KR20130039185A - 에너지효율이 향상된 건식 이산화탄소 포집장치 - Google Patents

에너지효율이 향상된 건식 이산화탄소 포집장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이산화탄소를 흡수한 흡수제로부터 이산화탄소를 분리시키는 재생공정과 이산화탄소에 H20를 흡습시키는 전처리공정 사이의 온도차를 이용하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 건식 이산화탄소 포집장치에 관한 것으로, 외부로부터 공급된 이산화탄소가 함유된 배기가스에 고체흡수제를 접촉하여 이산화탄소를 회수하는 회수반응기; 상기 회수반응기와 연결되어 기체는 배출시키고 이산화탄소를 포집하고 있는 고체흡수제만 분리하는 회수사이클론; 상기 회수사이클론으로부터 공급받은 이산화탄소를 포집하고 있는 고체흡수제를 공급받아 유동화가스를 이용하여 고체흡수제에 포집된 이산화탄소를 분리하는 재생반응기; 및 상기 재생반응기와 연결되어 이산화탄소가 분리된 고체흡수제를 냉각시켜 상기 회수반응기로 피드백하는 전처리반응기를 포함하고, 상기 회수사이클론과 상기 재생반응기 사이에는 이산화탄소를 포집하고 있는 고체흡수제가 통과하는 제1열교환기가 설치되고, 상기 전처리반응기와 상기 재생반응기 사이에는 이산화탄소가 분리된 고체흡수제가 통과하는 제2열교환기가 설치되며, 상기 제1열교환기에 설치되는 제1열교환자켓과 상기 제2열교환기에 설치되는 제2열교환자켓은 서로 연결되어 열매체의 폐루프를 형성하는 것을 특징으로 한다.

Description

에너지효율이 향상된 건식 이산화탄소 포집장치{Dry sorbent CO2 capturing device with improving energy efficiency}
본 발명은 건식 이산화탄소 포집장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이산화탄소를 흡수한 흡수제로부터 이산화탄소를 분리시키는 재생공정과, 회수반응기에 적합한 온도 등의 조건을 부여하는 전처리공정 사이의 온도차를 이용하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 건식 이산화탄소 포집장치에 관한 것이다.
종래에 CO2회수 공정으로는 습식법에 의한 공정이 사용되었다. 즉, CO2를 포함하는 가스를 아민류 계통의 용액을 통과시켜 CO2를 흡수하게 하고 재생탑에서 그 용액을 재생하여 사용하는 방법이며, 이러한 습식법은 공정과정에 폐수가 추가로 발생되는 단점이 있다.
따라서 상기 습식법의 단점을 해소하기 위한 대안으로 건식법에 의한 CO2의 회수방법이 제안되었다. 상기 건식법을 이용한 시스템은 두개의 반응기를 이용하여 CO2를 회수하는 것으로, 회수반응기에 공급된 CO2를 고체흡수제(건식흡수제)에 흡착제거하고, 상기 고체흡수제는 재생반응기로 유입되어 흡착된 CO2를 제거하고, 전처리반응기에서 고체흡수제에 H2O를 흡습시켜 다시 회수반응기에 공급하는 과정으로 이루어진다.
이 때, 상기 재생반응기에서는 이산화탄소를 제거하기 위해 별도의 열원을 제공하여야 한다. 또, 상기 전처리반응기에서는 상기 회수반응기에서 이산화탄소의 흡착에 적합한 온도조건을 제공할 수 있도록 고체흡수제로부터 열을 제거하여야 한다.
종래기술에서는 건식 이산화탄소 포집장치가 주로 발전소와 같은 대량의 이산화탄소를 발생시키는 대형 플랜트에 사용되기 때문에, 열을 공급하기 위한 매체는 발전소에서 얻어지는 스팀을 이용하고, 냉각을 위한 매체는 일반적으로 흔히 구할 수 있는 물을 사용하고 있다.
그러나, 건식 이산화탄소 포집장치에 소요되는 열량이 상당할 뿐만 아니라, 대용량 플랜트 시설에서 냉각 후에 온도가 올라간 물을 그대로 방류하면 온폐수의 영향으로 열오염에 의하여 수중의 생물에 악영향을 미치게 된다.
