KR20200105601A - Methanol synthesis process exploiting by-product gas from steelmaking plant - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a process for synthesizing methanol using Linz-Donawitz converter gas (LDG), which is a by-product gas from steelmaking. The present invention is a high-efficiency, eco-friendly process with reduced carbon emissions, which uses coke oven gas (COG) and LDG to produce methanol, a high value-added product. A method for synthesizing methanol from a steelmaking by-product gas according to the present invention includes the steps of: (1) a COG separation step of producing a mixed gas having a hydrogen content of 70% or more from COG through a gas separation process; (2) a step of preparing a mixed gas for methanol synthesis by mixing LDG and the separated-COG gas of which main component is hydrogen while adjusting a mixing ratio to obtain a mixed gas composition suitable for methanol production; and (3) synthesizing methanol using the mixed gas for methanol synthesis.

Description

제철 부생가스를 활용한 메탄올 합성 공정 {Methanol synthesis process exploiting by-product gas from steelmaking plant}Methanol synthesis process exploiting by-product gas from steelmaking plant}

본 발명은 제철 부생가스인 전로가스를 활용한 메탄올 합성 공정에 관한 것으로서, 코크스로 가스(Coke Oven Gas, COG) 와 전로가스(Lintz-Donawiaz convert Gas, LDG)를 활용하여, 고부가가치 제품인 메탄올을 생산하며, 탄소배출량이 감소된 고효율의 친환경적 공정이다.The present invention relates to a process for synthesizing methanol using a converter gas, which is a by-product gas of steel making, and uses a coke oven gas (COG) and a converter gas (Lintz-Donawiaz convert Gas, LDG) to produce methanol, a high value-added product. It is a highly efficient and eco-friendly process that produces and reduces carbon emissions.

메탄올은 그 자체로 연료나 연료첨가제 또는 합성수지, 화섬원료, MTBE, 초산 등 석유화학 원료의 주요 출발물질로 사용될 수 있다. 메탄올 합성을 위해 주로 상업적으로 사용하는 방법은 석탄이나 바이오매스(bio-mass)의 가스화 또는 천연가스의 개질을 통하여 생성되는 합성가스(synthesis gas)를 활용하는 방법이다. 그런데, 일반적으로 유동층 반응기를 사용하여 수행되고 있는 석탄이나 바이오매스의 가스화는 원료 내에 함유되어 있는 황 화합물이나 질소 산화물뿐만 아니라, 분진을 포집하기 위한 집진장치가 필요하므로, 현재까지 메탄올은 상업적으로 천연가스의 개질에서 얻어지는 합성가스로부터 대부분(70% 이상) 제조되고 있는 실정이다. 그러나, 메탄의 개질반응은 고온에서 일어나며 강한 흡열반응이므로, 메탄 개질반응이 일어나기 위해서는 외부에서 많은 에너지가 공급되어야 한다. Methanol itself can be used as a fuel or fuel additive or as a major starting material for petrochemical raw materials such as synthetic resins, chemical fiber raw materials, MTBE, and acetic acid. A method mainly commercially used for methanol synthesis is a method of utilizing synthesis gas generated through gasification of coal or biomass or reforming of natural gas. However, in general, gasification of coal or biomass carried out using a fluidized bed reactor requires a dust collector to collect dust as well as sulfur compounds or nitrogen oxides contained in the raw material. It is a situation in which most (70% or more) are produced from syngas obtained through gas reforming. However, since the reforming reaction of methane occurs at a high temperature and is a strong endothermic reaction, a lot of energy must be supplied from the outside in order for the methane reforming reaction to occur.

한편, 천연가스의 개질로 인해 생성된 일산화탄소와 수소의 합성가스로부터 메탄올을 합성하는 반응은 하기 반응식 (1)과 같고, 종래부터 이러한 합성 반응의 효율을 높이기 위한 방안이 다각적으로 연구되고 있다.On the other hand, the reaction of synthesizing methanol from the synthesis gas of carbon monoxide and hydrogen generated by the reforming of natural gas is as shown in Reaction Formula (1), and methods for increasing the efficiency of such a synthesis reaction have been studied in various ways.

CO + 2 H2 ↔ CH3OH ΔH = -90.8kJ/mol (1)CO + 2 H 2 ↔ CH 3 OH ΔH = -90.8kJ/mol (1)

또한, 최근 지구 온난화에 대비한 대책으로 이산화탄소 배출 저감을 위한, 이산화탄소의 효율적인 활용 방안으로, 하기 반응식 (2)와 같이, 이산화탄소와 수소를 혼합하여 메탄올을 합성하는 방법 또한 많이 이용되고 있다.In addition, as a countermeasure against global warming, a method of synthesizing methanol by mixing carbon dioxide and hydrogen as shown in Reaction Equation (2) below has also been widely used as a method of efficiently utilizing carbon dioxide for reducing carbon dioxide emission.

CO2 + 3 H2 ↔ CH3OH + H2O ΔH = -49.6kJ/mol (2)CO 2 + 3 H 2 ↔ CH 3 OH + H 2 O ΔH = -49.6kJ/mol (2)

더욱이, 이산화탄소의 함량이 높은 천연가스를 스팀 개질하여 합성가스를 생산하는 경우, 기존의 수소 및 일산화탄소의 합성가스에 의한 메탄올의 합성 반응과 이산화탄소 및 수소의 혼합에 의한 메탄올의 합성 반응이 하기 반응식 (3)과 같이 동시에 일어날 수 있는 바, 최근에는 이산화탄소의 경제적인 이용 반응으로, 천연가스의 혼합개질 반응으로써, 수증기 개질반응과 동시에 이산화탄소와 메탄의 개질 반응을 수행하여 메탄올을 합성할 수 있는 반응이 주로 이용되고 있다.Moreover, in the case of producing synthetic gas by steam reforming natural gas with a high content of carbon dioxide, the synthesis reaction of methanol by the conventional synthesis gas of hydrogen and carbon monoxide and the synthesis reaction of methanol by mixing carbon dioxide and hydrogen are shown in the following reaction formula ( As shown in 3), recently, as an economical utilization reaction of carbon dioxide, as a mixed reforming reaction of natural gas, a reaction capable of synthesizing methanol by performing a reforming reaction of carbon dioxide and methane simultaneously with the steam reforming reaction has been developed. It is mainly used.

CO2 + CO + 5H2 ↔ 2CH3OH + H2O (3)CO 2 + CO + 5H 2 ↔ 2CH 3 OH + H 2 O (3)

상기 반응식 (1)(2)와 같이, 일산화탄소와 이산화탄소의 수소화에 의해 메탄올을 합성하는 반응은 발열반응이며, 한 개의 일산화탄소 분자는 2개의 수소분자와 반응하며, 한 개의 이산화탄소 분자는 3개의 수소분자와 반응하여 메탄올을 만드는 것을 알 수 있다. 즉, 일산화탄소와 이산화탄소 혼합물의 수소화에 의해 메탄올을 합성할 경우 H2/(2CO + 3CO2)의 비는 1이 되어야 하는 것을 알 수 있다. As shown in Reaction Formulas (1)(2), the reaction of synthesizing methanol by hydrogenation of carbon monoxide and carbon dioxide is an exothermic reaction, one carbon monoxide molecule reacts with two hydrogen molecules, and one carbon dioxide molecule is three hydrogen molecules. It can be seen that it reacts with to make methanol. In other words, it can be seen that when methanol is synthesized by hydrogenation of a mixture of carbon monoxide and carbon dioxide, the ratio of H 2 /(2CO + 3CO 2 ) should be 1.

메탄올의 국내 수요는 약 150만톤/년 규모이고, 향후 그 수요는 더욱 증가할 것으로 예상된다. 그러나, 현재 천연가스로부터 합성가스를 제조하고, 이로부터 다시 메탄올을 합성하는 데에는 많은 비용이 요구되므로, 최근에는 보다 저렴한 방법으로 메탄올을 합성할 수 있는 방법이나, 혹은 메탄올을 대체할 수 있는 연료에 대한 개발이 요구되고 있는 실정이다.The domestic demand for methanol is about 1.5 million tons/year, and the demand is expected to increase further in the future. However, since it requires a lot of cost to produce syngas from natural gas and to synthesize methanol from it again, recently, it is a method that can synthesize methanol by a cheaper method, or a fuel that can replace methanol. It is a situation in which development is required.

철강 산업에서는 많은 양의 부생가스(by-product gas)가 발생되는데, 각 공정에 따라 코크스로 가스(coke oven gas, COG), 고로 가스(Blast furnace gas, BFG) 전로가스(Lintz-Donawiaz convert Gas, LDG) 등이 있다. 제철 부생가스 내에는 주로 H2, CH4, CO 및 CO2 등과 같은 연료 물질 및 화학물질 합성을 위한 기초원료 물질이 주성분으로 포함되어 있다.In the steel industry, a large amount of by-product gas is generated, and depending on each process, coke oven gas (COG), blast furnace gas (BFG) and Lintz-Donawiaz convert gas , LDG). The steel by-product gas mainly contains fuel substances such as H 2 , CH 4 , CO and CO 2 , and basic raw materials for the synthesis of chemical substances.

쇳물을 만들기 위해서는 철광석과 코크스가 필요한데, 코크스는 고로에 넣기 전 작은 덩어리 형태로 찐 원료탄을 말한다. 유연탄을 코크스로에서 건류하는 과정에서 발생하는 가스가 바로 코크스로 가스(COG)로 발열량은 4천400 Kcal/Nm3이고, 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소를 다량 포함하고 있으며, 25% 정도의 CH4 등이 함유되어 있다. Iron ore and coke are needed to make molten iron, and coke refers to the coke that is steamed in small lumps before being put into the blast furnace. The gas generated in the process of drying bituminous coal in the coke oven is coke oven gas (COG), which has a calorific value of 4,400 Kcal/Nm 3 , contains a large amount of hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide, and contains 25% of CH 4 etc. It contains.

고로 가스(BFG)는 고로에 철광석과 코크스를 장입해 선철을 제조하는 과정에서 코크스가 연소해 철광석과 환원작용 시 발생하는 가스로 공정 중에 공기를 사용하기 때문에 다량의 질소가 포함되어 있다. 발열량은 750 Kcal/Nm3이다.Blast furnace gas (BFG) is a gas that is generated when coke is burned in the process of manufacturing pig iron by charging iron ore and coke in the blast furnace, and it contains a large amount of nitrogen because it uses air during the process. The calorific value is 750 Kcal/Nm 3 .

전로가스(LDG)는 선철을 강철로 만드는 과정에서 발생하는 가스로, 제강공장의 전로에 용선을 장입하고 산소를 취입하는 과정에서 용선 중의 탄소가 산소와 화합해 발생되는 가스로 발열량은 2천 Kcal/Nm3이다. LDG는 유해성 물질로 일산화탄소가 50~80%로 비중이 가장 높으며, 수소, 질소, 이산화탄소, 일산화탄소 등으로 구성되어 있다. Converter gas (LDG) is a gas generated in the process of making pig iron into steel.It is a gas that is generated when carbon in the molten iron is combined with oxygen in the process of charging and injecting oxygen into the converter of a steel mill. The calorific value is 2,000 Kcal. /Nm 3 LDG is a hazardous substance, and has the highest specific gravity with 50 to 80% of carbon monoxide, and is composed of hydrogen, nitrogen, carbon dioxide, and carbon monoxide.

본 발명은 제철 부생가스를 활용하여 메탄올을 생산하는 새로운 공정과 최적 공정조건을 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a new process and optimal process conditions for producing methanol using steel by-product gas.

본 발명의 제1양태는 (1) 가스분리 공정을 통해 코크스로 가스(Coke Oven Gas, COG)로부터 수소의 함량이 70% 이상인 혼합가스를 생산하는 COG 분리단계; (2) 메탄올 생산에 적합한 혼합가스 조성을 얻기 위해, 혼합비율을 조절하면서, 상기 수소가 주성분인 분리된-COG 가스와 전로가스 (Lintz-Donawiaz convert Gas, LDG)를 혼합하여 메탄올 합성용 혼합가스를 제조하는 단계; 및 (3) 상기 메탄올 합성용 혼합가스를 이용하여 메탄올을 합성하는 단계;를 포함하는 것이 특징인 제철 부생가스로부터 메탄올 합성 방법을 제공한다.A first aspect of the present invention is (1) a COG separation step of producing a mixed gas having a hydrogen content of 70% or more from coke oven gas (COG) through a gas separation process; (2) In order to obtain a mixed gas composition suitable for methanol production, a mixed gas for methanol synthesis was prepared by mixing the separated-COG gas containing the hydrogen as the main component and a converter gas (Lintz-Donawiaz convert Gas, LDG) while controlling the mixing ratio. Manufacturing steps; And (3) synthesizing methanol using the mixed gas for methanol synthesis. It provides a method for synthesizing methanol from the steel-making by-product gas comprising a.

본 발명의 제2양태는 제1양태의 메탄올 합성 방법을 수행하는 제철 부생가스로부터 메탄올 합성 시스템으로서, 코크스로 가스(COG)로부터 수소의 함량을 70% 이상으로 높이는 COG 분리기; 전로가스(LDG)를 상기 COG 분리기에서 분리된 수소 풍부 COG와 혼합시키되, 메탄올 생산에 적합한 혼합가스 조성을 얻기 위해 혼합비율을 조절할 수 있는 가스 혼합기; 가스 혼합기에서 조제된 혼합가스가 반응물로 공급되는 메탄올 합성 촉매를 수용하는 메탄올 합성 반응기; 및 선택적으로 메탄올 합성 반응기의 미반응 가스와 메탄올을 기액분리하는 기액분리기;를 포함하는 것이 특징인 제철 부생가스로부터 메탄올 합성 시스템을 제공한다.A second aspect of the present invention is a system for synthesizing methanol from steel by-product gas for performing the methanol synthesis method of the first aspect, comprising: a COG separator for increasing the content of hydrogen from coke oven gas (COG) to 70% or more; A gas mixer capable of mixing a converter gas (LDG) with the hydrogen-rich COG separated in the COG separator, and adjusting a mixing ratio to obtain a mixed gas composition suitable for methanol production; A methanol synthesis reactor accommodating a methanol synthesis catalyst in which the mixed gas prepared in the gas mixer is supplied as a reactant; And a gas-liquid separator for separating methanol from the unreacted gas of the methanol synthesis reactor by gas-liquid; it provides a methanol synthesis system from the steel-making by-product gas characterized in that it comprises.

