KR102613763B1 - 열교환망을 구비한 배가스 내 이산화탄소 포집 장치 - Google Patents

열교환망을 구비한 배가스 내 이산화탄소 포집 장치 Download PDF

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공동욱
정수정
이재규
백은별
이창진
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Abstract

본 발명은 열교환망을 구비한 배가스 내 이산화탄소 포집 장치에 관한 것으로, 액화 공정 내 냉열을 회수하는 열교환망을 포함하여 공정 에너지를 현저하게 감소시킬 수 있다.

Description

열교환망을 구비한 배가스 내 이산화탄소 포집 장치{Apparatus for capturing carbon dioxide in flue gas with heat exchange network}
본 발명은 열교환망을 구비한 배가스 내 이산화탄소 포집 장치에 관한 것이다.
최근 온실가스에 의한 지구온난화 및 기후변화 등의 환경 문제가 대두됨에 따라 온실가스 중 이산화탄소의 배출을 저감하기 위해 이산화탄소를 포집하는 기술에 대해 연구가 많이 진행되고 있다. 이산화탄소 포집 기술은 크게 연소 후 (Post-combustion), 연소 전 (Pre-combustion) 및 순산소 연소 (Oxyfuel combustion)로 분류할 수 있다. 연소 후 CO2 포집 기술은 다시 아민 계열 혹은 암모니아 계열 흡수제를 활용한 화학흡수법, 기존의 흡수용액 대신 고체 흡수제를 활용한 건식흡수법 및 분리막을 활용한 막분리법 등으로 나누어진다.
이산화탄소 포집 기술 중 맴브레인을 이용한 막분리법은 친환경 공정이라는 장점이 있으며, 이산화탄소의 농도를 높이고 저장 및 이용 용이성을 증가시키기 위하여 분리탑을 도입하여 액화된 이산화탄소를 수득하는 기술이 제시되었다. 다만 종래의 기술은 액화 공정에서 수득되는 저온의 기체로부터 이산화탄소를 회수하는 데 있어서, 가열 또는 냉열을 회수하는 공정을 거친 후 분리막에 투과시켜 추가적인 에너지 소비가 필수적이었다.
그러므로 본 발명자 등은 상기 문제점을 해결하기 위하여 연구를 거듭한 결과, 액화 공정에서 수득되는 저온의 기체를 저온 상태 그대로 분리막에 투과시킴과 동시에, 열교환망을 이용하여 액화 공정 이후 기체 흐름의 저온을 회수하면, 이산화탄소 회수율이 향상될 뿐 아니라, 소비되는 에너지를 현저하게 절감할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하였다.
특허문헌 1. 한국공개특허 제10-2021-0104469호
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 이산화탄소 회수율을 높일 수 있을 뿐 아니라, 공정 내 흐름의 냉열을 회수하는 열교환망을 구비함으로써, 공정 에너지를 현저하게 감소시킨 배가스 내 이산화탄소 포집 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은 배가스 포함 기체를 압축시키는 제1 압축기; 상기 제1 압축기로 압축된 기체를 포함하는 제1 포집 분리막 공급 기체를 제1 포집 분리막 투과 기체, 제1 포집 분리막 잔류 기체, 이산화탄소 함유 기체, 제1 회수 분리막 투과 기체 및 제1 회수 분리막 잔류 기체 중 어느 하나 이상과 열교환하여 냉각시키는 열교환망; 상기 열교환망에서 냉각된 제1 포집 분리막 공급 기체가 공급되는 제1 포집 분리막, 제1 포집 분리막 투과 기체 배출부 및 제1 포집 분리막 잔류 기체 배출부를 포함하는 제1 포집 분리막 모듈; 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 배출부에서 배출되는 기체를 압축시키는 제2 압축기; 상기 제2 압축기로 압축된 기체를 냉각하는 액화 열교환기; 상기 액화 열교환기로 냉각된 기체를 공급받는 분리탑, 이산화탄소 함유 기체가 수득되는 상단부 및 고순도 이산화탄소 액체가 수득되는 하단부를 포함하는 이산화탄소 정제부; 및 상기 이산화탄소 함유 기체가 공급되는 제1 회수 분리막 및 제1 회수 분리막 투과 기체를 상기 제1 압축기, 상기 제1 포집 분리막 또는 상기 제2 압축기로 순환시키는 제1 회수 분리막 투과 기체 순환부를 포함하는 제1 회수 분리막 모듈;을 포함하는 배가스 내 이산화탄소 포집 장치를 제공한다.
본 발명의 다른 측면은 배가스 포함 기체를 압축시키는 제1 압축기; 상기 제1 압축기로 압축된 기체를 포함하는 제1 포집 분리막 공급 기체가 공급되는 제1 포집 분리막, 제1 포집 분리막 투과 기체 배출부 및 제1 포집 분리막 잔류 기체 배출부를 포함하는 제1 포집 분리막 모듈; 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 배출부로부터 배출되는 기체를 제2 포집 분리막 투과 기체, 제2 포집 분리막 잔류 기체, 이산화탄소 함유 기체, 제1 회수 분리막 투과 기체 및 제1 회수 분리막 잔류 기체 중 어느 하나 이상과 열교환하여 냉각시키는 열교환망; 상기 열교환망에서 냉각된 기체가 공급되는 제2 포집 분리막, 제2 포집 분리막 투과 기체 배출부 및 제2 포집 분리막 잔류 기체 배출부를 포함하는 제2 포집 분리막 모듈; 상기 제2 포집 분리막 투과 기체 배출부로부터 배출되는 기체를 압축시키는 제2 압축기; 상기 제2 압축기로 압축된 기체를 냉각하는 액화 열교환기; 상기 액화 열교환기로 냉각된 기체를 공급받는 분리탑, 이산화탄소 함유 기체가 수득되는 상단부 및 고순도 이산화탄소 액체가 수득되는 하단부를 포함하는 이산화탄소 정제부; 및 상기 이산화탄소 함유 기체가 공급되는 제1 회수 분리막 및 제1 회수 분리막 투과 기체를 상기 제1 압축기, 상기 제1 포집 분리막, 상기 제2 포집 분리막 또는 상기 제2 압축기로 순환시키는 제1 회수 분리막 투과 기체 순환부를 포함하는 제1 회수 분리막 모듈;을 포함하는 배가스 내 이산화탄소 포집 장치를 제공한다.
본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 장치 및 공정은 분리탑에서 수득되는 기체를 분리막을 통해 회수함으로써 배출되는 이산화탄소의 양을 저감시킬 수 있으며, 이산화탄소 포집 장치 및 공정 내에서 저온 기체 흐름을 재순환시킴으로써 배출되는 이산화탄소의 양을 저감시키고, 이산화탄소 분압을 향상시켜 분리효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 분리탑 (액화 공정)에서 형성된 저온 상태를 이용하여 분리탑 상부에서 수득된 기체 내 이산화탄소를 회수함으로써, 추가적인 공정 없이 이산화탄소 회수효율을 향상시킬 수 있으며, 냉열을 회수하는 열교환망을 포함하여 공정 에너지를 현저하게 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 비교예에 따른 이산화탄소 포집 공정도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정도를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정도를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정도를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정도를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정도를 나타낸 것이다.
이하 본 발명을 첨부된 도면 및 실시예와 함께 더욱 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정도를 나타낸 것이다.
이하 도 1을 참조하여, 본 발명의 열교환망을 구비한 배가스 내 이산화탄소 포집 장치 및 공정을 더욱 상세하게 설명하도록 한다.
본 발명의 일 측면은 배가스 포함 기체를 압축시키는 제1 압축기; 상기 제1 압축기로 압축된 기체를 포함하는 제1 포집 분리막 공급 기체를 제1 포집 분리막 투과 기체, 제1 포집 분리막 잔류 기체, 이산화탄소 함유 기체, 제1 회수 분리막 투과 기체 및 제1 회수 분리막 잔류 기체 중 어느 하나 이상과 열교환하여 냉각시키는 열교환망; 상기 열교환망에서 냉각된 제1 포집 분리막 공급 기체가 공급되는 제1 포집 분리막, 제1 포집 분리막 투과 기체 배출부 및 제1 포집 분리막 잔류 기체 배출부를 포함하는 제1 포집 분리막 모듈; 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 배출부에서 배출되는 기체를 압축시키는 제2 압축기; 상기 제2 압축기로 압축된 기체를 냉각하는 액화 열교환기; 상기 액화 열교환기로 냉각된 기체를 공급받는 분리탑, 이산화탄소 함유 기체가 수득되는 상단부 및 고순도 이산화탄소 액체가 수득되는 하단부를 포함하는 이산화탄소 정제부; 및 상기 이산화탄소 함유 기체가 공급되는 제1 회수 분리막 및 제1 회수 분리막 투과 기체를 상기 제1 압축기, 상기 제1 포집 분리막 또는 상기 제2 압축기로 순환시키는 제1 회수 분리막 투과 기체 순환부를 포함하는 제1 회수 분리막 모듈;을 포함하는 배가스 내 이산화탄소 포집 장치를 제공한다.
본 발명의 다른 측면은 배가스 포함 기체를 압축시키는 제1 압축기; 상기 제1 압축기로 압축된 기체를 포함하는 제1 포집 분리막 공급 기체가 공급되는 제1 포집 분리막, 제1 포집 분리막 투과 기체 배출부 및 제1 포집 분리막 잔류 기체 배출부를 포함하는 제1 포집 분리막 모듈; 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 배출부로부터 배출되는 기체를 제2 포집 분리막 투과 기체, 제2 포집 분리막 잔류 기체, 이산화탄소 함유 기체, 제1 회수 분리막 투과 기체 및 제1 회수 분리막 잔류 기체 중 어느 하나 이상과 열교환하여 냉각시키는 열교환망; 상기 열교환망에서 냉각된 기체가 공급되는 제2 포집 분리막, 제2 포집 분리막 투과 기체 배출부 및 제2 포집 분리막 잔류 기체 배출부를 포함하는 제2 포집 분리막 모듈; 상기 제2 포집 분리막 투과 기체 배출부로부터 배출되는 기체를 압축시키는 제2 압축기; 상기 제2 압축기로 압축된 기체를 냉각하는 액화 열교환기; 상기 액화 열교환기로 냉각된 기체를 공급받는 분리탑, 이산화탄소 함유 기체가 수득되는 상단부 및 고순도 이산화탄소 액체가 수득되는 하단부를 포함하는 이산화탄소 정제부; 및 상기 이산화탄소 함유 기체가 공급되는 제1 회수 분리막 및 제1 회수 분리막 투과 기체를 상기 제1 압축기, 상기 제1 포집 분리막, 상기 제2 포집 분리막 또는 상기 제2 압축기로 순환시키는 제1 회수 분리막 투과 기체 순환부를 포함하는 제1 회수 분리막 모듈;을 포함하는 배가스 내 이산화탄소 포집 장치를 제공한다.
본 명세서에서 배가스 (배기가스)란, 발전설비, 제철소, 화학공장 등으로부터 배출되는 기체 (가스)를 의미하며, 주로 화석연료 (탄화수소)의 연소 반응에 의하여 생성되어 이산화탄소 및 수분을 기본적으로 함유하고, 산소-함유 기체 또는 산화제로서 공기를 제공할 경우에는 질소, 그리고 미사용된 산소를 더 포함할 수 있다. 또한, 연소 공정의 원료 내 불순물로부터 기인하는 가스 성분, 예를 들면 황화수소, 황산화물, 질소산화물, 염산, 수은 등의 불순물도 함유될 수 있으나, 이러한 불순물은 미량으로 존재하거나, 일부는 실질적으로 함유되지 않을 수 있다.
