KR101704058B1 - Device for capturing carbon dioxide in gas - Google Patents

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박상진
이기춘
이윤지
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 배기가스 내 이산화탄소 회수장치에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 배기가스 내 이산화탄소를 흡수용액에 흡수시키는 흡수탑(10); 상기 흡수탑(10)에서 방출되며 이산화탄소를 흡수한 이산화탄소 흡수용액을 가열하고 재생시키는 재생탑(20); 상기 흡수탑(10)과 재생탑(20) 사이의 라인 상에 설치되어 이산화탄소 흡수용액과 재생 흡수용액 간의 열교환을 수행하는 열교환기(30); 상기 열교환기(30)를 통과하고 재생탑(20)에 제공되기 전의 라인 상에 설치되어 이산화탄소 흡수용액 내 수분을 흡수하는 탈수장치(100);를 포함하며, 상기 재생탑(20)에 제공되기 전 이산화탄소 흡수용액 내 수분의 농도가 기 설정된 범위 내에 유지되도록 상기 탈수장치(100)에서 조절함으로써, 재생탑에서 이산화탄소를 흡수한 흡수용액을 재생시키는 데 필요한 재생에너지를 감소시키고 전체 이산화탄소 회수비용을 절감할 수 있는 배기가스 내 이산화탄소 회수장치를 제공한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus for recovering carbon dioxide in an exhaust gas, and more particularly, to an absorption tower 10 for absorbing carbon dioxide in an exhaust gas. A regeneration tower (20) for heating and regenerating the carbon dioxide absorbing solution discharged from the absorption tower (10) and absorbing the carbon dioxide; A heat exchanger (30) installed on the line between the absorption tower (10) and the regeneration tower (20) and performing heat exchange between the carbon dioxide absorption solution and the regeneration absorption solution; And a dewatering device 100 installed on the line before passing through the heat exchanger 30 and provided to the regeneration tower 20 to absorb moisture in the carbon dioxide absorbing solution, By regulating in the dewatering device 100 such that the concentration of water in the pre-carbon dioxide absorbing solution is maintained within a predetermined range, it is possible to reduce the regeneration energy required to regenerate the absorbing solution that has absorbed carbon dioxide in the regenerator and to reduce the total cost of recovering carbon dioxide The present invention provides an apparatus for recovering carbon dioxide in an exhaust gas.

Description

배기가스 내 이산화탄소 회수장치 {Device for capturing carbon dioxide in gas} BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a device for capturing carbon dioxide in exhaust gas,

본 발명은 배기가스 내 이산화탄소 회수장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이산화탄소 흡수용액의 재생에너지를 감소시켜 이산화탄소 회수비용을 절감하기 위한 배기가스 내 이산화탄소 회수장치에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus for recovering carbon dioxide in an exhaust gas, and more particularly, to an apparatus for recovering carbon dioxide in an exhaust gas.

최근 지구 온난화 현상에 대한 심각성이 인식되기 시작하면서 세계 각국은 온실 가스에 대한 대책 마련에 고심하고 있으며, 이러한 지구 온난화의 가장 큰 요인 중의 하나가 이산화탄소이다.Recently, as the seriousness of the global warming phenomenon is recognized, the countries around the world are struggling to cope with the greenhouse gas. One of the biggest factors of global warming is carbon dioxide.

따라서, 온실가스 중에서도 가장 중요한 저감 대상인 이산화탄소를 효율적으로 재활용 및 저감시키는 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있는 추세이다. Therefore, there is a tendency that researches on the technology for efficiently recycling and reducing the carbon dioxide, which is the most important reduction target among the greenhouse gases, are actively conducted.

이러한 이산화탄소를 포집하는 방법에는 흡수법, 흡착법, 분리막법 등이 있으나, 흡수법이 흡착법이나 막분리법 등과 같은 타 회수 기술에 비하여 대유량의 배기가스 처리가 가능하고, 이산화탄소가 7∼30% 내외의 농도조건에서도 높은 제거 효율을 가지면서 경제성이나 공정 적용 용이성이 높은 것으로 평가받고 있다. Although the absorption method, the absorption method, and the separation membrane method are available for collecting such carbon dioxide, the absorption method can treat the exhaust gas at a large flow rate as compared with other recovery techniques such as the adsorption method and the membrane separation method, and the carbon dioxide is 7 to 30% It has been evaluated that it is highly economical and easy to apply the process with high removal efficiency even under the concentration condition.

흡수법 중에서 가장 널리 개발 중인 화학 흡수법은 화학반응을 이용하여 배기가스 내의 CO2를 선택적으로 분리하기 때문에 흡수량이 CO2 분압의 영향을 크게 받지 않아 CO2 분압이 낮은 경우에도 CO2 제거효율이 높은 장점이 있지만, 사용된 흡수제를 다시 사용하기 위해 CO2를 흡수제에서 분리시키는 재생과정에서 높은 에너지 소비량을 필요로 하는 문제가 있다. Absorption method most widely under development chemical absorption method is to use the selective separation of the CO 2 in the exhaust gas a chemical reaction due to absorption of removing CO 2, even if the CO 2 partial pressure is low do not significantly affected by the CO 2 partial pressure effective in the There is a problem of requiring high energy consumption in the regeneration process in which CO 2 is separated from the absorbent to reuse the absorbent used.

특히, 수용성 아민계 흡수용액을 사용하는 경우, CO2 회수비용 중 에너지 비용이 50∼60%를 차지하며, 이 에너지 비용 중 CO2 흡수액 재생에 소비되는 에너지 비용이 80% 이상을 차지하는 실정이다. In particular, when a water-soluble amine-based absorption solution is used, the energy cost of the CO 2 recovery cost is 50 to 60%, and the energy cost consumed for regeneration of the CO 2 absorbent in the energy cost accounts for more than 80%.

