KR20160133092A - 연소가스의 선택적 분리 시스템 및 그 운영방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연소가스의 선택적 분리 시스템 및 그 운영방법에 관한 것으로서, 상세하게는 화석연료의 연소가스로부터 황산화물과 질소산화물을 분리하는 장치에 추가하여, 연소가스 내의 수증기, 질소 및 이산화탄소를 선택적으로 분리 회수할 수 있는 연소가스의 선택적 분리 시스템 및 그 운영방법에 관한 것이다.
본 발명의 연소가스의 선택적 분리 시스템은 연소가스로부터 황산화물, 질소산화물, 암모니아 중 어느 하나 이상을 분리하는 제1 분리막부, 제1 분리막부를 거친 연소가스로부터 수증기를 분리하는 탈수부, 탈수부를 거친 연소가스로부터 질소를 분리하는 제2 분리막부 및 제2 분리막부를 거친 연소가스로부터 이산화탄소를 포집하는 포집부를 포함함에 기술적 특징이 있다.

Description

연소가스의 선택적 분리 시스템 및 그 운영방법{Selective segregation system in combustion gas and its operation methods}
본 발명은 연소가스의 선택적 분리 시스템 및 그 운영방법에 관한 것으로서, 상세하게는 화석연료의 연소가스로부터 황산화물과 질소산화물을 분리하는 장치에 추가하여, 연소가스 내의 수증기, 질소 및 이산화탄소를 선택적으로 분리 회수할 수 있는 연소가스의 선택적 분리 시스템 및 그 운영방법에 관한 것이다.
최근 지구 온난화로 인해 전 세계적으로 이상 기후 현상이 발생할 뿐만 아니라, 생태계를 교란시키고 인간의 생활에도 큰 영향을 미치고 있다. 특히, 지구온난화 원인물질인 이산화탄소(CO2)는 연소 배기가스를 통해 상당히 많은 양이 대기 중으로 배출되고 있는 것으로 보고되고 있는 가운데, 대량의 화석 연료를 사용하는 화력발전소의 동력 발생 설비, 예컨대 보일러에서 배출되는 배기가스에서의 이산화탄소 포집 및 저장(Carbon capture & storage, CCS)에 대한 다양한 기술이 개발되고 있다.
이산화탄소 포집 기술은 포집 시점에 따라 연소 전, 연소 중 및 연소 후 포집 기술로 구분하는데, 연소 후 포집 방식은 분리 매체에 따라 다시 흡수법, 흡착법, 막 분리법 등으로 나눌 수 있으며 현재 산업적으로 널리 상용화된 기술은 흡수법을 이용한 공정이다. 흡수법은 아민, 탄산칼륨, 암모니아 수용액 등에 이산화탄소를 흡수하여 분리하는 방법으로 대용량 연소 배기가스 처리에 용이한 장점이 있으나 흡수제의 재생에너지 소비가 크고, 흡수제의 열화와 장치 부식문제와 반응속도가 느린 단점이 있다. 막 분리법은 연소 배기가스를 유기막이나 무기막 또는 액막으로 통과시켜 선택적으로 분리해내는 공정으로, 기존의 흡수법이나 흡착법보다 설치비용 및 운전비용이 저렴하며 이산화탄소 분리시 상 변화를 동반하지 않기 때문에 기본적으로 에너지효율이 높고 유해물질 배출이나 폐수 처리 등의 문제가 없는 환경친화형 청정공정이며, 막의 투과속도 향상과 모듈화에 의해 설비의 규모를 줄일 수 있고 설비 조작성이 우수한 장점이 있다.
한편, 화석 연료의 연소 후 배기가스에는 이산화탄소 뿐만 아니라 질소(N2), 산소(O2), 수증기(H2O), 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx), 더스트 등의 성분 물질이 포함되어 있다. 황산화물은 일반적으로 석탄, 석유 등의 화석연료에 포함된 황 성분이 연소에 의해 산소와 결합하여 발생하는 이산화황(SO2), 삼산화황(SO3) 및 황산(H2SO4) 미스트를 말하며, 대기 오염, 산성비 및 보일러 설비 등의 부식 원인이 되며, 질소산화물은 질소와 산소로 이루어진 화합물로서 연소에 의하여 발생하는 것은 주로 일산화질소(NO)인데, 이것이 대기 중에 방출되면 산화되어 이산화질소(NO2)가 된다. 이산화질소는 인체에 유해하며 고농도 아래에서는 폐기종, 기관지염 등 호흡기 질환의 원인이 된다. 따라서, 연소가스에 포함된 성분 물질을 선택적으로 분리하는 방법 또한 다양하게 연구되고 있다.
