KR20120007417A - 산성가스 분리회수 장치 - Google Patents

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Abstract

개시된 본 발명의 산성가스 분리 회수 장치는, 제1흡수제와 연소배가스에 포함된 산성가스가 반응하여 포화 제1흡수제를 생성하는 제1흡수탑; 제2흡수제와 상기 제1흡수탑에서 배출되는 연소배가스에 포함된 산성가스가 반응하여 포화 제2흡수제를 생성하는 제2흡수탑; 및 상기 포화 제1흡수제를 재생 제1흡수제로 재생하여 상기 제1흡수탑으로 공급하는 탈거탑 상부와 상기 포화 제2흡수제를 재생 제2흡수제로 재생하여 상기 제2흡수탑으로 공급하는 탈거탑 하부로 구성된 탈거탑;을 포함하는 산성가스 분리 회수 장치로서, 상기 제1흡수제는 상기 제2흡수제보다 재생 에너지가 적게 소요되는 흡수제이고, 상기 제2흡수제는 상기 제1흡수제보다 상기 산성가스와 반응속도가 빠른 흡수제이다.
본 발명에 따르면, 제1흡수탑 및 제2흡수탑에서 모두 저온에서 반응하는 아민 또는 아미노산염계 화합물을 흡수제로 사용하므로 종래와는 달리 별도의 냉각기를 필요로 하지 않는다.

