KR101520831B1

KR101520831B1 - 배출가스로부터 이산화탄소의 분리회수방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR101520831B1
Application number: KR1020080095666A
Authority: KR
Inventors: 김제영; 박흥수; 전희동
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2015-05-18
Also published as: KR20100036430A

Abstract

본 발명은 제철공장에서 발생하고 있는 이산화탄소가 다량 포함된 배출가스(off gas)에서 경제적이고 효율적으로 이산화탄소를 분리회수하는 방법 및 장치에 관한 것으로,

본 발명은 제철소 등에서 발생된 고온의 배출가스 폐열로부터 열교환과정을 통하여 재생에너지를 생성하기 위한 열교환단계;와 상기 열교환공정을 거친 배출가스에서 이물질을 제거하고 온도를 떨어뜨리기 위한 전처리단계;와 흡수법을 이용하여 상기 전처리된 배출가스에서 이산화탄소를 분리하고 상기 열교환단계에서 생성된 재생에너지를 이용하여 상기 분리된 이산화탄소를 포함하고 있는 흡수액으로부터 이산화탄소를 분리, 회수하는 이산화탄소 분리회수단계로 이루어져 있다.

따라서, 본 발명은 이산화탄소를 대부분 회수할 수 있어 온실효과에 의한 지구온난화를 방지하는 효과가 있다.

이산화탄소, 흡수법, 배출가스, 폐열

Description

배출가스로부터 이산화탄소의 분리회수방법 및 그 장치{method and apparatus of CO2 separation and collection at off gas}

본 발명은 철강제조 공정 중 특히 파인넥스 공정 중 발생하는 배출가스(off gas)에서 이산화탄소를 효율적이면서 경제적으로 분리 및 회수하기 위한 이산화탄소의 분리회수방법 및 그 장치에 관한 것이다.

철강제조 공정 중에 배출되는 배출가스(off gas)에는 이산화탄소가 포함되어 있는데, 특히 파인넥스(Finex) 공정 중 유동로에서 배출되는 배출가스에는 이산화탄소가 다량 함유되어 있고, 또한 열원으로 활용할 수 있는 일산화탄소 및 수소도 다량 포함하고 있다.

상기 일산화탄소는 이산화탄소와 혼합된 상태에서는 열적 수지 및 반응성 등을 고려할 때 상기 상태로 사용하기 어렵기 때문에 상기 배출가스를 냉각시킨 후 압력스윙장치(5)을 통하여 이산화탄소를 대부분 제거하여 일산화탄소와 수소의 농도를 높인 후 환원로(6)에 주입하여 환원가스로 활용하고 있다.

도 1은 종래 상기 압력 스윙방법을 이용한 배출가스 분리회수공정을 나타낸 것이고 일 예인 파이넥스(Finex) 공정에서 배출가스를 분리회수하는 공정을 보여주 고 있다. 유동로에서 발생되는 배출가스의 배출온도는 400℃ 이상의 고온이고 분진 등을 제거하기 위해 습식집진기를 통과시켜서 상온 정도로 온도를 낮추고 상기 배출가스는 압력스윙공정을 통과시켜서 이산화탄소를 분리회수하고 상기 이산화탄소가 제거된 배출가스는 환원로(6)에 주입된다.

따라서 종래 상기 압력 스윙방법을 이용한 배출가스 분리회수공정은 많은 동력이 필요하게 되며 이산화탄소를 분리회수하는데 있어서 많은 에너지를 사용하고 있는 문제점이 있다. 또한 압력 스윙방법 이외에 흡수공정을 사용할 수 있으나 이 역시 이산화탄소를 분리회수하기 위해서는 많은 에너지를 필요로 하는 문제점이 있다.

본 발명은 종래 배출가스로부터 이산화탄소를 분리회수하는 기술인 스윙공정이 다량의 에너지를 사용하는 문제점을 해결하고 보다 효율적이며 분리회수율을 우수한 이산화탄소의 분리회수방법 및 그 장치에 관한 것이다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해,

제철소 등에서 발생된 고온의 배출가스 폐열로부터 열교환과정을 통하여 재생에너지를 생성하기 위한 열교환단계;와 상기 열교환공정을 거친 배출가스에서 이물질을 제거하고 온도를 떨어뜨리기 위한 전처리단계;와 흡수법을 이용하여 상기 전처리된 배출가스에서 이산화탄소를 분리하고 상기 열교환단계에서 생성된 재생에너지를 이용하여 상기 분리된 이산화탄소를 포함하고 있는 흡수액으로부터 이산화탄소를 회수하기 위한 이산화탄소 분리회수단계로 이루어진 것을 특징으로 하고 있는 배출가스로부터 이산화탄소의 분리회수방법을 제공하게 된다.

