KR20150004562A - 이산화탄소 포집 장치 - Google Patents

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KR20150004562A
KR20150004562A KR1020130077647A KR20130077647A KR20150004562A KR 20150004562 A KR20150004562 A KR 20150004562A KR 1020130077647 A KR1020130077647 A KR 1020130077647A KR 20130077647 A KR20130077647 A KR 20130077647A KR 20150004562 A KR20150004562 A KR 20150004562A
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장경룡
심재구
이인영
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한국전력공사
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Abstract

본 발명의 일 실시예는 이산화탄소 포집 장치에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 탈거탑의 동작을 위한 재생 에너지의 사용량을 감소시키고, 흡수탑의 원싱 영역에 공급되는 탈염수의 사용량을 감소시킬 수 있는 이산화탄소 포집 장치를 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명은 배기 가스로부터 이산화탄소를 흡수하는 흡수탑; 상기 흡수탑에 연결되어 상기 이산화탄소를 흡수한 흡수액이 제1유로와 제2유로로 각각 분산되어 흐르도록 하는 분산기; 상기 분산기의 제1유로에 연결되어, 상기 흡수액을 기체와 액체로 분리하는 제1기액 분리기; 및 상기 제1기액 분리기에 연결되어 상기 기체와 액체를 공급받고, 상기 제2유로에 연결되어 상기 흡수액을 공급받아서, 상기 이산화탄소를 탈거하는 탈거탑으로 이루어진 이산화탄소 포집 장치를 개시한다.

Description

이산화탄소 포집 장치{Carbon dioxide capture device}
본 발명의 일 실시예는 이산화탄소 포집 장치에 관한 것이다.
최근 지구 온난화의 원인 물질인 온실가스를 포집하고 저장하는 노력이 국제적으로 경주되고 있다. 특히 온실가스 중 산성가스인 이산화탄소를 줄이기 위하여 화학적 흡수법, 흡착법, 막분리법, 심냉법 등과 같은 많은 기술이 개발되고 있다.
화력 발전소와 같은 연소 설비에서 발생하는 산성가스인 이산화탄소를 제거하기 위하여 사용되는 흡수제를 이용한 화학적 흡수 방법은 높은 효율과 안정적인 기술로 가장 많이 연구되고 있다. 이산화탄소를 포집하기 위한 아민계 포집 공정은 화학적 흡수 기술의 일종으로 석유화학 공정 중 개질 공정에서 적용된 바 있는 기술적으로 신뢰성이 확보된 기술이기는 하나 석유화학 공정 가스가 아닌 연소 배가스에 적용되기 위해서는 공정의 개선이 필요하다.
화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소 흡수 및 탈거 공정에 대한 흐름도가 도 1에 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 냉각된 배가스(1')는 통상적으로 40~60℃의 온도에서 흡수제(2')와 접촉되며, 이산화탄소는 흡수제(2')와 결합한 다음, 순환되는 세척용 물(3')에 의해 흡수제 또는 증기의 비말이 방지된 후, 흡수탑(9')에서 배출된다. 출구 가스 중 이산화탄소의 농도는 흡수제에서의 화학적 반응으로 감소되지만, 출구 가스 중 이산화탄소의 농도를 낮추기 위해서 흡수탑(9')이 높아져야 한다. 화학적 결합에 의해 이산화탄소를 흡수한 흡수제(5')는 펌프에 의해 열교환기(10')를 통해 가열되고 탈거탑(11')의 상부로 주입된다.