이러한 문제를 해결하기 위해 최근에는 비수용성 흡수용액을 CO2 흡수제로 사용하는 기술 개발이 활발히 이루어지고 있다. In order to solve such problems, recently, a technique of using a non-aqueous absorbing solution as a CO 2 absorbent has been actively developed.

물보다 현열(Sensible heat)과 증발열(Heat of vaporization)이 낮은 물질을 흡수용액의 용매로 사용하여 수용성 흡수제 대비 재생에너지를 혁신적으로 줄일 수 있어 CO2 흡수회수의 경제성을 크게 증대시킬 수 있다. The use of a material with lower sensible heat and heat of vaporization than water makes it possible to drastically reduce the renewable energy compared to the water-soluble absorbent, thereby greatly improving the economical efficiency of CO 2 absorption.

그러나, CO2를 회수하고자 하는 가스 내에 수분이 존재하는 경우, CO2 흡수과정에서 가스 내의 수분이 비수용성 흡수용액에 용해되는 문제가 있다. However, when the moisture present in the gas to recover the CO 2, the moisture in the gas from the CO 2 absorption process has a problem to be dissolved in a non-aqueous absorbent solution.

흡수용액은 공정상에서 흡수와 재생을 반복하면서 흡수성능이 일정 수준으로 유지될 때까지 반복적으로 사용하는데, 반복 사용 횟수가 증가할수록 흡수용액에 수분이 축적되는 양이 증가하여 희석에 의해 흡수제의 성능이 점진적으로 저하되고, 재생에너지 소비가 지속적으로 증가하게 된다. The absorbing solution is repeatedly used until the absorbing performance is maintained at a constant level while repeatedly absorbing and regenerating in the process. As the number of repeated use increases, the amount of moisture accumulated in the absorbing solution increases, Gradually decreases, and the consumption of renewable energy is continuously increased.

그러므로, 비수용성 흡수용액을 사용하여 수분이 함유되어 있는 가수 내의 CO2를 흡수 회수하는 경우에 공정상에서 흡수용액 내의 물의 농도범위를 일정하게 조절하는 기술이 필요하다. Therefore, there is a need for a technique for constantly adjusting the concentration range of water in the absorption liquid in the process of absorbing and recovering CO 2 in the water containing water by using the water-insoluble absorption solution.

본 발명의 출원인은 종래에 한국등록특허 제10-0962871호에서 개시하고 있는 내용을 등록받은 바 있다. 이와 관련해서 종래 배기가스 내 이산화탄소 회수방법을 개략적으로 나타낸 도면인 도 1을 참고하여 설명하면 다음과 같다.The applicant of the present invention has previously registered the content disclosed in Korean Patent No. 10-0962871. In this regard, a conventional carbon dioxide recovery method in exhaust gas will be described with reference to FIG. 1 which is a schematic view.

이산화탄소를 함유하고 있는 배기가스가 기체-액체 접촉이 원활히 이루어지도록 넓은 표면적을 갖는 충전물이 충전되어 있는 흡수탑(1)에 공급되고, 흡수탑(1)의 상단에서 살포되는 용액상태의 흡수제와 배기가스를 대기압 하에 접촉시켜 40~70℃ 전후의 온도범위에서 배기가스 내 CO2가 흡수용액(또는 흡수액)에 흡수되도록 한다. The exhaust gas containing carbon dioxide is supplied to the absorption tower 1 filled with a filler having a large surface area so that the gas-liquid contact can be smoothly performed. The absorption state of the absorbent in the solution state, which is sprayed from the top of the absorption tower 1, Gas is contacted under atmospheric pressure so that CO 2 in the exhaust gas is absorbed in the absorbing solution (or absorbing solution) in the temperature range of about 40 to 70 ° C.

그 흡수탑(1)에서 방출하는 흡수용액, 즉 CO2 가 흡수된 흡수용액은 재생탑(2)에서 90~160℃로 가열 및 재생되어 재생탑(2) 하부로 방출되는 흡수액과 열교환기(3)에서 열교환하여 예열된 후 재생탑(2) 상부로 공급된다.The absorbing solution discharged from the absorption tower 1, that is, the absorbing solution absorbing CO 2 is heated and regenerated at 90 to 160 ° C. in the regeneration tower 2, and the absorbed solution discharged to the lower part of the regeneration tower 2 and the heat exchanger 3) and then supplied to the upper part of the regeneration tower 2. [

재생탑(2) 하부에서는 보일러 등 가열기(4)를 이용하여 CO2 를 흡수한 흡수용액에 대해 90 ~ 160℃의 온도범위로 가열시켜 CO2를 유리시킨 후 재생탑(2) 상부로 배출시킨다. 이때 유리된 CO2 와 함께 배출된 흡수용액은 증기화된 상태인데, 냉각기(5)는 증기화된 흡수용액을 냉각/응축시킨다. 계속해서 분리드럼(6)에서는 이산화탄소와 응축된 흡수용액을 분리시켜서 흡수용액은 재생탑(2)으로 환류시킨 후 재생탑(2) 하부로 배출하여 흡수탑(1)으로 회수되도록 하고, 유리된 기체상태의 고농도 CO2 (90~100%)는 분리드럼(6)에서 별도로 회수하여 저장/고정/전환시킨다.In the lower part of the regeneration tower 2, CO 2 is liberated in the temperature range of 90 to 160 ° C with respect to the absorption solution absorbing CO 2 by using a heater 4 such as a boiler, and then discharged to the upper part of the regeneration tower 2 . At this time, the absorbed solution discharged with liberated CO 2 is in the vaporized state, and the cooler 5 cools / condenses the vaporized absorbed solution. Subsequently, in the separation drum 6, carbon dioxide and the condensed absorption solution are separated, the absorption solution is returned to the regeneration tower 2, discharged to the lower part of the regeneration tower 2 and recovered to the absorption tower 1, The gaseous high concentration CO 2 (90-100%) is recovered separately from the separation drum 6 and stored / fixed / converted.