상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 이산화탄소를 흡수한 흡수제로부터 이산화탄소를 분리시키는 재생공정과 이산화탄소에 H20를 흡습시키는 전처리공정 사이의 온도차를 이용하여 전처리공정에서 흡습한 열량을 재생공정으로 이동시키는 것에 의해 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 건식 이산화탄소 포집장치를 제공하는 데에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 외부로부터 공급된 이산화탄소가 함유된 배기가스에 고체흡수제를 접촉하여 이산화탄소를 회수하는 회수반응기; 상기 회수반응기와 연결되어 기체는 배출시키고 이산화탄소를 포집하고 있는 고체흡수제만 분리하는 회수사이클론; 상기 회수사이클론으로부터 공급받은 이산화탄소를 포집하고 있는 고체흡수제를 공급받아 유동화가스를 이용하여 고체흡수제에 포집된 이산화탄소를 분리하는 재생반응기; 및 상기 재생반응기와 연결되어 이산화탄소가 분리된 고체흡수제에 H2O를 흡수시켜 상기 회수반응기로 피드백하는 전처리반응기를 포함하고, 상기 회수사이클론과 상기 재생반응기 사이에는 이산화탄소를 포집하고 있는 고체흡수제가 통과하는 제1열교환기가 설치되고, 상기 전처리반응기와 상기 재생반응기 사이에는 이산화탄소가 분리된 고체흡수제가 통과하는 제2열교환기가 설치되며, 상기 제1열교환기에 설치되는 제1열교환자켓과 상기 제2열교환기에 설치되는 제2열교환자켓은 서로 연결되어 열매체의 폐루프를 형성하는 것을 특징으로 하는 건식 이산화탄소 포집장치이다.
상기 열매체는 상기 제1열교환자켓에서 액화되고, 상기 제2열교환자켓에서 기화하는 것을 선택할 수 있다.
또, 상기 제1열교환기는 상기 제2열교환기보다 높게 설치되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 제1열교환기와 상기 제2열교환기 사이에는 열매체를 순환시키는 순환펌프가 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명을 통하여, 건식 이산화탄소 포집장치의 에너지 효율을 향상시키고, 이산화탄소의 포집공정에서 발생되는 열오염의 피해를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 건식 이산화탄소 포집장치의 개략적인 도면이다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1에서 도면부호 100은 본 발명의 실시예에 따른 건식 이산화탄소 포집장치를 지시한다.
상기 건식 이산화탄소 포집장치(100)는 기본적으로 종래기술에서 공지된 회수반응기(102), 회수사이클론(104), 재생반응기(108), 및 전처리반응기(114)를 포함한다.
상기 회수반응기(102)는 고정층 반응기 또는 유동층 반응기를 사용할 수 있으며, 기타 공지의 건식 이산화탄소 포집장치에 사용되는 회수반응기를 사용할 수 있다. 특히, 유동층 반응기를 사용하면, 배가스를 이용하여 건식 고체흡수제를 유동화시키는 것에 의해 기체상태의 배가스와 고체상태의 고체흡수제의 접촉이 활발하여 이산화탄소의 제거능력이 향상되어 바람직하다.
본 발명에서 사용되는 건식 고체흡수제는 공지의 기술에서 사용된 것을 사용할 수 있으며, 특히, 이산화탄소의 흡착력이 좋은 K2CO2 또는 Na2CO3를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 회수반응기(102)에 배가스는 배가스공급관(101)에 의해 공급되며, 특히 유동층 반응기를 이용할 경우에는 상기 배가스의 주입압력과 유량을 제어하여 상기 고체흡수제의 유동화를 유지할 수 있도록 하여야 한다. 또한, 상기 건식 고체흡수제가 활발하게 이산화탄소를 흡수할 수 있는 주입온도(T1)으로 배가스를 주입하여야 한다. 주입온도(T1)은 건식 고체흡수제의 종류에 따라 달라진다.
상기 회수사이클론(104)은 공지의 장치로써, 상기 회수반응기(102)에서 이산화탄소를 흡수한 고체흡수제를 원심분리하여, 상기 고체흡수제는 자중에 의해 낙하하고, 가벼운 기체, 즉 이산화탄소가 제거된 배가스는 상기 회수싸이클론(104)에 연결되는 분리가스배출관(124)을 통해 이후 단계로 진행된다.
상기 재생반응기(108)에서는 이산화탄소를 흡수한 고체흡수제를 가열하여, 상기 고체흡수제가 이산화탄소를 방출할 수 있도록 한다. 이 때, 상기 고체흡수제의 가열온도(T2)는 상기 배가스의 주입온도(T1)보다 높다. 상기 재생반응기(108)에서 고체흡수제의 가열은 재생가스공급관(109)으로부터 유입되는 재생가스에 의해 유동화상태에서 이루어지며, 상기 재생가스로는 스팀을 사용할 수 있다. 스팀을 이용하는 경우, 재생된 가스 중 수분만 제거하면 순수한 이산화탄소를 얻을 수 있으므로 바람직하다. 또, 고체흡수제의 유동화를 위하여 상기 재생반응기(108) 내부에 상기 스팀을 확산시키는 확산판이 설치되고, 상기 고체흡수제가 상기 확산판 상부에 배치되며, 상기 확산판의 하측으로 상기 재생가스공급관(109)이 연통될 수 있다. 상기 고체흡수제는 상기 확산판을 관통하는 고체흡수제전달관을 설치하여 전처리반응기(114)로 이동시키는 것이 가능하다.
