KR101377635B1

KR101377635B1 - 이산화탄소 회수장치

Info

Publication number: KR101377635B1
Application number: KR1020120108287A
Authority: KR
Inventors: 박병철; 오현영
Original assignee: 현대제철 주식회사
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2014-03-25

Abstract

이산화탄소 회수장치가 개시된다. 상기 이산화탄소 회수장치는, 이산화탄소가 포함된 배가스를 배출하는 제1 배관; 상기 제1 배관을 통해 공급된 상기 배가스와 흡수제를 접촉시켜 상기 배가스로부터 이산화탄소를 흡수하는 흡수탑; 공급관을 통해 상기 흡수탑으로부터 배출된 흡수제를 공급받아 가열하여 이산화탄소를 분리하는 분리탑; 상기 제1 배관으로부터 분기되는 제1 연결관을 통해 상기 배가스를 공급받으며, 상기 분리탑을 관통하는 제2 배관; 및 상기 분리탑을 관통한 상기 제2 배관과 연결되어, 상기 배가스를 상기 제1 배관에 전달하는 제2 연결관을 포함한다.

Description

이산화탄소 회수장치{CARBON DIOXIDE COLLECTING APPARATUS}

본 발명은 이산화탄소 회수장치에 관한 것이다.

CCS(Carbon dioxide capture and storage) 기술은 발전소/제철소 등 대량의 배가스가 발생하는 공장에서 대량의 이산화탄소를 포집/분리하는 기술이다. 제철소의 경우 고로가스(Blaste Furance Gas; BFG)를 주요한 이산화탄소 포집 대상으로 삼고 있으며, 또한 석회소성공장의 배가스를 포집 대상으로 여기고 있다.

이산화탄소의 포집 시스템은 크게 이산화탄소 포집탑과 이산화탄소 분리탑으로 구성되어 있다. 이 같은 기술의 주요한 처리 비용은 이산화탄소 분리탑에서 고온을 유지하기 위한 에너지 비용이며, 이 비용이 전체 유지비의 50~60%를 차지한다. 이에 많은 개발자들이 저에너지 소비형 이산화탄소 포집, 분리 기술을 개발하고 있다.

본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0013588호 (2012. 02. 15.)에 개시되어 있다.

본 발명은 이산화탄소를 분리하는 분리장치의 유지비용을 감소시켜 경제성을 향상시킬 수 있는 이산화탄소 회수장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 이산화탄소가 포함된 배가스를 배출하는 제1 배관; 상기 제1 배관을 통해 공급된 상기 배가스와 흡수제를 접촉시켜 상기 배가스로부터 이산화탄소를 흡수하는 흡수탑; 공급관을 통해 상기 흡수탑으로부터 배출된 흡수제를 공급받아 가열하여 이산화탄소를 분리하는 분리탑; 상기 제1 배관으로부터 분기되는 제1 연결관을 통해 상기 배가스를 공급받으며, 상기 분리탑을 관통하는 제2 배관; 및 상기 분리탑을 관통한 상기 제2 배관과 연결되어, 상기 배가스를 상기 제1 배관에 전달하는 제2 연결관을 포함하는 이산화탄소 회수장치가 제공된다.

여기서, 상기 제2 배관은 복수개일 수 있으며, 상기 복수의 제2 배관 중 일부는, 측면에 상기 배가스의 일부가 상기 분리탑의 내부로 누출되도록 복수의 구멍이 형성될 수 있다.

또한, 상기 제1 배관의 온도를 감지하는 제1 온도센서; 상기 분리탑의 온도를 감지하는 제2 온도센서; 상기 제1 배관으로부터 상기 제1 연결관으로 이동하는 상기 배가스의 유량을 조절하는 제1 유량밸브; 및 상기 제1 온도센서와 상기 제2 온도센서에서 감지된 값에 근거하여, 상기 제1 유량밸브의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함할 수도 있다.

또한, 상기 제1 연결관으로부터 상기 구멍이 형성된 제2 배관으로 이동하는 상기 배가스의 유량을 조절하는 제2 유량밸브를 더 포함할 수도 있으며, 상기 제어부는, 상기 제1 온도센서와 상기 제2 온도센서에서 감지된 값에 근거하여 상기 제2 유량밸브의 작동을 제어할 수 있다.