이하, 본 발명을 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 제철 부생가스의 하나로, CO가 풍부한 전로가스(LDG)를 메탄올 합성 공정에 활용하기 위해, 수소와 메탄이 주성분인 코크스로 가스(COG)에서 수소가 풍부한 가스를 제조한 후, CO가 주성분인 전로가스(LDG)와 적정 비율로 혼합하여 수소와 일산화탄소가 주성분인 혼합가스를 제조하고, 상기 제조된 혼합가스를 촉매공정을 통하여 메탄올로 전환하는 것이 특징이다.The present invention is one of the steel by-product gases, in order to utilize the CO-rich converter gas (LDG) in the methanol synthesis process, after producing a hydrogen-rich gas from coke oven gas (COG) containing hydrogen and methane as the main components, CO is It is characterized in that a mixed gas containing hydrogen and carbon monoxide is prepared by mixing it with a converter gas (LDG), which is a main component, in an appropriate ratio, and converting the prepared mixed gas into methanol through a catalytic process.

H2 및 CO 함유 합성가스로부터 메탄올 합성 시, 메탄올 생산 효율을 높이기 위해 합성가스의 양론적인 비율 R (H2/(2CO+3CO2))은 0.85 ~ 1.15로 유지하는 것이 좋다. 그런데, 본 발명은 도 2(COG 및 LDG 혼합가스를 이용한 메탄올 합성 실험 결과) 및 도 4(분리된-COG 및 LDG 혼합가스를 이용한 메탄올 합성 실험 결과)를 비교한 결과, 메탄올 생산량과 혼합비율 사이에서 예측하지 못한 관계가 나타난다는 것을 발견하였다. 또한, 일반적으로 분리되지 않은 COG 에는 H2 조성이 55 ~ 65% 인데, 분리공정 이후 COG 는 H2 순도가 높아져 H2 조성이 89%에 도달하며, 이때 단순히 COG와 LDG를 혼합하여 메탄올 합성용 혼합가스를 조제하는 경우와는 달리, 다른 혼합비율 범위 내에서, 분리된-COG 와 LDG를 적절한 몰비로 조절함에 따라 CO 전환율 및 CO2 전환율이 현저히 향상될 뿐만아니라 더 높은 수율 및 생산량으로 메탄올을 합성할 수 있다는 것을 발견하였다. 본 발명은 이에 기초한 것이다.When synthesizing methanol from syngas containing H 2 and CO, it is recommended to maintain the stoichiometric ratio R (H 2 /(2CO+3CO 2 )) of the syngas at 0.85 to 1.15 in order to increase the methanol production efficiency. By the way, the present invention is a result of comparing Figure 2 (methanol synthesis experiment result using COG and LDG mixed gas) and Figure 4 (methanol synthesis experiment result using separated-COG and LDG mixed gas), between the methanol production amount and the mixing ratio Found that an unexpected relationship appeared. In addition, COG is not typically separated is H 2 composition is inde 55 ~ 65%, since the separation process COG is increased the H 2 purity and H 2 composition reaches 89%, this case is simply a mixture of COG and LDG for methanol synthesis Unlike the case of preparing a mixed gas, not only the CO conversion rate and the CO 2 conversion rate are remarkably improved by adjusting the separated-COG and LDG to an appropriate molar ratio within the range of different mixing ratios, but also methanol with a higher yield and production amount. It was found that it can be synthesized. The present invention is based on this.

본 발명은 COG로부터 수소가 풍부한 가스를 제조한 후, CO가 주성분인 LDG와 다소 넓은 특정 비율 범위 내에서 혼합하여 수소와 일산화탄소가 주성분인 혼합가스를 제조하고, 상기 제조된 혼합가스를 촉매공정을 통하여 높은 메탄올 생산량으로 메탄올 전환이 가능하다. 따라서, 본 발명은 제철 공정에서 발생되는 부생가스 중 수소 및 메탄이 풍부한 코크스로 가스(COG)와 일산화탄소가 풍부한 전로가스(LDG)를 원료로 메탄올을 합성하는데 활용하여 제철소 부생가스의 새로운 활용 공정을 제시하고, 이 공정은 메탄올 합성에 필요한 합성가스를 별도로 제조하지 않기 때문에 에너지 절감 및 폐기물의 효율적 활용이라는 세계적인 이슈에 부합한다. 또한, 본 발명에 따른 메탄올 합성 공정은 제철 부생가스에 포함된 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소를 전환하여 고효율 및 고선택적으로 메탄올을 생산함으로써, 일반적으로 제철공정에서 부생가스를 발전용 연료로 사용하는 것 보다 경제적이며 저탄소배출의 친환경적 공정이다. 따라서, 본 발명에 따른 공정에 의할 경우 온실가스 저감과 동시에 기초화학물질 수급 문제를 해결할 수 있다.In the present invention, after preparing a hydrogen-rich gas from COG, the mixture is mixed with LDG, which is the main component, within a rather wide specific ratio range, to produce a mixed gas containing hydrogen and carbon monoxide, and the prepared gas is subjected to a catalytic process. Methanol conversion is possible with high methanol production. Accordingly, the present invention uses coke oven gas (COG) rich in hydrogen and methane and LDG rich in carbon monoxide among the byproduct gases generated in the steelmaking process to synthesize methanol as raw materials, thereby providing a new process for utilizing steelworks byproduct gas. This process meets the global issues of energy saving and efficient use of waste because it does not separately manufacture syngas required for methanol synthesis. In addition, the methanol synthesis process according to the present invention converts hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide contained in the steelmaking by-product gas to produce methanol with high efficiency and high efficiency, so that by-product gas is generally used as a fuel for power generation in the steelmaking process. It is an economical and eco-friendly process with low carbon emissions. Therefore, in the case of the process according to the present invention, it is possible to reduce the greenhouse gas and solve the problem of supply and demand of basic chemicals.

도 1은 본 발명의 일구체예에 따라 제철 부생가스 COG 및 LDG를 이용한 메탄올 합성 공정의 흐름도를 개략적으로 도시한 것이다. 1 schematically shows a flow chart of a methanol synthesis process using COG and LDG of steel by-products according to an embodiment of the present invention.

본 발명에 따른 제철 부생가스로부터 메탄올 합성 방법은 The method for synthesizing methanol from steel by-product gas according to the present invention

(1) 가스분리 공정을 통해 코크스로 가스(Coke Oven Gas, COG)로부터 수소의 함량이 70% 이상인 혼합가스를 생산하는 COG 분리단계; (1) COG separation step of producing a mixed gas having a hydrogen content of 70% or more from coke oven gas (COG) through a gas separation process;

(2) 메탄올 생산에 적합한 혼합가스 조성을 얻기 위해, 혼합비율을 조절하면서, 상기 수소가 주성분인 분리된-COG 가스와 전로가스 (Lintz-Donawiaz convert Gas, LDG)를 혼합하여 메탄올 합성용 혼합가스를 제조하는 단계; 및(2) In order to obtain a mixed gas composition suitable for methanol production, a mixed gas for methanol synthesis was prepared by mixing the separated-COG gas containing the hydrogen as the main component and a converter gas (Lintz-Donawiaz convert Gas, LDG) while controlling the mixing ratio. Manufacturing steps; And

(3) 상기 메탄올 합성용 혼합가스를 이용하여 메탄올을 합성하는 단계; (3) synthesizing methanol using the mixed gas for methanol synthesis;

를 포함한다.Includes.

본 발명에 따라 제철 부생가스로부터 메탄올 합성 방법을 수행하는 메탄올 합성 시스템은 The methanol synthesis system for performing the methanol synthesis method from steel by-product gas according to the present invention

코크스로 가스(COG)로부터 수소의 함량을 70% 이상으로 높이는 COG 분리기;COG separator to increase the content of hydrogen from coke oven gas (COG) to 70% or more;

전로가스(LDG)를 상기 COG 분리기에서 분리된 수소 풍부 COG와 혼합시키되, 메탄올 생산에 적합한 혼합가스 조성을 얻기 위해 혼합비율을 조절할 수 있는 가스 혼합기; A gas mixer capable of mixing a converter gas (LDG) with the hydrogen-rich COG separated in the COG separator, and adjusting a mixing ratio to obtain a mixed gas composition suitable for methanol production;

가스 혼합기에서 조제된 혼합가스가 반응물로 공급되는 메탄올 합성 촉매를 수용하는 메탄올 합성 반응기; 및A methanol synthesis reactor accommodating a methanol synthesis catalyst in which the mixed gas prepared in the gas mixer is supplied as a reactant; And

선택적으로 메탄올 합성 반응기의 미반응 가스와 메탄올을 기액분리하는 기액분리기;A gas-liquid separator for gas-liquid separation of methanol from unreacted gas in the methanol synthesis reactor;

를 포함한다.Includes.

본 발명에서 (1) 단계는 가스분리 공정을 통해 코크스로 가스(COG)로부터 메탄, 일산화탄소 및 이산화탄소를 분리하고 수소의 함량이 70% 이상인 혼합가스를 생산하는 COG 분리단계이다. (1) 단계는 코크스로 가스(COG)로부터 수소의 함량을 70% 이상으로 높이는 COG 분리기, 예컨대 COG로부터 메탄, 일산화탄소 및 이산화탄소를 분리제거하는 장치를 구비하여 수소가 70% 이상인 투과가스를 생산하는 COG 분리기에서 수행될 수 있다.In the present invention, step (1) is a COG separation step of separating methane, carbon monoxide, and carbon dioxide from coke oven gas (COG) through a gas separation process and producing a mixed gas having a hydrogen content of 70% or more. Step (1) is equipped with a COG separator that increases the content of hydrogen from coke oven gas (COG) to 70% or more, such as a device for separating and removing methane, carbon monoxide, and carbon dioxide from COG to produce a permeate gas containing more than 70% hydrogen. It can be carried out in a COG separator.

실험을 통해, CO 전환율, CO2 전환율, 메탄올 수율 및 생산량 측면에서 LDG : H2 사이에는 적절한 혼합(몰)비가 존재하며, 나아가 LDG 와 COG 를 이용한 메탄올 합성용 혼합 가스 조제 시 분리공정을 통해 분리된-수소풍부 COG을 사용하는 경우 CO 전환율, CO2 전환율, 메탄올 수율 및 생산량 측면에서 현저히 우수한 영역이 있다는 것을 발견하였다. 따라서, (1) 단계는 H2 의 공급원으로 제철 부생가스의 하나인 코크스로 가스(COG)를 이용하되, 분리공정을 통해 COG로부터 메탄, 일산화탄소 및 이산화탄소를 분리하고 수소가 70% 이상, 바람직하게는 80% 이상, 더욱 바람직하게는 85% 이상인 혼합가스를 메탄올 합성용 혼합가스의 수소 공급원으로 사용하는 것이 특징이다. Through the experiment, there is an appropriate mixing (molar) ratio between LDG:H 2 in terms of CO conversion, CO 2 conversion, methanol yield, and production, and further, separation through a separation process when preparing a mixed gas for methanol synthesis using LDG and COG It was found that there are remarkably excellent areas in terms of CO conversion, CO 2 conversion, methanol yield, and production when using hydrogen-rich COG. Therefore, step (1) uses coke oven gas (COG), one of steel by-product gases as a source of H 2 , but separates methane, carbon monoxide and carbon dioxide from COG through a separation process, and contains more than 70% hydrogen, preferably Is characterized in that a mixed gas of 80% or more, more preferably 85% or more is used as a hydrogen source of the mixed gas for methanol synthesis.

코크스로 가스(COG)는 메탄올 합성 반응에서 비활성 물질인 메탄의 함유량이 상대적으로 높으므로, 본 발명에서는 코크스로 가스를 LDG 부생가스와 혼합하기에 앞서, 코크스로 가스에서 수소를 분리하는 분리공정을 수행함으로써, 메탄의 함량을 최소화하고 수소의 함량을 최대화시킬 수 있다. 또한, 분리공정에서 생성된 부산물인 CH4 풍부 잔류가스는 공정용 열원이나 발전용 연소가스로 사용할 수 있다. Since coke oven gas (COG) has a relatively high content of methane, which is an inert material in the methanol synthesis reaction, in the present invention, prior to mixing the coke oven gas with the LDG by-product gas, a separation process for separating hydrogen from the coke oven gas is performed. By doing so, it is possible to minimize the content of methane and maximize the content of hydrogen. In addition, the residual gas rich in CH 4 , which is a by-product generated in the separation process, can be used as a heat source for a process or a combustion gas for power generation.

제철부생가스 중 하나인 COG 에는 주성분이 수소로서 메탄, 질소, 황화수소, 분진 등과 함께 혼합되어 있으나, 주로 공정용 열원이나 발전용 연료로 사용되고 있다. 반면, 본 발명에서 수소 공급원으로 요구되는, COG 부생가스에서의 수소 분리 정도는 수소와 그 이외 가스 투과도 차이를 이용하는 분리막법으로 충분하며, 순수한 수소를 얻기 위한 분리공정이 아니기 때문에 1단 분리막 공정 구성도 가능하여 상대적으로 투자비와 유지비가 낮다. 또한 분리공정은 순수한 수소를 얻기 위한 목적이 아니라 수소풍부가스를 얻기 위함이기 때문에 분리막 공정에 제한을 받지 않고 압력순환흡착공정 (Pressure Swing Adsorption), 극저온증류분리공정(Cryogenic separation) 등의 활용도 가능하다.COG, one of the steel by-product gases, has a main component of hydrogen, which is mixed with methane, nitrogen, hydrogen sulfide, and dust, but is mainly used as a heat source for process or as a fuel for power generation. On the other hand, the degree of hydrogen separation from the COG by-product gas, which is required as a hydrogen source in the present invention, is sufficient by a separation membrane method that uses the difference in gas permeability from hydrogen and other gas permeability. Also, the investment and maintenance costs are relatively low. In addition, since the separation process is not for obtaining pure hydrogen, but for obtaining hydrogen-rich gas, it is possible to use pressure swing adsorption, cryogenic separation, etc. without being limited by the separation membrane process. .

