KR20240014180A - 배가스 내 이산화탄소 포집 공정 및 장치 - Google Patents

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이선근
민광준
이충섭
임진혁
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Abstract

본 발명은 배가스 내 이산화탄소 포집 공정 및 장치에 관한 것으로, 본 발명은 분리탑을 통한 이산화탄소 액화 공정의 냉열을 그대로 활용하여 이산화탄소 회수 분리막 공정을 수행함으로써 소비되는 에너지를 현저하게 감소시키면서 분리 효율을 현저하게 향상시킬 수 있다.

Description

배가스 내 이산화탄소 포집 공정 및 장치{Process and Apparatus for capturing carbon dioxide in flue gas}
본 발명은 배가스 내 이산화탄소 포집 공정 및 장치에 관한 것이다.
최근 온실가스에 의한 지구온난화, 기후변화 등의 환경 문제가 대두됨에 따라 온실가스 중 이산화탄소의 배출을 저감하기 위해 이산화탄소를 포집하는 기술에 대해 연구가 많이 진행되고 있다. 이산화탄소 포집 기술은 크게 연소 후 (Post-combustion), 연소 전 (Pre-combustion) 및 순산소 연소 (Oxyfuel combustion)로 분류할 수 있다. 연소 후 CO2 포집 기술은 다시 아민 계열 혹은 암모니아 계열 흡수제를 활용한 화학흡수법, 기존의 흡수용액 대신 고체 흡수제를 활용한 건식흡수법 및 분리막을 활용한 막분리법 등으로 나누어진다.
이산화탄소 포집 기술 중 맴브레인을 이용한 막분리법은 친환경 공정이라는 장점이 있으며, 이산화탄소의 농도를 높이고 저장 및 이용 용이성을 증가시키기 위하여 분리탑을 도입하여 액화된 이산화탄소를 수득하는 기술이 제시되었다. 다만 종래의 기술은 액화 공정에서 수득되는 저온의 기체로부터 이산화탄소를 회수하는 데 있어서, 가열 또는 냉열을 회수하는 공정을 거친 후 분리막에 투과시켜 추가적인 에너지 소비가 필수적이었다.
그러므로 본 발명자 등은 상기 문제점을 해결하기 위하여 연구를 거듭한 결과, 액화 공정에서 수득되는 저온의 기체를 저온 상태 그대로 분리막에 투과시키면, 이산화탄소 분리 효율이 증가하여 이산화탄소 회수율을 높일 수 있고, 추가적인 공정이 필요하지 않아 소비되는 에너지도 절감할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하였다.
특허문헌 1. 한국공개특허 제10-2021-0104469호
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 이산화탄소 포집 분리막, 분리탑 및 이산화탄소 회수 분리막을 포함하고, 상기 이산화탄소 회수 분리막을 이용한 이산화탄소 회수 공정은 상기 분리탑을 통한 이산화탄소 액화 공정의 냉열을 그대로 활용함으로써 소비되는 에너지를 현저하게 감소시키면서 분리 효율을 현저하게 향상시킬 수 있는 배가스 내 이산화탄소 포집 공정 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은 (A) 배가스를 제1 압축기로 압축하는 단계; (B) 상기 압축된 배가스를 제1 포집 분리막에 투과시켜 상기 제1 포집 분리막을 투과하는 제1 포집 분리막 투과 기체를 수득하는 단계; (C) 상기 제1 포집 분리막 투과 기체를 제2 압축기로 압축하는 단계; (D) 상기 제2 압축기로 압축된 기체를 제1 열교환기로 냉각하는 단계; (E) 상기 냉각된 기체를 분리탑에 공급하여 분리정제 과정을 통해 상기 분리탑 상부에서 이산화탄소 함유 기체를 수득하고, 하부에서 고순도의 이산화탄소 액체를 회수하는 단계; 및 (F) 상기 이산화탄소 함유 기체를 제1 회수 분리막에 투과시켜 상기 제1 회수 분리막을 투과하는 제1 회수 분리막 투과 기체를 상기 제1 압축기, 상기 제1 포집 분리막 또는 상기 제2 압축기로 순환시키는 단계;를 포함하는 배가스 내 이산화탄소 포집 공정을 제공한다.
본 발명의 다른 측면은 (A1) 배가스를 제1 압축기로 압축하는 단계; (B1) 상기 압축된 배가스를 제1 포집 분리막에 투과시켜 상기 제1 포집 분리막을 투과하는 제1 포집 분리막 투과 기체 및 상기 제1 포집 분리막을 투과하지 못하는 제1 포집 분리막 잔류 기체를 수득하는 단계; (C1) 상기 제1 포집 분리막 투과 기체를 제2 포집 분리막에 투과시켜 상기 제2 포집 분리막을 투과하는 제2 포집 분리막 투과 기체 및 상기 제2 포집 분리막을 투과하지 못하는 제2 포집 분리막 잔류 기체를 수득하는 단계; (D1) 상기 제2 포집 분리막 투과 기체를 제2 압축기로 압축하는 단계; (E1) 상기 제2 압축기로 압축된 기체를 제1 열교환기로 냉각하는 단계; (F1) 상기 냉각된 기체를 분리탑에 공급하여 분리정제 과정을 통해 상기 분리탑 상부에서 이산화탄소 함유 기체를 수득하고, 하부에서 고순도의 이산화탄소 액체를 회수하는 단계; 및 (G1) 상기 이산화탄소 함유 기체를 제1 회수 분리막에 투과시켜 상기 제1 회수 분리막을 투과하는 제1 회수 분리막 투과 기체를 상기 제2 포집 분리막 또는 상기 제2 압축기로 순환시키는 단계;를 포함하는 배가스 내 이산화탄소 포집 공정을 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면은 배가스를 압축시키는 제1 압축기; 상기 압축된 배가스가 투과되는 제1 포집 분리막, 상기 제1 포집 분리막을 투과하는 기체를 배출하는 제1 포집 분리막 투과 기체 배출부 및 상기 제1 포집 분리막을 투과하지 못한 기체를 배출하는 제1 포집 분리막 잔류 기체 배출부를 포함하는 제1 포집 분리막 모듈; 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 배출부로부터 배출되는 기체를 압축시키는 제2 압축기; 상기 제2 압축기로 압축된 기체를 냉각하는 제1 열교환기; 상기 냉각된 기체를 공급받는 분리탑, 이산화탄소 함유 기체가 수득되는 상단부 및 고순도 이산화탄소 액체가 수득되는 하단부를 포함하는 이산화탄소 정제 분리탑; 및 상기 상단부에서 수득되는 이산화탄소 함유 기체가 투과되는 제1 회수 분리막 및 상기 제1 회수 분리막을 투과하는 기체를 상기 제1 압축기, 상기 제1 포집 분리막 또는 상기 제2 압축기로 순환시키는 제1 회수 분리막 투과 기체 순환부를 포함하는 제1 회수 분리막 모듈;을 포함하는 배가스 내 이산화탄소 포집 장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면은 배가스를 압축시키는 제1 압축기; 상기 압축된 배가스가 투과되는 제1 포집 분리막, 상기 제1 포집 분리막을 투과하는 기체를 배출하는 제1 포집 분리막 투과 기체 배출부 및 상기 제1 포집 분리막을 투과하지 못한 기체를 배출하는 제1 포집 분리막 잔류 기체 배출부를 포함하는 제1 포집 분리막 모듈; 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 배출부로부터 배출되는 기체가 투과되는 제2 포집 분리막, 상기 제2 포집 분리막을 투과하는 기체를 배출하는 제2 포집 분리막 투과 기체 배출부 및 상기 제2 포집 분리막을 투과하지 못한 기체를 배출하는 제2 포집 분리막 잔류 기체 배출부를 포함하는 제2 포집 분리막 모듈; 상기 제2 포집 분리막 투과 기체 배출부로부터 배출되는 기체를 압축시키는 제2 압축기; 상기 제2 압축기로 압축된 기체를 냉각하는 제1 열교환기; 상기 냉각된 기체를 공급받는 분리탑, 이산화탄소 함유 기체가 수득되는 상단부 및 고순도 이산화탄소 액체가 수득되는 하단부를 포함하는 이산화탄소 정제 분리탑; 및 상기 상단부에서 수득되는 이산화탄소 함유 기체가 투과되는 제1 회수 분리막 및 상기 제1 회수 분리막을 투과하는 기체를 상기 제2 포집 분리막 또는 상기 제2 압축기로 순환시키는 제1 회수 분리막 투과 기체 순환부를 포함하는 제1 회수 분리막 모듈;을 포함하는 배가스 내 이산화탄소 포집 장치를 제공한다.
본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 공정 및 장치는 분리탑에서 수득되는 기체를 분리막을 통해 회수함으로써 배출되는 이산화탄소의 양을 저감시켰다.
