KR100836709B1 - 암모니아수를 이용하여 혼합가스에서 이산화탄소를회수하면서 암모니아 손실을 방지하는 방법 및 장치 - Google Patents

암모니아수를 이용하여 혼합가스에서 이산화탄소를회수하면서 암모니아 손실을 방지하는 방법 및 장치 Download PDF

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고창현
박종호
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Abstract

본 발명은 5 ~ 15 wt%의 암모니아가 포함된 저농도의 암모니아 수용액 (암모니아수)을 이용하여 이산화탄소가 포함된 혼합가스에서 고순도의 이산화탄소를 회수하는 방법과 회수 장치에 대한 것이다. 본 장치는 암모니아수를 이용하여 이산화탄소를 선택적으로 흡수하기 위한 제 1 흡수탑, 이산화탄소가 제거된 배가스에 포함된 암모니아 가스를 물에 용해시켜 제거하는 제 2 흡수탑, 이산화탄소가 흡수된 흡수액에서 이산화탄소를 탈거시키기 위한 탈거탑, 탈거된 이산화탄소에 미량 함유되는 암모니아를 물로 흡수하기 위한 제 3 흡수탑, 그리고 암모니아 가스를 흡수하기 위하여 사용된 물을 제거하고 암모니아수의 농도를 높이는 농축탑과 흡수액 순환펌프, 열교환기 등으로 구성되어 있다. 암모니아수를 이용하여 이산화탄소를 회수하는 방법은 전술한 장치를 이용하는 것으로 다음과 같다. 이산화탄소가 함유된 혼합가스를 제 1 흡수탑 하부로 공급하고 제 1 흡수탑의 상부로 0 ~ 40oC의 암모니아수를 공급한다. 이 경우 제 1 흡수탑 상부로 이산화탄소가 제거된 배가스가 배출되고 하부로 이산화탄소가 흡수된 암모니아수가 배출된다. 제 1 흡수탑 하부로 배출되는 이산화탄소가 흡수된 암모나아수는 제 1 열교환기를 거쳐 탈거탑의 상부로 공급되는데, 탈거탑에서는 이산화탄소를 함유한 암모니아수를 70 ~ 88oC로 가열하여 고순도 이산화탄소를 가스로 배출한다. 탈거탑은 일종의 증류탑으로 상부로 미량의 암모니아를 포함하는 이산화탄소가 배출되고 하부로 이산화탄소가 탈거된 암모니아 수가 배출된다. 이 암모니아수는 제 1 열교환기를 거쳐 냉각되어 이산화탄소 제 1 흡수탑의 상부로 재순환된다. 그러나 암모니아수에서 암모니아 가스 증발로 인하여 제 1 흡수탑에서 배출되는 이산화탄소가 제거된 배가스와 탈거탑에서 배출되는 이산화탄소 농축가스에서 미량의 암모니아 가스가 포함되어 있으므로 이를 제거하기 위하여 물 세정탑들을 설치하고 이를 제 2 흡수탑 그리고 제 3 흡수탑이라 칭하였다. 제 1 흡수탑의 상부로 배출되는 이산화탄소가 제거된 배가스는 물을 흡수액으로 사용하는 제 2 흡수탑으로 보내져서 함께 들어 있던 미량의 암모니아를 제거하고 배출된다. 제 2 흡수탑의 하부로 나오는 미량 암모니아 함유 물은 제 3 흡수탑의 상부로 공급된다. 그리고 탈거탑 상부로 배출되는 미량의 암모니아를 함유하는 이산화탄소는 물을 흡수액으로 사용하는 제 3 흡수탑으로 보내져서 암모니아가 제거되어 고순도의 이산화탄소로 배출된다. 이 때 제 3 흡수탑의 하부에서 배출되는 미량의 암모니아를 함유하는 물이 탈거탑의 상부로 공급된다. 즉, 탈거탑의 상부로는 이산화탄소 제 1 흡수탑에서 배출되는 이산화탄소를 함유하는 암모니아수와 제 3 흡수탑에서 나오는 미량의 암모니아를 함유한 물이 동시에 공급된다. 전술한 바와 같이 탈거탑 하부로 배출되는 이산화탄소가 탈거된 암모니아수는 대부분 제 1 열교환기에서 냉각된 다음 이산화탄소 제 1 흡수탑으로 재순환되고 나머지 일부는 일종의 증류탑인 암모니아 농축탑의 상부로 공급된다. 암모니아 농축탑의 하부로는 암모니아 제 2 흡수탑의 상부로 공급된 물의 양에 해당하는 양을 제거하게 된다. 즉 이 암모니아 농축탑은 외부에서 공급된 물에 의해 낮아진 암모니아 농도를 높이고 과량의 물을 제거하는 역할을 한다. 농축탑에서 제거되는 물의 온도는 90 ~ 100oC의 이며 암모니아가 용해되어 있다. 이 물을 시스템 밖으로 방출하면 시스템내의 암모니아의 미량 손실이 지속적으로 일어나게 된다. 이를 보완하기 위하여 이 물은 제 2 열교환기를 거쳐 냉각되고 다시 제 2 흡수탑으로 공급되어 제 2 흡수탑 상부로 배출되는 미량의 암모니아를 제거하는데 쓰인다. 제 2 흡수탑으로 들어가는 물의 온도는 20 ~ 40oC로 암모니아 용해도가 농축탑 하단에서 나올 때 보다 매우 높기 때문에 암모니아 손실은 최소가 된다. 이와 같은 방식으로 시스템 내부의 암모니아 손실을 최소화 하며 혼합가스에 함유된 이산화탄소를 회수하여 고순도의 이산화탄소를 연속적으로 생산한다.
