KR101751723B1 - 산성가스 포집 시스템 및 이를 이용한 산성가스 포집방법 - Google Patents
산성가스 포집 시스템 및 이를 이용한 산성가스 포집방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 일 구현예는 배가스 중에 함유된 산성가스를 흡수제에 흡수시켜 산성가스 포화 흡수제를 생성하는 흡수탑; 상기 산성가스 포화 흡수제와 탈거탑 하부에서 배출되는 흡수제를 제1 열교환하여 승온시키는 제1 열교환기; 상기 산성가스 포화 흡수제를 산성가스 및 흡수제로 분리하는 탈거탑; 상기 탈거탑에 스팀을 이용하여 열 에너지를 공급하는 리보일러; 및 상기 리보일러에서 배출되는 스팀 응축수를 재활용하는 응축수 재활용 장치; 를 포함하는 산성가스 포집 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 산성가스 포집 시스템 및 이를 이용한 산성가스 포집방법에 관한 것이다.
산업분야에서 에너지원으로 사용되는 석탄, 석유, LNG 등의 화석연료는 연소 시 대기 중에 CO2, H2S, COS 등의 산성 가스를 발생시킨다. 이러한 산성 가스, 특히 이산화탄소는 지구 온난화의 주요한 원인으로 지목되어 배출 및 처리에 대한 규제가 엄격해지고 있다.
이산화탄소 배출 증가를 억제하기 위한 기술로서는, 이산화탄소 배출감소를 위한 에너지절약기술, 이산화탄소의 포집 및 저장 기술(Carbon dioxide capture and storage: CCS), 이산화탄소를 이용하거나 고정화시키는 기술, 이산화탄소를 배출하지 않는 대체에너지기술 등이 있다. 이러한 이산화탄소의 포집 및 저장 기술 중에서도 포집기술은 이산화탄소의 처리 위치에 따라 연소전, 연소중, 연소후 방법으로 나누어지며, 처리 방법에 따라 흡수법, 흡착법, 막분리법, 심냉법 등으로 구분할 수 있다.
이 중에서도, 화학적 이산화탄소 흡수법은 높은 효율과 안정적인 기술로 가장 많이 연구되고 있다. 화학적 이산화탄소 흡수법은 석유화학 공정 중 개질공정에서 적용되고 있는 예가 많으나, 석유화학 공정가스가 아닌 연소 배가스에 적용하기 위해서는 추가적인 공정의 개선이 필요하다.
한편, 일반적인 산성가스 흡수 및 탈거 시스템은 산성가스를 흡수한 흡수제를 탈거탑의 상부로 주입한 후 흡수제와 이산화탄소를 분리하는 탈거 공정을 수행하는 재생공정을 포함한다. 그러나, 종래의 산성가스 흡수 및 탈거 시스템은 흡수제의 재생을 위한 열 공급과정에서 많은 에너지가 소모되며, 탈거 효율이 높지 않아 추가의 설비가 필요한 문제점이 있었다.
이와 관련된 선행기술은 한국 공개특허공보 제2015-0041256호에 기재되어 있다.
본 발명의 하나의 목적은 배가스로부터 산성가스를 분리 회수하는 공정에서 리보일러에 연결된 스팀 응축수 재활용 장치를 이용하여, 리보일러의 열 사용량을 줄이고, 경제성을 향상시킬 수 있는 산성가스 포집 시스템 및 이를 이용한 산성가스 포집방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 구현예는 배가스 중에 함유된 산성가스를 흡수제에 흡수시켜 산성가스 포화 흡수제를 생성하는 흡수탑; 상기 산성가스 포화 흡수제와 탈거탑 하부에서 배출되는 흡수제를 제1 열교환하여 승온시키는 제1 열교환기; 상기 산성가스 포화 흡수제를 산성가스 및 흡수제로 분리하는 탈거탑; 상기 탈거탑에 스팀을 이용하여 열 에너지를 공급하는 리보일러; 및 상기 리보일러에서 배출되는 스팀 응축수를 재활용하는 응축수 재활용 장치; 를 포함하는 산성가스 포집 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 다른 구현예는 전술한 산성가스 포집 시스템을 이용한 산성가스 포집방법에 관한 것이다.
