KR20200132552A - 산성가스 포집공정 자동제어 장치 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산성가스 포집공정 자동제어 장치 및 그 제어방법으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 산성가스를 흡수한 포화 흡수제를 흡수탑에서 재생탑으로 공급하고 흡수제로부터 산성가스를 분리한 재생 흡수제를 재생탑에서 흡수탑으로 순환하도록 이루어지는 산성가스 포집공정에서 상기 산성가스 포집공정을 자동으로 제어할 수 있는 포집 제어 장치로서, 상기 포화 흡수제의 제1 pH를 측정하도록 이루어지는 제1 pH측정기, 상기 재생 흡수제가 상기 재생탑에서 상기 흡수탑으로 공급되는 양을 조절하도록 이루어지는 제1 컨트롤밸브, 상기 재생 흡수제가 제2 pH를 측정하도록 이루어지는 제2 pH측정기, 상기 포화 흡수제가 상기 흡수탑에서 상기 재생탑으로 공급되는 양을 조절하도록 이루어지는 제2 컨트롤밸브 및 상기 제1 pH에 근거하여 상기 제1 컨트롤밸브를 제어하고, 제2 pH에 근거하여 상기 제2 컨트롤밸브를 제어하는 프로세서;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

산성가스 포집공정 자동제어 장치 및 그 제어방법{Automatic control apparatus for acid gas capture and operating method of thereof}

산성가스 포집공정 자동제어 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.

최근 지구온난화의 원인 물질인 온실가스를 포집하고 저장하는 노력이 국제적으로 경주되고 있다. 특히 온실가스 중 산성가스인 이산화탄소(CO₂)를 줄이기 위하여 화학적 흡수법, 흡착법, 막분리법, 심냉법 등 많은 기술이 개발되고 있다. 화학적 흡수제를 이용한 산성가스의 흡수 및 탈거공정에 대한 흐름도는 도1과 같다.

전처리 설비를 통과한 배가스는 통상적으로 40~60℃의 온도에서 흡수제와 접촉되며, 산성가스는 흡수탑 내의 화학적 흡수제와 결합한 다음, 순환되는 세척용 물을 이용하여 흡수제 또는 증기가 비말동반하는 것을 방지한 후, 흡수탑에서 배출된다. 출구가스에 산성가스 농도는 흡수제에서의 화학반응으로 감소시킬 수 있지만, 낮은 출구 산성가스 농도를 유지하기 위해서는 흡수탑이 높아져야 한다. 화학적 결합에 의해 산성가스를 흡수한 흡수제는 열교환기를 거쳐 가열되어 재생탑의 상부로 주입된다. 흡수제의 재생은 110℃ ~ 120℃의 높은 온도 및 0.3bar ~ 0.8bar 정도의 압력으로 재생탑에서 수행된다. 재생조건을 유지하기 위하여 열이 리보일러로 공급되며 이 과정에서 열에너지가 소모된다. 공급되는 에너지는 흡수제에서 화학적으로 결합되어 있는 산성가스를 탈거시키고 탈거된 산성가스와 수증기의 혼합가스는 응축기에서 회수되어 재생탑으로 다시 공급된다. 산성가스가 탈거된 흡수제는 열교환기를 거쳐 40℃ ~ 50℃의 온도로 낮추어 흡수탑으로 펌프에 의해 다시 공급된다.

상기 산성가스 포집공정은 발전소 및 석유화학 공정 배가스에 포함된 이산화탄소의 농도가 지속적으로 변경되어 에너지 사용량 최소화를 위한 최적운전조건 유지를 위해 운전조건을 수동으로 수시로 변경해야 하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 발전소 및 석유화학 공정 배가스에 포함된 이산화탄소의 농도가 지속적으로 변경되어 에너지 사용량을 최소화하여 최적운전조건을 유지하는 것을 목적으로 한다.

