KR20150021759A - 수직형 통합반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 재생반응기와 전처리반응기를 하나로 합쳐서 전체 높이를 줄이면서 구조를 단순화할 수 있고, 추가적으로 분리된 이산화탄소를 순환하여 유동화가스로 사용하는 것에 의해 배출되는 이산화탄소의 순도를 향상시킬 수 있는 수직형 통합반응기에 관한 것으로, 내부에 공간을 가지고, 고체흡수제가 공급되는 고체흡수제공급관과, 고체흡수제가 배출되는 고체흡수제배출관과, 분리되는 이산화탄소가 배출되는 이산화탄소배출관을 가지는 하우징; 상기 하우징의 내부에 유입되는 고체흡수제의 자중에 의한 낙하속도를 줄이는 하나 이상의 경사판; 상기 하우징의 내부에 설치되어 상기 고체흡수제에 열을 공급하는 열공급부; 및 상기 하우징의 내부에 상기 열공급부보다 하부에 설치되어 고체흡수제를 냉각시키는 열흡수부를 포함한다.

Description

수직형 통합반응기{Vertical type incorporated reactor}
본 발명은 수직형 통합반응기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 재생반응기와 전처리반응기를 하나로 합쳐서 전체 높이를 줄이면서 구조를 단순화할 수 있고, 추가적으로 분리된 이산화탄소를 순환하여 냉각 또는 유동화가스로 사용하는 것에 의해 배출되는 이산화탄소의 순도를 향상시킬 수 있는 수직형 통합반응기에 관한 것이다.
종래에 CO2회수 공정으로는 습식법에 의한 공정이 사용되었다. 즉, CO2를 포함하는 가스를 아민류 계통의 용액을 통과시켜 CO2를 흡수하게 하고 재생탑에서 그 용액을 재생하여 사용하는 방법이며, 이러한 습식법은 공정과정에 폐수가 추가로 발생되는 단점이 있다.
따라서 상기 습식법의 단점을 해소하기 위한 대안으로 건식법에 의한 CO2의 회수방법이 제안되었다. 상기 건식법을 이용한 이산화탄소 포집장치(100)는 고체흡수제를 이용하여 이용하여 CO2를 회수하는 것으로, 배가스공급관(102)을 통해 회수반응기(102)에 공급된 CO2를 포함하는 배가스로부터 고체흡수제(건식흡수제)에 CO2를 흡착제거하고, 상기 고체흡수제는 재생반응기(108)로 유입되어 재생가스공급관(110)으로부터 공급되는 재생가스에 의해 흡착된 CO2를 분리하고, 상기 재생반응기(110)의 후단에 연결된 전처리반응기(118)에서 고체흡수제에 전처리가스공급관(120)을 통해 전처리가스를 공급하여 다시 회수반응기(102)에 공급하는 과정으로 이루어진다. 이 때, 상기 회수반응기(102)와 상기 재생반응기(110) 사이에는 회수싸이클론(106)이 설치되어 고체흡수제의 유출을 방지한다. 상기 회수싸이클론(106)의 분리가스배출관(108)을 통해 배가스로부터 CO2가 제거된 잔여기체가 배출된다. 또, 상기 재생반응기(108)에는 재생싸이클론(114)이 설치되어 고체흡수제의 이탈을 방지하여 이산화탄소배출관(116)을 통해서는 이산화탄소 만이 배출되도록 한다. 상기 전처리반응기(118)의 전처리가스배출관(122)에도 싸이클론이 추가로 부착될 수 있다.
이산화탄소 포집장치(100)는 상기 재생반응기(110)와 상기 전처리반응기(118)를 별도로 설치하여 블로워를 각각 설치해야 하는 등 구조가 복잡해지는 단점이 있다. 또, 고체흡수제의 이동이 중력에 의존하므로, 상기 회수반응기(102)의 높이는 상기 재생반응기(110)와 상기 전처리반응기(118)의 높이의 합보다 커야 하므로, 불필요하게 장치의 높이가 높아지는 문제점이 있다.
등록특허 제10-0898816호
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 재생반응기와 전처리반응기를 하나로 합쳐서 전체 높이를 줄이면서 구조를 단순화할 수 있는 수직형 통합반응기를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 분리된 이산화탄소를 냉각 또는 유동화가스로 재사용하는 것에 의해 생산되는 이산화탄소의 순도를 높일 수 있는 수직형 통합반응기를 제공하는 데에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 내부에 공간을 가지고, 고체흡수제가 공급되는 고체흡수제공급관과, 고체흡수제가 배출되는 고체흡수제배출관과, 분리되는 이산화탄소가 배출되는 이산화탄소배출관을 가지는 하우징; 상기 하우징의 내부에 유입되는 고체흡수제의 자중에 의한 낙하속도를 줄이는 하나 이상의 경사판; 상기 하우징의 내부에 설치되어 상기 고체흡수제에 열을 공급하는 열공급부; 및 상기 하우징의 내부에 상기 열공급부보다 하부에 설치되어 고체흡수제를 냉각시키는 열흡수부를 포함하는 수직형 통합반응기이다.