또한, 분리탑 (액화 공정)에서 형성된 저온 상태를 이용하여 분리탑 상부에서 수득된 기체 내 이산화탄소를 회수함으로써, 추가적인 열교환 시스템 없이 이산화탄소 회수효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 이산화탄소 포집 공정 및 장치 내에서 기체 흐름을 재순환시킴으로써 배출되는 이산화탄소의 양을 저감시키고, 이산화탄소 분압을 향상시켜 분리효율을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배가스 내 이산화탄소 포집 공정을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제2 포집 분리막 모듈을 포함하는 배가스 내 이산화탄소 포집 공정을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제2 포집 분리막 모듈 및 제2 회수 분리막 모듈을 포함하는 배가스 내 이산화탄소 포집 공정을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제2 및 제3 포집 분리막 모듈을 포함하는 배가스 내 이산화탄소 포집 공정을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제2 및 제3 포집 분리막 모듈을 포함하는 배가스 내 이산화탄소 포집 공정을 도시한 것이다.
이하 본 발명을 첨부된 도면 및 실시예와 함께 더욱 구체적으로 설명하도록 한다.
본 발명의 일 측면은 (A) 배가스를 제1 압축기로 압축하는 단계; (B) 상기 압축된 배가스를 제1 포집 분리막에 투과시켜 상기 제1 포집 분리막을 투과하는 제1 포집 분리막 투과 기체를 수득하는 단계; (C) 상기 제1 포집 분리막 투과 기체를 제2 압축기로 압축하는 단계; (D) 상기 제2 압축기로 압축된 기체를 제1 열교환기로 냉각하는 단계; (E) 상기 냉각된 기체를 분리탑에 공급하여 분리정제 과정을 통해 상기 분리탑 상부에서 이산화탄소 함유 기체를 수득하고, 하부에서 고순도의 이산화탄소 액체를 회수하는 단계; 및 (F) 상기 이산화탄소 함유 기체를 제1 회수 분리막에 투과시켜 상기 제1 회수 분리막을 투과하는 제1 회수 분리막 투과 기체를 상기 제1 압축기, 상기 제1 포집 분리막 또는 상기 제2 압축기로 순환시키는 단계;를 포함하는 배가스 내 이산화탄소 포집 공정을 제공한다.
본 발명의 다른 측면은 (A1) 배가스를 제1 압축기로 압축하는 단계; (B1) 상기 압축된 배가스를 제1 포집 분리막에 투과시켜 상기 제1 포집 분리막을 투과하는 제1 포집 분리막 투과 기체 및 상기 제1 포집 분리막을 투과하지 못하는 제1 포집 분리막 잔류 기체를 수득하는 단계; (C1) 상기 제1 포집 분리막 투과 기체를 제2 포집 분리막에 투과시켜 상기 제2 포집 분리막을 투과하는 제2 포집 분리막 투과 기체 및 상기 제2 포집 분리막을 투과하지 못하는 제2 포집 분리막 잔류 기체를 수득하는 단계; (D1) 상기 제2 포집 분리막 투과 기체를 제2 압축기로 압축하는 단계; (E1) 상기 제2 압축기로 압축된 기체를 제1 열교환기로 냉각하는 단계; (F1) 상기 냉각된 기체를 분리탑에 공급하여 분리정제 과정을 통해 상기 분리탑 상부에서 이산화탄소 함유 기체를 수득하고, 하부에서 고순도의 이산화탄소 액체를 회수하는 단계; 및 (G1) 상기 이산화탄소 함유 기체를 제1 회수 분리막에 투과시켜 상기 제1 회수 분리막을 투과하는 제1 회수 분리막 투과 기체를 상기 제2 포집 분리막 또는 상기 제2 압축기로 순환시키는 단계;를 포함하는 배가스 내 이산화탄소 포집 공정을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배가스 내 이산화탄소 포집 공정을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제2 포집 분리막 모듈을 포함하는 배가스 내 이산화탄소 포집 공정을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제2 포집 분리막 모듈 및 제2 회수 분리막 모듈을 포함하는 배가스 내 이산화탄소 포집 공정을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제2 및 제3 포집 분리막 모듈을 포함하는 배가스 내 이산화탄소 포집 공정을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제2 및 제3 포집 분리막 모듈을 포함하는 배가스 내 이산화탄소 포집 공정을 도시한 것이다.
이하 상기 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 공정 및 장치를 더욱 상세하게 설명하도록 한다.
배가스를 제1 압축기로 압축하는 단계
먼저 배가스 (131)를 제1 압축기 (102)로 압축한다.
본 명세서에서 배가스 (배기가스)란, 발전설비, 제철소, 화학공장 등으로부터 배출되는 가스를 의미하며, 주로 화석연료 (탄화수소)의 연소 반응에 의하여 생성되어 이산화탄소 및 수분을 기본적으로 함유하고, 산소-함유 기체 또는 산화제로서 공기를 제공할 경우에는 질소, 그리고 미사용된 산소를 더 포함할 수 있다. 또한, 연소 공정의 원료 내 불순물로부터 기인하는 가스 성분, 예를 들면 황화수소, 황산화물, 질소산화물, 염산, 수은 등의 불순물도 함유될 수 있으나, 이러한 불순물은 미량으로 존재하거나, 일부는 실질적으로 함유되지 않을 수 있다.
일반적으로 배가스는 고온 상태로 포집될 수 있는 바, 상기 배가스는 열교환기 (101)로 냉각된 후 제1 압축기 (102)에 도입될 수 있다. 배가스 냉각시 배가스의 온도가 상온, 보다 구체적으로는 15 내지 50 ℃가 되도록 냉각하는 것이 바람직하다.
배가스는 제1 압축기 (102)로 압축되며, 압축기에 도입되는 배가스의 압력은 1.0 내지 1.5 bar 범위의 상압일 수 있다. 이때 상기 압축을 통해 후술할 제1 포집 분리막 (104)에서의 분리 공정을 수행할 압력비를 구현한다. 예시적인 구현예에 따르면, 상기 배가스는 후술하는 제2 포집 분리막 잔류 기체 (139), 제3 포집 분리막 투과 기체 (142) 또는 제1 회수 분리막 투과 기체 (150)와 조합되어 상기 제1 압축기 (102)에 투입될 수 있다. 이를 통해 포집 이산화탄소의 회수율을 높이고 이산화탄소의 분리효율을 향상시킬 수 있다.
상기 제1 압축기 (102)는 공급되는 기체 (132)를 2 내지 5 bar, 바람직하게는 2.2 내지 3.5 bar의 압력으로 압축하는 것일 수 있다.
액화 공정 내 흐르는 기체가 수분을 함유하고 있는 경우, 액화 공정에서 물이 얼어 계측기와 같은 기기의 손상 및 고장의 원인이 될 수 있다. 이에 상기 압축된 기체는 후술할 액화공정에 공급되기 이전에 건조기를 통해 수분을 제거한다. 건조단계를 거친 기체 흐름의 수분 함량은 예를 들면 약 50 ppm 이하, 약 30 ppm 이하, 보다 구체적으로 약 10 ppm 이하일 수 있으며, 더욱 더 구체적으로는 수분을 실질적으로 거의 함유하지 않을 수 있다. 바람직하게는 후술할 제1 포집 분리막 (104)에 공급되는 기체 또는 제2 압축기 (110) 후단 기체 중 어느 하나 이상의 수분을 제거하는 것일 수 있다.
상기 압축된 배가스를 제1 포집 분리막에 투과시켜 상기 제1 포집 분리막을 투과하는 제1 포집 분리막 투과 기체 및 상기 제1 포집 분리막을 투과하지 못하는 제1 포집 분리막 잔류 기체를 수득하는 단계
상기 압축된 배가스를 제1 포집 분리막 (104)에 투입시켜, 상대적으로 이산화탄소가 풍부한 제1 포집 분리막 투과 기체 (135) 및 이산화탄소가 희박한 제1 포집 분리막 잔류 기체 (136)를 분리 및 수득한다.
상기 분리막을 통한 기체의 분리 공정은 용해-확산 메커니즘을 통하여 이루어지는 것일 수 있다. 이때 제1 포집 분리막 (104)의 이산화탄소 투과도 (GPU) 및 이산화탄소 선택도 (예를 들어, CO2/N2)에 따라 분리 효율이 달라지게 된다.
상기 제1 포집 분리막 (104)은 폴리설폰 (PSF) 또는 폴리이미드 (PI) 중 어느 하나 이상의 재질로 이루어진 것일 수 있다.
