KR101045061B1

KR101045061B1 - 다단유동층 열교환기 형태의 재생반응기를 갖는 ｃｏ₂회수장치

Info

Publication number: KR101045061B1
Application number: KR1020090111779A
Authority: KR
Inventors: 이창근; 진경태; 선도원; 조성호; 박재현; 배달희; 류호정; 박영철; 이승용
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2009-11-19
Filing date: 2009-11-19
Publication date: 2011-06-29
Also published as: KR20110054948A

Abstract

본 발명은 다단유동층 열교환기 형태의 재생반응기를 갖는 CO₂ 회수장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 재생반응기를 다층으로 구획하고 상기 구획된 각각의 층에는 스팀을 포함하는 재생가스로 가열이 이루어지도록 하여 고체흡수제의 열전달면적을 증가시킨 것이다. 따라서, 재생반응기에 투입된 고체흡수제 전체량에 대해 고른 열전달이 가능하게 됨으로 재생반응을 활성화시켜 재생율을 증가시킴은 물론 재생반응기의 상부층도 반응면적으로 사용할 수 있어 재생반응기 작업성을 향상시킬 수 있는 다단유동층 열교환기 형태의 재생반응기를 갖는 CO₂ 회수장치에 관한 것이다.

본 발명의 CO₂ 회수장치는, 외부로부터 공급된 CO₂함유가스를 고체흡수제와 접촉시켜 CO₂ 를 선택적으로 흡수시키는 회수반응기와, 상기 회수반응기의 CO₂가 흡수된 고체흡수제와 기체를 분리시키는 사이클론과, 상기 사이클론으로부터 고체흡수제를 공급받고 이에 고온의 재생가스를 공급하여 가열되게 하여 흡수된 CO₂ 를 분리하는 재생반응기를 포함하는 CO₂ 회수장치에 있어서, 상기 재생반응기는, 수직설치된 통체에 다수의 격벽을 설치하여 내부공간을 다층의 재생셀로 구획 형성하고, 상기 각 재생셀에는 분산판을 설치해 하부의 도입실과 상부의 반응실로 형성하고, 상기 각 재생셀의 하부도입실과 상부반응실에는 재생가스 유입구와 재생가스 배출 구를 형성하고, 상기 각 재생셀의 상부 반응실에는 회수반응기에서 흡수반응이 이루어진 고체흡수제가 유입되는 고체흡수제 유입구와 고체흡수제 배출구가 형성되도록 한다.

재생반응기, 다층, 다단, 재생셀, 고체흡수제

Description

다단유동층 열교환기 형태의 재생반응기를 갖는 ＣＯ₂회수장치{Carbon Dioxide Capture Apparatus with Multi-stage Fluidized Bed Heat Exchanger Type Regenerator}

종래에 CO₂회수 공정으로는 습식법에 의한 공정이 사용되었다. 즉, CO₂를 포 함하는 가스를 아민류 계통의 용액을 통과시켜 CO2를 흡수하게 하고 재생탑에서 그 용액을 재생하여 사용하는 방법이며, 이러한 습식법은 공정과정에 폐수가 추가로 발생되는 단점이 있다.

따라서 상기 습식법의 단점을 해소하기 위한 대안으로 건식법에 의한 CO₂의 회수방법이 제안되었다. 상기 건식법을 이용한 시스템은 두개의 반응기를 이용하여 CO₂를 회수하는 것으로, 회수반응기에 공급된 CO₂를 고체흡수제(건식흡수제)에 흡착제거하고, 상기 고체흡수제는 재생반응기로 유입되어 흡착된 CO₂를 제거하여 다시 회수반응기에 공급하는 과정으로 이루어진다.

예컨대, 상기 구성을 갖는 CO₂ 회수장치(1)는 도 5를 참조한 바와같이 유동되는 고체흡수제에 CO₂ 가 포함된 혼합가스를 공급하여 CO₂ 가 고체흡수제에 흡수되는 반응이 이루어지는 회수반응기(2)와, 상기 회수반응기에서 CO₂를 흡착한 고체흡수제와 가스성분을 분리하는 사이클론(3)과, 상기 고체흡수제를 공급받아 CO₂를 분리한 후 고체흡수제를 다시 회수반응기로 공급하는 하는 재생반응기(4)로 구성된다.

