KR101480654B1 - Multiple-pipe type reactor for capturing of carbon dioxide - Google Patents

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조형희
문호규
유환주
서휘민
박용기
최원춘
강나영
박선영
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연세대학교 산학협력단
한국화학연구원
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Abstract

A carbon dioxide capturing apparatus of the present invention is a carbon dioxide capturing apparatus for selectively separating carbon dioxide from exhaust gas including carbon dioxide, which comprises multiple carbon dioxide absorption/desorption units continuously performing carbon dioxide absorption and carbon dioxide desorption while filled carbon dioxide absorbents circulate between an absorption reactor and a desorption reactor. Absorption heat generated at the absorption reactor of at least one carbon dioxide absorption/desorption unit is transmitted to the desorption reactor of another carbon dioxide absorption/desorption unit so as to mutually exchange the heat. The absorption reactor performing the mutual heat exchange is inserted into the desorption reactor, or vice versa.

Description

다중관형 이산화탄소 포집장치{Multiple-pipe type reactor for capturing of carbon dioxide}[0001] The present invention relates to a multi-pipe type carbon dioxide capture apparatus,

본 발명은 이산화탄소 포집장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배가스에 포함된 이산화탄소를 선택적으로 포집하여 분리할 수 있는 이산화탄소 포집장치에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon dioxide collecting apparatus, and more particularly, to a carbon dioxide collecting apparatus capable of selectively collecting and separating carbon dioxide contained in an exhaust gas.

최근 지구 온난화로 인하여 극지방의 빙하가 녹으면서 해수면이 상승하고 있으며, 기후 변화에 의하여 지구 곳곳에서 기상 이변이 발생하고 있다. 이러한 지구 온난화는 이산화탄소와 같은 온실가스 방출에 기인한다고 알려져 있으며, 이산화탄소의 방출량을 규제하기 위한 국제적 규약이 체결되고 있고, 탄소 배출권의 도입 등에 의하여 이산화탄소의 방출을 억제하는 것이 각국의 경제 이슈가 되고 있다. 이산화탄소의 배출량을 감소시키기 위한 노력은 태양 에너지, 풍력 에너지와 같이 화석 연료를 대체할 수 있는 대체 에너지를 개발하려는 방향과, 화석 연료에서 발생된 이산화탄소를 대기 중으로 방출하지 않고 포집하여 저장하려는 방향으로 진행되고 있다. 후자의 기술을 이산화탄소 포집 및 저장 기술(carbon capture and storage, CCS)이라고 하는데, 크게는 발전소나 제철소에서 발생된 이산화탄소를 포집하는 분야의 기술과, 포집된 이산화탄소를 지중 또는 해양에 저장하는 기술로 나누어진다. Recently, global warming has caused sea ice to rise as polar glaciers melt, and climate change has caused extreme weather changes around the globe. This global warming is known to be caused by greenhouse gas emissions such as carbon dioxide. International conventions for regulating the emission of carbon dioxide have been concluded, and restraining the emission of carbon dioxide by introducing carbon emission rights has become an economic issue in each country . Efforts to reduce carbon dioxide emissions have led to the development of alternative energy sources such as solar and wind energy that can replace fossil fuels and to capture and store carbon dioxide from fossil fuels without releasing them to the atmosphere . The latter technology is called carbon capture and storage (CCS). It mainly consists of technologies for capturing carbon dioxide from a power plant or a steel mill, and technologies for storing captured carbon dioxide in the earth or ocean. Loses.

이산화탄소를 포집하는 기술은 포집 단계의 적용에 따라서 연소 후 포집, 연소 전 포집, 순산소 포집으로 나눌 수 있으며, 이산화탄소를 포집하는 원리에 따라서 분리막을 사용하여 농축하는 막 포집 기술(membrane separation), 아민 또는 암모니아수 등의 액체 흡착제를 사용하는 액상 포집 기술(liquid phase separation), 알칼리 또는 알칼리 토금속 등과 같은 고체상의 흡착제를 사용하는 건식 포집 기술(solid phase separation)로 구분할 수 있다.The technology for collecting carbon dioxide can be classified into post-combustion capture, pre-combustion capture, and pure oxygen capture depending on the application of the capture step, membrane separation to concentrate using a separation membrane according to the principle of capturing carbon dioxide, Or liquid phase separation using a liquid adsorbent such as ammonia water, or solid phase separation using a solid adsorbent such as alkali or alkaline earth metal.

건식 포집 기술은 크게 이산화탄소 흡착능을 갖는 고상 흡착제의 개발과 이들 고상 흡착제를 사용하여 이산화탄소를 포집하는 공정으로 구성되어 있으며, 이산화탄소 포집 효율은 고상 흡착제의 성능뿐만 아니라 흡착 공정의 구성에 크게 영향을 받는다. 고상 흡착제는 물질의 종류에 따라 크게 유기계, 무기계, 탄소계, 유-무기 하이브리드계 등으로 구분될 수 있고, 이산화탄소가 흡착제에 흡착되는 형태에 따라 물리적 흡착제, 화학적 흡착제로 구분될 수 있다. 유기계 흡착제로는 아민계 고분자 흡착제가, 무기계 흡착제로는 제올라이트계 또는 알칼리, 알칼리 토금속계 흡착제가, 탄소계 흡착제로는 알칼리 금속으로 수식된 활성탄계 흡착제가, 유-무기 하이브리드계 흡착제로는 MOF, 아민기를 갖는 유기물로 그래프팅(grafting)된 다공성 실리카 흡착제가 주로 사용되고 있다. 제올라이트계 및 카본계 흡착제는 이산화탄소가 물리적 흡착하는 특성을 나타내고 있으며, 그 외의 흡착제들은 화학적으로 이산화탄소가 흡착제와 반응하여 흡착되는 화학적 흡착특성을 나타낸다.(Energy Environ. Sci. 2011, 4, 42. ChemSusChem 2009, 2, 796.)The dry capture technology consists mainly of the development of a solid adsorbent with carbon dioxide adsorption ability and the process of collecting carbon dioxide using these solid adsorbents. The carbon dioxide capture efficiency is greatly influenced by the performance of the adsorbent as well as the performance of the solid adsorbent. Solid-state adsorbents can be classified into organic, inorganic, carbon-based, and organic-inorganic hybrid systems depending on the kind of the substance, and can be classified into a physical adsorbent and a chemical adsorbent depending on the type of adsorption of carbon dioxide on the adsorbent. Examples of the organic-based adsorbent include an amine-based polymer adsorbent, the inorganic adsorbent is a zeolite-based or alkali or alkaline earth metal-based adsorbent, the carbon-based adsorbent is an activated carbon- A porous silica adsorbent grafted with an organic substance having an amine group is mainly used. Zeolite-based and carbon-based adsorbents exhibit physical adsorption characteristics of carbon dioxide, and other adsorbents exhibit chemical adsorption characteristics in which carbon dioxide is adsorbed and adsorbed by the adsorbent. (Energy Environ. Sci., 2011, 4, 42. ChemSus Chem 2009, 2, 796.)

건식 포집 기술은 이산화탄소를 흡착 대상체에 흡착시키는 단계와, 흡착된 이산화탄소를 탈착시켜서 분리하는 단계로 이루어진다. 이산화탄소의 흡착과 탈착은 가역적으로 일어날 수 있는데, 이산화탄소의 흡착과 탈착은 열의 교환 또는 외부 압력의 변화를 통하여 유도할 수 있다. 이와 같이 건식 흡착제를 사용하여 이산화탄소를 포집하는 공정은 흡착된 이산화탄소를 탈착하기 위한 방법으로 압력차를 이용하는 압력 스윙 흡착(Pressure Swing Adsorption, PSA) 공정과, 온도차를 이용하는 온도 스윙 흡착(Temperature Swing Adsorption, TSA) 공정으로 구분된다. 일반적으로 작은 규모의 이산화탄소 포집에는 고정층 흡착탑을 사용한 압력 스윙 흡착 공정이 유리하나, 발전소나 대형 연소로와 같이 배출되는 이산화탄소의 양이 많은 경우에는 스케일 업(scale-up)이 용이한 유동층 흡착 및 탈착탑으로 구성된 온도 스윙 흡착 공정이 유리하다.The dry trapping technique consists of adsorbing carbon dioxide on the adsorbent and desorbing and separating the adsorbed carbon dioxide. The adsorption and desorption of carbon dioxide can occur reversibly, and adsorption and desorption of carbon dioxide can be induced through heat exchange or external pressure changes. The process of collecting carbon dioxide using the dry adsorbent is a method for desorbing the adsorbed carbon dioxide, including a pressure swing adsorption (PSA) process using a pressure difference, a temperature swing adsorption process using a temperature difference, TSA) process. Generally, the pressure swing adsorption process using a fixed-bed adsorption tower is advantageous for capturing a small-sized carbon dioxide. However, when a large amount of carbon dioxide is discharged from a power plant or a large combustion furnace, a scale- A temperature swing adsorption process consisting of a tower is advantageous.

