KR20000025254A - 재흡착을 이용한 고효율 이산화탄소 생산공정 - Google Patents

Abstract

본 발명은 재흡착을 이용한 고효율 이산화탄소 생산공정에 관한 것으로, 시멘트 또는 생석회 제조공정, 탄산염 제조공정, 발전소 및 보일러의 배기가스 또는 제철소에서 발생되는 이산화탄소를 함유한 배기가스로부터 압력변동시 흡착법을 이용하여 CO₂를 포함한 혼합가스로부터 고순도 CO₂를 분리하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 원료가스 열교환기, 2탑식 제습장치, 4탑식 흡착분리장치, 송풍기와 진공펌프로 구성되어 있으며, 공정의 안정성 및 이산화탄소 회수율을 높이기 위해 흡착이 끝난 흡착탑에 보내어 재흡착시키는 공정을 도입하였으며 이 과정에서 재흡착시 CO₂의 분압을 높이기 위해 송풍기를 설치하였다.

그리고 저압세정공정을 위한 소용량의 진공펌프를 설치하여 공정을 단순화하였으며, 기존의 저압세정공정에서 발생할 수 있는 생산가스의 순도저하에 대한 영향을 최소화하고 대용량의 진공펌프에 대한 효율을 높일 수 있다.

그리고 본 발명에서의 공정구성은 하나의 흡착탑을 기준으로 흡착공정, 세정공정, 탈착공정, 저압세정공정, 역축압공정, 재흡착공정으로 이루어진다.

Description

재흡착을 이용한 고효율 이산화탄소 생산공정

본 발명은 재흡착을 이용한 고효율 이산화탄소 생산공정에 관한 것으로, 특히 탄산염 제조공정, 생석회 제조공정, 시멘트 제조공정, 발전소 및 보일러의 연소 배기가스 그리고 제철소 등에서 발생되는 이산화탄소 농도 7 vol％(습윤 가스의 부피 기준) 이상을 함유한 혼합가스로부터 95 vol％ 이상의 이산화탄소를 생산하도록 압력변동흡착법(Pressure swing adsorption)을 이용하는데 기존의 방법과는 달리 재흡착공정, 소용량의 진공펌프를 이용한 저압세정공정, 재흡착전 송풍기 설치를 통한 공정의 안정성을 높이면서 공정의 회수율을 높이기 위한 공정에 대한 것이다.

이산화탄소가 포함된 혼합가스로부터 이산화탄소의 분리 농축에는 지금까지는 흡수법을 이용한 기술이 많이 사용되어 왔는데 이 기술은 이산화탄소를 회수하는 흡수액의 2차 오염 및 분리비용이 크다는 난점이 제기되고 있다.

그래서 2차 오염문제가 없을 뿐만 아니라 에너지 절약적인 측면에서도 설득력이 있는 흡착을 통한 분리방법이 최근 활발하게 개발되고 있다.

이산화탄소 조성이 25vol% 이상인 제철소나 시멘트 및 생석회 제조공정에서 발생되는 배가스로부터 활성탄이나 합성제올라이트 등이 충전된 흡착탑에서 압력변동흡착법을 이용하여 99vol% 이상 고순도의 이산화탄소를 제조하는 일반적인 공정 구성은 축압공정-흡착공정-세정공정-탈착공정으로 이루어져 있다.

그러나 이 공정은 탈착공정의 종료시 흡착탑의 압력이 50 ∼ 70 mmHg abs 정도 되는데 CO₂의 흡착량은 낮은 압력에서도 아주 크기 때문에 많은 양의 CO₂가 남아 있어 탑의 분리 효율이 떨어지며, 흡착시 배출되는 배가스중 CO₂조성이 높아 전체 회수율이 떨어진다는 문제점이 있다.

