 : 2~3의 무게비로 혼합하고, 예열처리는 250~300℃에서, 슬러리 반응기의 온도는 800~900℃인 것을 특징으로 하는 석탄화학 부산물로부터 수소가스 제조방법

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