KR20240069331A - 이산화탄소 정제 시스템 및 이산화탄소 정제 방법 - Google Patents

이산화탄소 정제 시스템 및 이산화탄소 정제 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이산화탄소(CO2)를 포함하는 공급가스를 공급받아 1차 이산화탄소 정제하여 중간가스를 배출하는 막분리 공정 유닛 및 상기 중간가스를 공급받아 2차 이산화탄소 정제하는 압력 변동 흡착(PSA, Pressure Swing Adsorption) 공정 유닛을 포함하는 이산화탄소 정제 시스템을 제공한다.

Description

이산화탄소 정제 시스템 및 이산화탄소 정제 방법{SYSTEM AND METHOD FOR PURIFICATION OF CARBON DIOXIDE}
본 발명은 이산화탄소 정제 시스템 및 이산화탄소 정제 방법에 관한 것이다.
이산화탄소(CO2)는 화력발전,　철강, 시멘트 및 소각로와 같이 화석연료를 사용하는 산업에서 대량으로 배출되며 지구온난화의 주된 원인으로 주목되고 있다. 이에 따라, 전세계적으로　이산화탄소와 같은 온실가스를 감축 및 저감 하기 위한 방법들이 연구되고 있다. 하지만, 화석연료를 대체할 경제성 있는 신재생 에너지가 개발되기 전까지는　이산화탄소를 배출하는 화석연료의 수요는 여전히 증가할 것으로 전망되고 있다.
이에, 화석연료의 안정적인 사용을 위해서는 화석연료의 연소과정에서 발생하는　이산화탄소를 대기로 배출하기 전에 포집한 후 압축 또는 수송하여 안전하게 저장하는 기술인　이산화탄소　포집 및 저장(CCS, Carbon Dioxide Capture & Storage) 기술이 요구되고 있는 실정이다. 특히, 이러한 CCS 기술에 있어 이산화탄소를 높은 순도로 정제할 것이 요구된다.
현재 기체의 분리 및 정제 공정으로서 상용화되어 있는 PSA 공정으로는 공기의 건조 공정, 수소의 정제 및 회수 공정, CH4의 회수공정, 배가스로부터 CO2의 회수공정, 혼합 가스로부터 미량 성분의 제거공정, 그리고 공기로부터 산소와 질소의 분리 및 농축공정 등이 있으며, PSA 공정의 적용성 확대와 공정 개선을 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 다만, 일반적으로 종래의 PSA 공정은 CO2를 분리 또는 탈착 시 배기가스(오프가스, off-gas)에 H2가 함께 배출되어 H2의 손실율이 높다.
또한, 현재 상용되는 고분자 분리막은 유리상 고분자 분리막이 대부분을 차지하고 있으며, 예를 들어 한국등록특허 제 10-1984893 B1호는 유리상 고분자 재질의 다공성 재료를 이용한 기술을 개시하고 있다. 다만 이와 같은 유리상 고분자 분리막의 경우 H2의 투과 속도는 상대적으로 CO2와 비슷하거나 또는 빠르게 투과될 수 있다. 이와 같은 이유로 막 공정을 이용하여 H2/CO2 혼합 기체를 선택적으로 분리하여 H2를 농축하기 위해서는 많은 병렬 구조의 다단 막 공정(muliti-stage membrane system)을 적용하여야 한다. 그래서 유리상 고분자 분리막을 사용하면, 분리막 가동을 위해서는 압력을 높여주어야 하기 때문에 다단 막 공정에서의 운전비용이 상승하여 H2/CO2 혼합기체를 선택적으로 분리하는 공정에서 유리상 분리막은 비효율적이다.
따라서, 종래의 기체 정제 기술의 단점을 극복할 수 있는 혼합형 정제 기술에 관한 요구가 있다.
