KR100923557B1 - 암모니아수를 이용한 이산화탄소 회수장치 및 이를 이용한이산화탄소 회수방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 암모니아수를 이용한 이산화탄소 회수장치 및 이를 이용한 이산화탄소 회수방법에 관한 것으로, 이산화탄소가 제거된 배가스에 함유되어 있는 암모니아를 회수하도록 세정액을 공급하는 세정부를 갖는 흡수탑; 상기 흡수탑에서 토출된 흡수액에 함유되어 있는 이산화탄소를 제거하여 흡수액을 재생할 때 이산화탄소 중에 포함된 암모니아수를 회수하기 위해 세척액을 공급하는 세척부를 갖는 재생탑; 및 상기 세정부와 세척부에서 배출되는 암모니아를 농축하여 회수하기 위한 암모니아 농축탑을 포함하는 장치의 구성과, 상기 흡수탑의 흡수액을 외부로 토출하여 냉각시킨 후 다시 흡수탑으로 공급하여 배가스에서 이산화탄소를 흡수할 때 발생하는 흡수열을 외부로 배출하는 단계를 포함하는 방법의 구성을 특징으로 한다.

배가스, 이산화탄소, 암모니아, 방열, 흡수, 세정, 세척

Description

암모니아수를 이용한 이산화탄소 회수장치 및 이를 이용한 이산화탄소 회수방법{Apparatus of recovering carbon dioxide from flue gas and the method thereof}

본 발명은 암모니아수를 이용한 이산화탄소 회수장치 및 이를 이용한 이산화탄소 회수방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배가스에서 이산화탄소를 제거할 때 발생하는 흡수열을 방열 및 냉각하여 이산화탄소 흡수 효율을 향상시키고, 흡수 및 제거시에 생성되는 암모니아 염을 쉽게 제거하면서 배가스에 함유된 이산화탄소 가스의 효율적인 제거가 가능한 암모니아 염을 제거할 수 있는 이산화탄소 회수장치 및 이를 이용한 이산화탄소 회수방법에 관한 것이다.

일반적으로 배가스에 포함되어 있는 이산화탄소를 분리 및 제거하기 위하여 사용하는 방법으로 흡착법, 흡수법, 막분리법 등이 적용되고 있다.

여기서, 흡수법의 경우, 배가스에 포함되어 있는 이산화탄소를 분리 및 제거하기 위하여 이산화탄소 흡수액을 사용한다. 이와 같이 흡수법을 이용하여 배가스에 포함되어 있는 이산화탄소의 분리시 사용되는 이산화탄소 흡수액은 통상 아민계 화합물로 이루어지는 흡수액이 통용되고 있다.

그러나 배가스에서 이산화탄소 분리시 사용되는 흡수액으로 아민계 화합물을 사용할 경우, 아민계 화합물이 고가이기 때문에 전체적인 비용이 증가하고, 아민계 화합물에 의하여 배가스에서 이산화탄소를 흡수 및 분리하기 위한 기계장치가 부식되어 작은 유지 보수가 필요하다는 문제점이 있었다.

한편, 최근 들어 배가스로부터 이산화탄소를 흡수 및 제거하기 위하여 암모니아수가 주목을 받고 있는데, 이는 암모니아수의 비용이 상대적으로 저렴하고, 아민계 화합물에 비하여 배가스에서 이산화탄소를 흡수 및 분리하기 위한 기계장치의 부식 문제를 감소시키기 때문이다.

따라서 암모니아수를 이용하여 배가스에서 이산화탄소를 흡수 및 제거할 경우, 전체적인 장치의 규모를 감소시키고, 에너지 사용량을 감소시킬 수 있는 등의 장점을 가지고 있다.

이렇게 암모니아수를 이용하여 이산화탄소를 흡수 및 제거하는 방법에 대하여 Bai와 Yeh가 연구 논문(Ind.Eng.Chem.Res.1997, 36권 2490쪽)을 발표하였으며, 또한 Resnik 등도 Aquar Ammonia Process라는 암모니아 이산화탄소 흡수공정을 발표하였다(Int.J.of Env.Technology & Management,4권,1호).

한편, 대한민국 등록특허 제10-0703999호에서 5-15wt%의 암모니아수 용액을 20~40℃로 제1 흡수탑의 상부로 공급하고, 제1 흡수탑의 하부로 이산화탄소가 함유된 혼합가스를 도입하여 혼합가스에 함유된 이산화탄소를 암모니아수에 흡수시키고, 이산화탄소가 흡수된 이산화탄소 함유 암모니아수를 탈거탑으로 보내어 70~88℃로 가열하여 이산화탄소를 탈거시키며, 이산화탄소가 탈거된 암모니아수를 열교환기로 냉각하여 다시 제1 흡수탑으로 재순화시키면서 탈거된 이산화탄소를 제3 흡수탑으로 보내어 이산화탄소에 함유된 미량의 암모니아를 물로 제거함으로써 이산화탄소를 흡수하는 공정이 제시되어 있다. 그러나 이렇게 암모니아수를 이용하여 이산화탄소를 흡수하는 공정은 기존에 발표된 논문(Int.J.of Thermodynamics, vol.7, pp.173-181)에서 제시한 공정과 유사하며, 상기 등록특허는 흡수탑과 탈거탑에서 배출되는 암모니아를 제거하기 위하여 별도의 세정탑을 각각 설치하여 암모니아가 단순히 기체상으로 배출되는 문제는 해결하고 있으나, 암모니아가 이산화탄소와 일부 반응하여, 온도가 낮은 경우 암모니아 염에 의해 배관이 폐쇄되는 문제점이 있었다.

