KR20150010914A - 이산화탄소흡수제 및 이 흡수제를 이용하여 이산화탄소를 포집하는 방법 - Google Patents

이산화탄소흡수제 및 이 흡수제를 이용하여 이산화탄소를 포집하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이산화탄소 흡수제 및 이 흡수제를 이용하여 이산화탄소를 포집하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연도가스를 탈질처리, 집진처리, 탈황처리한 연도가스에 함유된 이산화탄소(CO2)를 아민과 탄산칼륨(Potassium carbonate)을 혼합한 흡수제를 이용하여 상온(常溫)·상압(常壓)에서 이산화탄소를 흡수한 용액을 고온·진공상태에서 이산화탄소를 탈착(Desorption)하여 이산화탄소를 포집하는 방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명에서는, 화력발전소, 제철공장, 시멘트공장 또는 산업공장의 보일러에서 배출되는 연도가스(배기가스)에 함유된 이산화탄소를 포집하는 방법에 있어서, 본 발명에서 이산화탄소를 함유한 연도가스(배기가스)의 이산화탄소흡수제는 탄산칼륨(K2CO3) 수용액에 아민류를 혼합한 하이브리드 흡수제(Hybrid absorbent)를 이용한다.
상기 연도(煙道)에서 배기(排氣) 되는 이산화탄소를 함유한 연도가스를 냉각수와 함께 냉각기에 공급하여 40℃ 이하로 냉각한 연도가스로 처리하는 냉각단계와, 상기 40℃ 이하로 냉각한 연도가스를 탄산칼륨(K2CO3) 수용액에 아민류를 혼합한 하이브리드 흡수제를 주입한 흡수탑에 공급하여 연도가스에 함유된 이산화탄소를 흡수제에 흡수처리되어 이산화탄소가 제거된 연도가스는 굴뚝으로 보내어 대기로 방출하고, 이산화탄소를 흡수한 하이브리드 흡수제는 분해탑으로 보내는 이산화탄소를 흡수하는 단계와, 상기 이산화탄소를 흡수한 하이브리드 흡수제를 분해탑으로 보내어 분해탑 상부에서는 진공펌프로 진공상태 하고, 하부에서는 리보일러에서 가열하여 흡수제에 흡수된 이산화탄소를 탈리(脫離)한 하이브리드 흡수제는 흡수탑으로 반송하고, 분해탑 상부로 탈리되어 배출되는 이산화탄소는 냉각기로 보내어 냉각된 이산화탄소는 이산화탄소 포집 탱크로 보내는, 이산화탄소를 탈리하여 포집하는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 이산화탄소를 포집하는 방법에 관한 것이다.

Description

이산화탄소흡수제 및 이 흡수제를 이용하여 이산화탄소를 포집하는 방법{Carbon dioxide absorbent and carbon dioxide collection method using the same}
본 발명은 이산화탄소 흡수제 및 이 흡수제를 이용하여 이산화탄소를 포집하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연도가스를 탈질처리, 집진처리, 탈황처리한 연도가스에 함유된 이산화탄소(CO2)를 아민과 탄산칼륨(Potassium carbonate)을 혼합한 흡수제를 이용하여 상온(常溫)·상압(常壓)에서 이산화탄소를 흡수한 용액을 고온·진공상태에서 이산화탄소를 탈착(Desorption)하여 이산화탄소를 포집하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 이산화탄소는 저온·고압에서 모노에탄올아민(Monoethanolamine, MEA), 디에탄놀아민(Diethanolamine, DEA)와 같은 알칸올아민(Alkanolamine) 수용액이나 탄산칼륨 수용액(Catacarb solution)에 흡수한 용액을 고온·저압의 분해공정으로 이송하여 고순도의 이산화탄소를 포집하는 방법이 제시되어 있으나, 막대한 시설비와 운전비용이 소요되는 문제점이 있다.
특허문헌 1에서는, 연소 배기가스 중에 포함된 CO2를 냉각탑에서 냉각한 다음, 흡수탑에서 모노에탄올아민(Monoethanolamine) 이외의 2－아미노-2－메틸-1－프로판올(2-Amino-2-methyl-1-propanol), 2－(에틸 아미노)－에탄올[2-(Ethylamino) ethanol]와 같은 비인화성의 알칸올아민(Alkanolamine) 수용액에 CO2를 흡수하고 나머지 연소 배기가스는 대기로 방출하고, CO2를 흡수한 알칸올아민 수용액은 재생탑으로 보내어 리보일러(Reboiler)에서 가열에 의해 알칸올아민 수용액을 재생하여 흡수탑으로 반송하면서, CO2를 탈리(脫離)하여 회수하는 공정이 제시되어 있으나, 알칸올아민은 CO2흡수반응열이 높으면서 재생공정에서 분해열이 높기 때문에 에너지 소모량이 많은 문제점이 있다.
