KR20130086045A - 활성화된 탄산나트륨을 사용하여 연도 가스 중의 이산화탄소를 포획하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 활성화된 탄산나트륨을 사용하여 연도 가스 중의 이산화탄소를 포획하는 방법 및 장치를 개시한다. 본 발명에 따라, 알코올아민 활성화제가 첨가된 탄산나트륨의 수용액을 CO₂ 흡수제로서 사용하고, 상기 알코올아민은 우선적으로 CO₂와 결합시켜 양쪽성 중간체를 생성시킨 후, 수화시켜서 재순환을 위해 다시 방출되며, 수화에서 생성된 H⁺를 염기성 이온 CO₃ ^{2 -}에 의해 중화시키고, 수화 반응에서 생성된 HCO₃ ^-를 금속 이온 Na⁺와 결합시켜 점진적으로 침적되는 중탄산나트륨을 형성시키고, 최종적으로 중탄산나트륨 슬러리를 수득한다. 열분해를 통하여, 상기 중탄산나트륨 슬러리를 재생시켜 기체 CO₂ 및 탄산나트륨 수용액을 수득하고, 상기 기체 CO₂를 통상의 처리를 통하여 액체로 처리한다. 장치는 파이프들로 연결되어 있는 흡수 타워(1), 경사진 플레이트 침강 탱크(6), 재생 타워(10), 냉각기(17), 기체-액체 분리기(16), 건조기(15), 압축기(14) 및 응축기(13)로 주로 이루어져 있다.

Description

활성화된 탄산나트륨을 사용하여 연도 가스 중의 이산화탄소를 포획하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR CAPTURING CARBON DIOXIDE IN FLUE GAS WITH ACTIVATED SODIUM CARBONATE}

본 발명은 발전소 보일러의 연도 가스(flue gas)로부터의 이산화탄소 배출의 감소와 자원 활용 기술, 더욱 구체적으로는 활성화 탄산나트륨을 사용하여 연도 가스로부터의 이산화탄소를 포획하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

온실 효과는 오늘날 인류가 직면하고 있는 가장 큰 환경 문제들 중 하나이다. 모든 온실 기체들 중에서, CO₂는 가장 높은 함량, 장기간의 잔류, 및 온실 효과에 대한 가장 큰 영향력을 갖고 있다. 따라서, CO₂ 배출의 감소는 지속 가능한 발전에 대한 필연적인 요구사항이다. 통계에 따르면, 2007년 말엽까지, 중국의 CO₂ 배출량은 60.01억톤/년이며, 이는 세계 최고 수준이다. 강력한 1623개의 배출 공급원(단일 공급원의 CO₂ 배출량은 100만톤/년 초과이다)은 39억톤/년을 배출하며, 이는 CO₂ 배출의 약 65 %를 차지한다. 강력한 배출 공급원의 대부분은 석탄-화력 발전소이며, 석탄-화력 발전소로부터의 CO₂는 장기간의 안정적으로 농축된 배출 자원(recourse)이다. 따라서, 발전소 보일러로부터의 연도 가스 중 이산화탄소 배출의 감소와 자원 활용 기술을 개발하는 것은 경제 개발이 탄소 배출 목표에 의해 영향을 받지 않도록 방지하는 데 있어 매우 중요하다.

CO₂를 포획하는 여러 가지 방법들이 개발되어 있다. 화학 흡수 방법이 산업에서 광범위하게 적용되며, 다음과 같은 화학 흡수 방법의 원리가 있다: 연도 가스 중 CO₂는 화학 용매와 반응하고 이에 의해 흡수되는 경향을 갖는다. 상기 화학 용매의 풍부한 용액(rich solution)은 평형 상태까지 CO₂를 흡수한 후에 획득되며, 이어서 상기 풍부한 용액은 재생 타워 내에 도입되고, CO₂ 기체를 방출시키고 부족한 용액(barren solution)으로 변환시키기 위해 가열 및 분해된다. 그 후, 상기 부족한 용액은 재활용되어서 연도 가스로부터 CO₂를 흡수한다. 따라서, 흡수 타워와 재생 타워 사이에 흡수제 용액을 순환시킴으로써, 연도 가스 중의 CO₂가 포획, 분리 및 정제된다. 아미노 알코올 용액을 사용하여 CO₂를 흡수하는 현재의 화학 흡수 방법이 가장 광범위하게 적용되고 있는 방법이며, 이는 MEA 방법, MDEA, 및 혼합된 유기 아민 방법을 특별히 포함한다. 생산 관행에서, 화학 분야에서 약 20년 동안 적용되어 온 아미노 알코올 용액을 사용하는 화학 흡수 방법이 신속한 흡수 속도, 강력한 흡수 능력의 특성을 갖지만, 이는, 발전소로부터의 연도 가스를 처리하는 데 사용되는 경우, 아미노 알코올의 산화 분해가 장치의 장기간의 안정적인 작동에 영향을 미치며 이로 인해 상기 장치에 대한 심각한 부식 및 재생에서의 높은 에너지 소모를 초래하게 되는 통상적인 결함을 갖음이 입증되었다. 이는 화학 기체 자원과 비교하여 주로 석탄-화력 발전소의 연도 가스가 다음과 같은 특성을 갖기 때문이다: 1) 상대적으로 낮은 농도의 탄소 산화물을 갖는 다량의 연도 가스(10 내지 15 %); 2) 상기 연도 가스는 상대적으로 높은 산소 함량(5 내지 10 %), 및 금속 이온 Fe 등을 함유하며, 이는 유기 아민의 산화 분해를 촉진하고, 고가의 아미노 알코올 흡수제의 큰 소모를 초래한다. 이들 모든 이유로 인하여, 아미노 알코올을 사용하여 이산화탄소를 포획하는 방법의 높은 비용이 설명된다.

