KR20170062074A - 산성 가스 내 이산화탄소 제거 방법 및 그 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 산성 가스 내 이산화탄소 제거 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 구현예는 코크스 가스를 정제하여 산성 가스를 준비하는 단계; 상기 산성 가스에 암모니아를 투입 후 전체 혼합 스트림 내, 상기 암모니아에 대한 이산화탄소의 몰비가 0.5 이상으로 조절되는 단계; 상기 혼합 스트림을 간접 냉각하여 염을 생성하는 단계; 상기 염을 슬러리 형태로 제거하는 단계; 상기 제거된 슬러리 내 염을 가열하여 이산화탄소 가스, 암모니아 가스, 및 수분으로 분해하는 단계; 및 상기 분해된 암모니아 가스를 회수하는 단계;를 포함하는 것인 산성 가스 내 이산화탄소 제거 방법을 제공한다.

Description

산성 가스 내 이산화탄소 제거 방법 및 그 장치{METHOD FOR REMONAL OF CARBON DIOXIDE FROM FLUE GAS AND DEVICE FOR THE SAME}
본 발명의 일 구현예는 산성 가스 내 이산화탄소 제거 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 구현예는, 산성 가스 내 이산화탄소 제거 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
이산화탄소, 황화수소 등을 포함한 산성가스는 연소, 탈황 등 산업 전반에서 발생하는 가스로, 이때 이산화탄소와 황가스의 함량은 반비례인 경우가 일반적이다. 이산화탄소가 주요 성분인 연소가스의 경우 CCS(Carbon Capture and Storage) 기술이 활발히 개발되어 상용화되고 있으나 다음과 같은 제한조건을 가진다.
이산화탄소 포집용으로 사용되는 아민계 화합물, 암모니아 등 염기성용액, 탄산 용액, 멤브레인등은 황가스가 미미한 조건에서 유효한 기술이라는 한계가 있다. 이는 이산화탄소와 황가스 모두 산성거동을 보여 반응물에 대한 반응성이 유사하므로 처리 및 반응물 순환이 어렵다는 문제가 있기 때문이다. 또한 포집용 반응물의 유지/관리 및 재생에 대한 경제적인 해결책도 필요하고, 포집된 이산화탄소의 효과적인 이용(Utilization)이 수반되어야 경제성이 확보된다는 어려움이 있다.
이에 본 발명은 경제적으로 접근 가능하고 배가스 처리도 용이한 이산화탄소의 선택적 제거에 관한 기술을 제시하고자 한다.
산성 가스 내 이산화탄소 제거 방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 구현예에 의한 산성 가스 내 이산화탄소 제거 방법은, 코크스 가스를 정제하여 산성 가스를 준비하는 단계; 상기 산성 가스에 암모니아를 투입 후 전체 혼합 스트림 내, 상기 암모니아에 대한 이산화탄소의 몰비가 0.5 이상으로 조절되는 단계; 상기 혼합 스트림을 간접 냉각하여 염을 생성하는 단계; 상기 염을 슬러리 형태로 제거하는 단계; 상기 제거된 슬러리 내 염을 가열하여 이산화탄소 가스, 암모니아 가스, 및 수분으로 분해하는 단계; 및
상기 분해된 암모니아 가스를 회수하는 단계;를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 산성 가스에 암모니아를 투입 후 전체 혼합 스트림 내, 상기 암모니아에 대한 이산화탄소의 몰비가 0.5 이상으로 조절되는 단계;에서, 상기 암모니아에 대한 이산화탄소의 몰비가 0.5 미만일 때 암모니아를 투입할 수 있다. 또한, 상기 암모니아는 암모니아 가스 및 스팀의 혼합 가스 형태로 투입될 수 있다.
상기 제거된 슬러리 내 염을 가열하여 이산화탄소 가스, 암모니아 가스, 및 수분으로 분해하는 단계;는, 고온의 질소 가스 및 스팀을 이용하여 가열할 수 있으며, 70℃ 이상에서 수행될 수 있다.
