WO2015133665A1 - 재비기를 거친 흡수제를 응축수로 냉각하여 에너지를 절감하는 산성 기체 포집 시스템 및 방법 - Google Patents

재비기를 거친 흡수제를 응축수로 냉각하여 에너지를 절감하는 산성 기체 포집 시스템 및 방법 Download PDF

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유정균
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Definitions

  • the present invention relates to an acid gas collection process, and more particularly, to an energy saving acid gas collection system and method utilizing condensate.
  • Carbon Dioxide Capture & Storage (CCS) technology isolates carbon dioxide from power plants, steel and cement plants that emit large amounts of carbon dioxide from fossil fuels.
  • carbon dioxide capture technology is a core technology that accounts for 70 to 80% of the total cost. It is mainly a post-combustion technology, a pre-combustion technology, and an oxygen-fuel combustion technology. combustion technology) (CO2 capture and storage technology, Park Sang-do, physics and advanced technology, June, 2009).
  • Post-combustion technology is a technology that absorbs or reacts carbon dioxide (CO 2 ) from fossil fuel combustion by absorbing or reacting it in various solvents. Pre-combustion technology removes carbon dioxide before combustion. By separating and pre-processing through gasification of fossil fuels such as coal and converting them into CO 2 and hydrogen, the carbon dioxide (CO 2 ) is separated or mixed in a carbon dioxide (CO 2 ) / hydrogen (H 2 ) mixed gas. It is a technology that captures carbon dioxide (CO 2 ) in exhaust gas by burning gas.
  • oxygen-fuel combustion technology is a technology that facilitates the capture of carbon dioxide (CO 2 ) by burning only using oxygen instead of air when burning fossil fuel. Post-combustion capture technology is currently the most widely used.
  • the representative process of the wet absorption technology is a capture process using an amine-based absorbent, which is a technology that has secured the technical reliability that has been applied in the reforming process of the petrochemical process, but in order to be applied to the flue gas containing various pollutants, the performance of the absorbent is improved. This is necessary.
  • the process using an amine-based absorbent is a chemical absorption process using an alkanolamine in which an amine and a hydroxyl group are bonded to an alkyl group as an absorbent, and a regeneration tower that selectively absorbs carbon dioxide from an inflow gas and an absorber that absorbs carbon dioxide. (Heating regeneration tower) and auxiliary facilities.
  • Monoethanol amine the most widely used amine absorbent, provides the cause of acid-base neutralization reactions with acidic carbon dioxide in aqueous solution.
  • bicarbonate is decomposed and regenerated at about 110 °C to 130 °C.
  • the amines used as absorbents show a lot of differences in absorption capacity and absorption rate of carbon dioxide according to their structural characteristics.
  • the process of absorbing carbon dioxide is performed at about 40 ° C to 50 ° C, whereas the regeneration process proceeds at about 110 ° C to 130 ° C, so that a part of the absorbent is vaporized and discharged together with carbon dioxide in the regeneration process. And a preheating technique capable of reducing the amount of heat required for reboiling of the regeneration process.
  • Korean Patent No. 0983677 relates to an acid gas absorption separation system and method, and discloses a method of utilizing steam generated in a steam generation boiler as a heat source for regenerating an absorbent.
  • this is a limitation of using the generated steam only for regenerating the absorbent.
  • the present invention is to provide an acid gas collection system and method that can reduce the energy consumption by utilizing the condensate generated in the system itself to collect the acid gas for heat exchange of the acid gas collection system.
  • the present inventors can maximize the energy efficiency of the entire system by injecting the steam generated by heat-exchanging the condensate discharged from the system with the high temperature recycled absorbent solution discharged from the regeneration tower
  • the present invention was completed by finding out.
  • the present invention is an acid gas collection system having an absorption tower for absorbing acid gas by using an absorbent and a regeneration tower for separating a process gas from the absorbent, wherein the collection system supplies exhaust gas containing acid gas to the absorption tower.
  • An exhaust gas supply line configured to face the absorption tower via a first heat exchanger and a water separator before injection of the absorption tower;
  • An absorbent supply line for supplying the absorbent absorbing the acidic gas in the absorption tower to the regeneration tower and passing through the second heat exchanger to the regeneration tower;
  • a process gas line for supplying a process gas discharged from the regeneration tower to a condenser, wherein the process gas passes through a third heat exchanger before reaching the condenser;
  • a condensate supply line utilizing condensate generated through the condenser, wherein the condensate supply line is branched into three lines and directly injects condensate generated from the condenser into a regeneration tower;
  • the present invention also provides an acidic gas collection system that saves energy by cooling the absorbent after reboiling with condensate, the operating temperature of the condenser is 30 °C to 40 °C.
  • the absorbent supply line for absorbing the acidic gas and the regenerated absorbent supply line for transferring the regenerated absorbent to the absorption tower through a reboiler connected to the lower part of the regeneration tower are provided with each other. It provides an acidic gas collection system that conserves energy by cooling the cross-reboiled absorbent with condensate.
