KR20190014632A - 열병합 방법을 이용한 저에너지형 산성 가스 분리 시스템 및 방법 - Google Patents

열병합 방법을 이용한 저에너지형 산성 가스 분리 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배가스 내의 이산화탄소를 비롯한 산성 가스 분리 공정에서, 흡수제 재생을 위한 재생탑에 제공해야 하는 열량을 감축시킬 수 있는 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 산성 가스를 분리하는 공정에서 공정 자체의 열을 활용하여 에너지 소모를 줄일 수 있는 산성 가스 분리 시스템 및 산성 가스 분리 방법을 제공한다. 본 발명의 시스템 및 방법은 분리 공정 자체에서 발생하는 온도가 낮은 공정수를 흡수탑 내부의 냉각수로 사용함으로써 흡수제와 산성 가스의 반응 효율을 향상시키는 효과가 있다. 또한, 냉각수로 사용한 공정수를 산성 가스를 흡수한 흡수제 용액에 직접 주입하여 열을 병합함으로써 흡수제 용액이 예열되어 재생탑에서 필요한 열에너지를 줄일 수 있다.

Description

열병합 방법을 이용한 저에너지형 산성 가스 분리 시스템 및 방법{Low Energy Acidic Gas Separation System and Method using Heat Integration}
본 발명은 산성 가스 분리 공정에 관한 것으로, 특히 산성 가스 배출공정에서 발생한 공정수를 순환시켜 에너지를 절감할 수 있는 공정에 관한 것이다.
화력발전소 등 산업체에서 배출되는 배가스에는 이산화탄소를 비롯한 황산화물, 질소산화물 및 미세먼지 등 대기오염물질이 다량 포함되어 있다. 이러한 배기가스 내 유해물질의 분리 및 처리 기술은 학술적, 산업적 측면에서 뿐 아니라 인류의 지속 가능한 발전을 위해 중요성이 날로 증가하고 있다. 석탄, 석유, 천연가스 등 화석연료가 사용되는 상황에서 특히 다량의 이산화탄소의 생성은 피할 수 없는 현실이므로, 그 저감을 위한 이산화탄소의 경제적인 분리 및 회수 기술 개발의 필요성은 절실할 수밖에 없다.
이산화탄소 분리 및 회수 기술은 크게 연소 후 분리기술(Post-combustion technology), 연소 전 분리기술(Pre-combustion technology) 및 순산소 연소기술(Oxy-fuel combustion technology)로 구분된다. 현재 연소 후 분리기술이 가장 폭 넓게 사용되고 있으며, 이는 화석연료 연소에서 발생한 이산화탄소(CO2)를 여러 용매에 흡수시키거나 반응시켜 제거하는 기술이다. 연소 전 분리기술(Pre-combustion technology)은 연소 전에 이산화탄소를 분리해 내는 것으로 석탄과 같은 화석연료를 가스화 시키는 과정을 통해 사전 처리하여 CO2와 수소로 전환시킨 후에 이산화탄소(CO2)/수소(H2)혼합가스 중에서 이산화탄소(CO2)를 분리하거나 또는 혼합가스를 연소시켜서 배기가스 중의 이산화탄소(CO2)를 분리하는 기술이다. 또한, 순 산소 연소기술(Oxy-fuel combustion technology)은 화석연료를 연소시킬 때 공기 대신 산소만을 이용하여 연소시켜 이산화탄소(CO2) 분리를 용이하게 하는 기술이다.
기존 이산화탄소 발생원에 적용하기 가장 용이한 기술은 연소 후 분리기술이다. 흡수제를 이용하여 이산화탄소를 흡탈착하여 이산화탄소를 분리하는 방법으로 흡수제 성능향상과 이에 따른 공정 개선 등에 초점이 맞추어져 있다. 이 기술은 요소비료 생산, 자동용접, 탄산음료 등에 필요한 이산화탄소를 공급하기 위하여 습식 흡수기술과 건식 흡착기술이 상용화되어 가동되고 있으며, 습식 흡수기술의 효율이 높은 편이다.
습식 흡수기술의 대표적인 공정은 아민계 흡수제를 사용하는 이산화탄소 분리 회수 공정으로 석유화학공정 중 개질공정에서 적용된 바 있는 기술적 신뢰성이 확보된 기술이지만, 다양한 오염물이 포함된 연도가스에 적용하기 위해서는 공정 개선이 필요하다. 아민계 흡수제를 사용하는 공정은, 알킬기에 아민과 hydroxyl기가 결합된 알칸올아민을 흡수제로 이용하는 화학흡수공정으로 유입 가스로부터 이산화탄소를 선택적으로 흡수하는 흡수탑과 이산화탄소를 흡수한 흡수제를 재생하는 재생탑(가열 재생탑) 및 부대설비로 구성되어 있다. 이산화탄소 분리 공정에 필요한 에너지는 일반적으로 재생에너지(약 75%)와 기타 공정에너지(약 25%)로 구성되며 이중 재생에너지는 공정열과 반응열로 구성된다. 재생에너지를 줄이기 위해서는 재생에너지의 대부분을 차지하는 공정열을 줄여야 한다.
