KR101746224B1 - 3단 유동층을 포함하는 이산화탄소 흡수 및 재생장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 건식흡수제를 사용하여 이산화탄소를 흡수 및 재생하는 장치에 관한 것으로, 냉각수가 흐르는 다중 격막식 고속 유동층 흡수 반응기를 사용하여 이산화탄소 흡수시 발열반응에 의한 온도 상승을 억제하고 안정적인 저온의 반응온도 구역(50~100℃)을 유지시켜 흡수효율을 높일 수 있고, 흡수 반응기와 재생 반응기 사이에 실포트를 설치하고 건식흡수제가 고온의 재생반응 온도 구역(120~200℃)으로 이송되기 전에 배가스를 실포트로 순환시킴으로써 미흡수된 이산화탄소를 추가로 흡수하고 이때 발생하는 발열에 의해 건식흡수제의 온도를 상승시켜 재생구역에서의 열소비를 저감할 수 있으며, 이후 건식흡수제의 재생반응 및 흡수능 향상을 위한 수증기 전처리 반응을 격막식 유동층 반응기로 통합 구성하여 장치 구성을 단순화할 수 있다.
본 발명에 따른 3단 유동층 이산화탄소 흡수 및 재생장치는 최적의 이산화탄소 흡수 및 재생반응을 구현함과 동시에 에너지 소비저감을 이룰 수 있으며, 공정의 유기적 결합 및 통합을 통해 운전 편리성 및 기술 고도화를 달성할 수 있을 것으로 기대된다. 더불어, 반응 온도의 안정적 유지를 통한 이산화탄소 흡수효율의 증대를 꾀할 수 있으며, 처리 용량 증대에 따른 스케일 업 또한 용이하게 구현할 수 있어 보다 효율적인 종합 공정 구현이 가능하다. 향후, 온실가스 포집 공정에 대한 최적 해결책을 제시함으로써 에너지, 환경 및 경제 그리고 관련 환경 기술로의 파급 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.

Description

3단 유동층을 포함하는 이산화탄소 흡수 및 재생장치{Apparatus for absorbing and regenerating carbon dioxide including three-stage fluidized bed}
본 발명은 이산화탄소 포집기술 중 건식흡수제를 이용한 연소 후 포집 장치에 있어서, 저온영역(50~100℃)에서의 건식흡수제를 통한 이산화탄소 흡수반응과 고온영역(120~200℃)에서의 건식흡수제의 재생반응 공정의 최적 구성을 통해 공정효율을 높이고 안정적 흡수 및 재생반응을 통한 이산화탄소 포집 공정의 최적화를 가능하게 하는 장치에 관한 것이다.
현재까지 건식흡수제를 이용한 유동층 공정에서의 이산화탄소의 흡수 및 재생은 다음과 같은 일반적인 기술 특징을 지닌다.
먼저, 건식흡수제를 통한 이산화탄소의 흡수 및 재생반응의 반응식 및 적정 반응 온도 구역은 다음과 같다.
[반응식 1]
흡수반응: M2CO3(s) + CO2 + H2O → 2MHCO3 (발열반응, 50~100℃)
[반응식 2]
재생반응: 2MHCO3(s) → M2CO3(s) + CO2 + H2O (흡열반응, 120~200℃)
상기에서 보는 바와 같이, 이산화탄소의 흡수반응은 수증기를 필요로 하는 반응으로, 최적 반응 온도에서 흡수에 따른 온도상승 시 건식흡수제의 흡수 효율이 떨어지기 때문에 흡수반응 온도 유지가 중요한 운전 인자이다. 재생반응에서는 이산화탄소의 탈착을 위한 온도 증가 및 이후 수증기 전처리를 통한 건식 흡수제의 흡수능 향상이 주요 운전 인자로 보고된다.
또한, 각각의 유동 기체로서는, 흡수반응 영역에서는 배가스가 주 유동 기체이고, 재생반응 영역에서는 배가스 내 이산화탄소와의 분리가 용이한 수증기가 주 유동 기체로 사용되는 것으로 보고되고 있다.
