KR20130102950A - 이산화탄소 포집후 에너지 회수 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이산화탄소 포집후 에너지 회수 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 포집된 이산화탄소를 고정 또는 전환 등의 방법으로 처리할 때, 포집된 이산화탄소의 배출압력으로부터 에너지를 회수할 수 있도록 한 이산화탄소 포집후 에너지 회수 장치 및 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 이산화탄소 포집장치에서 포집된 CO2를 지하나 심해에 저장하는 방법이 아닌 고정이나 전환 처리할 때, 포집된 CO2의 배출압력을 터빈을 이용하여 고정이나 전환에 필요한 압력까지 낮추어주는 동시에 터빈과 연결된 발전기에서 생성한 에너지를 CO2 포집을 위한 각 공정의 운전부에 공급할 수 있도록 한 이산화탄소 포집후 에너지 회수 장치 및 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

이산화탄소 포집후 에너지 회수 장치 및 방법{Device and method for energy generating after carbon capture}
본 발명은 이산화탄소 포집후 에너지 회수 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 포집된 이산화탄소를 고정 또는 전환 등의 방법으로 처리할 때, 포집된 이산화탄소의 배출압력으로부터 에너지를 회수할 수 있도록 한 이산화탄소 포집후 에너지 회수 장치 및 방법에 관한 것이다.
이산화탄소를 포집하는 방법에는 흡수법, 흡착법, 분리막법 등이 있으며, 그 중에서 흡수법이 흡착법과 분리막법 등과 같은 타 회수 기술에 비하여 대유량의 배기가스 처리가 가능하고 이산화탄소의 농도가 7~30 % 내외의 이산화탄소 농도조건에서도 높은 제거 효율을 가지면서 경제성이나 공정 적용 용이성이 높은 것으로 평가받고 있다.
또한, 포집 완료된 이산화탄소의 처리방법에는 저장, 고정, 전환 등의 방법이 있으며, 그 중 지하나 심해에 CO2를 저장하는 방법은 다른 처리방법에 비해 대량의 CO2를 처리 가능하여 가장 손쉽고 상용화 단계에 있으나, 지하나 심해에 저장하기 위한 많은 비용이 들고 CO2를 근본적으로 제거하지 못하여 부가적인 이윤창출을 할 수 없는 단점이 있다.
또한, 포집 완료된 CO2를 탄소원으로 사용하여 다른 화학물질로 전환하거나 식물 또는 해조류 등을 통해 고정하는 방법은 아직 기초 연구 단계이나 상용화 단계까지 이루어진다면 CO2를 근본적으로 제거할 수 있고, 유용한 물질로 만들어서 부가적인 이윤창출의 가능성이 크므로 보다 경제적이고 이상적인 기술로 평가되고 있다.
한편, 상기 이산화탄소를 포집하는 흡수법 중 가장 널리 개발중인 화학 흡수법은 화학반응을 이용하여 배기가스내의 CO2를 선택적으로 분리하기 때문에 흡수량이 CO2 분압의 영향을 크게 받지 않아 CO2 분압이 낮은 경우에도 CO2 제거 효율이 높은 장점이 있지만, 사용된 흡수제를 다시 사용하기 위해 CO2를 흡수제에서 분리시키는 재생 과정에서 높은 에너지 소비량을 필요로 하는 문제가 있다.
따라서, 이산화탄소의 회수비용을 낮추고 이산화탄소를 포집하는 흡수기술을 향상시키기 위해 흡수액 재생에 소비되는 에너지를 절감시키는 기술이 요구되고 있다.
여기서, 종래의 이산화탄소 포집 과정을 간략하게 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 2에 도시된 바와 같이, 먼저 CO2를 함유하고 있는 배기가스를 기-액 접촉이 원활히 이루어지도록 넓은 표면적을 갖는 충전물이 충전되어 있는 흡수탑(10)에 공급한다.
이때, 흡수액 저장조(12)로부터 흡수탑(10)내의 상단부에 흡수제가 공급된다.
