KR20240046237A - 가스 분리 방법 - Google Patents
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Abstract
압력 스윙 흡착법에 의해, 원료 가스로부터 복수의 가스 이용 설비에 각각 적합한 가스를 분리하여 공급할 수 있는 가스 분리 방법을 제공한다. 본 발명에 의한 가스 분리 방법은, 원료 가스를 흡착제가 충전된 흡착탑으로 도입하고, 흡착제에 목적 가스 성분을 흡착시키는 목적 가스 성분 흡착 공정과, 목적 가스 성분 흡착 공정에서 흡착제에 흡착된 목적 가스 성분을 탈착시켜 목적 가스 성분을 포함하는 탈착 가스를 흡착탑으로부터 배출하는 목적 가스 성분 탈착 공정과, 목적 가스 성분 탈착 공정에서 흡착탑으로부터 배출된 탈착 가스를, 2기 이상의 상이한 가스 이용 설비에 공급하는 탈착 가스 공급 공정을 구비하고, 목적 가스 성분 탈착 공정은, 탈착 가스 공급 공정에 있어서의 탈착 가스의 가스 이용 설비로의 공급처를 전환하는 탈착 가스 이용 설비 전환 공정을 갖는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은, 가스 분리 방법에 관한 것이다.
종래, 원료 가스에 포함되는 소정의 가스 성분을 분리하는 방법으로서, 압력 스윙 흡착법(Pressure Swing Adsorption법, PSA법)이 이용되어 왔다(예를 들면 특허문헌 1 참조). PSA법은, 흡착제에 대한 가스 성분의 흡착량이 가스종 및 그의 분압에 따라 상이한 것을 이용한 분리 방법이다. PSA법은, 통상, 흡착제에 가스 성분을 흡착시키는 공정(흡착 공정), 흡착제로의 가스 성분의 흡착률을 높이기 위해, 다른 흡착탑에서 탈착된 탈착 가스의 일부를 세정 가스로서 공급하는 공정(세정 공정) 및, 흡착한 가스 성분을 흡착제로부터 탈착시켜 가스를 회수하는 공정(탈착 공정)을 갖는다.
상기 PSA법은, 여러 가지의 분야에 적용되고 있지만, 원료 가스에 포함되는 일 성분을 흡착시킴으로써, 고농도의 가스를 제조하는 방법으로서 이용되는 경우가 많다. PSA법은, 「가압-상압」의 압력차를 이용하는 가압 방식과, 「상압(또는 미(微)가압)-감압」의 압력차를 이용하는 흡인 방식이 있고, 후자에 대해서는 VSA법(Vacuum Swing Adsorption)이라고 칭해지는 경우도 있다.
그런데 최근, 제철 프로세스 등으로부터 배출되는 이산화탄소(CO2)로부터 메탄올 등의 유용한 화학품을 제조하는 CO2 유효 이용(Carbon dioxide Capture and Utilization, CCU) 프로세스가 검토되고 있다. CCU와 같은 반응 프로세스에서는, 고순도의 원료 가스가 아니어도 원료 가스로서 사용할 수 있기 때문에, 가스 분리 설비의 저렴화가 가능하다.
상기 CCU에 적합한 가스 분리 설비로서, 본 출원인은, 특허문헌 2에 있어서, 흡착제로부터의 가스 탈착 시간이 흡착 가스종에 따라 상이한 특성을 이용하여, 가스 탈착 시간의 차이에 의해 가스 분리를 행하는 방법을 제안했다. 이 방법에 의하면, 예를 들면 제철 프로세스로부터 배출되는 고로(blast furnace) 가스(CO2, 일산화탄소(CO), 질소(N2)를 포함함)로부터, 흡착력이 강한 CO2와 흡착력이 약한 CO, N2를 효율적으로 분리할 수 있다. 여기에서, 분리되는 CO2는, 정확하게는 일부 CO나 N2 등의 불순물 가스도 포함하는 가스(CO2 리치(rich) 가스)이지만, 이하, 설명의 간략화를 위해, CO2라고 칭한다.
상기 특허문헌 2에 기재된 간이적인 가스 분리 방법을 이용함으로써, CCU 화학품의 제조 비용을 저감하는 것이 가능하다. 그러나 한편으로, 특허문헌 2에 기재된 방법에 의해 분리되는 가스는, 운전 방법에 따라 불순물을 많이 포함하는 가스로서 분리되는 경우가 있다. 그 때문에, CCU 프로세스에 있어서의 반응기의 촉매 성능에 영향을 미칠 가능성이 있다.
CCU에 이용되는 반응기는, 그의 목적으로 하는 반응 생성물에 따라 여러 가지의 촉매가 이용되지만, 촉매 성능은, 온도나 압력 등의 반응 조건 뿐만 아니라, 원료 가스의 조성에도 영향을 받는다. 예를 들면 CO2 이외의 불순물 가스 성분에 의해 실활(失活)하기 쉬운 촉매를 이용하는 경우, 고순도의 CO2가 필요해진다. 한편으로, 촉매 성능에 영향을 미치지 않는 불순물 가스 성분이면, 그대로 반응기에 공급할 수 있기 때문에, 고순도의 CO2는 불필요하다.