그러나, 현재까지 개발된 건식 흡수제를 이용한 이산화탄소의 흡수 및 재생과 관련한 유동층 공정은 일반적인 고속 유동층(fast fluidized bed)과 기포 유동층으로 구성된 이단 공정을 기반으로 하거나, 또는 재생 반응기 이후 단에 수증기 전처리 반응기를 별도로 두어 개별 운전을 하는 형태로 구성되어 있다. 이는 대한민국 특허 등록 제527420호(2005.11.09 공고)과 대한민국 특허 등록 제898816호(2009.05.22 공고)에 잘 나와 있다. 대한민국 특허 등록 제610337호(2006.08.10 공고)에는 두 반응 구역간(재생 및 흡수) 입자의 이송을 위한 고체이송순환장치(loop seal)가 개시되어 있다.
상기 특허들은 재생과 흡수에 대한 두 영역을 유동층으로 구성하여 운전함을 특징으로 하고 있거나, 혹은 별도의 수증기 전처리 공정을 두어 입자의 재생 후 수증기 처리를 통해 주입함을 특징으로 하고 있으나, 각 반응 구역에서의 온도 유지 혹은 열 손실에 대한 최적화된 시스템을 보여주지 못해 이산화탄소의 흡수율이 낮아지거나 재생 구역에서의 에너지 소모가 크다는 단점을 갖고 있다. 더불어, 용량 증대(scale-up)에 따라 이산화탄소의 흡수 구역인 고속 유동층은 직경이 더욱 커지게 되고, 이에 따라 발열반응에 따른 온도 불균일이 심화되어 건식흡수제의 흡수능을 떨어뜨리는 단점을 지니게 된다.
본 발명의 목적은 이산화탄소 포집기술 중 건식흡수제를 이용한 연소 후 포집 장치에 있어서, 저온영역(50~100℃)에서의 건식흡수제를 통한 이산화탄소 흡수반응과 고온영역(120~200℃)에서의 건식흡수제의 재생반응 공정의 최적 구성을 통해 공정효율을 높이고, 안정적인 흡수 및 재생반응을 통한 이산화탄소 포집 공정의 최적화를 가능하게 하는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 다중 격막식 흡수 반응기, 실포트(seal pot) 및/또는 통합 반응기를 포함하는 이산화탄소 흡수 및 재생장치를 제공한다.
본 발명의 제1실시형태에 따른 이산화탄소 흡수 및 재생장치는 외벽으로부터 안쪽으로 연장되는 격막을 구비하고, 건식 흡수제에 의한 이산화탄소의 흡수반응이 일어나는 흡수 반응기; 및 흡수 반응기에서 이송되는 건식 흡수제의 재생반응이 일어나는 재생 반응기를 포함한다. 즉, 이 실시형태는 본 발명의 3가지 특징적인 구성 중 격막식 흡수 반응기만을 포함하는 구성이다.
본 발명의 제2실시형태에 따른 이산화탄소 흡수 및 재생장치는 건식 흡수제에 의한 이산화탄소의 흡수반응이 일어나는 흡수 반응기; 흡수 반응기에서 배출되는 배가스가 재순환되어 이산화탄소의 추가 흡수 및 건식 흡수제의 온도 상승이 일어나는 실포트; 및 실포트에서 이송되는 건식 흡수제의 재생반응이 일어나는 재생 반응기를 포함한다. 즉, 이 실시형태는 본 발명의 3가지 특징적인 구성 중 실포트만을 포함하는 구성이다.
본 발명의 제3실시형태에 따른 이산화탄소 흡수 및 재생장치는 건식 흡수제에 의한 이산화탄소의 흡수반응이 일어나는 흡수 반응기; 및 흡수 반응기에서 이송되는 건식 흡수제의 재생반응이 일어나는 재생 반응기 및 수증기 전처리 반응기가 일체로 결합되는 통합 반응기를 포함한다. 즉, 이 실시형태는 본 발명의 3가지 특징적인 구성 중 통합 반응기만을 포함하는 구성이다.
본 발명의 제4실시형태에 따른 이산화탄소 흡수 및 재생장치는 외벽으로부터 안쪽으로 연장되는 격막을 구비하고, 건식 흡수제에 의한 이산화탄소의 흡수반응이 일어나는 흡수 반응기; 흡수 반응기에서 배출되는 배가스가 재순환되어 이산화탄소의 추가 흡수 및 건식 흡수제의 온도 상승이 일어나는 실포트; 및 실포트에서 이송되는 건식 흡수제의 재생반응이 일어나는 재생 반응기를 포함한다. 즉, 이 실시형태는 본 발명의 3가지 특징적인 구성 중 격막식 흡수 반응기 및 실포트가 조합된 구성이다.
