KR101678502B1 - 다단 분리막을 이용하여 연소가스로부터 이산화탄소를 분리하는 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다단 분리막을 이용하여 연소가스로부터 이산화탄소를 분리하는 장치에 관한 것이다. 본 발명의 분리 장치는 연소가스가 주입부에 주입되는 제1 분리막과, 상기 제1 분리막의 잔여부 기체가 주입부에 주입되는 제2 분리막과, 상기 제1 분리막의 투과부 기체가 주입부에 주입되는 제3 분리막을 포함하고, 상기 제3 분리막의 잔여부 기체는 상기 제1 분리막의 주입부로 주입되고, 상기 제3 분리막의 투과부 기체는 포집된다. 본 발명은 분리막을 이용해 효율적으로 이산화탄소를 분리하면서 실제 공정에 용이하게 적용할 수 있다.

Description

다단 분리막을 이용하여 연소가스로부터 이산화탄소를 분리하는 장치{APPARATUS FOR POST-COMBUSTION CO2 CAPTURE USING MULTI-STAGE MEMBRANES}

본 발명은 연소가스로부터 이산화탄소를 분리하는 장치에 관한 것으로서, 특히 다단 분리막을 이용해 연소가스로부터 효율적으로 이산화탄소를 분리하면서 실제 공정에 용이하게 적용할 수 있는 분리 장치에 관한 것이다.

온실가스의 주범인 CO2를 포집하는 기술에 대해 연구가 많이 진행되고 있다. CO2 포집 기술은 크게 연소 후(Post-combustion), 연소 전(Pre-combustion) 및 순산소 연소(Oxyfuel combustion)로 분류할 수 있다. 연소 후 CO2 포집 기술은 다시 아민 계열 혹은 암모니아 계열 흡수제를 활용한 화학흡수법, 기존의 흡수용액 대신 고체흡수제를 활용한 건식흡수법 및 분리막을 활용한 막분리법 등으로 나누어진다. 막분리법은 친환경 공정이라는 장점이 있으나, 아직 분리막 소재 및 모듈 개발이 주로 이루어지고 있으며, 연소 후 포집 공정에 대한 연구는 소수 회사만이 진행하고 있다.

US7,964,020는 연소가스로부터 이산화탄소를 제거하기 위해 투과부 스윕(permeate sweep)을 갖는 분리막을 이용하여 가스를 분리하는 방법을 개시하고 있다.

US7,964,020는 처리할 배출가스를 분리막의 주입부로 주입하고, 투과부로 공기와 같은 스윕 가스를 주입하여 연소기로 투과부 기체와 스윕 가스를 전달하는 구성을 포함하고 있다. 이를 통해 분리막의 투과부 기체가 스윕 가스와 함께 보일러로 회수됨으로써 분리막 주입부의 이산화탄소를 조성을 높인다. 하지만, US7,964,020에 개시된 구성은 발전플랜트에 실제 공정 적용시 보일러 효율을 변동시키므로 실제 공정 적용에 제한이 따른다.

US4,264,338에 개시된 가스 분리 방법은 다단 분리막 공정에서 2단 또는 3단의 미반응의 잔여부 기체를 회수하여 1단의 주입부로 흐르게 하여 1단 분리막의 분리계수를 높인다. 하지만, US4,264,338의 가스 분리 방법에는 잔여부 기체를 회수하여 사용함으로 시스템의 이산화탄소 분리 성능을 높이는데 한계가 있다.

1. US7,964,020 (Gas separation process using membranes with permeate sweep to remove CO2 from combustion gases) 2. US4,264,338 (Method for separating gases) 3. US5,102,432 (Three-stage membrane gas separation process and system)

1. A parametric study of CO2/N2 gas separation membrane processes for post-combustion capture (L Zhao, E Riensche, R Menzer, L Blum; Journal of Membrane, 2008, Elsevier)

따라서 본 발명은 연소가스로부터 이산화탄소를 분리막을 이용해 효율적으로 분리하는 장치를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 연소가스로부터 이산화탄소를 분리하는 장치로서 실제 공정에 용이하게 적용할 수 있는 분리 장치를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 제안된 본 발명은 다단 분리막을 이용하여 연소가스로부터 이산화탄소를 분리하는 장치에 있어서, 연소가스가 주입부(feed side)에 주입되는 제1 분리막과, 상기 제1 분리막의 잔여부(retentate side) 기체가 주입부에 주입되는 제2 분리막과, 상기 제1 분리막의 투과부(permeate side) 기체가 주입부에 주입되는 제3 분리막을 포함하고, 상기 제3 분리막의 잔여부 기체는 상기 제1 분리막의 주입부로 주입되고, 상기 제3 분리막의 투과부 기체는 포집되는 것을 일 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 다단 분리막을 이용하여 연소가스로부터 이산화탄소를 분리하는 장치에 있어서, 연소가스가 주입부에 주입되는 제1 분리막과, 상기 제1 분리막의 잔여부 기체가 주입부에 주입되는 제2 분리막과, 상기 제1 분리막의 투과부 기체가 주입부에 주입되는 제3 분리막을 포함하고, 상기 제3 분리막의 잔여부 기체는 상기 제2 분리막의 주입부로 주입되고, 상기 제3 분리막의 투과부 기체는 포집되는 것을 다른 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제2 분리막의 투과부 기체는 상기 제1 분리막의 주입부로 주입된다. 또한, 상기 제2 분리막의 투과부 기체 또는 상기 제3 분리막의 잔여부 기체의 이산화탄소 농도를 센싱하는 감지부와, 상기 제1 내지 제3 분리막의 적어도 하나의 주입부에 설치되는 가압수단과, 상기 제1 내지 제3 분리막의 적어도 하나의 투과부에 설치되는 감압수단을 더 포함한다.