예컨대, 분리막에 의한 가스 분리의 원리는 높은 압력에서 기체가 분리막과의 친화력이나 기체의 kinetic 크기(diameter)에 의해 분리막을 투과하여 저압으로 분리된다. 고분자 분리막에서 가스들의 투과도는 H2O > H2 > He > CO2 > O2 > Ar > CO > N2 > CH4 순이다. 일반적인 COG 부생가스 분리를 위한 고분자 분리막의 소재는 폴리설폰 (polysulfone), 폴리이미드 (polyimide), 폴리페닐렌옥사이드 (polyphenylene oxide), 폴리카보네이트 (polycarbonate), 폴리에테르이미드 (poly(ether imide)) 등이 있다.For example, the principle of gas separation by a separation membrane is that at a high pressure gas is separated at a low pressure by permeating through the separation membrane by the affinity with the separation membrane or the kinetic size of the gas. The permeability of gases in the polymer membrane is in the order of H 2 O> H 2 >He> CO 2 > O 2 >Ar>CO> N 2 > CH 4 . Materials for polymer separation membranes for general COG by-product gas separation are polysulfone, polyimide, polyphenylene oxide, polycarbonate, poly(ether imide), etc. There is this.

기체 분리용 막으로는 기공성 막과 비기공성 막이 있다. 하기 본 발명의 실시예에서는 COG 투과를 위한 분리막으로 비기공성 막을 사용하였다. 비기공성 막은 일반적으로 고분자막으로서, 고분자막 내로 용해되고 확산되는 분자간 차이에 의하여 기체 분리가 일어난다. COG 투과 메커니즘은 용액-확산(solution-diffusion) 메카니즘으로서 3단계 : (i) 공급 혼합기체가 분리막 경계면에 기체 흡수 또는 흡착, (ii) 고분자 분리막 내 확산 및 (iii) 투과측으로 탈착 또는 증발로 이뤄진다. 이 메커니즘은 분리막 양쪽에 작용하는 기체의 열역학적 활동도에 따른다. 기체분자의 투과도는 확산계수와 용해도의 곱으로 나타낼 수 있다. 도 3는 중공사막 모듈을 사용한 COG 분리 실험 장치 구성도를 나타낸 것이다.Membrane for gas separation includes a porous membrane and a non-porous membrane. In the following examples of the present invention, a non-porous membrane was used as a separator for COG permeation. Non-porous membranes are generally polymer membranes, and gas separation occurs due to differences between molecules that dissolve and diffuse into the polymer membrane. The COG permeation mechanism is a solution-diffusion mechanism, which consists of three steps: (i) the feed mixture gas absorbs or adsorbs gas on the membrane interface, (ii) diffusion into the polymer membrane, and (iii) desorption or evaporation to the permeate side. . This mechanism depends on the thermodynamic activity of the gas acting on both sides of the membrane. The permeability of a gas molecule can be expressed as the product of the diffusion coefficient and solubility. 3 is a block diagram of a COG separation experiment apparatus using a hollow fiber membrane module.

본 발명에서 (2) 단계는 메탄올 생산에 적합한 혼합가스 조성을 얻기 위해 혼합비율을 조절하면서, 상기 수소가 주성분인 분리된-COG와 전로가스 (Lintz-Donawiaz convert Gas, LDG)를 혼합하여 메탄올 합성용 혼합가스를 제조하는 단계이다. (2) 단계는 전로가스(LDG)를 상기 COG 분리기에서 분리된 수소 풍부 COG와 혼합시키되, 메탄올 생산에 적합한 혼합가스 조성을 얻기 위해 혼합비율을 조절할 수 있는 가스 혼합기에서 수행될 수 있다.In the present invention, step (2) is for methanol synthesis by mixing the separated-COG and converter gas (Lintz-Donawiaz convert Gas, LDG) whose hydrogen is the main component while controlling the mixing ratio to obtain a mixed gas composition suitable for methanol production. This is the step of preparing a mixed gas. Step (2) is a converter gas (LDG) is mixed with the hydrogen-rich COG separated in the COG separator, it may be carried out in a gas mixer capable of adjusting the mixing ratio to obtain a mixed gas composition suitable for methanol production.

상기 반응식 (1)(2)(3)에 나타난 바와 같이, 합성가스로부터 메탄올 합성 반응은 반응하는 일산화탄소 분자수의 2배의 수소가, 이산화탄소의 경우에는 3배의 수소가 필요하기 때문에, H2/(2CO + 3CO2)식에서 이의 비를 1에 가깝게 유지하는 것이 필요하다. 통상, 메탄 개질 반응을 통해 합성된 H2 및 CO 합성가스는 특정한 몰비, 즉 합성가스의 양론적 비율 R (H2/(2CO+3CO2))을 0.85 ~ 1.15로 유지하게 되면 우수한 생산효율로 메탄올을 합성할 수 있다. 반면, 표 2에 나타난 바와 같이, H2 및 LDG 혼합가스의 경우 최대 메탄올 생산량(10g/day)을 위해 R = 0.6도 가능하다. 한편, 표 3에 나타난 바와 같이 COG 및 LDG 혼합가스의 경우 최대 메탄올 생산량(10g/day)을 위해 R (H2/(2CO+3CO2) = 0.6 ~ 2이다. 이는 COG : LDG 비율이 9:1 내지 7:3 사이의 범위이다. 나아가, 표 6에 나타난 바와 같이, 분리된-COG 및 LDG 혼합가스의 경우 최대 메탄올 생산량(10g/day)을 위해 R (H2/(2CO+3CO2) = 0.23 ~ 2.82 이다. 이는 분리된-COG : LDG 의 혼합비(몰비)가 9:1 내지 3:7 사이의 범위이다. 요컨대, 메탄올 생산량(g/day) 측면에서 COG : LDG의 혼합 (몰)비가 9:1 내지 7:3 사이의 범위가 바람직한데 반해, 본 발명에서는 분리된-COG : LDG의 혼합 (몰)비가 9:1 내지 3:7 사이 넓은 범위에서 달성할 수 있으며, 메탄올 생산량(g/day) 측면에서 분리된-COG : LDG의 혼합 (몰)비는 8:2 내지 5:5 사이의 범위가 바람직하다. As shown in Reaction Formulas (1)(2)(3), the synthesis reaction of methanol from synthesis gas requires twice as much hydrogen as the number of reacting carbon monoxide molecules and three times as much hydrogen in the case of carbon dioxide, so H 2 / In the equation (2CO + 3CO 2 ), it is necessary to keep its ratio close to 1. In general, H 2 and CO syngas synthesized through methane reforming can achieve excellent production efficiency by maintaining a specific molar ratio, that is, the stoichiometric ratio R (H 2 /(2CO+3CO 2 )) of 0.85 to 1.15. Methanol can be synthesized. On the other hand, as shown in Table 2, for a mixed gas of H 2 and LDG, R = 0.6 is also possible for the maximum methanol production (10 g/day). On the other hand, as shown in Table 3, in the case of a mixed gas of COG and LDG, R (H 2 /(2CO+3CO 2 ) = 0.6 ~ 2 for the maximum methanol production (10g/day). This is a COG: LDG ratio of 9: 1 to 7: 3. Further, as shown in Table 6, in the case of the separated-COG and LDG mixed gas, R (H 2 /(2CO+3CO 2 ) for the maximum methanol production (10 g/day) = 0.23 ~ 2.82 This is the mixture ratio (molar ratio) of separated-COG:LDG is in the range of 9:1 to 3:7 In short, in terms of methanol production (g/day), the mixture of COG:LDG (mol) While the ratio is preferably in the range of 9:1 to 7:3, in the present invention, the mixed (molar) ratio of separated-COG:LDG can be achieved in a wide range between 9:1 to 3:7, and methanol production ( In terms of g/day), the mixed (molar) ratio of -COG:LDG is preferably in the range of 8:2 to 5:5.

본 발명에서 (3) 단계는 상기 메탄올 합성용 혼합가스를 이용하여 메탄올을 합성하는 단계이다. In the present invention, step (3) is a step of synthesizing methanol using the mixed gas for methanol synthesis.

(3) 단계는, 가스 혼합기에서 조제된 혼합가스가 반응물로 공급되는, 메탄올 합성 촉매를 수용하는 메탄올 합성 반응기에서 수행될 수 있다. 예컨대, (3) 단계는 (2) 단계에서 조제된 혼합가스를 메탄올 합성 촉매가 채워진 고정상 반응기를 통과하면서 이루어질 수 있다. 본 발명에서는 상기 분리된-COG와 LDG 를 혼합하면, 혼합가스에 포함된 일산화탄소와 수소 및 이산화탄소와 수소는 촉매의 존재 하에 상기 반응식(1) 및 (2)의 반응을 통하여 메탄올을 형성하는데, 이러한 반응이 일어나는 조건은 종래 합성가스로부터 메탄올을 합성하는 데 주어지는 반응 조건을 이용하여 수행할 수 있으나, 200 내지 300℃의 온도 및 30 내지 100bar의 압력의 반응 조건을 가해주는 것이 메탄올 생산에 가장 바람직하다. (2)단계에서 조제된 합성가스는 30 ~ 100기압까지 가스 압축기를 통해 승압 과정을 거친 후 메탄올 합성 반응기에 들어간다. Step (3) may be performed in a methanol synthesis reactor containing a methanol synthesis catalyst, in which the mixed gas prepared in a gas mixer is supplied as a reactant. For example, step (3) may be performed while passing the mixed gas prepared in step (2) through a fixed bed reactor filled with a methanol synthesis catalyst. In the present invention, when the separated-COG and LDG are mixed, carbon monoxide and hydrogen and carbon dioxide and hydrogen contained in the mixed gas form methanol through the reactions of the above reaction formulas (1) and (2). The conditions in which the reaction occurs can be carried out using the reaction conditions given for synthesizing methanol from conventional synthesis gas, but it is most preferable to apply reaction conditions of a temperature of 200 to 300°C and a pressure of 30 to 100 bar for methanol production. . The synthesis gas prepared in step (2) goes through a process of increasing pressure through a gas compressor to 30 ~ 100 atm and then enters the methanol synthesis reactor.

본 발명에서, 메탄올 합성반응은 합성가스의 비율 H2/(2CO + 3CO2)이 0.23 ~ 2.82, 공간속도는 1,000 ~ 50,000 h-1인 것이 바람직하다.In the present invention, the methanol synthesis reaction is preferably the ratio H 2 /(2CO + 3CO 2 ) of the synthesis gas is 0.23 ~ 2.82, the space velocity is 1,000 ~ 50,000 h -1 .

또한, 상기의 메탄올 합성 반응에 사용될 수 있는 촉매는 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소의 메탄올 전환 효율이 높은 촉매로, 특별히 한정하지는 않으나, 예를 들어, Cu/Zn/Al계열의 촉매, 아연-크롬산화물 촉매(ZnCrOx)계 촉매, 또는 구리계 촉매 등이 사용될 수 있다.In addition, the catalyst that can be used in the methanol synthesis reaction is a catalyst having high methanol conversion efficiency of hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide, and is not particularly limited, but, for example, a Cu/Zn/Al-based catalyst, a zinc-chromium oxide catalyst A (ZnCrOx)-based catalyst or a copper-based catalyst may be used.

메탄올 합성반응은 발열반응으로서 메탄올 수율을 증대하기 위해서는 반응열 제어가 필요하다. 이를 위해 메탄올 합성 반응기의 촉매층 튜브 외부에 냉매인 물을 흘려 물의 기화시 잠열에 의해 반응열을 제어할 수 있다. 메탄올 합성반응은 평형반응이며 온도가 올라갈수록 반응물의 평형 전환율은 떨어지기 때문에 반응기 내의 온도 제어는 중요해진다. Methanol synthesis reaction is an exothermic reaction, and reaction heat control is required to increase the methanol yield. To this end, the reaction heat can be controlled by the latent heat when the water vaporizes by flowing water as a refrigerant to the outside of the catalyst layer tube of the methanol synthesis reactor. Methanol synthesis reaction is an equilibrium reaction, and since the equilibrium conversion rate of the reactants decreases as the temperature increases, temperature control in the reactor becomes important.

메탄올 합성반응의 촉매는 Cu/ZnO/Al2O3계 촉매가 널리 사용되고 있으며, 본 발명에서는, CuO 52 ~ 58%, ZnO 22 ~ 27%, Al2O3 6~9% 조성의 촉매를 사용하였지만 특별히 이에 한정하는 것은 아니다. As a catalyst for the methanol synthesis reaction, a Cu/ZnO/Al 2 O 3 type catalyst is widely used, and in the present invention, a catalyst having a composition of CuO 52 to 58%, ZnO 22 to 27%, and Al 2 O 3 6 to 9% is used. However, it is not particularly limited thereto.

(3) 단계는 기액분리 후 액상 생성물 내 메탄올의 평균 순도가 90% 이상인 고순도의 메탄올을 생산할 수 있다. Step (3) can produce high purity methanol having an average purity of 90% or more of methanol in the liquid product after gas-liquid separation.

본 발명은 (3) 단계 이후, 또는 (3) 단계를 수행하면서 미반응 가스와 메탄올을 기액분리하는 단계를 수행할 수 있다. 기액분리하는 단계는 메탄올 합성 반응의 미반응 가스와 메탄올을 기액분리하는 기액분리기에서 수행할 수 있다. 기액분리기는 메탄올 합성 반응기의 후단에 또는 메탄올 합성 반응기 내부에 일체형으로 설치될 수 있다.In the present invention, after step (3) or while performing step (3), a step of gas-liquid separation of unreacted gas and methanol may be performed. The gas-liquid separation may be performed in a gas-liquid separator for gas-liquid separation of methanol and unreacted gas of the methanol synthesis reaction. The gas-liquid separator may be installed integrally at the rear end of the methanol synthesis reactor or inside the methanol synthesis reactor.

