WO2014051221A1 - 이산화탄소 포집장치 - Google Patents

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박용기
최원춘
강나영
서휘민
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    • Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2

Definitions

  • the present invention relates to a carbon dioxide capture device, and more particularly, to a carbon dioxide capture device for preventing the carbon dioxide contained in the flue gas generated in the industrial field with a large amount of carbon dioxide emission, such as power plants, steel mills.
  • CCS carbon capture and storage
  • CO2 capture technology can be divided into post-combustion capture, pre-combustion capture and pure oxygen capture according to the application of the capture step, and membrane separation technology (membrane separation) that concentrates using a membrane according to the principle of capturing carbon dioxide, amine Or liquid phase separation using liquid adsorbents such as ammonia water, or solid phase separation using solid adsorbents such as alkali or alkaline earth metals.
  • membrane separation technology membrane separation
  • Dry capture technology consists of the development of solid state adsorbents with carbon dioxide adsorption capacity and the process of capturing carbon dioxide using these solid state adsorbents, and the carbon dioxide collection efficiency is greatly influenced by the composition of the adsorption process as well as the performance of the solid state adsorbent.
  • the solid phase adsorbent may be broadly classified into organic, inorganic, carbon, organic-inorganic hybrid, and the like, and may be classified into physical adsorbents and chemical adsorbents according to the type of carbon dioxide adsorbed on the adsorbent.
  • An organic adsorbent is an amine polymer adsorbent
  • an inorganic adsorbent is a zeolite-based, alkali or alkaline earth metal-based adsorbent
  • a carbon-based adsorbent is an activated carbon-based adsorbent modified with an alkali metal
  • an organic-inorganic hybrid adsorbent is MOF
  • Porous silica adsorbents grafted with organic materials having amine groups are mainly used.
  • Zeolite and carbon-based adsorbents exhibit the physical adsorption characteristics of carbon dioxide, and other adsorbents exhibit the chemical adsorption characteristics that carbon dioxide reacts with the adsorbent chemically. (Energy Environ. Sci. 2011, 4, 42. ChemSusChem 2009, 2, 796.)
  • Dry capture technology consists of adsorbing carbon dioxide to an adsorbent object and desorbing and separating the adsorbed carbon dioxide. Adsorption and desorption of carbon dioxide can occur reversibly. Adsorption and desorption of carbon dioxide can be induced through heat exchange or changes in external pressure.
  • the process of capturing carbon dioxide using a dry adsorbent is a pressure swing adsorption (PSA) process using a pressure difference as a method for desorbing adsorbed carbon dioxide, and a temperature swing adsorption (Temperature Swing Adsorption) method using a temperature difference. TSA) process.
  • PSA pressure swing adsorption
  • TSA temperature swing adsorption
  • the pressure swing adsorption process using a fixed bed adsorption tower is advantageous for the capture of small scale carbon dioxide, but the fluidized bed adsorption and desorption can be easily scaled up when a large amount of carbon dioxide is emitted, such as a power plant or a large combustion furnace.
  • a tower temperature swing adsorption process is advantageous.
  • the present invention aims to continuously capture a large amount of carbon dioxide using a solid adsorbent, and may be classified into a temperature swing adsorption process consisting of a fluid adsorption tower and a fluid desorption tower.
  • Adsorption towers and desorption towers used in the temperature swing adsorption process may be classified into a bubbled fluidized bed having a high adsorbent concentration and a diluted fluidized bed having a low adsorbent concentration, depending on the operating area.
  • bubble fluidized bed and the high-speed fluidized bed are applied to the adsorption tower and the desorption column, four combinations of 1) high speed fluidized bed-high speed fluidized bed, 2) high speed fluidized bed-bubble fluidized bed, 3) bubble fluidized bed-high speed fluidized bed, and 4) bubble fluidized bed-bubble fluidized bed Can be derived ("Fluidization Engineering", D. Kunii and O. Levenspiel, Robert E. Krieger, 1977).
  • a high-speed fluidized bed adsorption tower for capturing carbon dioxide using a dry dry adsorbent and Disclosed is a carbon dioxide fluidized bed collection process of a temperature swing adsorption concept composed of a bubble fluidized bed desorption tower.
  • the dry capture process of the temperature swing adsorption concept requires enormous energy of 2 GJ / t-CO 2 or more to desorb the carbon dioxide adsorbed to the adsorbent to the temperature swing adsorption process, which increases the cost of the capture together with the adsorbent cost. It acts as a factor. Therefore, in order to lower the collection cost, it is very important to develop a technology capable of effectively desorbing carbon dioxide adsorbed from the adsorbent with low energy.
  • the first problem to be solved by the present invention is to provide a multi-stage carbon dioxide capture device to use the carbon dioxide adsorption heat in the desorption process using carbon dioxide adsorbents having different adsorption and desorption temperatures.
  • the second problem to be solved by the present invention is to provide a carbon dioxide capture device that can reduce the amount of energy required to capture carbon dioxide by allowing the heat generated in the process of carbon dioxide adsorption is used in the desorption process of carbon dioxide.
  • the third problem to be solved by the present invention is to provide a carbon dioxide capture device that can be efficiently exchanged with each other when the adsorption and desorption rate of carbon dioxide is both slow.
  • the fourth problem to be solved by the present invention is to provide a carbon dioxide capture device that can be efficiently exchanged with each other when the adsorption rate of carbon dioxide is slow and the adsorption rate is fast desorption.
  • the fifth problem to be solved by the present invention is to provide a carbon dioxide capture device that can be efficiently exchanged with each other when using a fast adsorption rate of carbon dioxide and a slow desorption rate.
  • the sixth problem to be solved by the present invention is to provide a carbon dioxide capture device that can be efficiently exchanged with each other when using a fast adsorbent and a fast desorption rate of carbon dioxide.
  • the seventh problem to be solved by the present invention is to provide a carbon dioxide capture method to improve the process efficiency by using a carbon dioxide adsorbent having a different carbon dioxide adsorption and desorption temperature.
  • the present invention is a carbon dioxide capture device for selectively separating carbon dioxide from the exhaust gas containing carbon dioxide, in order to achieve the first object, the first carbon dioxide adsorption unit, the first carbon dioxide desorption unit connected to the first carbon dioxide adsorption unit, A first carbon dioxide adsorption and desorption part including a first carbon dioxide adsorbent circulating the first carbon dioxide adsorption part and the first carbon dioxide desorption part, a second carbon dioxide adsorption part, and a second carbon dioxide desorption part connected to the second carbon dioxide adsorption part, the And a second carbon dioxide adsorption and desorption unit including a second carbon dioxide adsorbent circulating through the second carbon dioxide adsorption unit and the second carbon dioxide desorption unit, so that the heat of adsorption generated in the first carbon dioxide adsorption unit can be transferred to the second carbon dioxide desorption unit.
  • the first carbon dioxide adsorption unit and the second carbon dioxide desorption unit are connected, and the first Carbon dioxide adsorbent and the second adsorbent of carbon dioxide provides a carbon dioxide trapping device, characterized in that different adsorption temperature and the desorption temperature of the carbon dioxide.
  • the first carbon dioxide adsorption unit and the second carbon dioxide desorption unit the first carbon dioxide adsorption unit penetrates the second carbon dioxide desorption unit, or the second carbon dioxide desorption unit penetrates the first carbon dioxide adsorption unit Can be made.
  • the first carbon dioxide adsorption unit and the second carbon dioxide desorption unit may be connected through a heat medium.
  • the first carbon dioxide desorption unit is preferably designed such that the concentration of the first carbon dioxide adsorbent is filled to 0.1 to 10% by volume.
  • the first carbon dioxide desorption unit is preferably designed such that the concentration of the first carbon dioxide adsorbent is filled to 10 to 80% by volume.
  • the second carbon dioxide adsorption unit is preferably designed to fill the concentration of the second carbon dioxide adsorbent to 0.1 to 10% by volume.
  • the second carbon dioxide adsorption unit is preferably designed such that the concentration of the second carbon dioxide adsorbent is filled to 10 to 80% by volume.
  • the present invention is a carbon dioxide capture device for selectively separating the carbon dioxide from the exhaust gas containing carbon dioxide in order to achieve the second object, the carbon dioxide adsorption and carbon dioxide adsorption and desorption of carbon dioxide while the carbon dioxide adsorbent is circulated through the carbon dioxide adsorption zone And a plurality of carbon dioxide adsorption and desorption units which are continuously formed, and the heat of adsorption generated in the carbon dioxide adsorption region of the at least one carbon dioxide adsorption and desorption unit is transferred to the carbon dioxide desorption region of the other carbon dioxide adsorption and desorption unit, and filled in the plurality of carbon dioxide adsorption and desorption units.
  • At least one of the adsorbents provides a carbon dioxide capture device, characterized in that the carbon dioxide adsorption temperature and desorption temperature different from the adsorbent filled in the other carbon dioxide adsorption and desorption unit.
  • the heat of adsorption generated in the carbon dioxide adsorption zone of the at least one carbon dioxide adsorption and desorption unit is transferred to the carbon dioxide desorption zone of the other carbon dioxide adsorption and desorption unit, the carbon dioxide desorption zone and carbon dioxide adsorption zone to which the heat of adsorption is transferred. This can be done in a direct contact manner.
  • the manner in which the heat of adsorption generated in the carbon dioxide adsorption area of the at least one carbon dioxide adsorption and desorption part is transferred to the carbon dioxide desorption area of the other carbon dioxide adsorption and desorption part may be achieved by a heat medium.
  • a heat exchanger may be provided between the carbon dioxide adsorption region and the desorption region.
  • the plurality of carbon dioxide adsorption and desorption unit is divided into a high temperature carbon dioxide adsorption and desorption unit, a medium temperature carbon dioxide adsorption and desorption unit and a low temperature carbon dioxide adsorption and desorption unit according to the carbon dioxide adsorption temperature and desorption temperature of the filled carbon dioxide adsorbent,
  • the heat of adsorption generated in the carbon dioxide adsorption zone of the high temperature carbon dioxide adsorption and desorption unit is transferred to the carbon dioxide desorption zone of the medium temperature carbon dioxide adsorption and desorption unit, and the heat of adsorption generated in the carbon dioxide adsorption zone of the middle temperature carbon dioxide adsorption and desorption unit is transferred to the carbon dioxide desorption zone of the low temperature carbon dioxide adsorption and desorption unit.
  • the present invention provides a bubble fluid adsorption tower in which a carbon dioxide adsorbent moves from top to bottom, a bubble fluid desorption tower in which a carbon dioxide adsorbent moves from top to bottom, and a bottom and bubble fluidity of the bubble fluid adsorption tower.
  • a first connecting pipe connecting the upper part of the desorption tower, a second connecting pipe connecting the lower part of the bubble fluid desorption tower and an upper part of the bubble fluid adsorption tower, and a cyclone formed between the second connecting pipe and the bubble fluid adsorption tower.
  • Comprising a plurality of carbon dioxide adsorption and desorption unit comprising, at least one of the plurality of carbon dioxide adsorption and desorption unit provides a carbon dioxide capture device, characterized in that configured to be heat exchange.
  • the present invention provides a bubble fluid adsorption tower in which a carbon dioxide adsorbent moves from top to bottom, a high speed fluid desorption tower in which a carbon dioxide adsorbent moves from bottom to top, and the bubble fluid adsorption tower and a high speed fluid desorption tower. It consists of a plurality of carbon dioxide adsorption and desorption unit including a cyclone formed between, at least one of the plurality of carbon dioxide adsorption and desorption unit provides a carbon dioxide capture device, characterized in that configured to be heat exchangeable.
