KR20180031464A - 습식 이산화탄소 포집 설비 - Google Patents

습식 이산화탄소 포집 설비 Download PDF

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Abstract

개시된 습식 이산화탄소 포집 설비는, 배기가스에 포함된 CO2를 흡수제와 반응시키는 CO2 흡수탑과, CO2 흡수탑에서 CO2를 흡수한 리치 용액으로부터 CO2를 분리하는 CO2 탈거탑과, CO2 탈거탑 내에서 리치 용액으로부터 CO2가 분리되도록 CO2 탈거탑에 열 에너지를 공급하는 재열기와, CO2 탈거탑에서 CO2가 분리된 린 용액과 CO2 흡수탑에서 CO2를 흡수한 리치 용액을 열교환시켜 리치 용액을 가열하는 제1 열교환기와, CO2 탈거탑에서 분리된 CO2 가스를 압축시키는 기계적 증기재압축기(MVR)와, 기계적 증기재압축기에서 압축된 CO2 가스와 제1 열교환기를 거친 리치 용액을 열교환시켜 리치 용액을 가열함으로써 리치 용액으로부터 일부의 CO2가 분리되도록 하는 제2 열교환기를 포함하며, 제2 열교환기에서 CO2가 분리되지 못한 리치 용액은 CO2 탈거탑으로 유입되어 CO2가 분리된다.

Description

습식 이산화탄소 포집 설비{Equipment for wet type carbon dioxide capturing}
본 발명은 습식 이산화탄소 포집 설비에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 흡수제로부터 이산화탄소를 분리하는데 소요되는 에너지를 저감할 수 있는 구성을 가진 습식 이산화탄소 포집 설비에 관한 것이다.
최근 지구 온난화 현상에 대한 심각성이 인식되기 시작하면서 세계 각국은 온실 가스에 대한 대책 마련에 부심하고 있으며, 이러한 지구 온난화의 가장 큰 요인 중 하나가 이산화탄소(CO2)이다. 따라서, 온실 가스 중에서도 가장 중요한 이산화탄소를 효율적으로 포집하여 배기가스 중의 이산화탄소를 저감시키는 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
이러한 이산화탄소를 포집하는 기술에는 여러 가지가 있으나, 흡수법이 다른 기술들에 비해 경제성이나 공정 적용 용이성이 높은 것으로 평가받고 있다. 흡수법 중에서도 화학흡수법은 화학반응을 이용하여 배기가스 내의 CO2를 선택적으로 분리하기 때문에 CO2 제거 효율이 높은 장점이 있다.
CCS(Carbon Capture & storage)는 이산화탄소의 포집, 압축, 이송 및 저장에 관한 기술을 통칭하는데, 이 중에서 화력발전소에서 배출되는 배기가스 중의 이산화탄소를 화학흡수공정에 의해 분리하는 기술로서 습식 아민(amine) 공정이 상용화 기술로서 타당하게 평가되고 있다.
일반적으로 액상의 아민류 화합물 또는 액상의 암모니아는 이산화탄소를 흡수하는 성질이 있어 석유정제 공정에서 황 성분을 제거하는 공정이나 화력발전소에서 배출되는 배기가스 중 이산화탄소를 분리하는 공정에 적용될 수 있다.
도 1에는 종래의 일반적인 습식 아민 공정이 적용된 습식 이산화탄소 포집 설비의 일 예가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 아민을 이용한 습식 화학흡수공정의 기본 구조는, 아민계열의 흡수제와 배기가스의 접촉을 위한 흡수탑(20)과, 흡수된 CO2의 탈거를 위한 탈거탑(30)과, 배기가스의 전처리 설비로 구성된다. 대표적인 흡수제로는 MEA(Monoethanol Amine)가 있으며, 재생에너지 절감 및 열화 방지를 위해 개선된 습식 CCS용 흡수제가 적용될 수 있다.
예컨대, 석탄화력발전소에 습식아민 CCS가 적용될 경우, CCS로 유입되는 배기가스는 탈황(FGD: Flue Gas Desulfurization) 설비, 탈질(SCR: Selective Catalytic Reduction) 설비 및 집진 설비를 거친 후 유입된다. 배기가스 중 이산화탄소의 함량은 연소되는 연료 및 운전조건에 따라 달라지나 통상 15 Vol.% 내외이다. 탈황 설비 등을 거친 배기가스는 가스-가스 열교환기(GGH)를 거치게 되고, 이 배기가스(71)는 별도의 SOx 흡수탑(10)으로 유입되어 황산화물이 더 제거된다.
이와 같이 배기가스 전처리 설비를 거친 배기가스(72)는 CO2 흡수탑(20)의 하부로 유입되고, 흡수탑(20)의 상부로부터 액상 흡수제(81)가 투입되면, 흡수탑(20) 내에서 서로 향류로 흐르면서 기-액 접촉이 진행되어 액상 흡수제(81)에 CO2가 흡수되며 이때 제거율은 대략 90% 정도이다. 흡수탑(20)의 상부로는 CO2가 제거된 배기가스(73)가 배출되고, 흡수탑(20) 하부로는 CO2를 흡수한 CO2-리치 흡수제(이하 리치 용액(rich solution)이라 한다)(82)가 배출된다. CO2를 흡수한 흡수제, 즉 리치 용액(82)은 CO2를 함유하고 있으며, 그 온도는 약 40~50℃ 정도이다. CO2가 제거된 배기가스는 흡수탑(20) 상부의 워터 스프레이(Water Spray)로 인하여 온도가 약 40℃까지 낮아지고, 이 배기가스(73)는 다시 탈황(FGD) 설비의 가스-가스 열교환기(GGH) 또는 별도 연돌을 통해 배출된다.
