KR20110054273A - 암모니아수를 이용한 이산화탄소 포집 공정에서 배출되는 가스 내의 미량 암모니아를 제거하는 장치 - Google Patents

암모니아수를 이용한 이산화탄소 포집 공정에서 배출되는 가스 내의 미량 암모니아를 제거하는 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 화석연료 연소 배가스에서 이산화탄소를 분리하는 암모니아수를 이용한 이산화탄소 포집공정에서 이산화탄소가 제거된 배출가스 내에 들어 있는 미량의 암모니아를 효율적으로 제거하는 장치에 관한 것이다.
이러한 본 발명의 암모니아수를 이용한 배가스 이산화탄소 포집 공정에서 배출되는 가스 내의 미량 암모니아를 제거하는 장치는 암모니아수를 이용하여 배기가스로부터 이산화탄소를 선택적으로 흡수하기 위한 흡수탑과 ; 이산화탄소가 흡수된 이산화탄소 함유 암모니아수에서 이산화탄소를 탈기시키기 위한 탈거탑과 ; 상기 흡수탑으로부터 증발된 기체상의 암모니아를 포집하여 암모니아 회수탑으로 보내거나 배출시키는 세정탑과 ; 상기 세정탑과 상기 탈거탑 상단에서 기체상에 들어 있던 증발된 암모니아를 포집한 암모니아수를 가열하여 암모니아 기체와 물로 분리하여 암모니아를 회수하는 암모니아 회수탑과 ; 상기 세정탑에서 포집되지 않고 배출가스로 유출되는 암모니아를 황산과 반응시켜 처리하는 암모니아 회수장치로 구성되고, 상기 암모니아 회수장치는 이산화탄소가 제거된 배가스가 공급되는 관과 ; 상기 관을 통해 공급되는 배가스 내 포함된 암모니아를 황산용액과 반응시켜 황산암모늄이 석출되게 하는 반응기와 ; 상기 반응기에 황산을 공급하는 황산공급수단과 ; 상기 황산공급수단을 통해 공급되는 황산의 농도가 일정하게 유지되게 물을 공급하는 물공급수단을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
암모니아 회수, 폴리싱, 황산, 이산화탄소, 포집

Description

암모니아수를 이용한 이산화탄소 포집 공정에서 배출되는 가스 내의 미량 암모니아를 제거하는 장치{Apparatus for removing trace of ammonia in off-gas of aqueous ammonia process to capture carbon dioxide}
본 발명은 이산화탄소가 포함된 혼합가스로부터 암모니아수를 이용한 이산화탄소 흡수분리공정에서 이산화탄소가 제거된 배출가스로 딸려 나가는 미량의 암모니아를 제거하는 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 암모니아수를 이용한 이산화탄소 포집장치에서 적은 양의 물을 사용하여 암모니아 손실을 방지하고 포집장치에서 배가스에 포함되어 유출되는 암모니아를 비가역성 화학반응을 이용하여 제거함으로써 배출가스 내의 암모니아 함량을 최소화시키는 암모니아수를 이용한 이산화탄소 포집공정에서 배출되는 가스 내의 미량 암모니아를 제거하는 장치에 관한 것이다.
최근 지구 온난화 현상에 대한 심각성이 인식되기 시작하면서 세계 각국은 온 가스에 대한 대책 마련에 부심하고 있으며, 이러한 지구 온난화의 가장 큰 요인 중의 하나가 이산화탄소이다.
이러한 이산화탄소는 화석연료의 연소 시 발생되는 것으로 이산화탄소를 포집 또는 분리하기 위한 방법으로는 흡수법이 많이 사용되고 이러한 흡수방법에는 물리적 흡수법과 화학적 흡수법이 있다.
화학적 흡수법에는 이산화탄소에 대해 흡수성이 뛰어난 아민 용액을 흡수제로 선택하여 흡수탑에서 이산화탄소를 화학적으로 흡수한 후 탈거탑에서 온도를 변화시켜 분리하는 흡수법이 있으나, 이렇게 아민을 흡수제로 사용할 경우 에너지 사용량이 많고 배가스 내의 산성가스에 의한 흡수제의 성능저하 산소에 의한 열화와 같은 단점이 있으며, 흡수제인 아민의 가격이 상당히 높다.
최근에 들어 암모니아수를 흡수제로 이용한 방법이 많이 연구되고 있으며 대규모 실증이 이루어지고 있다.
