KR101315709B1 - 이산화탄소 포집 설비 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이산화탄소 흡수용액 내의 물 농도를 낮춰서 흡수용액의 재생에 소비되는 에너지의 양을 크게 절감시킬 수 있는 탈수장치를 갖춘 이산화탄소 포집 설비에 관한 것이다.
본 발명은 흡수탑에서 배출되는 사용된 흡수용액이 열교환에 의해 가열되기 전 또는 후에 탈수장치(Dehydrator)를 설치하여 운용하는 새로운 형태의 이산화탄소 포집방식을 구현함으로써, 흡수용액 내의 물의 농도를 크게 낮추어 재생탑 내로 유입되는 물의 양을 최소화할 수 있고, 결국 흡수용액의 재생에 소비되는 에너지의 양을 크게 절감시킬 수 있는 한편, 흡수탑에서 흡수용액이 CO₂를 흡수할 때 발열반응에 의해 흡수용액의 온도가 일정하게 상승하는 원리를 이용하여, 탈수장치의 온도를 일정하게 유지시켜줌으로써, 탈수장치의 에너지 소비도 최소화할 수 있는 이산화탄소 포집 설비를 제공한다.

Description

이산화탄소 포집 설비{Equipment for trapping carbon dioxide}

본 발명은 이산화탄소 포집 설비에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이산화탄소 흡수용액 내의 물 농도를 낮춰서 흡수용액의 재생에 소비되는 에너지의 양을 크게 절감시킬 수 있는 탈수장치를 갖춘 이산화탄소 포집 설비에 관한 것이다.

최근 지구 온난화 현상에 대한 심각성이 인식되기 시작하면서 세계 각국은 온실 가스에 대한 대책 마련에 부심하고 있으며, 이러한 지구 온난화의 가장 큰 요인 중의 하나가 이산화탄소이다.

따라서, 온실가스 중에서도 가장 중요한 저감 대상인 이산화탄소를 효율적으로 포집 및 저감시키는 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있는 추세이다.

이러한 이산화탄소를 포집하는 방법에는 흡수법, 흡착법, 분리막법 등이 있으나, 흡수법이 흡착법이나 막분리법 등과 같은 타 회수 기술에 비하여 대유량의 배기가스 처리가 가능하고, 이산화탄소가 7∼30% 내외의 농도조건에서도 높은 제거 효율을 가지면서 경제성이나 공정 적용 용이성이 높은 것으로 평가받고 있다.

흡수법 중에서 가장 널리 개발 중인 화학 흡수법은 화학반응을 이용하여 배기가스 내의 CO₂를 선택적으로 분리하기 때문에 흡수량이 CO₂ 분압의 영향을 크게 받지 않아 CO₂ 분압이 낮은 경우에도 CO₂ 제거효율이 높은 장점이 있지만, 사용된 흡수제를 다시 사용하기 위해 CO₂를 흡수제에서 분리시키는 재생과정에서 높은 에너지 소비량을 필요로 하는 문제가 있다.

특히, 수용성 아민계 흡수용액을 사용하는 경우, CO₂ 회수비용 중 에너지 비용이 50∼60%를 차지하며, 이 에너지 비용 중 CO₂ 흡수액 재생에 소비되는 에너지 비용이 80% 이상을 차지하는 실정이다.

이러한 문제를 해결하기 위해 최근에는 비수용성 흡수용액을 CO₂ 흡수제로 사용하는 기술 개발이 활발히 이루어지고 있다.

물보다 현열(Sensible heat)과 증발열(Heat of vaporization)이 낮은 물질을 흡수용액의 용매로 사용하여 수용성 흡수제 대비 재생에너지를 혁신적으로 줄일 수 있어 CO₂ 흡수회수의 경제성을 크게 증대시킬 수 있다.

그러나, CO₂를 회수하고자 하는 가스 내에 수분이 존재하는 경우, CO₂ 흡수과정에서 가스 내의 수분이 비수용성 흡수용액에 용해되는 문제가 있다.

