KR102348167B1 - 혼합가스에서 이산화탄소를 흡착·분리하는 시스템 및 공정 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 혼합가스로부터 수분을 제거하는 수분제거장치; 흡수제탱크로부터 흡수제를 공급받아 상기 수분제거장치로부터 유입된 혼합가스와 반응시켜 이산화탄소가 흡착된 흡수제를 배출하는 흡수용 기액접촉기; 상기 흡수용 기액접촉기로부터 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 공급받아 흡수제로부터 이산화탄소를 분리하여 이산화탄소 저장조로 배출하고 이산화탄소가 분리된 흡수제를 상기 흡수제탱크로 배출하는 탈거용 기액접촉기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합가스에서 이산화탄소를 흡착·분리하는 시스템 및 공정에 관한 것이다.

Description

혼합가스에서 이산화탄소를 흡착·분리하는 시스템 및 공정{System and process for adsorbing and separating carbon dioxide from mixed gas}
본 발명은 혼합가스로부터 CO2를 흡착·분리하는 시스템 및 공정에 관한 것이다.
화력발전 혼합가스, 정유공장 등 산업현장에서 쓰이는 다양한 가열기(heater)의 혼합가스 등에 다량 포함된 이산화탄소(CO2)는 대표적인 지구온난화 원인물질인 온실가스로서, 6대 온실가스 중 지구온난화 기여도가 60%에 달하는 주요 물질이다. 석탄화력발전 혼합가스 중 CO2의 농도는 약 15%, 바이오가스 중 CO2는 약 40~60%로서 배출가스마다 CO2의 농도는 상이하며, 특히 혼합가스는 CO2를 제외하면 거의 주성분이 메탄(CH4)인데 메탄 역시 강력한 온실가스로서 단위 질량 당 CO2 대비 지구온난화 지수가 21배이다(CO2=1).
상기에서 언급한 다양한 혼합가스로부터 CO2를 분리하여 격리하거나 유용한 물질로 전환하는 이산화탄소 포집, 활용, 및 저장 기술(CCUS: carbon dioxide capture, utilization, sequestration)의 전체 가치 사슬 중 가장 큰 비중을 차지하는 기술요소는 CO2 분리 혹은 포집 기술이며 전체 가치 사슬 비용 중 약 80%를 차지하므로, CO2 포집기술을 더 경제적이고 안정적인 운전이 가능하도록 기술개발이 활발히 이뤄지고 있다.
CO2 포집기술은 기본적으로 가스분리기술이며, 전통적으로 흡수, 흡착, 막분리, 심냉법 등이 대표적이다. 대량의 CO2를 처리하기 위한 가장 성숙한 기술은 아민 등을 CO2 흡수제로 사용하는 습식흡수법이 고려되고 있다. 습식흡수법의 구성 설비 중 가장 큰 부피를 차지하는 것은 흡수탑 인데, 주로 지난 수 십 년간 다양한 공정에 적용되어 온 충진탑을 기액접촉을 위한 흡수탑으로 사용하고 있다.
하지만 검증이 된 기술임에도 불구하고, 충진탑은 실제 내부를 X-ray로 촬영해 보면 상부에서 하부로 떨어지는 흡수제용액이 전체 충진층을 적시지 못하고 한쪽으로만 흐르는 편류로 인해 실질적으로는 내부 공간의 30% 수준만을 사용하는 등 기체와의 접촉이 비효율적인 단점이 있고, 이로 인해 탑의 지름과 높이가 과다하게 설계될 수밖에 없는 상황이다.
이에 대한 대안으로서, 중공사막과 같은 막을 가스 분리수단이 아닌 기체와 액체가 막의 기공을 통해 접촉할 수 있는 기-액 접촉기로 활용하는 막접촉기(membrane contactor)가 제시될 수 있으며, 1990년대부터 일부 기관에 의해 연구가 진행되고 있다. 막접촉기는 충진탑, 분부탑, 기포탑에 비해 기체와 액체가 접촉할 수 있는 비표면적이 넓음은 물론, 기체와 액체가 뒤섞이지 않으므로 분리된 가스가 흡수제 용액을 끌고 반응기를 탈출하는 비밀동반 및 기화손실(vapor loss)을 저감할 수 있어서 환경적으로도 유리하다.