리치 용액(82)은 리치 용액 펌프(21)를 이용하여 판형 열교환기(50)로 유입되고, 판형 열교환기(50)를 거치면서 현열(sensible heat)을 회수하여 90~100℃의 온도로 가열된 리치 용액(83)은 탈거탑(30) 상부로 유입된다.
리치 용액(83)은 탈거탑(30) 상부에서 하부로 흐르면서 열 에너지에 의해 가열되어 흡수제와 CO2로 분리되고, 분리된 CO2는 탈거탑(30) 상부로 배출된다. 탈거탑(30) 상부로 배출되는 고농도의 CO2(91)의 온도는 약 105~120℃로서 탈거탑(30)의 온도와 거의 같고, 포화수증기압에 해당하는 수분을 포함하고 있기 때문에 응축기(60)를 통하여 수분을 제거하며, 이렇게 제거된 수분은 응축수(92)로서 다시 탈거탑(30)으로 유입된다. 수분이 제거된 CO2(93)의 온도는 약 40℃이다. CO2를 이송/저장 또는 재이용하기 위해서는 압축해야 한다. 이를 위해 탈거탑(30)에서 분리된 CO2는 응축기(60) 및 환류 드럼(Reflux Drum)을 통해 수분이 제거되고, 압축 및 액화 공정으로 연계된다. 압축 및 액화는 이송 방법에 따라 압축 압력 및 온도가 정해지는데, 선박이나 탱크로리를 이용한 이송시에는 -20℃, 20 bar.g로, 배관을 이용한 이송시에는 31℃, 150 bar.g로 압축된다.
탈거탑(30)의 하단으로는 CO2-린 흡수제(이하 린 용액(lean solution)이라 한다)(84)가 배출된다. 린 용액(84)의 온도는 약 105~120℃ 정도이고, 판형 열교환기(50)로 유입되어 리치 용액(82)으로 현열을 전달한다. 현열을 잃은 린 용액(84)은 린 용액 펌프(22)를 이용하여 흡수탑(20)의 상부로 유입되어 SOx 흡수탑(10)에서 황산화물이 제거된 배기가스(71)와 접촉하게 된다.
위와 같이, 탈거탑(30) 하부로는 CO2가 분리된 린 용액(84)이 배출되는데, CO2가 분리되는 과정에 있는 탈거탑(30) 내의 일부 흡수제(85)는 재열기(40)로 유입된다. 재열기(reboiler)(40)로는 약 3 bar.g 이상의 증기(steam)(94)가 유입되고, 이 증기(94)는 재열기(40) 내에서 흡수제(85)를 가열한다. 재열기(40) 내에서 흡수제(85)로부터 CO2와 증기가 발생하고, 이 혼합가스(95)는 탈거탑(30)으로 유입되어 리치 용액(83)으로부터 CO2를 분리하는 열 에너지를 제공한다. 재열기(40)에서 CO2가 분리된 흡수제(86)는 다시 탈거탑(30)으로 유입된다. 재열기(40)로 유입된 증기(94)는 잠열을 전달하고 응축수(96)의 형태로 응축수 탱크(70)로 유입 및 집수된 후 증기 생산공정으로 회송된다.
상기한 바와 같이, 종래의 습식 이산화탄소 포집 설비에 있어서, 흡수탑(20)과 탈거탑(30) 사이의 현열 회수 구조는 흡수탑(20)의 하부에서 배출되는 리치 용액(82)과 탈거탑(30)의 하부에서 배출되는 린 용액(84)의 온도 차이가 클 경우, 판형 열교환기(50)를 통해 두 용액간에 현열 교환이 진행되어 열이 회수된다. 회수된 현열은 탈거탑(30)으로 유입되는 리치 용액(83)의 온도를 높여주므로 탈거탑(30)에서 필요한 재열기(40)의 열 부하(Heat Duty)가 줄어든다.
그런데, 판형 열교환기(50)를 통과한 후 탈거탑(30)으로 유입되는 리치 용액(83)의 온도가 높아짐에 따라 현열 회수가 높아 탈거탑(30)에서의 열 에너지 투입을 절감할 수는 있으나, 탈거탑(30) 상부의 온도가 높아지면 응축기(60)에서의 냉각부하(Cooling Duty)가 높아진다. 즉 재 액화비가 높아진다. 따라서, 탈거탑(30)으로 유입되는 리치 용액(83)의 온도와 응축기(60)에서의 냉각부하 사이에는 트레이드오프(Trade-off)관계가 있어, 판형 열교환기(50)에서 현열을 무작정 회수할 수만은 없는 구조이다.
또한, 리치 용액은 열교환기(50) 내에서 CO2와 흡수제로 분리될 수 있는데, 즉 2상(two-phase) 현상이 나타날 수 있는데, 이 경우 흡수제의 순환속도 제어가 어려워 액상/기상 비(흡수제와 배기가스의 비율)가 달라지므로, 안정적인 운전이 되지 않는다. 따라서, 2상(2-Phase)의 발생을 억제하기 위하여 리치 용액은 판형 열교환기(50)를 거쳐 탈거탑(30)에 유입될 때까지 액체상태이어야 하고, 이로 인해 현열의 회수도 한정된다.