본 발명에서 사용되는 고체흡수제는 수분과 함께 CO2와 화학반응을 통해 포집하는 고체흡수제에 한하며, K계열(예를 들어, K2CO2) 또는 Na계열(예를 들어, Na2CO3)의 고체흡수제가 이에 해당될 수 있다.
상기 열공급부는 상기 하우징의 내부에 설치되는 열공급관인 것을 특징으로 한다.
또, 상기 열흡수부는 상기 하우징의 내부에 설치되는 열흡수관인 것을 특징으로 한다.
또, 상기 이산화탄소배출관으로부터 배출되는 이산화탄소로부터 수분제거기에 의해 수분이 제거된 이산화탄소가 상기 하우징의 하부로 공급되어 고체흡수제를 냉각시키는 것을 특징으로 한다. 이는, 고체흡수제가 자중에 의해 수직형 통합반응기로부터 회수반응기에 공급되는 경우이다.
또, 상기 하우징의 하부에는 유동화가스챔버가 형성돼서, 공급되는 유동화가스에 의해 상기 고체흡수제를 유동화하여 상기 고체흡수제배출관으로 배출시키며, 상기 유동화가스는 상기 이산화탄소배출관으로부터 배출되는 이산화탄소로부터 수분제거기에 의해 수분이 제거된 이산화탄소인 것을 특징으로 한다. 이는, 고체흡수제가 유동화가스로써 고체흡수제를 이동시키는 것과 동시에 냉각시키는 기능을 수행할 수 있다.
또, 상기 이산화탄소배출관에는 배출되는 이산화탄소를 상기 유동화가스챔버 또는 외부로 배출하는 양을 결정하는 유량조절밸브가 설치되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 유동화가스챔버에는, 최초 시동시 부족한 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소공급원이 연결되는 것을 특징으로 한다.
또 다른 발명은, 상술한 수직형 통합반응기; 상기 수직형 통합반응기에 연결돼서 고체흡수제를 공급하는 회수싸이클론; 및 상기 수직형 통합반응기로부터 공급되는 고체흡수제에 의해 외부로부터 유입되는 배가스로부터 이산화탄소를 흡수하여 상기 회수싸이클론으로 이산화탄소가 분리된 잔존가스와 이산화탄소를 흡수한 고체흡수제를 공급하는 회수반응기를 포함하는 이산화탄소 포집장치이다.
상기 회수반응기와 상기 수직형 통합반응기 사이에 고체흡수제를 조습하는 수분공급기가 추가로 배치되는 것을 특징으로 한다. 즉, 배가스에 들어있는 수분만으로 부족한 경우에 추가적인 수분공급기가 사용될 수 있다.
본 발명을 통하여, 전체 높이를 줄이면서 구조를 단순화할 수 있는 수직형 통합반응기를 제작할 수 있으며, 이산화탄소 포집장치의 설치용적을 줄일 수 있다.
또, 고체흡수제로부터 분리되는 이산화탄소를 순환하여 유동화가스 또는 냉각용 가스로 사용하는 것에 의해 생산되는 이산화탄소의 순도를 높일 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 이산화탄소 포집장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 수직형 통합반응기를 가지는 이산화탄소 포집장치의 개략도이다.
도 3은 도 2에서 유동화가스챔버가 생략된 수직형 통합반응기를 가지는 이산화탄소 포집장치의 개략도이다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 수직형 통합반응기(224)는 기본적으로 내부에 공간을 가지는 하우징(226)과, 상기 하우징(226)의 내부에 유입되는 고체흡수제의 자중에 의한 낙하속도를 줄이는 하나 이상의 경사판(228,230.232)과, 상기 하우징(226)의 내부에 설치되어 상기 고체흡수제에 열을 공급하는 열공급부(244,246)와, 상기 하우징(226)의 내부에 상기 열공급부(244,246)보다 하부에 설치되어 고체흡수제를 냉각시키는 열흡수부(248)를 포함한다.
