KR101583461B1 - 흡수제 중간 냉각을 이용한 에너지 절감형 산성기체 포집 시스템 및 방법 - Google Patents

흡수제 중간 냉각을 이용한 에너지 절감형 산성기체 포집 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 흡수탑과 재생탑을 구비한 산성기체 포집 공정에 관한 것으로, 특히 흡수탑의 흡수제 중간 냉각을 이용하는 에너지 절감형 산성기체 포집 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 산성기체 포집 시스템의 흡수탑 중앙부에서 산성기체를 흡수하는 흡수제의 중간 냉각을 수행함에 따라 흡수탑의 성능을 향상 시키고 또한 열교환에 이용함에 따라 재비기 요구 열량을 감소시킴으로써 시스템 전체의 에너지 효율을 극대화하는 효과가 있다.

Description

흡수제 중간 냉각을 이용한 에너지 절감형 산성기체 포집 시스템 및 방법{Energy efficient acid gas capture system and process using absorbent intercooling}
본 발명은 산성기체 포집 공정에 관한 것으로, 특히 흡수탑 중앙부의 흡수제용액을 중간 냉각하여 흡수탑으로 재공급하는 에너지 절감형 산성기체 포집 시스템 및 방법에 관한 것이다.
화석연료의 사용에 따라 대기 중에 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 황화수소(H2S), 카보닐 설파이드(COS) 등 산성기체 농도가 증가하여, 이로 인한 지구 온난화가 문제되고 있다. 특히 대기 중 이산화탄소는 1992년 리우 환경회의 이후 그 저감을 위한 여러 방안이 세계적으로 활발히 논의되고 있다.
이산화탄소 포집 및 저장(CCS; Carbon Dioxide Capture& Storage) 기술은 화석연료를 사용하여 이산화탄소를 대량 배출하는 발전소, 철강, 시멘트 공장 등에서 배출되는 이산화탄소를 대기로부터 격리시키는 기술이다.
CCS 기술 중 이산화탄소 포집기술은 전체 비용의 70 내지 80%를 차지하는 핵심 기술로 크게 연소 후 포집기술(Post-combustion technology), 연소 전 포집기술(Pre-combustion technology) 및 순산소 연소기술(Oxy-fuel combustion technology)로 구분(이산화탄소 포집 및 저장기술, 박상도, 물리학과 첨단기술, June, 2009)된다.
연소 후 포집기술(Post-combustion technology)은 화석연료 연소에서 나온 이산화탄소(CO2)를 여러 용매에 흡수시키거나 반응시켜 제거하는 기술이며, 연소 전 포집기술(Pre-combustion technology)은 연소 전에 이산화탄소를 분리해 내는 것으로 석탄과 같은 화석연료를 가스화 시키는 과정을 통해 사전 처리하여 CO2와 수소로 전환시킨 후에 이산화탄소(CO2)/수소(H2)혼합가스 중에서 이산화탄소(CO2)를 분리하거나 또는 혼합가스를 연소시켜서 배기가스 중의 이산화탄소(CO2)를 포집하는 기술이다. 또한, 순 산소 연소기술(Oxy-fuel combustion technology)은 화석연료를 연소시킬 때 공기 대신 산소만을 이용하여 연소시켜 이산화탄소(CO2) 포집을 용이하게 하는 기술이다. 위 기술 중 연소 후 포집기술이 현재 가장 폭넓게 사용되고 있다.
기존 이산화탄소 발생원에 적용하기 가장 용이한 기술은 연소 후 포집기술이다. 흡수제를 이용하여 이산화탄소를 흡탈착하여 이산화탄소를 분리하는 방법으로 흡수제 성능향상과 이에 따른 공정 개선 등에 초점이 맞추어져 있다. 이 기술은 요소비료 생산, 자동용접, 탄산음료 등에 필요한 이산화탄소를 공급하기 위하여 습식 흡수기술과 건식 흡착기술이 상용화되어 가동되고 있으며, 습식 흡수기술의 효율이 높은 편이다.