탄산나트륨은 우선적으로 CO₂를 흡수하고 NaHCO₃를 생성시키는 CO₂ 흡수제의 산업화된 제조에 사용된다. NaHCO₃를 Na₂CO₃와 CO₂로 완전하게 분해시키기 위한 온도는 아미노 알코올의 재생 온도보다 20 내지 30 ℃ 낮다. 따라서, 재생의 에너지 소모에 있어서, 흡수제로서 탄산나트륨을 사용하여 방법은 아미노 알코올을 흡수제로서 사용하는 방법보다 20 내지 30 % 낮은 에너지 소모를 갖는 분명한 장점이 있다. 하지만, 탄산나트륨의 알칼리성은 아미노 알코올의 것보다 약하며, 탄산나트륨이 단독으로 사용되는 경우 낮은 흡수 속도의 불량한 흡수 효과를 갖는다. 더욱이, 탄산나트륨을 사용하는 방법의 종합적인 에너지 소모와 비용은 유기 아민을 사용하는 방법보다 우수하지 않으며, 탄산나트륨을 사용하는 방법은 거의 포기하고 있다.

따라서, 해당 기술분야의 기술에 있어서 CO₂ 흡수의 능력을 개선하고 종합적인 에너지 소모와 비용을 감소시키기 위한 탄산나트륨 흡수의 방법을 개선하고자 하는 문제가 있다. 그러나, 단독으로 상업상 적용시키고자 하는 다수의 실험들에서는 만족스럽지 않은 효과들이 있었다.

상술한 문제점들에 견주어, 발명의 목적들 중 하나는 간단한 처리, 간단한 장치의 구조, 낮은 투자 및 낮은 생산 비용을 갖는 활성화 탄산나트륨을 사용하여 연도 가스로부터 이산화탄소를 포획하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

상기 방법 및 장치는 발전소 보일러의 연도 가스의 특성에 대해 완전하게 적응하고, 유기 아민의 산화 분해, 장치에 대한 심각한 부식, 및 높은 에너지 소모의 문제들을 해결한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시양태에 따라 활성화 탄산나트륨을 사용하여 연도 가스로부터 이산화탄소를 포획하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 통상적인 더스트 제거 및 탈황 처리 후 발전소 보일러의 연도 가스를 재처리하며, 다음 단계들을 포함한다:

1) 탄산나트륨의 수용액을 아미노 알코올 활성화제와 혼합하여 CO₂ 흡수제를 수득하고; 상향 유동하는 연도 가스를 하향 분사된 CO₂ 흡수제와 충분하게 접촉시키기 위해 그리고 상기 연도 가스 중의 CO₂를 상기 아미노 알코올 활성화제 및 상기 탄산나트륨의 수용액과 반응시키기 위해, 상기 CO₂ 흡수제를 통상의 더스트 제거 및 탈황 처리 후에 상기 연도 가스 내에 균등하게 분사시키되, 상기 아미노 알코올 활성화제는 우선 CO₂와 접촉시켜 쯔비터이온성 중간체를 형성하고 후속적 수화 반응에서 다시 상기 쯔비터이온성 중간체를 제거하고, 상기 수화 반응으로부터 생성된 H⁺를 탄산나트륨의 수용액 중의 알칼리 이온 CO₃ ^{2 -}에 의해 중화시키고, 상기 수화 반응으로부터 생성된 HCO₃ ^-를 금속 이온 Na⁺와 접촉시키고 침전시켜 중탄산나트륨 슬러리를 생성시키는 단계. 이후 본원에서는 대문자 A로 표시되는 아미노 알코올 활성화제와 탄산나트륨(Na₂CO₃)의 수용액 사이의 반응 원리가 설명된다:

첫째, 아미노 알코올 활성화제 A는 CO₂와 접촉시켜 쯔비터이온성 중간체 A·CO₂를 형성시키며, 이는 다음의 화학 반응식으로 요약된다:

CO₂ + A → A·CO₂ (1-1)

