JP5565820B2 - 可燃性不純物が混在する排出ガスから二酸化炭素を回収するための二酸化炭素の高純度化装置、及びこれを用いた高純度の二酸化炭素を回収する方法 - Google Patents

可燃性不純物が混在する排出ガスから二酸化炭素を回収するための二酸化炭素の高純度化装置、及びこれを用いた高純度の二酸化炭素を回収する方法 Download PDF

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Description

本発明は、可燃性不純物が混在する排出ガスから二酸化炭素を回収するための二酸化炭素の高純度化装置、及びこれを用いた高純度の二酸化炭素の回収方法に係り、純酸素を用いて可燃性不純物を含む排出ガスを効率的に燃焼させることによって、二酸化炭素を高純度化し、これを回収する装置、及びこれを用いて高純度の二酸化炭素を回収する方法に関するものである。
近年、化学工程やその他の各種製品の生産工程から排出される廃ガスを処理するために、多様な燃焼技術が適用されており、このような技術には、直接燃焼、触媒燃焼及び蓄熱式燃焼方法などが用いられている。通常の燃焼方法の場合は、一般の空気と混合されて排出されるVOC(Volatile Organic Compound:揮発性有機化合物)の処理を目的とし、VOCは、燃焼過程で混合ガスの中に含まれている酸素と反応して、二酸化炭素と水に転換されて大気に排出される。
しかし、OMEGA工程のように、排出される廃ガスの二酸化炭素の含量が90%以上と高いときには、このような廃ガスを通常の燃焼方法で処理する場合、多量のCOが大気中に排出され、地球温暖化を加速させる主原因になる恐れがある。
OMEGA工程(ライセンサー:Shell社)とは、EG(Ethylene Glycol:エチレングリコール)を生産する新規工程であって、2008年、世界最初に韓国で商業生産施設が竣工されて稼働されており、既存のEG生産工程(ライセンサー:Scientific Design社)とは次のような差異点がある。
既存工程の場合、生産しようとするMEG(Mono Ethylene Glycol:モノエチレングリコール)の他に、DEG(Di Ethylene Glycol:ジエチレングリコール)、TEG(Tri Ethylene Glycol:トリエチレングリコール)、PEG(Poly Ethylene Glycol:ポリエチレングリコール)などが追加的に生産され、これらの精製のための追加費用が必要となる。一方、OMEGA工程は、MEGのみが生産されるため、生産性が遥かに高いという長所を有している。また、OMEGA工程は、各種のユーティリティ(Utility)使用量が既存工程に比べて少ないだけでなく、廃水の発生量も既存工程に比べて30%減少させることができ、非常に競争力のある工程として評価されており、今後、漸進的に既存工程からOMEGA工程に取って代わられる見込みである。
ところが、OMEGA工程は、既存工程に比べて、次のような短所を有している。
既存工程で排出される廃ガスは、COの含量が99%以上となっており、直ちに回収して使用が可能であったが、OMEGA工程の排出ガスは、COの含量が97%を占め、残りはEO(Ethylene Oxide:エチレンオキサイド)、アセトアルデヒド(Acetaldehyde)、エチレン(Ethylene)、メタン(Methane)などが含まれている。このような廃ガスは、COが高濃度で含有されていても、依然としてVOCなどの有害物質が含有されているため、これらの有害物質から発生する悪臭などの問題によって、排出ガスを直ちに回収してCOを使用することが困難であり、また、COのみを別途に分離して回収するには多大な費用がかかり、技術的な困難がある。
