KR20210009684A - 수소 가스 제조 설비 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소 가스 제조 설비 및 그 방법에 관한 것으로, 용기에 슬래그를 마련하는 과정; 상기 슬래그에 물을 분사하여 배가스를 생성하는 과정; 상기 배가스를 포집하는 과정; 상기 배가스 중 수증기와 일산화탄소를 반응시켜 수소 가스를 생성하는 과정; 및 상기 수소 가스를 회수하는 과정;을 포함하고, 슬래그를 냉각시키는 과정에서 발생하는 배가스를 포집하여, 에너지원으로 활용 가능한 수소 가스를 제조할 수 있다.

Description

수소 가스 제조 설비 및 그 방법{Hydrogen gas manufacturing apparatus and method thereof}
본 발명은 수소 가스 제조 설비 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제철소에서 발생하는 부산물을 이용하여 수소 가스를 제조할 수 있는 수소 가스 제조 설비 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 고로에서 생산된 용선에는 탄소의 함유량이 많고 인(P), 황(S), 규소(Si)와 같은 불순물이 포함되어 있어 탄소의 양을 줄이고 불순물을 제거하는 정련공정이 요구된다. 이때, 정련공정을 수행하기 앞서 용선 중 황 등과 같은 불순물을 제거하기 위한 용선예비처리공정이 수행될 수 있다.
용선예비처리공정은 고로에서 출선된 용선을 용선예비처리설비로 이송하여 기계적 교반(Kanvara Reactor, 이하 "KR 공정")을 통해 실시될 수 있다. 이러한 용선예비처리공정, 예컨대 KR 공정은 혼선차에 의해 이송된 용선을 래들에 장입한 후 전배재, 기계적 교반 및 후배재를 거쳐 완료될 수 있다. 그리고 기계적 교반은 임펠러를 이용하여 용선을 교반하면서 용선에 생석회(CaO), 형석 등을 포함하는 탈황제를 투입하는 방법으로 수행될 수 있다. 이에 용선이 교반되면서 탈황제와 반응하여 용선 중 황 성분은 슬래그로 제거될 수 있다.
이렇게 용선예비처리공정에서 발생된 슬래그는 슬래그 포트라는 용기에 적치되어, 슬래그의 냉각을 위해 마련된 장소, 예컨대 냉각장으로 이송된 후 물을 분사하여 냉각처리 될 수 있다. 냉각장으로 이송된 슬래그는 매우 고온이기 때문에, 슬래그에 물을 분사하면 다량의 배가스가 발생하게 된다. 그런데 배가스는 일산화탄소, 황화수소, 이산화탄소 등과 같은 유해 물질이 다량 함유되어 있는데도 불구하고, 대기 중으로 그대로 방출되고 있기 때문에 환경을 오염시키는 원인으로 작용하는 문제가 있다.
KR 2018-0129412 A KR 1249050 B
본 발명은 고온의 부산물을 냉각시키는 과정에서 발생하는 배가스로부터 수소 가스를 제조할 수 있는 수소 가스 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 환경 오염을 저감시킬 수 있는 수소 가스 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 수소 가스 제조 설비는, 상부가 개방되고, 내부에 피처리물을 수용하기 위한 공간을 제공하는 용기; 상기 용기의 상부를 개폐할 수 있는 커버; 상기 피처리물에 냉각매체를 분사하도록 상기 커버에 구비되는 노즐; 상기 피처리물에서 발생하는 배가스를 처리하여 수소 가스를 생성하기 위한 반응 챔버; 및 상기 반응 챔버에서 배출되는 가스로부터 수소 가스를 분리하기 위한 분리기;를 포함할 수 있다.
상기 커버는, 상기 용기의 내부 압력에 따라 개폐 가능한 배기구를 포함할 수 있다.
상기 배가스에 함유된 황화수소를 포집하기 위해 상기 용기와 상기 반응 챔버 사이에 구비되는 포집기를 포함할 수 있다.
상기 반응 챔버는 가열수단을 포함할 수 있다.
상기 배가스 중 일부를 임시로 저장하기 위한 보조 챔버를 포함하고, 상기 보조 챔버는 상기 포집기 및 상기 반응 챔버와 연통되도록 구비될 수 있다.
상기 반응 챔버와 상기 보조 챔버 중 적어도 어느 하나는 배가스의 유입 및 배출을 제어하기 위한 밸브를 포함할 수 있다.
상기 반응 챔버의 내부에는 상기 배가스를 이동시키기 위한 유로가 구비되고, 상기 유로의 길이는 상기 반응 챔버의 길이보다 길게 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 수소 가스 제조 방법은, 용기에 슬래그를 마련하는 과정; 상기 슬래그에 물을 분사하여 배가스를 생성하는 과정; 상기 배가스를 포집하는 과정; 상기 배가스 중 수증기와 일산화탄소를 반응시켜 수소 가스를 생성하는 과정; 및 상기 수소 가스를 회수하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 슬래그를 마련하는 과정은, 온도가 800 내지 1000℃ 인 슬래그를 마련하는 과정을 포함하고, 상기 슬래그는 용선예비처리과정에서 발생하는 슬래그를 포함할 수 있다.