습식 흡수기술의 대표적인 공정은 아민계 흡수제를 사용하는 포집공정으로 석유화학공정 중 개질공정에서 적용된 바 있는 기술적 신뢰성이 확보된 기술이지만, 다양한 오염물이 포함된 연도가스에 적용하기 위해서는 흡수제 성능 및 공정 개선이 필요하다. 아민계 흡수제를 사용하는 공정은, 알킬기에 아민과 hydroxyl기가 결합된 알칸올아민을 흡수제로 이용하는 화학흡수공정으로 유입 가스로부터 이산화탄소를 선택적으로 흡수하는 흡수탑과 이산화탄소를 흡수한 흡수제를 재생하는 재생탑(가열 재생탑) 및 부대설비로 구성되어 있다.
아민계 흡수제로 가장 널리 이용되고 있는 MEA(Mono Ethanol Amine)는 아민기의 비공유 전자에 의하여 형성되는 알칼리성이 수용액에서 산성인 이산화탄소와 산-염기 중화반응의 원인을 제공하며, 생성된 염(carbamate 또는 bicarbonate)은 약 110℃ 내지 130℃에서 분해되어 재생된다. 흡수제로 사용되는 아민들은 각각의 구조적인 특성에 따라 이산화탄소의 흡수능과 흡수 속도 등에 많은 차이를 보이고 있다.
이산화탄소를 흡수하는 공정은 약 40℃ 내지 50℃에서 이루어지는데 비해, 재생공정은 약 110℃ 내지 130℃에서 진행되므로 재생공정에서 흡수제의 일부가 증기화되어 이산화탄소와 함께 배출되므로 이를 냉각응축시키기 위한 냉각기 및 재생공정의 재비기의 요구 열량을 줄일 수 있는 예열 기술이 필요하다.
대한민국 등록특허 제 0983677호는 산성기체 흡수 분리 시스템 및 방법에 관한것으로, 증기 발생용 보일러에서 발생된 증기를 흡수제 재생용 열원으로 활용하는 방법을 개시한다. 하지만 이는 발생된 증기를 흡수제 재생용으로만 활용하는 것의 한계가 있다.
따라서 재생공정을 위한 가열과 냉각에 따른 에너지의 소모가 많으므로 이를 감소시키기 위한 기술개발이 요구된다.
(0001) 대한민국 등록특허 0983677
(0001) 이산화탄소 포집 및 저장기술, 박상도, 물리학과 첨단기술, June, 2009
본 발명은 흡수탑의 흡수제를 중간 냉각하여 흡수탑 성능 향상 및 열교환에 이용하여 재비기 요구 열량 감소에 따른 에너지 절감형 산성기체 포집 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명자들은 시스템의 흡수탑에서 이용되는 흡수제의 중간 냉각을 통해 흡수탑 성능을 향상 시키고 또한 열교환에 이용함으로써 시스템 전체의 에너지 효율을 극대화할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 흡수제를 이용하여 산성기체를 흡수하는 흡수탑 및 상기 흡수제로부터 처리 가스를 분리하는 재생탑을 구비한 산성기체 포집 시스템으로, 상기 포집 시스템은 산성기체를 포함하는 배기가스를 흡수탑으로 공급하되 흡수탑 주입 전에 제 1열교환기 및 물분리기를 거쳐 상기 흡수탑으로 향하도록 하는 배기가스 공급라인; 상기 산성기체를 흡수한 흡수제를 흡수탑 하부로부터 상기 재생탑에 공급하되 제2 열교환기를 거쳐 재생탑으로 향하도록 하는 흡수제 공급라인; 상기 재생탑 하부로 부터 산성기체가 분리된 재생된 흡수제를 배출하는 재생된 흡수제 배출라인; 상기 재생탑에서 방출되는 처리가스를 응축기로 공급하되 상기 처리가스는 상기 응축기에 도달하기 전에 제3 열교환기를 거치는 처리가스 라인; 상기 응축기를 거쳐 생성된 응축수를 활용하는 응축수 공급라인; 및 상기 흡수탑에서 흡수제를 외부 순환시키는 흡수제 중간 냉각라인을 포함하고, 상기 중간 냉각라인은 상기 흡수탑 내부의 흡수제용액을 제4 열교환기 및 제5 열교환기를 차례로 거쳐 흡수탑으로 재주입하고, 상기 제4 열교환기에서는 중간 냉각라인 및 상기 흡수제 공급라인이 교차되는 것인, 흡수제 중간 냉각을 이용한 에너지 절감형 산성기체 포집 시스템을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 중간 냉각라인은 흡수탑 중앙부에서 흡수제 배출라인이 위치하는 것을 특징으로 하는, 