KR20200068535A - 흡수탑과 탈거탑이 하나의 탑으로 구성된 가스 포집장치 및 이를 이용한 가스 포집방법 - Google Patents

흡수탑과 탈거탑이 하나의 탑으로 구성된 가스 포집장치 및 이를 이용한 가스 포집방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 흡수탑과 탈거탑이 하나의 탑으로 구성된 가스 포집장치 및 이를 이용한 가스 포집방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 가스 포집 장치는 흡수탑과 탈거탑을 포함하는 하나의 탑, 하나의 순환 펌프만으로 흡수공정이 운전되므로, 흡수제의 순환유량이 매우 안정적으로 유지될 수 있어, 가스 포집 장치의 안정적인 장기구동이 가능하다. 또한 별도의 액위제어시스템에 의해 유량을 제어할 필요가 없으므로 설비의 제작비용을 획기적으로 절감할 수 있다. 특히 이러한 효과를 바탕으로 흡수제 개발 등을 위한 시험 장치 및 운전에 유용하게 사용될 수 있다.

Description

흡수탑과 탈거탑이 하나의 탑으로 구성된 가스 포집장치 및 이를 이용한 가스 포집방법{Gas capturing apparatus composed of absorption column and stripping column in a single column and gas capturing method using the same}
본 발명의 기술분야는 화학공정에서 일반적으로 사용되는 가스의 흡수 및 분리에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하나의 탑으로 구성된 가스 포집장치 및 이를 이용한 가스 포집방법에 관한 것이다.
혼합가스에 포함된 가스성분을 흡수용액에 흡수시켜 제거하거나 혹은 이것을 탈거시켜 분리하는 흡수법은 화학공정에서 매우 일반적으로 사용되는 방법이다. 흡수법을 사용한 대표적인 화학공정으로는 ‘물에 SO3를 흡수시켜 황산을 제조하는 공정’, ‘Dimethylformamide를 사용하여 고온 열분해 가스에서 아세틸렌을 분리하는 공정’, ‘Ammonium carbonate 용액을 사용하여 CO2와 NH3를 흡수시키고 Urea를 제조하는 공정’과 같은 제조공정은 물론 ‘아민 수용액에 CO2를 흡수시켜 분리/제거하는 공정’, ‘Lime/limestone 수용액을 사용하여 SO2를 제거하는 공정’과 같이 가스 정제공정에 보편적으로 사용되고 있다(비특허문헌 1).
특히 철강 및 시멘트 생산 공정에서 얻어지는 혼합가스나 화석연료를 사용하는 발전소 연소 배가스로부터 이산화탄소(CO2)나 이산화황(SO2)을 제거하거나 분리하는 방법으로 흡수법이 상용되고 있으며 최근에는 다양한 흡수제나 흡수용액을 개발하여 에너지효율화를 위한 공정개선도 이루어지고 있다. 대표적으로 이산화탄소 흡수용액으로는 모노에탄올아민 등 아민계 수용액이 사용되고 있다. 모노에탄올아민은 이산화탄소와의 반응으로부터 생성된 카바메이트의 높은 열적·화학적 안정성으로 인해 분해 온도가 120 ℃ 이상으로 높아 과도한 재생에너지가 소비되는 문제와 더불어 높은 재생온도에 따른 아민의 과도한 휘발 손실 문제점 등이 단점으로 지적되고 있다.
이러한 아민계 수용액 흡수제의 단점을 보완하기 위해 다양한 아민 혼합물, 알칸올아민의 아민기 주변에 입체장애가 있는 알칸올아민 수용액, 비수계 아민용액을 흡수제로 사용하는 시도가 이루어지고 있다. 미국등록특허 제6,849,774호(특허문헌 1), 미국등록특허 제6,623,659호(특허문헌 2) 및 미국공개특허 제2008-0146849(특허문헌 3)호에는 휘발성이 없고 열적 안정성이 높으면서 100 ℃ 이하의 낮은 온도에서 액체상을 유지하는 이온성 액체(ionic liquid)를 비수계 흡수제로 이용하여 전체적으로 CO2 분리에 필요한 에너지를 낮추고자 하는 연구가 활발하게 진행되고 있다.