전술한 바와 같은 본 발명에 의하면 연소가스로부터 이산화탄소를 분리막을 이용해 효율적으로 분리할 수 있다. 또한, 본 발명은 연소가스로부터 이산화탄소를 분리하는 장치로서 실제 공정에 용이하게 적용할 수 있는 분리 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 이산화탄소 분리 시스템의 구성도이고,
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 의한 이산화탄소 분리 시스템의 구성도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명한다. 전술한 실시예와 첨부된 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니다. 따라서 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 명세서에서 주입부 가스는 특정 분리막의 주입부로 주입되는 가스를 말하고, 투과부 기체는 특정 분리막을 투과하여 배출되는 가스를 말하며, 잔여부 기체는 분리막을 통해 투과부로 투과되지 않고 배출되는 가스를 말한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 이산화탄소 분리 시스템(100)의 구성도이다. 도시된 바와 같이 이산화탄소 분리 시스템(100)은 3개의 분리막(104, 106, 113)를 포함하고 있다. 분리막(104, 106, 113)의 적어도 하나의 주입부에는 압축기(102)가 구비되며, 투과부에는 진공펌프(109, 116, 120)가 구비된다. 압축기 대신 블로우어 등의 가압장치가 사용될 수 있으며, 진공펌프 대신에 팬(fan) 등의 감압장치가 사용될 수 있다. 가압장치나 감압장치는 압력 조건에 따라 생략될 수 있다.

보일러 등으로부터 배출된 연소가스는 라인(101)을 통해 압축기(102)에 주입되며, 압축기(102)는 연소가스를 압축하여 라인(103)을 통해 분리막(104)의 주입부에 주입한다. 분리막(104)의 주입부에 주입된 연소가스 중 이산화탄소는 분리막을 통해 투과부로 흐른다. 진공펌프(109)는 라인(108)을 통해 분리막(104)의 투과부에 진공을 인가하여 주입부로 주입된 연소가스가 분리막을 통해 투과부로 잘 흐르도록 한다. 분리막을 통과하지 않은 잔여부 기체는 분리막(104)의 잔여부로부터 라인(105)을 경유하여 분리막(106)의 주입부로 주입된다.

분리막(106)의 잔여부 기체는 라인(107)을 통해 배출된다. 라인(107)을 통해 배출되는 가스에서 이산화탄소 제거율은 대략 80% 이상이며, 이산화탄소의 농도는 대략 3% 이하이다. 분리막(106)의 투과부 기체는 진공펌프(120)에 의해 흡입되고 라인(119)을 경유하여 압축기(102)에 제공된다.

분리막(104)의 투과부 기체는 진공펌프(109)에 의해 흡입되고 라인(110)을 통해 분리막(113)의 주입부로 주입된다. 분리막(113)의 잔여부 기체는 압축기(102)를 경유하여 분리막(104)의 주입부로 주입된다. 분리막(113)의 투과부 기체는 라인(115)을 통해 진공펌프(116)에 의해 흡입되어 이산화탄소 수집장치(도시되지 않음)로 제공된다.

분리막(104)은 주입부에 분리막(106)의 투과부 기체와 분리막(113)의 잔여부 기체가 입력되므로 이산화탄소 농도가 상승하여 분리막(104)의 선택성이 향상된다. 이러한 작용에 의해 분리막(113)에서 투과부 기체의 이산화탄소의 순도는 80% 이상으로 향상된다.

라인(101)을 통해 압축기(102)에 제공되는 연소가스의 성분은 연소장치의 성능에 따라 결정되며 통상 이산화탄소의 농도는 10 내지 30% 정도이다. 라인(119)을 통해 압축기(102)에 제공되는 분리막 장치(106)의 투과부 기체와, 라인(114)을 통해 분리막 장치(104)의 주입부에 주입되는 분리막 장치(113)의 잔여부 기체는 이산화탄소 농도가 라인(101)을 통해 처음 주입되는 농도 이상이어야 전체 시스템(100)의 이산화탄소 분리 성능을 높일 수 있다. 따라서 분리막 장치(106)의 투과부 기체와 분리막 장치(113)의 잔여부 기체의 이산화탄소 농도를 이산화탄소 센서(122, 124)를 통해 감지하고, 이산화탄소 농도가 처음 주입 농도 이하인 경우는 압축기(102) 또는 진공펌프(109, 116, 120)의 동작을 제어할 필요가 있다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 의한 이산화탄소 분리 시스템(200)의 구성도이다. 도시된 바와 같이 이산화탄소 분리 시스템(200)은 3개의 분리막(104, 106, 113)를 포함하고 있다. 분리막(104, 106, 113)의 적어도 하나의 주입부에는 압축기(102, 202)가 구비되며, 투과부에는 진공펌프(109, 116, 120)가 구비된다. 압축기는 블로우어 등의 가압장치로 대체될 수 있으며, 진공펌프는 팬 등의 감압장치로 대체될 수 있다. 가압장치나 감압장치는 압력 조건에 따라 생략될 수 있다.

