KR101974562B1 - 부산물 처리 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 부산물 처리 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제철 공정에서 발생되는 부산물을 효율적으로 활용하기 위한 부산물 처리 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 부산물 처리 방법은 제철 공정에서 발생되는 슬래그를 마련하는 과정; 상기 슬래그를 산이 함유된 용액으로 처리하여 마그네슘 용출액을 추출하는 과정; 상기 마그네슘 용출액을 가수 분해하여 마그네슘 화합물을 제조하는 과정; 상기 마그네슘 화합물을 소성하여 이산화탄소(CO2)를 해리시키는 과정; 및 상기 이산화탄소(CO2)로부터 연료 기체를 제조하는 과정;을 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 부산물 처리 방법은 제철 공정에서 발생되는 슬래그를 마련하는 과정; 상기 슬래그를 산이 함유된 용액으로 처리하여 마그네슘 용출액을 추출하는 과정; 상기 마그네슘 용출액을 가수 분해하여 마그네슘 화합물을 제조하는 과정; 상기 마그네슘 화합물을 소성하여 이산화탄소(CO2)를 해리시키는 과정; 및 상기 이산화탄소(CO2)로부터 연료 기체를 제조하는 과정;을 포함한다.
Description
본 발명은 부산물 처리 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제철 공정에서 발생되는 부산물을 효율적으로 활용하기 위한 부산물 처리 방법에 관한 것이다.
일반적으로 니켈(Ni)은 철강의 합금원소로서 매우 중요한 금속 중의 하나이다. 기계 산업의 발전과 더불어 비철합금, 스테인리스강, 도금, 내식, 내열재, 자성재료 등의 수요가 날로 증가하고 있는 현 시점에서 니켈(Ni) 또한 그 수요가 매년 증가하고 있는 추세이다.
니켈을 제련할 경우, 원료, 제선, 제강 등의 복잡한 연결생산 라인을 거치면서 생산량의 약 30배에 이르는 페로니켈(Fe-Ni) 슬래그가 부산물로 발생하게 된다. 일반적으로 철강 슬래그, 즉 고로 슬래그 및 제강 슬래그 등은 산화칼슘(CaO)과 이산화규소(SiO2) 성분으로 구성되어 있는 반면, 페로니켈(Fe-Ni) 슬래그는 이산화규소(SiO2) 및 산화마그네슘(MgO)을 주성분으로 포함하는 마그네슘 규산염 슬래그이다. 따라서, 제철소에 제철용 슬래그 형성제인 산화마그네슘(MgO) 원으로서 공급될 수 있다. 페로니켈(Fe-Ni) 슬래그는 일본 및 캐나다와 같은 선진국에서는 시멘트 제조용 원료, 토목용 재료, 콘크리트용 세골재, 활주로용 골재, 사문암 대체재 등으로 다양하게 재활용되고 있으나, 국내에서는 아직 기술부족으로 인하여 그대로 매립하고 있는 실정이다.
또한, 연간 100만톤 규모로 배출되는 페로니켈(Fe-Ni) 슬래그는 향후 추가적인 설비 증가로 년간 200만톤 이상의 폐기 슬래그가 발생될 것이며, 페로니켈(Fe-Ni) 슬래그의 재활용 등 새로운 사용처 발굴이 매우 시급하다.
본 발명은 제철 공정에서 발생되는 부산물을 효율적으로 활용하기 위한 부산물 처리 방법을 제공한다.
본 발명은 슬래그로부터 제조되는 마그네슘 화합물로부터 연료 기체로 사용되는 수소 가스를 생성할 수 있는 부산물 처리 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 부산물 처리 방법은 제철 공정에서 발생되는 슬래그를 마련하는 과정; 상기 슬래그를 산이 함유된 용액으로 처리하여 마그네슘 용출액을 추출하는 과정; 상기 마그네슘 용출액을 가수 분해하여 마그네슘 화합물을 제조하는 과정; 상기 마그네슘 화합물을 소성하여 이산화탄소(CO2)를 해리시키는 과정; 및 상기 이산화탄소(CO2)로부터 연료 기체를 제조하는 과정;을 포함한다.
