WO2016159525A1 - 고농도 이산화탄소 포집 장치 - Google Patents

고농도 이산화탄소 포집 장치 Download PDF

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WO2016159525A1
WO2016159525A1 PCT/KR2016/002240 KR2016002240W WO2016159525A1 WO 2016159525 A1 WO2016159525 A1 WO 2016159525A1 KR 2016002240 W KR2016002240 W KR 2016002240W WO 2016159525 A1 WO2016159525 A1 WO 2016159525A1
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absorbent
carbon dioxide
absorption tower
line
tower
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PCT/KR2016/002240
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성현재
김종일
심동민
조윤탁
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한솔이엠이(주)
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Publication date
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    • B01D53/1456—Removing acid components
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    • Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2

Definitions

  • Embodiment of the present invention relates to a high concentration carbon dioxide capture device, and more particularly to a high concentration carbon dioxide capture device for collecting carbon dioxide using an absorbent in the exhaust gas containing a high concentration of carbon dioxide.
  • Greenhouse gas the main substance of global warming, is an acid gas such as carbon dioxide, carbon dioxide, and hydrogen sulfide, which is emitted by using fossil fuels in industrial sites, and is mainly emitted in power plants, steel mills, and petrochemical plants.
  • Techniques for capturing carbon dioxide and reducing emissions include absorption, adsorption, membrane separation, deep cooling, and the like. Until now, the absorption method of absorbing and recovering carbon dioxide is easy to process a large amount of gas, and has been applied to power plants for commercial operation.
  • this absorption method uses an amine-based chemical absorber to collect carbon dioxide in the carbon dioxide-containing gas in the absorption facility, and supplies heat energy to the absorbent absorbed by the carbon dioxide, so that a large amount of thermal energy is consumed and thus the process cost. This has an increasing burden.
  • the gas discharged from the absorber includes a large amount of water and an absorbent
  • the amount of loss of the absorbent is large, and the operating cost is increased due to the continuous replacement of the absorbent due to the loss of the absorbent due to deterioration of the absorbent.
  • the absorption reaction between the absorbent and carbon dioxide is an exothermic reaction, and the higher the carbon dioxide concentration of the carbon dioxide-containing gas injected into the absorption facility, the higher the temperature of the absorption facility may decrease the absorption efficiency of the absorbent.
  • Embodiments of the present invention are to provide a high concentration carbon dioxide capture device that can minimize the loss of heat energy and the absorbent required for the regeneration of the absorbent, and to increase the absorption efficiency of the absorbent.
  • the carbon dioxide containing gas and the absorbent is supplied to the inside, the absorption tower for absorbing carbon dioxide in the carbon dioxide containing gas through the absorber, and connected to the absorption tower from the absorption tower
  • Receiving a carbon dioxide absorbed absorbent connected to the regasifier, receives the thermal energy of steam from the regasifier to separate the carbon dioxide from the absorber absorbed carbon dioxide to regenerate the absorbent and supply the regenerated absorbent to the absorption tower
  • a regeneration tower a first line for supplying the absorber absorbed by the carbon dioxide discharged from the lower part of the absorption tower to the regeneration tower, and a second line for supplying the absorbent regenerated in the regeneration tower to the absorption tower, and Installed at the point, the absorber and the ash absorbed by the carbon dioxide
  • a first heat exchanger configured to exchange heat of the absorbent, a first cooling unit connected to an upper portion of the absorption tower, and a first cooling unit condensing water and an absorbent in
  • a first condensate injector for injecting condensed water condensed in the first cooling unit into the absorption tower, and a second condensed water connected to an upper portion of the regeneration tower and condensing the absorbent and moisture in the exhaust gas discharged from the regeneration tower.
  • a second condensate injection unit connected to the cooling unit and the second cooling unit and injecting the condensed water condensed in the second cooling unit to the absorption tower.
  • the first condensate injection unit may be connected to the lower portion of the absorption tower through a first condensate injection line.
  • the second condensate injection unit may be connected to the lower portion of the absorption tower through a second condensate injection line.
  • the high concentration carbon dioxide capture device is installed in the first line in front of the first heat exchanger, the first absorbent supply unit for supplying the absorbent absorbed carbon dioxide to the regeneration tower It may include.
  • the high concentration carbon dioxide capture device installed in the second line at the rear end of the first heat exchanger, and cooling the regenerated absorbent is supplied to the absorption tower through the first heat exchanger. It may include a second heat exchanger.
  • the high concentration carbon dioxide capture device is installed in the second line at the rear end of the second heat exchanger, the regenerated absorbent having a temperature drop through the second heat exchanger to the absorption tower It may include a second absorbent supply for supplying the upper portion.
  • the high concentration carbon dioxide capture device is connected to the upper portion of the regeneration tower, may include a pressure control unit for adjusting the pressure of the regeneration tower according to the regeneration temperature of the absorbent absorbed by the carbon dioxide. have.
  • the high concentration carbon dioxide capture device which is installed in the second line at the rear end of the second absorbent supply unit may include an absorbent monitoring unit for monitoring the deteriorated state of the regenerated absorbent.
  • the absorbent monitoring unit may measure the pH and electrical conductivity of the regenerated absorbent.
  • the high concentration carbon dioxide capture device is configured on the front side of the first heat exchanger, the deterioration material removal unit for removing the carbon dioxide absorbed absorbent and the deteriorated material of the regenerated absorbent It may include.
  • the deterioration material removal unit is installed in the first line at the rear end of the first absorbent supply unit, filtering the deterioration material of the absorbent absorbed carbon dioxide. It may include a first filter.
  • the deterioration material removing unit is installed in the second line at the front end of the first heat exchanger, filtering the deterioration material of the regenerated absorbent agent It can include two filters.
  • the first and second filters may be provided with a filter pore of 1.0 ⁇ m.
  • the deterioration material removing unit is further installed in the absorbent regeneration unit installed in the bypass line on the second line connected to the first heat exchanger through the regasifier. It may include.
  • the absorbent regeneration unit reacts the regenerated absorbent by reacting the base material of NaOH, Na 2 CO 3 in the temperature range of 120 ⁇ 200 °C the regenerated absorbent Can remove deterioration material.
  • the high concentration carbon dioxide capture device is installed in the connection line connecting the lower and the upper portion of the absorption tower, the absorber absorbed by the carbon dioxide in the lower absorption tower to the upper portion of the absorption tower. It may include a third absorbent supply for re-injection.
  • the high concentration carbon dioxide capture device may be installed in the connection line at the rear end of the third absorbent supply unit, may include a third cooling unit for cooling the absorbent absorbed carbon dioxide.
  • the high concentration carbon dioxide capture device is installed on the rear end side of the first absorbent supply unit, the carbon dioxide containing gas flowing into the lower portion of the absorption tower, and supplied from the absorption tower to the regeneration tower. It may include a third heat exchanger is a heat exchange of the absorbent is absorbed carbon dioxide.
  • the third heat exchanger may be installed at the intersection of the supply line and the first line for supplying the carbon dioxide containing gas to the absorption tower.
  • the high concentration carbon dioxide capture device is installed on the rear end side of the first absorbent supply unit, the steam condensate condensed in the regasifier, and the carbon dioxide supplied from the absorption tower to the regeneration tower.
  • a fourth heat exchanger in which heat exchange of the absorbent absorbed is performed.
  • the fourth heat exchanger may be installed at the intersection of the condensate discharge line for discharging the steam condensed water condensed in the regasifier, and the first line.
  • the high concentration carbon dioxide capture device connected to the second cooling unit and the second heat exchanger, and recovers the heat of the exhaust gas discharged from the regenerated absorbent and the regeneration tower to recover the hot water. It may include a heat recovery unit to produce.
  • the absorbent is MEA (Monoethnolamine), DEA (Diethanolamine), MDEA (Methyl diethanolamine), TEA (Triethanolamine) and AMP (2-Amino-2-methyl -1-propanol), or an inorganic salt-based material may be included in the amine-based compound.
  • the concentration of the absorbent may satisfy 10 ⁇ 50wt%.
  • the temperature of the carbon dioxide containing gas and the absorbent supplied to the absorption tower is 80 °C or less
  • the regeneration tower may be operated at a temperature of 80 ⁇ 150 °C. .
  • the ratio of the carbon dioxide containing gas and the absorbent flow rate supplied to the absorption tower may satisfy 50 ⁇ 200.
  • the diameter of the absorption tower and the filling height ratio of the filling material filled in the absorption tower may satisfy 10 ⁇ 100.
  • Embodiments of the present invention can minimize the loss of the absorbent discharged to the outside, can minimize the thermal energy used to regenerate the absorbent in the regeneration tower, can improve the carbon dioxide absorption efficiency of the absorbent, operating cost of the entire device Can reduce the cost.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a high concentration carbon dioxide capture device according to a first embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a block diagram showing a high concentration carbon dioxide capture device according to a second embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a block diagram showing a high concentration carbon dioxide capture device according to a third embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a block diagram showing a high concentration carbon dioxide capture device according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating a high concentration carbon dioxide collection device according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating a high concentration carbon dioxide collection device according to a sixth embodiment of the present invention.
  • ... unit means", “... part”, “... member”, etc. described in the specification refer to a unit of a comprehensive configuration that performs at least one function or operation. it means.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a high concentration carbon dioxide capture device according to a first embodiment of the present invention.
  • the high concentration carbon dioxide capture device 100 is to separate the acid gas in the exhaust gas discharged from industrial sites, such as power plants, steel mills, petrochemical plants, incinerators, organic waste energy facilities, etc. It can be applied to the exhaust gas treatment system.
  • the high concentration carbon dioxide collecting device 100 is to absorb a high concentration of carbon dioxide in the acid gas contained in the exhaust gas by using an absorbent, and to separate the carbon dioxide absorbed by the absorbent.
  • the high concentration carbon dioxide capture device 100 is supplied with a discharge gas containing carbon dioxide (hereinafter referred to as "carbon dioxide containing gas") to absorb the carbon dioxide through the absorbent to discharge the carbon dioxide removed gas, absorber absorbed carbon dioxide Can be separated and carbon dioxide can be separated from the absorbent.
  • carbon dioxide containing gas a discharge gas containing carbon dioxide
  • the high concentration means that the concentration of carbon dioxide contained in the exhaust gas is relatively rich, for example, the concentration of carbon dioxide absorbed by the absorbent is 10-50 wt%.
  • the absorbent is an amine compound or the amine compound including MEA (Monoethnolamine), DEA (Diethanolamine), MDEA (Methyl diethanolamine), TEA (Triethanolamine) and AMP (2-Amino-2-methyl-1-propanol) Inorganic salt-based material may be included in.
  • the absorbent may be included in water and its concentration may be 10 to 50 wt%.
  • the high concentration carbon dioxide capture device 100 may minimize the loss of heat energy and the absorbent required for regeneration of the absorbent, and may be configured to increase the absorption efficiency of the absorbent.
  • the high concentration carbon dioxide capture device 100 basically includes an absorption tower 10, a regeneration tower 30 and the first heat exchanger (70).
  • the absorption tower 10 is a facility for absorbing carbon dioxide in the carbon dioxide containing gas through the absorbent as mentioned above.
  • the carbon dioxide-containing gas and the absorbent are injected into the absorption tower 10 at a temperature range of 20 to 80 ° C.
  • the carbon dioxide-containing gas is injected into the lower portion of the absorption tower (10).
  • the carbon dioxide-containing gas may be discharged above 100 ° C. in a gas discharge facility, cooled to 80 ° C. or lower before being injected into the absorption tower 10, and injected into the absorption tower 10.
  • the absorbent is injected into the upper portion of the absorption tower 10, and the carbon dioxide-containing gas injected into the lower portion of the absorption tower 10 is contacted in the countercurrent direction, and absorbs carbon dioxide through an absorption reaction (exothermic reaction) with carbon dioxide. do.
  • gas in which carbon dioxide is absorbed into the absorbent that is, gas from which carbon dioxide is removed, is discharged to the upper portion of the absorption tower 10.
  • the exhaust gas may include about 10% of water and an absorbent.
  • the absorbent absorbed by the carbon dioxide in the absorption tower 10 is discharged to the lower portion of the absorption tower 10, when the injection temperature of the carbon dioxide containing gas and the absorbent is 80 °C, is discharged as a temperature of about 100 °C.
  • the inside of the absorption tower 10 is filled with at least two stages of the filling (10a) in the form of a structure or random (IMPT, etc.) in order to increase the carbon dioxide absorption efficiency of the absorbent.
  • the absorption tower 10 has a capacity in which the injection ratio of the carbon dioxide-containing gas and the injection amount of the absorbent is 50 to 200, and the ratio of the height of the absorption tower to the filling height of the filler 10a is 10 to 100. Can be configured. However, the design capacity of the absorption tower 10 may vary depending on the concentration of the carbon dioxide containing gas and the absorbent.
  • the regeneration tower 30 is for regenerating the absorbent absorbing carbon dioxide in the absorption tower (10).
  • the regeneration tower 30 receives an absorber absorbed with carbon dioxide discharged from the absorption tower 10 to separate carbon dioxide from the absorber through thermal energy to regenerate the absorbent and supply the regenerated absorbent to the absorption tower 10 ( Injection).