또한, 산성가스 포집 흡수제의 pH를 측정하여 흡수제에 산성가스 포집량을 추정하고 포집공정의 컨트롤벨브와 연동하여 흡수제 공급양을 자동제어하여 공정 최적운전조건을 지속적으로 유지하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 산성가스를 흡수한 포화 흡수제를 흡수탑에서 재생탑으로 공급하고 흡수제로부터 산성가스를 분리한 재생흡수제를 재생탑에서 흡수탑으로 순환하도록 이루어지는 산성가스 포집공정에서 상기 산성가스 포집공정을 자동으로 제어할 수 있는 포집 제어 장치로서, 상기 포화 흡수제의 제1 pH를 측정하도록 이루어지는 제1 pH측정기, 상기 재생 흡수제가 상기 재생탑에서 상기 흡수탑으로 공급되는 양을 조절하도록 이루어지는 제1 컨트롤밸브, 상기 재생흡수제가 제2 pH를 측정하도록 이루어지는 제2 pH측정기, 상기 포화흡수제가 상기 흡수탑에서 상기 재생탑으로 공급되는 양을 조절하도록 이루어지는 제2 컨트롤밸브 및 상기 제1 pH에 근거하여 상기 제1 컨트롤밸브를 제어하고, 제2 pH에 근거하여 상기 제2 컨트롤밸브를 제어하는 프로세서를 포함하는 상성가스 포집공정 자동제어 장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 흡수탑과 재생탑 사이에 포화 흡수제와 재생 흡수제 사이의 열을 교환하기 위한 열교환기를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 프로세서는 상기 제1 pH가 기준 pH보다 높은 경우 상기 제1 컨트롤밸브를 제어하여 재생 흡수제의 공급되는 양을 감소시켜 흡수제의 설정된 pH로 유지하도록 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 프로세서는 상기 제1 pH가 기준 pH보다 낮은 경우 상기 제1 컨트롤밸브를 제어하여 재생 흡수제의 공급되는 양을 증가시켜 흡수제의 설정된 pH를 유지하도록 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 설정된 pH는 흡수제의 α로딩값이 최대값의 80% 내지 100%를 유지할 수 있도록 설정되고, 상기 α로딩값은 산성가스의 몰수를 흡수제의 몰수로 나눈 값으로 정의 되는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 프로세서는 상기 제2 pH가 기준 pH보다 높은 경우 상기 제2 컨트롤밸브를 제어하여 포화 흡수제의 공급되는 양을 증가시켜 흡수제의 설정된 pH를 유지하도록 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 프로세서는 상기 제2 pH가 기준 pH보다 낮은 경우 상기 제2 컨트롤밸브를 제어하여 포화 흡수제의 공급되는 양을 증가시켜 흡수제의 설정된 pH를 유지하도록 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 설정된 pH는 흡수제의 α로딩값이 0.15 내지 0.3을 유지할 수 있도록 설정되고, 상기 α로딩값은 산성가스의 몰수를 흡수제의 몰수로 나눈 값으로 정의 되는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 흡수제는 아민계 화합물, 아미노산염계, 무기염계 용액 및 암모니아수로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 일 관점에 따르면, 산성가스 포집공정 자동 제어장치를 이용한 산성가스 포집공정 자동 제어방법에 있어서, 상기 포화 흡수제의 제1 pH를 측정하도록 이루어지는 제1 pH측정단계, 상기 재생 흡수제가 상기 재생탑에서 상기 흡수탑으로 공급되는 양을 조절하도록 이루어지는 제1 컨트롤밸브 제어단계, 상기 재생 흡수제가 제2 pH를 측정하도록 이루어지는 제2 pH측정단계; 및 상기 포화 흡수제가 상기 흡수탑에서 상기 재생탑으로 공급되는 양을 조절하도록 이루어지는 제2 컨트롤밸브 제어단계를 포함하고, 상기 제1 컨트롤밸브 제어단계 및 제2 컨트롤밸브 제어단계는 프로세서를 통하여 제어하는 것인, 산성가스 포집공정 자동제어 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 pH측정단계는 흡수탑으로부터 배출된 포화흡수제가 재생탑으로부터 배출된 재생 흡수제와 열교환을 하기 전 측정하고, 제2 pH측정단계는 재생탑으로부터 배출된 재생 흡수제와 흡수탑으로부터 배출된 포화 흡수제가 열교환을 하기 전 측정하는 것일 수 있다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 발전소 및 석유화학 공정 배가스에 포함된 이산화탄소의 농도가 지속적으로 변경되어 에너지 사용량을 최소화하여 최적운전조건을 유지하는 효과가 있다.

또한, 산성가스 포집 흡수제의 pH를 측정하여 흡수제에 산성가스 포집량을 추정하고 포집공정의 컨트롤벨브와 연동하여 흡수제 공급양을 자동제어하여 공정 최적운전조건을 지속적으로 유지하는 효과가 있다.

그러나 이러한 효과는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 종래의 산성가스 포집 제어장치를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 산성가스 포집 제어장치를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 산성가스 포집 제어장치 자동제어방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 흡수제의 산성가스 로딩 증가에 따른 pH 측정 결과를 나타낸다.

이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 지시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는 다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.

또한, 달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 가지며, 상충되는 경우에는, 정의를 포함하는 본 명세서의 기재가 우선할 것이다.

도면에서 제안된 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 그리고, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에서 기술한 "부"란, 특정 기능을 수항하는 하나의 단위 또는 블록을 의미한다.