実際、本OMEGA工程のライセンサーであるShell社でも、本OMEGA工程の排出ガスは、廃熱ボイラーに送って焼却したあと、大気に排出するように設計されている。しかし、OMEGA工程から排出されるガスを廃熱ボイラーにより燃焼させたあと、大気に排出する場合、多量のCOが大気に放出されるので、最近の低炭素グリーン成長の基調にも反するだけでなく、再生可能な資源の浪費を招くことはもとより、地球温暖化を加重させるという問題を引き起こす恐れがある。
また、近年、研究が活発に進められている純酸素燃焼ボイラーの場合は、空気中の窒素を排除した酸素を酸化剤として使用する技術であって、化石燃料を主に使用するガラス溶解炉、鉄鋼加熱炉、ボイラーなどから排出されるCOを回収する目的で利用されている。
しかし、これは、化石燃料及び純酸素を供給し続けてバーナの火炎を持続的に維持する技術であって、純酸素燃焼技術は、高い火炎温度(3050K)によって材料の耐久性が問題になる恐れがある。特に、先に言及したOMEGA工程のように、高い圧力で廃ガスを排出する場合には、燃焼時に燃焼炉の圧力が高くバーナの点火が不可能なときもある。したがって、このような環境では、燃焼炉でバーナが点火されていない状態で廃ガスの燃焼を行わなければならないため、前記ガラス溶解炉、鉄鋼加熱炉、ボイラーなどに使われる純酸素燃焼技術は、このような排出圧力が高い工程には適用し難しい。
前述した問題点を解決するために、本発明で解決しようとする技術的課題は、低い温度範囲においても燃焼が可能な二酸化炭素の高純度化装置、及びこれを用いた方法を提供し、純酸素を用いた排出ガスの燃焼時にも材料の耐久性が問題とならない、高純度の二酸化炭素を回収する方法を提供することにある。
本発明で解決しようとする他の技術的課題は、バーナが継続的に点火される必要がない燃焼炉を含む二酸化炭素の高純度化装置を提供して、燃焼時に高い圧力が形成される工程から発生する多量のCOを安全、かつ、効果的に回収することができる方法を提供することにある。
本発明で解決しようとするまた他の技術的課題は、OMEGA工程で発生するCOを安全に高純度化し、また回収することができる装置を提供することにある。
本発明で解決しようとする他の技術的課題は、OMEGA工程で発生するCOを効果的に回収して使用し得るようにすることによって、経済的利益はもちろん、環境にやさしい工程を提供することにある。
前述した課題を解決するための手段として、本発明による可燃性不純物が混在する排出ガスから高純度の二酸化炭素を回収する方法は、90%以上の高濃度のCOと残部としてVOC及び酸素を含む廃ガスを、酸素濃度が1.2〜2%であり、VOCの濃度が10000〜20000ppmであり、残部が二酸化炭素になるように、純酸素燃焼法を用いてCOを高純度化するCOの高純度化方法であることを特徴とする。
また、前記90%以上の高濃度のCOと残部としてVOC及び酸素を含む廃ガスは、OMEGA工程によって発生した廃ガスであることを特徴とする。
上述した課題を解決するための他の手段として、本発明による可燃性不純物が混在する排出ガスから二酸化炭素を回収するための二酸化炭素の高純度化装置は、a)流入ガスの圧力を1.0kg/cm以下に低下させるための減圧バルブと、純酸素を供給するための純酸素供給装置と、流入ガスに補助燃料を供給するための補助燃料供給装置と、燃焼装置の昇温用送風機と、流入ガス中のO及びVOCの濃度を測定するための流入O測定器及びLEL測定器とを含む工程ガス流入部と、b)燃焼装置の内部を昇温するためのバーナと、流入ガス中のVOCを燃焼させるための燃焼室と、燃焼熱を蓄熱するための蓄熱材層と、昇温時にバーナに燃料を供給するための燃料供給装置と、燃焼室の温度を測定するための温度測定装置と、燃焼室の過昇温を防止するバイパスダンパとを含む工程ガス燃焼部と、c)燃焼されたガス中のOの濃度及び温度を測定する排出O測定器及び温度測定器と、燃焼されたガスを再び流入部に送る再循環送風機と、熱交換器とを含む燃焼ガス排出部と、を含むことを特徴とする。
また、前記流入O測定器の信号に応じてOの供給量が調節されるように、バルブの開閉を調節する制御器を含むことを特徴とする。