흡수제의 재생은 높은 온도(110-140℃) 및 대기압 정도의 압력에서 탈거탑(11')에 의해 수행된다. 재생 조건을 유지하기 위하여 고온의 스팀이 리보일러(12')로 공급되며 이 과정에서 열에너지가 소모된다. 공급되는 에너지는 흡수제에서 화학적으로 결합되어 있는 이산화탄소를 탈거시키고, 탈거된 이산화탄소와 수증기의 혼합가스(6')는 응축기(13')에서 회수되며, 기액 분리기(15')를 통하여 액체(8')가 탈거탑(11')으로 다시 회수된다. 이산화탄소가 탈거된 흡수제(2')는 열교환기(10') 및 응축기(14')를 거쳐 흡수탑 수준의 온도로 낮추어져 흡수탑으로 펌프에 의해 이송된다. 도 1중 미설명 부호 7'는 이산화탄소 가스이고, 4'는 이산화탄소가 제거된 배출 가스이다.
이러한 종래 기술은 이산화탄소를 흡수하고 탈거하는 공정에서 흡수제의 재생을 위해 많은 에너지가 소모되므로 재생 에너지를 줄이기 위한 흡수제와 관련 공정의 개발이 절실히 요구되고 있다. 특히, 탈거 공정의 장치 및 흐름을 최적화하여 가장 경제적인 이산화탄소 포집 효율을 얻고자 하는 연구가 많은 연구자에 의해 연구되고 있다.
그러나 이러한 종래 기술은 탈거탑으로부터 유출되는 고온의 흡수액을 기체-액체가 공존하는 상태에서 열교환기를 거쳐 흡수탑으로 유입되도록 하여, 열교환기의 효율 저하 및 회수 가능한 에너지의 낭비를 초래하여 흡수제 재생을 위한 에너지를 많이 소비하고 있다.
또한, 흡수탑 상부에 흡수제의 비말동반을 막기 위해 워싱 영역(washing zone)을 설치하고 탈염수를 순환하여 흡수탑에서 유출되는 아민을 포집하는데, 포화된 물은 흡수탑 하부에 공급됨으로써, 결국 지속적인 탈염수의 소모가 이루어지고, 이에 따라 도시되지 않은 별도의 부재에 의해 지속적인 탈염수의 보충이 필요하다.
일본공개특허공보 2011-240321(2011.12.01)
본 발명의 일 실시예는 흡수탑에서 제공되는 이산화탄소를 흡수한 흡수액의 일부를 기액 분리하여 고온의 흡수액을 탈거탑에 공급하고, 또한 탈거탑에서 제공되는 이산화탄소가 탈거된 고온의 흡수액을 기액 분리하여 기체를 탈거탑에 재공급함으로써, 재생 에너지의 사용량을 감소시켜 공정 효율을 향상시킬 수 있는 이산화탄소 포집 장치를 제공한다.
본 발명의 다른 실시예는 탈거탑에서 제공되는 이산화탄소와 흡수액의 혼합 가스로부터 액체를 분리하고, 이를 흡수탑의 워싱 영역에 탈염수로서 공급함으로써, 흡수탑에 공급되는 탈염수의 사용량을 감소시켜 공정 효율을 향상시킬 수 있는 이산화탄소 포집 장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시예는 리보일러에서 사용된 스팀을 기액 분리하고, 기액 분리하여 얻은 기체(스팀)를 다시 리보일러에 공급함으로써 리보일러에서 소모되는 스팀 사용량을 최소화할 수 있는 이산화탄소 포집 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치는 배기 가스로부터 이산화탄소를 흡수하는 흡수탑; 상기 흡수탑에 연결되어 상기 이산화탄소를 흡수한 흡수액이 제1유로와 제2유로로 각각 분산되어 흐르도록 하는 분산기; 상기 분산기의 제1유로에 연결되어, 상기 흡수액을 기체와 액체로 분리하는 제1기액 분리기; 및 상기 제1기액 분리기에 연결되어 상기 기체와 액체를 공급받고, 상기 제2유로에 연결되어 상기 흡수액을 공급받아서, 상기 이산화탄소를 탈거하는 탈거탑을 포함한다.
상기 기체는 상기 탈거탑의 하단으로 공급되고, 상기 액체 및 상기 제2유로의 흡수액은 상기 탈거탑의 상단으로 공급될 수 있다.
