KR20130047470A - 암모니아수 흡수용액을 사용하는 개선된 이산화탄소 포집 방법 및 이를 구현하는 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 암모니아수 흡수용액을 이용하여 연소 배가스로부터 이산화탄소를 선택적으로 흡수하기 위한 흡수탑; 상기 흡수탑에서 유출되는 암모니아를 세정하기 위한 세정탑; 이산화탄소가 흡수된 암모니아수로부터 이산화탄소를 고압에서 탈거시키기 위한 이산화탄소 탈거탑; 및 세정탑에서 생산된 암모니아수를 암모니아 기체와 물로 분리하는 암모니아 회수탑을 사용하는 이산화탄소 포집 방법에 있어서, 상기 흡수탑에서 증발하는 암모니아를 세정탑으로 공급하여 세정수로 세정한 후 암모니아 회수탑으로 이송하고, 상기 암모니아 회수탑에서 가열을 통해 생성된 수증기와 암모니아 혼합 기체를 상기 암모니아 회수탑의 상단에 위치하는 열교환 부분 응축기로 이송하고, 상기 열교환 부분 응축기에서 수증기는 응축시켜 암모니아 회수탑으로 재순환시키며 암모니아 기체는 암모니아 기체 이송관을 통해 흡수탑으로 재순환시키는 것을 특징으로 하는, 암모니아수 흡수용액을 사용하는 개선된 이산화탄소 포집 방법 및 상기 방법을 구현하는 장치를 제공한다.
Description
본 발명은 연소 배가스와 같은 이산화탄소를 포함하는 혼합기체로부터 암모니아수 흡수용액을 사용하여 이산화탄소를 제거하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 이산화탄소 흡수탑에서 배출되는 처리배가스에 포함된 암모니아를 세정시키기 위한 세정수로부터 암모니아를 분리 및 회수하여 다시 흡수탑으로 이송시켜 흡수탑 내 이산화탄소 제거율을 향상시킬 수 있는 개선된 이산화탄소 포집 방법 및 이를 구현하는 장치에 관한 것이다.
흡수용액을 사용하여 연소 배가스와 같은 혼합기체 내의 이산화탄소를 제거 회수하는 방법으로는, 흡수용액과 혼합기체를 직접 접촉시켜 흡수용액의 흡수제가 이산화탄소와 결합함으로써 이산화탄소를 제거하고 정제된 기체를 얻어내는 공정이 대표적이다. 이러한 공정에서, 흡수공정을 거친 흡수용액에 에너지를 공급하면 흡수제에서 이산화탄소가 분리되어 회수되고, 흡수용액은 다시 이산화탄소를 흡수할 수 있도록 재생된다.
이러한 이산화탄소 흡수 공정에 사용되는 흡수용액으로는 아민과 암모니아수가 대표적이다. 흡수용액으로서 암모니아수를 이용한 이산화탄소 흡수 공정은 아민을 이용한 흡수 공정에 비해 암모니아는 흡수제 재생에 필요한 에너지가 적고, 흡수제의 가격과 내부식성 및 열화학적 안전성 측면에서 유리한 장점이 있다. 특히, 재생에너지가 적고 고온고압에서 안정하기 때문에, 흡수된 이산화탄소를 이산화탄소 탈거탑에서 흡수액으로부터 분리시킬 때 고압에서 고순도 이산화탄소의 재생이 가능하다. 분리를 통해 생산된 이산화탄소를 이송시키기 위해서는 50 bar 이상의 압력으로 압축하여 부피를 줄여야 하는데, 압축기의 단수가 증가할수록 에너지가 크게 소요된다. 따라서 3～30 bar 이상의 고압의 이산화탄소를 생산할 수 있는 암모니아수 공정의 경우 이산화탄소 압축에 필요한 압축기 장치비용과 운전비용을 많이 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
암모니아수의 암모니아는 용액 상에서 이온화되거나 물리적으로 용해된 상태로 존재한다. 용액 중에 용해된 암모니아 기체의 분압은 온도에 크게 의존하므로 온도가 증가할수록 쉽게 증발될 수 있으며, 상온에서도 용액 중의 암모니아 원료가 손실되어 원료의 주기적 또는 지속적인 보충이 필요하다. 암모니아수를 흡수 용액으로 사용하는 이산화탄소 흡수 장치 및 공정에서는 혼합기체가 암모니아수와 접촉하여 이산화탄소가 제거되거나 회수되므로, 배출되는 처리 배가스가 포함되거나 분리된 이산화탄소 생성물에 불순물 및 환경오염 물질로서 포함될 수 있다. 특히, 암모니아수가 재사용될 경우에는 이산화탄소가 함유된 암모니아수의 온도를 높여서 재생하게 되는데, 온도가 높은 경우에는 암모니아수의 증발이 보다 활성화되므로 암모니아수 내의 암모니아 기체의 증발 감소 또는 억제가 반드시 필요하게 된다.
