KR102608674B1 - 선박의 배가스 폐열을 이용한 이산화탄소 흡착제 재생을 포함하는 선박의 배가스내 이산화탄소 포집 시스템 및 이의 포집방법 - Google Patents
선박의 배가스 폐열을 이용한 이산화탄소 흡착제 재생을 포함하는 선박의 배가스내 이산화탄소 포집 시스템 및 이의 포집방법 Download PDFInfo
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Abstract
본원발명은 기존의 이산화탄소 흡착 시스템에서는 상온에서 이산화탄소를 흡착 후 탈착하기 위해서는 감압 또는 가열하여 흡착제를 재생하는 과정이 필수적이나, 선박의 공간적 제한조건에서 선박엔진의 배가스 폐열을 활용하여 스팀을 생산하고, 이를 직접 재생에너지원으로 적용함으로써 재생 후 이산화탄소를 효과적으로 분리할 수 있는 선박의 배가스 폐열을 이용한 이산화탄소 흡착제 재생을 포함하는 선박의 배가스내 이산화탄소 포집 시스템 및 이의 포집방법에 대한 것이다.
Description
본원발명은 선박의 배가스 폐열을 이용한 이산화탄소 흡착제 재생을 포함하는 선박의 배가스내 이산화탄소 포집 시스템 및 이의 포집방법에 대한 것이다. 구체적으로, 기존의 이산화탄소 흡착 시스템에서는 상온에서 이산화탄소를 흡착 후 탈착하기 위해서는 감압 또는 가열하여 흡착제를 재생하는 과정이 필수적이나, 선박의 공간적 제한조건에서 선박엔진의 배가스 폐열을 활용하여 스팀을 생산하고, 이를 직접 재생에너지원으로 적용함으로써 재생 후 이산화탄소를 효과적으로 분리할 수 있는 선박의 배가스 폐열을 이용한 이산화탄소 흡착제 재생을 포함하는 선박의 배가스내 이산화탄소 포집 시스템 및 이의 포집방법에 대한 것이다.
산업 전반에 걸쳐 다양한 루트로 배출되는 이산화탄소는 생태계와 기온을 변화시키는 등 환경에 좋지 않은 영향을 미치기 때문에 다양한 종류의 포집방법이 제안되어 왔다.
종래에는 액상의 흡수제를 이용하여 이산화탄소를 포집하는 습식법에 의한 공정이 사용되어 왔지만 공정과정에서 폐수가 발생하는 단점이 있었다. 따라서 습식법의 대안으로 건식법에 의한 이산화탄소의 포집방법이 제안되었다. 건식법은 화력발전소의 보일러 등에서 배출된 혼합가스와 건식흡수제를 반응시켜 이산화탄소를 흡수하는 흡수공정; 이산화탄소가 제거된 혼합가스와 이산화탄소를 흡수한 건식흡수제를 분리하는 분리공정; 이산화탄소를 흡수한 건식흡수제를 가열하여 이산화탄소를 분리하는 재생공정의 단계를 거쳐 이루어진다. 재생공정에서 이산화탄소가 분리된 건식흡수제는 다시 흡수공정의 단계로 피드백되어 이산화탄소를 흡수하게 되고, 포집된 이산화탄소는 다른 산업설비에서 이용하거나 지하 깊숙한 곳에 매장하여 처리한다.
선박에 구비되는 엔진, 보일러 등의 연소기관에서는 연소에 따른 배기가스가 발생한다. 연소기관에서 발생하는 배기가스는 다량의 질소산화물(NOX), 황산화물(SOX), 이산화탄소(이산화탄소) 및 분진 등의 대기오염물질을 다량 포함하고 있다.
특히, 선박에서 배출되는 배기가스에 포함되는 질소산화물과 황산화물은 국제연합(UN: United Nation)의 산하기관인 국제해사기구(IMO: International Maritime Organization)로부터 배출 규제를 받고 있는 대표적인 대기 오염물질이다.
배기가스 중의 황산화물을 저감하는 방법으로는, 연소기관의 연료로서 황 성분이 포함되지 않은 연료를 사용하거나 연료 중의 황 성분을 제거하여 연소 중 황산화물이 발생하지 않게 하는 방법과, 배기가스를 스크러버(Scrubber)로 공급하여 통과시키는 과정에서 배기가스에 세정액(예컨대, 해수 등)을 분사하여 배기가스 중의 황산화물을 포집하는 후처리 방법이 있다.
또한, 배기가스 중의 질소산화물을 저감하는 방법으로는, 선택적 촉매 환원(SCR: Selective Catalytic Reduction) 방식이나 배기가스 재순환(EGR: Exhaust Gas Recirculation) 시스템이 알려져 있다. 선택적 촉매환원은 환원제인 암모니아 혹은 우레아(urea)가 주입된 촉매를 이용하여 질소산화물을 질소와 물로 변환시켜 제거하는 것이고, 배기가스 재순환 시스템은 엔진에서 배출된 배기가스의 일부를 엔진의 실린더에 흡기로 공급하여 엔진의 연소 온도를 낮춤으로써 질소산화물의 발생량을 저감시키는 것이다.
