KR20140014657A - 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가스 포집 또는 혼합기체 분리 시 소요되는 에너지를 줄임으로써 가스 포집 시 비용을 현저히 줄일 수 있는 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템에 관한 것이다. 이를 위해 종래에는 흡수가 낮은 온도에서 잘 이루어지므로 흡수탑(ABSORBER)쪽에 들어가는 스트림의 온도도 낮게 운전해야한다고 판단하며 연구되었지만 본 발명에 따른 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템에서는 종래와 다르게 높은 온도의 스트림을 흡수탑(ABSORBER)에 투입하는 공정을 구성하였으며 이에 따라 공정에서 필요로 하는 에너지가 크게 절감됨을 확인할 수 있었고, 또한 가스배출 스트림(GASOUT STREAM)을 적용함으로써 에너지가 크게 절감되는 것을 확인하였고, 이러한 구성들에 의해 본원발명에 따른 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템에 따르면 종래기술에 비해 에너지 사용을 획기적으로 줄일 수 있게 되는 것이다.

Description

흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템 및 그 방법{SYSTEM FOR CAPTURING GAS USING ABSORBENT OR ADSORBENT AND METHOD THEREOF}

본 발명은 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가스 포집 시 또는 혼합기체를 분리할 때 소요되는 에너지를 줄일 수 있음으로 인해 가스 포집 시 비용을 현저히 줄일 수 있는 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 산업화가 시작된 19세기부터 산업에서 사용되는 석탄, 석유, LNG 등의 화석연료의 사용 증가로 인하여 대기 중에 이산화탄소(CO₂), 황화수소(H₂S), 이산화질소(NO₂), 황산화탄소(COS) 또는 이산화황(SO₂) 등의 산성 가스 농도가 급격하게 증가하고 있었고, 이러한 산성 가스, 특히 이산화탄소는 지구를 온난화시킨다는 것이 밝혀지면서, 세계적으로 배출 및 처리에 대한 규제가 엄격해지고 있다.

이러한 규제의 일환으로 1992년 6월 브라질 리우에서 열린 환경과 개발에 관한 UN 회의를 통하여 지구온난화에 대한 국제적 관심을 불러 일으켰고, 미국과 일본을 포함한 선진국들은 지구온실가스 배출량을 1990년 대비 5.2% 감축하기로 합의하는 등 산성가스 저감방안에 대한 국제적 합의가 이루어졌다.

이러한 이산화탄소 배출의 증가를 억제하기 위해, 이산화탄소 배출감소를 위한 에너지절약기술, 이산화탄소의 포집 및 저장 기술(Carbon dioxide capture and storage: CCS), 이산화탄소를 이용하거나 고정화시키는 기술 및 이산화탄소를 배출하지 않는 대체에너지 기술 등 다양한 기술들이 개발되어 오고 있다.

이 중에서 상기 이산화탄소의 포집 및 저장 기술(CCS)은 발전소 및 산업시설에서 대량으로 나오는 온실 가스를 가장 효과적으로 처리할 수 있는 기술로 인식되어 G-8과 IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change) 및 IEA(International Energy Agency)등 국제 유력기구에서 기술개발과 활용을 적극적으로 독려하고 있으며, 또한 CCS 기술 중 포집기술이 전체 비용의 상당 부분을 차지하고 있다.

지금까지 연구되고 있는 기술로는 흡수법, 흡착법, 막분리법 및 심냉법 등이 있으며 이 중 흡수법은 상용화를 바로 앞두고 있어 매우 활발하게 연구되고 있다. 특히, 흡수법은 대용량의 가스를 처리하는데 용이하며, 저 농도의 가스분리에 적합하여 대부분의 산업체 및 발전소로의 적용이 용이하다. 그 결과 현재 에이비비 러머스 크레스트(ABB lummus Crest)사의 공정이 트로나(Trona, CA, USA) 및 쉐디 포인트(Shady Point, Oklahoma, USA)에서 흡수법이 운전되고 있다.

이러한 종래기술로는 한국 공개특허공보 제2012-0032123호에서 "이산화탄소를 흡수 분리하는 이산화탄소 포집공정과; 보일러에서 연료 연소를 통해 증기를 발생시키고, 응축된 증기를 급수 가열기를 통해 가열시켜 상기 보일러에 공급시키는 화력발전 공정과; 이산화탄소 포집공정에서 사용된 스팀을 수질 조건에 따라 화력발전 공정의 급수 가열기의 급수 측 또는 가열원 측으로 보내는 보일러 급수기 공급 공정을 포함하는 산성가스 분리용 저 에너지 재생공정 및 장치"를 기재하고 있고, 또한 한국 등록특허공보 제10-0983677호에서 "흡수제를 이용하여 산성 가스를 흡수하는 흡수탑 및 상기 흡수제로부터 처리 가스를 분리하는 탈거탑을 구비한 산성 가스 흡수 분리 시스템에 있어서, 상기 흡수탑 내에서 산성 가스를 흡수한 상기 흡수제를 상기 탈거탑에 공급하는 흡수제 공급 라인; 및 상기 탈거탑에서 나온 처리 가스를 리플럭스 드럼에 공급하는 처리 가스 공급 라인을 포함하여, 상기 흡수제 공급 라인 및 상기 처리 가스 스트림이 상호 교차하여 상기 흡수제가 상기 처리 가스의 열을 흡수하도록 하고, 보일러로부터 생성된 증기를 상기 흡수탑으로 공급하되, 상기 흡수제 공급 라인과 교차하는 증기 공급 라인을 더 포함하여, 상기 흡수제가 상기 증기의 열을 더 흡수하도록 하는 것을 특징으로 하는 산성 가스 흡수 분리 시스템."을 기재하고 있다.