상기 제1 압축기 (101)는 제1 압축기 공급 기체 (202)를 압축시킨다. 상기 제1 압축기 공급 기체 (202)는 배가스 (201) 포함 기체로, 배가스 (201) 또는 이와 제2 포집 분리막 잔류 기체 (218), 제2-1 포집 분리막 투과 기체 (219), 제1-1 포집 분리막 투과 기체 (207) 및 제1 회수 분리막 투과 기체 (228) 중 어느 하나 이상이 혼합된 기체, 바람직하게는 배가스 (201), 제1-1 포집 분리막 투과 기체 (207) 및 제2-1 포집 분리막 투과 기체 (219)가 혼합된 기체일 수 있다.
특히, 상기 제1 압축기 (101)가 배가스 (201); 및 제2 포집 분리막 잔류 기체 (218), 제2-1 포집 분리막 투과 기체 (219), 제1-1 포집 분리막 투과 기체 (207) 및 제1 회수 분리막 투과 기체 (228) 중 어느 하나 이상;이 혼합된 기체를 압축시킬 때 이산화탄소의 회수율이 증가한다.
상기 제1 압축기 (101)는 공급되는 기체 흐름을 압축하여 제1 포집 분리막 (102)에서의 분리 공정을 수행할 압력비를 구현하며, 구체적으로는 상기 제1 압축기 (101)는 공급되는 기체를 1.1 내지 3.5 bar, 바람직하게는 1.2 내지 2.0 bar의 압력으로 압축하는 것일 수 있다. 본 발명은 기체 흐름의 냉열을 회수하는 열교환망을 포함하여 압력을 낮춰서 에너지 소모량을 절감할 수 있다.
상기 제1 포집 분리막 모듈은 제1 포집 분리막 공급 기체 (204)가 공급되는 제1 포집 분리막 (102), 상기 제1 포집 분리막을 투과하는 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)를 배출하는 제1 포집 분리막 투과 기체 배출부 및 상기 제1 포집 분리막을 투과하지 못하는 제1 포집 분리막 잔류 기체 (206)를 배출하는 제1 포집 분리막 잔류 기체 배출부를 포함한다.
상기 제1 포집 분리막 공급 기체 (204)는 상기 제1 압축기 (101)에서 압축된 기체 (203) 또는 이와 상기 제1 회수 분리막 투과 기체 (228), 제1-1 포집 분리막 투과 기체 (207) 및 제2-1 포집 분리막 투과 기체 (219) 중 어느 하나 이상이 혼합된 기체, 바람직하게는 상기 제1 압축기 (101)에서 압축된 기체 (203) 및 상기 제1 회수 분리막 투과 기체 (228)가 혼합된 기체일 수 있다.
상기 제1 포집 분리막 공급 기체 (204)는 상기 제1 포집 분리막 (102)에 공급되어 상대적으로 이산화탄소가 풍부한 제1 포집 분리막 투과 기체 (205) 및 이산화탄소가 희박한 제1 포집 분리막 잔류 기체 (206)로 분리 및 수득된다.
상기 제1 포집 분리막 투과 기체의 투과부에 진공펌프 (103)를 추가로 설치하여 분리 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에서 분리막을 통한 기체의 분리 공정은 용해-확산 메커니즘을 통하여 이루어지는 것이므로, 분리막의 이산화탄소 선택도 (예를 들어, CO2/N2)에 따라 분리 효율이 달라지게 된다.
본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 장치는 상기 제1 포집 분리막 잔류 기체가 공급되는 제1-1 포집 분리막 (104), 상기 제1-1 포집 분리막을 투과하는 기체 (207)를 상기 제1 압축기로 순환하는 제1-1 포집 분리막 투과 기체 순환부 및 상기 제1-1 포집 분리막을 투과하지 못한 기체 (209)를 배출하는 제1-1 포집 분리막 잔류 기체 배출부를 포함하는 제1-1 포집 분리막 모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 포집 분리막 잔류 기체 (206)가 제1-1 포집 분리막 (104)에 공급되면, 상대적으로 이산화탄소가 풍부한 제1-1 포집 분리막 투과 기체 (207) 및 이산화탄소가 희박한 제1-1 포집 분리막 잔류 기체 (209)로 분리된다. 이때 이산화탄소가 농축되어 상대적으로 이산화탄소가 풍부한 제1-1 포집 분리막 투과 기체 (207)는 상기 제1 압축기 (101)로 순환되어 이산화탄소 회수율을 증가시킬 수 있다. 따라서, 상기 제1-1 포집 분리막 모듈을 포함하지 않으면 배출될 상기 제1 포집 분리막 잔류 기체 (206)의 잔존 이산화탄소를 회수할 수 있다.
상기 제1-1 포집 분리막 잔류 기체 (209)은 외부로 배출된다.
상기 제1-1 포집 분리막 투과 기체 (207) 투과부에 진공펌프 (105)를 추가로 설치하여 분리 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 장치는 배가스 내 이산화탄소 농도에 따라 제2 포집 분리막 모듈 또는 제2 포집 분리막 모듈과 제2-1 포집 분리막 모듈을 더 포함할 수 있다. 배가스 내 이산화탄소 농도가 충분히 높은 경우 제1 포집 분리막 (102) 모듈만으로 충분하지만, 배가스 내 이산화탄소 농도가 낮을수록 제2 포집 분리막 모듈 또는 제2 포집 분리막 모듈과 제2-1 포집 분리막 모듈을 추가적으로 도입하여 이산화탄소 회수율을 증가시키는 것이 바람직하다.
상기 제1 포집 분리막 (102), 제1-1 포집 분리막 (104), 제2 포집 분리막 (112) 및 제2-1 포집 분리막 (114), 제1 회수 분리막 (119) 재질은 서로 동일하거나 상이하고, 상기 제1 포집 분리막 (102), 제1-1 포집 분리막 (104), 제2 포집 분리막 (112), 제2-1 포집 분리막 (114) 및 제1 회수 분리막 (119)은 폴리설폰 (PSF) 또는 폴리이미드 (PI) 중 어느 하나 이상의 재질로 이루어진 것일 수 있다.
하기 표 1은 폴리설폰 (PSF) 또는 폴리이미드 (PI) 재질의 분리막의 온도에 따른 선택도를 나타낸 것이다. 하기 표 1 내지 표 2에 나타낸 바와 같이, 폴리설폰 (PSF) 또는 폴리이미드 (PI) 재질의 분리막은 저온에서 이산화탄소 선택도가 크게 증가하는 것을 알 수 있다. 반면, 폴리설폰 (PSF) 또는 폴리이미드 (PI) 이외의 폴리아미드 (polyamide) 또는 폴리에테르 (polyether) 등과 같은 타 재질의 분리막은 저온에서 이산화탄소 선택도 향상 효과가 미미하여 저온 공정을 적용하기에 부적합하다.
구분 PSF
온도 CO2/N2 CO2/O2 O2/N2
-20℃ 75.9 10.5 7.3
-10℃ 57.9 9.1 6.4
0℃ 43.2 7.2 6.0
10℃ 34.5 6.1 5.6
20℃ 31.0 5.7 5.4
구분 PI
온도 CO2/N2 CO2/O2 O2/N2
-20℃ 69.9 9.9 7.1
-10℃ 55.2 9.6 5.8
0℃ 39.4 8.2 4.8
10℃ 31.9 7.3 4.4
20℃ 29.9 7.5 4.0
상기 제1 포집 분리막 (102), 제1-1 포집 분리막 (104), 제2 포집 분리막 (112) 및 제2-1 포집 분리막 (114), 제1 회수 분리막 (119)은 폴리설폰 (PSF) 및 폴리이미드 (PI) 분리막 소재 특성을 고려할 때 저온에서 수행되면 이산화탄소 분리 효율이 현저하게 증가한다는 점에서 바람직하다.
특히, 본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 장치는 이산화탄소 포집 공정 내 흐름들과 포집 분리막 공급 기체를 열교환하여 냉열을 회수하는 열교환망을 구축한 것을 특징으로 하여, 상기 제1 포집 분리막 (102) 및 제1-1 포집 분리막 (104) 또는 제2 포집 분리막 (112) 및 제2-1 포집 분리막 (114)에 공급되는 기체가 저온이기 때문에 상기 제1 포집 분리막 (102) 및 제1-1 포집 분리막 또는 제2 포집 분리막 (112) 및 제2-1 포집 분리막 (114)은 폴리설폰 (PSF) 또는 폴리이미드 (PI) 중 어느 하나 이상의 재질로 이루어지는 것이 이산화탄소 분리 효율을 현저하게 향상시킨다는 점에서 바람직하다. 보다 구체적으로, 본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 장치가 제1 포집 분리막 모듈만을 포함할 때 상기 제1 포집 분리막 (102) 및 제1-1 포집 분리막 (104)에 공급되는 기체의 온도는 -40 내지 10 ℃, 가장 바람직하게는 -25 내지 -15 ℃일 수 있고, 제1 포집 분리막 및 제2 포집 분리막 모듈을 포함할 때 상기 제2 포집 분리막 (112) 및 제2-1 포집 분리막 (114)에 공급되는 기체의 온도는 -40 내지 0 ℃, 가장 바람직하게는 -25 내지 -15 ℃일 수 있다.
상기 열교환망은 상기 제1 포집 분리막 공급 기체 (204) 또는 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 배출부로부터 배출되는 기체 (205)를 저온의 기체 흐름과 열교환하여 냉각시킨다.
본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 장치가 제1 포집 분리막 (102) 모듈 만을 포함하는 경우, 상기 열교환망은 상기 제1 압축기로 압축된 기체를 포함하는 제1 포집 분리막 공급 기체 (204)를 제1 포집 분리막 투과 기체 (205), 제1 포집 분리막 잔류 기체 (206), 이산화탄소 함유 기체 (226), 제1 회수 분리막 투과 기체 (228) 및 제1 회수 분리막 잔류 기체 (230) 중 어느 하나 이상과 열교환하여 냉각시킬 수 있다.
본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 장치가 제2 포집 분리막 모듈을 더 포함하는 경우, 상기 열교환망은 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)를 제2 포집 분리막 투과 기체 (217), 제2 포집 분리막 잔류 기체 (218), 이산화탄소 함유 기체 (226), 제1 회수 분리막 투과 기체 (228) 및 제1 회수 분리막 잔류 기체 (230) 중 어느 하나 이상과 열교환하여 냉각시킬 수 있다.
본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 장치가 제2 포집 분리막 모듈 및 제2-1 포집 분리막 모듈을 더 포함하는 경우, 상기 열교환망은 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)를 제2 포집 분리막 투과 기체 (217), 제2 포집 분리막 잔류 기체 (218), 제2-1 포집 분리막 투과 기체 (219), 제2-1 포집 분리막 잔류 기체 (221), 이산화탄소 함유 기체 (226), 제1 회수 분리막 투과 기체 (228) 및 제1 회수 분리막 잔류 기체 (230) 중 어느 하나 이상과 열교환하여 냉각시킬 수 있다.
본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 장치는 열교환망으로 이산화탄소 포집 공정 내 흐름들의 냉열을 회수하여 이산화탄소 분리 효율을 증가시켰을 뿐 아니라. 공정 에너지를 현저하게 감소시켰다.
