KR20170011889A - 산성가스 흡수 장치 및 이를 이용한 산성가스 흡수 방법 - Google Patents

산성가스 흡수 장치 및 이를 이용한 산성가스 흡수 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산성가스 흡수 장치 및 이를 이용한 산성가스 흡수 방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 산성가스 흡수장치는 산성가스에 포함된 황화수소를 흡수하여 1차 처리가스를 배출하는 제1 흡수탑; 상기 배출된 1차 처리가스를 냉각하여 제2 흡수탑으로 공급하는 제2 열교환기; 상기 제2 열교환기로부터 배출된 1차 처리가스가 유입되며, 1차 처리가스에 포함된 이산화탄소를 흡수하여 2차 처리가스 및 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 배출하는 제2 흡수탑; 상기 제2 흡수탑으로부터 배출된 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 감압하여 냉각 이산화탄소와 재생 흡수제로 분리하는 감압기; 상기 제1 흡수탑의 전단에 구비되어 산성가스를 열교환하여 제1 흡수탑으로 공급하는 제1 열교환기;를 포함하며, 상기 제1 열교환기의 후단, 상기 제2 열교환기의 전단 및 상기 제2 열교환기의 후단 중 최소한 하나에는 제3 열교환기가 구비되며, 상기 감압기에서 분리된 냉각 이산화탄소는 상기 제3 열교환기로 유입된다.

Description

산성가스 흡수 장치 및 이를 이용한 산성가스 흡수 방법 {ACID GAS ABSORBING APPARATUS AND METHOD FOR ABSORBING ACID GAS USING THE SAME}
본 발명은 산성가스 흡수 장치 및 이를 이용한 산성가스 흡수 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 공정 운전 에너지 효율성이 우수한 산성가스 흡수 장치 및 이를 이용한 산성가스 흡수 방법에 관한 것이다.
산업화가 시작된 19세기 초반부터 에너지 산업에서 사용되는 석탄, 석유, LNG 등의 화석연료의 사용 증가로 인하여 대기 중에 이산화탄소(CO2), 황 화수소(H2S) 및 황화카르보닐(COS) 등의 산성 가스 농도가 급격하게 증가하였다. 상기 산성 가스, 특히 이산화탄소는 지구를 온난화시키는 것이 밝혀지면서, 세계적으로 배출 및 처리에 대한 규제가 엄격해지고 있다. 1992년 6월 브라질 리우에서 열린 환경과 개발에 관한 UN 회의를 통하여 지구온난화에 대한 국제적 관 심을 불러 일으켰고, 미국과 일본을 포함한 선진국들은 지구온실가스 배출량을 1990년 대비 5.2% 감축하기로 합의하는 등 산성가스 저감방안에 대한 국제적 합의가 이루어지고 있다.
이산화탄소 배출 증가를 억제하기 위한 기술로서는, 이산화탄소 배출감소를 위한 에너지절약기술, 이산화탄소의 포집 및 저장 기술(Carbon dioxide capture and storage, CCS), 이산화탄소를 이용 및 고정화하는 기술, 및 이산화탄소를 배출하지 않는 대체에너지기술 등이 있다. 이러한 CCS 기술 중 포집기술이 전체 기술비용의 상당 부분을 차지하고 있다. 지금까지 연구되고 있는 기술로는 이산화탄소의 처리 위치에 따라 연소전, 연소중 및 연소후 방법으로 나누어지며, 처리 방법에 따라 흡수법, 흡착법, 막분리법 및 심냉법 등으로 구분할 수 있다. 이 중 흡수법이 좀 더 현실성 있는 대안으로 제시되어 활발하게 연구되고 있다.
가스화 공정은 석유나 석탄 등을 연료로 하여 고온, 고압에서 가스화시켜 전기를 생산하거나 합성가스를 생산하는 방법으로, 한편, 가스화 복합발전(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC) 및 합성천연가스(Synthetic Natural Gas) 발전 등이 있다.
상기 IGCC는 중질잔사유 등의 저급연료를 활용한 고효율, 환경친화적 에너지 생산기술로 석탄액화 등 가스화를 통해 일산화탄소(CO) 및 수소(H2) 등을 포함하는 가스를 제조하여 정제한 후, 가스-증기 터빈을 구동하여 에너지를 생산하는 기술이다. 이러한 IGCC의 경우 기존 보일러를 이용한 화력발전소보다 효율이 높으며, 상기 IGCC에서 이산화탄소를 처리할 경우 기존 연소 후 포집 방법보다 경제적으로 이산화탄소를 제거할 수 있다고 알려져 있다. 또한 IGCC에서 이산화탄소를 포집하기 위해서는 물리흡수제를 이용한 고압에서의 연소전 포집 방법이 가장 효율적으로 알려져 있다. 그러나 상기 물리흡수제는 특성상 저온에서 이산화탄소를 흡수하여야 하는 특징을 갖게 되어 공정 중에 많은 냉각기를 사용하게 되는데, 이러한 냉각기의 사용은 공정 중 에너지 사용량을 높여 전체 공정의 효율을 저감시킬 수 있다.
