KR20130035638A - 저에너지 소비형 산성가스 회수장치 및 회수방법 - Google Patents

저에너지 소비형 산성가스 회수장치 및 회수방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산성가스 회수장치 및 회수방법에 관한 것으로, 특히 흡수탑 하단 외부에 냉각기를 설치하여 흡수탑 전 공정으로 별도의 냉각탑을 설치할 필요가 없기 때문에 공정의 투자비 및 소요면적이 크게 줄어들고 또한 냉각탑 운전을 위한 운전비용을 크게 줄일 수 있으므로 전체 산성 가스처리 공정의 경제성을 크게 향상시킬 수 있는 저에너지 소비형 산성가스 회수장치 및 회수방법에 관한 것이다.

Description

저에너지 소비형 산성가스 회수장치 및 회수방법{Method and apparatus of efficient solvent scrubbing acid gas capture system}
본 발명은 저에너지 소비형 산성가스 회수장치 및 회수방법 관한 것이다.
산업화가 시작된 19세기 초반부터 에너지산업에서 사용되는 석탄, 석유, LNG 등 화석연료의 사용 증가로 인하여 대기 중에 CO2, CH4, H2S, COS 등의 산성가스 농도가 증가하였고, 최근에는 산업 발전에 따라 급속하게 산성가스 농도가 증가되고 있는 실정이다.
산성가스의 주요 원인은 산업 발달과 함께 에너지 사업에 이용되는 에너지원을 화석연료에서 얻는데서 비롯되었다. 이러한 산성가스는 지구 환경문제를 일으키는 주 원인이 되었고, 특히 대기 중 이산화탄소의 농도가 증가하여 지구 온난화를 가속화시키는 원인이 되었다.
1992년 6월 브라질 리우에서 열린 환경과 개발에 관한 UN 회의를 통하여 지구온난화에 대한 국제적 관심이 점차적으로 높아지고 있고, 여러 선진국에서 지구온난화의 원인이 되는 산성가스의 배출 및 처리에 대한 규제가 엄격해지고 있다.
또한, 미국과 일본을 포함한 선진국들은 2010년 지구온실가스 배출량을 1990년 대비 5.2% 감축하기로 합의하는 등 산성가스 저감 방안에 대한 국제적 합의가 이루어지고 있다. 그 중에서 지구온난화 현상을 야기하는 이산화탄소의 격리는 중요한 문제로 대두되고 있다.
이산화탄소의 배출을 억제하기 위한 기술로서는, 이산화탄소 배출 감소를 위한 에너지 절약 기술, 배출 가스로부터 이산화탄소의 분리 회수 기술, 이산화탄소를 이용하거나 고정화시키는 기술, 이산화탄소를 배출하지 않는 대체 에너지 기술 등으로 나눌 수 있다.
이산화탄소의 분리 회수 기술로는 흡수법, 흡착법, 막분리법, 심냉법 등 현실성 있는 대안으로 제시되고 있다. 상기 흡수법은 대용량의 가스를 처리하는데 용이하며, 저농도의 가스 분리에 적합하기 때문에 대부분의 산업체 및 발전소에의 적용이 용이하다.
특허문헌 1과 같은 산성가스 처리공정에서는 필요한 가스 냉각(Gas cooling) 공정을 위해 가스 냉각탑을 반드시 별도로 설치하여 산성가스를 포함하는 혼합가스를 흡수탑에 투입하기 전에 거쳐야 하므로, 공정 투자비 및 소요 면적 등이 필요하고 운전비용이 높은 문제점이 제기되었다.
따라서, 설비 소형화 및 운전 비용 절감 등의 경제성 향상을 위한 산성가스 처리 고정이 필요한 실정이다.