  • the present invention is a high-speed fluid adsorption tower to move the carbon dioxide adsorbent from the bottom to the top, the bubble fluid desorption tower to move the carbon dioxide adsorbent from the top to the bottom, and the high-speed fluid adsorption tower and bubble fluid desorption tower to achieve the fifth object It consists of a plurality of carbon dioxide adsorption and desorption unit including a cyclone formed between, at least one of the plurality of carbon dioxide adsorption and desorption unit provides a carbon dioxide capture device, characterized in that configured to be heat exchangeable.
  • a high-speed fluid adsorption tower moving the carbon dioxide adsorbent from the bottom to the top a high-speed fluid desorption tower moving the carbon dioxide adsorbent from the bottom to the top
  • the high-speed fluid adsorption tower and high-speed fluid desorption tower Composed of a plurality of carbon dioxide adsorption and desorption unit comprising a storage tower, the high-flow fluid adsorption tower and the storage tower and the cyclone formed between the high-speed fluid desorption tower and the storage tower, at least one of the plurality of carbon dioxide adsorption and desorption part It provides a carbon dioxide collecting device, characterized in that configured to allow heat exchange.
  • the present invention is a carbon dioxide capture method for selectively separating the carbon dioxide from the exhaust gas containing carbon dioxide by using a carbon dioxide adsorbent, in order to achieve the seventh task, the adsorption and desorption of carbon dioxide is made in a plurality of carbon dioxide adsorption and desorption unit.
  • at least one of the plurality of carbon dioxide adsorption and desorption unit provides a carbon dioxide capture method, characterized in that using a carbon dioxide adsorbent having a different carbon dioxide adsorption and desorption temperature different from the carbon dioxide adsorbent used in the other carbon dioxide adsorption and desorption unit.
  • the plurality of carbon dioxide adsorption and desorption unit may be connected to enable mutual heat exchange.
  • At least one of the plurality of carbon dioxide adsorption and desorption portions may be adsorbed and desorbed carbon dioxide at different temperatures than the other carbon dioxide adsorption and desorption portions.
  • the carbon dioxide capture device of the present invention has the following effects.
  • a carbon dioxide capture device includes a plurality of carbon dioxide adsorption and desorption parts, and the adsorption heat generated in one of the adsorption and desorption parts is transferred from another adsorption and desorption part to be used for desorption of carbon dioxide. The energy required for desorption can be reduced.
  • the carbon dioxide capture device uses carbon dioxide adsorbents having different carbon dioxide adsorption and desorption temperatures, thereby efficiently transferring energy in using carbon dioxide adsorption heat for carbon dioxide desorption.
  • the carbon dioxide capture device is designed by selecting a carbon dioxide adsorption unit and a desorption unit in a plurality of carbon dioxide adsorption and desorption unit connected to the high-speed fluid or bubble fluidity to the characteristics of the adsorbent to the adsorption and desorption rate of carbon dioxide. Therefore, the carbon dioxide capture device can be efficiently operated.
  • the use of a heat medium for the transfer of carbon dioxide adsorption heat according to one embodiment of the present invention can simplify the construction of the device and is advantageous for the enlargement of the carbon dioxide capture device.
  • FIG. 1 is a view for explaining a concept of using carbon dioxide adsorption heat as heat required for carbon dioxide desorption when a carbon dioxide adsorption-desorption cycle is configured in a low temperature region, a medium temperature region, and a high temperature region according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 shows the main configuration of the carbon dioxide capture device consisting of a bubble fluid adsorption tower and a bubble fluid desorption tower according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 shows the main configuration of the carbon dioxide capture device consisting of a bubble fluid adsorption tower and a high-speed fluid desorption tower according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 shows the main configuration of the carbon dioxide capture device composed of a high-speed fluid adsorption tower and bubble fluid desorption tower according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 shows the main configuration of the carbon dioxide capture device consisting of a high speed fluid adsorption tower and a high speed fluid desorption tower according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view for explaining a concept of transferring a carbon dioxide adsorption heat to a region required for carbon dioxide desorption by a heat medium according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 illustrates a carbon dioxide capture device including a bubble fluid adsorption tower and a bubble fluid desorption tower according to one embodiment of the present invention.
  • Figure 8 shows a carbon dioxide capture device consisting of a bubble fluid adsorption tower and a high-speed fluid desorption tower according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 9 shows a carbon dioxide capture device consisting of a high-speed fluid adsorption tower and a bubble fluid desorption tower according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 10 shows a carbon dioxide capture device consisting of a high speed fluid adsorption tower and a high speed fluid desorption tower according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 illustrates a carbon dioxide capture device using a heat medium according to an embodiment of the present invention.
  • a carbon dioxide capture device includes a first carbon dioxide adsorption unit, a first carbon dioxide desorption unit connected to the first carbon dioxide adsorption unit, and a first carbon dioxide adsorbent for circulating the first carbon dioxide adsorption unit and the first carbon dioxide desorption unit And a second carbon dioxide adsorbent circulating the first carbon dioxide adsorption-and-desorption unit comprising: a second carbon dioxide adsorption unit, a second carbon dioxide desorption unit connected to the second carbon dioxide adsorption unit, and the second carbon dioxide adsorption unit and the second carbon dioxide desorption unit.
  • a second carbon dioxide adsorption and desorption unit including a first carbon dioxide adsorption unit and a second carbon dioxide desorption unit such that the heat of adsorption generated in the first carbon dioxide adsorption unit is transferred to the second carbon dioxide desorption unit.
  • the adsorbent and the second carbon dioxide adsorbent are characterized by different adsorption and desorption temperatures of carbon dioxide. Gong.
  • FIG. 1 is a view for explaining a concept of using carbon dioxide adsorption heat as heat required for carbon dioxide desorption when a carbon dioxide adsorption-desorption cycle is configured in a low temperature region, a medium temperature region, and a high temperature region according to an embodiment of the present invention.
  • adsorption and desorption of carbon dioxide may occur in each carbon dioxide adsorption and desorption unit, and energy may be transferred.
  • the carbon dioxide adsorption and desorption part of the high temperature, medium temperature and low temperature is filled with adsorbents having different adsorption and desorption temperatures, and heat of adsorption is generated in the process of desorption of the adsorbed carbon dioxide.
  • the heat required for induction or desorption can be reduced.
  • the heat of adsorption emitted by the adsorbent in the high temperature region at the time of carbon dioxide adsorption is used as the energy required for desorption of carbon dioxide by the adsorbent in the medium temperature region, and the heat of adsorption released by the adsorbent in the middle temperature region at the time of carbon dioxide adsorption It is used as energy required for desorption.
  • energy generated at the time of carbon dioxide adsorption as energy necessary at the time of desorption, energy costs required for desorption of carbon dioxide can be reduced.
  • the carbon dioxide adsorption unit and the desorption unit can be composed of a bubble fluidized bed or a high-speed fluidized bed, respectively, 1) bubble fluid adsorption part-bubble fluid adsorption part, 2) bubble fluid adsorption part-high speed fluid desorption part, 3) high speed fluid adsorption part- Four combinations are possible: bubble fluid desorption part, 4) high speed fluid adsorption part-high speed fluid desorption part.
  • the bubble fluid adsorption unit or the desorption unit is preferably designed to fill the concentration of the adsorbent 10 to 80% by volume, more preferably the concentration of the adsorbent may be 30 to 60% by volume.
  • the high-speed fluid adsorption unit or the desorption unit is preferably designed to fill the concentration of the adsorbent to 0.1 to 10% by volume, more preferably the concentration of the adsorbent may be 0.5 to 5% by volume.
  • a characteristic configuration is required to use carbon dioxide adsorption heat for carbon dioxide desorption.
  • the method of transferring carbon dioxide adsorption heat to an adjacent carbon dioxide desorption unit can also be modified.
  • One method is to exchange heat while the carbon dioxide adsorption unit and the desorption unit are in direct contact, and the other is to exchange heat using a separate heat medium. to be.
  • the carbon dioxide collecting device is distinguished in eight ways as shown in Table 1 below.
  • FIG. 2 shows the main configuration of the carbon dioxide capture device consisting of a bubble fluid adsorption tower and a bubble fluid desorption tower according to an embodiment of the present invention.
  • Carbon dioxide trapping device composed of bubble fluid adsorption unit and bubble fluid desorption unit can be connected to the carbon dioxide adsorption and desorption unit in three stages of low temperature, medium temperature and high temperature. Energy is supplied through direct heat exchange of the reactor wall, and energy required for desorption of carbon dioxide in the middle temperature region is supplied through direct heat exchange of the reactor wall from the heat of adsorption generated when the high temperature adsorbent is adsorbed upon carbon dioxide adsorption.
  • the bubble fluid-bubble carbon dioxide collecting device 100 has a carbon dioxide adsorption and desorption part in a low temperature cycle area and a carbon dioxide adsorption and desorption part in a high temperature cycle area, and each carbon dioxide adsorption and desorption part is a bubble fluid carbon dioxide adsorption part 101. ), Bubble-flowing carbon dioxide desorption unit 102, cyclones (103, 104), heat exchanger 105, the first transfer tube 106, the second transfer tube 107.
  • the carbon dioxide adsorption and desorption portion of the low temperature cycle region is filled with a carbon dioxide adsorbent having a relatively low temperature carbon dioxide adsorption temperature and desorption temperature, and the carbon dioxide adsorption and desorption portion of the high temperature cycle region has a relatively high temperature carbon dioxide adsorption and desorption temperature.
  • the carbon dioxide adsorbent is filled.
  • the exhaust gas containing carbon dioxide is supplied to the lower portion of the bubble fluid carbon dioxide adsorption unit 101, and the exhaust gas from which carbon dioxide is removed is discharged through the cyclone 103 formed on the bubble fluid carbon dioxide adsorption unit 101.
  • the carbon dioxide adsorbent which adsorbs carbon dioxide inside the bubble fluid carbon dioxide adsorption unit 101 is supplied to the upper portion of the bubble fluid carbon dioxide desorption unit 102 through the first transfer pipe 106 while moving in the up-to-down direction.
  • carbon dioxide is discharged through the cyclone 104 while desorption of carbon dioxide occurs.
  • the adsorbent in which carbon dioxide is desorbed is transferred back to the upper portion of the bubble fluid carbon dioxide adsorption unit 101 through the second transfer pipe 107 at the lower portion of the bubble fluid carbon dioxide desorber 102. As this cycle is repeated, carbon dioxide in the flue gas may be collected and separated to the outside.
  • the adjacent carbon dioxide adsorption unit and the desorption unit connected to each other are configured to allow heat exchange.
  • the carbon dioxide desorption unit penetrates into the inside of the carbon dioxide adsorption unit, if the direct exchange of heat is possible, the adsorption unit is interposed between the walls.
  • Various configurations are possible, such as a structure in which a removable part is connected.
  • the bubble fluid carbon dioxide adsorption unit 101 may be provided with a means for cooling, the bubble fluid carbon dioxide desorption unit 102 may be installed with a means for heating.
  • the carbon dioxide adsorbent introduced into the bubble fluid carbon dioxide adsorption unit 101 may be cooled in advance, and the carbon dioxide adsorbent introduced into the bubble fluid carbon dioxide desorption unit 102 may be preheated, and the heat exchanger 105 may be used for this purpose. Additional heat exchangers may be installed where required but not shown in the figures.