본 발명은 고체 흡착제를 이용하여 연속적으로 대용량의 이산화탄소를 포집하는 것을 목적으로 하며, 유동 흡착탑 및 유동 탈착탑으로 구성된 온도 스윙 흡착 공정으로 분류될 수 있다. 온도 스윙 흡착 공정에 사용되는 흡착탑 및 탈착탑은 운전 영역에 따라 탑 내에서의 흡착제 농도가 높은 기포 유동층(Bubbling Fluidized Bed)과 흡착제 농도가 낮은 고속 유동층(Diluted Fluidized Bed)으로 구분할 수 있다. 이러한 기포 유동층과 고속 유동층을 흡착탑과 탈착탑에 적용하면, ⅰ)고속 유동층-고속 유동층, ⅱ)고속 유동층-기포 유동층, ⅲ)기포 유동층-고속 유동층, ⅳ)기포 유동층-기포 유동층의 4가지 조합의 구성이 도출될 수 있다("Fluidization Engineering", D. Kunii and O. Levenspiel, Robert E. Krieger, 1977).The present invention aims at collecting a large amount of carbon dioxide continuously using a solid adsorbent and can be classified into a temperature swing adsorption process composed of a flow adsorption column and a flow desorption column. The adsorption column and desorption column used in the temperature swing adsorption process can be classified into a bubbling fluidized bed having a high adsorbent concentration in the column and a diluted fluidized bed having a low adsorbent concentration depending on the operation region. The bubble fluidized bed and the fast fluidized bed are applied to the adsorption column and the desorption column to form the following four combinations of i) fast fluidized bed-fast fluidized bed, ii) fast fluidized bed-bubble fluidized bed, iii) bubble fluidized bed-fast fluidized bed, (&Quot; Fluidization Engineering ", D. Kunii and O. Levenspiel, Robert E. Krieger, 1977).

이와 관련된 선행기술로는 한국공개특허 제2005-0003767호, 제2010-0099929호, 제2011-0054948호 등이 있는데, 상기 선행기술에서는 고체상의 건식 흡착제를 사용하여 이산화탄소를 포집하는데 있어 고속유동층 흡착탑 및 기포유동층 탈착탑으로 구성된 온도 스윙 흡착 개념의 이산화탄소 유동층 포집공정에 대하여 개시하고 있다. 그러나, 이와 같은 온도 스윙 흡착 개념의 건식 포집 공정은 흡착제에 흡착된 이산화탄소를 온도 스윙 흡착 공정으로 탈착시키기 위해서 2 GJ/t-CO2 이상의 막대한 에너지가 소요되기 때문에 흡착제 비용과 함께 포집 비용을 증가시키는 요인으로 작용하고 있다. 따라서 포집비용을 낮추기 위해서는 흡착제로부터 흡착된 이산화탄소를 적은 에너지로 효과적으로 탈착시킬 수 있는 기술의 개발이 매우 중요하다.Prior arts related to this are Korea Unexamined Patent Publication Nos. 2005-0003767, 2010-0099929, and 2011-0054948. In the prior art, the use of a solid-phase dry adsorbent is used to collect carbon dioxide, Discloses a carbon dioxide fluidized bed collection process of a temperature swing adsorption concept comprising a bubble fluidized bed desorption tower. However, the dry-collecting process of the temperature swing adsorption concept requires a large energy of 2 GJ / t-CO 2 or more to desorb the adsorbed carbon dioxide by the temperature swing adsorption process, . Therefore, in order to lower the collection cost, it is very important to develop a technique capable of effectively removing carbon dioxide adsorbed from the adsorbent with a small energy.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 이산화탄소의 흡착 과정에서 발생한 열을 이산화탄소의 탈착 과정에서 이용하며, 이러한 열교환이 효율적으로 이루어지도록 하여 이산화탄소 포집 및 분리에 필요한 에너지를 절감시킬 수 있는 이산화탄소 포집장치를 제공하는 것이다.Therefore, the first problem to be solved by the present invention is to utilize the heat generated during the adsorption process of carbon dioxide in the process of desorbing carbon dioxide, to efficiently perform the heat exchange, and to reduce the energy required for capturing and separating carbon dioxide, Device.

본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 이산화탄소의 흡착이 일어나는 반응기에서 발생된 열이 외부로 유출되는 것을 효과적으로 방지하면서 이산화탄소의 탈착이 일어나는 반응기로 전달될 수 있도록 하는 이산화탄소 포집장치를 제공하는 것이다.A second problem to be solved by the present invention is to provide a carbon dioxide collecting device capable of effectively transferring heat generated in a reactor in which carbon dioxide is adsorbed to the outside while transferring it to a reactor where desorption of carbon dioxide occurs.

본 발명이 해결하고자 하는 세 번째 과제는 반응기 내부에 충진된 이산화탄소 및 흡착제의 운동에 와류 또는 난류를 형성시켜 열 교환 효율을 향상시킨 이산화탄소 포집장치를 제공하는 것이다.A third problem to be solved by the present invention is to provide a carbon dioxide collecting apparatus which improves the heat exchange efficiency by forming vortex or turbulence in the movement of carbon dioxide and adsorbent filled in the reactor.

본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위하여, 이산화탄소가 포함된 배가스에서 이산화탄소를 선택적으로 분리하기 위한 이산화탄소 포집장치로서, 충진된 이산화탄소 흡착제가 흡착반응기와 탈착반응기를 순환하면서 이산화탄소의 흡착과 이산화탄소 탈착이 연속적으로 일어나는 복수개의 이산화탄소 흡착탈착부를 포함하고, 적어도 하나의 이산화탄소 흡착탈착부의 흡착반응기에서 발생된 흡착열이 다른 이산화탄소 흡탈착부의 탈착반응기로 전달되어 상호 열교환이 이루어지며, 상기 상호 열교환이 이루어지는 흡착반응기가 탈착반응기 내부에 삽입되거나, 탈착반응기가 흡착반응기 내부에 삽입된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치를 제공한다.In order to accomplish the first object of the present invention, there is provided a carbon dioxide collecting apparatus for selectively separating carbon dioxide from a flue gas containing carbon dioxide, wherein the carbon dioxide adsorbent is circulated through the adsorption reactor and the desorption reactor to adsorb carbon dioxide, Wherein the adsorption heat generated in the adsorption reactor of at least one carbon dioxide adsorption desorption section is transferred to the desorption reactor of the other carbon dioxide adsorption desorption section so that mutual heat exchange is performed and the adsorption reactor in which the mutual heat exchange is performed And the carbon dioxide trapping apparatus is inserted into the desorption reactor or the desorption reactor is inserted into the adsorption reactor.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 상호 열교환이 이루어지는 흡착반응기는 탈착반응기의 중심에 삽입될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the adsorption reactor in which the mutual heat exchange is performed may be inserted in the center of the desorption reactor.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 상호 열교환이 이루어지는 흡착반응기는 복수개의 다발로 이루어지고, 상기 복수개의 다발로 이루어진 흡착반응기가 탈착반응기 내부에 균일하게 삽입될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the adsorption reactor in which the mutual heat exchange is performed is composed of a plurality of bundles, and the adsorption reactor comprising the plurality of bundles can be uniformly inserted into the desorption reactor.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 탈착반응기 내부에 삽입된 흡착반응기의 내부에 다른 이산화탄소 흡착탈착부의 탈착반응기가 삽입되거나, 상기 흡착반응기가 내부에 삽입된 탈착반응기의 내부에 다른 이산화탄소 흡착탈착부의 흡착반응기가 삽입될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, a desorption reactor of another carbon dioxide adsorption desorption unit is inserted into the adsorption reactor inserted into the desorption reactor, or another carbon dioxide adsorption desorption A negative adsorption reactor may be inserted.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 상호 열교환이 이루어지는 흡착반응기 또는 탈착반응기의 벽면에 와류형성수단이 형성될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, a vortex forming means may be formed on the wall surface of the adsorption reactor or the desorption reactor in which the mutual heat exchange is performed.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 상호 열교환이 이루어지는 흡착반응기 또는 탈착반응기의 벽면에 돌출부 또는 함몰부가 형성될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, protrusions or depressions may be formed on the wall surface of the adsorption reactor or the desorption reactor in which the mutual heat exchange is performed.

