KR20120038017A - 개질기용 연소 가스로서 이용되는 폐 가스 성분의 탈탄소화 및 폐 환원 가스의 회수를 이용한 개질된 가스-기반의 환원 방법 - Google Patents

개질기용 연소 가스로서 이용되는 폐 가스 성분의 탈탄소화 및 폐 환원 가스의 회수를 이용한 개질된 가스-기반의 환원 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고온의 환원성 가스와 접촉시켜 금속화(metalized) 물질을 형성하기 위하여 금속 산화물(3)을 환원하는 방법과 관련된 것으로서, 이산화탄소(CO2) 및/또는 증기(H2O)를 함유하는 가스와 가스상의 탄화수소로 구성되는, 혼합물의 촉매 개질 반응에 의해 상기 환원성 가스가 적어도 부분적으로 산출되고, 개질 반응 동안 일어나는 흡열(endothermal) 개질 프로세스를 위한 열을 제공하는 버너용 연료 가스가 금속화 물질을 형성하기 위해 금속 산화물을 환원하는 동안 산출되는 부분적 양의 상부 가스로부터 적어도 부분적으로 획득되며, 부분적 양의 상부 가스가 연료 가스의 구성 성분으로 이용되기 전에, 이러한 부분적 양의 상부 가스에 우선 탈진이 이루어지고, 이후에 CO 변환 반응이 이루어지며, 냉각 이후에 CO 변환 반응 동안 획득되는 변환 가스에 CO2 제거가 이루어진다. 더욱이, 본 발명은 위와 같은 방법을 수행하는 장치와 관련된 것이다.

Description

개질기용 연소 가스로서 이용되는 폐 가스 성분의 탈탄소화 및 폐 환원 가스의 회수를 이용한 개질된 가스-기반의 환원 방법{REFORMED GAS-BASED REDUCTION METHOD WITH RETURN OF THE WASTE REDUCTION GASES AND DECARBONISATION OF THE WASTE GAS COMPONENT USED AS COMBUSTION GAS FOR THE REFORMER}
본 발명은 고온의 환원성 가스와 접촉시켜 금속화(metalized) 물질을 형성하기 위하여 금속 산화물을 환원하는 방법과 관련된 것으로서, 이산화탄소(CO2) 및/또는 증기(H2O)를 함유하는 가스와 가스상의 탄화수소로 구성되는, 혼합물의 촉매 개질 반응에 의해 상기 환원성 가스가 적어도 부분적으로 산출되고, 개질 반응 동안 일어나는 흡열(endothermal) 개질 프로세스를 위한 열을 제공하는 버너용 연료 가스가 금속화 물질을 형성하기 위해 금속 산화물을 환원하는 동안 산출되는 부분적 양의 상부 가스로부터 적어도 부분적으로 획득되며, 부분적 양의 상부 가스가 연료 가스의 구성 성분으로 이용되기 전에, 이러한 부분적 양의 상부 가스에 우선 탈진이 이루어지고, 이후에 CO 변환 반응이 이루어지며, 냉각 이후에 CO 변환 반응 동안 획득되는 변환 가스에 CO2 제거가 이루어진다. 더욱이, 본 발명은 위와 같은 방법을 수행하는 장치와 관련된 것이다.
예로서, WO2006135984의 도 1은 고온의 환원성 가스와의 접촉에 의해 금속화 물질을 형성하기 위하여 금속 산화물을 환원하는 방법을 개시하고 있는데, 상기 환원성 가스는 환원 유닛으로부터 취한 상부 가스와 천연 가스의 혼합물의 촉매 개질 반응에 의해 산출되며, 금속화 물질을 형성하기 위하여 금속 산화물을 환원하는 동안 산출되는 부분적 양의 상부 가스로부터 그리고 천연 가스로부터 개질 동안 일어나는 흡열(endothermal) 개질 프로세스를 위한 열을 제공하는 버너용 연료 가스가 획득된다. 더욱 엄격한 법정 환경 규제 때문에, CO2 유동의 후속 제거를 가능케 하며, 프로세스 동안 산출되는 배출 가스로부터 농축된 CO2 유동을 산출하기 위하여, 위와 같은 방식으로 처리되는 배출 가스가 주위 환경으로 배출되기 이전에 CO2를 분리하는 것이 바람직하다. WO2006135984에 도시된 바와 같은 프로세스에서, 개질기용 연료 가스는 산소 소스로서의 공기와 함께 연소되며, 이 때문에 연소 가스는 많은 양의 질소를 함유하게 된다. 따라서, 연소 배출 가스로부터 CO2를 제거하기 위한 하류 설비는 큰 치수를 가져야한다. 추가로, 실질적으로 화학 흡착 프로세스만이 연소 배출 가스로부터 CO2를 제거하는데 적합하며, 이들은, 예를 들어 증기를 이용하여 공급되는 에너지의 높은 소비량, 그리고 큰 설비 크기에 의해 구별되게 된다.
