KR20210150907A - 비수계 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 비수계 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집 시스템은 제1 블로워를 통해 주입된 배가스를 냉각수와 직접 접촉 및 냉각시켜 배가스에 물이 포화되도록 하는 직접 접촉식 쿨러(Direct Contact Cooler), 직접 접촉식 쿨러로부터 전달된 배가스에서 비수계 흡수제를 통해 이산화탄소(CO2)를 흡수하며 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제를 리치펌프로 공급하고 구비된 제1 및 제2 인터쿨러로 내부 온도를 낮추어 아민(Amine)의 증발량을 조절하는 흡수탑, 리치펌프를 통해 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제를 공급받아 구비된 제1 및 제2의 플래시 드럼(Flash Drum)을 이용하여 이산화탄소의 탈착을 진행하고, 탈착을 통해 생성된 증기를 배출하고 재생된 비수계 흡수제를 상기 흡수탑으로 공급하는 탈착탑 및 흡수탑에서 전달되는 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제와 탈착탑에서 재생된 비수계 흡수제 사이의 열을 교환하는 열교환기를 포함한다.

Description

비수계 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집 시스템{SYSTEM FOR ABSORBING CARBON DIOXIDE USING NON-AQUEOUS ABSORBENT}
본 발명은 이산화탄소 포집 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수계 흡수제와 비교하여 낮은 잠열과 현열을 가지는 비수계 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집 시스템에 관한 것이다.
화석 연료는 현대 사회에서 에너지를 공급하는 용도로 가장 널리 사용되고 있다. 이와 같이 화석 연료는 에너지 공급에 큰 부분을 차지하고 있으나, 화석 연료 사용으로 인해 전세계적으로 이산화탄소 배출량이 증가하는 추세이다. 국제에너지 기구(IEA)는 지구온난화를 야기하는 온실가스의 주범인 이산화탄소 배출량을 감소시키기 위하여 블루맵(Bluemap) 2050 시나리오를 통해 이산화탄소 배출량을 줄이기 위한 전략을 구축하였다. 국제에너지기구(IEA)의 2050년의 이산화탄소 배출량 목표는 현재 이산화탄소 배출량의 절반 수준이며, 이산화탄소 감축을 위한 전략 중 이산화탄소 포집 및 처리 기술(CCS)이 약 20%의 큰 부분을 차지하고 있다.
CCS 기술은 크게 이산화탄소(CO2)를 포집하고 압축하는 공정과, 이송하고 저장 및 처리하는 공정으로 나눌 수 있다. 모든 공정에 대해 활발한 연구가 진행되고 있지만, 이산화탄소 포집 및 압축 공정이 전체 CCS 비용의 70-80%를 차지하기 때문에 CCS의 경제성을 위하여 이산화탄소 포집 및 압축 공정에 대한 연구가 집중되고 있다.
이산화탄소 포집 및 압축 공정에 대한 연구는 크게 신 흡수제 개발과 신 공정 개발을 통해 이루어지고 있다. 신 흡수제 개발은 암모니아 혹은 기존에 알려진 아민(Amine)들의 혼합 흡수제(e.g. MEA, MDEA, DEA, PZ, AMP, etc.)를 사용하는 수계 흡수제 또는 물을 사용하지 않는 비수계 흡수제에 대한 연구가 진행되고 있다. 또한, 신공정 개발은 흡수탑의 중간냉각(Intercooling), 탈착탑의 린 증기 재압축(lean vapor recompression), 스플릿 공정(split process), 인터히트된 탈착탑(interheated stripper) 등 기존 공정에서 사용되지 않고 낭비되는 열을 최대한 공정에 회수하여 에너지 소비를 줄이는 신 공정 연구가 진행되고 있다. 그러나 하나의 흡수탑 또는 탈착탑의 관점에 국한되어 있는 신 공정 연구는 에너지 소비 감소의 한계가 존재한다.
2013년도 산업계에서 발표된 바에 의하면 세계적 수준인 신 흡수제 및 공정은 탈착탑에서의 에너지 소비가 2.3-2.5 GJ/ton-CO2(기존 MEA 공정은 3.6-4.0 GJ/ton-CO2)로 알려져 있고 학계에서는 2.0-2.3 GJ/ton-CO2의 포집 공정이 가능하다고 발표되어 있다. 따라서, 세계적인 수준 이상의 공정을 개발하기 위해서는 혁신적인 흡수제뿐 아니라 혁신적인 개념의 공정 또한 개발되어야 한다.
