KR20200093112A - 고체­고체 열교환기 및 그 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치 - Google Patents

고체­고체 열교환기 및 그 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고체­고체 열교환기 및 그 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 건식 이산화탄소 포집장치의 재생반응기 전단에 구비되는 열교환기에 있어서, 본체 하우징; 상기 본체 하우징 내부에 구비되며, 이산화탄소를 흡수한 고체흡수제가 유입단을 통해 유입 유동되면서 가열되어 재생반응기 측을 유입되는 제1열교환부; 상기 본체 하우징 내부에 상기 제1열교환부와 평행하게 구비되며, 재생반응기에서 재생된 고체흡수제가 유입 유동되면서 냉각되어 회수반응기 측으로 토출되는 제2열교환부; 및 상기 고체흡수제의 유동방향과 평행하게 상기 본체 하우징 내에 설치되어, 상기 제1열교환부와 상기 제2열교환부를 구획하며, 상기 제1열교환부의 고체흡수제와 상기 제2열교환부의 고체흡수제를 서로 열교환시키는 열교환판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체-고체 열교환기에 관한 것이다.

Description

고체­고체 열교환기 및 그 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치{Solid­Solid heat exchanger and Dry sorbent CO2 capturing device using the heat exchanger}
본 발명은 고체­고체 열교환기 및 그 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치에 관한 것이다.
종래에 CO2회수 공정으로는 습식법에 의한 공정이 사용되었다. 즉, CO2를 포함하는 가스를 아민류 계통의 용액을 통과시켜 CO2를 흡수하게 하고 재생탑에서 그 용액을 재생하여 사용하는 방법이며, 이러한 습식법은 공정과정에 폐수가 추가로 발생되는 단점이 있다.
따라서 상기 습식법의 단점을 해소하기 위한 대안으로 건식법에 의한 CO2의회수방법이 제안되었다. 상기 건식법을 이용한 시스템은 두개의 반응기를 이용하여CO2를 회수하는 것으로, 회수반응기에 공급된 CO2를 고체흡수제(건식흡수제)에 흡착 제거하고, 상기 고체흡수제는 재생반응기로 유입되어 흡착된 CO2를 제거하고, 전처리반응기에서 고체흡수제에 H2O를 흡습시켜 다시 회수반응기에 공급하는 과정으로 이루어진다.
이 때, 상기 재생반응기에서는 이산화탄소를 제거하기 위해 별도의 스팀 등의 열원을 제공하여야 한다. 또, 상기 전처리반응기(냉각수단)에서는 상기 회수반응기에서 이산화탄소의 흡착에 적합한 온도조건을 제공할 수 있도록 고체흡수제로부터 열을 제거하여야 한다.
종래기술에서는 건식 이산화탄소 포집장치가 주로 발전소와 같은 대량의 이산화탄소를 발생시키는 대형 플랜트에 사용되기 때문에, 열을 공급하기 위한 매체는 발전소에서 얻어지는 스팀을 이용하고, 냉각을 위한 매체는 일반적으로 흔히 구할 수 있는 물을 사용하고 있다.
도 1은 종래 건식 이산화탄소 포집장치(1)의 구성도를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래 건식 이산화탄소 포집장치(1)는 회수반응기(10), 회수사이클론(11), 제1, 제2재생반응기(20-1, 20-2), 냉각수단(전처리반응기, 50) 등을 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다.
회수반응기(10) 내에서 고체흡수제는 이산화탄소를 흡수하게 되며 이산화탄소를 흡수한 고체흡수제는 회수사이클론(11)을 통해 제1,제2재생반응기(20-1, 20-2)를 거치면서 이산화탄소가 탈착되어 재생된 후 냉각수단(50)을 거쳐 다시 회수반응기(10)로 유입, 순환되게 된다.
재생반응기(20-1, 20-2)에는 열원공급부(21)를 통해 열원이 공급되어 이산화탄소를 흡수한 고체흡수제를 가열하여 재생시키게 된다. 재생반응기에서 소요되는 에너지는 재생반응기로 유입되는 고체흡수제의 온도(약 70도)와 배출되는 고체흡수제의 온도(약 220도)의 온도차에 기반하며 그 온도차는 약 150도 정도가 된다. 또한, 재생반응기를 통해 재생된 고체흡수제는 회수반응기(10)에 다시 유입시키기 위해 약 220도의 온도에서 약 70도의 온도까지 냉각시켜야 하며 냉각을 위한 소요에너지 역시 온도차에 기반하게 된다.
