KR101498695B1 - 이산화탄소 포집 및 저장장치 - Google Patents

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KR101498695B1 KR20130154051A KR20130154051A KR101498695B1 KR 101498695 B1 KR101498695 B1 KR 101498695B1 KR 20130154051 A KR20130154051 A KR 20130154051A KR 20130154051 A KR20130154051 A KR 20130154051A KR 101498695 B1 KR101498695 B1 KR 101498695B1
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이광순
김희용
황성준
김정환
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서강대학교산학협력단
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Abstract

본 발명에서는 복수의 탈착탑을 갖는 설비를 구성함에 있어 탈착탑 간의 열교환이 이루어지도록 구성된 이산화탄소 포집 및 저장장치가 개시된다.
본 발명에 따르면, 하단으로 배가스가 주입되고, 그 내부에서 흡수제를 통해 배가스의 이산화탄소(CO2) 흡수가 진행되는 흡수탑과, 상기 흡수탑 내에서 배가스의 이산화탄소(CO2)를 흡수한 흡수제를 공급받아 이산화탄소(CO2)의 탈착을 진행한 뒤 흡수탑으로 회귀시키는 제1,2탈착탑을 포함하되, 상기 제1 탈착탑의 상부로 빠져나가는 배출가스의 열에너지를 상기 제2 탈착탑을 가열하는 리보일러의 열원으로 사용한다.

Description

이산화탄소 포집 및 저장장치{equipment for carbondioxide capture and storage}
본 발명은 이산화탄소 포집 및 저장장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수의 탈착탑을 갖는 설비를 구성함에 있어 탈착탑 간의 열교환이 이루어지도록 구성된 이산화탄소 포집 및 저장장치에 관한 것이다.
에너지 공급을 위한 화석 연료 사용으로 인해 전 세계적으로 이산화탄소 배출량이 증가하는 추세이다. 국제에너지기구(IEA)가 블루맵 시나리오(Bluemap Scenario)를 통해서 2050년까지 지구온난화를 야기하는 온실가스의 주범인 이산화탄소 배출량을 감소시키기 위한 전략을 구축하였다. 국제에너지기구(IEA)의 2050년의 이산화탄소 배출량 목표는 현재 이산화탄소 배출량의 절반 수준이며, 이산화탄소 감축을 위한 전략 중 이산화탄소 포집 및 저장(CCS) 기술이 약 20%의 큰 부분을 차지하고 있다.
이산화탄소 포집 및 저장(이하 'CCS'로 칭함) 기술은 크게 이산화탄소(CO2)를 포집하고 압축하는 공정과, 이송하고 저장 및 처리하는 공정으로 나눌 수 있다. 모든 공정에 대해 활발한 연구가 진행되고 있지만, 이산화탄소(CO2) 포집 및 압축 공정이 전체 CCS 비용의 70-80 %를 차지하기 때문에 CCS의 경제성을 위하여 이산화탄소(CO2) 포집 및 압축 공정에 대한 연구가 집중되고 있다.
이산화탄소(CO2) 포집 및 압축 공정에 대한 연구는 신 흡수제 개발과 신 공정 개발을 통해 이루어지고 있다. 신 흡수제는 암모니아 혹은 기존에 알려진 아민(Amine)들의 혼합 흡수제(e.g. MEA, MDEA, DEA, PZ, AMP, etc.)를 사용하는 수계 흡수제 또는 물을 사용하지 않는 비수계 흡수제에 대한 연구가 진행되고 있고, 흡수탑 및 탈착탑의 공정에서 발생하지만 사용되지 않고 낭비되는 열을 최대한 공정에 회수하여 에너지 소비를 줄이는 신 공정 연구가 진행되고 있다. 그러나 하나의 흡수탑 또는 탈착탑의 관점에 국한되어 있는 신 공정 연구는 에너지 소비 감소의 한계가 존재한다.
2013년도 산업계에서 발표된 바에 의하면 세계적 수준인 신 흡수제 및 공정은 탈착탑에서의 에너지 소비가 2.3-2.5 GJ/ton-CO2 (기존 MEA 공정은 3.6-4 GJ/ton-CO2)로 알려져 있고 학계에서는 2-2.3 GJ/ton-CO2의 포집 공정이 가능하다고 발표되어 있다. 따라서, 세계적인 수준 이상의 공정을 개발하기 위해서는 혁신적인 흡수제 뿐 아니라 혁신적인 개념의 공정 또한 개발되어야 한다.