본 발명은 상기 두 번째 과제를 달성하기 위하여, 이산화탄소가 포함된 배가스에서 이산화탄소를 선택적으로 분리하기 위한 이산화탄소 포집장치로서, 충진된 이산화탄소 흡착제가 흡착반응기와 탈착반응기를 순환하면서 이산화탄소의 흡착과 이산화탄소 탈착이 연속적으로 일어나는 복수개의 이산화탄소 흡착탈착부를 포함하고, 적어도 하나의 이산화탄소 흡착탈착부의 흡착반응기에서 발생된 흡착열이 다른 이산화탄소 흡탈착부의 탈착반응기로 전달되어 상호 열교환이 이루어지며, 상기 흡착반응기와 탈착반응기는 관형으로 이루어지고, 상기 상호 열교환이 이루어지는 흡착반응기가 탈착반응기의 외면을 감싸거나, 상기 탈착반응기가 흡착반응기의 외면을 감싸도록 설치되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치를 제공한다.The present invention, in order to achieve the second object, is a carbon dioxide collecting apparatus for selectively separating carbon dioxide from an exhaust gas containing carbon dioxide, wherein the carbon dioxide adsorbent is circulated through the adsorption reactor and the desorption reactor to adsorb carbon dioxide, Wherein the adsorption heat generated in the adsorption reactor of at least one carbon dioxide adsorption desorption section is transferred to the desorption reactor of the other carbon dioxide adsorption desorption section and mutual heat exchange is performed, Wherein the adsorption reactor in which the mutual heat exchange is performed surrounds the outer surface of the desorption reactor or the desorption reactor surrounds the outer surface of the adsorption reactor.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 흡착반응기 또는 탈착반응기의 외면 또는 내면에 돌출부 또는 함몰부가 형성될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, protrusions or depressions may be formed on an outer surface or an inner surface of the adsorption reactor or the desorption reactor.

본 발명은 상기 세 번째 과제를 달성하기 위하여, 이산화탄소가 포함된 배가스에서 이산화탄소를 선택적으로 분리하기 위한 이산화탄소 포집장치로서, 충진된 이산화탄소 흡착제가 흡착반응기와 탈착반응기를 순환하면서 이산화탄소의 흡착과 이산화탄소 탈착이 연속적으로 일어나는 복수개의 이산화탄소 흡착탈착부를 포함하고, 적어도 하나의 이산화탄소 흡착탈착부의 흡착반응기에서 발생된 흡착열이 다른 이산화탄소 흡탈착부의 탈착반응기로 전달되어 상호 열교환이 이루어지며, 상기 상호 열교환이 이루어지는 흡착반응기와 탈착반응기에 와류를 형성하기 위한 돌출부 또는 함몰부가 형성된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치를 제공한다.The present invention, in order to achieve the third object, is a carbon dioxide collecting apparatus for selectively separating carbon dioxide from an exhaust gas containing carbon dioxide, wherein the carbon dioxide adsorbent is circulated through the adsorption reactor and the desorption reactor, A plurality of carbon dioxide adsorbing and desorbing units continuously connected to the adsorbing and desorbing unit, wherein adsorption heat generated in the adsorption reactor of at least one carbon dioxide adsorbing desorbing unit is transferred to desorption reactors of other carbon dioxide adsorbing and desorbing units to perform mutual heat exchange, And a protrusion or depression for forming a vortex in the desorption reactor is formed.

본 발명의 이산화탄소 포집장치는 아래의 효과를 가진다.The carbon dioxide collecting apparatus of the present invention has the following effects.

1. 본 발명의 이산화탄소 포집장치는 이산화탄소의 흡착과정에서 발생된 열을 이산화탄소의 탈착과정에서 이용하므로 에너지 소모를 감소시킬 수 있다.1. The apparatus for collecting carbon dioxide of the present invention can reduce energy consumption because heat generated during the adsorption process of carbon dioxide is utilized in the desorption process of carbon dioxide.

2. 이산화탄소의 흡착과 탈착 과정에서 열교환이 이루어지는 흡착반응기가 탈착반응기의 내부에 삽입되거나, 탈착반응기가 흡착반응기의 내부에 삽입되므로 열 교환이 효율적으로 이루어질 수 있다.2. In the adsorption and desorption process of carbon dioxide, the adsorption reactor in which heat exchange is performed is inserted into the desorption reactor or the desorption reactor is inserted into the adsorption reactor, so that the heat exchange can be efficiently performed.

3. 이산화탄소의 흡착과 탈착 과정에서 열교환이 이루어지는 흡착반응기가 탈착반응기의 외면을 감싸거나, 탈착반응기가 흡착반응기의 외면을 감싸므로 외부로의 열 유출을 감소시킬 수 있다.3. In the process of adsorption and desorption of carbon dioxide, the adsorption reactor in which the heat exchange is performed wraps the outer surface of the desorption reactor, or the desorption reactor encloses the outer surface of the adsorption reactor, thereby reducing heat leakage to the outside.

4. 이산화탄소의 흡착과 탈착 과정에서 열교환이 이루어지는 흡착반응기가 복수개의 관형으로 이루어져 탈착반응기의 내부에 삽입되거나, 탈착반응기가 복수개의 관형으로 이루어져 흡착반응기의 내부에 삽입되므로 열 교환이 이루어지는 면적을 증가시켜 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.4. The adsorption reactor in which heat exchange is performed during the adsorption and desorption process of carbon dioxide is inserted into the interior of the desorption reactor having a plurality of tubes or the desorption reactor is inserted into the interior of the adsorption reactor, So that the heat exchange efficiency can be improved.

5. 이산화탄소의 흡착이 일어나는 흡착반응기의 외부와 내부에 동시에 탈착반응기가 설치되어서 열 교환이 보다 효율적으로 이루어질 수 있다.5. A desorption reactor is simultaneously installed on the outside and inside of the adsorption reactor where carbon dioxide adsorption occurs, so that heat exchange can be more efficiently performed.

도 1은 본 발명의 이산화탄소 포집장치에서 흡착반응기와 탈착반응기 사이에서 열 교환이 이루어지는 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 흡착반응기가 탈착반응기 내부에 삽입된 형태의 이산화탄소 포집장치를 도시한 것이다.
도 3은 복수개의 흡착반응기가 탈착반응기의 내부에 삽입된 형태의 이산화탄소 포집장치를 도시한 것이다.
도 4는 흡착반응기의 외부와 내부에 탈착반응기가 설치된 형태의 이산화탄소 포집장치를 도시한 것이다.
도 5는 흡착반응기의 외부와 내부에 탈착반응기가 설치되고, 다시 외부의 탈착반응기 외부에 흡착반응기가 설치된 형태의 이산화탄소 포집장치를 도시한 것이다.
도 6은 흡착반응기 또는 탈착반응기의 벽면에 립 터뷸레이터가 설치된 형태의 구조에서 일어나는 열 교환을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 이산화탄소 포집장치에 적용될 수 있는 립 터뷸레이터의 다양한 구성을 나타낸 것이다.
도 8은 연속 링 타입의 립 터뷸레이터와 내부 연속 그루브 타입의 터뷸레이터를 도시한 것이다.
도 9는 립 터뷸레이터에 의하여 발생하는 가스 플로우과 솔리드 플로우의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 조업 중인 고속유동층 반응기에서 반경방향 입자분포를 나타내는 도면이다.
도 11은 돌출부와 함몰부 타입의 터뷸레이터가 설치된 반응기의 벽면에서 열교환이 일어나는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 돌출부와 함몰부의 배치 방법에 대하여 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 돌출부의 시작 부위 경사각이 완만한 형태의 터뷸레이터에서 이루어지는 가스 플로우와 솔리드 플로우의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 함몰부의 시작 부위 경사각이 완만한 형태의 터뷸레이터에서 이루어지는 가스 플로우와 솔리드 플로우의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 립 터뷸레이터가 적용된 반응기에서 립의 높이와 배열 간격을 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 돌출부와 함몰부가 적용된 반응기에서 돌출부의 높이 및 함몰부의 깊이와 배열 간격을 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining the concept of heat exchange between an adsorption reactor and a desorption reactor in the carbon dioxide capture apparatus of the present invention.
FIG. 2 shows a carbon dioxide collecting device in which an adsorption reactor is inserted into a desorption reactor.
FIG. 3 shows a carbon dioxide collecting device in which a plurality of adsorption reactors are inserted into a desorption reactor.
FIG. 4 shows a carbon dioxide collecting apparatus in which a desorption reactor is installed outside and inside of the adsorption reactor.
FIG. 5 shows a carbon dioxide collecting device in which a desorption reactor is installed outside and inside of an adsorption reactor and an adsorption reactor is installed outside the desorption reactor outside.
6 is a view for explaining heat exchange occurring in a structure in which a lip turbulator is installed on the wall surface of an adsorption reactor or desorption reactor.
7 shows various configurations of lip turbulators that can be applied to the carbon dioxide capture device of the present invention.
8 shows a continuous ring type lip turbulator and an inner continuous groove type turbulator.
Fig. 9 is a diagram for explaining a change in gas flow and solid flow caused by the rip turbulator. Fig.
10 is a diagram showing radial particle distribution in a fast fluidized bed reactor in operation;
11 is a view for explaining a process in which heat exchange occurs at a wall surface of a reactor provided with a protruding portion and a depressing type turbulator.
12 is a view for explaining a method of arranging the protruding portion and the depressed portion.
Fig. 13 is a view for explaining a change in the gas flow and the solid flow in the turbulator in which the inclination angle of the starting portion of the projecting portion is gentle.
Fig. 14 is a view for explaining a change in gas flow and solid flow in a turbulator in which the inclination angle of the starting portion of the depressed portion is gentle.
15 is a view for explaining the height of ribs and the spacing between ribs in a reactor to which a rib turbulator is applied.
16 is a view for explaining the height of the protruding portion and the depth and arrangement interval of the depressed portion in the reactor to which the protruding portion and the depressed portion are applied.

