KR101316543B1 - Method For Absorbing CO₂Continuously To Minimize The Rgenerating Energy - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이산화탄소 흡수 방법에 관한 것으로서, 이산화탄소 흡수공정에서 염의 생성을 최소화하고, 발생된 염을 효과적으로 제거함으로써 재생에너지를 최소화할 수 있는 이산화탄소 흡수 공정에 관한 것이다. 본 발명의 이산화탄소 흡수 공정은 알칼리탄산염에 입체장애 시클릭 아민이 첨가된 이산화탄소 흡수제에 이산화탄소가 포함된 기체를 접촉시키는 기체 접촉단계; 상기 기체로부터 이산화탄소를 흡수하는 이산화탄소 흡수단계; 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수제에서 염을 분리하는 공정; 상기 염이 분리된 흡수제를 재생하는 단계를 포함한다.The present invention relates to a carbon dioxide absorption method, to minimize the production of salt in the carbon dioxide absorption process, and to a carbon dioxide absorption process that can minimize the renewable energy by effectively removing the generated salt. The carbon dioxide absorption process of the present invention includes a gas contact step of contacting a gas containing carbon dioxide to a carbon dioxide absorbent having sterically hindered cyclic amine added to an alkali carbonate; A carbon dioxide absorption step of absorbing carbon dioxide from the gas; Separating a salt from the absorbent in which the carbon dioxide is absorbed; Regenerating the absorbent from which the salt has been separated.

Description

재생에너지를 최소화하는 연속 이산화탄소 포집 방법{Method For Absorbing CO₂Continuously To Minimize The Rgenerating Energy}Method For Absorbing CO₂Continuously To Minimize The Rgenerating Energy}

본 발명은 이산화탄소 흡수제의 재생에너지를 최소화할 수 있는 공정에 관한 것으로써, 이산화탄소 흡수공정에서 염의 생성을 최소화하고, 발생된 염을 효과적으로 분리함으로써 재생에너지를 최소화할 수 있는 이산화탄소 흡수 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a process capable of minimizing the renewable energy of the carbon dioxide absorbent, and to a carbon dioxide absorption method capable of minimizing the renewable energy by minimizing the generation of salt in the carbon dioxide absorption process, and effectively separating the generated salt.

이산화탄소는 지구온난화를 유발하는 온실가스 중 하나로써 발생량과 고정원이 많은 산성가스이다. 에너지 산업공정에서 배출되는 이산화탄소를 분리 제거하는 여러 가지 방법들이 연구되고 있는데, 특히 경제성이 가장 우수한 액상 흡수법에 대한 많은 연구가 진행되어 왔다.Carbon dioxide is one of the greenhouse gases that cause global warming, and it is an acid gas with high generation and fixed sources. Various methods of separating and removing carbon dioxide emitted from the energy industry process have been studied. In particular, many studies on liquid absorption method having the best economic efficiency have been conducted.

이러한 액상 흡수법 중 가장 많이 사용되는 방법으로 모노에탄올아민(monoethanolamine, MEA), 디에탄올아민(diethanolamine, DEA), 트리에탄올아민(triethanolamine, TEA) 등을 사용하는 알카놀아민법과 탄산칼륨을 이용한 벤필드법을 들 수 있다.Among the liquid absorption methods, the most commonly used method is alkanolamine method using monoethanolamine (MEA), diethanolamine (DEA), triethanolamine (TEA), and Benfield using potassium carbonate. Law.

알카놀아민법은 이산화탄소를 흡수하는 다양한 알카놀아민을 물과 혼합하여 20~30wt% 용액을 만들어서 사용하는 방법으로서, 빠른 이산화탄소 흡수능력 때문에 1970년대부터 상용화가 되었다.Alkanolamine method is a method to make a 20-30wt% solution by mixing various alkanolamine absorbing carbon dioxide with water, which has been commercialized since the 1970s because of its fast carbon dioxide absorption ability.

그러나 이 방법은 재생을 하는 과정에서 4.0~4.2 GJ/ton CO2 (MEA의 경우)의 과도한 에너지를 소비하는 문제점이 있다. 또한 연소 배기가스 내에 존재하는 오염물질(O2, SO2, NOx)에 의해 산화반응이 일어나서, 탄소강으로 이루어진 시설물을 부식시키는 문제점도 있다. However, this method consumes excessive energy of 4.0 ~ 4.2 GJ / ton CO 2 (in case of MEA) during the regeneration process. In addition, there is a problem that the oxidation reaction occurs by the pollutants (O 2 , SO 2 , NO x ) present in the combustion exhaust gas, corroding the facility made of carbon steel.

높은 재생열을 낮추기 위해, 알카놀아민 중에 이산화탄소와 직접 카바메이트 결합을 함으로써 이산화탄소를 제거하는 질소 원자 주변에 메틸기나 에틸기를 붙여두어 입체장애를 유발함으로써 카바메이트 결합력을 낮추려는 흡수제가 개발되었는데, 대표적인 것이 AMP(2-amino-2-methyl-1-propanol)이다. In order to lower the high regeneration heat, absorbers have been developed to reduce carbamate binding ability by attaching methyl or ethyl groups around nitrogen atoms that remove carbon dioxide by directly carbamate-bonding carbon dioxide in alkanolamines to cause steric hindrance. AMP (2-amino-2-methyl-1-propanol).

이 흡수제는 이산화탄소 흡수능에 있어서 MEA 만큼 빠르지는 않지만 재생에너지가 상당히 낮다는 장점을 갖고 있다. 유사한 입체장애 아민을 주물질로 사용하는 것으로 알려진 미쯔비시 중공업의 KS-1 흡수제의 경우 재생에너지가 2.8~3.2 GJ/ton CO2로 아주 낮음을 알 수 있다. 그러나 이 아민들은 대부분 1급 아민 주변에 입체장애그룹이 있는 알카놀 아민류이다.This absorbent is not as fast as MEA in terms of CO2 absorption, but has the advantage of significantly lower renewable energy. For the KS-1 absorbent of Mitsubishi Heavy Industries known to use a similar sterically hindered amine as a main material it can be seen that renewable energy is very low as 2.8 ~ 3.2 GJ / ton CO 2 . However, most of these amines are alkanol amines with hindered groups around the primary amine.

