KR102874810B1 - 이산화탄소 포집 및 액화 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이산화탄소 포집 및 액화 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발전소에서 배출되는 배기가스에서 이산화탄소를 분리하여 포집하고 포집한 이산화탄소를 고순도의 액화 상태로 저장하고, 배기가스의 열을 열교환에 사용함으로써 에너지 이용 효율을 향상시킬 수 있는 이산화탄소 포집 및 액화 시스템에 관한 것으로, 이를 위해 본 발명은 본 발명은, 연돌을 통해 배출되는 배기가스를 연돌 상부와 연결된 흡입 배관을 통해 세정탑으로 전달하는 제1공정; 세정탑으로 전달된 배기가스에 포함될 수 있는 먼지 및 미세입자를 제거하고, pH 조절 및 배기가스 온도를 조절하여 pH 6~9, 온도 30~50℃로 조절된 배기가스를 흡수탑으로 전달하는 제2공정; 흡수탑으로 전달된 배기가스에 향류(向流, Counter current) 접촉하도록 불포화 흡수제를 공급하여 배기가스에 포함된 이산화탄소를 흡수하는 제3공정; 상기 흡수탑에 공급된 불포화 흡수제 중 배기가스의 이산화탄소를 흡수한 포화 흡수제를 열교환 후 재생탑으로 전달하고 상기 재생탑 하부의 포화 흡수제는 리보일러(Reboiler)에 의해 온도가 상승된 후 이산화탄소를 분리시킨 후 불포화 흡수제 상태로 열교환을 통해 흡수탑에 다시 투입되어 이산화탄소를 흡수하는 제4공정; 상기 재생탑으로 전달된 포화 흡수제는 배관을 통해 리보일러(Rebolier)로 유입된 후 재생탑과 리보일러를 순환하면서 포화 흡수제에 흡수된 이산화탄소를 분리하는 제5공정; 상기 재생탑 및 리보일러를 통해 분리된 이산화탄소와 수분을 응축기로 전달하고, 상기 응축기에서는 전달 받은 이산화탄소는 기체로 존재하고 수분은 응축되어 액체상으로 응축기 하부에 수집한 후 상기 재생탑으로 보충하는 제6공정; 상기 응축기로 전달된 이산화탄소와 수분이 혼합된 혼합 가스는, 수분이 응축된 이후에 탈기탱크로 전달하고, 상기 탈기탱크는 전달 받은 혼합 가스에서 응축수를 다시 분리한 후 응축수가 분리된 혼합 가스를 응축열교환기로 전달하는 제7공정; 상기 응축열교환기를 통과한 혼합 가스를 압축기를 통해 압축한 후 수분흡착탑으로 전송하는 제8공정; 상기 압축기와 수분흡착탑을 통과하면서 압축된 이산화탄소 가스는 암모니아를 냉매로 사용하는 냉동기에서 열교환되면서 이산화탄소 가스는 액화되고, 액화 중 불응축 가스는 분리되어 고순도의 이산화탄소만 액화되고, 액화된 이산화탄소는 냉동설비의 리보일러 압력을 통해 저장탱크로 이송되어 저장되는 제9공정;을 포함한 것을 특징으로 한다.

Description

이산화탄소 포집 및 액화 시스템{CO2 capture and liquefaction system}

본 발명은 이산화탄소 포집 및 액화 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발전소 또는 소각장 등에서 배출되는 배기가스에서 이산화탄소를 분리하여 포집하고 포집한 이산화탄소를 고순도의 액체 이산화탄소 형태로 액화시키고, 배기가스의 열을 열교환에 사용함으로써 에너지 이용 효율을 향상시킬 수 있는 이산화탄소 포집 및 액화 시스템에 관한 것이다.

지구온난화를 유발시키는 온실가스 중 대부분을 차지하고 있는 이산화탄소의 배출을 줄이기 위한 대안 중 하나로 이산화탄소 포집, 전환 및 저장(carbon dioxide capture, utilization and storage, CCUS) 기술이 활발히 연구되고 있다.

이산화탄소 포집, 전환 및 저장 기술은 화석연료를 사용함에 따라 발생되는 이산화탄소를 처리하는 기술로써, 화석연료를 에너지원으로 이용하는 현대사회와 신재생, 수소 등을 이용한 대체연료를 에너지원으로 이용하는 미래사회의 가교기술로써 활용되고 있다.

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

IEA에서 발표한 보고서에 따르면, 2050년까지 온실가스 감축 기여 관련 연료 효율 증대, 신재생 에너지 등과 더불어 이산화탄소 포집, 전환 및 저장 기술이 12%를 담당할 것으로 전망하였으며, 이산화탄소를 직접적으로 제거하는 이산화탄소 포집, 전환 및 저장 기술이 온실가스 감축을 위한 미래 핵심 기술임을 강조하였다.

이러한 이산화탄소 포집 기술은 화학흡수법과 물리흡수법으로 분류되는데, 화학흡수법은 흡수제를 배기가스와 적절한 온도와 압력에서 접촉시켜 이산화탄소를 선택적으로 포집하는 것으로, 흡수탑, 재생탑, 리보일러, 펌프, 블로워 등을 포함하여 이루어진다.

이때 재생탑에서 사용하는 스팀을 제공하기 위해 상당한 에너지를 소비하게 되므로 결국 전력소비량에 따른 이산화탄소의 배출량도 증가하는 문제점이 있다.

상기의 문제점을 해결하기 위해 제안된 종래기술로는 대한민국 등록특허 제10-1375645호가 있는데, 상기 종래기술은 재생탑에서 이산화탄소 포화흡수제를 가열시키기 위해 사용된 스팀 응축수의 열을 재생탑으로 유입되는 이산화탄소 포화흡수제와 열교환시켜 운전비용을 절감하는 구조를 제안하고 있다.

