KR101861649B1 - Method and apparatus for improving the separation performance of separation membrane system for recovering carbon dioxide in the combustion gas - Google Patents

Method and apparatus for improving the separation performance of separation membrane system for recovering carbon dioxide in the combustion gas Download PDF

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Abstract

본 발명은 전단 가스 분리부 및 후단 가스 분리부를 포함하여 연소가스 중의 이산화탄소를 회수하는 분리막 시스템의 분리 성능을 향상시키는 방법 및 장치에 관한 것으로, 후단 가스 분리부에 더 포함되는 압력조절장치에 의해 후단 압축기가 연속 운전하도록 하여 전단 가스 분리부의 이산화탄소 분리 효율 저하를 방지함으로써 분리막 시스템의 분리 성능을 향상시킬 수 있다. The present invention relates to a method and an apparatus for improving the separation performance of a separation membrane system for recovering carbon dioxide in a combustion gas, including a front end gas separation unit and a rear end gas separation unit, The compressor can be operated continuously to prevent deterioration of the carbon dioxide separation efficiency of the front end gas separation unit, thereby improving separation performance of the separation membrane system.

Description

연소가스 중 이산화탄소 분리막 시스템 분리 성능 향상 방법 및 장치{Method and apparatus for improving the separation performance of separation membrane system for recovering carbon dioxide in the combustion gas}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and apparatus for improving separation performance of a carbon dioxide separation membrane in a combustion gas,

본 발명은 기체분리막을 이용하여 발전소, 제철소, 소각로 등에서 화석연료 및 폐기물을 연소 시 발생되는 연소가스 중 이산화탄소를 높은 효율로 분리 및 농축하는 분리막 시스템의 분리 성능을 향상시킬 수 있는 방법 및 그 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a method and apparatus for improving separation performance of a separation membrane system for separating and concentrating carbon dioxide in a combustion gas generated during combustion of fossil fuel and waste in a power plant, a steel mill, an incinerator or the like using a gas separation membrane .

산업 발달로 화석연료 사용이 급증하고 이에 따른 지구 온난화 문제와 자원 고갈 문제가 대두되어 지속 성장을 위협하고 있다. 따라서 지속 성장을 위해서는 온실가스인 이산화탄소를 포집 및 저장할 수 있는 기술(Carbon capture and sequestration, CCS)이 필요한 실정이다.As the industry develops, the use of fossil fuels increases rapidly, and global warming and resource depletion problems arise, threatening sustainable growth. Therefore, for sustainable growth, carbon capture and sequestration (CCS) is required to capture and store carbon dioxide, a greenhouse gas.

이산화탄소는 가장 대표적인 온실가스로 지구전체 온실가스의 약 77%를 차지하고 있으며, 대표적인 발생원으로는 화력발전소, 제철소, 정유산업체 등이 있으며, 이들 발생원들의 배출량은 전체 이산화탄소 배출량의 45%를 차지하고 있다.Carbon dioxide is the most representative greenhouse gas, accounting for about 77% of global greenhouse gas emissions. Typical sources include coal-fired power plants, steel mills, and oil refineries. The emissions of these sources account for 45% of total CO2 emissions.

화력발전소로부터 유출되는 연소가스는 약 12∼17%의 이산화탄소와 76∼78%의 질소, 그리고 4∼5%의 산소와 그밖에 미량의 수분과 SOx, NOx 화합물을 포함하고 있다. 그 중에서 특히 이산화탄소는 지구 온난화의 주요 원인으로 지목되고 있으므로 이의 배출을 줄이고 재사용하는 방안이 세계적인 관심사로 등장하고 있다. 일부 선진국들은 이산화탄소 배출량을 일정 시점의 배출량을 기준으로 동결시키고자 노력하고 있으며 이와 관련하여 탄소세의 도입을 주장하고 있는 실정이다. 따라서 이산화탄소의 가장 큰 배출원 중 하나인 화력발전소 연소가스로부터 이산화탄소의 회수는 시급히 해결해야 할 중요한 문제라고 할 수 있다.Combustion gases from thermal power plants contain about 12-17% carbon dioxide, 76-78% nitrogen, 4-5% oxygen, and other trace amounts of moisture and SOx and NOx compounds. In particular, carbon dioxide has been identified as a major cause of global warming, and measures to reduce and reuse its emissions have emerged as a global concern. Some developed countries are trying to freeze carbon dioxide emissions at a certain point in time and insist on the introduction of carbon taxes in this regard. Therefore, recovery of carbon dioxide from burning gas of thermal power plant, which is one of the largest sources of carbon dioxide, is an urgent problem to be solved urgently.

이산화탄소를 배출하는 공장들은 화력발전소 뿐 아니라 제철소, 시멘트공장, 석유화학공장, 발효공장 등이 있으며 이중 화력발전소를 제외한 대부분의 공장에서 배출되는 배출기체는 이산화탄소의 농도가 25%이상으로 상업적인 분리 및 회수가 용이한 반면, 화력발전소의 경우는 이산화탄소의 농도가 낮기 때문에 분리회수가 어려워 상업화할 경우 경제성이 낮은 것으로 알려져 있다.In addition to thermal power plants, carbon dioxide emission plants are steel mills, cement plants, petrochemical plants, fermentation plants, etc. Exhaust gases emitted by most factories except coal-fired power plants have a concentration of carbon dioxide of 25% While the thermal power plant is known to have low economic efficiency when it is commercialized because it is difficult to separate it because the concentration of carbon dioxide is low.

연소가스 중 이산화탄소를 분리/정제 하기위한 상업화 기술로는 흡착법(pressure swing adsorption), 흡수법(water scrubbing, methanol scrubbing, polyethylene glycol scrubbing 등), 막분리법(membrane separation)이 있다. 흡수공정은 주로 물을 이용한 흡수 공정(water scrubbing process)이 적용되며 이 공정은 흡수액의 종류, 기액 접촉면적, 가스와 물의 온도에 따라 성능이 좌우된다. 또한, 정제된 메탄가스에는 수분이 포화되어 있어 수분을 제거하는 후처리 공정을 필요로 한다. Commercial techniques for separating / purifying carbon dioxide in combustion gases include pressure swing adsorption, water scrubbing, methanol scrubbing, polyethylene glycol scrubbing, and membrane separation. The absorption process is mainly applied by water scrubbing process, which depends on the type of absorption liquid, gas-liquid contact area, gas and water temperature. In addition, the purified methane gas is saturated with water, requiring a post-treatment process for removing moisture.

흡착공정은 흡착제와 혼합가스의 압력순환에 의해서 생기는 흡착 평형량의 차이를 이용하여 혼합가스 중 특정성분을 선택적으로 분리하는 기술로 주로 고압에서 이산화탄소를 흡착하고 저압에서 흡착성분을 탈착한다. 흡착공정은 비정상 상태의 운전이기 때문에 운전단계 중에 여러 가지 운전변수의 예측과 설계가 어려우며 흡착제에 따라 수분에 대한 전처리가 필요하다. The adsorption process is a technique for selectively separating specific components of the mixed gas by utilizing the difference in the adsorption equilibrium amount caused by the pressure cycling between the adsorbent and the mixed gas, and mainly adsorbs carbon dioxide at high pressure and desorbs adsorbed components at low pressure. Since the adsorption process is in abnormal condition, it is difficult to predict and design various operating parameters during the operation stage and it is necessary to pretreat water according to the adsorbent.

이해 비해 분리막 공정은 상변화에 요구되는 에너지가 필요 없기 때문에 막공정에 요구되는 최소한의 구동력만으로 운전이 가능하여 에너지 절약형이고, 상변화가 없으므로 분리 대상물질의 성상변화가 일어나지 않는다. 또한 증발기(Evaporator)나 응축기(Condenser) 등이 없이 대부분 펌프, 배관, 멤브레인(membrane) 및 제어부(control part)로 구성되어 설비가 간소한 이점이 있다.Compared with the understanding, the separation membrane process is energy-saving because it does not require the energy required for the phase change and can be operated only by the minimum driving force required for the membrane process, and there is no phase change. In addition, there is no evaporator or condenser, and most of them are composed of pump, piping, membrane, and control part.