  • the regeneration tower 30 is connected to the absorption tower 10 through a fluid line.
  • the fluid line includes a first line 11 for supplying an absorbent absorbed with carbon dioxide discharged from the lower portion of the absorption tower 10 to the regeneration tower 30, and an absorber regenerated in the regeneration tower 30.
  • the first line 11 connects the lower portion of the absorption tower 10 and the upper portion of the regeneration tower 30, and the second line 31 crosses the first line 11 and will be described later.
  • the lower portion of the regeneration tower 30 and the upper portion of the absorption tower 10 are connected through the regasifier 50.
  • the first line 11 is provided with a first absorbent supply unit 15 for supplying the absorbent absorbed carbon dioxide discharged from the lower portion of the absorption tower 10 to the regeneration tower 30.
  • the first absorbent supply unit 15 is provided as a pump and is installed in the first line 11 on the discharge side for discharging the absorbent absorbed by the carbon dioxide of the absorption tower 10.
  • the regeneration tower 30 is operated at a temperature of 80 ⁇ 150 °C according to the type of the absorbent to regenerate the absorbent, for this purpose, the regeneration tower 30 is a regasifier 50 (reboiler in the art) ", Also known as”).
  • the regeneration tower 30 receives the thermal energy of steam through the regasifier 50 to separate the carbon dioxide from the absorbent absorbed carbon dioxide, it is possible to regenerate the absorbent.
  • the regeneration tower 30 receives the thermal energy of steam from the regasifier 50 and heats up the temperature of the absorbent in which carbon dioxide is absorbed to 100 ° C. or higher, thereby separating carbon dioxide from the absorbent and regenerating the absorbent. have.
  • the regeneration tower 30 separates carbon dioxide from the absorbent and discharges the gas containing the carbon dioxide to the upper portion, which may include a large amount of water and an absorbent.
  • the regasifier 50 is supplied with steam (approximately 150 ° C. or more) produced by a power plant, an incinerator, a boiler, etc., and provides thermal energy of the steam to the regeneration tower 30, and is connected to a lower portion of the regeneration tower 30. do.
  • steam approximately 150 ° C. or more
  • the regasifier 50 is made as a reboiler of a known technique well known in the art, more detailed description of the configuration will be omitted herein.
  • the regasifier 50 is connected with the second line 31 mentioned above.
  • the regenerated absorbent (temperature of 80 ⁇ 150 °C) discharged from the regeneration tower 30 may be supplied to the absorption tower 10 through the second line 31 through the regasifier 50.
  • the pressure control unit 60 is connected to the upper portion of the regeneration tower 30 to raise the absorbent absorbed carbon dioxide injected into the regeneration tower 30 to a temperature of 80 ⁇ 150 °C It includes.
  • the pressure adjusting unit 60 controls the pressure of the regeneration tower 30 according to the regeneration temperature of the absorbent. For example, when the temperature of the absorbent is increased to 135 ° C., the pressure may be increased to about 0.2 MPa. .
  • the first heat exchanger 70 is discharged from the regeneration tower 30 to recover the retained heat energy of the regenerated absorbent (temperature of 80 ⁇ 150 °C) supplied to the absorption tower 10, The thermal energy is discharged from the absorption tower 10 to provide the absorbent absorbed carbon dioxide supplied to the regeneration tower 30.
  • the first heat exchanger 70 is a regenerated absorbent discharged from the regeneration tower 30 through the second line 31, and the carbon dioxide discharged from the absorption tower 10 through the first line 11
  • the heat exchange of the absorbent absorbent is to increase the temperature of the absorbent absorbed by the carbon dioxide.
  • the absorbent absorbed by the carbon dioxide may be injected into the upper portion of the regeneration tower 30 through the first line 11 while being maintained at 100 ° C. or more by receiving heat of the regenerated absorbent.
  • the absorbent absorbed by the carbon dioxide discharged from the absorption tower 10 flows along the first line 11 by the first absorbent supply unit 15 provided on the front side of the first heat exchanger 70,
  • the heat exchanger may exchange heat with the absorbent regenerated by the first heat exchanger 70 and may be supplied to the upper portion of the regeneration tower 30 in a state of being heated up.
  • the regenerated absorbent discharged from the regeneration tower 30 flows along the second line 31, heat exchanged with the absorbent absorbed by carbon dioxide by the first heat exchanger 70, and the absorption tower is spaced apart. It may be supplied to the top of 10.
  • the first heat exchanger 70 is installed at the point where the first and second lines 11 and 31 intersect between the absorption tower 10 and the regeneration tower 30 and flows along the first line 11. Heat exchange between the absorbent absorbed by carbon dioxide and the regenerated absorbent flowing along the second line (31).
  • the first heat exchanger 70 is made of a heat exchanger of a known technique well known in the art, a more detailed description of the configuration will be omitted herein.
  • the high concentration carbon dioxide collection device 100 is a first for condensing water and an absorbent in the exhaust gas (carbon dioxide absorbed and removed gas) discharged to the upper portion of the absorption tower 10.
  • the cooling unit 110 is included.
  • the exhaust gas containing about 10% of moisture and an absorbent is discharged.
  • the first cooling unit 110 may discharge the exhaust gas having a temperature of about 100 ° C. to 80, which is an injection temperature of the carbon dioxide-containing gas and the absorbent. Cooling down to below °C, it can condense the water and absorbent contained in the exhaust gas.
  • the first cooling unit 110 is a condenser of a known technique capable of condensing a fluid having heat by air cooling or water cooling, and is installed to be connected to an upper portion of the absorption tower 10. It is connected to the upper portion and may be installed in the discharge line for discharging the gas desorbed carbon dioxide.
  • the first condensate injector 120 may be connected to the first cooling unit 110, and inject the condensed water of the water and the absorbent condensed in the first cooling unit 110 into the absorption tower 10.
  • the first condensate injection unit 120 may be connected to the lower portion of the absorption tower 10 through the first condensate injection line 121.
  • the first condensate injector 120 separates condensate and gases other than the condensate (carbon dioxide absorbed and removed), discharges the condensate at a predetermined pumping pressure, and discharges the first condensate infusion line 121. Through the lower portion of the absorption tower 10 can be injected, it is possible to discharge gas other than condensed water to the atmosphere.
  • the high concentration carbon dioxide capture device 100 is a second cooling unit 130 for condensing the absorbent and moisture in the exhaust gas (carbon dioxide-rich gas) discharged from the upper portion of the regeneration tower 30 It includes.
  • the regeneration tower 30 discharges exhaust gas containing water and an absorbent (concentration of about 10%), and the second cooling unit 130 discharges the carbon dioxide-containing gas and the absorbent into the exhaust gas at about 100 ° C. or more. Phosphorus is cooled to 80 ° C. or lower, and the water and absorbent contained in the exhaust gas can be condensed.
  • the second cooling unit 130 is a condenser of a known technique capable of condensing a fluid having heat by air cooling or water cooling, and is installed to be connected to an upper portion of the regeneration tower 30. It can be installed in the discharge line which is connected to the upper part and discharges gas rich in carbon dioxide.
  • the second condensate injection unit 140 may be connected to the second cooling unit 130 and may inject the condensed water of the water and the absorbent condensed in the second cooling unit 130 into the absorption tower 10.
  • the second condensate injection unit 140 may be connected to the lower portion of the absorption tower 10 through the second condensate injection line 141.
  • the second condensate injection unit 140 separates the condensate and gas other than the condensate (carbon dioxide gas), discharges the condensate at a predetermined pumping pressure, and absorbs the absorption tower through the second condensate injection line 141. It can be injected into the lower part of 10), and gas other than condensate can be discharged. At this time, the gas (carbon dioxide gas) discharged from the second condensate injection unit 140 may be compressed and stored in a liquefied state in a separate container.
  • gas (carbon dioxide gas) discharged from the second condensate injection unit 140 may be compressed and stored in a liquefied state in a separate container.
  • the high concentration carbon dioxide capture device 100 is discharged from the regeneration tower 30 and supplied to the absorption tower 10 through the first heat exchanger 70 along the second line 31.
  • a second heat exchanger 150 for cooling the regenerated absorbent.
  • the regeneration tower 30 discharges the regenerated absorbent, and the second heat exchanger 150 passes through the first heat exchanger 70 and supplies the regenerated absorbent maintained at about 100 ° C. to the carbon dioxide containing gas and the absorbent temperature. It can cool to 80 degrees C or less phosphorus.
  • the second heat exchanger 150 cools the fluid having heat by air or water cooling, and may be installed in the second line 31 at the rear end of the first heat exchanger 70.
  • the high concentration carbon dioxide capture device 100 is a second for supplying the regenerated absorbent at a temperature lower than 80 °C through the second heat exchanger 150 to the upper portion of the absorption tower (10)
  • An absorbent supply unit 160 is included.
  • the second absorbent supply unit 160 is installed in the second line 31 at the rear end of the second heat exchanger 150 and injects the regenerated absorbent into the upper portion of the absorption tower 10 through the second line 31. It is provided with a pump that can.
  • the second absorbent supply unit 160 is installed at the rear ends of the first and second heat exchangers 70 and 150. This is because it is possible to maximize the life and energy of the second absorbent supply unit 160, which is a pump, and to use a low-cost pump.
  • the second absorbent supply unit 160 is installed at the rear ends of the first and second heat exchangers 70 and 150, the absorbed absorbent having the lowered temperature is supplied to the absorption tower 10. Therefore, a pump employing low cost components can be used, thereby lowering the installation cost of the pump.
  • the parts of the pump such as the gasket should be replaced with an expensive material due to the regenerated absorbent having a high temperature (over 100 ° C). There is no choice but to use expensive pumps, which can increase the installation cost of the pumps.
  • the absorbent regenerated by the operating pressure of the regeneration tower 30 may be obtained. Since it can be supplied to the absorption tower 10, it is possible to reduce the head of the pump, to reduce the power consumption of the pump, it is possible to reduce the energy consumption of the overall carbon dioxide capture device.
  • carbon dioxide-containing gas discharged from industrial sites such as power plants, steel mills, petrochemical plants, etc., incinerators, organic waste energy facilities, and the like is injected into the lower portion of the absorption tower 10.
  • the carbon dioxide-containing gas contains a high concentration (10 to 50wt%) of carbon dioxide, is discharged above 100 °C in the gas discharge facility, and cooled to below 80 °C (20 ⁇ 80 °C) before being injected into the absorption tower (10) Can be.
  • an absorbent containing an amine compound is injected into the upper portion of the absorption tower 10.
  • the absorbent may be injected into the absorption tower 10 at a concentration of 10 ⁇ 50wt% and a temperature range of 20 ⁇ 80 °C.
  • the carbon dioxide containing gas and the absorbent contact in the countercurrent direction, generate heat as the absorption reaction of the carbon dioxide and the absorbent, and absorb the carbon dioxide into the absorbent.
  • Gas absorbed by carbon dioxide in the absorbent in the absorption tower 10, that is, gas from which carbon dioxide has been removed is discharged to the upper portion of the absorption tower 10, and the discharge gas includes approximately 10% of water and an absorbent.
  • the absorbent and moisture in the exhaust gas is condensed through the first cooling unit 110, the condensate is injected into the lower portion of the absorption tower 10 through the first condensate injection unit 120 do.
  • the first condensate injection unit 120 may inject the condensate of the absorbent and moisture into the lower portion of the absorption tower 10 through the first condensate injection line 121.
  • the first cooling unit 110 cools the exhaust gas at about 100 ° C. to 80 ° C. or lower, which is an injection temperature of the carbon dioxide-containing gas and the absorbent, and condenses the moisture and the absorbent contained in the exhaust gas.
  • the loss of the absorbent and the moisture may be minimized by condensing the absorbent and the moisture in the discharge gas discharged from the absorption tower 10 and injecting the condensate into the absorption tower 10. If the absorbent and the moisture are lost, the absorbent must be continuously injected into the absorber 10 and the absorption efficiency of carbon dioxide may be lowered due to the change in concentration of the absorbent.
  • the absorbent absorbing the carbon dioxide in the absorption tower 10 is discharged to the lower portion of the absorption tower 10, when the injection temperature of the carbon dioxide containing gas and the absorbent is 80 °C, is discharged to a temperature of about 100 °C,
  • the first absorbent supply unit 15 flows along the first line 11 and is supplied to the regeneration tower 30.
  • the regeneration tower 30 receives the absorbent absorbed by the carbon dioxide discharged from the absorption tower 10 at a temperature of 100 ° C. or higher through the first heat exchanger 70, which will be described later.
  • the thermal energy of steam is supplied through the regasifier 50 to raise the absorbent absorbed by carbon dioxide, and the carbon dioxide is separated from the absorbent to regenerate the absorbent.
  • the pressure of the regeneration tower 30 may be adjusted through the pressure adjusting unit 60 to increase the temperature of the absorbent injected into the regeneration tower 30.
  • the pressure controller 60 adjusts the pressure of the regeneration tower 30 according to the regeneration temperature of the absorbent. For example, when the temperature of the absorbent is raised to 135 ° C., the pressure control unit 60 regenerates the regeneration tower 30. ) Will increase the pressure to about 0.2MPa.