국내 등록 특허 제965912호
이에, 본 발명자들은 상기와 같이 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 연구 노력한 결과, 흡수탑 하단 외부에 냉각기를 설치함으로써 흡수탑 전 공정으로 별도의 냉각탑을 설치하지 않아도 산성가스 제거율을 포함한 기타 공정 성능을 확보할 수 있는 산성가스 회수장치 및 회수방법을 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 냉각탑 추가 설치 및 운전 비용을 줄일 수 있는 산성가스 회수장치 및 회수방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
산성가스를 포함한 혼합가스가 투입되고 흡수제에 산성가스가 흡수되도록 하는 흡수탑(3); 및 상기 산성가스가 흡수된 흡수제에서 산성가스를 탈거하는 탈거탑(7)을 포함하되,
상기 흡수탑의 하단 외부에 설치되어 흡수제 배관라인(16)을 통해 흡수탑에서 인출된 액상의 흡수제를 냉각시키는 냉각기(15)를 포함하는 산성가스 회수장치를 제공한다.
또한, 본 발명은
산성가스를 포함한 혼합가스가 흡수탑 하단에 설치된 가스 라인을 통해 흡수탑 내부로 투입하고, 흡수탑 하단에 체류하고 있는 액상의 흡수제 중 일부는 흡수탑 하단에 설치된 배관라인을 통해 인출, 냉각하고 다시 흡수탑 하단으로 투입하는 단계;
상기 투입된 흡수제와 혼합가스 내 산성가스가 결합하여 산성가스 포화 흡수제를 생성시키고, 상기 흡수제를 펌프를 통해 탈거탑으로 이송하는 단계; 및
상기 산성가스 포화된 흡수제가 탈거탑 상부로 공급되고 탈거탑 하부 재비기에서 생성된 고온의 스팀 또는 열 에너지에 의해 흡수제와 화학적으로 결합한 산성가스를 분리하는 단계;
를 포함하는 산성가스의 회수방법을 제공한다.
본 발명은 이를 위하여 흡수탑 하단 외부에 냉각기를 설치하여 흡수탑 내에 체류하고 있던 액상 흡수제 일부가 배관라인을 통해 냉각기를 거쳐 다시 흡수탑으로 공급함으로써 흡수제가 냉각되도록 하였다.
본 발명에 따른 이산화탄소 분리 회수공정에서는 기존의 가스처리 공정에서 흡수탑 투입 전 가스 냉각탑을 거치게 되는 공정과 비교하여, 운전비용이 높은 가스 냉각탑 방식 대신 흡수제 일부 냉각 라인을 통한 액(흡수제)-액(냉각수) 냉각으로 대체함으로써 별도의 냉각탑을 설치할 필요가 없기 때문에 공정의 투자비 및 소요면적이 크게 줄어들고 또한 냉각탑 운전을 위한 운전비용을 크게 줄일 수 있으므로 전체 산성 가스처리 공정의 경제성을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 혼합가스 중 산성가스만을 선택적으로 분리를 위한 종래의 공정도이다.
도 2는 본 발명에 따른 저에너지 소비형 산성가스 처리 공정도이다.
도 3은 본 발명에 따른 분리성능이 향상된 흡수탑의 정면도이다.
본 발명은 산성가스를 포함한 혼합가스가 투입되고 흡수제에 산성가스가 흡수되도록 하는 흡수탑(3); 및 상기 산성가스가 흡수된 흡수제에서 산성가스를 탈거하는 탈거탑(7)을 포함하되, 상기 흡수탑의 하단 외부에 설치되어 흡수제 배관라인(16)을 통해 흡수탑에서 인출된 액상의 흡수제를 냉각시키는 냉각기(15)를 포함하는 산성가스 회수장치에 관한 것이다.
추가로 상기 탈거탑에서 산성가스와 분리된 재생 흡수제를 흡수탑으로 재순환시키는 재순환 라인을 포함할 수 있다.
본 발명에서, 혼합가스는 이산화탄소(CO2) 5 내지 20 중량%, 산소(O2) 5 내지 20 중량%, 질소(N2) 60 내지 80 중량%를 포함한다.
본 발명은 기존 산성가스 회수장치에서 흡수탑 하단으로 혼합가스를 투입하기 전 냉각탑이 별도로 설치되지 않은 점에 특징이 있다.
