KR101724157B1 - 혼합가스 중 산성가스를 분리하는 분리장치 및 분리방법 - Google Patents

혼합가스 중 산성가스를 분리하는 분리장치 및 분리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 리보일러에서 발생된 고온의 응축수를 흡수제의 희석액으로 이용하는 산성가스를 분리하는 장치 및 방법으로서, 공정 효율을 저하시키지 않으면서도, 에너지 절감 효과가 우수하다.

Description

혼합가스 중 산성가스를 분리하는 분리장치 및 분리방법{Separation Devices and Methods for Separating Acidic Gas from Mixed Gas}
본 발명은 혼합가스로부터 산성가스를 분리하기 위한 장치 및 분리방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 흡수제 재생을 위한 에너지를 절감하고 우수한 공정 효율을 갖는 산성가스 분리장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 지구온난화의 원인 물질인 온실가스를 포집하고 저장하는 노력이 국제적으로 경주되고 있다. 특히, 지구온난화의 주범으로 지적되고 있는 이산화탄소를 줄이기 위하여 다양한 방법들이 시도되고 있다.
화력발전소 등의 연소설비에서 배출되는 배기가스에는 이산화탄소와 같은 많은 산성가스들이 함유되어 있다. 이러한 산성가스를 제거하기 위해서 흡수제를 이용한 흡수방법이 시도되고 있으며, 이러한 방법은 높은 효율과 안정적인 기술로 각광받고 있다.
예를 들어, 이산화탄소를 포집하기 위한 아민계 포집공정은 화학적 흡수기술의 일종으로 석유화학 공정의 하나인 개질공정에서 적용된 바 있는 기술적 신뢰성이 확보된 기술이다. 그러나, 이러한 아민계 포집공정도 석유화학 공정가스가 아닌 연소 배기가스에 적용하기 위해서는 공정의 개선이 필요한 분리기술이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 발명자들은, 리보일러에서 발생된 고온의 응축수를 흡수제의 희석액으로 이용함으로써, 공정 효율을 저하시키지 않으면서도, 에너지 절감 효과가 우수하다는 것을 확인하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 공정 효율과 에너지 절감 효과가 우수한 산성가스 분리장치 및 분리방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 산성가스 분리장치는,
산성가스를 흡착하는 흡수제가 충진된 흡수탑;
흡수탑으로부터 산성가스가 흡착된 흡수제가 공급되면 열에너지를 가하여 흡착된 산성가스를 탈기하는 탈기탑;
탈기탑과 유체연결되어 추가의 흡수제 희석액을 공급하는 흡수제 투입유로;
탈기탑에 열에너지를 공급하는 리보일러; 및
리보일러에서 열에너지를 공급하면서 부생된 응축수를 흡수제 희석액으로 공급하도록 흡수제 투입유로와 유체연결된 공급라인을 포함한다.
예를 들어, 탈기탑에 연결된 리보일러에서는, 발전소 또는 보일러 등에서 배출되는 고온의 수증기와 열교환 과정을 거쳐 열에너지를 공급할 수 있다. 고온의 수증기가 열교환 과정을 거치는 동안 냉각되어 응축되게 된다. 응축된 응축수는 상대적으로 고온 상태이며, 예를 들어 70℃ ~ 100℃일 수 있으며, 압력에 따라서는 100℃ 이상일 수 있다. 고온의 응축수를 흡수제 희석액으로 탈기탑에 공급하게 되면, 재생과정에서 필요한 에너지 공급을 절감하고 공정 효율을 높일 수 있다.
리보일러는 탈기탑에 열에너지를 공급하는 역할을 한다. 열에너지를 공급하는 방법은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 발전소 또는 보일러 등에서 공급되는 고온의 스팀과 열교환을 통해 열에너지를 공급할 수 있다. 일실시예에서, 상기 리보일러는 열에너지 공급을 위한 열교환기를 포함할 수 있다.