  • the present invention also provides an acid gas collection method comprising an absorption tower that absorbs an acid gas using an absorbent and a regeneration tower that separates the processing gas from the absorbent, wherein the collection method absorbs exhaust gas containing an acid gas. Feeding the tower to absorb the acidic gas into the absorbent; Supplying an absorbent absorbing the acidic gas emitted from the absorption tower to the regeneration tower to separate the acidic gas from the absorbent; Supplying the process gas from the regeneration tower to a condenser to separate condensate from the process gas; And supplying condensed water to a condensed water supply line utilizing condensed water generated through the condenser, wherein supplying the condensed water cools the regeneration tower by injecting condensed water generated in the condenser to an upper part of the regeneration tower; Supplying condensed water generated in the condenser to a fourth heat exchanger to cool the absorbent regenerated in the regeneration tower and supply the generated water vapor to a compressor for injecting the generated water vapor into the
  • the present invention also provides a method for collecting acidic gas, in which the operating temperature of the condenser is 30 ° C. to 40 ° C., which saves energy by cooling the absorbent after reboiling with condensate.
  • the system and method of the present invention branch the condensed water having a low temperature and use it for cooling the top of the regeneration tower, generating steam, and cooling the compressor.
  • the steam generated by recovering the heat of the absorbent solution discharged from the high temperature regeneration tower is recovered.
  • the amount of heat required for reboiling is lowered and the top of the regeneration tower is cooled to lower the required heat amount of the condenser.
  • FIG 2 shows an acid gas collection system according to an embodiment of the present invention.
  • the lines carrying the absorbent, the process gas or the condensate for exchanging heat in the heat exchanger are expressed as "intersecting" with each other. That is, the two fluid transfer lines exchange heat by "crossing" each other in a heat exchanger.
  • the exhaust gas containing acidic gas such as carbon dioxide is supplied to the absorption tower 10 filled with a filler having a large surface area so that the contact between the gas and the liquid is smooth, and the solution of the sprayed state from the top of the absorption tower Contact with absorbent at atmospheric conditions.
  • the contact proceeds in a temperature range of about 40 ° C. to 50 ° C. to absorb acidic gas such as carbon dioxide in the exhaust gas into the absorption solution.
  • the absorbent released from the absorption tower that is, the absorbent absorbed with acidic gas containing carbon dioxide is sent to the regeneration tower 20 and heat treated at a temperature range of about 120 ° C. Emitted to the top, the regenerated absorbent is subjected to a circulating process that is fed back to the absorption tower via the reboiler (40).
  • the treatment gas discharged from the regeneration tower is supplied to the condenser 50 through the treatment gas discharge line 31 so that water is condensed in the condenser, and acid gases such as steam and carbon dioxide, which are not condensed, are obtained as final products.
  • the condensed water is recycled into the regeneration tower along the condensed water supply line 51, and this recirculation has an effect of increasing the separation efficiency of the regeneration tower, but requires reboiler heat duty as the condensed water at low temperature is introduced. It is a factor to increase.
  • the regenerated absorbent travels along the absorbent recycle line to preheat the absorbent absorbing the acidic gas sent to the regeneration tower through the second heat exchanger 12 and is fed back to the absorption tower to absorb the new acidic gas.
  • the absorbent supply line 41 regenerated in the second heat exchanger and the absorbent supply line 21 for supplying the absorbent absorbing the acidic gas in the absorption tower to the regeneration tower cross each other.
  • An acid gas collection system having an absorption tower 20 that absorbs an acid gas by using an absorbent and a regeneration tower 30 that separates a processing gas from the absorber, wherein the collection system absorbs exhaust gas including an acid gas.
  • An exhaust gas supply line 61 which is supplied to the tower and directed to the absorption tower via the first heat exchanger 11 and the water separator 60 before the absorption tower 20 is injected;
  • An absorbent supply line 41 for supplying the absorbent absorbing the acidic gas into the regeneration tower 30 to the regeneration tower via a second heat exchanger 12;
  • a process gas line 31 which supplies a process gas discharged from the regeneration tower to a condenser 50, wherein the process gas passes through a third heat exchanger 13 before reaching the condenser;
  • a condensate supply line 51 utilizing condensate generated through the condenser, wherein the condensate supply line is branched into three lines, and the first condensate supply line directly injects condensate generated from the condenser into a regeneration tower.
  • the operating temperature of the condenser is between 30 ° C and 40 ° C.
  • the regeneration tower 30 of the present invention separates the acid gas from the absorbent by supplying heat to the absorbent solution in which the acid gas is absorbed in the absorption tower 20.
  • the heat medium of the regeneration tower receives steam from the reboiler 40 to the bottom of the regeneration tower, and the injected steam rises upward from the bottom of the regeneration tower to continuously supply heat to the absorbent solution.
  • the regenerated absorbent is lowered, and the separated acidic gas and steam are discharged through the processing gas line 31 at the upper part of the regeneration tower and passed through the third heat exchanger 13 to the condenser. Supplied.
  • the present invention has the effect of reducing the required heat amount of the reboiler by branching the water condensed in the condenser into three streams utilized for cooling the top of the regeneration tower, steam generation and compressor cooling.