상기 혼합 스트림을 간접 냉각하여 염을 생성하는 단계;의 온도는, 50℃ 이하일 수 있고, 보다 구체적으로는 20 내지 50℃일 수 있다. 이 때, 생성된 염은 중탄산암모늄((NH4)2CO3)을 포함할 수 있으며, 하기 화학식 1과 같은 반응을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
CO2 + 2NH3 + H2O = (NH4)2CO3
상기 코크스로 가스를 정제하여 산성 가스를 준비하는 단계; 에 의해, 상기 코크스로 가스 내 황화 수소 가스를 정제할 수 있다.
상기 분해된 암모니아 가스를 회수하는 단계;에서, 상기 암모니아 가스는 수분에 의해 암모니아수 형태로 회수될 수 있다.
이후 상기 회수된 암모니아수를 가열하여 암모니아 가스와 스팀 상태로 전환 후, 상기 산성 가스에 암모니아를 투입 후 전체 혼합 스트림 내, 상기 암모니아에 대한 이산화탄소의 몰비가 0.5 이상으로 조절되는 단계;에 재사용될 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예에 의한 산성 가스 내 이산화탄소 제거 장치는, 코크스 가스를 정제하여 산성 가스 및 암모니아를 혼합하는 가스 혼합기; 상기 가스 혼합기로부터 전달된 혼합 가스를 냉각하여 염을 생성하는 이산화탄소 포집기; 상기 이산화탄소 포집기에서 생성된 염을 슬러리 형태로 제조하는 반응기; 상기 반응기로부터 배출된 슬러리를 가열하여 가스를 분해하는 열분해기; 및 상기 열분해기에 의해 분해된 암모니아 가스를 수분사하여 암모니아수를 회수하는 암모니아 세정탑;을 포함할 수 있다.
또한, 코크스 가스를 정제하여 산성 가스 및 암모니아를 혼합하는 가스 혼합기;에 의해, 전체 혼합 스트림 내, 상기 암모니아에 대한 이산화탄소의 몰비가 0.5 이상으로 조절될 수 있고, 상기 암모니아는 암모니아 가스 및 스팀이 혼합된 형태일 수 있다.
상기 반응기로부터 배출된 슬러리를 가열하여 가스를 분해하는 열분해기;에서, 상기 슬러리 내 염이 가열되어 이산화탄소 가스, 암모니아 가스, 및 수분으로 분해될 수 있다. 또한, 상기 열분해기는 고온의 질소 가스 및 스팀을 이용하여, 상기 슬러리를 70℃ 이상으로 가열할 수 있다.
상기 가스 혼합기로부터 전달된 혼합 가스를 냉각하여 염을 생성하는 이산화탄소 포집기;에 의해, 상기 혼합 가스는 50℃ 이하로 간접 냉각될 수 있고, 보다 구체적으로는 20 내지 50℃ 온도 범위로 간접 냉각될 수 있다. 또한, 상기 이산화 포집기에 의해 중탄산암모늄((NH4)2CO3) 염이 생성될 수 있다.
상기 열분해기에 의해 분해된 암모니아 가스를 수분사하여 암모니아수를 회수하는 암모니아 세정탑; 이후에, 상기 회수된 암모니아수를 가열하여 암모니아 가스와 스팀 상태로 전환하는 암모니아 용액 분해기; 를 더 포함할 수 있으며, 상기 암모니아 용액 분해기에 의해 분해된 암모니아 가스는 코크스 가스를 정제하여 산성 가스 및 암모니아를 혼합하는 가스 혼합기;에 재사용될 수 있다.
본 발명의 일 구현예인 산성 가스 내 이산화탄소 제거 방법을 통해, 산성 가스 중 이산화탄소를 효과적으로 분리할 수 있다. 또한, 이후 가스 정제 공정의 부하를 감소시켜 공정 효율을 증대시킬 수 있고, 공정의 경제성을 높일 수 있다. 더해서, 분리된 이산화탄소는 고순도의 기체이므로, 이를 활용하여 드라이아이스, 에탄올, 기타 화합물로의 변환 등 고부가가치 상품으로 유용화할 수 있다.