그리고, 흡수탑과 탈거탑의 암모니아 가스를 회수하기 위하여 사용되는 물에는 다량의 암모니아가 함유되며, 이를 다시 암모니아 농축탑에서 암모니아를 농축하게 되나, 농축된 암모니아가 탈거탑의 하부로 주입되어 탈거탑에서 암모니아 농도를 균일하게 유지하기 어려운 문제점이 있으며, 탈거탑의 상부에 암모니아를 포집한 물이 유입되도록 하여 탈거탑에서 재비(reboiling)시킨 경우, 많은 에너지가 공급되어야 하는 문제점이 있었다.

또한, 암모니아수를 이용하여 배가스에서 이산화탄소를 흡수 및 제거할 경우, 이산화탄소의 흡수에 따른 흡수열로 인해 흡수탑 내부의 온도가 상승하며, 온도 상승 시 암모니아수 내에 함유된 암모니아는 흡수액에서의 이산화탄소를 포집하기 전에 휘발 현상에 의해 배가스와 함께 배출되는 양이 많아져 흡수탑의 외부로 배출되는 양이 증가함으로써 흡수탑 내부의 흡수 효율이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 배가스에서 이산화탄소를 제거할 때 발생하는 흡수열을 방열하기 위한 방열부를 구비하여 이산화탄소 흡수 효율을 향상시키고, 흡수탑과 암모니아수 재생탑 상부에 각각 세정부와 세척부를 구비하여 배가스 중에 함유된 암모니아를 효과적으로 제거하며, 암모니아 염에 의해 가스 배관이 막히는 현상을 원천적으로 방지하는 암모니아수를 이용한 이산화탄소 회수장치 및 이를 이용한 이산화탄소 회수방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적인 구성은 다음과 같다.

본 발명은, 이산화탄소가 함유된 배가스에서 암모니아수로 이루어지는 흡수액을 이용하여 이산화탄소를 흡수 및 회수하기 위한 이산화탄소 회수장치로서, 이산화탄소가 제거된 배출가스에 함유되어 있는 암모니아의 세정을 위한 세정부가 일체형으로 구비된 흡수탑을 포함하는 암모니아수를 이용한 이산화탄소 회수장치를 특징으로 한다.

바람직하게는 상기 흡수탑에 배가스에서 이산화탄소를 흡수할 때 발생되는 흡수열을 방출하기 위하여 흡수탑 순환 쿨러가 연결된다. 또는 상기 흡수탑에 배 가스에서 이산화탄소를 흡수할 때 발생되는 흡수열을 방출하기 위하여 흡수탑 순환 쿨러와 방열부가 일체로 구비된다.

또한 본 발명은, 이산화탄소가 함유된 배가스에서 암모니아수로 이루어지는 흡수액을 이용하여 이산화탄소를 흡수 및 회수하기 위한 이산화탄소 회수장치로서, 상기 흡수액으로부터 이산화탄소를 제거하고, 흡수액을 재생하되, 배출되는 암모니아의 세척을 위한 세척부가 일체로 구비되는 재생탑을 포함하는 암모니아수를 이용한 이산화탄소 회수장치를 특징으로 한다.

바람직하게는 상기 재생탑에 증기를 응축하기 위해 재생탑 내부의 액체를 냉각 순환시키는 패킹 또는 트레이로 구성된 응축부를 구비한다.

또한 본 발명은, 이산화탄소가 함유된 배가스에서 암모니아수로 이루어지는 흡수액을 이용하여 이산화탄소를 흡수 및 회수하기 위한 이산화탄소 회수장치로서, 이산화탄소가 제거된 배출가스에 함유된 암모니아의 세정을 위한 세정부가 일체형으로 구비되는 흡수탑; 상기 흡수액으로부터 이산화탄소를 제거하고, 흡수액을 재생하되, 배출되는 암모니아의 세척을 위한 세척부가 일체형으로 구비되는 재생탑; 및 배출되는 암모니아수를 농축하여 회수하기 위한 암모니아 농축탑을 포함하는 암모니아수를 이용한 이산화탄소 회수장치를 특징으로 한다.

바람직하게는 상기 흡수탑에 배가스에서 이산화탄소를 흡수할 때 발생되는 흡수열을 방출하기 위하여 흡수탑 순환 쿨러가 연결된다. 또는 상기 흡수탑에 배가스에서 이산화탄소를 흡수할 때 발생되는 흡수열을 방출하기 위하여 흡수탑 순환 쿨러와 방열부가 일체로 구비된다.

또한 본 발명은, 이산화탄소가 함유된 배가스에서 암모니아수로 이루어지는 흡수액을 이용하여 이산화탄소를 흡수 및 회수하기 위하여 세정부가 일체로 구비되는 흡수탑과, 세척부가 일체로 구비되는 재생탑 및 암모니아 농축탑을 포함하는 암모니아수를 이용한 이산화탄소 회수장치를 이용하여 이산화탄소를 회수하는 방법으로서, 상기 암모니아 농축탑의 하부로 배출되는 폐수 중 일부 또는 전부를 세정액 또는 세척액으로 회수하여 재사용하는 암모니아수를 이용한 이산화탄소 회수방법을 특징으로 한다.