본 발명에 따른 제철 부생가스로부터 메탄올 합성 방법은, 이전 단계에서 합성된 메탄올과 미반응 가스를 분리하고, 미반응 가스 일부 또는 전부를 (3) 단계에 재순환(recycle)하는 (4) 단계를 더 포함할 수 있다. The method for synthesizing methanol from steel by-product gas according to the present invention further includes a step (4) of separating methanol synthesized in the previous step and unreacted gas, and recycling some or all of the unreacted gas to step (3). Can include.

One-pass 운전의 경우 미반응 가스 내에 메탄올 합성에 참여하는 가스성분이 잔존하기 때문에 재순환 (Recycle)하여 메탄올 합성용 원료와 함께 주입할 수 있다. 재순환이 일어나면서 미반응 가스 내 메탄올 합성에 비활성을 나타내는 가스의 잔존량이 많아지기 때문에 미반응 가스의 재순환 양과 배출 양의 비율(Recycle 비율)을 조절하여 운전하는 것이 바람직하다. 이때, 재순환 비율이 0.8 ~ 0.95의 범위인 것이 바람직하다(실시예 15). Recycle 비율이 증가함에 따라 메탄올 반응기 주입가스 유량이 현저하게 증가하므로, 메탄올 반응기의 사이즈가 증가하여, 초기투자비용이 증가한다. 또한, recycle 비율이 감소함에 따라, 배출가스 내 수소성분이 많아지기 때문에 수소생산비용을 고려할 때 최대한 배출량을 감소시켜야 한다. 따라서, 배출유량이 주입되는 LDG 유량을 넘어서지 않는 recycle 비율의 범위인 0.8에서 0.95의 범위가 적절하다.In the case of one-pass operation, since the gas components participating in methanol synthesis remain in the unreacted gas, it can be recycled and injected together with the raw material for methanol synthesis. As recycling occurs, since the residual amount of gas indicating inertness to methanol synthesis in the unreacted gas increases, it is preferable to operate by controlling the ratio of the amount of recirculation and discharge of the unreacted gas (recycle ratio). At this time, it is preferable that the recycle ratio is in the range of 0.8 to 0.95 (Example 15). As the recycle ratio increases, the flow rate of the methanol reactor injection gas increases significantly, so the size of the methanol reactor increases, resulting in an increase in initial investment cost. In addition, as the recycle ratio decreases, the amount of hydrogen in the exhaust gas increases, so when considering the hydrogen production cost, the discharge amount should be reduced as much as possible. Therefore, a range of 0.8 to 0.95, which is the range of the recycle ratio in which the discharged flow rate does not exceed the injected LDG flow rate, is appropriate.

한편, COG를 분리한 후 LDG와 혼합하여 사용하는 본 발명과 달리, COG를 분리하지 않고 그대로 LDG와 혼합하여 사용하게 되면 COG 내 메탄올 합성반응에 비활성인 가스성분이 30~40% 정도가 되기 때문에 재순환 양을 높이게 되면 메탄올 합성용 원료 내에 비활성 가스의 비율이 올라가 활성가스성분 (CO, CO2, H2)의 부분압이 떨어져 메탄올 합성반응 활성이 떨어지기 때문에 반응압력을 더 높여야 한다. 공정압력의 증가로 설비안정성의 문제와 함께 설비비용이 증가하는 문제를 야기할 수 있다. 또한, COG를 분리하지 않고 사용하게 되면 Recycle 비율이 증가함에 따라 메탄올 합성 반응기 주입가스 유량이 현저하게 증가하므로, 메탄올 합성 반응 시스템의 전체적인 사이즈가 증가하여, 초기투자비용이 증가한다. 또한, recycle 비율이 감소함에 따라, 원료의 양은 줄어들지만, 미반응되어 배출되는 가스의 양이 많아지기 때문에 효율적이지 않다. LDG와 COG를 그대로 이용하게 되면 비활성 가스의 조성이 높아 메탄올 합성공정에 적합하지 않다. COG를 분리한 후 LDG와 혼합하여 사용하는 본 발명(실시예 16)은 LDG와 COG를 그대로 혼합하는 경우(비교예 13)에 비해 동일한 Recycle 비율에서 주입가스의 유량이 작기 때문에 초기 투자비용을 절감할 수 있고, 원료로 사용되는 가스의 조성이 증가하기 때문에 원료로 필요한 LDG와 분리 COG의 유량도 작아져 공정비용이 감소하는 효과를 갖는다. 또한 동일한 Recycle 비율에서 배출되는 가스의 유량도 작아지기 때문에 공정효율이 증가될 수 있다.On the other hand, unlike the present invention in which COG is separated and mixed with LDG, if COG is not separated and mixed with LDG as it is, the gas component inert to the methanol synthesis reaction in COG becomes about 30-40%. If the amount of recycle is increased, the ratio of the inert gas in the raw material for methanol synthesis increases, and the partial pressure of the active gas components (CO, CO 2 , H 2 ) decreases, so that the methanol synthesis reaction activity decreases, so the reaction pressure must be further increased. An increase in process pressure may cause a problem of equipment stability and an increase in equipment cost. In addition, when COG is used without separating, the flow rate of the methanol synthesis reactor injection gas increases significantly as the recycle ratio increases, and thus the overall size of the methanol synthesis reaction system increases, thereby increasing the initial investment cost. In addition, as the recycle ratio decreases, the amount of raw material decreases, but it is not efficient because the amount of unreacted and discharged gas increases. If LDG and COG are used as they are, the composition of the inert gas is high, which is not suitable for the methanol synthesis process. The present invention (Example 16), which separates COG and mixes it with LDG, reduces the initial investment cost because the flow rate of the injected gas is small at the same recycling rate compared to the case of mixing LDG and COG as it is (Comparative Example 13). In addition, since the composition of the gas used as a raw material increases, the flow rate of LDG and separated COG required as a raw material decreases, thereby reducing the process cost. In addition, since the flow rate of gas discharged at the same recycling rate is reduced, process efficiency can be increased.

예컨대, 본 발명에 따라 메탄올 합성반응기를 통과한 생성물은 냉각 후 기-액 분리에 의해 액체생성물인 메탄올은 수득되고 기상의 미반응 합성가스는 일부 배출되고 미반응 가스는 가압 후 메탄올 반응기의 원료로 재순환(recycle) 될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따라 제철 부생가스 원료로부터 메탄올 합성 시스템은 메탄올 합성 반응기의 미반응 가스와 메탄올을 기액분리하는 기액분리기; 및 여기에서 분리된 미반응 가스 일부 또는 전부를 메탄올 합성 반응기로 재순환시키는 배관을 구비할 수 있다.For example, after cooling the product passing through the methanol synthesis reactor according to the present invention, methanol as a liquid product is obtained by gas-liquid separation, some unreacted synthesis gas in the gas phase is discharged, and the unreacted gas is pressurized as a raw material for the methanol reactor Can be recycled. Accordingly, according to the present invention, the methanol synthesis system from the raw material of the iron-making by-product includes a gas-liquid separator for gas-liquid separating unreacted gas and methanol of the methanol synthesis reactor; And it may be provided with a pipe for recycling some or all of the unreacted gas separated here to the methanol synthesis reactor.

본 발명의 일구체예에 따르면, One-pass 운전 시 메탄올의 순도는 95.5%, Recycle 운전 시 메탄올의 순도는 평균 약 92%로 모두 고순도의 메탄올을 생산할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the purity of methanol during the one-pass operation is 95.5%, and the purity of methanol during the recycle operation is about 92% on average, all of which can produce high-purity methanol.

본 발명의 제철 부생가스로부터 메탄올 합성 공정을 부생가스 발전 공정 대신 적용할 경우, 탄소배출량이 감소된 고효율의 친환경적 제철 공정을 제공할 수 있다. When the methanol synthesis process from the steel-making by-product gas of the present invention is applied instead of the by-product gas power generation process, it is possible to provide a high-efficiency, eco-friendly steel-making process with reduced carbon emissions.

본 발명은 제철 공정에서 발생되는 부생가스로 수소가 풍부한 코크스 오븐가스(COG)를 분리공정으로 분리한 후, 일산화탄소가 풍부한 전로가스(LDG)와 특정한 비율로 혼합하여 메탄올을 합성하는 새로운 공정을 제시한다. 본 공정을 이용하여 제철소 부생가스의 고부가 가치화를 실현하고, 합성가스 제조에 사용되는 화석연료 및 에너지 사용을 줄이는 효과를 얻을 수 있다.The present invention proposes a new process for synthesizing methanol by separating coke oven gas (COG) rich in hydrogen as a by-product gas generated in the steelmaking process through a separation process, and mixing it with a converter gas (LDG) rich in carbon monoxide in a specific ratio. do. By using this process, it is possible to achieve high value-added by-product gas in steel mills, and to reduce the use of fossil fuels and energy used in syngas production.

도 1은 본 발명의 일구체예에 따라 제철 부생가스 COG 및 LDG를 이용한 메탄올 합성 공정의 흐름도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 제철부생가스인 COG 및 LDG 혼합가스를 이용한 메탄올 합성 실험 결과를 도시한 그래프이다.
도 3는 COG 분리 실험 장비의 개략도이다.
도 4는 분리된-COG 및 LDG 혼합가스를 이용한 메탄올 합성 실험 결과를 도시한 그래프이다.
도 5은 일구체예에 따라 COG + LDG 혼합가스를 이용한 메탄올 합성 공정의 PFD (Process Flow Diagram)을 나타낸 것이다.
도 6은 일구체예에 따라 분리된-COG + LDG 혼합가스를 이용한 메탄올 합성 공정의 PFD을 나타낸 것이다.
1 schematically shows a flow chart of a methanol synthesis process using COG and LDG of steel by-products according to an embodiment of the present invention.
2 is a graph showing the result of a methanol synthesis experiment using a mixed gas of COG and LDG, which is an iron-making by-product gas.
3 is a schematic diagram of a COG separation experiment equipment.
4 is a graph showing the result of an experiment for methanol synthesis using separated -COG and LDG gas mixture.
5 shows a process flow diagram (PFD) of a methanol synthesis process using a COG + LDG gas mixture according to one embodiment.
6 shows the PFD of the methanol synthesis process using the separated -COG + LDG gas mixture according to an embodiment.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 구체적으로 설명하는 바, 본 발명이 다음 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples, but the present invention is not limited by the following examples.

[메탄올 합성 실험][Methanol synthesis experiment]

반응 실험에는 메탄올 합성을 위해 CuO 52 ~ 58%, ZnO 22 ~ 27%, Al2O3 6~9%의 조성을 갖는 펠릿형 촉매를 사용하였다. 상용촉매의 무게 0.6g (25 ~ 40 mesh), Sea sand(희석제)의 무게 1.8 g으로 촉매 : 희석제 = 1:3 비율로 물리적으로 혼합하여 반응기 내에 로딩하였고, 온도 250 ℃, 3 h 동안 H2 분위기에서 환원시킨 후 메탄올 합성반응 실험을 수행하였다.In the reaction experiment, a pellet-type catalyst having a composition of 52 to 58% CuO, 22 to 27% ZnO, and 6 to 9% Al 2 O 3 was used for methanol synthesis. The weight of the commercial catalyst was 0.6g (25 ~ 40 mesh), the weight of the sea sand (diluent) was 1.8 g, and the catalyst: diluent = 1:3 was physically mixed and loaded into the reactor, and the temperature was 250 ℃, H 2 for 3 h. After reduction in the atmosphere, a methanol synthesis reaction experiment was performed.

본 발명에 의한 제철부생가스를 활용한 메탄올 합성 결과를 하기 표에 나타내었으며, 합성가스 조성별 평형전환율을 시뮬레이션 프로그램 (HSC Chemistry)으로 계산하여 표, 그림에 나타냈다.The results of methanol synthesis using the steel-making by-product gas according to the present invention are shown in the following table, and the equilibrium conversion rate for each synthesis gas composition was calculated by a simulation program (HSC Chemistry) and shown in tables and figures.

실시예Example 1 ~ 4: 1 to 4: 부생수소와With by-product hydrogen LDGLDG 혼합가스를 이용한 메탄올 합성 Methanol synthesis using mixed gas

전로가스(LDG : H2, N2, CO, CO2)의 조성과 동일한 모델가스와 수소가스를 원료로, 상기 LDG 모델가스와 수소가스의 혼합비에 따라 메탄올 합성반응을 수행하였다. Using the same model gas and hydrogen gas as the composition of the converter gas (LDG: H 2 , N 2 , CO, CO 2 ) as raw materials, a methanol synthesis reaction was performed according to the mixing ratio of the LDG model gas and hydrogen gas.

운전조건은 온도 250 ℃, 압력 50 bar를 유지하였고, 하기 표 1과 같이 동일한 촉매에서 LDG 유량은 30.7 ml/min으로 유지하고, H2 유량을 H2/LDG = 1.6 (R=1) 기준으로 H2 비율이 0.2씩 감소되게 변화시켜 메탄올 합성반응을 진행하였다.Operating conditions were maintained at a temperature of 250°C and a pressure of 50 bar, and the LDG flow rate was maintained at 30.7 ml/min in the same catalyst as shown in Table 1 below, and the H 2 flow rate was based on H 2 /LDG = 1.6 (R=1). The methanol synthesis reaction was carried out by changing the H 2 ratio to decrease by 0.2.

하기 표 1에는 LDG : H2 비율에 따른 Feed 주입 유량을, 표 2에는 H2 + LDG 혼합 비율에 따른 메탄올 합성 실험 결과를 나타내었다.Table 1 below shows the feed injection flow rate according to the LDG: H 2 ratio, and Table 2 shows the methanol synthesis experiment results according to the H 2 + LDG mixing ratio.