선박에서 발생하는 배가스의 이산화탄소 저감방법은 다양한 기술이 적용되고 있다. 하지만 공지의 이산화탄소 포집방법들은 재생공정단계에서 이산화탄소를 흡수한 흡수제를 가열하는데 많은 열에너지가 소모되는 단점이 있다. 또, 흡수공정에서 흡수반응 외에 불필요한 부반응이 일어나고 재생반응의 열역학적 특성상 모든 건식흡수제가 원상태를 회복하기 위해서는 150℃~600℃(건식흡수제의 종류에 따라 다름)의 온도조건에서 재생공정이 진행되어야 한다. 하지만, 흡수반응과 재생반응의 열역학적 평형에 의한 온도제어의 문제와 일반적인 재생공정에서는 재생열원으로 스팀의 열에너지를 이용하기 때문에 150-200℃의 온도조건에서 공정이 진행되어 건식흡수제 중 일부만 재생되고 나머지 건식흡수제는 원상태를 회복하지 못하고 흡수공정단계로 피드백되는 단점이 있다.
한국 특허공보 10-1645975호에서는 재생공정단계에서 열에너지의 소비를 줄이는 동시에 건식흡수제의 재생비를 증가시킴으로써 에너지소비가 최적화된 이산화탄소 포집장치를 제공하는데 그 목적이 있고, 흡수탑, 분리기, 분배기, 재생탑, 소성로로 구성되어 있으며, 발전소의 보일러 등에서 배출된 이산화탄소가 포함된 혼합가스의 열에너지를 건식흡수제의 재생열원으로 이용하는 특징이 있고, 동일한 이산화탄소를 포집하기 위한 열에너지와 건식흡수제의 순환량이 감소하여 에너지 소비가 최적화된 이산화탄소 포집장치이 개시되어 있다. 그러나, 선박의 배가스 폐열을 이용하여 증기 생산을 통한 재생공정의 적용 및 공기를 이용한 반응기 냉각을 통한 이산화탄소 포집 기술은 확인할 수 없다.
WO 공개특허공보 2016/205057호에서는 액체 흡착제로 이산화탄소의 적어도 일부를 포획하는 단계, 상기 흡착제로부터 이산화탄소를 회수하는 단계 및 온 보드에서 임시 저장을 위해 이산화탄소를 압축하는 단계에 의해, 동력을 공급하는데 사용되는 내연기관 (ICE)에서 탄화수소 연료의 연소에 의해 생성된 배기가스 스트림으로 대기 중으로 방출되는 이산화탄소의 양을 감소시키는 공정으로서, 상기 공정은 반-폐쇄 시스템으로 작동되고, 여기서, 이산화탄소를 포획하는 액체 흡착제는 작동유체로서 역할을 하고, 및 발전 사이클 동안 이산화탄소를 보유하여, 기계적 에너지 또는 기계적 일을 생성하고, 그 후에 이산화탄소는 본질적으로 순수한 가스 스트림으로서 치밀화 및 회수를 위해 탈착되며, 및 상기 작동 유체는 공정에서사용하기 위해 재순환하는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 선박의 배가스 폐열을 이용하여 증기 생산을 통한 재생공정의 적용 및 공기를 이용한 반응기 냉각을 통한 이산화탄소 포집 기술은 확인할 수 없다.
일본 공개특허공보 특개평6-134303호에서는 이산화탄소 가스 흡착제로서 고체 아민이 충전된 이산화탄소 제거 장치로 증기를 공급해 고체 아민을 재생함에 있어서 고체 아민의 내열 온도 내의 수증기를 공급할 수 있고 선박 등의 이동체에 설치해도, 동요, 경사 등의 영향을 받지 않고 정해진 시간내에 과부족이 없다 에너지 효율이 좋은 증기 공급 방법으로 복수의 전기히터를 가지는 증기 발생기을 이용하여 100％의 증기 발생 능력으로 이산화탄소 제거 장치로 증기를 공급하는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 선박의 배가스 폐열을 이용하여 증기 생산을 통한 재생공정의 적용 및 공기를 이용한 반응기 냉각을 통한 이산화탄소 포집 기술은 확인할 수 없다.
한국 공개특허공보 제10-2015-0050833호에서는 부유식 해상 구조물에 마련된 산성가스가 포함된 천연가스의 공급라인과 연결되고, 고체 흡착제가 충진되어 상기 공급라인으로부터 공급된 천연가스에 포함된 산성가스를 흡착, 제거하는 산성 가스 흡착 컬럼을 포함하되, 상기 컬럼에서 배출되는 다운 스트림은 분기되어, 메인 스트림은 후단 공정으로 공급되고, 서브 스트림은 가열 후 상기 컬럼에 공급되어 상기 고체 흡착제에 흡착된 상기 산성가스를 분리시키는 것을 특징으로 하는, 고체 흡착제가 충진된 흡착 컬럼을 이용한 선박 또는 해상 구조물의 산성가스 제거 시스템이 개시되어 있다. 그러나, 선박의 배가스 폐열을 이용하여 증기 생산을 통한 재생공정의 적용 및 공기를 이용한 반응기 냉각을 통한 이산화탄소 포집 기술은 확인할 수 없다.
