KR101711466B1 - 회전형 반응기를 이용한 이산화탄소 포집장치 - Google Patents

회전형 반응기를 이용한 이산화탄소 포집장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이산화탄소 포집장치에 관한 것으로서, 상세하게는 내통과 외통으로 이루어지는 회전형 반응기의 내통에 흡수액을 투입시킨 상태에서 이를 수평으로 회전시키면서, 내통의 측면에 부착된 버블캡을 통해 외통 내부로 공급된 배출 가스가 내통 내부로 유입되어 내통의 회전에 따라 회전되는 흡수액과 반응하여 반응 효율을 증대시키도록 하는 회전형 반응기를 이용한 이산화탄소 포집장치에 관한 것이다.

Description

회전형 반응기를 이용한 이산화탄소 포집장치{CARBON DIOXIDE COLLECTING APPARATUS USING ROTATING REACTOR}
본 발명은 이산화탄소 포집장치에 관한 것으로서, 상세하게는 내통과 외통으로 이루어지는 회전형 반응기의 내통에 흡수액을 투입시킨 상태에서 이를 수평으로 회전시키면서, 내통의 측면에 부착된 버블캡을 통해 외통 내부로 공급된 배출 가스가 내통 내부로 유입되어 내통의 회전에 따라 회전되는 흡수액과 반응하여 반응 효율을 증대시키도록 하는 회전형 반응기를 이용한 이산화탄소 포집장치에 관한 것이다.
산업의 발달과 함께 이산화탄소의 대기중 농도증가로 인한 지구온난화 문제가 대두되고 있는데, 대기중 이산화탄소 농도가 증가하는 원인 중 가장 큰 원인은 에너지 산업에서 사용되는 석탄, 석유, 액화천연가스 등의 화석연료의 사용이다.
산업화가 시작된 19세기 초반부터 대기중에 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 황화수소(H2S), 황화카르보닐(COS) 등의 온실 가스농도가 증가하게 되었고 20세기 중반 이후 급속하게 증가하였다.
이러한 온실가스의 증가로 인한 지구 온난화 현상이 가속화되면서 배출 및 처리에 대한 규제가 엄격해지고 있다. 1992년 6월 브라질 리우에서 열린 환경과 개발에 관한 UN회의를 통하여 지구온난화에 대한 국제적 관심이 점차로 높아지고 있으며, 미국과 일본을 포함한 선진국들은 2010년 지구온실가스 배출량을 1990년 대비 5.2% 감축하기로 합의하는 등 산성가스 저감 방안에 대한 국제적 합의가 이루어지고 있다. 특히 지구온난화현상을 야기하는 온실가스 중 80%정도를 차지하는 이산화탄소의 분리는 더욱 중요한 문제로 대두되었다.
이산화탄소 배출량을 억제하기 위한 기술로는 배출감소를 위한 에너지 절약기술, 배출되는 이산화탄소의 분리회수기술, 이산화탄소를 이용하거나 고정화시키는 기술, 이산화탄소를 배출하지 않는 신재생 에너지기술 등이 있다.
지금까지 연구된 이산화탄소 분리회수기술로는 흡수법, 흡착법, 막분리법, 심냉법 등이 현실성 있는 대안으로 제시되고 있다. 특히, 흡수법은 대용량의 가스처리가 용이하고, 저농도의 가스 분리에 적합하기 때문에 대부분의 산업체 및 발전소에의 적용이 용이하여 현재 상업 운전중에 있다.
흡수법을 이용한 종래의 이산화탄소 분리회수기술은, 흡수탑에서 흡수제와 배출가스를 반응시켜 이산화탄소를 흡수제에 흡수시킨 후 이를 탈거탑으로 이송하여 흡수제로부터 이산화탄소를 탈거시키는 공정으로 이루어진다.
상기 흡수탑의 내측 상부에는 흡수제의 분산을 위한 다공성의 충진물이 충진되며, 흡수탑의 상부로는 액상의 흡수제가 분산되며, 흡수탑의 하부로는 이산화탄소를 포함한 혼합가스가 공급된다.
이와 같이 구성된 흡수탑에 의하면, 액상의 흡수제가 다공성의 충진물로 분산되며, 배출가스가 상승하여 충진물을 통과하면서 흡수제와 향류반응을 하게 된다. 이 반응을 통해 혼합가스에 포함된 이산화탄소가 흡수제에 흡수된다.