  • a compressor or blower for the movement of the carbon dioxide adsorbent a compressor or blower may be installed if necessary.
  • the carbon dioxide collecting device is composed of a bubble fluid adsorption unit and a bubble fluid desorption unit to maintain a sufficient time for the adsorption and desorption in the adsorption unit and the desorption unit for the time required for adsorption and desorption. Used.
  • Such a configuration is advantageous in the case of capturing carbon dioxide using an adsorbent having both slow adsorption and desorption rates of carbon dioxide.
  • Figure 3 shows the main configuration of the carbon dioxide capture device consisting of a bubble fluid adsorption tower and a high-speed fluid desorption tower according to an embodiment of the present invention.
  • the carbon dioxide capture device including the bubble fluid adsorption unit and the high speed fluid desorption unit may also be connected in three stages of low temperature, medium temperature, and high temperature, and heat of carbon dioxide adsorption may be transferred from a high temperature region to a medium temperature region and a medium temperature region to a low temperature region.
  • the bubble fluidity-high velocity carbon dioxide capture device 200 has a carbon dioxide adsorption and desorption part in a low temperature cycle area and a carbon dioxide adsorption and desorption part in a high temperature cycle area, and each carbon dioxide adsorption and desorption part is a bubble fluid carbon dioxide adsorption part 201. ), A fast-flowing carbon dioxide desorption unit 202, a cyclone 203, and a heat exchanger 205. The exhaust gas containing carbon dioxide is supplied to the lower portion of the bubble fluid carbon dioxide adsorption unit 201, and the exhaust gas from which carbon dioxide has been removed is discharged to the upper portion of the bubble fluid carbon dioxide adsorption unit 201.
  • the carbon dioxide adsorbent adsorbed carbon dioxide in the bubble fluid carbon dioxide adsorption unit 201 is supplied to the lower portion of the high speed fluid carbon dioxide desorption unit 202 while moving in the up-to-down direction.
  • the desorption of carbon dioxide occurs while the carbon dioxide adsorbent moves in the direction of the lower to the upper side, carbon dioxide is discharged through the cyclone 203, and the carbon dioxide adsorbent is returned to the bubble fluid carbon dioxide adsorption unit 201. It is fed to the top.
  • the fast-flowing carbon dioxide desorption unit 202 penetrates the inside of the bubble-flowing carbon dioxide adsorption unit 201 and heat is exchanged through the wall to allow heat exchange.
  • the carbon dioxide capture device including the bubble fluid adsorption unit and the high speed fluid desorption unit can maintain the adsorbent residence time in the carbon dioxide adsorption unit as necessary for adsorption, and the adsorbent residence time in the carbon dioxide desorption unit can be determined by the operating conditions.
  • the carbon dioxide capture device composed of a bubble fluid adsorption unit and a high speed fluid desorption unit is advantageous in the case of capturing carbon dioxide using an adsorbent having a slow adsorption rate of carbon dioxide and a fast desorption rate.
  • Figure 4 shows the main configuration of the carbon dioxide capture device composed of a high-speed fluid adsorption tower and bubble fluid desorption tower according to an embodiment of the present invention.
  • a carbon dioxide capture device including a high speed fluid adsorption unit and a bubble fluid desorption unit may also be connected in three stages of low temperature, medium temperature, and high temperature, and heat of carbon dioxide adsorption may be transferred from a high temperature region to a medium temperature region, and a medium temperature region to a low temperature region.
  • the high-speed flow-bubble carbon dioxide collecting device 300 has a carbon dioxide adsorption and desorption part in a low temperature cycle area and a carbon dioxide adsorption and desorption part in a high temperature cycle area, and each carbon dioxide adsorption and desorption part is a high speed fluid carbon dioxide adsorption part 301. ), A bubble flowable carbon dioxide desorption unit 302, a cyclone 303, and a heat exchanger 305.
  • the exhaust gas containing carbon dioxide is supplied to the lower portion of the high speed fluid carbon dioxide adsorption unit 301, and the exhaust gas from which carbon dioxide is removed is discharged through the cyclone 303 formed on the high speed fluid carbon dioxide adsorption unit 301.
  • the carbon dioxide adsorbent which adsorbs carbon dioxide in the high speed fluid carbon dioxide adsorption unit 301 is supplied to the upper portion of the bubble fluid carbon dioxide desorption unit 302 while moving in a direction from bottom to top.
  • the carbon dioxide adsorbent moves in the up-to-down direction, and desorption of carbon dioxide occurs and moves to the high-speed liquid carbon dioxide adsorption unit 301.
  • the fast-flowing carbon dioxide adsorption unit 301 penetrates the inside of the bubble-flowing carbon dioxide desorption unit 302 and heat is exchanged through the wall to allow heat exchange.
  • the adsorbent residence time in the carbon dioxide adsorption unit may be determined by operating conditions.
  • the carbon dioxide capture device composed of the high speed fluid adsorption unit and the bubble fluid desorption unit is advantageous in the case of capturing carbon dioxide using an adsorption agent having a fast adsorption rate of carbon dioxide and a slow desorption rate.
  • Figure 5 shows the main configuration of the carbon dioxide capture device consisting of a high speed fluid adsorption tower and a high speed fluid desorption tower according to an embodiment of the present invention.
  • the carbon dioxide capture device including the high speed fluid adsorption unit and the high speed fluid desorption unit may also be connected in three stages of low temperature, medium temperature, and high temperature, and carbon dioxide desorption heat may be transferred from a high temperature region to a medium temperature region and a medium temperature region to a low temperature region.
  • the high velocity fluidity-high velocity carbon dioxide capture device 400 has a carbon dioxide adsorption and desorption portion in a low temperature cycle region and a carbon dioxide adsorption and desorption portion in a high temperature cycle region, and each carbon dioxide adsorption and desorption portion is a high speed fluid carbon dioxide adsorption portion 401.
  • the exhaust gas containing carbon dioxide is supplied to the lower portion of the high speed fluid carbon dioxide adsorption unit 401, and the exhaust gas from which carbon dioxide is removed is discharged through the cyclone 403 formed on the high speed fluid carbon dioxide adsorption unit 401.
  • the carbon dioxide adsorbent that adsorbs carbon dioxide inside the high speed fluid carbon dioxide adsorption unit 401 is supplied to the upper portion of the storage tower 406 while moving in the up-to-down direction, and is again supplied to the lower part of the high speed fluid carbon dioxide desorption unit 402. .
  • the desorption of carbon dioxide occurs while the carbon dioxide adsorbent moves in the direction of the lower to the upper side, and after the carbon dioxide is discharged through the cyclone 404, the high-speed liquid carbon dioxide adsorption unit ( Carbon dioxide adsorbent is supplied to the bottom of 401.
  • the storage towers 406 and 407 are necessary because the carbon dioxide adsorbent is moved from the adsorption part and the desorption part in the downward to upper direction, and thus a means for storing the adsorbent separated from the cyclone is required.
  • the fast-flowing carbon dioxide adsorption unit 401 penetrates the inside of the fast-flowing carbon dioxide desorption unit 402 so that heat exchange is possible. In this case, if a direct exchange of heat is possible, various configurations, such as a structure in which the adsorption unit and the desorption unit are connected through the wall, may be possible.
  • the cooling means of the high speed fluid carbon dioxide adsorption unit 401 and the high speed fluid carbon dioxide Heating means of the desorption unit 402, preheating or cooling means of the carbon dioxide adsorbent and a compressor or blower for the movement of the carbon dioxide adsorbent may be further installed.
  • the adsorbent residence time in the carbon dioxide adsorption unit and the desorption unit may be determined.
  • the carbon dioxide capture device composed of the high speed fluid adsorption unit and the bubble fluid desorption unit is advantageous in the case of capturing carbon dioxide by using an adsorbent having both high adsorption rate and desorption rate of carbon dioxide.
  • the carbon dioxide collecting device 500 using the heat medium includes a high speed fluid carbon dioxide adsorption unit 501, a bubble fluid carbon dioxide desorption unit 502, and a heat medium 503.
  • the thermal medium 503 connects the high speed fluid carbon dioxide adsorption unit 501 and the bubble fluid carbon dioxide desorption unit 502, and functions as a medium through which carbon dioxide adsorption heat is transferred to the desorption unit. This transfer of heat using a thermal medium frees the design of each component of the device, which is advantageous for simplifying or increasing the configuration of the device.
  • the thermal medium may be made of a material having high thermal conductivity, and may have a configuration in which an insulating means is provided outside, for example, an insulating water jacket or a silicone oil jacket may be used.
  • an insulating means for example, an insulating water jacket or a silicone oil jacket may be used.
  • FIG. 6 for convenience of description, a carbon dioxide capture device including a high speed fluid carbon dioxide adsorption unit and a bubble fluid carbon dioxide desorption unit has been described as an example, but a heat medium may be applied to the carbon dioxide capture device configured in other ways.
  • 7 to 10 are respectively a bubble heat adsorption tower and bubble fluid adsorption tower, bubble fluid adsorption tower and high-speed fluid desorption tower, high-speed fluid adsorption tower and bubble fluid desorption tower, high-speed fluid adsorption tower according to an embodiment of the present invention It shows a carbon dioxide capture device consisting of a high-speed fluidized desorption tower. 7 to 10 are different from each other in the configuration and connection relationship between the carbon dioxide absorption tower and the carbon dioxide desorption tower, which is the same as described in Figures 2 to 5 will not be repeated description, and the injection of exhaust gas The configuration required for understanding the emission of carbon dioxide and the movement of carbon dioxide adsorbent will be described below.
  • the carbon dioxide capture device includes a carbon dioxide adsorption-desorption unit, a cyclone, an adsorbent delivery pipe, a heat exchanger, a fluid circulator, a heater, a flow control valve, and the like.
  • the exhaust gas containing carbon dioxide is supplied through a fluid circulator C1 consisting of a compressor or an exhaust fan, and the carbon dioxide-containing exhaust gas is distributed and supplied to the adsorption tower in each temperature range by flow control valves V1, V2, and V3.
  • the adsorbent in each temperature range was heated and introduced through the heat exchangers (HX3, HX6) so as to be introduced into the adsorption tower at an optimal temperature to adsorb carbon dioxide.
  • the desorption temperature of the adsorbents in the low temperature, medium temperature, and high temperature regions is higher than the carbon dioxide adsorption temperature
  • the adsorbents after carbon dioxide adsorption are heated before being introduced into the desorption tower in order to prevent thermal efficiency deterioration due to these temperature differences when the adsorption-desorption cycle is repeated.
  • a heat exchanger (HX1, HX2, HX4, HX5, HX7, HX8) was placed between the adsorption tower and the desorption tower at each stage to allow the heat exchange to be introduced and to cool the carbon dioxide desorbed adsorbent before being introduced into the adsorption tower.
  • heat exchangers were provided with fluid circulators C2, C5, and C8 to facilitate heat exchange while the heat medium circulated. That is, the adsorbent after the adsorption was heated before entering the desorption tower, and the adsorbent after the desorption was cooled before being input to the adsorption tower to minimize the heat required for adsorption and desorption.
  • the adsorbents having passed through the stream numbers (S4, S17, S29) were introduced into the cyclones (CY1, CY3, CY5) through the delivery pipe (S4 ⁇ CY1, S17 ⁇ CY3, S29 ⁇ CY5).
