KR101712252B1 - 이산화탄소 분리 장치, 상기 장치의 작동 방법 및 분리 유닛 - Google Patents

이산화탄소 분리 장치, 상기 장치의 작동 방법 및 분리 유닛 Download PDF

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Abstract

특히, 화력 발전소의 연도 가스(RG)로부터 이산화탄소를 분리하기 위한 분리 장치(2)가 특정되며, 상기 분리 장치는 흡착 유닛(4), 상기 흡착 유닛(4)에 할당된 탈착 유닛(5) 및 세정액으로부터 염을 분리하기 위한 분리 유닛(10)을 포함한다. 흡착 유닛(4) 및 탈착 유닛(5)은 재생된 세정액(A)을 위한 제1 라인(6) 및 적재된 세정액(A')을 위한 제2 라인(7)을 통해 서로 연결된다. 분리 유닛(10)은 염 결정을 형성하기 위한 결정화기(20) 및 염 결정의 제거를 위한, 결정화기 하류 측의 제1 분리기 유닛(25)을 포함한다. 또한, 분리 장치(2)를 작동하기 위한 상응하는 방법이 특정된다. 또한, 세정액으로부터 염을 분리하기 위한 분리 유닛(10)이 특정되며, 상기 분리 유닛은 결정화기(20) 및 염 결정을 제거하기 위한, 결정화기 하류 측의 제1 분리기 유닛(25)을 포함한다. 결정화기(20)는 염 결정을 형성하기 위한 결정화 챔버(21) 및 염 결정을 그 입자 크기에 따라 분리하기 위한 대향류 분류기(22)를 포함한다. 결정화 챔버(21)에는 제1 분기 라인(32)이 연결되며, 상기 제1 분기 라인은 제2 분리기 유닛(26)을 통해 대향류 분류기(22) 내로 합류한다.

Description

이산화탄소 분리 장치, 상기 장치의 작동 방법 및 분리 유닛{SEPARATION DEVICE FOR CARBON DIOXIDE, METHOD FOR THE OPERATION THEREOF, AND SEPARATING UNIT}
본 발명은 특히 화력 발전소의 연도 가스로부터 이산화탄소를 분리하기 위한 분리 장치 및 상기 유형의 분리 장치를 작동하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 세정액으로부터 염을 분리하기 위한 분리 유닛에 관한 것이다.
전기 에너지 생성을 위한 화력 발전소에서는 화석 연료의 연소에 의해 이산화탄소를 함유하는 연도 가스가 발생한다. 연도 가스는 이산화탄소 외에, 예를 들어 이산화황 및 이산화질소 등의 가스와, 먼지 및 그을음 등의 고체 입자와 같은 추가 연소 생성물을 포함한다. 연도 가스는 통상 고체 성분이 전반적으로 분리된 후에 대기중에 배출된다.
그러나 인간에 의해 야기되는 지구 대기권 내 이산화탄소 함량의 증가는 기후 변화로 지칭되는 지구 표면 온도 상승의 주원인으로서의 책임이 있다. 대기 내에 존재하는 이산화탄소는 말하자면 지구 표면으로부터 우주 공간으로의 열 방사를 방해하는데, 이는 일반적으로 온실 효과로 알려져 있다.
이와 관련하여, 연소 후 생성된 이산화탄소를 연도 가스로부터 제거하기 위해, 현존하는 발전소 설비에 적합한 2차 조치가 논의되고 있다. 연소 공정 후에 연도 가스로부터 이산화탄소를 분리하기 위한 기술적 가능성(Post Combustion Capture)으로서, 연도 가스를 적절한 이산화탄소 흡착제와 혼합된 세정액과 접촉시킨다. 이 경우, 연도 가스로부터 이산화탄소가 세정되어 제거된다.
종래의 흡착/탈착 공정에서 연도 가스는 흡착 유닛 내에서 세정액과 접촉되고, 이를 통해 특히 이산화탄소가 흡착되거나 또는 역으로 결합된다. 이렇게 세정된 연도 가스는 흡착 유닛으로부터 방출되고, 이산화탄소가 적재된 세정액은 이산화탄소의 제거 및 세정액의 재생을 위해 탈착 유닛으로 안내된다. 그곳에서 통상 열적 분리가 실시되며, 즉, 열 공급에 의해 이산화탄소가 탈착된다. 이산화탄소는, 결국 예를 들어 여러 단계에서 압축되고 냉각되어 저장소로 또는 재활용의 용도로 공급된다. 재생된 세정액은 흡착 유닛으로 귀환되어, 다시 이산화탄소의 흡착을 위해 제공된다.
이러한 유형의 흡착/탈착 공정의 범주에서는 통상 염기성 세정액에 의한 화학적 흡착이 이용된다. 이러한 방식의 흡착 시, 산성의 연도 가스 성분이 세정액 내에 함유된 염기성 흡착제와 반응한다. 현재로서는 아민 함유 흡착제가 가장 바람직한 것으로 알려져 있으며, 아민으로서 특히 알카놀아민이 사용되거나, 또는 고리형 아민(cyclic amines), 아미노산 또는 아미노산 염 등의 광범위한 알킬기를 함유한, 더욱 복잡한 입체 장애 아민도 사용된다. 사용된 아민은 이산화탄소와 함께 카르바메이트를 형성하거나, 또는 이산화탄소가 세정제 내에서 간접적으로 탄산수소염 및 양성자화 아민에 대해 반응한다.
바람직하지 못하게, 아민 함유 세정액 내에 이산화탄소 외에 다른 산성 가스, 특히 산화질소 및/또는 이산화황도 흡착된다. 그러나 상기 추가 가스들은 이산화탄소와 달리 아민 함유 흡착제와 함께 특히 내열성 염(Heat Stable Salts, HSS)을 형성하며, 이는 탈착 유닛에서 더 이상 개량될 수 없다. 상기 내열성 염은, 작동 중에, 이에 기인한 아민 농도를 낮춤으로써 이산화탄소의 흡착을 위한 세정액의 용량을 연속적으로 감소시킨다. 더욱이, 내열성 염은 경우에 따라 부식을 촉진시키고, 세정제의 유동 특성을 부정적으로 변화시킨다.