흡수제 중간 냉각을 이용한 에너지 절감형 산성기체 포집 시스템을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 중앙부는 흡수탑 최상단을 1단으로 하고 최하단을 20단으로 하는 것을 특징으로 하는, 흡수제 중간 냉각을 이용한 에너지 절감형 산성기체 포집 시스템을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 응축기의 작동 온도는 30℃ 내지 40℃인, 흡수제 중간 냉각을 이용한 에너지 절감형 산성기체 포집 시스템을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 산성기체는, 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 황화수소(H2S), 카보닐 설파이드(COS) 또는 머캡탄(RSH, R= 탄화수소)인, 흡수제 중간 냉각을 이용한 에너지 절감형 산성기체 포집 시스템을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 제2 열교환기에서는 상기 흡수제 공급라인, 및 재생탑 하부와 연결된 재비기(Reboiler)를 거쳐 재생된 흡수제를 흡수탑으로 이송하는 재생된 흡수제 배출라인이 서로 교차하는 것인, 흡수제 중간 냉각을 이용한 에너지 절감형 산성기체 포집 시스템을 제공한다.
본 발명은 또한, 흡수제를 이용하여 산성기체를 흡수하는 흡수탑 및 상기 흡수제로부터 처리 가스를 분리하는 재생탑을 구비한 산성기체 포집 방법으로, 상기 포집 방법은 산성기체를 함유하고 있는 배기가스를 흡수탑에 공급하여 산성기체를 흡수제에 흡수시키는 단계; 흡수탑에서 방출되는 산성기체를 흡수한 흡수제를 재생탑으로 공급하여 상기 흡수제로부터 산성기체를 포함하는 처리 가스를 분리하는 단계; 상기 재생탑에서 재생된 흡수제를 재비기를 거쳐 흡수탑으로 재공급하는 흡수제 재공급 단계; 및 상기 응축기를 거쳐 생성된 응축수를 활용하는 응축수 공급라인으로 응축수를 공급하는 단계; 상기 흡수탑 중앙부에서 중간 냉각라인으로 흡수제를 외부 순환시키는 흡수제 중간 냉각 단계를 포함하고, 상기 중간 냉각 단계는 상기 흡수탑 내부의 흡수제용액을 제4 열교환기 및 제5 열교환기를 차례로 거쳐 열교환 하는 단계; 및 상기 제4 열교환기 및 제5 열교환기를 차례로 거친 흡수제용액을 흡수탑으로 재주입하여 산성기체를 흡수하는 단계를 포함하는, 흡수제 중간 냉각을 이용한 에너지 절감형 산성기체 포집 방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 중간 냉각라인은 흡수탑 중앙부에서 흡수제 배출라인이 위치하는 것을 특징으로 하는, 흡수제 중간 냉각을 이용한 에너지 절감형 산성기체 포집 방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 중앙부는 흡수탑 최상단을 1단으로 하고 최하단을 20단으로 하는 것을 특징으로 하는, 흡수제 중간 냉각을 이용한 에너지 절감형 산성기체 포집 방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 제4 열교환기에서는 상기 중간 냉각라인, 및 흡수탑 하부의 흡수제 공급라인이 서로 교차하는 것인, 흡수제 중간 냉각을 이용한 에너지 절감형 산성기체 포집 방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 응축기의 작동 온도는 30℃ 내지 40℃인, 흡수제 중간 냉각을 이용한 에너지 절감형 산성기체 포집 방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 산성기체는, 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 황화수소(H2S), 카보닐 설파이드(COS) 또는 머캡탄(RSH, R= 탄화수소)인, 흡수제 중간 냉각을 이용한 에너지 절감형 산성기체 포집 방법을 제공한다.