본 발명의 바람직한 구현예에 따르면, 상기 열교환망은 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)와 상기 제1 회수 분리막 투과 기체 (228)를 열교환하는 제1 열교환기 (106); 상기 제1 열교환된 제1 포집 분리막 투과 기체 (211)와 상기 제2-1 포집 분리막 투과 기체 (219)를 열교환하는 제2 열교환기 (107); 상기 제2 열교환된 제1 포집 분리막 투과 기체 (212)와 상기 제1 회수 분리막 잔류 기체 (230) 및 상기 제2-1 포집 분리막 잔류 기체 (221) 중 어느 하나 이상을 열교환하는 제3 열교환기 (108); 상기 제3 열교환된 제1 포집 분리막 투과 기체 (213)와 상기 제2 포집 분리막 투과 기체 (217)를 열교환하는 제4 열교환기 (109); 및 상기 제4 열교환된 제1 포집 분리막 투과 기체 (214)와 상기 이산화탄소 함유 기체 (226)를 열교환하는 제5 열교환기 (110);를 포함하는 것일 수 있다. 특히, 상기 열교환망이 상기 제1 내지 제5 열교환기를 포함할 때 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)를 목표한만큼 냉각시키는데 필요한 에너지를 최소화시킬 수 있음을 확인하였다.
본 발명의 이산화탄소 포집 장치는 상기 열교환망을 통해 냉각된 기체 (215)를 제2 포집 분리막 (112)으로 투과시키기 전 냉매와 열교환하여 추가로 냉각시키는 냉각 열교환기 (111)를 더 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이 상기 제1 포집 분리막 공급 기체 (204) 또는 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)를 열교환망으로 냉각시킨 후 제2 포집 분리막 (112)에 공급하는 경우, 온도가 감소하지만 폴리설폰 (PSF) 및 폴리이미드 (PI) 분리막 소재의 특성에 따라 이산화탄소 분리 효율이 최대화 되는 약 -25 내지 -15 ℃까지 온도를 낮추기는 어렵다. 이에 열교환망으로 냉각된 기체 (215)를 냉각 열교환기 (111)로 추가로 냉각시킨다면, 제2 포집 분리막 (112)에 공급 기체 (216)의 온도가 -25 내지 -15 ℃가 되어 이산화탄소 분리 효율을 현저하게 증가시킬 수 있다. 이때 상기 냉각 열교환기 (111)는 액화 열교환기 (117) 냉매의 용량을 늘려 증가된 용량의 일부를 사용하는 것일 수 있으며, 액화 열교환기 (117)의 용량을 늘리는 것은 제2 포집 분리막 (112) 및/또는 제2-1 포집 분리막 (114)의 이산화탄소 분리 효율을 증가시키는 효과에 비하면, 그 에너지 소모가 미미하다.
상기 제2 포집 분리막 모듈은 상기 제2 포집 분리막 (112)을 투과하는 제2 포집 분리막 투과 기체 (217)를 배출하는 제2 포집 분리막 투과 기체 배출부 및 상기 제2 포집 분리막을 투과하지 못하는 제2 포집 분리막 잔류 기체 (218)를 배출하는 제2 포집 분리막 잔류 기체 배출부를 포함한다.
상기 열교환망 또는 상기 냉각 열교환기로 냉각된 기체 (215 또는 216)는 상기 제2 포집 분리막 (112)에 공급되어 상대적으로 이산화탄소가 풍부한 제2 포집 분리막 투과 기체 (217) 및 이산화탄소가 희박한 제2 포집 분리막 잔류 기체 (218)로 분리 및 수득되며, 상기 제2 포집 분리막 투과 기체 (217)는 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205) 보다 이산화탄소 농도가 증가한다.
상기 제2 포집 분리막 투과 기체의 투과부에 진공펌프 (113)를 추가로 설치하여 통해 분리막 전후의 압력비를 높여 상기 제2 포집 분리막 투과 기체 (217)를 배출시켜 이산화탄소 분리 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 제2 포집 분리막 투과 기체 (217) 및 제2 회수 분리막 잔류 기체 (218) 중 어느 하나 이상은 상기 열교환망에 공급되어 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)와 열교환하여 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)를 냉각시킬 수 있다.
상기 제2 포집 분리막 투과 기체 (217)는 상기 제2 포집 분리막 (112)으로부터 투과된 후 바로 또는 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)와 열교환한 후 제2 압축기 (116)에 공급될 수 있다.
상기 제2 포집 분리막 (112)을 투과하지 못하는 제2 포집 분리막 잔류 기체 (218)는 상기 제2 포집 분리막 (112)으로부터 배출된 후 바로 또는 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)와 열교환된 후 외부로 배출되거나, 제2-1 포집 분리막 (114)에 공급될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 배가스 중 이산화탄소 농도가 매우 낮을 경우, 이산화탄소 회수율을 높이기 위하여 추가적으로 상기 제2 포집 분리막 잔류 기체 (218)가 공급되는 제2-1 포집 분리막 (114), 제2-1 포집 분리막 투과 기체 (219)를 상기 제1 압축기 (101) 또는 상기 제1 포집 분리막 (102)에 순환시키는 제2-1 포집 분리막 투과 기체 순환부 및 제2-1 포집 분리막 잔류 기체 (221)를 배출하는 제2-1 포집 분리막 잔류 기체 배출부를 포함하는 제2-1 포집 분리막 모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 제2-1 포집 분리막 투과 기체 (219) 및 상기 제2-1 포집 분리막 잔류 기체 (221)중 어느 하나 이상은 상기 열교환망을 통해 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)와 열교환하여 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)를 냉각시켜 이산화탄소 분리효율을 높일 수 있다.
상기 제2-1 포집 분리막 투과 기체 (219)는 상기 제2-1 포집 분리막 (114)을 투과한 직후 또는 열교환망으로 열교환된 후 상기 제1 압축기 (101) 또는 상기 제1 포집 분리막 (102), 바람직하게는 상기 제1 압축기 (101)로 순환될 수 있는데, 이를 통해 이산화탄소 회수율이 증가한다. 특히, 본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 장치는 제2-1 포집 분리막 모듈을 포함하지 않는 경우, 상기 제2 포집 분리막 잔류 기체 (218)를 상기 제1 압축기 (101)에 순환시켜 이산화탄소 회수율을 증가시킬 수 있는데, 제2-1 포집 분리막 모듈을 포함하는 경우 상기 제2 포집 분리막 잔류 기체 (218) 중 이산화탄소가 농축된 제2-1 포집 분리막 투과 기체 (219)만을 상기 제1 압축기 (101)로 순환시켜 제1 압축기 (101)에 공급되는 기체의 유량이 감소하여 압축 시 필요한 에너지를 현저하게 감소시켜 공정 경제성을 증가시킬 수 있다.
상기 제2-1 포집 분리막 잔류 기체 (221)는 이산화탄소가 희박한 질소 우세 기체로 외부로 배출되는데, 제1 회수 분리막 잔류기체 (230) 또한, 질소 우세 기체로 외부로 배출되어야하기 때문에, 함께 열교환된 후 배출될 수 있다.
본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 장치는 이산화탄소 농도에 따라 제2 포집 분리막 투과 기체가 공급되는 제3 포집 분리막, 제3 포집 분리막을 투과하는 제3 포집 분리막 투과 기체가 배출되는 제3 포집 분리막 투과 기체 배출부와 제3 포집 분리막을 투과하지 않는 제3 포집 분리막 잔류 기체가 배출되는 제3 포집 분리막 잔류 기체 배출부를 포함하는 제3 포집 분리막 모듈을 더 포함할 수 있다. 배가스 내 이산화탄소가 일정 농도 이상일 경우 제1 포집 분리막 또는 제1 포집 분리막과 제2 포집 분리막의 조합으로 충분하지만, 배가스 내 이산화탄소 농도가 매우 낮을수록 제2 포집 분리막 투과부에 제3 포집 분리막을 추가적으로 도입하여 이산화탄소 회수율을 증가시키는 것이 바람직하다. 이때 제2 포집 분리막 투과 기체 (217)는 제3 포집 분리막으로 공급되고, 제3 포집 분리막을 투과하는 제3 포집 분리막 투과 기체와 제3 포집 분리막을 투과하지 않는 제3 포집 분리막 잔류 기체로 분리 및 수득된다. 이에 제2 포집 분리막 투과 기체 (217) 중 제3 포집 분리막을 투과하는 기체만이 제2 압축기 (116)로 공급된다. 본 발명이 제3 포집 분리막 모듈을 더 포함할 때 상기 열교환망은 상기 제2 포집 분리막 투과 기체 (217)를 열교환하여 냉각시키는 것일 수 있다. 이에 제3 포집 분리막 투과 기체와 제3 포집 분리막 잔류 기체 또한, 상기 열교환하여 냉각시키는 단계에서 제1 포집 분리막 투과 기체 (205) 또는 제2 포집 분리막 투과 기체 (217)와 열교환하여 이를 냉각시켜 에너지 소모량을 절감할 수 있다. 또한, 이산화탄소 회수율 증가를 위해 제3 포집 분리막 잔류부에 분리막을 추가로 설치할 수도 있다.
상기 제2 압축기 (116)는 공급되는 기체 (222)를 액화 공정에 요구되는 압력, 22 내지 50 bar, 바람직하게는 22 내지 31 bar로 압축한다. 이때 상기 제2 압축기에 공급되는 기체 (222)는 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205) 또는 제2 포집 분리막 투과 기체 (217)일 수 있다.
일반적으로 압축기에 수분을 제거하는 쿨러가 포함되어 있어 이를 이용하여 수분이 제거되지만 액화공정에서 미량의 수분이 잔존하여 결빙되는 현상이 발생하여 계측기와 같은 기기의 손상 및 고장의 원인이 될 수 있다. 이를 방지하기 위하여 본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 장치는 액화 열교환기 (117)로 공급되는 기체의 수분을 제거하는 건조기;를 더 포함할 수 있다.건조기를 지난 기체 흐름의 수분 함량은 예를 들면 약 50 ppm 이하, 약 30 ppm 이하, 보다 구체적으로 약 10 ppm 이하일 수 있으며, 더욱 더 구체적으로는 수분을 실질적으로 거의 함유하지 않을 수 있다.
상기 액화 열교환기 (117)은 상기 제2 압축기로 압축된 기체 (223)를 분리탑 (118)에서 분리정제 및 이산화탄소를 액화시키기에 적합한 온도, 바람직하게는 -35 내지 -18 ℃ 로 냉각시킨다. 상기 액화 열교환기 (117)의 냉매로는 프레온, 질소 및 프로필렌 등을 사용할 수 있다.
상기 이산화탄소 정제부 (118)은 상기 액화 열교환기 (117)로 냉각된 기체 (224)를 공급받고, 이를 분리정제하는 분리탑, 상기 분리정제를 통해 이산화탄소 함유 기체 (226)가 수득되는 상단부 및 고순도 이산화탄소 액체 (225)가 수득되는 하단부를 포함한다.
분리탑 하부에서 회수되는 고순도 이산화탄소 액체 (225)의 이산화탄소 몰농도는 99% 이상일 수 있고, 이산화탄소 용도에 따라 99.9% 이상일 수 있다.
상기 이산화탄소 함유 기체 (226)는 제1 회수 분리막 (119)에 투과되기 전에 상기 열교환망으로 상기 제1 포집 분리막 공급 기체 (204) 또는 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)와 열교환하여 상기 제1 포집 분리막 공급 기체 (204) 또는 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)를 냉각시킬 수 있다.
상기 제1 회수 분리막 모듈은 상기 이산화탄소 함유 기체 (226)가 공급되는 제1 회수 분리막 (119) 및 상기 제1 회수 분리막을 투과하는 제1 회수 분리막 투과 기체 (228)를 상기 제1 압축기 (101), 상기 제1 포집 분리막 (102), 상기 제2 포집 분리막 (112) 또는 상기 제2 압축기 (116) 중 어느 하나, 바람직하게는 상기 제1 포집 분리막 (102)으로 순환시키는 제1 회수 분리막 투과 기체 순환부를 포함할 수 있다.