따라서 기존 충진탑 대비 반응기의 크기를 최대 1/10 수준까지 현저히 줄일 수 있고, 설치부지가 협소한 기존 발전소 및 공장에도 적용 가능하고, 이동식 모듈화 하여 교외의 혼합가스 배출원인 혐기성소화조에도 적용할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
다만 막접촉기 뿐만 아니라 혼합가스에 포함된 수분 등에 대해서도 하나의 시스템으로 이를 처리할 수 있는 기술의 필요성이 대두된다.
대한민국 특허등록 제1763144호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 바이오가스 등 CO2가 포함된 혼합가스를 대상으로 전처리로서 수분제거는 물론 효율적으로 CO2의 흡착 및 분리가 가능하도록 하는 시스템을 제공하고자 함이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 혼합가스에서 이산화탄소를 흡착·분리하는 시스템(이하 “본 발명의 시스템”이라함)은, 혼합가스로부터 수분을 제거하는 수분제거장치; 흡수제탱크로부터 흡수제를 공급받아 상기 수분제거장치로부터 유입된 혼합가스와 반응시켜 이산화탄소가 흡착된 흡수제를 배출하는 흡수용 기액접촉기; 상기 흡수용 기액접촉기로부터 이산화탄소가 흡착된 흡수제를 공급받아 흡수제로부터 이산화탄소를 분리하여 이산화탄소 저장조로 배출하고 이산화탄소가 분리된 흡수제를 상기 흡수제탱크로 배출하는 탈거용 기액접촉기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 상기 흡수제는, 선형의 폴리아민; 아미노산;을 포함하며, 하기 화학식에 의해 표현되는 것을 특징으로 한다.
Figure 112020010284450-pat00001
하나의 예로 상기 폴리아민 1몰 당 상기 아미노산은 등몰 또는 그 이상이 합성되는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 상기 폴리아민은, 에틸렌디아민(EDA), 디에틸렌트리아민(DETA), 트리에틸렌테트라아민(TETA) 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 상기 아미노산은 글리신, 알라닌, 감마아미노부티르산(GABA)에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 상기 수분제거장치는, 상부에서 질산칼슘 용액이 공급되고 하부에서 혼합가스가 공급되어 상호 접촉시간을 가지도록 하기 위한 접촉층이 구비되되, 상기 접촉층은, 질산칼슘 용액이 지그재그로 하향으로 유동하면서 상향하는 혼합가스와 접촉토록 상,하로 지그재그로 형성되는 유도판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 상기 유도판에는 타공부가 구성되어 타공부를 통해 혼합가스가 상향하도록 하되, 상기 타공부는 상방향으로 직경이 커지는 꼬리와 상기 꼬리보다 직경이 큰 머리로 이루어진 와류유도구가 복수로 구성되며, 인접하는 와류유도구의 머리 간에 유로를 형성하도록 하고, 복수의 머리가 상기 유도판 상부에 굴곡된 면을 형성하도록 하며, 상기 유도판에서 질산칼슘 용액의 유동방향과 평행하게 복수의 유도가이드가 돌출되는 것을 특징으로 한다.
하나의 예로 상기 복수의 유도가이드를 관통하면서 상기 유로에 대향하는 위치에 형성되는 회전축과, 상기 회전축에 회전연동이 가능하도록 장착되며 하향으로 너비가 커지는 복수의 와류유도절편과, 상기 복수의 유도가이드를 관통하면서 상기 와류유도절편이 경사구배가 형성되도록 하는 고정핀을 포함하는 제 2와류유도구가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
한편 본 발명의 혼합가스로부터서 이산화탄소를 흡착·분리하는 공정(이하 “본 발명의 공정”이라함)은, 상기 수분제거장치를 이용하여 혼합가스로부터 수분을 제거하는 단계(S10); 흡수용 기액접촉기를 이용하여 상기 흡수제와 상기 수분제거장치로부터 유입된 혼합가스를 반응시켜 이산화탄소가 흡착된 흡수제를 배출하는 단계(S20); 탈거용 기액접촉기를 이용하는 상기 흡수용 기액접촉기로부터 이산화탄소가 흡착된 흡수제를 공급받아 흡수제로부터 이산화탄소를 분리하여 이산화탄소 저장조로 배출하고 이산화탄소가 분리된 흡수제를 상기 흡수제탱크로 배출하는 단계(S30);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명은 흡수제에 의해 혼합가스로부터 이산화탄소의 흡착율을 높이고, 전처리로서 수분제거효율을 높이는 등에 의해 효율적이면서 안정적인 운영이 가능하도록 하는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 시스템을 나타내는 블록도.