  • the regeneration tower 30 separates carbon dioxide from the absorbent and discharges the carbon dioxide-rich gas to the top, and the exhaust gas includes approximately 10% of water and the absorbent.
  • the absorbent and moisture in the exhaust gas are condensed through the second cooling unit 130, and the condensate is injected into the lower portion of the absorption tower 10 through the second condensate injection unit 140. do.
  • the second condensate injection unit 140 may inject the condensate of the absorbent and moisture into the lower portion of the absorption tower 10 through the second condensate injection line 141.
  • the second cooling unit 130 cools the exhaust gas of 100 ° C. or higher to 80 ° C. or lower, which is an injection temperature of the carbon dioxide-containing gas and the absorbent, and condenses the moisture and the absorbent included in the exhaust gas.
  • the regeneration tower 30 may be used for regeneration of the absorbent due to relatively low temperature condensate. Thermal energy consumption may increase.
  • the absorbent regenerated in the regeneration tower 30 is discharged to the lower portion of the regeneration tower 30 at a temperature of 80 ⁇ 150 °C, for example, 135 °C, by the operating pressure of the regeneration tower 30 It flows along the second line 31 through the regasifier 50 and is supplied to the absorption tower 10 side.
  • Heat exchange of the absorbent takes place via the first heat exchanger (70).
  • the heat energy of the regenerated absorbent may be provided to the absorbent absorbed by the carbon dioxide through heat exchange between the absorbent absorbed with carbon dioxide and the regenerated absorbent.
  • the absorbent absorbed by the carbon dioxide discharged from the absorption tower 10 flows along the first line 11, exchanges heat with the absorbent regenerated by the first heat exchanger 70, and heats up the regeneration tower ( 30) may be supplied to the top.
  • the heat exchanger is heat exchanged with the absorbent absorbed carbon dioxide by the first heat exchanger 70, the temperature of the absorption tower It may be supplied to the top of 10.
  • the heat of the regenerated absorbent is supplied to the absorbent absorbed with carbon dioxide through the first heat exchanger 70 to regenerate the absorbent absorbed with the carbon dioxide in a state in which the temperature of the absorbent absorbed with carbon dioxide is raised. Since it can be supplied to the tower 30, it is possible to minimize the thermal energy used for the absorbent regeneration in the regeneration tower (30).
  • the regenerated absorbent that maintains about 100 ° C. through the first heat exchanger 70, and the injection temperature of the carbon dioxide-containing gas and the absorbent through the second heat exchanger 150 is 80 ° C. Cool to below.
  • the regenerated absorbent having a lower temperature through the second heat exchanger 150 is injected into the upper portion of the absorption tower 10 through the second absorbent supply unit 160.
  • the absorption reaction of carbon dioxide and the absorbent is an exothermic reaction, the heat of reaction with the absorbent increases as the concentration of carbon dioxide increases, so that the temperature of the absorption tower 10 may be continuously increased. As the temperature of the absorption tower 10 rises as described above, the carbon dioxide absorption efficiency of the absorbent may decrease.
  • the temperature of the regenerated absorbent injected into the absorption tower 10 may be lowered to a certain level through the second heat exchanger 150, the temperature of the absorption tower 10 may be kept constant and low. By maintaining it, the carbon dioxide absorption efficiency of the absorbent can be improved.
  • the high concentration carbon dioxide collecting device 100 may remove, for example, more than 97% of carbon dioxide from a gas containing carbon dioxide at a concentration of about 12% through the above-described series of processes. For example, it is possible to remove more than 95% of carbon dioxide from a gas containing 40% carbon dioxide.
  • the high concentration carbon dioxide capture device 100 it is possible to minimize the loss of the absorbent discharged to the outside, to minimize the thermal energy used for the absorbent regeneration in the regeneration tower 30, the absorbent It can improve the CO2 absorption efficiency and reduce the operating cost of the whole device.
  • Figure 2 is a block diagram showing a high concentration carbon dioxide capture device according to a second embodiment of the present invention.
  • the high concentration carbon dioxide collection device 200 is based on the configuration of the first embodiment, and is regenerated supplied from the regeneration tower 30 to the absorption tower 10.
  • the degradation state of the absorbent is monitored, and the structure that can remove the deterioration material of the absorbent generated during degradation.
  • the absorbent deterioration phenomenon is generated by the addition reaction to form a thermally stable compound. This deterioration degrades the absorbent performance and corrodes the device.
  • Carboxylic Acids and Imidazolodone are the main substances that occur when the absorbent deteriorates.
  • the high concentration carbon dioxide collection device 200 includes an absorbent monitoring unit 210 and the deterioration material removal unit 230.
  • the absorbent monitoring unit 210 is for monitoring the deterioration state of the regenerated absorbent is supplied to the absorption tower 10 from the regeneration tower (30).
  • the absorbent monitoring unit 210 is installed in the second line 31 at the rear end of the second absorbent supply unit 160.
  • the absorbent monitoring unit 210 may monitor the deteriorated state of the regenerated absorbent supplied from the regeneration tower 30 to the absorption tower 10 through the second line 31 by the second absorbent supply unit 160. Can be.
  • the absorbent monitoring unit 210 may include a pH and electrical conductivity measuring device capable of measuring the hydrogen and hydroxide ions of the regenerated absorbent.
  • the absorbent monitoring unit 210 By monitoring the absorbent deterioration state by measuring the pH and electrical conductivity of the absorbent through the absorbent monitoring unit 210, for example, if the absorbent in the normal state shows a pH of about 10 but the state of the absorbent such as deterioration phenomenon is not good It can be seen that the phenomenon that the pH falls.
  • the absorbent when the pH of the absorbent drops, depending on the monitoring result of the absorbent monitoring unit 210, the absorbent may be removed by replacing the absorbent or removing the deteriorated material.
  • the deterioration material removal unit 230 is for removing the deterioration material generated by the deterioration phenomenon of the absorbent, it is possible to remove the deterioration material of the absorbent and regenerated absorbent absorbed carbon dioxide.
  • the deterioration material removing unit 230 includes a first filter 231, a second filter 232, and an absorbent regenerating unit 235 configured at the front end side of the first heat exchanger 70.
  • the first filter 231 is for filtering the deterioration material of the absorbent in which carbon dioxide is absorbed, and is installed in the first line 11 at the rear end of the first absorbent supply unit 15.
  • the second filter 232 is for filtering the deteriorated material of the regenerated absorbent and is installed in the second line 31 at the front end of the first heat exchanger 70.
  • the first and second filters 231 and 232 may be provided as filters having a filter pore of 1.0 ⁇ m for filtering deteriorated material (particulate matter).
  • the absorbent regenerator 235 is to dissociate and remove the deteriorated material of the absorbent by reacting the absorbent regenerated in the regeneration tower 30 with a base material of NaOH, Na 2 CO 3 .
  • the absorbent regeneration unit 235 operates in a temperature range of 120 ⁇ 200 °C. To this end, the absorbent regeneration unit 235 may be installed in the bypass line 237 on the second line 31 connected to the first heat exchanger 70 through the regasifier 50.
  • the absorbent regenerator 235 may receive the thermal energy of steam through the regasifier 50 and react the regenerated absorbent with a base material of NaOH, Na 2 CO 3 to remove the deteriorated material of the absorbent.
  • the thermal energy of steam is supplied to the absorbent regenerator 235.
  • the absorbent may be reacted with a base material to remove the deteriorated material.
  • the deterioration of the absorbent through the absorbent monitoring unit 210, the deterioration material of the absorbent through the deterioration material removal unit 230 Can be removed.
  • the deteriorated material generated by the deterioration of the absorbent is filtered through the first and second filters 231 and 232, and the desorbed material is dissociated through the absorbent regenerator 235.
  • the loss of absorbent can be minimized and the operating cost of the whole device can be reduced.
  • Figure 3 is a block diagram showing a high concentration carbon dioxide capture device according to a third embodiment of the present invention.
  • the high concentration carbon dioxide collection device 300 is based on the configuration of the first embodiment, and the absorber 10 is cooled by cooling the absorber under the absorption tower 10. It is made of a structure that can be re-injected to the top.
  • the high concentration carbon dioxide collection device 300 includes a third absorbent supply unit 310 and the third cooling unit 330.
  • the third absorbent supply unit 310 is for re-injecting the absorbent absorbed carbon dioxide under the absorption tower 10 to the upper portion of the absorption tower 10, of the absorption tower 10 It is installed in the connection line 311 connecting the lower and upper.
  • the third absorbent supply part 310 is provided as a pump that pumps the absorbent absorbed by the carbon dioxide under the absorption tower 10 and injects the upper portion of the absorption tower 10 through the connection line 311.
  • the third cooling unit 330 to cool the absorbent in the process of re-injecting the absorbent absorbed carbon dioxide in the lower portion of the absorption tower 10 through the third absorbent supply unit 310. It is for.
  • the third cooling unit 330 is a cooling device for cooling a fluid having heat by air cooling or water cooling, and is installed in the connection line 311 at the rear end of the third absorbent supply unit 310.
  • the absorbent absorbed carbon dioxide in the lower portion of the absorption tower 10 does not absorb the reaction with 100% carbon dioxide
  • the third absorbent By re-injecting the absorbent in the lower portion of the absorption tower 10 through the supply unit 310, the absorbent that does not substantially react with carbon dioxide may be reused.
  • the absorbent under the absorption tower 10 is cooled through the third cooling unit 330 and re-injected into the upper portion of the absorption tower 10, the temperature of the absorption tower 10 is cooled. It is possible to increase the carbon dioxide absorption efficiency of the absorbent.
  • the carbon dioxide removal rate is increased by 10% or more, especially when the temperature of the absorbent is cooled to about 40 ° C. through the third cooling unit 330. Can be removed.
  • Figure 4 is a block diagram showing a high concentration carbon dioxide capture device according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the high concentration carbon dioxide collecting device 400 is based on the configuration of the first embodiment, and absorbs thermal energy of carbon dioxide-containing gas injected into the absorption tower 10.
  • Carbon dioxide supplied to the regeneration tower 30 in 10 is made of a structure that can be provided to the absorbent absorbed.
  • the high concentration carbon dioxide collection device 400 includes carbon dioxide-containing gas flowing into the lower portion of the absorption tower 10 and carbon dioxide supplied from the absorption tower 10 to the regeneration tower 30. And a third heat exchanger 410 through which heat exchange of absorbed absorbent is carried out.
  • the carbon dioxide-containing gas is a gas discharged to more than 100 °C in power plants, incinerators, petrochemical plants and the like.
  • the third heat exchanger 410 is installed at the front end of the first heat exchanger 70 and the rear end side of the first absorbent supply unit 15. Furthermore, the third heat exchanger 410 is a supply line 411 for supplying the carbon dioxide-containing gas to the lower portion of the absorption tower 10, and the absorption tower absorbed carbon dioxide discharged from the absorption tower 10 regeneration tower 30 It is installed at the intersection of the first line 11 for supplying to).
  • the third heat exchanger 410 is made as a heat exchanger of a known technique well known in the art, a detailed description of the configuration will be omitted herein.
  • the carbon dioxide-containing gas is supplied to the lower portion of the absorption tower 10 through the supply line 411, and is discharged from the absorption tower 10.
  • the absorber absorbed by the carbon dioxide may be supplied to the regeneration tower 30 through the first line 11.
  • the heat exchange of the carbon dioxide-containing gas and the absorber absorbed by the carbon dioxide is performed through the third heat exchanger 410 at the intersection of the supply line 411 and the first line 11.
  • the heat energy of the carbon dioxide-containing gas may be provided to the absorber in which the carbon dioxide is absorbed through heat exchange between the carbon dioxide-containing gas and the absorbent in which the carbon dioxide is absorbed.
  • the carbon dioxide-containing gas may be cooled to 80 ° C. or lower through the third heat exchanger 410, and then injected into the lower portion of the absorption tower 10, and the carbon dioxide discharged from the absorption tower 10 may be used.
  • the absorbed absorber may be heated up and supplied to the regeneration tower 30.
  • the regeneration tower 30 absorbs carbon dioxide absorbed absorbers. It can reduce the heat energy needed to Furthermore, in the embodiment of the present invention, compared to the first embodiment of the present invention, the heat energy required to regenerate the absorbent in the regeneration tower 30 may be reduced by about 3% or more.
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating a high concentration carbon dioxide collection device according to a fifth embodiment of the present invention.
  • the high concentration carbon dioxide collecting device 500 is based on the configuration of the first embodiment, and absorbs thermal energy of steam condensate generated from the regasifier 50.
  • Carbon dioxide supplied to the regeneration tower 30 in 10) is made of a structure that can be provided to the absorbent absorbed.
  • the high concentration carbon dioxide collecting device 500 is a condensate absorbed by the steam condensate generated from the regasifier 50 and the carbon dioxide supplied to the regeneration tower 30 from the absorption tower 10.
  • a fourth heat exchanger 510 in which heat exchange is performed is included.
  • the regasifier 50 provides the thermal energy of steam to the regeneration tower 30 to regenerate the absorbent, condensed water of about 90 ° C. or more is generated while the steam condenses.
