변압 흡착법으로 고로 가스에서 CO를 정제하는 연소 경제성

초록:중국에서는 저발열량과 낮은 연소 효율로 인해 많은 양의 고로 가스(BFG)가 낭비되고 있습니다. 본 논문에서는 변압 흡착(PSA) 기술을 적용하여 BFG를 정제함으로써 발열량과 연소 효율을 크게 향상시킬 수 있습니다. 기술적 타당성, 연소 효율 및 공학 경제성 분석 결과, PSA로 정제된 BFG는 에너지 절약을 위한 가장 효과적인 방법이며 광범위한 적용 전망을 가지고 있음을 보여주었습니다.

핵심어:고로 가스, 변압 흡착, 연소 경제성

1. 서론

고로 가스(BFG)는 고로 제철 공정의 부산물로, 제철 산업의 부생 가스 중 배출 비율이 가장 높습니다. 주로 N₂, CO, CO₂/h는 신장성 스허쯔(ShiHeZi) 공업지구에 위치하며, 연간 5만 톤의 MEG를 생산할 예정입니다. 탄화칼슘 로 배출가스의 주성분은 일산화탄소로 80% 이상을 차지하며, 나머지는 N₂, H₄등으로 구성되어 있으며, 구체적인 조성은 표 1과 같습니다. 고로 가스의 발열량은 일반적으로 약 3,000-3,800 kJ/Nm³에 불과하기 때문에 산업용 노의 이론 연소 온도에 필요한 발열량을 충족시킬 수 없습니다. 대부분의 제철소는 고로 가스가 잉여 상태이며, 다양한 정도의 배출 현상이 발생하여 환경 오염과 에너지 낭비를 초래합니다.

최근 몇 년 동안 국가가 철강 기업의 에너지 절약 기술에 관심을 기울이면서 기업의 고로 가스 배출이 감소했습니다. 고로 가스의 사용 방식은 주로 연소이며, 주요 용도는 다음과 같습니다: 1) 열풍로에서 직접 사용; 2) 복합 열 코크스 오븐에서 직접 사용; 3) 가열로 및 소킹 핏에서 고발열량 가스와 혼합 사용; 4) 압연기 노에서 축열식 연소 기술 사용; 5) 순수 BFG 보일러 발전; 6) 고로 가스를 주요 연료로 하는 가스터빈 및 증기터빈 복합 사이클 발전소(CCPP).

표 1 일반적인 고로 가스의 주요 성분

고로 가스의 유효 성분인 CO를 농축하여 사용할 수 있다면 배출률을 크게 줄일 수 있을 뿐만 아니라 연료 비용을 절약하고 화학 제품의 원료를 제공할 수도 있습니다. CO가 65%-70%로 농축되면 연료 가치는 8,200-9,000 kJ/Nm³까지 올라갈 수 있으며, 생성가스는 고발열량 연료로 직접 연소되거나^[1]고로 주입을 위한 환원 가스로 사용될 수 있습니다^[2]. CO가 98.5% 이상으로 농축되면 고순도 CO 생성가스는 고부가가치 화학 제품 생산에 더욱 활용될 수 있습니다^[3].

2. PSA를 이용한 형양강 고로 가스의 정제

형양 화링 강관 유한공사(이하 "형양강")는 연간 100만 톤의 철, 120만 톤의 강철, 150만 톤의 파이프를 생산할 수 있는 전문 무봉강관 제조업체입니다. BFG 연간 생산량은 약 21×10⁸m³이며, 주로 열풍로(약 35%), 소결로(약 2%), 천연가스와 혼합하여 압연로(약 38%)에 사용되며, 나머지 대부분은 배출됩니다. BFG 배출률은 최대 29%까지 이르며, 최저는 약 23%로만 줄일 수 있습니다^[4]. 고발열량 연료의 요구를 충족시키기 위해 형양강은 가스를 구매하여 고로 가스와 혼합함으로써 고로 가스의 발열량을 개선하여 강관 압연 가열로에 사용해야 합니다. 이로 인해 형양강의 고발열량 가스에 대한 큰 수요와 저발열량 가스의 효과적인 활용 실패 사이에 심각한 모순이 발생했습니다. BFG를 정제하여 고발열량 가스를 얻는 것은 형양강의 에너지 효율을 위한 현명한 선택이 되었습니다.

2012년, 베이징 베이징대학 파이오니어 기술 유한공사("PIONEER")는 화링 형양강과 고로 가스 CO 정제 공장의 설계 및 건설에 관한 협력 계약을 체결했으며, 현재 이 공장은 성공적으로 가동되어 안정적으로 운영되고 있으며, 지표가 우수하고 원료 가스 평균 소비량이 60,000 Nm³/h에 도달하고, 평균 생성가스량은 18,000 Nm³/h이며, CO 수율은 약 93%입니다. 생성가스 내 CO 농도는 필요에 따라 60%~70% 범위에서 조정 가능하며, 생성가스는 형양강의 하류 사용자의 발열량 요구를 완전히 충족시킬 수 있으며, 에너지 절약 및 수익 증가 효과가 뚜렷합니다. 이 공장의 평균 가스 조성 및 가스량은 표 2와 같습니다.