본 발명은 시스템의 흡수탑에서 산성기체를 흡수하는 흡수제의 중간 냉각을 수행함에 따라 흡수탑의 성능을 향상 시키고 또한 열교환에 이용함에 따라 재비기 요구 열량을 감소시킴으로써 시스템 전체의 에너지 효율을 극대화하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 산성기체 분리 회수 시스템을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 산성기체 포집 시스템을 나타낸다.
도 3a는 본 발명의 중간 냉각의 흡수탑 적용단 변화에 따른 Working capacity와 흡수제 순환유량 감소율을 나타내는 그래프이다.
도 3b는 본 발명의 중간 냉각의 흡수탑 적용단 변화에 따른 흡수탑 온도구배를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 산성기체 분리 회수 시스템 및 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
여기서, 본 발명의 실시 형태를 설명하기 위한 전체 도면에 있어서, 동일한 기능을 갖는 것은 동일한 부호를 붙이고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 본 발명에서는 열교환기에서 열을 교환하는 흡수제, 처리 가스 또는 응축수를 운송하는 라인은 서로 "교차"한다고 표현하였다. 즉, 두 유체 운송라인은 열교환기에서 서로 "교차"하여 열을 교환한다.
도 1은 종래의 산성기체 포집 시스템을 나타낸다. 이산화탄소 등 산성기체를 포함하고 있는 배기가스를 기체와 액체 사이의 접촉이 원활히 이루어지도록 넓은 표면적을 갖는 충전물이 충전되어 있는 흡수탑(10)에 공급하여, 상기 흡수탑의 상부에서 살포되는 용액 상태의 흡수제와 대기압 조건에서 접촉시킨다. 상기 접촉은 약 40℃ 내지 50℃의 온도범위에서 진행되어, 배기가스 내의 이산화탄소 등 산성기체를 흡수용액에 흡수시킨다.
상기 흡수탑에서 방출되는 흡수제, 즉 이산화탄소를 포함하는 산성기체가 흡수된 흡수제는 재생탑(20)으로 보내져 약 120℃ 전후의 온도범위에서 가열 처리된 후 흡수제에서 유리된 처리 가스는 상기 재생탑의 상부로 방출하고, 재생된 흡수제는 재비기(Reboiler)(40)를 거쳐 흡수탑으로 다시 공급되는 순환과정을 거친다. 상기 재생탑에서 방출된 처리가스는 처리가스 배출라인(31)을 통해 응축기(50)로 공급되어 응축기에서 물은 응축되고 응축되지 않은 수증기와 이산화탄소 등 산성기체는 최종산물로 얻어진다. 상기 응축된 물은 응축수 공급라인(51)을 따라 재생탑 안으로 재순환되고, 이러한 재순환은 재생탑의 분리효율을 높이는 효과가 있으나 저온의 응축된 물이 유입됨에 따라 재비기 요구 열량(Reboiler heat duty)을 증가시키는 요인이 된다. 상기 재생된 흡수제는 흡수제 재순환 라인을 따라 이동해 제2 열교환기(12)를 통해 상기 재생탑으로 보내지는 산성기체를 흡수한 흡수제를 예열하고, 새로운 산성기체를 흡수하기 위해 흡수탑에 다시 공급된다. 상기 제2 열교환기에서 재생된 흡수제 배출라인(41)과 흡수탑에서 산성기체를 흡수한 흡수제를 재생탑으로 공급하는 흡수제 공급라인(21)이 서로 교차한다.
