KR101480683B1

KR101480683B1 - 이산화탄소 흡수제 분무 다중 노즐 및 이를 포함하는 이산화탄소 포집 장치

Info

Publication number: KR101480683B1
Application number: KR20130079815A
Authority: KR
Inventors: 이진원; 최문경; 임영복
Original assignee: 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2013-07-08
Filing date: 2013-07-08
Publication date: 2015-01-21

Abstract

본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제 분무 다중 노즐은 이산화탄소 포집 반응기 내부로 이산화탄소 흡수제를 분무하는 다중 노즐로서, 하나의 흡수제 공급 배관에 연결되되 상기 반응기 내부의 서로 다른 방향으로 출구가 형성된 복수 개의 서브 노즐을 포함하며, 상기 복수 개의 서브 노즐은 각각 흡수제의 분무량 및 분무속도가 개별 제어되는 것을 특징으로 한다.

Description

이산화탄소 흡수제 분무 다중 노즐 및 이를 포함하는 이산화탄소 포집 장치{a multi-nozzle to spray carbon dioxide sorbents and a apparatus for trapping carbon dioxide including it}

본 발명은 이산화탄소 포집 장치의 흡수제 분무 노즐 및 이를 포함하는 이산화탄소 포집 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이산화탄소 포집 효율을 향상시키기 위하여 다중 노즐의 각 서브 노즐을 개별 제어하여 흡수제 액적의 최적 시공간분포를 가지도록 흡수제를 분무하는 이산화탄소 흡수제 분무 노즐 및 이를 포함하는 이산화탄소 포집 장치에 관한 것이다.

최근 지구온난화의 원인 물질인 온실가스를 포집하고 저장하는 노력이 국제적으로 경주되고 있으며, 이 중 이산화탄소의 포집 및 회수기술은 크게 i) 연소 전, ii) 연소 후, iii) 순산소 연소 방식으로 분류된다고 볼 수 있다.

먼저, 연소 전 포집기술은 화석연료를 부분산화(가스화) 또는 개질화하여 수소와 일산화탄소를 생산한 다음, 수성가스변위반응(Water-Gas Shift Reaction, WGS)을 거쳐 수소와 이산화탄소로 구성된 가스에서 이산화탄소를 포집하는 기술에 해당한다.

그리고, 순산소 연소 포집기술은 공기 중의 질소를 제거한 순산소를 기존의 연소용 공기 대신 주입하여 연소시킨 후 이산화탄소의 포집을 쉽게 하는 기술에 해당한다.

마지막으로, 연소 후 포집기술은 연소 후 배기가스에 포함된 이산화탄소를 포집하는 기술에 해당하며, 기존의 이산화탄소 발생원에 적용하기에 용이한 기술로 볼 수 있다. 현재의 연소 후 포집기술은 흡수제를 이용하여 이산화탄소를 흡/탈착하여 이산화탄소를 분리하는 방법이 주를 이루며, 획기적인 흡수제 성능향상과 공정개발 등에 초점이 맞춰지고 있다.

한편, 연소 후 포집기술을 흡수 장치의 형태로 분류하면 크게 충진탑 방식과 packing free 방식으로 분류할 수 있다. 충진탑 방식은 흡수탑 내부에 액상의 흡수제와 배 가스의 접촉 면적을 늘려주기 위한 충진재(packing material)를 채운 방식에 해당하며, packing-free 방식은 흡수탑 내부에 충진재가 없이 내부 유동장의 제어만으로 이산화탄소를 포집하는 방식이다.

기존의 상용화된 포집장치는 대부분이 충진탑 방식이다. 충진탑 방식은 배 가스와 흡수제의 부하변동에 융통성 있고 압력 손실이 크지 않으며 장치 제작에 용이하다는 장점이 있다. 그러나 충진물이 비싸며, 운전 중 흡수제에 생기는 고형분으로 인해 충진물에 fouling 등이 생겨 성능이 떨어지는 단점이 있다. 또한 포집설비를 위한 공간을 크게 차지하고 설치 및 운용 비용이 많이 드는 단점이 있다.

packing-free 방식은 기체와 액적 간 단위부피당 접촉면적을 늘리고 난류를 증대시켜 물질전달이 잘 일어나도록 하는 것이 목적으로 하는 것으로서, Packing-free 방식은 크게 기포탑과 분무탑 형식으로 나누어진다.