  • the first condensate supply line 511 directly injects condensate generated from the condenser 50 to the upper part of the regeneration tower to cool the upper part of the regeneration tower. For example, cooling the top of the regeneration tower to 96 °C to lower the temperature compared to the temperature of the top of the regeneration tower of the existing amine process 100 °C has the effect of reducing the heat of condensation condenser.
  • the second condensate feed line 512 and the third condensate feed line 513 are supply lines associated with the heat recovery of the high temperature regenerated absorbent solution discharged from the bottom of the regeneration tower 20, and the second condensate feed line 512 is provided. Is a line for supplying the condensed water generated from the condenser to the fourth heat exchanger 14 to recover the heat of the regenerated absorbent solution discharged from the regeneration tower, and to supply the generated steam to the compressor 70 while recovering the heat of the absorbent solution. to be.
  • the condensed water supplied to the fourth heat exchanger is a primary cooling means of the regenerated absorbent solution, and in one embodiment, the steam generated through the primary heat exchange is compressed to 205 kPa in a compressor to be supplied to the regeneration tower, and then supplied to the regeneration tower. do.
  • the third condensate supply line 513 is a line for cooling the steam supplied through the second condensate supply line 512 by supplying condensate generated from the condenser to the compressor 70.
  • the steam supplied to the compressor through the second condensate feed line is compressed and supplied to the regeneration tower, which must be cooled to an appropriate temperature to minimize thermal denaturation of the absorbent solution inside the regeneration tower.
  • the condensed water supplied through the third condensed water supply line 513 cools the steam reaching the compressor to 120 ° C., and the cooled steam is supplied to the regeneration tower.
  • the condensate utilization of the present invention reduces the amount of heat required for reboiling, thereby reducing the total amount of energy required in the system, thereby showing an excellent effect on energy saving required for acid gas collection.
  • a regenerated absorbent supply line for transferring the regenerated absorbent to the absorption tower through an absorbent supply line absorbing the acidic gas and a reboiler connected to the lower part of the regeneration tower.
  • the absorbent solution regenerated cross each other is secondarily cooled.
  • One embodiment of the present invention provides an acid gas collection method having an absorption tower for absorbing acid gas discharged from a combustor using an absorbent and a regeneration tower for separating process gas from the absorbent.
  • the collection method includes supplying exhaust gas containing an acid gas to the absorption tower to absorb the acid gas into the absorbent; Supplying an absorbent absorbing the acidic gas emitted from the absorption tower to the regeneration tower to separate the acidic gas from the absorbent; Supplying the separation water to a separation water supply line using the separation water generated through the water separator; Supplying the process gas from the regeneration tower to a condenser to separate condensate from the process gas; And supplying condensed water to a condensed water supply line utilizing condensed water generated through the condenser, wherein supplying the condensed water cools the regeneration tower by injecting condensed water generated in the condenser to an upper part of the regeneration tower; Supplying condensed water generated in the condenser to a fourth heat exchanger to cool the
  • the operating temperature of the condenser is between 30 ° C and 40 ° C.

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Abstract

본 발명은 이산화탄소를 비롯한 산성 가스 포집 시스템에서, 흡수제 재생을 위한 재생탑에 제공해야 하는 열량을 감축시킬 수 있는 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 산성 가스를 포집하는 시스템에서 시스템 자체의 열을 활용하여 에너지 소모를 줄일 수 있는 산성 가스 포집 시스템 및 산성 가스 포집 방법을 제공한다. 본 발명의 시스템 및 방법은 포집 시스템에서 발생하는 온도가 낮은 응축수를 재생탑 상단 냉각, 증기 생성 및 압축기 냉각에 활용하여 재비기 요구 열량을 낮춤으로써 에너지 절감 효과를 나타낸다.

Description

재비기를 거친 흡수제를 응축수로 냉각하여 에너지를 절감하는 산성 기체 포집 시스템 및 방법
본 발명은 산성 가스 포집 공정에 관한 것으로, 특히 응축수를 활용하는 에너지 절감형 산성가스 포집 시스템 및 방법에 관한 것이다.
화석연료의 사용에 따라 대기 중에 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 황화수소(H2S), 카보닐 설파이드(COS) 등 산성 가스 농도가 증가하여, 이로 인한 지구 온난화가 문제되고 있다. 특히 대기 중 이산화탄소는 1992년 리우 환경회의 이후 그 저감을 위한 여러 방안이 세계적으로 활발히 논의되고 있다.
이산화탄소 포집 및 저장(CCS; Carbon Dioxide Capture& Storage) 기술은 화석연료를 사용하여 이산화탄소를 대량 배출하는 발전소, 철강, 시멘트 공장 등에서 배출되는 이산화탄소를 대기로부터 격리시키는 기술이다.
CCS 기술 중 이산화탄소 포집기술은 전체 비용의 70 내지 80%를 차지하는 핵심 기술로 크게 연소 후 포집기술(Post-combustion technology), 연소 전 포집기술(Pre-combustion technology) 및 순산소 연소기술(Oxy-fuel combustion technology)로 구분(이산화탄소 포집 및 저장기술, 박상도, 물리학과 첨단기술, June, 2009)된다.