본 발명의 산성가스 포집 시스템 및 이를 이용한 산성가스 포집방법은 배가스로부터 산성가스를 분리 회수하는 공정에서 리보일러에 연결된 스팀 응축수 재활용 장치를 이용하여, 리보일러의 열 사용량을 줄이고, 경제성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명 실시예 1의 산성가스 포집 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명 실시예 2의 산성가스 포집 시스템을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명 실시예 3의 산성가스 포집 시스템을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명 실시예 4의 산성가스 포집 시스템을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명 비교예 1의 산성가스 포집 시스템을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명 일 실시예에 사용되는 리보일러를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명 실시예 2의 산성가스 포집 시스템을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명 실시예 3의 산성가스 포집 시스템을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명 실시예 4의 산성가스 포집 시스템을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명 비교예 1의 산성가스 포집 시스템을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명 일 실시예에 사용되는 리보일러를 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 구현예는 배가스 중에 함유된 산성가스를 흡수제에 흡수시켜 산성가스 포화 흡수제를 생성하는 흡수탑; 상기 산성가스 포화 흡수제와 탈거탑 하부에서 배출되는 흡수제를 제1 열교환하여 승온시키는 제1 열교환기; 상기 산성가스 포화 흡수제를 산성가스 및 흡수제로 분리하는 탈거탑; 상기 탈거탑에 스팀을 이용하여 열 에너지를 공급하는 리보일러; 및 상기 리보일러에서 배출되는 스팀 응축수를 재활용하는 응축수 재활용 장치; 를 포함하는 산성가스 포집 시스템에 관한 것이다. 이러한 일 구현예의 산성가스 포집 시스템은 리보일러에서 배출되는 스팀 응축수를 재활용함으로써, 리보일러 열 사용량을 현저하게 저감하고, 경제성을 향상시키는 효과를 구현한다.
상기 흡수탑은 화학 공정 가스 및 연소 배가스와 흡수제를 반응시켜, 화학 공정 가스 또는 연소 배가스에 함유된 산성 가스가 흡수제에 흡수된 산성가스 포화 흡수제를 생성한다. 이때, 상기 산성가스는 이산화탄소, 황화수소, 이산화황, 이산화질소 및 황화카르보닐 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 산성가스 흡수제는 아민계, 아미노산염 및 무기염류 용액 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일 구체예에서, 상기 산성가스 포화 흡수제는 이산화탄소가 포화된 리치아민일 수 있다. 이와 같은 구체예에서, 상기 산성가스 포화 흡수제가 탈거된 후 탈거탑 하부로 배출되는 산성가스 흡수제는 린아민일 수 있다. 이러한 경우, 산성가스 중 특히 이산화탄소에 대한 포집 효율이 우수할 수 있다.
산성가스를 포함하고 있는 화학 공정 가스 및 연소 배가스는 흡수탑에 의해 발생되는 압력강하를 극복하기 위하여 팬을 이용하여 배가스 냉각기로 보내지고, 흡수탑 내의 냉각된 배가스는 통상적으로 40℃ 내지 60℃의 온도에서 흡수제와 접촉할 수 있다. 상기 냉각된 배가스 흡수제와 접촉되어 산성가스가 특이적으로 흡수제에 흡수되며, 산성가스를 빼앗긴 배가스는 흡수제 증기가 비말하는 것을 방지하기 위한 세정장치를 거친 후 흡수탑에서 배출된다.
상기 세정단(washing zone)은 흡수탑 내에 2단 이상으로 설치될 수 있다. 예를 들면 흡수탑은 세정단을 2단 내지 3단 또는 그 이상으로 포함할 수 있고, 이러한 경우 흡수제의 손실을 방지하는 효과가 향상될 수 있다.
상기 제1 열교환기는 흡수탑에서 생성된 상기 산성가스 포화 흡수제를 탈거탑 하부에서 배출되는 흡수제와 제1 열교환하여 승온시킨다. 이를 통해, 탈거탑의 하부에서 배출되는 흡수제의 열을 산성가스 포화 흡수제에 공급하여 에너지 효율을 높이고, 탈거탑의 주입 이전과정에서 산성가스 포화 흡수제가 승온에 의해 일부 탈거되도록하여 산성가스 포집 시스템의 탈거효율을 향상시킬 수 있다.
일 구체예에서, 제1 열교환기는 산성가스 포화 흡수제인 리치아민을 탈거탑의 하부에서 나오는 흡수제인 린아민과 1차 열교환하여 약 95℃~105℃로 승온시킬 수 있다. 이와 같이 아민계 흡수제를 사용하는 경우, 산성가스 중 이산화탄소에 대한 포집 효율이 더욱 향상될 수 있으며, 제1차 열교환에 의한 탈거 효과가 더욱 우수할 수 있다.
상기 산성가스 포화 흡수제와 탈거탑 하부에서 배출되는 흡수제는 각각의 온도차가 10℃ 이하, 예를 들면, 5℃ 이하일 수 있다. 이러한 경우, 제1 열교환기에서의 열교환 효율 및 산성가스 포집 시스템의 전체 에너지 사용량 저감효과가 더욱 향상될 수 있다.
상기 제1 열교환기는 탈거탑 하부에서 배출되는 흡수제를 유입하는 유입구와, 열교환 후 승온된 산성가스 포화 흡수제를 다음단계의 장치(리보일러 또는 탈거탑 등)로 송출하는 유출구를 구비할 수 있다. 이러한 경우, 탈거탑 하부에서 배출되는 흡수제와 산성가스 포화 흡수제의 열교환을 수행하기에 더욱 유리하다.
