KR101233297B1 - 건식 이산화탄소 포집장치 - Google Patents

건식 이산화탄소 포집장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수직수송관으로 가스의 역흐름을 방지하여 이산화탄소의 포집효율을 향상시킬 수 있는 건식 이산화탄소 포집장치에 관한 것으로, 하부에 가스유입관과 연통되는 포집버퍼링챔버가 형성되고, 상기 포집버퍼링챔버의 상측으로 포집확산판이 커버되며, 상기 포집확산판 위로 형성되는 공간의 일부에 흡수입자가 채워지는 포집반응기; 상기 포집반응기에 일단이 연결되고, 타단이 흡수입자에 의해 이산화탄소가 포집되고 남은 잔여기체를 분리하여 배출하는 제1분리기에 연결되는 수직이송관; 하부에 재생열원유입관과 연통되는 재생버퍼링챔버가 형성되고, 상기 재생버퍼링챔버의 상측으로 재생확산판이 커버되며, 상기 재생확산판 위로 형성되는 공간의 일부에 흡수입자가 채워지고, 상기 제1분리기에 연결되는 제1입자전달관에 의해 상기 제1분리기에서 분리되는 흡수입자가 공급되는 재생반응기; 상기 재생반응기에서 분리되는 이산화탄소 만을 분리배출하는 제2분리기; 및 상기 재생반응기와 일단이 연통되고 상기 포집반응기와 타단이 연통되는 제2입자전달관을 포함한다.

Description

건식 이산화탄소 포집장치{Dry capturing device for carbon dioxide}
본 발명은 건식 이산화탄소 포집장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수직수송관으로 가스의 역흐름을 방지하여 이산화탄소의 포집효율을 향상시킬 수 있는 건식 이산화탄소 포집장치에 관한 것이다.
종래에 CO2회수 공정으로는 습식법에 의한 공정이 사용되었다. 즉, CO2를 포함하는 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.
도 2를 참조하여 건식법을 이용한 건식 이산화탄소 포집장치(1)의 일예를 설명한다. 상기 건식 이산화탄소 포집장치(1)는 회수반응기(2)와, 상기 회수반응기(1)에서 CO2를 흡착한 고체흡수제와 가스성분을 분리하는 제1사이클론(3)과, 상기 고체흡수제를 공급받아 CO2를 분리한 후 고체흡수제를 다시 회수반응기(2)로 공급하는 하는 재생반응기(4)와, 상기 재생반응기(4)에 연결돼서 상기 재생반응기(4)에서 발생하는 CO2를 배출하는 제2사이클론(5)를 포함하여 이루어진다.
상기 건식 이산화탄소 포집장치(1)에서는 CO2가 포함된 혼합가스를 상기 회수반응기(2) 하부로 공급하여 상기 회수반응기(2) 내에서 유동되는 고체흡수제와 접촉되어 CO2가 흡착 분리되도록 한다.
그러나, 이러한 종래기술에 따른 건식 이산화탄소 포집장치(1)에서는 상기 재생반응기(4) 기체가 일부 역류하여 상기 회수반응기(2) 내에서 혼합되는 것에 의해 CO2 포집 제거효율이 예상치보다 줄어드는 문제점이 있다.
또, 혼합가스에 포함되어 있는 CO2와 H2O는 상기 고속수송관 방식의 회수반응기(1)로 투입되면서 즉시 흡착분리가 이루어지기 때문에 상기 회수반응기(1)의 상측으로 갈수록 CO2와 H2O의 농도는 낮아지게 된다. 따라서, 상기 회수반응기 내의 CO2와 H2O농도차에 의해 CO2의 분리효율에 한계가 있다.