흡수용액은 공정상에서 흡수와 재생을 반복하면서 흡수성능이 일정 수준으로 유지될 때까지 반복적으로 사용하는데, 반복 사용 횟수가 증가할수록 흡수용액에 수분이 축적되는 양이 증가하여 희석에 의해 흡수제의 성능이 점진적으로 저하되고, 재생에너지 소비가 지속적으로 증가하게 된다.

그러므로, 비수용성 흡수용액을 사용하여 수분이 함유되어 있는 가수 내의 CO₂를 흡수 회수하는 경우에 공정상에서 흡수용액 내의 물의 농도범위를 일정하게 조절하는 기술이 필요하다.

기존의 이산화탄소 포집 방법를 살펴보면 다음과 같다.

CO₂를 함유하고 있는 배기가스를 기-액 접촉이 원활히 이루어지도록 넓은 표면적을 갖는 충전물이 충전되어 있는 흡수탑에 공급하고, 흡수탑의 상단에서 살포되는 용액상태의 흡수제와 대기압하에 접촉시켜 40∼70℃ 전후의 온도범위에서 배기가스 내의 CO₂를 흡수용액에 흡수시킨다.

흡수탑에서 방출되는 흡수용액, 즉 CO₂가 흡수된 흡수용액은 재생탑에서 90∼160℃의 온도범위에서 가열 및 재생되어 재생탑의 하부로 방출되는 흡수액과 열교환되어 예열된 후, 재생탑의 상부로 공급된다.

재생탑의 하부에서는 CO₂가 흡수된 흡수용액을 보일러 등의 가열기를 이용하여 90∼160℃의 온도범위에서 가열하여 CO₂를 유리시킨 후, 재생탑의 상부로 배출시키는 한편, 이때의 흡수용액은 재생하고, 유리된 CO₂와 함께 배출된 증기화된 흡수용액은 냉각기에서 냉각 및 응축시키며, 계속해서 분리드럼에서 분리하여 재생탑으로 환류시키고, 유리된 기체상태의 고농도 CO₂(90∼100%)는 저장/고정/전환시킨다.

이와 같은 화학 흡수법의 흡수제로 현재 전세계적으로 대부분 아민계 흡수용액이 널리 사용되고 있는데, 이러한 흡수용액에 사용되는 아민계의 종류로는 모노에탄올아민, 디에탄올아민, 트리에탄올아민, 메틸디엔탄올아민, 디이소프로필아민, 디글리콜아민, 피페라인, 2-피페라딘에탄올, 히드록시에틸피페라진, 2-아미노-2네틸-1-프로판올, 2-에틸아미노-에탄올, 2-메틸아미노-에탄올, 2-디에틸아미노-에탄올 외에 수십여 가지가 존재하며, 통상 5∼60wt%의 농도 범위에서 물이나 유기용매 등과 같은 용매에 혼합되어 사용된다.

수용성 흡수제를 사용하는 경우 전체 CO₂ 흡수 회수 비용 중 에너지 비용이 50∼60%를 차지하는데, CO₂가 흡수된 흡수용액을 재생탑 하부에서 가열하는데 사용되는 에너지 비용이 전체의 약 80%를 차지한다.

따라서, CO₂ 흡수 비용을 절감하여 CO₂ 포집의 경제성을 향상시키기 위해서 물보다 현열과 증발열이 낮은 물질을 흡수용액의 용매로 사용하여 재생에너지 비용을 크게 절감시키는 기술이 개발되고 있다.

CO₂ 흡수회수 공정에서 흡수용액은 흡수와 재생을 반복하면서 흡수성능이 일정수준으로 유지될 때까지 반복적으로 사용하는데, 비수용성 흡수용액을 흡수제로 사용하는 경우, 처리가스 내에 수분이 존재할 때 흡수용액의 반복사용 횟수가 증가할수록 흡수용액에 축척되는 수분의 양이 증가하여 희석되고, 결국 흡수제의 성능은 점진적으로 저하되며, 또 물의 함량이 증가함에 따라 재생에너지 소비도 점차 증가하게 된다.