また、前記補助燃料は、LPG、LNG、メタン、ブタンのうちいずれか一つを使用することを特徴とする。
また、前記LEL測定器及び温度測定装置の信号に応じて補助燃料の供給量が調節されるように、バルブの開閉を調節する制御器を含むことを特徴とする。
また、前記昇温用送風機及びバーナは、燃焼装置の昇温時にのみ稼働され、燃焼装置が目標温度に到達したあとに工程ガスが燃焼装置に流入されると、これ以上稼働されないことを特徴とする。
また、前記燃焼装置は、RTO(Regenerative Thermal Oxidizer:再生熱酸化装置)、RCO(Regenerative Catalytic Oxidizer:再生触媒酸化装置)、TO(Thermal Oxidizer:熱酸化装置)、CTO(Catalytic Thermal Oxidizer:触媒熱酸化装置)のうちいずれか一つであることを特徴とする。
また、前記燃焼室に設置された温度測定装置の信号に応じて、バイパスダンパの開閉を調節する制御器を含むことを特徴とする。
また、前記LEL測定器及び温度測定装置の信号に応じて、リサイクル(Recycle)送風機の稼働を調節する制御器を含むことを特徴とする。
また、前記燃焼装置の前に水分除去装置及びストレーナー(Strainer)を設置して、廃ガスの中に含まれた水分とカスが燃焼装置に流入されないようにすることを特徴とする。
また、昇温が完了すると、前記昇温用送風機を通じて流入された外部空気は、バイパスダンパの内部ディスク冷却用として使用されるようにすることを特徴とする。
また、昇温が完了すると、前記バーナの作動が停止し逆火防止バルブが開放され、減圧される前の廃ガスがバーナ保護用として流入され、逆火及び爆発を防止するようにすることを特徴とする。
また、計器装置をコントロール可能なPCシステムを設置して、排出O測定器の酸素濃度及び温度測定装置の温度とLEL測定器のVOC濃度が一定の範囲内に維持され得るようにすることを特徴とする。
また、前記一定の範囲は、酸素濃度が1.2〜2%、温度測定装置の温度が700℃〜880℃の範囲内であり、LEL測定器のVOC濃度は、10000〜20000ppmであることを特徴とする。
本発明によって、可燃性不純物が混在する排出ガスから前記可燃性不純物を効果的に除去することによって、有害物質の外部への排出を防止することができる。
また、本発明によって、製造工程の排出ガスから発生する多量のCOを効率的に回収することによって、経済的に有利な工程を提供し、二酸化炭素の排出による環境汚染も防止することができる。
加えて、本発明によって、OMEGA工程で発生するCOを高純度化する方法を提供することによって、前記工程の短所を改善して、OMEGA工程を安全かつ効率的に利用できるようにする。
本発明による二酸化炭素の高純度化装置の構成図である。
本発明に係る純酸素を用いて可燃性不純物が混在する排出ガスから二酸化炭素を高純度化する装置は、本体と、前記本体に形成されて、工程排出ガス中のVOCを300〜990℃の範囲で燃焼させる燃焼室とを含む燃焼装置と、燃焼装置の昇温のための外部空気吸込送風機と、燃焼装置の内部の温度を目標温度である300〜990℃の範囲に昇温させるためのバーナと、排出ガスの圧力を1.0kg/cm以下に低下させるための減圧バルブと、工程排出ガスに純酸素を混合させるためのミキサー(Mixer)と、酸素濃度測定のためのO測定器及びO測定器の測定値によってバルブが調節されるO供給装置と、工程排出ガス中のVOCの濃度を測定するためのLEL(Low Explosive Limit:最低爆発限界)測定器と、燃焼室の温度及びLEL測定器の値によって追加で燃料供給が調節される補助燃料供給装置と、燃焼装置の過熱を防止するために、燃焼されたガスを再び流入部に移送させるリサイクル送風機と、燃焼されたガス中の水分を除去するための熱交換器と、を含むことを特徴とする。
以下、本発明に係る純酸素を用いたCO高純度化装置を、実施例を通じて詳細に説明すると、次の通りである。