상술한 종래기술 및 이러한 흡수법에 의한 일례인 종래의 습식흡수제를 이용한 이산화탄소(CO₂)포집 시스템을 도시한 구성도인 도 2를 보면, 흡수탑에서 배출되는 가스배출 스트림(GASOUT STREAM)은 많은 양의 흡수열을 포함하고 있지만 온도가 낮으므로 더 이상 쓰이지 않고 냉매와 열교환하며 냉각되어 버려지고 있고, 리치인 스트림(RICHIN STREAM)이 탈거탑(STRIPPER)으로 들어가면서 탈거탑에 필요한 충분한 열을 공급하지 못하므로, 그 결과 탈거탑(STRIPPER)의 리보일러(REBOILER)에서 추가로 가열해야 하는 많은 열량이 소모되는 단점이 있다. 즉 종래 발전소의 배기가스에서 이산화탄소만을 포집하기 위한 다양한 공정 중 특히 습식 흡수제(주로 아민 계열)를 이용한 포집 공정들은 이산화탄소 가스를 포집하는데 소요되는 에너지가 매우 커서 고비용이 소요된다는 단점이 있다.

한국 공개특허공보 제2012-0032123호 한국 등록특허공보 제10-0983677호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 가스 포집 또는 혼합기체 분리 시 소요되는 에너지를 줄임으로써 가스 포집 시 비용을 현저히 줄일 수 있는 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 보다 분명해 질 것이다.

상기 목적은, 배가스 중 일부를 흡수 또는 흡착하여 흡수 또는 흡착된 성분은 리치아웃 스트림으로 배출하고 흡수 또는 흡착되지 않은 성분은 가스배출 스트림으로 배출하는 흡수탑(1)과, 상기 흡수탑(1)에서 배출된 가스배출 스트림에 포함된 흡수열에 추가적인 열을 공급하는 제1 열교환기(3)와, 상기 제 1열교환기(3)에서 열교환되어 온도가 상승된 벤트 스트림의 열을 상기 흡수탑(1)에서 배출된 리치아웃 스트림의 일부인 투히터 스트림에 전달하는 제2 열교환기(4)와, 상기 제2 열교환기(4)에서 열교환된 스트림을 냉각 및 기액 분리시켜 기체는 상부로 배출하고 액체는 하부로 배출하여 상기 흡수탑(1)과 연결된 스트림으로 배출하는 제1 냉각기(6)와, 상기 제2 열교환기(4)에서 흡수열을 전달받은 리치인 스트림과 상기 흡수탑(1)에서 배출된 상기 리치아웃 스트림의 일부가 전달되는 탈거탑(2)으로서, 린아웃 스트림은 상기 흡수탑(1)으로 배출하고 이산화탄소 배출 스트림은 제2 냉각기(7)로 배출하는 탈거탑(2)과, 상기 이산화탄소 배출 스트림을 냉각 및 기액 분리하여 포집된 기체는 상부로 배출하고 액체는 하부로 배출하여 다시 상기 탈거탑(2)으로 보내는 제2 냉각기(7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템에 의해 달성된다.

여기서, 상기 제1 열교환기(3)에서 상기 가스배출 스트림은 상기 가스배출 스트림의 온도보다 더 높은 온도의 스트림과 열교환되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 탈거탑(2)과 상기 제2 냉각기(7) 사이에 제3 열교환기(5)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제3 열교환기(5)는 상기 탈거탑(2)에서 배출된 상기 이산화탄소 배출 스트림의 열을 리치아웃 스트림의 일부 스트림에 열을 전달하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 탈거탑(2)에서 배출된 이산화탄소 배출 스트림은 상기 제3 열교환기(5)로 배출되고, 상기 제3 열교환기(5)을 통해 낮은 온도로 열교환된 스트림은 상기 제2 냉각기(7)로 배출하고, 상기 제3 열교환기(5)을 통해 열을 전달받은 스트림은 상기 탈거탑(2)으로 배출하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제1 냉각기(6)에서 배출하는 상기 흡수탑(1)과 연결된 스트림은 메이크업 스트림과 더 합쳐져서 상기 흡수탑(1)으로 들어가는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 리치아웃 스트림에는 펌프가 설치된 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 가스배출 스트림은 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 목적은 배가스 중 일부를 흡수 또는 흡착하는 흡수탑(1)과, 상기 흡수탑(1)에서 배출된 가스배출 스트림에 포함된 흡수열에 추가적인 열을 공급하는 제1 열교환기(3)와, 상기 제 1열교환기(3)에서 열교환되어 온도가 상승된 벤트 스트림의 열이 전달되는 탈거탑(2)으로서 이산화탄소 배출 스트림을 배출하고 린아웃 스트림은 상기 흡수탑(1)으로 배출하는 것을 특징으로 하는 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템에 의해 달성된다.