이때의 반응은 산화칼슘인 생석회에 물을 용해시켜 제조된 수산화칼슘(Ca(OH)2) 수용액에 반응지속제인 수산화나트륨과 반응지연제인 산화마그네슘을 첨가 혼합하여 이루어진 것으로 그 반응식은 다음과 같다.
Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O
그러나 수산화칼슘 수용액은 이산화탄소와 신속하게 반응을 하므로 반응지연제인 산화마그네슘(MgO)을 함유하여 반응의 속도를 조절하면서 이산화탄소를 제거할 수 있다.
그러나, 전술한 바와 같은 종래의 이산화탄소 분리기술에 의하면, 향류반응만을 통해서는 배출가스에 포함된 이산화탄소를 흡수하는데 한계가 있는바, 전체적으로 이산화탄소의 제거율이 높지 않게 되며, 이산화탄소의 제거율을 높이기 위해서는 흡수탑의 체적이 커야 하는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 출원인에 의해 출원되어 등록된 국내특허등록공보 10-1219789호(다단 수직형 연속 이산화탄소 제거 장치 및 방법), 10-1140776호(이산화탄소 포집 및 제거장치 및 방법), 10-1140775호(덕트 반응기에서 수용액의 연속순환이 가능한 이산화탄소 제거장치 및 방법) 등이 개발되었다.
상기의 기술들은 모두 반응기 내에 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 알칼리 혼화제를 혼합한 흡수액을 저장시키고, 반응기 내부에 배출가스를 투입하여 반응시켜 이산화탄소를 흡수하여 청정 가스를 배출하고, 흡수액에서 침강성 탄산칼슘을 추출하도록 구성된다.
그러나, 이러한 이산화탄소 제거장치의 반응기는 모두 고정형으로 형성되어 있고, 내부에 가스를 투입시키는 구조로서 가스와 흡수액의 혼합이 원활하게 이루어지지 못하여 효율이 낮은 문제점이 있다.
국내특허등록공보 10-1219789호 국내특허등록공보 10-1140776호 국내특허등록공보 10-1140775호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 내통과 외통으로 이루어지는 회전형 반응기의 내통에 흡수액을 투입시킨 상태에서 이를 수평으로 회전시키면서, 내통의 측면에 부착된 버블캡을 통해 외통 내부로 공급된 배출 가스가 내통 내부로 유입되어 내통의 회전에 따라 회전되는 흡수액과 반응하여 반응 효율을 증대시키도록 하는 회전형 반응기를 이용한 이산화탄소 포집장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 회전형 반응기의 내통 일측에 배출홀이 형성된 분배판을 설치하여 흡수액이 내통의 내측면 외측으로 분산시켜 유입되는 배출 가스와 원활하게 접촉되도록 하는 회전형 반응기를 이용한 이산화탄소 포집장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,
수산화칼슘(Ca(OH)2)과 알칼리 첨가제 및 물을 혼합하여 제조된 흡수액이 저장되는 흡수액 저장조와; 이산화탄소가 포함된 배출 가스가 내부로 유입되는 외통과, 상기 외통 내부에서 수평하게 회전되는 내통으로 이루어지고, 상기 내통 내부로 상기 흡수액 저장조의 흡수액이 흡수액 공급 배관을 통해 공급되면 상기 외통 내부로 공급된 배출 가스가 상기 내통 내부로 유입되어 흡수액과 반응하면서 이산화탄소를 흡수하여 청정 가스를 가스 배출 배관을 통해 배출시키며, 폐흡수액을 배출하는 회전형 반응기와; 상기 회전형 반응기의 내통을 회전시키는 회전 모터와; 상기 회전형 반응기에서 배출되는 폐흡수액을 저장하는 폐흡수액 저장조; 및 상기 폐흡수액 저장조의 폐흡수액을 공급받아 탈수시켜 케이크 형태의 침강성 탄산칼슘을 배출시키고, 탈수 여액을 배출하는 탈수기로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 회전형 반응기의 외통은 밀폐된 원통형으로 형성되되, 수평하게 설치되고, 양측면 중앙에 베어링이 설치되며, 상면에 가스 유입관이 형성되고, 저면에 흡수액 배출관이 형성된다.