도 2는 CEP 측정결과를 나타내는 그래프.
도 3은 도 1에 도시된 수분제거장치를 나타내는 개략도.
도 4 및 도 5는 도 3에 있어 접촉층의 일예를 나타내는 작동상태도.
아래에서는 본 발명에 따른 양호한 실시 예를 상세히 설명한다.
본 발명의 시스템(1)은 도 1에서 보는 바와 같이 혼합가스로부터 이산화황 등을 처리하는 전처리장치(2, 3, 4); 흡수제탱크(10)로부터 흡수제를 공급받아 상기 전처리장치(2, 3, 4)로부터 유입된 혼합가스와 반응시켜 이산화탄소가 흡착된 흡수제를 배출하고 순수한 메탄을 메탄저장조(9)로 배출하는 흡수용 기액접촉기(5); 상기 흡수용 기액접촉기(5)로부터 이산화탄소가 흡착된 흡수제를 공급받아 흡수제로부터 이산화탄소를 분리하여 이산화탄소 저장조(8)로 배출하고 이산화탄소가 분리된 흡수제를 상기 흡수제탱크(10)로 배출하는 탈거용 기액접촉기(7);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
우선 상기 전처리장치는 도 1에서 보는 바와 같이 혼합가스로부터 1차적으로 수분을 제거하는 수분제거장치(2)와, 수분제거장치(2)로부터 혼합가스를 유입하여 이산화황을 처리하는 가스탈황장치(3)와, 가스탈황장치(3)로부터 혼합가스를 유입하여 2차적으로 수분을 제거하는 제습기(4)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
혼합가스는 거의 100에 가까운 상대습도를 가진 채로 가스관로를 통과하기 때문에 관로가 냉각될 때에 결로가 생겨 관로 내에 물이 고이게 되는 문제가 있어 전체 시스템에 부하를 유발할 수 있으며, 특히 분리된 메탄에 수분함유율이 높은 경우 상기 메탄저장조(9)에서 도면에 도시된 바는 없으나 교반이 이루어지는데 이러한 교반과정에서 포말의 동반에 의해 생기는 물방울을 제거하는 별도의 공정이 필요하므로 본 발명의 시스템(1)에서는 전처리로서 혼합가스가 수분제거장치(2)를 통과토록 하는 것이다.
상기 가스탈황장치(3)는 다양한 공지기술이 적용될 수 있으며 일 예로 황산화미생물을 이용한 생물탈황을 적용하여 H2S농도를 10ppm 이하로 안정적으로 유지시키도록 하는 것이 타당하다. 일반적으로 보일러나 발전기 등 가스 사용처 직전에 혼합가스를 탈황시켜 사용하나 생물탈황에서는 탈황시킨 가스를 저장해 둘 수 있어 유연한 활용이 가능하다.
그 다음으로 탈황된 혼합가스로부터 2차적으로 수분을 제거하기 위한 제습기(4)가 구성된다.
이렇게 수분이 제거된 혼합가스가 후단의 흡수용 기액접촉기(5) 등으로 유입되도록 함으로써 흡수용 기액접촉기(5) 등의 부하방지를 통해 고순도 메탄수득 효율을 높이는 등 전체 시스템의 운영효율을 높이도록 할 수 있다.
한편 본 발명에서는 도 3 내지 도 5에서 보는 바와 같이 1차적으로 혼합가스로부터 수분제거효율을 높여 후단의 제습기(4)의 부하를 줄이고 전체적으로 혼합가스로부터 수분제거효율을 높이도록 하는 실시예가 제시되고 있다.
본 실시예의 수분제거장치(2)는 도 3에서 보는 바와 같이 상부에서 질산칼슘 용액(w)이 공급되고 하부에서 혼합가스(g)가 공급되어 상호 접촉시간을 가지도록 하기 위한 접촉층(23)이 구비되되, 상기 접촉층(23)은, 질산칼슘 용액이 지그재그로 하향으로 유동하면서 상향하는 혼합가스와 접촉토록 상,하로 지그재그로 형성되는 유도판(231)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 수분제거장치(2)에는 우선 도 3에서 보는 바와 같이 하부에 혼합가스가 유입되도록 하는 유입라인(211)이 형성되고 상부에 이하에서 설명하는 작용기작에 의해 수분, 이물질 등이 제거된 처리가스가 배출되는 배출라인(212)과 상부에 질산칼슘 용액이 주입되는 제 2유입라인(213)과 하부에 반응을 거친 질산칼슘 용액이 배출되는 제 2배출라인(214)이 형성되는 하우징(21)이 구성된다.