상기 슬래그는 전체 중량%에 대하여 50 내지 60 중량%의 이산화규소(SiO2) 및 30 내지 40 중량%의 산화마그네슘(MgO)을 함유할 수 있다.
상기 슬래그는 페로니켈을 제조하는 과정에서 페로니켈 슬래그를 포함할 수 있다.
상기 마그네슘 용출액을 추출하는 과정은, 상기 슬래그로부터 고형의 이산화규소(SiO2)를 분리하여 마그네슘 용출액을 추출할 수 있다.
상기 마그네슘 화합물을 제조하는 과정은, 상기 마그네슘 용출액을 가수 분해하여 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 용액을 제조하는 과정; 및 상기 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 용액을 탄산화하여 고형의 탄산마그네슘(Mg(CO3))을 제조하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 고형의 탄산마그네슘(Mg(CO3))을 제조하는 과정은, 상기 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 용액에 이산화탄소(CO2)가 함유된 가스를 첨가하여 고형의 탄산마그네슘(Mg(CO3))을 제조할 수 있다.
상기 이산화탄소(CO2)가 함유된 가스는 고로 가스(BFG: Blast Furnace Gas) 및 전로 가스(LDG: Linze Donawitz Gas) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 이산화탄소(CO2)를 해리시키는 과정은, 상기 마그네슘 화합물을 900 내지 1200℃의 온도로 소성하여 이산화탄소(CO2)를 해리시킬 수 있다.
상기 연료 기체를 제조하는 과정은, 상기 이산화탄소(CO2)를 메탄(CH4)이 함유된 가스와 반응시켜 연료 기체를 제조할 수 있다.
상기 연료 기체는 일산화탄소(CO) 가스 및 수소(H2) 가스를 포함할 수 있다.
상기 연료 기체를 제조하는 과정은, 상기 수소(H2) 가스를 선택적으로 투과시켜, 상기 일산화탄소(CO) 가스로부터 수소(H2) 가스를 분리할 수 있다.
상기 메탄(CH4)이 함유된 가스는 코크스로 가스(COG: Coke Oven Gas)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 부산물 처리 방법에 의하면, 슬래그로부터 고순도의 이산화규소(SiO2)를 분리하고, 제조된 마그네슘 화합물로부터 해리된 이산화탄소(CO2)로부터 실용 가능한 연료 기체를 제조할 수 있으며, 이로부터 전량 매립 처리되던 슬래그의 활용도를 향상시킬 수 있다.
또한, 연료 기체로 에너지원으로 활용 가능한 수소(H2) 기체를 제조할 수 있게 되어, 석유, 천연가스 및 석탄과 같은 재생 불가능한(non-renewable) 에너지원의 사용 및 소모를 감소시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 실시 예에 따른 부산물 처리 방법으로부터 분리되는 이산화규소(SiO2) 및 산화마그네슘(MgO) 등의 재활용을 통하여 부수적인 수익 창출 및 원가 절감의 효과를 가져올 수 있으며, 이산화탄소(CO2)의 저감에 따른 환경 오염을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 부산물 처리 방법을 개략적으로 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 부산물 처리 방법에 의해 생성되는 물질을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 슬래그를 산이 함유된 용액으로 처리시에 용출되는 마그네슘 이온의 농도 변화를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 부산물 처리 방법에 의해 생성되는 물질을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 슬래그를 산이 함유된 용액으로 처리시에 용출되는 마그네슘 이온의 농도 변화를 나타내는 도면.