도 1은 산성 가스로부터 이산화탄소 기체를 선택적으로 제거하는 방법에 관한 개념도를 나타낸 것이다.
도 2는 본원 발명의 일 구현예에 의해 생성된 중탄산암모늄을 용해 후 슬러리 형태로 제거하는 단계를 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 1의 중탄산암모늄 염을 X선 회절법(XRD)으로 분석하여 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
따라서, 몇몇 실시예들에서, 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 다른 정의가 없다면 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
본 발명의 일 구현예에 의한 산성 가스 내 이산화탄소 제거 방법은, 코크스 가스를 정제하여 산성 가스를 준비하는 단계; 상기 산성 가스에 암모니아를 투입 후 전체 혼합 스트림 내, 상기 암모니아에 대한 이산화탄소의 몰비가 0.5 이상으로 조절되는 단계; 상기 혼합 스트림을 간접 냉각하여 염을 생성하는 단계; 상기 염을 슬러리 형태로 제거하는 단계; 상기 제거된 슬러리 내 염을 가열하여 이산화탄소 가스, 암모니아 가스, 및 수분으로 분해하는 단계; 및 상기 분해된 암모니아 가스를 회수하는 단계;를 포함할 수 있다.
먼저, 상기 코크스로 가스를 정제하여 산성 가스를 준비하는 단계; 를 실시할 수 있다. 상기 단계에 의해 상기 코크스로 가스 내 황화 수소 가스를 정제할 수 있고, 정제 후 발생되는 산성 가스를 원료로 준비할 수 있다.
이후, 상기 산성 가스에 암모니아를 투입 후 전체 혼합 스트림 내, 상기 암모니아에 대한 이산화탄소의 몰비가 0.5 이상으로 조절되는 단계;가 실시될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 암모니아에 대한 이산화탄소의 몰비가 0.5 미만일 때 암모니아를 투입할 수 있으며, 상기 암모니아는 암모니아 가스 및 스팀의 혼합 가스 형태일 수 있다.
보다 구체적으로, 산성 가스 내 이산화탄소의 효율적인 제거를 위해 암모니아 가스를 추가적으로 투입하는 것이며, 이산화탄소 농도 변화에 따라 암모니아를 투입할 수 있다. 보다 더 구체적으로, 암모니아 투입 전 스트림 내 암모니아에 대한 이산화탄소의 몰비가 0.5이상일 경우에는 암모니아 투입이 불필요할 수 있다.
이후, 상기 혼합 스트림을 간접 냉각하여 염을 생성하는 단계;를 실시할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 염은 중탄산암모늄((NH4)2CO3)을 포함할 수 있으며, 상기 단계에 의해 혼합 스트림은 50℃ 이하로 냉각될 수 있다. 보다 더 구체적으로는 20 내지 50℃로 냉각될 수 있다. 또한, 상기 단계는 하기 화학식 1과 같은 반응을 포함할 수 있다. 더해서, 후술되는 본원 실시예에서는 반응기를 냉각시키는 간접 냉각 방법을 이용하였지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
[화학식 1]
CO2 + 2NH3 + H2O = (NH4)2CO3
보다 구체적으로, 상기 혼합 스트림을 간접 냉각하여 염을 생성하는 경우, 냉각수 등을 이용한 직접 냉각 방법으로 염을 생성하는 경우에 비해 효율적일 수 있다. 직접 냉각 방법을 통해 냉각하는 경우, 이산화탄소 외의 다른 산성 가스의 용해로 인한 이산화탄소 제거 효율이 저하될 수 있고, 생성 용액의 처리공정이 수반될 수 있다.
더해서, 상기 온도 범위는 중탄산암모늄 염을 원활히 생성시킬 수 있는 조건으로 상기 온도까지 냉각을 시키는 경우, 이산화탄소 제거 효율을 확보할 수 있다.
다음으로, 상기 염을 슬러리 형태로 제거하는 단계; 를 실시할 수 있다.
