KR20150022050A - 이산화탄소 자원화를 위한 cog 개질 공정 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 H2 및 CH4를 포함하는 코크스 오븐 가스(COG)와 CO2를 반응시켜 CO 및 H2O를 얻는 역수성 가스 전환 반응 단계; 및 CO2 및 H2O와 CH4를 반응시켜 CO 및 H2를 얻는 이산화탄소 개질 반응단계를 포함하는 COG 개질 공정에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 공정 내에서 이산화탄소 처리량을 증가시켜, 별도의 이산화탄소 처리 비용을 절감시킬 수 있고, 제철 공정 및 화학 산업에 유용하게 활용할 수 있는 일산화탄소 및 수소를 제공할 수 있다.

Description

이산화탄소 자원화를 위한 COG 개질 공정{A refoming process of cokes oven gas for reducing CO2}
본 발명은 이산화탄소 자원화를 위한 COG 개질 공정에 관한 것으로, 보다 구체적으로 이산화탄소 개질 반응 전에 역수성 가스 전환 반응을 수행하여 자원화된 이산화탄소의 양을 증가시킬 수 있는 COG 개질 공정에 관한 것이다.
제철공정에서 발생하는 부생가스 중 코크스 오븐 가스(Cokes Oven Gas; COG)는 코크스 제조 공정에서 석탄을 건류할 때 발생하는 가연성 혼합가스로서 수소와 메탄가스, 일산화탄소 등이 주성분을 이룬다. 일반적으로 COG는 수소 57 부피%, 메탄 27 부피%, 일산화탄소 9 부피%, 이산화탄소 3 부피% 및 질소 4 부피%로 구성된다.
상기 코크스 오븐 가스는 제철 공정에 필요한 열원이나 발전소 연소 연료로 소비되는 경우가 대부분이다. 다만, 이와 같은 COG를 단순히 연소 원료로 사용하지 않고 고부가가치의 환원가스인 수소 및 일산화탄소의 혼합 가스를 획득하는 데 활용할 수 있다면 제철 공정에서 유용하게 이용할 수 있을 것이다.
일산화탄소 및 수소는 제철 공정에서 환원 가스로 사용 할 수 있으며, 환원가스(수소, 일산화탄소) 사용량이 증가 할수록 사용되는 환원제로 사용되는 석탄의 양이 감소하여 저탄소 제철공정 개발이 가능하다. 또한 수소는 에너지 효율이 높고, 연소 시 이산화탄소를 방출하지 않으며, 안정적인 에너지 공급원으로 활용할 수 있다.
본 발명은 역수성 가스 전환 반응 및 이산화탄소 개질 반응을 연계하여 발생하는 이산화탄소의 자원화 비율을 증가시키고, 이를 통해 저탄소 제선공정을 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 합성가스로 화학 산업에 활용할 수 있는 수소 및 일산화탄소를 제공하고자 한다.
본 발명은 H2 및 CH4를 포함하는 코크스 오븐 가스(COG)와 CO2를 반응시켜 CO 및 H2O를 얻는 역수성 가스 전환 반응 단계; 및 CO2 및 H2O와 CH4를 반응시켜 CO 및 H2를 얻는 이산화탄소 개질 반응단계를 포함하는 COG 개질 공정을 제공한다.
상기 역수성 가스 전환 반응 단계에서 획득되는 H2O는 스팀 형태이다.
상기 역수성 가스 전환 반응 단계는 300 내지 700℃에서 수행될 수 있다. 또한 상기 역수성 가스 전환 반응 단계는 ZnO, Al2O3, Fe2O3, Cr2O3, ZrO2, SiO2, MgO, Ga2O3 및 MnO로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 촉매를 사용하여 수행될 수 있다.
또한 상기 이산화탄소 개질 반응 단계에서 반응하는 CO2는 상기 역수성 가스 전환 반응 단계에서 미반응한 CO2일 수 있고, 상기 이산화탄소 개질 반응 단계에서 반응하는 CH4는 상기 역수성 가스 전환 반응 단계에서 미반응한 CH4 일 수 있다. 나아가 상기 이산화탄소 개질 반응 단계의 H2O는 상기 역수성 가스 전환 반응 단계에서 얻은 H2O일 수 있다.