한편, 화력발전소에서 배출되는 가스에 포함된 SO2는 현재 대부분 CaCO3/CaO 등으로 처리하여 Gypsum 형태로 분리시키고 있다. 그러나 고체 흡수제의 경우 액체계 흡수제에 비하여 관막힘 현상이 발생할 뿐만 아니라 SO2 흡수속도가 상대적으로 느린 단점이 있고 구성 장치들 간의 열교환이 어려워 흡수제의 재생에 상대적으로 많은 열이 필요하다. 또한 흡수 후 발생되는 석고는 일부 활용되기도 하지만 많은 양이 폐기되기도 한다. 최근 흡수공정에 의해 SO2를 분리/회수하여 활용하고자 하고 있다. 대표적으로 Cansolv 사에서는 디아민 기반의 SO2 회수 시스템을 개발하고 발전소/제련소에 도입하여 현재 전 세계적으로 9개의 Unit이 가동되고 있다. 2016년에는 캐나다의 Sask Dam Project에서는 CO2 포집 공정과 결합된 시스템을 개발하였고 여기서 회수되는 SO2량은 연간 5 천톤에 이를 것으로 추산된다.
이와 같이 CO2 혹은 SO2에 대한 흡수제 혹은 흡수용액을 개발하기 위해서는 흡수제의 흡수능력 뿐만 에너지소비량, 화학적 안정성 등도 우수하여야 하며 또한 이러한 성능을 구현하기 위한 최적 운전조건의 확립이 필요하다. 즉 상용공장에 적용하기 위해서는 파일롯 테스트 등을 통한 적용실험, 즉 흡수/탈거 전체공정을 갖춘 설비에서 장기적인 성능 테스트로 그 경제성과 효능성이 입증되어야 하는데 이러한 파일롯 실험을 위해서는 고비용의 설비가 필요하다.
또한, 기존의 흡수/탈거 공정에 따르면, 흡수와 탈거를 위한 2개의 탑, 흡수 및 탈거된 흡수제를 순환시키기 위한 2개의 펌프, 응축기들과 탈거탑의 재비기 및 열교환기가 필수적이라 할 수 있다. 상기 공정에서 구동장치인 2개의 펌프는 2개의 탑(흡수탑 및 탈거탑)의 흡수제를 안정적이고 일정하게 공급함과 동시에 양쪽 탑저탱크의 액위를 일정범위 내에서 유지시켜야 한다. 이를 위해 2개의 펌프를 정량 펌프로 사용하거나 유량을 제어하는 시스템을 추가적으로 갖추어야 하는 문제가 있다. 또한, 양쪽 탑저탱크의 액위를 지속적으로 측정하여 이를 펌프의 유량제어와 연계시켜야하므로, 펌프 각각에 액위제어시스템이 부착되어야한다. 그러나 상기 액위제어시스템에 의해 유량제어가 지속적으로 불안정화되어 탑 내의 액체 유량속도가 변화하는 문제가 발생한다.
미국등록특허 제6,849,774호 미국등록특허 제6,623,659호 미국공개특허 제2008-0146849호
Handbook of Separation Process Technology, Ronald W. Rousseau, 1987, Hohn Wiley & Sons, Inc. Jaeheum Jung, et. al., "New Configuration of the CO2 Capture Process Using Aqueous Monoethanolamine for Coal-Fired Power Pants", Ind. Eng. Chem. Res. 2015, 54, 3865-3878
상술한 종래 가스 포집(흡수 및 탈거) 장치의 문제점과 한계점을 해결하기 위해, 안정적인 장기구동이 가능하면서도, 구성이 간단하고 설치가 용이한 가스 포집 장치를 개발하고자 노력한 결과, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 흡수탑과 탈거탑이 연결된 하나의 탑으로 구성된 가스 포집장치 및 이를 이용한 가스 포집방법을 제공하고자 한다.
상기 목적을 이루기 위한 본 발명의 일 측면은 흡수탑과 탈거탑이 상하로 연결된 하나의 탑으로 구성된 가스 포집장치로서, 흡수제를 이용하여 혼합가스에 함유된 포집 대상 가스를 흡수시켜 포집 대상 가스를 흡수한 흡수제를 생성하는 흡수탑; 상기 흡수탑의 하단에 위치하고, 상기 포집 대상 가스를 흡수한 흡수제가 상기 흡수탑과 연결된 배관을 통해 공급되며, 상기 포집 대상 가스를 흡수한 흡수제를 재생하는 탈거탑; 상기 재생된 흡수제를 상기 흡수탑에 재순환하는 순환 펌프;를 포함하는 가스 포집장치를 제공한다.
