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KR20160070914A - 배가스로부터 이산화탄소를 회수하는 방법 및 이를 이용하는 이산화탄소 회수 장치 - Google Patents

배가스로부터 이산화탄소를 회수하는 방법 및 이를 이용하는 이산화탄소 회수 장치 Download PDF

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KR20160070914A
KR20160070914A KR1020140177712A KR20140177712A KR20160070914A KR 20160070914 A KR20160070914 A KR 20160070914A KR 1020140177712 A KR1020140177712 A KR 1020140177712A KR 20140177712 A KR20140177712 A KR 20140177712A KR 20160070914 A KR20160070914 A KR 20160070914A
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tower
recovering
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안치규
한건우
이만수
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재단법인 포항산업과학연구원
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Abstract

본 발명은 이산화탄소가 함유된 배가스로부터 이산화탄소를 회수하는 방법 및 이를 이용하는 이산화탄소 회수 장치에 관한 것으로, 이산화탄소가 함유된 배가스로부터 암모니아수로 이루어지는 흡수액을 이용하여 이산화탄소를 회수하는 방법으로, 이산화탄소 함유 배가스를 흡수탑 하부에 공급하고, 암모니아수를 흡수탑에 공급하여 상기 배가스에 함유된 이산화탄소를 흡수시키는 단계를 포함하고, 상기 흡수탑의 내부 압력을 가압하는, 이산화탄소가 함유된 배가스로부터 이산화탄소를 회수하는 방법 및 이를 이용하는 장치에 관한 것이다.

Description

배가스로부터 이산화탄소를 회수하는 방법 및 이를 이용하는 이산화탄소 회수 장치{METHOD FOR ABSORBING CARBON DIXOXIDE FROM FLUE GAS AND APPARATUS FOR ABSORBING CARBON DIOXIDE USING THE SAME}
본 발명은 이산화탄소를 포함하는 배가스로부터 이산화탄소를 회수하는 방법 및 이를 이용하는 이산화탄소 회수 장치에 관한 것이다.
대기중 이산화탄소 배출량 억제를 위한 다양한 이산화탄소 포집기술이 개발되고 있으며, 그 중 흡수액을 이용한 이산화탄소 포집법이 기술적 성숙도가 높고 대량의 가스를 처리할 수 있기 때문에 기술개발이 가장 활발하다. 흡수액은 이산화탄소와 화학적 반응이 용이한 암모니아 등을 물과 섞은 수용액 상태로 공급하는 것이 일반적이다.
도 1은 종래의 흡수탑(101), 재생탑(102) 및 농축탑(103)을 포함하는 암모니아수를 이용하는 이산화탄소 회수 장치의 공정도를 나타낸 것이다. 상기 흡수탑(101)은 하부에서는 이산화탄소 함유 배가스(연소 배가스, 고로 가스 등)(201)가 유입되고, 탑의 상단부에서는 흡수액이 공급되어 자유 낙하하면서 충진재를 적시게 되고, 상기 흡수액은 충진재에서 이산화탄소 함유 배가스(201)와 충분히 접촉하면서 선택적으로 이산화탄소를 흡수한다.
재생탑(102)에서는 이산화탄소 함유 암모니아수가 열교환을 거쳐 상부로 공급되며, 재비기(104)에 의해 열에너지가 재생탑(102)에 가해져 이산화탄소와 흡수액(재생된 암모니아수)으로 분리된다. 상기 재생탑(102)에서 분리된 재생된 암모니아수는 흡수탑(101)으로 공급되어 이산화탄소 포집에 재사용된다.
흡수탑(101)과 재생탑(102) 최상단부에는 흡수액에 포함된 암모니아의 휘발을 방지하기 위해 세정수(washing water)가 공급되고, 상기 암모니아를 흡수한 암모니아 함유 세정수는 농축탑(103)으로 공급되어, 재비기(104)에 의해 가열되어 암모니아 가스와 물로 분리된다. 상기 암모니아 가스는 재생탑(102)으로 공급되며, 농축탑(103) 하단에서 얻어지는 물은 세정수로 재활용된다. 흡수탑(101)과 재생탑(102) 상부에서는 이산화탄소가 제거된 배가스(203)와 이산화탄소(204)가 각각 배출된다.