상기 이산화탄소 함유 기체 (226)는 제1 회수 분리막 (119)에 공급되어 상기 제1 회수 분리막 (119)을 투과하여 상대적으로 이산화탄소 농도가 높은 기체 흐름인 제1 회수 분리막 투과 기체 (228)와 상기 제1 회수 분리막 (119)에 잔류되어 상대적으로 이산화탄소 농도가 낮은 기체 흐름인 제1 회수 분리막 잔류 기체 (230)로 분리되어 수득된다.
전술한 분리막 공정 및 분리탑 공정을 통해 고순도의 이산화탄소가 회수되었지만, 배가스에 함유된 이산화탄소를 회수하는 데에는 한계가 존재하였다. 이에, 본 발명에서는 상기 분리탑을 거쳐 상부에서 수득되는 이산화탄소 함유 기체 (226)의 잔여 이산화탄소를 회수하는 회수 분리막 모듈을 더 포함하여 고순도의 이산화탄소 액체가 회수될 수 있게 하였으며, 배출되는 이산화탄소의 양을 현저하게 감소시켰다.
본 발명은 상기 분리탑에서 이산화탄소 액화 공정 이후 분리탑 상부에서 수득되는 이산화탄소 함유 기체 (226)를 저온 상태로 제1 회수 분리막 (119)에 공급하여 분리효율을 높이기 위한 추가적인 압축 또는 냉각 공정 없이 이산화탄소 선택도가 향상되어 분리 효율이 현저하게 향상되는 것을 특징으로 한다. 보다 구체적으로, 상기 제1 회수 분리막에 공급되는 기체 (227)의 온도는 -40 내지 0 ℃일 수 있다.
상기 제1 회수 분리막 (119)은 폴리설폰 (PSF) 또는 폴리이미드 (PI) 중 어느 하나 이상의 재질인 것일 수 있으며, 상기 폴리설폰 (PSF) 또는 폴리이미드 (PI)는 저온에서 이산화탄소 분리 효율이 증가한다는 점에서 바람직하다.
상기 제1 회수 분리막 투과 기체 (228) 및 상기 제1 회수 분리막 잔류 기체 (230) 중 어느 하나 이상은 상기 열교환망을 통해 상기 제1 포집 분리막 공급 기체 (204) 또는 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)와 열교환될 수 있다.
상기 이산화탄소 함유 기체 중 제1 회수 분리막 (119)을 투과한 저온의 제1 회수 분리막 투과 기체 (228)는 포집 분리막 종류 및 개수에 따라 상기 제1 압축기 (102), 상기 제1 포집 분리막 (102), 상기 제2 포집 분리막 (112), 또는 상기 제2 압축기 (116) 중 어느 하나, 바람직하게는 상기 제1 포집 분리막 (102)에 공급되는 기체와 혼합되어 순환될 수 있다. 이를 통해 회수되는 이산화탄소의 양을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 이산화탄소 포집 공정 내 기체의 이산화탄소 분압을 높여 공정효율을 향상시킬 수 있다.
상기 제1 회수 분리막 잔류 기체 (230)는 이산화탄소가 희박한 질소 우세 기체로 외부로 배출되며, 외부로 배출되기 전 상기 제1 포집 분리막 공급 기체 (204)와 열교환된 후 배출될 수 있다. 또한, 상기 제1 회수 분리막 잔류 기체 (230)는 상기 제2-1 포집 분리막 잔류 기체 (221)와 함께 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)와 열교환된 후 배출될 수 있다.
상기 도 1에 도시하지는 않았지만, 본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 장치는 상기 제1 회수 분리막 잔류 기체 (230)가 공급되는 제2 회수 분리막 및 상기 제2 회수 분리막을 투과하는 제2 회수 분리막 투과 기체를 상기 제1 압축기, 상기 제1 포집 분리막, 상기 제2 포집 분리막 또는 상기 제2 압축기로 순환시키는 제2 회수 분리막 투과 기체 순환부를 포함하는 제2 회수 분리막 모듈을 더 포함할 수 있다.
제2 회수 분리막 투과 기체 및 상기 제 2 회수 분리막 잔류 기체는 상기 열교환망을 통해 상기 제1 포집 분리막 공급 기체 (204) 또는 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)와 열교환되어 상기 제1 포집 분리막 공급 기체 (204) 또는 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)를 냉각시킬 수 있다.
상기 제2 회수 분리막 모듈은 상기 제1 회수 분리막 잔류 기체 (230)에 잔존하는 이산화탄소가 농축된 제2 회수 분리막 투과 기체를 순환시켜 이산화탄소 회수율을 증가시킬 수 있다.
상기 제 2 회수 분리막 잔류 기체는 외부로 배출될 수 있다.
본 발명의 가장 바람직한 구현예에 따르면, (1) 상기 제1 포집 분리막 잔류 기체가 공급되는 제1-1 포집 분리막, 상기 제1-1 포집 분리막을 투과하는 기체를 상기 제1 압축기로 순환하는 제1-1 포집 분리막 투과 기체 순환부 및 제1-1 포집 분리막 잔류 기체 배출부를 포함하는 제1-1 포집 분리막 모듈; 및 (2) 상기 제2 포집 분리막 잔류 기체가 공급되는 제2-1 포집 분리막, 제2-1 포집 분리막 투과 기체를 상기 제1 압축기에 순환시키는 제2-1 포집 분리막 투과 기체 순환부 및 제2-1 포집 분리막 잔류 기체 배출부를 포함하는 제2-1 포집 분리막 모듈;을 더 포함하고, (3) 상기 제1 압축기는 공급되는 기체를 1.2 내지 2.0 bar의 압력으로 압축하는 것이고, (4) 상기 열교환망은 상기 제1 포집 분리막 투과 기체와 상기 제1 회수 분리막 투과 기체를 열교환하는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기를 통과한 제1 포집 분리막 투과 기체와 상기 제2-1 포집 분리막 투과 기체를 열교환하는 제2 열교환기; 상기 제2 열교환기를 통과한 제1 포집 분리막 투과 기체와 상기 제1 회수 분리막 잔류 기체 및 상기 제2-1 포집 분리막 잔류 기체 중 어느 하나 이상을 열교환하는 제3 열교환기; 상기 제3 열교환기를 통과한 제1 포집 분리막 투과 기체와 상기 제2 포집 분리막 투과 기체를 열교환하는 제4 열교환기; 상기 제4 열교환기를 통과한 제1 포집 분리막 투과 기체와 상기 이산화탄소 함유 기체를 열교환하는 제5 열교환기; 및 상기 제5 열교환기를 통과한 제1 포집 분리막 투과 기체와 냉매를 열교환하는 냉각 열교환기;를 포함하는 것이고, (5) 상기 제2 포집 분리막에 공급되는 기체의 온도는 -25 내지 -15 ℃이고, (6) 상기 제2-1 포집 분리막에 공급되는 기체의 온도는 -25 내지 -15 ℃이고, (7) 상기 제2 압축기는 공급되는 기체를 22 내지 31 bar 압력으로 압축하는 것이고, (8) 상기 액화 열교환기는 공급되는 기체를 -35 내지 -18 ℃로 냉각시키는 것이고, (9) 상기 제1 회수 분리막에 공급되는 기체의 온도는 -40 내지 0 ℃인 것이고, (10) 상기 제1 포집 분리막, 상기 1-1 포집 분리막, 상기 제2 포집 분리막, 상기 제 2-1 포집 분리막 및 상기 제1 회수 분리막은 서로 동일하거나 상이하고, 폴리설폰 (PSF) 또는 폴리이미드 (PI) 중 어느 하나 이상의 재질로 이루어진 것이고, (11) 상기 제1 회수 분리막 투과 기체는 상기 제1 포집 분리막으로 순환되는 것일 수 있다.
본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 장치가 상기 가장 바람직한 구현예 조건들을 모두 만족할 경우에만, 이산화탄소 회수율이 우수할 뿐 아니라, 전기 에너지 소모량이 종래의 이산화탄소 포집 공정에 비하여 적어도 15% 이상 감소하는 것을 확인하였다.
본 발명의 또 다른 측면은 (A) 배가스 포함 기체를 제1 압축기로 압축하는 단계; (B) 상기 제1 압축기로 압축된 기체를 포함하는 제1 포집 분리막 공급 기체를 제1 포집 분리막 투과 기체, 제1 포집 분리막 잔류 기체, 이산화탄소 함유 기체, 제1 회수 분리막 투과 기체 및 제1 회수 분리막 잔류 기체 중 어느 하나 이상과 열교환하여 냉각시키는 단계; (C) 상기 열교환되어 냉각된 제1 포집 분리막 공급 기체를 제1 포집 분리막에 공급하여 상기 제1 포집 분리막을 투과하는 제1 포집 분리막 투과 기체 및 상기 제1 포집 분리막을 투과하지 못하는 제1 포집 분리막 잔류 기체를 수득하는 단계; (D) 상기 제1 포집 분리막 투과 기체를 제2 압축기로 압축시키는 단계; (E) 상기 제2 압축기로 압축된 기체를 액화 열교환기로 냉각하는 단계; (F) 상기 액화 열교환기로 냉각된 기체를 분리탑에 공급하여 분리정제 과정을 통해 상기 분리탑 상부에서 이산화탄소 함유 기체를 수득하고, 하부에서 고순도의 이산화탄소 액체를 회수하는 단계; 및 (G) 상기 이산화탄소 함유 기체를 제1 회수 분리막에 공급하여 상기 제1 회수 분리막을 투과하는 제1 회수 분리막 투과 기체를 상기 제1 압축기, 상기 제1 포집 분리막 또는 상기 제2 압축기로 순환시키는 단계;를 포함하는 배가스 내 이산화탄소 포집 공정을 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면은 (A1) 배가스 포함 기체를 제1 압축기로 압축하는 단계; (B1) 상기 제1 압축기로 압축된 기체를 포함하는 제1 포집 분리막 공급 기체를 제1 포집 분리막에 공급하여 상기 제1 포집 분리막을 투과하는 제1 포집 분리막 투과 기체 및 상기 제1 포집 분리막을 투과하지 못하는 제1 포집 분리막 잔류 기체를 수득하는 단계; (C1) 상기 제1 포집 분리막 투과 기체를 제2 포집 분리막 투과 기체, 제2 포집 분리막 잔류 기체, 이산화탄소 함유 기체, 제1 회수 분리막 투과 기체 및 제1 회수 분리막 잔류 기체 중 어느 하나 이상과 열교환하여 냉각시키는 단계; (D1) 상기 열교환하여 냉각된 제1 포집 분리막 투과 기체를 제2 포집 분리막에 공급하여 상기 제2 포집 분리막을 투과하는 제2 포집 분리막 투과 기체 및 상기 제2 포집 분리막을 투과하지 못하는 제2 포집 분리막 잔류 기체를 수득하는 단계; (E1) 상기 제2 포집 분리막 투과 기체를 제2 압축기로 압축하는 단계; (F1) 상기 제2 압축기로 압축된 기체를 액화 열교환기로 냉각하는 단계; (G1) 상기 액화 열교환기로 냉각된 기체를 분리탑에 공급하여 분리정제 과정을 통해 상기 분리탑 상부에서 이산화탄소 함유 기체를 수득하고, 하부에서 고순도의 이산화탄소 액체를 회수하는 단계; 및 (H1) 상기 이산화탄소 함유 기체를 제1 회수 분리막에 공급하여 상기 제1 회수 분리막을 투과하는 제1 회수 분리막 투과 기체를 상기 제1 압축기, 상기 제1 포집 분리막, 상기 제2 포집 분리막 또는 상기 제2 압축기로 순환시키는 단계;를 포함하는 배가스 내 이산화탄소 포집 공정을 제공한다.