상기 탈거탑은 산성가스 포화 흡수제를 공급받아 산성가스 및 흡수제로 분리한다. 이때, 탈거탑으로 공급되는 산성가스 포화 흡수제는 상기 제1 열교환에 의해 1차 열교환이 수행되어 일부 탈거가 진행된 상태일 수 있다. 이러한 경우, 산성가스 포집 시스템의 전체 에너지 사용량 저감효과가 더욱 우수하다.
상기 탈거탑에서 산성가스 포화 흡수제가 흡수제로 재생되는 과정은 약 110℃ 내지 140℃의 온도 및 대기압 정도의 압력에서 탈거반응에 의해 수행되며, 이러한 재생 조건을 유지하기 위해 리보일러를 통해 열을 공급받는다.
상기 리보일러는 스팀을 이용하여 열 에너지를 탈거탑에 공급한다. 구체적으로, 리보일러는 외부에서 유입되는 스팀이 갖는 열 에너지를 리보일러에 주입되는 산성가스 포화 흡수제에 전달하여 일부 기화시킨 후, 기화된 일부의 산성가스 흡수제와 기화되지 않고 승온된 다른 일부의 산성가스 흡수제를 탈거탑 내부로 재공급함으로써 열 에너지를 공급할 수 있다. 이를 통해, 탈거탑은 승온된 산성가스 포화 흡수제로부터 열 에너지를 공급받아 재생온도 조건을 달성할 수 있다.
상기 리보일러는 탈거탑과 제1 열교환기 사이에 배치되거나, 또는 탈거탑의 후단부에 배치될 수 있다. 이러한 배치를 통해, 리보일러에서 사용되는 스팀을 제조하기 위해 소모되는 열 사용량을 저감할 수 있다.
일 구체예에서, 상기 리보일러가 상기 탈거탑과 제1 열교환기 사이에 배치되는 경우, 상기 리보일러는 상기 제1 열교환기에서 승온된 산성가스 포화 흡수제를 공급받아 스팀을 이용하여 이를 재가열하고, 재가열시 발생하는 증기는 탈거탑의 상부영역에 재공급하며, 남은 일부의 액상 산성가스 포화 흡수제를 탈거탑의 중부영역에 공급하는 역할을 수행할 수 있다. 이러한 경우, 리보일러는 재가열된 액상의 산성가스를 포화 흡수제를 탈거탑의 중부영역에 공급함으로써 탈거탑의 열 에너지 이용률을 높이고 리보일러의 열 에너지 사용량을 낮추며, 탈거탑 내부의 흡수제에 포함된 물의 증발을 막고, 확산에 의한 탈거를 유도할 수 있다. 또한, 리보일러는 재가열된 증기를 탈거탑의 상부영역에 공급하여 산성가스 포집률을 더욱 향상시킬 수 있다.
예를 들면, 리보일러(12)는 도 6에 도시된 바와 같이, 케틀형(Kettle type)의 리보일러일 수 있다. 즉, 케틀형의 리보일러는 쉘 측(Shell Side)에서 보일링(Boiling)이 일어나는 형태의 리보일러로 사용될 수 있다. 이러한 리보일러(12)는 가장 구조가 간단하고 손쉽게 값싼 증기를 얻을 수 있다. 예를 들면, 리보일러의 번들(Bundle)은 유튜브형(U-tube type), 유동두형, 고정형(Fixed type)을 사용하며 쉘 측에 증발이 잘 일어날 수 있고, 액체와 기체를 분리하기 위하여 증기실이 있다. 이러한 리보일러를 사용하는 경우, 본 발명의 산성가스 포집 시스템에의 적용성이 더욱 우수할 수 있다.
상기 응축수 재활용 장치는 상기 리보일러에서 배출되는 스팀 응축수를 재활용함으로써 산성가스 포집 시스템의 열 에너지 사용량을 저감할 수 있다. 상기 응축수 재활용 장치는 TVR(Thermal Vapor Recompression) 장치 또는 탈거탑 재가열 열교환기 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 TVR(Thermal Vapor Recompression) 장치는 리보일러에서 발생하는 스팀 응축수를 기체와 액체로 분리하는 플래쉬 드럼(Flash drum)을 포함하고, 상기 플래쉬 드럼을 통해 분리된 기체를 가압하여 리보일러 스팀으로 공급하는 것일 수 있다. 이러한 경우, 리보일러의 스팀공급에 사용되는 열 사용량을 감소시킬 수 있다.