보다 구체적으로, 중산탄암모늄((NH4)2CO3) 염은 수분과 열에 의해 쉽게 분해되므로, 스팀을 이용하여 염을 용해시켜 슬러리 형태로 제거할 수 있다.
도 2는 본원 발명의 일 구현예에 의해 생성된 중탄산암모늄을 용해 후 슬러리 형태로 제거하는 단계를 나타낸 것이다.
도 2에 개시된 바와 같이, 이산화탄소 포집기 내부에 존재하는 탄산암모늄은 열과 수분을 가해 분해시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 수분을 가하는 방법이 열을 가하는 방법에 비해 비교적 쉽고 빠르게 분해할 수 있고, 열과 수분을 동시에 포함하는 스팀을 이용하는 것이 효과적일 수 있다.
이후, 상기 제거된 슬러리 내 염을 가열하여 이산화탄소 가스, 암모니아 가스, 및 수분으로 분해하는 단계;를 실시할 수 있다. 보다 구체적으로, 고온의 질소 가스 및 스팀을 이용하여 반응기의 온도를 조절할 수 있으며, 상기 가열에 의해 70℃ 이상에서 염이 분해될 수 있다.
상기 온도 범위까지 가열하는 경우, 미분해된 슬러리가 존재하지 않으므로 반응기의 효율 저하 및 슬러리 배출 처리의 부담을 감소할 수 있고, 슬러리를 기체 상태로 완벽하게 분해할 수 있다.
이후, 상기 분해된 암모니아 가스를 회수하는 단계;를 실시할 수 있다.
전술한 단계에 의해 분해된 기체 중, 암모니아 가스를 선택적으로 흡수하여 이산화탄소 가스와 분리시킬 수 있으며, 보다 구체적으로 상기 암모니아 가스는 수분에 의해 암모니아수 형태로 회수될 수 있다.
상기와 같이 수분에 의해 암모니아수 형태로 회수함으로써, 이산화탄소 기체만 배출시킬 수 있다.
상기 회수된 암모니아수를 가열하여 암모니아 가스와 스팀 상태로 전환 후, 상기 산성 가스에 암모니아를 투입 후 전체 혼합 스트림 내, 상기 암모니아에 대한 이산화탄소의 몰비가 0.5 이상으로 조절되는 단계;에 재사용될 수 있다. 이로 인해, 별도의 암모니아 가스를 추가하지 않고도 산성 가스 내 이산화탄소를 계속해서 제거할 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예에 의한 산성 가스 내 이산화탄소 제거 장치는, 코크스 가스를 정제하여 산성 가스 및 암모니아를 혼합하는 가스 혼합기; 상기 가스 혼합기로부터 전달된 혼합 가스를 냉각하여 염을 생성하는 이산화탄소 포집기; 상기 이산화탄소 포집기에서 생성된 염을 슬러리 형태로 제조하는 반응기; 상기 반응기로부터 배출된 슬러리를 가열하여 가스를 분해하는 열분해기; 및 상기 열분해기에 의해 분해된 암모니아 가스를 수분사하여 암모니아수를 회수하는 암모니아 세정탑;을 포함할 수 있다.
먼저, 코크스 가스를 정제하여 산성 가스 및 암모니아를 혼합하는 가스 혼합기;에서, 전체 혼합 스트림 내, 상기 암모니아에 대한 이산화탄소의 몰비가 0.5 이상으로 조절될 수 있다.
보다 더 구체적으로, 암모니아 투입 전 스트림 내 암모니아에 대한 이산화탄소의 몰비가 0.5이상일 경우에는 암모니아 투입이 불필요할 수 있다. 다만, 전체 혼합 스트림 내, 암모니아에 대한 이산화탄소의 몰비가 0.5미만일 경우, 암모니아를 추가적으로 투입할 수 있다.
상기 가스 혼합기로부터 전달된 혼합 가스를 냉각하여 염을 생성하는 이산화탄소 포집기;에서, 상기 혼합 가스를 간접 냉각하여 염을 생성할 수 있다. 상기 염은 중탄산암모늄((NH4)2CO3)을 포함할 수 있으며, 상기 단계에 의해 혼합 스트림은 50℃ 이하로 냉각될 수 있다. 보다 더 구체적으로는 20 내지 50℃로 냉각될 수 있다.