특허문헌 2에서는, 연소 배기가스 중에 포함된 CO2를 냉각탑에서 냉각한 다음, 흡수탑에서 2-아미노-2-메틸-1-프로판올(2-Amino-2-methyl-1-propanol), 2-에틸아미노-에탄올(2-Ethylamino-ethanol), 2-메틸아미노-에탄올(2-Methylamino- ethanol), 2-디에틸아미노-에탄올(2-Diethylamino-ethanol)과 같은 입체장해아민(Sterically hindered amine) 수용액에 CO2를 흡수하고 나머지 연소 배기가스는 대기로 방출하고, CO2를 흡수한 입체장해아민(Sterically hindered amine) 수용액은 탈CO2탑으로 보내어 리보일러(Reboiler)에서 가열에 의해 입체장해아민 수용액을 재생하여 흡수탑으로 반송하면서, CO2를 탈리(脫離)하여 회수하는 공정이 제시되어 있으나, 입체장해 아민 역시 CO2흡수반응열과 분해열이 알칸올 아민에 비해서는 낮으나, 이 역시 에너지 소모량이 많은 문제점이 있다.
특허문헌 3에서는, 100℃에서 0.1㎫ 절대압력 미만의 증기압을 가지는 글리콜(Glycol), 글리콜 에테르(Glycol ether), 알코올(Alcohol), 술포란(Sulfolane), N－메틸피롤리돈(N-Methylpyrrolidone), 프로필렌카보네이트(Propylene carbonate), 이온성 액체, 아민(Amine), 알칸올아민(Alkanolamine), 아미노산(Amino acid), 아마이드(Amide), 요소(Urea), 인산염(Phosphate), 탄산염(Carbonate) 또는 알칼리금속붕산염(Alkali-metal borate)과 같은 용매(溶媒)를 이산화탄소 흡수제로 사용하여 연소배연(燃燒排煙) 중에 존재하는 이산화탄소를 압력은 0.1∼10㎫, 온도는 0∼80℃ 상태의 흡수 탑에서 흡수한 용액을 분해 탑으로 보내어 가열하여 이산화탄소를 포집하는 방법이 제시되어 있으나, 연소배기가스를 압축해야함으로써 동력비가 높은 문제점이 있다.
특허문헌 4에서는, 2K2CO3·3H2O，Na2CO2·H2O 또는 2K2CO3·3H2O와 Na2CO3·H2O의 혼합물을 활성탄(活性炭), 제올라이트(Zeolite), 알루미나(Alumina) 또는 규조토(硅藻土)와 같은 다공질물질(多孔質物質)에 담지한 이산화탄소 흡착제를 고정상 흡착탑에 충전하고 이산화탄소를 함유한 가스를 통과시켜 이산화탄소를 회수하는 방법이 제시되어 있으나, 이산화탄소의 흡수 능력이 작아 처리용이 큰 경우는 시설의 규모가 커져 시설비가 높으면서 운전이 어려운 문제점이 있다.
비특허문헌 1에서는, CO2의 성질과 흡수법(吸收法), 흡착법(吸着法), 막분리법(膜分離法)에 관한 종래기술에 관한 특성을 제시하면서 향후에 대한 대책 방안을 검토한 자료로 종래기술에 지나지 않는다.
비특허문헌 2에서는, 알칸올아민(Alkanolamine)계 힌더드아민(Hindered amine)인 흡수제를 사용한 화력 발전소 배기가스에 대한 탄산가스의 분리·회수를 위한 파일럿 스케일(Pilot scale)의 흡수탑을 이용하여 실시한 자료로, 종래기술인 일본특허 등록번호 제2871334호(燃燒排ガス中の二酸化炭素の除去方法)를 파일럿 테스트한 자료에 지나지 않는다.
비특허문헌 3에서는, 기·액 평형 시험 장치로, 주요한 CO2 흡수액 5종의 기·액평형 특성시험을 실시하였으며, 시험한 흡수액은 2-아미노-2-메틸-1-프로파놀(2-Amino-2-methyl-1-propanol), 알칸올아민(Alkanolamine)계 힌더드아민(Hindered amine), 모노 에탄올 아민(Monoethanolamine), 메틸 아미노 에탄올(Methylaminoethanol) 및 디 에탄올 아민(Di-ethanolamine)와 같은 이산화탄소 흡수제의 CO2에 대한 기·액 평형특성 및 흡수성능을 테스트한 결과자료를 제시한 기술로, 이 역시 종래 기술에 지나지 않는다.