일반적으로 암모니아수 내의 암모니아 기체의 증발을 방지하기 위해 사용되는 방법으로는, 정제되거나 회수되는 기체에 포함된 암모니아를 물에 대한 용해도 차이를 이용하여 물로 세정하는 방법(한국등록특허 제10-0836709호, 제10-0791091호 등)이 있다. 처리된 배가스에 포함된 암모니아를 세정탑에서 세정수를 이용하여 세정하고, 암모니아 세정에 사용된 세정수를 암모니아 회수탑으로 이송한 뒤 가열을 통해 암모니아를 물로부터 분리한다. 회수탑에서 분리된 암모니아 기체는 상압으로 운전되는 이산화탄소 탈거탑으로 이송되어 흡수액에 용해되어 회수되게 된다. 그러나 전술한 바와 같이 고압의 이산화탄소를 생산하기 위해 이산화탄소 탈거탑을 3～30 bar 이상의 고압에서 운전하는 경우, 암모니아 기체를 상압의 회수탑에서 고압의 이산화탄소 탈거탑으로 이송하기 위해서는 고비용의 압축기를 사용해야 하므로 비용이 상승하는 단점이 있다. 또한 암모니아를 이산화탄소 탈거탑에 이송시킬 때 기체로서 주입되므로, 기상의 이산화탄소와 액상의 암모니아수를 분리하는 이산화탄소 탈거탑 내에서 암모니아를 액상으로 전환시켜야 하는 단점도 있다. 다른 방법으로서 암모니아 기체를 세정수에 용해시켜 흡수탑으로 이송할 경우, 저농도의 암모니아 세정수가 흡수액에 유입되어 흡수액의 암모니아 농도가 감소되고 이산화탄소 제거성능이 시간에 따라 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 목적은 암모니아수 흡수용액을 사용하는 이산화탄소 포집 공정에서 암모니아 회수에 필요한 에너지를 절감하고, 흡수탑에서 이산화탄소와 암모니아의 반응을 보다 활성화시켜 흡수탑 내 이산화탄소 제거율을 향상시킬 수 있는 개선된 방법 및 이를 구현하는 장치를 제공하는 것이다.
상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 암모니아수 흡수용액을 이용하여 연소 배가스로부터 이산화탄소를 선택적으로 흡수하기 위한 흡수탑; 상기 흡수탑에서 유출되는 암모니아를 세정하기 위한 세정탑; 이산화탄소가 흡수된 암모니아수로부터 이산화탄소를 고압에서 탈거시키기 위한 이산화탄소 탈거탑; 및 세정탑에서 생산된 암모니아수를 암모니아 기체와 물로 분리하는 암모니아 회수탑을 사용하는 이산화탄소 포집 방법에 있어서, 상기 흡수탑에서 증발하는 암모니아를 세정탑으로 공급하여 세정수로 세정한 후 암모니아 회수탑으로 이송하고, 상기 암모니아 회수탑에서 가열을 통해 생성된 수증기와 암모니아 혼합 기체를 상기 암모니아 회수탑의 상단에 위치하는 열교환 부분 응축기로 이송하고, 상기 열교환 부분 응축기에서 수증기를 응축시켜 암모니아 회수탑으로 재순환시키며 암모니아 기체는 암모니아 기체 이송관을 통해 흡수탑으로 재순환시키는 것을 특징으로 하는, 암모니아수 흡수용액을 사용하는 개선된 이산화탄소 포집 방법을 제공한다.