상기 탈거탑 재가열 열교환기(제2 열교환기)는 상기 리보일러에서 발생하는 스팀 응축수와 탈거탑 중부에서 배출되는 흡수제를 제2 열교환하여 승온시키고, 제2 열교환에 의해 승온된 흡수제를 탈거탑의 상부로 환류시키는 것일 수 있다. 상기 스팀 응축수는 스팀이 산성가스 포화 흡수제에 열을 전달하는 과정에 의해 응축된 것이나, 여전히 잔열을 포함하고 있기 때문에 탈거탑 재가열 열교환기(제2 열교환기)는 상기 잔열을 이용하여 탈거탑 중부에서 배출되는 흡수제를 추가로 승온 시킬 수 있다. 이러한 경우, 탈거탑에 추가로 열을 공급할 수 있어, 전체 산성가스 포집 시스템에서 소모되는 에너지량을 더욱 저감할 수 있다.
일 구체예에서, 상기 산성가스 포집 시스템은 전술한 탈거탑 재가열 열교환기 및 TVR(Thermal Vapor Recompression) 장치를 동시에 포함할 수 있다. 이러한 경우, 리보일러에서 배출된 스팀 응축수는 탈거탑 재가열 열교환기와 연결되어 탈거탑 중부에서 배출되는 흡수제를 추가로 승온시킨 이후, 플래쉬드럼을 포함하는 TVR 장치로 이동하여 기체와 액체로 분리된 후 리보일러 스팀으로 재이용될 수 있다. 이러한 경우, 산성가스 포집 시스템의 전체 에너지 사용량 저감 효과, 리보일러 열 사용량 저감 효과 및 탈거효율 향상 효과를 복합적으로 구현할 수 있다.
상기 산성가스 포집 시스템은 탈거탑 주입 이전에 상기 산성가스 포화 흡수제를 재생시키는 초음파 기기(Ultrasonic Horn)를 더 포함할 수 있다. 이러한 초음파기기는 캐비테이션(cavitation) 현상 및 입자가속도 효과를 이용하여 산성가스 포화 흡수제를 탈거탑 주입 이전에 미리 탈거시킬 수 있다. 일 구현예에서, 상기 초음파 기기는 흡수탑과 리보일러 또는 제1 열교환기의 사이에 배치될 수 있다. 이러한 경우 초음파기기에 의해 미리 탈거된 산성가스 포화 흡수제를 승온하여 더욱 탈거하는 효과를 부가할 수 있다. 다른 구현예에서, 상기 초음파 기기는 리보일러 또는 제1 열교환기와 탈거탑의 사이에 배치될 수 있다. 이러한 경우 리보일러에 의해 승온된 산성가스 포화 흡수제에 추가의 탈거 효과를 부가할 수 있다.
상기 초음파 기기는 예를 들면, 20KHz ~ 1MHz의 초음파 대역에서 산성가스를 분리할 수 있다. 이러한 경우, 초음파 기기에 의해 수행되는 탈거 효과가 더욱 우수할 수 있다.
이하, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 산성가스 포집 시스템에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 산성가스 포집 시스템을 나타내는 도면이다. 실시예 1의 산성가스 포집 시스템은 배가스 중에 함유된 산성가스를 흡수제에 흡수시켜 산성가스 포화 흡수제를 생성하는 흡수탑(9); 상기 산성가스 포화 흡수제와 탈거탑 하부에서 배출되는 흡수제를 제1 열교환하여 승온시키는 제1 열교환기(10); 상기 산성가스 포화 흡수제를 산성가스 및 흡수제로 분리하는 탈거탑(11); 상기 탈거탑에 스팀을 이용하여 열 에너지를 공급하는 리보일러(12); 및 상기 리보일러에서 배출되는 스팀 응축수를 재활용하는 응축수 재활용 장치를 포함한다. 도 1은 탈거탑에 세정장치(22)가 2단으로 설치되어 있고, 리보일러(12)가 탈거탑의 후단에 배치되며, 상기 리보일러(12)에 TVR 장치(21)가 설치된 실시예 1의 포집 시스템을 예시적으로 나타내고 있다. 이러한 경우, 리보일러(12)에 공급되는 스팀은 TVR 장치(21)를 통해 환류되며, 이를 통해 리보일러의 열 사용량을 저감할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예 2에 따른 산성가스 포집 시스템을 나타내는 도면이다. 실시예 2의 산성가스 포집 시스템은 배가스 중에 함유된 산성가스를 흡수제에 흡수시켜 산성가스 포화 흡수제를 생성하는 흡수탑(9); 상기 산성가스 포화 흡수제와 탈거탑 하부에서 배출되는 흡수제를 제1 열교환하여 승온시키는 제1 열교환기(10); 상기 산성가스 포화 흡수제를 산성가스 및 흡수제로 분리하는 탈거탑(11); 상기 탈거탑에 스팀을 이용하여 열 에너지를 공급하는 리보일러(12); 및 상기 리보일러에서 배출되는 스팀 응축수를 재활용하는 응축수 재활용 장치를 포함한다. 