또한, 혼합 가스를 간접 냉각하여 염을 생성하는 이산화탄소 포집기에서 하기 화학식 1과 같은 반응이 발생할 수 있다.
[화학식 1]
CO2 + 2NH3 + H2O = (NH4)2CO3
상기 혼합 가스를 간접 냉각하는 방법 및 상기 온도 범위까지 냉각하는 경우에 따른 임계적 의의는 전술한 바와 같으므로 생략한다.
상기 이산화탄소 포집기에서 생성된 염을 슬러리 형태로 제조하는 반응기;에서, 중탄산암모늄((NH4)2CO3) 염은 스팀에 의해 슬러리 형태로 제조되어 배출될 수 있다.
상기 반응기로부터 배출된 슬러리를 가열하여 가스를 분해하는 열분해기;에서, 상기 슬러리 내 염이 가열되어 이산화탄소 가스, 암모니아 가스, 및 수분으로 분해되며, 상기 열분해기는 고온의 질소 가스 및 스팀을 이용할 수 있다. 이로 인해, 상기 열분해기의 내부 온도는 70℃ 이상일 수 있다.
상기 온도 범위까지 가열하는 경우, 미분해된 슬러리가 존재하지 않으므로 반응기의 효율 저하 및 슬러리 배출 처리의 부담을 감소할 수 있고, 슬러리를 기체 상태로 완벽하게 분해할 수 있다.
상기 열분해기에 의해 분해된 암모니아 가스를 수분사하여 암모니아수를 회수하는 암모니아 세정탑;에서, 상기와 같이 수분에 의해 암모니아 가스를 암모니아수 형태로 회수함으로써 이산화탄소 기체만 배출시킬 수 있다.
이하, 실시예를 통해 상세히 설명한다. 단 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예
실시예 1 비교예 1 비교예 2
암모니아
투입 여부 		암모니아 추가공급 有 암모니아 추가공급 無
냉각 방식 간접냉각 간접냉각 직접냉각
배가스 조성 이산화탄소(CO2)< 1% 이산화탄소(CO2) 52% 이산화탄소(CO2) 61%
반응 생성물 흰색 고체 형태의 염 흰색 고체 형태의 염+
노란색 형태의 응축수		 노란색 형태의 응축수
염(Salt)
성분 		중탄산암모늄(NH4HCO3) 중탄산암모늄(NH4HCO3) -
응축수 성분 - C, H, N, S 혼합물
상기 실시예 1, 비교예 1 및 2 모두 코크스 가스(COG, Coke Oven Gas) 중 황화수소(H2S) 정제 후 발생되는 산성 가스를 원료로 준비하였다.
실시예 1
이후, 본원 실시예 1은 상기 산성 가스에 암모니아를 투입하여, 전체 혼합 스트림 내, 암모니아에 대한 이산화탄소의 몰비를 0.7로 조절하였다.
암모니아가 투입된 스트림을 30℃까지 간접 냉각하여 염을 생성하였다. 이 때, 상기 반응에 의해 생성된 염은 흰색 고체 형태의 중탄산암모늄(NH4HCO3) 염이었다.
보다 구체적으로, 도 3은 실시예 1의 중탄산암모늄 염을 X선 회절법(XRD)으로 분석하여 나타낸 것이다. 따라서, 도 3에 개시된 바와 같이, X선 회절법으로 분석 결과, 실시예 1의 흰색 고체 염은 중탄산암모늄인 것을 확인하였다.
이후, 스팀을 이용하여 상기 염을 슬러리 형태로 배출 및 제거하였다.
상기 배출된 슬러리에 고온의 질소 가스 및 스팀을 투입하여 가열하였고, 90℃에서 암모니아 가스, 이산화탄소 가스, 및 수분으로 분해하였다. 그 중, 상기 암모니아 가스는 수분에 의해 암모니아수 형태로 회수되고, 배가스로 배출된 전체 기체 100분율%에 대해, 이산화탄소 기체의 분율은 1% 미만으로 확인되었다.