상기 제1 포집 분리막 (104), 후술할 제2 포집 분리막 (106) 또는 제3 포집 분리막 (108)을 이용한 분리 공정은 상온에서 수행되는 것일 수 있으며, 폴리설폰 및 폴리이미드 분리막 소재 특성을 고려할 때 저온에서 수행될 수 있다면 바람직하다.
상기 제1 포집 분리막 투과 기체의 투과부에 진공펌프 (105)를 추가로 설치하여 분리 효율을 향상 시킬 수 있다.
상기 제1 포집 분리막 잔류 기체 (136)는 외부로 배출되는 것일 수 있다.
본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 공정은 배가스 내 이산화탄소 농도에 따라 제2 포집 분리막 (106) 또는 제2 포집 분리막 (106)과 제3 포집 분리막 (108)을 이용한 분리막 공정을 추가적으로 도입할 수 있다. 배가스 내 이산화탄소 농도가 충분히 높은 경우 제1 포집 분리막 (104)만으로 충분하지만, 배가스 내 이산화탄소 농도가 낮을수록 제2 포집 분리막 (106) 또는 제2 포집 분리막 (106)과 제3 포집 분리막 (108)을 추가적으로 도입하여 이산화탄소 회수율을 증가시키는 것이 바람직하다.
상기 제1 포집 분리막 투과 기체를 제2 포집 분리막에 투과시켜 상기 제2 포집 분리막을 투과하는 제2 포집 분리막 투과 기체 및 상기 제2 포집 분리막을 투과하지 못하는 제2 포집 분리막 잔류 기체를 수득하는 단계
본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 공정이 제2 포집 분리막 공정을 더 포함할 때, 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (137)를 제2 포집 분리막 (106)에 투과시켜 제2 포집 분리막을 투과하는 제2 포집 분리막 투과 기체 (138) 및 상기 제2 포집 분리막을 투과하지 못하는 제2 포집 분리막 잔류 기체 (139)를 수득한다.
상기 제2 포집 분리막 투과 기체 (138)는 상기 제1 포집 분리막 (104) 투과 기체보다 이산화탄소 농도가 증가하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 포집 분리막 투과 기체 (138)의 투과부에 진공펌프 (107)를 추가로 설치하여 이를 통해 분리막 전후의 압력비를 높여 분리 효율을 향상 시킨 후 상압 또는 이와 근사한 압력으로 상기 제2 포집 분리막 투과 기체 (143)를 배출시킨다.
상기 제2 포집 분리막 (106)은 폴리설폰 (PSF) 또는 폴리이미드 (PI) 중 어느 하나 이상의 재질로 이루어진 것일 수 있다.
상기 제2 포집 분리막 (106)을 투과하지 못하는 제2 포집 분리막 잔류 기체 (139)는 상기 제1 압축기 (102)에 공급되는 상기 배가스와 혼합시켜 순환시키거나 도 4에 도시된 바와 같이, 제3 포집 분리막 (108)에 공급될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 배가스 중 이산화탄소 농도가 매우 낮을 경우, 이산화탄소 회수율을 높이기 위하여 추가적으로 제3 포집 분리막 공정을 도입할 수 있다. 도 4에 도시한 바와 같이 제3 포집 분리막 (108)에 상기 제2 포집 분리막 잔류 기체가 투입될 수도 있고, 도 5에 도시한 바와 같이 제3 포집 분리막 (108)에 상기 제2 포집 분리막 투과 기체가 투입될 수도 있다. 이때 제3 포집 분리막 투과부에 진공펌프 (109)를 추가로 설치할 수 있다.
도 4에 도시한 바와 같이 본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 공정이 제2 포집 분리막 잔류 기체 (141)를 제3 포집 분리막 (108)에 투과시키는 단계;를 더 포함할 때, 제3 포집 분리막 투과 기체 (140)는 상기 제1 압축기 (102)로 순환되는데, 이때 이산화탄소가 농축되어 분리효율이 높아질 수 있을 뿐 아니라, 제1 압축기에 순환되는 기체의 유량이 감소하여 압축 시 필요한 에너지를 현저하게 감소시켜 공정 경제성을 증가시킬 수 있다.
도 5에 도시한 바와 같이 본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 공정이 제2 포집 분리막 투과 기체 (143)를 제3 포집 분리막 (108) 투과시키는 단계;를 더 포함할 때, 상기 제2 포집 분리막 (106)을 투과하는 제2 포집 분리막 투과 기체 (143)는 후술할 제2 압축기 (110)로 바로 압축되지 않고, 상기 제3 포집 분리막 (108)을 투과하게 된다. 그 다음, 제3 포집 분리막 투과 기체 (140)는 제2 압축기 (110)에 공급되어 압축되고, 상기 제3 포집 분리막 (108)을 투과하지 못하는 제3 포집 분리막 잔류 기체 (141)는 상기 제2 포집 분리막 (106)에 공급되는 상기 기체와 혼합시켜 순환시킬 수 있다.
상기 제3 포집 분리막 투과 기체 (140)는 상기 제2 포집 분리막 투과 기체 (143)보다 이산화탄소 농도가 증가하는 것을 특징으로 한다.
상기 제3 포집 분리막 (108)은 폴리설폰 (PSF) 또는 폴리이미드 (PI) 중 어느 하나 이상의 재질로 이루어진 것일 수 있다.
제2 압축기 전단 기체를 제2 압축기로 압축하는 단계
제2 압축기로 공급되는 제2 압축기 전단 기체를 압축하여 후술할 액화 공정에 요구되는 압력을 형성시킨다. 이때 압축된 기체의 압력은 22 내지 50 bar, 바람직하게는 22 내지 31 bar일 수 있다.
상기 제2 압축기 전단 기체는 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (137), 상기 제2 포집 분리막 투과 기체 (143) 및 상기 제3 포집 분리막 투과 기체 (142) 중 어느 하나 또는 이와 후술할 제1 회수 분리막 투과 기체가 혼합된 기체를 의미할 수 있다.
상기 제2 압축기로 압축된 기체를 제1 열교환기로 냉각하는 단계
전술한 바와 같이, 상기 제2 압축기 (110)로 압축된 기체를 상기 제1 열교환기 (112, condenser)에 공급하기 전, 상기 제2 압축기 후단 기체 (144)의 수분을 제거하는 단계를 더 포함한다. 일반적으로 압축기에 수분을 제거하는 쿨러가 포함되어 있어 이를 이용하여 수분을 제거할 수 있지만 액화공정에서 미량의 수분의 결빙을 방지하기 위해 수분 제거 단계가 필요하다.
상기 압축된 제2 압축기 후단 기체 (144)를 제1 열교환기 (112)로 냉각하여 후술할 분리탑 (113)에서 분리정제 및 이산화탄소를 액화시키기에 적합한 온도로 냉각시킨다. 이때 상기 제1 열교환기의 냉매로는 프레온, 질소 및 프로필렌 등을 사용할 수 있으며, 상기 냉각된 기체의 온도는 -35 내지 -18 ℃일 수 있다.
상기 제1 열교환기로 냉각된 기체를 분리탑에 공급하여 분리정제 과정을 통해 상부에서 이산화탄소 함유 기체를 수득하고, 하부에서 고순도 이산화탄소 액체를 회수하는 단계
상기 냉각된 분리탑 공급 기체 (147)은 분리탑 (113)로 이송되어, 분리정제 과정을 통해 고순도의 액체 이산화탄소가 하단에 생산된다. 상기 분리탑 (113)의 단 또는 트레이 수는 6 내지 10 개로 형성되는 것일 수 있으며, 이산화탄소 순도 및 다른 공정 조건을 고려하여 변경 가능하다.
분리탑 (113) 하부에서 회수되는 고순도 이산화탄소 액체 (148)의 이산화탄소 몰농도는 99% 이상일 수 있고, 이산화탄소 용도에 따라 99.9% 이상일 수 있다.
상기 이산화탄소 함유 기체를 제1 회수 분리막에 투과시켜 상기 제1 회수 분리막을 투과하는 제1 회수 분리막 투과 기체를 순환시키는 단계
전술한 분리막 공정 및 분리탑 (113) 공정을 통해 고순도의 이산화탄소가 회수되었지만, 배가스에 함유된 이산화탄소를 100% 회수할 수는 없다. 따라서, 본 발명에서는 상기 분리탑 (113)을 거쳐 상부에서 수득되는 이산화탄소 함유 기체 (149)의 잔여 이산화탄소를 회수하는 회수 분리막 공정을 더 포함하여 고순도의 이산화탄소 액체가 회수될 수 있게 하였으며, 배출되는 이산화탄소의 양을 현저하게 감소시켰다.
상기 이산화탄소 함유 기체 (149)는 제1 회수 분리막 (114)에 투과되어 이산화탄소 농도가 높은 기체 흐름인 제1 회수 분리막 투과 기체 (150)와, 잔류되어 상대적으로 이산화탄소 농도가 낮은 기체 흐름인 제1 회수 분리막 잔류 기체 (151)로 분리되어 수득된다.