분리막은 기체들의 투과되는 성질은 고분자 분리막인 경우에는 흡수 또는 용해 후, 분리막 내부를 이동하는 속도차에 의한 것과 고분자의 연결 측쇄 간에 존재하는 미세한 틈 사이로 기체 분자가 통과되는 방법들이 있다. 수소나 헬륨은 후자의 경우처럼 고분자 측쇄의 간격에 따라 기체가 투과하며, 수증기나 CO2 등은 흡수 또는 용해되고 분리막 내부를 이동하는 현상으로 투과된다.In the case of a polymer membrane, there is a method in which a gas molecule passes through a minute gap existing between the side chain of a polymer and a side wall of the polymer due to a difference in speed of movement within the membrane after absorption or dissolution. Hydrogen and helium are permeated by the gap between polymer side chains as in the latter case, and water vapor and CO 2 are absorbed or dissolved and transmitted through the inside of the membrane.

초기 기체분리막 공정은 수소 분리(H2/CO, H2/CH4) 및 회수를 위해 시작 되었으나, 현재는 질소의 발생, 산소 농축공기 제조, 수소 및 휘발성 유기 증기 회수, 바이오가스 정제 등 다양한 분야로 확대되어 나가고 있다.The initial gas separation process started for hydrogen separation (H 2 / CO, H 2 / CH 4 ) and recovery, but now it is used in various fields such as nitrogen generation, oxygen enriched air production, hydrogen and volatile organic vapor recovery, .

분리 및 농축 하고자 하는 가스의 농도가 상대적으로 낮은 연소가스를 대상으로 막분리 공정을 이용하여 이산화탄소 분리 및 농축하는 경우 고순도 이산화탄소의 생산량을 유지하면서 회수율 높이기 위해서는 추가적인 공정을 설치해야 하는 문제점이 있다.In the case of separating and concentrating carbon dioxide by using a membrane separation process in a combustion gas in which the concentration of the gas to be separated and concentrated is relatively low, there is a problem that an additional process must be installed in order to increase the recovery rate while maintaining the production of high purity carbon dioxide.

한국등록특허 제10-1327337호(2013.11.04.)Korean Registered Patent No. 10-1327337 (April 11, 2013) 한국등록특허 제10-1275685호(2013.06.11.)Korean Patent No. 10-1275685 (Jun. 11, 2013) 한국공개특허 제10-1997-7006886호(1997.12.01.)Korean Patent Publication No. 10-1997-7006886 (December 1, 1997) 한국등록특허 제10-0324709호(2002.02.02.)Korean Patent No. 10-0324709 (Feb. 2, 2002)

본 발명은 연소가스에 포함된 이산화탄소를 회수하기 위한 분리막 시스템의 분리 성능을 향상시킬 수 있는 방법 및 장치를 제공함에 있어서, 투과부(permeate) 흐름의 후단 가스 분리부에 압력조절장치를 포함하여 다단 분리공정 적용 시 분리막, 압축기, 가스탱크의 압력을 제어하여 압축기가 연속 운전을 하도록 하여 혼합가스의 분리 효율이 저하되는 것을 방지함으로써 분리 성능을 향상시키는 방법 및 장치를 제공하고자 한다. The present invention provides a method and apparatus for improving separation performance of a separation membrane system for recovering carbon dioxide contained in a combustion gas, comprising a pressure regulator in a downstream gas separation unit of a permeate flow, The present invention provides a method and an apparatus for improving the separation performance by preventing the deterioration of the separation efficiency of the mixed gas by controlling the pressures of the separator, the compressor, and the gas tank so that the compressor operates continuously.

그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명은 1단 가스 분리부, 2단 가스 분리부 및 압력조절장치를 포함하여 연소가스 중의 이산화탄소를 회수하는 분리막 시스템의 분리 성능 향상 장치로서, 상기 1단 및 2단 가스 분리부는 각각, 이산화탄소, 산소 및 질소를 포함하는 혼합 가스가 유입되고, 유입된 혼합 가스를 공급 압력으로 가압하여 유출하는 1단 및 2단 압축기; 상기 가압된 혼합 가스가 유입되고, 유입된 혼합 가스가 유출되는 1단 및 2단 가스탱크; 및 상기 가스탱크로부터 혼합 가스가 유입되고, 유입된 혼합 가스 중 분리막을 투과한 성분이 농축되는 투과부, 및 분리막을 투과하지 못한 성분이 농축되는 배제부를 포함하는 1단 및 2단 분리막;을 포함하고, 상기 압축기는 상기 압축기에 연결된 가스탱크의 압력이 설정 압력 이상일 때 구동을 정지하는 방식으로 제어되며, 상기 압력조절장치는 상기 2단 가스탱크의 압력을 조절하여 상기 2단 압축기가 연속적으로 구동되도록 하는 장치인 분리막 시스템의 분리 성능 향상 장치를 제공한다. The present invention relates to an apparatus for improving separation performance of a separation membrane system for recovering carbon dioxide in a combustion gas, including a first stage gas separation unit, a second stage gas separation unit, and a pressure regulator, wherein the first and second stage gas separation units comprise carbon dioxide, A first stage and a second stage compressor into which a mixed gas containing oxygen and nitrogen flows and pressurizes the introduced mixed gas at a supply pressure to flow out; A first and a second gas tank through which the pressurized mixed gas flows and the introduced mixed gas flows out; And a first and a second separation membrane including a permeate portion into which a mixed gas flows from the gas tank and into which a component permeated through the separation membrane is concentrated, and an exclusion portion through which a component that does not permeate the separation membrane is concentrated, , The compressor is controlled in such a manner that the driving is stopped when the pressure of the gas tank connected to the compressor is equal to or higher than the set pressure, and the pressure regulating device adjusts the pressure of the two-stage gas tank so that the two- A separation performance improving device for a separation membrane system.

본 발명에 따른 분리막 시스템은 이산화탄소, 산소 및 질소를 포함하는 혼합가스로부터 이산화탄소를 고농도로 분리하는 다단의 가스 분리부를 포함하여 연소가스로부터 높은 효율로 이산화탄소를 분리 및 농축이 가능하다.The separation membrane system according to the present invention includes a multi-stage gas separation unit for separating carbon dioxide at a high concentration from a mixed gas containing carbon dioxide, oxygen, and nitrogen, thereby separating and concentrating carbon dioxide at high efficiency from the combustion gas.

또한 본 발명에 따른 분리막 시스템의 가스 분리부에 가스탱크를 더 포함하고 후단 가스 분리부에는 가스탱크의 압력을 조절하는 압력조절장치를 포함하여 후단 압축기가 연속으로 운전될 수 있도록 하여 이산화탄소 분리 성능 및 회수율을 더욱 향상시킬 수 있다. In addition, the separation membrane system according to the present invention may further include a gas tank in the gas separation unit, and the downstream gas separation unit may include a pressure control unit for controlling the pressure of the gas tank to continuously operate the downstream compressor, The recovery rate can be further improved.

또한 화력 발전소 등에서 발생되는 연소가스로부터 이산화탄소를 제거하여 배출시키므로 온실가스 저감의 효과를 제공할 수 있으며 분리 및 농축된 이산화탄소를 탄산칼슘 합성, 드라이아이스 제조, 폴리머 제조, 포름산 제조 등 다양한 산업분야의 원료로 공급함으로써 부가가치 창출에 기여 가능한 효과를 제공한다. In addition, carbon dioxide can be removed from the combustion gas generated from thermal power plants and the like, so that it can provide the effect of reducing greenhouse gases. The separated and concentrated carbon dioxide can be used as a raw material for various industrial fields such as calcium carbonate synthesis, dry ice production, polymer production, Thereby providing an effect that contributes to creation of added value.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연소가스 중 이산화탄소 회수를 위한 분리막 시스템의 구성 및 흐름을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연소가스 중 이산화탄소 분리막 시스템 분리 성능 향상 장치의 구성 및 흐름을 나타낸 것이다.
FIG. 1 schematically shows the structure and flow of a separation membrane system for recovering carbon dioxide in a combustion gas according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
FIG. 2 shows a configuration and a flow of an apparatus for improving separation performance of a carbon dioxide separation membrane system in a combustion gas according to an embodiment of the present invention.

이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.Before describing the present invention in detail, it is to be understood that the terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to limit the scope of the invention, which is defined solely by the appended claims. shall. All technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art unless otherwise stated.

