KR102476305B1 - 저에너지형 이산화탄소 탈거방법 및 이산화탄소 탈거장치 - Google Patents

저에너지형 이산화탄소 탈거방법 및 이산화탄소 탈거장치 Download PDF

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Abstract

저에너지형 이산화탄소 탈거방법 및 이산화탄소 탈거장치를 개시한다. 상기 이산화탄소 탈거방법은 (a) 이산화탄소(CO2)를 포집한 이산화탄소 흡수제(C1)를 막접촉기의 루멘 사이드 및 쉘 사이드 중 어느 하나로 공급하는 단계; (b) 증기(vapor)를 상기 루멘 사이드 및 상기 쉘 사이드 중 다른 하나로 공급하는 단계; 및 (c) 상기 루멘 사이드 및 상기 쉘 사이드에서 상기 이산화탄소 흡수제(C1)에 포집된 상기 이산화탄소를 상기 증기로 탈거하여, 탈거된 상기 이산화탄소와 상기 증기를 포함하는 혼합증기(V1)를 제조하는 단계;를 포함할 수 있다. 본 발명의 이산화탄소 탈거방법 및 장치는 세라믹 막접촉기를 사용함으로써 고온에서 사용 가능하고, 설비의 크기를 줄일 수 있는 효과가 있다. 또한 본 발명의 이산화탄소 탈거방법 및 장치는 증기를 사용하여 이산화탄소가 포집된 흡수제로부터 이산화탄소를 탈거함으로써 이산화탄소를 만들기 위한 재생에너지가 크게 낮아지는 효과가 있다. 또한 본 발명의 이산화탄소 탈거방법 및 장치에 사용되는 흡수제는 막접촉기와 증기를 사용하여 흡수제로부터 이산화탄소를 탈거할 때 흡수제의 손실을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

Description

저에너지형 이산화탄소 탈거방법 및 이산화탄소 탈거장치{METHOD OF DESORBING CARBON DIOXIDE USING LOW ENERGY AND APPRATUS FOR DESORBING CARBON DIOXIDE}
본 발명은 저에너지형 이산화탄소 탈거방법 및 이산화탄소 탈거장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 막접촉기를 사용하여 이산화탄소를 탈거하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
대기 중 온실가스 농도 증가로 인해 지구온난화, 기후변화, 이상기후가 지속적으로 가중되고 있다. 대표적 온실가스인 이산화탄소는 화력발전, 제철소, 화학공장 등에서 대량으로 발생된다. 아무런 기술적 조치를 취하지 않을 경우 2050년까지 이산화탄소가 62 Gton 수준으로 배출되어 인류는 지구온난화를 되돌릴 수 없는 지경에 이르게 될 것으로 관측되고 있다.
이산화탄소 탈거방법에는 탈거탑을 사용하는 스크러버 방식으로 충진탑(packed tower), 분무탑(spray tower) 등이 존재한다. 하지만 이상의 재래기술들을 고도화하더라도 제거 효율 향상 및 장치 크기 소형화를 기대하기는 힘들고, 더군다나 장치 내에서 유체의 범람(flooding), 편류(channeling) 등의 많은 문제점을 가지고 있다.
이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 수단으로서 막접촉기를 사용한 탈거 공정에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 하지만, 고분자 소재로 인해 고온에 부적합한 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 세라믹 막접촉기를 사용함으로써 고온에서 사용 가능하고, 설비의 크기를 줄일 수 있는 이산화탄소 탈거방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 목적은 증기를 사용하여 이산화탄소가 포집된 흡수제로부터 이산화탄소를 탈거함으로써 이산화탄소를 만들기 위한 재생에너지가 크게 낮아질 수 있는 이산화탄소 탈거방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 목적은 막접촉기와 증기를 사용하여 흡수제로부터 이산화탄소를 탈거할 때 흡수제의 손실을 최소화할 수 있는 흡수제를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, (a) 이산화탄소(CO2)를 포집한 이산화탄소 흡수제(C1)를 막접촉기의 루멘 사이드 및 쉘 사이드 중 어느 하나로 공급하는 단계; (b) 증기(vapor)를 상기 루멘 사이드 및 상기 쉘 사이드 중 다른 하나로 공급하는 단계; 및 (c) 상기 루멘 사이드 및 상기 쉘 사이드에서 상기 이산화탄소 흡수제(C1)에 포집된 상기 이산화탄소를 상기 증기로 탈거하여, 탈거된 상기 이산화탄소와 상기 증기를 포함하는 혼합증기(V1)를 제조하는 단계;를 포함하는 이산화탄소 탈거방법이 제공된다.
