KR20180024464A - 탈염수를 이용한 산성가스 포집방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탈염수를 이용한 산성가스 포집방법에 관한 것으로서, 구체적으로는
흡수탑으로 공급된 배가스 중에 함유된 산성가스를 흡수제에 흡수시켜 산성가스 포화 흡수제를 생성하는 제1단계; 상기 산성가스 포화 흡수제를 공급받은 리보일러가 스팀을 이용하여 상기 산성가스 포화 흡수제를 재가열하는 제2단계; 상기 리보일러로부터 산성가스 포화 흡수제를 공급받은 탈거탑이 상기 산성가스 포화 흡수제를 산성가스 및 흡수제로 분리하는 제3단계; 상기 리보일러에 사용된 응축수를 스팀 응축수 기액분리기(Flash drum)를 이용하여 기체 및 액체로 분리하는 제4단계; 및 상기 흡수탑의 세척 구역(washing zone)에 사용되는 탈염수를 기액분리장치(Reflux drum)의 물을 상기 세척 구역의 탈염수로 공급하여 사용하는 제5단계;를 포함하는, 탈염수를 이용한 산성가스 포집방법에 관한 것이다.

Description

탈염수를 이용한 산성가스 포집방법{METHOD FOR COLLECTING ACID GAS USING DEMINERALIZED WATER}
본 발명은 탈염수를 이용한 산성가스 포집방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 리보일러에서 나오는 스팀 응축수의 열과 탈거탑의 기액분리장치에서 탈염수를 활용하여 스팀과 탈염수의 사용을 최소화하는 포집방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 혼합가스중 산성가스의 포집을 위한 아민계, 아미노산염계, 무기염계 용액 또는 암모니아수 등을 단독 혹은 혼합한 흡수제를 사용하는 흡수 및 탈거 공정에 관한 것으로 보다 자세하게는 흡수탑에서 흡수제와 혼합가스를 접촉하여 산성가스를 포집하고 이 과정에서 흡수제와 산성가스의 발열반응에 의해 승온된 흡수액(리치아민)을 탈거탑에 공급하여 스팀 공급에 의한 리보일러의 가열을 통해 흡수제와 산성가스를 분리하는 공정에서 리보일러에 사용한 응축수를 Flash drum을 통해 기-액 분리를 하고 발생한 기체는 리보일러에 재공급하여 흡수제 재생에 필요한 스팀 사용량을 줄이며 액체는 발전소 탈염수 저장탱크인 복수기로 공급하여 다시 스팀을 만드는데 활용되며, 흡수탑 상부에서 방출되는 배가스의 온도 조절과 흡수제의 대기 방출을 막기 위해 설치된 washing zone에 사용되는 탈염수를 탈거탑 Reflux drum에 물의 10 ~ 30%를 활용하는 흡수 및 탈거 시스템 및 방법에 관한 것이다.
최근 지구온난화의 원인 물질인 온실가스를 포집하고 저장하는 노력이 국제적으로 경주되고 있다. 특히 온실가스 중 산성가스인 이산화탄소를 줄이기 위하여 화학적 흡수법, 흡착법, 막분리법, 심냉법 등 많은 기술이 개발되고 있다.
화력발전소 등 연소설비에서 발생하는 산성가스인 이산화탄소를 제거하기 위하여 사용되는 흡수제를 이용한 화학적 흡수방법은 높은 효율과 안정적인 기술로 가장 많이 연구되고 있다. 이산화탄소를 포집하기 위한 아민계 포집공정은 화학적 흡수기술의 일종으로 석유화학 공정 중 개질공정에서 적용된 바 있는 기술적 신뢰성이 확보된 기술이나 석유화학 공정가스가 아닌 연소 배가스에 적용하기 위해서는 공정의 개선이 필요한 분리기술이다.
