KR102533169B1

KR102533169B1 - 에너지효율을 향상한 이산화탄소 포집장치

Info

Publication number: KR102533169B1
Application number: KR1020220045128A
Authority: KR
Inventors: 김성주
Original assignee: 김성주
Priority date: 2022-04-12
Filing date: 2022-04-12
Publication date: 2023-05-15

Abstract

본 발명은 발전소(1)를 운영하면서 발생하는 배기가스를 처리하는 장치에 관한 것으로, 상기 발전소(1)의 굴뚝(1a)으로 이송되는 배기가스를 흡수제와 대향류식으로 접촉시켜 배기가스의 이산화탄소를 흡수제에 포화시키는 흡수탑(10); 상기 흡수탑(10)에서 반응으로 생성된 이산화탄소 포화흡수제를 고온에 노출시켜 이산화탄소와 흡수제를 분리하여 재생하는 재생탑(20); 상기 발전소(1)의 터빈(1b)을 가동하여 전력을 생산하기 위해 보일러(1c)로부터 발생하는 스팀을 재생탑(20)으로 공급하는 스팀공급라인(30); 상기 발전소(1)의 배기가스를 흡수탑(10)에서 재생탑(20)으로 이송되는 이산화탄소 포화흡수제와 열교환시켜 배기가스의 온도는 낮추고, 이산화탄소 포화흡수제는 가열시키는 가스열교환부(40);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
따라서 본 발명은 발전소에서 터빈을 가동하기 위해 발생하는 스팀을 재생탑의 열원으로 사용하는데 이어 발전소에서 배출되는 배기가스와 흡수탑에서 재생탑으로 이송되는 포화흡수제와 열교환해줌으로써, 고온의 배기가스는 냉각되고 저온의 포화흡수제는 가열됨에 따라 전반적으로 이산화탄소를 포집하는데 소요되는 운전비용을 최소화할 수 있는 효과를 제공한다.

Description

에너지효율을 향상한 이산화탄소 포집장치{Carbon dioxide capture device with improved energy efficiency}

본 발명은 발전소를 운영하면서 발생하는 배기가스를 처리하는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발전소에서 터빈을 가동하기 위해 발생하는 스팀을 재생탑의 열원으로 사용하는데 이어 발전소에서 배출되는 배기가스와 흡수탑에서 재생탑으로 이송되는 포화흡수제와 열교환해줌으로써, 고온의 배기가스는 냉각되고 저온의 포화흡수제는 가열됨에 따라 전반적으로 이산화탄소를 포집하는데 소요되는 운전비용을 최소화할 수 있는 에너지효율을 향상한 이산화탄소 포집장치에 관한 것이다.

산업화와 더불어 온실가스 배출이 지속적으로 증가하고 있으며, 그로 인한 지구 온난화로 인해 이상 기온 현상, 해수면 상승 등 다양한 기상재해가 발생하고 있다.

지속적으로 심화되는 지구 온난화에 대응하기 위해 전 세계 많은 국가들이 온실가스 감축을 위한 노력을 기울이고 있으며, 이러한 노력의 일환으로 전 세계 195개국은 2015년 12월 파리 기후변화 협약 채택을 통하여 다양한 정책 및 관련 기술을 발전시키고 있는 중이다.

온실가스 배출량에서 이산화탄소는 가장 큰 비중을 차지하고 있으며, 에너지 부분 및 시멘트, 철강, 화학 산업 등 산업 현장에서 대부분의 이산화탄소가 배출이 되고 있다.

IEA에서 발표한 보고서에 따르면, 2050년까지 온실가스 감축 기여 관련 연료 효율 증대, 신재생 에너지 등과 더불어 이산화탄소 포집 및 저장(CCS: Carbon Capture and Storage) 기술이 12%를 담당할 것으로 전망하였으며, 이산화탄소를 직접적으로 제거하는 CCS 기술을 온실가스 감축 미래 핵심 기술로 중요함을 강조하였다.

이러한 이산화탄소 포집기술로는 화학흡수법과 물리흡수법으로 분류되는데, 가스성분의 분압이 높은 경우에는 물리흡수법이 사용되고, 연소배기가스와 같이 이산화탄소의 분압이 낮은 경우에는 화학흡수법을 사용하는 것이 효과적이다

대표적인 화학흡수법은 흡수제를 배기가스와 적절한 온도와 압력에서 접촉시켜 이산화탄소를 선택적으로 포집하는 것으로, 흡수탑, 재생탑, 리보일러, 펌프, 블로워 등을 포함하는 장치로 이루어진다.