여기서 상기 암모니아 농축탑의 상부로 회수되는 고농도 암모니아수를 흡수액으로 보충해 재사용하기 위하여 상기 흡수탑의 하부로 주입한다.

이러한 본 발명의 구성에 의하면, 배가스에서 이산화탄소의 흡수 및 제거 시 발생되는 흡수열을 방열하기 위한 방열부를 구비하고, 흡수액을 냉각 순환하여 흡수액의 온도를 소정온도로 감소시킬 수 있어 이산화탄소의 흡수 효율을 향상시킬 수 있으며, 흡수탑과 재생탑의 상부에 세정부와 세척부를 일체로 형성하고 액체순환 방식의 응축부를 설치함으로써 장치비가 저렴할 뿐만 아니라, 암모니아 염의 효과적인 제거가 가능하여 암모니아 염에 의해 배관이 폐쇄되는 것을 방지할 수 있는 우수한 효과를 갖는다.

이하, 본 발명에 의한 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고 단지 예시 로 제시된 것이며, 그 기술적 요지를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변경이 가능하다.

도 1은 본 발명에 의한 암모니아수를 이용한 이산화탄소 회수장치를 개략적으로 나타낸 구성도이고, 도 2는 본 발명에 의한 암모니아수를 이용한 이산화탄소 회수방법을 나타낸 흐름도이다.

도시된 것처럼, 본 발명의 장치는 흡수탑(10), 재생탑(30) 및 암모니아 농축탑(50)을 포함하는 구성을 갖는다. 또한, 본 발명의 장치는 암모니아 농축탑 응축액 드럼(60) 및 이들을 상호 연결하는 다수개의 배관을 갖는다.

상기 흡수탑(10)은 외부에서 공급되는 배가스가 유입 및 배출되며, 상기 배가스가 통과되기 위한 제1차 흡수부(1st Absorbing Section : 11)와 제2차 흡수부(2st Absorbing Section : 12)가 상방향을 향하여 순차적으로 각각 구비된다.

여기서, 상기 흡수탑(10)의 하부 소정위치에 외부에서 공급되는 배가스가 유입되기 위한 가스 유입관(Gas Feed Line : 71)이 구비되며, 상기 제1차 흡수부(11)와 제2차 흡수부(12)를 통과하는 배가스에 후술하는 재생 흡수액 유입관(75)을 통하여 유입되되, 상기 제1차 흡수부(11)와 제2차 흡수부(12)의 상방향에서 하방향으로 유입되는 흡수액이 접촉하며, 이로 인해 배가스에 포함되는 이산화탄소가 흡수액에 흡수되어 제거된다.

이때, 상기 흡수탑(10)으로 유입 및 공급되는 흡수액은 암모니아수로 이루어지며, 상기 흡수탑(10)으로 유입 및 공급되는 흡수액의 온도는 20 ~ 40℃로 이루어 지는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에서는 상기 흡수탑(10)의 내부에 제1차 흡수부(11)와 제2차 흡수부(12)가 순차적으로 적층구비되어 있으나, 상기 흡수탑(10)의 내부에 구비되는 흡수부의 갯수는 가변가능하게 이루어지는 것이 바람직하다.

한편, 상기 제2차 흡수부(12)의 상측에 각 흡수부(11, 12)를 통과한 후 유입되는 배가스를 정화하기 위한 세정부(Washing Section : 13)가 구비된다. 즉, 상기 제2차 흡수부(12)의 상부에 상기 제1, 2차 흡수부(11, 12)를 통과한 후 이산화탄소가 제거된 배가스에 다량 함유되어 있는 암모니아를 제거 및 정화하기 위한 세정부(13)가 구비된다.

이때, 상기 세정부(13)의 상부에는 세정액 유입관(Wash Water Feed : 78)이 구비되고, 상기 세정액 유입관(78)을 통하여 세정액이 공급된다. 여기서, 상기 세정액은 물로 이루어지는 것이 바람직하나, 상기 배가스에 접촉하여 배가스에 함유된 암모니아를 흡수 및 제거하기 용이하다면 상기 세정액이 기타 다양하게 이루어지는 것도 가능하다.

이렇게 세정액에 의하여 배가스에 함유된 암모니아가 제거되며, 암모니아가 제거된 배가스는 상기 세정부(13)의 상부면에 구비되는 세정 공기 배출관(Washed Air Out : 79)을 통하여 외부로 배출된다.

상기한 바와 같이, 상기 흡수탑(10) 내의 상부에 세정부(13)를 일체로 설치함으로써 배가스에 함유된 암모니아를 제거하기 위하여 별도의 장치를 설치할 필요없이 배가스에 함유된 암모니아를 보다 용이하게 제거할 수 있다.

그리고, 상기 세정부(13)의 하부에 흡수탑(10) 내부에서 암모니아 염 생성의 방지 및 순환 암모니아수의 농도를 유지하기 위한 흡수용 세정액 유입관(Water Feed to Absorber : 81)이 구비된다.

여기서, 상기 흡수탑(10)의 제1차 흡수부(11)와 제2차 흡수부(12) 사이에 방열부(Heat Removal Section : 14)가 개재된다. 즉, 상기 흡수탑(10)의 제1차 흡수부(11)와 제2차 흡수부(12) 사이에는 배가스와 접촉하여 이산화탄소를 흡수 및 제거하기 위한 흡수액 및 흡수탑(10)의 내부의 온도를 낮추기 위한 방열부(14)가 구비된다.