이를 보완하기 위해 흡착가스를 이용한 저압세압공정이 추가된 공정이 있는데, 이것은 흡착배가스 중 일부를 낮은 압력에서 탈착공정이 완료된 흡착탑에 보내어 탑 상부에 있는 CO₂가스를 탈착시키는 공정으로 전체 회수율면에서는 상당한 효과를 보았으나 저압세정공정에서 다음 운전공정으로 전환시, 이 가스 중 일부가 고순도 CO₂생산가스와 섞여 순도를 떨어뜨리는 원인이 되며, 저압세정시 이용되는 진공펌프의 부적절한 용량으로 인해 원료가스와 혼합되는 과정에서 압력간섭이 발생되기도 한다는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 흡착시 배출되는 배가스 중 흡착초기의 배가스를 제습장치의 재생가스로 사용하여 제습효율을 높이고 일부는 저압세정가스로 활용하고, 흡착초기 이후의 배가스는 재흡착시켜 전체공정의 회수율을 높이는 공정을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 저압세정공정을 위한 소용량의 진공펌프를 설치함으로써 저압세정가스로 인한 생산가스의 순도저하에 대한 영향을 최소화하고, 흡착탑 탈착용 주 진공펌프의 사용 효율을 높이며 탑내의 잔류 CO₂를 효과적으로 탈착하기 위한 적절한 저압세정시간의 조절을 용이하게 하며,

흡착공정과 재흡착공정 중간에 송풍기를 설치하여 재흡착시 CO₂분압을 높여 CO₂의 흡착효과를 증대시키며, 압력강하로 인한 유량의 감소를 방지함은 물론 원료가스 송풍기의 보수시 원료가스 송풍기로도 사용할 수 있도록 공정을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1 은 이산화탄소 생산용 4탑식 흡착분리공정

도 2 는 이산화탄소 생산용으로 정상상태 운전시 4탑식 흡착분리공정

1주기 운전도

도 3 은 이산화탄소 생산용으로 비상모드에서 운전시 4탑식 흡착분리공정

1주기 운전도

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 및 도 2를 기준으로 하여 탄산염 제조공정, 생석회 제조공정, 시멘트 제조공정, 발전소 및 보일러 연소가스 그리고 제철소 등에서 발생되는 이산화탄소를 함유한 혼합가스로부터 고순도 이산화탄소를 회수하기 위한 4탑식 압력변동식 흡착분리공정에 대한 상세한 특징 및 운전방법은 다음과 같다.

<원료가스 냉각기 및 제습장치의 공정>

탈황장치 및 집진장치를 거친 다음 대기로 방출되는 배가스의 조성은 일반적으로 이산화탄소 7 ∼ 30vol％, 수분 7 ∼ 10vol％, 산소 4 ∼ 10vol％, 일산화탄소 0.3vol％, SOx 와 NOx가 각각 30 ∼ 100 ppm, 그리고 분진 약 150mg/m³정도이며, 나머지는 질소이다.

송풍기로 온도 60 ∼ 200℃의 배가스를 원료가스 열교환기 H101에 공급하여 제습탑에서 제습이 효과적으로 일어나기 위한 온도조건인 50℃ 이하로 냉각시킨 후 자동밸브 V1, V3을 통하여 제습탑 A001, A002에 공급되고 밸브 V6, 밸브 V8을 통하여 건조배가스를 얻는다.

<흡착분리장치의 공정구성(Ⅰ)>

도 1의 합성제올라이트로 충전된 4탑식 흡착분리장치는 흡착공정, 세정공정, 탈착공정, 저압세정공정, 역축압공정, 재흡착공정으로 구성되는 주기 운전을 거치는데,

첫번째 흡착탑 A101을 중심으로 각각의 공정에 대해 설명을 하면, 흡착공정은 제습탑에서 공급되는 건조배가스를 밸브 V9, 밸브 V10을 통해 800 ∼900 mmHg abs의 압력으로 흡착탑 A101에 공급하여 제올라이트에 강흡착성인 이산화탄소는 흡착되고 약 흡착성인 질소, 산소 등은 밸브 V26을 통해 송풍기 B002에 보내져 900 mmHg abs로 다시 승압된다.