이와 같은 화학 흡수법의 흡수제로 현재 전세계적으로 대부분 아민계 흡수용액이 널리 사용되고 있는데, 이러한 흡수용액에 사용되는 아민계의 종류로는 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 트리에탄올아민, 메틸디엔탄올아민, 디이소프로필아민, 디글리콜아민, 피페라인, 2-피페라딘에탄올, 히드록시에틸피페라진, 2-아미노-2네틸-1-프로판올, 2-에틸아미노-에탄올, 2-메틸아미노-에탄올, 2-디에틸아미노-에탄올 외에 수십여 가지가 존재하며, 통상 5∼60wt%(중량%)의 농도 범위에서 물이나 유기용매 등과 같은 용매에 혼합되어 사용된다. As an absorbent of such a chemical absorption method, most of the amine-based absorption solutions are widely used worldwide, and the amine-based ones used in such absorption solutions include monoethanolamine, diethanolamine, triethanolamine, methyldiethanolamine, Amino-2-ethyl-2-propanol, 2-ethylamino-ethanol, 2-methylamino-ethanol, In addition to 2-diethylamino-ethanol, there are several dozen kinds, and they are usually used in a solvent such as water or an organic solvent in a concentration range of 5 to 60 wt% (wt%).

수용성 흡수제를 사용하는 경우 전체 CO2 흡수 회수 비용 중 에너지 비용이 50∼60%를 차지하는데, CO2가 흡수된 흡수용액을 재생탑 하부에서 가열하는데 사용되는 에너지 비용이 전체의 약 80%를 차지한다. In the case of using a water-soluble absorbent, the energy cost of the total CO 2 absorption recovery cost is 50 to 60%, and the energy cost for heating the CO 2 absorbed absorption solution at the lower part of the regeneration tower accounts for about 80% do.

따라서, CO2 흡수 비용을 절감하여 CO2 회수의 경제성을 향상시키기 위해서 물보다 현열과 증발열이 낮은 물질을 흡수용액의 용매로 사용하여 재생에너지 비용을 크게 절감시키는 기술이 개발되고 있다. Therefore, CO 2 In order to reduce the absorption cost and improve the economical efficiency of the CO 2 recovery, technologies for reducing the cost of renewable energy by using a substance having a lower sensible heat and less heat of evaporation than water as a solvent for the absorption solution are being developed.

CO2 흡수 및 회수 공정에서 흡수용액은 흡수와 재생을 반복하면서 흡수성능이 일정수준으로 유지될 때까지 반복적으로 사용하는데, 비수용성 흡수용액을 흡수제로 사용하는 경우, 처리가스 내에 수분이 존재할 때 흡수용액의 반복사용 횟수가 증가할수록 흡수용액에 축척되는 수분의 양이 증가하여 희석되고, 결국 흡수제의 성능은 점진적으로 저하되며, 또 물의 함량이 증가함에 따라 재생에너지 소비도 점차 증가하게 된다. In the CO 2 absorption and recovery process, the absorption solution is repeatedly used until the absorption performance is maintained at a constant level while repeating absorption and regeneration. When a water-insoluble absorption solution is used as an absorbent, absorption As the number of times of repeated use of the solution increases, the amount of moisture accumulated in the absorbing solution increases and is diluted. As a result, the performance of the absorbent gradually decreases, and as the water content increases, the renewable energy consumption gradually increases.

즉, 비수용성 흡수용액을 사용하는 경우, 용매로 사용되는 물질의 현열과 증발열이 물보다 낮아 기존의 수용성 흡수제보다 재생에너지 소비량이 매우 낮아 회수 비용을 크게 절감시키는 우수성을 가지나, 처리가스 내의 수분이 흡수용액에 축척되면서 재생에너지 소비량이 다시 증가하는 문제가 있고 이는 고가의 비용 증가 및 이산화탄소 회수 비용을 증가시킨다. That is, when the water-insoluble absorption solution is used, the sensible heat of the material used as the solvent and the heat of evaporation are lower than water, so that the recovery energy consumption is much lower than that of the conventional water-soluble absorbent, There is a problem that the renewable energy consumption increases again as it is concentrated in the absorption liquid, which increases the costly cost and the cost of recovering the carbon dioxide.

그러므로, 비수용성 흡수용액을 사용하여 수분이 함유되어 있는 가스 내의 CO2 를 흡수 회수하는 경우, 공정상 흡수용액 내의 물의 농도 범위를 일정하게 유지하는 기술이 필요하다.
Therefore, in the case of absorbing and recovering CO 2 in a gas containing moisture using a water-insoluble absorption solution, there is a need in the art to keep the concentration range of water in the absorption solution constant.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 재생탑에 제공되기 전 이산화탄소 흡수용액 내 수분의 농도가 일정 수준으로 유지되도록 탈수장치(Dehydrator)를 설치하여 운용하는 새로운 형태의 이산화탄소 회수장치를 구현함으로써, 재생탑 내로 유입되는 이산화탄소를 흡수한 흡수용액 내 수분의 양을 조절할 수 있고, 결국 흡수용액의 재생에 소비되는 에너지의 양을 크게 절감시킬 수 있는 배기가스 내 이산화탄소 회수장치를 제공하는데 그 목적이 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a new type of carbon dioxide recovery device for installing and operating a dehydrator so that the concentration of water in the carbon dioxide- It is possible to control the amount of water in the absorption liquid absorbing carbon dioxide flowing into the regeneration tower and consequently to greatly reduce the amount of energy consumed in regeneration of the absorption liquid, thereby providing a carbon dioxide recovery device in the exhaust gas It has its purpose.