따라서, 본 발명의 첫 번째 과제는, 세정액으로부터 염의 분리를 가능케 하는, 특히 화력 발전소의 연도 가스로부터 이산화탄소를 분리하기 위한 분리 장치를 제공하는 것이다.
두 번째 과제는, 세정액으로부터 염이 분리될 수 있도록 하는, 특히 화력 발전소의 연도 가스로부터 이산화탄소를 분리하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
세 번째 과제는, 세정액으로부터 염을 분리하기 위한 분리 유닛을 제공하는 것이다.
본 발명에 따라, 상기 첫 번째 과제는 청구항 제1항의 특징에 의해 해결된다. 본 발명의 바람직한 실시예들과 개선예들은 종속 청구항 및 이하의 설명을 참조한다.
본 발명에 따른, 특히 화력 발전소의 연도 가스로부터 이산화탄소를 분리하기 위한 분리 장치는, 흡착 유닛과, 상기 흡착 유닛에 할당된 탈착 유닛과, 세정액으로부터 염을 분리하기 위한 분리 유닛을 포함한다. 흡착 유닛과 탈착 유닛은 재생된 세정액을 위한 제1 라인 및 적재된 세정액을 위한 제2 라인을 통해 서로 연결된다. 분리 유닛은 염 결정을 형성하기 위한 결정화기 및 염 결정의 분리를 위한 결정화기 하류 측의 제1 분리기 유닛을 포함한다.
본 발명은, 산성의 연도 가스 성분을 갖는 아민 함유 세정액의 중화 반응을 통해 형성된 염이 다시 재생될 수 없게 하고, 상기 염이 이산화탄소의 흡착을 위한 세정액의 용량을 감소시키지 않도록 한다는 사상에 기초한다. 또한, 본 발명은 세정액 내 염을 결정화한다는 사상에 기초한다. 이러한 방식으로 결정화된 염은 고체로서 비교적 간단하게 세정액으로부터 제거될 수 있다. 따라서, 본 발명에서는, 세정액 내에 함유된 염이 결정화기를 이용하여 결정화되고, 형성된 염 결정은 분리기 유닛에 의해 세정액으로부터 제거된다. 이는, 세정액 내에 함유된 염의 분리 및 세정액의 간단한 처리를 허용한다.
흡착 유닛은 세정액에 의한 이산화탄소의 흡착에 사용되고, 탈착 유닛은 이산화탄소의 탈착에 사용된다. 제1 라인은 흡착 유닛을 탈착 유닛과 연결하고, 재생된 세정액을 안내한다. 제2 라인은 흡착 유닛을 탈착 유닛과 연결하고, 적재된 세정액을 안내한다. 염의 분리를 위해 분리 유닛이 분리 장치 내에 직접 통합될 수 있다. 또는, 세정액을 분리 장치로부터 빼내어 별도로 분리 유닛으로 운반하였다가, 염의 분리 후 분리 장치에서 다시 사용하는 것도 가능하다.
결정핵 형성 및 염 결정 성장은 실질적으로 결정화기 내에서 수행된다. 이 경우, 과포화는 결정화를 위한 촉진력이다. 과포화는 세정액의 증발 외에 특히 세정액의 냉각에 의해 발생할 수 있다. 상응하는 낮은 온도로 인해 세정액 내 염의 용해도가 감소하고, 결정화되는 염이 과포화 상태에 이른다. 이를 통해 염의 결정 형성이 가능하다.
결정화기는 바람직하게는 연속 결정화를 위한, 즉, 연속 작동용 결정화기이다. 결정화기는 예를 들어 교반기 또는 순환 펌프와, 가열 및/또는 냉각을 위한 장치를 포함할 수 있다. 이 경우, 교반기 또는 순환 펌프의 주요 역할은, 현탁액을 가능한 한 균일하게 분포시켜, 탈착 유닛으로부터 공급된 세정액을 혼합하는 것이다. 냉각용 장치는 특히 세정액의 온도를 냉각시키는 데 사용된다.
염 결정의 입자 크기는 특히 국소적이고 평균적인 과포화를 통해 그리고 과포화된 용액 내 염 결정의 분포 및 체류 시간을 통해 제어될 수 있다. 세정액 내에는 특히 소립자, 중간 입자, 및 대립자의 염 결정이 존재하며, 이러한 구분은 각각 염 결정들 상호 간의 관계에서 알 수 있다. 다시 말해, 소립자의 염 결정은 중간 입자의 염 결정보다 작고, 중간 입자의 염 결정은 다시 대립자의 염 결정보다 작다.
제1 분리기 유닛은 결정화기에 유체공학적으로 하류에 연결되고, 형성된 염 결정을 세정액으로부터 분리하도록 설계된다. 제1 분리기 유닛을 통해 제거된 염 결정은 비축되거나, 폐기물로서 처리되거나 또는 다른 목적으로 사용하기 위해 공급된다. 대안적으로, 결정화기 내에서 상응하는 고체 농도가 유지되도록, 특히 중간 입자 및 소립자 염 결정이 전체적으로 또는 부분적으로 다시 공급될 수 있는데, 이는 결정화기의 결정화 성능에 긍정적으로 작용한다. 최대한 염 결정을 더 이상 함유하지 않는 세정액은 흡착 유닛으로 이송되거나 공급된다.
전술한 분리 장치는, 상기 분리 장치에 의해 세정액으로부터 염이 분리될 수 있는 장점을 가진다. 상기 분리 장치는, 세정액 내에 용해된 염이 결정화되어 고체로서 세정액 내에 존재할 수 있게 하며, 그 결과 제1 분리기 유닛에 의해 비교적 간단한 고체/액체 분리를 통해 세정액으로부터 염이 분리될 수 있다.
적재된 세정액 내에 함유된 이산화탄소는 세정액 내 염의 용해성을 촉진시킴으로써 염의 결정화를 어렵게 한다. 따라서, 재생된 세정액은 바람직하게 탈착 유닛으로부터 분리 유닛으로 이송되거나 공급된다.
바람직하게는 분리 유닛이 제1 라인으로 연결된다. 이 경우, 제1 라인은 탈착 유닛을 분리 유닛과 연결하고, 이를 다시 흡착 유닛과 연결한다. 이러한 방식으로, 분리 유닛이 흡착 유닛과 탈착 유닛 사이의 세정액 순환 회로에 직접 연결된다.