本実施例では、可燃性不純物を含む排出ガスとしてOMEGA工程100で排出されたガスを例に挙げたが、本発明は、10%以下の可燃性不純物と90%以上の二酸化炭素とを含む廃ガスを排出するいずれの工程にも適用され得る。
図1は、製造工程から排出された廃ガスを燃焼させるための、本発明に係る二酸化炭素の高純度化装置の構成図である。図1に示された燃焼装置140は、運転時に燃焼装置140の内部温度を昇温させるために、補助燃料(LPG、LNG、メタン、ブタンなど)を使用してバーナ230を点火させ、燃焼のために必要な酸素を、外部空気吸込送風機130、210を通じて供給して、燃焼装置の内部温度を目標値(300〜990℃)まで昇温させるように構成されている。
燃焼装置は、RTO(Regenerative Thermal Oxidizer:再生熱酸化装置)、RCO(Regenerative Catalytic Oxidizer:再生触媒酸化装置)、TO(Thermal Oxidizer:熱酸化装置)、CTO(Catalytic Thermal Oxidizer:触媒熱酸化装置)などの燃焼装置を使用することができる。
燃焼装置140の炉内温度が目標値(300〜990℃)まで昇温すると、バーナ230の作動が停止され、外部空気吸込送風機210に連結された外部空気供給バルブ212が閉鎖されながら工程ガス流入自動バルブ111が開放されて、OMEGA(Only MEG Advanced)工程100から排出される廃ガスが燃焼装置140に移送されることになる。
この時、外部空気吸込送風機210を通じて吸い込まれる外部空気は、外部空気供給バルブ212が閉じながら、バイパスダンパ145の内部ディスクに冷却専用で使用されることになり、高温に露出しているバイパスダンパ145の過熱を防止して誤作動を防ぐことができる。
燃焼装置140に移送される廃ガスの圧力を1.0kg/cm以下に低下させるために、流入ダクト134に減圧バルブ112を設置して、燃焼装置140の安定した運転が可能なようにした。また、圧力の上昇による工程生産設備を保護するために、流入ダクト134の圧力が1.9kg/cm以上になると、廃ガスが大気に排出されるように破裂ディスク(Rupture Disk)133を設置した。また、燃焼装置140の運転に異常が感知されたとき、自動中断モードによって工程ガス流入自動バルブ111はクローズされ、非常バルブ110がオープンされて、廃ガスが燃焼装置140に流入される前に非常排出されるようにして安全性を確保した。
加えて、図面には記載されていないが、前記燃焼装置の前に水分除去装置及びストレーナーを設置して、廃ガスの中に含まれた水分とカスが燃焼装置に流入されないようにすることができる。
昇温が完了したあと、バーナ230の作動が停止されると、燃焼装置140内に流入される廃ガスの圧力によって燃焼ガスがバーナ230の点火部に逆火して爆発する危険性があるので、逆火防止バルブ211を開放して、減圧される前の廃ガスをバーナ230保護用で流入させて、逆火及び爆発を防止するようにした。
バーナ230と外部空気吸込送風機130、210が停止されると、工程から排出される廃ガスの燃焼に必要な酸素を純酸素で供給し、純酸素供給用自動バルブ121を通じてミキサーボックス122で廃ガスと純酸素が混合されるようにした。純酸素の供給量は、ミキサーボックス122で混合されたガスを、流入O測定器132で測定した値によって、純酸素供給用自動バルブ121を通じて自動調節するようになっており、LEL測定器131を通じた廃ガスのVOC濃度と燃焼室の温度によって、補助燃料供給バルブ220を通じて補助燃料の供給量を調節するようにした。
廃ガスは、燃焼装置140内に流入されながら蓄熱材層141を通過して昇温され、炉内の温度(300〜990℃)で燃焼されて、高純度のCOのみが排出ダクト144から排出される。燃焼装置の蓄熱と放熱過程において炉内に流入されずに蓄熱材層141に残留する廃ガスが、未処理された状態で排出されて、燃焼の効率が低下される点を補完するために、パージ(Purge)送風機160を通じたパージ用空気で蓄熱材層141に残っている未処理ガスの強制排気を行って、流入ダクト134に流入させて再処理することによって、処理効率を極大化するように構成した。
