KR102467329B1 - 판형 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치 및 이를 이용한 건식 이산화탄소 포집공정 - Google Patents

판형 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치 및 이를 이용한 건식 이산화탄소 포집공정 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 판형 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치는 소정의 간격을 이격하여 둘 이상의 판형 열교환기가 위치하고, 상기 판형 열교환기 사이에 건식 흡착제가 고정되며, 각각 수직방향을 기준으로 하부 및 상부에 위치하는 하부 반응기 및 상부 반응기를 구비한 네 개 이상의 베드, 상기 네 개 이상의 베드 각각에 동작 시퀀스에 따라 설정된 냉각수를 공급하는 냉각수 공급부, 상기 네 개 이상의 베드 각각에 동작 시퀀스에 따라 설정된 배가스를 공급하는 배가스 공급부 및 각 베드가 순차적으로 흡착 단계, 가열 단계, 탈착 단계 및 냉각 단계에서 작동하도록 배가스, 냉각수, 스팀 공급을 일정 시간 간격으로 전환시키기 위한 밸브 시스템을 포함하며, 동작 시퀀스에 따라 흡착 단계, 가열 단계, 탈착 단계 및 냉각 단계의 동작 시퀀스를 순차적으로 반복 수행한다.

Description

판형 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치 및 이를 이용한 건식 이산화탄소 포집공정{APPARATUS FOR DRY SORBENT CO2 CAPTURING USING PLATE HEAT EXCHANGER AND DRY SORBENT CO2 CAPTURING PROCESS USING THE SAME}
본 발명은 건식 이산화탄소 포집장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 판형 열교환기 및 건식 흡수제로 형성된 고정층을 이용하여 열효율을 높여 재생에너지를 낮춘 판형 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치에 관한 것이다.
화석 연료는 현대 사회에서 에너지를 공급하는 용도로 가장 널리 사용되고 있다. 이와 같이 화석 연료는 에너지 공급에 큰 부분을 차지하고 있으나, 화석 연료 사용으로 인해 전세계적으로 이산화탄소 배출량이 증가하는 추세이다. 국제에너지 기구(IEA)는 지구온난화를 야기하는 온실가스의 주범인 이산화탄소 배출량을 감소시키기 위하여 블루맵(Bluemap) 2050 시나리오를 통해 이산화탄소 배출량을 줄이기 위한 전략을 구축하였다. 국제에너지기구(IEA)의 2050년의 이산화탄소 배출량 목표는 현재 이산화탄소 배출량의 절반 수준이며, 이산화탄소 감축을 위한 전략 중 이산화탄소 포집 및 처리 기술(CCS)이 약 20%의 큰 부분을 차지하고 있다.
CCS 기술은 크게 이산화탄소(CO2)를 포집하고 압축하는 공정과, 이송하고 저장 및 처리하는 공정으로 나눌 수 있다. 모든 공정에 대해 활발한 연구가 진행되고 있지만, 이산화탄소 포집 및 압축 공정이 전체 CCS 비용의 70-80%를 차지하기 때문에 CCS의 경제성 제고를 위하여 이산화탄소 포집 및 압축 공정에 대한 연구가 집중되고 있다.
대표적인 연소 후 이산화탄소 포집 기술에는 습식 포집 기술, 건식 포집 기술, 그리고 분리막 기술이 있다. 습식 포집 기술은 보통 아민계 흡수제 용액을 사용하여, 흡수탑에서 배가스 중의 이산화탄소를 흡수제 용액과 접촉시켜 흡수하고 재생탑에서 이산화탄소를 탈거시켜 흡수제 용액을 재생시킨 후 흡수탑으로 재순환 시킨다. 이와 같은 습식 포집 기술은 낮은 재생 에너지를 요구하는 장점이 있으나, 흡수탑 상단으로 유해성이 있는 아민과 아민 변성물이 방출되는 문제를 가진다. 또한, 습식 포집 기술은 이산화탄소의 농도, 처리 대상 배가스의 압력, 탑(column)을 세우기 위한 장소에 따라 적용이 제한적이다. 예를 들어, 선박에 설치하는 경우, 흡수탑이 흔들리게 되어 배가스와 흡수제 용액이 서로 고르게 접촉되지 않아 흡수 성능이 저하될 수 밖에 없으며 안정적인 공정 운전에 영향을 준다.
건식 이산화탄소 포집 기술은 물리 흡착제 혹은 화학 흡착제를 이용하여 이산화탄소 흡착과 탈착을 반복하며 이산화탄소를 포집하며, 일반적으로 이산화탄소 선택도가 높고 흡착량이 많으며 물 흡착이 적게 일어나는 화학 흡착제가 선호된다. 포집 공정은 유동층 반응기 혹은 이동층 반응기 혹은 고정층 반응기를 이용한 다양한 구성이 가능하다. 건식 이산화탄소 포집 기술은 아민과 아민 변성물 배출에 따른 문제에서 자유로울 수 있으나, 현열 회수를 구현하기가 어려워 습식 이산화탄소 포집 공정에 비해 재생 에너지가 큰 단점을 가진다.
한편, 분리막 기술은 적은 공간을 요구하는 청결한 공정이지만, 물리적 분리라는 원리적 제약 때문에 회수되는 이산화탄소의 순도에 한계가 있으며 에너지 요구량이 크다는 단점을 갖는다.
한국등록특허공보 10-0983677호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 건식 이산화탄소 포집 공정의 탈착 시 요구되는 에너지를 감소시켜 높은 에너지 효율을 가지는 건식 이산화탄소 포집 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시 예를 설명한 하기의 설명으로부터 분명해질 것이다.
상기 목적은, 소정의 간격으로 이격 시킨 둘 이상의 판형 열교환기가 위치하고, 상기 판형 열교환기 사이에 건식 흡착제가 고정되며, 각각 수직방향을 기준으로 하부 및 상부에 위치하는 하부 반응기 및 상부 반응기를 구비한 네 개 이상의 베드, 상기 네 개 이상의 베드 각각에 동작 도식에 따라 설정된 냉각수를 공급하는 냉각수 공급부, 상기 베드에 배가스를 공급하는 배가스 공급부 및 각 베드가 순차적으로 흡착 단계, 가열 단계, 탈착 단계 및 냉각 단계에서 작동하도록 배가스, 냉각수, 스팀 공급을 일정 시간 간격으로 전환시키기 위한 밸브 시스템을 포함하는 판형 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치에 의해 달성된다.
