KR101096180B1 - 배출가스 재순환 이산화탄소 포집장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배출가스 재순환 이산화탄소 포집장치 및 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 흡수탑 내부에 배출가스를 유입시켜 반응시키고, 흡수액과 청정가스를 혼합한 후 흡수탑 상부에 분사하여 재반응시키도록 하는 수산화칼슘을 이용한 배출가스 재순환 이산화탄소 포집장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

배출가스 재순환 이산화탄소 포집장치 및 방법{APPARATUS FOR CAPTURE OF CARBON DIOXIDE USING EXHAUST GAS RECYCLING AND METHOD USING THEREOF}
본 발명은 배출가스 재순환 이산화탄소 포집장치 및 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 흡수탑 내부에 연소배출가스를 유입시켜 Ca(OH)2 및 첨가제를 혼합한 흡수액과 반응시키고, 다시 흡수액과 청정가스를 혼합한 후 흡수탑 상부에 분사하여 재반응시키도록 하는 배출가스 재순환 이산화탄소 포집장치 및 방법에 관한 것이다.
산업의 발달과 함께 이산화탄소의 대기중 농도증가로 인한 지구온난화 문제가 대두되고 있는데, 대기중 이산화탄소 농도가 증가하는 원인 중 가장 큰 원인은 에너지 산업에서 사용되는 석탄, 석유, 액화천연가스 등의 화석연료의 사용이다.
산업화가 시작된 19세기 초반부터 대기중에 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 황화수소(H2S), 황화카르보닐(COS) 등의 온실 가스농도가 증가하게 되었고 20세기 중반 이후 급속하게 증가하였다.
이러한 온실가스의 증가로 인한 지구 온난화 형상이 가속화되면서 배출 및 처리에 대한 규제가 엄격해지고 있다. 1992년 6월 브라질 리우에서 열린 환경과 개발에 관한 UN회의를 통하여 지구온난화에 대한 국제적 관심이 점차로 높아지고 있으며, 미국과 일본을 포함한 선진국들은 2010년 지구온실가스 배출량을 1990년 대비 5.2% 감축하기로 합의하는 등 산성가스 저감 방안에 대한 국제적 합의가 이루어지고 있다. 특히 지구온난화현상을 야기하는 온실가스 중 80%정도를 차지하는 이산화탄소의 분리는 더욱 중요한 문제로 대두되었다.
이산화탄소 배출량을 억제하기 위한 기술로는 배출감소를 위한 에너지 절약기술, 배출되는 이산화탄소의 분리회수기술, 이산화탄소를 이용하거나 고정화시키는 기술, 이산화탄소를 배출하지 않는 신재생 에너지기술 등이 있다.
지금까지 연구된 이산화탄소 분리회수기술로는 흡수법, 흡착법, 막분리법, 심냉법 등이 현실성 있는 대안으로 제시되고 있다. 특히, 흡수법은 대용량의 가스처리가 용이하고, 저농도의 가스 분리에 적합하기 때문에 대부분의 산업체 및 발전소에의 적용이 용이하여 현재 상업 운전중에 있다.
흡수법을 이용한 종래의 이산화탄소 분리회수기술은, 흡수탑에서 흡수제와 배출가스를 반응시켜 이산화탄소를 흡수제에 흡수시킨 후 이를 탈거탑으로 이송하여 흡수제로부터 이산화탄소를 탈거시키는 공정으로 이루어진다.
상기 흡수탑의 내측 상부에는 흡수제의 분산을 위한 다공성의 충진물이 충진되며, 흡수탑의 상부로는 액상의 흡수제가 분산되며, 흡수탑의 하부로는 이산화탄소를 포함한 혼합가스가 공급된다.
이와 같이 구성된 흡수탑에 의하면, 액상의 흡수제가 다공성의 충진물로 분산되며, 배출가스가 상승하여 충진물을 통과하면서 흡수제와 향류반응을 하게 된다. 이 반응을 통해 혼합가스에 포함된 이산화탄소가 흡수제에 흡수된다.