위와 같이, 습식 아민 CCS 공정이 적용된 종래의 습식 이산화탄소 포집 설비는 높은 CO2 제거 성능에도 불구하고, 탈거탑(30)에서 흡수제로부터 CO2를 분리하기 위해 투입되는 열에너지가 매우 많이 소요되는 단점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, CO2 탈거탑에서 흡수제로부터 이산화탄소를 분리하는데 소요되는 에너지를 저감할 수 있는 구성을 가진 습식 이산화탄소 포집 설비를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 습식 이산화탄소 포집 설비는,
배기가스에 포함된 CO2를 흡수제와 반응시키는 CO2 흡수탑;
상기 CO2 흡수탑에서 CO2를 흡수한 리치 용액으로부터 CO2를 분리하는 CO2 탈거탑;
상기 CO2 탈거탑 내에서 상기 리치 용액으로부터 CO2가 분리되도록 상기 CO2 탈거탑에 열 에너지를 공급하는 재열기;
상기 CO2 탈거탑에서 CO2가 분리된 린 용액과 상기 CO2 흡수탑에서 CO2를 흡수한 리치 용액을 열교환시켜 상기 리치 용액을 가열하는 제1 열교환기;
상기 CO2 탈거탑에서 분리된 CO2 가스를 압축시키는 기계적 증기재압축기(MVR); 및
상기 기계적 증기재압축기에서 압축된 CO2 가스와 상기 제1 열교환기를 거친 리치 용액을 열교환시켜 상기 리치 용액을 가열함으로써 상기 리치 용액으로부터 일부의 CO2가 분리되도록 하는 제2 열교환기;를 포함하며,
상기 제2 열교환기에서 CO2가 분리되지 못한 리치 용액은 상기 CO2 탈거탑으로 유입되어 CO2가 분리되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 제1 열교환기는 판형 열교환기이고, 상기 제2 열교환기는 쉘 및 튜브형(shell & tube) 열교환기이며, 상기 기계적 증기재압축기에서 압축된 CO2 가스는 상기 제2 열교환기의 튜브측으로 유입되고, 상기 제1 열교환기를 거친 리치 용액은 상기 제2 열교환기의 쉘측으로 유입될 수 있다.
또한, 상기 재열기에는 열원으로서 증기가 유입되며, 상기 증기는 상기 재열기를 통해 상기 CO2 탈거탑으로 잠열을 전달하면서 응축되고, 상기 증기가 응축되면서 발생된 응축수는 제1 응축수 탱크로 유입될 수 있다.
또한, 상기 제2 열교환기로 유입된 CO2 가스가 열을 잃으면서 응축수가 발생하며, 상기 CO2 가스, 수증기 및 응축수가 혼합된 혼합유체는 제2 응축수 탱크로 유입되고, 상기 제2 응축수 탱크 내에서 상기 혼합유체로부터 분리된 응축수는 상기 CO2 탈거탑으로 유입될 수 있다.
또한, 상기 CO2 흡수탑에서 CO2가 제거된 배기가스와 상기 제2 응축수 탱크에서 응축수가 제거된 CO2 가스를 열교환시키는 제3 열교환기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 응축수 탱크 내에서 응축수가 제거된 CO2 가스를 압축하는 제2 기계적 증기재압축기(제2 MVR)와; 상기 제2 기계적 증기재압축기에서 압축된 CO2 가스와 상기 제1 열교환기를 거친 리치 용액 중 일부를 열교환시켜 상기 리치 용액을 가열함으로써 상기 리치 용액으로부터 일부 CO2가 분리되도록 하는 제4 열교환기;를 더 포함하며, 상기 제4 열교환기에서 CO2가 분리되지 못한 리치 용액은 상기 제2 열교환기에서 CO2가 분리되지 못한 리치 용액과 함께 상기 CO2 탈거탑으로 유입될 수 있다.
또한, 상기 제4 열교환기는 쉘 및 튜브형(shell & tube) 열교환기이며, 상기 제2 기계적 증기재압축기에서 압축된 CO2 가스는 상기 제4 열교환기의 튜브측으로 유입되고, 상기 제1 열교환기를 거친 리치 용액 중 일부는 상기 제4 열교환기의 쉘측으로 유입될 수 있다.
또한, 상기 제4 열교환기로 유입된 CO2 가스가 열을 잃으면서 응축수가 발생하며, 상기 CO2 가스, 수증기 및 응축수가 혼합된 혼합유체는 제3 응축수 탱크로 유입되고, 상기 제3 응축수 탱크 내에서 상기 혼합유체로부터 분리된 응축수는 상기 CO2 탈거탑으로 유입될 수 있다.
또한, 상기 CO2 흡수탑에서 CO2가 제거된 배기가스와 상기 제3 응축수 탱크에서 응축수가 제거된 CO2 가스를 열교환시키는 제3 열교환기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 응축수 탱크 내에서 발생된 재증발 증기를 압축하여 상기 재열기로 공급하는 열적 증기재압축기(TVR)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 응축수 탱크에 열교환기가 장착되며, 상기 열교환기는 상기 제2 응축수 탱크에서 응축수가 제거된 CO2 가스를 상기 제1 응축수 탱크 내의 응축수와 열교환시킬 수 있다.
또한, 상기 CO2 흡수탑에서 CO2가 제거된 배기가스와 상기 제1 응축수 탱크에 장착된 열교환기를 거친 CO2 가스를 열교환시키는 제3 열교환기를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 습기 이산화탄소 포집 설비에 의하면, 기계적 증기재압축기와 제2 열교환기에 의해 리치 용액으로부터 일부 CO2가 분리되므로, CO2 탈거탑의 상부로 유입되는 CO2가 분리되지 못한 리치 용액의 양은 종래 기술에 비해 감소된다. 따라서, 재열기를 통해 CO2 탈거탑으로 공급되는 열 에너지의 양을 줄일 수 있어서 재열기의 열부하를 저감할 수 있는 장점이 있다.