화학적 흡수제를 이용한 이산화탄소 흡수 및 탈거 공정에 대한 흐름도는 도 1과 같다. 냉각된 배가스(1)는 통상적으로 40~60℃의 온도에서 흡수제(2)와 접촉되며, 이산화탄소는 흡수제 내의 화학적 흡수제와 결합한 다음, 순환되는 세척용 물(3)을 이용하여 흡수제 또는 증기가 비말하는 것을 방지한 후, 흡수탑(9)에서 배출된다. 출구 가스의 이산화탄소의 농도는 흡수제에서의 화학 반응으로 감소시킬 수 있지만, 낮은 출구 이산화탄소 농도를 유지하기 위해서는 흡수탑이 높아져야 한다. 화학적 결합에 의해 이산화탄소를 흡수한 흡수제(5)는 열교환기(10)를 거쳐 가열되어 탈거탑(11)의 상부로 주입된다. 흡수제의 재생은 높은 온도(110-140℃) 및 대기압 정도의 압력에서 탈거탑에서 수행된다. 재생 조건을 유지하기 위하여 열이 리보일러(12)로 공급되며 이 과정에서 열에너지가 소모된다. 공급되는 에너지는 흡수제에서 화학적으로 결합되어 있는 이산화탄소를 탈거시키고 탈거된 이산화탄소와 수증기의 혼합가스(6)는 응축기(13)에서 회수되어 탈거탑(8)로 다시 공급된다. 이산화탄소가 탈거된 흡수제(2)는 열교환기(10)를 거쳐 흡수탑 수준의 온도로 낮추어 흡수탑으로 펌프에 의해 이송된다.
산성가스 흡수 및 탈거공정에서 흡수제의 재생을 위한 많은 에너지가 소모되므로 재생 에너지를 줄이기 위한 공정의 개발이 요구되고 있다. 그러나 상기 종래의 기술은 리보일에서 흡수제의 가열을 위해 사용한 스팀 응축수를 재활용하지 않고 있어서 에너지 사용을 증대 시키며, 흡수탑에서 흡수제의 비말동반을 막기 위해 설치한 washing zone의 탈염수 make-up을 탈염수 탱크에서 공급받고 있으며, 아민으로 포화된 washing zone의 탈염수는 흡수제 농도 유지를 위해 Reflux drum에서 폐수처리장으로 버려지고 있다.
상기한 이산화탄소 흡수 및 탈거공정에서 흡수제의 재생을 위해 많은 에너지와 물이 소모되므로 재생에너지를 줄이기 위한 흡수제와 관련 공정의 개발이 절실히 요구되고 있다. 특히 탈거 공정의 장치 및 흐름을 최적화하여 가장 경제적인 이산화탄소 흡수효율을 얻고자 하는 연구가 많은 연구자에 의해 연구되고 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 리보일러에 사용한 응축수를 Flash drum을 통해 기-액 분리를 하고 발생한 기체는 리보일러에 재공급하여 흡수제 재생에 필요한 스팀 사용량을 줄이며 액체는 발전소 탈염수(demineralized water) 저장탱크인 복수기로 공급하여 다시 스팀을 만드는데 활용되며, 흡수탑 상부에서 방출되는 배가스의 온도 조절과 흡수제의 대기 방출을 막기 위해 설치된 washing zone에 사용되는 탈염수를 탈거탑 Reflux drum에 물의 10 ~ 30%를 활용하는 탈염수를 이용한 산성가스 포집방법을 제공하는 것을 해결과제로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,
흡수탑으로 공급된 배가스 중에 함유된 산성가스를 흡수제에 흡수시켜 산성가스 포화 흡수제를 생성하는 제1단계; 상기 산성가스 포화 흡수제를 공급받은 리보일러가 스팀을 이용하여 상기 산성가스 포화 흡수제를 재가열하는 제2단계; 상기 리보일러로부터 산성가스 포화 흡수제를 공급받은 탈거탑이 상기 산성가스 포화 흡수제를 산성가스 및 흡수제로 분리하는 제3단계; 상기 리보일러에 사용된 응축수를 스팀 응축수 기액분리기(Flash drum)를 이용하여 기체 및 액체로 분리하는 제4단계; 및 상기 흡수탑의 세척 구역(washing zone)에 사용되는 탈염수를 기액분리장치(Reflux drum)의 물을 상기 세척 구역의 탈염수로 공급하여 사용하는 제5단계;를 포함하는, 탈염수를 이용한 산성가스 포집방법을 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.