여기서 상기 재생반응기는 하나의 반응기에 고체흡수제를 충전시키고 이에 열을 가하면서 재생가스 또는 스팀을 공급해 흡수된 CO₂ 의 분리가 이루어지도록 하고 있다. 이러한 재생반응기는 유입된 고체흡수제를 고온으로 가열하는 시간이 필요함에 따라 회수반응기보다는 반응시간이 길다. 따라서, 원활한 고체흡수제의 순 환반응이 이루어지도록 하기 위해서는 재생반응기의 직경을 크게 형성하여 다량의 고체흡수제가 충전되도록 하고 있다.

이와같은 구조에서의 고체흡수제로의 열전달은 고온의 재생가스 또는 스팀을 공급하여 버블링 방식으로 이루어진다. 이러한 버블링 방식에 의해 열을 전달하면 충전된 고체흡수제의 일부분 특히 재생가스가 처음 유입되는 재생반응기의 하부측의 고체흡수제에만 고열이 전달되고 상측에는 상대적으로 낮은 열이 전달된다.

따라서, CO₂ 분리반응은 재생반응기의 하부에서만 활발히 이루어지고 상부는 CO₂ 분리반응보다는 예열이 이루어지는 공간으로 활용되고 있어 그 고체흡수제의 재생율이 저하됨으로 이를 해소하기 위해 새로운 재생반응기에 대한 연구가 필요하다.

이에 본 발명에 따른 다단유동층 열교환기 형태의 재생반응기를 갖는 CO₂ 회수장치는,

재생반응기를 다층으로 구성하고 상기 각층에는 재생가스를 개별적으로 공급하여 각층에 유입된 고체흡수제에 고르게 열을 전달하게 함으로써 고체흡수제의 재생반응을 촉진시켜 재생율을 증대시킬 수 있는 장치의 제공을 목적으로 한다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다단유동층 열교환기 형태의 재생반응기를 갖는 CO₂ 회수장치는,

외부로부터 공급된 CO₂함유가스를 고체흡수제와 접촉시켜 CO₂ 를 선택적으로 흡수시키는 회수반응기와, 상기 회수반응기의 CO₂가 흡수된 고체흡수제와 기체를 분리시키는 사이클론과, 상기 사이클론으로부터 고체흡수제를 공급받고 이에 고온의 재생가스를 공급하여 가열되게 하여 흡수된 CO₂ 를 분리하는 재생반응기를 포함하는 CO₂ 회수장치에 있어서, 상기 재생반응기는, 수직설치된 통체에 다수의 격벽을 설치하여 내부공간을 다층의 재생셀로 구획 형성하고, 상기 각 재생셀에는 분산판을 설치해 하부의 도입실과 상부의 반응실로 형성하고, 상기 각 재생셀의 하부도입실과 상부반응실에는 재생가스 유입구와 재생가스 배출구를 형성하고, 상기 각 재생셀의 상부 반응실에는 회수반응기에서 흡수반응이 이루어진 고체흡수제가 유입되는 고체흡수제 유입구와 고체흡수제 배출구가 형성되도록 한다.

이상에서 상세히 기술한 바와 같이 본 발명의 다단유동층 열교환기 형태의 재생반응기를 갖는 CO₂ 회수장치는,

재생반응기를 다층으로 구획하고 상기 구획된 각각의 층에는 스팀을 포함하 는 재생가스로 가열이 이루어지도록 하여 고체흡수제의 열전달면적을 증가시킨 것이다. 따라서, 재생반응기에 투입된 고체흡수제 전체량에 대해 고른 열전달이 가능하게 됨으로 재생반응을 활성화시켜 재생율을 증가시킴은 물론 재생반응기의 상부층도 반응면적으로 사용할 수 있어 재생반응기 작업성을 향상시킬 수 있는 것이다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1a와 도 1b에 도시된 바와같이 본 발명에 따른 다단유동층 열교환기 형태의 재생반응기를 갖는 이산화탄소 회수장치는 회수반응기와(20)와 재생반응기(30)를 포함하여 구성된다.