이 중 흡수제 개발 연구는 공정의 운전비용을 낮추기 위해 포집 시 낮은 에너지 요구량을 가지며, 장치비를 줄이기 위해 높은 흡수 속도 및 높은 흡수 용량을 갖는 흡수제를 찾는 것이다. 이와 같은 이점을 가지는 흡수제로 비수계 흡수제가 개발되고 있다. 이와 같은 기존에 개발된 비수계 흡수제는 상대적으로 높은 흡수 용량과 높은 흡수 속도를 가지고 있으며, 재생 온도를 낮게 할 수 있는 장점이 있다. 비수계 흡수제는 수계 흡수제에 비해 물의 함량이 적어 잠열이 작고, 흡수제의 비열이 굉장히 낮아 현열도 낮다. 또한, 반응열은 온도에 따라 낮아지는 것이 비수계 흡수제의 특징이다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고, 비수계 흡수제는 대기로 방출되는 아민의 양이 상대적으로 수계 흡수제 보다 높기 때문에, 성공적인 비수계 흡수제의 상업화를 위해서는 장점을 극대화하고 단점을 보완할 새로운 형태의 공정 스킴(Scheme)을 도출하는 과정이 필요하다. 이와 같은 문제로, 현재 많은 연구그룹에서는 비수계 흡수제가 아닌 기존 수계 흡수제에 가장 효율적인 공정을 개발 중이며, 비수계 흡수제에 대한 공정 연구는 활발하게 이루어 지지 않고 있다.
한국공개특허공보 10-2012-0119485호
상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 종래의 수계 흡수제를 대신하여 비수계 흡수제를 사용하는 이산화탄소 포집 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 분명해질 것이다.
상기 목적은, 비수계 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집 시스템으로, 제1 블로워를 통해 주입된 배가스를 냉각수와 직접 접촉 및 냉각시켜 배가스에 물이 포화되도록 하는 직접 접촉식 쿨러(Direct Contact Cooler), 직접 접촉식 쿨러로부터 전달된 배가스에서 비수계 흡수제를 통해 이산화탄소(CO2)를 흡수하며 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제를 리치펌프로 공급하고 구비된 제1 및 제2 인터쿨러로 내부 온도를 낮추어 아민(Amine)의 증발량을 조절하는 흡수탑, 리치펌프를 통해 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제를 공급받아 구비된 제1 및 제2의 플래시 드럼(Flash Drum)을 이용하여 이산화탄소의 탈착을 진행하고 탈착을 통해 생성된 증기를 배출하고 재생된 비수계 흡수제를 흡수탑으로 공급하는 탈착탑 및 흡수탑에서 전달되는 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제와 탈착탑에서 재생된 비수계 흡수제 사이의 열을 교환하는 열교환기를 포함하는 비수계 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집 시스템에 의해 달성된다.
바람직하게는, 직접 접촉식 쿨러는 배가스를 물과 직접 접촉시켜 황을 제거할 수 있다.
바람직하게는, 비수계 흡수제는 물의 함량이 15중량% 이하이고, 용제로 솔벤트를 사용한 폴리아민일 수 있다.
바람직하게는, 흡수탑은 흡수탑의 상단에 위치하며, 비수계 흡수제를 통해 이산화탄소(CO2)가 제거된 가스를 외부로 배출시켜 직접 접촉식 쿨러의 부하를 줄이는 제2 블로워를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 흡수탑에서 비수계 흡수제는 상압으로 압력 구배가 형성된 상태에서 향류(역류) 형태로 배가스와 만나 이산화탄소를 흡수하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 제1 인터쿨러는 흡수탑의 하부에 위치하며, 비수계 흡수제가 배가스에서 이산화탄소를 흡수할 때 비수계 흡수제의 온도를 낮춰 공정의 에너지를 감소시키고 비수계 흡수제의 이산화탄소 흡수율을 증가시키는 것일 수 있다.
바람직하게는, 제2 인터쿨러는 흡수탑의 상부에 위치하며, 제1 인터쿨러보다 더 낮은 온도로 냉각하여 아민 흡수제의 증기압을 감소시켜 아민의 방출량을 감소시키는 것일 수 있다.
바람직하게는, 흡수탑은 비수계 흡수제와 접촉하여 이산화탄소가 분리된 배가스에서 아민을 물로 녹여 회수하는 수세척탑을 포함하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 제1 플래시 드럼은 내부를 제1 영역 및 제2 영역으로 분리하는 위어를 구비할 수 있으며, 제1 영역은 열교환기로부터 전달되는 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제가 공급되고, 제1 영역에서 열교환기에 의해 공급된 열에 의해 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제를 증류하여 1차로 탈착하고, 제1 영역에서 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제가 위어를 경계로 제2 영역으로 오버플로우(Overflow)되며, 제1 영역에서 제2 영역으로 오버플로우된 비수계 흡수제를 단일 경로(One-through)로 히터를 통해 가열하여 제2 플래시 드럼으로 전달하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 제1 플래시 드럼 및 제2 플래시 드럼은 두 플래시 드럼 사이의 정수두(static head) 차이를 이용하여 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제를 전달하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 제2 플래시 드럼은 레벨 제어기를 통해 수위를 조절하여 제1 플래시 드럼과의 정수두 차이를 유지시키는 것일 수 있다.
