KR20130067346A - 수소 제조를 위한 용융 슬래그 입자의 현열 회수 장치 및 방법 - Google Patents

수소 제조를 위한 용융 슬래그 입자의 현열 회수 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용융 슬래그의 현열을 회수하는 장치 및 상기 회수된 현열을 활용하는 방법에 관한 것으로서, 용융 슬래그가 상부에서 공급되어 하부로 배출되는 현열 회수 챔버, 상기 현열 회수 챔버 내로 공기를 유입하는 공기 유입구, 상기 유입된 공기를 현열 회수 챔버 내의 용융 슬래그에 의해 승온된 공기를 배출하는 공기 배출구 및 냉각수가 유동하되, 상기 냉각수가 상기 현열 회수 챔버 내의 용융 슬래그에 의해 증기로 배출되는 상기 현열 회수 챔버 내에 설치된 냉각수 유동관을 포함하는 현열 회수 장치 및 방법을 제공한다.

Description

수소 제조를 위한 용융 슬래그 입자의 현열 회수 장치 및 방법{Apparatus for Recovering Sensible Heat and Method Thereof}
본 발명은 용융 슬래그의 현열을 회수하는 장치 및 상기 회수된 현열을 활용하는 방법에 관한 것이다.
열역학적으로 물을 분해하는 방법을 이용하여 수소를 생산하는 방법으로는 Cu-Cl 사이클, 황-요오드(S-I)사이클 또는 UT-3 사이클 등이 있다. 이중, 상기 Cu-Cl 사이클은 황-요오드 사이클 또는 UT-3 사이클에 비하여 보다 낮은 온도의 열에너지를 이용하여 수소 생산이 가능한 사이클이다. 이와 같이 Cu-Cl 사이클에 있어서, 반응을 위해 요구되는 최고 반응온도는 약 500℃ 수준이다.
한편, 제철 공장의 고로와 전로에서 발생되는 용융 슬래그는 1000℃ 이상, 통상 1400℃ 정도의 높은 온도를 갖는다. 그러나, 이러한 고온의 용융 슬래그에서 발생되는 폐열은 현재 활용되지 못하고 있는 실정이다.
제철소에서 발생하는 고온의 폐열 에너지를 회수한 후 화학 반응열로 활용할 수 있는 시스템을 개발한다면 경제적인 수소 생산을 할 수 있으며, 이산화탄소의 저감에도 기여할 수 있을 것이다.
이에 본 발명은 용융 슬래그의 고온의 현열을 효과적으로 회수하는 현열 회수 장치를 제공하고자 한다.
나아가, 상기 회수된 현열을 Cu-Cl 사이클의 흡열반응에 상기 회수된 현열을 공급함으로써 활용할 수 있는 현열 회수 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 용융 슬래그의 현열을 회수할 수 있는 장치를 제공하고자 하는 것으로서, 본 발명의 일 구현예에 따른 현열 회수 장치는 용융 슬래그가 상부에서 공급되어 하부로 배출되는 현열 회수 챔버, 상기 현열 회수 챔버 내로 공기를 유입하는 공기 유입구; 상기 유입된 공기를 현열 회수 챔버 내의 용융 슬래그에 의해 승온된 공기를 배출하는 공기 배출구, 및 냉각수가 유동하되, 상기 냉각수가 상기 현열 회수 챔버 내의 용융 슬래그에 의해 증기로 배출되는 상기 현열 회수 챔버 내에 설치된 냉각수 유동관을 포함한다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 냉각수 유동관을 통해 배출되는 증기의 온도를 측정하기 위한 열전대를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 냉각수 유동관은 배출되는 증기의 온도에 따라 상기 증기를 현열 회수 챔버로 재순환시키기 위한 순환 배관을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 공기 배출구는 배출되는 공기 내에 미세 슬래그 미립자를 포집하기 위한 필더가 구비될 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 현열 회수 장치는 수소 생성을 위한 Cu-Cl 사이클의 고체 상태의 CuCl2가 공급되되, 상기 공기 배출구를 통해 배출되는 승온된 공기에 의해 상기 고체 상태의 CuCl2를 가열하는 가열 챔버 및 상기 가열된 CuCl2 및 상기 증기가 공급되어, 상기 CuCl2와 증기를 반응시키는 화학반응기를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 용융 슬래그로부터 현열의 회수 및 활용 방법을 제공하고자 하는 것으로서, 본 발명의 일 구현예에 따른 방법은 용융 슬래그가 공급된 현열 회수 챔버 내에 공기를 주입하여 용융 슬래그의 현열에 의해 상기 공기의 온도를 상승시키는 단계, 상기 현열 회수 챔버 내부를 관통하는 냉각수 유동관을 통해 냉각수를 공급하여 용융 슬래그의 현열에 의해 상기 냉각수를 증기로 형성하는 단계, 온도가 상승된 상기 공기를 고체의 Cu-Cl 사이클의 CuCl2에 공급하여 상기 CuCl2를 가열하는 단계 및 상기 증기를 상기 가열된 CuCl2와 반응시켜 CuO·CuCl2(s)와 HCl(g)을 생성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 CuO·CuCl2(s)에 상기 온도가 상승된 공기를 공급하여 상기 CuO·CuCl2(s)를 가열하여 2CuCl(l)을 생성시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 냉각수 유동관을 통해 배출되는 증기를 상기 현열 회수 챔버로 재공급하여 원하는 온도로 상승시킬 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 용융 슬래그의 현열을 고온의 공기 및 증기로 회수할 수 있다.