보일러 등으로부터 배출된 연소가스는 라인(101)을 통해 압축기(102)에 주입되며, 압축기(102)는 연소가스를 압축하여 라인(103)을 통해 분리막(104)의 주입부에 주입한다. 분리막(104)의 주입부에 주입된 연소가스 중 이산화탄소는 분리막을 통해 투과부로 흐른다. 진공펌프(109)는 라인(108)을 통해 분리막(104)의 투과부에 진공을 인가하여 주입부로 주입된 연소가스가 분리막을 통해 투과부로 잘 흐르도록 한다. 분리막을 통과하지 않은 잔여부 기체는 분리막(104)의 잔여부로부터 라인(105)을 경유하여 분리막(106)의 주입부로 주입된다.

분리막(106)의 잔여부 기체는 라인(107)을 통해 배출된다. 라인(107)을 통해 배출되는 가스에서 이산화탄소 제거율은 대략 80% 이상이며, 이산화탄소의 농도는 대략 3% 이하이다. 분리막(106)의 투과부 기체는 진공펌프(120)에 의해 흡입되고 라인(119)을 경유하여 압축기(102)에 제공된다.

분리막(104)의 투과부 기체는 진공펌프(109)에 의해 흡입되고 라인(110)을 통해 압축기(202)에 제공된다. 압축기(202)는 투과부 기체를 가압하여 라인(203)을 통해 분리막(113)의 주입부로 주입한다. 분리막(113)의 잔여부 기체는 분리막(106)의 주입부로 주입된다. 분리막(113)의 투과부 기체는 라인(115)을 통해 진공펌프(116)에 의해 흡입되어 이산화탄소 수집장치(도시되지 않음)로 제공된다.

분리막(104)은 주입부에 분리막(106)의 투과부 기체가 입력되므로 이산화탄소 농도가 상승하여 분리막(104)의 선택성이 향상된다. 또한, 분리막(106)은 주입부에 분리막(113)의 잔여부 기체가 입력되므로 이산화탄소 농도가 상승하여 분리막(106)의 선택성이 향상된다. 이러한 작용에 의해 분리막(113)에서 투과부 기체의 이산화탄소의 순도는 80% 이상으로 향상된다.

라인(101)을 통해 압축기(102)에 제공되는 연소가스의 성분은 연소장치의 성능에 따라 결정되며 통상 이산화탄소의 농도는 10 내지 30% 정도이다. 라인(119)을 통해 압축기(102)에 제공되는 분리막 장치(106)의 투과부 기체는 이산화탄소 농도가 라인(101)을 통해 처음 주입되는 농도 이상이어야 전체 시스템(100)의 이산화탄소 분리 성능을 높일 수 있다. 따라서 분리막 장치(106)의 투과부 기체의 이산화탄소 농도를 이산화탄소 센서(124)를 통해 감지하고, 이산화탄소 농도가 처음 주입 농도 이하인 경우는 압축기(102, 202) 또는 진공펌프(109, 116, 120)의 동작을 제어할 필요가 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 하기에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

104, 106, 113 : 분리막 장치
102, 202 : 압축기
109, 116, 120 : 진공펌프
이산화탄소 센서 : 122, 124

Claims (4)

1. 삭제
2. 다단 분리막을 이용하여 연소가스로부터 이산화탄소를 분리하는 장치에 있어서,
   연소가스가 주입부에 주입되는 제1 분리막과,
   상기 제1 분리막의 잔여부 기체가 주입부에 주입되는 제2 분리막과,
   상기 제1 분리막의 투과부 기체가 주입부에 주입되는 제3 분리막을
   포함하고,
   상기 제3 분리막의 잔여부 기체는 상기 제2 분리막의 주입부로 주입되고, 상기 제3 분리막의 투과부 기체는 포집되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 분리장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 제2 분리막의 투과부 기체는 상기 제1 분리막의 주입부로 주입되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 분리장치.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 제2 분리막의 투과부 기체 또는 상기 제3 분리막의 잔여부 기체의 이산화탄소 농도를 센싱하는 감지부와,
   상기 제1 내지 제3 분리막의 적어도 하나의 주입부에 설치되는 가압수단과,
   상기 제1 내지 제3 분리막의 적어도 하나의 투과부에 설치되는 감압수단을
   더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 분리장치.

Images