KR20130055741A - Device for capturing carbon dioxide in gas - Google Patents

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박상진
이기춘
이윤지
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현대자동차주식회사
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Abstract

PURPOSE: A carbon dioxide recovery device for exhaust gas is provided to reduce the amount of energy consumed for regeneration of absorption solution and to control the amount of moisture in the absorption solution by installing a dehydration device in order to maintain concentration of the moisture in a carbon dioxide absorption solution. CONSTITUTION: A carbon dioxide recovery device comprises an absorption tower(10), a regeneration tower(20), a heat exchanger(30), and a dehydration device(100). The absorption tower absorbs carbon dioxide of exhaust gas into an absorption solution. The regeneration tower is discharged from the absorption tower so that a carbon dioxide absorption solution absorbing the carbon dioxide is heated and is regenerated. The heat exchanger is installed on a line between the absorption tower and the regeneration tower in order to perform heat exchange between the carbon dioxide absorption solution and a regeneration absorption solution. The dehydration device passes through the heat exchanger and absorbs moisture in the carbon dioxide absorption solution by being installed on the line which is before being supplied to the regeneration tower. [Reference numerals] (10) Regeneration tower; (100) Hydration device; (20) Regeneration tower; (30) Heat exchanger; (40) Absorption solution heater; (50) Cooler; (60) Separation drum; (AA) Processed gas; (BB) CO2 concentration of exhaust gas(7-30%); (CC) Used CO2 absorption solution; (DD) New absorption solution storage; (EE) Supplementation of loss; (FF) Regenerated absorption solution; (GG) Cooling water; (HH) CO2 + Vaporized absorption solution; (II) Store/Fix/Convert concentrated CO2(90-100%); (JJ) Condensed absorption solution; (KK) Regenerated absorption solution

Description

배기가스 내 이산화탄소 회수장치 {Device for capturing carbon dioxide in gas} Device for capturing carbon dioxide in gas

본 발명은 배기가스 내 이산화탄소 회수장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이산화탄소 흡수용액의 재생에너지를 감소시켜 이산화탄소 회수비용을 절감하기 위한 배기가스 내 이산화탄소 회수장치에 관한 것이다.
The present invention relates to an apparatus for recovering carbon dioxide in exhaust gas, and more particularly, to an apparatus for recovering carbon dioxide in exhaust gas for reducing the cost of recovering carbon dioxide by reducing renewable energy of a carbon dioxide absorbing solution.

최근 지구 온난화 현상에 대한 심각성이 인식되기 시작하면서 세계 각국은 온실 가스에 대한 대책 마련에 고심하고 있으며, 이러한 지구 온난화의 가장 큰 요인 중의 하나가 이산화탄소이다.With the recent recognition of the seriousness of global warming, countries around the world are struggling to come up with measures for greenhouse gases, and one of the biggest causes of global warming is carbon dioxide.

따라서, 온실가스 중에서도 가장 중요한 저감 대상인 이산화탄소를 효율적으로 재활용 및 저감시키는 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있는 추세이다. Therefore, researches on technologies for efficiently recycling and reducing carbon dioxide, which are the most important reduction targets among greenhouse gases, have been actively conducted.

이러한 이산화탄소를 포집하는 방법에는 흡수법, 흡착법, 분리막법 등이 있으나, 흡수법이 흡착법이나 막분리법 등과 같은 타 회수 기술에 비하여 대유량의 배기가스 처리가 가능하고, 이산화탄소가 7∼30% 내외의 농도조건에서도 높은 제거 효율을 가지면서 경제성이나 공정 적용 용이성이 높은 것으로 평가받고 있다. Such methods of capturing carbon dioxide include absorption, adsorption, and separation membrane methods. However, the absorption method is capable of treating a large flow rate of exhaust gas compared to other recovery techniques such as adsorption and membrane separation, and the carbon dioxide is about 7-30%. It has been evaluated to have high removal efficiency even in the concentration condition and to have high economical efficiency or easy application of the process.

흡수법 중에서 가장 널리 개발 중인 화학 흡수법은 화학반응을 이용하여 배기가스 내의 CO2를 선택적으로 분리하기 때문에 흡수량이 CO2 분압의 영향을 크게 받지 않아 CO2 분압이 낮은 경우에도 CO2 제거효율이 높은 장점이 있지만, 사용된 흡수제를 다시 사용하기 위해 CO2를 흡수제에서 분리시키는 재생과정에서 높은 에너지 소비량을 필요로 하는 문제가 있다. Absorption method most widely under development chemical absorption method is to use the selective separation of the CO 2 in the exhaust gas a chemical reaction due to absorption of removing CO 2, even if the CO 2 partial pressure is low do not significantly affected by the CO 2 partial pressure effective in the Although there is a high advantage, there is a problem that requires high energy consumption in the regeneration process to separate the CO 2 from the absorbent in order to reuse the used absorbent.

특히, 수용성 아민계 흡수용액을 사용하는 경우, CO2 회수비용 중 에너지 비용이 50∼60%를 차지하며, 이 에너지 비용 중 CO2 흡수액 재생에 소비되는 에너지 비용이 80% 이상을 차지하는 실정이다. In particular, in the case of using the water-soluble amine-based absorption solution, the energy cost of the CO 2 recovery costs account for 50 to 60%, the energy cost of regeneration of the CO 2 absorbent liquid accounted for more than 80%.

이러한 문제를 해결하기 위해 최근에는 비수용성 흡수용액을 CO2 흡수제로 사용하는 기술 개발이 활발히 이루어지고 있다. Recently, in order to solve this problem, development of technology using a non-aqueous absorption solution as a CO 2 absorbent has been actively made.