둘째, 쯔비터이온성 중간체 A·CO₂의 수화 반응에 의해, 아미노 알코올 활성화제 A가 다시 제거되며, HCO₃ ^- 및 CO₃ ^{2 -}는 다시 생성되며, 이는 다음의 화학 반응식으로 요약된다:

A·CO₂ + H₂O → HCO₃ ^- + H⁺ + A (1-2)

셋째, 수화 반응으로부터 생성된 H⁺는 탄산나트륨 수용액 중의 알칼리 이온 CO₃ ^2-에 의해 중화되며, 이는 다음의 화학 반응식으로 요약된다:

CO₃ ^{2 -} + H⁺ + → HCO₃ ^- (1-3)

넷째, HCO₃ ^-는 탄산나트륨 수용액 중의 금속 이온 Na⁺와 접촉시켜 점진적으로 침전시키며, 이는 다음의 화학 반응식으로 요약된다:

Na⁺ + HCO₃ ^- → NaHCO₃↓ (1-4)

아미노 알코올 활성화제 A는 CO₂와 결합하는 경향이 있기 때문에, 쯔비터이온성 중간체 A·CO₂는 즉시 반응(1-1)의 반응 대역에서 생성된다. 쯔비터이온성 중간체 A·CO₂의 수화 반응이 CO₂에서보다 훨씬 빠름에 따라, HCO₃ ^- 및 H⁺의 생성 속도는 매우 빠르다. 따라서, 아미노 알코올 활성화제가 결합된 상태와 자유 상태 사이의 반응 대역에서 재순환되며, 이는 중화 반응(1-3)이 지속적으로 발생하고 상기 방법의 전체 CO₂ 흡수 속도는 Na₂CO₃를 단독으로 사용하는 CO₂ 흡수 속도보다 훨씬 빠름을 보장하는 것이다. 더욱이, NaHCO₃가 CO₂ 흡수제 용액에서 상대적으로 작은 용해도를 갖기 때문에, NaHCO₃는 그의 생성이 증가함에 따라 결정화 및 침전하게 되며, 이는 상기 흡수제 용액 중의 HCO₃ ^-를 감소시키고, 또한 전체 반응을 CO₂ 흡수의 방향으로 추진시킨다. 따라서, 상기 방법의 전체 CO₂ 흡수 효과는 아미노 알코올을 단독으로 사용하는 전체 CO₂ 흡수 효과와 비교적 동일하지만, 상기 방법의 생산 비용은 크게 감소된다.

2) 단계 1)에서 수득된 중탄산나트륨 슬러리를 열분해시켜 고농축된 CO₂ 기체 및 탄산나트륨의 수용액을 생성시키는 단계이며, 이는 다음의 화학 반응식으로 요약된다:

2NaHCO₃ = Na₂CO₃ + CO₂↑+ H₂O

3) 단계 2)에서 수득된 탄산나트륨의 수용액을 단계 1)로 되돌려 보내서 재생용 CO₂ 흡수제를 형성시키는 단계;

4) 단계 2)로부터 분리된 고농축된 CO₂ 기체를 그 안의 고열의 수증기를 응축시키기 위해 냉각시키는 단계;

5) 단계 4)의 냉각 처리 후에 상기 고농축된 CO₂ 기체에 대해 기체-액체 분리를 실시하고, 응축된 물을 제거하여 순도 99% 초과의 고순도 CO₂ 기체를 수득하는 단계; 및

6) 상기 고순도 CO₂ 기체를 건조, 압축 및 응축시켜서 상기 고순도 CO₂ 기체를 액체 상태로 변환시켰으며, 이로 인해 고농축된 액체 CO₂가 수득되는 단계.

탄산나트륨 수용액의 농도는 10 내지 30 중량%이다. 아미노 알코올 활성화제는 모노에탄올아민(MEA) 또는 다이에탄올아민(DEA)이다. 첨가되는 모노에탄올아민 또는 다이에탄올아민의 중량은 첨가되는 탄산나트륨의 0.5 내지 6 중량%이다. CO₂ 흡수제의 전체 용액과 연도 가스 사이의 순환 액체-기체 비율은 5 내지 25 L/m³이다. 따라서, 아미노 알코올 활성화제의 적절한 비율 및 수성 수용액의 농도는 CO₂와의 빠른 반응을 보장하고, 고가의 흡착제의 투여량을 최대로 감소시키고, 아미노 알코올의 산화 분해에 의해 초래되는 장치의 부식을 방지하고, 상기 장치에 대한 투자 및 작동 비용을 크게 감소시킨다.

연도 가스 중의 CO₂와 단계 1)에서의 CO₂ 흡수제 사이의 반응의 온도는 40 내지 55 ℃에서 제어되고, 상기 반응의 압력은 3 내지 300 kPa에서 제어된다. 따라서, 상기 흡수제 용액은 적합한 온도와 압력에서 연도 가스 중의 CO₂와 완전하게 반응할 수 있다.

