KR20140108407A

KR20140108407A - Cog가스내 수소 분리장치

Info

Publication number: KR20140108407A
Application number: KR1020130020943A
Authority: KR
Inventors: 양정승; 김경수; 배정운
Original assignee: 현대제철 주식회사
Priority date: 2013-02-27
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2014-09-11
Also published as: KR101524469B1

Abstract

COG가스가 원심력을 받도록 하여 이 원심력에 의해 저밀도의 수소가스는 위로 분리되고, 그 외의 고밀도가스는 아래로 분리되어 고순도 수소가스를 얻을 수 있는 COG가스내 수소 분리장치에 관한 것으로, 내부에 원뿔 형태로 된 가스 통로가 형성된 원심챔버; 원심챔버의 상부측에 형성되어 COG가스를 유입시키는 유입구; 원심챔버의 하부쪽에 형성되어 유입된 COG가스중에서 밀도가 높은 가스들이 중력과 원심력에 의해 낙하하여 배출되는 고밀도배출구; 및 원심챔버의 최상부에 형성되어 유입된 COG가스중에서 밀도가 낮은 수소가 중력과 원심력에 의해 상승하여 배출되는 저밀도배출구;를 포함하여 구성될 수 있다.

Description

COG가스내 수소 분리장치{APPARATUS FOR HYDROGEN SEPARATION IN COG}

본 발명은 COG가스로부터 고부가가치를 갖는 수소를 간단하게 분리해 낼 수 있는 분리장치에 관한 것이다.

최근 연료전지의 기술이 발전하고 많은 연구가 이루어짐에 따라 연료전지의 원료인 수소가스를 제조하기 위한 연구 또한 많이 진행되고 있다. 수소 제조를 위한 여러 기술 중에서 물에서 태양광을 이용한 수소가스의 분리, 물의 전기분해, 지하 대륙간 층에 존재하는 메탄가스로부터 수소가스를 분리하는 방법이 있는데, 이러한 방법은 수소 분리를 위한 장치의 구성 및 경량화에 어려운 단점이 있다.

반면에 기체 분리용 분리막을 이용한 수소분리방법이 있는데, 이 방법은 고온에서의 내화학성 및 구조적 안정성이 뛰어나므로 수소분리, 고온 또는 고압공정 등에 적합한 분리 방법이다. 기체 분리용 수소 분리막은 다공성막, 비다공성막, 복합막으로 나눌 수 있다. 다공성막은 알루미나, 다공성 유리 등과 같은 분리막으로 이 경우에는 주로 Kundsen 확산기구에 의해 기체가 이동하도록 한다. 비다공성막은 팔라듐막(Palladium layer)과 같이 기체분자가 금속 격자 사이를 원자상태로 통과한 후 재결합하는 방법으로 기체를 분리하는 막이다. 그리고 복합막은 다공성 막을 지지체로 하고 지지체의 기공 사이를 금속성분으로 채워 매우거나, 다공성막에 얇은 비다공성막을 코팅시켜 다공성과 비다공성의 장점을 동시에 갖도록 하는 막이다.

한편, 석탄을 이용하여 건류공정으로 코크스를 제조하는 과정에서 코크스오븐가스(Coke Cven Gas, 이하 'COG'라 함)가 발생하게 된다. 이러한 COG는 부산물로 회수되어 COG에 함유된 나프탈렌 및 황화수소를 제거하고, 수소를 분리정제한 후 탄화수소를 다량 함유한 청정한 COG로 코크스오븐가스 메인배관으로 급송되어 제철소의 단위공정에서의 열원으로 사용된다.

이와 같은 COG로부터 수소를 제조하기 위한 방법으로는 코크스오븐가스를 나프탈렌스쿠루버와 탈황탑을 거쳐 코크스오븐가스에 함유된 나프탈렌 및 황화수소를 각각 제거한 후, 압력스윙흡착탑에서 분리정제하여 청정한 COG 및 수소를 제조하는 방법이 사용되었다.