상기 재생반응기(108)에는 재생사이클론(105)이 추가로 설치될 수 있다. 이는 상기 재생가스에 의해 부유되는 고체흡수제의 유실을 방지하기 위한 것이다. 상기 재생사이클론(105)의 구조는 기본적으로 상기 회수사이클론(104)과 동일하다. 상기 재생반응기(108)에 설치되는 이산화탄소배출관(126)을 통해 배출되는 기체는 상기 고체흡수제가 흡수했던 이산화탄소이다.
상기 재생반응기(108)를 지나친 고체흡수제는 상기 전처리반응기(114)에서 이산화탄소를 흡수하기 용이한 온도를 가지게 되고, 상기 회수반응기(102)로 이동하게 된다.
상기 전처리반응기(114)에서 고체흡수제의 냉각을 위해서 상기 전처리반응기(114)에는 전처리가스를 공급한다. 상기 전처리가스로는 대기, 또는 질소가스와 같은 불활성기체 등을 사용할 수 있으며, 상기 전처리반응기(114)에 설치된 전처리가스공급관(109)를 통해 공급된다. 상기 전처리가스의 온도는 적어도 상기 회수반응기(102)에 공급되는 배가스의 주입온도와 같거나 이보다 낮아야 한다. 그리고, 상기 전처리가스는 상기 전처리반응기(114) 내에서 고체흡수제를 유동층 운동을 시키는 것에 의해 고체흡수제를 빠르게 냉각시킬 수 있다.
또, H2O를 흡수한 건식 고체흡수제는 이산화탄소가 H2O에 쉽게 용해되는 성질 때문에 이산화탄소의 흡착율을 더욱 높이게 된다. 따라서, 상기 전처리가스를 수증기 포화상태로 공급하여 상기 고체흡수제를 조습시키는 것이 바람직하다.
상기 전처리반응기(114)에는 공급된 전처리가스를 배출시키는 전처리가스배출관(128)이 설치된다. 그리고, 상기 전처리가스배출관(128)을 통해 고체흡수제의 이탈을 방지하기 위하여 재생싸이클론(105)과 동일한 구성의 전처리싸이클론(미도시)을 상기 전처리가스배출관(128)에 설치할 수 있다. 따라서, 상기 전처리싸이클론에 의해 회수되는 고체흡수제는 다시 상기 전처리반응기(114)로 피드백시키면서, 고체흡수제로부터 열에너지를 흡수한 전처리가스만을 방출시키는 것이 가능하다.
이러한 전처리가스와 고체흡수제의 접촉에 의하여 상기 전처리반응기(114)에서 배출되는 고체흡수제의 온도는 상기 회수반응기(102)의 주입온도(T1)와 동일하다. 이 결과, 상기 재생반응기(108)에서는 가열온도(T2)까지 고체흡수제의 온도를 재생가스에 의해 상승시키고, 상기 전처리반응기(114)에서는 주입온도(T1)까지 고체흡수제의 온도를 낮춰야 하므로, 재생반응기(108)에 공급된 열에너지를, 그 다음 단계의 전처리반응기(114)에서 강제로 회수하여야 하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명에서는 상기 회수사이클론(104)과 상기 재생반응기(108) 사이에는 이산화탄소를 포집하고 있는 고체흡수제가 통과하는 제1열교환기(106)가 설치되고, 상기 전처리반응기(114)와 상기 재생반응기(108) 사이에는 이산화탄소가 분리된 고체흡수제가 통과하는 제2열교환기(110)를 설치한다.
그리고, 상기 제1열교환기(106)에 설치되는 제1열교환자켓(120)과 상기 제2열교환기(110)에 설치되는 제2열교환자켓(122)은 서로 연결되어 열매체의 폐루프를 시킨다.