  • Carbon dioxide adsorption and desorption units (SC3, SC5, SC6) were installed in the low, medium, and high temperature regions to directly exchange heat through the reactor wall.
  • Cyclone (CY1, CY2, CY3, CY4, CY5, CY6) was placed to separate the adsorbent from the gas discharged from the carbon dioxide adsorption-desorption unit.
  • Heater (FH1) was placed to receive energy from the outside for the desorption of high temperature zone adsorbent, and concentrated carbon dioxide and heating furnace exiting the desorption tower with heat exchanger (HX9, HX10) to minimize the supply energy. Flue gas and heat exchange were respectively performed.
  • FIG. 11 illustrates a carbon dioxide capture device using a heat medium according to an embodiment of the present invention.
  • most of the configurations are the same as those described with reference to FIGS. 7 to 10, and there are differences in the configurations related to the use of the heat medium. Specifically, heat exchange of carbon dioxide adsorption heat and desorption heat using a heat medium is performed. Additional heat exchangers and fluid circulators C4 and C7 were installed to achieve this.
  • first delivery hall 107 second delivery hall

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Abstract

본 발명의 일 구현예에 따른 이산화탄소 포집장치는 제1이산화탄소 흡착부, 상기 제1이산화탄소 흡착부에 연결된 제1이산화탄소 탈착부, 상기 제1이산화탄소 흡착부와 제1이산화탄소 탈착부를 순환하는 제1이산화탄소 흡착제를 포함하는 제1이산화탄소 흡탈착부와, 제2이산화탄소 흡착부, 상기 제2이산화탄소 흡착부에 연결된 제2이산화탄소 탈착부, 상기 제2이산화탄소 흡착부와 제2이산화탄소 탈착부를 순환하는 제2이산화탄소 흡착제를 포함하는 제2이산화탄소 흡탈착부를 포함하고, 상기 제1이산화탄소 흡착부에서 발생된 흡착열이 상기 제2이산화탄소 탈착부로 전달될 수 있도록 제1이산화탄소 흡착부와 제2이산화탄소 탈착부가 연결되고, 상기 제1이산화탄소 흡착제와 제2이산화탄소 흡착제는 이산화탄소의 흡착온도 및 탈착온도가 상이한 것을 특징으로 한다.

Description

이산화탄소 포집장치
본 발명은 이산화탄소 포집장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발전소, 제철소와 같이 이산화탄소의 배출이 많은 산업분야에서 발생된 배가스에 포함된 이산화탄소가 대기 중으로 방출되는 것을 방지하기 위한 이산화탄소 포집장치에 관한 것이다.
최근 지구 온난화로 인하여 극지방의 빙하가 녹으면서 해수면이 상승하고 있으며, 기후 변화에 의하여 지구 곳곳에서 기상 이변이 발생하고 있다. 이러한 지구 온난화는 이산화탄소와 같은 온실가스 방출에 기인한다고 알려져 있으며, 이산화탄소의 방출량을 규제하기 위한 국제적 규약이 체결되고 있고, 탄소 배출권의 도입 등에 의하여 이산화탄소의 방출을 억제하는 것이 각국의 경제 이슈가 되고 있다. 이산화탄소의 배출량을 감소시키기 위한 노력은 태양 에너지, 풍력 에너지와 같이 화석 연료를 대체할 수 있는 대체 에너지를 개발하려는 방향과, 화석 연료에서 발생된 이산화탄소를 대기 중으로 방출하지 않고 포집하여 저장하려는 방향으로 진행되고 있다. 후자의 기술을 이산화탄소 포집 및 저장 기술(carbon capture and storage, CCS)이라고 하는데, 크게는 발전소나 제철소에서 발생된 이산화탄소를 포집하는 분야의 기술과, 포집된 이산화탄소를 지중 또는 해양에 저장하는 기술로 나누어진다.
이산화탄소를 포집하는 기술은 포집 단계의 적용에 따라서 연소 후 포집, 연소 전 포집, 순산소 포집으로 나눌 수 있으며, 이산화탄소를 포집하는 원리에 따라서 분리막을 사용하여 농축하는 막 포집 기술(membrane separation), 아민 또는 암모니아수 등의 액체 흡착제를 사용하는 액상 포집 기술(liquid phase separation), 알칼리 또는 알칼리 토금속 등과 같은 고체상의 흡착제를 사용하는 건식 포집 기술(solid phase separation)로 구분할 수 있다.
건식 포집 기술은 크게 이산화탄소 흡착능을 갖는 고상 흡착제의 개발과 이들 고상 흡착제를 사용하여 이산화탄소를 포집하는 공정으로 구성되어 있으며, 이산화탄소 포집 효율은 고상 흡착제의 성능뿐만 아니라 흡착 공정의 구성에 크게 영향을 받는다. 고상 흡착제는 물질의 종류에 따라 크게 유기계, 무기계, 탄소계, 유-무기 하이브리드계 등으로 구분될 수 있고, 이산화탄소가 흡착제에 흡착되는 형태에 따라 물리적 흡착제, 화학적 흡착제로 구분될 수 있다. 유기계 흡착제로는 아민계 고분자 흡착제가, 무기계 흡착제로는 제올라이트계 또는 알칼리, 알칼리 토금속계 흡착제가, 탄소계 흡착제로는 알칼리 금속으로 수식된 활성탄계 흡착제가, 유-무기 하이브리드계 흡착제로는 MOF, 아민기를 갖는 유기물로 그래프팅(grafting)된 다공성 실리카 흡착제가 주로 사용되고 있다. 제올라이트계 및 카본계 흡착제는 이산화탄소가 물리적 흡착하는 특성을 나타내고 있으며, 그 외의 흡착제들은 화학적으로 이산화탄소가 흡착제와 반응하여 흡착되는 화학적 흡착특성을 나타낸다.(Energy Environ. Sci. 2011, 4, 42. ChemSusChem 2009, 2, 796.)
건식 포집 기술은 이산화탄소를 흡착 대상체에 흡착시키는 단계와, 흡착된 이산화탄소를 탈착시켜서 분리하는 단계로 이루어진다. 이산화탄소의 흡착과 탈착은 가역적으로 일어날 수 있는데, 이산화탄소의 흡착과 탈착은 열의 교환 또는 외부 압력의 변화를 통하여 유도할 수 있다. 이와 같이 건식 흡착제를 사용하여 이산화탄소를 포집하는 공정은 흡착된 이산화탄소를 탈착하기 위한 방법으로 압력차를 이용하는 압력 스윙 흡착(Pressure Swing Adsorption, PSA) 공정과, 온도차를 이용하는 온도 스윙 흡착(Temperature Swing Adsorption, TSA) 공정으로 구분된다. 일반적으로 작은 규모의 이산화탄소 포집에는 고정층 흡착탑을 사용한 압력 스윙 흡착 공정이 유리하나, 발전소나 대형 연소로와 같이 배출되는 이산화탄소의 양이 많은 경우에는 스케일 업(scale-up)이 용이한 유동층 흡착 및 탈착탑으로 구성된 온도 스윙 흡착 공정이 유리하다.
본 발명은 고체 흡착제를 이용하여 연속적으로 대용량의 이산화탄소를 포집하는 것을 목적으로 하며, 유동 흡착탑 및 유동 탈착탑으로 구성된 온도 스윙 흡착 공정으로 분류될 수 있다. 온도 스윙 흡착 공정에 사용되는 흡착탑 및 탈착탑은 운전 영역에 따라 탑 내에서의 흡착제 농도가 높은 기포 유동층(Bubbling Fluidized Bed)과 흡착제 농도가 낮은 고속 유동층(Diluted Fluidized Bed)으로 구분할 수 있다. 이러한 기포 유동층과 고속 유동층을 흡착탑과 탈착탑에 적용하면, 1)고속 유동층-고속 유동층, 2)고속 유동층-기포 유동층, 3) 기포 유동층-고속 유동층, 4)기포 유동층-기포 유동층의 4가지 조합의 구성이 도출될 수 있다("Fluidization Engineering", D. Kunii and O. Levenspiel, Robert E. Krieger, 1977).
이와 관련된 선행기술로는 한국공개특허 제2005-0003767호, 제2010-0099929호, 제2011-0054948호 등이 있는데, 상기 선행기술에서는 고체상의 건식 흡착제를 사용하여 이산화탄소를 포집하는데 있어 고속유동층 흡착탑 및 기포유동층 탈착탑으로 구성된 온도 스윙 흡착 개념의 이산화탄소 유동층 포집공정에 대하여 개시하고 있다. 그러나, 이와 같은 온도 스윙 흡착 개념의 건식 포집 공정은 흡착제에 흡착된 이산화탄소를 온도 스윙 흡착 공정으로 탈착시키기 위해서 2 GJ/t-CO2 이상의 막대한 에너지가 소요되기 때문에 흡착제 비용과 함께 포집 비용을 증가시키는 요인으로 작용하고 있다. 따라서 포집비용을 낮추기 위해서는 흡착제로부터 흡착된 이산화탄소를 적은 에너지로 효과적으로 탈착시킬 수 있는 기술의 개발이 매우 중요하다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 서로 다른 흡착 및 탈착온도를 가지는 이산화탄소 흡착제를 이용하여 이산화탄소 흡착열을 탈착 과정에 이용하도록 하는 다단계 방식의 이산화탄소 포집장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 이산화탄소가 흡착하는 과정에서 발생된 열이 이산화탄소의 탈착 과정에 이용되도록 하여 이산화탄소의 포집에 소요되는 에너지의 양을 감소시킬 수 있는 이산화탄소 포집장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 세 번째 과제는 이산화탄소의 흡착 및 탈착속도가 모두 느린 흡착제를 이용하는 경우에 상호 열 교환이 효율적으로 이루어질 수 있는 이산화탄소 포집장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 네 번째 과제는 이산화탄소의 흡착속도가 느리고 탈착속도가 빠른 흡착제를 이용하는 경우에 상호 열 교환이 효율적으로 이루어질 수 있는 이산화탄소 포집장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다섯 번째 과제는 이산화탄소의 흡착속도가 빠르고 탈착속도가 느린 흡착제를 이용하는 경우에 상호 열 교환이 효율적으로 이루어질 수 있는 이산화탄소 포집장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 여섯 번째 과제는 이산화탄소의 흡착속도와 탈착속도가 모두 빠른 흡착제를 이용하는 경우에 상호 열 교환이 효율적으로 이루어질 수 있는 이산화탄소 포집장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 일곱 번째 과제는 서로 다른 이산화탄소 흡착 및 탈착 온도를 가지는 이산화탄소 흡착제를 이용하여 공정 효율을 향상시킨 이산화탄소 포집방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위하여, 이산화탄소가 포함된 배가스에서 이산화탄소를 선택적으로 분리하기 위한 이산화탄소 포집장치로서, 제1이산화탄소 흡착부, 상기 제1이산화탄소 흡착부에 연결된 제1이산화탄소 탈착부, 상기 제1이산화탄소 흡착부와 제1이산화탄소 탈착부를 순환하는 제1이산화탄소 흡착제를 포함하는 제1이산화탄소 흡탈착부와, 제2이산화탄소 흡착부, 상기 제2이산화탄소 흡착부에 연결된 제2이산화탄소 탈착부, 상기 제2이산화탄소 흡착부와 제2이산화탄소 탈착부를 순환하는 제2이산화탄소 흡착제를 포함하는 제2이산화탄소 흡탈착부를 포함하고, 상기 제1이산화탄소 흡착부에서 발생된 흡착열이 상기 제2이산화탄소 탈착부로 전달될 수 있도록 제1이산화탄소 흡착부와 제2이산화탄소 탈착부가 연결되고, 상기 제1이산화탄소 흡착제와 제2이산화탄소 흡착제는 이산화탄소의 흡착온도 및 탈착온도가 상이한 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1이산화탄소 흡착부와 제2이산화탄소 탈착부의 연결은, 제1이산화탄소 흡착부가 제2이산화탄소 탈착부를 관통하거나, 제2이산화탄소 탈착부가 