KR20230166744A - Method of producing hydrogen and ethanol using steel by-product gas - Google Patents

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현대제철 주식회사
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Abstract

본 발명은, (a) 제철 공정에서 발생되는 부생가스인 고로 가스(BFG) 및 전로 가스(LDG)를 혼합하는 단계; (b) 상기 부생가스에 LNG 를 투입하고 예열하는 단계; (c) 상기 BFG, LDG 및 LNG 복합가스를 복합개질기에 공급하여 이중 개질 반응(Bi-reforming reaction)에 의해 CO 및 H2를 포함하는 환원가스로 전환하는 단계; (d) 상기 환원가스에 냉각수를 공급하여 냉각시키는 단계; (e) 냉각된 환원가스에서 고순도 H2를 추출하고, 남은 테일가스를 에탄올 발효기에 공급하는 단계; (f) 상기 에탄올 발효기에서 CO를 활용하여 에탄올을 발효하는 단계; 및 (g) 에탄올을 발효한 후 남은 잔류가스 내 CO2를 포집하고, CO2가 제거된 가스는 상기 복합개질기 연소부로 투입하여 연료로 활용하는 단계;를 포함하는 제철 부생가스를 이용한 수소 및 에탄올 제조 방법을 제공한다.The present invention includes the steps of (a) mixing blast furnace gas (BFG) and converter gas (LDG), which are by-product gases generated in the steelmaking process; (b) adding LNG to the by-product gas and preheating it; (c) supplying the BFG, LDG, and LNG composite gas to a composite reformer to convert it into a reducing gas containing CO and H 2 through a double reforming reaction (Bi-reforming reaction); (d) cooling the reducing gas by supplying cooling water; (e) extracting high purity H 2 from the cooled reducing gas and supplying the remaining tail gas to an ethanol fermentor; (f) fermenting ethanol using CO in the ethanol fermentor; and (g) capturing CO 2 in the residual gas remaining after fermenting ethanol, and injecting the gas from which CO 2 has been removed into the combustion unit of the combined reformer to utilize it as fuel. Hydrogen and ethanol using steel by-product gas including. A manufacturing method is provided.

Description

제철 부생가스를 이용한 수소 및 에탄올 제조 방법{Method of producing hydrogen and ethanol using steel by-product gas}Method of producing hydrogen and ethanol using steel by-product gas {Method of producing hydrogen and ethanol using steel by-product gas}

본 발명은 제철 부생가스를 이용한 수소 및 에탄올 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 LNG, BFG를 포함하는 부생가스 및 LPG로부터 수소 및 에탄올을 효율적으로 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing hydrogen and ethanol using steel by-product gas, and more specifically, to a method for efficiently producing hydrogen and ethanol from by-product gas including LNG and BFG and LPG.

신 기후체제가 출범하면서 우리나라는 2030년 배출전망치(BAU) 대비 37% 감축 목표 달성을 위해 철강 산업부분에서 부생가스에 대한 온실가스 감축이 필요한 실정이다. 일관제철소에서는 코크스로, 고로, 전로 등의 처리 공정에서 코크스 오븐 가스(COG), 고로 가스(BFG) 및 전로 가스(LDG) 등의 부생가스가 발생한다. 제철 부생가스에는 이산화탄소가 다량 함유되어 있고, 열원으로 활용할 수 있는 일산화탄소 및 수소도 다량 포함되어 있다. 부생가스에는 고부가가치 자원인 일산화탄소가 약 2,000만톤, 수소가 100만톤 가량 포함된 것으로 추산되나, 실제 이 중 극히 일부만이 회수되고 있다.With the launch of the new climate system, Korea needs to reduce greenhouse gas emissions from by-product gases in the steel industry in order to achieve the 37% reduction target compared to the 2030 emissions forecast (BAU). In integrated steel mills, by-product gases such as coke oven gas (COG), blast furnace gas (BFG), and converter gas (LDG) are generated during processing processes such as coke ovens, blast furnaces, and converters. Steel by-product gas contains a large amount of carbon dioxide and also contains large amounts of carbon monoxide and hydrogen that can be used as a heat source. It is estimated that by-product gas contains about 20 million tons of carbon monoxide, which is a high value-added resource, and about 1 million tons of hydrogen, but only a small portion of this is actually recovered.

부생가스 내에 포함된 일산화탄소는 수소화 반응을 통해서 에탄올을 포함하는 알코올로 합성이 가능하며, 합성된 에탄올 등은 화학 산업의 기본 원료 물질로 용매 및 연료로 사용되기도 하며, 추가적인 공정을 통해 고부가 화학 제품으로 전환이 가능하다. 즉 부생가스의 주요 성분인 CO를 유용한 화학 물질로 전환하면 기존 석유 화학 공정 대비 높은 경제성을 확보할 수 있다. Carbon monoxide contained in by-product gas can be synthesized into alcohols including ethanol through hydrogenation reaction, and the synthesized ethanol is used as a solvent and fuel as a basic raw material in the chemical industry, and can be converted into high value-added chemical products through additional processes. Conversion is possible. In other words, if CO, the main component of by-product gas, is converted into useful chemicals, higher economic efficiency can be secured compared to existing petrochemical processes.