더해서, 상기 배가스의 조성은 검지관으로 트렌드 파악 후, 가스 크로마토그래피로 정량 분석하여 확인하였다.
비교예 1
반면, 비교예 1은 산성 가스에 암모니아를 투입하지 않은 채로 간접 냉각하였다. 이 때, 상기 냉각 반응에 의한 생성물은 흰색 고체 형태의 염과 노란색 형태의 응축수이며, 상기 응축수에는 C, H, N, S의 혼합물을 포함하였다. 이후, 과정은 실시예 1과 동일하다.
그 결과, 배가스로 배출된 전체 기체 100분율%에 대해, 이산화탄소 기체의 분율은 약 52%로 확인되었다.
비교예 2
비교예 2의 경우는 비교예 1과 비교하여, 직접 냉각 방법을 이용하여 냉각한 것 외에는 동일한 조건에서 이산화탄소 제거 효율을 평가하였다.
그 결과, 냉각 반응에 의해 생성된 물질은 노란색 형태의 응축수만 확인되었으며, 이후 배가스로 배출된 전체 기체 100분율%에 대해, 이산화탄소 기체의 분율은 약 61%로 확인되었다.
따라서, 상기 표 1에 개시된 바와 같이, 비교예 1의 경우 이산화탄소에 대한 농도를 전혀 고려하지 않았기에 암모니아를 추가적으로 투입하는 단계를 생략하였다. 그 결과, 이산화탄소의 제거 효율이 감소되어, 냉각 반응에 의해 생성된 염에 중탄산암모늄 염 뿐만 아니라, 응축수까지 포함된 것을 알 수 있다. 이는, 배가스로 배출되는 이산화탄소의 분율에도 영향을 줄 수 있으며, 표 1에 개시된 바와 같이 배가스로 배출된 전체 기체 100분율%에 대해 이산화탄소 기체의 분율은 52%인 것을 알 수 있다. 이로 인해, 이산화탄소 농도에 대한 암모니아 몰비를 고려하지 않는 경우, 이산화탄소 제거 효율이 저하될 수 있음을 알 수 있다.
더해서, 비교예 2의 경우는 암모니아를 추가적으로 투입하지 않은 채로 직접 냉각 방법을 이용하여 냉각하였다. 그 결과, 냉각 반응에 의해 생성된 물질에는 중탄산암모늄 염이 전혀 포함되어 있지 않았으며, 배가스로 배출된 전체 기체 100분율%에 대해 이산화탄소 기체의 분율은 61%인 것을 알 수 있다. 이를 통해, 직접 냉각 방법을 이용하여 냉각할 경우, 이산화탄소 제거 효율이 더욱 저하될 수 있음을 알 수 있다.
반면, 본원 실시예 1의 경우, 이산화탄소 농도에 따른 암모니아를 추가적으로 투입한 스트림을 간접 냉각하여 염을 생성한 결과, 반응 생성물로 흰색 고체 형태의 중탄산암모늄 염이 생성되어 염의 제거 및 분해가 용이하였다. 또한, 다른 산성 가스는 거의 용해되지 않아 상기 염을 가열하여 기체상으로 분해 시, 이산화탄소 가스의 선택적 분리가 용이하였으며, 그 결과 배가스로 배출된 이산화탄소 분율이 1% 미만으로 이산화탄소 제거 효율이 매우 높은 것을 알 수 있다.
또한, 상기 실시예1은 황화수소 정제 후 발생되는 산성 가스를 이용하였으나, 황화수소를 포함하는 산성 가스를 이용하여도 이산화탄소 기체를 선택적으로 분리할 수 있다.