본 발명에 따른 부산물 처리 방법은 슬래그로부터 제조되는 마그네슘 화합물로부터 연료 기체로 사용되는 수소 가스를 생성할 수 있는 기술적 특징을 제시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 부산물 처리 방법을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 부산물 처리 방법에 의해 생성되는 물질을 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 부산물 처리 방법은 제철 공정에서 발생되는 슬래그를 마련하는 과정(S100); 상기 슬래그를 산이 함유된 용액으로 처리하여 마그네슘 용출액을 추출하는 과정(S200); 상기 마그네슘 용출액을 가수 분해하여 마그네슘 화합물을 제조하는 과정(S300); 상기 마그네슘 화합물을 소성하여 이산화탄소(CO2)를 해리시키는 과정(S400); 및 상기 이산화탄소(CO2)로부터 연료 기체를 제조하는 과정(S500);을 포함한다.
여기서, 슬래그는 제철 공정의 부산물로, 슬래그 전체 중량%에 대하여 50 내지 60 중량%의 이산화규소(SiO2) 및 30 내지 40 중량%의 산화마그네슘(MgO)를 함유하는 슬래그를 사용할 수 있으며, 이러한 슬래그는 페로니켈(Fe-Ni)을 정련하는 과정에서 발생되는 페로니켈 슬래그를 포함할 수 있다.
일반적으로, 제철 공정의 부산물인 슬래그는 고로 슬래그 및 제강 슬래그 등이 있다. 이와 같은 고로 슬래그 및 제강 슬래그는 산화칼슘(CaO)과 이산화규소(SiO2) 성분으로 구성되어 있는 반면, 제철 공정의 또 다른 부산물인 페로니켈 슬래그는 페로니켈을 정련하면서 발생되는 슬래그로, 이산화규소(SiO2) 및 산화마그네슘(MgO)이 주성분으로 구성되어 있는 마그네슘 규산염 슬래그이다.
[표 1]
표 1에 나타난 바와 같이, 페로니켈 슬래그에는 이산화규소(SiO2)가 약 55 중량% 함유되어 있으며, 산화마그네슘(MgO)이 약 31 중량% 함유되어 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 부산물 처리 방법은 슬래그로부터 이산화규소(SiO2)를 분리하여 마그네슘 화합물을 제조하고, 마그네슘 화합물로부터 해리되는 이산화탄소(CO2)로부터 수소(H2) 가스 등의 연료 기체를 제조하는 것으로, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 페로니켈 슬래그를 사용하는 경우를 예시적으로 설명하나, 전체 중량%에 대하여 50 내지 60 중량%의 이산화규소(SiO2) 및 30 내지 40 중량%의 산화마그네슘(MgO)를 함유하는 슬래그를 사용하는 경우에도 동일하게 적용될 수 있음은 물론이다.
먼저, 슬래그를 마련하는 과정(S100)은 제철 공정의 부산물인 페로니켈 슬래그를 분쇄 및 분급하여 마련한다. 여기서, 페로니켈 슬래그는 75㎛ 이하의 입도를 가지도록 분쇄되는 것이 바람직하다. 이는, 비표면적을 넓게 하여 후술하는 산이 함유된 용액으로 처리(산 침출법: acid leaching)하는 과정에서 산과의 반응 효율을 극대화시키기 위함이다.
상기 분쇄 과정 이후에 분급 과정이 이루어질 수 있으며, 분급 과정은 분쇄된 페로니켈 슬래그를 일정 입도별로 분급 처리하는 과정이다. 이는 75㎛ 이하의 입도로 분쇄된 페로니켈 슬래그를 고르기 위함이다.
마그네슘 용출액을 추출하는 과정(S200)은, 분쇄되어 분급된 페로니켈 슬래그에서 마그네슘을 용출시켜 추출하는 과정이다. 이는, 마그네슘을 용출시키는 과정 및 마그네슘 용출액을 분리시키는 과정을 포함할 수 있다.
마그네슘을 용출시키는 과정에서는 산 침출법이 사용될 수 있으며, 산 침출법은 슬래그를 산이 함유된 용액으로 처리하여 마그네슘을 용출시킨다. 즉, 산이 함유된 용액에 슬래그가 투입되면, 슬래그 중 마그네슘이 녹아 나와 마그네슘 이온으로 용액 내에 존재하게 된다.