산성가스 분리장치는, 추가로 공급되는 흡수제와 응축수를 혼합하여 탈기탑에 공급하는 혼합드럼을 더 포함할 수 있다. 고온의 응축수로 희석된 흡수제를 공급함으로써, 탈기효율을 높일 수 있다. 또한, 상기 산성가스 분리장치는 추가로 공급되는 흡수제와 응축수를 혼합하여 탈기탑에 공급하는 혼합드럼을 더 포함할 수 있다. 혼합드럽으로부터 공급되는 흡수제 희석액은, 탈기탑 내에 흡수제는 보충하는 역할과 함께, 산성가스가 흡수된 흡수제의 온도를 상승시켜 탈기를 촉진하여 에너지를 절감하는 효과가 있다.
산성가스 분리장치는, 리보일러와 혼합드럼 사이에, 응축수에 함유된 기체상 성분을 제거하는 기체-액체 분리기를 더 포함할 수 있다. 고온의 수증기가 열교환을 거쳐 응축되는 과정에서, 액체 상태의 응축수 외에도 상당 부분의 수증기가 함께 유입될 수 있다. 응축수와 함께 유입되는 수증기는 배관 내의 펌핑을 저해하여 응축수의 원활한 흐름을 저해할 수 있다. 따라서, 기체-액체 분리기를 통해 기체 상태의 수증기를 제거할 수 있다.
산성가스 분리장치는, 리보일러에서 응축된 응축수의 일부를 흡수탑으로부터 산성가스를 흡수한 흡수제를 탈기탑으로 이송하는 스트림과 열교환시키는 열교환기를 더 포함할 수 있다. 열교환기로 공급되는 응축수의 양은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 응축수의 1~90%(v/v) 또는 10~70%(v/v) 범위에서 열교환기로 공급할 수 있다. 이를 통해, 응축수의 일부는 흡수제의 온도를 상승시키기 위해 희석액으로 직접 공급되고, 나머지 응축수는 탈기탑으로 유입되는 흡수제와 열교환 과정을 거치게 된다.
또한, 상기 탈기탑에서는 산성가스와 흡수제를 분리하게 되지만, 산성가스에는 다량의 수증기가 함께 포함된 상태로 유출될 수 있다. 이러한 수증기를 응축시켜 고온의 응축수를 얻을 수 있다. 예를 들어, 탈기탑에서 산성가스에 혼합되어 배출되는 수증기를 응축시켜 고온의 응축수를 얻을 수 있으며, 이를 흡수제 희석액으로 공급할 수 있다. 보다 구체적으로는, 상기 산성가스 분리장치는, 탈기탑에서 배출되는 산성가스와 혼합된 수증기를 응축시키는 응축기; 및 응축기를 거쳐 응축된 응축수와 산성가스 성분을 분리하는 리플럭스 드럼을 더 포함할 수 있다. 일실시예에서, 상기 리플럭스 드럼은, 탈기탑과 유체연결되어 추가의 흡수제 희석액을 공급하는 흡수제 투입유로와 유체연결되는 구조일 수 있다. 또 다른 일실시예에서, 상기 산성가스 분리장치는, 리플럭스 드럼에서 분리된 응축수의 일부를 흡수탑으로부터 산성가스를 흡수한 흡수제를 탈거탑으로 이송하는 스트림과 열교환시키는 열교환기를 더 포함할 수 있다.
상기 산성가스 분리장치는, 응축수 이송을 위한 펌프; 또는 유량조절을 위한 유량계 등을 하나 또는 다수 포함할 수 있다. 상기 펌프를 통해 응축수의 흐름을 촉진하고, 유량계로 측정된 결과를 바탕으로 응축수의 흐름을 제어하게 된다.
본 발명에 따른 산성가스 분리장치를 통해 분리할 수 있는 산성가스의 종류는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 이산화탄소, 황화수소, 이산화황, 이산화질소, 메탄 및 황화카르보닐로 구성된 그룹으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합가스일 수 있다.