상기 질산칼슘 용액은 혼합가스의 수분을 제거하는 것은 물론 잠열, 혼합가스 내에 포함되어 있는 오염물질을 흡착하는 역할을 한다. 질산칼슘은 오염물질 흡착특성이 우수하며, 용해도가 큼과 동시에 온도에 따른 용해도 차이가 커 저온 상태에서는 회수가 용이하다. 또한, 질산칼슘은 용해시 흡열반응을 일으켜 혼합가스의 잠열 회수특성이 우수하다.
상기 질산칼슘 용액이 사용되는 경우 잠열 회수 및 수분 흡수 특성을 최대화하기 위해 질산칼슘 용액의 농도는 50∼70wt%로 조절되는 것이 바람직하다. 상기 질산칼슘의 농도가 50wt% 미만이면 수분흡수율이 떨어지고, 상기 질산칼슘의 농도가 70wt%를 초과하면 침전되거나 고화되는 경향이 있다.
상기 하우징(21) 내에는 접촉층(23)이 구성되는 바, 하강하는 질산칼슘 용액과 상승하는 혼합가스가 충분한 접촉시간을 가지도록 함으로써 수분제거효율을 높일 수 있게 하는 것이다.
이를 위해 상기 접촉층(23)에는 하강하는 질산칼슘 용액이 지그재그로 유동토록 하기 위해서 상,하로 지그재그로 형성되는 유도판(231)이 구성되도록 한다. 각 유도판(231)의 끝단에는 하강유로(232)가 형성되어 질산칼슘 용액이 지그재그로 하강하도록 하는 것이다.
또한 상기 유도판(231)에는 타공부(233)가 구성되어 타공부(233)를 통해 혼합가스가 상향하도록 하되, 상기 타공부(233)는 상방향으로 직경이 커지는 꼬리(236-1)와 상기 꼬리(236-1)보다 직경이 큰 머리(236-2)로 이루어진 와류유도구(236)가 복수로 구성되며, 인접하는 와류유도구(236)의 머리(236-2) 간에 유로(235)를 형성하도록 하고, 복수의 머리(236-2)가 상기 유도판(231) 상부에 굴곡된 면을 형성하도록 하며, 상기 유도판(231)에서 질산칼슘 용액의 유동방향과 평행하게 복수의 유도가이드(234)가 돌출되는 것을 특징으로 한다.
상기 유도판(231)에는 상기 타공부(233) 주변부에 턱을 형성하는 적층판(238)이 더 구성되도록 하여 유도판(231)으로 유도된 질산칼슘 용액의 유동을 타공부(233)로 유도토록 하여 질산칼슘 용액과 혼합가스의 접촉면적을 크게 가져가도록 하는 것이 바람직하다.
상기 타공부(233)는 도 4에서 보는 바와 같이 상방향으로 직경이 커지는 꼬리(236-1)와 상기 꼬리(236-1)보다 직경이 큰 머리(236-2)로 이루어진 와류유도구(236)가 복수로 구성되되 인접하는 와류유도구(236)의 머리(236-2) 간에 유로(235)를 형성하도록 함에 특징이 있다.
즉 타공부(233)는 복수의 와류유도구(236)에 의해 형성되며 와류유도구(236)의 머리(236-2) 간의 간극에 의해 유로(235)가 형성되어 상방향으로 유동하는 혼합가스가 유로(235)를 통해 유도판(231)을 관통하여 유도판(231) 상부에서 유동하는 질산칼슘 용액과 접촉이 되도록 하는 것이다.
특히 상방향으로 유동하는 혼합가스는 상기 꼬리(236-1)에 의해 분산되도록 하면서 와류유도구(236) 간 꼬리(236-1) 형상에 의해 유로(235)로 분산된 혼합가스가 모이면서 유도판(231)을 상방향으로 관통하도록 하여 상방향의 혼합가스가 균일하게 분산되어 질산칼슘 용액과 접촉이 되도록 하는 것으로 전체 혼합가스가 질산칼슘 용액에 노출이 되어 균일한 수분, 잠열 및 오염물질의 회수가 이루어지도록 하기 위한 것이다.