한 바람직한 실시예에서, 결정화기는 염 결정을 형성하기 위한 결정화 챔버 및 염 결정을 그 입자 크기에 따라 분리하기 위한 분류 장치를 포함한다. 이 경우, 결정화 챔버는 실질적으로, 세정액 및 성장하는 염 결정이 내부에 위치하는 원통형 용기로 구성된다. 분류 장치 내에서 염 결정은 그 입자 크기에 따라 분리된다. 이 경우, 중간 입자 및 소립자 염 결정으로부터 대립자 염 결정이 대부분 분리된다. 이러한 분리를 통해, 더 간단하게 세정액으로부터 분리될 수 있는, 특히 대립자 염 결정의 목표한 추출이 단순화되고, 중간 입자 및 소립자 염 결정은 추가 성장을 위해 결정화 챔버 내에 남겨질 수 있다. 바람직하게, 재생된 세정액의 온도는 상기 세정액이 분리 유닛의 결정화기 내로 안내되기 전에, 예를 들어 열 교환기를 통해 저온으로, 특히 10℃ 내지 15℃로 낮아진다. 이를 통해, 염의 결정 형성이 가능해지거나, 촉진될 수 있다.
바람직하게는, 분류 장치가 대향류 분류기(counterflow classifier)로서 형성된다. 이 경우, 분류 장치는 결정화 챔버의 바닥측에 성형되며, 특히 깔때기 모양으로 연장되는 바닥을 갖는 실질적으로 중공 원통형인 몸체를 갖는다. 중공 원통형 몸체의 외피면에는, 하부 영역에서 바닥 근처에 유입 개구가 제공되며, 이 유입 개구를 통해, 상기 유입 개구로부터 결정화 챔버를 향해 상향으로 중공 원통형 몸체를 관류하는 대향류가 유입된다. 염 결정을 그 입자 크기에 따라 분리하기 위해, 상이한 입자 크기를 갖는 염 결정의 상이한 침전 속도를 이용하는데, 이때 대립자 염 결정의 침전 속도가 중간 입자 및 소립자 염 결정의 침전 속도보다 더 빠르다. 대향류 속도보다 침전 속도가 더 느린 염 결정은 대향류에 의해 결정화 챔버를 향해 상부로 운반된다. 침전 속도가 더 빠른 염 결정은 중공 원통형 몸체를 통해 하부로 이동하여 분류 장치의 바닥에 축적된다. 이때, 대향류의 속도는, 대립자 염 결정의 침전 속도보다는 느리고, 중간 입자 및 소립자 염 결정의 침전 속도보다는 빠르도록 설정된다. 이로써, 분류 장치 바닥에는 실질적으로 대립자 염 결정이 축적되고, 그곳으로부터 상기 대립자 염 결정은 제거될 수 있다.
결정화 챔버에는 바람직하게, 제2 분리기 유닛을 통해 대향류 분류기 내로 합류하는 제1 분기 라인이 연결된다. 제1 분기 라인은, 결정화 챔버로부터 세정액을 빼내어 제2 분리기 유닛으로 공급하고 하류에 연결된 대향류 분류기로 공급하는 데 사용된다. 이 경우, 제2 분리기 유닛은, 추출된 세정액 내에 존재하는 특히 대립자 및 중간 입자의 염 결정을 억류하도록 설계된다. 이렇게 억류된 염 결정은, 세정액 내에서 결정화기의 결정화 성능에 긍정적으로 작용하는 고체 농도가 유지되도록 하기 위해 결정화 챔버로 다시 공급된다. 실질적으로 아직 소립자 염 결정을 함유하는 세정액만 제2 분리기 유닛으로부터 제1 분기 라인을 통해 대향류 분류기의 유입 개구로 안내되어 그곳에서 대향류로서 작용한다.
제2 분리기 유닛은 바람직하게 필터로서 형성된다. 이 경우, 제2 분리기 유닛은 특히 예를 들어 메탈 에지 필터와 같은 연속 작동식 필터일 수 있다. 대안적으로, 제2 분리기 유닛은 하이드로사이클론 또는 분리기로도 형성될 수 있다.
바람직한 일 실시예에서, 제1 분리기 유닛은 특히, 스크린 원심 분리기일 수 있는 원심 분리기를 포함한다. 이 원심 분리기는 세정액으로부터 특히, 큰 염 입자를 제거한다. 또한, 제1 분리기 유닛은, 아직 남아 있는 중간 입자 및 소립자 염 결정을 세정액으로부터 분리하는 필터도 포함할 수 있다. 스크린 원심 분리기와 필터의 조합 대신, 특히, 제1 분리기 유닛이 예를 들어 상기 두 기능을 조합한 스크린형 스크류 원심 분리기를 포함할 수도 있다.
한 바람직한 실시예에서는, 결정화기에 제2 분기 라인이 연결되고, 제2 분기 라인은 분쇄 장치를 통해 다시 결정화기로 안내된다. 결정화기에서는 제2 분기 라인을 통해 연속으로 또는 주기적으로 세정액이 배출될 수 있으며, 세정액 내에 함유된 염 결정은 분쇄 장치, 예를 들어 제분기 또는 분산기 내에서의 분쇄 공정을 거칠 수 있다. 제2 분기 라인은, 분쇄된 염 결정이 세정액과 함께 다시 결정화기로 공급될 수 있도록 설계된다. 이러한 방식으로, 결정화기에는 성장 가능한 소립자 염 결정이 많이 제공될 수 있고, 이를 통해 결정화기의 결정화 성능이 증대된다.
바람직하게는, 분리 유닛 내에 시드 결정 공급 장치가 제공된다. 시드 결정은 결정화기 내 세정액에 첨가될 수 있다. 그곳에서 시드 결정은 결정화를 통해 성장한다.
바람직하게는, 분리 유닛 내에 염기, 특히 수산화칼륨을 위한 제2 공급 장치가 제공된다. 염기를 세정제에 첨가함으로써, 산성 가스의 흡착 및 염의 형성을 통해 생성되는 양성자가 포획될 수 있다.
제1 분리기 유닛의 하류에는 바람직하게 "안전" 필터가 연결된다. 제1 분리기 유닛을 통해 분리되지 않은 염 결정이 상기 "안전" 필터에 의해 억류될 수 있다.