본 발명은 흡수법에 의해 이산화탄소를 분리회수하는 데, 흡수액에서 이산화탄소를 재생, 회수에 사용되는 에너지를 배출가스 폐열을 이용하여 만든 재생에너지를 사용하므로 추가적인 에너지 사용 없이 공정 내의 에너지를 사용함으로 이산화탄소를 경제적이고 효율적인 분리회수할 수 있다.

본 발명은 제철소 등에서 발생된 고온의 배출가스(off gas) 폐열로부터 열교환과정을 통하여 재생에너지를 생성하기 위한 열교환단계와 상기 열교환공정을 거친 배출가스에서 이물질을 제거하고 온도를 떨어뜨리기 위한 전처리단계와 흡수법을 이용하여 상기 전처리된 배출가스에서 이산화탄소를 분리하고 상기 열교환단계에서 생성된 재생에너지를 이용하여 상기 분리된 이산화탄소를 포함하고 있는 흡수액으로부터 이산화탄소를 분리, 회수하는 이산화탄소 분리회수단계로 이루어진 것을 특징으로 하고 있는 배출가스로부터 이산화탄소의 분리회수방법에 관한 것이다.

또는 상기 열교환단계이전에 제철소 등에서 발생된 고온의 배출가스 폐열로부터 전기를 생산하는 위한 발전단계를 더 포함할 수 있다.

또는 상기 발전단계는 유기랭킨시스템을 이용하여 전기를 생산할 수 있다.

또는 상기 배출가스는 파이넥스(Finex) 공정 중 유동로(3)에서 배출된 가스를 이용할 수 있다.

또는 상기 열교환단계에서 생성되는 재생에너지는 100~300℃인 스팀일 수 있다.

또는 상기 분리회수단계를 거쳐 생성된 이산화탄소가 농축된 테일가스(tail gas)는 다른 배출가스인 잉여가스(excess gas)와 같이 가스홀더(8)로 보내져 연소시에 적합한 발열량을 조절하는데 이용할 수 있다.

그리고 본 발명은 제철소 등에서 발생된 고온의 배출가스 폐열로부터 열교환하여 재생에너지를 생성하는 열교환장치(11)와 상기 열교환장치(11)를 통과한 배출가스에서 이물질을 제거하고 온도를 떨어뜨리는 집진장치(4)(scrubber)와 흡수법을 이용하여 상기 집진장치(4)에서 전처리된 배출가스에서 이산화탄소를 분리하고 상기 열교환단계에서 생성된 재생에너지를 이용하여 상기 분리된 이산화탄소를 포함하고 있는 흡수액으로부터 이산화탄소를 분리, 회수하는 흡수장치(12)로 구성된 것을 특징으로 하고 있는 배출가스로부터 이산화탄소의 분리회수장치에 관한 것이다.

또한 상기 제철소 등에서 발생된 고온의 배출가스 폐열을 열교환장치(11)에 투입하기 전에 유기랭킨시스템을 이용하여 상기 고온의 배출가스로부터 전기를 생산할 수 있다.

본 발명에 사용되는 배출가스로는 제철소에서 발생되는 부생가스를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 부생가스로는 고로가스, 코크스오븐가스, 전로가스 등을 이용할 수 있고 상기 코크스오븐가스나 전로가스 등을 이용하여 수소를 제조하기 위한 목적으로 개질하는 과정 중에서 생성되는 가스 등도 포함된다.

또한, 선철을 제조하는 신기술인 파인넥스 공정에서 발생되는 배출가스를 사용하는 것이 더 바람직한데, 상기 파인넥스 공정에서 발생되는 배출가스는 이산화탄소를 다량 함유하고 있기 때문이다.

본 발명은 배출가스로부터 이산화탄소를 분리회수하는 방법으로 종래기술인 압력스윙방법 대신 흡수법을 사용하고 있다.

상기 흡수법은 아민류 등의 흡수액을 이용하여 배출가스로부터 이산화탄소를 흡수, 재생하게 되는데, 흡수탑에서 상기 흡수액이 배출가스 중에 이산화탄소를 흡수하고 상기 이산화탄소를 포함한 흡수액은 재생탑으로 보내져 에너지를 이용하여 고온으로 가열해주면 상기 흡수액으로부터 이산화탄소가 분리되고 분리된 이산화탄 소를 포집하여 회수하게 된다.

