KR20130111431A - 제철소에서의 동력 발전용 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
제철소에서의 동력 발전용 시스템은, 제철소로부터의 폐수 및 석탄을 수용하여, 석탄-물 슬러리(coal-water slurry)를 제공하는 석탄-물 슬러리 제조 유닛(unit)과, 석탄-물 슬러리를 가스화하여, 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성 가스를 생산하는 가스화 유닛과, 합성 가스를 처리하여, 처리된 합성 가스를 생산하는 처리 유닛과, 처리된 합성 가스의 적어도 일부분을 사용하여 제철소에 전기를 공급하는 동력 발전 유닛을 포함한다. 관련 방법이 또한 서술된다.
Description
본 발명은 제철소(steel mill)에서의 동력 발전용 시스템 및 방법에 관한 것이다.
세계적인 자원 제한의 압박의 증가에 비추어, 사람들은 자원 및/또는 에너지 회수 및 재활용에 관해 점점 더 관심을 가지게 되었다. 예를 들어, 2006년 5월 10일자로 출원된 공개된 유럽 특허 출원 제 04078029.8 호는, 고로(blast furnace) 가동에 의해 생산되는 제철 산업의 부산물인 고로 가스로부터 에너지를 회수하는 동력 발전 시스템을 개시하고 있다. 2011년 6월 8일자로 공개된 중국 특허 출원 제 201010591337.6 호는 제철소로부터 폐수를 처리 및 재활용하는 방법을 개시하고 있다.
그러나, 예를 들면 동력 발전 플랜트 및 제철소의 자원 및/또는 에너지 저감 분야에서 아직 개량할 여지가 있는데, 왜냐하면 예를 들어 유럽 특허 출원 제 04078029.8 호의 동력 발전 시스템의 비용 효과 및 효율성이 일부 적용 환경에서 충분히 좋지 않으며, 중국 특허 출원 제 201010591337.6 호에서 개시된 방법은 폐수를 제철소로 되돌려 재활용하는데에 기계적, 화학적 및 생물학적 수단을 이용하는 다수의 단계를 포함하고 있고, 그에 따라 매우 복잡하고 고가이기 때문이다.
따라서, 제철소에서의 동력 발전을 위한 개량된 시스템 및 방법이 필요하다.
일 양태에서, 제철소에서의 동력 발전을 위한 여기에 개시된 시스템은, 제철소로부터의 폐수 및 석탄을 수용하고, 석탄-물 슬러리(coal-water slurry)를 제공하는 석탄-물 슬러리 제조 유닛(unit)과, 석탄-물 슬러리를 가스화하여, 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성 가스를 생산하는 가스화 유닛과, 합성 가스를 처리하여, 처리된 합성 가스를 생산하는 처리 유닛과, 처리된 합성 가스의 적어도 일부분을 사용하고 제철소에 전기를 공급을 위한 동력 발전 유닛을 포함한다.
다른 양태에서, 여기에 설명된 제철소에서의 동력 발전 방법은, 석탄-물 슬러리를 제조하기 위해 제철소로부터의 폐수 및 석탄을 석탄-물 슬러리 제조 유닛으로 제공하는 단계와, 가스화 유닛에서 석탄-물 슬러리를 가스화하여, 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성 가스를 생산하는 단계와, 처리 유닛에서 합성 가스를 처리하여, 처리된 합성 가스를 생산하는 단계와, 동력 발전 유닛에서 처리된 합성 가스의 적어도 일부를 이용하여 제철소로 전기를 제공하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 제철소에서의 동력 발전용 시스템의 개략도,
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 제철소에서의 동력 발전용 시스템의 개략도,
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 제철소에서의 동력 발전용 시스템의 개략도.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 제철소에서의 동력 발전용 시스템의 개략도,
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 제철소에서의 동력 발전용 시스템의 개략도.
본 발명의 상기 및 다른 특징, 양태 및 장점은 첨부된 도면을 참고하여 하기의 상세한 설명을 읽으면 더 잘 이해하게 될 것이며, 도면에서 유사한 도면 부호는 모든 도면에서 유사한 구성 요소를 가리킨다.