또한 본 발명의 다른 목적은 흡수탑에서 흡수용액이 CO2를 흡수할 때 발열반응에 의해 흡수용액의 온도가 일정하게 상승하는 원리를 이용하여, 탈수장치의 온도를 일정 범위 내에서 동작하도록 유지시켜줌으로써, 탈수장치 자체의 에너지 소비도 최소화할 수 있는 배기가스 내 이산화탄소 회수장치를 제공하는데 있다.
Another object of the present invention is to maintain the temperature of the dewatering apparatus to operate within a certain range by using the principle that the temperature of the absorption solution is constantly raised by the exothermic reaction when the absorption solution absorbs CO 2 in the absorption tower So that the energy consumption of the dewatering device itself can be minimized.

상기와 같은 배기가스 내 이산화탄소 회수장치는, 배기가스 내 이산화탄소를 흡수용액에 흡수시키는 흡수탑; 상기 흡수탑에서 방출되며 이산화탄소를 흡수한 이산화탄소 흡수용액을 가열하고 재생시키는 재생탑; 상기 흡수탑과 재생탑 사이의 라인 상에 설치되어 이산화탄소 흡수용액과 재생 흡수용액 간의 열교환을 수행하는 열교환기; 상기 열교환기를 통과하고 재생탑에 제공되기 전의 라인 상에 설치되어 이산화탄소 흡수용액 내 수분을 흡수하는 탈수장치;를 포함하며, 상기 흡수탑에 제공되기 전 흡수용액 내 수분의 농도가 기 설정된 범위 내에 유지되도록 상기 탈수장치에서 조절하는 것을 특징으로 한다. Such an apparatus for recovering carbon dioxide in exhaust gas includes an absorption tower for absorbing carbon dioxide in the exhaust gas into an absorption solution; A regeneration tower for heating and regenerating the carbon dioxide absorbing solution discharged from the absorption tower and absorbing carbon dioxide; A heat exchanger installed on a line between the absorption tower and the regeneration tower for performing heat exchange between the carbon dioxide absorption solution and the regeneration absorption solution; And a dewatering device installed on the line passing through the heat exchanger and before being supplied to the regeneration tower for absorbing moisture in the carbon dioxide absorbing solution, wherein the concentration of water in the absorption liquid before being supplied to the absorption tower is maintained within a predetermined range So as to be adjusted by the dewatering device.

바람직하게는, 상기 재생탑에서 물의 증발열 또는 물의 현열 보다 낮은 증발열 또는 현열을 가지는 순환용매를 이용하여 상기 이산화탄소 흡수용액을 재생시키는 것을 특징으로 구성될 수 있다.Preferably, the carbon dioxide absorbing solution is regenerated by using a circulating solvent having evaporation heat or sensible heat lower than water evaporation heat or sensible heat in the regeneration tower.

바람직하게는, 상기 탈수장치는 상기 재생탑에 제공되기 전 이산화탄소 흡수용액 내 수분의 농도를 모니터링하여 원하는 양의 수분을 제거하는 것이 가능한 것을 특징으로 구성될 수 있다.Preferably, the dehydrating apparatus is capable of removing a desired amount of moisture by monitoring the concentration of water in the carbon dioxide absorbing solution before being supplied to the regeneration tower.

가장 바람직하게는, 상기 탈수장치는 상기 이산화탄소 흡수용액 내 구성 성분 간 동적직경(Kinetic diameter)의 차이를 이용한 멤브레인 방식을 적용시킨 것을 특징으로 구성될 수 있다.Most preferably, the dewatering device may be configured to apply a membrane method using a difference in kinetic diameter between the components in the carbon dioxide absorbing solution.

특히, 상기 탈수장치는 LTA Zeolite를 멤브레인 재질로 사용하고, 80∼100℃의 운전온도 범위에서 작동하는 것을 특징으로 구성될 수 있다.Particularly, the dewatering apparatus may be configured to use LTA zeolite as a membrane material and operate at an operating temperature range of 80 to 100 ° C.

이때, 상기 탈수장치는 상기 재생탑에 제공되기 전 이산화탄소 흡수용액 내 수분의 농도가 20% 이하로 유지되도록 조절하는 것을 특징으로 구성될 수 있다.At this time, the dewatering device may be configured to maintain the concentration of water in the carbon dioxide absorbing solution to be 20% or less before being supplied to the regeneration tower.

특히, 상기 탈수장치는 공정상에 발생하는 열을 활용하여 작동하는 것을 특징으로 구성될 수 있다.
In particular, the dewatering device may be configured to operate by utilizing the heat generated in the process.

본 발명에 따른 배기가스 내 이산화탄소 회수장치에 의하면 탈수장치가 이산화탄소 흡수용액 내 수분의 농도를 일정 수준으로 유지하도록 조절함에 따라 재생에너지 소비를 줄일 수 있고, 결과적으로 이산화탄소 회수비용을 절감할 수 있다. According to the carbon dioxide recovery device in the exhaust gas according to the present invention, the dehydration device can regulate the concentration of water in the carbon dioxide absorption solution to be maintained at a certain level, thereby reducing the consumption of renewable energy and consequently reducing the cost of recovering carbon dioxide.

