KR20170075852A - 열풍로를 이용한 이산화탄소 분해 및 재활용 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열풍로(Hot Stove)의 축열실에 저장된 열에너지와 외부에서 공급된 메탄 가스의 연소열을 사용하여 용광로(고로, Blast Furnace)에서 배출된 폐가스 중 이산화탄소를 분리해서 이산화탄소를 열풍로 축열실로 보내서 이를 분해하는 기술에 관한 것이다.
또한, 본 발명에 의해서 이산화탄소와 메탄 가스를 열풍로 축열실로 보내게 되면 축열과 연소열로 인해 이산화탄소와 메탄 가스는 일산화탄소와 수소 가스로 분해가 되며, 분해된 일산화탄소와 수소 가스는 용광로로 다시 보내게 되면 철광석을 환원시키는 환원 가스로 역할을 하는 기술에 관한 것이다.

Description

열풍로를 이용한 이산화탄소 분해 및 재활용 방법 {Apparatus and Method of Recycling and Decomposition of Carbon Dioxide via Accumulated Energy of Hot Stove}
본 발명은 철광석으로부터 용선(Molten Steel)을 생산하는 과정에서 대량으로 발생이 되는 이산화탄소를 분해해서 다시 재사용(Recycling)하는 기술에 관한 것이다.
구체적으로, 본 발명은 용광로(Blast Furnace)에서 배출되는 폐가스로부터 이산화탄소를 분리하여 이것을 메탄 가스와 함께 열풍로 축열실로 보내서 축열과 발열 에너지를 이용하여 일산화탄소와 수소로 분해시킨 후 이를 용광로 내 철광석을 환원시키는 환원 가스로 재사용하는 기술에 관한 것이다.
일반적으로, 용광로에서 배출되는 이산화탄소는 용선(Molten Iron) 1.0 톤 생산 시 약 2.0 톤의 이산화탄소가 발생이 되며, 철강공정에서 생산되는 이산화탄소의 약 80%가 제선공정(Iron Making Process)에서 만들어지며, 이것은 지구 온난화의 주범이기 때문에 전세계 철강사들은 이산화탄소 문제를 해결하기 위해 여러 방법을 사용하고 있다.
그 대표적인 기술로는 도 2에서 보는 바와 같이 이산화탄소를 분리해서 이를 이송해서 폐광산이나 깊은 바다 속에 매장시키는 기술을 개발하고 있다(유럽연방 지원 기술). 이 기술은 이산화탄소를 이송하고 매장하는 데 비용이 많이 들 뿐 만 아니라, 부식성이 강한 이산화탄소 이송에 필요한 고가의 강재을 사용해야 하는 문제를 가지고 있다.
최근에는 이러한 문제점을 해결하기 위해 여러 가지 방법에 대해서 많이 소개가 되고 있다. 미국특허 US 2014-0130639A1에서는 태양광 및 풍력 등 재생 에너지를 이용해서 이산화탄소를 분해해서 재사용하는 것이며, 미국 특허 2014-0047818A1, 중국 특허 103380216, 유럽 특허 EP2350324, 미국 특허 2012-0214116, 유럽 특허 EP0032523A2에서는 주로 폐열을 재사용하거나 폐가스를 열풍로로 재사용함으로써 열효율 향상을 시키는 기술에 대해서 소개하고 있다.
위에서 언급된 방법은 이산화탄소를 열풍로의 축열실에 저장된 축열과 메탄 가스의 발열 에너지를 이용하여 분해하는 기술에 관한 것이 아니기 때문에 지구 온난화의 주범인 이산화탄소 해결에 관한 기술이 아니다.
미국 특허공개번호 제2014-0130639호 미국 특허공개번호 제2014-0047818호
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위한 것으로, 열풍로(Hot Stove)의 축열실에 저장된 열에너지와 외부에서 공급된 메탄 가스의 연소열을 사용하여 용광로(고로, Blast Furnace)에서 배출된 폐가스 중 이산화탄소를 분리해서 이산화탄소를 열풍로 축열실로 보내서 이를 분해하는 기술에 관한 것이다.