따라서, 흡수탑(10)에 공급된 배기가스는 흡수탑(10)의 상단에서 용액상태의 흡수제(흡수용액)와 대기압 상태로 접촉되어, 40∼70℃ 전후의 온도범위에서 배기가스 내의 CO2가 흡수용액에 흡수된다.
이어서, 상기 흡수탑(10)에서 방출되는 흡수용액, 즉 CO2가 흡수된 흡수용액은 재생탑(14)으로 공급된 후, 재생탑(14)내에서 100~160℃의 온도로 가열되는 재생 과정을 거친 다음, 재생탑(14)의 하부로 배출되어 흡수탑(10)으로 흡수용액을 공급하는 라인(22)으로 재공급된다.
이때, 상기 흡수탑(10)으로부터 재생탑(14)으로 새롭게 공급되는 흡수용액은 열교환기(16)를 통과하면서 재생탑(14)의 하부로 배출되어 라인(22)으로 재공급되는 흡수용액과 열교환하여 예열된 후 재생탑(14)의 상부로 공급된다.
특히, 상기 재생탑(14)내에서 100~160℃의 온도로 가열되는 재생 과정 중, 재생탑(14)의 상부로 CO2를 갖는 증기화된 흡수액이 배출되고, 또한 재생탑(14)의 하부에서는 CO2가 흡수된 흡수용액을 보일러 등의 가열기(18)를 이용하여 100~160℃의 온도범위로 가열하여 CO2를 분리시키는 과정이 이루어진다.
이렇게 재생탑(14)에서 분리된 CO2는 응축기(20)를 통하여 저장, 고정, 전환 등을 위한 곳으로 배출되고, 증기화 흡수액은 응축기(20)에서 응축되어 재생탑(14)으로 환류된다.
위와 같이, 상기 재생탑(14)내에서 분리된 이산화탄소는 기체상태의 고농도 CO2(90~100 %)로서, 1.9~6 atm의 압력범위에서 재생탑(14)으로부터 배출되어, 최종적으로 저장, 고정 또는 전환의 방법으로 처리된다.
이와 같이 포집된 CO2를 지하나 심해에 저장하기 위해서는 재생탑(14)의 상단에서 배출되는 고농도의 CO2를 약 70~100 atm 정도의 고압까지 증압시켜야 하며, 이를 위해 증압을 위한 추가적인 에너지가 필수적으로 발생할 수 밖에 없다.
그러나, 포집된 CO2를 저장이 아닌 고정이나 전환을 통하여 바로 처리하는 경우, 압축기를 이용하여 고압으로 증압하는 과정없이 1.2 atm 미만 정도의 압력만으로도 처리 가능한 잇점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 포집된 CO2를 지하나 심해에 저장하는 방법이 아닌 고정이나 전환 처리할 때, 포집된 CO2의 배출압력을 터빈을 이용하여 고정이나 전환에 필요한 압력까지 낮추어주는 동시에 터빈과 연결된 발전기에서 생성한 에너지를 CO2 포집을 위한 각 공정의 운전부에 공급할 수 있도록 한 이산화탄소 포집후 에너지 회수 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 포집된 CO2를 배출시키는 이산화탄소 포집장치의 배출부에 CO2의 배출압력을 고정 또는 전환 처리를 위한 압력 수준으로 강하시키는 동시에 압력 강하시 발생되는 에너지를 회수하는 에너지 회수수단을 설치하여서 된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집후 에너지 회수 장치를 제공한다.