특히, 본 발명의 재생탑에서 기존 흡수제의 용매보다 증발열과 현열 중 적어도 어느 하나가 낮은 순환용매를 사용하여 이산화탄소 흡수용액을 재생시키더라도 탈수장치를 통해 흡수용액의 희석화를 방지할 수 있어, 비수용성 흡수용액 사용에 따른 재생에너지 소비 절감뿐만 아니라 추가적으로 20% 가량의 재생에너지 소비를 줄일 수 있다.Particularly, in the regeneration tower of the present invention, even if at least one of the heat of evaporation and the sensible heat is lower than the solvent of the conventional absorbent, the carbon dioxide absorbing solution is regenerated by using a circulating solvent, In addition to reducing the consumption of renewable energy as a result of the use of the absorption liquid, an additional 20% of the renewable energy consumption can be reduced.

또한, 본 발명에서 열교환기를 통과하고 재생탑에 제공되기 전의 라인 상에 설치한 탈수장치의 운전온도를 라인의 실제온도와 매칭시킴으로써 에너지 활용을 극대화할 수 있고, 탈수장치가 이산화탄소 흡수용액 내 수분의 농도를 조절할 때 필요한 에너지는 공정상에서 발생하는 열을 활용함에 따라 탈수장치의 운전 비용을 약 30% 이상 절감시킬 수 있다.In addition, in the present invention, energy utilization can be maximized by matching the operation temperature of the dewatering device installed on the line passing through the heat exchanger and before being supplied to the regeneration tower with the actual temperature of the line, The energy required to control the concentration can reduce the operating cost of the dewatering apparatus by about 30% or more as the heat generated in the process is utilized.

나아가, 본 발명의 탈수장치는 이산화탄소 흡수용액 내 수분의 농도를 일정 범위 내에서 유지시켜 이산화탄소 흡수 및 회수 공정의 운전 안정성을 증대시킬 수 있다.
Furthermore, the dewatering apparatus of the present invention can maintain the concentration of water in the carbon dioxide absorbing solution within a certain range to increase the operation stability of the carbon dioxide absorption and recovery process.

도 1은 종래 배기가스 내 이산화탄소 회수장치를 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 배기가스 내 이산화탄소 회수장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a schematic view of a conventional carbon dioxide recovery device in an exhaust gas,
2 is a schematic view of an apparatus for recovering carbon dioxide in exhaust gas according to an embodiment of the present invention.

이하에서 도면을 참조하여 본 발명에 따른 배기가스 내 이산화탄소 회수장치에 대해 상세히 설명한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, an apparatus for recovering carbon dioxide in exhaust gas according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 배기가스 내 이산화탄소 회수장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.2 is a schematic view of an apparatus for recovering carbon dioxide in exhaust gas according to an embodiment of the present invention.

도 2에 도시한 바와 같이, 이산화탄소 회수장치는 재생 공정이 이루어지는 재생탑(20)에 제공되기 전 이산화탄소 흡수용액에 포함되어 있는 수분의 양을 모니터링하면서 탈수장치(100)로 원하는 양의 수분을 제거하여 CO2 흡수용액 내의 수분의 농도범위를 일정하게 유지하는 설비이다.As shown in FIG. 2, the carbon dioxide recovering apparatus removes a desired amount of water into the dehydration apparatus 100 while monitoring the amount of water contained in the carbon dioxide absorbing solution before being supplied to the regeneration tower 20 in which the regeneration process is performed. CO 2 And the concentration range of water in the absorption liquid is kept constant.

이를 위하여, 배기가스 내 이산화탄소를 흡수용액에 흡수시키는 흡수탑(10)과, 그 흡수탑(10)에서 방출되며 이산화탄소를 흡수한 흡수용액(이하, 이산화탄소 흡수용액)을 가열하고 재생시키는 재생탑(20)이 마련되고, 흡수탑(10)과 재생탑(20) 사이에는 이산화탄소 흡수용액과 재생된 흡수용액 각각이 흐를 수 있는 라인이 설치된다. 재생탑(20)에서는 물의 증발열(heat of vaporization) 또는 물의 현열(sensible heat) 보다 낮은 증발열 또는 현열을 가지는 순환용매를 이산화탄소 흡수용액의 용매로 이용하여 이산화탄소 흡수용액을 재생시키는 것이 바람직하다.To this end, an absorption tower 10 for absorbing carbon dioxide in the exhaust gas and an absorption tower 10 for heating and regenerating the absorption liquid absorbed in the absorption tower 10 and absorbing carbon dioxide (hereinafter referred to as carbon dioxide absorption liquid) 20 is provided between the absorption tower 10 and the regeneration tower 20. A line through which the carbon dioxide absorption solution and the regenerated absorption solution can flow is provided between the absorption tower 10 and the regeneration tower 20. [ In the regeneration tower 20, it is preferable to regenerate the carbon dioxide absorbing solution by using a circulating solvent having a lower evaporation heat or sensible heat than the heat of vaporization of water or sensible heat of water as a solvent of the carbon dioxide absorbing solution.

즉, 흡수탑(10)을 빠져나온 사용된 이산화탄소 흡수용액은 라인을 따라 재생탑(20)으로 들어가게 되고, 재생탑(20)에서 처리된 재생 흡수용액은 라인을 따라 흡수탑(10)으로 들어간다. 이때, 열교환기(30)는 상술한 흡수탑(10)과 재생탑(20) 사이의 라인 상에 설치되어 이산화탄소 흡수용액과 재생 흡수용액 간의 열교환을 수행한다. That is, the amount of the used carbon dioxide The absorption liquid enters the regeneration tower 20 along the line, and the regeneration absorption liquid treated in the regeneration tower 20 enters the absorption tower 10 along the line. At this time, the heat exchanger 30 is installed on the line between the absorption tower 10 and the regeneration tower 20 to perform heat exchange between the carbon dioxide absorption solution and the regeneration absorption solution.

