KR101191085B1 - 습식 이산화탄소 분리 회수장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 흡수탑 내에서의 이산화탄소 제거율을 향상시킨 습식 이산화탄소 분리 회수장치에 관한 것이다. 개시발명은, 내측 하부 채워진 액상의 흡수제와 내측 하부로 공급되는 혼합가스가 1차 반응하고, 상부를 통해 공급되는 액상의 흡수제가 내측 상부에 충진된 충진물에 분산되어 상기 1차 반응을 마친 후 상승하는 혼합가스와 2차 반응하는 흡수탑; 및 상기 흡수탑으로부터 배출되는 이산화탄소 포화 흡수제를 유입하여 열에너지를 이용해 흡수제와 이산화탄소로 분리시키는 탈거탑을 포함한다. 따라서, 혼합가스가 충진물를 통과하면서 흡수제와 반응하기 전에 흡수탑 하부에 채워진 액상의 흡수제와 일차 반응하도록 이루어짐으로써, 흡수탑에서의 이산화탄소의 제거율을 향상시킬 수 있고, 흡수탑의 전체적인 체적을 줄일 수 있게 된다.

Description

습식 이산화탄소 분리 회수장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD OF SOLVENT SCRUBBING CO2 CAPTURE SYSTEM}
본 발명은 이산화탄소 분리 회수장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 흡수탑 내에서의 이산화탄소 제거율을 향상시키는 습식 이산화탄소 분리 회수장치 및 그 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 산성 가스농도가 증가하게 되었고 20세기 중반 이후 급속하게 증가하였다.
이러한 산성가스의 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 산성가스 중 50%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 가수처리가 용이하고, 저농도의 가스 분리에 적합하기 때문에 대부분의 산업체 및 발전소에의 적용이 용이하여 모노에탄올아민(MEA, Monoethanolamine)을 흡수제로서 사용하는 흡수공정이 현재 상업 운전중에 있다.
흡수법을 이용한 종래의 이산화탄소 분리회수기술은, 흡수탑에서 흡수제와 혼합가스를 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 혼합가스가 공급된다.
이와 같이 구성된 흡수탑에 의하면, 액상의 흡수제가 다공성의 충진물로 분산되며, 혼합가스가 상승하여 충진물을 통과하면서 흡수제와 향류반응을 하게 된다. 이 반응을 통해 혼합가스에 포함된 이산화탄소가 흡수제에 분리 흡수된다.
그러나, 전술한 바와 같은 종래의 이산화탄소 분리기술에 의하면, 향류반응만을 통해서는 혼합가스에 포함된 이산화탄소를 흡수하는데 한계가 있는바, 전체적으로 이산화탄소의 제거율이 높지 않게 되며, 이산화탄소의 제거율을 높이기 위해서는 흡수탑의 체적이 커야 하는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 흡수탑 내에서의 이산화탄소 제거율을 향상시키고, 흡수탑의 체적을 최소화할 수 있는 습식 이산화탄소 분리 회수장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명 습식 이산화탄소 분리 회수장치는, 내측 하부 채워진 액상의 흡수제와 내측 하부로 공급되는 혼합가스가 1차 반응하고, 상부를 통해 공급되는 액상의 흡수제가 내측 상부에 충진된 충진물에 분산되어 상기 1차 반응을 마친 후 상승하는 혼합가스와 2차 반응하는 흡수탑; 및 상기 흡수탑으로부터 배출되는 이산화탄소 포화 흡수제를 유입하여 열에너지를 이용해 흡수제와 이산화탄소로 분리시키는 탈거탑을 포함한다.
본 발명 습식 이산화탄소 분리 회수장치는, 상기 흡수탑의 하부를 관통하여 설치되며, 상기 흡수탑의 외부에 위치되는 일단에 혼합가스 공급라인이 연결되는 혼합가스 인입파이프; 및 상기 흡수탑의 내측 하부에 채워진 액상의 흡수제에 잠기도록 상기 혼합가스 인입파이프의 타단에 결합되어, 상기 흡수제 내로 혼합가스를 분출하는 스파저를 더 포함한다.
상기 스파저에는 혼합가스가 토출되는 복수 개의 혼합가스 분출구가 형성되며, 상기 혼합가스 분출구의 직경은 2~50㎛이다.