본 발명의 목적은, 더 작은 플랜트를 이용하여 - 이에 상응하여 낮은 수준의 소비량으로 - 연소 배출 가스 내에 CO2가 존재하는 것을 방지하게끔 하는, 그리고 다른 CO2 제거 프로세스를 가능하게끔 하는 방법을 제공하고, 이러한 방법을 수행하는 장치를 제공하는 것이다.
이하의 설명에서, 복수의 개략적인 도면을 참고하여 더 상세하게 본 발명이 설명될 것이다.
도 1은 습식 탈진을 이용하는 본 발명에 따른 장치를 도시하고 있다.
도 2는 습식 및 건식 탈진을 결합하여 이용하는 본 발명에 따른 장치를 도시하고 있다.
도 3은 순수하게 상부 가스의 건식 탈진 및 냉각을 이용하는 본 발명에 따른 장치를 도시하고 있다.
도 4는 도 2에 대응하는 공정을 도시하고 있는데, 여기서 가스는 도 2에 도시된 장치와는 다른 소스로부터 생성되는 이산화탄소(CO2) 및/또는 증기(H20)를 함유한다.
위와 같은 본 발명의 목적은 고온의 환원성 가스와 접촉시켜 금속화 물질을 형성하기 위하여 금속 산화물을 환원하는 방법에 의해 달성되는데, 상기 방법에서는, 이산화탄소(CO2) 및/또는 증기(H2O)를 함유하는 가스와 가스상의 탄화수소로 구성되는 혼합물의 촉매 개질에 의해 상기 환원성 가스가 적어도 부분적으로 산출되며, 상기 개질 반응 동안 일어나는 흡열 개질 프로세스를 위한 열이 연료 가스의 연소에 의해 적어도 부분적으로 제공되며, 상기 프로세스에서 산출되는 연소 가스가 배출되고, 상기 연료 가스는 금속화 물질을 형성하기 위하여 금속 산화물의 환원 동안 산출되는 부분적 양의 상부 가스로부터 적어도 부분적으로 획득되며, 연료 가스가 획득되는 부분적 양의 상부 가스에는 우선 탈진이 이루어지며, 이후에 CO 변환 반응이 이루어지고, 냉각 후에 CO 변환 반응 동안 획득되는 변환 가스에는 CO2 제거가 이루어지며, 프로세스 내에서 CO2-고갈 변환 가스가 연료 가스의 구성 성분으로서 적어도 이용된다.
금속 산화물은 바람직하게는 철 산화물이다. 그러나, 예를 들어 리처드슨-제프(Richardson-Jeffes) 다이어그램에 따라, 니켈, 구리, 납 및 코발트가 환원될 수도 있다.
이산화탄소(CO2) 및/또는 증기(H2O)를 함유하는 가스와 가스상의 탄화수소로 구성되는 혼합물의 촉매 개질에 의해 환원성 가스가 적어도 부분적으로 산출된다. 이러한 개질 반응은, H2O 및 CO2와 함께 가스상의 탄화수소가 적어도 부분적으로 변환하여 수소(H2) 및 일산화탄소(CO)를 형성함으로써 이루어진다. 개질 반응에 필요한 물질 H2O 및/또는 CO2는, 각 경우에 개별적으로 또는 함께, 개질 반응을 위한 혼합물에 첨가될 수 있으며, 및/또는 이산화탄소(CO2) 및/또는 증기(H2O)를 함유하는 가스 내에 존재하는 H2O 및/또는 CO2가 이용된다. H2O를 적어도 - 증기로서 - 혼합물에 첨가하는 것이 바람직하다.
가스상의 탄화수소는, 예를 들어 천연 가스, 메탄, 프로판, 석탄 가스화로부터의 합성 가스 또는 석탄로 가스를 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 용어 "가스상의 탄화수소"는, 오직 하나의 화합물, 예를 들어 순수한 프로판이 존재할 가능성, 그리고 복수의 화합물의 혼합물, 예를 들어 프로판과 메탄의 혼합물이 존재할 가능성 모두를 포함하는 것이다.
이산화 탄소(CO2) 및/또는 증기(H2O)를 함유하는 가스는, 예를 들어 금속 산화물의 환원을 위한 본 발명에 따른 프로세스로부터의 상부 가스이다. 이러한 경우에, 상부 가스는, 금속화 물질을 형성하기 위하여 금속 산화물이 환원되는 환원 유닛으로부터 방출되는 가스를 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 개질 반응 전에, 상부 가스는 또한, 예를 들어 먼지의 분리 및/또는 이와 함께 수행되는 수분의 분리에 의해서 세정될 수 있다.
이산화탄소(CO2) 및/또는 증기(H2O)를 함유하는 가스는, 예를 들어 금속 산화물의 환원을 위한 다른 프로세스로부터의 배기 가스, 이를 테면 제련 환원 프로세스로부터의 배기 가스일 수 있으며, 또는 석탄 가스화 프로세스로부터의 합성 가스, 이를 테면 루르기(Lurgi) 고정층(fixed-bed) 가스 발생 장치 또는 지멘스 연행-유동(entrained-flow) 가스 발생 장치로부터의 합성 가스일 수 있다. 바람직하게는, 가스는 금속 산화물의 환원을 위한 본 발명에 따른 방법으로부터의 상부 가스이다.