여기서, 상기 제 1열교환기(3)에서 열교환되어 온도가 상승된 벤트 스트림의 열을 상기 흡수탑(1)에서 배출된 리치아웃 스트림의 일부인 투히터 스트림에 전달하는 제2 열교환기(4)를 더 포함하고, 상기 제2 열교환기(4)에서 흡수열을 전달받은 리치인 스트림이 상기 탈거탑(2)으로 전달되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 흡수탑(1)에서 배출된 상기 리치아웃 스트림의 일부가 상기 탈거탑(2)으로 더 전달되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제2 열교환기(4)에서 열교환된 스트림을 냉각 및 기액 분리시켜 기체는 상부로 배출하고 액체는 하부로 배출하여 상기 흡수탑(1)과 연결된 스트림으로 배출하는 제1 냉각기(6)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 탈거탑(2)에서 배출된 이산화탄소 배출 스트림을 냉각 및 기액 분리하여 포집된 기체는 상부로 배출하고 액체는 하부로 배출하여 다시 상기 탈거탑(2)으로 보내는 제2 냉각기(7)을 더 포함하되, 상기 탈거탑(12)은 린아웃 스트림을 상기 흡수탑(1)으로 배출하고 이산화탄소 배출 스트림은 상기 제2 냉각기(7)로 배출하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 목적은 흡수탑과 탈거탑을 포함하는 가스 포집 시스템에서 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 방법에 있어서, 흡수탑에서 배출되는 가스배출 스트림에 포함된 흡수열을 가열하여 재사용하는 것을 특징으로 하는 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 방법에 의해 달성된다.

여기서, 상기 가열된 흡수열은 탈거탑에서 필요한 열로 사용되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 탈거탑에서 배출되는 린아웃 스트림을 뜨거운 상태로 상기 흡수탑으로 전달하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 흡수탑에서 배출되는 리치아웃 스트림의 일부를 상기 탈거탑에서 배출되는 이산화탄소 배출 스트림과 열교환시켜 상기 탈거탑으로 전달하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 종래의 가스 포집(혼합 기체 분리) 공정의 흡수탑 또는 흡착탑 및 탈거탑 또는 탈착탑 구성에 열통합 개념을 적용함으로써, 흡수제나 흡착제를 이용하여 가스를 포집(혼합기체 분리)할 때 소요되는 에너지를 줄일 수 있음으로 인해 가스 포집 시 비용을 현저히 줄일 수 있는 등의 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 습식흡수제를 이용한 CO₂ 포집 시스템을 도시한 구성도.
도 2는 종래의 습식흡수제를 이용한 CO₂ 포집 시스템을 도시한 구성도.

이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.

본 발명에 따른 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템은 종래 기술에 열통합 개념을 이용하여 종래 기술의 구성을 일부 변경 또는 추가함으로써 종래 기술보다 사용 에너지를 크게 절감할 수 있다는데 그 의의가 있다. 즉 본 발명에 따른 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템은 종래의 가스 포집(혼합 기체 분리) 공정의 흡수탑 또는 흡착탑 및 탈거탑 또는 탈착탑 구성에 열통합 개념을 적용함으로써, 흡수제나 흡착제를 이용하여 가스를 포집(혼합기체 분리)할 때 소요되는 에너지를 줄임으로써 가스 포집 시 비용을 현저히 줄일 수 있게 되는 것이다.

본 발명에 따른 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템에서 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 방법은 혼합기체 분리 방법에도 해당될 수 있는 것으로서 흡수제나 흡착제를 이용하여 혼합기체를 분리하거나 특정 기체의 포집이 필요한 모든 분야에 적용가능한 방법이며, 예컨대 이산화탄소(CO₂) 포집, 산소 분리 또는 황화수소(H₂S), 이산화질소(NO₂), 황산화탄소(COS) 또는 이산화황(SO₂) 등의 산성 가스 포집 등의 분야에 적용 가능하다.