한편, 부생가스 중 수소를 다량 포함하는 COG를 압력변동흡착(Pressure Swing Absorption, PSA)하여 수소를 얻고 이를 환원가스로 제철 공정에서 자체적으로 사용하고 있다. 다만, COG 내에는 수소 외에도 메탄, 일산화탄소가 주성분으로 함유되어 있어 COG 자체로부터 직접 수소 등의 환원가스를 추출할 경우에는, 추출 효율이 저조할 뿐만 아니라 대량의 환원가스 생산을 위해서는 대용량의 공정을 위한 장치 투자가 수반되어야 한다는 문제점이 존재한다.Meanwhile, COG, which contains a large amount of hydrogen among by-product gases, is used to obtain hydrogen through Pressure Swing Absorption (PSA) and is used as a reducing gas in the steelmaking process. However, in addition to hydrogen, COG contains methane and carbon monoxide as main components, so when reducing gases such as hydrogen are extracted directly from COG itself, not only is the extraction efficiency low, but also the production of large quantities of reduced gas requires a large-capacity process. There is a problem that equipment investment must be accompanied.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 제철 부생가스를 유용하게 활용하여 수소 및 에탄올을 제조함으로써 부생가스를 고부가화 할 수 있는 공정을 개발하고자 한다. The present invention is intended to solve various problems including the above problems, and seeks to develop a process that can increase the value of by-product gas by producing hydrogen and ethanol by effectively utilizing the by-product gas of steelmaking.

그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.However, these tasks are illustrative and do not limit the scope of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제철 부생가스를 이용한 수소 및 에탄올 제조 방법이 제공된다. 상기 제조 방법은, (a) 제철 공정에서 발생되는 부생가스인 고로 가스(BFG) 및 전로 가스(LDG)를 혼합하는 단계, (b) 상기 부생가스에 LNG를 투입하고 예열하는 단계, (c) 상기 BFG, LDG 및 LNG 복합가스를 복합개질기에 공급하여 이중 개질 반응(Bi-reforming reaction)에 의해 CO 및 H2를 포함하는 환원가스로 전환하는 단계, (d) 상기 환원가스에 냉각수를 공급하여 냉각시키는 단계, (e) 냉각된 환원가스에서 고순도 H2를 추출하고, 남은 테일가스를 에탄올 발효기에 공급하는 단계, (f) 상기 에탄올 발효기에서 CO를 활용하여 에탄올을 발효하는 단계, 및 (g) 에탄올을 발효한 후 남은 잔류가스 내 CO2를 포집하고, CO2가 제거된 가스는 상기 복합개질기 연소부로 투입하여 연료로 활용하는 단계를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, a method for producing hydrogen and ethanol using steel by-product gas is provided. The manufacturing method includes (a) mixing blast furnace gas (BFG) and converter gas (LDG), which are by-product gases generated in the steelmaking process, (b) adding LNG to the by-product gas and preheating, (c) Supplying the BFG, LDG, and LNG composite gas to a composite reformer to convert it into a reducing gas containing CO and H 2 through a double reforming reaction, (d) supplying cooling water to the reducing gas Cooling step, (e) extracting high purity H 2 from the cooled reduction gas and supplying the remaining tail gas to the ethanol fermenter, (f) fermenting ethanol using CO in the ethanol fermenter, and (g) ) It includes the step of collecting CO 2 in the residual gas remaining after fermenting ethanol, and injecting the gas from which CO 2 has been removed into the combustion section of the combined reformer to use it as fuel.

일 실시예에 있어서, 상기 복합가스 내 BFG, LDG 및 LNG의 유량비는 (BFG + LDG) : LNG = 65 : 35 내지 55 : 45일 수 있다.In one embodiment, the flow rate ratio of BFG, LDG, and LNG in the composite gas may be (BFG + LDG):LNG = 65:35 to 55:45.

일 실시예에 있어서, 상기 (d) 단계 이후, 환원가스 냉각에 의해 발생된 수증기를 (b) 예열 공정에 투입하는 단계를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, after step (d), the step of introducing water vapor generated by cooling the reducing gas into the preheating process (b) may be further included.

일 실시예에 있어서, 상기 복합개질기 연소부는, 상기 복합가스의 연속적인 연소가 가능하도록 버너 하우징을 포함할 수 있다.In one embodiment, the combined reformer combustion unit may include a burner housing to enable continuous combustion of the combined gas.

일 실시예에 있어서, 상기 이중 개질 반응(Bi-reforming reaction)의 반응온도는 800 내지 1000℃일 수 있다. In one embodiment, the reaction temperature of the Bi-reforming reaction may be 800 to 1000°C.

일 실시예에 있어서, 상기 (e) 단계는 수소 압력변동흡착 공정(PSA)을 통해 상기 고순도 H2를 추출하는 것일 수 있다.In one embodiment, step (e) may be extracting the high purity H 2 through a hydrogen pressure swing adsorption (PSA) process.

일 실시예에 있어서, 상기 (g) 단계에서, 상기 복합개질기 연소부로 투입되는 가스는 CO 및 H2를 포함할 수 있다.In one embodiment, in step (g), the gas introduced into the combustion unit of the combined reformer may include CO and H 2 .

일 실시예에 있어서, 상기 (b) 단계에서, CH4/COx(x=1 또는 2) 비가 0.5 내지 1.5일 수 있다.In one embodiment, in step (b), the CH 4 /CO x (x=1 or 2) ratio may be 0.5 to 1.5.

일 실시예에 있어서, 상기 (g) 단계에서 이산화탄소를 포집하는 단계는, 이산화탄소를 화학흡수법 또는 흡착법을 이용하여 회수 및 분리하여 95% 이상의 이산화탄소를 포집하는 단계; 및 상기 포집된 이산화탄소로부터 수분, 산성물질, 부식성 물질 및 염 발생 물질을 제거하여 순도 99.5% 이상의 이산화탄소를 얻는 정제단계;를 포함할 수 있다. In one embodiment, the step of capturing carbon dioxide in step (g) includes recovering and separating carbon dioxide using a chemical absorption or adsorption method to capture more than 95% of carbon dioxide; and a purification step of removing moisture, acidic substances, corrosive substances and salt-generating substances from the captured carbon dioxide to obtain carbon dioxide with a purity of 99.5% or more.