상기의 문제점을 해결하기 위해서 안출된 본 발명의 목적은, 기포유층포집기를 사용하면서 수직수송관으로 가스의 역흐름을 방지하여 이산화탄소의 포집효율을 향상시킬 수 있는 건식 이산화탄소 포집장치를 제공하는 데에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 하부에 가스유입관과 연통되는 포집버퍼링챔버가 형성되고, 상기 포집버퍼링챔버의 상측으로 포집확산판이 커버되며, 상기 포집확산판 위로 형성되는 공간의 일부에 흡수입자가 채워지는 포집반응기; 상기 포집반응기에 일단이 연결되고, 타단이 흡수입자에 의해 이산화탄소가 포집되고 남은 잔여기체를 분리하여 배출하는 제1분리기에 연결되는 수직이송관; 하부에 재생열원유입관과 연통되는 재생버퍼링챔버가 형성되고, 상기 재생버퍼링챔버의 상측으로 재생확산판이 커버되며, 상기 재생확산판 위로 형성되는 공간의 일부에 흡수입자가 채워지고, 상기 제1분리기에 연결되는 제1입자전달관에 의해 상기 제1분리기에서 분리되는 흡수입자가 공급되는 재생반응기; 상기 재생반응기에서 분리되는 이산화탄소 만을 분리배출하는 제2분리기; 및 상기 재생반응기와 일단이 연통되고 상기 포집반응기와 타단이 연통되는 제2입자전달관을 포함하는 건식 이산화탄소 포집장치이다.
상기 포집반응기의 주위에는 상기 포집반응기 내부에서 발생되는 반응열을 흡수할 수 있는 냉각자켓이 설치되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 수직이송관의 하단부는 상기 포집반응기 내부에 위치하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 수직이송관의 하단부는 상기 포집반응기 내부의 흡수입자가 채워진 높이보다 하측에 위치하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 수직이송관의 하단부에는 상기 흡수입자가 이동할 수 있는 관통홀이 하나 이상 형성되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 제2입자전달관의 하단부는 상기 포집반응기 내부의 흡수입자가 채워진 높이보다 하측에 위치하고, 상단부는 상기 재생반응기의 재생확산판의 상측공간에 연통되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 제2입자전달관에는 조절밸브가 설치돼서 상기 포집반응기로 이동하는 흡수입자의 양을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명을 통하여 대량의 배가스를 처리하는 건식 이산화탄소 포집장치에서의 흡수반응기를 기존의 고속유동층이 아닌 기포유동층포집기를 사용하고 흡수탑안에 수직상승관을 설치하여 가스의 역흐름을 막아서 CO2 포집 제거효율을 향상시킨 건식 이산화탄소 포집장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 건식 이산화탄소 포집장치의 개략적인 단면도이다.
도 2는 종래기수에 따른 건식 이산화탄소 포집장치의 개략도이다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1에 도시된 도면부호 100은 건식 이산화탄소 포집장치를 나타낸다. 상기 건식 이산화탄소 포집장치(100)은 크게 포집반응기(101)와 재생반응기(124)를 포함하여 이루어지며, 상기 재생반응기(124)의 전단에는 제1분리기(112)가 설치되고, 후단에는 제2분리기(120)가 설치돼서, 각각 이산화탄소가 제거된 잔여기체 및 이산화탄소를 각각 분리할 수 있다.
상기 포집반응기(101)는 내부에 반응을 위한 공간이 형성되는 밀폐형 챔버이다. 상기 포집반응기(101)의 하부에는 가스유입관(106)과 연통되는 포집버퍼링챔버(102)가 형성된다. 상기 포집버퍼링챔버(102)의 상측으로 포집확산판(104)이 배치된다. 상기 가스유입관(106)으로는 이산화탄소를 포함하는 화력발전소의 배가스와 같은 대상가스가 투입된다.
상기 포집확산판(104)은 흡수입자(138)가 통과할 수 없는 크기의 기체이동홀이 다수개 형성된다. 상기 흡수입자(138)는 이산화탄소를 흡착하는 공지의 건식 흡착제로써, 소다회와 세라믹을 주성분으로 하여 제작된다. 상기 건식 흡착제는 공지의 기술이므로 여기서는 상기 흡수입자(138)에 대한 자세한 설명은 생략한다.
상기 포집확산판(104)의 상측으로 형성되는 공간은 상기 흡수입자(138)에 이산화탄소가 흡착되는 영역으로써, 도 1에 도시된 바와 같이 상기 공간의 일부공간에는 상기 흡수입자(138)가 채워진다.
그리고, 상기 포집반응기(101)의 주위는 냉각자켓(136)으로 포위된다. 따라서, 상기 흡수입자(138)가 이산화탄소를 흡수하면서 발생하는 반응열을 제거하는 것이 가능하고, 이에 따라 상기 흡수입자(138)의 이산화탄소 흡수능력이 유지되어 상기 이산화탄소 포집장치(100)의 이산화탄소 처리능력을 항상 일정한 수준으로 고정하는 것이 가능하다.
