KR20140020846A

KR20140020846A - 이산화탄소를 포함하는 배기가스의 처리 방법

Info

Publication number: KR20140020846A
Application number: KR1020137018370A
Authority: KR
Inventors: 만프레드 발다우프; 토마스 마츌라트
Original assignee: 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 2011-01-13
Filing date: 2012-01-02
Publication date: 2014-02-19
Also published as: DE102011002612A1; RU2569105C2; WO2012095328A2; US20140013665A1; EP2659185A2; RU2013137756A; BR112013017844A2; WO2012095328A3; CN103547863A

Abstract

본 발명은 이산화탄소를 포함하는 배기가스(2)의 처리 방법에 관한 것이다. 이때 배기가스에 탄화수소를 포함하는 가스(5)가 공급되고, 배기가스의 이산화탄소는 탄화수소와의 반응에서 적어도 부분적으로 일산화탄소와 수소로 전환되며, 배기가스는 일산화탄소-수소-혼합물(9)과 함께 다른 연소 공정를 위해 사용된다.

Description

이산화탄소를 포함하는 배기가스의 처리 방법{METHOD FOR TREATING A CARBON DIOXIDE-CONTAINING WASTE GAS}

본 발명은 청구범위 제1항에 따라 이산화탄소를 포함하는 배기가스의 처리 방법에 관한 것이다.

산업상의 공정에서, 특히 철 생산 시, 고비율의 CO₂를 포함하는 고열의 배기가스가 자주 생성된다. 이는 예컨대 이른바 컨버터(BOF=폭발산소 용광로)의 작동 시 발생한다. 이때 온도가 약 1700℃인 고열의 배기가스가 배출된다. 폐열은 증기 발생기에서 부분적으로 사용된다. 나머지는 증기 냉각장치를 통해 냉각된다. 이어서, 배기가스는 필터링을 통해 먼지가 제거된다. 배기가스는 필터장치를 통과하기 위해 180℃를 넘는 온도를 초과해서는 안 된다.

특히 컨버터에서 생성되는 배기가스는 많은 공정 단계에서 고비율의 이산화탄소(CO₂)를 포함한다. 이러한 이산화탄소는, 환경에 도달할 경우, 이른바 온실효과를 촉진한다.

본 발명의 과제는, 자유 대기에 도달하는 이산화탄소의 비율이 감소되는, 이산화탄소를 포함하는 배기가스의 처리 방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 과제는 제1항의 특징들을 가지는 방법에 의해 해결된다.

본 발명의 이산화탄소를 포함하는 배기가스의 처리 방법에 따라 배기가스에는 탄화수소 함유 가스가 공급된다. 이러한 탄화수소 함유 가스는 반응에서 배기가스의 이산화탄소와 반응하여, 적어도 부분적으로 일산화탄소(CO)와 수소(H₂)의 반응 생성물을 형성한다. 일산화탄소-수소 혼합물이 적절한 농도로 포함된 배기가스는 다른 연소 공정에서 사용된다. 이때 배기가스는 경우에 따라 사전에 중간 저장될 수 있다. 그러나 이러한 다른 연소 공정은 처리된 배기가스가 수집되는 공정의 일부일 수 있으나 필수는 아니다.

바람직한 실시예에서 일산화탄소-수소 혼합물(이하 단순히 연료가스라 칭함)은 제공된 탄화수소 함유 가스(이하 개질가스라 칭함)보다 더 높은 발열값을 포함한다. 따라서 이는 개질가스와 이산화탄소 사이에서 이루어지는 반응은 흡열 반응이고, 즉 주위의 열기를 제거하는 반응을 의미한다.

이와 같이 본 발명을 통해 배기가스에서 환경 유해한 이산화탄소가 현저한 비율로 제거되고 연료가스로 전환된 형태로 다른 연소 공정에 공급될 수 있다. 이때 배기가스의 열에너지는 생산된 연료가스의 화학에너지로 전환된다.

탄화수소 함유의 개질가스를 위해, 메탄이 특히 천연가스의 형태로 사용되는 것이 바람직한 것으로 밝혀졌다. 이때 일산화탄소와 수소의 형성을 일으키는 이산화탄소의 회수를 위한 강한 흡열 반응이 설정된다.

철 생산 시 이산화탄소를 함유하는 고온의 배기가스가 자주 발생하기 때문에, 본 발명에 따른 방법은 바람직하게는 철 생산에 사용된다. 특히 철 생산에서 컨버터의 배기가스는 본 발명의 방법에 따라 처리되기에 적합하다. 철 생산에서 컨버터는 용융된 철에서 탄소 함량 감소를 목적으로 사용된다.