이산화탄소, 흡수, 암모니아수, 암모니아 손실 방지

Description

암모니아수를 이용하여 혼합가스에서 이산화탄소를 회수하면서 암모니아 손실을 방지하는 방법 및 장치 {Method of recovering carbon dioxide from mixed gas using aqueous ammonia with preventing ammonia loss and the apparatus thereof}
도 1은 본 발명에 의한 암모니아수를 이용한 혼합가스에서 이산화탄소를 회수하면서 시스템 내의 암모니아 손실을 막는 공정을 보여주는 개략도이다.
<도 1 의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 혼합가스에서 이산화탄소를 암모니아수로 회수하는 제 1 흡수탑
2: 제 1 열교환기
3: 이산화탄소를 흡수한 암모니아수에서 이산화탄소를 탈거시키기 위한 탈거탑
4: 상기 3번에 나타낸 탈거탑의 부속품인 제 1 재비기
5: 이산화탄소가 제거된 배가스에 미량 함유된 암모니아를 물로 흡수하기 위한 제 2 흡수탑
6: 탈거된 이산화탄소에 미량 함유된 암모니아를 물로 흡수하기 위한 제 3 흡수탑
7: 상기 제 2 흡수탑(5)와 제 3 흡수탑(6)에서 사용된 물을 제거하고 암모니아수 농도를 높이는 농축탑
8. 상기 7번에 나타낸 농축탑의 부속품인 제 2 재비기
9. 이산화탄소가 탈거된 암모니아수를 흡수탑으로 재순환시키기 위한 제 1 순환펌프
10. 제 2 열교환기
11. 농축탑 하부에서 방출되는 물을 제 2 흡수탑으로 재순환시키기 위한 제 2 순환펌프
12. 제 1 흡수탑(1)에 공급되는 이산화탄소가 함유된 혼합가스
13. 순환펌프(9)로부터 공급되고 흡수탑 하부 유출물과 열교환된 암모니아 흡수액
14. 흡수탑(1)에서 이산화탄소가 제거된 후 배출되는 배가스로 이에 함유된 미량의 암모니아를 제거하기 위한 제 2 흡수탑(5)의 하부로 공급되는 가스
15. 흡수탑(1) 하부로 배출되어 제 1 열교환기(2)와 제 2 열교환기(10)를 거치는 이산화탄소 함유 흡수액
16. 이산화탄소가 함유된 혼합가스에서 이산화탄소가 제거되고 제 1 흡수탑(1)을 거치면서 미량 함유되는 암모니아가 제거된 청정한 배가스
17. 탈거탑(3)에서 배출된 이산화탄소에서 미량의 암모니아가 제거된 제품
18. 농축탑(7) 상부에서 기화되어 탈거탑 하부로 주입되는 암모니아 가스
19. 탈거탑(3) 하부의 제 1 재비기(4)에서 이산화탄소가 탈거되어 제 2 흡수탑(5)의 상부로 공급되는 물(20)의 양만큼 농축탑(7) 상단으로 공급되는 암모니아수
20. 암모니아수 농도를 높이기 위한 농축탑(7) 하부의 제 2 재비기(8)에서 방출되어 제 2 열교환기(10)를 거쳐 냉각된 후 이산화탄소가 제거된 배가스(16)와 탈거된 이산화탄소에 함유되는 미량의 암모니아를 흡수하기 위하여 순환되는 물