도 2는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 산성기체 포집 시스템을 나타내는 것이다. 흡수제를 이용하여 산성기체를 흡수하는 흡수탑(20) 및 상기 흡수제로부터 처리 가스를 분리하는 재생탑(30)을 구비한 산성기체 포집 시스템으로, 상기 포집 시스템은 산성기체를 포함하는 배기가스를 흡수탑(20)으로 공급하되 흡수탑 주입 전에 제1 열교환기(11) 및 물분리기(60)를 거쳐 상기 흡수탑(20)으로 향하도록 하는 배기가스 공급라인(61); 상기 산성기체를 흡수한 흡수제를 흡수탑(20) 하부로부터 상기 재생탑(30)에 공급하되 제2 열교환기(12)를 거쳐 재생탑(30)으로 향하도록 하는 흡수제 공급라인(21); 상기 재생탑(30) 하부로 부터 산성기체가 분리된 재생된 흡수제를 배출하는 재생된 흡수제 배출라인(41); 상기 재생탑에서 방출되는 처리가스를 응축기(50)로 공급하되 상기 처리가스는 상기 응축기(50)에 도달하기 전에 제3 열교환기(13)를 거치는 처리가스 라인(31); 상기 응축기(500)를 거쳐 생성된 응축수를 활용하는 응축수 공급라인(51); 및 상기 흡수탑(20)에서 흡수제를 외부 순환시키는 흡수제 중간 냉각라인(22)을 포함하고, 상기 중간 냉각라인(22)은 상기 흡수탑 내부의 흡수제용액을 제4 열교환기(14) 및 제5 열교환기(15)를 차례로 거쳐 흡수탑(20)으로 재주입하고, 상기 제4 열교환기(14)에서는 중간 냉각라인(22) 및 상기 흡수제 공급라인(21)이 교차된다.
본 발명의 시스템은 흡수탑에 중간 냉각을 위해 중간 냉각라인(22)에 제4 열교환기(14) 및 제5 열교환기(15)가 추가된 것을 특징으로 한다. 본 발명의 흡수탑 하부로 주입된 연소 배가스는 상기 흡수탑 하부에서부터 상부로 상승하면서 하부의 흡수용액 및 흡수탑의 상부에서 주입되는 재생된 흡수제와도 화학반응이 일어난다. 따라서 흡수탑 내부는 흡수제 용액 및 산성기체의 화학반응(발열반응)에 의한 온도구배가 발생한다. 이는 산성기체 흡수반응을 저해하는 요인이 되므로 본 발명에서는 중간 냉각을 이용하여 흡수탑의 성능을 향상시킨다. 상기 중간 냉각라인(22)은 흡수탑 중앙부에서 흡수제 배출라인이 위치하는 것이며, 상기 중앙부는 흡수탑 최상단을 1단으로 하고 최하단을 20단으로 하는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 중앙부에서 배출되는 흡수제 용액은 제4 열교환기(14)로 공급되는데, 이는 흡수탑 하부에서 배출되는 흡수제용액이 이송되는 흡수제 공급라인(21)과 교차하여 열교환한다. 상기 제4 열교환기를 거친 중간 냉각라인(22)의 온도가 낮아진 흡수제 용액은 제5 열교환기로 공급하여 추가적으로 냉각하고 흡수탑으로 재주입된다.
상기 흡수탑 하부에서 배출되는 흡수제용액은 산성기체를 흡수한 흡수제이므로, 산성기체 분리 및 흡수제 재생을 위해 재생탑으로 공급된다. 본 발명에서는 흡수제용액을 상기 재생탑으로 공급하기 전에 제4 열교환기 및 제2 열교환기를 차례로 거친 후에 재생탑으로 공급한다. 상기 제4 열교환기에서는 흡수탑의 중간 냉각라인을 통해 배출되는 흡수탑 상부의 흡수제용액과 열교환한다. 상기 제4 열교환기에서 열교환된 흡수제 용액은 제2 열교환기로 공급되어 고온의 재생된 흡수제와 열교환한 후에 재생탑 상단에 주입됨에 따라 재비기의 요구열량을 줄이는 효과가 있다.