상기 흡수액으로부터 이산화탄소를 분리회수하기 위한 에너지는 본 발명의 열교환장치(11)에 의해 생성된 재생에너지를 사용하게 되는데, 상기 재생에너지는 스팀, 액체열매, 기체열매 등을 사용할 수 있고, 더 바람직하게는 스팀을 이용할 수 있는데, 열매로 스팀을 사용할 경우 열효율이 우수하고 공정제어가 용이하기 때문이다.

이하 도면을 참고하여 본 발명을 설명한다. 다만, 본 발명이 도면에 있는 일 실시에 의해 제한되는 것은 아니다.

도 2는 일 예인 파인넥스공정에서의 본 발명의 흡수법을 이용하여 배출가스로부터 이산화탄소를 분리회수하는 공정을 나타낸 것이다.

유동로(3)에서 배출된 배출가스는 400℃ 이상의 고온상태에 있다. 상기 배출가스는 이산화탄소를 제거하기 위해 흡수장치(12)에 보내게 되는데, 고온과 각종 이물질을 포함하고 있는 상태로는 이산화탄소의 회수율이 좋지 못하기 때문에 집진장치(4)를 이용하여 배출가스에서 이물질을 제거하고 상온 정도로 온도를 떨어뜨리게 된다. 따라서, 배출가스의 온도를 상온 정도로 낮추기 위해서는 다량의 에너지가 필요하다.

그러므로 본 발명은 배출가스를 집진장치(4)에 보내기 전에 배출가스 폐열을 이용하여 열교환장치(11)에서 재생에너지를 생성하고 상기 생성된 재생에너지는 흡수장치(12)에 보내져 흡수액으로부터 이산화탄소를 분리하여 회수하는데 필요한 에너지로 사용하게 된다.

따라서 동일 공정 내에서 배출가스 폐열을 이용하여 이산화탄소를 분리회수하기 때문에 열효율이 매우 높고 사용 에너지량을 크게 줄일 수 있어 경제적이면서 효율적으로 배출가스로부터 이산화탄소를 분리회수할 수 있다.

그리고 상기 열교환장치(11)를 통해 생성된 재생에너지는 다양한 형태로 존재할 수 있는데 스팀형태의 재생에너지가 바람직하고 100~300℃ 내의 온도범위를 가지게 되어 이산화탄소 분리회수공정에서 가장 효율적으로 이산화탄소를 제거할 수 있게 된다. 또한, 열교환장치(11)를 거친 배출가스는 폐열을 사용하여 재생에너지를 생성하였기 때문에 온도가 상당히 낮아져 있어 집진장치(4)를 통과할 때 상온으로 낮추기 위해 사용하는 에너지량을 줄일 수 있다.

상기 집진장치(4)에 의해 전처리된 상온의 배출가스는 흡수장치(12)에서 아민 계통의 흡수액에 의해 이산화탄소가 배출가스로부터 분리되고 상기 흡수액은 가열매체에 의해 흡수액에서 이산화탄소가 분리되어 회수하게 된다.

따라서 이산화탄소가 제거된 배출가스는 환원로(6)로 보내지게 되고, 흡수공정을 거쳐 이산화탄소가 농축된 테일가스(tail gas)는 다른 배출가스인 잉여가스(excess gas)와 같이 가스홀더(8)로 보내져 연소시에 적절한 발열량을 조절하는데 사용하게 된다.

도 3은 일 예인 도 2에 발전장치(13)가 더 설치된 공정을 나타낸 것이다.

유동로(3)에서 배출된 배출가스는 열교환장치(11)로 바로 보내지 않고 발전장치(13)로 먼저 보내어 배출가스 폐열을 이용하여 전력을 생산하기 위한 발전을 하고 보다 온도가 낮아진 배출가스를 이용하여 열교환장치(11)에서 재생에너지를 생성하게 된다. 따라서 전력 및 재생에너지를 동시에 생산할 수 있어 배출가스의 폐열을 이용을 최대한 극대화할 수 있는 효과를 가지게 된다. 이후 나머지 공정은 도 2에서 상술한 것과 같다.

상기 발전장치(13)는 유기랭킨시스템을 이용하는 것이 바람직하다. 만일, 배출가스 폐열을 이용하여 축동력이나 전력을 발생시키기 위해 화력발전기술을 그대로 사용한다면 배출가스로부터 생성된 수증기를 이용, 구동시키기 때문에 중저온 범위의 폐열을 수증기로 회수할 경우에는 보일러가 대형화되고 열회수율이 나빠져 경제성이 떨어지는 문제점이 있다.