산이 함유된 용액에 사용되는 산으로는 황산(H2SO4), 염산(HCl), 질산(HNO3) 등이 사용될 수 있다. 여기서, 염산(HCl) 및 질산(HNO3)은 효율적인 산이지만 황산(H2SO4)에 비하여 매우 고가이며, 염산(HCl)의 경우 부식성이 강하기 때문에 설비가 부식될 수 있는 문제점이 있다. 따라서 값이 저렴하여 경제성 측면에서 유리한 황산(H2SO4)을 사용하는 것이 바람직하다.
분쇄 및 분급된 슬래그를 산이 함유된 용액으로 처리하여 마그네슘을 용출시키는 과정에서 사용되는 황산(H2SO4) 용액은 1.0M 내지 5.0M의 고농도로 유지된다. 이는 반응 시간을 단축 시키기 위함이며, 1.0M 이하의 황산(H2SO4)용액의 농도에서는 마그네슘 침출율이 매우 낮고, 5.0M 이상의 황산(H2SO4)용액의 농도에서는 사용되는 용액을 처리하는데 문제점이 있기 때문이다.
또한, 페로니켈 슬래그와 황산(H2SO4)용액의 비는 100 내지 300g/L로 유지되어 반응이 진행된다. 이는 페로니켈 슬래그와 황산(H2SO4)용액의 비가 100g/L이하인 경우 생산성이 떨어지며, 300g/L이상인 경우 공정이 비효율적으로 이루어지기 때문이다. 따라서 상기 범위 내에서 공정이 이루어지는 경우 효율적으로 공정을 처리 할 수 있다.
마그네슘을 용출시키는 과정은 섭씨 50도 내지 100도에서 반응이 이루어지며, 교반 속도는 200 내지 500 rpm을 유지하여 반응시키는 것이 바람직하다. 이는 침출 온도가 증가함에 따라 마그네슘 이온의 침출율이 증가하기 때문이며, 교반을 통하여 반응 효율을 높여주기 위함이다.
마그네슘을 용출시킨 후에는, 마그네슘이 용출된 마그네슘 용출액을 분리시키는 과정을 거친다. 마그네슘 용출액을 분리시키는 과정은 고액 분리 과정을 통하여 페로니켈 슬래그로부터 마그네슘 용출액과 고형의 잔사로 남은 이산화규소(SiO2)를 분리시킨다. 여기서 마그네슘 용출액은 마그네슘이 용출되는 액을 말하며, 좀 더 구체적으로는 마그네슘 이온이 용출된 액을 말한다.
하기의 반응식 1은 페로니켈 슬래그와 유사한 성분을 가지는 마그네슘 규산염 광물인 사문석(Mg3Si2O5(OH)4)에서 마그네슘 화합물을 추출하는 경우의 반응식이다.
[반응식 1]
Mg3Si2O5(OH)4 + 3H2SO4 → 3Mg2+ + 3SO4 2- + 2SiO2 + 5H2O
반응식 1에서 알 수 있듯이, 황산(H2SO4)을 이용한 산 침출법에 의해 마그네슘 규산염 광물로부터 이산화규소(SiO2) 및 마그네슘(Mg)이온이 용출된 마그네슘 용출액이 분리된다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 부산물 처리 방법에 의해 생성되는 물질을 나타내는 도면인 도 2에 도시된 바와 같이, 이산화규소(SiO2) 및 산화마그네슘(MgO)을 주성분으로 함유하는 페로니켈 슬래그를 산으로 처리하는 경우에도 상기의 사문석(Mg3Si2O5(OH)4) 경우와 유사한 반응이 발생된다. 마그네슘 이온은 산이 함유되는 용액으로 처리되는 경우 펄프 농도(pulp density) 100g/L에서 20분 경과후 85%로 용출되며, 60분 경과 후 약 95%까지 용출됨을 알 수 있다.