바람직하게는, 제2 플래시 드럼은 히터를 통해 가열된 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제를 증류하여 2차로 탈착하고, 제2 플래시 드럼에서 생성된 이산화탄소를 포함하는 증기는 제1 플래시 드럼의 제1 영역으로 전달되고, 제2 플래시 드럼에서 이산화탄소가 탈착되어 재생된 비수계 흡수제는 열교환기를 통해 이산화탄소가 흡수된 비수계 흡수제에 열을 전달하고 탈착탑으로 공급되는 것일 수 있다.
바람직하게는, 제1 플래시 드럼은 제1 플래시 드럼 내에서 생성된 증기와 제2 플래시 드럼으로부터 공급된 증기를 상부로 배출하여 이를 각각 이산화탄소와 물로 증류하여 배출하는 것일 수 있다.
바람직하게는, 흡수탑의 후단에 제2 블로워가 위치하고 직접 접촉식 쿨러의 전단에 제1 블로워가 배치되어 직접 접촉식 쿨러의 부하를 줄이고, 배가스의 급격한 온도상승을 방지하고, 흡수탑 내부의 압력을 1 barA로 유지시키는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 비수계 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집 시스템은 비수계 흡수제를 사용함으로써, 종래의 수계 흡수제와 비교하여 낮은 잠열과 현열을 가지며 온도에 따라 변하는 반응열을 가져 상대적으로 높은 흡수 속도와 용량을 통해 더욱 다량의 이산화탄소를 흡수할 수 있으며, 공정의 열에너지를 낮출 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 비수계 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집 시스템은 흡수제의 온도를 낮추어 아민 증발량을 낮추어 이산화탄소 흡수 공정의 효율 및 경제성을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 비수계 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집 시스템은 단일 경로(One-through) 구조를 통해 비수계 흡수제와 히터 사이의 접촉 시간을 최소화하여 비수계 흡수제의 열변성을 방지할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 비수계 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집 시스템의 구성도이다.
도 1b는 도 1a의 흡수탑의 상세 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탈착탑의 상세 구성도이다.
도 3은 폴리아민 흡수제의 이산화탄소 기체-액체 평형(vapor-liquid equilibrium, VLE)을 나타내는 그래프이다.
도 4는 폴리아민 흡수제의 이산화탄소 흡수량(rich loading)과 이산화탄소 이산화탄소 탈착 후 남은 양(lean loading)을 비교한 그래프이다.
도 5는 폴리아민 흡수제의 리보일러 에너지를 나타내는 그래프이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 갖는다. 상충되는 경우, 정의를 포함하는 본 명세서가 우선할 것이다. 또한 본 명세서에서 설명되는 것과 유사하거나 동등한 방법 및 재료가 본 발명의 실시 또는 시험에 사용될 수 있지만, 적합한 방법 및 재료가 본 명세서에 기재된다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 비수계 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집 시스템의 구성도이고, 도 1b는 도 1a의 흡수탑의 상세 구성도이다. 이를 이용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 비수계 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집 시스템의 구성 및 작용효과에 대해 보다 상세히 설명한다. 본 발명에 따른 명세서에서 "흡수"와 "흡착"은 서로 혼용하여 사용될 수 있고, "탈착"과 "탈거"도 서로 혼용하여 사용될 수 있다. 또한 하기 실시예에서 "리치(Rich)"는 "이산화탄소를 흡수한 흡수제로서 이산화탄소가 농후한 상태"를 나타내고, "린(Lean)"은 "이산화탄소를 탈거한 흡수제로서 이산화탄소가 희박한 상태"를 각각 나타낸다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비수계 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집 시스템은 직접 접촉식 쿨러(Direct Contact Cooler, 100), 흡수탑(200), 열교환기(300) 및 탈착탑(400)을 포함한다.