즉, 비수용성 흡수용액을 사용하는 경우, 용매로 사용되는 물질의 현열과 증발열이 물보다 낮아 기존의 수용성 흡수제보다 재생에너지 소비량이 매우 낮아 회수 비용을 크게 절감시키는 우수성을 가지나, 처리가스 내의 수분이 흡수용액에 축척되면서 재생에너지 소비량이 다시 증가하는 문제가 있다.

그러므로, 비수용성 흡수용액을 사용하여 수분이 함유되어 있는 가스 내의 CO₂ 를 흡수 회수하는 경우, 공정상 흡수용액 내의 물의 농도 범위를 일정하게 유지하는 기술이 필요하다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 등록특허 10-1191085호에 개시되어 있다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 흡수탑에서 배출되는 사용된 흡수용액이 열교환에 의해 가열되기 전 또는 후에 탈수장치(Dehydrator)를 설치하여 운용하는 새로운 형태의 이산화탄소 포집방식을 구현함으로써, 흡수용액 내의 물의 농도를 크게 낮추어 재생탑 내로 유입되는 물의 양을 최소화할 수 있고, 결국 흡수용액의 재생에 소비되는 에너지의 양을 크게 절감시킬 수 있는 이산화탄소 포집 설비를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은 흡수탑에서 흡수용액이 CO₂를 흡수할 때 발열반응에 의해 흡수용액의 온도가 일정하게 상승하는 원리를 이용하여, 탈수장치의 온도를 일정하게 유지시켜줌으로써, 탈수장치의 에너지 소비도 최소화할 수 있는 이산화탄소 포집 설비를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 이산화탄소 포집 설비는 다음과 같은 특징이 있다.

상기 이산화탄소 포집 설비는 배기가스 내의 CO₂를 흡수용액에 흡수시키는 흡수탑과, 상기 흡수탑에서 방출되는 CO₂가 흡수된 흡수용액을 가열 및 재생시키는 재생탑과, 상기 흡수탑과 재생탑 사이의 라인상에 설치되어 CO₂ 흡수용액과 재생 흡수용액 간의 열교환을 수행하는 열교환기와, 상기 라인상에 설치되어 CO₂ 흡수용액 내의 물을 흡수하는 탈수장치(17)를 포함하는 형태로 이루어진다.

따라서, 상기 이산화탄소 포집 설비는 흡수탑에서 방출되는 CO₂ 흡수용액에 포함되어 있는 물의 양을 모니터링하면서 적정한 운전온도 범위에서 CO₂ 흡수용액 내의 물의 농도 범위를 일정하게 유지함으로써, 흡수용액의 재생에너지 소비를 줄일 수 있고, 탈수장치의 운전비용을 대폭 절감할 수 있는 특징이 있다.

여기서, 상기 탈수장치는 CO₂ 흡수용액에 포함되어 있는 물과 유기용매의 동적직경(Kinetic diameter) 차이를 이용하여 물을 흡수하는 멤브레인 방식을 적용할 수 있다.

이때, 상기 탈수장치가 열교환기 전단에 설치되는 경우에는 키토산과 폴리비닐알콜 재질의 멤브레인을 사용하면서 50∼70℃의 운전온도 범위에서 운용하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 탈수장치가 열교환기 후단에 설치되는 경우에는 LTA 제올라이트 재질의 멤브레인을 사용하면서 80∼100℃의 운전온도 범위에서 운용하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 제공하는 이산화탄소 포집 설비는 다음과 같은 장점이 있다.

첫째, 비수용성 흡수용액을 사용하여 수분이 함유되어 있는 가스 내의 CO₂를 흡수 회수하는 경우, 재생탑에서 흡수용액이 재생되기 전에 탈수장치를 이용하여 물의 함량을 크게 낮추어 흡수용액을 재생시키는 과정에서 물에 의해 소비되는 재생에너지(현열 및 증발열) 양을 감소시킬 수 있고, 따라 재생에너지 비용을 약 20% 이상 절감시킬 수 있다.