즉, 사문석과 유사한 성분을 가지는 페로니켈 슬래그는 사문석을 대체하여 사용될 수 있으며, 페로니켈 슬래그가 사용되는 경우에도 산 침출법에 의해 이산화규소(SiO2) 및 마그네슘(Mg)이온이 용출된 마그네슘 용출액이 분리된다.
이와 같이, 마그네슘 용출액을 추출하는 과정(S200)은 페로니켈 슬래그로부터 고형의 이산화규소(SiO2)를 분리하여 마그네슘 용출액을 추출할 수 있다. 여기서, 분리되는 고순도의 이산화규소(SiO2)는 2회 내지 4회 중성의 물로 세척한 후, 여과 및 건조과정을 거쳐 분말로 형성될 수 있다.
상기와 같은 방법으로 얻어진, 마그네슘 용출액을 이용하여 마그네슘 화합물을 제조할 수 있다.
즉, 마그네슘 화합물을 제조하는 과정(S300)은 마그네슘 용출액을 가수 분해하여 마그네슘 화합물을 제조한다. 여기서, 상기 마그네슘 화합물을 제조하는 과정(S300)은 상기 마그네슘 용출액을 가수 분해하여 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 용액을 제조하는 과정(S320); 및 상기 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 용액을 탄산화하여 고형의 탄산마그네슘(Mg(CO3))을 제조하는 과정(S340);을 포함할 수 있다.
수산화마그네슘(Mg(OH)2) 용액을 제조하는 과정(S320)은 마그네슘 용출액에 알카리 성분을 인가하여 가수 분해하는 과정이다. 가수 분해하는 과정에서는 마그네슘 용출액에 알카리 성분을 인가한다. 이를 통해 마그네슘 화합물을 생성하며, 알카리 성분은 알카리성 수산화물이 사용될 수 있다. 알카리성 수산화물에는 수산화나트륨(NaOH) 및 수산화칼륨(KOH) 중 적어도 하나가 사용될 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 가수 분해하는 과정에서는 수산화나트륨(NaOH)이 사용되며, 용출액의 pH 범위를 조절한다. 여기서 pH 범위는 8 내지 12가 바람직하다. 좀 더 바람직하게는 pH 범위를 10 내지 12로 조절하여 사용할 수 있다. 이는 pH 값이 클수록 마그네슘의 반응성이 좋아지고 수산화마그네슘(Mg(OH)2)을 효율적으로 얻을 수 있기 때문이다.
한편, 가수 분해하는 과정 전에 불순물을 제거하는 과정을 더 포함할 수 있다. 불순물을 제거하는 과정은 과산화수소(H2O2) 용액을 사용하여 정제하는 과정이다. 정제하는 과정은 마그네슘 용출액 내에 존재하는 불순물을 제거하는 과정이다. 이때, 과산화수소(H2O2) 당량비가 0.8 내지 1.2인 과산화수소(H2O2) 용액을 사용하는 것이 바람직하다.
탄산마그네슘(Mg(CO3))을 제조하는 과정(S340)은 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 용액을 탄산화하여 고형의 탄산마그네슘(Mg(CO3))을 제조한다. 이는, 가수 분해하는 과정 중간 가수 분해 과정 이후에, 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 용액에 이산화탄소(CO2)가 함유된 가스를 첨가하여 탄산마그네슘(MgCO3)을 제조하는 과정이다. 이러한 반응은 하기의 반응식 2로 나타낼 수 있다.