이와 같이, 반응기의 촉매마다 구해지는 원료 가스 CO2의 순도가 상이한 경우, CO2 순도에 따라서 각각 적절한 CO2 분리 설비를 선정할 필요가 있다. 예를 들면 고순도의 CO2가 필요한 경우에는, 화학 흡수법과 같은 고순도 CO2가 얻어지는 CO2 분리 설비가 적합하다. 또한, 고순도의 CO2가 불필요한 경우에는, 예를 들면 전술의 PSA법 등을 이용함으로써 간이적으로 CO2 분리를 행할 수 있다.
한편으로, 이와 같이 반응기마다 상이한 CO2 분리 설비를 설치하는 경우, 복수의 설비를 설치하는 것에 의한 건설 비용 증대나 운전 요원의 증가 등, 여러 가지의 디메리트가 생긴다. 또한, CO2 분리 설비의 처리 능력에 따라 각 반응기의 생산량이 제약을 받기 때문에, 각 반응 기간에서의 생산량 밸런스를 유연하게 조정할 수 없다.
본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 그의 목적으로 하는 바는, 압력 스윙 흡착법에 의해, 원료 가스로부터 복수의 가스 이용 설비에 각각 적합한 가스를 분리하여 공급할 수 있는 가스 분리 방법을 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하는 본 발명은, 이하와 같다.
[1] 2종 이상의 가스 성분을 함유하는 원료 가스로부터, 압력 스윙 흡착법에 의해 목적 가스 성분을 흡착 분리하는 가스 분리 방법으로서,
상기 원료 가스를 흡착제가 충전된 흡착탑으로 도입하고, 상기 흡착제에 상기 목적 가스 성분을 흡착시키는 목적 가스 성분 흡착 공정과,
상기 목적 가스 성분 흡착 공정에서 상기 흡착제에 흡착된 상기 목적 가스 성분을 탈착시켜 상기 목적 가스 성분을 포함하는 탈착 가스를 상기 흡착탑으로부터 배출하는 목적 가스 성분 탈착 공정과,
상기 목적 가스 성분 탈착 공정에서 상기 흡착탑으로부터 배출된 상기 탈착 가스를, 2기 이상의 상이한 가스 이용 설비에 공급하는 탈착 가스 공급 공정
을 구비하고,
상기 목적 가스 성분 탈착 공정은, 상기 탈착 가스 공급 공정에 있어서의 상기 탈착 가스의 상기 가스 이용 설비로의 공급처를 전환하는 탈착 가스 이용 설비 전환 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 가스 분리 방법.
[2] 상기 원료 가스가, 적어도 이산화탄소 및 일산화탄소를 함유하는 것을 특징으로 하는, 상기 [1]에 기재된 가스 분리 방법.
[3] 상기 원료 가스가, 환원로(furnace)로부터 배출되는 배기 가스인 것을 특징으로 하는, 상기 [1] 또는 [2]에 기재된 가스 분리 방법.
[4] 상기 탈착 가스 이용 설비 전환 공정에 있어서의 상기 가스 이용 설비로의 공급처의 전환이, 상기 탈착 공정을 복수의 시간대로 구분하고, 구분된 복수의 시간대의 경계에서 실시되는 것을 특징으로 하는, 상기 [1]∼[3]의 어느 한 항에 기재된 가스 분리 방법.
[5] 상기 탈착 가스 공급 공정의 전단에, 상기 원료 가스 또는 상기 탈착 가스로부터 황을 제거하는 탈황 공정 및, 상기 원료 가스 또는 상기 탈착 가스에 포함되는 일산화탄소 및 물로부터 이산화탄소를 생성하는 수성 가스 시프트 반응 공정의 어느 한쪽 혹은 양쪽을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는, 상기 [1]∼[4]의 어느 한 항에 기재된 가스 분리 방법.
[6] 상기 목적 가스 성분 흡착 공정은, 상기 목적 가스 성분 흡착 공정에 있어서 상기 흡착제에 흡착되지 않았던 비흡착 가스 성분을 포함하는 흡착 오프 가스(adsorption off-gas)를, 상기 2기 이상의 상이한 가스 이용 설비의 1기에 공급하는 흡착 오프 가스 공급 공정을 추가로 구비하는, 상기 [1]∼[5]의 어느 한 항에 기재된 가스 분리 방법.
[7] 상기 목적 가스 성분 흡착 공정은, 상기 흡착 오프 가스의 상기 가스 이용 설비로의 공급처를, 상기 흡착 오프 가스에 있어서의 상기 목적 가스 성분의 농도에 기초하여 전환하는 흡착 오프 가스 이용 설비 전환 공정을 갖는, 상기 [6]에 기재된 가스 분리 방법.