앞서 언급한 바와 같이, 건식 이산화탄소 포집장치에 소요되는 열량이 상당할 뿐만 아니라, 대용량 플랜트 시설에서 냉각 후에 온도가 올라간 물을 그대로 방류하면 온폐수의 영향으로 열오염에 의하여 수중의 생물에 악영향을 미치게 된다.
대한민국 등록특허 제1045061호 대한민국 공개특허 제2013-0066318호 대한민국 공개특허 제2013-0057791호 대한민국 공개특허 제2013-0039185호
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 회수반응기에서 이산화탄소를 흡수하여 회수사이클론을 거친 저온의 고체흡수제와 재생반응기에서 재생된 고온의 고체흡수제를 서로 열교환시켜 재생반응기에 투입되는 소요에너지와 냉각수단(전처리반응긱)에 투입되는 소요에너지를 절감하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 고체­고체 열교환기 및 그 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1목적은, 건식 이산화탄소 포집장치의 재생반응기 전단에 구비되는 열교환기에 있어서, 본체 하우징; 상기 본체 하우징 내부에 구비되며, 이산화탄소를 흡수한 고체흡수제가 유입단을 통해 유입 유동되면서 가열되어 재생반응기 측을 유입되는 제1열교환부; 상기 본체 하우징 내부에 상기 제1열교환부와 평행하게 구비되며, 재생반응기에서 재생된 고체흡수제가 유입 유동되면서 냉각되어 회수반응기 측으로 토출되는 제2열교환부; 및 상기 고체흡수제의 유동방향과 평행하게 상기 본체 하우징 내에 설치되어, 상기 제1열교환부와 상기 제2열교환부를 구획하며, 상기 제1열교환부의 고체흡수제와 상기 제2열교환부의 고체흡수제를 서로 열교환시키는 열교환판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체-고체 열교환기로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 제1열교환부를 유동하는 고체흡수제의 유동방향과 상기 제2열교환부를 유동하는 고체흡수체의 유동방향을 서로 대향되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 열교환판은 상기 본체 하우징 내에, 복수의 제1열교환부와 상기 복수의 제1열교환부 각각의 사이에 상기 제2열교환부가 위치되도록, 서로 평행하게 복수로 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 열교환판 일측에는 복수의 전열핀, 전열파이프, 전열바, 및 전열판 중 적어도 어느 하나가 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 고체흡수제의 유동방향과 교차되는 방향으로 상기 제1열교환부와 상기 제2열교환부를 거쳐 지그재그 형태로 배치되며 내부에 열매체가 유동되는 적어도 하나의 전열파이프를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 전열파이프는 상기 본체 하우징의 일측면에서 타측면을 관통하여 지그재그 형태로 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 전열파이프는 상기 제2열교환부 내에서 배출단에서 상기 재생반응기 측으로 지그재그 형태로 위치하고, 상기 제1열교환부 내로 연결되어 상기 제1열교환부 내에서 유입단측으로 지그재그 형태로 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 전열파이프 내의 열매체를 순환구동하는 순환펌프를 더 포함하고, 상기 열매체는 상기 제2열교환부 내의 전열파이프를 유동하면서 상기 고체흡수제의 열을 흡수하여 가열되고, 가열된 열매체는 상기 제1열교환부 내의 전열파이프를 유동하면서 상기 고체흡수제를 가열하여 냉각된 후 순환되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 제1열교환부의 후단에 구비되어 상기 재생반응기로 유입되는 고체흡수제를 가열하는 히팅수단과, 상기 제2열교환부의 배출단에 구비되어 상기 고체흡수제를 냉각하는 쿨링수단을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 제1열교환부의 온도를 실시간으로 측정하는 제1온도센서와, 상기 제2열교환부의 온도를 실시간으로 측정하는 제2온도센서와, 상기 제1온도센서에서 측정된 온도값을 기반으로 상기 히팅수단을 제어하고, 상기 제2온도센서에서 측정된 온도값을 기반으로 상기 쿨링수단을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 본체 하우징의 일측면에서 타측면을 관통하여 위치되며, 길이방향이 상기 고체흡수제의 유동방향과 교차되는 방향으로 배치되는 복수의 전열바, 