KR20140063601A - Co2 분리 프로세스의 흡수제 사이클에서 고휘발성 디그레데이션 생성물을 제거하는 방법 및 장치 - Google Patents

Co2 분리 프로세스의 흡수제 사이클에서 고휘발성 디그레데이션 생성물을 제거하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 CO2 분리 프로세스(2)의 흡수제 사이클(1)로부터 고휘발성 디그레데이션 생성물(7)을 제거하는 방법에 관한 것이다. CO2 분리 프로세스(2)는 흡수 프로세스(3)와 탈착 프로세스(4)를 갖는 흡수제 사이클(1)을 포함한다. 본 발명에 따르면, 탈착 프로세스(4)의 하류에 연결된 응축 프로세스(5)에서 응축물(6)이 추출되고, 디그레데이션 생성물(7)이 없어지도록 대폭 정화된다. 이렇게 형성된 정화된 응축물(8)은 다시 흡수제 사이클(1)로 재공급된다. 본 발명은 또한 본 발명의 방법을 수행할 수 있는 장치에 관한 것이다.

Description

CO2 분리 프로세스의 흡수제 사이클에서 고휘발성 디그레데이션 생성물을 제거하는 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR EXTRACTING HIGHLY VOLATILE DEGRADATION PRODUCTS FROM THE ABSORBENT LOOP OF A CO2 SEPARATION PROCESS}
전기 에너지를 생성하는 화석연료 발전소 설비에서는, 회석연료의 연소에 의해 이산화탄소를 포함하는 연도가스가 생성된다. 이산화탄소 배출을 피하거나 감소시키기 위해서는, 연도가스로부터 이산화탄소가 분리되어야 한다. 가스 혼합물로부터 이산화탄소를 분리해내는 방법으로는 다양한 방법이 일반적으로 알려져 있다. 특히, 연소 프로세스 이후에 연도가스로부터 이산화탄소를 분리해내는 방법으로는, 흡수(Apsorption)-탈착(Desorption) 방법이 통상적으로 이용된다. 산업 규모에서는 흡수제를 통해 연도가스로부터 이산화탄소를 씻어낸다(CO2 분리 프로세스). 이러한 방식의 CO2 포획 프로세스는 기본적으로 흡수용액에 의해 연도가스로부터 CO2를 씻어내는 흡수기와, 흡수용액으로부터 CO2를 다시 빼내는 탈착기를 포함한다.
통상의 흡수용액, 예컨대, 메탄올아민(MEA), 아미노산염 또는 탄산칼륨은 CO2에 대해 양호한 선택성과 높은 수용량을 보인다.
연도가스에 포함된 미량원소들, 예컨대, SOx와 NOx에 의해, 그러나 특히 또한 산소에 의해, 모든 흡수용액은 디그레데이션(Degradation)을 일으키는 경향이 있다. 여기에서는 다양한 분해 생성물(디그레데이션 생성물)이 생성되는데, 이들은 특히 알카놀아민 또는 사이클릭 아민과 같은 흡수제로 이용할 때 휘발성이며, 정화된 연도가스와 함께 흡수기로부터 이탈될 수 있다. 여기서 발생하는 배출은 가능한 한 많이 감소시켜야 한다.
유해한 배출을 감소시키기 위한 첫째 접근법은 염, 예컨대 아미노산염을 사용하는 것이다. 아미노산염을 갖는 수성 흡수용액의 장점은 그 자체로서 증기압을 갖지 않는다는 것이며, 이를 통해 흡수기로부터의 배출을 피할 수 있다는 점이다. 아미노산염을 갖는 흡수용액의 디그레데이션에 의한 분해 생성물의 대부분은 다시 염 형태의 성분이며, 따라서 이들 또한 의미 있는 증기압을 가지지 않는다. 그러나, 분해 생성물의 작은 일부는, 예컨대 암모니아와 같은 휘발성 성분으로도 구성된다.