다만, 암모니아수를 이용한 종래의 이산화탄소 포집 공정에서는, 흡수탑(101)에서의 암모니아 슬립 발생 문제와, 상기 슬립되는 암모니아를 포집, 회수하는데 소모되는 스팀 에너지 소모량이 크게 증가하는 문제점이 있다.
본 발명의 한 측면은 이산화탄소를 포함하는 배가스로부터 이산화탄소를 회수하는 방법 및 장치에 있어서, 흡수탑의 내부 압력을 조절함으로써 암모니아 슬립 농도를 낮출 수 있는 이산화탄소를 회수하는 방법 및 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 또 다른 측면은 흡수탑의 내부 압력을 조절함으로써 재생 에너지 및 농축 에너지로 이루어지는 소모 에너지를 감소시켜, 경제적인 공정 운영이 가능한 이산화탄소를 회수하는 방법 및 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 이산화탄소가 함유된 배가스로부터 암모니아수를 흡수액으로 이용하여 이산화탄소를 회수하는 이산화탄소를 회수하는 장치에서, 이산화탄소 함유 배가스로부터 암모니아수로 이산화탄소를 흡수하고, 상기 이산화탄소가 흡수된 암모니아수를 배출하는 흡수탑; 및 상기 흡수탑의 내부 압력을 가압하는 압력 조절부를 포함하는, 이산화탄소가 함유된 배가스로부터 이산화탄소를 회수하는 장치를 제공한다.
상기 압력 조절부는 상기 흡수탑의 내부 압력을 상압을 기준으로 0.1 내지 0.5bar 가압하는 것이 바람직하다.
상기 이산화탄소를 회수하는 장치는 상기 흡수탑으로부터 배출된 암모니아수를 가열하여 이산화탄소를 기상으로 회수하는 재생탑을 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 이산화탄소를 회수하는 장치는 상기 흡수탑 및 재생탑 중 적어도 하나로부터 배출되는 가스상에 포함된 암모니아에 세정수를 공급하여 세정하는 세정부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 이산화탄소를 회수하는 장치는 상기 세정부로부터 배출되는 세정수에 함유된 암모니아를 탈거하여 농축하여 재생탑으로 공급하기 위한 농축탑을 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 이산화탄소가 함유된 배가스로부터 암모니아수로 이루어지는 흡수액을 이용하여 이산화탄소를 회수하는 방법으로, 이산화탄소 함유 배가스를 흡수탑 하부에 공급하고, 암모니아수를 흡수탑 상단에 공급하여 상기 배가스에 함유된 이산화탄소를 흡수시키는 단계를 포함하고, 상기 흡수탑의 내부 압력을 가압하는, 이산화탄소가 함유된 배가스로부터 이산화탄소를 회수하는 방법을 제공한다.
상기 흡수탑의 내부 압력을 상압을 기준으로 0.1 내지 0.5bar 가압하는 것이 바람직하다.
상기 흡수탑으로부터 이산화탄소가 흡수된 암모니아수를 배출하여 재생탑으로 공급하고, 상기 암모니아수를 가열하여 이산화탄소를 기상으로 회수하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 흡수탑 및 재생탑 중 적어도 하나로부터 배출되는 가스상에 포함된 암모니아를 세정부로 공급하여 세정수로 세정하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 세정부로부터 배출되는 세정수를 농축탑에 공급하여 세정수에 함유된 암모니아를 탈거하여 농축시키는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 이산화탄소를 포함하는 배가스로부터 이산화탄소를 회수하는 방법 및 장치를 사용함으로써, 흡수탑(101)의 내부 압력을 조절할 수 있으며, 이를 통해 암모니아 슬립 농도를 낮출 수 있으며, 공정에서 소모되는 소모 에너지를 감소시켜 경제적인 공정 운영이 가능한 이산화탄소를 회수하는 방법 및 장치를 제공한다.