본 발명 습식 이산화탄소 분리 회수장치는, 상기 흡수탑의 내측 하부에 설치되어 액상의 흡수제와 혼합가스의 반응시 열교환을 통해 반응온도를 낮추는 냉각장치를 더 포함한다.
상기 냉각장치는 내부에 냉각수가 흐르는 냉각코일이다.
본 발명 습식 이산화탄소 분리 회수장치는, 상기 탈거탑의 하부에 설치되어 탈거탑의 내부에 상기 열에너지를 가하는 리보일러를 더 포함한다.
상기 흡수탑의 하단에는 이산화탄소 포화 흡수제가 토출되는 흡수제 토출구가 형성되며, 상기 흡수제 토출구는 상기 흡수탑의 바닥과 상기 충진물 사이의 간격을 1로 하였을 때 바닥으로부터 1/3~1/2 위치에 형성된다.
상기 흡수제는 아민계, 아미노산염, 무기염계 용액, 암모니아수 및 이들을 혼합한 용액중 적어도 하나이다.
상기 흡수탑의 운전온도는 25~60℃이며, 상기 탈거탑의 운전온도는 80~140℃이다.
본 발명 습식 이산화탄소 분리 회수방법은, (a) 액상의 흡수제가 채워진 상기 흡수탑의 하부를 통해 혼합가스가 공급 분산되어 상기 액상의 흡수제와 혼합가스가 1차 반응하는 단계; (b) 상기 1차 반응을 마친 혼합가스가 상승하여 상기 흡수탑 내 상부의 충진물에 분산된 흡수제와 2차 반응하는 단계; (c) 상기 (a)와 (b)단계를 통해 생성된 이산화탄소 포화 흡수제를 탈거탑으로 이송하는 단계; 및 (d) 상기 탈거탑 내에서 상기 이산화탄소 포화 흡수제가 이산화탄소와 흡수제로 분리되는 단계;를 포함한다.
상기 (a)단계에서는 냉각장치를 이용해 혼합가스와 흡수제 반응시 반응온도를 낮추게 된다.
상기 (a) 단계에서는 직경 2~50㎛ 크기의 혼합가스 분출구가 형성된 스파저를 통해 혼합가스가 분출되며, 상기 (a),(b) 단계에서 상기 흡수탑 내에서의 온도조건은 25~60℃이고, 상기 (d) 단계에서 상기 탈거탑 내에서의 온도조건은 80~140℃이다.
본 발명 습식 이산화탄소 분리 회수방법은, (e) 상기 탈거탑에서 분리된 재생 흡수제를 상기 흡수탑의 상부로 공급하는 단계를 더 포함한다.
이와 같은 본 발명에 따른 습식 이산화탄소 분리 회수장치 및 그 방법에 의하면 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 혼합가스가 충진물을 통과하면서 흡수제와 반응하기 전에 흡수탑 하부에 채워진 액상의 흡수제와 1차 반응하도록 이루어짐으로써, 흡수탑에서의 이산화탄소의 제거율을 향상시킬 수 있고, 흡수탑의 전체적인 체적을 줄일 수 있다.
둘째, 복수 개의 미세한 혼합가스 토출구를 갖는 스파저를 통해 흡수탑 하부에 채워진 액상의 흡수제로 혼합가스를 미세하게 토출하도록 이루어짐으로써, 혼합가스와 흡수제의 반응효율이 증대된다.
셋째, 흡수탑으로부터 이산화탄소 포화 흡수제를 토출하는 흡수제 토출구를 흡수탑 하단과 최하단 충진물의 간격을 1로 하였을 때 바닥으로부터 1/3~1/2의 위치에 형성함으로써, 흡수제의 충분한 체류시간을 확보하여 흡수제와 혼합가스간의 반응으로 인한 이산화탄소의 제거효율이 증대된다.
넷째, 흡수탑의 하부에서 액상의 흡수제와 혼합가스가 반응하는 과정에서 코일형태로 이루어진 냉각장치와의 열교환을 통해 반응온도가 낮아지고, 이산화탄소 분자의 활동성이 떨어짐에 따라 반응효율이 향상되게 된다. 또한, 냉각장치가 내부에 냉각수가 흐르는 코일형태로 이루어져 흡수제와의 열교환면적이 최대화된다.
도 1은 본 발명에 따른 습식 이산화탄소 분리 회수장치의 구성도.
도 2는 도 1의 흡수탑 내부구조를 보인 단면도.
