KR20100073614A - 이산화탄소의 회수 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이산화탄소의 회수 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 (a) 이산화탄소를 함유하는 배가스를 암모니아수가 공급되는 흡수탑에 공급하여 암모니아수로 배가스 중에 함유된 이산화탄소를 흡수하는 단계, (b) 상기 이산화탄소가 흡수된 암모니아수를 탈거탑으로 이송하는 단계, 및 (c) 연돌 배가스의 폐열을 이용하여 상기 이산화탄소가 흡수된 암모니아수로부터 이산화탄소를 분리 및 회수하고, 암모니아수를 재생하는 단계를 포함하는 이산화탄소의 회수 방법을 포함하는 이산화탄소의 회수 방법을 제공한다.
이산화탄소, 분리, 회수, 폐기물, 연돌 배가스
Description
본 발명은 산업공정의 배가스(off gas)에서 이산화탄소를 효율적이면서 경제적으로 분리 및 회수하기 위한 이산화탄소의 회수 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 암모니아수를 흡수제로 사용하여 배가스로부터 이산화탄소를 흡수하고 이산화탄소를 흡수한 암모니아수를 연돌 배가스 등과 같은 저온의 미활용 에너지를 이용하여 재생하는 방법을 포함하는 이산화탄소의 회수 방법에 관한 것이다.
일반적으로 산업현장의 공정에서는 공정 완료후 연소 배가스 또는 고로 배가스가 배출되는데, 상기 배가스에는 이산화탄소가 함유되어 있어서, 지구 온난화를 야기한다. 따라서, 상기 배가스로부터 이산화탄소를 회수하는 방법이 다양하게 연구되고 있으며, 흡착법, 흡수법, 막분리법 등이 사용되고 있다.
이중에서, 화학 흡수제를 사용한 흡수법으로서 일반적으로 이산화탄소를 흡수하는 흡수액은 아민계 흡수제가 가장 많이 이용되고 있으며, 대표적인 화학흡수제로서 현재 상업적으로도 가장 많이 이용되고 있다.
그러나 아민계 화합물은 가격이 비싸고 장치의 부식이 크기 때문에 최근 개 선된 흡수제의 개발이 많이 이루어지고 있다.
본 발명의 목적은 연소배가스 또는 고로 배가스와 같이 이산화탄소를 함유한 혼합가스로부터 암모니아수를 흡수제로 사용하여 이산화탄소를 회수하고 특히 흡수제를 재생할 때 경제성 문제로 미활용되고 있는 저온의 연돌 배가스를 회수한 후 이의 폐열을 이용하여 흡수제의 재생에너지로 사용하는 이산화탄소의 회수 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
(a) 이산화탄소를 함유하는 배가스를 암모니아수가 공급되는 흡수탑에 공급하여 암모니아수로 배가스 중에 함유된 이산화탄소를 흡수하는 단계,
(b) 상기 이산화탄소가 흡수된 암모니아수를 탈거탑으로 이송하는 단계,
(c) 연돌 배가스의 폐열을 이용하여 상기 이산화탄소가 흡수된 암모니아수로부터 이산화탄소를 분리 및 회수하고, 암모니아수를 재생하는 단계
를 포함하는 이산화탄소의 회수 방법을 제공한다.
이하 본 발명에 대해서 상세히 설명하고자 한다.
본 발명은 종래 사용되지 않았던 연돌 배가스의 폐열(waste heat)을 이용해서 이산화탄소를 흡수한 암모니아수로부터 이산화탄소를 분리 및 회수하고 동시에 암모니아수를 재생하는 공정을 포함하는 이산화탄소의 회수방법에 관한 것이다. 즉, 본 발명은 최종 공정의 연돌에서 배출된 배가스의 온도가 높으므로 이 폐열을 회수하여 활용하는 것을 특징으로 한다.
즉, 아민계 흡수제와는 달리 오래 전부터 알려진 암모니아수도 이산화탄소의 흡수제로 이용하고 있다. 최근에 암모니아수가 흡수제로 주목을 받는 것은 가격이 싸고 장치의 부식문제가 아민 흡수액 보다 현저히 적기 때문이다.