흡착공정은 크게 2 단계로 구분되는데 흡착배가스 중 초기배가스는 CO₂조성이 낮기 때문에 밸브 V38을 통해 제습탑의 재생가스로 활용하고 그중 일부는 낮은 압력(200 ∼ 250 mmHg abs)에서 저압 세정공정이 진행되는 흡착탑 A104에 공급되는데 이때 흐름은 관11, BV10, 밸브 V36을 통해 밸브 V24, 밸브 V13, 저압세정용 진공펌프 V001을 지나 관 4에 공급된다.

이때 저압세정배가스의 CO₂조성은 원료가스보다 높다.

흡착 배가스 중 흡착초기 이후의 배가스 중 CO₂농도는 바로 제습탑의 재생가스로 사용하기에는 15 vol％ 이상으로 높은 수준이기 때문에 밸브 V38, 밸브 V43을 닫고 밸브 V39를 열어 밸브 V24를 통해 흡착탑 A104의 아래쪽으로 흡착배가스를 공급해 재흡착공정을 수행한다.

재흡착공정의 배가스는 밸브 V36, 밸브 V42, 관11, 관10을 통해 제습탑의 재생가스로 사용한다.

이때 재흡착공정 전에 설치된 송풍기는 재흡착압력을 높게 유지함으로써 CO₂가 흡착되는 양을 증가시킨다.

흡착공정 이후에 세정공정이 진행되는데 이 공정은 고순도의 이산화탄소를 생산하기 위해 진공탈착가스중의 일부를 H102에서 밸브 V11을 통해 흡착탑에 공급한다.

세정공정도 2단계로 나누어지는데 세정초기의 배가스는 밸브 V28, 밸브 V40을 통해 제습탑 재생가스로 사용하고 세정초기 이후의 배가스는 밸브 V28, 밸브 V41, 관13, 밸브 V39를 통해 재흡착공정이 이루어지는 흡착탑 A104에 공급된다.

이때 재흡착공정에 공급되는 세정배가스는 흡착배가스와 혼합하여 재흡착공정에 유입된다.

세정공정이 끝난 첫번째 흡착탑 A101은 밸브 V11, 밸브 V28이 닫히고 밸브 V13이 열리면서 탈착공정이 시작된다.

탈착공정에서는 진공펌프 V002로 흡착탑의 압력을 낮은 압력 (50 mmHg abs)까지 떨어뜨려 흡착되어 있는 CO₂를 탈착시켜 관5를 통하여 H102에 공급하여 고순도 이산화탄소를 생산하게 된다.

이때 생산가스중의 일부는 관6, 밸브 V15를 통하여 세정공정이 진행중인 두번째 흡착탑 A102로 공급된다.

탈착공정 다음에는 저압세정공정이 진행되는데 흡착공정이 진행되는 세번째 흡착탑 A103의 출구에서 배출되는 배가스를 밸브 V32, 밸브 V38, 관11, BV10, 밸브 V28을 경유해서 공급된다.

이때의 운전 압력은 200 ∼ 300 mmHg abs 이며 흡착탑의 상단에 흡착된 이산화탄소를 탈착시키고 탈착된 가스는 밸브 V12, 밸브 V34을 통해 저압세정용 진공펌프 V001를 지나 원료가스공급관인 관 4와 혼합된다.

저압세정공정에서 재흡착 공정으로 들어가기 전 일정기간(10 ∼ 60초)동안 저압세정압력 (200 ∼300 mmHg abs)에서 재흡착압력 (800 ∼ 900 mmHg abs)까지 승압되는 역축압공정이 진행되는데 이 공정은 저압세정이 끝난 후 밸브 V12, 밸브 V43을 닫았을 때 이 공정이 수행된다.