그러나, 상기 유기랭킨시스템은 작동유체로 물 대신 비등점이 낮고 증기압이 높은 유기매체를 사용하기 때문에 설비를 소형화할 수 있고 따라서 중저온의 폐열을 전력으로 전환하는데 적합한 공정이다.

상기 공정을 거친 배출가스는 환원반응을 위해 환원로(6)로 보내어지고 이를 통해 가공되어 열원으로 재활용하게 된다.

도 1은 일 예인 파인넥스공정에서의 종래 압력스윙공정을 이용하여 배출가스로부터 이산화탄소를 분리회수하는 공정을 나타낸 것이다.

도 3은 일 예인 도 2에 발전장치가 더 설치된 공정을 나타낸 것이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 습식분광장치 2 : 건조장치

3 : 유동로 4 : 집진장치

5 : 압력스윙장치 6 : 환원로

7 : 용융로 8 : 가스홀더

11 : 열교환장치 12 : 흡수장치

13 : 발전장치

Claims

제철소 등에서 발생된 고온의 배출가스(off gas) 폐열로부터 열교환과정을 통하여 상기 배출가스의 온도를 제1온도로 낮춤으로써 재생에너지를 생성하기 위한 열교환단계;와

상기 열교환단계를 거친 배출가스에서 이물질을 제거하고 상기 배출가스의 온도를 상기 제1온도 보다 낮은 상온으로 떨어뜨리기 위한 전처리단계;와

흡수법을 이용하여, 상기 전처리된 배출가스에서 이산화탄소를 분리하고 상기 열교환단계에서 생성된 재생에너지를 이용하여 상기 분리된 이산화탄소를 포함하고 있는 흡수액을 가열하여 이산화탄소를 분리, 회수하는 이산화탄소 분리회수단계로 이루어진 것을 특징으로 하고 있는 배출가스로부터 이산화탄소의 분리회수방법.
제1항에 있어서,

상기 열교환단계 이전에, 제철소 등에서 발생된 고온의 배출가스(off gas) 폐열로부터 전기를 생산하는 위한 발전단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하고 있는 배출가스로부터 이산화탄소의 분리회수방법.
제2항에 있어서,

상기 발전단계는 유기랭킨시스템(organic rankine system)을 이용하여 전기를 생산하는 것을 특징으로 하고 있는 배출가스로부터 이산화탄소의 분리회수방법.
제1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 배출가스(off gas)는 파이넥스(Finex)공정 중 유동로에서 배출된 가스를 이용하는 것을 특징으로 하고 있는 배출가스로부터 이산화탄소의 분리회수방법.
제1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 열교환단계에서 제철소 등에서 발생된 고온의 배출가스(off gas)의 온도는 400℃이상이며,

상기 열교환단계에서 생성되는 재생에너지는 100~300℃인 스팀인 것을 특징으로 하고 있는 배출가스로부터 이산화탄소의 분리회수방법.
제1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 분리회수단계를 거쳐 생성되고 이산화탄소가 농축된 테일가스(tail gas)는 다른 배출가스인 잉여가스(excess gas)와 같이 가스홀더로 보내져 연소시의 발열량을 조절하는데 이용되는 것을 특징으로 하고 있는 배출가스로부터 이산화탄소의 분리회수방법.
제철소 등에서 발생된 고온의 배출가스(off gas) 폐열로부터 열교환하여 상기 배출가스의 온도를 제1온도로 낮춤으로써 재생에너지를 생성하는 열교환장치;와

상기 열교환장치를 통과한 배출가스에서 이물질을 제거하고 상기 배출가스의 온도를 상기 제1온도 보다 낮은 상온으로 떨어뜨리는 집진장치(scrubber);와

흡수법을 이용하여 상기 집진장치에서 전처리된 배출가스에서 이산화탄소를 분리하고 상기 열교환장치에서 생성된 재생에너지를 이용하여 상기 분리된 이산화탄소를 포함하고 있는 흡수액을 가열하여 이산화탄소를 분리, 회수하는 흡수장치로 구성된 것을 특징으로 하고 있는 배출가스로부터 이산화탄소의 분리회수장치.
제7항에 있어서,

상기 제철소 등에서 발생된 고온의 배출가스(off gas) 폐열을 열교환장치에 투입하기 전에 유기랭킨시스템(organic rankine system)을 이용하여 상기 고온의 배출가스로부터 전기를 생산하는 위한 발전장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하고 있는 배출가스로부터 이산화탄소의 분리회수장치.