도 3은 도 2의 흡수탑 하부구조를 나타낸 평면도.
도 4는 도 2의 스파저를 확대하여 나타낸 도면.
도 5는 본 발명에 따른 습식 이산화탄소 분리 회수장치를 이용해 이산화탄소를 분리 회수하는 공정을 나타낸 공정도.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 따라 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 습식 이산화탄소 분리 회수장치의 구성도이다.
본 발명에 따른 이산화탄소 분리 회수장치는, 흡수탑(10), 탈거탑(20), 리보일러(30), 제1,2이송펌프(40)(50) 및 열교환기(60)를 포함한다.
상기 흡수탑(10)은 이산화탄소를 함유한 혼합가스를 흡수제와 반응시켜 이산화탄소 포화 흡수제를 생성하게 된다. 이러한 흡수탑(10)의 하부에는 혼합가스가 공급되는 혼합가스 공급라인(70) 및 이산화탄소 포화 흡수제가 토출되어 이송되는 이산화탄소 포화 흡수제 이송라인(80)이 각각 연결된다. 흡수탑(10)의 상부에는 재생 흡수제 이송라인(90)이 연결된다. 이산화탄소가 제거된 가스는 흡수탑(10)의 상부를 통해 대기로 방출된다.
상기 탈거탑(20)은 이산화탄소 포화 흡수제를 유입한 후 열에너지를 이용해 이산화탄소와 흡수제로 분리하며, 분리된 이산화탄소를 외부로 배출한다. 이러한 탈거탑(20)의 상부에는 이산화탄소 포화 흡수제 이송라인(80)이 연결된다. 분리된 이산화탄소는 탈거탑(20)의 상부를 통해 배출된 후 냉각장치(미도시)로 이송된다.
상기 리보일러(30)는 탈거탑(20)의 하부에 설치되어 탈거탑(20)을 80~140℃로 가열하게 된다. 리보일러(30)에는 탈거탑(20)에서 분리된 재생 흡수제를 흡수탑(10)으로 이송하기 위한 재생 흡수제 이송라인(90)이 연결된다.
상기 제1이송펌프(40)는 이산화탄소 포화 흡수제 이송라인(80)과 연결되어, 이산화탄소 포화 흡수제를 흡수탑(10)으로부터 탈거탑(20)으로 이송시킨다.
상기 제2이송펌프(50)는 재생 흡수제 이송라인(90)과 연결되어, 탈거탑(20)에서 생성된 재생 흡수제를 리보일러(30)로부터 흡수탑(10)의 상부로 이송시키게 된다.
상기 열교환기(60)는 이산화탄소 포화 흡수제 이송라인(80)과 재생 흡수제 이송라인(90) 사이에서 열교환이 이루어지도록 하는 것으로, 고온의 재생 흡수제와 저온의 이산화탄소 포화 흡수제 사이에 열교환이 이루어지도록 하여, 탈거탑(20)으로 이송되는 이산화탄소 포화 흡수제를 예열하고, 흡수탑(10)으로 이송되는 재생 흡수제를 냉각시키게 된다.
도 2는 도 1의 흡수탑 내부구조를 보인 단면도이고, 도 3은 도 2의 흡수탑 하부구조를 나타낸 평면도이며, 도 4는 도 2의 스파저를 확대하여 나타낸 도면이다.
상기 흡수탑(10)의 내측 하부에는 액상의 흡수제가 일정 수위로 채워지며, 흡수탑(10)의 하부 측면에는 이산화탄소 포화 흡수제가 토출되는 흡수제 토출구(10a)가 형성된다. 또한, 흡수탑(10)의 하부에는 흡수탑(10)을 관통하는 혼합가스 인입파이프(100)가 설치되는데, 흡수탑(10)의 외부에 위치되는 혼합가스 인입파이프(100)의 일단은 혼합가스 공급라인(70)과 연결되며, 흡수탑(10) 내에 위치되는 혼합가스 인입파이프(100)의 타단에는 스파저(110)가 결합된다. 이 때, 스파저(110)는 흡수제에 잠긴다. 혼합가스 공급라인(70)에는 체크밸브(미도시)가 설치되어 액상의 흡수제가 혼합가스 공급라인(70)으로 역류하는 현상을 방지한다.