직접 접촉식 쿨러(100)는 제1 블로워(101)를 통해 주입된 압축된 배가스를 냉각수와 직접 접촉시켜 냉각과 함께 배가스에 물이 포화되도록 하여 흡수탑(200)으로 공급한다. 그리고 흡수탑(200)에서는 비수계 흡수제를 통해 물이 포화된 배가스에서 이산화탄소(CO2)를 흡수하며, 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제를 리치 펌프(301)를 통해 열교환기(300)로 전달한다. 열교환기(300)에서는 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제와 탈착탑(400)에서 재생된 비수계 흡수제 사이에 열을 교환시키고 탈착탑(400)의 제1 플래시 드럼(Flash Drum, 401)으로 전달한다. 제1 플래시 드럼(401)은 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제를 기액 분리시켜 기체는 상부로 배출하고, 비수계 흡수제는 히터(403)를 통해 가열하여 제2 플래시 드럼(404)에 공급한다. 그리고 제2 플래스 드럼(404)은 제1 플래시 드럼(401)으로부터 전달된 비수계 흡수제를 2차로 기액 분리시켜 증기(이산화탄소+수증기)는 제1 플래시 드럼(401)으로 전달하고 2차에 걸쳐 재생된 비수계 흡수제를 린 펌프(302)를 통해 열교환기(300)로 전달한다. 다음으로, 열교환기(300)는 재생된 비수계 흡수제를 린 쿨러(303)를 통해 냉각하여 흡수탑(200)으로 다시 전달한다.
직접 접촉식 쿨러(100)는 제1 블로워(101)를 통해 주입된 압축된 배가스를 냉각수와 직접 접촉시켜 냉각시키면서 고온의 배가스를 필요로 하는 온도로 냉각하며, 배가스를 물과 직접 접촉시켜 배가스에 포함된 황을 제거한다. 이 과정에서 배가스는 물과 직접 접촉하여 탈황되면서 물에 포화된다. 그리고 직접 접촉식 쿨러(100)에서 물이 포화된 배가스는 제1 블로워(101)의 동작에 의해 흡수탑(200)으로 전달된다.
흡수탑(200)은 직접 접촉식 쿨러(100)에서 전달된 배가스에서 비수계 흡수제를 이용하여 이산화탄소를 흡수 및 분리한다. 이때, 비수계 흡수제는 물의 함량이 15중량% 이하인 것이 바람직하며, 일례로서 물의 함량이 15중량% 이하인 아민계 흡수제(용제로 솔벤트를 사용한 폴리아민)를 사용할 수 있다. 비수계 흡수제인 폴리아민계 흡수제는 이산화탄소(CO2) 기체-액체 평형(vapor-liquid equilibrium, VLE)이 왼쪽으로 치우쳐 있어, 즉 이산화탄소 탈착후 남은 양(Lean Loading)이 적은 영역에서의 이산화탄소 부분압력(CO2 partial pressure)가 높아, 이산화탄소를 조금 가지고 있음에도 불구하고 솔벤트와 이산화탄소 사이의 헨리 상수(Henry's law constant)가 높아 상대적으로 낮은 온도 및 낮은 압력에서도 이산화탄소의 분압이 높게 형성된다. 따라서, 본 발명에서는 비용이 높은 증류탑 대신 플래시 드럼 증류를 사용하여 비용을 줄일 수 있다.
흡수탑(200)에서 상압으로 압력 구배가 형성된 채로 비수계 흡수제는 향류(counter-current)로 배가스와 만나 반응이 이루어져 이산화탄소를 흡수한다. 그러나 비수계 흡수제는 반응속도가 빨라 흡수탑(200) 상단의 온도가 상당히 높게 형성되어 다량의 아민이 방출된다. 이때, 흡수탑(200)에서는 비수계 흡수제에서 아민의 증발량을 조절하기 위해 2개의 인터쿨러(201, 202)를 구비한다. 제1 인터쿨러(201)는 흡수탑(200)의 하부에 위치하여, 비수계 흡수제가 배가스에서 이산화탄소를 흡수할 때 비수계 흡수제의 온도를 낮춰 공정의 에너지를 감소시키고 비수계 흡수제의 이산화탄소 흡수율을 증가시킨다.
그리고 제2 인터쿨러(202)는 흡수탑(200)의 상부에 위치하며, 제1 인터쿨러(202)보다 더 낮은 온도로 냉각한다. 비수계 흡수제가 배가스에서 이산화탄소를 흡수하는 과정에서, 발생되는 발열반응에 의해 아민이 방출되므로, 배가스가 방출되는 방향(상부 방향)에 가까운 제2 인터쿨러(202)는 제1 인터쿨러(201)보다 더 낮은 온도로 흡수탑(200)을 냉각하여 증기압을 감소시켜 아민의 방출량을 감소시킨다.
이와 같이, 본 발명에서는 두 개의 인터쿨러(201, 202)를 이용하여 비수계 흡수제의 온도를 낮추면서 대기중으로의 아민 증발량을 낮출 수 있다.
흡수탑(200)에서 이산화탄소가 분리된 배가스는 흡수탑(200) 상부로 방출된다. 이때, 비수계 흡수제가 배가스에서 이산화탄소를 흡수하여 분리하는 과정에서 비수계 흡수제의 아민 성분 일부가 이산화탄소가 분리된 배가스로 혼합되게 된다. 그러나 아민 성분은 유독성을 가지므로, 배기가스와 함께 배출되는 것을 방지하기 위하여 수세척탑(203)을 사용한다. 흡수탑(200)의 상부에 구비된 수세척탑(203)은 비수계 흡수제와 접촉하여 이산화탄소가 분리된 배기가스에서 아민을 물로 녹여 회수하여, 아민의 배출을 방지한다.