한편, 상기 방열부(14)의 일측에 흡수탑 순환 쿨러(15)가 구비되되, 상기 흡수탑 순환 쿨러(15)는 상기 방열부(14)의 하부와 냉각용 흡수액 토출관(76)으로 연결되고, 상기 방열부(14)의 상부에 냉각 흡수액 유입관(77)으로 연결된다.

상기한 바와 같은 구조 및 형태에 의하여 상기 흡수탑(10)으로 유입되는 배가스에서 이산화탄소를 흡수하기 위한 흡수액이 방열부(14)의 하부에서 냉각용 흡수액 토출관(76)으로 토출 및 배출된 후 흡수탑 순환 쿨러(15)를 통하여 냉각되고, 상기 흡수탑 순환 쿨러(15)에 의해 소정온도로 감소된 흡수액은 다시 냉각 흡수용 유입관(77)을 통하여 방열부(14)로 유입된다.

이렇게 상기 방열부(14)를 통하여 흡수액에서 발생되는 열을 회수할 수 있으며, 상기 흡수탑 순환 쿨러(15)에 의하여 흡수액의 온도를 소정온도로 감소시킴으로써 흡수액의 흡수 효율을 상승시킬 수 있다.

여기서, 상기 흡수탑(10) 내에 유입되는 흡수액에서 발생되는 열을 회수하기 위하여 방열부(14)를 구비하지 않고 흡수탑 순환 쿨러(15)만을 가동하여 사용하거나, 상기 방열부(14)의 상, 하부에 냉각 흡수액 유입관(77)과 냉각용 흡수액 토출관(76)으로 연결되는 흡수탑 순환 쿨러(15)를 동시에 구비하여 사용하는 것도 가능하며, 상기 방열부(14)와 흡수탑 순환 쿨러(15)를 동시에 가동하여 사용함으로써 흡수탑(10) 내의 흡수액의 온도를 감소시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에서는 상기 한 개의 방열부(14)의 일측에 구비되는 한 개의 흡수탑 순환 쿨러(15)에 의하여 흡수액의 온도를 소정온도로 감소시키도록 이루어져 있으나, 상기 방열부(14)와 흡수탑 순환 쿨러(15)를 다수개 구비하여 흡수액의 온도를 감소시키도록 이루어지는 것도 가능하다.

여기서, 상기 흡수탑(10)과 재생탑(30)의 일측 소정위치에 흡수액 열교환기(Absorbent Heat Exchanger : 16)와 재생 흡수액 쿨러(Lean Absorbent Cooler : 17)가 구비되되, 상기 흡수액 열교환기(16)는 상기 흡수탑(10)의 하부면에 흡수액 토출관(Rich Absorbent Out : 82)으로 연결되고, 상기 재생탑(30)의 하부면에 재생 흡수액 토출관(Lean Absorbent out from Regenerator : 72)으로 연결되며, 상기 재생탑(30)에 흡수액 유입관(Rich Absorbent Feed to Regenerator : 83)으로 연결되고, 상기 흡수액 열교환기(16)와 재생 흡수액 쿨러(17)은 1차 열교환 재생 흡수액관(Pre-cooled Lean Absorbent : 73)으로 상호 연결되며, 상기 재생 흡수액 쿨러(17)는 상기 흡수탑(10)의 세정부(13) 하부로 냉각 재생 흡수액관(Cooled Lean Absorbent : 74)과 재생 흡수액 유입관(Lean Absorbent Feed to Absorber : 75)을 통해 연결된다.

그리고, 상기 냉각 재생 흡수액관(74)을 통과하는 암모니아수 중 일부는 암모니아 염을 제거하기 위하여 배액관(Blow Down, 94)을 통하여 암모니아 농축탑(50)으로 이송된다.

상기 흡수탑(10)의 상부, 즉 세정부(13)의 하부에 연결되는 재생 흡수액 유입관(75)을 통하여 재생탑(30)에서 재생된 흡수액이 흡수탑(10)으로 유입 및 공급되며, 상기 흡수탑(10)으로 유입 및 공급된 흡수액은 흡수탑(10) 내부의 상방향에서 하방향을 향하여 흐르면서 제1차 흡수부(11) 및 제2차 흡수부(12)에서 배가스와 접촉하고, 상기 배가스와 접촉한 흡수액은 배가스 중에 함유된 이산화탄소를 흡수 및 제거한 후 상기 흡수탑(10) 내부의 하부면에 집중된다.

상기한 바와 같은 구조 및 형태에 의하여 상기 흡수탑(10)의 가스 유입관(71)을 통하여 유입된 후 제1, 2차 흡수부(11, 12)를 통과하고, 외부로 배출 및 토출되는 배가스는 상기 세정부(13)에 공급되는 세정액에 의하여 다량 함유된 암모니아가 제거 및 정화되며, 상기 세정부(13)를 통하여 정화된 배가스는 세정 공기 배출관(79)을 통하여 배출된다.

이때, 상기 세정부(13)의 하부에 흡수액과 접촉됨으로써 배가스에 함유된 암모니아를 제거 및 흡수한 세정액을 토출하기 위한 세정액 토출관(Wash Water Out : 80)이 구비되되, 상기 세정액 토출관(80)은 상기 암모니아 농축탑(50)에 연결된다. 즉, 상기 세정부(13) 내에서 배가스에 함유된 암모니아를 제거 및 정화시킨 세정액을 암모니아 농축탑(50)으로 공급하기 위하여 상기 세정부(13)의 하부와 암모니아 농축탑(50)에 세정액 토출관(80)이 구비되며, 상기 세정액 토출관(80)을 통하여 암 모니아 농축탑(50)으로 유입된 세정액은 이에 함유된 암모니아가 제거된 후 재사용될 수 있다.