물보다 현열(Sensible heat)과 증발열(Heat of vaporization)이 낮은 물질을 흡수용액의 용매로 사용하여 수용성 흡수제 대비 재생에너지를 혁신적으로 줄일 수 있어 CO2 흡수회수의 경제성을 크게 증대시킬 수 있다. Sensible heat than water (Sensible heat) and evaporation heat (Heat of vaporization) this can proactively reduce the renewable energy absorber than with a water-soluble substance in a low solvent absorption solution can significantly increase the economic efficiency of the CO 2 absorption recovery.

그러나, CO2를 회수하고자 하는 가스 내에 수분이 존재하는 경우, CO2 흡수과정에서 가스 내의 수분이 비수용성 흡수용액에 용해되는 문제가 있다. However, when water is present in the gas to recover CO 2 , there is a problem in that water in the gas is dissolved in the non-aqueous absorption solution during the CO 2 absorption process.

흡수용액은 공정상에서 흡수와 재생을 반복하면서 흡수성능이 일정 수준으로 유지될 때까지 반복적으로 사용하는데, 반복 사용 횟수가 증가할수록 흡수용액에 수분이 축적되는 양이 증가하여 희석에 의해 흡수제의 성능이 점진적으로 저하되고, 재생에너지 소비가 지속적으로 증가하게 된다. Absorption solution is used repeatedly until absorption and regeneration is maintained at a constant level while repeating absorption and regeneration in the process.As the number of times of repeated use increases, the amount of moisture accumulates in the absorption solution increases, so the performance of the absorbent is reduced by dilution. Gradually lowered, renewable energy consumption continues to increase.

그러므로, 비수용성 흡수용액을 사용하여 수분이 함유되어 있는 가수 내의 CO2를 흡수 회수하는 경우에 공정상에서 흡수용액 내의 물의 농도범위를 일정하게 조절하는 기술이 필요하다. Therefore, there is a need for a technique of constantly adjusting the concentration range of water in the absorption solution in the case of absorbing and recovering CO 2 in the valence containing water using the non-aqueous absorption solution.

본 발명의 출원인은 종래에 한국등록특허 제10-0962871호에서 개시하고 있는 내용을 등록받은 바 있다. 이와 관련해서 종래 배기가스 내 이산화탄소 회수방법을 개략적으로 나타낸 도면인 도 1을 참고하여 설명하면 다음과 같다.Applicant of the present invention has been previously registered the contents disclosed in Korean Patent Registration No. 10-0962871. In this regard, the present invention will be described with reference to FIG.

이산화탄소를 함유하고 있는 배기가스가 기체-액체 접촉이 원활히 이루어지도록 넓은 표면적을 갖는 충전물이 충전되어 있는 흡수탑(1)에 공급되고, 흡수탑(1)의 상단에서 살포되는 용액상태의 흡수제와 배기가스를 대기압 하에 접촉시켜 40~70℃ 전후의 온도범위에서 배기가스 내 CO2가 흡수용액(또는 흡수액)에 흡수되도록 한다. Exhaust gas containing carbon dioxide is supplied to the absorption tower (1) filled with a filling having a large surface area to facilitate gas-liquid contact, and a solution absorbent and exhaust gas sprayed from the top of the absorption tower (1). The gas is contacted under atmospheric pressure to allow the CO 2 in the exhaust gas to be absorbed into the absorbing solution (or absorbing liquid) in the temperature range around 40 to 70 ° C.

그 흡수탑(1)에서 방출하는 흡수용액, 즉 CO2 가 흡수된 흡수용액은 재생탑(2)에서 90~160℃로 가열 및 재생되어 재생탑(2) 하부로 방출되는 흡수액과 열교환기(3)에서 열교환하여 예열된 후 재생탑(2) 상부로 공급된다.Absorption solution discharged from the absorption tower 1, that is, absorption solution absorbed CO 2 is heated and regenerated at 90 ~ 160 ℃ in the regeneration tower (2) and the absorption liquid and heat exchanger discharged to the lower portion of the regeneration tower ( It is preheated by heat exchange in 3) and then supplied to the upper part of the regeneration tower 2.

재생탑(2) 하부에서는 보일러 등 가열기(4)를 이용하여 CO2 를 흡수한 흡수용액에 대해 90 ~ 160℃의 온도범위로 가열시켜 CO2를 유리시킨 후 재생탑(2) 상부로 배출시킨다. 이때 유리된 CO2 와 함께 배출된 흡수용액은 증기화된 상태인데, 냉각기(5)는 증기화된 흡수용액을 냉각/응축시킨다. 계속해서 분리드럼(6)에서는 이산화탄소와 응축된 흡수용액을 분리시켜서 흡수용액은 재생탑(2)으로 환류시킨 후 재생탑(2) 하부로 배출하여 흡수탑(1)으로 회수되도록 하고, 유리된 기체상태의 고농도 CO2 (90~100%)는 분리드럼(6)에서 별도로 회수하여 저장/고정/전환시킨다.In the bottom of the regeneration tower (2) using a heater (4), such as a boiler to heat the absorption solution absorbed CO 2 to a temperature range of 90 ~ 160 ℃ to release the CO 2 and discharged to the top of the regeneration tower (2). . At this time, the absorbent solution discharged with the free CO 2 is in a vaporized state, and the cooler 5 cools / condenses the vaporized absorbent solution. Subsequently, in the separation drum (6), carbon dioxide and the condensed absorption solution are separated, and the absorption solution is refluxed to the regeneration tower (2) and then discharged to the regeneration tower (2) to be recovered to the absorption tower (1). High concentration CO 2 (90 ~ 100%) in the gaseous state is recovered and stored / fixed / converted separately from the separation drum (6).