또한 복수의 머리(236-2)는 질산칼슘 용액의 유동에 굴곡된 면을 형성하게 됨으로써 균일하게 분산되어 상방향으로 유동하는 혼합가스와 접촉효율을 높일 수 있게 되는 것이다. 즉 노출되는 복수의 머리(236-2)에 의해 질산칼슘 용액의 유동에는 와류가 형성되도록 하는 것이다.
또한 상기 타공부(233)에는 질산칼슘 용액의 유동방향과 평행하게 복수의 유도가이드(234)가 돌출되도록 하는데, 이는 질산칼슘 용액의 유동을 하향유로(232) 방향으로 가이드 하기 위함이다.
이에 더하여 본 실시예에서는 유동하는 질산칼슘 용액에 와류형성을 더욱 입체적으로 형성시켜 혼합가스와 접촉시간을 길게 가져가는 것은 물론 반응효율을 더욱 높이도록 하기 위해 제 2와류유도구(237)가 더 구성되도록 한다.
상기 제 2와류유도구(237)는 상기 복수의 유도가이드(234)를 관통하면서 상기 유로(235)에 대향하는 위치에 형성되는 회전축(237-1)과, 상기 회전축(237-1)에 회전연동이 가능하도록 장착되며 하향으로 너비가 커지는 복수의 와류유도절편(237-2)과, 상기 복수의 유도가이드(234)를 관통하면서 상기 와류유도절편(237-2)이 경사구배가 형성되도록 하는 고정핀(237-3)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 구성되어 상기 와류유도절편(237-2)은 상기 유로(235) 상부에서 도면에서 보는 바와 같은 경사구배가 형성되도록 하여 유동하는 질산칼슘 용액이 와류유도절편(237-2)에 충돌하여 와류가 형성되도록 하는 것은 물론 유로(235)를 통해 상향하는 혼합가스도 와류유도절편(237-2)에 충돌하여 와류가 형성되도록 하는 것이다. 즉 유로(235) 상부에서 질산칼슘 용액의 와류와 혼합가스의 와류가 상호 충돌하도록 하여 접촉시간을 길게 가져가고 반응효율을 더욱 높이도록 하는 것이다.
또한 상기 와류유도절편(237-2)은 회전축(237-1)에서 회전연동이 가능하도록 장착되며, 하향으로 너비가 커지는 형상에 기해 질산칼슘 용액 및 혼합가스의 타격에 의해 회전축(237-1)을 중심으로 힌지연동을 하며 이러한 와류유도절편(237-2)의 힌지연동으로 더욱 입체적인 와류의 형성이 가능하면서 힌지연동에 의한 진동에너지가 부과되어 반응효율을 더욱 배가시키도록 하는 것이다.
또한 도 4에서 보는 바와 같이 와류유도절편(237-2)은 회전축(237-1)에서 복수의 유닛으로 구성되도록 하여 각각 별도의 힌지연동이 가능하도록 함으로써 입체적인 와류의 형성을 더욱 배가시키도록 하는 것이다.
이렇게 전단에서 수분제거 및 탈황이 이루어진 혼합가스는 후단의 흡수용 기액접촉기(5)로 유입된다.
상기 흡수용 기액접촉기(5)는 흡수제탱크(10)로부터 흡수제를 공급받아 전단에서 유입된 혼합가스와 반응시켜 이산화탄소가 흡착된 흡수제를 배출하고 순수한 메탄을 메탄저장조(9)로 배출하토록 하는 구성에 해당한다.
상기 흡수제탱크(10)는 최초 흡수제를 충진하여 저장하는 구성으로 저장되는 흡수제 온도를 40℃ 미만으로 유지하는 것이 타당하다. 또한 상기 흡수제는 순환에 의해 재활용이 되지만 이 과정에서 흡수제의 열화(degradation)가 발생되는 경우 흡수제의 보충이 필요할 수 있다.