본 발명의 두 번째 과제는, 본 발명에 따라 청구항 제9항의 특징에 의해 해결된다. 본 발명의 바람직한 구성 및 개선예는 종속항 및 이하 설명을 참조한다.
특히 화력 발전소의 연도 가스로부터 이산화탄소를 분리하기 위한 본 발명에 따른 방법에서, 적재된 세정액은 흡착 유닛으로부터 탈착 유닛으로 공급되고, 재생된 세정액은 탈착 유닛으로부터 흡착 유닛으로 공급된다. 이때, 세정액이 분리 유닛으로 공급되고, 상기 분리 유닛에서 결정화기에 의해 세정액 내에 염 결정이 형성되어, 하류 측의 분리기 유닛에 의해 분리된다.
바람직하게는, 재생된 세정액이 분리 유닛에 의해 처리된다.
흡착 유닛 내에서 세정액에 이산화탄소가 흡착되어 농축된다. 이러한 방식으로 적재된 세정액은 라인을 통해 흡착 유닛에 공급된다. 탈착 유닛 내에서는 이산화탄소의 탈착이 실시되며, 바람직하게는 이러한 방식으로 재생된 세정액이 분리 유닛 및 후속하여 흡착 유닛으로 공급된다.
실질적으로 결정핵 형성 및 염 결정 성장은 바람직하게 연속 작동식 결정화기 내에서 수행되며, 상기 결정화기 내에서 세정액 및 염 결정으로 이루어진 현탁액이 특히 균일하게 분포되어 새로 공급된 세정액과 혼합된다.
염 결정의 입자 크기는 특히 국소적이고 평균적인 과포화를 통해, 그리고 과포화된 용액 내 염 결정의 분포 및 체류 시간에 의해 제어될 수 있다. 세정액 내에는 특히 소립자, 중간 입자 및 대립자의 염 결정이 존재한다. 이러한 구분은 각각 염 결정들 상호 간의 관계에서 알 수 있다. 다시 말해, 소립자의 염 결정은 중간 입자 염 결정보다 작고, 중간 입자 염 결정은 다시 대립자 염 결정보다 작다.
유체공학적으로 결정화기의 하류에 연결된 분리기 유닛에 의해, 생성된 염 결정이 세정액으로부터 분리된다. 이를 위해, 특히 대립자 염 결정을 함유한 세정액이 결정화기로부터 추출되어 분리기 유닛에 공급된다. 분리기 유닛에 의해 분리된 염 결정은 비축되거나, 폐기물로서 처리되거나 또는 다른 목적으로 사용하기 위해 공급된다. 대안적으로, 결정화기 내에서 상응하는 고체 농도가 유지되도록, 특히 중간 입자 및 소립자 염 결정이 전체적으로 또는 부분적으로 다시 공급될 수 있는데, 이는 결정화기의 결정화 성능에 긍정적으로 작용한다. 결정화기 내에서 상기 중간 입자 및 소립자 염 결정은 계속 성장한다. 최대한 염 결정을 더 이상 함유하지 않는 세정액은 흡착 유닛으로 공급된다.
전술한 방법은, 상기 방법에 의해 세정액으로부터 염이 분리될 수 있는 장점을 가진다. 상기 방법에 의해 세정액 내에 용해된 염이 결정화되어, 고체로서 비교적 간단한 고체/액체 분리를 통해 세정액으로부터 분리될 수 있다.
상기 방법의 한 바람직한 실시예에서, 염 결정이 결정화기의 결정화 챔버 내에서 생성되고, 그 입자 크기에 따라 결정화기의 분류 장치 내에서 분리된다. 결정화 챔버 내에는 성장하는 염 결정들과 함께 세정액이 들어있다. 분류 장치 내에서 염 결정이 그 입자 크기에 따라 분리된다. 이때, 세정액으로부터 더 쉽게 분리될 수 있는 대립자 염 결정이 중간 입자 및 소립자 염 결정으로부터 대부분 분리된다. 이러한 분리를 통해, 특히 대립자 염 결정이 의도한 대로 추출될 수 있고, 중간 입자 및 소립자 염 결정은 결정화 챔버 내에 남아 더 성장한다. 바람직하게는, 재생된 세정액이 분리 유닛의 결정화기 내로 유도되기 전에, 재생된 세정액의 온도가 저온으로, 특히 10℃ 내지 15℃로 낮아진다. 상응하는 낮은 온도에 의해 세정액 내 염의 용해도가 감소하고, 결정화되는 염이 과포화 상태에 이른다. 이를 통해, 염의 결정 형성이 가능해지거나, 촉진된다.
바람직하게는, 대향류에 의해 염 결정이 그 입자 크기에 따라 분리된다. 이를 위해, 대향류가 염 결정의 침전 방향에 대항하여 분류 장치를 관류한다. 이때, 대향류의 속도는, 대립자 염 결정의 침전 속도보다는 느리고, 중간 입자 및 소립자 염 결정의 침전 속도보다는 빠르도록 설정된다. 대향류 속도보다 침전 속도가 더 느린 중간 입자 및 소립자 염 결정은 대향류에 의해 결정화 챔버를 향해 상부로 운반된다. 대향류 속도보다 침전 속도가 더 빠른 대립자 염 결정은 하부로 가라앉아 분류 장치의 바닥에 축적된다. 이로써, 분류 장치 바닥에는 실질적으로 대립자 염 결정이 축적되고, 그곳으로부터 상기 대립자 염 결정은 제거될 수 있다.
바람직하게는, 결정화 챔버에서 세정액의 제1 부분 흐름이 제거되고, 상기 제1 부분 흐름 내에 함유된 염 결정이 분리되며, 이때 제1 부분 흐름은 대향류로서 분류 장치에 공급된다. 이 경우, 결정화 챔버로부터 배출된 후에, 추출된 세정액 내에 존재하는 특히 대립자 및 중간 입자 염 결정이 먼저 분리된다. 상기 염 결정은 결정화 챔버로 다시 공급되어 그곳에서 계속 성장한다. 이어서, 실질적으로 아직 소립자 염 결정을 함유하는 부분 흐름만 대향류로서 분류 장치 내로 안내된다.