일본특허 등록번호 제2809368호, 연소배기 가스 중의 이산화탄소의 회수방법(燃排ガス中の二酸化炭素の回方法), 1998년 07월 31일 일본특허 등록번호 제2895325호, 연소배기 가스 중의 이산화탄소를 제거하는 방법(燃排ガス中の二酸化炭素を除去する方法), 1999년 03월 05일 일본특허 등록번호 제4744137호, 배연 중에 함유된 이산화탄소를 포집하는 방법(排煙中に含まれる二酸化炭素を捕集する方法), 2011년 05월 20일 일본특허 등록번호 제3853398호, 이산화탄소의 회수방법 및 이산화탄소흡착제(二酸化炭素の回收方法及び二酸化炭素吸着劑), 2006년 09월 15일
타카기 마사토(高木 正人), CO2분리회수의 원리와 기술동향(CO2分離回の原理と技術動向), 생산과 기술(生産と技術)　제64권　제１호 pp. 25∼29, 2012년 미무라 토미오(三村 富雄)·야기 야스유키(八木 靖幸)·이이지마 마사키(飯島 正樹)·요시야마 류지(吉山 隆士)·요네카와 타카히토(米川 隆仁), 화력발전소배기가스 조건 하의 탄산가스분리회수에서 흡수탑고류량시험결과(火力發電所排ガス條件下の炭酸ガス分離回收における吸收塔高流量試驗結果), 화학공학논문집(化學工學論文集) 제30권 제6호, pp. 758∼761, 2004년 미무라 토미오(三村 富雄)·야기 야스유키(八木 靖幸)·다가시나 토루(高品 徹)·요시야마 류지(吉山 隆士)·혼다 아키히로(本田 昭洋), 기액평형시험에 의한 CO2 회수시의 알칸올아민 화학흡수제의 평가에 관해서(氣液平衡侍險によるCO2回收時のアルカノルアミン化學吸收劑の評價について), 화학공학논문집(化學工學論文集) 제31권 제4호, pp. 237∼242, 2005년
본 발명은, 연도가스와 같이 이산화탄소를 함유한 가스를 종래의 모노에탄올아민(Monoethanolamine, MEA), 디에탄놀아민(Diethanolamine, DEA)과 같은 알칸올아민류(Alkanolamines)를 이산화탄소 흡수제를 사용하여 이산화탄소를 흡수한 다음, 분해하여 이산화탄소를 포집하는 경우에는 반응열과 분해열이 높아 에너지소모량이 높은 문제점이 있어, 이를 보완하기 위한 방법으로 반응열과 분해열이 낮은 입체장해아민(Sterically hindered amine) 수용액을 이산화탄소 흡수제로 사용하는 방법이 제시되었으나, 이 역시 에너지비용이 높은 문제가 있었다.
알칸올아민류나 입체장해아민에 비해서 반응열과 분해열이 상당히 낮은 탄산칼륨(K2CO3) 수용액을 사용하는 방법이 제시되었으나, 이는 상기 알칸올아민류나 입체장해아민에 비해서는 에너지소모량이 적은 특성이 있으나, 이산화탄소의 흡수율 및 흡수능력이 떨어져 시설의 용량을 크게 해야 함으로서 시설비가 높은 문제점이 있었다.
그래서 본 발명은, 종래기술의 문제점을 보완하기 위해서 탄산칼륨(K2CO3) 수용액에 아민류를 혼합한 하이브리드 용액(Hybrid solution)을 이산화탄소 흡수제로 이용하여 에너지비용이 저렴하면서 시설의 규모가 작은 이산화탄소를 포집하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 화력발전소, 제철공장, 시멘트공장 또는 산업공장의 보일러에서 배출되는 연도가스(배기가스)에 함유된 이산화탄소를 포집하는 방법에 있어서, 본 발명에서 이산화탄소를 함유한 연도가스(배기가스)의 이산화탄소흡수제는 탄산칼륨(K2CO3) 수용액에 아민류를 혼합한 하이브리드 흡수제(Hybrid absorbent)를 이용한다.