바람직하게는, 상기 네 개 이상의 베드는 흡착 단계, 가열 단계, 탈착 단계 및 냉각 단계의 동작 시퀀스를 순차적으로 반복 수행하되, 흡착 단계, 가열 단계, 탈착 단계 및 냉각 단계 모두는 동일한 하나의 동작 시퀀스에서 서로 다른 베드에서 동시에 수행되며, 상기 흡착 단계는 상기 배가스 공급부로부터 하부 방향에서 공급된 배가스가 상부 방향으로 이동하며 상기 건식 흡착제와 접촉하며 상기 배가스에 포함된 이산화탄소가 상기 건식 흡착제에 흡착되고, 상기 건식 흡착제의 이산화탄소 흡착열을 하부로부터 공급된 냉각수를 통해 회수하여 가열 단계를 수행하는 베드로 전달하고, 상기 가열 단계는 상기 흡착 단계를 수행한 베드를 상기 흡착 단계에서 회수된 흡착열을 가지는 냉각수와 상기 냉각 단계에서 회수된 통합열을 가지는 냉각수를 통해 가열하며, 상기 탈착 단계는 상기 가열 단계를 수행한 베드를 공급된 고온의 스팀으로 가열하여 상기 건식 흡착제에서 이산화탄소를 탈착시키고, 상기 냉각 단계는 상기 탈착 단계에서 가열된 베드에 냉각수를 공급하여 통합열을 회수하고, 회수된 통합열을 가지는 냉각수를 가열 단계를 수행하는 베드로 전달하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 상기 흡착 단계를 수행하는 베드는 상기 하부 반응기에만 냉각수를 공급한 상태에서 상기 배가스를 공급하여 상기 하부 반응기의 건식 흡착제에 이산화탄소를 흡착시키며, 하부로부터 공급된 냉각수를 통해 하부 반응기의 흡착열을 회수하여 가열 단계를 수행하는 베드로 전달하고, 하부 반응기의 흡착 반응이 종료된 후, 상부 반응기에만 냉각수를 공급한 상태에서 상기 상부 반응기의 건식 흡착제에 이산화탄소를 흡착시키며, 하부로부터 공급된 냉각수를 통해 상부 반응기의 흡착열을 회수하여 가열 단계를 수행하는 베드로 전달하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 상기 둘 이상의 판형 열교환기 사이의 간격은 3 내지 5cm인 것일 수 있다.
바람직하게는, 상기 네 개 이상의 베드는 흡착 단계, 제1 가열 단계, 제2 가열 단계, 제1 탈착 단계, 제2 탈착 단계, 제1 냉각 단계 및 제2 냉각 단계의 동작 시퀀스를 순차적으로 반복 수행하되, 흡착 단계, 제1 가열 단계, 제2 가열 단계, 제1 탈착 단계, 제2 탈착 단계, 제1 냉각 단계 및 제2 냉각 단계는 동일한 하나의 동작 시퀀스에서 서로 다른 베드에서 동시에 수행되며, 흡착 단계는 하부 방향에서 공급된 배가스를 하부 반응기로부터 상부 반응기로 상부 방향으로 이동시키며 건식 흡착제와 접촉시켜 상기 배가스에 포함된 이산화탄소를 하부 반응기 및 상부 반응기의 건식 흡착제에 흡착시키고 건식 흡착제의 이산화탄소 흡착열을 하부로부터 공급된 냉각수를 통해 회수하여 제1 가열 단계를 수행하는 베드로 전달하고, 제1 가열 단계는 상기 흡착 단계를 수행한 베드를 상기 흡착 단계에서 회수된 흡착열을 가지는 냉각수, 제2 가열 단계에서 회수된 잔열을 가지는 냉각수 및 상기 제2 냉각 단계에서 회수된 통합열을 가지는 냉각수를 통해 가열하며, 제2 가열 단계는 상기 제1 가열 단계를 통해 가열된 베드를 상기 제1 냉각 단계에서 회수된 통합열을 가지는 냉각수를 통해 제1 가열 단계보다 높은 온도로 가열한 후 잔열을 가지는 냉각수를 제1 가열 단계를 수행하는 베드로 전달하고, 제1 탈착 단계는 상기 제2 가열 단계를 수행한 베드를 공급된 고온의 스팀으로 가열하여 상기 건식 흡착제에서 이산화탄소를 1차로 탈착시키고, 제2 탈착 단계는 상기 제1 탈착 단계를 수행한 베드를 공급된 고온의 스팀으로 가열하여 상기 건식 흡착제에서 이산화탄소를 2차로 탈착시키고, 상기 제1 냉각 단계는 상기 제2 탈착 단계에서 가열된 베드에 냉각수를 공급하여 1차로 통합열을 회수하고 회수된 1차 통합열을 가지는 냉각수를 제2 가열 단계를 수행하는 베드로 전달하고, 상기 제2 냉각 단계는 상기 제1 냉각 단계를 수행한 베드에 냉각수를 공급하여 2차로 통합열을 회수하고 회수된 2차 통합열을 가지는 냉각수를 제1 가열 단계를 수행하는 베드로 전달하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 상기 흡착 단계를 수행하는 베드는 상기 하부 반응기에만 냉각수를 공급한 상태에서 상기 배가스를 공급하여 상기 하부 반응기의 건식 흡착제에 이산화탄소를 흡착시키며, 하부로부터 공급된 냉각수를 통해 하부 반응기의 흡착열을 회수하여 가열 단계를 수행하는 베드로 전달하고, 하부 반응기의 흡착 반응이 종료된 후, 상부 반응기에만 냉각수를 공급한 상태에서 상기 상부 반응기의 건식 흡착제에 이산화탄소를 흡착시키며, 하부로부터 공급된 냉각수를 통해 상부 반응기의 흡착열을 회수하여 제1 가열 단계를 수행하는 베드로 전달하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 상기 배가스 공급부는 상기 네 개 이상의 베드의 하부 방향에서 상부 방향으로 배가스를 공급하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 상기 냉각수 공급부는 동작 시퀀스에 따라 상기 베드의 하부 반응기에 먼저 냉각수를 공급한 후, 하부 반응기에 냉각수 공급을 중단한 후 상부 반응기에 냉각수를 공급하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 상기 배가스 공급부는 상기 탈착 단계에서 블로워(blower) 또는 진공펌프(vacuum pump)를 통해 상기 네 개 이상의 베드 내부의 압력을 낮춰 탈착 온도를 낮추는 것일 수 있다.
또한, 상기 목적은 상술한 판형 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치를 이용한 이산화탄소 포집공정에 의해 달성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 판형 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치는 판형 열교환기 내에 고정층 형태의 흡수제가 배치된 베드 다수 개를 동작 시퀀스에 따라 서로 다른 베드에서 동시에 이산화탄소의 흡착 및 탈착을 수행함으로써, 이산화탄소 흡착 시 반응열과 탈착 과정의 열을 서로 다른 베드 사이에 교환시켜 에너지를 회수함으로써, 건식 흡수제를 사용하면서도 높은 에너지 효율을 가지게 되며, 이에 이산화탄소 포집공정에서 소요되는 재생에너지를 줄일 수 있다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 판형 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치의 구성도이다.
도 2는 도 1의 베드 중 하나의 베드에 대한 상세 구성도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 판형 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치의 동작 시퀀스 일례를 설명하는 도면이다.