또한, 종래 기술에서 CO2를 탈거탑에서 수분만 제거하고 압축/액화 공정으로 유입할 경우 그 압력이 0.3~0.8 bar.g인데 비해, 본 발명에 따라 응축수가 제거된 CO2 가스는 압축/액화 공정으로 유입시 압력이 높아서 압축공정의 부하가 낮아지는 장점이 있다.
도 1에는 종래의 일반적인 습식 아민 공정이 적용된 습식 이산화탄소 포집 설비의 일 예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 습식 이산화탄소 포집 설비를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 습식 이산화탄소 포집 설비를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 습식 이산화탄소 포집 설비를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명에 따른 습식 이산화탄소 포집 설비의 실시예들에 대해 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 가리킨다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 습식 이산화탄소 포집 설비를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 습식 이산화탄소 포집 설비는 화력발전소 등에서 배출되는 배기가스 중의 이산화탄소를 화학흡수공정에 의해 분리하기 위한 설비로서, 예를 들어 습식 아민(amine) CCS 공정이 적용될 수 있다. 다만, 본 발명은 습식 아민 CCS 공정에 한정되지는 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 습식 이산화탄소 포집 설비는, CO2 흡수탑(120), CO2 탈거탑(130), 재열기(140), 제1 열교환기(150), 기계적 증기재압축기(180) 및 제2 열교환기(152)를 포함하여 구성된다.
예를 들어 화력발전소에서 배출되는 배기가스는 배기가스 전처리 설비, 예를 들어 탈황(FGD: Flue Gas Desulfurization) 설비, 탈질(SCR: Selective Catalytic Reduction) 설비 및/또는 집진 설비를 거치게 된다. 배기가스 중 이산화탄소의 함량은 연소되는 연료 및 운전조건에 따라 달라지나 통상 15 Vol.% 내외이다. 탈황 설비 등을 거친 배기가스는 가스-가스 열교환기(GGH)를 거치게 되고, 이 배기가스(301)는 SOx 흡수탑(110)으로 유입되어 황산화물이 더 제거될 수 있다. 이와 같이 배기가스 전처리 설비를 거치면서 SOx가 제거되었지만 CO2를 포함한 배기가스(302)는 상기 CO2 흡수탑(120)의 하부로 유입된다.
상기 CO2 흡수탑(120)은 배기가스 중의 CO2를 액상 흡수제, 예컨대 아민 흡수제와 반응시키는 장치이다. 구체적으로, 상기 CO2 흡수탑(120)의 상부로부터 액상 흡수제(311)가 투입되며, CO2 흡수탑(120) 내에서 흡수제(311)와 배기가스(302)가 서로 향류로 흐르면서 기-액 접촉이 진행되어 흡수제(311)에 배기가스(302) 중의 CO2가 흡수되며, 이때 배기가스 중의 CO2 제거율은 대략 90% 정도이다.
위와 같이 CO2를 흡수한 CO2-리치 흡수제(312)(이하 리치 용액이라 한다)는 상기 CO2 흡수탑(120)의 하부를 통해 배출된다. 상기 리치 용액(312)은 CO2를 함유하고 있으며, 그 온도는 약 40~50℃ 정도이다.
상기 CO2 흡수탑(120)의 상부로는 CO2가 제거된 배기가스(303)가 배출되는데, 이 과정에서 상기 CO2 흡수탑(20) 상부의 워터 스프레이(Water Spray)로 인하여 배기가스(303)의 온도가 약 40℃까지 낮아질 수 있다.
상기 CO2 흡수탑(120)의 하부를 통해 배출된 리치 용액(312)은 리치 용액 펌프(161)를 통해 제1 열교환기(150)로 유입된다. 상기 제1 열교환기(150)로는 판형 열교환기가 사용될 수 있다. 상기 리치 용액(312)은 상기 제1 열교환기(150)를 거치면서 후술하는 린 용액(lean solution)(315)과 열교환을 통해 현열(sensible heat)을 회수하면서 온도가 높아지게 된다. 이때, 상기 리치 용액(312)은 2상(2-phase) 현상을 방지하고 액상을 유지할 수 있는 정도의 온도, 예컨대 대략 90~100℃의 온도로 가열된다.
이와 같이 현열을 회수하여 가열된 리치 용액(313)은 제2 열교환기(152)로 유입된다. 상기 제2 열교환기(152)로는 쉘 및 튜브형(shell & tube) 열교환기가 사용될 수 있다. 상기 리치 용액(313)은 상기 제2 열교환기(152)를 거치면서 후술하는 기계적 증기재압축기(MVR: Mechanical Vapor Recompression)(180)에서 압축된 CO2 가스(322)와 열교환을 통해 가열된다. 이에 대해서는 뒤에서 다시 설명하기로 한다.
상기 제2 열교환기(152) 내에서 상기 리치 용액(313)이 가열되면서 리치 용액(313)으로부터 일부 CO2가 분리되며, 미처 CO2가 분리되지 못한 리치 용액(314)은 상기 CO2 탈거탑(130)의 상부로 유입된다.
상기 CO2 탈거탑(130)은 가열을 통해 상기 리치 용액(314)으로부터 CO2를 분리하는 장치이다. 구체적으로, 상기 리치 용액(314)은 상기 CO2 탈거탑(130)의 상부에서 하부로 흐르면서 열 에너지에 의해 가열되어 흡수제와 CO2로 분리된다.
상기 재열기(reboiler)(140)는 상기 CO2 탈거탑(130)으로 CO2 분리를 위한 열 에너지를 공급하는 장치이다.