바람직하게는, 제1 부분 흐름으로부터 염 결정을 분리하기 위해 여과가 실시되고, 이를 통해 특히 대립자 및 중간 입자 염 결정이 제1 부분 흐름으로부터 분리된다. 이렇게 분리된 대립자 및 중간 입자 염 결정은 계속 성장하기 위해 다시 결정화기로 공급된다.
바람직하게는, 분리기 유닛을 이용하여 염 결정을 분리하기 위해 원심 분리가 실시된다. 이 경우, 염 입자는 실질적으로 회전하는 드럼을 통해 원심력을 이용하여 세정액으로부터 분리된다. 이어서, 세정액은 세정액 내에 아직 함유된 염 입자를 최대한 완전히 분리하기 위해 선택적으로 여과될 수 있다.
바람직하게는, 결정화기로부터 세정액의 제2 부분 흐름이 추출되고, 제2 부분 흐름 내에 함유된 염 결정이 분쇄되며, 상기 제2 부분 흐름은 다시 결정화기 내로 안내된다. 이 과정은 연속적으로 또는 주기적으로 실행될 수 있다. 이러한 방식으로, 성장할 수 있는 더 많은 소립자 염 결정이 제공되고, 이를 통해 결정화기의 염 결정화 성능이 증대된다.
바람직하게는, 결정화기 내 세정액에 시드 결정이 첨가되어 결정화기 내에서 계속 성장한다.
바람직하게는, 세정액에 염기, 특히 수산화칼륨이 첨가된다. 염기의 첨가를 통해, 산성 가스의 흡착 및 염의 생성을 통해 발생하는 양성자가 포획될 수 있다.
세정액은 바람직하게 분리기 유닛을 관류한 후에 추가로 여과될 수 있다. 그 결과, 제1 분리기 유닛에 의해 분리되지 않았던 염 결정이 억류될 수 있다.
본 발명의 세 번째 과제는 본 발명에 따라 청구항 제16항의 특징에 의해 해결된다. 본 발명의 바람직한 구성 및 개선예는 종속항 및 이하 설명을 참조한다.
세정액으로부터 염을 제거하기 위한 본 발명에 따른 분리 유닛은 결정화기와, 결정화기 하류 측의, 염 결정을 분리하기 위한 제1 분리기 유닛을 포함한다. 결정화기는 염 결정을 형성하기 위한 결정화 챔버 및 염 결정을 그 입자 크기에 따라 분리하기 위한 대향류 분류기를 포함한다. 결정화 챔버에는 제2 분리기 유닛을 통해 대향류 분류기 내로 합류하는 제1 분기 라인이 연결된다.
세정액은, 특히 화력 발전소의 연도 가스로부터 이산화탄소를 분리하기 위한 재생된 세정액을 의미한다. 세정액으로부터 이미 이산화탄소가 탈착되어 있다. 이러한 세정액은 분리 유닛으로 공급된다.
염 결정의 입자 크기는 특히 국소적이고 평균적인 과포화를 통해, 그리고 과포화된 용액 내 염 결정의 분포 및 체류 시간에 의해 제어될 수 있다. 세정액 내에는 특히 소립자, 중간 입자 및 대립자의 염 결정이 존재하며, 이러한 구분은 각각 염 결정들 상호 간의 관계에서 알 수 있다. 다시 말해, 소립자의 염 결정은 중간 입자 염 결정보다 작고, 중간 입자 염 결정은 다시 대립자 염 결정보다 작다.
실질적으로 결정핵 형성 및 염 결정 성장은 바람직하게 연속 작동식 결정화기 내에서 수행되며, 상기 결정화기 내에서 세정액 및 염 결정으로 이루어진 현탁액이 특히 균일하게 분포되어 새로 공급된 세정액과 혼합된다.
결정화기는 바람직하게는 연속 결정화를 위한, 즉, 연속 작동용 결정화기이다. 결정화기는 예를 들어 교반기 또는 순환 펌프와, 가열 및/또는 냉각을 위한 장치를 포함할 수 있다. 이 경우, 교반기 또는 순환 펌프의 주요 역할은, 세정액 및 염 결정으로 이루어진 현탁액을 가능한 한 균일하게 분포시켜, 공급된 세정액과 혼합하는 것이다. 냉각용 장치는 특히 세정액의 온도를 냉각시키는 데 사용된다.
결정화 챔버는 실질적으로, 세정액 및 성장하는 염 결정이 내부에 위치하는 원통형 용기로 구성된다. 분류 장치 내에서 염 결정은 그 입자 크기에 따라 분리된다. 이 경우, 중간 입자 및 소립자 염 결정으로부터 대립자 염 결정이 대부분 분리된다. 이러한 분리를 통해, 더 간단하게 세정액으로부터 분리될 수 있는, 특히 대립자 염 결정의 목표한 추출이 단순화되고, 중간 입자 및 소립자 염 결정은 추가 성장을 위해 결정화 챔버 내에 남겨질 수 있다. 바람직하게, 재생된 세정액의 온도는 상기 세정액이 결정화기 내로 안내되기 전에, 예를 들어 열 교환기를 통해 저온으로, 특히 10℃ 내지 15℃로 낮아진다. 이를 통해, 염의 결정 형성이 가능해지거나, 촉진될 수 있다.
대향류 뷴류기는 결정화 챔버의 바닥측에 성형되며, 특히 깔때기 모양으로 연장되는 바닥을 가진, 실질적으로 중공 원통형인 몸체를 갖는다. 중공 원통형 몸체의 외피면에는, 하부 영역에서 바닥 근처에 유입 개구가 제공되며, 이 유입 개구를 통해, 상기 유입 개구로부터 결정화 챔버를 향해 상향으로 중공 원통형 몸체를 관류하는 대향류가 유입된다. 염 결정을 그 입자 크기에 따라 분리하기 위해, 상이한 입자 크기를 갖는 염 결정의 상이한 침전 속도를 이용하는데, 이때 대립자 염 결정의 침전 속도가 중간 입자 및 소립자 염 결정의 침전 속도보다 더 빠르다. 대향류 속도보다 침전 속도가 더 느린 염 결정은 대향류에 의해 결정화 챔버를 향해 상부로 운반된다. 침전 속도가 더 빠른 염 결정은 중공 원통형 몸체를 통해 하부로 이동하여 분류 장치의 바닥에 축적된다. 이때, 대향류의 속도는, 대립자 염 결정의 침전 속도보다는 느리고, 중간 입자 및 소립자 염 결정의 침전 속도보다는 빠르도록 설정된다. 이로써, 분류 장치 바닥에는 실질적으로 대립자 염 결정이 축적되고, 그곳으로부터 상기 대립자 염 결정은 제거될 수 있다.