본 발명의 한 측면은 이산화탄소를 고순도로 정제하는 혼합형 이산화탄소 정제 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 측면은 이산화탄소를 고순도로 정제하는 혼합형 이산화탄소 정제 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 견지에 의하면, 이산화탄소(CO2)를 포함하는 공급가스를 공급받아 1차 이산화탄소 정제하여 중간가스를 배출하는 막분리 공정 유닛 및 상기 중간가스를 공급받아 2차 이산화탄소 정제하는 압력 변동 흡착(PSA, Pressure Swing Adsorption) 공정 유닛을 포함하는 이산화탄소 정제 시스템을 제공한다.
본 발명의 다른 견지에 의하면, 막분리 공정 유닛이 이산화탄소를 포함하는 공급가스를 공급받아 1차 이산화탄소 정제하여 중간가스를 배출하는 단계 및 PSA 공정 유닛이 상기 막분리 공정 유닛으로부터 상기 중간가스를 공급받아 2차 이산화탄소 정제하여 생산가스를 생산하는 단계를 포함하는 이산화탄소 정제 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 이산화탄소 정제 시스템은 막분리 공정 유닛 및 PSA 공정 유닛을 모두 포함할 수 있다. 상기 막분리 공정 유닛 및 상기 PSA 공정 유닛은 높은 순도의 이산화탄소를 포함하는 생산가스를 생산하는데 있어 서로 이산화탄소 정제의 부담을 경감시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 막분리 공정 유닛은 많은 분리막들을 포함하지 않으므로, 상기 이산화탄소 정제 시스템의 설계는 간결하고, 상기 이산화탄소 정제 시스템의 설비 비용은 감소할 수 있다. 더불어, 상기 PSA 공정 유닛의 흡착 베드의 가압 범위 및 감압 범위가 감소하므로, 상기 PSA 공정 유닛의 정제 효율이 향상될 수 있다. 결국, 상기 막분리 공정 유닛 및 상기 PSA 공정 유닛은 함께 높은 순도의 이산화탄소를 포함하는 생산가스를 생산할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 정제 시스템을 도시하는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이산화탄소 정제 시스템을 도시하는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이산화탄소 정제 시스템을 도시하는 공정도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 정제 방법을 도시하는 순서도이다.
이하 첨부된 도면들에 도시된 본 발명에 관한 실시예를 참조하여 본 발명의 구성 및 작용을 상세히 설명한다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타냈으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.
본 발명에 의하면, 이산화탄소(CO2)를 포함하는 공급가스를 공급받아 1차 이산화탄소 정제하여 중간가스를 배출하는 막분리 공정 유닛; 및 상기 중간가스를 공급받아 2차 이산화탄소 정제하는 압력 변동 흡착(PSA, Pressure Swing Adsorption) 공정 유닛을 포함하는, 이산화탄소 정제 시스템이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 정제 시스템을 도시하는 구성도이다.
도 1을 참조하면, 이산화탄소 정제 시스템(10)은 막분리 공정 유닛(100) 및 압력 변동 흡착(PSA, Pressure Swing Adsorption) 공정 유닛(200)을 순차적으로 포함할 수 있다.
막분리 공정 유닛(100)은 이산화탄소(CO2)를 포함하는 공급가스를 공급받아 1차 이산화탄소 정제하여 중간가스를 배출할 수 있다. 본 발명이 적용될 수 있는 상기 공급가스는 배가스일 수 있으며, 예를 들어, 천연가스 개질 수소 공정 배가스일 수 있다.
막분리 공정 유닛(100)은 분리막을 포함하여 상기 분리막을 통해 이산화탄소를 정제할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 막분리 공정 유닛(100)은 복수 개의 분리막을 포함하고, 상기 분리막들은 직렬 또는 병렬로 배치될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 분리막은 중공사막(Hollow Fiber Membrane)일 수 있다.
