KR102138662B1 - 이산화탄소 회수장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 회수장치는 암모니아수로 이루어지는 흡수액을 이용하여 배기되는 배가스에 포함된 이산화탄소를 회수하기 위한 이산화탄소 회수장치로서, 상기 배가스가 공급되도록 제공되어, 상기 배가스를 상기 흡수액에 접촉시켜 이산화탄소를 흡수한 후, 상기 흡수액으로부터 휘발된 암모니아 가스와 함께 배기하는 흡수탑; 상기 흡수탑을 순환하며 이산화탄소가 함유된 흡수액이 공급되도록 제공되어, 상기 흡수액에서 이산화탄소를 분리하여 재생한 후, 상기 이산화탄소를 상기 흡수액으로부터 휘발된 암모니아 가스와 함께 배기하는 재생탑; 및 상기 흡수탑 및 상기 재생탑의 상부에 제공되는 하부에 이산화탄소가 함유된 세정수가 연통하도록 제공되는 본체부를 포함하고, 상기 본체부의 상부에 설치되는 격벽에 의해 상기 흡수탑으로부터 배기되는 배가스 및 암모니아 가스의 혼합가스가 배기되는 제1공간과 상기 재생탑으로부터 배기되는 이산화탄소 및 암모니아 가스의 혼합가스가 배기되는 제2공간으로 구획되어, 상기 제1공간 및 상기 제2공간에 상기 세정수를 분사하여 암모니아 가스를 흡수하는 세정부;를 포함할 수 있다.

Description

이산화탄소 회수장치 {CARBON DIOXIDE RECOVERING APPARATUS}
본 발명은 이산화탄소 회수장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 재생탑과 흡수탑으로 공급되는 세정수를 공유하도록 구조를 개선한 이산화탄소 회수장치에 관한 것이다.
일반적으로 배가스에 포함되어 있는 이산화탄소(CO2)를 분리 및 제거하기 위하여 사용하는 방법으로 흡착법, 흡수법, 막분리법 등이 적용되고 있다.
여기서, 흡수법의 경우, 배가스에 포함되어 있는 이산화탄소를 분리 및 제거하기 위하여 이산화탄소 흡수액을 사용한다. 이와 같이 흡수법을 이용하여 배가스에 포함되어 있는 이산화탄소의 분리시 사용되는 이산화탄소 흡수액은 통상 아민계 화합물로 이루어지는 흡수액이 통용되고 있다.
그러나 배가스에서 이산화탄소 분리시 사용되는 흡수액으로 아민계 화합물을 사용할 경우, 아민계 화합물이 고가이기 때문에 전체적인 비용이 증가하고, 아민계 화합물에 의하여 배가스에서 이산화탄소를 흡수 및 분리하기 위한 기계장치가 부식되어 작은 유지 보수가 필요하다는 문제가 있다.
한편, 최근 들어 배가스로부터 이산화탄소를 흡수 및 제거하기 위하여 암모니아수가 주목을 받고 있는데, 이는 암모니아수의 비용이 상대적으로 저렴하고, 아민계 화합물에 비하여 배가스에서 이산화탄소를 흡수 및 분리하기 위한 기계장치의 부식 문제를 감소시킬 뿐만 아니라 아민계 화합물에 비해서 재생온도가 낮음에 따라 재생에너지 소모가 적은 장점이 있기 때문이다.
종래의 암모니아수를 이용한 이산화탄소 회수장치(1)는 흡수탑(10)과 재생탑(20) 상부에 세정단(30, 40)을 각각 설치하여 각각 암모니아가 배출되는 것을 방지하였다. 이때, 재생탑(20) 상부에 위치된 세정단(40)의 경우는 하부로 유입되는 가스 내 이산화탄소 가스의 농도가 높아 적은 양의 물로 효과적으로 암모니아의 제거가 가능하지만, 흡수탑(10) 상부의 세정단(30)에서는 이산화탄소 가스의 농도가 낮아 이산화탄소와의 중화반응이 아닌 물만으로 암모니아를 잡기 위해 많은 양의 세정수를 뿌려줘야 한다.
이는 세정수 재활용을 위해 가동되는 농축탑의 부하를 높여 농축탑에 소요되는 에너지 증가의 원인이 되고 있다.