상기 분산기와 상기 제1기액 분리기의 사이에는 상기 탈거탑의 하단에서 제공되는 이산화탄소가 탈거된 흡수액과 분산기의 제1유로에서 제공하는 이산화탄소가 흡수된 흡수액 사이에 열교환이 이루어지도록 열교환기가 더 연결될 수 있다.
상기 탈거탑의 하단에는 상기 탈거탑의 하단에서 제공되는 이산화탄소가 탈거된 흡수액을 기체와 액체로 분리하는 제2기액 분리기가 더 연결되고, 상기 제2기액 분리기를 통한 기체는 상기 탈거탑에 재공급되고, 상기 제2기액 분리기를 통한 액체는 상기 흡수탑의 상단에 공급될 수 있다.
상기 제1유로를 통하여 상기 흡수액 중 70 내지 90%가 흐르고, 상기 제2유로를 통하여 상기 흡수액 중 10 내지 30%가 흐를 수 있다.
상기 흡수탑의 상단에는 상기 이산화탄소를 흡수한 흡수액의 대기 방출을 방지하기 위해 탈염수가 제공되는 워싱 영역이 형성되고, 상기 탈거탑의 상단에는 이산화탄소와 흡수액을 이산화탄소 기체와 흡수액 액체로 분리하는 제3기액 분리기가 형성되며, 상기 제3기액 분리기를 통한 흡수액 액체가 상기 워싱 영역에 탈염수로서 제공될 수 있다. 상기 제3기액 분리기를 통한 탈염수는 전체 탈염수의 10 내지 30%일 수 있다.
상기 흡수액은 아민계, 아미노산염, 무기염계 용액 및 암모니아수 중에서 어느 하나 또는 혼합액일 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 흡수탑에서 제공되는 이산화탄소를 흡수한 흡수액의 일부를 기액 분리하여 고온의 흡수액을 탈거탑에 공급하고, 또한 탈거탑에서 제공되는 이산화탄소가 탈거된 고온의 흡수액을 기액 분리하여 기체를 탈거탑에 재공급함으로써, 재생 에너지의 사용량을 감소시켜 공정 효율을 향상시킬 수 있는 이산화탄소 포집 장치를 제공한다.
본 발명의 다른 실시예는 탈거탑에서 제공되는 이산화탄소와 흡수액의 혼합 가스로부터 액체를 분리하고, 이를 흡수탑의 워싱 영역에 탈염수로서 공급함으로써, 흡수탑에 공급되는 탈염수의 사용량을 감소시켜 공정 효율을 향상시킬 수 있는 이산화탄소 포집 장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시예는 리보일러에서 사용된 스팀을 기액 분리하고, 기액 분리하여 얻은 기체(스팀)를 다시 리보일러에 공급함으로써 리보일러에서 소모되는 스팀 사용량을 최소화할 수 있는 이산화탄소 포집 장치를 제공한다.
도 1은 종래의 이산화탄소 포집 장치를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치를 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치를 도시한 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는" 는 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및 /또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 "리치아민"은 "이산화탄소를 흡수하거나 이산화탄소가 포화된 흡수액"이고, "린아민"은 "이산화탄소가 탈거되거나 또는 재생된 흡수액"을 의미한다. 나아가, 본 명세서에서 사용되는 "흡수액"은 "흡수제"와 같은 의미이며, 저온은 대략 45~55℃, 고온은 대략 110~120℃를 의미한다. 더불어, 본 발명에서 "기액 분리기"는 경우에 따라 "리플럭스 드럼(reflux drum)" 및/또는 "플래시 드럼(flash drum)"으로 지칭된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치(100)를 도시한 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이산화탄소 포집 장치(100)는 흡수탑(111), 분산기(112), 제1기액 분리기(114), 탈거탑(115), 제2기액 분리기(116) 및 제3기액 분리기(118)를 포함한다. 이밖에도 본 발명은 분산기(112)와 제1기액 분리기(114) 사이에 설치된 제1열교환기(113), 탈거탑(115)의 하단에 설치된 리보일러(120)를 더 포함한다.