상기 포집반응기(101)에서 이산화탄소를 흡수한 흡수입자(138)를 이동시키기 위해 수직이송관(108)이 설치된다. 상기 수직이송관(108)의 하단부는 상기 포집반응기(101) 내부에 위치하며, 특히 상기 포집반응기(101) 내부에 채워진 흡수입자(138)의 최대높이보다 낮게 배치된다.
그리고, 상기 수직이송관(108)의 하단부의 외주면에는 상기 흡수입자(138)가 유통할 수 있는 크기의 관통홀(110)이 형성된다. 따라서, 상기 수직이송관(108)에 하단면의 개구부 이외에 복수의 관통홀(110)을 통해 흡수입자(138)가 유입될 수 있어서, 상기 수직이송관(108)을 통해 상기 흡수입자(138)의 이동이 원활하게 이루어질 수 있다.
상기 수직이송관의 상단에는 제1분리기(112)가 연결된다. 상기 제1분리기(112)는 기체와 고체를 분리하는 기구로써, 싸이클론 등을 이용할 수 있다. 상기 제1분리기(112)에서는 이산화탄소를 흡착한 흡수입자(138)는 고체이므로 중력에 의해 하측으로 이동하여 낙하하고, 이산화탄소가 제거된 잔여기체만 제1분리배출관(114)을 통해 배출된다.
상기 제1분리기(112)의 하측으로 재생반응기(124)가 배치된다. 상기 재생반응기(124)는 상기 제1분리기(112)보다는 낮은 위치이고, 상기 포집반응기(101)보다는 높은 위치에 배치된다. 따라서, 하기(下記)하는 제1입자전달관(116) 및 제2입자전달관(132)를 통해 이동할 때, 상기 흡수입자(138)에 중력이 작용하여 상기 흡수입자(138)의 상기 제1분리기(112)부터 상기 제1입자전달관(116), 상기 재생반응기(124), 상기 제2입자전달관(132), 및 상기 포집반응기(101)의 방향으로 이동이 용이하게 이루어질 수 있다.
상기 제1입자전달관(116)의 하단부는 상기 재생반응기(124) 내에 배치된다. 특히, 상기 상기 제1입자전달관(116)의 하단부를 상기 재생반응기(124) 내에 채워진 흡수입자(138)의 최대높이보다 낮게 배치시키는 것에 의해, 상기 흡수입자(138)에 의해 공기의 이동이 방해돼서, 상기 제1입자전달관(116)을 통해 상기 제1분리기(112) 측으로 기체가 역류하는 것을 방지하는 것이 가능하다.
또, 상기 제1입자전달관(116)에는 제1조절밸브(140)가 설치돼서, 상기 제1분리기(112)로부터 낙하되는 흡수입자(138)의 양을 조절하는 것이 가능하다.
상기 재생반응기(124)는 하부에 재생열원유입관(130)과 연통되는 재생버퍼링챔버(126)가 형성되고, 상기 재생버퍼링챔버(126)의 상측으로 재생확산판(128)이 커버된다. 상기 재생확산판(128)은 흡수입자(138)가 통과할 수 없는 크기의 기체이동홀이 다수개 형성되며, 상기 포집확산판(104)과 대략 동일한 구성을 가진다.
상기 포집확산판(104)의 상측으로 형성되는 공간은 상기 흡수입자(138)에 이산화탄소가 배출되며는 영역으로써, 도 1에 도시된 바와 같이 상기 공간의 일부공간에는 상기 흡수입자(138)가 채워진다.
상기 재생열원유입관(130)으로는 열풍 또는 스팀이 공급된다. 이러한, 열풍 또는 스팀으로 인해, 상기 흡수입자(138)는 내부에 흡착하고 있는 이산화탄소를 외부로 방출하게 된다. 이 때, 발생된 이산화탄소는 상기 재생분리기(124)에 가스분리관(118)에 의해 연결되는 제2분리기(120)에 의해 배출된다.
상기 제2분리기(120)는 상기 제1분리기(112)와 마찬가지로 기체와 고체를 분리하는 기구로써, 싸이클론 등을 이용할 수 있다. 상기 제2분리기(120)는 상기 재생반응기(124)의 상단에 연결되어 있으므로, 일반적인 크기의 흡수입자(138)는 중력에 의해 상기 제2분리기(124)에 도달하지 못하고, 이산화탄소 흡수과정에서 상기 흡수입자(138)의 충돌 등으로 형성되는 흡수입자(138)의 분말이 도달할 수 있다.