본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.Throughout this specification and claims, the word "comprise", "comprises", "comprising" means including a stated article, step or group of articles, and steps, , Step, or group of objects, or a group of steps.

한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 및 이에 따른 효과를 설명하기로 한다.On the contrary, the various embodiments of the present invention can be combined with any other embodiments as long as there is no clear counterpoint. Any feature that is specifically or advantageously indicated as being advantageous may be combined with any other feature or feature that is indicated as being preferred or advantageous. Hereinafter, embodiments of the present invention and effects thereof will be described with reference to the accompanying drawings.

화력 발전소의 경우 굴뚝(stack)을 통해 배출되는 연소 가스의 조성은 이산화탄소 10~15%, 질소 70~73%, 산소, 4~9%, 수분 9~11%이고, 기타 황산화물 약 60ppm 이하, 질소산화물 약 80ppm이하, 더스트(Dust) 약 5mg/Sm3를 포함한다. In the case of a thermal power plant, the composition of the combustion gas discharged through the stack is 10 to 15% of carbon dioxide, 70 to 73% of nitrogen, 4 to 9% of oxygen, 9 to 11% of moisture, About 80 ppm or less of nitrogen oxide, and about 5 mg / Sm 3 of dust.

본 발명은 상기와 같은 조성의 연소 가스로부터 이산화탄소를 높은 효율로 회수할 수 있는 분리막 시스템의 분리 성능을 향상시키는 장치를 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 분리막 시스템은 도 1에 나타나는 것과 같이 연소 가스로부터 이산화탄소, 질소 및 산소를 제외한 불순물을 제거하는 전처리 장치와 다단의 가스 분리부가 포함되는 가스분리 장치를 포함하고, 본 발명의 일실시예에 따른 분리막 시스템의 분리 성능 향상 장치는 가스 분리부에 가스탱크를 더 포함하고, 후단의 가스 분리부에 압력조절장치를 더 포함하여 연소 가스 중의 이산화탄소를 분리함에 있어서 성능이 저하되지 않고 고농도로 분리 및 농축이 가능하다.The present invention provides an apparatus for improving the separation performance of a separation membrane system capable of recovering carbon dioxide at high efficiency from combustion gases having the above composition. As shown in FIG. 1, the separation membrane system according to an embodiment of the present invention includes a pretreatment device for removing impurities except for carbon dioxide, nitrogen, and oxygen from a combustion gas, and a gas separation device including a multistage gas separation part. The separating performance enhancing device of the separating membrane system according to an embodiment of the present invention further includes a gas tank in the gas separating part and further includes a pressure regulating device in the gas separating part at the downstream to deteriorate the performance in separating carbon dioxide in the combustion gas It is possible to separate and concentrate at a high concentration.

분리막을 이용한 기체를 분리하는 메커니즘은 용해-확산 모델을 통해 설명할 수 있다. 고분자 분리막에서의 기체 투과 현상은 ⅰ) 상부(분리막을 경계로 상대적으로 높은 부분압)에서 경계면으로 확산, ⅱ) 기체분자의 고분자 분리막에 대한 상대적인 흡착, ⅲ) 고분자 분리막 내로의 기체의 확산, ⅳ) 투과부(상대적으로 낮은 부분압)에서 기체의 탈착, ⅴ) 하부 경계면에서 외부로의 확산의 5단계로 구분할 수 있다. Mechanisms for separating gases using membranes can be explained by the dissolution-diffusion model. The gas permeation phenomenon in the polymer membrane is divided into two stages: (i) diffusion from the upper part (partial pressure relatively high at the boundary of the membrane) to the interface, (ii) relative adsorption of gas molecules to the polymer membrane, (iii) diffusion of gas into the polymer membrane, Desorption of gas at the permeate portion (relatively low partial pressure), and diffusion at the lower boundary surface to the outside.

분리막에서의 기체 투과 속도는 kinetic diameter와 분리막 소재인 고분자와 투과 기체의 친밀도, 가스의 온도 등의 요인에 의해 결정된다. 이 때 전처리되어 불순물이 제거된 연소 가스, 즉 이산화탄소, 산소 및 질소를 포함하는 가스(이하, '혼합 가스'라고 한다)를 구성하는 성분들의 분리막 투과 속도는 상기 요인들로 인해 이산화탄소, 산소 및 질소 순서로 빠르다. 따라서 혼합 가스가 투과부(permeate) 및 배제부(retentate)를 포함하는 다단의 분리막을 지날 때마다 투과부에서는 상대적으로 투과 속도가 빠른 이산화탄소가 농축되고, 배제부에서는 상대적으로 투과속도가 느린 질소가 농축되어 최종 투과부에서 고농도의 이산화탄소를 회수할 수 있도록 한다. The gas permeation rate in the membrane is determined by factors such as the kinetic diameter, the intimacy of the membrane as the membrane material, the permeability of the permeable gas, and the temperature of the gas. At this time, the membrane permeation rate of components constituting the pretreatment combustion gas in which impurities are removed, that is, the gas containing carbon dioxide, oxygen and nitrogen (hereinafter referred to as "mixed gas"), It is fast in order. Therefore, whenever the mixed gas passes through the multi-stage separation membrane including the permeate and the retentate, carbon dioxide having a relatively high permeation rate is concentrated at the permeate portion and nitrogen having a relatively low permeation rate is concentrated at the rejection portion So that a high concentration of carbon dioxide can be recovered from the final transmission portion.

본 발명의 일실시예에 따른 분리막 시스템은 도 1에 나타낸 것과 같이 연소 가스 중의 이산화탄소, 산소 및 질소를 제외한 불순물을 제거하는 전처리부(10), 이산화탄소, 산소 및 질소를 포함하는 혼합가스로부터 이산화탄소를 고농도로 분리하는 1단 가스 분리부(20) 및 2단 가스 분리부(30)의 적어도 2단 이상의 가스 분리부를 포함한다. 1, a separation membrane system according to an embodiment of the present invention includes a pretreatment unit 10 for removing impurities except for carbon dioxide, oxygen, and nitrogen in a combustion gas, and a pretreatment unit 10 for removing carbon dioxide from a mixed gas containing carbon dioxide, Stage gas separating unit 20 and a two-stage gas separating unit 30 for separating the high-concentration gas into high-concentration gas.

1단 가스 분리부(20) 및 2단 가스 분리부(30)는 도 2에 나타낸 것과 같이 각각 압축기(21, 31) 및 분리막(23, 33)을 포함한다. 즉 1단 가스 분리부(20)는 1단 압축기(21) 및 1단 분리막(23)을 포함하고, 2단 가스 분리부(30)는 2단 압축기(31) 및 2단 분리막(33)을 포함한다.The first stage gas separation unit 20 and the second stage gas separation unit 30 include compressors 21 and 31 and separation membranes 23 and 33, respectively, as shown in FIG. The first stage gas separator 20 includes a first stage compressor 21 and a first stage separator 23 and the second stage gas separator 30 includes a second stage compressor 31 and a second stage separator 33 .

각각의 분리막(23, 33)은 분리막 투과 속도가 빠른 이산화탄소의 상대적인 농도가 높은 투과부 및 분리막 투과 속도가 느린 질소의 상대적인 농도가 높은 배제부를 포함한다. Each of the separation membranes 23 and 33 includes a rejection portion having a relatively high concentration of the relatively high concentration of carbon dioxide and a relatively high concentration of nitrogen having a low permeation rate of the separation membrane.

더욱 구체적으로 본 발명의 일실시예에 따른 분리막 시스템은 전처리부(10)에서 불순물을 제거한 후 1단 압축기(21)에서 가압한 혼합가스를 1단 분리막(23) 도입부로 공급하고, 1단 분리막(23)의 투과부에서 이산화탄소가 1차 농축된 혼합가스를 2단 압축기(31)에서 가압하며, 2단 분리막(33) 도입부로 공급한다. 2단 분리막(33) 후단의 투과부에서 95% 이상으로 농축된 이산화탄소를 생산할 수 있다. More specifically, in the separation membrane system according to an embodiment of the present invention, after the impurities are removed in the pretreatment unit 10, the mixed gas pressurized by the first stage compressor 21 is supplied to the inlet of the first separation membrane 23, The mixed gas in which the carbon dioxide is first concentrated in the permeate portion of the second step 23 is pressurized by the second stage compressor 31 and is supplied to the inlet of the second step separator 33. It is possible to produce carbon dioxide concentrated at 95% or more in the permeate portion at the downstream of the two-stage separation membrane 33.