상세하게, 상기 공급가스는 막분리 공정 유닛(100)에 공급되어 상기 분리막에 투과될 수 있다. 상기 공급가스에 포함된 물질들은 상기 분리막에 대해 각각 다른 투과속도를 가질 수 있다. 상기 분리막에 대해 빠른 투과속도를 가진 물질은 상기 분리막을 통과하여 상기 중간가스로 배출되고, 상기 분리막에 대해 느린 투과속도를 가진 물질은 상기 분리막을 투과하지 못하고 분리될 수 있다. 이산화탄소는 상기 분리막에 대해 빠른 투과속도를 가지므로, 상기 분리막을 통과하여 상기 중간가스로 배출될 수 있다. 이에 따라, 막분리 공정 유닛(100)은 상기 공급가스를 이산화탄소 정제하여 이산화탄소의 순도를 높일 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 공급가스는 이산화탄소, 질소(N2), H2O, 산소(O2) 및 아르곤(Ar)을 포함할 수 있다. 상기 공급가스의 H2O 전부 및 질소, 산소 및 아르곤의 일부는 막분리 공정 유닛(100)에 의해 제거될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 공급가스는 약 18vol% 이하의 이산화탄소를 포함할 수 있다. 상기 중간가스는 약 90vol% 이상의 이산화탄소를 포함할 수 있다. 이에 따라, 막분리 공정 유닛(100)은 이산화탄소의 순도를 약 72vol% 이상 높일 수 있다.
PSA 공정 유닛(200)은 막분리 공정 유닛에서 배출되는 상기 중간가스를 공급받아 2차 이산화탄소 정제하여 생산가스를 배출할 수 있다.
PSA 공정 유닛(200)은 흡착제로 충진된 복수 개의 흡착 베드(adsorption bed)를 포함하여 상기 흡착 베드들을 통해 이산화탄소를 정제할 수 있다(도 3 참조).
일 실시예에 있어서, 상기 흡착제는 탄소분자체(CMS, Carbon Molecular Sieve), 제올라이트, 알루미나 충진제 또는 활성탄을 포함할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, PSA 공정 유닛(200)은 제1 흡착 베드 및 제2 흡착 베드를 포함하고, 상기 제1 흡착 베드 및 상기 제2 흡착 베드는 제1 흡착제 및 제2 흡착제를 각각 포함할 수 있으며, 제1 및 제2 흡착제는 동일하거나 상이할 수 있다. 각 상기 제1 흡착 베드 및 상기 제2 흡착 베드에서는 가압 공정, 흡착 공정, 감압 공정, 세정 공정 및 압력균등화 공정이 반복적으로 수행되고, 상기 공정들은 상기 제1 흡착 베드 및 상기 제2 흡착 베드를 번갈아 가면서 수행될 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니며, 필요에 따라 추가의 흡착 베드를 포함할 수 있다.
상세하게, 상기 중간 가스는 우선 상기 제1 흡착 베드로 공급되고, 상기 제1 흡착 베드는 가압될 수 있다.
이후, 상기 제1 흡착제와 흡착성이 큰 질소, 산소 및 아르곤은 상기 제1 흡착제에 흡착되고, 상기 제1 흡착제와 흡착성이 낮은 이산화탄소는 상기 제1 흡착제에 흡착되지 않고 상기 제1 흡착 베드를 통과하여 상기 생산가스로 배출될 수 있다.
질소, 산소 및 아르곤이 상기 제1 흡착제에 충분히 흡착되면, 상기 제1 흡착 베드를 감압하여 질소, 산소 및 아르곤을 상기 제1 흡착제로부터 탈착하여, 상기 제1 흡착제를 세정할 수 있다. 이와 동시에, 상기 중간 가스는 상기 제2 흡착 베드로 공급되고, 상기 제2 흡착 베드는 가압될 수 있다.
이후, 질소, 산소 및 아르곤은 상기 제2 흡착제에 흡착되고, 이산화탄소는 상기 제2 흡착제에 흡착되지 않고 상기 제2 흡착 베드를 통과하여 상기 생산가스로 배출될 수 있다.