상기 배가스를 생성하는 과정은, 상기 슬래그 1톤당 30 내지 60ℓ의 물을 분사하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 배가스를 포집하는 과정 이후에, 상기 배가스에 함유된 황화수소를 포집하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 수소 가스를 생성하는 과정은, 상기 일산화탄소와 상기 수증기를 600 내지 800℃에서 반응시키는 과정을 포함할 수 있다.
상기 물을 분사하는 과정은 단속적으로 수행하고, 상기 수소 가스를 생성하는 과정은 물을 분사하는 과정 사이에 반복해서 수행할 수 있다.
상기 수소 가스를 회수하는 과정은, 상기 일산화탄소와 상기 수증기를 반응시키는 과정에서 발생된 이산화탄소와 상기 배가스에 함유되는 이산화탄소를 상기 수소 가스와 분리하는 과정을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 의하면, 슬래그를 냉각시키는 과정에서 발생하는 배가스를 포집하여, 에너지원으로 활용 가능한 수소 가스를 제조할 수 있다. 또한, 배가스에 함유되는 다양한 유해 물질에 의해 환경이 오염되는 것을 저감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 수소 가스 제조 설비를 보여주는 도면.
도 2는 본 발명의 변형 예에 따른 수소 가스 제조 설비를 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 다른 변형 예에 따른 수소 가스 제조 설비를 보여주는 도면.
도 4는 용선예비처리공정에서 발생된 슬래그를 냉각시킬 때, 시간에 따른 배가스의 성분 분포를 보여주는 그래프.
도 5는 용선예비처리공정에서 발생된 슬래그의 냉각 시, 배가스의 온도에 따른 배가스의 성분 분포를 시뮬레이션한 결과를 보여주는 그래프.
도 6은 일산화탄소와 수증기의 반응에 따른 기상 분압을 계산 결과를 보여주는 그래프.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 수소 가스 제조 방법을 순차적으로 보여주는 순서도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 조합하여 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 설명 중, 동일 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하도록 하고, 도면은 본 발명의 실시 예를 정확히 설명하기 위하여 크기가 부분적으로 과장될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 수소 가스 제조 설비를 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 수소 가스 제조 설비는, 상부가 개방되고, 내부에 피처리물을 수용하기 위한 공간을 제공하는 용기(100)와, 용기(100)의 상부를 개폐할 수 있는 커버(110)와, 피처리물에 냉각매체를 분사하도록 커버에 구비되는 노즐(120)과, 피처리물에서 발생하는 배가스를 처리하여 수소 가스를 생성하기 위한 반응 챔버(140) 및 반응 챔버(140)에서 배출되는 가스로부터 수소 가스를 분리하기 위한 분리기(150)를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 수소 가스 제조 설비는 배가스에 함유되는 유해물질을 제거 또는 분리하기 위한 포집기(130)와, 분리기(150)에서 분리되는 수소 가스를 저장하기 위한 제1저장기(162)와, 수소 가스 이외의 기타 가스를 저장하기 위한 제2저장기(164)를 포함할 수 있다.
피처리물은 제철소에서 발생하는 다양한 부산물을 포함할 수 있으며, 여기에서는 용선예비처리공정에서 발생하는 적열 상태의 슬래그(S)를 포함할 수 있다. 그리고 용기(100)는 용선에서 배재된 슬래그(S)를 수용하는 슬래그 포트를 포함할 수 있다.
용기(100)는 상부를 통해 피처리물인 슬래그(S)를 장입할 수 있도록 상부가 개방될 수 있다. 용기(100)는 적열 상태의 슬래그(S)를 수용할 수 있도록, 내화물을 포함하여 형성될 수 있다.
커버(110)는 슬래그(S)를 냉각시키는 과정에서 발생하는 배가스가 용기(100)의 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있도록 용기(100) 내부를 폐쇄시킬 수 있다. 커버(110)는 용기(100)의 상부에 설치될 수 있으며, 슬래그(S)를 냉각시키는 경우 용기(100) 상부에 안착되어 용기(100) 내부를 폐쇄할 수 있다. 이때, 슬래그(S)를 냉각시키는 과정에서 발생하는 배가스에 의해 용기(100) 내부 압력이 높아지면, 커버(110)가 용기(100) 상부에서 유동 또는 이동하여 커버(110)와 용기(100) 사이에 틈이 형성될 수 있으므로 별도의 고정부재(미도시)를 이용하여 커버(110)를 용기(100)에 고정시킬 수도 있다.
또한, 커버(110)에는 배기구(113)가 형성되고, 배기구(113)에는 개폐 가능한 도어(115)가 구비될 수 있다. 커버(110)를 용기(100)에 고정시킨 상태에서 슬래그(S)를 냉각시킬 때, 용기(100)의 내부 압력이 지나치게 높아져서 커버(110)가 용기(100)로부터 분리되는 문제가 발생할 수 있다. 이에 커버(110)에 배가스를 배출시키기 위한 배기구(113)를 형성하고, 배기구(113)에 도어(115)를 설치하여 필요에 따라 도어(115)를 이용하여 배기구(113)를 개폐할 수 있다. 이 경우, 용기(100) 내부의 압력을 측정하기 위한 압력계(미도시)를 추가로 설치할 수 있다. 이러한 압력계는 커버(110)에 설치하거나 배가스가 이동하는 배관 등에 설치될 수 있다.
