KR20100099929A - 수송 재생반응기를 갖는 ｃｏ₂회수장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수송 재생반응기를 갖는 CO₂회수장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 발전소와 같이 대량의 배가스를 처리하는 CO₂회수장치에서의 재생반응기를 기존의 기포유동층이 아닌 수송반응기를 이용한 상승관(Riser)형태로 형성한 것이다. 따라서, 수송 재생반응기는 반응기의 직경을 축소하면서 전열면적을 증가시켜 고체흡수제로의 신속한 전열이 가능함으로 재생반응에 소요되는 반응시간을 단축시킬 수 있다.

또한, 수송 재생반응기의 상부로 배출되어 기체성분이 분리된 고체흡수제는 저장수단을 통해 다시 수송 재생반응기에 공급하여 고체흡수제에 남아있는 잔여 CO₂를 완전 분리하게 하는 등 고체흡수제를 재생반응기와 저장수단 사이에 반복적으로 순환시켜 CO₂를 완전제거할 수 있다.

이와같은 본 발명의 CO₂회수장치는 CO₂가 완전제거된 고체흡수제를 회수반응기로 공급하여 배가스로부터 CO₂ 의 분리효율을 증대시킬 수 있고, 고속분사에 의한 수송반응으로 열전달효율을 증대시킴은 물론 재생반응기의 작은 직경으로 인해 설치면적을 대폭적으로 줄일 수 있어 시설비도 절감시킬 수 있다.

수송 재생반응기, 유동층, 상승관, 고체흡수제, 저장수단, ＣＯ₂회수

Description

수송 재생반응기를 갖는 ＣＯ₂회수장치{Carbon dioxide Capturing Process with Transport Beds Reactor}

본 발명은 수송 재생반응기를 갖는 CO₂회수장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 발전소와 같이 대량의 배가스를 처리하는 CO₂회수장치에서의 재생반응기를 기존의 기포유동층이 아닌 수송반응기를 이용한 상승관(Riser)형태로 형성한 것이다. 따라서, 수송 재생반응기는 반응기의 직경을 축소하면서 전열면적을 증가시켜 고체흡수제로의 신속한 전열이 가능함으로 재생반응에 소요되는 반응시간을 단축시킬 수 있다.

또한, 수송 재생반응기의 상부로 배출되어 기체성분이 분리된 고체흡수제는 저장수단을 통해 다시 수송 재생반응기에 공급하여 고체흡수제에 남아있는 잔여 CO₂를 완전 분리하게 하는 등 고체흡수제를 재생반응기와 저장수단 사이에 반복적으로 순환시켜 CO₂를 완전제거할 수 있다.

이와같은 본 발명의 CO₂회수장치는 CO₂가 완전제거된 고체흡수제를 회수반응 기로 공급하여 배가스로부터 CO₂ 의 분리효율을 증대시킬 수 있고, 고속분사에 의한 수송반응으로 열전달효율을 증대시킴은 물론 재생반응기의 작은 직경으로 인해 설치면적을 대폭적으로 줄일 수 있어 시설비도 절감시킬 수 있다.

발전소나 산업체에서 화석연료의 활용과정에서 발생된 CO₂는 직접 대기로 배출하지 않고 별도로 회수하여 처리하고 있다. 이러한 CO₂의 회수방법으로는 아민 계통의 용액을 사용하는 습식법이 있다. 상기 습식법은 발전소 또는 산업현장에서 발생된 배가스를 아민류 계통의 용액에 통과시켜 CO₂를 흡수하게 하고 재생탑에서 그 용액을 재생시키는 방식으로 이루어지나, 반응과정에서 폐수가 발생되는 문제점을 가지고 있다.

상기 습식법의 단점을 보안하기 위해 건식법이 발명되었다. 상기 건식법은 두개의 탑을 이용하여 CO₂를 분리 회수하는 방법으로, 배가스에 함유되어 있는 CO₂ 가스와 고체흡수제를 균일하게 접촉하도록 하여 CO₂ 만을 선택적으로 포집하여 회수하도록 하는 방법이다.

상기 건식법에 의한 CO₂ 회수장치는 도 3을 참조한 바와같이 고속분사에 의해 유동층을 형성하는 고체흡수제가 내포되는 상승관(Riser)인 회수반응기(1)와, 상기 회수반응기에서 배출되는 배출물의 기체와 고체성분을 분리하는 사이클론(2)과, 상기 사이클론에 의해 분리된 고체성분인 고체흡수제에 열을 가하여 흡착된 CO₂를 분리하여 고체흡수제를 재생시키는 재생반응기(3)를 포함하여 이루어져 재생반응기에서 재생된 고체흡수제를 회수반응기로 재공급하는 방법으로 구동된다.