둘째, 흡수용액 내의 물의 함량을 일정 범위에서 유지시키는데 사용하는 탈수장치의 운전 온도를 공정열을 활용하여 조절함으로써, 탈수장치의 운전 비용을 약 20% 이상 절감시킬 수 있다.

셋째, 흡수용액 내의 물의 함량을 일정 범위에서 유지시켜 CO₂ 흡수회수 공정의 운전 안정성을 증대시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 설비를 나타내는 개략도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 설비의 운전상태를 나타내는 개략도
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이산화탄소 포집 설비를 나타내는 개략도

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.

본 발명의 실시예로는 다수 개가 존재할 수 있으며, 설명에 있어서 종래의 기술과 동일한 부분에 대하여 중복되는 설명은 생략되는 것고 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 설비를 나타내는 개략도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 상기 이산화탄소 포집 설비는 CO₂ 흡수회수 공정에서 CO₂ 흡수용액 속에 포함되어 있는 물의 양을 모니터링하면서 탈수장치로 원하는 양의 수분을 제거하여 CO₂ 흡수용액 내의 물의 농도범위를 일정하게 유지하는 설비이다.

이를 위하여, 배기가스 내의 CO₂를 흡수용액에 흡수시키는 흡수탑(10)과, 상기 흡수탑(10)에서 방출되는 CO₂가 흡수된 흡수용액을 가열 및 재생시키는 재생탑(13)이 마련되고, 상기 흡수탑(10)과 재생탑(13)은 CO₂ 흡수용액이 흐르는 라인(18a)과 재생 흡수용액이 흐르는 라인(18b)으로 연결된다.

이에 따라, 흡수탑(10)을 빠져나온 사용된 CO₂ 흡수용액은 라인(18a)을 거쳐 재생탑(13)으로 들어가게 되고, 재생탑(13)에서 처리된 재생 흡수용액은 라인(18b)을 거쳐 흡수탑(10)으로 들어가게 된다.

그리고, 상기 흡수탑(10)과 재생탑(13) 사이의 라인(18a)에는 CO₂ 흡수용액과 재생 흡수용액 간의 열교환을 수행하는 열교환기(12)가 설치된다.

또한, 상기 흡수탑(10)의 흡입측으로 연결되는 라인(18b)상에는 손실된 흡수용액을 보충하기 위해 신규 흡수용액을 저장하고 있는 흡수용액 저장조(11)가 연결되고, 상기 재생탑(13)의 상단 배출측에는 CO₂ 와 증기화된 흡수용액과 냉각수 간을 열교환시키는 열교환장치(15)가 연결된다.

또한, 상기 열교환장치(15)의 배출측에는 응축된 흡수용액을 분리하는 분리드럼(16)이 연결되고, 이때의 분리드럼(16) 내의 응축된 흡수용액은 재생탑(13)으로 회수되는 동시에 농축 CO₂ 는 분리드럼(16)을 빠져나와 저장/고정/전환 처리된다.

또한, 상기 재생탑(13)에는 흡수용액을 가열하여 CO₂ 를 유리시키기 위한 보일러 등과 같은 흡수용액 가열기(14)가 갖추어지게 된다.

특히, 본 발명에서는 CO₂ 흡수용액 내의 물을 흡수하여 CO₂ 흡수용액 내의 물의 농도 범위를 일정하게 유시켜줄 수 있는 수단으로 탈수장치(17)를 제공하며, 이때의 탈수장치(17)는 흡수탑(10)과 재생탑(13) 사이를 연결하고 있는 라인(18a)상에 설치된다.