본 발명의 제5실시형태에 따른 이산화탄소 흡수 및 재생장치는 외벽으로부터 안쪽으로 연장되는 격막을 구비하고, 건식 흡수제에 의한 이산화탄소의 흡수반응이 일어나는 흡수 반응기; 및 흡수 반응기에서 이송되는 건식 흡수제의 재생반응이 일어나는 재생 반응기 및 수증기 전처리 반응기가 일체로 결합되는 통합 반응기를 포함한다. 즉, 이 실시형태는 본 발명의 3가지 특징적인 구성 중 격막식 흡수 반응기 및 통합 반응기가 조합된 구성이다.
본 발명의 제6실시형태에 따른 이산화탄소 흡수 및 재생장치는 건식 흡수제에 의한 이산화탄소의 흡수반응이 일어나는 흡수 반응기; 흡수 반응기에서 배출되는 배가스가 재순환되어 이산화탄소의 추가 흡수 및 건식 흡수제의 온도 상승이 일어나는 실포트; 및 실포트에서 이송되는 건식 흡수제의 재생반응이 일어나는 재생 반응기 및 수증기 전처리 반응기가 일체로 결합되는 통합 반응기를 포함한다. 즉, 이 실시형태는 본 발명의 3가지 특징적인 구성 중 실포트 및 통합 반응기가 조합된 구성이다.
본 발명의 제7실시형태에 따른 이산화탄소 흡수 및 재생장치는 외벽으로부터 안쪽으로 연장되는 격막을 구비하고, 건식 흡수제에 의한 이산화탄소의 흡수반응이 일어나는 흡수 반응기; 흡수 반응기에서 배출되는 배가스가 재순환되어 이산화탄소의 추가 흡수 및 건식 흡수제의 온도 상승이 일어나는 실포트; 및 실포트에서 이송되는 건식 흡수제의 재생반응이 일어나는 재생 반응기 및 수증기 전처리 반응기가 일체로 결합되는 통합 반응기를 포함한다. 즉, 이 실시형태는 본 발명의 3가지 특징적인 구성 중 격막식 흡수 반응기, 실포트 및 통합 반응기가 모두 조합된 구성이다.
바람직하게는, 본 발명의 이산화탄소 흡수 및 재생장치는 흡수 반응기, 실포트 및 재생 반응기가 유동층 반응기로 구성되어 3단 유동층 구성을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 흡수 반응기의 온도 조절 및 열 제거를 통한 안정적인 온도 유지를 위해 냉각수가 흐를 수 있도록, 격막 및 외벽의 내부에는 냉각수 통로가 형성되는 것이 바람직하고, 흡수 반응기에는 냉각수를 냉각하는 냉각기 및 냉각수를 순환하는 펌프가 각각 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 기체 및 고체의 횡방향 혼합이 가능하도록, 격막은 흡수 반응기의 수직 방향으로는 상부와 하부를 제외한 영역에서 높이가 흡수 반응기 대비 50 내지 80%가 되도록 설치되고, 흡수 반응기의 수평 방향으로는 중앙부를 제외한 테두리 영역에 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 유동에 의한 마모 방지를 위해, 격막의 밑면에는 충돌 보호판이 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 장치는 흡수 반응기 및 실포트 사이에 설치되고, 건식 흡수제와 배가스를 분리하는 사이클론을 추가로 포함하고, 이산화탄소의 추가 흡수 및 건식흡수제의 온도 상승을 위해, 사이클론과 실포트를 연결하는 배가스 재순환 라인이 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 사이클론은 실포트 내에 삽입되는 건식 흡수제 배출구를 갖고, 이 배출구의 단부는 유동기체의 역류를 막기 위해 재순환 배가스의 흐름과 수직을 이루는 것이 바람직하다.