바람직하게는, 상기 에너지 회수수단은 이산화탄소 포집장치의 각 공정 운전부와 회수된 에너지를 공급 가능하게 연결되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 에너지 회수수단은 이산화탄소 포집장치의 배출부에 설치되는 터빈과, 터빈과 연결되는 발전기로 구성된 것임을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 이산화탄소 포집장치에서 배기가스로부터 CO2를 포집시키는 단계와; 이산화탄소 포집장치에서 포집된 CO2를 배출시키는 단계와; 배출되는 CO2의 배출압력을 고정 또는 전환 처리를 위한 압력 수준으로 강하시키는 단계와; 압력 강하시 발생되는 에너지를 회수하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집후 에너지 회수 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 구현예는 회수된 에너지를 이산화탄소 포집장치의 각 공정 운전부로 공급하여 활용되도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 에너지를 회수하는 단계는: 이산화탄소 포집장치에서 포집된 CO2의 배출압력에 의하여 터빈이 회전하는 단계와; 터빈을 통과한 CO2의 최종배출 압력이 고정 또는 전환 처리를 위한 압력 수준으로 일정하게 강하되는 단계와; 터빈의 회전력이 터빈과 연결된 발전기로 전달되어 발전기의 발전이 이루어지는 단계; 로 진행되는 것을 특징으로 한다.
상기 이산화탄소 포집장치에서 포집된 CO2의 배출압력이 1.8~6atm일 때, 고정 또는 전환 처리를 위하여 터빈을 통과한 CO2의 최종배출 압력은 1.2atm으로 강하 조절되는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 이산화탄소 포집장치에서 포집된 CO2를 지하나 심해에 저장하는 방법이 아닌 고정이나 전환 처리하고자 할 경우, 이산화탄소 포집장치에서 포집된 CO2의 배출압력을 터빈을 이용하여 고정이나 전환에 필요한 압력까지 낮추어주고, 이와 동시에 터빈의 회전력이 발전기로 전달되어 전기에너지를 생산하는 에너지 회수 효과를 얻을 수 있다.
또한, 발전기에서 생산된 전기에너지를 이산화탄소 포집장치의 각 공정 운전부(예를 들어, 펌프 및 송풍기 등)가 구동하는 에너지로 활용할 수 있으므로, 이산화탄소 포집을 위한 에너지를 크게 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이산화탄소 포집후 에너지 회수 장치를 나타내는 구성도,
도 2는 종래의 이산화탄소 포집 장치를 나타내는 구성도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하면 다음과 같다.
이산화탄소 포집장치의 전체 CO2 회수 비용 중, 회수를 위한 에너지 비용이 60% 이상을 차지하는 것으로 알려져 있다.
특히, CO2 회수를 위한 에너지 비용 중 CO2가 흡수된 흡수용액을 재생탑내에서 분리시키기 위해 사용되는 에너지 비용이 약 80%를 차지하고, 펌프 등 공정을 유지하기 위한 에너지 비용이 약 20%를 차지하는 것으로 알려져 있다.
이에, CO2 흡수 비용을 저감하여 CO2 포집의 경제성을 향상시키기 위해서는 전체 공정의 각 부분에서 발생하는 에너지를 저감시키는 기술이 요구되고 있다.
본 발명은 이산화탄소 포집장치에서 포집된 CO2를 전환 또는 고정을 위하여 배출시킬 때, CO2의 배출압력을 고정 또는 전환 처리를 위한 압력 수준으로 강하시키는 동시에 압력 강하시 발생되는 에너지를 회수하고, 회수된 에너지를 CO2 포집의 위한 공정으로 활용 가능하게 공급하는 점에 주안점이 있다.
이를 위해, 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이 이산화탄소 포집장치에서 포집된 CO2가 배출되는 부분, 즉 이산화탄소 포집장치의 재생탑(14)과 연결된 응축기(20)의 출구쪽에 에너지 회수수단(30)이 설치된다.
상기 에너지 회수수단(30)은 이산화탄소 포집장치에서 포집된 CO2가 응축기(20)의 출구를 통해 배출될 때, 그 배출압력을 고정 또는 전환 처리를 위한 압력 수준으로 강하시키는 기능을 하고, 동시에 압력 강하시 발생되는 에너지를 회수하는 역할을 한다.
보다 상세하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 회수수단(30)은 이산화탄소 포집장치의 배출부인 응축기(20)의 출구측에 설치되는 터빈(32)과, 터빈(32)과 동축으로 연결되는 발전기(34)를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 에너지 회수수단(30)의 구성 중, 발전기(34)는 이산화탄소 포집장치의 각 공정 운전부(예를 들어, 각 포집 공정에 배치되어 전기에너지로 구동되는 펌프 및 송풍기 등)에 전기에너지 공급 가능하게 연결된다.