상기 분리장치에 적용 가능한 흡수제의 종류는 산성가스의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 특별히 그 범위가 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 흡수제로는 아민, 아미노산염, 무기염 및 암모니아로 구성된 그룹으로부터 선택된 어느 하나 이상 또는 그 수용액이 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 배기가스에 함유된 산성가스를 분리하는 흡수제를 재생하는 장치를 제공한다.
일실시예에서, 흡수제 재생장치는,
흡수된 산성가스를 탈기하는 흡수제 재생부;
흡수제 재생부에 열에너지를 공급하는 열교환부;
열교환부에서 열에너지를 공급하면서 부생된 응축수를 흡수제와 혼합하는 혼합부; 및
혼합부에서 혼합된 흡수제 용액을 흡수제 재생부로 공급하는 공급부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 고온의 응축수와 혼합된 흡수제 용액은 상대적으로 고온 상태이며, 이를 흡수제로부터 산성가스를 탈기하는 흡수제 재생부에 공급할 수 있다. 상기 흡수제 재생장치는, 응축수 이송을 위한 펌프; 유량 조절을 위한 유량계; 또는 흡수제 용액을 공급하기 위한 노즐 등을 하나 또는 다수 더 포함할 수 있다.
상기 흡수제 재생장치에 적용 가능한 흡수제의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 아민, 아미노산염, 무기염 및 암모니아로 구성된 그룹으로부터 선택된 어느 하나 이상 또는 그 수용액일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배기가스에 함유된 산성가스를 분리하는 방법을 제공한다.
일실시예에서, 산성가스 분리방법은,
산성가스가 포함된 배기가스를 흡수제와 반응시켜 산성가스를 흡수하는 흡수공정; 및
산성가스가 흡수된 흡수제에 열에너지를 공급하여 흡수된 산성가스를 분리하는 탈기공정을 포함하며,
상기 탈기공정에서 탈기를 위한 열에너지를 공급하고 부생된 응축수를 흡수제 희석액으로 공급하는 것을 특징으로 한다. 일실시예에서, 상기 산성가스 분리방법은 응축수를 탈기공정으로 유입되는 흡수제의 희석액으로 공급할 수 있다.
상기 분리방법은 연소 또는 화학공정에서 배출되는 배기가스 내에 함유된 산성가스를 효과적으로 분리하기 위한 것이다. 일반적으로, 산성가스 흡수제는 저온에서 산성가스를 흡수하고, 고온에서 흡수된 산성가스를 탈기하게 된다. 본 발명에 따른 탈기공정에서 탈기를 위한 열에너지를 공급하고 부생된 응축수는 고온 상태이다. 따라서, 이러한 고온의 응축수를 탈기공정으로 유입되는 흡수제의 희석액으로 공급함으로써, 흡수된 산성가스를 탈기하기 위해서 요구되는 에너지 소비를 줄이고 공정을 단순화할 수 있다는 장점이 있다.
상기 산성가스 분리방법은, 응축수에 함유된 가스상 성분을 제거하는 기체-액체 분리과정을 더 거칠 수 있다. 고온의 수증기가 열교환을 거쳐 응축되는 과정에서, 액체 상태의 응축수 외에도 상당 부분의 수증기가 함께 유입될 수 있다. 응축수와 함께 유입되는 수증기는 배관 내의 펌핑을 저해하여 응축수의 원활한 흐름을 저해할 수 있기 때문에, 기체-액체 분리 과정을 통해 기체 상태의 수증기를 제거하게 된다.
상기 산성가스 분리방법은, 응축수의 일부를 이용하여 탈기공정으로 유입되는 흡수제를 예열할 수 있다. 흡수제를 예열하기 위해 공급되는 응축수의 양은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 응축수의 1~90%(v/v) 또는 10~70%(v/v)를 흡수제 예열을 위해 공급할 수 있다. 이를 통해, 발생된 응축수의 일부는 흡수제의 온도를 상승시키기 위한 희석액으로 직접 공급하고, 나머지 응축수는 탈기공정으로 유입되는 흡수제와 열교환 과정을 거치게 된다.