각 단계들에 있어 식별부호(제1, 제2, 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다.

즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.

이하에서는. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

혼합가스로부터 이산화탄소, 황하수소 등과 같은 산성가스를 분리 회수하기 위하여 사용되는 염기성 흡수제는 산성가스를 포집하기 전까지 높은 pH를 유지하다, 산성가스를 포집하게 되면 pH가 일정하게 감소하게 된다. 본 발명은 이러한 흡수제의 특징을 이용하여 산성가스의 분리 효율을 높이고자 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 산성가스 포집 제어장치를 나타낸 개략도이다.

도 2를 참고하면, 본 발명은 산성가스를 흡수한 포화 흡수제를 흡수탑(10)에서 재생탑(50)으로 공급하고 흡수제로부터 산성가스를 분리한 재생 흡수제를 재생탑(50)에서 흡수탑(10)으로 순환하도록 이루어지는 산성가스 포집공정에서 상기 산성가스 포집공정을 자동으로 제어할 수 있는 포집 제어장치(100)는, 제1 pH측정기(20), 제1 컨트롤밸브(40), 제2 pH측정기(60) 및 제2 컨트롤밸브(70)를 포함한다.

또한, 상기 흡수탑(10)과 재생탑(50) 사이에 포화 흡수제와 재생 흡수제 사이의 열을 교환하기 위한 열교환기(30)를 더 포함한다.

산성가스 포집 제어장치(100)에 포함되는 흡수탑(10)은 외부로부터 공급되는 산성가스가 흡수탑(10) 내부에 수용된 흡수제의 반응에 의해서 산성가스를 포집하고 있는 포화 흡수제를 생성하고, 산성가스가 제거된 가스를 외부로 배출시킨다. 상기 포화 흡수제는 산성가스를 흡수하여 초기 흡수제 대비 산성가스의 농도가 높은 흡수제로 정의할 수 있다.

상기 흡수탑(10)내의 산성가스를 흡수하는데 사용되는 흡수제는 아민계 화합물, 아미노산염계, 무기염계 용액 및 암모니아수로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다. 예를들어, 아민계 화합물을 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 트리에탄올아민, 이소프로판올아민, 에틸렌아민, 메틸디에탄올아민, 피페리딘, 디부틸아민, 디이소프로필아민일 수 있으며, 이에 한정하는 것은 아니다.

제1 pH측정기(20)는 흡수탑(10)에서 생성된 포화 흡수제의 제1 pH를 측정하는 것으로, 흡수탑(10)과 열교환기(30)의 사이에 위치할 수 있다.

또한 제1 pH 측정기(20)는 제1 컨트롤밸브(40)와 연동되는 것으로, 제1 컨트롤벨브(40)는 제1 pH측정기(20)로부터 측정한 포화 흡수제의 pH에 따라 재생 흡수제가 상기 재생탑(50)에서 상기 흡수탑(10)으로 공급되는 양(순환유량)을 조절하도록 이루어져있다.

상세하게는 포화 흡수제의 제1 pH가 기준 pH보다 높은 경우 상기 제1 컨트롤밸브(40)를 제어하여 재생 흡수제의 공급되는 양을 감소시켜 흡수제의 설정된 pH를 유지하도록 할 수 있다.

즉, 제1 pH가 기준 pH보다 높은 경우 흡수제가 산성가스를 충분히 포집하지 못한 것으로 판단하고 제1 컨트롤밸브(40)를 제어하여 재생 흡수제의 공급되는 양을 감소시켜 흡수제가 산성가스를 충분히 흡수 할 수 있도록 유도한다. 또한, 제1 pH가 기준 pH보다 낮은 경우 흡수제가 산성가스를 최대용량 이상 포집하였다고 판단하고 제1 컨트롤밸브(40)를 제어하여 재생 흡수제의 공급되는 양을 증가시켜 흡수제가 산성가스를 흡수 할 수 있도록 유도한다.

흡수제는 종류별로 α로딩 최대값이 존재하며 pH측정을 통해 흡수제가 산성가스를 최대 용량까지 포집했는지 확인 할 수 있다. α로딩값은 산성가스의 몰수를 흡수제의 몰수로 나눈 값으로 정의할 수 있는 것으로, 통상적으로 흡수탑(10)의 흡수제 체류시간 및 안전 마진을 고려하여 흡수제가 산성가스를 포집할 수 있는 최대용량은 흡수제의 95% 수준의 pH를 기준으로 제어하는 것이 효율적이다.

따라서, 포화 흡수제의 pH측정 시 설정된 pH는 흡수제의 α로딩값이 최대값의 80% 내지 100%를 유지할 수 있도록 설정하는 것이 바람직하다.