표 1은 직접 환원 프로세스로부터의 상부 가스의 일반적인 조성을 나타내고 있다.
[표 1] 직접 환원(DR) 상부 가스의 일반적인 가스 조성
Figure pct00001

이산화탄소(CO2) 및/또는 증기(H2O)를 함유하는 가스에서, 이산화탄소(CO2) 함량에 대한 하한값은 0 부피%, 바람직하게는 5 부피%, 특히 바람직하게는 15 부피%이며, 이산화탄소(CO2) 함량에 대한 상한값은 25 부피%, 바람직하게는 30 부피%, 특히 바람직하게는 40 부피%이다.
이산화탄소(CO2) 및/또는 증기(H2O)를 함유하는 가스에서, 증기(H2O) 함량에 대한 하한값은 0 부피%, 바람직하게는 10 부피%이며, 증기(H2O) 함량에 대한 상한값은 20 부피%, 바람직하게는 55 부피%이다.
촉매 개질 반응은 환원성 요소로서 H2와 CO를 주로 함유하는 환원성 가스를 산출한다. 이러한 개질 반응은 흡열 반응을 수반하고, 이러한 이유 때문에, 예를 들어 개질기와 연관된 버너에서 산소를 갖는 연료 가스를 연소시켜서, 열이 개질기에 공급되는 것으로 알려져 있다. 예를 들어, 산소는 공기의 공급, 다른 산소 함유 가스 혼합물의 공급, 또는 인위적인 순수 산소의 공급에 의해 제공된다.
전체적으로 프로세스의 효율성을 증가시키기 위해, 연료 가스는 금속화 물질을 형성하기 위하여 금속 산화물을 환원하는 동안 산출되는 부분적 양의 상부 가스로부터 적어도 부분적으로 획득된다. 또한, 이러한 상부 가스는 연소 가능한 요소, 예를 들어 CO 및 H2를 포함하는데, 이들은 개질기의 버너 내에서 사용되어 개질 반응에 필요한 열을 산출한다.
본 발명에 따르면, 연료 가스가 획득되는 부분적 양의 상부 가스에 CO 변환 반응(CO 시프트 반응 또는 수성 가스 시프트 반응으로도 불림)이 이루어진다. 이러한 공지된 반응은 상부 가스 내의 CO 함량을 감소시키는 동시에 H2 함량을 증가시키면서, 이와 동시에 CO2를 형성하도록 제공된다.
CO + H2O ↔ CO2 + H2 △H0 R 298 = - 41.2 kJ/mol
본 발명에 따르면, CO 변환 반응 이후에, CO2 및 H2O 함량은 냉각되고 CO2 제거 설비 내에서 제거되는데, 이는 그들이 연료 가스로서 사용되기 이전에 이루어진다. 여기서, CO2는 연소 이전에 이미 효율적으로 분리된다. 따라서, 연소 가스로부터 CO2를 제거하기 위해 필요한 노력이 경감될 수 있다. 이러한 방법에 의해서, 연소 가능한 구성 성분으로서 수소(H2)를 주로 함유하는 연료 가스가 개질기의 버너에 공급된다. 이는 버너 내 연소의 결과로서 더 적은 CO2가 산출된다는 이점을 가지는데, 왜냐하면 연료 가스 내에서의 연소 동안 CO2를 발생시키는 CO 구성 성분의 비율이 낮기 때문이다.
CO 변환 반응은 바람직하게는 고온 또는 원료-가스 변환 프로세스에 기초하여 이루어지는데, 왜냐하면 이들 프로세스 중 어떠한 것도 처리될 가스 유동 내의 황화 수소(H2S)의 존재에 지나치게 민감하지 않기 때문이다. CO 변환 반응은 발열 반응이지만, 등온 반응일 수도 있는데, 이러한 경우 예를 들어 증기를 산출하는데 이용될 수 있다. CO 변환 프로세스에 따라, 160 내지 450℃의 입구 온도가, 고온의 CO 변환 프로세스의 경우에 바람직하게는 300 내지 450℃의 입구 온도가 CO 변환 반응기의 작동 동안에 준수되어야 한다. 상부 가스가 CO 변환 반응 이전에 습기 있을 때 세정된다면, 연관된 온도 하강 때문에 습식 세정 이후에 위와 같은 온도로 가열을 수행하는 것이 필요하다. 상부 가스가 CO 변환 반응 이전에 건조되었을 때 탈진된다면, 후속 CO 변환 반응 동안 상부 가스의 온도가 동일하게 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면, CO 변환 반응 이후에, CO 변환 반응 동안 획득된 변환 가스 유동으로부터 CO2 및 H2O의 분리 및 냉각이 이루어진다. 변환 가스 유동은 연소 가스와 비교하여 적은 양의 질소만 함유하고 있기 때문에, CO2가 연소 가스 내에서보다 더 농도 높은 형태로 존재하게 되며, CO2가 연소 이전에 제거되기 때문에, CO2 제거가 이루어지는 가스 부피는 연소 가스로부터 CO2 제거를 하는 경우보다 더 작게 된다. 따라서, 제거가 덜 복잡하게 된다.