본 발명의 이산화탄소 포집장치는 이산화탄소가 포함된 배가스에서 이산화탄소를 선택적으로 분리하기 위한 이산화탄소 포집장치로서, 충진된 이산화탄소 흡착제가 흡착반응기와 탈착반응기를 순환하면서 이산화탄소의 흡착과 이산화탄소 탈착이 연속적으로 일어나는 복수개의 이산화탄소 흡착탈착부를 포함하고, 적어도 하나의 이산화탄소 흡착탈착부의 흡착반응기에서 발생된 흡착열이 다른 이산화탄소 흡탈착부의 탈착반응기로 전달되어 상호 열교환이 이루어지며, 상기 상호 열교환이 이루어지는 흡착반응기가 탈착반응기 내부에 삽입되거나, 탈착반응기가 흡착반응기 내부에 삽입된 것을 특징으로 한다.The carbon dioxide collecting apparatus of the present invention is a carbon dioxide collecting apparatus for selectively separating carbon dioxide from an exhaust gas containing carbon dioxide. The carbon dioxide collecting apparatus includes a plurality of carbon dioxide adsorbing units for continuously adsorbing carbon dioxide and desorbing carbon dioxide Wherein the adsorption heat generated in the adsorption reactor of at least one carbon dioxide adsorption desorption section is transferred to the desorption reactor of the other carbon dioxide adsorption desorption section so that mutual heat exchange is performed and the adsorption reactor in which the mutual heat exchange is performed is inserted into the desorption reactor Or the desorption reactor is inserted into the adsorption reactor.

본 발명은 다단 이산화탄소 건식포집공정 구성을 위한 가스-흡착제 열교환형 유동층 반응기(기포유동층 또는 고속유동층)의 열교환 효율 유지(공정이 대형화될 때) 및 향상을 위한 것이다. 본 발명은 다단 이산화탄소 건식포집공정에서 열교환을 통해 이산화탄소 흡착 반응시 발생되는 반응열 사용효율을 높이기 위한 방법으로서, 다단 이산화탄소 건식포집공정 반응기의 사이즈가 커짐에 따른(scale-up) 공정 구성을 위한 열교환 효율을 유지시킬 수 있다. 보다 구체적으로 본 발명은 다단 이산화탄소 건식포집공정을 위한 다중관형 열교환형 유동층 반응기 구성방법과 반응기 벽면에서의 열전달 향상을 위한 방법으로서, 발열반응이 일어나는 이산화탄소 흡착반응기(carbonation reactor)와 흡열반응이 일어나는 탈착반응기(regeneration reactor) 내부 흡착제와의 접촉면적을 최대화하기 위해 흡착반응기를 여러 개(다중관-다발 형태)로 구성할 수 있다. 또는 발열반응이 일어나는 이산화탄소 흡착반응기를 환형형태로 제작하고 그 반응기 안쪽 면과 바깥쪽 면에 탈착반응기를 설치할 수 있다. 나아가, 이러한 열교환형 유동층 반응기(이중관, 다중관(다발), 환형(삼중관, 사중관)) 벽면에서의 열전달 향상을 위해 반응기 벽면에 열전달 향상장치인 와류형성수단으로서, 립 터뷸레이터(rib turbulator), 그루브 타입 터뷸레이터, 돌출부, 함몰부를 여러 배열로 형성할 수 있다.The present invention is for maintaining heat exchange efficiency (when the process is enlarged) and improving the gas-adsorbent heat exchange type fluidized bed reactor (bubble fluidized bed or fast fluidized bed) for the multi-step carbon dioxide dry collecting process. The present invention relates to a process for the production of carbon dioxide As a method for increasing the use efficiency of the reaction heat generated in the adsorption reaction, it is possible to maintain the heat exchange efficiency for the scale-up process according to the size of the multi-stage carbon dioxide dry-type capture reactor. More particularly, the present invention relates to a method for constructing a multi-tubular heat exchange type fluidized bed reactor for multi-stage carbon dioxide dry collecting process and a method for improving heat transfer on a wall surface of a reactor, which comprises a carbonation reactor in which an exothermic reaction occurs, In order to maximize the contact area with the adsorbent in the regeneration reactor, several adsorption reactors can be constructed (multi tube-bundle type). Or a carbon dioxide adsorption reactor in which an exothermic reaction occurs, may be formed in an annular shape, and a desorption reactor may be installed on the inner and outer surfaces of the reactor. Furthermore, as a vortex forming means, which is a heat transfer enhancement device for improving the heat transfer at the wall surface of the heat exchange type fluidized bed reactor (double tube, multiple tube, annular tube and triple tube) ), Groove type turbulators, protrusions, and depressions may be formed in various arrangements.

아래에서 도면을 이용하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG.

도 1은 본 발명의 이산화탄소 포집장치에서 흡착반응기와 탈착반응기 사이에서 열 교환이 이루어지는 개념을 설명하기 위한 도면이다. 도 1을 참조하면, 이산화탄소 포집장치는 저온, 중온, 고온 스테이지의 3단으로 구성된다. 각 스테이지에서는 흡착제가 이산화탄소의 흡착이 일어나는 반응기와 이산화탄소의 탈착이 일어나는 반응기를 순환하게 되며, 상위 단(stage)의 높은 온도에서의 흡착반응시 발생하는 반응열을 이산화탄소 탈착반응시에 소요되는 에너지로 이용한다. 도면에는 도시하지 않았지만 탈착반응기의 외부에는 열의 외부 유출을 방지하기 위한 보온 수단이 구비될 수 있다.1 is a view for explaining the concept of heat exchange between an adsorption reactor and a desorption reactor in the carbon dioxide capture apparatus of the present invention. Referring to FIG. 1, the carbon dioxide capture device is composed of three stages of low temperature, middle temperature, and high temperature stages. At each stage, the adsorbent circulates through the reactor where the carbon dioxide adsorption occurs and the reactor where the carbon dioxide desorption occurs, and the heat generated during the adsorption reaction at the higher temperature of the upper stage is used as the energy required for the carbon dioxide desorption reaction . Although not shown in the drawing, a heat insulating means for preventing the heat from flowing out to the outside of the desorption reactor may be provided.

도 2는 흡착반응기가 탈착반응기 내부에 삽입된 형태의 이산화탄소 포집장치를 도시한 것이다. 도 2를 참조하면, 이산화탄소 흡착반응기는 이산화탄소 탈착반응기의 내부에 삽입된 형태로 구성되는데, 이때, 흡착반응기의 흡착제가 이산화탄소를 흡착하면서 흡착열이 발생하게 되고, 이 열은 흡착반응기의 벽을 통하여 탈착반응기로 전달되어 흡착제에서 이산화탄소의 탈착이 이루어진다. 이때, 도면에 도시된 흡착반응기와 탈착반응기는 서로 인접한 서로 다른 온도 스테이지의 흡착반응기와 탈착반응기이고, 흡착반응기에 충진된 흡착제와 탈착반응기에 충진된 흡착제는 서로 다른 온도의 이산화탄소 흡착 및 탈착 온도를 가지게 된다. 이를 위하여 서로 다른 온도의 흡착 및 탈착 온도를 가지는 흡착제는 서로 다른 물질로 이루어지거나, 서로 다른 결정질로 이루어질 수 있으며, 서로 다른 도핑물질이 이용되거나, 서로 다른 도핑량을 가질 수 있다. 상호 열 교환이 이루어지는 흡착반응기와 탈착반응기의 구조는 흡착반응기가 탈착반응기의 중심에 삽입되도록 하는 것이 열 교환의 효율상 바람직하다. 도면에서는 흡착반응기가 탈착반응기의 내부에 삽입된 형태의 반응기를 도시하였지만, 탈착반응기가 흡착반응기에 삽입되는 형태로 변형될 수 있으며, 탈착반응기가 흡착반응기의 외면을 감싸거나, 흡착반응기가 탈착반응기의 외면을 감싸는 형태라면 다양한 형태로 반응기의 구조가 변형될 수 있다.FIG. 2 shows a carbon dioxide collecting device in which an adsorption reactor is inserted into a desorption reactor. Referring to FIG. 2, the carbon dioxide adsorption reactor is inserted into a carbon dioxide desorption reactor. At this time, the adsorbent of the adsorption reactor adsorbs carbon dioxide and generates heat of adsorption. The heat is desorbed through the adsorption reactor wall And the carbon dioxide is desorbed from the adsorbent. At this time, the adsorption reactor and the desorption reactor shown in the figure are adsorption reactors and desorption reactors of different temperature stages adjacent to each other, and the adsorbent filled in the adsorption reactor and the adsorbent loaded in the desorption reactor have different adsorption and desorption temperatures of carbon dioxide I have. For this purpose, the adsorbent having adsorption and desorption temperatures at different temperatures may be made of different materials, different crystalline materials, different doping materials, or different amounts of doping. The structure of the adsorption reactor and the desorption reactor in which mutual heat exchange is performed is preferable in terms of heat exchange efficiency so that the adsorption reactor is inserted into the center of the desorption reactor. Although the adsorber reactor is illustrated as being inserted into the desorption reactor, the desorption reactor may be modified to be inserted into the adsorption reactor, the desorption reactor may surround the outer surface of the adsorption reactor, The structure of the reactor can be modified in various forms.