여기에서 또한, 상기 회전형 반응기의 내통은 밀폐된 원통형으로 형성되어 상기 외통 내부에서 수평하게 설치되고, 일측면 중앙부에 중공상의 흡수액 유입 회전축이 돌출 형성되며, 타측면 중앙부에 중공상의 가스 배출 회전축이 돌출 형성되어 상기 외통의 베어링과 각각 결합된다.
여기에서 또, 상기 회전형 반응기의 내통은 내측면 일측에 복수의 배출홀이 구비된 원판 형태의 분배판이 수직으로 설치되고, 측면 일측에 버블캡이 체결되도록 복수의 체결구가 형성되며, 측면 타측에 흡수액을 상기 외통으로 배출하는 복수의 배출홀이 형성된다.
여기에서 또, 상기 분배판의 배출홀은 테두리 측에 배열된다.
여기에서 또, 상기 흡수액 유입 회전축은 외측면에 상기 회전 모터와 체인에 의해 결합되도록 링기어가 형성된다.
여기에서 또, 상기 흡수액 유입 회전축은 제 1커플러에 의해 상기 흡수액 공급 배관과 축 연결되고, 상기 가스 배출 회전축은 제 2커플러에 의해 상기 가스 배출 배관과 축 연결된다.
여기에서 또, 상기 가스 배출 회전축은 상기 내통의 흡수액이 배출되는 것을 차단하도록 끝단에 복수의 가스 배출홀이 형성된 흡수액 차단판이 구비된다.
여기에서 또, 상기 회전형 반응기는 단독으로 설치되거나 다단으로 연속 설치된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명인 회전형 반응기를 이용한 이산화탄소 포집장치에 따르면, 내통과 외통으로 이루어지는 회전형 반응기의 내통에 흡수액을 투입시킨 상태에서 이를 수평으로 회전시키면서, 내통의 측면에 부착된 버블캡을 통해 외통 내부로 공급된 배출 가스가 내통 내부로 유입되어 내통의 회전에 따라 회전되는 흡수액과 반응하여 반응 효율을 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 회전형 반응기의 내통 일측에 배출홀이 형성된 분배판을 설치하여 흡수액이 내통의 내측면 외측으로 분산시켜 유입되는 배출 가스와 원활하게 접촉되도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 회전형 반응기를 이용한 이산화탄소 포집장치의 구성을 나타낸 계통도이다.
도 2는 본 발명에 따른 회전형 반응기를 이용한 이산화탄소 포집장치중 회전형 반응기의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전형 반응기를 이용한 이산화탄소 포집장치의 구성을 나타낸 계통도이다.
도 5는 본 발명에 따른 회전형 반응기를 이용한 이산화탄소 포집장치의 동작을 설명하기 위한 설명도이다.
이하, 본 발명에 따른 회전형 반응기를 이용한 이산화탄소 포집장치의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 회전형 반응기를 이용한 이산화탄소 포집장치의 구성을 나타낸 계통도이고, 도 2는 본 발명에 따른 회전형 반응기를 이용한 이산화탄소 포집장치중 회전형 반응기의 구성을 나타낸 사시도이며, 도 3은 도 2의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전형 반응기를 이용한 이산화탄소 포집장치의 구성을 나타낸 계통도이다. 도면중 미설명 부호인 P는 펌프이고, F는 송풍팬이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 회전형 반응기를 이용한 이산화탄소 포집장치(1)는 흡수액 저장조(10)와, 회전형 반응기(20)와, 회전 모터(30)와, 폐흡수액 저장조(40) 및 탈수기(50)로 이루어진다.
먼저, 흡수액 저장조(10)는 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 알칼리 첨가제 및 물을 혼합하여 제조된 흡수액이 저장된다. 이때, 흡수액 저장조(10)는 내부에 흡수액을 교반시키는 수중 교반기와, 침전물을 제거하는 스크러버 등이 설치될 수 있다.
그리고, 회전형 반응기(20)는 외통(21), 내통(23), 분배판(25) 및 흡수액 차단판(27)으로 이루어진다.
외통(21)은 이산화탄소가 포함된 배출 가스가 내부로 유입되도록 밀폐된 원통형으로 형성되되, 수평하게 설치되고, 양측면 중앙에 베어링(B)이 설치되며, 상면에 가스 유입관(21a)이 형성되고, 저면에 흡수액 배출관(21b)이 형성된다. 이때, 흡수액 배출관(21b)은 흡수액을 일괄 배출하도록 밸브(V)가 구비되는 것이 바람직하다.