그런데, 이러한 특성치 이외에도 암모니아수가 아민계 흡수제에 비해 가장 특징적인 차이점을 나타내는 것은 재생온도이다. 일반적으로 아민계 흡수제는 이산화탄소를 흡수한 후 흡수제를 재생할 때 120~140℃ 정도의 재생온도가 필요하다. 그런데, 이 정도의 재생온도를 공급하기 위해서는 160℃~200℃ 온도의 고압 스팀이 필요하고, 실제로 아민 흡수공정에 있어서 가장 경제성에 영향을 미치는 부분은 상기 흡수제 재생에 사용되는 스팀의 제조 비용이다. 또한, 흡수공정에 공급되기 전에 배가스의 온도는 40 ℃ 정도까지 낮추어야 하는데, 이를 위해 냉각수를 사용해야 하는 문제가 있다. 도 1은 기존의 아민계 흡수제를 이용한 이산화탄소의 회수방법의 공정도를 간략히 나타낸 것이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 배가스 배출원으로부터 이산화탄소 함유 배가스를 냉각수가 계속 공급되는 세정탑으로 이송하고, 냉각수에 의해 배가스의 온도를 40 ℃로 낮춘후 아민 흡수공정에 도입하고 있다. 또한, 아민 흡수공정의 경우 아민계 흡수제를 재생하기 위한 고압스팀을 공급해야 한다.
이러한 이유로, 상기 암모니아수를 흡수제로 사용한 이산화탄소의 회수 공정 에 대한 개발이 활발히 이루어지고 있다. 암모니아수를 흡수제로 이용하는 경우 재생에 필요한 스팀의 온도는 약 115~130℃ 정도의 스팀이면 충분하여, 고압 스팀을 요구하는 아민계 흡수제에 비해 재생온도가 낮다. 예를 들면, 암모니아수는 암모니아의 농도에 따라 다르지만 5 중량%의 암모니아 수를 이용할 경우에도 재생온도는 86℃ 정도로 아민에 비해 매우 낮다. 2 중량%의 암모니아수의 경우에도 96℃정도 이다. 하지만, 상기 암모니아수를 이용한 경우에도 지금까지는 재생에 필요한 스팀을 별도로 제공해야 하므로, 별도의 스팀 제공을 위한 설비가 필요하므로 경제적으로 바람직하지 않다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 이산화탄소를 회수하는 흡수공정에 있어서, 암모니아수를 흡수제로 이용하고 이산화탄소를 흡수한 암모니아수를 재생하여 다시 사용할 때, 재생에너지로 연돌 배가스로부터 폐열을 회수하여 저압의 스팀을 제조한 다음, 이를 재생에너지로 사용한다. 따라서, 본 발명에 따르면 암모니아수의 재생에너지 제조에 필요한 에너지를 연돌 배가스의 폐열로 대체함으로써 이산화탄소를 경제적으로 회수할 수 있다.
일반적으로 발전소 또는 제철소의 연소 배가스의 온도는 150~200℃ 정도이며, 고로의 열풍로 배가스의 경우도 폐열을 회수하고 난 후에 배출되는 배가스의 온도가 200℃ 정도이다. 이때, 상기 온도 범위의 연돌의 배가스의 폐열을 히트 파이프를 이용하여 회수하는 경우 120℃ 이상의 스팀을 제조할 수 있다. 하지만, 이 정도 온도의 폐열 회수 스팀은 스팀을 이용하는 측면에서, 종래에는 사용처가 없으며 회수비용의 경제성이 없는 것으로 판단되어 대기로 방출시키고 있었다.
그러나 본 발명은 암모니아수를 이용한 이산화탄소 회수공정에 있어서, 암모니아수의 재생에 필요한 스팀을 제조하기 위해, 연돌의 배가스와 같이 종래 대부분 대기로 방출되는 상기 연소 배가스가 가지고 있는 폐열을 회수하여 사용하는 특징이 있다. 따라서, 종래 암모니아수를 흡수제로 이용하는 경우, 재생에 필요한 스팀을 별도로 제공해야 하지만, 본 발명은 별도로 에너지를 공급할 필요가 없다.
이러한 본 발명의 이산화탄소의 회수 방법은, (a) 이산화탄소를 함유하는 배가스를 암모니아수가 공급되는 흡수탑에 공급하여 암모니아수로 배가스 중에 함유된 이산화탄소를 흡수하는 단계, (b) 상기 이산화탄소가 흡수된 암모니아수를 탈거탑으로 이송하는 단계, (c) 연돌 배가스의 폐열을 이용하여 상기 이산화탄소가 흡수된 암모니아수로부터 이산화탄소를 분리 및 회수하고, 암모니아수를 재생하는 단계를 포함한다.