본 발명의 탈염수를 이용한 산성가스 포집방법은 혼합가스로부터 산성가스를 분리 회수하기 위한 공정에 관한 것으로, 리보일러에서 나오는 스팀 응축수의 열과 탈거탑에 Reflux drum에 탈염수(demineralized water)를 활용하여 스팀과 탈염수의 사용을 최소화하는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 탈염수를 이용한 산성가스 포집방법은 리보일러에 공급되는 스팀에 약 10% 정도를 감소시켰으며, 흡수탑의 세척구역(washing zone)에서 사용하는 응축수의 사용량을 90% 감소시킴에 따라 이산화탄소 운전 시 가장 많은 비중을 차지하는 재생에너지 비용을 줄이고 탈염수의 사용량도 획기적으로 감소시킬 수 있는 경제적인 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 혼합가스 중 이산화탄소 흡수 및 탈거 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 흡수 및 탈거 공정도이다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명은 산성가스 포집 시 사용되는 스팀과 탈염수의 사용을 최소화하는 방법에 관한 것이다.
구체적으로 본 발명의 일 측면에 따르면 본 발명은,
흡수탑으로 공급된 배가스 중에 함유된 산성가스를 흡수제에 흡수시켜 산성가스 포화 흡수제를 생성하는 제1단계; 상기 산성가스 포화 흡수제를 공급받은 리보일러가 스팀을 이용하여 상기 산성가스 포화 흡수제를 재가열하는 제2단계; 상기 리보일러로부터 산성가스 포화 흡수제를 공급받은 탈거탑이 상기 산성가스 포화 흡수제를 산성가스 및 흡수제로 분리하는 제3단계; 상기 리보일러에 사용된 응축수를 스팀 응축수 기액분리기(Flash drum)를 이용하여 기체 및 액체로 분리하는 제4단계; 및 상기 흡수탑의 세척 구역(washing zone)에 사용되는 탈염수를 기액분리장치(Reflux drum)의 물을 상기 세척 구역의 탈염수로 공급하여 사용하는 제5단계;를 포함하는, 탈염수를 이용한 산성가스 포집방법에 관한 것이다.
상기 리보일러에 사용된 응축수를 스팀 응축수 기액분리기(Flash drum)를 통해 기체-액체 분리를 하고, 발생한 기체는 리보일러에 재공급하여 흡수제 재생에 필요한 스팀 사용량을 줄이며, 상기 액체는 탈염수(demineralized water) 저장탱크인 복수기로 공급하여 다시 스팀을 만드는데 활용되는 것을 특징으로 한다.
또한, 흡수탑 상부에서 방출되는 배가스의 온도 조절과 흡수제의 대기 방출을 막기 위해 설치된 세척 구역(washing zone)에 사용되는 탈염수를 상기 기액분리장치에서 탈거탑으로 재순환되는 물 총량의 10 내지 30%로 공급하는 공정에 관한 것으로서, 이를 통해 리보일러에 스팀 사용량을 약 10% 감소시키며, 흡수탑의 세척 구역(washing zone)에 들어가는 탈염수 사용량을 약 90% 감소시킬 수 있다.
본 발명의 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 흡수 및 탈거 공정도를 나타내는 것이다.