본 발명은 분리탑 (113)을 통한 이산화탄소 액화 공정 이후 분리탑 (113) 상부에서 수득되는 이산화탄소 함유 기체 (149)의 이산화탄소를 회수하는 공정에 있어서, 액화 공정을 거친 기체의 저온 상태에서 분리막을 이용하여 이산화탄소를 회수함으로써 분리효율을 높이기 위한 추가적인 압축 또는 냉각 공정 없이 이산화탄소 선택도가 향상되어 분리 효율이 현저하게 향상되는 것을 특징으로 한다. 이때 상기 제1 회수 분리막 및 후술할 제2 회수 분리막을 이용한 공정은 액화 공정 이후 추가적인 공정 (예를 들어, 압축 또는 냉각) 없이 저온 상태에서 이루어지는 것일 수 있으며, 보다 구체적으로는 -40 내지 -10 ℃, 바람직하게는 -35 내지 -18 ℃에서 수행되는 것일 수 있다.
상기 제1 회수 분리막 (114)는 폴리설폰 (PSF) 또는 폴리이미드 (PI) 중 어느 하나 이상의 재질인 것일 수 있다. 하기 표 1은 폴리설폰 (PSF) 또는 폴리이미드 (PI) 재질의 분리막의 온도에 따른 선택도를 나타낸 것이다. 하기 표 1에 나타낸 바와 같이, 폴리설폰 (PSF) 또는 폴리이미드 (PI) 재질의 분리막은 저온에서 이산화탄소 선택도가 크게 증가하는 것을 알 수 있다.
구분 PSF PI
온도 CO2/N2 CO2/O2 O2/N2 CO2/N2 CO2/O2 O2/N2
-20℃ 75.9 10.5 7.3 69.9 9.9 7.1
-10℃ 57.9 9.1 6.4 55.2 9.6 5.8
0℃ 43.2 7.2 6.0 39.4 8.2 4.8
10℃ 34.5 6.1 7.7 31.9 7.3 4.4
20℃ 31.0 5.7 5.4 29.9 7.5 4.0
반면, 폴리설폰 (PSF) 또는 폴리이미드 (PI) 이외의 폴리아미드 (polyamide) 또는 폴리에테르 (polyether) 등과 같은 타 재질의 분리막은 저온에서 이산화탄소 선택도 향상 효과가 미미하여 저온 공정을 적용하기에 부적합하였다.
상기 이산화탄소 함유 기체 중 제1 회수 분리막 (114)을 투과한 저온의 제1 회수 분리막 투과 기체 (150)는 포집 분리막 종류 및 개수에 따라 상기 제1 압축기 (102), 상기 제1 포집 분리막 (104), 상기 제2 포집 분리막 (106), 제3 포집 분리막 (108) 또는 상기 제2 압축기 (110) 중 어느 하나에 공급되는 기체와 혼합되어 순환될 수 있다. 이를 통해 회수되는 이산화탄소의 양을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 기체의 온도를 감소시켜 공정효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 냉각하는 단계에서 소요되는 에너지를 최소화시키기 위하여 상기 제1 회수 분리막 잔류 기체 (151)의 냉열을 회수하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 이때 상기 제1 회수 분리막 잔류 기체 (151)은 상기 제1 압축기 (102), 상기 제1 포집 분리막 (104), 상기 제2 포집 분리막 (106), 상기 제3 포집 분리막 (108), 상기 제2 압축기 (110) 또는 상기 제1 열교환기 (112) 중 어느 하나에 공급되는 기체와 열교환하여 수행되는 것일 수 있다.
상기 제1 회수 분리막을 투과하지 못하는 제1 회수 분리막 잔류 기체를 제2 회수 분리막에 투과시켜 상기 제2 회수 분리막을 투과한 제2 회수 분리막 투과 기체를 순환시키는 단계
본 발명의 바람직한 일 구현예에 따르면, 도 3에 도시한 바와 같이 상기 이산화탄소 함유 기체를 제1 회수 분리막에 투과시키는 단계 이후에 상기 제1 회수 분리막을 투과하지 못하는 제1 회수 분리막 잔류 기체를 제2 회수 분리막에 투과시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 회수 분리막 잔류 기체 (151)은 여전히 이산화탄소를 함유하고 있어, 제2 회수 분리막 공정을 더 포함함으로써 회수되지 못하고 배출되는 이산화탄소의 양을 최소화시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 공정이 제2 회수 분리막 공정을 더 포함할 때, 상기 제1 회수 분리막 (147) 투과 기체는 상기 제2 압축기 (110)로 순환되는 것일 수 있다.
상기 제1 회수 분리막 잔류 기체는 상기 제2 회수 분리막 (115)를 투과하여 상대적으로 이산화탄소 농도가 높아진 제2 회수 분리막 투과 기체 (152)와 이산화탄소 농도가 낮아진 제2 회수 분리막 잔류 기체 (153)로 분리되며, 상기 제2 회수 분리막 투과 기체 (152)는 상기 제1 압축기 (102), 제1 포집 분리막 (104), 제2 포집 분리막 (106) 또는 제3 포집 분리막 (108)으로 순환된다. 이때 원료 기체의 이산화탄소 함량이 높아져 분리 효율을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 이산화탄소의 배출을 최소화시키고 회수율을 향상시킬 수 있다. 이때 상기 제1 회수 분리막 투과 기체 (150)은 상기 제2 압축기 (110)로 순환될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 제2 회수 분리막 잔류 기체 (153)의 냉열을 회수하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 이때 상기 제2 회수 분리막 잔류 기체 (153)의 냉열을 회수하는 단계는 상기 제1 압축기 (102), 상기 제1 포집 분리막 (104), 상기 제2 포집 분리막 (106), 상기 제3 포집 분리막 (108), 상기 제2 압축기 (110) 및 상기 제1 열교환기 (112) 중 어느 하나에 공급되는 기체와 열교환하여 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 가장 바람직한 구현예에 따르면,
본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 공정은 제2 포집 분리막을 이용한 분리 공정을 포함하고,
상기 이산화탄소 함유 기체를 제1 회수 분리막에 투과시키는 단계 이후에, 상기 제1 회수 분리막을 투과하지 못하는 제1 회수 분리막 잔류 기체를 제2 회수 분리막에 투과시켜 상기 제2 회수 분리막을 투과하는 제2 회수 분리막 투과 기체를 상기 제2 포집 분리막으로 순환시키는 단계;를 더 포함하고,
상기 제1 회수 분리막 투과 기체는 상기 제2 압축기로 순환되는 것이고,
상기 제1 압축기는 상기 배가스를 2.2 내지 3.5 bar 압력으로 압축하는 것이고,
상기 제2 압축기는 공급받는 기체를 22 내지 31 bar로 압축하는 것이고,
상기 제1 열교환기로 냉각하는 단계의 냉각은 -35 내지 -18 ℃가 되도록 수행되는 것이고,
상기 이산화탄소 함유 기체를 제1 회수 분리막에 투과시키는 단계는 상기 제1 회수 분리막의 온도를 -35 내지 -18 ℃ 범위에서 유지하며 수행되는 것이고,
상기 제1 회수 분리막 잔류 기체를 제2 회수 분리막에 투과시키는 단계는 상기 제2 회수 분리막의 온도를 -35 내지 -18 ℃ 범위에서 유지하며 수행되는 것이고,
상기 제1 포집 분리막, 상기 제2 포집 분리막, 상기 제1 회수 분리막 및 상기 제2 회수 분리막은 서로 독립적으로 폴리설폰 (PSF) 및 폴리이미드 (PI) 중 어느 하나 이상의 재질로 이루어진 것일 수 있다.
본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 공정이 상기 가장 바람직한 구현예 조건들을 모두 만족할 경우에만, 이산화탄소 회수율이 90% 내외로 달성이 가능함을 확인하였다.