이에 따라, 상기 라인(18a)을 따라 흐르는 CO₂ 흡수용액은 탈수장치(17)를 경유한 후에 소정의 수분이 제거된 채로 재차 라인(18a)상으로 복귀하여 흐를 수 있게 되고, 이렇게 CO₂ 흡수용액이 탈수장치(17)를 거치는 과정에서 CO₂ 흡수용액 속에 포함되어 있는 물이 제거될 수 있게 된다.

이러한 상기 탈수장치(17)는 흡수탑(10)과 재생탑(13) 사이에 연결되어 있는 라인(18a)상의 임의의 위치, 예를 들면 라인(18a)상에 설치되어 있는 열교환기(12)의 전단이나 후단 등에 설치될 수 있게 된다.

예를 들면, 도 1에서는 열교환기(12)의 전단부에 탈수장치(17)가 설치되어 있는 것을 보여주고 있으며, 도 3에서는 열교환기(12)의 후단부에 탈수장치(17)가 설치되어 있는 것을 보여주고 있다.

본 발명은 탈수장치 및 탈수방법의 종류를 한정하지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 사용할 수 있는 다양한 형태의 탈수장치 및 탈수방법을 모두 포함한다.

일 예로서, 상기 탈수장치(17)는 CO₂ 흡수용액에 포함되어 있는 물과 유기용매의 동적직경(Kinetic diameter) 차이를 이용하여 물을 흡수하는 멤브레인 방식을 적용할 수 있다.

즉, 물 분자의 동적직경은 0.26㎚인 반면 비수용성 흡수용액의 주 성분인 아민이나 유기용매의 동적직경은 0.45㎚ 이상으로 멤브레인 기술을 이용하면 분자의 크기가 작은 물을 흡수용액에서 분리할 수 있다.

멤브레인의 물의 투과도는 멤브레인의 포어 사이즈(Pore size)뿐만 아니라 멤브레인 재질의 물에 대한 친수성에 지배적인 영향을 받는다.

멤브레인 재질의 친수성이 높을수록 물의 투과도는 높아지나 친수성이 너무 높아지게 되면 멤브레인이 팽창하게 되어 멤브레인의 물에 대한 선택도(Selectivity)가 낮아지게 되고, 장기 안정성도 감소하게 되는 문제점들이 발생할 수도 있다.

그러므로, 적절한 친수성을 갖는 멤브레인 재질을 선정하여 적정한 운전온도 범위에서 물을 분리할 때 최적의 탈수효율을 얻을 수 있다.

즉, 소정의 온도범위에서 최적의 기능을 발휘할 수 있는 특성을 가지는 멤브레인 재질을 선정하여 적재적소에 배치 운용함으로써, 우수한 탈수효과를 얻을 수 있다.

이와 관련하여 본 발명에서는 탈수장치(17)가 열교환기 전단에 설치되는 경우, 키토산과 폴리비닐알콜 재질의 멤브레인을 적용하면서 50∼70℃의 운전온도 범위, 바람직하게는 60℃의 운전온도 범위에서 운용되도록 하는 일 예를 제공한다.

즉, 멤브레인 재질로 키토산과 폴리비닐알콜을 선정하고, 탈수장치의 운전 온도를 공정열, 다시 말해 흡수탑 반응열을 이용하여 60℃(흡수탑과 열교환기 사이의 라인구간을 흐르는 CO₂ 흡수용액의 온도와 같은 약 60℃)의 온도에서 가동되도록 하며, 이때의 플럭스(Flux)는 0.45kg/㎠ㆍhr가 되도록 하였다.

이러한 특성의 멤브레인을 구비한 탈수장치에서는 운전온도 60℃의 조건에서 여과 전 흡수제의 물함량은 20wt%, 플럭스는 0.45kg/㎠ㆍhr, 여과 후 여과액 물함량은 98% 이상임을 얻을 수 있었다.

또한, 다른 예로서, 상기 탈수장치(17)가 열교환기 후단에 설치되는 경우, LTA 제올라이트 재질의 멤브레인을 적용하면서 80∼100℃의 운전온도 범위, 바람직하게는 90℃의 운전온도 범위에서 운용되도록 하는 예를 제공한다.