및 복수의 전열판 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은 건식 이산화탄소 포집장치의 재생반응기 전단에 구비되는 열교환기를 이용하여 재생반응기 유입 전, 후의 고체흡수제를 서로 열교환하는 방법에 있어서, 회수반응기에서 이산화탄소를 흡수한 고체흡수제가 회수사이클론을 거쳐 고체-고체열교환기의 본체 하우징 내에 위치되는 제1열교환부의 유입단을 통해 내부로 유입되는 단계; 상기 제1열교환부에서 가열된 고체흡수제가 재생반응기를 거치면서 재생된 후 상기 본체 하우징 내에 위치되며 상기 제1열교환부와 평행하게 배치된 제2열교환부로 유입되는 단계; 및 재생된 고체흡수제가 상기 제2열교환부를 유동하며 냉각된 후 상기 회수반응기 측으로 토출되는 단계;를 포함하고, 상기 고체흡수제의 유동방향과 평행하게 상기 본체 하우징 내에 설치되며 상기 제1열교환부와 상기 제2열교환부를 구획하는 열교환판에 의해, 상기 제1열교환부의 고체흡수제와 상기 제2열교환부의 고체흡수제를 서로 열교환되는 것을 특징으로 하는 고체-고체 열교환방법으로서 달성될 수 있다.
본 발명의 제3목적은 외부로부터 공급된 이산화탄소가 함유된 배기가스에 고체흡수제를 접촉하여이산화탄소를 회수하는 회수반응기; 상기 회수반응기와 연결되어 기체는 배출시키고 이산화탄소를 포집하고 있는 고체흡수제만 분리하는 회수사이클론; 상기 회수사이클론으로부터 공급받은 이산화탄소를 포집하고 있는 고체흡수제를 공급받아 유동화가스를 이용하여 고체흡수제에 포집된 이산화탄소를 분리하는재생반응기; 및 상기 재생반응기의 전단에 위치되며, 본체 하우징과, 상기 본체 하우징 내부에 구비되며, 이산화탄소를 흡수한 고체흡수제가 유입단을 통해 유입 유동되면서 가열되어 재생반응기 측을 유입되는 제1열교환부와, 상기 본체 하우징 내부에 상기 제1열교환부와 평행하게 구비되며, 상기 재생반응기에서 재생된 고체흡수제가 유입 유동되면서 냉각되어 회수반응기 측으로 토출되는 제2열교환부와, 상기 고체흡수제의 유동방향과 평행하게 상기 본체 하우징 내에 설치되어, 상기 제1열교환부와 상기 제2열교환부를 구획하며, 상기 제1열교환부의 고체흡수제와 상기 제2열교환부의 고체흡수제를 서로 열교환시키는 열교환판을 갖는 고체-고체 열교환기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체-고체 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치로서 달성될 수 있다.
그리고 고체-고체 열교환기는 앞서 언급한 제 1목적에 따른 고체-고체 열교환기인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 고체-고체 열교환기의 제2열교환부 배출단과 상기 회수반응기 사이에 위되어 이산화탄소가 분리된 고체흡수제를 냉각시켜 상기 회수반응기로 피드백하는 냉각수단을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제4목적은 앞서 언급한 제3목적에 따른 이산화탄소 포집장치를 이용한 이산화탄소 포집방법에 있어서, 회수반응기에서 외부로부터 공급된 이산화탄소가 함유된 배기가스에 고체흡수제를 접촉하여 이산화탄소를 회수하는 단계; 상기 회수반응기와 연결된 회수사이클론에 의해, 기체는 배출시키고 이산화탄소를 포집하고 있는 고체흡수제만 분리하는 단계; 상기 고체흡수제가 고체-고체열교환기의 본체 하우징 내에 위치되는 제1열교환부의 유입단을 통해 내부로 유입되는 단계; 상기 제1열교환부에서 가열된 고체흡수제가 재생반응기로 유입되어, 유동화가스를 통해 고체흡수제에 포집된 이산화탄소가 분리되는 단계; 이산화탄소가 분리된 고체흡수제가 상기 본체 하우징 내에 위치되며 상기 제1열교환부와 평행하게 배치된 제2열교환부로 유입되는 단계; 및 상기 고체흡수제가 상기 제2열교환부를 유동하며 냉각된 후 상기 회수반응기 측으로 유입되어 순환되는 단계;를 포함하고, 상기 고체흡수제의 유동방향과 평행하게 상기 본체 하우징 내에 설치되며 상기 제1열교환부와 상기 제2열교환부를 구획하는 열교환판에 의해, 상기 제1열교환부의 고체흡수제와 상기 제2열교환부의 고체흡수제를 서로 열교환되는 것을 특징으로 하는 고체-고체 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집방법로서 달성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 고체­고체 열교환기 및 그 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치에 따르면, 회수반응기에서 이산화탄소를 흡수하여 회수사이클론을 거친 저온의 고체흡수제와 재생반응기에서 재생된 고온의 고체흡수제를 서로 열교환시켜 재생반응기에 투입되는 소요에너지와 냉각수단(전처리반응긱)에 투입되는 소요에너지를 절감하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 종래 건식 이산화탄소 포집장치의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 고체­고체 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치의 구성도,