그러나 압력스윙흡착탑에서 분리정제된 청정한 COG에는 메탄, 벤젠 및 톨루엔 등과 같은 탄화수소를 함유하고 있어서 이를 수소로 전환하기 위해서는 위 공정 외에 추가적인 공정이 필요한 실정이다.

관련 선행기술로는, 대한민국 등록특허공보 제10-0653541호(2006.12.05. 공고, 명칭 : 코크스오븐가스(COG)로부터 수소를 제조하는 방법)가 있다.

본 발명은 COG가스가 원심력을 받도록 하여 이 원심력에 의해 저밀도의 수소가스는 위로 분리되고, 그 외의 고밀도 불순물은 아래로 분리되어 고순도 수소가스를 얻을 수 있는 장치를 제공하려는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해 본 발명에 따른 COG내 수소 분리장치는, 내부에 원뿔 형태로 된 가스 통로가 형성된 원심챔버; 원심챔버의 상부측에 형성되어 COG가스를 유입시키는 유입구; 원심챔버의 하부쪽에 형성되어 유입된 COG가스중에서 밀도가 높은 가스들이 중력과 원심력에 의해 낙하하여 배출되는 고밀도배출구; 및 원심챔버의 최상부에 형성되어 유입된 COG가스중에서 밀도가 낮은 수소가 중력과 원심력에 의해 상승하여 배출되는 저밀도배출구;를 포함하여 구성될 수 있다.

구체적으로, 유입구는 원심챔버의 원주방향으로 연장되게 형성되는 것이 바람직할 것이다.

더 구체적으로, 고밀도배출구는 COG가스의 회전방향에 대해 순방향을 가지면서 원심챔버의 원주방향으로 연장되게 형성될 수 있다.

또한, 저밀도배출구는 원심챔버의 중심부에서 상부쪽으로 연장되도록 형성될 수도 있다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따른 COG가스내 수소 분리장치는 낮은 비용으로 제철소 부산물인 COG가스로부터 고부가가치의 수소를 추출할 수 있는 경제적 설비를 구축할 수 있는 이점이 있다.

또한, COG가스는 수소 대비 기타 가스의 밀도차가 현저하게 차이가 나므로, 저밀도를 갖는 수소를 고순도로 분리해 낼 수 있는 이점도 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 COG가스내 수소 분리장치를 나타낸 정면도이며, 그리고
도 2는 본 발명에 따른 COG가스내 수소 분리장치를 나타낸 평면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 수소 분리장치를 나타낸 정면도 및 평면도로서, 본 발명에 따른 수소 분리장치(100)는 첨부의 도면에서 보는 것과 같이, COG가스를 유입시켜 내부에서 저밀도와 고밀도의 가스를 상부 및 하부로 분리해 내도록 한다.

따라서 본 발명에 따른 수소 분리장치(100)는 COG가스가 들어오는 1개의 유입구(120)와, 저밀도와 고밀도의 가스들이 각각 배출되는 2개의 배출구(130, 140)가 형성된다.

저밀도와 고밀도의 2중 분리는 원심력에 의해 분리되는데, 유입된 COG가스가 원심력을 가지면서 회전을 하게 되면, 저밀도의 가스는 위로 부상하고, 고밀도의 가스는 아래로 낙하되면서 분리되는 원리이다. 따라서 본 발명에 따른 수소 분리장치(100)의 내부는 원뿔형태의 원심챔버(110)가 형성되어 있다.

COG가스가 들어오는 유입구(120)는 가스의 유입과 동시에 원심챔버(110)를 타고 가스가 회전하게 해주어야 하므로, 유입구(120)의 좌우 방향은 원심챔버(110)의 원주방향으로 연장되도록 형성됨이 좋고, 유입구(120)의 상하 방향은 원심챔버(110)의 상부쪽에 위치함이 좋을 것이다.