흡수탑(111)에는 일측의 하단을 통하여 이산화탄소를 포함한 저온의 배기 가스 또는 혼합 가스가 공급되고, 타측의 하단을 통하여 이산화탄소를 흡수한 흡수액(리치아민)이 배출된다. 물론, 흡수탑(111)의 상단을 통하여 이산화탄소가 제거된 배출 가스가 배기된다. 또한, 흡수탑(111)의 상단에는 비말동반(飛沫同伴)을 방지하기 위해 워싱 영역(111a)(washing zone)이 형성되고, 이러한 워싱 영역(111a) 및 펌프를 통해 탈염수가 순환된다.
여기서, 이산화탄소를 포함한 저온의 배기 가스는 화학공정가스 또는 연소 배기 가스일 수 있으며, 이는 압력 강하를 극복하기 위하여 팬에 의해 냉각기로 보내지고, 냉각된 배기 가스는 통상적으로 40~60 ℃의 온도를 가지며, 상기 흡수탑(111)에서 흡수제와 접촉하도록 되어 있다.
분산기(112)는 흡수탑(111)에서 흡수제와 이산화탄소와의 발열 반응에 의해 승온된 흡수액을 펌프를 통해 받아들인 후, 이를 제1유로(112a) 및 제2유로(112b)로 각각 분산시켜 배출한다. 제1유로(112a)를 통해 전체 흡수액 중 대략 70~90%의 흡수액이 흐르도록 하고, 제2유로(112b)를 통해 전체 흡수액 중 대략 10~30%의 흡수액이 흐르도록 한다. 그러나, 이러한 수치는 본 발명의 이해를 위한 일례일 뿐이며 여러가지 상황에 따라 변경될 수 있다.
제1열교환기(113)(린-리치 열교환기)는 분산기(112)의 제1유로(112a)를 통한 이산화탄소를 흡수한 흡수액(리치아민)과 탈거탑(115)을 통한 이산화탄소가 탈거된 흡수액(린아민)이 상호간 열교환되도록 한다. 여기서, 이산화탄소가 탈거된 흡수액의 온도는 고온으로서 대략 110~120℃일 수 있다. 그러나, 이러한 수치로 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
제1기액 분리기(114)는 제1열교환기(113)를 통해 열교환된 이산화탄소를 흡수한 흡수액을 기체와 액체로 분리한다. 또한, 제1기액 분리기(114)는 분리된 액체를 하기할 탈거탑(115)의 상단에 공급하고, 분리된 기체를 하기할 탈거탑(115)의 하단에 공급한다. 이때, 분산기(112)는 제2유로(112b)를 통한 흡수액을 하기할 탈거탑(115)의 상단에 공급한다.
이와 같이 하여, 제1열교환기(113)에서 이산화탄소를 흡수한 흡수액 즉, 리치 아민이 기존 공정에 비해 고온으로 가열되어 과량의 기체가 발생하고, 이와 같이 발생되는 고온의 과량 기체가 탈거탑(115)의 하단에 공급됨으로써, 탈거탑(115)의 온도가 상대적으로 높게 유지된다. 따라서, 탈거탑(115)에 의한 이산화탄소와 흡수액의 탈거 공정 효율이 향상된다.
탈거탑(115)은 제1유로(112a)에 연결된 제1기액 분리기(114)에 연결되어 상술한 바와 같이 기체와 액체를 각각 공급받고, 또한, 상기 제2유로(112b)에 연결되어 상기 흡수액을 공급받아서, 흡수액으로부터 이산화탄소를 탈거하도록 한다.