그러나 상기 종래기술은 일반적인 포집장치에서 리보일러의 가동률이 100%라고 할 때, 흡수제끼리 열교환시 97% 가동률이기 때문에 3% 내외의 미흡한 에너지절감효율만을 나타내고 있다.

대한민국 등록특허 제10-1375645호 대한민국 등록특허 제10-2533169호

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 연돌에서 배출되는 배기가스에서 이산화탄소 및 이물질을 분리하여 배출함으로써 대기 오염을 최소화하고, 이산화탄소를 흡수한 포화 흡수제의 열교환에 배기가스의 열을 활용함으로써 에너지 절감 효과가 높은 이산화탄소 포집 및 액화 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

또한 본 발명은 흡수탑으로 전달된 배기가스에 불포화 흡수제를 향류 접촉하도록 공급하여 배기가스에 포함된 이산화탄소를 흡수하도록 하고, 재생탑과 리보일러를 순환하면서 포화 흡수제에 흡수된 이산화탄소를 분리시켜 이산화탄소의 분리 효율을 향상시킨 이산화탄소 포집 및 액화 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

또한 본 발명은 연돌에서 배출되는 배기가스를 세정탑으로 전달하기 위한 흡입배관이 설치되고, 상기 흡입배관을 TMS(Tele-Monitoring System) 이후에 연결되어 추가 배기가스 배출 모니터링 및 허용 기준치 관리에 소요되는 부담을 최소화할 수 있는 이산화탄소 포집 및 액화 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 연돌을 통해 배출되는 배기가스를 연돌 상부와 연결된 흡입 배관을 통해 세정탑으로 전달하는 제1공정;

세정탑으로 전달된 배기가스에 포함될 수 있는 먼지 및 미세입자를 제거하고, pH 조절 및 배기가스 온도를 조절하여 pH 6~9, 온도 30~50℃로 조절된 배기가스를 흡수탑으로 전달하는 제2공정;

흡수탑으로 전달된 배기가스에 향류(向流, Counter current) 접촉하도록 불포화 흡수제를 공급하여 배기가스에 포함된 이산화탄소를 흡수하는 제3공정;

상기 흡수탑에 공급된 불포화 흡수제 중 배기가스의 이산화탄소를 흡수한 포화 흡수제를 열교환 후 재생탑으로 전달하고 상기 재생탑 하부의 포화 흡수제는 리보일러(Reboiler)에 의해 온도가 상승된 후 이산화탄소를 분리시킨 후 불포화 흡수제 상태로 열교환을 통해 흡수탑에 다시 투입되어 이산화탄소를 흡수하는 제4공정;

상기 재생탑으로 전달된 포화 흡수제는 배관을 통해 리보일러(Rebolier)로 유입된 후 재생탑과 리보일러를 순환하면서 포화 흡수제에 흡수된 이산화탄소를 분리하는 제5공정;

상기 재생탑 및 리보일러를 통해 분리된 이산화탄소와 수분을 응축기로 전달하고, 상기 응축기에서는 전달 받은 이산화탄소는 기체로 존재하고 수분은 응축되어 액체상으로 응축기 하부에 수집한 후 상기 재생탑으로 보충하는 제6공정;

상기 응축기로 전달된 이산화탄소와 수분이 혼합된 혼합 가스는, 수분이 응축된 이후에 탈기탱크로 전달하고, 상기 탈기탱크는 전달 받은 혼합 가스에서 응축수를 다시 분리한 후 응축수가 분리된 혼합 가스를 응축열교환기로 전달하는 제7공정;

상기 응축열교환기를 통과한 혼합 가스를 압축기를 통해 압축한 후 수분흡착탑으로 전송하는 제8공정;

상기 압축기와 수분흡착탑을 통과하면서 압축된 이산화탄소 가스는 암모니아를 냉매로 사용하는 냉동기에서 열교환되면서 이산화탄소 가스는 액화되고, 액화 중 불응축 가스는 분리되어 고순도의 이산화탄소만 액화되고, 액화된 이산화탄소는 냉동설비의 리보일러 압력을 통해 저장탱크로 이송되어 저장되는 제9공정;을 포함한 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제1공정에서, 상기 흡입 배관에는 배기가스를 세정탑으로 전달하기 위한 송풍기가 설치되고, 상기 흡입 배관은 TMS(Tele-Monitoring System) 이후에 연결되어 추가 배기가스 배출 모니터링 및 허용 기준치 관리에 대한 부담을 완화한 것을 특징으로 한다.

이때 상기 송풍기는, 상기 배기가스의 이송 압력 10,500~12,000mmH₂O로 가압하여 전송하고, 상기 세정탑의 전단에는 배기가스를 열교환하여 90~110℃ 인 상태로 세정탑으로 전달하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제2공정에서, 상기 세정탑은, 공업용수를 순환시켜 배기가스에 포함될 수 있는 먼지 및 미세입자를 제거하고 pH 조절 및 배기가스 온도를 조절하되, pH 조절을 위해 염기 성분을 띠는 NaOH, KOH, MgOH 중 하나 이상을 투입하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제3공정에서, 상기 흡수탑은, 인입되는 배기가스의 유량과 온도, 불포화 흡수제의 특성에 따른 공급량을 조절하여 기체-액체 접촉 비율을 최적화하기 위한 충진물을 포함하되, 상기 충진물은 비구조화 패킹(Random Packing) 또는 구조화 패킹(Structured Packing) 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