한국특허공보 10-2012-0119485
상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 하나의 흡수탑에 복수의 탈착탑이 병렬로 설치된 설비 또는 복수의 흡수탑에 각각 하나의 탈착탑이 설치된 설비에 적용되어, 복수의 탈착탑 간의 열 교환이 이루어짐에 따라 이산화탄소(CO2) 포집에 필요한 에너지를 획기적으로 줄일 수 있는 이산화탄소 포집 및 저장장치를 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이산화탄소 포집 및 저장장치는 하단으로 배가스가 주입되고, 그 내부에서 흡수제를 통해 배가스의 이산화탄소(CO2) 흡수가 진행되는 흡수탑과, 상기 흡수탑 내에서 배가스의 이산화탄소(CO2)를 흡수한 흡수제를 공급받아 이산화탄소(CO2)의 탈착을 진행한 뒤 흡수탑으로 회귀시키는 제1,2탈착탑을 포함하되, 상기 제1 탈착탑의 상부로 빠져나가는 배출가스의 열에너지를 상기 제2 탈착탑을 가열하는 리보일러의 열원으로 사용한다.
본 발명에 따르면, 상기 제1 탈착탑의 배출가스를 냉각시키기 위해 구비된 콘덴서에서 열에너지를 회수한 냉각수는 상기 제2 탈착탑을 가열하는 리보일러의 포화증기(saturated steam)로 사용된다.
본 발명에 따르면, 상기 제1 탈착탑의 배출가스는 상기 제2 탈착탑을 가열하는 리보일러의 포화증기(saturated steam)로 사용된다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 하나의 흡수탑에 복수의 탈착탑이 병렬로 설치된 설비 또는 복수의 흡수탑에 각각 하나의 탈착탑이 설치된 설비에 적용되어, 복수의 탈착탑 간의 열 교환이 이루어짐에 따라 외부로 손실되는 열에너지를 최소화하고 설비 내에서 열에너지가 통합 운용될 수 있어 이산화탄소(CO2) 포집에 필요한 에너지를 획기적으로 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1 내지 도 2는 종래 이산화탄소 포집 및 저장장치를 개략적으로 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이산화탄소 포집 및 저장장치의 구성을 보인 도면,
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이산화탄소 포집 및 저장장치의 구성을 보인 도면이다.
본 발명에 따른 이산화탄소 포집 및 저장장치는 복수의 탈착탑을 갖는 설비를 구성함에 있어 탈착탑 간의 열교환이 이루어지도록 구성된 것으로, 그 실시 예를 도 3 내지 도 4에 나타내 보였다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 이산화탄소 포집 및 저장장치는 하단으로 배가스가 주입되고, 그 내부에서 흡수제를 통해 이산화탄소(CO2)의 흡수가 진행되는 흡수탑(110,120)과, 상기 흡수탑(110,120) 내에서 배가스의 이산화탄소(CO2)를 흡수한 흡수제를 공급받아 이산화탄소(CO2)의 탈착을 진행하는 제1,2탈착탑(210,220)을 포함한다.
본 발명에서 설명하는 이산화탄소 포집 및 저장장치는 2개의 탈착탑(210,220)을 포함한다. 하지만, 상기한 본 발명의 범위가 상기한 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 경우에 따라 2개 이상의 탈착탑이 추가로 구비될 수 있다.
도 1 내지 도 2는 종래 이산화탄소 포집 및 저장장치를 개략적으로 도시한 도면으로, 도 1은 흡수탑(110) 하나에 두 개의 탈착탑(210,220)이 병렬로 연결된 방식이고, 도 2는 배가스를 두 개의 흡수탑(110,120)으로 공급하고 각각 흡수탑(110,120)은 각각 하나 씩의 탈착탑(210,220)과 연결된 방식이다.