상기 재생탑(30)은 상기 흡수탑(10)에서 이산화탄소를 흡수한 흡수액에서 이산화탄소를 제거하여 상기 흡수액을 재생 및 재활용하기 위한 것으로서, 탈거부(Stripping Section : 31)와 세척부(Purification Section : 32) 및 정제부(Rectification Section : 33)를 포함하여 구성된다.

상기 탈거부(31)는 상기 흡수탑(10)를 통하여 공급되는 이산화탄소가 흡수된 흡수액에서 이산화탄소를 탈거 및 제거한다. 즉, 상기 탈거부(31)는 그 상부가 상기 흡수액 열교환기(16)에 흡수액 유입관(83)으로 연결되어 상기 흡수탑(10)에서 제공 및 공급되는 이산화탄소를 흡수한 흡수액이 유입되고, 상기 흡수액 유입관(83)을 통하여 유입된 흡수액에서 이산화탄소를 탈거 및 제거한다.

이때, 상기 흡수액에서 이산화탄소를 탈거 및 제거 시 상기 재생탑(30)의 탈거 온도는 흡수액의 농도에 따라 가변되나, 80 ~ 100℃ 내, 외의 범위로 이루어지는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 탈거부(31)의 일측에 재생탑 재비기(Regenerator Reboiler : 34)가 연결되되, 상기 재생탑 재비기(34)에 의하여 흡수탑(10)에서 재생탑(30)으로 유입된 흡수액에서 이산화탄소를 탈거 및 제거한다.

상기 세척부(32)는 상기 탈거부(31)의 상부에 위치하며, 상기 탈거부(31)를 통하여 흡수액에서 탈거 및 제거된 이산화탄소에 탈착되는 암모니아를 회수하며, 상기 세척부(32)에 의하여 탈거부(31)에서 흡수액에서 탈거된 이산화탄소에서 암모 니아를 회수한다.

이때, 흡수액에서 탈거 및 제거된 이산화탄소에서 암모니아를 회수하기 위하여 상기 세척부(32)에는 세척액이 사용되며, 상기 세척액을 세척부(32)로 유입 및 제공하기 위하여 상기 세척부(32)의 상부 일측에 세척액 유입관(Purification Water Feed : 84)이 구비된다.

한편, 상기 세척부(32)의 하부에 재생탑(30) 내부에서 암모니아 염 생성의 방지 및 순환 암모니아수의 농도를 유지하기 위한 재생용 세척액 유입관(Purification Water Feed to Regenerator : 87)가 구비된다.

여기서, 암모니아를 회수 및 포집한 세척액은 암모니아 농축탑(50)으로 제공 및 공급된다. 이를 위하여 상기 세척부(32)의 하부 일측에 세척액 토출관(Purification Water Out : 86)이 구비되며, 상기 세척액 토출관(86)에 의해 재생탑(30)의 세척부(32) 하부가 암모니아 농축탑(50)에 연결되며, 상기 세척액 토출관(86)을 통하여 재생탑(30)의 세척부(32)에서 암모니아 농축탑(50)으로 암모니아를 회수 및 포집한 세척액이 제공 및 공급된다.

한편, 상기 탈거부(31)와 세척부(32) 사이에 탈거부(31)에서 발생된 가스 중 암모니아를 회수하고, 이산화탄소의 순도를 높이기 위한 정제부(33)가 개재된다.

그리고, 상기 세척부(32)와 정제부(33) 사이에 재생탑(30) 내부에서 발생하는 다량의 포화 수증기 및 이에 함유된 암모니아를 회수하기 위한 재생탑 응축기(Regenerator Condenser : 35)가 구비되고, 상기 재생탑 응축기(35)에 의하여 포화 수증기 등을 응축하여 암모니아를 회수한다.

여기서, 상기 재생탑(30)의 세척부(32) 상부면에 세척부(32)를 통하여 암모니아가 회수된 이산화탄소(CO2)를 토출 및 배출하기 위한 이산화탄소 가스 토출관(CO2 Gas Out : 85)이 구비되며, 상기 이산화탄소 가스 토출관(85)을 통하여 흡수탑(10)에서 배가스의 이산화탄소를 흡수한 흡수액에서 다시 탈거 및 제거된 이산화탄소가 토출된다.

상기 암모니아 농축탑(50)은 상기 흡수탑(10)과 재생탑(30)의 세정액 및 세척액이 유입되어 암모니아는 농축 회수하여 재사용되고, 폐수는 외부로 배출되거나, 재사용된다.

이를 위하여 상기 암모니아 농축탑(50)은 하부 일측에 암모니아 농축탑 재비기(NH3 Concentration Column Reboiler : 51)와 상부 일측에 암모니아 농축탑 응축기(NH3 Concentration Column Condenser : 52) 및 암모니아 농축탑 응축액 드럼(60)이 구비된다.

한편, 상기 암모니아 농축탑(50)의 일측에 저농도 암모니아 유입관(Raw NH3 Solution Feed : 88)이 구비되고, 상기 폐수 배출관(89)과 세정 공기 배출관(79) 및 이산화탄소 토출관(85)으로 소실된 암모니아수를 저농도 암모니아 유입관(88)을 통하여 암모니아 농축탑(50)에 보충한다.