이때 상기 흡수탑에는, 투입되는 불포화 흡수제의 유량에 따라 고르게 분포하기 위한 유체 분배기(Water distributor)가 설치될 수 있고, 흡수탑의 온도를 유지하기 위한 내부 냉각기(inter-cooler)가 더 설치될 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제3공정에는, 상기 흡수탑에서 불포화 흡수제와 접촉한 배기가스는 대기로 방출하기 전에 추가 세척을 위해 세척탑으로 공급되는 제3-1공정이 더 포함될 수 있고, 상기 세척탑은, 상기 흡수탑의 상단에 통합 설치될 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제4공정에는, 상기 흡수탑에서 상기 재생탑으로 전달되는 포화 흡수제는, 45~65℃의 온도 상태에서 제1열교환기에 유입되고, 상기 재생탑에서 이송되는 불포화 흡수제와 향류로 대항하여 열교환이 이루어지고, 열교환된 이후 70~85℃의 온도 상태에서 제2열교환기로 전달되고, 상기 제2열교환기는 제1열교환기로부터 전달된 70~85℃의 온도 상태의 포화 흡수제와 연돌로부터 이송되는 120~190℃의 배기가스와 향류로 접촉하면서 열교환이 이루어지고, 제2열교환기에서 열교환된 포화 흡수제는 75~90℃의 온도 상태에서 재생탑으로 전달되고, 상기 제1열교환기를 통과하면서 65~80℃의 온도 상태가 된 불포화 흡수제는 제3열교환기로 전달되고, 상기 제3열교환기로 유입된 불포화 흡수제는 냉각수와 향류로 대항하여 30~45℃의 온도 상태에서 흡수탑으로 전달되고, 냉각수는 제3열교환기로 순환되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제7공정에서, 상기 탈기탱크에서 분리된 응축수를 상기 재생탑으로 공급하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제7공정에서, 상기 재생탑 내부의 온도 유지를 위해 상기 응축기 또는 상기 탈기탱크 후단에 압력 제어 장치를 설치하여 상기 압축기의 운전 상황에 따라 흡입시 재생탑의 압력 변동에 대응하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 이루어진 본 발명은, 배기가스에 포함된 이물질을 제거하고 이산화탄소를 분리하여 대기에 배출함으로써 대기 오염을 줄일 수 있고, 이산화탄소의 분리 과정에서 열교환의 에너지원으로 배기가스의 열을 활용함으로써 에너지 사용 효율을 향상시킨 효과가 있다.

또한 본 발명은 연돌과 연결된 흡입 배관에 송풍기가 설치되어 연돌에서 배출되는 배기가스를 세정탑으로 전달하고, 이때 상기 흡입 배관의 연결부위를 TMS 이후에 설치하여 모니터링에 소요되는 자원을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 응축기와 탈기탱크에서 수집한 응축수를 재생탑으로 전달하여 재활용함으로써 에너지 사용 효율을 향상시킨 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 이산화탄소 포집 및 액화 시스템의 순서를 도시한 예시도.
도 2는 본 발명에 따른 이산화탄소 포집 및 액화 시스템을 도시한 개략도.
도 3a는 본 발명에 따른 배기가스의 이동 경로를 도시한 흐름도.
도 3b는 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수 경로를 도시한 흐름도.
도 4는 본 발명에 따른 제4공정을 상세 도시한 흐름도.

이하, 상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부 도면을 참조한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백히 드러나게 될 것이다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 본 발명에 따른 이산화탄소 포집 및 액화 시스템의 바람직한 구현예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 살펴보도록 한다.

먼저 본 발명에 따른 이산화탄소 포집 및 액화 시스템(1)은, 연돌을 통해 배출되는 배기가스를 연돌 상부와 연결된 흡입 배관을 통해 세정탑으로 전달하는 제1공정(S10)과,

세정탑으로 전달된 배기가스에 포함될 수 있는 먼지 및 미세입자를 제거하고, pH 조절 및 배기가스 온도를 조절하여 pH 6~9, 온도 30~50℃로 조절된 배기가스를 흡수탑으로 전달하는 제2공정(S20)과,

흡수탑으로 전달된 배기가스에 향류(向流, Counter current) 접촉하도록 불포화 흡수제를 공급하여 배기가스에 포함된 이산화탄소를 분리하는 제3공정(S30)과,

상기 흡수탑에 공급된 불포화 흡수제 중 배기가스의 이산화탄소를 흡수한 포화 흡수제를 열교환기를 통해 열교환 후 재생탑으로 전달하고 상기 재생탑 하부의 포화 흡수제는 리보일러(Reboiler)에 의해 온도가 상승된 후 이산화탄소를 분리시킨 후 불포화 흡수제 상태로 열교환을 통해 흡수탑에 다시 투입되어 이산화탄소를 흡수하는 제4공정(S40)과,

상기 재생탑으로 전달된 포화 흡수제는 배관을 통해 리보일러(Rebolier)로 유입된 후 재생탑과 리보일러를 순환하면서 포화 흡수제에 흡수된 이산화탄소를 분리하는 제5공정(S50)과,

상기 재생탑 및 리보일러를 통해 분리된 이산화탄소와 수분을 응축기로 전달하고, 상기 응축기에서는 전달 받은 이산화탄소는 기체로 존재하고 수분은 응축되어 액체상으로 응축기 하부에 수집한 후 상기 재생탑으로 보충하는 제6공정(S60)과,

상기 응축기로 전달된 이산화탄소와 수분이 혼합된 혼합 가스는, 수분이 응축된 이후에 탈기탱크로 전달하고, 상기 탈기탱크는 전달 받은 혼합 가스에서 응축수를 다시 분리한 후 응축수가 분리된 혼합 가스를 응축열교환기로 전달하는 제7공정(S70)과,

상기 응축열교환기를 통과한 혼합 가스를 압축기를 통해 압축한 후 수분흡착탑으로 전송하는 제8공정(S80)과,

상기 압축기와 수분흡착탑을 통과하면서 압축된 이산화탄소 가스는 암모니아를 냉매로 사용하는 냉동기에서 열교환되면서 이산화탄소 가스는 액화되고, 액화 중 불응축 가스는 분리되어 고순도의 이산화탄소만 액화되고, 액화된 이산화탄소는 냉동설비의 리보일러 압력을 통해 저장탱크로 이송되어 저장되는 제9공정(S90)을 포함한다.