따라서 본 발명에 따른 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템은 발전소나 공장 등에서 배출되는 연소(혼합)가스 등의 분리나 포집이 필요로 하는 곳에 적용가능한 방법이며 필요한 위치에 본 발명을 설치하고 해당 가스에 적합한 흡수제 또는 흡착제를 설정하여 운전하면 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 습식흡수제를 이용한 이산화탄소(CO₂)포집 시스템을 도시한 구성도이며, 이를 이용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 흡수제 또는 흡착제를 이용한 CO₂ 포집 시스템의 구성 및 작용효과에 대해 보다 상세히 설명한다. 본 발명에 따른 명세서에서 "흡수"와 "흡착"은 서로 혼용하여 사용될 수 있고, "탈착"과 "탈거"도 서로 혼용하여 사용될 수 있다. 또한 하기 실시예에서 "리치(RICH)"는 "이산화탄소를 흡수한 흡수제로서 이산화탄소가 농후한 상태"를 나타내고, "린(LEAN)"은 "이산화탄소를 탈거한 흡수제로서 이산화탄소가 희박한 상태"를 각각 나타낸다.

한편, 본 실시예에서는 이산화탄소(CO₂) 포집에 대한 것이나 그 외 산소 분리 또는 황화수소(H₂S), 이산화질소(NO₂), 황산화탄소(COS) 또는 이산화황(SO₂) 등의 산성 가스의 포집 등 다양한 용도로 적용 가능함은 물론이다.

도 1에 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템은 배가스 중 일부를 흡수 또는 흡착하여 흡수 또는 흡착된 성분은 리치아웃 스트림으로 배출하고 흡수 또는 흡착되지 않은 성분은 가스배출 스트림으로 배출하는 흡수탑(1)과, 상기 흡수탑(1)에서 배출된 가스배출 스트림에 포함된 흡수열에 추가적인 열을 공급하는 제1 열교환기(3)와, 상기 제 1열교환기(3)에서 열교환되어 온도가 상승된 벤트 스트림의 열을 상기 흡수탑(1)에서 배출된 리치아웃 스트림의 일부인 투히터 스트림에 전달하는 제2 열교환기(4)와, 상기 제2 열교환기(4)에서 열교환된 스트림을 냉각 및 기액 분리시켜 기체는 상부로 배출하고 액체는 하부로 배출하여 상기 흡수탑(1)과 연결된 스트림으로 배출하는 제1 냉각기(6)와, 상기 제2 열교환기(4)에서 흡수열을 전달받은 리치인 스트림과 상기 흡수탑(1)에서 배출된 상기 리치아웃 스트림의 일부가 전달되는 탈거탑(2)으로서, 린아웃 스트림은 상기 흡수탑(1)으로 배출하고 이산화탄소 배출 스트림은 제2 냉각기(7)로 배출하는 탈거탑(2)과, 상기 이산화탄소 배출 스트림을 냉각 및 기액 분리하여 포집된 기체는 상부로 배출하고 액체는 하부로 배출하여 다시 상기 탈거탑(2)으로 보내는 제2 냉각기(7)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

먼저, 포집하려는 이산화탄소(CO₂)를 포함하는 배가스(FLUE GAS)를 흡수탑(1, ABSORBER)에 투입하면 흡수제 또는 흡착제와 반응한 후에 이산화탄소는 흡수 또는 흡착되어 하부의 리치아웃 스트림(RICHOUT STREAM)으로 배출되고, 흡수 또는 흡착되지 않은 발전소 배가스는 상부의 가스배출 스트림(GASOUT STREAM)을 통해 상부로 빠져나간다.

상기 이산화탄소를 회수한 흡수제의 일부는 리치아웃 스트림(RICHOUT STREAM)과 이에 설치된 펌프(8)을 통해 탈거탑(2, STRIPPER)의 상단에 유입되어 탈착 또는 탈거되며, 분리(포집)된 기체의 한 성분(이산화탄소)은 이산화탄소 배출 스트림(CO₂OUT STREAM)을 통해 배출된다. 한편, 제3 열교환기(5)를 더 포함하는 실시예에서는 상기 이산화탄소를 회수한 흡수제의 일부는 상기 리치아웃 스트림(RICHOUT STREAM)과 이에 설치된 펌프(8) 및 제3 열교환기(5)을 통해 탈거탑(2, STRIPPER)의 상단에 유입될 수 있다(16 STREAM).

다음으로, 상기 흡수탑(1)의 상부로 배출된 가스배출 스트림(GASOUT STREAM)에 포함되어 있는 흡수열에 추가적으로 필요한 온도까지 열이 공급되도록 가스배출 스트림(GASOUT STREAM)보다 더 높은 온도의 스트림과 열교환시키는 제1 열교환기(3, B5)을 이용한다. 이 때 상기 가스배출 스트림은 적어도 하나 이상, 즉 스트림을 하나 또는 여러 개로 나누어 구성할 수도 있다.

이렇게 상승된 온도를 가진 벤트 스트림(VENT STREAM)은 다시 리치아웃 스트림(RICHOUT STREAM)의 일부인 투히터 스트림(TOHEATER STREAM)과 제2 열교환기(4)를 통하여 열교환됨으로써 흡수열이 투히터 스트림에 전달되게 된다.