제2기액 분리기(116)(플래시 드럼)는 탈거탑(115)의 하단에 연결되어, 탈거탑(115)의 하단에서 제공되는 이산화탄소가 탈거된 흡수액(린아민)을 기체와 액체로 분리한다. 또한, 제2기액 분리기(116)는 분리된 기체를 탈거탑(115)에 재공급하고, 분리된 액체를 펌프를 통하여 제1열교환기(113)에 공급한다. 더불어, 제2기액 분리기(116)는 제1열교환기(113)에 의해 저온으로 낮아진 흡수액을 응축기(117)로 응축하여 흡수탑(111)에 공급한다.
이와 같이 하여, 탈거탑(115)은 제2기액 분리기(116)에 의해 과량의 증기를 회수할 수 있음으로써, 탈거탑(115)의 온도를 높게 유지할 수 있다. 따라서, 탈거탑(115)에 의한 이산화탄소와 흡수액의 탈거 공정 효율이 향상된다.
제3기액 분리기(118)(리플럭스 드럼)는 탈거탑(115)의 상단에 응축기(119)를 통하여 연결되어 있다. 이러한 제3기액 분리기(118)는 이산화탄소와 수증기를 분리하며, 이산화탄소는 외부로 배출하고, 수증기는 탈염수로서 흡수탑(111)의 워싱 영역(111a)에 공급한다. 제3기액 분리기(118)를 통한 탈염수는 전체 탈염수의 10 내지 30%일 수 있으나, 이는 여러가지 상황에 따라 변경될 수 있다. 물론, 흡수탑(111)의 탈염수는 상술한 바와 같이 펌프에 의해 재순환되는 구조를 갖는다. 더불어, 도면에 도시되어 있지는 않지만, 제3기액 분리기(118)는 일부의 수증기를 탈거탑(115)의 상단으로 재공급할 수 있다.
이와 같이 하여, 탈거탑(115)으로부터의 수증기가 탈염수로 흡수탑(111)에 공급되기 때문에 종래에 비해 탈염수의 사용량이 최소화된다. 즉, 종래에 비해 탈염수의 보충량이 최소화된다.
리보일러(120)는 외부로부터 스팀을 공급받고, 이러한 스팀의 에너지를 이용하여 탈거탑(115)의 흡수액을 가열하여 탈거탑(115)에 재공급한다.
이와 같이 하여 본 발명에 따른 이산화탄소 포집 장치(100)는 흡수탑(111)에서 나오는 이산화탄소와 결합한 흡수제(리치아민)를 탈거탑(115)으로 분산 공급하고, 탈거탑(115)에서 나오는 고온 흡수제의 열을 활용하여 공정 효율을 향상시키는 공정 흐름을 제공한다.
즉, 탈거탑(115)은 이산화탄소를 흡수한 흡수액(리치아민)의 분산 공급에 의해 제1열교환기(113)(린-리치 아민 열교환기)에서 리치 아민이 기존 공정에 비해 고온으로 가열 가능하여 과량의 기체를 얻을 수 있고, 또한 제2기액 분리기(116)에 의한 린아민의 기액 분리를 통해 과량의 증기를 회수할 수 있어, 결국 탈거탑(115) 온도를 높게 유지시킬 수 있고, 이에 따라 보편적인 아민 흡수제의 이산화탄소 분리회수 시스템보다 재생 에너지 사용량을 줄일 수 있다.