상기 제1공정(S10)은, 연돌을 통해 배출되는 배기가스를 연돌 상부와 연결된 흡입 배관을 통해 세정탑으로 전달하는 공정이다.

여기서 연돌(Funnel)은 일반적으로 보일러에 연결된 굴뚝을 지칭하는 것으로, 본 발명에서는 배기가스가 배출되는 굴뚝을 지칭한다.

본 제1공정(S10)에서는 연돌로 이송된 배기가스에 포함된 이물질을 제거하고 이산화탄소를 분리하기 위하여 세정탑으로 전달하는 공정이다.

이때 연돌과 세정탑은 흡입 배관을 통해 연결되고, 흡입 배관에는 배기가스를 세정탑으로 전달하기 위한 이송 압력을 제공하는 송풍기가 설치된다.

이때 상기 송풍기를 통해 제공되는 이송 압력은 배기가스의 온도에 따라 조절 가능한 것으로, 일 예로 배기가스의 온도가 배기가스는 120~190℃일 때 10,500~12,000mmH₂O 일 수 있다.

한편 상기 흡입 배관이 연결되는 부위는 TMS(Tele-Monitoring System) 이후에 설치되는 것으로, TMS는 알려진 바와 같이 굴뚝자동감시체제로서 굴뚝별로 오염물질의 항목별 배출상태, 공장가동상태 등을 실시간으로 원격 파악할 수 있도록 한 것이다.

이러한 TMS는 굴뚝, 즉 연돌에 설치되어 연돌을 통해 배출되는 배기가스의 배출상태, 배기가스의 배출량에 따른 공장가동상태 등을 원거리에서 확인할 수 있는 것이다.

따라서 본 발명에서는 이러한 TMS의 부담을 최소화하기 위하여 세정탑으로 연결되는 흡입 배관의 연결 부위를 TMS가 설치된 이후의 위치, 즉 TMS를 통해 배기가스의 배출상태, 공장가동상태 등을 감지한 이후에 세정탑으로 전송함으로써 배기가스의 이송에 따른 추가적인 모니터링 및 허용 기준치 관리에 대한 부담을 최소화한다.

여기서 세정탑의 전단에서는 세정탑으로 유입되기 이전의 배기가스를 포화 흡수제와 열교환하여 온도를 90~110℃의 범위 상태에서 세정탑으로 전달하는데, 이와 관련하여 본 발명의 출원인이 제안한 대한민국 등록특허 제10-2533169호에 제안되어 있다.

상기 제2공정(S20)은, 상기 세정탑으로 전달된 배기가스에 포함될 수 있는 먼지 및 미세입자를 제거하고, pH 조절 및 배기가스 온도를 조절하여 pH 6~9, 온도 30~50℃로 조절된 배기가스를 흡수탑으로 전달하는 공정이다.

여기서 상기 세정탑은 내부에 공업용수가 순환되는 것으로, 유입된 배기가스에 포함될 수 있는 먼지 및 미세입자를 제거하고 온도와 pH 수치를 조절한다.

조절되는 배기가스의 온도는 30~50℃이고, 조절되는 pH는 6~9로서, 배기가스의 온도를 조절하기 위하여 세정탑 내부로 순환되는 공업용수의 순환량을 조절하고, pH 조절을 위해 염기 성분을 띠는 NaOH(수산화 나트륨), KOH(수산화칼륨), MgOH(수산화 마그네슘) 중 하나 이상이 투입될 수 있다.

상기 제3공정(S30)은, 흡수탑으로 전달된 배기가스에 향류(向流, Counter current) 접촉하도록 불포화 흡수제를 공급하여 배기가스에 포함된 이산화탄소를 분리하는 공정이다.

본 제3공정(S30)은 흡수탑으로 전달된 배기가스에 불포화 흡수제를 분사하여 배기가스에 포함된 이산화탄소가 불포화 흡수제와 접촉하면서 배기가스로부터 분리시키는 공정이다.

여기서 흡수탑으로 유입되는 배기가스는 흡수탑의 하부로 주입되고, 불포화 흡수제는 흡수탑의 상부 또는 상단부에서 분사 형태로 공급되어 배기가스와 향류로 접촉한다.

또한 흡수탑의 내부에는 배기가스의 유량과 온도, 불포화 흡수제의 특성에 따른 공급량을 조절하여 기체-액체 접촉 비율을 최적의 상태로 유지할 수 있도록 하기 위한 충진물이 포함될 수 있고, 이러한 충진물은 비구조화 패킹(Random Packing) 또는 구조화 패킹(Structured Packing) 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.

상기 흡수탑의 작동 상태를 좀 더 상세히 살펴보면, 흡수탑의 상부 또는 상단부에서 분사되는 불포화 흡수제와 흡수탑의 하부로 유입되는 배기가스는 흡수탑 내부 구조물을 통한 유체 흐름 과정에서 상호 접촉하면서 배기가스에 포함된 이산화탄소를 불포화 흡수제가 흡수하여 배기가스에 포함된 이산화탄소를 분리한다. 이후 이산화탄소는 불포화 흡수제에 결합된 상태로 흡수탑의 하부를 통해 포화 흡수제와 불포화 흡수제를 상호 열교환하는 열교환기로 공급된다.

한편, 상기 흡수탑의 내부 구조물은 투입되는 불포화 흡수제의 유량에 따라 고르게 분포하기 위한 유체 분배기(Water distributor)가 설치될 수 있고, 흡수탑의 온도를 유지하기 위한 내부 냉각기(inter-cooler)를 포함할 수 있다.