상기 흡수탑(110,120)의 하단으로 배가스 주입되며, 흡수탑(110,120)에서 이산화탄소(CO2)를 흡수한 흡수제는 흡수탑(110,120)의 하단을 통해 배출되고 이산화탄소(CO2)의 분리를 위해 후술되는 탈착탑(210,220)으로 이송된다. 한편, 탈착탑(210,220)에서 이산화탄소(CO2)의 분리가 완료된 흡수제는 상기 흡수탑(110,120)의 상단으로 재공급될 수 있다. 이때, 상기 탈착탑(210,220)에서 공급된 흡수제는 상기 흡수탑(110,120)의 상부에 별도로 장착된 냉각장치(111,121)를 통해 냉각된 후 흡수탑(110,120)으로 유입될 수 있다.
한편, 상기 흡수탑(110,120)의 상부에는 흡수탑(110,120) 위로 빠져나가는 물또는 흡수제의 손실을 막기 위해 워터워시(water-wash)방식의 실링부(112,122)가 추가로 형성될 수 있다. 이때, 상기 탈착탑(210,220)에서 재공급된 흡수제는 실링부(112,122)의 상단 또는 흡수탑(110,210)의 상단으로 주입될 수 있다.
탈착탑(210,220)은 상기 흡수탑(110,120) 내에서 배가스의 이산화탄소(CO2)를 흡수한 흡수제를 공급받아 이산화탄소(CO2)의 탈착을 진행한다. 이때, 상기 흡수제는 물과 혼합된 상태일 수 있다.
후술하겠지만. 상기 탈착탑(210,220)에서 이산화탄소(CO2)의 탈착이 완료된 흡수제는 배가스 내의 이산화탄소 흡수를 위해 상기 흡수탑(110,120)으로 재공급 된다. 이후, 흡수탑(110,120)으로 재공급된 흡수제는 흡수탑(110,120)에서 이산화 탄소를 흡수하고 또 다시 이산화탄소(CO2)의 탈착을 위해 탈착탑(210,220)으로 이송되면서 연속순환 된다.
상기 제1,2 탈착탑(210,220)은 각각 리보일러(211,221)와 콘덴서(212,222)를 구비한다.
리보일러(211,221)는 제1,2 탈착탑(210,220)에서 이산화탄소(CO2)의 탈착이 이루어지도록 제1,2 탈착탑(210,220)을 포화증기로 가열하는 역할을 하고, 콘덴서(212,222)는 제1,2 탈착탑(210,220)에서 고순도의 이산화탄소(CO2) 가스를 얻기 위해 상부로 배출된 이산화탄소(CO2)가스를 냉각수 등을 이용해 냉각시킨다.
본 발명에 따르면, 상기 제1 탈착탑(210)은 고온고압의 조건으로 운전하고, 제2 탈착탑(220)은 저온저압의 조건으로 운전한다. 즉, 제1 탈착탑(210)과 제2탈착탑(220)의 운전 온도가 서로 다르게 형성된다.
따라서, 고온고압의 조건에서 운전되는 제1 탈착탑(210)은 고온에서 열적 안정성을 가지는 흡수제가 사용되어야 하고 저온저압의 조건에서 운전되는 제2 탈착탑(220)은 저온에서 탈착 효율이 좋은 흡수제가 사용된다.
만일, 도 3과 같이 하나의 흡수탑(110)이 복수의 탈착탑(210,220)과 연결된 경우 흡수제는 고온고압과 저온저압에서 모두 운전 가능한 흡수제로 구비되어야 하고, 도 4와 같이 흡수탑(110,120)과 탈착탑(210,220)이 일대일로 연결된 경우에는 고온고압에서 운전이 유리한 흡수제와 저온저압에서 운전이 유리한 흡수제를 별도로 구비해서 제1 탈착탑(210)과 제2 탈착탑(220)에 각각 따로 사용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 도 3과 같이 상기 흡수탑(110) 한개 당 복수의 탈착탑(210,220)이 병렬로 연결된다.
본 발명에 따르면 도 4와 같이 상기 흡수탑(110,120)은 상기 탈착탑(210,220)의 개수와 동일하게 형성되고, 흡수탑(110,120) 한 개 당 하나의 탈착탑(210,220)이 연결된다.