본 발명의 다른 측면은 흡수탑과 탈거탑이 상하로 연결된 하나의 탑으로 구성된 가스 포집장치에 의해 가스를 포집하는 방법에 있어서, 흡수탑에서 흡수제를 이용하여 혼합가스에 함유된 포집 대상 가스를 흡수하여 포집 대상 가스를 흡수한 흡수제를 생성하는 단계; 상기 흡수탑의 하단에 위치한 탈거탑에 상기 포집 대상 가스를 흡수한 흡수제가 상기 흡수탑과 연결된 배관을 통해 공급되는 단계; 상기 탈거탑에서 상기 포집 대상 가스를 흡수한 흡수제를 재생하는 단계; 및 순환 펌프에 의해 상기 재생된 흡수제를 상기 흡수탑에 재순환하는 단계;를 포함하는 가스 포집방법을 제공한다.
본 발명에 따른 가스 포집 장치는 흡수탑과 탈거탑을 포함하는 하나의 탑, 하나의 순환 펌프만으로 흡수공정이 운전되므로, 흡수제의 순환유량이 매우 안정적으로 유지될 수 있어, 가스 포집 장치의 안정적인 장기구동이 가능하다.
또한 별도의 액위제어시스템에 의해 유량을 제어할 필요가 없으므로 설비의 제작비용을 획기적으로 절감할 수 있다. 특히 이러한 효과를 바탕으로 흡수제 개발 등을 위한 시험 장치 및 운전에 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 기존의 가스 포집 장치의 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일 구체예에 따른 가스 포집 장치의 공정도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가스 포집 장치 실험 설비의 구성도이다.
이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 설명한다.
본 발명의 일 측면은 흡수탑(201)과 탈거탑(202)이 연결된 하나의 탑으로 구성된 가스 포집장치로서, 흡수제를 이용하여 혼합가스(101)에 함유된 포집 대상 가스를 흡수시켜 포집 대상 가스를 흡수한 흡수제를 생성하는 흡수탑(201); 상기 흡수탑(201)의 하단에 위치하고, 상기 포집 대상 가스를 흡수한 흡수제가 상기 흡수탑(201)과 연결된 배관을 통해 공급되며, 상기 포집 대상 가스를 흡수한 흡수제를 재생하는 탈거탑(202); 상기 재생된 흡수제를 상기 흡수탑(201)에 재순환하는 순환 펌프(203);를 포함하는 가스 포집장치를 제공한다.
기존의 흡수/탈거 설비의 구성은 도 1과 같으며, 운전방법과 문제점을 더욱 자세히 살펴보면 다음과 같다. 제거 혹은 포집해야 할 가스 성분이 혼합된 혼합가스(101)(Solute-rich Feed Gas)를 흡수탑(201)에 공급하여 흡수시키고 나머지 가스(102)(Treated Gas)를 흡수탑(201) 상부로 배출한다. 흡수제는 흡수탑(201) 상부로 공급하여 하부에서 유입된 혼합가스(101)와 접촉한 후, 하부에 모이게 된다. 흡수탑(201) 하부에 모인 흡수제(104)(Rich Solvent)는 펌프(203)로 가압하여 탈거탑(202)의 상부로 공급된다. 탈거탑(202)에서는 하부에 부착된 재비기(207)에서 열을 받아 흡수된 포집 가스(103)(Solute Gas)를 탈거 및 배출시키며 흡수제는 하부로 모이게 된다. 탈거탑(202) 하부에 모인 재생 흡수제(104)(Lean Solvent)는 다시 펌프(203)로 가압하여 흡수탑(201)으로 순환시킨다. 흡수제의 열을 회수하기 위한 열교환기(204), 재생 흡수제(104)(Lean Solvent)를 냉각시키기 위한 냉각기(205), 흡수제를 응축시키고 포집 가스(103)(Solute Gas)를 냉각시키기 위한 응축기(206) 등을 부속설비로 추가하여 전체 공정을 운전하게 된다. 즉, 흡수제를 사용하여 흡수와 탈거를 반복하며 혼합가스(101)에서 일정 성분을 흡수/탈거시켜 분리 혹은 포집하게 된다. 통상적인 위의 공정에 따르면, 흡수와 탈거를 위한 2개의 탑, 흡수 및 탈거된 흡수제(104)를 순환시키기 위한 2개의 펌프(203), 응축기(206)들과 탈거탑(202)의 재비기(207) 및 열교환기(204)가 필수적이라 할 수 있다.