LDG : H2 비율LDG: H 2 ratio LDG
(ml/min)
LDG
(ml/min)
H2
(ml/min)
H 2
(ml/min)
1 : 1.61: 1.6 30.730.7 49.349.3 1 : 1.41: 1.4 43.043.0 1 : 1.21: 1.2 36.836.8 1 : 1.01: 1.0 30.730.7

구분division 혼합비Mixing ratio LDG (mol %)LDG (mol %) R* R * 평형전환율Equilibrium conversion rate 실험결과 값Experiment result value 메탄올
수율
(%)
Methanol
yield
(%)
메탄올
생산량
(g/day)
Methanol
output
(g/day)
CO conv. (%)CO conv. (%) CO2 conv. (%)CO 2 conv. (%) CO conv.
(%)
CO conv.
(%)
CO2 conv.
(%)
CO 2 conv.
(%)
Total conv.
(%)
Total conv.
(%)
LDGLDG H2 H 2 H2 H 2 COCO CO2 CO 2 N2 N 2 실시예1Example 1 1One 1.61.6 62.1 62.1 21.521.5 6.36.3 10.110.1 1.0 1.0 55.755.7 4.34.3 56.1 56.1 4.84.8 44.444.4 44.344.3 20.320.3 실시예2Example 2 1One 1.41.4 54.2 54.2 21.521.5 6.36.3 10.110.1 0.9 0.9 51.251.2 3.43.4 52.852.8 2.52.5 41.441.4 41.341.3 18.718.7 실시예3Example 3 1One 1.21.2 46.5 46.5 21.521.5 6.36.3 10.110.1 0.8 0.8 46.146.1 2.62.6 48.348.3 2.32.3 37.837.8 37.737.7 17.217.2 실시예4Example 4 1One 1.01.0 38.838.8 21.521.5 6.36.3 10.110.1 0.60.6 40.140.1 1.81.8 43.643.6 1.31.3 34.034.0 33.933.9 15.415.4 * R : H2/((2CO+3CO2)* R: H 2 /((2CO+3CO 2 )

LDG+H2 혼합가스의 특정한 몰비, 즉 양론적 비율 R (H2/(2CO+3CO2) = 0.85 ~ 1.15)에서 원료의 전환율, 메탄올 수율 및 생산량을 최적화할 수 있다. 여기서 H2/LDG 비가 1.6 일 때 R=1 이며, 이를 기준으로 H2의 비율이 감소함에 따라 R 값이 1에서 0.6까지 감소하였고, 메탄올 생산량 또한 감소하였다. 이는 수소 비율이 감소할수록 메탄올 합성 화학반응식에 따른 H2와 CO 및 CO2 당량비에 미치지 못함을 의미한다. 그러므로, R 값이 0.6 미만에서는 탄소 전환율과 메탄올 생산량이 매우 낮아져 바람직하지 않으며, R 값이 1을 초과할 시에는 고가의 H2 사용량이 많아지기 때문에 경제적이지 못하여 바람직하지 않다.At a specific molar ratio of LDG+H 2 mixed gas, that is, the stoichiometric ratio R (H 2 /(2CO+3CO 2 ) = 0.85 to 1.15), it is possible to optimize the conversion rate of raw materials, methanol yield and production. Here, when the H 2 /LDG ratio is 1.6, R=1, and as the H 2 ratio decreases, the R value decreases from 1 to 0.6, and the methanol production also decreases. As the hydrogen ratio decreases, the ratio of H 2 , CO and CO 2 according to the methanol synthesis chemical reaction equation It means that it does not reach the equivalent ratio. Therefore, when the R value is less than 0.6, the carbon conversion rate and the methanol production amount are very low, which is not preferable. When the R value exceeds 1, the expensive amount of H 2 is increased, which is not preferable because it is not economical.

실시예Example 5 ~ 7 및 5 to 7 and 비교예Comparative example 1 ~ 8: 1 to 8: 제철부생가스인Steel by-product gas Inn COG 및 COG and LDGLDG 혼합가스를 이용한 메탄올 합성 Methanol synthesis using mixed gas

제철부생가스 중 코크스로 가스(COG : H2, N2, CO, CH4, CO2) 및 전로가스(LDG: H2, N2, CO, CO2)의 모델가스를 이용하여 메탄올 합성반응을 수행하였다. 운전조건은 온도 250 ℃, 압력 50 bar, 공간속도 8000 ml/gcath을 유지하였고, 동일한 촉매에서 COG와 LDG 혼합 비율을 달리하여 메탄올 합성반응을 진행하였다. 주입가스의 COG + LDG 혼합 비율과 반응결과는 하기 표 3과 같다.Methanol synthesis reaction using model gas of coke oven gas (COG: H 2 , N 2 , CO, CH 4 , CO 2 ) and converter gas (LDG: H 2 , N 2 , CO, CO 2 ) among steel by-product gases Was performed. Operating conditions were maintained at a temperature of 250° C., a pressure of 50 bar, and a space velocity of 8000 ml/g cat h, and the methanol synthesis reaction was performed by varying the mixing ratio of COG and LDG in the same catalyst. The mixing ratio of COG + LDG of the injected gas and the reaction results are shown in Table 3 below.

구분division 혼합비Mixing ratio 조성 (GC 결과)Composition (GC result) R* R * 평형전환율Equilibrium conversion rate 실험결과 전환율Experiment result conversion rate 메탄올
수율
(%)
Methanol
yield
(%)
메탄올
생산량
(g/day)
Methanol
output
(g/day)
COG
(%)
COG
(%)
LDG
(%)
LDG
(%)
반응전
(%)
Before reaction
(%)
반응후
(%)
After reaction
(%)
CO
(%)
CO
(%)
CO2
(%)
CO 2
(%)
CO
(%)
CO
(%)
CO2
(%)
CO 2
(%)
Total
(%)
Total
(%)
비교예2Comparative Example 2 1010 00 H2 H 2 59.3 59.3 57.857.8 2.442.44 60.860.8 18.818.8 64.564.5 15.515.5 52.652.6 52.652.6 8.58.5 N2 N 2 6.6 6.6 7.87.8 COCO 7.5 7.5 3.23.2 CH4 CH 4 24.2 24.2 28.728.7 CO2 CO 2 2.4 2.4 2.42.4 실시예6Example 6 99 1One H2 H 2 53.5 53.5 50.450.4 1.381.38 51.751.7 6.86.8 55.755.7 10.610.6 45.145.1 43.543.5 12.412.4 N2 N 2 8.4 8.4 10.710.7 COCO 12.6 12.6 7.17.1 CH4 CH 4 21.7 21.7 27.627.6 CO2 CO 2 3.7 3.7 4.24.2 실시예5Example 5 88 22 H2 H 2 47.747.7 41.841.8 0.890.89 42.742.7 3.53.5 41.841.8 -4.1-4.1 31.131.1 31.131.1 12.512.5 N2 N 2 10.410.4 13.513.5 COCO 17.817.8 13.213.2 CH4 CH 4 19.219.2 24.924.9 CO2 CO 2 4.94.9 6.66.6 실시예7Example 7 77 33 H2 H 2 42.442.4 34.434.4 0.620.62 34.134.1 2.12.1 32.932.9 -3.5-3.5 24.524.5 24.524.5 11.811.8 N2 N 2 12.112.1 15.715.7 COCO 22.322.3 19.519.5 CH4 CH 4 16.916.9 21.921.9 CO2 CO 2 6.36.3 8.58.5 비교예3Comparative Example 3 66 44 H2 H 2 36.036.0 30.430.4 0.440.44 25.225.2 1.11.1 17.917.9 2.52.5 14.314.3 14.314.3 8.58.5 N2 N 2 13.913.9 16.516.5 COCO 27.827.8 27.127.1 CH4 CH 4 14.114.1 16.716.7 CO2 CO 2 8.18.1 9.39.3 비교예1Comparative Example 1 55 55 H2 H 2 30.430.4 22.822.8 0.310.31 18.418.4 0.70.7 17.017.0 -1.8-1.8 12.712.7 12.412.4 8.98.9 N2 N 2 15.815.8 18.918.9 COCO 32.632.6 32.532.5 CH4 CH 4 11.811.8 14.214.2 CO2 CO 2 9.59.5 11.611.6 비교예4Comparative Example 4 44 66 H2 H 2 24.824.8 19.619.6 0.220.22 12.812.8 0.90.9 9.29.2 1.01.0 7.37.3 7.37.3 5.95.9 N2 N 2 17.517.5 19.619.6 COCO 37.437.4 38.038.0 CH4 CH 4 9.59.5 10.610.6 CO2 CO 2 10.910.9 12.112.1 비교예5Comparative Example 5 33 77 H2 H 2 19.019.0 13.813.8 0.150.15 8.18.1 00 7.37.3 -1.0-1.0 5.45.4 4.84.8 4.94.9 N2 N 2 19.319.3 21.321.3 COCO 42.242.2 43.243.2 CH4 CH 4 7.17.1 7.97.9 CO2 CO 2 12.412.4 13.813.8 비교예6Comparative Example 6 22 88 H2 H 2 13.513.5 10.610.6 0.090.09 4.54.5 00 3.53.5 -0.5-0.5 2.62.6 2.62.6 2.72.7 N2 N 2 21.021.0 22.122.1 COCO 46.846.8 47.647.6 CH4 CH 4 5.05.0 5.25.2 CO2 CO 2 13.713.7 14.514.5 비교예7Comparative Example 7 1One 99 H2 H 2 7.47.4 6.06.0 0.040.04 1.71.7 00 1.21.2 -0.3-0.3 0.80.8 0.20.2 0.90.9 N2 N 2 23.023.0 23.423.4 COCO 51.951.9 52.452.4 CH4 CH 4 2.52.5 2.62.6 CO2 CO 2 15.215.2 15.615.6 비교예8Comparative Example 8 00 1010 H2 H 2 1.51.5 1.21.2 0.010.01 0.20.2 00 -0.4-0.4 0.30.3 -0.2-0.2 00 00 N2 N 2 24.824.8 24.824.8 COCO 56.856.8 57.157.1 CH4 CH 4 00 00 CO2 CO 2 16.916.9 16.816.8 * R : H2/((2CO+3CO2)* R: H 2 /((2CO+3CO 2 )

표 3 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 COG + LDG 혼합가스의 메탄올 합성반응은 실시예 5 ~ 7 및 비교예 1 ~ 8을 비교한 결과 COG + LDG 혼합가스의 혼합비(몰비)가 9:1 내지 7:3 사이의 범위에서는 메탄올 생산량이 10 g/day 이상으로 바람직하다. As shown in Table 3 and Figure 2, the methanol synthesis reaction of the COG + LDG mixed gas according to the present invention is a result of comparing Examples 5 to 7 and Comparative Examples 1 to 8, and the mixing ratio (molar ratio) of the COG + LDG mixed gas is In the range of 9:1 to 7:3, the methanol production amount is preferably 10 g/day or more.

COG : LDG 비율이 9:1 내지 7:3 사이의 범위에서는 CO 전환율이 30% 이상, 메탄올 수율 및 생산량이 20% 및 10 g/day 이상이므로 가장 바람직하고, COG : LDG 비율이 4:6 내지 0:10 사이의 범위에서는 전환율이 10% 미만, 메탄올 수율 및 생산량이 10% 및 10 g/day 미만이므로 바람직하지 않다. In the range of 9:1 to 7:3, the COG: LDG ratio is most preferable because the CO conversion is 30% or more, and the methanol yield and production amount is 20% and 10 g/day or more, and the COG: LDG ratio is 4:6 to In the range between 0:10, the conversion rate is less than 10%, the methanol yield and production amount is less than 10% and 10 g/day, which is not preferable.

참조예Reference example 1: 분리막을 이용한 COG 가스 분리 1: COG gas separation using a separation membrane

하기 도 3는 분리막을 이용한 COG 분리 실험 장치 구성도를 나타낸 것이다. 순수한 수소로 분리가 필요하지 않기 때문에 1단 분리막 공정을 수행하였다.3 shows a configuration diagram of a COG separation experiment apparatus using a separation membrane. Since separation is not required with pure hydrogen, a single stage separation membrane process was performed.

COG 내 수소를 회수하기 위해, 폴리설폰(Polysulfone) 중공사막 모듈(Synopex)을 사용하여 투과실험을 진행하였다. COG 분리실험은 코크스로 가스(COG : H2, N2, CO, CH4, CO2) 조성의 모델가스를 사용하였다. In order to recover hydrogen in COG, a permeation experiment was conducted using a polysulfone hollow fiber membrane module (Synopex). In the COG separation experiment, a model gas having a composition of coke oven gas (COG: H 2 , N 2 , CO, CH 4 , CO 2 ) was used.

분리막 모듈은 온도 조절이 가능한 오븐 내에 설치하여 운전온도를 일정하게 유지하였다. 혼합가스 분리장치에 설치된 분리막 모듈로 공급되는 기체의 유량은 가스 레귤레이터 후단에 가스량 조절기인 MFC(Mass Flow Controller)를 설치하여 조절하였고, 분리막내 운전압력은 BPR(Back Pressure Regulator)을 이용하여 공급되는 기체, 잔류부와 투과부의 기체의 압력을 조절하였다. 분리막을 투과한 기체의 유량은 MFM(Mass Flow Meter)으로 측정하였고, 측정은 GC-TCD(YL-6100GC)를 이용하였다. The separation membrane module was installed in a temperature-controllable oven to maintain a constant operating temperature. The flow rate of gas supplied to the separation membrane module installed in the mixed gas separation device was controlled by installing a gas flow controller (MFC) at the rear end of the gas regulator, and the operating pressure inside the separation membrane was supplied using a BPR (Back Pressure Regulator). The pressures of the gas, the residual part and the gas in the permeate part were adjusted. The flow rate of the gas passing through the separation membrane was measured with a Mass Flow Meter (MFM), and GC-TCD (YL-6100GC) was used for the measurement.

COG 모사가스 분리시험은 공급측과 투과측의 압력차, 공급기체의 조성, 운전온도는 일정하게 유지하고, 공급유량을 조절하여 stage-cut에 따른 투과부에서의 수소의 농도와 회수율을 확인하였다. 혼합가스 분리를 위한 운전 조건은 하기 표 4에 나타냈다.In the COG simulation gas separation test, the pressure difference between the supply side and the permeate side, the composition of the supply gas, and the operating temperature were kept constant, and the supply flow rate was adjusted to confirm the concentration and recovery rate of hydrogen in the permeate portion according to stage-cut. The operating conditions for separating the mixed gas are shown in Table 4 below.

