KR20140042997A - 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집공정 및 시스템 - Google Patents

스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집공정 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집공정 및 시스템에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 리보일러에서 나오는 스팀 응축수를 이용하여 발생된 스팀을 기존 리보일러 스팀 공급라인으로 공급하여 이산화탄소 포집 공정에 가장 많은 에너지가 소비되는 스팀의 사용량을 획기적으로 줄일 수 있고, 공정의 운전 비용을 절감시킴과 동시에 공정 설비의 소형화를 통한 경제성을 향상시킬 수 있게 하는데 있다.
이를 위해 본 발명의 일 실시예는 흡수제를 이용하여 흡수탑에서 이산화탄소를 흡수하는 이산화탄소 흡수공정; 상기 이산화탄소를 흡수한 흡수제가 탈거탑으로 공급되고, 리보일러로부터 상기 탈거탑으로 스팀이 공급되어 상기 흡수제와 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소 분리 포집공정; 및 상기 이산화탄소 분리 포집공정에서 발생하는 고압의 스팀 응축수를 감압하여 스팀을 발생시키고, 상기 발생된 스팀을 승압한 후 상기 탈거탑으로 공급하는 에너지 재생공정을 포함하는 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집공정을 개시한다.

Description

스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집공정 및 시스템{CARBON DIOXIDE CAPTURE PROCESS USING STEAM CONDENSATE VAPOR RECYCLE AND SYSTEM USING THE SAME}
본 발명의 일 실시예는 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집공정 및 시스템에 관한 것이다.
최근 지구온난화의 원인 물질인 온실가스를 포집하고 저장하는 노력이 국제적으로 경주되고 있다. 특히, 온실가스 중 산성가스인 이산화탄소를 줄이기 위하여 화학적 흡수법, 흡착법, 막분리법, 심냉법 등 많은 기술이 개발되고 있다.
화력발전소 등 연소설비에서 발생하는 산성가스인 이산화탄소를 제거하기 위하여 사용되는 흡수제를 이용한 화학적 흡수방법은 높은 효율과 안정적인 기술로 가장 많이 연구되고 있다. 이산화탄소를 포집하기 위한 아민계 포집공정은 화학적 흡수기술의 일종으로 석유화학 공정 중 개질공정에서 적용된 바 있는 기술적 신뢰성이 확보된 기술이나 석유화학 공정가스가 아닌 연소 배가스에 적용하기 위해서는 공정의 개선이 필요한 분리기술이다.
도 1은 종래 기술에 따른 화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소 흡수 및 탈거장치를 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소 흡수 및 탈거장치의 공정을 살펴보면, 냉각된 배가스(G1)는 통상적으로 40~60?의 온도에서 흡수제(A2)와 접촉되며, 이산화탄소는 흡수제 내의 화학적 흡수제와 결합한다. 그런 다음, 순환되는 세척용 물(H)을 이용하여 흡수제 또는 증기가 비말하는 것을 방지한 후, 흡수탑(1)에서 배출된다. 이때, 출구 가스에 이산화탄소의 농도는 흡수제에서의 화학 반응으로 감소시킬 수 있지만, 낮은 출구 이산화탄소 농도를 유지하기 위해서는 흡수탑(1)이 높아져야 한다. 또한, 화학적 결합에 의해 이산화탄소를 흡수한 흡수제(A1)는 열교환기(4)를 거쳐 가열되어 탈거탑(6)의 상부로 주입된다. 흡수제의 재생은 높은 온도(즉, 110 내지 140?) 및 대기압 정도의 압력에서 탈거탑(6)에서 수행된다. 또한, 재생 조건을 유지하기 위하여 열이 리보일러(7)로 공급되고, 이 과정에서 열에너지가 소모된다. 공급되는 에너지는 흡수제에서 화학적으로 결합되어 있는 이산화탄소를 탈거시키고, 탈거된 이산화탄소와 수증기의 혼합가스(G3)는 응축기(9)에서 회수되어 탈거탑(6)으로 다시 공급된다. 이산화탄소가 탈거된 흡수제(A2)는 열교환기(4)와 린아민 냉각기(3a)를 거쳐 흡수탑(1) 수준의 온도로 낮추도록 펌프(5)에 의해 흡수탑(1)으로 이송된다.