[8] 상기 목적 가스 성분 탈착 공정의 후단 또한 상기 탈착 가스 공급 공정의 전단에, 상기 흡착탑으로부터 배출된 상기 목적 가스 성분의 농도가 상이한 상기 탈착 가스를 혼합하는 가스 혼합 공정을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는, 상기 [1]∼[7]의 어느 한 항에 기재된 가스 분리 방법.
[9] 상기 2기 이상의 가스 이용 설비의 1기가 메탄올 합성 반응기인 것을 특징으로 하는, 상기 [1]∼[8]의 어느 한 항에 기재된 가스 분리 방법.
[10] 상기 2기 이상의 가스 이용 설비의 1기가 메탄 합성 반응기인 것을 특징으로 하는, 상기 [1]∼[9]의 어느 한 항에 기재된 가스 분리 방법.
[11] 상기 2기 이상의 가스 이용 설비의 1기가 CO2 액화 설비인 것을 특징으로 하는, 상기 [1]∼[8]의 어느 한 항에 기재된 가스 분리 방법.
[12] 상기 가스 이용 설비의 생성물을 상기 환원로에 있어서의 환원재로서 공급하는 것을 특징으로 하는, 상기 [2] 또는 [3]을 인용하는 상기 [10], 혹은 상기 [2] 또는 [3]을 인용하는 상기 [11]에 기재된 가스 분리 방법.
본 발명에 의하면, 압력 스윙 흡착법에 의해, 원료 가스로부터 복수의 가스 이용 설비에 각각 적합한 가스를 분리하여 공급할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 가스 분리 방법의 플로우차트이다.
도 2는 실시예에 있어서의 가스 분리 프로세스의 플로우도이다.
도 2는 실시예에 있어서의 가스 분리 프로세스의 플로우도이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명한다. 본 발명에 의한 가스 분리 방법은, 2종 이상의 가스 성분을 함유하는 원료 가스로부터, 압력 스윙 흡착법에 의해 목적 가스 성분을 흡착 분리하는 가스 분리 방법이고, 원료 가스를 흡착제가 충전된 흡착탑으로 도입하고, 흡착제에 목적 가스 성분을 흡착시키는 목적 가스 성분 흡착 공정과, 목적 가스 성분 흡착 공정에서 흡착제에 흡착된 목적 가스 성분을 탈착시켜 목적 가스 성분을 포함하는 탈착 가스를 흡착탑으로부터 배출하는 목적 가스 성분 탈착 공정과, 목적 가스 성분 탈착 공정에서 흡착탑으로부터 배출된 탈착 가스를, 2기 이상의 상이한 가스 이용 설비에 공급하는 탈착 가스 공급 공정을 구비한다. 여기에서, 목적 가스 성분 탈착 공정은, 탈착 가스 공급 공정에 있어서의 탈착 가스의 가스 이용 설비로의 공급처를 전환하는 탈착 가스 이용 설비 전환 공정을 갖는 것을 특징으로 한다.
도 1은, 본 발명에 의한 가스 분리 방법의 플로우차트를 나타내고 있다. 우선, 스텝 S1에 있어서, 원료 가스를 흡착제가 충전된 흡착탑으로 도입하고, 흡착제에 목적 가스 성분을 흡착시킨다(목적 가스 성분 흡착 공정).
원료 가스는, 2종 이상의 가스 성분을 함유하는 가스이면, 특별히 한정되지 않지만, 적어도 CO2 및 CO를 함유하는 것이 바람직하다. CO2 및 CO는, 대기 중에 방산하면 지구 온난화의 한 요인이 될 수 있는 한편으로, 메탄이나 메탄올 등의 연료를 합성하는 원료나, 환원로에 있어서의 환원재로서 유효하게 이용할 수 있다. 또한, CO에 대해서는, 열량이 높기 때문에, 연료 가스로서 이용할 수도 있다. 그래서, 원료 가스는, 적어도 CO2 및 CO를 함유하는 것이 바람직하다.
이러한 CO2 및 CO를 함유하는 원료 가스로서는, 제철소에서 발생하는 부생 가스를 이용할 수 있다. 부생 가스로서는, 고로나 샤프트로 등의 환원로로부터 배출되는 배기 가스를 이용할 수 있다. 특히, 고로로부터 배출되는 고로 가스는, CO2를 풍부하게 포함할 뿐만 아니라, CO도 포함한다. 원료 가스가 CO를 포함하는 경우, 후술하는 탈착 가스 공급 공정에 있어서 공급하는 가스 이용 설비가 이용하는 촉매에 따라서는, CO에 기인한 탄소 석출에 의한 촉매 열화 등이 우려된다. 그러나, 본 발명에 있어서는, 이러한 설비에 공급하는 탈착 가스의 CO 함유량을 제어할 수 있기 때문에, 원료 가스로서 고로 가스를 문제 없이 사용할 수 있다.