단계 2)에서 중탄산나트륨 슬러리의 열분해의 온도는 80 내지 130 ℃에서 제어된다. 이러한 온도 범위 내에서, 중탄산나트륨은 다량의 CO₂를 방출하고 고농축된 CO₂ 기체를 포획하기 위해 빠르게 분해된다.

고농축된 CO₂ 기체는 20 내지 35 ℃의 온도로 냉각된다. 따라서, 다량의 수증기가 응축되며, 이로 인해 CO₂ 기체의 순도가 개선된다.

상기 방법을 실시하기 위해 활성화 탄산나트륨을 사용하여 연도 가스로부터 이산화탄소를 포획하는 장치는 흡수 타워, 재생 타워, 냉각기, 기체-액체 분리기, 데시케이터, 압축기 및 응축기를 포함한다. 다수의 흡수제 분사 층 및 적어도 하나의 데미스터(demister) 장치는 흡수 타워의 하부 연도 가스 입구와 상부 연도 가스 출구 사이에서 기저부로부터 상부까지 차례대로 배치되어 있다. 흡수 타워의 기저 슬러리 출구는 경사진 보드 침강 푸울(slanting board sedimentation pool)의 상부 슬러리 입구와 교통한다. 상기 경사진 보드 침강 푸울의 상부 흡수제 입구는 흡수제 콘테이너(absorbent container)와 교통한다. 상기 경사진 보드 침강 푸울의 상층액 출구는 흡수제 순환 펌프를 통해 흡수 타워의 흡수제 분사 층에 연결되어 있다. 상기 경사진 보드 침강 푸울의 언더플로우(underflow) 출구는 중탄산나트륨 펌프를 통해 재생 타워의 상부 공급 입구에 연결되어 있다. 재생 타워의 하부 공급 출구는 탄산나트륨 펌프를 통해 상기 경사진 보드 침강 푸울의 상부 흡수제 입구에 연결되어 있다. 재생 타워의 상부 분해 기체 출구는 냉각기를 통해 기체-액체 분리기의 입구에 연결되어 있다. 상기 기체-액체 분리기의 기체 출구는 데시케이터, 압축기 및 응축기와 직렬로 연결되어 있다. 따라서, CO₂의 흡수 동안, 재생, 탈수, 건조, 압축 및 응축을 포함하는 CO₂ 기체의 처리들은 고도로 정제된 액체 이산화탄소가 획득될 때까지 계속적으로 실시된다.

상기 경사진 보드 침강 푸울의 언더플로우 출구는 중탄산나트륨 펌프 및 열 교환기를 통해 재생 타워의 상부 공급 입구에 연결되어 있다. 상기 재생 타워의 하부 공급 출구는 탄산나트륨 펌프 및 열 교환기를 통해 상기 경사진 보드 침강 푸울의 상부 흡수제 입구에 연결되어 있다. 따라서, 재생 타워 내의 탄산나트륨의 부족한 용액의 배기 열이 완전하게 이용된다. 즉, 재생 타워 내에 도입된 중탄산나트륨의 풍부한 용액을 예열시키면서 탄산나트륨의 부족한 용액을 냉각시킴으로써, 열 교환의 양호한 재활용이 실현되고 열 에너지 자원이 절약된다.

기체-액체 분리기의 액체 출구는 경사진 보드 침강 푸울의 상부 흡수제 입구에 연결되어 있다. 따라서, 기체-액체 분리기로부터 분리된 응축된 물은 물의 재활용을 위해 상기 경사진 보드 침강 푸울로 되돌아 가며, 이로 인해 전체 공정에서의 물 소모가 감소되고 생산 비용이 절감된다.

3개의 흡수제 분사 층이 사용된다. 충전재 층은 가장 높은 흡수제 분사 층 아래에 배치되어 있다. 균일 유동 체 플레이트(uniform flow sieve plate)는 다른 2개의 흡수제 분사 층(20) 각각의 아래에 배치되어 있다. 더욱이, 상기 균일 유동 체 플레이트의 천공 면적과 플레이트 면적 사이의 비율은 30 내지 40 %이다. 한편, 균일 유동 체 플레이트를 통하면, 상향 기체 유동은 더욱 균일하게 되며, 이는 연도 가스의 죽은(dead) 각을 효과적으로 제거하고 연도 가스와 흡수제 사이의 충분한 접촉에 도움이 되며, 다른 한편으로는, 다수의 흡수제 분사 층을 통하는 흡수제의 분사 작용 하에서, 흡수 타워의 단면에 대한 흡수제의 분사 범위(spraying coverage)는 300 % 이상이며, 이로 인해 연도 가스 중의 CO₂ 와 상기 흡수제 사이의 충분한 접촉 및 CO₂를 흡수하기 위한 완전한 화학 반응이 보장된다.