도 3a은 본 발명의 제1실시예에 따른 고체­고체 열교환기의 사시도,
도 3b는 본 발명의 제1실시예에 따른 고체­고체 열교환기의 단면도,
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 고체 - 고체 열교환기의 사시도,
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 제3실시예에 따른 고체-고체 열교환기의 부분단면도,
도 6a는 본 발명의 제3실시예에 따른 고체-고체 열교환기의 단면도,
도 6b는 도 6a에서 제1열교환부를 유동하는 고체흡수제의 온도와, 제2열교환부를 유동하는 고체흡수제의 온도 그래프,
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 제4실시예에 따른 고체-고체 열교환기의 단면도,
도 8 및 도 9는 본 발명의 제5실시예에 따른 고체-고체 열교환기의 단면도를 도시한 것이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 고체­고체 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치(1)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 도 2는 본 발명에 따른 고체­고체 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치(1)의 구성도를 도시한 것이다. 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 고체­고체 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치(1)의 기본 개념에 대해 설명하도록 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 고체­고체 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치(1)는 통상의 건식 이산화탄소 포집장치와 같이, 회수반응기(10)와 회수사이클론(11)과, 재생반응기(20)를 포함하여 구성됨을 알 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 건식 이산화탄소 포집장치(1)는 재생반응기(20)의 전단에 적어도 하나 이상의 고체-고체 열교환기(30)를 포함하여 구성되게 된다.
도 2의 실시예에서는 제1고체-고체 열교환기(30-1)와 제2고체-고체 열교환기(30-2)를 포함하며, 제1, 제2고체-고체 열교환기(30-1, 30-2)에서는 회수사이클론(11)에서 배출된 이산화탄소를 포집한 저온의 고체흡수제와, 재생반응기(20)에서 재생된 고온의 고체흡수제 간의 열교환이 일어나게 된다. 따라서 별도의 공급, 소요에너지 없이 재생반응기(20)로 유입되기 전 이산화탄소를 포집한 고체흡수제는 가열되게 되며, 재생반응기(20)에서 토출된 재생 고체흡수제는 냉각되게 된다.
예를 들어, 회수사이클론(11)에서 배출된 고체흡수제의 온도가 70도라도 할 때, 제1, 제2고체-고체 열교환기(30-1, 30-2)를 거치면서 고체흡수제는 210도 정도까지 가열될 수 있다. 따라서 재생반응기(20)에서는 210도의 고체흡수제에 대하여 약 10도 정도만을 가열하여 고체흡수제를 재생시킬 수 있어, 앞서 언급한 도 1과 대비하여 90%의 에너지를 절약할 수 있게 된다. 또한, 재생반응기(20)에서 배출된 재생된 고체흡수제는 약 220도의 온도를 가지게 되며 제2, 제1고체-고체 열교환기(30-2, 30-1)를 거치면서 약 80도 정도까지 냉각될 수 있다. 회수반응기(10)에 투입된 고체흡수제의 온도가 70도라고 할 때, 냉각수단(50)(도 2에 미도시)은 약 10도 정도만을 냉각하면 되게 때문에 도 1과 대비하여 90%의 에너지를 절약할 수 있게 된다. 따라서 종래 대비 열원으로서의 스팀사용량과 냉각수간의 쿨링 워터의 사용량을 현격히 감소시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 고체-고체 열교환기(30)의 구성에 대해 보다 상세하게 설명하도록 한다. 도 3a은 본 발명의 제1실시예에 따른 고체­고체 열교환기(30)의 사시도를 도시한 것이다. 그리고 도 3b는 본 발명의 제1실시예에 따른 고체­고체 열교환기(30)의 단면도를 도시한 것이다.