나아가, 본 발명의 다른 구현예에 따르면, 용융 슬래그의 현열에 의해 얻어진 고온의 공기 및 증기를 수소 생성을 위한 Cu-Cl 사이클의 흡열 반응에 이용할 수 있음은 물론, Cu-Cl 사이클에 사용되는 반응물을 제공할 수 있어, 원자력이나 태양열을 사용하지 않더라도 경제적으로 수소를 제조할 수 있다.
냉매도 공기와 물 두 종류를 사용함으로써 Cu-Cl 사이클의 반응에 필요한 반응물을 직접 생산할 수 있으며, 또는 반응물을 예열하는데 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 용융 슬래그로부터 현열을 회수하고, 이를 Cu-Cl 사이클에 사용하는 장치의 일 예를 개략적으로 나타내는 장치도이다.
본 발명은 제철공정에서 발생되는 용융 슬래그의 현열을 회수하는 장치를 제공한다. 이하, 본 발명을 첨부 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 용융 슬래그로부터 현열을 회수하고, 이를 Cu-Cl 사이클에 사용하는 장치의 일 예를 개략적으로 나타내는 장치도이다.
본 발명의 장치는 고온의 용융 슬래그(1)가 공급되는 현열 회수 챔버(14), 상기 고온의 용융 슬래그(1)로부터 현열을 회수하기 위한 냉매로서 공기(3)를 공급하기 위한 공기 유입구(21) 및 공기 배출구(22)를 포함하며, 나아가, 또 다른 냉매로서 공급되는 냉각수의 유동을 위한 냉각수 유동관(25)을 포함한다.
상기 현열 회수 챔버(14)는 고온의 용융 슬래그(1)를 냉각시키면서 용융 슬래그(1)의 현열을 회수하기 위해 제철 공정에서 발생되는 용융 슬래그(1)가 공급된다. 상기 용융 슬래그(1)는 제철 공장의 고로와 전로에서 발생되는 것으로서, 1000℃ 이상, 통상 1400℃ 정도의 높은 온도를 갖는다.
이와 같은 용융 슬래그(1)는 효율적인 현열 회수를 위해 분쇄하여 공급하는 것이 바람직하다. 용융 슬래그(1)의 분쇄는 특별히 한정하는 것은 아니지만, 회전식 또는 풍쇄식의 미립화 장치(11)를 이용하여 수 mm 크기의 작은 입자로 조립화할 수 있다. 상기 조립화되어 상기 현열 회수 챔버(14)로 투입되는 슬래그 미립자(2)의 온도는 600-800℃ 정도이다.
상기 슬래그 미립자(2)가 공급된 현열 회수 챔버(14)(간단하게 '챔버'라고도 한다.) 내에 냉매를 주입함으로써 고온의 슬래그 미립자(2)로부터 현열을 회수할 수 있다. 이때 사용되는 냉매로는 상온의 공기(3)와 상온의 냉각수(4)를 사용할 수 있다. 상기 냉매로 사용되는 공기(3) 및 냉각수(4)는 별도의 경로를 통해 현열 회수 챔버(14)에 공급하는 것이 바람직하다.
