KR20210147606A - 수전해수소를 이용한 제철소 부생가스 고질화 시스템 및 그 방법 - Google Patents

수전해수소를 이용한 제철소 부생가스 고질화 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수전해에 의해 생성된 산소를 제철 공정에 공급하고, 제철 공정에서 발생하는 부생가스를 수전해에 의해 생성된 수소와 알코올화 또는 메탄화 반응시켜 재생연료로 재생하며, 재생된 재생연료와 알코올화 또는 메탄화 과정에서 발생된 열을 회수하여 제철 공정의 에너지로 사용할 수 있도록 공급 하기 위해, 수전해를 수행하여 생성된 산소를 제철 공정을 수행하는 제철부로 공급하고, 수소를 제철소 부생가스의 알코올화 또는 메탄화를 위해 연료재생부로 공급하는 수전해부; 상기 수전해부에서 공급되는 수소를 이용하여 상기 제철소에서 발생되어 공급된 부생가스를 알코올화 또는 메탄화하여 재생연료를 생산하는 연료재생부; 및 상기 연료재생부에서 생성된 재생연료를 저장하는 재생연료 저장부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수전해수소를 이용한 제철소 부생가스 고질화 시스템을 제공한다.

Description

수전해수소를 이용한 제철소 부생가스 고질화 시스템 및 그 방법{A system for upgrading by-product gases in steel mills by using hydrogen produced via electrolysis and the method thereof}
본 발명은 제철소 부생 가스 재생에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 수전해에 의해 생성된 산소를 제철 공정에 공급하고, 제철 공정에서 발생하는 부생가스를 수전해에 의해 생성된 수소와 알코올화 또는 메탄화 반응시켜 재생연료로 재생하며, 재생된 재생연료와 알코올화 또는 메탄화 과정에서 발생된 열을 회수하여 제철 공정의 에너지로 사용할 수 있도록 공급 하는 수전해수소를 이용한 제철소 부생가스 고질화 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
도 1은 종래기술의 제철 공정을 나타내는 도면으로, 종래기술의 제철 공정은 연원료(Coal)로 제작된 코크스와 소결된 철광석(ore) 또는 철광석 분말을 이용해 제철부에서 쇳물을 생산하고, 공기분리장치(ASU: Air Separation Unit)를 통해 발생된 산소를 이용해 쇳물의 불순물을 제거한 후, 연주과정을 통해 열연 선재, 후판, 전기 강판 등을 제작하게 된다. 이러한 제철 공정 중에는 고온의 부생가스(by-product gas)들이 발생하게 되며, 발생된 고온 부생 가스는 발전소 등에 공급하여 발전을 수행하거나 보일러를 구동시키는 등으로 부생가스사용처(3)로 보내 재활용하였다.
COG(%) LDG(%) BFG(%) FOG(%) Total
N2 7.7 18 49.6 10.6 42
H2 55.5 2 3.7 11 8.8
CO2 2.1 12 21.1 46.6 20.8
CO 6.4 68 25.2 30.3 25.5
CH4 25.2 0 0 101 2.3
기타 3.1 0 0.4 0.4 0.6
표 1은 상술한 제철 공정에서 발생하는 부생가스의 구성을 나타내는 표로서, 제철 공정에서 발생하는 부생가스는 코크스로 가스(COG: Coke Oven Gas), 고로가스(BFG: Blast Furnace Gas), 파이넥스 가스(FOG: Finex Off Gas), 전로가스(LDG: Lintz-Donawits Gas) 등을 포함하고, 이러한 가스들은 대부분 표 2 와 같이 N2, H2, CO, CO2, CH4 및 기타 가스로 구성되며, CO, CO2,가 큰 비율을 차지한다.
발생된 부생 가스는 제철소 내에서 열이 필요할 때 사용되거나 필요한 전력을 생산하기 위해 재사용된다. 특히 이 중 고로가스(BFG)의 경우 이의 주된 연료 성분이 CO이다. 상기 CO는 발열량이 매우 낮고, 제철소의 CO2 발생량을 증가시키는 원인이 된다(참고: 1톤의 철을 제철할 때 약 2톤의 CO2 발생).
또한, 제철 공정 중 제강과정에서 순산소를 불어 넣어 불순물을 걸러내는 과정이 있어 현재 공기분리장치(ASU)를 통해 따로 생산하여 사용하고 있다. 이에 따라 온실가스 배출량이 매우 증가함은 물론, 공기분리장치의 구동에 필요한 부가적 에너지 소모가 발생하는 문제점을 가진다.