본 발명과 관련한 선행기술로는 대한민국 공개특허공보 제 2010-0018974호(2010.02.18. 공개, 발명의 명칭: 이산화탄소의 분리 회수 방법)에 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 공정 운전시 에너지 효율성 및 경제성이 우수한 산성가스 흡수 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 산성가스 흡수 효율이 우수한 산성가스 흡수 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 산성가스 흡수 장치를 이용한 가스 흡수 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 관점은 산성가스 흡수 장치에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 산성가스 흡수 장치는 산성가스에 포함된 황화수소를 흡수하여 1차 처리가스를 배출하는 제1 흡수탑; 상기 배출된 1차 처리가스를 냉각하여 제2 흡수탑으로 공급하는 제2 열교환기; 상기 제2 열교환기로부터 배출된 1차 처리가스가 유입되며, 1차 처리가스에 포함된 이산화탄소를 흡수하여 2차 처리가스 및 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 배출하는 제2 흡수탑; 상기 제2 흡수탑으로부터 배출된 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 감압하여 냉각 이산화탄소와 제1 재생 흡수제로 분리하는 감압기; 상기 제1 흡수탑의 전단에 구비되어 산성가스를 열교환하여 제1 흡수탑으로 공급하는 제1 열교환기;를 포함하며, 상기 제1 열교환기의 후단, 상기 제2 열교환기의 전단 및 상기 제2 열교환기의 후단 중 최소한 하나에는 제3 열교환기가 구비되며, 상기 감압기에서 분리된 냉각 이산화탄소는 상기 제3 열교환기로 유입된다.
한 구체예에서 상기 산성가스 흡수 장치는 제1 흡수탑에서 배출된 황화수소를 흡수한 흡수제가 유입되며, 상기 흡수제에 포함된 황화수소를 제거하여 제2 재생 흡수제를 생성하는 탈거탑;을 더 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 탈거탑에서 생성된 제2 재생 흡수제는 상기 제2 흡수탑에 유입될 수 있다.
한 구체예에서 상기 탈거탑의 전단에 구비되어, 상기 탈거탑으로 유입되는 황화수소가 흡수된 흡수제 및 상기 탈거탑에서 생성된 제2 재생 흡수제 사이에 열교환이 이루어지는 제4 열교환기;를 더 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 제4 열교환기 후단에는 제1 냉각기가 구비되어, 상기 열교환된 제2 재생 흡수제를 냉각하여 상기 제2 흡수탑에 유입할 수 있다.
한 구체예에서 상기 감압기에서 생성된 제1 재생 흡수제는 상기 제2 흡수탑으로 유입될 수 있다.
한 구체예에서 상기 흡수제는 각각 메탄올, 디메틸에테르폴리에틸렌글리콜 및 엔-메틸-2-피롤리돈을 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 제3 열교환기는 상기 제1 열교환기의 후단에 위치되어, 상기 산성가스를 -20℃~20℃로 냉각할 수 있다.
한 구체예에서 상기 제3 열교환기는 상기 제2 열교환기 전단에 위치되어 상기 1차 처리가스를 -20℃~20℃로 냉각할 수 있다.
한 구체예에서 상기 제3 열교환기는 상기 제2 열교환기 후단에 위치되어 상기 제2 열교환기를 통과한 1차 처리가스를 -20℃~20℃로 냉각할 수 있다.
본 발명의 다른 관점은 상기 산성가스 흡수 장치를 이용한 산성가스 흡수 방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 산성가스 흡수 방법은 제1 흡수탑에 유입된 산성가스에 포함된 황화수소를 흡수하여 1차 처리가스를 배출하는 단계; 상기 배출된 1차 처리가스를 제2 열교환기 유입하여 냉각하는 단계; 및 상기 제2 열교환기로부터 배출된 1차 처리가스를 제2 흡수탑에 유입하여, 상기 1차 처리가스에 포함된 이산화탄소를 흡수하여 2차 처리가스 및 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 배출하는 단계;를 포함하고, 상기 제2 흡수탑으로부터 배출된 이산화탄소가 흡수된 흡수제는 감압기에 유입되어 감압하여 냉각 이산화탄소와 제1 재생 흡수제로 분리하고; 상기 산성가스는 상기 제1 흡수탑의 전단에 구비된 제1 열교환기에 유입되어 열교환되어 제1 흡수탑으로 공급되고, 상기 제1 열교환기의 후단, 상기 제2 열교환기의 전단 및 상기 제2 열교환기의 후단 중 최소한 하나에는 제3 열교환기가 구비되며, 상기 감압기에서 분리된 냉각 이산화탄소는 상기 제3 열교환기로 유입된다.