본 발명에서, 산성가스는 구체적으로 이산화탄소(CO2), 황화수소(H2S), 이산화황(SO2), 이산화질소(NO2) 및 COS 등이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 산성가스 회수공정을 도시한 것으로, 본 발명에 따른 산성가스 회수장치는 크게 산성가스 의 흡수 제거가 이루어지는 흡수탑(3) 및 흡수제의 재생이 이루어지는 탈거탑(7)으로 구성된다.
혼합가스 공급라인(1)은 흡수탑(3)과 연결되어 산성가스를 함유하는 혼합가스를 흡수탑(3)에 공급한다.
산성가스 포화 흡수제 이송라인(4)은 흡수탑(3)에서의 반응으로 산성가스로 포화된 흡수제를 탈거탑(7)으로 이송한다.
리보일러(8)는 탈거탑(7)에 설치되어 흡수제의 재생에 필요한 열 에너지를 탈거탑(7)에 공급한다.
재생 흡수제 이송라인(13)은 탈거탑(7)에서 재생된 흡수제를 흡수탑(2)으로 재순환시킨다.
처리가스(산성가스가 제거된 가스) 배출라인(11)은 흡수탑(3)에서 산성가스가 제거된 처리가스를 배출한다.
산성가스 배출라인(12)은 탈거탑(7)에서 흡수제로부터 분리된 산성가스를 배출한다.
산성가스 포화 흡수제 이송 펌프(5)는 산성가스 포화 흡수제 이송라인(4)에 설치되어 산성가스 포화 흡수제 이송에 필요한 동력을 제공한다.
재생 흡수제 이송 펌프(9)는 재생 흡수제 이송라인(13)에 설치되어 재생 흡수제 이송에 필요한 동력을 제공한다.
제1 열교환기(10)는 재생 흡수제 이송라인(13)에 설치되어 재생 흡수제의 온도를 낮춘다.
제2 열교환기(6)는 산성가스 포화 흡수제 이송라인(4)에 설치되어 포화 흡수제를 예열한다.
냉각기(15)는 흡수탑(3) 하단 외부에 설치되어 흡수탑에서 인출된 흡수제를 냉각시킨다. 냉각기는 일종의 열교환기로서, 판형 열교환기가 보다 바람직하다. 냉각기 한쪽으로는　인출된 온도가 높은 흡수제가 들어가고 다른 쪽으로는 냉각수가 들어가서 인출된 흡수제를 냉각시킨다.
흡수제 배관라인(16)은 흡수탑 하단과 연결되고 냉각기(15)와 냉각 펌프(14)을 통해 흡수탑 하단으로부터 인출된 흡수제가 흡수탑(3) 하단으로 재공급시킨다. 특히, 배관라인의 흡수제 인출 출구는 흡수제 재공급되는 입구 보다 높게 위치시킨다.
충전층(17, 18)은 흡수탑(3) 내부에 적어도 한 층 이상 설치되어 산성가스와 흡수제의 접촉효율을 향상시킨다.
도 2는 본 발명에 따라 분리성능이 향상된 흡수탑의 정면도로서, 냉각기(15)에는 흡수제 배관라인(16)이 설치되어 냉각기(15)에 인출된 흡수제를 냉각시킨다.
냉각펌프(14)는 흡수제 배관라인(16)에 설치되어 냉각된 흡수제를 흡수탑 하단으로 재공급에 필요한 동력을 제공한다.
흡수탑 하단 흡수제의 액위(19)는 흡수제의 양과 흡수제의 체류시간 등을 고려하여 선택될 수 있으며, 바람직하게는 흡수탑 하단과 흡수탑 최하단 충진층 간의 간격을 1로 하였을 때, 바닥에서 1/3 내지 1/2 위치에 오도록 한다.