도 4는 단일 반응기 사용 시 반응기 길이에 따른 흡착 단계에서의 온도 프로파일을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 판형 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치에 대한 온도 분포(도 5a)와 이산화탄소 흡착량 분포(도 5b)를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 판형 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치의 에너지 평가 결과를 MEA 30wt% 수용액을 흡수제로 사용한 습식 이산화탄소 포집의 경우와 비교하여 나타낸 그래프이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 갖는다. 상충되는 경우, 정의를 포함하는 본 명세서가 우선할 것이다. 또한 본 명세서에서 설명되는 것과 유사하거나 동등한 방법 및 재료가 본 발명의 실시 또는 시험에 사용될 수 있지만, 적합한 방법 및 재료가 본 명세서에 기재된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 판형 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치의 구성도이다.
도 2는 도 1의 베드 중 하나의 베드에 대한 상세 구성도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 판형 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치는 베드(100), 냉각수 공급부(200), 배가스 공급부(300) 및 밸브 시스템(미도시)을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 판형 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치는 네 개 이상의 베드(100)를 포함한다.
각각의 베드는 둘 이상의 반응기를 구비하며 이때, 둘 이상의 반응기는 수직 방향으로 이격하여 위치하는 형태로 배치된다. 도 2의 일례에서는 설명의 편의를 위하여 하부에 위치한 하부 반응기(103)와 상부에 위치한 상부 반응기(104)의 두 개의 반응기를 포함하는 것을 도시하고 있다.
본 발명에서는 베드(100) 내의 반응기를 하나로 구성하는 것이 아니라 수직 방향으로 소정의 거리로 이격된 판형 열교환기가 설치된 서로 다른 두 개의 하부 반응기(103) 및 상부 반응기(104)로 구성하여 열전달 효율을 증대시킨다. 건식 흡착제(101)가 이산화탄소와 접촉하면 흡착 반응에 의한 흡착열이 발생한다. 이때, 이산화탄소를 포함하는 배가스의 원활한 유동을 위해 베드(100)의 하부로부터 상부 방향으로 배가스를 공급하며, 이에 따라 흡착 반응 초기에는 하부 반응기(103)만이 흡착 반응하고 상부 반응기(104)에서는 흡착 반응이 일어나지 않으며, 반응 중반부터 상부 반응기(104)에서 흡착 반응이 일어나게 된다. 따라서 공급되는 냉각수가 최대한 높은 온도를 가질 수 있도록 흡착 반응 과정을 초반 반응, 중반 반응 및 후반 반응으로 구분하여, 초반 반응에서는 흡착 반응이 발생하는 하부 반응기(103)만이 냉각수에 잠기도록 냉각수를 공급하고, 중반 반응에서 하부 반응기(103) 및 상부 반응기(104) 모두가 잠기도록 냉각수를 공급함으로써, 냉각수의 온도를 최대한 높게 만들 수 있다. 서로 다른 두 개의 하부 반응기 및 상부 반응기를 통해 열전달 효율을 증가시키는 구성은 후술하는 도 3a 및 도 3b에서 구체적으로 설명한다.
그리고 하부 반응기(103) 및 상부 반응기(104)에 구비된 판형 열교환기(102) 사이의 간격은 3 내지 5cm인 것이 바람직하다. 판형 열교환기(102) 사이의 간격이 3cm 미만인 경우 요구되는 판형 열교환기(102)의 개수가 늘어나 공정의 자본경비(capital cost)가 증가하게 되고, 간격이 5cm 초과인 경우 건식 흡착제(101)와 냉각수/스팀 사이의 열전달량이 작아져 열을 효과적으로 회수하지 못한다.
베드(100)를 구성하는 하부 반응기(103) 및 상부 반응기(104)에는 소정의 간격을 이격하여 설치된 둘 이상의 판형 열교환기(102)이 위치하고, 상기 판형 열교환기(102) 사이에 건식 흡착제(101)가 고정된다. 이와 같이, 본 발명에서는 건식 흡수제를 고정층 형태로 사용하는 방식을 통해 이산화탄소를 흡착한다. 도 2에서는 설명의 편의를 위하여 모든 판형 열교환기(102) 사이에 위치한 건식 흡착제(101)를 모두 도시하지 않았으나 이는 설명의 편의를 위한 것으로, 베드(100)를 구성하는 상부 반응기 및 하부 반응기는 이산화탄소 흡착 효율을 높이기 위해 모든 판형 열교환기(102) 사이에 건식 흡수제(101)를 고정시키는 것이 바람직하다. 이와 같이 본 발명에서는 상부 반응기 및 하부 반응기 내부의 판형 열교환기(102) 사이에 건식 흡착제(101)를 고정시켜 이산화탄소 흡착 공정을 진행하는 고정층을 이용한 이산화탄소 포집 공정을 사용하므로, 흡착 및 탈착 공정에서 건식 흡착제의 이송을 생략할 수 있다.
베드(100)를 구성하는 하부 반응기(103) 및 상부 반응기(104)의 흡착베드 모델은 하기 수학식 1 내지 수학식 6과 같다.
기체상의 전체 질량 수지식은 (total mass balance)은 수학식 1과 같다.
(수학식 1)
Figure 112020136282165-pat00001
수학식 1에서 C[mol/m3]는 기체 농도이고, u[m/s]는 격자 틈새 속도 (interstitial velocity), ρ[kg/m3]는 밀도, ε는 베드 공극율, H[m]는 베드 높이, z[m]는 0부터 1까지 정규화된 축방향 거리, r[mol/kg·s]는 건식 흡착제의 이산화탄소 흡착 속도, 하첨자 s와 g는 각각 건식 흡착제 및 기체를 의미한다.
기체상의 이산화탄소 기체에 대한 성분 질량 수지식은 수학식 2와 같다.
(수학식 2)
Figure 112020136282165-pat00002
수학식 2에서, y는 이산화탄소의 몰 분율이고, D ax [m2/s]는 축방향 분산 계수)이다.
베드의 에너지 수지식은 수학식 3 내지 5와 같다.
(수학식 3)
Figure 112020136282165-pat00003
(수학식 4)
Figure 112020136282165-pat00004
(수학식 5)
Figure 112020136282165-pat00005
수학식 3은 흡착제의 에너지 수지를 나타내고, 수학식 4는 기체의 에너지 수지를 나타내며, 수학식 5는 냉각수의 에너지 수지를 나타낸다.
수학식 3 내지 5에서 a[m2/m3]는 기체와 흡착제 사이의 단위 부피당 전열 면적을 의미한다. 그리고 c[J/kg K]는 비열, T[K]는 온도, U[W/m2K]는 열전달 계수, △H CO2 [J/mol]은 흡착열, λ ax [W/m K]는 축방향 유효 열전도도를 의미한다. 또한, B[m]는 판형 열교환기의 깊이이고, 2b[m]는 판형열교환기 사이의 간격, N은 판형 열교환기의 개수이고, q cw [m3/h]는 냉각수의 체적 유량을 의미한다. 한편, 하첨자 h, hs, sg는 각각 냉각수, 냉각수와 흡착제 사이, 흡착제와 기체 사이를 의미한다.