상기 연도(煙道)에서 배기(排氣) 되는 이산화탄소를 함유한 연도가스를 냉각수와 함께 냉각기에 공급하여 40℃ 이하로 냉각한 연도가스로 처리하는 냉각단계와, 상기 40℃ 이하로 냉각한 연도가스를 탄산칼륨(K2CO3) 수용액에 아민류를 혼합한 하이브리드 흡수제를 주입한 흡수탑에 공급하여 연도가스에 함유된 이산화탄소를 흡수제에 흡수처리되어 이산화탄소가 제거된 연도가스는 굴뚝으로 보내어 대기로 방출하고, 이산화탄소를 흡수한 하이브리드 흡수제는 분해탑으로 보내는 이산화탄소를 흡수하는 단계와, 상기 이산화탄소를 흡수한 하이브리드 흡수제를 분해탑으로 보내어 분해탑 상부에서는 진공펌프로 진공상태 하고, 하부에서는 리보일러에서 가열하여 흡수제에 흡수된 이산화탄소를 탈리(脫離)한 하이브리드 흡수제는 흡수탑으로 반송하고, 분해탑 상부로 탈리되어 배출되는 이산화탄소는 냉각기로 보내어 냉각된 이산화탄소는 이산화탄소 포집 탱크로 보내어 이산화탄소를 탈리하여 포집하는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 이산화탄소를 포집하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 탄산칼륨(K2CO3) 수용액에 아민류를 혼합한 하이브리드 흡수제(Hybrid absorbent)는 종래의 모노에탄올아민(MEA), 디에탄놀아민(DEA)과 같은 알칸올아민류(Alkanolamines)에 비해서는 반응열과 분해열이 작아 에너지비용이 저렴한 특징이 있으면서, 탄산칼륨(K2CO3) 수용액에 비해서는 이산화탄소의 흡수효율이 높은 특징이 있기 때문에 화력발전소, 제철공장, 시멘트공장 또는 산업공장의 보일러에서 배출되는 연도가스에 함유된 이산화탄소를 포집하는 공정에 널리 이용될 수 있는 효과가 있을 것으로 기대된다.
도 1은 연도가스에 함유된 이산화탄소를 포집하는 공정도
먼저, 각종 이산화탄소 흡착제에 의한 반응메커니즘(Reaction mechanism)을 검토하면 다음과 같다.
1. 1급, 2급 알카놀아민(Alkanolamines)의 경우
모노에탄올아민(Monoethanolamine, MEA), 다이에탄올아민(Diethanolamine, DEA)과 같은 1급, 2급 알칸올아민(Alkanolamines)과 이산화탄소의 흡수반응은, 알칸올아민과 이산화탄소가 반응하여 카바메이트(Carbamate)가 생성되는 반응으로 다음 반응식 (1)과 같이 일어난다.
2R-NH2 + CO2 ⇔ R-NH3 + + R-NH-COO-……………(1)
그리고 카바메이트(Carbamate)는 가수분해에 의한 바이카보네이트(Bicarbonate)가 생성된다.
R-NH-COO-+ H2O ⇔ R-NH3 + + HCO3 -……………(2)
여기서 R는 MEA 또는 DEA의 기능기를 나타낸다.
상기 반응식 (1)에서 보는 바와 같이 제1, 2급 알칸올아민의 경우는, 알칸올아민 단위 몰당 흡수된 이산화탄소의 몰 비(Mole ratio)는 0.5를 넘지 못한다. 그러나 흡수공정의 압력이 증가하면 1급 또는 2급 알칸올아민도 평형부하가 0.5를 넘어서게 되는데, 이는 반응식 (1)에서 생성된 카바메이트가 반응식 (2)와 같이 가수분해되면서 유리아민(Free amine)을 생성하여 이산화탄소와 추가적으로 반응하기 때문이다.
상기 1급, 2급 알카놀아민(Alkanolamines)의 경우는 CO2 분압(分壓)이 낮아 흡수효율이 높은 특징이 있으나, 반응열이 아민의 종류에 따라 다소 차이는 있으나 모노에탄올아민(MEA)의 경우 반응열이 1,919KJ/kg of CO2이며, 다이에탄올아민(DEA)은 1,519KJ/kg of CO2로 높기 때문에 에너지비용이 높은 문제가 있다.
2. 입체장애아민(Sterically hindered amine)의 경우
2-아미노-2-메틸-1-프로판올(2-Amino-2-methyl-1-propanol, AMP)와 같은 입체장애아민(Sterically hindered amine)의 경우는, 이산화탄소 가수분해 촉매반응으로 흡수되는 것으로, 다음 반응식 (3)와 같은 반응이 일어난다.
2R-NH2 + CO2 → R-NH3 + + R-NH-COO-……………(3)
여기서 R은 AMP의 기능기를 나타낸다.
그리고 카바메이트(Carbamate)는 가수분해에 의해서 반응식 (4)에서와 같이 바이카보네이트(Bicarbonate)를 생성한다.