발전소, 제철소, 소각로 등의 굴뚝(stack)에서 발생하는 연소 가스는 송풍기로 음압을 형성하여 전처리부(10)로 보내진다. 전처리부(10)는 필터(11), 드라이어(12) 및 흡착탑(13)을 포함하여 연소 가스 중 미량의 산성가스, 입자상 물질, 수분 등의 불순물을 제거한다. The combustion gas generated from a stack of a power plant, a steel mill, and an incinerator forms a negative pressure with a blower and is sent to the pretreatment unit 10. The pretreatment unit 10 includes a filter 11, a dryer 12 and an adsorption tower 13 to remove trace amounts of impurities such as acid gas, particulate matter, and moisture in the combustion gas.

필터(11)는 연소가스 내의 입자상 물질을 제거하기 위한 것으로 필터(11)의 세퍼레이터(separator) 내부에 여과도 3미크론(micron)의 엘리먼트(element)의해 불순물 및 수분이 관성 충돌작용으로 제거된다. 엘리먼트로는 소결금속, 합성수지, 철망 등으로 구성되며, 소결금속 엘리먼트는 미소한 금속입자를 틀에 충진하고 전기로로 가열하여 입자간의 접촉 부분만을 상호 밀착시켜, 많은 미세한 구멍의 여과층을 형성시킨 것으로서, 직선으로 유동하지 않고 구불구불하게 유동하는 연소가스의 여과작용이 엘리먼트 표면이 아니라 내부에서도 이루어져 수분 및 입자상 물질을 제거한다.The filter 11 is for removing particulate matter in the combustion gas and impurities and moisture are removed by an inertial impact action by an element having a filtration degree of 3 micron in the separator of the filter 11. The sintered metal element is formed by filling fine metal particles into a mold and heating them with an electric furnace so that only the contact portions between the particles are in close contact with each other to form a filtration layer having many fine holes , The filtering action of the combustion gas that flows in a straight line without flowing does not occur on the element surface but also on the inside, thereby removing moisture and particulate matter.

드라이어(12)는 연소가스를 저온의 냉매가스에 의하여 강제적으로 냉각하여 가스 중에 포함된 수분을 응축시켜 배출하는 장치이다. 드라이어(12)에 공급되는 연소가스의 노점(dew point)은 부하의 대소에 따라 달라진다. 연소가스의 압력이 높을수록, 온도가 낮을수록, 유량이 작을수록, 또한 주위의 공기 온도가 낮을수록 부하가 작아지며, 노점은 낮아지게 된다. 그러나 반대의 경우는 부하가 크고, 노점은 높아지게 된다. 단위 질량당 가스 중에 포함되는 수증기는 온도가 같은 경우, 압력이 높을수록 적어지게 되며, 압력이 같은 경우에는 온도가 낮을수록 적어지게 된다. 또 주위의 공기 온도가 낮으면, 연소가스를 냉각하는데 사용된 냉매가스를 다시 액화시키는 응축기로부터 방열효과가 높아지게 되며, 부하가 감소하는 것과 동일한 효과가 얻어진다.The dryer 12 is a device for forcibly cooling the combustion gas by a low-temperature refrigerant gas to condense and discharge moisture contained in the gas. The dew point of the combustion gas supplied to the dryer 12 varies depending on the magnitude of the load. The lower the temperature, the lower the flow rate, and the lower the ambient air temperature, the smaller the load, and the dew point becomes lower, the higher the pressure of the combustion gas, the lower the temperature. In the opposite case, however, the load is large and the dew point is high. When the temperature is the same, the water vapor contained in the gas per unit mass is decreased as the pressure is higher. When the pressure is the same, the lower the temperature is, the less. Further, when the ambient air temperature is low, the heat radiation effect from the condenser for liquefying the refrigerant gas used for cooling the combustion gas becomes high, and the same effect as that for reducing the load is obtained.

흡착탑(13)은 유입되는 연소가스의 조성에 따라 수분이 적을 때에는 개별 흡착탑을 단독으로 운전 가능한 병렬 배치가 가능하고, 수분의 양이 많을 경우 여러 개의 흡착탑을 동시에 운전 가능한 직렬 배치가 가능하다. 흡착탑(13)은 하부의 가스공급라인과 상부의 가스배출라인, 내부에는 흡착제로 충진되어 있으며, 흡착탑(13) 하부로 공급된 가스는 내부에 충진된 흡착제로 인하 불순물을 제거하고 불순물이 제거된 가스는 상부로 배출되는 구조를 갖는다. Depending on the composition of the incoming combustion gas, the adsorption tower 13 can be arranged in parallel so that the individual adsorption towers can be operated independently when the water content is low, and the multiple adsorption towers can be operated in parallel when the amount of water is large. The adsorption tower 13 is filled with an adsorbent in the lower gas supply line and the upper gas discharge line. The gas supplied to the lower part of the adsorption tower 13 is removed by the adsorbent filled in the adsorption tower 13, And the gas is discharged to the upper part.

전처리부(10)에 의해 불순물이 제거된 혼합가스는 1단 가스 분리부(20)로 보내지게 된다. 가스 분리부는 압축기와 분리막으로 구성되어 있으며, 압축기는 혼합가스 내의 이산화탄소, 질소, 산소가 원활하게 분리가 이루어 질 수 있도록 구동력(driving force)을 제공하는 장치이며, 분리막은 유입된 혼합가스 성분들의 투과 속도 차이를 이용하여 분리하는 장치이다.The mixed gas from which impurities have been removed by the pretreatment unit 10 is sent to the first stage gas separation unit 20. The gas separator is composed of a compressor and a separator. The compressor is a device that provides a driving force for smooth separation of carbon dioxide, nitrogen, and oxygen in the mixed gas. The separator is a device for passing It is a device that separates by using speed difference.

압축기는 스크류탑으로 중앙에 크게 비틀린 6구획의 나사 구조를 갖고 있는 스크류 로터와 각각 11개의 톱니를 갖고 있는 2개의 게이트로터가 축을 대상으로 맞물린 구조로서, 중앙의 스크류 로터가 회전하면 스크류 로터의 벌어진 홈의 공간에 바깥 공기가 빨려 들어가 실린더와 게이트 로터에 의해 1개의 압축실이 형성하게 되고 스크류 로터의 회전에 따라 게이트 로터의 톱니가 이동하고, 벌어진 홈의 공간에 용적이 축소되어 갇힌 공기는 압축되어 압력이 상승되어 회전이 더 진행되어 내부의 압력이 소정의 압력으로 높아질 때, 파이프 바깥쪽에 마련된 토출구에서 압축가스가 토출되는 원리를 이용한다.The compressor has a structure in which a screw rotor having a screw structure of six compartments having a large twist at the center in the screw top and two gate rotors having eleven teeth each are engaged with the shaft. When the screw rotor in the center is rotated, The outer air is sucked into the space of the groove and one compression chamber is formed by the cylinder and the gate rotor. The teeth of the gate rotor move according to the rotation of the screw rotor, and the volume of the gap is reduced in the space of the opened groove. The compressed gas is discharged from the discharge port provided outside the pipe when the pressure is increased and the rotation further proceeds to increase the internal pressure to a predetermined pressure.

압축기에 의해 가압된 가스는 분리막을 통과하며, 분리막은 투과 속도가 빠른 가스 성분의 상대적인 농도가 높은 투과부(permeate) 및 투과 속도가 느린 가스 성분의 상대적인 농도가 높은 배제부(retentate)를 포함한다. 분리막을 통과하는 연소가스 중 배제부를 통과하는 가스는 부산물 가스로서 공급 압력과 유사한 압력을 유지하고 있으며, 투과부를 통과하는 가스는 이산화탄소가 분리되어 농축된 가스로서 감압되어 농축된 혼합가스를 공급 압력보다 낮은 압력으로 다음 단의 가스 분리부로 유입된다.The gas pressurized by the compressor passes through the separation membrane, and the separation membrane includes a permeate having a relatively high concentration of the gas component having a high permeation rate and a retentate having a relatively high concentration of the gas component having a low permeation rate. As a by-product gas, the gas passing through the separation membrane maintains a pressure similar to the supply pressure, and the gas passing through the permeation section is decompressed as carbon dioxide is separated and concentrated, And flows into the gas separation section at the next stage at a low pressure.