CO2는 연료 가스의 발열량에 기여하지 않는다. 연료 가스 내에 - 금속 산화물의 환원 이후에 이미 CO2를 포함하고 있는 - 상부 가스를 이용하는 종래의 공정에서, 개질기 내에서 요구되는 불꽃 온도를 달성하기 위해 필요한 정도로 연료 가스의 발열량을 증가시키기 위하여, 탄화 수소 가스, 예를 들어 천연 가스를 혼합하는 것이 흔히 필요하다. 본 발명에 따르면, CO2는 연소 이전에 제거되기 때문에, - 연료 가스의 발열량의 연관된 증가 때문에 -, 일반적으로 탄화 수소 가스의 위와 같은 혼합을 생략하는 것이 가능하게 된다. 물론, 필요하다면 탄화 수소 가스를 혼합하는 것도 가능하다.
탄화 수소 가스가 CO2-고갈 변환 가스와 혼합되도록 위와 같은 혼합이 수행되어 연료 가스를 산출할 수 있다. 연료 가스로 이용되기 전에 CO2-고갈 변환 가스가 어떠한 것과도 혼합되지 않는다면, CO2-고갈 변환 가스는 연료 가스가 된다. 어떠한 물질이, 예를 들어 탄화 수소 가스가 CO2-고갈 변환 가스와 혼합된다면, 이것은 연료 가스의 구성 성분이 된다.
본 발명의 추가 이점은, 가능한의 수분 분리 이후에 연소 가스가 실링 가스로서 매우 효율적으로 이용될 수 있다는 것이다. 실링 가스는 프로세스 가스의 출구를 실링하기 위한 그리고 물질에 불활성 분위기를 제공하기 위한 연소할 수 없는, 불활성 가스로 정의된다. 실링 가스는, 예를 들어 원료 물질의 충진(chage)을 위해 그리고 환원 샤프트의 샤프트 방출에서, 또는 고온의 컨베이어를 위해 이용된다. 본 발명에 따른 프로세스에서 연소 가스로부터의 가능한의 수분 분리 이후에 획득되는 가스는 주요 구성 성분으로 질소를 함유하며, CO2는 거의 함유하지 않는다. 대조적으로, WO2006135984의 도 1에 도시된 바와 같은 프로세스에 따라 산출되는 연소 가스는 18 내지 20 부피%의 CO2를 함유하는데, 이는, 예를 들어 환원 샤프트의 샤프트 방출에서 또는 고온의 컨베이어에서, 재산화(reoxidation) 및 이에 따른 환원 프로세스로부터의 산출물, 예를 들어 고온의 DRI(직접 환원 철)와 접촉하는 산출물 장애(impairment)를 유발할 수 있다. 본 발명에 따라 산출되는 연소 가스가 실링 가스로서 이용될 때에, 위와 같은 상황에 대한 위험은 발생하지 않는다.
고온의 변환 가스가 산출되기 때문에, CO2 제거를 위해 필요한 온도, 바람직하게는 30 내지 60℃의 온도를 얻기 위해, 본 발명에 따른 공정에서 CO2 제거 이전에 변환 가스가 냉각될 필요가 있다. 변환 반응 동안 도입되는 증기는 변환되지 않으나, 바람직하게는 응축에 의해 변환 가스로부터 제거된다.
더욱이, 유지보수 측면에서 설비 구성요소에 대한 손상 및 증착으로부터 유발되는 지출을 낮게 유지하기 위해, 설비의 높은 가용성을 보장하기 위해, 그리고 주위 환경으로 배출되는 가스의 먼지 함량과 관련된 환경적 규제를 충족시키기 위해, CO 변환 반응 이전에, 연료 가스가 획득되는 부분적 양의 상부 가스를 탈진하는 것이 필요하다. 이러한 탈진은 습식 또는 건식 형태로 수행될 수 있다. 건식 탈진의 이점은, 목표된 온도에서 CO 변환 반응을 수행할 목적으로 열용량이 이용될 수 있다는 것이다. 환원 유닛으로부터의 상부 가스의 출구 온도는 대체로 250 내지 500℃의 범위 내에 있다. 후속 프로세스 단계에 대한 최적의 온도 제어를 위해, 물을 냉각시켜, 가열시켜, 또는 증발시켜 조금 더 온도를 조절하는 것이 필요할 수 있다. CO 변환 반응을 수행하기 위해 필요한 증기를 산출하는데 열용량이 효과적으로 이용된다. 그것은 CO 변환 반응을 수행하기 위해 필요한 증기가 본 발명에 따른 프로세스의 다른 장소에서 획득되는 경우에도 효과적이다.
습식 탈진의 경우에, 확실하게 CO 변환 반응에 대해 요구되는 가스 유동의 온도가 획득될 수 있도록, CO 변환 반응이 수행되기 이전에 상부 가스 유동의 가열이 필요할 수 있다.