한편, 본 발명의 또 다른 측면은 배가스를 압축시키는 제1 압축기; 상기 압축된 배가스가 투과되는 제1 포집 분리막, 상기 제1 포집 분리막을 투과하는 기체를 배출하는 제1 포집 분리막 투과 기체 배출부 및 상기 제1 포집 분리막을 투과하지 못한 기체를 배출하는 제1 포집 분리막 잔류 기체 배출부를 포함하는 제1 포집 분리막 모듈; 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 배출부로부터 배출되는 기체를 압축시키는 제2 압축기; 상기 제2 압축기로 압축된 기체를 냉각하는 제1 열교환기; 상기 냉각된 기체를 공급받는 분리탑, 이산화탄소 함유 기체가 수득되는 상단부 및 고순도 이산화탄소 액체가 수득되는 하단부를 포함하는 이산화탄소 정제 분리탑; 및 상기 상단부에서 수득되는 이산화탄소 함유 기체가 투과되는 제1 회수 분리막 및 상기 제1 회수 분리막을 투과하는 기체를 상기 제1 압축기, 상기 제1 포집 분리막 또는 상기 제2 압축기로 순환시키는 제1 회수 분리막 투과 기체 순환부를 포함하는 제1 회수 분리막 모듈;을 포함하는 배가스 내 이산화탄소 포집 장치를 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면은 배가스를 압축시키는 제1 압축기; 상기 압축된 배가스가 투과되는 제1 포집 분리막, 상기 제1 포집 분리막을 투과하는 기체를 배출하는 제1 포집 분리막 투과 기체 배출부 및 상기 제1 포집 분리막을 투과하지 못한 기체를 배출하는 제1 포집 분리막 잔류 기체 배출부를 포함하는 제1 포집 분리막 모듈; 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 배출부로부터 배출되는 기체가 투과되는 제2 포집 분리막, 상기 제2 포집 분리막을 투과하는 기체를 배출하는 제2 포집 분리막 투과 기체 배출부 및 상기 제2 포집 분리막을 투과하지 못한 기체를 배출하는 제2 포집 분리막 잔류 기체 배출부를 포함하는 제2 포집 분리막 모듈; 상기 제2 포집 분리막 투과 기체 배출부로부터 배출되는 기체를 압축시키는 제2 압축기; 상기 제2 압축기로 압축된 기체를 냉각하는 제1 열교환기; 상기 냉각된 기체를 공급받는 분리탑, 이산화탄소 함유 기체가 수득되는 상단부 및 고순도 이산화탄소 액체가 수득되는 하단부를 포함하는 이산화탄소 정제 분리탑; 및 상기 상단부에서 수득되는 이산화탄소 함유 기체가 투과되는 제1 회수 분리막 및 상기 제1 회수 분리막을 투과하는 기체를 상기 제2 포집 분리막 또는 상기 제2 압축기로 순환시키는 제1 회수 분리막 투과 기체 순환부를 포함하는 제1 회수 분리막 모듈;을 포함하는 배가스 내 이산화탄소 포집 장치를 제공한다.
배가스 (131)는 제1 압축기 (102)에 주입된다. 상기 제1 압축기 (102)에 주입되는 배가스는 일반적으로 고온 상태이므로 본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 장치는 상기 배가스의 온도를 상온 부근으로 낮추는 열교환기 (101)를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 압축기 (102)는 후술할 제1 포집 분리막 (104) 모듈에서 분리 공정을 수행할 압력비를 구현하기 위하여 1.0 내지 1.5 bar 범위의 상압을 갖는 배가스를 2 내지 5 bar, 바람직하게는 2.2 내지 3.5 bar의 압력으로 압축한다. 예시적인 구현예에 따르면, 상기 배가스는 후술하는 제2 포집 분리막 잔류 기체 (139), 제3 포집 분리막 투과 기체 (142) 또는 제1 회수 분리막 투과 기체 (150)와 조합되어 상기 제1 압축기 (102)에 투입될 수 있다.
본 발명의 이산화탄소 포집 장치는 배가스 또는 분리막 투과 기체의 수분을 제거하는 건조기를 더 포함할 수 있으며, 상기 건조기는 기체 흐름의 수분 함량을 약 50 ppm 이하, 약 30 ppm 이하, 보다 구체적으로 약 10 ppm 이하, 더욱 더 구체적으로는 수분을 실질적으로 함유하지 않도록 수분을 제거하는 것일 수 있다. 이때 상기 건조기는 본 발명의 이산화탄소 포집 장치 내 한 개 또는 복수 개 존재할 수 있으며, 바람직하게는 후술할 제1 포집 분리막 (104)에 공급되는 기체 또는 제2 압축기 (110) 후단 기체 중 어느 하나 이상의 수분을 제거하는 것일 수 있다.
상기 제1 포집 분리막 모듈은 제1 포집 분리막 (104), 제1 포집 분리막 투과 기체 (135) 배출부 및 제1 포집 분리막 잔류 기체 (136) 배출부를 포함하며, 상기 제1 압축기 (102)로 압축된 배가스는 제1 포집 분리막 (104)에 공급되게 된다.
상기 제1 포집 분리막 (104)은 폴리설폰 (PSF) 및 폴리이미드 (PI) 중 어느 하나 이상의 재질로 이루어진 것일 수 있다.
상기 제1 포집 분리막 (104), 후술할 제2 포집 분리막 (106) 및 제3 포집 분리막 (108)을 이용한 분리 공정 중 어느 하나 이상은 상온에서 수행되는 것일 수 있으며, 폴리설폰 및 폴리이미드 분리막 소재 특성을 고려할 때 저온에서 수행될 수 있다면 바람직하다.
상기 제1 압축기 (102)에서 압축된 배가스는 상기 제1 포집 분리막 (104)에 투입되어 이산화탄소가 풍부한 제1 포집 분리막 투과 기체 (135) 및 이산화탄소가 희박한 제1 포집 분리막 잔류 기체 (136)로 분리된다.
본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 장치는 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 배출부, 상기 제2 포집 분리막 투과 기체 배출부 및 상기 제3 포집 분리막 투과 기체 배출부에 설치되는 진공 펌프를 더 포함할 수 있으며, 이를 통해 분리막 전후의 압력비를 높여 분리 효율을 향상 시킨다.
상기 제1 포집 분리막 잔류 기체 (136)는 외부로 배출되는 것일 수 있다.
본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 장치는 배가스 내 이산화탄소 농도에 따라 제2 포집 분리막 (106) 모듈 또는 제2 포집 분리막 (106) 모듈과 제3 포집 분리막 (108) 모듈을 추가적으로 포함할 수 있다. 배가스 내 이산화탄소 농도가 충분히 높은 경우 제1 포집 분리막 (104) 모듈만으로 충분하지만, 배가스 내 이산화탄소 농도가 낮을수록 제2 포집 분리막 (106) 모듈 또는 제2 포집 분리막 (106) 모듈과 제3 포집 분리막 (108) 모듈을 추가적으로 도입하여 이산화탄소 회수율을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 장치가 제1 포집 분리막 (104) 모듈만을 포함할 경우, 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (135)는 제2 압축기 (110)로 압축되고, 만약 제2 포집 분리막 모듈을 더 포함할 경우 제2 포집 분리막 (106)에 투입된다.
제2 포집 분리막 (106) 모듈은 제2 포집 분리막 (106), 상기 제2 포집 분리막 (106)을 투과하는 기체를 배출하는 제2 포집 분리막 투과 기체 (138) 배출부, 상기 제2 포집 분리막을 투과하지 못하는 기체를 배출하는 제2 포집 분리막 잔류 기체 (139) 배출부를 포함한다.
상기 제1 포집 분리막 투과 기체 배출부에서 배출되는 기체 (135)는 상기 제2 포집 분리막 (106)에 투입되어, 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (135) 보다 이산화탄소 농도가 증가된 제2 포집 분리막 투과 기체 (138)와 상대적으로 이산화탄소 농도가 낮은 제2 포집 분리막 잔류 기체 (139)로 분리된다.
본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 장치는 상기 제2 포집 분리막 투과 기체 배출부에 진공 펌프 (107)를 더 포함할 수 있으며, 이를 통해 제2 포집 분리막 (106)을 통한 분리 효율을 높일 수 있다.
상기 제2 포집 분리막 (106)을 투과하지 못하는 제2 포집 분리막 잔류 기체 (139)는 상기 제1 압축기 (102)에 공급되는 상기 배가스 (132)와 혼합시켜 순환시킴으로써 이산화탄소 회수율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 있어서, 제3 포집 분리막 (108)을 포함하는 제3 포집 분리막 (108) 모듈을 더 포함할 수 있다. 이때, 도 4에 도시한 바와 같이 제3 포집 분리막 (108)에 상기 제2 포집 분리막 잔류 기체 (139)가 투입될 수도 있고, 도 5에 도시한 바와 같이 제3 포집 분리막 (108)에 상기 제2 포집 분리막 투과 기체 (138)가 투입될 수도 있다.
도 4에 도시한 바와 같이 본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 장치가 제2 포집 분리막 잔류 기체 (139)가 투과되는 제3 포집 분리막 (108) 모듈을 포함할 때, 제3 포집 분리막 투과 기체 (140)는 상기 제1 압축기 (102)로 순환되는데, 이때 이산화탄소가 농축되어 분리효율이 높아질 수 있을 뿐 아니라, 제1 압축기 (102)에 공급되는 순환 기체의 유량을 감소시켜 압축시 필요한 에너지를 현저하게 감소시킴으로써 공정 경제성을 증가시킬 수 있다.