(수학식 6)
Figure 112020136282165-pat00006
수학식 6에서 m은 스팀의 유량이고, λ은 스팀의 잠열이고, ∂Th/∂t는 시간에 따른 스팀의 온도변화이다.
특히, 본 발명은 하부 반응기 및 상부 반응기의 두 개의 반응기를 통해 흡착 반응을 진행하므로, 수학식 3과 5의 T h (z)가 z=0 부터 0.5 까지의 하부 구간과 z=0.5 부터 1.0 까지의 상부구간에 대해 독립적으로 계산되며, 시간에 따라 하부 반응기를 작동시키고 상부 반응기를 정지시키고 일정 시간 이후 하부 반응기를 멈추고 상부 반응기를 작동시켜 건식 흡착제의 재생에너지를 줄일 수 있다.
운동량 수지식은 수학식 7과 같으며, 이는 베드에서의 압력 강하를 계산하는데 이용된다.
(수학식 7)
Figure 112020136282165-pat00007
수학식 7에서 g[m/s2]는 중력 가속도이며, 기체의 공탑속도(superficial velocity)의 변화가 위 수학식 6에 의해 계산된다.
본 발명에 사용된 흡착제의 흡착 등온식은 하기 수학식 8과 같다.
(수학식 8)
Figure 112020136282165-pat00008
수학식 8에서, q e [kg-CO2/kg-sorbent]와 q m [kg-CO2/kg-sorbent]는 각각 이산화탄소 평형 흡착량, 이산화탄소 최대 흡착량이고, K[bar-1]는 흡착 평형 상수이고, P CO2 [kPa]는 이산화탄소 부분압, t와 t'은 상수이다.
또한, 수학식 8에서 평형상수 K의 관계식은 수학식 9와 같다.
(수학식 9)
Figure 112020136282165-pat00009
수학식 9에서 K 0 와 E는 상수이고, R[kJ/mol·K]은 이상 기체 상수이다.
또한, 수학식 8에서 q m 의 관계식은 수학식 10과 같다.
(수학식 10)
Figure 112020136282165-pat00010
수학식 10에서 q mo 와 는 상수이고, T 0 은 기준 온도로 273K이다. 그리고 t의 관계식은 수학식 11과 같다.
(수학식 11)
Figure 112020136282165-pat00011
수학식 11에서 t 0 와 d는 상수이다.
본 발명에서 사용되는 건식 흡착제의 종류는 저온에서 많은 양의 이산화탄소를 흡착하고 너무 높지 않은 고온에서 많은 양의 이산화탄소를 탈착할 수 있는 PEI/TEPA 기반의 amine-functionalized 흡착제 같은 화학 흡착제가 바람직하며, 진공 탈착까지 고려한다면 zeolite 13X, zeolite 5A등의 물리 흡착제를 사용하는 것도 가능하다.
또한, 건식 흡착제는 분말형태의 흡착제를 압출하여 펠릿 형태로 사용하는 것이 바람직하다. 만일 별도의 바인더를 사용하는 경우 뭉침 현상으로 인해 공정 운전이 어려워질 수 있으며 흡착 성능이 매우 떨어지는 결과를 갖게 된다.
냉각수 공급부(200)는 펌프 등을 이용하여 네 개 이상의 베드(100) 각각에 냉각수를 공급한다. 이때, 냉각수 공급부(200)는 밸브 시스템을 통한 밸브 조절을 통해 네 개 이상의 베드(100) 각각에 정해진 동작 시퀀스에 따라 냉각수를 공급한다. 이때, 냉각수 공급부(200)의 냉각수 공급 방법과 냉각수의 종류는 이산화탄소 포집장치에서 일반적으로 사용되는 방법이 적용될 수 있다.
배가스 공급부(300)는 네 개의 베드(100) 각각의 하부에 개별적으로 연결되며, 밸브 시스템을 통한 밸브 조절을 통해 네 개 이상의 베드(100) 각각에 정해진 동작 시퀀스에 따라 배가스를 공급한다. 이때, 배가스 공급부(300)의 배가스 공급 방법은 이산화탄소 포집장치에서 일반적으로 사용되는 방법이 적용될 수 있다.
이와 같은 배가스 공급부(300)는 블로워(blower) 또는 진공펌프(vacuum pump) 등을 통해 흡착 단계에서 네 개의 베드(100)에 배가스를 공급하는 역할에 더하여, 탈착 단계에서 베드(100) 내부의 압력을 낮추는 역할을 수행할 수 있다. 배가스 공급부(300)는 탈착 단계에서 블로워(blower) 또는 진공펌프(vacuum pump) 등을 통해 베드(100) 내부의 압력을 낮춰 탈착 온도를 낮춤으로써 공정의 에너지 소비량이 감소시키고, 아민 기능화된 건식 흡착제의 변성률을 감소시킨다.
본 발명에서 각각의 베드(100)에서 탈착 단계를 수행하기 위한 열원으로 공급되는 고온의 스팀은 밸브 시스템을 통한 밸브 조절을 통해 네 개의 베드(100) 중에서 동작 시퀀스에 따라 탈착 단계를 수행하는 베드에 고온의 스팀을 공급하여 탈착 반응이 일어나는 온도까지 가열한다. 바람직하게는 탈착 단계를 수행하는 베드의 온도를 상승시키기 위하여 고온의 스팀을 사용하지만, 이로 한정되는 것은 아니며 열원을 공급할 수 있는 다양한 방법이 사용될 수 있다. 이때, 베드(100)로 공급되는 고온의 스팀은 공급 과정에서는 스팀(steam) 형태로 공급되며 베드(100)를 가열한 후 응축액(condensate) 상태로 배출된다. 일례로서, 본 발명에서 사용되는 고온의 스팀은 본 발명에 따른 포집장치가 설치된 설비/시설 등으로부터 공급받을 수 있다. 예를 들어, 발전소 설비에 본 발명이 설치되는 경우 발전소 설비를 통해 고온의 스팀을 공급받아 사용한 후 응축액을 다시 전달하여 순환되는 방식이 사용될 수 있다.
본 발명에서는 하나의 베드를 사용하는 것이 아니라 네 개 이상의 베드(100)를 사용하며, 네 개 이상의 베드(100)는 동시에 동일한 동작과 공정을 수행하는 것이 아니라 개별적으로 서로 다른 공정 단계를 수행한다. 이때, 밸브 시스템은 순차적으로 흡착 단계, 가열 단계, 탈착 단계 및 냉각 단계에서 작동하도록 배가스, 냉각수, 스팀 공급을 일정 시간 간격으로 전환시킨다.