고급 입체장애 아민 기술로서 일본공개특허 평08-103630에서는 흡수제 단위 몰당, 단위체적당 CO2 흡수량이 크고 흡수속도가 높으며 재생 에너지가 적은 흡수제로서, 수용액과 입체저항 피페라진 유도체를 혼합하여 사용하는 시스템을 개시하고 있다. 이때 상기 입체저항 피페라진 유도체의 혼합비율은 수용액 속에서 15~65중량%로 제한하였다. As a high sterically hindered amine technology, Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-103630 discloses a system using a mixture of an aqueous solution and a steric resistance piperazine derivative as an absorbent having a large amount of CO 2 absorption per unit mole of adsorbent and a unit volume and a high absorption rate and low renewable energy. It is starting. At this time, the mixing ratio of the steric resistance piperazine derivative was limited to 15 to 65% by weight in an aqueous solution.

그러나 20wt% 이상으로 혼합하여 사용할 때 용해도 문제가 발생하며 피페라진 유도체를 용해시키기 위해 알코올과 같은 물질을 혼합해야 하고, 단순히 물과 혼합되는 이성분계이며 바이카보네이트 촉진현상이 있는 알칼리 탄산염이 혼합되지 않으므로, CO2 흡수 반응시 카바메이트 형성 반응보다 바이카보네이트 형성 반응이 우세하지 않다는 단점이 있다.However, when used at 20wt% or more, solubility problem occurs. To dissolve piperazine derivatives, it is necessary to mix substances such as alcohol, and because they are simply mixed with water, alkaline carbonates with bicarbonate promotion are not mixed. In the case of the CO 2 absorption reaction, the bicarbonate formation reaction is not superior to the carbamate formation reaction.

수산화나트륨, 탄산나트륨, 탄산칼륨, 수산화칼륨 등과 같은 액상 알칼리 물질을 이용하여 산성가스인 이산화탄소를 포집하는 방법으로 대표적인 공정이 벤필드 공정 또는 카타카브 공정이다. 벤필드 공정은 이산화탄소 반응 속도가 느리다는 단점을 개선하기 위하여 알카놀아민을 일부 첨가하여 사용하는 방법이다. 카타카브 공정은 탄산칼륨을 주물질로 사용하며, 반응속도 개선제로 알려지지 않은 유기물 또는 무기물을 사용하는 방법이다. As a method of capturing carbon dioxide, which is an acid gas, using a liquid alkaline substance such as sodium hydroxide, sodium carbonate, potassium carbonate, potassium hydroxide, etc., a representative process is a Benfield process or a catacarb process. The Benfield process is a method in which some alkanolamine is added to improve the disadvantage of slow carbon dioxide reaction rate. The catacarb process uses potassium carbonate as a main substance and uses organic or inorganic substances that are not known as reaction rate improving agents.

하지만, 카타카브 공정은 흡수공정에서 중탄산칼륨의 염이 생성되기 때문에 이 문제를 해결하기 위하여 120℃ 이상에서 흡수탑 및 탈거탑을 운전하므로 높은 에너지가 소요되고, 10기압 이상의 유입 가스 압력에서 운전해야 한다는 단점을 가지고 있다. However, in the catacarb process, since salts of potassium bicarbonate are generated in the absorption process, in order to solve this problem, the absorption tower and the stripping column are operated at 120 ° C. or higher, thus requiring high energy and operating at inlet gas pressure of 10 atm or higher. It has a disadvantage.

본 발명에서는 알칼리 탄산염 물질을 사용하는 이산화탄소 흡수공정에서 염의 발생을 최소활 수 있는 흡수제의 조성을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한 이산화탄소 흡수공정에서 발생하는 염을 효과적으로 분리 및 제거하여 재생에너지를 최소화할 수 있는 공정을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a composition of an absorbent capable of minimizing salt generation in a carbon dioxide absorption process using an alkali carbonate material. It is also an object of the present invention to provide a process that can effectively remove and remove salts generated in the carbon dioxide absorption process to minimize the renewable energy.

상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 알칼리탄산염에 입체장애 시클릭 아민이 첨가된 이산화탄소 흡수제에 이산화탄소가 포함된 기체를 접촉시키는 기체 접촉단계; 상기 기체로부터 이산화탄소를 흡수하는 이산화탄소 흡수단계; 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수제에서 염을 분리하는 공정; 상기 염이 분리된 흡수제를 재생하는 단계를 포함하는 이산화탄소 제거방법을 제공한다.In order to solve the above problems, according to a preferred embodiment of the present invention, a gas contact step of contacting a gas containing carbon dioxide to a carbon dioxide absorbent added sterically hindered cyclic amine to the alkali carbonate; A carbon dioxide absorption step of absorbing carbon dioxide from the gas; Separating a salt from the absorbent in which the carbon dioxide is absorbed; It provides a method for removing carbon dioxide comprising the step of regenerating the absorbent separated from the salt.

본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 염분리 공정은 경사분리기를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. According to another suitable embodiment of the present invention, the salt separation process is characterized by using a decanter separator.

본 발명의 또 다른 적절한 실시형태에 따르면, 상기 알칼리탄산염은 탄산칼륨(K2CO3), 탄산나트륨(Na2CO3), 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 중탄산칼륨(KHCO3) 및 중탄산나트륨(NaHCO3)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종인 것을 특징으로 한다. According to another suitable embodiment of the present invention, the alkali carbonate is potassium carbonate (K 2 CO 3 ), sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), potassium bicarbonate (KHCO 3 ) And sodium bicarbonate (NaHCO 3 ) It is characterized in that at least one selected from the group consisting of.