그리고 커버(110)에는 노즐(120)을 삽입하기 위한 제1삽입구(111)와, 슬래그(S)를 냉각시키는 과정에서 발생하는 배가스의 이동 경로로 사용되는 배출관(172)을 삽입하기 위한 제2삽입구(112)가 형성될 수 있다.
노즐(120)은 용기(100) 내부로 냉각매체, 예컨대 물을 분사할 수 있도록 제1삽입구(111)에 삽입될 수 있다. 이때, 노즐(120)은 제1삽입구(111)에 삽입되어 커버(110)에 고정될 수도 있다. 또는, 노즐(120)은 용기(100) 내부에 다양한 방향으로 물을 분사할 수 있도록, 회전 가능하도록 구비될 수도 있고, 상하방향으로 이동 가능하도록 구비될 수도 있다.
한편, 슬래그를 냉각시키는 과정에서 발생하는 배가스는 용기(100)에서 커버(110)에 의해 외부로 유출되지 않고 포집된 후, 포집기(130), 반응 챔버(140), 분리기(150) 및 제1저장기(162) 또는 제2저장기(164)로 이동할 수 있다. 이에 용기(100)와 포집기(130), 포집기(130)와 반응 챔버(140), 반응 챔버(140)와 분리기(150) 및 분리기(150)와 제1저장기(162) 또는 제2저장기(164)는 배관을 통해 상호 연결될 수 있다.
용기(100)와 포집기(130)는 배출관(172)을 통해 상호 연결될 수 있다. 이때, 배출관(172)의 일측은 커버(110)의 제2삽입구(112)에 삽입되고, 타측은 포집기(130)에 연결될 수 있다.
포집기(130)와 반응 챔버(140)는 제1연결배관(174)에 의해 상호 연결될 수 있고, 반응 챔버(140)와 분리기(150)는 제2연결배관(175)에 의해 상호 연결될 수 있다. 또한, 분리기(150)는 제3연결배관(176)에 의해 제1저장기(162)와 연결될 수 있고, 제4연결배관(177)에 의해 제2저장기(164)와 연결될 수 있다.
용기(100)에서 발생된 배가스는 배출관(172)을 통해 포집기(130)로 이동할 수 있다.
포집기(130)는 배가스를 처리할 수 있는 공간을 제공할 수 있다. 이때, 포집기(130)에는 배가스로부터 황화수소를 제거 또는 분리하기 위해, 포집기(130) 내부에 흡수액을 분사할 수 있는 분사기(미도시)가 구비될 수 있다. 이에 포집기(130)로 유입된 배가스는 포집기(130) 내부를 통과하면서 흡수액과 접촉하게 되고, 배가스에 함유되는 황화수소가 흡수액에 포집되어 배가스로부터 제거 또는 분리될 수 있다. 이때, 배가스가 포집기(130) 내부에서 흡수액과 충분하게 접촉한 후 배출될 수 있도록, 배출관(172)의 타단은 포집기(130)의 하부 측면에 연결되고, 제1연결배관(174)의 일측은 포집기(130)의 상부측에 연결하는 것이 좋다. 그리고 황화수소를 포집한 흡수액은 포집기(130)에서 배출되어 정제된 다음, 배가스 중 황화수소를 포집하기 위하여 포집기(130)로 다시 공급될 수 있다.
포집기(130)에서 황화수소가 제거된 배가스, 예컨대 처리 배가스는 포집기(130)에 연결되는 제1연결배관(174)을 통해 반응 챔버(140)로 유입 또는 공급될 수 있다.