먼저, 제1 압축기 공급 기체 (202)를 제1 압축기 (101)로 압축시킨다.
상기 제1 압축기 공급 기체 (202)는 배가스 (201) 포함 기체로, 배가스 (201) 또는 이와 제2 포집 분리막 잔류 기체 (218), 제2-1 포집 분리막 투과 기체 (219), 제1-1 포집 분리막 투과 기체 (207) 및 제1 회수 분리막 투과 기체 (228) 중 어느 하나 이상이 혼합된 기체, 바람직하게는 배가스 (201), 제1-1 포집 분리막 투과 기체 (207) 및 제2-1 포집 분리막 투과 기체 (219)가 혼합된 기체일 수 있다.
특히, 상기 제1 압축기 (101)가 배가스 (201); 및 제2 포집 분리막 잔류 기체 (218), 제2-1 포집 분리막 투과 기체 (219), 제1-1 포집 분리막 투과 기체 (207) 및 제1 회수 분리막 투과 기체 (228) 중 어느 하나 이상;이 혼합된 기체를 압축시킬 때 이산화탄소의 회수율이 증가한다.
상기 제1 압축기 (101)는 공급되는 기체 흐름을 압축하여 제1 포집 분리막 (102)에서의 분리 공정을 수행할 압력비를 구현하며, 구체적으로는 상기 제1 압축기 (101)는 공급되는 기체를 1.1 내지 3.5 bar, 바람직하게는 1.2 내지 2.0 bar의 압력으로 압축하는 것일 수 있다. 본 발명은 기체 흐름의 냉열을 회수하는 열교환망을 포함하여 압력을 낮춰서 에너지 소모량을 절감할 수 있다.
상기 제1 포집 분리막 공급 기체 (204)는 상기 제1 압축기 (101)에서 압축된 기체 (203) 또는 이와 상기 제1 회수 분리막 투과 기체 (228), 제1-1 포집 분리막 투과 기체 (207) 및 제2-1 포집 분리막 투과 기체 (219) 중 어느 하나 이상이 혼합된 기체, 바람직하게는 상기 제1 압축기 (101)에서 압축된 기체 (203)와 상기 제1 회수 분리막 투과 기체 (228)일 수 있다.
제1 포집 분리막 공급 기체 (204)를 제1 포집 분리막 (102)에 공급하여, 상대적으로 이산화탄소가 풍부한 제1 포집 분리막 투과 기체 (205) 및 이산화탄소가 희박한 제1 포집 분리막 잔류 기체 (206)를 분리 및 수득한다.
상기 제1 포집 분리막 투과 기체의 투과부에 진공펌프 (103)를 추가로 설치하여 분리 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에서 분리막을 통한 기체의 분리 공정은 용해-확산 메커니즘을 통하여 이루어지는 것이므로, 분리막의 이산화탄소 선택도 (예를 들어, CO2/N2)에 따라 분리 효율이 달라지게 된다.
상기 제1 포집 분리막 잔류 기체 (206)는 외부로 배출되거나, 제1-1 포집 분리막 (104)에 공급될 수 있다.
상기 제1 포집 분리막 잔류 기체 (206)가 제1-1 포집 분리막 (104)에 공급되면, 상대적으로 이산화탄소가 풍부한 제1-1 포집 분리막 투과 기체 (207) 및 이산화탄소가 희박한 제1-1 포집 분리막 잔류 기체 (209)로 분리된다. 이때 이산화탄소가 농축되어 상대적으로 이산화탄소가 풍부한 제1-1 포집 분리막 투과 기체 (207)은 상기 제1 압축기 (101)로 순환되어 이산화탄소 회수율을 증가시킬 수 있다. 따라서, 상기 제1-1 포집 분리막 모듈을 포함하지 않으면 배출될 상기 제1 포집 분리막 잔류 기체 (206)의 잔존 이산화탄소를 회수할 수 있다.
상기 제1-1 포집 분리막 잔류 기체 (209)은 외부로 배출된다.
본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 공정은 배가스 내 이산화탄소 농도에 따라 제2 포집 분리막 (112) 또는 제2 포집 분리막 (112)과 제2-1 포집 분리막 (114)를 이용한 분리막 공정을 추가적으로 도입할 수 있다. 배가스 내 이산화탄소 농도가 충분히 높은 경우 제1 포집 분리막 (102) 공정으로 충분하지만, 배가스 내 이산화탄소 농도가 낮을수록 제2 포집 분리막 (112) 또는 제2 포집 분리막 (112) 모듈과 제2-1 포집 분리막 (114)을 이용한 공정을 추가적으로 도입하여 이산화탄소 회수율을 증가시키는 것이 바람직하다.
상기 제1 포집 분리막 (102), 제1-1 포집 분리막 (104), 제2 포집 분리막 (112) 및 제2-1 포집 분리막 (114), 제1 회수 분리막 (119) 재질은 서로 동일하거나 상이하고, 상기 제1 포집 분리막 (102), 제1-1 포집 분리막 (104), 제2 포집 분리막 (112), 제2-1 포집 분리막 (114) 및 제1 회수 분리막 (119)은 폴리설폰 (PSF) 또는 폴리이미드 (PI) 중 어느 하나 이상의 재질로 이루어진 것일 수 있다.
상기 제1 포집 분리막 (102), 제1-1 포집 분리막 (104), 제2 포집 분리막 (112) 및 제2-1 포집 분리막 (114), 제1 회수 분리막 (119)은 폴리설폰 (PSF) 및 폴리이미드 (PI) 분리막 소재 특성을 고려할 때 저온에서 수행되면 이산화탄소 분리 효율이 현저하게 증가한다는 점에서 바람직하다.
특히, 본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 공정은 이산화탄소 포집 공정 내 흐름들과 포집 분리막 공급 기체를 열교환하여 냉열을 회수하는 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하여, 상기 제1 포집 분리막 (102) 및 제1-1 포집 분리막 (104) 또는 제2 포집 분리막 (112) 및 제2-1 포집 분리막 (114)에 공급되는 기체가 저온이기 때문에 상기 제1 포집 분리막 (102) 및 제1-1 포집 분리막 또는 제2 포집 분리막 (112) 및 제2-1 포집 분리막 (114)은 폴리설폰 (PSF) 또는 폴리이미드 (PI) 중 어느 하나 이상의 재질로 이루어지는 것이 이산화탄소 분리 효율을 현저하게 향상시킨다는 점에서 바람직하다. 보다 구체적으로, 본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 공정이 제1 포집 분리막 (102) 공정만을 포함할 때 상기 제1 포집 분리막 (102) 및 제1-1 포집 분리막 (104)에 공급되는 기체의 온도는 -40 내지 10 ℃, 가장 바람직하게는 -25 내지 -15 ℃일 수 있고, 제1 포집 분리막 (102) 및 제2 포집 분리막 (112) 공정을 포함할 때 상기 제2 포집 분리막 (112) 및 제2-1 포집 분리막 (114)에 공급되는 기체의 온도는 -40 내지 0 ℃, 가장 바람직하게는 -25 내지 -15 ℃일 수 있다.
본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 공정은 포집 분리막으로 공급되는 기체를 공정 내 저온의 흐름들과 열교환하여 냉각시키는 열교환 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 공정이 제1 포집 분리막 (102)을 이용한 포집 공정만을 포함하는 경우, 상기 열교환하여 냉각시키는 단계는 상기 제1 압축기로 압축된 기체를 포함하는 제1 포집 분리막 공급 기체 (204)를 제1 포집 분리막 투과 기체 (205), 제1 포집 분리막 잔류 기체 (206), 이산화탄소 함유 기체 (226), 제1 회수 분리막 투과 기체 (228) 및 제1 회수 분리막 잔류 기체 (230) 중 어느 하나 이상과 열교환하여 냉각시키는 것일 수 있다.
본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 공정이 제2 포집 분리막 (112)을 이용한 공정을 더 포함하는 경우, 상기 열교환하여 냉각시키는 단계는 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)를 제2 포집 분리막 투과 기체 (217), 제2 포집 분리막 잔류 기체 (218), 이산화탄소 함유 기체 (226), 제1 회수 분리막 투과 기체 (228) 및 제1 회수 분리막 잔류 기체 (230) 중 어느 하나 이상과 열교환하여 냉각시키는 것일 수 있다.
본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 공정이 제2 포집 분리막 (112) 및 제2-1 포집 분리막 (114)을 이용한 공정을 더 포함하는 경우, 상기 열교환하여 냉각시키는 단계는 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)를 제2 포집 분리막 투과 기체 (217), 제2 포집 분리막 잔류 기체 (218), 제2-1 포집 분리막 투과 기체 (219), 제2-1 포집 분리막 잔류 기체 (221), 이산화탄소 함유 기체 (226), 제1 회수 분리막 투과 기체 (228) 및 제1 회수 분리막 잔류 기체 (230) 중 어느 하나 이상과 열교환하여 냉각시키는 것일 수 있다.
본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 공정은 포집 분리막 공급 기체를 열교환하여 냉각시키는 단계를 도입하여 이산화탄소 포집 공정 내 흐름들의 냉열을 회수하여 이산화탄소 분리 효율을 증가시켰을 뿐 아니라. 공정 에너지를 현저하게 감소시켰다.
바람직하게는 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)는 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)를 제1 회수 분리막 투과 기체 (228), 제1 회수 분리막 잔류 기체 (230), 제2 포집 분리막 투과 기체 (217), 제2-1 포집 분리막 투과 기체 (219), 제2 포집 분리막 잔류 기체 (218) 및 상기 이산화탄소 함유 기체 모두와 열교환하여 냉각시킬 수 있고, 가장 바람직하게는 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)는 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)와 상기 제1 회수 분리막 투과 기체 (228)를 제1 열교환하고, 상기 제1 열교환된 제1 포집 분리막 투과 기체 (211)와 상기 제2-1 포집 분리막 투과 기체 (219)를 제2 열교환하고, 상기 제2 열교환된 제1 포집 분리막 투과 기체 (212)와 상기 제1 회수 분리막 잔류 기체 (230) 및 상기 제2-1 포집 분리막 잔류 기체 (221) 중 어느 하나 이상을 제3 열교환하고, 상기 제3 열교환된 제1 포집 분리막 투과 기체 (213)와 상기 제2 포집 분리막 투과 기체 (217)를 제4 열교환하고, 상기 제4 열교환된 제1 포집 분리막 투과 기체 (214)와 상기 이산화탄소 함유 기체 (226)를 제5 열교환하여 냉각시킬 수 있다. 특히, 상기 열교환하여 냉각시키는 단계가 상기 제1 내지 제5 열교환을 통해 수행될 때 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)를 목표한만큼 냉각시키는데 필요한 에너지를 최소화시킬 수 있음을 확인하였다.
본 발명의 이산화탄소 포집 공정은 열교환되어 냉각된 기체 (215)를 제2 포집 분리막 (112)으로 투과시키기 전 냉각 열교환기 (111)로 냉매와 열교환시켜 냉각시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이 상기 제1 포집 분리막 공급 기체 (204) 또는 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)를 열교환하여 냉각시킨 후 제2 포집 분리막 (112)에 공급하는 경우, 온도가 감소하지만 폴리설폰 (PSF) 및 폴리이미드 (PI) 분리막 소재의 특성에 따라 이산화탄소 분리 효율이 최대화 되는 약 -25 내지 -15 ℃까지 온도를 낮추기는 어렵다. 이에 열교환하여 냉각된 기체 (215)를 냉각 열교환기 (111)로 추가로 냉각시킨다면, 제2 포집 분리막 (112)에 공급 기체 (216)의 온도가 -25 내지 -15 ℃가 되어 이산화탄소 분리 효율을 현저하게 증가시킬 수 있다. 이때 상기 냉각 열교환기 (111)는 액화 열교환기 (117)의 냉매 용량을 늘려 증가된 용량의 일부를 사용하는 것일 수 있으며, 액화 열교환기 (117)의 용량을 늘리는 것은 제2 포집 분리막 (112) 및/또는 제2-1 포집 분리막 (114)의 이산화탄소 분리 효율을 증가시키는 효과에 비하면, 그 에너지 소모가 미미하다.