제1이산화탄소 흡착부를 관통하는 방식으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 제1이산화탄소 흡착부와 제2이산화탄소 탈착부는 열매체를 통하여 연결될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 제1이산화탄소 탈착부는 제1이산화탄소 흡착제의 농도가 0.1 내지 10 부피%로 충진되도록 설계되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 제1이산화탄소 탈착부는 제1이산화탄소 흡착제의 농도가 10 내지 80 부피%로 충진되도록 설계되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 제2이산화탄소 흡착부는 제2이산화탄소 흡착제의 농도가 0.1 내지 10 부피%로 충진되도록 설계되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 제2이산화탄소 흡착부는 제2이산화탄소 흡착제의 농도가 10 내지 80 부피%로 충진되도록 설계되는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 두 번째 과제를 달성하기 위하여, 이산화탄소가 포함된 배가스에서 이산화탄소를 선택적으로 분리하기 위한 이산화탄소 포집장치로서, 충진된 이산화탄소 흡착제가 이산화탄소 흡착 영역과 탈착 영역을 순환하면서 이산화탄소의 흡착과 이산화탄소 탈착이 연속적으로 일어나는 복수개의 이산화탄소 흡탈착부를 포함하고, 적어도 하나의 이산화탄소 흡탈착부의 이산화탄소 흡착 영역에서 발생된 흡착열이 다른 이산화탄소 흡탈착부의 이산화탄소 탈착 영역으로 전달되며, 상기 복수개의 이산화탄소 흡탈착부에 충진된 흡착제 중 적어도 하나는 다른 이산화탄소 흡탈착부에 충진된 흡착제와 서로 다른 이산화탄소 흡착 온도와 탈착 온도를 가지는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 이산화탄소 흡탈착부의 이산화탄소 흡착 영역에서 발생된 흡착열이 다른 이산화탄소 흡탈착부의 이산화탄소 탈착 영역으로 전달되는 방식은, 흡착열이 전달되는 이산화탄소 탈착 영역과 이산화탄소 흡착 영역이 직접 접촉하는 방식으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 이산화탄소 흡탈착부의 이산화탄소 흡착 영역에서 발생된 흡착열이 다른 이산화탄소 흡탈착부의 이산화탄소 탈착 영역으로 전달되는 방식은, 열매체에 의하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 이산화탄소 흡착 영역과 탈착 영역 사이에 열교환기가 구비될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 복수개의 이산화탄소 흡탈착부는 충진된 이산화탄소 흡착제의 이산화탄소 흡착 온도 및 탈착 온도에 따라 고온 이산화탄소 흡탈착부, 중온 이산화탄소 흡탈착부 및 저온 이산화탄소 흡탈착부로 구분되고, 상기 고온 이산화탄소 흡탈착부의 이산화탄소 흡착 영역에서 발생된 흡착열이 중온 이산화탄소 흡탈착부의 이산화탄소 탈착 영역으로 전달되며, 상기 중온 이산화탄소 흡탈착부의 이산화탄소 흡착 영역에서 발생된 흡착열이 저온 이산화탄소 흡탈착부의 이산화탄소 탈착 영역으로 전달될 수 있다.
본 발명은 상기 세 번째 과제를 달성하기 위하여, 이산화탄소 흡착제가 상부에서 하부로 이동하는 기포유동성 흡착탑과, 이산화탄소 흡착제가 상부에서 하부로 이동하는 기포유동성 탈착탑과, 상기 기포유동성 흡착탑의 하부와 기포유동성 탈착탑의 상부를 연결하는 제1연결관과, 상기 기포유동성 탈착탑의 하부와 기포유동성 흡착탑의 상부를 연결하는 제2연결관과, 상기 제2연결관과 기포유동성 흡착탑 사이에 형성된 싸이클론을 포함하는 복수개의 이산화탄소 흡탈착부로 이루어지고, 상기 복수개의 이산화탄소 흡탈착부 중 적어도 하나는 열교환이 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치를 제공한다.
본 발명은 상기 네 번째 과제를 달성하기 위하여, 이산화탄소 흡착제가 상부에서 하부로 이동하는 기포유동성 흡착탑과, 이산화탄소 흡착제가 하부에서 상부로 이동하는 고속유동성 탈착탑과, 상기 기포유동성 흡착탑과 고속유동성 탈착탑 사이에 형성된 싸이클론을 포함하는 복수개의 이산화탄소 흡탈착부로 이루어지고, 상기 복수개의 이산화탄소 흡탈착부 중 적어도 하나는 열교환이 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치를 제공한다.
본 발명은 상기 다섯 번째 과제를 달성하기 위하여, 이산화탄소 흡착제가 하부에서 상부로 이동하는 고속유동성 흡착탑과, 이산화탄소 흡착제가 상부에서 하부로 이동하는 기포유동성 탈착탑과, 상기 고속유동성 흡착탑과 기포유동성 탈착탑 사이에 형성된 싸이클론을 포함하는 복수개의 이산화탄소 흡탈착부로 이루어지고, 상기 복수개의 이산화탄소 흡탈착부 중 적어도 하나는 열교환이 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치를 제공한다.
본 발명은 상기 여섯 번째 과제를 달성하기 위하여, 이산화탄소 흡착제가 하부에서 상부로 이동하는 고속유동성 흡착탑과, 이산화탄소 흡착제가 하부에서 상부로 이동하는 고속유동성 탈착탑과, 상기 고속유동성 흡착탑과 고속유동성 탈착탑을 연결하는 저장탑과, 상기 고속유동성 흡착탑과 저장탑 및 고속유동성 탈착탑과 저장탑 사이에 형성된 싸이클론들을 포함하는 복수개의 이산화탄소 흡탈착부로 이루어지고, 상기 복수개의 이산화탄소 흡탈착부 중 적어도 하나는 열교환이 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치를 제공한다.
본 발명은 상기 일곱 번째 과제를 달성하기 위하여, 이산화탄소 흡착제를 이용하여 이산화탄소가 포함된 배가스에서 이산화탄소를 선택적으로 분리하기 위한 이산화탄소 포집방법으로서, 복수개의 이산화탄소 흡탈착부에서 이산화탄소의 흡착과 탈착이 이루어지고, 상기 복수개의 이산화탄소 흡탈착부 중 적어도 하나는 다른 이산화탄소 흡탈착부에서 이용되는 이산화탄소 흡착제와 서로 다른 이산화탄소 흡착 및 탈착 온도를 가지는 이산화탄소 흡착제를 이용하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복수개의 이산화탄소 흡탈착부는 상호 열 교환이 가능하도록 연결될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 복수개의 이산화탄소 흡탈착부 중 적어도 하나는 다른 이산화탄소 흡탈착부와 서로 다른 온도에서 이산화탄소의 흡착과 탈착이 일어날 수 있다.
본 발명의 이산화탄소 포집장치는 아래의 효과를 가진다.
1. 본 발명의 일 구현예에 따른 이산화탄소 포집장치는 복수개의 이산화탄소 흡탈착부를 구비하며, 어느 하나의 흡탈착부에서 발생된 흡착열을 다른 흡탈착부에서 전달받아서 이산화탄소의 탈착에 이용하므로 이산화탄소의 흡탈착에 필요한 에너지를 감소시킬 수 있다.
2. 본 발명의 일 구현예에 따른 이산화탄소 포집장치는 이산화탄소 흡착 및 탈착 온도가 서로 다른 이산화탄소 흡착제를 이용하므로 이산화탄소 흡착열을 이산화탄소 탈착에 이용함에 있어서 효율적으로 에너지를 전달할 수 있다.
3. 본 발명의 일 구현예에 따른 이산화탄소 포집장치는 복수개로 연결된 이산화탄소 흡탈착부에서 이산화탄소 흡착부와 탈착부를 고속유동성 또는 기포유동성으로 선택하여 설계함으로써 이산화탄소의 흡착 및 탈착 속도에 대한 흡착제의 특성에 따라서 효율적으로 이산화탄소 포집장치를 운용할 수 있다.
4. 본 발명의 일 구현예에 따라서 이산화탄소 흡착열의 전달을 직접 전달방식으로 선택하면 흡착열의 전달 과정에서의 열 손실을 방지할 수 있다.
5. 본 발명의 일 구현예에 따라서 이산화탄소 흡착열의 전달에 열 매체를 이용하면, 장치의 구성을 단순화할 수 있고 이산화탄소 포집장치의 대형화에 유리하다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따라 저온 영역, 중온 영역, 고온 영역으로 이산화탄소 흡착-탈착 싸이클을 구성한 경우에 이산화탄소 흡착열을 이산화탄소 탈착에 필요한 열로 이용하는 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따라 기포유동성 흡착탑과 기포유동성 탈착탑으로 구성된 이산화탄소 포집장치의 주요 구성을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따라 기포유동성 흡착탑과 고속유동성 탈착탑으로 구성된 이산화탄소 포집장치의 주요 구성을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따라 고속유동성 흡착탑과 기포유동성 탈착탑으로 구성된 이산화탄소 포집장치의 주요 구성을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따라 고속유동성 흡착탑과 고속유동성 탈착탑으로 구성된 이산화탄소 포집장치의 주요 구성을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따라 열 매체에 의하여 이산화탄소 흡착열의 이산화탄소 탈착에 필요한 영역으로 전달하는 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 구현예에 따라 기포유동성 흡착탑과 기포유동성 탈착탑으로 구성된 이산화탄소 포집장치를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 구현예에 따라 기포유동성 흡착탑과 고속유동성 탈착탑으로 구성된 이산화탄소 포집장치를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 구현예에 따라 고속유동성 흡착탑과 기포유동성 탈착탑으로 구성된 이산화탄소 포집장치를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 일 구현예에 따라 고속유동성 흡착탑과 고속유동성 탈착탑으로 구성된 이산화탄소 포집장치를 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 일 구현예에 따라 열 매체를 이용한 이산화탄소 포집장치를 도시한 것이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 이산화탄소 포집장치는 제1이산화탄소 흡착부, 상기 제1이산화탄소 흡착부에 연결된 제1이산화탄소 탈착부, 상기 제1이산화탄소 흡착부와 제1이산화탄소 탈착부를 순환하는 제1이산화탄소 흡착제를 포함하는 제1이산화탄소 흡탈착부와, 제2이산화탄소 흡착부, 상기 제2이산화탄소 흡착부에 연결된 제2이산화탄소 탈착부, 상기 제2이산화탄소 흡착부와 제2이산화탄소 탈착부를 순환하는 제2이산화탄소 흡착제를 포함하는 제2이산화탄소 흡탈착부를 포함하고, 상기 제1이산화탄소 흡착부에서 발생된 흡착열이 상기 제2이산화탄소 탈착부로 전달될 수 있도록 제1이산화탄소 흡착부와 제2이산화탄소 탈착부가 연결되고, 상기 제1이산화탄소 흡착제와 제2이산화탄소 흡착제는 이산화탄소의 흡착온도 및 탈착온도가 상이한 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따라 저온 영역, 중온 영역, 고온 영역으로 이산화탄소 흡착-탈착 싸이클을 구성한 경우에 이산화탄소 흡착열을 이산화탄소 탈착에 필요한 열로 이용하는 개념을 설명하기 위한 도면이다. 도 1을 참조하면, 서로 다른 온도에서 이산화탄소가 흡착 및 탈착하는 이산화탄소 흡탈착부들이 다단으로 연결된 경우, 각각의 이산화탄소 흡탈착부에서는 이산화탄소의 흡착 및 탈착이 일어나면서 에너지의 전달이 가능하다. 즉, 고온, 중온 및 저온의 이산화탄소 흡탈착부에는 서로 다른 흡탈착 온도를 가지는 흡착제가 충진되어 있고, 흡착된 이산화탄소가 탈착하는 과정에서 흡착열이 발생되는데 이 흡착열을 인접한 영역으로 전달하여 이산화탄소의 탈착을 유도하거나 탈착에 필요한 열을 감소시킬 수 있다. 구체적으로는, 고온 영역의 흡착제가 이산화탄소 흡착 시에 방출하는 흡착열을 중온 영역의 흡착제의 이산화탄소 탈착 시에 필요한 에너지로 사용하고, 중온 영역의 흡착제가 이산화탄소 흡착 시에 방출하는 흡착열을 저온 영역 흡착제의 이산화탄소 탈착 시에 필요한 에너지로 사용한다. 이와 같이 이산화탄소 흡착 시에 발생하는 에너지를 탈착 시에 필요한 에너지로 사용함으로써 이산화탄소 탈착에 소요되는 에너지 비용을 절감시킬 수 있다.