이와 같이 기존의 이산화탄소 흡착 시스템에서 상온에서 이산화탄소 흡착 후 이를 탈착하기 위해서는 감압하여 흡착제에 물리적으로 흡착된 이산화탄소를 압력차로 배출하거나 가열하여 흡착제에 물리적/화학적으로 흡착된 이산화탄소를 방출시키는 '재생＇과정이 필수적이다. 또한 재생된 흡착제로 다시 이산화탄소를 흡착시킬 때는 상온에 가깝도록 냉각이 되어야 물리적으로 흡착이 유리하므로 이산화탄소 흡착제의 경우 가열과 냉각이 순차적으로 동일한 반응기에서 진행되어야 한다.
따라서, 선박의 공간적 제한조건에서 선박엔진의 배가스 폐열을 활용하여 스팀을 생산하고, 이를 직접 재생에너지원으로 적용함으로써 재생 후 이산화탄소를 효과적으로 분리할 수 있는 선박의 배가스 폐열을 이용한 이산화탄소 흡착제 재생을 포함하는 선박의 배가스내 이산화탄소 포집 시스템 및 이의 포집방법 구성은 제시하지 못하는 실정이다.
본원발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 기존의 이산화탄소 흡착 시스템에서는 상온에서 이산화탄소를 흡착 후 탈착하기 위해서는 감압 또는 가열하여 흡착제를 재생하는 과정이 필수적이나, 선박의 공간적 제한조건에서 선박엔진의 배가스 폐열을 활용하여 스팀을 생산하고, 이를 직접 재생에너지원으로 적용함으로써 재생 후 이산화탄소를 효과적으로 분리할 수 있는 선박의 배가스 폐열을 이용한 이산화탄소 흡착제 재생을 포함하는 선박의 배가스내 이산화탄소 포집 시스템 및 이의 포집방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본원발명에 따른 선박의 배가스내 이산화탄소포집 시스템은 선박 엔진(100);에서 배출되는 배가스는 제1라인(L1);과 연결되고, 이산화탄소 흡착제가 충진되어 상기 제1라인에서 공급된 이산화탄소가 포함된 배가스를 흡착하여 제거하는 복수의 반응기(200); 상기 반응기에서 이산화탄소가 제거된 배가스를 배출하는 제2라인(L2)은 분기되며, 상기 이산화탄소가 흡착된 상기 이산화탄소 흡착제의 재생은 상기 선박엔진의 상기 배가스와 제3라인(L3)과 연결된 증기발생기(300);에서 상기 배가스와 열교환되어 생산된 증기를 통해 진행되고, 탈착된 상기 이산화탄소와 상기 증기는 제4라인(L4)에서 해수열교환기(400);에서 해수를 통한 열교환으로 상기 이산화탄소와 상기 증기가 응축된 물로 분리되며, 상기 이산화탄소는 이산화탄소 탱크(700);에 포집되고, 상기 물은 제5라인(L5)을 통해 상기 증기발생기로 재순환되는 선박의 배가스 폐열을 이용한 이산화탄소 흡착제 재생을 포함하는 선박의 배가스내 이산화탄소 포집 시스템을 포함할 수 있다.
상기 반응기는 상기 제1라인과 연결되어 상기 이산화탄소를 포함한 배가스에서 이산화탄소를 흡착하는 반응기; 상기 제6라인(L6)와 연결되어 공급되는 상기 증기를 공급받아 상기 이산화탄소가 흡착된 상기 이산화탄소 흡착제에서 이산화탄소가 탈착되는 반응기; 및 상기 제7라인(L7)의 팬(1200);으로부터 공급되는 공기를 통해 상기 이산화탄소 흡착제를 냉각시키는 반응기;인 서로 이격되어 배치되는 적어도 3개 이상의 복수의 컬럼형태의 반응기(210, 220, 230);를 포함할 수 있다.
상기 증기는 상기 증기발생기에서 상기 제5라인을 통해 들어오는 물과 제8라인(L8);으로 들어오는 폐열을 가진 상기 배가스의 열교환을 통해 상기 증기가 생성되고 상기 제3라인과 상기 제6라인 사이의 증기열교환기(1000);에서 2차로 상기 배가스와 열교환될 수 있다.
상기 배가스는 상기 반응기에 형성된 입구밸브(211, 212, 221, 222, 231, 232) 및 출구밸브(213, 214, 223, 224, 233, 234)의 선택적 개폐를 통해서 상기 반응기 내부에 투입되어 이산화탄소 흡착이 진행되고, 열교환밸브(215, 216, 225, 226, 235, 236)를 통해서는 상기 반응기의 상기 이산화탄소 흡착제 재생의 열교환 열원으로 공급될 수 있다.