본 발명에 따른 건식 이산화탄소 포집장치(1)의 재생반응기(20) 전단에 구비되는 고체-고체 열교환기(30)는 본체 하우징(31)과, 제1열교환부(32), 제2열교환부(34), 열교환판(36)을 포함하여 구성될 수 있다.
제1열교환부(32)는 본체 하우징(31) 내부에 구비되며, 이산화탄소를 흡수한 고체흡수제가 유입단(33)을 통해 유입 유동되면서 가열되어 재생반응기(20) 측을 유입되도록 구성된다.
제2열교환부(34)는 본체 하우징(31) 내부에 제1열교환부(32)와 평행하게 구비되며, 재생반응기(20)에서 재생된 고체흡수제가 유입 유동되면서 냉각되어 회수반응기(10) 또는 냉각수단(50) 측으로 토출되도록 구성된다.
열교환판(36)은 평면방향이 고체흡수제의 유동방향과 평행하게 본체 하우징(31) 내에 설치되어, 제1열교환부(32)와 제2열교환부(34)를 구획하며, 제1열교환부(32)의 고체흡수제와 제2열교환부(34)의 고체흡수제를 서로 열교환시키도록 열전도도가 높은 물질로 구성되게 된다.
또한, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 제1열교환부(32)를 유동하는 고체흡수제의 유동방향과, 제2열교환부(34)를 유동하는 고체흡수체의 유동방향을 서로 대향되며, 열교환판(36)은 본체 하우징(31) 내에, 복수의 제1열교환부(32)와, 복수의 제1열교환부(32) 각각의 사이에 제2열교환부(34)가 위치되도록, 서로 평행하게 복수로 설치되게 됨을 알 수 있다.
회수사이클론(11)에서 배출된 이산화탄소를 포집한 고체흡수제는 복수의 제1열교환부(32) 각각으로 유입되어 유동되면서 가열된 후, 재생반응기(20)로 유입된다. 또한, 재생반응기(20)를 통해 재생된 고체흡수제는 복수의 제2열교환부(34)를 유동하면서 냉각되어 냉각수단(50) 또는 회수반응기(10) 측으로 유입되게 된다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 고체 - 고체 열교환기(30)의 사시도를 도시한 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 고체-고체 열교환기(30)는 본체 하우징(31)의 측면과, 열교환판(36)에 복수의 전열핀(41), 전열파이프(40) 등이 설치되어 제1열교환부(32)와 제2열교환부(34) 사이에 전열면적을 증가 시켜 열교환효율을 증대시킬 수 있음을 알 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 제3실시예에 따른 고체-고체 열교환기(30)의 부분단면도를 도시한 것이다. 그리고 도 6a는 본 발명의 제3실시예에 따른 고체-고체 열교환기(30)의 단면도를 도시한 것이고, 도 6b는 도 6a에서 제1열교환부(32)를 유동하는 고체흡수제의 온도와, 제2열교환부(34)를 유동하는 고체흡수제의 온도 그래프를 도시한 것이다.
도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 고체-고체 열교환기(30)는 본체 하우징(31) 내에 제1열교환부(32), 제2열교환부(34)에 다양한 형태의 전열파이프(40)를 설치하여, 제1열교환부(32)와 제2열교환부(34)의 열교환효율이 증대되도록 구성될 수 있음을 알 수 있다.
이러한 전열파이프(40)는 고체흡수제의 유동방향과 교차되는 방향으로 제1열교환부(32)와 제2열교환부(34)를 거쳐 지그재그 형태로 배치되며 내부에 열매체가 유동되도록 구성된다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 전열파이프(40)는 제2열교환부(34) 내에서 배출단(35)에서 재생반응기(20) 측으로 지그재그 형태로 위치하고, 제1열교환부(32) 내로 연결되어 제1열교환부(32) 내에서 유입단(33)측으로 지그재그 형태로 배치될 수 있음을 알 수 있다. 또한 이러한 전열파이프(40-1, 40-2)는 도 5b에 도시된 바와 같이, 2이상이 설치될 수 있음을 알 수 있다. 또한, 도 5c에 도시된 바와 같이, 전열파이프(40)는 본체 하우징(31)의 일측면에서 타측면을 관통하여 지그재그 형태로 배치될 수 있음을 알 수 있다.