반응 챔버(140)는 처리 배가스의 반응 공간을 제공할 수 있다. 이때, 처리 배가스에 함유되는 일산화탄소(CO)와 수증기(H2O)는 반응 챔버(140) 내에서 상호 반응을 함으로써 수소(H2) 가스를 생성할 수 있다. 이와 같이 일산화탄소와 수증기가 반응하기 위해서는 처리 배가스가 소정의 온도, 예컨대 600 내지 800℃ 정도로 가열되어야 한다. 이에 반응 챔버(140)에는 처리 배가스를 가열하기 위한 가열수단(145)이 구비될 수 있다. 또한, 반응 챔버(140)에서 처리 배가스 중 일산화탄소와 수증기를 원활하게 반응시키기 위해서는, 반응 챔버(140) 내에 처리 배가스를 일정 시간 또는 기 설정된 시간, 예컨대 1 내지 10분 정도 정체시키는 것이 좋다. 이에 제1연결배관(174)과 제2연결배관(175) 또는 반응 챔버(140)에서 처리 배가스가 유입되는 유입구(미도시)와 반응이 완료된 처리 가스, 예컨대 수소 가스와 기타 가스가 배출되는 배출구(미도시)에 제1밸브(180)와 제2밸브(182)를 각각 설치하여, 처리 배가스의 유입 및, 수소 가스와 기타 가스의 배출을 제어할 수 있다. 예컨대 제1밸브(180)를 이용하여 유입구 또는 제1연결배관(174)을 개방시키고, 제2밸브(182)를 이용하여 배출구 또는 제2연결배관(175)을 폐쇄하고, 포집기(130)에서 배출된 처리 배가스를 반응 챔버(140)에 유입시킬 수 있다. 그리고 반응 챔버(140)에 처리 배가스가 충진되면, 제1밸브(180)를 이용하여 유입구 또는 제1연결배관(174)을 폐쇄시킬 수 있다. 이후, 일정 시간 또는 기 설정시간이 경과되면, 제2밸브(182)를 개방하여 수소 가스 및 기타 가스를 반응 챔버(140)에서 배출시킬 수 있다. 그리고 다시 제2밸브(182)를 이용하여 배출구 또는 제2연결배관(175)을 폐쇄시키고, 제1밸브(180)를 이용하여 주입구 또는 제1연결배관(174)을 개방하여, 포집기(130)에서 배출된 처리 배가스를 반응 챔버(140)에 유입시킬 수 있다.
반응 챔버(140)에서 처리 배가스의 반응이 완료되면, 반응 챔버(140)에서 반응이 완료된 처리 배가스, 즉 수소 가스와 기타 가스를 배출시켜, 제3연결배관(176)을 통해 분리기(150)에 주입할 수 있다.
분리기(150)는 반응 챔버(140)에서 배출되는 반응이 완료된 처리 배가스를 수소 가스와 기타 가스로 각각 분리할 수 있다. 이때, 기타 가스는 CH4, C2H4, 이산화탄소 등을 포함할 수 있다. 이에 분리기(150)는 반응이 완료된 처리 배가스로부터 수소 가스를 제외한 기타 가스를 선택적으로 분리할 수 있는 다양한 장치가 사용될 수 있다. 예컨대 분리기(150)는 고체흡수제를 사용하여 반응이 완료된 처리 배가스로부터 이산화탄소를 포함한 기타 가스를 선택적으로 흡수하여 분리하는 PSA(Pressure Swing Adsorption) 장치, TSA(Thermal Swing Adsorption) 장치, 특정 성분을 선택적으로 통과시킬 수 있는 멤브레인(membrane) 등과 같은 수소분리막을 포함하는 장치 등을 포함할 수 있다. 물론 이에 한정되지 않고, 분리기(150)는 수소 가스와 기타 가스를 분리할 수 있는 다양한 장치의 적용이 가능하다.
그리고 분리기(150)에서 분리된 수소 가스와 기타 가스는 제3연결배관(176)과 제4연결배관(177)을 통해 분리, 배출되어 제1저장기(162)와 제2저장기(164)로 각각 회수되어 저장될 수 있다. 제1저장기(162)로 회수된 수소 가스는 제철소에서 에너지원으로 재활용될 수 있다. 그리고 제2저장기(162)로 회수된 기타 가스는 별도의 설비로 보내져 처리될 수 있다.
도 2는 본 발명의 변형 예에 따른 수소 가스 제조 설비를 보여주는 도면으로서, 앞서 설명한 본 발명의 실시 예에 따른 수소 가스 제조 설비와 반응 챔버(140a)의 구조를 제외하고 거의 유사한 구조로 형성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 변형 예에 따른 수소 가스 제조 설비의 반응 챔버(140a)는 처리 배가스가 이동할 수 있는 유로(142)를 포함할 수 있다.
이와 같이 반응 챔버(140a) 내부에 반응 챔버(140a)의 길이보다 긴 유로(142)를 형성하면, 반응 챔버(140a) 내에서 처리 배가스가 이동하는 거리를 증가시킬 수 있다. 여기에서 반응 챔버(140a)의 길이란, 반응 챔버(140a)에서 처리 배가스가 유입되는 위치에서 처리 배가스가 배출되는 위치까지의 거리일 수도 있고, 반응 챔버(140a)의 수평 방향 길이나 수직 방향 길이일 수도 있다. 이때, 유로(142)는 반응 챔버(140) 내부에 지그재그 형상, 코일 형상 등 다양한 형상을 갖도록 형성될 수 있다. 이 경우, 제1밸브(180)와 제2밸브(182)를 이용하여 반응 챔버(140a) 내부를 밀폐시키지 않고도, 처리 배가스 중 일산화탄소와 수증기 간의 반응 시간을 충분하게 확보하여 수소 가스를 생성할 수 있다.
이 경우, 가열수단(145)은 반응 챔버(140a) 내부 공간을 가열할 수 있도록 구비될 수도 있고, 유로(142)를 직접 가열하도록 구비될 수도 있다. 또는 가열수단(145)은 반응 챔버(140a)의 내부 공간 및 유로(142)를 직접 가열하도록 구비될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 다른 변형 예에 따른 수소 가스 제조 설비를 보여주는 도면으로서, 보조 챔버(144)를 더 포함하는 것을 제외하고 앞서 설명한 본 발명의 실시 예에 따른 수소 가스 제조 설비와 거의 유사한 구조로 형성될 수 있다.