즉, 종래에는 흡수탑(10)의 세정단(30)에 뿌려주는 세정수의 양이 재생탑(20) 상부의 세정단(40)에 뿌려주는 세정수의 약 2배 내지 6배에 달하지만, 흡수탑(10) 상부로 배출되는 가스내의 암모니아의 농도가 더 높은 실정이며, 이에 따라 흡수탑(10) 상부의 세정단(30)으로 더 많은 양의 세정수를 뿌려줘야 하므로, 낮은 효율에도 불구하고 더 많은 에너지가 소모되고 있어 개선이 요구되고 있다.
본 발명의 일 실시예는 흡수탑으로 공급되는 세정수가 재생탑으로 공급되는 세정수와 같은 조건으로 공급되도록 하여 암모니아 제거효율을 높일 수 있도록 하며, 이에 따라 이산화탄소를 회수하는 과정에서 소요되는 전체적인 에너지를 절감할 수 있도록 한 이산화탄소 회수장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 회수장치는 암모니아수로 이루어지는 흡수액을 이용하여 배기되는 배가스 혹은 이산화탄소를 포함하는 혼합가스에 포함된 이산화탄소를 회수하기 위한 이산화탄소 회수장치로서, 상기 배가스가 공급되도록 제공되어, 상기 배가스를 상기 흡수액에 접촉시켜 이산화탄소를 흡수한 후, 상기 흡수액으로부터 휘발된 암모니아 가스와 함께 배기하는 흡수탑; 상기 흡수탑을 순환하며 이산화탄소가 함유된 흡수액이 공급되도록 제공되어, 상기 흡수액에서 이산화탄소를 분리하여 재생한 후, 상기 이산화탄소를 상기 흡수액으로부터 휘발된 암모니아 가스와 함께 배기하는 재생탑; 및 상기 흡수탑 및 상기 재생탑의 상부에 제공되는 하부에 이산화탄소가 함유된 세정수가 연통하도록 제공되는 본체부를 포함하고, 상기 본체부의 상부에 설치되는 격벽에 의해 상기 흡수탑으로부터 배기되는 배가스 및 암모니아 가스의 혼합가스가 배기되는 제1공간과 상기 재생탑으로부터 배기되는 이산화탄소 및 암모니아 가스의 혼합가스가 배기되는 제2공간으로 구획되어, 상기 제1공간 및 상기 제2공간에 상기 세정수를 분사하여 암모니아 가스를 흡수하는 세정부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 흡수탑 및 상기 재생탑은 상기 격벽의 하단과 상기 세정수의 수위 사이에 연통하게 제공될 수 있다.
또한, 상기 세정부는 상기 본체부의 하부와 상기 제1공간 또는 상기 제2공간 사이에 연결되는 세정수 배관과, 상기 본체부에 저장된 세정수를 상기 세정수 배관으로 펌핑하는 펌프와, 상기 세정수 배관에 제공되어 세정수를 분사하는 분사부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 분사부는 상기 세정수를 분사하는 스프레이 타입(spray type) 노즐과 패킹을 포함할 수 있다.
또한, 상기 세정부의 하부에 제공되어 세정수에 이산화탄소를 용융시키기 위한 탄산무수화효소(carbonic anhydrase) 를 포함할 수 있다.
또한, 상기 세정부에 저장된 세정수를 순환하여 암모니아를 농축하여 제거하는 농축탑을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 세정부에 연계되어 상기 제2공간에는 배기되는 이산화탄소를 회수하여 이송하거나 저장하기 위한 이송 혹은 저장수단을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 흡수탑에서 배기되는 배가스 중의 암모니아가 이산화탄소를 함유한 세정수에 흡수되도록 하여 배가스 중의 암모니아의 제거효율을 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 실시예에 배가스 중의 암모니아 제거효율 향상으로 인해, 종래와 동일한 조건에서 흡수탑 상부로 분사되는 세정수의 양을 줄일 수 있고, 전체적인 에너지 소모량을 절감할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 이산화탄소 회수장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 회수장치의 세정부를 도시한 구성도.
이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 회수장치의 세정부를 도시한 구성도이다.
도 2를 참고하면, 본 실시예의 이산화탄소 회수장치는 고로 등으로부터 발생한 고로가스(BFG ; Blast Furnace Gas) 혹은 발전소나 소각로 배가스에 포함된 이산화탄소를 회수하는데 활용될 수 있다.