도 5c 및 도 6a에 도시된 바와 같이, 전열파이프(40)는 본체 하우징(31)의 일측면에서 타측면을 관통하여 지그재그 형태로 배치한 경우, 도 6b에 도시된 바와 같이, 회수사이클론(11)에서 배출된 약 70도 정도의 고체흡수제는 제1열교환부(32)를 유동하면서 약 210도(TA)정도까지 가열될 수 있으며, 재생반응기(20)에서 토출된 약 220도 정도의 재생 고체흡수제는 제2열교환부(34)를 유동하면서 약 80도 정도까지 냉각될 수 있음을 알 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 제4실시예에 따른 고체-고체 열교환기(30)의 단면도를 도시한 것이다. 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4실시예에 따른 전열파이프(40)는 제2열교환부(34) 내에서 배출단(35)에서 재생반응기(20) 측으로 지그재그 형태로 위치하고, 제1열교환부(32) 내로 연결되어 제1열교환부(32) 내에서 유입단(33)측으로 지그재그 형태로 배치될 수 있음을 알 수 있다. 이때 전열파이프(40) 내의 열매체는 순환펌프(45)를 통해 순환유용될 수 있다. 따라서 열매체는 제2열교환부(34) 내의 전열파이프(40)를 유동하면서 고체흡수제의 열을 흡수하여 가열되고, 가열된 열매체는 제1열교환부(32) 내의 전열파이프(40)를 유동하면서 상기 고체흡수제를 가열하여 냉각된 후 순환되도록 구성된다.
또한, 이러한 열매체는 상변화가 일어나면서 제1열교환부(32)와 제2열교환부(34)의 열교환효율을 보다 상승시키도록 구성될 수 있다. 즉, 열매체가 제2열교환부(34)의 전열파이프(40)를 유동하면서 고체흡수제의 열을 흡수하여 고체흡수제를 냉각함과 동시에 증발된 후, 제1열교환부(32) 내의 전열파이프(40)를 유동하면서 고체흡수제를 가열하며 응축되도록 구성될 수 있다.
또한, 도 7b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4실시예에 따른 고체-고체 열교환기(30)는 제1열교환부(32)의 후단에 구비되어 재생반응기(20)로 유입되는 고체흡수제를 가열하는 히팅수단(43)과, 제2열교환부(34)의 배출단(35)에 구비되어 상기 고체흡수제를 냉각하는 쿨링수단(44)을 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다.
또한, 제1온도센서와 제2온도센서와 제어부를 더 포함하여 구성될 수 있다. 제1온도센서는 제1열교환부(32)의 온도를 실시간으로 측정하며, 제2온도센서는 제2열교환부(34)의 온도를 실시간으로 측정하도록 구성된다. 그리고 제어부는 제1온도센서에서 측정된 온도값을 기반으로 상기 히팅수단을 제어하고, 제2온도센서에서 측정된 온도값을 기반으로 상기 쿨링수단을 제어하도록 구성된다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 제5실시예에 따른 고체-고체 열교환기(30)의 단면도를 도시한 것이다. 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 본체 하우징(31)의 일측면에서 타측면을 관통하도록 열전도도가 높은 복수의 전열바(42), 전열판, 전열핀이 설치되도록 구성될 수 있다. 이러한 전열판, 전열바, 전열핀은 길이방향이 고체흡수제의 유동방향과 교차되는 방향으로 배치되게 된다.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
1:고체-고체 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치
10:회수반응기
11:회수사이클론
20:재생반응기
20-1:제1재생반응기
20-2:제2재생반응기
21:열원공급부
30:고체-고체열교환기
30-1:제1고체-고체열교환기
30-2:제2고체-고체열교환기
31:본체하우징
32:제1열교환부
33:유입단
34:제2열교환부
35:배출단
36:열교환판
40:전열파이프
40-1:제1전열파이프
40-2:제2전열파이프
41:전열핀
42:전열바
43:히팅수단
44:쿨링수단
45:순환펌프
50:냉각수단
51:냉각매체공급부

Claims (16)

  1. 건식 이산화탄소 포집장치의 재생반응기 전단에 구비되는 열교환기에 있어서,
    본체 하우징;
    상기 본체 하우징 내부에 구비되며, 이산화탄소를 흡수한 고체흡수제가 유입단을 통해 유입 유동되면서 가열되어 재생반응기 측을 유입되는 제1열교환부;