  • the fourth heat exchanger 510 is installed at the front end of the first heat exchanger 70 and the rear end side of the first absorbent supply unit 15. Furthermore, the fourth heat exchanger 510 may include a condensate discharge line 511 for discharging steam condensed water condensed in the regasifier 50, and an absorbent absorbed with carbon dioxide discharged from the absorption tower 10. It is installed at the intersection of the first line 11 for supplying with.
  • the fourth heat exchanger 510 is made as a heat exchanger of a known technique well known in the art, more detailed description of the configuration will be omitted herein.
  • the absorber absorbed by the carbon dioxide discharged from the absorption tower 10 is supplied to the regeneration tower 30 through the first line 11.
  • the regeneration tower 30 may separate the carbon dioxide from the absorbent absorbed by the carbon dioxide and regenerate the absorbent.
  • the heat energy retained in the steam condensate may be provided to the absorbent in which carbon dioxide is absorbed through heat exchange between the steam condensate and the absorbent in which carbon dioxide is absorbed.
  • the carbon dioxide discharged from the absorption tower 10 is absorbed
  • the absorbent may be heated up and supplied to the regeneration tower 30.
  • the regeneration tower 30 It is possible to reduce the thermal energy required to regenerate absorbent absorbed carbon dioxide. Furthermore, in the embodiment of the present invention, compared to the first embodiment of the present invention, the heat energy required to regenerate the absorbent in the regeneration tower 30 may be reduced by about 3% or more.
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating a high concentration carbon dioxide collection device according to a sixth embodiment of the present invention.
  • the high concentration carbon dioxide collecting device 600 is based on the configuration of the first embodiment, and the absorbent regenerated in the regeneration tower 30 and the regeneration tower 30 thereof. It consists of a structure that can recover the heat of the exhaust gas discharged from the.
  • the high concentration carbon dioxide collection device 600 is the regeneration of absorbents supplied from the regeneration tower 30 to the absorption tower 10 and the discharge gas discharged to the upper portion of the regeneration tower 30. It includes a heat recovery unit 610 for recovering heat to produce hot water.
  • the heat recovery unit 610 is installed to be connected to the second cooling unit 130 and the second heat exchanger 150 mentioned in the first embodiment.
  • the heat recovery unit 610 cools and warms the hot water heated by cooling the exhaust gas of the regeneration tower 30 in the second cooling unit 130 and the absorbent regenerated in the second heat exchanger 150. It is provided as a tank for storing hot water.
  • the heat recovery unit 610 cools the exhaust gas (100 ° C. or more) of the regeneration tower 30 to 20 ° C. to 80 ° C. through the second cooling unit 130, and regenerated through the second heat exchanger 150.
  • the hot water generated in the process of cooling the absorbent above 70 °C is stored, and the hot water can be supplied to the thermal energy use facility.
  • the embodiment of the present invention can recover about 70% of the heat energy required for the carbon dioxide capture device through the heat recovery unit 610, thereby improving the overall energy efficiency of the carbon dioxide capture device. That is, compared with the first embodiment of the present invention, the total heat energy consumption of the embodiment of the present invention is about 30%.

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Abstract

고농도 이산화탄소 포집 장치가 개시된다. 개시된 고농도 이산화탄소 포집 장치는 이산화탄소 포함가스 및 흡수제가 내부로 공급되며, 흡수제를 통해 이산화탄소 포함가스 중의 이산화탄소를 흡수하는 흡수탑과, 흡수탑과 연결되며 흡수탑으로부터 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 공급받고, 재기화기와 연결되며 재기화기로부터 스팀의 열에너지를 제공받아 이산화탄소가 흡수된 흡수제에서 이산화탄소를 분리하여 흡수제를 재생하고 그 재생된 흡수제를 흡수탑으로 공급하는 재생탑과, 흡수탑의 하부에서 배출되는 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 재생탑으로 공급하는 제1 라인과, 재생탑에서 재생된 흡수제를 흡수탑으로 공급하는 제2 라인이 교차하는 지점에 설치되며, 이산화탄소가 흡수된 흡수제와 재생된 흡수제의 열 교환이 이루어지는 제1 열교환기와, 흡수탑의 상부에 연결되며, 흡수탑에서 배출되는 배출가스 중의 흡수제와 수분을 응축시키는 제1 냉각부와, 제1 냉각부와 연결되며, 제1 냉각부에서 응축된 응축수를 흡수탑으로 주입하는 제1 응축수 주입부와, 재생탑의 상부에 연결되며, 재생탑에서 배출되는 배출가스 중의 흡수제와 수분을 응축시키는 제2 냉각부와, 제2 냉각부와 연결되며, 제2 냉각부에서 응축된 응축수를 흡수탑으로 주입하는 제2 응축수 주입부를 포함할 수 있다.

Description

고농도 이산화탄소 포집 장치
본 발명의 실시예는 고농도 이산화탄소 포집 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고농도의 이산화탄소가 포함된 배출가스에서 흡수제를 이용하여 이산화탄소를 포집하는 고농도 이산화탄소 포집 장치에 관한 것이다.
지구 온난화 현상에 대한 심각성이 인식되기 시작하면서 세계 각 국은 지구온난화의 원인 물질인 온실가스의 배출저감 대책을 마련하고 있다. 대표적으로 교토협약을 통해 세계 각 국에서는 이산화탄소의 배출을 감소시키기 위한 정책을 추진하고 있다.
최근에는 교토협약이 종료됨에 따라 Post-교토협약을 위한 전 세계적인 협의가 진행되고 있다. 국내에서도 이와 같이 온실가스의 배출을 감소시키기 위한 정책을 추진하고 있으며, 2015년부터 온실가스 배출권 거래제가 도입되면서 온실가스의 배출 저감을 위한 기술이 필요한 실정이다.
지구 온난화의 주된 물질인 온실가스는 이산화탄소, 이산화항, 황화수소와 같은 산성가스로서, 산업현장에서 화석연료를 사용함으로 인해 배출되는데, 주로 발전소, 제철소, 석유화학 플랜트 등에서 다량으로 배출되고 있다.
이에 산업현장에서는 온실가스 감축 규제에 대응하기 위해 온실가스의 대부분을 차지하고 있는 이산화탄소의 배출량을 저감하기 위한 노력이 활발히 일어나고 있다.
이산화탄소를 포집하여 배출을 감소시키기 위한 기술로는 흡수법, 흡착법, 막 분리법, 심냉법 등이 있다. 현재까지는 이산화탄소를 흡수하여 분리 회수하는 흡수법이 대용량의 가스를 처리하는데 용이하여 발전소 등에 적용되어 상용운전을 하고 있다.
그러나, 이러한 흡수법은 아민계 화학물질의 흡수제를 사용하여 흡수 설비에서 이산화탄소 포함가스 중의 이산화탄소를 포집하고, 이산화탄소가 흡수된 흡수제에 열에너지를 공급하여 재생시켜야 하므로, 다량의 열에너지가 소모되고 있어 공정 비용이 증가하는 부담을 가지고 있다.
또한, 흡수 설비에서 배출되는 가스에는 많은 양의 수분과 흡수제를 포함하고 있기 때문에 흡수제의 손실 량이 크고, 나아가 흡수제의 열화로 인한 흡수제의 손실로 흡수제를 지속적으로 교체해야 하는데 따른 운전비가 증가한다.
더 나아가, 흡수제와 이산화탄소의 흡수반응은 발열반응으로서 흡수 설비에 주입되는 이산화탄소 포함가스의 이산화탄소 농고가 높을수록 흡수 설비의 온도가 증가하면서 흡수제의 흡수효율을 저하시킬 수 있다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 흡수제의 재생에 필요한 열에너지 및 흡수제의 손실을 최소화할 수 있고, 흡수제의 흡수효율을 높일 수 있도록 한 고농도 이산화탄소 포집 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치는, 이산화탄소 포함가스 및 흡수제가 내부로 공급되며, 상기 흡수제를 통해 이산화탄소 포함가스 중의 이산화탄소를 흡수하는 흡수탑과, 상기 흡수탑과 연결되며 상기 흡수탑으로부터 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 공급받고, 재기화기와 연결되며 상기 재기화기로부터 스팀의 열에너지를 제공받아 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수제에서 이산화탄소를 분리하여 흡수제를 재생하고 그 재생된 흡수제를 상기 흡수탑으로 공급하는 재생탑과, 상기 흡수탑의 하부에서 배출되는 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 상기 재생탑으로 공급하는 제1 라인과, 상기 재생탑에서 재생된 흡수제를 상기 흡수탑으로 공급하는 제2 라인이 교차하는 지점에 설치되며, 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수제와 상기 재생된 흡수제의 열 교환이 이루어지는 제1 열교환기와, 상기 흡수탑의 상부에 연결되며, 상기 흡수탑에서 배출되는 배출가스 중의 흡수제와 수분을 응축시키는 제1 냉각부와, 상기 제1 냉각부와 연결되며, 상기 제1 냉각부에서 응축된 응축수를 상기 흡수탑으로 주입하는 제1 응축수 주입부와, 상기 재생탑의 상부에 연결되며, 상기 재생탑에서 배출되는 배출가스 중의 흡수제와 수분을 응축시키는 제2 냉각부와, 상기 제2 냉각부와 연결되며, 상기 제2 냉각부에서 응축된 응축수를 상기 흡수탑으로 주입하는 제2 응축수 주입부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 고농도 이산화탄소 포집 장치에 있어서, 상기 제1 응축수 주입부는 제1 응축수 주입라인을 통해 상기 흡수탑의 하부와 연결될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 고농도 이산화탄소 포집 장치에 있어서, 상기 제2 응축수 주입부는 제2 응축수 주입라인을 통해 상기 흡수탑의 하부와 연결될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 고농도 이산화탄소 포집 장치는, 상기 제1 열교환기의 전단에서 상기 제1 라인에 설치되며, 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 상기 재생탑으로 공급하는 제1 흡수제 공급부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 고농도 이산화탄소 포집 장치는, 상기 제1 열교환기의 후단에서 상기 제2 라인에 설치되며, 상기 제1 열교환기를 통해 상기 흡수탑으로 공급되는 상기 재생된 흡수제를 냉각하는 제2 열교환기를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 고농도 이산화탄소 포집 장치는, 상기 제2 열교환기의 후단에서 상기 제2 라인에 설치되며, 상기 제2 열교환기를 통해 온도가 떨어진 상기 재생된 흡수제를 상기 흡수탑의 상부로 공급하는 제2 흡수제 공급부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 고농도 이산화탄소 포집 장치는, 상기 재생탑의 상부에 연결되며, 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수제의 재생 온도에 따라 상기 재생탑의 압력을 조절하는 압력 조절부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 고농도 이산화탄소 포집 장치는, 상기 제2 흡수제 공급부의 후단에서 상기 제2 라인에 설치되며, 상기 재생된 흡수제의 열화상태를 모니터링 하는 흡수제 모니터링부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 고농도 이산화탄소 포집 장치에 있어서, 상기 흡수제 모니터링부는 상기 재생된 흡수제의 pH 및 전기 전도도를 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 고농도 이산화탄소 포집 장치는, 상기 제1 열교환기의 전단 측에 구성되며, 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수제 및 상기 재생된 흡수제의 열화물질을 제거하는 열화물질 제거유닛을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 고농도 이산화탄소 포집 장치에 있어서, 상기 열화물질 제거유닛은 상기 제1 흡수제 공급부의 후단에서 상기 제1 라인에 설치되며, 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수제의 열화물질을 필터링 하는 제1 필터를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 고농도 이산화탄소 포집 장치에 있어서, 상기 열화물질 제거유닛은 상기 제1 열교환기의 전단에서 상기 제2 라인에 설치되며, 상기 재생된 흡수제의 열화물질을 필터링 하는 제2 필터를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 고농도 이산화탄소 포집 장치에 있어서, 상기 제1 및 제2 필터는 필터 공극이 1.0㎛인 것으로 구비될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 고농도 이산화탄소 포집 장치에 있어서, 상기 열화물질 제거유닛은 상기 재기화기를 통하여 상기 제1 열교환기와 연결되는 상기 제2 라인 상의 바이패스 라인에 설치되는 흡수제 재생부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 고농도 이산화탄소 포집 장치에 있어서, 상기 흡수제 재생부는 상기 재생된 흡수제에 NaOH, Na2CO3의 염기물질을 120~200℃의 온도 범위에서 반응시켜 상기 재생된 흡수제의 열화물질을 제거할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 고농도 이산화탄소 포집 장치는, 상기 흡수탑의 하부와 상부를 연결하는 연결라인에 설치되며, 상기 흡수탑 하부의 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 상기 흡수탑의 상부로 재 주입하기 위한 제3 흡수제 공급부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 고농도 이산화탄소 포집 장치는, 상기 제3 흡수제 공급부의 후단에서 상기 연결라인에 설치되며, 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 냉각하는 제3 냉각부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 고농도 이산화탄소 포집 장치는, 상기 제1 흡수제 공급부의 후단 측에 설치되며, 상기 흡수탑의 하부로 유입되는 이산화탄소 포함가스와, 상기 흡수탑에서 상기 재생탑으로 공급되는 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수제의 열 교환이 이루어지는 제3 열교환기를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 고농도 이산화탄소 포집 장치에 있어서, 상기 제3 열교환기는 상기 이산화탄소 포함가스를 상기 흡수탑으로 공급하는 공급라인과, 상기 제1 라인의 교차 지점에 설치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 고농도 이산화탄소 포집 장치는, 상기 제1 흡수제 공급부의 후단 측에 설치되며, 상기 재기화기에서 응축된 스팀 응축수와, 상기 흡수탑에서 상기 재생탑으로 공급되는 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수제의 열 교환이 이루어지는 제4 열교환기를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 고농도 이산화탄소 포집 장치에 있어서, 상기 제4 열교환기는 상기 재기화기에서 응축된 스팀 응축수를 배출하는 응축수 배출라인과, 상기 제1 라인의 교차 지점에 설치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 고농도 이산화탄소 포집 장치는, 상기 제2 냉각부 및 상기 제2 열교환기에 연결되며, 상기 재생된 흡수제 및 상기 재생탑에서 배출되는 배출가스의 열을 회수하여 온수를 생산하는 열 회수부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 고농도 이산화탄소 포집 장치에 있어서, 상기 흡수제는 MEA(Monoethnolamine), DEA(Diethanolamine), MDEA(Methyl diethanolamine), TEA(Triethanolamine) 및 AMP(2-Amino-2-methyl-1-propanol)를 포함하는 아민계열 화합물 혹은 상기 아민계열 화합물에 무기염계 물질이 포함되어 있는 것으로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 고농도 이산화탄소 포집 장치에 있어서, 상기 흡수제의 농도는 10~50wt%를 만족할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 고농도 이산화탄소 포집 장치에 있어서, 상기 흡수탑으로 공급되는 이산화탄소 포함가스 및 흡수제의 온도는 80℃ 이하이고, 상기 재생탑은 80~150℃의 온도로 운전할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 고농도 이산화탄소 포집 장치에 있어서, 상기 흡수탑으로 공급되는 이산화탄소 포함가스와 흡수제 유량 비율은 50~200을 만족할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 고농도 이산화탄소 포집 장치에 있어서, 상기 흡수탑의 지름과 그 흡수탑에 충진된 충진물의 충진 높이 비율은 10~100을 만족할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 외부로 배출되는 흡수제의 손실을 최소화할 수 있고, 재생탑에서 흡수제 재생에 사용되는 열에너지를 최소화시킬 수 있으며, 흡수제의 이산화탄소 흡수효율을 향상시킬 수 있고,전체 장치의 운전비용을 절감할 수 있다.