한편, 미설명된 도면부호 1a는 세정장치, 2는 펌프, 3b는 린아민 냉각기, 8은 리플럭스 드럼이다.
그러나, 상기와 같은 이산화탄소 흡수 및 탈거공정에서 흡수제의 재생을 위해 많은 에너지가 소모된다는 문제점이 있었다. 즉, 상기 종래의 이산화탄소 흡수 및 탈거공정에서는 탈거탑에서 흡수제의 가열을 위해 사용한 스팀의 응축수를 재활용하지 않고 있기 때문에, 에너지 사용을 증대 시키고 있다는 문제점이 있었다. 따라서, 이러한 재생에너지를 줄이기 위한 흡수제와 관련 공정의 개발이 절실히 요구되고 있다. 특히, 탈거 공정의 장치 및 흐름을 최적화하여 가장 경제적인 이산화탄소 흡수효율을 얻고자 하는 연구가 많은 연구자에 의해 진행되고 있다.
본 발명의 일 실시예는 리보일러에서 나오는 스팀 응축수를 이용하여 발생된 스팀을 기존 리보일러 스팀 공급라인으로 공급하여 이산화탄소 포집 공정에 가장 많은 에너지가 소비되는 스팀의 사용량을 획기적으로 줄일 수 있고, 공정의 운전 비용을 절감시킴과 동시에 공정 설비의 소형화를 통한 경제성을 향상시킬 수 있는 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집공정 및 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집공정은 흡수제를 이용하여 흡수탑에서 이산화탄소를 흡수하는 이산화탄소 흡수공정; 상기 이산화탄소를 흡수한 흡수제가 탈거탑으로 공급되고, 리보일러로부터 상기 탈거탑으로 스팀이 공급되어 상기 흡수제와 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소 분리 포집공정; 및 상기 이산화탄소 분리 포집공정에서 발생하는 고압의 스팀 응축수를 감압하여 스팀을 발생시키고, 상기 발생된 스팀을 승압한 후 상기 탈거탑으로 공급하는 에너지 재생공정을 포함할 수 있다.
상기 이산화탄소 흡수공정에서 상기 흡수탑은 흡수제를 혼합가스와 접촉하여 이산화탄소를 흡수할 수 있다.
상기 이산화탄소 분리 포집공정의 이전에 상기 흡수탑으로부터 배출된 흡수제는 열교환기를 통과하여 가열되는 공정을 더 포함할 수 있다.
상기 이산화탄소 분리 포집공정은 상기 이산화탄소를 흡수한 흡수제가 탈거탑으로 공급되어 상기 흡수제와 이산화탄소를 1차적으로 분리하는 제1 이산화탄소 분리공정; 및 상기 리보일러로부터 상기 탈거탑으로 스팀이 공급되어 상기 흡수제와 이산화탄소를 2차적으로 분리하는 제2 이산화탄소 분리공정을 포함할 수 있다.
상기 스팀 응축수는 기액분리드럼을 통해 감압되어 스팀으로 발생될 수 있다.
상기 스팀은 승압기를 통하여 상기 리보일러에서 공급되는 스팀 압력이상으로 승압되어 상기 리보일러와 상기 탈거탑 사이의 스팀 공급라인으로 공급될 수 있다.
상기 흡수제는 아민계, 아미노산염, 무기염계 용액, 암모니아수 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집공정은, 흡수제를 이용하여 흡수탑에서 이산화탄소를 흡수하는 이산화탄소 흡수공정; 상기 이산화탄소를 흡수한 흡수제가 탈거탑으로 공급되고, 리보일러로부터 상기 탈거탑으로 스팀이 공급되어 상기 흡수제와 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소 분리 포집공정; 및 상기 이산화탄소 분리 포집공정에서 발생하는 고압의 스팀 응축수를 감압하여 스팀을 발생시키고, 상기 발생된 스팀을 상기 탈거탑으로 공급하는 에너지 재생공정을 포함할 수 있다.