상기 공기(3)는 현열 회수 챔버(14) 내로 직접 공급함으로써 용융 슬래그(1)의 현열을 회수할 수 있다. 상기 현열 회수 챔버(14)는 상기 공기(3)의 주입을 위한 공기 주입구(12)를 포함한다. 현열 회수 챔버(14)에 공급된 상기 공기(3)는 챔버(14) 내부를 유동하면서 용융 슬래그(1)로부터 열을 회수하여 고온으로 온도가 상승함으로써 챔버(14)의 상부로 이동하게 된다. 따라서, 반드시 이에 한정하는 것은 아니지만, 상기 공기 주입구(12)는 현열 회수 챔버(14)의 하부에서 설치될 수 있다.
상기 현열 회수 챔버(14)는 챔버(14)의 하부에서 공급되어 상부로 이동된 온도가 상승된 공기(3)를 포집하기 위해 상부에 공기 배출구(22)를 포함한다. 이때, 배출되는 공기(3)는 Cu-Cl 사이클의 흡열 반응이 요구되는 반응단계에 공급되어 반응물을 반응온도까지 가열시키는데 사용될 수 있다. 이로 인해, 흡열 반응을 위한 별도의 가열 수단이 불필요하게 된다.
구체적으로는 Cu-Cl 사이클에 있어서, CuCl2(s)와 H2O(g)의 반응에 의해 CuO?CuCl2(s)를 생성하는 반응 단계를 포함하며, 이러한 반응은 흡열반응으로서, 약 400℃의 반응온도가 요구되며, 상기 가열된 공기(3)를 상기 반응물질인 CuCl2(6)를 400℃ 이상으로 가열시키는데 사용할 수 있다. 따라서, 상기 공기 배출구(22)를 통해 배출되는 공기(3)는 400℃ 이상, 보다 바람직하게는 약 500℃ 이상의 온도로 가열되는 것이 바람직하다. 상기 공기 배출구(22)를 통해 배출되는 공기(3)의 온도는 챔버(14)에 공급된 용융 슬래그(1)의 유량에 의해 조절할 수 있다.
또한, 상기 CuCl2(6)와 증기(5)의 반응에 의해 생성된 CuO·CuCl2(7)는 500℃의 열을 흡수하여 CuCl(l)과 O2를 생성하는 흡열반응을 포함하는데, 이때 상기 CuO·CuCl2(7)를 반응온도로 가열하기 위해 상기 공기(3)가 사용될 수 있다. 따라서, 상기 공기 배출구(22)를 통해 배출되는 공기(3)는 약 500℃ 이상의 온도로 가열되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 공기 배출구(22)를 통해 배출되는 공기(3)의 온도는 상기와 마찬가지로 챔버에 공급된 용융 슬래그(1)의 유량에 의해 조절할 수 있다.
한편, 상기 현열 회수 챔버(14)로부터 배출되는 공기(3)는 현열 회수 챔버(14) 내를 직접 유동하여 현열을 회수하여 공개 배출구(14)를 통해 배출된다. 따라서, 상기 배출되는 공기(3)에는 슬래그의 미세 입자들이 포함될 수 있으므로, 이와 같은 미세 입자의 제거를 위한 공기 필터(23)를 공기 배출구(22)에 설치할 수 있다.
상기 냉각수(물)(4)는 용융 슬래그(1)의 현열에 의해 증기화할 수 있으며, 이에 의해 생성된 증기(5)는 회수하여 수소 생성을 위한 Cu-Cl 사이클에서의 반응물질로 사용될 수 있다. 따라서 상기 냉각수(4)는 상기 공기(3)와는 별도로 공급되는 것이 바람직하다. 상기 냉각수(4)를 현열 회수 챔버(14) 내를 유동하도록 하여 증기화하기 위해, 상기 현열 회수 챔버(14) 내에 냉각수 유동관(25)을 구비한다.
상기 냉각수 유동관(25)은 현열 회수 챔버(14) 내부에서 냉각수(4)가 장기간 체류할 수 있는 구조를 갖는 것이 바람직하다. 이와 같이 현열 회수 챔버(14) 내에 냉각수(4)가 체류하는 시간을 장기화함으로써, 냉각수(4)의 증기화를 도모할 수 있음은 물론, 얻어진 증기(5)의 온도를 보다 상승시킬 수 있으며, 이로 인해, 증기(5)가 Cu-Cl 사이클에 반응물로 공급될 때, 반응 온도로 가열하기 위한 별도의 가열 수단이 불필요하게 되어 바람직하다. 이에 한정하는 것은 아니지만, 예를 들면, 상기 냉각수 유동관(25)은 도 1에 나타낸 바와 같이 스윌러 형태의 유로로 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 냉각수(4)가 냉각수 유동관(25)을 통해 증기화하여 냉각수 배출구(26)를 통해 배출되는 증기(5)는 Cu-Cl 사이클의 CuCl2(6)와 반응하여 CuO·CuCl2(7)를 생성하는 반응물로서 사용될 수 있다. 이때, 상기한 바와 같이 위와 같은 반응은 400℃ 정도의 열이 요구되는 흡열반응으로서, 상기 증기(5)의 온도는 400℃ 이상인 것이 바람직하다.