여기서 재생탑에서 스팀을 생성하기 위해 가동되는 리보일러(스팀발생기)가 상당한 에너지를 소비하게 되므로 결국 전력소비량에 따른 이산화탄소의 배출량도 증가하게 되는 문제가 있다.

따라서 이러한 문제를 개선하기 위해 특허문헌1에 개시된 바와 같이 재생탑에서 이산화탄소 포화흡수제를 가열시키기 위해 사용된 스팀 응축수의 열을 재생탑으로 유입되는 이산화탄소 포화흡수제와 열교환시켜 운전비용을 절감하는 구조를 제안한 바 있다.

그러나 기존의 일반적인 포집장치에서 리보일러의 가동률이 100%라고 하였을 때, 흡수제끼리 열교환시 97% 가동률로 즉, 3%라는 미흡한 에너지절감효율만을 보이고 있다.

따라서 포집장치를 운영하데 소요되는 전반적인 운전비용을 보다 획기적으로 절감할 수 있는 방안이 필요한 실정이다.

대한민국 등록특허공보 제10-1375645호 발명의 명칭: 재기화기 스팀응축수의 열을 이용한 이산화탄소 포집장치

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하고자 제안된 것으로, 발전소에서 터빈을 가동하기 위해 발생하는 스팀을 재생탑의 열원으로 사용하는데 이어 발전소에서 배출되는 배기가스와 흡수탑에서 재생탑으로 이송되는 포화흡수제와 열교환해줌으로써, 고온의 배기가스는 냉각되고 저온의 포화흡수제는 가열됨에 따라 전반적으로 이산화탄소를 포집하는데 소요되는 운전비용을 최소화할 수 있는 에너지효율을 향상한 이산화탄소 포집장치를 제공하려는데 그 목적이 있다.