도 5에 도시한 바와 같이 본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 공정이 제2 포집 분리막 투과 기체 (143)가 투과되는 제3 포집 분리막 (108) 모듈을 포함할 때, 상기 제2 포집 분리막 (106)을 투과하는 제2 포집 분리막 투과 기체 (143)는 후술할 제2 압축기 (110)로 바로 압축되지 않고, 상기 제3 포집 분리막 (108)을 투과하게 된다. 이때 상기 제2 포집 분리막 투과 기체 (138) 보다 이산화탄소 농도가 증가된 제3 포집 분리막 투과 기체 (140)와 상대적으로 이산화탄소 농도가 낮은 제3 포집 분리막 잔류 기체 (141)로 분리된다. 상기 제2 포집 분리막 투과 기체 (138) 중 제3 포집 분리막 투과 기체 (140)만 제2 압축기 (110)에 공급되어 압축된다. 상기 제3 포집 분리막 (108)을 투과하지 못하는 제3 포집 분리막 잔류 기체(141)는 상기 제2 포집 분리막 (106)에 공급되는 상기 기체와 혼합시켜 순환시킬 수 있다.
상기 제3 포집 분리막 투과기체 배출부에 진공펌프 (109)를 추가로 설치할 수 있다.
상기 제1 내지 제3 포집 분리막은 서로 독립적으로 폴리설폰 (PSF) 또는 폴리이미드 (PI) 중 어느 하나 이상의 재질로 이루어진 것일 수 있다.
상기 제2 압축기 (110)는 제2 압축기 전단 기체를 압축하여 후술할 액화 공정에 요구되는 압력을 형성시킨다. 이때 압축된 기체의 압력은 22 내지 50 bar, 바람직하게는 22 내지 31 bar 일 수 있다.
상기 제2 압축기 전단 기체는 상기 제1 포집 분리막 투과 기체 (137), 상기 제2 포집 분리막 투과 기체 (143) 및 상기 제3 포집 분리막 투과 기체 (142) 중 어느 하나 또는 이와 후술할 제1 회수 분리막 투과 기체가 혼합된 기체를 의미할 수 있다.
상기 제1 열교환기 (112)는 상기 제2 압축기 (110)로 압축된 기체를 공급받아 후술할 분리탑 (113)에서 이산화탄소를 생산에 적합한 온도, 구체적으로는 -35 내지 -18 ℃의 온도로 냉각시킨다.
상기 이산화탄소 정제 분리탑은 상기 냉각된 기체를 공급받는 분리탑 (113), 이산화탄소 함유 기체 (149)가 수득되는 상단부 및 고순도 이산화탄소 액체 (148)가 수득되는 하단부를 포함한다.
상기 냉각된 기체 (147)는 상기 분리탑 (113)에 공급되어 분리정제 과정을 통해 하단부에서 고순도 이산화탄소 액체 (148)가 수득되고, 상단부에서 이산화탄소 함유 기체 (149)가 수득된다.
상기 하단부에서 수득되는 고순도 이산화탄소 액체 (148)의 이산화탄소 몰농도는 99% 이상일 수 있고, 이산화탄소 용도에 따라 99.9% 이상일 수 있다.
상기 제1 회수 분리막 (114) 모듈은 상기 상단부에서 수득되는 이산화탄소 함유 기체 (149)가 투과되는 제1 회수 분리막 (114), 상기 제1 회수 분리막을 투과하는 기체 (150)를 상기 제1 압축기 (102), 상기 제1 포집 분리막 (104), 상기 제2 포집 분리막 (106), 제3 포집 분리막 (108) 또는 상기 제2 압축기 (110)로 순환시키는 제1 회수 분리막 투과 기체 순환부를 포함한다.
본 발명에서는 상기 분리탑 (113)을 거쳐 상부에서 수득되는 이산화탄소 함유 기체 (149)의 잔여 이산화탄소를 회수하는 제1 회수 분리막 (114) 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하여, 이산화탄소가 회수될 수 있게 하였으며, 배출되는 이산화탄소의 양을 감소시켰다.
상기 이산화탄소 정제 분리탑의 상단부에서 수득되는 이산화탄소 함유 기체 (149)는 상기 제1 회수 분리막 (114)에 투입되어 상대적으로 이산화탄소 농도가 높은 제1 회수 분리막 투과 기체 (150)와, 잔류되어 상대적으로 이산화탄소 농도가 낮은 기체 흐름 (151)으로 분리되어 수득된다.
이때 상기 제1 회수 분리막 (114) 및 후술할 제2 회수 분리막 (115)을 이용한 공정은 액화 공정 이후 추가적인 공정 (예를 들어, 압축 또는 냉각) 없이 저온 상태에서 이루어지는 것일 수 있으며, 보다 구체적으로는 -40 내지 -10 ℃, 바람직하게는 -35 내지 -18 ℃에서 수행되는 것일 수 있다.
이때 상기 제1 회수 분리막 (114)는 폴리설폰 (PSF) 또는 폴리이미드 (PI) 재질인 것일 수 있다. 상기 제1 회수 분리막 (114)이 폴리설폰 (PSF) 또는 폴리이미드 (PI) 이외의 재질일 경우, 저온에서 이산화탄소 선택도 향상 효과가 미미하여 저온 공정을 적용하기에 부적합하다.
상기 이산화탄소 함유 기체 중 제1 회수 분리막 (114)을 투과한 저온의 제1 회수 분리막 투과 기체 (150)는 상기 제1 압축기 (102), 상기 제1 포집 분리막 (104), 상기 제2 포집 분리막 (106), 제3 포집 분리막 (108) 또는 상기 제2 압축기 (110) 중 어느 하나에 공급되는 기체와 혼합되어 순환됨으로써, 회수되는 이산화탄소의 양을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 가스의 온도를 감소시켜 공정효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 제1 회수 분리막 (114)을 투과하지 못하는 제1 회수 분리막 잔류 기체 (151)의 냉열을 회수하는 제2 열교환기;를 더 포함할 수 있다. 이때 상기 제2 열교환기는 상기 제1 회수 분리막 잔류 기체 (151)를 상기 제1 압축기 (102), 상기 제1 포집 분리막 (104), 상기 제2 포집 분리막 (106), 상기 제3 포집 분리막 (108), 상기 제2 압축기 (110) 또는 상기 제1 열교환기 (112) 중 어느 하나에 공급되는 기체와 열교환하여 냉열을 회수하는 것일 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 배가스 내 이산화탄소 포집 장치는 상기 제1 회수 분리막 (114)를 투과하지 못한 제1 회수 분리막 잔류 기체 (151)가 투과되는 제2 회수 분리막 (115) 및 상기 제2 회수 분리막 (115)을 투과한 기체를 상기 제1 압축기 (102), 상기 제1 포집 분리막 (104), 상기 제2 포집 분리막 (106) 또는 상기 제3 포집 분리막 (108)으로 순환시키는 제2 회수 분리막 투과 기체 순환부를 포함하는 제2 회수 분리막 (115) 모듈을 더 포함할 수 있다. 이때 상기 제1 회수 분리막 투과 기체 (150)은 상기 제2 압축기 (110)로 순환될 수 있다.
이때 상기 제2 회수 분리막 (115)을 투과하여 상대적으로 이산화탄소 농도가 상대적으로 높아진 제2 회수 분리막 투과 기체 (152)을 상기 제1 압축기 (102), 상기 제1 포집 분리막 (104), 상기 제2 포집 분리막 (106) 또는 상기 제3 포집 분리막 (108)으로 순환시켜 상기 제1 내지 제3 포집 분리막에 공급되는 원료 기체의 온도를 낮추고 이산화탄소 함량이 높아져 분리 효율을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 이산화탄소의 배출을 최소화시키고 회수율을 현저하게 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 제2 회수 분리막 (115)을 투과하지 못하는 제2 회수 분리막 잔류 기체 (153)의 냉열을 회수하는 제3 열교환기;를 더 포함하고, 상기 제3 열교환기는 상기 제2 회수 분리막 잔류 기체 (153)를 상기 제1 압축기 (102), 상기 제1 포집 분리막 (104), 제2 포집 분리막 (106), 상기 제3 포집 분리막 (108), 상기 제2 압축기 (110) 또는 상기 제1 열교환기 (112) 중 어느 하나에 공급되는 기체와 열교환하여 냉열을 회수하는 것일 수 있다.
이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다.
실시예
도 3에 도시된 바와 같이 공정을 설계하고, 각 흐름에 대하여 하기 표 2에 나타낸 바와 같이 배가스 내 이산화탄소를 포집 및 액화하고, 공정 결과를 하기 표 3에 나타내었다. 이때 제1 포집 분리막 (104), 제2 포집 분리막 (106), 제1 회수 분리막 (114) 및 제2 회수 분리막 (115)는 폴리설폰 (PSF) 재질을 사용하였다.