또한, 본 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집공정은, 리플럭스 드럼을 통하여 상기 탈거탑에 공급되는 스팀량만큼의 응축수를 제거하여 상기 흡수제의 농도를 유지하는 흡수제 농도 유지공정을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집시스템은, 흡수제를 이용하여 흡수탑에서 이산화탄소를 흡수하는 흡수탑; 상기 이산화탄소를 흡수한 흡수제가 공급되고, 그 일측에 구비된 리보일러로부터 공급된 스팀을 이용하여 상기 흡수제와 이산화탄소를 분리하는 탈거탑; 및 상기 탈거탑과 상기 리보일러 사이에 구비되어, 상기 리보일러로부터 공급된 스팀을 승압하여 상기 탈거탑에 연결된 리보일러의 스팀공급라인으로 공급하는 승압기를 포함할 수 있다.
상기 흡수탑과 상기 탈거탑 사이에는 상기 흡수탑으로부터 배출된 흡수제를 가열하는 열교환기가 구비될 수 있다.
상기 탈거탑은 상기 흡수제와 이산화탄소를 분리시 고압의 스팀 응축수가 발생될 수 있다.
상기 리보일러와 승압기 사이에 구비되어 상기 스팀 응축수를 감압하여 스팀으로 발생시키는 기액분리드럼을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집시스템은, 흡수제를 이용하여 흡수탑에서 이산화탄소를 흡수하는 흡수탑; 상기 이산화탄소를 흡수한 흡수제가 공급되고, 그 일측에 구비된 리보일러로부터 공급된 스팀을 이용하여 상기 흡수제와 이산화탄소를 분리하되, 상기 흡수제와 이산화탄소를 분리시 고압의 스팀 응축수를 발생시키는 탈거탑; 및 상기 스팀 응축수를 감압하여 스팀으로 발생시키고, 상기 스팀을 상기 탈거탑에 직접 공급하는 기액분리드럼을 포함할 수 있다.
상기 탈거탑 상단에 연결되어 상기 탈거탑에 공급되는 스팀량만큼의 응축수를 제거하여 상기 흡수제의 농도를 유지하는 리플럭스 드럼을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집공정 및 시스템은 리보일러에서 나오는 스팀 응축수를 이용하여 발생된 스팀을 기존 리보일러 스팀 공급라인으로 공급하여 이산화탄소 포집 공정에 가장 많은 에너지가 소비되는 스팀의 사용량을 획기적으로 줄일 수 있고, 공정의 운전 비용을 절감시킴과 동시에 공정 설비의 소형화를 통한 경제성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소 흡수 및 탈거장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집 시스템 및 동작을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집 시스템 및 동작을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5는 도 4의 이산화탄소 분리 포집 공정을 나타내는 순서도이다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집 시스템 및 동작을 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집 시스템 및 동작을 나타내는 도면이다. 한편, 도 2 내지 도 3의 이산화탄소 포집시스템은 도 1에 도시된 종래의 이산화탄소 흡수 및 탈거장치와 탈거탑 측 몇몇의 주변 구성요소를 제외하고는 유사하므로, 서로 중복되는 구성요소들에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집 시스템은, 흡수탑(10)에서 흡수제와 혼합가스를 접촉하여 이산화탄소를 포집하고, 탈거탑(60)으로 이동하는 흡수제(A1)가 열교환기(40)를 통과하여 1차 가열되며, 그런 다음 탈거탑(60)으로 공급된다. 또한, 상기 탈거탑(60)에서 이산화탄소와 흡수제가 일부 분리되고, 리보일러(70)에서 스팀공급을 통한 승온으로 최종적으로 이산화탄소를 소량 포함한 린아민(A2)으로 재생된다. 이 과정에서 리보일러(70)에 사용한 스팀은 잠열을 모두 사용하고, 고압의 응축수(Steam Condensate)와 잔량 스팀으로 시스템 밖으로 나오게 된다. 상기 재생된 린아민(A2)은 탈거탑(60)으로부터 펌프(50), 열교환기(40) 및 린아민 냉각기(30a)를 거처 흡수탑(10)으로 이송된다.
본 발명에서는 이 고압 응축수와 잔량 스팀을 활용하여 에너지 회수를 하기 위하여, 도 2 및 도 3에서와 같이 리보일러(70)에서 나오는 스팀 응축수와 잔량 스팀을 활용하여 공정 효율을 향상시키는 두 가지 실시예를 가진다.