분해 생성물 및 디그레데에션 생성물은 시간이 지나면서 흡수제 사이클에 농축된다. 특히 높은 온도에서는 평형 때문에 가스상으로 바뀌는 경향이 있다. 연도가스의 양이 많아지는 것과 시간에 따라 농축되는 것 때문에, 이러한 성분들이 필연적으로 대기로 배출되는 일이 발생한다. 지금까지는 하류에 연결된 흡수기 헤드부의 정화기를 통해 이러한 배출을 감소시키는 것이 시도되었다. 이는 더 큰 흡수기 컬럼과 높은 투자비용을 요구하고, 또한 정화되지 않은 폐수 흐름 또는 흡수제 흐름을 추가로 야기한다.
따라서, 본 발명의 과제는, 흡수용액이 악화되거나 손상되는 일 없이, 분해 생성물 및 디그레데이션 생성물을 간단하게 그리고 에너지를 가능한 적게 소비하면서 CO2 분리 프로세스의 흡수제 사이클로부터 대폭 제거할 수 있는 방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 과제는 본 발명의 방법을 수행할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 방법의 과제는 청구항 제1항의 구성을 통해 해결된다.
CO2 분리 프로세스의 흡수제 사이클로부터 고휘발성 디그레데이션 생성물을 제거하기 위해, 흡수 프로세스와 탈착 프로세스를 포함하는 흡수제 사이클에 있어서, 탈착 프로세스 하류에 연결된 응축 프로세스에서 응축물이 추출되어, 디그레데이션 생성물이 없어지도록 대폭 정화되고, 다시 흡수제 사이클로 재공급된다.
본 발명은, 디그레데이션이 높은 온도에서 촉진되고 평형이 가스상 쪽으로 이동되기 때문에, 탈착기의 가스상에서 분해 생성물 및 디그레데이션 생성물의 농도가 가장 높다는 인식으로부터 비롯되었다. 분해 생성물은 탈착기의 하류에 연결된 응축기에서 다시 액화되고 이에 따라 응축수에 용해되어 존재하게 된다.
응축물 흐름은 전체 흡수제 사이클 중의 작은 부분 흐름일 뿐이다. 흡수제 사이클 중 이러한 작은 부분 흐름만 정화되면 되기 때문에, 전체 흡수제 사이클을 수용해야 하는 정화 장치에 비해 정화 장치가 훨씬 작게 형성될 수 있다. 또한, 디그레데이션 생성물은 응축물 내에 특히 농축되어 있으므로, 정화 작용은 또한 휠씬 더 효율적으로 이루어진다. 또한, 응축물 흐름은 흡수기 헤드부에서의 가스형태 배출가스 흐름보다 훨씬 적고 디그레데이션 생성물에 더욱 농축되어 있다. 따라서, 흡수기 하류에 연결된 정화기에 의해 처리하는 것보다, 응축물 흐름을 처리하는 것이 또한 바람직하다. 뿐만 아니라, 응축기는 표준화되어 있어서, 특별하게 설치될 필요가 없다. 응축기는 탈착기 하류에 연결된다.
특히 바람직하게, 응축기에 의한 정화는 증류식으로 이루어진다. 증류는 특히 정화 방법으로 적합한데, 높은 순도의 응축물이 결과로 얻어지기 때문이다. 뿐만 아니라, 증류를 위해 필요한 열에너지는 CO2 분리 프로세스에 의해 이미 문제 없이 제공될 수 있다. 여기에서도, 흡수제 사이클의 전체 흡수제가 아니라, 일부 흐름을 이루는 응축물만 정화하면 된다는 점이 이점으로 작용한다.
증류 정화와 병렬적으로 상류 또는 하류에 연결되어 수행될 수도 있는 대안적인 실시예에서는, 활성탄 정화기에 의해 응축물로부터 디그레데이션 생성물이 없어지도록 하는 정화가 수행된다. 그러한 활성탄 필터는 저렴하며 추가적인 에너지를 필요로 하지 않는다. 활성탄 필터를 통해서도 고순도의 응축물을 얻을 수 있다.