암모니아수는 모노 에탄올 아민(MEA) 수용액에 비하여 이산화탄소 흡수량은 약 3배이며 재생열은 약 1/3이므로 암모니아수를 이산화탄소 흡수제로 사용할 경우 장치의 규모가 작아지고 에너지 사용량이 감소할 수 있다. 또한 암모니아수의 경우에 가격이 아민의 1/10에 불과하며 배가스 내의 산성가스에 의한 흡수제의 성능저하가 없으며, 산소에 의한 열화도 없는 장점이 있다.
그러나 암모니아의 증기압이 높아 별도의 세정장치가 없으면 흡수탑 상단에서 유출되는 암모니아의 양이 상당하며, 암모니아는 전 세계적으로 규제가스에 해당되어 청정 이산화탄소 포집시설의 구현이 어렵다.
따라서 유출되는 암모니아를 물을 이용하여 세정하고 이에 사용된 물을 가열하여 암모니아를 회수하고 암모니아가 제거된 물을 암모니아세정에 다시 사용하는 방법과 장치가 개발된 바 있다.
이러한 기술은 본 출원인에 의해 개발된 것으로 특허 제10-70399호 및 제10-0836709호 등이 있다.
이들은 배가스로부터 분리된 이산화탄소와 이산화탄소가 제거된 배가스에 함유된 암모니아를 제거하기 위한 수단으로 암모니아 세정탑(또는 흡수탑)과 세정된 암모니아의 회수를 위한 암모니아 회수탑 등으로 구성되어 있으며, 이렇게 구성된 암모니아 세정탑은 암모니아 유출 규제치를 만족시키기 위하여 많은 양의 물을 공급하여 암모니아의 제거율을 높혀야 하고, 이에 따라 암모니아 회수를 위한 암모니아 회수탑에서의 에너지가 많이 소요되어 이산화탄소 포집공정의 에너지 효율이 낮아지는 문제가 있었다.
또한, 이러한 방법은 처리된 배가스 내의 미량의 암모니아를 제거하는데 한계가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로써, 처리된 배가스 내에 포함된 미량의 암모니아를 화학적 비가역반응을 통해 효율적으로 제거하고 이산화탄소 포집장치에서 순환되는 물의 양을 줄일 수 있는 암모니아수를 이용한 배가스 이산화탄소 포집공정에서 배출되는 가스 내의 미량 암모니아를 제거하는 장치를 제공함을 목적으로 한다.
이러한 본 발명에 따른 암모니아수를 이용한 배가스 이산화탄소 포집공정에서 배출되는 가스 내의 미량 암모니아를 제거하는 장치는 암모니아수를 이용하여 배기가스로부터 이산화탄소를 선택적으로 흡수하기 위한 흡수탑과 ; 상기 흡수탑에 서 유출되는 암모니아를 세정하기 위한 암모니아 세정탑 ; 이산화탄소가 흡수된 암모니아수에서 이산화탄소를 탈기시키기 위한 탈거탑과 ; 암모니아 세정탑과 탈거탑 상단에서 생산된 암모니아수를 암모니아 기체와 물로 분리하여 암모니아를 회수하는 암모니아 회수탑 ; 상기 암모니아 세정탑으로부터 배출되는 암모니아를 황산과 반응시켜 처리하는 암모니아 제거장치로 구성되며, 상기 암모니아 제거장치는 이산화탄소가 제거된 배가스가 공급되는 관과 ; 상기 관을 통해 공급되는 배가스 내 포함된 암모니아를 황산용액과 반응시켜 황산암모늄이 석출되게 하는 반응탱크와 ; 상기 반응탱크에 황산을 공급하는 황산공급수단과 ; 상기 황산공급수단을 통해 공급되는 황산의 농도가 일정하게 유지되게 물을 공급하는 물공급수단을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
본 발명은 암모니아수를 이용한 이산화탄소 포집장치에서 배출되는 배가스 내에 포함된 미량의 암모니아를 상온에서 황산과 반응시켜 황산암모늄으로 석출할 수 있게 함으로써 휘발되어 날아가는 암모니아의 처리에 소요되는 물과 에너지를 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 이렇게 제거된 황산암모늄을 비료 등의 원료로 사용할 수 있게 함으로써 암모니아 처리에 소요되는 비용을 절감할 수 있는 효과도 있다.