이와 같은 화학 흡수법의 흡수제로 현재 전세계적으로 대부분 아민계 흡수용액이 널리 사용되고 있는데, 이러한 흡수용액에 사용되는 아민계의 종류로는 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 트리에탄올아민, 메틸디엔탄올아민, 디이소프로필아민, 디글리콜아민, 피페라인, 2-피페라딘에탄올, 히드록시에틸피페라진, 2-아미노-2네틸-1-프로판올, 2-에틸아미노-에탄올, 2-메틸아미노-에탄올, 2-디에틸아미노-에탄올 외에 수십여 가지가 존재하며, 통상 5∼60wt%(중량%)의 농도 범위에서 물이나 유기용매 등과 같은 용매에 혼합되어 사용된다. As an absorbent of the chemical absorption method, most of the amine absorbent solutions are widely used in the world at present, and the amines used in such absorbent solutions include monoethanolamine, diethanolamine, triethanolamine, methyldiethanolamine, Diisopropylamine, diglycolamine, pipeline, 2-piperadinethanol, hydroxyethylpiperazine, 2-amino-2netyl-1-propanol, 2-ethylamino-ethanol, 2-methylamino-ethanol, In addition to 2-diethylamino-ethanol, dozens are present, and are usually used in a solvent such as water or an organic solvent in a concentration range of 5 to 60 wt% (wt%).

수용성 흡수제를 사용하는 경우 전체 CO2 흡수 회수 비용 중 에너지 비용이 50∼60%를 차지하는데, CO2가 흡수된 흡수용액을 재생탑 하부에서 가열하는데 사용되는 에너지 비용이 전체의 약 80%를 차지한다. When using the aqueous absorbent in the absorption of the total CO 2 recovery cost energy cost account for 50~60%, CO 2 is used to heat the absorption solution in the absorption tower bottoms reproducing energy costs account for about 80% of the do.

따라서, CO2 흡수 비용을 절감하여 CO2 회수의 경제성을 향상시키기 위해서 물보다 현열과 증발열이 낮은 물질을 흡수용액의 용매로 사용하여 재생에너지 비용을 크게 절감시키는 기술이 개발되고 있다. Thus, CO 2 In order to reduce the absorption cost and improve the economic efficiency of CO 2 recovery, a technology for significantly reducing the renewable energy cost by using a substance having a lower sensible heat and evaporative heat than water as a solvent of the absorption solution has been developed.

CO2 흡수 및 회수 공정에서 흡수용액은 흡수와 재생을 반복하면서 흡수성능이 일정수준으로 유지될 때까지 반복적으로 사용하는데, 비수용성 흡수용액을 흡수제로 사용하는 경우, 처리가스 내에 수분이 존재할 때 흡수용액의 반복사용 횟수가 증가할수록 흡수용액에 축척되는 수분의 양이 증가하여 희석되고, 결국 흡수제의 성능은 점진적으로 저하되며, 또 물의 함량이 증가함에 따라 재생에너지 소비도 점차 증가하게 된다. In the CO 2 absorption and recovery process, the absorption solution is repeatedly used until the absorption performance is maintained at a constant level while repeating the absorption and regeneration. When the non-aqueous absorption solution is used as the absorbent, it is absorbed when water is present in the process gas. As the number of repeated use of the solution increases, the amount of water accumulated in the absorbent solution is increased and diluted. As a result, the performance of the absorbent gradually decreases, and the renewable energy consumption gradually increases as the water content increases.

즉, 비수용성 흡수용액을 사용하는 경우, 용매로 사용되는 물질의 현열과 증발열이 물보다 낮아 기존의 수용성 흡수제보다 재생에너지 소비량이 매우 낮아 회수 비용을 크게 절감시키는 우수성을 가지나, 처리가스 내의 수분이 흡수용액에 축척되면서 재생에너지 소비량이 다시 증가하는 문제가 있고 이는 고가의 비용 증가 및 이산화탄소 회수 비용을 증가시킨다. In other words, in the case of using the non-aqueous absorbent solution, the sensible heat and the heat of evaporation of the material used as the solvent are lower than that of water, and thus the renewable energy consumption is much lower than that of the conventional water-soluble absorbent. As it accumulates in the absorbent solution, there is a problem in that renewable energy consumption is increased again, which increases expensive costs and carbon dioxide recovery costs.

그러므로, 비수용성 흡수용액을 사용하여 수분이 함유되어 있는 가스 내의 CO2 를 흡수 회수하는 경우, 공정상 흡수용액 내의 물의 농도 범위를 일정하게 유지하는 기술이 필요하다.
Therefore, in the case of absorbing and recovering CO 2 in a gas containing water by using a water-insoluble absorbing solution, a technique for maintaining a constant concentration range of water in the absorbing solution is required in the process.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 재생탑에 제공되기 전 이산화탄소 흡수용액 내 수분의 농도가 일정 수준으로 유지되도록 탈수장치(Dehydrator)를 설치하여 운용하는 새로운 형태의 이산화탄소 회수장치를 구현함으로써, 재생탑 내로 유입되는 이산화탄소를 흡수한 흡수용액 내 수분의 양을 조절할 수 있고, 결국 흡수용액의 재생에 소비되는 에너지의 양을 크게 절감시킬 수 있는 배기가스 내 이산화탄소 회수장치를 제공하는데 그 목적이 있다. The present invention has been invented to solve the above problems, a new type of carbon dioxide recovery apparatus operating by installing a dehydrator (Dehydrator) so that the concentration of water in the carbon dioxide absorption solution is maintained at a predetermined level before being provided to the regeneration tower. By implementing the present invention, it is possible to control the amount of water in the absorbing solution absorbing the carbon dioxide flowing into the regeneration tower, and eventually to provide a carbon dioxide recovery device in the exhaust gas that can greatly reduce the amount of energy consumed in the regeneration of the absorbing solution. The purpose is.

