KR101509389B1 - 다단판형 이산화탄소 포집장치 - Google Patents

다단판형 이산화탄소 포집장치 Download PDF

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문호규
유환주
서휘민
박용기
강나영
최원춘
박선영
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연세대학교 산학협력단
한국화학연구원
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Abstract

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 흡착반응기의 적어도 일면이 탈착반응기의 적어도 일면과 서로 접촉되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

다단판형 이산화탄소 포집장치{Stack of plate type reactor for capturing of carbon dioxide}
본 발명은 이산화탄소 포집장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배가스에 포함된 이산화탄소를 선택적으로 포집하여 분리할 수 있는 이산화탄소 포집장치에 관한 것이다.
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.
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.
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.)
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.
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).
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.
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.
본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 이산화탄소 흡착반응기와 탈착반응기 간의 열 교환이 효율적으로 일어날 수 있게 하면서 구조를 단순화시킬 수 있는 이산화탄소 포집장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 세 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.
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 흡착반응기의 적어도 일면이 탈착반응기의 적어도 일면과 서로 접촉되어 있는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 서로 접촉되어 있는 흡착반응기의 일면 또는 탈착반응기의 일면에 돌출부 및/또는 함몰부가 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 흡착반응기의 일면에 돌출부가 형성된 경우에 서로 접촉한 탈착반응기의 일면에는 돌출부에 대응하는 위치에 함몰부가 형성되고, 흡착반응기의 일면에 함몰부가 형성된 경우에 서로 접촉한 탈착반응기의 일면에는 함몰부에 대응하는 위치에 돌출부가 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 상호 열교환이 이루어지는 흡착반응기와 탈착반응기는 소정의 내부공간을 가지는 판형으로 이루어지고, 상기 판형의 흡착반응기와 탈착반응기가 반복되어 연결될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 상호 열교환이 이루어지는 흡착반응기와 탈착반응기는 다각형의 단면 구조를 가지고, 상기 흡착반응기와 탈착반응기는 밀집구조로 반복되어 연결될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 상호 열교환이 이루어지는 흡착반응기의 적어도 일면과 탈착반응기의 적어도 일면은 곡면으로 이루어질 수 있다.
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 상호 열교환이 이루어지는 흡착반응기와 탈착반응기는 벽면의 일부를 공유하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 벽면에 돌출부 또는 함몰부가 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 벽면은 주름진 형태로 이루어질 수 있다.
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 상호 열교환이 이루어지는 흡착반응기의 적어도 일면은 다른 흡착반응기의 일면과 접촉하고, 다른 일면은 탈착반응기의 일면과 접촉한 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치를 제공한다.
본 발명의 이산화탄소 포집장치는 아래의 효과를 가진다.
1. 본 발명의 이산화탄소 포집장치는 이산화탄소의 흡착과정에서 발생된 열을 이산화탄소의 탈착과정에서 이용하므로 이산화탄소 포집 과정에서 발생하는 에너지 소모를 감소시킬 수 있다.
2. 이산화탄소의 흡착과 탈착 과정에서 열교환이 이루어지는 흡착반응기의 일면과 탈착반응기의 일면이 서로 접촉하여 있으므로 흡착반응기와 탈착반응기 간의 열 교환이 효율적으로 이루어질 수 있다.
3. 이산화탄소의 흡착과 탈착 과정에서 열교환이 이루어지는 흡착반응기와 탈착반응기가 다각형의 밀집구조로 연결되어 있으므로 외부로의 열 유출을 최소화할 수 있다.
4. 흡착반응기와 탈착반응기가 접촉하는 벽면에 돌출부 또는 함몰부가 형성되어 열전달 면적을 증가시킬 수 있고, 상기 돌출부와 함몰부가 흡착제의 흐름에 난류를 발생시켜 열전달을 위한 접촉빈도를 높임으로써 열전달 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 이산화탄소 포집장치에서 흡착반응기와 탈착반응기 사이에서 열 교환이 이루어지는 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 흡착반응기의 일면과 탈착반응기 일면이 서로 접촉된 형태의 이산화탄소 포집장치를 도시한 것이다.
도 3은 흡착반응기와 탈착반응기가 서로 접촉된 벽면에 형성된 돌출부와 함몰부의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 돌출부 주변에서의 가스 플로우과 솔리드 플로우의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 조업 중인 고속유동층 반응기에서 반경방향 입자분포를 나타내는 도면이다.
도 6은 흡착반응기와 탈착반응기가 서로 접촉된 벽면에 형성된 돌출부와 함몰부의 배열방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 시작 부위 경사각이 완만한 돌출부 주변에서의 가스 플로우과 솔리드 플로우의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 함몰부의 시작 부위 경사각이 완만한 형태의 함몰부에서 이루어지는 가스 플로우와 솔리드 플로우의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 9와 도 10은 돌출부 주변에서의 입자분포와 열전달에 관한 시뮬레이션 결과이다.
도 11은 흡착반응기와 탈착반응기가 벌집 형태로 연결된 구조를 나타내 것이다.
도 12는 흡착반응기와 탈착반응기가 서로 접촉하는 벽면이 주름진 형태로 이루어진 형태를 도시한 것이다.
도 13은 돌출부와 함몰부가 적용된 반응기에서 돌출부의 높이 및 함몰부의 깊이와 배열 간격을 설명하기 위한 도면이다.