일반적으로 화학반응은 온도 및 용해도에 따라 반응속도에 영향을 받는다. 예를 들면 온도가 높은 경우 반응속도는 향상되지만 용해도는 감소하고, 반면 온도가 낮은 경우 용해도는 높아지지만 반응속도는 감소한다. 흡수탑 내부에서는 발열반응인 흡수제의 산성기체 흡수반응으로 인해 온도 구배가 발생한다. 흡수탑 하부로 공급되는 흡수제 용액 또는 산성기체의 온도로 인해 흡수탑 하부는 약 40℃ 정도이나, 상부에서 공급되는 재생된 흡수제 및 산성기체의 반응으로 인해 흡수탑 상부로 올라갈수록 흡수탑 내부는 약 75℃까지 상승하여 흡수탑 내부에 온도구배가 발생한다. 이는 흡수탑 하부에서 상부로 올라갈수록 흡수제용액이 산성기체와 반응할 수 있는 용량이 많으므로 그 만큼 온도가 상승한다. 반면에 흡수탑 하부는산성기체를 흡수할 수 있는 흡수제 용량이 비교적 상부보다 적기 때문에 흡수탑 상부보다 낮은 온도를 나타낸다. 본 발명의 중간 냉각은 상기 흡수탑 내부의 온도 구배를 변화시켜 반응속도 및 용해도 특성을 극대화시킴으로써 흡수제의 작업용량(Working capacity)를 증가시키는 효과가 있다. 본 발명의 중간 냉각 효과에 따른 작업용량(g-CO2/L-solution)은 단위 흡수제 부피 용량에 대한 CO2 흡수 용량을 말하며, 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Working capacity =
Figure 112014117537036-pat00001

여기서 mCO2,in 및 mCO2,out는 각각 흡수탑으로 유입되는 CO2, 및 흡수탑에서 유출되는 CO2의 질량 유량이며, V solvent rate는 흡수제 수용액의 순환 유량을 말한다. 비교적 높은 작업용량은 동일한 CO2 양을 흡수하기 위한 흡수제 수용액 순환 유량 덜 요구됨을 의미하며, 따라서 흡수제 중간 냉각은 흡수제 수용액 순환 유량 및 시스템의 장치 크기를 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 3a는 흡수제 중간 냉각 공정을 최적화하기 위한 적용 단에 따른 작업용량 및 흡수제 순환유량 감소율을 나타낸다. 흡수탑 최상단을 1단으로 하고 최하단을 20단으로 하였을 때, 16단에 적용한 결과 가장 높은 작업용량과 흡수제 수용액 순환유량 감소율을 보인다. 이는 흡수탑 16단에서는 흡수제 용액이 산성기체를 흡수할 수 있는 있는 용량이 상부에 비해 적지만, 제4열교환기에서 열교환후 재공급되는 흡수제 용액을 흡수탑 하부로 주입함으로써 흡수탑 하부의 온도를 더욱 낮추어 더 많은 산성기체를 흡수할 수 있는 효과를 나타낸다. 산성기체를 흡수 할 수 있는흡수제 용량이 비교적 높은 흡수탑 상부는 반응속도의 영향이 크기 때문에 높은 온도로 운전하고, 동시에 산성기체를 흡수 할 수 있는 흡수제 용량이 비교적 낮은 흡수탑 하부는 용해도의 영향이 크기 때문에 더 낮은 온도로 운전하여 흡수탑의 흡수효율을 증가시킨다.
도 3b는 상기 적용단에 따라 중간 냉각을 적용한 흡수탑 온도 구배를 나타낸다. 흡수탑에서 배출되는 산성기체를 흡수한 흡수제 용액의 Rich-CO2 부하량은 0.475 (mol CO2/mol Amine)에서 0.495 (mol CO2/mol Amine)로 향상되었다. 본 발명의 한 구현예에서 중간 냉각 시스템으로 흡수탑 성능이 향상되면서 흡수제 수용액 순환유량은 약 4.9 %가 감소하였고, 재비기 요구 열량은 약 3.1 %가 감소함으로써 본 발명의 산성기체 포집 시스템은 에너지 절감효과가 뛰어난 것으로 판단된다.
본 발명의 한 구현예에서 상기 응축기의 작동 온도는 30℃ 내지 40℃이다. 또한 상기 산성기체는 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 황화수소(H2S), 카보닐 설파이드(COS) 또는 머캡탄(RSH, R= 탄화수소) 등이 선택될 수 있으나 이로 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 한 구현에에서 상기 제2 열교환기에서는 상기 산성기체를 흡수한 흡수제 공급라인, 및 재생탑 하부와 연결된 재비기(Reboiler)를 거쳐 재생된 흡수제를 흡수탑으로 이송하는 재생된 흡수제 배출라인이 서로 교차하여 재생된 흡수제 용액을 냉각한다.