흡수 후 탈거반응에 의하여 분리된 이산화탄소는 육상 또는 해저에 저장된다. 그러나 이산화탄소를 분리 및 저장에 막대한 비용이 소요되므로 대안으로 검토되는 공정이 액상흡수제인 수산화칼슘(Ca(OH)2)를 이용하여 재활용이 가능한 탄산칼슘(CaCO3)으로 CO2를 포집 후 다양한 용도(탈황제, 시멘트 공장원료 등)로 사용하는 것이다.
이때의 반응은 산화칼슘인 생석회에 물을 용해시켜 제조된 수산화칼슘(Ca(OH)2) 수용액에 반응지속제인 수산화나트륨과 반응지연제인 산화마그네슘을 첨가 혼합하여 이루어진 것으로 그 반응식은 다음과 같다.
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O
그러나 수산화칼슘 수용액은 이산화탄소와 신속하게 반응을 하므로 반응지연제인 산화마그네슘(MgO)을 함유하여 반응의 속도를 조절하면서 이산화탄소를 제거할 수 있다.
그러나, 전술한 바와 같은 종래의 이산화탄소 분리기술에 의하면, 향류반응만을 통해서는 배출가스에 포함된 이산화탄소를 흡수하는데 한계가 있는바, 전체적으로 이산화탄소의 제거율이 높지 않게 되며, 이산화탄소의 제거율을 높이기 위해서는 흡수탑의 체적이 커야 하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 흡수탑 내부에 연소배출가스를 유입시켜 Ca(OH2) 및 첨가제를 혼합한 흡수액과 반응시키고, 다시 흡수액과 청정가스를 혼합한 후 흡수탑 상부에 분사하여 재반응시켜 가스가 흡수탑 내부에서 체류되는 시간과 흡수액과 접촉되는 시간을 증대시시킴으로써 이산화탄소의 제거 효율을 증대시키도록 하는 배출가스 재순환 이산화탄소 포집장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,
하단 내부에 Ca(OH2) 및 첨가제를 혼합한 흡수액이 저장되고, 흡수액 내부로 배출가스가 공급되며, 상부를 통해 청정가스를 배출하는 흡수탑과; 상기 흡수탑의 흡수액을 펌핑하는 펌프와; 상기 흡수탑에서 배출되는 청정가스의 일부를 흡입하는 송풍기; 및 상기 흡수탑 내부에 설치되어 상기 펌프에서 공급되는 흡수액과 상기 송풍기에서 공급되는 청정가스를 상기 흡수탑 내부로 분사시키는 분사 파이프를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 흡수탑은 내부로 배출가스를 공급시키기 위한 배출가스 송풍기와; 내부에 설치되어 흡수액을 교반시키는 교반기; 및 내부 상단에 설치되어 청정가스에 포함된 수분을 제거하는 디미스터를 더 구비한다.
여기에서 또한, 상기 분사 파이프는 중공상으로 형성되되, 일측으로 청정가스가 유입되고, 타측으로 흡수액이 유입되도록 내부에 수직으로 격벽이 형성되고, 상기 격벽의 하단 양측에 각각 반구 형태의 분사홀이 형성되어 상기 분사홀을 통해 청정가스와 흡수액을 분사한다.
여기에서 또, 상기 분사홀은 흡수액과 청정가스가 혼합되어 고압으로 분사되도록 저면에 깔대기 형태의 분사 노즐이 더 부착된다.
여기에서 또, 상기 분사 파이프는 1개가 설치되거나 또는 다수개가 이격되어 2개 이상 설치된다.