도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 탈염수를 이용한 산성가스 포집방법은 흡수탑(9)에서 흡수제와 혼합가스를 접촉하여 이산화탄소를 포집하고 상기 포집 과정에서 흡수제와 산성가스의 발열반응에 의해 승온된 흡수액을 탈거탑(11) 리보일러(12)에서 탈거된 린아민과 열교환(10)하고 탈거탑으로 공급되어 리보일러에서 산성가스와 흡수제가 최종 분리된다. 상기 탈거탑의 리보일러에 사용한 스팀의 기체-액체 분리 드럼(16)을 통해 얻어진 응축수는 발전소 복수기로 이송하여 다시 스팀을 만들며, 기체-액체 분리 드럼에서 발생한 기체는 리보일러에 재공급되어 리보일러에 스팀 사용량을 획기적으로 줄일 수 있다.
상기 산성가스 포화 흡수제는 아민계, 아미노산염, 무기염계 용액 및 암모니아수로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 한다. 바람직하게는 MEA(monoethanolamine), DEA(diethanolamine), MDEA(methyl diethanolamine), TEA(triethanolamine)를 포함한 알킬계, 아세틸계 혹은 피퍼라진계열의 아민용액 또는 그 혼합용액으로 이루어진 흡수제를 사용할 수 있다.
이하, 비교예 및 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
[실시예]
실시예 1
30wt%의 모노에탄올아민을 흡수제로 이용하여 15 vol%의 이산화탄소를 포함하고 있는 40℃로 조절된 연소배가스를 2.0m3 유량으로 흡수탑 하부에 투입하였다. 흡수제의 순환량은 100ml/min, 흡수탑에 투입되는 흡수제의 온도는 40 ℃로 하였다. 흡수탑에서 흡수제와 이산화탄소의 발열반응에 의해 승온된 흡수제를 탈거탑(11), 리보일러(12)에서 탈거된 린아민과 열교환(10)하고 탈거탑으로 공급되어 리보일러에서 산성가스와 흡수제가 최종 분리된다. 상기 탈거탑 리보일러에 사용한 스팀의 기-액 분리 드럼(16)을 통해 얻어진 응축수는 발전소 복수기로 이송하여 다시 스팀을 만들며, 기-액 분리 드럼에서 발생한 기체는 리보일러에 재공급하여 흡수제 재생에 필요한 스팀 사용량을 줄이며, 흡수탑 상부에서 방출되는 배가스의 온도 조절과 흡수제의 대기 방출을 막기 위해 설치된 세척 구역에 사용되는 탈염수를 기액분리장치(Reflux drum)에서 탈거탑으로 재순환되는 물 총량의 30%를 공급하였다. 흡수탑으로 들어오기 전과 흡수탑을 거친 배가스의 이산화탄소 농도를 가스 분석기를 이용하여 측정하여 이산화탄소 제거율이 90%일 때의 이산화탄소 포집량(ton)당 리보일러 열사용량을 계산하여 그 결과를 표 1에 나타내었다. 실시예 1의 산성가스 포집시스템을 도 2에 나타내었다.
비교예 1
상기 실시예 1에서 흡수탑에서 배출된 흡수액을 탈거탑에서 배출된 고온의 흡수액으로만 열교환하여 탈거탑으로 공급하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 얻은 이산화탄소 제거율이 90% 일 때의 이산화탄소 포집량 (ton)당 리보일러 열사용량은 표 1과 같다.(일반적인 상용공정과 동일)
[평가 및 결과]
실험예 1: 리보일러 열사용량
상기 실시예 1 및 비교예 1에 따른 리보일러 열사용량을 표 1로 나타내었다. 흡수탑으로 들어오기 전과 흡수탑을 거친 배가스의 이산화탄소 농도를 가스 분석기를 이용하여 측정하고, 이산화탄소 제거율이 90%일 때의 이산화탄소 포집량(ton)당 리보일러 열사용량을 계산하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.