이 도면들은 본 발명의 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치를 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치를 도시한 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치를 도시한 블록 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치를 도시한 블록 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치를 도시한 블록 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제6 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치를 도시한 블록 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치를 도시한 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치(100)는 발전소, 제철소, 석유화학 플랜트 등과 같은 산업현장 및 소각장, 유기성 폐기물 에너지화 시설 등에서 배출되는 배출가스 중의 산성가스를 분리하는 배출가스 처리 시스템에 적용될 수 있다.
예를 들면, 상기 고농도 이산화탄소 포집 장치(100)는 배출가스에 포함되어 있는 산성가스 중 고농도의 이산화탄소를 흡수제를 이용하여 흡수하고, 그 흡수제에 흡수된 이산화탄소를 분리하기 위한 것이다.
이러한 고농도 이산화탄소 포집 장치(100)는 이산화탄소가 포함된 배출가스(이하에서는 "이산화탄소 포함가스" 라고 한다)를 공급받아 흡수제를 통해 이산화탄소를 흡수하여 이산화탄소가 제거된 가스를 배출하고, 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 재생하며 그 흡수제로부터 이산화탄소를 분리할 수 있다.
여기서, 고농도라 함은 배출가스에 포함된 이산화탄소의 농도가 비교적 농후한 것을 의미하는 바, 예를 들면 흡수제에 흡수되는 이산화탄소의 농도가 10~50wt%인 것을 의미한다.
그리고, 흡수제는 MEA(Monoethnolamine), DEA(Diethanolamine), MDEA(Methyl diethanolamine), TEA(Triethanolamine) 및 AMP(2-Amino-2-methyl-1-propanol)를 포함하는 아민계열 화합물 혹은 상기 아민계열 화합물에 무기염계 물질이 포함되어 있는 것일 수 있다. 나아가, 상기 흡수제는 물에 포함된 것으로 이의 농도는 10~50wt%인 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 고농도 이산화탄소 포집 장치(100)는 흡수제의 재생에 필요한 열에너지 및 흡수제의 손실을 최소화할 수 있고, 흡수제의 흡수효율을 높일 수 있는 구조로 이루어진다.
이를 위한 본 발명의 실시예에 따른 상기 고농도 이산화탄소 포집 장치(100)는 기본적으로, 흡수탑(10), 재생탑(30) 그리고 제1 열교환기(70)를 포함하고 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 흡수탑(10)은 위에서 언급한 바와 같은 흡수제를 통해 이산화탄소 포함가스 중의 이산화탄소를 흡수하는 설비이다. 상기한 이산화탄소 포함가스 및 흡수제는 20~80℃의 온도 범위로서 흡수탑(10)의 내부로 주입된다.
여기서, 이산화탄소 포함가스는 흡수탑(10)의 하부로 주입된다. 이산화탄소 포함가스는 가스 배출시설에서 100℃ 이상으로 배출되고, 흡수탑(10)으로 주입되기 전 80℃ 이하로 냉각되며 그 흡수탑(10)으로 주입될 수 있다.
그리고, 흡수제는 흡수탑(10)의 상부로 주입되는 바, 흡수탑(10)의 하부로 주입되는 이산화탄소 포함가스와 향류 방향으로 접촉되며, 이산화탄소와의 흡수반응(발열반응)을 통해 이산화탄소를 흡수한다.
상기 흡수탑(10)에서 흡수제에 이산화탄소가 흡수된 가스 즉, 이산화탄소가 제거된 가스는 흡수탑(10)의 상부로 배출된다. 이 때 상기 배출가스에는 대략 10% 정도의 수분과 흡수제가 포함될 수 있다. 또한 상기 흡수탑(10)에서 이산화탄소가 흡수된 흡수제는 그 흡수탑(10)의 하부로 배출되는데, 이산화탄소 포함가스 및 흡수제의 주입온도가 80℃인 경우, 대략 100℃ 정도의 온도로서 배출된다.
한편, 상기 흡수탑(10)의 내부에는 흡수제의 이산화탄소 흡수효율을 높이기 위해 구조물 형태 또는 랜덤(IMPT 등) 형태의 충진물(10a)이 적어도 2단 이상으로 충진되어 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 상기 흡수탑(10)은 이산화탄소 포함가스의 주입량 및 흡수제의 주입량 비율이 50~200이고, 흡수탑 지름과 충진물(10a)의 충진 높이 비율이 10~100인 용량으로 구성될 수 있다. 그러나 이와 같은 흡수탑(10)의 설계 용량은 이산화탄소 포함가스 및 흡수제의 농도에 따라 다양하게 변동될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 재생탑(30)은 흡수탑(10)에서 이산화탄소를 흡수한 흡수제를 재생하기 위한 것이다. 상기 재생탑(30)은 흡수탑(10)으로부터 배출되는 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 공급받아 열에너지를 통해 그 흡수제로부터 이산화탄소를 분리하여 흡수제를 재생하고 그 재생된 흡수제를 흡수탑(10)으로 공급(주입)할 수 있다.
이를 위해 상기 재생탑(30)은 유체라인을 통해 흡수탑(10)과 연결된다. 상기 유체라인으로는 흡수탑(10)의 하부에서 배출되는 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 재생탑(30)으로 공급하는 제1 라인(11)과, 재생탑(30)에서 재생된 흡수제를 흡수탑(10)으로 공급하는 제2 라인(31)을 포함한다.
여기서, 상기 제1 라인(11)은 흡수탑(10)의 하부와 재생탑(30)의 상부를 연결하고, 제2 라인(31)은 제1 라인(11)과 상호 교차하며 뒤에서 더욱 설명될 재기화기(50)를 통해 재생탑(30)의 하부와 흡수탑(10)의 상부를 연결한다.
이 경우, 상기 제1 라인(11)에는 흡수탑(10)의 하부에서 배출되는 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 재생탑(30)으로 공급하기 위한 제1 흡수제 공급부(15)가 설치된다. 상기 제1 흡수제 공급부(15)는 펌프로서 구비되며, 흡수탑(10)의 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 배출하는 배출 측의 제1 라인(11)에 설치된다.
한편, 상기 재생탑(30)은 흡수제를 재생시키기 위해 그 흡수제의 종류에 따라 80~150℃의 온도로 운전하는데, 이를 위해 재생탑(30)은 재기화기(50)(당 업계에서는 "리보일러" 라고도 한다)와 연결된다. 상기 재생탑(30)은 재기화기(50)를 통해 스팀의 열에너지를 제공받아 이산화탄소가 흡수된 흡수제에서 이산화탄소를 분리하며, 그 흡수제를 재생시킬 수 있다.
즉, 상기 재생탑(30)은 재기화기(50)로부터 스팀의 열에너지를 제공받아 이산화탄소가 흡수된 흡수제의 온도를 100℃ 이상으로 승온시킨 상태에서, 그 흡수제로부터 이산화탄소를 분리하며 흡수제를 재생시킬 수 있다.
그리고, 상기 재생탑(30)은 흡수제로부터 이산화탄소를 분리하고 그 이산화탄소가 포함된 가스를 상부로 배출하는데, 그 가스에는 다량의 수분과 흡수제가 포함될 수 있다.
상기에서 재기화기(50)는 발전소, 소각로 및 보일러 등에서 생산된 스팀(대략 150℃ 이상)을 공급받아 그 스팀의 열에너지를 재생탑(30)으로 제공하는 것으로, 재생탑(30)의 하부와 연결된다.
이러한 재기화기(50)는 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술의 리보일러로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
여기서, 상기 재기화기(50)는 위에서 언급한 바 있는 제2 라인(31)과 연결된다. 이에 재생탑(30)에서 배출되는 재생된 흡수제(80~150℃의 온도)는 재기화기(50)를 거치며 제2 라인(31)을 통해 흡수탑(10)으로 공급될 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 실시예에서는 재생탑(30)으로 주입된 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 80~150℃의 온도로 승온시키기 위해 재생탑(30)의 상부에 연결되는 압력 조절부(60)를 포함하고 있다.
상기 압력 조절부(60)는 흡수제의 재생 온도에 따라 재생탑(30)의 압력을 조절하는 것으로, 예를 들면 상기 흡수제의 온도를 135℃로 승온할 경우, 약 0.2MPa까지 압력을 높일 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제1 열교환기(70)는 재생탑(30)으로부터 배출되며 흡수탑(10)으로 공급되는 재생된 흡수제(80~150℃의 온도)의 보유 열에너지를 회수하고, 그 열에너지를 흡수탑(10)으로부터 배출되며 재생탑(30)으로 공급되는 이산화탄소가 흡수된 흡수제에 제공하기 위한 것이다.
즉, 상기 제1 열교환기(70)는 재생탑(30)으로부터 제2 라인(31)을 통해 배출되는 재생된 흡수제와, 흡수탑(10)으로부터 제1 라인(11)을 통해 배출되는 이산화탄소가 흡수된 흡수제의 열 교환을 통해 그 이산화탄소가 흡수된 흡수제의 온도를 높여주기 위한 것이다. 이에 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수제는 재생된 흡수제의 열을 제공받아 100℃ 이상을 유지한 상태로 제1 라인(11)을 통해 재생탑(30)의 상부로 주입될 수 있다.
여기서, 상기 흡수탑(10)으로부터 배출되는 이산화탄소가 흡수된 흡수제는 제1 열교환기(70)의 전방 측에 구비된 제1 흡수제 공급부(15)에 의해 제1 라인(11)을 따라 유동하고, 제1 열교환기(70)에 의해 재생된 흡수제와 열교환하며 승온된 상태로 재생탑(30)의 상부로 공급될 수 있다.
그리고, 상기 재생탑(30)으로부터 배출되는 재생된 흡수제는 제2 라인(31)을 따라 유동하고, 제1 열교환기(70)에 의해 이산화탄소가 흡수된 흡수제와 열교환하며 온도가 떨어진 상태로 흡수탑(10)의 상부로 공급될 수 있다.
상기 제1 열교환기(70)는 흡수탑(10)과 재생탑(30) 사이에서 제1 및 제2 라인(11, 31)이 교차하는 지점에 설치되며, 제1 라인(11)을 따라 유동하는 이산화탄소가 흡수된 흡수제와, 제2 라인(31)을 따라 유동하는 재생된 흡수제의 열 교환이 이루어진다.
이러한 제1 열교환기(70)는 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술의 열교환 장치로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치(100)는 흡수탑(10)의 상부에 배출되는 배출가스(이산화탄소가 흡수 제거된 가스) 중의 흡수제와 수분을 응축시키기 위한 제1 냉각부(110)를 포함하고 있다.
상기 흡수탑(10)에서는 약 10% 정도의 수분과 흡수제가 포함된 배출가스가 배출되는데, 제1 냉각부(110)는 대략 100℃ 정도의 배출가스를 이산화탄소 포함가스 및 흡수제의 주입 온도인 80℃ 이하로 냉각하며, 그 배출가스에 포함되어 있는 수분과 흡수제를 응축시킬 수 있다.