본 발명은 발전소를 운영하면서 발생하는 배기가스를 처리하는 장치에 관한 것으로, 상기 발전소의 굴뚝으로 이송되는 배기가스를 흡수제와 대향류식으로 접촉시켜 배기가스의 이산화탄소를 흡수제에 포화시키는 흡수탑; 상기 흡수탑에서 반응으로 생성된 이산화탄소 포화흡수제를 고온에 노출시켜 이산화탄소와 흡수제를 분리하여 재생하는 재생탑; 상기 발전소의 터빈을 가동하여 전력을 생산하기 위해 보일러로부터 발생하는 스팀을 재생탑으로 공급하는 스팀공급라인; 상기 발전소의 배기가스를 흡수탑에서 재생탑으로 이송되는 이산화탄소 포화흡수제와 열교환시켜 배기가스의 온도는 낮추고, 이산화탄소 포화흡수제는 가열시키는 가스열교환부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때, 본 발명에 의한 상기 흡수탑은, 상기 배기가스와 흡수제가 대향류식으로 유입되고, 상기 배기가스의 이산화탄소가 흡수제에 포화되는 하나 이상의 흡수탑반응소; 상기 흡수제반응소의 내부에 배치되고, 상기 배기가스의 분산으로 흡수제와의 반응을 높여주는 흡수촉진블록; 상기 흡수탑반응소의 하류 측에 배치되고, 상기 이산화탄소 포화흡수제를 소정용량으로 수용하는 흡수탑저장소; 상기 흡수탑반응소의 상류 측에 배치되고, 상기 이산화탄소가 제거된 배기가스의 질소와 산소를 세척수로 세척 및 냉각하는 흡수탑세척소;로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 상기 흡수탑은, 상기 흡수탑반응소의 상측과 흡수탑저장소의 하측에 연결되어 흡수제가 순환되는 흡수탑순환라인; 상기 흡수탑순환라인에 개재되어 흡수탑저장소에 수용된 흡수제를 순환시키는 흡수탑순환펌프; 상기 흡수탑순환라인에 개재되어 순환되는 흡수제를 냉각시키는 흡수탑라디에이터; 상기 흡수탑저장소의 하측과 가스열교환부 및 재생탑에 각각 연결되어 포화흡수제가 이송되는 흡수탑이송라인; 상기 흡수탑이송라인에 개재되어 흡수탑저장소에 수용된 포화흡수제를 가스열교환부와 재생탑으로 이송시키는 흡수탑이송펌프;가 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 상기 재생탑은, 상기 이산화탄소 포화흡수제와 스팀이 향류식으로 유입되고, 상기 포화흡수제에 포화된 이산화탄소를 분리하여 재생하는 하나 이상의 재생탑분리소; 상기 재생탑분리소의 내부에 배치되고, 상기 포화흡수제의 분산으로 스팀과의 반응을 높여주는 재생촉진블록; 상기 재생탑분리소의 하류 측에 배치되고, 상기 재생흡수제를 소정용량으로 수용하는 재생탑저장소; 상기 재생탑저장소의 하류 측에 배치되고, 상기 재생탑분리소로 스팀을 생성하여 공급하는 스팀공급기; 상기 재생탑분리소의 상류 측에 배치되고, 상기 포화흡수제로부터 분리된 이산화탄소를 세척수로 세척 및 냉각하는 재생탑세척소; 상기 재생탑저장소의 하측과 흡수탑에 연결되어 재생흡수제를 배출하는 재생탑이송라인; 상기 재생탑이송라인에 개재되어 재생탑저장소에 수용된 재생흡수제를 흡수탑으로 이송하는 재생탑이송펌프;로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 상기 가스열교환부는, 상기 굴뚝의 하류 측에 배치되고, 상기 배기가스를 흡수탑으로 이송시키는 가스송풍기; 상기 가스송풍기의 하류 측에 배치되고, 상기 배기가스와 이산화탄소 포화흡수제를 열교환시키는 가스열교환기; 상기 가스열교환기의 하류 측에 배치되고, 상기 배기가스를 냉각수에 접촉시켜 설정온도로 냉각시키는 가스냉각기; 상기 굴뚝과 가스송풍기 및 가스열교환기에 연결되어 130℃ 이상의 배기가스가 이송되는 고온가스라인; 상기 가스열교환기와 가스냉각기에 연결되어 90℃ 이하의 배기가스가 이송되는 중온가스라인; 상기 가스냉각기와 흡수탑에 연결되어 50℃ 이하의 배기가스가 이송되는 저온가스라인;으로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 상기 흡수제는 물의 함량이 15중량% 이하인 아민계, 아미노산염, 무기염, 암모니아 또는 이들을 둘 이상 혼합 조성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 상기 재생탑은, 상기 재생탑이송라인에 개재되어 흡수탑으로 이송되는 재생흡수제를 50℃ 이하로 냉각하는 재생탑라디에이터;가 더 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 상기 재생탑은, 상기 재생탑이송라인에 개재되어 흡수탑으로 이송되는 재생흡수제와 흡수탑에서 가스열교환부로 이송되는 포화흡수제를 열교환시켜 재생흡수제의 온도는 낮추고 포화흡수제는 가열시키는 흡수제열교환기;가 더 구성된 것을 특징으로 한다.

첫째, 본 발명은 발전소에서 터빈을 가동하기 위해 발생하는 스팀을 재생탑의 열원으로 공급하는 스팀공급라인을 구성함으로써, 재생탑에서 포화흡수제로부터 이산화탄소를 분리하기 위해 스팀을 생성하는 스팀공급기의 가동률을 현저히 낮출 수 있거나 생략시킬 수 있는 효과가 있다.

둘째, 본 발명은 발전소에서 배출되는 배기가스와 흡수탑에서 재생탑으로 이송되는 포화흡수제를 열교환시키는 가스열교환부를 구성함으로써, 고온의 배기가스가 흡수탑에 이송되기 전에 저온으로 냉각됨에 따라 냉각수는 물론 냉각에 소요되는 에너지를 절감할 수 있고, 저온의 포화흡수제가 고온으로 가열된 상태로 흡수탑에 이송됨에 따라 스팀의 사용량을 줄여 전반적인 운전비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.