내통(23)은 내부에 흡수액이 공급되면 회전시켜 외통(21)의 배출 가스와 접촉시킨 후 외통(21)으로 배출하도록 밀폐된 원통형으로 형성되어 외통(21) 내부에서 수평하게 설치되고, 일측면 중앙부에 중공상의 흡수액 유입 회전축(23a)이 돌출 형성되며, 타측면 중앙부에 중공상의 가스 배출 회전축(23b)이 돌출 형성되어 외통(21)의 베어링(B)과 각각 결합된다. 이때, 흡수액 유입 회전축(23a)은 외측면에 회전 모터(30)와 체인(C)에 의해 결합되도록 링기어(RG)가 형성되고, 제 1커플러(CP1)에 의해 흡수액 공급 배관(P1)과 축 연결된다. 또, 가스 배출 회전축(23b)은 제 2커플러(CP2)에 의해 가스 배출 배관(P2)과 축 연결된다.
계속해서, 내통(23)은 측면 일측에 버블캡(23c)이 체결되도록 복수의 체결구(23d)가 형성되며, 측면 타측에 흡수액을 외통(21)으로 배출하는 복수의 배출홀(23e)이 형성된다.
그리고, 분배판(25)은 내통(23)의 내측면 일측에 수직으로 설치되고, 복수의 배출홀(25a)이 구비되고, 배출홀(25a)은 흡수액이 내통(23)의 외측으로 투입되도록 테두리 측에 배열된다.
이어서, 흡수액 차단판(27)은 내통(23)의 흡수액이 배출되는 것을 차단하도록 가스 배출 회전축(23b)의 끝단에 설치되고, 복수의 가스 배출홀(27a)이 형성된다.
또한, 회전 모터(30)는 회전형 반응기(20)의 내통에 형성된 흡수액 유입 회전축(23a)의 링기어(RG)와 체인(C)에 의해 결합되어 내통을 회전시킨다. 이때, 풀리와 벨트를 이용하여 내통(23)을 회전시킬 수도 있다.
또, 폐흡수액 저장조(40)는 회전형 반응기(20)외 외통(21)에서 배출되는 폐흡수액을 저장한다. 이때, 폐흡수액 저장조(40)는 내부에 흡수액을 교반시키는 수중 교반기와, 침전물을 제거하는 스크러버 등이 설치될 수 있고, 폐흡수액 저장조(40)의 폐흡수액의 일부를 흡수액 저장조(10)로 리턴시킬 수도 있다.
그리고, 탈수기(50)는 폐흡수액 저장조(40)의 폐흡수액을 공급받아 탈수시켜 케이크 형태의 침강성 탄산칼슘을 배출시키고, 탈수 여액을 배출한다.
한편, 회전형 반응기(20)는 도 1에 도시된 바와 같이 단독으로 설치되거나 도 4에 도시된 바와 같이 2개 이상이 다단으로 연속 설치될 수도 있다.
이하, 본 발명에 따른 회전형 반응기를 이용한 이산화탄소 포집장치의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명에 따른 회전형 반응기를 이용한 이산화탄소 포집장치의 동작을 설명하기 위한 설명도이다.
먼저, 흡수액 저장조(10)의 흡수액이 회전형 반응기(20)의 흡수액 공급 배관(P1)을 통해 회전 모터(30)에 의해 회전하고 있는 내통(23)의 흡수액 유입 회전축(23a)으로 유입된다.
그러면, 흡수액은 분배판(25)의 테두리에 형성된 배출홀(25a)에 의해 내통(23)의 외측으로 배출된다.
이와 동시에 외통(21)의 가스 유입관(21a)을 통해 공급된 배출 가스가 내통(23)의 체결구(23d)와 버블캡(23c)을 통해 내통(23) 내부로 유입되면서 흡수액과 혼합되게 된다. 이때, 흡수액은 내통(23)의 회전에 따라 내부에서 사이클론 방식으로 회전하고 있기 때문에 배출 가스와 용이하게 혼합된다. 또한, 버블캡(23c)에 의해 배출 가스는 내통(23)으로 유입되고, 흡수액은 미유출된다.
