KR20110051596A - 이산화탄소 흡수제의 열화물 처리장치 및 그 처리방법 - Google Patents

이산화탄소 흡수제의 열화물 처리장치 및 그 처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이산화탄소 흡수제 열화물의 처리장치 및 처리방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 이산화탄소 흡수제를 장기간 사용할 때 발생되는 열화물내에 포함되어 있는 불순물을 증발시켜 제거하고 불순물이 제거된 열화물에 첨가제를 주입하여 이산화탄소 흡수성능을 개선시키기 위한 이산화탄소 흡수제 열화물의 처리장치 및 처리방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제 열화물 처리장치 및 처리방법에 의하면 액상 열화물을 반응기 표면에 박막화시켜 공급함으로써 액상 염화물과 반응기 표면과의 접촉면적을 극대화 시켜 불순물에 대한 처리효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 또한 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제 열화물 처리장치 및 처리방법에 의하면 불순물이 제거된 열화물에 첨가제를 넣음으로서 이산화탄소를 흡수할 때 흡수능력을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이산화탄소, 흡수제, 열화물, 박막증발기, 첨가제

Description

이산화탄소 흡수제의 열화물 처리장치 및 그 처리방법{Equipment for treating degradant of carbon dioxide absorber and the treating method}
본 발명은 이산화탄소 흡수제 열화물의 처리장치 및 처리방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 이산화탄소 흡수제를 장기간 사용할 때 발생되는 열화물내에 포함되어 있는 불순물을 증발시켜 제거하고 불순물이 제거된 열화물에 첨가제를 주입하여 이산화탄소 흡수성능을 개선시키기 위한 이산화탄소 흡수제 열화물의 처리장치 및 처리방법에 관한 것이다.
산업공정에서 배출되는 오염 가스 중 이산화탄소이외의 산성가스와 기타 요인에 의해 아민 흡수제가 반응하여 장치부식, 흡수와 재생탑 내에서의 포밍(forming)과 파울링(fouling), 이산화탄소 흡수용량감소, 흡수제 재생 시 높은 에너지 소비, 필터교환주기 단축 및 아민의 CO2 흡수 불안정과 같은 문제점이 발생한다. 또한 생성된 탄화수소의 분리가 필요하며 이산화탄소를 분리하여 회수하는 비용이 증가하게 된다.
열안정성염의 효과적인 처리를 위해서는 분석기술 뿐만 아니라, 에너지 소비 가 적은 고 순도의 아민 정제 시스템 등과 같은 핵심기술의 확보가 필수적이다 또한 아민의 열안정성염을 저 에너지 및 고순도로 효율적으로 분리하기 위해서는 공정 분석을 통해 저온의 폐열을 활용하는 기술과 반응기와 열안정성염과의 접촉면적을 극대화하는 기술이 필요하다.
종래로부터 산업용 가스에서 발생되는 H2S를 제거하기 위한 연구개발이 진행되어 왔으며, 최근에는 양이온 교환기를 이용하여 열화물을 처리하는 기술에 대한 다음과 같은 연구들이 진행되고 있다.
미국특허 US 5,043,075호는 셀룰로스공정에서 얻어진 폐기물로부터 아민을 제거하는 방법에 관한 것으로 아민수용액을 카르복실그룹으로 구성된 양이온 교환기와 접촉시키고, 하전된 양이온 교환기는 약산의 수용액으로 처리한 후 증류에 의해 아민으로부터 약산을 분리하는 방법에 관한 것이다.
미국특허 US 5,053,137호는 Sulfolane 공정의 오염물의 정제를 위한 방법에 관한 것으로 첫 번째로 양이온 교환수지를 포함한 컬럼과 두 번째로 음이온 교환수지를 포함한 컬럼을 사용하여 오염물을 제거하는 방법에 관한 것이다.
한국특허 10-0351108호는 증류에 의해 분리한 저수분 아민 상을 CaO 또는 KOH로 탈수소화한 후, 정류에 의해 순순한 아민 유분을 분리하는 방법에 관한 것이며, 한국특허 10-0722942는 양이온교환수지를 이용하여 1, 2차 증류단계를 거쳐 폐수에 함유된 에탄올아민을 회수하는 방법에 관한 것이다.