명세서 전반에 이용된 유사 언어는 명시된 특정 분량에 제한되지 않는 모든 양적 표현의 변경에도 적용될 수 있으며, 이에 관련된 기본적인 기능의 변화의 발생 없이 무방하게 변화할 수 있다. 따라서, "약(about)"같은 용어 또는 용어들에 의해 변경된 가치는 명시된 정확한 가치로 제한되지 않는다. 일부 사례에서, 유사 언어는 가치를 측정하는 기구의 정확도와 상응한다. 게다가, 여기에서 사용된 접미사 "들(s)"은 그 용어를 하나 또는 그 이상 포함함으로써, 변경하는 용어의 단수 및 복수를 대체로 모두 포함하도록 의도한다.
도 1은 제철소(2)에서의 동력 발전을 위한 본 발명의 제 1 실시예에 따른 예시적인 시스템(1)을 도시한다. 시스템(1)은 제철소(2)로부터의 폐수(11) 및 석탄(12)을 수용해서 석탄-물 슬러리(13)를 제공하는 석탄-물 슬러리 제조 유닛(10)과, 석탄-물 슬러리(13)를 가스화하여, 일산화탄소(도시하지 않음) 및 수소(도시하지 않음)를 포함하는 합성 가스(15)를 생산하는 가스화 유닛(14)과, 합성 가스(15)를 처리하여, 처리된 합성 가스(17)를 생산하는 처리 유닛(16)과, 처리된 합성 가스(17)의 적어도 일부를 사용하고, 제철소(2)에 전기(19')를 제공하기 위한 동력 발전 유닛(18)을 포함한다.
일부 실시예에서, 폐수(11)는 주로 제철소(2)의 코크스로(coke oven)(도시하지 않음)에서 나오며, 그에 따라 상대적으로 고농도의 유기 화합물(도시하지 않음) 및 무기 화합물(도시하지 않음)을 포함하며, 이들 양자는 배출 이전에 통상적으로 특수 처리가 필요하다. 폐수(11)가 석탄-물 슬러리를 제조하는데에 사용되는데, 유기 화합물은 가스화 유닛(14)에서 일산화탄소 및 수소로 분해되고 무기 화합물은 슬래그(slag)로 변한다. 이러한 방식으로, 제철소(2)로부터의 폐수(11)는 어떠한 처리도 없이 사용될 수 있어, 폐수 처리 비용, 및 이러한 장치를 구비하지 않는 경우 석탄-물 슬러리(13)를 준비하기 위해 사용되었을 정수(fresh water)에 대한 비용이 절감될 수 있다.
변형 실시예에서, 폐수(11)는 농축된 폐수의 스트림(도시하지 않음) 및 희석수의 스트림(도시하지 않음)을 생산하기 위해 멤브레인 장치(도시하지 않음)를 사용하여 농축될 수 있다. 농축된 폐수는 석탄-물 슬러리 제조 유닛(10)으로 보내질 수도 있고, 희석수는 재활용을 위해 제철소(2)로 다시 보내질 수도 있다. 이러한 경우에, 유기 화합물 및 무기 화합물을 위한 특별한 처리가 여전히 요구되지 않기 때문에, 비용이 절감된다.
변형 실시예에서, 필요하다면, 예를 들어 석탄-물 슬러리(13)를 제조하기 위한 폐수(11)의 양이 충분하지 않을 때에는, 석탄-물 슬러리 유닛(10)에 정수(도시하지 않음)가 제공될 수도 있다.
일부 실시예에서, 석탄-물 슬러리(13)는 가스화 유닛(14) 내에 산소가 존재할 때 합성 가스(15) 및 슬래그(도시하지 않음)로 변화한다. 일부 실시예에서, 공기 분리 유닛(19)이 산소(20)를 가스화 유닛(14)에 제공하도록 구성된다.
처리 유닛(16)에서는, 합성 가스(15) 내의 미립자 및 황화 수소 등을 제거하여, 처리된 합성 가스(17)를 생산한다. 처리 유닛(16)은 폴리에틸렌 글리콜의 다이메틸 에터(dimethyl ether of polyethylene glycol; DEPG) 및 MEA와 같은 황 흡착/흡착 물질과, 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 몰리브덴(Mo), 망간(Mn), 철(Fe), 크롬(Cr), 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co), 세륨(Ce) 및 그들의 조합물로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함하는 금속 산화물을 포함할 수도 있다. 일부 실시예에서, 상기 황 흡착 물질은 산화 아연(ZnO)을 포함한다. 이와 같은 실시예에서, 처리 유닛(16)의 주 반응은 다음과 같다.