제1 분기 라인은, 결정화 챔버로부터 세정액을 빼내어 제2 분리기 유닛으로 공급하고 하류에 연결된 대향류 분류기로 공급하는 데 사용된다. 이 경우, 제2 분리기 유닛은, 추출된 세정액 내에 존재하는 특히 대립자 및 중간 입자의 염 결정을 억류하도록 설계된다. 이렇게 억류된 염 결정은, 세정액 내에서 결정화기의 결정화 성능에 긍정적으로 작용하는 상응하는 고체 농도가 유지되도록 하기 위해 바람직하게 별도의 라인에 의해 결정화 챔버로 다시 공급된다. 실질적으로 아직 소립자 염 결정을 함유하는 세정액만 제2 분리기 유닛으로부터 제1 분기 라인을 통해 대향류 분류기의 유입 개구로 안내되어 그곳에서 대향류로서 작용한다.
제1 분리기 유닛은 형성된 염 결정을 세정액으로부터 분리하도록 설계된다. 제1 분리기 유닛을 통해 제거된 염 결정은 비축되거나, 폐기물로서 처리되거나 또는 다른 목적으로 사용하기 위해 공급된다. 대안적으로, 결정화기 내에서 상응하는 고체 농도가 유지되도록, 특히 중간 입자 및 소립자 염 결정이 전체적으로 또는 부분적으로 다시 공급될 수 있는데, 이는 결정화기의 결정화 성능에 긍정적으로 작용한다. 최대한 염 결정을 더 이상 함유하지 않는 세정액은 흡착 유닛으로 이송되거나 공급될 수 있다.
전술한 분리 유닛은, 상기 분리 유닛에 의해 세정액으로부터 염이 분리될 수 있는 장점을 가진다. 상기 분리 유닛은, 세정액 내에 용해된 염이 결정화되어 고체로서 세정액 내에 존재할 수 있게 하며, 그 결과 제1 분리기 유닛에 의해 비교적 간단한 고체/액체 분리를 통해 세정액으로부터 염이 분리될 수 있다. 이 경우, 결정화기 내의 세정액 내의 상응하는 높은 고체 농도는 나아가 결정화기의 결정화 성능에 긍정적으로 작용한다.
제2 분리기 유닛은 바람직하게 필터로서 형성된다. 이 경우, 제2 분리기 유닛은 특히 예를 들어 메탈 에지 필터와 같은 연속 작동식 필터일 수 있다. 대안적으로, 제2 분리기 유닛은 하이드로사이클론 또는 분리기로도 형성될 수 있다.
한 바람직한 실시예에서, 제1 분리기 유닛은 특히, 스크린 원심 분리기일 수 있는 원심 분리기를 포함한다. 이 원심 분리기는 세정액으로부터 특히, 큰 염 입자를 제거한다. 또한, 제1 분리기 유닛은, 아직 남아 있는 중간 입자 및 소립자 염 결정을 세정액으로부터 분리하는 필터도 포함할 수 있다. 스크린 원심 분리기와 필터의 조합 대신, 특히, 제1 분리기 유닛이 예를 들어 상기 두 기능을 조합한 스크린형 스크류 원심 분리기를 포함할 수도 있다.
한 바람직한 실시예에서는, 결정화기에 제2 분기 라인이 연결되고, 제2 분기 라인은 분쇄 장치를 통해 다시 결정화기로 안내된다. 결정화기에서는 제2 분기 라인을 통해 연속으로 또는 주기적으로 세정액이 배출될 수 있으며, 세정액 내에 함유된 염 결정은 분쇄 장치, 예를 들어 제분기 또는 분산기 내에서의 분쇄 공정을 거칠 수 있다. 제2 분기 라인은, 분쇄된 염 결정이 세정액과 함께 다시 결정화기로 공급될 수 있도록 설계된다. 이러한 방식으로, 결정화기에는 성장 가능한 소립자 염 결정이 많이 제공될 수 있고, 이를 통해 결정화기의 결정화 성능이 증대된다.
바람직하게는, 분리 유닛 내에 시드 결정 공급 장치가 제공된다. 시드 결정은 결정화기 내 세정액에 첨가될 수 있다. 그곳에서 시드 결정은 결정화를 통해 성장한다.
바람직하게는, 분리 유닛 내에 염기, 특히 수산화칼륨을 위한 제2 공급 장치가 제공된다. 염기를 세정제에 첨가함으로써, 산성 가스의 흡착 및 염의 형성을 통해 생성되는 양성자가 포획될 수 있다.
제1 분리기 유닛의 하류에는 바람직하게 "안전" 필터가 연결된다. 제1 분리기 유닛을 통해 분리되지 않은 염 결정이 상기 "안전" 필터에 의해 억류될 수 있다.
하기에서는 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도면은 분리 유닛을 구비한 분리 장치의 개략도이다.
도면에는 연소 설비의 연도 가스(RG)로부터 이산화탄소를 분리하기 위한 분리 장치(2)가 도시된다. 상기 분리 장치(2)는 흡착 유닛(4) 및 탈착 유닛(5)을 포함한다. 흡착 유닛(4)은 재생된 세정액(A)을 위한 제1 라인(6)을 통해, 그리고 적재된 세정액(A')을 위한 제2 라인(7)을 통해 탈착 유닛(5)과 연결된다. 제2 라인(7)을 통해, 이산화탄소가 적재된 세정액(A')이 흡착 유닛(4)으로부터 재생을 위해 탈착 유닛(5)으로 안내된다. 제1 라인(6)을 통해, 재생된 세정액(A)이 탈착 유닛(5)으로부터 새롭게 흡착 유닛(4)으로 공급된다. 재생된 세정액(A)으로부터 염을 분리하기 위한 분리 유닛(10)이 제1 라인(6)으로 연결된다.