슬래그(S)에 냉각 매체를 분사하여 냉각시키는 과정에서 배가스는 지속적으로 발생하게 된다. 이 경우, 제1밸브(180)와 제2밸브(182)를 이용하여 반응 챔버(140) 내부를 밀폐시키면, 지속적으로 발생하는 배가스가 반응 챔버(140)로 유입되지 못하기 때문에 용기(100) 내부 압력이 높아질 수 있다. 이에 커버(110)에 설치된 도어(115)를 개방하여 배가스를 외부로 배출시킬 수도 있으나, 이 경우 배가스에 의해 환경이 오염되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 반응 챔버(140)에서 처리 배가스를 반응시키는 동안, 포집기(130)를 통과한 처리 배가스를 보조 챔버(144)로 유입시켜 일시적으로 저장할 수 있다.
보조 챔버(144)는 내부에 처리 배가스를 수용할 수 있는 공간을 제공할 수 있고, 바이패스 배관(178)을 통해 포집기(130) 또는 제1연결배관(174)과 반응 챔버(140)와 연결될 수 있다. 그리고 바이패스 배관(178)에는 제3밸브(184)를 설치하여, 필요에 따라 바이패스 배관(178)을 개방 또는 폐쇄시킬 수 있다. 또한, 보조 챔버(144)와 반응 챔버(140)는 제5연결배관(179)을 통해 연결될 수 있고, 제5연결배관(179)에는 제4밸브(186)를 설치할 수 있다. 그리고 제4밸브(186)를 이용하여 제5연결배관(179)을 개방 또는 폐쇄시켜, 처리 배가스를 보조 챔버(144)에 저장하거나, 보조 챔버(144)에 저장된 처리 배가스를 반응 챔버(140)로 유입시킬 수 있다. 예컨대 반응 챔버(140)에서 처리 배가스를 반응시키는 동안, 제4밸브(186)를 이용하여 제5연결배관(179)을 폐쇄시키고, 제3밸브(184)를 이용하여 바이패스 배관(178)을 개방시킬 수 있다. 이때, 반응 챔버(140)로 처리 배가스가 유입되지 않도록 제1밸브(180)를 이용하여 제1연결배관(174)을 폐쇄시킬 수 있다. 그리고 포집기(130)를 통과한 처리 배가스를 보조 챔버(144)로 유입시켜 저장할 수 있다. 이후, 반응 챔버(140)에서 처리 배가스의 반응이 완료되면, 제2밸브(182)를 이용하여 제2연결배관(175)을 개방시켜 반응이 완료된 처리 배가스, 예컨대 수소 가스와 기타 가스를 반응 챔버(140)로부터 배출시켜 분리기(150)로 유입시킬 수 있다. 그리고 제1밸브(180)와 제4밸브(186)를 이용하여 제1연결배관(174)과 제5연결배관(179)을 각각 개방시킬 수 있다. 제3밸브(184)를 이용하여 바이패스 배관(178)을 폐쇄시킬 수 있다. 이에 포집기(130)를 통과한 처리 배가스와, 보조 챔버(144)에 저장되어 있던 처리 배가스는 각각 제1연결배관(174)과 제5연결배관(179)을 통해 반응 챔버(140)로 유입될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 수소 가스 제조 설비와 변형 예에 다른 수소 가스 제조 설비는 서로 조합이 가능하다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 수소 가스 제조 설비는 여기에서 제시된 구조 이외에도 다양하게 변경될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 수소 가스 제조 방법에 대해서 설명한다.
본 발명의 실시 예에 따른 수소 가스 제조 방법에 대해서 설명하기 앞서, 수소 가스 제조 원리에 대해서 설명한다.
용선예비처리공정에서 발생한 슬래그는 탈황 처리로 발생하기 때문에 황(S)의 함량이 높고, 배재되는 과정에서 용선의 일부가 슬래그와 함께 용기로 장입되기 때문에 탄소(C) 함량도 높은 특징을 갖는다. 따라서 슬래그를 냉각시키기 위해 물을 분사하면, 수증기와 일산화탄소, 이산화탄소, 황화수소 등을 함유하는 배가스가 발생할 수 있다.
도 4는 용선예비처리공정에서 발생된 슬래그를 냉각시킬 때, 시간에 따른 배가스의 성분 분포를 보여주는 그래프로서, 용기(100)에 커버(110)를 설치하지 않은 상태에서 배가스의 성분을 측정한 결과를 보여주고 있다. 이때, 배가스를 구성하는 성분 중, 수소 가스를 생성하는데 관여하는 산소(O2), 수소(H2), 일산화탄소(CO) 및 이산화탄소(CO2)의 시간에 따른 함량 변화를 측정하였다.