또한, 제3기액 분리기(118)를 통해 비말동반을 막고 발생 기체에 냉각을 위해 탈거탑(115)으로 공급되는 물을 흡수탑(111)의 워싱 영역(111a)으로 공급할 수 있음으로써, 기존의 탈염수 보충량을 대체 할 수 있고, 이에 따라 탈염수 사용량을 획기적으로 줄일 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치(101)를 도시한 개략도이다. 도 3에 도시된 이산화탄소 포집 장치(101)는 도 2에 도시된 이산화탄소 포집 장치(100)와 거의 유사하므로, 그 차이점만을 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 리보일러(120)에는 제4기액 분리기(121)(플래시 드럼)가 더 연결되어 있다. 제4기액 분리기(121)는 리보일러(120)에서 사용한 스팀을 기액 분리하여 얻어진 응축수를 발전소 복수기로 이송하여 다시 스팀을 만들도록 하고, 특히, 기체(스팀)는 리보일러(120)에 재공급함으로써, 리보일러(120)가 사용하는 스팀 사용량을 획기적으로 줄일 수 있도록 한다. 이와 같이 하여, 전체 스팀 사용량 중 대략 10% 정도를 감소시킬 수 있다. 또한, 제3기액 분리기(118)를 통한 액체는 흡수탑(111)의 워싱 영역(111a) 및 탈거탑(115)의 상단으로 공급된다. 더불어, 상술한 이산화탄소 포집 장치(110)에 구비되었던, 분산기, 제1,2기액 분리기는 채택하지 않았다.
이와 같이 하여, 본 발명에 따른 이산화탄소 포집 장치(101)는 리보일러(120)에 제4기액 분리기(121)가 더 연결되어, 스팀 사용량을 절감할 수 있고, 또한 제3기액 분리기(118)의 액체가 흡수탑(111)의 워싱 영역(111a)에 공급되어 탈염수의 보충량을 절감할 수 있다.
<실시예 1>
30wt%의 모노에탄올아민을 흡수제로 이용하여 이산화탄소인 15vol%의 이산화탄소를 포함하고 있는 40℃로 조절된 연소 배가스를 2.0m3 유량으로 흡수탑(111)의 하부에 투입하였다. 흡수제의 순환량은 100ml/min, 흡수탑(111)에 투입되는 흡수제의 온도는 40 ℃로 하였다. 흡수탑(111)에서 흡수제와 이산화탄소의 발열 반응에 의해 승온된 흡수제를 분산기(112)로 분산하여 제1유로(112a)를 통한 흡수액은 탈거탑(115)의 하부에서 나오는 고온(110~120℃)의 린아민과 제1열교환기(113)를 통해 열교환되도록 한 후 제1기액 분리기(114)를 통해 액체는 탈거탑(115)의 상부에 공급되도록 하고, 기체는 탈거탑(115)의 하부에 공급되도록 하며, 분산기(112)에서 분산된 리치아민의 제2유로(112b)를 통한 흡수액은 흡수제의 비말동반을 막기 위해 기존에 제3기액 분리기(118)에서 탈거탑(115)으로 재순환되던 최상부에 공급하였다. 그리고 탈거탑(115)의 하부에서 나오는 고온(110~120℃)의 이산화탄소가 분리된 아민(린아민)이 제2기액 분리기(116)를 통하여 기체는 재생 에너지 감소를 위해 탈거탑(115)의 최하단에 공급되도록 하고 액체는 흡수탑(111)에서 나온 저온의 리치아민과 제1열교환기(113)의 열교환으로 40℃로 냉각하여 흡수탑(111)으로 공급되도록 하였다. 또한 기존에 제3기액 분리기(118)에서 비말동반을 막고 발생 기체의 냉각을 위해 탈거탑(115)으로 공급되는 액체를 흡수탑(111)의 워싱 영역(111a) 및 흡수탑(111)으로 공급되는 흡수제에 농도 유지를 위해 공급하였다. 흡수탑(111)으로 들어오기 전과 흡수탑(111)을 거친 배가스의 이산화탄소 농도를 가스 분석기를 이용하여 측정하여 이산화탄소 제거율이 90%일 때의 이산화탄소 포집량(ton)당 리보일러(120)의 열사용량을 계산하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.