Description

산성가스 분리회수 장치{APPARATUS FOR SEPARATING ACID GAS FROM MIXED GAS}
본 발명은 산성가스 분리 회수 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 2개 이상의 흡수제를 독립적으로 순환시켜 산성가스 분리 회수 에너지를 감소시키는 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 분리하여 회수하는 방법으로, 효율과 안정성이 높고 대용량 가스를 처리하는 데 용이하며 저 농도 가스분리에 적합하기 때문에 대부분의 산업체 및 발전소에 용이하게 적용될 수 있다.
도 1은 일반적인 산성가스 분리 회수 공정을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 산성가스 분리 회수 공정은 흡수탑에서 연소배가스를 흡수제와 접촉시켜 산성가스가 흡수제에 흡수되게 한다. 흡수탑에서 산성가스를 흡수한 흡수제는 열교환기를 거쳐 탈거탑의 상부로 주입된다. 탈거탑은 리보일러를 통해 공급되는 스팀(steam)의 열에너지를 이용하여 흡수제에 화학적으로 결합되어 있는 산성가스를 탈거시켜 흡수제를 재생시킨다. 탈거된 산성가스와 수증기는 리플렉스 드럼에서 상분리된다. 분리된 수증기는 응축수(H2O)로 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.
그런데 일반적인 산성가스 분리 회수 공정에서는 흡수탑과 탈거탑이 각각 1단으로 구성되어 있어, 2 종류 이상의 흡수제를 혼합하여 혼합 사용하는 경우, 흡수제를 혼합함에 따른 장점이 줄어드는 문제점이 있다. 또한 흡수제 순환 경로의 상호 열교환 부족 및 탈거탑 상단으로 배출되는 산성가스 열의 미회수 등으로 에너지 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
최근 산성가스 분리 회수에 소요되는 에너지를 저감하기 위하여 여러 가지 아민계 화합물을 혼합하여 산성가스를 분리 회수하는 기술이 개발 되고 있다. 도 2는 이러한 종래 산성가스 분리 회수 공정을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 종래 산성가스 분리 회수 공정은, 상부 흡수탑(28)에서 연소배가스의 산성가스와 결합한 알칸올아민 흡수제는 탈거탑 하부(30)로 주입되어 외부적 가열원으로부터 공급된 열에 의해서 재생되고, 하부 흡수탑(25)에서 연소배가스의 산성가스와 결합한 알카리금속탄산화물은 탈거탑 상부(35)로 주입되어 탈거탑 하부(30)의 상단에 응축된 유체와 간접적인 열교환을 통하여 재생된다.
종래 2 종류 흡수제를 이용한 산성가스 분리 회수 공정에 따르면, 2개의 흡수제의 상이한 성질을 이용함에 따라 흡수제 재생 비용을 감소시킬 수 있다. 그런데, 종래 2 종류 흡수제를 이용한 산성가스 분리 회수 공정은, 고온에서 반응하는 알카리금속산화물과 저온에서 반응하는 알킨올아민을 흡수제로 사용하므로 하부 흡수탑(25)을 통과한 연소배가스를 상부 흡수탑(28)에 공급하기 위하여 별도의 냉각장치(26)를 필요로 한다. 또한 탈거탑 상부(35)의 상단으로 배출되는 수증기 및 산성가스 혼합 가스에 대한 열회수가 이루이지지 않으며, 순환하는 흡수제 사이의 열교환이 이루어지지 않아 에너지 효율이 저감되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 하부 흡수탑에서 반응후 배출되는 가스와 하부 흡수탑에 공급되는 냉각된 연소배가스를 열교환시키고, 탈거탑에서 배출되는 산성가스의 열을 회수하여 탈거탑에 공급되는 포화 흡수제를 예열시키는 산성가스 분리 회수 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 하부 흡수탑에서 재생에너지가 적게 소요되는 흡수제와 연소배가스를 반응시키고, 상부 흡수탑에서는 하부 흡수탑에서 미 반응한 산성가스를 반응시키는 산성가스 분리회수 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 산성가스 분리 회수 장치는, 제1흡수제와 냉각된 연소배가스에 포함된 산성가스가 반응하여 포화 제1흡수제를 생성하는 제1흡수탑; 제2흡수제와 상기 제1흡수탑에서 배출되는 가스에 포함된 산성가스가 반응하여 포화 제2흡수제를 생성하는 제2흡수탑; 및 상기 포화 제1흡수제를 재생 제1흡수제로 재생하여 상기 제1흡수탑으로 공급하는 탈거탑 상부와 상기 포화 제2흡수제를 재생 제2흡수제로 재생하여 상기 제2흡수탑으로 공급하는 탈거탑 하부로 구성된 탈거탑;을 포함하는 산성가스 분리 회수 장치로서, 상기 제1흡수제는 상기 제2흡수제보다 재생 에너지가 적게 소요되는 흡수제이고, 상기 제2흡수제는 상기 제1흡수제보다 상기 산성가스와 반응속도가 빠른 흡수제인 것을 특징으로 한다.
상기 제1흡수제는 1종 이상의 2차, 3차 또는 입체 장애 아민 또는 아미노산염계 화합물이고, 상기 제2흡수제는 1차, 2차 아민 또는 아미노산염계 화합물일 수 있다.
상기 냉각된 연소배가스와 상기 제1흡수탑에서 배출되는 가스는 열교환기를 통해 열교환하는 것이 바람직하다.
상기 포화 제1흡수제와 상기 재생 제1흡수제는 제1열교환기를 통해 열교환하고, 상기 포화 제2흡수제와 상기 재생 제2흡수제는 제2열교환기를 통해 열교환할 수 있다.
상기 탈거탑 상부의 상단으로 배출되는 수증기로 포화된 산성가스는 상기 재생 제1흡수제 및 재생 제2흡수제와 열교환기를 통해 각각 열교환할 수 있다.
본 발명의 산성가스 분리회수 장치는, 하부 흡수탑에서 배출되는 가스와 하부 흡수탑에 공급되는 냉각된 연소배가스를 열교환시키고, 탈거탑에서 배출되는 산성가스의 열을 회수하여 탈거탑에 공급되는 포화 흡수제를 예열시킬 수 있으므로, 에너지를 효율적으로 활용하여 산성가스 분리 회수 장치 운전비용을 저감할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 하부 흡수탑에서 재생에너지가 적게 소요되는 흡수제를 연소배가스와 반응시키고, 상부 흡수탑에서 반응속도가 빠른 흡수제와 하부 흡수탑에서 미반응한 산성가스를 반응시켜, 탈거탑에서 흡수제를 재생하는 비용을 저감할 뿐만 아니라 산성가스 제거효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 산성가스 분리회수 공정을 도시한 도면이다.
도 2는 종래 산성가스 분리회수 공정을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 산성가스 분리회수 장치의 공정도를 도시한 도면이다.
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 3은 본 발명의 일실시예에 따른 산성가스 분리회수 장치의 공정도를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 산성가스 분리회수 장치는, 제1흡수탑(110), 제2흡수탑(120) 및 탈거탑(200)을 포함한다.