먼저, 도 4의 (a)를 참조하면, 시간의 경과에 따른 배가스 중 산소와 수소의 분포를 보여주고 있다. 슬래그(S)에 물을 분사하면, 슬래그(S)가 냉각되는 전 과정에서 산소와 수소가 지속적으로 발생하는 것을 알 수 있다. 그리고 슬래그(S)가 어느 정도 냉각되면, 배가스 중 산소는 약 20% 정도까지 함유되고, 수소는 약 70% 정도까지 함유되는 것을 알 수 있다. 이와 같이 배가스에 함유되는 산소와 수소는 수증기와 황화수소에 의한 것이고, 산소의 함량에 비해 수소의 함량이 높은 이유는 슬래그(S)에 함유되는 황 성분에 의해 발생한 황화수소(H2S)에 의한 것이다.
그리고 도 4의 (b)를 참조하면, 슬래그(S)에 물을 분사하여 발생하는 배가스에는 슬래그 중 탄소카본 소스를 통해 일산화탄소와 이산화탄소 가스가 최대 25%까지 발생하였고, 유황 성분을 함유한 황화수소 가스 혹은 수증기가 60% 이상 발생을 하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 슬래그에는 탄소와 황이 다량 함유되기 때문에 물을 분사하게 되면 일산화탄소, 이산화탄소, 황화수소, 수증기 등이 발생을 하게 된다. 도 5는 용선예비처리공정에서 발생된 슬래그의 냉각 시, 배가스의 온도에 따른 배가스의 성분 분포를 시뮬레이션한 결과를 보여주는 그래프이다. 슬래그를 냉각시킴에 따라 배가스의 온도는 점차적으로 감소하게 된다. 이때, 배가스의 온도가 약 500℃ 이상인 온도 조건에서는 배가스 중에 일산화탄소가 다량 함유되는 것을 알 수 있다. 실제 냉각장에 도착한 슬래그의 온도는 약 800℃ 이상으로, 슬래그를 냉각시키는 과정에서 발생하는 배가스 중에는 다량의 일산화탄소가 함유되어 있다.
또한, 슬래그를 냉각시키는 과정 중에는 슬래그 포트 내에 수분이 지속적 또는 단속적으로 공급되기 때문에, 비교적 저온에서는 수분 중 수소가 황 성분과 반응하여 황화수소 가스가 발생하며, 고온의 슬래그로 인해 수증기가 상당히 많이 발생하게 된다.
이에 배가스 중에 다량 함유되는 일산화탄소와 수증기를 반응시켜 수소 가스를 제조할 수 있다.
도 6은 일산화탄소와 수증기의 반응에 따른 기상 분압을 계산 결과를 보여주는 그래프이다. 도 6에 의하면, 일산화탄소 1mol과 수증기 1mol을 반응시켜 기상 분압을 계산한 경우, 600 내지 800℃의 온도 범위에서 배가스 중 수소 가스의 분률이 높게 나타나는 것을 알 수 있다. 즉, 이산화탄소와 수증기를 반응시키는 온도가 600℃ 미만인 온도 범위나 800℃를 초과하는 온도 범위보다, 600 내지 800℃ 정도의 온도 범위에서 배가스 중 수소 가스의 분률이 가장 높게 나타나는 것을 알 수 있다. 따라서 슬래그를 냉각시키는 과정에서 배가스를 포집하여 별도의 공간, 예컨대 반응 챔버에 주입하고 600 내지 800℃ 정도의 온도 범위에서 처리하여 배가스 중 일산화탄소와 수증기를 반응시키면, 에너지원으로 사용 가능한 수소 가스를 효율적으로 생성 및 회수할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 수소 가스 제조 방법을 순차적으로 보여주는 순서도이다. 여기에서는 도 1에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 수소 가스 제조 설비를 이용하여 수소 가스를 제조하는 방법에 대해서 설명한다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 수소 가스 제조 방법은, 용기(100)에 슬래그(S)를 마련하는 과정(S110)과, 슬래그(S)에 물을 분사하여 배가스를 생성하는 과정(S112)과, 배가스를 포집하는 과정(S114)과, 배가스 중 수증기와 일산화탄소를 반응시켜 수소 가스를 생성하는 과정(S118) 및 수소 가스를 회수하는 과정(S120)을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 수소 가스 제조 방법은, 배가스로부터 황화수소를 분리하는 과정(S116)을 더 포함할 수 있다.
먼저, 용선예비처리공정에서 발생한 슬래그(S)를 슬래그 포트 등과 같은 용기(100)에 장입할 수 있다. 이때, 슬래그(S)를 용기(100)에 장입할 때, 용기(100)의 내용적 100%에 대해서 50 내지 60% 정도를 차지하도록 용기(100)에 슬래그(S)를 장입할 수 있다. 용기(100)에 장입되는 슬래그(S)의 양이 지나치게 적으면, 용선예비처리공정에서 발생하는 슬래그(S)를 원활하게 처리하기 어려운 문제가 있다. 반면, 용기(100)에 장입되는 슬래그(S)의 양이 지나치게 많으면, 슬래그(S)가 용기(100)의 대부분을 차지하기 때문에 슬래그(S)에 분사되는 물이 용기(100) 외부로 유출되는 문제가 있다.