이하, 본 발명에 따른 암모니아수를 이용한 배가스 이산화탄소 포집 공정에서 배출되는 가스 내의 미량 암모니아를 제거하는 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 암모니아 제거장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 암모니아 제거장치를 구비한 이산화탄소 포집 시스템의 구성도이다.
먼저, 본 발명에 따른 암모니아 제거장치는 암모니아를 황산과 반응시켜 황산암모늄으로 석출할 수 있게 하기 위한 장치로서, 도 1에 도시한 바와 같이, 암모니아가 공급되는 암모니아 공급관(1)과 ; 상기 공급관(1)을 통해 공급되는 암모니아에 황산용액을 분사하여 암모니아가 황산과 반응하여 황산암모늄이 석출되게 하는 암모니아 반응기(2)와 ; 상기 암모니아 반응기(2)에 황산을 공급하는 황산공급수단(3)과 ; 상기 황산공급수단(3)을 통해 공급되는 황산의 농도가 일정하게 유지되게 물을 공급하는 물공급수단(4)을 포함하여 구성된다.
이렇게 구성된 암모니아 제거장치는 도 2에 도시한 바와 같이 구성된 암모니아수를 이용한 배가스 이산화탄소 포집 시스템에 설치되어 사용되며, 이러한 암모니아수를 이용한 배가스 이산화탄소 포집 시스템은 암모니아수를 이용하여 배가스로부터 이산화탄소를 선택적으로 흡수하기 위한 흡수탑(20)과 ; 이산화탄소가 흡수된 이산화탄소 함유 암모니아수에서 이산화탄소를 탈기시키기 위한 탈거탑(30)과 ; 암모니아 세정탑과 탈거탑 상단에서 생산된 암모니아수를 암모니아 기체와 물로 분리하여 암모니아를 회수하는 암모니아 회수탑(40)과 ; 상기 흡수탑(20)으로부터 휘발되는 기체상의 암모니아를 포집하여 상기 농축탑(40)으로 보내거나 배출시키는 세정탑(50)과 ; 상기 세정탑(50)으로부터 배출되는 암모니아를 황산과 반응시켜 처리하는 암모니아 제거장치(10)로 구성된다.
상기한 바와 같이 구성된 암모니아 제거장치는 도 1에 도시한 바와 같이 상하로 길게 설치된 암모니아 반응탱크(2)의 하부를 관통하여 상기 암모니아 공급관(1)이 설치되어 있어 암모니아는 반응탱크(2)의 내부 하부로 공급되고, 황산공급수단(3)과 물공급수단(4)에 의해 공급되어 황산이 희석된 황산용액은 반응탱크(2)의 상부로 공급되어 하부로 공급되는 암모니아가 포함된 배가스에 뿌려져 암모니아와 황산이 반응하여 황산암모늄이 생성되는 것이다.
이렇게 황산용액을 반응기(2)의 상부로 공급하기 위하여 상기 암모니아 제거장치의 반응기(2)의 일측에는 순환관(6)이 설치되고, 상기 순환관(6)에는 상기 반응기(2)의 하부에 고인 황산용액을 반응기(2) 상부로 공급하기 위한 순환펌프(61)가 설치되어 있다.
또한, 위와 같이 구성된 암모니아 제거장치를 구성하는 반응기(2)에는 하부로 공급되는 암모니아가 상부로 배출되는 것을 막아 포집하기 위한 충진물(5)이 설치되어 있다.
상기 황산공급수단(3)은 상기한 바와 같이 반응기(2)에서 암모니아와 반응하는 황산을 반응기(2)에 공급하기 위한 수단으로 황산이 저장된 황산용기(31)와 ; 상기 황산용기로부터 반응탱크(2)로 황산을 공급하는 황산공급관(3a)의 중단에 설치되어 황산을 반응기로 이송하는 황산펌프(32)와 ; 상기 반응기(2)에 저장된 황산용액의 산성도를 감지하여 황산펌프의 구동을 제어하는 pH메터(33)로 구성된다.
이렇게 구성된 황산공급수단(3)은 상기 pH메터(33)에서 반응기(2)의 저면에 저장된 황산용액의 산성도를 측정하여 일정한 산성도 이하의 산성도가 측정되면 황 산펌프(32)를 구동시켜 황산이 반응기의 내부에 공급되게 한다.