또한 상기 증기가 수증기일 수 있다.
또한 상기 막접촉기가 세라믹 중공사막을 포함할 수 있다.
또한 상기 단계 (a) 전에, (a') 배가스(G1')를 이산화탄소 흡수제(C1')와 접촉시켜 상기 배가스(G1')로부터 이산화탄소를 포집한 상기 이산화탄소 흡수제(C1)를 제조하는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.
또한 상기 단계 (c) 후에, (d) 상기 혼합증기(V1)를 냉각시켜 상기 혼합증기(V1)로부터 상기 이산화탄소를 분리하는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.
또한 상기 이산화탄소 흡수제(C1)가 아민, 아미노산 또는 그의 염, 수산화암모늄(NH4OH), 암모니아(NH3) 및 이온성 액체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한 상기 아민이 피페라진(piperazine, PZ) 또는 그 유도체, 히드라진(hydrazine), 모노에탄올아민(Monoethanolamine, MEA), 메틸디에탄올아민(Methyldiethanolamine, MDEA), 2-아미노-2-메틸-1-프로판올(2-amino-2-methyl-1-propanol, AMP), 2-아미노-2-히드록시메틸-1,3-프로판디올(2-amino-2-hydroxymethyl-1,3-propanediol, AHPD), 2-아미노-2-메틸-1,3-프로판디올(2-amino-2-methyl-1,3-propanediol, AMPD), 2-아미노메틸-2-히드록시메틸-1,3-프로판디올(2-aminomethyl-2-hydroxymethyl-1,3-propanediol), 2-아미노-1,1,1-에탄트리올(2-amino-1,1,1-ethanetriol), 에틸렌디아민, 디에틸렌트리아민, 트리에틸렌테트라아민, 테트라에틸렌펜타아민, 디에탄올아민 및 트리에탄올아민으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한 상기 피페라진 또는 그 유도체가 아래 구조식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.
[구조식 1]
Figure 112020137456798-pat00001
상기 구조식 1에서,
R1은 수소원자, 직선형 C1 내지 C9 알킬기 또는 가지형 C3 내지 C9 알킬기이고,
R2는 수소원자, 직선형 C1 내지 C9 알킬기 또는 가지형 C3 내지 C9 알킬기이다.
또한 상기 아미노산이 글리신(Glycine), 알라닌(Alanine), 베타알라닌(Beta-alanine), 발린(Valine), 시스테인(Cysteine), 프롤린(Proline), 류신(Leucine), 아이소류신(Isoleucine), 메티오닌(Methionine), 트립토판(Tryptophan), 페닐알라닌(Phenylalanine), 세린(Serine), 트레오닌(Threonine), 티로신(Tyrosine), 아스파라긴(Asparagine), 글루타민(Glutamine), 라이신(Lysine), 아르기닌(Arginine), 히스티딘(Histidine), 아스파르트산(Aspartic acid), 글루탐산(Glutamic acid) 및 감마아미노부티르산(Gamma-aminobutyric acid)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한 이산화탄소(CO2)를 포집한 상기 이산화탄소 흡수제(C1)를 상기 루멘 사이드로 공급하고, 상기 증기를 상기 쉘 사이드로 공급할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 이산화탄소(CO2)를 포집한 이산화탄소 흡수제(C1)를 저장하고, 상기 이산화탄소 흡수제(C1)를 막접촉기의 루멘 사이드 및 쉘 사이드 중 어느 하나로 공급하기 위한 흡수제 저장조(100); 증기(vapor)를 발생시키고, 상기 증기를 상기 루멘 사이드 및 상기 쉘 사이드 중 다른 하나로 공급하기 위한 증기 발생기(200); 및 상기 루멘 사이드 및 상기 쉘 사이드에서 상기 이산화탄소 흡수제(C1)에 포집된 상기 이산화탄소를 상기 증기로 탈거하여, 탈거된 이산화탄소와 상기 증기를 포함하는 혼합증기(V1)를 제조하기 위한 막접촉기(300);를 포함하는 이산화탄소 탈거장치(10)가 제공된다.