상기 공정에서 가장 큰 문제는 구동장치인 2개의 펌프(203)이다. 2개의 탑(흡수탑(201) 및 탈거탑(202))의 흡수제를 안정적이고 일정하게 공급함과 동시에 양쪽 탑저탱크의 액위를 일정범위 내에서 유지시켜야 한다. 이를 위해 2개의 펌프(203)를 정량 펌프로 사용하던가 유량을 제어하는 시스템을 갖추어야 한다. 또한 양쪽 탑저탱크의 액위를 지속적으로 측정하여 이를 펌프(203)의 유량제어와 연계시켜야하므로, 펌프(203) 각각에 유량제어시스템과 액위제어시스템이 부착되어야한다. 그러나 상기 액위제어시스템에 의해 유량제어가 지속적으로 불안정화되어 탑 내의 액체 유량속도가 변화하는 문제가 발생한다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명자는 흡수탑(201)과 탈거탑(202)을 직렬로 연결한 하나의 탑으로 구성하고, 한 개의 액체순환 펌프(203)만을 사용하는 새로운 가스 포집장치 및 운전방법을 도출하게 되었다. 본 발명의 가스 포집장치는 흡수 및 탈거운전에 필요한 유량을 하나의 순환 펌프(203)만으로 조절함으로써, 유량이 일정하고 안정적으로 유지되어 탑 내에 흐르는 흡수제의 유량도 일정하고 안정적으로 유지될 수 있다. 게다가 별도의 유량제어시스템 및 액위제어시스템을 갖출 필요가 없어 구성이 단순하면서도 안정적인 운전이 가능하다는 장점이 있다. 또한 구성이 단순화되어 설치가 용이하고 설치비용이 절감되므로, 흡수제를 개발하기 위한 소규모 시험 설비 즉 파일롯 설비나 적용 설비에 사용될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에 따른 가스 포집장치의 구성도는 도 2와 같다. 상기 도 2에 도시된 일 구체예에 따르면, 흡수탑(201)과 탈거탑(202)을 포함하는 하나의 탑과 하나의 순환 펌프(203) 및 부속 열교환기(204) 등으로 구성된다.
상기 일 구체예에 따른 가스 포집장치의 구성과 운전방법을 더욱 자세히 살펴보면 다음과 같다. 포집 대상 가스 성분이 혼합된 혼합가스(101)(Solute-rich Feed Gas)를 탑의 상부에 위치한 흡수탑(201) 하부로 공급하여 흡수시키고, 나머지 가스(102)(Treated Gas)를 탑의 상부로 배출시킨다. 흡수제는 흡수탑(201)의 상부로 공급하여 유입된 혼합가스(101)와 접촉한 후, 포집 대상 가스가 포화된 상태로 흡수탑(201) 하부에 모이게 된다. 흡수탑(201) 하부에 모인 포집 대상 가스를 흡수한 흡수제(104)(Rich Solvent)는 액체 높이 차이에 의해 자유낙하되어 탈거탑(202)의 상부로 투입된다. 탈거탑(202)에서는 하부에 부착된 재비기(207)에서 열을 받아 탈거된 포집 가스(103)(Solute Gas)를 탈거탑(202) 상부(전체 탑의 중간부)로 배출시키며, 재생된 흡수제는 탑의 하부로 모이게 된다. 탑의 하부에 모인 재생된 흡수제(104)(Lean Solvent)는 순환 펌프(203)로 가압하여 탑 상부로 순환시킨다. 즉, 흡수탑(201) 및 탈거탑(202)이 상하로 연결된 하나의 탑과 하나의 펌프(203)로 흡수와 탈거 공정을 완성할 수 있다. 흡수제의 순환 유량은 탈거탑(202)에서 순환되는 펌프(203)에 의해 조절되므로, 흡수탑(201)에서 탈거탑(202)으로 투입되는 흡수제의 유량은 별도의 유량제어 없이 흡수와 탈거 공정의 기본 운전조건을 완벽하게 제공할 수 있게 된다.