기포탑과 분무탑 모두 불필요한 고체를 없애고 흡수에 직접 관여하는 흡수제와 기체만을 이용한 것으로서, 본질적인 차이점으로는 기포탑의 경우 액체 속으로 작은 기포를 흐르게 하는 것이고, 분무탑의 경우 기체 중으로 작은 액적을 흐르게 하는 차이점을 들 수 있다.

이와 같은 다양한 이산화탄소 포집 메커니즘 중에서 가장 간결하면서 처리속도가 빠른 기술은 액체형 흡수제를 이용하는 분무탑 형식이라 볼 수 있다. 보다 일반적인 용어로 분무형 흡수장치라 한다.

현재 실용적으로 연구개발되는 장치들은 대부분 분무탑 형식이지만, 대부분 기체와 액적 간의 혼합이 제한적이고, 반응시간이 짧기 때문에 일정 수준의 흡수효율을 넘지 못하고 있다. 이산화탄소의 흡수효율을 향상시키는 기술로는 대한민국 특허등록 제851493호, 대한민국 특허등록 제923557호, 대한민국 특허공개 제2009-50551호 등 흡수액 또는 흡수탑의 냉각시키는 방식이 개시되었지만, 여전히 반응시간의 제한과 흡수효율의 한계가 존재한다.

그외 대부분의 연구들은 물질전달을 증가시키기 위하여 액적의 크기를 줄이거나 유동속도를 증가시키는 방법에 의존한다. 그러나, 기체의 속도를 증가시키면 기체혼합은 증가하지만 액적과의 접촉시간이 감소하고, 액적의 속도를 증가시키면 물질전달계수는 증가하지만 역시 액적의 작용시간이 감소하는 문제점이 존재한다.

또한, 기존의 방식은 액적과 기체를 동일조건에서 공급하거나, 균일 분무를 통한 이산화탄소 포집 방식이기 때문에, 관의 형상과 크기 및 운전조건 등이 최적화되지 않아 포집성능에 한계가 있다. 아울러, 분무탑 내의 기체유동은 각 단면에 모두 분포하고 있으나, 농도장 및 속도장이 균일하지 않기 때문에 기존의 균일한 액적분무 방식으로는 최적의 포집성능을 이루는 것에 한계가 있다.

선행문헌 : 특허등록 제851493호, 대한민국 특허등록 제923557호, 대한민국 특허공개 제2009-50551호

본 발명은 기체 유동장과 농도장을 제어하여 이산화탄소 흡수효율을 향상시키기 위하여 다중 노즐의 각 서브 노즐을 개별 제어하여 흡수제 액적의 최적 시공간분포를 가지도록 하는 이산화탄소 흡수제 분무 노즐 및 이를 포함하는 이산화탄소 포집 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 안출된 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제 분무 노즐은 이산화탄소 포집 반응기 내부로 이산화탄소 흡수제를 분무하는 다중 노즐로서, 하나의 흡수제 공급 배관에 연결되되 상기 반응기 내부의 서로 다른 방향으로 출구가 형성된 복수 개의 서브 노즐을 포함하며, 상기 복수 개의 서브 노즐은 각각 흡수제의 분무량 및 분무속도가 개별 제어되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 복수 개의 서브 노즐은, 각각의 서브 노즐의 개방의 정도를 조절하는 개폐 조절 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 개폐 조절 수단은 상기 각각의 서브 노즐의 일측에 위치되어 노즐의 개방 정도를 조절하는 개폐 조절 밸브를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