한편, 상기 제1 연결관이 분기되는 지점과 상기 흡수탑 사이에 위치하는 가스냉각장치를 더 포함할 수 있으며, 이 때, 상기 제1 배관과 상기 제2 연결관이 연결되는 지점은 상기 가스냉각장치 보다 전방에 위치할 수 있다.

또한, 상기 분리탑에서 상기 이산화탄소가 분리된 흡수제를 상기 흡수탑에 재공급하는 회수관을 더 포함할 수 있으며, 상기 공급관과 상기 회수관은 열교환기를 통해 서로 열교환할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 이산화탄소를 분리하는 분리장치의 유지비용을 감소시켜 경제성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 회수장치를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 회수장치의 제2 배관 부분을 확대하여 나타내는 사시도.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명에 따른 이산화탄소 회수장치의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 이산화탄소 회수장치는, 이산화탄소가 포함된 배가스를 배출하는 제1 배관(10); 상기 제1 배관(10)을 통해 공급된 상기 배가스와 흡수제를 접촉시켜 상기 배가스로부터 이산화탄소를 흡수하는 흡수탑(20); 공급관(22)을 통해 상기 흡수탑(20)으로부터 배출된 흡수제를 공급받아 가열하여 이산화탄소를 분리하는 분리탑(30); 상기 제1 배관(10)으로부터 분기되는 제1 연결관(50)을 통해 상기 배가스를 공급받으며, 상기 분리탑(30)을 관통하는 제2 배관(40); 및 상기 분리탑(30)을 관통한 상기 제2 배관(40)과 연결되어, 상기 배가스를 상기 제1 배관(10)에 전달하는 제2 연결관(60)을 주된 구성요소로 갖는다.

이산화탄소 회수장치를 구동하기 위해 필요한 대부분의 에너지는 분리탑(30)에 고온의 증기 등을 공급하기 위한 가열장치(70)에서 소모되는데, 본 실시예에 따르면, 분리탑(30)에 열에너지를 공급하는 열원으로 가열장치(70)뿐만 아니라 고온의 배가스를 활용하므로, 분리탑(30) 운영에 소요되는 비용을 절감할 수 있게 된다.

제철소와 같은 경우 화석연료 연소 시에 배출되는 배가스에는 이산화탄소가 대량으로 배출되는데, 본 실시예에 따른 이산화탄소 회수장치는 이러한 배가스로부터 이산화탄소를 회수하기 위한 장치이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 이산화탄소가 포함된 배가스는 제1 배관(10)을 통해 흡수탑(20)에 공급된다. 흡수탑(20)에서는 제1 배관(10)을 통해 공급된 배가스가 이산화탄소를 흡수할 수 있는 흡수제와 접촉되어 배가스로부터 이산화탄소가 분리, 흡수되는 반응이 일어난다.

이러한 이산화탄소 분리, 흡수 기술을 흡수법이라 부르기도 하는데, 상용화된 기술로 아민계 흡수제를 이용하는 습식아민법 등이 있다. 습식아민법은 액체상태의 흡수제로서 16%의 모노에탄올아민(MEA) 수용액을 사용하며, 하기의 화학식과 같은 화학반응을 통해 이산화탄소를 흡수한다. 여기서, 반응의 지배요소는 온도이며, 40℃에서 이산화탄소 흡수반응(정반응)을 하고, 108℃에서 탈이산화탄소 반응(역반응)을 한다.

흡수탑(20)의 내부로는 희박 농도의 흡수제가 지속적으로 분사되고 있으므로 유입된 배가스 중에 포함된 이산화탄소는 흡수제에 의해 흡수되어 배가스로부터 제거되고, 이산화탄소가 제거된 CO₂ 분리가스는 흡수탑(20)으로부터 대기 중으로 배출된다.

한편, 흡수탑(20)에서 이산화탄소를 흡수한 상태로 배출된 흡수제는 공급관(22)을 통해 분리탑(30)으로 전달된다. 분리탑(30)의 내부로는 가열장치(70)에 의해 가열된 고온의 열에너지가 공급되고, 이렇게 공급된 열 에너지에 의해서 흡수제에 흡수되었던 이산화탄소는 흡수제로부터 분리되어 배출된다. 배출된 기체상태의 이산화탄소는 압축기(미도시)에 의해 고압으로 압축되어 별도의 장소에 보관될 수 있다. 이와 같은 방법을 통해 배가스 중에 포함된 이산화탄소를 분리 후 농축하여 보관할 수 있게 된다.