구체적으로, 상기 재열기(140)로는 열원으로서 약 3 bar.g 이상의 증기(steam)(351)가 유입된다. 또한, CO2가 분리되는 과정에 있는 상기 CO2 탈거탑(130) 내의 일부 흡수제(341)도 상기 재열기(140)로 유입되며, 상기 재열기(140) 내에서 상기 증기(351)에 의해 가열된다. 이에 따라, 상기 재열기(140) 내에서 흡수제(341)로부터 CO2와 수증기가 발생하고, CO2와 수증기의 혼합가스(342)는 상기 CO2 탈거탑(30)으로 유입되어 상기 리치 용액(314)으로부터 CO2를 분리하는 열 에너지를 제공한다. 상기 재열기(140)에서 CO2가 분리된 흡수제(343)는 다시 CO2 탈거탑(130)으로 유입된다. 상기 재열기(140)로 유입된 증기(351)는 잠열을 전달하고 응축되며, 이에 따라 발생된 응축수(352)는 제1 응축수 탱크(170)로 유입 및 집수된 후 증기 생산공정으로 회송된다.
상기 CO2 탈거탑(130) 내에서 분리된 CO2는 상기 CO2 탈거탑(130)의 상부로 배출되며, CO2가 제거된 흡수제(315)(이하 린 용액이라 한다)는 상기 CO2 탈거탑(130)의 하부로 배출된다.
상기 린 용액(315)의 온도는 대략 105~120℃ 정도이며, 전술한 바와 같이, 상기 제1 열교환기(150)로 유입되어 열교환을 통해 리치 용액(312)으로 현열을 전달한다. CO2가 제거되고 현열을 잃은 린 용액(311), 즉 재생된 흡수제(311)는 린 용액 펌프(162)를 이용하여 상기 CO2 흡수탑(120)의 상부로 유입되어 황산화물이 제거된 배기가스(302)와 접촉하게 된다.
상기 CO2 탈거탑(130)의 상부로 배출되는 CO2 가스(321)의 온도는 대략 105~120℃, 압력은 대략 0.3~0.8 bar.g이며, 수분은 대략 40% 정도 포함하고 있다. 상기 CO2 가스(321)는 상기 기계적 증기재압축기(MVR)(180)로 유입되어 압축된다. 이때, 상기 CO2 가스(321)에 포함된 수분은 압력이 높아짐에 따라 잠열 에너지가 상승한다. 통상의 압축기의 압축비가 4 정도인데 비해, 상기 기계적 증기재압축기(MVR)(180)는 증기를 압축하므로 그 압축비는 대략 2 정도이다. 1단 또는 다단의 압축기를 통해 압축할 수 있다. 상기 기계적 증기재압축기(180)에서 압축된 CO2 가스(322)는 온도가 높아진 상태로 상기 제2 열교환기(152)로 유입된다. 상기 제2 열교환기(152)로는 쉘 및 튜브형(shell & tube) 열교환기가 사용될 수 있으며, 압축된 CO2 가스(322)는 상기 제2 열교환기(152)의 튜브측으로 유입될 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 상기 제1 열교환기(150)에서 현열을 회수하여 가열된 리치 용액(313)은 상기 제2 열교환기(152)의 쉘측으로 유입된다. 상기 리치 용액(313)은 상기 제2 열교환기(152) 내에서 상기 압축된 CO2 가스(322)와 열교환을 통해 가열된다. 상기 기계적 증기재압축기(180)에서 압축된 CO2 가스(322)는 상기 리치 용액(313)보다 온도가 높기 때문에 열교환이 가능하다. 이에 따라, 리치 용액(313)에서 일부 CO2가 분리되고, 일부 수증기가 발생된다. 상기 제2 열교환기(152) 내에서 분리된 CO2 가스 및 수증기의 혼합가스(323)는 상기 CO2 탈거탑(130)의 상부로 유입된다. 상기 제2 열교환기(152) 내에서 미처 CO2가 분리되지 못한 리치 용액(314)은 전술한 바와 같이 상기 CO2 탈거탑(130)의 상부로 유입된다.
상기 제2 열교환기(152)로 유입된 압축된 CO2 가스(322)는 열을 잃고 수분이 응축되어 응축수가 발생하지만, 아직 온도가 높아서 일부는 수증기로 존재한다. 압축된 CO2 가스, 수증기 및 응축수가 혼합된 혼합유체(324)는 제2 응축수 탱크(172)로 유입된다. 상기 제2 응축수 탱크(172) 내에서 상기 혼합유체(324)로부터 분리된 응축수(325)는 상기 CO2 탈거탑(130)의 상부로 유입된다.
상기 제2 응축수 탱크(172) 내에서 응축수(325)가 제거된 압축된 CO2 가스(326)는 제3 열교환기(153)로 유입된다. 상기 제3 열교환기(153)로는 쉘 및 튜브형(shell & tube) 열교환기가 사용될 수 있으며, 압축된 CO2 가스(326)는 상기 제3 열교환기(153)의 쉘측으로 유입될 수 있다. 상기 제3 열교환기(153)의 튜브측으로는 상기 CO2 흡수탑(120)에서 CO2가 제거된 배기가스(303)가 유입된다. 상기 배기가스(30)는 상기 CO2 흡수탑(120) 상부에서의 냉각용 워터 스프레이로 인해 온도가 대략 40℃로 낮아진다. 그러나, 이 배기가스(303)는 탈황(FGD) 설비의 가스-가스 열교환기(GGH)나 별도의 연돌로 배출되어야 하므로, 대략 95~100℃의 온도가 필요하다.