흡수탑(200)에서 이산화탄소가 분리된 배가스는 수세척탑(203)에서 아민이 제거된 상태로 제2 블로워(204)를 통해 외부로 배출된다. 이와 같이 흡수탑(200)의 후단에 제2 블로워(204)가 위치하고 직접 접촉식 쿨러(201)의 전단에 제1 블로워(201)가 배치됨으로써, 배가스의 이동경로 전단과 후단 모두에 블로워가 위치하여 직접 접촉식 쿨러(201)의 부하를 줄일 수 있으며, 배가스의 급격한 온도상승을 방지하고, 흡수탑(200) 내부의 압력을 1 barA로 유지할 수 있도록 한다.
흡수탑(200)에서 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제는 리치 펌프(301)를 통해 열교환기(300)로 전달된다.
열교환기(300)는 흡수탑(200)에서 리치 펌프(301)를 통해 전달된 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제와 탈착탑(400)에서 린 펌프(302)를 통해 전달된 재생된 비수계 흡수제 사이의 열교환을 진행한다. 탈착탑(400)에서 재생된 비수계 흡수제는 히터(403)에 의해 가열되어 상대적으로 높은 온도를 가지므로, 열교환기(300)는 재생된 비수계 흡수제와 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제 사이의 열교환을 통해 흡수열을 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제로 전달하여 온도를 상승시켜 탈착탑(400)에서의 기액분리 과정의 효율을 높인다. 이와 같이, 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제는 리치 스트림(Rich Stream)을 통해 흡수탑(200)에서 탈착탑(400)으로 전달된다.
열교환기(300)로부터 탈착탑(400)으로 전달된 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제는 제1 플래시 드럼(401)에서 1차로 기액 분리되어 수증기를 포함하는 기체(수증기와 이산화탄소)는 상부로 배출하고 액체(비수계 흡수제)는 하부로 배출되어 히터(403)를 통해 가열한 후 제2 플래시 드럼(404)에 전달된다.
제2 플래시 드럼(404)에서는 2차로 기액 분리되어 수증기를 포함하는 기체는 제1 플래시 드럼(401)으로 전달하고, 액체 상태인 재생된 비수계 흡수제를 린 펌프(302)를 통해 열교환기(300)로 전달한다.
종래에 일반적으로 사용되는 증류탑인 구조화 충전물 탑(structured packing column)을 이용하거나 종래의 플래시 드럼 증류(flash drum distillation)를 통해 냉각 및 수액분리를 하는 것과 달리, 본 발명에서는 제1 플래시 드럼(401)에서 제2 플래시 드럼(402)으로 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제를 이송시킬 때, 단일 경로(one-through) 방식으로 설계한다. 본 발명에서는 제1 플래시 드럼(401)에서 제2 플래시 드럼(404)으로 전달되는 리치 스트림을 단일 경로 구조를 통해 전달함으로서, 히터(1)에서 고온 스팀과 비수계 흡수제 사이의 접촉 시간을 단축시켜 열에 약한 비수계 흡수제의 열변성을 최소화할 수 있다. 특히 아민계 흡수제는 열에 취약한 성질을 가지므로, 두 개의 플래시 드럼(401, 404)과 단일 경로 구조를 이용한 증류 공정을 통해 높은 이산화탄소 분압과 낮은 물의 잠열을 통해 탈착과정에서의 장점을 극대화하고, 열변성의 문제점을 보완할 수 있다.
제1 플래시 드럼(401)에서는 1차 분리과정에서 분리된 증기(이산화탄소+수증기)와 제2 플래시 드럼(402)에서 전달된 증기를 상부로 배출하고, 배출된 증기는 콘덴서(402)를 통해 이산화탄소와 수증기로 각각 분리한다.
종래의 수계 흡수제를 이용한 탈착(탈거)공정에서는 구조화 충전물 탑(structured packing column)을 이용하여 흡수제를 재생하는 반면에, 본 발명에서는 제1 및 제2 플래시 드럼(401, 404)를 이용하여 종래에 비해 재생온도를 5 내지 7℃ 낮출 수 있어, 열변성에 취약한 아민 계열 흡수제의 단점을 극복할 수 있으며, 평형 2-3단만으로 CO2를 분리해낼 수 있다. 또한, 본 발명에서는 구조화 충전물 탑과 비교하여 상대적으로 가격이 저렴한 플래시 드럼을 사용함으로써 자본비용(Capital cost)을 줄일 수 있다.