종래기술인 대한민국 공개특허 제2011-0028285호 "이산화탄소 정제"는 분리막을 이용하여 LNG 보일러의 배기가스에서 이산화탄소를 포집하는 방법에 관하여 기재하고 있다. 공정 단계에 따라 배기가스로부터 이산화탄소를 고농도로부터 저농도까지 다양하게 회수할 수 있지만 고농도의 이산화탄소를 배기가스로부터 포집하기 위해서는 다단계의 분리막 공정 및 추가되는 별도 공정이 필요하다.
한편, 실제 기체 분리막을 이용한 기체 분리 공정에서는 혼합기체 내에 다양한 불순물이 존재하며 특히 수분이 함유되어 있는데, 일반적인 기체 분리막의 경우 기체 투과시 수분에 노출될 경우 기체의 투과 효율이 점차 감소하는 문제점이 있다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 화석 연료의 연소 후 배출되는 배기가스로부터 황산화물, 질소산화물, 수증기, 질소 및 이산화탄소를 선택적으로 분리 회수하기 위한 목적이 있다.
또한, 연소가스로부터 수증기를 분리 회수함으로써 기체 분리막의 투과시 수분에 노출될 경우 기체의 투과 효율이 점차 감소하는 문제를 보완하기 위한 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은 연소가스의 선택적 분리 시스템에 있어서, 연소가스로부터 황산화물, 질소산화물, 암모니아 중 어느 하나 이상을 분리하는 제1 분리막부, 상기 제1 분리막부를 거친 연소가스로부터 수증기를 분리하는 탈수부, 상기 탈수부를 거친 연소가스로부터 질소를 분리하는 제2 분리막부 및 상기 제2 분리막부를 거친 연소가스로부터 이산화탄소를 포집하는 포집부를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 연소가스의 선택적 분리 시스템에 의해 달성된다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 연소가스의 선택적 분리 시스템의 운영방법에 있어서, 연소가스를 소정의 압력으로 유지하도록 압축기에서 압축하는 제1 단계, 연소가스로부터 황산화물, 질소산화물, 암모니아 중 어느 하나 이상을 제1 분리막부에서 분리하는 제2 단계, 연소가스로부터 수증기를 탈수부에서 분리하는 제3 단계 및 연소가스로부터 질소를 제2 분리막부에서 분리하는 제4 단계 및 상기 제2 분리막부를 거친 후 잔존하는 이산화탄소를 포집부에서 포집하는 제5 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연소가스의 선택적 분리 시스템의 운영방법에 의해 달성된다.
따라서, 본 발명의 연소가스의 선택적 분리 시스템 및 그 운영방법은 화석 연료의 연소 후 배출되는 배기가스로부터 황산화물, 질소산화물, 수증기, 질소 및 이산화탄소를 선택적으로 분리 회수하는 효과가 있다.
또한, 연소가스로부터 수증기를 분리 회수함으로써 기체 분리막의 투과시 수분에 노출될 경우 기체의 투과 효율이 점차 감소하는 문제를 보완하고, 이렇게 분리된 물은 탈황(Desulfurization) 과정에서 필요로 하는 용수로 제공하도록 재순환하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연소가스의 선택적 분리 시스템의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 연소가스의 선택적 분리 시스템의 운영방법에 관한 순서도이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 연소가스의 선택적 분리 시스템의 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 연소가스의 선택적 분리 시스템은 연소가스로부터 황산화물, 질소산화물, 암모니아 중 어느 하나 이상을 분리하는 제1 분리막부(200), 상기 제1 분리막부를 거친 연소가스로부터 수증기를 분리하는 탈수부(300), 상기 탈수부(300)를 거친 연소가스로부터 질소를 분리하는 제2 분리막부(400) 및 상기 제2 분리막부(400)를 거친 연소가스로부터 이산화탄소를 포집하는 포집부(500)를 포함하여 구성한다.
연소가스는 상기 제1 분리막부(200)로 유입되는 연소가스의 공급량을 일정하게 유지하기 위하여 구비된 버퍼 탱크(110)를 통과하도록 하고 또한, 약 5 ~ 10 ㎛ 크기의 기공을 갖는 더스트 필터(120)를 구비하여 더스트를 여과한 후에 하기의 압축기(130)로 유입되도록 한다..