그리고, 각각의 서브 노즐은 상기 반응기 내부에 마련된 적어도 하나 이상의 액적 포화도 센서로부터 상기 센서가 설치된 각각의 위치의 액적 포화도 정보를 입력받고 상기 각각의 서브 노즐의 개폐 제어 신호를 출력하는 제어부로부터 상기 서브 노즐의 개폐 제어 신호를 입력받아 상기 센서가 설치된 위치의 액적이 포화상태가 되도록 상기 각각의 서브 노즐의 개폐 정도를 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기 각각의 서브 노즐은 상기 흡수제 공급 배관에 연결된 하나의 다중 노즐 몸체로부터 상기 반응기 내부의 서로 다른 방향으로 노즐 출구가 향하도록 상기 다중 노즐 몸체를 기준으로 양각으로 돌출된 형태로 형성되거나 상기 다중 노즐 몸체 내부에 음각 형태로 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 이산화탄소 포집 반응기 내부의 각 위치에 대응되는 서브 노즐을 개별 제어함으로써, 장치 내부의 이산화탄소 혼합기체와 혼합되는 이산화탄소 흡수제의 포화 정도를 실시간으로 최적화시킬 수 있어 이산화탄소 흡수 효율을 크게 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치를 나타내는 사시도에 해당한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다중 노즐을 나타내는 확대도에 해당한다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 서브 노즐 및 개폐 제어 수단을 나타내는 확대도에 해당한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치를 나타내는 사시도에 해당한다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 이산화탄소 포집 장치는 이산화탄소 흡수제와 이산화탄소 혼합가스의 혼합이 이루어지는 원통형의 반응기(1), 상기 반응기(1)의 내측에 위치되어 상기 반응기 내부(1)로 이산화탄소 흡수제를 분무하는 다중 노즐(10), 상기 반응기(1) 하측 측면부로 연결되며 이산화탄소 혼합기체를 상기 반응기 내부(1)로 공급하는 이산화탄소 혼합기체 주입구(5, 5'') 및 이산화탄소가 제거된 순수기체를 방출하는 순수기체 배출구(2)를 포함하여 구성된다.

상기 다중 노즐(10)은 상기 반응기 내부(1)의 서로 다른 방향을 향하도록 그 출구(12)가 형성된 복수 개의 서브 노즐(11)을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다. 이는 반응기 내부(1)의 각 단위 공간으로 분사되는 흡수제 액적의 상태를 개별적으로 제어하기 위함이다.

다중 노즐 몸체(10')는 하나의 흡수제 공급 배관(6)에 연결되어 그 내부로 흡수제를 공급받게 된다. 그 후 상기 다중 노즐 몸체(10') 내부에 마련된 복수 개의 흡수제 유로 또는 매니폴더를 통하여 각 서브 노즐(11)로 흡수제를 공급하고 각 서브 노즐(11)에서 흡수제를 분무하게 된다.

한편, 도 1에서는 상기 다중 노즐(10)이 반응기(1) 상부 중심부에 도시되었으나, 필요에 따라서는 상기 반응기(1) 내부의 다양한 위치에 복수 개로 구비될 수도 있다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다중 노즐을 나타내는 확대도에 해당한다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 상기 각각의 서브 노즐(11)은 상기 다중 노즐 몸체(10')로부터 노즐 출구(12)가 상기 반응기(1)의 서로 다른 방향을 향하도록 양각으로 돌출되어 형성되거나, 상기 다중 노즐(10) 내부에 음각 형태로 형성되는 것을 고려할 수 있다.

보다 상세하게는, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 다중노즐(10)은 하나의 홀 형상의 출구가 형성된 복수 개의 싱글 노즐의 결합체 형태로 이루어지며, 상기 서브노즐(11)은 상기 하나의 홀 형상의 출구가 형성된 각각의 상기 싱글 노즐로 이루어지는 것을 고려할 수 있으며, 다른 한편으로는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 다중노즐(10)은 복수 개의 홀 형상의 출구가 형성된 하나의 노즐로 이루어지며, 상기 서브 노즐(11)은 각각의 상기 홀로 이루어지는 것을 고려할 수 있다.

또 다른 한편으로는, 상기 다중노즐(미도시)은 복수 개의 홀 형상의 출구가 형성된 복수 개의 멀티노즐의 결합체 형태로 이루어지며, 상기 서브노즐은 각각의 상기 멀티노즐로 이루어지는 것을 고려할 수 있다. 이 경우는 도 2에 도시된 다중노즐이 복수 개 마련되어 하나의 결합체를 형성한 것이라 볼 수 있다.

한편, 도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 서브 노즐(11) 및 개폐 제어 수단을 나타내는 확대도에 해당한다.