본 발명의 또 다른 적절한 실시형태에 따르면, 상기 입체장애 시클릭 아민은 1-아미노-4메틸 피페라진, 1-(2-아미노에틸)-4메틸 피페라진, 1-(2-히드록시에틸)-4메틸 피페라진, 1-(2-아미노에틸)-피페라진, 1-(2-히드록시에틸)-피페라진, 2-아미노에틸-피페라진, 1-에틸-피페라진, 2,5-디메틸-피페라진, 시스 2,6-디메틸-피페라진, 1,4-디메틸-피페라진, 트랜스 2,5-디메틸-피페라진, 1-메틸 피페라진, 2-메틸 피페라진, 1-에틸 피페라진, 2-페페리딘에탄올, 3-페페리딘에탄올, 4-페페리딘에탄올, 2-아미노에틸-1-피페리딘 및 호모피페리딘으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종인 것을 특징으로 한다.According to another suitable embodiment of the invention, the hindered cyclic amine is 1-amino-4methyl piperazine, 1- (2-aminoethyl) -4methyl piperazine, 1- (2-hydroxyethyl) -4methyl piperazine, 1- (2-aminoethyl) -piperazine, 1- (2-hydroxyethyl) -piperazine, 2-aminoethyl-piperazine, 1-ethyl-piperazine, 2,5- Dimethyl-piperazine, cis 2,6-dimethyl-piperazine, 1,4-dimethyl-piperazine, trans 2,5-dimethyl-piperazine, 1-methyl piperazine, 2-methyl piperazine, 1-ethyl piper It is characterized in that it is at least one member selected from the group consisting of azine, 2-peperidin ethanol, 3-peperidin ethanol, 4-peperidin ethanol, 2-aminoethyl-1-piperidine and homopiperidine.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 20wt% 이하의 탄산칼륨에 10wt% 이하의 2-메틸피페라진이 첨가된 이산화탄소 흡수제에 이산화탄소가 포함된 기체를 접촉시키는 기체 접촉단계; 상기 기체로부터 이산화탄소를 흡수하는 이산화탄소 흡수단계; 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수제에서 염을 분리하는 공정; 상기 염이 분리된 흡수제를 재생하는 단계를 포함하는 이산화탄소 제거방법을 제공한다.According to another suitable embodiment of the present invention, a gas contact step of contacting a gas containing carbon dioxide to a carbon dioxide absorbent to which 20wt% or less potassium carbonate is added 10wt% or less 2-methylpiperazine; A carbon dioxide absorption step of absorbing carbon dioxide from the gas; Separating a salt from the absorbent in which the carbon dioxide is absorbed; It provides a method for removing carbon dioxide comprising the step of regenerating the absorbent separated from the salt.

본 발명에 따른 이산화탄소 흡수공정에 의하면, 염의 발생을 최소화할 수 있는 이산화탄소 흡수제의 조성을 제공하고, 이산화탄소 흡수공정에서 발생하는 염을 효과적 처리할 수 있다.According to the carbon dioxide absorption process according to the present invention, it is possible to provide a composition of the carbon dioxide absorbent that can minimize the generation of salt, and to effectively treat the salt generated in the carbon dioxide absorption process.

도 1은 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수공정을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 이산화탄소 분리공정에서 경사분리기를 이용하여 생성된 염을 분리하는 과정을 개략적으로 도시한 것이다.
1 schematically shows a carbon dioxide absorption process according to the present invention.
Figure 2 schematically shows a process of separating the salt produced using the decanter separator in the carbon dioxide separation process according to the present invention.

본 발명에서는 알칼리 탄산염 물질에 입체장애 시클릭 아민을 첨가한 형태의 흡수제를 이용하여 흡수속도를 향상시키고 염 생성율을 현저하게 낮추고, 생성된 염을 효과적으로 분리할 수 있는 방법을 제공한다. The present invention provides a method of improving the absorption rate, significantly lowering the salt production rate, and effectively separating the salts, by using an absorbent in the form of a hindered cyclic amine added to the alkali carbonate material.

본 발명의 이산화탄소흡수제는 20wt% 이하의 알칼리 탄산염; 및 10wt% 이하의 입체장애 시클릭 아민을 포함하는 것을 특징으로 하는데, 상기 조성에서 가장 염이 발생하지 않는다. 하지만, 그 이상의 조성을 사용하여 이산화탄소 흡수 능력을 강화할 경우 염 발생이 증가하는데, 이때 발생되는 염에 대해서 용액과 염을 분리하여 재생하는 방법을 특징으로 한다. Carbon dioxide absorbent of the present invention is 20wt% or less alkali carbonate; And 10 wt% or less of sterically hindered cyclic amines, wherein salts do not occur most in the composition. However, when the above composition is used to enhance the ability to absorb carbon dioxide, salt generation is increased. The salt is generated by separating the solution from the salt.

본 발명의 흡수제는 주물질로서 20wt% 이하의 알칼리탄산염을 사용한 것을 특징으로 한다. 상기 알칼리탄산염은 11족 금속원소인 나트륨과 칼륨으로 한정하였으며, 탄산염은 중탄산염과 탄산염이 혼합된 물질을 사용하였다. The absorbent of the present invention is characterized by using not more than 20wt% of alkali carbonate as the main substance. The alkali carbonate was limited to sodium and potassium, which are Group 11 metal elements, and carbonate was used as a mixture of bicarbonate and carbonate.

상기 입체장애 시클릭 아민은 이산화탄소가 직접 반응하는 질소 원자를 중심으로 입체장애효과를 주기 위하여 알킬기가 다양하게 결합된 형태의 물질을 사용하였다. 일반적으로 아민의 질소 원자가 이산화탄소와 반응할 경우 카바메이트의 형태로 이산화탄소가 흡수되는데, 탄산칼륨 수용액에 첨가된 입체장애 시클릭 아민 첨가제는 2급 아민 형태로 입체장애가 혼합된 형태이므로 카바메이트보다는 주로 바이카보네이트 형태로 흡수된다.As the hindered cyclic amine, a material in which an alkyl group is variously bonded is used to give a hindered effect around a nitrogen atom to which carbon dioxide directly reacts. In general, when the nitrogen atom of the amine reacts with carbon dioxide, carbon dioxide is absorbed in the form of carbamate. The hindered cyclic amine additive added to the aqueous solution of potassium carbonate is a secondary amine, which is a type of steric hindrance mixed, so it is mainly used rather than carbamate. Absorbed in carbonate form.