대한민국 공개특허 제10-2013-0023482호는 이산화탄소 회수장치 및 회수방법에 관한 것으로, 흡수탑 상부에 액체수집부재 및 냉각코일을 설치함으로써, 흡수탑 상부로 이산화탄소가 제거된 가스가 배출될 때, 포화증기 형태로 배출되는 흡수제의 손실을 줄이기 위한 기술을 개시한다. 하지만 이는 냉각코일설비를 구비해야 하며 에너지를 효율적으로 절감할 수 없다.
따라서 이산화탄소 분리 및 회수 공정의 에너지의 소모를 감소시키기 위한 기술개발이 요구된다.
대한민국 공개특허 제 10-2013-0023482호
본 발명은 산성 가스를 분리하는 공정 자체에서 발생하는 공정수를 활용하여 열교환 및 열병합을 통하여 에너지 소모를 줄일 수 있는 산성 가스 분리 시스템 및 산성 가스 분리 방법을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명자들은 연소 배기가스가 흡수탑으로 공급되기 전에 물분리기를 거치면서 분리되는 분리공정수 및 재생탑에서 배출되는 처리가스에서 응축되는 응축공정수를 활용하여, 본 발명의 시스템에서 흡수탑의 냉각하고, 재생탑 주입전의 이산화탄소를 흡수한 흡수제와 열을 병합하여 예열함으로써 에너지 효율을 극대화할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 흡수제를 이용하여 산성 가스를 흡수하는 흡수탑 및 상기 흡수제로부터 처리가스를 탈거하는 재생탑을 구비한 산성 가스 분리 시스템으로, 상기 분리 시스템은 산성 가스를 포함하는 배기가스를 흡수탑으로 공급하되 흡수탑 주입 전에 제 1열교환기 및 물분리기를 거쳐 상기 흡수탑으로 향하도록 하는 배기가스 공급라인; 상기 흡수탑 내에서 산성 가스를 흡수한 상기 흡수제를 상기 재생탑에 공급하되 제2 열교환기를 거쳐 상기 재생탑으로 향하도록 하는 흡수제 공급 라인; 기 재생탑에서 방출되는 처리가스를 응축기로 공급하되 상기 처리가스는 상기 응축기에 도달하기 전에 제3 열교환기를 거치는 처리가스 라인; 상기 물분리기에서 분리된 분리공정수를 활용하는 분리공정수 공급 라인; 및 상기 응축기를 거쳐 생성된 응축공정수를 활용하는 응축공정수 공급 라인을 포함하고, 상기 분리공정수 공급 라인은 분리공정수를 흡수탑 내부의 하부 냉각기로 공급하여 열을 회수하고 흡수탑에서 배출되는 산성 가스 흡수용액으로 직접 공급하는 라인이거나, 또는 분리공정수를 흡수탑 상부의 냉각기로 공급하는 라인인, 열병합 방법을 이용한 저에너지형 산성 가스 분리 시스템을 제공한다.
본 발명은 또한, 흡수제를 이용하여 산성 가스를 흡수하는 흡수탑 및 상기 흡수제로부터 처리가스를 탈거하는 재생탑을 구비한 산성 가스 분리 시스템으로, 상기 분리 시스템은 산성 가스를 포함하는 배기가스를 흡수탑으로 공급하되 흡수탑 주입 전에 제 1열교환기 및 물분리기를 거쳐 상기 흡수탑으로 향하도록 하는 배기가스 공급라인; 상기 흡수탑 내에서 산성 가스를 흡수한 상기 흡수제를 상기 재생탑에 공급하되 제2 열교환기를 거쳐 상기 재생탑으로 향하도록 하는 흡수제 공급 라인; 상기 재생탑에서 방출되는 처리가스를 응축기로 공급하되 상기 처리가스는 상기 응축기에 도달하기 전에 제3 열교환기를 거치는 처리가스 라인; 및 상기 응축기를 거쳐 생성된 응축공정수를 활용하는 응축공정수 공급 라인을 포함하고, 상기 응축공정수 공급 라인은 응축공정수를 흡수탑 내부의 하부 냉각기로 공급하여 열을 회수하고 흡수탑에서 배출되는 산성 가스 흡수용액으로 직접 공급하는 라인이거나, 또는 응축공정수를 흡수탑 중앙부 및 하부의 냉각기로 동시에 공급하는 라인인, 열병합 방법을 이용한 저에너지형 산성 가스 분리 시스템을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 응축기의 작동 온도는 30 내지 40℃인, 열병합 방법을 이용한 저에너지형 산성 가스 분리 시스템을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 산성 가스는, 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 황화수소(H2S), 카보닐 설파이드(COS) 또는 머캡탄(RSH, R= 탄화수소)인, 열병합 방법을 이용한 저에너지형 산성 가스 분리 시스템을 제공한다.
