KR20120000979A - 산성가스 분리 회수 장치 - Google Patents

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Abstract

개시된 본 발명의 산성가스 분리 회수 장치는, 흡수제를 산성가스를 포함한 배가스와 향류 접촉시켜 산성가스 포화 흡수제를 생성하는 흡수탑; 열 에너지를 이용하여 상기 산성가스 포화 흡수제를 산성가스와 흡수제로 분리하여 흡수제를 재생하는 탈거탑; 상기 흡수탑에 공급되는 보충수를 증기화시켜 수증기를 발생시키는 수증기발생기; 및 상기 탈거탑에 설치되며 상기 산성가스 포화 흡수제와 상기 수증기가 향류 접촉되도록 상기 수증기를 분사하여 상기 열 에너지를 상기 탈거탑에 제공하는 노즐;을 포함한다.
본 발명에 따르면, 증기화된 수증기를 노즐을 통해 직접 탈거탑으로 분사시켜 흡수제 재생 에너지를 공급할 수 있으므로, 탈거탑에 흡수제 재생 에너지를 효율적으로 공급할 수 있는 효과가 있다.

Description

산성가스 분리 회수 장치{APPARATUS FOR SEPARATING AND RECOVERING ACID GAS}
본 발명은 산성가스 분리 회수 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 응축수와 보충수를 증기화하여 흡수제를 재생하는 에너지원으로 사용하는 산성가스 분리 회수 장치에 관한 것 이다.
산업이 발달함에 따라 대기 중에 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 황화수소(H2S), 황화카르보닐(COS) 등 산성가스의 농도가 증가하고, 이에 따라 지구 온난화 문제가 대두 되면서, 국제적으로 산성가스의 배출 및 처리에 대한 규제를 강화하여 지구 온난화 현상을 방지하기 위한 노력들이 이루어지고 있다.
지구 온난화 현상을 야기하는 산성가스 중 이산화탄소는 배출되는 산성가스의 50% 이상을 차지하고 있으므로 이산화탄소의 배출을 억제하는 기술에 대하여 많은 연구가 진행되고 있다.
이산화탄소의 배출을 억제하는 기술로는 이산화탄소 배출 감소를 위한 에너지 절약기술, 이산화탄소를 분리 회수하는 기술, 이산화탄소를 이용하거나 고정화시키는 기술, 이산화탄소를 배출하지 않는 신재생 에너지 기술 등이 있다.
이산화탄소를 분리 회수하는 기술로는 흡수법, 흡착법, 막분리법, 심냉법 등이 제안되고 있다. 흡수법은 흡수제를 사용하여 이산화탄소를 제거하는 방법으로, 효율과 안정성이 높고 대용량 가스를 처리하는 데 용이하며 저 농도 가스분리에 적합하기 때문에 대부분의 산업체 및 발전소에 용이하게 적용될 수 있다.
종래 산성가스 분리 회수 공정은 흡수탑에서 배가스를 흡수제와 접촉시켜 배가스의 산성가스가 흡수제에 흡수되게 한다. 이때 세척용 물 또는 보충수를 이용하여 흡수제 또는 증기가 비말(飛沫)하는 것을 방지한다.
흡수탑에서 산성가스를 흡수한 흡수제는 열교환기를 거쳐 탈거탑의 상부로 주입된다. 탈거탑은 리보일러를 통해 공급되는 열에너지를 이용하여 흡수제에 화학적으로 결합되어 있는 산성가스를 탈거시켜 흡수제를 재생시킨다. 탈거된 산성가스와 수증기의 혼합가스는 리플렉스 드럼에서 상분리된다. 분리된 수증기는 응축수로 회수되어 다시 탈거탑으로 공급되고, 산성가스는 산성가스 회수 및 처리 공정을 통해 저장 또는 다른 유용한 고부가 화학 물질로 전환된다. 탈거탑에서 재생된 흡수제는 열교환기를 거쳐 온도가 낮아진 후 흡수탑으로 이송된다.
종래 산성가스 분리 회수 공정에서, 흡수탑의 출구 가스의 산성가스 농도는 흡수제의 화학반응으로 감소시킬 수 있지만 출구 가스의 산성가스 농도를 낮게 유지시키기 위해서는 흡수탑 및 탈거탑의 높이를 높게 하여야할 필요성이 있다.