탈진은 모든 상부 가스가 탈진되도록, 그리고 이러한 탈진 이후에 부분적 양이 분기되어 연료 가스가 획득되도록 이루어질 수 있으며, 또는 탈진은 부분적 양이 분기되어 연료 가스가 획득된 이후에 이루어질 수도 있다.
예컨대, 주위 환경 분위기로 방출하는 프로세스에서 낮은 양의 CO2가 배출되도록, CO2 제거 동안 산출되는 CO2는 압축되고, 응축되며 및/또는 격리된다(sequester).
본 발명은 또한 본 발명에 따른 프로세스를 수행하는 장치와 관련된 것으로서, 상기 장치는, 금속화 물질을 형성하기 위하여 금속 산화물을 환원하기 위한 환원 유닛, 이산화탄소(CO2) 및/또는 증기(H2O)를 함유하는 가스와 가스상의 탄화수소로 구성되는 혼합물의 촉매 개질 반응을 수행하기 위한 개질기, 개질기로부터 연소 가스를 배출하기 위한 배출 라인, 개질기로부터 환원 유닛으로의 고온의 환원성 가스를 위한 환원성 가스 공급 라인, 및 환원 유닛으로부터 상부 가스를 방출하기 위한 방출 라인을 구비하며, 상기 개질기는 혼합물을 공급하기 위한 혼합물 공급 라인을 구비하고, 상기 개질기는 버너들을 구비하며, 버너들은 연료 가스의 연소에 의해 열을 제공하기 위해 산소 공급 라인에 연결되고, 개질기로부터 연소 가스를 배출하기 위한 배출 라인을 구비하며, 개질기로부터의 환원 유닛으로의 고온의 환원성 가스를 위한 환원성 가스 공급 라인을 구비하며, 환원 유닛으로부터의 상부 가스를 방출하기 위한 방출 라인을 구비하며, 상기 버너들은 방출 라인으로부터 분기하는 연결 라인을 경유하여 방출 라인에 연결되고, 환원 유닛과 방출 라인으로부터 분기하는 연결 라인 사이의 방출 라인 내에, 또는 연결 라인 내에 탈진 장치가 적어도 위치되고, 방출 라인에서 볼 때에, 위치될 수 있는 탈진 장치와 버너들 사이의 연결 라인 내에, CO 변환 반응기, 가스 냉각 장치 및 CO2 제거 장치가 잇달아서 위치된다.
가스상의 탄화수소는 대체로 천연 가스, 메탄 또는 프로판이다.
일 실시예에 따르면, 가스상의 탄화수소용 탄화수소 공급 라인은 연결 라인으로 나아가며, 그 결과, 필요하다면, 목표된 발열량을 갖는 연료 가스를 획득하기 위해, 가스상의 탄화수소를 혼합하는 것이 가능하게 된다.
이 경우에, 방출 라인에서 볼 때에 CO2 제거 장치로부터 하류의 연결 라인으로 가스상의 탄화수소용 탄화수소 공급 라인이 나아갈 수 있다.
일 실시예에 따르면, 탈진 장치는 건식 탈진 장치, 예를 들어 사이클론(cyclone), 고온 가스 필터 또는 백(bag) 필터이다.
다른 실시예에 따르면, 탈진 장치는 습식 탈진 장치이다.
하나 이상의 탈진 장치들이 위치되는 것도 가능하다. 이러한 탈진 장치들은, 예를 들어 환원 유닛과 방출 라인으로부터 분기하는 연결 라인 사이의 방출 라인 내에 그리고 연결 라인 내에 모두 배치될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 위와 같은 경우에, 예로서, 습식 탈진 장치가 환원 유닛과 방출 라인으로부터 분기하는 연결 라인 사이의 방출 라인 내에 배치되고, 건식 탈진 장치가 연결 라인 내에 배치된다.
이러한 경우에, 가스 가열 장치는 바람직하게는 습식 탈진 장치와 CO 변환 반응기 사이의 연결 라인 내에 위치된다.