실시예 1 비교예 3
염 가열 방법 고온의 질소 가스 및 스팀 투입 반응기 가열
(외부 핫 코일 가열)
플라스크 내부 온도 90℃ 60℃(외부 130℃)
제거 시간 4분 10 분
제거 후 반응물 0 g 0.31 g
상기 표 2는 염을 가열하여 기체상으로 분해하는 방법 및 온도에 따른 염 제거 효율을 나타낸 것이다. 보다 구체적으로, 본원 실시예 1은 고온의 질소 가스 및 스팀을 투입하여 염을 가열하였고, 이 때의 가열 온도는 90℃였다.
반면, 비교예 3은 염을 슬러리 형태로 제조하는 반응기의 외부 핫 코일을 직접적으로 가열하여 60℃에서 염을 분해하였다.
그 결과, 상기 표 2에 개시된 바와 같이, 고온의 질소 가스와 스팀을 투입한 실시예 1의 경우, 제거 시간이 비교예 3에 비해 짧았음에도 불구하고 염 제거 효율 또한 우수한 것을 알 수 있다.
상기로부터 반응기를 직접 가열하는 경우보다, 스팀을 포함하는 고온의 가스를 투입하는 경우 염이 더욱 쉽고 빠르게 분해되는 것을 알 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
A: 가스 혼합기
B: 이산화탄소(CO2) 포집기
C: 탄산암모늄 분해기
D: 암모니아(NH3) 세정탑
E: 암모니아용액 분해기

Claims (20)

  1. 코크스 가스를 정제하여 산성 가스를 준비하는 단계;
    상기 산성 가스에 암모니아를 투입 후 전체 혼합 스트림 내, 상기 암모니아에 대한 이산화탄소의 몰비가 0.5 이상으로 조절되는 단계;
    상기 혼합 스트림을 간접 냉각하여 염을 생성하는 단계;
    상기 염을 슬러리 형태로 제거하는 단계;
    상기 제거된 슬러리 내 염을 가열하여 이산화탄소 가스, 암모니아 가스, 및 수분으로 분해하는 단계; 및
    상기 분해된 암모니아 가스를 회수하는 단계;를 포함하는 것인 산성 가스 내 이산화탄소 제거 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산성 가스에 암모니아를 투입 후 전체 혼합 스트림 내, 상기 암모니아에 대한 이산화탄소의 몰비가 0.5 이상으로 조절되는 단계;에서,
    상기 암모니아에 대한 이산화탄소의 몰비가 0.5 미만일 때 암모니아를 투입하는 것인 산성 가스 내 이산화탄소 제거 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 산성 가스에 암모니아를 투입 후 전체 혼합 스트림 내, 상기 암모니아에 대한 이산화탄소의 몰비가 0.5 이상으로 조절되는 단계;에서,
    상기 암모니아는 암모니아 가스 및 스팀의 혼합 가스 형태로 투입되는 것인 산성 가스 내 이산화탄소 제거 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제거된 슬러리 내 염을 가열하여 이산화탄소 가스, 암모니아 가스, 및 수분으로 분해하는 단계;는,
    고온의 질소 가스 및 스팀을 이용하는 것인 산성 가스 내 이산화탄소 제거 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제거된 슬러리 내 염을 가열하여 이산화탄소 가스, 암모니아 가스, 및 수분으로 분해하는 단계;는,
    70℃ 이상에서 수행되는 것인 산성 가스 내 이산화탄소 제거 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 혼합 스트림을 간접 냉각하여 염을 생성하는 단계;에서,
    생성된 염은 중탄산암모늄((NH4)2CO3)을 포함하는 것인 산성 가스 내 이산화탄소 제거 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 혼합 스트림을 간접 냉각하여 염을 생성하는 단계;의 온도는,
    50℃ 이하인 것인 산성 가스 내 이산화탄소 제거 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 혼합 스트림을 간접 냉각하여 염을 생성하는 단계;의 온도는,
    20 내지 50℃ 인 것인 산성 가스 내 이산화탄소 제거 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 혼합 스트림을 간접 냉각하여 염을 생성하는 단계;는,
    하기 화학식 1과 같은 반응을 포함하는 것인 산성 가스 내 이산화탄소 제거 방법.