연소 후 포집기술(Post-combustion technology)은 화석연료 연소에서 나온 이산화탄소(CO2)를 여러 용매에 흡수시키거나 반응시켜 제거하는 기술이며, 연소 전 포집기술(Pre-combustion technology)은 연소 전에 이산화탄소를 분리해 내는 것으로 석탄과 같은 화석연료를 가스화 시키는 과정을 통해 사전 처리하여 CO2와 수소로 전환시킨 후에 이산화탄소(CO2)/수소(H2)혼합가스 중에서 이산화탄소(CO2)를 분리하거나 또는 혼합가스를 연소시켜서 배기가스 중의 이산화탄소(CO2)를 포집하는 기술이다. 또한, 순 산소 연소기술(Oxy-fuel combustion technology)은 화석연료를 연소시킬 때 공기 대신 산소만을 이용하여 연소시켜 이산화탄소(CO2) 포집을 용이하게 하는 기술이다. 위 기술 중 연소 후 포집기술이 현재 가장 폭넓게 사용되고 있다.
기존 이산화탄소 발생원에 적용하기 가장 용이한 기술은 연소 후 포집기술이다. 흡수제를 이용하여 이산화탄소를 흡탈착하여 이산화탄소를 분리하는 방법으로 흡수제 성능향상과 이에 따른 공정 개선 등에 초점이 맞추어져 있다. 이 기술은 요소비료 생산, 자동용접, 탄산음료 등에 필요한 이산화탄소를 공급하기 위하여 습식 흡수기술과 건식 흡착기술이 상용화되어 가동되고 있으며, 습식 흡수기술의 효율이 높은 편이다.
습식 흡수기술의 대표적인 공정은 아민계 흡수제를 사용하는 포집공정으로 석유화학공정 중 개질공정에서 적용된 바 있는 기술적 신뢰성이 확보된 기술이지만, 다양한 오염물이 포함된 연도가스에 적용하기 위해서는 흡수제 성능 및 공정 개선이 필요하다. 아민계 흡수제를 사용하는 공정은, 알킬기에 아민과 hydroxyl기가 결합된 알칸올아민을 흡수제로 이용하는 화학흡수공정으로 유입 가스로부터 이산화탄소를 선택적으로 흡수하는 흡수탑과 이산화탄소를 흡수한 흡수제를 재생하는 재생탑(가열 재생탑) 및 부대설비로 구성되어 있다.
아민계 흡수제로 가장 널리 이용되고 있는 MEA(Mono Ethanol Amine)는 아민기의 비공유 전자에 의하여 형성되는 알칼리성이 수용액에서 산성인 이산화탄소와 산-염기 중화반응의 원인을 제공하며, 생성된 염(carbamate 또는 bicarbonate)은 약 110℃ 내지 130℃에서 분해되어 재생된다. 흡수제로 사용되는 아민들은 각각의 구조적인 특성에 따라 이산화탄소의 흡수능과 흡수 속도 등에 많은 차이를 보이고 있다.
이산화탄소를 흡수하는 공정은 약 40℃ 내지 50℃에서 이루어지는데 비해, 재생공정은 약 110℃ 내지 130℃에서 진행되므로 재생공정에서 흡수제의 일부가 증기화되어 이산화탄소와 함께 배출되므로 이를 냉각응축시키기 위한 냉각기 및 재생공정의 재비기의 요구 열량을 줄일 수 있는 예열 기술이 필요하다.
대한민국 등록특허 제 0983677호는 산성 가스 흡수 분리 시스템 및 방법에 관한것으로, 증기 발생용 보일러에서 발생된 증기를 흡수제 재생용 열원으로 활용하는 방법을 개시한다. 하지만 이는 발생된 증기를 흡수제 재생용으로만 활용하는 것의 한계가 있다.