따라서, 잘게 부서진 흡수입자(138)는 고체이므로 상기 제2분리기(120) 내부에서 중력에 의해 하측으로 이동하여 낙하하고, 기체인 이산화탄소만 제2분리배출관(120)을 통해 배출된다. 상기 흡수입자(138)의 분말은 그 양이 미미할 분만 아니라, 상기 재생반응기(124)로 다시 공급할 경우, 상기 수직이송관(108), 상기 제1입자전달관(116), 및 상기 제2입자전달관(132)이 폐색될 우려가 있으므로, 분리하여 별도로 처리하는 것이 바람직하다.
상기 제2입자전달관(132)의 상단은 상기 재생확산판(128)의 상측공간에 연통돼서, 상기 재생반응기(124) 내부의 흡수입자(138)가 스팀 또는 열풍의 영향을 받지 않고 상기 흡수입자(138)가 상기 제2입자전달관(132)을 통해 하측으로 이동할 수 있다.
상기 제2입자전달관(132)의 하단부는 상기 포집반응기(101) 내부의 흡수입자(138)가 채워진 높이보다 하측에 위치한다. 따라서, 상기 제2입자전달관(132)과 상기 수직이송관(108)은 상기 흡수입자(138)에 의해 공기의 이동이 방해된다. 따라서, 상기 제2입자전달관(132)으로부터 유입될 수 있는 재생반응을 통해 분리된 이산화탄소가 재유입돼서 상기 흡수입자(138)에 흡착되지 않고 이산화탄소인 상태로 상기 수직이송관(108)으로 이동되는 것이 방지될 수 있다.
상기 제2입자전달관(132)에는 제2조절밸브(134)가 설치돼서, 상기 재생반응기(124)로부터 낙하되는 흡수입자(138)의 양을 조절하는 것이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 건식 이산화탄소 포집장치(100)는 기본적으로 상술한 바와 같이 구성된다. 이하에서는, 상기 건식 이산화탄소 포집장치(100)의 작동모습에 대해 설명한다.
먼저, 상기 가스유입관(106)을 통해 이산화탄소를 다량 포함하고 있는 배가스 등이 유입된다. 상기 유입된 가스는 상기 포집버퍼링챔버(102)에서 확산되면서 상기 포집확산판(104)을 통해 상승하여 상기 흡수입자(138)와 접촉하면서 상기 가스 속에 포함되어 있는 이산화탄소가 상기 흡수입자(138)에 흡수된다. 특히, 상기 포집반응기(101)의 상부는 빈공간이어서, 상기 가스는 상기 포집반응기(101)의 내부를 가득 채우면서, 그 압력으로 인해 이산화탄소를 흡수한 흡수입자(138)를 상기 수직이송관(108)을 통해 밀어올리게 된다. 또, 상기 흡수입자(138)가 이산화탄소를 흡수하면서 발생되는 열은 상기 냉각자켓(136)에 의해 흡수된다.
상기 수직이송관(108)을 통해 이송되는 흡수입자(138)는 상기 제1분리기(112)에 도달한 뒤, 상기 제1분리기(112)에서 하중에 의해 아래로 낙하하여 이산화탄소가 제거된 기체와 분리된다. 이산화탄소가 제거된 기체는 상기 제1분리기(112)에 연결되는 제1분리배출관(114)으로 배출된다.
이산화탄소를 흡수한 흡수입자(138)는 상기 재생반응기(124)에 공급된다. 이 때, 상기 흡수입자(138)의 이동은 상기 가스유입관(106)을 통해 공급되는 가스의 압력과 상기 흡수입자(138)의 자중의 동시작용에 의한다.
상기 흡수입자(138)는 상기 재생반응기(124) 내에서 상기 재생열원유입관(130)을 통해 공급된 열풍 또는 스팀에 의해 온도가 상승하여 흡수된 이산화탄소를 방출하게 된다. 방출된 이산화탄소는 상승하여 상기 제2분리기(120)를 거쳐 제2분리배출관(122)으로 배출된다. 상기 제2분리기(120)에서 분리되는 상기 흡수입자(138)의 미세분말은 포집되어 후에 별도로 처리된다.