보다 구체적으로, 네 개 이상의 베드(100)는 흡착 단계, 가열 단계, 탈착 단계 및 냉각 단계의 동작 시퀀스를 순차적으로 반복 수행하되, 동일한 시퀀스에서 흡착 단계, 가열 단계, 탈착 단계 및 냉각 단계 모두는 반드시 하나 이상의 베드에서 동시에 수행된다. 즉, 본 발명에서 네 개 이상의 베드(100)는 동작 시퀀스에 따라 동일한 시퀀스에서 흡착 단계, 가열 단계, 탈착 단계 및 냉각 단계는 반드시 적어도 하나의 베드(100)에서 동시에 수행하며, 네 개 이상의 베드(100)는 흡착 단계, 가열 단계, 탈착 단계 및 냉각 단계를 순차적으로 수행함으로써, 결국 하나의 동작 시퀀스 내에서 서로 다른 베드에 의해 흡착 단계, 가열 단계, 탈착 단계 및 냉각 단계가 수행된다. 이를 통해, 본 발명에서는 동일한 시퀀스를 기준으로 네 개 이상의 베드(100)는 동시에 흡착 단계, 가열 단계, 탈착 단계 및 냉각 단계 전부가 수행되며, 흡착 단계, 가열 단계, 탈착 단계 및 냉각 단계가 순차적으로 각각의 베드에서 반복 수행된다.
본 발명에서 흡착 단계는 배가스 공급부(300)로부터 하부 방향에서 공급된 배가스를 상부 방향으로 이동하여 건식 흡착제(101)와 접촉시켜 배가스에 포함된 이산화탄소를 건식 흡착제(101)에 흡착시키고, 건식 흡착제(101)와 이산화탄소의 흡착열을 하부로부터 공급된 냉각수를 통해 회수하여 가열 단계를 수행하는 베드로 전달한다. 이때, 흡착 단계를 수행하는 베드는 하부 반응기(103)만 접촉되도록 냉각수를 공급한 상태에서 배가스를 공급하여 건식 흡착제(101)에 이산화탄소를 흡착시키는 1차 흡착 단계를 수행한 후, 상부 반응기(104)만 접촉되도록 냉각수를 공급한 상태에서 2차 흡착 단계를 수행함으로써, 가열 단계를 수행하는 베드에 공급되는 냉각수의 온도를 최대한 높이게 된다.
그리고 가열 단계는 흡착 단계를 수행한 베드를 흡착 단계에서 회수된 흡착열을 가지는 냉각수와 냉각 단계에서 회수된 통합열을 가지는 냉각수를 통해 가열한다.
다음으로, 탈착 단계는 가열 단계를 수행한 베드를 공급된 고온의 스팀으로 가열하여 건식 흡착제에서 이산화탄소를 탈착시키고, 냉각 단계는 탈착 단계에서 가열된 베드에 냉각수를 공급하여 통합열을 회수하고, 회수된 통합열을 가지는 냉각수를 가열 단계를 수행하는 베드로 전달한다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 판형 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치는 서로 다른 네 개 이상의 베드(100) 각각이 상술한 흡착 단계, 가열 단계, 탈착 단계 및 냉각 단계의 서로 다른 단계를 동시에 수행하며, 이때, 흡착 단계를 수행하는 베드에서 발생된 흡착열을 냉각수를 통해 회수하여 가열 단계를 수행하는 베드로 전달하고, 탈착 이후 냉각 단계에서 회수된 통합열 또한 냉각수를 통해 회수하여 가열 단계를 수행하는 베드로 전달함으로써 가열 단계를 수행하는 베드의 온도를 높여 탈착 단계에서 추가로 공급해야 하는 에너지를 현저하게 줄일 수 있다.
도 3에서 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 판형 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치에 PEI라는 아민 고분자를 SiO2를 EB로 기능화하여 담지한 SiO2/0.37EB-PEI 라는 건식 흡착제를 충전한 경우의 동작의 일례를 설명한 것이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 판형 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치의 동작 시퀀스 일례를 설명하는 도면으로, 도 3a는 하나의 동작 시퀀스에서 제1 내지 제7 베드의 동작 상태를 나타내며, 도 3b는 전체 동작 시퀀스를 나타낸다.
도 3a 및 도 3b는 제1 내지 제7 베드(110 내지 170)의 총 7개의 베드를 사용한 판형 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치를 예로 들어 동작 시퀀스를 설명한다.
하나의 동작 시퀀스에서, 제1 베드(110)는 흡착 단계를 수행하는 것으로, 하부 방향에서 공급된 배가스를 하부 반응기로부터 상부 반응기로 상부 방향으로 이동시키며 건식 흡착제와 접촉시켜 배가스에 포함된 이산화탄소를 하부 반응기의 건식 흡착제에 흡착시키고 하부로부터 공급된 냉각수(S1)를 통해 건식 흡착제와 이산화탄소의 흡착 반응에 의해 발생된 흡착열을 하부로부터 공급된 냉각수를 통해 회수하여 제1 가열 단계를 수행하는 제2 베드(120)로 전달한다(S2).
이때, 흡착 단계를 수행하는 제1 베드(110)는 하부 반응기(103)에만 냉각수를 공급한 상태에서 배가스를 공급하여 하부 반응기(103)의 건식 흡착제에 이산화탄소를 흡착시키며, 하부로부터 공급된 냉각수를 통해 하부 반응기(103)의 흡착열을 회수하여 가열 단계를 수행하는 베드로 전달하고, 하부 반응기(103)의 흡착 반응이 종료된 후 상부 반응기(104)에만 냉각수를 공급한 상태에서 상부 반응기(104)의 건식 흡착제에 이산화탄소를 흡착시키며, 하부로부터 공급된 냉각수를 통해 상부 반응기(104)의 흡착열을 회수하여 제1 가열 단계를 수행하는 제2 베드(120)로 전달한다.
동일한 동작 시퀀스에서, 제2 베드(120)는 이전 동작 시퀀스에서 흡착 단계를 수행한 뒤 현재 동작 시퀀스에서 제1 가열 단계를 수행하는 것으로, 제1 베드(110)로부터 흡착 단계에서 회수된 흡착열을 가지는 냉각수를 전달받고(S1), 제2 가열 단계를 수행하는 제3 베드(130)로부터 제2 가열 단계에서 회수된 잔열을 가지는 냉각수를 전달받으며(S9), 제2 냉각 단계를 수행하는 제7 베드(170)로부터 전달된 제2 냉각 단계에서 회수된 통합열을 가지는 냉각수를 전달받아(S5) 제2 베드(120)를 가열한다.