본 발명은 또한, 흡수제를 이용하여 산성 가스를 흡수하는 흡수탑 및 상기 흡수제로부터 처리가스를 탈거하는 재생탑을 구비한 산성 가스 분리 방법으로, 상기 분리 방법은 산성 가스를 함유하고 있는 배기가스를 흡수탑에 공급하되 물분리기를 거쳐 상기 흡수탑에 공급하여 산성 가스를 흡수제에 흡수시키는 단계; 상기 흡수탑에서 방출되는 산성 가스를 흡수한 흡수제를 재생탑으로 공급하여 상기 흡수제로부터 산성 가스를 탈거하는 단계; 상기 물분리기를 거쳐 생성된 분리공정수를 활용하는 분리공정수 공급 라인으로 분리공정수를 공급하는 단계; 및 상기 재생탑에서 나온 처리가스를 응축기로 공급하여 상기 처리가스로부터 물을 분리하는 단계를 포함하고, 상기 분리공정수를 공급하는 단계는 분리공정수를 흡수탑 내부의 하부 냉각기로 공급하여 열을 회수하고 흡수탑에서 배출되는 산성 가스 흡수용액으로 직접 공급하여 흡수제를 예열하는 단계이거나, 또는 분리공정수를 흡수탑 상부의 냉각기로 공급하여 흡수탑 내부의 흡수제 용액을 냉각하는 단계인, 열병합 방법을 이용한 저에너지형 산성 가스 분리 방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 흡수제를 이용하여 산성 가스를 흡수하는 흡수탑 및 상기 흡수제로부터 처리가스를 탈거하는 재생탑을 구비한 산성 가스 분리 방법으로, 상기 분리 방법은 산성 가스를 함유하고 있는 배기가스를 흡수탑에 공급하여 산성 가스를 흡수제에 흡수시키는 단계; 상기 흡수탑에서 방출되는 산성 가스를 흡수한 흡수제를 재생탑으로 공급하여 상기 흡수제로부터 산성 가스를 탈거하는 단계; 상기 재생탑에서 나온 처리가스를 응축기로 공급하는 단계; 및 상기 응축기를 거쳐 생성된 응축공정수를 활용하는 응축공정수 공급 라인으로 응축공정수를 공급하는 단계를 포함하고, 상기 응축공정수를 공급하는 단계는 응축공정수를 흡수탑 내부의 하부 냉각기로 공급하여 열을 회수하고 흡수탑에서 배출되는 산성 가스 흡수용액으로 직접 공급하여 흡수제를 예열하는 단계이거나, 또는 응축공정수를 흡수탑 중앙부 및 하부의 냉각기로 공급하여 흡수탑 내부의 흡수제 용액을 냉각하는 단계인, 열병합 방법을 이용한 저에너지형 산성 가스 분리 방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 응축기의 작동 온도는 30 내지 40℃인, 열병합 방법을 이용한 저에너지형 산성 가스 분리 방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 산성 가스는, 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 황화수소(H2S), 카보닐 설파이드(COS) 또는 머캡탄(RSH, R= 탄화수소)인, 열병합 방법을 이용한 저에너지형 산성 가스 분리 방법을 제공한다.
본 발명의 시스템 및 방법은 분리 공정 자체에서 발생하는 온도가 낮은 공정수를 흡수탑 내부의 냉각수로 사용함으로써 흡수제와 산성 가스의 반응 효율을 향상시키는 효과가 있다. 또한, 냉각수로 사용한 공정용수를 산성 가스를 흡수한 흡수제 용액에 직접 주입하여 열을 병합함으로써 흡수제 용액이 예열되어 재생탑에서 필요한 열에너지를 줄일 수 있다.
도 1은 종래의 산성 가스 분리 회수 시스템을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 산성 가스 분리 시스템을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 산성 가스 분리 시스템을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 산성 가스 분리 시스템을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 산성 가스 분리 시스템을 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 산성 가스 분리 회수 시스템 및 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 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.
여기서, 본 발명의 실시 형태를 설명하기 위한 전체 도면에 있어서, 동일한 기능을 갖는 것은 동일한 부호를 붙이고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 본 발명에서는 열교환기에서 열을 교환하는 흡수제, 처리가스 또는 응축공정수를 운송하는 라인은 서로 "교차"한다고 표현하였다. 즉, 두 유체 운송라인은 열교환기에서 서로 "교차"하여 열을 교환한다.
도 1은 종래의 산성 가스 분리 시스템을 나타낸다. 이산화탄소 등 산성 가스를 포함하고 있는 배기가스를 기체와 액체 사이의 접촉이 원활히 이루어지도록 넓은 표면적을 갖는 충전물이 충전되어 있는 흡수탑(20)에 공급하여, 상기 흡수탑의 상부에서 살포되는 용액 상태의 흡수제와 대기압 조건에서 접촉시킨다. 상기 접촉은 약 40 내지 50℃의 온도범위에서 진행되어, 배기가스 내의 이산화탄소 등 산성 가스를 흡수용액에 흡수시킨다.