또한 알칼리 탄산염과 첨가제가 혼합되어 사용될 때 아래 식 1에서와 같이 일부 첨가제는 카바메이트의 형태로 이산화탄소를 흡수한다.Also, when used in combination with alkali carbonate and additives, some additives absorb carbon dioxide in the form of carbamate, as shown in Equation 1 below.

이후 식 2에서와 같이 알칼리 탄산염의 알칼리 양이온은 카바메이트의 형태로 흡수된 일부 첨가제에 쿨롱의 힘으로 작용하여 카바메이트보다는 바이카보네이트로 존재하도록 촉진하는 효과도 있다. 이로 인해 종래 기술에 비해 염생성이 억제되고 그 결과 재생에너지를 크게 감소시킬 수 있다. Thereafter, as shown in Equation 2, the alkali cation of the alkali carbonate acts as a coulomb force on some of the additives absorbed in the form of carbamate, thereby promoting the presence of bicarbonate rather than carbamate. This suppresses salt formation compared to the prior art and as a result can significantly reduce the renewable energy.

즉 입체장애 시클릭 아민만 존재할 경우 아래 식 2가 진행되지 않기 때문에 재생에너지 감소폭이 적지만, 알칼리 탄산염과 함께 존재할 경우 아래 식 2가 진행되기 때문에 재생에너지는 크게 줄어든다.
In other words, when only the hindered cyclic amine is present, Equation 2 does not proceed, so the reduction of renewable energy is small. However, when present with Alkali carbonate, Equation 2 proceeds, so the renewable energy is greatly reduced.

[식 1][Formula 1]

2R-NH2 (아민) + CO2 ⇔ [R-NH-CO2 -][R-NH3 +] 2R-NH 2 (amine) + CO 2 ⇔ [R- NH-CO 2 -] [R-NH 3 +]

[식 2][Formula 2]

[R-NH-CO2 -][R-NH3 +] + H2O + M+ ⇔ [R-NH3 +][HCO3 -] + R-NH2 + M+ [R-NH-CO 2 - ] [R-NH 3 +] + H 2 O + M + ⇔ [R-NH 3 +] [HCO 3 -] + R-NH 2 + M +

본 발명에는 질소 원자를 중심으로 두 개의 탄소가 결합된 형태의 2급 아민이 입체장애 시클릭 아민으로 사용되었다. 일반적으로 이산화탄소를 흡수하는 반응 메커니즘은 아민의 급수가 높아질수록 카바메이트 형성의 필수 조건인 질소 원자와 결합한 수소의 개수가 줄어들게 되어 바이카보네이트의 형태로 형성되어 재생에너지가 낮아지는 반면 CO2 흡수반응속도가 느려지는 경향이 있다. 본 발명에서 사용된 입체장애 시클릭 아민은 질소원자 주변에 입체장애기가 존재하기 때문에 바이카보네이트 형성이 더 많아지게 되고, 일단 카바메이트가 형성되더라도 알칼리 탄산염의 알칼리 이온이 작용할 경우 카바메이트는 바이카보네이트로 형성되며 흡수반응열이 적게 배출된다. 흡수반응열이 작다는 것은 나중에 재생 반응시 에너지가 적게 소요되는 것을 의미한다. In the present invention, a secondary amine in the form of two carbon bonds around a nitrogen atom is used as the hindered cyclic amine. On the other hand generally the higher the reaction mechanism for the absorption of carbon dioxide is the water supply of the amine is less the number of the hydrogen combines with the nitrogen atom a prerequisite for forming carbamates are formed in the form of bicarbonate renewable energy is being lowered CO 2 Absorption Rate Tends to slow down. Since the hindered cyclic amine used in the present invention has a hindered group around the nitrogen atom, the bicarbonate is formed more, and once the carbamate is formed, the carbamate becomes bicarbonate when the alkali ions of the alkali carbonate are acted on. Formed and less heat is absorbed. The lower heat of absorption reaction means less energy is used in the later regeneration reaction.

본 발명에서 사용된 입체장애(힌더드) 시클릭 아민은 1 기압에서 카바메이트 또는 바이카보네이트가 탈거되어 재생되는 온도인 110℃ 내지 120℃ 보다 높은 끓는점을 가지므로 아민류 흡수제가 갖는 증발 손실량이 적다는 장점을 갖고 있다. 한편, 본 발명에서 사용된 입체장애(힌더드) 시클릭 아민의 종류는 25℃의 물 1리터에 대한 용해도를 기준으로 500g 이상이 용해되는 물질로 한정하였다. The hindered cyclic amine used in the present invention has a boiling point higher than 110 ° C. to 120 ° C., which is a temperature at which the carbamate or bicarbonate is removed and regenerated at 1 atmosphere, so that the amount of evaporation loss of the amine absorbent is small. It has merit. On the other hand, the type of hindered cyclic amine used in the present invention was limited to a substance in which 500 g or more was dissolved based on solubility in 1 liter of water at 25 ° C.

본 발명에서 사용되는 바람직한 입체장애 시클릭 아민은 1-아미노-4메틸 피페라진, 1-(2-아미노에틸)-4메틸 피페라진, 1-(2-히드록시에틸)-4메틸 피페라진, 1-(2-아미노에틸)-피페라진, 1-(2-히드록시에틸)-피페라진, 2-아미노에틸-피페라진, 1-에틸-피페라진, 2,5-디메틸-피페라진, 시스 2,6-디메틸-피페라진, 1,4-디메틸-피페라진, 트랜스 2,5-디메틸-피페라진, 1-메틸 피페라진, 2-메틸 피페라진, 1-에틸 피페라진, 2-페페리딘에탄올, 3-페페리딘에탄올, 4-페페리딘에탄올, 2-아미노에틸-1-피페리딘 및 호모피페리딘 중에서 선택된 하나 이상의 물질인 것이 바람직하다. Preferred sterically hindered cyclic amines used in the present invention include 1-amino-4methyl piperazine, 1- (2-aminoethyl) -4methyl piperazine, 1- (2-hydroxyethyl) -4methyl piperazine, 1- (2-aminoethyl) -piperazine, 1- (2-hydroxyethyl) -piperazine, 2-aminoethyl-piperazine, 1-ethyl-piperazine, 2,5-dimethyl-piperazine, cis 2,6-dimethyl-piperazine, 1,4-dimethyl-piperazine, trans 2,5-dimethyl-piperazine, 1-methyl piperazine, 2-methyl piperazine, 1-ethyl piperazine, 2-peperidine Preference is given to one or more substances selected from ethanol, 3-peperidinethanol, 4-peperidinethanol, 2-aminoethyl-1-piperidine and homopiperidine.