상기 이산화탄소 개질 반응 단계는 800 내지 1200℃에서 수행될 수 있다. 또한 상기 이산화탄소 개질 반응 단계는 담지체에 담지되거다 또는 담지되지 않은 니켈계촉매를 사용하여 수행될 수 있고, 상기 담지체는 알루미나계 담지체, 실리카계 담지체 및 마그네시아계 담지체로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 담지체일 수 있다.
한편, 상기 이산화탄소 개질 반응 단계는 CO2를 추가로 공급하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 이산화탄소 개질 반응 단계에서 발생한 열에너지를 상기 역수성 가스 전환 반응 단계에 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 역수성 가스 전환 반응 및 이산화탄소 개질 반응을 연계하여 발생하는 이산화탄소의 자원화 비율을 증가시키고, 이를 통해 저탄소 제선공정을 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 합성가스로 화학 산업에 활용할 수 있는 수소 및 일산화탄소를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 COG 개질 공정에 개략적으로 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 COG 개질 공정에 개략적으로 나타낸 것으로, 본 발명은 H2 및 CH4를 포함하는 코크스 오븐 가스(Cokes Oven Gas; COG) 및 CO2를 반응 시켜 CO 및 H2O를 얻는 역수성 가스 전환 반응(reverse water gas shift reaction; RWGS) 단계; 및 CO2 및 H2O와 CH4를 반응시켜 CO 및 H2를 얻는 이산화탄소 개질 반응단계를 포함한다.
상기 코크스 오븐 가스는 제철공정에서 발생하는 것이라면 특별히 한정하지 않으나, 50 내지 60 부피%의 H2 및 20 내지 30 부피%의 CH4를 포함할 수 있다.
상기 역수성 가스 전환 반응 단계는 하기 식(1)로 수행되고, 구체적으로, H2 및 CH4를 포함하는 코크스 오븐 가스(COG)와 CO2를 반응시켜 CO 및 H2O를 얻는다. 코크스 오븐 가스에는 다량의 CH4가 포함되어 있으나, 상기 역수성 가스 전환 반응 단계에서 코크스 오븐 가스의 CH4는 반응에 참여하지 않는다.
식 (1)
CO2 + H2 → CO + H2O ΔHrxn = 41.1 kJ/mol
상기 역수성 가스 전환 반응 단계는 상기 식(1)에서 확인할 수 있는 바와 같이 흡열반응에 해당하며, 이 때 생성물로 획득되는 H2O는 대부분 스팀 형태이다.
상기 역수성 가스 전환 반응 단계는 300 내지 700℃에서 수행되는 것이 바람직하다. 이 때 상기 역수성 가스 전환 반응 단계에서 필요한 에너지원은 제철 공정 등에서 배출되는 배가스의 열을 활용할 수 있다. 300℃ 미만일 경우 CO2의 전환율이 낮아 CO를 충분히 얻을 수 없고, 700℃ 초과일 경우 과도한 에너지를 사용해야 되기 때문에 비경제적이다.
또한 상기 역수성 가스 전환 반응 단계는 촉매를 사용하여 수행될 수 있다. 상기 촉매는 역수성 가스 전환 반응 단계에서 통상적으로 사용되는 것이라면 특별히 한정하지 않으나, ZnO, Al2O3, Fe2O3, Cr2O3, ZrO2, SiO2, MgO, Ga2O3 및 MnO로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 촉매를 사용하여 수행될 수 있다. 상기 촉매를 통해 역수성 가스 전환 반응 단계에서 CO2의 전환율을 극대화시킬 수 있다.
상기 역수성 가스 전환 반응 단계에는 추가적으로 CO2를 공급할 수 있다. 즉, CO2는 COG 내에 포함된 H2와 역수성 가스 전환 반응을 하는 바, CO2를 추가적으로 공급하여 반응하는 COG의 양을 증가시킬 수 있다.
또한 추가적으로 상기 역수성 가스 전환 반응 단계에서 얻은 CO를 배출하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 CO는 후속적으로 수행되는 상기 이산화탄소 개질 반응 단계에서 반응에 참여하지 않으므로, 상기 역수성 가스 전환 반응 후 분리하여 제철 공정에서 필요한 환원제로 활용할 수 있다.