일 구현예에 따르면, 상기 가스 포집장치는, 상기 탈거탑과 연결되고 상기 포집 대상 가스를 흡수한 흡수제의 재생에 필요한 열원을 공급하는 재비기(207)를 더 포함할 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상기 배관에 위치하여, 상기 흡수탑(201)의 운전압력과 상기 탈거탑(202)의 운전압력을 동일하게 조절하는 압력 조절 장치를 더 포함할 수 있다. 상기 흡수탑(201)의 운전 압력조건이 상기 탈거탑(202)의 운전 압력조건과 다를 경우에는 상기 흡수탑(201)의 하부에 모인 상기 포집 대상 가스를 흡수한 흡수제를 상기 탈거탑(202)으로 자유낙하시켜 투입할 수 없게 된다. 상기 흡수탑(201)의 운전 압력 조건이 상기 탈거탑(202)의 운전압력보다 높을 경우에는 상기 배관에 조절변을 설치하여 압력을 조절한 후 흡수제를 탈거탑(202)으로 공급될 수 있다. 반대로 상기 흡수탑(201)의 운전 압력이 상기 탈거탑(202)보다 낮은 경우에는 가압할 수 있는 펌프가 필요할 수 있다. 상기 조절변이나 펌프를 추가하는 경우에도 흡수탑과 탈거탑을 한 개의 탑으로 구성하는 본 발명의 효과는 자명하다. 또한 본 발명의 구성을 적용하면 흡수액의 순환유량은 탈거탑에서 순환되는 하나의 펌프에 의해서만 조절되므로 흡수탑에서 탈거탑으로 투입되는 흡수액의 유량을 탈거탑에서 순환되는 펌프의 유량과 동일하게 하면 흡수탑과 탈거탑의 탑저 액위도 자동적으로 유지되며 안정적으로 운전할 수 있게 된다. 즉 흡수탑과 탈거탑의 운전압력이 달라 흡수탑에서 탈거탑으로 흡수액을 투입할 때, 조절밸브나 펌프를 사용하는 경우에도 한 개의 탑을 사용하고 계장시스템을 줄일 수 있기 때문에 본 발명의 효과는 자명하다.
다른 구현예에 따르면, 상기 흡수탑(201)과 상기 탈거탑(202) 사이에 위치하고, 상기 공급되는 상기 포집 대상 가스를 흡수한 흡수제의 열을 회수하는 열교환기(204)를 더 포함할 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 순환 펌프(203)에 의해 재순환되는 흡수제를 냉각 시키는 냉각기(205)를 더 포함할 수 있다. 상기 냉각기(205)를 통해 포집 대상 가스가 탈거되어 재생된 흡수제는 흡수탑(201)의 수준으로 온도가 냉각되어 재순환될 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 탈거탑(202)에서 상기 포집 대상 가스를 흡수한 흡수제의 재생에 의해 분리된 포집 대상 가스를 응축하는 응축기(206)를 더 포함할 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 흡수제는 아민계, 아미노산염, 무기염계 용액, 암모니아 수 또는 금속 이온염 용액 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 상기 포집 대상 가스는 이산화탄소, 이산화황, 이산화질소, 황화수소 또는 황화카르보닐 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 가스 포집장치 및 가스 포집방법은 가스의 종류에 국한되지 않고 적용될 수 있으며, 흡수제 역시 포집 대상 가스의 종류에 따라 적절히 선택될 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 흡수탑(201)과 탈거탑(202)이 상하로 연결된 하나의 탑으로 구성된 가스 포집장치에 의해 가스를 포집하는 방법에 있어서, 흡수탑(201)에서 흡수제를 이용하여 혼합가스(101)에 함유된 포집 대상 가스를 흡수하여 포집 대상 가스를 흡수한 흡수제를 생성하는 단계; 상기 흡수탑(201)의 하단에 위치한 탈거탑(202)에 상기 포집 대상 가스를 흡수한 흡수제가 상기 흡수탑(201)과 연결된 배관을 통해 공급되는 단계; 상기 탈거탑(202)에서 상기 포집 대상 가스를 흡수한 흡수제를 재생하는 단계; 및 순환 펌프(203)에 의해 상기 재생된 흡수제를 상기 흡수탑(201)에 재순환하는 단계;를 포함하는 가스 포집방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않고, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
실시예 1.
가스 포집장치 실험 설비 구성 및 설치
본 발명의 구현을 위해 실제 공정을 축소시킨 가스 포집장치의 실험설비를 설치하였으며, 그 구성도를 도 3에 나타내었다.