도 1은 본 발명에 따른 이산화탄소 포집장치를 전체적으로 나타내는 계통도이다.
도 2는 본 발명에 따른 이산화탄소 포집장치의 흡수탑을 확대하여 나타내는 계통도이다.
도 3은 본 발명에 따른 이산화탄소 포집장치의 재생탑을 확대하여 나타내는 계통도이다.
도 4는 본 발명에 따른 이산화탄소 포집장치의 가스열교환부를 확대하여 나타내는 계통도이다.
도 5는 본 발명의 변형에 따른 이산화탄소 포집장치를 전체적으로 나타내는 계통도이다.

이하, 본 문서의 다양한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 그러나 이는 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 문서의 실시예의 다양한 변경(modifications), 균등물(equivalents), 및/또는 대체물(alternatives)을 포함하는 것으로 이해되어야한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.

또한, 본 문서에서 사용된 "제1," "제2," 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, '제1 부분'과 '제2 부분'은 순서 또는 중요도와 무관하게, 서로 다른 부분을 나타낼 수 있다. 예를 들면, 본 문서에 기재된 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 바꾸어 명명될 수 있다.

또한, 본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 용어들은 본 문서에 기재된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 본 문서에 사용된 용어들 중 일반적인 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미로 해석될 수 있으며, 본 문서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 문서에서 정의된 용어일지라도 본 문서의 실시예들을 배제하도록 해석될 수 없다.

본 발명은 발전소(1)를 운영하면서 발생하는 배기가스를 처리하는 장치에 관한 것으로, 도 1처럼 흡수탑(10)과 재생탑(20) 및 스팀공급라인(30)과 가스열교환부(40)를 주요 구성으로 하는 에너지효율을 향상한 이산화탄소 포집장치이다.

이때, 본 발명에서 언급되는 흡수제와 재생흡수제는 이산화탄소가 포화되지 않은 상태를 의미하고, 포화흡수제는 이산화탄소가 포화된 상태를 의미한다.

그리고 설명에서 언급되는 상류 측 및 하류 측은 상/하 또는 위/아래와 같은 위치를 나타내는 것이 아니라 가스, 액체, 열 등의 흐름에 따른 위치를 나타내는 것을 의미한다.

먼저, 본 발명에 따른 흡수탑(10)은 도 1처럼 발전소(1)의 굴뚝(1a)으로 이송되는 배기가스를 흡수제와 대향류식으로 접촉시켜 배기가스의 이산화탄소를 흡수제에 포화시켜준다.

이러한 흡수탑(10)은 도 2에 도시된 바와 같이 흡수탑반응소(11), 흡수촉진블록(12), 흡수탑저장소(13), 흡수탑세척소(14)로 구성된다.

그리고 흡수탑순환라인(15), 흡수탑순환펌프(16), 흡수탑라디에이터(17), 흡수탑이송라인(18), 흡수탑이송펌프(19)로 구성된다.

흡수탑반응소(11)는 배기가스와 흡수제가 대향류식으로 유입되어 배기가스의 이산화탄소가 흡수제에 포화되는 챔버이다.

이러한 흡수탑반응소(11)는 2개 이상으로 구성할 수 있는데, 도면에 도시된 것처럼 다단으로 연통되게 구성할 수 있고, 독립적으로 구성할 수도 있다.

흡수촉진블록(12)은 흡수탑반응소(11)의 내부에 배치되어 배기가스와 흡수제의 반응을 높여준다.

이러한 흡수촉진블록(12)은 다공성 금속재로 이루어져 향류되는 배기가스와 흡수제가 부딪히면서 분산시켜 접촉성을 높여준다.

흡수탑저장소(13)는 흡수탑반응소(11)의 하류 측에 배치되고, 이산화탄소 포화흡수제를 소정용량으로 수용한다.

여기서 배기가스를 포집하기 이전에 흡수탑저장소(13)에는 흡수제 또는 재생흡수제를 수용한다.

흡수탑세척소(14)는 흡수탑반응소(11)의 상류 측에 배치되어 이산화탄소가 제거된 배기가스의 질소와 산소를 세척수로 세척 및 냉각한다.

이러한 흡수탑세척소(14)의 상측에는 배기가스의 질소와 산소를 대기 중에 방출하거나 용기에 저장하는 가스배출라인이 연결된다.

흡수탑순환라인(15)은 가동 초기 흡수제 또는 재생흡수제가 순환되는 것으로, 흡수탑반응소(11)의 상측과 흡수탑저장소(13)의 하측에 연결된다.