본 발명에서와 같이 적어도 2개 이상의 탈착탑(210,220)이 구비될 경우, 각각의 탈착탑(210,220)으로 공급되는 흡수제의 비율을 결정해야 한다. 이 변수는 최종 에너지소비를 최적화하는 변수 중 하나가 된다. 만약 도면 3과 같이 흡수탑(110) 하나에 탈착탑(210,220) 두 개가 존재한다면 흡수탑(110)에서 나온 하나의 흡수제를 분리하는 비율이 그 변수가 될 것이고, 도면 4와 같이 흡수탑(110,120)이 두 개 존재하는 공정이라면 배가스의 분리 비율이 그 변수가 된다.
본 발명에 따르면, 상기 제1 탈착탑(210)의 상부로 빠져나가는 배출가스의 열에너지는 상기 제2 탈착탑(220)을 가열하는 리보일러(221)의 열원으로 사용된다.
상기와 같이 제2 탈착탑(220)을 가열하는 리보일러(221)의 열원이 제1 탈착탑(210)의 상부로 빠져나가는 배출가스의 열에너지로 대체될 경우, 이산화탄소의 포집하는데 필요한 에너지량을 줄일 수 있어 공정운용비용이 저감될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 제1 탈착탑(210)의 배출가스를 냉각시키기 위해 구비된 콘덴서(212)에서 열에너지를 회수한 냉각수는 상기 제2 탈착탑(220)을 가열하는 리보일러(221)의 포화증기(saturated steam)로 사용된다. 이때, 상기 냉각수의 유량 및 압력은 상기 콘덴서(212)의 열에너지를 회수하여 포화증기가 되는 범위로 설정되어야 할 것이다.
일례로, 도 3과 같이 상기 제1 탈착탑(210)은 고온고압의 조건으로 운전되고, 제2 탈착탑(220)은 저온 저압의 조건에서 운전될 수 있다. 상기의 경우 고온의 조건에서 운전되는 제1 탈착탑(210)의 콘덴서(212)에서 열량(Q2)을 얻은 냉각수가 저온에서 운전되는 제2 탈착탑(220)의 리보일러(221)의 포화증기(saturated steam)를 대체한다. 이 때, 제1 탈착탑(210)의 리보일러(211)와 제2 탈착탑(220)의 콘덴서(222)는 기존과 같이 운전된다.
즉, 고온고압의 조건에서 운전되는 제1 탈착탑(210)의 콘덴서(212)에서 열량(Q2)을 얻은 냉각수를 저온저압 조건에서 운전되는 제2 탈착탑(220)의 리보일러(221)에 주입하여 포화증기(saturated steam)를 대체한다.
본 발명에 따르면, 상기 제1 탈착탑(210)의 배출가스는 상기 제2 탈착탑(220)을 가열하는 리보일러(221)의 포화증기(saturated steam)로 사용된다.
즉, 고온고압의 조건에서 운전되는 제1 탈착탑(210)에서 배출된 가스가 콘덴서(212)로 주입되고 냉각수가 이 콘덴서(212)의 열량을 회수하여 제2 탈착탑(220)의 리보일러(221)의 포화증기(saturated steam)로 공급되는 형태가 아니라, 도면 4와 같이 고온고압의 조건에서 운전되는 제1 탈착탑(210)에서 배출된 가스 자체를 저온저압의 조건에서 운전되는 제2 탈착탑(220)의 리보일러(221)로 곧바로 주입하여 리보일러(221)의 포화증기(saturated steam)을 직접적으로 대체하는 것이다. 이 때, 제1 탈착탑(210)의 리보일러(211)와 제2 탈착탑(220)의 콘덴서(222)는 기존과 같이 운전된다.
위와 같은 형태로 공정이 운전됨으로써 이산화탄소를 포집하기 위해 필요한 에너지가 제1,2 탈착탑(210,220)을 가열하기 위해 각각의 리보일러(211,221)에 공급되는 열량(Q1+Q3)에서 상기 제1탈착탑(210)의 배출된 가스로부터 회수된 열량(Q2) 만큼 감소될 수 있다.