한 구체예에서 상기 제1 흡수탑에서 배출된 황화수소를 흡수한 흡수제는 탈거탑에 유입되어, 상기 흡수제에 포함된 황화수소를 제거하여 제2 재생 흡수제를 생성할 수 있다.
한 구체예에서 상기 제3 열교환기는 상기 제1 열교환기의 후단에 위치되어, 상기 산성가스를 -20℃~20℃로 냉각할 수 있다.
한 구체예에서 상기 제3 열교환기는 상기 제2 열교환기 전단에 위치되어 상기 1차 처리가스를 -20℃~20℃로 냉각할 수 있다.
한 구체예에서 상기 제3 열교환기는 상기 제2 열교환기 후단에 위치되어 상기 제2 열교환기를 통과한 1차 처리가스를 -20℃~20℃로 냉각할 수 있다.
본 발명의 산성가스 흡수 장치를 적용하여 산성가스를 흡수시, 산성가스의 흡수 효율이 우수하고, 산성가스 처리 공정 운전시, 에너지 효율성이 우수하며, 냉각 효율 증가로 인한 열교환기의 용매 사용량을 저감할 수 있어 운전시 비용 절감 효과가 우수하여 경제성이 우수할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 산성가스 흡수 장치를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 구체예에 따른 산성가스 흡수 장치를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 산성가스 흡수 장치를 나타낸 것이다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 하나의 관점은 산성가스 흡수 장치에 관한 것이다. 도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 산성가스 흡수 장치(500)를 나타낸 것이다. 상기 도 1을 참조하면 상기 산성가스 흡수 장치(500)는 산성가스에 포함된 황화수소를 흡수하여 1차 처리가스를 배출하는 제1 흡수탑(110); 상기 배출된 1차 처리가스를 냉각하여 제2 흡수탑(120)으로 공급하는 제2 열교환기(220); 제2 열교환기(220)로부터 배출된 1차 처리가스가 유입되며, 1차 처리가스에 포함된 이산화탄소를 흡수하여 2차 처리가스 및 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 배출하는 제2 흡수탑(120); 제2 흡수탑(120)으로부터 배출된 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 감압하여 냉각 이산화탄소와 제1 재생 흡수제로 분리하는 감압기; 제1 흡수탑(110)의 전단에 구비되어 산성가스를 열교환하여 제1 흡수탑(110)으로 공급하는 제1 열교환기(210);를 포함하며, 제1 열교환기(210)의 후단, 제2 열교환기(220)의 전단 및 제2 열교환기(230)의 후단 중 최소한 하나에는 제3 열교환기(230)가 구비되며, 상기 감압기에서 분리된 냉각 이산화탄소는 제3 열교환기(230)로 유입된다.
본 발명에서 산성가스는, 가스화 복합발전(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC)에서 석탄 등의 화석연료를 가스화시에 제조되는 합성가스이며, 이산화탄소 및 황화수소 등의 산성 화합물을 포함할 수 있다.
상기 도 1을 참조하면, 가스화기를 지난 고압의 산성가스는 가스공급부(10)를 통해 제1 열교환기(210)를 지나 제1 흡수탑(110)으로 유입되어 흡수제와 접촉하여, 산성가스에 포함된 황화수소가 흡수되어 1차 처리가스가 생성된다. 그 다음에, 상기 황화수소 처리된 1차 처리가스는, 이산화탄소 흡수 효율 향상을 위해 제2 열교환기(220)를 통과하여 냉각되고, 제2 흡수탑(120)으로 유입되어, 흡수제와 접촉하여 이산화탄소가 제거되어 2차 처리가스가 생성된다. 상기와 같이 산성가스에 포함된 황화수소 및 이산화탄소를 제거시, 터빈 시설의 부식 방지효과가 우수할 수 있다.
상기 도 1을 참조하면, 상기 생성된 2차 처리가스는 처리가스 이송부(80)로 이송되어, 열교환기(101)를 지나 터빈 내부로 이송된다.
본 발명의 한 구체예에서 상기 흡수제는 각각 메탄올(methanol), 디메틸에테르 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol dimethyl ether) 및 엔-메틸-2-피롤리돈(N-methyl-2-pyrrolidone)을 포함할 수 있다. 상기 종류의 화합물을 포함시, 상기 산성 가스에 포함된 황화수소 및 이산화탄소의 흡착 제거 효율이 우수할 수 있다.