상기와 같은 원료 가스를 흡착제가 충전된 흡착탑으로 도입하고, 흡착제에 목적 가스 성분을 흡착시킨다. 흡착탑에 충전되는 흡착제는, 흡착제에 흡착시키는 목적 가스 성분에 따라서 적절히 선택할 수 있다. 목적 가스 성분은, 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 CO2나 CO로 할 수 있다. 목적 가스 성분이 CO2인 경우, 흡착제로서는 13X 제올라이트 등을 적합하게 이용할 수 있다.
다음으로, 스텝 S2에 있어서, 스텝 S1에 있어서 흡착제에 흡착된 목적 가스 성분을 탈착시키고, 목적 가스 성분을 포함하는 탈착 가스를 흡착탑으로부터 배출한다(목적 가스 성분 탈착 공정). 상기 목적 가스 성분의 흡착제로부터의 탈착 및 흡착탑으로부터의 배출은, 흡착탑에 진공 펌프를 접속하여 행할 수 있다.
본 발명에 있어서는, 탈착 가스의 조성(목적 가스 성분의 농도)의 시간 변화를 이용하여, 탈착 공정을 복수의 시간대로 구분하고, 탈착 가스를 시간대마다 나누어 배출한다. 즉, 예를 들면 CO2의 흡착제로서 이용되는 13X 제올라이트는, N2나 CO와 같은 흡착력이 작은 가스 성분에 대해서는 압력에 대하여 선형인 흡착 특성을 갖는다. 이에 대하여, CO2와 같은 흡착력이 큰 가스 성분에 대해서는 흡착량이 크고, 또한 압력에 대하여 비선형인 흡착 특성을 갖는다.
이와 같이 가스 성분에 따라 압력에 대응한 흡착·탈착 특성이 상이한 흡착제를 이용하는 경우, 탈착 공정에 있어서 가스 성분이 탈착하는 타이밍에 차이가 생긴다. 구체적으로는, 압력에 대하여 선형인 흡착 특성을 갖는 가스 성분(예를 들면, CO, N2)은, 고압 상태로부터 감압하는 과정에서 탈착한다. 이에 대하여, 압력에 대하여 비선형인 흡착 특성을 갖는 가스 성분(예를 들면, CO2)은, 고압 상태에서는 거의 탈착하지 않고, 저압 상태까지 감압된 시점에서 급격하게 탈착한다.
이러한 가스 성분의 탈착 타이밍의 차이에 따라서, 예를 들면, 불순물 가스 성분이 많은 탈착 공정 초기의 탈착 가스는, 원료 가스의 불순물 함유가 허용되는 가스 이용 설비로 공급한다. 이에 대하여, 불순물 가스 성분이 적은 탈착 공정 후기의 탈착 가스에 대해서는, 고순도의 원료 가스가 필요해지는 다른 가스 이용 설비로 공급한다. 이들 양쪽의 가스 이용 설비로의 탈착 가스 공급량 및 탈착 가스의 목적 가스 성분의 농도의 조정은, 탈착 공정에 있어서의 구분하는 시간대의 길이를 변경함으로써, 용이하게 조정 가능하다.
그리고, 스텝 S21에 있어서, 후술하는 스텝 S3에 있어서 행하는 탈착 가스 공급 공정에 있어서의 탈착 가스의 가스 이용 설비로의 공급처를 전환한다(탈착 가스 이용 설비 전환 공정). 상기 전환은, 탈착 공정을 복수의 시간대로 구분하고, 구분된 복수의 시간대의 경계에서 행할 수 있다. 이에 따라, 탈착 가스가, 그의 조성(목적 가스 성분의 농도)에 기초하여 적절한 가스 이용 설비에 공급할 수 있다.
계속해서, 스텝 S3에 있어서, 스텝 S2에 있어서 상기 흡착탑으로부터 배출된 탈착 가스를, 2기 이상의 상이한 가스 이용 설비에 공급한다(탈착 가스 공급 공정). 이에 따라, 탈착 가스는, 그의 조성(목적 가스 성분의 농도)에 기초하여 적절한 가스 이용 설비에 공급된다.
여기에서, 「가스 이용 설비」란, 반응기, 개질기, 응축기 등, 탈착 가스 또는 흡착 오프 가스를 화학적 또는 물리적으로 변화시킴으로써 목적 물질을 얻는 설비를 의미하고 있다. 상기 반응기로서는, 메탄올 합성 반응기나 메탄 합성 반응기 등을 들 수 있다. 또한, 개질기로서는, 수성 가스 시프트 개질기나, 메탄과 CO2를 반응시키는 드라이 리포밍(reforming) 설비 등을 들 수 있다. 또한, 응축기로서는, CO2 액화 설비나 가스 심랭(deep-cooling) 분리 설비 등을 들 수 있다.