일 실시예에 있어서, 상기 (f) 단계는, CO를 함유한 테일가스를 미생물로 발효시켜 에탄올로 전환시키는 단계일 수 있다.In one embodiment, step (f) may be a step of converting tail gas containing CO into ethanol by fermenting it with microorganisms.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제철소 부생가스와 LNG를 활용하여 수소와 고부가 알코올을 포함하는 제품을 생산하여 CO2 온실가스 감축 및 탄소자원화가 가능한 효과가 있다. 또한, 공정내 온도를 최적화함과 동시에 발생한 수증기를 복합개질에 재순환 시킴으로써 수소 및 일산화탄소 생산량을 최대화하는 효과가 있다. 또한, 이산화탄소 포집 후 잔류가스를 재순환시킴으로써 개질 공정의 운영 효율을 향상시키고 수익성을 증가시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention as described above, a product containing hydrogen and high value-added alcohol is produced using steel mill by-product gas and LNG, thereby reducing CO 2 greenhouse gases and converting carbon into resources. In addition, it has the effect of maximizing hydrogen and carbon monoxide production by optimizing the temperature within the process and simultaneously recycling the generated water vapor to the complex reforming. Additionally, by recirculating the residual gas after carbon dioxide capture, the operating efficiency of the reforming process can be improved and profitability can be increased.

물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Of course, the scope of the present invention is not limited by this effect.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제철 부생가스를 이용한 수소 및 일산화탄소 제조 방법의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 개질기의 개략적인 구조이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 에탄올 발효 공정의 개략적인 구성도이다.
Figure 1 is a schematic diagram of a method for producing hydrogen and carbon monoxide using steel by-product gas according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a schematic structure of a reformer according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a schematic diagram of a bioethanol fermentation process according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the attached drawings. Embodiments of the present invention may be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. Additionally, the embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those with average knowledge in the art. Accordingly, the shapes and sizes of elements in the drawings may be exaggerated for clearer explanation, and elements indicated by the same symbol in the drawings are the same elements.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제철 부생가스를 이용한 수소 및 에탄올 제조 방법의 개략적인 구성도이다. 본 발명은, LNG와 부생가스 원료로 촉매 반응을 통해 CO 및 H2를 생산하되, 반응 중 발생한 열로 수증기를 발생시켜 공급하고, H2 PSA공정으로 고순도의 수소를 생산한 후 남은 잔여가스를 바이오 발효시켜 에탄올을 생산하는 기술에 관한 것이다.Figure 1 is a schematic diagram of a method for producing hydrogen and ethanol using steel by-product gas according to an embodiment of the present invention. The present invention produces CO and H 2 through a catalytic reaction using LNG and by-product gas raw materials, generates and supplies water vapor using the heat generated during the reaction, and produces high-purity hydrogen through the H 2 PSA process and uses the remaining gas as a bio-process. This relates to technology for producing ethanol through fermentation.

도 1을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명하면 다음과 같다. The present invention will be described in detail with reference to FIG. 1 as follows.

먼저, 가스 혼합기(10)에 제철 공정에서 발생되는 부생가스인 고로 가스(BFG)와 전로 가스(LDG)를 주입하여 혼합한다. 제철소의 고로에서 고로 가스(BLAST FURNACE GAS, BFG)가 부생가스로서 획득되며, 고로에서 생성된 선철(pig iron)은 전로 (basic oxygen furnace)에서 강철로 대부분 변환되는데, 이 때 전로에서 전로 가스(Linz-Donawitz Converter Gas, LDG)가 획득된다. 고로 가스(BFG) 및 전로 가스(LDG)는 CO 및 CO2를 주성분으로 포함하며, 구성 성분의 대략적인 체적은 하기 표 1 및 표 2와 같다.First, blast furnace gas (BFG) and converter gas (LDG), which are by-product gases generated in the steelmaking process, are injected into the gas mixer 10 and mixed. BLAST FURNACE GAS (BFG) is obtained as a by-product gas in the blast furnace of a steel mill, and most of the pig iron generated in the blast furnace is converted to steel in a basic oxygen furnace. At this time, the converter gas ( Linz-Donawitz Converter Gas (LDG) is obtained. Blast furnace gas (BFG) and converter gas (LDG) contain CO and CO 2 as main components, and the approximate volumes of the components are shown in Tables 1 and 2 below.

BFG 성분BFG Ingredients CO2 CO2 COC.O. H2 H 2 N2 N 2 함량(부피%)Content (volume%) 2121 2222 33 5454

LDG 성분LDG composition CO2 CO2 COC.O. N2N2 기타(H2, O2)Others (H 2 , O 2 ) 함량(부피%)Content (volume%) 1818 6464 1616 22

부생가스 중 전로 가스(LDG)는 철강 조업상황에 따라 유량이 심하게 변동하는 특징이 있고, 고로 가스(BFG)는 불활성 기체인 N2가 많은 특징이 있다. 일 실시예에 있어서, 반응에 필요한 CO 및 CO2 농도를 기준으로 LDG를 우선적으로 가스 혼합기(10)에 투입하고, LDG 유량이 변동될때 부족분 만큼 BFG를 대체연료로 투입할 수 있다. Among by-product gases, converter gas (LDG) has a characteristic that the flow rate fluctuates greatly depending on the steel operation conditions, and blast furnace gas (BFG) has a characteristic that it contains a lot of N 2 , an inert gas. In one embodiment, LDG is preferentially introduced into the gas mixer 10 based on the CO and CO 2 concentrations required for the reaction, and when the LDG flow rate changes, BFG may be added as an alternative fuel to compensate for the shortfall.