본 발명의 방법은, 상압에서 작동하는 암모니아 회수탑에서 분리된 암모니아 기체를 고압에서 작동하는 이산화탄소 탈거탑으로 이송시키거나, 암모니아 기체를 세정수에 용해시켜 상압에서 작동하는 흡수탑으로 이송하는 종래기술과는 달리, 상압에서 작동하는 암모니아 회수탑에서 가열을 통해 생성된 수증기와 암모니아 혼합 기체를 암모니아 회수탑의 상단에 위치하는 열교환 부분 응축기로 이송하여 암모니아 기체와 수증기를 분리하고, 분리된 암모니아 기체를 상압에서 작동하는 흡수탑으로 재순환시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 고체 암모늄염의 생성을 억제하기 위해 암모니아 이송관의 내부 온도를 70～80℃로 유지시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 수증기와 암모니아 기체를 분리시키고 과량의 수분을 응축시키기 위해 열교환 부분 응축기의 온도를 60～90℃, 특히 70～80℃의 온도로 유지시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 상기 이산화탄소 탈거탑의 하단에 제1 재비기를 더 구비하여 이산화탄소 탈거탑의 하부에서 배출되는 암모니아수로부터 3～30 bar의 압력 하 80～180℃의 온도에서 이산화탄소를 분리하고, 상기 제1 재비기로부터 분리된 이산화탄소를 이산화탄소 탈거탑의 하부로 재순환시키며 이산화탄소가 제거된 암모니아수는 흡수탑의 상부로 재순환시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 상기 암모니아 회수탑의 하단에 제2 재비기를 더 구비하여 암모니아 회수탑의 하부에서 배출되는 암모니아수로부터 상압 하 80～99℃의 온도에서 암모니아를 분리하고, 상기 제2 재비기로부터 분리된 암모니아를 암모니아 회수탑의 하부로 재순환시키며, 암모니아가 제거된 세정수는 세정탑의 상부로 재순환시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 암모니아 기체의 이동 속도를 증가시키기 위해 암모니아 기체 이송관을 블로워와 연결하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 암모니아수 흡수용액은 5～40 중량%의 암모니아를 포함하는 암모니아 수용액이고, 상기 암모니아수 흡수용액은 아민계 화합물, 알카놀아민계 화합물, 물리흡수제, 이온성 액체, 촉매, 알코올계 화합물, 고체 입자 및 무기염류로 이루어지는 군으로부터 선택되는 첨가제 0 초과～10 중량%를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 암모니아수 흡수용액을 이용하여 연소 배가스로부터 이산화탄소를 선택적으로 흡수하기 위한 흡수탑(3); 상기 흡수탑에서 유출되는 암모니아를 세정하기 위한 세정탑(13); 이산화탄소가 흡수된 암모니아수에서 이산화탄소를 탈기시키기 위한 이산화탄소 탈거탑(5); 및 세정탑에서 생산된 암모니아수를 암모니아/물 혼합 기체로 생성하는 암모니아 회수탑(15)을 포함하고, 상기 암모니아 회수탑의 상단에는 암모니아 회수탑으로부터 배출되는 암모니아/물 혼합기체를 분리하기 위한 열교환 부분 응축기(20)가 위치하고, 상기 열교환 부분 응축기로부터 배출되는 암모니아 기체를 암모니아 기체 이송관(22)을 통해 상기 흡수탑(3)의 하단으로 재순환시키는 것을 특징으로 하는 암모니아수를 흡수용액으로 사용하는 개선된 이산화탄소 포집 장치를 더 제공한다.
본 발명에 따르면, 상기 이산화탄소 탈거탑의 하단에는 이산화탄소 탈거탑의 하부에서 배출되는 암모니아수로부터 3～30 bar의 압력 하 80～180℃의 온도에서 이산화탄소를 분리하는 제1 재비기(7)가 더 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 상기 암모니아 회수탑의 하단에는 암모니아 회수탑의 하부에서 배출되는 암모니아수로부터 상압 하 80～99℃의 온도에서 암모니아를 분리하는 제2 재비기(16)가 더 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 상기 암모니아 기체 이송관이 블로워(23)와 연결되어 있는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 암모니아수 흡수용액을 사용하는 이산화탄소 포집 방법에서 흡수탑으로부터 증발하여 손실된 암모니아를 회수함으로써 흡수탑 내 이산화탄소 제거율을 향상시킬 수 있는 개선된 방법 및 이를 구현하는 장치에 대해 도면을 참조하며 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아수 흡수용액을 사용하는 이산화탄소 포집 방법을 구현하는 공정도이다. 본 발명의 이산화탄소 포집 방법에서 이산화탄소는 도 1에 도시한 바와 같이 점선을 따라 순환하여 포집되고, 흡수탑의 상부에서 배출되는 암모니아는 일점 쇄선방향으로 순환하여 다시 흡수탑으로 재순환되어 흡수탑 내 이산화탄소 제거율을 향상시킬 수 있다.