본 발명의 다른 특징은,
상기의 수산화칼슘을 이용한 배출가스 이산화탄소 포집장치를 이용한 이산화탄소 포집방법에 있어서, 흡수탑 내부 하단으로 배출가스 송풍기를 통해 배출가스를 공급하여 하단에 저장된 흡수액과 반응시켜 이산화탄소를 제거하는 반응 공정과; 상기 흡수탑의 흡수액을 펌프를 통해 펌핑하는 펌핑 공정과; 상기 흡수탑에서 배출되는 청정가스를 송풍기를 통해 반송시키는 반송 공정; 및 상기 펌프를 통해 펌핑된 흡수액과, 상기 송풍기를 통해 반송된 청정가스를 혼합하여 상기 흡수탑 상단에 분사하여 상승되는 가스와 재반응시키는 재반응 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명인 배출가스 재순환 이산화탄소 포집장치 및 방법에 따르면, 흡수탑 내부에 배출가스를 유입시켜 반응시키고, 흡수액과 청정가스를 혼합한 후 흡수탑 상부에 분사하여 재반응시켜 가스가 흡수탑 내부에서 체류되는 시간과 흡수액과 접촉되는 시간을 증대시시킴으로써 이산화탄소의 제거 효율을 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 배출가스 재순환 이산화탄소 포집장치의 구성을 개략적으로 나타낸 개요도이다.
도 2는 본 발명에 따른 배출가스 재순환 이산화탄소 포집장치중 분사 파이프의 구성을 나타낸 저면 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 배출가스 재순환 이산화탄소 포집장치중 분사 파이프의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 배출가스 재순환 이산화탄소 포집방법을 설명하기 위한 공정도이다.
도 5는 본 발명에 따른 배출가스 재순환 이산화탄소 포집방법을 설명하기 위한 설명도이다.
이하, 본 발명에 따른 배출가스 재순환 이산화탄소 포집장치의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 배출가스 재순환 이산화탄소 포집장치의 구성을 개략적으로 나타낸 개요도이고, 도 2는 본 발명에 따른 배출가스 재순환 이산화탄소 포집장치중 분사 파이프의 구성을 나타낸 저면 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 배출가스 재순환 이산화탄소 포집장치중 분사 파이프의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 배출가스 재순환 이산화탄소 포집장치(1)는, 흡수탑(10)과, 펌프(20)와, 송풍기(30)와, 분사 파이프(40)로 구성된다.
먼저, 흡수탑(10)은 통상의 구조로 하단 내부에 Ca(OH)2 및 첨가제를 혼합한 흡수액이 저장되고, 흡수액 내부로 배출가스 송풍기(11)에 의해 배출가스가 공급되며, 상부를 통해 청정가스를 배출한다. 여기에서, 흡수탑(10)은 내부에 설치되어 흡수액을 교반시키는 교반기(13)와, 내부 상단에 설치되어 청정가스에 포함된 수분을 제거하는 디미스터(15)를 더 구비한다.
그리고, 펌프(20)는 흡수탑(10)의 흡수액을 이송 라인을 통해 펌핑하여 하기에서 설명할 분사 파이프(30)로 공급한다.
또한, 송풍기(30)는 흡수탑(10)에서 배출되는 청정가스의 일부를 흡입한다.
또, 분사 파이프(40)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 중공상으로 형성되되, 일측으로 송풍기(30)에서 청정가스가 유입되고, 타측으로 펌프(20)에서 흡수액이 유입되도록 내부에 수직으로 격벽(41)이 형성되고, 격벽(41)의 하단 양측에 각각 반구 형태의 분사홀(43)이 형성되어 분사홀(43)을 통해 청정가스와 흡수액을 흡수탑(10) 내부로 분사한다.
여기에서, 분사 파이프(40)는 흡수탑(10)의 상부에 1개가 설치되거나 또는 다수개가 이격되어 2개 이상 설치되는 것이 바람직하고, 분사홀(43)은 흡수액과 청정가스가 혼합되어 고압으로 분사되도록 저면에 내부에 공간을 갖는 깔대기 형태의 분사 노즐(45)이 더 부착되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 배출가스 재순환 이산화탄소 포집장치를 이용한 이산화탄소 포집방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명에 따른 배출가스 재순환 이산화탄소 포집방법을 설명하기 위한 공정도이고, 도 5는 본 발명에 따른 배출가스 재순환 이산화탄소 포집방법을 설명하기 위한 설명도이다.