본 발명의 구현예들에 따르면 이산화탄소 포집장치의 구성을 다양하게 설계할 수 있다. 먼저 이산화탄소 흡착부와 탈착부를 각각 기포유동층 또는 고속유동층으로 구성하는 것이 가능한데, 1)기포유동성 흡착부-기포유동성 흡착부, 2)기포 유동성 흡착부-고속유동성 탈착부, 3)고속유동성 흡착부-기포유동성 탈착부, 4)고속유동성 흡착부-고속유동성 탈착부와 같이 4가지 조합이 가능하다. 이때 기포유동성 흡착부 또는 탈착부는 흡착제의 농도가 10 내지 80 부피%로 충진되도록 설계되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 흡착제의 농도가 30 내지 60 부피%가 될 수 있다. 고속유동성 흡착부 또는 탈착부는 흡착제의 농도가 0.1 내지 10 부피%로 충진되도록 설계되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 흡착제의 농도가 0.5 내지 5 부피%가 될 수 있다. 이와 같은 다양한 형태의 이산화탄소 포집장치에서 이산화탄소 흡착열을 이산화탄소 탈착에 이용하기 위해서는 특징적인 구성이 요구된다.
이산화탄소 흡착열을 인접한 이산화탄소 탈착부로 전달하는 방법도 변형이 가능한데, 한 가지는 이산화탄소 흡착부와 탈착부가 직접 접촉한 상태로 열이 교환되는 방식이며, 다른 하나는 별도의 열 매체를 이용하여 열을 교환하는 방식이다.
앞에서 설명한 바와 같이 본 발명의 구현예들을 정리하면 이산화탄소 흡착부 및 탈착부의 구성과 열 전달 방식에 따라서 이산화탄소 포집장치는 아래의 표 1과 같이 8가지 방식으로 구별된다.
표 1
열교환방식 (흡착부)-(탈착부) 결합형태
직접식(열매체 없음) (기포유동층)- (기포유동층) (기포유동층)- (고속유동층) (고속유동층)- (기포유동층) (고속유동층)- (고속유동층)
간접식(열매체 이용) (기포유동층)- (기포유동층) (기포유동층)- (고속유동층) (고속유동층)- (기포유동층) (고속유동층)- (고속유동층)
아래에서 도 2 내지 도 6을 이용하여 각각의 이산화탄소 포집장치의 주요한 구성과 작동에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따라 기포유동성 흡착탑과 기포유동성 탈착탑으로 구성된 이산화탄소 포집장치의 주요 구성을 도시한 것이다. 기포유동성 흡착부와 기포유동성 탈착부로 구성된 이산화탄소 포집장치는 이산화탄소 흡탈착부가 저온, 중온 및 고온의 3단으로 연결될 수 있고, 중온 영역의 흡착제가 이산화탄소 흡착 시 발생하는 흡착열로부터 저온 영역의 이산화탄소 탈착에 필요한 에너지를 반응기 벽면의 직접적 열 교환을 통하여 공급받고, 고온 영역의 흡착제가 이산화탄소 흡착 시 발생하는 흡착열로부터 중온 영역의 이산화탄소 탈착에 필요한 에너지를 반응기 벽면의 직접적 열 교환을 통하여 공급받는다. 즉, 온도가 높은 영역의 이산화탄소 흡착 시 발생하는 흡착열을 온도가 낮은 영역의 이산화탄소 탈착 시 필요한 탈착 에너지로 순차적으로 공급받는다. 도 2를 참조하면, 기포유동성-기포유동성 이산화탄소 포집장치(100)는 저온 싸이클 영역의 이산화탄소 흡탈착부와 고온 싸이클 영역의 이산화탄소 흡탈착부를 가지고, 각각의 이산화탄소 흡탈착부는 기포유동성 이산화탄소 흡착부(101), 기포유동성 이산화탄소 탈착부(102), 싸이클론 (103, 104), 열 교환기(105), 제1전달관(106), 제2전달관(107)을 포함한다. 저온 싸이클 영역의 이산화탄소 흡탈착부에는 상대적으로 낮은 온도의 이산화탄소 흡착 온도 및 탈착 온도를 가지는 이산화탄소 흡착제가 충진되고, 고온 싸이클 영역의 이산화탄소 흡탈착부에는 상대적으로 높은 온도의 이산화탄소 흡착 온도 및 탈착 온도를 가지는 이산화탄소 흡착제가 충진된다. 기포유동성 이산화탄소 흡착부(101)의 하부로는 이산화탄소를 포함하는 배가스가 공급되고, 기포유동성 이산화탄소 흡착부(101)의 상부에 형성된 싸이클론(103)을 통해서는 이산화탄소가 제거된 배가스가 배출된다. 기포유동성 이산화탄소 흡착부(101) 내부에서 이산화탄소를 흡착한 이산화탄소 흡착제는 위 → 아래의 방향으로 이동하면서 제1전달관(106)을 통하여 기포유동성 이산화탄소 탈착부(102)의 상부로 공급된다. 기포유동성 이산화탄소 탈착부(102)에서는 이산화탄소의 탈착이 일어나면서 싸이클론(104)을 통하여 이산화탄소가 배출된다. 이산화탄소가 탈착된 흡착제는 기포유동성 이산화탄소 탈착부(102)의 하부에서 제2전달관(107)을 통하여 기포유동성 이산화탄소 흡착부(101)의 상부로 다시 전달된다. 이러한 싸이클이 반복되면서 배가스의 이산화탄소가 포집되어서 외부로 분리될 수 있다. 이때 인접하여 연결된 이산화탄소 흡착부와 탈착부는 열 교환이 가능하도록 구성되는데, 도면에서는 이산화탄소 흡착부의 내부로 이산화탄소 탈착부가 관통하도록 도시하였지만, 열의 직접적 교환이 가능하다면 관통하는 형태가 아닌, 벽을 사이로 흡착부와 탈착부가 연결된 구조 등 여러 가지의 구성이 모두 가능하다.
기포유동성 이산화탄소 흡착부(101)에는 냉각을 위한 수단이 설치될 수 있고, 기포유동성 이산화탄소 탈착부(102)에는 가열을 위한 수단이 설치될 수 있다. 또한 기포유동성 이산화탄소 흡착부(101)로 유입되는 이산화탄소 흡착제는 미리 냉각될 수 있고, 기포유동성 이산화탄소 탈착부(102)로 유입되는 이산화탄소 흡착제는 미리 가열될 수 있으며, 이를 위하여 열 교환기(105)가 이용될 수 있고, 도면에는 표시하지 않았지만 필요한 위치에 추가적인 열 교환기가 설치될 수 있다. 또한 도면에는 이산화탄소 흡착제의 이동을 위한 압축기 또는 블로워를 도시하지 않았지만 필요한 경우 압축기 또는 블로워가 설치될 수 있다.
이와 같이 이산화탄소 포집장치를 기포유동성 흡착부과 기포유동성 탈착부로 구성한 것은 흡착부 및 탈착부에서의 흡착제가 체류하는 시간을 흡착 및 탈착에 필요한 시간 동안 충분히 유지할 수 있도록 하기 위함이며, 이를 위하여 전달관을 추가적으로 사용하였다. 이와 같은 구성은 이산화탄소의 흡착속도 및 탈착속도가 모두 느린 흡착제를 사용하여 이산화탄소를 포집할 경우에 유리하다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따라 기포유동성 흡착탑과 고속유동성 탈착탑으로 구성된 이산화탄소 포집장치의 주요 구성을 도시한 것이다. 기포유동성 흡착부와 고속유동성 탈착부로 구성된 이산화탄소 포집장치도 저온, 중온 및 고온의 3단으로 연결될 수 있고, 고온 영역에서 중온 영역으로, 중온 영역에서 저온 영역으로 이산화탄소 흡착열이 전달될 수 있다. 도 3을 참조하면, 기포유동성-고속유동성 이산화탄소 포집장치(200)는 저온 싸이클 영역의 이산화탄소 흡탈착부와 고온 싸이클 영역의 이산화탄소 흡탈착부를 가지고, 각각의 이산화탄소 흡탈착부는 기포유동성 이산화탄소 흡착부(201), 고속유동성 이산화탄소 탈착부(202), 싸이클론 (203), 및 열 교환기(205)를 포함한다. 기포유동성 이산화탄소 흡착부(201)의 하부로는 이산화탄소를 포함하는 배가스가 공급되고, 기포유동성 이산화탄소 흡착부(201)의 상부로는 이산화탄소가 제거된 배가스가 배출된다. 기포유동성 이산화탄소 흡착부(201) 내부에서 이산화탄소를 흡착한 이산화탄소 흡착제는 위 → 아래의 방향으로 이동하면서 고속유동성 이산화탄소 탈착부(202)의 하부로 공급된다. 고속유동성 이산화탄소 탈착부(202)에서는 이산화탄소 흡착제가 아래 → 위의 방향으로 이동하면서 이산화탄소의 탈착이 일어나고, 싸이클론(203)을 통하여 이산화탄소가 배출되며 이산화탄소 흡착제가 다시 기포유동성 이산화탄소 흡착부(201)의 상부로 공급된다. 인접하여 연결된 이산화탄소 흡착부와 탈착부는 열 교환이 가능하도록 고속유동성 이산화탄소 탈착부(202)가 기포유동성 이산화탄소 흡착부(201)의 내부를 관통하며 벽을 통하여 열이 교환된다. 이 경우에도 열의 직접적 교환이 가능하다면 관통하는 형태가 아닌, 벽을 사이로 흡착부와 탈착부가 연결된 구조 등 여러 가지의 구성이 모두 가능하며, 기포유동성 이산화탄소 흡착부(201)의 냉각 수단, 고속유동성 이산화탄소 탈착부(202)의 가열수단, 이산화탄소 흡착제의 예비 가열 또는 냉각 수단 및 이산화탄소 흡착제의 이동을 위한 압축기 또는 블로워가 추가로 설치될 수 있다.