    상기 본체 하우징 내부에 상기 제1열교환부와 평행하게 구비되며, 재생반응기에서 재생된 고체흡수제가 유입 유동되면서 냉각되어 회수반응기 측으로 토출되는 제2열교환부; 및
    상기 고체흡수제의 유동방향과 평행하게 상기 본체 하우징 내에 설치되어, 상기 제1열교환부와 상기 제2열교환부를 구획하며, 상기 제1열교환부의 고체흡수제와 상기 제2열교환부의 고체흡수제를 서로 열교환시키는 열교환판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체-고체 열교환기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1열교환부를 유동하는 고체흡수제의 유동방향과 상기 제2열교환부를 유동하는 고체흡수체의 유동방향을 서로 대향되는 것을 특징으로 하는 고체-고체 열교환기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 열교환판은 상기 본체 하우징 내에, 복수의 제1열교환부와 상기 복수의 제1열교환부 각각의 사이에 상기 제2열교환부가 위치되도록, 서로 평행하게 복수로 설치되는 것을 특징으로 하는 고체-고체 열교환기.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 열교환판 일측에는 복수의 전열핀, 전열파이프, 전열바, 및 전열판 중 적어도 어느 하나가 설치되는 것을 특징으로 하는 고체-고체 열교환기.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 고체흡수제의 유동방향과 교차되는 방향으로 상기 제1열교환부와 상기 제2열교환부를 거쳐 지그재그 형태로 배치되며 내부에 열매체가 유동되는 적어도 하나의 전열파이프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체-고체 열교환기.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 전열파이프는 상기 본체 하우징의 일측면에서 타측면을 관통하여 지그재그 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 고체-고체 열교환기.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 전열파이프는 상기 제2열교환부 내에서 배출단에서 상기 재생반응기 측으로 지그재그 형태로 위치하고, 상기 제1열교환부 내로 연결되어 상기 제1열교환부 내에서 유입단측으로 지그재그 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 고체-고체 열교환기.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 전열파이프 내의 열매체를 순환구동하는 순환펌프를 더 포함하고,
    상기 열매체는 상기 제2열교환부 내의 전열파이프를 유동하면서 상기 고체흡수제의 열을 흡수하여 가열되고, 가열된 열매체는 상기 제1열교환부 내의 전열파이프를 유동하면서 상기 고체흡수제를 가열하여 냉각된 후 순환되는 것을 특징으로 하는 고체-고체 열교환기.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제1열교환부의 후단에 구비되어 상기 재생반응기로 유입되는 고체흡수제를 가열하는 히팅수단과, 상기 제2열교환부의 배출단에 구비되어 상기 고체흡수제를 냉각하는 쿨링수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체-고체 열교환기.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제1열교환부의 온도를 실시간으로 측정하는 제1온도센서와, 상기 제2열교환부의 온도를 실시간으로 측정하는 제2온도센서와, 상기 제1온도센서에서 측정된 온도값을 기반으로 상기 히팅수단을 제어하고, 상기 제2온도센서에서 측정된 온도값을 기반으로 상기 쿨링수단을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체-고체 열교환기.
  11. 제 2항에 있어서,
    상기 본체 하우징의 일측면에서 타측면을 관통하여 위치되며, 길이방향이 상기 고체흡수제의 유동방향과 교차되는 방향으로 배치되는 복수의 전열바, 및 복수의 전열판 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체-고체 열교환기.