도 2는 리보일러(12)가 탈거탑(11)과 제1 열교환기(10) 사이에 배치되고, 상기 리보일러(12)에 탈거탑 재가열 열교환기(18)가 설치된 실시예 2의 포집 시스템을 예시적으로 나타내고 있다. 이러한 경우, 상기 리보일러(12)에서 발생하는 스팀 응축수와 탈거탑 중부에서 배출되는 흡수제는 탈거탑 재가열 열교환기를 통해 제2 열교환되어 승온되며, 열교환에 의해 승온된 흡수제는 탈거탑의 상부로 환류될 수 있다. 이러한 경우, 리보일러의 열 사용량을 더욱 저감할 수 있으며, 산성가스 포화 흡수제가 탈거탑 이외의 장치에서 추가로 탈거될 수 있어 흡수제의 재생 효율이 더욱 향상될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예 3에 따른 산성가스 포집 시스템을 나타내는 도면이다. 도 3은 초음파 기기(Ultrasonic Horn)를 리보일러(12)와 탈거탑(11)의 사이에 추가로 설치한 것을 제외하고 실시예 2와 동일하게 실시한 실시예 3의 산성가스 포집 시스템을 나타낸다. 이러한 경우 제1 열교환기 및 리보일러에 의해 승온되어 일부 탈거된 산성가스 포화 흡수제에 추가의 탈거 효과를 부가할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예 4에 따른 산성가스 포집 시스템을 나타내는 도면이다. 도 4는 초음파 기기(Ultrasonic Horn)를 흡수탑(9)과 제1 열교환기(10)의 사이에 추가로 설치한 것을 제외하고 실시예 2와 동일하게 실시한 실시예 4의 산성가스 포집 시스템을 나타낸다. 이러한 경우, 초음파 기기에 의해 미리 탈거된 산성가스 포화 흡수제를 제1 열교환기, 리보일러 및 탈거탑에 의해 여러 번 탈거함으로써, 더욱 우수한 탈거 효과를 부가할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예는 전술한 일 구현예의 산성가스 포집 시스템을 이용한 산성가스 포집 방법에 관한 것이다. 이하, 본 발명의 산성가스 포집 방법에 대한 설명 중 생략된 부분은 앞서 언급한 산성가스 포집 시스템에 대한 설명으로 대신한다.
상기 산성가스 포집 방법은 흡수탑(9)에서 흡수제와 배가스를 접촉하여 산성가스를 포집하며, 이러한 과정을 통해 흡수제와 이산화탄소가 발열반응하여 산성가스 흡수액(산성가스 포화 흡수제)을 생성하는 것을 포함한다.
상기 산성가스 포집 방법은 열교환기(10)를 이용하여 흡수탑(9)에서 생성된 산성가스 포화 흡수제를 탈거탑(11)의 하부에서 배출되는 린아민과 열교환하여, 승온시키는 것을 포함한다. 이하, 산성가스 포화 흡수제와 린아민의 열교환은 린-리치 열교환으로 지칭되는 경우가 있다.
상기 산성가스 포집 방법은 상기 산성가스 포화 흡수제를 탈거탑(11)으로 송출하여 탈거탑에서 공급되는 열에 의해 산성가스와 흡수제를 분리하는 것을 포함한다.
상기 산성가스 포집 방법은 리보일러(12)를 이용해 탈거탑(11)으로 스팀을 공급하여 열 에너지를 공급하는 것을 포함한다.
일 구체예에서, 산성가스 포집방법은 리보일러(12)를 열교환기(10)와 탈거탑(11)의 사이에 배치하여 이산화탄소 포집 공정에 소비되는 재생에너지 사용량을 현저하게 저감할 수 있다. 이러한 산성가스 포집방법은 리보일러를 탈거탑의 후단에 생성하는 경우보다 리보일러 열사용량을 현저하게 저감하면서도 탈거 효율을 높일 수 있다. 또한, 이러한 산성가스 포집방법은 산성가스 포화 흡수제를 린-리치 열교환에 의해 1차 탈거한 후, 탈거탑 주입 이전 단계에서 리보일러를 통해 2차 탈거하고, 탈거탑을 통해 3차 탈거를 수행할 수 있다. 이러한 경우, 1차 내지 3차의 과정을 통해 전체 시스템의 탈거 효율을 더욱 향상시킬 뿐 아니라 탈거탑에 주입되기 전에 승온율을 더욱 향상시킬 수 있어 재생 효율이 더욱 향상될 수 있다. 또한, 탈거탑의 후단에는 후술하는 TVR 장치를 추가하여 열 사용량을 더욱 저감하거나, 탈거탑 재가열 열교환기를 이용하여 추가의 4차 탈거를 수행한다.
상기 산성가스 포집 시스템은 상기 리보일러(12)에서 산성가스 흡수제를 재가열한 후 발생하는 스팀 응축수를 플래쉬 드럼(Flash drum)을 통해 기체와 액체로 분리한 후, 분리된 기체를 TVR(Thermal Vapor Recompression)로 가압하여 리보일러 스팀으로 재공급하는 방법을 더 포함할 수 있다.