본 발명은 연소 배가스와 같이 이산화탄소가 함유된 혼합가스에서 이산화탄소를 흡수액으로 흡수하고 이를 가열하여 흡수된 이산화탄소를 탈거시켜 고순도의 이산화탄소를 생산하는데 있어서, 흡수액으로 암모니아수를 사용함으로써 기존의 방식(예: 아민계 흡수액을 사용하는 이산화탄소 흡수방식)에 비하여 단위 흡수액 부피당 이산화탄소 흡수량을 증대시키고 이산화탄소 흡수열을 줄여 장치의 규모를 줄이고 운전에너지를 절감하기 위한 것이다. 또한 본 발명에서 이산화탄소를 흡수하는 암모니아수는 기존의 아민계 흡수액에 비하여 산소에 의한 흡수액의 성능저하가 없다. 본 발명은 암모니아수를 이용하여 이산화탄소를 선택적으로 흡수하기 위한 제 1 흡수탑, 이산화탄소가 제거된 배가스에 포함된 암모니아 가스를 물에 용해시켜 제거하는 제 2 흡수탑, 이산화탄소가 흡수된 흡수액에서 이산화탄소를 탈거시 키기 위한 탈거탑, 탈거된 이산화탄소에 미량 함유되는 암모니아를 물로 흡수하기 위한 제 3 흡수탑, 그리고 암모니아 가스를 흡수하기 위하여 사용된 물을 제거하고 암모니아수의 농도를 높이는 농축탑, 암모니아수 순환을 위한 제 1 순환펌프, 농축탑에서 제거된 물에 포함될 수 있는 미량의 암모니아 손실을 없애기 위해 이 물을 냉각시켜 다시 제 2 흡수탑으로 공급하기 위한 제 2 순환펌프, 그리고 열교환기 등으로 구성되어 있다.
혼합가스로부터 이산화탄소를 흡수하기 위한 방식으로 가장 많이 알려진 것으로는 아민 수용액을 흡수액으로 사용하는 것이다. 암모니아수는 모노 에탄올 아민(MEA) 수용액에 비하여 이산화탄소 흡수량은 약 3배이며 흡수열은 약 1/3이다. 따라서 암모니아수를 이산화탄소 흡수제로 사용할 경우 장치의 규모가 작아지고 에너지 사용량이 감소할 수 있다. 암모니아수를 흡수제로 사용하는 종래의 기술로는 코크스 가스(COG)에 포함되는 황화수소를 제거하기 위한 기술(한국공개특허공보 특2002-0051014)이 있으며, 관련기술로 암모니아, 물, 그리고 이산화탄소 혼합물로부터 암모늄 카보네이트(Ammonium carbonate)를 제조하는 기술에 대한 특허(US 2004/0199013 A1), 암모니아와 요소 생산공정에서 이산화탄소를 제거하는 기술(a: US 4456635 Jun. 26, 1984, b: US 3649052, Feb. 8, 1972), 이산화탄소와 암모니아를 포함하는 수용액에서 암모니아 가스를 회수하는 방법(US 3594987, July 20, 1971), 연소 배가스를 처리하는 방법(US 5378442, Jan. 3, 1995) 그리고 이산화탄소를 포함한 연소가스 정제하는 방법(WO 2006/022885 A1, Mar. 2, 2006) 등이 있으나 본 발명에서와 같이 이산화탄소를 함유하는 혼합가스에서 고순도의 이산화탄소 를 회수하기 위한 기술은 없다.