상기 제1흡수탑(110)에는 제1흡수제와 연소배가스(10)가 공급된다. 제1흡수제는 제2흡수제보다 재생 에너지가 적게 소요되는 흡수제, 예를들면, 1종 이상의 2차, 3차 또는 입체 장애 아민 또는 아미노산염계 화합물이다. 연소배가스(10)는 이산화탄소(CO2), 황화수소(H2S), 이산화황(SO2), 이산화질소(NO2) 및 황화카르보닐(COS) 중 적어도 하나의 산성가스를 포함한다.
연소배가스(10)는 흡수탑에서 발생되는 압력강하를 극복하기 위하여 냉각장치(미도시)에 의해 냉각된 상태로 연소가스공급라인을 통해 제1흡수탑(110)의 하단으로 공급되는 것이 좋다. 제1흡수탑(110) 상단과 제2흡수탑(120) 하단은 제1열교환기(130)가 설치된 연결라인으로 연결된다. 연소가스공급라인에서 분기된 냉각경로(192)와 연결라인은 서로 열교환할 수 있도록 제1열교환기(130)를 통해 교차된다.
상기 제2흡수탑(120)에는 제2흡수제와 제1흡수탑(110)에서 미반응한 가스(11)가 공급된다. 제2흡수제는 제1흡수제보다 산성가스와의 반응속도가 빠른 흡수제, 예를들면, 1차, 2차 아민 또는 아미노산염계 화합물이다.
상기 탈거탑(200)은 탈거탑 상부(210) 및 탈거탑 하부(220)를 포함한다.
탈거탑 상부(210)와 제1흡수탑(110)은 제1흡수제가 순환하는 제1순환경로(170)로 연결된다. 제1순환경로(170)는 제1흡수탑(110)의 하단에서 탈거탑 상부(210)의 상단으로 포화 제1흡수제가 공급되는 제1공급라인(172)과 탈거탑 상부(210)의 하단에서 제1흡수탑(110)의 상단으로 재생 제1흡수제가 공급되는 제2공급라인(174)을 포함한다. 제1공급라인(172)과 제2공급라인(174)은 포화 제1흡수제와 재생 제1흡수제가 열교환할 수 있도록 제2열교환기(150)를 통해 서로 교차된다.
탈거탑 하부(220)와 제2흡수탑(120)은 제2흡수제가 순환하는 제2순환경로(180)로 연결된다. 제2순환경로(180)는 제2흡수탑(120)의 하단에서 탈거탑 하부(220)의 상단으로 포화 제2흡수제가 공급되는 제3공급라인(182)과 탈거탑 하부(220)의 하단에서 제2흡수탑(120)의 상단으로 재생 제2흡수제가 공급되는 제4공급라인(184)을 포함한다. 제3공급라인(182)과 제4공급라인(184)은 포화 제2흡수제와 재생 제2흡수제가 열교환할 수 있도록 제3열교환기(152)를 통해 서로 교차된다.
탈거탑 상부(210)의 상단은 에너지회수경로(190)로 연결된다. 에너지회수경로(190)와 제1공급라인(172)은 고온의 이산화탄소의 열을 회수하여 포화 제1흡수제를 예열할 수 있도록 제4열교환기(140)를 통해 서로 교차된다. 에너지회수경로(190)와 제3공급라인(182)은 고온의 이산화탄소의 열을 회수하여 포화 제2흡수제를 예열할 수 있도록 제5열교환기(142)를 통해 서로 교차된다. 설명되지 않은 부호 230은 밸브이고, 부호 232는 펌프이고, 부호 234는 리플럭스 드럼이며, 부호 236은 열교환기이다.
이하 본 발명의 일실시예에 따른 산성가스 분리 회수 장치의 동작을 설명한다.
먼저, 제1흡수탑(110)과 제2흡수탑(120)의 동작을 설명한다. 제1흡수탑(110)에서는 제1흡수제와 연소배가스(10)는 향류(向流) 접촉되면서, 제1흡수제가 연소배가스(10)에 포함된 산성가스를 흡수하여 포화 제1흡수제를 생성한다.
제1흡수탑(110)에서 제1흡수제와 산성가스의 발열반응으로 온도가 상승한 가스(11)는 연결라인을 통해 제2흡수탑(120) 하부로 공급된다. 이때 제1흡수탑(110) 상단에서 배출되는 가스(11)는 제1열교환기(130)를 통해 연소배가스(10)와 열교환하여 냉각된 후 제2흡수탑(120)으로 공급될 수 있다.
본 실시예의 제1흡수탑(110) 및 제2흡수탑(120)은 모두 저온에서 반응하는 아민 또는 아미노산염계 화합물을 흡수제로 사용하므로 제1흡수탑(110)과 제2흡수탑(120)의 온도차이가 작아 별도의 냉각기를 필요로 하지 않는다. 또한 제1흡수탑(110)에서 발생되는 반응열을 제1열교환기(130)를 통하여 냉각시킴으로써 제2흡수탑(120)에 공급되는 연소배가스(11)의 온도를 적절히 유지할 수 있다.
또한 재생 에너지가 적게 소요되는 제1흡수제로 연소배가스(10)중에서 대부분의 산성가스를 흡수하고 일부 남은 산성가스를 반응속도가 빠른 제2흡수제로 흡수함으로써, 탈거탑(200)에서 흡수제를 재생하는 열에너지를 최소화하면서 연소배가스(10)로부터 산성가스를 효율적으로 분리할 수 있게 된다.
다음으로, 제1순환경로(170)에서 포화 제1흡수제와 재생 제1흡수제의 열교환에 대하여 설명한다. 탈거탑(200)은 제1흡수탑(110)보다 높은 반응온도를 필요로 하므로, 탈거탑 상부(210)에서 배출되는 재생 제1흡수제는 제1흡수탑(110) 하단에서 배출되는 포화 제1흡수제보다 온도가 높다.
제1공급라인(172)의 포화 제1흡수제는 제2열교환기(150)를 통해 재생 제1흡수제의 열을 회수하여 예열된 상태로 탈거탑 상부(210) 상단에 공급될 수 있다. 반면, 제2공급라인(174)의 재생 제1흡수제는 제2열교환기(150)를 통해 포화 제1흡수제로 열을 방출하여 냉각된 상태로 제1흡수탑(110) 상단으로 공급될 수 있다. 제1순환경로(170)에서 포화 제1흡수제와 재생 제1흡수제의 열교환으로 본 실시예에 따른 산성가스 분리 회수 장치의 에너지 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
제2순환경로(180)에서 포화 제2흡수제와 재생 제2흡수제의 열교환은 제1순환경로(170)에서 포화 제1흡수제와 재생 제1흡수제의 열교환의 설명으로부터 당업자가 용이하게 이해할 수 있는 것이므로 상세한 설명은 생략한다.
다음으로 탈거탑(200) 상단에서 배출되는 산성가스를 이용한 에너지 회수에 대하여 설명한다. 탈거탑(200)은 포화 흡수제에서 산성가스를 분리하여 흡수제를 재생시키기 위하여 높은 열에너지를 필요로 하므로 탈거탑(200)상단으로 배출되는 산성가스는 높은 열에너지를 가진다.
에너지회수경로(190)의 산성가스는 제4열교환기(140)를 통해 제1공급라인(172)의 포화 제1흡수제 및 제5열교환기(142)를 통해 제3공급라인(182)의 포화 제2흡수제로 열을 방출한다. 따라서 제1공급라인(172)의 포화 제1흡수제 및 제3공급라인(182)의 포화 제2흡수제는 혼합가스로부터 회수된 열로 예열되어 탈거탑(200)에 각각 공급될 수 있다.
밸브(230)는 밸브(230)가 설치된 라인에 흐르는 유체를 선택적으로 단속하고, 펌프(234)는 펌프(234)가 설치된 라인에 흐르는 유체에 유동력을 제공한다. 기타 탈거탑(200) 상단으로 배출되는 혼합가스로부터 응축수와 산성가스를 분리하는 열교환기(236) 및 리플럭스 드럼(234) 등은 당업자가 용이하게 이해할 수 있는 것이므로 상세한 설명은 생략한다.
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.
110: 제1흡수탑 120: 제2흡수탑
130,140,142,150,152: 열교환기
160: 리보일러 170: 제1순환경로
180: 제2순환경로 190: 에너지회수경로
192: 냉각경로 200: 탈거탑
210: 탈거탑 상부 220: 탈거탑 하부