다음으로, LDG 및 BFG 부생가스 혼합물에 LNG(액화천연가스)를 추가로 주입하고 가스 예열기(20)에서 예열한다. Next, LNG (liquefied natural gas) is additionally injected into the LDG and BFG by-product gas mixture and preheated in the gas preheater 20.

LNG 가스 연료는 CH4가 주성분이며 구체적인 조성은 하기 표 3과 같다.The main component of LNG gas fuel is CH 4 and the specific composition is shown in Table 3 below.

LNG 성분LNG component CH4 CH 4 C2H6 C 2 H 6 C3H8 C 3 H 8 기타etc 함량(부피%)Content (volume%) 91.491.4 5.35.3 2.42.4 0.90.9

가스 예열기(20)는 후술할 복합개질기(30) 전단에 설치되어 복합개질기(30)에 투입되는 복합가스를 승온시킬 수 있다. 바람직하게는, 복합가스를 약 400℃까지 승온시킴으로써 연료 사용량을 최소화할 수 있다. 일반적인 가스 열교환기와 달리, 가스 예열기(20)는 연료 가스와 수증기가 혼합되어 예열되는 공간을 제공하도록 마련될 수 있다. 후술할 식 1과 같이, CH4과 CO2 의 반응에서는, CH4:CO2=3:1의 몰비로 환원가스 전환 반응이 진행된다. 즉, CH4:CO2=3:1을 충족시키게 부생가스 혼합물에 LNG를 첨가하면, 환원가스 전환 반응에 적합한 원료 가스 조성을 얻을 수 있다. 단, CH4과 CO2 의 몰비는 특히 한정되지 않고, CH4/CO2비가 1~5의 범위가 되도록 적당히 조정하면 좋다. The gas preheater 20 is installed in front of the composite reformer 30, which will be described later, and can raise the temperature of the composite gas input to the composite reformer 30. Preferably, fuel usage can be minimized by raising the temperature of the composite gas to about 400°C. Unlike a typical gas heat exchanger, the gas preheater 20 may be provided to provide a space in which fuel gas and water vapor are mixed and preheated. As shown in Equation 1, which will be described later, in the reaction between CH 4 and CO 2 , the reduction gas conversion reaction proceeds at a molar ratio of CH 4 : CO 2 = 3:1. That is, by adding LNG to the by-product gas mixture to satisfy CH 4 :CO 2 =3:1, a raw material gas composition suitable for the reduction gas conversion reaction can be obtained. However, the molar ratio between CH 4 and CO 2 is not particularly limited, and may be adjusted appropriately so that the CH 4 /CO 2 ratio is in the range of 1 to 5.

상기 표 1 내지 표 3에 나타낸 성분비에 따라 CH4:CO2=3:1이 되도록 부생가스 및 LNG를 혼합할 경우, 복합가스 내 CH4/COx (x=1 또는 2) 의 비는 0.5 내지 1.5 범위를 충족시킬 수 있다. 예컨대, CH4/COx (x=1 또는 2) 의 비가 0.5인 경우 부생 가스 및 LNG의 혼합 비율이 62.9% 및 37.1%일 수 있다. 예컨대, CH4/COx (x=1 또는 2) 비가 1.5인 경우 부생 가스 및 LNG의 혼합 비율이 59% 및 41%일 수 있다. 다만, 복합가스 내 CH4/COx (x=1 또는 2) 비는 공정 운행 조건 또는 부생가스 유량에 따라 변동될 수 있다.When by-product gas and LNG are mixed so that CH 4 :CO 2 = 3:1 according to the component ratios shown in Tables 1 to 3, the ratio of CH 4 /CO x (x = 1 or 2) in the composite gas is 0.5 It can meet the range of 1.5 to 1.5. For example, when the ratio of CH 4 /CO x (x=1 or 2) is 0.5, the mixing ratio of byproduct gas and LNG may be 62.9% and 37.1%. For example, when the CH 4 /CO x (x=1 or 2) ratio is 1.5, the mixing ratio of byproduct gas and LNG may be 59% and 41%. However, the CH 4 /CO x (x=1 or 2) ratio in the complex gas may vary depending on process operating conditions or by-product gas flow rate.

상기 예열된 BFG, LDG 및 LNG 복합가스를 복합개질기(30)에 공급하여 이중 개질 반응(Bi-reforming reaction) 시킨다. 이중 개질 반응(Bi-reforming reaction)은, 하기의 반응식과 같이 반응하여 천연가스(natural gas)와 수증기(steam)가 CO 및 H2를 포함하는 고온의 환원가스로 전환되는 공정이다. The preheated BFG, LDG, and LNG composite gas is supplied to the composite reformer 30 to undergo a double reforming reaction (Bi-reforming reaction). Bi-reforming reaction is a process in which natural gas and steam are converted into a high-temperature reduced gas containing CO and H 2 by reacting according to the reaction equation below.