상기 흡수용 기액접촉기(5)는 흡수제와 혼합가스가 접촉하는 면적을 늘려주기 위해서 사용되는 것으로 도면에 도시된 바는 없으나 shell side(바깥부분)로는 흡수제가 유동토록 하며, lumen side(관 내부)로는 가스가 유동토록 하여 공지의 작동기작에 의해 관을 형성하는 멤브레인에서 흡수제가 혼합가스로부터 이산화탄소를 흡착함으로써 혼합가스로부터 이산화탄소를 분리하여 순수한 메탄이 분리되도록 하는 것이다.
관 형상의 멤브레인 재질은 polypropylene 등 다양한 공지의 재질을 사용할 수 있다.
특히 본 발명의 상기 흡수제는, 하기 화학식에서 보는 바와 같이 선형의 폴리아민; 아미노산;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112020010284450-pat00002
기액접촉기의 막젖음을 제어할 수 있는 흡수제의 특성으로서 높은 점도와 높은 표면장력이 요구되는데, 이를 위해 본 발명에서는 1) 아미노기를 2개 이상 갖고 있는 선형의 폴리아민을 backbone으로 사용하여 흡수제 용액의 점도를 높임과 동시에 여러 개의 아미노기가 CO2를 흡수하도록 하고, 2) 폴리아민의 말단에 있는 아미노기에 등몰 또는 그 이상의 아미노산을 부착하여 용액의 표면장력을 높여서, 결과론적으로 높은 CO2 흡수능과 낮은 막기공 젖음 특성(점도 및 표면장력의 시너지효과)이 발현되도록 하는 것이다.
상기의 설명과 같이 CO2 흡수능을 높이고 점도를 높이기 위해서 선형의 폴리아민은, 에틸렌디아민(EDA), 디에틸렌트리아민(DETA), 트리에틸렌테트라아민(TETA) 중에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하고, 표면장력을 높이기 위해 폴리아민 1몰 당 등몰 혹은 그 이상의 아미노산을 혼합하여 거대분자를 형성하게 하되, 아미노산은 그 농도를 높일수록 표면장력이 높아지는 아미노산, 예로 글리신(glycine), 알라닌(alanine), 감마아미노부티르산(GABA, gamma-aminobutyric acid) 중 선택된 1종 이상을 적용하는 것이 타당하다.
본 발명에 있어 흡수제 용액을 제조 시 수용액 상에서 아미노산의 탈양성자화 된 카르복실기와 선형 폴리아민의 끝단에 있는 아미노기가 상호작용하여 합성이 되도록 하였다. 이하에서 보는 바와 같이 이산화탄소 흡수성능은 혼합가스 조성을 모사한 CO2 50%, CH4 50%의 가스를 사용하여 40℃ 흡수, 80℃에서 탈거반응을 실시하여 cyclic CO2 capacity를 측정하였고, 기공크기가 45㎛인 평막을 이용하여 흡수제 용액이 기공을 뚫고 반대쪽으로 유출되는 압력인 임계투과압력(critical entry pressure, CEP)을 측정하여 막기공 젖음 특성을 확인하였다.
이하 실험 예에 의거 흡수제의 바람직한 실시 예를 설명한다.
각 시료에 대한 이산화탄소 흡수능을 실험하였다. 하기 표 1은 운전조건을 도시한 것으로 하기 실험플로우에 따라 실험을 수행하였다.
Figure 112020010284450-pat00003
<실험플로우>
① 본 실험은 CO2와 CH4 Gas를 사용하여 먼저 흘려보내주는 gas CO2 부피를 50 v/v%로 setting
② 40℃로 맞춰진 water bath에 반응기를 넣고 ①에서 setting된 기체를 반응기 내부로 흘려보내 CO2 흡수를 시작
③ 흡수제의 CO2 농도가 49%가 되면 CO2 주입을 멈추어 흡수를 종료하고, 반응기와 관에 남아있는 CO2를 제거 (물리적 흡수방지)
④ 80℃로 맞춰진 water bath로 반응기를 옮겨 반응기내부에 메탄만 주입되는 상태에서 탈거를 시작하여 CO2 농도가 5%가 되면 모든 실험을 종료
Figure 112020010284450-pat00004
상기 실험에 있어 흡수제 총 농도는 30 wt%로 고정하였으며, Glycine(글리신) 오른쪽의 괄호는 폴리아민(EDA, TEDA) 1몰당 합성을 위해 투입한 Glycine의 몰수이다.