ZnO + H2S → ZnS + H2O (1)
처리된 합성 가스(17)의 적어도 일부가 동력 발전 유닛(18)에 제공된다. 일부 실시예에서, 처리된 합성 가스(17)의 일부는 예를 들면 코크스로 가스의 생성시 가열 압연 작업에 이용하기 위해 제철소(2)에 제공된다.
고로 가스는 제철소의 고로 작업에 의해 생성된다. 고로 가스의 발열량은 일반적으로 약 750㎉/N㎥로, 동력 발전 유닛의 요구 발열량, 예를 들면 약 1000㎉/N㎥ 보다 낮다. 반면, 처리된 합성 가스의 발열량은 예를 들면 약 2000㎉/N㎥이다. 일부 실시예에서, 제철소(2)로부터의 고로 가스(21)는 처리된 합성 가스(17)의 적어도 일부와 함께 혼합되며, 제철소(2)에 제공하기 위한 전기(19')를 생산하기 위해 동력 발전 유닛(18)에 사용된다.
또한, 고로 가스(21)를 처리하여 미립자 및 황화 수소 등을 제거할 수도 있다. 고로 가스(21)는 처리된 합성 가스(17)와 혼합되기 이전에 예를 들면 약 20 내지 25bar의 압력을 갖도록 압축될 수도 있다.
동력 발전 유닛(18)은, 처리된 합성 가스(17)의 적어도 일부를 사용하거나 또는 처리된 합성 가스(17)의 적어도 일부와 고로 가스(21)의 혼합물을 사용하여 제철소(2)에 제공하기 위한 전기(19')를 생산한다. 동력 발전 유닛(18)은 가스 터빈 또는 가스 터빈 복합형 사이클 시스템일 수 있다. 가스 터빈 복합형 사이클 시스템은 전기 및 열을 생산하는 가스 터빈과, 가스 터빈의 열을 이용하여 스팀을 만드는 스팀 터빈을 포함하며, 이 스팀은 스팀 터빈을 구동하여 추가적인 전기를 생산한다. 일부 실시예에서, 시스템(1)은 석탄 가스화 복합 발전(Integrated Gasification Combined Cycle; IGCC) 동력 발전 시스템이다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따르면, 시스템(1)의 공기 분리 유닛(19)은 컨버터(도시하지 않음)의 작동과 같은 것을 위해 산소(20)를 제철소(2)에 제공한다.
도 3을 참고하면, 본 발명의 제 3 실시예에 따르면, 시스템(1)은 처리 유닛(16)과 동력 발전 유닛(18) 사이에 이산화탄소 포집 유닛(21')을 더 포함하며, 이 이산화탄소 포집 유닛에서는 물리적 흡수 프로세스, 또는 폴리에틸렌 글리콜의 다이메틸에터 (DEPG), MEA, 또는 다음의 반응에 의거하여 철, CaO, MgO 또는 이들의 조합물을 포함하는 흡수 물질을 이용한 화학적 흡수/흡착 프로세스에 의해, 이산화탄소가, 처리된 합성 가스(17)로부터 분리된다.
CO2 + CaO → CaCO3 (2)
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O (3)
일부 실시예에서, 이산화탄소 포집 유닛(21')은 다음 하기의 공식에서 보여지는 것과 같은 반응으로 일산화탄소를 이산화탄소로 변환하기 위해 물 가스 전환 유닛(도시하지 않음)을 포함한다.
H2O + CO ↔ H2 + CO2 (4)
상기 반응(4)에서 촉매가 이용될 수도 있다. 촉매는 산화 철(ferrum oxide), Fe-Cr 또는 다른 촉매들을 포함한다.
다른 측면에서, 본원에 설명된 제철소(2)의 동력 발전 방법은, 제철소로부터의 폐수(11) 및 석탄(12)을 석탄-물 슬러리 제조 유닛(10)에 제공하여, 석탄-물 슬러리(13)를 제조하는 단계와, 가스화 유닛(14)에서 석탄-물 슬러리(13)를 가스화하여, 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성 가스(15)를 생산하는 단계와, 처리 유닛(16)에서 합성 가스(15)를 처리하여 처리된 합성 가스(17)를 생산하는 단계와, 동력 발전 유닛(18)에서 처리된 합성 가스(17)의 적어도 일부를 사용하여, 제철소(2)로 전기(19')를 공급하는 단계를 포함한다.