상기 두개의 반응기에서 회수반응기는 고속분사에 의해 고체흡수제를 유동화시키고 이에 배가스를 투입함으로써 고체흡수제가 상승하면서 배가스의 CO₂를 흡착하도록 하고, 상부를 통해 배출이 이루어지도록 하고 있다.

반면, 재생반응기에서는 CO₂가 흡착된 고체흡수제에 열을 가하여 분리가 이루어지도록 한 것이므로, 회수반응기에서의 반응시간보다 긴 시간을 요구하고 있어 상기 시간동안에 고체흡수제를 보관할 수 있도록 큰 직경으로 형성된다. 또한, 재생반응기의 하부에는 상측으로 재생가스 또는 고온스팀을 공급하여 적재된 고체흡수제에 기포유동층이 형성되면서 이산화탄소의 분리배출이 이루어지도록 한다.

그러나 상기 CO₂회수장치는 발전소와 같이 큰 규모로 사용될 시에 배출되는 배기가스의 량이 크기 때문에 이에 따라 CO₂회수장치를 설계시 재생반응기의 직경이 커지고, 재생반응기에 재생가스 또는 스팀을 공급하는 펜의 압력도 증가시켜야 하는 단점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 발전소와 같이 대량의 배가스를 처리하는 CO₂회수장치에서 재생반응기를 관체 직경이 작은 상승관으로 형성하여 작은 용량의 송풍팬으로 수송시키면서 빠른시간내에 고체흡수재의 재생이 이루어지도록 하고, 일부 재생된 고체흡수제는 수송 재생반응기로 이송되어 재생과정을 반복수행하도록 하는 등 배가스로부터 CO₂의 분리효율 및 열전달효율을 증대시킴은 물론 재생반응기의 설치면적을 대폭적으 로 줄일 수 있는 CO₂회수장치를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해소하기 위한 본 발명의 수송 재생반응기를 갖는 CO₂ 회수장치는, 배가스에 포함된 CO₂를 분리제거하는 CO₂ 회수장치에 있어서, 하부에 유동화가스 분사구가 형성된 상승관으로 공급되는 유동화가스에 의해 내부에 충전된 고체흡수제가 유동화되어 일측으로 유입되는 배가스에 포함된 CO₂를 흡착분리하는 회수반응기와; 상기 회수반응기의 상부로 배출되는 배출물을 공급받아 기체성분과 고체성분을 분리하는 제1사이클론과; 상기 제1사이클론에 의해 분리된 고체성분의 고체흡수제를 하측으로 공급받아 하부에서 분사되는 유동화가스에 의해 유동화가 이루어지는 상승관으로, 내벽에는 다수의 분사노즐이 형성되어 고온의 스팀 분사로 고체흡수제에서 CO₂를 분리하는 수송 재생반응기와; 상기 고체유동층 재생반응기의 상부에서 배출되는 배출물의 기체성분인 CO₂와 재생된 고체흡수제를 분리하는 제2사이클론과; 상기 제2사이클론 하단에 저장수단으로 구성된다.

이상에서 상세히 기술한 바와 같이 본 발명의 수송 재생반응기를 갖는 CO₂ 회수장치는,

발전소와 같이 대량의 배가스를 처리하는 CO₂회수장치에서의 재생반응기를 기존의 기포유동층이 아닌 수송반응기를 이용한 상승관(Riser)형태로 형성한 것이다. 따라서, 수송 재생반응기는 반응기의 직경을 축소하면서 전열면적을 증가시켜 고체흡수제의 신속한 가열이 가능함으로 재생반응에 소요되는 반응시간을 단축시킬 수 있다.

또한, 수송 재생반응기의 상부로 배출되어 기체성분을 분리한 고체흡수제는 저장수단을 거쳐 다시 수송 재생반응기에 공급하여 고체흡수제에 남아있는 잔여 CO₂를 완전 분리할 수 있도록 할 수 있는 등 고체흡수제를 재생반응기에 반복적으로 순환시킬 수 있어 CO₂가 완전제거된 고체흡수제를 회수반응기에 공급해 배가스로부터 CO₂의 분리효율을 증대시킴은 물론 재생반응기의 작은 직경으로 인해 설치면적을 대폭적으로 줄일 수 있는 유용한 장치의 제공이 가능하게 되었다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1을 참조한 바와같이 본 발명에 따른 수송 재생반응기를 갖는 CO₂ 회수장치(10)는 발전소와 산업체에서 배출되는 대용량의 배가스에 포함되어 있는 CO₂를 처리하기 위한 장치이다.