알칼리 탄산염 물질 중 탄산칼륨은 용해도가 제한적이며 단독으로 사용할 경우 중탄산칼륨이 석출된다. 또한 탄산칼륨은 알칼리 탄산염으로 사용할 경우 이산화탄소를 제거할 수 있으나, 그 제거속도가 상당히 느린 단점이 있다. 탄산칼륨을 알칼리 탄산염으로 하여 입체장애 시클릭 아민 수용액과 혼합하여 80℃ 이하에서 사용할 경우 20wt% 이하의 조성만을 사용하는 것이 바람직하다. 탄산칼륨의 함량이 20wt%를 초과하는 경우에는 염이 과도하게 생성되는 문제가 발생할 수 있기 때문이다. Potassium carbonate in alkali carbonate materials has limited solubility and potassium bicarbonate precipitates when used alone. In addition, potassium carbonate can remove carbon dioxide when used as an alkali carbonate, but the removal speed is considerably slow. When potassium carbonate is used as an alkali carbonate and mixed with an sterically hindered cyclic amine aqueous solution at 80 ° C. or less, it is preferable to use only a composition of 20 wt% or less. This is because if the content of potassium carbonate exceeds 20wt%, a problem of excessive salt generation may occur.

첨가제로 사용되는 입체장애 시클릭 아민의 경우 카바메이트와 바이카보네이트가 혼합되는 형태로 이산화탄소를 흡수한다. 이때 입체장애 시클릭 아민은 10wt% 이하의 조성을 사용하는 것이 바람직하다. 입체장애 시클릭 아민의 함량이 10wt%를 초과하는 경우에는 마찬가지로 염이 과도하게 생성되는 문제가 발생할 수 있다. The hindered cyclic amines used as additives absorb carbon dioxide in a mixture of carbamate and bicarbonate. At this time, the hindered cyclic amine is preferably used in the composition of 10wt% or less. If the content of sterically hindered cyclic amine exceeds 10 wt%, the problem of excessive salt formation may occur as well.

본 발명에서는 과도한 염의 생성을 억제하면서, 이산화탄소 흡수과정에서 발생한 염을 효과적으로 제거하는 공정을 제공한다.
The present invention provides a process for effectively removing the salt generated during the carbon dioxide absorption process while suppressing the generation of excessive salts.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 이산화탄소 흡수공정 및 염 제거 공정을 상세하게 설명한다.
Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the carbon dioxide absorption process and salt removal process of the present invention.

도 1은 본 발명의 이산화탄소 흡수 공정을 개략적으로 도시한 것이다.Figure 1 schematically illustrates the carbon dioxide absorption process of the present invention.

본 발명의 이산화탄소 흡수 공정은 흡수제를 이용한 이산화탄소흡수 공정은 기체 접촉단계(S110), 이산화탄소 흡수단계(S120), 염분리단계(S130), 흡수제 재생단계(S140)를 포함한다. Carbon dioxide absorption process of the present invention, the carbon dioxide absorption process using the absorbent includes a gas contact step (S110), carbon dioxide absorption step (S120), salt separation step (S130), absorbent regeneration step (S140).

상기 기체 접촉단계(S110)는 알칼리탄산염에 입체장애 시클릭 아민이 첨가된 이산화탄소 흡수제에 이산화탄소가 포함된 기체를 접촉시킨다. 이때 이산화탄소 흡수제는 20wt% 이하의 알칼리탄산염과 10wt% 이하의 입체장애 시클릭 아민을 포함하는 수용액을 사용하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 이산화탄소 흡수제는 부식방지제, 응집보조제, 산소억제제, 소포제 또는 이들의 혼합물이 더 포함될 수도 있다. The gas contacting step (S110) is to contact the gas containing carbon dioxide to the carbon dioxide absorbent to which the hindered cyclic amine is added to the alkali carbonate. In this case, it is preferable to use an aqueous solution containing 20 wt% or less of alkali carbonate and 10 wt% or less of sterically hindered cyclic amine. Meanwhile, the carbon dioxide absorbent may further include a corrosion inhibitor, a coagulant aid, an oxygen inhibitor, an antifoaming agent, or a mixture thereof.

상기 알칼리 탄산염으로는 탄산칼륨(K2CO3), 탄산나트륨(Na2CO3), 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 중탄산칼륨(KHCO3) 및 중탄산나트륨(NaHCO3) 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 사용하는 것이 바람직하다. The alkali carbonate includes at least one selected from potassium carbonate (K 2 CO 3 ), sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), potassium bicarbonate (KHCO 3 ), and sodium bicarbonate (NaHCO 3 ). It is preferable to use one material.