상기 흡수탑 하단의 흡수제 배관라인(16)은 20 내지 40 ℃ 범위의 온도로 흡수제를 냉각시킨다. 이는 20 ℃ 미만으로 운전하게 되면 흡수제의 온도가 과도하게 떨어지기 때문에 이후에 탈거탑에서의 에너지 사용량이 증가되는 문제가 있고, 40 ℃ 초과로 운전을 하게 되면 흡수제 냉각에 따른 반응효율 증대효과를 얻을 수 없기 때문이다.
본 발명에 따른 산성가스의 회수방법은, 산성가스를 포함한 혼합가스가 흡수탑 하단에 설치된 가스 라인을 통해 흡수탑 내부로 투입하고, 흡수탑 하단에 체류하고 있는 액상의 흡수제 중 일부는 흡수탑 하단에 설치된 배관라인을 통해 인출, 냉각하고 다시 흡수탑 하단으로 투입하는 단계; 상기 투입된 흡수제와 혼합가스 내 산성가스가 결합하여 산성가스 포화 흡수제를 생성시키고, 상기 흡수제를 펌프를 통해 탈거탑으로 이송하는 단계; 및 상기 산성가스 포화된 흡수제가 탈거탑 상부로 공급되고 탈거탑 하부 재비기에서 생성된 고온의 스팀 또는 열 에너지에 의해 흡수제와 화학적으로 결합한 산성가스를 분리하는 단계를 포함한다.
추가로, 산성가스로 포화된 흡수제를 탈거탑에서 재생한 후 흡수탑으로 재순환시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 흡수제는 습식 이산화탄소 분리 공정에 적용이 가능한 흡수제로서, 아민계, 아미노산염, 무기염계 용액, 암모니아수 등을 단독 혹은 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명의 공정은 크게 두 단계로 구분하여 나누어 볼 수 있으며, 단계별 상세 설명은 다음과 같다.
[제1단계: 흡수탑]
이산화탄소 등의 산성가스가 포함된 혼합가스가 흡수탑에 의해 발생되는 압력강하를 극복하기 위하여 가스 블로워를 통해 흡수탑 하부로 이송된다. 흡수탑의 흡수액은 흡수탑 하단에 일정 액위 이상 유지되도록 조정하고 가스 투입라인 끝단에는 가스와 액상의 반응 효율 증대를 유도하기 위하여 스파저를 설치한다. 가스 블로워를 통해 이송되는 혼합 가스는 스파저를 통해 분산된 후 액상의 흡수제와 반응을 한다. 스파저는 가스 투입 라인과 라인 끝단에 미세한 홀 형태의 표면을 갖는 금속 재질의 몸체로 구성이 되는데, 가스라인을 통해 투입되는 가스가 표면의 수많은 홀로 빠져나오면서 분산이 되기 때문에 기상의 반응 면적이 증대되어 기액 접촉시 반응 효율을 증대시킬 수 있다. 가스와 액상의 반응시간은 흡수제와 이산화탄소와의 반응속도에 따라 달라질 수 있는데, 흡수탑 하단의 액위를 조절하여 각각의 경우에 맞는 최적의 체류시간을 갖도록 한다.
또한, 해당 부분에는 흡수제를 일부 인출하여 냉각 후 다시 흡수탑 하단부분으로 투입하게 하는데, 이러한 방법을 통해 기액 반응 시 반응 온도를 낮추어 이산화탄소 분자의 활동성을 떨어뜨림으로써 반응 효율 향상이 가능해진다. 또한, 흡수탑 하부로 투입되는 혼합가스가 흡수탑 하부에서 액상의 흡수제와 접촉을 할 때, 흡수제과 반응하는 혼합 가스의 온도 제어가 가능하므로 기존의 산성가스 처리공정에서 흡수 반응 향상을 위해 반드시 필요한 가스 냉각 공정으로서의 역할이 가능하다.