상기 표 2에서 보는 바와 같이 Cyclic capacity는 한 사이클 당 제거 가능한 CO2의 양으로서, 30 wt% TETA(1) + glycine(1)이 benchmark 흡수제인 30 wt% MEA 대비 64%가 높은 것을 알 수 있다.
또한 임계투과압력 측정장치를 이용하여 막 기공젖음에 대한 실험을 수행하였는 바, 측정된 CEP가 높을수록 젖음이 제어되는 것으로 판단할 수 있다. 실험결과가 도 2에 도시되고 있는 바, 본 실험의 경우도 30 wt% TETA(1) + glycine(1)이 benchmark 흡수제인 30 wt% MEA(모노에탄올아민) 대비 CEP는 3.1배 가량 높은 것을 알 수 있다. 즉 본 발명의 흡수제가 막젖음을 제어하여 기액접촉기의 안정적인 운영이 가능하도록 하는 것을 확인할 수 있었다.
상기 흡수용 기액접촉기(5)로부터 이산화탄소가 흡수된 흡수제는 후단의 탈거탱크(6)로 배출되는데 상기 탈거탱크(6)에서는 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 저장하면서 기화된 이산화탄소를 도 1에서 보는 바와 같이 상기 이산화탄소 저장조(8)로 배출시키고, 저장된 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 후단의 탈거용 기액접촉기(7)로 배출토록 한다. 바람직하게 상기 탈거탱크(6)의 온도는 흡수제가 탈거탱크를 나가는 시점을 기준으로 80 ~ 100℃ 정도로 운전하는 것이 바람직한 바, 온도를 올리는 과정에서 흡수제로부터 이산화탄소의 일부가 탈거되도록 하는 것이다.
상기 탈거용 기액접촉기(7)는 상기 탈거탱크(6)로부터 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 공급받아 흡수제로부터 이산화탄소를 분리하여 이산화탄소 저장조(8)로 배출하고 이산화탄소가 분리된 흡수제를 상기 흡수제탱크(10)로 배출하는 구성에 해당한다.
상기 탈거용 기액접촉기(7)의 경우 흡수용 기액접촉기(5)와 동일하게 공지의 구성에 해당하는 것으로 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 재생하기 위한 구성으로 흡수제와 대기사이의 접촉면적을 최대화 시키기 위한 것이다.
도면에 도시된 바는 없으나 lumen side(관 내부)로 이산화탄소가 흡착된 흡수제가 유동토록 하고 shell side(바깥부분)로는 공기가 유동토록 하여 공지의 작동기작에 의해 관을 형성하는 멤브레인에서 흡수제로부터 이산화탄소가 분리되도록 하는 것이다.
바람직하게 탈거용 기액접촉기(7)는 감압탈거에 의해 운영토록 하며 0.3 ~ 0.5 bar정도로 운전하는 것이 타당하다.
상기 메탄저장조(9)는 이산화탄소가 분리된 혼합가스가 저장되는 구성으로 도면에 도시된 바는 없으나 수송용 배관을 통하여 도시가스배관과 결합하거나 혹은 가스 부스터 등을 이용하여 압축, 보관토록 한다. 당연히 상기 메탄저장조(9)에는 내부의 이상압력 상승 등을 대비하여 안전장치(습식안전변 및 안전밸브 등)를 설치하여야 한다. 또한 가스의 사용을 위해 메탄저장조(9)는 가스압력을 일정 하에 자동 조절할 수 있는 장치(KS규격 또는 동등기준 이상)를 설치하여야 한다.
상기 이산화탄소 저장조(8)는 흡수제 재생 후 탈거 된 이산화탄소를 외부로 배출하지 않고 저장하면서 도면에 도시된 바는 없으나 다양한 용도로 재활용이 되도록 하는 구성에 해당하다.
한편 본 발명의 공정은 상기 수분제거장치를 이용하여 혼합가스로부터 수분을 제거하는 단계(S10); 흡수용 기액접촉기를 이용하여 상기 흡수제와 상기 수분제거장치로부터 유입된 혼합가스를 반응시켜 이산화탄소가 흡착된 흡수제를 배출하는 단계(S20); 탈거용 기액접촉기를 이용하는 상기 흡수용 기액접촉기로부터 이산화탄소가 흡착된 흡수제를 공급받아 흡수제로부터 이산화탄소를 분리하여 이산화탄소 저장조로 배출하고 이산화탄소가 분리된 흡수제를 상기 흡수제탱크로 배출하는 단계(S30);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않음은 물론이며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 기술적 지식을 가진 자에 의해 상기 기재된 내용으로부터 다양한 수정 및 변형이 가능할 수 있음은 물론이다.