상기 역수성 가스 전환 반응이 수행된 후, 후속적으로 이산화탄소 개질 반응이 수행된다. 상기 이산화탄소 개질 반응은 하기 식(2)로 수행되고, CO2 및 H2O와 CH4를 반응시켜 CO 및 H2를 얻는다.
식 (2)
CO2 + xH2O + yCH4 → cCO + dH2
상기 식(2)에서 H2O와 CH4의 양을 나타내는 x, y는 반응조건 및 촉매의 종류에 따라 바뀔수 있다. 또한 상기 식(2)는 흡열반응에 해당한다.
상기 이산화탄소 개질 반응 단계의 CO2는 상기 역수성 가스 전환 반응 단계에서 미반응한 CO2일 수 있고, 상기 이산화탄소 개질 반응 단계의 CH4는 상기 역수성 가스 전환 반응 단계에서 미반응한 CH4일 수 있다. 상기 역수성 가스 전환 반응 단계에서 미반응한 CO2 및 CH4를 상기 이산화탄소 개질 반응 단계에서 반응시켜 개질되는 COG의 양을 증대시킬 수 있다. 나아가 상기 이산화탄소 개질 반응 단계의 H2O는 상기 역수성 가스 전환 반응 단계에서 얻은 H2O일 수 있다.
상기 이산화탄소 개질 반응 단계는 800 내지 1200℃에서 수행되는 것이 바람직하다. 이 때 상기 이산화탄소 개질 반응 단계에서 필요한 에너지원은 제철 공정 등에서 배출되는 배가스의 열을 활용할 수 있다. 800℃ 미만에서는 개질 효율이 낮아 개질 반응이 충분히 수행되지 않고, 1200℃ 초과할 경우 다량의 에너지가 소비되어 비경제적이다.
상기 이산화탄소 개질 반응은 촉매를 사용하여 수행될 수 있다. 상기 촉매는 통상적으로 사용되는 것이라면 특별히 한정하지 않으나, 담지체에 담지되거나 또는 담지되지 않은 니켈계 촉매 또는 귀금속계열 촉매를 사용하여 수행될 수 있다. 상기 담지체는 알루미나계 담지체, 실리카계 담지체 및 마그네시아계 담지체로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다. 상기 담지체는 알루미나계 담지체, 실리카계 담지체 및 마그네시아계 담지체로 이루어진 그룹으로부터 선택된 2종 이상을 혼합하여 사용할 수도 있고, 상기 그룹으로부터 선택된 2종 이상의 담지체가 결합하여 새로운 결정체를 형성한 담지체를 사용할 수도 있다. 촉매를 통해 이산화탄소 개질 반응 단계에서 CH4의 전환율을 극대화시킬 수 있다.
촉매를 사용하여 상기 이산화탄소 개질 반응을 수행할 때, 상기 촉매의 코킹 현상을 방지하게 위해 상기 이산화탄소 개질 반응 단계에서는 스팀(H2O)의 공급이 필요하다. 따라서, 본 발명에 의하면 상기 이산화탄소 개질 반응 단계의 코킹 현상의 방지를 위해 별도의 공정으로 스팀을 제공함이 없이 상기 역수성 가스 전환 반응 단계에서 얻어진 스팀(H2O)을 공급할 수 있다. 상기 역수성 가스 전환 반응 단계에서 얻어진 스팀(H2O)을 이산화탄소 개질 반응에 공급함에 따라 상기 이산화탄소 개질 반응 단계에서 별도의 H2O의 공급을 위한 추가의 장치 및 공정이 요구되지 않는 장점이 있다.
상기 이산화탄소 개질 반응 단계는 추가적으로 CO2를 공급하는 단계를 포함할 수 있다. CO2는 H2O 및 CH4와 이산화탄소 개질 반응을 하는 바, CO2를 추가적으로 공급하여, 상기 이산화탄소 개질 반응 단계에서 반응하는 CH4의 양을 증가시킬 수 있다.
한편, 상기 이산화탄소 개질 반응 단계에서 발생한 열에너지를 상기 역수성 가스 전환 반응 단계에 공급하여 사용할 수 있고, 이에 따라 에너지 효율 측면에서 장점을 갖는다. 상기 열에너지를 상기 역수성 전환 반응 단계에 공급하는 방법은 통상적으로 사용하는 방법이라면 특별히 한정하지 않으나, 배가스 열교환기를 통해 수행될 수 있다.