상기 회수반응기(20)는 도시된 바와같이 상승관으로 형성되거나 이외에 공지된 다양한 형태의 것을 사용할 수 있는 것으로, CO₂ 를 포함하는 혼합가스를 유입하여 유동되는 고체흡수제에 CO₂ 를 흡수시켜 제거하는 반응이 이루어진다. 즉, 상기 회수반응기의 하부로부터 고압의 스팀을 공급하여 충전된 고체흡수제를 고속으로 유동화시키면서 고체흡수제에 고르게 수분을 공급한다. 상기 과정에서 일측으로부터 CO₂ 를 포함하는 혼합가스를 공급하면 유동되는 고체흡수제에 유입된 혼합가스가 접촉되면서 CO₂ 를 흡수하는 반응이 이루어진다. 따라서, 혼합가스에 포함된 CO₂ 는 고체흡수제에 흡수되어 혼합가스로부터의 분리가 이루어지는 것이다.

상기 회수반응기(20)에서 반응이 완료된 고체흡수제는 회수반응기의 상층부에서 배출되며, 고체흡수제를 포함하는 배출물질은 사이클론(40)으로 공급되어 CO₂ 가 제거된 기체성분과 CO₂ 를 흡수한 고체흡수제를 분리하게 된다.

상기 사이클론(40)에 의해 분리된 고체흡수제는 재생반응기(30)로 공급되어 가열이 이루어지며 가열되는 고체흡수제는 흡수된 CO₂ 를 분리하는 반응이 이루어진다.

상기 재생반응기(30)는 도시된 바와같이 수직설치된 통체로 내부에 다수의 격벽(31)을 설치해 내부공간을 다수개로 구획하고, 상기 구획된 각 공간을 재생셀(32)로 하여 각 재생셀마다 재상반응이 이루어지도록 한다.

상기 재생반응이 이루어지는 재생셀(32)은 내부에 분산판(35)이 설치되어 내부공간을 하부의 도입실(33)과 상부의 반응실(34)로 구획한다. 상기 상부 반응실(34)에는 회수반응기에서 반응이 이루어진 고체흡수제가 적재되는 공간이고, 하부 도입실(33)은 일측으로부터 고온의 재생가스(스팀)가 유입되는 공간이다. 이와같은 하부도입실(33)에는 재생가스유입구(331)가 형성되고, 상부반응실(34)에는 재생가스배출구(341)가 형성되어 하부 도입실로 유입된 고온의 재생가스가 분산판을 통과하여 상부 반응실로 균일하게 공급된다. 이와같이 공급된 고온의 재생가스는 적재된 고체흡수제에 열을 고르게 전달하여 가열이 이루어지게 함으로써 CO₂ 분리반 응을 촉진시켜 재생반응이 활발하게 이루어지도록하고, 분리된 CO₂ 와 재생가스는 재생가스배출구(341)를 통해 배출이 이루어진다. 이러한 구성에서 상기 재생가스배출구(341)는 상부반응실(34)의 상부에 위치하도록 하여 적재된 고체흡수제가 유입되어 재생가스배출구를 막아 가스 배출이 차단되는 것을 방지하도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 배출되는 유로는 하나로 합류하여 가스배출이 이루어지도록 하고, 합류된 유로상에는 사이클론(미부호)을 더 설치하여 순수 가스만 배출되고 고체성분은 다시 재생반응기로 투입되도록 할 수 있다.

아울러 상기 상부반응실(34)에는 고체흡수제를 유입하는 고체흡수제유입구(342)와 고체흡수제배출구(343)가 형성되어 회수반응기(20)로부터 CO₂ 를 흡수한 고체흡수제를 유입하거나, 재생반응이 완료된 고체흡수제를 배출하도록 한다. 여기서 상기 고체흡수제유입구(342)는 재생셀(32)의 반응실(34) 저면에 연통설치하여 유입된 고체흡수제가 분산판(35)을 통과한 재생가스에 먼저 노출되게 하고, 고체흡수제배출구(343)는 분산판의 상면에서 이격된 상부에 위치하도록 하여 상부반응실의 하부로 유입된 고체흡수제가 재생가스에 의해 버블링방식으로 유동되면서 상부로 이동되어 고체흡수제배출구(343)를 통해 배출이 이루어지도록 하는 것이다.