질소, 산소 및 아르곤이 상기 제2 흡착제에 충분히 흡착되면, 상기 제2 흡착 베드를 감압하여 질소, 산소 및 아르곤을 상기 제2 흡착제로부터 탈착하여, 상기 제2 흡착제를 세정할 수 있다. 이와 동시에, 상기 중간 가스는 상기 제2 흡착 베드로 재차 공급되고, 상기 제2 흡착 베드는 재차 가압될 수 있다. 한편, 상기 제2 흡착 베드에서 가압 공정, 흡착 공정, 감압 공정 및 세정 공정이 수행되는 동안, 상기 제1 흡착 베드에서는 상기 제2 흡착 베드와 압력균등화 공정이 수행될 수 있다.
이와 같이, 상기 제1 흡착 베드 및 상기 제2 흡착 베드에서는 전술한 공정들이 반복적으로 번갈아 가면서 수행될 수 있다.
이에 따라, PSA 공정 유닛(200)은 상기 중간가스를 이산화탄소 정제하여 이산화탄소의 순도를 높일 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 상기 중간가스의 질소, 산소 및 아르곤의 일부는 PSA 공정 유닛(200)에 의해 제거될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 생산가스는 약 95vol% 이상의 이산화탄소를 포함할 수 있다. 이에 따라, PSA 공정 유닛(200)은 이산화탄소의 순도를 약 5vol% 이상 높일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 공급가스는 약 18vol% 이하의 이산화탄소를 포함하나, 막분리 공정 유닛(100) 및 PSA 공정 유닛(200)에서 생산된 상기 생산가스는 약 95vol% 이상의 이산화탄소를 포함하므로, 막분리 공정 유닛(100) 및 PSA 공정 유닛(200)은 함께 이산화탄소의 순도를 약 77vol% 이상 높일 수 있다.
전술한 바와 같이, 이산화탄소 정제 시스템(10)은 막분리 공정 유닛(100) 및 PSA 공정 유닛(200)을 모두 포함하여, 낮은 순도의 이산화탄소를 포함하는 상기 생산가스를 막분리 공정 유닛(100) 및 PSA 공정 유닛(200)을 통해 높은 순도의 이산화탄소를 포함하는 생산가스를 생산할 수 있다.
만약 이산화탄소 정제 시스템이 막분리 공정 유닛만을 포함하는 경우, 막분리 공정 유닛은 높은 순도의 이산화탄소를 포함하는 생산가스를 생산하기 위해 많은 분리막들을 포함하고, 상기 분리막들을 병렬 구조로 배치할 수 있다. 이로 인해, 상기 이산화탄소 정제 시스템의 설계가 복잡해지고, 상기 이산화탄소 정제 시스템의 설비 비용이 증가할 수 있다.
또한, 만약 이산화탄소 정제 시스템이 PSA 공정 유닛만을 포함하는 경우, 낮은 순도의 이산화탄소를 포함하는 공급가스를 직접 공급받을 수 있다. 이에 따라, 낮은 순도의 이산화탄소를 높은 순도의 이산화탄소를 포함하는 생산가스로 정제하기 위해 흡착 베드의 가압 범위 및 감압 범위가 증가할 수 있다. 이로 인해, 흡착제의 성능이 저하되어 상기 PSA 공정 유닛의 정제 효율이 저하될 수 있다.
하지만, 예시적인 실시예들에 있어서, 이산화탄소 정제 시스템(10)은 막분리 공정 유닛(100) 및 PSA 공정 유닛(200)을 모두 포함할 수 있다. 막분리 공정 유닛(100) 및 PSA 공정 유닛(200)은 높은 순도의 이산화탄소를 포함하는 생산가스를 생산하는데 있어 서로 이산화탄소 정제의 부담을 경감시킬 수 있다. 이에 따라, 막분리 공정 유닛(100)은 많은 분리막들을 포함하지 않으므로, 이산화탄소 정제 시스템(10)의 설계는 간결하고, 이산화탄소 정제 시스템(10)의 설비 비용은 감소할 수 있다. 더불어, PSA 공정 유닛(200)의 흡착 베드의 가압 범위 및 감압 범위가 감소하므로, PSA 공정 유닛(200)의 정제 효율이 향상될 수 있다. 결국, 막분리 공정 유닛(100) 및 PSA 공정 유닛(200)은 함께 높은 순도의 이산화탄소를 포함하는 생산가스를 생산할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 정제 시스템을 도시하는 구성도이다.