상기 중에서도, 2기 이상의 상이한 가스 이용 설비의 1기를, 메탄올 합성 반응기로 하는 것이 바람직하다. 메탄올은 연료로서 이용할 수 있고, CO2와 H2와의 하기식 (1)의 반응, 또는 CO와 H2와의 하기의 식 (2)의 반응에 의해 생성할 수 있다.
CO2 ＋ 3H2 → CH3OH ＋ H2O (1)
CO ＋ 2H2 → CH3OH (2)
메탄올 합성에 있어서 일반적으로 사용되는 Cu-Zn 촉매는, CO를 포함하는 원료 가스에서도 탄소 석출에 의한 촉매 성능 열화가 일어나기 어렵다. 또한, CO를 약간 포함하는 원료 가스의 쪽이, CO2로부터 CO로 변환되는 부반응이 억제되기 때문에, CO2로부터 메탄올로 변환하는 반응의 수율이 향상한다는 이점도 있다. 이와 같이, 가스 이용 설비가 메탄올 합성 반응기인 경우에는, CO2의 농도가 높지 않은 탈착 가스라도, 메탄올 합성용의 원료 가스로서 이용 가능하다. 그 때문에, 탈착 공정에 있어서 비교적 농도가 높은 CO가 탈착되는 탈착 공정 중기의 시간대에 얻어지는 탈착 가스를 메탄올 합성기에 공급할 수 있어, 본 발명에 있어서의 탈착 가스의 농도 제어를 유효 이용할 수 있다.
또한, 2기 이상의 상이한 가스 이용 설비의 1기를, 메탄 합성 반응기로 하는 것이 바람직하다. 메탄은, 연료로서 이용할 수 있을 뿐만 아니라, 환원로에 있어서의 산화물의 환원을 위한 환원재로서 이용할 수도 있다. 메탄은, CO2와 H2와의 하기식 (3)의 반응, 또는 CO와 H2와의 하기의 식 (4)의 반응에 의해 생성할 수 있다.
CO2 ＋ 4H2 → CH4 ＋ 2H2O (3)
CO ＋ 3H2 → CH4 ＋ H2O (4)
CO2로부터의 메탄 합성에서 사용되는 Ni 촉매는, CO를 포함하는 원료 가스를 이용한 경우에 탄소 석출에 의한 촉매 성능의 열화가 생기는 경우가 있다. 그 때문에, 탈착 공정에 있어서 고농도의 CO2가 탈착되는 탈착 공정 후기의 시간대에 얻어지는 탈착 가스를, 메탄올 합성기에 공급하도록 구성한다.
또한, 2기 이상의 상이한 가스 이용 설비의 1기를, CO2 액화 설비로 하는 것이 바람직하다. 원료 가스가, CO2 및 CO를 함유하는 혼합 가스이고, 흡착제가 제올라이트인 경우, 탈착 공정의 후기에 탈착되는 가스 성분의 대부분은, 흡착제로의 흡착력이 강한 CO2이고, 탈착 가스는 고순도의 CO2 가스로서 배출된다. 그 때문에, 탈착 공정 후기에 배출되는 탈착 가스는, CO2 저류(storage)(CCS) 등을 목적으로 한 CO2 액화 설비에 공급할 수 있다.
또한, 원료 가스가 적어도 CO2 및 CO를 함유하는 가스, 또는 환원로로부터 배출된 배기 가스인 경우에, 가스 이용 설비의 생성물을 환원로에 있어서의 환원재로서 공급할 수 있다. 가스 이용 설비에 있어서의 생성물은 상기 메탄올에 한정되지 않고, 철광석 등의 환원로 원료에 대하여 환원성을 갖는 것이라면, 특정의 물질에 한정되지 않는다. 또한, 기체, 액체 등 물리 성상에 대해서도, 마찬가지로 한정되지 않는다.
예를 들면, 가스 이용 설비가 메탄 합성 반응기인 경우에, 생성된 메탄은, 철광석 등의 산화물에 대하여 환원 작용을 갖기 때문에, 환원로에 있어서의 환원재로서 이용할 수 있다. 특히, 메탄 합성 반응기의 원료 가스가 CO2인 경우, CO2를 메탄으로 변환하여 C를 순환 이용하는 카본 리사이클형의 환원 프로세스를 구축하는 것이 가능해진다. 또한, 메탄 합성 반응은 발열 반응이지만, 생성한 고온의 메탄을 그대로 환원로에 있어서의 환원재로서 이용함으로써, 메탄 합성의 반응열도 유효 이용할 수 있다.
이렇게 하여, PSA법에 의해, 원료 가스로부터 복수의 가스 이용 설비에 각각 적합한 가스를 분리하여 공급할 수 있다.