이때, 상기 암모니아 농축탑(50)의 폐수 배출관(89)으로 배출되는 폐수 중의 암모니아 농도는 조절 가능하며, 암모니아의 농도를 500ppm 이하로 조절하는 것이 바람직하다.

상기 암모니아 농축탑 응축액 드럼(60)은 상기 암모니아 농축탑(50)에서 농 축된 암모니아를 재사용하기 위한 것으로서, 상기 암모니아 농축탑(50)에 공급되는 세정액 및 세척액에서 포집된 후 암모니아 농축탑 응축기(52)에서 응축된 암모니아를 흡수탑(10)에 공급하여 흡수액의 보충액으로 사용하게 한다.

이를 위하여 상기 암모니아 농축탑 응축액 드럼(60)의 일측에 보충 고농도 암모니아수관(NH3 Solution Make up : 93)이 연결되고, 상기 보충 고농도 암모니아수관(93)을 통하여 상기 흡수액의 보충액이 흡수탑(10)에 공급된다.

본 발명의 일 실시예에서는 상기 흡수탑(10)과 재생탑(30) 및 암모니아 농축탑(50)이 상호 연결되어 암모니아수를 이용하여 배가스에서 이산화탄소를 회수하는 암모니아 이용한 이산화탄소 회수장치가 제안되었으나, 상기 흡수탑(10)과 재생탑(30) 및 암모니아 농축탑(50)이 각각 개별적으로 적용되어 사용되는 것도 바람직하다.

이하, 본 발명에 의한 암모니아수를 이용한 이산화탄소 회수장치에 따른 이산화탄소 회수방법을 설명한다.

먼저, 상기 흡수탑(10)에 구비되는 가스 유입관(71)을 통하여 배가스를 유입되고, 유입된 배가스는 제1차 흡수부(11)와 제2차 흡수부(12)를 통하여 상방향으로 유동됨과 동시에 상기 재생 흡수액 유입관(75)을 통하여 하방향으로 유입되는 흡수액에 접촉되며, 상기 배가스에 함유된 이산화탄소가 흡수액에 흡수 및 제거되고, 상기 흡수액은 흡수탑(10)의 하부로 집중된다.

여기서, 상기 재생 흡수액 유입관(75)을 통하여 유입된 후 배가스에 접촉되 는 배가스에 함유된 이산화탄소를 흡수 및 제거하기 위한 흡수액에서 발생되는 발생열이 방열부(14) 및 이와 연결된 흡수탑 순환 쿨러(15)를 통하여 방열된다.

상기한 바와 같이, 상기 흡수탑(10)에 구비되는 방열부(14)가 흡수액에서 발생되는 발생열을 방열하도록 이루어짐으로써 흡수탑(1) 내부의 온도가 상승하는 것을 방지할 수 있으며, 이로 인해 흡수 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 상기 재생 흡수액 유입관(75)을 통하여 유입되는 흡수액에 접촉하여 이산화탄소가 제거된 배가스 중에 함유된 암모니아는 세정부(13)의 세정액에 접촉되어 회수된다.

상기한 바와 같이, 상기 흡수탑(10) 내부에서 흡수액과 세정액에 의하여 이산화탄소 및 암모니아가 흡수 및 제거된 배출가스는 세정 공기 배출관(79)을 통하여 외부로 배출되고, 상기 흡수탑(10) 내의 하부에 집중된 흡수액은 재생탑(30)으로 공급된다.

이렇게 상기 재생탑(30)으로 공급되는 흡수액은 탈거부(31)에 의해 함유하고 있는 이산화탄소가 탈거 및 제거되고, 이산화탄소가 탈거 및 제거된 흡수액은 재생탑 재비기(34)를 순환하며, 상기 흡수액에서 탈거된 이산화탄소에 함유된 암모니아는 세척부(32)의 세척액에 접촉되어 회수된다.

이때, 상기 세척부(32)에 연결되는 세척액 유입관(84)을 통하여 세척액이 유입되고, 상기 세척액 유입관(84)을 통하여 유입되는 세척액이 이산화탄소에 접촉되어 이산화탄소에 함유되는 소량의 암모니아를 흡수한다.

한편, 상기 이산화탄소가 제거되어 재생된 흡수액은 재생 흡수액 토출관(72) 과 상기 재생 흡수액 토출관(72)에 연결되는 1차 열교환 재생 흡수액관(73), 냉각 재생 흡수액관(74), 재생 흡수액 유입관(75)을 통하여 흡수탑(10)으로 공급된다.

그리고, 상기 재생탑(30) 내부에서 발생되는 다량의 포화수증기 및 이에 함유된 암모니아가 재생탑 응축기(35)에 의해 회수된다.

상기 세척부(32)의 세척액에 의해 암모니아가 흡수되어 정제된 이산화탄소는 외부로 배출되어 회수되고, 상기 흡수탑(10)과 재생탑(30)의 세정액 토출관(80) 및 세척액 토출관(86)을 통하여 암모니아 농축탑(50)으로 공급되는 세정액과 세척액은 상기 암모니아 농축탑(50)에 의해 암모니아가 회수되어 재사용된다.

여기서, 상기 암모니아 농축탑(50)으로 공급되는 세정액과 세척액은 암모니아 농축탑 재비기(51)를 순환되어 세정액과 세척액에 함유된 암모니아가 모두 회수되고, 상기 암모니아 농축탑(50)에서 암모니아가 포집된 후 발생되는 폐수는 다시 흡수탑과 재생탑의 세정부 및 세척부로 유입되어 세정액과 세척액으로 재사용된다.