도 1은 종래의 이산화탄소를 포함하는 배가스로부터 이산화탄소를 회수하는 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 하나의 구현예에 따른 이산화탄소를 포함하는 배가스로부터 이산화탄소를 회수하는 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 실시예 1 및 비교예 1의 흡수탑(101) 압력에 따른 소요 에너지 및 흡수탑(101) 암모니아 슬립 농도의 시뮬레이션 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 실시예 2 내지 5 및 비교예 1의 흡수탑(101) 압력에 따른 소요 에너지 및 흡수탑(101) 암모니아 슬립 농도의 시뮬레이션 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
도 1은 종래의 이산화탄소가 함유된 배가스로부터 이산화탄소 회수 장치를 개략적으로 도시한 것이고, 도 2는 본 발명의 하나의 구현예에 따른 이산화탄소가 함유된 배가스로부터 이산화탄소 회수 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
본 발명의 일 구현예는 이산화탄소가 함유된 배가스(201)로부터 암모니아수를 흡수액으로 이용하여 이산화탄소를 회수하는 이산화탄소를 회수하는 장치에서, 이산화탄소 함유 배가스(201)로부터 암모니아수로 이산화탄소를 흡수하고, 상기 이산화탄소가 흡수된 암모니아수를 배출하는 흡수탑(101); 및 상기 흡수탑의 내부 압력을 가압하는 압력 조절부를 포함하는, 이산화탄소가 함유된 배가스로부터 이산화탄소를 회수하는 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 구현예는 이산화탄소가 함유된 배가스(201)로부터 암모니아수로 이루어지는 흡수액을 이용하여 이산화탄소를 회수하는 방법으로, 이산화탄소 함유 배가스를 흡수탑(101) 하부에 공급하고, 암모니아수를 흡수탑(101)에 상단에 공급하여 상기 배가스에 함유된 이산화탄소를 흡수시키는 단계를 포함하고, 상기 흡수탑의 내부 압력을 가압하는, 이산화탄소가 함유된 배가스로부터 이산화탄소를 회수하는 방법을 제공한다.
본 발명의 이산화탄소가 함유된 배가스로부터 이산화탄소 회수 장치 및 회수 방법에서는, 이산화탄소 함유 배가스가 흡수탑(101)에 공급되어 이산화탄소를 제거하는 단계가 수행된다. 상기 흡수탑(101)에서는 화학흡수법에 의해 이산화탄소 함유 배가스로부터 이산화탄소를 흡수액으로 흡수하게 되는데, 상기 흡수액은 특별히 한정하지 않으나, 화학적으로 안정한 암모니아수를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 이산화탄소를 흡수한 암모니아수(202)는 흡수탑(101) 하부에서 배출되며, 이산화탄소가 제거된 배가스(203)는 흡수탑(101) 상부로 이동하여 배출된다.
이때, 상기 흡수탑(101)의 내부 압력은, 압력 조절부에 의해 가압되어 운영되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 상기 압력 조절부는 흡수탑 내부의 가압을 위해서, 이산화탄소를 포함하는 배가스를 공급하는 장치와 함께, 내부의 압력을 조절하기 위하여 가스의 양을 조절할 수 있는 가압 조절 장치(107)를 포함하는 것이 바람직하지만, 흡수탑(101) 내부의 압력을 가압하여 일정 수준으로 유지, 조절할 수 있는 구성이라면 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
구체적으로, 흡수탑(101)의 내부 압력을 가압하여 운영하는 경우, 흡수탑(101)에서 이산화탄소와 반응하지 않은 암모니아가 배출되는 현상인 암모니아 슬립(slip)의 농도를 크게 낮출 수 있고, 이산화탄소의 흡수율을 증대시킬 수 있으며 나아가 암모니아의 재생과 슬립되는 암모니아를 포집 및 회수하기 위한 스팀에너지의 소모량을 크게 낮출 수 있어 재생탑(102)에서 소모되는 재생 에너지 및 농축탑(103)에서 소모되는 농축 에너지를 낮출 수 있다.
또한, 공정 상 흡수탑(101) 내부를 가압시키기 위해 소모되는 에너지 및 공정 상 이용 가능성을 고려할 경우, 바람직하게는 상기 흡수탑(101)의 내부 압력을 상압을 기준으로, 0.1 내지 0.5bar로 가압하는 것이 바람직하며, 예를 들어 흡수탑 내부의 압력을 상압을 초과하여 유지시키는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 흡수탑(101)의 내부 압력을 0.1bar 미만으로 가압하는 경우 흡수탑(101)의 암모니아 슬립 농도가 올라가며, 암모니아를 포집 및 회수하기 위해 흡수탑(101) 및 재생탑(102)에서 소모되는 소요 에너지가 증가하는 문제점이 있고, 상기 흡수탑(101)의 내부 압력을 0.5bar를 초과하여 가압하는 경우 흡수탑(101)의 암모니아 슬립 농도는 감소될 수 있으나, 가압에 필요한 에너지가 크게 증가하게 되며, 가압으로 운전하기 위한 추가적인 설비가 요구되어 공정의 건설비용이 증가하는 등의 문제점이 발생될 수 있으며, 경제적으로 불리할 수 있어, 실 공정에 적용하기에는 제약이 따를 수 있다.