도 2를 참조하면, 이산화탄소 정제 시스템(10)은 전(前)처리 공정 유닛(300) 및 제어 유닛(400)을 더 포함할 수 있다.
전처리 공정 유닛(300)은 상기 공급가스를 전처리 할 수 있다. 이때 전처리는, 예를 들어, 수분 제거일 수 있으며, 이때 수분 제거의 방식을 특히 제한되는 것은 아니나, 데미스터(demister), 전기히터, 열교환기, 흡착기 등에 의해 제거될 수 있다.
예를 들어, 상기 전처리 공정 유닛(300)은 상기 공급가스를 수분 제거하여 막분리 공정 유닛(100)에 공급할 수 있다. PSA 공정 유닛(200)의 상기 흡착제는 공급되는 가스에 포함된 수분에 취약하나, 전처리 공정 유닛(300)이 상기 공급가스의 수분을 제거할 수 있으며, 이에 따라 PSA 공정 유닛(200)의 이산화탄소 정제 효율이 향상될 수 있다.
제어 유닛(400)은 막분리 공정 유닛(100) 및 PSA 공정 유닛(200)의 이산화탄소 정제를 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 막분리 공정 유닛 및 상기 PSA 공정 유닛 중 적어도 하나의 유닛에 공급되는 공급가스 또는 중간가스의 유량을 조절하는 제어 유닛을 포함할 수 있다.
제어 유닛(400)은 상기 공급가스의 성분 및 이산화탄소의 순도를 분석하여, 막분리 공정 유닛(100) 및 PSA 공정 유닛(200)의 이산화탄소 정제를 제어할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 이산화탄소 정제 시스템(10)은 막분리 공정 유닛(100) 전단에서 시작되어 막분리 공정 유닛(100)을 우회하여 막분리 공정 유닛 후단, 즉, PSA 공정 유닛(200) 전단으로 연장되는 바이패스(bypass) 라인이 배치될 수 있다. 이에 따라, 전처리 공정 유닛(300)에서 배출된 상기 공급가스는 상기 바이패스 라인에 의해 막분리 공정 유닛(100)을 거치지 않고 곧바로 PSA 공정 유닛(200)으로 공급될 수 있다. 일 실시예들에 있어서, 막분리 공정 유닛(100)이 수리, 분리막 교체 등으로 작동하지 않는 경우에 상기 공급가스는 상기 바이패스 라인에 의해 막분리 공정 유닛(100)을 거치지 않고 곧바로 PSA 공정 유닛(200)으로 공급될 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 제어 유닛(400)은 전처리 공정 유닛(300)에서 배출된 상기 공급가스의 유량, 성분 및 이산화탄소의 순도를 분석할 수 있다.
상세하게, 제어 유닛(400)은 전처리 공정 유닛(300)으로 공급되는 상기 공급가스의 유량, 성분 및 이산화탄소의 순도와 막분리 공정 유닛(100)으로 공급되는 상기 공급가스의 유량, 성분 및 이산화탄소의 순도를 함께 분석하여, 막분리 공정 유닛(100) 및 PSA 공정 유닛(200)으로 공급할 상기 공급가스의 유량을 제어할 수 있다.