한편, 입체장애 시클릭 아민은 1-아미노-4메틸 피페라진, 1-(2-아미노에틸)-4메틸 피페라진, 1-(2-히드록시에틸)-4메틸 피페라진, 1-(2-아미노에틸)-피페라진, 1-(2-히드록시에틸)-피페라진, 2-아미노에틸-피페라진, 1-에틸-피페라진, 2,5-디메틸-피페라진, 시스 2,6-디메틸-피페라진, 1,4-디메틸-피페라진, 트랜스 2,5-디메틸-피페라진, 1-메틸 피페라진, 2-메틸 피페라진, 1-에틸 피페라진, 2-페페리딘에탄올, 3-페페리딘에탄올, 4-페페리딘에탄올, 2-아미노에틸-1-피페리딘 및 호모피페리딘 중에서 선택된 하나 이상의 물질인 것이 바람직하다. Meanwhile, the hindered cyclic amines include 1-amino-4methyl piperazine, 1- (2-aminoethyl) -4methyl piperazine, 1- (2-hydroxyethyl) -4methyl piperazine, 1- (2 -Aminoethyl) -piperazine, 1- (2-hydroxyethyl) -piperazine, 2-aminoethyl-piperazine, 1-ethyl-piperazine, 2,5-dimethyl-piperazine, cis 2,6- Dimethyl-piperazine, 1,4-dimethyl-piperazine, trans 2,5-dimethyl-piperazine, 1-methyl piperazine, 2-methyl piperazine, 1-ethyl piperazine, 2-peperidinethanol, 3- It is preferred that it is at least one substance selected from peperidinethanol, 4-peperidinethanol, 2-aminoethyl-1-piperidine and homopiperidine.

상기 이산화탄소 흡수단계(S120)에서는 상기 이산화탄소가 포함된 기체로부터 이산화탄소를 흡수한다. 이때 흡수단계는 1기압 내지 30기압의 압력범위 및 20℃ 내지 90℃에서 진행되도록 하는 것이 바람직하며, 40℃ 내지 60℃에서 진행되는 것이 보다 바람직하다. In the carbon dioxide absorption step (S120), carbon dioxide is absorbed from the gas containing the carbon dioxide. At this time, the absorption step is preferably to proceed at a pressure range of 1 to 30 atm and 20 ℃ to 90 ℃, it is more preferable to proceed at 40 ℃ to 60 ℃.

상기 염분리 단계(S130)는 상기 이산화탄소 흡수단계에서 이산화탄소와 반응한 흡수제가 경사분리기(Decanter)를 통과시켜서 염층과 액상층으로 분리되는 단계이다. 상기 경사분리기는 중력식 경사분리기, 경사식 경사분리기, 원심분리식 경사분리기, 경사형 원심분리기 등을 사용할 수 있다.
The salt separation step (S130) is a step in which the absorbent reacted with carbon dioxide in the carbon dioxide absorption step is separated into a salt layer and a liquid layer by passing through a decanter. The gradient separator may be a gravity gradient separator, a gradient gradient separator, a centrifugal gradient separator, a gradient centrifuge, or the like.

도 2는 본 발명에서 사용된 경사형 원심분리기 및 염분리 공정을 개략적으로 도시한 것이다. 경사형 원심분리기(20)는 회전하는 외통(21), 스크류 컨베이어 형태의 회전하는 내통(22), 이산화탄소가 흡수된 흡수제 용액을 공급하는 입구(23), 고형분 형태의 염이 배출되는 제1출구(24), 염이 제거된 흡수제 용액이 배출되는 제2출구(25)를 포함한다. 상기 이산화탄소 흡수공정이 완료된 흡수액(21)이 입구(23)에 주입되면, 경사형 원심 분리기(20) 내의 스크류 컨베이어 형태의 내통(22)이 회전하면서 고형분 형태의 염은 하부층으로 가라앉게 되고, 액상층은 상부에 위치하게 된다. 상기 상부의 액상층은 제1출구(24)를 통하여 다시 이산화탄소 흡수공정으로 공급되고, 하부의 염은 제2출구(25)를 통하여 배출되어 흡수제 재생공정으로 공급된다. 이후 염은 80~120℃로 가열되어 용해된 후 다시 흡수액을 제조하는 공정에 사용할 수 있다. Figure 2 schematically shows the gradient centrifuge and salt separation process used in the present invention. The inclined centrifuge 20 has a rotating outer cylinder 21, a rotating inner cylinder 22 in the form of a screw conveyor, an inlet 23 for supplying an absorbent solution in which carbon dioxide is absorbed, and a first outlet through which solid salt is discharged. (24), a second outlet 25 through which the absorbent solution from which the salt has been removed is discharged. When the absorbent liquid 21 in which the carbon dioxide absorption process is completed is injected into the inlet 23, the salt in the form of solid content sinks to the lower layer while the screw conveyor inner cylinder 22 in the inclined centrifuge 20 rotates. The layer will be located at the top. The upper liquid layer is supplied to the carbon dioxide absorption process through the first outlet 24 again, and the salt of the lower part is discharged through the second outlet 25 and supplied to the absorbent regeneration process. After the salt is heated to 80 ~ 120 ℃ dissolved can be used in the process for preparing the absorbent again.

상기 재생단계(S140)에서는 상기 이산화탄소를 흡수한 흡수제를 재생한다. 이때 재생공정은 1기압 내지 10기압, 105℃ 내지 120℃의 온도범위에서 진행되는 것이 바람직하다.
In the regeneration step (S140) to regenerate the absorbent absorbed the carbon dioxide. At this time, the regeneration process is preferably carried out in a temperature range of 1 to 10 atm, 105 ℃ to 120 ℃.

이하에서는 본 발명의 흡수제 수용액 및 공지된 흡수제 수용액을 이용하여 이산화탄소 흡수제의 흡수용량을 측정하였다. 측정방법은 가스 크로마토그래피(GC)를 이용하여 주입되는 가스(30% CO2 + 70% N2) 중 흡수되지 않고 배출되는 가스의 농도를 측정하였으며, 포화가 될 경우는 10분 평균 농도 차이가 0.01%일 때로 규정하여 측정하였다. 측정결과는 아래 표 1과 같다. 아래 표 1을 보면, 이산화탄소 흡수제의 이산화탄소 흡수용량(Capacity, mol CO2/mol 흡수제)은 본 발명에 따른 입체장애 시클릭 아민 및 탄산칼륨이 일정 비율로 혼합된 경우 대체적으로 높은 것을 알 수 있다. Hereinafter, the absorbent capacity of the carbon dioxide absorbent was measured using the absorbent aqueous solution of the present invention and a known absorbent aqueous solution. The measurement method was a gas chromatography (GC) to measure the concentration of the gas discharged without being absorbed in the injected gas (30% CO 2 + 70% N 2 ), when saturation is 10 minutes average concentration difference It measured and prescribed | regulated when it is 0.01%. The measurement results are shown in Table 1 below. Referring to Table 1 below, it can be seen that the carbon dioxide absorbing capacity (Capacity, mol CO 2 / mol absorbent) of the carbon dioxide absorbent is generally high when the sterically hindered cyclic amine and potassium carbonate are mixed at a predetermined ratio.