한편, 흡수탑(101)으로부터 배출된 이산화탄소가 흡수된 암모니아수(202)는 재생탑(102)으로 공급되어, 상기 재생탑(102)에서 암모니아수 재생 단계가 수행된다. 즉, 상기 재생탑(102)에 열에너지를 공급하여 상기 이산화탄소 함유 암모니아수(202)로부터 이산화탄소(204)를 기상으로 배출할 수 있다. 상기 이산화탄소(204) 가스는 재생탑(102) 상부로 배출될 수 있으며, 재생된 암모니아수는 재생탑(102) 하단에서 상기 흡수탑(101)으로 이송되어 흡수액으로 재사용될 수 있다.
상기 흡수탑(101) 또는 재생탑(102) 상부의 세정부(105)에서 배출된 암모니아 함유 세정수는 농축탑(103)으로 이송되고, 상기 농축탑(103)에서 상기 암모니아 함유 세정수를 가열하여 암모니아 기체와 암모니아가 제거된 세정수로 분리하고, 상기 암모니아가 제거된 세정수를 흡수탑(101)에서 배출되는 가스 중 포함된 암모니아와 재생탑(102)에서 배출되는 이산화탄소 가스 중에 포함된 암모니아를 제거하기 위한 세정수로 공급할 수 있다. 또한, 상기 농축탑(103)에서 배출된 암모니아 기체는 재생탑(102)에서 응축되어 흡수탑(101)으로 이송되어 이산화탄소를 제거하는데 재사용될 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 >
< 실시예 1>
배가스로, CO2 20 내지 25부피%, CO 20 내지 25부피% 및 나머지 대부분이 질소 성분인, 제철공정에서 발생된 고로가스(Blast Furnace Gas, BFG)를 가스 유입온도 약 30 내지 40℃, 압력은 약 0.1bar로 흡수탑(101) 하부에 공급하고, 암모니아수를 흡수탑(101) 상부에서 하부로 공급하였다. 상기 암모니아수에 의해 상기 배가스 중의 이산화탄소를 흡수한 암모니아수(202)를 배출하여 재생탑(102)으로 공급하고, 상기 이산화탄소 함유 암모니아수를 가열하여 이산화탄소(204)를 기상으로 회수하였다. 이후, 상기 흡수탑(101) 및 재생탑(102)으로부터 배출되는 가스에 포함된 암모니아 가스는 세정부(105)에서 세정수로 세정하였고, 상기 세정부(105)로부터 배출되는 세정수를 농축탑(103)에 공급하여 세정수에 함유된 암모니아를 탈거하여 농축시켰다. 이때, 상기 흡수탑(101)의 내부 압력을 이산화탄소를 포함하는 배가스를 공급하기 위한 장치를 이용하여 상압을 기준으로 0.4bar로 가압하고, 흡수탑 내의 가압 상태를 유지하기 위하여, 가압 조절 장치(107)를 이용하여 내부 압력을 조절하였다.
< 실시예 2>
상기 실시예 1에 있어서, 상기 흡수탑(101)의 내부 압력을 0.4bar 대신 0.1bar로 가압한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 이산화탄소를 회수하였다.
< 실시예 3>
상기 실시예 1에 있어서, 상기 흡수탑(101)의 내부 압력을 0.4bar 대신 0.5bar로 가압한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 이산화탄소를 회수하였다.
< 실시예 4>
상기 실시예 1에 있어서, 상기 흡수탑(101)의 내부 압력을 0.4bar 대신 1bar로 가압한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 이산화탄소를 회수하였다.
< 실시예 5>
상기 실시예 1에 있어서, 상기 흡수탑(101)의 내부 압력을 0.4bar 대신 2bar로 가압한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 이산화탄소를 회수하였다.
< 비교예 1>
상기 실시예 1에 있어서, 상기 흡수탑(101)의 내부 압력을 가압하지 않고 상압으로 수행한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 이산화탄소를 회수하였다.