  12. 건식 이산화탄소 포집장치의 재생반응기 전단에 구비되는 열교환기를 이용하여 재생반응기 유입 전, 후의 고체흡수제를 서로 열교환하는 방법에 있어서,
    회수반응기에서 이산화탄소를 흡수한 고체흡수제가 회수사이클론을 거쳐 고체-고체열교환기의 본체 하우징 내에 위치되는 제1열교환부의 유입단을 통해 내부로 유입되는 단계;
    상기 제1열교환부에서 가열된 고체흡수제가 재생반응기를 거치면서 재생된 후 상기 본체 하우징 내에 위치되며 상기 제1열교환부와 평행하게 배치된 제2열교환부로 유입되는 단계; 및
    재생된 고체흡수제가 상기 제2열교환부를 유동하며 냉각된 후 상기 회수반응기 측으로 토출되는 단계;를 포함하고,
    상기 고체흡수제의 유동방향과 평행하게 상기 본체 하우징 내에 설치되며 상기 제1열교환부와 상기 제2열교환부를 구획하는 열교환판에 의해, 상기 제1열교환부의 고체흡수제와 상기 제2열교환부의 고체흡수제를 서로 열교환되는 것을 특징으로 하는 고체-고체 열교환방법.
  13. 외부로부터 공급된 이산화탄소가 함유된 배기가스에 고체흡수제를 접촉하여이산화탄소를 회수하는 회수반응기;
    상기 회수반응기와 연결되어 기체는 배출시키고 이산화탄소를 포집하고 있는 고체흡수제만 분리하는 회수사이클론;
    상기 회수사이클론으로부터 공급받은 이산화탄소를 포집하고 있는 고체흡수제를 공급받아 유동화가스를 이용하여 고체흡수제에 포집된 이산화탄소를 분리하는재생반응기; 및
    상기 재생반응기의 전단에 위치되며, 본체 하우징과, 상기 본체 하우징 내부에 구비되며, 이산화탄소를 흡수한 고체흡수제가 유입단을 통해 유입 유동되면서 가열되어 재생반응기 측을 유입되는 제1열교환부와, 상기 본체 하우징 내부에 상기 제1열교환부와 평행하게 구비되며, 상기 재생반응기에서 재생된 고체흡수제가 유입 유동되면서 냉각되어 회수반응기 측으로 토출되는 제2열교환부와, 상기 고체흡수제의 유동방향과 평행하게 상기 본체 하우징 내에 설치되어, 상기 제1열교환부와 상기 제2열교환부를 구획하며, 상기 제1열교환부의 고체흡수제와 상기 제2열교환부의 고체흡수제를 서로 열교환시키는 열교환판을 갖는 고체-고체 열교환기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체-고체 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 고체-고체 열교환기는 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 고체-고체 열교환기인 것을 특징으로 하는 고체-고체 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 고체-고체 열교환기의 제2열교환부 배출단과 상기 회수반응기 사이에 위되어 이산화탄소가 분리된 고체흡수제를 냉각시켜 상기 회수반응기로 피드백하는 냉각수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체-고체 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치.
  16. 제 13항에 따른 이산화탄소 포집장치를 이용한 이산화탄소 포집방법에 있어서,
    회수반응기에서 외부로부터 공급된 이산화탄소가 함유된 배기가스에 고체흡수제를 접촉하여 이산화탄소를 회수하는 단계;
    상기 회수반응기와 연결된 회수사이클론에 의해, 기체는 배출시키고 이산화탄소를 포집하고 있는 고체흡수제만 분리하는 단계;
    상기 고체흡수제가 고체-고체열교환기의 본체 하우징 내에 위치되는 제1열교환부의 유입단을 통해 내부로 유입되는 단계;
    상기 제1열교환부에서 가열된 고체흡수제가 재생반응기로 유입되어, 유동화가스를 통해 고체흡수제에 포집된 이산화탄소가 분리되는 단계;
    이산화탄소가 분리된 고체흡수제가 상기 본체 하우징 내에 위치되며 상기 제1열교환부와 평행하게 배치된 제2열교환부로 유입되는 단계; 및
    상기 고체흡수제가 상기 제2열교환부를 유동하며 냉각된 후 상기 회수반응기 측으로 유입되어 순환되는 단계;를 포함하고,
    상기 고체흡수제의 유동방향과 평행하게 상기 본체 하우징 내에 설치되며 상기 제1열교환부와 상기 제2열교환부를 구획하는 열교환판에 의해, 상기 제1열교환부의 고체흡수제와 상기 제2열교환부의 고체흡수제를 서로 열교환되는 것을 특징으로 하는 고체-고체 열교환기를 이용한 건식 이산화탄소 포집방법.
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