상기 복수 개의 서브 노즐(11)은 각각 흡수제의 분무량 및 분무속도가 개별 제어되는 것이 바람직하다. 이러한 개별 제어를 위하여 각각의 서브 노즐(11)의 개방의 정도를 조절하는 개폐 조절 수단을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 개폐 조절 수단으로는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 상기 각각의 서브 노즐(11)의 노즐목(13)에 위치되어 서브 노즐(11)의 개방 정도를 조절하는 개폐 조절 밸브(14)를 고려할 수 있다. 상기 개폐 조절 밸브(14)는 전동식 또는 유압식을 고려할 수 있으며, 후술하는 제어부로부터 개폐 제어 신호를 입력받아 작동하게 된다.

각각의 서브 노즐(11)에 있어서의 흡수제 분무량 및 분무속도를 실시간으로 개별 제어하여 이산화탄소 흡수율을 최적화하기 위하여는 상기 이산화탄소 포집 반응기 내부(1)의 복수의 위치에 액적 포화도 센서를 설치하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 센서가 설치된 각각의 위치의 액적 포화도 정보를 입력받고 상기 각각의 서브 노즐(11)의 개폐 제어 신호를 출력하는 제어부를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 제어부는 상기 액적 포화도 정보로부터 최적 흡수율 유도하는 각 서브 노즐(11)의 개폐 정도를 연산하여 각 서브 노즐(11)의 개폐 제어 수단으로 개폐 제어 신호를 전달하는 역할을 수행한다. 구체적으로, 상기 개폐 제어 수단은 상기 개폐 제어 신호를 입력받아 상기 각각의 위치의 액적이 포화상태가 되도록 각각의 서브 노즐(11)의 개폐 정도를 제어하게 된다.

본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해 사용된 위치관계는 첨부된 도면을 중심으로 설명된 것으로서, 실시 태양에 따라 그 위치관계는 달라질 수 있다.

또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함하여 본 발명에서 사용되는 모든 용어들은 본 고안이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다고 할 것이다. 아울러, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 할 것이다.

이상에서는, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 상기 실시예는 물론, 본 발명에 기존의 공지기술을 단순 주합하거나, 본 발명을 단순 변형한 실시 또한, 당연히 본 발명의 권리 범위에 해당한다고 보아야 할 것이다.

1: 반응기
1': 반응기 내부
2: 순수기체 배출구
3: 흡수제 배출구
4: 가이드실린더
5: 이산화탄소 혼합기체 주입구
6: 흡수제 공급 배관
10: 다중 노즐
10': 다중 노즐 몸체
11: 서브 노즐
12: 출구
13: 노즐목
14: 개폐 조절 밸브