또한 상기 흡수제 저장조(100)의 온도가 30 내지 95℃일 수 있다.
또한 상기 증기 발생기(200)의 온도가 95 내지 120℃일 수 있다.
또한 상기 이산화탄소 탈거장치(10)가 상기 혼합증기(V1)를 냉각시켜 상기 혼합증기(V1)로부터 탈거된 상기 이산화탄소를 분리하고, 상기 분리된 이산화탄소를 포함하는 혼합가스(G1)를 배출하기 위한 칠러(Chiller)(400)를 추가로 포함할 수 있다.
또한 상기 칠러(400)의 온도가 -20 내지 30℃일 수 있다.
또한 상기 이산화탄소 탈거장치(10)가 상기 혼합가스(G1)의 이산화탄소를 분석하기 위한 분석기(Analyzer)(500)를 추가로 포함할 수 있다.
또한 상기 이산화탄소 탈거장치(10)가 상기 칠러(400)로부터 상기 혼합가스(G1)를 외부로 배출하기 위한 배출라인(Vent line)(600)을 추가로 포함할 수 있다.
또한 상기 이산화탄소 탈거장치(10)가 상기 이산화탄소 흡수제(C1)를 상기 흡수제 저장조(100)로부터 상기 막접촉기(300)로 공급하기 위한 펌프(Pump)(700)를 추가로 포함할 수 있다.
또한 상기 이산화탄소 탈거장치(10)가 배가스(G1')를 이산화탄소 흡수제(C1')와 접촉시켜 상기 배가스(G1')로부터 이산화탄소를 포집한 상기 이산화탄소 흡수제(C1)를 제조하기 위한 흡수제 처리탑(미도시)을 추가로 포함할 수 있다.
또한 상기 이산화탄소 탈거장치(10)가 상기 증기 발생기(200)의 증기의 압력을 조절하기 위해 비활성 기체를 상기 증기 발생기(200)로 공급하기 위한 비활성 기체 공급조(800)를 추가로 포함할 수 있다.
또한 상기 이산화탄소 탈거장치(10)가 상기 비활성 기체 공급조(800)에서 배출되는 비활성 기체의 압력을 조절하기 위한 가스유량조절기(gas flow regulator)(900)를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 이산화탄소 탈거방법 및 장치는 세라믹 막접촉기를 사용함으로써 고온에서 사용 가능하고, 설비의 크기를 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명의 이산화탄소 탈거방법 및 장치는 증기를 사용하여 이산화탄소가 포집된 흡수제로부터 이산화탄소를 탈거함으로써 이산화탄소를 만들기 위한 재생에너지가 크게 낮아지는 효과가 있다.
또한 본 발명의 이산화탄소 탈거방법 및 장치에 사용되는 흡수제는 막접촉기와 증기를 사용하여 흡수제로부터 이산화탄소를 탈거할 때 흡수제의 손실을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 이산화탄소 탈거장치(10)를 개략적으로 나타낸 개략도이다.
도 2는 비교예 1의 시간에 따른 분석기(500)에서의 CO2 농도를 나타낸 그래프이다.
도 3은 비교예 2의 시간에 따른 분석기(500)에서의 CO2 농도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 실시예 1의 시간에 따른 분석기(500)에서의 CO2 농도를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 이하에서 사용될 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
또한, 어떤 구성요소가 “다른 구성요소 상에,” "다른 구성요소 상에 형성되어," "다른 구성요소 상에 위치하여," 또는 " 다른 구성요소 상에 적층되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소의 표면 상의 전면 또는 일면에 직접 부착되어 형성되어, 위치하여 있거나 또는 적층되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 더 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 이산화탄소 탈거방법에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 이산화탄소(CO 2 )를 포집한 이산화탄소 흡수제(C1)를 막접촉기의 루멘 사이드 및 쉘 사이드 중 어느 하나로 공급한다(단계 a).