시스템(1)은, 동력 발전을 위해서, 석탄-물 슬러리(13)의 제조를 위해 제철소(2)의 폐수(11)를 이용함으로써 (일부 실시예에서는 제철소(2)의 고로 가스(21)와 함께 이용함), 제철소(2)의 자원 및 에너지 효율을 향상시킨다. 일부 실시예에서, 공기 분리 유닛(19)을 공유하는 시스템(1) 및 제철소(2)는 효율을 더욱 증가시키고, 총 비용을 저감할 수 있다. 게다가, 시스템(1)은 처리된 합성 가스(17)를 제철소(2)로 필요할 때 제공한다. 따라서, 시스템(1)을 이용하는 제철소(2)는 비용 효과적이고 효율적이다.
실시예
하기 실시예는 청구된 본 발명을 실시함에 있어 본 기술 분야에 숙련된 자들에게 추가적인 안내를 제공하기 위하여 포함된다. 따라서, 이 실시예는 첨부된 청구항들에 규정된 본 발명을 제한하지 않는다.
10MMt/a 용량의 제철소에서, 700,000N㎥/h의 고로 가스(BFG, 750㎉/N㎥)가 생산되는 반면에, 제철소의 코킹 플랜트(coking plant)에서 2000t/d의 폐수가 또한 생성된다. 예를 들어 멤브레인 장치로 농축된 이후에, 70t/h의 농축된 폐수가 석탄-물 슬러리 제조 유닛으로 공급되어, 105t/h의 석탄과 혼합하여 60wt% 고형분을 갖는 석탄-물 슬러리(CWS)를 제조한다.
공기 분리 유닛(ASU)은 제철소에서 가스화뿐만 아니라 유닛 작동에서도, 예를 들면 컨버터에서 필요한 산소를 생산한다. 가스화 유닛은 약 40bar의 압력으로 240,000N㎥/h의 합성 가스(CO 및 H2를 포함하며, 2000㎉/N㎥)를 생산한다.
합성 가스는 처리 유닛에서 처리되어 오염물질, 예를 들면 미립자 및 H2S를 제거한다. 처리된 합성 가스의 일부는 코크스로 가스(coak oven gas; COG)의 보충물로서 제철소의 가열 압연 유닛으로 보내진다.
제철소의 온실 가스(greenhouse gas; GHG) 배출량(footprint)을 획기적으로 줄이기 위해, 처리된 합성 가스의 나머지는 수성 가스 전환(water gas shift; WGS) 및 CO2 포집 유닛으로 공급되고, 이 유닛에서는 처리된 합성 가스 내의 CO가 CO2로 전환되고 CO2는 포집된다.
CO2 포집 후, 제철소로부터의 BFG는 또한 처리되어 오염물질, 예를 들면 미립자 및 H2S를 제거하며, 약 20 내지 25bar의 압력으로 압축되고 처리된 합성 가스와 혼합된다. 얻어진 혼합 연료 가스는 그 발열량이 1000㎉/N㎥이고, 이는 가스 터빈, 예를 들면 GE's 9E Heavy Duty Gas Turbine의 요구사항을 충족한다. 혼합 연료 가스는 가스 터빈으로 공급되어 약 650MW의 동력을 생산하고, 이는 제철소에서 BFG의 효과적인 사용이다. 뿐만 아니라, 제철소로부터의 610,000t/a의 폐수가 가스화에 사용되어, 폐수 처리의 비용(약 10RMB/t) 및 (이러한 장치가 없었으면) 사용되었을 정수(fresh water)의 비용을 감소시킨다.
본 발명의 다양한 실시예는 본 발명을 만족하는 다양한 요구들을 충족하여 서술되어졌다. 이러한 실시예들은 본 발명의 다양한 실시예들의 원리들의 단지 예시라는 것이 이해되어야 한다. 그것의 다양한 수정 및 수용은 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어남이 없이 본 기술 분야에 숙련된 자에게 명백해질 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 특허청구범위 및 그들의 등가물의 범위 내에 속하는 모든 적합한 변경예 및 변형예를 포함하도록 의도되었다.