또한, 상기 탈기공정에서는 산성가스와 흡수제를 분리하게 되지만, 산성가스에는 다량의 수증기가 함께 포함될 수 있다. 이러한 수증기를 응축시켜 고온의 응축수를 얻을 수 있다. 예를 들어, 탈기공정에서 산성가스와 함께 배출되는 수증기를 응축시켜 얻은 응축수를 흡수제 희석액으로 공급할 수 있다. 일실시예에서, 탈기공정에서 산성가스와 함께 배출되는 수증기를 응축시켜 얻은 응축수의 일부를 이용하여, 탈기공정으로 유입되는 흡수제를 예열하는 과정을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 산성가스 분리방법을 통해 분리할 수 있는 산성가스의 종류는 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 이산화탄소, 황화수소, 이산화황, 이산화질소, 메탄 및 황화카르보닐로 구성된 그룹으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합가스일 수 있다.
본 발명에 따른 분리방법에 적용 가능한 흡수제의 종류는 산성가스의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 특별히 그 범위가 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 흡수제로는 아민, 아미노산염, 무기염 및 암모니아로 구성된 그룹으로부터 선택된 어느 하나 이상 또는 그 수용액이 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 산성가스가 흡착된 흡수제에 열에너지를 공급하여 흡수제를 재생하는 방법을 제공하며, 일실시예에서, 열에너지를 공급하는 과정에서 부생된 응축수를 흡수제 희석액으로 공급하는 산성가스 흡수제 재생방법일 수 있다. 예를 들어, 발전소 또는 보일러 등에서 배출되는 고온의 수증기를 이용하여 열에너지를 공급할 수 있으며, 열교환 과정을 거쳐 고온의 수증기가 냉각되어 응축되게 된다. 응축된 응축수는 상대적으로 고온 상태이므로, 이를 흡수제 희석액으로 공급할 수 있다. 고온의 응축수가 흡수제 희석액으로 공급되면, 재생과정에서 필요한 에너지 공급을 절감할 수 있다.
일실시예에서, 상기 흡수제 재생방법에서는, 응축수의 일부를 이용하여 산성가스가 흡착된 흡수제를 예열할 수 있다. 흡수제를 예열하기 위해 공급되는 응축수의 양은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 1~90%(v/v) 또는 10~70%(v/v)의 응축수를 흡수제 예열을 위해 공급할 수 있다. 이를 통해, 응축수의 일부는 흡수제의 온도를 상승시키기 위해 희석액으로 직접 공급되고, 나머지 응축수는 재생을 위해 유입되는 흡수제와 열교환 과정을 거치게 된다.
본 발명에 따른 흡수제의 종류는 흡착된 산성가스의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 그 범위가 특별히 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 흡수제는 아민, 아미노산염, 무기염 및 암모니아로 구성된 그룹으로부터 선택된 어느 하나 이상 또는 그 수용액일 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 산성가스 분리장치 및 분리방법은, 흡수제의 희석이 용이하고, 산성가스를 탈기하기 위해 필요한 에너지를 절감하는 효과가 있다.
도 1은 혼합가스 중에 포함된 산성가스를 포집하는 과정을 나타낸 공정도이다;
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 산성가스 포집과정을 나타낸 공정도이다.
이하, 본 발명에 따른 도면들을 참조하여 본 발명을 더욱 상술하지만, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 흡수제를 이용한 산성가스 포집과정을 나타낸 공정도이다.