상기 해수열교환기에서 분리된 상기 이산화탄소는 제1압축기(510);통해 1차로 압축되고, 응축기(600);로 공급되어 응축된 물이 분리되고, 제2압축기(520);에서 2차로 압축되어 상기 이산화탄소 탱크에 저장될 수 있다.
상기 해수열교환기에서 응축된 상기 물과 상기 응축기에서 응축된 상기 물은 물저장조(800);에 저장되고, 상기 시스템의 조건에서 따라 펌프(900);을 통해 상기 증기발생기로 공급될 수 있다.
상기 흡착되는 반응기에 공급되는 상기 배가스는 25℃~ 300℃ 및 0 bar ~ 5 bar의 범위로 공급되고, 상기 탈착되는 반응기에 공급되는 상기 배가스 폐열은 150 ℃~ 600 ℃ 및 0 bar ~ 5 bar의 범위로 공급될 수 있다. 이를 활용하여 150 ℃~ 600 ℃ 범위에서 흡착제의 재생을 실행할 수 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본원발명에 따른 선박의 배가스내 이산화탄소포집방법은 선박의 선박엔진에서 배출되는 배가스가 배출되는 제1단계; 이산화탄소 흡착제가 충진된 반응기에 상기 배가스가 공급되어 이산화탄소가 흡착되는 제2단계; 상기 이산화탄소가 흡착된 상기 이산화탄소 흡착제를 포함하는 상기 반응기에서 상기 배가스와 열교환을 통해 생산된 증기를 통해 상기 이산화탄소 흡착제의 상기 이산화탄소 탈착을 통해 재생하는 제3단계; 및 상기 이산화탄소가 탈착된 상기 반응기를 공기를 통해 냉각시키는 제4단계;를 포함하고, 탈착된 상기 이산화탄소와 상기 증기는 해수열교환기에서 해수를 통한 열교환으로 상기 이산화탄소와 상기 증기가 응축된 물로 분리되며, 상기 이산화탄소는 이산화탄소 탱크에 포집되고, 상기 물은 상기 증기발생기로 재순환되는 선박의 배가스 폐열을 이용한 이산화탄소 흡착제 재생을 포함하는 선박의 배가스내 이산화탄소 포집방법일 수 있다.
본원발명은 또한, 상기 과제의 해결 수단을 다양하게 조합한 형태로도 제공이 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본원발명에 따른 선박의 배가스 폐열을 이용한 이산화탄소 흡착제 재생을 포함하는 선박의 배가스내 이산화탄소 포집 시스템은 고온의 배가스를 이산화탄소 재생에 사용하기 위한 스팀 생산에 활용함으로써 공정 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 이산화탄소 재생시 고온의 스팀을 활용하기 때문에, 이산화탄소 분리를 위해 PSA나 분리막이 필요 없는 것이 특징임. 단순히 응축기만 설치하여 응축수를 분리하여 고순도의 이산화탄소를 얻을 수 있다.
또한, 물, 해수 및 공기를 활용한 열교환 성능 극대화를 통해 흡착제의 재생과 냉각 시간을 감소시킬 수 있다.
또한, 반응기의 밸브를 통한 유로 변경을 통해 흡착탑 내에서 별도의 설비 없이 흡착제의 재생/냉각 수행하여 컴팩트한 공간활용 및 운영비를 절감할 수 있다.
도 1은 본원발명에 따른 선박의 배가스 폐열을 이용한 이산화탄소 흡착제 재생을 포함하는 선박의 배가스내 이산화탄소 포집 시스템 개념도이다.
도 2는 본원발명에 따른 선박의 배가스 폐열을 이용한 이산화탄소 흡착제 재생을 포함하는 선박의 배가스내 이산화탄소 포집 시스템 공정도이다.
도 2는 본원발명에 따른 선박의 배가스 폐열을 이용한 이산화탄소 흡착제 재생을 포함하는 선박의 배가스내 이산화탄소 포집 시스템 공정도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 구성요소를 한정하거나 부가하여 구체화하는 설명은, 특별한 제한이 없는 한 모든 발명에 적용될 수 있으며, 특정한 발명에 대한 설명으로 한정되지 않는다.
또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 단수로 표시된 것은 별도로 언급되지 않는 한 복수인 경우도 포함한다.
또한, 본원의 발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 "또는"은 별도로 언급되지 않는 한 "및"을 포함하는 것이다. 그러므로 "A 또는 B를 포함하는"은 A를 포함하거나, B를 포함하거나, A 및 B를 포함하는 상기 3가지 경우를 모두 의미한다.
본원발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.
도 1은 본원발명에 따른 선박의 배가스 폐열을 이용한 이산화탄소 흡착제 재생을 포함하는 선박의 배가스내 이산화탄소 포집 시스템 개념도이다.
선박 엔진에서 배출되는 배가스의 이산화탄소를 저감하기 위하여는 적어도 3개의 흡착 반응기가 요구된다.
배가스는 증기발생기와 증기열교환기에서 물의 상변화를 통한 증기생산에 열을 공급하며 따라서 이산화탄소 흡착제의 흡착조건을 위해 투입되는 배가스의 온도도 조절될 수 있다.