한편, 상기 제3공정(S30)에는, 상기 흡수탑에서 불포화 흡수제와 접촉한 배기가스는 대기로 방출하기 전에 추가 세척을 위해 세척탑으로 공급되는 제3-1공정(S31)이 더 포함될 수 있다.

즉 상기 제3공정(S30)을 통해 배기가스는 불포화 흡수제와 접촉한 이후 대기로 방출하기 전에 추가적인 세척을 위해 세척탑으로 공급된다.

이때 세척탑은 이산화탄소 제거에 사용되는 흡수제에 따라 설치 여부가 선택되고, 세척탑 기능을 수행하는 구조물을 상기 흡수탑 상단에 통합 설치할 수 있다.

그리고 세척탑에는 세척수의 순환을 위한 펌프가 설치되고, 세척탑 내부에 비구조화 패킹을 설치하여 배기가스에 포함될 수 있는 불포화 흡수제 및 대기 배출이 제한된 성분을 배기가스로부터 분리하기 위해 세척수를 세척탑 상단으로 펌핑하여 공급하여 배기가스로 분사함으로써 세척을 진행한다. 이를 통해 대기로 배출하는 배기가스의 온도를 추가로 낮추고 세척탑 상부를 통해 이산화탄소가 제거된 배기가스를 대기로 배출한다.

상기 제4공정(S40)은, 상기 흡수탑에 공급된 불포화 흡수제 중 배기가스의 이산화탄소를 흡수한 포화 흡수제를 열교환 후 재생탑으로 전달하고 상기 재생탑 하부의 포화 흡수제는 리보일러(Reboiler)에 의해 온도가 상승된 후 이산화탄소를 분리시킨 후 불포화 흡수제 상태로 열교환을 통해 흡수탑에 다시 투입되어 이산화탄소를 흡수하는 공정이다.

본 제4공정(S40)에서 재생탑으로 공급되는 포화 흡수제의 경로는, 재생탑 내부 공간의 분포에 따라 유입되는 포화 흡수제의 비산을 방지하고 재생탑의 온도 유지를 고려하여 결정할 수 있는 것으로 재생탑의 상단 또는 중단 중 어느 하나로 결정된다.

한편, 상기 제4공정(S40)에서 상기 흡수탑에서 상기 재생탑으로 전달되는 포화 흡수제는, 45~65℃의 온도 상태에서 제1열교환기에 유입되고, 상기 재생탑에서 이송되는 불포화 흡수제와 향류로 대항하여 열교환이 이루어지고, 열교환된 이후 70~85℃의 온도 상태에서 제2열교환기로 전달되고, 상기 제2열교환기는 제1열교환기로부터 전달된 70~85℃의 온도 상태의 포화 흡수제와 연돌로부터 이송되는 120~190℃의 배기가스와 향류로 접촉하면서 열교환이 이루어지고, 제2열교환기에서 열교환된 포화 흡수제는 75~90℃의 온도 상태에서 재생탑으로 전달된다.

한편, 제1열교환기를 통과하면서 65~80℃의 온도 상태가 된 불포화 흡수제는 제3열교환기로 전달되고, 제3열교환기로 유입된 불포화 흡수제는 냉각수와 향류로 대항하여 30~45℃의 온도 상태에서 흡수탑으로 전달되고, 냉각수는 제3열교환기로 순환된다.

이러한 제4공정(S40)을 도 4를 참조하여 살펴보면, 흡수탑으로부터 제1열교환기로 전달되는 포화 흡수제는 45~65℃의 온도 상태에서 전달되고, 재생탑으로부터 유입되는 90~110℃의 온도를 갖는 불포화 흡수제와 향류 접촉하면서 열교환되고, 열교환 후 70~85℃의 온도를 갖는 포화 흡수제는 제2열교환기로 전달되고, 65~80℃의 온도를 갖는 불포화 흡수제는 제3열교환기로 전달된다.

상기 제2열교환기는 제1열교환기로부터 70~85℃의 온도를 갖는 포화 흡수제와 연돌로부터 전달 받은 120~190℃의 온도를 갖는 배기가스가 각각 유입되어 상호 열교환이 이루어지고, 제2열교환기에서 열교환된 포화 흡수제는 75~90℃의 온도 상태로 재생탑으로 전달되고, 불포화 흡수제는 90~110℃의 온도 상태에서 세정탑으로 전달된다.

상기 제3열교환기는 제1열교환기로부터 65~90℃의 온도를 갖는 불포화 흡수제가 유입되고 유입된 불포화 흡수제는 냉각수와 열교환이 이루어진 후 30~50℃의 온도 상태로 흡수탑으로 전달되고, 냉각수는 제3열교환기를 순환한다.

상기의 2차례 열교환을 통해 포화 흡수제의 온도를 80℃ 이상을 유지한 상태에서 재생탑으로 유입되도록 함으로써 재생탑 내부 온도를 유지하는데 소요되는 에너지를 절감할 수 있는 효과가 있다.

상기 제5공정(S50)은, 상기 재생탑으로 전달된 포화 흡수제는 배관을 통해 리보일러(Rebolier)로 유입된 후 재생탑과 리보일러를 순환하면서 포화 흡수제에 흡수된 이산화탄소를 분리하는 공정이다.

본 제5공정(S50)에서 재생탑의 중단부 또는 상단부로 유입된 포화 흡수제는 재생탑의 내부 충진물을 거치고 재생탑 하부에 연결된 배관을 통해 리보일러로 유입되어 포화 흡수제에 흡수된 이산화탄소를 분리한다.

여기서 재생탑과 리보일러의 포화 흡수제 순환 방식은 자연순환식 또는 강제순환식 중 어느 하나가 선택적으로 이루어질 수 있다.