상기 제2 열교환기(4)를 통하여 열교환이 다 끝난 스트림(5 STREAM)은 제1 냉각기(6)를 통해 냉각 및 기액 분리되어 기체는 상부로 배출하고 액체는 하부로 배출되어 다시 흡수탑(1, ABSORBER)로 되돌아간다(11 STREAM, 6 STREAM). 이때 메이커업 스트림(MAKEUP STREAM)과 같이 혹은 따로 흡수탑(1)으로 들어갈 수 있다. 상기 메이커업 스트림을 따로 투입하면 각각의 스트림에 맞는(흡수가 잘되는) 지점에 최적화하여 각각 투입이 가능하고, 메이커업 스트림을 같이 투입하면 흡수관점에서 최적치보다는 조금 못하지만 장치가 더 간단해지는 이점이 있다. 본 발명에서는 장치가 간단해져 비용이 감소될 수 있도록 메이커업 스트림이 같이 투입되는 것이 바람직하다. 또한 상기 제1 냉각기(6)는 열교환기의 기능과 기액 분리기의 기능을 동시에 갖는 것이다. 또한 상기 흡수탑으로 들어가는 스트림(6 STREAM)은 흡수탑(1) 하단으로 들어가는 것이 바람직한데, 이는 상기 스트림(6 STREAM)이 차갑기 때문이다. 즉 흡수의 경우 차가울수록 잘 흡수가 잘 되며 린아웃 스트림이 흡수탑 상단으로 들어와서 흡수탑 아래로 흘러내리며 많은 양의 이산화탄소를 흡수한 상태에서 아래쪽이 차가워질수록 더 흡수가 많이 되기 때문이다. 다시 말해 'intercooling'이라고 부르는 방법과 같은 효과를 가질 수 있는 것이다.

다음으로 상기 제2 열교환기(4)에서 흡수열을 전달받은 리치인 스트림(RICHIN STREAM)과 상기 흡수탑(1)에서 배출된 상기 리치아웃 스트림의 일부(15 STREAM)가 전달된 탈거탑(2)은 린아웃 스트림(LEANOUT STREAM)을 상기 흡수탑(1)으로 배출하고 이산화탄소 배출 스트림(CO₂OUT STREAM)을 제2 냉각기(7)로 배출한다. 여기서, 린아웃 스트림(LEANOUT STREAM)은 흡수탑(1) 상단으로 들어가는 것이 바람직한데, 이는 흡수탑(1)의 온도분포가 위는 뜨겁고 아래는 차갑게 형성되므로 위쪽에 뜨거운 것이 들어와야 전체적인 열 흐름에 방해가 되지 않고 흡수가 잘 되고, 열이 쉽게 가스배출 스트림(GASOUT STREAM)으로 전달되기 때문이며, 또한 이산화탄소가 아래에서 들어와서 흡수되어 위로 나가므로 상단에 lean한 용액이 들어와야 효과가 좋기 때문이다. 또한 리치인 스트림(RICHIN STREAM)은 탈거탑(2) 하단으로 들어가는 것이 바람직한데, 이는 탈거탑(2)이 아래쪽은 뜨겁고 리보일러(reboiler)에 의해 열이 가해지면 용액이 끊으면서 기체가 생성되어 위로 올라가게 되기 때문이다. 리치인 스트림(RICHIN STREAM)은 온도가 뜨겁고 기체를 포함하고 있어 리보일러가 용액에 열을 가하여 온도를 올리고 기체를 생성하는 효과와 같다. 따라서 탈거탑(2)의 하단으로 투입하여야 가지고 있는 열을 충분히 탈거탑(2)에서 사용하게 되는 것이다.

이어서 상기 탈거탑(2)의 상부에서 배출된 상기 이산화탄소 배출 스트림(CO₂OUT STREAM)을 전달받은 제2 냉각기(7)는 냉각 및 기액 분리하여 포집된 기체는 상부로 배출하고 액체는 하부로 배출하여 다시 상기 탈거탑(2)으로 보낸다(9 STREAM). 여기서 상기 탈거탑(2)으로 들어가는 스트림(9 STREAM)은 차가운 상태이므로 전체적인 온도분포를 고려하여 온도가 차가운 탈거탑 상단에 투입하여야 전체적인 탈거현상에 도움이 된다.