한편, 본 실시예에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 배관(10)으로부터 제1 연결관(50)이 분기된다. 분기되는 제1 연결관(50)을 통해 이산화탄소가 포함된 고온의 배가스의 일부는 분리탑(30)을 향해 이동하며, 분리탑(30)을 관통하는 제2 배관(40)을 거쳐 제2 연결관(60)을 통해 다시 제1 배관(10)으로 돌아오게 된다. 이와 같은 순환 구조를 통하여, 고온의 배가스에 함유된 열에너지가 분리탑(30) 내부에 전달되도록 할 수 있어, 별도의 가열장치(70)를 운영하는 데에 소요되는 비용을 절감할 수 있게 된다.

보다 나은 열전달을 위해 제2 배관(40)은 복수개 형성될 수 있는데, 이 경우 제2 배관 중 일부(40b)는, 측면에 배가스의 일부가 분리탑(30)의 내부로 누출되도록 복수의 구멍(42)이 형성되고 나머지(40a)는 구멍이 형성되지 않을 수 있다. 이러한 구조를 이용하게 되면, 제2 배관(40a)을 통한 간접적인 열전달의 효율이 낮은 경우, 고온의 배가스가 분리탑(30)으로 누출되도록 하여 직접적인 열전달을 구현할 수 있게 된다. 도 2에는 구멍(42)이 형성된 제2 배관(40b)과 그렇지 않은 제2 배관(40a)이 각 1개 형성되어 있는 모습이 도시되어 있으나, 이는 예시를 나타내기 위한 것에 지나지 않으며, 제2 배관(40a, 40b)의 개수와, 이 중 구멍(42)이 형성된 제2 배관(40b)의 개수 및 구멍(42)의 개수 등은 설계 상의 필요 등에 따라 다양하게 변경될 수 있을 것이다.

한편, 배가스를 이용한 열전달을 효율적으로 제어하기 위하여, 제1 배관(10)의 온도를 감지하는 제1 온도센서(12); 분리탑(30)의 온도를 감지하는 제2 온도센서(32); 제1 배관(10)으로부터 제1 연결관(50)으로 이동하는 배가스의 유량을 조절하는 제1 유량밸브(14); 및 제1 유량밸브(14)의 작동을 제어하는 제어부(90)를 구비할 수 있다. 이 경우, 제어부(90)는 제1 온도센서(12)와 제2 온도센서(32)에서 감지된 값에 근거하여 제1 유량밸브(14)의 작동을 제어할 수 있을 것이다.

예를 들어, 제2 온도센서(32)를 통해 분리탑(30)의 온도가 소정값(예를 들면 100℃) 이하로 떨어진 것으로 확인되면, 제어부(90)는 제1 유량밸브(14)를 개방하여 고온의 배가스가 분리탑(30) 방향으로 이동하게 할 수 있다. 이 후 분리탑(30)의 온도가 소정값 이상으로 회복된 것으로 확인되면, 제어부(90)는 제1 유량밸브(14)를 차단하거나 부분적으로 개방하여 해당 상태가 유지되도록 할 수 있을 것이다.

다른 한편, 제2 배관(40)의 전방에는 제1 연결관(50)으로부터 구멍(42)이 형성된 제2 배관(40)으로 이동하는 배가스의 유량을 조절하는 제2 유량밸브(52)가 마련될 수 있다. 이 경우, 제어부(90)는 제1 온도센서(12)와 제2 온도센서(32)에서 감지된 값에 근거하여 제2 유량밸브(52)의 작동을 제어할 수 있는데, 이러한 작동은 제2 배관(40)을 통한 간접적인 열전달이 아닌, 고온의 배가스가 분리탑(30)으로 누출되도록 하는 직접적인 열전달을 구현하고자 하는 경우 이용될 수 있을 것이다.

한편, 제1 연결관(50)이 분기되는 지점과 흡수탑(20) 사이에는 가스냉각장치(16)가 위치할 수 있다. 분리탑(30)에서 이루어지는 반응은 상온의 환경을 필요로 하므로, 고온의 배가스를 상온의 수준까지 냉각시키기 위하여 흡수탑(20)의 전방에 가스냉각장치(16)가 위치하는 것이다. 이 때, 분리탑(30)에서 열교환을 마친 배가스가 제1 배관(10)에 돌아오는 지점, 즉 제1 배관(10)과 제2 연결관(60)이 연결되는 지점은 가스냉각장치(16) 보다 전방에 위치할 수 있다. 이러한 구조를 통하여 순환을 마친 배가스 역시 흡수탑(20)에서의 반응에 적합한 온도로 냉각시킬 수 있게 된다.