열교환기(300)를 통과한 재생된 비수계 흡수제는 린 쿨러(303)를 통해 적정 온도로 냉각된 후 흡수탑(200)으로 전달되어 다시 흡수제로 사용된다. 이때, 탈착탑(400)에서 재생된 비수계 흡수제에 손실이 발생할 수 있으므로, 손실된 비수계 흡수제를 고려하여 비수계 흡수제를 추가로 공급할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탈착탑의 상세 구성도이다.
도 1a 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탈착탑의 제1 실시예에서 히터(23)는 서모사이펀(thermosyphon) 열교환 구조를 가진다.
열교환기(300)로부터 전달된 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제는 제1 플래시 드럼(21)로 전달(hot rich stream)된다. 이때, 제1 플래시 드럼(21)에는 내부를 두 개의 영역으로 분리하는 위어(weir, 22)가 구비되어, 제1 영역(22-1)과 제2 영역(22-2)으로 구분한다.
제1 영역(22-1)은 제1 플래시 드럼(21)으로 전달되는 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제, 즉 새로운 액체 상태의 흡수제와 제2 플래시 드럼(24)에서 전달된 이산화탄소를 포함하는 증기(이산화탄소+수증기)가 전달된다. 그리고 제2 영역(22-2)은 제1 영역(22-1)에서 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제가 위어(22)를 경계로 오버플로우(overflow)된다. 본 발명에서 제1 플래시 드럼(21)을 위어로 좌측과 우측 영역으로 구분한 것은 제2 플래시 드럼(24)에서 전달된 증기에 의해 발생되는 유동에 의해 레벨(수위)가 조절되지 않는 문제를 해결하기 위함이다. 또한, 제1 플래시 드럼(21)의 제1 영역(22-1)에서는 열교환기(300)에서 공급된 열에 의해 1차로 증류가 이루어져 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제에서 일부 이산화탄소 및 수증기를 포함하는 증기가 탈착된다.
제1 영역(22-1)로부터 오버플로우된 제2 영역(22-2)의 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제(rich stream)는 서모사이펀 유형의 열교환 히터(23)로 전달되고, 열교환 히터(23)에서는 고온의 스팀을 이용한 열교환을 통해 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제(rich stream)에 열을 공급한다. 이때, 열교환 히터(23) 내에서는 일부 증발(vaporization)이 일어난다. 그리고 열교환 히터(23)에서 가열된 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제(rich stream)는 제2 플래시 드럼(24)으로 공급된다. 이와 같이, 제1 플래시 드럼(21)에서 제2 플래시 드럼(24)으로 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제(rich stream)이 전달되는 것은 베르누이 법칙에 따라 두 플래시 드럼(21, 24) 사이의 정수두(static head) 차이로 인해 이루어진다.
제2 플래시 드럼(24)에서는 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제를 증류하여 생성된 증기를 제1 플래시 드럼(21)으로 전달하고, 탈착탑(400)에서 탈착되어 재생된 비수계 흡수제를 흡수탑(200)으로 다시 전달(lean stream)한다.
이때, 제2 플래시 드럼(24)은 제1 플래시 드럼(21)으로부터 정수두 차이를 유지하기 위하여 레벨 제어기(25)를 통해 레벨(수위)를 조절하며, 제1 플래시 드럼(21)은 제2 플래시 드럼(24)으로부터 공급되는 증기에 의해 자기 조절(self-regulation)된다.
또한, 제1 플래시 드럼(21)은 제1 플래시 드럼(21) 내에서 생성된 증기와 제2 플래시 드럼(24)으로부터 공급된 증기를 상부로 배출하여 이를 각각 이산화탄소와 물로 증류하여 배출한다.
본 발명은 상술한 단일 경로(one-through) 구조로 제1 플래시 드럼(21)과 제2 플래시 드럼(24)을 연결하고, 단일 경로 중간에 열교환 히터(23)를 배치시켜 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제(rich stream)를 통과시킴으로써, 기존의 플래시 드럼에 비해 흡수제가 고온의 스팀과 접촉하는 시간이 줄어들어 아민 솔벤트와 같은 비수계 흡수제의 열변성에 대한 영향을 줄일 수 있다.
도 3은 폴리아민 흡수제의 이산화탄소 기체-액체 평형(vapor-liquid equilibrium, VLE)을 나타내는 그래프이다.
도 4는 폴리아민 흡수제의 이산화탄소 흡수량(rich loading)과 이산화탄소 이산화탄소 탈착 후 남은 양(lean loading)을 비교한 그래프이다.