압축기는 전단의 가스 분리부의 분리막 투과부로부터 유출되는 농축된 혼합 가스의 유출 압력에 대하여 2배 내지 10배로 가압하여 후단의 가스 분리부의 분리막으로 유입시키는 공급 압력을 제공한다. 분리막으로 유입된 혼합 가스는 분리막을 투과하면서 감압되는데, 후단의 가스 분리부의 압축기에 의해 공급 압력으로 가압된 후 후단의 분리막으로 혼합 가스가 유입된다.The compressor provides a supply pressure to pressurize the condensed gas flowing out of the separator permeable portion of the gas separation portion at the front end to a pressure of 2 to 10 times the outlet pressure of the concentrated mixed gas to flow into the separator of the gas separation portion at the downstream. The mixed gas introduced into the separation membrane is decompressed while passing through the separation membrane. The mixture gas is introduced into the separation membrane at the downstream end after being pressurized by the compressor of the downstream gas separation unit by the supply pressure.

예를 들어, 압축기에 의해 연소 가스는 2 내지 10 Bar·G의 공급 압력으로 가압되어 전단의 분리막으로 유입되고, 분리막의 투과부를 통과하여 농축된 혼합 가스는 0 내지 1 Bar·G 의 압력으로 감압된다. 감압된 혼합 가스는 후단의 가스 분리부에 포함되는 압축기에 의해 다시 2 내지 10 Bar·G의 공급 압력으로 가압되어 후단의 분리막으로 유입된다. For example, the combustion gas is pressurized by a compressor at a supply pressure of 2 to 10 Bar · G to be introduced into the separator at the front end, and the mixed gas, which is condensed through the permeate portion of the separator, do. The decompressed mixed gas is again pressurized by the compressor included in the gas separation unit at the downstream stage at a supply pressure of 2 to 10 Bar G to be introduced into the downstream separation membrane.

더욱 구체적으로, 전처리부(10)로부터 불순물이 제거된 혼합가스는 1단 압축기(21)로 유입되고, 1단 압축기(21)에 의해 가압되는 혼합가스는 1단 분리막(23) 도입부로 유입되며, 혼합가스 중 이산화탄소가 상대적으로 빠른 속도로 분리막을 통과하여 1단 분리막(23)의 투과부에 1차 농축되어 2단 압축기(31)로 유입된다. 혼합가스 중 질소는 상대적으로 느린 속도에 의해 대부분이 분리막을 통과하지 못하고 1단 분리막(23)의 배제부를 통과하여 배출되거나 굴뚝으로 반송되어 분리막 시스템을 다시 통과시키도록 할 수 있다. More specifically, the mixed gas from which the impurities have been removed from the preprocessing unit 10 flows into the first stage compressor 21, and the mixed gas pressurized by the first stage compressor 21 flows into the inlet of the first stage separator 23 , The carbon dioxide in the mixed gas passes through the separator at a relatively high speed, is first concentrated in the permeate portion of the first separation membrane 23, and then flows into the second compressor 31. Nitrogen in the mixed gas can pass through the exclusion portion of the first separation membrane 23 or be transported to the chimney to pass through the separation membrane system again, because most of the nitrogen gas can not pass through the separation membrane due to the relatively slow velocity.

분리막은 내부 중공 부분의 지상 구조와 중간층의 마이크로 기공 그리고 표면의 비다공성 구조로 되어 있는 분리막을 사용할 수 있다. The separation membrane may be a separation membrane having a ground structure of an inner hollow portion, a micro pore of an intermediate layer, and a non-porous structure on the surface.

1단 분리막(23)을 통해 얻어지는 이산화탄소가 1차 농축된 혼합가스는 35% 이상의 농도의 이산화탄소를 포함한다.The mixed gas obtained through the first-stage separation membrane (23) in which the carbon dioxide is first concentrated contains carbon dioxide having a concentration of 35% or more.

2단 압축기(31)는 1차 농축된 혼합가스를 가압하여 2단 분리막(33)으로 유입시키는데, 이 때 2단 압축기(31)의 흡입 압력에 의해 2단 분리막(23)의 투과부측의 이산화탄소 분리 효율이 상승되는 효과가 있다. The two-stage compressor 31 pressurizes the first concentrated gas mixture into the two-stage separator 33. At this time, the suction pressure of the two-stage compressor 31 causes the carbon dioxide The separation efficiency is increased.

1단 분리막(23)의 투과부를 통과한 1차 농축된 혼합가스는 1단 분리막(23)에의 공급 압력보다 낮은 압력으로 2단 압축기(31)에 유입되고, 1차 농축된 혼합가스는 2단 압축기(31)에 의해 가압되어 2단 분리막(33) 도입부로 유입된다.The first concentrated gas mixture having passed through the permeate portion of the first separation membrane 23 flows into the second stage compressor 31 at a pressure lower than the supply pressure to the first separation membrane 23, Is pressurized by the compressor (31) and flows into the inlet of the two-stage separation membrane (33).

2단 분리막(33) 도입부로 유입되는 1차 농축된 혼합가스 중 이산화탄소가 상대적으로 빠른 속도로 분리막을 통과하여 2단 분리막(33)의 투과부에 2차 농축되어 3단 압축기(41)로 유입된다. 1차 농축된 혼합가스 중 질소는 상대적으로 느린 속도에 의해 대부분이 분리막을 통과하지 못하고 2단 분리막(33)의 배제부를 통과하여 배출되거나 굴뚝으로 반송되어 분리막 시스템을 다시 통과시키도록 할 수 있다. 된다.Among the primarily concentrated mixed gas flowing into the inlet of the two-stage separation membrane 33, carbon dioxide passes through the separation membrane at a relatively high speed, is secondarily concentrated in the permeate portion of the two-stage separation membrane 33 and flows into the three- . Nitrogen in the first concentrated gas mixture can pass through the exclusion portion of the two-stage separation membrane 33 or be transported to the chimney and pass through the separation membrane system again because most of the nitrogen is not passed through the separation membrane due to the relatively slow velocity. do.

2단 분리막(33)을 통해 얻어지는 이산화탄소가 2차 농축된 혼합가스는 70% 이상의 농도의 이산화탄소를 포함한다.The mixed gas obtained through the two-stage separation membrane 33 with the carbon dioxide being secondarily concentrated contains carbon dioxide having a concentration of 70% or more.

3단 압축기(41)는 2차 농축된 혼합가스를 가압하여 3단 분리막(43)으로 유입시키는데, 이 때 3단 압축기(41)의 흡입 압력에 의해 2단 분리막(33)의 투과부측의 이산화탄소 분리 효율이 상승되는 효과가 있다. The three-stage compressor 41 pressurizes the second-concentrated gas mixture into the three-stage separator 43. At this time, due to the suction pressure of the three-stage compressor 41, the carbon dioxide The separation efficiency is increased.

2단 분리막(33)의 투과부를 통과한 2차 농축된 혼합가스는 2단 분리막(33)에의 공급 압력보다 낮은 압력으로 3단 압축기(41)에 유입되고, 2차 농축된 혼합가스는 3단 압축기(41)에 의해 가압되어 3단 분리막(43) 도입부로 유입된다. The secondarily concentrated mixed gas that has passed through the transmission portion of the two-stage separation membrane (33) flows into the three-stage compressor (41) at a pressure lower than the supply pressure to the two-stage separation membrane (33) And is pressurized by the compressor 41 to be introduced into the inlet of the three-stage separation membrane 43.