계속해서, 흡수액과 배출가스가 혼합된 후 흡수액은 배출홀(23e)을 통해 외통(21)으로 배출되고, 이산화탄소가 흡수액에 흡수된 청정 가스는 흡수액 차단판(27)을 통과해서 내통(23)의 가스 배출 회전축(23b)을 통해 가스 배출 배관(P2)으로 배출된다.
그리고, 외통(21)으로 배출된 폐흡수액은 흡수액 배출관(21b)을 통해 폐흡수액 저장조(40)로 배출되어 저장되고, 폐흡수액 저장조(40)의 폐흡수액은 탈수기(50)에 의해 원심 분리되어 케이크 형태의 침강성 탄산칼슘과 탈수 여액으로 분리되어 배출된다.
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10 : 흡수액 저장조 20 : 회전형 반응기
21 : 외통 23 : 내통
25 : 분배판 27 : 흡수액 차단판
30 : 회전 모터 40 : 폐흡수액 저장조
50 : 탈수기

Claims (9)

  1. 수산화칼슘(Ca(OH)2)과 알칼리 첨가제 및 물을 혼합하여 제조된 흡수액이 저장되는 흡수액 저장조와;
    이산화탄소가 포함된 배출 가스가 내부로 유입되는 외통과, 상기 외통 내부에서 수평하게 회전되고, 내측면 일측에 복수의 배출홀이 구비된 원판 형태의 분배판이 수직으로 설치되며, 측면 일측에 버블캡이 체결되도록 복수의 체결구가 형성되며, 측면 타측에 흡수액을 상기 외통으로 배출하는 복수의 배출홀이 형성되는 내통으로 이루어지고, 상기 내통 내부로 상기 흡수액 저장조의 흡수액이 흡수액 공급 배관을 통해 공급되면 상기 외통 내부로 공급된 배출 가스가 상기 내통 내부로 유입되어 흡수액과 반응하면서 이산화탄소를 흡수하여 청정 가스를 가스 배출 배관을 통해 배출시키며, 폐흡수액을 배출하는 회전형 반응기와;
    상기 회전형 반응기의 내통을 회전시키는 회전 모터와;
    상기 회전형 반응기에서 배출되는 폐흡수액을 저장하는 폐흡수액 저장조; 및
    상기 폐흡수액 저장조의 폐흡수액을 공급받아 탈수시켜 케이크 형태의 침강성 탄산칼슘을 배출시키고, 탈수 여액을 배출하는 탈수기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전형 반응기를 이용한 이산화탄소 포집장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전형 반응기의 외통은,
    밀폐된 원통형으로 형성되되, 수평하게 설치되고, 양측면 중앙에 베어링이 설치되며, 상면에 가스 유입관이 형성되고, 저면에 흡수액 배출관이 형성되는 것을 특징으로 하는 회전형 반응기를 이용한 이산화탄소 포집장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 회전형 반응기의 내통은,
    밀폐된 원통형으로 형성되어 상기 외통 내부에서 수평하게 설치되고, 일측면 중앙부에 중공상의 흡수액 유입 회전축이 돌출 형성되며, 타측면 중앙부에 중공상의 가스 배출 회전축이 돌출 형성되어 상기 외통의 베어링과 각각 결합되는 것을 특징으로 하는 회전형 반응기를 이용한 이산화탄소 포집장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 분배판의 배출홀은,
    테두리 측에 배열되는 것을 특징으로 하는 회전형 반응기를 이용한 이산화탄소 포집장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 흡수액 유입 회전축은,
    외측면에 상기 회전 모터와 체인에 의해 결합되도록 링기어가 형성되는 것을 특징으로 하는 회전형 반응기를 이용한 이산화탄소 포집장치.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 흡수액 유입 회전축은,
    제 1커플러에 의해 상기 흡수액 공급 배관과 축 연결되고,
    상기 가스 배출 회전축은,
    제 2커플러에 의해 상기 가스 배출 배관과 축 연결되는 것을 특징으로 하는 회전형 반응기를 이용한 이산화탄소 포집장치.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 가스 배출 회전축은,
    상기 내통의 흡수액이 배출되는 것을 차단하도록 끝단에 복수의 가스 배출홀이 형성된 흡수액 차단판이 구비되는 것을 특징으로 하는 회전형 반응기를 이용한 이산화탄소 포집장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전형 반응기는,
    단독으로 설치되거나 다단으로 연속 설치되는 것을 특징으로 하는 회전형 반응기를 이용한 이산화탄소 포집장치.
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