본 발명에서 실포트와 재생 반응기를 연결하는 라인에 로터리 밸브가 설치되며, 실포트에는 차압계가 설치되고, 차압계는 로터리 밸브의 구동 속도를 조절하는 제어기와 연결되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 통합 반응기의 재생 반응기 및 수증기 전처리 반응기는 격막에 의해 분리되고, 통합 반응기의 배가스 라인에는 배가스를 탈진하는 집진기 및 수증기를 응축하여 분리하는 냉각기가 각각 설치되며, 냉각기는 응측된 물을 가열하는 가열기와 연결되고, 가열기에서 가열된 수증기를 이송하는 수증기 공급라인이 통합 반응기와 연결되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 수증기 공급라인은 통합 반응기의 재생 반응기와 연결되는 고온 수증기 공급라인 및 통합 반응기의 수증기 전처리 반응기와 연결되는 저온 수증기 공급라인으로 분리되고, 고온 수증기 공급라인 및 저온 수증기 공급라인 각각에는 승온 및 승압이 가능한 송풍기가 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 통합 반응기와 흡수 반응기를 연결하는 라인에 로터리 밸브가 설치되며, 통합반응기에는 차압계가 설치되고, 차압계는 로터리 밸브의 구동 속도를 조절하는 제어기와 연결되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 3단 유동층 이산화탄소 흡수 및 재생장치는 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 이산화탄소의 흡수가 일어나는 고속 유동층 반응기에 냉각수가 흐르는 격막을 설치함으로써, 건식흡수제를 이용한 이산화탄소의 흡수 공정에서 발생하는 열의 제거가 용이하고, 이에 따라 최적 반응 조건을 상시 유지할 수 있어서 이산화탄소 흡수 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
둘째, 고속 유동층 반응기의 용량 증대(scale-up) 시, 격막 개수 증대를 통한 반응 영역 모듈화 및 열의 제거가 용이하여 스케일 업이 용이한 장점이 있다.
셋째, 흡수 반응기와 재생 반응기 사이에 실포트를 설치함으로써, 건식흡수제의 재생 전에 미반응 배가스 내 이산화탄소를 활용하여 온도상승을 유도함으로써, 재생 영역에서의 에너지 소비를 저감하고 안정적 입자 포집 및 이송이 가능하다.
넷째, 재생반응 영역과 수증기 전처리 공정을 통합 반응기로 구현함으로써, 시스템을 단순화하여 운전의 효율성과 안정성을 도모할 수 있다.
다섯째, 궁극적으로 이산화탄소의 포집을 위한 효율적인 종합공정 구현을 통해 온실가스 배출에 대한 해결책을 제시함으로써, 에너지 환경 및 경제 그리고 관련 환경 기술로의 파급 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 이산화탄소 흡수 및 재생장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 다중 격막식 흡수 반응기의 구성도이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시형태, 즉 제7실시형태를 예시한 것으로, 제1실시형태 내지 제6실시형태는 다중 격막식 흡수 반응기, 실포트 및 통합 반응기 중 일부 구성을 제외하면 구현 가능하므로, 제1실시형태 내지 제6실시형태에 대한 도면은 생략한다.
본 발명은 건식흡수제를 사용하는 이산화탄소 흡수 및 재생장치에 관한 것으로, 냉각수가 흐르는 다중 격막식 고속 유동층 흡수 반응기(1)를 사용함으로써, 이산화탄소 흡수시 발열반응에 의한 온도 상승을 억제하고 안정적인 저온의 반응온도 구역(50~100℃)을 유지시켜 흡수효율을 높일 수 있다.
또한, 흡수 반응기(1)와 재생 반응기(8) 사이에 실포트(5)를 설치하고, 건식흡수제가 고온의 재생반응 온도 구역(120~200℃)으로 이송되기 전에 배가스를 실포트(5)로 순환시킴으로써, 미흡수된 이산화탄소를 추가로 흡수하고 이때 발생하는 발열에 의해 건식흡수제의 온도를 상승시켜 재생 반응기(8)에서의 열소비를 저감할 수 있다.
또한, 건식흡수제의 재생반응이 일어나는 재생 반응기(8) 및 흡수능 향상을 위한 수증기 전처리 반응이 일어나는 수증기 전처리 반응기(9)를 격막식 유동층 통합 반응기(10)로 통합 구성하여 장치 구성을 단순화할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서는 이산화탄소의 흡수율 증대를 위한 다중 격막식 고속 유동층 흡수 반응기(1), 건식흡수제의 이송 및 재생반응기로의 유입 전 온도상승을 위한 실포트(5), 그리고 재생 반응기(8) 및 수증기 전처리 반응기(9)가 통합된 격막식 통합 반응기(10) 등을 구성함으로써, 최적의 이산화탄소 흡수 및 재생반응을 구현함과 동시에 에너지 소비저감을 이룰 수 있으며, 공정의 유기적 결합 및 통합을 통해 운전 편리성 및 기술 고도화를 달성할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에서는 이산화탄소의 흡수 구역인 고속유동층 흡수 반응기(1)에 수관 격막(56)을 설치하여 온도 유지를 용이하게 하며, 더불어 재생구역으로 건식흡수제가 유입되기 전에 미포집된 이산화탄소의 순환 포집을 활용한 온도 상승 존인 실포트(5)를 설치하여 입자 포집 및 이송 그리고 재생에 필요한 에너지를 저감할 수 있다.