또한 본 발명에 따른 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템은 상기 탈거탑(2)과 상기 제2 냉각기(7) 사이에 제3 열교환기(5)를 더 포함할 수 있다. 이로써 상기 흡수탑(1)에서 배출된 상기 리치아웃 스트림의 일부(15 STREAM)가 바로 탈거탑으로 전달되지 않고 제3 열교환기를 통하게 되고, 또한 상기 탈거탑(2)의 상부에서 배출된 상기 이산화탄소 배출 스트림도 상기 제2 냉각기(7)로 바로 전달되지 않고 상기 제3 열교환기(5)를 통해 제2 냉각기(7)로 전달될 수 있다. 결국 제3 열교환기(5)는 상기 탈거탑(2)에서 배출된 상기 이산화탄소 배출 스트림의 열을 리치아웃 스트림(RICHOUT STREAM)의 일부 스트림(15 STREAM)에 열을 전달할 수 있고, 상기 제3 열교환기(5)을 통해 낮은 온도로 열교환된 스트림(7 STREAM)은 상기 제2 냉각기(7)로 배출되어 상기 제2 냉각기(7)를 통해 냉각 및 기액 분리되어 기체(포집된 기체)는 배출되고 액체는 다시 탈거탑(2)으로 들어간다(9 STREAM). 또한 이산화탄소 배출 스트림(CO₂OUT STREAM)에 의해 열을 전달받은 스트림(15 STREAM)은 뜨거운 스트림(16 STREAM)이 되어 탈거탑(2)으로 들어간다. 여기서 상기 탈거탑(2)으로 들어가는 스트림(16 STREAM)은 탈거탑에 비해 차가운 상태이므로 전체적인 온도분포를 고려하여 온도가 차가운 탈거탑 상단에 투입하여야 전체적인 탈거현상에 도움이 된다.

상술한 도 1에 기재된 본 발명에 따른 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템을 사용하여 이산화탄소를 포집하는 데 약 1.5GJ/tCO₂의 에너지가 필요한 결과를 얻었지만, 도 2와 같은 종래의 습식/흡수제를 이용한 이산화탄소(CO₂) 포집 방법을 사용한 결과 약 4.0J/tCO₂의 에너지가 필요하였다. 이는 종래 방법의 경우 열통합이 되지 않아 더 많은 에너지가 필요하지만 본 발명에서는 열통합의 결과로 보다 적은 에너지로 유사한 양의 CO₂를 포집할 수 있게 되는 것이다.

또한 본 발명에 따른 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 방법은 흡수탑(1)과 탈거탑(2)을 포함하는 가스 포집 시스템에서 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 방법에 있어서, 흡수탑(1)에서 배출되는 가스배출 스트림에 포함된 흡수열을 가열하여 재사용하는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는 상기 가열된 흡수열은 탈거탑(2)에서 필요한 열로 사용되는 것을 특징으로 한다.

또한 종래의 습식흡수제를 이용한 CO₂ 포집 시스템을 도시한 구성도인 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 종래 시스템에서는 가스배출 스트림(GASOUT STREAM)은 많은 양의 흡수열을 포함하고 있지만 온도가 낮으므로 더 이상 쓰이지 않고 냉매와 열교환하며 냉각되어 버려지게 된다. 따라서 이 많은 흡수열을 시스템 내에서 효과적으로 다시 사용할 수 있는 방법이 있다면 버려지는 열을 줄이며 동시에 공정에 필요한 열도 흡수열로 일부 충당할 수 있을 것이므로 본 발명에서와 같이 흡수열을 포함한 가스배출 스트림(GASOUT STREAM)에 냉각이 아니라 열교환기를 사용하여 공정에서 필요로 하는 온도로 높이는 가열을 해주게 되므로 많은 양의 흡수열을 시스템 내에서 다시 사용할 수 있게 된다. 따라서 이 흡수열을 열교환시켜 리치인 스트림(RICHIN STREAM)을 원하는 온도까지 올리면서 흡수열을 전달하게 되고 리치인 스트림(RICHIN STREAM)이 탈거탑(STRIPPER)로 들어가면서 탈거탑에 필요한 열을 공급하게 되고, 그 결과 탈거탑(STRIPPER)의 리보일러(REBOILER)에서 필요한 열량의 일부를 흡수열로 제공하는 것이 되므로 리보일러에서 추가로 가열해야 하는 열량을 크게 줄일 수 있게 되는 것이다.

또한 리보일러에서 필요한 열량을 더 줄이기 위해서는 흡수탑(ABSORBER)에서 보다 많은 열량을 리치인 스트림(RICHIN STREAM)을 통해 탈거탑(STRIPPER)으로 전달할 수 있다. 이를 위해서는 가스배출 스트림(GASOUT STREAM)으로 나가는 열량을 증가시켜야 하며 이를 위해서는 흡수탑(ABSORBER)의 온도를 높이거나 흡수탑(ABSORBER)으로 들어가는 스트림들의 온도가 높이면 보다 쉽게 액체를 증발시켜 더 많은 양의 수증기 등이 발생하여 결과적으로 탈거탑(STRIPPER)으로 더 많은 양의 열이 전달될 것이다.