아래 표 1에서 PZ는 피페라진, 2-methyl PZ는 2-메틸 피페라진, homoPZ는 호모피페라진을 의미하고, MEA는 모노에탄올아민, DEA는 디에탄올아민, TEA는 트리에탄올아민, AMP는 2-아미노-2-메틸-1-프로판올을 의미한다. In Table 1 below, PZ is piperazine, 2-methyl PZ is 2-methyl piperazine, homoPZ is homopiperazine, MEA is monoethanolamine, DEA is diethanolamine, TEA is triethanolamine, and AMP is 2- Amino-2-methyl-1-propanol.

조성(wt%)Composition (wt%) 흡수반응
온도(℃)
Absorption
Temperature (℃)
tB
(min)
t B
(min)
tB
(min)
t B
(min)
Capacity
(mol CO2/mol absorbent)
Capacity
(mol CO 2 / mol absorbent)
실시예 1Example 1 K2CO315wt%/
PZ 10wt%
K 2 CO 3 15wt% /
PZ 10wt%
4040 100100 180180 0.8280.828
6060 8888 160160 0.7420.742 8080 7272 149149 0.6410.641 실시예 2Example 2 K2CO315wt%/
2-methyl PZ 10wt%
K 2 CO 3 15wt% /
2-methyl PZ 10wt%
4040 8282 185185 0.8640.864
6060 7474 171171 0.7610.761 8080 5858 157157 0.6270.627 실시예 3Example 3 K2CO315wt%/
homo PZ 10wt%
K 2 CO 3 15wt% /
homo PZ 10wt%
4040 8181 192192 0.7860.786
6060 8484 156156 0.7380.738 8080 7575 137137 0.6620.662 비교예 1Comparative Example 1 MEA 30wt%MEA 30wt% 6060 153153 230230 0.5370.537 비교예 2Comparative Example 2 DEA 30wt%DEA 30wt% 6060 5454 182182 0.4780.478 비교예 3Comparative Example 3 TEA 30wt%TEA 30wt% 6060 22 7575 0.1440.144 비교예 4Comparative Example 4 AMO 30wt%AMO 30wt% 6060 6464 266266 0.6010.601

세타람(SETARAM)사의 흡수반응열 측정장비를 이용하여 동일한 양의 흡수제를 대상으로 이산화탄소 흡수반응을 실시하였을 때, 방출되는 흡수반응열을 측정하였다. 측정결과를 아래 표 2에 나타내었다. 아래 표 2에서 KS 1은 미쯔비시 중공업에서 제조한 이산화탄소 흡수제이다. The heat of absorption reaction was measured when the carbon dioxide absorption reaction was performed on the same amount of absorbent using SETARAM's heat absorption measurement equipment. The measurement results are shown in Table 2 below. In Table 2 below, KS 1 is a carbon dioxide absorbent manufactured by Mitsubishi Heavy Industries.

조성(wt%), 25℃Composition (wt%), 25 ° C △H
(GJ/ton CO2)
△ H
(GJ / ton CO 2 )
실시예 1Example 1 K2CO315wt%/
PZ 10wt%
K 2 CO 3 15wt% /
PZ 10wt%
1.451.45
실시예 2Example 2 K2CO315wt%/
2-methyl PZ 10wt%
K 2 CO 3 15wt% /
2-methyl PZ 10wt%
1.361.36
실시예 3Example 3 K2CO315wt%/
homo PZ 10wt%
K 2 CO 3 15wt% /
homo PZ 10wt%
1.421.42
비교예 1Comparative Example 1 MEA 30wt%MEA 30wt% 1.931.93 비교예 5Comparative Example 5 KS 1KS 1 1.551.55

일반적으로 재생열은 흡수반응열, 용매 잠열, 현열의 합으로 구성되며, 화학흡수제의 경우 흡수반응열은 전체 재생에너지 중 최소 50% 이상을 차지한다. 한편 용매인 물의 잠열보다 2배 정도 높은 흡수열을 갖는 흡수제의 경우 재생열은 흡수열 50%, 잠열 35% 및 현열 15%로 구성된다. 즉, 화학흡수제의 재생열 중 화학 반응열이 차지하는 비중이 상당히 높다. 상기 표 2를 보면, 입체장애 시클릭 아민이 첨가된 알칼리탄산염 이산화탄소 흡수제의 흡수반응열이 가장 낮은 것을 알 수 있다. 이는 본 발명의 이산화탄소 흡수제의 재생에너지 역시 가장 낮은 것을 의미한다. Generally, the heat of regeneration is composed of the sum of heat of absorption reaction, latent heat of solvent and sensible heat. In the case of chemical absorbents, heat of absorption reaction accounts for at least 50% of the total renewable energy. On the other hand, in the case of the absorbent having the heat of absorption about twice as high as the latent heat of the solvent, water, the regenerated heat is composed of 50% of heat of absorption, 35% of latent heat and 15% of sensible heat. In other words, the heat of chemical reaction is very high in the heat of regeneration of the chemical absorbent. From Table 2, it can be seen that the heat of absorption reaction of the alkali carbonate carbon dioxide absorbent to which the hindered cyclic amine is added is the lowest. This means that the renewable energy of the carbon dioxide absorbent of the present invention is also the lowest.