실포트(5)에서 미 흡수된 이산화탄소의 재흡수로 온도가 어느 정도 상승된 건식흡수제는 오버플로우(overflow) 라인(35)을 통해 재생반응기(8)로 유입되며, 고온(150℃ 내외)의 수증기에 의한 재생반응 후에, 다시 수증기 전처리 반응기(9)로 유입되어 저온의 수증기(100℃ 내외)에 의한 수증기 전처리 반응 및 냉각을 겪게 된다.
재생반응에 사용되는 수증기는 재생반응기(8) 및 수증기 전처리 반응기(9)에서 나오는 배가스로부터 재활용되는데, 구체적으로는 배가스를 집진기(14)로 탈진한 후에 냉각기(15)로 수증기를 응축 분리하고, 분리된 물을 가열기(16)로 가열하여 수증기로 만든 후, 송풍기(17)를 거쳐 사용하고자 하는 온도 및 압력까지 승압 및 승온한 수증기를 재생반응기(8) 및 수증기 전처리 반응기(9)로 주입하게 된다. 재생 후 나오는 배가스 중 이산화탄소는 냉각기(15)에서 수증기와 분리되어 포집 처리된다.
따라서, 본 발명의 3단 유동층 장치를 통한 이산화탄소의 포집 및 재생은 입자의 이송 및 반응 제어를 원활하게 하여 이산화탄소의 흡수 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 실포트(5) 구비를 통한 에너지 소비의 저감 구현 그리고 재생공정 및 수증기 전처리 공정의 통합을 통한 공정 단순화를 꾀하여 종합 공정 전반에 대한 최적화 및 효율화를 달성할 수 있다.
이하, 도 1 및 도 2를 통해 각 구성에 대한 설명을 상세히 기술하고자 한다.
도 1은 이산화탄소의 흡수 및 재생을 위한 3단 유동층 장치의 종합 구성도를 나타낸 것이다.
먼저, 이산화탄소의 흡수 공정은 크게 건식흡수제에 의한 이산화탄소의 흡수반응이 일어나는 고속유동층 흡수 반응기(1), 비산 유출되는 입자의 포집을 위한 사이클론(4), 그리고 배가스 일부를 재순환시켜 미반응 이산화탄소의 재순환 흡수 반응을 통해 온도 상승을 이루는 실포트(5)로 구성된다.
고속유동층 흡수반응기(1)에서의 건식흡수제에 의한 이산화탄소의 흡수반응은 비교적 고속의 유동기체 속도(5~10 m/s)를 갖는 고속유동층(fast fluidization) 흐름 영역을 지니며, 이산화탄소 흡수반응은 비교적 저온 분위기(50~100℃)에서 발열반응을 띄게 된다.
흡수반응기 유입라인(31)을 통해 유입된 이산화탄소 함유 가스는 흡수반응기(1)에서 처리된 후, 이산화탄소의 상당량이 흡수된 잔여 배가스는 흡수반응기 배출라인(32)을 통해 비산, 유출되는 입자와 함께 고속유동층 흡수반응기(1)를 나오며, 사이클론(4)을 거쳐 입자(건식흡수제)와 분리된다.
사이클론(4)의 입자 배출구(34)는 실포트(5) 내에 위치하도록 구성하고, 이때 배출구(34)의 단면은 유동기체의 역류를 막기 위해 기체 흐름과 수직으로 되게 설치한다. 사이클론 배출라인(33)을 통해 배출되는 배가스 중 일부는 배가스 재순환 라인(38)을 통해 송풍기(17)를 거쳐 실포트(5)로 재순환된다.
