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KR101347551B1 - 다단 공급형 건식 이산화탄소 포집장치 - Google Patents

다단 공급형 건식 이산화탄소 포집장치 Download PDF

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KR101347551B1
KR101347551B1 KR1020110123717A KR20110123717A KR101347551B1 KR 101347551 B1 KR101347551 B1 KR 101347551B1 KR 1020110123717 A KR1020110123717 A KR 1020110123717A KR 20110123717 A KR20110123717 A KR 20110123717A KR 101347551 B1 KR101347551 B1 KR 101347551B1
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이승용
문종호
이동호
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Abstract

본 발명은 이산화탄소를 흡수하는 흡수제 또는 이산화탄소를 함유하는 배기가스를 회수반응기의 높이에 따라 다단으로 공급하여 흡수효율을 향상시킬 수 있는 건식 이산화탄소 포집장치에 관한 것으로, 배기가스공급관을 통해 외부로부터 공급된 이산화탄소가 함유된 배기가스에 고체흡수제를 접촉하여 이산화탄소를 회수하는 회수반응기; 상기 회수반응기와 연결되어 기체는 배출시키고 이산화탄소를 포집하고 있는 고체흡수제만 분리하는 회수싸이클론; 상기 회수싸이클론으로부터 공급받은 이산화탄소를 포집하고 있는 고체흡수제를 공급받아 유동화가스를 이용하여 고체흡수제에 포집된 이산화탄소를 분리하는 재생반응기; 및 상기 재생반응기와 흡수제공급관을 통해 연결되어 이산화탄소가 분리된 고체흡수제를 냉각시켜 상기 회수반응기로 피드백하는 전처리반응기를 포함하고, 상기 배기가스공급관과 상기 흡수제공급관 중 어느 하나 이상은 상기 회수반응기의 높이에 따라 2이상이 배치되는 것을 특징으로 한다.