본 발명의 일 실시예에서 개질가스와 더불어 배기가스에 바람직하게는 증기 형태로 물이 더 첨가될 수 있다. 추가의 물을 공급함으로써 수소에 대한 일산화탄소의 비율이 변하는데, 이는 연료가스로서 다양한 분야에 바람직하다.

배기가스의 탄소 함량이 방법 과정의 각 시점에 일정하기 때문에 배기가스를 제어하는 것이 목적에 부합한다. 특히 가스 센서의 도입에 따라 배기가스의 이산화탄소 비율이 모니터링되고 개질가스의 도입이 적합하게 제어될 수 있다.

마찬가지로, 산소와 개질가스 사이의 추가적 반응이 발생할 수 없도록 칼라를 컨버터에 제공하는 것이 바람직할 수 있는데, 상기 칼라는 종래의 많은 설비들에 이미 존재하고, 침투되는 공기의 흡입, 즉 원하지 않는 주변 공기를 감소시킨다.

또한 연료가스는 (바람직하게는) 기존의 가스 저장기에 중간 저장될 수 있다. 또한 연료가스는 다양한 다른 공정에서, 특히 제철 산업에서 사용 가능하다. 예컨대 발전소에서 전기 생산을 위해 또는 (경우에 따라서는 전기 생산과 결합되어) 공정-증기 생산을 위해 사용 가능하다. 또한 연료가스는 관용강판(slab), 빌릿(billet) 및 블룸(bloom)의 예열을 위해 상승기형 가열노(elevator furnace) 또는 압입식 연속 가열노 또는 버너에 사용될 수 있다. 이는, 예컨대 레이들(ladle)의 건조와 가열을 위해, 가열 장치를 위해 또는 연속 주조장치에서의 분배기를 위해 적용된다.

본 발명의 다른 바람직한 구현예와 특징들은 다음의 도면에서 더 자세히 도시된다.

도 1은 컨버터 배기가스 처리 시 각각의 방법 단계들을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 종래기술에 따른 제철산업에서 배기가스의 기존의 처리 공정을 도시한 블록도이다.
도 3은 추가의 배기가스 개질 과정을 가진 도 2에 따른 공정의 블록도이다.

이하에서는 도 1에 따라 철 제조 시 사용되는 컨버터의 실시예에서 배기가스 처리 공정을 설명하고자 한다. 컨버터(4)는 과잉의 탄소를 철 용융물로부터 제거하는 목적으로 사용된다. 이때 산소는 철에 공급되고, 철의 용융물에서 생성되는 탄소는 이산화탄소로 산화된다. 이로 인해 컨버터(4)의 배기가스(2)는 상당한 비율의 이산화탄소를 포함한다.

컨버터 배기가스의 이산화탄소 함량은 작동 매개변수에 좌우된다. 산소공급과 작동온도에 따라 배기가스(2)에서 이산화탄소의 비율은 일산화탄소의 비율에 대해 변동된다. 배기가스(2)는 배기가스 채널에 흐르고, 상기 채널에서 이산화탄소 비율에 대해 센서(3)로부터 모니터링된다. 이산화탄소 비율이 사전 설정된 임계값을 초과하는 경우, 개질가스 공급(6)을 통해 개질가스(5)는 배기가스 채널(11)로 이송된다. 예컨대 메탄 함량이 높은 천연가스가 사용될 수 있는 개질가스(6)는 다음과 같은 반응식(도 3의 건조 공정(7)과 비교)에 따라 적어도 부분적으로 배기가스의 이산화탄소와 반응한다.

CH₄+ CO₂ -> 2CO + 2H₂ △H = +250 kJ/mol

상기 반응은 흡열 반응이며, Mol 당 250 kJ의 열에너지가 주변에서, 즉 배기가스(2)에서 제거된다. 이러한 방식으로 상기 반응을 통해 열에너지는 전환되어, 생성되는 연료가스(7)(CO + H₂, 합성가스로도 지칭됨)에 화학 에너지로 저장된다. 따라서, 반응식(1)에 따라 생성되는 연료가스(9)가 기존에 사용된 개질가스(메탄)보다 더 높은 발열값을 포함하기 때문에, 열에너지는 화학 에너지로 전환된다.