분리된 입자는 상대적으로 고온(120~200℃)인 재생반응기(8)에 들어가기 전에, 이송단계에서 잔여 배가스 내의 이산화탄소와의 재흡수반응을 통해 입자의 온도상승을 유도하는 단계를 거치게 되며, 이는 기포유동층으로 조업되는 실포트(5)에서 이루어진다.
재순환 배가스를 유동화 기체로 사용하는 실포트(5)는 기포유동층 흐름 영역(0.1~1.0m/s)에서 조업되며, 실포트(5)에서의 온도 상승은 이산화탄소의 탈착이 이루어지지 않은 온도 범위까지 이루어진다. 실포트(5)의 하부에는 분산판(6)이 설치되고, 분산판(6)의 하부에는 공기상자(7)가 형성된다.
실포트(5)에서 반응하고 나온 배가스는 실포트 배출라인(39)을 통해 배출되고, 사이클론 배출라인(33)을 통해 배출되는 배가스와 합류하며, 최종 배출라인(40)을 통해 배출된다.
이후, 건식 흡수제 입자는 재생반응기(8)로 유입되며, 입자 유입은 실포트(5)의 오버플로우 라인(35) 및 통합반응기 유입라인(36)을 통해 기체의 실링이 이루어진 로터리 밸브(18)를 거쳐 이루어지게 된다. 이때 로터리 밸브(18)의 구동 및 구동 속도는 실포트(5)의 오버플로우가 원활하게 되지 않을 경우 발생하는 층 압력의 증가여부를 층압 차압계(19)로 측정한 후 제어기(20)를 통해 분석하여 조절하게 된다.
통합 반응기(10)는 재생반응기(8) 및 수증기 전처리 반응기(9)가 통합된 것으로, 두 반응기(8, 9)는 격막(13)에 의해 분리되어 있다. 통합 반응기(10)의 하부에는 분산판(11)이 설치되고, 분산판(11)의 하부에는 공기상자(12)가 형성된다.
재생반응기(8) 및 수증기 전처리 반응기(9)는 각각의 수증기 공급라인(42, 43)을 가지며, 배가스 중 이산화탄소와 분리된 수증기를 재순환시켜 유동화 기체로 사용한다.
재생반응기(8)는 고온 수증기를 유동화 기체로 사용하는 유동층 반응기이고, 수증기 전처리 반응기(9)는 저온 수증기를 유동화 기체로 사용하는 유동층 반응기로 구성된다.
재생 및 수증기 전처리 공정이 통합된 격막식 유동층 통합 반응기(10) 중 재생반응기(8)에서는 이산화탄소가 흡착된 건식흡수제로부터 이산화탄소의 탈착 및 건식흡수제의 재생이 이루어진다. 이때 재생영역의 반응은 흡수영역보다 상대적으로 높은 온도 영역(120~200℃)에서 이루어지는 흡열반응이며, 유동화 속도는 0.1~1.0 m/s의 기포유동층 흐름영역을 갖게 된다.
통합반응기(10)의 유동화 기체로 사용되는 수증기는 통합반응기(10)에서 발생하는 배가스(수증기+이산화탄소) 중 수증기를 응축 분리한 후 통합반응기(10)로 재순환시켜 재사용하게 된다.
통합반응기(10)에서 배출되는 배가스는 통합반응기 배출라인(44)을 통해 배출되고, 집진기(14)를 통해 탈진된 후 냉각기(15)에서 응축되어 물과 순수한 이산화탄소로 분리된다. 분리된 이산화탄소는 배출라인(45)을 통해 배출되어 포집 및 저장 처리된다.
응축된 물은 연결라인(41)을 통해 가열기(16)에서 가열되어 수증기로 변한 후, 고온 수증기 공급라인(42) 및 저온 수증기 공급라인(43)으로 분배되며, 고온 수증기는 고온 수증기 공급라인(42)을 통해 재생반응기(8)로 공급되고, 저온 수증기는 저온 수증기 공급라인(43)을 통해 수증기 전처리 반응기(9)로 공급된다.
고온 수증기 공급라인(42) 및 저온 수증기 공급라인(43) 각각에는 승온과 승압이 가능한 송풍기(17)가 설치되어 수증기의 승압 및 온도 조절을 통해 재생 반응 및 수증기 전처리가 잘 구현될 수 있도록 한다.