본 발명에 사용된 흡수제는 아민계, 아미노산염, 무기염류 용액, 암모니아수 중 어느 하나를 사용하거나, 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
한편, 이산화탄소를 포함하고 있는 화학 공정 가스 및 연소 배가스는 흡수탑(10)에 의해 발생되는 압력강하를 극복하기 위하여 팬을 이용하여 배가스 냉각기로 보내지고, 상기 냉각된 배가스는 통상적으로 40-60 ?의 온도에서 흡수제와 접촉한다. 이때, 상기 배가스 중 이산화탄소는 흡수제와 접촉되어 흡수되며 이산화탄소를 빼앗긴 배가스(G2)는 흡수제의 증기가 비말하는 것을 방지하기 위한 세정장치(10a)를 거친 후 흡수탑(10)에서 배출된다.
상기 흡수탑(10)은 흡수제와 혼합가스를 접촉하여 이산화탄소를 포집하고, 열교환기(40)을 거쳐 승온된 흡수제가 탈거탑(60)으로 공급되며, 리보일러(70)에서 스팀 공급에 의한 승온으로 이산화탄소와 분리를 하게 된다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집 시스템은, 상기 흡수탑(10)에서 이산화탄소를 흡수하여 탈거탑(60)으로 공급된 흡수제(리치아민)가 리보일러(70)에서 스팀 공급에 의한 승온으로 이산화탄소와 분리를 하게 되는데, 이때 발생한 고압(약 2~4 kg/cm2g)의 스팀 응축수를 기액분리 드럼(90)을 통한 감압(약 1 kg/cm2g)으로 스팀을 발생시킨다. 그리고, 단지 1개의 승압기(91)를 통해 승압된 스팀(S1)을 기존 리보일러 스팀 공급라인으로 공급하여 전체 스팀 사용량을 감소시킨다. 이때, 상기 승압기(91)는 기액분리 드럼(90)을 통하여 감압된 스팀을 리보일러(70)에서 탈거탑(60)으로 최초로 공급되는 스팀(Steam)의 압력보다 큰 압력으로 승압하는 것이 바람직하다. 그리고, 흡수제는, 탑거탑(60)의 상단에 연결된 응축기(30b)와 리플럭스 드럼(80)을 거치게 되고, 리플럭스 드럼(80)에서 공급된 스팀량만큼의 응축수(C)가 제거됨으로써 일정 농도를 유지하게 된다. 이를 통해 리보일러(70)에 공급되는 스팀의 5% 이상을 감소시켜 보편적인 아민 흡수제의 이산화탄소 분리회수 시스템 보다 재생에너지 사용량을 획기적으로 줄일 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집 시스템은, 상기 흡수탑(10)에서 이산화탄소를 흡수하여 탈거탑(60)으로 이동하는 흡수제(리치아민)가 리보일러(70)에서 스팀 공급에 의한 승온으로 이산화탄소와 분리를 하게 된다. 이때, 발생한 고압(약 2~4 kg/cm2g)의 스팀 응축수를 기액분리 드럼(90)을 통한 감압(약 1 kg/cm2g까지 감압)으로 스팀을 발생시킨다. 이렇게 발생한 스팀(S2)을 0.5 kg/cm2g로 운전되는 탈거탑(60)에 승압기를 사용하지 않고, 직접적으로 공급하여 흡수제에 물의 기화를 위해 필요한 리보일러 스팀 공급량을 줄일 수 있다. 그리고, 흡수제는, 탑거탑(60)의 상단에 연결된 응축기(30b)와 리플럭스 드럼(80)을 거치게 되고, 리플럭스 드럼(80)에서 공급된 스팀량만큼의 응축수(C)가 제거됨으로써, 일정 농도를 유지하게 된다. 이를 통해 리보일러(70)에 공급되는 스팀의 5% 이상을 감소시켜 보편적인 아민 흡수제의 이산화탄소 분리회수 시스템 보다 재생에너지 사용량을 획기적으로 줄일 수 있다.
이하에서는, 도 2 내지 도 3에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집 시스템을 이용한 이산화탄소 포집방법에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집 방법을 나타내는 순서도이고, 도 5는 도 4의 이산화탄소 분리 포집 공정을 나타내는 순서도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집 방법은 흡수제를 이용하여 흡수탑에서 이산화탄소를 흡수하는 이산화탄소 흡수공정(S10)과, 이산화탄소를 흡수한 흡수제가 탈거탑으로 공급되고, 리보일러로부터 탈거탑으로 스팀이 공급되어 흡수제와 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소 분리 포집공정(S20)과, 이산화탄소 분리 포집공정(S20)에서 발생하는 고압의 스팀 응축수를 감압하여 스팀을 발생시키고, 이때 발생된 스팀을 승압한 후 탈거탑으로 공급하는 에너지 재생공정(S30)을 포함할 수 있다.