따라서 원심챔버(110)의 상부쪽 원주방향으로 들어온 COG가스는 원심챔버(110)를 따라 돌다가 밀도가 높은 가스는 중력에 의해 하강하면서 원심력을 받아 원심챔버(110)의 직경이 점차 넓어지는 하부방향으로 떨어지게 되어 결국에는 하부쪽에 형성된 고밀도배출구(140)를 통해 빠져나가게 된다. 반대로 밀도가 낮은 가스는 중력을 거의 받지 않으면서 상대적으로 원심력을 덜 받기 때문에 원심챔버(110)의 직경이 점차 좁아지는 상부방향으로 상승하여 원심챔버(110)의 최상부쪽에 형성된 저밀도배출구(130)를 통해 빠져 나간다.

여기에서 고밀도배출구(140)는 가스의 흐름에 역행하지 않도록 유입구(120)와 같이 원심챔버(110)의 원주방향으로 연장되도록 형성되는 것이 좋으며, 저밀도배출구(130)는 원심챔버(110)의 회전중심에서 수직한 상측으로 연장되는 것이 좋을 것이다. 만약, 고밀도배출구(140)가 원심챔버(110)의 원주방향이 아니게 형성되어 있으면, 가스의 흐름이 일부 역행하면서 원심챔버(110)내부에 와류가 형성되어 저밀도와 고밀도의 가스가 분리되지 않는 경우가 발생될 수 있다.

한편, COG가스에는 아래의 <표 1>에서 보는 것과 같은 조건의 가스들이 혼합되어 있다.

COG가스 구성비

가스종류	중량비율	분자량	부피비	밀도비 (수소기준)
H₂	56.50%	2.00	92.71%	1
CH₄	26.70%	16.00	5.48%	8
CO	8.50%	28.00	1.00%	14
CO₂	3.10%	44.00	0.23%	22
C₂H₆	2.90%	30.00	0.32%	15
N₂	2.30%	28.00	0.27%	14
Total, Avg	100.00%	10.66	100.00%

상기 <표 1>에서 보는 것과 같이 중량비로 보나 부피비로 보나 COG가스에서 수소가 차지하는 비율은 엄청 크다. 그러면서도 수소는 그 밀도가 다른 가스들에 비해 적게는 1/8이며, 많게는 1/22까지 작은 극저밀도 가스이다.

이러한 조건에서 COG가스를 본 발명의 수소 분리장치(100)에 유입시키면, 밀도가 현저하게 작은 수소는 상승하여 저밀도배출구(130)로 배출되고, 밀도가 높은 가스들은 고밀도배출구(140)를 통해 배출될 것이다. 물론, 일부 수소들이 상승하지 못하고 하강하는 경우도 발생될 수 있지만 유입속도를 통해 원심력을 조절하여 고밀도의 가스가 상승하지 못하도록만 한다면 고순도의 수소만을 저밀도배출구(140)를 통해 얻을 수 있을 것이다.

상기와 같은 COG가스내 수소 분리장치는 위에서 설명된 실시 예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시 예들은 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.

100 : 수소 분리장치
110 : 원심챔버 120 : 유입구
130 : 저밀도배출구 140 : 고밀도배출구

Claims

내부에 원뿔 형태로 된 가스 통로가 형성된 원심챔버;
상기 원심챔버의 상부측에 형성되어 COG가스를 유입시키는 유입구;
상기 원심챔버의 하부쪽에 형성되어 유입된 COG가스중에서 밀도가 높은 가스들이 중력과 원심력에 의해 낙하하여 배출되는 고밀도배출구; 및
상기 원심챔버의 최상부에 형성되어 유입된 COG가스중에서 밀도가 낮은 수소가 중력과 원심력에 의해 상승하여 배출되는 저밀도배출구;를 포함하는 COG가스내 수소 분리장치.
청구항 1에 있어서,
상기 유입구는 상기 원심챔버의 원주방향으로 연장되게 형성되는 COG가스내 수소 분리장치.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 고밀도배출구는 상기 COG가스의 회전방향에 대해 순방향을 가지면서 상기 원심챔버의 원주방향으로 형성되는 COG가스내 수소 분리장치.
청구항 3에 있어서,
상기 저밀도배출구는 상기 원심챔버의 중심부에서 상부쪽으로 연장되도록 형성되는 COG가스내 수소 분리장치.