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 흡착반응기의 적어도 일면이 탈착반응기의 적어도 일면과 서로 접촉되어 있는 것을 특징으로 한다.
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 다단판형 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 흡착반응기와 탈착반응기의 벽면이 서로 접촉되어 있도록 구성한다. 이때, 흡착반응기와 탈착반응기의 벽면은 주름진 구조로 이루어질 수 있고, 흡착반응기와 탈착반응기가 다각형의 밀집구조로 배열되어 연결될 수 있다. 또한, 벽면에서의 열전달 향상을 위해 반응기 벽면에 열전달 향상장치인 와류형성수단으로서, 돌출부, 함몰부를 여러 배열로 형성할 수 있다.
아래에서 도면을 이용하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
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.
도 2는 흡착반응기의 일면과 탈착반응기 일면이 서로 접촉된 형태의 이산화탄소 포집장치를 도시한 것이다. 도 2를 참조하면, 흡착반응기와 탈착반응기가 교번하며 서로 연결되어 있으며, 흡착반응기의 일면이 탈착반응기의 일면에 접촉되어 있다. 이때, 흡착반응기의 흡착제가 이산화탄소를 흡착하면서 흡착열이 발생하게 되고, 이 열은 흡착반응기의 벽을 통하여 탈착반응기로 전달되어 흡착제에서 이산화탄소의 탈착이 이루어진다. 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. 흡착반응기의 일면이 탈착반응기의 일면에 접촉되는 방식은 흡착반응기와 탈착반응기가 하나의 벽면을 공유한 형태로 구현될 수도 있다.
도 3은 흡착반응기와 탈착반응기가 서로 접촉된 벽면에 형성된 돌출부와 함몰부의 구성을 설명하기 위한 도면이다. 흡착반응기와 탈착반응기가 서로 접촉된 벽면에는 돌출부 또는 함몰부가 형성될 수 있고, 돌출부 또는 함몰부는 열전달이 이루어지는 면적을 증가시키고, 반응기 내부의 흡착제 순환시에 난류를 발생시키며, 클러스트화되어 이동하는 입자 다발을 개개의 입자로 풀어주는 기능을 한다. 도 3의 (가)는 벽면에 돌출부 또는 함몰부가 형성되지 않은 구성을 도시한 것인데, 흡착반응기의 온도가 탈착반응기의 온도보다 높아서 온도 구배가 형성되며 흡착반응기에서 탈착반응기 방향으로 열전달이 이루어진다. (나)는 흡착반응기와 탈착반응기의 벽 양쪽 면에 돌출부가 형성된 구성이고, (다)는 흡착반응기와 탈착반응기의 벽 양쪽 면에 함몰부가 형성된 구성이며, (라)는 흡착반응기와 탈착반응기의 벽 양쪽 면에 돌출부와 함몰부가 함께 형성된 구성이고, (마)는 흡착반응기 방향의 벽면에 함몰부가 형성되고 탈착반응기 방향의 벽면에 돌출부가 형성된 구성이다.
도 4는 돌출부 주변에서의 가스 플로우과 솔리드 플로우의 변화를 설명하기 위한 도면이다. 도 4의 (가)는 높은 밀도 베드(기포 유동층) 타입의 반응기에 대한 도면이고, (나)는 낮은 밀도 베드(고속 유동층) 타입의 반응기에 관한 도면이다. 도 4의 (가)를 참조하면, 흡착제는 반응기 내부에 높은 밀도로 채워지고, 흡착제의 흐름인 솔리드 플로우(solid flow)는 위에서 아래쪽으로 이루어지는데, 돌출부에 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 돌출부 근처에서 와류가 형성된다. 도 4의 (나)를 참조하면, 흡착제는 반응기 내부에 낮은 밀도로 채워져서 흡착제 사이에 빈 공간이 존재하면서 반응기 내부에서 이동하게 되는데(클러스트 형태로 이동 가능), 이때에도 돌출부와의 접촉이나 와류생성에 의해 클러스터 형태의 흡수제들이 분리될 확률이 높아지면서 열 교환이 보다 효율적으로 일어날 수 있다.
도 5는 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 효율의 증가가 가능하다.
도 6은 흡착반응기와 탈착반응기가 서로 접촉된 벽면에 형성된 돌출부와 함몰부의 배열방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 6을 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.
도 7은 시작 부위 경사각이 완만한 돌출부 주변에서의 가스 플로우과 솔리드 플로우의 변화를 설명하기 위한 도면이다. 도 7의 (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.
도 8은 함몰부의 시작 부위 경사각이 완만한 형태의 터뷸레이터에서 이루어지는 가스 플로우와 솔리드 플로우의 변화를 설명하기 위한 도면이다. 도 8의 (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.
도 9와 도 10은 유동층 반응기 내부 돌출부 설치 시의 시뮬레이션(simulation) 결과로서, 시간 평균된 흡수제 분포와 시간별 흡수제 분포 및 열전달 분포를 각각 나타내고 있다. 도 9를 참조하면, 시간 평균된 흡수제 분포를 통해 돌출부 근처에서 상대적으로 많은 양의 흡수제가 분포하는 것을 확인 할 수 있으며, 도 10에서는 시간별 흡수제 분포와 열전달 분포를 통하여 반응기 벽면에서의 열전달이 향상되는 것을 확인하였다.
도 11은 흡착반응기와 탈착반응기가 벌집 형태로 연결된 구조를 나타내 것이다. 도 11을 참조하면, 흡착반응기와 탈착반응기는 육각형의 단면 구조를 가지고, 흡착반응기와 탈착반응기가 일 방향으로 교번하며 일렬로 배열되어 있다. 흡착반응기에서 발생된 열은 인접한 벽면을 통하여 탈착반응기로 전달된다. 이러한 구조에서는 흡착반응기와 탈착반응기가 다각형 밀집구조를 형성하므로 흡착반응기와 탈착반응기의 접촉 면적을 최대화할 수 있고, 외부로 열이 유출되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 도면에서는 육각 벌집구조 형태로 흡착반응기와 탈착반응기를 배열하였지만, 흡착반응기의 적어도 일면은 다른 흡착반응기의 일면과 접촉하고, 다른 일면은 탈착반응기의 일면과 접촉하는 구조가 유지되는 한, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형, 7각형 등의 다각형 밀집 구조로 변형되는 것이 가능하다.
도 12는 흡착반응기와 탈착반응기가 서로 접촉하는 벽면이 주름진 형태로 이루어진 구조를 도시한 것이다. 도 12를 참조하면, 흡착반응기와 탈착반응기가 서로 접촉하는 벽은 주름진 형태(wiggle or corrugated shape)로 이루어져 있다. 주름진 형태는 반응기의 길이방향, 즉 흡착제가 이동하는 방향에 수직되게 형성된 봉우리와 골짜기를 가지는 것이 바람직하다. 이러한 구조에서는 주름에 의한 표면적 증가의 효과와, 흡착제가 벽면에 충돌하면서 보텍스(vortex)에 의한 입자의 흩어짐(dispersed)이 발생하면서 반응기 벽면에서의 열전달이 효율이 보다 향상되는 효과를 가진다.
도 13은 돌출부와 함몰부가 적용된 반응기에서 돌출부의 높이 및 함몰부의 깊이와 배열 간격을 설명하기 위한 도면이다. 도 13을 참조하면, 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 바람직한 배열 간격(P)은 2 ≤ P/e ≤ 100 인 것이 바람직한데, 상기의 수치 범위는 돌출부와 함몰부 사이에 입자의 침투 또는 유동의 재부착을 위해 필요한 간격이며, 입자의 침투와 유동의 재부착은 열전달을 향상시키는 효과를 가진다. 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.
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.