Claims (20)
- 제철소에서의 동력 발전용 시스템에 있어서,
제철소로부터의 폐수 및 석탄을 수용하여, 석탄-물 슬러리(coal-water slurry)를 제공하는 석탄-물 슬러리 제조 유닛(unit)과,
상기 석탄-물 슬러리를 가스화하여, 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성 가스를 생산하는 가스화 유닛과,
합성 가스를 처리하여, 처리된 합성 가스를 생산하는 처리 유닛과,
처리된 합성 가스의 적어도 일부분을 사용하여 제철소에 전기를 공급하는 동력 발전 유닛을 포함하는
제철소에서의 동력 발전용 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 처리 유닛은 처리된 합성 가스의 일부를 상기 제철소에 제공하는
제철소에서의 동력 발전용 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 처리 유닛 및 상기 동력 발전 유닛 사이에 이산화탄소 포집 유닛(carbon dioxide capture unit)을 더 포함하는
제철소에서의 동력 발전용 시스템. - 제 3 항에 있어서,
상기 이산화탄소 포집 유닛은 일산화탄소를 이산화탄소로 변환하는 수성 가스 전환 유닛(water gas shift unit)을 포함하는
제철소에서의 동력 발전용 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 동력 발전 유닛은 제철소로부터의 고로 가스(blast furnace gas)와, 처리된 합성 가스의 적어도 일부분의 혼합물을 이용하도록 구성된
제철소에서의 동력 발전용 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 동력 발전 유닛은 가스 터빈 복합형 사이클 시스템을 포함하는
제철소에서의 동력 발전용 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 동력 발전 유닛은 가스 터빈을 포함하는
제철소에서의 동력 발전용 시스템. - 제 1 항에 있어서,
산소를 상기 가스화 유닛에 제공하기 위한 공기 분리 유닛을 더 포함하는
제철소에서의 동력 발전용 시스템. - 제 8 항에 있어서,
상기 공기 분리 유닛은 산소를 제철소에 제공하는
제철소에서의 동력 발전용 시스템. - 제철소에서의 동력 발전 방법에 있어서,
제철소로부터의 폐수 및 석탄을 석탄-물 슬러리 제조 유닛에 제공하여 석탄-물 슬러리를 제조하는 단계와,
가스화 유닛에서 석탄-물 슬러리를 가스화하여, 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성 가스를 생산하는 단계와,
처리 유닛에서 합성 가스를 처리하여, 처리된 합성 가스를 생산하는 단계와,
동력 발전 유닛에서 처리된 합성 가스의 적어도 일부를 이용하여 제철소에 전기를 공급하는 단계를 포함하는
제철소에서의 동력 발전 방법. - 제 10 항에 있어서,
공기 분리 유닛으로부터의 산소를 상기 가스화 유닛에 제공하는 단계를 더 포함하는
제철소에서의 동력 발전 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 공기 분리 유닛으로부터의 산소를 상기 제철소에 제공하는 단계를 더 포함하는
제철소에서의 동력 발전 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 처리 유닛으로부터의 처리된 합성 가스의 일부를 상기 제철소에 제공하는 단계를 더 포함하는
제철소에서의 동력 발전 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 처리 유닛과 동력 발전 유닛 사이의 이산화탄소 포집 유닛을 이용해 이산화탄소를 포집하는 단계를 더 포함하는
제철소에서의 동력 발전 방법. - 제 14 항에 있어서,
포집 이전에 일산화탄소를 이산화탄소로 변환하는 단계를 더 포함하는
제철소에서의 동력 발전 방법. - 제 10 항에 있어서,
고로 가스를 상기 제철소로부터 상기 동력 발전 유닛으로 제공하는 단계를 더 포함하는
제철소에서의 동력 발전 방법. - 제 10 항에 있어서,
고로 가스를 상기 제철소로부터 상기 동력 발전 유닛으로 제공하기 이전에, 고로 가스를 처리하는 단계를 더 포함하는
제철소에서의 동력 발전 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 동력 발전 유닛은 가스 터빈 복합형 사이클 시스템을 포함하는
제철소에서의 동력 발전 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 동력 발전 유닛은 가스 터빈을 포함하는
제철소에서의 동력 발전 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 석탄-물 슬러리 제조 유닛에 정수를 제공하는 단계를 더 포함하는
제철소에서의 동력 발전 방법.
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