상기 흡수탑에서 방출되는 흡수제, 즉 이산화탄소를 포함하는 산성 가스가 흡수된 흡수제는 재생탑(30)으로 보내져 약 120℃ 전후의 온도범위에서 가열 처리된 후 흡수제에서 유리된 처리가스는 상기 재생탑의 상부로 방출하고, 재생된 흡수제는 재비기(Reboiler)(40)를 거쳐 흡수탑으로 다시 공급되는 순환과정을 거친다. 상기 재생탑에서 방출된 처리가스는 처리가스 배출라인(31)을 통해 응축기(50)로 공급되어 응축기에서 물은 응축되고 응축되지 않은 수증기와 이산화탄소 등 산성 가스는 최종산물로 얻어진다. 상기 응축된 물은 응축공정수 공급라인(51)을 따라 재생탑 안으로 재순환되고, 이러한 재순환은 재생탑의 분리효율을 높이는 효과가 있으나 저온의 응축된 물이 유입됨에 따라 재비기 요구 열량(Reboiler heat duty)을 증가시키는 요인이 된다. 상기 재생된 흡수제는 흡수제 재순환 라인을 따라 이동해 제2 열교환기(12)를 통해 상기 재생탑으로 보내지는 산성 가스를 흡수한 흡수제를 예열하고, 새로운 산성 가스를 흡수하기 위해 흡수탑에 다시 공급된다. 상기 제2 열교환기에서 재생된 흡수제 공급라인(41)과 흡수탑에서 산성 가스를 흡수한 흡수제를 재생탑으로 공급하는 흡수제 공급라인(21)이 서로 교차한다.
도 2는 본 발명의 한 구현예에 따른 산성 가스 분리 시스템을 나타낸 것이다. 상기 시스템은 흡수제를 이용하여 산성 가스를 흡수하는 흡수탑(20) 및 상기 흡수제로부터 처리가스를 탈거하는 재생탑(30)을 구비한 산성 가스 분리 시스템으로, 상기 분리시스템은 산성 가스를 포함하는 배기가스를 흡수탑으로 공급하되 흡수탑 주입 전에 제 1열교환기(11) 및 물분리기(60)를 거쳐 상기 흡수탑으로 향하도록 하는 배기가스 공급라인(61); 상기 흡수탑 내에서 산성 가스를 흡수한 상기 흡수제를 상기 재생탑에 공급하되 제2 열교환기(12)를 거쳐 상기 재생탑으로 향하도록 하는 흡수제 공급 라인(21); 상기 재생탑에서 방출되는 처리가스를 응축기(50)로 공급하되 상기 처리가스는 상기 응축기에 도달하기 전에 제3 열교환기(13)를 거치는 처리가스 라인(31); 상기 물분리기에서 분리된 분리공정수를 활용하는 분리공정수 공급 라인(62); 및 상기 응축기를 거쳐 생성된 응축공정수를 활용하는 응축공정수 공급 라인(51)을 포함하고, 상기 분리공정수 공급 라인은 분리공정수가 흡수탑 내부의 하부 냉각기(22)로 공급되는 라인; 및 상기 흡수탑의 냉각기로부터 방출된 분리공정수가 흡수탑에서 배출되는 산성 가스 흡수용액으로 직접 공급되는 라인을 포함한다.
본 발명의 흡수탑은 상부(24), 중앙부(23) 및 하부(22)에 냉각기를 구비하고 있으며, 상기 냉각기는 흡수탑내에 공급된 연소 배가스 및 흡수제 용액의 반응이 용이하도록 온도를 낮추는 역할을 한다. 상기 분리공정수는 제1 열교환기에서 연소 배가스가 흡수탑으로 주입되기 전에 배가스가 냉각되는데, 냉각된 배가스를 물분리기에서 물을 분리하여 수득한 저온의 공정용수이다. 도 2에 나타낸 시스템에서 물분리기에서 배출되는 분리공정수는 분리공정수 공급라인을 통해 흡수탑 내부의 하부 냉각기로 공급된다. 상기 하부 냉각기는 하부에 주입된 액상의 흡수제 용액을 냉각하고, 또한 연소 배가스 중의 산성 가스 분자의 활동성을 낮출수 있으므로 흡수제 및 산성 가스의 반응효율을 향상 시킨다. 본 발명의 시스템은 공정 자체에서 발생하는 공정용수를 활용하는 것으로 시스템 내에서 필요한 에너지의 절감이 용이하다. 상기 흡수탑의 운전온도는 30 내지 70℃의 온도범위가 바람직하며, 상기 냉각기로 공급되는 분리공정수의 온도는 30 내지 50℃의 온도범위가 바람직하다.
상기 흡수탑 내부의 하부 냉각기에서 열을 회수한 분리공정수는 흡수탑 하부 냉각기로부터 흡수탑에서 방출되는 흡수제의 예열을 위해 산성 가스를 흡수한 흡수제 용액 공급라인(21)으로 직접 주입하여 열을 병합한다. 주입된 분리공정수의 열로 인해 예열된 흡수제 용액은 제2 열교환기에서 재생된 흡수제 용액(희박용액)(100 내지 120℃)과 교차하면서 더욱 고온(100℃)으로 예열된 후 재생탑으로 주입된다.
도 3은 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 산성 가스 분리 시스템을 나타낸 것이다. 상기 시스템은 흡수제를 이용하여 산성 가스를 흡수하는 흡수탑(20) 및 상기 흡수제로부터 처리가스를 탈거하는 재생탑(30)을 구비한 산성 가스 분리 시스템으로, 상기 분리시스템은 산성 가스를 포함하는 배기가스를 흡수탑으로 공급하되 흡수탑 주입 전에 제 1열교환기(11) 및 물분리기(60)를 거쳐 상기 흡수탑으로 향하도록 하는 배기가스 공급라인(61); 상기 흡수탑 내에서 산성 가스를 흡수한 상기 흡수제를 상기 재생탑에 공급하되 제2 열교환기(12)를 거쳐 상기 재생탑으로 향하도록 하는 흡수제 공급 라인(21); 상기 재생탑에서 방출되는 처리가스를 응축기(50)로 공급하되 상기 처리가스는 상기 응축기에 도달하기 전에 제3 열교환기(13)를 거치는 처리가스 라인(31); 상기 물분리기에서 분리된 분리공정수를 활용하는 분리공정수 공급 라인(62); 및 상기 응축기를 거쳐 생성된 응축공정수를 활용하는 응축공정수 공급 라인(51)을 포함하고, 상기 분리공정수 공급 라인은 분리공정수가 흡수탑 상부의 냉각기(24)로 공급되는 라인을 포함한다.