열교환기(30)는 흡수탑(10) 및 재생탑(50) 사이에 위치하는 것으로, 산성가스를 흡수하여 재생탑(50)으로 이동하는 포화 흡수제와 재생탑(50)으로부터 산성가스를 분리한 재생 흡수제 사이의 열을 교환할 수 있다.

예를들어, 산성가스를 흡수하여 재생탑(50)으로 이동하는 포화 흡수제는 45℃ 내지 55℃의 저온상태이고, 산성가스를 분리한 재생 흡수제는 110℃ 내지 120℃의 고온상태로 열교환기를 통하여 포화 흡수제 및 재생 흡수제의 열을 교환할 수 있다. 또한, 이를 통하여 포화 흡수제는 100℃ 내지 105℃로 승온되어 재생탑(50)으로 공급 될 수 있다.

재생탑(50)은 상기 흡수탑(10)으로부터 이송된 포화 흡수제를 재생하여 산성가스 및 재생 흡수제로 분리시키고, 분리된 산성가스를 외부로 배출시키고 재생 흡수제는 다시 흡수탑(10)으로 이송시킨다. 상기 재생 흡수제는 포화 흡수제에서 산성가스가 탈거되어 산성가스의 농도가 저감된 흡수제로 정의될 수 있다.

제2 pH측정기(60)는 재생탑(50)에서 분리된 재생 흡수제의 제2 pH를 측정하는 것으로, 재생탑(50)과 열교환기(30)의 사이에 위치할 수 있다. 또한 제2 pH 측정기(60)는 제2 컨트롤밸브(70)와 연동되는 것으로, 제2 컨트롤벨브(70)는 제2 pH측정기(60)로부터 측정한 재생 흡수제의 pH에 따라 포화 흡수제가 상기 흡수탑(10)에서 상기 재생탑(50)으로 공급되는 양(순환유량)을 조절하도록 이루어져있다.

상세하게는 재생 흡수제의 제2 pH가 기준 pH보다 높은 경우 상기 제2 컨트롤밸브(70)를 제어하여 포화 흡수제의 공급되는 양을 증가시켜 흡수제의 설정된 pH를 유지하도록 할 수 있다.

또한, 재생 흡수제의 제2 pH가 기준 pH보다 낮을 경우 상기 제2 컨트롤밸브(70)를 제어하여 포화 흡수제의 공급되는 양을 감소시켜 흡수제의 설정된 pH를 유지하도록 할 수 있다.

흡수제의 재생 반응 시 상용흡수제인 모노에탄올아민(Monoethanolamine)의 경우 산성가스 포집 가능한 최대 α로딩은 0.5으로 재생반응에서 α로딩을 0.2 → 0.1로 0.1을 감소시키는데 필요한 에너지가 0.3 → 0.2로 0.1 감소시키는데 필요한 에너지보다 15%이상 에너지 사용량이 많기 때문에 산성가스 포집량과 에너지 사용량을 고려한 α로딩을 0.2내외로 재생시키는 것이 효율적이다.

따라서, 재생 흡수제의 pH측정 시 설정된 pH는 흡수제의 α로딩값이 0.15 내지 0.3을 유지할 수 있도록 설정하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른, 산성가스 포집공정에서 상기 산성가스 포집공정을 자동으로 제어할 수 있는 포집 제어장치(100)는 도면에 도시하지 않았으나 가스 포집공정의 모든 단계를 자동제어하기 위한 프로세서를 더 포함한다.

다시 말해, 제1 pH 측정에 따른 제1 컨트롤밸브의 제어 및 제2 pH 측정에 따른 제2 컨트롤밸브의 제어는 프로세서를 통해서 이루어질 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 산성가스 포집 제어장치 자동제어방법을 나타낸 순서도이다.

먼저 도 3을 참고하면, 본 발명의 산성가스 포집 제어장치 자동제어방법(S100)은 포화 흡수제 생성단계(S110), 제1 pH 측정단계(S120), 제1 컨트롤밸브 제어단계(S130), 재생 흡수제 분리단계(S140), 제2 pH측정단계(S150) 및 제2 컨트롤밸브 제어단계(S160)를 포함한다.

이때 본 발명에 따른 산성가스 포집 제어장치 자동제어방법(S100)은 흡수탑(10)에서 이루어지는 포화 흡수제 생성단계(S110), 제1 pH 측정단계(S120), 제1 컨트롤밸브 제어단계(S130)와 재생탑(50)에서 이루어지는 재생 흡수제 분리단계(S140), 제2 pH측정단계(S150) 및 제2 컨트롤밸브 제어단계(S160)가 동시에 자동제어되는 것이 바람직하다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 흡수탑(10)에서 이루어지는 단계 및 재생탑(50)에서 이루어지는 단계가 각각의 최적운전을 위하여 한쪽에서만 제어가 이루어 질 수 있다.