추출물과 생성물의 개별 발열값은 다음과 같다:

CH₄: 55.5 MJ/kg = 888 MJ/kmol

CO: 10.1 MJ/kg = 283 MJ/kmol

H₂: 143 MJ/kg = 286 MJ/kmol

2 Mol의 이산화탄소와 2 Mol의 H₂의 혼합물의 발열값은 연료가스(7)가 생성되는 1 Mol의 CH₄(메탄)의 발열값보다 250 kJ/mol의 상기 언급된 반응 엔탈피만큼 더 높다. 따라서, 발열값 증가는 메탄의 제공된 발열값의 28%에 달한다(250 kJ/mol: 888 MJ/kmol).

연료가스(7)의 사용에 따라 수소에 의해 CO:H₂-비율을 변경하는 것은 의미가 있을 수 있다. 마찬가지로 이러한 경우 물은 (바람직하게는 증기 형태로) 경우에 따라 개질가스 공급(6)에서 공급된다. 따라서 아래와 같이 CO-전환-흡열반응이 가능해진다.

H₂O + CO -> CO₂ + H₂ △H = H-42 kJ/mol

이로써, CO에 대한 H₂의 비율은 변경된다. 따라서 (이는 흡열 반응이기 때문에) 소량의 폐열이 저장되기는 하지만, 연료가스(7)에서 몇몇 연소 공정에서 바람직한 더 높은 H₂-함량이 달성된다. 이것은 특히 이러한 연소 공정에서 열 전송이 대류를 통해서가 아니라 방출을 통해 실시될 경우에 해당한다. 넓은 방출 밴드로 인해 열 전송을 용이하게 하는, 더 높은 물의 함량이 배기가스에서 H₂-연소로부터 도출된다.

한 컨버터의 예시에서, 특히 칼라(13)를 가진 컨버터에서, 배기가스(2)의 CO₂를 가진 이러한 개질 처리는 개질 공정의 두 개의 상이한 공정 상태에서 사용될 수 있다. 이것은 한편으로는 배기가스의 CO₂-함량이 너무 높고 CO-함량이 너무 적기 때문에 지금까지 배기가스가 사용되지 않은 이른바 컨버터의 램프업(rampup)과 램프다운(rampdown) 단계의 경우에 해당된다. 상기 기술된 건조 개질을 통해 사용 가능한 연료가스는 반응식(1)에 따라, 충분한 발열값으로 얻어지는데, 상기 연료가스는 가스 저장기에 저장될 수 있으며, 방법의 다른 과정과 관련하여 더 기술될 것이다.

다른 한편으로는 이러한 연료 성능이 충분한 가스가 다른 제철소 부분으로부터 제공되는 희박 가스와 혼합되어야 하고 이러한 혼합물이 다른 연소 공정을 위해충분한 발열값을 가지고 있지 않은 경우, 건조개질은 종래기술에 따라 수집된 CO-농후 가스의 발열값을 계속 더 증가시키기 위해 사용될 수도 있다.

칼라(13)의 사용은 반응식(1)에 따라 기술된 공정을 실행하는 대신, 메탄이나 천연가스 즉 개질가스(7)의 연소를 일으킬 수도 있는, 침투되는 공기의 흡입을 방지하기 위한 목적으로 사용된다. 또한 공기의 높은 질소 함량은 컨버터 가스와 연료가스의 희박화를 초래할 수 있다.

개질 공정에 따라 배기가스는 증기 발생기(8)에서 냉각되고, 이때 다시 전기 생성을 위해 사용될 수 있는 증기가 생성된다.

증기 냉각기(12)로 유입되는 배기가스(2)에는 미세하지 않은 먼지 제거기(10)가 제공된다. 잔여 미세 먼지가 배기가스(2)에서 제거되는 후속 건조 전기 필터기(14)를 위해 배기가스는 180℃ 보다 높지 않아야 하기 때문에, 이러한 증기 냉각기(12)가 필요하다. 미세 먼지제거 후 송풍기(10)를 지나 배기가스(2)는 소각기(18)를 통해 소각되거나 가스 냉각기(20)에서 추가의 냉각 후 가스 저장기(22)로 공급된다.

배기가스(2) 내의 연소 가능한 성분이 소각 타워에 의해 소각되었는지, 혹은 CO-H₂-혼합물을 가진 고칼로리 배기가스가 연료가스(9)로서 가스 저장기(22)에 저장되었는지의 여부는 배기가스(2)의 이산화탄소 비율에 좌우된다. 개질가스 메탄을 가진 상기 기술된 배기가스(2)의 개질은 개질에 적합한 제어에서 예컨대 하나의 센서(3)를 통해, 필터링 된 후 배기가스에서의 CO-H₂-혼합물의 비율이 높아서, 가스 저장기(22)에 대부분의 배기가스나 일산화탄소와 수소가 저장될 수 있고 연료가스(9)로서 재활용이 가능해지는 결과를 낳는다. 소각기(18)에서 배기가스의 소각은 이러한 조치를 통해 종래 기술과 비교할 때 매우 적은 비율로 감소되었다.