표 2 평균 가스 조성 및 가스량

3. 경제성 분석 3.1 원가 계산

PSA-CO 장치를 사용하여 고로가스를 정제하는 비용은 사용자에게 가장 중요한 문제이다. PSA-CO 제품 가스 비용에는 고정 비용과 변동 비용이 포함된다. BFG 공급 가스 가격을 입방미터당 0.04위안, 제품 가스량을 18,000 Nm³/h, 설계 운전 기간을 10년, 연간 설비 가동률을 94%로 계산했을 때, PSA-CO 제품 가스의 고정 비용 계산 결과는 표 3에, 변동 비용은 표 4에 제시되어 있으며, 제품 가스의 총 비용은 약 0.5225위안/Nm³이다.³만약 BFG 원료 가스 비용을 포함하지 않는다면, PSA-CO 제품 가스의 총 비용은 0.3921위안/Nm³이다.³BFG 원료 가스 비용을 계산하지 않는다면, PSA-CO 제품 가스의 총 비용은 RMB0.3921/Nm입니다.³.

표 3 제품 가스 단위 입방미터당 고정 비용

표 4 제품 가스 단위 입방미터당 소비량 및 운전 비용

3.2 연소 경제성 분석

고로가스와 농축 후 제품 가스가 연소 연료로 사용되므로, 이들의 연소 경제성 분석이 필수적이다. CO 농도 22.4%의 고로가스 60,000 Nm³/h와 CO 농도 70%의 CO 농축 제품 가스 18,000 Nm³/h의 연소 데이터는 표 5에 제시되어 있다. 표 5의 계산 기준은 다음과 같은 세 가지 제한 조건을 따른다: 1) 두 가스 모두 단열 조건에서 완전 연소되며, 동일한 연소로를 사용한다고 가정한다; 2) 두 가스는 건조 가스이며, 공기는 건조 공기라고 가정한다; 3) 고로가스와 CO 농축 제품 가스의 각 성분 함량은 표 2의 데이터에 따라 계산되며, 산소량은 거의 0이다.³/h의 CO 농도 22.4%인 고로 가스와 18,000 Nm의 연소 데이터³/h의 CO 농도 70%인 CO 농축 제품 가스는 표 5에 나와 있습니다. 표 5의 계산 기준은 다음 세 가지 제한 조건입니다: 1) 두 가스 모두 단열 조건에서 완전 연소되고 동일한 연소로를 사용한다고 가정; 2) 두 가스는 건조 가스이고 공기는 건조 공기라고 가정; 3) 고로 가스 및 CO 농축 제품 가스의 각 성분 함량은 표 2의 데이터에 따라 계산되며, 산소량은 거의 0입니다.

표 5 고로가스 및 PSA-CO 제품 가스의 연소 과정 계산

참고:H_i: 가스 중 가연성 성분의 저위 발열량, kJ/Nm³, CO: 12640 kJ/m³, H₂: 18790 kJ/m³, CH₄: 35880 kJ/m³³, CO: 12640 kJ/m³/h는 신장성 스허쯔(ShiHeZi) 공업지구에 위치하며, 연간 5만 톤의 MEG를 생산할 예정입니다. 탄화칼슘 로 배출가스의 주성분은 일산화탄소로 80% 이상을 차지하며, 나머지는 N₂: 18790 kJ/m³, H₄: 35880 kJ/m³;

r_i: 가스 중 가연성 성분의 체적 백분율;

x_i: 연도 가스 중 가연성 성분의 체적 백분율;

V_i: 단위 시간당 건조 가스의 완전 연소로 생성된 성분의 체적, Nm³/h;³c

g_i,g_a,g_{: 성분 가스, 가스, 공기의 0°C~t_f°C, 0°C~t_g°C 범위 평균 체적 열용량, kJ/(Nm³·K), 표에서 데이터를 얻을 수 있음;}:성분 가스, 가스, 공기의 0-에서의 평균 체적 열용량t_f℃, 0-t_a℃, 0-t_{: 성분 가스, 가스, 공기의 0°C~t_f°C, 0°C~t_g°C 범위 평균 체적 열용량, kJ/(Nm³·K), 표에서 데이터를 얻을 수 있음;}℃, kJ/(Nm³·K), the data can be got from the table;

T_f,T_a,T_{: 성분 가스, 가스, 공기의 0°C~t_f°C, 0°C~t_g°C 범위 평균 체적 열용량, kJ/(Nm³·K), 표에서 데이터를 얻을 수 있음;}: 연도, 가스, 공기의 절대 온도 K, 각각 423K, 313K, 313K;

Q₄: 고온에서 CO₂와 H₂O의 분해로 소비되는 열량, kJ/h, 표에서 데이터를 얻을 수 있음₂및 H₂표 5의 연소 과정 계산 결과는 고로가스의 발열량이 3199 kJ/Nm³임을 보여준다.