흡수탑순환펌프(16)는 흡수탑순환라인(15)에 개재되어 흡수탑저장소(13)에 수용된 흡수제를 순환시켜준다.

흡수탑라디에이터(17)는 흡수탑순환라인(15)에 개재되어 순환되는 흡수제를 냉각시켜준다.

여기서 흡수제는 배기가스와 일정시간 동안 지속적으로 대향류시켜야 이산화탄소를 고농도로 포화시킬 수가 있다.

즉, 흡수탑라디에이터(17)는 60℃ 이상의 배기가스와 지속적인 접촉으로 인해 가열된 흡수제를 60℃ 이하로 냉각시켜준다.

흡수탑이송라인(18)은 포화흡수제를 이송하는 것으로, 흡수탑저장소(13)의 하측과 가스열교환기(42) 및 재생탑분리소(21)의 상측에 각각 연결된다.

흡수탑이송펌프(19)는 흡수탑이송라인(18)에 개재되어 흡수탑저장소(13)에 수용된 포화흡수제를 가스열교환기(42)를 거쳐 재생탑분리소(21)로 이송시켜준다.

이때, 흡수탑(10)에서 사용되는 흡수제는 물의 함량이 15중량% 이하인 아민계, 아미노산염, 무기염, 암모니아 또는 이들을 둘 이상 혼합 조성될 수 있다.

이어서 본 발명에 따른 재생탑(20)은 도 1처럼 흡수탑(10)에서 반응으로 생성된 이산화탄소 포화흡수제를 고온에 노출시켜 이산화탄소와 흡수제를 분리하여 재생한다.

이러한 재생탑(20)은 도 3에 도시된 바와 같이 재생탑분리소(21), 재생촉진블록(22), 재생탑저장소(23), 스팀공급기(24), 재생탑세척소(25), 재생탑이송라인(26), 재생탑이송펌프(27), 재생탑라디에이터(28)로 구성된다.

재생탑분리소(21)는 이산화탄소 포화흡수제와 스팀이 대향류식으로 유입되어 포화흡수제에 포화된 이산화탄소를 분리하여 재생하는 챔버이다.

이러한 재생탑분리소(21)는 2개 이상으로 구성할 수 있는데, 도면에 도시된 것처럼 다단으로 연통되게 구성할 수 있고, 독립적으로 구성할 수도 있다.

재생촉진블록(22)은 재생탑분리소(21)의 내부에 배치되어 포화흡수제와 스팀의 반응을 높여준다.

이러한 재생촉진블록(22)은 다공성 금속재로 이루어져 대향류되는 포화흡수제와 스팀이 부딪히면서 분산시켜 열전달성을 높여준다.

재생탑저장소(23)는 재생탑분리소(21)의 하류 측에 배치되어 재생흡수제를 소정용량으로 수용한다.

스팀공급기(24)는 리보일러로, 재생탑저장소(23)의 하류 측에 배치되어 재생탑분리소(21)로 스팀을 생성하여 공급한다.

이러한 스팀공급기(24)는 스팀공급라인(30)으로부터 스팀을 공급받으므로, 공급되는 200℃ 스팀이 연속적으로 공급되면서 포화흡수액을 Reboiling하여 100℃ 응축수가 되어 연속적으로 배출된다.

재생탑세척소(25)는 재생탑분리소(21)의 상류 측에 배치되어 포화흡수제로부터 분리된 이산화탄소를 세척수로 세척한다.

이러한 재생탑세척소(25)의 상측에는 분리된 이산화탄소를 콘덴서로 이산화탄소와 물을 분리하여 이산화탄소는 저장하는 가스배출라인이 연결된다.

재생탑이송라인(26)은 재생흡수제를 흡수탑(10)에 공급하는 것으로, 재생탑저장소(23)의 하측과 흡수탑반응소(11)의 상측에 연결된다.

재생탑이송펌프(27)는 재생탑이송라인(26)에 개재되어 재생탑저장소(23)에 수용된 재생흡수제를 흡수탑반응소(11)로 이송시켜준다.

재생탑라디에이터(28)는 재생탑이송라인(26)에 개재되어 흡수탑반응소(11)로 이송되는 재생흡수제를 60℃ 이하로 냉각한다.