<비교예 1>
상기 실시예 1에서 흡수탑(111)을 나온 흡수액을 탈거탑(115)에서 나온 고온의 흡수액으로만 열교환하여 탈거탑(115)으로 공급하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 얻은 이산화탄소 제거율이 90% 일때의 이산화탄소 포집량(ton)당 리보일러(120) 열사용량은 표 1과 같다.(일반적인 상용공정과 동일)
[표 1]
Figure pat00001
실시예 1의 경우 비교예 1에 비하여 동일한 이산화탄소의 제거 효율(90%)에서 동일한 이산화탄소를 포집하는데 탈염수 및 리보일러의 열사용량이 적게 사용됨을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과를 볼 때 동일한 이산화탄소 제거율을 기준으로 본 발명에서 개발한 흡수 및 탈거 공정을 적용할 경우 냉각수 및 탈거탑에서의 부하를 줄일 수 있어, 탈거탑의 용량을 획기적으로 줄이거나 사용되는 스팀 사용량을 획기적으로 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명을 적용할 경우(실시예 1)와 적용하지 않을 경우(비교예 1), 0.85GJ/ton-CO2의 소비 에너지 차이가 발생하게 된다. 대략 500MW의 석탄화력발전소를 기준으로 CO2를 처리할 때, 하루 약 10,000ton의 CO2가 발생하고 90% 처리시 하루 약 8,500GJ의 에너지 소비를 줄일 수 있다.
<실시예 2>
30wt%의 모노에탄올아민을 흡수제로 이용하여 이산화탄소인 15vol%의 이산화탄소를 포함하고 있는 40℃로 조절된 연소 배가스를 2.0m3유량으로 흡수탑(111) 하부에 투입하였다. 흡수제의 순환량은 100ml/min, 흡수탑(111)에 투입되는 흡수제의 온도는 40 ℃로 하였다. 흡수탑(111)에서 흡수제와 이산화탄소의 발열 반응에 의해 승온된 흡수제를 탈거탑(115)의 리보일러(120)에서 탈거된 린아민과 열교환하고, 이산화탄소를 흡수한 흡수제는 탈거탑(115)으로 공급되어 리보일러(120)에서 이산화탄소(산성가스)와 흡수제로 최종 분리된다. 여기서 탈거탑(115)의 리보일러(120)를 통한 액체 또는 스팀은 기액 분리기(121)를 통해 액체와 기체로 분리되고, 액체(응축수)는 발전소 복수기로 이송하여 다시 스팀을 만들며, 기체는 리보일러(120)에 재공급하여 흡수제의 재생에 필요한 스팀 사용량을 줄이며, 흡수탑(111) 상부에서 방출되는 배가스의 온도 조절과 흡수제의 대기 방출을 막기 위해 설치된 워싱 영역(111a)에 사용되는 탈염수를 탈거탑(115)의 상단에 연결된 기액 분리기(118)로부터의 물로 대략 30%를 활용하여 공급하였다. 흡수탑(111)으로 들어오기 전과 흡수탑(111)을 거친 배가스의 이산화탄소 농도를 가스 분석기를 이용하여 측정하여 이산화탄소 제거율이 90%일 때의 이산화탄소 포집량(ton)당 리보일러(120) 열사용량을 계산하여 그 결과를 표 2에 나타내었다.
<비교예 2>
상기 실시예 2에서 흡수탑(111)을 나온 흡수액을 탈거탑(115)에서 나온 고온의 흡수액으로만 열교환 하여 탈거탑(115)으로 공급하는 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 실시하여 얻은 이산화탄소 제거율이 90% 일때의 이산화탄소 포집량 (ton)당 리보일러(120)의 열사용량은 표 2와 같다.(일반적인 상용공정과 동일)
[표 2]
Figure pat00002
실시예 2의 경우 비교예 2에 비하여 동일한 이산화탄소의 제거효율(90%)에서 동일한 이산화탄소를 포집하는데 냉각수 및 리보일러(120)의 열사용량이 적게 사용됨을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과를 볼 때 동일한 이산화탄소 제거율을 기준으로 본 발명에서 개발한 흡수 및 탈거 공정을 적용할 경우 냉각수 및 탈거탑(115)에서의 부하를 줄일 수 있어 탈거탑(115)의 용량을 획기적으로 줄이거나 사용되는 스팀 사용량을 획기적으로 감소시킬 수 있다.