이를 통해 기존에 일정한 흡수제 순환유량 제어에서 발생하는 비효율성을 극봅하고 흡수제의 포집 및 재생 용량 최적화 운전이 가능하다. 또한, 배가스 공급원들의 산성가스 농도 변화에도 산성가스 포집설비에 최적화 운전이 가능하여 산성가스 포집 공정에 사용하는 에너지를 저감할 수 있다.

이하에서는 각 단계에 따라 산성가스 포집 제어장치 자동제어방법(S100)에 대하여 상세히 설명하도록 한다.

포화 흡수제 생성단계(S110)는 외부로부터 흡수탑(10)으로 주입된 산성가스가 흡수탑(10) 내부에 있는 염기성 흡수제와 반응하여 포화 흡수제를 생성하게 된다. 생성된 포화 흡수제는 열교환기(30)에서 열교환을 거쳐 재생탑(50)으로 이송되게 된다.

상세하게는 산성가스를 포함하고 있는 화학공정가스 및 연소배가스는 흡수탑(10)에 의해 발생되는 압력강하를 극복하기 위하여 팬을 이용하여 배가스 냉각기(80)로 보내지고 냉각된 배가스는 통상적으로 40℃ 내지 60℃의 온도에서 흡수제와 접촉하게 된다. 배가스 중 산성가스는 흡수제와 접촉되어 포화 흡수제를 생성하게 되고, 산성가스를 빼앗긴 배가스는 흡수제 증기가 비말하는 것을 방지하기 위해 세정장치를 거친 후 흡수탑(10)에서 배출된다.

제1 pH 측정단계(S120)는 포화 흡수제 생성단계(S110)로부터 생성된 포화 흡수제의 제1 pH를 측정하는 것으로, 제1 pH측정은 흡수탑(10)으로 배출된 포화 흡수제가 재생탑(50)으로부터 배출된 재생 흡수제와 열교환을 하기 전 측정하는 것으로, 45℃ 내지 55℃의 저온상태의 포화 흡수제의 제1 pH를 측정하는 것이 바람직하다. 포화 흡수제와 재생 흡수제가 열교환을 진행한 후 포화 흡수제의 pH를 측정하게 되면 이산화탄소의 로딩량의 변화로 인하여 포화 흡수제의 pH의 변동성이 커져서 정확한 측정이 어려워지게 된다. 따라서, 포화 흡수제와 재생 흡수제가 열교환을 하기 전 제1 pH를 측정하는 것이 바람직하다.

제1 컨트롤밸브 제어단계(S130)는 재생 흡수제가 재생탑(50)에서 흡수탑(10)으로 공급되는 양(순환유량)을 제어 하는 것으로, 제1 pH 측정단계(S120)에서 측정된 제1 pH에 따라 제1 컨트롤밸브(40)를 제어하게 된다.

상세하게는 포화 흡수제의 제1 pH가 기준 pH보다 높은 경우 상기 제1 컨트롤밸브(40)를 제어하여 재생 흡수제의 공급되는 양을 감소시켜 흡수제의 설정된 pH를 유지하도록 할 수 있다. 또한, 포화 흡수제의 제1 pH가 기준 pH보다 낮을 경우 상기 제1 컨트롤밸브(40)를 제어하여 재생 흡수제의 공급되는 양을 증가시켜 흡수제의 설정된 pH를 유지하도록 할 수 있다.

즉, 제1 pH가 기준 pH보다 높은 경우 흡수제가 산성가스를 충분히 포집하지 못한 것으로 판단하고 제1 컨트롤밸브(40)를 제어하여 재생 흡수제의 공급되는 양을 감소시켜 흡수제가 산성가스를 충분히 흡수 할 수 있도록 유도한다. 또한, 제1 pH가 기준 pH보다 낮은 경우 흡수제가 산성가스를 최대용량 이상 포집하였다고 판단하고 제1 컨트롤밸브(40)를 제어하여 재생 흡수제의 공급되는 양을 증가시켜 흡수제가 산성가스를 흡수 할 수 있도록 유도한다.

재생 흡수제 분리단계(S140)는 흡수탑(10)에서 재생탑(50)으로 이송된 포화 흡수제를 산성가스와 흡수제로 분리하여 재생 흡수제를 생성하게 된다. 분리된 재생 흡수제는 열교환기(30)에서 포화 흡수제와 열교환을 한 뒤 흡수탑(10)으로 이송되게 된다.