상기 막접촉기는 세라믹 중공사막을 포함할 수 있다.
상기 세라믹 중공사막은 고온에서 사용 가능하다.
상기 단계 (a) 전에, (a') 배가스(G1')를 이산화탄소 흡수제(C1')와 접촉시켜 상기 배가스(G1')로부터 이산화탄소를 포집한 상기 이산화탄소 흡수제(C1)를 제조하는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.
상기 이산화탄소 흡수제(C1)는 아민, 아미노산 또는 그의 염, 수산화암모늄(NH4OH), 암모니아(NH3) 및 이온성 액체로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 아민은 피페라진(piperazine, PZ) 또는 그 유도체, 히드라진(hydrazine), 모노에탄올아민(Monoethanolamine, MEA), 메틸디에탄올아민(Methyldiethanolamine, MDEA), 2-아미노-2-메틸-1-프로판올(2-amino-2-methyl-1-propanol, AMP), 2-아미노-2-히드록시메틸-1,3-프로판디올(2-amino-2-hydroxymethyl-1,3-propanediol, AHPD), 2-아미노-2-메틸-1,3-프로판디올(2-amino-2-methyl-1,3-propanediol, AMPD), 2-아미노메틸-2-히드록시메틸-1,3-프로판디올(2-aminomethyl-2-hydroxymethyl-1,3-propanediol), 2-아미노-1,1,1-에탄트리올(2-amino-1,1,1-ethanetriol), 에틸렌디아민, 디에틸렌트리아민, 트리에틸렌테트라아민, 테트라에틸렌펜타아민, 디에탄올아민 및 트리에탄올아민으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 피페라진 또는 그 유도체는 아래 구조식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.
[구조식 1]
Figure 112020137456798-pat00002
상기 구조식 1에서,
R1은 수소원자, 직선형 C1 내지 C9 알킬기 또는 가지형 C3 내지 C9 알킬기이고,
R2는 수소원자, 직선형 C1 내지 C9 알킬기 또는 가지형 C3 내지 C9 알킬기이다.
상기 아미노산은 글리신(Glycine), 알라닌(Alanine), 베타알라닌(Beta-alanine), 발린(Valine), 시스테인(Cysteine), 프롤린(Proline), 류신(Leucine), 아이소류신(Isoleucine), 메티오닌(Methionine), 트립토판(Tryptophan), 페닐알라닌(Phenylalanine), 세린(Serine), 트레오닌(Threonine), 티로신(Tyrosine), 아스파라긴(Asparagine), 글루타민(Glutamine), 라이신(Lysine), 아르기닌(Arginine), 히스티딘(Histidine), 아스파르트산(Aspartic acid), 글루탐산(Glutamic acid) 및 감마아미노부티르산(Gamma-aminobutyric acid)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
다음으로, 증기(vapor)를 상기 루멘 사이드 및 상기 쉘 사이드 중 다른 하나로 공급한다(단계 b).
상기 증기는 수증기일 수 있다.
마지막으로, 상기 루멘 사이드 및 상기 쉘 사이드에서 상기 이산화탄소 흡수제(C1)에 포집된 상기 이산화탄소를 상기 증기로 탈거하여, 탈거된 상기 이산화탄소와 상기 증기를 포함하는 혼합증기(V1)를 제조한다(단계 c).
상기 단계 (c) 후에, (d) 상기 혼합증기(V1)를 냉각시켜 상기 혼합증기(V1)로부터 상기 이산화탄소를 분리하는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.
이산화탄소(CO2)를 포집한 상기 이산화탄소 흡수제(C1)를 상기 루멘 사이드로 공급하고, 상기 증기를 상기 쉘 사이드로 공급할 수 있다.
도 1은 본 발명의 이산화탄소 탈거장치(10)를 개략적으로 나타낸 개략도이다. 이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 이산화탄소 탈거장치(10)에 대해 설명하도록 한다.