다음, 슬래그(S)가 장입된 용기(100)를 슬래그 처리 장소로 이송할 수 있다. 이때, 슬래그(S)는 적열 상태로 800℃ 이상, 예컨대 800 내지 1000℃ 정도의 매우 고온일 수 있다.
슬래그(S)가 장입된 용기(100)가 마련되면, 용기(100)의 상부에 커버(110)를 안착시켜 용기(100) 내부를 폐쇄 또는 밀폐시킬 수 있다. 그리고 커버(110)의 제1삽입구(111)에 삽입된 노즐(120)을 통해 용기(100) 내부에 수용된 슬래그(S)에 물을 분사하여 슬래그(S)를 냉각시킬 수 있다.
이와 같이 슬래그(S)를 냉각시키는 과정은 약 20 내지 30시간 정도에 걸쳐 수행될 수 있다. 그리고 슬래그(S)에 물을 분사하는 과정은 미리 설정된 시간, 예컨대 4 내지 6시간 마다 단속적으로 수행될 수 있다. 이때, 슬래그(S)에 물을 분사할 때마다 사용되는 물의 양은 슬래그 1톤당 약 30 내지 60ℓ정도일 수 있다. 이때, 슬래그(S)에 분사되는 물의 양이 지나치게 적으면, 고온의 슬래그(S)로 인해 물이 빠르게 기화되어 슬래그(S)를 원활하게 냉각시킬 수 없다. 반면, 슬래그(S)에 분사되는 물의 양이 지나치게 많으면, 용기(100) 내부에 물이 충진되고, 이로 인해 슬래그(S)가 물에 잠겨 배가스가 충분하게 발생하지 못하는 문제가 있다.
슬래그(S)에 물을 분사하면, 고온의 슬래그(S)가 냉각되면서 배가스가 발생하게 된다. 이렇게 발생된 배가스는 커버(110)에 설치된 배출관(172)을 통해 용기(100)에서 배출되어 포집기(130)로 이동할 수 있다.
그리고 배가스는 포집기(130)를 통과하면서, 포집기(130) 내부에 분사되는 흡수액과 접촉하게 되고, 이로 인해 배가스에 함유되는 황화수소는 흡수액에 흡수되어 배가스로부터 분리될 수 있다. 이와 같이 배가스로부터 황화수소를 제거해야 이후, 반응 챔버(140)에서 고순도의 수소 가스를 생성할 수 있다.
포집기(130)를 통과한 배가스, 즉 황화수소가 제거된 처리 배가스는 제1연결배관(174)을 통해 반응 챔버(140)로 유입될 수 있다. 이때, 제1밸브(180)를 이용하여 제1연결배관(174)은 개방시키고, 제2밸브(182)를 이용하여 제2연결배관(175)은 폐쇄시킬 수 있다. 또한, 반응 챔버(140)의 내부 공간은 가열수단(145)에 의해 가열된 상태일 수 있다.
그리고 반응 챔버(140)가 처리 배가스에 의해 충진되면, 제1밸브(180)를 이용하여 제1연결배관(174)을 폐쇄시킬 수 있다. 그리고 반응 챔버(140)에 유입된 처리 배가스를 열처리할 수 있다. 이때, 반응 챔버(140)에 유입된 처리 배가스를 미리 설정된 온도, 예컨대 600 내지 800℃, 또는 650 내지 750℃ 정도로 가열할 수 있다. 이렇게 처리 배가스를 가열하면, 처리 배가스에 함유되는 일산화탄소(CO)와 수증기(H2O)가 하기의 식1과 같은 반응을 일으켜 수소 가스(H2)와 이산화탄소(CO2)로 생성될 수 있다.
식1) CO + H2O -> H2 + CO2
반응 챔버(140)에서 처리 배가스의 반응이 완료되면, 반응 챔버(140)에서 반응이 완료된 처리 배가스, 예컨대 수소 가스와 기타 가스를 배출시킬 수 있다. 이때, 제2밸브(182)를 이용하여 제2연결배관(175)을 개방하여 수소 가스와 기타 가스를 반응 챔버(140)에서 배출시키고, 제1밸브(180)를 이용하여 포집기(130)를 통과한 처리 배가스를 반응 챔버(140)로 유입시킬 수 있다. 여기에서 기타 가스는 처리 배가스에 함유되어 있던 CH4, C2H4, 이산화탄소 등과, 반응 챔버(140)에서 일산화탄소와 수증기의 반응으로 생성된 이산화탄소 등을 포함할 수 있다.
반응 챔버(140)에서 배출되는 수소 가스와 기타 가스는 제2연결배관(175)을 통해 분리기(150)로 주입될 수 있다. 그리고 수소 가스와 기타 가스는 분리기(150)를 통과하면서 수소 가스와 기타 가스로 분리되어, 수소 가스는 제3연결배관(176)을 통해 제1저장기(162)로 회수되어 저장되고, 기타 가스는 제4연결배관(177)을 통해 제2저장기(164)로 회수되어 저장될 수 있다. 그리고 제1저장기(162)에 저장된 수소 가스는 제철소에서 에너지원으로 재활용될 수 있다.