본 발명은 또한 흡수제를 이용하여 산성기체를 흡수하는 흡수탑 및 상기 흡수제로부터 처리 가스를 분리하는 재생탑을 구비한 산성기체 포집 방법을 제공한다. 상기 포집 방법은 산성기체를 함유하고 있는 배기가스를 흡수탑에 공급하여 산성기체를 흡수제에 흡수시키는 단계; 흡수탑에서 방출되는 산성기체를 흡수한 흡수제를 재생탑으로 공급하여 상기 흡수제로부터 산성기체를 포함하는 처리 가스를 분리하는 단계; 상기 재생탑에서 재생된 흡수제를 재비기를 거쳐 흡수탑으로 재공급하는 흡수제 재공급 단계; 및 상기 응축기를 거쳐 생성된 응축수를 활용하는 응축수 공급라인으로 응축수를 공급하는 단계; 상기 흡수탑 중앙부에서 중간 냉각 공급라인으로 흡수제를 외부 순환시키는 흡수제 중간 냉각 단계를 포함하고, 상기 중간 냉각 단계는 상기 흡수탑 내부의 흡수제용액을 제4 열교환기 및 제5 열교환기를 차례로 거쳐 열교환 하는 단계; 및 상기 제4 열교환기 및 제5 열교환기를 차례로 거친 흡수제용액을 흡수탑으로 재주입하여 산성기체를 흡수하는 단계를 포함한다.
본 발명의 한 구현예에서 상기 응축기의 작동 온도는 30℃ 내지 40℃이다. 또한 상기 산성기체는 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 황화수소(H2S), 카보닐 설파이드(COS) 또는 머캡탄(RSH, R= 탄화수소) 등이 선택될 수 있으나 이로 제한되는 것은 아니다.
이상에서 본원의 예시적인 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본원의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본원의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본원의 권리범위에 속하는 것이다.
본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미로 사용된다. 본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 도입된다.
11. 제1 열교환기
12. 제2 열교환기
13. 제3 열교환기
14. 제4 열교환기
15. 제5 열교환기
20. 흡수탑
21. 흡수제 공급라인
22. 중간 냉각라인
30. 재생탑
31. 처리가스 라인
40. 재비기
41. 재생된 흡수제 배출라인
50. 응축기
51. 응축수 공급라인
60. 물 분리기
61. 배기가스 공급라인

Claims (12)

  1. 흡수제를 이용하여 산성기체를 흡수하는 흡수탑 및 상기 흡수제로부터 처리 가스를 분리하는 재생탑을 구비한 산성기체 포집 시스템으로,
    상기 포집 시스템은 산성기체를 포함하는 배기가스를 흡수탑으로 공급하되 흡수탑 주입 전에 제 1열교환기 및 물분리기를 거쳐 상기 흡수탑으로 향하도록 하는 배기가스 공급라인;
    상기 산성기체를 흡수한 흡수제를 흡수탑 하부로부터 상기 재생탑에 공급하되 제2 열교환기를 거쳐 재생탑으로 향하도록 하는 흡수제 공급라인;
    상기 재생탑 하부로 부터 산성기체가 분리된 재생된 흡수제를 배출하는 재생된 흡수제 배출라인;
    상기 재생탑에서 방출되는 처리가스를 응축기로 공급하되 상기 처리가스는 상기 응축기에 도달하기 전에 제3 열교환기를 거치는 처리가스 라인;
    상기 응축기를 거쳐 생성된 응축수를 활용하는 응축수 공급라인; 및
    상기 흡수탑에서 흡수제를 외부 순환시키는 흡수제 중간 냉각라인을 포함하고,
    상기 중간 냉각라인은 상기 흡수탑 내부의 흡수제용액을 제4 열교환기 및 제5 열교환기를 차례로 거쳐 흡수탑으로 재주입하고,
    상기 제4 열교환기에서는 중간 냉각라인 및 상기 흡수제 공급라인이 교차되는 것인,
    흡수제 중간 냉각을 이용한 에너지 절감형 산성기체 포집 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 중간 냉각라인은 흡수탑 중앙부에서 흡수제 배출라인이 위치하는 것을 특징으로 하는,