따라서 재생공정을 위한 가열과 냉각에 따른 에너지의 소모가 많으므로 이를 감소시키기 위한 기술개발이 요구된다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(0001) 대한민국 등록특허 0983677
[비특허문헌]
(0001) 이산화탄소 포집 및 저장기술, 박상도, 물리학과 첨단기술, June, 2009
본 발명은 산성 가스를 포집하는 시스템자체에서 발생하는 응축수를 산성 가스 포집 시스템의 열교환에 활용하여 에너지 소모를 줄일 수 있는 산성 가스 포집 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명자들은 시스템에서 배출되는 응축수를 재생탑에서 배출되는 고온의 재생된 흡수제 용액과 열교환하여 발생된 증기를 재생탑에 주입함에 따라 시스템 전체의 에너지 효율을 극대화할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 흡수제를 이용하여 산성 가스를 흡수하는 흡수탑 및 상기 흡수제로부터 처리 가스를 분리하는 재생탑을 구비한 산성 가스 포집 시스템으로, 상기 포집 시스템은 산성 가스를 포함하는 배기가스를 흡수탑으로 공급하되 흡수탑 주입 전에 제 1열교환기 및 물분리기를 거쳐 상기 흡수탑으로 향하도록 하는 배기가스 공급라인; 상기 흡수탑 내에서 산성 가스를 흡수한 상기 흡수제를 상기 재생탑에 공급하되 제2 열교환기를 거쳐 상기 재생탑으로 향하도록 하는 흡수제 공급 라인; 상기 재생탑에서 방출되는 처리가스를 응축기로 공급하되 상기 처리가스는 상기 응축기에 도달하기 전에 제3 열교환기를 거치는 처리가스 라인; 및 상기 응축기를 거쳐 생성된 응축수를 활용하는 응축수 공급 라인을 포함하고, 상기 응축수 공급 라인은 세 개의 라인으로 분기되어, 상기 응축기에서 발생한 응축수를 재생탑으로 직접 주입하는 제1 응축수 공급라인; 상기 응축기에서 발생한 응축수를 제 4열교환기로 공급하고 생성된 수증기를 재생탑으로 주입하되 압축기를 거치는 제2 응축수 공급라인; 및 상기 응축기에서 발생한 응축수를 압축기로 공급하여 수증기를 냉각하는 제 3 응축수 공급라인을 포함하는, 재비기를 거친 흡수제를 응축수로 냉각하여 에너지를 절감하는 산성 기체 포집 시스템을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 응축기의 작동 온도는 30℃ 내지 40℃인, 재비기를 거친 흡수제를 응축수로 냉각하여 에너지를 절감하는 산성 기체 포집 시스템을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 산성 가스는, 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 황화수소(H2S), 카보닐 설파이드(COS) 또는 머캡탄(RSH, R= 탄화수소)인, 재비기를 거친 흡수제를 응축수로 냉각하여 에너지를 절감하는 산성 기체 포집 시스템을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 제2 열교환기에서는 상기 산성 가스를 흡수한 흡수제 공급라인, 및 재생탑 하부와 연결된 재비기(Reboiler)를 거쳐 재생된 흡수제를 흡수탑으로 이송하는 재생된 흡수제 공급라인이 서로 교차하는, 재비기를 거친 흡수제를 응축수로 냉각하여 에너지를 절감하는 산성 기체 포집 시스템을 제공한다.
본 발명은 또한, 흡수제를 이용하여 산성 가스를 흡수하는 흡수탑 및 상기 흡수제로부터 처리 가스를 분리하는 재생탑을 구비한 산성 가스 포집 방법으로, 상기 포집 방법은 산성 가스를 함유하고 있는 배기가스를 흡수탑에 공급하여 산성 가스를 흡수제에 흡수시키는 단계; 흡수탑에서 방출되는 산성 가스를 흡수한 흡수제를 재생탑으로 공급하여 상기 흡수제로부터 산성 가스를 분리하는 단계; 상기 재생탑에서 나온 처리가스를 응축기로 공급하여 상기 처리가스로부터 응축수를 분리하는 단계; 및 상기 응축기를 거쳐 생성된 응축수를 활용하는 응축수 공급 라인으로 응축수를 공급하는 단계를 포함하고, 상기 응축수를 공급하는 단계는 상기 응축기에서 발생한 응축수를 재생탑 상부로 주입하여 재생탑을 냉각하는 단계; 상기 응축기에서 발생한 응축수를 제 4열교환기로 공급하여 재생탑에서 재생된 흡수제를 냉각하고 생성된 수증기를 재생탑으로 주입하기 위해 압축기로 공급하는 단계; 및 상기 응축기에서 발생한 응축수를 압축기로 공급하여 압축기 내의 수증기를 냉각하는 단계를 포함하는, 재비기를 거친 흡수제를 응축수로 냉각하여 에너지를 절감하는 산성 기체 포집 방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 응축기의 작동 온도는 30℃ 내지 40℃인, 재비기를 거친 흡수제를 응축수로 냉각하여 에너지를 절감하는 산성 기체 포집 방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 산성 가스는, 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 황화수소(H2S), 카보닐 설파이드(COS) 또는 머캡탄(RSH, R= 탄화수소)인, 재비기를 거친 흡수제를 응축수로 냉각하여 에너지를 절감하는 산성 기체 포집 방법을 제공한다.
본 발명의 시스템 및 방법은 온도가 낮은 응축된 물을 분기하여 재생탑 상단 냉각, 증기 생성 및 압축기 냉각에 사용하는 것으로, 고온의 재생탑에서 배출되는 흡수제 용액의 열을 회수함으로써 발생한 증기를 재생탑에 주입시켜 재비기 요구 열량을 낮추고, 재생탑 상단을 냉각하여 응축기의 요구열량을 낮추는 효과가 있다.
도 1은 종래의 산성 가스 분리 회수 시스템을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 산성 가스 포집 시스템을 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 산성 가스 분리 회수 시스템 및 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
여기서, 본 발명의 실시 형태를 설명하기 위한 전체 도면에 있어서, 동일한 기능을 갖는 것은 동일한 부호를 붙이고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 본 발명에서는 열교환기에서 열을 교환하는 흡수제, 처리 가스 또는 응축수를 운송하는 라인은 서로 "교차"한다고 표현하였다. 즉, 두 유체 운송라인은 열교환기에서 서로 "교차"하여 열을 교환한다.