< 실험예 >
1. 이산화탄소 흡수율 측정
하기의 이산화탄소 흡수율을 나타내는 식으로, 이산화탄소의 흡수율을 측정하였다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
도 1은 종래의 이산화탄소가 함유된 배가스로부터 이산화탄소 회수 장치를 개략적으로 도시한 것이고, 도 2는 본 발명의 하나의 구현예에 따른 이산화탄소가 함유된 배가스로부터 이산화탄소 회수 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
본 발명의 일 구현예는 이산화탄소가 함유된 배가스(201)로부터 암모니아수를 흡수액으로 이용하여 이산화탄소를 회수하는 이산화탄소를 회수하는 장치에서, 이산화탄소 함유 배가스(201)로부터 암모니아수로 이산화탄소를 흡수하고, 상기 이산화탄소가 흡수된 암모니아수를 배출하는 흡수탑(101); 및 상기 흡수탑의 내부 압력을 가압하는 압력 조절부를 포함하는, 이산화탄소가 함유된 배가스로부터 이산화탄소를 회수하는 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 구현예는 이산화탄소가 함유된 배가스(201)로부터 암모니아수로 이루어지는 흡수액을 이용하여 이산화탄소를 회수하는 방법으로, 이산화탄소 함유 배가스를 흡수탑(101) 하부에 공급하고, 암모니아수를 흡수탑(101)에 상단에 공급하여 상기 배가스에 함유된 이산화탄소를 흡수시키는 단계를 포함하고, 상기 흡수탑의 내부 압력을 가압하는, 이산화탄소가 함유된 배가스로부터 이산화탄소를 회수하는 방법을 제공한다.
본 발명의 이산화탄소가 함유된 배가스로부터 이산화탄소 회수 장치 및 회수 방법에서는, 이산화탄소 함유 배가스가 흡수탑(101)에 공급되어 이산화탄소를 제거하는 단계가 수행된다. 상기 흡수탑(101)에서는 화학흡수법에 의해 이산화탄소 함유 배가스로부터 이산화탄소를 흡수액으로 흡수하게 되는데, 상기 흡수액은 특별히 한정하지 않으나, 화학적으로 안정한 암모니아수를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 이산화탄소를 흡수한 암모니아수(202)는 흡수탑(101) 하부에서 배출되며, 이산화탄소가 제거된 배가스(203)는 흡수탑(101) 상부로 이동하여 배출된다.
이때, 상기 흡수탑(101)의 내부 압력은, 압력 조절부에 의해 가압되어 운영되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 상기 압력 조절부는 흡수탑 내부의 가압을 위해서, 이산화탄소를 포함하는 배가스를 공급하는 장치와 함께, 내부의 압력을 조절하기 위하여 가스의 양을 조절할 수 있는 가압 조절 장치(107)를 포함하는 것이 바람직하지만, 흡수탑(101) 내부의 압력을 가압하여 일정 수준으로 유지, 조절할 수 있는 구성이라면 특별히 이에 한정되는 것은 아니다.
구체적으로, 흡수탑(101)의 내부 압력을 가압하여 운영하는 경우, 흡수탑(101)에서 이산화탄소와 반응하지 않은 암모니아가 배출되는 현상인 암모니아 슬립(slip)의 농도를 크게 낮출 수 있고, 이산화탄소의 흡수율을 증대시킬 수 있으며 나아가 암모니아의 재생과 슬립되는 암모니아를 포집 및 회수하기 위한 스팀에너지의 소모량을 크게 낮출 수 있어 재생탑(102)에서 소모되는 재생 에너지 및 농축탑(103)에서 소모되는 농축 에너지를 낮출 수 있다.