또한 종래 산성가스 분리 회수 공정에서는 탈거탑에서 흡수제를 재생시키기 위한 열 에너지를 리보일러를 통해 간접적으로 공급하여 에너지 효율이 떨어진다. 따라서, 산성가스 분리 회수 공정의 전체 비용의 대부분이 흡수제 재생의 열 에너지 제공에 사용되고 있어 재생 에너지를 감소시킬 수 있는 새로운 산성가스 분리 회수 공정의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기한 종래 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 응축수와 보충수를 증기화하여 흡수제를 재생하는 에너지원으로 사용하는 산성가스 분리 회수 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 산성가스 분리 회수 장치는, 흡수제를 산성가스를 포함한 배가스와 향류 접촉시켜 산성가스 포화 흡수제를 생성하는 흡수탑; 열 에너지를 이용하여 상기 산성가스 포화 흡수제를 산성가스와 흡수제로 분리하여 흡수제를 재생하는 탈거탑; 상기 흡수탑에 공급되는 보충수를 증기화시켜 수증기를 발생시키는 수증기발생기; 및 상기 탈거탑에 설치되며 상기 산성가스 포화 흡수제와 상기 수증기가 향류 접촉되도록 상기 수증기를 분사하여 상기 열 에너지를 상기 탈거탑에 제공하는 노즐;을 포함한다.
상기 수증기발생기는, 상기 탈거탑에서 배출되는 배출수증기를 응축시킨 응축수를 공급받고 상기 응축수를 증기화시켜 상기 수증기를 발생시킨다.
본 발명의 산성가스 분리 회수 장치는 상기 탈거탑으로부터 제공되는 재생된 흡수제를 상기 수증기발생기로부터 제공되는 상기 수증기와 직접 접촉시켜 다시 상기 탈거탑으로 공급하여 상기 탈거탑에 상기 열 에너지를 제공하는 리보일러를 더 포함한다.
상기 산성가스는 이산화탄소(CO2), 황화수소(H2S), 이산화황(SO2), 이산화질소(NO2) 및 황화카르보닐(COS) 중 적어도 하나를 포함한다.
상기 보충수는, 상기 흡수탑에서 산성가스 포화 흡수제를 생성하는 과정에서 필요한 물의 수지를 맞추기 위해서 제공되는 것이다.
본 발명의 산성가스 분리 회수 장치는, 응축수와 보충수를 증기화하여 노즐을 통해 직접 탈거탑으로 분사시켜 흡수제 재생 열 에너지를 공급할 수 있으므로, 종래 탈거탑에 간접식 열교환기를 이용하여 흡수제 재생 열 에너지를 공급하는 경우보다 효율적으로 흡수제 재생 열 에너지를 공급할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 산성가스 분리 회수 장치의 공정도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 산성가스 분리 회수 장치의 공정도이다.
도 1을 참조하면, 산성가스 분리 회수 장치는 흡수탑(201), 탈거탑(203), 리보일러(204), 수증기 발생기(220), 리플럭스 드럼(206), 보충수 공급라인(230), 응축수 공급라인(232), 제1 내지 제3 열교환기(211, 212, 213), 및 제1 내지 제5 펌프(251, 252, 253, 254, 255)를 포함한다.
상기 흡수탑(201)은 배가스(101)와 흡수제가 공급된다. 배가스(101)는 이산화탄소(CO2), 황화수소(H2S), 이산화황(SO2), 이산화질소(NO2) 및 황화카르보닐(COS) 중 적어도 하나의 산성가스를 포함하는 화학공정가스 또는 연소배기가스일 수 있다. 배가스(101)는 흡수탑(201)에서 발생되는 압력강하를 극복하기 위하여 제2 펌프(252)와 제3열교환기(213)에 의해 냉각된 상태로 흡수탑(201)에 공급되는 것이 바람직하다.
흡수제(102)는 아민계, 아미노산염, 무기염류 용액, 암모니아수 등을 단독으로 사용할 수 있고 혼합하여 사용할 수도 있으며, 특별히 특정한 것에 제한되지 않는다. 이때 흡수제는 1~50 부피 분율 범위의 수용액으로 이용되는 것이 좋다.