즉, 상기 공급가스에 포함된 이산화탄소의 순도가 낮은 경우, 예를 들어, 상기 공급가스의 이산화탄소 순도가 약 60vol% 미만인 경우, 상기 공급가스를 상기 바이패스 라인을 통해 곧바로 PSA 공정 유닛(200)으로 공급하면 PSA 공정 유닛(200)의 상기 흡착제가 쉽게 열화될 수 있으므로, 제어 유닛(400)은 상기 공급가스가 막분리 공정 유닛(100)으로만 공급되도록 제어할 수 있다. 반면, 상기 공급가스에 포함된 이산화탄소의 순도가 높은 경우, 예를 들어, 상기 공급가스의 이산화탄소 순도가 약 60vol% 이상인 경우, 상기 공급가스를 상기 바이패스 라인을 통해 곧바로 PSA 공정 유닛(200)으로 공급하더라도 PSA 공정 유닛(200)의 정제 공정에 부담되지 않으므로, 제어 유닛(400)은 상기 공급가스가 PSA 공정 유닛(200)에도 공급되도록 제어할 수 있다. 이와 같이 본 발명의 이산화탄소 정제 시스템은 바이패스 라인을 구비하여 탄력적 운영이 가능하다.
전술한 바와 같이, 이산화탄소 정제 시스템(10)은 전처리 공정 유닛(300)을 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 전처리 공정 유닛(300)이 상기 공급가스의 수분을 제거하여 PSA 공정 유닛(200)의 이산화탄소 정제 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 이산화탄소 정제 시스템(10)은 제어 유닛(400) 및 상기 바이패스 라인을 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 공급가스는 막분리 공정 유닛(100)뿐만 아니라 PSA 공정 유닛(200)으로도 곧바로 공급되므로, 이산화탄소 정제 시스템(10)의 이산화탄소 정제 효율이 보다 향상될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 정제 시스템을 도시하는 공정도이다.
도 3을 참조하면, 전처리 공정 유닛(300)은 온도조절 장치(310), 압축 장치(320), 수분제거 장치(330) 및 건조 장치(340)를 포함할 수 있다.
온도조절 장치(310)는 상기 공급가스의 온도를 낮출 수 있다.
일 실시예에 있어서, 온도조절 장치(310)로 공급되는 상기 공급가스의 온도는 약 300℃일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 온도조절 장치(310)는 냉각기일 수 있다. 상기 공급가스는 온도조절 장치(310)로 공급 및 배출되는 냉각수에 의해 온도가 낮아질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 온도조절 장치(310)로 공급되는 상기 공급가스는 약 18vol% 이상의 이산화탄소를 포함할 수 있다.
압축 장치(320)는 온도조절 장치(310)에서 배출된 상기 공급가스를 압축시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 압축 장치(320)로 공급되는 상기 공급가스의 압력은 약 0.02barg일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 압축 장치(320)는, 예를 들어, 컴프레서(compressor)일 수 있다.
수분제거 장치(330)는 압축 장치(320)에서 배출된 상기 공급가스의 수분을 제거할 수 있다. 또한, 수분제거 장치(330)는 상기 공급가스의 불순물을 제거할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 수분제거 장치(330)로 공급되는 상기 공급가스는 약 20vol% 이하의 수분을 포함하고, 수분제거 장치(330)에서 배출되는 상기 공급가스는 약 100ppm 이하의 수분을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 수분제거 장치(330)는, 예를 들어, 데미스터(demister) 전기히터, 열교환기, 흡착기 등일 수 있다.
건조 장치(340)는 수분제거 장치(330)에서 배출된 상기 공급가스를 건조할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 건조 장치(340)는 복수 개로 직렬 배치될 수 있다.
막분리 공정 유닛(100)은 제1 저장 장치(110) 및 막분리 장치(120)를 포함할 수 있다.
제1 저장 장치(110)는 건조 장치(340)에서 배출되는 상기 공급가스를 저장하고, 상기 공급가스를 막분리 장치(120)로 공급할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제1 저장 장치(110)는 버퍼 탱크(buffer tank)일 수 있다.
막분리 장치(120)는 상기 공급가스를 공급받아 1차 이산화탄소 정제하여 상기 중간가스를 배출할 수 있다.