상기 스파저(110)는 외부로부터 공급되는 혼합가스를 흡수제 내로 분산시켜 혼합가스와 흡수제가 원활하게 반응하도록 한다. 이러한 스파저(110)는 원통형으로 형성되며, 그 외주연에는 혼합가스가 분출되는 미세한 복수 개의 혼합가스 분출구(110a)가 형성된다. 이 때, 혼합가스 분출구(110a)의 크기는 작을수록 투입되는 혼합가스가 더 작게 분산되기 때문에 흡수제와의 반응효율은 증가하나, 차압 역시 증가하여 가스 블로어의 동력이 증가되는 문제가 있으므로 가스 유량에 맞는 적절한 스파저를 선택해야 한다. 혼합가스 분출구(110a)의 직경은 2~50㎛가 바람직하다. 혼합가스 분출구(110a)의 직경이 2㎛ 미만일 경우에는 차압이 크게 증가하게 되며, 50㎛를 초과할 경우에는 혼합가스와 흡수제의 반응효율이 떨어지게 된다.
상기 흡수탑(10)의 내측 상부에는 2단의 충진물(120)(130)이 이격되게 배치된다. 각 충진물(120)(130)은 다공성의 금속재로 제작되어 흡수탑(10)의 상부를 통해 공급되는 재생 흡수제가 분산되며, 하부로부터 상승하는 혼합가스가 통과하게 된다. 하부로부터 상승하는 혼합가스는 충진물(120)(130)을 통과하면서 흡수제와의 화학반응을 하게 되고, 혼합가스에 포함된 이산화탄소가 흡수제에 흡수된다. 이산화탄소가 제거된 가스는 충진물(120)(130)의 상방으로 상승한 후 대기로 방출된다.
상기 흡수탑(10)의 상단에는 이산화탄소가 제거된 가스가 배출되는 가스 배출구(10b)가 형성되며, 흡수탑(10)의 상부 측면에는 재생된 흡수제가 유입되는 재생 흡수제 유입구(10c)가 형성된다. 재생 흡수제 유입구(10c)에는 재생 흡수제 이송라인(90)이 연결된다.
한편, 상기 흡수탑(10)의 내측 하부에는 액상의 흡수제와 혼합가스의 반응시 열교환을 통해 반응온도를 낮추는 냉각장치(140)가 설치된다. 냉각장치(140)는 내부에 냉각수가 흐르는 냉각코일의 형태로 형성됨으로써, 흡수제와의 열교환면적이 최대화되도록 하였다. 이러한 코일형태의 냉각장치(140)는 도 3에 도시된 바와 같이 흡수탑(10)의 내벽에 근접하게 원형으로 설치되어 전체 흡수탑(10) 내에서의 유동에 미치는 영향이 최소화되도록 하였다. 흡수탑(10)의 하부에는 냉각수의 유입과 토출이 이루어지는 냉각수 유입구(10d) 및 냉각수 토출구(10e)가 각각 형성된다. 냉각장치(140)로 유입되는 냉각수의 온도는 20 내지 40도 범위 이내이며, 이산화탄소와 흡수제간의 반응속도 향상을 위하여 25도 이하에서 운전하는 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명에 따른 습식 이산화탄소 분리 회수장치를 이용해 이산화탄소를 분리 회수하는 공정을 나타낸 공정도이다.
본 발명에 따른 이산화탄소 분리 회수방법은, 혼합가스가 흡수탑(10) 내부로 공급 분산되는 단계(S10), 혼합가스와 흡수제가 반응하는 단계(S20), 이산화탄소 포화 흡수제를 탈거탑(20)으로 이송하는 단계(S30), 탈거탑(20)에서 이산화탄소와 흡수제가 분리되는 단계(S40), 재생 흡수제를 흡수탑(10)으로 공급하는 단계(S50)를 포함한다.
이하에서는 상기와 같이 구성된 이산화탄소 분리 회수공정을 각 단계별로 상세히 설명하기로 한다.
혼합가스 공급 분산단계( S10 ) 및 혼합가스와 흡수제 반응단계( S20 )
이산화탄소가 포함된 혼합가스는 냉각장치(미도시)에 의해 일차 냉각된 후, 흡수탑에 의해 발생되는 압력강하를 극복하기 위하여 가스 블로어를 통해 흡수탑(10) 하부로 이송된다.
가스 블로어를 통해 공급되는 혼합가스는 혼합가스 공급라인(70) 및 혼합가스 인입파이프(100)를 통해 흡수탑(10) 내로 공급되고, 스파저(110)를 통해 액상의 흡수제 내로 분산된 후 흡수제와 반응하게 된다.