흡수탑으로 주입된 연소 배가스는 상기 흡수탑 하부에서부터 상부로 상승하면서 하부의 흡수용액 뿐만 아니라, 흡수탑의 상부로 주입되는 재생된 흡수제와 반응한다. 기상에 존재하는 잔여 연소 배가스 및 분산된 재생 흡수제는 중앙부 및 상부에 있는 냉각기에 의해 냉각 및 응축되어 반응 효율이 향상된다. 상기 물분리기에서 공급되는 저온의 분리공정수는 분리공정수 공급라인을 통해 흡수탑 내부의 상부 냉각기로 공급되어 기상에 존재하는 잔여 산성 가스 및 흡수제의 반응을 향상시킨다. 산성 가스를 흡수한 흡수제는 흡수탑 하부의 재생탑으로 향하하고, 흡수제 공급라인을 통해 재생탑으로 공급된다.
도 4는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 산성 가스 분리 시스템을 나타내는 것이다. 흡수제를 이용하여 산성 가스를 흡수하는 흡수탑(20) 및 상기 흡수제로부터 처리가스를 탈거하는 재생탑(30)을 구비한 산성 가스 분리 시스템으로, 상기 분리 시스템은 산성 가스를 포함하는 배기가스를 흡수탑으로 공급하되 흡수탑 주입 전에 제 1열교환기(11) 및 물분리기(60)를 거쳐 상기 흡수탑으로 향하도록 하는 배기가스 공급라인(61); 상기 흡수탑 내에서 산성 가스를 흡수한 상기 흡수제를 상기 재생탑에 공급하되 제2 열교환기(12)를 거쳐 상기 재생탑으로 향하도록 하는 흡수제 공급 라인(21); 상기 재생탑에서 방출되는 처리가스를 응축기(50)로 공급하되 상기 처리가스는 상기 응축기에 도달하기 전에 제3 열교환기(13)를 거치는 처리가스 라인(31); 및 상기 응축기를 거쳐 생성된 응축공정수를 활용하는 응축공정수 공급 라인(51)을 포함하고, 상기 응축공정수 공급 라인은 응축공정수가 흡수탑 하부의 냉각기(22)로 공급되는 라인; 및 상기 흡수탑의 냉각기로부터 방출된 응축공정수가 흡수탑에서 방출되는 산성 가스 흡수용액으로 직접 공급되는 라인을 포함한다.
본 발명의 응축공정수는 상기 재생탑에서 방출되는 처리가스가 제3 열교환기를 거쳐 냉각되고, 응축기로 공급되어 처리가스 내의 물을 분리한 것으로 저온의 공정용수이다. 상기 응축공정수는 응축공정수 공급라인을 통해 흡수탑 내부의 하부 냉각기로 공급되고 상기 하부 냉각기는 연소 배가스 중의 산성 가스 분자의 활동성을 낮춰 흡수제 및 산성 가스의 반응효율을 향상시킬 수 있다. 본 발명의 시스템은 공정 자체에서 발생하는 공정용수를 활용하는 것으로 시스템 내에서 필요한 에너지의 절감이 용이하다. 상기 흡수탑의 운전온도는 20 내지 70℃의 온도범위가 바람직하며, 상기 냉각기로 공급되는 분리공정수의 온도는 20 내지 50℃의 온도범위가 바람직하다.
상기 흡수탑 내부의 하부 냉각기에서 열을 회수한 응축공정수는 흡수탑 하부 냉각기로부터 흡수탑에서 방출되는 흡수제의 예열을 위해 산성 가스를 흡수한 흡수제 용액 공급라인(21)으로 직접 주입하여 열을 병합한다. 응축공정수로 인해 예열된 흡수제 용액은 제2 열교환기에서 재생된 흡수제 용액(희박용액)(100 내지 120℃)과 교차하면서 더욱 고온(100℃)으로 예열된 후 재생탑으로 주입된다.