한편, 분리탑(30)의 하부로는 이산화탄소가 제거된 흡수제가 배출된다. 이렇게 배출되는 흡수제는 회수관(34)을 통해 흡수탑(20)으로 재공급되는데, 이 때, 공급관(22)과 회수관(34)은 열교환기(80)를 통해 서로 열교환할 수 있다.

흡수탑(20)에서의 반응은 고온의 환경 하에서 이루어지므로, 흡수탑(20)에서 배출되는 흡수제는 높은 열에너지를 가지게 되고, 흡수탑(20)으로 공급되는 흡수제는 높은 열에너지를 필요로 하게 된다. 이러한 환경을 고려할 때, 전술한 구조를 이용하게 되면, 분리탑(30)에서 배출되는 흡수제에 함유된 높은 열에너지를 분리탑(30)에 공급되는 흡수제에 전달할 수 있게 되어 에너지 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

이 뿐만 아니라, 흡수탑(20)에서 배출되는 흡수제로부터 열에너지를 빼앗게 되므로, 흡수탑(20)의 상온 환경을 유지하는 데에도 도움이 될 수 있게 된다. 열교환기(80)의 구조는 설계 상의 필요에 따라 다양하게 변경될 수 있을 것이다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

10: 제1 배관
12: 제1 온도센서
14: 제1 유량밸브
16: 가스냉각장치
20: 흡수탑
22: 공급관
30: 분리탑
32: 제2 온도센서
34: 회수관
40, 40a, 40b: 제2 배관
42: 구멍
50: 제1 연결관
52: 제2 유량밸브
60: 제2 연결관
70: 가열장치
80: 열교환기
90: 제어부

Claims

이산화탄소가 포함된 배가스를 배출하는 제1 배관;
상기 제1 배관을 통해 공급된 상기 배가스와 흡수제를 접촉시켜 상기 배가스로부터 이산화탄소를 흡수하는 흡수탑;
공급관을 통해 상기 흡수탑으로부터 배출된 흡수제를 공급받아 가열하여 이산화탄소를 분리하는 분리탑;
상기 제1 배관으로부터 분기되는 제1 연결관을 통해 상기 배가스를 공급받으며, 상기 분리탑을 관통하는 제2 배관; 및
상기 분리탑을 관통한 상기 제2 배관과 연결되어, 상기 배가스를 상기 제1 배관에 전달하는 제2 연결관을 포함하는 이산화탄소 회수장치.
제1항에 있어서,
상기 제2 배관은 복수개이며,
상기 복수의 제2 배관 중 일부는, 측면에 상기 배가스의 일부가 상기 분리탑의 내부로 누출되도록 복수의 구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 회수장치.
제2항에 있어서,
상기 제1 배관의 온도를 감지하는 제1 온도센서;
상기 분리탑의 온도를 감지하는 제2 온도센서;
상기 제1 배관으로부터 상기 제1 연결관으로 이동하는 상기 배가스의 유량을 조절하는 제1 유량밸브; 및
상기 제1 온도센서와 상기 제2 온도센서에서 감지된 값에 근거하여, 상기 제1 유량밸브의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 회수장치.
제3항에 있어서,
상기 제1 연결관으로부터 상기 구멍이 형성된 제2 배관으로 이동하는 상기 배가스의 유량을 조절하는 제2 유량밸브를 더 포함하며,
상기 제어부는, 상기 제1 온도센서와 상기 제2 온도센서에서 감지된 값에 근거하여 상기 제2 유량밸브의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 회수장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 연결관이 분기되는 지점과 상기 흡수탑 사이에 위치하는 가스냉각장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 회수장치.
제5항에 있어서,
상기 제1 배관과 상기 제2 연결관이 연결되는 지점은 상기 가스냉각장치 보다 전방에 위치하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 회수장치.
제1항에 있어서,
상기 분리탑에서 상기 이산화탄소가 분리된 흡수제를 상기 흡수탑에 재공급하는 회수관을 더 포함하며,
상기 공급관과 상기 회수관은 열교환기를 통해 서로 열교환하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 회수장치.