상기 더스트 필터(120)를 통과 후 상기 제1 분리막부(200)로 유입되는 연소가스의 압력을 일정하게 유지하도록 하기 위하여 추가로 압축기(130)를 구비한다. 상기 압축기(130)는 유입된 연소가스의 압력을 약 3 ~ 5 kg/cm2에 해당하는 소정의 압력으로 유지하면서 상기 제1 분리막부(200)로 유입되도록 함으로써, 상기 제1 분리막부(200)에서의 분리 효율을 저하시키지 않도록 하기 위함이다.
상기 제1 분리막부(200)는 기체 분리막을 이용하며, 연소가스로부터 황산화물, 질소산화물, 암모니아 중 어느 하나 이상을 기체 분자의 크기에 따라 분리하며, 약 섭씨 80 ~ 90도 범위에서 사용되는 일반적인 세라믹 계열의 기체 분리막을 사용할 수 있다.
연소가스에 포함된 각 성분 기체 분자들의 크기는 온도 조건 등 연소 상태에 따라 다를 수 있지만, 황산화물, 질소산화물, 암모니아는 약 0.38 ㎚ 이상이고, 질소는 약 0.3 ㎚이며, 수증기, 이산화탄소, 일산화탄소, 산소는 약 0.28 ㎚이다.
상기 탈수부(300)는 약 섭씨 15 ~ 25 도에 해당하는 상온의 물을 냉각수로 이용하는 열교환 형식의 응축기로 구성하며, 연소가스에 포함된 수증기를 냉각시켜 물로 변환하여 분리하도록 한다. 실제 기체 분리 공정에서는 다양한 불순물이 존재하며 특히 수분이 함유되어 있는데, 일반적인 고분자 분리막 및 탄소 분리막의 경우 기체 투과시 수분에 노출될 경우 기체의 투과도가 점차 감소하는 문제를 보완하도록 한다.
또한, 이렇게 분리된 상기 물은 탈황 장치(미도시)에서 황산화물을 화학적으로 분리하는데 필요로 하는 용수의 약 30 ~ 40 %를 제공할 수 있도록 재순환(Recycle)하여 재사용하는데, 마찬가지로 물을 용수로 사용하는 다른 공정에도 재사용하도록 할 수 있다.
상기 제2 분리막부(400)는 그래핀층과 세라믹층을 순차적으로 적층하여 형성한 기체 분리막으로, 기체 분자 크기에 따라 연소가스에 포함된 질소 기체를 분리하도록 한다. 상기 제2 분리막부(400)를 통과한 연소가스에는 고농도의 이산화탄소만 잔존하게 되며, 최종적으로 상기 포집부(500)에서 이산화탄소를 분리 포집할 수 있게 된다.
한편, 상기 제1 분리막부(200) 및 상기 제2 분리막부(400)에 의해 연소가스로부터 분리되는 황산화물, 질소산화물, 암모니아, 질소 등은 약 790 mmH2O의 저압 상태의 스택 장치(140)에 분리 포집하도록 한다.
도 2는 본 발명에 따른 연소가스의 선택적 분리 시스템의 운영방법에 관한 순서도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 연소가스를 소정의 압력으로 유지하도록 압축기에서 압축하는 제1 단계, 연소가스로부터 황산화물, 질소산화물, 암모니아 중 어느 하나 이상을 제1 분리막부에서 분리하는 제2 단계, 연소가스로부터 수증기를 탈수부에서 분리하는 제3 단계, 연소가스로부터 질소를 제2 분리막부에서 분리하는 제4 단계 및 상기 제2 분리막부를 거친 후 잔존하는 이산화탄소를 포집부에서 포집하는 제5 단계를 포함하여 이루어진다.
상세하게는, 연소가스 내에 포함된 더스트를 상기 더스트 필터(120)에서 여과하여 집진하고(S10), 연소가스를 상기 압축기(130)로 압축하게 되는데(S20), 연소가스를 소정의 압력을 유지하면서 상기 제1 분리막부(200)로 유입되도록 하여 분리 효율을 일정하게 유지하도록 한다.
한편, 연소가스를 상기 압축기(130)로 보낼 때 연소가스의 공급량을 일정하게 유지하기 위하여, 연소가스가 상기 더스트를 여과하는 단계(S10)의 이전 또는 이후 단계에 상기 버퍼 탱크(110)를 거치도록 할 수 있다.
상기 제1 분리막부(200)에서는 상기 압축기(130)를 거친 연소가스로부터 황산화물, 질소산화물, 암모니아 중 어느 하나 이상을 기체 분리막 방식을 이용하여 분자 크기에 따라 분리하도록 한다(S30).