흐름# 온도(℃) 압력(bar) 조성(몰%) 유량(Nm3/h)
CO2 N2 O2 H2O
131 63.5 1.13 13.6 61.8 1.5 23.1 100,000
132 37 1.1 16.8 76.2 1.9 5.1 81,099
133 37 2.6 16.1 76.9 2.4 4.6 91,126
134 37 2.4 16.9 80.5 2.5 0.05 87,022
135 32 0.3 56.1 39.0 4.7 0.2 23,606
136 37 2.3 2.2 95.9 1.9 - 63,416
137 37 1.1 56.1 39.0 4.7 0.2 23,606
138 35 0.3 88.7 7.0 4.0 0.3 14,161
139 37 1.1 10.9 82.3 6.8 - 10,027
143 35 1.1 88.7 7.0 4.0 0.3 14,161
144 37 24.2 89.4 6.2 4.1 0.3 16,623
146 4 23.6 89.7 6.2 4.1 - 16,581
147 -33 23.2 89.7 6.2 4.1 - 16,581
148 -20.4 22.7 99.0 0.1 0.8 - 12,380
149 -33 21.0 62.0 24.0 14.0 - 4,200
150 -35 1.1 93.7 1.4 4.9 - 2,352
151 -20 20.9 21.2 53.4 25.4 - 1,848
152 -35 1.1 69.0 8.5 22.5 - 554
153 -20 20.8 0.7 72.6 26.7 - 1,294
실시예
CO2 회수율(%) 91
표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 배가스 내 이산화탄소 제거 방법은 이산화탄소 회수율이 91%를 달성할 수 있음을 알 수 있다.
101: 열교환기
102: 제1 압축기
103: 건조기
104: 제1 포집 분리막
105: 진공펌프
106: 제2 포집 분리막
107: 진공펌프
108: 제3 포집 분리막
109: 진공펌프
110: 제2 압축기
111: 건조기
112: 제1 열교환기
113: 분리탑
114: 제1 회수 분리막
115: 제2 회수 분리막
131: 배가스
132: 제1 압축기 전단 기체
133: 제1 압축기 후단 기체
134: 제1 포집 분리막 공급 기체
135: 제1 포집 분리막 투과 기체
136: 제1 포집 분리막 잔류 기체
137: 제1 포집 분리막 투과 기체
138: 제2 포집 분리막 투과 기체
139: 제2 포집 분리막 잔류 기체
140: 제3 포집 분리막 투과 기체
141: 제3 포집 분리막 잔류 기체
142: 제3 포집 분리막 투과 기체
143: 제2 포집 분리막 투과 기체
144: 제2 압축기 후단 기체
145: 건조기 전단 기체
146: 제1 열교환기 공급 기체
147: 분리탑 공급 기체
148: 고순도 이산화탄소 액체
149: 이산화탄소 함유 기체
150: 제1 회수 분리막 투과 기체
151: 제1 회수 분리막 잔류 기체
152: 제2 회수 분리막 투과 기체
153: 제2 회수 분리막 잔류 기체

Claims (24)

  1. (A) 배가스를 제1 압축기로 압축하는 단계;
    (B) 상기 압축된 배가스를 제1 포집 분리막에 투과시켜 상기 제1 포집 분리막을 투과하는 제1 포집 분리막 투과 기체를 수득하는 단계;
    (C) 상기 제1 포집 분리막 투과 기체를 제2 압축기로 압축하는 단계;
    (D) 상기 제2 압축기로 압축된 기체를 제1 열교환기로 냉각하는 단계;
    (E) 상기 냉각된 기체를 분리탑에 공급하여 분리정제 과정을 통해 상기 분리탑 상부에서 이산화탄소 함유 기체를 수득하고, 하부에서 고순도의 이산화탄소 액체를 회수하는 단계; 및
    (F) 상기 이산화탄소 함유 기체를 제1 회수 분리막에 투과시켜 상기 제1 회수 분리막을 투과하는 제1 회수 분리막 투과 기체를 상기 제1 압축기, 상기 제1 포집 분리막 또는 상기 제2 압축기로 순환시키는 단계;를 포함하는 배가스 내 이산화탄소 포집 공정.
  2. (A1) 배가스를 제1 압축기로 압축하는 단계;
    (B1) 상기 압축된 배가스를 제1 포집 분리막에 투과시켜 상기 제1 포집 분리막을 투과하는 제1 포집 분리막 투과 기체 및 상기 제1 포집 분리막을 투과하지 못하는 제1 포집 분리막 잔류 기체를 수득하는 단계;
    (C1) 상기 제1 포집 분리막 투과 기체를 제2 포집 분리막에 투과시켜 상기 제2 포집 분리막을 투과하는 제2 포집 분리막 투과 기체 및 상기 제2 포집 분리막을 투과하지 못하는 제2 포집 분리막 잔류 기체를 수득하는 단계;
    (D1) 상기 제2 포집 분리막 투과 기체를 제2 압축기로 압축하는 단계;
    (E1) 상기 제2 압축기로 압축된 기체를 제1 열교환기로 냉각하는 단계;
    (F1) 상기 냉각된 기체를 분리탑에 공급하여 분리정제 과정을 통해 상기 분리탑 상부에서 이산화탄소 함유 기체를 수득하고, 하부에서 고순도의 이산화탄소 액체를 회수하는 단계; 및
    (G1) 상기 이산화탄소 함유 기체를 제1 회수 분리막에 투과시켜 상기 제1 회수 분리막을 투과하는 제1 회수 분리막 투과 기체를 상기 제2 포집 분리막 또는 상기 제2 압축기로 순환시키는 단계;를 포함하는 배가스 내 이산화탄소 포집 공정.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (F) 단계 이후에,
    상기 제1 회수 분리막을 투과하지 못하는 제1 회수 분리막 잔류 기체를 제2 회수 분리막에 투과시켜 상기 제2 회수 분리막을 투과한 제2 회수 분리막 투과 기체를 상기 제1 압축기 또는 상기 제1 포집 분리막으로 순환시키는 단계;를 더 포함하고, 상기 제1 회수 분리막 투과 기체는 상기 제2 압축기로 순환되는 것을 특징으로 하는 배가스 내 이산화탄소 포집 공정.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 (G1) 단계 이후에,
    상기 제1 회수 분리막을 투과하지 못하는 제1 회수 분리막 잔류 기체를 제2 회수 분리막에 투과시켜 상기 제2 회수 분리막을 투과한 제2 회수 분리막 투과 기체를 상기 제2 포집 분리막으로 순환시키는 단계;를 더 포함하고, 상기 제1 회수 분리막 투과 기체는 상기 제2 압축기로 순환되는 것을 특징으로 하는 배가스 내 이산화탄소 포집 공정.
  5. 제2항에 있어서, 상기 제2 포집 분리막 잔류 기체는 상기 제1 압축기로 순환되는 것을 특징으로 하는 배가스 내 이산화탄소 포집 공정.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 (C1) 단계 이후에 상기 제2 포집 분리막 잔류 기체를 제3 포집 분리막에 투과시켜 상기 제3 포집 분리막을 투과하는 제3 분리막 투과 기체를 상기 제1 압축기에 순환시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배가스 내 이산화탄소 포집 공정.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 (C1) 단계 이후에 상기 제2 포집 분리막 투과 기체를 제3 포집 분리막에 투과시켜 상기 제3 포집 분리막을 투과하는 제3 포집 분리막 투과 기체 및 상기 제3 포집 분리막을 투과하지 못하는 제3 포집 분리막 잔류 기체를 수득하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 제2 포집 분리막 잔류 기체는 상기 제1 압축기로 순환되고,
    상기 제2 포집 분리막 투과 기체 중 상기 제3 포집 분리막 투과기체만 상기 제2 압축기로 압축되고,
    상기 제3 분리막 잔류 기체는 상기 제2 포집 분리막에 순환되는 것을 특징으로 하는 배가스 내 이산화탄소 포집 공정.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 압축기는 공급받는 기체를 22 내지 50 bar로 압축하는 것을 특징으로 하는 배가스 내 이산화탄소 포집 공정.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 이산화탄소 함유 기체를 제1 회수 분리막에 투과시키는 단계는 상기 제1 회수 분리막의 온도를 -40 내지 -10 ℃ 범위에서 유지하며 수행되는 것을 특징으로 하는 배가스 내 이산화탄소 포집 공정.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 회수 분리막을 투과하지 못하는 제1 회수 분리막 잔류 기체의 냉열을 회수하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 냉열을 회수하는 단계는 상기 제1 회수 분리막 잔류 기체를 상기 제1 압축기, 상기 제1 포집 분리막, 상기 제2 압축기 및 상기 제1 열교환기 중 어느 하나에 공급되는 기체와 열교환하여 수행되는 것을 특징으로 하는 배가스 내 이산화탄소 포집 공정.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 포집 분리막은 폴리설폰 (PSF) 또는 폴리이미드 (PI) 중 어느 하나 이상의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 배가스 내 이산화탄소 포집 공정.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 회수 분리막은 폴리설폰 (PSF) 또는 폴리이미드 (PI) 중 어느 하나 이상의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 배가스 내 이산화탄소 포집 공정.