본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 공정이 제2 포집 분리막 (112) 공정을 더 포함할 때, 상기 열교환되어 냉각된 기체 또는 상기 냉각 열교환기로 냉각된 기체 (215 또는 216)를 제2 포집 분리막 (112)에 투과시켜 제2 포집 분리막 (112)을 투과하는 제2 포집 분리막 투과 기체 (217) 및 상기 제2 포집 분리막 (112)을 투과하지 못하는 제2 포집 분리막 잔류 기체 (218)를 수득한다. 상기 제2 포집 분리막 투과 기체 (217)는 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205) 보다 이산화탄소 농도가 증가한다.
상기 제2 포집 분리막 투과 기체의 투과부에 진공펌프 (113)를 추가로 설치하여 통해 분리막 전후의 압력비를 높여 상기 제2 포집 분리막 투과 기체 (217)를 배출시켜 이산화탄소 분리 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 제2 포집 분리막 투과 기체 (217) 및 제2 회수 분리막 잔류 기체 (218) 중 어느 하나 이상은 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)와 열교환하여 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)를 냉각시킬 수 있다.
상기 제2 포집 분리막 투과 기체 (217)는 상기 제2 포집 분리막 (112)으로부터 투과된 후 바로 또는 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)와 열교환한 후 제2 압축기 (116)에 공급된다.
상기 제2 포집 분리막 (112)을 투과하지 못하는 제2 포집 분리막 잔류 기체 (218)는 상기 제2 포집 분리막 (112)으로부터 배출된 후 바로 또는 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)와 열교환시킨 후 외부로 배출되거나 제2-1 포집 분리막 (114)에 공급될 수 있다.
상기 제2 포집 분리막 잔류 기체 (218)는 제2-1 포집 분리막 (114)에 공급되어 상대적으로 이산화탄소 농도가 높은 제2-1 분리막 투과 기체 (219) 및 상기 제2-1 포집 분리막을 투과하지 못하고, 상대적으로 이산화탄소 농도가 낮은 제2-1 분리막 잔류 기체 (221)로 분리 및 수득된다.
이때 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)를 상기 제2-1 포집 분리막 투과 기체 (219) 및 상기 제2-1 포집 분리막 잔류 기체 (221)중 어느 하나 이상과 열교환하여 냉각시킬 수 있다. 이를 통해 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)를 냉각시켜 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)의 온도를 감소시킴으로써, 이산화탄소 분리효율을 높일 수 있다.
상기 제2-1 포집 분리막 투과 기체 (219)는 상기 제2-1 포집 분리막 (114)을 투과한 직후 또는 열교환된 후 제1 압축기 (101) 또는 상기 제1 포집 분리막 (102), 바람직하게는 제1 압축기 (101)로 순환될 수 있는데, 이를 통해 이산화탄소 회수율이 증가한다. 특히, 본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 장치는 제2-1 포집 분리막 모듈을 포함하지 않는 경우, 상기 제2 포집 분리막 잔류 기체 (218)를 상기 제1 압축기 (101)에 순환시켜 이산화탄소 회수율을 증가시킬 수 있는데, 제2-1 포집 분리막 모듈을 포함하는 경우 상기 제2 포집 분리막 잔류 기체 (218) 중 이산화탄소가 농축된 제2-1 포집 분리막 투과 기체 (219)만을 상기 제1 압축기 (101)로 순환시켜 제1 압축기 (101)에 공급되는 기체의 유량이 감소하여 압축 시 필요한 에너지를 현저하게 감소시켜 공정 경제성을 증가시킬 수 있다.
상기 제2-1 포집 분리막 잔류 기체 (221)는 이산화탄소가 희박한 질소 우세 기체로 외부로 배출되는데, 제1 회수 분리막 잔류기체 (230) 또한, 질소 우세 기체로 외부로 배출되어야하기 때문에, 이러한 흐름들과 함께 열교환된 후 배출될 수 있다.
본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 공정은 이산화탄소 농도에 따라 제2 포집 분리막 투과 기체를 제3 포집 분리막에 공급하는 공정을 추가적으로 도입할 수 있다. 배가스 내 이산화탄소가 일정 농도 이상일 경우 제1 포집 분리막 또는 제1 포집 분리막과 제2 포집 분리막의 조합으로 충분하지만, 배가스 내 이산화탄소 농도가 매우 낮을수록 제2 포집 분리막 투과부에 제3 포집 분리막을 추가적으로 도입하여 이산화탄소 회수율을 증가시키는 것이 바람직하다. 이때 제2 포집 분리막 투과 기체 (217)는 제3 포집 분리막으로 공급되고, 제3 포집 분리막을 투과하는 제3 포집 분리막 투과 기체와 제3 포집 분리막을 투과하지 않는 제3 포집 분리막 잔류 기체가 분리 및 수득된다. 이에 제2 포집 분리막 투과 기체 (217) 중 제3 포집 분리막을 투과하는 기체만이 제2 압축기 (116)로 공급된다. 본 발명이 제3 포집 분리막에 공급하는 공정을 더 포함할 때 상기 열교환하여 냉각시키는 단계는 상기 제2 포집 분리막 투과 기체 (217)를 열교환하여 냉각시키는 것일 수 있다. 이에 제3 포집 분리막 투과 기체와 제3 포집 분리막 잔류 기체 또한, 상기 열교환하여 냉각시키는 단계에서 제1 포집 분리막 투과 기체 (205) 또는 제2 포집 분리막 투과 기체 (217)와 열교환하여 이들을 냉각시켜 에너지 소모량을 절감할 수 있다. 또한, 이산화탄소 회수율 증가를 위해 제3 포집 분리막 잔류부에 분리막을 추가로 설치할 수도 있다.
제2 압축기 (116)는 상기 제2 압축기에 공급되는 기체 (222)를 액화 공정에 요구되는 압력, 바람직하게는 22 내지 50 bar, 바람직하게는 22 내지 31 bar로 압축한다. 이때 상기 제2 압축기에 공급되는 기체 (222)는 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205) 또는 제2 포집 분리막 투과 기체 (217)일 수 있다.
상기 제2 압축기로 압축된 기체 (223)를 액화 열교환기 (117)로 냉각하여 분리탑 (118)에서 분리정제 및 이산화탄소를 액화시키기에 적합한 온도, 바람직하게는 -35 내지 -18 ℃로 냉각시킨다.
상기 액화 열교환기로 냉각된 기체 (224)은 분리탑으로 이송 및 공급되어, 분리정제 과정을 통해 고순도의 액체 이산화탄소 (225)가 하단에 생산되고, 이산화탄소 함유 기체 (226)가 상단에서 수득된다.
분리탑 하부에서 회수되는 고순도 이산화탄소 액체 (225)의 이산화탄소 몰농도는 99% 이상일 수 있고, 이산화탄소 용도에 따라 99.9% 이상일 수 있다.
상기 이산화탄소 함유 기체 (226)는 제1 회수 분리막 (119)에 투과되기 전에 상기 제1 포집 분리막 공급 기체 (204) 또는 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)와 열교환하여 상기 제1 포집 분리막 공급 기체 (204) 또는 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)를 냉각시킬 수 있다.
상기 이산화탄소 함유 기체 (226)는 제1 회수 분리막 (119)에 공급되어 상기 제1 회수 분리막 (119)을 투과하여 상대적으로 이산화탄소 농도가 높은 기체 흐름인 제1 회수 분리막 투과 기체 (228)와 상기 제1 회수 분리막 (119)에 잔류되어 상대적으로 이산화탄소 농도가 낮은 기체 흐름인 제1 회수 분리막 잔류 기체 (230)로 분리 및 수득된다.
전술한 분리막 공정 및 분리탑 공정을 통해 고순도의 이산화탄소가 회수되었지만, 배가스에 함유된 이산화탄소를 회수하는 데에는 한계가 존재하였다. 이에, 본 발명에서는 상기 분리탑을 거쳐 상부에서 수득되는 이산화탄소 함유 기체 (226)의 잔여 이산화탄소를 회수하는 회수 분리막 공정을 더 포함하여 고순도의 이산화탄소 액체가 회수될 수 있게 하였으며, 배출되는 이산화탄소의 양을 현저하게 감소시켰다.
상기 제1 회수 분리막 (119)을 이용한 공정은 액화 공정 이후 추가적인 공정 (예를 들어, 압축 또는 냉각) 없이 저온 상태에서 이루어지는 것일 수 있으며, 보다 구체적으로는 -40 내지 0 ℃에서 수행되는 것일 수 있다.
상기 제1 회수 분리막 (119)은 폴리설폰 (PSF) 또는 폴리이미드 (PI) 중 어느 하나 이상의 재질인 것일 수 있으며, 상기 폴리설폰 (PSF) 또는 폴리이미드 (PI)는 저온에서 이산화탄소 분리 효율이 증가한다는 점에서 바람직하다.
상기 제1 회수 분리막 투과 기체 (228) 및 상기 제1 회수 분리막 잔류 기체 (230) 중 어느 하나 이상은 상기 열교환망을 통해 상기 제1 포집 분리막 공급 기체 (204) 또는 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)와 열교환될 수 있다.
상기 이산화탄소 함유 기체 중 제1 회수 분리막 (119)을 투과한 저온의 제1 회수 분리막 투과 기체 (228)는 포집 분리막 종류 및 개수에 따라 상기 제1 압축기 (101), 상기 제1 포집 분리막 (102), 상기 제2 포집 분리막 (112) 또는 상기 제2 압축기 (116) 중 어느 하나, 바람직하게는 상기 제1 포집 분리막 (102)에 공급되는 기체와 혼합되어 순환될 수 있다. 이를 통해 회수되는 이산화탄소의 양을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 이산화탄소 포집 공정 내 기체의 이산화탄소 분압을 높여 공정효율을 향상시킬 수 있다.
상기 제1 회수 분리막 잔류 기체 (230)는 이산화탄소가 희박한 질소 우세 기체로 외부로 배출되며, 외부로 배출되기 전 상기 제1 회수 분리막 잔류 기체 (230) 만 또는 이와 상기 제2-1 포집 분리막 잔류 기체 (221)와 함께 상기 제1 포집 분리막 공급 기체 (204) 또는 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)와 열교환된 후 배출될 수 있다.
상기 도 1에는 도시하지 않았지만, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 제1 회수 분리막 잔류 기체 (230)를 제2 회수 분리막에 공급하여 상기 제2 회수 분리막을 투과하는 제2 회수 분리막 투과 기체를 상기 제1 압축기, 상기 제1 포집 분리막, 상기 제2 포집 분리막 또는 상기 제2 압축기로 순환시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 회수 분리막 잔류 기체 (230)를 제2 회수 분리막에 공급하면, 상대적으로 이산화탄소 농도가 높은 제2 회수 분리막 투과 기체 및 이산화탄소 농도가 낮은 제2 회수 분리막을 잔류 기체로 분리 및 수득된다.
제2 회수 분리막 투과 기체 및 상기 제 2 회수 분리막 잔류 기체 중 어느 하나 이상은 상기 제1 포집 분리막 공급 기체 (204) 또는 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)와 열교환되어 상기 제1 포집 분리막 공급 기체 (204) 또는 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (205)를 냉각시킬 수 있다.