이러한 이산화탄소 회수장치는 암모니아수로 이루어지는 흡수액에 배가스를 통과시키고, 이 과정에서 배가스에 포함된 이산화탄소가 흡수액에 흡수되도록 하여 이산화탄소가 제거된 배가스를 배출할 수 있다.
또한, 흡수액에 흡수된 이산화탄소는 흡수액의 재생공정을 통해 분리되어 회수될 수 있다.
이를 위해, 본 실시예의 이산화탄소 회수장치는 흡수탑(도 1의 10)과, 재생탑(도 1의 20) 및 세정부(130)를 포함할 수 있다.
흡수탑(10)은 일측에 배가스 공급배관이 연결될 수 있으며, 이를 통해 배가스가 공급되도록 제공될 수 있다.
흡수탑(10)은 암모니아수로 이루어지는 흡수액이 공급되도록 제공되며, 내부에서 배가스를 흡수액에 접촉시켜 이산화탄소를 흡수할 수 있다.
또한, 흡수탑(10)은 흡수액에 의해 이산화탄소가 흡수된 배가스를 상부로 배기하게 되며, 이 과정에서 흡수액으로부터 휘발된 암모니아 가스가 함께 배기될 수 있다.
한편, 흡수탑(10)은 배관 등을 통해 재생탑(20)과 연결될 수 있다.
재생탑(20)은 일측에 흡수탑(10)과 연결된 흡수액 공급배관이 연결될 수 있으며, 이를 통해 흡수탑(10)을 순환하며 배가스로부터 이산화탄소를 흡수한 흡수액이 공급될 수 있다.
여기서, 재생탑(20)은 흡수액으로부터 이산화탄소를 분리하여 재생할 수 있으며, 이와 같이 이산화탄소가 분리된 흡수액을 다시 흡수탑(10)으로 공급할 수 있다.
또한, 재생탑(20)은 흡수액으로부터 분리된 이산화탄소를 상부로 배기하게 되며, 이 과정에서 흡수액으로부터 휘발된 암모니아 가스가 함께 배기될 수 있다.
한편, 세정부(130)는 흡수탑(10) 및 재생탑(20)의 상부에 제공될 수 있다.
이러한 세정부(130)는 하부 공간에 이산화탄소가 함유된 세정수가 연통하도록 제공된 본체부(132)를 포함할 수 있다.
또한, 본체부(132)의 상부에는 격벽(134)이 설치될 수 있으며, 이 격벽(134)은 세정수에 일정 깊이로 잠기도록 연장되어 본체부(132)의 상부를 제1공간(136)과 제2공간(138)으로 구획할 수 있다.
일례로, 세정부(130)의 제1공간(136)은 흡수탑(10)과 연결될 수 있으며, 흡수탑(10)으로부터 배기되는 배가스 및 암모니아 가스의 혼합가스(g1)가 배기될 수 있다.
이와 같이, 제1공간(136)으로 배기된 배가스 및 암모니아 가스의 혼합가스(g1)는 세정수를 통과하는 과정에서 대부분의 암모니아 가스가 흡수될 수 있다.
또한, 제1공간(136)에는 세정부(130) 하부에 저장된 세정수가 분사되도록 제공되며, 이에 따라 세정수에 흡수되지 않은 미량의 암모니아 가스가 세정수에 흡수될 수 있다.
이때, 제1공간(136)에서 분사되는 세정수는 이산화탄소를 포함하고 있으며, 이에 따라 암모니아 가스는 세정수에 포함된 이산화탄소에 의해 중화되어 세정수에 쉽게 흡수될 수 있다.
한편, 세정부(130)의 제1공간(136)에는 배가스가 배출되는 배가스 배출관(140)이 연결될 수 있으며, 배가스는 배가스 배출관(140)을 통해 별도의 설비로 공급되어 BFG의 경우에는 연료 등으로 재활용될 수 있고 배가스의 경우는 대기로 배출될 수 있다.
또한, 세정부(130)의 제2공간(138)에는 재생탑(20)으로부터 배기되는 이산화탄소 및 암모니아 가스의 혼합가스(g2)가 배기될 수 있다.
그리고, 제2공간(138)으로 배기된 이산화탄소 및 암모니아 가스의 혼합가스(g2)는 세정수를 통과하는 과정에서 대부분의 암모니아 가스가 흡수될 수 있다.