또한, 공정 상 흡수탑(101) 내부를 가압시키기 위해 소모되는 에너지 및 공정 상 이용 가능성을 고려할 경우, 바람직하게는 상기 흡수탑(101)의 내부 압력을 상압을 기준으로, 0.1 내지 0.5bar로 가압하는 것이 바람직하며, 예를 들어 흡수탑 내부의 압력을 상압을 초과하여 유지시키는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 흡수탑(101)의 내부 압력을 0.1bar 미만으로 가압하는 경우 흡수탑(101)의 암모니아 슬립 농도가 올라가며, 암모니아를 포집 및 회수하기 위해 흡수탑(101) 및 재생탑(102)에서 소모되는 소요 에너지가 증가하는 문제점이 있고, 상기 흡수탑(101)의 내부 압력을 0.5bar를 초과하여 가압하는 경우 흡수탑(101)의 암모니아 슬립 농도는 감소될 수 있으나, 가압에 필요한 에너지가 크게 증가하게 되며, 가압으로 운전하기 위한 추가적인 설비가 요구되어 공정의 건설비용이 증가하는 등의 문제점이 발생될 수 있으며, 경제적으로 불리할 수 있어, 실 공정에 적용하기에는 제약이 따를 수 있다.
한편, 흡수탑(101)으로부터 배출된 이산화탄소가 흡수된 암모니아수(202)는 재생탑(102)으로 공급되어, 상기 재생탑(102)에서 암모니아수 재생 단계가 수행된다. 즉, 상기 재생탑(102)에 열에너지를 공급하여 상기 이산화탄소 함유 암모니아수(202)로부터 이산화탄소(204)를 기상으로 배출할 수 있다. 상기 이산화탄소(204) 가스는 재생탑(102) 상부로 배출될 수 있으며, 재생된 암모니아수는 재생탑(102) 하단에서 상기 흡수탑(101)으로 이송되어 흡수액으로 재사용될 수 있다.
상기 흡수탑(101) 또는 재생탑(102) 상부의 세정부(105)에서 배출된 암모니아 함유 세정수는 농축탑(103)으로 이송되고, 상기 농축탑(103)에서 상기 암모니아 함유 세정수를 가열하여 암모니아 기체와 암모니아가 제거된 세정수로 분리하고, 상기 암모니아가 제거된 세정수를 흡수탑(101)에서 배출되는 가스 중 포함된 암모니아와 재생탑(102)에서 배출되는 이산화탄소 가스 중에 포함된 암모니아를 제거하기 위한 세정수로 공급할 수 있다. 또한, 상기 농축탑(103)에서 배출된 암모니아 기체는 재생탑(102)에서 응축되어 흡수탑(101)으로 이송되어 이산화탄소를 제거하는데 재사용될 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 >
< 실시예 1>
배가스로, CO2 20 내지 25부피%, CO 20 내지 25부피% 및 나머지 대부분이 질소 성분인, 제철공정에서 발생된 고로가스(Blast Furnace Gas, BFG)를 가스 유입온도 약 30 내지 40℃, 압력은 약 0.1bar로 흡수탑(101) 하부에 공급하고, 암모니아수를 흡수탑(101) 상부에서 하부로 공급하였다. 상기 암모니아수에 의해 상기 배가스 중의 이산화탄소를 흡수한 암모니아수(202)를 배출하여 재생탑(102)으로 공급하고, 상기 이산화탄소 함유 암모니아수를 가열하여 이산화탄소(204)를 기상으로 회수하였다. 이후, 상기 흡수탑(101) 및 재생탑(102)으로부터 배출되는 가스에 포함된 암모니아 가스는 세정부(105)에서 세정수로 세정하였고, 상기 세정부(105)로부터 배출되는 세정수를 농축탑(103)에 공급하여 세정수에 함유된 암모니아를 탈거하여 농축시켰다. 이때, 상기 흡수탑(101)의 내부 압력을 이산화탄소를 포함하는 배가스를 공급하기 위한 장치를 이용하여 상압을 기준으로 0.4bar로 가압하고, 흡수탑 내의 가압 상태를 유지하기 위하여, 가압 조절 장치(107)를 이용하여 내부 압력을 조절하였다.
< 실시예 2>
상기 실시예 1에 있어서, 상기 흡수탑(101)의 내부 압력을 0.4bar 대신 0.1bar로 가압한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 이산화탄소를 회수하였다.
< 실시예 3>
상기 실시예 1에 있어서, 상기 흡수탑(101)의 내부 압력을 0.4bar 대신 0.5bar로 가압한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 이산화탄소를 회수하였다.
< 실시예 4>
상기 실시예 1에 있어서, 상기 흡수탑(101)의 내부 압력을 0.4bar 대신 1bar로 가압한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 이산화탄소를 회수하였다.
< 실시예 5>
상기 실시예 1에 있어서, 상기 흡수탑(101)의 내부 압력을 0.4bar 대신 2bar로 가압한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 이산화탄소를 회수하였다.