본 발명은 온실가스인 이산화탄소가 포함된 혼합가스에서 95 vol% 이상의 고순도 이산화탄소를 저에너지, 저비용으로 회수하여 제품으로 생산하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에서 이룩한 기술은 암모니아수를 이용하여 혼합가스에 함유된 이산화탄소를 흡수하고 이산화탄소가 흡수된 흡수액을 효과적으로 재생하며, 이산화탄소가 제거된 배가스와 재생시 제품(이산화탄소)에 미량 함유되는 암모니아 가스를 물로 흡수하고 동시에 사용된 물을 증류하여 암모니아를 회수하고 냉각을 거처 순환시켜 다시 흡수탑으로 보내 시스템 내의 암모니아 손실을 방지하고 전체공정이 연속적으로 운전이 가능하며 환경 유해물질인 암모니아를 배출하지 않는 것이다. 따라서 본 발명의 목적은 이와 같이 혼합가스에 함유된 이산화탄소를, 암모니아수를 흡수액으로 사용하여, 암모니아 손실 없이, 연속적으로 회수하여 고순도의 이산화탄소를 생산하는 방법과 그 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 암모니아수를 이용하여 이산화탄소를 선택적으로 흡수하기 위한 제 1 흡수탑, 이산화탄소가 제거된 배가스에 포함된 암모니아 가스를 물에 용해시켜 제거하는 제 2 흡수탑, 이산화탄소가 흡수된 흡수액에서 이산화탄소를 탈거시키기 위한 탈거탑, 탈거된 이산화탄소에 미량 함유 되는 암모니아를 물로 흡수하기 위한 제 3 흡수탑, 그리고 암모니아 가스를 흡수하기 위하여 사용된 물을 제거하고 암모니아수의 농도를 높이기 위한 농축탑, 농축탑에서 제거된 물에 포함될 수 있는 미량의 암모니아 손실을 없애기 위해 이 물을 냉각시켜 다시 제 2 흡수탑으로 공급하기 위한 펌프, 흡수액, 그리고 열교환기 등으로 구성되어 있다. 본 특허는 이와 같은 장치와 이를 이용하여 혼합가스에 함유된 이산화탄소를 효율적으로 회수하며 장치 내의 암모니아 손실을 방지하는 방법을 제공한다.
바람직하게는, 본 발명은 이산화탄소가 함유된 혼합가스로부터 고순도 이산화탄소를 생산하는 방법으로서, 5 ~ 15 wt%의 암모니아수용액을 0 ~ 40oC, 바람직하게는 20~40℃의 온도로 제 1 흡수탑(1)의 상부로 공급하고, 제 1 흡수탑(1)의 하부로 이산화탄소가 함유된 혼합가스를 도입하여 혼합가스에 함유된 이산화탄소를 암모니아수에 흡수시키고, 이산화탄소가 흡수된 이산화탄소 함유 암모니아수를 탈거탑(3)으로 보내어 70 ~ 88oC로 가열하여 이산화탄소를 탈거시키고, 이산화탄소가 탈거된 암모니아수를 제 1 열교환기로 냉각하여 다시 제 1 흡수탑(1)으로 재순환시키면서 탈거된 이산화탄소를 제 3 흡수탑(6)으로 보내어 이산화탄소에 함유된 미량의 암모니아를 물로 제거하여, 고순도 이산화탄소를 생산하는 방법을 제공한다.
보다 구체적으로는, 본 발명은 이산화탄소가 함유된 혼합가스로부터 고순도 이산화탄소를 생산하는 방법으로서, 5 ~ 15 wt%의 암모니아 수용액을 0 ~ 40℃, 바람직하게는 20 ~ 40oC의 온도로 제 1 흡수탑(1)의 상부로 공급하고 제 1 흡수탑(1)의 하부로 이산화탄소가 함유된 혼합가스를 도입하여 혼합가스에 함유된 이산화탄소를 암모니아수에 흡수시키고 이산화탄소가 흡수된 흡수액을 탈거탑(3)으로 보내어 70 ~ 88oC로 가열하여 이산화탄소를 탈거시키고, 이산화탄소가 탈거된 암모니아수(13)를 제 1 열교환기(2)로 냉각하여 다시 제 1 흡수탑(1)으로 재순환시키면서 탈거된 이산화탄소를 제 3 흡수탑(6)으로 보내어 미량 암모니아를 제거하여 고순도 이산화탄소를 제품으로 생산하며, 처리된 배가스에 함유되는 미량의 암모니아를 제 2 흡수탑에서 물에 흡수시키고 미량의 암모니아를 함유하는 물을 제 3 흡수탑(6)의 상부에 유도하고, 처리된 배가스 내의 미량 암모니아를 제거하기 위해 제 2 흡수탑(5)으로 순환되는 물의 양만큼의 암모니아수를 탈거탑(3)으로부터 농축탑(7)로 보내어 증류를 통해 암모니아를 제거한 뒤 제 2 재비기(8)를 통해 배출시키며 배출된 물(20)을 열교환을 거쳐 냉각하여 다시 제 2 흡수탑(5)의 상부로 재순환시키는 방법을 제공하고 있다.