또한 본 발명의 다른 목적은 흡수탑에서 흡수용액이 CO2를 흡수할 때 발열반응에 의해 흡수용액의 온도가 일정하게 상승하는 원리를 이용하여, 탈수장치의 온도를 일정 범위 내에서 동작하도록 유지시켜줌으로써, 탈수장치 자체의 에너지 소비도 최소화할 수 있는 배기가스 내 이산화탄소 회수장치를 제공하는데 있다.
In addition, another object of the present invention is to maintain the temperature of the dehydration apparatus to operate within a certain range by using the principle that the temperature of the absorption solution is constantly raised by the exothermic reaction when the absorption solution absorbs CO 2 in the absorption tower. In addition, to provide a carbon dioxide recovery device in the exhaust gas that can minimize the energy consumption of the dehydrator itself.

상기와 같은 배기가스 내 이산화탄소 회수장치는, 배기가스 내 이산화탄소를 흡수용액에 흡수시키는 흡수탑; 상기 흡수탑에서 방출되며 이산화탄소를 흡수한 이산화탄소 흡수용액을 가열하고 재생시키는 재생탑; 상기 흡수탑과 재생탑 사이의 라인 상에 설치되어 이산화탄소 흡수용액과 재생 흡수용액 간의 열교환을 수행하는 열교환기; 상기 열교환기를 통과하고 재생탑에 제공되기 전의 라인 상에 설치되어 이산화탄소 흡수용액 내 수분을 흡수하는 탈수장치;를 포함하며, 상기 흡수탑에 제공되기 전 흡수용액 내 수분의 농도가 기 설정된 범위 내에 유지되도록 상기 탈수장치에서 조절하는 것을 특징으로 한다. The apparatus for recovering carbon dioxide in exhaust gas may include: an absorption tower for absorbing carbon dioxide in exhaust gas into an absorption solution; A regeneration tower for heating and regenerating a carbon dioxide absorption solution emitted from the absorption tower and absorbing carbon dioxide; A heat exchanger installed on a line between the absorption tower and the regeneration tower to perform heat exchange between the carbon dioxide absorption solution and the regeneration absorption solution; A dewatering device installed on a line before passing through the heat exchanger and provided to the regeneration tower to absorb moisture in the carbon dioxide absorption solution; and including a dehydration device maintaining the concentration of moisture in the absorption solution before being provided to the absorption tower. It is characterized in that to control in the dehydrator.

바람직하게는, 상기 재생탑에서 물의 증발열과 물의 현열 중 적어도 어느 하나가 낮은 순환용매를 이용하여 상기 이산화탄소 흡수용액을 재생시키는 것을 특징으로 구성될 수 있다.Preferably, at least one of the heat of evaporation of water and the sensible heat of water in the regeneration tower may be configured to regenerate the carbon dioxide absorbing solution using a low circulation solvent.

바람직하게는, 상기 탈수장치는 상기 재생탑에 제공되기 전 이산화탄소 흡수용액 내 수분의 농도를 모니터링하여 원하는 양의 수분을 제거하는 것이 가능한 것을 특징으로 구성될 수 있다.Preferably, the dehydration device may be characterized in that it is possible to remove the desired amount of water by monitoring the concentration of water in the carbon dioxide absorption solution before it is provided to the regeneration tower.

가장 바람직하게는, 상기 탈수장치는 상기 이산화탄소 흡수용액 내 구성 성분 간 동적직경(Kinetic diameter)의 차이를 이용한 멤브레인 방식을 적용시킨 것을 특징으로 구성될 수 있다.Most preferably, the dehydration device may be configured by applying a membrane method using a difference in kinetic diameter between components in the carbon dioxide absorbing solution.

특히, 상기 탈수장치는 LTA Zeolite를 멤브레인 재질로 사용하고, 80∼100℃의 운전온도 범위에서 작동하는 것을 특징으로 구성될 수 있다.In particular, the dehydrator may be characterized by using LTA Zeolite as the membrane material, operating in the operating temperature range of 80 ~ 100 ℃.

이때, 상기 탈수장치는 상기 재생탑에 제공되기 전 이산화탄소 흡수용액 내 수분의 농도가 20% 이하로 유지되도록 조절하는 것을 특징으로 구성될 수 있다.In this case, the dehydration device may be configured to adjust the concentration of water in the carbon dioxide absorption solution to be maintained to 20% or less before being provided to the regeneration tower.

특히, 상기 탈수장치는 공정상에 발생하는 열을 활용하여 작동하는 것을 특징으로 구성될 수 있다.
In particular, the dewatering device may be configured to operate by utilizing the heat generated in the process.

본 발명에 따른 배기가스 내 이산화탄소 회수장치에 의하면 탈수장치가 이산화탄소 흡수용액 내 수분의 농도를 일정 수준으로 유지하도록 조절함에 따라 재생에너지 소비를 줄일 수 있고, 결과적으로 이산화탄소 회수비용을 절감할 수 있다. According to the apparatus for recovering carbon dioxide in exhaust gas according to the present invention, by controlling the dehydration apparatus to maintain the concentration of water in the carbon dioxide absorbing solution at a predetermined level, it is possible to reduce renewable energy consumption and, as a result, to reduce the cost of recovering carbon dioxide.