R-NH2 + CO2 + H2O → R-NH3 + + HCO3 - ……………(4)
상기 입체장애아민(Sterically hindered amine)인 2-아미노-2-메틸-1-프로판올(AMP)의 경우 반응열이 1,840kJ/Kg of CO2로 염기성인 K2CO3에 비해서는 높기 때문에 에너지소모량이 높게 소요된다.
3. 염기성인 K2CO3의 경우
염기성인 K2CO3와 CO2의 흡수반응은 아래 반응식 (5)과 같이 일어난다.
2K2CO3 + CO2 + H2O → 2KHCO3 ……………(5)
염기성인 K2CO3수용액의 경우는, 상기 1급, 2급 알카놀아민(Alkanolamines)과 입체장애아민(Sterically hindered amine)에 비해서 CO2 분압(分壓)이 높아 흡수효율이 떨어지는 단점이 있으나, 반응열이 600KJ/kg of CO2로 낮아 에너지소모량이 적게 소요되는 특징이 있다.
본원의 발명인은 상기와 같은 흡수제의 특성 예의 검토한 결과 각 흡수제의 단점을 보완하기 위해서 에너지소모량이 적은 염기성인 K2CO3와 아민류를 혼합한 하이브리드 흡수제(Hybrid absorbent)를 개발하게 되었으며, 이하, 첨부된 도면을 중심으로 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서는, 화력발전소, 제철공장, 시멘트공장 또는 산업공장의 보일러에서 배출되는 이산화탄소를 함유한 연도가스에서 이산화탄소를 포집하는 방법에 있어서, 본 발명에서 이산화탄소를 함유한 연도가스에 함유된 이산화탄소흡수제는 탄산칼륨(K2CO3) 수용액에 아민류를 혼합한 하이브리드 흡수제(Hybrid absorbent)를 이용한다.
상기 하이브리드 흡수제(Hybrid absorbent)는, 물 100중량부에 탄산칼륨(K2CO3) 또는 수산화칼륨(KOH) 중에서 한 종류를 15∼30중량부를, 아민류를 10∼20중량부를, 부식방지제로 탄산동(CuCO3·Cu(OH)2·H2O)을 0.02∼0.05중량부와 칼륨바나듐산염(Potassium vanadate, KVO3)을 0.5∼1.5중량부를, 반응촉진제(反應促進劑)를 0.2∼1.0중량부를, 소포제(Antifoaming agent)를 0.01∼0.2중량부를 첨가하여 혼합한 하이브리드 흡수제(이하 이를 단순히 '흡수제'라 한다.)를 이산화탄소(CO2) 흡수제로 이용한다.
상기 아민류는, 모노에탄올아민(Monoethanolamine), 디에탄놀아민(Diethanolamine), 트리에탄올아민(Triethanolamine), 메틸디에탄놀아민(Methyl diethanolamine), 디이소프로판올아민(Diisopropanolamine), 디글리콜아민(Diglycolamine), 2-아미노-2-메틸-1-프로판올(2-Amino-2-methyl-1-propanol), 3-아미노-3-메틸-2-펜탄올(3 -amino-3-methyl-2-pentanol), 2,3-디메틸-3-아미노-1-뷰탄올(２，３-dimethyl－３－amino－１－butanol), 2-아미노-2-에틸-1-뷰탄올(２－amino－２－ethyl-1-butanol), 2-아미노-2-메틸-3-펜탄올(2-Amino-2-methyl-3-pentanol), 2-아미노-2-메틸-1-뷰탄올(2-Amino-2-methyl-1-butanol), 3-아미노-3-메틸-1-뷰탄올(3-Amino-3-methyl-1-butanol), 3-아미노-3-메틸-2-뷰탄올(3-Amino-3-methyl-2-butanol), 2-아미노 2,3-메틸-1-뷰탄올(2-Amino-2-methyl-1-butanol), 2-아미노-2,3-디메틸-1-뷰탄올(2-Amino-2,3- dimethyl-1-butanol), 2-아미노-2-메틸-1-펜탄올(2-Amino-2- methyl-1-pentanol), 2-디에틸아미노-에탄올(2-Diethylamino-ethanol), 2-에틸아미노-에탄올(2-Ethylamino-ethanol), 2-프로필아미노에탄올(2-Propylaminoethanol), 2-메틸아미노-에탄올(2-Methylamino-ethanol), 2-에틸메틸아미노-에탄올(2-Ethylmethylamino-ethanol), ２－아이소프로필아미노-에탄올(2-Isopropylamino-ethanol), 1-에틸아미노에탄올(1-ethylamino-ethanol), 1-메틸아미노에탄올(1-Methylamino-ethanol), 1-프로필아미노-에탄올(1-Propylamino-ethanol), 1-아이소프로필아미노-에탄올(1-isopropylamino-ethanol), 2-디에틸아미노-에탄올(2-Ethylmethylamino-ethanol), 1-디메틸아미노-에탄올(1-dimethylamino-ethanol), 1-디에틸아미노-에탄올(1-diethylamino-ethanol), 1-에틸메틸아미노-에탄올(1-Ethylmethylamino-ethanol), 2-디아이소프로필아미노-에탄올(2-Diisopropylamino-ethanol), 1-디에틸아미노-2-프로판올(1-Diethylamino-2-propanol), 3-디에틸아미노-1-프로판올(3-Diethylamino-1-propanol), 2-하이드록시메틸-피페리딘(2-Hydroxymethyl-piperidine), 2-(2-(하이드록시에틸)-피페리딘[2-(2-Hydroxyethyl)-piperidine], 2-(1-하이드록시메틸)-피페리딘[2-(1-Hydroxymethyl)-piperidine] 또는 2-(1-하이드록시에틸)-피페리딘[2-(1-Hydroxyethyl)-piperazine] 중에서 한 종류 또는 2종류 이상을 혼합한 것을 사용한다.