도 1을 참조하면, 배기가스(101)는 통상적으로 40~60℃의 온도에서 흡수제(102)와 반응하여 흡착되며, 산성가스가 제거된 배기가스는 흡수탑(201)에서 배출된다. 산성가스를 흡수한 흡수제(103)는 열교환기(207)에서 가열된 후 탈기탑(202)의 상부로 주입된다. 탈기를 위한 에너지를 공급하기 위해서 고온의 포화수증기(104)가 리보일러(203)로 공급되며, 열교환 과정을 거친 포화수증기(104)는 열에너지를 잃고 응축되어 응축수(105) 상태로 보일러로 회송되거나 버려지게 된다. 공급된 에너지는 화학적으로 결합되어 있는 산성가스를 흡수제로부터 탈기시킨다. 탈기된 산성가스와 수증기의 혼합가스(106)는 응축기(204)에 의해 응축되어 물과 산성가스(107)로 분리된다. 분리된 물은 탈기탑(202)로 다시 공급되고 산성가스는 처리공정으로 보내진다. 이산화탄소가 탈기된 흡수제(102)는 열교환기(207)를 거쳐 흡수탑(201)으로 이송된다. 또한, 소모되는 흡수제의 보충을 위하여 흡수제 원액(109)과 탈염수(110)가 혼합된 후 리플럭스 드럼(205)으로 일정량 주입된다.
이러한 산성가스 포집에서는 차가운 탈염수(110)를 원액 흡수제(109)와 혼합하여 주입하므로 희석이 잘 이루어지지 않고, 심한 경우에는 결정을 발생시켜 흡수제의 농도를 유지할 수 없게 된다. 또한 탈기탑(202)의 온도를 떨어뜨려 재생 에너지 효율이 낮아진다는 문제점이 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 산성가스 포집과정을 나타낸 공정도이다.
도 2를 참조하면, 산성가스 포집공정은 흡수탑(201), 탈기탑(202), 리보일러(203), 리플럭스 드럼(205), 플래쉬 드럼(206), 제1 및 제2 열교환기(207, 208), 그리고 제1 내지 제7 펌프(209, 210, 211, 212, 213, 214, 215)를 포함한다.
상기 흡수탑(201)은 배기가스(101)와 흡수제(102)가 공급된다. 배기가스(101)는 이산화탄소(CO2), 황화수소(H2S), 이산화황(SO2), 이산화질소(NO2), 메탄(CH4) 및 황화카르보닐(COS) 중 하나 이상의 산성가스를 포함하는 화학공정가스 또는 연소 배기가스일 수 있다. 배기가스(101)는 흡수탑(201)에서 발생되는 압력강하를 극복하기 위하여 제1 펌프(209)에 의해 흡수탑(201)에 공급되는 것이 바람직하다. 흡수제(102)는 아민계, 아미노산염, 무기염류 용액, 암모니아수 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있으며, 특별히 제한되지는 않는다. 이때 흡수제는 1~50 부피 분율 범위의 수용액으로 이용되는 것이 좋다.
흡수탑(201)에서는 흡수제(102)와 배기가스(101)가 향류(向流) 접촉된다. 흡수제(102)는 배기가스(101) 중에 포함된 산성가스를 흡수하여 산성가스 포화 흡수제(103)를 생성한다. 산성가스 포화 흡수제(103)는 제2 펌프(210)와 제1 및 제2의 열교환기(207, 208)에 의해 예열된 상태로 탈기탑(202) 상부로 주입된다. 배기가스(101) 중 흡수제(102)와 반응하지 않은 질소(N2), 산소(O2) 등의 미반응 가스는 흡수탑(201) 상부를 통해 배출된다. 흡수탑(201)의 운전온도는 흡수제의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들면, 흡수탑의 운전 온도는 40℃ 내지 60℃의 범위로 유지될 수 있다.
탈기탑(202) 상부로 주입된 산성가스 포화 흡수제(103)는 탈기탑(202)의 하부로 이동하면서 리보일러(203)에서 공급되는 열 에너지에 의하여 산성가스가 탈기되고 흡수제는 재생된다. 산성가스와 배출 수증기가 혼합된 혼합가스(106)는 응축기(204)와 리플럭스 드럼(205)을 거치면서 응축수와 산성가스(107)로 분리된다. 산성가스(107)는 회수공정 또는 처리공정으로 이송되어 저장 또는 용도에 따라 사용되고, 응축수(108)는 탈기탑으로 공급된다. 재생된 흡수제는 제3 펌프(211)에 의해 제1 열교환기(207)를 거쳐 흡수탑(201) 상부로 공급된다.