또한, 상술한 흡수탑(10)의 흡입 측으로 연결되는 라인 상에는 손실된 흡수용액을 보충하기 위해 신규 흡수용액을 저장하고 있는 흡수용액 저장조가 설치된다. 그리고 재생탑(20)의 하단에는 흡수용액을 가열하여 이산화탄소를 유리시키기 위한 보일러 등과 같은 흡수용액 가열기(40)가 연결되고, 재생탑(20)의 상단 배출측에는 냉각수를 통해 CO2 와 증기화된 흡수용액을 열교환시키는 냉각기(50)가 설치된다. 이 냉각기(50)의 배출 측에는 응축된 흡수용액을 분리하는 분리드럼(60)이 연결되고, 이때의 분리드럼(60) 내의 응축된 흡수용액은 재생탑(20)으로 회수되는 동시에 농축 CO2 는 분리드럼(60)을 빠져나와 저장/고정/전환 처리된다. Further, on the line connected to the suction side of the absorber 10 described above, there is provided an absorbent solution reservoir storing a new absorbent solution for replenishing the lost absorbent solution. At the lower end of the regeneration tower 20, there is connected an absorption liquid heater 40 such as a boiler for heating carbon dioxide by heating the absorption liquid, and CO 2 And a cooler 50 for exchanging heat between the vaporized absorbing solution. Condensed in the absorption solution is withdrawn side of the cooler 50 is separated to remove the condensed solution absorption drum 60 is connected, this time of the separation drum 60 is concentrated at the same time to be recovered by regeneration column (20) CO 2 / RTI > exit the separation drum 60 and be stored / fixed / converted.

특히, 본 발명에서는 이산화탄소 흡수용액 내의 수분을 흡수하여 이산화탄소 흡수용액 내 수분의 농도 범위를 일정하게 유지시켜줄 수 있는 수단으로 탈수장치(100)를 제공하며, 이때의 탈수장치(100)는 열교환기(30)를 통과하고 재생탑(20)에 제공되기 전의 라인(A) 상에 설치되어 이산화탄소 흡수용액 내 수분을 흡수하며, 열교환기(30) 통과 후 라인 상의 온도가 일정 범위 내에서 유지되는 성질을 이용하여 동작한다. In particular, the present invention provides a dehydrator 100 as a means for absorbing moisture in a carbon dioxide absorbing solution to maintain a constant concentration range of water in the carbon dioxide absorbing solution, wherein the dehydrator 100 is connected to a heat exchanger 30, and is provided on the line A before being supplied to the regeneration tower 20, absorbs moisture in the carbon dioxide absorbing solution, and maintains the temperature on the line after the heat exchanger 30 is maintained within a certain range .

다시 말하자면, 흡수탑(10)의 하부에서 사용되어 방출된 이산화탄소 흡수용액이 열교환기(30)를 통해 재생된 흡수용액과 열을 교환하게 된다. 열교환기(30)를 지난 사용된 이산화탄소 흡수용액은 재생탑(20)으로 제공되기 전에 탈수장치(100)에서 탈수 공정을 거친다. 계속해서 탈수장치(100)를 통과한 즉, 수분의 농도가 일정 수준으로 낮아진 이산화탄소 흡수용액을 재생탑(20)에 제공하여, 결국 재생탑(20)으로 유입되는 이산화탄소 흡수용액 내 수분의 농도도 일정 수준을 유지하게 된다. In other words, the carbon dioxide absorbing solution used in the lower portion of the absorption tower 10 exchanges heat with the absorbed solution regenerated through the heat exchanger 30. The carbon dioxide absorbing solution used after passing through the heat exchanger 30 is subjected to a dewatering process in the dewatering apparatus 100 before being supplied to the regeneration tower 20. Subsequently, the carbon dioxide absorbing solution that has passed through the dewatering device 100, that is, the carbon dioxide absorbing solution whose moisture concentration has been lowered to a certain level, is supplied to the regeneration tower 20 so that the concentration of water in the carbon dioxide absorbing solution And maintain a certain level.

구체적으로 탈수 공정은 탈수장치(100)에서 흡수용액 내 수분의 농도를 감소시키는 공정으로서, 탈수장치(100)에는 멤브레인(membrane) 방식을 적용하는 것이 바람직하다. 다만, 본 발명의 탈수 공정에서 사용되는 탈수 장치의 종류 또는 방식은 특별히 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 사용할 수 있는 다양한 형태의 탈수 장치를 모두 포함한다. Specifically, the dewatering process is a process of reducing the concentration of water in the absorption solution in the dewatering device 100, and a membrane method is preferably applied to the dewatering device 100. However, the type or method of the dewatering device used in the dewatering process of the present invention is not particularly limited, and includes various types of dewatering devices that can be used by those having ordinary skill in the art to which the present invention belongs.

멤브레인 방식이란 일정 용액 내 구성 성분 간 동적직경(kinetic diameter)의 차이를 이용한 방식으로서, 물 분자의 동적직경은 0.26nm이고, 비수용성 흡수용액의 주성분인 아민계 물질이나 순환용매의 직경은 0.45nm 이상인 점을 이용한 일종의 필터 역할을 수행하여 분자 크기가 작은 수분을 이산화탄소 흡수용액으로부터 분리해낼 수 있다. 이때, 탈수장치(100)는 재생탑(20)에 제공되기 전 이산화탄소 흡수용액 내 수분의 농도가 20% 이하로 유지되도록 조절하는 것이 바람직하고, 가장 바람직하게는 2~ 10%가 되도록 조절한다.The membrane method is a method using a difference in kinetic diameter between constituents in a given solution. The dynamic diameter of the water molecule is 0.26 nm. The diameter of the amine-based material or the circulating solvent, which is the main component of the water- Or more, so that water having a small molecular size can be separated from the carbon dioxide absorbing solution. At this time, the dehydration apparatus 100 is preferably adjusted so that the concentration of water in the carbon dioxide absorbing solution before being supplied to the regeneration tower 20 is maintained at 20% or less, and most preferably 2 to 10%.