상기 도 1을 참조하면, 산성가스 흡수장치(500)는 제1 흡수탑(110)에서 배출된 황화수소를 흡수한 흡수제가 유입되며, 상기 흡수제에 포함된 황화수소를 제거하여 제2 재생 흡수제를 생성하는 탈거탑(130);을 더 포함할 수 있다.
한 구체예에서, 제1 흡수탑(110)에서 배출된 상기 제1 처리가스는, 제2 이송부(30)를 통해 탈거탑(130)에 유입될 수 있다. 탈거탑(130)에서 상기 흡수제는 황화수소 성분이 제거되어 제2 재생 흡수제로 생성된다. 구체예에서 상기 재생은, 상기 흡수제를 110℃~140℃의 온도 및 1x10- 1bar~1x102bar의 조건에서 제거할 수 있다. 이때, 가열수단(122)에 의해 열에너지를 공급할 수 있다.
한 구체에에서 가열수단(134)으로는 케틀형(Kettle type) 리보일러를 사용할 수 있다. 상기 케틀형 리보일러를 사용시 경제성이 우수할 수 있다.
탈거탑(130)에서 상기 흡수제의 탈거시 발생하는 산성가스 및 수증기의 혼합기체는, 가스 배출부(132)를 통해 배출되어, 별도로 회수될 수 있다.
상기 도 1을 참조하면, 탈거탑(130)의 전단에는 제4 열교환기(240)가 구비될 수 있다. 제4 열교환기(240)는 제2 이송부(30)를 통해 탈거탑(130)으로 유입되는 흡수제와, 탈거탑(130)에서 재생되어 제4 이송부(50)를 통해 제2 흡수탑(120)으로 유입되는 제2 재생 흡수제를 열교환 하여 온도를 낮추어 제2 흡수탑(120)으로 이송할 수 있다.
또한 상기 도 1을 참조하면, 제4 열교환기(240)의 후단에는 제1 냉각기(310)가 구비되어, 제4 열교환기(240)에서 열교환된 상기 제2 재생 흡수제를 냉각하여, 제2 흡수탑(120)에 유입할 수 있다. 상기와 같이 제2 재생 흡수제의 온도를 저하시켜 유입시 황화수소 및 이산화탄소에 대한 흡수 반응성이 증가하여, 공정 효율성이 우수할 수 있다.
상기 도 1을 참조하면, 제2 흡수탑(120)에서 배출된 상기 흡수제는, 제3 이송부(40)에 유입되어 감압기에서 재생되어, 제1 재생 흡수제 및 냉각 이산화탄소가 생성된다. 한 구체예에서 상기 감압기는, 2단 내지 3단으로 구성될 수 있다. 예를 들면 상기 도 1과 같이, 제1 감압기(140) 및 제2 감압기(150)로 구성될 수 있다.
상기 감압기에서 생성된 상기 제1 재생 흡수제는, 제5 이송부(60)를 통하여 제2 흡수탑(120)으로 유입될 수 있다. 상기와 같이 감압된 저온의 제1 재생 흡수제를 사용시, 상기 1차 처리가스와의 반응성이 증가되어, 이산화탄소 제거 효율이 증가할 수 있다.
한 구체예에서 상기 감압기에 유입된 흡수제로부터 감압에 의해 분리된 냉각 이산화탄소는 냉각매체로 사용된다. 도 1을 참조하면, 상기 감압기에서 분리된 냉각 이산화탄소는 제6 이송부(70)를 통해 제1 흡수탑(110) 및 제2 흡수탑(120) 사이에 구비된 제3 열교환기(230)로 유입되어, 제1 이송부(20)를 통해 유입되는 1차 처리가스와 열교환 된다.
상기 도 1을 참조하면, 제3 열교환기(230)는 제2 열교환기(220) 후단에 위치되어 제2 열교환기(220)를 통과한 1차 처리가스를 -20℃~20℃로 냉각할 수 있다
좀 더 구체적으로 제3 열교환기(230)는 제2 열교환기(220)의 후단과 제2 흡수탑(120) 전단 사이에 위치되어, 제1 감압기(140) 및 제2 감압기(150)에서 분리된 이산화탄소와 제2 열교환기(220)를 통과한 상기 1차 처리가스를 열교환 할 수 있다. 상기와 같이 열교환시, 별도의 냉각기 사용 없이 제2 흡수탑(120)에 유입되는 1차 처리가스의 온도를 낮출 수 있어, 상기 흡수제와의 반응성이 증가되어, 이산화탄소 제거 효율이 증가할 수 있다.