본 발명의 상기된 방법은 제 1 흡수탑(1)의 상부로 배출되는 이산화탄소가 제거된 배출가스를 물을 흡수액으로 사용하는 제 2 흡수탑(5)으로 보내어 함유된 미량의 암모니아 가스를 제거하고, 제 2 흡수탑(5)의 하부로 배출되는 미량의 암모니아 함유 물을 제 3 흡수탑(6)의 상부로 공급하며, 제 3 흡수탑(6)의 하부로 배출되는 미량 암모니아 함유 물을 탈거탑(3)의 상부로 공급하고, 탈거탑(3)의 하부에서 배출되는 암모니아수의 일부를 농축탑(7)으로 보내어 제 2 흡수탑(5)에 공급된 물(20)의 양에 해당하는 양의 물을 제거하여 암모니아수의 농도를 높이며 미량의 암모니아를 함유하는 제거된 물은 제 2 순환펌프에 의해 제 2 열교환기를 거쳐 냉각시켜 암모니아의 용해도를 높인 뒤 다시 제 2 흡수탑으로 공급되어 이산화탄소가 제거된 혼합가스(14)에 포함된 미량의 암모니아를 제거하는 데 쓰임으로서 시스템 내의 암모니아 손실을 방지하고 있다.
또한, 본 발명은 이산화탄소가 함유된 혼합가스로부터 고순도 이산화탄소를 생산하는 장치로서, 암모니아수를 이용하여 배가스로부터 이산화탄소를 선택적으로 흡수하기 위한 제 1 흡수탑(1), 이산화탄소가 흡수된 이산화탄소 함유 암모니아수에서 이산화탄소를 탈거시키기 위한 탈거탑(3), 탈거된 이산화탄소에 미량 함유되는 암모니아 가스를 물로 흡수하기 위한 제 3 흡수탑(6), 탈거탑으로부터의 암모니아수를 재순환시키는 제 1 순환펌프(9), 및 제 1 흡수탑으로부터의 이산화탄소 함유 암모니아수와 탈거탑으로부터의 재순환 암모니아수 사이에서 열을 교환시키는 제 1 열교환기(2)를 포함하여, 상기된 본 발명의 방법에 따라서 시스템 내의 암모니아 손실 없이 고순도의 이산화탄소를 연속적으로 생산하는 장치를 제공한다.
바람직하게는, 본 발명은 이산화탄소가 함유된 혼합가스로부터 고순도 이산화탄소를 생산하는 장치로서, 암모니아수를 이용하여 배가스로부터 이산화탄소를 선택적으로 흡수하기 위한 제 1 흡수탑(1), 이산화탄소가 흡수된 이산화탄소 함유 암모니아수에서 이산화탄소를 탈거시키기 위한 탈거탑(3), 탈거된 이산화탄소에 미량 함유되는 암모니아 가스를 물로 흡수하기 위한 제 3 흡수탑(6), 탈거탑(3)으로부터의 암모니아수를 재순환시키는 제 1 순환펌프(9), 제 1 흡수탑의 상부로부터의 배가스(14)에 미량 함유될 수 있는 암모니아를 물로 제거하고 암모니아 함유 물을 제 3 흡수탑(6)으로 보내는 제 2 흡수탑(5), 제 1 흡수탑(1)으로부터의 이산화탄소 함유 암모니아수와 탈거탑으로부터의 재순환 암모니아수 사이에서 열을 교환시키는 열교환기(2), 암모니아 가스를 흡수하기 위하여 사용된 물을 제거하고 암모니아수의 농도를 높이도록 탈거탑(3)의 하부로부터의 일부의 암모니아수를 농축시켜 탈거탑으로 재순환시키면서 미량의 암모니아 함유 물을 제 2 흡수탑(5)에 재순환시키는 농축탑(7), 및 농축탑(7)에서 배출되는 미량의 암모니아 함유 물의 암모니아 용해도를 증가시키기 위해 농축탑(7)에서 배출되는 물과 제 1 열교환기(2)에서 배출되는 이산화탄소를 함유하는 암모니아수 사이에서 열을 교환시키는 제 2 열교환기(10)를 포함하여, 상기 본 발명의 방법에 따라서 고순도의 이산화탄소를 연속적으로 생산하는 장치를 제공한다.
본 발명의 상기된 장치는 탈거탑(3)으로부터의 암모니아수를 재순환시키는 제 1 순환펌프(9) 및 농축탑에서 배출되는 미량의 암모니아 함유 물을 다시 제 2 흡수탑(5)으로 재순환시키는 제 2 순환펌프(11)를 추가로 포함할 수 있다.