한편, 슬래그(S)에 물을 분사하는 과정은 미리 설정된 시간마다 단속적으로 수행되지만, 슬래그(S)에 물을 분사하고, 그 다음에 물을 분사하는 4 내지 6시간 동안에도 배가스는 지속적으로 발생할 수 있다. 그리고 반응 챔버(140)에서 처리 배가스를 반응시키는데 소요되는 시간은 1 내지 20분 정도로 짧다. 따라서 슬래그(S)에 물을 분사하고, 다음 차례에 물을 분사하는 동안, 반응 챔버(140)에서 처리 배가스를 반응시키고, 반응이 완료된 처리 배가스로부터 수소 가스와 기타 가스를 분리하는 과정은 여러 차례에 걸쳐 반복해서 수행할 수도 있다.
이와 같이 본 발명의 실시 형태에 의하면, 슬래그를 냉각시키는 과정에서 발생하는 배가스를 이용하여 수소 가스를 생산할 수 있다. 또한, 대기 중으로 방출되던 배가스를 포집하여 수소 가스를 생산하고, 수소 가스를 생산하는 과정에서 발생하는 이산화탄소 등의 기타 가스를 분리하여 저장하기 때문에 배가스에 의한 대기 오염을 저감시킬 수 있다.
이상, 본 발명에 대하여 전술한 실시 예들 및 첨부된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 후술되는 청구범위에 의해 한정된다. 따라서 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 청구범위의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명이 다양하게 변형 및 수정될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
100: 용기 110: 커버
120: 노즐 130: 포집기
140, 140a : 반응 챔버 142: 유로
144: 보조 챔버 145: 가열수단
150: 분리기 162: 제1저장기
164: 제2저장기

Claims (14)

  1. 상부가 개방되고, 내부에 피처리물을 수용하기 위한 공간을 제공하는 용기;
    상기 용기의 상부를 개폐할 수 있는 커버;
    상기 피처리물에 냉각매체를 분사하도록 상기 커버에 구비되는 노즐;
    상기 피처리물에서 발생하는 배가스를 처리하여 수소 가스를 생성하기 위한 반응 챔버; 및
    상기 반응 챔버에서 배출되는 가스로부터 수소 가스를 분리하기 위한 분리기;를 포함하는 수소 가스 제조 설비.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 커버는,
    상기 용기의 내부 압력에 따라 개폐 가능한 배기구를 포함하는 수소 가스 제조 설비.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 배가스에 함유된 황화수소를 포집하기 위해 상기 용기와 상기 반응 챔버 사이에 구비되는 포집기를 포함하는 수소 가스 제조 설비.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 반응 챔버는 가열수단을 포함하는 수소 가스 제조 설비.
  5. 청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배가스 중 일부를 임시로 저장하기 위한 보조 챔버를 포함하고,
    상기 보조 챔버는 상기 포집기 및 상기 반응 챔버와 연통되도록 구비되는 수소 가스 제조 설비.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 반응 챔버와 상기 보조 챔버 중 적어도 어느 하나는 배가스의 유입 및 배출을 제어하기 위한 밸브를 포함하는 수소 가스 제조 설비.
  7. 청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응 챔버의 내부에는 상기 배가스를 이동시키기 위한 유로가 구비되고,
    상기 유로의 길이는 상기 반응 챔버의 길이보다 길게 형성되는 수소 가스 제조 설비.
  8. 용기에 슬래그를 마련하는 과정;
    상기 슬래그에 물을 분사하여 배가스를 생성하는 과정;
    상기 배가스를 포집하는 과정;
    상기 배가스 중 수증기와 일산화탄소를 반응시켜 수소 가스를 생성하는 과정; 및
    상기 수소 가스를 회수하는 과정;을 포함하는 수소 가스 제조 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 슬래그를 마련하는 과정은,
    온도가 800 내지 1000℃ 인 슬래그를 마련하는 과정을 포함하고,
    상기 슬래그는 용선예비처리과정에서 발생하는 슬래그를 포함하는 수소 가스 제조 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 배가스를 생성하는 과정은,
    상기 슬래그 1톤당 30 내지 60ℓ의 물을 분사하는 과정을 포함하는 수소 가스 제조 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 배가스를 포집하는 과정 이후에,
    상기 배가스에 함유된 황화수소를 포집하는 과정을 포함하는 수소 가스 제조 방법.
  12. 청구항 9 또는 청구항 11에 있어서,
    상기 수소 가스를 생성하는 과정은,
    상기 일산화탄소와 상기 수증기를 600 내지 800℃에서 반응시키는 과정을 포함하는 수소 가스 제조 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 물을 분사하는 과정은 단속적으로 수행하고,
    상기 수소 가스를 생성하는 과정은 물을 분사하는 과정 사이에 반복해서 수행하는 수소 가스 제조 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 수소 가스를 회수하는 과정은,
    상기 일산화탄소와 상기 수증기를 반응시키는 과정에서 발생된 이산화탄소와 상기 배가스에 함유되는 이산화탄소를 상기 수소 가스와 분리하는 과정을 포함하는 수소 가스 제조 방법.
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