한 구체예에서, 제3 열교환기(230)를 통과하는 상기 1차 처리가스는 -20℃~20℃로 냉각될 수 있다. 상기 범위로 냉각시 이산화탄소 제거 효율이 증가할 수 있다. 예를 들면 -20℃~-5℃로 냉각될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 구체예에 따른 산성가스 흡수 장치(600)를 나타낸 것이다. 상기 도 2를 참조하면, 한 구체예에서 제3 열교환기(231)는 제2 열교환기(220)의 전단에 위치되어, 상기 1차 처리가스를 -20℃~20℃로 냉각할 수 있다.
좀 더 구체적으로 제3 열교환기(231)는 제1 흡수탑(110) 후단과 제2 열교환기(220) 전단 사이에 위치되어, 제1 감압기(140) 및 제2 감압기(150)에서 분리된 이산화탄소와 상기 1차 처리가스를 열교환 한 다음, 제2 열교환기(220)로 유입하여 열교환할 수 있다. 상기와 같이 제3 열교환기(231)를 구비시, 제2 열교환기(220)의 냉각매체 사용량을 절감할 수 있다.
한 구체예에서, 제3 열교환기(231)를 통과하는 상기 1차 처리가스는 -20℃~20℃로 냉각될 수 있다. 상기 범위로 냉각시 이산화탄소 제거 효율이 증가할 수 있다. 예를 들면 -20℃~-5℃로 냉각될 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 산성가스 흡수 장치(700)를 나타낸 것이다. 상기 도 3을 참조하면 한 구체예에서 제3 열교환기(232)는 제1 열교환기(210) 후단에 위치되어 상기 산성가스를 -20℃~20℃로 냉각할 수 있다.
좀 더 구체적으로 제1 열교환기(210)의 후단과 제1 흡수탑(110) 전단 사이에 제3 열교환기(232)가 구비되어, 상기 분리된 이산화탄소는, 가스공급부(10)를 통해 유입되는 산성가스와 열교환 될 수 있다. 상기와 같이 제3 열교환기(232)를 구비시, 제1 흡수탑(110)에 유입되는 산성가스의 온도를 최대한 낮추어 황화수소 제거 효율이 우수할 수 있다.
한 구체예에서, 제3 열교환기(232)를 통과하는 상기 산성가스는 -20℃~20℃로 냉각될 수 있다. 상기 범위로 냉각시 이산화탄소 제거 효율이 증가할 수 있다. 예를 들면 -20℃~-5℃로 냉각될 수 있다.
상기 도 1 내지 도 3을 참조하면, 제2 흡수탑(120)에서 배출된 흡수제는, 유로변경수단(400)을 제어하여 제7 이송부(90)로 유로를 변경하여, 제1 흡수탑(110)으로 이송될 수 있다. 이때, 상기 배출된 흡수제는, 제7 이송부(90)에 제2 냉각기(320) 및 제3 냉각기(330)를 통해 냉각되어 제1 흡수탑(110)으로 이송될 수 있다.
본 발명의 다른 관점은 상기 산성가스 흡수 장치를 이용한 산성가스 흡수 방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 산성가스 흡수 방법은 제1 흡수탑에 유입된 산성가스에 포함된 황화수소를 흡수하여 1차 처리가스를 배출하는 단계; 상기 배출된 1차 처리가스를 제2 열교환기 유입하여 냉각하는 단계; 및 상기 제2 열교환기로부터 배출된 1차 처리가스를 제2 흡수탑에 유입하여, 상기 1차 처리가스에 포함된 이산화탄소를 흡수하여 2차 처리가스 및 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 배출하는 단계;를 포함한다.
상기 제2 흡수탑으로부터 배출된 이산화탄소가 흡수된 흡수제는 감압기에 유입되어 감압하여 냉각 이산화탄소와 제1 재생 흡수제로 분리하고; 상기 산성가스는 상기 제1 흡수탑의 전단에 구비된 제1 열교환기에 유입되어 열교환되어 제1 흡수탑으로 공급되고, 상기 제1 열교환기의 후단, 상기 제2 열교환기의 전단 및 상기 제2 열교환기의 후단 중 최소한 하나에는 제3 열교환기가 구비되며, 상기 감압기에서 분리된 냉각 이산화탄소는 상기 제3 열교환기로 유입된다.
한 구체예에서 상기 제3 열교환기는 상기 제1 열교환기의 후단에 위치되어, 상기 산성가스를 -20℃~20℃로 냉각할 수 있다.
한 구체예에서 상기 제3 열교환기는 상기 제2 열교환기 전단에 위치되어 상기 1차 처리가스를 -20℃~20℃로 냉각할 수 있다.