이산화탄소가 흡착된 이산화탄소 흡착제가 충진된 반응기의 재생을 위한 열에너지원으로 공급되는 증기는 물의 상변화를 통해서 재생열을 공급하며 상기 증기 및 물의 공급 라인은 폐루프를 형성한다.
열원으로 사용되는 배가스는 이산화탄소 포집공정의 대상이 되는 배가스로 열원을 사용을 통한 공정 에너지 절감이 가능하다. 포집공정의 대상이 되는 배가스는 선박의 엔진내에서 연료를 연소시켜 발생 된 후, 증기발생기에 공급되는 물과 열교환을 통해 증기(스팀)에 열에너지를 전달하고 배출되는 배가스이다. 따라서 약 150-200
의 온도분포를 보인다. 하지만, 직접 배출되는 배가스는 연료의 연소 직후 증기(스팀)에 열에너지를 전달하지 않고 배출되어 열원으로 사용되기 때문에 약 1200-1500
의 온도를 가진다. 그러므로 열원으로 사용되는 배가스는 이산화탄소 포집공정의 대상이 되는 배가스가 배출되는 배관 라인과는 다른 루트를 통해 공급 및 배출이 구성되어야 한다.
공정 운영중 보충이 필요한 물은 물저장조에 상황에 따라 공급할 수 있음은 자명하다.
상기 증기를 통해 재생된 반응기의 빠른 냉각을 위해서는 외부에 공기를 팬을 통해 공급하여 단시간안에 반응기의 조건을 흡착조건으로 변경할 수 있다. 이때 가장 중요한 공정변수는 적어도 3개의 반응기를 이용하여 폐쇄된 선박내 배가스의 이산화탄소를 흡착하는 연속공정이 운영되기 위하여 단시간안에 냉각 퍼징될 수 있도록 운영된다.
본 발명의 배가스 이산화탄소 흡착 반응기 전단에는 질소산화물, 황산화물, 입자를 제거하기 위한 오염물질 배출설비가 구성될 수 있음은 자명하다.
도 2는 본원발명에 따른 선박의 배가스 폐열을 이용한 이산화탄소 흡착제 재생을 포함하는 선박의 배가스내 이산화탄소 포집 시스템 공정도이다.
이하에서는, 본원발명의 실시예를 참조하여 설명하지만, 이는 본원발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본원발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
선박 엔진(100);에서 배출되는 배가스는 제1라인(L1);과 연결되고, 이산화탄소 흡착제가 충진되어 상기 제1라인에서 공급된 이산화탄소가 포함된 배가스를 흡착하여 제거하는 복수의 반응기(200); 상기 반응기에서 이산화탄소가 제거된 배가스를 배출하는 제2라인(L2)은 분기되며, 상기 이산화탄소가 흡착된 상기 이산화탄소 흡착제의 재생은 상기 선박엔진의 상기 배가스와 제3라인(L3)과 연결된 증기발생기(300);에서 상기 배가스와 열교환되어 생산된 증기를 통해 진행되고, 탈착된 상기 이산화탄소와 상기 증기는 제4라인(L4)에서 해수열교환기(400);에서 해수를 통한 열교환으로 상기 이산화탄소와 상기 증기가 응축된 물로 분리되며, 상기 이산화탄소는 이산화탄소 탱크(700);에 포집되고, 상기 물은 제5라인(L5)을 통해 상기 증기발생기로 재순환되는 선박의 배가스 폐열을 이용한 이산화탄소 흡착제 재생을 포함하는 선박의 배가스내 이산화탄소 포집 시스템을 포함할 수 있다.
반응기는 선박엔진에서 배출된 배가스를 공급받아 건식 흡착제를 이용하여 이산화탄소를 제거한다. 건식흡착제는 공지의 기술에서 사용된 것을 사용할 수 있다. 이러한 흡착반응은 이산화탄소가 건식흡착제에 흡수되어 제거되는 흡착반응으로 여러 조건에 의해 변할 수 있지만 일반적으로는 약 70℃의 온도조건에서 진행된다.
고정층 또는 유동층 반응 흡착탑을 사용할 수 있으며, 기타 공지의 건식 이산화탄소 포집장치에 사용되는 흡착탑을 사용할 수 있다. 특히, 유동층 흡착탑을 사용하면, 혼합가스에 의해 건식흡수제가 유동화되기 때문에 기체상태의 혼합가스와 고체상태의 건식흡착제의 접촉빈도가 높아져 활발한 반응이 이루어지게 된다. 반응기에서 흡착반응을 통해 이산화탄소가 제거된 혼합가스와 이산화탄소를 흡수한 건식흡착제는 반응기의 재생공정을 통해 분리될 수 있다.
재생을 위한 반응기는 이산화탄소를 흡착한 건식흡착제를 가열하여 이산화탄소를 분리한다. 이러한 재생반응은 흡착반응의 역반응으로서, 이산화탄소가 건식흡착제로부터 분리되는 반응이다.