또한, 제2공간(138)에는 세정부(130) 하부에 저장된 세정수가 분사되도록 제공되며, 이에 따라 세정수에 흡수되지 않은 미량의 암모니아 가스가 세정수에 흡수될 수 있다.
이때, 제2공간(138)에서 분사되는 세정수는 이산화탄소를 포함하고 있으며, 이에 따라 암모니아 가스는 세정수에 포함된 이산화탄소에 의해 중화되어 세정수에 쉽게 흡수될 수 있다.
한편, 세정부(130)의 제2공간(138)에는 이산화탄소가 배출되는 이산화탄소 배출관(142)이 연결될 수 있으며, 이산화탄소는 이산화탄소 배출관(142)을 통해 별도의 설비로 공급되어 회수될 수 있다.
바람직하게는 이산화탄소 배출관에는 회수된 이산화탄소를 수송하거나 저장하기 위한 별도의 수송 혹은 저장수단이 연결될 수 있다.
더불어, 본 실시예에서 흡수탑(10) 및 재생탑(20)은 세정부(130)의 하부를 통과하여 연결되며, 출구부가 격벽(134)의 하단보다는 높은 위치에 위치되고, 세정수의 수위보다는 낮은 위치에 위치되는 것이 바람직하다.
따라서, 흡수탑(10)으로부터 배기되는 배가스 및 암모니아 가스의 혼합가스(g1)와 재생탑(20)으로부터 배기되는 이산화탄소 및 암모니아 가스의 혼합가스(g2)는 각각 흡수탑(10)과 재생탑(20)에서 배기된 후, 세정수의 상부로 부상하게 되며, 제1공간(136)과 제2공간(138)은 격벽(134)에 의해 구획됨에 따라 각각의 가스가 혼합되지 않는다.
또한, 세정부(130)는 본체부(132)의 하부와 제1공간(134) 또는 제2공간(136) 사이에 연결되는 세정수 배관(144)과, 본체부(132)에 저장된 세정수를 세정수 배관(144)으로 펌핑하는 펌프(146)를 포함할 수 있다. 또한, 세정수 배관(144)에는 세정수의 분사 특성을 제어하기 위한 분사부(148)가 제공될 수 있다.
더불어, 본 실시예에서는 세정부(130)의 본체부(132) 하부에는 세정수에 제거된 암모니아 가스를 농축하여 세정수를 재생하는 농축탑이 연계될 수 있다.
그리고, 이와 같이 농축탑에서 농축된 세정수는 세정수 배관과 연결된 세정수 보충배관(145)을 통해 다시 분사부(148)로 분사될 수 있다.
일례로 분사부(148)는 세정수가 제1공간(136) 및 제2공간(138)에 분사되는 과정에서 암모니아 가스와의 접촉을 증가시킬 수 있도록 패킹(packing)을 포함할 수 있다. 본 실시예에서 패킹은 가스와 세정수의 접촉 효율이 향상시키기 위한 구조물로, 다수의 매쉬망 형태 등의 다양한 형태로 제공되는 충진물로, 세정부 내의 공간에 채워지도록 제공될 수 있다.
따라서, 분사부(148)에서 분사된 세정부는 암모니아와의 접촉성이 향상됨에 따라 암모니아 가스에 대한 제거 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시예에서 세정부(130)는 세정수에 포함된 이산화탄소의 함량이 높을수록 암모니아 가스에 대한 중화반응이 쉽게 일어날 수 있으며, 이에 따라 암모니아 가스에 대한 흡수성능이 향상될 수 있다.
따라서, 세정부(130)의 하부에는 세정수에 이산화탄소를 용융시키기 위한 탄산무수화효소(CA ; carbonic anhydrase) (160)가 제공될 수 있다.
탄산무수화효소(160)는 세정수에 이산화탄소의 녹는 속도를 높이는 기능을 하여, 이에 따라 세정수가 고농도의 이산화탄소를 함유하게 되어 암모니아 가스에 대한 흡수성능이 향상될 수 있다.
한편, 본 실시예에서 세정부(130)는 세정수에 의해 제1공간(136)으로 배기되는 배가스 및 암모니아 가스의 혼합가스(g1)와, 제2공간(138)으로 배기되는 이산화탄소 및 암모니아 가스의 혼합가스(g2) 중 대부분의 암모니아 가스가 흡수되어 고농도의 암모니아수가 될 수 있다.