자연순환식은 재생탑 하부 배관 연결 지점을 중심으로 리보일러 상단의 리플럭스 위치를 고려하여 선택하고, 자연순환식으로 선택할 경우에는 수두 차이에 의해 자연순환될 수 있도록 리보일러의 높이를 결정한다.

이러한 자연순환식의 설치가 어려운 경우에는, 재생탑 하부로부터 리보일러로 강제순환할 수 있도록 순환유량 50~200㎥/hr 규모의 순환펌프를 설치하여 리보일러에 연결하고, 순환유량을 재생탑의 온도 분포를 고려하여 제어할 수 있는 구조로 펌프 제어기를 설치하는 것이 바람직하다.

한편 리보일러의 구조를 살펴보면, 재생탑으로부터 유입되는 포화 흡수제와 스팀을 사용하여 열교환이 이루어질 수 있도록 구성되는데, 일 예로 쉘-튜브(Shell & Tube)을 기본으로 하되 필요에 따라 추가적인 방식이 적용될 수 있다.

그리고 스팀의 유량과 온도, 압력을 고려하고 재생탑 하부로부터 유입되는 포화 흡수제의 유량, 온도를 고려하여 결정된다.

리보일러의 열교환 방식은 스팀 공급 압력과 온도를 고려하되, 열교환시 필요한 에너지를 최적으로 설정할 수 있는 구조로 이루어지는데, 일 예로 스팀을 공급하는 방식에 불포화 스팀, 포화 스팀을 선택하여 결정하고 공급 스팀의 압력, 온도에 따라 스팀 사용 방법을 함께 고려하여 이루어지며, 필요에 따라 스팀 압력을 감압하는 장치를 추가하여 저압 스팀으로 사용할 수 있고, 스팀수를 생성할 수 있도록 하는 물공급장치를 추가하여 스팀에 공급하여 사용할 수 있다.

리보일러 상단에는 포화 흡수제가 스팀과 열교환을 마친 이후 재생탑으로 순환될 수 있는 배관(Reflux)을 설치하여 재생탑과 연결하고, 리보일러 상단 중앙에는 포화 흡수제에 흡수되어 있던 이산화탄소가 스팀과 열교환을 통해 분리되며, 이를 재생탑으로 배출하도록 한다.

리보일러로부터 재생탑으로 공급하는 분리된 이산화탄소와 수분이 포함된 가스는 재생탑 내부 충진물을 통해 상단으로 유입되어 최종 응축 열교환기로 유입된다. 그리고 재생탑 내부 충진물은 재생탑으로 유입되는 포화 흡수제에 최종 열교환을 하도록 하는 기능과 재생탑의 온도를 유지하는 기능을 수행한다.

여기서 리보일러 및 재생탑 하부의 온도를 90~120℃ 범위로 유지하도록 스팀 유량과 포화 흡수제 순환 유량을 결정한다.

상기 제6공정(S60)은, 상기 재생탑 및 리보일러를 통해 분리된 이산화탄소와 수분을 응축기로 전달하고, 상기 응축기에서는 전달 받은 이산화탄소는 기체로 존재하고 수분은 응축되어 액체상으로 응축기 하부에 수집한 후 상기 재생탑으로 보충하는 공정이다.

본 제6공정(S60)은 재생탑 및 리보일러에서 포화 흡수제로부터 스팀에 의한 열교환을 통해 분리된 이산화탄소와 수분을 각각 처리하는 공정으로, 분리된 이산화탄소와 수분이 재생탑과 연결된 응축기로 보내진 후 기체 상태인 이산화탄소는 응축기 내부에 존재하고, 응축된 수분은 응축기의 하부로 수집된 이후 상기 재생탑 또는 흡수탑 전단의 제3열교환기 전단으로 공급되어 재생탑과 리보일러에서 스팀과의 열교환에 따라 증발되는 수분 발생량에 상응하는 수분을 흡수제에 보충하는 기능을 수행하여 흡수제와 혼합되는 적정 수분의 비율을 조절할 수 있다.

상기 제7공정(S70)은, 상기 응축기로 전달된 이산화탄소와 수분이 혼합된 혼합 가스는, 수분이 응축된 이후에 탈기탱크로 전달하고, 상기 탈기탱크는 전달 받은 혼합 가스에서 응축수를 다시 분리한 후 응축수가 분리된 혼합 가스를 응축열교환기로 전달하는 공정이다.

본 제7공정(S70)은 응축기로 전달된 혼합 가스에서 혼합된 이산화탄소와 수분을 처리하는 공정으로, 혼합 가스를 응축하여 수분을 탈리(脫離)시킨 후 탈기탱크로 전달하고, 탈기탱크에서 응축수를 다시 분리하여 수분 함량을 최소화시킨 혼합 가스, 즉 이산화탄소 가스의 온도를 낮추기 위하여 응축열교환기로 전달한다. 여기서 탈기탱크 이외에 버퍼 탱크가 적용될 수 있다.

상기 응축열교환기는 수분 함량을 최소화한 이산화탄소 가스를 액화시키기 위한 압축기의 전단 위치에 설치되어 이산화탄소 가스의 온도를 낮추는데, 응축열교환기를 통과하여 압축기로 유입되는 이산화탄소 가스는 30~40℃의 온도 범위인 것이 바람직하다.

한편, 재생탑 내부의 온도 유지를 위해 응축기, 탈기탱크 구간에 압력 제어 장치를 설치하는데, 상기 압력 제어 장치는 압축기의 운전 상황에 따라 흡입시 재생탑의 압력 변동이 심하게 발생하는 상황을 개선하기 위한 것이다.

즉, 압축기는 설정 압력 범위에서 운전이 이루어지는데, 압축기의 운전 방식이 50% 효율, 100% 효율 등과 같이 설정되어 있기 때문에 50% 효율로 운전이 이루어지다가 100% 효율로 운전 방식을 전환하면 갑작스럽게 흡입하는 양이 많아지고, 이로 인해 결과적으로 재생탑의 유지 압력이 급격하게 변경되는 문제점이 발생할 수 있다.