Claims (5)

  1. 제1흡수제와 냉각된 연소배가스에 포함된 산성가스가 반응하여 포화 제1흡수제를 생성하는 제1흡수탑; 제2흡수제와 상기 제1흡수탑에서 미반응한 산성가스가 반응하여 포화 제2흡수제를 생성하는 제2흡수탑; 및 상기 포화 제1흡수제를 재생 제1흡수제로 재생하여 상기 제1흡수탑으로 공급하는 탈거탑 상부와 상기 포화 제2흡수제를 재생 제2흡수제로 재생하여 상기 제2흡수탑으로 공급하는 탈거탑 하부로 구성된 탈거탑;을 포함하는 산성가스 분리 회수 장치로서,
    상기 제1흡수제는 상기 제2흡수제보다 재생 에너지가 적게 소요되는 흡수제이고, 상기 제2흡수제는 상기 제1흡수제보다 상기 산성가스와의 반응속도가 빠른 흡수제인 것을 특징으로 하는 산성가스 분리회수 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1흡수제는 1종 이상의 2차, 3차 또는 입체 장애 아민 또는 아미노산염계 화합물이고, 상기 제2흡수제는 1차, 2차 아민 또는 아미노산염계 화합물이며, 연소배가스는 이산화탄소(CO2), 황화수소(H2S), 이산화황(SO2), 이산화질소(NO2) 및 황화카르보닐(COS) 중 적어도 하나의 산성가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 산성가스 분리회수 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉각된 연소배가스와 상기 제1흡수탑에서 배출되는 연소가스는 열교환기를 통해 열교환하는 것을 특징으로 하는 산성가스 분리 회수 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 포화 제1흡수제와 상기 재생 제1흡수제는 제1열교환기를 통해 열교환하고, 상기 포화 제2흡수제와 상기 재생 제2흡수제는 제2열교환기를 통해 열교환하는 것을 특징으로 하는 산성가스 분리 회수 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 탈거탑 상부의 상단으로 배출되는 산성가스는 상기 재생 제1흡수제 및 재생 제2흡수제와 열교환기를 통해 각각 열교환하는 것을 특징으로 하는 산성가스 분리 회수 장치.



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