상기 산성가스 포집방법은 리보일러에 연결된 탈거탑 재가열 열교환기를 이용하여, 상기 리보일러에서 발생하는 스팀 응축수와 탈거탑 중부에서 배출되는 흡수제를 열교환하여 승온시키고, 열교환에 의해 승온된 흡수제를 탈거탑의 상부로 환류시키는 것을 더 포함할 수 있다.
상기 산성가스 포집방법은 상기 산성가스 포집 시스템은 상기 산성가스 포화 흡수제를 탈거탑 주입 이전에 초음파 기기(Ultrasonic Horn)를 이용하여 20KHz ~ 1MHz의 초음파 대역에서 산성가스를 분리하여 흡수제를 재생시키는 것을 더 포함할 수 있다. 이러한 초음파기기는 캐비테이션(cavitation) 현상 및 입자가속도 효과를 이용하여 산성가스 포화 흡수제를 탈거탑 주입 이전에 미리 탈거시킬 수 있다.
실시예
이하에서는, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 이들은 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로 제공되는 것일 뿐 본 발명의 범위가 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예
1
30wt%의 MEA(Monoethanolamine)를 흡수제로 이용하여 15 vol%의 이산화탄소를 포함하고 있는 40℃로 조절된 연소배가스를 2.0m3유량으로 흡수탑 하부에 투입하였다. 흡수제의 순환량은 100ml/min, 흡수탑에 투입되는 흡수제의 온도는 40℃로 하였다. 실시예 1의 산성가스 포집 시스템은 흡수제와 이산화탄소의 발열반응에 의해 승온된 흡수제를 일시적으로 저장하여 기-액 분리하는 저장조를 포함하는 흡수탑(9), 상기 흡수탑에서 배출된 산성가스 포화 흡수제를 탈거탑 하부에서 배출되는 고온의 흡수제(린아민)와 제1 열교환한 후 탈거탑 상단(16)으로 공급하는 제1 열교환기(10), 탈거탑(11), 상기 탈거탑(11)의 후단에 연결된 리보일러(12) 및 상기 리보일러와 연결된 TVR 장치(21)를 포함하도록 배치하였다. 또한, 상기 흡수탑은 세정단을 2단으로 포함하도록 설치하였고, 상기 리보일러에서 나오는 스팀 응축수를 플래쉬 드럼(20)을 통해 기체와 액체를 분리하여 기체만을 Thermal Vapor Recompression(21)로 가압하여 리보일러 스팀으로 재공급하였다. 이러한 실시예 1의 산성가스 포집 시스템을 도 1에 표시하였다.
또한, 흡수탑으로 들어오기 전과 흡수탑을 거친 배가스의 이산화탄소 농도를 가스 분석기를 이용하여 측정하여 이산화탄소 제거율이 90%일 때의 이산화탄소 포집량(ton)당 리보일러 열사용량을 계산하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예
2
30wt%의 MEA(Monoethanolamine)를 흡수제로 이용하여 15 vol%의 이산화탄소를 포함하고 있는 40℃로 조절된 연소배가스를 2.0m3유량으로 흡수탑 하부에 투입하였다. 흡수제의 순환량은 100ml/min, 흡수탑에 투입되는 흡수제의 온도는 40℃로 하였다. 실시예 2의 산성가스 포집 시스템은 흡수제와 이산화탄소의 발열반응에 의해 승온된 흡수제를 일시적으로 저장하여 기-액 분리하는 저장조를 포함하는 흡수탑(9), 상기 흡수탑에서 배출된 산성가스 포화 흡수제를 탈거탑 하부에서 배출되는 고온의 흡수제(린아민)와 제1 열교환한 후 탈거탑 상단(16)으로 공급하는 제1 열교환기(10), 탈거탑(11), 상기 탈거탑(11)과 제1 열교환기(10) 사이에 배치된 리보일러(12) 및 상기 리보일러 및 탈거탑과 연결된 탈거탑 재가열 열교환기(18)를 포함하도록 배치하였다. 이를 이용하여, 흡수탑을 나온 흡수액을 탈거탑에서 나온 고온의 흡수액으로 제1 열교환하고 리보일러와 탈거탑 순으로 흡수제를 통과시켜 탈거하며, 리보일러에서 배출된 스팀 응축수를 이용하여 제2 열교환 한 후 탈거탑에 환류하였다. 이러한 실시예 2의 산성가스 포집 시스템을 도 2에 표시하였다.