실시예/비교예 알루미나 산성촉매 사용 여부 및 설치 위치 탈염수 사용량(cc/min) 리보일러 열사용량(GJ/ton-CO2)
실시예 1 1) 리보일러 응축수 증기 재활용
2) 리보일러 응축수 복수기로 재공급
3) 탈거탑 Reflux drum의 물 흡수탑 Washing zone에 make-up용으로 활용		 10 3.50
비교예 1 일반적인 산성가스 제거공정 100 3.85
표 1을 참고하면, 실시예 1 및 비교예 1의 리보일러 열사용량은 각각 3.50, 3.85 GJ/ton-CO2으로 나타났다. 실시예 1의 경우 비교예 1에 비하여 동일한 이산화탄소의 제거효율(90%)에서 동일한 이산화탄소를 포집하는데 탈염수 및 리보일러의 열사용량이 적게 사용됨을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과를 볼 때 동일한 이산화탄소 제거율을 기준으로 본 발명의 탈염수를 이용한 산성가스 포집방법을 적용할 경우, 냉각수 및 탈거탑에서의 부하를 줄일 수 있어 탈거탑의 용량을 획기적으로 줄이거나 사용되는 스팀 사용량을 획기적으로 감소시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
또한, 실시예 2와 비교예 1의 경우, 0.35GJ/ton-CO2의 소비에너지 차이가 발생하며, 실시예 2의 경우 탈염수 사용량은 90% 감소하게 된다. 500MW 석탄화력발전소를 기준으로 CO2를 처리할 때, 하루 약 10,000 ton의 CO2가 발생하고 90% 처리 시 하루 약 3,500 GJ의 에너지와 흡수탑 세척 구역(washing zone)의 make-up용 탈염수를 약 350톤을 감소시킬 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
1. 배가스
2. 재생된 흡수제(린아민)
3. 세척수
4. 이산화탄소가 제거된 배가스
5. 이산화탄소가 포화된 흡수제(리치아민)
6. 이산화탄소와 수증기 혼합가스
7. 이산화탄소
8. 응축수
9. 흡수탑
10. 린-리치아민 열교환기
11. 탈거탑
12. 리보일러
13. 응축기
14. 린아민 냉각기
15. 기액분리장치(Reflux drum)
16. 스팀 응축수 기액 분리기(Flash drum)
17. Reflux drum용수를 washing water make-up용으로 사용

Claims (4)

  1. 흡수탑으로 공급된 배가스 중에 함유된 산성가스를 흡수제에 흡수시켜 산성가스 포화 흡수제를 생성하는 제1단계;
    상기 산성가스 포화 흡수제를 공급받은 리보일러가 스팀을 이용하여 상기 산성가스 포화 흡수제를 재가열하는 제2단계;
    상기 리보일러로부터 산성가스 포화 흡수제를 공급받은 탈거탑이 상기 산성가스 포화 흡수제를 산성가스 및 흡수제로 분리하는 제3단계;
    상기 리보일러에 사용된 응축수를 스팀 응축수 기액분리기(Flash drum)를 이용하여 기체 및 액체로 분리하는 제4단계; 및
    상기 흡수탑의 세척 구역(washing zone)에 사용되는 탈염수를 기액분리장치(Reflux drum)의 물을 상기 세척 구역의 탈염수로 공급하여 사용하는 제5단계;를 포함하는, 탈염수를 이용한 산성가스 포집방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기체는 리보일러에 재공급하여 흡수제 재생을 위한 스팀으로 사용되고, 상기 액체는 탈염수(demineralized water) 저장탱크인 복수기로 공급되어 스팀으로 재생성되는 것을 특징으로 하는, 탈염수를 이용한 산성가스 포집방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 포화 흡수제는 아민계, 아미노산염, 무기염계 용액 및 암모니아수로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 탈염수를 이용한 산성가스 포집방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제5단계의 세척 구역의 탈염수로 공급되는 물의 양은, 상기 기액분리장치에서 탈거탑으로 재순환되는 물 총량의 10 내지 30%로 공급되는 것을 특징으로 하는, 탈염수를 이용한 산성가스 포집방법.
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