한 구체예에서 상기 제3 열교환기는 상기 제2 열교환기 후단에 위치되어 상기 제2 열교환기를 통과한 1차 처리가스를 -20℃~20℃로 냉각할 수 있다.
상기와 같이 감압기를 통해 재분리된 냉각 이산화탄소 스트림을 이용하여, 전체 산성가스 흡수 공정의 열효율 향상을 도출함으로써 전체공정의 에너지 사용량 및 공정 운전비용을 획기적으로 절감할 수 있다.
물리흡수제를 사용하는 산성가스 포집공정에서는 흡수탑에 유입되는 가스상(처리대상가스)의 온도가 낮을수록 또는 유입되는 액체상(흡수제)의 온도가 낮을수록 가스상과 액체상의 반응이 활발하게 일어나 동일 유량에서 처리효율이 증대되는데 이를 위해 공정의 흡수탑 전단에 가스-가스 열교환기를 설치하고, 감압기를 통해 재분리된 -20℃ 내외의 저온의 이산화탄소를 냉각매체로 사용하여 열교환기에 통과시키고, 흡수탑 전단의 가스상은 저온의 이산화탄소와 열교환을 할 수 있도록 교차통과시켜 온도를 낮게 유지시킬 수 있도록 새로운 스트림을 구성함으로써 흡수탑 주입전의 가스상에 대한 냉각효율 증대 및 공정의 에너지 사용량 절감효과가 우수할 수 있다.
즉, 본 발명은 고압 산성가스 포집 공정에서 주요 공정 성능지표 중 하나인 냉각 효율 증대를 통해 공정의 에너지 효율을 향상될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
실시예 1
도 1과 같은 산성가스 흡수장치(500)를 적용하여, 산성가스를 흡수하였다. 가스공급부(10)를 통해 석탄 가스화 공정에서 생성된 산성가스를 제1 흡수탑(110)에 유입하고, 상기 산성가스와 메탄올, 디메틸에테르폴리에틸렌글리콜 및 엔-메틸-2-피롤리돈을 포함하는 흡수제와 접촉하여 상기 유입된 산성가스에 포함된 황화수소를 흡수하여 1차 처리가스를 생성하였다.
제1 흡수탑(110)에서 배출된 1차 처리가스를 제1 이송부(20)를 통하여 제2 흡수탑(120)으로 유입하고, 상기 유입된 1차 처리가스와 상기 흡수제와 동일한 조성의 흡수제를 접촉하여 상기 1차 처리가스에 포함된 이산화탄소를 흡수하여 2차 처리가스를 형성하였다.
제1 흡수탑(110)에서 배출된 상기 흡수제는, 제2 이송부(30)를 통해 탈거탑(130)으로 유입하고, 가열수단(134)을 통해 탈거탑(130) 내부를 대기압 조건에서 110℃~140℃의 온도로 가열하여 상기 유입된 흡수제로부터 황화수소를 제거하여 제2 재생 흡수제를 생성하였다.
제2 흡수탑(120))에서 배출된 상기 흡수제는, 제3 이송부(40)를 통해 제1 감압기(140) 및 제2 감압기(150)를 차례로 거쳐, 상기 유입된 흡수제로부터 이산화탄소를 분리하여 제1 재생 흡수제 및 냉각 이산화탄소를 생성하였다.
탈거탑(130)에서 생성된 제2 재생 흡수제는, 제4 이송부(50)를 통해 제2 흡수탑(120)에 유입하였고, 제1 감압기(140)및 제2 감압기(150)에서 생성된 제1 재생 흡수제는, 제5 이송부(60)를 통하여 상기 제2 흡수탑(120)으로 유입하였다.
이때 탈거탑(130) 전단에 구비된 제4 열교환기(240)를 통해, 제2 이송부(30)를 통해 탈거탑(130)으로 유입되는 흡수제 및 탈거탑(130)에서 배출되어 제2 흡수탑(120)으로 유입되는 제2 재생 흡수제 사이에 열교환을 하였으며, 제4 열교환기(240) 후단에 구비된 제1 냉각기(310)를 통해, 상기 열교환된 제2 재생 흡수제를 냉각하여 제2 흡수탑(120)에 유입하였다.
상기 2차 처리가스는, 처리가스 이송부(80)를 통해 제2 흡수탑(120)에서 배출하고, 제1 흡수탑(110)의 전단에 구비된 제1 열교환기(210)로 유입하여, 상기 2차 처리가스와 가스공급부(10)를 통해 제1 흡수탑(110)으로 유입되는 산성가스를 열교환한 다음, 터빈 시설로 이송하였다.