상기 구조를 갖는 재생셀(32)이 다단으로 형성된 재생반응기(30)는 회수반응기(20)로부터 공급관(50)을 통해 CO₂ 가 흡수된 고체흡수제를 공급받는다.

상기 회수반응기(20)에서 재생반응기(30)로 고체흡수제를 공급하는 형태는 다단으로 형성된 재생셀(32) 각각에 고체흡수제를 직접 공급하거나, 최상층에만 공급하고 상부 재생셀(32)의 고체흡수제는 인접된 하부 재생셀로 공급하도록 할 수 있다.

도 1a는 재생셀에 고체흡수제를 직접 공급하는 형태이다.

도시된 바와같이 공급관(50)은 사이클론(40)에서 배출되는 고체흡수제를 이송하는 부분에서 다수개로 분기가 이루어지도록 하여, 분기된 이송관의 각 단부가 다수 재생셀(32)의 고체흡수제유입구(342)에 각각 연통되어 개별적으로 고체흡수제를 공급되도록 한다. 이 때 상기 고체흡수제유입구 부분에는 L-밸브 또는 루프실과 같은 보조수단을 더 장착하여 고체흡수제의 유입이 용이하게 이루어지도록 할 수 있다.

또한 상기 재생셀(32)의 상부 반응실(34)에는 공급관(50)이 연통된 부분과 대향된 부분에 배출관(60)이 연통설치되어 재생이 완료된 고체흡수제를 재생반응기(30)로부터 배출하여 회수반응기(20)로 공급하게 한다. 상기 배출관(60)은 각 재생셀(32)의 고체흡수제배출구와 연통되고 이송과정에서 유로가 하나로 합류된 후 회수반응기로 공급되며, 회수반응기로 공급되기 이전에 루프실(61)을 형성하여 재생반응기(30)의 가스가 회수반응기(20)로 공급되는것을 차단하거나 고체흡수제의 공급량을 일정하게 조절하도록 할 수 있다. 또한, 상기 배출관에는 열교환기(62)를 더 장착하여 고체흡수제의 온도는 낮추도록 할 수 있다.

도 2는 최상층의 재생셀에만 이송관을 통해 고체흡수제를 공급하는 형태이 다.

상기 회수반응기(20)에서 CO₂ 가 흡수된 고체흡수제를 이송하는 공급관(50)은 최상층 재생셀(32)의 고체흡수제유입구(342)에 연통되어 고체흡수제의 공급이 이루어지도록 한다. 또한 상기 최상층 재생셀(32)의 고체흡수제유입구(342) 부분에는 고체흡수제의 유입이 용이하게 이루어지도록 L-밸브 또는 루프실과 같은 보조수단이 설치될 수 있다.

상기 최상층 재생셀(32)에 충전된 고체흡수제는 고체하강관(36)을 통해 인접한 하부층의 재생셀로 공급하도록 한다. 즉, 상하층간의 재생셀(32)의 고체흡수제 이송은 상부 재생셀의 고체흡수제배출구(343)와 하부 재생셀의 고체흡수제유입구(342)를 연통시킨 고체하강관(36)에 의해 이루어진다. 상기 고체하강관(36)은 도 2에 도시된 바와같이 안식각 이상으로 경사각을 형성하여 고체흡수제가 고체하강관에 정체되는 것을 방지하도록 할 수 있다. 또한, 고체하강관(36)으로 이송된 고체흡수제는 재생셀(32)로 용이하게 공급되도록 하기 위해 도 3에 도시된 바와같이 고체흡수제유입구(342)와 연통된 고체하강관(36)의 하단을 수평으로 형성한 L-밸브로 형성하여 일측에서 분사되는 가스에 의해 고체흡수제가 재생셀로 용이하게 공급되도록 할 수 있다. 또한, 도시된 형태이외에 고체하강관의 하부에 저장공간을 형성하여 일정량의 고체흡수제가 저장되도록 하여 하부재생셀로의 공급이 원활하기 이루어지도록 할 수 있다.