탈착 유닛(5)에는 리보일러(12, reboiler)가 할당되고, 이 리보일러를 통해 작동 시 연소 설비의 공정 증기(D)가 열 공급을 위해 안내된다. 상기 열은 세정액(A)의 재순환을 통해 탈착 유닛(5)으로 공급됨으로써, 그 안에 존재하는 세정액(A)이 탈착 온도(TD)로 가열되어, 용해된 이산화탄소가 열적으로 탈착된다.
작동 시, 연소 설비의 연도 가스(RG)가 흡착 유닛(4)으로 공급된다. 흡착 유닛에서, 냉각된 연도 가스(RG)가 대향류에서 재생된 세정액(A)과 접촉되어, 함유된 이산화탄소가 흡착 또는 용해된다. 흡착 온도(TA)에서 아민 함유 세정액(A)은 높은 이산화탄소 적재 용량을 갖는다. 이산화탄소가 제거된 연도 가스(RG)는 대기로 배출된다.
이산화탄소가 적재된 세정액(A')은 재생을 위해 탈착 유닛(5)으로 흐른다. 탈착 유닛(5)의 헤드 영역 내에서 가스 라인(15)을 통해 이산화탄소 농후 가스가 유도되어, 제1 열 교환기(16) 및 이에 연결된 압축기(18)로 공급된다. 동반된 가스 형태의 이산화탄소는 압축기(18) 내에서 압축되어 다른 목적으로 사용되는데, 예를 들어 대수층 내로 주입되거나 또는 다른 곳의 이산화탄소 저장기에 저장된다.
재생된 세정액(A)으로부터 염을 분리하기 위한 분리 유닛(10)은, 결정화 챔버(21)와 대향류 분류기(22)로 구성된 결정화기(20), 2개의 분리기 유닛(25, 26), 그리고 하나의 분쇄 장치(30)를 포함한다. 제1 분리기 유닛(25)은 유입측에서 제3 라인(31)을 통해 대향류 분류기(22)와 연결되고, 배출측에서 제1 라인(6)을 통해 흡착 유닛(4)과 연결된다. 제2 분리기 유닛(26)은 제1 분기 라인(32)을 통해 유입측에서 결정화기(20)의 결정화 챔버(22)와 연결되고, 배출측에서 대향류 분류기(22)와 연결된다. 분쇄 장치(30)는 제2 분기 라인(34)를 통해 결정화 챔버(21)와 연결된다.
재생된 세정액(A)은 작동 시 제1 라인(6)을 통해 결정화기(20)의 결정화 챔버(21)로 흐른다. 재생된 세정액(A)은, 결정화 챔버(21) 내로 유입되기 전에 제2 열 교환기(36)를 통해 10℃ 내지 15℃로 냉각된다. 이러한 냉각에 의해, 재생된 세정제(A) 내의 염의 용해도가 감소되고, 결정화되는 염이 과포화된다. 이를 통해, 염의 결정 형성이 가능하다. 결정화 챔버(21) 내에서 실질적으로 결정핵 생성 및 염 결정 성장이 수행된다. 결정화기(20) 내에서, 재생된 세정액(A) 내에는 특히 소립자, 중간 입자 그리고 대립자의 염 결정이 존재하고, 이러한 구분은 각각 염 결정들 상호 간의 관계에서 알 수 있다. 다시 말해, 소립자의 염 결정은 중간 입자 염 결정보다 작고, 중간 입자 염 결정은 다시 대립자 염 결정보다 작다.
제1 분기 라인(32)을 통해 결정화기(20)의 결정화 챔버(21)에는 재생된 세정액(A)의 제1 부분 흐름 및 염 결정이 추출되어 제2 분리기 유닛(26)에 공급된다. 제2 분리기 유닛(26)은, 추출된 제1 부분 흐름 내에 존재하는 대립자 염 결정 및 중간 입자 염 결정을 억류한다. 이렇게 억류된 염 결정은, 결정화기(20) 내 고체 농도가 높게 유지되도록, 제4 라인(38)을 통해 결정화 챔버(21)로 다시 공급된다. 염 결정은 결정화기(20) 내에서 계속 성장한다. 실질적으로 아직 소립자 염 결정을 함유하는 제1 부분 흐름은 대향류 분류기(22)로 유도되어 거기서 대향류로서 작용한다. 상기 대향류는 염 결정의 침전 방향에 대항하여 대향류 분류기(22)를 관류한다. 이때, 대향류의 속도는, 대립자 염 결정의 침전 속도보다는 느리고, 중간 입자 및 소립자 염 결정의 침전 속도보다는 빠르도록 설정된다. 대향류 속도보다 침전 속도가 느린 중간 입자 및 소립자 염 결정은 대향류에 의해 결정화 챔버(21) 를 향해 상부로 운반된다. 대향류의 속도보다 침전 속도가 빠른 대립자 염 결정은 하부로 가라앉아 대향류 분류기(22)의 바닥에 축적된다. 이로써, 재생된 세정액(A)으로부터 간단하게 제거될 수 있는 대립자 염 결정의 의도된 추출이 가능하다.
결정화기(20)의 결정화 챔버(21)로부터 제2 분기 라인(34)을 통해 세정액의 제2 부분 흐름 및 염 결정이 추출되어 분쇄 장치(30)로 공급된다. 분쇄 장치(30)는 제2 부분 흐름 내에 함유된 염 결정을 분쇄한다. 이어서, 제2 부분 흐름은 분쇄된 염 결정과 함께 다시 결정화 챔버(21)로 재공급된다. 이러한 방식으로, 결정화기에는 결정화기(20) 내에서 성장할 수 있는 소립자 염 결정이 더 많이 제공되기 때문에, 결정화기의 결정화 성능이 증대된다.
제3 라인(31)을 통해, 대향류 분류기(22)의 바닥으로부터 특히 대립자 염 결정을 함유하는 재생된 세정액(A)이 추출되어 제1 분리기 유닛(25)에 공급된다. 상기 제1 분리기 유닛은 재생된 세정액(A)으로부터 염 결정을 분리한다. 제1 분리기 유닛(25)을 통해 분리된 염 결정은 제5 라인(40)을 통해 저장소로 공급된다. 염이 전반적으로 제거되고 재생된 세정액(A)은 제1 라인(6)을 통해 흡착 유닛(4)으로 공급되고, 이때 제2 열 교환기(42)를 통해 흡착 온도(TA)로 가열된다.