혼합가스는 스파저(110)에 형성된 미세한 혼합가스 분출구(110a)를 통해 분산되기 때문에 혼합가스의 반응면적이 증대되며, 결과적으로 혼합가스와 흡수제의 반응 효율이 증대된다.
혼합가스와 흡수제의 반응시간은 흡수제와 이산화탄소의 반응속도에 따라 달라질 수 있는데, 흡수탑(10) 하단의 흡수제 액위를 조절하여 각각의 경우에 맞는 최적의 체류시간을 갖도록 한다.
흡수탑(10) 내로 공급된 혼합가스는 흡수탑(10)의 하단에서 액상의 흡수제와 1차 반응하여 혼합가스에 포함된 이산화탄소중 일부는 액상의 흡수제에 흡수된다. 그리고, 나머지 혼합가스는 액상의 흡수제를 통과하여 상승하면서 흡수탑(10)의 내측 상부에 설치된 충진물(120)(130)을 통과하게 된다. 이 때, 충진물(120)(130)에는 흡수탑(10) 상부를 통해 공급되는 재생 흡수제가 분산되고, 분산된 재생 흡수제는 이곳을 지나가는 혼합가스와 2차 반응하여 잔여 이산화탄소를 흡수하게 된다. 잔여 이산화탄소를 흡수한 재생 흡수제는 하강하여 흡수탑(10) 하단의 흡수제와 합쳐진 후, 흡수탑(10) 하단의 흡수제 토출구(10a)를 통해 토출된다.
한편, 흡수탑(10)의 하부에서 액상의 흡수제와 혼합가스가 반응하는 과정에서 코일형태로 이루어진 냉각장치(140)에 의해 반응온도가 낮아지고, 이산화탄소 분자의 활동성이 떨어짐에 따라 반응효율이 향상되게 된다.
이처럼 본 발명에서는 종래의 흡수방식에 비해, 흡수탑(10) 하단에 채워진 흡수제를 통해 상당량의 이산화탄소가 제거되는 과정이 더 포함되기 때문에 흡수탑의 높이를 크게 줄일 수 있으며, 동일한 흡수탑(10)에서 이산화탄소의 제거효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
물론, 흡수탑(10) 하단에 액상의 흡수제가 채워지기 때문에 차압증가에 따라 혼합가스 투입을 위한 블로어의 동력이 증가할 수 있으나, 동일조건에서 흡수탑의 높이가 크게 낮아질 수 있고, 그에 따른 부속설비(펌프 등)의 부하 역시 줄어들기 때문에 블로어의 동력비용은 상쇄된다.
흡수제와의 화학반응에 의해 이산화탄소가 제거된 가스는 흡수탑(10) 상단의 가스 배출구(10b)를 통하여 대기로 방출되는데, 이 과정에서 가스 중에 포함된 소량의 흡수제 및 수분은 가스 배출구(10b) 내의 스크러버(미도시)에서 포집되어 흡수탑(10)의 하단으로 재순환된다.
흡수탑(10)의 운전온도는 사용되는 흡수제의 종류에 따라 달라질 수 있는데, 일반적으로 25~60℃가 바람직하다.
이산화탄소 포화 흡수제 이송단계( S30 ), 흡수제 분리단계( S40 ) 및 재생 흡수제 공급단계( S50 )
흡수탑(10)으로부터 배출되는 이산화탄소 포화 흡수제는 제1이송펌프(40)의 작동에 의해 이산화탄소 포화 흡수제 이송라인(80)을 통해 탈거탑(20)의 상부로 공급된다. 이 때, 흡수탑(10)으로부터 배출되는 저온의 이산화탄소 포화 흡수제는 열교환기(60)를 거치면서 리보일러(30)에서 배출되는 고온의 재생 흡수제와 열교환을 통해 예열된 후 탈거탑(20)의 상부로 공급된다.
탈거탑(20)의 상부로 공급된 이산화탄소 포화 흡수제는 탈거탑(20) 하부로 이동하면서 탈거탑(20) 하부의 리보일러(30)에서 발생되는 스팀 또는 열에 의해 이산화탄소가 탈거되고 흡수제는 재생된다.