실험조건Experimental conditions 공급압력 (bar)Supply pressure (bar) 9.19.1 투과압력 (bar)Permeate pressure (bar) 1.11.1 운전 온도 (℃)Operating temperature (℃) 2525 공급유량 (L/min)Supply flow rate (L/min) 2, 6, 102, 6, 10 주입가스 조성Composition of injected gas H2 (%mol)H 2 (%mol) 56.5856.58 N2 (%mol)N 2 (%mol) 7.317.31 CO (%mol)CO (%mol) 7.87.8 CH4 (%mol)CH 4 (%mol) 25.8125.81 CO2 (%mol)CO 2 (%mol) 2.492.49 멤브레인 모듈Membrane module 유효 막 면적 (m2)Effective membrane area (m 2 ) 0.480.48

분리막의 성능을 평가하기 위해서 사용한 stage-cut, 회수율은 다음과 같이 정의한다. Stage-cut은 공급유량에 대한 투과유량 비로 나타내며, 일정 온도와 압력에서 수학식 1에 의해 계산하였다. The stage-cut and recovery rate used to evaluate the performance of the separation membrane are defined as follows. Stage-cut is expressed as the ratio of the permeate flow rate to the supply flow rate, and was calculated by Equation 1 at a constant temperature and pressure.

Figure pat00001
Figure pat00001

H2는 일반적인 유리상 고분자 분리막에 대해서 N2, CO, CH4, CO2에 비해 투과도 높은 기체로 투과부에서 농축되어 회수된다. H2 회수율은 수학식 2로 정의하였다.H 2 is a gas having a higher permeability than N 2 , CO, CH 4 , and CO 2 for a general glassy polymer membrane, and is concentrated and recovered at the permeate portion. The H 2 recovery rate was defined by Equation 2.

Figure pat00002
Figure pat00002

하기 표 5는 COG 모사가스를 분리막 투과실험을 진행하여 공급부, 투과부, 잔류부에 해당하는 각각의 가스 조성을 정리한 것이다. 공급가스 유량이 10 L/min에서 투과가스의 조성중 H2의 조성비가 89.0% 가장 높았으므로, 이때의 조성비로 분리된-COG의 조성을 고정하고, LDG와 혼합비를 달리하여 메탄올 합성 반응을 수행하였다.Table 5 below summarizes the gas compositions corresponding to the supply part, the permeation part, and the residual part by conducting a separation membrane permeation test of COG simulated gas. When the feed gas flow rate was 10 L/min, the composition ratio of H 2 among the compositions of the permeate gas was the highest by 89.0%, so the composition of the separated-COG was fixed by the composition ratio at this time, and the methanol synthesis reaction was performed by changing the mixing ratio with LDG.

공급가스Supply gas 투과가스Permeate gas 잔류가스Residual gas H2
회수율
H 2
Recovery rate
stage-cutstage-cut
H2 H 2 N2 N 2 COCO CH4 CH 4 CO2 CO 2 유량flux H2 H 2 N2 N 2 COCO CH4 CH 4 CO2 CO 2 유량flux H2 H 2 N2 N 2 COCO CH4 CH 4 CO2 CO 2 유량flux %mol%mol L/minL/min %mol%mol L/minL/min %% L/minL/min %%   56.656.6 7.37.3 7.87.8 25.825.8 2.52.5 2.0 2.0 71.2 71.2 4.1 4.1 5.7 5.7 15.9 15.9 3.1 3.1 1.6 1.6 3.1 3.1 18.918.9 15.615.6 62.262.2 0.20.2 0.40.4 98.898.8 0.790.79 6.0 6.0 85.1 85.1 1.7 1.7 2.7 2.7 6.9 6.9 3.6 3.6 3.5 3.5 16.1 16.1 16.3 16.3 14.914.9 51.851.8 0.90.9 2.52.5 88.088.0 0.59 0.59 10.0 10.0 89.0 89.0 1.1 1.1 1.7 1.7 4.5 4.5 3.7 3.7 5.1 5.1 23.5 23.5 13.6 13.6 14.014.0 47.647.6 1.31.3 5.05.0 79.579.5 0.500.50

실시예Example 8~14 및 8-14 and 비교예Comparative example 9~12 : 분리된-COG 및 9-12: separated-COG and LDGLDG 혼합가스를 이용한 메탄올 합성 반응 Methanol synthesis reaction using mixed gas

운전조건은 온도 250 ℃, 압력 50 bar, 공간속도 8000 ml/gcath을 유지하였고 동일한 촉매에서 분리된-COG와 LDG 혼합 비율을 달리하여 메탄올 합성반응을 진행하였다. 주입가스의 분리된-COG + LDG 혼합 비율과 반응결과는 아래 표 6과 같다.The operating conditions were maintained at a temperature of 250° C., a pressure of 50 bar, and a space velocity of 8000 ml/g cat h, and the methanol synthesis reaction was performed by varying the mixing ratio of -COG and LDG separated from the same catalyst. The separated -COG + LDG mixing ratio and reaction results of the injected gas are shown in Table 6 below.

구분division 혼합비Mixing ratio 조성 (GC 결과)Composition (GC result) R* R * 평형전환율Equilibrium conversion rate 실험결과 전환율Experiment result conversion rate 메탄올
수율
(%)
Methanol
yield
(%)
메탄올
생산량
(g/day)
Methanol
output
(g/day)
분리된
-COG
(%)
Separate
-COG
(%)
LDG
(%)
LDG
(%)
반응전
(%)
Before reaction
(%)
반응후
(%)
After reaction
(%)
CO
(%)
CO
(%)
CO2
(%)
CO 2
(%)
CO
(%)
CO
(%)
CO2
(%)
CO 2
(%)
Total
(%)
Total
(%)
비교예10Comparative Example 10 1010 00 H2 H 2 89.889.8 91.991.9 6.686.68 56.456.4 56.656.6 65.165.1 59.659.6 61.461.4 60.560.5 5.35.3 N2 N 2 1.01.0 1.21.2 COCO 1.71.7 0.70.7 CH4 CH 4 4.04.0 4.64.6 CO2 CO 2 3.53.5 1.61.6 실시예12Example 12 99 1One H2 H 2 83.983.9 87.487.4 2.822.82 71.571.5 26.626.6 79.679.6 39.039.0 63.563.5 63.563.5 10.310.3 N2 N 2 2.52.5 3.23.2 COCO 5.85.8 1.61.6 CH4 CH 4 3.73.7 4.64.6 CO2 CO 2 4.14.1 3.33.3 실시예11Example 11 88 22 H2 H 2 75.575.5 78.078.0 1.641.64 67.267.2 12.312.3 72.372.3 17.917.9 54.854.8 63.563.5 15.015.0 N2 N 2 4.64.6 6.66.6 COCO 11.211.2 4.54.5 CH4 CH 4 3.33.3 4.64.6 CO2 CO 2 5.45.4 6.46.4 실시예9Example 9 77 33 H2 H 2 66.266.2 65.265.2 1.021.02 57.157.1 5.15.1 61.361.3 7.97.9 46.246.2 46.246.2 18.318.3 N2 N 2 6.96.9 10.510.5 COCO 17.217.2 10.210.2 CH4 CH 4 2.92.9 4.34.3 CO2 CO 2 6.86.8 9.79.7 실시예8Example 8 66 44 H2 H 2 58.658.6 53.853.8 0.730.73 46.446.4 2.62.6 50.650.6 6.16.1 38.838.8 38.838.8 19.119.1 N2 N 2 8.78.7 13.613.6 COCO 22.022.0 16.916.9 CH4 CH 4 2.52.5 3.83.8 CO2 CO 2 8.18.1 11.911.9 실시예10Example 10 55 55 H2 H 2 49.749.7 42.142.1 0.510.51 34.134.1 1.31.3 35.435.4 -0.7-0.7 25.725.7 25.625.6 16.016.0 N2 N 2 11.211.2 16.016.0 COCO 27.727.7 25.525.5 CH4 CH 4 2.12.1 3.03.0 CO2 CO 2 9.39.3 13.313.3 실시예13Example 13 44 66 H2 H 2 40.840.8 31.831.8 0.350.35 23.223.2 0.70.7 24.524.5 -0.6-0.6 17.817.8 17.717.7 13.313.3 N2 N 2 13.513.5 18.018.0 COCO 33.333.3 33.533.5 CH4 CH 4 1.71.7 2.32.3 CO2 CO 2 10.710.7 14.414.4 실시예14Example 14 33 77 H2 H 2 31.731.7 23.323.3 0.230.23 14.614.6 0.20.2 16.216.2 -0.3-0.3 11.811.8 11.711.7 10.410.4 N2 N 2 15.815.8 19.519.5 COCO 39.139.1 40.640.6 CH4 CH 4 1.31.3 1.61.6 CO2 CO 2 12.112.1 15.015.0 비교예9Comparative Example 9 22 88 H2 H 2 22.222.2 15.915.9 0.140.14 7.87.8 0.50.5 8.78.7 -0.7-0.7 6.26.2 6.16.1 6.36.3 N2 N 2 18.218.2 20.720.7 COCO 45.145.1 46.846.8 CH4 CH 4 0.90.9 1.01.0 CO2 CO 2 13.613.6 15.615.6 비교예11Comparative Example 11 1One 99 H2 H 2 12.112.1 11.211.2 0.070.07 2.92.9 0.10.1 1.01.0 0.10.1 0.70.7 0.50.5 0.80.8 N2 N 2 20.820.8 21.121.1 COCO 51.551.5 51.851.8 CH4 CH 4 0.40.4 0.40.4 CO2 CO 2 15.215.2 15.515.5 비교예12Comparative Example 12 00 1010 H2 H 2 1.41.4 1.41.4 0.010.01 0.10.1 -0.2-0.2 0.10.1 -0.2-0.2 00 00 0.10.1 N2 N 2 23.423.4 23.423.4 COCO 58.358.3 58.258.2 CH4 CH 4 00 00 CO2 CO 2 16.916.9 16.916.9 * R : H2/((2CO+3CO2)* R: H 2 /((2CO+3CO 2 )

표 6 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 참조예 1에서 분리된-COG + LDG 혼합가스의 메탄올 합성반응은 실시예 8 ~ 14 및 비교예 9 ~ 12를 비교한 결과, 분리된-COG + LDG 혼합가스의 혼합비(몰비)가 9:1 내지 3:7 사이의 범위 일 때 메탄올 생산량이 촉매 0.6g을 기준으로 10 g/day 이상으로 높기 때문에 바람직하고, 8:2 내지 5:5 범위를 유지할 수 있도록 하여 메탄올 생산량이 15 g/day 이상으로 최상의 메탄올 합성 효율을 확보하는 것이 더욱 바람직하다. 분리된-COG : LDG 비율이 9:1 내지 7:3 사이의 범위에서는 CO 전환율이 30% 이상, 메탄올 수율 및 생산량이 20% 및 15 g/day 이상이므로 가장 바람직하고, 분리된-COG : LDG 비율이 2:8 내지 0:10 사이의 범위에서는 전환율이 10% 미만, 메탄올 수율 및 생산량이 10% 및 10g/day 미만이므로 바람직하지 않다. As shown in Table 6 and Figure 4, the methanol synthesis reaction of the -COG + LDG mixed gas separated in Reference Example 1 was compared to Examples 8 to 14 and Comparative Examples 9 to 12, the separated -COG + LDG mixture When the gas mixture ratio (molar ratio) is in the range of 9:1 to 3:7, it is preferable because the methanol production amount is as high as 10 g/day or more based on 0.6 g of the catalyst, and it is possible to maintain the range of 8:2 to 5:5. It is more preferable to ensure the best methanol synthesis efficiency with a methanol production amount of 15 g/day or more. Separated-COG: LDG ratio in the range of 9:1 to 7:3, CO conversion is 30% or more, methanol yield and production is 20% and 15 g/day or more, so it is most preferable, and separated-COG: LDG In the range of 2:8 to 0:10, the conversion rate is less than 10%, the methanol yield and production amount is less than 10% and 10 g/day, which is not preferable.

실시예Example 15: 메탄올 생산용 15: for methanol production 파일롯Pilot 플랜트 운전 Plant operation

분리된-COG와 LDG 혼합가스를 원료로 메탄올 생산용 파일롯 플랜트에서 140 h 운전시간동안 운전을 수행하고, 그 결과를 하기 표 8에 나타내었다. 파일롯 플랜트 운전 시에는 COG 분리공정을 생략하였으며, 상기 사전 테스트 결과에 따른 모델가스를 사용하였다. 모델가스의 조성은 하기 표 7(파일롯 플랜트 운전시 사용된 모델가스 조성 및 혼합비율)과 같다.The separated-COG and LDG mixed gas was used as a raw material and the operation was performed for 140 h operation time in a pilot plant for methanol production, and the results are shown in Table 8 below. During the pilot plant operation, the COG separation process was omitted, and the model gas according to the pre-test result was used. The composition of the model gas is shown in Table 7 below (the composition and mixing ratio of the model gas used during the pilot plant operation).

H2 H 2 N2 N 2 COCO CH4 CH 4 CO2 CO 2 분리된-COG(1) Separated-COG (1) 89.089.0 1.11.1 1.71.7 4.54.5 3.73.7 LDG(2) LDG (2) 1.21.2 24.924.9 57.257.2 00 16.716.7 모델가스[(1)/(2) = 2.2] Model gas [(1)/(2) = 2.2] 61.861.8 8.58.5 18.918.9 3.13.1 7.77.7

충전층 반응기를 사용하여 메탄올 합성반응을 수행하였으며 촉매는 CuZnAl계의 펠릿형 촉매를 770 g 장입 하였으며, 반응온도는 약 250 ℃, 압력은 약 50 bar를 유지하였다. 공간속도는 one-pass 운전 시에는 1,558 ~ 2,338 ml/gcat·h, recycle 운전 시에는 3,116 ~ 4,052 ml/gcat·h로 변화시켰다. Methanol synthesis reaction was performed using a packed bed reactor, and 770 g of a CuZnAl-based pellet-type catalyst was charged as the catalyst, and the reaction temperature was maintained at about 250°C and the pressure was maintained at about 50 bar. The space velocity was changed to 1,558 ~ 2,338 ml/g cat ·h during one-pass operation and 3,116 ~ 4,052 ml/g cat ·h during recycle operation.