특히, 이러한 냉각방식은 기존의 산성가스 처리 공정과 비교하여 장치비가 높은 냉각탑을 설치할 필요가 없기 때문에 공정의 투자비 및 소요면적이 줄어들고, 또한 냉각탑 운전을 위한 운전비용을 줄일 수 있으므로 전체 산성가스 처리공정의 경제성을 크게 향상시킬 수 있다. 본 발명의 냉각 시스템은 흡수탑 하단부에 배관라인을 설치하여 흡수제의 일부를 인출한 후 냉각기를 거치면서 냉각을 시키고 다시 흡수탑 하단으로 주입되도록 한다. 흡수제의 냉각 온도는 20 내지 40 ℃ 범위에서 운전을 하나, 유입되는 혼합가스의 성상 및 사용되는 흡수제의 반응 특성에 따라 조절이 가능하다. 이때, 상기 인출되는 흡수제는 전체 흡수제의 10 내지 30 중량%가 바람직하며, 만일 10 중량% 미만으로 인출되면 열교환 효율에 문제가 있고, 30 중량%을 초과하면 흡수탑 하부 온도에 제어에 문제가 있다.
흡수탑 하단에서 기상인 혼합가스와 액상인 흡수제와의 일차 반응을 유도한 후, 기상의 혼합가스는 충진물이 설치된 흡수탑 상부로 이동되고 해당 구간에서는 종래의 전형적인 흡수탑 분리 메커니즘에 따라 액상의 흡수제와 향류 반응하여 이산화탄소 등의 산성가스와 흡수제가 화학적으로 결합한다. 이러한 방식은 흡수탑 내에 충진된 충진물에 액상의 흡수제가 분산되고 이곳을 지나가는 기상의 혼합가스가 반응을 하는 일반적인 반응 메커니즘에 비해, 일차로 흡수탑 하단에서 상당량의 산성가스가 제거 되기 때문에 필요한 흡수탑의 높이를 크게 줄일 수가 있으며 동일 흡수탑 하에서는 산성가스 제거율 향상을 유도할 수 있는 장점이 있다. 물론 흡수탑 하단에 액상의 흡수제가 채워져 있기 때문에 차압증가에 따라 가스 투입을 위한 블로어 동력비용이 증가할 수 있으나, 동일 조건에서 흡수탑의 높이가 크게 낮아질 수 있고 이에 따른 부속 설비(펌프 등)의 부하 역시 줄어들기 때문에 블로워 동력비용은 상쇄될 것으로 예상된다.
끝단에 스파저가 설치된 가스라인을 통해 흡수탑 내부로 투입되는 혼합가스는 흡수제와 화학적으로 반응을 하고 산성가스가 제거된 가스는 흡수탑 상단의 스크러버를 통과하는데, 가스 중에 포함된 소량의 흡수제 및 수분 등은 스크러버에서 포집되어 흡수탑으로 재순환되고, 탈거가 이루어진 가스는 대기 중으로 배출된다. 흡수탑의 운전온도는 사용되는 흡수제의 종류에 따라 달라질 수 있는데 일반적으로 25 내지 60℃ 범위에서 운전이 이루어지는 것이 흡수탑 내 이산화탄소의 제거효율 측면에서 바람직하다. 흡수제 액위는 기존의 흡수탑 바닥에 위치할 경우 충분한 체류시간 확보가 곤란하다. 따라서, 해당 흡수제 액위는 흡수탑 하단과 흡수탑 최하단 충진물 간의 간격을 1로 하였을 때, 바닥에서부터 1/2 내지 1/3 위치에 오도록 설치한다. 또한, 가스 투입라인에는 체크 밸브를 추가하여 흡수탑 하단의 액상 흡수제가 가스 투입라인으로 역류하는 현상을 방지한다.
[제2단계: 탈거탑]
탈거탑에서는 화학적으로 결합되어 있는 산성가스와 흡수제가 열에너지에 의해 분리되어 고순도의 산성가스가 생성됨과 동시에 흡수제는 재생되어 다시 흡수탑으로 공급된다. 흡수탑에서 산성가스와 화학적으로 반응한 산성가스 포화 흡수제는 열교환기를 거쳐 예열된 후 탈거탑의 상부로 공급된다. 탈거탑의 상부로 인입된 산성가스 포화 흡수제는 탑 하부로 이동하면서 탈거탑 하부의 리보일러에서 발생되는 스팀 또는 열 에너지에 의하여 산성가스가 탈거되고 흡수제는 재생된다.