흡수제로부터 탈거된 이산화탄소는 수분을 포함하며 탈거탑(20) 상단으로 이송되어 배출된 후, 냉각기(미도시)로 이송된다. 냉각기에서는 대부분의 증기가 냉각되어 기체?액체 2상의 유체가 생성된 후 리플럭스 드럼(미도시)으로 이송된다.
리플럭스 드럼에서는 이산화탄소와 응축수로 상 분리되며, 이산화탄소는 이산화탄소 회수 및 처리공정으로 이송되어 용도에 따라 저장되거나 다른 유용한 화학물질로 전환된다. 응축수는 리플럭스 드럼을 통하여 다시 탈거탑(20) 상부로 이송되어 탈거탑(20) 상부로 상승하는 기체에 존재하는 부유물을 세정하는 역할을 하게 된다.
이산화탄소가 탈거된 흡수제는 하강하여 리보일러(30)에 모이게 된다. 리보일러(30)로부터 배출되는 재생 흡수제는 제2이송펌프(50)의 작동에 의해 흡수탑(10) 상부로 이송되며, 이 과정에서 열교환기(60)를 거치면서 이산화탄소 포화 흡수제와 열교환을 통해 흡수탑(10)에서의 온도조건에 맞게 냉각된다.
탈거탑(20)의 운전온도는 흡수제의 종류에 따라 달라질 수 있는데 일반적으로 80~140℃ 범위가 바람직하다.
<실시예1>
스파저를 통해 혼합가스(연소가스)를 2.0㎥/hr 유량으로 투입하였다. 연소가스의 온도는 연소기에서 나온 후 냉각기를 거치면서 40℃로 조절하였다. 흡수제는 상용인 모노에탄올 아민(30wt%)을 사용하였고 흡수제의 순환량은 100cc/min, 흡수탑에 투입되는 흡수제의 온도는 40℃로 하였다. 흡수탑 하단에 체류하고 있는 액상의 흡수제와 연소가스가 반응할 수 있도록 하기 위하여 흡수탑 하단의 액위는 흡수탑 최하단과 충진물 간의 간격을 1로 하였을 때 바닥에서 1/2위치에 오도록 조절하였다. 흡수탑 하단에 설치된 냉각코일에는 25℃로 운전되는 냉각수가 흐르도록 하여 흡수탑 하단에서 흡수액과 이산화탄소간의 반응시 발생되는 열이 제거되도록 하였다. 흡수탑 상단과 하단의 CO2 농도를 가스 분석기를 활용하여 측정한 후 흡수탑에서의 제거율을 계산하였으며 그 결과를 표-1에 나타내었다.
<실시예2>
상기 실시예1에서, 흡수탑의 하단에 설치된 냉각코일에 흐르는 냉각수의 온도가 35℃인 것을 제외하고는, 상기 실시예1과 동일한 방법으로 실시하여 얻은 흡수탑에서의 제거율을 표-1에 나타내었다.
<비교예1>
상기 실시예1에서, 흡수탑 하단에 설치된 냉각코일에 냉각수를 흘려보내지 않는 것을 제외하고는, 상기 실시예1과 동일한 방법으로 실시하여 얻은 흡수탑에서의 제거율을 표-1에 나타내었다.
실시예/비교예 냉각수 온도 연소가스 유량 CO2 제거율 평균
실시예1 25℃ 2.0㎥/hr 96.1%
실시예2 35℃ 2.0㎥/hr 93.0%
비교예1 냉각수 미투입 2.0㎥/hr 90.1%
분석결과 실시예1 및 2의 경우, 동일 조건의 비교예1과 비교하여 CO2의 제거율이 높게 나오는 것을 확인할 수 있으며, 특히 냉각수 온도를 낮게 운전하여 기상의 CO2와 액상의 흡수제 반응시 발생되는 열을 많이 제거할수록 CO2 제거율이 향상됨을 확인할 수 있다. 이러한 결과를 볼 때 본 발명 이산화탄소 분리 회수장치 및 그 방법을 적용할 경우, 기존의 투입방식 대비 동일한 CO2를 제거하기 위해 필요한 흡수탑의 높이를 줄일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 기초로 설명하였으나, 본 발명은 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 해당분야 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위 내에서 기재된 범주 내에서 변경할 수 있다.