그리고 동일한 동작 시퀀스에서, 제3 베드(130)는 이전 동작 시퀀스에서 제1 가열 단계를 수행한 뒤 현재 동작 시퀀스에서 제2 가열 단계를 수행하는 것으로, 제1 냉각 단계를 수행하는 제6 베드(160)로부터 전달된 제1 냉각 단계에서 회수된 통합열을 가지는 냉각수를 전달받아(S6) 제3 베드(130)를 제1 가열 단계보다 높은 온도로 가열한 후, 잔열을 가지는 냉각수를 제1 가열 단계를 수행하는 제2 베드(120)로 전달(S9)한다.
이와 같이, 본 발명에서는 흡착 단계 이후 바로 탈착 단계로 진행하기 이전의 중간 과정으로 제1 가열 단계 및 제2 가열 단계를 수행함으로써, 제1 및 제2 냉각 단계와 제2 가열 단계에서 얻은 열에너지를 회수하여 사전에 가열함으로써, 탈착 단계에서 요구되는 온도로 가열하기 위한 열에너지를 줄일 수 있다.
또한, 동일한 동작 시퀀스에서, 제4 베드(140)는 이전 동작 시퀀스에서 제2 가열 단계를 수행한 뒤 현재 동작 시퀀스에서 제1 탈착 단계를 수행하는 것으로, 공급된 고온의 스팀에 의해 탈착 단계를 수행할 수 있는 온도로 가열되어 탈착 반응이 수행된다.
또한, 동일한 동작 시퀀스에서 제5 베드(150)는 이전 동작 시퀀스에서 제1 탈착 단계를 수행한 뒤 현재 동작 시퀀스에서 제2 탈착 단계를 수행하는 것으로, 제1 탈착 단계와 동일한 동작을 수행한다. 제1 탈착 단계와 제2 탈착 단계를 별도로 구분하는 것은 탈착 공정이 흡착 공정과 비교하여 더 긴 시간을 요구하기 때문에 동작 시퀀스를 맞추기 위하여 구분한 것이다.
제1 탈착 단계 및 제2 탈착 단계를 통해 제4 베드(140) 및 제5 베드(150)는 탈착 온도까지 가열된 상태에서 하부로부터 이산화탄소를 공급받으며 건식 흡착제에 흡착된 이산화탄소를 탈착하여 이후 다시 이산화탄소를 흡착할 수 있도록 재생한다.
또한, 동일한 동작 시퀀스에서 제6 베드(160)는 이전 동작 시퀀스에서 제2 탈착 단계를 수행한 뒤 현재 동작 시퀀스에서 제1 냉각 단계를 수행하는 것으로, 냉각수 공급부로부터 제공된 냉각수(S4)를 통해 제2 탈착 단계에서 고온으로 냉각된 베드를 냉각시키면서 통합열을 회수하여 1차 통합열을 가지는 냉각수를 제2 가열 단계를 수행하는 제3 베드(130)로 전달(S6)한다.
또한, 동일한 동작 시퀀스에서 제7 베드(170)는 이전 동작 시퀀스에서 제1 냉각 단계를 수행한 뒤 현재 동작 시퀀스에서 제2 냉각 단계를 수행하는 것으로, 냉각수 공급부로부터 제공된 냉각수(S4)를 통해 제1 냉각 단계에서 일정 부분 냉각된 베드를 추가로 탈착 반응에 적합한 온도로 냉각시키면서 통합열을 회수하여 2차 통합열을 가지는 냉각수를 제1 가열 단계를 수행하는 제2 베드(120)로 전달(S5)한다.
본 발명에서는 냉각 단계에서의 통합열을 최대한 회수하고 냉각 효율을 높이기 위하여 제1 냉각 단계 및 제2 냉각 단계를 구분하여 수행한다. 제1 탈착 단계 및 제2 탈착 단계는 고온에서 수행되는 반면에 흡착 단계는 탈착 단계에 비해 낮은 온도에서 수행되므로 탈착 단계가 종료된 베드는 다시 흡착 단계를 수행하기 위하여 냉각하는 과정을 수행한다. 이때, 제1 냉각 단계를 수행하는 제6 베드(160)는 제2 탈착 단계를 수행한후 바로 냉각수를 통해 냉각되기 때문에 냉각수를 통해 회수되는 통합열이 더 높아 더 높은 온도를 가진다. 반면에 제2 냉각 단계를 수행하는 제7 베드(170)는 제1 냉각 단계를 통해 1차적으로 냉각된 상태이므로 제1 냉각 단계를 수행하는 제6 베드(160)보다 냉각수를 통해 회수되는 통합열이 낮아 상대적으로 낮은 온도를 가진다.
따라서, 상대적으로 높은 온도를 가지는 1차 통합열을 가지는 냉각수를 제2 가열 단계를 수행하는 제3 베드(130)로 전달(S6)하여 제3 베드(130)를 가열한 후 잔열을 가지는 냉각수를 다시 제2 베드(120)로 전달(S9)하여 추가적으로 제2 베드(120)를 가열한다. 또한, 상대적으로 낮은 온도를 가지는 2차 통합열을 가지는 냉각수를 제1 가열 단계를 수행하는 제2 베드(120)로 전달(S5)하여 제2 베드(120)를 가열한다.
상술한 흡착 단계, 제1 가열 단계, 제2 가열 단계, 제1 탈착 단계, 제2 탈착 단계, 제1 냉각 단계 및 제2 냉각 단계는 동일한 하나의 시퀀스에서 서로 다른 베드에서 동시에 수행된다. 그리고 도 3b에 도시된 바와 같이 하나의 시퀀스에서 흡착 단계, 제1 가열 단계, 제2 가열 단계, 제1 탈착 단계, 제2 탈착 단계, 제1 냉각 단계 및 제2 냉각 단계가 서로 다른 베드에서 동시에 수행된 후, 다음 동작 시퀀스에서는 각 베드가 각각 다음 단계를 수행한다. 이 과정에서 각 단계에서 발생된 또는 제공된 에너지는 냉각수에 의해 회수되어 다른 단계를 수행하는 베드에 전달되어 활용됨으로써, 탈착 단계에서 요구되는 재생에너지를 줄일 수 있다.
도 4는 단일 반응기 사용 시 반응기 길이에 따른 흡착 단계에서의 온도 프로파일을 나타낸다. 도 4에서 x축은 반응기 길이(수직방향 높이)를 나타내는 것으로 0은 반응기 최하단을 나타내고 1은 반응기 최상단을 나타낸다. 그리고 y축은 측정된 온도를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 흡착 단계에서 흡착 반응 초반에는 하부로부터 공급된 배가스가 반응기의 하부로부터 흡착 반응을 하기 때문에, 반응기의 하단 부위(약 하부 40% 위치)에서는 흡착 반응에 따른 흡착열이 발생하는 반면에, 반응기의 상단 부위(약 하부로부터 40~100% 위치)는 배가스의 이산화탄소와 흡착 반응을 거의 하지 않아 흡착열이 발생하지 않는다. 이와 같이 흡착 반응 초반에는 반응기의 하단 부분만이 흡착 반응에 의한 흡착열을 발생시키므로 흡착열이 발생하지 않는 반응기 상부까지 냉각수를 공급하는 경우 흡착열 회수를 통해 냉각수의 온도를 충분히 상승시킬 수 없다. 따라서, 본 발명에서는 베드에 구비된 반응기를 하부 반응기(103) 및 상부 반응기(104)로 각각 분리한 후, 반응 초반에는 하부 반응기(103)에만 냉각수를 공급한 상태에서 흡착 단계를 수행하여 냉각수가 흡착열을 회수한다.