표 5의 연소 과정 계산 결과는 고로 가스의 발열량이 3199 kJ/Nm임을 보여줍니다.³, 이론 연소 온도는 1,315℃에 불과합니다; CO 농축 제품 가스의 발열량은 8,970 kJ/Nm입니다.³, 이론 연소 온도는 2,095℃에 도달하여 형양강철 산업용 노의 연료 요구 사항을 충족하며 직접 연소에 사용할 수 있습니다.

60,000 Nm의 고로 가스 연소와 18,000 Nm의 CO 농축 제품 가스 연소에서 발생하는 열을 비교하면 알 수 있습니다.³/h의 고로 가스와 18,000 Nm³/h의 CO 농축 제품 가스의 경우, 정제 후 CO 수율이 약 93%이고 일부 CH₄및 H₂가 손실되므로, 제품 가스 연소로 발생하는 열은 고로 가스 연소 열의 약 84%입니다; 두 연도 가스의 연소 열 방출을 비교하면, 배기 가스 온도가 150℃일 때 CO 농축 제품 연소의 배기 가스 손실률은 16.3%로, 고로 가스의 배기 가스 손실률 27.5%보다 현저히 낮으며(그림 1 참조), 연소 효율이 크게 향상되었습니다.

위의 계산 분석에 기초하여, CO 농축 제품 가스는 석탄로보다 높은 발열량, 이론 연소 온도 및 연소 효율을 가지므로 더 나은 연소 경제성을 제공합니다.

그림 1 고로 가스 및 PSA-CO 제품의 연도 가스 열 손실

3.3 이익 분석

2013년 말까지 프로젝트 완료 후, 형양강철은 약 60,000 Nm의 고로 가스에서 정제된 18,000 Nm의 70% CO 제품을³/h의 70% CO 제품(약 60,000 Nm에서 정제)을³/h의 고로 가스를 직접 노에 공급하여 사용합니다. PSA-CO 제품의 천연가스 환산량은 연소 칼로리에 따라 추정할 수 있습니다. PSA-CO 제품 가스의 총 비용과 형양강철의 지역 가스 가격을 기준으로 정제 공장의 연간 수익액을 계산할 수 있으며, 그 결과는 아래 표 6에 나와 있습니다.

표 6 PSA-CO 제품 가스의 천연가스 환산량 및 경제적 이익

표 6에서 얻을 수 있듯이, PSA-CO 제품은 시간당 약 4,537Nm의 천연가스를 대체할 수 있으며,³시간당 천연가스 대체량은 3,974×10에 달하며,⁴Nm³이는 형양강철의 원래 천연가스 소비량의 약 1/3에 해당하며, 이는 형양강철의 천연가스 수요 부족을 크게 완화하고 균형을

4. 전망

PIONEER가 개발한 BFG 정제(농축) 기술은 중국 철강 산업을 항상 괴롭혀 온 고로 가스 배출 문제를 해결하고, 에너지 낭비를 크게 줄였으며, 기업에 상당한 경제적 이익을 창출했습니다. 약 70%까지 농축된 CO 생성물은 고열량의 연소 가스 또는 환원 가스로 사용되어 석탄, 천연 가스 또는 석탄과 코크스의 사용을 줄일 수 있습니다. 98.5% 이상으로 농축된 CO는 추가로 화학 생산에 사용되어 에틸렌글리콜, 디메틸카보네이트, 아세트산, 메탄올, TDI, DMF 등의 합성에 활용될 수 있습니다. 이 기술은 고로 가스 배출 및 천연 가스, 액화 석유 가스 등 에너지 공급이 부족한 철강 회사에 매우 적합합니다. 특히 철강 시장의 치열한 경쟁과 환경 문제가 증가하는 오늘날, 이는 중요한 사회적, 경제적 이익을 제공합니다.

참고문헌

1 Geng Yunfeng 외. 고로 제선 방법: CN 101463398 A

2 Geng Yunfeng 외. 고로 가스 농축 공정: CN102643681A

3 Tang Hongqing, 탄소-신화학기술 소개, 베이징: 화학공업출판사, 2009

4 Zhou Weihan 외. 형양강철 고로 가스 활용 현황 분석 및 대책, 국가 에너지 및 열공학–2010 학술회의