흡수탑(3)은 암모니아 수용액에 이산화탄소가 선택적으로 흡수되게 하기 위한 것으로 상부에는 0 초과～50 중량%, 더욱 바람직하게는 5～40 중량%의 암모니아를 포함하며 이산화탄소/암모니아의 몰 비가 0.2～0.5로 낮고 5～50℃의 온도를 나타내는 암모니아수 흡수용액(1)이 공급되고 하부에는 0～20 v/v%의 이산화탄소를 포함하고 20～80℃의 온도를 나타내는 연소 배가스(2)가 유입된다. 즉, 상부에 공급되는 암모니아수 흡수용액이 하부로 흐르면서 이산화탄소가 암모니아 흡수용액에 흡수된다. 상기 흡수탑(3)은 상압 하 3～50℃에서 이산화탄소를 흡수시킨다.
이렇게 이산화탄소가 흡수되어 0.4～0.7의 높은 이산화탄소/암모니아 몰 비를 갖는 암모니아수(4)는 3～30 bar의 고압, 80～180℃의 고온에서 99.9 v/v% 이상의 고순도 이산화탄소(5)를 생산하기 위한 이산화탄소 탈거탑(6)의 상부로 보내진다. 상기 이산화탄소 탈거탑(6)에서는 이산화탄소만이 탈거되어 고순도 이산화탄소가 상부에서 배출된다. 상기 이산화탄소 탈거탑(6)은 고압, 즉, 3～30 bar의 압력 하 고온, 즉, 80～180℃의 온도에서 작동한다. 이산화탄소 탈거탑(6)의 하부로부터 배출되는 0.4～0.7의 높은 이산화탄소/암모니아 몰 비를 갖는 암모니아수(8)는 이산화탄소 탈거탑(6)의 하단에 구비된 제1 재비기(7)로 공급되고, 상기 제1 재비기(7)에서는 고온고압의 스팀 등에 의해 열에너지를 공급하여 기체-액체의 열역학적 평형에 따라 암모니아수(8)로부터 이산화탄소를 분리시킨다. 분리된 이산화탄소 기체(9)는 이산화탄소 탈거탑(6)으로 다시 이송된다.
한편, 흡수탑(3)의 하부에서 배출되는 이산화탄소가 풍부한 암모니아수(4)와 이산화탄소 탈거탑(6) 하부에서 배출되는 이산화탄소가 제거된 암모니아수(1)는 열교환기(도면 미포함)를 통해 온도가 각각 상승, 하강하도록 한다. 또한 암모니아수 흡수 용액은 암모니아와 물 이외에도 공정성능을 향상시키는 성분으로서 아민계 화합물, 알카놀아민계 화합물, 물리흡수제, 이온성액체, 촉매, 알코올계 화합물, 고체 입자, 무기염류 등의 혼합성분을 포함할 수 있으나. 이에 한정하는 것은 아니다.
한편, 흡수탑(3)의 상부에서 배출되는 이산화탄소가 제거된 연소 배가스(10)는 주로 질소로 구성되지만, 흡수탑의 상온 상압 조건하에서 증기압이 높은 암모니아의 특성으로 인해 약 100～10,000 ppmv의 암모니아를 포함한다. 따라서, 배출된 미량의 암모니아를 포함하는 연소 배가스(10)를 세정수를 이용하여 암모니아를 세정하는 세정탑(13)으로 공급한다. 세정탑을 통과한 최종 배출 가스(12)에는 암모니아가 10～1,000 ppmv 이하로 포함된다.