탈거탑 상부로는 물(H2O) 성분을 포함한 탈거된 산성가스가 냉각기로 이동되며 여기에서 대부분의 증기는 냉각되어 기체/액체 2상의 유체가 생성된 후 리플럭스 드럼으로 이송된다. 리플럭스 드럼에서는 산성가스와 응축수로 상 분리되며, 산성가스는 산성가스 회수 및 처리공정으로 이송되어 용도에 따라 저장 또는 다른 유용한 고부가 화학물질로 전환이 가능하다. 응축수는 리플럭스 드럼을 통하여 다시 탈거탑 상부로 이송되어 탈거탑 상부로 상승하는 기체에 존재하는 부유물을 세정하는 역할을 한다. 리보일러로부터 이송되는 재생된 흡수제는 제1 열교환기를 거쳐 흡수제 순환펌프를 통하여 흡수탑 상부로 이송된다. 탈거탑의 운전온도는 흡수제의 종류, 사용하는 흡수제와 이산화탄소의 간의 탈거특성에 따라 달라질 수 있는데, 일반적으로 80 내지 140 ℃ 범위에서 운전이 이루어진다.
상기와 같이 산성가스를 회수하는 본 발명의 경우, 판형 열교환기 냉각 효율을 기준으로 설치비 및 운전비가 기존 냉각탑을 사용하던 산성가스 회수공정 대비 대략 1/5 이하로 줄어들 수 있을 것으로 기대된다.
이하, 실시예와 비교예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 이로 인해 발명의 범위가 제한되지 않는다.
실시예 1
흡수탑 하단의 가스 라인을 통해 버너에서 연소된 혼합가스를 시간당 10 m3 유량으로 투입하였다. 상기 혼합가스는 이산화탄소 15 중량%, 산소 10중량%, 질소 75중량%으로 구성되었다. 혼합가스의 온도는 버너에서 나온 직후 배관라인을 거치면 50 ~ 60 ℃에서 유지된다. 흡수제는 이산화탄소 흡수제로 많이 사용되는 아민계열의 모노에탄올아민(Monoethanolamine)을 30 중량부 사용하였고 흡수제의 순환량은 분당 500 ml, 재생탑에서 재생이 끝나고 다시 흡수탑으로 투입되는 린 아민 흡수제의 온도는 40℃로 조정하였다. 흡수탑 하단에 체류하고 있는 액상의 흡수제와 기상의 혼합가스가 반응할 수 있도록 하기 위하여 흡수탑 하단의 흡수제 액위는 흡수탑 하단과 흡수탑 최하단의 충진물 간의 간격을 1로 하였을 때 바닥에서 1/2 위치에 오도록 조절하였다. 흡수탑 하단에 설치된 배관라인에서는 흡수탑 내 전체 흡수제의 20중량%의 흡수제를 인출한 후 냉각기를 거쳐 냉각후 흡수탑 하단으로 재투입한다. 냉각 온도는 25 ℃로 하여 흡수탑 하단에서 흡수액과 혼합가스간 반응 시 발생되는 열이 효과적으로 제거되도록 하였다. 흡수탑 상단과 하단의 이산화탄소 농도를 가스 분석기를 활용하여 측정 후 흡수탑에서의 산성가스(이산화탄소) 제거율을 분석하였다. 또한, 본 발명에서 고안한 냉각시스템의 냉각 성능을 확인하기 위하여 흡수탑 하단 온도를 측정하여 그 결과를 하기 표 1 및 표 2에 나타내었다.
실시예 2
상기 실시예 1에서, 흡수탑 하단 배관라인의 냉각온도가 35℃ 인 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 얻은 흡수탑에서의 산성가스(이산화탄소) 제거율 및 온도 데이터는 표 1과 같다.