상기 제1 냉각부(110)는 열을 가진 유체를 공랭 또는 수냉식으로 냉각하여 응축시킬 수 있는 공지 기술의 콘덴서로서, 흡수탑(10)의 상부와 연결되게 설치되되, 그 흡수탑(10)의 상부와 연결되며 이산화탄소가 흡수 제거된 가스를 배출하는 배출라인에 설치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치(100)는 제1 냉각부(110)에서 응축된 수분과 흡수제의 응축수를 흡수탑(10)으로 주입하기 위한 제1 응축수 주입부(120)를 포함하고 있다.
상기 제1 응축수 주입부(120)는 제1 냉각부(110)와 연결되며, 제1 냉각부(110)에서 응축된 수분과 흡수제의 응축수를 흡수탑(10)으로 주입할 수 있다. 여기서, 상기 제1 응축수 주입부(120)는 제1 응축수 주입라인(121)을 통해 흡수탑(10)의 하부와 연결될 수 있다.
예를 들면, 상기 제1 응축수 주입부(120)는 응축수와 그 응축수 이외의 가스(이산화탄소가 흡수 제거된 가스)를 분리하고, 응축수를 소정 펌핑 압력으로 배출하며 제1 응축수 주입라인(121)을 통해 흡수탑(10)의 하부로 주입할 수 있고, 응축수 이외의 가스를 대기 중으로 배출할 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치(100)는 재생탑(30)의 상부에서 배출되는 배출가스(이산화탄소가 풍부한 가스) 중의 흡수제와 수분을 응축시키기 위한 제2 냉각부(130)를 포함하고 있다.
상기 재생탑(30)에서는 수분과 흡수제(약 10% 정도의 농도)가 포함된 배출가스가 배출되는데, 제2 냉각부(130)는 대략 100℃ 이상의 배출가스를 이산화탄소 포함가스 및 흡수제의 주입 온도인 80℃ 이하로 냉각하며, 그 배출가스에 포함되어 있는 수분과 흡수제를 응축시킬 수 있다.
상기 제2 냉각부(130)는 열을 가진 유체를 공랭 또는 수냉식으로 냉각하여 응축시킬 수 있는 공지 기술의 콘덴서로서, 재생탑(30)의 상부와 연결되게 설치되되, 그 재생탑(30)의 상부와 연결되며 이산화탄소가 풍부한 가스를 배출하는 배출라인에 설치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치(100)는 제2 냉각부(130)에서 응축된 수분과 흡수제의 응축수를 흡수탑(10)으로 주입하기 위한 제2 응축수 주입부(140)를 포함하고 있다.
상기 제2 응축수 주입부(140)는 제2 냉각부(130)와 연결되며, 제2 냉각부(130)에서 응축된 수분과 흡수제의 응축수를 흡수탑(10)으로 주입할 수 있다. 여기서, 상기 제2 응축수 주입부(140)는 제2 응축수 주입라인(141)을 통해 흡수탑(10)의 하부와 연결될 수 있다.
예를 들면, 상기 제2 응축수 주입부(140)는 응축수와 그 응축수 이외의 가스(이산화탄소 가스)를 분리하고, 응축수를 소정 펌핑 압력으로 배출하며 제2 응축수 주입라인(141)을 통해 흡수탑(10)의 하부로 주입할 수 있고, 응축수 이외의 가스를 배출할 수 있다. 이 때 상기 제2 응축수 주입부(140)에서 배출되는 가스(이산화탄소 가스)는 별도의 용기에 액화 상태로 압축 저장될 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치(100)는 재생탑(30)에서 배출되며 제2 라인(31)을 따라 제1 열교환기(70)를 통해 흡수탑(10)으로 공급되는 재생된 흡수제를 냉각하기 위한 제2 열교환기(150)를 포함하고 있다.
상기 재생탑(30)에서는 재생된 흡수제를 배출하는데, 제2 열교환기(150)는 제1 열교환기(70)를 거치며 대략 100℃ 정도를 유지하는 재생된 흡수제를 이산화탄소 포함가스 및 흡수제의 주입 온도인 80℃ 이하로 냉각할 수 있다.
상기 제2 열교환기(150)는 열을 가진 유체를 공랭 또는 수냉식으로 냉각하는 것으로서, 제1 열교환기(70)의 후단에서 제2 라인(31)에 설치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치(100)는 제2 열교환기(150)를 통해 80℃ 이하로 온도가 떨어진 재생된 흡수제를 흡수탑(10)의 상부로 공급하기 위한 제2 흡수제 공급부(160)를 포함하고 있다.
상기 제2 흡수제 공급부(160)는 제2 열교환기(150)의 후단에서 제2 라인(31)에 설치되며, 재생된 흡수제를 제2 라인(31)을 통해 흡수탑(10)의 상부로 주입할 수 있는 펌프로 구비된다.
여기서, 상기 제2 흡수제 공급부(160)는 제1 및 제2 열교환기(70, 150)의 후단에 설치된다. 이는 펌프인 제2 흡수제 공급부(160)의 수명과 에너지를 극대화하고, 저가의 펌프를 사용할 수 있기 때문이다.
즉, 본 발명의 실시예에서는 제2 흡수제 공급부(160)를 제1 및 제2 열교환기(70, 150)의 후단에 설치함에 따라, 온도가 낮아진 재생된 흡수제를 흡수탑(10)으로 공급하게 되므로, 저가 재질의 부품들을 채용한 펌프를 사용할 수 있고, 이로 인해 펌프의 설치비를 낮출 수 있다.
만약, 제2 흡수제 공급부(160)를 제1 열교환기(70)의 전단에 설치할 경우에는 고온(100℃ 이상)인 재생된 흡수제로 인하여 가스켓 등과 같은 펌프의 부품들을 고가의 재질로 대체해야 하므로, 고가의 펌프를 사용할 수밖에 없으며, 이로 인해 펌프의 설치비가 증가할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서와 같이 제2 흡수제 공급부(160)를 제1 및 제2 열교환기(70, 150)의 후단에 설치하게 되면, 재생탑(30)의 운전압력으로 재생된 흡수제를 흡수탑(10)으로 공급할 수 있기 때문에, 펌프의 양정을 감소시킬 수 있고, 펌프의 소요 전력량을 줄일 수 있으며, 전체 이산화탄소 포집 장치의 에너지 소비량을 감소시킬 수 있다.
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치(100)의 작용을 앞서 개시한 도 1을 참조하여 상세하게 설명한다.
우선, 본 발명의 실시예에서는 발전소, 제철소, 석유화학 플랜트 등과 같은 산업현장 및 소각장, 유기성 폐기물 에너지화 시설 등에서 배출되는 이산화탄소 포함 가스를 흡수탑(10)의 하부로 주입한다.
이산화탄소 포함가스는 고농도(10~50wt%)의 이산화탄소를 함유하고 있으며, 가스 배출시설에서 100℃ 이상으로 배출되고, 흡수탑(10)으로 주입되기 전 80℃ 이하(20~80℃)로 냉각될 수 있다.
이와 동시에, 본 발명의 실시예에서는 흡수탑(10)의 상부로 아민계열의 화합물을 포함하는 흡수제를 주입한다. 이 때 흡수제는 10~50wt%의 농도 및 20~80℃의 온도 범위로 흡수탑(10)에 주입될 수 있다.
그러면, 상기 흡수탑(10)에서는 이산화탄소 포함가스와 흡수제가 향류 방향으로 접촉되고, 이산화탄소와 흡수제의 흡수반응으로서 열을 발생시키며 이산화탄소를 흡수제에 흡수시킨다.
상기 흡수탑(10)에서 흡수제에 이산화탄소가 흡수된 가스 즉, 이산화탄소가 제거된 가스는 흡수탑(10)의 상부로 배출되는데, 그 배출가스에는 대략 10% 정도의 수분과 흡수제를 포함하고 있다.
이 과정에 본 발명의 실시예에서는 배출가스 중의 흡수제와 수분을 제1 냉각부(110)를 통해 응축시키고, 그 응축수를 제1 응축수 주입부(120)를 통해 흡수탑(10)의 하부로 주입한다. 상기 제1 응축수 주입부(120)는 제1 응축수 주입라인(121)을 통해 흡수제와 수분의 응축수를 흡수탑(10)의 하부로 주입할 수 있다.
상기 제1 냉각부(110)에서는 대략 100℃ 정도의 배출가스를 이산화탄소 포함가스 및 흡수제의 주입 온도인 80℃ 이하로 냉각하며, 그 배출가스에 포함되어 있는 수분과 흡수제를 응축시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 흡수탑(10)에서 배출되는 배출가스 중의 흡수제와 수분을 응축시키고 그 응축수를 흡수탑(10)으로 주입함으로써 흡수제와 수분의 손실을 최소화할 수 있다. 만약, 흡수제와 수분의 손실되면 지속적으로 흡수제를 흡수탑(10)에 주입해야 하고, 흡수제의 농도 변화로 인하여 이산화탄소의 흡수효율이 저하될 수 있다.
한편, 상기 흡수탑(10)에서 이산화탄소를 흡수한 흡수제는 흡수탑(10)의 하부로 배출되는데, 이산화탄소 포함가스 및 흡수제의 주입온도가 80℃인 경우, 대략 100℃ 정도의 온도로 배출되고, 제1 흡수제 공급부(15)에 의해 제1 라인(11)을 따라 유동하며 재생탑(30) 측으로 공급된다.
이러는 과정을 거치는 동안, 재생탑(30)에서는 흡수탑(10)으로부터 배출되는 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 뒤에서 더욱 설명될 제1 열교환기(70)를 통해 100℃ 이상의 온도로 공급받는다, 그러면 재생탑(30)에서는 재기화기(50)를 통해 스팀의 열에너지를 제공받아 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 승온시키며 그 흡수제로부터 이산화탄소를 분리하여 흡수제를 재생시킨다.
본 발명의 실시예에서는 상기 재생탑(30)으로 주입된 흡수제를 승온시키기 위해 압력 조절부(60)를 통해 재생탑(30)의 압력을 조절할 수 있다. 상기 압력 조절부(60)는 흡수제의 재생 온도에 따라 재생탑(30)의 압력을 조절하는데, 예를 들어 흡수제의 온도를 135℃로 승온할 경우, 압력 조절부(60)는 재생탑(30)의 압력을 약 0.2MPa까지 올리게 된다.
상기 재생탑(30)에서는 흡수제로부터 이산화탄소를 분리하고 그 이산화탄소가 풍부한 가스를 상부로 배출하는데, 그 배출가스에는 대략 10% 정도의 수분과 흡수제를 포함하고 있다.
이러는 과정에 본 발명의 실시예에서는 배출가스 중의 흡수제와 수분을 제2 냉각부(130)를 통해 응축시키고, 그 응축수를 제2 응축수 주입부(140)를 통해 흡수탑(10)의 하부로 주입한다. 상기 제2 응축수 주입부(140)는 제2 응축수 주입라인(141)을 통해 흡수제와 수분의 응축수를 흡수탑(10)의 하부로 주입할 수 있다.
상기 제2 냉각부(130)에서는 100℃ 이상의 배출가스를 이산화탄소 포함가스 및 흡수제의 주입 온도인 80℃ 이하로 냉각하며, 그 배출가스에 포함되어 있는 수분과 흡수제를 응축시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 재생탑(30)에서 배출되는 배출가스 중의 흡수제와 수분을 응축시키고 그 응축수를 흡수탑(10)으로 주입함으로써 흡수제와 수분의 손실을 최소화할 수 있다.
만약, 재생탑(30)에서 배출되는 배출가스 중의 흡수제와 수분을 응축시키고 그 응축수를 다시 재생탑(30)으로 주입하는 경우에는 비교적 저온의 응축수로 인해 흡수제의 재생을 위한 재생탑(30)의 열에너지 소모가 증가할 수 있다.
그러나, 본 발명의 실시예에서는 재생탑(30)에서 배출되는 배출 가스 중의 흡수제와 수분을 응축시키고 그 응축수를 흡수탑(10)으로 주입함에 따라, 재생탑(30)의 열에너지 사용량을 최소화시킬 수 있다.
한편, 상기 재생탑(30)에서 재생된 흡수제는 80~150℃의 온도 예를 들면, 135℃의 온도로서 재생탑(30)의 하부로 배출되는데, 그 재생탑(30)의 운전압력에 의해 재기화기(50)를 통하여 제2 라인(31)을 따라 유동하며 흡수탑(10) 측으로 공급된다.
이러는 과정에 본 발명의 실시예에서는 제1 라인(11)을 통해 흡수탑(10)으로부터 배출되는 이산화탄소가 흡수된 흡수제와, 제2 라인(31)을 통해 재생탑(30)으로부터 배출되는 재생된 흡수제의 열 교환이 제1 열교환기(70)를 통해 이루어진다.
즉, 상기 제1 열교환기(70)에서는 이산화탄소가 흡수된 흡수제와 재생된 흡수제의 열 교환을 통해 그 재생된 흡수제의 보유 열에너지를 이산화탄소가 흡수된 흡수제에 제공할 수 있다.