따라서 압력 제어 장치를 응축기 또는 탈기탱크 후단에 설치하여 압축기의 운전 효율에 상관없이 재생탑과 응축기 또는 탈기탱크 사이의 압력을 일정하게 유지시킴으로써 재생탑의 온도 유지에 필요한 에너지를 절감하고 높은 재생효율을 유지할 수 있다.

그리고 재생탑의 압력을 일정 범위로 유지시킴으로써 재생탑 하부 온도와 리보일러의 온도 유지를 원활하게 하여 에너지를 절감할 수 있고 재생탑의 포화 흡수제로부터 이산화탄소 분리가 원활하게 이루어지도록 한다.

한편, 본 제7공정(S70)에서 상기 탈기탱크에서 분리된 응축수를 상기 재생탑으로 공급하여 흡수제와 수분의 혼합 조성을 유지하도록 조절할 수 있다.

상기 제8공정(S80)은, 상기 응축열교환기를 통과한 혼합 가스를 압축기를 통해 압축한 후 수분흡착탑으로 전송하는 공정이다.

본 제8공정(S80)에서 상기 압축기는 유입된 이산화탄소 가스에 함유된 수분을 분리하는 K.O. Drum(Knockout Drum)을 거쳐 프리쿨러(Precooler)을 통해 최종 수분 분리기(water separator)를 거치면서 수분을 분리하여 수분 함량을 보다 낮춘 후 압축기로 전달한다.

상기 수분 흡착탑은 압축기로부터 유입된 이산화탄소 가스에서 다시 수분을 제거하는 것으로, 수분 흡착탑은 다공성 흡착제를 이용해 가스나 액체에 포함된 수분을 제거하는 장치이다. 이러한 수분 흡착탑은 대기오염물질을 제거하거나 감소시키는데 사용되며, 유기용제 악취제거, 가스제거, 도장작업, 세척작업 등에 적용될 수 있다.

이러한 수분 흡착탑은 내부에 충전된 다공성 흡착제가 가스나 액체에 포함된 수분을 흡착하고, 흡착제는 다공성이고 모세관이 많을수록 흡착에 필요한 표면적이 증가하여 흡착 효과가 높은 효과가 있다.

또한 흡착제의 종류는 이산화탄소에 포함된 수분의 함량, 온도, 유량 등에 따라 변경 가능함은 물론이다.

상기 제9공정(S90)은, 상기 압축기와 수분흡착탑을 통과하면서 압축된 이산화탄소 가스는 암모니아를 냉매로 사용하는 냉동기에서 열교환되면서 이산화탄소 가스는 액화되고, 액화 중 불응축 가스는 분리되어 고순도의 이산화탄소만 액화되고, 액화된 이산화탄소는 냉동설비의 리보일러 압력을 통해 저장탱크로 이송되어 저장되는 공정이다.

본 제9공정(S90)은 수분의 처리가 완료된 이산화탄소 가스를 암모니아를 냉매로 사용하는 냉동기에서 열교환을 거치면서 액화시켜 고순도의 이산화탄소만을 저장탱크로 액화 저장하고, 이때 액화되지 않은 불응축 가스는 액화 과정에서 분리된다.

도 3a 및 도 3b는 상술한 본 발명에서 배기가스의 흐름과 이산화탄소의 흡수 경로의 흐름을 도시한 것으로, 도 3a에 도시된 바와 같이 배기가스는 연돌에서 배출된 배기가스는 송풍팬을 통해 소정 이송 압력으로 세정탑을 거쳐 흡수탑으로 전달되고, 이후 재생탑과 리보일러를 순환하면서 이산화탄소가 분리되고, 응축기와 압축기 및 수분흡착탑을 순차적으로 거친 이후 불순물 및 이산화탄소가 제거된 상태로 대기로 배출된다.

도 3b는 이산화탄소의 흡수 경로를 도시한 것으로, 흡수탑으로 유입된 배기가스에 불포화 흡수제를 분사하여 향류 접촉시켜 배기가스에 포함된 이산화탄소를 흡수한 포화 흡수제 형태로 변하고, 상기 포화 흡수제를 재생탑과 리보일러에서 순환시키면서 포화 흡수제에 포함된 이산화탄소를 분리하고, 분리된 이산화탄소에서 수분을 응축기와 탈기 탱크 및 수분흡착탑을 통해 제거하여 고순도의 이산화탄소를 액화시켜 저장한다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

1 : 이산화탄소 포집 및 액화 시스템
S10 : 제1공정
S20 : 제2공정
S30 : 제3공정
S31 : 제3-1공정
S40 : 제4공정
S50 : 제5공정
S60 : 제6공정
S70 : 제7공정
S80 : 제8공정
S90 : 제9공정

Claims (8)