Description

다단 공급형 건식 이산화탄소 포집장치{Dry sorbent CO2 capturing device with multistaged supplying}
본 발명은 건식 이산화탄소 포집장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이산화탄소를 흡수하는 흡수제 또는 이산화탄소를 함유하는 배기가스를 회수반응기의 높이에 따라 다단으로 공급하여 흡수효율을 향상시킬 수 있는 건식 이산화탄소 포집장치에 관한 것이다.
종래에 CO2회수 공정으로는 습식법에 의한 공정이 사용되었다. 즉, CO2를 포함하는 가스를 아민류 계통의 용액을 통과시켜 CO2를 흡수하게 하고 재생탑에서 그 용액을 재생하여 사용하는 방법이며, 이러한 습식법은 공정과정에 폐수가 추가로 발생되는 단점이 있다.
따라서 상기 습식법의 단점을 해소하기 위한 대안으로 건식법에 의한 CO2의 회수방법이 제안되었다. 상기 건식법을 이용한 시스템은 두개의 반응기를 이용하여 CO2를 회수하는 것으로, 회수반응기에 공급된 CO2를 고체흡수제(건식흡수제)에 흡착제거하고, 상기 고체흡수제는 재생반응기로 유입되어 흡착된 CO2를 제거하고, 전처리반응기에서 고체흡수제에 H2O를 흡습시켜 다시 회수반응기에 공급하는 과정으로 이루어진다.
그러나, 도 2에 도시된 바와 같이, 회수반응기에서는 흡수제가 투입되는 하단부로부터 반응기 내부에 존재하는 흡수제의 양이 지속적으로 감소하는 문제점이 있다(Daizo Kunii & Octave Levenspiel, Fluidization Engineering, Butterworth-Heinemann, 2nd Edition, 1991, 195page).
특히, 회수반응기로써 유동층 반응기를 사용하는 경우에는 회수반응기의 상측으로 갈수록 배기가스의 분압이 저하하므로(도 3 참조), 배기가스에 대한 흡수제의 흡수능이 저하하게 된다(Esmail R. Monazam & Lawrence J. Shadle and Ranjani Siriwardane, Equilibrium and Absorption Kinetics of Carbon Dioxide by Solid Supported Amine Sorbent, AIChE Journal, 57(11), 3153-3159, 2011).
따라서, 기존의 방식으로는 회수반응기에 의한 이산화탄소의 흡수율을 더 이상 향상시킬 수 없는 문제점이 있다.
상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 이산화탄소를 흡수하는 흡수제 또는 이산화탄소를 함유하는 배기가스를 회수반응기의 높이에 따라 다단으로 공급하여 흡수효율을 향상시킬 수 있는 건식 이산화탄소 포집장치를 제공하는 데에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 배기가스공급관을 통해 외부로부터 공급된 이산화탄소가 함유된 배기가스에 고체흡수제를 접촉하여 이산화탄소를 회수하는 회수반응기; 상기 회수반응기와 연결되어 기체는 배출시키고 이산화탄소를 포집하고 있는 고체흡수제만 분리하는 회수싸이클론; 상기 회수싸이클론으로부터 공급받은 이산화탄소를 포집하고 있는 고체흡수제를 공급받아 유동화가스를 이용하여 고체흡수제에 포집된 이산화탄소를 분리하는 재생반응기; 및 상기 재생반응기와 흡수제공급관을 통해 연결되어 이산화탄소가 분리된 고체흡수제를 냉각시켜 상기 회수반응기로 피드백하는 전처리반응기를 포함하고, 상기 배기가스공급관과 상기 흡수제공급관 중 어느 하나 이상은 상기 회수반응기의 높이에 따라 2이상이 배치되는 것을 특징으로 하는 다단 공급형 건식 이산화탄소 포집장치이다.
이 때, 서로 근접한 상기 배기가스공급관과 상기 흡수제공급관에서, 상기 배기가스공급관은 상기 흡수제공급관보다 하측에 위치하는 것이, 흡수제와 이산화탄소의 접촉기회를 늘릴 수 있어 바람직하다.
또, 상기 배기가스공급관은 상측으로 갈수록 배기가스의 공급유량이 감소될 수 있다. 또는 상기 흡수제공급관은 상측으로 갈수록 흡수제의 공급량이 감소할 수 있다. 배기가스의 공급유량과 흡수제의 공급량은 동시에 상측으로 갈수록 감소하는 것도 가능하다.
본 발명을 통하여, 기존의 장치에 배기가스공급관과 흡수제공급관을 증설하는 것에 의해 이산화탄소의 흡수율을 증가시킬 수 있다.
또한, 반대로 장치 전체의 규모는 줄이면서도 이산화탄소 처리능력은 유지하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다단 흡수제 공급형 건식 이산화탄소 포집장치의 개략적인 도면이다.
도 2는 회수반응기에서 높이에 따른 흡수제의 흡수율의 그래프이다.
도 3은 배기가스의 분압에 따른 흡수제의 흡수능의 그래프이다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1에서 도면부호 100은 본 발명의 실시예에 따른 건식 이산화탄소 포집장치를 지시한다.
상기 건식 이산화탄소 포집장치(100)는 기본적으로 종래기술에서 공지된 회수반응기(102), 회수싸이클론(110), 재생반응기(114), 및 전처리반응기(122)를 포함한다.
상기 회수반응기(102)는 공지의 건식 이산화탄소 포집장치에 사용되는 회수반응기를 사용할 수 있다. 특히, 유동층 반응기를 사용하면, 배기가스를 이용하여 건식 고체흡수제를 유동화시키는 것에 의해 기체상태의 배기가스와 고체상태의 고체흡수제의 접촉이 활발하여 이산화탄소의 제거능력이 향상되어 바람직하다.
본 발명에서 사용되는 건식 고체흡수제는 공지의 기술에서 사용된 것을 사용할 수 있으며, 특히, 이산화탄소의 흡착력이 좋은 K2CO2 또는 Na2CO3를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 회수반응기(102)에 배기가스는 주배기가스관(148)에 분지되어 연결되는 배기가스공급관(104,106,108)에 의해 다단으로 공급되며, 특히 유동층 반응기를 이용할 경우에는 상기 배기가스의 주입압력과 유량을 제어하여 상기 고체흡수제의 유동화를 유지할 수 있도록 하여야 한다. 또한, 상기 건식 고체흡수제가 활발하게 이산화탄소를 흡수할 수 있는 주입온도로 배기가스를 주입하여야 한다. 주입온도는 건식 고체흡수제의 종류에 따라 달라질 수 있다.