탑 상부의 흡수탑(201)과 탑 하부의 탈거탑(202)은 직경 2인치 초자 컬럼에 1/4인치 크기의 초자 라시히 링(raschig ring)을 채웠으며 충전높이는 각각 50 cm와 45 cm가 되도록 하였다. 흡수탑(201) 상부와 탈거탑(202) 상부에는 각각 응축기(206)를 설치하고 브라인(brine)을 20 ℃로 공급하였다. 탈거탑(202) 하부에 초자로 제작된 직경 15 cm, 높이 40 cm 크기의 재비기(207)를 설치하고 전기히터로 외벽을 가열할 수 있도록 하였다. 흡수용액을 재순환시키기 위해 순환펌프(203)를 설치하고 탑 상부로 공급되기 전에 20 ℃ 브라인(brine)이 공급되는 냉각기(205)를 통과하도록 하였다. 재비기(207)의 전기히터는 온도조절기(TIC, Temperature Indicating Controller)를 이용하여 재비기(207)내의 온도가 설정온도에 유지되도록 제어하였다. 상기 도 3에서 PG와 FI는 각각 압력계기와 유량계기이며 TI는 여러 곳의 온도를 측정하기 위한 온도센서를 나타낸 것이다.
가스 포집장치 실험 설비의 운전방법
준비된 흡수제를 재비기(207)에 5L 정도 채운다. 응축기(206)와 냉각기(205)에 적정온도(20 ℃)의 브라인(brine)을 순환시켜 온도를 유지시킨다. 혼합가스(101)(Feed Gas)를 흡수탑(201) 하부에 투입한다. 흡수탑(201) 충전 층을 통과한 나머지 가스(102)(Treated Gas)를 상부에 설치한 응축기(206)를 거쳐 냉각 및 응축시킨 후, 외부로 방출한다.
순환 펌프(203)를 사용하여 재비기(207)에 저장된 흡수용액을 적정유량으로 흡수탑(201)의 상부로 투입한다. 흡수용액은 흡수탑(201) 하부에서 공급된 혼합가스(101)와 향류접촉하며 분리해야할 성분(Solute)을 흡수/제거하게 된다. 포집 대상 가스(Solute)를 흡수한 흡수제(104)(Rich Solvent)을 흡수탑(201) 아래에 일시적으로 모았다가 자유낙하시켜 탈거탑(202) 상부로 투입되도록 한다. 흡수제(104)(Rich Solvent)은 탈거탑(202)의 충전층을 통과하는 동안 재비기(207)에서 올라오는 가열된 기체와 접촉되어 흡수된 성분을 탈거시킨다. 탈거된 포집 가스(103)(일부 수분 포함한 Solute Gas)는 탈거탑(202) 상부에 설치된 응축기(206)를 통과시켜 냉각 및 응축시킨 후, 외부로 방출한다. 탈거된 흡수제(104)(Lean Solvent)은 다시 순환 펌프(203)를 통해 순환된다. 투입되는 혼합가스(101)와 방출되는 혼합가스(101)의 포집 대상 성분(Solute) 농도를 각각 측정하며 순환되는 재생 흡수제(104)(Lean Solvent)의 시료를 간헐적으로 취하여 포집 대상 성분(solute)의 농도를 측정한다.
실시예 2.
상기 실시예 1에서 제조한 실험설비를 활용하여 포집 대상 가스 포집을 실시하였다. 물을 흡수제로 사용하여 SO2가 포함된 혼합가스(101)에서 SO2를 흡수-탈거하였다. 증류수 5 L를 재비기(207)에 채우고 순환 펌프(203)를 사용하여 2.5 L/hr의 유량으로 흡수제(물)를 순환시켰다. 질소가스에 SO2가 100 ppm이 되도록 혼합한 혼합가스(101)를 500 L/hr의 유량으로 흡수탑(201) 하단부에 투입하였다. 응축기(206)와 냉각기(205)에는 20 ℃ 브라인(brine)을 공급하였으며, 재비기(207)의 온도는 85℃가 유지되도록 가열하였다. 투입되는 혼합가스(101)의 SO2 평균농도는 105.1 ppm였다. 실험결과 하기하는 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이 나머지 가스(102)에서의 SO2 평균 농도는 71.1 ppm으로 SO2 흡수(제거)율은 32.3%였다. SO2 측정기로는 Thermo Scientific사의 43i-HL 모델을 사용하였다.