본 발명은 이산화탄소(CO2)를 포집한 이산화탄소 흡수제(C1)를 저장하고, 상기 이산화탄소 흡수제(C1)를 막접촉기의 루멘 사이드 및 쉘 사이드 중 어느 하나로 공급하기 위한 흡수제 저장조(100); 증기(vapor)를 발생시키고, 상기 증기를 상기 루멘 사이드 및 상기 쉘 사이드 중 다른 하나로 공급하기 위한 증기 발생기(200); 및 상기 루멘 사이드 및 상기 쉘 사이드에서 상기 이산화탄소 흡수제(C1)에 포집된 상기 이산화탄소를 상기 증기로 탈거하여, 탈거된 이산화탄소와 상기 증기를 포함하는 혼합증기(V1)를 제조하기 위한 막접촉기(300);를 포함하는 이산화탄소 탈거장치(10)를 제공한다.
상기 흡수제 저장조(100)의 온도는 30 내지 95℃일 수 있다. 상기 흡수제 저장조(100)의 온도가 30℃ 미만이면 증기가 공급하는 열량으로 흡수제의 온도를 충분히 승온시키기에 온도 차이가 너무 커서 바람직하지 않고, 95℃를 초과하면 증기와의 온도 차이가 크지 않아서 증기에 의한 승온 효과가 크지 않고 증기가 단순히 스윕가스(sweep gas) 역할만 하게 되기 때문에 바람직하지 않다.
상기 증기 발생기(200)의 온도는 95 내지 120℃일 수 있으며, 바람직하게는 100 내지 110℃일 수 있다. 상기 증기 발생기(200)의 온도가 95℃ 미만이면 증기가 충분히 발생하지 않아서 바람직하지 않고, 120℃를 초과하면 산업공정에서 발생하는 증기를 활용하기에는 다소 고급이기 때문에 바람직하지 않다.
상기 이산화탄소 탈거장치(10)는 상기 혼합증기(V1)를 냉각시켜 상기 혼합증기(V1)로부터 탈거된 상기 이산화탄소를 분리하고, 상기 분리된 이산화탄소를 포함하는 혼합가스(G1)를 배출하기 위한 칠러(Chiller)(400)를 추가로 포함할 수 있다.
상기 칠러(400)의 온도는 -20 내지 30℃일 수 있다. 상기 칠러(400)의 온도가 -20℃ 미만이면 과도한 에너지가 사용되어 바람직하지 않고, 30℃를 초과하면 수분을 효율적으로 억제할 수 없어 바람직하지 않다.
상기 이산화탄소 탈거장치(10)는 상기 혼합가스(G1)의 이산화탄소를 분석하기 위한 분석기(Analyzer)(500)를 추가로 포함할 수 있다.
상기 이산화탄소 탈거장치(10)는 상기 칠러(400)로부터 상기 혼합가스(G1)를 외부로 배출하기 위한 배출라인(Vent line)(600)을 추가로 포함할 수 있다.
상기 이산화탄소 탈거장치(10)는 상기 이산화탄소 흡수제(C1)를 상기 흡수제 저장조(100)로부터 상기 막접촉기(300)로 공급하기 위한 펌프(Pump)(700)를 추가로 포함할 수 있다.
상기 이산화탄소 탈거장치(10)는 배가스(G1')를 이산화탄소 흡수제(C1')와 접촉시켜 상기 배가스(G1')로부터 이산화탄소를 포집한 상기 이산화탄소 흡수제(C1)를 제조하기 위한 흡수제 처리탑(미도시)을 추가로 포함할 수 있다.
상기 이산화탄소 탈거장치(10)는 상기 증기 발생기(200)의 증기의 압력을 조절하기 위해 비활성 기체를 상기 증기 발생기(200)로 공급하기 위한 비활성 기체 공급조(800)를 추가로 포함할 수 있다.
상기 이산화탄소 탈거장치(10)는 상기 비활성 기체 공급조(800)에서 배출되는 비활성 기체의 압력을 조절하기 위한 가스유량조절기(gas flow regulator)(900)를 추가로 포함할 수 있다.