실시예 3
상기 실시예 1에서, 흡수탑 하단의 액위가 흡수탑 하단과 흡수탑 최하단의 충진물 간의 간격을 1로 하였을 때 바닥에서 1/3 위치에 오도록 하는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 얻은 흡수탑에서의 산성가스(이산화탄소) 제거율 및 온도 데이터는 표 2와 같다.
비교예 1
상기 실시예 1에서, 흡수탑 하단에 설치된 배관라인의 냉각 작용을 하지 않는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 얻은 흡수탑에서의 산성가스(이산화탄소) 제거율 및 온도 데이터는 하기 표 1과 같다.
구분 흡수탑 하단 배관라인 냉각온도 흡수탑 투입 직전 혼합 가스 온도 흡수탑 하단부 온도
(냉각라인 설치영역)		 산성가스(이산화탄소) 제거율 평균
실시예 1 25℃ 55℃ 35℃ 94.1%
실시예 2 35℃ 55℃ 45℃ 91.0%
비교예 1 미 냉각 55℃ 60℃ 86.2%
분석 결과 실시예 1 및 2의 경우 동일 조건의 비교예 1과 비교하여 산성가스(이산화탄소)의 제거율이 높게 나온 것을 확인할 수 있으며, 특히 냉각 온도를 낮게 운전하여 기상의 산성가스와 액상의 흡수제 반응 시 발생되는 열을 많이 제거할수록 산성가스 제거율이 향상됨을 확인하였다. 또한, 냉각을 위한 배관라인이 설치된 흡수탑 하단부 온도를 분석하면 냉각을 하지 않았을 경우, 흡수탑 하단의 온도가 60 ℃까지 상승하였는데 이는 흡수탑으로 투입되는 혼합가스의 온도가 높을 뿐만 아니라(55℃) 흡수제인 모노에탄올아민과의 반응이 발열반응이므로 반응 중에 발생되는 열에 기인한다. 비교예 1에서도 확인할 수 있듯이 일반적인 산성가스 처리 공정에서 흡수제와의 반응은 발열반응이기 때문에 이로 인한 온도 상승으로 반응효율이 떨어지는 문제가 있어서 흡수탑 투입 전 혼합가스의 냉각이 반드시 필요하다. 이에 비하여 실시예 1 및 실시예 2의 경우에는 흡수탑 하단에 설치된 냉각 라인만으로도 충분하게 발열 제어가 가능한 것을 확인할 수 있을 뿐만 아니라 이러한 냉각기능을 통해 흡수탑에서 산성가스의 제거율이 향상된 것을 확인할 수 있다.
구분 흡수탑 하단 배관라인 냉각온도 흡수탑 투입 직전 혼합 가스 온도 흡수탑 하단부 온도
(냉각라인 설치영역)		 산성가스(이산화탄소) 제거율 평균
실시예 1 25℃ 55℃ 35℃ 94.1%
실시예 3 25℃ 55℃ 38℃ 92.5%
상기 표 2의 실험내용을 분석 결과, 실시예 3은 실시예 1의 결과와 비교하여 산성가스의 제거율이 대략 2% 정도 떨어지는 결과를 보였는데 이는 실시예 1에 비해 실시예 3의 흡수제의 높이가 낮아서 혼합가스와 흡수제와의 반응을 위한 체류시간이 낮아지기 때문인 것으로 분석된다. 이러한 이유로 흡수제의 액위는 본 특허에서 제시하는 범위에서 최대 높이에서 운전하는 것이 제거율 향상 측면에서 유리할 것으로 판단된다.