따라서, 상기 제3 열교환기(153) 내에서, 배기가스(303)는 열교환을 통해 가열되고, 압축된 CO2 가스(326)는 온도가 저하되면서 잠열을 잃어 CO2 가스(326) 중 수분이 응축되어 응축수(327)가 발생한다. 이 응축수(327)는 상기 CO2 탈거탑(130)으로 유입된다. 그리고, 수분이 일부 제거된 압축된 CO2 가스(328)는 온도가 낮아진 상태로 압축 및 액화공정으로 연계된다. 한편, CO2가 제거된 배기가스(305)는 열교환에 의해 승온되고, 승온된 배기가스(304)는 탈황(FGD) 설비의 가스-가스 열교환기(GGH)나 별도의 연돌로 이송된다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 습식 이산화탄소 포집 설비는, 상기 기계적 증기재압축기(180)와 제2 열교환기(152)에 의해 리치 용액(313)으로부터 일부 CO2가 분리되므로, 상기 CO2 탈거탑(130)의 상부로 유입되는 CO2가 분리되지 못한 리치 용액(314)의 양은 종래 기술에 비해 감소된다. 따라서, 상기 재열기(140)를 통해 CO2 탈거탑(130)으로 공급되는 열 에너지의 양을 줄일 수 있어서 상기 재열기(140)의 열 부하를 더욱 저감할 수 있는 장점이 있다.
또한, 종래 기술에서 CO2를 탈거탑에서 수분만 제거하고 압축/액화 공정으로 유입할 경우 그 압력이 0.3~0.8 bar.g인데 비해, 본 발명에 따라 응축수가 제거된 CO2 가스(328)는 압축/액화 공정으로 유입시 압력이 높아서 압축공정의 부하가 낮아지는 장점이 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 습식 이산화탄소 포집 설비를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 습식 이산화탄소 포집 설비는, CO2 흡수탑(120), CO2 탈거탑(130), 재열기(140), 제1 열교환기(150), 기계적 증기재압축기(180), 제2 열교환기(152) 외에 제2 기계적 증기재압축기(182) 및 제4 열교환기(154)를 더 포함하여 구성된다.
도 3에 도시된 실시예의 구성요소들 중 일부는 도 2에 도시된 실시예의 구성요소들과 동일하며, 이에 따라 동일한 구성요소들에 대한 설명은 생략하거나 간단하게 기재하고, 추가된 구성요소들에 대해서 주로 설명하기로 한다.
도 3에 도시된 실시예에 있어서, 예를 들어 화력발전소에서 배출되는 배기가스에 대한 전처리 설비는 도 2에 도시된 실시예와 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
또한, 상기 CO2 흡수탑(120), CO2 탈거탑(130), 재열기(140), 제1 열교환기(150), 기계적 증기재압축기(180) 및 제2 열교환기(152)도 도 2에 도시된 실시예에서 설명한 바와 동일하므로, 이에 대한 설명도 생략하기로 한다.
도 3에 도시된 실시예에서, 상기 제2 응축수 탱크(172) 내에서 응축수(325)가 제거된 압축된 CO2 가스(326)에는 아직 수분이 포함되어 있으므로, 이를 상기 제2 기계적 증기재압축기(182)로 유입시킨다. 이와 같이 압축된 CO2 가스(326)가 상기 제2 기계적 증기재압축기(182)를 거치게 되면, 그 압력이 더 높아지므로 압축 및 액화 공정에서 압축설비의 부하를 줄일 수 있는 장점이 있다.
상기 제2 기계적 증기재압축기(182)에서 압축된 CO2 가스(329)는 제4 열교환기(154)로 유입된다. 상기 제4 열교환기(154)도 쉘 및 튜브형(shell & tube) 열교환기일 수 있으며, 압축된 CO2 가스(329)는 상기 제4 열교환기(154)의 튜브측으로 유입될 수 있다.
한편, 도 3에 도시된 실시예에서, 상기 제1 열교환기(150)를 거치면서 현열을 얻은 리치 용액(313) 중 일부는 상기 제4 열교환기(154)의 쉘측으로 유입되어 상기 압축된 CO2 가스(329)와 열교환한다. 상기 제4 열교환기(154) 내에서 열교환을 통해 리치 용액(313)으로부터 분리된 CO2 가스 및 수증기의 혼합가스(330)는 상기 제2 열교환기(152)에서 분리된 CO2 가스 및 수증기의 혼합가스(323)와 함께 상기 CO2 탈거탑(130)으로 유입된다.
상기 제4 열교환기(154) 내에서 미처 CO2가 분리되지 못한 리치 용액(316)은 상기 제2 열교환기(152) 내에서 미처 CO2가 분리되지 못한 리치 용액(314)과 함께 상기 CO2 탈거탑(130)의 상부로 유입되어, 상기 CO2 탈거탑(130) 내부에서 CO2가 분리된다.
상기 제4 열교환기(154)로 유입된 압축된 CO2 가스(329)는 열을 잃고 수분이 응축되어 응축수가 발생하지만, 아직 온도가 높아서 일부는 수증기로 존재한다. 압축된 CO2 가스, 수증기 및 응축수가 혼합된 혼합유체(331)는 제3 응축수 탱크(173)로 유입된다. 상기 제3 응축수 탱크(173) 내에서 상기 혼합유체(331)로부터 분리된 응축수(332)는 상기 CO2 탈거탑(130)의 상부로 유입된다.
상기 제3 응축수 탱크(173) 내에서 응축수(332)가 제거된 압축된 CO2 가스(333)는 상기 제3 열교환기(153)의 쉘측으로 유입된다. 상기 제3 열교환기(153)의 작용과 그 이후의 내용은 도 2에 도시된 실시예와 동일하다.