상기 회수싸이클론(110)은 공지의 장치로써, 상기 회수반응기(102)에서 이산화탄소를 흡수한 고체흡수제를 원심분리하여, 상기 고체흡수제는 자중에 의해 낙하하고, 가벼운 기체, 즉 이산화탄소가 제거된 배기가스는 상기 회수싸이클론(110)에 연결되는 분리가스배출관(112)을 통해 이후 단계로 진행된다.
상기 재생반응기(114)에서는 이산화탄소를 흡수한 고체흡수제를 가열하여, 상기 고체흡수제가 이산화탄소를 방출할 수 있도록 한다. 이 때, 상기 고체흡수제의 가열온도는 상기 배기가스의 주입온도보다 높다. 상기 재생반응기(114)에서 고체흡수제의 가열은 재생가스공급관(116)으로부터 유입되는 재생가스에 의해 유동화상태에서 이루어지며, 상기 재생가스로는 스팀을 사용할 수 있다. 스팀을 이용하는 경우, 재생된 가스 중 수분만 제거하면 순수한 이산화탄소를 얻을 수 있으므로 바람직하다. 또, 고체흡수제의 유동화를 위하여 상기 재생반응기(114) 내부에 상기 스팀을 확산시키는 확산판이 설치되고, 상기 고체흡수제가 상기 확산판 상부에 배치되며, 상기 확산판의 하측으로 상기 재생가스공급관(116)이 연통될 수 있다. 상기 고체흡수제는 상기 확산판을 관통하는 고체흡수제전달관을 설치하여 전처리반응기(122)로 이동시키는 것이 가능하다.
상기 재생반응기(114)에는 재생싸이클론(118)이 추가로 설치될 수 있다. 이는 상기 재생가스에 의해 부유되는 고체흡수제의 유실을 방지하기 위한 것이다. 상기 재생싸이클론(118)의 구조는 기본적으로 상기 회수싸이클론(110)과 동일하다. 상기 재생반응기(114)에 설치되는 이산화탄소배출관(120)을 통해 배출되는 기체는 상기 고체흡수제가 흡수했던 이산화탄소이다.
상기 재생반응기(114)를 지나친 고체흡수제는 상기 전처리반응기(122)에서 이산화탄소를 흡수하기 용이한 온도를 가지게 되고, 상기 회수반응기(102)로 이동하게 된다.
상기 전처리반응기(122)에서 고체흡수제의 냉각을 위해서 상기 전처리반응기(122)에는 전처리가스를 공급한다. 상기 전처리가스로는 대기, 또는 질소가스와 같은 불활성기체 등을 사용할 수 있으며, 상기 전처리반응기(122)에 설치된 전처리가스공급관(124)를 통해 공급된다. 상기 전처리가스의 온도는 적어도 상기 회수반응기(102)에 공급되는 배기가스의 주입온도와 같거나 이보다 낮아야 한다. 그리고, 상기 전처리가스는 상기 전처리반응기(122) 내에서 고체흡수제를 유동층 운동을 시키는 것에 의해 고체흡수제를 빠르게 냉각시킬 수 있다.
또, H2O를 흡수한 건식 고체흡수제는 이산화탄소가 H2O에 쉽게 용해되는 성질 때문에 이산화탄소의 흡착율을 더욱 높이게 된다. 따라서, 상기 전처리가스를 수증기 포화상태로 공급하여 상기 고체흡수제를 조습시키는 것이 바람직하다.
상기 전처리반응기(122)에는 공급된 전처리가스를 배출시키는 전처리가스배출관(126)이 설치된다. 그리고, 상기 전처리가스배출관(126)을 통해 고체흡수제의 이탈을 방지하기 위하여 재생싸이클론(118)과 동일한 구성의 전처리싸이클론(미도시)을 상기 전처리가스배출관(126)에 설치할 수 있다. 따라서, 상기 전처리싸이클론에 의해 회수되는 고체흡수제는 다시 상기 전처리반응기(122)로 피드백시키면서, 고체흡수제로부터 열에너지를 흡수한 전처리가스만을 방출시키는 것이 가능하다.
이러한 전처리가스와 고체흡수제의 접촉에 의하여 상기 전처리반응기(122)에서 배출되는 고체흡수제의 온도는 상기 회수반응기(102)의 주입온도와 동일하도록 조절하여야 한다.
상기 전처리반응기(122)를 통해 전처리된 흡수제는 주흡수제관(128)을 통하여 이동되고, 도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 흡수제공급관(130,132,134)을 통하여 상기 회수반응기(102)의 높이에 따라 공급된다.
상기 배기가스공급관(104,106,108)의 개수와 상기 흡수제공급관(130,132,134)의 개수는, 양측 중 어느 일방을 복수로 하고 타방을 한 개로 하거나, 양측 모두 복수로 배치할 수 있다.
특히, 상기 배기가스공급관(104,106,108)의 개수와 높이, 그리고 상기 흡수제공급관(130,132,134)의 개수와 높이는 이산화탄소의 흡수율을 최적화하도록 반복실험을 통해 설계될 수 있다.
즉, 상기 배기가스공급관(104,106,108)에 의해 높이에 따라 계속적으로 배기가스를 공급하여 이산화탄소의 분압을 상승시키는 조건과, 상기 흡수제공급관(130,132,134)에 의해 새롭게 흡수제가 공급시키는 조건을 적절하게 조합하는 것에 의해 흡수제에 의한 이산화탄소의 흡수가 활발하게 일어나게 되는 된다. 또, 상기 회수반응기(102)의 상승기류는 배기가스에 의해 이루어지므로, 상기 배기가스공급관(104,106,108)을 대응되는 상기 흡수제공급관(130,132,134)보다 낮게 설치하는 것에 의해 상승하는 이산화탄소와 흡수제의 접촉확률을 증가시킬 수 있다.
그리고, 상기 회수반응기(102)의 하단부에서 흡수제에 의해 이산화탄소가 모두 흡수되지 않고 상승하는 양이 있으므로, 상기 배기가스공급관(104,106,108)은 상측으로 갈수록 배기가스의 공급유량을 감소시키는 것이 바람직하다. 마찬가지로, 흡수제 역시 상기 회수반응기(102)의 하단부에서 모든 흡수제 입자가 최대흡수량으로 이산화탄소를 흡수하는 것은 아니므로 상기 흡수제공급관(130,132,134)은 상측으로 갈수록 흡수제의 공급량이 감소하는 것이 바람직하다.
또한, 상술한 다단의 배기가스 주입 또는 흡수제 공급에 의한 이산화탄소 흡수능력의 향상과 함께, 재생된 고체입자를 흡수반응기 하부로 전체를 주입하지 않고, 중간 부분으로 분기 주입함으로 인해 회수반응기(102) 전체적으로 열분산을 줄 수 있다. 상기 회수반응기(102)는 주입온도를 유지하여야 이산화탄소 흡수능력을 최대로 할 수 있으므로, 이러한 열분산을 통하여 상기 회수반응기(102)의 열제어가 용이해지는 장점이 추가적으로 발생한다.
이와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 건식 이산화탄소 포집장치 102: 회수반응기
104,106,108: 배기가스공급관 110: 회수싸이클론
112: 분리가스배출관 114: 재생반응기
116: 재생가스공급관 118: 재생싸이클론
120: 이산화탄소배출관 122: 전처리반응기
124: 전처리가스공급관 126: 전처리가스배출관
128: 주흡수제관 130,132,134: 흡수제공급관
136,138,140: 흡수제조절밸브 142,144,146: 배기가스조절밸브
148: 주배기가스관