즉, 멤브레인 재질로 LTA 제올라이트를 선정하고, 흡수탑 반응열을 이용하여 90℃(열교환기와 재생탑 사이의 라인구간을 흐르는 CO₂ 흡수용액의 온도와 같은 약 90℃)의 온도에서 가동되도록 하며, 이때의 플럭스는 1.3kg/㎠ㆍhr가 되도록 하였다.

이러한 특성의 멤브레인을 구비한 탈수장치에서는 운전온도 90℃의 조건에서 여과 전 흡수체의 물함량은 20wt%, 플럭스는 1.3kg/㎠ㆍhr, 여과 후 여과액 물함량은 92% 이상임을 얻을 수 있었다.

이와 같이, 본 발명은 멤브레인 운전에 최적 운전 온도 조건에서 비수용성 흡수제를 사용하는 CO₂ 흡수회수 공정의 경우 재생탑에서 흡수용액이 재생되기 전에 탈수장치를 이용하여 물의 함량을 낮추어 주면서 설비를 운용하는 새로운 이산화탄소 포집 방식을 구현함으로써, 흡수용액의 재생에너지 소비를 20%, 탈수장치의 운전비용을 20% 절감시킬 수 있을 뿐만 아니라 공정 운전의 안정성까지 확보할 수 있다.

10 : 흡수탑 11 : 흡수용액 저장조
12 : 열교환기 13 : 재생탑
14 : 흡수용액 가열기 15 : 열교환장치
16 : 분리드럼 17 : 탈수장치
18a,18b : 라인

Claims (5)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 배기가스 내의 CO₂를 흡수용액에 흡수시키는 흡수탑(10)과, 상기 흡수탑(10)에서 방출되는 CO₂가 흡수된 흡수용액을 가열 및 재생시키는 재생탑(13)과, 상기 흡수탑(10)과 재생탑(13) 사이의 라인(18a)상에 설치되어 CO₂ 흡수용액과 재생 흡수용액 간의 열교환을 수행하는 열교환기(12)를 포함하며,
   상기 라인(18a)상에는 CO₂ 흡수용액 내의 물을 흡수하는 탈수장치(17)를 설치하여, CO₂ 흡수용액 내의 물의 농도 범위를 일정하게 유지시켜줄 수 있으며,
   상기 탈수장치(17)는 CO₂ 흡수용액에 포함되어 있는 물과 유기용매의 동적직경(Kinetic diameter) 차이를 이용하여 물을 흡수하는 멤브레인 방식으로 이루어지고,
   상기 탈수장치(17)는 열교환기 전단에 설치되는 경우 키토산과 폴리비닐알콜 재질의 멤브레인을 포함하며, 50∼70℃의 운전온도 범위에서 운용되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 설비.
   
5. 배기가스 내의 CO₂를 흡수용액에 흡수시키는 흡수탑(10)과, 상기 흡수탑(10)에서 방출되는 CO₂가 흡수된 흡수용액을 가열 및 재생시키는 재생탑(13)과, 상기 흡수탑(10)과 재생탑(13) 사이의 라인(18a)상에 설치되어 CO₂ 흡수용액과 재생 흡수용액 간의 열교환을 수행하는 열교환기(12)를 포함하며,
   상기 라인(18a)상에는 CO₂ 흡수용액 내의 물을 흡수하는 탈수장치(17)를 설치하여, CO₂ 흡수용액 내의 물의 농도 범위를 일정하게 유지시켜줄 수 있으며,
   상기 탈수장치(17)는 CO₂ 흡수용액에 포함되어 있는 물과 유기용매의 동적직경(Kinetic diameter) 차이를 이용하여 물을 흡수하는 멤브레인 방식으로 이루어지고,
   상기 탈수장치(17)는 열교환기 후단에 설치되는 경우 LTA 제올라이트 재질의 멤브레인을 포함하며, 80∼100℃의 운전온도 범위에서 운용되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집 설비.

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