특히, 본 발명의 재생탑에서 기존 흡수제의 용매보다 증발열과 현열 중 적어도 어느 하나가 낮은 순환용매를 사용하여 이산화탄소 흡수용액을 재생시키더라도 탈수장치를 통해 흡수용액의 희석화를 방지할 수 있어, 비수용성 흡수용액 사용에 따른 재생에너지 소비 절감뿐만 아니라 추가적으로 20% 가량의 재생에너지 소비를 줄일 수 있다.In particular, even in the regeneration tower of the present invention, even if the carbon dioxide absorbing solution is regenerated by using a circulating solvent having at least one of evaporative heat and sensible heat lower than the solvent of the conventional absorbent, the dilution of the absorbing solution can be prevented through the dehydration device. In addition to reducing the consumption of renewable energy by using absorbent solutions, it is possible to further reduce the consumption of renewable energy by about 20%.

또한, 본 발명에서 열교환기를 통과하고 재생탑에 제공되기 전의 라인 상에 설치한 탈수장치의 운전온도를 라인의 실제온도와 매칭시킴으로써 에너지 활용을 극대화할 수 있고, 탈수장치가 이산화탄소 흡수용액 내 수분의 농도를 조절할 때 필요한 에너지는 공정상에서 발생하는 열을 활용함에 따라 탈수장치의 운전 비용을 약 30% 이상 절감시킬 수 있다.In addition, the present invention can maximize the utilization of energy by matching the operating temperature of the dehydrator installed on the line before passing through the heat exchanger and provided to the regeneration tower with the actual temperature of the line, the dehydrator is the The energy required to adjust the concentration can reduce the operating costs of the dehydrator by more than 30% by utilizing the heat generated in the process.

나아가, 본 발명의 탈수장치는 이산화탄소 흡수용액 내 수분의 농도를 일정 범위 내에서 유지시켜 이산화탄소 흡수 및 회수 공정의 운전 안정성을 증대시킬 수 있다.
Furthermore, the dehydration apparatus of the present invention can increase the operational stability of the carbon dioxide absorption and recovery process by maintaining the concentration of water in the carbon dioxide absorption solution within a certain range.

도 1은 종래 배기가스 내 이산화탄소 회수장치를 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 배기가스 내 이산화탄소 회수장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a view schematically showing a conventional carbon dioxide recovery apparatus in the exhaust gas,
2 is a view schematically showing an apparatus for recovering carbon dioxide in exhaust gas according to an embodiment of the present invention.

이하에서 도면을 참조하여 본 발명에 따른 배기가스 내 이산화탄소 회수장치에 대해 상세히 설명한다. Hereinafter, an apparatus for recovering carbon dioxide in exhaust gas according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 배기가스 내 이산화탄소 회수장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.2 is a view schematically showing an apparatus for recovering carbon dioxide in exhaust gas according to an embodiment of the present invention.

도 2에 도시한 바와 같이, 이산화탄소 회수장치는 재생 공정이 이루어지는 재생탑(20)에 제공되기 전 이산화탄소 흡수용액에 포함되어 있는 수분의 양을 모니터링하면서 탈수장치(100)로 원하는 양의 수분을 제거하여 CO2 흡수용액 내의 수분의 농도범위를 일정하게 유지하는 설비이다.As shown in FIG. 2, the carbon dioxide recovery apparatus removes the desired amount of moisture with the dehydration apparatus 100 while monitoring the amount of moisture contained in the carbon dioxide absorbing solution before being provided to the regeneration tower 20 where the regeneration process is performed. CO 2 It is a facility to keep the concentration range of moisture in absorbent solution constant.

이를 위하여, 배기가스 내 이산화탄소를 흡수용액에 흡수시키는 흡수탑(10)과, 그 흡수탑(10)에서 방출되며 이산화탄소를 흡수한 흡수용액(이하, 이산화탄소 흡수용액)을 가열하고 재생시키는 재생탑(20)이 마련되고, 흡수탑(10)과 재생탑(20) 사이에는 이산화탄소 흡수용액과 재생된 흡수용액 각각이 흐를 수 있는 라인이 설치된다. 재생탑(20)에서는 물의 증발열(heat of vaporization)과 물의 현열(sensible heat) 중 적어도 어느 하나가 낮은 순환용매를 이용하여 위 이산화탄소 흡수용액을 재생시키는 것이 바람직하다.To this end, an absorption tower 10 for absorbing carbon dioxide in the exhaust gas into the absorption solution, and a regeneration tower for heating and regenerating the absorption solution (hereinafter, carbon dioxide absorption solution) emitted from the absorption tower 10 and absorbing carbon dioxide ( 20 is provided, and a line through which the carbon dioxide absorbing solution and the regenerated absorbing solution flows is installed between the absorption tower 10 and the regeneration tower 20. In the regeneration tower 20, it is preferable that at least one of heat of vaporization of water and sensible heat of water regenerate the gaseous carbon dioxide absorbing solution using a low circulation solvent.

즉, 흡수탑(10)을 빠져나온 사용된 이산화탄소 흡수용액은 라인을 따라 재생탑(20)으로 들어가게 되고, 재생탑(20)에서 처리된 재생 흡수용액은 라인을 따라 흡수탑(10)으로 들어간다. 이때, 열교환기(30)는 상술한 흡수탑(10)과 재생탑(20) 사이의 라인 상에 설치되어 이산화탄소 흡수용액과 재생 흡수용액 간의 열교환을 수행한다. That is, the used carbon dioxide exiting the absorption tower 10 The absorption solution enters the regeneration tower 20 along the line, and the regeneration absorption solution processed by the regeneration tower 20 enters the absorption tower 10 along the line. At this time, the heat exchanger 30 is installed on the line between the absorption tower 10 and the regeneration tower 20 described above to perform heat exchange between the carbon dioxide absorption solution and the regeneration absorption solution.