흡수탑(201)에서 흡수제(102)와 배가스(101)는 향류(向流) 접촉된다. 흡수제(102)는 배가스(101) 중에 포함된 산성가스를 흡수하여 산성가스 포화 흡수제(105)를 생성한다. 산성가스 포화 흡수제(105)는 제4 펌프(254)와 제1열교환기(211)에 의해 예열된 상태로 탈거탑(203) 상부로 주입된다. 배가스(101) 중 흡수제(102)와 반응하지 않은 질소(N2), 산소(O2) 등 미반응 가스(110)는, 제1 펌프(251)에 의해 흡수탑(201) 상부에 공급되는 세척수(103)나 제3 펌프(253)에 의해 흡수탑(201) 상부에 공급되는 보충수(104)의 의해 흡수제(102) 또는 증기가 비말(飛沫)되는 것이 방지된 후, 흡수탑(201) 상부를 통해 배출된다. 보충수(104)는 흡수탑(201)의 공정 과정에서 필요한 물의 수지를 맞추기 위한 물로서, 제3 펌프(253)와 수증기발생기(220)를 연결하는 보충수공급라인(230)을 통해 수증기발생기(220)로 공급될 수 있다.
흡수탑(201)에는 액체 상태인 흡수제(102)와 기체 상태인 배가스(101)의 접촉 효율을 향상시키기 위하여 충진물이 사용될 수 있다. 흡수탑(201)의 운전온도는 흡수제의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들면, 흡수탑(201)의 운전 온도는 40℃ 내지 60℃의 범위로 유지될 수 있다.
상기 탈거탑(203)은 수증기발생기(220) 또는 리보일러(204)가 제공하는 열 에너지를 이용하여 산성가스 포화 흡수제(105)를 산성가스(107)와 흡수제(102)로 분리한다. 탈거탑(203) 상부로 주입된 산성가스 포화 흡수제(105)는 탈거탑(203)의 하부로 이동하면서 탈거탑(203)의 하부에 설치된 노즐(208)을 통해 분사되는 수증기의 열 에너지에 의하여 산성가스(107)가 탈거되고 흡수제(102)가 재생된다.
산성가스(107)와 배출수증기가 혼합된 혼합가스(106)는 제2 열교환기(212)와 리플럭스 드럼(206)을 거치면서 응축수(108)와 산성가스(107)로 상분리된다. 산성가스(107)는 회수 공정 또는 처리 공정으로 이송되어 저장 또는 용도에 따라 사용되고, 응축수(108)는 리플럭스 드럼(206)과 수증기발생기(220)를 연결하는 응축수공급라인(232)를 따라 수증기발생기(220)로 공급된다. 이때 일부 응축수(108)는 탈거탑(203)의 상부로 이송되어 탈거탑(203) 상부로 상승하는 혼합가스(106)에 존재하는 부유물을 세정할 수도 있다. 재생된 흡수제(102)는 리보일러(204)로 공급된다.
상기 수증기 발생기(220)는 보충수(104)와 응축수(108)를 증기화시켜 탈거탑(203) 또는 리보일러(204)에 직접 공급함으로써 흡수제 재생 에너지를 공급하는 열 에너지 공급원이다. 수증기 발생기(220)는 제3 펌프(253)와 보충수공급라인(230)으로 연결되며, 리플럭스 드럼(206)과 응축수공급라인(232)으로 연결되고, 탈거탑(203) 및 리보일러(204)와 수증기공급라인(234)으로 연결된다. 탈거탑(203)에 연결된 수증기공급라인(234) 말단은 탈거탑(203) 하단에 설치된 노즐(208)에 연결된다.
상기 리보일러(204)는 탑거탑(203)에서 재생된 흡수제(102)를 수증기공급라인(234)을 통해 제공되는 수증기와 직접 접촉시켜 열교환시킨다. 열교환된 흡수제(102)는 다시 탈거탑(203) 하부로 재공급되거나 제5 펌프(255)에 의해 제1열교환기(211)를 거쳐 흡수탑(210) 상부로 공급된다. 리보일러(204)는 리보일러(204)를 통해 간접적으로 탈거탑(203)에 흡수제 재생 에너지를 공급하는 열 에너지원(110)을 공급받을 수도 있다.
본 발명의 일실시 예에 따른 산성가스 분리 회수 장치는 증기화시킨 응축수와 보충수를 탈거탑(203) 하부에 노즐(208)을 통하여 산성가스 포화 흡수제(105)와 직접 향류 접촉시키는 구성을 가지므로, 탈거탑(203)에 흡수제 재생 에너지를 효율적으로 공급할 수 있다.
또한 본 발명의 일실시 예에 따른 산성가스 분리 회수 장치의 리보일러(204)는 증기화시킨 응축수와 보충수를 흡수제(102)와 열교환시켜 탈거탑(203)에 재공급함으로써 흡수제를 열 에너지 전달 매체로 활용할 수 있는 효과가 있다.