세정탑에서 사용되는 세정수(11)는 물을 주요 구성성분으로 하나 암모니아를 제거할 수 있는 알코올계, 비수계 유기용매, 무기염류 등의 혼합성분을 포함하며, 이에 한정되는 것은 아니다. 순수한 물을 세정수로 지속적으로 사용할 경우 과량의 물이 소모되고 암모니아가 지속적으로 손실되므로, 세정탑의 하부에서 배출되는 암모니아수(14)를 암모니아 회수탑(15)으로 공급하고, 상기 암모니아 회수탑(15)에서 가열을 통해 상압 하 80～99℃에서 암모니아 기체와 수증기로 분리한다. 이때 암모니아 회수탑(15)의 하단에는 제2 재비기(16)가 더 구비되고, 상기 제2 재비기(16)는 상압에서 80～99℃의 온도 조건에서 운전된다. 암모니아 회수탑(15)의 하부로부터 배출되는 암모니아수(17)는 제2 재비기(16)로 공급되고, 상기 제2 재비기(16)에 고온고압의 스팀 등으로 열에너지를 공급함으로써 기체-액체의 열역학적 평형에 따라 암모니아수로부터 암모니아가 분리되고, 분리된 암모니아 기체(18)는 암모니아 회수탑(15)으로 다시 이송되며, 암모니아의 농도가 낮아진 물은 세정수(11)로서 세정탑(13)의 상부로 공급된다.
암모니아 회수탑(15)의 상부로부터 배출되는 80～99℃의 수증기와 암모니아 혼합 기체(19)는 열교환 부분 응축기(20)로 이송되며, 열교환 부분 응축기(20)를 통해 암모니아 증기 내의 수분이 응축되어 제거되고 액상의 응축수(21)는 다시 암모니아 회수탑으로 환류되고, 기상의 고농도 암모니아 증기는 암모니아 기체 이송관(22)을 통해 흡수탑(3)으로 이송되어 회수된다. 이때 암모니아 회수탑(15) 상단의 열교환 부분 응축기는 열매체를 사용하여 상압 조건에서 물과 암모니아가 각각 액상과 기상으로 분리가 용이한 60～90℃의 온도를, 더욱 바람직하게는 70～80℃의 온도를 유지시키는 것이 바람직하다. 액상의 응축수의 경우 환류비를 조정하여 일부는 암모니아 회수탑으로 환류시키고, 일부는 배출시킬 수 있으며, 이 경우 순수한 물로 구성된 세정수를 주기적으로 보충해줄 수 있다.
암모니아 회수탑 상단의 응축기(20)로부터 배출되어 흡수탑의 하부에 연결되는 암모니아 기체 이송관(22)에 암모늄바이카보네이트 또는 암모늄카보네이트, 암모늄카바메이트 등의 고체상 염이 발생하여 관이 협소해지는 것을 방지하기 위해, 염의 분해 온도인 60℃ 이상, 더욱 바람직하게는 70～80℃의 온도가 유지되도록 가열 및 보온시키는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 도 2에 도시한 바와 같이, 암모니아 기체 이송관(22)에 블로워(23)를 추가로 연결시켜 흡수탑으로의 암모니아 기체의 이송 속도를 증가시켜 이산화탄소 제거율을 상승시키는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 암모니아 회수탑을 감압시킴으로써 암모니아 회수탑의 끓는점을 낮추어 과량의 물에서 암모니아를 회수함에 따른 제2 재비기(16)의 에너지 비용을 줄일 수 있다.
본 발명에 따르면, 이산화탄소 흡수탑에서 배출되는 처리 배가스에 포함된 암모니아를 세정시키기 위한 세정수로부터 암모니아를 분리, 회수하여 다시 상압의 흡수탑으로 이송시켜 암모니아 회수율을 높이고 흡수탑 내 이산화탄소 제거율을 향상시킬 수 있다. 이를 통해 고압의 이산화탄소를 회수하는 암모니아수 공정에서 회수된 암모니아 기체를 고압의 이산화탄소 탈거탑으로 이송시키는 데 따른 압축 비용을 감소시킬 수 있고, 암모니아 기체를 고온고압의 이산화탄소 탈거탑 내에서 암모니아수에 흡수시키는 데 필요한 에너지를 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아수 흡수용액을 사용하는 이산화탄소 포집 방법을 구현하는 공정도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따라 블로워가 추가된 암모니아수 흡수용액을 사용하는 이산화탄소 포집 방법을 구현하는 공정도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따라 블로워가 추가된 암모니아수 흡수용액을 사용하는 이산화탄소 포집 방법을 구현하는 공정도이다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
고압 이산화탄소를 생산하는 암모니아수 이용 이산화탄소 포집공정에서, 증발된 암모니아를 세정한 암모니아 세정수로부터 암모니아를 분리하는 회수탑의 암모니아 회수에 따른 흡수탑의 이산화탄소 제거율의 변화를 100 N㎥/h급 연속공정에서 확인하였다.