상기 반응기는 상기 제1라인과 연결되어 상기 이산화탄소를 포함한 배가스에서 이산화탄소를 흡착하는 반응기; 상기 제6라인(L6)와 연결되어 공급되는 상기 증기를 공급받아 상기 이산화탄소가 흡착된 상기 이산화탄소 흡착제에서 이산화탄소가 탈착되는 반응기; 및 상기 제7라인(L7)의 팬(1200);으로부터 공급되는 공기를 통해 상기 이산화탄소 흡착제를 냉각시키는 반응기;인 서로 이격되어 배치되는 적어도 3개 이상의 복수의 컬럼형태의 반응기(210, 220, 230);를 포함할 수 있다.
상기 반응기를 냉각시킨 공기는 상기 공기열교환기(1100);를 통해 공급되는 배가스와 열교환을 통해 배가스의 온도를 낮출 수 있다.
반응기에서 흡착반응 외에 불필요한 부반응이 일어나고 재생반응의 열역학적 특성상 모든 건식흡착제가 원상태를 회복하기 위해서는 약 500℃ 이상의 온도조건에서 재생공정이 진행되는 것이 바람직하다. 하지만 흡착반응과 재생반응의 열역학적 평형에 의한 온도제어의 문제도 있으므로 경우에 따라 500℃ 이하의 온도조건에서 공정을 진행해야 하는 경우도 있다. 이는 건식흡착제의 재생비를 증가시킴으로 인해서 축적되는 에너지의 양과 가열된 건식흡착제를 후술하는 팬과 공기열교환기로 구성된 공기를 이용한 냉각기술구성에서 다시 흡착반응에 필요한 적정한 온도로 냉각시키는데 소비되는 에너지의 양을 비교하여 적절한 온도조건을 결정해야 한다.
상기 증기는 상기 증기발생기에서 상기 제5라인을 통해 들어오는 물과 제8라인(L8);으로 들어오는 폐열을 가진 상기 배가스의 열교환을 통해 상기 증기가 생성되고 상기 제3라인과 상기 제6라인 사이의 증기열교환기(1000);에서 2차로 상기 배가스와 열교환될 수 있다.
본원 발명의 증기열교환기, 공기열교환기, 증기발생기, 해수열교환기는 바람직하게는 재생 반응기, 배관라인 내부에 종 방향과 횡 방향으로 간격을 두고 포개어져 배열되고, 인근의 튜브끼리 연결되어 모듈을 형성한다. 이렇게 배열하는 경우 반응기 내부 또는 배관에 형성된 열교환기 내부에 온도가 균일하게 분포되고 열 전달 면적을 늘릴 수 있어 바람직하다.
선박 엔진에서 배출된 배가스는 배관라인을 따라 재생 반응기 내의 열교환 튜브로 유입되고, 열교환 튜브에서 열에너지를 건식흡착제나 재생가스(증기)에 전달하는 열매로 이용되며, 열교환 튜브를 연통한 후 배관라인을 따라 순환하게 된다. 바람직하게는 열매의 상변화에 의한 밀도차를 이용하여 외부에너지의 공급 없이 순환시킬 수 있다.
상기 배가스는 상기 반응기에 형성된 입구밸브(211, 212, 221, 222, 231, 232) 및 출구밸브(213, 214, 223, 224, 233, 234)의 선택적 개폐를 통해서 상기 반응기 내부에 투입되어 이산화탄소 흡착이 진행되고, 열교환밸브(215, 216, 225, 226, 235, 236)를 통해서는 상기 반응기의 상기 이산화탄소 흡착제 재생의 열교환 열원으로 공급될 수 있다.
재생 반응기에서 건식흡착제의 가열은 라인을 통해 유입되는 스팀에 의해 유동화 상태 또는 고정상태에서 이루어지며, 건식흡착제에서 분리된 이산화탄소는 배관 라인을 통하여 배출된다. 종래의 기술은 일반적인 재생가스로 보일러에서 가열된 증기(스팀)를 이용했으나, 본 발명의 배가스와의 열교환을 통해 생산된 증기을 이용하는 경우 재생된 가스 중 수분만 제거하면 순수한 이산화탄소를 얻을 수 있는 장점이 있다.
상기 해수열교환기에서 분리된 상기 이산화탄소는 제1압축기(510);통해 1차로 압축되고, 응축기(600);로 공급되어 응축된 물이 분리되고, 제2압축기(520);에서 2차로 압축되어 상기 이산화탄소 탱크에 저장될 수 있다.
상기 해수열교환기에서 응축된 상기 물과 상기 응축기에서 응축된 상기 물은 물저장조(800);에 저장되고, 상기 시스템의 조건에서 따라 펌프(900);을 통해 상기 증기발생기로 공급될 수 있다.
상기 흡착되는 반응기에 공급되는 상기 배가스는 25℃ 내지 300℃ 및 0 bar 내지~ 5 bar의 범위로 공급되고, 상기 탈착되는 반응기에 공급되는 상기 배가스는 150℃ 내지 600℃ 및 0 bar 내지 5 bar의 범위로 공급될 수 있다.