역축압공정 완료 후 흡착탑의 압력이 올라갔을 때 밸브 V38이 닫히고 밸브 V39, 밸브 V42가 열리면서 흡착이 진행중인 흡착탑 A103에서의 흡착배가스가 밸브 V39, 밸브 V12를 통해 공급되는 재흡착공정이 일어난다.

이때 재흡착공정의 배가스는 밸브 V27, 밸브 V41을 거쳐 전량 모두 제습탑으로 보내져 수분을 재생시키는데 사용한다.

이와 같이 흡착탑 A101의 1주기 운전구성은 흡착, 세정, 탈착, 저압세정, 역축압, 재흡착 등 6단계로 구성되어 있으며, 다른 흡착탑의 시간에 따른 연속운전도는 도2에 도시하였다.

<흡착분리장치의 공정구성(Ⅱ)>

원료가스를 공급해주는 송풍기나 재흡착시 흡착배가스를 승압시켜주는 송풍기의 가동중지로 인한 비상모드의 운전방법에 대한 공정흐름 및 연속운전방법은 도1, 도3을 기준으로 설명하고자 한다.

원료가스 송풍기 B001의 가동중지로 인해서 재흡착가스 송풍기 B002로 원료가스를 공급하게 되는 비상모드에서의 공정구성은 흡착, 세정, 탈착, 저압세정, 역축압공정으로 구성되며 첫번째 흡착탑 A101을 중심으로 각각의 공정에 대해 설명을 하면,

흡착공정은 제습탑에서 공급되는 건조배가스를 밸브 V9, 밸브 V10을 통해 800 ∼ 900 mmHg abs의 압력으로 흡착탑 A101에 공급하여 제올라이트에 강흡착성인 이산화탄소는 흡착되고 약흡착성인 질소, 산소등은 밸브 V26, BV11, 밸브 V38, 관10을 통해 제습탑의 재생가스로 활용하고 그중 일부는 낮은 압력(200 ∼ 250 mmHg abs)에서 저압세정 공정이 진행되는 흡착탑 A104에 공급되는데 이때 흐름은 관11, BV10,밸브 V36 그리고 밸브 V24, 밸브 V43을 거쳐 저압세정용 진공펌프 V001을 지나 관4에서 원료가스와 혼합된다.

흡착공정 완료 후 세정공정의 운전방법은 상기 흡착분리장치의 공정 구성(Ⅰ)과 다른점은 다만 세정초기 이후의 배가스 전량이 재흡착공정으로 유입되지 않고 제습탑의 재생가스로 활용된다는 점이다.

그리고 탈착공정, 저압세정공정, 역축압공정은 흡착분리장치의 공정구성(Ⅰ)에서 서술된 것과 동일하다.

표1. 재흡착을 이용한 고효율 이산화탄소 생산공정

	기존공정	본 발명의 공정
흡착알력	850 ∼ 950 mmHg abs	850 ∼ 950 mmHg abs
탈착압력	50 ∼ 70 mmHg abs	50 ∼ 70 mmHg abs
원료가스 중 CO2농도 (vol％)	29.3％	28％
생산가스 중 CO2농도(vol％)	99％	99％
회수율％	65％	75％

*회수율％=(생산가스 중의 CO₂량)/(유입되는 원료가스 중의 CO₂량)×(100)

상기와 같은 본 발명은 이산화탄소 농도가 높은 흡착배가스를 재흡착시키고 세정배가스를 재흡착공정에 보내 공정의 회수율과 생상성을 높일 수 있으며,

중간 송풍기의 설치는 재흡착시 흡착압력을 높여 결국은 고순도 이산화탄소를 제조하기 위한 세정공정에서의 세정요구량을 줄일 수 있어 제품가스의 생산량을 증가시킨다.

또한 원료가스 송풍기의 가동 중지시 예비 송풍기의 역할을 수행할 수 있어 공정의 안정성을 기할 수 있다.