  13. 제2항에 있어서,
    상기 이산화탄소 함유 기체를 제1 회수 분리막에 투과시키는 단계 이후에, 상기 제1 회수 분리막을 투과하지 못하는 제1 회수 분리막 잔류 기체를 제2 회수 분리막에 투과시켜 상기 제2 회수 분리막을 투과하는 제2 회수 분리막 투과 기체를 상기 제2 포집 분리막으로 순환시키는 단계;를 더 포함하고,
    상기 제1 회수 분리막 투과 기체는 상기 제2 압축기로 순환되는 것이고,
    상기 제1 압축기는 상기 배가스를 2.2 내지 3.5 bar 압력으로 압축하는 것이고,
    상기 제2 압축기는 공급받는 기체를 22 내지 31 bar로 압축하는 것이고,
    상기 제1 열교환기로 냉각하는 단계의 냉각은 -35 내지 -18 ℃가 되도록 수행되는 것이고,
    상기 이산화탄소 함유 기체를 제1 회수 분리막에 투과시키는 단계는 상기 제1 회수 분리막의 온도를 -35 내지 -18 ℃ 범위에서 유지하며 수행되는 것이고,
    상기 제1 회수 분리막 잔류 기체를 제2 회수 분리막에 투과시키는 단계는 상기 제2 회수 분리막의 온도를 -35 내지 -18 ℃ 범위에서 유지하며 수행되는 것이고,
    상기 제1 포집 분리막, 상기 제2 포집 분리막, 상기 제1 회수 분리막 및 상기 제2 회수 분리막은 서로 독립적으로 폴리설폰 (PSF) 및 폴리이미드 (PI) 중 어느 하나 이상의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 배가스 내 이산화탄소 포집 공정.
  14. 배가스를 압축시키는 제1 압축기;
    상기 압축된 배가스가 투과되는 제1 포집 분리막, 상기 제1 포집 분리막을 투과하는 기체를 배출하는 제1 포집 분리막 투과 기체 배출부 및 상기 제1 포집 분리막을 투과하지 못한 기체를 배출하는 제1 포집 분리막 잔류 기체 배출부를 포함하는 제1 포집 분리막 모듈;
    상기 제1 포집 분리막 투과 기체 배출부로부터 배출되는 기체를 압축시키는 제2 압축기;
    상기 제2 압축기로 압축된 기체를 냉각하는 제1 열교환기;
    상기 냉각된 기체를 공급받는 분리탑, 이산화탄소 함유 기체가 수득되는 상단부 및 고순도 이산화탄소 액체가 수득되는 하단부를 포함하는 이산화탄소 정제 분리탑; 및
    상기 상단부에서 수득되는 이산화탄소 함유 기체가 투과되는 제1 회수 분리막 및 상기 제1 회수 분리막을 투과하는 기체를 상기 제1 압축기, 상기 제1 포집 분리막 또는 상기 제2 압축기로 순환시키는 제1 회수 분리막 투과 기체 순환부를 포함하는 제1 회수 분리막 모듈;을 포함하는 배가스 내 이산화탄소 포집 장치.
  15. 배가스를 압축시키는 제1 압축기;
    상기 압축된 배가스가 투과되는 제1 포집 분리막, 상기 제1 포집 분리막을 투과하는 기체를 배출하는 제1 포집 분리막 투과 기체 배출부 및 상기 제1 포집 분리막을 투과하지 못한 기체를 배출하는 제1 포집 분리막 잔류 기체 배출부를 포함하는 제1 포집 분리막 모듈;
    상기 제1 포집 분리막 투과 기체 배출부로부터 배출되는 기체가 투과되는 제2 포집 분리막, 상기 제2 포집 분리막을 투과하는 기체를 배출하는 제2 포집 분리막 투과 기체 배출부 및 상기 제2 포집 분리막을 투과하지 못한 기체를 배출하는 제2 포집 분리막 잔류 기체 배출부를 포함하는 제2 포집 분리막 모듈;
    상기 제2 포집 분리막 투과 기체 배출부로부터 배출되는 기체를 압축시키는 제2 압축기;
    상기 제2 압축기로 압축된 기체를 냉각하는 제1 열교환기;
    상기 냉각된 기체를 공급받는 분리탑, 이산화탄소 함유 기체가 수득되는 상단부 및 고순도 이산화탄소 액체가 수득되는 하단부를 포함하는 이산화탄소 정제 분리탑; 및
    상기 상단부에서 수득되는 이산화탄소 함유 기체가 투과되는 제1 회수 분리막 및 상기 제1 회수 분리막을 투과하는 기체를 상기 제2 포집 분리막 또는 상기 제2 압축기로 순환시키는 제1 회수 분리막 투과 기체 순환부를 포함하는 제1 회수 분리막 모듈;을 포함하는 배가스 내 이산화탄소 포집 장치.
  16. 제14항에 있어서, 상기 제1 회수 분리막을 투과하지 못한 기체가 투과되는 제2 회수 분리막 및 상기 제2 회수 분리막을 투과한 기체를 상기 제1 압축기 또는 상기 제1 포집 분리막으로 순환시키는 제2 회수 분리막 투과 기체 순환부를 포함하는 제2 회수 분리막 모듈;을 더 포함하고,
    상기 제1 회수 분리막을 투과하는 기체는 상기 제2 압축기로 순환되는 것을 특징으로 하는 배가스 내 이산화탄소 포집 장치.
  17. 제15항에 있어서, 상기 제1 회수 분리막을 투과하지 못한 기체가 투과되는 제2 회수 분리막 및 상기 제2 회수 분리막을 투과한 기체를 상기 제2 포집 분리막으로 순환시키는 제2 회수 분리막 투과 기체 순환부를 포함하는 제2 회수 분리막 모듈;을 더 포함하고,
    상기 제1 회수 분리막을 투과하는 기체는 상기 제2 압축기로 순환되는 것을 특징으로 하는 배가스 내 이산화탄소 포집 장치.
  18. 제15항에 있어서, 상기 제2 포집 분리막 잔류 기체가 투과되는 제3 포집 분리막, 상기 제3 포집 분리막을 투과하는 기체를 상기 제1 압축기에 순환시키는 제3 포집 분리막 투과 기체 순환부 및 상기 제3 포집 분리막을 투과하지 못한 기체를 배출하는 제3 포집 분리막 잔류 기체 배출부를 포함하는 제3 포집 분리막 모듈;을 더 포함하는 배가스 내 이산화탄소 포집 장치.
  19. 제15항에 있어서, 상기 제2 포집 분리막 투과 기체가 투과되는 제3 포집 분리막, 상기 제3 포집 분리막을 투과하는 기체를 배출하는 제3 포집 분리막 투과 기체 배출부 및 상기 제3 포집 분리막을 투과하지 못한 기체를 상기 제2 포집 분리막에 순환시키는 제3 포집 분리막 잔류 기체 순환부를 포함하는 제3 포집 분리막 모듈;을 더 포함하고,
    상기 제2 포집 분리막을 투과하지 못한 기체는 상기 제1 압축기로 순환되고,
    상기 제2 포집 분리막 투과 기체 중 상기 제3 포집 분리막 투과기체 배출부로부터 배출되는 기체만 상기 제2 압축기로 압축되는 것을 특징으로 하는 배가스 내 이산화탄소 포집 장치.
  20. 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 제2 압축기는 공급받는 기체를 22 내지 50 bar로 압축하는 것을 특징으로 하는 배가스 내 이산화탄소 포집 장치.
  21. 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 제1 회수 분리막의 온도는 -40 내지 -10 ℃인 것을 특징으로 하는 배가스 내 이산화탄소 포집 장치.
  22. 제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 제1 회수 분리막을 투과하지 못하는 제1 회수 분리막 잔류 기체의 냉열을 회수하는 제2 열교환기;를 더 포함하고,
    상기 제2 열교환기는 상기 제1 회수 분리막 잔류 기체를 상기 제1 압축기, 상기 제1 포집 분리막, 상기 제2 압축기 및 상기 제1 열교환기 중 어느 하나에 공급되는 기체와 열교환하는 것을 특징으로 하는 배가스 내 이산화탄소 포집 장치.
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