상기 조건을 벗어나면 이산화탄소의 효율적인 흡착 및 탈착이 진행되지 않을 수 있다.
높은 온도로 배출되는 배가스를 열원으로 열교환을 통하여 탈착을 위한 흡수제의 온도를 상승시키기 위한 것이 본 발명의 기술적 특징입니다. 상기 배가스의 열원 온도는 400℃ 내지 600℃이고 탈착을 위한 흡수제의 온도는 150℃ 내지 600℃일 수 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본원발명에 따른 선박의 배가스내 이산화탄소포집방법은 선박의 선박엔진에서 배출되는 배가스가 배출되는 제1단계; 이산화탄소 흡착제가 충진된 반응기에 상기 배가스가 공급되어 이산화탄소가 흡착되는 제2단계; 상기 이산화탄소가 흡착된 상기 이산화탄소 흡착제를 포함하는 상기 반응기에서 상기 배가스와 열교환을 통해 생산된 증기를 통해 상기 이산화탄소 흡착제의 상기 이산화탄소 탈착을 통해 재생하는 제3단계; 및 상기 이산화탄소가 탈착된 상기 반응기를 공기를 통해 냉각시키는 제4단계;를 포함하고, 탈착된 상기 이산화탄소와 상기 증기는 해수열교환기에서 해수를 통한 열교환으로 상기 이산화탄소와 상기 증기가 응축된 물로 분리되며, 상기 이산화탄소는 이산화탄소 탱크에 포집되고, 상기 물은 상기 증기발생기로 재순환되는 선박의 배가스 폐열을 이용한 이산화탄소 흡착제 재생을 포함하는 선박의 배가스내 이산화탄소 포집방법일 수 있다.
본원발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
100: 선박 엔진
200, 210, 220, 230: 반응기
211, 212, 221, 222, 231, 232: 입구밸브
213, 214, 223, 224, 233, 234: 출구밸브
215, 216, 225, 226, 235, 236: 열교환밸브
300: 증기발생기
400: 해수열교환기
510: 제1압축기
520: 제2압축기
600: 응축기
700: 이산화탄소 탱크
800: 물저장조
900: 펌프
1000: 증기열교환기
1100: 공기열교환기
1200: 팬
L1: 제1라인
L2: 제2라인
L3: 제3라인
L4: 제4라인
L5: 제5라인
L6: 제6라인
L7: 제7라인
L8: 제8라인
200, 210, 220, 230: 반응기
211, 212, 221, 222, 231, 232: 입구밸브
213, 214, 223, 224, 233, 234: 출구밸브
215, 216, 225, 226, 235, 236: 열교환밸브
300: 증기발생기
400: 해수열교환기
510: 제1압축기
520: 제2압축기
600: 응축기
700: 이산화탄소 탱크
800: 물저장조
900: 펌프
1000: 증기열교환기
1100: 공기열교환기
1200: 팬
L1: 제1라인
L2: 제2라인
L3: 제3라인
L4: 제4라인
L5: 제5라인
L6: 제6라인
L7: 제7라인
L8: 제8라인
Claims (8)
- 선박 엔진(100);에서 배출되는 배가스는 제1라인(L1);과 연결되고,
이산화탄소 흡착제가 충진되어 상기 제1라인에서 공급된 이산화탄소가 포함된 배가스를 흡착하여 제거하는 복수의 반응기(200);
상기 반응기에서 이산화탄소가 제거된 배가스를 배출하는 제2라인(L2)은 분기되며,
상기 이산화탄소가 흡착된 상기 이산화탄소 흡착제의 재생은 상기 선박엔진의 상기 배가스와 제3라인(L3)과 연결된 증기발생기(300);에서 상기 배가스와 열교환되어 생산된 증기를 통해 진행되고,
탈착된 상기 이산화탄소와 상기 증기는 제4라인(L4)에서 해수열교환기(400);에서 해수를 통한 열교환으로 상기 이산화탄소와 상기 증기가 응축된 물로 분리되며,
상기 이산화탄소는 이산화탄소 탱크(700);에 포집되고, 상기 물은 제5라인(L5)을 통해 상기 증기발생기로 재순환되는 선박의 배가스 폐열을 이용한 이산화탄소 흡착제 재생을 포함하며,
상기 배가스는 상기 반응기에 형성된 입구밸브(211, 212, 221, 222, 231, 232) 및 출구밸브(213, 214, 223, 224, 233, 234)의 선택적 개폐를 통해서 상기 반응기 내부에 투입되어 이산화탄소 흡착이 진행되고,
열교환밸브(215, 216, 225, 226, 235, 236)를 통해서는 상기 반응기의 상기 이산화탄소 흡착제 재생의 열교환 열원으로 공급되는 선박의 배가스내 이산화탄소 포집 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 반응기는 상기 제1라인과 연결되어 상기 이산화탄소를 포함한 배가스에서 이산화탄소를 흡착하는 반응기;
제6라인(L6)와 연결되어 공급되는 상기 증기를 공급받아 상기 이산화탄소가 흡착된 상기 이산화탄소 흡착제에서 이산화탄소가 탈착되는 반응기; 및