본 방법의 추가적인 바람직한 실시예에서, 흡수제 사이클에 공급되는 흡수제는 아민, 아미노산, 또는 탄산칼륨의 수용액이다. 바람직하게는 흡수제가 1급 또는 2급 아미노산염의 수용액이다. 아미노산염은 눈에 띄는 증기압을 갖지 않으며, 그에 따라 흡수 프로세스를 통해서는 아미노산염이 대기로 거의 배출되지 않는다. 아미노산염의 디그레데이션 생성물도 역시 염이며, 이들은 눈에 띄는 증기압을 갖지 않는다.
종합하면, 본 발명에 따른 디그레데이션 생성물의 정화와 관련하여 아미노산염을 사용함으로써, 의미 있는 양의 정화 활성 성분이나 그 분해 생성물이 대기로 배출되지 않는 CO2 분리 프로세스를 달성할 수 있다. 흡수제로부터 디그레데이션 생성물을 계속해서 정화하고 분리하는 것에 의해, 디그레데이션 생성물은 더 이상 컬럼의 바닥이나 패킹에 침전되지 않거나, 아주 적은 양으로만 침전된다. 이는 흡수제의 교환 또는 관리 없이 CO2 분리 장치를 더 장기간 작동시킬 수 있게 한다.
본 발명의 장치에 관한 과제는 청구항 제5항의 특징을 통해 해결되는데, 이에 따르면, 흡수제 사이클에 연결되고 흡수기와 탈착기를 포함하는 CO2 분리 장치의 흡수제로부터 고휘발성 디그레데이션 생성물을 제거하기 위해, 탈착기 하류에 연결된 응축기는 응축물 제거 도관을 통해 응축물을 정화 장치로 공급할 수 있고, 정화 장치 내에서 디그레데이션 생성물이 없어지도록 정화된 응축물은 응축물 재공급 도관을 통해 다시 흡수제 사이클로 재공급될 수 있다.
본 장치의 바람직한 실시예에서, 정화 장치는 증류 설비이며, 이를 통해 응축물로부터 증류를 통해 디그레데이션 생성물을 분리해낼 수 있다. 본 장치의 또 다른 대안적인 또는 부가적인 실시예에서, 정화 장치는 활성탄 필터를 포함하며, 이를 통해 디그레데이션 생성물이 응축물로부터 걸러질 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예들이 도면을 참조하여 상세하게 설명된다.
도 1은 디그레데이션 생성물로 오염된 흡수제를 정화하는 방법의 프로세스 블록도이다.
도 2는 종래의 정화 장치를 갖는 CO2 분리 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 응축물 흐름에 대해 정화 장치를 갖는 CO2 분리 장치를 도시한 도면이다.
도 1은 디그레데이션 생성물(7)로 오염된 흡수제(9)를 정화하는 방법의 프로세스 블록도를 도시한다. 여기에는 흡수제 사이클(1)에 연결된 흡수 프로세스(3)와 탈착 프로세스(4)가 도시되어 있다. 탈착 프로세스(4)에서는 실질적으로 가스 형태의 CO2, 가스 형태의 디그레데이션 생성물(7), 그리고 증기 형태의 흡수제(9)로 이루어지는 배출 증기(18)가 배출된다. 배출 증기(18)는 응축 프로세스(5)로 보내지고, 여기서 배출 증기(18)는 냉각되어 증기 형태의 흡수제가 응축되어 응축물(6)을 형성한다. 응축물(6) 안에서는 디그레데이션 생성물(7)이 다시 결합된다. 이에 따라, 응축 프로세스(5)에 의해서는 가스 형태의 CO2와 응축된 흡수제(9)가 서로 분리된다. 응축 프로세스(5)로부터는, 가스 형태의 CO2와 높은 농도의 고휘발성 디그레데이션 생성물(7)을 갖는 응축물(6)이 배출된다.