도 3은 복수개의 흡착반응기가 탈착반응기의 내부에 삽입된 형태의 이산화탄소 포집장치를 도시한 것이다. 도 3을 참조하면, 흡착반응기는 복수개의 관형반응기로 이루어지고, 탈착 반응기의 내부에 삽입된 형태로 설치된다. 이때, 흡착반응기에서 발생된 열이 탈착반응기로 전달되는 것을 도 2에서 설명된 것과 동일하지만, 흡착반응기의 외부 면적이 보다 증가하여 열교환 효율이 향상될 수 있다. 흡착반응기의 개수는 다양하게 변화시킬 수 있고, 흡착반응기의 배치 형태 또한 열교환 효율을 고려하여 다양하게 변화시킬 수 있다. 또한 열교환 효율을 고려하여 흡착반응기의 직경을 서로 다르게 설계할 수도 있다. 이러한 형태의 반응기는 반응기의 대형화에 유리하다. 반응기의 직경이 커지면 열교환이 일어나는 면적도 증가되어야 하기 때문이다. 탈착반응기의 내부에 삽입되는 복수개의 흡착반응기는 탈착반응기의 내부에 균일하게 분포되도록 삽입되는 것이 열교환 효율을 고려하여 바람직하다.FIG. 3 shows a carbon dioxide collecting device in which a plurality of adsorption reactors are inserted into a desorption reactor. Referring to FIG. 3, the adsorption reactor comprises a plurality of tubular reactors, and is installed in the interior of the desorption reactor. At this time, the heat generated in the adsorption reactor is transferred to the desorption reactor, but the outer area of the adsorption reactor is increased to improve the heat exchange efficiency. The number of adsorption reactors can be varied and the arrangement of the adsorption reactors can be varied in various ways in consideration of heat exchange efficiency. Also, the diameters of the adsorption reactors may be designed differently considering the heat exchange efficiency. This type of reactor is advantageous for enlarging the size of the reactor. As the diameter of the reactor increases, the area of heat exchange must also increase. The plurality of adsorption reactors inserted into the desorption reactor are preferably uniformly distributed in the desorption reactor in consideration of the heat exchange efficiency.

도 4는 흡착반응기의 외부와 내부에 탈착반응기가 설치된 형태의 이산화탄소 포집장치를 도시한 것이다. 도 4를 참조하면, 흡착반응기는 환형으로 이루어지고, 흡착반응기의 외부에 보다 큰 직경의 환형 탈착반응기가 설치되고, 흡착반응기의 내부 공간에 관형의 탈착반응기가 설치되어 있다. 이러한 구현예에서도 흡착반응기에서 발생된 열이 탈착반응기로 전달되는 것은 도 3 및 도 4와 유사하지만, 흡착반응기의 내부와 외부에서 열 교환이 이루어지므로 열교환 효율이 향상될 수 있다. 도면에는 도시하지 않았지만, 도 3에 도시된 본 발명의 구현예와 도 4에 도시된 구현예가 결합된 형태, 즉 내부에 탈착반응기가 설치된 환형의 흡착반응기가 복수개로 구성되고, 이들 흡착반응기가 탈착반응기에 삽입된 형태로 설치된 이산화탄소 포집장치를 구성하는 것도 가능하다. FIG. 4 shows a carbon dioxide collecting apparatus in which a desorption reactor is installed outside and inside of the adsorption reactor. Referring to FIG. 4, the adsorption reactor is annular, an annular desorption reactor having a larger diameter is installed outside the adsorption reactor, and a tubular desorption reactor is installed in the inner space of the adsorption reactor. Also in this embodiment, the heat generated in the adsorption reactor is transferred to the desorption reactor, which is similar to that of FIGS. 3 and 4, but the heat exchange efficiency can be improved since the heat exchange is performed inside and outside the adsorption reactor. Although not shown in the drawings, the embodiment of the present invention shown in FIG. 3 and the embodiment shown in FIG. 4 are combined, that is, in the form of a plurality of annular adsorption reactors provided with desorption reactors therein, It is also possible to constitute a carbon dioxide collecting apparatus installed in a form inserted into the reactor.

도 5는 흡착반응기의 외부와 내부에 탈착반응기가 설치되고, 다시 외부의 탈착반응기 외부에 흡착반응기가 설치된 형태의 이산화탄소 포집장치를 도시한 것이다. 도 5를 참조하면, 흡착반응기와 탈착반응기가 순차적으로 삽입된 형태로 이루어지며, 흡착반응기에서 탈착반응기로 열의 이동이 이루어진다. 도면에는 도시하지 않았지만, 흡착반응기와 탈착반응기의 인접 설치 개수는 증가시킬 수 있으며, 이는 반응기가 대형화되는 경우에 더욱 필요할 수 있다. 또한, 이러한 구조의 반응기에 도 3에 도시된 형태의 다발 흡착반응기가 적용될 수도 있다.FIG. 5 shows a carbon dioxide collecting device in which a desorption reactor is installed outside and inside of an adsorption reactor and an adsorption reactor is installed outside the desorption reactor outside. Referring to FIG. 5, the adsorption reactor and the desorption reactor are sequentially inserted, and heat is transferred from the adsorption reactor to the desorption reactor. Although not shown in the drawings, the number of adjacent adsorption reactors and desorption reactors can be increased, which may be more necessary when the reactor is large-sized. Also, a bundle adsorption reactor of the type shown in Fig. 3 may be applied to the reactor having such a structure.

도 6은 흡착반응기 또는 탈착반응기의 벽면에 립 터뷸레이터가 설치된 형태의 구조에서 일어나는 열 교환을 설명하기 위한 도면이다. 도 6의 (가)는 립 터뷸레이터가 형성되지 않은 구조의 반응기이고, (나)는 립 터뷸레이터가 형성된 구조의 반응기이다. 도 6의 (가)를 참조하면, 흡착반응기의 온도는 탈착반응기의 온도보다 높게 구동되며, 흡착반응기의 벽면 또는 탈착반응기의 벽면을 따라 형성된 온도 차이에 의하여 열의 흐름이 발생한다. 도 6의 (나)를 참조하면, 흡착반응기의 벽면 또는 탈착반응기의 벽면에는 립 터뷸레이터가 설치되어 있다. 립 터뷸레이터는 벽면에서 돌출된 형태로 이루어지는데, 반응기 내부에서 일어나는 가스의 흐름 및 흡착제의 흐름에 와류를 형성하여 흡착제 또는 기체에서 열이 반응기의 벽면으로 효과적으로 전달되도록 하는 기능과, 열전달이 이루어지는 벽면의 표면적을 증가시켜서 열교환 효율을 향상시키는 기능을 한다. 6 is a view for explaining heat exchange occurring in a structure in which a lip turbulator is installed on the wall surface of an adsorption reactor or desorption reactor. 6 (A) is a reactor having a structure in which no rib turbulators are formed, and Fig. 6 (B) is a reactor having a rib turbulator formed therein. Referring to FIG. 6 (a), the temperature of the adsorption reactor is driven higher than the temperature of the desorption reactor, and heat flow occurs due to the temperature difference formed along the wall surface of the adsorption reactor or the wall surface of the desorption reactor. Referring to FIG. 6 (B), a lip turbulator is provided on the wall of the adsorption reactor or on the wall of the desorption reactor. The rib turbulators are protruded from the wall surface. The rib turbulators form a vortex flow in the flow of the gas and the adsorbent inside the reactor to effectively transfer heat from the adsorbent or the gas to the wall surface of the reactor. Thereby improving the heat exchange efficiency.