3단 분리막(43) 도입부로 유입되는 2차 농축된 혼합가스 중 이산화탄소가 상대적으로 빠른 속도로 분리막을 통과하여 3단 분리막(43)의 투과부에 3차 농축되어 95% 이상의 농도의 이산화탄소를 생성한다. 2차 농축된 혼합가스 중 질소는 상대적으로 느린 속도에 의해 대부분이 분리막을 통과하지 못하고 3단 분리막(43)의 배제부를 통과하여 배출되거나 굴뚝으로 반송되어 분리막 시스템을 다시 통과시키도록 할 수 있다. Of the second concentrated gas mixture introduced into the inlet of the three-stage separation membrane 43, carbon dioxide passes through the separation membrane at a relatively high speed and is thirdly concentrated in the permeate portion of the three-stage separation membrane 43 to produce carbon dioxide having a concentration of 95% . Nitrogen in the second concentrated gas mixture can pass through the exclusion portion of the three-stage separation membrane 43 or be transported to the chimney and pass through the separation membrane system again because most of the nitrogen is not passed through the separation membrane at a relatively slow rate.

1단 내지 3단을 거칠수록 혼합가스가 분리/농축됨에 따라 막 면적을 감소시켜 형성함으로써 분리막 사용을 절감하면서도 이산화탄소의 분리효율을 높일 수 있다. 더욱 구체적으로 1단 가스 분리부(20)의 1단 분리막(23) 면적에 대하여, 2단 가스 분리부(30)의 2단 분리막(33) 면적은 1단 분리막(23) 면적의 10 내지 50%로 형성하고, 3단 가스 분리부(40)의 3단 분리막(43) 면적은 2단 분리막(23) 면적의 20 내지 60%로 형성한다The separation efficiency of the carbon dioxide can be increased while reducing the membrane area by decreasing the membrane area as the mixed gas is separated and condensed as it goes through the first to third stages. More specifically, the area of the two-stage separation membrane (33) of the two-stage gas separation unit (30) is in the range of 10 to 50 times the area of the first separation membrane (23) %, And the area of the three-stage separation membrane 43 of the three-stage gas separation section 40 is 20 to 60% of the area of the two-stage separation membrane 23

각 단의 가스 분리부에 포함되는 압축기에 의해 분리막으로 공급되는 압력이 일정하게 유지되고, 전단 분리막에 발생하는 흡입 압력에 의해 이산화탄소 분리 효율이 증가하기 때문에, 후단으로 갈수록 작은 면적의 분리막을 사용하더라도 이산화탄소가 더욱 농축된 혼합 가스를 제공할 수 있다. The pressure supplied to the separation membrane by the compressor included in the gas separation section at each stage is kept constant and the carbon dioxide separation efficiency is increased by the suction pressure generated in the front separation membrane. Therefore, even if the separation membrane It is possible to provide a mixed gas in which carbon dioxide is more concentrated.

분리막은 폴리술폰, 폴리이미드 및 폴리이서술폰으로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나 이상으로 이루어진 분리막을 사용한다.The separation membrane is made of a separation membrane made of at least one selected from the group consisting of polysulfone, polyimide, and polyisophthalon.

본 발명의 일실시예에 따른 분리막 시스템의 분리 성능 향상 장치는 도 2에 나타낸 것과 같이 가스 분리부(20, 30)에서의 이산화탄소 분리 성능을 향상시키기 위하여, 가스 분리부(20, 30)의 2단 압축기(31)와 2단 분리막(33) 사이에 구비되는 2단 가스탱크(32)를 더 포함하고, 2단 가스탱크(32)의 압력을 조절하는 압력조절장치(60)를 더 포함한다. 2, in order to improve the carbon dioxide separation performance of the gas separation units 20 and 30, the separation performance improving apparatus of the separation membrane system according to an embodiment of the present invention includes a gas separation unit 20, Stage gas tank 32 provided between the compressor 31 and the two-stage separation membrane 33 and further includes a pressure regulating device 60 for regulating the pressure of the two-stage gas tank 32 .

또한 도 3에 나타낸 것과 같이 본 발명의 일실시예에 따른 분리막 시스템의 분리 성능 향상장치는 도 3에 나타낸 것과 같이 이산화탄소 분리 성능을 더욱 향상시키기 위하여 3단 압축기(41)와 3단 분리막(43) 사이에 구비되는 3단 가스탱크(42) 및 3단 가스탱크(42)의 압력을 조절하는 압력조절장치(60')를 포함하는 3단 가스 분리부(40)를 더 포함할 수 있다. 3, the separation performance improving apparatus of the separation membrane system according to an embodiment of the present invention includes a three-stage compressor 41 and a three-stage separation membrane 43 for further improving the carbon dioxide separation performance, Stage gas separation unit 40 including a three-stage gas tank 42 and a pressure regulator 60 'for regulating the pressure of the three-stage gas tank 42 provided between the three-stage gas tank 42 and the three-

분리막 시스템에 의한 연소 가스 중 이산화탄소 분리 및 농축 공정을 적용함에 있어 압축기(21, 31, 41)는 설정 압력과 압축기와 연결된 가스탱크 압력이 같아지면 구동을 정지하는데, 전단에 연결된 분리막이 없는 1단 압축기(21)와 달리 2단 압축기(31) 및 3단 압축기(41)의 경우 구동이 정지되면 압축기 흡입 라인과 연결된 전단의 분리막 투과부에 차압이 형성되어 분리막 효율을 저하시킨다. In applying the carbon dioxide separation and concentration process in the combustion gas by the separation membrane system, the compressors (21, 31, 41) stop driving when the set pressure and the gas tank pressure connected to the compressor become equal, Unlike the compressor 21, in the case of the two-stage compressor 31 and the three-stage compressor 41, when the driving is stopped, a differential pressure is formed at the separator permeate portion of the front end connected to the compressor suction line,

즉 1단 압축기(21)는 설정 압력이 연결된 1단 가스탱크(22)의 압력과 같아져 구동이 정지되어도 1단 압축기(21)의 흡입 라인과 연결된 전단의 분리막이 존재하지 않아 분리 효율을 저하시킬 염려가 없으나, 2단 압축기(31)의 경우 1단 분리막(23)의 투과부와 연결되어 있으므로 2단 압축기(31)가 연결된 2단 가스탱크(32)와의 압력이 같아서 구동이 정지된다면 1단 분리막(23)에서 혼합가스가 투과속도의 차이에 의해 분리되지 못하고 1단 분리막(23) 도입부로 공급된 혼합가스 전체가 1단 분리막(23) 배제부로 배출되기 때문에 1단 분리막(23)의 분리 효율을 저하시키는 문제가 발생한다.Stage compressor 21 is equal in pressure to the pressure of the first-stage gas tank 22 to which the set pressure is connected, the separation of the front end connected to the suction line of the first-stage compressor 21 does not exist, However, in the case of the two-stage compressor 31, since the pressure of the two-stage compressor 31 is the same as that of the two-stage gas tank 32 connected to the transmission portion of the first stage separator 23, The mixed gas in the separation membrane 23 can not be separated due to the difference in the permeation rate and the entire mixed gas supplied to the inlet section of the first separation membrane 23 is discharged to the separation section of the first separation membrane 23, A problem of lowering the efficiency occurs.

따라서 본 발명의 일실시예에 따른 분리막 시스템의 분리 성능 향상 장치는 다단 분리공정 적용 시 분리막, 압축기, 가스탱크의 압력을 제어하여 혼합가스의 분리 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다. Accordingly, in the separation performance improving apparatus of the separation membrane system according to an embodiment of the present invention, when the multi-stage separation process is applied, the separation efficiency of the mixed gas can be prevented by controlling the pressure of the separation membrane, the compressor, and the gas tank.

더욱 구체적으로, 1단 압축기(21)는 연결된 1단 가스탱크(22)의 압력이 설정 압력(2 내지 10 Bar·G)이 될 때까지 구동된다. 1단 가스탱크(22)의 압력이 설정 압력을 초과하게 되면 1단 압축기(21)는 구동을 정지하고, 1단 가스탱크(22)의 압력이 설정 압력에 미달하게 되면 1단 압축기(21)는 설정 압력에 도달하기 위하여 구동된다. More specifically, the one-stage compressor 21 is driven until the pressure of the connected first-stage gas tank 22 becomes the set pressure (2 to 10 Bar G). When the pressure of the first stage gas tank 22 exceeds the set pressure, the first stage compressor 21 stops driving. When the pressure of the first stage gas tank 22 is lower than the set pressure, Is driven to reach the set pressure.