멤브레인 방식에서 물의 투과도(permeability)는 멤브레인의 기공 크기(pore size) 뿐만 아니라 멤브레인 재질의 물에 대한 친수성(hydrophilicity)에 지배적인 영향을 받게 된다. 멤브레인 재질의 친수성이 높을수록 물의 투과도가 높아질 수 있으나, 친수성이 과도하게 높아지면 멤브레인이 팽창하게 되어 멤브레인의 물에 대한 선택도(selectivity)가 낮아지게 되며 장기적인 안정성 측면에서는 불리하게 된다. 따라서 멤브레인 재질은 물에 대한 투과도 및 선택도를 고려하여 적절한 친수성을 갖는 것으로 선정됨이 바람직하다.The permeability of water in the membrane system is dominated by the pore size of the membrane as well as the hydrophilicity of the membrane material to water. The higher the hydrophilicity of the membrane material, the higher the permeability of the water. However, if the hydrophilicity is excessively high, the membrane expands and the selectivity of the membrane to water becomes low, which is disadvantageous in terms of long-term stability. Therefore, it is preferable that the membrane material is selected to have proper hydrophilicity in consideration of permeability and selectivity to water.

이와 같이 탈수장치(100)에 상술한 멤브레인 재질을 적용시켜서 적정한 운전온도 범위에서 이산화탄소 흡수용액 내 수분을 분리해낼 때 최적의 탈수 효과를 얻을 수 있고, 이로부터 상술한 재생탑(20)에서 필요한 재생에너지 소비를 줄일 수 있게 된다. As described above, by applying the above-described membrane material to the dehydrator 100, it is possible to obtain an optimum dehydrating effect when separating the moisture in the carbon dioxide absorbing solution at an appropriate operating temperature range. From this, Energy consumption can be reduced.

이처럼 재생탑(20)에 제공되기 전 이산화탄소 흡수용액 내 수분의 농도가 기 설정된 범위 내에 유지되도록 탈수장치(100)에서 조절하는 탈수 공정을 거치게 되는데, 탈수장치(100)에서 이산화탄소 흡수용액 내 수분의 농도를 모니터링하여 원하는 양의 수분을 제거하는 것이 가능할 수 있다. 이때, 탈수장치(100)의 운전온도는 80~100℃인 것이 바람직한데, 이는 열교환기(30)와 재생탑(20) 사이의 라인 상의 실제 온도와 탈수장치(100)의 운전온도를 매칭시켜 효율을 높이고, 에너지 활용을 극대화하기 위한 것이다. 덧붙여 탈수장치(100)는 공정상에 발생하는 열 혹은 폐열을 활용하여 흡수용액 내 수분을 제거하는 방식도 병행하여 사용함으로써 불필요한 에너지 소비를 줄일 수 있다.The dehydration process is performed in the dehydration apparatus 100 so that the concentration of water in the carbon dioxide absorbing solution is maintained within a predetermined range before being supplied to the regeneration tower 20. In the dehydration apparatus 100, It may be possible to monitor the concentration to remove the desired amount of moisture. The operation temperature of the dewatering apparatus 100 is preferably 80 to 100 ° C. This is achieved by matching the actual temperature on the line between the heat exchanger 30 and the regenerator 20 and the operating temperature of the dewatering apparatus 100 To increase efficiency and maximize energy utilization. In addition, the dewatering apparatus 100 can reduce unnecessary energy consumption by using the method of removing water in the absorption liquid by using heat or waste heat generated in the process.

이와 관련하여 본 발명에서는 탈수장치의 멤브레인 재질을 LTA Zeolite로 적용하고, 90℃의 운전온도 범위에서 플럭스(Flux)가 1.3kg/m2ㆍhr이 되도록 하여 운용하는 일 예를 제공한다. In this regard, the present invention provides an example in which the membrane material of the dewatering device is applied to LTA zeolite so that the flux is 1.3 kg / m 2 · hr at an operating temperature range of 90 ° C.

이러한 특성의 멤브레인을 구비한 탈수장치를 구비함으로써, 여과 전 흡수제의 물함량은 20wt%, 여과 후 여과액 물함량은 92% 이상이 되는 결과를 얻을 수 있었다.By providing a dewatering device having a membrane having such characteristics, the water content of the pre-filtration absorbent was 20 wt%, and the filtrate water content was 92% or more after filtration.

이와 같이 본 발명에 따른 이산화탄소 회수장치에 의하면 재생탑에 제공되기 전 이산화탄소 흡수용액 내 수분의 농도가 기 설정된 범위 내에 유지되도록 탈수장치에서 조절함으로써, 재생탑에서 이산화탄소 흡수용액을 재생시키는 데 필요한 재생에너지 소비량을 20% 절감시킬 수 있고, 이에 따라 이산화탄소 회수비용도 절감할 수 있다. 또한, 탈수장치의 운전비용은 공정상 발생하는 폐열을 활용하는 방식을 적용해 운용함으로써, 탈수장치 자체의 에너지 소비도 30% 이상 절감시킬 수 있다.
As described above, according to the carbon dioxide recovery apparatus of the present invention, by regulating the concentration of moisture in the carbon dioxide absorption solution before being supplied to the regeneration tower in the dehydration apparatus so that the concentration of water in the carbon dioxide absorption solution is maintained within a predetermined range, It is possible to reduce the consumption amount by 20%, thereby reducing the cost of recovering the carbon dioxide. In addition, the operation cost of the dewatering device can be reduced by 30% or more by using the waste heat generated in the process.