[실시예]
이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세하게 설명하도록 한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
이산화탄소 탈거
실시예 1: 세린과 피페라진을 포함하는 흡수제 사용
도 1을 참조하면, 40℃로 설정된 흡수제 저장조(100)에 저장된 이산화탄소(CO2)가 포집된 이산화탄소 흡수제(C1)를 200ml/min의 유량으로 세라믹 중공사막을 포함하는 막접촉기(300)의 루멘 사이드로 주입하였다. 상기 세라믹 중공사막은 친수성인 알루미나(Al2O3) 세라믹 표면에 지르코니아(ZrO2)가 도포된 단일 중공사(single-fiber) 막을 사용하였다. 이때, 이산화탄소 흡수제(C1)로 세린(Serin)과 피페라진(piperazine, PZ)을 포함하는 흡수제를 사용하였다. 105℃로 설정된 증기 발생기(200)에서 발생된 증기를 상기 막접촉기(300)의 쉘 사이드로 주입하였다. 상기 루멘 사이드 및 상기 쉘 사이드에서 상기 이산화탄소 흡수제(C1)에 포집된 상기 이산화탄소를 상기 증기로 탈거하여 탈거된 이산화탄소와 상기 증기를 포함하는 혼합증기(V1)를 제조하였다.
상기 혼합증기(V1)를 칠러(400)로 이동시키고 냉각시켜 상기 혼합증기(V1)로부터 탈거된 상기 이산화탄소를 분리하고, 상기 분리된 이산화탄소를 포함하는 혼합가스(G1)를 배출하였다. 상기 칠러의 온도는 0℃로 설정되었다.
실시예 2: 알라닌과 피페라진을 포함하는 흡수제 사용
실시예 1에서 이산화탄소 흡수제(C1)로 세린(Serin)과 피페라진(piperazine, PZ)을 포함하는 흡수제를 사용하는 대신에 알라닌(Alanine)과 피페라진(piperazine, PZ)을 포함하는 흡수제를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 이산화탄소 탈거를 수행하였다.
비교예 1: MEA를 포함하는 흡수제 사용
실시예 1에서 이산화탄소 흡수제로 세린(Serin)과 피페라진(piperazine, PZ)을 포함하는 흡수제를 사용하는 대신에 모노에탄올아민(MEA)을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 이산화탄소 탈거를 수행하였다.
비교예 2: MDEA를 포함하는 흡수제 사용
실시예 1에서 이산화탄소 흡수제로 세린(Serin)과 피페라진(piperazine, PZ)을 포함하는 흡수제를 사용하는 대신에 메틸디에탄올아민(MDEA)을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 이산화탄소 탈거를 수행하였다.
[시험예]
시험예 1: CO 2 흡수제 종류에 따른 CO 2 농도 분석
도 2는 비교예 1의 시간에 따른 분석기(500)에서의 CO2 농도를 나타낸 그래프이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, CO2 농도가 1.6 내지 2.1 vol%로 나타난 것을 확인할 수 있었다. 31분에 갑자기 CO2 농도가 올라가는 것을 확인할 수 있는데 이는 증기 발생기(200) 안에 물을 넣는다고 뚜껑을 여는 순간으로 증기 발생기(200) 안의 압력이 순식간에 빠지면서 분석기(500) 쪽으로 나간 것으로 판단된다. 또한 흡수제 저장조(100)의 온도를 40℃로 설정하였으나, 실제 온도는 증기로 인해 60℃로 측정되었다. 모노에탄올아민(MEA)을 포함하는 흡수제 양이 이산화탄소 탈거 실험 전에는 200 mL, 실험 후에는 약 100 mL로 측정되어 실험 후 남아 있는 흡수제가 실험 전의 절반 수준으로 측정되어 증기로 인한 손실이 많은 것을 확인하였다. 따라서 증기로 인한 손실이 크게 발생하여 충분한 탈거를 하지 못한 것으로 나타났다.
도 3은 비교예 2의 시간에 따른 분석기(500)에서의 CO2 농도를 나타낸 그래프이다. 도 3을 참조하면, CO2 농도가 1.7 내지 2.0 vol%로 나타난 것을 확인할 수 있었다. 메틸디에탄올아민(MDEA)을 포함하는 흡수제 양이 이산화탄소 탈거 실험 전에는 200 mL, 실험 후에는 약 100 mL로 측정되어 실험 후 남아 있는 흡수제가 실험 전의 절반 수준으로 측정되어 증기로 인한 손실이 많은 것을 확인하였다. 따라서 증기로 인한 손실이 크게 발생하여 충분한 탈거를 하지 못한 것으로 나타났다.