상기 하우징(226)은 수직방향으로 길이가 긴 단면이 원형 또는 다각형의 통형이다. 상기 하우징(226)의 상부측에는 고체흡수제가 공급되는 고체흡수제공급관(210)과, 분리되는 이산화탄소가 배출되는 이산화탄소배출관(238)이 형성된다. 또, 상기 하우징(226)의 하부측에는 고체흡수제가 배출되는 고체흡수제배출관(242)이 설치된다.
상기 고체흡수제로는 수분과 함께 이산화탄소를 포집하고, 수분이 없는 경우에는 이산화탄소의 흡수반응이 일어나지 않는 K계열 또는 Na계열의 고체흡수제를 사용할 수 있다. 대표적으로는 K2CO2 또는 Na2CO3를 사용하는 것이 가능하다.
상기 경사판(228,230,232)의 개수는 제한이 없으며, 상기 경사판(228,230,232)의 경사각을 조절하는 것에 의해 고체흡수제의 낙하속도를 원하는 속도로 조절할 수 있다.
상기 열공급부(244,246)은 하우징의 내부에 설치되는 열매체가 흐르는 열공급관이며, 상기 고체흡수제를 재생온도까지 가열하는 역할을 한다. 상기 열공급부(244,246)로 다른 열원(전기히터 등)을 사용하는 것도 가능하나, 플랜트에서 쉽게 구할 수 있는 열매체(열수) 등을 사용하는 것이 에너지 효율상 바람직하다.
상기 열공급관의 열매체와 고체흡수제는 직접 접촉하는 것이 아니므로 열매체의 종류는 제한이 없다.
마찬가지로, 상기 열흡수부(248)는 상기 하우징(226)의 내부에 설치되는 열흡수관이며, 상기 고체흡수제를 회수반응기에서의 회수온도까지 냉각하는 역할을 한다. 상기 열흡수부(248)로 다른 열원(반도체냉각판 등)을 사용하는 것도 가능하나, 플랜트에서 쉽게 구할 수 있는 열매체(냉각수) 등을 사용하는 것이 에너지 효율상 바람직하다.
상기 열흡수관의 열매체와 고체흡수제는 직접 접촉하는 것이 아니므로 열매체의 종류는 제한이 없다.
특히, 상기 하우징(226)의 하부에는 다공의 분배판(250)에 의해 분획되는 유동화가스챔버(236)가 형성돼서, 외부로부터 공급되는 유동화가스에 의해 상기 고체흡수제를 유동화하여 상기 고체흡수제배출관(242)으로 배출시킬 수 있다. 이 경우, 유동화에 의해 수평방향으로 고체흡수제를 이동시키므로 자중 낙하방식에 비하여 상기 하우징(226)의 높이를 줄일 수 있다. 또, 유동화가스에 의해 고체흡수제가 유동화되어 수평방향이동을 하는 경우 열흡수가스 또는 유동화가스와 고체흡수제의 접촉률을 높이기 위해 상기 유동화가스챔버(236)의 상측으로 안내판(234)이 설치될 수 있다.
또, 상기 유동화가스는 이산화탄소배출관(238)을 통해 배출되는 이산화탄소를 피드백하거나, 외부로부터 이산화탄소를 공급할 수 있다. 이산화탄소배출관(238)을 통해 배출되는 이산화탄소를 피드백하는 경우, 이산화탄소에 포함된 수분을 수분제거기(240)에 의해 수분을 제거한 후에 공급되며, 이 과정에서 이산화탄소는 방열을 통해 회수온도 또는 그 이하로 냉각될 수 있다.
다만, 최초 시동시에는 이산화탄소를 공급할 수 없으므로, 외부의 이산화탄소공급원(미도시)으로부터 이산화탄소를 공급하여야 한다. 이를 선택하는 것이 상기 이산화탄소배출관(238) 및 이산화탄소공급원과 연결되는 이산화탄소공급관(254)이 입력측으로 상기 유동화가스챔버(236)가 출력측으로 연결되는 공급전환밸브(252)이다.
또, 상기 이산화탄소배출관(238)에는 상기 유동화가스챔버(236) 측으로 공급되는 이산화탄소와, 외부에서 다른 용도로 활용되도록 외부배출관(216)으로 공급되는 이산화탄소의 양을 조절하도록, 유량조절밸브(214)가 연결된다.
이 때, 상기 유량조절밸브(214)와 상기 공급전환밸브(252)는 연결관(218)으로 이어진다. 상기 수분제거기(240)는 상기 연결관(218) 또는 이산화탄소주입관(222)에 설치될 수 있다.
그리고, 상기 이산화탄소주입관(222)에는 공급되는 이산화탄소에 압력을 공급하기 위한 블로워(220)가 배치될 수 있다.