제7라인(L7)의 팬(1200);으로부터 공급되는 공기를 통해 상기 이산화탄소 흡착제를 냉각시키는 반응기;인 상기 이산화탄소를 흡착하고, 상기 이산화탄소를 탈착하며, 상기 이산화탄소 흡착제를 냉각시키는 기능을 모두 구비한 상기 반응기가 적어도 3개 이상 이격 배치되는 복수의 컬럼형태의 반응기(210, 220, 230);를 포함하는 선박의 배가스 폐열을 이용한 이산화탄소 흡착제 재생을 포함하는 선박의 배가스내 이산화탄소 포집 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 증기는 상기 증기발생기에서 상기 제5라인을 통해 들어오는 물과 제8라인(L8);으로 들어오는 폐열을 가진 상기 배가스의 열교환을 통해 상기 증기가 생성되고 상기 제3라인과 제6라인 사이의 증기열교환기(1000);에서 2차로 상기 배가스와 열교환되는 선박의 배가스 폐열을 이용한 이산화탄소 흡착제 재생을 포함하는 선박의 배가스내 이산화탄소 포집 시스템.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 해수열교환기에서 분리된 상기 이산화탄소는 제1압축기(510);통해 1차로 압축되고,
응축기(600);로 공급되어 응축된 물이 분리되고,
제2압축기(520);에서 2차로 압축되어 상기 이산화탄소 탱크에 저장되는 선박의 배가스 폐열을 이용한 이산화탄소 흡착제 재생을 포함하는 선박의 배가스내 이산화탄소 포집 시스템.
- 제5항에 있어서,
상기 해수열교환기에서 응축된 상기 물과 상기 응축기에서 응축된 상기 물은 물저장조(800);에 저장되고,
상기 시스템의 조건에서 따라 펌프(900);을 통해 상기 증기발생기로 공급되는 선박의 배가스 폐열을 이용한 이산화탄소 흡착제 재생을 포함하는 선박의 배가스내 이산화탄소 포집 시스템.
- 제2항에 있어서,
상기 흡착되는 반응기에 공급되는 상기 배가스는 25℃ 내지 300℃ 및 0 bar 내지 5 bar의 범위로 공급되고,
상기 탈착되는 반응기에 공급되는 상기 배가스는 150℃ 내지 600 ℃ 및 0 bar 내지 5 bar의 범위로 공급되는 선박의 배가스 폐열을 이용한 이산화탄소 흡착제 재생을 포함하는 선박의 배가스내 이산화탄소 포집 시스템.
- 선박의 선박엔진에서 배출되는 배가스가 배출되는 제1단계;
이산화탄소 흡착제가 충진된 반응기에 상기 배가스가 공급되어 이산화탄소가 흡착되는 제2단계;
상기 이산화탄소가 흡착된 상기 이산화탄소 흡착제를 포함하는 상기 반응기에서 상기 배가스와 열교환을 통해 생산된 증기를 통해 상기 이산화탄소 흡착제의 상기 이산화탄소 탈착을 통해 재생하는 제3단계; 및
상기 이산화탄소가 탈착된 상기 반응기를 공기를 통해 냉각시키는 제4단계;를 포함하고,
탈착된 상기 이산화탄소와 상기 증기는 해수열교환기에서 해수를 통한 열교환으로 상기 이산화탄소와 상기 증기가 응축된 물로 분리되며,
상기 이산화탄소는 이산화탄소 탱크에 포집되고, 상기 물은 증기발생기로 재순환되는 선박의 배가스 폐열을 이용한 이산화탄소 흡착제 재생을 포함하며,
상기 배가스는 상기 반응기에 형성된 입구밸브(211, 212, 221, 222, 231, 232) 및 출구밸브(213, 214, 223, 224, 233, 234)의 선택적 개폐를 통해서 상기 반응기 내부에 투입되어 이산화탄소 흡착이 진행되고,
열교환밸브(215, 216, 225, 226, 235, 236)를 통해서는 상기 반응기의 상기 이산화탄소 흡착제 재생의 열교환 열원으로 공급되는 선박의 배가스내 이산화탄소 포집방법.
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| KR1020220102616A KR102608674B1 (ko) | 2022-08-17 | 2022-08-17 | 선박의 배가스 폐열을 이용한 이산화탄소 흡착제 재생을 포함하는 선박의 배가스내 이산화탄소 포집 시스템 및 이의 포집방법 |
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| KR1020220102616A KR102608674B1 (ko) | 2022-08-17 | 2022-08-17 | 선박의 배가스 폐열을 이용한 이산화탄소 흡착제 재생을 포함하는 선박의 배가스내 이산화탄소 포집 시스템 및 이의 포집방법 |
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2022
- 2022-08-17 KR KR1020220102616A patent/KR102608674B1/ko active IP Right Grant
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