2단 압축기(31) 역시 연결된 2단 가스탱크(32)의 압력이 설정 압력(2 내지 10 Bar·G)이 될 때까지 구동된다. 이 때, 2단 가스탱크(32)에 연결된 압력조절장치(60)는 2단 가스탱크(32)의 압력이 상기 설정 압력보다 0.1 내지 2 Bar·G 작게 유지되도록 압력을 조절한다. 따라서 2단 가스탱크(32)의 압력이 2단 압축기(31)의 설정 압력보다 항상 작게 유지되기 때문에 2단 압축기(31)의 구동이 정지되는 것을 방지한다. Stage compressor 31 is also driven until the pressure of the connected two-stage gas tank 32 becomes the set pressure (2 to 10 Bar · G). In this case, the pressure regulating device 60 connected to the second-stage gas tank 32 regulates the pressure so that the pressure of the second-stage gas tank 32 is maintained to be 0.1 to 2 Bar · G less than the set pressure. Accordingly, since the pressure of the second-stage gas tank 32 is always kept lower than the set pressure of the second-stage compressor 31, the driving of the second-stage compressor 31 is prevented from being stopped.

즉 2단 압축기(31)는 연속운전을 하게 되므로 1단 분리막(23) 투과부에 흡입 압력이 계속적으로 발생하게 되어 1단 분리막(23)의 분리 성능 향상을 유지시킬 수 있으며, 이산화탄소가 1차 농축된 혼합가스를 2단 분리막(33)에 일정한 압력(일정한 유량)으로 공급할 수 있다. That is, since the two-stage compressor 31 is continuously operated, the suction pressure is continuously generated in the transmitting portion of the first-stage separating membrane 23, so that the separation performance of the first-stage separating membrane 23 can be maintained. It is possible to supply the mixed gas to the two-stage separation membrane 33 at a constant pressure (constant flow rate).

본 발명의 일실시예에 따른 분리막 시스템의 분리 성능 향상 장치는 1단 가스 분리부(20), 2단 가스 분리부(30) 및 3단 가스 분리부(40)에 각각 포함되는 분리막의 배제부 유량을 조절하는 제어부(50)를 더 포함한다. The separation performance enhancing apparatus of the separation membrane system according to an embodiment of the present invention may include a separator for separating the separation membrane contained in the first stage gas separator 20, the second stage gas separator 30 and the third stage gas separator 40, And a control unit 50 for controlling the flow rate.

제어부(50)는 일정한 압력에서 1단 분리막(23), 2단 분리막(33), 2단 분리막(43) 각각의 배제부 유량을 조절하여 분리막에 유입되는 혼합 가스의 유량에 대한 투과부로 유출되는 혼합 가스의 유량의 비율(stage-cut)을 제어한다. The control unit 50 controls the flow rate of the exclusion part of each of the first stage separation membrane 23, the second stage separation membrane 33 and the second separation membrane 43 at a constant pressure so as to flow out to the permeation section with respect to the flow rate of the mixed gas flowing into the separation membrane And the ratio of the flow rate of the mixed gas (stage-cut) is controlled.

더욱 구체적으로, 제어부(50)는 1단 분리막(23)에 유입되는 혼합 가스의 유량에 대한 투과부 유량의 비율이 0.2 내지 0.6 범위 내 이도록 제어하고, 2단 분리막(33)에 유입되는 혼합 가스의 유량에 대한 투과부 유량의 비율이 0.2 내지 0.6 범위 내 이도록 제어하며, 3단 분리막(43)에 유입되는 혼합 가스의 유량에 대한 투과부 유량의 비율이 0.4 내지 0.7 범위 내 이도록 제어한다. More specifically, the control unit 50 controls the ratio of the permeate flow rate to the flow rate of the mixed gas flowing into the first-stage separation membrane 23 to be in the range of 0.2 to 0.6, The ratio of the permeate flow rate to the flow rate is controlled to be in the range of 0.2 to 0.6 and the ratio of the permeate flow rate to the flow rate of the mixed gas flowing into the three-stage separation membrane 43 is controlled within the range of 0.4 to 0.7.

각 단의 분리막에 유입되는 혼합 가스의 유량에 대한 투과부 유량의 비율이 상기의 범위 내에서 작아질수록 분리막 투과부의 이산화탄소의 농도가 높아진다. 또한 각 분리막에서 상기 비율을 초과하도록 제어되는 경우 회수되는 이산화탄소의 농축 농도가 저하되는 문제점이 있으며, 상기 비율 미만으로 제어되는 경우 이산화탄소의 회수 효율이 저하되는 문제점이 있다.As the ratio of the flow rate of the permeate to the flow rate of the mixed gas flowing into the separation membrane at each stage becomes smaller within the above range, the concentration of carbon dioxide in the permeate permeation portion becomes higher. Also, when each of the separation membranes is controlled to exceed the above-mentioned ratio, there is a problem that concentration concentration of recovered carbon dioxide is lowered, and when it is controlled below the ratio, the recovery efficiency of carbon dioxide is lowered.

실시예 및 비교예Examples and Comparative Examples

(1) 실시예(1) Embodiment

연소가스의 제1 모사가스를 제조하여 본 발명의 일실시예에 따른 분리막 시스템의 분리 성능 향상 장치의 분리막 성능 평가를 실시하였다. 제1 모사가스의 조성은 이산화탄소 10~15%, 질소 70~73%, 산소 4~9%로 제조하였다.The first simulated gas of the combustion gas was manufactured to evaluate the membrane performance of the separation performance improving apparatus of the separation membrane system according to an embodiment of the present invention. The composition of the first simulated gas was 10 to 15% of carbon dioxide, 70 to 73% of nitrogen, and 4 to 9% of oxygen.

제1 모사가스는 7Bar·G 의 압력으로 1단 분리막으로 공급되고, 1단 분리막을 통과하지 않은 배제부 가스는 연소가스 굴뚝으로 보내지고, 1단 분리막을 통과한 투과부 가스는 2단 압축기로 보내어졌다.The first simulated gas is supplied to the first stage separator at a pressure of 7 Bar · G, the ex- haust gas not passed through the first stage separator is sent to the combustion gas chimney, and the permeate gas passing through the first stage separator is sent to the second stage compressor lost.

2단 압축기는 2단 가스탱크의 내부의 가스압력이 8Bar·G 으로 가압되었을 때 정지하도록 설정하고, 2단 가스탱크의 후단에 2단 분리막 공급배관 라인 및 연소가스 굴뚝으로 보내는 벤트(vent) 라인을 설치하였다. The second stage compressor is set to stop when the gas pressure inside the second stage gas tank is pressurized to 8 Bar · G, and a vent line to the second stage gas tank and to the second stage separation pipe supply piping line and the combustion gas chimney Respectively.

연소가스 굴뚝으로 보내지는 벤트(vent) 라인에 압력조절장치를 설치하여 2단 가스탱크의 압력이 7.5Bar·G 로 유지할 수 있도록 하여, 2단 압축기가 정지하지 않고 지속적으로 구동될 수 있도록 하여 2단 압축기가 연속운전할 때 얻어진 1단 분리막의 배제부와 투과부에서의 이산화탄소, 산소 및 질소의 농도를 표 1에 나타내었다. A pressure regulator is installed in the vent line to the flue gas chimney so that the pressure of the 2-stage gas tank can be maintained at 7.5Bar · G, so that the 2-stage compressor can be continuously driven without stopping. Table 1 shows the concentration of carbon dioxide, oxygen and nitrogen in the exclusion portion and the permeation portion of the single-stage separator obtained when the compressor is continuously operated.

(2) 비교예(2) Comparative Example

상기 제조한 제1 모사가스는 7Bar·G 의 압력으로 1단 분리막으로 공급되고, 1단 분리막을 통과하지 않은 배제부 가스는 연소가스 굴뚝으로 보내지고, 1단 분리막을 통과한 투과부 가스는 2단 압축기로 보내어졌다.The first simulated gas thus prepared is supplied to the first stage separator at a pressure of 7 Bar · G, the exclusion gas not passed through the first stage separator is sent to the flue gas chimney, the permeate gas passing through the first stage separator is separated into two stages It was sent to a compressor.