표 8에는 one-pass 운전 및 Recycle 비율 0.85~0.90의 조건에서 메탄올 생산용 파일롯 플랜트 운전 결과를 나타내었다.Table 8 shows the results of the pilot plant operation for methanol production under the conditions of one-pass operation and a recycle ratio of 0.85 to 0.90.

TOS
(h)
TOS
(h)
구분division 가스 조성 (%)Gas composition (%) 전환율 (%)Conversion rate (%) 공간속도
(ml/gcat·h)
Space speed
(ml/g cat h)
메탄올
생산량
(kg/day)
Methanol
output
(kg/day)
H2 H 2 N2 N 2 COCO CH4 CH 4 CO2 CO 2 COCO CO2 CO 2 0-50-5 One-pass
운전
One-pass
driving
Feed Feed 56.756.7 9.89.8 21.221.2 3.33.3 9.19.1 67.967.9 30.030.0 1,5581,558 7.27.2
반응후 After reaction 56.356.3 16.816.8 10.410.4 4.84.8 11.811.8 104-
120
104-
120
Recycle
운전
Recycle
driving
Feed Feed 49.849.8 20.020.0 11.311.3 6.66.6 12.312.3 51.151.1 7.07.0 5,7015,701 9.69.6
반응후 After reaction 47.547.5 24.424.4 6.76.7 7.47.4 14.014.0

One-pass 운전 시, 메탄올 합성 반응 후에 가스조성은 Feed 가스 대비 CO가 크게 감소하였으며, H2, CO, CO2가 전환되면서 상대적으로 비활성 가스인 N2의 조성비가 크게 증가하였다. one-pass 운전에서 CO와 CO2 은 각각 67.9%와 30.0% 로 높게 나타났다. Recycle 운전 시, Feed 조성은 비활성 가스의 축적으로 인하여, one-pass 운전에 비하여 N2 및 CH4 조성비가 크게 증가하였으며, 반응가스의 부분압 감소로 인하여 CO, CO2 및 H2 전환이 각각 51.1%, 7.0% 및 21.5%로 감소하였다. Feed 량 증가로 인하여 메탄올 생산량은 one-pass 운전시 7.2 kg/day에서, recycle 운전시 9.6 kg/day로 증가하였다.During the one-pass operation, after the methanol synthesis reaction, the gas composition decreased significantly compared to the feed gas, and the composition ratio of the relatively inert gas, N 2 , increased significantly as H 2 , CO, and CO 2 were converted. In one-pass operation, CO and CO 2 were high at 67.9% and 30.0%, respectively. When Recycle operation, Feed compositions are due to the accumulation of inert gases, was the N 2 and CH 4 ratio increased significantly compared to the one-pass operation, due to partial pressure decrease of the reaction gases CO, CO 2 and H 2 conversion is respectively 51.1% , Decreased to 7.0% and 21.5%. Due to the increase in feed amount, methanol production increased from 7.2 kg/day in one-pass operation to 9.6 kg/day in recycle operation.

상기의 공정으로부터 생산된 메탄올의 순도를 비중을 측정하여 계산하였으며, 표 9에 파일롯 플랜트에서 얻어진 메탄올의 순도를 나타내었다. One-pass 운전 시에 95.5%, Recycle 운전 시에는 평균 약 92.0%로 모두 고순도의 메탄올로 나타났다. The purity of methanol produced from the above process was calculated by measuring the specific gravity, and Table 9 shows the purity of methanol obtained from the pilot plant. It was 95.5% in one-pass operation and about 92.0% in recycle operation, all of high purity methanol.

구분division One-passOne-pass RecycleRecycle TOS (h)TOS (h) 4.7 4.7 54.554.5 97.897.8 135.3135.3 액체비중계Liquid specific gravity 0.8160.816 0.8320.832 0.8230.823 0.8290.829 기준 비중Reference weight 0.8030.803 0.8050.805 0.8050.805 0.8060.806 온도 (F)Temperature (F) 4545 4141 4242 4040 메탄올 순도 (%)Methanol purity (%) 95.595.5 90.690.6 93.693.6 91.991.9

비교예Comparative example 13: COG + 13: COG + LDGLDG 혼합가스를 이용한 메탄올 합성공정의 모사 Simulation of methanol synthesis process using mixed gas

메탄올 합성 반응 후 가스의 recycle 비율에 따른 경제성 및 공정효율을 알아보기 위하여, COG + LDG 혼합가스를 이용하는 메탄올 합성 공정의 공정모사를 수행하였다. 상기 공정의 모사는 ASPEN PLUS 프로그램을 이용하여 메탄올 생산량 1,000 ktonne/yr 규모를 기준으로 하였으며, 하기 도 5에 상기 공정에 대한 PFD (Process Flow Diagram)를 나타내었다. 상기 공정은 가스 혼합기, 압축기, 예열기, 메탄올 합성 반응기, DME (Dimethyl Ether) 합성 반응기, 열교환기, 기액분리기 및 스플릿터로 구성된다. DME 합성 반응기는 메탄올 합성반응에서 발생하는 부반응인 DME 합성 반응에 대한 계산을 위하여 포함되었다. In order to find out the economy and process efficiency according to the recycle ratio of gas after the methanol synthesis reaction, a process simulation of the methanol synthesis process using a COG + LDG gas mixture was performed. The simulation of the process was based on the scale of methanol production of 1,000 ktonne/yr using the ASPEN PLUS program, and the PFD (Process Flow Diagram) for the process is shown in FIG. 5 below. The process consists of a gas mixer, a compressor, a preheater, a methanol synthesis reactor, a DME (dimethyl ether) synthesis reactor, a heat exchanger, a gas-liquid separator, and a splitter. The DME synthesis reactor was included for calculation of the DME synthesis reaction, a side reaction occurring in the methanol synthesis reaction.

표 10에는 COG + LDG 혼합가스를 이용한 메탄올 합성공정의 모사 결과를, 표 11에는 COG + LDG 혼합가스를 이용한 메탄올 합성공정의 recycle 비율에 따른 배출 가스 조성을 나타내었다. Recycle 비율이 감소할수록 반응물인 H2, CO 및 CO2 양이 감소하기 때문에, 생산량을 유지하기 위해서는 COG 및 LDG 유량이 증가하게 된다. 배출 가스는 하기 표 11에 나타낸 바와 같이, H2, CH4, CO2 및 N2로 주로 구성되는데, Recycle 비율이 감소하면, 배출가스 유량이 증가하면서, H2 활용률이 감소하게 된다. Recycle 유량이 상한을 초과하면 메탄올 반응기 주입가스의 유량이 증가하기 때문에 반응기 사이즈가 증가해야 하며, 이는 초기 투자비용이 증가함을 의미한다.Table 10 shows the simulation results of the methanol synthesis process using COG + LDG mixed gas, and Table 11 shows the exhaust gas composition according to the recycle ratio of the methanol synthesis process using the COG + LDG mixed gas. As the amount of reactants H 2 , CO and CO 2 decreases as the recycle rate decreases, the COG and LDG flow rates increase in order to maintain production. The exhaust gas is mainly composed of H 2 , CH 4 , CO 2 and N 2 , as shown in Table 11 below, and when the recycle rate decreases, the exhaust gas flow rate increases, and the H 2 utilization rate decreases. If the recycle flow rate exceeds the upper limit, the reactor size must be increased because the flow rate of the methanol reactor injection gas increases, which means that the initial investment cost increases.

COG + LDG 혼합가스를 이용한 메탄올 합성공정의 배출가스는 주로 H2 및 N2로 이루어져 있으며, recycle 비율이 감소함에 따라 배출가스 내 CH4 비율은 감소하였으며, 반대로 H2 비율은 증가하였다. 상기 공정의 배출가스는 발전소의 열원으로 사용할 수 있는데, recycle 비율이 감소함에 따라, 발열량이 가장 높은 CH4 조성비가 크게 감소하고, 비교적 발열량이 낮은 H2 조성비가 크게 증가함에 따라, 배출 가스의 발열량이 감소하였다. The exhaust gas of the methanol synthesis process using the COG + LDG gas mixture mainly consists of H 2 and N 2 , and as the recycle rate decreases, the CH 4 ratio in the exhaust gas decreases, and the H 2 ratio increases. The exhaust gas of the above process can be used as a heat source of a power plant, and as the recycle rate decreases, the CH 4 composition ratio with the highest calorific value decreases greatly, and as the H 2 composition ratio with relatively low calorific value increases, the calorific value of the exhaust gas Decreased.

Recycle
비율
Recycle
ratio
MeOH 생산량
(ktonne/yr)
MeOH production
(ktonne/yr)
COG 유량
(kmol/h)
COG flow
(kmol/h)
LDG 유량
(kmol/h)
LDG flow
(kmol/h)
Vent 유량 (kmol/h)Vent flow (kmol/h) 메탄올 반응기
주입 가스 유량 (kmol/h)
Methanol reactor
Injection gas flow rate (kmol/h)
0.950.95 1,0001,000 10,33010,330 4,9874,987 3,6713,671 85,07085,070 0.90.9 1,0001,000 10,99310,993 5,3565,356 4,8034,803 59,57859,578 0.80.8 1,0001,000 12,06712,067 5,8795,879 6,5236,523 44,03944,039 0.70.7 1,0001,000 13,01913,019 6,2586,258 7,9257,925 37,76937,769 0.60.6 1,0001,000 13,81613,816 6,6136,613 9,1259,125 34,11734,117 0.50.5 1,0001,000 14,60714,607 6,9226,922 10,25810,258 31,78731,787

Vent 가스 내 몰분율 (%)Vent gas mole fraction (%) Recycle 비율Recycle rate 0.950.95 0.90.9 0.80.8 0.70.7 0.60.6 0.50.5 CH4 CH 4 12.2312.23 10.0010.00 8.128.12 7.247.24 6.686.68 6.306.30 H2OH 2 O 0.010.01 0.010.01 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 COCO 3.863.86 4.444.44 5.475.47 6.286.28 7.147.14 7.837.83 H2 H 2 37.7437.74 44.2644.26 49.8849.88 52.8852.88 54.3654.36 55.5855.58 CO2 CO 2 9.649.64 11.2511.25 12.1612.16 12.1812.18 12.1212.12 11.9211.92 MeOHMeOH 0.170.17 0.160.16 0.160.16 0.160.16 0.160.16 0.160.16 C2H6 C 2 H 6 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 C3H8 C 3 H 8 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 C4H10 C 4 H 10 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 N2 N 2 36.3436.34 29.8729.87 24.1924.19 21.2521.25 19.5319.53 18.2118.21 O2 O 2 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 DMEDME 0.010.01 0.010.01 0.010.01 0.010.01 0.010.01 0.010.01 EtOHEtOH 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 저위발열량(Kcal/Nm)Low heat generation (Kcal/Nm) 3,9823,982 3,6433,643 3,3943,394 3,2843,284 3,2223,222 3,1803,180

실시예Example 16: 분리된-COG + 16: separated-COG + LDGLDG 혼합가스를 이용한 메탄올 합성공정의 모사 Simulation of methanol synthesis process using mixed gas

메탄올 합성 반응 후 가스의 recycle 비율에 따른 경제성 및 공정효율을 알아보기 위하여, 분리된-COG + LDG 혼합가스를 이용하는 메탄올 합성 공정의 공정모사를 수행하였다. 상기 공정의 모사는 ASPEN PLUS 프로그램을 이용하여 메탄올 생산량 1,000 ktonne/yr 규모를 기준으로 하였으며, 도 6에 상기 공정에 대한 PFD (Process Flow Diagram)를 나타내었다. In order to find out the economy and process efficiency according to the recycle ratio of the gas after the methanol synthesis reaction, a process simulation of the methanol synthesis process using the separated -COG + LDG gas mixture was performed. The simulation of the process was based on the scale of methanol production of 1,000 ktonne/yr using the ASPEN PLUS program, and FIG. 6 shows a PFD (Process Flow Diagram) for the process.

상기 공정은 COG + LDG 혼합가스를 이용하는 메탄올 합성 공정에서 COG와 LDG 혼합과정 이전에 분리막을 이용한 COG 분리공정을 추가적으로 포함한다. The process additionally includes a COG separation process using a separation membrane before the process of mixing COG and LDG in the methanol synthesis process using a COG + LDG gas mixture.

표 12에는 분리된-COG + LDG 혼합가스를 이용한 메탄올 합성공정의 모사 결과를, 표 13에는 분리된-COG + LDG 혼합가스를 이용한 메탄올 합성공정의 recycle 비율에 따른 배출 가스 조성을 나타내었다. Recycle 비율이 감소할수록 반응물인 H2, CO 및 CO2 양이 감소하기 때문에, 생산량을 유지하기 위해서는 원료 가스인 COG 및 LDG 유량이 증가하게 된다. 배출가스는 하기 표 13에 나타낸 바와 같이, H2, CH4, CO2 및 N2로 주로 구성되는데, Recycle 비율이 감소하면, 미반응되는 배출가스의 유량이 증가하면서 공정효율이 감소된다. LDG와 COG를 그대로 이용한 비교예 13에 비해 동일한 Recycle 비율에서 주입가스의 유량이 작기 때문에 초기 투자비용을 절감할 수 있고, 원료로 사용되는 가스의 조성이 증가하기 때문에 원료로 필요한 LDG와 분리 COG의 유량도 작아져 공정비용이 감소하는 효과를 갖는다. 또한 동일한 Recycle 비율에서 배출되는 가스의 유량도 작아지기 때문에 비교예 13보다 공정효율이 증가될 수 있다. Table 12 shows the simulation results of the methanol synthesis process using the separated -COG + LDG mixed gas, and Table 13 shows the exhaust gas composition according to the recycle ratio of the methanol synthesis process using the separated -COG + LDG mixed gas. As the recycle rate decreases, the amount of reactants H 2 , CO and CO 2 decreases, so the COG and LDG flow rates increase in order to maintain production. The exhaust gas is mainly composed of H 2 , CH 4 , CO 2 and N 2 , as shown in Table 13 below, and when the recycle ratio decreases, the flow rate of unreacted exhaust gas increases and the process efficiency decreases. Compared to Comparative Example 13 using LDG and COG as it is, since the flow rate of the injected gas is small at the same recycling rate, the initial investment cost can be reduced, and the composition of the gas used as a raw material increases. The flow rate is also small, which has the effect of reducing process cost. In addition, since the flow rate of the gas discharged at the same recycling rate is reduced, the process efficiency may be increased compared to Comparative Example 13.