도 5는 폴리아민 흡수제의 리보일러 에너지를 나타내는 그래프이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에서 사용된 비수계 흡수제인 솔벤트를 용제로 사용한 폴리아민의 이산화탄소 VLE는 다른 수계 흡수제에 비해 왼쪽으로 시프트(Shifting) 되어 있는 것을 볼 수 있다. 즉, 이산화탄소 탈착후 남은양(lean loading)과 흡수제의 이산화탄소 흡수량(rich loading)의 값이 수계 흡수제에 비해 작으며, 이는 주로 아민 변성물을 발생시키는 중탄산염(bicarbonate)의 생성이 적어 변성의 정도가 수계 흡수제에 비해 적은 이점을 가진다.
또한, 각각의 온도에 따른 이산화탄소 VLE에서 알 수 있듯이, 폴리아민 흡수제는 온도가 높아질수록 간격이 좁아지는 것을 알 수 있다. 이는 온도가 높아질수록 반응열이 줄어드는 것을 의미한다. 본래 이산화탄소의 흡수는 저온에서 일어나며, 탈착(탈거)는 고온에서 일어나기 때문에 스팀 에너지(Steam Energy)를 줄여야 하는 이산화탄소 포집공정에서 유리한 면을 가진다.
또한, 솔벤트를 용제로 사용한 폴리아민 흡수제는 물의 함량이 적기 때문에 잠열이 적어, 탈착탑(stripper)에서 요구되는 열량이 대폭 줄어들 수 있어 기존 수계 흡수제의 한계점인 높은 잠열을 보완할 수 있다.
도 4를 참조하면, 솔벤트를 용제로 사용한 폴리아민 흡수제는 이산화탄소 탈착 후 남은 양(lean loading)이 낮기 때문에 이산화탄소 탈착 후 남은 양(lean loading)과 흡수제의 이산화탄소 흡수량(rich loading) 사이의 운전영역(operating range)에서 속도가 다른 수계 흡수제에 비해 빠른 것을 알 수 있다. 이는 흡수탑의 높이를 대폭 줄일 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 흡수탑 내에서 빠른 흡수로 인해 상단의 온도가 높게 올라간다.
상술한 특징들로부터, 폴리아민 흡수제는 압력을 높게 하고 재생온도는 상대적으로 낮게 하여 운전될 수 있으며, 이는 도 5와 같이 도시된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비수계 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집 시스템에서의 재생에너지는 다음과 같다.
본 발명에서 이산화탄소 포집공정의 재생에너지는 수학식 1과 같이 현열, 잠열 및 반응열의 합으로 구성된다.
Figure pat00001
수학식 1에서 Qreg은 재생에너지를 나타내고, Qsen은 현열을 나타내며, Qlat은 잠열을 나타내고, Qrxn은 반응열을 나타낸다. 그리고 공정의 현열은 수학식 2와 같이 비수계 흡수제의 유량(q sol ), 흡수제의 비열(c p,sol ), 열교환기의 MTA(Minimum Temperature Approach) 값의 곱으로 나타낼 수 있다. 이때, MTA 값은 흡수탑에서 나온 이산화탄소 리치 스트림과 탈착탑에서 나와 열교환기로 들어가 온도가 식은 채로 린 쿨러로 들어가는 스트림의 온도 차이를 의미한다.
Figure pat00002
그리고 공정의 잠열은 수학식 3과 같이 물의 잠열(λ), 물의 몰 분율(Mole Fraction, x w ), 물의 증기압(P w vap ) 및 CO2의 증기압 (P CO2 *)으로 구성된다.
Figure pat00003
또한, 흡수제의 반응열은 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00004
수학식 4에서 m am 은 mol-Amine/t-CO2를 나타내고, ΔH rxn 은 반응열의 엔탈피 변화율을 나타내며, α는 CO2 loading(흡수제가 CO2를 흡수한 양)을 나타낸다.
이와 같이 산출된 본 발명의 일 실시예에 따른 비수계 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집 시스템에서의 재생에너지는 도 5와 같이 도시될 수 있다.