이에, 상기 흡수탑(10)으로부터 배출되는 이산화탄소가 흡수된 흡수제는 제1 라인(11)을 따라 유동하고, 제1 열교환기(70)에 의해 재생된 흡수제와 열교환하며 승온된 상태로 재생탑(30)의 상부로 공급될 수 있다.
그리고, 상기 재생탑(30)으로부터 배출되는 재생된 흡수제는 제2 라인(31)을 따라 유동하며, 제1 열교환기(70)에 의해 이산화탄소가 흡수된 흡수제와 열교환하며 온도가 떨어진 상태로 흡수탑(10)의 상부로 공급될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 재생된 흡수제의 열을 제1 열교환기(70)를 통해 이산화탄소가 흡수된 흡수제에 제공하여 이산화탄소가 흡수된 흡수제의 온도를 높인 상태로 그 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 재생탑(30)으로 공급할 수 있으므로, 재생탑(30)에서 흡수제 재생에 사용되는 열에너지를 최소화시킬 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 실시예에서는 제1 열교환기(70)를 거치며 대략 100℃ 정도를 유지하는 재생된 흡수제를 제2 열교환기(150)를 통해 이산화탄소 포함가스 및 흡수제의 주입 온도인 80℃ 이하로 냉각한다.
그리고, 본 발명의 실시예에서는 상기와 같이 제2 열교환기(150)를 거치며 온도가 낮아진 재생된 흡수제를 제2 흡수제 공급부(160)를 통해 흡수탑(10)의 상부로 주입한다.
상기 흡수탑(10)에서는 이산화탄소와 흡수제의 흡수반응이 발열반응이기 때문에 이산화탄소의 농도가 높을수록 흡수제와의 반응열이 증가하게 되어 흡수탑(10)의 온도가 지속적으로 상승할 수 있다. 이렇게 흡수탑(10)의 온도가 상승하면 흡수제의 이산화탄소 흡수효율이 저하될 수 있다.
그러나, 본 발명의 실시예에서는 흡수탑(10)으로 주입되는 재생된 흡수제의 온도를 제2 열교환기(150)를 통해 일정 수준으로 낮출 수 있기 때문에, 흡수탑(10)의 온도를 일정하고 낮게 유지시킴으로써 흡수제의 이산화탄소 흡수효율을 향상시킬 수 있다.
지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치(100)는 상기한 일련의 과정을 통해 예를 들어, 약 12% 농도의 이산화탄소를 포함한 가스로부터 이산화탄소를 97% 이상 제거할 수 있고, 40% 농도의 이산화탄소를 포함한 가스로부터 이산화탄소를 95% 이상 제거할 수 있다.
이로써 본 발명의 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치(100)에 의하면, 외부로 배출되는 흡수제의 손실을 최소화할 수 있고, 재생탑(30)에서 흡수제 재생에 사용되는 열에너지를 최소화시킬 수 있으며, 흡수제의 이산화탄소 흡수효율을 향상시킬 수 있고, 전체 장치의 운전비용을 절감할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치를 도시한 블록 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치(200)는 전기 제1 실시예의 구성을 기본으로 하면서, 재생탑(30)에서 흡수탑(10)으로 공급되는 재생된 흡수제의 열화 상태를 모니터링하며, 열화 시 발생되는 흡수제의 열화물질을 제거할 있는 구조로 이루어진다.
일반적으로, 흡수제는 이산화탄소와의 흡수반응 외에 열적으로 안정한 화합물을 형성하는 부가 반응이 일어나면서 재생되지 못하는 열화현상이 발생한다. 이러한 열화현상은 흡수제의 성능을 저하시키고 장치를 부식시키게 된다. 흡수제의 열화 현상 시 주로 발생하는 물질은 Carboxylic Acids, Imidazolodone 등이 있다.
이와 같이 흡수제의 열화현상이 발생되면 흡수제를 교체해야 한다. 하지만 흡수제의 교체비용이 막대하므로 열화현상이 발생되지 않게 운전을 하거나 흡수제를 처리해야 한다.
이에, 본 발명의 제2 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치(200)는 흡수제 모니터링부(210) 및 열화물질 제거유닛(230)을 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 흡수제 모니터링부(210)는 재생탑(30)에서 흡수탑(10)으로 공급되는 재생된 흡수제의 열화 상태를 모니터링 하기 위한 것이다. 상기 흡수제 모니터링부(210)는 제2 흡수제 공급부(160)의 후단에서 제2 라인(31)에 설치된다.
즉, 상기 흡수제 모니터링부(210)는 제2 흡수제 공급부(160)에 의하여 제2 라인(31)을 통해 재생탑(30)에서 흡수탑(10)으로 공급되는 재생된 흡수제의 열화 상태를 모니터링 할 수 있다. 이러한 흡수제 모니터링부(210)는 재생된 흡수제의 수소와 수산화이온을 측정할 수 있는 pH 및 전기전도도 측정장치를 포함할 수 있다.
상기 흡수제 모니터링부(210)를 통해 흡수제의 pH 및 전기 전도도를 측정하여 흡수제의 열화 상태를 모니터링 함으로써, 예를 들어 정상상태의 흡수제는 pH 10정도를 나타내지만 열화현상 등 흡수제의 상태가 좋지 않게 되면 pH가 떨어지는 현상이 발생함을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 상기 흡수제 모니터링부(210)의 모니터링 결과에 따라, 흡수제의 pH가 떨어지면 흡수제를 교체하거나 열화물질을 제거하는 공정으로 흡수제를 공급하여 열화물질을 제거할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 열화물질 제거유닛(230)은 흡수제의 열화현상에 의해 발생하는 열화물질을 제거하기 위한 것으로, 이산화탄소가 흡수된 흡수제 및 재생된 흡수제의 열화물질을 제거할 수 있다.
상기 열화물질 제거유닛(230)은 제1 열교환기(70)의 전단 측에 구성되는 제1 필터(231), 제2 필터(232) 그리고 흡수제 재생부(235)를 포함하고 있다.
상기 제1 필터(231)는 이산화탄소가 흡수된 흡수제의 열화물질을 필터링 하기 위한 것으로, 제1 흡수제 공급부(15)의 후단에서 제1 라인(11)에 설치된다. 상기 제2 필터(232)는 재생된 흡수제의 열화물질을 필터링 하기 위한 것으로, 제1 열교환기(70)의 전단에서 제2 라인(31)에 설치된다.
여기서, 상기 제1 및 제2 필터(231, 232)는 열화물질(입자상 물질)을 필터링 하는 필터 공극이 1.0㎛인 필터로 구비될 수 있다.
그리고 상기 흡수제 재생부(235)는 재생탑(30)에서 재생된 흡수제를 NaOH, Na2CO3의 염기물질과 반응시켜 흡수제의 열화물질을 해리시키며 제거하기 위한 것이다.
상기 흡수제 재생부(235)는 120~200℃의 온도 범위에서 운전한다. 이를 위해 상기 흡수제 재생부(235)는 재기화기(50)를 통하여 제1 열교환기(70)와 연결되는 제2 라인(31) 상의 바이패스 라인(237)에 설치될 수 있다.
상기 흡수제 재생부(235)는 재기화기(50)를 통해 스팀의 열에너지를 제공받아 재생된 흡수제를 NaOH, Na2CO3의 염기물질과 반응시키며 흡수제의 열화물질을 제거할 수 있다.
대안으로서, 상기 재생탑(30)에서 배출되는 재생된 흡수제의 온도가 흡수제 재생부(235)의 운전 온도 범위를 만족하면, 본 발명의 실시예에서는 흡수제 재생부(235)에 스팀의 열에너지를 공급하지 않고, 재생된 흡수제 자체의 열에너지를 이용하여 흡수제를 염기물질과 반응시켜 열화물질을 제거할 수 있다.
따라서, 본 발명의 제2 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치(200)에 의하면, 흡수제 모니터링부(210)를 통해 흡수제의 열화상태를 모니터링하며, 열화물질 제거유닛(230)을 통해 흡수제의 열화물질을 제거할 수 있다.
이로써, 본 발명의 실시예에서는 흡수제의 열화현상에 의해 발생된 열화물질을 제1 및 제2 필터(231, 232)를 통해 필터링하고, 흡수제 재생부(235)를 통해 열화물질을 해리시켜 흡수제를 90% 이상 재생시킬 수 있으므로, 흡수제의 손실을 최소화할 수 있으며, 전체 장치의 운전비용을 절감할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 제2 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치(200)의 나머지 구성 및 작용은 전기 제1 실시예와 같으므로 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치를 도시한 블록 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치(300)는 전기 제1 실시예의 구성을 기본으로 하면서, 흡수탑(10) 하부의 흡수제를 냉각하여 흡수탑(10)의 상부로 재 주입할 수 있는 구조로 이루어진다.
이를 위한 본 발명의 제3 실시예에 따른 상기 고농도 이산화탄소 포집 장치(300)는 제3 흡수제 공급부(310) 및 제3 냉각부(330)를 포함하고 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제3 흡수제 공급부(310)는 흡수탑(10) 하부의 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 그 흡수탑(10)의 상부로 재 주입하기 위한 것으로, 흡수탑(10)의 하부와 상부를 연결하는 연결라인(311)에 설치된다.
상기 제3 흡수제 공급부(310)는 흡수탑(10) 하부의 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 펌핑하여 연결라인(311)을 통해 흡수탑(10)의 상부로 주입할 수 있는 펌프로 구비된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제3 냉각부(330)는 제3 흡수제 공급부(310)를 통해 흡수탑(10) 하부의 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 상부로 재 주입하는 과정에 그 흡수제를 냉각하기 위한 것이다.
상기 제3 냉각부(330)는 열을 가진 유체를 공랭 또는 수냉식으로 냉각하는 쿨링장치로서, 제3 흡수제 공급부(310)의 후단에서 연결라인(311)에 설치된다.
따라서, 본 발명의 제3 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치(300)에 의하면, 흡수탑(10) 하부에 있는 이산화탄소가 흡수된 흡수제가 100% 이산화탄소와 흡수반응이 이루어지지 않았으므로, 제3 흡수제 공급부(310)를 통해 흡수탑(10) 하부의 흡수제를 상부로 재 주입함으로써 이산화탄소와 실질적으로 반응하지 않은 흡수제를 재 사용할 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에서는 흡수탑(10) 하부의 흡수제를 제3 냉각부(330)를 통해 냉각하여 흡수탑(10)의 상부로 재 주입함에 따라, 흡수탑(10)의 온도를 냉각시킬 수 있기 때문에 흡수제의 이산화탄소 흡수효율을 증대시킬 수 있다.
이로써, 본 발명의 실시예에서는 전기 제1 실시예와 비교할 때, 이산화탄소 제거율이 10% 이상 증가하며, 특히 제3 냉각부(330)를 통해 흡수제의 온도를 약 40℃까지 냉각하는 경우 대부분의 이산화탄소를 제거할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 제3 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치(300)의 나머지 구성 및 작용은 전기 제1 실시예와 같으므로 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치를 도시한 블록 구성도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치(400)는 전기 제1 실시예의 구성을 기본으로 하면서, 흡수탑(10)으로 주입되는 이산화탄소 포함가스의 열에너지를 흡수탑(10)에서 재생탑(30)으로 공급되는 이산화탄소가 흡수된 흡수제에 제공할 수 있는 구조로 이루어진다.
이를 위해 본 발명의 제4 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치(400)는 흡수탑(10)의 하부로 유입되는 이산화탄소 포함가스와 그 흡수탑(10)에서 재생탑(30)으로 공급되는 이산화탄소가 흡수된 흡수제의 열 교환이 이루어지는 제3 열교환기(410)를 포함하고 있다.
여기서, 이산화탄소 포함가스는 발전소, 소각로, 석유화학 플랜트 등에서 100℃ 이상으로 배출되는 가스이다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제3 열교환기(410)는 제1 열교환기(70)의 전단 및 제1 흡수제 공급부(15)의 후단 측에 설치된다. 나아가 상기 제3 열교환기(410)는 이산화탄소 포함가스를 흡수탑(10)의 하부로 공급하기 위한 공급라인(411)과, 흡수탑(10)에서 배출되는 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 재생탑(30)으로 공급하기 위한 제1 라인(11)의 교차 지점에 설치된다.
이러한 제3 열교환기(410)는 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술의 열교환 장치로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.
따라서, 본 발명의 제4 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치(400)에 의하면, 공급라인(411)을 통해 이산화탄소 포함가스를 흡수탑(10)의 하부로 공급하며, 흡수탑(10)에서 배출되는 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 제1 라인(11)을 통해 재생탑(30)으로 공급할 수 있다.
이러는 과정에, 본 발명의 실시예에서는 공급라인(411)과 제1 라인(11)의 교차 지점에서 제3 열교환기(410)를 통해 이산화탄소 포함가스와 이산화탄소가 흡수된 흡수제의 열 교환이 이루어진다.
즉, 상기 제3 열교환기(410)에서는 이산화탄소 포함가스와 이산화탄소가 흡수된 흡수제의 열 교환을 통해 그 이산화탄소 포함가스의 보유 열에너지를 이산화탄소가 흡수된 흡수제에 제공할 수 있다.