한편, 재생반응기(8)에서 재생된 건식흡수제 입자는 격막(13)을 넘어 수증기 전처리 반응기(9)로 흐르게 되며, 수증기 전처리 반응기(9)에서 저온의 수증기에 의해 냉각 및 수증기 전처리가 이루어진다.
수증기 전처리 된 입자는 오버플로우 라인(37)을 통해 배출되어 고속유동층 흡수반응기(1)로 유입되며, 로터리밸브(18), 차압계(19) 및 제어기(20)를 통해 유입 속도 및 기체 실링이 조절된다. 로터리밸브(18)의 구동 및 구동속도는 차압계(19) 및 제어기(20)를 이용한 수증기 전처리 반응기(9)의 층 압력 측정 및 분석을 통해 결정된다.
도 2는 이산화탄소의 흡수를 위한 다중 격막식 고속유동층 흡수반응기(1)를 예시한 도면으로, 이 다중 격막식 흡수반응기(1)는 이산화탄소 흡수 반응 시 발생하는 열의 흡수 처리를 통해 균일한 온도 분포를 가질 수 있도록 구현한 것이다.
고속유동층 흡수반응기(1) 내부에는 다수의 격막(56)이 수직으로 설치된다. 흡수반응기(1)의 외벽(55) 및 격막(56)의 내부에는 온도조절 및 열 제거를 위한 냉각수가 흐를 수 있는 통로(58)가 형성된다. 즉, 격막(56)은 흡수반응기(1)의 외벽(55)과 냉각수 통로(58)를 통해 연통한다. 흡수반응기(1)의 하부에는 분산판(2)이 설치되고, 분산판(2)의 하부에는 공기상자(3)가 형성된다.
흡수반응기(1)의 온도 조절에 사용되는 냉각수는 냉각수 유입구(53)를 통해 유입되고, 반응기 외벽(55)을 통해 격막(56)으로 흐른 후, 냉각수 배출구(54)를 통해 배출되며, 냉각기(51)에서 냉각된 후 펌프(52)를 통해 흡수반응기(1)로 재순환 공급된다.
격막(56)은 흡수반응기(1)의 높이 대비 50~80%의 높이로 유동층 영역 중앙부에 설치하되, 흡수반응기(1)의 하부 건식흡수제 재순환 유입부인 오버플로우 라인(37)보다 높은 위치에 설치되며, 격막(56)의 밑면에는 유동 마모를 최소화하기 위한 충돌보호판(protector, 57)이 설치된다.
또한, 격막(56)은 고속유동층 반응기(1)의 상부 및 횡단면 기준으로 중심부에서는 설치되지 않는 오픈(open) 형태로 구성됨으로써, 입자 및 기체의 횡방향 흐름 및 혼합 그리고 상부 배출구에서의 혼합 흐름이 가능하다. 이러한 격막(56)의 설치 개수는 반응기의 스케일 업에 따라 증가하여 구성한다.
1: 고속 유동층 흡수반응기
2: 흡수반응기 분산판
3: 흡수반응기 공기상자
4: 사이클론
5: 실포트
6: 실포트 분산판
7: 실포트 공기상자
8: 유동층 재생반응기
9: 유동층 수증기 전처리 반응기
10: 격막형 유동층 통합반응기
11: 통합반응기 분산판
12: 통합반응기 공기상자
13: 통합반응기 격막
14: 집진기
15: 냉각기
16: 가열기
17: 승압/승온 송풍기(Blower)
18: 로터리 밸브
19: 층압 차압계
20: 제어기(차압 분석 및 로터리 밸브 구동 속도 조절부)
31: 흡수반응기 유입라인(이산화탄소가 포함된 일반적인 배가스)
32: 흡수반응기 배출라인(이산화탄소가 흡수되고 남은 잔여 배가스 및 건식흡수제 입자)
33: 사이클론 배출라인(입자가 분리된 잔여 배가스)
34: 사이클론 건식흡수제 배출구(분리된 건식흡수제 입자)
35: 실포트 오버플로우 라인
36: 통합반응기 유입라인(재생영역으로 유입되는 입자)
37: 통합반응기 오버플로우 라인(고속유동층으로 재순환하는 입자)
38: 배가스 재순환 라인(순환 배가스)
39: 실포트 배출라인(실포트 배가스)
40: 최종 배출라인(최종 배가스)
41: 응축수 연결라인(응축된 물)
42: 고온 수증기 공급라인(고온 수증기)
43: 저온 수증기 공급라인(저온 수증기)
44: 통합반응기 배출라인(이산화탄소 및 수증기)
45: 이산화탄소 배출라인(이산화탄소)
51: 냉각수 냉각기
52: 가압 이송 펌프
53: 냉각수 유입구
54: 냉각수 배출구
55: 흡수반응기 외벽
56: 흡수반응기 격막
57: 격막 보호판
58: 냉각수 통로

Claims (24)

  1. 외벽으로부터 안쪽으로 연장되는 다수의 격막을 구비하고, 건식 흡수제에 의한 이산화탄소의 흡수반응이 일어나는 흡수 반응기;
    흡수 반응기에서 배출되는 배가스가 재순환되어 이산화탄소의 추가 흡수 및 건식 흡수제의 온도 상승이 일어나는 실포트; 및
    실포트에서 이송되는 건식 흡수제의 재생반응이 일어나는 재생 반응기 및 수증기 전처리 반응기가 일체로 결합되는 통합 반응기를 포함하며,