도 1에서, 금속 산화물(3)이 - 본 경우에 철 산화물이 - 산화물 첨가 장치(2)를 경유하여 환원 유닛(1)에, 여기서는 고정층 환원 샤프트에, 예를 들어 펠릿 또는 괴광(lump ore)으로 첨가된다. 금속화 물질을 형성하기 위하여 금속 산화물을 환원하는 동안 환원 유닛 내의 환원성 가스로부터 산출되는 상부 가스는 방출 라인(5)을 경유하여 환원 유닛으로부터 방출된다. 설비 내에서 일어나는 압력 하강을 해결하기 위하여 압축기(17a, 17b)가 방출 라인(5) 내에 위치된다. 상부 가스와 가스상의 탄화수소의 혼합물의 촉매 개질 반응 동안, 이 경우에 천연 가스인, 가스상의 탄화수소와 상부 가스의 혼합물이 혼합물 공급 라인(6)을 경유하여 개질기(4) 내로 공급된다. 여기서, 천연 가스는 천연 가스 라인(7)을 경유하여 공급된다. 개질기(4)는 연료 가스의 연소에 의해 개질 반응에 필요한 열을 공급하는 버너들(8a, 8b, 8c)을 구비한다. 개질기(4) 내에서 형성되는 고온의 환원성 가스는 환원성 가스 공급 라인(9)을 경유하여 환원 유닛(1)으로 공급된다. 연소 가스는 개질기 내에서 연료 가스의 연소 동안 산출되는 연소 가스를 배출하기 위한 배출 라인(10)을 경유하여 개질기로부터 배출된다. 본 프로세스에서, 연소 가스는 개질기(4) 밖으로 유동한다. 배출 라인(10)은 연소 가스를 냉각하고 연소 가스로부터 수분을 제거하기 위한 장치(11)를 포함한다. 수분의 제거 및 냉각은 동일한 장치 내에서 이루어진다. 배출 라인(10)은 굴뚝으로 인도되며, 이를 통해 연소 가스는 주변 환경으로 배출될 수 있다.
CO 변환 반응을 위해 이용될 수 있는 증기는, 예를 들어 CO 변환 이후의 변환 가스 또는 상부 가스로부터, 장치(11)에 의해 또는 추가적인 프로세스 폐열에 의해 산출될 수 있다. 버너들(8a, 8b, 8c)은 방출 라인(5)으로부터 분기하는 연결 라인(12)에 의해 노출되는(represented) 연료 가스를 공급하기 위한 장치를 구비한다. 연료 가스는 연결 라인(12)을 통해 버너들(8a, 8b, 8c)에 공급된다. 산소를 공급하기 위한 산소 공급 라인(13)을 경유하여 연료 가스의 연소를 위해 필요한 산소가, - 이 경우에 공기의 공급에 의해 -, 버너들(8a, 8b, 8c)에 공급된다. 공기는 송풍기(14)에 의해 산소 공급 라인으로 공급된다.
배출 라인(10)은 산소 공급 라인(13) 내에서 가이드되는 공기를 가열하는 장치, 이 경우에 산소 공급 라인(13) 내의 공기와 배출 라인(10) 내의 연소 가스 사이의 2차적인(indirect) 열 교환을 위한 복열 장치(recuperator; 15)를 구비한다.
더욱이, 배출 라인(10)은 혼합물 공급 라인(6) 내의 상부 가스와 가스상의 탄화수소의 혼합물을 가열하는 장치, 이 경우에 혼합물 공급 라인(13) 내의 상부 가스와 탄화 수소 가스의 혼합물과 배출 라인(10) 내의 연소 가스 사이의 2차적인 열 교환을 위한 복열 장치(16)를 구비한다.
탈진 장치(18), 이 경우에 습식 탈진 장치가 환원성 유닛(1)과 연결 라인(12)이 분기하는 지점 사이의 방출 라인(5) 내에 위치된다.
방출 라인(5)으로부터 후자가 분기하는 지점에서 볼 때에, 가스 가열 장치(19), 이 경우에 2차적인 열 교환을 위한 복열 장치, CO 변환 반응기(20), 가스 냉각 장치(21) 및 CO2 제거 장치(22)가 잇달아서 연결 라인(12) 내에 위치된다.
여기서, 상기 연결 라인이 방출 라인(5)으로부터 분기하는 지점에서 볼 때에, 증기 공급 라인(23)이 CO 변환 반응기(20)로부터 상류의 연결 라인(12)으로 나아간다.
CO 변환 반응기(20)로부터 산출된 증기의 방출이 후자로부터 진행하는 화살표에 의해 표시되고 있다. 가스 냉각 장치(21)로부터의 응축물의 방출이 후자로부터 진행하는 화살표에 의해 표시되고 있다. CO2 제거 장치로부터 CO2 농후 가스 유동의 방출이 후자로부터 진행하는 화살표에 의해 표시되고 있다. 예를 들어, CO2 농후 가스 유동이 후속될 수 있다.
방출 라인에서 볼 때에, 가스상의 탄화수소용 탄화수소 공급 라인(24)이 CO2 제거 장치(22)로부터 하류의 연결 라인(12)으로 나아간다.