燃焼装置140に流入される廃ガスのVOC濃度が高く炉内の温度が一定温度以上に上昇すると、バイパスダンパ145の自動開閉によって燃焼装置140内の温度を安定的に維持させる。また、排出される高温のガスは熱交換器180によって冷却されるようにした。
LEL測定器131を通じた廃ガスのVOC濃度及び燃焼室の温度によって、リサイクル送風機170を稼働させて、燃焼装置140の過熱を防止し、処理された高温の高純度COガスの一部を流入ダクト134に再び流入させて、廃ガスと混合されるようにして、予熱及びVOC濃度希釈効果を用いて燃焼が円滑、かつ、安定になされるようにした。
燃焼装置140から排出された高純度のCOは、冷却及び水分の除去のために熱交換器180を通過し、熱交換器180を通過した高純度のCOは、回収(リサイクル)設備に移送される。このとき、熱交換器180は、燃焼炉に流入される廃ガスの温度を高める目的としても使用することができる。
高純度COの回収設備に送るためには、排出O測定器143の酸素濃度と温度測定装置142の温度と、そして、LEL測定器131のVOC濃度とがいずれも正常範囲(排出O測定器143の酸素濃度:1.2〜2%/温度測定装置142の温度:700℃〜880℃/LEL測定器131のVOC濃度:10000〜20000ppm)に含まれなければならない。前記正常範囲は、二酸化炭素を回収及び再使用することができる適正な水準である。このような正常範囲の管理は、計器装置をコントロールできるPCシステム300を設置して、前記濃度及び各温度が正常範囲内にコントロールされ得るようにする。正常範囲の状態では回収(リサイクル)移送バルブ181が開放されて回収設備に送られ、異常範囲の状態では大気排出バルブ182が開放されて、処理ガスが大気に排出されるように構成した。
本発明は、上述した好ましい実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な改良、変更、代替または付加を行ったうえで実施できることは、当該の技術分野における通常の知識を有する者であれば容易に理解できるだろう。このような改良、変更、代替または付加による実施が、以下の添付された特許請求の範囲に属するものであれば、その技術思想も本発明に属するものと見なす。
100 OMEGA工程
110 非常バルブ
111 工程ガス流入自動バルブ
112 減圧バルブ
120 純酸素貯蔵所
121 純酸素供給用バルブ
122 ミキサーボックス
130 外部空気吸込送風機
131 LEL測定器
132 流入O測定器
133 破裂ディスク
134 流入ダクト
140 燃焼装置
141 蓄熱材層
142 温度測定装置
143 排出O測定器
144 排出ダクト
145 バイパスダンパ
146 バイパスダクト
150 分配板減速機
160 パージ送風機
170 リサイクル送風機
180 熱交換器
181 回収(リサイクル)移送バルブ
182 大気排出バルブ
200 補助燃料貯蔵所
201 補助燃料遮断バルブ
210 外部空気吸込送風機
211 逆火防止バルブ
212 外部空気供給バルブ
220 補助燃料供給バルブ
230 バーナ
300 PCシステム

Claims (12)

  1. 90%以上の高濃度のCOと残部としてVOC及び酸素を含むOMEGA工程によって発生した廃ガスを、酸素濃度が1.2〜2%であり、VOCの濃度が10000〜20000ppmであり、残部が二酸化炭素になるまで、純酸素燃焼法を用いてCOを高純度化する、二酸化炭素の高純度化方法。
  2. a)流入ガスの圧力を1.0kg/cm以下に低下させるための減圧バルブと、
    純酸素を供給するための純酸素供給装置と、