그리고 저압세정용 소용량의 진공펌프의 설치는 먼저 공정 단계의 변화에 따른 압력간섭을 줄일 수 있고 고순도의 제품가스라인에 저농도의 가스가 유입되는 것을 방지해 고순도의 이산화탄소 생산을 용이하게 한다는 등의 장점이 있다.

Claims (3)

1. 탄산염 제조공정, 생석회 제조공정, 시멘트 제조공정, 발전소 및 보일러의 연소 배기가스 그리고 제철소 등에서 발생되는 이산화탄소 농도 7 vol％(습윤 가스의 부피 기준) 이상을 함유한 혼합가스로부터 95 vol％ 이상의 이산화탄소를 생산하는 공정에 있어서,

   a. 탈황장치 및 집진장치를 거친 다음 대기로 방출되는 배가스를 송풍기로 온도 60 ∼ 200℃의 배가스를 원료가스 열교환기 H101에 공급하여, 제습탑 A001, A002에서 제습이 효과적으로 일어나기 위한 온도조건인 50℃ 이하로 냉각시킨 후 2탑식 제습탑에 공급하고 이후 건조배가스를 공급하는 원료가스 냉각 및 제습공정과,

   b, 하나의 흡착탑을 기준으로,

   흡착배가스 중 초기배가스는 제습탑의 재생가스로 활용하고, 흡착 배가스 중 흡착초기 이후의 배가스는 흡착탑 A104의 아래쪽으로 흡착배가스를 공급해 재흡착공정을 수행하는 2단계로 나뉘어진 흡착공정과,

   흡착공정 이후 세정초기의 배가스는 제습탑 재생가스로 사용하고 세정초기 이후의 배가스는 재흡착공정이 이루어지는 흡착탑 A104에 공급하도록 2단계로 나누어지는 세정공정과,

   세정공정이 끝난 후 진공펌프 V002로 흡착탑의 압력을 낮은 압력 (50 mmHg abs)까지 떨어뜨려 흡착되어 있는 CO₂를 탈착시켜 H102에 공급하여 고순도 이산화탄소를 생산하는 탈착공정과,

   탈착공정 다음, 운전 압력 200 ∼ 300 mmHg abs로 흡착탑의 상단에 흡착된 이산화탄소를 탈착시키고 탈착된 가스는 저압세정용 진공펌프 V001를 지나 원료가스공급관인 관 4와 혼합시키는 저압세정공정과,

   저압세정공정에서 재흡착 공정으로 들어가기 전 일정기간(10 ∼ 60초)동안 저압세정압력 (200 ∼300 mmHg abs)에서 재흡착압력 (800 ∼ 900 mmHg abs)까지 승압되는 역축압공정과,

   역축압공정 완료 후 흡착탑의 압력이 올라갔을 때 흡착이 진행중인 흡착탑 A103에서의 흡착배가스가 공급되는 재흡착공정을 가지는 4탑식 흡착분리공정으로 구성되고,

   송풍기의 가동 중지시 흡착, 세정, 탈착, 저압세정, 역축압의 1주기 운전모드의 공정으로 변경할 수 있도록 한 방법을 특징으로 하는 재흡착을 이용한 고효율 이산화탄소 생산공정.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 송풍기는 재흡착공정에서 흡착배가스를 승압하여 흡착압력을 높임으로써 이산화탄소 흡착량을 증가시킴과 동시에 원료가스 송풍기 가동 중지시 원료가스 송풍기로도 활용할수 있도록 한 방법을 특징으로 하는 재흡착을 이용한 고효율 이산화탄소 생산공정.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 진공펌프는 저압세정을 위한 소용량의 진공펌프를 사용하여 고순도 이산화탄소의 생산과 각 공정의 변화에 따른 압력간섭을 최소화하여 공정의 안정성을 기할 수 있도록 한 방법을 특징으로 하는 재흡착을 이용한 고효율 이산화탄소 생산공정.