[반응식 2]
Mg(OH)2 + CO2 → MgCO3 + H2O
즉, 상기 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 용액에 이산화탄소(CO2)가 함유된 가스가 투입되면, 용액 내에 존재하는 마그네슘 이온은 가스로부터 공급된 CO 함유 성분과 반응하게 된다. 마그네슘은 OH와 반응하는 것보다 CO 함유 성분과 더 쉽게 반응하므로, 탄산마그네슘(MgCO3)으로 생성된다. 여기서 이산화탄소(CO2)가 함유된 가스는 제철소 공정에서 발생하는 부생 가스, 예를 들어, 고로 가스(BFG: Blast Furnace Gas) 및 전로 가스(LDG: Linze Donawitz Gas) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 부산물 처리 과정에서는 상기 가스를 재활용하는 것으로, 전로 가스가 사용될 수 있다. 전로 가스는 철을 녹이는 과정에서 발생하는 가스로 이산화탄소(CO2)와 일산화탄소(CO)로 구성되어 있어 이산화탄소(CO2) 공급원으로 적합하다. 상기 가스의 첨가 유량은 반응 시간 및 반응 효율을 고려하여, 1Nm3/min·ton 이상으로 첨가하는 것이 바람직하다. 이를 통해, 제철소에서 발생하는 이산화탄소(CO2)를 함유한 가스를 사용함으로써 대기중으로 방출되는 유해한 탄산 가스를 감소시킬 수 있다. 또한, 제철소에서 발생되는 배가스 중 이산화탄소(CO2)를 분리하지 않고 사용할 수 있다.
이산화탄소(CO2)를 해리시키는 과정(S400)은 마그네슘 화합물, 즉 탄산마그네슘(MgCO3)을 소성하여 이산화탄소(CO2)를 해리시킨다. 여기서, 탄산마그네슘(MgCO3)은 산화마그네슘(MgO)과 이산화탄소(CO2)로 분리되며, 상기 탄산마그네슘(MgCO3)을 900 내지 1200℃의 온도로 소성하여 이산화탄소(CO2)를 해리시킬 수 있다. 여기서, 탄산마그네슘(MgCO3)은 바람직하게는 1000℃ 이상의 온도에서 열처리할 수 있으며, 이를 위하여 전기로와 같은 고온로를 활용할 수 있다. 이는 이산화탄소가 해리되는 온도가 950℃ 내외이며, 이에 따라 소성 과정이 1000℃ 이상에서 이루어져야 하기 때문이다.
상기와 같은 과정을 거쳐서, 페로니켈 슬래그로부터 이산화탄소(CO2)를 해리시켜 획득할 수 있다. 또한, 이러한 과정에서는 이산화규소(SiO2) 및 마그네슘화합물(Mg(OH)2, MgCO3 , MgO)이 분리되어 획득될 수 있다. 여기서, 획득된 각종 마그네슘 화합물은 제철 공정에서 다시 사용될 수 있다.
연료 기체를 제조하는 과정(S500)은 이산화탄소(CO2)로부터 연료 기체를 제조한다. 여기서, 연료 기체를 제조하는 과정(S500)은 상기 이산화탄소(CO2)를 메탄(CH4)이 함유된 가스와 반응시켜 연료 기체를 제조할 수 있다. 즉, 전술한 소성 과정에서 해리된 고순도의 이산화탄소(CO2)에 메탄(CH4)이 함유된 가스를 반응시켜 하기의 반응식 3과 같이 연료 기체를 제조할 수 있다.
[반응식 3]
CO2 + CH4 → 2CO + 2H2
즉, 고순도의 이산화탄소(CO2)에 메탄(CH4)이 함유된 가스를 반응시키는 경우 연료 기체로서 일산화탄소(CO) 가스 및 수소(H2) 가스를 제조할 수 있다. 이러한 과정은 900 내지 1100℃의 온도, 예를 들어 1000℃ 온도에서 수행될 수 있다. 즉, 연료 기체를 제조하는 과정(S500)에서는 일산화탄소(CO) 가스 및 수소(H2) 가스가 제조되는데, 이산화탄소(CO2)와 메탄(CH4)이 함유된 가스를 반응시키는 온도를 900 내지 1100℃, 바람직하게는 1000℃로 함으로써, 수소(H2) 가스의 생성량(mol%)을 65% 내지 75%로 생성할 수 있다.