막분리 장치(120)는 상기 분리막을 포함하여 상기 분리막을 통해 이산화탄소를 정제할 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, 막분리 장치(120)는 복수 개의 상기 분리막을 포함하고, 상기 분리막들은 직렬 또는 병렬로 배치될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 분리막은 중공사막(Hollow Fiber Membrane)일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 공급가스는 약 18vol% 이하의 이산화탄소를 포함할 수 있다. 상기 중간가스는 약 90vol% 이상의 이산화탄소를 포함할 수 있다. 이에 따라, 막분리 공정 유닛(100)은 이산화탄소의 순도를 약 72vol% 이상 높일 수 있다.
PSA 공정 유닛(200)은 제2 저장 장치(210) 및 PSA 장치(220)를 포함할 수 있다.
제2 저장 장치(210)는 막분리 장치(120)에서 배출되는 상기 중간가스를 저장하고, 상기 중간가스를 PSA 장치(220)로 공급할 수 있다. 또한, 제2 저장 장치(210)는 상기 바이패스 라인을 통해 상기 공급가스도 공급받아 저장하고, 상기 공급가스를 PSA 장치(220)로 공급할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 제2 저장 장치(210)는 버퍼 탱크(buffer tank)일 수 있다.
PSA 장치(220)는 상기 중간가스 또는 상기 생산가스를 공급받아 2차 이산화탄소 정제하여 생산가스를 배출할 수 있다.
PSA 장치(220)는 상기 흡착제로 충진된 복수 개의 흡착 베드를 포함하여 상기 흡착 베드들을 통해 이산화탄소를 정제할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 흡착제는 탄소분자체를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 생산가스는 약 95vol% 이상의 이산화탄소를 포함할 수 있다. 이에 따라, PSA 공정 유닛(200)은 이산화탄소의 순도를 약 5vol% 이상 높일 수 있다.
예시적인 실시예들에 있어서, PSA 장치(220)의 상부로는 잔류가스(tail gas)가 배출되고, PSA 장치(220)의 하부로는 상기 생산가스가 배출될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 전처리 공정 유닛(300)으로 공급되는 상기 공급가스는 약 18vol% 이하의 이산화탄소를 포함하나, 막분리 공정 유닛(100) 및 PSA 공정 유닛(200)에서 생산된 상기 생산가스는 약 95vol% 이상의 이산화탄소를 포함하므로, 막분리 공정 유닛(100) 및 PSA 공정 유닛(200)은 함께 이산화탄소의 순도를 약 77vol% 이상 높일 수 있다.
제어 유닛(400)은 온도조절 장치(310)와 압축 장치(320) 사이 및 제1 저장 장치(110)의 입구에서의 상기 공급가스의 유량, 성분 및 이산화탄소의 순도를 분석하여, 막분리 장치(120) 및 PSA 장치(220)의 이산화탄소 정제를 제어하고, 막분리 장치(120) 및 PSA 장치(220)로 공급할 상기 공급가스의 유량을 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 견지에 의하면 이산화탄소 정제 방법이 제공되며, 본 발명의 이산화탄소 정제 방법은 이산화탄소를 포함하는 공급가스를 막분리 공정 유닛에 공급하여 1차 이산화탄소 정제하여 중간가스를 배출하는 단계; 및 상기 막분리 공정 유닛으로부터 배출된 상기 중간가스를 PSA 공정 유닛으로 공급하여 2차 이산화탄소 정제하여 생산가스를 생산하는 단계를 포함하는 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 정제 방법을 도시하는 순서도이다. 본 발명의 이산화탄소 정제 방법은 상술한 본 발명의 이산화탄소 정제 시스템을 이용할 수 있다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 이산화탄소 정제 방법은 전처리 공정 유닛(300)이 이산화탄소를 포함하는 상기 공급가스를 공급받아 수분을 제거하는 단계(S10), 막분리 공정 유닛(100)이 전처리 공정 유닛(300)으로부터 상기 공급가스를 공급받아 1차 이산화탄소 정제하여 상기 중간가스를 배출하는 단계(S20), 및 PSA 공정 유닛(200)이 막분리 공정 유닛(100)으로부터 상기 중간가스를 공급받아 2차 이산화탄소 정제하여 상기 생산가스를 생산하는 단계(S30)를 포함할 수 있다.