대한민국 등록특허 제10-1349503호
따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 수전해에 의해 생성된 산소를 제철 공정에 공급하고, 제철 공정에서 발생하는 부생가스를 수전해에 의해 생성된 수소와 메탄/메탄올/에탄올화 등의 알코올화 또는 메탄화 반응시켜 재생연료로 재생하며, 생성된 연료와 알코올화 또는 메탄화 과정에서 발생된 열을 회수하여 제철 공정의 에너지 또는 파워 플랜트의 에너지로 사용할 수 있도록 공급하는 수전해수소를 이용한 제철소 부생가스 고질화 시스템 및 그 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상술한 본 발명의 해결과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예는,
수전해를 수행하여 생성된 산소를 제철 공정을 수행하는 제철부로 공급하고, 수소를 제철소 부생가스의 알코올화 또는 메탄화를 위해 연료재생부로 공급하는 수전해부;
상기 수전해부에서 공급되는 수소를 이용하여 상기 제철소에서 발생되어 공급된 부생가스를 알코올화 또는 메탄화하여 재생연료를 생산하는 연료재생부; 및
상기 연료재생부에서 생성된 재생연료를 저장하는 재생연료 저장부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수전해수소를 이용한 제철소 부생가스 고질화 시스템을 제공한다.
상기 연료재생부는,
상기 알코올화 또는 메탄화에 의해 생성된 재생연료를 제철소 내부 또는 외부의 재생연료 사용처로 공급하도록 연결 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 연료재생부는,
상기 제철소 부생 가스에 포함된 CO와 CO2를 상기 수전해부에서 공급되는 H2와 반응시켜 재생연료를 생산하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명의 해결과제를 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예는,
수전해부, 연료재생부 및 재생연료 저장부를 포함하는 수전해수소를 이용한 제철소 부생가스 고질화 시스템에 의한 부생가스 재생방법에 있어서,
상기 수전해부가 수전해를 수행하여 생성된 산소를 제철 공정을 수행하는 제철부로 공급하고, 수소를 제철소 부생가스의 알코올화 또는 메탄화를 위해 공급하는 수전해 단계;
상기 연료재생부가 상기 수전해부에서 공급되는 수소를 공급받아 상기 제철소에서 발생되어 공급된 부생가스를 알코올화 또는 메탄화하여 재생연료를 생산하는 연료 재생 단계; 및
상기 연료재생부에서 생성된 재생연료를 상기 재생연료 저장부에 저장하는 재생연료 저장단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수전해수소를 이용한 제철소 부생가스 고질화 방법을 제공한다.
상기 연료 재생 단계는,
상기 연료재생부가 상기 제철소 부생 가스에 포함된 CO와 CO2를 상기 수전해부에서 공급되는 H2와 알코올화 또는 메탄화 반응시켜 재생연료를 생산하는 단계인 것을 특징으로 한다.
상기 수전해수소를 이용한 제철소 부생가스 고질화 방법은,
상기 연료재생 단계 이후, 상기 알코올화 또는 메탄화에 의해 생성된 재생연료를 제철소 내부 또는 외부의 재생연료 사용처로 공급하는 재생 연료 공급 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명의 실시예들에 따르면, 수전해로부터 생산되는 O2를 제철 공정 중에 사용하도록 함으로써, 공기분리장치(ASU)에 사용되는 전력량을 줄일 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예들은, 제철소에서 발생하는 부생가스로부터 부가가치를 가진 재생연료를 생산할 수 있도록 하며, 제철소에서 배출되는 CO 및 CO2의 배출량을 줄일 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 열이 필요한 곳이 많은 제철소에서, 메탄/메탄올/에탄올 화 등의 알코올화 또는 메탄화 연료재생 공정에서 발생하는 재생연료 및 열을 큰 발열량이 필요한 제철소의 내부 공정에서 재사용하여 제철소의 에너지 효율을 향상시키고 제철 공정의 효율 또한 향상시키는 효과를 제공한다.
도 1은 종래기술의 제철 공정을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 수전해수소를 이용한 제철소 부생가스 고질화 시스템을 포함하는 제철 시스템을 블록 구성도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예의 수전해수소를 이용한 제철소 부생가스 고질화 방법의 처리과정을 나타내는 순서도.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 수전해수소를 이용한 제철소 부생가스 고질화 시스템을 포함하는 제철 시스템을 블록 구성도이다.