여기서, 이산화탄소(CO2)와 메탄(CH4)이 함유된 가스를 900℃ 미만에서 반응시키는 경우, 반응 효율이 낮고, 이에 따라 수소(H2) 가스의 생성량(mol%)이 낮아진다. 반대로, 1100℃를 초과하여 반응시키는 경우, 이산화탄소(CO2)와 메탄(CH4)이 함유된 가스 간의 반응에 따른 에너지 소비 측면에서 효율성이 감소하게 된다.
따라서, 이산화탄소(CO2)와 메탄(CH4)이 함유된 가스 간의 반응 공정은 900 내지 1100℃의 범위, 보다 바람직하게는 1000℃에서 수행한다.
또한, 이산화탄소(CO2)와 메탄(CH4)이 함유된 가스를 혼합하여 반응시키는데 있어서, 혼합 가스 중 이산화탄소(CO2)가 40 mol% 내지 60 mol%, 바람직하게는 45 mol% 내지 55 mol%, 보다 바람직하게는 50 mol%가 되도록 할 수 있다.
예컨대, 혼합 가스 중 이산화탄소(CO2)가 40 mol% 미만이거나, 60 mol%를 초과하는 경우, 반응에 참여할 수 있는 이산화탄소(CO2)와 메탄(CH4)이 적어, 수소(H2) 가스의 생성량(mol%)이 낮아진다.
따라서, 본 발명의 실시 예에서는 혼합 가스 중 이산화탄소(CO2)가 40 mol% 내지 60 mol%, 나머지가 메탄(CH4)이 함유된 가스가 되도록 하며, 보다 바람직하게는 이산화탄소(CO2)가 50 mol%, 메탄(CH4)이 함유된 가스가 50 mol%가 되도록 한다.
또한, 이산화탄소(CO2)와 메탄(CH4)이 함유된 가스를 혼합하여 반응시키는데 있어서, 그 반응 시간이 10분 이상, 바람직하게는 20분 이상으로 할 수 있다. 예컨대, 반응 시간이 10분 미만일 경우, 수소(H2) 가스의 생성량(mol%)이 낮아지게 된다. 본 발명의 실시 예에서는 1000℃ 온도에서 20분 이내에 일산화탄소(CO) 가스 및 수소(H2) 가스로의 전환율이 99% 이상을 나타낸다.
여기서, 메탄(CH4)이 함유된 가스는 고순도의 메탄(CH4) 가스를 사용하는 것이 좋으며, 메탄(CH4)이 20 내지 30%로 함유된 코크스로 가스(COG: Coke Oven Gas)를 사용할 수도 있다. 여기서, 연료 기체로 제조된 일산화탄소(CO) 가스 및 수소(H2) 가스는 분리되며, 일산화탄소(CO) 가스는 열원으로 사용되며, 수소(H2) 가스는 에너지원으로 활용이 가능하다.
고순도의 이산화탄소(CO2)에 메탄(CH4) 가스를 반응시키는 경우 일산화탄소(CO) 가스 및 수소(H2) 가스는 이의 혼합 기체로 존재하게 되는데, 여기서 연료 기체를 제조하는 과정(S500)은, 일산화탄소(CO) 가스 및 수소(H2) 가스의 혼합 기체 중에서 수소(H2) 가스를 선택적으로 투과시켜, 일산화탄소(CO) 가스로부터 수소(H2) 가스를 분리할 수 있다.
수소(H2) 가스의 선택적 투과는 수소(H2) 투과막 또는 수소(H2) 이외의 성분을 흡착하는 흡착제를 갖춘 수소 분리 장치에 의하여 이루어질 수 있다. 이러한 수소 분리 장치에 의하여 고순도의 수소(H2)를 분리할 수 있으며, 이와 같은 수소 분리 장치는 수소(H2) 이외의 가스 성분(즉, 일산화탄소)을 강하게 흡착하는 PSA(Pressure Swing Adsorption) 장치일 수 있으며, 분자의 크기를 이용한 수소 분리막일 수도 있음은 물론이다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 부산물 처리 방법에 의하면, 슬래그로부터 고순도의 이산화규소(SiO2)를 분리하고, 제조된 마그네슘 화합물로부터 해리된 이산화탄소(CO2)로부터 실용 가능한 연료 기체를 제조할 수 있으며, 이로부터 전량 매립 처리되던 슬래그의 활용도를 향상시킬 수 있다.