상기 공급가스를 막분리 공정 유닛(100)으로 공급 시, 상기 공급가스는 상기 바이패스 라인을 통해 PSA 공정 유닛(200)으로도 공급될 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
실시예에서 설명하는 특정 실행들은 일 실시 예들로서, 어떠한 방법으로도 실시 예의 범위를 한정하는 것은 아니다. 또한, "필수적인", "중요하게" 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.
실시예의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 "상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 실시 예에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 마지막으로, 실시 예에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 실시 예들이 한정되는 것은 아니다. 실시 예에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 실시 예를 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 실시 예의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
10: 이산화탄소 정제 시스템
100: 막분리 공정 유닛
110: 제1 저장 장치
120: 막분리 장치
200: 압력 변동 흡착(PSA) 공정 유닛
210: 제2 저장 장치
220: PSA 장치
300: 전처리 공정 유닛
310: 온도조절 장치
320: 압축 장치
330: 수분제거 장치
340: 건조 장치
400: 제어 유닛
500: 바이패스 라인

Claims (10)

  1. 이산화탄소(CO2)를 포함하는 공급가스를 공급받아 1차 이산화탄소 정제하여 중간가스를 배출하는 막분리 공정 유닛; 및
    상기 중간가스를 공급받아 2차 이산화탄소 정제하는 압력 변동 흡착(PSA, Pressure Swing Adsorption) 공정 유닛을 포함하는, 이산화탄소 정제 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공급가스의 수분을 제거하여 상기 막분리 공정 유닛에 공급하기 위해 막분리 공정 유닛 전단에 배치되는 전처리 공정 유닛을 더 포함하는, 이산화탄소 정제 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 이산화탄소 정제 시스템은 막분리 유닛 전단에서 막분리 유닛 후단으로 연결되는 바이패스 라인을 추가로 포함하는, 이산화탄소 정제 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 막분리 공정 유닛 및 상기 PSA 공정 유닛 중 적어도 하나의 유닛에 공급되는 공급가스 또는 중간가스의 유량을 조절하는 제어 유닛을 더 포함하는, 이산화탄소 정제 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 막분리 공정 유닛은 복수 개의 분리막을 포함하는, 이산화탄소 정제 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 PSA 공정 유닛은 복수 개의 흡착 베드를 포함하는, 이산화탄소 정제 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 공급가스는 18vol% 이하의 이산화탄소를 포함하고,
    상기 PSA 공정 유닛에서 배출되는 생산 가스는 95vol% 이상의 이산화탄소를 포함하는, 이산화탄소 정제 시스템.
  8. 이산화탄소를 포함하는 공급가스를 막분리 공정 유닛에 공급하여 1차 이산화탄소 정제하여 중간가스를 배출하는 단계; 및
    상기 막분리 공정 유닛으로부터 배출된 상기 중간가스를 PSA 공정 유닛으로 공급하여 2차 이산화탄소 정제하여 생산가스를 생산하는 단계를 포함하는, 이산화탄소 정제 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 막분리 공정 유닛에 공급되는 상기 공급가스의 수분을 제거하는 전처리 단계를 더 포함하는, 이산화탄소 정제 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 공급가스를 막분리 공정 유닛으로 공급 시,
    상기 공급가스는 상기 PSA 공정 유닛으로도 공급되는, 이산화탄소 정제 방법.
KR1020220150737A 2022-11-11 이산화탄소 정제 시스템 및 이산화탄소 정제 방법 KR20240069331A (ko)

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