즉, 재생탑라디에이터(28)는 스팀에 의해 80℃ 이상으로 가열된 재생흡수제를 흡수탑(10)의 운전온도인 60℃ 이하로 냉각시켜준다.

이어서 본 발명에 따른 스팀공급라인(30)은 도 1처럼 발전소(1)의 터빈(1b)을 가동하여 전력을 생산하기 위해 보일러(1c)로부터 발생하는 스팀을 재생탑(20)으로 공급한다.

즉, 스팀공급라인(30)의 일단은 보일러(1c)의 스팀배출부에 연결되고, 타단은 스팀공급기(24)에 연결된다.

여기서 스팀공급라인(30)의 타단은 스팀공급기(24)와 함께 재생탑저장소(23)의 하측에 병렬로 연결될 수 있다.

물론 스팀공급기(24)를 생략할 경우에는 재생탑저장소(23)의 하측에만 단독으로 연결된다.

마지막으로 본 발명에 따른 가스열교환부(40)는 도 1처럼 발전소(1)의 배기가스를 흡수탑(10)에서 재생탑(20)으로 이송되는 포화흡수제와 열교환시켜준다.

이러한 가스열교환부(40)는 도 4에 도시된 바와 같이 가스송풍기(41), 가스열교환기(42), 가스냉각기(43), 고온가스라인(44), 중온가스라인(45), 저온가스라인(46)으로 구성된다.

가스송풍기(41)는 굴뚝(1a)의 하류 측에 배치되어 배기가스를 흡수탑저장소(13)의 상측으로 이송시켜준다.

가스열교환기(42)는 송풍기(41)의 하류 측에 배치되어 배기가스와 포화흡수제를 열교환시켜준다.

즉, 가스열교환기(42)는 배기가스와 포화흡수제를 열교환시켜 배기가스의 온도는 낮춰주고, 이산화탄소 포화흡수제는 가열시켜준다.

가스냉각기(43)는 가스열교환기(42)의 하류 측에 배치되고, 배기가스를 냉각수에 접촉시켜 설정온도로 냉각시켜준다.

고온가스라인(44)은 130℃ 이상의 배기가스가 이송되는 것으로, 굴뚝(1a)과 가스송풍기(41) 및 가스열교환기(42)에 연결된다.

중온가스라인(45)은 100℃ 이하의 배기가스가 이송되는 것으로, 가스열교환기(42)와 가스냉각기(43)에 연결된다.

저온가스라인(46)은 50℃ 이하의 배기가스가 이송되는 것으로, 가스냉각기(43)와 흡수탑저장소(13)의 상측에 연결된다.

즉, 굴뚝(1a)에서 이송되는 130℃ 이상의 배기가스는 가스열교환기(42)를 거치면서 100℃ 이하로 냉각되고, 포화흡수제는 100℃ 이상으로 가열된다.

그리고 100℃ 이하로 냉각된 배기가스는 가스냉각기(43)를 거치면서 50℃ 이하로 냉각되어 흡수탑저장소(13)로 공급된다.

이하, 본 발명에 따른 포집장치가 이산화탄소를 포집하는 공정의 핵심을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 발전소(1)의 배기가스는 가스열교환부(40)를 거쳐 흡수탑(10)으로 공급되고, 발전소(1)의 스팀은 재생탑(20)으로 공급된다.

흡수탑(10)에 공급되는 배기가스는 순환되는 흡수제와 향류식으로 접촉되어 배기가스의 이산화탄소가 흡수제에 포화된다.

이산화탄소가 고농도로 포화된 포화흡수제는 가스열교환부(40)를 거치면서 100℃ 이상으로 가열된 이후 재생탑(20)으로 공급된다.

여기서 가스열교환부(40)를 거친 배기가스는 포화흡수제와의 열교환으로 인해 100℃ 이하로 냉각된다.

따라서 배기가스를 흡수탑(10)의 운전온도인 60℃로 냉각하는데 소용되는 에너지를 대폭 절감할 수가 있다.

재생탑(20)으로 공급되는 포화흡수제는 발전소(1)의 스팀과 향류식으로 접촉되어 포화흡수제와 이산화탄소가 분리된다.