또한 본 발명에 의해서 이산화탄소와 메탄 가스를 열풍로 축열실로 보내게 되면 축열과 연소열로 인해 이산화탄소와 메탄 가스는 일산화탄소와 수소 가스로 분해가 되며, 분해된 일산화탄소와 수소 가스는 용광로로 다시 보내게 되면 철광석을 환원시키는 환원 가스로 역할을 하는 기술에 관한 것이다.
본 발명에서 단순하게 분리된 이산화탄소와 메탄 가스를 열풍로의 축열실로 보내서 축열과 연소열을 이용하여 이산화탄소를 분해하고 재사용하는 기술에 그치는 것이 아니라, 분해 효율을 높이기 위해 용광로와 열풍로 축열 시 발생되는 폐가스를 이용하여 이산화탄소와 메탄 가스를 예열하는 것을 포함할 뿐 만 아니라 메탄 가스에 추가해서 철강공정에서 많이 발생되는 수증기나 산소를 첨가하는 것을 포함한 기술을 제안하고자 한다.
본 발명은 기존의 문제점을 해결하기 위하여 열풍로(Hot Stove)의 축열실에 저장된 열에너지와 외부에서 공급된 메탄 가스의 연소열을 사용하여 용광로(고로, Blast Furnace)에서 배출된 폐가스 중 이산화탄소를 분리해서 이산화탄소를 열풍로 축열실로 보내서 이를 분해하는 기술에 관한 것이다.
일반적으로, 축열실에 축열이 되는 것은 연소가스를 연소실에서 연소하여 발생된 열을 이용하여 축열을 하며, 축열이 완료되면 반대 방향으로 공기를 집어 넣어 약 1,250℃로 승온하여 용광로의 열원으로 사용하고 있다. 여기서, 축열이 완료된 후 취입하는 공기 대신에 이산화탄소와 메탄 가스를 열풍로 축열실로 보내서 본 발명에 의한 목적을 달성하고자 한다.
축열실의 축열이 완료된 후 이산화탄소와 메탄가스의 유량은 각각 (30 ~ 70%)와 (70 ~ 30%) 유지하는 것이 좋으며, 가장 반응효율이 좋은 유량은 이산화탄소와 메탄가스를 각각 50%와 50%로 할 때이다. 반응을 촉진하기 위해 체류시간은 기존에 공기를 송풍할 때와 동일한 수준을 유지하면 된다.
또한, 본 발명에 의해서 이산화탄소와 메탄 가스를 열풍로 축열실로 보내게 되면 축열과 연소열로 인해 이산화탄소와 메탄 가스는 일산화탄소와 수소 가스로 분해가 되며, 분해된 일산화탄소와 수소 가스를 용광로로 다시 보내게 되면 철광석을 환원시키는 환원 가스로 역할을 하는 기술에 관한 것이다.
따라서, 본 발명은 궁극적으로 열풍로 축열실에 저장된 엄청난 량의 축열(Accumulated Thermal Energy)와 메탄 가스의 연소열을 이용하여 용광로에서 발생되는 이산화탄소를 일산화탄소(CO)와 수소(H2)로 분해를 한 후에 이를 용광로로 다시 송풍하는 것으로써, 용광로 내로 송풍된 일산화탄소와 수소는 철광석(Fe2O3, Fe3O4) 중에 산소와 만나서 철(Fe)를 만드는 환원 가스(Reduction Gas)의 역할을 하기 때문에, 본 발명은 이산화탄소 분해와 용광로에서 필요한 환원 가스를 생산하는 두 가지 효과를 가질 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 실시예에 따라 본 발명은 용광로에서 대량으로 배출되는 지구온난화 주범이 이산화탄소를 분해함으로써 이산화탄소 문제를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 분해된 일산화탄소와 수소는 용광로에서 열원 및 철광석을 환원시키는 환원 가스로의 역할을 동시에 하는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 용광로(1)를 이용하여 용선(Molten Iron)을 생산하는 일반적인 구조를 개시한 것이다.