실시예
: 본 발명에 따른 100 N㎥/h급 연속공정의
흡수탑
내 이산화탄소 제거율의 변화
도 1의 흡수탑, 이산화탄소 탈거탑, 세정탑, 암모니아 회수탑의 직경은 500 ㎜이며, 흡수탑, 이산화탄소 탈거탑의 높이는 9,000 ㎜, 암모니아 회수탑의 높이는 6,000 ㎜이며, 모든 탑의 내부는 구조 패킹으로 충진되었고 재질은 스테인레스 스틸강이다. 기체 또는 증기가 흐르는 배관의 직경은 150 ㎜, 액체가 흐르는 배관의 직경은 25.4 ㎜이며 모두 스테인레스 스틸 재질이다. 재비기는 케틀형을 사용하였고, 세정수와 암모니아수의 열교환기와 회수탑 상단 응축기의 열교환기는 판형을 사용하였다. 각 열교환기의 열매체는 에틸렌글리콜이 50% 함유된 물을 사용하였다. 한편, 암모니아 기체 이송관은 외부에 전열 테이프를 감아 전기에너지를 통해 열을 공급하고 보온재를 통해 열을 유지하는 방식을 사용하였으며, 이송관의 외경에 스팀으로 온도를 가열하는 이중관을 사용하는 방법도 가능하다.
암모니아수 흡수용액은 암모니아가 13 중량% 포함되고 흡수반응 촉진제로서 피페라진이 3 중량% 포함된 혼합용액을 사용하였다. 일정한 흡수액의 유량 조건하에서 100 N㎥/h, 14 v/v%의 이산화탄소 농도의 연소배가스를 유입시켜 배출되는 이산화탄소의 농도를 적외선 분광 방식의 연속식 이산화탄소 농도분석기를 통해 기록하였고, 이산화탄소 회수율을 계산하였다. 또한 처리 배가스와 회수 암모니아 스트림의 암모니아 기체의 농도를 가스검지관을 이용하여 측정하였다. 본 실시예의 운전 조건을 아래의 표 1에 나타내었으며, 회수탑의 재비기가 95～96℃의 온도 조건에서, 응축기가 70～75℃의 온도 조건에서, 이산화탄소 탈거탑의 재비기가 115～120℃의 온도와 6.5 barg의 압력 조건하에서 운전될 때, 이산화탄소 회수율 90～92%를 나타내었다.
| 조건 | 값 | 조건 | 값 |
| 흡수용액(1,4) 암모니아 초기농도（중량%) |
13 | 제2 재비기(7) 온도 (℃) | 115～120 |
| 연소배가스(2) CO2 농도 (v/v%) | 14 | 제1 재비기(16) 온도 (℃) | 95～96 |
| 처리배가스(12) CO2 농도 (v/v%) | 1.2～1.4 | 열교환 부분 응축기(20) 온도 (℃) |
70～75 |
| CO2 제품(5) CO2 농도 (v/v%) | 99.99 | 회수 암모니아(22) 온도 (℃) | 70～75 |
| 연소배가스(2) 유량 (N㎥/h) | 100 | 흡수탑(3) 하단 온도 (℃) | 30～40 |
| 처리배가스(12) NH3 농도 (ppmv) | 1000 | 흡수탑(3) 상단 온도 (℃) | 20～25 |
| 처리배가스(12) 유량 (N㎥/h) | 86～88 | 이산화탄소 탈거탑(6) 압력 (barg) | 6.5 |
| CO2 제품(5) 유량 (N㎥/h) | 12～14 | 회수탑(15) 압력 (barg) | 0.3 |
| 회수 암모니아(22) 유량 (N㎥/h) | 0.5～2 | 흡수탑(3) 압력 (㎜H2O) | 1100 |
| 회수 암모니아(22) NH3 농도 (v/v%) | 60～95 | CO2 회수율 (%) | 90～92 |
| 흡수액(1,4) 순환유량 (L/min) | 5 | ||
| 회수탑 하단 세정수(11) 유량 (L/min) | 3.5～4.5 | ||
| 세정탑 하단 세정수(14) 유량 (L/min) | 3.5～4.5 |