한편, 상기 세정액과 세척액에서 회수된 암모니아는 고농도 암모니아 증기 토출관(90)을 통하여 암모니아 농축탑 응축액 드럼(60)으로 공급되고, 회수된 암모니아는 암모니아 농축탑 응축기(52)를 통하여 응축되며, 응축된 암모니아는 흡수탑으로 토출 및 배출되어 재생된다.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 하기에 기술하는 실시예는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 이로 인해 본 발명의 권리범위가 제한되는 것이 아님은 자명하다 할 것이다.

<실시예>

흡수탑(10)의 일측 하부에 구비되는 가스 유입관(71)을 통하여 전체 중량 대비 25%의 부피를 갖는 이산화탄소(Co2)를 함유한 혼합가스를 공급하여 암모니아수 흡수 시험을 실시하였으며, 시험 결과는 다음과 같다.

흡수탑(10) 및 재생탑(30)에서 세정부(13)와 세척부(32)를 작동하지 않았을 때의 배가스 중 암모니아의 농도는 0.6 ~ 1.6%의 범위로 농도가 높았으나, 물로 이루어지는 소량의 세정액과 세척액을 세정부(13) 및 세척부(32)에 공급한 결과, 2 ~ 10ppm의 암모니아가 포함되어 있으며, 흡수탑(10)에서의 이산화탄소 제거 효율은 80 ~ 95%로 공급되는 기체의 양과 흡수액의 양에 의해서 제거 효율이 다르게 나타남을 알 수 있으며, 재생탑(30)에서 배출되는 이산화탄소 가스 토출관(85)에서의 이산화탄소 농도는 94 ~ 99%로 나타났다.

한편, 흡수탑(10)에서 흡수탑 순환 쿨러(15)를 이용하였을 경우, 상기 흡수탑 순환 쿨러(15)를 이용하지 않았을 경우보다 흡수율이 10% 이상 증가함을 알 수 있으며, 재생탑(30)에서 재생탑 응축기(35)를 이용하였을 경우, 재생탑 응축기(35)를 이용하지 않았을 경우보다 암모니아 배출 농도가 현저히 저하됨을 알 수 있다.

그리고, 흡수탑(10)과 재생탑(30)의 상부에 각각 구비되는 세정부(13)와 세척부(32)를 가동하지 않았을 경우, 세정 공기 배출관(79)과 이산화탄소 가스 토출관(85)에 일정 시간 경과 후 상당량의 암모니아 염이 생성되어 세정 공기 배출관(79)과 이산화탄소 가스 토출관(85)을 폐쇄시켰으나, 흡수탑(10)과 재생탑(30)의 세정부(13)와 세척부(32)를 가동할 경우, 상기한 배관 폐쇄 현상이 발생하지 않음을 알 수 있다.

또한, 재생탑(30)의 온도 조건에 따라 정제부(33)를 탈거부(31)와 함께 탈거 목적으로만 사용하여도 무방하였다. 즉, 흡수액 유입관(Rich Absorbent Feed to Regenerator : 83)을 정제부(33)의 상부로 연결하여도 무방하다.

또한, 암모니아 농축탑(50)에서 발생하여 폐수 배출관(89)으로 배출되는 폐수 중의 암모니아 농도를 측정한 결과, 암모니아의 농도가 500ppm 이하로서, 이를 냉각한 후 흡수탑(10)의 세정부(13)와 제생탑의 세척부(32)에 재활용이 가능하며, 이로 인해 세정액 및 세척액으로 사용되는 물의 추가적인 사용량을 억제 및 감소시킬 수 있다.

본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부 특허청구의 범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 암모니아수를 이용한 이산화탄소 회수장치를 개략적으로 나타낸 구성도;

도 2는 본 발명에 의한 이산화탄소 회수방법을 설명하기 위한 플로우챠트이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 암모니아를 이용한 이산화탄소 회수장치

10 : 흡수탑(Absorber Column)

11 : 제1차 흡수부(1st Absorbing Section)

12 : 제2차 흡수부(2st Absorbing Section)

13 : 세정부(Washing Section)

14 : 방열부(Heat Removal Section)

15 : 흡수탑 순환 쿨러(Absorber Circulation Cooler)

16 : 흡수액 열교환기(Absorbent Heat Exchanger)

17 : 재생 흡수액 쿨러(Lean Absorbent Cooler)

30 : 재생탑(Regeneration Column)

31 : 탈거부(Stripping Section)

32 : 세척부(Purification Section)

33 : 정제부(Rectification Section)

34 : 재생탑 재비기(Regenerator Reboiler)

35 : 재생탑 응축부(Regenerator Condenser)

50 : 암모니아 농축탑(NH3 Concentration Column)

51 : 암모니아 농축탑 재비기(NH3 Concentration Column Reboiler)

52 : 암모니아 농축탑 응축기(NH3 Concentration Column Condenser)

60 : 암모니아 농축탑 응축액 드럼(NH3 Concentration Column Codensate Drum)

71 : 가스 유입관(Gas Feed Line)

72 : 재생 흡수액 토출관(Lean Absorbent out from Regenerator)

73 : 1 차 열교환 재생 흡수액관(Pre- cooled Lean Absorbent)