도 1에 나타낸 공정 개략도를 이용하여 본 발명의 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 이산화탄소를 함유하는 혼합가스(12)가 제 1 흡수탑(1)의 하부로 공급되고 제 1 흡수탑(1)의 상부로 흡수액(13)이 공급된다. 제 1 흡수탑(1)의 상부로 이산화탄소가 제거된 배가스(14)가 배출되고 하부로 이산화탄소가 흡수된 암모니아수가 제 1 열교환기(2)와 제 2 열교환기(10)를 거쳐 가열된 후 탈거탑(3)의 상부로 공급된다. 제 1 흡수탑(1)의 상부로 배출된 배가스(14)는 이에 미량 함유될 수 있는 암모니아 가스를 제거하기 위한 제 2 흡수탑(5)의 하부로 공급된다. 제 2 흡수탑(5)의 상부로 물(20)을 공급하여 암모니아 가스를 흡수시켜 청정한 배가스(16)를 배출시킨다. 한편, 탈거탑(3)은 일종의 증류탑으로 흡수액에 함유된 이산화탄소를 탈거시켜 흡수액을 재생시키는 역할을 한다. 탈거탑(3)의 부속품인 제 1 재비기(4)에 열을 공급하면 흡수액에 함유된 이산화탄소가 탈거되어 탈거탑의 상부로 배출되어 암모니아 제 3 흡수탑(6)의 하부로 공급된다. 제 3 흡수탑(6)의 상부로 제 2 흡수탑(5)의 하부에서 배출되는 물을 공급하여 탈거탑(3)의 상부로 배출되는 이산화탄소에 함유되는 미량의 암모니아 가스를 제거하면 고순도(95 vol% 이상)의 이산화탄소(17)가 얻어진다. 또한 탈거탑(3)의 하부로 배출되는 재생된 암모니아수의 대부분(13)은 순환펌프(9)와 제 1 열교환기(2)를 거치면서 냉각되어 제 1 흡수탑(1)의 상부로 재순환되고 나머지 일부(19)는 암모니아 농축탑(7)의 상부로 공급된다. 암모니아 농축탑(7)의 부속품인 제 2 재비기(8)에 열을 공급하면 흡수액에 함유된 암모니아는 기화되고 물(20)이 배출된다. 이 때, 배출되는 물(20)은 배가스(14)와 탈거탑(3)에서 탈거된 이산화탄소에 함유된 암모니아를 회수하기 위하여 제 2 열교환기를 거쳐 냉각된 후 제 2 흡수탑(5)으로 다시 공급된다. 농축탑(7) 하단의 제 2 재비기(8)에서 배출될 때 물(20)의 온도는 95oC 이상이며, 암모니아를 미량 함유하고 있다. 이 물은 제 2 열교환기(10)를 거치면서 냉각되며 암모니아의 용해도가 급속히 증가하여 제 2 흡수탑(5)에 주입되어 암모니아를 미량 함유하는 배가스(14)와 만날 때 암모니아 손실이 거의 없게 된다. 이와 같은 방법으로 배가스에 함유된 이산화탄소를 연속적인 방법으로 효과적으로 회수할 수 있다. 바람직하게는 본 발명에서는 암모니아 농축탑(7)의 하부로 배출되는 물에는 100ppm 이하의 암모니아가 함유되고, 이 물을 제 2 열교환기(10)을 거쳐 냉각시켜 암모니아의 용해도를 높인 후 다시 제 2 흡수탑(5)으로 공급하여 시스템 내부의 암모니아 손실을 방지하는 방법을 제공하고 있다.
이산화탄소 흡수탑(제 1 흡수탑(1))에 공급되는 흡수액(13)의 온도는 20 ~ 40℃가 적절하다. 이보다 낮은 온도에서도 많은 양의 이산화탄소가 흡수되지만 상온 이하로 흡수액을 냉각시키기 위하여 추가적인 에너지가 소비되며 상기 온도 범위보다 흡수액의 온도가 높을 경우 흡수액의 이산화탄소 흡수량이 감소하여 동일한 양의 이산화탄소를 흡수시키기 위하여 낮은 온도일 때보다 많은 양의 흡수액을 순환시켜야 하는 문제점이 있다. 또한, 흡수액의 암모니아 농도 범위는 5 ~ 15 wt%의 농도 범위의 수용액을 사용하여아 한다. 암모니아 농도가 낮은 수용액을 흡수액으로 사용할 경우 흡수액의 이산화탄소 흡수량이 적은 문제점이 있으며 너무 높을 경우 암모니아의 분압이 증가하여 배가스(14)에 함유되는 암모니아 가스의 농도가 증가하고 탈거탑(3)의 상부로 배출되는 이산화탄소에 함유되는 암모니아 가스의 농도가 증가하는 문제점이 있다. 탈거탑(3)하부의 제 1 재비기(4) 내의 온도범위는 70 ~ 88℃가 적절하다. 상기 범위의 온도보다 낮게 유지하면 이산화탄소의 탈거량이 적어서 흡수액의 재생이 적게 되고 상기 범위의 온도보다 높게 유지할 경우 수용액에 용해되어 있는 암모니아 가스가 과도하게 탈거되어 이를 회수하기 위해 농축탑(7)의 하부로 배출되고 제 3 흡수탑(6)에 공급되는 물(20)의 양이 증가하므로 공정의 효율이 저하된다. 농축탑(7) 하부의 제 2 재비기(8)에서 배출되는 물(20)의 온도는 90 ~ 100oC 사이가 적당하다. 이 범위보다 온도가 낮으면 암모니아의 탈거가 충분히 이루어지지 않아 과도한 양의 암모니아가 배출되는 물(20)에 용해되며, 물(20)이 제 2 흡수탑(5)에 공급되면서 이산화탄소가 제거된 청정한 배가스(16)내 암모니아 농도가 증가할 수 있다. 또한 제 2 재비기(8)에 과도한 열량을 가하면 수증기가 형성되어 탈거탑(3)에 과도한 열량을 전달하여 전체 시스템의 효율이 저하된다.