또한, 흡수탑으로 들어오기 전과 흡수탑을 거친 배가스의 이산화탄소 농도를 가스 분석기를 이용하여 측정하여 이산화탄소 제거율이 90%일 때의 이산화탄소 포집량(ton)당 리보일러 열사용량을 계산하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예
3
상기 실시예 2에서 리보일러(12)와 탈거탑(11) 사이에 초음파 기기(19)를 추가하여 실시예 3을 배치하였다. 흡수탑을 나온 흡수액을 탈거탑에서 나온 고온의 흡수액으로 제1 열교환하고, 초음파 기기(19)를 이용하여 제1 열교환에 이어 추가 재생한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 실시하였다. 이러한 실시예 3의 산성가스 포집 시스템을 도 3에 표시하였다.
또한, 흡수탑으로 들어오기 전과 흡수탑을 거친 배가스의 이산화탄소 농도를 가스 분석기를 이용하여 측정하여 이산화탄소 제거율이 90%일 때의 이산화탄소 포집량(ton)당 리보일러 열사용량을 계산하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예
4
상기 실시예 2에서 초음파 기기(19)를 흡수탑(9)과 제1 열교환기(10) 사이에 추가하여 실시예 4를 배치하였다. 흡수탑을 나온 흡수액을 초음파 기기로 미리 탈거한 후 제1 열교환한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 실시하였다. 이러한 실시예 4의 산성가스 포집 시스템을 도 4에 표시하였다.
또한, 흡수탑으로 들어오기 전과 흡수탑을 거친 배가스의 이산화탄소 농도를 가스 분석기를 이용하여 측정하여 이산화탄소 제거율이 90%일 때의 이산화탄소 포집량(ton)당 리보일러 열사용량을 계산하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.
비교예
1
30wt%의 MEA(Monoethanolamine)를 흡수제로 이용하여 15 vol%의 이산화탄소를 포함하고 있는 40℃로 조절된 연소배가스를 2.0m3 유량으로 흡수탑 하부에 투입하였다. 흡수제의 순환량은 100ml/min, 흡수탑에 투입되는 흡수제의 온도는 40℃로 하였다. 비교예 1은 흡수탑(9), 열교환 장치(10), 탈거탑(11) 및 리보일러(12)의 순서로 배치하여 산성가스 흡수제를 포집하였다. 이러한 비교예 1의 산성가스 포집 시스템을 도 5에 표시하였다.
또한, 흡수탑으로 들어오기 전과 흡수탑을 거친 배가스의 이산화탄소 농도를 가스 분석기를 이용하여 측정하여 이산화탄소 제거율이 90%일 때의 이산화탄소 포집량(ton)당 리보일러 열사용량을 계산하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.
| 공정순서 | 공정도 | 냉각수 순환량 (cc/min) |
리보일러 열 사용량 | 흡수제 | |
| 실시예 1 | 1)린-리치(제1)열교환 2)탈거탑 3)리보일러 4)TVR |
도 1 | 500 | 3.46 | MEA |
| 실시예 2 | 1)린-리치(제1)열교환 2)리보일러 3)탈거탑 4)재가열 열교환 |
도 2 | 500 | 3.08 | MEA |
| 실시예 3 | 1)린-리치(제1)열교환 2)리보일러 3)탈거탑 4)초음파 재생 5)재가열 열교환 |
도 3 | 500 | 2.85 | MEA |
| 실시예 4 | 1)린-리치(제1)열교환 2)초음파 재생 3)리보일러 4)탈거탑 5)재가열 열교환 |
도 4 | 500 | 2.90 | MEA |
| 비교예 1 | 1)린-리치(제1)열교환 2)탈거탑 3)리보일러 |
도 5 | 500 | 3.85 | MEA, 상용흡수제 |
상기 표 1을 통해, 본 발명의 실시예 1 내지 4는 동일한 이산화탄소의 제거효율(90%)에서 동일한 이산화탄소를 포집하는데 사용되는 리보일러의 열 사용량이 낮음을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과를 통해 동일한 이산화탄소 제거율을 기준으로 본 발명에서 개발한 흡수 및 탈거공정을 적용할 경우 리보일러에 사용되는 스팀 사용량을 획기적으로 감소시킬 수 있음을 알 수 있었다. 반면, 응축수 재활용 장치를 포함하지 않는 비교예 1은 리보일러 열 사용량이 실시예 1 내지 4에 비하여 높아 공정비용이 많이 소모되는 것을 알 수 있었다.
또한, 본 발명의 실시예 2 내지 4는 탈거탑 외의 장치들에서 추가의 승온 및 이에 의한 흡수제 재생을 촉진할 수 있었으며, 리보일러를 제1 열교환 장치 및 탈거탑의 사이에 배치하여 탈거 효율이 더욱 우수하고 리보일러 열 사용량이 더욱 낮음을 확인할 수 있었다.
이에 따라, 실시예 1 내지 4의 산성가스 포집 시스템은 탈거탑의 탈거탑 높이를 낮게 설비하는 경우에도 우수한 탈거효율을 구현함은 물론 초기 투자비를 감소시킬 수 있다.