<식 1><Equation 1>

3CH4 + CO2 + 2H2O → 4CO + 8H2 3CH 4 + CO 2 + 2H 2 O → 4CO + 8H 2

환원가스를 형성함에 있어서, (BFG + LDG) 및 LNG의 몰비 = 1:3 을 만족할 수 있는 BFG + LDG 및 LNG가 혼합되는 유량비는 65% : 35% ) 내지 55% : 45%일 수 있다. 또한, 환원 가스의 몰비 기준으로 BFG + LDG 및 LNG의 비율이 상기 범위를 만족하는 경우 환원가스 전환에 적합한 원료 가스 조성을 제공할 수 있다. 이중 개질 반응은 강한 흡열 반응을 일으키므로 외부에서 반응열의 공급이 필요하다. 예를 들어, 800℃ 내지 1000℃의 고온 조건에서 반응을 수행할 수 있다. 이러한 온도 조건에서 생성되는 환원 가스량을 최적화시키기 위한 최적의 CO2의 농도는 예를 들어, 복합가스 총 부피를 기준으로 10 내지 20부피%일 수 있다. In forming a reducing gas, the flow rate ratio of BFG + LDG and LNG mixed to satisfy the molar ratio of (BFG + LDG) and LNG = 1:3 may be 65%: 35%) to 55%: 45%. In addition, when the ratio of BFG + LDG and LNG satisfies the above range based on the molar ratio of the reducing gas, a raw material gas composition suitable for conversion to reducing gas can be provided. Since the double reforming reaction causes a strong endothermic reaction, an external supply of reaction heat is required. For example, the reaction can be performed under high temperature conditions of 800°C to 1000°C. The optimal concentration of CO 2 to optimize the amount of reducing gas produced under these temperature conditions may be, for example, 10 to 20% by volume based on the total volume of the complex gas.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합개질기(30)의 개략적인 구조이다. 복합개질기(30)는 가열로(furnace) 내 원통 형상으로 밀폐된 버너 하우징(gas burners)을 가질 수 있다. 버너는 연료를 연소시켜 배가스를 발생시키면서 반응 튜브를 가열하는 역할을 한다. 버너 하우징은 발열량이 상이한 가스가 혼합되어 연속적인 연소가 가능하도록 마련될 수 있다. 예컨대, 저발열량인 BFG, LDG가 연소함과 동시에 고발열량의 LNG도 연소하는 버너의 특징을 가질 수 있다. 이로써 각 연료의 특성에 맞게 연소시켜 연소효율을 향상시키고 CO 및 H2 가스를 원활하게 회수할 수 있다. Figure 2 is a schematic structure of a composite reformer 30 according to an embodiment of the present invention. The composite reformer 30 may have burner housings (gas burners) sealed in a cylindrical shape within a furnace. The burner burns fuel to generate exhaust gas and heats the reaction tube. The burner housing may be prepared to enable continuous combustion by mixing gases with different calorific values. For example, the burner may have the characteristic of burning BFG and LDG, which have low calorific value, and simultaneously burning LNG, which has high calorific value. This allows combustion to be tailored to the characteristics of each fuel, improving combustion efficiency and smoothly recovering CO and H 2 gas.

복합개질기(30) 내부에는 개질반응이 일어나는 다수의 반응 튜브(reformer tubes)가 수직으로 설치될 수 있다. 이중 개질 반응에 사용되는 촉매는 반응 튜브에 함유된 것으로서, 예를 들어 Ni을 포함하는 촉매일 수 있고, 바람직하게는 Ni-Co를 포함하는 촉매일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이중 개질 반응은, 예를 들어, 1 내지 5 kgf/Cm2 의 압력조건에서 수행될 수 있다. 상기 가열로(furnace)에서 배출된 배가스(flue gas)는 대류 영역(convection section)으로 이송되어 천연가스 및 수증기와 열교환할 수 있다. Inside the complex reformer 30, a plurality of reaction tubes (reformer tubes) where reforming reactions occur may be installed vertically. The catalyst used in the double reforming reaction is contained in the reaction tube and may be, for example, a catalyst containing Ni, preferably a catalyst containing Ni-Co, but is not limited thereto. The double reforming reaction may be performed, for example, under pressure conditions of 1 to 5 kgf/Cm 2 . Flue gas discharged from the furnace may be transferred to a convection section and exchange heat with natural gas and water vapor.

이중 개질 반응은 고온의 반응조건(800℃ 내지 1000℃)을 가지므로, 후술할 H2 PSA 공정에 투입하기 위해 가스를 냉각시킬 필요가 있다. 바람직하게는, 냉각수(용수)를 가스 냉각기(40)에 투입하여 40℃ 정도로 냉각시킨다. 이 때, 가스와의 열교환에 의해 냉각수가 증기로 변환되고, 변환된 증기를 가스 예열기(20)에 투입할 수 있다. 수증기를 개질반응의 연료로 재활용함으로써 전체적인 공정의 생산성뿐만 아니라 경제성까지 확보할 수 있는 효과를 구현할 수 있다. Since the double reforming reaction has high temperature reaction conditions (800°C to 1000°C), it is necessary to cool the gas in order to input it into the H2 PSA process, which will be described later. Preferably, cooling water (water) is put into the gas cooler 40 and cooled to about 40°C. At this time, the cooling water is converted into steam through heat exchange with the gas, and the converted steam can be input into the gas preheater 20. By recycling steam as fuel for reforming reactions, it is possible to achieve the effect of securing not only productivity but also economic efficiency of the overall process.