아울러 최하층의 재생셀(32)에는 고체흡수제배출구(343)에 배출관(60)을 연 통설치하여 각 재생셀을 통과하면서 순차적으로 재생된 고체흡수제를 회수반응기(20)로 공급되게 한다. 상기 배출관(60)은 도 1a의 실시예에서 상술한 바와같이 루프실을 설치하거나 열교환기를 설치할 수 있다.

한편, 상기 다단유동층 열교환기 형태의 재생반응기(30)는 각 재생셀이 서로 분리된 독립객체로 형성될 수 있다.

도 4를 참조한 바와같이 상기 재생셀(32)은 측면에 플랜지(37)가 형성되고 상하 재생셀(32)간에 체결수단에 의해 견고하게 체결하여 일체화시키고, 공급관(50)과 배출관(60)을 연통시킨 후 재생가스를 공급하여 재생반응이 이루어지도록 할 수 있다. 이와같이 각 재생셀(32)을 분리형태로 형성할 경우에는 처리량에 따라 원하는 만큼 추가장착이 용이하게 할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 따른 다단유동층 열교환기 형태의 재생반응기(30)를 갖는 CO₂ 회수장치의 작동상태를 도 1a를 참조하여 간략하게 설명한다.

고체흡수제는 유동이 이루어지는 회수반응기(20)에 CO₂ 를 포함하는 혼합가스와 스팀을 공급하면 회수반응기에서는 고체흡수제에 CO₂ 가 흡수되는 반응이 이루어진다. 상기 CO₂ 의 흡수가 이루어진 고체흡수제는 회수반응기의 상부를 통해 사이클론(40)으로 공급되고, 상기 사이클론에서는 기체성분과 고체성분을 분리한다. 상기 분리된 고체성분인 고체흡수제는 공급관(50)을 통해 분기되어 재생반응기(30)의 각 재생셀(32)로 공급한다.

상기 재생반응기(30)의 각 재생셀(32)에는 하부 도입실(33)로 재생가스를 유입시켜 분산판(35)을 통해 상부 반응실(34)로 공급되고, 공급된 재생가스는 상부반응실(34)의 고체흡수제를 가열시켜 CO₂ 를 분리하게 된다. 상기 각 재생셀(32)에는 적재되는 고체흡수제의 두께가 얇기 때문에 대부분 분산판(35) 가까이 위치하게 됨으로써 고온의 재생가스 공급시 전체 고체흡수제에 고르게 가열되기 때문에 CO₂ 분리가 전체적으로 이루어져 재생반응 시간을 단축시킬 수 있다. 또한 다수로 적층된 재생셀(32)은 외벽을 통해 인접 재생셀로의 열전달이 이루어짐으로 열손실을 최소화 할 수 있다.

상기 재생반응에 의해 분리된 CO₂ 와 재생가스는 재생가스배출구(341)를 통해 배출되고, 재생반응이 이루어진 고체흡수제는 고체흡수제배출구(343)를 통해 배출된다. 상기 배출된 고체흡수제를 이송하는 배출관(60)은 유로가 하나로 합류된 다음 회수반응기(20)로의 공급이 이루어지게 된다. 따라서, 고체흡수제는 회수반응기(20)와 재생반응기(30)를 연속적으로 순환하면서 반응이 이루어지는 것이다.

도 1a와 도 1b는 본 발명의 제1실시예에 따른 CO₂ 회수장치를 도시한 공정도 및 주요부 확대도.

도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 재생반응기를 도시한 개략도.

도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 재생반응기를 도시한 개략도.

도 4는 본 발명의 제4실시예에 따른 재생반응기를 도시한 개략도.