Claims (3)

  1. 배기가스공급관을 통해 외부로부터 공급된 이산화탄소가 함유된 배기가스에 고체흡수제를 접촉하여 이산화탄소를 회수하는 회수반응기;
    상기 회수반응기와 연결되어 기체는 배출시키고 이산화탄소를 포집하고 있는 고체흡수제만 분리하는 회수싸이클론;
    상기 회수싸이클론으로부터 공급받은 이산화탄소를 포집하고 있는 고체흡수제를 공급받아 유동화가스를 이용하여 고체흡수제에 포집된 이산화탄소를 분리하는 재생반응기; 및
    상기 재생반응기와 흡수제공급관을 통해 연결되어 이산화탄소가 분리된 고체흡수제를 냉각시켜 상기 회수반응기로 피드백하는 전처리반응기를 포함하고,
    상기 배기가스공급관 및 상기 흡수제공급관은 상기 회수반응기의 높이에 따라 2이상이 배치되는 것을 특징으로 하는 다단 흡수제 공급형 건식 이산화탄소 포집장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 배기가스공급관은 상측으로 갈수록 공급유량이 감소하는 것을 특징으로 하는 다단 흡수제 공급형 건식 이산화탄소 포집장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 흡수제공급관은 상측으로 갈수록 공급량이 감소하는 것을 특징으로 하는 다단 흡수제 공급형 건식 이산화탄소 포집장치.
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