이때, 상기 산성가스는 제1 이송부(20)에 구비된 제2 열교환기(220)에서 열교환에 의해 냉각되어 제2 흡수탑으로 이송되었으며, 제1 감압기(140) 및 제2 감압기(150)에서 감압에 의해 분리된 -20℃의 냉각 이산화탄소는 제6 이송부(70)를 통해 제2 열교환기(220) 후단 및 제2 흡수탑(120) 전단 사이에 구비된 제3 열교환기(230)로 유입되어, 제1 이송부(20)를 통해 유입되는 상기 1차 처리가스와 열교환하여 제2 흡수탑(120)으로 이송하였다.
실시예 2
도 2과 같은 산성가스 흡수장치(600)를 적용하여 산성가스를 흡수하였으며, 제1 흡수탑(110) 후단과 제2 열교환기(220) 전단 사이에 제3 열교환기(231)를 구비하고, 제1 감압기(140) 및 제2 감압기(150)로부터 분리된 이산화탄소와 제1 흡수탑(110)에서 배출된 1차 처리가스를 열교환하여 제2 열교환기(220)을 거쳐 제2 흡수탑(120)으로 이송한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 산성 가스를 흡수하였다.
실시예 3
도 3과 같은 산성가스 흡수장치(700)를 적용하여 산성가스를 흡수하였으며, 제1 열교환기(210) 후단과 제1 흡수탑(110) 전단 사이에 제3 열교환기(232)를 구비하고, 제1 감압기(140) 및 제2 감압기(150)로부터 분리된 이산화탄소와 제1 열교환기(210)를 통과한 산성가스를 열교환하여 제1 흡수탑(110)으로 이송한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 산성 가스를 흡수하였다.
비교예
제3 열교환기(230)를 구비하지 않은 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 산성가스 흡수장치를 적용하여 산성 가스를 흡수하였다.
상기 실시예 1~3 및 비교예에 따른 산성가스 흡수 장치의 제1 흡수탑 전단의 산성가스의 온도(도 1~도 3의 a 위치), 제2 열교환기 전단의 제1 처리가스의 온도(도 1~도 3의 b 위치), 및 제3 열교환기 후단(또는 제2 흡수탑 전단) 위치에서의 제1 처리가스 온도(도 1~도 3의 c 위치)를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
구분 제1 흡수탑
전단(℃)		 제2 열교환기
전단(℃)		 제3 열교환기 후단
(또는 제2 흡수탑 전단(℃))
실시예 1 23 24 -5
실시예 2 23 -3 -6
실시예 3 -2 15 0
비교예 23 24 15
상기 표 1을 참조하면, 본 발명에 따른 산성가스 흡수 장치를 적용한 실시예 1~3은, 감압기를 통해 분리된 저온의 이산화탄소를 산성가스 또는 제1 처리가스의 열교환에 이용함으로써, 비교예에 비하여 제1 흡수탑에 이송되는 산성가스, 또는 제2 흡수탑에 이송되는 제1 처리가스의 온도가 낮아 황화수소 또는 이산화탄소 제거 효율이 우수하였으나, 본 발명과 상이한 산성가스 흡수 장치를 적용한 비교예의 경우, 실시예 1~3에 비해 제2 흡수탑에 유입되는 제1 처리가스의 온도가 높아 이산화탄소 제거효율이 저하되었으며, 가스의 수중용해도는 분압에 비례하고 온도에 반비례한는 헨리의 법칙에 비추어 온도가 낮아질수록 산성 가스 흡수 에너지 효율을 높일 수 있음을 확인할 수 있다
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
10: 가스공급부 20: 제1 이송부
30: 제2 이송부 40: 제3 이송부
50: 제4 이송부 60: 제5 이송부
70: 제6 이송부 80: 처리가스 이송부
90: 제7 이송부 110: 제1 흡수탑
120: 제2 흡수탑 130: 탈거탑
132: 가스 배출부 134: 가열수단
140: 제1 감압기 150: 제2 감압기
210: 제1 열교환기 220: 제2 열교환기
230, 231, 232: 제3 열교환기 240: 제4 열교환기
310: 제1 냉각기 320: 제2 냉각기
330: 제3 냉각기 400: 유로변경수단
500, 600, 700: 산성가스 흡수 장치

Claims (15)

  1. 산성가스에 포함된 황화수소를 흡수하여 1차 처리가스를 배출하는 제1 흡수탑;
    상기 배출된 1차 처리가스를 냉각하여 제2 흡수탑으로 공급하는 제2 열교환기;
    상기 제2 열교환기로부터 배출된 1차 처리가스가 유입되며, 1차 처리가스에 포함된 이산화탄소를 흡수하여 2차 처리가스 및 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 배출하는 제2 흡수탑;
    상기 제2 흡수탑으로부터 배출된 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 감압하여 냉각 이산화탄소와 제1 재생 흡수제로 분리하는 감압기;
    상기 제1 흡수탑의 전단에 구비되어 산성가스를 열교환하여 제1 흡수탑으로 공급하는 제1 열교환기;를 포함하며,
    상기 제1 열교환기의 후단, 상기 제2 열교환기의 전단 및 상기 제2 열교환기의 후단 중 최소한 하나에는 제3 열교환기가 구비되며,