따라서 본 발명에 따른 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 방법은 상기 탈거탑(2)에서 배출되는 린아웃 스트림을 뜨거운 상태로 상기 흡수탑(1)으로 전달하는 것을 특징으로 한다. 종래에는 흡수탑(1)이 차갑게 운영되어야 한다는(차가울수록 흡수가 잘되므로) 이유 때문에 흡수탑(1)에 들어가는 스트림을 탈거탑보다는 차갑게, 즉 냉각이나 열교환 등을 통해 차갑게 하였으나, 본 발명에서와 같이 탈거탑(STRIPPER)에서 나오는 뜨거운 린아웃 스트림(LEANOUT STREAM)을 차갑게 하지 않고 뜨거운 상태로 흡수탑(ABSORBER)에 전달하게 되면 더 많은 열량이 가스배출 스트림(GASOUT STREAM)을 통해 탈거탑(STRIPPER)으로 되돌아오게 된다.

또한 본 발명에 따른 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 방법은 상기 흡수탑(1)에서 배출되는 리치아웃 스트림의 일부를 상기 탈거탑(2)에서 배출되는 이산화탄소 배출 스트림과 열교환시켜 상기 탈거탑(2)으로 전달하는 것을 특징으로 한다.

즉 이산화탄소 배출 스트림(CO₂OUT STREAM)과 상기 흡수탑(1)에서 배출된 상기 리치아웃 스트림의 일부(15 STREAM) 간의 열교환 등도 쓸모없이 열이 버려지지 않도록 최대한 열통합을 할 수 있게 된다.

상술한 바와 같이, 종래에는 흡수가 낮은 온도에서 잘 이루어지므로 흡수탑(ABSORBER)쪽에 들어가는 스트림의 온도도 낮게 운전해야한다고 판단하며 연구되었지만 본 발명에 따른 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템에서는 종래와 다르게 높은 온도의 스트림을 흡수탑(ABSORBER)에 투입하는 공정을 구성하였으며 이에 따라 공정에서 필요로 하는 에너지가 크게 절감됨을 확인할 수 있었고, 또한 가스배출 스트림(GASOUT STREAM)을 적용함으로써 에너지가 크게 절감되는 것을 확인하였고, 이러한 구성들에 의해 본원발명에 따른 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템에 따르면 종래기술에 비해 에너지 사용을 획기적으로 줄일 수 있게 되는 것이다.

따라서 본 발명에 따른 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템을 적용하면 보다 적은 에너지로도 같은 양의 CO₂ 포집(분리)이 가능하다는 것을 확인할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템은 배가스 중 일부를 흡수 또는 흡착하는 흡수탑(1)과, 상기 흡수탑(1)에서 배출된 가스배출 스트림에 포함된 흡수열에 추가적인 열을 공급하는 제1 열교환기(3)와, 상기 제 1열교환기(3)에서 열교환되어 온도가 상승된 벤트 스트림의 열이 전달되는 탈거탑(2)으로서 이산화탄소 배출 스트림을 배출하고 린아웃 스트림은 상기 흡수탑(1)으로 배출하는 것을 특징으로 할 수 있고, 그 외 다른 구성요소들을 필요에 따라 추가하거나 제거하여 본원발명의 효과를 이루는 것도 모두 본 발명의 범위에 포함됨은 물론이다.

이러한 본 발명에 따른 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템은 다양한 발전소나 공장 등 혼합가스를 처리해야 하는 모든 분야에 적용이 가능하다. 특히 다량의 이산화탄소(CO₂)를 배출하는 화력발전소의 배기가스에서 이산화탄소(CO₂)를 포집하는 분야와 이산화탄소(CO₂) 외에 황화수소(H₂S), 이산화질소(NO₂), 황산화탄소(COS) 또는 이산화황(SO₂) 등의 산성 가스를 포집하는 분야에 적용가능하다.

본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

1 : 흡수탑 2 : 탈거탑
3 : 제1 열교환기 4 : 제2 열교환기
5 : 제3 열교환기 6 : 제1 냉각기
7 : 제2 냉각기 8 : 펌프

Claims (17)