도 7은 본 발명의 이산화탄소 포집장치에 적용될 수 있는 립 터뷸레이터의 구성을 나타낸 것이다. 도 7을 참조하면, 도 7의 (가)는 반응기의 외부면 또는 내부면에 립 터뷸레이터가 길이방향으로 나란하게 연속적으로 형성된 구조를 나타낸 것이고(inlined array, continuous rib), (나)는 립 터뷸레이터가 나란하게 끊어진 형태로 형성된 구조이며(inlined array, discreted rib), (다)는 립 터뷸레이터가 엇갈린 형태로 형성된 구조이며(Staggered array), (라)는 립 터뷸레이터가 경사를 가지고 아래쪽에서 꺾인 형태로 연속적으로 형성된 구조이며(Angled array, continuous rib), (마)는 립 터뷸레이터가 경사를 가지고 꺾이고 끊어진 형성된 구조이며(Angled array, discreted rib), (바)는 립 터뷸레이터가 경사를 가지고 꺾이면서 엇갈리고 끊어진 형성된 구조이며(Angled array, discreted rib), (사)는 립 터뷸레이터가 경사를 가지고 위쪽에서 꺾인 형태로 연속적으로 형성된 구조이며(Angled array, continuous rib), (아)는 립 터뷸레이터가 경사를 가지고 위쪽에서 꺾이고 끊어진 형태로 연속적으로 형성된 구조이며(Angled array, continuous rib), (자)는 립 터뷸레이터가 경사를 가지고 꺾이면서 엇갈리고 연속된 형성된 구조이며(Angled array, continuous rib), (차)는 립 터뷸레이터가 기울기를 가지는 형태로 연속적으로 형성된 구조이며(Diagonal array, continuous rib), (카)는 립 터뷸레이터가 기울기를 가지는 형태로 끊어진 형성된 구조이고(Diagonal array, continuous rib), (타)는 립 터뷸레이터가 연속 수직 형태로 형성된 구조이며(Vertical array, continuous rib), (하)는 립 터뷸레이터가 끊어진 수직 형태로 형성된 구조이다(Vertical array, discreted rib). 각각의 실시 형태는 흡착제의 밀도, 크기, 온도 등을 고려하여 선택하거나 결합시킬 수 있다. 도 7의 (거)를 참조하면, 립 터뷸레이터의 단면 구조 또한 다양하게 구성이 가능한데, 립 터뷸레이터의 단면은 사각형, 사다리꼴, 삼각형, 원형으로 이루어지거나, 상기 도형에서 모서리가 둥글게 변형된 형태로 이루어질 수 있다.7 shows a configuration of a lip turbulator that can be applied to the carbon dioxide capture device of the present invention. Referring to FIG. 7, (a) of FIG. 7 shows a structure in which rib turbulators are formed continuously on the outer surface or the inner surface of the reactor in parallel in the longitudinal direction (inlined array, continuous rib) The turbulators are formed in a side-by-side configuration (inlined array, discreted rib), (c) is a structure in which the rib turbulators are formed in a staggered array, (d) Angled array, discrete ribs, and ribs (ribs) are formed continuously in the form of an angled array, continuous rib, and a rib turbulator, (Angled array, discreted rib), and (G) Angle array, conti. The rib turbulator is a continuous structure formed by inclining from top to bottom. (a) is a structure in which a rib turbulator is formed in an inclined form and is continuously formed in an angled array (continuous rib), and (b) a rib turbulator is formed by a rib- The angled array, continuous rib, and (tee) are the structures in which the rib turbulators are formed in a continuous shape with a slope (diagonal array, continuous rib), and the rib turbulator has a slope A vertical rib structure is formed by a vertical rib structure (vertical array, continuous rib) and a vertical rib structure (rib structure). (Vertical array, discreted rib). Each embodiment can be selected or combined in consideration of the density, size, temperature, etc. of the adsorbent. 7, the cross-sectional structure of the rib turbulator may be variously configured. The rib turbulator may have a rectangular, trapezoidal, triangular, or circular cross-section, or may have a rounded corners Lt; / RTI >

도 8은 연속 링 타입 립의 터뷸레이터와 내부 연속 그루브 타입의 터뷸레이터를 도시한 것이다. 도 8의 (가)는 이산화탄소 흡착반응기의 외부에 연속 링 타입의 립 터뷸레이터(continuous ring shape rib turbulator)가 형성된 형태를 나타낸 것이고, (나)는 이산화탄소 흡착반응기의 내부에 연속 그루브 타입의 터뷸레이터(continuous groove)가 형성된 형태를 나타낸 것이다. 연속 링 타입의 립 터뷸레이터나 연속 그루브 타입의 터뷸레이터는 평행하게 형성된 복수개의 링 형태이거나 나선형으로 연결된 형태일 수 있다. 외부 연속 링 타입의 립 터뷸레이터는 이산화탄소 탈착반응기 내부의 흡착제 흐름에 변화를 줄 수 있고, 내부 연속 그루브 타입의 터뷸레이터는 흡착반응기 내부의 흡착제 흐름에 변화를 줄 수 있다. 이와 같은 연속형 립 터뷸레이터와 그루브 타입 터뷸레이터는 코어-애뉼라(core-annular) 형태의 입자분포가 나타나는 고속유동층 반응기에서 벽 근처에서의 입자들(cluster 형태)의 잔류 시간(residence time)과 접촉율을 높여 베드-투-월(bed-to-wall) 또는 월-투-베드(wall-to-bed) 열전달 특성을 향상 시킬 수 있다. 8 shows a turbulator of a continuous ring type lip and a turbulator of an inner continuous groove type. FIG. 8 (a) shows a continuous ring type rib turbulator formed outside the carbon dioxide adsorption reactor, FIG. 8 (b) shows a continuous groove type turbulator in the carbon dioxide adsorption reactor, (continuous groove) is formed. A continuous ring type lip turbulator or a continuous groove type turbulator may be in the form of a plurality of rings formed in parallel or spirally connected. External continuous ring type lip turbulators can change the adsorbent flow inside the carbon dioxide desorption reactor and internal continuous groove type turbulators can change the adsorbent flow inside the adsorption reactor. Such continuous-type rib turbulators and grooved turbulators can be classified into residence time of particles in the vicinity of the wall in a fast fluidized bed reactor in which core-annular particle distribution is exhibited, The contact rate can be increased to improve the bed-to-wall or wall-to-bed heat transfer characteristics.

도 9는 립 터뷸레이터에 의하여 발생하는 가스 플로우와 솔리드 플로우의 변화를 설명하기 위한 도면이다. 도 9의 (가)는 높은 밀도 베드(기포 유동층) 타입의 반응기에 대한 도면이고, (나)는 낮은 밀도 베드(고속 유동층) 타입의 반응기에 관한 도면이다. 도 9의 (가)를 참조하면, 흡착제는 반응기 내부에 높은 밀도로 채워지고, 흡착제의 흐름인 솔리드 플로우(solid flow)는 위에서 아래쪽으로 이루어지는데, 립 터뷸레이터에 접촉하면서 흡착제가 이동하게 되고, 따라서 열 교환에 필요한 시간이 길어지고 열 교환에 필요한 접촉 면적도 증가하여 결과적으로 열 교환 효율이 향상된다. 또한 솔리드 플로우와 반대방향으로 형성되는 가스 플로우(gas flow)도 립 터뷸레이터 근처에서 와류가 형성된다. 도 9의 (나)를 참조하면, 흡착제는 반응기 내부에 낮은 밀도로 채워져서 흡착제 사이에 빈 공간이 존재하면서 반응기 내부에서 이동하게 되는데(클러스트 형태로 이동 가능), 이때에도 립 터뷸레이터와의 접촉이나 와류생성에 의해 클러스터 형태의 흡수제들이 분리될 확률이 높아지면서 열 교환이 보다 효율적으로 일어날 수 있다.9 is a view for explaining a change in gas flow and solid flow caused by the rip turbulator. 9 (a) is a view of a reactor of a high density bed (bubble fluidized bed) type, and (b) is a view of a reactor of a low density bed (fast fluidized bed) type. 9 (a), the adsorbent is filled in the reactor at a high density, and the solid flow, which is the flow of the adsorbent, is made from the top to the bottom. The adsorbent moves while contacting the lip turbulator, Therefore, the time required for heat exchange is increased and the contact area required for heat exchange is increased, resulting in improvement of heat exchange efficiency. Also, the gas flow formed in the opposite direction to the solid flow also forms a vortex near the lip turbulator. Referring to FIG. 9 (B), the adsorbent is filled in the reactor at a low density so that there is an empty space between the adsorbents, and the adsorbent is moved inside the reactor (movable in the form of a cluster) And the generation of vortexes increases the probability that the adsorbents in cluster form will be separated, and heat exchange can occur more efficiently.

도 10은 조업 중인 고속유동층 반응기에서 반경방향 입자분포를 나타내는 도면이다(Wirth and Seiter, 1991). 반응기 벽면에 약 0.2~0.9 mm의 얇은 공기층(approximately particle free zone)이 존재하게 되어 입자들(클러스터나 strand형태-annuls region)에 의한 열전달에 저항으로 작용하게 된다. 따라서 반응기 벽면에 구조물설치를 통해 와류 생성을 유도하여 벽면의 얇은 공기층을 깨뜨리거나 입자들의 분포가 높은 영역(wall region with falling strands)에 돌출부 형태 구조물을 설치하여 입자들과의 반응기와의 접촉 확률을 높이거나 입자들의 체류 시간(residence time)을 높여 열전달 증가가 가능하다. 10 is a diagram showing radial particle distribution in a fast flowing fluid bed reactor in operation (Wirth and Seiter, 1991). There is an approximately 0.2-0.9 mm approximately particle free zone on the wall of the reactor, which acts as a resistance to heat transfer by particles (cluster or strand-annulus region). Therefore, it is possible to induce the vortex generation through the structure installation on the wall of the reactor, breaking the thin air layer of the wall, or installing the projecting structure on the wall region with falling strands, It is possible to increase the heat transfer by increasing the residence time of the particles.