상기 냉각수 배출구(26)를 통해 배출되는 증기(5)의 온도를 모니터링하기 위해 상기 냉각수 배출구(26)에 열전대(27)를 설치할 수 있다. 상기 배출되는 증기(5)의 온도가 400℃와 같은 원하는 수준의 온도범위를 갖지 않는 경우에는 배출되는 증기(5)를 재차 냉각수 유동관(25)에 공급하여 재순환시켜 원하는 정도의 온도로 가열할 수 있다. 이를 위해 상기 냉각수 배출구(26) 말단에 배출되는 증기(5)를 챔버(14) 내의 냉각수 유동관(25)으로 순환시키기 위한 순환배관(28)을 설치할 수 있다. 이를 위해, 냉각수 배출구(26)를 통해 배출되는 증기(5)의 유동 경로는 밸브(29)의 개폐에 의해 적절하게 조절할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자라면 쉽게 인식할 수 있을 것이다.
상기 현열 회수 챔버(14)에 공급된 용융 슬래그(1)는 냉매에 의해 냉각되어 슬래그 배출구(13)를 통해 챔버(14) 하부로 배출되며, 용융 슬래그(1)로부터 현열을 회수한 상기 냉매는 Cu-Cl 사이클의 흡열반응에 공급하여 Cu-Cl 사이클의 반응물인 증기를 생성할 수 있음은 물론, Cu-Cl 사이클에서 흡열반응의 반응물을 반응온도로 가열시킬 수 있다.
열역학적 물분해에 의해 수소를 생성하기 위한 Cu-Cl 사이클은 다음과 같은 반응단계를 포함한다.
1) 2Cu(S)+2HCl(g) → H2(g)+2CuCl(l) (430~475℃, 발열반응)
2) 2CuCl(s) → CuCl2(aq)+Cu(S) (실온)
3) CuCl2(l) → CuCl2(s) (100℃ 이상, 발열반응)
4) 2CuCl2(s)+H2O(g) → CuO·CuCl2(s) + 2HCl(g) (400℃, 흡열반응)
5) CuO·CuCl2(s) → 2CuCl(l) + 0.5O2 (500℃, 흡열반응)
상기한 바와 같이, Cu-Cl 사이클을 이용한 수소 제조 시 일부 반응은 발열반응으로 열에너지의 공급이 필요하지 않으나, 예컨대 4 및 5단계 반응과 같은 일부 반응은 흡열반응으로 외부에서 열이 공급되어야만 반응이 일어나게 된다. 따라서, 상기한 바에 따라 용융 슬래그(1)로부터 회수된 현열을 상기 흡열반응에 공급하여 Cu-Cl 사이클을 수행함으로써 Cu-Cl 사이클의 흡열반응에 요구되는 열의 공급을 위한 가열 수단을 제거할 수 있다. 나아가 4단계 반응에서는 H2O가 반응물로서 참여하는바, 용융 슬래그(1)의 현열에 의해 냉각수(4)로부터 생성된 고온의 증기(5)를 반응물로 사용할 수 있다.
따라서, 상기 용융 슬래그(1)의 현열을 회수하여 얻어진 고온의 공기(3)를 Cu-Cl 사이클 중 고체의 CuCl2(6)가 공급되는 가열 챔버(31)에 공급하여 CuCl2(6)를 가열할 수 있다. 상기 공급되는 고온의 공기(3)는 400℃ 이상의 온도를 갖는 것으로서, 상기 CuCl2(6)를 4 단계의 흡열반응을 위해 요구되는 반응온도로 상승시킬 수 있다.