먼저, 흡수탑(10)에 흡수액이 저장되어 있는 상태에서 배출가스가 배출가스 송풍기(11)를 통해 흡수액 내부로 공급되면, 배출가스에 포함된 이산화탄소가 흡수액과 반응되어 이산화탄소가 제거된 배출가스, 즉 청정가스가 상승되어 대기로 배출된다(S100). 이때, 교반기(13)는 흡수액을 교반시켜 슬러지가 흡수탑(10)에 흡착되고, 침전되는 것을 방지하고, 디미스터(15)는 청정가스에 포함된 수분을 제거한다.
한편, 흡수탑(10) 내부 하단에 저장된 흡수액은 펌프(20)를 통해 분사 파이프(40)로 공급된다(S110). 이때, 흡수액은 분사 파이프(40)의 격벽(41) 일측으로 공급된다.
또한, 흡수탑(10)에서 대기로 배출되는 청정가스는 송풍기(30)를 통해 분사 파이프(40)로 공급된다(S120). 이때, 청정가스는 분사 파이프(40)의 격벽(41) 타측으로 공급된다.
흡수액과, 청정가스가 분사 파이프(40)로 공급되면, 흡수액과, 청정가스가 분사홀(43)로 각각 배출된 다음, 분사 노즐(45)에서 혼합된 후 흡수탑(10) 상단으로 분사되어 상승되는 가스와 재반응시킨다.
그러면, 흡수액과 청정가스가 흡수탑(10) 내부의 가스와 재반응되기 때문에 반응 시간 및 접촉 면적을 늘려 이산화탄소의 제거 효율을 증대시킬 수 있다.
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10 : 흡수탑 20 : 펌프
30 : 송풍기 40 : 분사 파이프

Claims (6)

  1. 하단 내부에 Ca(OH)2 및 첨가제를 혼합한 흡수액이 저장되고, 흡수액 내부로 배출가스가 공급되며, 상부를 통해 청정가스를 배출하는 흡수탑과;
    상기 흡수탑의 흡수액을 펌핑하는 펌프와;
    상기 흡수탑에서 배출되는 청정가스의 일부를 흡입하는 송풍기; 및
    상기 흡수탑 내부에 설치되어 상기 펌프에서 공급되는 흡수액과 상기 송풍기에서 공급되는 청정가스를 상기 흡수탑 내부로 분사시키도록 중공상으로 형성되되, 일측으로 청정가스가 유입되고, 타측으로 흡수액이 유입되도록 내부에 수직으로 격벽이 형성되고, 상기 격벽의 하단 양측에 각각 반구 형태의 분사홀이 형성되어 상기 분사홀을 통해 청정가스와 흡수액을 분사하는 분사 파이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 배출가스 재순환 이산화탄소 포집장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡수탑은,
    내부로 배출가스를 공급시키기 위한 배출가스 송풍기와;
    내부에 설치되어 흡수액을 교반시키는 교반기; 및
    내부 상단에 설치되어 청정가스에 포함된 수분을 제거하는 디미스터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 배출가스 재순환 이산화탄소 포집장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 분사홀은,
    흡수액과 청정가스가 혼합되어 고압으로 분사되도록 저면에 깔대기 형태의 분사 노즐이 더 부착되는 것을 특징으로 하는 배출가스 재순환 이산화탄소 포집장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 분사 파이프는,
    1개가 설치되거나 또는 다수개가 이격되어 2개 이상 설치되는 것을 특징으로 하는 배출가스 재순환 이산화탄소 포집장치.
  6. 제 1 항의 배출가스 재순환 이산화탄소 포집장치를 이용한 이산화탄소 포집방법에 있어서,
    흡수탑 내부 하단으로 배출가스 송풍기를 통해 배출가스를 공급하여 하단에 저장된 흡수액과 반응시켜 이산화탄소를 제거하는 반응 공정과;
    상기 흡수탑의 흡수액을 펌프를 통해 펌핑하는 펌핑 공정과;
    상기 흡수탑에서 배출되는 청정가스를 송풍기를 통해 반송시키는 반송 공정; 및
    상기 펌프를 통해 펌핑된 흡수액과, 상기 송풍기를 통해 반송된 청정가스를 혼합하여 상기 흡수탑 상단에 분사하여 상승되는 가스와 재반응시키는 재반응 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 배출가스 재순환 이산화탄소 포집방법.
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