하기 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이 실험설비는 28시간 이상 매우 안정적으로 운전할 수 있었다. 특히 운전중단 및 재개를 수회 실시하여도 펌프 구동 이후 5분 이내에 재비기(207)의 액위가 자동적으로 일정하게 유지되었으며 탑(흡수탑(201)과 탈거탑(202))이 안정적으로 운전됨을 확인하였다. 운전시간은 중단시간을 제외하고 실제 흡수-탈거 실험을 실시한 총 운전시간이다.
운전시간
(hr)		 원료혼합가스
SO2 농도
(ppm)		 흡수탑 내
흡수용액
온도(℃)		 재비기
온도(℃)		 나머지가스
SO2 농도
(ppm)		 흡수율
(%)
15.3 103.1 22.5 85.0 70.5 31.6
22.2 107.1 22.5 85.0 69.8 34.8
28.2 105.2 23.1 85.0 73.0 30.6
실시예 3.
원료혼합가스(101)의 SO2 농도를 1000 ppm으로 하고 물을 흡수제로 사용하여 상기 실시예 2와 동일한 장치 및 운전방법으로 흡수-탈거 실험을 실시하였다. 나머지 가스(102)의 농도가 일정하게 유지될 때까지 실험을 실시하였으며 실험결과 다음 표에서 보는 바와 같이 8시간 이후, 흡수율은 24% 정도로 유지되었다. 하기 표 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 매우 안정적으로 탑(흡수탑(201)과 탈거탑(202))이 운전되었다. 특히 운전 중 순환펌프(203)의 유량을 1.8 ~ 3.1 L/hr 범위 내에서 변경하여도 5분 이내에 재비기(207)의 액위가 자동적으로 일정하게 유지되었다.
운전시간
(hr)		 원료혼합가스
SO2 농도
(ppm)		 흡수탑 내
흡수용액
온도(℃)		 재비기
온도(℃)		 나머지가스
SO2 농도
(ppm)		 흡수율
(%)
6.7 1000 22.5 85.0 804 19.6
8.7 1022 22.2 85.0 774 24.3
14.8 1029 22.5 85.0 786 23.6
실시예 4.
흡수제로 Hydorxylethyl dimethylpiperazinium chloride([HEDMP]Cl)을 제조하여 사용하고, 원료혼합가스(101)의 SO2 농도를 1000 ppm으로 고정하여 상기 실시예 2와 동일한 장치 및 운전방법으로 흡수-탈거 실험을 실시하였다.
하기 표 3에서 확인할 수 있는 바와 같이, 100시간 이상 매우 안정적으로 흡수/탈거설비를 운전할 수 있었다. 또한 본 발명을 구현한 실험장치를 사용하여 흡수제의 성능을 장기간 안정적으로 확인하고 흡수율의 변화, 흡수용액의 농도변화, 변성을 확인하였다. 표에서 ‘재생 흡수제(Lean solvent)의 SO2 농도’는 펌프(203)로 순환되는 흡수용액에서 시료를 취하여 NMR(Nuclear magnetic resonance)로 분석한 값이다. 흡수제( [HEDMP]Cl )에 녹아있는 SO2 양에 따라 NMR peak가 shift 되며 이로부터 SO2의 농도를 정량화하였다. 흡수제 몰(mol)당 녹아있는 SO2의 몰(mol)수로 표시된다.
운전
시간
(hr)		 원료혼합가스
SO2 농도
(ppm)		 흡수탑 내
흡수용액
온도(℃)		 재비기
온도(℃)		 Lean
solvent
SO2농도
(mol/mol)		 나머지가스
SO2 농도
(ppm)		 흡수율
(%)
7.25 962.5 18.7 99.8 0.05 12.3 98.7
16.58 977.5 18.3 99.9 0.13 42.5 95.7
25.83 990.0 18.3 100.0 0.23 69.5 93.0
35.75 977.5 18.4 100.0 0.34 74.2 92.4
45.00 987.5 17.9 100.2 0.42 103.1 89.6
52.67 1007.5 18.2 100.0 0.49 163.8 83.7
62.10 990.0 17.0 100.1 0.54 189.2 80.9
73.17 987.5 17.1 100.0 0.68 232.0 76.5
84.50 995.0 17.0 100.4 0.75 319.0 67.9
95.50 990.0 17.2 100.3 0.83 416.6 57.9
103.83 995.0 17.4 100.3 0.80 378.6 61.9
따라서, 상기 실시예 들을 통해 본 발명의 가스 포집장치 및 가스 포집방법은 흡수탑과 탈거탑이 연결된 하나의 탑과 하나의 펌프를 포함하는 간단한 설비만으로 안정적이고 간편하게 가스 포집장치의 운전이 가능함을 확인하였다. 또한 단순화된 구성으로 설치가 용이하고 설치비용이 절감되므로, 흡수제를 개발하기 위한 소규모 시험 설비를 제작하고 실험하기에 적합하다는 점을 확인하였다.