상기 본 발명에 있어서, 탈착 가스 공급 공정의 전단에, 원료 가스 또는 탈착 가스로부터 황을 제거하는 탈황 공정 및, 원료 가스 또는 상기 탈착 가스에 포함되는 CO 및 물(H2O)로부터 CO2를 생성하는 수성 가스 시프트 반응 공정의 어느 한쪽 혹은 양쪽을 추가로 구비할 수 있다.
즉, 가스 이용 설비가, 황에 의해 촉매 성능이 열화하기 쉬운 경우에는, 탈착 가스를 가스 이용 설비에 공급하기 전에, 탈황 설비에 있어서 가스에 포함되는 황을 제거하는 것이 바람직하다(탈황 공정). 이와 같이, 탈황 공정은, 가스 이용 설비에서 이용하는 촉매 등의 성능에 따라서 행할지 아닌지를 선택 가능하다.
탈황 공정을 행하는 경우, 가스 이용 설비에 탈착 가스를 공급하는 탈착 가스 공급 공정의 전단이면, 행하는 단계는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 가스 이용 설비 중 어느 1기의 전단에 탈황 설비를 설치하여 탈황 공정을 행할 수도 있다. 또한, PSA 설비의 전단에 탈황 설비를 설치하여 원료 가스에 포함되는 황을 제거한 후에, 탈황 후의 원료 가스를 PSA 설비에 공급하여, 모든 가스 이용 설비에 탈황된 탈착 가스를 공급하도록 할 수 있다.
또한, 수성 가스 시프트 반응 공정은, CO와 H2O와의 하기의 식 (5)의 반응을 행하게 하는 공정이고, 당해 반응의 반응률에 의해 CO 농도와 CO2 농도와의 밸런스를 조정할 수 있다.
CO ＋ H2O → CO2 ＋ H2 (5)
예를 들면, 가스 이용 설비에 있어서 CO 농도의 허용값이 작은 경우나, CO2 농도의 요구값이 높은 경우에 있어서는, 탈착 가스 공급 공정의 전처리 공정으로서 수성 가스 시프트 반응 공정을 행함으로써, 상기 가스 이용 설비의 요구를 만족시키는 것이 가능하다.
상기 탈황 공정 및 수성 가스 시프트 반응 공정은, 모두 가스 이용 설비의 사양에 따라서, 적절히 행할 수 있다. 또한, 상기 탈황 공정 및 수성 가스 시프트 반응 공정의 양 공정을, 탈착 가스 공급 공정의 전단에서 연속해서 행할 수 있다. 그 경우, 탈황 공정을 행한 후에, 수성 가스 시프트 반응 공정을 행하는 것이 바람직하다. 양 공정을 이 순서로 행함으로써, 수성 가스 시프트 반응을 행하는 설비에 공급되기 전에, 가스 중의 황이 제거된다. 그 때문에, 수성 가스 시프트 반응 공정을 행하는 설비의 촉매가 황과 접촉하는 일이 없어져, 촉매 열화 속도를 느리게 할 수 있어, 보다 바람직하다.
또한, 목적 가스 성분 탈착 공정의 후단 또한 탈착 가스 공급 공정의 전단에, 흡착탑으로부터 배출된 목적 가스 성분의 농도가 상이한 탈착 가스를 혼합하는 가스 혼합 공정을 추가로 구비하는 것이 바람직하다. 즉, 탈착 공정에 있어서 복수의 시간대로 구분하여 배출한 탈착 가스를 그대로 가스 이용 설비로 공급하는 경우, 탈착 가스의 조성 변동이 그대로 가스 이용 설비의 원료 가스의 조성 변동으로 이어져, 가스 이용 설비의 생산 효율에 영향을 미칠 수 있다. 그 때문에, 가스 이용 설비의 상류측에 탱크 등의 가스 혼합 설비를 설치하고, 소정의 기간에 배출된 탈착 가스를 모아 충분히 혼합하여 탈착 가스의 조성을 평준화하고, 조성 변동에 의한 영향을 저감한 후에, 가스 이용 설비로 공급하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 가스 이용 설비의 생산 효율로의 영향을 저감할 수 있다.
상기 탈착 가스 공급 공정에 있어서는, 가스 이용 설비에 공급하는 가스는, 목적 가스 성분 탈착 공정에 있어서 얻어진 탈착 가스로 하고 있다. 본 발명에 있어서는, 그에 더하여, 목적 가스 성분 흡착 공정에 있어서 흡착제에 흡착되지 않았던 비흡착 가스 성분을 포함하는 흡착 오프 가스를 가스 이용 설비에 공급할 수 있다(흡착 오프 가스 공급 공정). 즉, 가스 이용 설비에 있어서, 주반응 가스(예를 들면 CO2) 이외의 불순물 가스(예를 들면 CO)의 허용량이 큰 경우에는, PSA 설비의 흡착 공정에 있어서의 비흡착 가스 성분을 포함하는 흡착 오프 가스 등, 불순물 가스를 많이 포함하는 가스에 대해서도, 가스 이용 설비에 공급하여 이용할 수 있다.