    흡수제 중간 냉각을 이용한 에너지 절감형 산성기체 포집 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 중앙부는 흡수탑 최상단을 1단으로 하고 최하단을 20단으로 하는 것을 특징으로 하는,
    흡수제 중간 냉각을 이용한 에너지 절감형 산성기체 포집 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 응축기의 작동 온도는 30℃ 내지 40℃인,
    흡수제 중간 냉각을 이용한 에너지 절감형 산성기체 포집 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 산성기체는, 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 황화수소(H2S), 카보닐 설파이드(COS) 또는 머캡탄(RSH, R= 탄화수소)인,
    흡수제 중간 냉각을 이용한 에너지 절감형 산성기체 포집 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 열교환기에서는 상기 흡수제 공급라인, 및 재생탑 하부와 연결된 재비기(Reboiler)를 거쳐 재생된 흡수제를 흡수탑으로 이송하는 재생된 흡수제 배출라인이 서로 교차하는 것인,
    흡수제 중간 냉각을 이용한 에너지 절감형 산성기체 포집 시스템.
  7. 흡수제를 이용하여 산성기체를 흡수하는 흡수탑 및 상기 흡수제로부터 처리 가스를 분리하는 재생탑을 구비한 산성기체 포집 방법으로,
    상기 포집 방법은 산성기체를 함유하고 있는 배기가스를 흡수탑에 공급하여 산성기체를 흡수제에 흡수시키는 단계;
    흡수탑에서 방출되는 산성기체를 흡수한 흡수제를 재생탑으로 공급하여 상기 흡수제로부터 산성기체를 포함하는 처리 가스를 분리하는 단계;
    상기 재생탑에서 재생된 흡수제를 재비기를 거쳐 흡수탑으로 재공급하는 흡수제 재공급 단계;
    상기 처리가스를 처리가스 라인을 통해 응축기로 공급하는 단계;
    상기 응축기를 거쳐 생성된 응축수를 활용하는 응축수 공급라인으로 응축수를 공급하는 단계; 및
    상기 흡수탑 중앙부에서 중간 냉각라인으로 흡수제를 외부 순환시키는 흡수제 중간 냉각 단계를 포함하고,
    상기 중간 냉각 단계는 상기 흡수탑 내부의 흡수제용액을 제4 열교환기 및 제5 열교환기를 차례로 거쳐 열교환 하는 단계; 및
    상기 제4 열교환기 및 제5 열교환기를 차례로 거친 흡수제용액을 흡수탑으로 재주입하여 산성기체를 흡수하는 단계를 포함하는,
    흡수제 중간 냉각을 이용한 에너지 절감형 산성기체 포집 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 중간 냉각라인은 흡수탑 중앙부에서 흡수제 배출라인이 위치하는 것을 특징으로 하는,
    흡수제 중간 냉각을 이용한 에너지 절감형 산성기체 포집 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 중앙부는 흡수탑 최상단을 1단으로 하고 최하단을 20단으로 하는 것을 특징으로 하는,
    흡수제 중간 냉각을 이용한 에너지 절감형 산성기체 포집 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제4 열교환기에서는 상기 중간 냉각라인, 및 흡수탑 하부의 흡수제 공급라인이 서로 교차하는 것인,
    흡수제 중간 냉각을 이용한 에너지 절감형 산성기체 포집 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 응축기의 작동 온도는 30℃ 내지 40℃인,
    흡수제 중간 냉각을 이용한 에너지 절감형 산성기체 포집 방법.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 산성기체는, 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 황화수소(H2S), 카보닐 설파이드(COS) 또는 머캡탄(RSH, R= 탄화수소)인,
    흡수제 중간 냉각을 이용한 에너지 절감형 산성기체 포집 방법.
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