여기서 포화흡수제가 100℃ 이상으로 가열된 상태이므로 재생탑(20)의 운전온도인 140℃로 가열하는데 소요되는 에너지 즉, 스팀의 공급량을 대폭 절감할 수가 있다.

흡수탑(10)에서 배출되는 질소와 산소 및 재생탑(20)에서 배출되는 이산화탄소는 콘덴서로 이산화탄소와 물을 분리하여 이산화탄소는 저장하는 가스배출라인이 연결되어 저장탱크에 저장된다.

한편, 본 발명에 따른 포집장치는 도 5와 같이 재생탑라디에이터(28) 대신 흡수제열교환기(29)로 대체 구성할 수도 있다.

즉, 흡수제열교환기(29)는 재생탑이송라인(26)에 개재되어 재생탑(20)에서 흡수탑(10)으로 이송되는 재생흡수제와, 흡수탑(10)에서 가스열교환부(40)로 이송되는 포화흡수제를 열교환시켜준다.

따라서 재생흡수제는 60℃ 이하로 낮추고, 포화흡수제는 60℃ 이상으로 가열되므로 가스열교환부(40)를 거친 포화흡수제는 배기가스의 온도인 130℃로 신속하게 도달될 수가 있으므로 전술한 스팀공급기(24)를 생략할 수 있을 뿐만 아니라 발전소(1)로부터 재생탑(20)에 공급되는 스팀 공급량을 현저히 줄일 수 있어 발전효율의 저하를 최소화할 수가 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

1: 발전소
1a: 굴뚝
1b: 터빈
1c: 보일러
10: 흡수탑
11: 흡수탑반응소
12: 흡수촉진블록
13: 흡수탑저장소
14: 흡수탑세척소
15: 흡수탑순환라인
16: 흡수탑순환펌프
17: 흡수탑라디에이터
18: 흡수탑이송라인
19: 흡수탑이송펌프
20: 재생탑
21: 재생탑분리소
22: 재생촉진블록
23: 재생탑저장소
24: 스팀공급기
25: 재생탑세척소
26: 재생탑배출라인
27: 재생탑이송펌프
28: 재생탑라디에이터
29: 흡수제열교환기
30: 스팀공급라인
40: 가스열교환부
41: 가스송풍기
42: 가스열교환기
43: 가스냉각기
44: 고온가스라인
45: 중온가스라인
46: 저온가스라인