도 4는 실시예 1의 시간에 따른 분석기(500)에서의 CO2 농도를 나타낸 그래프이다. 도 4를 참조하면, CO2 농도가 최대 6.0 vol%로 나타난 것을 확인할 수 있었다. 막접촉기를 사용한 이산화탄소 탈거 실험에서 세린과 피페라진을 포함하는 흡수제의 양이 실험 전에는 200 mL, 실험 후에는 180 mL로 측정되어 실험 전후의 흡수제 량 비교 시 20mL로 큰 차이가 없어 증기로 인한 손실이 크게 발생하지 않은 것을 확인하였다. 따라서 증기로 인한 손실이 크지 않아 비교예 1 및 비교예 2에 비해 충분한 탈거를 한 것으로 나타났다. 한편, 막접촉기를 사용하지 않고 세린과 피페라진을 포함하는 흡수제 200 mL를 상압과 100℃의 온도에서 끓였을 때 146 mL가 손실되었다. 즉, 막접촉기를 사용하지 않고 흡수제 자체를 끓였을 때는 146 mL가 손실되었으나, 막접촉기를 사용했을 때에는 20 mL의 손실만 일어났으며, 이를 통해 막접촉기를 사용할 경우 고온에서 흡수제의 손실량이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 도 4에서 127분 및 170분에 CO2 농도가 갑자기 올라가는 이유는 증기 발생에 필요한 수분 보충으로 용기 개방에 따른 압력의 변화로 실험 오차로 판단된다.
따라서 흡수제로 모노에탄올아민(MEA) 또는 메틸디에탄올아민(MDEA)을 사용하는 것보다 본 발명의 실시예에서 제시한 흡수제 즉, 아미노산과 피페라진을 포함하는 흡수제를 사용하는 것이 흡수제의 손실이 더 적고, 이산화탄소의 탈거도 더 잘 일어나는 것을 확인할 수 있었다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 이산화탄소 탈거장치
100: 흡수제 저장조
200: 증기 발생기
300: 막접촉기
400: 칠러
500: 분석기
600: 배출 라인
700: 펌프
800: 비활성 기체 공급조
900: 가스유량조절기

Claims (20)

  1. (a) 이산화탄소(CO2)를 포집한 이산화탄소 흡수제(C1)를 막접촉기의 루멘 사이드 및 쉘 사이드 중 어느 하나로 공급하는 단계;
    (b) 증기(vapor)를 상기 루멘 사이드 및 상기 쉘 사이드 중 다른 하나로 공급하는 단계; 및
    (c) 상기 루멘 사이드 및 상기 쉘 사이드에서 상기 이산화탄소 흡수제(C1)에 포집된 상기 이산화탄소를 상기 증기로 탈거하여, 탈거된 상기 이산화탄소와 상기 증기를 포함하는 혼합증기(V1)를 제조하는 단계;를 포함하고,
    상기 증기가 수증기이고,
    상기 막접촉기가 세라믹 중공사막을 포함하고,
    상기 세라믹 중공사막이 알루미나(Al2O3) 세라믹 표면에 지르코니아(ZrO2)가 도포된 단일 중공사(single-fiber) 막이고,
    상기 이산화탄소 흡수제(C1)가 아민 및 아미노산을 포함하고,
    상기 아민이 피페라진(piperazine, PZ) 또는 그 유도체를 포함하고,
    상기 아미노산이 글리신(Glycine), 알라닌(Alanine) 및 세린(Serine)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것인, 이산화탄소 탈거방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (a) 전에,
    (a') 배가스(G1')를 이산화탄소 흡수제(C1')와 접촉시켜 상기 배가스(G1')로부터 이산화탄소를 포집한 상기 이산화탄소 흡수제(C1)를 제조하는 단계;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 탈거방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (c) 후에,
    (d) 상기 혼합증기(V1)를 냉각시켜 상기 혼합증기(V1)로부터 상기 이산화탄소를 분리하는 단계;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 탈거방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 피페라진 또는 그 유도체가 아래 구조식 1로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 탈거방법:
    [구조식 1]
    Figure 112022057464532-pat00003

    상기 구조식 1에서,
    R1은 수소원자, 직선형 C1 내지 C9 알킬기 또는 가지형 C3 내지 C9 알킬기이고,
    R2는 수소원자, 직선형 C1 내지 C9 알킬기 또는 가지형 C3 내지 C9 알킬기이다.