1. 연돌을 통해 배출되는 배기가스를 연돌 상부와 연결된 흡입 배관을 통해 세정탑으로 전달하는 제1공정(S10);
   세정탑으로 전달된 배기가스에 포함될 수 있는 먼지 및 미세입자를 제거하고, pH 조절 및 배기가스 온도를 조절하여 pH 6~9, 온도 30~50℃로 조절된 배기가스를 흡수탑으로 전달하는 제2공정(S20);
   흡수탑으로 전달된 배기가스에 향류(向流, Counter current) 접촉하도록 불포화 흡수제를 공급하여 배기가스에 포함된 이산화탄소를 분리하는 제3공정(S30);
   상기 흡수탑에서 재생탑으로 전달되는 포화 흡수제는, 45~65℃의 온도 상태에서 제1열교환기에 유입되고, 상기 재생탑에서 이송되는 불포화 흡수제와 향류로 대항하여 열교환이 이루어지고, 열교환된 이후 70~85℃의 온도 상태에서 제2열교환기로 전달되고, 상기 제2열교환기는 제1열교환기로부터 전달된 70~85℃의 온도 상태의 포화 흡수제와 연돌로부터 이송되는 120~190℃의 배기가스와 향류로 접촉하면서 열교환이 이루어지고, 제2열교환기에서 열교환된 포화 흡수제는 75~90℃의 온도 상태에서 재생탑으로 전달되고, 상기 제1열교환기를 통과하면서 65~80℃의 온도 상태가 된 불포화 흡수제는 제3열교환기로 전달되고, 상기 제3열교환기로 유입된 불포화 흡수제는 냉각수와 향류로 대항하여 30~45℃의 온도 상태에서 흡수탑으로 전달되는 제4공정(S40);
   상기 재생탑으로 전달된 포화 흡수제는 배관을 통해 리보일러(Rebolier)로 유입된 후 재생탑과 리보일러를 순환하면서 포화 흡수제에 흡수된 이산화탄소를 분리하는 제5공정(S50);
   상기 재생탑 및 리보일러를 통해 분리된 이산화탄소와 수분을 응축기로 전달하고, 상기 응축기에서는 전달 받은 이산화탄소는 기체로 존재하고 수분은 응축되어 액체상으로 응축기 하부에 수집한 후 상기 재생탑으로 보충하는 제6공정(S60);
   상기 응축기로 전달된 이산화탄소와 수분이 혼합된 혼합 가스는, 수분이 응축된 이후에 탈기탱크로 전달하고, 상기 탈기탱크는 전달 받은 혼합 가스에서 응축수를 다시 분리한 후 응축수가 분리된 혼합 가스를 응축열교환기로 전달하는 제7공정(S70);
   상기 응축열교환기를 통과한 혼합 가스를 압축기를 통해 압축한 후 수분흡착탑으로 전송하는 제8공정(S80);
   상기 압축기와 수분흡착탑을 통과하면서 압축된 이산화탄소 가스는 암모니아를 냉매로 사용하는 냉동기에서 열교환되면서 이산화탄소 가스는 액화되고, 액화 중 불응축 가스는 분리되어 고순도의 이산화탄소만 액화되고, 액화된 이산화탄소는 냉동설비의 리보일러 압력을 통해 저장탱크로 이송되어 저장되는 제9공정(S90);을 포함한 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 및 액화 시스템.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1공정(S10)에서,
   상기 흡입 배관에는 배기가스를 세정탑으로 전달하기 위한 송풍기가 설치되고, 상기 흡입 배관은 TMS(Tele-Monitoring System) 이후에 연결되어 추가 배기가스 배출 모니터링에 대한 부담을 완화한 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 및 액화 시스템.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 송풍기는,
   상기 배기가스의 이송 압력 10,500~12,000mmH₂O로 가압하여 전송하고,
   상기 세정탑의 전단에서는 세정탑으로 유입되기 이전의 배기가스를 포화 흡수제와 열교환하여 온도를 90~110℃의 범위 상태에서 세정탑으로 전달하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 및 액화 시스템.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 제2공정(S20)에서,
   상기 세정탑은, 공업용수를 순환시켜 배기가스에 포함될 수 있는 먼지 및 미세입자를 제거하고 pH 조절 및 배기가스 온도를 조절하되,
   pH 조절을 위해 염기 성분을 띠는 NaOH, KOH, MgOH 중 하나 이상을 투입하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 및 액화 시스템.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 제3공정(S30)에서,
   상기 흡수탑은, 인입되는 배기가스의 유량과 온도, 불포화 흡수제의 특성에 따른 공급량을 조절하여 기체-액체 접촉 비율을 최적화하기 위한 충진물을 포함하되,
   상기 충진물은 비구조화 패킹(Random Packing) 또는 구조화 패킹(Structured Packing) 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 및 액화 시스템.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 흡수탑에는,
   투입되는 불포화 흡수제의 유량에 따라 고르게 분포하기 위한 유체 분배기(Water distributor)가 설치될 수 있고, 흡수탑의 온도를 유지하기 위한 내부 냉각기(inter-cooler)가 더 설치될 수 있는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 및 액화 시스템.
7. 청구항 1에 있어서, 상기 제3공정(S30)에는,
   상기 흡수탑에서 불포화 흡수제와 접촉한 배기가스는 대기로 방출하기 전에 추가 세척을 위해 세척탑으로 공급되는 제3-1공정(S31)이 더 포함될 수 있고,
   상기 세척탑은, 상기 흡수탑의 상단에 통합 설치될 수 있는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 및 액화 시스템.
8. 청구항 1에 있어서, 상기 제4공정(S40)에는,
   상기 흡수탑에서 상기 재생탑으로 전달되는 포화 흡수제는,
   45~65℃의 온도 상태에서 제1열교환기에 유입되고, 상기 재생탑에서 이송되는 불포화 흡수제와 향류로 대항하여 열교환이 이루어지고, 열교환된 이후 70~85℃의 온도 상태에서 제2열교환기로 전달되고,
   상기 제2열교환기는 제1열교환기로부터 전달된 70~85℃의 온도 상태의 포화 흡수제와 연돌로부터 이송되는 120~190℃의 배기가스와 향류로 접촉하면서 열교환이 이루어지고, 제2열교환기에서 열교환된 포화 흡수제는 75~90℃의 온도 상태에서 재생탑으로 전달되고,
   상기 제1열교환기를 통과하면서 65~80℃의 온도 상태가 된 불포화 흡수제는 제3열교환기로 전달되고,
   상기 제3열교환기로 유입된 불포화 흡수제는 냉각수와 향류로 대항하여 30~45℃의 온도 상태에서 흡수탑으로 전달되고, 냉각수는 제3열교환기로 순환되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 및 액화 시스템.