또한, 상술한 흡수탑(10)의 흡입 측으로 연결되는 라인 상에는 손실된 흡수용액을 보충하기 위해 신규 흡수용액을 저장하고 있는 흡수용액 저장조가 설치된다. 그리고 재생탑(20)의 하단에는 흡수용액을 가열하여 이산화탄소를 유리시키기 위한 보일러 등과 같은 흡수용액 가열기(40)가 연결되고, 재생탑(20)의 상단 배출측에는 냉각수를 통해 CO2 와 증기화된 흡수용액을 열교환시키는 냉각기(50)가 설치된다. 이 냉각기(50)의 배출 측에는 응축된 흡수용액을 분리하는 분리드럼(60)이 연결되고, 이때의 분리드럼(60) 내의 응축된 흡수용액은 재생탑(20)으로 회수되는 동시에 농축 CO2 는 분리드럼(60)을 빠져나와 저장/고정/전환 처리된다. In addition, on the line connected to the suction side of the absorption tower 10 described above, an absorption solution storage tank for storing a new absorption solution is provided to replenish the lost absorption solution. And the lower end of the regeneration tower 20 is connected to the absorption solution heater 40, such as a boiler for heating the absorption solution to liberate carbon dioxide, CO 2 through the cooling water to the upper discharge side of the regeneration tower 20. And a cooler 50 for heat-exchanging the vaporized absorption solution. The discharge side of the cooler 50 is connected to the separation drum 60 for separating the condensed absorption solution, the condensed absorption solution in the separation drum 60 at this time is recovered to the regeneration tower 20 and at the same time concentrated CO 2 Exit the separation drum 60 is stored / fixed / switched.

특히, 본 발명에서는 이산화탄소 흡수용액 내의 수분을 흡수하여 이산화탄소 흡수용액 내 수분의 농도 범위를 일정하게 유지시켜줄 수 있는 수단으로 탈수장치(100)를 제공하며, 이때의 탈수장치(100)는 열교환기(30)를 통과하고 재생탑(20)에 제공되기 전의 라인(A) 상에 설치되어 이산화탄소 흡수용액 내 수분을 흡수하며, 열교환기(30) 통과 후 라인 상의 온도가 일정 범위 내에서 유지되는 성질을 이용하여 동작한다. In particular, the present invention provides a dehydration apparatus 100 as a means for absorbing the water in the carbon dioxide absorbing solution to maintain a constant concentration range of water in the carbon dioxide absorbing solution, wherein the dehydrating device 100 is a heat exchanger ( It is installed on line A before passing through 30 and provided to the regeneration tower 20 to absorb moisture in the carbon dioxide absorbing solution, and after passing through the heat exchanger 30, the temperature on the line is maintained within a predetermined range. It works by using.

다시 말하자면, 흡수탑(10)의 하부에서 사용되어 방출된 이산화탄소 흡수용액이 열교환기(30)를 통해 재생된 흡수용액과 열을 교환하게 된다. 열교환기(30)를 지난 사용된 이산화탄소 흡수용액은 재생탑(20)으로 제공되기 전에 탈수장치(100)에서 탈수 공정을 거친다. 계속해서 탈수장치(100)를 통과한 즉, 수분의 농도가 일정 수준으로 낮아진 이산화탄소 흡수용액을 재생탑(20)에 제공하여, 결국 재생탑(20)으로 유입되는 이산화탄소 흡수용액 내 수분의 농도도 일정 수준을 유지하게 된다. In other words, the carbon dioxide absorbing solution used in the lower part of the absorption tower 10 is exchanged with the regenerated absorption solution through the heat exchanger 30. The carbon dioxide absorbing solution used after the heat exchanger 30 undergoes a dehydration process in the dehydration apparatus 100 before being provided to the regeneration tower 20. Subsequently, the concentration of water in the carbon dioxide absorbing solution that passes through the dehydration apparatus 100, that is, the carbon dioxide absorbing solution in which the concentration of moisture is lowered to a predetermined level, is finally introduced into the regeneration tower 20. Maintain a certain level.

구체적으로 탈수 공정은 탈수장치(100)에서 흡수용액 내 수분의 농도를 감소시키는 공정으로서, 탈수장치(100)에는 멤브레인(membrane) 방식을 적용하는 것이 바람직하다. 다만, 본 발명의 탈수 공정에서 사용되는 탈수 장치의 종류 또는 방식은 특별히 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 사용할 수 있는 다양한 형태의 탈수 장치를 모두 포함한다. Specifically, the dehydration process is a process of reducing the concentration of water in the absorbent solution in the dehydration apparatus 100, and it is preferable to apply a membrane method to the dehydration apparatus 100. However, the type or method of the dehydration apparatus used in the dehydration process of the present invention is not particularly limited, and includes all kinds of dehydration apparatuses that can be used by those skilled in the art.

멤브레인 방식이란 일정 용액 내 구성 성분 간 동적직경(kinetic diameter)의 차이를 이용한 방식으로서, 물 분자의 동적직경은 0.26nm이고, 비수용성 흡수용액의 주성분인 아민계 물질이나 순환용매의 직경은 0.45nm 이상인 점을 이용한 일종의 필터 역할을 수행하여 분자 크기가 작은 수분을 이산화탄소 흡수용액으로부터 분리해낼 수 있다. 이때, 탈수장치(100)는 재생탑(20)에 제공되기 전 이산화탄소 흡수용액 내 수분의 농도가 20% 이하로 유지되도록 조절하는 것이 바람직하고, 가장 바람직하게는 2~ 10%가 되도록 조절한다.Membrane method is a method using the difference in kinetic diameter between components in a certain solution, the dynamic diameter of the water molecules is 0.26nm, the diameter of the amine-based material or circulating solvent, the main component of the water-insoluble absorbent solution is 0.45nm By acting as a kind of filter using the above point, water having a small molecular size can be separated from the carbon dioxide absorbing solution. At this time, the dehydration apparatus 100 is preferably adjusted to maintain the concentration of water in the carbon dioxide absorbing solution to 20% or less before being provided to the regeneration tower 20, most preferably to 2 to 10%.