전술한 실시예 및 비교예는 본 발명을 설명하기 위한 예시로서, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형하여 본 발명을 실시하는 것이 가능할 것이므로, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
101: 혼합가스
102: 나머지 가스
103: 포집 가스
104: 흡수제/재생 흡수제
201: 흡수탑
202: 탈거탑
203: 순환 펌프
204: 열교환기
205: 냉각기
206: 응축기
207: 재비기

Claims (10)

  1. 흡수탑과 탈거탑이 상하로 연결된 하나의 탑으로 구성된 가스 포집장치로서,
    흡수제를 이용하여 혼합가스에 함유된 포집 대상 가스를 흡수시켜 포집 대상 가스를 흡수한 흡수제를 생성하는 흡수탑;
    상기 흡수탑의 하단에 위치하고, 상기 포집 대상 가스를 흡수한 흡수제가 상기 흡수탑과 연결된 배관을 통해 공급되며, 상기 포집 대상 가스를 흡수한 흡수제를 재생하는 탈거탑;
    상기 재생된 흡수제를 상기 흡수탑에 재순환하는 순환 펌프;를 포함하는 가스 포집장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스 포집장치는, 상기 탈거탑과 연결되고 상기 포집 대상 가스를 흡수한 흡수제의 재생에 필요한 열원을 공급하는 재비기를 더 포함하는 가스 포집장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 흡수탑과 상기 탈거탑 사이에 위치하고, 상기 공급되는 상기 포집 대상 가스를 흡수한 흡수제의 열을 회수하는 열교환기를 더 포함하는 가스 포집장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 순환 펌프에 의해 재순환되는 흡수제를 냉각시키는 냉각기를 더 포함하는 가스 포집장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 탈거탑에서 상기 포집 대상 가스를 흡수한 흡수제의 재생에 의해 분리된 포집 대상 가스를 응축하는 응축기를 더 포함하는 가스 포집장치.
  6. 흡수탑과 탈거탑이 상하로 연결된 하나의 탑으로 구성된 가스 포집장치에 의해 가스를 포집하는 방법에 있어서,
    흡수탑에서 흡수제를 이용하여 혼합가스에 함유된 포집 대상 가스를 흡수하여 포집 대상 가스를 흡수한 흡수제를 생성하는 단계;
    상기 흡수탑의 하단에 위치한 탈거탑에 상기 포집 대상 가스를 흡수한 흡수제가 상기 흡수탑과 연결된 배관을 통해 공급되는 단계;
    상기 탈거탑에서 상기 포집 대상 가스를 흡수한 흡수제를 재생하는 단계; 및
    순환 펌프에 의해 상기 재생된 흡수제를 상기 흡수탑에 재순환하는 단계;를 포함하는 가스 포집방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 포집 대상 가스를 흡수한 흡수제를 재생하는 단계는 재비기에 의해 공급된 열원에 의해 이루어지는 가스 포집방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 흡수탑과 상기 탈거탑 사이에 위치하는 열교환기에 의해 상기 공급되는 상기 포집 대상 가스를 흡수한 흡수제의 열을 회수하는 단계를 더 포함하는 가스 포집방법.
  9. 제6항에 있어서,
    냉각기에 의해 상기 순환 펌프에 의해 재순환되는 흡수제를 냉각시키는 단계를 더 포함하는 가스 포집방법.
  10. 제6항에 있어서,
    응축기에 의해 상기 탈거탑에서 상기 포집 대상 가스를 흡수한 흡수제의 재생에 의해 분리된 포집 대상 가스를 응축하는 단계를 더 포함하는 가스 포집방법.
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