그러면, 본 발명의 실시예에서는 제3 열교환기(410)를 통해 이산화탄소 포함가스를 80℃ 이하로 냉각하여 흡수탑(10)의 하부로 주입할 수 있게 되고, 흡수탑(10)에서 배출되는 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 승온시켜 재생탑(30)으로 공급할 수 있다.
이로써, 본 발명의 실시예에서는 이산화탄소 포함가스가 보유하고 있는 열에너지를 흡수탑(10)에서 재생탑(30)으로 공급되는 흡수제에 제공함에 따라, 재생탑(30)에서 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 재생하는데 필요한 열에너지를 감소시킬 수 있다. 더 나아가, 본 발명의 실시예에서는 전기 제1 실시예와 비교할 때, 재생탑(30)에서 흡수제를 재생하는데 필요한 열에너지를 약 3% 이상 감소시킬 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 제4 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치(400)의 나머지 구성 및 작용은 전기 제1 실시예와 같으므로 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치를 도시한 블록 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제5 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치(500)는 전기 제1 실시예의 구성을 기본으로 하면서, 재기화기(50)에서 발생되는 스팀 응축수의 열에너지를 흡수탑(10)에서 재생탑(30)으로 공급되는 이산화탄소가 흡수된 흡수제에 제공할 수 있는 구조로 이루어진다.
이를 위해 본 발명의 제5 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치(500)는 재기화기(50)에서 발생된 스팀 응축수와 흡수탑(10)에서 재생탑(30)으로 공급되는 이산화탄소가 흡수된 흡수제의 열 교환이 이루어지는 제4 열교환기(510)를 포함하고 있다.
여기서, 상기 재기화기(50)에서는 스팀의 열에너지를 재생탑(30)에 제공하여 흡수제의 재생을 수행하므로, 그 스팀이 응축하면서 약 90℃ 이상의 응축수가 발생된다.
본 발명의 실시예에서, 상기 제4 열교환기(510)는 제1 열교환기(70)의 전단 및 제1 흡수제 공급부(15)의 후단 측에 설치된다. 나아가 상기 제4 열교환기(510)는 재기화기(50)에서 응축된 스팀 응축수를 배출하는 응축수 배출라인(511)과, 흡수탑(10)에서 배출되는 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 재생탑(30)으로 공급하기 위한 제1 라인(11)의 교차 지점에 설치된다.
이러한 제4 열교환기(510)는 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술의 열교환 장치로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.
따라서, 본 발명의 제5 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치(500)에 의하면, 흡수탑(10)에서 배출되는 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 제1 라인(11)을 통해 재생탑(30)으로 공급하고, 재기화기(50)를 통해 스팀의 열에너지를 재생탑(30)에 제공함으로써 재생탑(30)에서는 이산화탄소가 흡수된 흡수제로부터 이산화탄소를 분리하며 그 흡수제를 재생시킬 수 있다.
이러는 과정에, 본 발명의 실시예에서는 재기화기(50)에서 응축된 스팀 응축수를 배출라인(511)을 통해 배출하게 되면, 그 배출라인(511)과 제1 라인(11)의 교차 지점에서 제4 열교환기(510)를 통해 스팀 응축수와 이산화탄소가 흡수된 흡수제의 열 교환이 이루어진다.
즉, 상기 제4 열교환기(510)에서는 스팀 응축수와 이산화탄소가 흡수된 흡수제의 열 교환을 통해 그 스팀 응축수의 보유 열에너지를 이산화탄소가 흡수된 흡수제에 제공할 수 있다.
그러면, 본 발명의 실시예에서는 제4 열교환기(510)를 통해 스팀 응축수를 냉각하여 그 냉각된 스팀 응축수를 배출라인(511)을 통해 배출하고, 흡수탑(10)에서 배출되는 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 승온시켜 재생탑(30)으로 공급할 수 있다.
이로써, 본 발명의 실시예에서는 재기화기(50)에서 발생된 스팀 응축수가 보유하고 있는 열에너지를 흡수탑(10)에서 재생탑(30)으로 공급되는 흡수제에 제공함에 따라, 재생탑(30)에서 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 재생하는데 필요한 열에너지를 감소시킬 수 있다. 더 나아가, 본 발명의 실시예에서는 전기 제1 실시예와 비교할 때, 재생탑(30)에서 흡수제를 재생하는데 필요한 열에너지를 약 3% 이상 감소시킬 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 제5 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치(500)의 나머지 구성 및 작용은 전기 제1 실시예와 같으므로 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 6은 본 발명의 제6 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치를 도시한 블록 구성도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제6 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치(600)는 전기 제1 실시예의 구성을 기본으로 하면서, 재생탑(30)에서 재생된 흡수제 및 그 재생탑(30)에서 배출되는 배출가스의 열을 회수할 수 있는 구조로 이루어진다.
이를 위해 본 발명의 제6 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치(600)는 재생탑(30)에서 흡수탑(10)으로 공급되는 재생된 흡수제 및 재생탑(30)의 상부로 배출되는 배출가스의 열을 회수하여 온수를 생산하는 열 회수부(610)를 포함하고 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 열 회수부(610)는 전기 제1 실시예에서 언급한 바 있는 제2 냉각부(130) 및 제2 열교환기(150)에 연결되게 설치된다.
예를 들면, 상기 열 회수부(610)는 제2 냉각부(130)에서 재생탑(30)의 배출가스를 냉각하고 데워진 온수와, 제2 열교환기(150)에서 재생된 흡수제를 냉각하고 데워진 온수를 저장하는 탱크로서 구비된다.
상기 열 회수부(610)는 제2 냉각부(130)를 통해 재생탑(30)의 배출가스(100℃ 이상)를 20~80℃로 냉각하고, 제2 열교환기(150)를 통해 재생된 흡수제를 냉각하는 과정에서 발생된 70℃ 이상의 온수를 저장하며, 그 온수를 열에너지 사용시설로 공급할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 열 회수부(610)를 통해 이산화탄소 포집 장치에 소요되는 열에너지의 약 70%를 회수할 수 있으며, 이로 인해 이산화탄소 포집 장치의 전체적인 에너지 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 전기 제1 실시예와 비교할 때, 본 발명의 실시예서의 전체적인 열에너지 소비량은 약 30% 정도이다.
상기와 같은 본 발명의 제6 실시예에 따른 고농도 이산화탄소 포집 장치(600)의 나머지 구성 및 작용은 전기 제1 실시예와 같으므로 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.

Claims (14)

  1. 이산화탄소 포함가스 및 흡수제가 내부로 공급되며, 상기 흡수제를 통해 이산화탄소 포함가스 중의 이산화탄소를 흡수하는 흡수탑;
    상기 흡수탑과 연결되며 상기 흡수탑으로부터 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 공급받고, 재기화기와 연결되며 상기 재기화기로부터 스팀의 열에너지를 제공받아 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수제에서 이산화탄소를 분리하여 흡수제를 재생하고 그 재생된 흡수제를 상기 흡수탑으로 공급하는 재생탑;
    상기 흡수탑의 하부에서 배출되는 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 상기 재생탑으로 공급하는 제1 라인과, 상기 재생탑에서 재생된 흡수제를 상기 흡수탑으로 공급하는 제2 라인이 교차하는 지점에 설치되며, 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수제와 상기 재생된 흡수제의 열 교환이 이루어지는 제1 열교환기;
    상기 흡수탑의 상부에 연결되며, 상기 흡수탑에서 배출되는 배출가스 중의 흡수제와 수분을 응축시키는 제1 냉각부;
    상기 제1 냉각부와 연결되고, 제1 응축수 주입라인을 통해 상기 흡수탑의 하부와 연결되며, 상기 제1 냉각부에서 응축된 응축수를 상기 흡수탑으로 주입하는 제1 응축수 주입부;
    상기 재생탑의 상부에 연결되며, 상기 재생탑에서 배출되는 배출가스 중의 흡수제와 수분을 응축시키는 제2 냉각부;
    상기 제2 냉각부와 연결되고, 제2 응축수 주입라인을 통해 상기 흡수탑의 하부와 연결되며, 상기 제2 냉각부에서 응축된 응축수를 상기 흡수탑으로 주입하는 제2 응축수 주입부; 및
    상기 재생탑의 상부에 연결되며, 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수제의 재생 온도에 따라 상기 재생탑의 압력을 조절하는 압력 조절부;
    를 포함하는 고농도 이산화탄소 포집 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 열교환기의 전단에서 상기 제1 라인에 설치되며, 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 상기 재생탑으로 공급하는 제1 흡수제 공급부;
    상기 제1 열교환기의 후단에서 상기 제2 라인에 설치되며, 상기 제1 열교환기를 통해 상기 흡수탑으로 공급되는 상기 재생된 흡수제를 냉각하는 제2 열교환기; 및
    상기 제2 열교환기의 후단에서 상기 제2 라인에 설치되며, 상기 제2 열교환기를 통해 온도가 떨어진 상기 재생된 흡수제를 상기 흡수탑의 상부로 공급하는 제2 흡수제 공급부;
    를 포함하는 고농도 이산화탄소 포집 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 흡수제 공급부의 후단에서 상기 제2 라인에 설치되며, 상기 재생된 흡수제의 열화상태를 모니터링 하는 흡수제 모니터링부; 및
    상기 제1 열교환기의 전단 측에 구성되며, 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수제 및 상기 재생된 흡수제의 열화물질을 제거하는 열화물질 제거유닛;
    을 포함하는 고농도 이산화탄소 포집 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 흡수제 모니터링부는 상기 재생된 흡수제의 pH 및 전기 전도도를 측정하는 고농도 이산화탄소 포집 장치.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 열화물질 제거유닛은,
    상기 제1 흡수제 공급부의 후단에서 상기 제1 라인에 설치되며, 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수제의 열화물질을 필터링 하는 제1 필터와,
    상기 제1 열교환기의 전단에서 상기 제2 라인에 설치되며, 상기 재생된 흡수제의 열화물질을 필터링 하는 제2 필터와,
    상기 재기화기를 통하여 상기 제1 열교환기와 연결되는 상기 제2 라인 상의 바이패스 라인에 설치되는 흡수제 재생부
    를 포함하는 고농도 이산화탄소 포집 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 흡수제 재생부는,
    상기 재생된 흡수제에 NaOH, Na2CO3의 염기물질을 120~200℃의 온도 범위에서 반응시켜 상기 재생된 흡수제의 열화물질을 제거하는 고농도 이산화탄소 포집 장치.
  7. 제2 항에 있어서,
    상기 흡수탑의 하부와 상부를 연결하는 연결라인에 설치되며, 상기 흡수탑 하부의 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 상기 흡수탑의 상부로 재 주입하기 위한 제3 흡수제 공급부; 및
    상기 제3 흡수제 공급부의 후단에서 상기 연결라인에 설치되며, 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 냉각하는 제3 냉각부;
    를 포함하는 고농도 이산화탄소 포집 장치.
  8. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 흡수제 공급부의 후단 측에 설치되며, 상기 흡수탑의 하부로 유입되는 이산화탄소 포함가스와, 상기 흡수탑에서 상기 재생탑으로 공급되는 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수제의 열 교환이 이루어지는 제3 열교환기;
    를 포함하는 고농도 이산화탄소 포집 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제3 열교환기는,
    상기 이산화탄소 포함가스를 상기 흡수탑으로 공급하는 공급라인과, 상기 제1 라인의 교차 지점에 설치되는 고농도 이산화탄소 포집 장치.
  10. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 흡수제 공급부의 후단 측에 설치되며, 상기 재기화기에서 응축된 스팀 응축수와, 상기 흡수탑에서 상기 재생탑으로 공급되는 상기 이산화탄소가 흡수된 흡수제의 열 교환이 이루어지는 제4 열교환기;
    를 포함하는 고농도 이산화탄소 포집 장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제4 열교환기는,
    상기 재기화기에서 응축된 스팀 응축수를 배출하는 응축수 배출라인과, 상기 제1 라인의 교차 지점에 설치되는 고농도 이산화탄소 포집 장치.
  12. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 냉각부 및 상기 제2 열교환기에 연결되며, 상기 재생된 흡수제 및 상기 재생탑에서 배출되는 배출가스의 열을 회수하여 온수를 생산하는 열 회수부
    를 포함하는 고농도 이산화탄소 포집 장치.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 흡수제는 MEA(Monoethnolamine), DEA(Diethanolamine), MDEA(Methyl diethanolamine), TEA(Triethanolamine) 및 AMP(2-Amino-2-methyl-1-propanol)를 포함하는 아민계열 화합물 혹은 상기 아민계열 화합물에 무기염계 물질이 포함되어 있고, 10~50wt%의 농도를 만족하는 것인 고농도 이산화탄소 포집 장치.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 흡수탑으로 공급되는 이산화탄소 포함가스 및 흡수제의 온도는 80℃ 이하이고, 상기 재생탑은 80~150℃의 온도로 운전하며,
    상기 흡수탑으로 공급되는 이산화탄소 포함가스와 흡수제 유량 비율은 50~200을 만족하고,
    상기 흡수탑의 지름과 그 흡수탑에 충진된 충진물의 충진 높이 비율은 10~100을 만족하는 고농도 이산화탄소 포집 장치.
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