상기 이산화탄소 분리 포집공정(S20)의 이전에 흡수탑으로부터 배출된 흡수제는 열교환기를 통과하여 가열되는 공정(미도시)을 더 포함할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 이산화탄소 분리 포집공정(S20)은 이산화탄소를 흡수한 흡수제가 탈거탑으로 공급되어 흡수제와 이산화탄소를 1차적으로 분리하는 제1 이산화탄소 분리공정(S210); 및 리보일러로부터 탈거탑으로 스팀이 공급되어 흡수제와 이산화탄소를 2차적으로 분리하는 제2 이산화탄소 분리공정(S220)을 포함할 수 있다.
상기 이산화탄소 분리 포집공정(S20)에서 발생하는 스팀 응축수는 2 내지 4 kg/cm2g의 압력을 가질 수 있다. 이때, 상기 스팀 응축수는 기액분리드럼을 통과하여 1 kg/cm2g의 압력으로 감압하여 스팀으로 발생될 수 있다. 또한, 상기 스팀은 승압기를 통하여 리보일러에서 공급되는 스팀 압력이상으로 승압되어 리보일러와 탈거탑 사이의 스팀 공급라인으로 공급될 수 있다.
한편, 상기 에너지 재생공정(S30)은 이산화탄소 분리 포집공정(S20)에서 발생하는 고압의 스팀 응축수를 감압하여 스팀을 발생시키고, 이때 발생된 스팀을 탈거탑으로 직접 공급할 수도 있다. 이때, 상기 탈거탑은 0.5 kg/cm2g로 운전되고 있다. 또한, 본 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집공정은, 리플럭스 드럼을 통하여 탈거탑에 공급되는 스팀량만큼의 응축수를 제거하여 흡수제의 농도를 유지하는 흡수제 농도 유지공정(미도시)을 더 포함할 수 있다.
이하에서는, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 이러한 실시예들은 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로 제공되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
도 2에 도시된 바와 같이, 30wt%의 모노에탄올아민을 흡수제로 이용하고, 이산화탄소인 15 vol%의 이산화탄소를 포함하고 있는 40?로 조절된 연소배가스(G1)를 2.0m3유량으로 흡수탑(10) 하부에 투입하였다. 흡수제의 순환량은 100ml/min, 흡수탑(10)에 투입되는 흡수제의 온도는 40 ℃로 하였다. 흡수탑(10)에서 이산화탄소를 흡수하여 탈거탑(60)으로 공급된 흡수제(리치아민)가 리보일러(70)에서 스팀 공급에 의한 승온으로 이산화탄소와 분리를 하게 되는데, 이때 발생한 고압(약 2~4 kg/cm2g)의 스팀 응축수를 기액분리 드럼(90)을 통한 감압(1 kg/cm2g)으로 스팀을 발생시킨다. 그리고, 단지 1개의 승압기(91)를 통해 이렇게 발생한 스팀을 기존 리보일러 스팀 공급라인으로 공급하여 전체 스팀 사용량을 감소시킨다. 흡수탑(10)으로 들어오기 전과 흡수탑(10)을 거친 배가스의 이산화탄소 농도를 가스 분석기를 이용해 측정하고, 이산화탄소 제거율이 90%일 때의 이산화탄소 포집량(ton)당 리보일러 열사용량을 계산하여 그 결과를 후술하는 [표 1]에 나타내었다.
[실시예 2]
도 3에 도시된 바와 같이, 리보일러(70)에서 발생한 고압(2~4 kg/cm2g)의 스팀 응축수를 기액분리 드럼(90)을 통한 감압(1 kg/cm2g까지 감압)으로 스팀을 발생 시킨다. 이렇게 발생한 스팀을 0.5 kg/cm2g로 운전되는 탈거탑(60)에 승압기를 사용하지 않고 직접적으로 공급하여, 흡수제에 물의 기화를 위해 필요한 리보일러 스팀 공급량을 줄일 수 있다. 그리고, 흡수제의 일정한 농도 유지를 위해서 탈거탑(60) 상단에 리플럭스 드럼(80)에서 공급된 스팀량 만큼의 응축수를 제거한다. [실험예 1]과 동일한 방법으로 실시하여 얻은 이산화탄소 제거율이 90% 일때의 이산화탄소 포집량(ton)당 리보일러 열사용량은 후술하는 [표 1]과 같다.