이와 같이 기포유동성 흡착부와 고속유동성 탈착부로 구성된 이산화탄소 포집장치는 이산화탄소 흡착부에서의 흡착제 체류시간을 흡착에 필요한 만큼 충분하게 유지할 수 있고, 이산화탄소 탈착부에서의 흡착제 체류시간은 운전조건에 의하여 결정될 수 있다. 기포유동성 흡착부과 고속유동성 탈착부로 구성된 이산화탄소 포집장치는 이산화탄소의 흡착속도가 느리고 탈착속도가 빠른 흡착제를 사용하여 이산화탄소를 포집할 경우에 유리하다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따라 고속유동성 흡착탑과 기포유동성 탈착탑으로 구성된 이산화탄소 포집장치의 주요 구성을 도시한 것이다. 고속유동성 흡착부와 기포유동성 탈착부로 구성된 이산화탄소 포집장치도 저온, 중온 및 고온의 3단으로 연결될 수 있고, 고온 영역에서 중온 영역으로, 중온 영역에서 저온 영역으로 이산화탄소 흡착열이 전달될 수 있다. 도 4를 참조하면, 고속유동성-기포유동성 이산화탄소 포집장치(300)는 저온 싸이클 영역의 이산화탄소 흡탈착부와 고온 싸이클 영역의 이산화탄소 흡탈착부를 가지고, 각각의 이산화탄소 흡탈착부는 고속유동성 이산화탄소 흡착부(301), 기포유동성 이산화탄소 탈착부(302), 싸이클론(303), 및 열 교환기(305)를 포함한다. 고속유동성 이산화탄소 흡착부(301)의 하부로는 이산화탄소를 포함하는 배가스가 공급되고, 고속유동성 이산화탄소 흡착부(301)의 상부에 형성된 싸이클론(303)을 통하여 이산화탄소가 제거된 배가스가 배출된다. 고속유동성 이산화탄소 흡착부(301) 내부에서 이산화탄소를 흡착한 이산화탄소 흡착제는 아래 → 위의 방향으로 이동하면서 기포유동성 이산화탄소 탈착부(302)의 상부로 공급된다. 기포유동성 이산화탄소 탈착부(302)에서 이산화탄소 흡착제는 위 → 아래의 방향으로 이동하면서 이산화탄소의 탈착이 일어나고 고속유동성 이산화탄소 흡착부(301)로 이동한다. 인접하여 연결된 이산화탄소 흡착부와 탈착부는 열 교환이 가능하도록 고속유동성 이산화탄소 흡착부(301)가 기포유동성 이산화탄소 탈착부(302)의 내부를 관통하며 벽을 통하여 열이 교환된다. 이 경우에도 열의 직접적 교환이 가능하다면 관통하는 형태가 아닌, 벽을 사이로 흡착부와 탈착부가 연결된 구조 등 여러 가지의 구성이 모두 가능하며, 고속유동성 이산화탄소 흡착부(301)의 냉각 수단, 기포유동성 이산화탄소 탈착부(302)의 가열수단, 이산화탄소 흡착제의 예비 가열 또는 냉각 수단 및 이산화탄소 흡착제의 이동을 위한 압축기 또는 블로워가 추가로 설치될 수 있다.
이와 같이 고속유동성 흡착부과 기포유동성 탈착부로 구성된 이산화탄소 포집장치는 운전조건에 의하여 이산화탄소 흡착부에서의 흡착제 체류시간이 결정될 수 있다. 고속유동성 흡착부과 기포유동성 탈착부로 구성된 이산화탄소 포집장치는 이산화탄소의 흡착속도가 빠르고 탈착속도가 느린 흡착제를 사용하여 이산화탄소를 포집할 경우에 유리하다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따라 고속유동성 흡착탑과 고속유동성 탈착탑으로 구성된 이산화탄소 포집장치의 주요 구성을 도시한 것이다. 고속유동성 흡착부와 고속유동성 탈착부로 구성된 이산화탄소 포집장치도 저온, 중온 및 고온의 3단으로 연결될 수 있고, 고온 영역에서 중온 영역으로, 중온 영역에서 저온 영역으로 이산화탄소 탈착열이 전달될 수 있다. 도 5를 참조하면, 고속유동성-고속유동성 이산화탄소 포집장치(400)는 저온 싸이클 영역의 이산화탄소 흡탈착부와 고온 싸이클 영역의 이산화탄소 흡탈착부를 가지고, 각각의 이산화탄소 흡탈착부는 고속유동성 이산화탄소 흡착부(401), 고속유동성 이산화탄소 탈착부(402), 싸이클론(403, 404), 열 교환기(405) 및 저장탑(406, 407)을 포함한다. 고속유동성 이산화탄소 흡착부(401)의 하부로는 이산화탄소를 포함하는 배가스가 공급되고, 고속유동성 이산화탄소 흡착부(401)의 상부에 형성된 싸이클론(403)을 통하여 이산화탄소가 제거된 배가스가 배출된다. 고속유동성 이산화탄소 흡착부(401) 내부에서 이산화탄소를 흡착한 이산화탄소 흡착제는 위 → 아래의 방향으로 이동하면서 저장탑(406)의 상부로 공급되고, 다시 고속유동성 이산화탄소 탈착부(402)의 하부로 공급된다. 고속유동성 이산화탄소 탈착부(402)에서는 이산화탄소 흡착제가 아래 → 위의 방향으로 이동하면서 이산화탄소의 탈착이 일어나고 싸이클론(404)을 통하여 이산화탄소가 배출된 후에 저장탑(407)을 통하여 고속유동성 이산화탄소 흡착부(401)의 하부로 이산화탄소 흡착제가 공급된다. 이 경우에 저장탑(406, 407)이 필요한 이유는 이산화탄소 흡착제가 흡착부 및 탈착부에서 모두 아래 → 위의 방향으로 이동하기 때문에 싸이클론으로부터 분리된 흡착제를 담아둘 수 있는 수단이 필요하기 때문이다. 인접하여 연결된 이산화탄소 흡착부와 탈착부는 열 교환이 가능하도록 고속유동성 이산화탄소 흡착부(401)가 고속유동성 이산화탄소 탈착부(402)의 내부를 관통하며 벽을 통하여 열이 교환된다. 이 경우에도 열의 직접적 교환이 가능하다면 관통하는 형태가 아닌, 벽을 사이로 흡착부와 탈착부가 연결된 구조 등 여러 가지의 구성이 모두 가능하며, 고속유동성 이산화탄소 흡착부(401)의 냉각 수단, 고속유동성 이산화탄소 탈착부(402)의 가열수단, 이산화탄소 흡착제의 예비 가열 또는 냉각 수단 및 이산화탄소 흡착제의 이동을 위한 압축기 또는 블로워가 추가로 설치될 수 있다.
이와 같이 고속유동성 흡착부과 고속유동성 탈착부로 구성된 이산화탄소 포집장치는 운전조건에 의하여 이산화탄소 흡착부와 탈착부에서의 흡착제 체류시간이 결정될 수 있다. 고속유동성 흡착부과 기포유동성 탈착부로 구성된 이산화탄소 포집장치는 이산화탄소의 흡착속도와 탈착속도가 모두 빠른 흡착제를 사용하여 이산화탄소를 포집할 경우에 유리하다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따라 열 매체에 의하여 이산화탄소 흡착열의 이산화탄소 탈착에 필요한 영역으로 전달되는 개념을 설명하기 위한 도면이다. 도 6을 참조하면, 열 매체 이용 이산화탄소 포집장치(500)는 고속유동성 이산화탄소 흡착부(501), 기포유동성 이산화탄소 탈착부(502) 및 열 매체(503)를 포함한다. 열 매체(503)는 고속유동성 이산화탄소 흡착부(501)와 기포유동성 이산화탄소 탈착부(502)를 연결하고 있는데, 이산화탄소 흡착열이 탈착부로 전달되는 매체의 기능을 한다. 이와 같이 열 매체를 이용하여 열을 전달하면 장치의 각 구성을 설계하는 것이 자유로워져서 장치의 구성을 단순화하거나 대형화하는데 유리하다. 열 매체는 열 전도도가 높은 물질로 구성되고, 외부에 단열수단이 구비된 구성을 가질 수 있고, 예를 들어 단열된 형태의 워터 자켓이나 실리콘 오일 자켓이 이용될 수 있다. 도 6에서는 설명의 편의 상 고속유동성 이산화탄소 흡착부와 기포유동성 이산화탄소 탈착부로 구성된 이산화탄소 포집장치를 예를 들어 설명하였지만, 기타 다른 방식으로 구성된 이산화탄소 포집장치에도 열 매체가 적용될 수 있다.
아래에서 도 7 내지 도 11을 이용하여 각각의 이산화탄소 포집장치의 구체적인 구성과 작동을 설명한다. 제시된 도면들은 본 발명이 구현되는 예들을 설명하기 위한 것들로서, 이산화탄소 흡착제의 특성 및 운전조건에 따라 일부의 구성이 삭제되거나 변형될 수 있다.
도 7 내지 도 10은 각각 본 발명의 일 구현예에 따라 직접 열교환 방식의 기포유동성 흡착탑과 기포유동성 탈착탑, 기포유동성 흡착탑과 고속유동성 탈착탑, 고속유동성 흡착탑과 기포유동성 탈착탑, 고속유동성 흡착탑과 고속유동성 탈착탑으로 이루어진 이산화탄소 포집장치를 도시한 것이다. 도 7 내지 도 10에서 각각 차이가 있는 부분은 이산화탄소 흡수탑과 이산화탄소 탈착탑의 구성 및 연결 관계인데, 이는 도 2 내지 도 5에서 설명한 내용과 동일하므로 반복된 설명을 생략하기로 하고, 배가스의 주입, 이산화탄소의 배출, 이산화탄소 흡착제의 이동에 대한 이해를 위하여 필요한 구성을 아래에서 설명하기로 한다. 도 7 내지 도 10을 참조하면, 이산화탄소 포집장치는 이산화탄소 흡탈착부, 싸이클론, 흡착제 전달관, 열 교환기, 유체 순환기, 히터 및 유량 조절 밸브 등을 포함한다. 이산화탄소를 함유한 배가스는 압축기 또는 배풍기로 이루어진 유체 순환기(C1)를 통하여 공급되며, 유량 조절 밸브(V1, V2, V3)에 의하여 각 온도 영역의 흡착탑에 이산화탄소 함유 배가스가 분배되어 공급되도록 하였다. 각 온도 영역의 흡착제가 이산화탄소를 흡착할 수 있는 최적의 온도로 흡착탑에 도입될 수 있도록 열 교환기(HX3, HX6)를 통하여 가열되어 도입되도록 하였다. 또한, 저온, 중온, 고온 영역의 흡착제 모두 이산화탄소 흡착 온도보다 탈착 온도가 높기 때문에 흡착-탈착 싸이클을 반복 시 이들 온도차에 의한 열효율 저하를 막기 위하여 이산화탄소 흡착이 끝난 흡착제가 탈착탑에 투입되기 전 가열되어 투입되도록, 그리고 이산화탄소 탈착이 끝난 흡착제가 흡착탑에 투입되기 전 냉각되도록 열 교환기(HX1, HX2, HX4, HX5, HX7, HX8)를 각 단의 흡착탑과 탈착탑 사이에 두어 열 교환이 되도록 하였다. 이들 열 교환기를 열매체가 순환하면서 열 교환을 원활하게 할 수 있도록 유체 순환기(C2, C5, C8)를 두었다. 즉, 흡착이 끝난 흡착제는 탈착탑에 투입되기 전 가열되도록 하였으며, 탈착이 끝난 흡착제는 흡착탑에 투입되기 전 냉각되도록 하여 흡착 및 탈착에 필요한 열이 최소가 되도록 하였다. 흡착제의 이송을 위하여 스트림 넘버(S4, S17, S29)를 지난 흡착제는 전달관을 통하여 싸이클론(CY1, CY3, CY5)에 각각 투입되도록 하였다(S4 → CY1, S17 → CY3, S29 → CY5). 반응기 벽면을 통하여 직접적으로 열 교환이 이루어지도록 저온, 중온, 고온영역에 이산화탄소 흡탈착부(SC3, SC5, SC6)를 설치하였다. 이산화탄소 흡탈착부에서 배출되는 기체로부터 흡착제를 분리하기 위하여 싸이클론(CY1, CY2, CY3, CY4, CY5, CY6)를 두었다. 고온 영역 흡착제의 탈착에 필요한 에너지를 외부로부터 공급받기 위하여 히터(FH1)를 두어 공급받도록 하였으며, 공급에너지를 최소화하기 위하여 열 교환기(HX9, HX10)을 두어 탈착탑을 빠져 나온 농축된 이산화탄소 및 가열로 배가스와 열교환이 각각 이루어지도록 하였다.