<실시 예 1>
30wt%의 모노에탄올아민을 흡수제로 이용하여 산성가스인 10wt%의 이산화탄소를 포함하고 있는 40℃로 조절된 연소배가스를 2.0m3 유량으로 흡수탑(201) 하부에 투입하였다. 흡수제의 순환량은 100ml/min, 흡수탑(201)에 투입되는 흡수제의 온도는 40℃로 하였다. 환류되는 전량의 응축수를 수증기발생기(220)를 이용하여 150℃의 포화증기로 만들어 탈거탑(203) 하단에서 노즐(208)을 통해 분무하여 하강하는 흡수액과 향류(向流)로 접촉하게 하였다. 흡수탑(201)으로 들어오기 전과 흡수탑(201)을 거친 배가스의 이산화탄소(CO2) 농도를 가스 분석기를 이용하여 측정하여 흡수탑(201)에서 제거율을 계산하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.
<실시 예 2>
상기 실시 예 1에서 환류되는 수증기의 주입 위치를 리보일러(204)에 잠겨 있는 재생된 흡수제로 하여 상기 실시 예 1과 동일한 방법으로 실시하여 얻은 제거율은 표 1과 같다.
<비교 예 1>
상기 실시 예 1에서 환류되는 응축수를 기존의 공정과 같이 탈거탑(203)의 상부에 주입하는 것을 제외하고는 상기 실시 예 1과 동일한 방법으로 실시하여 얻은 제거율은 표 1과 같다.
실시 예/비교 예 주입 환류수 상태 주입위치 CO2 제거율
실시 예 1 기체(수증기) 탈거탑 하단 95.2%
실시 예 2 기체(수증기) 리보일러 흡수제 94.9%
비교 예 1 액체(물) 탈거탑 상단 90.1%
상기 표1을 참조하면, 실시 예 1 및 2의 경우 비교 예 1에 비하여 산성가스인 이산화탄소의 제거효율이 높게 나온 것을 확인할 수 있으며, 특히 수증기를 탈거탑 하단에서 직접 주입할 경우 이산화탄소 제거 효율이 향상된 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과를 볼 때 본 발명에서 개발한 탈거공정을 적용할 경우 CO2의 제거효율 증가에 따라 탈거탑 및 흡수탑의 높이를 줄일 수 있거나 사용되는 재생에너지의 량을 줄일 수 있는 효과가 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
201: 흡수탑 203: 탈거탑
204: 리보일러 206: 리플럭스 드럼
211, 212, 213: 제1 내지 제3 열교환기
220: 수증기 발생기 230: 보충수 공급라인
232: 응축수 공급라인
251, 252, 253, 254, 255: 제1 내지 제5 펌프

Claims (5)

  1. 흡수제를 산성가스를 포함한 배가스와 향류 접촉시켜 산성가스 포화 흡수제를 생성하는 흡수탑;
    열 에너지를 이용하여 상기 산성가스 포화 흡수제를 산성가스와 흡수제로 분리하여 흡수제를 재생하는 탈거탑;
    상기 흡수탑에 공급되는 보충수를 증기화시켜 수증기를 발생시키는 수증기발생기; 및
    상기 탈거탑에 설치되며 상기 산성가스 포화 흡수제와 상기 수증기가 향류 접촉되도록 상기 수증기를 분사하여 상기 열 에너지를 상기 탈거탑에 제공하는 노즐;을 포함하는 산성가스 분리 회수 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수증기발생기는,
    상기 탈거탑에서 배출되는 배출수증기를 응축시킨 응축수를 공급받고 상기 응축수를 증기화시켜 상기 수증기를 발생시키는 것을 특징으로 하는 산성가스 분리 회수 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 탈거탑으로부터 제공되는 재생된 흡수제를 상기 수증기발생기로부터 제공되는 상기 수증기와 직접 접촉시켜 다시 상기 탈거탑으로 공급하여 상기 탈거탑에 상기 열 에너지를 제공하는 리보일러를 더 포함하는 산성가스 분리 회수 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 산성가스는
    이산화탄소(CO2), 황화수소(H2S), 이산화황(SO2), 이산화질소(NO2) 및 황화카르보닐(COS) 중 적어도 하나를 포함하는 산성가스 분리 회수 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 보충수는,
    상기 흡수탑에서 산성가스 포화 흡수제를 생성하는 과정에서 필요한 물의 수지를 맞추기 위해서 제공되는 것을 특징으로하는 산성가스 분리 회수 장치.
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