도 11은 돌출부와 함몰부 타입의 립 터뷸레이터에서 열교환이 일어나는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 11의 (가)는 흡착반응부와 탈착반응부 사이를 경계 짓는 벽면에 함몰부가 형성된 경우이고, (나)는 흡착반응부와 탈착반응부 사이를 경계 짓는 벽면에 돌출부가 형성된 경우이다. 돌출부 또는 함몰부에 의하여 흡착제와의 접촉면적이 증가하며, 와류 형성에 의하여 열전달 효율도 증가될 수 있다. 도면에는 도시하지 않았지만, 흡착반응기나 탈착반응기의 표면에 돌출부와 함몰부를 함께 형성할 수 있고, 흡착반응기에는 돌출부를 형성하고 탈착반응기에는 함몰부를 형성하는 것도 가능하며, 그 반대의 조합도 가능하다.11 is a view for explaining the process of heat exchange in the protruding portion and the depressurizing type lip turbulator. 11 (A) shows a case where a depression is formed on a wall surface bounding the adsorption reaction part and a desorption reaction part, and (B) shows a case where a protrusion is formed on a wall surface that border the adsorption reaction part and the desorption reaction part. The contact area with the adsorbent is increased by the projecting portion or the depressed portion, and the heat transfer efficiency can be increased by the vortex formation. Although not shown in the drawings, protrusions and depressions may be formed on the surface of the adsorption reactor or the desorption reactor, the protrusions may be formed in the adsorption reactor, depressions may be formed in the desorption reactor, or vice versa.

도 12는 돌출부와 함몰부의 배치 방법에 대하여 설명하기 위한 도면이다. 도 12를 참조하면, 반응기에 형성되는 돌출부와 함몰부의 배치는 (가)와 같이 돌출부와 함몰부를 동일한 수평 라인에 형성하고 길이방향으로 교번하여 형성하는 경우도 가능하고, (나)와 같이 수평 라인과 길이 방향으로 교번하여 형성하는 것도 가능하다. 또한, 반응기에 길이 방향으로 형성되는 온도차를 고려하여 돌출부와 함몰부의 형성 밀도 및 형성 크기 등을 변화시키는 것도 가능하다.12 is a view for explaining a method of arranging the protruding portion and the depressed portion. 12, the protrusions and depressions formed in the reactor may be formed by forming protrusions and depressions in the same horizontal line and alternately in the longitudinal direction as shown in (a) Or alternately in the longitudinal direction. It is also possible to change the formation density and the formation size of the protrusions and the depressions in consideration of the temperature difference formed in the longitudinal direction in the reactor.

도 13은 돌출부의 시작 부위 경사각이 완만한 형태의 돌출부 터뷸레이터(protrusion)에서 이루어지는 가스 플로우와 솔리드 플로우의 변화를 설명하기 위한 도면이다. 도 13의 (가)는 높은 밀도 베드(기포 유동층)에서 일어나는 현상이고, (나)는 낮은 밀도 베드(고속 유동층)에서 일어나는 현상이다. 돌출부의 경사를 따라 가스 플로우와 솔리드 플로우에 와류가 발생한다. 고속유동층에서는 클러스터 혹은 스트랜즈(strands) 형태의 입자들 그룹이 돌출부 근처를 이동(down flow)하면서 돌출부에 의한 와류에 의해 입자 그룹을 분리시켜 단일 입자들과 벽면과의 열전달을 높일 수 있다. 돌출부의 시작 부위 경사각이 완만하게 형성되므로 돌출부와의 충돌 각도가 작아지고, 따라서 흡착제가 충돌에 의하여 깨지는 것을 방지할 수 있다. Fig. 13 is a view for explaining a change in the gas flow and the solid flow in the convex protuberance of the gentle inclination angle of the starting portion of the projection. Fig. 13A is a phenomenon occurring in a high density bed (bubble fluidized bed), and FIG. 13B is a phenomenon occurring in a low density bed (fast fluidized bed). Vortices are generated in the gas flow and the solid flow along the inclination of the protrusion. In the fast fluidized bed, a group of clusters or strands of the particles move downward near the protrusions while separating the groups of particles by the eddies of the protrusions, thereby increasing the heat transfer between the single particles and the wall. Since the inclination angle of the starting portion of the projecting portion is gently formed, the collision angle with the projecting portion becomes small, and thus the adsorbent can be prevented from being broken by the collision.

도 14는 함몰부의 시작 부위 경사각이 완만한 형태의 함몰부 터뷸레이터(dimple)에서 이루어지는 가스 플로우와 솔리드 플로우의 변화를 설명하기 위한 도면이다. 도 14의 (가)는 높은 밀도 베드(기포 유동층)에서 일어나는 현상이고, (나)는 낮은 밀도 베드(고속 유동층)에서 일어나는 현상이다. 함몰부의 경사를 따라 가스 플로우와 솔리드 플로우에 와류가 발생한다. 또한 접촉면적의 증가로 이해 열전달 증가를 기대 할 수 있다. 함몰부의 시작 부위 경사각이 완만하게 형성되므로 흡착제가 충돌에 의하여 깨지는 것을 방지할 수 있다. Fig. 14 is a view for explaining a change in gas flow and solid flow in a depression turbulator having a gentle inclination angle of a starting portion of a depressed portion. 14 (a) is a phenomenon occurring in a high density bed (bubble fluidized bed), and (b) is a phenomenon occurring in a low density bed (fast fluidized bed). Vortices occur in the gas flow and the solid flow along the slope of the depression. In addition, an increase in the contact area can be expected to increase the heat transfer. It is possible to prevent the adsorbent from being broken by the collision because the inclination angle of the starting portion of the depressed portion is gently formed.

도 15는 립 터뷸레이터가 적용된 반응기에서 립의 높이와 배열 간격을 설명하기 위한 도면이다. 립의 높이(e)는 고속 유동층 운전 중 발생하는 반응기 벽면과 흡착제 그룹(annulus) 사이의 공기층 두께(0.2~0.9mm) 이상의 높이인 것이 바람직하고, 흡수제의 소모(attrition)를 줄이기 위하여 일정 이상의 높이는 초과하지 않는 것이 바람직하다. 이러한 요인들을 고려하면, 적절한 립의 높이는 흡착제 직경 대비 약 1~10배인 것이 바람직하다(Geldart group A 입자: 평균 흡착제 직경 100~200마이크로미터). 립의 바람직한 배열 간격(P)은 2 ≤ P/e ≤ 100 인 것이 바람직하다. 상기 배열 간격은 립 사이에 입자의 침투 또는 유동의 재부착을 위해 필요한 간격이며, 입자의 침투와 유동의 재부착은 열전달을 향상시킬 수 있다. 설치되는 립의 형태는 흡착제의 소모를 줄이기 위하여 부드러운(smooth) 곡면 형태(round)로 이루어지는 것이 바람직하고, 흡착제의 소모 또는 파괴를 줄이기 위하여 연성의 재료로 이루어질 수 있다.15 is a view for explaining the height of ribs and the spacing between ribs in a reactor to which a rib turbulator is applied. The height (e) of the lip is preferably at least as high as the air layer thickness (0.2-0.9 mm) between the reactor wall surface and the adsorbent group (annulus) generated during the operation of the fast fluidized bed, and the height above a certain level It is preferable not to exceed. Given these factors, the height of the appropriate lip is preferably about 1 to 10 times the diameter of the adsorbent (Geldart group A particles: mean adsorbent diameter 100-200 micrometers). The preferred arrangement interval P of the ribs is preferably 2 < = P / e < = 100. The arrangement interval is a gap necessary for the infiltration of particles or the reattaching of the flow between the ribs, and the infiltration of the particles and the reattaching of the flow can improve the heat transfer. The shape of the lip to be installed is preferably made of a smooth round in order to reduce the consumption of the adsorbent and may be made of a soft material in order to reduce consumption or destruction of the adsorbent.