즉, 반응기(2)의 저면에 저장된 황산용액의 산성도가 낮다는 것은 황산용액에 포함된 황산이 적어 암모니아와 반응할 황산이 없다는 것이고, 이에 따라 황산을 더 공급하여 암모니아와 반응할 수 있는 황산의 양을 늘리는 것이다.
상기 물공급수단(4)은 황산용액의 양을 감지하여 충분한 양의 황산용액이 반응기(2) 내에 저장된 상태를 유지하게 하기 위한 것으로 황산용액이 상기 순환관(6)을 통하여 반응기(2)의 상부로 순환하여 암모니아와 반응하게 되며, 황산용액이 충분치 않을 경우 암모니아와 황산의 반응이 줄어 암모니아의 제거율이 적어지므로 충분한 양의 황산용액을 유지하고 있어야 하는 것이다.
이에 따라 상기 물공급수단(4)은 물탱크와 연결된 물 공급관(4a)의 중간에 물을 흐름을 단속하는 밸브(41)를 설치하고, 상기 반응기(2)에 저장된 황산용액의 수위를 감지하여 밸브의 개폐를 제어하는 수위센서(42)를 설치하여 수위에 따라 공급되는 물의 양이 자동으로 조절되게 하였다.
물론, 황산용액의 산성도가 지나치게 높을 때에도 물을 더 공급할 수 있고, 이는 상기 황산공급수단(3)을 구성하는 pH메터(33)에서 감지된 산성도에 따라 상기 밸브(41)를 개폐시켜 물의 공급량을 조절할 수 있는 것이다.
또한, 상기 반응기(2)의 저면에는 암모니아와 황산이 반응하여 석출된 황산암모늄을 제거하기 위한 황산암모늄 제거용기(7)가 설치되어 있으며, 상기 황산암모늄 제거용기(7)의 하부에는 황산암모늄을 외부로 배출시키기 위한 배출밸브(미도시)를 더 설치하여 구성할 수 있다.
상기와 같이 구성된 암모니아 제거장치를 구비한 이산화탄소 포집 시스템은 본 출원인에 의해 특허된 상기 특허 제10-0836709호의 구성과 동일 또는 유사하나 이해를 돕기 위해 부연 설명하면 아래와 같다.
상기 흡수탑(20)은 암모니아 수용액에 이산화탄소가 흡수되게 하기 위한 것으로 상부로 암모니아 수용액이 공급되고 하부로는 이산화탄소가 함유된 혼합가스가 유입되어 공급되는 암모니아 수용액에 이산화탄소가 흡수된다.
즉, 상부로 공급되는 암모니아 수용액이 하부로 흐르면서 이산화탄소를 암모니아 수용액에서 흡수하게 된다.
이렇게 이산화탄소를 흡수한 암모니아 수용액은 상기 탈거탑(30)으로 보내지고, 탈거탑(30)에서 이산화탄소만이 탈거되어 고순도 이산화탄소를 생산한다.
상기 탈거탑(30)은 이산화탄소가 흡수된 암모니아 수용액을 가열하여 이산화탄소를 탈거시킨다.
상기 세정탑(50)은 암모니아를 포집하기 위한 장치로 상기 흡수탑(20)에서 휘발되어 배출되는 암모니아를 포집하고, 세정탑에서 암모니아 기체를 포집한 저농도 암모니아수는 상기 암모니아 회수탑(40)으로 공급되어 암모니아 기체와 물로 분리되어서 암모니아 기체는 탈거탑 하부로 보내고 암모니아가 제거된 물은 세정탑(50)으로 공급된다.
탈거탑(30)에서 이산화탄소가 제거된 암모니아수는 다시 흡수탑(20)으로 공급되어 이산화탄소를 흡수하게 된다.
즉, 본 발명의 이산화탄소 포집 시스템에 의한 이산화탄소 포집 과정에서 이 산화탄소는 도 2에 도시한 바와 같이 점선을 따라 순환하여 포집되고, 암모니아는 일점 쇄선방향으로 순환하여 이산화탄소를 흡수하고 재생되며, 이러한 과정에 의해 이산화탄소의 포집이 종료된 후에는 실선의 방향으로 암모니아가 전달되어 암모니아 제거장치로 제공되어 암모니아가 제거된다.