상기한 도 3에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 습식 이산화탄소 포집 설비도 도 2에 도시된 실시예와 마찬가지의 장점을 가진다. 특히, 도 3에 도시된 실시예에서는, 상기 기계적 증기재압축기(180)와 제2 열교환기(152) 외에 제2 기계적 증기재압축기(182)와 제4 열교환기(154)를 더 포함함으로써, 리치 용액(313)으로부터 일부 CO2를 2단계에 걸쳐 분리하게 되므로, 상기 CO2 탈거탑(130)의 상부로 유입되는 CO2가 분리되지 못한 리치 용액(314, 316)의 양이 더욱 감소될 수 있어서, 상기 재열기(140)를 통해 CO2 탈거탑(130)으로 공급되는 열 에너지의 양을 더욱 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 습식 이산화탄소 포집 설비를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 습식 이산화탄소 포집 설비는, CO2 흡수탑(120), CO2 탈거탑(130), 재열기(140), 제1 열교환기(150), 기계적 증기재압축기(180), 제2 열교환기(152) 외에 열적 증기재압축기(TVR: Thermal Vapor Recompression)(190)을 더 포함하여 구성된다.
도 4에 도시된 실시예의 구성요소들 중 일부는 도 2에 도시된 실시예의 구성요소들과 동일하며, 이에 따라 동일한 구성요소들에 대한 설명은 생략하거나 간단하게 기재하고, 추가된 구성요소들에 대해서 주로 설명하기로 한다.
도 4에 도시된 실시예에 있어서, 예를 들어 화력발전소에서 배출되는 배기가스에 대한 전처리 설비는 도 2에 도시된 실시예와 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
또한, 상기 CO2 흡수탑(120), CO2 탈거탑(130), 재열기(140), 제1 열교환기(150), 기계적 증기재압축기(180) 및 제2 열교환기(152)도 도 2에 도시된 실시예에서 설명한 바와 동일하므로, 이에 대한 설명도 생략하기로 한다.
도 4에 도시된 실시예에서, 상기 열적 증기재압축기(190)는 상기 제1 응축수 탱크(170) 내에서 발생된 재증발 증기(353)를 압축하여 상기 재열기(140)로 공급하는 역할을 한다.
전술한 바와 같이, 상기 재열기(140)로 유입된 증기(351)는 잠열을 잃으면서 응축되며, 이에 따라 발생된 응축수(352)는 상기 제1 응축수 탱크(170)로 유입된다. 이때, 상기 제1 응축수 탱크(170) 내부의 응축수(352)는 잠열만 잃었기 때문에 그 온도는 140℃ 이상이므로, 상기 제1 응축수 탱크(170)에 상기 열적 증기재압축기(190)를 연결하면 제1 응축수 탱크(170)가 감압되면서 응축수(352)로부터 재증발 증기(353)가 발생된다. 이와 같이, 재증발 증기(353)를 발생시키면 응축수(352)의 온도는 대략 100℃ 정도가 된다. 상기 재증발 증기(353)를 상기 열적 증기재압축기(190)에서 압축하여 상기 재열기(140)로 공급할 수 있으므로, 상기 재열기(140)로 공급되는 증기(351)의 양을 저감할 수 있는 장점이 있다.
또한, 도 4에 도시된 실시예에서, 상기 제2 응축수 탱크(172) 내에서 응축수(325)가 제거된 압축된 CO2 가스(326)를 상기 제3 열교환기(153)로 유입되기 전에 상기 제1 응축수 탱크(170)에 장착된 별도의 열교환기(175)로 유입시킬 수 있다.
상기 압축된 CO2 가스(326)는 고온 상태이므로 상기 제1 응축수 탱크(170)에 장착된 열교환기(175)를 거치면서 열교환을 통해 상기 응축수(352)에 열을 공급할 수 있다. 이에 따라, 응축수(352)로부터 재증발 증기(353)의 발생량이 더 많아지게 되므로, 상기 재열기(140)로 공급되는 증기(351)의 양을 더욱 저감할 수 있는 장점이 있다.
상기 압축된 CO2 가스(326)는 상기 제1 응축수 탱크(170)에 장착된 열교환기(175)를 거친 후 상기 제3 열교환기(153)의 쉘측으로 유입된다. 상기 제3 열교환기(153)의 작용과 그 이후의 내용은 도 2에 도시된 실시예와 동일하다.