도 1은 종래의 산성 가스 포집 시스템을 나타낸다. 이산화탄소 등 산성 가스를 포함하고 있는 배기가스를 기체와 액체 사이의 접촉이 원활히 이루어지도록 넓은 표면적을 갖는 충전물이 충전되어 있는 흡수탑(10)에 공급하여, 상기 흡수탑의 상부에서 살포되는 용액 상태의 흡수제와 대기압 조건에서 접촉시킨다. 상기 접촉은 약 40℃ 내지 50℃의 온도범위에서 진행되어, 배기가스 내의 이산화탄소 등 산성 가스를 흡수용액에 흡수시킨다.
상기 흡수탑에서 방출되는 흡수제, 즉 이산화탄소를 포함하는 산성 가스가 흡수된 흡수제는 재생탑(20)으로 보내져 약 120℃ 전후의 온도범위에서 가열 처리된 후 흡수제에서 유리된 처리 가스는 상기 재생탑의 상부로 방출하고, 재생된 흡수제는 재비기(Reboiler)(40)를 거쳐 흡수탑으로 다시 공급되는 순환과정을 거친다. 상기 재생탑에서 방출된 처리가스는 처리가스 배출라인(31)을 통해 응축기(50)로 공급되어 응축기에서 물은 응축되고 응축되지 않은 수증기와 이산화탄소 등 산성 가스는 최종산물로 얻어진다. 상기 응축된 물은 응축수 공급라인(51)을 따라 재생탑 안으로 재순환되고, 이러한 재순환은 재생탑의 분리효율을 높이는 효과가 있으나 저온의 응축된 물이 유입됨에 따라 재비기 요구 열량(Reboiler heat duty)을 증가시키는 요인이 된다. 상기 재생된 흡수제는 흡수제 재순환 라인을 따라 이동해 제2 열교환기(12)를 통해 상기 재생탑으로 보내지는 산성 가스를 흡수한 흡수제를 예열하고, 새로운 산성 가스를 흡수하기 위해 흡수탑에 다시 공급된다. 상기 제2 열교환기에서 재생된 흡수제 공급라인(41)과 흡수탑에서 산성 가스를 흡수한 흡수제를 재생탑으로 공급하는 흡수제 공급라인(21)이 서로 교차한다.
도 2는 본 발명의 한 구현예에 따른 산성 가스 포집 시스템을 나타내는 것이다. 흡수제를 이용하여 산성 가스를 흡수하는 흡수탑(20) 및 상기 흡수제로부터 처리 가스를 분리하는 재생탑(30)을 구비한 산성 가스 포집 시스템으로, 상기 포집 시스템은 산성 가스를 포함하는 배기가스를 흡수탑으로 공급하되 흡수탑(20) 주입 전에 제 1열교환기(11) 및 물분리기(60)를 거쳐 상기 흡수탑으로 향하도록 하는 배기가스 공급라인(61); 상기 흡수탑 내에서 산성 가스를 흡수한 상기 흡수제를 상기 재생탑(30)에 공급하되 제2 열교환기(12)를 거쳐 상기 재생탑으로 향하도록 하는 흡수제 공급 라인(41); 상기 재생탑에서 방출되는 처리가스를 응축기(50)로 공급하되 상기 처리가스는 상기 응축기에 도달하기 전에 제3 열교환기(13)를 거치는 처리가스 라인(31); 및 상기 응축기를 거쳐 생성된 응축수를 활용하는 응축수 공급 라인(51)을 포함하고, 상기 응축수 공급 라인은 세 개의 라인으로 분기되어, 상기 응축기에서 발생한 응축수를 재생탑으로 직접 주입하는 제1 응축수 공급라인(511); 상기 응축기(50)에서 발생한 응축수를 제4 열교환기(14)로 공급하고 생성된 수증기를 재생탑으로 주입하되 압축기(70)를 거치는 제2 응축수 공급라인(512); 및 상기 응축기에서 발생한 응축수를 압축기로 공급하여 수증기를 냉각하는 제3 응축수 공급라인(513)을 포함한다. 본 발명의 한 구현예에서 상기 응축기의 작동 온도는 30℃ 내지 40℃이다. 또한 상기 산성 가스는 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 황화수소(H2S), 카보닐 설파이드(COS) 또는 머캡탄(RSH, R= 탄화수소) 등이 선택될 수 있으나 이로 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 재생탑(30)은 흡수탑(20)에서 산성가스를 흡수한 흡수제 용액에 열을 공급하여 흡수제로부터 산성가스를 분리해낸다. 재생탑의 열 매체는 재비기(40)로부터 재생탑 하부로 증기를 공급받는 것으로, 주입된 증기는 재생탑 하부에서 상부로 상승하면서 흡수제 용액에 지속적으로 열을 공급한다. 흡수제에 열이 공급되어 산성가스가 분리되면 재생된 흡수제는 하강하고, 분리된 산성가스 및 증기는 재생탑 상부의 처리가스 라인(31)을 통해 배출되고 제3 열교환기(13)를 거쳐 응축기로 공급된다.