이제 응축물(6)은 정화 프로세스(19)에 제공되는데, 여기에서는 디그레데이션 생성물(7)이 여과되거나 분리된다. 여과는 활성탄 필터를 통해 이루어질 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 증류식으로 디그레데이션 생성물의 분리가 이루어질 수 있다. 여기에서 상세히 기술되지 않는 증류 프로세스를 위한 에너지는 발전소 프로세스로부터 얻어질 수 있다. 정화 프로세스(19)에서는 디그레데이션 생성물(7)이 제거되고 밖으로 안내된다. 응축물(6)로부터 디그레데이션 생성물(7)을 제거함으로써, 정화된 응축물(8)이 형성되는데, 이는 탈착 프로세스(4)로 다시 공급된다.
도 2는 종래의 정화 장치(15)를 갖는 CO2 분리 장치(10)를 도시한다. CO2 분리 장치(10)는 흡수제 사이클(1)을 통해 상호 연결된 하나의 흡수기(11)와 하나의 탈착기(12)를 기본적으로 포함한다. 흡수제 사이클(1) 내에는 흡수제(9)가 공급된다. 흡수기(11)는 화석연료로 발전소 설비의 연도가스 채널(20)에 연결된다.
흡수기(11)의 헤드에서 나오는 연도가스 흐름으로부터 고휘발성 디그레데이션 생성물(7)을 제거하기 위해, 연도가스 채널(20)에서 흡수기(11)의 하류에 정화 장치(15)를 유체공학적으로 연결하는 것이 알려져 있다. 이러한 정화 장치(15)를 통해 연도가스로부터 디그레데이션 생성물(7)의 대부분이 제거될 수 있다. 그러나, 하류에 연결된 이러한 정화 장치는 연도가스 흐름에 적합하도록 치수가 커야 하며, 에너지를 상당히 소비한다.
도 2에는 디그레데이션 생성물(7)의 제거를 위한 대안적인 종래의 정화 장치(15)로서, 탈착기(12)의 하류에 연결된 정화 장치(15)가 도시되어 있다. 이러한 정화 장치(15)는 CO2 분리 장치의 흡수제 사이클에 연결된다. 이를 통해, 흡수제(9)로부터 디그레데이션 생성물(7)을 여과 제거하거나 흡수제(9)를 처리하는 것이 가능하다. 그러나, 항상 전체 흡수제 흐름을 취급해야 하므로, 이러한 종류의 정화 장치(15) 역시 그만큼 크게 구성되어야 하며, 그에 따라 작동시 에너지 소비도 많다.
도 3은 본 발명에 따라 응축수 흐름에 대해 정화 장치(15)를 갖는 CO2 분리 장치를 도시한다. 도 3에 도시된 CO2 분리 장치(10)는, 도 2에 대해 이미 상세히 설명한 것과 같이, 흡수기(11)와 탈착기(12)가 연결된 흡수제 사이클(1)을 기본적으로 포함한다. 도 3은 추가로 응축기(13)를 도시하는데, 이는 배출 증기(18)의 공급을 위해 탈착기의 하류에 연결된다. 응축기(13)는 가스 형태의 CO2를 배출하기 위한 가스 도관을 포함하며, 응축물(6)을 정화 장치(15)로 공급할 수 있는 응축물 제거 도관(14)을 포함한다.
정화 장치(15)는 활성탄 필터로 구성될 수 있고, 또한 증류 설비(17)로 구성될 수도 있다. 정화 장치를 통해서 디그레데이션 생성물(7)이 응축물(6)로부터 제거된다. 정화 장치(15)는 정화된 응축물(6)을 배출하도록 응축물 재공급 도관(16)을 통해 다시 탈착기와 연결된다. 이 경우 응축물은 정화에 대한 적합도가 특히 좋은데, 이는 응축물(6) 내의 디그레데이션 생성물(7)의 농도가 매우 높기 때문이다. 또한, 응축물(6)은 흡수제 사이클(1)의 전체 흡수제(9) 중에서 작은 부분 흐름일 뿐이어서, 정화 장치는 그에 대응하여 작은 치수를 가질 수 있고, 그 결과 비용과 에너지가 절약될 수 있다.