도 2와 3에서 한 번 더 컨버터 배기가스 처리 방법에 대한 종래 기술과 상기 기술된 방법 사이의 차이가 블록 개략도에 의해 도시된다.

여기서 예컨대 배기가스(2)가 생성되는 컨버터(4)의 가장 좌측에 CO₂-배기가스를 생성하는 공정 단계가 있다. 이산화탄소를 포함하는 배기가스(2)는 증기 발생기(8)에서 냉각되고, 이때 증기는 다른 사용을 목적으로 생성된다. 또한 이때 더 이상 사용되지 않는 폐열(Q1)이 생성되는 증기 냉각기(12)가 이어진다. 이어서 건조 전자 필터기(14)가 위치하며, 이어서 배기가스(2)의 이산화탄소 함량에 따라 배기가스(2)는 소각기(18)를 통해 소각되거나 가스 저장기(22)에서 다른 사용을 위해 연료가스(9)로 저장된다.

여기서 도 3에 따라 기술된 방법은, 컨버터(4)와 증기 발생기(8) 사이에서 개질 과정(7)이 건조 개질의 형태로 이루어짐으로써, 종래 기술에 따른 도 2의 방식과 구분되어, 개질가스 공급(6)을 통해 개질가스(5)는 공정에 공급되고 공식(1)에서 기술된 것처럼 배기가스(2)는 처리된다.

상기 두 가지 방법은 이 같이 기술된 건조개질(7)의 삽입 이외에, 구분된다. 증기 냉각장치(12)에서 제거되는 열량(Q2)이 도 2에 따른 증기 냉각장치(12)의 열량(Q1)보다 적고, 소각기(18)에서 소각되는 가스량(m2)이 소각장치(18)에서 종래 기술에 따라 소각되는 가스량(m1)보다 적다는 점에서 구분된다.

제철소의 적합한 설비에서 연료가스 혼합물이 재활용될 수 있기 때문에, 종래 기술에 따른 소각기(18)에서의 후속 연소가 실행되는 제조 단계가 축소되거나 단축될 수 있다. 이로써, 배기가스의 연소 가능한 성분들의 에너지 함량은 생성된 연료가스와 함께 폐열의 저장 하에 유익하게 사용될 수 있다. 소각 작동시간의 단축에 의해 가스 수집 시간이 연장되고, 컨버터 장치의 이산화탄소 방출 또는 소각은 감소된다.

Claims

이산화탄소를 포함하는 배기가스(2)의 처리 방법이며, 이때 배기가스에 탄화수소를 포함하는 가스(5)가 공급되고, 배기가스의 이산화탄소는 반응에서 적어도 부분적으로 일산화탄소와 수소로 전환되고, 일산화탄소-수소-혼합물(9)은 다른 연소 공정를 위해 사용되는, 이산화탄소를 포함하는 배기가스 처리방법.
제1항에 있어서, 이산화탄소는 탄화수소 함유 가스(7)를 가진 배기가스에서 흡열 반응에 관여하고 배기가스(2)는 이러한 반응에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소를 포함하는 배기가스 처리방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 탄화수소 함유 가스(5)는 메탄을 포함하는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소를 포함하는 배기가스 처리방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 배기가스(2)는 철을 제조하는 공정에서 생성되는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소를 포함하는 배기가스 처리방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 배기가스(2)는 용융된 철에서 탄소 함량의 감소를 위해 컨버터(4)에서 생성되는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소를 포함하는 배기가스 처리방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 배기가스(2)에는 탄화수소를 함유하는 가스(5) 이외에 물이 공급되는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소를 포함하는 배기가스 처리방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 배기가스의 이산화탄소 함량은 탄화수소를 함유하는 가스(5)의 공급을 제어하기 위해 가스 센서로 모니터링되는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소를 포함하는 배기가스 처리방법.
제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 컨버터(4)에는 침투되는 공기의 흡입을 방지하기 위한 칼라가 제공되는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소를 포함하는 배기가스 처리방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 일산화탄소-수소-혼합물(9)은 가스 저장기에 중간 저장되는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소를 포함하는 배기가스 처리방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 일산화탄소-수소-혼합물(9)은 연료가스로써 사용되는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소를 포함하는 배기가스 처리방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 탄화수소를 함유하는 가스는 컨버터의 램프업(rampup) 및/또는 램프다운(rampdown) 공정에 공급되는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소를 포함하는 배기가스 처리방법.