또한, 연료 기체로 에너지원으로 활용 가능한 수소(H2) 기체를 제조할 수 있게 되어, 석유, 천연가스 및 석탄과 같은 재생 불가능한(non-renewable) 에너지원의 사용 및 소모를 감소시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 실시 예에 따른 부산물 처리 방법으로부터 분리되는 이산화규소(SiO2) 및 산화마그네슘(MgO) 등의 재활용을 통하여 부수적인 수익 창출 및 원가 절감의 효과를 가져올 수 있으며, 이산화탄소(CO2)의 저감에 따른 환경 오염을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
상기에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확하게 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시 예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러 가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시 예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.
Claims (12)
- 제철 공정에서 발생되는 슬래그를 마련하는 과정;
상기 슬래그를 산이 함유된 용액으로 처리하여 마그네슘 용출액을 추출하는 과정;
상기 마그네슘 용출액을 가수 분해하여 마그네슘 화합물을 제조하는 과정;
상기 마그네슘 화합물을 소성하여 이산화탄소(CO2)를 해리시키는 과정; 및
상기 이산화탄소(CO2)로부터 연료 기체를 제조하는 과정;을 포함하고,
상기 연료 기체를 제조하는 과정은,
상기 이산화탄소(CO2)를 메탄(CH4)이 함유된 가스와 900 내지 1100℃의 온도에서 반응시켜, 일산화탄소(CO) 가스 및 수소(H2) 가스를 포함하는 연료 기체를 제조하고,
상기 수소(H2) 가스의 생성량은 상기 연료 기체에 대하여 65 내지 75 mol%의 값을 가지는 부산물 처리 방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 슬래그는 전체 중량%에 대하여 50 내지 60 중량%의 이산화규소(SiO2) 및 30 내지 40 중량%의 산화마그네슘(MgO)을 함유하는 부산물 처리 방법.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 슬래그는 페로니켈을 제조하는 과정에서 페로니켈 슬래그를 포함하는 부산물 처리 방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 마그네슘 용출액을 추출하는 과정은,
상기 슬래그로부터 고형의 이산화규소(SiO2)를 분리하여 마그네슘 용출액을 추출하는 부산물 처리 방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 마그네슘 화합물을 제조하는 과정은,
상기 마그네슘 용출액을 가수 분해하여 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 용액을 제조하는 과정; 및
상기 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 용액을 탄산화하여 고형의 탄산마그네슘(Mg(CO3))을 제조하는 과정;을 포함하는 부산물 처리 방법.
- 청구항 5에 있어서,
상기 고형의 탄산마그네슘(Mg(CO3))을 제조하는 과정은,
상기 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 용액에 이산화탄소(CO2)가 함유된 가스를 첨가하여 고형의 탄산마그네슘(Mg(CO3))을 제조하는 부산물 처리 방법.
- 청구항 6에 있어서,
상기 이산화탄소(CO2)가 함유된 가스는 고로 가스(BFG: Blast Furnace Gas) 및 전로 가스(LDG: Linze Donawitz Gas) 중 적어도 하나를 포함하는 부산물 처리 방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 이산화탄소(CO2)를 해리시키는 과정은,
상기 마그네슘 화합물을 900 내지 1200℃의 온도로 소성하여 이산화탄소(CO2)를 해리시키는 부산물 처리 방법.
- 삭제
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 연료 기체를 제조하는 과정은,
상기 수소(H2) 가스를 선택적으로 투과시켜, 상기 일산화탄소(CO) 가스로부터 수소(H2) 가스를 분리하는 부산물 처리 방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 메탄(CH4)이 함유된 가스는 코크스로 가스(COG: Coke Oven Gas)를 포함하는 부산물 처리 방법.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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