도 5는 종래 CO₂ 회수장치를 도시한 공정도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : CO₂ 회수장치

20 : 회수반응기

30 : 재생반응기

31 : 격벽 32 : 재생셀 33 : 도입실

34 : 반응실 35 : 분산판 36 : 고체하강관

37 : 플랜지

331 : 재생가스유입구 341 : 재생가스배출구

342 : 고체흡수제유입구 343 : 고체흡수제배출구

40 : 사이클론

50 : 공급관

60 : 배출관

61 : 루프실 62 : 열교환기

Claims

외부로부터 공급된 CO₂함유가스를 고체흡수제와 접촉시켜 CO₂를 선택적으로 흡수시키는 회수반응기(20)와, 상기 회수반응기의 CO₂가 흡수된 고체흡수제와 기체를 분리시키는 사이클론(40)과, 상기 사이클론으로부터 고체흡수제를 공급받고 이에 고온의 재생가스를 공급하여 가열되게 하여 흡수된 CO₂ 를 분리하는 재생반응기(30)와, 상기 회수반응기의 고체흡수제를 재생반응기로 이송하는 공급관(50)과, 상기 재생반응기에서 재생된 고체흡수제를 회수반응기로 이송시키는 배출관(60)을 포함하는 CO₂ 회수장치에 있어서,

상기 재생반응기(30)는,

수직설치된 통체에 다수의 격벽(31)을 설치하여 내부공간을 다층의 재생셀(32)로 구획 형성하고, 상기 각 재생셀(32)에는 분산판(35)을 설치해 하부의 도입실(33)과 상부의 반응실(34)로 형성하고,

상기 각 재생셀의 하부도입실과 상부반응실에는 재생가스유입구(331)와 재생가스배출구(341)를 형성하고,

상기 각 재생셀의 상부 반응실에는 회수반응기에서 흡수반응이 이루어진 고체흡수제가 유입되는 고체흡수제유입구(342)와 고체흡수제배출구(343)가 형성되는 것을 특징으로 하는 다단유동층 열교환기 형태의 재생반응기를 갖는 CO₂ 회수장치.
제1항에 있어서,

상기 재생셀(32)의 고체흡수제유입구(342)는 반응실의 저면에 연통설치되고, 고체흡수제배출구(343)는 분산판(35) 면으로부터 이격된 상부에 연통설치되도록 한 것을 특징으로 하는 다단유동층 열교환기 형태의 재생반응기를 갖는 CO₂ 회수장치.
제1항에 있어서,

상기 공급관(50)은 사이클론(40)에서 기체성분이 제거된 고체흡수제를 재생반응기(30)로 공급하는 부분을 다수로 분기하고, 상기 분기된 각 공급관은 다층을 형성된 각 재생셀(32)의 고체흡수제유입구(342)에 연통시켜 고체흡수제를 재생셀의 반응실(34)로 공급되고록 하고,

상기 각 재생셀(32)에 재생된 고체흡수제는 각 고체흡수제배출구(343)에 연통된 배출관(60)으로 배출시키고, 상기 배출관(60)은 하나로 합류되어 재생된 고체흡수제를 회수반응기(20)로 공급되도록 구성된 것을 특징으로 하는 다단유동층 열교환기 형태의 재생반응기를 갖는 CO₂ 회수장치.
제1항에 있어서,

상기 재생반응기(30)에는 최상층의 재생셀(32)의 고체흡수제유입구(342)에는 공급관(50)을 연통설치하여 사이클론(40)에서 기체성분이 제거된 고체흡수제를 공 급받도록 하고,

상기 상하 재생셀(32) 간에는 상부 재생셀의 고체흡수제배출구(343)와 하부 재생셀의 고체흡수제유입구(342)를 연통시키는 고체하강관(36)을 설치하여, 상부 재생셀의 고체흡수제를 인접한 하부 재생셀의 반응실로 공급하여 재생반응이 이루어지도록 하고,

최하층의 재생셀에는 고체흡수제배출구(343)에 배출관(60)을 연통설치하여 순차적으로 재생된 고체흡수제를 회수반응기로 공급되게 한 것을 특징으로 하는 다단유동층 열교환기 형태의 재생반응기를 갖는 CO₂ 회수장치.
제4항에 있어서,

상기 고체하강관(36)은 재생셀의 고체흡수제유입구(342) 부분을 L-밸브로 형성하여 고체흡수제의 유입이 용이하게 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 다단유동층 열교환기 형태의 재생반응기를 갖는 CO₂ 회수장치.
제1항에 있어서,

상기 각 재생셀(32)은 서로 분리된 독립객체로 형성하고 됨을 특징으로 하는 다단유동층 열교환기 형태의 재생반응기를 갖는 CO₂ 회수장치.