이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 자세하게 설명한다. 이러한 실시 예는 본 발명을 구체적으로 설명하려는 것이지, 이로 인하여 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니다.
<실시예>
도 1에서 보여지는 모든 탑의 직경은 51mm이고 이산화탄소 제 1 흡수탑(1)의 길이는 2,000mm, 내부는 거즈형 구조 패킹(gauze-type structured packing) (700 m2/m3)이 충진된 것이며, 배가스에 함유될 수 있는 암모니아를 제거하기 위한 제 2 흡수탑(5), 제품에 함유될 수 있는 암모니아를 제거하기 위한 제 3 흡수탑(6)의 길이는 각각 500mm이다. 그리고 이산화탄소 탈거탑(3)과 암모니아 농축탑(7)의 길이는 각각 1,300mm과 1,000mm이다. 또한 이들 탑의 내부에는 제 1 흡수탑(1)에 충진된 것과 같은 물질을 충진하였다. 이와 같은 장치를 이용하여 아래의 <표 1>에 나타낸 것과 같은 조건으로 운전하였을 때 제품인 이산화탄소의 순도는 99.9 vol% 였다.
또한 <표 1>에 주어진 조건에서 8시간 이상 운전하였을 때 처리된 배가스 내의 이산화탄소 농도가 0.16vol%로 일정하게 유지되어 암모니아의 손실이 없었으며, 이산화탄소 회수율은 98.4%로 효율적으로 이산화탄소를 안정하게 제거 및 회수 할 수 있었다.
<표 1> 실시예의 운전 조건
조건 값 조건 값
초기 흡수액 암모니아 농도 (wt%) 13 모사 배가스 조성 10 vol% CO2/N2
흡수액 순환유량(13) (m3/m2*h) 2.95 모사 배가스(12) 공급유량(m3/m2*h) 530
물(20) 순환유량 (m3/m2*h) 0.44 CO2 회수율(%) 98.4
흡수탑(1) 상부 배가스의 CO2 농도(vol%) 0.16 제품(17) CO2농도 (vol%) 99.9
암모니아 농축탑 재비기(8)온도(℃) 90 ~ 100 탈거탑 제 1 재비기(4) 온도(℃) 79.0 ~ 81.0
암모니아 흡수탑(6) 하부 온도(℃) 35 ~ 50 암모니아 흡수탑(6) 상부 온도(℃) 20 ~ 40
이산화탄소가 흡수된 흡수액(15) 온도(℃) 35 ~ 50 이산화탄소 흡수탑(1) 상부로 공급되는 흡수액(13) 온도(℃) 25
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 혼합가스에 함유된 저농도의 이산화탄소를 암모니아수를 이용하여 흡수시킨 후 탈거하여 95 vol% 이상의 고순도 이산화탄소를 연속적으로 생산하는 방법과 운전조건, 그리고 암모니아 손실을 최소화하는 방법을 제시하였다. 본 발명에서와 같이 저농도의 암모나아수를 흡수액으로 사용할 경우 흡수열이 기존의 모노 에틸 아민에 비하여 월등히 적으므로 공정의 운전 에너지가 적게 소비되며 단위 흡수액 부피 당 이산화탄소 흡수량이 많아서 장치의 규모가 작게 된다. 또한 모노 에틸 아민의 경우 산소에 의해 흡수액의 성능이 저하되는 것이 일반적이지만 암모니아의 경우에는 산소의 영향을 받지 않아 회수되 는 이산화탄소 당 추가적으로 주입해야 할 흡수액의 양을 줄일 수 있다.