상기한 도 4에 도시된 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 습식 이산화탄소 포집 설비도 도 2에 도시된 실시예와 마찬가지의 장점을 가진다. 특히, 도 4에 도시된 실시예에서는, 상기 열적 증기재압축기(190)를 더 포함하고, 고온의 압축된 CO2 가스(326)를 상기 제1 응축수 탱크(170)에 장착된 열교환기(175)를 통해 응축수(352)와 열교환시켜 재증발 증기(353)를 발생시킴으로써, 상기 재열기(140)로 공급되는 증기(351)의 양을 저감할 수 있으므로, 상기 재열기(140)를 통해 CO2 탈거탑(130)으로 공급되는 열 에너지의 양을 더욱 줄일 수 있는 장점이 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
110...SOx 흡수탑 120...CO2 흡수탑
130...CO2 탈거탑 140...재열기
150...제1 열교환기 152...제2 열교환기
153...제3 열교환기 154...제4 열교환기
161...리치 용액 펌프 162...린 용액 펌프
170...제1 응축수 탱크 172...제2 응축수 탱크
173...제3 응축수 탱크 175...열교환기
180...기계적 증기재압축기 182...제2 기계적 증기재압축기
190...열적 증기재압축기

Claims (12)

  1. 배기가스에 포함된 CO2를 흡수제와 반응시키는 CO2 흡수탑;
    상기 CO2 흡수탑에서 CO2를 흡수한 리치 용액으로부터 CO2를 분리하는 CO2 탈거탑;
    상기 CO2 탈거탑 내에서 상기 리치 용액으로부터 CO2가 분리되도록 상기 CO2 탈거탑에 열 에너지를 공급하는 재열기;
    상기 CO2 탈거탑에서 CO2가 분리된 린 용액과 상기 CO2 흡수탑에서 CO2를 흡수한 리치 용액을 열교환시켜 상기 리치 용액을 가열하는 제1 열교환기;
    상기 CO2 탈거탑에서 분리된 CO2 가스를 압축시키는 기계적 증기재압축기(MVR); 및
    상기 기계적 증기재압축기에서 압축된 CO2 가스와 상기 제1 열교환기를 거친 리치 용액을 열교환시켜 상기 리치 용액을 가열함으로써 상기 리치 용액으로부터 일부의 CO2가 분리되도록 하는 제2 열교환기;를 포함하며,
    상기 제2 열교환기에서 CO2가 분리되지 못한 리치 용액은 상기 CO2 탈거탑으로 유입되어 CO2가 분리되는 것을 특징으로 하는 습식 이산화탄소 포집 설비.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 열교환기는 판형 열교환기이고, 상기 제2 열교환기는 쉘 및 튜브형(shell & tube) 열교환기이며, 상기 기계적 증기재압축기에서 압축된 CO2 가스는 상기 제2 열교환기의 튜브측으로 유입되고, 상기 제1 열교환기를 거친 리치 용액은 상기 제2 열교환기의 쉘측으로 유입되는 것을 특징으로 하는 습식 이산화탄소 포집 설비.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 재열기에는 열원으로서 증기가 유입되며, 상기 증기는 상기 재열기를 통해 상기 CO2 탈거탑으로 잠열을 전달하면서 응축되고, 상기 증기가 응축되면서 발생된 응축수는 제1 응축수 탱크로 유입되는 것을 특징으로 하는 습식 이산화탄소 포집 설비.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제2 열교환기로 유입된 CO2 가스가 열을 잃으면서 응축수가 발생하며, 상기 CO2 가스, 수증기 및 응축수가 혼합된 혼합유체는 제2 응축수 탱크로 유입되고, 상기 제2 응축수 탱크 내에서 상기 혼합유체로부터 분리된 응축수는 상기 CO2 탈거탑으로 유입되는 것을 특징으로 하는 습식 이산화탄소 포집 설비.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 CO2 흡수탑에서 CO2가 제거된 배기가스와 상기 제2 응축수 탱크에서 응축수가 제거된 CO2 가스를 열교환시키는 제3 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 습식 이산화탄소 포집 설비.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 제2 응축수 탱크 내에서 응축수가 제거된 CO2 가스를 압축하는 제2 기계적 증기재압축기(제2 MVR)와;
    상기 제2 기계적 증기재압축기에서 압축된 CO2 가스와 상기 제1 열교환기를 거친 리치 용액 중 일부를 열교환시켜 상기 리치 용액을 가열함으로써 상기 리치 용액으로부터 일부 CO2가 분리되도록 하는 제4 열교환기;를 더 포함하며,
    상기 제4 열교환기에서 CO2가 분리되지 못한 리치 용액은 상기 제2 열교환기에서 CO2가 분리되지 못한 리치 용액과 함께 상기 CO2 탈거탑으로 유입되는 것을 특징으로 하는 습식 이산화탄소 포집 설비.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제4 열교환기는 쉘 및 튜브형(shell & tube) 열교환기이며, 상기 제2 기계적 증기재압축기에서 압축된 CO2 가스는 상기 제4 열교환기의 튜브측으로 유입되고, 상기 제1 열교환기를 거친 리치 용액 중 일부는 상기 제4 열교환기의 쉘측으로 유입되는 것을 특징으로 하는 습식 이산화탄소 포집 설비.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 제4 열교환기로 유입된 CO2 가스가 열을 잃으면서 응축수가 발생하며, 상기 CO2 가스, 수증기 및 응축수가 혼합된 혼합유체는 제3 응축수 탱크로 유입되고, 상기 제3 응축수 탱크 내에서 상기 혼합유체로부터 분리된 응축수는 상기 CO2 탈거탑으로 유입되는 것을 특징으로 하는 습식 이산화탄소 포집 설비.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 CO2 흡수탑에서 CO2가 제거된 배기가스와 상기 제3 응축수 탱크에서 응축수가 제거된 CO2 가스를 열교환시키는 제3 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 습식 이산화탄소 포집 설비.
  10. 제 4항에 있어서,
    상기 제1 응축수 탱크 내에서 발생된 재증발 증기를 압축하여 상기 재열기로 공급하는 열적 증기재압축기(TVR)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 습식 이산화탄소 포집 설비.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 제1 응축수 탱크에 열교환기가 장착되며, 상기 열교환기는 상기 제2 응축수 탱크에서 응축수가 제거된 CO2 가스를 상기 제1 응축수 탱크 내의 응축수와 열교환시키는 것을 특징으로 하는 습식 이산화탄소 포집 설비.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 CO2 흡수탑에서 CO2가 제거된 배기가스와 상기 제1 응축수 탱크에 장착된 열교환기를 거친 CO2 가스를 열교환시키는 제3 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 습식 이산화탄소 포집 설비.
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