또, 도 3에 도시된 바와 같이 수직형 통합반응기(225)에서 유동화 이동이 아닌 자중에 의해 고체흡수제가 낙하하는 방식을 사용하는 것도 가능하다. 이 경우,유동화가스챔버(236) 및 분배판(250)이 생략되고, 상기 이산화탄소주입관(222)이 직접 하우징(227)의 하부에 연결될 수 있다. 이 경우, 상기 열흡수부(248)보다 낮은 위치에 상기 이산화탄소주입관(222)이 설치되는 것이 고체흡수제와 접촉시간을 늘릴 수 있어서 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따른 수직형 통합반응기(224)는 기본적으로 상술한 바와 같이 구성된다. 이하에서는 상기 수직형 통합반응기(224)를 이용한 이산화탄소 포집장치(200)의 구성과 작동과정에 대해서 설명한다.
상기 이산화탄소 포집장치(200)는, 상술한 수직형 통합반응기(224)와, 상기 수직형 통합반응기(224)에 연결돼서 고체흡수제를 공급하는 회수싸이클론(208)과, 상기 수직형 통합반응기(224)로부터 공급되는 고체흡수제에 의해 외부로부터 유입되는 배가스로부터 이산화탄소를 흡수하여 상기 회수싸이클론(208)으로 이산화탄소가 분리된 잔존가스와 이산화탄소를 흡수한 고체흡수제를 공급하는 회수반응기(202)를 포함한다.
상기 이산화탄소배출관(238)에는 재생싸이클론(미도시)이 형성되고, 상기 재생싸이클론의 기체배출부는 상기 유량조절밸브(214)와 연결되고, 고체배출부는 상기 하우징(226)에 연결되어 고체흡수제의 유출을 방지할 수 있다.
상기 회수반응기(202)는 유동화 방식의 반응기로써, 공지의 유동화 반응기를 사용할 수 있으며, 적어도 상기 수직형 통합반응기(224)의 길이보다 길이가 길게 형성된다. 상기 회수반응기(202)의 배가스공급관(204)으로는 이산화탄소가 포함되는 배가스가 공급된다.
또, 회수반응기배출관(206)을 통해 연결되는 상기 회수싸이클론(208)은 공지의 장치를 사용할 수 있다.
상기 회수싸이클론(208)을 통해 배출되는 이산화탄소가 제거된 잔존가스는 잔존가스배출관(212)을 통해 외부로 배출된다. 그리고, 상기 회수싸이클론(208)에는 상기 수직형 통합반응기(224)가 연결되어 상기 회수싸이클론(208)에 의해 분리되는 고체흡수제는 상기 수직형 통합반응기(224)에 공급된다.
그리고, 상기 회수반응기(202)와 상기 수직형 통합반응기(224)를 연결하는 고체흡수제배출관(242)에는 회수반응에 필요한 수분을 추가적으로 공급하는 수분공급기(미도시)가 추가로 배치될 수 있다. 상기 수분공급기는 상기 고체흡수제배출관(242) 내부에 설치되거나 벽체에 연통되도록 설치되어 고체흡수제에 수분을 분무형태로 공급하는 복수의 노즐이 형성된 수분공급관일 수 있으며, 상기 수분공급관은 물을 공급하는 물공급원(미도시)에 연결된다. 또는 상기 수분공급관은 스팀공급원(미도시)에 연결되어 스팀을 직접 고체흡수제에 분무하는 것도 가능하다.
상기와 같이 구성되는 이산화탄소 포집장치(200)에 배가스가 배가스주입관(204)으로 공급되면, 상기 회수반응기(202) 내에서 고체흡수제와 함께 유동화되면서 상기 회수싸이클론(208)으로 공급된다.
그러면 회수싸이클론(208)에서 분리된 이산화산소를 흡수한 고체흡수제는 고체흡수제공급관(210)을 통해 상기 수직형 통합반응기(224)에 공급되어 상기 경사판(228,230,232)을 타고 하측으로 자중에 의해 내려간다. 이 때, 상기 열공급부(244,246)에 의해 고체흡수제가 재생되면서 이산화탄소는 상측으로 배출되고, 재생반응을 위해 가열된 고체흡수제가 하측으로 계속 이동한다. 또, 상기 회수싸이클론(208)에서 분리된 잔존가스는 잔존가스배출관(238)을 통해 외부로 배출된다.
상기 고체흡수제는 열흡수부(248)에 의해 냉각되면서 상기 회수반응기(202)로 복귀한다. 이 때, 상기 유동화챔버(236)로 공급되는 유동화가스에 의해 고체흡수제가 유동화되어 수평이동하게 된다. 다만, 도 3과 같이 유동화챔버(236)가 없는 수직형 통합반응기(225)를 가지는 이산화탄소 포집장치(201)에서는 자중에 의해 고체흡수제가 상기 회수반응기(202)에 공급된다.