나아가, 본 발명에 의한 COG 개질 반응을 통해 CO 및 H2의 혼합가스를 얻을 수 있고, 상기 혼합가스는 제철 공정에서 환원제 등으로 활용할 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
H2 및 CH4를 포함하는 코크스 오븐 가스(COG)와 CO2를 500℃에서 역수성 가스 전환 반응시켜 CO 및 스팀 형태의 H2O를 얻었다. 이 때 촉매로 ZnO를 사용하였다. 역수성 가스 전환 반응에서 얻은 CO2 및 H2O와 CH4를 900℃에서 이산화탄소 개질 반응시켜 CO 및 H2를 얻었다. 이 때 촉매로 담지체에 담지되지 않은 Ni 촉매를 사용하였다.
상기 이산화탄소 개질 반응시 사용한 H2O의 양과 CO2의 처리량(개질량)을 측정하였다. 이산화탄소 개질 반응시 사용한 H2O의 양은 38.5 kg/hr이였고, CO2의 처리량(개질량)은 92.5 kg/hr이였다.
비교예
역수성 가스 전환 반응 단계가 선행되지 않는 종래의 이산화탄소 개질 반응단계를 수행하였다. 이 때 이산화탄소 개질 반응단계의 반응조건은 실시예와 동일하게 수행하였다.
상기 이산화탄소 개질 반응시 사용한 H2O의 양과 CO2의 처리량(개질량)을 측정하였다. 이산화탄소 개질 반응시 사용한 H2O의 양은 58.0 kg/hr이였고, CO2의 처리량(개질량)은 40.0 kg/hr이였다. 실시예와 비교예를 통해 알 수 있듯이, 이산화탄소 개질 반응단계에 선행하여 역수성 가스 전환 반응을 수행할 경우, 이산화탄소 개질 반응시 사용되는 H2O의 양을 현저히 줄일 수 있었고, CO2의 처리량(개질량)을 2배 이상 증가시킬 수 있었다.

Claims (12)

  1. H2 및 CH4를 포함하는 코크스 오븐 가스(COG)와 CO2를 반응시켜 CO 및 H2O를 얻는 역수성 가스 전환 반응 단계; 및
    CO2 및 H2O와 CH4를 반응시켜 CO 및 H2를 얻는 이산화탄소 개질 반응단계를 포함하는 COG 개질 공정.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 역수성 가스 전환 반응 단계에서 획득되는 H2O는 스팀 형태인 COG 개질 공정.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 역수성 가스 전환 반응 단계는 300 내지 700℃에서 수행되는 COG 개질 공정.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 역수성 가스 전환 반응 단계는 ZnO, Al2O3, Fe2O3, Cr2O3, ZrO2, SiO2, MgO, Ga2O3 및 MnO로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 촉매를 사용하여 수행되는 COG 개질 공정.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 이산화탄소 개질 반응 단계의 CO2는 상기 역수성 가스 전환 반응 단계에서 미반응한 CO2인 COG 개질 공정.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 이산화탄소 개질 반응 단계의 CH4는 상기 역수성 가스 전환 반응 단계에서 미반응한 CH4인 COG 개질 공정.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 이산화탄소 개질 반응 단계의 H2O는 상기 역수성 가스 전환 반응 단계에서 얻은 H2O인 COG 개질 공정.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 이산화탄소 개질 반응 단계는 800 내지 1200℃에서 수행되는 COG 개질 공정.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 이산화탄소 개질 반응 단계는 담지체에 담지되거나 또는 담지되지 않은 니켈계 촉매를 사용하여 수행되는 COG 개질 공정.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 담지체는 알루미나계 담지체, 실리카계 담지체 및 마그네시아계 담지체로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 담지체인 COG 개질 공정.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 이산화탄소 개질 반응 단계는 CO2를 추가로 공급하는 단계를 포함하는 COG 개질 공정.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 이산화탄소 개질 반응 단계에서 발생한 열에너지를 상기 역수성 가스 전환 반응 단계에 공급하는 단계를 추가로 포함하는 COG 개질 공정.
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