또한, 흡착 반응 중반에는 반응기의 하부 위치는 흡착 반응이 상당부분 진행이 완료되어 흡착열이 감소한 상태이며 반응기의 중앙 위치에서 가장 흡착열이 많이 발생하는 것을 알 수 있다. 또한, 흡착 반응 후반에는 반응기 전반적인 위치에서 흡착 반응이 종료되어 추가적인 흡착열이 거의 발생하지 않는 것을 알 수 있다. 이와 같이 흡착 반응 초반에는 반응기의 하부 위치에서 흡착 반응에 의한 흡착열이 집중적으로 발생되고, 흡착 반응 중반에는 반응기의 중반 위치에서 흡착 반응에 의한 흡착열이 집중적으로 발생된다. 따라서, 본 발명에서는 베드 내의 반응기를 하부 반응기(103)와 상부 반응기(104)로 구분하고 각 반응기의 판형 열교환기를 3 내지 5cm 이격시켜 설치한 후, 배가스가 주입되기 시작하는 흡착 반응 초반에는 하부 반응기(103)에만 냉각수를 공급하여 흡착열을 회수하고, 초반 흡착 반응 이후 중반 흡착 반응이 진행되는 시점에서 하부 반응기(103)에 냉각수 공급을 중단하고 상부 반응기(104)에만 냉각수를 공급하여 접촉시켜 흡착열을 회수함으로써 흡착열 회수에 따른 냉각수의 온도를 최대한 높게 만들 수 있다. 즉, 본원발명은 하부 반응기(103) 및 상부 반응기(104)의 냉각수 공급을 별도로 제어함으로써 흡착열을 회수한 냉각수의 온도를 최대한 높여 가열 단계를 수행하는 베드에 최대의 열을 제공할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 판형 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치에 대한 온도 분포(도 5a)와 이산화탄소 흡착량 분포(도 5b)를 나타내는 그래프이다. 이 그래프는 이산화탄소 회수율 90%의 조건에서 얻어진 것이다.
온도 분포는 흡착 단계가 종료된 후 120초에서 먼저 샘플링 되었다. 그후 제1 가열 단계 및 제2 가열 단계가 종료되면 360초가 되며, 600초에는 탈착 단계가 종료된다. 그후 제1 냉각 단계 및 제2 냉각 단계가 240초 동안 진행되고, 다시 흡착 단계가 시작되어 사이클이 반복된다. 이때, 제2 냉각 단계의 온도가 높은 것을 알 수 있는데, 이때 남은 통합열이 냉각수에 의해 회수된 후 가열 단계의 베드로 전달됨으로써 냉각 단계의 에너지를 재활용한다.
도 5b는 이산화탄소의 흡착량 분포이며 흡착 단계가 종료된 후 반응기 하단 부분의 흡착량이 가장 많고 출구 쪽으로 갈수록 적어지는 것을 알 수 있다.
가열 단계 1, 2에서 베드가 가열됨으로써 흡착된 이산화탄소의 일부가 탈착되어 베드의 출구쪽으로 이동하고 재흡착되는 것을 볼 수 있다. 그리고 고온의 스팀을 공급한 탈착 단계 종료 시점 600 sec에서 상당량의 이산화탄소가 탈착된 것을 볼 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 판형 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치의 에너지 평가 결과를 MEA 30wt% 수용액을 흡수제로 사용한 습식 이산화탄소 포집의 경우와 비교하여 나타낸 그래프이다. 에너지는 전기 에너지로 나타냈으며 1 톤의 이산화탄소를 지중 저장의 표준 조건인 150 bar, 313 K 상태까지 액화 시키는 경우 요구되는 총 에너지를 나타내고 있다. 그림에서 Wliq는 포집 후 액화에 필요한 압축 에너지, Wblower는 블로워 구동 에너지, Wstm은 탈착에 필요한 스팀에너지를 효율 75%의 Carnot 엔진을 가정한 등가 전기에너지로 환산한 값이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 판형 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집 장치의 에너지 평과 결과를 MEA 30wt% 수용액을 기반으로 하는 종래의 습식 이산화탄소 포집 장치(MEA)와 비교하면, 포집 에너지(Wblower+Wstm)가 132.3 kWh/t-CO2 로 습식 공정의 173.2 kWh/t-CO2에 비교하여 크게 개선되었음을 볼 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 판형 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집 장치는 일종의 유사 이동층(simulated moving-bed, SMB)을 형성하고, 건식 흡착제 고정층에 대해 냉각수 및 배가스의 흐름을 동작 시퀀스에 따라 밸브 조절을 통해 달리 공급함으로써, 각 단계에서 발생되는 열에너지를 회수하여 재활용함으로써 이산화탄소 포집공정에서 흡착재의 재생에 요구되는 에너지량을 줄일 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 베드 101: 건식 흡착제
102: 판형 열교환기 103: 하부 반응기
104: 상부 반응기
110: 제1 베드 120: 제2 베드
130: 제3 베드 140: 제4 베드
150: 제5 베드 160: 제6 베드
170: 제7 베드
200: 냉각수 공급부
300: 배가스 공급부

Claims (10)

  1. 소정의 간격을 이격하여 둘 이상의 판형 열교환기가 위치하고, 상기 판형 열교환기 사이에 건식 흡착제가 고정되며, 각각 수직방향을 기준으로 둘 이상의 반응기를 구비한 네 개 이상의 베드;
    상기 네 개 이상의 베드 각각에 동작 시퀀스에 따라 설정된 냉각수를 공급하는 냉각수 공급부;
    상기 네 개 이상의 베드 각각에 동작 시퀀스에 따라 설정된 배가스를 공급하는 배가스 공급부; 및
    상기 네 개 이상의 베드가 순차적으로 흡착 단계, 가열 단계, 탈착 단계 및 냉각 단계에서 작동하도록 상기 냉각수, 상기 배가스 및 공급된 고온의 스팀을 일정 시간간격으로 전환시키는 밸브 시스템;
    을 포함하며,
    상기 네 개 이상의 베드는 흡착 단계, 가열 단계, 탈착 단계 및 냉각 단계의 동작 시퀀스를 순차적으로 반복 수행하되,
    흡착 단계, 가열 단계, 탈착 단계 및 냉각 단계 모두는 동일한 하나의 동작 시퀀스에서 서로 다른 베드에서 동시에 수행되며,
    상기 흡착 단계는 상기 배가스 공급부로부터 하부 방향에서 공급된 배가스를 상부 방향으로 이동시키며 상기 건식 흡착제와 접촉시켜 상기 배가스에 포함된 이산화탄소를 상기 건식 흡착제에 흡착시키고, 상기 건식 흡착제와 이산화탄소의 흡착열을 하부로부터 공급된 냉각수를 통해 회수하여 가열 단계를 수행하는 베드로 전달하고,