화살표로 표시된 바와 같이, 환원 유닛(1) 내에서 환원된 금속 산화물(3)이 환원 유닛(1)으로부터 제거된다. 환원 동안 산출된 상부 가스는 방출 라인(5)을 통해 환원 유닛 밖으로 방출된다. 탈진 장치(18) 내에서 탈진한 이후에, 부분적 양의 상부 가스가 연결 라인(12) 내에서 버너(8a, 8b, 8c)들로 가이드되며, 상기 상부 가스는 작용하도록 먼저 CO 변환 반응기(20)에 요구되는 온도로 가스 가열 장치(19) 내에서 가열되고, 증기가 증기 공급 라인(23)을 경유하여 공급된 이후에, CO 변환 반응기(20) 내에서 상기 상부 가스에 CO 변환 반응이 이루어진다. 변환 가스로 지칭되는, 프로세스에서 획득되는 산출물은 가스 냉각 장치(21)에서 냉각되고, 같이 운반되었던 증기가 응축에 의해 그로부터 제거되며, 이후에 CO2가 CO2 제거 장치(22) 내에서 그로부터 제거된다. CO2-고갈 변환 가스로 지칭되는, 본 단계의 CO2-고갈 산출물은, 탄화 수소 공급 라인(24)을 통해 탄화 수소가 혼합된 이후에, 버너들(8a, 8b, 8c) 내에서 연료 가스로서 이용된다. 연소에 필요한 산소가 송풍기(14)에 의해 압축된 공기 형태로 산소 공급 라인(13)을 경유하여 공급된다. 고온의 환원성 가스가 상부 가스와 가스상의 탄화수소의 혼합물을 개질함으로써 개질기(4) 내에서 산출되고, 환원성 가스 공급 라인(9)을 경유하여 환원 유닛으로 공급된다.
도 2는 도 1의 장치와 유사하나 탈진 장치(18)가 없고 가스 가열 장치(19)가 없다는 점에서 다른 장치를 도시하고 있다. 대신에,
- 환원 유닛(1)에서 바라볼 때에, 연결 라인(12)이 분기하는 지점으로부터 하류의 방출 라인(5) 내에 습식 탈진 장치 형태인 탈진 장치(25)가 위치되며.
- 연결 라인(12)이 방출 라인(5)으로부터 분기하는 지점과 CO 변환 반응기(20) 사이의 연결 라인(12) 내에 건조 탈진 장치 형태로 탈진 장치(26)가 위치된다.
탈진 장치(26) 내에서 온도 손실이 발생하지 않기 때문에, CO 변환 반응기에 필요한 온도 달성이 보장될 수 있게 하는 가스 가열 장치(19)가 필요하지 않다. 보다 명확하게 표현하기 위해, 도 1과 비교하여, 도 2에 추가로 나타나는 장치 부품에 대해서만 도면 부호를 표기하였다.
도 3은 도 1의 장치와 유사하나 탈진 장치(18)가 없고 가스 가열 장치(19)가 없다는 점에서 다른 장치를 도시하고 있다. 대신에,
- 환원 유닛(1)에서 볼 때에, 연결 라인(12)이 분기하는 지점으로부터 상류의 방출 라인(5) 내에 건식 탈진 장치 형태인 탈진 장치(27)가 위치되고,
- 환원 유닛(1)에서 볼 때에, 연결 라인(12)이 분기하는 지점으로부터 하류의 방출 라인(5) 내에 상부 가스의 냉각을 위한 장치가 위치되며, 상기 장치는 냉각수(29)와 함께 작동되는 가스 냉각기(30) 및 복열 장치로 설계되는 냉각 요소(28)를 포함한다.
탈진 장치(27) 내에서 온도 손실이 발생하지 않기 때문에, CO 변환 반응기에 필요한 온도 달성이 보장될 수 있게 하는 가스 가열 장치(19)가 필요하지 않다. 보다 명확하게 표현하기 위해, 도 1과 비교하여, 도 3에 추가로 나타나는 장치 부품에 대해서만 도면 부호를 표기하였다.
도 4는 도 2의 장치와 유사하나, 차이점으로, 이산화탄소(CO2) 및/또는 증기(H2O)를 포함하는 가스로서 상부 가스 대신에 최대 40 부피%의 이산화탄소 및 최대 55 부피%의 증기를 함유하는 석탄 가스화 프로세스로부터의 합성 가스가 이용되는 장치를 도시하고 있다. 이러한 석탄 가스화 프로세스로부터의 합성 가스(도시되지 않음)는 혼합물 공급 라인(6)으로 나아가는 합성 가스 라인(31) 경유하여 혼합물 공급 라인(6)으로 공급된다. 그 결과, 혼합물 공급 라인(6) 내에서 생성되는 합성 가스와 천연 가스의 혼합물은 개질기(4) 내에서 개질된다. 보다 명확하게 표현하기 위해, 도 2와 비교하여, 도 4에 추가로 나타나는 장치 부품 및 천연 가스 라인(7)에 대해서만 도면 부호를 표기하였다.