보다 상세히 설명하면, 본 발명은 이산화탄소를 포함한 배가스가 대기 중에 배출되기 전에 이를 회수한 후 흡수탑으로 공급하고, 흡수탑에서는 암모니아수와 이산화탄소가 접촉하여 이산화탄소만 선택적으로 흡수하고 나머지 가스는 흡수탑의 상부로 배출된다. 상기 암모니아수는 펌프를 이용하여 열교환기를 통과하고, 이산화탄소가 흡수된 암모니아수는 이산화탄소를 분리 및 회수하기 위한 재비기가 구비된 탈거탑(stripper)으로 유입된다. 이후, 연돌의 배가스의 폐열을 이용하여, 이산화탄소를 분리 및 회수하고 암모니아수도 재생한다. 즉, 상기 연돌의 배가스의 폐열은 저압 스팀을 제조한 후 탈거탑에 구비된 재비기로 공급하는 것이며, 이렇게 공급된 저압 스팀에 의해 이산화탄소의 분리 및 회수와 암모니아수의 재생이 이루 어진다. 이러한 과정을 통해 분리된 이산화탄소는 탈거탑의 상부로 배출된다.
가열된 재생 흡수제는 흡수탑으로부터 이송된 이산화탄소를 흡수한 암모니아수와 열교환기를 통과하여 냉각된 후 다시 흡수탑으로 주입되어 이산화탄소를 연속적으로 흡수하고, 분리할 수 있다.
상기 (a)단계에서 이산화탄소를 함유하는 배가스는 발전소 또는 제출소와 같은 각종 산업공정에서 배출되는 배가스를 포함할 수 있다. 상기 암모니아수는 1 내지 15 중량%의 암모니아수를 사용할 수 있다.
상기 설명된 바와 같이, (a)단계의 암모니아수는 흡수탑의 상부로 공급되고, 배가스는 흡수탑의 하부로 공급될 수 있다.
또한 (c)단계의 연돌 배가스의 폐열은 저압스팀을 제조하여 공급되며, 본 발명은 연돌 배가스로부터 폐열을 회수하여 110 내지 120 ℃의 저압스팀을 갖는 열을 공급할 수 있다. 이때, 상기 연돌 배가스는 최종 공정의 연돌에서 배출된 배가스의 온도가 높으므로 이 폐열을 회수하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 별도의 발전소 또는 제철소의 배출원으로부터 회수된 것을 포함할 수도 있다. 따라서 상기 연돌 배가스의 폐열은 상기 연돌 배가스의 회수장치로부터 히트 파이프를 이용하여 저압스팀을 생성시켜서 공급한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 연돌배가스의 폐열을 이용한 경우 이산화탄소는 80 내지 96 ℃의 가열을 통한 증류에 의해 분리 및 회수될 수 있다. 즉, 회수된 폐열을 이용하여 스팀을 제조한 후(히트 파이프 방식), 이를 재비기(Reboiler)로 공급하여 암모니아수를 가열한다. 이 가열에 의해서 암모니아수에 흡수되어 있는 이산화탄소가 암모니아수로부터 탈거되며, 이때 온도는 암모니아수 농도에 따라 다르지만 80~96℃ 정도인 것이다.
상기 (c)단계에서 분리된 이산화탄소는 탈거탑에 별도 설치된 배출구를 통해 대기중으로 배출될 수 있다.
본 발명에서 흡수탑 및 탈거탑의 구성은 특별히 한정되지 않고, 통상의 이산화탄소 회수에 사용되는 암모니아 흡수 공정에 사용되는 장치이면 모두 사용 가능하다. 또한, 이들은 이송라인을 통해 연결설치될 수 있고, 연돌 배가스의 폐열의 저압스팀을 제공할 수 있는 배관만 설치된 것이라면 그 구성이 특별히 한정되지는 않는다.
이렇게 본 발명의 방법으로 회수된 이산화탄소는 농도가 95% 이상일 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 이산화탄소의 회수 공정도를 간략히 나타낸 것이다.