재비기 요구 열량을 줄이기 위해 재생탑에서 배출되는 높은 온도의 재생된 흡수제 수용액이 가지고 있는 에너지를 최대한 회수하는 것이 중요하다. 본 발명은 상기 응축기에서 응축된 물을 세 흐름으로 분기하여 재생탑 상단 냉각, 증기 생성 및 압축기 냉각에 활용하여 재비기의 요구 열량을 줄이는 효과를 나타낸다.
상기 세 개의 라인으로 분기된 응축수 공급라인 중, 제1 응축수 공급라인(511)은 응축기(50)로부터 발생한 응축수를 재생탑 상부로 직접 주입하여 재생탑 상부를 냉각한다. 예를 들면 재생탑 상부를 96℃로 냉각하여 기존 아민공정의 재생탑 상부 온도인 100℃에 비해 온도가 낮아져 응축기의 응축 열량을 줄이는 효과가 있다.
제2 응축수 공급라인(512) 및 제3 응축수 공급라인(513)은 재생탑(20)하부에서 배출되는 고온의 재생된 흡수제 용액의 열회수와 관련된 공급라인으로, 상기 제2 응축수 공급라인(512)은 응축기에서 발생한 응축수를 제4 열교환기(14)로 공급하여 재생탑에서 배출되는 재생된 흡수제 용액의 열을 회수하고, 흡수제용액의 열을 회수하면서 발생된 증기를 압축기(70)로 공급하는 라인이다. 상기 제4 열교환기로 공급된 응축수는 재생된 흡수제 용액의 1차 냉각 수단으로, 한 구현예에서 상기 1차 열교환을 통해 생성된 증기는 재생탑으로 공급하기 위해 압축기에서 205kPa로 압축되어 재생탑으로 공급된다. 상기 제3 응축수 공급라인(513)은 응축기에서 발생한 응축수를 압축기(70)로 공급하여 제2 응축수 공급라인(512)을 통해 공급된 증기를 냉각하는 라인이다. 제2 응축수 공급라인을 통해 압축기로 공급된 증기는 압축되어 재생탑으로 공급되는데, 재생탑 내부의 흡수제 용액의 열 변성을 최소화하기 위해 적합한 온도로 냉각되어야 한다. 본 발명의 한 구현예에서 제3 응축수 공급라인(513)을 통해 공급된 응축수는 상기 압축기에 도달한 증기를 120℃로 냉각하고,상기 냉각된 증기는 재생탑으로 공급된다. 본 발명의 응축수 활용은 재비기 요구 열량을 절감함으로써 시스템 내의 총 필요 에너지량이 저감되어 산성가스 포집에 필요한 에너지 절감에 우수한 효과를 나타낸다.
본 발명의 한 구현에에서 상기 제2 열교환기에서는 상기 산성 가스를 흡수한 흡수제 공급라인, 및 재생탑 하부와 연결된 재비기(Reboiler)를 거쳐 재생된 흡수제를 흡수탑으로 이송하는 재생된 흡수제 공급라인이 서로 교차하여 재생된 흡수제 용액을 2차로 냉각한다.
본 발명의 한 구현예에서는 흡수제를 이용하여 연소기에서 배출된 산성 가스를 흡수하는 흡수탑 및 상기 흡수제로부터 처리 가스를 분리하는 재생탑을 구비한 산성 가스 포집 방법을 제공한다. 상기 포집 방법은 산성 가스를 함유하고 있는 배기가스를 흡수탑에 공급하여 산성 가스를 흡수제에 흡수시키는 단계; 흡수탑에서 방출되는 산성 가스를 흡수한 흡수제를 재생탑으로 공급하여 상기 흡수제로부터 산성 가스를 분리하는 단계; 상기 물분리기를 거쳐 생성된 분리수를 활용하는 분리수 공급 라인으로 분리수를 공급하는 단계; 상기 재생탑에서 나온 처리가스를 응축기로 공급하여 상기 처리가스로부터 응축수를 분리하는 단계; 및 상기 응축기를 거쳐 생성된 응축수를 활용하는 응축수 공급 라인으로 응축수를 공급하는 단계를 포함하고, 상기 응축수를 공급하는 단계는 상기 응축기에서 발생한 응축수를 재생탑 상부로 주입하여 재생탑을 냉각하는 단계; 상기 응축기에서 발생한 응축수를 제 4열교환기로 공급하여 재생탑에서 재생된 흡수제를 냉각하고 생성된 수증기를 재생탑으로 주입하기 위해 압축기로 공급하는 단계; 및 상기 응축기에서 발생한 응축수를 압축기로 공급하여 압축기 내의 수증기를 냉각하는 단계를 포함한다.
본 발명의 한 구현예에서 상기 응축기의 작동 온도는 30℃ 내지 40℃이다. 또한 상기 산성 가스는 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 황화수소(H2S), 카보닐 설파이드(COS) 또는 머캡탄(RSH, R= 탄화수소) 등이 선택될 수 있으나 이로 제한되는 것은 아니다.
이상에서 본원의 예시적인 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본원의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본원의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본원의 권리범위에 속하는 것이다.
본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미로 사용된다. 본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 도입된다.