반응촉진제(反應促進劑)는, 폴리에틸렌글리콜(Polyethylene glycol), 술포란(Sulfolane), 2-메틸아미노-에탄올(2-Methylaminoethanol), 2-아이소프로필아미노-에탄올(2-Isopropylamino-ethanol), 메탄올(Methanol), 2-n-뷰틸아미노-에탄올(2-n-Butylamino-ethanol], 피페라진(Piperazine), 2-메틸피페라진(2-Methylpiperazine), 2,5-디메틸피페라진(2,5-Dimethylpiperazine), 몰포린(Morpholine), 글리신(Glycine), 피페리딘(Piperidine), 2-피페리틴오에탄올(2-Piperidinoethanol), 모르폴린(Morpholine), 술포란(Sulfolane), 2－히드록시에틸－피페리딘(2-Hydroxyethylpiperidine) 또는 2－에틸아미노－에탄올(2-Ethylaminoethanol) 중에서 한 종류 또는 2종류 이상을 혼합한 것을 사용한다.
상기 소포제(消泡劑)는, 실리콘유(Silicone oil), 폴리비닐 알코올(Polyvinyl alcohol), 소비탄지방산에스터(Sorbitan esters of fatty acids) 또는 폴리에테르(Polyether) 중에서 한 종류 또는 2종류 이상을 혼합한 것을 사용한다.
상기 탄산칼륨(K2CO3) 수용액에 아민류를 혼합한 하이브리드 흡수제(Hybrid absorbent)를 이산화탄소 흡수제로 사용하였을 때는 다음과 같은 반응이 일어날 것이다.
R-NH2 + CO2 → RNH-COOH …………………………………(5)
RNH-COOH + K2CO3 +H2O = 2KHCO3 + R-NH2 ……………… (6)
상기 반응식 (5), (6)의 총괄반응(Overall reaction)은 다음 반응식(7)과 같다.
K2CO3 + H2O + CO2 → 2KHCO3 …………………………(7)
상기 반응식 (5), (6), (7)에서 보면 이산화탄소(CO2)를 함유한 연도가스가 흡수탑에 공급되면 1차 이산화탄소 흡수성능이 우수한 아민(Amine, R-NH2)과 반응하여 카바민산(Carbamic acid, RNH-COOH)가 생성되고, 2차 카바민산(RNH-COOH)은 탄산칼륨(Potassium carbonate, K2CO3)과 반응하여 탄산수소칼륨(Potassium bicarbonate, KHCO3)이 생성되면서, 카바민산은 원래의 아민(R-NH2)으로 인 싸이투 반응(In-situ reaction)이 일어나면서 아민(R-NH2)은 촉매와 같은 역할을 하게 된다.
그리고 탄산수소칼륨(KHCO3)은 이산화탄소 분해탑으로 이송하여 저압·고온으로 하면, 적은 분해에너지로 다음 반응식 (8)과 같이 이산화탄소 탈리반응이 일어나게 된다.
2KHCO3 → K2CO3 + H2O + CO2 …………………………(8)
Ⅰ. 냉각단계
화력발전소, 제철공장, 시멘트공장 또는 산업공장의 보일러에서 배출되는 연도가스(배기가스)에 함유된 산화질소성분을 분해하는 탈질처리, 미세분진을 제거하는 집진처리, 산화유황을 제거하는 탈황처리를 한 연도가스는 온도가 높기 때문에 연도가스 이송송풍기(1)로부터 이송되는 연도가스를 냉각탑(2) 하부로 공급하고, 냉각탑(2)의 충전재가 충전된 충전 층(3) 상부로 냉각수와 냉각탑 순환펌프(4)에서 순환되는 냉각수와 함께 공급하여 냉각탑(2) 상부로 배기 되는 연도가스의 온도가 40℃ 이하로 냉각한 연도가스를 흡수탑(5)으로 보낸다.