조성(wt%), 25℃Composition (wt%), 25 ° C 염 생성율(wt%)Salt production rate (wt%) 제거율(%)Removal rate (%) 실시예 1Example 1 K2CO315wt%/
PZ 10wt%
K 2 CO 3 15wt% /
PZ 10wt%
00 --
실시예 2Example 2 K2CO315wt%/
2-methyl PZ 10wt%
K 2 CO 3 15wt% /
2-methyl PZ 10wt%
00 --
실시예 3Example 3 K2CO315wt%/
homo PZ 10wt%
K 2 CO 3 15wt% /
homo PZ 10wt%
00 --
실시예 4Example 4 K2CO320wt%/
PZ 10wt%
K 2 CO 3 20wt% /
PZ 10wt%
66 100100
실시예 5Example 5 K2CO320wt%/
2-methyl PZ 10wt%
K 2 CO 3 20wt% /
2-methyl PZ 10wt%
22 100100
실시예 6Example 6 K2CO320wt%/
homo PZ 10wt%
K 2 CO 3 20wt% /
homo PZ 10wt%
1515 100100
비교예 1Comparative Example 1 MEA 30wt%MEA 30wt% 00 -- 비교예 5Comparative Example 5 KS 1KS 1 00 --

이상 본 발명의 기술사상을 첨부된 도면과 함께 설명하였지만, 이는 바람직한 실시형태의 일례로서 설명한 것으로서 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능한 것은 말할 것도 없다.As mentioned above, although the technical idea of this invention was described with attached drawing, this was demonstrated as an example of a preferable embodiment, and does not limit this invention. In addition, any person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention belongs may be modified in various ways without departing from the scope of the technical idea of the present invention.

Claims (6)

알칼리탄산염에 입체장애 시클릭 아민이 첨가된 이산화탄소 흡수제에 이산화탄소가 포함된 기체를 접촉시키는 기체 접촉단계;
상기 기체로부터 이산화탄소를 흡수하는 이산화탄소 흡수단계;
상기 이산화탄소가 흡수된 흡수제에서 염을 분리하는 공정;
상기 염이 분리된 흡수제를 재생하는 단계를 포함하고, 이산화탄소 흡수제는 20wt% 이하의 알칼리 탄산염과 10wt% 이하의 입체장애 시클릭 아민 및 잔량의 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 제거방법.
A gas contact step of contacting a gas containing carbon dioxide to a carbon dioxide absorbent to which an hindered cyclic amine is added to the alkali carbonate;
A carbon dioxide absorption step of absorbing carbon dioxide from the gas;
Separating a salt from the absorbent in which the carbon dioxide is absorbed;
And regenerating the absorbent from which the salt is separated, wherein the carbon dioxide absorbent comprises 20 wt% or less of alkali carbonate, 10 wt% or less of sterically hindered cyclic amine, and a residual amount of water.
청구항 1에 있어서, 상기 염분리 공정은 경사분리기를 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 제거방법.The method of claim 1, wherein the salt separation process is performed using a decanter separator. 삭제delete 청구항 1에 있어서, 상기 알칼리탄산염은 탄산칼륨(K2CO3), 탄산나트륨(Na2CO3), 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 중탄산칼륨(KHCO3) 및 중탄산나트륨(NaHCO3)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 제거방법.The method of claim 1, wherein the alkali carbonate is potassium carbonate (K 2 CO 3 ), sodium carbonate (Na 2 CO 3 ), sodium hydroxide (NaOH), potassium hydroxide (KOH), potassium bicarbonate (KHCO 3 ) and sodium bicarbonate (NaHCO 3 Carbon dioxide removal method characterized in that at least one selected from the group consisting of. 청구항 1에 있어서, 상기 입체장애 시클릭 아민은 1-아미노-4메틸 피페라진, 1-(2-아미노에틸)-4메틸 피페라진, 1-(2-히드록시에틸)-4메틸 피페라진, 1-(2-아미노에틸)-피페라진, 1-(2-히드록시에틸)-피페라진, 2-아미노에틸-피페라진, 1-에틸-피페라진, 2,5-디메틸-피페라진, 시스 2,6-디메틸-피페라진, 1,4-디메틸-피페라진, 트랜스 2,5-디메틸-피페라진, 1-메틸 피페라진, 2-메틸 피페라진, 1-에틸 피페라진, 2-페페리딘에탄올, 3-페페리딘에탄올, 4-페페리딘에탄올, 2-아미노에틸-1-피페리딘 및 호모피페리딘으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 제거방법.The method of claim 1, wherein the hindered cyclic amine is 1-amino-4methyl piperazine, 1- (2-aminoethyl) -4methyl piperazine, 1- (2-hydroxyethyl) -4methyl piperazine, 1- (2-aminoethyl) -piperazine, 1- (2-hydroxyethyl) -piperazine, 2-aminoethyl-piperazine, 1-ethyl-piperazine, 2,5-dimethyl-piperazine, cis 2,6-dimethyl-piperazine, 1,4-dimethyl-piperazine, trans 2,5-dimethyl-piperazine, 1-methyl piperazine, 2-methyl piperazine, 1-ethyl piperazine, 2-peperidine Carbon dioxide removal method characterized in that at least one selected from the group consisting of ethanol, 3-ferridine ethanol, 4-ferridine ethanol, 2-aminoethyl-1- piperidine and homo piperidine. 20wt% 이하의 탄산칼륨에 10wt% 이하의 2-메틸피페라진 및 잔량의 물이 첨가된 이산화탄소 흡수제에 이산화탄소가 포함된 기체를 접촉시키는 기체 접촉단계;
상기 기체로부터 이산화탄소를 흡수하는 이산화탄소 흡수단계;
상기 이산화탄소가 흡수된 흡수제에서 염을 분리하는 공정;
상기 염이 분리된 흡수제를 재생하는 단계를 포함하는 이산화탄소 제거방법.
A gas contact step of contacting a gas containing carbon dioxide to a carbon dioxide absorbent containing 20 wt% or less potassium carbonate, 10 wt% or less 2-methylpiperazine, and a residual amount of water;
A carbon dioxide absorption step of absorbing carbon dioxide from the gas;
Separating a salt from the absorbent in which the carbon dioxide is absorbed;
Regenerating the absorbent from which the salt is separated.
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