상기 CO₂ 회수장치(10)는 배가스가 유입되는 회수반응기(20)를 구비한다. 상 기 회수반응기는 유동화가스를 분사하는 분사구가 하부에 형성된 상승관으로 상기 유동화가스에 의해 내부에 충전된 고체흡수제가 유동화 되어 상승된다. 이러한 유동화가스는 CO₂를 함유한 배가스로 사용하는 것이 바람직하며, 반응에 참여하지 않는 가스를 이용할 수도 있다. 상기 고체흡수제의 유동화로 유입된 배가스와 고체흡수제의 접촉면적이 증가되어 고체흡수제에 의한 배가스의 CO₂ 흡착 제거율이 상승된다. 상기 CO₂가 흡착된 고체흡수제와 CO₂가 제거된 배가스는 회수반응기의 상부로 상승되어 배출이 이루어진다.

상기 회부반응기(10)의 상부에서 배출되는 물질은 제1사이클론(30)으로 유입되고 기체성분과 고체성분의 분리가 이루어진다. 즉, CO₂가 제거된 배가스와 CO₂가 흡착된 고체흡수제를 분리하며, 분리된 기체성분인 CO₂가 제거된 배가스는 외부로 배출하거나, 필터링 과정을 수행한 후 배출되도록 한다.

다음으로 상기 제1사이클론(30)에 의해 분리된 고체흡수제는 수송 재생반응기(40)로 투입된다. 상기 수송 재생반응기(40)는 회수반응기(10)와 같은 상승관으로 형성하여 유동화가스의 압력에 의해 고체흡수제가 수송 재생반응기의 하부에서 상부로 상승되면서 CO₂ 분리가 이루어져 고체흡수제의 재생이 이루어지는 것이다. 이때 상기 수송 재생반응기는 반응기의 직경을 작게 변경하여 종래와 동일 또는 낮 은 유동화가스 공급량에 의해서도 반응기 내의 고체흡수제의 고속유동에 의한 상승이 이루어지도록 할 수 있다.

또한, 상기 수송 재생반응기(40)에는 고체흡수제와 이에 흡착된 CO₂의 분리가 용이하게 이루어지도록 전열수단이 더 구비된다. 상기 전열수단으로는 수송 재생반응기의 내벽 또는 외벽에 가열판을 형성하여 유입되는 고체흡수제에 열을 가한다.

상기 수송 재생반응기의 상부로 배출되는 고체흡착제와 CO₂는 제2사이클론(50)에 의해 기체성분인 CO₂와 고체성분인 고체흡착제가 분리된다. 여기서 상기 기체성분은 외부로 배출되거나 별도로 포집될 수 있으며, 수송 재생반응기의 유동화가스로 사용될 수 있다.

상기 제2사이클론(50)에서 배출된 고체성분인 고체흡착제는 저장수단(60)에 의해 저장되어 일정량씩 회수반응기(20)로 투입되어 배가스로부터 CO₂흡수 분리가 이루어지도록 한다. 이러한 저장수단으로는 루프실(Loop Seal)이나, FBHE(Fluid Bed Heat Exchanger), 실포트(Seal Pot), L-밸브, J-밸브, U-밸브 로 이루어진 군으로부터 일종 선택 사용될 수 있다.

한편, 고체흡수제를 일부 수송 재생반응기(40)로 공급하여 CO₂분리 반응이 더 이루어지도록 할 수 있다. 이 때 상기 수송 재생반응기(40)는 제1사이클론(30)을 통해 분리된 고체흡수제와 저장수단(60)에 저장된 고체흡수제를 모두 유입받아 유동화시키면서 CO₂의 분리에 의한 고체흡수제의 재생 반응이 이루어지는 것이다.

또한 순환관(70)에는 밸브(71)를 장착하여 밸브의 개폐정도에 따라 수송 재생반응기로의 고체흡수제 순환량을 조절하도록 한다.

도 2에 도시된 바와같이 상기 저장수단을 루프실(80)로 형성할 경우에는 고체흡수제가 수송 재생반응기(40)와 루프실(80) 사이를 반복적으로 순환되도록 하여 고체흡수제의 재생반응이 이루어지도록 한다. 또한, 상기 루프실 하부에 루프밸브(81)를 장착하여 루프밸브의 개폐에 의해 루프실에 포집되어 있는 고체흡수제를 회수반응기(20)로 공급하도록 할 수 있다.

상기한 바와같이 구성되는 CO₂회수장치(10)의 작동상태를 설명하면 다음과 같다.