1 : 본 발명의 시스템 2 : 수분제거장치
3 : 가스탈황장치 4 : 제습기
5 : 흡수용 기액접촉기 6 : 탈거탱크
7 : 탈거용 기액접촉기 8 : 이산화탄소 저장조
9 : 메탄 저장조 10 : 흡수제 탱크

Claims (9)

  1. 혼합가스로부터 수분을 제거하는 수분제거장치;
    흡수제탱크로부터 흡수제를 공급받아 상기 수분제거장치로부터 유입된 혼합가스와 반응시켜 이산화탄소가 흡착된 흡수제를 배출하는 흡수용 기액접촉기; 및
    상기 흡수용 기액접촉기로부터 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 공급받아 흡수제로부터 이산화탄소를 분리하여 이산화탄소 저장조로 배출하고 이산화탄소가 분리된 흡수제를 상기 흡수제탱크로 배출하는 탈거용 기액접촉기;를 포함하되,
    상기 흡수제는,
    선형의 폴리아민; 아미노산;을 포함하며, 하기 화학식에 의해 표현되며,
    Figure 112021080314115-pat00011

    상기 수분제거장치는,
    상부에서 질산칼슘 용액이 공급되고 하부에서 혼합가스가 공급되어 상호 접촉시간을 가지도록 하기 위한 접촉층이 구비되되, 상기 접촉층은, 질산칼슘 용액이 지그재그로 하향으로 유동하면서 상향하는 혼합가스와 접촉토록 상,하로 지그재그로 형성되는 유도판을 포함하며,
    상기 유도판에는 타공부가 구성되어 타공부를 통해 혼합가스가 상향하도록 하되, 상기 타공부는 상방향으로 직경이 커지는 꼬리와 상기 꼬리보다 직경이 큰 머리로 이루어진 와류유도구가 복수로 구성되며, 인접하는 와류유도구의 머리 간에 유로를 형성하도록 하고, 복수의 머리가 상기 유도판 상부에 굴곡된 면을 형성하도록 하며, 상기 유도판에서 질산칼슘 용액의 유동방향과 평행하게 복수의 유도가이드가 돌출되고,
    상기 복수의 유도가이드를 관통하면서 상기 유로에 대향하는 위치에 형성되는 회전축과, 상기 회전축에 회전연동이 가능하도록 장착되며 하향으로 너비가 커지는 복수의 와류유도절편과, 상기 복수의 유도가이드를 관통하면서 상기 와류유도절편이 경사구배가 형성되도록 하는 고정핀을 포함하는 제 2와류유도구가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 혼합가스에서 이산화탄소를 흡착·분리하는 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 폴리아민 1몰 당 상기 아미노산은 등몰 또는 그 이상이 합성되는 것을 특징으로 하는 혼합가스에서 이산화탄소를 흡착·분리하는 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 폴리아민은, 에틸렌디아민(EDA), 디에틸렌트리아민(DETA), 트리에틸렌테트라아민(TETA) 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 혼합가스에서 이산화탄소를 흡착·분리하는 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 아미노산은 글리신, 알라닌, 감마아미노부티르산(GABA)에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 혼합가스에서 이산화탄소를 흡착·분리하는 시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1항, 제 3항 내지 제 5항 중 어느 한 항의 수분제거장치를 이용하여 혼합가스로부터 수분을 제거하는 단계(S10); 흡수용 기액접촉기를 이용하여 제 1항, 제 3항 내지 제 5항 중 어느 한 항의 흡수제와 상기 수분제거장치로부터 유입된 혼합가스를 반응시켜 이산화탄소가 흡착된 흡수제를 배출하는 단계(S20); 탈거용 기액접촉기를 이용하는 상기 흡수용 기액접촉기로부터 이산화탄소가 흡착된 흡수제를 공급받아 흡수제로부터 이산화탄소를 분리하여 이산화탄소 저장조로 배출하고 이산화탄소가 분리된 흡수제를 상기 흡수제탱크로 배출하는 단계(S30);를 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합가스로부터서 이산화탄소를 흡착·분리하는 공정.
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