본 발명은 각종 산업 현장의 배가스 배출원으로부터 히트 파이프를 이용하여 배가스로부터 열을 회수하여 저압스팀을 제조하고, 이를 암모니아수 흡수 공정으로 공급한다. 이때, 도면에는 도시하지 않았지만, 암모니아수 흡수공정의 경우 암모니아수를 공급하기 위한 투입구와 이산화탄소를 함유하는 배가스의 투입구를 구비한 흡수탑과 이산화탄소를 증류하여 제거하기 위한 탈거탑의 구성을 포함할 수 있으며, 암모니아수 흡수공정후 이산화탄소가 제거된 나머지 배가스는 연돌을 통해 배출된다. 상기 연돌을 통해 배출되는 배가스는 대기중으로 배출되기 전에 회수될 수도 있으며, 이것은 다시 열배관을 통해 회수된 후 암모니아수 재생에 적용될 수 있다.
본 발명의 이산화탄소의 회수 방법은 연소 배가스 또는 고로 배가스에 함유된 이산화탄소를 암모니아수로 흡수시킨 후, 상기 암모니아수의 재생에 필요한 에너지를 별도로 생산하지 않고 폐열을 이용하여 공급함으로써, 암모니아수의 재생에너지 비용을 크게 절감할 수 있어서 이산화탄소의 회수비용 또한 크게 절감할 수 있다.
이하 본 발명을 하기 실시예를 참조로 하여 보다 상세히 설명한다. 이들 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의하여 한정되는 것이 아님은 물론이다.
실시예
총 10단으로 구성된 흡수탑의 상부로 2중량% 농도의 암모니아수를 연속적으로 공급하고, 흡수탑의 하부로는 발전소 또는 폐가스로부터 공급되는 이산화탄소 함유 배가스가 공급되도록 하였다. 상기 이산화탄소 함유 배가스는 이산화탄소를 12%로 함유하였다. 암모니아수의 공급 속도는 200 cc/min으로 하였다. 이후, 흡수 탑에서 암모니아수가 흡수된 암모니아수를 탈거탑으로 이송한 후 암모니아수를 96℃로 가열하여 재생하였다.
이때 흡수탑에서 이산화탄소의 제거율은 94%였으며 탈거탑 상부에서의 이산화탄소의 농도는 95%였다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도 1은 기존의 이산화탄소 회수 공정도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 이산화탄소 회수 공정도를 나타낸 것이다.
Claims (8)
- (a) 이산화탄소를 함유하는 배가스를 암모니아수가 공급되는 흡수탑에 공급하여 암모니아수로 배가스 중에 함유된 이산화탄소를 흡수하는 단계,(b) 상기 이산화탄소가 흡수된 암모니아수를 탈거탑으로 이송하는 단계,(c) 연돌 배가스의 폐열을 이용하여 상기 이산화탄소가 흡수된 암모니아수로부터 이산화탄소를 분리 및 회수하고, 암모니아수를 재생하는 단계를 포함하는 이산화탄소의 회수 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 (c)단계의 연돌 배가스의 폐열은 110 내지 120 ℃의 저압스팀의 열을 공급하는 것인, 이산화탄소의 분리 및 회수방법.
- 제1항에 있어서, 상기 (c)단계의 연돌 배가스의 폐열은 발전소 또는 제철소의 연돌로부터 배출되는 연돌 배가스 또는 최종 공정 중의 연돌 배가스로부터 회수된 폐열을 포함하는 이산화탄소의 분리 및 회수방법.
- 제3항에 있어서, 상기 연돌 배가스는 배가스 배출원으로부터 히트파이프를 통해 회수되는, 이산화탄소의 분리 및 회수방법.
- 제1항에 있어서, 상기 (b)단계에서 이산화탄소는 80 내지 96 ℃의 가열을 통 한 증류로 분리되는, 이산화탄소의 분리 및 회수방법.
- 제1항에 있어서, 상기 (a)단계의 암모니아수는 1 내지 15 중량%의 암모니아수를 사용하는 것인, 이산화탄소의 분리 및 회수방법.
- 제1항에 있어서, 상기 (a)단계의 암모니아수는 흡수탑의 상부로 공급되고, 배가스는 흡수탑의 하부로 공급되는 것인, 이산화탄소의 분리 및 회수방법.
- 제1항에 있어서, 상기 (b)단계에서 회수된 이산화탄소는 농도가 95% 이상인, 이산화탄소의 분리 및 회수방법.
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