따라서, 세정부(130)에는 흡수된 암모니아의 함량을 낮추기 위한 농축탑이 연계될 수 있다.
여기서, 농축탑은 세정부(130)의 본체부(132) 하부에 연결된 농축수 배관(150)을 통해 세정수가 농축탑으로 공급되어, 열에너지에 의해서 농축수의 암모니아와 이산화탄소가 제거되고 세정수는 재생되어 세정수 보충배관(145)을 통해 다시 분사부(148)로 분사된다.
본 발명의 명세서, 본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
10: 흡수탑 20: 재생탑
130: 세정부 132: 본체부
134: 격벽 136: 제1공간
138: 제2공간 140: 배가스 배출관
142: 이산화탄소 배출관 144: 세정수 배관
145: 세정수 보충배관 146: 펌프
148: 분사부 150: 농축수 배관
160: 탄산무수화효소

Claims (6)

  1. 암모니아수로 이루어지는 흡수액을 이용하여 배기되는 배가스에 포함된 이산화탄소를 회수하기 위한 이산화탄소 회수장치로서,
    상기 배가스가 공급되도록 제공되어, 상기 배가스를 상기 흡수액에 접촉시켜 이산화탄소를 흡수한 후, 상기 흡수액으로부터 휘발된 암모니아 가스와 함께 배기하는 흡수탑;
    상기 흡수탑을 순환하며 이산화탄소가 함유된 흡수액이 공급되도록 제공되어, 상기 흡수액에서 이산화탄소를 분리하여 재생한 후, 상기 이산화탄소를 상기 흡수액으로부터 휘발된 암모니아 가스와 함께 배기하는 재생탑; 및
    상기 흡수탑 및 상기 재생탑의 상부에 제공되는 하부에 이산화탄소가 함유된 세정수가 연통하도록 제공되는 본체부를 포함하고, 상기 본체부의 상부에 설치되는 격벽에 의해 상기 흡수탑으로부터 배기되는 배가스 및 암모니아 가스의 혼합가스가 배기되는 제1공간과 상기 재생탑으로부터 배기되는 이산화탄소 및 암모니아 가스의 혼합가스가 배기되는 제2공간으로 구획되어, 상기 제1공간 및 상기 제2공간에 상기 세정수를 분사하여 암모니아 가스를 흡수하는 세정부;
    를 포함하며,
    상기 격벽은 상기 본체부의 상부에서 상기 세정수가 제공되는 하부 공간으로 연장되되 하단이 상기 세정수에 일정 깊이로 잠기도록 연장되어 상기 본체부의 상부를 상기 제1공간과 상기 제2공간으로 구획하고, 상기 하단과 상기 본체부의 하부 사이의 공간을 통해 상기 세정수가 상기 제1공간과 상기 제2공간을 연통하도록 하고,
    상기 흡수탑과 상기 재생탑은 상기 본체부의 하부를 통과하여 연결되되 각각의 출구부가 상기 격벽의 하단보다는 높은 위치에 위치되고 상기 세정수의 수위보다는 낮은 위치에 위치되어, 상기 흡수탑으로부터 배기되는 상기 혼합가스와 상기 재생탑으로부터 배기되는 상기 혼합가스는 각각 상기 세정수를 통과하여 상부로 부상한 후 상기 격벽에 의해 구획된 상기 제1공간과 상기 제2공간으로 배기되어 서로 혼합되지 않도록 구성되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 회수장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 세정부는
    상기 본체부의 하부와 상기 제1공간 또는 상기 제2공간 사이에 연결되는 세정수 배관과,
    상기 본체부에 저장된 세정수를 상기 세정수 배관으로 펌핑하는 펌프와,
    상기 세정수 배관에 제공되어 세정수를 분사하는 분사부를 포함하는 이산화탄소 회수장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 분사부는 상기 세정수를 분사하는 스프레이 타입(spray type) 노즐을 포함하는 이산화탄소 회수장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 세정부의 하부에 제공되어 세정수에 이산화탄소를 용융시키기 위한 탄산무수화효소(carbonic anhydrase)를 더 포함하는 이산화탄소 회수장치.
  6. 청구항 1, 청구항 3 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세정부에 저장된 세정수를 순환하여 암모니아를 농축하여 제거하는 농축탑을 더 포함하는 이산화탄소 회수장치.
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