본 발명의 이점은 특히 본 발명이 작은 프로세스 설비와 큰 프로세스 설비, 예컨대 CO2 포획-설비에 대해 동일하게 좋은 결과를 보장한다는 점에 있다. 또한, 본 발명은 이미 존재하는 프로세스 설비에도 문제 없이 통합될 수 있다. 본 발명에 의해, 모든 경우에 있어서 연도가스를 통해 배출되는 디그레데이션 생성물, 그리고 흡수제 내의 디그레데이션 생성물의 농도를 현저하게 감소시킬 수 있다.

Claims (7)

  1. CO2 분리 프로세스(2)의 흡수제 사이클(1)로부터 고휘발성 디그레데이션 생성물을 제거하는 방법이며, 흡수제 사이클(1)은 흡수 프로세스(3)와 탈착 프로세스(4)를 포함하고, 탈착 프로세스(4)의 하류에 연결된 응축 프로세스(5)에서 응축물(6)이 추출되고, 디그레데이션 생성물(7)이 없어지도록 대폭 정화되어, 이를 통해 정화된 응축물(8)이 형성되고, 응축물은 다시 흡수제 사이클(1)로 재공급되는, CO2 분리 프로세스의 흡수제 사이클로부터 고휘발성 디그레데이션 생성물을 제거하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 디그레데이션 생성물(7)이 없어지도록 응축물(6)을 정화하는 것은 증류에 의해 이루어지는, CO2 분리 프로세스의 흡수제 사이클로부터 고휘발성 디그레데이션 생성물을 제거하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 디그레데이션 생성물(7)이 없어지도록 응축물(6)을 정화하는 것은 활성탄 정화기에 의해 이루어지는, CO2 분리 프로세스의 흡수제 사이클로부터 고휘발성 디그레데이션 생성물을 제거하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 흡수제 사이클(1)에 공급되는 흡수제(9)는 아민, 아미노산, 또는 탄산칼륨의 수용액인, CO2 분리 프로세스의 흡수제 사이클로부터 고휘발성 디그레데이션 생성물을 제거하는 방법.
  5. 흡수제 사이클(1)에 연결된 흡수기(11)와 탈착기(12)를 포함하는, CO2 분리 장치(10)의 흡수제(9)로부터 고휘발성 디그레데이션 생성물(7)을 제거하는 장치에 있어서,
    탈착기(12)의 하류에 연결된 응축기(13)는 응축물 제거 도관(14)을 통해 응축물(6)을 정화 장치(15)로 공급할 수 있고, 정화 장치(15)에서 디그레데이션 생성물(7)이 없어지도록 정화된 응축물(8)은 응축물 재공급 도관(16)을 통해 흡수제 사이클(1)로 재공급될 수 있는 것을 특징으로 하는, CO2 분리 장치의 흡수제로부터 고휘발성 디그레데이션 생성물을 제거하는 장치.
  6. 제5항에 있어서, 정화 장치(15)는 응축물(6)로부터 디그레데이션 생성물(7)을 증류에 의해 분리할 수 있는 증류 설비(17)인 것을 특징으로 하는, CO2 분리 장치의 흡수제로부터 고휘발성 디그레데이션 생성물을 제거하는 장치.
  7. 제6항에 있어서, 정화 장치(15)는 응축물(6)로부터 디그레데이션 생성물(7)을 걸러낼 수 있는 활성탄 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는, CO2 분리 장치의 흡수제로부터 고휘발성 디그레데이션 생성물을 제거하는 장치.
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