이상에서 설명한 내용은 본 발명에 의한 탈거공정 개선을 통한 산성가스 포집 시스템 및 이를 이용한 산성가스 포집방법을 실시하기 위한 예시들에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
1: 배가스 2: 재생된 흡수제(린아민)
3: 세정단 4: 이산화탄소가 제거된 배가스
5: 이산화탄소가 포화된 흡수제(리치아민)
6: 이산화탄소와 수증기 혼합가스 7: 이산화탄소
8: 응축수 9: 흡수탑 10: 린-리치아민 열교환기
11: 탈거탑 12: 리보일러 13: 응축기
14: 린아민 냉각기 15: 기액분리장치 16: 탈거탑 상부
17: 스팀 응축수 18: 탈거탑 재가열 열교환기
19: 초음파 기기(흡수제 2차 재생용)
20: 응축수 플래쉬 드럼
21: TVR 장치(Thermal Vapor Recompression)
22: 2단 세정단(Washing zone)
3: 세정단 4: 이산화탄소가 제거된 배가스
5: 이산화탄소가 포화된 흡수제(리치아민)
6: 이산화탄소와 수증기 혼합가스 7: 이산화탄소
8: 응축수 9: 흡수탑 10: 린-리치아민 열교환기
11: 탈거탑 12: 리보일러 13: 응축기
14: 린아민 냉각기 15: 기액분리장치 16: 탈거탑 상부
17: 스팀 응축수 18: 탈거탑 재가열 열교환기
19: 초음파 기기(흡수제 2차 재생용)
20: 응축수 플래쉬 드럼
21: TVR 장치(Thermal Vapor Recompression)
22: 2단 세정단(Washing zone)
Claims (12)
- 배가스 중에 함유된 산성가스를 흡수제에 흡수시켜 산성가스 포화 흡수제를 생성하는 흡수탑;
상기 산성가스 포화 흡수제와 탈거탑 하부에서 배출되는 흡수제를 제1 열교환하여 승온시키는 제1 열교환기;
상기 산성가스 포화 흡수제를 탈거탑 주입 이전에 20KHz 내지 1MHz의 초음파 대역에서 산성가스를 분리하여 흡수제를 재생시키는 초음파 기기;
상기 산성가스 포화 흡수제를 산성가스 및 흡수제로 분리하는 탈거탑;
상기 탈거탑과 상기 제1 열교환기 사이에 배치되고, 상기 제1 열교환기에서 승온된 산성가스 포화 흡수제를 공급받아 외부의 스팀을 이용하여 재가열하고, 재가열시 발생하는 산성가스를 포함하는 흡수제의 증기는 탈거탑의 상부영역에 공급하며, 재가열시 발생하는 액상 흡수제는 탈거탑의 중부영역에 공급하여, 상기 탈거탑에 스팀을 이용하여 열 에너지를 공급하는 리보일러; 및
상기 리보일러에서 배출되는 스팀 응축수를 재활용하는 응축수 재활용 장치; 를 포함하고, 상기 응축수 재활용 장치는 상기 리보일러에서 발생하는 스팀 응축수와 탈거탑 중부에서 배출되는 흡수제를 제2 열교환하여 승온시키고, 제2 열교환에 의해 승온된 흡수제를 탈거탑의 상부로 환류시키는 탈거탑 재가열 열교환기를 포함하는 것인 산성가스 포집 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 산성가스 포화 흡수제는 이산화탄소가 포화된 리치이산화탄소-아민이고, 상기 탈거탑 하부에서 배출되는 흡수제는 린이산화탄소-아민인 산성가스 포집 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 산성가스 포화 흡수제는 아민계, 아미노산염 및 무기염류 용액 중 하나 이상을 포함하는 산성가스 포집 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 응축수 재활용 장치는 상기 리보일러에서 발생하는 스팀 응축수를 기체와 액체로 분리하고, 분리된 기체를 가압하여 리보일러에 스팀으로 공급하는 TVR(Thermal Vapor Recompression) 장치를 추가로 포함하는 산성가스 포집 시스템.
- 제4항에 있어서,
상기 TVR(Thermal Vapor Recompression) 장치는 리보일러에서 발생하는 스팀 응축수를 기체와 액체로 분리하는 플래쉬 드럼(Flash drum)을 포함하고, 상기 플래쉬 드럼을 통해 분리된 기체를 가압하여 리보일러 스팀으로 재공급하는 것인 산성가스 포집 시스템.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 흡수탑은 세정단(washing zone)을 2단 이상으로 포함하는 것인 산성가스 포집 시스템.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 산성가스 포화 흡수제는 상기 탈거탑 하부에서 배출되는 흡수제와의 온도차가 10℃ 이하인 산성가스 포집 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 산성가스는 이산화탄소, 황화수소, 이산화황, 이산화질소 및 황화카르보닐 중 하나 이상을 포함하는 산성가스 포집 시스템.
- 제1항에 따른 산성가스 포집 시스템을 이용한 산성가스 포집방법.
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