아미노 알코올을 사용하여 이산화탄소를 제거하는 통상적인 처리과 비교하여, 본 발명의 장점은 다음과 같이 요약된다:

첫째, CO₂ 흡수제는 탄산나트륨 수용액에 아미노 알코올 활성화제를 첨가하여 형성된다. CO₂ 흡수제의 전체 CO₂ 흡수 효과는 아미노 알코올을 단독으로 사용하는 전체 CO₂ 흡수 효과와 비교적 동일하지만, 아미노 알코올 흡수제의 다량 소모와 같은 아미노 알코올의 단독 사용에 의한 CO₂ 흡수의 어려움, 분해 후의 후처리에서의 어려움, 높은 작동 비용 등이 해결된다. 게다가, 탄산나트륨은 광범위하게 사용되는 화학 제품이며, 이는 아미노 알코올의 1/10 가격으로 매우 쉽게 구입되며, 이로 인해 CO₂ 기체를 포획을 위한 비용이 크게 감소된다.

둘째, CO₂가 탄산나트륨 수용액에 의해 흡수된 후, 생성된 중탄산나트륨은 아미노 알코올의 재생 온도보다 20 내지 30 ℃ 낮은 분해 온도를 갖는다. 재생 공정의 에너지 소모가 낮을 뿐만 아니라, 연도 가스의 낮은 배기 열 및 기타 가열 수단이 효과적으로 이용되며, 이로 인해 에너지 절약에 도움이 된다. 따라서, 본 발명은 특히 큰 유동의 연도 가스와 낮은 농도의 이산화탄소를 갖는 석탄-화력 발전소 보일러로부터의 연도 가스를 처리하는 데 적용 가능하다.

셋째, 아미노 알코올 활성화제는 단지 탄산나트륨 수용액의 작은 부분이어서, 아미노 알코올 활성화제의 산화 분해의 문제가 방지된다. 게다가, 상기 장치에 대한 부식 현상은 아미노 알코올 활성화제를 단독으로 사용하는 경우보다 크게 적다. 따라서, 본 발명의 방법은 안정적으로 작동될 수 있고, 상기 장치의 활용 가능성은 아미노 알코올 흡수 방법보다 훨씬 높으며, 장치 투자 및 작동 비용은 아미노 알코올 흡수 방법보다 훨씬 낮다.

마지막으로, 상기 방법은 발전소 보일러로부터의 연도 가스를 충분하게 이용하며, 국제 산업 등급의 이산화탄소 기준을 충족하는 99 % 이상의 순도를 갖는 액체 상태의 이산화탄소를 획득하면서 이산화탄소의 방출을 효과적으로 감소시킨다. 상기 방법은 대기 오염의 종합적 관리에 유리할 뿐만 아니라, 재활용 경제의 양성적 발전을 추진한다. 또한, 상기 방법은 발전소 보일러로부터의 연도 가스의 무해한 자원 활용을 실현하며, 이는 석탄-화력 발전소에 매우 적합하다.

유일한 도면은 활성화 탄산나트륨을 사용하여 연도 가스로부터의 이산화탄소를 포획하는 장치의 연결 구조 다이어그램이다.

본 발명을 추가로 설명하기 위해, 활성화 탄산나트륨을 사용하여 연도 가스로부터 이산화탄소를 포획하는 장치 및 방법을 상세하게 다루는 실험들은 도면과 함께 이후 본원에서 설명된다.

도면에 제시된 바와 같이, 활성화 탄산나트륨을 사용하여 연도 가스로부터 이산화탄소를 포획하는 장치는 흡수 타워(1), 재생 타워(10), 냉각기(17), 기체-액체 분리기(16), 데시케이터(15), 압축기(14) 및 응축기(13)를 포함한다. 3개의 흡수제 분사 층(20) 및 1개의 데미스터 장치(21)는 흡수 타워(1)의 하부 연도 가스 입구(5)와 상부 연도 가스 출구(22) 사이에서 기저부로부터 상부까지 차례대로 배치되어 있다. 충전재 층(3)은 가장 높은 흡수제 분사 층(20) 아래에 배치되어 있다. 균일 유동 체 플레이트(4)는 다른 2개의 흡수제 분사 층(20) 각각의 아래에 배치되어 있다. 상기 균일 유동 체 플레이트(4)의 천공 면적과 플레이트 면적 사이의 비율은 38 %이다. 이러한 분사 구조의 조합은 흡수 타워의 단면에 대한 흡수제의 분사 범위가 350 % 이상이 되도록 보장한다. 데미스터 장치(21)는 상부 데미스팅(demisting) 필터 스크린, 하부 데미스팅 필터 스크린, 및 연도 가스 중의 흡수제 소적들을 제거하기 위한 상기 2개의 데미스팅 필터 스크린들 사이에 배치된 세정 분사 구성성분을 포함한다.