따라서, 실시예 16에 따른 분리된-COG + LDG 혼합가스를 이용하는 메탄올 합성 공정은 제철 부생가스의 전환효율이 높고, 간단한 분리공정과 메탄올 전환공정으로만 이루어진 간단한 공정이다. Therefore, the methanol synthesis process using the separated -COG + LDG gas mixture according to Example 16 has high conversion efficiency of steelmaking by-product gas, and is a simple process consisting only of a simple separation process and a methanol conversion process.

분리된-COG + LDG 혼합가스를 이용한 메탄올 합성공정의 배출가스는 주로 H2 및 N2로 이루어져 있으며, recycle 비율이 감소함에 따라 배출가스 내 CH4 비율은 감소하였으며, 반대로 H2 비율은 증가하였다. 상기 공정의 배출가스는 공정의 열원이나 발전소의 연료로 재사용할 수 있다. recycle 비율이 감소함에 따라, 발열량이 가장 높은 CH4 조성비가 감소하고, 비교적 발열량이 낮은 H2 조성비가 크게 증가함에 따라, 배출 가스의 발열량은 감소한다.The exhaust gas of the methanol synthesis process using the separated-COG + LDG mixture mainly consists of H 2 and N 2 , and as the recycle rate decreases, the CH 4 ratio in the exhaust gas decreases, and on the contrary, the H 2 ratio increases. . The exhaust gas of the process can be reused as a heat source of the process or fuel of a power plant. As the recycle ratio decreases, the CH 4 composition ratio with the highest calorific value decreases, and as the H 2 composition ratio with relatively low calorific value increases, the calorific value of the exhaust gas decreases.

Recycle
비율
Recycle
ratio
MeOH 생산량
(ktonne/yr)
MeOH production
(ktonne/yr)
원료로 주입된 COG 유량
(kmol/h)
COG flow rate injected as raw material
(kmol/h)
LDG 유량
(kmol/h)
LDG flow
(kmol/h)
Vent 유량 (kmol/h)Vent flow (kmol/h) 메탄올 반응기
주입 가스 유량 (kmol/h)
Methanol reactor
Injection gas flow rate (kmol/h)
0.950.95 1,0001,000 9,5059,505 5,1995,199 3,0443,044 72,53972,539 0.90.9 1,0001,000 10,11010,110 5,5635,563 4,1054,105 52,62252,622 0.80.8 1,0001,000 11,07411,074 6,1016,101 5,7295,729 40,09140,091 0.70.7 1,0001,000 11,91411,914 6,5026,502 7,0427,042 34,84834,848 0.60.6 1,0001,000 12,68612,686 6,8436,843 8,2048,204 31,83531,835 0.50.5 1,0001,000 13,40513,405 7,1607,160 9,2749,274 29,83929,839

Vent 가스 내 몰분율 (%)Vent gas mole fraction (%) Recycle 비율Recycle rate 0.950.95 0.90.9 0.80.8 0.70.7 0.60.6 0.50.5 CH4 CH 4 1.621.62 1.281.28 1.011.01 0.890.89 0.820.82 0.760.76 H2OH 2 O 0.010.01 0.010.01 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 COCO 3.923.92 4.474.47 5.545.54 6.436.43 7.207.20 7.917.91 H2 H 2 41.3941.39 48.2748.27 53.6953.69 56.3956.39 58.0858.08 59.2059.20 CO2 CO 2 10.8110.81 12.3312.33 13.2113.21 13.2113.21 13.0113.01 12.7712.77 MeOHMeOH 0.160.16 0.150.15 0.150.15 0.150.15 0.150.15 0.150.15 C2H6 C 2 H 6 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 C3H8 C 3 H 8 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 C4H10 C 4 H 10 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 N2 N 2 42.0842.08 33.4833.48 26.3926.39 22.9122.91 20.7320.73 19.2019.20 O2 O 2 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 DMEDME 0.010.01 0.010.01 0.010.01 0.010.01 0.010.01 0.010.01 EtOHEtOH 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 0.000.00 저위발열량
(Kcal/Nm)
Low caloric value
(Kcal/Nm)
2,4762,476 2,5512,551 2,5942,594 2,6092,609 2,6302,630 2,6372,637

본 발명은 상기한 실시예와 첨부한 도면을 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 개념 및 범위 내에서 상이한 실시예를 구성할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위 및 이와 균등한 것들에 의해 정해지며, 본 명세서에 기재된 특정 실시예에 의해 한정되지는 않는다.Although the present invention has been described with reference to the above-described embodiments and the accompanying drawings, different embodiments may be constructed within the concept and scope of the present invention. Accordingly, the scope of the present invention is defined by the appended claims and their equivalents, and is not limited by the specific embodiments described herein.

Claims (17)

(1) 가스분리 공정을 통해 코크스로 가스(Coke Oven Gas, COG)로부터 수소의 함량이 70% 이상인 혼합가스를 생산하는 COG 분리단계;
(2) 메탄올 생산에 적합한 혼합가스 조성을 얻기 위해, 혼합비율을 조절하면서, 상기 수소가 주성분인 분리된-COG 가스와 전로가스 (Lintz-Donawiaz convert Gas, LDG)를 혼합하여 메탄올 합성용 혼합가스를 제조하는 단계; 및
(3) 상기 메탄올 합성용 혼합가스를 이용하여 메탄올을 합성하는 단계;
를 포함하는 것이 특징인 제철 부생가스로부터 메탄올 합성 방법.
(1) COG separation step of producing a mixed gas having a hydrogen content of 70% or more from coke oven gas (COG) through a gas separation process;
(2) In order to obtain a mixed gas composition suitable for methanol production, a mixed gas for methanol synthesis was prepared by mixing the separated-COG gas containing hydrogen as the main component and a converter gas (Lintz-Donawiaz convert Gas, LDG) while controlling the mixing ratio. Manufacturing steps; And
(3) synthesizing methanol using the mixed gas for methanol synthesis;
A method for synthesizing methanol from steel by-product gas, characterized in that it comprises a.
제1항에 있어서, (1) 단계에서 분리공정은 수소분리 공정을 이용하는 것이 특징인 제철 부생가스로부터 메탄올 합성 방법.The method of claim 1, wherein the separation process in step (1) uses a hydrogen separation process. 제1항에 있어서, (2) 단계에서 메탄올 생산에 적합하도록 분리된-COG 가스 : LDG 가스 (혼합몰비) = 9:1 내지 3:7 인 것이 특징인 제철 부생가스로부터 메탄올 합성 방법.The method of claim 1, wherein the separated-COG gas: LDG gas (mixed molar ratio) = 9:1 to 3:7 to be suitable for methanol production in step (2). 제1항에 있어서, (2) 단계에서 메탄올 생산에 적합하도록 분리된-COG 가스 : LDG 가스 (혼합몰비) = 8:2 내지 5:5 인 것이 특징인 제철 부생가스로부터 메탄올 합성 방법.The method of claim 1, wherein the separated-COG gas: LDG gas (mixed molar ratio) = 8:2 to 5:5 to be suitable for methanol production in step (2). 제1항에 있어서, (3) 단계에서 미반응 가스와 메탄올을 기액분리하는 것이 특징인 제철 부생가스로부터 메탄올 합성 방법.The method of claim 1, wherein in step (3), the unreacted gas and methanol are separated by gas-liquid separation. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, (4) 이전 단계에서 합성된 메탄올과 미반응 가스를 분리하고, 미반응 가스 일부 또는 전부를 (3) 단계에 재순환(recycle)하는 단계를 더 포함하는 것이 특징인 제철 부생가스로부터 메탄올 합성 방법.The method according to any one of claims 1 to 5, wherein (4) separating methanol synthesized in the previous step and unreacted gas, and recycling some or all of the unreacted gas to step (3). Method for synthesizing methanol from steel by-product gas characterized in that it further comprises. 제6항에 있어서, (4) 단계는 재순환 비율이 0.8 ~ 0.95의 범위인 것이 특징인 제철 부생가스로부터 메탄올 합성 방법.The method of claim 6, wherein in step (4), the recycle ratio is in the range of 0.8 to 0.95. 제6항에 있어서, (3) 단계는 기액분리 후 액상 생성물 내 메탄올의 평균 순도가 90% 이상인 고순도의 메탄올을 생산하는 것이 특징인 제철 부생가스로부터 메탄올 합성 방법.[7] The method of claim 6, wherein step (3) is characterized by producing high-purity methanol having an average purity of methanol of 90% or more in the liquid product after gas-liquid separation. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, (5) COG 분리단계에서 분리제거되는 CH4 풍부 잔류가스는 공정용 열원이나 발전용 연소가스로 사용하는 단계를 더 포함하는 것이 특징인 제철 부생가스로부터 메탄올 합성 방법.According to any one of claims 1 to 5, (5) The CH 4 rich residual gas separated and removed in the COG separation step further comprises the step of using as a heat source for a process or a combustion gas for power generation. Method for synthesizing methanol from by-product gas. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, (3) 메탄올 합성 단계는 200 내지 300℃의 온도 및 30 내지 100bar의 압력 하에서 수행되는 것이 특징인 제철 부생가스로부터 메탄올 합성 방법.The method according to any one of claims 1 to 5, wherein (3) the methanol synthesis step is performed under a temperature of 200 to 300°C and a pressure of 30 to 100 bar. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 메탄올 합성 방법을 수행하는 제철 부생가스로부터 메탄올 합성 시스템으로서,
코크스로 가스(COG)로부터 수소의 함량을 70% 이상으로 높이는 COG 분리기;
전로가스(LDG)를 상기 COG 분리기에서 분리된 수소 풍부 COG와 혼합시키되, 메탄올 생산에 적합한 혼합가스 조성을 얻기 위해 혼합비율을 조절할 수 있는 가스 혼합기;
가스 혼합기에서 조제된 혼합가스가 반응물로 공급되는 메탄올 합성 촉매를 수용하는 메탄올 합성 반응기; 및
선택적으로 메탄올 합성 반응기의 미반응 가스와 메탄올을 기액분리하는 기액분리기;
를 포함하는 것이 특징인 제철 부생가스로부터 메탄올 합성 시스템.
As a methanol synthesis system from iron-making by-product gas for performing the methanol synthesis method according to any one of claims 1 to 5,
COG separator to increase the content of hydrogen from coke oven gas (COG) to 70% or more;
A gas mixer capable of mixing a converter gas (LDG) with the hydrogen-rich COG separated in the COG separator, and adjusting a mixing ratio to obtain a mixed gas composition suitable for methanol production;
A methanol synthesis reactor accommodating a methanol synthesis catalyst in which the mixed gas prepared in the gas mixer is supplied as a reactant; And
A gas-liquid separator for gas-liquid separation of methanol from unreacted gas in the methanol synthesis reactor;
Methanol synthesis system from steel by-product gas characterized in that it comprises a.
제11항에 있어서, 기액분리기에서 분리된 미반응 가스 일부 또는 전부를 메탄올 합성 반응기로 재순환시키는 배관을 구비한 것이 특징인 제철 부생가스로부터 메탄올 합성 시스템.The system of claim 11, further comprising a pipe for recirculating some or all of the unreacted gas separated in the gas-liquid separator to the methanol synthesis reactor. 제11항에 있어서, COG 분리기는 중공사막 모듈을 구비한 것이 특징인 제철 부생가스로부터 메탄올 합성 시스템.The system of claim 11, wherein the COG separator is provided with a hollow fiber membrane module. 제11항에 있어서, 메탄올 생산에 적합한 혼합가스 조성을 얻기 위해, 가스혼합기는 분리된-COG + LDG 합성가스의 혼합비율(몰비)을 9:1 내지 3:7 사이의 범위에서 조절할 수 있는 것이 특징인 제철 부생가스로부터 메탄올 합성 시스템.The method of claim 11, wherein in order to obtain a mixed gas composition suitable for methanol production, the gas mixer is characterized in that the mixing ratio (molar ratio) of the separated -COG + LDG synthesis gas can be adjusted in the range of 9:1 to 3:7. Methanol synthesis system from phosphorus steel by-product gas. 제11항에 있어서, 메탄올 생산에 적합한 혼합가스 조성을 얻기 위해, 가스혼합기는 분리된-COG + LDG 합성가스의 혼합비율(몰비)을 8:2 내지 5:5 사이의 범위에서 조절할 수 있는 것이 특징인 제철 부생가스로부터 메탄올 합성 시스템.The method of claim 11, wherein in order to obtain a mixed gas composition suitable for methanol production, the gas mixer is characterized in that the mixing ratio (molar ratio) of the separated -COG + LDG synthesis gas can be adjusted in the range of 8:2 to 5:5. Methanol synthesis system from phosphorus steel by-product gas. 제11항에 있어서, 가스 압축기가 가스 혼합기와 메탄올 합성 반응기 사이에 구비되어, 메탄올 합성 반응기에 혼합가스를 압축하여 공급가스로 제공하는 것이 특징인 제철 부생가스로부터 메탄올 합성 시스템.The system according to claim 11, wherein a gas compressor is provided between the gas mixer and the methanol synthesis reactor to compress the mixed gas in the methanol synthesis reactor and provide it as a feed gas. 제11항에 있어서, COG 분리기를 통해 분리·제거되는 CH4 풍부 잔류가스는 배관을 통해 발전용 연소가스로 공급되는 것이 특징인 제철 부생가스로부터 메탄올 합성 시스템.
The system for synthesizing methanol from steelmaking by-product gas according to claim 11, wherein the CH 4 rich residual gas separated and removed through a COG separator is supplied as a combustion gas for power generation through a pipe.
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