도 5는 본 발명의 한 구현예에 따른 산성 가스 분리 시스템을 나타내는 것이다. 흡수제를 이용하여 산성 가스를 흡수하는 흡수탑(20) 및 상기 흡수제로부터 처리가스를 탈거하는 재생탑(30)을 구비한 산성 가스 분리 시스템으로, 상기 분리 시스템은 산성 가스를 포함하는 배기가스를 흡수탑으로 공급하되 흡수탑 주입 전에 제 1열교환기(11) 및 물분리기(60)를 거쳐 상기 흡수탑으로 향하도록 하는 배기가스 공급라인(61); 상기 흡수탑 내에서 산성 가스를 흡수한 상기 흡수제를 상기 재생탑에 공급하되 제2 열교환기(12)를 거쳐 상기 재생탑으로 향하도록 하는 흡수제 공급 라인(21); 상기 재생탑에서 방출되는 처리가스를 응축기(50)로 공급하되 상기 처리가스는 상기 응축기에 도달하기 전에 제3 열교환기(13)를 거치는 처리가스 라인(31); 및 상기 응축기를 거쳐 생성된 응축공정수를 활용하는 응축공정수 공급 라인(51)을 포함하고, 상기 응축공정수 공급 라인은 응축공정수가 흡수탑 중앙부 및 하부의 냉각기로 동시에 공급되는 라인을 포함한다.
상기 흡수탑 하부에서부터 상부로 잔여 연소 배가스가 상승면서 흡수탑의 상부에서 주입되는 재생된 흡수제와 반응한다. 흡수탑 하부에서 흡수되지 못하고 기상에 존재하는 잔여 연소 배가스 및 분산된 재생 흡수제는 중앙 및 상부에 있는 냉각기에 의해 냉각되어 반응 효율이 향상된다. 도 5의 시스템에 나타낸 것과 같이 상기 응축기에서 공급되는 저온의 응축공정수는 응축공정수 공급라인을 통해 흡수탑 내부의 중앙부 및 하부의 냉각기로 공급된다. 공급된 응축공정수는 흡수탑 하부의 액상 또는 흡수탑 중앙부의 기상에 존재하는 산성 가스 및 흡수제를 냉각시킴으로써 산성 가스 및 흡수제의 화학적 반응을 향상시킨다. 산성 가스를 흡수한 흡수제는 흡수탑 하부의 재생탑으로 향하도록 하는 흡수제 공급라인을 통해 재생탑으로 공급된다.
본 발명의 응축기의 작동 온도는 30 내지 40℃로 응축공정수 또한 30 내지 40℃이다. 상기 산성 가스는 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 황화수소(H2S), 카보닐 설파이드(COS) 또는 머캡탄(RSH, R= 탄화수소) 등이 선택될 수 있으나 이로 제한되는 것은 아니다.
본 발명은 전술한 시스템을 이용한 산성 가스 분리방법을 제공한다. 상기 방법은 흡수제를 이용하여 산성 가스를 흡수하는 흡수탑 및 상기 흡수제로부터 처리가스를 탈거하는 재생탑을 구비한 산성 가스 분리 방법이며, 상기 분리 방법은 산성 가스를 함유하고 있는 배기가스를 흡수탑에 공급하되 물분리기를 거쳐 상기 흡수탑에 공급하여 산성 가스를 흡수제에 흡수시키는 단계; 상기 흡수탑에서 방출되는 산성 가스를 흡수한 흡수제를 재생탑으로 공급하여 상기 흡수제로부터 산성 가스를 탈거하는 단계; 상기 물분리기를 거쳐 생성된 분리공정수를 활용하는 분리공정수 공급 라인으로 분리공정수를 공급하는 단계; 및 상기 재생탑에서 나온 처리가스를 응축기로 공급하여 상기 처리가스로부터 물을 분리하는 단계를 포함하고, 상기 분리공정수를 공급하는 단계는 분리공정수를 흡수탑 하부의 냉각기로 공급하여 흡수탑 내부의 흡수제 용액을 냉각하는 단계; 및 상기 흡수탑으로부터 열을 회수한 분리공정수를 흡수탑에서 방출된 산성 가스를 흡수한 흡수제 용액으로 직접 주입하는 단계를 포함한다. 물분리기에서 분리된 저온의 분리공정수는 흡수탑의 하부를 냉각하여 흡수제의 성능을 향상시킬 수 있다. 흡수탑 하부에서 열을 회수하여 온도가 높아진 분리공정수는 산성 가스를 흡수한 흡수제가 재생탑에 공급되기 전에 혼합하여 열을 병합함으로써 산성 가스를 흡수한 흡수제 용액의 온도를 상승시켜 흡수제 재생에 필요한 재생탑 요구 열량을 절감할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에서는 흡수제를 이용하여 산성 가스를 흡수하는 흡수탑 및 상기 흡수제로부터 처리가스를 탈거하는 재생탑을 구비한 산성 가스 분리 방법으로, 상기 분리 방법은 산성 가스를 함유하고 있는 배기가스를 흡수탑에 공급하되 물분리기를 거쳐 상기 흡수탑에 공급하여 산성 가스를 흡수제에 흡수시키는 단계; 상기 흡수탑에서 방출되는 산성 가스를 흡수한 흡수제를 재생탑으로 공급하여 상기 흡수제로부터 산성 가스를 탈거하는 단계; 상기 물분리기를 거쳐 생성된 분리공정수를 활용하는 분리공정수 공급 라인으로 분리공정수를 공급하는 단계; 및상기 재생탑에서 나온 처리가스를 응축기로 공급하여 상기 처리가스로부터 물을 분리하는 단계를 포함하고, 상기 분리공정수를 공급하는 단계는 분리공정수를 흡수탑 상부의 냉각기로 공급하여 흡수탑 내부의 흡수제 용액을 냉각하는 단계를 포함한다. 