여기서, 상기한 구성으로 이루어진 본 발명의 이산화탄소 포집후 에너지 회수 방법을 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 1에 도시된 바와 같이, CO2를 함유하고 있는 배기가스가 흡수탑(10)에 공급되고, 흡수액 저장조(12)로부터 흡수탑(10)내의 상단부에 흡수제가 공급된다.
따라서, 흡수탑(10)에 공급된 배기가스는 흡수탑(10)의 상단에서 용액상태의 흡수제(흡수용액)와 대기압 상태로 접촉되어, 40∼70℃ 전후의 온도범위에서 배기가스 내의 CO2가 흡수용액에 흡수된다.
이어서, 상기 흡수탑(10)에서 방출되는 흡수용액, 즉 CO2가 흡수된 흡수용액은 재생탑(14)으로 공급된 후, 재생탑(14)내에서 100~160℃의 온도로 가열되는 재생 과정을 거치게 된다.
상기 재생탑(14)내에서 100~160℃의 온도로 가열되는 재생 과정 중, 재생된 흡수용액은 재생탑(14)의 하부로 배출되어, 흡수액 저장조(12)와 흡수탑(10) 간에 연결된 흡수용액 공급 라인(22)에 재공급된다.
이때, 상기 흡수탑(10)에서 재생탑(14)으로 새롭게 공급되는 CO2 흡수용액은 열교환기(16)를 통과하면서 재생탑(14)의 하부로 배출되어 흡수용액 공급 라인(22)에 재공급되는 흡수용액과 열교환하여 예열된 후 재생탑(14)의 상부로 공급된다.
특히, 상기 재생탑(14)내에서 100~160℃의 온도로 가열되는 재생 과정 중, 재생탑(14)의 상부로 CO2를 갖는 증기화된 흡수액이 배출되고, 또한 재생탑(14)의 하부에서는 CO2가 흡수된 흡수용액을 보일러 등의 가열기(18)를 이용하여 100~160℃의 온도범위로 가열하여 CO2를 분리시키는 과정이 진행된다.
이렇게 재생탑(14)에서 분리된 CO2는 즉, CO2를 갖는 증기화된 흡수액이 응축기(20)로 배출된 후, 응축된 흡수액은 재생탑(14)으로 다시 공급되고, 분리된 CO2는 고정 또는 전환 처리를 위한 곳으로 배출된다.
이때, 상기 응축기(20)에서 고정 또는 전환 처리를 위한 곳으로 CO2가 배출될 때, 그 압력은 약 1.8~6atm이고, 고정 또는 전환 처리를 위하여 필요한 CO2 배출압력은 약 1.2atm이다.
이렇게 응축기(20)에서 약 1.8~6atm 압력으로 배출되는 CO2가 에너지 회수장치(30)의 터빈(32)을 통과하게 되면서, 터빈(32)의 회전이 이루어지게 되고, 이와 동시에 터빈(32)의 회전력이 발전기(34)로 전달된다.
이때, 응축기(20)에서 약 1.8~6atm 압력으로 배출되는 CO2가 터빈(32)을 통과하게 되면서, 고정 또는 전환 처리를 위한 압력 수준으로 일정하게 강하된다.
즉, 터빈(32)을 통과한 CO2의 최종배출 압력이 고정 또는 전환 처리에 필요한 배출압력(1.2atm)까지 낮추어지게 된다.
이와 함께, 터빈(32)의 회전력이 발전기(34)로 전달됨으로써, 발전기의 발전이 이루어지게 되고, 발전기에서 생산된 전기에너지는 이산화탄소 포집장치의 각 공정 운전부(예를 들어, 각 포집 공정에 배치되어 전기에너지로 구동되는 펌프 및 송풍기 등)로 공급하여 소모되도록 한다.