[부호의 설명]
11. 제1 열교환기
12. 제2 열교환기
13. 제3 열교환기
14. 제4 열교환기
20. 흡수탑
21. 흡수제 공급라인
30. 재생탑
31. 처리가스 라인
40. 재비기
41. 재생된 흡수제 공급라인
50. 응축기
51. 응축수 공급라인
60. 물 분리기
61. 배기가스 공급라인
70. 압축기
511. 제1 응축수 공급라인
512. 제2 응축수 공급라인
513. 제3 응축수 공급라인

Claims (7)

  1. 흡수제를 이용하여 산성 가스를 흡수하는 흡수탑 및 상기 흡수제로부터 처리 가스를 분리하는 재생탑을 구비한 산성 가스 포집 시스템으로,
    상기 포집 시스템은 산성 가스를 포함하는 배기가스를 흡수탑으로 공급하되 흡수탑 주입 전에 제 1열교환기 및 물분리기를 거쳐 상기 흡수탑으로 향하도록 하는 배기가스 공급라인;
    상기 흡수탑 내에서 산성 가스를 흡수한 상기 흡수제를 상기 재생탑에 공급하되 제2 열교환기를 거쳐 상기 재생탑으로 향하도록 하는 흡수제 공급 라인;
    상기 재생탑에서 방출되는 처리가스를 응축기로 공급하되 상기 처리가스는 상기 응축기에 도달하기 전에 제3 열교환기를 거치는 처리가스 라인; 및
    상기 응축기를 거쳐 생성된 응축수를 활용하는 응축수 공급 라인을 포함하고,
    상기 응축수 공급 라인은 세 개의 라인으로 분기되어, 상기 응축기에서 발생한 응축수를 재생탑으로 직접 주입하는 제1 응축수 공급라인;
    상기 응축기에서 발생한 응축수를 제 4열교환기로 공급하고 생성된 수증기를 재생탑으로 주입하되 압축기를 거치는 제2 응축수 공급라인;및
    상기 응축기에서 발생한 응축수를 압축기로 공급하여 수증기를 냉각하는 제 3 응축수 공급라인을 포함하는,
    재비기를 거친 흡수제를 응축수로 냉각하여 에너지를 절감하는 산성 기체 포집 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 응축기의 작동 온도는 30℃ 내지 40℃인,
    재비기를 거친 흡수제를 응축수로 냉각하여 에너지를 절감하는 산성 기체 포집 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 산성 가스는, 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 황화수소(H2S), 카보닐 설파이드(COS) 또는 머캡탄(RSH, R= 탄화수소)인,
    재비기를 거친 흡수제를 응축수로 냉각하여 에너지를 절감하는 산성 기체 포집 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 열교환기에서는 상기 산성 가스를 흡수한 흡수제 공급라인, 및 재생탑 하부와 연결된 재비기(Reboiler)를 거쳐 재생된 흡수제를 흡수탑으로 이송하는 재생된 흡수제 공급라인이 서로 교차하는,
    재비기를 거친 흡수제를 응축수로 냉각하여 에너지를 절감하는 산성 기체 포집 시스템.
  5. 흡수제를 이용하여 산성 가스를 흡수하는 흡수탑 및 상기 흡수제로부터 처리 가스를 분리하는 재생탑을 구비한 산성 가스 포집 방법으로,
    상기 포집 방법은 산성 가스를 함유하고 있는 배기가스를 흡수탑에 공급하여 산성 가스를 흡수제에 흡수시키는 단계;
    흡수탑에서 방출되는 산성 가스를 흡수한 흡수제를 재생탑으로 공급하여 상기 흡수제로부터 산성 가스를 분리하는 단계;
    상기 재생탑에서 나온 처리가스를 응축기로 공급하여 상기 처리가스로부터 응축수를 분리하는 단계; 및
    상기 응축기를 거쳐 생성된 응축수를 활용하는 응축수 공급 라인으로 응축수를 공급하는 단계를 포함하고,
    상기 응축수를 공급하는 단계는 상기 응축기에서 발생한 응축수를 재생탑 상부로 주입하여 재생탑을 냉각하는 단계;
    상기 응축기에서 발생한 응축수를 제 4열교환기로 공급하여 재생탑에서 재생된 흡수제를 냉각하고 생성된 수증기를 재생탑으로 주입하기 위해 압축기로 공급하는 단계; 및
    상기 응축기에서 발생한 응축수를 압축기로 공급하여 압축기 내의 수증기를 냉각하는 단계를 포함하는,
    재비기를 거친 흡수제를 응축수로 냉각하여 에너지를 절감하는 산성 기체 포집 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 응축기의 작동 온도는 30℃ 내지 40℃인,
    재비기를 거친 흡수제를 응축수로 냉각하여 에너지를 절감하는 산성 기체 포집 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 산성 가스는, 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 황화수소(H2S), 카보닐 설파이드(COS) 또는 머캡탄(RSH, R= 탄화수소)인,
    재비기를 거친 흡수제를 응축수로 냉각하여 에너지를 절감하는 산성 기체 포집 방법.
PCT/KR2014/001896 2014-03-06 2014-03-07 재비기를 거친 흡수제를 응축수로 냉각하여 에너지를 절감하는 산성 기체 포집 시스템 및 방법 Ceased WO2015133665A1 (ko)

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