본 발명을 적용할 경우(실시예 2)와 적용하지 않을 경우(비교예 2)의 경우, 0.35GJ/ton-CO2의 소비 에너지 차이가 발생하게 된다. 그리고 탈염수 사용량은 90% 감소하게 된다. 대략 500MW의 석탄화력발전소를 기준으로 CO2를 처리할 때, 하루 약 10,000ton의 CO2가 발생하고 90% 처리시 하루 약 3,500GJ의 에너지와, 흡수탑(111)의 워싱 영역(111a)의 보충용 탈염수 약 350톤을 감소시킬 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 이산화탄소 포집 장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 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.
100,101; 본 발명에 따른 이산화탄소 포집 장치
111; 흡수탑 112; 분산기
112a; 제1유로 112b; 제2유로
113; 제1열교환기 114; 제1기액 분리기
115; 탈거탑 116; 제2기액 분리기
117; 응축기 118; 제3기액 분리기
119; 응축기 120; 리보일러
121; 제4기액 분리기
111a; 워싱 영역

Claims (8)

  1. 배기 가스로부터 이산화탄소를 흡수하는 흡수탑;
    상기 흡수탑에 연결되어 상기 이산화탄소를 흡수한 흡수액이 제1유로와 제2유로로 각각 분산되어 흐르도록 하는 분산기;
    상기 분산기의 제1유로에 연결되어, 상기 흡수액을 기체와 액체로 분리하는 제1기액 분리기; 및
    상기 제1기액 분리기에 연결되어 상기 기체와 액체를 공급받고, 상기 제2유로에 연결되어 상기 흡수액을 공급받아서, 상기 이산화탄소를 탈거하는 탈거탑을 포함함을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기체는 상기 탈거탑의 하단으로 공급되고,
    상기 액체 및 상기 제2유로의 흡수액은 상기 탈거탑의 상단으로 공급됨을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 분산기와 상기 제1기액 분리기의 사이에는 상기 탈거탑의 하단에서 제공되는 이산화탄소가 탈거된 흡수액과 분산기의 제1유로에서 제공하는 이산화탄소가 흡수된 흡수액 사이에 열교환이 이루어지도록 열교환기가 더 연결된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 탈거탑의 하단에는 상기 탈거탑의 하단에서 제공되는 이산화탄소가 탈거된 흡수액을 기체와 액체로 분리하는 제2기액 분리기가 더 연결되고,
    상기 제2기액 분리기를 통한 기체는 상기 탈거탑에 재공급되고, 상기 제2기액 분리기를 통한 액체는 상기 흡수탑의 상단에 공급됨을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1유로를 통하여 상기 흡수액 중 70 내지 90%가 흐르고,
    상기 제2유로를 통하여 상기 흡수액 중 10 내지 30%가 흐름을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡수탑의 상단에는 상기 이산화탄소를 흡수한 흡수액의 대기 방출을 방지하기 위해 탈염수가 제공되는 워싱 영역이 형성되고,
    상기 탈거탑의 상단에는 이산화탄소와 흡수액을 이산화탄소 기체와 흡수액 액체로 분리하는 제3기액 분리기가 형성되며,
    상기 제3기액 분리기를 통한 흡수액 액체가 상기 워싱 영역에 탈염수로서 제공됨을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제3기액 분리기를 통한 탈염수는 전체 탈염수의 10 내지 30%인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡수액은 아민계, 아미노산염, 무기염계 용액 및 암모니아수 중에서 어느 하나 또는 혼합액인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 장치.
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