한국특허 10-0722929호는 에탄올아민을 포획한 양이온 교환수지를 가성소다 로 재생하고 폐수를 농축 감량 시킨 후, 고농도화 된 에탄올아민 폐수를 생물학적 분해 및 탈질소화 공정을 통하여 처리하는 방법에 관한 것이고, 한국특허 10-0511088는 증류탑으로 이송하는 과정에서 라인믹서를 이용하여 강알카리와 폐수를 혼합함으로서 CO2만을 선택적으로 제거하는 기술에 관한 것이다.
이 방법들은 양이온 교환수지를 이용하는 기술로 발생되는 열화물을 근본적으로 처리하는 것이 아니라 단지 열화물을 필터를 이용하여 여과 처리하는 기술로 열화물을 재생 처리하는 것과는 다른 개념이다. 또한 처리된 열화물은 새로운 흡수제에 비해 이산화탄소를 흡수할 때 흡수 능력이 떨어지는 문제가 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 이산화탄소 흡수제의 액상 열화물을 박막증발장치 내에서 증발시켜 열화물 내에 포함되어 있는 불순물을 제거할 수 있는 이산화탄소 흡수제의 열화물 처리장치를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 이산화탄소 흡수제의 액상 열화물을 박막증발장치 내에서 증발시켜 불순물이 제거된 액상 열화물을 회수하여 첨가제를 주입함으로써 열화물의 이산화탄소 흡수성능을 향상시킬 수 있는 이산화탄소 흡수제의 열화물 처리방법을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제의 열화 물 처리장치는, 이산화탄소 흡수제의 액상 열화물을 박막증발장치 내에서 증발시켜 열화물 내의 불순물을 처리하는 것을 특징으로 하며, 상기 박막증발장치는 액상 열화물 저장조, 증발반응부 및 진공펌프를 구비한다. 이때 상기 증발반응부는 상기 액상 열화물의 증발 반응이 진행되는 반응기, 상기 반응기에 열을 공급하는 열공급부, 상기 액상 열화물을 상기 반응기 표면에 박막화시켜 공급하는 날개부 및 상기 반응기에서 기화된 증기를 응축시키는 내부응축기를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제의 열화물 처리방법은, 이산화탄소 흡수제의 액상 열화물을 박막증발장치 내에 주입하는 단계, 상기 박막증발장치 내에서 상기 액상 열화물을 증발시키는 단계, 상기 증발된 기체를 외부로 배출시키는 단계 및 상기 증발되지 않고 응축된 액상 열화물을 회수하는 단계;를 구비하며, 상기 회수된 액상 열화물의 이산화탄소 흡수성능을 향상시키기 위해 첨가체를 주입하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제의 열화물 처리장치 및 처리방법에 의하면 액상 열화물을 반응기 표면에 박막화시켜 공급함으로써 액상 염화물과 반응기 표면과의 접촉면적을 극대화 시켜 불순물에 대한 처리효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제 열화물 처리장치 및 처리방법에 의하면 불순물이 제거된 열화물에 첨가제를 넣음으로서 이산화탄소를 흡수할 때 흡수능력을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제의 열화물 처리장치의 개략도이다.
도 1을 참고하면 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제의 열화물 처리장치는 이산화탄소 흡수제의 액상 열화물을 박막증발장치 내에서 증발시켜 열화물 내의 불순물을 처리하는 것으로, 액상 열화물을 저장하는 액상 열화물 저장조(110), 상기 액상 열화물 저장조로부터 유입된 상기 액상 열화물을 증발키는 증발반응부(120) 및 상기 증발반응기 내에서 증발된 기체를 외부로 배출시키는 진공펌프(130)를 구비한다.
상기 증발반응부(120)는, 상기 액상 열화물의 증발 반응이 진행되는 반응기(121), 상기 반응기에 열을 공급하는 열공급부(122), 상기 액상 열화물을 상기 반응기 표면에 박막화시켜 공급하는 날개부(123) 및 상기 반응기에서 기화된 증기를 응축시키는 내부응축기(124)를 구비한다.
한편, 상기 증발반응부는 상기 내부응축기에서 응축된 고비점의 액상 열화물을 저장하는 응축 열화물 저장조(125)를 더 구비하는 것이 바람직하다.
또한 상기 증발반응부에서 증발된 저비점의 불순물은 외부응축기(126)에서 응축되어 외부저장조(127)에서 1차 저장되고 이는 다시 응축 열화물 저장조(125)에 저장된다.
또한 진공펌프를 통해 상기 증발반응기 내에서 증발된 기체를 외부로 배출시키기 전에 외부저장조(127)에 포함된 수분 등의 이물질을 제거하기 위한 필 터(128)를 구비하는 것이 더욱 바람직하다.