상기 재생열원유입관(130)을 통해 공급된 열풍 또는 스팀은 상기 재생분리기(124)의 재생버퍼링챔버(126)에서 확산돼서 상기 재생확산판(128)을 통해 상기 흡수입자(138)와 접촉하게 된다.
이산화탄소를 배출한 흡수입자(138)는 상기 제2입자전달관(132)을 통해 하측으로 이동한다. 상기 제2입자전달관(132)을 통한 흡수입자(138)의 이동은 상기 가스유입관(106)을 통해 공급되는 가스의 압력과 상기 흡수입자(138)의 자중, 그리고, 상기 재생열원유입관(130)을 통해 공급된 열풍 또는 스팀의 압력의 동시작용에 의한다.
상기 포집반응기(101)에 다시 유입된 흡수입자(138)는 다시 상기와 같은 작용을 반복하게 된다. 특히, 상기 건식 이산화탄소 포집장치(100)는 상기 수직이송관(108)의 하단부, 상기 제2입자전달관(132)의 하단부, 상기 제1입자전달관(116)의 하단부를 상기 흡수입자(138)가 채워진 부분에 위치시키는 것에 의해 기체의 역류, 또는 상기 포집반응기(101)와 상기 재생반응기(124) 사이의 불필요한 기체의 혼합을 방지할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1,100: 건식 이산화탄소 포집장치 2: 회수반응기
3: 제1사이클론 4: 재생반응기
5: 제2사이클론 101: 포집반응기
102 : 포집버퍼링챔버 104: 포집확산판
106: 가스유입관 108: 수직상승관
110: 관통홀 112: 제1분리기
114: 제1분리배출관 116: 제1입자전달관
118: 가스배출관 120: 제2분리기
122: 제2분리배출관 124: 재생반응기
126: 재생버퍼링챔버 128: 재생확산판
130: 재생열원유입관 132: 제2입자전달관
134: 제2조절밸브 136: 냉각자켓
138: 흡수입자 140: 제1조절밸브

Claims (7)

  1. 하부에 가스유입관과 연통되는 포집버퍼링챔버가 형성되고, 상기 포집버퍼링챔버의 상측으로 포집확산판이 커버되며, 상기 포집확산판 위로 형성되는 공간의 일부에 흡수입자가 채워지는 포집반응기;
    상기 포집반응기에 일단이 연결되고, 타단이 흡수입자에 의해 이산화탄소가 포집되고 남은 잔여기체를 분리하여 배출하는 제1분리기에 연결되는 수직이송관;
    하부에 재생열원유입관과 연통되는 재생버퍼링챔버가 형성되고, 상기 재생버퍼링챔버의 상측으로 재생확산판이 커버되며, 상기 재생확산판 위로 형성되는 공간의 일부에 흡수입자가 채워지고, 상기 제1분리기에 연결되는 제1입자전달관에 의해 상기 제1분리기에서 분리되는 흡수입자가 공급되는 재생반응기;
    상기 재생반응기에서 분리되는 이산화탄소 만을 분리배출하는 제2분리기; 및
    상기 재생반응기와 일단이 연통되고 상기 포집반응기와 타단이 연통되는 제2입자전달관을 포함하고,
    상기 수직이송관의 하단부는 상기 포집반응기 내부의 흡수입자가 채워진 높이보다 하측에 위치하여 흡수입자에 포위되며,
    상기 제1입자전달관의 하단부는 상기 재생반응기 내부의 흡수입자가 채워진 높이보다 하측에 위치하여 흡수입자에 의해 포위되고,
    상기 제2입자전달관의 하단부는 상기 포집반응기 내부의 흡수입자가 채워진 높이보다 하측에 위치하여 흡수입자에 의해 포위되고, 상단부는 상기 재생반응기의 재생확산판의 상측공간에 연통되는 것을 특징으로 하는 건식 이산화탄소 포집장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 포집반응기의 주위에는 상기 포집반응기 내부에서 발생되는 반응열을 흡수할 수 있는 냉각자켓이 설치되는 것을 특징으로 하는 건식 이산화탄소 포집장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 수직이송관의 하단부에는 상기 흡수입자가 이동할 수 있는 관통홀이 하나 이상 형성되는 것을 특징으로 하는 건식 이산화탄소 포집장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 제2입자전달관에는 조절밸브가 설치돼서 상기 포집반응기로 이동하는 흡수입자의 양을 제어하는 것을 특징으로 하는 건식 이산화탄소 포집장치.
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