상기 제1 회수 분리막 잔류 기체 (230)를 제2 회수 분리막에 공급하면, 상기 제1 회수 분리막 잔류 기체 (230)에 잔존하는 이산화탄소가 농축된 제2 회수 분리막 투과 기체를 수득할 수 있고, 이를 순환시킴으로써 이산화탄소 회수율을 증가시킬 수 있다.
상기 제 2 회수 분리막 잔류 기체는 외부로 배출될 수 있다.
본 발명의 가장 바람직한 구현예에 따르면, (1) 상기 제1 포집 분리막 잔류 기체를 제1-1 포집 분리막에 공급하여 제1-1 포집 분리막 투과 기체 및 제1-1 포집 분리막 잔류 기체를 수득하고, 상기 제1-1 포집 분리막 투과 기체는 상기 제1 압축기로 순환시키는 단계; (2) 상기 제2 포집 분리막 잔류 기체를 제2-1 포집 분리막에 공급하여 상기 제2-1 포집 분리막을 투과하는 제2-1 분리막 투과 기체 및 상기 제2-1 포집 분리막을 투과하지 못하는 제2-1 분리막 잔류 기체를 수득하는 단계; (3) 상기 제1 포집 분리막 투과 기체를 상기 제2-1 포집 분리막 투과 기체 및 상기 제2-1 포집 분리막 잔류 기체 중 어느 하나 이상과 추가로 열교환하여 냉각시키는 단계; 및 (4) 상기 제2-1 포집 분리막 투과 기체를 상기 제1 압축기에 순환시키는 단계;를 더 포함하고, (5) 상기 제1 압축기는 공급되는 기체를 1.2 내지 2.0 bar의 압력으로 압축하는 것이고, (6) 상기 (C1) 단계는 상기 제1 포집 분리막 투과 기체와 상기 제1 회수 분리막 투과 기체를 제1 열교환하는 단계; 상기 제1 열교환된 제1 포집 분리막 투과 기체와 상기 제2-1 포집 분리막 투과 기체를 제2 열교환하는 단계; 상기 제2 열교환된 제1 포집 분리막 투과 기체와 상기 제1 회수 분리막 잔류 기체 및 상기 제2-1 포집 분리막 잔류 기체 중 어느 하나 이상을 제3 열교환하는 단계; 상기 제3 열교환된 제1 포집 분리막 투과 기체와 상기 제2 포집 분리막 투과 기체를 제4 열교환하는 단계; 상기 제4 열교환된 제1 포집 분리막 투과 기체와 상기 이산화탄소 함유 기체를 제5 열교환하는 단계; 및 상기 제5 열교환된 제1 포집 분리막 투과 기체와 냉매를 열교환하는 단계;를 포함하는 것이고. (7) 상기 제2 포집 분리막에 공급되는 기체의 온도는 -25 내지 -15 ℃이고, (8) 상기 제2-1 포집 분리막에 공급되는 기체의 온도는 -25 내지 -15 ℃이고, (9) 상기 제2 압축기는 공급되는 기체를 22 내지 31 bar 압력으로 압축하는 것이고, (10) 상기 액화 열교환기는 공급되는 기체를 -35 내지 -18 ℃로 냉각시키는 것이고, (11) 상기 제1 회수 분리막에 공급되는 기체의 온도는 -40 내지 0 ℃인 것이고, (12) 상기 제1 포집 분리막, 상기 1-1 포집 분리막, 상기 제2 포집 분리막, 상기 제 2-1 포집 분리막 및 상기 제1 회수 분리막은 서로 동일하거나 상이하고, 폴리설폰 (PSF) 또는 폴리이미드 (PI) 중 어느 하나 이상의 재질로 이루어진 것이고, (13) 상기 제1 회수 분리막 투과 기체는 상기 제1 포집 분리막으로 순환되는 것일 수 있다.
본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 공정이 상기 가장 바람직한 구현예 조건들을 모두 만족할 경우에만, 이산화탄소 회수율이 우수할 뿐 아니라, 전기 에너지 소모량이 종래의 이산화탄소 포집 공정에 비하여 적어도 15% 이상 감소하는 것을 확인하였다.
이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다.
실시예
도 1과 같이 이산화탄소 포집 장치 및 공정을 설계하고 하기 표 3에 나타낸 바와 같은 조건으로 공정을 운영하였다. 이때 제1 포집 분리막 (102), 제1-1 포집 분리막 (104), 제2 포집 분리막 (112), 제2-1 포집 분리막 (114) 및 제1 회수 분리막 (119)의 재질은 폴리설폰 (PSF) 재질이었다. 실시예의 이산화탄소 공정의 수득되는 고순도 이산화탄소 액체 (225)의 몰%는 99.9%이고, 생산량은 200 TPD (ton/day)였다.
흐름# 온도(℃) 압력(bar) 유량(Nm3/h) CO2(몰%) O2(몰%) N2(몰%)
201 40.0 1.1 30,150 17.0 4.0 79.0
202 40.0 1.1 37,861 18.3 5.9 75.8
203 40.0 1.5 37,861 18.3 5.9 75.8
204 38.8 1.5 39,432 21.1 6.0 72.8
205 38.6 0.3 13,406 49.6 9.6 40.8
206 38.6 1.5 26,026 6.5 4.2 89.3
207 38.5 0.3 5,205 19.8 9.0 71.2
208 38.5 1.1 5,205 19.8 9.0 71.2
209 38.5 1.5 20,821 3.1 3.0 93.9
210 40.0 1.1 13,406 49.6 9.6 40.8
211 32.0 1.1 13,406 49.6 9.6 40.8
212 26 1.1 13,406 49.6 9.6 40.8
213 14 1.1 13,406 49.6 9.6 40.8
214 0.5 1.1 13,406 49.6 9.6 40.8
215 -4.6 1.1 13,406 49.6 9.6 40.8
216 -20 1.1 13,406 49.6 9.6 40.8
217 -20 -0.8 6,635 87.2 7.0 5.8
218 -20 1.1 6,772 12.7 12.1 75.2
219 -20 0.2 2,506 30.7 22.3 47.0
220 40 0.2 2,506 30.7 22.3 47.0
221 -20 1.1 4,266 2.1 6.2 91.7
222 40 1.1 6,635 87.2 7.0 5.8
223 40 24.2 6,635 87.2 7.0 5.8
224 -33 23.2 6,635 87.2 7.0 5.8
225 -18.4 21.0 4,325 99.9 0.1 -
226 -34 21.0 2,310 63.3 20.1 16.6
227 -10 21.0 2,310 63.3 20.1 16.6
228 -27 1.5 1,571 89.1 9.6 1.3
229 15 1.5 1,571 89.1 9.6 1.3
230 -10 21.0 739 8.6 42.4 49.0
231 -18 1.1 739 8.6 42.4 49.0
232 -20 1.1 5,005 3.1 11.5 85.4
233 15 1.1 5,005 3.1 11.5 85.4
비교예
도 2와 같이 이산화탄소 포집 장치 및 공정을 설계하고 하기 표 4에 나타낸 바와 같은 조건으로 공정을 운영하였다. 이때 제1 포집 분리막 (102), 제2 포집 분리막 (112), 제1 회수 분리막 (119) 및 제2 회수 분리막 (121)의 재질은 폴리설폰 (PSF) 재질이었다. 비교예의 이산화탄소 공정의 수득되는 고순도 이산화탄소 액체 (225)의 몰%는 99.9%이고, 생산량은 200 TPD (ton/day)였다.
도 2는 본 발명의 비교예에 따른 이산화탄소 포집 공정도를 나타낸 것이다.
흐름# 온도(℃) 압력(bar) 유량(Nm3/h) CO2(몰%) O2(몰%) N2(몰%)
201 40.0 1.1 31,533 17.0 4.0 79.0
202 40.0 1.1 37,009 18.4 5.0 76.6
203 - - - - - -
204 40.0 3.1 37,009 18.4 5.0 76.6
205 39.5 0.3 10,554 55.2 8.4 36.4
206 39.5 3.1 26,455 3.7 3.6 92.7
207 - - - - - -
208 - - - - - -
209 - - - - - -
210 - - - - - -
211 - - - - - -
212 - - - - - -
213 - - - - - -
214 - - - - - -
215 - - - - - -
216 34.4 1.1 10,957 56 8.8 35.2
217 34.1 0.3 5,481 85.8 6.9 7.4
218 34.1 1.1 5,476 26.3 10.7 63.0
219 - - - - - -
220 - - - - - -
221 - - - - - -
222 26.4 1.1 6,633 87.2 6.5 6.2
223 40.0 24.2 6,633 87.2 6.5 6.2
224 -33 23.2 6,633 87.2 6.5 6.2
225 -18.4 21.0 4,330 99.9 0.1 -
226 -25 21.0 2,303 63.4 18.7 17.9
227 - - - - - -
228 -40.5 1.1 1,152 94.2 5.1 0.7
229 - - - - - -
230 -25 21.0 1,151 32.5 32.4 35.1
231 - - - - - -
232 - - - - - -
233 - - - - - -
234 -34.4 1.1 403 77.9 18.9 3.2
235 -25.0 21.0 748 8.1 39.7 52.2
실험예 1 . 전기 소모량 평가
상기 실시예 및 비교예에 따른 이산화탄소 포집 공정에서 소요되는 전기량을 측정하여 하기 표 5에 나타내었다.
구분 장치 전기소모량 (kw)
비교예 1(General Process) 실시예 1(Energy Saving Process)
CO2 포집 압축기 2,357 653
진공펌프 842 1,696
소계 3,199 2,349
CO2 액화 압축기 1,060 1,060
냉동기 811 889
소계 1,871 1,949
합계 5,070 4,298
표 3 내지 표 5에 나타낸 바와 같이, 동일한 이산화탄소 분율 및 생산량을 갖는 실시예 및 비교예의 이산화탄소 포집 장치 및 공정에 있어서, 열교환망이 구비된 실시예의 이산화탄소 포집 장치 및 공정에서 전기소모량이 현저하게 작아진 것을 알 수 있다.
보다 구체적으로는, 실시예에서 제1 압축기에서 0.5 barg의 압력으로 압축되어 같은 생산용량을 달성시키기 위해 제1 분리막 공급 기체의 유량이 증가하였고, 냉각 열교환기를 도입하여 냉동기의 용량이 증가하였지만, 비교예에 비하여 소모되는 에너지가 현저하게 적음을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예는 열교환망을 구비하여 제1 압축기로 압축되는 압력을 감소시킴에도 우수한 이산화탄소 분리 효과가 나타나 동일한 생산용량을 얻기 위한 전기에너지 소모량을 현저하게 감소시킬 수 있었으며, 냉동기 (액화 열교환기)의 용량을 증가시킴에도 이러한 용량 증가로 인한 에너지 증가량은 상기 제1 압축기의 12% 만큼에 해당되어 전체적인 에너지소비량은 감소함을 알 수 있다.