  9. 삭제
  10. 이산화탄소(CO2)를 포집한 이산화탄소 흡수제(C1)를 저장하고, 상기 이산화탄소 흡수제(C1)를 막접촉기의 루멘 사이드 및 쉘 사이드 중 어느 하나로 공급하기 위한 흡수제 저장조(100);
    증기(vapor)를 발생시키고, 상기 증기를 상기 루멘 사이드 및 상기 쉘 사이드 중 다른 하나로 공급하기 위한 증기 발생기(200); 및
    상기 루멘 사이드 및 상기 쉘 사이드에서 상기 이산화탄소 흡수제(C1)에 포집된 상기 이산화탄소를 상기 증기로 탈거하여, 탈거된 이산화탄소와 상기 증기를 포함하는 혼합증기(V1)를 제조하기 위한 막접촉기(300);를 포함하고,
    상기 증기가 수증기이고,
    상기 막접촉기가 세라믹 중공사막을 포함하고,
    상기 세라믹 중공사막이 알루미나(Al2O3) 세라믹 표면에 지르코니아(ZrO2)가 도포된 단일 중공사(single-fiber) 막이고,
    상기 이산화탄소 흡수제(C1)가 아민 및 아미노산을 포함하고,
    상기 아민이 피페라진(piperazine, PZ) 또는 그 유도체를 포함하고,
    상기 아미노산이 글리신(Glycine), 알라닌(Alanine) 및 세린(Serine)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것인, 이산화탄소 탈거장치(10).
  11. 제10항에 있어서,
    상기 흡수제 저장조(100)의 온도가 30 내지 95℃인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 탈거장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 증기 발생기(200)의 온도가 95 내지 120℃인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 탈거장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 이산화탄소 탈거장치(10)가 상기 혼합증기(V1)를 냉각시켜 상기 혼합증기(V1)로부터 탈거된 상기 이산화탄소를 분리하고, 상기 분리된 이산화탄소를 포함하는 혼합가스(G1)를 배출하기 위한 칠러(Chiller)(400)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 탈거장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 칠러(400)의 온도가 -20 내지 30℃인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 탈거장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 이산화탄소 탈거장치(10)가 상기 혼합가스(G1)의 이산화탄소를 분석하기 위한 분석기(Analyzer)(500)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 탈거장치.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 이산화탄소 탈거장치(10)가 상기 칠러(400)로부터 상기 혼합가스(G1)를 외부로 배출하기 위한 배출라인(Vent line)(600)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 탈거장치.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 이산화탄소 탈거장치(10)가 상기 이산화탄소 흡수제(C1)를 상기 흡수제 저장조(100)로부터 상기 막접촉기(300)로 공급하기 위한 펌프(Pump)(700)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 탈거장치.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 이산화탄소 탈거장치(10)가 배가스(G1')를 이산화탄소 흡수제(C1')와 접촉시켜 상기 배가스(G1')로부터 이산화탄소를 포집한 상기 이산화탄소 흡수제(C1)를 제조하기 위한 흡수제 처리탑을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 탈거장치.
  19. 제10항에 있어서,
    상기 이산화탄소 탈거장치(10)가 상기 증기 발생기(200)의 증기의 압력을 조절하기 위해 비활성 기체를 상기 증기 발생기(200)로 공급하기 위한 비활성 기체 공급조(800)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 탈거장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 이산화탄소 탈거장치(10)가 상기 비활성 기체 공급조(800)에서 배출되는 비활성 기체의 압력을 조절하기 위한 가스유량조절기(gas flow regulator)(900)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 탈거장치.
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