멤브레인 방식에서 물의 투과도(permeability)는 멤브레인의 기공 크기(pore size) 뿐만 아니라 멤브레인 재질의 물에 대한 친수성(hydrophilicity)에 지배적인 영향을 받게 된다. 멤브레인 재질의 친수성이 높을수록 물의 투과도가 높아질 수 있으나, 친수성이 과도하게 높아지면 멤브레인이 팽창하게 되어 멤브레인의 물에 대한 선택도(selectivity)가 낮아지게 되며 장기적인 안정성 측면에서는 불리하게 된다. 따라서 멤브레인 재질은 물에 대한 투과도 및 선택도를 고려하여 적절한 친수성을 갖는 것으로 선정됨이 바람직하다.In the membrane method, the permeability of water is dominantly influenced not only by the pore size of the membrane but also by the hydrophilicity of the membrane material. The higher the hydrophilicity of the membrane material, the higher the permeability of water. However, excessively high hydrophilicity causes the membrane to expand, which lowers the membrane's selectivity for water and disadvantages in terms of long-term stability. Therefore, the membrane material is preferably selected to have appropriate hydrophilicity in consideration of the permeability and selectivity to water.

이와 같이 탈수장치(100)에 상술한 멤브레인 재질을 적용시켜서 적정한 운전온도 범위에서 이산화탄소 흡수용액 내 수분을 분리해낼 때 최적의 탈수 효과를 얻을 수 있고, 이로부터 상술한 재생탑(20)에서 필요한 재생에너지 소비를 줄일 수 있게 된다. In this way, by applying the membrane material described above to the dehydration apparatus 100, an optimum dehydration effect can be obtained when separating the water in the carbon dioxide absorbing solution at an appropriate operating temperature range, and the regeneration necessary in the regeneration tower 20 described above. Energy consumption can be reduced.

이처럼 재생탑(20)에 제공되기 전 이산화탄소 흡수용액 내 수분의 농도가 기 설정된 범위 내에 유지되도록 탈수장치(100)에서 조절하는 탈수 공정을 거치게 되는데, 탈수장치(100)에서 이산화탄소 흡수용액 내 수분의 농도를 모니터링하여 원하는 양의 수분을 제거하는 것이 가능할 수 있다. 이때, 탈수장치(100)의 운전온도는 80~100℃인 것이 바람직한데, 이는 열교환기(30)와 재생탑(20) 사이의 라인 상의 실제 온도와 탈수장치(100)의 운전온도를 매칭시켜 효율을 높이고, 에너지 활용을 극대화하기 위한 것이다. 덧붙여 탈수장치(100)는 공정상에 발생하는 열 혹은 폐열을 활용하여 흡수용액 내 수분을 제거하는 방식도 병행하여 사용함으로써 불필요한 에너지 소비를 줄일 수 있다.As described above, the dehydration apparatus 100 undergoes a dehydration process such that the concentration of water in the carbon dioxide absorbing solution is maintained within a preset range before being provided to the regeneration tower 20. It may be possible to monitor the concentration to remove the desired amount of moisture. At this time, the operating temperature of the dehydrator 100 is preferably 80 ~ 100 ℃, which matches the actual temperature on the line between the heat exchanger 30 and the regeneration tower 20 and the operating temperature of the dehydrator 100 To increase efficiency and maximize energy utilization. In addition, the dehydration apparatus 100 may reduce unnecessary energy consumption by using a method of removing water in the absorption solution by utilizing heat generated in the process or waste heat.

이와 관련하여 본 발명에서는 탈수장치의 멤브레인 재질을 LTA Zeolite로 적용하고, 90℃의 운전온도 범위에서 플럭스(Flux)가 1.3kg/m2ㆍhr이 되도록 하여 운용하는 일 예를 제공한다. In this regard, the present invention provides an example in which the membrane material of the dehydrator is applied to LTA Zeolite, and the flux is 1.3 kg / m 2 · hr in the operating temperature range of 90 ° C.

이러한 특성의 멤브레인을 구비한 탈수장치를 구비함으로써, 여과 전 흡수제의 물함량은 20wt%, 여과 후 여과액 물함량은 92% 이상이 되는 결과를 얻을 수 있었다.By providing a dewatering device having a membrane of such characteristics, the water content of the absorbent before filtration was 20 wt%, and the filtrate water content after filtration was 92% or more.

이와 같이 본 발명에 따른 이산화탄소 회수장치에 의하면 재생탑에 제공되기 전 이산화탄소 흡수용액 내 수분의 농도가 기 설정된 범위 내에 유지되도록 탈수장치에서 조절함으로써, 재생탑에서 이산화탄소 흡수용액을 재생시키는 데 필요한 재생에너지 소비량을 20% 절감시킬 수 있고, 이에 따라 이산화탄소 회수비용도 절감할 수 있다. 또한, 탈수장치의 운전비용은 공정상 발생하는 폐열을 활용하는 방식을 적용해 운용함으로써, 탈수장치 자체의 에너지 소비도 30% 이상 절감시킬 수 있다.
As described above, according to the carbon dioxide recovery apparatus according to the present invention, by controlling the dehydration apparatus so that the concentration of water in the carbon dioxide absorbing solution is maintained within a predetermined range before being provided to the regeneration tower, renewable energy required to regenerate the carbon dioxide absorbing solution in the regeneration tower is provided. Consumption can be reduced by 20%, thus reducing the cost of carbon dioxide recovery. In addition, the operating cost of the dehydration apparatus by applying a method of utilizing the waste heat generated in the process, it is possible to reduce the energy consumption of the dehydration apparatus itself by more than 30%.