그리고, 상기 이산화탄소배출관(238)으로 배출되는 이산화탄소가 상기 유량조절밸브(214), 수분제거기(240), 공급전환밸브(252), 및 블로워(220)를 거쳐 상기 유동화챔버(236)로 공급되어 고체흡수제를 냉각 및 유동화시키면서 고체흡수제배출관(242)을 통해 회수반응기(202)로 피드백시킨다. 상기 이산화탄소 포집장치(201)의 수직형 통합반응기(225)에서는 이산화탄소가 상기 하우징(227)의 하부로 공급되어 고체흡수제를 냉각시키고, 냉각된 고체흡수제가 고체흡수제배출관(242)을 통해 상기 회수반응기(202)에 공급된다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100,200,201: 이산화탄소 포집장치 102,202: 회수반응기
104,204: 배가스공급관 106,208: 회수싸이클론
108: 분리가스배출관 110: 재생반응기
112: 재생가스공급관 114: 재생싸이클론
116,238: 이산화탄소배출관 118: 전처리반응기
120: 전처리가스공급관 122: 전처리가스배출관
206: 회수반응기배출관 210: 고체흡수제공급관
212: 잔존가스배출관 214: 유량조절밸브
216: 외부배출관 218: 연결관
220: 블로워 222: 유동화가스주입관
224,225: 수직형 통합반응기 226,227: 하우징
228,230,232: 경사판 234: 안내판
236: 유동화가스챔버 238: 이산화탄소배출관
240: 수분제거기 242: 고체흡수제배출관
244,246: 열공급부 248: 열흡수부
250: 분배판 252: 공급전환밸브
254: 이산화탄소공급관

Claims (9)

  1. 내부에 공간을 가지고, 고체흡수제가 공급되는 고체흡수제공급관과, 고체흡수제가 배출되는 고체흡수제배출관과, 분리되는 이산화탄소가 배출되는 이산화탄소배출관을 가지는 하우징;
    상기 하우징의 내부에 유입되는 고체흡수제의 자중에 의한 낙하속도를 줄이는 하나 이상의 경사판;
    상기 하우징의 내부에 설치되어 상기 고체흡수제에 열을 공급하는 열공급부; 및
    상기 하우징의 내부에 상기 열공급부보다 하부에 설치되어 고체흡수제를 냉각시키는 열흡수부를 포함하는 수직형 통합반응기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열공급부는 상기 하우징의 내부에 설치되는 열공급관인 것을 특징으로 하는 수직형 통합반응기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 열흡수부는 상기 하우징의 내부에 설치되는 열흡수관인 것을 특징으로 하는 수직형 통합반응기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 이산화탄소배출관으로부터 배출되는 이산화탄소로부터 수분제거기에 의해 수분이 제거된 이산화탄소가 상기 하우징의 하부로 공급되어 고체흡수제를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 수직형 통합반응기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 하우징의 하부에는 유동화가스챔버가 형성돼서, 공급되는 유동화가스에 의해 상기 고체흡수제를 유동화하여 상기 고체흡수제배출관으로 배출시키며, 상기 유동화가스는 상기 이산화탄소배출관으로부터 배출되는 이산화탄소로부터 수분제거기에 의해 수분이 제거된 이산화탄소인 것을 특징으로 하는 수직형 통합반응기.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 이산화탄소배출관에는 배출되는 이산화탄소를 상기 하우징의 하부 또는 상기 유동화가스챔버로 공급하는 양을 조절하는 유량조절밸브가 설치되는 것을 특징으로 하는 수직형 통합반응기.
  7. 제5항에 있어서, 상기 유동화가스챔버에는, 최초 시동시 부족한 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소공급원이 연결되는 것을 특징으로 하는 수직형 통합반응기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 수직형 통합반응기;
    상기 수직형 통합반응기에 연결돼서 고체흡수제를 공급하는 회수싸이클론; 및
    상기 수직형 통합반응기로부터 공급되는 고체흡수제에 의해 외부로부터 유입되는 배가스로부터 이산화탄소를 흡수하여 상기 회수싸이클론으로 이산화탄소가 분리된 잔존가스와 이산화탄소를 흡수한 고체흡수제를 공급하는 회수반응기를 포함하는 이산화탄소 포집장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 회수반응기와 상기 수직형 통합반응기 사이에 고체흡수제를 조습하는 수분공급기가 추가로 배치되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치.
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