Claims (10)

  1. 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 흡착반응기의 적어도 일면이 탈착반응기의 적어도 일면과 서로 접촉되어 있고,
    상기 서로 접촉되어 있는 흡착반응기의 일면 또는 탈착반응기의 일면에 돌출부 및/또는 함몰부가 형성된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    흡착반응기의 일면에 돌출부가 형성된 경우에 서로 접촉한 탈착반응기의 일면에는 돌출부에 대응하는 위치에 함몰부가 형성되고,
    흡착반응기의 일면에 함몰부가 형성된 경우에 서로 접촉한 탈착반응기의 일면에는 함몰부에 대응하는 위치에 돌출부가 형성된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 상호 열교환이 이루어지는 흡착반응기와 탈착반응기는 소정의 내부공간을 가지는 판형으로 이루어지고, 상기 판형의 흡착반응기와 탈착반응기가 반복되어 연결된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 상호 열교환이 이루어지는 흡착반응기와 탈착반응기는 다각형의 단면 구조를 가지고, 상기 흡착반응기와 탈착반응기는 밀집구조로 반복되어 연결된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 상호 열교환이 이루어지는 흡착반응기의 적어도 일면과 탈착반응기의 적어도 일면은 곡면으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치.
  7. 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 탈착반응기는 벽면의 일부를 공유하고,
    상기 벽면에 돌출부 또는 함몰부가 형성된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치.
  8. 삭제
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 벽면은 주름진 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치.
  10. 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 흡착반응기의 적어도 일면은 다른 흡착반응기의 일면과 접촉하고, 다른 일면은 탈착반응기의 일면과 접촉한 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치.
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