제2 pH측정단계(S150)는 재생 흡수제 분리단계(S140)로부터 분리된 재생 흡수제의 제2 pH를 측정하는 것으로, 제2 pH측정은 재생탑(50)으로 배출된 재생 흡수제가 흡수탑(10)으로부터 배출된 포화 흡수제와 열교환을 하기 전 측정하는 것으로, 110℃ 내지 120℃의 고온상태의 재생 흡수제의 제2 pH를 측정하는 것이 바람직하다. 재생 흡수제와 포화 흡수제가 열교환을 진행한 후 재생 흡수제의 pH를 측정하게 되면 이산화탄소의 로딩량의 변화로 인하여 재생 흡수제의 pH의 변동성이 커져서 정확한 측정이 어려워지게 된다. 따라서, 재생 흡수제와 포화 흡수제가 열교환을 하기 전 제2 pH를 측정하는 것이 바람직하다.

제2 컨트롤밸브 제어단계(S160)는 포화 흡수제가 흡수탑(10)에서 재생탑(50)으로 공급되는 양(순환유량)을 제어하는 것으로, 제2 pH 측정단계(S150)에서 측정된 제2 pH에 따라 제2 컨트롤밸브(70)를 제어하게 된다.

상세하게는 재생 흡수제의 제2 pH가 기준 pH보다 높은 경우 상기 제2 컨트롤밸브(70)를 제어하여 포화 흡수제의 공급되는 양을 증가시켜 흡수제의 설정된 pH를 유지하도록 할 수 있다. 또한, 재생 흡수제의 제2 pH가 기준 pH보다 낮을 경우 상기 제2 컨트롤밸브(70)를 제어하여 포화 흡수제의 공급되는 양을 감소시켜 흡수제의 설정된 pH를 유지하도록 할 수 있다.

즉, 제2 pH가 기준 pH보다 높은 경우 흡수제가 산성가스를 적정 α로딩(흡수제의 산성가스 함유량)이상으로 분리하였다고 판단하고 제2 컨트롤밸브(70)를 제어하여 포화 흡수제의 공급되는 양을 증가시켜 흡수제가 적정 α로딩에 맞게 분리 할 수 있도록 유도한다. 또한, 제2 pH가 기준 pH보다 낮은 경우 흡수제가 산성가스를 충분히 분리하지 못한 것으로 판단하고 제2 컨트롤밸브(70)를 제어하여 포화 흡수제의 공급되는 양을 감소시켜 흡수제가 산성가스를 충분히 분리 할 수 있도록 유도한다.

본 발명에 따른, 산성가스 포집 제어장치 자동제어방법(S100)에 있어서, 가스 포집공정의 모든 단계를 자동제어하기 위하여 프로세서를 통하여 이루어진다. 다시 말해, 제1 pH 측정에 따른 제1 컨트롤밸브의 제어 및 제2 pH 측정에 따른 제2 컨트롤밸브의 제어는 프로세서를 통해서 이루어질 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 흡수제의 산성가스 로딩 증가에 따른 pH 측정 결과를 나타낸다.

도 4를 참고하면, 다양한 흡수제의 pH와 α로딩 선도를 실험적으로 도출한 것으로, α로딩이 증가할수록 pH가 낮아지는 것을 확인 할 수 있다. 이를 통하여 포화흡수제 및 재생 흡수제의 Δα 로딩(Δα 로딩=포화흡수제의 α 로딩 - 재생 흡수제의 α 로딩)을 실시간으로 도출가능하다. Δα 로딩과 흡수제 순환유량을 이용하여 산성가스 포집량을 계산가능하다.

결과적으로 일정한 산성가스 생산을 위한 최적화된 pH를 산출가능하고 이렇게 산출된 pH에 따라, 제1 pH측정기와 연동된 제1 컨트롤밸브(40) 및 제2 pH측정기와 연동된 제2 컨트롤밸브(70)를 다양하게 주입되는 산성가스 농도에 따라 자동제어 하여 최적의 pH를 유지할 수 있게 된다.

이하 본 발명을 실시예 및 실험예를 통하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 단 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 및 비교예

실시예 1

30wt%의 모노에탈올아민(monoethanolamine, MEA)을 흡수제로 이용하여 보령화력 0.1MW급 포집설비에 적용하여 12~15vol%의 이산화탄소를 포함한 발전소 실 배가스를 사용하였다. 배가스 주입 온도를 40℃로 조절된 연소배가스를 350m³/hr 유량으로 흡수탑 하부에 투입하였으며, 흡수제의 순환량은 1.4ton/hr, 흡수탑에 투입되는 흡수제의 온도는 40℃로 하였다.