흡수 타워(1)의 기저 슬러리 출구는 경사진 보드 침강 푸울(6)의 상부 슬러리 입구(6a)와 교통하고, 중탄산나트륨 슬러리는 그 중력 하에서 경사진 보드 침강 푸울(6) 내로 유동될 수 있다. 경사진 보드 침강 푸울(6)의 상부 흡수제 입구(6b)는 탄산나트륨, 아미노 알코올 활성화제, 및 처리수(process water)를 보충하기 위한 흡수제 컨테이너(19)와 교통한다. 탄산나트륨은 상기 경사진 보드 침강 푸울(6)의 상청액에서의 우세한 성분이며, 중탄산나트륨 슬러리는 언더플로우에서의 우세한 성분이다. 경사진 보드 침강 푸울(6)의 상청액 출구(6c)는 흡수 순환 펌프(8)를 통해 흡수 타워(1)의 3개의 흡수제 분사 층들에 연결되어 있다. 경사진 보드 침강 푸울(6)의 언더플로우 출구(6d)는 중탄산나트륨 펌프(7)와 열 교환기(18)를 통해 재생 타워(10)의 상부 공급 입구에 연결되어 있다. 재생 타워(10)의 하부 공급 출구는 탄산나트륨 펌프(9) 및 열 교환기(18)를 통해 경사진 보드 침강 푸울(6)의 상부 흡수제 입구(6b)에 연결되어 있다. 재생 타워(10)의 지지 비등 유닛(supporting boiling unit)(11)은 재생 타워(10)의 기저 외부에 배치되어 있다.

재생 타워(10)의 상부 분해 기체 출구는 냉각기(17)를 통해 기체-액체 분리기(16)의 입구에 연결되어 있다. 기체-액체 분리기(16)의 액체 출구는 경사진 보드 침강 푸울(6)의 상부 흡수제 입구(6b)에 연결되어 있다. 기체-액체 분리기(16)의 기체 출구는 데시케이터(15), 압축기(14) 및 응축기(13)와 직렬로 연결되어 있다. 응축기(13)의 출구는 액체 이산화탄소(12)의 저장 탱크에 연결되어 있다. 상기 각 장치들은 통상적으로 화학 산업에서 사용되는 장치들이며, 그의 구조는 본원에서 기술하고 있지 않다.

상기 장치의 작동 시험에서, CO₂ 흡수제의 혼합 비율의 파라미터는 연도 가스 중의 CO₂의 여러 함량에 따라 다음의 사항으로부터 선택된다:

1) 탄산나트륨 수용액의 농도가 10 중량%인 경우, 10 중량 %, 모노에탄올아민(MEA) 또는 다이에탄올아민(DEA)과 탄산나트륨 사이의 중량비는 1.5 내지 6 %이고;

2) 탄산나트륨 수용액의 농도가 15 중량%인 경우, 모노에탄올아민(MEA) 또는 다이에탄올아민(DEA)과 탄산나트륨 사이의 중량비는 1 내지 5 %이고;

3) 탄산나트륨 수용액의 농도가 20 내지 25 중량 %인 경우, 모노에탄올아민(MEA) 또는 다이에탄올아민(DEA)과 탄산나트륨 사이의 중량비는 0.8 내지 4 %이고;

4) 탄산나트륨 수용액의 농도가 30 중량%인 경우, 모노에탄올아민(MEA) 또는 다이에탄올아민(DEA)과 탄산나트륨 사이의 중량비는 0.5 내지 3 %이다.

본 발명의 특정 공정 흐름은 다음과 같다: 석탄-화력 발전소로부터 배출된 연도 가스는 통상적인 더스트 제거 및 탈황 처리 후에 하부 연도 가스 입구(5)를 통해 흡수제 타워(1) 내에 주입된다. 연도 가스는 균일 유동 체 플레이트(4) 및 충전재 층(3)을 통과하고 상향으로 유동된다. 한편, 아미노 알코올 활성화제가 첨가된 탄산나트륨의 수용액은 흡수제 분사 층들(20)을 통해 하향 분사된다. CO₂ 흡수제의 전체 용액과 배출 기체 사이의 순환 액체 기체 비율은 5 내지 25 L/m³, 특히 12 내지 22 L/m³에서 제어된다. 연도 가스 중의 CO₂와 CO₂ 흡수제 사이의 반응의 온도는 40 내지 55℃에서 제어되고, 상기 반응의 압력은 3 내지 300 kPa, 특히 5 내지 200 kPa에서 제어된다. 따라서, 연도 가스 중의 CO₂를 아미노 알코올 활성화제 및 탄산나트륨 수용액과 반응하고 이에 의해 흡수될 수 있도록 허용하기 위해, 상향 유동 연도 가스는 충전재 층(3) 및 균일 유동 체 플레이트에서 하향 분사된 CO₂ 흡수제와 충분하게 접촉된다.