도 2는 도 2는 유럽 연합에서 철강공정에서 발생되는 이산화탄소 문제를 해결하기 위해 이산화탄소 분리 장치(8)를 사용한 구조를 개시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따라 열풍로 축열실(2)을 이용한 구조를 개시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 부호가 사용되며, 이에 따라 중복되는 부가적인 설명은 아래에서 생락된다. 아래에서 참조되는 도면들에서는 축적비가 적용되지 않는다.
도 1은 일반적인 용광로(1)를 이용하여 용선(Molten Iron)을 생산하는 일반적인 구조로써 메탄 가스가 주 성분인 철강공정에서 생산되는 부생 가스인 BFG(Blast Furnace Gas)와 COG(Coke Oven Gas)를 열풍로 연소실(3)에서 연소한 열원을 이용하여 축열실(2) 내부에 있는 내화 벽돌에 축열을 하게 된다. 축열이 완료되면 송풍기(6)를 통해 공기를 축열실로 보내서 약 1,250℃로 승온시켜 용광로(1)로 송풍을 함으로써 용광로 열원으로 사용하게 된다.
도 2는 유럽 연합에서 철강공정에서 발생되는 이산화탄소 문제를 해결하기 위해 이산화탄소 분리 장치(8)을 통해 분리된 이산화탄소(9)를 수송해서 폐광이나 깊은 바닷속에 저장하는(10) 것을 설명하는 것이며, 또한 이산화탄소 분리 장치(8)에서 일산화탄소와 폐열을 용광로로 다시 송풍하는(12) 열효율 향상 기술에 관한 것이다.
도 3은 본 발명에 의한 기술을 설명하는 것으로써 열풍로 축열실(2)에 축열이 완료가 되면, 이산화탄소 분리 장치(8)에서 분리된 이산화탄소와 메탄 가스, 또는 이산화탄소와 메탄 가스 그리고 수증기, 또는 이산화탄소와 메탄 가스 그리고 산소를 송풍기(6)을 통해 열풍로 축열시(2)로 송풍을 하게 된다.
여기서는 이해를 돕기 위해 간단하게 이산화탄소와 메탄 가스를 가지고 설명을 하도록 한다. 이산화탄소와 메탄 가스가 열풍로 축열실에서 반응하는 반응식을 보면 다음과 같다.
CH4 + CO2 →2 CO + 2 H2
CO2 →CO + 0.5 O2 - 2.9 eV/mol
여기에서, CO2가 CO와 0.5 O2로 분해가 되기 위해서는 외부로부터 열을 필요로 하는 흡열반응을 보이고 있다. 용광로에 필요한 가스량을 만족하기 위해서, CO2만을 공급하고, 열풍로 축열실에 저장된 열원만을 이용하여 CO2를 분해하게 되면 그 분해 효율이 약 10.8% 밖에 되지 않는다. 축열실에 저장된 축열 만으로는 이산화탄소를 분해할 수 없을 뿐 만 아니라 용광로에 필요한 1,250℃로 승온 조차도 되지 않는다.
따라서 열풍로 축열실에 저장된 축열에 추가적인 열원을 만들기 위해서 이산화탄소에 메탄 가스를 혼합하여 열풍로 축열실에 보내게 되면 약 86.2 %의 효율을 보일 뿐만 아니라, 분해된 일산화탄소와 수소는 용광로에 필요한 1,250℃로 승온이 됨을 알 수 있다.
본 발명에 따라 앞에서 설명한 것을 정리하면 다음 표와 같으며, 제안 1이 가장 효율이 높음을 알 수 있다.
Figure pat00001
상기 표에서 언급이 되지 않았지만, 이산화탄소와 메탄 가스에 산소나 또는 수증기 또는 산소와 수증기를 혼합하여 사용할 수 있다.