Claims

발전소(1)를 운영하면서 발생하는 배기가스를 처리하는 장치에 있어서,
상기 발전소(1)의 굴뚝(1a)으로 이송되는 배기가스를 흡수제와 대향류식으로 접촉시켜 배기가스의 이산화탄소를 흡수제에 포화시키는 흡수탑(10);
상기 흡수탑(10)에서 반응으로 생성된 이산화탄소 포화흡수제를 고온에 노출시켜 이산화탄소와 흡수제를 분리하여 재생하는 재생탑(20);
상기 발전소(1)의 터빈(1b)을 가동하여 전력을 생산하기 위해 보일러(1c)로부터 발생하는 스팀을 재생탑(20)으로 공급하는 스팀공급라인(30);
상기 발전소(1)의 배기가스를 흡수탑(10)에서 재생탑(20)으로 이송되는 이산화탄소 포화흡수제와 열교환시켜 배기가스의 온도는 낮추고, 이산화탄소 포화흡수제는 가열시키는 가스열교환부(40);를 포함하여,
상기 재생탑(20)은,
상기 이산화탄소 포화흡수제와 스팀이 향류식으로 유입되고, 상기 포화흡수제에 포화된 이산화탄소를 분리하여 재생하는 하나 이상의 재생탑분리소(21);
상기 재생탑분리소(21)의 내부에 배치되고, 상기 포화흡수제의 분산으로 스팀과의 반응을 높여주는 재생촉진블록(22);
상기 재생탑분리소(21)의 하류 측에 배치되고, 재생흡수제를 소정용량으로 수용하는 재생탑저장소(23);
상기 재생탑저장소(23)의 하류 측에 배치되고, 상기 재생탑분리소(21)로 스팀을 생성하여 공급하는 스팀공급기(24);
상기 재생탑분리소(21)의 상류 측에 배치되고, 상기 포화흡수제로부터 분리된 이산화탄소를 세척수로 세척 및 냉각하는 재생탑세척소(25);
상기 재생탑저장소(23)의 하측과 흡수탑(10)에 연결되어 재생흡수제를 배출하는 재생탑이송라인(26);
상기 재생탑이송라인(26)에 개재되어 재생탑저장소(23)에 수용된 재생흡수제를 흡수탑(10)으로 이송하는 재생탑이송펌프(27);
로 구성된 것을 특징으로 하는 에너지효율을 향상한 이산화탄소 포집장치.
청구항 1에 있어서,
상기 흡수탑(10)은,
상기 배기가스와 흡수제가 대향류식으로 유입되고, 상기 배기가스의 이산화탄소가 흡수제에 포화되는 하나 이상의 흡수탑반응소(11);
상기 흡수탑반응소(11)의 내부에 배치되고, 상기 배기가스의 분산으로 흡수제와의 반응을 높여주는 흡수촉진블록(12);
상기 흡수탑반응소(11)의 하류 측에 배치되고, 상기 이산화탄소 포화흡수제를 소정용량으로 수용하는 흡수탑저장소(13);
상기 흡수탑반응소(11)의 상류 측에 배치되고, 상기 이산화탄소가 제거된 배기가스의 질소와 산소를 세척수로 세척 및 냉각하는 흡수탑세척소(14);
로 구성된 것을 특징으로 하는 에너지효율을 향상한 이산화탄소 포집장치.
청구항 2에 있어서,
상기 흡수탑(10)은,
상기 흡수탑반응소(11)의 상측과 흡수탑저장소(13)의 하측에 연결되어 흡수제가 순환되는 흡수탑순환라인(15);
상기 흡수탑순환라인(15)에 개재되어 흡수탑저장소(13)에 수용된 흡수제를 순환시키는 흡수탑순환펌프(16);
상기 흡수탑순환라인(15)에 개재되어 순환되는 흡수제를 냉각시키는 흡수탑라디에이터(17);
상기 흡수탑저장소(13)의 하측과 가스열교환부(40) 및 재생탑(20)에 각각 연결되어 포화흡수제가 이송되는 흡수탑이송라인(18);
상기 흡수탑이송라인(18)에 개재되어 흡수탑저장소(13)에 수용된 포화흡수제를 가스열교환부(40)와 재생탑(20)으로 이송시키는 흡수탑이송펌프(19);
가 구성된 것을 특징으로 하는 에너지효율을 향상한 이산화탄소 포집장치.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 가스열교환부(40)는,
상기 굴뚝(1a)의 하류 측에 배치되고, 상기 배기가스를 흡수탑(10)으로 이송시키는 가스송풍기(41);
상기 가스송풍기(41)의 하류 측에 배치되고, 상기 배기가스와 이산화탄소 포화흡수제를 열교환시키는 가스열교환기(42);
상기 가스열교환기(42)의 하류 측에 배치되고, 상기 배기가스를 냉각수에 접촉시켜 설정온도로 냉각시키는 가스냉각기(43);
상기 굴뚝(1a)과 가스송풍기(41) 및 가스열교환기(42)에 연결되어 130℃ 이상의 배기가스가 이송되는 고온가스라인(44);
상기 가스열교환기(42)와 가스냉각기(43)에 연결되어 90℃ 이하의 배기가스가 이송되는 중온가스라인(45);
상기 가스냉각기(43)와 흡수탑(10)에 연결되어 50℃ 이하의 배기가스가 이송되는 저온가스라인(46);
으로 구성된 것을 특징으로 하는 에너지효율을 향상한 이산화탄소 포집장치.
청구항 1에 있어서,
상기 흡수제는 물의 함량이 15중량% 이하인 아민계, 아미노산염, 무기염, 암모니아 또는 이들을 둘 이상 혼합 조성된 것을 특징으로 하는 에너지효율을 향상한 이산화탄소 포집장치.
청구항 1에 있어서,
상기 재생탑(20)은,
상기 재생탑이송라인(26)에 개재되어 흡수탑(10)으로 이송되는 재생흡수제를 50℃ 이하로 냉각하는 재생탑라디에이터(28);
가 더 구성된 것을 특징으로 하는 에너지효율을 향상한 이산화탄소 포집장치.