    [화학식 1]
    CO2 + 2NH3 + H2O = (NH4)2CO3
  10. 제1항에 있어서,
    상기 코크스로 가스를 정제하여 산성 가스를 준비하는 단계; 에 의해,
    상기 코크스로 가스 내 황화 수소 가스를 정제하는 것인 산성 가스 내 이산화탄소 제거 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 분해된 암모니아 가스를 회수하는 단계;에서,
    상기 암모니아 가스는 수분에 의해 암모니아수 형태로 회수되는 것인 산성 가스 내 이산화탄소 제거 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 회수된 암모니아수를 가열하여 암모니아 가스와 스팀 상태로 전환 후,
    상기 산성 가스에 암모니아를 투입 후 전체 혼합 스트림 내, 상기 암모니아에 대한 이산화탄소의 몰비가 0.5 이상으로 조절되는 단계;에 재사용되는 것인 산성 가스 내 이산화탄소 제거 방법.
  13. 코크스 가스를 정제하여 산성 가스 및 암모니아를 혼합하는 가스 혼합기;
    상기 가스 혼합기로부터 전달된 혼합 가스를 냉각하여 염을 생성하는 이산화탄소 포집기;
    상기 이산화탄소 포집기에서 생성된 염을 슬러리 형태로 제조하는 반응기;
    상기 반응기로부터 배출된 슬러리를 가열하여 가스를 분해하는 열분해기; 및
    상기 열분해기에 의해 분해된 암모니아 가스를 수분사하여 암모니아수를 회수하는 암모니아 세정탑;을 포함하되,
    코크스 가스를 정제하여 산성 가스 및 암모니아를 혼합하는 가스 혼합기;에 의해,
    전체 혼합 스트림 내, 상기 암모니아에 대한 이산화탄소의 몰비가 0.5 이상으로 조절되는 것인 산성 가스 내 이산화탄소 제거 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    코크스 가스를 정제하여 산성 가스 및 암모니아를 혼합하는 가스 혼합기;에서,
    상기 암모니아는 암모니아 가스 및 스팀이 혼합된 형태인 것인 산성 가스 내 이산화탄소 제거 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 반응기로부터 배출된 슬러리를 가열하여 가스를 분해하는 열분해기;에서,
    상기 슬러리 내 염이 가열되어 이산화탄소 가스, 암모니아 가스, 및 수분으로 분해되며,
    상기 열분해기는 고온의 질소 가스 및 스팀을 이용하는 것인 산성 가스 내 이산화탄소 제거 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 반응기로부터 배출된 슬러리를 가열하여 가스를 분해하는 열분해기;에 의해,
    상기 슬러리는 70℃ 이상으로 가열되는 것인 산성 가스 내 이산화탄소 제거 장치.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 가스 혼합기로부터 전달된 혼합 가스를 냉각하여 염을 생성하는 이산화탄소 포집기;에 의해,
    상기 혼합 가스는 50℃ 이하로 간접 냉각되는 것인 산성 가스 내 이산화탄소 제거 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 가스 혼합기로부터 전달된 혼합 가스를 냉각하여 염을 생성하는 이산화탄소 포집기;에 의해,
    상기 혼합 가스는 20 내지 50℃ 온도 범위로 간접 냉각되는 것인 산성 가스 내 이산화탄소 제거 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 가스 혼합기로부터 전달된 혼합 가스를 냉각하여 염을 생성하는 이산화탄소 포집기;에 의해,
    중탄산암모늄((NH4)2CO3) 염이 생성되는 것인 산성 가스 내 이산화탄소 제거 장치.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 열분해기에 의해 분해된 암모니아 가스를 수분사하여 암모니아수를 회수하는 암모니아 세정탑; 이후에,
    상기 회수된 암모니아수를 가열하여 암모니아 가스와 스팀 상태로 전환하는 암모니아 용액 분해기; 를 더 포함하며,
    상기 암모니아 용액 분해기에 의해 분해된 암모니아 가스는 코크스 가스를 정제하여 산성 가스 및 암모니아를 혼합하는 가스 혼합기;에 재사용되는 것인 산성 가스 내 이산화탄소 제거 장치.
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