도 11은 본 발명의 일 구현예에 따라 열 매체를 이용한 이산화탄소 포집장치를 도시한 것이다. 도 11을 참조하면, 대부분의 구성은 도 7 내지 도 10에 설명된 바와 동일하고, 열 매체의 이용과 관련된 구성에서 차이가 있는데, 구체적으로는 열 매체를 이용하여 이산화탄소 흡착열과 탈착열의 열 교환이 이루어지게 하기 위하여 열 교환기와 유체 순환기(C4, C7)를 추가로 설치하였다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 일 구현 예를 이용하여 설명한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에서 설명된 구현예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 구현예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
[부호의 설명]
100: 기포유동성-기포유동성 이산화탄소 포집장치
101: 기포유동성 이산화탄소 흡착부
102: 기포유동성 이산화탄소 탈착부
103, 104: 싸이클론 105: 열 교환기
106: 제1전달관 107: 제2전달관
200: 기포유동성-고속유동성 이산화탄소 포집장치
201: 기포유동성 이산화탄소 흡착부
202: 고속유동성 이산화탄소 탈착부
203: 싸이클론 205: 열 교환기
300: 고속유동성-기포유동성 이산화탄소 포집장치
301: 고속유동성 이산화탄소 흡착부
302: 기포유동성 이산화탄소 탈착부
303: 싸이클론 305: 열 교환기
400: 고속유동성-고속유동성 이산화탄소 포집장치
401: 고속유동성 이산화탄소 흡착부
402: 고속유동성 이산화탄소 탈착부
403, 404: 싸이클론 405: 열 교환기
406, 407: 저장탑
500: 열 매체 이용 이산화탄소 포집장치
501: 고속유동성 이산화탄소 흡착부
502: 기포유동성 이산화탄소 탈착부
503: 열 매체
C1 ~ C10 : 유체 순환기 CY1 ~ CY6 : 싸이클론
FH1 : 히터 HX1 ~ HX10 : 열 교환기
SC1 ~ SC6 : 이산화탄소 흡탈착부
S1 ~ S46 : 스트림 넘버 V1 ~ V3 : 유량 조절 밸브

Claims (19)

  1. 이산화탄소가 포함된 배가스에서 이산화탄소를 선택적으로 분리하기 위한 이산화탄소 포집장치에 있어서,
    제1이산화탄소 흡착부와, 상기 제1이산화탄소 흡착부에 연결된 제1이산화탄소 탈착부와, 상기 제1이산화탄소 흡착부와 제1이산화탄소 탈착부를 순환하는 제1이산화탄소 흡착제를 포함하는 제1이산화탄소 흡탈착부; 및
    제2이산화탄소 흡착부와, 상기 제2이산화탄소 흡착부에 연결된 제2이산화탄소 탈착부와, 상기 제2이산화탄소 흡착부와 제2이산화탄소 탈착부를 순환하는 제2이산화탄소 흡착제를 포함하는 제2이산화탄소 흡탈착부;를 포함하고,
    상기 제1이산화탄소 흡착부에서 발생된 흡착열이 상기 제2이산화탄소 탈착부로 전달될 수 있도록 제1이산화탄소 흡착부와 제2이산화탄소 탈착부가 연결되고, 상기 제1이산화탄소 흡착제와 제2이산화탄소 흡착제는 이산화탄소의 흡착온도 및 탈착온도가 상이한 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1이산화탄소 흡착부와 제2이산화탄소 탈착부의 연결은, 제1이산화탄소 흡착부가 제2이산화탄소 탈착부를 관통하거나, 제2이산화탄소 탈착부가 제1이산화탄소 흡착부를 관통하는 방식으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1이산화탄소 흡착부와 제2이산화탄소 탈착부는 열매체를 통하여 연결되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    제1이산화탄소 탈착부는 제1이산화탄소 흡착제의 농도가 0.1 내지 10 부피%로 충진되도록 설계된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    제1이산화탄소 탈착부는 제1이산화탄소 흡착제의 농도가 10 내지 80 부피%로 충진되도록 설계된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    제2이산화탄소 흡착부는 제2이산화탄소 흡착제의 농도가 0.1 내지 10 부피%로 충진되도록 설계된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    제2이산화탄소 흡착부는 제2이산화탄소 흡착제의 농도가 10 내지 80 부피%로 충진되도록 설계된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치.
  8. 이산화탄소가 포함된 배가스에서 이산화탄소를 선택적으로 분리하기 위한 이산화탄소 포집장치에 있어서,
    충진된 이산화탄소 흡착제가 이산화탄소 흡착 영역과 탈착 영역을 순환하면서 이산화탄소의 흡착과 이산화탄소 탈착이 연속적으로 일어나는 복수개의 이산화탄소 흡탈착부를 포함하고, 적어도 하나의 이산화탄소 흡탈착부의 이산화탄소 흡착 영역에서 발생된 흡착열이 다른 이산화탄소 흡탈착부의 이산화탄소 탈착 영역으로 전달되며, 상기 복수개의 이산화탄소 흡탈착부에 충진된 흡착제 중 적어도 하나는 다른 이산화탄소 흡탈착부에 충진된 흡착제와 서로 다른 이산화탄소 흡착 온도와 탈착 온도를 가지는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 적어도 하나의 이산화탄소 흡탈착부의 이산화탄소 흡착 영역에서 발생된 흡착열이 다른 이산화탄소 흡탈착부의 이산화탄소 탈착 영역으로 전달되는 방식은, 흡착열이 전달되는 이산화탄소 탈착 영역과 이산화탄소 흡착 영역이 직접 접촉하는 방식으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 적어도 하나의 이산화탄소 흡탈착부의 이산화탄소 흡착 영역에서 발생된 흡착열이 다른 이산화탄소 흡탈착부의 이산화탄소 탈착 영역으로 전달되는 방식은, 열매체에 의하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치.
  11. 청구항 8에 있어서,
    이산화탄소 흡착 영역과 탈착 영역 사이에 열교환기가 구비된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치.
  12. 청구항 8에 있어서,
    복수개의 이산화탄소 흡탈착부는 충진된 이산화탄소 흡착제의 이산화탄소 흡착 온도 및 탈착 온도에 따라 고온 이산화탄소 흡탈착부, 중온 이산화탄소 흡탈착부 및 저온 이산화탄소 흡탈착부로 구분되고, 상기 고온 이산화탄소 흡탈착부의 이산화탄소 흡착 영역에서 발생된 흡착열이 중온 이산화탄소 흡탈착부의 이산화탄소 탈착 영역으로 전달되며, 상기 중온 이산화탄소 흡탈착부의 이산화탄소 흡착 영역에서 발생된 흡착열이 저온 이산화탄소 흡탈착부의 이산화탄소 탈착 영역으로 전달되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치.
  13. 이산화탄소 흡착제가 상부에서 하부로 이동하는 기포유동성 흡착탑; 이산화탄소 흡착제가 상부에서 하부로 이동하는 기포유동성 탈착탑; 상기 기포유동성 흡착탑의 하부와 기포유동성 탈착탑의 상부를 연결하는 제1연결관; 상기 기포유동성 탈착탑의 상부와 기포유동성 흡착탑의 하부를 연결하는 제2연결관; 및 상기 제2연결관과 기포유동성 흡착탑 사이에 형성된 싸이클론;을 포함하는 복수개의 이산화탄소 흡탈착부로 이루어지고, 상기 복수개의 이산화탄소 흡탈착부 중 적어도 하나는 열교환이 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치.
  14. 이산화탄소 흡착제가 상부에서 하부로 이동하는 기포유동성 흡착탑; 이산화탄소 흡착제가 하부에서 상부로 이동하는 고속유동성 탈착탑; 및 상기 기포유동성 흡착탑과 고속유동성 탈착탑 사이에 형성된 싸이클론;을 포함하는 복수개의 이산화탄소 흡탈착부로 이루어지고, 상기 복수개의 이산화탄소 흡탈착부 중 적어도 하나는 열교환이 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치.
  15. 이산화탄소 흡착제가 하부에서 상부로 이동하는 고속유동성 흡착탑; 이산화탄소 흡착제가 상부에서 하부로 이동하는 기포유동성 탈착탑; 및 상기 고속유동성 흡착탑과 기포유동성 탈착탑 사이에 형성된 싸이클론;을 포함하는 복수개의 이산화탄소 흡탈착부로 이루어지고, 상기 복수개의 이산화탄소 흡탈착부 중 적어도 하나는 열교환이 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치.
  16. 이산화탄소 흡착제가 하부에서 상부로 이동하는 고속유동성 흡착탑; 이산화탄소 흡착제가 하부에서 상부로 이동하는 고속유동성 탈착탑; 상기 고속유동성 흡착탑과 고속유동성 탈착탑을 연결하는 저장탑; 및 상기 고속유동성 흡착탑과 저장탑 및 고속유동성 탈착탑과 저장탑 사이에 형성된 싸이클론들;을 포함하는 복수개의 이산화탄소 흡탈착부로 이루어지고, 상기 복수개의 이산화탄소 흡탈착부 중 적어도 하나는 열교환이 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집장치.
  17. 이산화탄소 흡착제를 이용하여 이산화탄소가 포함된 배가스에서 이산화탄소를 선택적으로 분리하기 위한 이산화탄소 포집방법에 있어서,
    복수개의 이산화탄소 흡탈착부에서 이산화탄소의 흡착과 탈착이 이루어지고, 상기 복수개의 이산화탄소 흡탈착부 중 적어도 하나는 다른 이산화탄소 흡탈착부에서 이용되는 이산화탄소 흡착제와 서로 다른 이산화탄소 흡착 및 탈착 온도를 가지는 이산화탄소 흡착제를 이용하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 복수개의 이산화탄소 흡탈착부는 상호 열 교환이 가능하도록 연결된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집방법.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 복수개의 이산화탄소 흡탈착부 중 적어도 하나는 다른 이산화탄소 흡탈착부와 서로 다른 온도에서 이산화탄소의 흡착과 탈착이 일어나는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집방법.
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