1. 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템에 있어서,
   배가스 중 일부를 흡수 또는 흡착하여 흡수 또는 흡착된 성분은 리치아웃 스트림으로 배출하고 흡수 또는 흡착되지 않은 성분은 가스배출 스트림으로 배출하는 흡수탑(1)과,
   상기 흡수탑(1)에서 배출된 가스배출 스트림에 포함된 흡수열에 추가적인 열을 공급하는 제1 열교환기(3)와,
   상기 제 1열교환기(3)에서 열교환되어 온도가 상승된 벤트 스트림의 열을 상기 흡수탑(1)에서 배출된 리치아웃 스트림의 일부인 투히터 스트림에 전달하는 제2 열교환기(4)와,
   상기 제2 열교환기(4)에서 열교환된 스트림을 냉각 및 기액 분리시켜 기체는 상부로 배출하고 액체는 하부로 배출하여 상기 흡수탑(1)과 연결된 스트림으로 배출하는 제1 냉각기(6)와,
   상기 제2 열교환기(4)에서 흡수열을 전달받은 리치인 스트림과 상기 흡수탑(1)에서 배출된 상기 리치아웃 스트림의 일부가 전달되는 탈거탑(2)으로서, 린아웃 스트림은 상기 흡수탑(1)으로 배출하고 이산화탄소 배출 스트림은 제2 냉각기(7)로 배출하는 탈거탑(2)과,
   상기 이산화탄소 배출 스트림을 냉각 및 기액 분리하여 포집된 기체는 상부로 배출하고 액체는 하부로 배출하여 다시 상기 탈거탑(2)으로 보내는 제2 냉각기(7)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 열교환기(3)에서 상기 가스배출 스트림은 상기 가스배출 스트림의 온도보다 더 높은 온도의 스트림과 열교환되는 것을 특징으로 하는, 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 탈거탑(2)과 상기 제2 냉각기(7) 사이에 제3 열교환기(5)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제3 열교환기(5)는 상기 탈거탑(2)에서 배출된 상기 이산화탄소 배출 스트림의 열을 리치아웃 스트림의 일부 스트림에 열을 전달하는 것을 특징으로 하는, 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 탈거탑(2)에서 배출된 이산화탄소 배출 스트림은 상기 제3 열교환기(5)로 배출되고, 상기 제3 열교환기(5)을 통해 낮은 온도로 열교환된 스트림은 상기 제2 냉각기(7)로 배출하고, 상기 제3 열교환기(5)을 통해 열을 전달받은 스트림은 상기 탈거탑(2)으로 배출하는 것을 특징으로 하는, 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1 냉각기(6)에서 배출하는 상기 흡수탑(1)과 연결된 스트림은 메이크업 스트림과 더 합쳐져서 상기 흡수탑(1)으로 들어가는 것을 특징으로 하는, 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템.
7. 제1항에 있어서,
   상기 리치아웃 스트림에는 펌프(8)가 설치된 것을 특징으로 하는, 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 가스배출 스트림은 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템.
9. 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템에 있어서,
   배가스 중 일부를 흡수 또는 흡착하는 흡수탑(1)과,
   상기 흡수탑(1)에서 배출된 가스배출 스트림에 포함된 흡수열에 추가적인 열을 공급하는 제1 열교환기(3)와,
   상기 제 1열교환기(3)에서 열교환되어 온도가 상승된 벤트 스트림의 열이 전달되는 탈거탑(2)으로서 이산화탄소 배출 스트림을 배출하고 린아웃 스트림은 상기 흡수탑(1)으로 배출하는 것을 특징으로 하는, 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템.
10. 제9항에 있어서,
    상기 제 1열교환기(3)에서 열교환되어 온도가 상승된 벤트 스트림의 열을 상기 흡수탑(1)에서 배출된 리치아웃 스트림의 일부인 투히터 스트림에 전달하는 제2 열교환기(4)를 더 포함하고,
    상기 제2 열교환기(4)에서 흡수열을 전달받은 리치인 스트림이 상기 탈거탑(2)으로 전달되는 것을 특징으로 하는, 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템.
11. 제10항에 있어서,
    상기 흡수탑(1)에서 배출된 상기 리치아웃 스트림의 일부가 상기 탈거탑(2)으로 더 전달되는 것을 특징으로 하는, 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템.
12. 제10항에 있어서,
    상기 제2 열교환기(4)에서 열교환된 스트림을 냉각 및 기액 분리시켜 기체는 상부로 배출하고 액체는 하부로 배출하여 상기 흡수탑(1)과 연결된 스트림으로 배출하는 제1 냉각기(6)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템.
13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탈거탑(2)에서 배출된 이산화탄소 배출 스트림을 냉각 및 기액 분리하여 포집된 기체는 상부로 배출하고 액체는 하부로 배출하여 다시 상기 탈거탑(2)으로 보내는 제2 냉각기(7)을 더 포함하되,
    상기 탈거탑(12)은 린아웃 스트림을 상기 흡수탑(1)으로 배출하고 이산화탄소 배출 스트림은 상기 제2 냉각기(7)로 배출하는 것을 특징으로 하는, 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 시스템.
14. 흡수탑(1)과 탈거탑(2)을 포함하는 가스 포집 시스템에서 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 방법에 있어서,
    흡수탑(1)에서 배출되는 가스배출 스트림에 포함된 흡수열을 가열하여 재사용하는 것을 특징으로 하는, 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 방법.
15. 제14항에 있어서,
    상기 가열된 흡수열은 탈거탑(2)에서 필요한 열로 사용되는 것을 특징으로 하는, 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 방법.
16. 제14항에 있어서,
    상기 탈거탑(2)에서 배출되는 린아웃 스트림을 뜨거운 상태로 상기 흡수탑(1)으로 전달하는 것을 특징으로 하는, 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 방법.
17. 제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡수탑(1)에서 배출되는 리치아웃 스트림의 일부를 상기 탈거탑(2)에서 배출되는 이산화탄소 배출 스트림과 열교환시켜 상기 탈거탑(2)으로 전달하는 것을 특징으로 하는, 흡수제 또는 흡착제를 이용한 가스 포집 방법.

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