10 : 흡수탑 20 : 탈거탑
30 : 리보일러 40 : 제1이송펌프
50 : 제2이송펌프 60 : 열교환기
70 : 혼합가스 공급라인 80 : 이산화탄소 포화 흡수제 이송라인
90 : 재생 흡수제 이송라인 100 : 혼합가스 인입파이프
110 : 스파저 120, 130 : 충진물
140 : 냉각장치

Claims (13)

  1. 내측 하부에 채워진 액상의 흡수제와 내측 하부로 공급되는 혼합가스가 1차 반응하고, 상부를 통해 공급되는 액상의 흡수제가 내측 상부에 충진된 충진물에 분산되어 상기 1차 반응을 마친 후 상승하는 혼합가스와 2차 반응하는 흡수탑;
    상기 흡수탑으로부터 배출되는 이산화탄소 포화 흡수제를 유입하여 열에너지를 이용해 흡수제와 이산화탄소로 분리시키는 탈거탑;
    상기 흡수탑의 하부를 관통하여 설치되며, 상기 흡수탑의 외부에 위치되는 일단에 혼합가스 공급라인이 연결되는 혼합가스 인입파이프;
    상기 흡수탑의 내측 하부에 채워진 액상의 흡수제에 잠기도록 상기 혼합가스 인입파이프의 타단에 결합되어, 상기 흡수제 내로 혼합가스를 분출하는 스파저; 및
    상기 흡수탑의 내측 하부에 설치되어 액상의 흡수제와 혼합가스의 반응시 열교환을 통해 반응온도를 낮추고, 내부에 냉각수가 흐르는 냉각코일 형태로 이루어지며, 흡수탑의 내벽에 근접하게 원형으로 설치되는 냉각장치를 포함하며,
    상기 스파저에는 혼합가스가 토출되는 복수 개의 혼합가스 분출구가 형성되고, 상기 혼합가스 분출구의 직경은 2 내지 50 ㎛이며,
    상기 흡수탑의 하단에는 이산화탄소 포화 흡수제가 토출되는 흡수제 토출구가 형성되고, 상기 흡수제 토출구는 상기 흡수탑의 바닥과 상기 충진물 사이의 간격을 1로 하였을 때 바닥으로부터 1/3 내지 1/2 위치에 형성된 것을 특징으로 하는 습식 이산화탄소 분리 회수장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 탈거탑의 하부에 설치되어 탈거탑의 내부에 상기 열에너지를 가하는 리보일러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 습식 이산화탄소 분리 회수장치.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡수제는 아민계, 아미노산염, 무기염계 용액, 암모니아수 및 이들을 혼합한 용액중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 습식 이산화탄소 분리 회수장치.
  9. 제1항, 제6항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡수탑의 운전온도는 25 내지 60℃이며, 상기 탈거탑의 운전온도는 80 내지 140℃인 것을 특징으로 하는 습식 이산화탄소 분리 회수장치.
  10. 제1항의 습식 이산화탄소 분리 회수장치를 이용하고,
    (a) 액상의 흡수제가 채워진 흡수탑의 하부를 통해 혼합가스가 공급 분산되어 상기 액상의 흡수제와 혼합가스가 1차 반응하는 단계;
    (b) 상기 1차 반응을 마친 혼합가스가 상승하여 상기 흡수탑 내 상부의 충진물에 분산된 흡수제와 2차 반응하는 단계;
    (c) 상기 (a)와 (b)단계를 통해 생성된 이산화탄소 포화 흡수제를 탈거탑으로 이송하는 단계; 및
    (d) 상기 탈거탑 내에서 상기 이산화탄소 포화 흡수제가 이산화탄소와 흡수제로 분리되는 단계를 포함하며,
    상기 (a) 단계에서는 냉각장치를 이용해 혼합가스와 흡수제 반응시 반응온도를 낮추고, 직경 2 내지 50 ㎛ 크기의 혼합가스 분출구가 형성된 스파저를 통해 혼합가스가 분출되는 것을 특징으로 하는 습식 이산화탄소 분리 회수방법.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    상기 (a)와 (b) 단계에서 상기 흡수탑 내에서의 온도조건은 25 내지 60℃이고, 상기 (d) 단계에서 상기 탈거탑 내에서의 온도조건은 80 내지 140℃인 것을 특징으로 하는 습식 이산화탄소 분리 회수방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    (e) 상기 탈거탑에서 분리된 재생 흡수제를 상기 흡수탑의 상부로 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 습식 이산화탄소 분리 회수방법.
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