Ⅱ. 이산화탄소를 흡수하는 단계
상기 냉각단계에서 40℃ 이하로 냉각한 연도가스를 흡수탑(5)에 공급하기 전에, 흡수탑(5)과 분해탑(12) 하부에 상기 흡수제를 공급하고, 흡수탑(5)에 공급된 흡수제는 이산화탄소흡수액 이송펌프(8)로 열교환기(10)에 공급한 다음, 분해탑(12) 하단 충전 층 또는 트레이 층(14) 상 부로 보낸다.
분해탑(12)에 공급된 흡수액은 이산화탄소 탈리액 이송펌프(15)로 열교환기(10)를 통과하여 흡수탑(5) 하단 충전 층 또는 트레이 층(7)과 상단 충전 층(6) 위로 공급하여 순환한다.
흡수탑(5)의 흡수액을 분해탑(12)으로 보내고, 분해탑(12)의 흡수액을 열교환기(10)와 냉각기(11)를 통과하여 흡수탑(5)으로 순환하면서 상기 냉각단계에서 40℃ 이하로 냉각한 연도가스를 흡수탑(5) 하부로 공급하면 충전 층 또는 트레이 층(6, 7)에서 연도가스와 흡수액이 향류(Counter flow) 접촉하면서 연소가스에 포함된 이산화탄소가 흡수되어, 이산화탄소가 제거된 연도가스는 흡수탑(5) 상부로 배출되어 굴뚝(9)으로 보내어져 대기로 배기 되고, 이산화탄소를 흡수한 흡수액은 이산화탄소 흡수액 이송펌프(8)로 열교환기(10)로 보내어 가온한 다음 분해탑(12) 하단 충전 층 또는 트레이 층(14) 상부로 보낸다.
Ⅲ. 이산화탄소를 탈리하여 포집하는 단계
상기 이산화탄소를 흡수하는 단계에서 이산화탄소를 흡수한 흡수액이 분해탑(12) 하단 충전 층 또는 트레이 층(14) 상부로 공급되어 분해탑(12) 하부로 이송되면 이산화탄소 탈리액 이송펌프(15)에 의해 열교환기(10)에 공급되어 열교환 후 흡수탑(5)으로 반송하면서, 일부는 리보일러(16)로 보내어 스팀으로 가열하여 분해탑(12) 하부의 온도가 100∼150℃로 유지하면, 리보일러(16)에서 발생 되는 증기와 이산화탄소를 흡수한 흡수액이 향류로 접촉하면서 이산화탄소가 탈리되고, 탈리된 이산화탄소와 증기가 함께 분해탑(12) 상단 충전 층 또는 트레이 층(13)으로 이동하고, 이산화탄소를 흡수한 흡수액에서는 이산화탄소가 탈리된 이산화탄소 탈리액은 흡수탑(5)으로 반송하여 흡수액으로 반복하여 사용한다.
상기 탈리된 이산화탄소와 증기가 함께 분해탑(12) 상단 충전 층 또는 트레이 층(13)으로 이동하면 응축수저장탱크(19)의 응축수가 응축수 이송펌프(19)에 의해 분해탑(12) 상단 충전 층 또는 트레이 층(13)의 상부로 공급하면 이산화탄소와 증기가 응축수와 향류 접촉하면서 증기의 일부가 응축되어 분해탑(12) 하단 충전 층 또는 트레이 층(14)의 상부로 떨어지고, 탈리된 이산화탄소와 응축되지 않은 증기는 분해탑(12) 상부로 배출되어 냉각기(17)에 공급되면 냉각수를 공급하여 40℃ 이하로 냉각하면 증기는 응축되어 환류 탱크(18)로 보내어진다.
환류 탱크(18)의 응축수는 분해탑(12) 상단 충전 층 또는 트레이 층(13) 상부로 환류(還流)하고, 잉여응축수는 흡수탑(5) 상단 충전 층 또는 트레이 층(6) 상부로 보낸다.
탈리된 이산화탄소에서 증기가 응축되어 제거된 이산화탄소는 진공펌프(20)로 분해탑(12)의 압력을 400∼650mmHg·abs 범위의 진공상태로 유지하면서 씰 피트(21)로 외부와 격리된 이산화탄소 포집탱크(22)로 보낸다.