다량의 CO₂로부터 제거된 후의 연도 가스는 계속적으로 상향 유동이 진행되고, 연도 가스로부터 흡수제 소적들을 추가로 제거하기 위해 데미스터 장치(21)를 통과시키며, 마지막으로 세정 연도 가스가 대기로 직접 배출된다. CO₂를 흡수함으로써 생성된 중탄산나트륨 슬러리는 흡수 타워(1)의 기저부까지 하강하며, 흡수 타워(1)의 기저 슬러리 출구를 통과한 후에 계층화를 위해 경사진 보드 침강 푸울(6) 내에 도입된다. 탄산나트륨은 경사진 보드 침강 푸울(6)의 상청액에서의 우세한 성분이며, 중탄산나트륨 슬러리는 언더플로우에서의 우세한 성분이다.

중탄산나트륨 슬러리는, 중탄산나트륨 펌프(7)를 통해 열 교환기(18)의 흡열 관에 전달되고, 열을 흡수한 후, 상부 공급 입구로부터 재생 타워(10) 내에 주입된다. 중탄산나트륨 슬러리는 재생 타워의 각 체 플레이트 내에 분사되고, 상향 유동 수증기에 의해 가열 및 분해되며; CO₂가 방출된다. 불완전하게 분해된 중탄산나트륨 슬러리는 재생 타워(10)의 기저부까지 하강하고, 재생 타워(10)의 지지 비등 유닛(11)에 의해 80 내지 130℃의 온도까지 가열되며, 고농축된 CO₂ 기체를 동시에 방출을 위해 추가로 분해되면서, 탄산나트륨 수용액이 획득된다.

재생 타워(10) 내의 탄산나트륨 수용액은 탄산나트륨 펌프(9)에 의해 상승되며, 열 방출을 위해 열 교환기(18)의 발열 튜브 내에 주입된다. 그 후, 탄산나트륨 수용액은 상부 흡수제 입구(6b)로부터 경사진 보드 침강 푸울(6) 내에 주입되고, 재활용을 위해 흡수제 순환 펌프(8)를 통해 흡수 타워(1)의 흡수제 분사 층(2) 내에 추가로 전달된다.

재생 타워로부터 방출된 고농축된 CO₂ 기체는 다량의 수증기와 함께 재생 타워(10)의 상부 분해 기체 출구를 통해 재생 타워(10)의 외부로 유동되고, 냉각기(17) 내에 주입되며, 여기서 CO₂ 기체는 25 내지 35 ℃의 온도까지 냉각되고, 대부분의 수증기는 응축된다.

냉각기(17)에 의해 처리된 후 고농축된 CO₂ 기체가 획득되고, 기체-액체 분리기(16) 내에 전달되며, 여기서 응축된 물은 원심력 하에서 CO₂ 기체로부터 완전하게 분리되고, 순도 99 % 초과의 고도로 정제된 CO₂ 기체가 수득된다. 분리되어 응축된 물은 기체-액체 분리기(16)의 물 출구 및 경사진 보드 침강 푸울(6)의 상부 흡수제 입구(6b)를 통해 수송되며, 마지막으로 재활용을 위해 경사진 보드 침강 푸울(6) 내에 수득된다. 분리되어 고도로 정제된 CO₂ 기체는 건조 처리를 위해 데시케이터(15)에 전달된 후, 압축을 위해 압축기 내에 전달된다. 압축된 CO₂ 기체는 액체 상태로 응축되고 고농축된 산업화된 액체 CO₂ 제품을 수득하기 위해 응축기(13) 내에 수송되며, 마지막으로 액체 이산화탄소의 저장 탱크에 주입된다.

Claims (10)