다음으로, 냉각된 환원가스에서 고순도(99.999%) H2를 추출한다. 고순도 H2는 압력변동흡착(PSA:Pressure Swing Adsorption) 장치(50)로부터 수소 추출 공정을 통해 선택적으로 추출될 수 있다. 상기 수소 PSA는 수소가 포함된 혼합 가스로부터 수소를 고순도로 정제하기 위해 압력이 높은 상태에서 불순물을 흡착시켜 제거하는 공정 기술이며, 흡착된 물질을 탈착시켜 재생할 때에는 압력을 낮추게 된다. PSA 가스 분리 시스템에서는 분리 대상 가스에 따라 상이한 흡착제를 사용하며, 수소의 분리를 위한 H2 PSA에 사용될 수 있는 흡착제는 PSA CMS(Carbon Molecular Sieve), 제올라이트 등을 들 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 수소를 단독으로 흡착할 수 있는 어떠한 흡착제도 이용할 수 있다. 이렇게 추출된 고순도 H2는 연료전지차 또는 발전에 필요한 연료로서 투입됨으로써 경제적 효과의 구현이 가능할 수 있다.Next, high purity (99.999%) H 2 is extracted from the cooled reducing gas. High purity H 2 can be selectively extracted from a pressure swing adsorption (PSA) device 50 through a hydrogen extraction process. The hydrogen PSA is a process technology that adsorbs and removes impurities under high pressure to purify hydrogen from a mixed gas containing hydrogen to high purity, and the pressure is lowered when the adsorbed material is desorbed and regenerated. In the PSA gas separation system, different adsorbents are used depending on the gas to be separated. Adsorbents that can be used in H 2 PSA for hydrogen separation include, but are not limited to, PSA CMS (Carbon Molecular Sieve), zeolite, etc. Any adsorbent that can independently adsorb hydrogen can be used. The high purity H 2 extracted in this way can be used as fuel for fuel cell vehicles or power generation, thereby realizing economic effects.

이어서, 상기와 같이 H2를 추출하고 남은 테일가스를 에탄올 발효기에 공급하는 단계를 수행한다. 테일가스는 압력변동흡착(PSA:Pressure Swing Adsorption) 장치(50)에서 H2를 추출하고 남은 가스를 의미하는 것으로, 상기 테일가스는 비연속적 또는 연속적으로 배출되게 된다. 따라서, 이를 이용할 수 있도록 포집하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 테일가스를 포집하기 위해서 저압의 저장용기를 이용할 수 있다. 테일가스는 H2 를 주성분으로서 포함하고, 이외에 CO, CO2, N2로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 특히, 테일가스에 포함된 H2의 함량은 수소 추출 공정에 의해 회수되는 수소회수율에 따라 결정될 수 있다. 수소 추출 공정이 99%의 고순도를 생산할 경우 수소회수율은 예를 들어, 50 내지 80%일 수 있고, 이 경우 테일가스 총 부피를 기준으로 H2는 20 내지 40 부피%를 이룰 수 있다.Next, the step of extracting H 2 as described above and supplying the remaining tail gas to the ethanol fermenter is performed. Tail gas refers to the gas remaining after H 2 is extracted from the pressure swing adsorption (PSA: Pressure Swing Adsorption) device 50, and the tail gas is discharged discontinuously or continuously. Therefore, it is desirable to include a step of collecting it so that it can be used. For example, a low-pressure storage vessel can be used to collect the tail gas. The tail gas contains H 2 as a main component, and may further include one or more selected from the group consisting of CO, CO 2 , and N 2 . In particular, the content of H 2 contained in the tail gas can be determined depending on the hydrogen recovery rate recovered through the hydrogen extraction process. When the hydrogen extraction process produces high purity of 99%, the hydrogen recovery rate may be, for example, 50 to 80%, and in this case, H 2 may be 20 to 40% by volume based on the total volume of the tail gas.

다음으로, 에탄올 반응기에서 CO를 활용하여 에탄올을 발효하는 단계를 수행한다. 도 3은 바이오에탄올 발효 공정의 개략도이다. CO가 함유된 테일가스는 가스 처리와 승압을 거쳐 에탄올 발효기(60)로 유입되고, 하기 식 2와 같이 미생물 반응을 통해 에탄올이 생성된다. 미생물 발효 시, 필요에 따라 에탄올 제조 성능 향상을 위해 일정 전류를 인가함으로써 탄소 포획 효율을 향상시킬 수 있다. 이산화탄소가 95~99.5%의 고순도로 생산될 경우 CO 전환율은 90%일 수 있다.Next, the step of fermenting ethanol using CO is performed in an ethanol reactor. Figure 3 is a schematic diagram of the bioethanol fermentation process. Tail gas containing CO flows into the ethanol fermenter 60 through gas treatment and pressure boosting, and ethanol is produced through microbial reaction as shown in Equation 2 below. During microbial fermentation, carbon capture efficiency can be improved by applying a certain current to improve ethanol production performance as needed. If carbon dioxide is produced with a high purity of 95-99.5%, the CO conversion rate can be 90%.

<식 2><Equation 2>

6CO + 3 H2O -> C2H2OH(에탄올) + 4CO2 6CO + 3 H 2 O -> C 2 H 2 OH (ethanol) + 4CO 2

생성된 에탄올은 정제 설비를 거쳐 고순도의 에탄올로 판매된다. 여기서 발생된 증기는 공정 중 필요한 에너지로 재활용되어 공정의 효율을 향상시킬 수 있다. 에탄올 제조 후 남는 잔류 가스는 이산화탄소 포집 후 복합개질기(30)로 투입되어 활용될 수 있다. 에탄올은 화석연료를 대체하는 친환경 바이오 연료로서, 상기와 같은 본 발명의 실시예에 따르면 제철 공정의 부생가스를 활용해 에탄올을 생산할 수 있어 친환경적이다.The produced ethanol goes through a purification facility and is sold as high-purity ethanol. The steam generated here can be recycled as energy needed during the process to improve process efficiency. The residual gas remaining after producing ethanol can be utilized by collecting carbon dioxide and then inputting it into the complex reformer (30). Ethanol is an eco-friendly biofuel that replaces fossil fuels, and according to the embodiment of the present invention as described above, ethanol can be produced using by-product gas from the steelmaking process, making it environmentally friendly.