도 16은 돌출부와 함몰부가 적용된 반응기에서 돌출부의 높이 및 함몰부의 깊이와 배열 간격을 설명하기 위한 도면이다. 돌출부의 높이(e)는 고속 유동층 운전 중 발생하는 반응기 벽면과 흡착제 그룹(annulus) 사이의 공기층 두께(0.2~0.9mm) 이상의 높이인 것이 바람직하고, 흡수제의 소모(attrition)를 줄이기 위하여 일정 이상의 높이는 초과하지 않는 것이 바람직하다. 이러한 요인들을 고려하면, 적절한 돌출부의 높이는 흡착제 직경 대비 약 1~10배인 것이 바람직하다(Geldart group A 입자: 평균 흡착제 직경 100~200마이크로미터). 함몰부의 깊이는 돌출부의 높이와 동일하게 설계할 수 있다. 돌출부와 함몰부의 의 바람직한 배열 간격(P)은 2 ≤ P/e ≤ 100 인 것이 바람직하다. 상기 배열 간격은 립 사이에 입자의 침투 또는 유동의 재부착을 위해 필요한 간격이며, 입자의 침투와 유동의 재부착은 열전달을 향상시킬 수 있다. 설치되는 돌출부 및 함몰부의 형태는 흡착제의 소모를 줄이기 위하여 부드러운(smooth) 곡면 형태(round)로 이루어지는 것이 바람직하고, 흡착제의 소모 또는 파괴를 줄이기 위하여 연성의 재료로 이루어질 수 있다.16 is a view for explaining the height of the protruding portion and the depth and arrangement interval of the depressed portion in the reactor to which the protruding portion and the depressed portion are applied. The height e of the protrusion is preferably at least as high as the thickness of the air layer between the wall of the reactor and the annulus formed during the operation of the fast fluidized bed (0.2-0.9 mm), and a height above a certain height to reduce attrition of the absorbent It is preferable not to exceed. Given these factors, the height of the appropriate protrusions is preferably about 1 to 10 times the diameter of the adsorbent (Geldart group A particles: mean adsorbent diameter 100-200 micrometers). The depth of the dimples can be designed to be the same as the height of the protrusions. Preferably, the spacing P between the protrusions and depressions is 2 < / = P / e < / = 100. The arrangement interval is a gap necessary for the infiltration of particles or the reattaching of the flow between the ribs, and the infiltration of the particles and the reattaching of the flow can improve the heat transfer. The shape of the protrusions and depressions to be installed is preferably a smooth round shape in order to reduce the consumption of the adsorbent and may be made of a soft material in order to reduce consumption or destruction of the adsorbent.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 일 구현 예를 이용하여 설명한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에서 설명된 구현 예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 구현 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the invention. Therefore, the embodiments described in the present invention are not intended to limit the scope of the present invention but to limit the scope of the present invention. The scope of protection of the present invention should be construed according to the claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.

Claims (9)

이산화탄소가 포함된 배가스에서 이산화탄소를 선택적으로 분리하기 위한 이산화탄소 포집장치에 있어서,
충진된 이산화탄소 흡착제가 흡착반응기와 탈착반응기를 순환하면서 이산화탄소의 흡착과 이산화탄소 탈착이 연속적으로 일어나는 복수개의 이산화탄소 흡착탈착부를 포함하고, 적어도 하나의 이산화탄소 흡착탈착부의 흡착반응기에서 발생된 흡착열이 다른 이산화탄소 흡탈착부의 탈착반응기로 전달되어 상호 열교환이 이루어지며,
상기 상호 열교환이 이루어지는 흡착반응기가 탈착반응기 내부에 삽입되거나, 탈착반응기가 흡착반응기 내부에 삽입된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치.A carbon dioxide trapping apparatus for selectively separating carbon dioxide from an exhaust gas containing carbon dioxide,
And a plurality of carbon dioxide adsorption / desorption units in which the charged carbon dioxide adsorbent circulates through the adsorption reactor and the desorption reactor, wherein the adsorption heat of the adsorption reactor of at least one carbon dioxide adsorption desorption unit is different from the adsorption heat of the other carbon dioxide adsorption / desorption And is transferred to a negative desorption reactor to perform mutual heat exchange,
Wherein the adsorption reactor in which the mutual heat exchange is performed is inserted into the desorption reactor or the desorption reactor is inserted into the adsorption reactor. 청구항 1에 있어서,
상기 상호 열교환이 이루어지는 흡착반응기는 탈착반응기의 중심에 삽입되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치.The method according to claim 1,
Wherein the adsorption reactor in which the mutual heat exchange is performed is inserted in the center of the desorption reactor. 청구항 1에 있어서,
상기 상호 열교환이 이루어지는 흡착반응기는 복수개의 다발로 이루어지고, 상기 복수개의 다발로 이루어진 흡착반응기가 탈착반응기 내부에 균일하게 삽입되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치.The method according to claim 1,
Wherein the adsorption reactor in which the mutual heat exchange is performed is made of a plurality of bundles, and the adsorption reactor comprising the plurality of bundles is uniformly inserted into the desorption reactor. 청구항 1에 있어서,
상기 탈착반응기 내부에 삽입된 흡착반응기의 내부에 다른 이산화탄소 흡착탈착부의 탈착반응기가 삽입되거나,
상기 흡착반응기가 내부에 삽입된 탈착반응기의 내부에 다른 이산화탄소 흡착탈착부의 흡착반응기가 삽입된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치.The method according to claim 1,
A desorption reactor of another carbon dioxide adsorption / desorption unit is inserted into the adsorption reactor inserted into the desorption reactor,
Wherein an adsorption reactor of another carbon dioxide adsorption / desorption unit is inserted into the desorption reactor having the adsorption reactor inserted therein. 청구항 1에 있어서,
상기 상호 열교환이 이루어지는 흡착반응기 또는 탈착반응기의 벽면에 와류형성수단이 형성된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치.The method according to claim 1,
Wherein vaporizing means is formed on a wall surface of the adsorption reactor or desorption reactor in which the mutual heat exchange is performed. 청구항 1에 있어서,
상기 상호 열교환이 이루어지는 흡착반응기 또는 탈착반응기의 벽면에 돌출부 또는 함몰부가 형성된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치.The method according to claim 1,
Wherein a protrusion or depression is formed on a wall surface of the adsorption reactor or the desorption reactor in which the mutual heat exchange is performed. 이산화탄소가 포함된 배가스에서 이산화탄소를 선택적으로 분리하기 위한 이산화탄소 포집장치에 있어서,
충진된 이산화탄소 흡착제가 흡착반응기와 탈착반응기를 순환하면서 이산화탄소의 흡착과 이산화탄소 탈착이 연속적으로 일어나는 복수개의 이산화탄소 흡착탈착부를 포함하고, 적어도 하나의 이산화탄소 흡착탈착부의 흡착반응기에서 발생된 흡착열이 다른 이산화탄소 흡탈착부의 탈착반응기로 전달되어 상호 열교환이 이루어지며,
상기 흡착반응기와 탈착반응기는 관형으로 이루어지고, 상기 상호 열교환이 이루어지는 흡착반응기가 탈착반응기의 외면을 감싸거나, 상기 탈착반응기가 흡착반응기의 외면을 감싸도록 설치되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치.A carbon dioxide trapping apparatus for selectively separating carbon dioxide from an exhaust gas containing carbon dioxide,
And a plurality of carbon dioxide adsorption / desorption units in which the charged carbon dioxide adsorbent circulates through the adsorption reactor and the desorption reactor, wherein the adsorption heat of the adsorption reactor of at least one carbon dioxide adsorption desorption unit is different from the adsorption heat of the other carbon dioxide adsorption / desorption And is transferred to a negative desorption reactor to perform mutual heat exchange,
Wherein the adsorption reactor and the desorption reactor are in the form of a tube and the adsorption reactor in which the mutual heat exchange is performed surrounds the outer surface of the desorption reactor or the desorption reactor surrounds the outer surface of the adsorption reactor. 청구항 7에 있어서,
상기 흡착반응기 또는 탈착반응기의 외면 또는 내면에 돌출부 또는 함몰부가 형성된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치.The method of claim 7,
Wherein a protruding portion or a depressed portion is formed on an outer surface or an inner surface of the adsorption reactor or the desorption reactor. 이산화탄소가 포함된 배가스에서 이산화탄소를 선택적으로 분리하기 위한 이산화탄소 포집장치에 있어서,
충진된 이산화탄소 흡착제가 흡착반응기와 탈착반응기를 순환하면서 이산화탄소의 흡착과 이산화탄소 탈착이 연속적으로 일어나는 복수개의 이산화탄소 흡착탈착부를 포함하고, 적어도 하나의 이산화탄소 흡착탈착부의 흡착반응기에서 발생된 흡착열이 다른 이산화탄소 흡탈착부의 탈착반응기로 전달되어 상호 열교환이 이루어지며,
상기 상호 열교환이 이루어지는 흡착반응기와 탈착반응기에 와류를 형성하기 위한 돌출부 또는 함몰부가 형성된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치.A carbon dioxide trapping apparatus for selectively separating carbon dioxide from an exhaust gas containing carbon dioxide,
And a plurality of carbon dioxide adsorption / desorption units in which the charged carbon dioxide adsorbent circulates through the adsorption reactor and the desorption reactor, wherein the adsorption heat of the adsorption reactor of at least one carbon dioxide adsorption desorption unit is different from the adsorption heat of the other carbon dioxide adsorption / desorption And is transferred to a negative desorption reactor to perform mutual heat exchange,
Wherein the adsorption reactor in which the mutual heat exchange is performed and the protrusion or depression for forming a vortex in the desorption reactor are formed.
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