그리고 효율을 향상 시키기 위해서 용광로(1)에서 배출되는 폐열과 열풍로 연소 시 발생되는 폐열을 이용하여 이산화탄소와 메탄 가스를 예열함으로써 효율을 높일 수 있게 된다. 예열기의 구성으로는 열풍로 축열 시 발생되는 폐열이 열교환기를 통과시켜 가열된 후 여기를 이산화탄소와 메탄가스가 통과됨으로써 예열을 하는 것이 경제적이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
본 발명의 실시예에 따라 본 발명은 용광로에서 대량으로 배출되는 지구온난화 주범이 이산화탄소를 분해함으로써 이산화탄소 문제를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 분해된 일산화탄소와 수소는 용광로에서 철광석을 환원시키는 환원 가스로의 역할을 동시에 하는 효과가 있다. 따라서 본 발명은 철강공정 특히 제선공정(Iron Making Processes)에서 이산화탄소 문제를 해결하는 데 그 활용성이 높다.
1: 용광로 (Blast Furnace)
2: 열풍로 축열실 (Heat Accumulator of Hot Stove)
3: 열풍로 연소실 (Furnace of Hot Stove)
4: 코크스 오븐 가스 홀더(COG Holder)
5: 용광로 가스 홀더 (BFG Holder)
6: 송풍기 (Blower)
7: 송풍용 파이프
8: 이산화탄소 분리 포집기
9: 이산화탄소가 풍부한 가스
10: 이산화탄소 저장소
11: 가열장치 (Heater)
12: 파이프
13: 이산화탄소 공급 장치
14: 메탄이 포함된 가스 또는 산소 공급 장치

Claims (8)

  1. 용광로에서 배출된 가스를 분리하는 이산화탄소 분리장치,
    이산화탄소를 메탄가스와 혼합하여 송풍시키는 혼합송풍기,
    혼합송풍기에서 송풍된 혼합 가스를 취입하여 일산화탄소 및 수소를 생성하는 축열실,
    축열실과 연소실을 구비하여 용광로에 고온 가스를 공급하는 열풍로를 포함하는
    용광로 배출 이산화탄소 재생 장치
  2. 제1항에 있어서, 혼합송풍기에 수증기 및 산소의 하나 이상이 추가로 혼합됨을 특징으로 하는 용광로 배출 이산화탄소 재생 장치
  3. 제1항에 있어서, 용광로에서 배출되는 폐열과 열풍로 연소시 발생되는 폐열을 이용하여 이산화탄소와 메탄 가스를 예열하는 예열기를 추가로 포함함을 특징으로 하는 용광로 배출 이산화탄소 재생 장치
  4. 제1항에 있어서, 축열실로 취입되는 이산화탄소와 메탄가스의 유량은 각각 (30 ~ 70%)와 (70 ~ 30%)임을 특징으로 하는 용광로 배출 이산화탄소 재생 장치
  5. 용광로에서 배출된 가스에서 이산화탄소를 분리시키는 단계,
    이산화탄소를 메탄가스와 혼합하여 열풍로로 송풍시키는 단계,
    혼합송풍기에서 송풍된 혼합 가스를 열풍로 내의 축열실로 취입시켜 일산화탄소 및 수소를 생성시키는 단계,
    생성된 일산화탄소 및 수소를 용광로로 공급시키는 단계를 포함하는
    용광로 배출 이산화탄소를 재생하는 방법
  6. 제5항에 있어서, 혼합송풍기에 수증기 및 산소의 하나 이상이 추가로 혼합됨을 특징으로 하는 용광로 배출 이산화탄소를 재생하는 방법
  7. 제5항에 있어서, 용광로에서 배출되는 폐열과 열풍로 연소시 발생되는 폐열을 이용하여 이산화탄소와 메탄 가스를 예열하는 예열기를 추가로 포함함을 특징으로 하는 용광로 배출 이산화탄소를 재생하는 방법
  8. 제6항에 있어서, 축열실로 취입되는 이산화탄소와 메탄가스의 유량은 각각 (30 ~ 70%)와 (70 ~ 30%)임을 특징으로 하는 용광로 배출 이산화탄소를 재생하는 방법
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