도 2는 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제의 열화물 처리장치의 날개부의 확대도로, 도 2의 (a)는 날개부의 정면도이고 도 2의 (b)는 날개부의 측면도이다.
도 2를 참고하면 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제의 열화물 처리장치의 날개부는 액상 열화물 중의 불순물을 반응기표면과의 접촉 비표면적을 증대 시켜 줌으로서 용이하게 불순물이 제거 되도록 구성되어 있으며, 또한 증발하지 않고 남아 있는 액체를 반응기 하단으로 원활하게 이송시켜주는 역할을 함을 알 수 있다.
즉, 날개부(123)에 열화물 통로의 홈(123b)을 만들어 액상 열화물이 위에서 아래로 용이하게 흐르도록 통로를 형성하고, 도 1에 도시된 회전모터(129)를 동작시켜 회전축(123a)을 회전시키면, 상기 열화물 통로의 홈(123b)을 통해 액상흡수제가 반응기(121) 벽면을 따라 흐르면서 액상 열화물이 박막화된다.
도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 상기 날개부의 날개는 비스듬하게 경사지게 형성됨으로써 액상 열화물이 열화물 통로의 홈을 따라 아래로 흘러내려가게 된다.
상기 열화물 통로의 홈(123b)의 반대편에는 스프링을 장착할 수 있는 스프링 홈(123c)이 별도로 형성되어 있다. 상기 스프링 홈(123c)에 장착된 스프링(123d)의 강도에 따라 반응기의 벽면에 형성되는 액상 열화물의 박막 두께를 조절할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제의 열화물 처리장치의 내부응축기의 확대도이다.
도 3을 참고하면 증발된 기체를 효과적으로 응축시키기 위해 냉각수 유입 구(124a) 및 냉각수 유출구(124b)를 통해 냉각수를 유입 및 유출시킴으로써 반응기(121) 벽면에서 증발된 불순물은 내부응축기(124)의 표면에서 액상으로 변하여 반응기(121) 하단의 응축 열화물 저장조(125)로 흘러들어가게 되어 기체의 응축 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
도 4는 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제의 열화물 처리방법의 공정 흐름도이다.
도 4를 참고하면 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제의 열화물 처리방법은 이산화탄소 흡수제의 액상 열화물을 박막증발장치 내에 주입하는 단계(S100), 상기 박막증발장치 내에서 상기 액상 열화물을 증발시키는 단계(S200), 상기 증발된 기체를 외부로 배출시키는 단계(S300) 및 상기 증발되지 않고 응축된 액상 열화물을 회수하는 단계(S400)를 구비한다.
한편, 상기 회수된 액상 열화물의 이산화탄소 흡수성능을 향상시키기 위해 첨가체를 주입하는 단계(S500)를 더 구비하는 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제의 열화물 처리방법에 따라 처리된 열화물의 이산화탄소 흡수능력을 향상시키기 위해 첨가제를 넣고 운전한 결과를 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제의 열화물 처리방법에 따라 처리된 열화물의 이산화탄소 흡수속도를 향상시키기 위해 첨가제를 넣고 운전한 결과를 나타낸 도면이다.
도 5를 참고하면 열화물을 처리하기 전과 처리 후 첨가제를 넣고 이산화탄소 흡수능력을 측정한 결과 40%이상 성능이 향상된 것을 알 수 있으며, 도 6을 참고하 면 열화물을 처리하기 전과 처리 후 첨가제를 넣고 이산화탄소 흡수속도를 측정한 결과 흡수속도가 40%이상 성능이 개선된 것을 알 수 있다.
실시예 1
정유공장에서 연도를 통해 배출되는 연소배가스 중 이산화탄소를 선택적으로 포집하기 위해 유기용제로서 25wt% 모노에탄올아민(MEA)를 사용하였고, 이 유기용제이외에 장치 부식방지제, forming 방지제를 첨가하였다. 장기간 이산화탄소 포집공정을 운전하면 유기용제(MEA)의 일부분은 열화되어 리크레이머를 통해 배출되며 이를 회수하여 실험을 수행하였다. 열화물 처리를 위해 박막증발장치를 사용하였으며 반응기 가열원으로 전기히타를 사용하였고 가열온도는 80-120℃, 진공은 -760mmHg, 날개 회전속도는 50rpm, 내부응축기의 온도는 0℃의 조건으로 운전하여 이 때 회수 가능량을 확인하였다.
아래의 표 1은 박막증발장치를 운전한 결과를 나타내는 표이고 표 2는 열화물 중 무기물의 함량을 나타내는 표이다.