본 발명의 열교환 부분 응축기와 회수 암모니아의 흡수탑 이송 장치의 효과를 검증하기 위해 종래 방법과 비교를 하였다. 종래 방법에 따르면, 상부에 응축기가 존재하지 않는 암모니아 회수탑으로부터 증발된 암모니아/수증기 혼합 기체는 세정수의 일부와 혼합하여 흡수탑으로 이송된다. 종래 기술의 경우, 연속공정이 정상상태에 이른 후 6시간이 지났을 때, 암모니아의 농도가 시간에 따라 9.3 중량%에서 8.6 중량%로 서서히 감소하였고, 이에 따라 이산화탄소 제거율도 86.8%에서 84.1%로 점차 감소하는 추세를 나타낸 것에 비해, 본 발명의 경우 암모니아 농도는 10.3～10.1%로 유지되고 이산화탄소 제거율도 91.8～91.3%로 많이 감소하지 않는 경향을 나타내었다.
또한, 압축기를 이용하여 회수된 암모니아/수증기 혼합 기체를 고압의 이산화탄소 탈거탑에 이송시키는 종래 기술의 경우, 압축기의 장치비와 운전비 증가와 함께, 흡수액의 암모니아 농도의 시간에 따른 저하로 인해 위의 비교와 같은 결과가 발생할 수 있다. 반면, 본 발명에서 사용된 암모니아 회수탑과 연결된 고온 응축기는 암모니아와 물을 효과적으로 분리시키고 대부분의 물을 회수탑으로 환류시키고 높은 농도의 암모니아 증기를 회수가 가능하고 이를 흡수탑에 이송시켜 연소배가스의 이산화탄소를 제거하는 데 사용하도록 하여 이산화탄소 제거율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
1: 암모니아수(Lean 용액) 2: 연소 배가스
3: 흡수탑 4: 암모니아수(Rich 용액)
5: 이산화탄소 6: 이산화탄소 탈거탑
7: 제1 재비기 8: 암모니아수
9: 이산화탄소 기체 10: 처리 연소 배가스
11: 세정수 12: 배출 가스
13: 세정탑 14: 암모니아수
15: 암모니아 회수탑 16: 제2 재비기
17: 암모니아수 18: 암모니아 기체
19: 수증기/암모니아 혼합 기체 20: 열교환 부분 응축기
21: 응축수 22: 회수되는 암모니아 기체
23: 블로워
3: 흡수탑 4: 암모니아수(Rich 용액)
5: 이산화탄소 6: 이산화탄소 탈거탑
7: 제1 재비기 8: 암모니아수
9: 이산화탄소 기체 10: 처리 연소 배가스
11: 세정수 12: 배출 가스
13: 세정탑 14: 암모니아수
15: 암모니아 회수탑 16: 제2 재비기
17: 암모니아수 18: 암모니아 기체
19: 수증기/암모니아 혼합 기체 20: 열교환 부분 응축기
21: 응축수 22: 회수되는 암모니아 기체
23: 블로워
Claims (13)
- 암모니아수 흡수용액을 이용하여 연소 배가스로부터 이산화탄소를 선택적으로 흡수하기 위한 흡수탑; 상기 흡수탑에서 유출되는 암모니아를 세정하기 위한 세정탑; 이산화탄소가 흡수된 암모니아수로부터 이산화탄소를 고압에서 탈거시키기 위한 이산화탄소 탈거탑; 및 세정탑에서 생산된 암모니아수를 암모니아 기체와 물로 분리하는 암모니아 회수탑을 사용하는 이산화탄소 포집 방법에 있어서,
상기 흡수탑에서 증발하는 암모니아를 세정탑으로 공급하여 세정수로 세정한 후 암모니아 회수탑으로 이송하고,
상기 암모니아 회수탑에서 가열을 통해 생성된 수증기와 암모니아 혼합 기체를 상기 암모니아 회수탑의 상단에 위치하는 열교환 부분 응축기로 이송하고,
상기 열교환 부분 응축기에서 수증기를 응축시켜 암모니아 회수탑으로 재순환시키며 암모니아 기체는 암모니아 기체 이송관을 통해 흡수탑으로 재순환시키는 것을 특징으로 하는, 암모니아수 흡수용액을 사용하는 개선된 이산화탄소 포집 방법. - 제1항에 있어서,
고체 암모늄염의 생성을 억제하기 위해 상기 암모니아 이송관의 내부 온도를 70～80℃로 유지시키는 것을 특징을 하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 이산화탄소 탈거탑의 하단에 제1 재비기가 구비되어 이산화탄소 탈거탑의 하부에서 배출되는 암모니아수로부터 3～30 bar의 압력 하 80～180℃의 온도에서 이산화탄소를 분리하고,