2단 압축기는 2단 가스탱크의 내부의 가스압력이 8Bar·G 으로 가압되었을 때 정지하도록 설정하고, 압력조절장치를 구비하지 않아 2단 압축기가 가동을 멈춤으로써 2단 압축기 흡입 압력에 의한 분리효율 향상이 없을 때 얻어진 1단 분리막의 배제부와 투과부에서의 이산화탄소, 산소 및 질소의 농도를 표 1에 나타내었다. The two-stage compressor is set to stop when the gas pressure inside the second-stage gas tank is pressurized to 8 Bar · G, and the second-stage compressor stops operating without the pressure regulator, Table 1 shows the concentrations of carbon dioxide, oxygen, and nitrogen in the exclusion portion and the permeation portion of the first-step separation membrane obtained when there is no improvement.

No.No. Stage-cutStage-cut 1st Retentate Conc.(%)1 st Retentate Conc. (%) 1st Permeate Conc.(%)1 st Permeate Conc. (%) CO2 CO 2 O2 O 2 N2 N 2 CO2 CO 2 O2 O 2 N2 N 2 실시예Example 0.30.3 4.334.33 7.227.22 88.4588.45 51.2051.20 9.149.14 39.6639.66 비교예Comparative Example 0.30.3 4.854.85 5.915.91 89.2589.25 45.8045.80 11.2611.26 42.9442.94

상기 표 1에 나타나는 결과와 같이 2단 압축기가 연속 운전을 한 실시예의 경우에 비교예에 비해 1단 분리막 투과부에서의 이산화탄소 농도가 높은 것을 알 수 있다. As shown in Table 1, it can be seen that the carbon dioxide concentration in the permeate portion of the first stage separator is higher than that of the Comparative Example in the case of the continuous operation of the two-stage compressor.

전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The features, structures, effects, and the like illustrated in the above-described embodiments can be combined and modified in other embodiments by those skilled in the art to which the embodiments belong. Therefore, it should be understood that the present invention is not limited to these combinations and modifications.

100: 분리막 시스템
10: 전처리부
11: 필터
12: 드라이어
13: 흡착탑
20: 1단 가스 분리부
21: 1단(전단) 압축기
22; 1단(전단) 가스탱크
23: 1단(전단) 분리막
30: 2단 가스 분리부
31: 2단(후단) 압축기
32; 2단(후단) 가스탱크
33: 2단(후단) 분리막
40: 3단 가스 분리부
41: 3단 압축기
42: 3단 가스탱크
43: 3단 분리막
50: 제어부
60: 압력조절장치
100: Membrane system
10:
11: Filter
12: Dryer
13: Adsorption tower
20: First stage gas separation unit
21: 1 stage (shear) compressor
22; 1 stage (front end) gas tank
23: 1st stage (shear) membrane
30: Second stage gas separation unit
31: 2nd stage (rear stage) compressor
32; Second stage (rear stage) gas tank
33: Second stage (rear stage) membrane
40: Third stage gas separation unit
41: Three-stage compressor
42: Three-stage gas tank
43: triple separation membrane
50:
60: Pressure regulator

Claims (7)

1단 가스 분리부, 2단 가스 분리부 및 압력조절장치를 포함하여 연소가스 중의 이산화탄소를 회수하는 분리막 시스템의 분리 성능 향상 장치로서,
상기 1단 및 2단 가스 분리부는 각각,
이산화탄소, 산소 및 질소를 포함하는 혼합 가스가 유입되고, 유입된 혼합 가스를 공급 압력으로 가압하여 유출하는 1단 및 2단 압축기;
상기 가압된 혼합 가스가 유입되고, 유입된 혼합 가스가 유출되는 1단 및 2단 가스탱크; 및
상기 가스탱크로부터 혼합 가스가 유입되고, 유입된 혼합 가스 중 분리막을 투과한 성분이 농축되는 투과부, 및 분리막을 투과하지 못한 성분이 농축되는 배제부를 포함하는 1단 및 2단 분리막;을 포함하고,
상기 압축기는 상기 압축기에 연결된 가스탱크의 압력이 설정 압력 이상일 때 구동을 정지하는 방식으로 제어되며,
상기 압력조절장치는 상기 2단 가스탱크의 압력이 상기 설정 압력보다 0.1 내지 2 Bar·G 작게 유지되도록 압력을 조절하여 상기 2단 압축기가 연속적으로 구동되도록 하는 장치인 분리막 시스템의 분리 성능 향상 장치.
1. A separation performance improving apparatus for a separation membrane system for recovering carbon dioxide in a combustion gas, including a first stage gas separation unit, a second stage gas separation unit, and a pressure control unit,
The first and second stage gas separation units are respectively connected to the first-
Stage and second-stage compressors into which a mixed gas containing carbon dioxide, oxygen and nitrogen is introduced and which flows out by pressurizing the introduced mixed gas at a supply pressure;
A first and a second gas tank through which the pressurized mixed gas flows and the introduced mixed gas flows out; And
A first and a second separation membrane including a permeate portion into which a mixed gas flows from the gas tank and into which a component permeated through the separation membrane of the introduced mixed gas is concentrated and an exclusion portion through which a component that does not permeate the separation membrane is concentrated,
Wherein the compressor is controlled in such a manner that driving stops when the pressure of the gas tank connected to the compressor is equal to or higher than a set pressure,
Wherein the pressure regulating device is a device for continuously driving the two-stage compressor by regulating the pressure so that the pressure of the two-stage gas tank is kept to be smaller than the set pressure by 0.1 to 2 Bar G.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 1단 및 2단 압축기의 설정 압력은 2 내지 10 Bar·G 인 분리막 시스템의 분리 성능 향상 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the set pressure of the first and second compressors is 2 to 10 Bar · G.
제1항에 있어서,
상기 분리막 시스템의 분리 성능 장치는 상기 1단 및 2단 분리막 각각의 배제부 유량을 조절하여 유입되는 혼합 가스의 유량에 대한 투과부로 유출되는 혼합 가스의 유량의 비율을 제어하는 제어부를 더 포함하며,
상기 제어부는 상기 1단 및 2단 분리막에 유입되는 혼합 가스의 유량에 대한 투과부 유량의 비율이 0.2 내지 0.6 범위 내 이도록 제어하는 분리막 시스템의 분리 성능 향상 장치.
The method according to claim 1,
The separation performance apparatus of the separation membrane system further includes a control unit for controlling the flow rate of the mixed gas flowing out to the permeation unit with respect to the flow rate of the mixed gas by adjusting the flow rate of the exclusion unit of each of the first and second separation membranes,
Wherein the control unit controls the ratio of the permeate flow rate to the flow rate of the mixed gas flowing into the first and second separation membranes to be in the range of 0.2 to 0.6.
제1항에 있어서,
상기 1단 및 2단 분리막은 폴리술폰, 폴리이미드 및 폴리이서술폰으로 구성되는 군에서 선택되는 어느 1종 이상으로 형성되는 분리막 시스템의 분리 성능 향상 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the first and second separation membranes are formed of at least one selected from the group consisting of polysulfone, polyimide, and polyisophthalon.
제1항에 있어서,
이산화탄소, 산소, 질소 및 불순물을 포함하는 연소 가스가 유입되고, 상기 연소 가스로부터 불순물을 제거하여 이산화탄소, 산소 및 질소를 포함하는 혼합 가스를 상기 2단 압축기로 유출하는 전처리부;를 더 포함하는 분리막 시스템의 분리 성능 향상 장치.
The method according to claim 1,
And a pretreatment unit for introducing a combustion gas containing carbon dioxide, oxygen, nitrogen, and impurities, and removing impurities from the combustion gas to discharge a mixed gas containing carbon dioxide, oxygen, and nitrogen into the two- System separation performance improvement device.
제6항에 있어서,
상기 전처리부는 상기 연소 가스 내의 입자상 물질 및 수분을 포함하는 불순물을 제거하는 필터, 드라이어 및 흡착탑을 포함하는 분리막 시스템의 분리 성능 향상 장치.
The method according to claim 6,
Wherein the pretreatment unit comprises a filter, a dryer and an adsorption column for removing impurities including particulate matter and moisture in the combustion gas.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101529130B1 (en) * 2014-09-18 2015-06-17 한국화학연구원 A multi-stage membrane process and an upgrading apparatus for the production of high purity methane gas using low operation pressure and temperature conditions
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