    상기 감압기에서 분리된 냉각 이산화탄소는 상기 제3 열교환기로 유입되는 것을 특징으로 하는 산성가스 흡수 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 흡수탑에서 배출된 황화수소를 흡수한 흡수제가 유입되며, 상기 흡수제에 포함된 황화수소를 제거하여 제2 재생 흡수제를 생성하는 탈거탑;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산성가스 흡수 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 탈거탑에서 생성된 제2 재생 흡수제는 상기 제2 흡수탑에 유입되는 것을 특징으로 하는 산성가스 흡수장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 탈거탑의 전단에 구비되어, 상기 탈거탑으로 유입되는 황화수소가 흡수된 흡수제 및 상기 탈거탑에서 생성된 제2 재생 흡수제 사이에 열교환이 이루어지는 제4 열교환기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 산성가스 흡수 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제4 열교환기 후단에는 제1 냉각기가 구비되어, 상기 열교환된 제2 재생 흡수제를 냉각하여 상기 제2 흡수탑에 유입하는 것을 특징으로 하는 산성가스 흡수 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 감압기에서 생성된 제1 재생 흡수제는 상기 제2 흡수탑으로 유입되는 것을 특징으로 하는 산성가스 흡수 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 흡수제는 각각 메탄올, 디메틸에테르폴리에틸렌글리콜 및 엔-메틸-2-피롤리돈을 포함하는 것을 특징으로 하는 산성가스 흡수 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제3 열교환기는 상기 제1 열교환기의 후단에 위치되어, 상기 산성가스를 -20℃~20℃로 냉각하는 것을 특징으로 하는 산성가스 흡수 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제3 열교환기는 상기 제2 열교환기 전단에 위치되어 상기 1차 처리가스를 -20℃~20℃로 냉각하는 것을 특징으로 하는 산성가스 흡수 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제3 열교환기는 상기 제2 열교환기 후단에 위치되어 상기 제2 열교환기를 통과한 1차 처리가스를 -20℃~20℃로 냉각하는 것을 특징으로 하는 산성가스 흡수 장치.
  11. 제1 흡수탑에 유입된 산성가스에 포함된 황화수소를 흡수하여 1차 처리가스를 배출하는 단계;
    상기 배출된 1차 처리가스를 제2 열교환기 유입하여 냉각하는 단계; 및
    상기 제2 열교환기로부터 배출된 1차 처리가스를 제2 흡수탑에 유입하여, 상기 1차 처리가스에 포함된 이산화탄소를 흡수하여 2차 처리가스 및 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 배출하는 단계;를 포함하고,
    상기 제2 흡수탑으로부터 배출된 이산화탄소가 흡수된 흡수제는 감압기에 유입되어 감압하여 냉각 이산화탄소와 제1 재생 흡수제로 분리하고;
    상기 산성가스는 상기 제1 흡수탑의 전단에 구비된 제1 열교환기에 유입되어 열교환되어 제1 흡수탑으로 공급되고,
    상기 제1 열교환기의 후단, 상기 제2 열교환기의 전단 및 상기 제2 열교환기의 후단 중 최소한 하나에는 제3 열교환기가 구비되며,
    상기 감압기에서 분리된 냉각 이산화탄소는 상기 제3 열교환기로 유입되는 것을 특징으로 하는 산성가스 흡수 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제1 흡수탑에서 배출된 황화수소를 흡수한 흡수제는 탈거탑에 유입되어, 상기 흡수제에 포함된 황화수소를 제거하여 제2 재생 흡수제를 생성하는 것을 특징으로 하는 산성가스 흡수 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 제3 열교환기는 상기 제1 열교환기의 후단에 위치되어, 상기 산성가스를 -20℃~20℃로 냉각하는 것을 특징으로 하는 산성가스 흡수 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 제3 열교환기는 상기 제2 열교환기 전단에 위치되어 상기 1차 처리가스를 -20℃~20℃로 냉각하는 것을 특징으로 하는 산성가스 흡수 방법.
  15. 제11항에 있어서, 상기 제3 열교환기는 상기 제2 열교환기 후단에 위치되어 상기 제2 열교환기를 통과한 1차 처리가스를 -20℃~20℃로 냉각하는 것을 특징으로 하는 산성가스 흡수 방법.
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