이 결과, 상기 제2열교환기(110)에서 흡수한 열량을 상기 제1열교환기(106)에 공급하는 것이 가능하다. 즉, 상기 제1열교환기(106)에 유입되는 고체흡수제는 상기 회수반응기(102) 및 상기 회수싸이클론(104)를 거친 것으로 T1의 온도를 가지며, 상기 제2열교환기(110)에 유입되는 고체흡수제는 T2의 온도를 가지게 되므로, 상기 제2열교환기(110)와 상기 제1열교환기(106) 사이에는 (T2-T1)의 온도차가 발생된다. 그러므로, 상기 제2열교환기(110)에서 상기 제2열교환자켓(122)에 의해 흡수된 열을 상기 제1열교환기(106)에 공급하는 것에 의해, 상기 재생반응기(108)으로 유입되는 고체흡수제의 온도를 T1보다 높게 할 수 있으므로 소요되는 스팀의 열량을 줄일 수 있다. 또, 상기 전처리반응기(114)로 유입되는 고체흡수제의 온도를 T2보다 낮게 할 수 있으므로, 상기 전처리반응기(114)로 공급되는 전처리가스에 의하여 고체흡수제로부터 흡수하는 열량을 종래기술에 비해 낮출 수 있다.
그리고, 상술한 바와 같이 상기 제1열교환자켓(120)과 상기 제2열교환자켓(122)은 폐루프를 이루며, 그 내부에서 열매체가 순환하여야 한다.
상기 열매체의 순환은 간단하게 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 폐루프에 순환펌프(112)를 설치하여 수행할 수 있다.
또, 열매체의 상변화에 의한 밀도차를 이용하여 외부에너지의 공급없이 상기 폐루프 내의 열매체를 순환시키는 것도 가능하다. 즉, 고온의 제2열교환자켓(122)에서 기화하여 가볍게 된 열매체가 저온의 제1열교환자켓(122)에서 액화하여 밀도가 증가하여 자중이 증가하는 것에 의해 상기 루프관(118) 내부를 순환하는 것이 가능하다. 이 경우, 상기 제1열교환자켓(122)에서는 액화하고 상기 제2열교환자켓(122)에서는 기화할 수 있도록, 기화온도가 T1과 T2 사이에 존재하여야 한다. 이러한, 열매체로써 열용량이 큰 물을 사용할 수 있으며, 공지의 다른 열매체를 사용하는 것도 가능하다. 그리고, 열매체의 기화온도를 위 조건에 만족시키기 위하여 상기 루프관(118) 내의 압력을 변화시킬 수 있다. 또, 상기 루프관(118)에 체크밸브(미도시)를 설치하여 열매체의 순환방향을 일방향으로 한정하는 것도 가능하다.
또, 열매체의 순환을 용이하게 하기 위해, 상기 제1열교환기(106)는 상기 제2열교환기(110)보다 높게 설치되는 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 건식 이산화탄소 포집장치 102: 회수반응기
104: 회수사이클론 105: 재생사이클론
106: 제1열교환기 108: 재생반응기
109: 재생가스공급관 110: 제2열교환기
112: 순환펌프 113: 전처리가스공급관
114: 전처리반응기 116: 체크밸브
118: 루프관 120: 제1열교환자켓
122: 제2열교환자켓 124: 분리가스배출관
126: 이산화탄소배출관 128: 전처리가스배출관

Claims (4)

  1. 외부로부터 공급된 이산화탄소가 함유된 배기가스에 고체흡수제를 접촉하여 이산화탄소를 회수하는 회수반응기;
    상기 회수반응기와 연결되어 기체는 배출시키고 이산화탄소를 포집하고 있는 고체흡수제만 분리하는 회수사이클론;
    상기 회수사이클론으로부터 공급받은 이산화탄소를 포집하고 있는 고체흡수제를 공급받아 유동화가스를 이용하여 고체흡수제에 포집된 이산화탄소를 분리하는 재생반응기; 및
    상기 재생반응기와 연결되어 이산화탄소가 분리된 고체흡수제를 냉각시켜 상기 회수반응기로 피드백하는 전처리반응기를 포함하고,
    상기 회수사이클론과 상기 재생반응기 사이에는 이산화탄소를 포집하고 있는 고체흡수제가 통과하는 제1열교환기가 설치되고, 상기 전처리반응기와 상기 재생반응기 사이에는 이산화탄소가 분리된 고체흡수제가 통과하는 제2열교환기가 설치되며,
    상기 제1열교환기에 설치되는 제1열교환자켓과 상기 제2열교환기에 설치되는 제2열교환자켓은 서로 연결되어 열매체의 폐루프를 형성하는 것을 특징으로 하는 건식 이산화탄소 포집장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열매체는 상기 제1열교환자켓에서 액화되고, 상기 제2열교환자켓에서 기화하는 것을 특징으로 하는 건식 이산화탄소 포집장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1열교환기는 상기 제2열교환기보다 높게 설치되는 것을 특징으로 하는 건식 이산화탄소 포집장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1열교환기와 상기 제2열교환기 사이에는 열매체를 순환시키는 순환펌프가 설치되는 것을 특징으로 하는 건식 이산화탄소 포집장치.
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