제1 pH측정장치는 재생 흡수제의 공급되는 양(순환유량)을 결정하는 제1 컨트롤밸브와 연동하여 흡수제의 pH가 10~10.5(흡수제 α로딩 최대값의 50~70%)를 유지하도록 자동 제어하였다. 또한, 제2 pH측정장치는 포화 흡수제의 공급되는 양(순환유량)을 결정하는 제2 컨트롤밸브와 연동하여 흡수제의 pH가 11.5~12.0(흡수제α로딩 0.05~0.1)을 유지 할 수 있도록 자동제어 하였으며, 흡수탑으로 들어오기 전과 흡수탑을 거친 배가스의 이산화탄소 농도를 가스 분석기를 이용하여 측정하여 이산화탄소 제거율이 90%일때의 이산화탄소 포집량(ton)당 리보일러 열사용량을 계산하였다.

실시예 2

재생 흡수제의 공급되는 양(순환유량)을 결정하는 흡수제의 pH를 8.9~9.6(흡수제 α로딩 최대값의 80~100%)를 유지하도록 자동 제어하였으며, 포화 흡수제의 공급되는 양(순환유량)을 결정하는 흡수제의 pH를 11.5~12.0(흡수제α로딩 0.05~0.1)을 유지 할 수 있도록 자동제어하는 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 실험을 진행하고 이산화탄소 제거율이 90%일때의 이산화탄소 포집량(ton)당 리보일러 열사용량을 계산하였다.

실시예 3

재생 흡수제의 공급되는 양(순환유량)을 결정하는 흡수제의 pH를 8.9~9.6(흡수제 α로딩 최대값의 80~100%)를 유지하도록 자동 제어하였으며, 포화 흡수제의 공급되는 양(순환유량)을 결정하는 흡수제의 pH를 10.2~11.2(흡수제α로딩 0.15~0.3)을 유지 할 수 있도록 자동제어하는 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 실험을 진행하고 이산화탄소 제거율이 90%일때의 이산화탄소 포집량(ton)당 리보일러 열사용량을 계산하였다.

비교예 1

일반적인 상용공정과 동일하게 진행한 것으로 상기 실시예에서 포화 흡수제 및 재생 흡수제의 pH측정을 통한 순환유량 최적화 기능을 제외하고는 실시예와 동일한 방법으로 실시하였으며 이산화탄소 제거율이 90%일 때의 이산화탄소 포집량(ton)당 리보일러 열사용량을 계산하였다.

하기의 표 1은 상기 실험예,비교예 및 그에 따른 열사용량을 정리한 표이다.

	최적pH 설정값		리보일러 열사용량 (GJ/ton-CO2)
	제1 pH측정기	제2 pH측정기
실시예 1	pH10 ~pH10.5 (흡수제 α로딩 최대값의 50~70%)	pH11.5 ~pH12.0 (흡수제 α로딩 0.05 ~0.1)	3.55
실시예 2	pH8.9 ~pH9.6 (흡수제 α로딩 최대값의 80~100%)	pH11.5 ~pH12.0 (흡수제 α로딩 0.05 ~0.1)	3.45
실시예 3	pH8.9 ~pH9.6 (흡수제 α로딩 최대값의 80~100%)	pH10.2 ~pH11.2 (흡수제 α로딩 0.15 ~0.3)	3.30
비교예 1	--	--	3.85

표 1을 참고하면, 실시예 1의 리보일러 열사용량은 3.55GJ/ton-CO₂ 이고, 실시예2의 리보일러 열사용량은 3.45GJ/ton-CO₂ , 실시예3의 리보일러 열사용량은 3.30GJ/ton-CO₂로 실시예 3의 조건에서 열사용량이 가장 낮은 것을 확인할 수 있다.

또한, 비교에 1의 리보일러 열 사용량은 3.85GJ/ton-CO₂로 실시예 3과 비교하여 보면 이산화탄소 제거효율 90%로 동일하게 이산화탄소를 포집하여도 실시예3의 조건일 때 리보일러의 열사용량이 14%적게 사용되는 것을 확인 할 수 있다.

즉, 동일한 이산화탄소 제거율을 기준으로 본 발명에서 개발한 흡수 및 재생공정을 적용할 경우 리보일러에 사용되는 스팀 사용량을 감소시킬 수 있다는 것을 확인 할 수 있다.