[비교예 1]
[실시예 1]에서 흡수탑(10)을 나온 흡수액을 탈거탑(60)에서 나온 고온의 흡수액으로만 열교환하여 탈거탑(60)으로 공급하는 것을 제외하고는, [실시예 1]과 동일한 방법으로 실시하여 얻은 이산화탄소 제거율이 90% 일때의 이산화탄소 포집량(ton)당 리보일러 열사용량은 아래 [표 1]과 같다. 즉, [비교예 1]의 공정은 일반적인 상용공정과 동일하다.
실시예/ 비교예 스팀 응축수 재활용 리보일러 열사용량
(GJ/ton-CO2)
실시예 1 스팀 응축수에서 감압을 통해 발생한 증기를 리보일러 스팀으로 재활용 3.65
실시예 2 스팀 응축수에서 감압을 통해 발생한 증기를 탈거탑에 직접 공급 3.58
비교예 1 스팀 응축수 재활용 없음 3.85
이와 같이, [실시예 1] 및 [실시예 2]의 경우 [비교예 1]에 비하여 동일한 이산화탄소의 제거효율(90%)에서 동일한 이산화탄소를 포집하는데 리보일러의 열사용량이 적게 사용됨을 확인할 수 있었다. 즉, 동일한 이산화탄소 제거율을 기준으로 본 발명에서 개발한 흡수 및 탈거공정을 적용할 경우 냉각수 및 탈거탑에서의 부하를 줄일 수 있게 되고, 이를 통하여 탈거탑의 용량을 획기적으로 줄이거나 사용되는 스팀 사용량을 획기적으로 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명을 적용할 경우(예를 들면, [실시예 2])와 적용하지 않을 경우(예를 들면, [비교예 1])의 경우, 0.27GJ/ton-CO2의 소비에너지 차이가 발생하게 된다. 따라서, 본 발명을 적용할 경우, 500MW 석탄화력발전소를 기준으로 CO2를 처리할 때, 하루 약 10,000 ton의 CO2가 발생하고 90% 처리시 하루 약2,430GJ의 에너지 소비를 줄일 수 있다.
상기와 같이 본 발명의 실시예에 따른 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집공정 및 시스템은 혼합가스 중의 이산화탄소를 분리 회수하기 위한 기존의 2단 흡수 및 탈거 공정에 있어서, 탈거탑에서 발생 가능한 폐열(스팀 응축수)을 재활용함으로써 기존 리보일러의 스팀 사용량을 최소화할 수 있고, 간단한 구조 변경만으로도 기존의 습식 이산화탄소 분리 공정에 쉽게 적용이 가능하며, 해당 공정의 경제성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 본 발명의 실시예에 따른 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집공정 및 시스템은 아민계, 아미노삼염, 무기염계 용액, 암모니아수 등의 습식 흡수제를 사용하는 기존의 2단 흡수 및 탈거 이산화탄소 분리 회수 공정에 적용이 용이하고, 공정의 운전 비용 절감과 설비의 소형화 등 경제성 향상이 가능하므로 파급효과가 크다고 할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집공정 및 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
10: 흡수탑 10a: 세정장치
20, 50: 펌프 30a: 린아민 냉각기
30b: 응축기 40: 열교환기
60: 탈거탑 70: 리보일러
80: 리플럭스 드럼 90: 기액분리 드럼
91: 승압기

Claims (15)

  1. 흡수제를 이용하여 흡수탑에서 이산화탄소를 흡수하는 이산화탄소 흡수공정;
    상기 이산화탄소를 흡수한 흡수제가 탈거탑으로 공급되고, 리보일러로부터 상기 탈거탑으로 스팀이 공급되어 상기 흡수제와 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소 분리 포집공정; 및
    상기 이산화탄소 분리 포집공정에서 발생하는 고압의 스팀 응축수를 감압하여 스팀을 발생시키고, 상기 발생된 스팀을 승압한 후 상기 탈거탑으로 공급하는 에너지 재생공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집공정.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이산화탄소 흡수공정에서 상기 흡수탑은 흡수제를 혼합가스와 접촉하여 이산화탄소를 흡수하는 것을 특징으로 하는 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집공정.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이산화탄소 분리 포집공정의 이전에 상기 흡수탑으로부터 배출된 흡수제는 열교환기를 통과하여 가열되는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집공정.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이산화탄소 분리 포집공정은