1: 혼합가스 공급라인
2: 냉각탑
3: 흡수탑
4: 산성가스 포화 흡수제 이송라인
5: 산성가스 포화 흡수제 이송 펌프
6: 제2 열교환기
7: 탈거탑
8: 리보일러
9: 재생 흡수제 이송 펌프
10: 제1 열교환기
11: 산성가스가 제거된 가스 배출라인
12: 산성가스 배출라인
13: 재생 흡수제 이송라인
14: 냉각용 펌프
15: 냉각기
16: 흡수제 배관라인
17, 18: 충전층
19: 흡수제 액위

Claims (17)

  1. 산성가스를 포함한 혼합가스가 투입되고 흡수제에 산성가스가 흡수되도록 하는 흡수탑(3); 및 상기 산성가스가 흡수된 흡수제에서 산성가스를 탈거하는 탈거탑(7)을 포함하되,
    상기 흡수탑의 하단 외부에 설치되어 흡수제 배관라인(16)을 통해 흡수탑에서 인출된 액상의 흡수제를 냉각시키는 냉각기(15)를 포함하는 산성가스 회수장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    탈거탑에서 산성가스와 분리된 재생 흡수제를 흡수탑으로 재순환시키는 재순환 라인을 추가로 포함하는 산성가스 회수장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    흡수탑 하단으로 혼합가스를 투입하기 전 냉각탑이 별도 설치되지 않은 산성가스 회수장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    흡수탑 하단 흡수제의 액위는 흡수탑 하단과 흡수탑 최하단 충진층 간의 간격을 1로 하였을 때, 바닥에서 1/3 내지 1/2 위치에 오도록 하는 산성가스 회수장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡수탑 하단의 흡수제 배관라인(16)은 20 내지 40 ℃인 것을 특징으로 하는 산성가스 회수장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡수제는 아민계, 아미노산염, 무기염계 용액 및 암모니아수로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 산성가스 회수장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 산성가스는 이산화탄소(CO2), 황화수소(H2S), 이산화황(SO2), 이산화질소(NO2) 및 COS로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 산성가스 회수장치
  8. 산성가스를 포함한 혼합가스가 흡수탑 하단에 설치된 가스 라인을 통해 흡수탑 내부로 투입하고, 흡수탑 하단에 체류하고 있는 액상의 흡수제 중 일부는 흡수탑 하단에 설치된 배관라인을 통해 인출, 냉각하고 다시 흡수탑 하단으로 투입하는 단계;
    상기 투입된 흡수제와 혼합가스 내 산성가스가 결합하여 산성가스 포화 흡수제를 생성시키고, 상기 흡수제를 펌프를 통해 탈거탑으로 이송하는 단계; 및
    상기 산성가스 포화된 흡수제가 탈거탑 상부로 공급되고 탈거탑 하부 재비기에서 생성된 고온의 스팀 또는 열 에너지에 의해 흡수제와 화학적으로 결합한 산성가스를 분리하는 단계
    를 포함하는 산성가스의 회수방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    산성가스로 포화된 흡수제를 탈거탑에서 재생한 후 흡수탑으로 재순환시키는 단계를 추가로 포함하는 산성가스의 회수방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    흡수탑 투입 전 혼합가스의 온도는 50 내지 60 ℃인 산성가스의 회수방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    흡수제 일부는 전체 흡수제의 10 내지 30 중량%인 산성가스의 회수방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    흡수탑 하단 흡수제의 액위는 흡수탑 하단과 흡수탑 최하단 충진층 간의 간격을 1로 하였을 때, 바닥에서 1/3 내지 1/2 위치에 오도록 하는 산성가스의 회수방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    흡수탑 하단에서 인출된 흡수제의 냉각 온도는 20 내지 40℃인 산성가스의 회수방법.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 흡수탑은 25 내지 60 ℃의 온도로 운전하는 산성가스의 회수방법.
  15. 제 8 항에 있어서,
    상기 탈거탑은 80 내지 140 ℃의 온도로 운전하는 산성가스의 회수방법.
  16. 제 8 항에 있어서,
    상기 흡수제는 아민계, 아미노산염, 무기염계 용액 및 암모니아수로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 산성가스의 회수방법.
  17. 제 8 항에 있어서,
    상기 산성가스는 이산화탄소(CO2), 황화수소(H2S), 이산화황(SO2), 이산화질소(NO2) 및 COS로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 산성가스의 회수방법.
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