1. 활성화 탄산나트륨을 사용하여 연도 가스(flue gas)로부터 이산화탄소를 포획하는 방법으로서, 통상의 더스트(dust) 제거 및 탈황 처리 후에 발전소 보일러의 연도 가스를 재처리하는 방법에 있어서,
   1) 탄산나트륨의 수용액을 아미노 알코올 활성화제와 혼합하여 CO₂ 흡수제를 수득하고; 상향 유동하는 연도 가스를 하향 분사된 CO₂ 흡수제와 충분하게 접촉시키기 위해 그리고 상기 연도 가스 중의 CO₂를 상기 아미노 알코올 활성화제와 반응시키기 위해, 상기 CO₂ 흡수제를 통상의 더스트 제거 및 탈황 처리 후에 상기 연도 가스 내에 균등하게 분사시키되,
   상기 아미노 알코올 활성화제는 우선 CO₂와 접촉시켜 쯔비터이온성 중간체를 형성하고 후속적 수화 반응에서 다시 상기 쯔비터이온성 중간체를 제거하고, 상기 수화 반응으로부터 생성된 H⁺를 탄산나트륨의 수용액 중의 알칼리 이온 CO₃ ^{2 -}에 의해 중화시키고, 상기 수화 반응으로부터 생성된 HCO₃ ^-를 금속 이온 Na⁺와 접촉시키고 침전시켜 중탄산나트륨 슬러리를 생성시키는 단계;
   2) 단계 1)에서 수득된 중탄산나트륨 슬러리를 열분해시켜 고농축된 CO₂ 기체 및 탄산나트륨의 수용액을 생성시키는 단계;
   3) 단계 2)에서 수득된 탄산나트륨의 수용액을 단계 1)로 되돌려 보내서 재생용 CO₂ 흡수제를 형성시키는 단계;
   4) 단계 2)로부터 분리된 고농축된 CO₂ 기체를 그 안의 고열의 수증기를 응축시키기 위해 냉각시키는 단계;
   5) 단계 4)의 냉각 처리 후에 상기 고농축된 CO₂ 기체에 대해 기체-액체 분리를 실시하고, 응축된 물을 제거하여 순도 99% 초과의 고순도 CO₂ 기체를 수득하는 단계; 및
   6) 단계 5)로부터 수득된 고순도 CO₂ 기체를 건조, 압축 및 응축시켜서 상기 고순도 CO₂ 기체를 액체 상태로 변환시켰으며, 이로 인해 고농축된 액체 CO₂가 수득되는 단계
   를 포함하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   탄산나트륨 수용액의 농도가 10 내지 30 중량%이고;
   아미노 알코올 활성화제가 모노에탄올아민 또는 다이에탄올아민이고;
   첨가되는 모노에탄올아민 또는 다이에탄올아민의 중량이 첨가되는 탄산나트륨의 0.5 내지 6 중량%이고;
   CO₂ 흡수제와 연도 가스의 전체 용액 사이의 순환 액체-기체 비율이 5 내지 25 L/m³인 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 연도 가스 중의 CO₂와 단계 1)에서의 CO₂ 흡수제 사이의 반응 온도는 40 내지 55℃에서 제어되고;
   반응 압력이 3 내지 300 kPa인 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   단계 2)에서의 중탄산나트륨의 열분해 온도가 80 내지 130℃에서 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 고농축된 CO₂ 기체가 20 내지 35℃까지 냉각되는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 1 항의 방법에 따라 활성화 탄산나트륨을 사용하여 연도 가스로부터 이산화탄소를 포획하는 장치로서, 흡수 타워(1); 재생 타워(10); 냉각기(17); 기체-액체 분리기(16); 데시케이터(desiccator)(15); 압축기(14) 및 응축기(condenser)(13)를 포함하는 장치에 있어서,
   다수의 흡수제 분사 층(20) 및 적어도 하나의 데미스터(demister) 장치(21)가 흡수 타워(1)의 하부 연도 가스 입구(5)와 상부 연도 가스 출구(22) 사이에서 기저부로부터 상부까지 차례대로 배치되어 있고;
   흡수 타워(1)의 기저 슬러리 출구가 경사진 보드 침강 푸울(slanting board sedimentation pool)(6)의 상부 슬러리 입구(6a)와 교통하고, 상기 경사진 보드 침강 푸울(6)의 상부 흡수제 입구(6b)가 흡수제 콘테이너(absorbent container)(19)와 교통하고;
   상기 경사진 보드 침강 푸울(6)의 상층액 출구(6c)가 흡수제 순환 펌프(8)를 통해 흡수 타워(1)의 흡수제 분사 층(20)에 연결되고;
   상기 경사진 보드 침강 푸울(6)의 언더플로우(underflow) 출구(6d)는 중탄산나트륨 펌프(7)를 통해 재생 타워(10)의 상부 공급 입구에 연결되고; 재생 타워(10)의 하부 공급 출구는 탄산나트륨 펌프(9)를 통해 상기 경사진 보드 침강 푸울(6)의 상부 흡수제 입구(6b)에 연결되고;
   재생 타워(10)의 상부 분해 기체 출구는 냉각기(17)를 통해 기체-액체 분리기(16)의 입구에 연결되고; 상기 기체-액체 분리기(16)의 기체 출구는 데시케이터(15), 압축기(14) 및 응축기(13)와 직렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 경사진 보드 침강 푸울(6)의 언더플로우 출구(6d)는 중탄산나트륨 펌프(7) 및 열 교환기(18)를 통해 재생 타워(10)의 상부 공급 입구에 연결되어 있고;
   상기 재생 타워(10)의 하부 공급 출구는 탄산나트륨 펌프(10) 및 열 교환기(18)를 통해 상기 경사진 보드 침강 푸울(6)의 상부 흡수제 입구(6b)에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
   상기 기체-액체 분리기(16)의 액체 출구가 상기 경사진 보드 침강 푸울(6)의 상부 흡수제 입구(6b)에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
   3개의 흡수제 분사 층(20)이 사용되고;
   충전재 층(3)이 최고 흡수제 분사 층(20) 아래에 배치되어 있고;
   균일 유동 체 플레이트(uniform flow sieve plate)(4)가 다른 2개의 흡수제 분사 층(20) 각각의 아래에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 균일 유동 체 플레이트(4)의 천공 면적과 플레이트 면적 사이의 비율이 30 내지 40 %인 것을 특징으로 하는 장치.
    

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