고체흡수제가 유동화되는 회수반응기(20)의 일측으로 배가스를 유입시키면 유입된 배가스는 상부로 이동되면서 고체흡수제를 유동화시킨다. 상기 유동화되는 고체흡수제는 유동화가스인 배가스와 접촉면적이 증가되어 배가스에 포함된 CO₂를 흡착시켜 배가스로부터 CO₂ 분리가 이루어진다.

상기 반응이 완료된 배가스와 고체흡수제는 회수반응기(20)의 상부를 통해 제1사이클론(30)으로 이동되어 기체성분과 고체성분의 분리가 이루어진다.

상기 분리된 고체성분인 고체흡수제는 수송 재생반응기(40)의 하측으로 공급되고 유동화가스에 의해 상부로 이동되면서 열을 공급받아 고온상태에서 CO₂의 분리가 이루어져 고체흡수제가 재생된다.

재생이 완료된 고체흡수제와 분리된 CO₂는 수송 재생반응기(40)의 상부를 통해 제2사이클론(50)으로 공급되어 기체와 고체의 분리가 이루어진다.

아울러 저장수단(60)에는 수송 재생반응기(40)와 순환관(70)이 연통 설치되어 고체흡수제가 수송 재생반응기로 재공급하여 고체흡수제에 남아 있는 미량의 CO₂를 분리 제거하도록 한다.

상기 분리된 기체성분은 배출되고, 고체성분인 재생된 고체흡수제는 저장수단(60)에서 고체흡수제를 일정량씩 회수반응기(20)로 공급하게 되고, 회수반응기(20)에서 CO₂ 흡수가 용이하게 이루어지도록 한다. 여기서 상기 순환관(70)에는 밸브(71)를 장착하여 순환관 개폐를 조절하여 순환되는 고체흡수제의 량을 조절할 수 있다.

한편, 상기 서술한 예는, 본 발명을 설명하고자하는 예일 뿐이다. 따라서 본 발명이 속하는 기술분야의 통상적인 전문가가 본 상세한 설명을 참조하여 부분변경 사용한 것도 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 수송 재생반응기를 갖는 CO₂회수장치를 도시한 공정도.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 CO₂회수장치를 도시한 공정도.

도 3은 종래 CO₂회수장치를 도시한 공정도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : CO₂ 회수장치

20 : 회수반응기

30 : 제1사이클론

40 : 수송 재생반응기

50 : 제2사이클론

60 : 저장수단

70 : 순환관 71 : 밸브

80 : 루프실 81 : 루프밸브

90 : 열교환기

Claims (4)

1. 배가스에 포함된 CO₂를 분리제거하는 CO₂ 회수장치에 있어서,

   하부에 유동화가스 분사구가 형성된 상승관으로 공급되는 유동화가스에 의해 내부에 충전된 고체흡수제가 유동화되어 일측으로 유입되는 배가스에 포함된 CO₂를 흡착분리하는 회수반응기(20)와;

   상기 회수반응기의 상부로 배출되는 배출물을 공급받아 기체성분과 고체성분을 분리하는 제1사이클론(30)과;

   상기 제1사이클론에 의해 분리된 고체성분인 고체흡수제를 하측으로 공급받아 하부에서 분사되는 유동화가스에 의해 유동화가 이루어지는 상승관으로, 고체흡수제에서 CO₂를 재생하는 수송 재생반응기(40)와;

   상기 수송 재생반응기의 상부에서 배출되는 배출물의 기체성분인 CO₂와 고체성분인 재생된 고체흡수제를 분리하는 제2사이클론(50)과;

   상기 제2사이클론에 의해 분리된 고체흡수제를 저장하고 이를 정량씩 회수반응기로 공급하는 저장수단(60);을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 수송 재생반응 기를 갖는 CO₂ 회수장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 저장수단(60)은 루프실(Loop Seal),FBHE(Fluid Bed Heat Exchanger), 실포트(Seal Pot), L-밸브, J-밸브, U-밸브 로 이루어진 군으로부터 일종 선택 사용됨을 특징으로 하는 수송 재생반응기를 갖는 CO₂ 회수장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 저장수단(60)과 수송 재생반응기(40) 사이에는 밸브(71)를 갖는 순환관(70)을 더 설치하여 고체흡수제를 수송 재생반응기로 공급하여 CO₂ 분리과정이 더 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 수송 재생반응기를 갖는 CO₂ 회수장치
4. 제1항에 있어서,

   상기 저장수단(60)은 루프실(80)로 구성하여 임시 저장된 고체흡수제를 수송 재생반응기(40)로 공급하여 순환이 이루어지도록 하고, 상기 루프실의 하부에는 루프밸브(81)를 장착하여 회수반응기(20)로의 고체흡수제 공급량을 조절하도록 한 것을 특징으로 하는 수송 재생반응기를 갖는 CO₂ 회수장치

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