    상기 가열 단계는 이전 동작 시퀀스에서 상기 흡착 단계를 수행한 베드를 상기 흡착 단계에서 회수된 흡착열을 가지는 냉각수와 상기 냉각 단계에서 회수된 통합열을 가지는 냉각수를 통해 가열하며,
    상기 탈착 단계는 이전 동작 시퀀스에서 상기 가열 단계를 수행한 베드를 공급된 고온의 스팀으로 가열하여 상기 건식 흡착제에서 이산화탄소를 탈착시키고,
    상기 냉각 단계는 상기 탈착 단계에서 가열된 베드에 냉각수를 공급하여 통합열을 회수하고, 회수된 통합열을 가지는 냉각수를 가열 단계를 수행하는 베드로 전달하는, 판형 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 흡착 단계를 수행하는 베드는 상기 둘 이상의 반응기 중에서 하부 반응기에만 냉각수를 공급한 상태에서 상기 배가스를 공급하여 하부에 위치한 반응기의 건식 흡착제에 이산화탄소를 흡착시키며, 하부로부터 공급된 냉각수를 통해 하부에 위치한 반응기의 흡착열을 회수하여 가열 단계를 수행하는 베드로 전달하고,
    하부에 위치한 반응기의 흡착 반응이 종료된 후, 상기 둘 이상의 반응기 중에서 상부 반응기에만 냉각수를 공급한 상태에서 상기 상부 반응기의 건식 흡착제에 이산화탄소를 흡착시키며, 하부로부터 공급된 냉각수를 통해 상부 반응기의 흡착열을 회수하여 가열 단계를 수행하는 베드로 전달하는,
    판형 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 둘 이상의 판형 열교환기 사이의 간격은 3 내지 5cm인, 판형 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 네 개 이상의 베드는 흡착 단계, 제1 가열 단계, 제2 가열 단계, 제1 탈착 단계, 제2 탈착 단계, 제1 냉각 단계 및 제2 냉각 단계의 동작 시퀀스를 순차적으로 반복 수행하되,
    흡착 단계, 제1 가열 단계, 제2 가열 단계, 제1 탈착 단계, 제2 탈착 단계, 제1 냉각 단계 및 제2 냉각 단계는 동일한 하나의 동작 시퀀스에서 서로 다른 베드에서 동시에 수행되며,
    흡착 단계는 하부 방향에서 공급된 배가스를 하부 반응기로부터 상부 반응기로 상부 방향으로 이동시키며 건식 흡착제와 접촉시켜 상기 배가스에 포함된 이산화탄소를 하부 반응기 및 상부 반응기의 건식 흡착제에 흡착시키고 건식 흡착제와 이산화탄소의 흡착열을 하부로부터 공급된 냉각수를 통해 회수하여 제1 가열 단계를 수행하는 베드로 전달하고,
    제1 가열 단계는 이전 동작 시퀀스에서 상기 흡착 단계를 수행한 베드를 상기 흡착 단계에서 회수된 흡착열을 가지는 냉각수, 제2 가열 단계에서 회수된 잔열을 가지는 냉각수 및 상기 제2 냉각 단계에서 회수된 통합열을 가지는 냉각수를 통해 가열하며,
    제2 가열 단계는 이전 동작 시퀀스에서 상기 제1 가열 단계를 통해 가열된 베드를 상기 제1 냉각 단계에서 회수된 통합열을 가지는 냉각수를 통해 제1 가열 단계보다 높은 온도로 가열한 후 잔열을 가지는 냉각수를 제1 가열 단계를 수행하는 베드로 전달하고,
    제1 탈착 단계는 이전 동작 시퀀스에서 상기 제2 가열 단계를 수행한 베드를 공급된 고온의 스팀으로 가열하여 상기 건식 흡착제에서 이산화탄소를 1차로 탈착시키고,
    제2 탈착 단계는 이전 동작 시퀀스에서 상기 제1 탈착 단계를 수행한 베드를 공급된 고온의 스팀으로 가열하여 상기 건식 흡착제에서 이산화탄소를 2차로 탈착시키고,
    상기 제1 냉각 단계는 이전 동작 시퀀스에서 상기 제2 탈착 단계를 수행한 베드에 냉각수를 공급하여 1차로 통합열을 회수하고 회수된 1차 통합열을 가지는 냉각수를 제2 가열 단계를 수행하는 베드로 전달하고,
    상기 제2 냉각 단계는 이전 동작 시퀀스에서 상기 제1 냉각 단계를 수행한 베드에 냉각수를 공급하여 2차로 통합열을 회수하고 회수된 2차 통합열을 가지는 냉각수를 제1 현혈 단계를 수행하는 베드로 전달하는, 판형 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 흡착 단계를 수행하는 베드는 상기 하부 반응기에만 냉각수를 공급한 상태에서 상기 배가스를 공급하여 상기 하부 반응기의 건식 흡착제에 이산화탄소를 흡착시키며, 하부로부터 공급된 냉각수를 통해 하부 반응기의 흡착열을 회수하여 가열 단계를 수행하는 베드로 전달하고,
    하부 반응기의 흡착 반응이 종료된 후, 상부 반응기에만 냉각수를 공급한 상태에서 상기 상부 반응기의 건식 흡착제에 이산화탄소를 흡착시키며, 하부로부터 공급된 냉각수를 통해 상부 반응기의 흡착열을 회수하여 제1 가열 단계를 수행하는 베드로 전달하는,
    판형 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 배가스 공급부는 상기 네 개 이상의 베드의 하부 방향에서 상부 방향으로 배가스를 공급하는, 판형 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 냉각수 공급부는 동작 시퀀스에 따라 상기 베드의 하부 반응기에 먼저 냉각수를 공급한 후, 하부 반응기에 냉각수 공급을 중단한 후 상부 반응기에 냉각수를 공급하는, 판형 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 배가스 공급부는 상기 탈착 단계에서 블로워(blower) 또는 진공펌프(vacuum pump)를 통해 상기 네 개 이상의 베드 내부의 압력을 낮춰 탈착 온도를 낮추는, 판형 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치.
  10. 제1항에 따른 판형 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치를 이용한 이산화탄소 포집공정.
KR1020200175637A 2020-12-15 2020-12-15 판형 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치 및 이를 이용한 건식 이산화탄소 포집공정 KR102467329B1 (ko)

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