비록 본 발명이 실시예와 몇몇 도면에 의해 도시되고 설명되었지만, 본 발명의 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다.
Although the present invention has been illustrated and described by way of example and several drawings, it will be appreciated by those skilled in the art that the present invention may be modified without departing from the spirit or spirit of the invention. Could be.

10 : 흡수탑 20 : 재생탑
30 : 열교환기 40 : 흡수용액 가열기
50 : 냉각기 60 : 분리드럼
100 : 탈수장치10: absorption tower 20: regeneration tower
30: heat exchanger 40: absorption solution heater
50: cooler 60: separation drum
100: dewatering device

Claims (7)

배기가스 내 이산화탄소를 흡수용액에 흡수시키는 흡수탑(10);
상기 흡수탑(10)에서 방출되며 이산화탄소를 흡수한 이산화탄소 흡수용액을 가열하고 재생시키는 재생탑(20);
상기 흡수탑(10)과 재생탑(20) 사이의 라인 상에 설치되어 이산화탄소 흡수용액과 재생 흡수용액 간의 열교환을 수행하는 열교환기(30);
상기 열교환기(30)를 통과하고 재생탑(20)에 제공되기 전의 라인 상에 설치되어 이산화탄소 흡수용액 내 수분을 흡수하는 탈수장치(100);를 포함하며,
상기 재생탑(20)에 제공되기 전 이산화탄소 흡수용액 내 수분의 농도가 기 설정된 범위 내에 유지되도록 상기 탈수장치(100)에서 조절하는 것을 특징으로 하는 배기가스 내 이산화탄소 회수장치.
Absorption tower 10 for absorbing carbon dioxide in the exhaust gas in the absorption solution;
A regeneration tower 20 for heating and regenerating a carbon dioxide absorption solution emitted from the absorption tower 10 and absorbing carbon dioxide;
A heat exchanger 30 installed on a line between the absorption tower 10 and the regeneration tower 20 to perform heat exchange between the carbon dioxide absorption solution and the regeneration absorption solution;
And a dehydration device (100) installed on a line before passing through the heat exchanger (30) and provided to the regeneration tower (20) to absorb moisture in the carbon dioxide absorbing solution.
The carbon dioxide recovery apparatus in the exhaust gas, characterized in that the dewatering device (100) is adjusted so that the concentration of water in the carbon dioxide absorbing solution is maintained within a predetermined range before being provided to the regeneration tower (20).
청구항 1에 있어서, 상기 재생탑(20)에서 물의 증발열과 물의 현열 중 적어도 어느 하나가 낮은 순환용매를 이용하여 상기 이산화탄소 흡수용액을 재생시키는 것을 특징으로 하는 배기가스 내 이산화탄소 회수장치.
The apparatus for recovering carbon dioxide in exhaust gas according to claim 1, wherein at least one of heat of evaporation of water and sensible heat of water is regenerated in the regeneration tower 20 using a low circulation solvent.
청구항 1에 있어서, 상기 탈수장치(100)는 상기 재생탑(20)에 제공되기 전 이산화탄소 흡수용액 내 수분의 농도를 모니터링하여 원하는 양의 수분을 제거하는 것이 가능한 것을 특징으로 하는 배기가스 내 이산화탄소 회수장치.
The method of claim 1, wherein the dehydration apparatus 100 monitors the concentration of water in the carbon dioxide absorption solution before it is provided to the regeneration tower 20, it is possible to remove the desired amount of carbon dioxide in the exhaust gas, characterized in that Device.
청구항 1에 있어서, 상기 탈수장치(100)는 상기 이산화탄소 흡수용액 내 구성 성분 간 동적직경(Kinetic diameter)의 차이를 이용한 멤브레인 방식을 적용시킨 것을 특징으로 하는 배기가스 내 이산화탄소 회수장치.
The apparatus for recovering carbon dioxide in exhaust gas according to claim 1, wherein the dewatering device (100) applies a membrane method using a difference in kinetic diameter between components in the carbon dioxide absorbing solution.
청구항 1에 있어서, 상기 탈수장치(100)는 LTA Zeolite를 멤브레인 재질로 사용하고, 80∼100℃의 운전온도 범위에서 작동하는 것을 특징으로 하는 배기가스 내 이산화탄소 회수장치.
The apparatus for recovering carbon dioxide in exhaust gas according to claim 1, wherein the dewatering device (100) uses LTA Zeolite as a membrane material and operates in an operating temperature range of 80 to 100 ° C.
청구항 1에 있어서, 상기 탈수장치(100)는 상기 재생탑(20)에 제공되기 전 이산화탄소 흡수용액 내 수분의 농도가 20% 이하로 유지되도록 조절하는 것을 특징으로 하는 배기가스 내 이산화탄소 회수장치.
The apparatus for recovering carbon dioxide in exhaust gas according to claim 1, wherein the dehydration device (100) controls the concentration of water in the carbon dioxide absorbing solution to be maintained at 20% or less before being provided to the regeneration tower (20).
청구항 1에 있어서, 상기 탈수장치(100)는 공정상에 발생하는 열을 활용하여 작동하는 것을 특징으로 하는 배기가스 내 이산화탄소 회수장치.The apparatus for recovering carbon dioxide in exhaust gas according to claim 1, wherein the dewatering device (100) operates by utilizing heat generated in a process.
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