여기에서, 「비흡착 가스 성분」이란, 흡착 공정에 있어서 단지 흡착제에 흡착하지 않았던 가스 성분을 의미하고 있고, 흡착제로의 흡착력이 없는 가스 성분을 의미하지 않는다. 예를 들면, 원료 가스가 CO2, CO 및 H2를 함유하고, 흡착제가 제올라이트인 경우, 흡착제로의 흡착력은 CO2, CO 및 H2의 순으로 높다. 그 때문에, 흡착 공정 초기의 흡착 오프 가스는, H2가 대부분을 차지한다. 그러나, 흡착 공정을 계속하면, 파과(breakthrough)하여 CO2도 흡착제에 흡착하지 않게 된다. 이러한 파과에 의해 흡착제에 흡착하지 않았던 CO2도 상기 「비흡착 가스 성분」에 포함된다.
전술과 같이 흡착 오프 가스를 가스 이용 설비에 공급하는 경우, 흡착 오프 가스의 가스 이용 설비로의 공급처를, 흡착 오프 가스에 있어서의 목적 가스 성분의 농도에 기초하여 전환하는 것이 바람직하다(흡착 오프 가스 이용 설비 전환 공정).
즉, 목적 가스 성분 흡착 공정에 있어서 흡착제에 흡착되지 않았던 비흡착 가스 성분을 포함하는 흡착 오프 가스에 대해서도, 탈착 가스와 마찬가지로, 그의 조성(목적 가스 성분의 농도)이 시간과 함께 변동한다. 전술과 같이, 예를 들면 원료 가스가 CO2, CO 및 H2를 함유하고, 흡착제가 제올라이트인 경우, 흡착 공정 초기의 흡착 오프 가스는, H2가 대부분을 차지하고, 흡착 공정을 계속함에 따라, CO의 농도가 높아진다. 그 때문에, 흡착 공정 초기의 오프 가스에 대해서는, H2를 이용하는 가스 이용 설비에 공급하고, 흡착 공정 중기에 대해서는, CO2를 이용하는 설비에 공급할 수 있어, 흡착 오프 가스의 조성에 따라서 가스 이용 설비에 의해 적절한 가스를 공급할 수 있게 된다.
실시예
이하, 본 발명의 실시예에 대해서 설명하지만, 본 발명은 실시예에 한정되지 않는다.
도 2에 나타내는 가스 분리 프로세스의 플로우도에 따라, 고로 가스를 가스 분리 설비에 도입하고, 탈착 가스를 가스 이용 설비에 공급했다. 구체적으로는, 우선, 환원로인 고로로부터 배출된 고로 가스를, 전처리 설비에 의해 개질 및 청정화했다. 이어서, 개질 및 청정화한 가스를 원료 가스로서, 가스 분리 설비(PSA 설비)를 구성하는 2개의 흡착탑 중, 배기 라인의 밸브(V1)의 밸브가 열림 상태 또한 V2의 밸브가 닫힘 상태에 있는 흡착탑(다른 한쪽의 흡착탑은, V1의 밸브가 닫힘 상태 또한 V2의 밸브가 열림 상태)에 도입하고, 고로 가스에 포함되는 CO2를 흡착탑에 충전된 흡착제(13X 제올라이트)에 흡착시켰다(목적 가스 성분 흡착 공정). 이 목적 가스 성분 흡착 공정에 있어서 흡착제에 흡착하지 않았던 흡착 오프 가스는, Cu-Zn 촉매를 이용한 메탄올 합성 반응기의 전단에 설치된 가스 탱크 1에 도입했다.
다음으로, 진공 펌프(VP)에 의해 흡착제에 흡착된 CO2를 탈착시키고, CO2를 포함하는 탈착 가스를 흡착탑으로부터 배출했다(목적 가스 성분 탈착 공정). 이 목적 가스 성분 탈착 공정에서는, 탈착 가스의 조성의 시간 변화에 따라서 2개의 시간대로 구분하고, 탈착 공정 전기의 시간대에서는, 흡착탑의 밸브(V1)를 닫힘 상태, 밸브(V2)를 열림 상태로 전환하고, 밸브(V3)를 열림 상태, 밸브(V4)를 닫힘 상태로 하고, 비교적 CO2 농도가 낮은 탈착 가스를 메탄올 합성 반응기의 전단에 설치된 가스 탱크 1에 도입하여 흡착 오프 가스와 혼합했다(혼합 공정). 이어서, 탈착 공정 후기의 시간대에서는, 밸브(V3)를 닫힘 상태, 밸브(V4)를 열림 상태로 변경하여 탈착 가스의 공급처를 메탄 합성 반응기로 전환하고, 비교적 CO2 농도가 높은 탈착 가스를, Ni 촉매를 이용한 메탄 합성 반응기의 전단에 설치된 가스 탱크 2에 도입했다. 그리고, 가스 탱크 1 및 가스 탱크 2에 도입된 가스가 충분히 혼합된 단계에서, 가스 탱크 1 내의 가스에 대해서는, H2 가스와 함께 메탄올 합성 반응기에 공급하여, 메탄올을 합성했다. 한편, 가스 탱크 2 내의 가스에 대해서는, H2 가스와 함께 메탄 합성 반응기에 공급하여, 메탄을 합성했다. 합성된 메탄은, 환원로인 고로에, 철광석에 포함되는 산화물을 환원하기 위한 환원재로서 공급했다.