이산화탄소 포집탱크(22)에 포집된 이산화탄소는 CO2액화공정으로 보내어 액체 탄산(Liquid carbon dioxide)을 만들어 해저나 지하에 격리처리한다.
본 발명의 탄산칼륨(K2CO3) 수용액에 아민류를 혼합한 하이브리드 흡수제(Hybrid absorbent)는 종래의 알칸올아민류(Alkanolamines)에 비해서는 에너지비용이 저렴한 특징이 있으면서, 탄산칼륨(K2CO3) 수용액에 비해서는 이산화탄소의 흡수효율이 높은 특징이 있기 때문에 이산화탄소를 함유한 가스로부터 이산화탄소를 포집하는 공정에 널리 보급될 것으로 기대된다.
1: 연도가스 이송 송풍기 2: 냉각탑
3: 충전 층 4: 냉각탑 순환펌프
5: 흡수탑 6, 7: 충전 층 또는 트레이(Tray)층
8: 이산화탄소 흡수액 이송펌프 9: 굴뚝
10: 열교환기 11: 냉각기
12: 분해탑 13, 14: 충전 층 또는 트레이(Tray)층
15: 이산화탄소 탈리액 이송펌프 16: 리보일러(Reboiler)
17: 냉각기 18: 환류 탱크(Reflux tank)
19: 응축수 이송펌프 20: 진공펌프
21: 씰 피트(Seal pit) 22: 이산화탄소 포집 탱크
TT: 온도송신기(Temperature transmitter)
TIC: 온도지시제어기(Temperature indicating controller)
LT: 수위송신기(Level transmitter)
LIC: 수위지시제어기(Level indicating controller)
FI: 유량지시계(Flow indicator) PI: 압력지시계(Pressure indicator)
G/L: 지반면(Ground Level)

Claims (1)

  1. 화력발전소, 제철공장, 시멘트공장 또는 산업공장의 보일러에서 배출되는 이산화탄소를 함유한 연도가스에서 이산화탄소를 포집하는 방법에 있어서,
    이산화탄소를 함유한 연도가스에 함유된 이산화탄소흡수제로, 탄산칼륨(K2CO3) 또는 수산화칼륨(KOH) 중에서 한 종류 수용액에 아민류, 부식방지제, 반응촉진제, 소포제를 혼합한 하이브리드 흡수제(Hybrid absorbent)를 흡수탑(5)과 분해탑(12)에 충전하고,
    상기 연도가스에 함유된 탈질처리, 집진처리, 탈황처리한 연도가스를 연도가스 이송 송풍기(1)로부터 냉각수와 함께 냉각탑(2)에 공급하여 40℃ 이하의 연도가스로 냉각단계와,
    상기 40℃ 이하의 연도가스를 흡수탑(5) 하부로 공급하고, 상기 하이브리드 흡수제에 연도가스에 함유된 이산화탄소가 흡수제거된 연도가스는 충전층 또는 트레이층(6, 7)을 통해 흡수탑 상부에서 굴뚝(9)으로 내어져 대기로 배출하고, 이산화탄소를 흡수한 하이브리드 흡수제는 열교환기(10)에서 열교환 후 분해탑(12) 하단 충전층 또는 트레이층(14) 상부로 보내는 이산화탄소를 흡수하는 단계와,
    상기 이산화탄소를 흡수한 하이브리드 흡수제가 분해탑(12) 하단 충전층 또는 트레이층(14) 상부에 공급되면, 분해탑(12) 하부에서는 리보일러(16)에서 가열하여 흡수된 이산화탄소가 탈리된 하이브리드 흡수제는 열교환기(10)로 보내어 열교환 후 일부는 흡수탑(5) 하단 충전층 또는 트레이층(7) 상부로 반송하고, 나머지는 냉각기(11)로 보내어 냉각한 다음 흡수탑(5) 상단 충전층 또는 트레이층(6) 상부로 반송하고, 분해탑(12) 하부에서 탈리된 이산화탄소와 증기는 충전층 또는 트레이층(13, 14)을 통해서 분해탑(12) 상부에서 냉각기(17)에 공급되면 냉각수를 공급하여 응축된 응축수와 이산화탄소는 환류 탱크(18) 보내고, 응축수는 분해탑(12) 상단 충전층 또는 트레이층(13) 상부로 환류하고, 나머지는 흡수탑(5) 상단 충전층 또는 트레이층(6) 상부로 보내고, 탈리된 이산화탄소는 진공펌프(20)에 의해 분해탑(12)을 진공상태로 유지하면서 이산화탄소 포집 탱크(22)로 보내어 이산화탄소를 탈리하여 포집하는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 이산화탄소를 포집하는 방법.
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