또한, 열화와 증발에 의하여 소모되는 흡수제를 보충하기 위하여, 리보일러(203)의 열원으로 공급되는 포화수증기(104)의 고온의 부생 응축수(105)를 이용할 수 있다.
상기 산성가스 분리장치는 탈기탑(202)의 리보일러(203)에서 탈기를 위한 열에너지를 공급하고 부생된 고온의 응축수(105)를 기액분리하는 플래쉬 드럼(206), 응축수를 이송하기 위한 제5 내지 제7 펌프(213, 214, 215), 분리된 응축수과 증기의 량을 계량하는 제1 내지 제2 유량계(216, 217), 그리고 원액의 흡수제와 응축수를 혼합하는 혼합드럼(218)을 포함한다. 상기 응축수(105) 중에서 플래쉬 드럼(206)에서 기액 분리된 액체(111)의 일부는 희석용 부생 응축수(112)로 공급된다. 그리고, 응축수(105)의 일부(113)는 탈기탑으로 유입되는 포화 흡수제를 예열을 위하여 제2 열교환기(208)에서 사용된 후 보일러로 보내진다.
101: 배기가스 201: 흡수탑
102: 재생된 흡수제 202: 탈기탑
103: 산성가스가 포화된 흡수제 203: 리보일러
104: 포화수증기 204: 응축기
105: 부생응축수 205: 리플럭스 드럼
106: 산성가스와 수증기의 혼합가스 206: 플래쉬 드럼
107: 산성가스 207: 제1 열교환기
108: 응축수 208: 제2 열교환기
109: 보충흡수제 209: 제1 펌프
110: 차가운 탈염수 210: 제2 펌프
111: 부생 응축수 211: 제3 펌프
112: 희석용 부생 응축수 212: 제4 펌프
113: 열교환용 부생 수증기 213: 제5 펌프
214: 제6 펌프 215: 제7 펌프
216: 제1 유량계 217: 제2 유량계
218: 혼합드럼

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  12. 배기가스에 함유된 산성가스를 분리하는 흡수제를 재생하는 장치로서,
    흡수제에 흡수된 산성가스를 탈기하는 흡수제 재생부;
    흡수제 재생부에 열에너지를 공급하는 열교환부;
    열교환부에서 열에너지를 공급하면서 부생된 응축수를 흡수제와 혼합하는 혼합부; 및
    혼합부에서 혼합된 흡수제 용액을 흡수제 재생부로 공급하는 공급부를 포함하는 흡수제 재생장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 흡수제 재생장치는,
    열교환부에서 열에너지를 공급하면서 부생된 응축수 이송을 위한 펌프;
    유량 조절을 위한 유량계; 또는
    흡수제 용액을 공급하기 위한 노즐을 더 포함하는 흡수제 재생장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    흡수제는, 아민, 아미노산염, 무기염 및 암모니아로 구성된 그룹으로부터 선택된 어느 하나 이상 또는 그 수용액인 흡수제 재생장치.
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  24. 산성가스가 흡착된 흡수제에 열에너지를 공급하여 흡수제를 재생하는 방법에 있어서, 열에너지를 공급하는 과정에서 부생된 응축수를 흡수제 희석액으로 공급하는 산성가스 흡수제 재생방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    열에너지를 공급하는 과정에서 부생된 응축수의 일부를 이용하여 산성가스가 흡착된 흡수제를 예열하는 산성가스 흡수제 재생방법.
  26. 제 24 항에 있어서,
    흡수제는, 아민, 아미노산염, 무기염 및 암모니아로 구성된 그룹으로부터 선택된 어느 하나 이상 또는 그 수용액인 산성가스 흡수제 재생방법.
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