본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

100: 산성가스 포집 제어장치
10: 흡수탑
20: 제1 pH측정기
30: 열교환기
40: 제1 컨트롤밸브
50: 재생탑
60: 제2 pH측정기
70: 제2 컨트롤밸브
80: 배가스 냉각기

Claims (11)

1. 산성가스를 흡수한 포화 흡수제를 흡수탑에서 재생탑으로 공급하고 흡수제로부터 산성가스를 분리한 재생 흡수제를 재생탑에서 흡수탑으로 순환하도록 이루어지는 산성가스 포집공정에서 상기 산성가스 포집공정을 자동으로 제어할 수 있는 포집 제어 장치로서,
   상기 포화 흡수제의 제1 pH를 측정하도록 이루어지는 제1 pH측정기;
   상기 재생 흡수제가 상기 재생탑에서 상기 흡수탑으로 공급되는 양을 조절하도록 이루어지는 제1 컨트롤밸브;
   상기 재생 흡수제가 제2 pH를 측정하도록 이루어지는 제2 pH측정기;
   상기 포화 흡수제가 상기 흡수탑에서 상기 재생탑으로 공급되는 양을 조절하도록 이루어지는 제2 컨트롤밸브; 및
   상기 제1 pH에 근거하여 상기 제1 컨트롤밸브를 제어하고, 제2 pH에 근거하여 상기 제2 컨트롤밸브를 제어하는 프로세서;를 포함하는
   산성가스 포집공정 자동제어 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 흡수탑과 재생탑 사이에 포화 흡수제와 재생 흡수제 사이의 열을 교환하기 위한 열교환기; 를 더 포함하는
   산성가스 포집공정 자동제어 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 프로세서는 상기 제1 pH가 기준 pH보다 높은 경우 상기 제1 컨트롤밸브를 제어하여 재생 흡수제의 공급되는 양을 감소시켜 흡수제의 설정된 pH를 유지하도록 하는 것인,
   산성가스 포집공정 자동제어 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 프로세서는 상기 제1 pH가 기준 pH보다 낮은 경우 상기 제1 컨트롤밸브를 제어하여 재생 흡수제의 공급되는 양을 증가시켜 흡수제의 설정된 pH를 유지하도록 하는 것인,
   산성가스 포집공정 자동제어 장치.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
   상기 설정된 pH는 흡수제의 α로딩값이 최대값의 80% 내지 100%를 유지할수 있도록 설정되고,
   상기 α로딩값은 산성가스의 몰수를 흡수제의 몰수로 나눈 값으로 정의되는 것인,
   산성가스 포집공정 자동제어 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 프로세서는 상기 제2 pH가 기준 pH보다 높은 경우 상기 제2 컨트롤밸브를 제어하여 포화 흡수제의 공급되는 양을 증가시켜 흡수제의 설정된 pH를 유지하도록 하는 것인,
   산성가스 포집공정 자동제어 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 프로세서는 상기 제2 pH가 기준 pH보다 낮은 경우 상기 제2 컨트롤밸브를 제어하여 포화 흡수제의 공급되는 양을 감소시켜 흡수제의 설정된 pH를 유지하도록 하는 것인,
   산성가스 포집공정 자동제어 장치.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
   상기 설정된 pH는 흡수제의 α로딩값이 0.15 내지 0.3을 유지할수 있도록 설정되며,
   상기 α로딩값은 산성가스의 몰수를 흡수제의 몰수로 나눈 값으로 정의되는 것인,
   산성가스 포집공정 자동제어 장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 흡수제는 아민계 화합물, 아미노산염계, 무기염계 용액 및 암모니아수로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인,
   산성가스 포집공정 자동제어 장치.
10. 제1항의 산성가스 포집공정 자동 제어장치를 이용한 산성가스 포집공정 자동제어 방법에 있어서,
    상기 포화 흡수제의 제1 pH를 측정하도록 이루어지는 제1 pH측정단계;
    상기 재생 흡수제가 상기 재생탑에서 상기 흡수탑으로 공급되는 양을 조절하도록 이루어지는 제1 컨트롤밸브 제어단계;
    상기 재생 흡수제가 제2 pH를 측정하도록 이루어지는 제2 pH측정단계; 및
    상기 포화 흡수제가 상기 흡수탑에서 상기 재생탑으로 공급되는 양을 조절하도록 이루어지는 제2 컨트롤밸브 제어단계;를 포함하고
    상기 제1 컨트롤밸브 제어단계 및 제2 컨트롤밸브 제어단계는 프로세서를 통하여 제어하는 것인,
    산성가스 포집공정 자동제어 방법.
11. 제8항에 있어서,
    제1 pH측정단계는 흡수탑으로부터 배출된 포화 흡수제가 재생탑으로부터 배출된 재생 흡수제와 열교환을 하기 전 측정하고,
    제2 pH측정단계는 재생탑으로부터 배출된 재생 흡수제와 흡수탑으로부터 배출된 포화 흡수제가 열교환을 하기 전 측정하는 것인,
    산성가스 포집공정 자동제어 방법.

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