다음으로는 상기 탈수부(300)에서 상온의 냉각수를 이용하여 연소가스에 포함된 수증기를 물로 변환하여 분리하게 되며(S40), 분리된 상기 물은 황산화물을 화학적으로 분리하는 탈황 장치 등에서 필요로 하는 용수로 재순환하도록 한다(S50).
기체 분리막을 이용하여 기체를 분리 포집할 때에 큰 영향을 미치는 수증기까지 분리된 연소가스로부터 상기 제2 분리막부(400)에서 기체 분자 크기에 따라 질소를 분리하면(S60), 최종적으로 연소가스는 순도 95% 이상의 이산화탄소만 잔존하게 되며 상기 포집부(500)에서 이산화탄소를 포집하게 된다(S70).
상기 제1 분리막부(200) 및 상기 제2 분리막부(400)에 의해 연소가스로부터 분리되는 황산화물, 질소산화물, 암모니아, 질소 등은 스택 장치(140)에 분리 포집하도록 한다(S80).
한편, 연소가스가 상기 제1 분리막부(200) 및 상기 탈수부(300)를 거치게 되면서 연소가스의 압력이 감소한 경우에는, 소정 압력으로 유지하기 위하여 연소가스를 압축하는 단계를 추가로 거친 후 상기 제2 분리막부(400)로 유입되도록 함으로써 기체 분리 효율을 일정하게 유지하도록 한다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
110 : 버퍼 탱크 120 : 더스트 필터
130 : 압축기 140 : 스택 장치
200 : 제1 분리막부 300 : 탈수부
400 : 제2 분리막부 500 : 포집부

Claims (9)

  1. 연소가스의 선택적 분리 시스템에 있어서,
    연소가스로부터 황산화물, 질소산화물, 암모니아 중 어느 하나 이상을 분리하는 제1 분리막부;
    상기 제1 분리막부를 거친 연소가스로부터 수증기를 분리하는 탈수부;
    상기 탈수부를 거친 연소가스로부터 질소를 분리하는 제2 분리막부; 및
    상기 제2 분리막부를 거친 연소가스로부터 이산화탄소를 포집하는 포집부
    를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 연소가스의 선택적 분리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 분리막부는 그래핀층과 세라믹층을 순차적으로 적층하여 형성한 기체 분리막으로 구성하며, 기체 분자 크기에 따라 질소를 분리하고 이산화탄소를 통과시키는 것을 특징으로 하는 연소가스의 선택적 분리 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 분리막부로 유입되는 연소가스의 압력을 3 ~ 5 kg/cm2로 유지하도록 압축하는 압축기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연소가스의 선택적 분리 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 탈수부는 상온의 냉각수를 이용하는 열교환 형식의 응축기로 구성하여, 연소가스에 포함된 수증기를 물로 변환하여 분리하는 것을 특징으로 하는 연소가스의 선택적 분리 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    변환하여 분리된 상기 물은 탈황 장치에서 필요로 하는 용수로 재순환하도록 하는 것을 특징으로 하는 연소가스의 선택적 분리 시스템.
  6. 연소가스의 선택적 분리 시스템의 운영방법에 있어서,
    연소가스를 소정의 압력으로 유지하도록 압축기에서 압축하는 제1 단계;
    연소가스로부터 황산화물, 질소산화물, 암모니아 중 어느 하나 이상을 제1 분리막부에서 분리하는 제2 단계;
    연소가스로부터 수증기를 탈수부에서 분리하는 제3 단계;
    연소가스로부터 질소를 제2 분리막부에서 분리하는 제4 단계; 및
    상기 제2 분리막부를 거친 후 잔존하는 이산화탄소를 포집부에서 포집하는 제5 단계
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연소가스의 선택적 분리 시스템의 운영방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제3 단계는 상온의 냉각수를 이용하는 열교환 형식의 응축기를 이용하여, 연소가스에 포함된 수증기를 물로 변환하여 분리하는 것을 특징으로 하는 연소가스의 선택적 분리 시스템의 운영방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제3 단계에서 변환하여 분리된 상기 물을 탈황 장치에서 필요로 하는 용수로 재순환하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 연소가스의 선택적 분리 시스템의 운영방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 제4 단계는 그래핀층과 세라믹층을 순차적으로 적층하여 형성한 기체 분리막을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연소가스의 선택적 분리 시스템의 운영방법.
















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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102231419B1 (ko) * 2020-11-12 2021-03-23 이범섭 탈질효율을 높인 연소가스 처리 시스템

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