    流入ガスに補助燃料を供給するための補助燃料供給装置と、
    燃焼装置の昇温用送風機と、
    流入ガス中のO及びVOCの濃度を測定するための流入O測定器及びLEL測定器と、
    を含む工程ガス流入部と、
    b)燃焼装置の内部を昇温するためのバーナと、
    流入ガス中のVOCを燃焼させるための燃焼室と、
    燃焼熱を蓄熱するための蓄熱材層と、
    昇温時にバーナに燃料を供給するための燃料供給装置と、
    燃焼室の温度を測定するための温度測定装置と、
    燃焼室の過昇温を防止するバイパスダンパと、
    を含む工程ガス燃焼部と、
    c)燃焼されたガス中のOの濃度及び温度を測定する排出O測定器及び温度測定器と、
    燃焼されたガスを再び流入部に送る再循環送風機と、
    熱交換器と、
    を含む燃焼ガス排出部と、
    d)前記排出O 測定器の酸素濃度、前記温度測定装置の温度及び前記LEL測定器のVOC濃度が一定の範囲内に維持されるように計器装置をコントロールするPCシステムと、
    を含み、
    90%以上の高濃度のCO と残部としてVOC及び酸素を含むOMEGA工程によって発生した廃ガスを、前記酸素濃度が1.2〜2%であり、前記温度測定装置の温度が700℃〜880℃であり、前記LEL測定器のVOC濃度が10000〜20000ppmであるように維持し、純酸素燃焼法を用いてCO を高純度化することを特徴とする、二酸化炭素の高純度化装置。
  3. 前記流入O測定器の信号に応じてOの供給量が調節されるように、バルブの開閉を調節する制御器を含むことを特徴とする、請求項に記載の二酸化炭素の高純度化装置。
  4. 前記補助燃料は、LPG、LNG、メタン、ブタンのうちいずれか一つを使用することを特徴とする、請求項に記載の二酸化炭素の高純度化装置。
  5. 前記LEL測定器及び温度測定装置の信号に応じて補助燃料の供給量が調節されるように、バルブの開閉を調節する制御器を含むことを特徴とする、請求項に記載の二酸化炭素の高純度化装置。
  6. 前記昇温用送風機及びバーナは、燃焼装置の昇温時にのみ稼働され、燃焼装置が目標温度に到達したあとに工程ガスが燃焼装置に流入されると、これ以上稼働されないことを特徴とする、請求項に記載の二酸化炭素の高純度化装置。
  7. 前記燃焼装置は、RTO(Regenerative Thermal Oxidizer:再生熱酸化装置)、RCO(Regenerative Catalytic Oxidizer:再生触媒酸化装置)、TO(Thermal Oxidizer:熱酸化装置)、CTO(Catalytic Thermal Oxidizer:触媒熱酸化装置)のうちいずれか一つであることを特徴とする、請求項に記載の二酸化炭素の高純度化装置。
  8. 前記燃焼室に設置された温度測定装置の信号に応じて、バイパスダンパの開閉を調節する制御器を含むことを特徴とする、請求項に記載の二酸化炭素の高純度化装置。
  9. 前記LEL測定器及び温度測定装置の信号に応じて、リサイクル送風機の稼働を調節する制御器を含むことを特徴とする、請求項に記載の二酸化炭素の高純度化装置。
  10. 前記燃焼装置の前に水分除去装置及びストレーナーを設置して、廃ガスの中に含まれた水分とカスが燃焼装置に流入されないようにすることを特徴とする、請求項に記載の二酸化炭素の高純度化装置。
  11. 昇温が完了すると、前記昇温用送風機を通じて流入された外部空気は、バイパスダンパの内部ディスク冷却用として使用されるようにすることを特徴とする、請求項に記載の二酸化炭素の高純度化装置。
  12. 昇温が完了すると、前記バーナの作動が停止し逆火防止バルブが開放されて、減圧される前の廃ガスがバーナ保護用として流入されて、逆火及び爆発を防止するようにすることを特徴とする、請求項に記載の二酸化炭素の高純度化装置。
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