Claims

이산화탄소 포집 반응기 내부로 이산화탄소 흡수제를 분무하는 다중 노즐로서,
하나의 흡수제 공급 배관에 연결되되 상기 반응기 내부의 서로 다른 방향으로 출구가 형성된 복수 개의 서브 노즐을 포함하며,
상기 복수 개의 서브 노즐은 각각 흡수제의 분무량 및 분무속도가 개별 제어되는 것을 특징으로 하되,
각각의 서브 노즐은,
상기 반응기 내부에 마련된 적어도 하나 이상의 액적 포화도 센서로부터 상기 센서가 설치된 각각의 위치의 액적 포화도 정보를 입력받고 상기 각각의 서브 노즐의 개폐 제어 신호를 출력하는 제어부로부터 상기 서브 노즐의 개폐 제어 신호를 입력받아 상기 센서가 설치된 위치의 액적이 포화상태가 되도록 상기 각각의 서브 노즐의 개폐 정도를 제어하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수제 분무 다중 노즐.
제1항에 있어서,
상기 복수 개의 서브 노즐은,
각각의 서브 노즐의 개방의 정도를 조절하는 개폐 조절 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수제 분무 다중 노즐.
제2항에 있어서,
상기 개폐 조절 수단은,
상기 각각의 서브 노즐의 일측에 위치되어 노즐의 개방 정도를 조절하는 개폐 조절 밸브를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수제 분무 다중 노즐.
삭제
제1항에 있어서,
상기 각각의 서브 노즐은,
상기 흡수제 공급 배관에 연결된 하나의 다중 노즐 몸체로부터 상기 반응기 내부의 서로 다른 방향으로 노즐 출구가 향하도록 상기 다중 노즐 몸체를 기준으로 양각으로 돌출된 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수제 분무 다중 노즐.
제1항에 있어서,
상기 각각의 서브 노즐은 상기 흡수제 공급 배관에 연결된 하나의 다중 노즐 몸체로부터 상기 반응기 내부의 서로 다른 방향으로 노즐 출구가 향하도록 상기 다중 노즐 몸체 내부에 음각 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수제 분무 다중 노즐.
제1항에 있어서,
상기 다중노즐은 하나의 홀 형상의 출구가 형성된 복수 개의 싱글 노즐의 결합체 형태로 이루어지며,
상기 서브노즐은 상기 하나의 홀 형상의 출구가 형성된 각각의 상기 싱글 노즐로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수제 분무 다중 노즐.
제1항에 있어서,
상기 다중노즐은 복수 개의 홀 형상의 출구가 형성된 하나의 노즐로 이루어지며,
상기 서브 노즐은 각각의 상기 홀로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수제 분무 다중 노즐.
제1항에 있어서,
상기 다중노즐은 복수 개의 홀 형상의 출구가 형성된 복수 개의 멀티노즐의 결합체 형태로 이루어지며,
상기 서브노즐은 각각의 상기 멀티노즐로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수제 분무 다중 노즐.
이산화탄소 포집 반응기 내부로 이산화탄소 흡수제를 분무하는 다중 노즐을 포함하되,
상기 다중 노즐은 하나의 흡수제 공급 배관에 연결되되 상기 반응기 내부의 서로 다른 방향으로 출구가 형성된 복수 개의 서브 노즐을 포함하며,
상기 복수 개의 서브 노즐은 각각 흡수제의 분무량 및 분무속도가 개별 제어되며,
상기 이산화탄소 포집 반응기의 내부에 마련된 적어도 하나 이상의 액적 포화도 센서;
상기 센서가 설치된 각각의 위치의 액적 포화도 정보를 입력받고 상기 각각의 노즐의 개폐 제어 신호를 출력하는 제어부;를 더 포함하되,
상기 서브 노즐은 상기 개폐 제어 신호를 입력받아 상기 각각의 위치의 액적이 포화상태가 되도록 각각의 서브 노즐의 개폐 정도가 제어되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 장치.
제10항에 있어서,
상기 복수 개의 서브 노즐은,
각각의 서브 노즐의 개방의 정도를 조절하는 개폐 조절 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 장치.
제11항에 있어서,
상기 개폐 조절 수단은,
상기 각각의 서브 노즐의 일측에 위치되어 노즐의 개방 정도를 조절하는 개폐 조절 밸브를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 장치.
삭제
제10항에 있어서,
상기 각각의 서브 노즐은 상기 흡수제 공급 배관에 연결된 다중 노즐 몸체로부터 상기 반응기 내부의 서로 다른 방향으로 노즐 출구가 향하도록 상기 다중 노즐 몸체를 기준으로 양각 형태로 돌출되어 형성된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 장치.
제10항에 있어서,
상기 각각의 서브 노즐은 상기 흡수제 공급 배관에 연결된 다중 노즐 몸체로부터 상기 반응기 내부의 서로 다른 방향으로 노즐 출구가 향하도록 상기 다중 노즐 몸체 내부에 음각 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 장치.
제10항에 있어서,
상기 다중노즐은 하나의 홀 형상의 출구가 형성된 복수 개의 싱글 노즐의 결합체 형태로 이루어지며,
상기 서브노즐은 상기 하나의 홀 형상의 출구가 형성된 각각의 상기 싱글 노즐로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 장치.
제10항에 있어서,
상기 다중노즐은 복수 개의 홀 형상의 출구가 형성된 하나의 노즐로 이루어지며,
상기 서브 노즐은 각각의 상기 홀로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 장치.
제10항에 있어서,
상기 다중노즐은 복수 개의 홀 형상의 출구가 형성된 복수 개의 멀티노즐의 결합체 형태로 이루어지며,
상기 서브노즐은 각각의 상기 멀티노즐로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 장치.