에탄올을 발효한 후 남은 잔류가스에는 CO2, N2, CO 및 H2 가 포함될 수 있다. 상기 잔류가스는 이산화탄소 포집 장치(70)로 투입된다. 이산화탄소를 포집하는 단계는 아민류의 흡수제를 이용한 습식공정을 적용할 수 있다. 이때 사용할 수 있는 아민류는 이에 한정하는 것은 아니지만, 모노에탄올아민(MEA), 디에탄올아민(DEA), 트리에탄올아민(TEA), 메틸디에탄올아민(MDEA), 2-아미노-2-메틸-1-프로판올 등을 들 수 있다. 상기 방법에 의해 포집된 이산화탄소에 존재하는 수분, 산성물질, 부식성 물질 및 염발생 물질을 제거하여 순도 99.5% 이상의 이산화탄소를 얻을 수 있다. CO2가 제거된 가스에는 CO 및 H2가 포함될 수 있다. CO2가 제거된 가스를 복합개질기(30)의 연소부로 투입하여 연료로 활용할 수 있다.The residual gas remaining after fermenting ethanol may include CO 2 , N 2 , CO and H 2 . The residual gas is input into the carbon dioxide capture device (70). The step of capturing carbon dioxide can be done using a wet process using an amine absorbent. Amines that can be used at this time are not limited to these, but include monoethanolamine (MEA), diethanolamine (DEA), triethanolamine (TEA), methyldiethanolamine (MDEA), 2-amino-2-methyl-1- Propanol, etc. can be mentioned. By removing moisture, acidic substances, corrosive substances and salt-generating substances present in the carbon dioxide captured by the above method, carbon dioxide with a purity of 99.5% or more can be obtained. The gas from which CO 2 has been removed may include CO and H 2 . The gas from which CO 2 has been removed can be used as fuel by inputting it into the combustion section of the combined reformer (30).

상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 제철 부생가스로부터 수소를 자원화하여 수소연료전기차, 발전소 등에 안정적으로 수소를 공급함으로써 수소경제를 활성화시킬 수 있다. 또한, 부생가스의 주요 성분인 CO를 에탄올로 전환하여 기존 석유 화학 공정 대비 높은 경제성을 확보할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 공정내 발생한 수증기를 복합개질 공정에 투입하여 CO 및 H2 생산량을 최대화하는 효과가 있다. 뿐만 아니라, 이산화탄소가 제거된 잔류가스를 복합개질 공정에 재순환시킴으로써 개질 공정의 운영 효율을 향상시키고 수익성을 증가시킬 수 있다.According to the embodiment of the present invention as described above, the hydrogen economy can be revitalized by recycling hydrogen from steel by-product gas and stably supplying hydrogen to hydrogen fuel electric vehicles, power plants, etc. In addition, CO, the main component of by-product gas, can be converted into ethanol, ensuring higher economic efficiency compared to existing petrochemical processes. According to an embodiment of the present invention, there is an effect of maximizing CO and H 2 production by injecting water vapor generated during the process into the complex reforming process. In addition, by recirculating the residual gas from which carbon dioxide has been removed into the complex reforming process, the operating efficiency of the reforming process can be improved and profitability can be increased.

본 발명에서 사용한 용어는 특정한 실시예를 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하고자 하는 것이 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하지 않는 한, 복수의 의미를 포함한다고 보아야 할 것이다. "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재한다는 것을 의미하는 것이지, 이를 배제하기 위한 것이 아니다. 본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.The terms used in the present invention are for describing specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Unless it is clear from the context, singular expressions should be considered to have a plural meaning. Terms such as “include” or “have” mean that features, numbers, steps, operations, components, or combinations thereof described in the specification exist, but are not intended to exclude them. The present invention is not limited by the above-described embodiments and attached drawings, but is intended to be limited by the attached claims. Accordingly, various forms of substitution, modification, and change may be made by those skilled in the art without departing from the technical spirit of the present invention as set forth in the claims, and this also falls within the scope of the present invention. something to do.

10: 가스 혼합기
20: 가스 예열기
30: 복합개질기
40: 가스 냉각기
50: 압력변동흡착(PSA) 장치
60: 에탄올 발효기
70: 이산화탄소 포집 장치
10: Gas mixer
20: Gas preheater
30: Complex reformer
40: gas cooler
50: Pressure swing adsorption (PSA) device
60: Ethanol fermenter
70: Carbon dioxide capture device

Claims (10)