    상기 이산화탄소를 흡수한 흡수제가 탈거탑으로 공급되어 상기 흡수제와 이산화탄소를 1차적으로 분리하는 제1 이산화탄소 분리공정; 및
    상기 리보일러로부터 상기 탈거탑으로 스팀이 공급되어 상기 흡수제와 이산화탄소를 2차적으로 분리하는 제2 이산화탄소 분리공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집공정.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스팀 응축수는 기액분리드럼을 통해 감압되어 스팀으로 발생되는 것을 특징으로 하는 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집공정.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 스팀은 승압기를 통하여 상기 리보일러에서 공급되는 스팀 압력이상으로 승압되어 상기 리보일러와 상기 탈거탑 사이의 스팀 공급라인으로 공급되는 것을 특징으로 하는 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집공정.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 흡수제는 아민계, 아미노산염, 무기염계 용액, 암모니아수 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집공정.
  8. 흡수제를 이용하여 흡수탑에서 이산화탄소를 흡수하는 이산화탄소 흡수공정;
    상기 이산화탄소를 흡수한 흡수제가 탈거탑으로 공급되고, 리보일러로부터 상기 탈거탑으로 스팀이 공급되어 상기 흡수제와 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소 분리 포집공정; 및
    상기 이산화탄소 분리 포집공정에서 발생하는 고압의 스팀 응축수를 감압하여 스팀을 발생시키고, 상기 발생된 스팀을 상기 탈거탑으로 공급하는 에너지 재생공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집공정.
  9. 제8항에 있어서,
    리플럭스 드럼을 통하여 상기 탈거탑에 공급되는 스팀량만큼의 응축수를 제거하여 상기 흡수제의 농도를 유지하는 흡수제 농도 유지공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집공정.
  10. 흡수제를 이용하여 흡수탑에서 이산화탄소를 흡수하는 흡수탑;
    상기 이산화탄소를 흡수한 흡수제가 공급되고, 그 일측에 구비된 리보일러로부터 공급된 스팀을 이용하여 상기 흡수제와 이산화탄소를 분리하는 탈거탑; 및
    상기 탈거탑과 상기 리보일러 사이에 구비되어, 상기 리보일러로부터 공급된 스팀을 승압하여 상기 탈거탑에 연결된 리보일러의 스팀공급라인으로 공급하는 승압기를 포함하는 것을 특징으로 하는 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 흡수탑과 상기 탈거탑 사이에는 상기 흡수탑으로부터 배출된 흡수제를 가열하는 열교환기가 구비되는 것을 특징으로 하는 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 탈거탑은 상기 흡수제와 이산화탄소를 분리시 고압의 스팀 응축수가 발생되는 것을 특징으로 하는 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 리보일러와 승압기 사이에 구비되어 상기 스팀 응축수를 감압하여 스팀으로 발생시키는 기액분리드럼을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집시스템.
  14. 흡수제를 이용하여 흡수탑에서 이산화탄소를 흡수하는 흡수탑;
    상기 이산화탄소를 흡수한 흡수제가 공급되고, 그 일측에 구비된 리보일러로부터 공급된 스팀을 이용하여 상기 흡수제와 이산화탄소를 분리하되, 상기 흡수제와 이산화탄소를 분리시 고압의 스팀 응축수를 발생시키는 탈거탑; 및
    상기 스팀 응축수를 감압하여 스팀으로 발생시키고, 상기 스팀을 상기 탈거탑에 직접 공급하는 기액분리드럼을 포함하는 것을 특징으로 하는 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 탈거탑 상단에 연결되어 상기 탈거탑에 공급되는 스팀량만큼의 응축수를 제거하여 상기 흡수제의 농도를 유지하는 리플럭스 드럼을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스팀응축수에 포함된 증기의 재순환을 통한 이산화탄소 포집시스템.
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