상기 제1 재비기로부터 분리된 이산화탄소를 이산화탄소 탈거탑의 하부로 재순환시키며 이산화탄소가 제거된 암모니아수는 흡수탑의 상부로 재순환시키는 것을 특징으로 하는 방법. - 제3항에 있어서,
상기 암모니아 회수탑의 하단에 제2 재비기가 구비되어 암모니아 회수탑의 하부에서 배출되는 암모니아수로부터 상압 하 80～99℃의 온도에서 암모니아를 분리하고,
상기 제2 재비기로부터 분리된 암모니아를 암모니아 회수탑의 하부로 재순환시키며, 암모니아 제거된 세정수는 세정탑의 상부로 재순환시키는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 열교환 부분 응축기의 온도를 60～90℃의 온도로 유지시키는 것을 특징으로 하는 방법. - 제5항에 있어서,
상기 열교환 부분 응축기의 온도를 70～80℃의 온도로 유지시키는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 암모니아 기체 이송관을 블로워와 연결시켜 암모니아 기체의 이동 속도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 암모니아수 흡수용액은 5～40 중량%의 암모니아를 포함하는 암모니아 수용액인 것을 특징으로 하는 방법. - 제8항에 있어서,
상기 암모니아수 흡수용액은 아민계 화합물, 알카놀아민계 화합물, 물리흡수제, 이온성 액체, 촉매, 알코올계 화합물, 고체 입자 및 무기염류로 이루어지는 군으로부터 선택되는 첨가제 0 초과～10 중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 암모니아수를 흡수용액으로 사용하는 이산화탄소 포집 장치에 있어서,
암모니아수 흡수용액을 이용하여 연소 배가스로부터 이산화탄소를 선택적으로 흡수하기 위한 흡수탑(3); 상기 흡수탑에서 유출되는 암모니아를 세정하기 위한 세정탑(13); 이산화탄소가 흡수된 암모니아수에서 이산화탄소를 탈기시키기 위한 이산화탄소 탈거탑(5); 및 세정탑에서 생산된 암모니아수를 암모니아/물 혼합 기체로 생성하는 암모니아 회수탑(15)을 포함하고,
상기 암모니아 회수탑의 상단에는 암모니아 회수탑으로부터 배출되는 암모니아/물 혼합기체를 분리하기 위한 열교환 부분 응축기(20)가 위치하고,
상기 열교환 부분 응축기로부터 배출되는 암모니아 기체를 암모니아 기체 이송관(22)을 통해 상기 흡수탑(3)의 하단으로 재순환시키는 것을 특징으로 하는 암모니아수를 흡수용액으로 사용하는 개선된 이산화탄소 포집 장치. - 제10항에 있어서,
상기 이산화탄소 탈거탑의 하단에는 이산화탄소 탈거탑의 하부에서 배출되는 암모니아수로부터 3～30 bar의 압력 하 80～180℃의 온도에서 이산화탄소를 분리하는 제1 재비기(7)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 장치. - 제10항에 있어서,
상기 암모니아 회수탑의 하단에는 암모니아 회수탑의 하부에서 배출되는 암모니아수로부터 상압 하 80～99℃의 온도에서 암모니아를 분리하는 제2 재비기(16)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 장치. - 제10항에 있어서,
상기 암모니아 기체 이송관(22)이 블로워(23)와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
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