이상 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당분야에서 통상의 지식을 가진자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
100: 직접 접촉식 쿨러 101: 제1 블로워
200: 흡수탑 201: 제1 인터쿨러
202: 제2 인터쿨러 203: 수세척탑
204: 제2 블로워
300: 열교환기 301: 리치 펌프
302: 린 펌프 303: 린 쿨러
400: 탈착탑 401: 제1 플래시 드럼
402: 콘덴서 403: 히터
404: 제2 플래시 드럼
21: 제1 플래시 드럼 22: 위어
22-1: 제1 영역 22-2: 제2 영역
23: 열교환 히터 24: 제2 플래시 드럼
25: 레벨 제어기

Claims (15)

  1. 비수계 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집 시스템에 있어서,
    제1 블로워를 통해 주입된 배가스를 냉각수와 직접 접촉 및 냉각시켜 배가스에 물이 포화되도록 하는 직접 접촉식 쿨러(Direct Contact Cooler);
    상기 직접 접촉식 쿨러로부터 전달된 배가스에서 비수계 흡수제를 통해 이산화탄소(CO2)를 흡수하며, 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제를 리치펌프로 공급하고, 구비된 제1 및 제2 인터쿨러로 내부 온도를 낮추어 아민(Amine)의 증발량을 조절하는 흡수탑;
    상기 리치펌프를 통해 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제를 공급받아 구비된 제1 및 제2의 플래시 드럼(Flash Drum)을 이용하여 이산화탄소의 탈착을 진행하고, 탈착을 통해 생성된 증기를 배출하고 재생된 비수계 흡수제를 상기 흡수탑으로 공급하는 탈착탑; 및
    상기 흡수탑에서 전달되는 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제와 상기 탈착탑에서 재생된 비수계 흡수제 사이의 열을 교환하는 열교환기;
    를 포함하는, 비수계 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 직접 접촉식 쿨러는 배가스를 물과 직접 접촉시켜 황을 제거하는, 비수계 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 비수계 흡수제는 물의 함량이 15중량% 이하이고, 용제로 솔벤트를 사용한 폴리아민인, 비수계 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 흡수탑은,
    상기 흡수탑의 상단에 위치하며, 상기 비수계 흡수제를 통해 이산화탄소(CO2)가 제거된 가스를 외부로 배출시켜 상기 직접 접촉식 쿨러의 부하를 줄이는 제2 블로워를 더 포함하는, 비수계 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 흡수탑에서 상기 비수계 흡수제는 상압으로 압력 구배가 형성된 상태에서 역류 형태로 배가스와 만나 이산화탄소를 흡수하는, 비수계 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 인터쿨러는 상기 흡수탑의 하부에 위치하며, 상기 비수계 흡수제가 배가스에서 이산화탄소를 흡수할 때 비수계 흡수제의 온도를 낮춰 공정의 에너지를 감소시키고 비수계 흡수제의 이산화탄소 흡수율을 증가시키는, 비수계 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 인터쿨러는 상기 흡수탑의 상부에 위치하며, 상기 제1 인터쿨러보다 더 낮은 온도로 냉각하여 아민 흡수제의 증기압을 감소시켜 아민의 방출량을 감소시키는, 비수계 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 흡수탑은 상기 비수계 흡수제와 접촉하여 이산화탄소가 분리된 배가스에서 아민을 물로 녹여 회수하는 수세척탑을 포함하는, 비수계 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 플래시 드럼은 내부를 제1 영역 및 제2 영역으로 분리하는 위어를 구비하는, 비수계 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 영역은 상기 열교환기로부터 전달되는 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제가 공급되고, 상기 제1 영역에서 상기 열교환기에 의해 공급된 열에 의해 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제를 증류하여 1차로 탈착하고, 상기 제1 영역에서 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제가 상기 위어를 경계로 상기 제2 영역으로 오버플로우(Overflow)되며, 상기 제1 영역에서 상기 제2 영역으로 오버플로우된 비수계 흡수제를 단일 경로(One-through)로 히터를 통해 가열하여 제2 플래시 드럼으로 전달하는, 비수계 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제1 플래시 드럼 및 상기 제2 플래시 드럼은 두 플래시 드럼 사이의 정수두(static head) 차이를 이용하여 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제를 전달하는, 비수계 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 플래시 드럼은 레벨 제어기를 통해 수위를 조절하여 상기 제1 플래시 드럼과의 정수두 차이를 유지시키는, 비수계 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집 시스템.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제2 플래시 드럼은 상기 히터를 통해 가열된 이산화탄소를 흡수한 비수계 흡수제를 증류하여 2차로 탈착하고, 상기 제2 플래시 드럼에서 생성된 이산화탄소를 포함하는 증기는 상기 제1 플래시 드럼의 제1 영역으로 전달되고, 상기 제2 플래시 드럼에서 이산화탄소가 탈착되어 재생된 비수계 흡수제는 상기 열교환기를 통해 상기 이산화탄소가 흡수된 비수계 흡수제에 열을 전달하고 상기 탈착탑으로 공급되는, 비수계 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집 시스템.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 제1 플래시 드럼은 제1 플래시 드럼 내에서 생성된 증기와 제2 플래시 드럼으로부터 공급된 증기를 상부로 배출하여 이를 각각 이산화탄소와 물로 증류하여 배출하는, 비수계 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    흡수탑의 후단에 제2 블로워가 위치하고 직접 접촉식 쿨러의 전단에 제1 블로워가 배치되어 상기 직접 접촉식 쿨러의 부하를 줄이고, 배가스의 급격한 온도상승을 방지하고, 상기 흡수탑 내부의 압력을 1 barA로 유지시키는, 비수계 흡수제를 이용한 이산화탄소 포집 시스템.
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