1 환원 유닛
2 산화물 첨가 장치
3 금속 산화물
4 개질기
5 방출 라인
6 혼합물 공급 라인
7 천연 가스 라인
8a, 8b, 8c 버너들
9 환원성 가스 공급 라인
10 배출 라인
11 H2O 냉각/제거 장치
12 연결 라인
13 산소 공급 라인
14 송풍기
15 복열 장치
16 복열 장치
17a, 17b 압축기
18 탈진 장치
19 가스 가열 장치
20 CO 변환 반응기
21 가스 냉각 장치
22 CO2 제거 장치
23 증기 공급 라인
24 천연 가스 공급 라인
25 탈진 장치
26 탈진 장치
27 탈진 장치
28 냉각 요소
29 냉각수
30 가스 냉각기
31 합성 가스 라인

Claims (14)

  1. 고온의 환원성 가스와 접촉시켜 금속화(metalized) 물질을 형성하기 위하여 금속 산화물을 환원시키는 방법으로서,
    - 이산화탄소(CO2) 및/또는 증기(H2O)를 함유하는 가스와
    - 가스상의 탄화수소로 구성되는,
    혼합물의 촉매 개질 반응(reformation)에 의해 상기 환원성 가스가 적어도 부분적으로 산출되며,
    상기 개질 반응 동안 일어나는 흡열(endothermal) 개질 프로세스를 위한 열이 연료 가스의 연소에 의해 적어도 부분적으로 제공되며, 상기 프로세스에서 산출되는 연소 배출 가스가 배출되고,
    금속화 물질을 형성하기 위하여 금속 산화물을 환원하는 동안 산출되는 상부 가스의 부분적 양으로부터, 상기 연료 가스가 적어도 부분적으로 획득되며,
    상기 연료 가스가 획득되는 상기 상부 가스의 부분적 양에 우선 탈진(dedusting)이 이루어지고, 이후에 CO 변환 반응이 이루어지며, 냉각 이후에 상기 CO 변환 반응 동안 획득되는 변환 가스에 CO2 제거가 이루어지며, 본 방법에서 산출되는 CO2 고갈 변환 가스가 상기 연료 가스의 구성 성분으로 적어도 사용되는,
    금속 산화물을 환원시키는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이산화탄소(CO2) 및/또는 증기(H2O)를 함유하는 가스는, 상기 금속 산화물을 환원시키는 방법으로부터의 상부 가스인,
    금속 산화물을 환원시키는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 이산화탄소(CO2) 및/또는 증기(H2O)를 함유하는 가스는 석탄 가스화 프로세스로부터의 합성 가스 또는 제련 환원 프로세스로부터의 배기 가스인,
    금속 산화물을 환원시키는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    연료 가스를 획득하기 위해 가스상의 탄화수소가 상기 CO2 고갈 변환 가스와 혼합되는,
    금속 산화물을 환원시키는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탈진이 건식 형태로 이루어지는,
    금속 산화물을 환원시키는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탈진이 습식 형태로 이루어지는,
    금속 산화물을 환원시키는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하기 위한 장치로서,
    금속화 물질을 형성하기 위해 금속 산화물(3)을 환원하는 환원 유닛(1),
    - 이산화탄소(CO2) 및/또는 증기(H2O)를 함유하는 가스와
    - 가스상의 탄화수소로 구성되는
    혼합물의 촉매 개질 반응을 수행하기 위한 개질기(4),
    상기 개질기(4)로부터 연소 배출 가스를 배출하기 위한 배출 라인(10),
    상기 개질기(4)로부터 상기 환원 유닛(1)으로의 고온의 환원성 가스를 위한 환원성 가스 공급 라인(9), 및
    상기 환원 유닛(1)으로부터 상부 가스를 방출하기 위한 방출 라인(5),
    을 구비하고,
    상기 개질기(4)는 상기 혼합물을 공급하기 위한 혼합물 공급 라인(6)을 구비하며, 상기 개질기는 버너들(8a, 8b, 8c)을 구비하고, 연료 가스의 연소에 의해 열을 제공하기 위하여 상기 버너들(8a, 8b, 8c)이 산소 공급 라인(13)에 연결되며,
    상기 버너들(8a, 8b, 8c)은 상기 방출 라인(5)으로부터 분기하는 연결 라인(12)을 경유하여 상기 방출 라인(5)에 연결되고, 상기 방출 라인(5)으로부터 분기하는 상기 연결 라인(12)과 상기 환원 유닛(1) 사이의 상기 방출 라인(5) 내에, 또는 상기 연결 라인(12) 내에 탈진 장치(18)가 적어도 위치되며,
    상기 방출 라인(5)에서 볼 때에, 위치될 수 있는 상기 탈진 장치(18)와 상기 버너들(8a, 8b, 8c) 사이의 상기 연결 라인(12) 내에서, CO 변환 반응기(20), 가스 냉각 장치(21) 및 CO2 제거 장치(22)가 잇달아서(in succession) 위치되는,
    장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    가스상의 탄화수소용 탄화수소 공급 라인(24)이 상기 연결 라인(12) 내로 나아가는(issues),
    장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    방출 라인(5)에서 바라볼 때에, 상기 가스상의 탄화수소용 탄화수소 공급 라인(24)은 상기 CO2 제거 장치(22)로부터 하류의 상기 연결 라인(12) 내로 나아가는,
    장치.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탈진 장치(18)는 건식 탈진 장치인,
    장치.
  11. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탈진 장치(18)는 습식 탈진 장치인,
    장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 습식 탈진 장치와 상기 CO 변환 반응기(20) 사이의 상기 연결 라인 내에 가스 가열 장치(19)가 위치되는,
    장치.
  13. 제 7 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 환원 유닛(1)은 유동층 캐스케이드(fluidized bed cascade)인,
    장치.
  14. 제 7 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 환원 유닛(1)은 고정층(fixed-bed) 환원 샤프트인,
    장치.
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