도 2와 같이, 본 발명의 일 실시예의 수전해수소를 이용한 제철소 부생가스 고질화 시스템(1)은 수전해를 수행하여 생성된 산소를 제철 공정을 수행하는 제철부(2)로 공급하고, 수소를 제철소 부생가스의 알코올화 또는 메탄화를 위해 연료재생부(20)로 공급하는 수전해부(10), 상기 수전해부(10)에서 공급되는 수소를 이용하여 상기 제철소에서 발생되어 공급된 부생가스를 알코올화 또는 메탄화하여 재생연료를 생산하는 연료재생부(20) 및 상기 연료재생부(20)에서 생성된 재생연료를 저장하는 재생연료 저장부(30)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 수전해부(10)는 고분자전해질 수전해법 (Polymer Electrolyte Membrane Electrolysis), 알 칼리 수전해법(Alkaline Electrolysis) 또는 고체산화물 전해법(Solid Oxide Electrolysis) 중 어느 하나에 의해 수전해를 수행하도록 제작되는 수전해 장치 또는 연료전지 모드로 구동하여 발전을 하거나 수전해 모드로 구동하여 수소와 산소를 생산하는 연료전지 수전해 복합 장치 또는 전해 또는 공전해 장치 등의 수전해 장치로 구성될 수 있다.
상술한 기능을 수행하는 수전해부(10)는 수전해수를 공급 받은 후 수소와 산소를 생산하고, 생산된 산소는 제철소의 용융, 제강, 제련을 등을 수행하는 용광로, 코크스로, 고로, 파이넥스로, 전로, 제련로, 제강로 등을 포함하는 제철부(2)로 공급하고, 수소는 상기 연료재생부(20)로 공급하도록 외부의 수전해수 저장조(미도시), 상기 제철부(2) 및 상기 연료재생부(20)와 수전해수, 수소 및 산소 유로를 형성하도록 연결 구성된다.
상기 연료재생부(20)는 상기 알코올화 또는 메탄화에 의해 생성된 재생연료를 상기 제철부(2)의 용광로, 코크스로, 고로, 파이넥스로, 전로, 제련로, 제강로 등으로 공급하도록 상기 제철부(2)와 연결 구성되고, 또한, 재생연료의 저장을 위해 상기 재생연료저장부(30)와 연결 구성된다. 또한, 상기 연료재생부(20)는, 알코올화 또는 메탄화에 의해 생성된 재생연료를 제철소 내부 또는 외부의 재생연료 사용처(40)로 공급하도록 연결 구성된다.
상술한 구성의 상기 연료재생부(20)는, 공급된 제철소 부생 가스에 포함된 CO와 CO2를 상기 수전해부(10)에서 공급되는 H2와 알코올화 또는 메탄화 반응시켜 메탄(CH4), 메탄올(CH3OH) 또는 에탄올(C2H5OH)를 포함하는 재생연료를 생산한다.
이때, 상기 연료재생부(20)에 의한 알코올화 또는 메탄화 반응식은 다음과 같다.
- 메탄 합성
CO + 3H2 -> CH4 + H2O
CO2+ 4H2 -> CH4 + 2H2O
- 메탄올 합성
CO + 2H2 -> CH3OH
CO2+ 3H2 -> CH3OH+ H2O
- 에탄올 합성
2CO + 4H2 -> C2H5OH + H2O
2CO2 + 6H2 -> C2H5OH+ 3H2O
도 3은 본 발명의 다른 실시예의 수전해수소를 이용한 제철소 부생가스 고질화 방법의 처리과정을 나타내는 순서도이다.