Figure 112009069067607-PAT00001
Figure 112009069067607-PAT00002
실시예 2
실시예 1에서 회수된 열화물을 이용하여 20wt% 열화물과 첨가제로서 10wt% 피페라진을 반응기에 넣고 60℃에서 이산화탄소 흡수능력과 흡수속도에 대한 실험을 수행함으로서 박막증발장치를 이용해 처리된 열화물에 성능을 평가하였고 그 결과는 도 5와 도 6에 도시되어 있다.
상기 살펴본 바와 같이 산업공정에서 발생되는 열화물을 소각처리하는 비용이 100US$/톤 (0.2US$/t-CO2 recovered)의 추가 경비가 필요하고, 소각 시 2차 오염원이 발생이 하는데 비해 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제 열화물 처리장치 및 처리방법에 의하면 이러한 처리 비용을 최소할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제 열화물 처리장치 및 처리방법에 의하면 청정 대기환경 구축 및 고효율 고순도 아민 정제 장치의 소형화로 인해 전체 CO2분리회수를 위한 비용의 약 12%를 절감할 수 있는 효과가 있다. 또한 고효율 아민 정제 기술은 화석연료의 전처리 공정, CO2의 회수 후처리 공정, 청정에너지 생산 및 관련 산업에 미치는 파급효과가 매우 크다.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
도 1은 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제의 열화물 처리장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제의 열화물 처리장치의 날개부의 확대도이다.
도 3은 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제의 열화물 처리장치의 내부응축기의 확대도이다.
도 4는 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제의 열화물 처리방법의 공정 흐름도이다.
도 5는 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제의 열화물 처리방법에 따라 처리된 열화물의 이산화탄소 흡수능력을 향상시키기 위해 첨가제를 넣고 운전한 결과를 나 타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수제의 열화물 처리방법에 따라 처리된 열화물의 이산화탄소 흡수속도를 향상시키기 위해 첨가제를 넣고 운전한 결과를 나타낸 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110 : 액상 열화물 저장부 120 : 증발반응부
121 : 반응기 122 : 열공급부
123 : 날개부 124 : 내부응축기
125 : 응축 열화물 저장조 126 : 외부응축기
130 : 진공펌프

Claims (9)

  1. 열화물 처리장치에 있어서,
    이산화탄소 흡수제의 액상 열화물을 박막증발장치 내에서 증발시켜 열화물 내의 불순물을 처리하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수제의 열화물 처리장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 박막증발장치는
    액상 열화물을 저장하는 액상 열화물 저장조;
    상기 액상 열화물 저장조로부터 유입된 상기 액상 열화물을 증발키는 증발반응부; 및
    상기 증발반응부 내에서 증발된 기체를 외부로 배출시키는 진공펌프를 구비하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수제의 열화물 처리장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 증발반응부는
    상기 액상 열화물의 증발 반응이 진행되는 반응기;
    상기 반응기에 열을 공급하는 열공급부;
    상기 액상 열화물을 상기 반응기 표면에 박막화시켜 공급하는 날개부; 및
    상기 반응기에서 기화된 증기를 응축시키는 내부응축기;를 구비하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수제의 열화물 처리장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 증발반응부는
    상기 내부응축기에서 응축된 액상 열화물을 저장하는 응축 열화물 저장조를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수제의 열화물 처리장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 증발반응부는
    상기 반응기에서 증발된 기체가 포집되어 응축되는 외부응축기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수제의 열화물 처리장치.
  6. 열화물 처리방법에 있어서,
    이산화탄소 흡수제의 액상 열화물을 박막증발장치 내에 주입하는 단계;
    상기 박막증발장치 내에서 상기 액상 열화물을 증발시키는 단계;
    상기 증발된 기체를 외부로 배출시키는 단계; 및
    상기 증발되지 않고 응축된 액상 열화물을 회수하는 단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수제의 열화물 처리방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 회수된 액상 열화물의 이산화탄소 흡수성능을 향상시키기 위해 첨가체를 주입하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수제의 열화물 처리방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 첨가제는
    피페라진 유도체인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수제의 열화물 처리방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 피페라진 유도체는
    피페라진, 아미노에틸피페라진, 히드록시에틸피페라진, 2-(3-파이롤리딜)피페라진, 3-(3-피페리딜), 3-(2-피페아지닐)피페라딘, 또는 2-(2-피페라지닐)피페라진 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수제의 열화물 처리방법.
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