압력 스윙 흡착법에 의해, 원료 가스로부터 복수의 가스 이용 설비에 각각 적합한 가스를 분리하여 공급할 수 있기 때문에, 제철업에 있어서 유용하다.
Claims (12)
- 2종 이상의 가스 성분을 함유하는 원료 가스로부터, 압력 스윙 흡착법에 의해 목적 가스 성분을 흡착 분리하는 가스 분리 방법으로서,
상기 원료 가스를 흡착제가 충전된 흡착탑으로 도입하고, 상기 흡착제에 상기 목적 가스 성분을 흡착시키는 목적 가스 성분 흡착 공정과,
상기 목적 가스 성분 흡착 공정에서 상기 흡착제에 흡착된 상기 목적 가스 성분을 탈착시켜 상기 목적 가스 성분을 포함하는 탈착 가스를 상기 흡착탑으로부터 배출하는 목적 가스 성분 탈착 공정과,
상기 목적 가스 성분 탈착 공정에서 상기 흡착탑으로부터 배출된 상기 탈착 가스를, 2기 이상의 상이한 가스 이용 설비에 공급하는 탈착 가스 공급 공정
을 구비하고,
상기 목적 가스 성분 탈착 공정은, 상기 탈착 가스 공급 공정에 있어서의 상기 탈착 가스의 상기 가스 이용 설비로의 공급처를 전환하는 탈착 가스 이용 설비 전환 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 가스 분리 방법. - 제1항에 있어서,
상기 원료 가스가, 적어도 이산화탄소 및 일산화탄소를 함유하는 것을 특징으로 하는, 가스 분리 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 원료 가스가, 환원로(furnace)로부터 배출되는 배기 가스인 것을 특징으로 하는, 가스 분리 방법. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 탈착 가스 이용 설비 전환 공정에 있어서의 상기 가스 이용 설비로의 공급처의 전환이, 상기 탈착 공정을 복수의 시간대로 구분하고, 구분된 복수의 시간대의 경계에서 실시되는 것을 특징으로 하는, 가스 분리 방법. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 탈착 가스 공급 공정의 전단에, 상기 원료 가스 또는 상기 탈착 가스로부터 황을 제거하는 탈황 공정 및, 상기 원료 가스 또는 상기 탈착 가스에 포함되는 일산화탄소 및 물로부터 이산화탄소를 생성하는 수성 가스 시프트 반응 공정의 어느 한쪽 혹은 양쪽을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는, 가스 분리 방법. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 목적 가스 성분 흡착 공정은, 상기 목적 가스 성분 흡착 공정에 있어서 상기 흡착제에 흡착되지 않았던 비흡착 가스 성분을 포함하는 흡착 오프 가스(adsorption off-gas)를, 상기 2기 이상의 상이한 가스 이용 설비의 1기에 공급하는 흡착 오프 가스 공급 공정을 추가로 구비하는, 가스 분리 방법. - 제6항에 있어서,
상기 목적 가스 성분 흡착 공정은, 상기 흡착 오프 가스의 상기 가스 이용 설비로의 공급처를, 상기 흡착 오프 가스에 있어서의 상기 목적 가스 성분의 농도에 기초하여 전환하는 흡착 오프 가스 이용 설비 전환 공정을 갖는, 가스 분리 방법. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 목적 가스 성분 탈착 공정의 후단 또한 상기 탈착 가스 공급 공정의 전단에, 상기 흡착탑으로부터 배출된 상기 목적 가스 성분의 농도가 상이한 상기 탈착 가스를 혼합하는 가스 혼합 공정을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는, 가스 분리 방법. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 2기 이상의 가스 이용 설비의 1기가 메탄올 합성 반응기인 것을 특징으로 하는, 가스 분리 방법. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 2기 이상의 가스 이용 설비의 1기가 메탄 합성 반응기인 것을 특징으로 하는, 가스 분리 방법. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 2기 이상의 가스 이용 설비의 1기가 CO2 액화 설비인 것을 특징으로 하는, 가스 분리 방법. - 상기 가스 이용 설비의 생성물을 상기 환원로에 있어서의 환원재로서 공급하는 것을 특징으로 하는, 제2항 또는 제3항을 인용하는 제10항, 혹은 제2항 또는 제3항을 인용하는 제11항에 기재된 가스 분리 방법.
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