(a) 제철 공정에서 발생되는 부생가스인 고로 가스(BFG) 및 전로 가스(LDG)를 혼합하는 단계;
(b) 상기 부생가스에 LNG 를 투입하고 예열하는 단계;
(c) 상기 BFG, LDG 및 LNG 복합가스를 복합개질기에 공급하여 이중 개질 반응(Bi-reforming reaction)에 의해 CO 및 H2를 포함하는 환원가스로 전환하는 단계;
(d) 상기 환원가스에 냉각수를 공급하여 냉각시키는 단계;
(e) 냉각된 환원가스에서 고순도 H2를 추출하고, 남은 테일가스를 에탄올 발효기에 공급하는 단계;
(f) 상기 에탄올 발효기에서 CO를 활용하여 에탄올을 발효하는 단계; 및
(g) 에탄올을 발효한 후 남은 잔류가스 내 CO2를 포집하고, CO2가 제거된 가스는 상기 복합개질기 연소부로 투입하는 단계;를 포함하는,
제철 부생가스를 이용한 수소 및 에탄올 제조 방법.
(a) mixing blast furnace gas (BFG) and converter gas (LDG), which are by-product gases generated in the steelmaking process;
(b) adding LNG to the by-product gas and preheating it;
(c) supplying the BFG, LDG, and LNG composite gas to a composite reformer to convert it into a reduction gas containing CO and H 2 through a double reforming reaction (Bi-reforming reaction);
(d) cooling the reducing gas by supplying cooling water;
(e) extracting high purity H 2 from the cooled reducing gas and supplying the remaining tail gas to an ethanol fermentor;
(f) fermenting ethanol using CO in the ethanol fermentor; and
(g) collecting CO 2 in the residual gas remaining after fermenting ethanol, and injecting the gas from which CO 2 has been removed into the combustion unit of the combined reformer;
Method for producing hydrogen and ethanol using steel by-product gas.
제 1 항에 있어서
상기 복합가스 내 BFG, LDG 및 LNG의 유량비는 (BFG + LDG) : LNG = 65 : 35 내지 55 : 45 인,
제철 부생가스를 이용한 수소 및 에탄올 제조 제조 방법.
In clause 1
The flow ratio of BFG, LDG and LNG in the composite gas is (BFG + LDG): LNG = 65:35 to 55:45,
Manufacturing method for producing hydrogen and ethanol using steel by-product gas.
제 1 항에 있어서,
상기 (d) 단계 이후, 환원가스 냉각에 의해 발생된 수증기를 (b) 예열 공정에 투입하는 단계;를 더 포함하는,
제철 부생가스를 이용한 수소 및 에탄올 제조 방법.
According to claim 1,
After step (d), it further includes the step of introducing water vapor generated by cooling the reducing gas into (b) the preheating process,
Method for producing hydrogen and ethanol using steel by-product gas.
제 1 항에 있어서,
상기 복합개질기 연소부는,
상기 복합가스의 연속적인 연소가 가능하도록 버너 하우징을 포함하는,
제철 부생가스를 이용한 수소 및 에탄올 제조 방법.
According to claim 1,
The combined reformer combustion section,
Comprising a burner housing to enable continuous combustion of the composite gas,
Method for producing hydrogen and ethanol using steel by-product gas.
제 1항에 있어서,
상기 이중 개질 반응(Bi-reforming reaction)의 반응온도는 800 내지 1000℃인,
제철 부생가스를 이용한 수소 및 에탄올 제조 방법.
According to clause 1,
The reaction temperature of the Bi-reforming reaction is 800 to 1000°C,
Method for producing hydrogen and ethanol using steel by-product gas.
제 1 항에 있어서,
상기 (e) 단계는
수소 압력변동흡착 공정(PSA)을 통해 상기 고순도 H2를 추출하는 것인,
제철 부생가스를 이용한 수소 및 에탄올 제조 방법.
According to claim 1,
The step (e) is
Extracting the high purity H 2 through a hydrogen pressure swing adsorption process (PSA),
Method for producing hydrogen and ethanol using steel by-product gas.
제 1 항에 있어서,
상기 (g) 단계에서,
상기 복합개질기 연소부로 투입되는 가스는 CO 및 H2를 포함하는,
제철 부생가스를 이용한 수소 및 에탄올 제조 방법.
According to claim 1,
In step (g) above,
The gas introduced into the combustion section of the combined reformer contains CO and H 2 .
Method for producing hydrogen and ethanol using steel by-product gas.
제 1 항에 있어서,
상기 (b) 단계에서,
CH4/COx(x=1 또는 2) 비가 0.5 내지 1.5인,
제철 부생가스를 이용한 수소 및 에탄올 제조 방법.
According to claim 1,
In step (b) above,
CH 4 /CO x (x=1 or 2) ratio is 0.5 to 1.5,
Method for producing hydrogen and ethanol using steel by-product gas.
제 1 항에 있어서,
상기 (g) 단계에서 이산화탄소를 포집하는 단계는,
이산화탄소를 화학흡수법을 이용하여 회수 및 분리하여 95% 이상의 이산화탄소를 포집하는 단계; 및
상기 포집된 이산화탄소로부터 수분, 산성물질, 부식성 물질 및 염 발생 물질을 제거하여 순도 99.5% 이상의 이산화탄소를 얻는 정제단계;를 포함하는,
제철 부생가스를 이용한 수소 및 에탄올 제조 방법.
According to claim 1,
The step of capturing carbon dioxide in step (g) is,
Recovering and separating carbon dioxide using a chemical absorption method to capture more than 95% of carbon dioxide; and
Including a purification step of removing moisture, acidic substances, corrosive substances and salt-generating substances from the captured carbon dioxide to obtain carbon dioxide with a purity of 99.5% or more.
Method for producing hydrogen and ethanol using steel by-product gas.
제 1 항에 있어서,
상기 (f) 단계는,
CO를 함유한 테일가스를 미생물로 발효시켜 에탄올로 전환시키는 단계인,
제철 부생가스를 이용한 수소 및 에탄올 제조 방법.
According to claim 1,
In step (f),
This is the step of converting tail gas containing CO into ethanol by fermenting it with microorganisms.
Method for producing hydrogen and ethanol using steel by-product gas.
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