본 결과물은 환경부의 재원으로 한국환경산업기술원의 대기환경 관리기술 사업화 연계 기술개발사업의 지원을 받아 연구되었습니다.(1485018455)
This work was supported by Korea Environment Industry & Technology Institute(KEITI) through R&D Project for Management of Atmosphere environment, funded by Korea Ministry of Environment(MOE)(1485018455)
101: 제1 압축기
102: 제1 포집 분리막
103: 전공펌프
104: 제1-2 포집 분리막
105: 진공펌프
106: 제1 열교환기
107: 제2 열교환기
108: 제3 열교환기
109: 제4 열교환기
110: 제5 열교환기
111: 냉각 열교환기
112: 제2 포집 분리막
113: 진공펌프
114: 제2-1 포집 분리막
115: 진공펌프
116: 제2 압축기
117: 액화 열교환기
118: 분리탑
119: 제1 회수 분리막
120: 밸브
121: 제2 회수 분리막
201: 배가스
202: 제1 압축기 공급 기체
203: 제1 압축기에서 압축된 기체
204: 제1 포집 분리막 공급 기체
205: 제1 포집 분리막 투과 기체
206: 제1 포집 분리막 잔류 기체
207: 제1-1 포집 분리막 투과 기체
208: 제1-1 포집 분리막 투과 기체
209: 제1-1 포집 분리막 잔류 기체
210: 제1 포집 분리막 투과 기체
211: 제1 열교환된 제1 포집 분리막 투과 기체
212: 제2 열교환된 제1 포집 분리막 투과 기체
213: 제3 열교환된 제1 포집 분리막 투과 기체
214: 제4 열교환된 제1 포집 분리막 투과 기체
215: 제5 열교환된 제1 포집 분리막 투과 기체
216: 냉각 열교환기로 냉각된 기체
217: 제2 포집 분리막 투과 기체
218: 제2 포집 분리막 잔류 기체
219: 제2-1 포집 분리막 투과 기체
220: 제2-1 포집 분리막 투과 기체
221: 제2-1 포집 분리막 잔류 기체
222: 제2 압축기 공급 기체
223: 제2 압축기로 압축된 기체
224: 액화 열교환기로 냉각된 기체
225: 고순도 이산화탄소 액체
226: 이산화탄소 함유 기체
227: 제5 열교환된 이산화탄소 함유 기체
228: 제1 회수 분리막 투과 기체
229: 제1 열교환된 제1 회수 분리막 투과 기체
230: 제1 회수 분리막 잔류 기체
231: 제1 회수 분리막 잔류 기체
232: 제3 열교환기 공급 기체
233: 제3 열교환기로 열교환된 제3 열교환기 공급 기체
234: 제2 회수 분리막 투과 기체
235: 제2 회수 분리막 잔류 기체

Claims (12)

  1. 배가스 포함 기체를 압축시키는 제1 압축기;
    상기 제1 압축기로 압축된 기체를 포함하는 제1 포집 분리막 공급 기체를 제1 포집 분리막 투과 기체, 제1 포집 분리막 잔류 기체, 이산화탄소 함유 기체, 제1 회수 분리막 투과 기체 및 제1 회수 분리막 잔류 기체 중 어느 하나 이상과 열교환하여 냉각시키는 열교환망;
    상기 열교환망에서 냉각된 제1 포집 분리막 공급 기체가 공급되는 제1 포집 분리막, 제1 포집 분리막 투과 기체 배출부 및 제1 포집 분리막 잔류 기체 배출부를 포함하는 제1 포집 분리막 모듈;
    상기 제1 포집 분리막 투과 기체 배출부에서 배출되는 기체를 압축시키는 제2 압축기;
    상기 제2 압축기로 압축된 기체를 냉각하는 액화 열교환기;
    상기 액화 열교환기로 냉각된 기체를 공급받는 분리탑, 이산화탄소 함유 기체가 수득되는 상단부 및 고순도 이산화탄소 액체가 수득되는 하단부를 포함하는 이산화탄소 정제부; 및
    상기 이산화탄소 함유 기체가 공급되는 제1 회수 분리막 및 제1 회수 분리막 투과 기체를 상기 제1 압축기, 상기 제1 포집 분리막 또는 상기 제2 압축기로 순환시키는 제1 회수 분리막 투과 기체 순환부를 포함하는 제1 회수 분리막 모듈;을 포함하는 배가스 내 이산화탄소 포집 장치.
  2. 배가스 포함 기체를 압축시키는 제1 압축기;
    상기 제1 압축기로 압축된 기체를 포함하는 제1 포집 분리막 공급 기체가 공급되는 제1 포집 분리막, 제1 포집 분리막 투과 기체 배출부 및 제1 포집 분리막 잔류 기체 배출부를 포함하는 제1 포집 분리막 모듈;
    상기 제1 포집 분리막 투과 기체 배출부로부터 배출되는 기체를 제2 포집 분리막 투과 기체, 제2 포집 분리막 잔류 기체, 이산화탄소 함유 기체, 제1 회수 분리막 투과 기체 및 제1 회수 분리막 잔류 기체 중 어느 하나 이상과 열교환하여 냉각시키는 열교환망;
    상기 열교환망에서 냉각된 기체가 공급되는 제2 포집 분리막, 제2 포집 분리막 투과 기체 배출부 및 제2 포집 분리막 잔류 기체 배출부를 포함하는 제2 포집 분리막 모듈;
    상기 제2 포집 분리막 투과 기체 배출부로부터 배출되는 기체를 압축시키는 제2 압축기;
    상기 제2 압축기로 압축된 기체를 냉각하는 액화 열교환기;
    상기 액화 열교환기로 냉각된 기체를 공급받는 분리탑, 이산화탄소 함유 기체가 수득되는 상단부 및 고순도 이산화탄소 액체가 수득되는 하단부를 포함하는 이산화탄소 정제부; 및
    상기 이산화탄소 함유 기체가 공급되는 제1 회수 분리막 및 제1 회수 분리막 투과 기체를 상기 제1 압축기, 상기 제1 포집 분리막, 상기 제2 포집 분리막 또는 상기 제2 압축기로 순환시키는 제1 회수 분리막 투과 기체 순환부를 포함하는 제1 회수 분리막 모듈;을 포함하는 배가스 내 이산화탄소 포집 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 포집 분리막 잔류 기체가 공급되는 제1-1 포집 분리막, 상기 제1-1 포집 분리막을 투과하는 기체를 상기 제1 압축기로 순환하는 제1-1 포집 분리막 투과 기체 순환부 및 제1-1 포집 분리막 잔류 기체 배출부를 포함하는 제1-1 포집 분리막 모듈;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배가스 내 이산화탄소 포집 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 압축기는 공급되는 기체를 1.1 내지 3.5 bar 압력으로 압축하는 것을 특징으로 하는 배가스 내 이산화탄소 포집 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 회수 분리막에 공급되는 기체의 온도는 -40 내지 0 ℃인 것을 특징으로 하는 배가스 내 이산화탄소 포집 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 포집 분리막 및 상기 제1 회수 분리막은 서로 동일하거나 상이하고, 폴리설폰 (PSF) 또는 폴리이미드 (PI) 중 어느 하나 이상의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 배가스 내 이산화탄소 포집 장치.
  7. 제2항에 있어서, 상기 열교환망을 통해 냉각된 기체를 상기 제2 포집 분리막에 공급하기 전에 냉매와 열교환시켜 냉각시키는 냉각 열교환기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배가스 내 이산화탄소 포집 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 포집 분리막에 공급되는 공급되는 기체의 온도는 -40 내지 10 ℃인 것을 특징으로 하는 배가스 내 이산화탄소 포집 장치.
  9. 제2항에 있어서, 상기 제2 포집 분리막에 공급되는 기체의 온도는 -40 내지 0 ℃인 것을 특징으로 하는 배가스 내 이산화탄소 포집 장치.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 제2 포집 분리막 잔류 기체가 공급되는 제2-1 포집 분리막, 제2-1 포집 분리막 투과 기체를 상기 제1 압축기에 순환시키는 제2-1 포집 분리막 투과 기체 순환부 및 제2-1 포집 분리막 잔류 기체 배출부를 포함하는 제2-1 포집 분리막 모듈;을 더 포함하고,
    상기 열교환망은 상기 제1 포집 분리막 투과 기체를 상기 제2-1 포집 분리막 투과 기체 및 상기 제2-1 포집 분리막 잔류 기체 중 어느 하나 이상과 추가로 열교환하여 냉각시키는 것을 특징으로 하는 배가스 내 이산화탄소 포집 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 열교환망은
    상기 제1 포집 분리막 투과 기체와 상기 제1 회수 분리막 투과 기체를 열교환하는 제1 열교환기;
    상기 제1 열교환된 제1 포집 분리막 투과 기체와 상기 제2-1 포집 분리막 투과 기체를 열교환하는 제2 열교환기;
    상기 제2 열교환된 제1 포집 분리막 투과 기체와 상기 제1 회수 분리막 잔류 기체 및 상기 제2-1 포집 분리막 잔류 기체 중 어느 하나 이상을 열교환하는 제3 열교환기;
    상기 제3 열교환된 제1 포집 분리막 투과 기체와 상기 제2 포집 분리막 투과 기체를 열교환하는 제4 열교환기; 및
    상기 제4 열교환된 제1 포집 분리막 투과 기체와 상기 이산화탄소 함유 기체를 열교환하는 제5 열교환기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 배가스 내 이산화탄소 포집 장치.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 제1 포집 분리막 잔류 기체가 공급되는 제1-1 포집 분리막, 상기 제1-1 포집 분리막을 투과하는 기체를 상기 제1 압축기로 순환하는 제1-1 포집 분리막 투과 기체 순환부 및 제1-1 포집 분리막 잔류 기체 배출부를 포함하는 제1-1 포집 분리막 모듈; 및
    상기 제2 포집 분리막 잔류 기체가 공급되는 제2-1 포집 분리막, 제2-1 포집 분리막 투과 기체를 상기 제1 압축기에 순환시키는 제2-1 포집 분리막 투과 기체 순환부 및 제2-1 포집 분리막 잔류 기체 배출부를 포함하는 제2-1 포집 분리막 모듈;을 더 포함하고,
    상기 제1 압축기는 공급되는 기체를 1.2 내지 2.0 bar의 압력으로 압축하는 것이고,
    상기 열교환망은 상기 제1 포집 분리막 투과 기체와 상기 제1 회수 분리막 투과 기체를 열교환하는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기를 통과한 제1 포집 분리막 투과 기체와 상기 제2-1 포집 분리막 투과 기체를 열교환하는 제2 열교환기; 상기 제2 열교환기를 통과한 제1 포집 분리막 투과 기체와 상기 제1 회수 분리막 잔류 기체 및 상기 제2-1 포집 분리막 잔류 기체 중 어느 하나 이상을 열교환하는 제3 열교환기; 상기 제3 열교환기를 통과한 제1 포집 분리막 투과 기체와 상기 제2 포집 분리막 투과 기체를 열교환하는 제4 열교환기; 상기 제4 열교환기를 통과한 제1 포집 분리막 투과 기체와 상기 이산화탄소 함유 기체를 열교환하는 제5 열교환기; 및 상기 제5 열교환기를 통과한 제1 포집 분리막 투과 기체와 냉매를 열교환하는 냉각 열교환기;를 포함하는 것이고,
    상기 제2 포집 분리막에 공급되는 기체의 온도는 -25 내지 -15 ℃이고,
    상기 제2-1 포집 분리막에 공급되는 기체의 온도는 -25 내지 -15 ℃이고,
    상기 제2 압축기는 공급되는 기체를 22 내지 31 bar 압력으로 압축하는 것이고,
    상기 액화 열교환기는 공급되는 기체를 -35 내지 -18 ℃로 냉각시키는 것이고,
    상기 제1 회수 분리막에 공급되는 기체의 온도는 -40 내지 0 ℃인 것이고,
    상기 제1 포집 분리막, 상기 제1-1 포집 분리막, 상기 제2 포집 분리막, 상기 제2-1 포집 분리막 및 상기 제1 회수 분리막은 서로 동일하거나 상이하고, 폴리설폰 (PSF) 또는 폴리이미드 (PI) 중 어느 하나 이상의 재질로 이루어진 것이고,
    상기 제1 회수 분리막 투과 기체는 상기 제1 포집 분리막으로 순환되는 것을 특징으로 하는 배가스 내 이산화탄소 포집 장치.
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