도 3과 같이, 본 발명의 다른 실시예의 수전해수소를 이용한 제철소 부생가스 고질화 방법은, 수전해부(10), 연료재생부(20) 및 재생연료 저장부(30)를 포함하여 제철소에 설치되는 수전해수소를 이용한 제철소 부생가스 고질화 시스템에 의한 부생가스 재생방법에 있어서, 상기 수전해부(10)가 수전해를 수행하여 생성된 산소를 제철 공정을 수행하는 제철부(2)로 공급하고, 수소를 제철소 부생가스의 알코올화 또는 메탄화를 위해 연료재생부(20)로 공급하는 수전해 단계(S10), 상기 연료재생부(20)가 상기 수전해부(10)에서 공급되는 수소를 이용하여 상기 제철소에서 발생되어 공급된 부생가스를 알코올화 또는 메탄화하여 재생연료를 생산하는 연료 재생 단계(S20), 상기 연료재생부(20)에서 생성된 재생연료를 상기 재생연료 저장부(30)에 저장하는 재생연료 저장단계(S30) 및 상기 연료재생부(20)에서 생성된 재생연료 또는 상기 재생연료 저장부(30)에 저장된 재생연료를 공급하는 재생연료 공급단계(S40)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 연료 재생 단계(S20)는, 상기 연료재생부(20)가 상기 제철소 부생 가스에 포함된 CO와 CO2를 상기 수전해부에서 공급되는 H2와 알코올화 또는 메탄화 반응시켜 메탄(CH4), 메탄올(CH3OH) 또는 에탄올(C2H5OH)를 포함하는 재생연료를 생산하는 단계인 것을 특징으로 한다.
상기 재생연료 공급단계(S40)는 상기 연료 재생 단계(S20) 이후, 상기 연료재생부(20)에서 생성된 재생연료를 상기 제철부(2)로 제철 공정을 위한 연료로 공급하는 단계일 수 있다.
또한, 상기 재생 연료 공급 단계(S40)는, 상기 알코올화 또는 메탄화에 의해 생성된 재생연료를 제철소 내부 또는 외부의 파워플랜트 등의 재생연료 사용처(40)로 공급하는 단계일 수도 있다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1: 수전해수소를 이용한 제철소 부생가스 고질화 시스템

Claims (6)

  1. 수전해를 수행하여 생성된 산소를 제철 공정을 수행하는 제철부로 공급하고, 수소를 제철소 부생가스의 알코올화 또는 메탄화를 위해 연료재생부로 공급하는 수전해부;
    상기 수전해부에서 공급되는 수소를 이용하여 상기 제철소에서 발생되어 공급된 부생가스를 알코올화 또는 메탄화하여 재생연료를 생산하는 연료재생부; 및
    상기 연료재생부에서 생성된 재생연료를 저장하는 재생연료 저장부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수전해수소를 이용한 제철소 부생가스 고질화 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연료재생부는,
    상기 알코올화 또는 메탄화에 의해 생성된 재생연료를 제철소 내부 또는 외부의 재생연료 사용처로 공급하도록 연결 구성되는 것을 특징으로 하는 수전해수소를 이용한 제철소 부생가스 고질화 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 연료재생부는,
    상기 제철소 부생 가스에 포함된 CO와 CO2를 상기 수전해부에서 공급되는 H2와 알코올화 또는 메탄화 반응시켜 재생연료를 생산하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 수전해수소를 이용한 제철소 부생가스 고질화 시스템.
  4. 수전해부, 연료재생부 및 재생연료 저장부를 포함하는 수전해수소를 이용한 제철소 부생가스 고질화 시스템에 의한 부생가스 재생방법에 있어서,
    상기 수전해부가 수전해를 수행하여 생성된 산소를 제철 공정을 수행하는 제철부로 공급하고, 수소를 제철소 부생가스의 알코올화를 위해 공급하는 수전해 단계;
    상기 연료재생부가 상기 수전해부에서 공급되는 수소를 공급받아 상기 제철소에서 발생되어 공급된 부생가스를 알코올화하여 재생연료를 생산하는 연료 재생 단계; 및
    상기 연료재생부에서 생성된 재생연료를 상기 재생연료 저장부에 저장하는 재생연료 저장단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수전해수소를 이용한 제철소 부생가스 고질화 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 연료 재생 단계는,
    상기 연료재생부가 상기 제철소 부생 가스에 포함된 CO와 CO2를 상기 수전해부에서 공급되는 H2와 알코올화 또는 메탄화 반응시켜 재생연료를 생산하는 단계인 것을 특징으로 하는 수전해수소를 이용한 제철소 부생가스 고질화 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 연료재생 단계 이후,
    상기 알코올화 또는 메탄화에 의해 생성된 재생연료를 제철소 내부 또는 외부의 재생연료 사용처로 공급하는 재생 연료 공급 단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수전해수소를 이용한 제철소 부생가스 고질화 방법.
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