물분리기에서 분리된 저온의 분리공정수는 흡수탑의 상부를 냉각하여 흡수탑 상부로 주입되는 고온의 흡수제 및 기상에 존재하는 흡수제의 온도를 낮춰 흡수제의 산성 가스 흡수능을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에서는 흡수제를 이용하여 산성 가스를 흡수하는 흡수탑 및 상기 흡수제로부터 처리가스를 탈거하는 재생탑을 구비한 산성 가스 분리 방법으로, 상기 분리 방법은 산성 가스를 함유하고 있는 배기가스를 흡수탑에 공급하여 산성 가스를 흡수제에 흡수시키는 단계; 흡수탑에서 방출되는 산성 가스를 흡수한 흡수제를 재생탑으로 공급하여 상기 흡수제로부터 산성 가스를 탈거하는 단계; 상기 재생탑에서 나온 처리가스를 응축기로 공급하는 단계; 및 상기 응축기를 거쳐 생성된 응축공정수를 활용하는 응축공정수 공급 라인으로 응축공정수를 공급하는 단계를 포함하고, 상기 응축공정수를 공급하는 단계는 응축공정수를 흡수탑 하부의 냉각기로 공급하여 흡수탑 내부의 흡수제 용액을 냉각하는 단계; 상기 흡수탑으로부터 열을 회수한 응축공정수를 흡수탑에서 방출된 산성 가스를 흡수한 흡수제 용액으로 직접 주입하는 단계를 포함한다. 응축기에서 분리된 저온의 응축공정수는 흡수탑의 하부를 냉각하여 흡수제의 성능을 향상시킬 수 있다. 흡수탑 하부에서 열을 회수하여 온도가 높아진 응축공정수는 산성 가스를 흡수한 흡수제가 재생탑에 공급되기 전에 혼합하여 열을 병합함으로써 산성 가스를 흡수한 흡수제 용액의 온도를 상승시켜 흡수제 재생에 필요한 재생탑 요구 열량을 절감할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에서는 흡수제를 이용하여 산성 가스를 흡수하는 흡수탑 및 상기 흡수제로부터 처리가스를 탈거하는 재생탑을 구비한 산성 가스 분리 방법으로, 상기 분리 방법은 산성 가스를 함유하고 있는 배기가스를 흡수탑에 공급하여 산성 가스를 흡수제에 흡수시키는 단계; 흡수탑에서 방출되는 산성 가스를 흡수한 흡수제를 재생탑으로 공급하여 상기 흡수제로부터 산성 가스를 탈거하는 단계; 및 상기 재생탑에서 나온 처리가스를 응축기로 공급하는 단계; 및 상기 응축기를 거쳐 생성된 응축공정수를 활용하는 응축공정수 공급 라인으로 응축공정수를 공급하는 단계를 포함하고, 상기 응축공정수를 공급하는 단계는 응축공정수를 흡수탑 상부 및 중앙부의 냉각기로 공급하여 흡수탑 내부의 흡수제 용액을 냉각하는 단계를 포함한다. 응축기에서 분리된 저온의 분리공정수는 흡수탑의 중앙부 및 하부를 냉각하여 흡수탑내 흡수제의 온도를 낮춰 흡수제의 산성 가스 흡수능을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본원의 예시적인 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본원의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본원의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본원의 권리범위에 속하는 것이다.
본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미로 사용된다. 본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 도입된다.
11. 제1 열교환기
12. 제2 열교환기
13. 제3 열교환기
20. 흡수탑
21. 흡수제 공급라인
22. 하부 냉각기
23. 중앙부 냉각기
24. 상부 냉각기
30. 재생탑
31. 처리가스 라인
40. 재비기
41. 재생된 흡수제 공급라인
50. 응축기
51. 응축공정수 공급라인
60. 물 분리기
61. 배기가스 공급라인
62. 분리공정수 공급라인

Claims (8)

  1. 흡수제를 이용하여 산성 가스를 흡수하는 흡수탑 및 상기 흡수제로부터 처리가스를 탈거하는 재생탑을 구비한 산성 가스 분리 시스템으로,
    상기 분리 시스템은 산성 가스를 포함하는 배기가스를 흡수탑으로 공급하되 흡수탑 주입 전에 제 1열교환기 및 물분리기를 거쳐 상기 흡수탑으로 향하도록 하는 배기가스 공급라인;
    상기 흡수탑 내에서 산성 가스를 흡수한 상기 흡수제를 상기 재생탑에 공급하되 제2 열교환기를 거쳐 상기 재생탑으로 향하도록 하는 흡수제 공급 라인;
    상기 재생탑에서 방출되는 처리가스를 응축기로 공급하되 상기 처리가스는 상기 응축기에 도달하기 전에 제3 열교환기를 거치는 처리가스 라인;
    상기 물분리기에서 분리된 분리공정수를 활용하는 분리공정수 공급 라인; 및
    상기 응축기를 거쳐 생성된 응축공정수를 활용하는 응축공정수 공급 라인을 포함하고,
    상기 분리공정수 공급 라인은 분리공정수를 흡수탑 내부의 하부 냉각기로 공급하여 열을 회수하고 흡수탑에서 배출되는 산성 가스 흡수용액으로 직접 공급하는 라인이거나, 또는
    분리공정수를 흡수탑 상부의 냉각기로 공급하는 라인인,
    열병합 방법을 이용한 저에너지형 산성 가스 분리 시스템.