상기 가열된 CuCl2(6)는 4 단계의 반응을 위해 화학반응기(32)에 공급된다. 이때, 상기 화학반응기(32)에는 상기 CuCl2(6)와 함께 냉각수 유동관(25)을 거쳐 냉각수 배출구(26)를 통해 배출되는 고온의 증기(5)가 공급되며, CuCl2(6)와 증기(5)의 반응에 의해 CuO·CuCl2(s)(7)를 생성할 수 있다. 이때, 상기 CuCl2(6)는 가열 챔버(31)에서 반응온도로 가열되어 있으며, 나아가, 상기 증기(5) 역시 반응온도로 가열된 것이므로, 별도의 수단에 의해 반응물을 가열할 필요가 없다. 다만, 상기 반응물들은 배관을 통해 이송하는 중에 반응온도 이하로 냉각될 수도 있는바, 필요에 따라서는 화학반응기(32) 내의 반응물들을 가열하기 위한 별도의 가열수단을 구비할 수 있음은 통상의 기술자라면 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
이와 같은 본 발명의 장치 및 방법에 따른 각 구현예에 의하면, 제철 공정에서 발생되는 고온의 용융슬래그로부터 현열을 회수할 수 있음은 물론, 회수된 현열을 수소 생성을 위한 Cu-Cl 사이클에서 반응물을 가열하거나 또는 반응물로서 사용할 수 있어, 공정 효율을 도모할 수 있다.
1: 용융 슬래그 2: 용융 슬래그 미립자
3: 공기 4: 냉각수
5: 증기 6: CuCl2(s)
7: CuO·CuCl2(s) 8: HCl(g)
11: 미립화 장치 12: 슬래그 주입구
13: 슬래그 배출구 14: 현열 회수 챔버
21: 공기 유입구 22: 공기 배출구
23: 공기 필터 24: 냉각수 투입구
25: 냉각수 유동관 26: 냉각수 배출구
27: 열전대 28: 순환 배관
29: 밸브
31: 가열 챔버 32: 화학반응기

Claims (8)

  1. 용융 슬래그가 상부에서 공급되어 하부로 배출되는 현열 회수 챔버;
    상기 현열 회수 챔버 내로 공기를 유입하는 공기 유입구;
    상기 유입된 공기를 현열 회수 챔버 내의 용융 슬래그에 의해 승온된 공기를 배출하는 공기 배출구; 및
    냉각수가 유동하되, 상기 냉각수가 상기 현열 회수 챔버 내의 용융 슬래그에 의해 증기로 배출되는 상기 현열 회수 챔버 내에 설치된 냉각수 유동관
    을 포함하는 현열 회수 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 냉각수 유동관을 통해 배출되는 증기의 온도를 측정하기 위한 열전대를 더 포함하는 현열 회수 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 냉각수 유동관은 배출되는 증기의 온도에 따라 상기 증기를 현열 회수 챔버로 재순환시키기 위한 순환 배관을 더 포함하는 현열 회수 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 공기 배출구는 배출되는 공기 내에 미세 슬래그 미립자를 포집하기 위한 필터가 구비된 현열 회수 장치.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 현열 회수 장치는
    고체 상태의 CuCl2가 공급되되, 상기 공기 배출구를 통해 배출되는 승온된 공기에 의해 상기 고체 상태의 CuCl2를 가열하는 가열 챔버; 및
    상기 가열된 CuCl2 및 상기 증기가 공급되어, 상기 CuCl2와 증기를 반응시키는 화학반응기
    를 더 포함하는 현열 회수 장치.
  6. 용융 슬래그가 공급된 현열 회수 챔버 내에 공기를 주입하여 용융 슬래그의 현열에 의해 상기 공기의 온도를 상승시키는 단계;
    상기 현열 회수 챔버 내부를 관통하는 냉각수 유동관을 통해 냉각수를 공급하여 용융 슬래그의 현열에 의해 상기 냉각수를 증기로 형성한 후 배출하는 단계;
    온도가 상승된 상기 공기를 고체의 Cu-Cl 사이클의 CuCl2에 공급하여 상기 CuCl2를 가열하는 단계; 및
    상기 증기를 상기 가열된 CuCl2와 반응시켜 CuO·CuCl2(s)와 HCl(g)을 생성하는 단계
    를 포함하는 용융 슬래그로부터 현열의 회수 및 활용 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 CuO·CuCl2(s)에 상기 온도가 상승된 공기를 공급하여 상기 CuO·CuCl2(s)를 가열하여 2CuCl(l)를 생성시키는 단계를 더 포함하는 용융 슬래그로부터 현열의 회수 및 활용 방법.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 냉각수 유동관을 통해 배출되는 증기를 상기 현열 회수 챔버로 재공급하여 원하는 온도로 상승시키는 용융 슬래그로부터 현열의 회수 및 활용 방법.
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