Claims (6)

  1. 이산화탄소가 함유된 혼합가스로부터 고순도 이산화탄소를 생산하는 방법으로서, 5 ~ 15 wt%의 암모니아 수용액을 0 ~ 40oC 온도로 제 1 흡수탑(1)의 상부로 공급하고 제 1 흡수탑(1)의 하부로 이산화탄소가 함유된 혼합가스를 도입하여 혼합가스에 함유된 이산화탄소를 암모니아수에 흡수시키고 이산화탄소가 흡수된 흡수액을 탈거탑(3)으로 보내어 70 ~ 88oC로 가열하여 이산화탄소를 탈거시키고, 이산화탄소가 탈거된 암모니아수(13)를 제 1 열교환기(2)로 냉각하여 다시 제 1 흡수탑(1)으로 재순환시키면서 탈거된 이산화탄소를 제 3 흡수탑(6)으로 보내어 미량 암모니아를 제거하여 고순도 이산화탄소를 제품으로 생산하며, 처리된 배가스에 함유되는 미량의 암모니아를 제 2 흡수탑에서 물에 흡수시키고 미량의 암모니아를 함유하는 물을 제 3 흡수탑(6)의 상부에 유도하고, 처리된 배가스 내의 미량 암모니아를 제거하기 위해 제 2 흡수탑(5)으로 순환되는 물의 양만큼의 암모니아수를 탈거탑(3)으로부터 농축탑(7)로 보내어 증류를 통해 암모니아를 제거한 뒤 제 2 재비기(8)를 통해 배출시키며 배출된 물(20)을 열교환을 거쳐 냉각하여 다시 제 2 흡수탑(5)의 상부로 재순환시키는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 암모니아 농축탑(7)의 하부로 배출되는 물에는 100ppm 이 하의 암모니아가 함유되고, 이 물을 제 2 열교환기(10)을 거쳐 냉각시켜 암모니아의 용해도를 높인 후 다시 제 2 흡수탑(5)으로 공급하여 시스템 내부의 암모니아 손실을 방지하는 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 생성되는 이산화탄소의 순도가 95vol% 이상임을 특징으로 하는 방법.
  4. 이산화탄소가 함유된 혼합가스로부터 고순도 이산화탄소를 생산하는 장치로서, 암모니아수를 이용하여 배가스로부터 이산화탄소를 선택적으로 흡수하기 위한 제 1 흡수탑(1), 이산화탄소가 흡수된 이산화탄소 함유 암모니아수에서 이산화탄소를 탈거시키기 위한 탈거탑(3), 탈거탑(3)으로부터의 암모니아수를 재순환시키는 제 1 순환펌프(9), 탈거된 이산화탄소에 미량 함유되는 암모니아 가스를 물로 흡수하기 위한 제 3 흡수탑(6), 제 1 흡수탑의 상부로부터의 배가스(14)에 미량 함유될 수 있는 암모니아를 물로 제거하고 암모니아 함유 물을 제 3 흡수탑(6)으로 보내는 제 2 흡수탑(5), 제 1 흡수탑(1)으로부터의 이산화탄소 함유 암모니아수와 탈거탑으로부터의 재순환 암모니아수 사이에서 열을 교환시키는 열교환기(2), 암모니아 가스를 흡수하기 위하여 사용된 물을 제거하고 암모니아수의 농도를 높이도록 탈거탑(3)의 하부로부터의 일부의 암모니아수를 농축시켜 탈거탑으로 재순환시키면서 미량의 암모니아 함유 물을 제 2 흡수탑(5)에 재순환시키는 농축탑(7), 탈거탑(3)과 농축탑(7)의 하부에 각각 장착된 제 1 재비기(4)와 제 2 재비기(8), 농축탑에서 배출되는 미량의 암모니아 함유 물을 다시 제 2 흡수탑(5)으로 재순환시키는 제 2 순환펌프(11), 및 농축탑(7)에서 배출되는 미량의 암모니아 함유 물의 암모니아 용해도를 증가시키기 위해 농축탑(7)에서 배출되는 물과 제 1 열교환기(2)에서 배출되는 이산화탄소를 함유하는 암모니아수 사이에서 열을 교환시키는 제 2 열교환기(10)를 포함하여, 제 1항의 방법에 따라서 고순도의 이산화탄소를 연속적으로 생산하는 장치.
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