  2. 흡수제를 이용하여 산성 가스를 흡수하는 흡수탑 및 상기 흡수제로부터 처리가스를 탈거하는 재생탑을 구비한 산성 가스 분리 시스템으로,
    상기 분리 시스템은 산성 가스를 포함하는 배기가스를 흡수탑으로 공급하되 흡수탑 주입 전에 제 1열교환기 및 물분리기를 거쳐 상기 흡수탑으로 향하도록 하는 배기가스 공급라인;
    상기 흡수탑 내에서 산성 가스를 흡수한 상기 흡수제를 상기 재생탑에 공급하되 제2 열교환기를 거쳐 상기 재생탑으로 향하도록 하는 흡수제 공급 라인;
    상기 재생탑에서 방출되는 처리가스를 응축기로 공급하되 상기 처리가스는 상기 응축기에 도달하기 전에 제3 열교환기를 거치는 처리가스 라인; 및
    상기 응축기를 거쳐 생성된 응축공정수를 활용하는 응축공정수 공급 라인을 포함하고,
    상기 응축공정수 공급 라인은 응축공정수를 흡수탑 내부의 하부 냉각기로 공급하여 열을 회수하고 흡수탑에서 배출되는 산성 가스 흡수용액으로 직접 공급하는 라인이거나, 또는
    응축공정수를 흡수탑 중앙부 및 하부의 냉각기로 동시에 공급하는 라인인,
    열병합 방법을 이용한 저에너지형 산성 가스 분리 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 응축기의 작동 온도는 30 내지 40℃인,
    열병합 방법을 이용한 저에너지형 산성 가스 분리 시스템.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 산성 가스는, 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 황화수소(H2S), 카보닐 설파이드(COS) 또는 머캡탄(RSH, R= 탄화수소)인,
    열병합 방법을 이용한 저에너지형 산성 가스 분리 시스템.
  5. 흡수제를 이용하여 산성 가스를 흡수하는 흡수탑 및 상기 흡수제로부터 처리가스를 탈거하는 재생탑을 구비한 산성 가스 분리 방법으로,
    상기 분리 방법은 산성 가스를 함유하고 있는 배기가스를 흡수탑에 공급하되 물분리기를 거쳐 상기 흡수탑에 공급하여 산성 가스를 흡수제에 흡수시키는 단계;
    상기 흡수탑에서 방출되는 산성 가스를 흡수한 흡수제를 재생탑으로 공급하여 상기 흡수제로부터 산성 가스를 탈거하는 단계;
    상기 물분리기를 거쳐 생성된 분리공정수를 활용하는 분리공정수 공급 라인으로 분리공정수를 공급하는 단계; 및
    상기 재생탑에서 나온 처리가스를 응축기로 공급하여 상기 처리가스로부터 물을 분리하는 단계를 포함하고,
    상기 분리공정수를 공급하는 단계는 분리공정수를 흡수탑 내부의 하부 냉각기로 공급하여 열을 회수하고 흡수탑에서 배출되는 산성 가스 흡수용액으로 직접 공급하여 흡수제를 예열하는 단계이거나, 또는
    분리공정수를 흡수탑 상부의 냉각기로 공급하여 흡수탑 내부의 흡수제 용액을 냉각하는 단계인,
    열병합 방법을 이용한 저에너지형 산성 가스 분리 방법.
  6. 흡수제를 이용하여 산성 가스를 흡수하는 흡수탑 및 상기 흡수제로부터 처리가스를 탈거하는 재생탑을 구비한 산성 가스 분리 방법으로,
    상기 분리 방법은 산성 가스를 함유하고 있는 배기가스를 흡수탑에 공급하여 산성 가스를 흡수제에 흡수시키는 단계;
    상기 흡수탑에서 방출되는 산성 가스를 흡수한 흡수제를 재생탑으로 공급하여 상기 흡수제로부터 산성 가스를 탈거하는 단계;
    상기 재생탑에서 나온 처리가스를 응축기로 공급하는 단계; 및
    상기 응축기를 거쳐 생성된 응축공정수를 활용하는 응축공정수 공급 라인으로 응축공정수를 공급하는 단계를 포함하고,
    상기 응축공정수를 공급하는 단계는 응축공정수를 흡수탑 내부의 하부 냉각기로 공급하여 열을 회수하고 흡수탑에서 배출되는 산성 가스 흡수용액으로 직접 공급하여 흡수제를 예열하는 단계이거나, 또는
    응축공정수를 흡수탑 중앙부 및 하부의 냉각기로 공급하여 흡수탑 내부의 흡수제 용액을 냉각하는 단계인,
    열병합 방법을 이용한 저에너지형 산성 가스 분리 방법.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 응축기의 작동 온도는 30 내지 40℃인,
    열병합 방법을 이용한 저에너지형 산성 가스 분리 방법.
  8. 제 5 항 또는 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산성 가스는, 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 황화수소(H2S), 카보닐 설파이드(COS) 또는 머캡탄(RSH, R= 탄화수소)인,
    열병합 방법을 이용한 저에너지형 산성 가스 분리 방법.
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