74 : 냉각 재생 흡수액관(Cooled Lean Absorbent)

75 : 재생 흡수액 유입관(Lean Absorbent Feed to Absorber)

76 : 냉각용 흡수액 토출관(Absorbent out to Cooler)

77 : 냉각 흡수액 유입관(Absorbent from Cooler)

78 : 세정액 유입관(Wash Water Feed)

79 : 세정 공기 배출관(Washed Air Out)

80 : 세정액 토출관(Wash Water Out)

81 : 흡수용 세정액 유입관(Water Feed to Absorber)

82 : 흡수액 토출관(Rich Absorbent Out)

83 : 흡수액 유입관(Rich Absorbent Feed to Regenerator)

84 : 세척액 유입관(Purification Water Feed)

85 : 이산화탄소 가스 토출관(CO2 Gas Out)

86 : 세척액 토출관(Purification Water Out)

87 : 재생용 세척액 유입관(Purification Water Feed to Regenerator)

88 : 저농도 암모니아 유입관(Raw NH3 Solution Feed)

89 : 폐수 배출관(Waste Water Out)

90 : 고농도 암모니아 증기 토출관(Concentrated NH3 Vapor Out)

91 : 고농도 암모니아수 응축수관(Concentrated NH3 Solution Out)

92 : 환류수(NH3 Concentration Column Reflux)

93 : 보충 고농도 암모니아수관(NH3 Solution Make up)

94 : 배액관(Blow Down)

95 : 응축액 순환 토출관

96 : 응축액 순환 유입관

97 : 응축액 순환 열교환기

Claims (10)

1. 이산화탄소가 함유된 배가스에서 암모니아수로 이루어지는 흡수액을 이용하여 이산화탄소를 흡수 및 회수하기 위한 이산화탄소 회수장치로서,

   이산화탄소가 제거된 배출가스에 함유되어 있는 암모니아의 세정을 위한 세정부가 일체형으로 구비된 흡수탑을 포함하고, 상기 흡수탑에는 배가스에서 이산화탄소를 흡수할 때 발생되는 흡수열을 방출하기 위하여 흡수탑 순환 쿨러가 연결되는 것을 특징으로 하는 암모니아수를 이용한 이산화탄소 회수장치.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 흡수탑에 배가스에서 이산화탄소를 흡수할 때 발생되는 흡수열을 방출하기 위하여 흡수탑 순환 쿨러와 방열부가 일체로 구비되는 것을 특징으로 하는 암모니아수를 이용한 이산화탄소 회수장치.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 흡수액으로부터 이산화탄소를 제거하고, 흡수액을 재생하되, 배출되는 암모니아의 세척을 위한 세척부가 일체로 구비되는 재생탑을 포함하는 암모니아수를 이용한 이산화탄소 회수장치.
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 재생탑에 증기를 응축하기 위해 재생탑 내부의 액체를 냉각 순환시키는 패킹 또는 트레이로 구성된 응축부를 구비하는 것을 특징으로 하는 암모니아수를 이용한 이산화탄소 회수장치.
6. 이산화탄소가 함유된 배가스에서 암모니아수로 이루어지는 흡수액을 이용하여 이산화탄소를 흡수 및 회수하기 위한 이산화탄소 회수장치로서,

   이산화탄소가 제거된 배출가스에 함유된 암모니아의 세정을 위한 세정부가 일체형으로 구비되는 흡수탑, 상기 흡수액으로부터 이산화탄소를 제거하고 흡수액을 재생하되 배출되는 암모니아의 세척을 위한 세척부가 일체형으로 구비되는 재생탑 및 배출되는 암모니아수를 농축하여 회수하기 위한 암모니아 농축탑을 포함하고,

   상기 흡수탑에는 배가스에서 이산화탄소를 흡수할 때 발생되는 흡수열을 방출하기 위하여 흡수탑 순환 쿨러가 연결되는 것을 특징으로 하는 암모니아수를 이용한 이산화탄소 회수장치.
7. 삭제
8. 청구항 6에 있어서,

   상기 흡수탑에 배가스에서 이산화탄소를 흡수할 때 발생되는 흡수열을 방출하기 위하여 흡수탑 순환 쿨러와 방열부가 일체로 구비되는 것을 특징으로 하는 암모니아수를 이용한 이산화탄소 회수장치.
9. 이산화탄소가 함유된 배가스에서 암모니아수로 이루어지는 흡수액을 이용하여 이산화탄소를 흡수 및 회수하기 위하여 세정부가 일체로 구비되는 흡수탑과, 세척부가 일체로 구비되는 재생탑 및 암모니아 농축탑을 포함하는 암모니아수를 이용한 이산화탄소 회수장치를 이용하여 이산화탄소를 회수하는 방법으로서,

   상기 흡수탑에서는 흡수탑 순환 쿨러를 통해 배가스에서 이산화탄소를 흡수할 때 발생되는 흡수열을 방출하고, 상기 암모니아 농축탑의 하부로 배출되는 폐수 중 일부 또는 전부를 세정액 또는 세척액으로 회수하여 재사용하는 것을 특징으로 하는 암모니아수를 이용한 이산화탄소 회수방법.
10. 청구항 9에 있어서,

    상기 암모니아 농축탑의 상부로 회수되는 고농도 암모니아수를 흡수액으로 보충해 재사용하기 위하여 상기 흡수탑의 하부로 주입하는 것을 특징으로 하는 암모니아수를 이용한 이산화탄소 회수방법.

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