결국, 발전기에서 생산된 전기에너지를 이산화탄소 포집장치의 각 공정 운전부의 에너지로 활용할 수 있도록 함으로써, 이산화탄소 포집장치에서 소비되는 에너지를 크게 절감할 수 있다.
본 발명의 실험예로서, CO2 포집(제거)량이 1000 ton/day 규모의 공정 모사 프로그램을 이용하여 에너지 회수에 대한 실험을 실시하였으며, CO2 흡수 공정 조건은 아래의 표 1에 기재된 바와 같다.
Figure pat00001
또한, 기액 유량비별 리보일러(예를 들어, 재생탑(14)의 하부에 연결된 가열기(18))의 소비 에너지(kW) 및 응축기로부터 배출되는 가스 즉, CO2 의 유량은 아래의 표 2에 기재된 바와 같다.
Figure pat00002
이러한 실험 조건에 따른 기액 유량비별 터빈을 통해 생성되는 에너지량의 모사 결과는 다음의 표 3에 기재된 바와 같다.
Figure pat00003
위의 표 3에서 보듯이, 터빈에 입력되는 CO2 의 압력은 습식(wet) 및 건식(dry) 흐름에 관계없이 4.12 ~ 4.41atm이고, 터빈을 통과하여 고정 또는 전환 처리부로 배출되는 압력은 1.20atm으로 일정하게 강하됨을 알 수 있었고, 또한 터빈 효율에 따른 발전기의 에너지(kW) 생성이 이루어짐에 따라 이산화탄소 포집장치의 흡수액 펌프 등에서 사용되는 에너지가 저감됨을 알 수 있었다.
10 : 흡수탑
12 : 흡수액 저장조
14 : 재생탑
16 : 열교환기
18 : 가열기
20 : 응축기
22 : 흡수용액 공급라인
30 : 에너지 회수수단
32 : 터빈
34 : 발전기

Claims (7)

  1. 포집된 CO2를 배출시키는 이산화탄소 포집장치의 배출부에 CO2의 배출압력을 고정 또는 전환 처리를 위한 압력 수준으로 강하시키는 동시에 압력 강하시 발생되는 에너지를 회수하는 에너지 회수수단(30)을 설치하여서 된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집후 에너지 회수 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 에너지 회수수단(30)은 이산화탄소 포집장치의 각 공정 운전부와 회수된 에너지를 공급 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집후 에너지 회수 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 에너지 회수수단(30)은:
    이산화탄소 포집장치의 배출부인 응축기(20)의 출구측에 설치되는 터빈(32)과;
    터빈(32)과 연결되는 발전기(34);
    로 구성된 것임을 특징으로 하는 이산화탄소 포집후 에너지 회수 장치.
  4. 이산화탄소 포집장치에서 배기가스로부터 CO2를 포집시키는 단계와;
    이산화탄소 포집장치에서 포집된 CO2를 배출시키는 단계와;
    배출되는 CO2의 배출압력을 고정 또는 전환 처리를 위한 압력 수준으로 강하시키는 단계와;
    압력 강하시 발생되는 에너지를 회수하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집후 에너지 회수 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    회수된 에너지를 이산화탄소 포집장치의 각 공정 운전부로 공급하여 활용되도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집후 에너지 회수 장치.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 에너지를 회수하는 단계는:
    이산화탄소 포집장치에서 포집된 CO2의 배출압력에 의하여 터빈이 회전하는 단계와;
    터빈을 통과한 CO2의 최종배출 압력이 고정 또는 전환 처리를 위한 압력 수준으로 일정하게 강하되는 단계와;
    터빈의 회전력이 터빈과 연결된 발전기로 전달되어 발전기의 발전이 이루어지는 단계;
    로 진행되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집후 에너지 회수 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 이산화탄소 포집장치에서 포집된 CO2의 배출압력이 1.8~6atm일 때, 고정 또는 전환 처리를 위하여 터빈을 통과한 CO2의 최종배출 압력은 1.2atm으로 강하 조절되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집후 에너지 회수 방법.
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