따라서, 공정의 소비 에너지를 최소화하기 위해서는 상기 제1탈착탑(210)의 배출된 가스로부터 회수된 열량(Q2)과 제2탈착탑(220)을 가열하는 리보일러(221)에 공급되는 열량(Q3)이 동일하도록 각각의 탈착탑(210,220)으로 공급되는 흡수제의 비율, 각 탈착탑(210,220)의 운전 온도 등의 변수를 최적의 조건으로 설정할 수 있다. 하지만 이산화탄소 포집 공정은 각 탈착탑(210,220)에서 얻은 이산화탄소를 110~150 기압 이상으로 압축하는 압축 공정이 포함되기 때문에 공정의 최적화를 진행할 때에는 이 때 필요한 압축에너지도 함께 고려해줘야 한다.
본 발명에 따르면, 상기 제2 탈착탑(220)의 하부에는 별도의 에너지원으로 구동되는 보조 리보일러(223)가 추가로 설치된다.
전술한 바와 같이 공정의 소비 에너지를 최소화하기 위해서는 각각의 탈착탑(210,220)으로 공급되는 흡수제의 비율, 각 탈착탑(210,220)의 운전 온도 및 압력, 제1탈착탑(210)의 콘덴서(212)의 냉각온도, 냉각수의 조건 등의 공정 변수를 최적의 조건으로 설정할 수 있다. 이 때, 최적화될 총 에너지소비량은 각 탈착탑(210,220)의 리보일러(211,221)에서 필요한 열량(Q1,Q3) 뿐 아니라 각 탈착탑(210,220)에서 탈착된 이산화탄소의 압축 공정에 필요한 압축 에너지까지 포함해야 한다. 따라서 상기 제1탈착탑(210)의 배출된 가스로부터 회수된 열량(Q2)이 제2탈착탑(220)을 가열하는 리보일러(221)에 공급되는 열량(Q3)을 대체하지 못할 수 있으므로 제2탈착탑(220)에는 별도의 에너지원으로 구동되는 보조 리보일러(223)가 추가로 설치된다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 하나의 흡수탑에 복수의 탈착탑이 병렬로 설치된 설비 또는 복수의 흡수탑에 각각 하나의 탈착탑이 설치된 설비에 적용되어, 복수의 탈착탑 간의 열 교환이 이루어짐에 따라 외부로 손실되는 열에너지를 최소화하고 설비 내에서 열에너지가 통합 운용될 수 있어 이산화탄소(CO2) 포집에 필요한 에너지를 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
110,120 : 흡수탑
111,121 : 냉각장치
112,122 : 실링부
210 : 제1 탈착탑
211,221 : 리보일러
212,222 : 콘덴서
220 : 제2 탈착탑

Claims (7)

  1. 하단으로 배가스가 주입되고, 그 내부에서 흡수제를 통해 이산화탄소(CO2)의 흡수가 진행되는 흡수탑과, 상기 흡수탑 내에서 배가스의 이산화탄소(CO2)를 흡수한 흡수제를 공급받아 이산화 탄소(CO2)의 탈착을 진행하는 제1,2탈착탑을 포함하는 이산화탄소 포집 및 저장장치에 있어서,
    상기 제1 탈착탑의 상부로 빠져나가는 배출가스의 열에너지를 상기 제2 탈착탑을 가열하는 리보일러의 열원으로 사용하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 및 저장장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 탈착탑의 배출가스를 냉각시키기 위해 구비된 콘덴서에서 열에너지를 회수한 냉각수는 상기 제2 탈착탑을 가열하는 리보일러의 포화증기(saturated steam)로 사용되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 및 저장장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 탈착탑의 배출가스는 상기 제2 탈착탑을 가열하는 리보일러의 포화증기(saturated steam)로 사용되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 및 저장장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 탈착탑의 하부에는 별도의 에너지원으로 구동되는 보조 리보일러가 추가로 설치된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 및 저장장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 탈착탑은 고온고압의 조건으로 운전하고, 제2 탈착탑은 저온저압의 조건으로 운전하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 및 저장장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 흡수탑 한개 당 복수의 탈착탑이 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 및 저장장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 흡수탑은 상기 탈착탑의 개수와 동일하게 형성되고, 흡수탑 한개당 하나의 탈착탑이 연결된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 및 저장장치.
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