    격막의 내부 및 외벽의 내부에는 냉각수 통로가 형성되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수 및 재생장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    흡수 반응기, 실포트 및 재생 반응기가 유동층 반응기로 구성되어 3단 유동층 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수 및 재생장치.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    흡수 반응기에는 냉각수를 냉각하는 냉각기 및 냉각수를 순환하는 펌프가 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수 및 재생장치.
  11. 제1항에 있어서,
    격막은 흡수 반응기의 수직 방향으로는 상부와 하부를 제외한 영역에서 높이가 흡수 반응기 대비 50 내지 80%가 되도록 설치되고, 흡수 반응기의 수평 방향으로는 중앙부를 제외한 테두리 영역에 설치되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수 및 재생장치.
  12. 제1항에 있어서,
    격막의 밑면에는 충돌 보호판이 설치되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수 및 재생장치.
  13. 제1항에 있어서,
    흡수 반응기 및 실포트 사이에 설치되고, 건식 흡수제와 배가스를 분리하는 사이클론을 추가로 포함하는 이산화탄소 흡수 및 재생장치.
  14. 제13항에 있어서,
    사이클론과 실포트를 연결하는 배가스 재순환 라인이 설치되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수 및 재생장치.
  15. 제13항에 있어서,
    사이클론은 실포트 내에 삽입되는 건식 흡수제 배출구를 갖고, 이 배출구의 단부는 재순환 배가스의 흐름과 수직을 이루는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수 및 재생장치.
  16. 제1항에 있어서,
    실포트와 재생 반응기를 연결하는 라인에 로터리 밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수 및 재생장치.
  17. 제16항에 있어서,
    실포트에는 차압계가 설치되고, 차압계는 로터리 밸브의 구동 속도를 조절하는 제어기와 연결되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수 및 재생장치.
  18. 제1항에 있어서,
    통합 반응기의 재생 반응기 및 수증기 전처리 반응기는 격막에 의해 분리되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수 및 재생장치.
  19. 제1항에 있어서,
    통합 반응기의 배가스 라인에는 배가스를 탈진하는 집진기 및 수증기를 응축하여 분리하는 냉각기가 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수 및 재생장치.
  20. 제19항에 있어서,
    냉각기는 응측된 물을 가열하는 가열기와 연결되고, 가열기에서 가열된 수증기를 이송하는 수증기 공급라인이 통합 반응기와 연결되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수 및 재생장치.
  21. 제20항에 있어서,
    수증기 공급라인은 통합 반응기의 재생 반응기와 연결되는 고온 수증기 공급라인 및 통합 반응기의 수증기 전처리 반응기와 연결되는 저온 수증기 공급라인으로 분리되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수 및 재생장치.
  22. 제21항에 있어서,
    고온 수증기 공급라인 및 저온 수증기 공급라인 각각에는 승온 및 승압이 가능한 송풍기가 설치되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수 및 재생장치.
  23. 제1항에 있어서,
    통합 반응기와 흡수 반응기를 연결하는 라인에 로터리 밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수 및 재생장치.
  24. 제23항에 있어서,
    통합반응기에는 차압계가 설치되고, 차압계는 로터리 밸브의 구동 속도를 조절하는 제어기와 연결되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수 및 재생장치.
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