비록 본 발명이 실시예와 몇몇 도면에 의해 도시되고 설명되었지만, 본 발명의 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다.
Although the present invention has been shown and described with respect to certain embodiments thereof, it will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the following claims. It will be possible.

10 : 흡수탑 20 : 재생탑
30 : 열교환기 40 : 흡수용액 가열기
50 : 냉각기 60 : 분리드럼
100 : 탈수장치10: Absorption tower 20: Reclaim tower
30: heat exchanger 40: absorption liquid heater
50: cooler 60: separation drum
100: Dewatering device

Claims (7)

배기가스 내 이산화탄소를 흡수용액에 흡수시키는 흡수탑(10);
상기 흡수탑(10)에서 방출되며 이산화탄소를 흡수한 이산화탄소 흡수용액을 가열하고 재생시키는 재생탑(20);
상기 흡수탑(10)과 재생탑(20) 사이의 라인 상에 설치되어 이산화탄소 흡수용액과 재생 흡수용액 간의 열교환을 수행하는 열교환기(30);
상기 열교환기(30)를 통과하고 재생탑(20)에 제공되기 전의 라인 상에 설치되어 이산화탄소 흡수용액 내 수분을 흡수하는 탈수장치(100);를 포함하며,
상기 재생탑(20)에 제공되기 전 이산화탄소 흡수용액 내 수분의 농도가 기 설정된 범위 내에 유지되도록 상기 탈수장치(100)에서 조절하는 것을 특징으로 하는 배기가스 내 이산화탄소 회수장치.
An absorption tower (10) for absorbing carbon dioxide in the exhaust gas into an absorption solution;
A regeneration tower (20) for heating and regenerating the carbon dioxide absorbing solution discharged from the absorption tower (10) and absorbing the carbon dioxide;
A heat exchanger (30) installed on the line between the absorption tower (10) and the regeneration tower (20) and performing heat exchange between the carbon dioxide absorption solution and the regeneration absorption solution;
And a dehydrator (100) installed on the line before passing through the heat exchanger (30) and provided to the regeneration tower (20) to absorb moisture in the carbon dioxide absorbing solution,
Is adjusted in the dehydrator (100) so that the concentration of water in the carbon dioxide absorbing solution is maintained within a predetermined range before being supplied to the regeneration tower (20).
청구항 1에 있어서, 상기 재생탑(20)에서 물의 증발열 또는 물의 현열 보다 낮은 증발열 또는 현열을 가지는 순환용매를 이용하여 상기 이산화탄소 흡수용액을 재생시키는 것을 특징으로 하는 배기가스 내 이산화탄소 회수장치.
The apparatus for recovering carbon dioxide in exhaust gas according to claim 1, wherein the regeneration tower (20) regenerates the carbon dioxide absorbing solution by using a circulating solvent having evaporation heat or sensible heat lower than sensible heat of water or water.
청구항 1에 있어서, 상기 탈수장치(100)는 상기 재생탑(20)에 제공되기 전 이산화탄소 흡수용액 내 수분의 농도를 모니터링하여 원하는 양의 수분을 제거하는 것이 가능한 것을 특징으로 하는 배기가스 내 이산화탄소 회수장치.
The dewatering device (100) according to claim 1, wherein the dewatering device (100) is capable of removing a desired amount of water by monitoring the concentration of water in the carbon dioxide absorbing solution before being supplied to the regeneration tower Device.
청구항 1에 있어서, 상기 탈수장치(100)는 상기 이산화탄소 흡수용액 내 구성 성분 간 동적직경(Kinetic diameter)의 차이를 이용한 멤브레인 방식을 적용시킨 것을 특징으로 하는 배기가스 내 이산화탄소 회수장치.
The apparatus for recovering carbon dioxide in exhaust gas according to claim 1, wherein the dewatering device (100) is applied with a membrane method using a difference in kinetic diameter between constituents in the carbon dioxide absorbing solution.
청구항 1에 있어서, 상기 탈수장치(100)는 LTA Zeolite를 멤브레인 재질로 사용하고, 80∼100℃의 운전온도 범위에서 작동하는 것을 특징으로 하는 배기가스 내 이산화탄소 회수장치.
The apparatus for recovering carbon dioxide in exhaust gas according to claim 1, wherein the dewatering apparatus (100) uses LTA zeolite as a membrane material and operates at an operating temperature range of 80 to 100 ° C.
청구항 1에 있어서, 상기 탈수장치(100)는 상기 재생탑(20)에 제공되기 전 이산화탄소 흡수용액 내 수분의 농도가 20% 이하로 유지되도록 조절하는 것을 특징으로 하는 배기가스 내 이산화탄소 회수장치.
The apparatus for recovering carbon dioxide in exhaust gas according to claim 1, wherein the dewatering device (100) controls the concentration of water in the carbon dioxide absorbing solution to be 20% or less before being supplied to the regeneration tower (20).
청구항 1에 있어서, 상기 탈수장치(100)는 공정상에 발생하는 열을 활용하여 작동하는 것을 특징으로 하는 배기가스 내 이산화탄소 회수장치.The apparatus for recovering carbon dioxide in exhaust gas according to claim 1, wherein the dewatering apparatus (100) operates using heat generated in the process.
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