Claims (20)

  1. 이산화탄소 분리 장치(2)이며,
    상기 분리 장치는 흡착 유닛(4)과, 흡착 유닛(4)에 할당된 탈착 유닛(5)과, 세정액으로부터 염을 분리하기 위한 분리 유닛(10)을 포함하며, 이때 흡착 유닛(4)과 탈착 유닛(5)은 재생된 세정액(A)을 위한 제1 라인(6) 및 적재된 세정액(A')을 위한 제2 라인(7)을 통해 서로 연결되며, 분리 유닛(10)은 염 결정을 형성하기 위한 결정화기(20) 및 염 결정의 분리를 위한, 결정화기 하류 측의 제1 분리기 유닛(25)을 포함하며, 결정화기(20)는 염 결정을 형성하기 위한 결정화 챔버(21) 및 염 결정을 그 입자 크기에 따라 분리하기 위한 대향류 분류기로서 형성되는 분류 장치(22)를 포함하고, 결정화 챔버(21)에는 제1 분기 라인(32)이 연결되며, 상기 제1 분기 라인은 제2 분리기 유닛(26)을 통해 대향류 분류기(22) 내로 합류하며, 결정화 챔버(21)로부터 세정액의 부분 흐름이 추출되고, 상기 부분 흐름은 대향류로서 작용하고, 제2 분리기 유닛(26)은 대립자 및 중간 입자의 염 결정을 억류하도록 설계되며, 제2 분리기 유닛(26)은 억류된 염 결정을 공급하기 위해 결정화 챔버(21)와, 라인(38)을 통해 연결되는, 이산화탄소 분리 장치(2).
  2. 제1항에 있어서, 분리 유닛(10)은 제1 라인(6)으로 접속되는, 이산화탄소 분리 장치(2).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제2 분리기 유닛(26)은 필터로서 형성되는, 이산화탄소 분리 장치(2).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 분리기 유닛(25)은 원심 분리기를 포함하는, 이산화탄소 분리 장치(2).
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 결정화기(20)에는 제2 분기 라인(34)이 연결되며, 상기 제2 분기 라인은 분쇄 장치(30)를 통해 다시 결정화기(20)로 안내되는, 이산화탄소 분리 장치(2).
  6. 이산화탄소의 분리 방법이며,
    적재된 세정액(A')이 흡착 유닛(2)으로부터 탈착 유닛(5)으로 공급되며, 재생된 세정액(A)이 탈착 유닛(5)으로부터 흡착 유닛(4)으로 공급되며, 세정액(A)이 분리 유닛(10)으로 공급되며, 상기 분리 유닛 내에서 결정화기(20)에 의해 세정액(A) 내에 염 결정이 형성되며, 염 결정은 하류 측의 분리기 유닛(25)에 의해 분리되고, 염 결정은 결정화기(20)의 결정화 챔버(21) 내에서 형성되고, 결정화기(20)의 분류 장치(22) 내에서 대향류를 이용하여 그 입자 크기에 따라 분리되며, 결정화 챔버(21)로부터 세정액의 제1 부분 흐름이 추출되고, 이때 제1 부분 흐름은 대향류로서 분류 장치(22)에 공급되며, 추출된 제1 부분 흐름 내에 존재하는 대립자 및 중간 입자 염 결정은 억류되고, 억류된 염 결정은 별도의 라인(38)을 통해 결정화 챔버(21) 내로 공급되는, 이산화탄소 분리 방법.
  7. 제6항에 있어서, 제1 부분 흐름으로부터 염 결정을 분리하기 위해 필터링 되는, 이산화탄소 분리 방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 염 입자의 분리를 위해 분리기 유닛(25)을 이용하여 원심 분리되는, 이산화탄소 분리 방법.
  9. 제6항 또는 제7항에 있어서, 결정화기(20)로부터 세정액의 제2 부분 흐름이 추출되고, 상기 제2 부분 흐름 내에 함유된 염 결정이 분쇄되며, 제2 부분 흐름은 다시 결정화기(20)로 안내되는, 이산화탄소 분리 방법.
  10. 이산화탄소 분리 장치(1) 내의 세정액으로부터 염을 분리하기 위한 분리 유닛(10)의 사용 방법이며,
    상기 분리 유닛은 흡착 유닛(4)과, 흡착 유닛(4)에 할당된 탈착 유닛(5)을 포함하며, 이때 흡착 유닛(4)과 탈착 유닛(5)은 재생된 세정액(A)을 위한 제1 라인(6) 및 적재된 세정액(A')을 위한 제2 라인(7)을 통해 서로 연결되며, 분리 유닛(10)은 염 결정을 형성하기 위한 결정화기(20) 및 염 결정의 분리를 위한, 결정화기 하류 측의 제1 분리기 유닛(25)을 포함하며, 결정화기(20)는 염 결정을 형성하기 위한 결정화 챔버(21) 및 염 결정을 그 입자 크기에 따라 분리하기 위한 대향류 분류기로서 형성되는 분류 장치(22)를 포함하고, 결정화 챔버(21)에는 제1 분기 라인(32)이 연결되며, 상기 제1 분기 라인은 제2 분리기 유닛(26)을 통해 대향류 분류기(22) 내로 합류하며, 결정화 챔버(21)로부터 세정액의 부분 흐름이 추출되고, 상기 부분 흐름은 대향류로서 작용하고, 제2 분리기 유닛(26)은 분리된 염 결정을 공급하기 위해 결정화 챔버(21)와, 제1 라인(38)을 통해 연결되는, 분리 유닛(10)의 사용 방법.
  11. 제10항에 있어서, 제2 분리기 유닛(26)은 필터로서 형성되는, 분리 유닛(10)의 사용 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 제1 분리기 유닛(25)은 원심 분리기를 포함하는, 분리 유닛(10)의 사용 방법.
  13. 제10항 또는 제11항에 있어서, 결정화기(20)에는 제2 분기 라인(34)이 연결되며, 상기 제2 분기 라인은 분쇄 장치(30)를 통해 다시 결정화기(20)로 안내되는, 분리 유닛(10)의 사용 방법.
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