즉, 상기한 바와 같이 본 발명에 따른 암모니아 제거장치(10)로 공급되어 황산과 반응하여 황산암모늄으로 석출되고 이렇게 석출된 황산암모늄은 비료 공장 등에 제공되어 비료의 원료로 사용되게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 암모니아 제거장치의 구성도이고,
도 2는 본 발명에 따른 이산화탄소 포집 공정의 구성도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호 설명*
1 : 공급관
2 : 반응기
3 : 황산공급수단 3a : 황산공급관
31 : 황산용기 32 : 황산펌프 33 : pH메터
4 : 물공급수단 4a : 물공급관
41 : 밸브 42 : 수위센서
5 : 충진물
6 : 물순환관
61 : 순환펌프
7 : 황산암모늄 제거용기
10 : 암모니아 제거장치
20 : 흡수탑
30 : 탈거탐
40 : 암모니아 회수탑
50 : 세정탑
60 : 열교환기

Claims (6)

  1. 암모니아수를 이용하여 배기가스로부터 이산화탄소를 선택적으로 흡수하기 위한 흡수탑(20)과 ; 이산화탄소가 흡수된 이산화탄소 함유 암모니아수에서 이산화탄소를 탈기시키기 위한 탈거탑(30)과 ; 상기 흡수탑(20)으로부터 증발된 기체상의 암모니아를 포집하는 세정탑(50)과 ; 상기 세정탑(50)과 탈거탑(30) 상단에서 생산된 암모니아수에서 암모니아 기체와 물을 분리하여 암모니아를 회수하는 암모니아 회수탑(40)과 ; 상기 세정탑(50)에서 포집되지 않고 배출되는 암모니아를 제거하는 암모니아 제거장치(10)를 포함하여 구성된 암모니아수를 이용한 배가스 이산화탄소 포집 공정에서 배출되는 가스 내의 미량 암모니아를 재거하는 장치에 있어서,
    상기 암모니아 제거장치(10)는
    암모니아가 공급되는 암모니아 공급관(1)과 ;
    상기 공급관(1)을 통해 공급되는 암모니아에 황산용액을 분사하여 암모니아가 황산과 반응하여 황산암모늄이 석출되게 하는 암모니아 반응기(2)와 ;
    상기 암모니아 반응기(2)에 황산을 공급하는 황산공급수단(3)와 ;
    상기 황산공급수단(3)를 통해 공급되는 황산의 농도가 일정하게 유지되게 물을 공급하는 물공급수단(4)을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 배가스 이산화탄소 포집 공정에서 배출되는 가스 내의 미량 암모니아를 제거하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응기(2) 내부에는 내부로 공급되는 암모니아가 상부로 배출되는 것을 방지하기 위해 충진물(5)이 설치됨을 특징으로 하는 배가스 이산화탄소 포집 공정에서 배출되는 가스 내의 미량 암모니아를 제거하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응기(2)의 일측에는 순환관(6)이 설치되고, 상기 순환관(6)에는 상기 반응기(2)의 하부에 고인 황산용액을 반응기(2) 상부로 공급하기 위한 순환펌프(61)가 설치됨을 특징으로 하는 배가스 이산화탄소 포집 공정에서 배출되는 가스 내의 미량 암모니아를 제거하는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 황산공급수단(3)는 황산이 저장된 황산용기(31)와 ;
    상기 황산용기로부터 반응탱크(2)로 황산을 공급하는 황산공급관(3a)의 중단에 설치되어 황산을 반응기로 이송하는 황산펌프(32)와 ;
    상기 반응기(2)에 저장된 황산용액의 산성도를 감지하여 황산펌프의 구동을 제어하는 pH메터(33)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 암모니아 제거장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 물공급수단(4)는 물탱크와 연결된 물 공급관(4a)의 중간에 설치되어 물 을 이동을 단속하는 밸브(41)와 ;
    상기 반응기(2)에 저장된 황산용액의 수위를 감지하여 밸브의 개폐를 제어하는 수위센서(42)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 배가스 이산화탄소 포집 공정에서 배출되는 가스 내의 미량 암모니아를 제거하는 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응기(2)의 저면에는 암모니아와 황산이 반응하여 석출된 황산암모늄을 제거하기 위한 황산암모늄 제거용기(7)가 설치됨을 특징으로 하는 배가스 이산화탄소 포집 공정에서 배출되는 가스 내의 미량 암모니아를 제거하는 장치.
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