< 비교예 1>
상기 실시예 1에 있어서, 상기 흡수탑(101)의 내부 압력을 가압하지 않고 상압으로 수행한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 이산화탄소를 회수하였다.
< 실험예 >
1. 이산화탄소 흡수율 측정
하기의 이산화탄소 흡수율을 나타내는 식으로, 이산화탄소의 흡수율을 측정하였다.
Figure pat00001

2. 암모니아 슬립 농도 측정
암모니아 슬립 농도는 흡수탑 상단에서 배출되는 가스에서 암모니아 성분을 분석하여 결정하였으며 분석방법은 검지관법을 사용하였다.
3. 재생에너지 측정
재생에너지는 재생탑에 투입한 스팀의 유량과 해당 스팀의 온도, 압력 조건을 바탕으로 계산하였다. ×
Figure pat00002

4. 농축에너지 측정
농축에너지는 농축탑에 투입한 스팀의 유량과 해당 스팀의 온도, 압력 조건을 바탕으로 계산하였다.
Figure pat00003

종래 암모니아수를 이용한 이산화탄소 포집 공정으로, 흡수탑(101)을 상압에서 운전하는 비교예 1 및 흡수탑(101)을 가압(0.4bar)하여 운전하는 실시예 1의 이산화탄소 흡수율, 암모니아 슬립 농도, 재생에너지 및 농축에너지를 측정하여, 하기 표 1 및 도 3에 나타내었다.
또한, 상기 실시예 2 내지 5 및 비교예 1의 흡수탑(101)의 가압에 따른 소요 에너지 및 흡수탑(101) 암모니아 슬립양에 대한 시뮬레이션 결과를 측정하여, 도 4에 나타내었다.
구분 비교예 1(상압 운전) 실시예 1(가압 운전)
가압 조건 0bar 0.4bar
이산화탄소 흡수율 90% 93%
흡수탑 암모니아 슬립 농도 ~200ppm <10ppm
재생탑 암모니아 슬립 농도 <10ppm <10ppm
재생에너지 2.5GJ/tCO2 2.0GJ/tCO2 이하
농축에너지 2.0GJ/tCO2 1.8GJ/tCO2 이하
상기 표 1 및 도 3에서 알 수 있듯이, 비교예 1의 흡수탑(101)의 상압 조건에서는 흡수탑(101)의 암모니아 슬립 농도가 약 200ppm으로 높게 측정된 반면, 실시예 2의 흡수탑(101)의 가압조건에서는 압력 이외의 실험 조건을 동일하게 유지한 상태에서 흡수탑(101)의 암모니아 슬립 농도가 10ppm 이하로 측정되어, 암모니아 배출과 관련된 법적 기준 수치인 50ppm 이하로 측정되었음을 알 수 있다. 또한, 재생에너지 및 농축에너지 측정 결과, 비교예 1에 비하여 실시예 1이 낮게 측정되어, 공정 상 소모되는 소요에너지가 크게 절감되어 경제적으로 유리한 효과를 나타내고 있음을 알 수 있다.
또한, 도 4에서 알 수 있듯이, 본 발명의 이산화탄소 회수방법에 따른 실시예 2 내지 5의 시뮬레이션 측정 결과, 흡수탑(101)의 암모니아 슬립 농도가 비교예 1에 비하여 현저히 낮게 측정되었으며, 실시예 1과 마찬가지로 암모니아 슬립과 관련된 법적 기준 수치인 50ppm 이하로 측정되었음을 알 수 있으며, 또한, 소요에너지가 낮게 측정되었음을 확인할 수 있다.
나아가, 소요에너지에 있어서, 흡수탑(101)에 가해지는 압력이 0.1 내지 0.5bar인 실시예 2 및 3의 경우, 특히 낮은 에너지를 소모하고 있음을 확인할 수 있으며, 흡수탑 내부 가압에 따른 경제적 효과를 고려하였을 때, 상기 실시예 2 및 3과 같이 내부 압력이 0.1 내지 0.5bar로 가압되는 것이 바람직한 것을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
101: 흡수탑 102: 재생탑
103: 농축탑 104: 재비기
105: 세정부 107: 가압 조절 장치
201: 이산화탄소 함유 배가스
202: 이산화탄소 함유 암모니아수
203: 배가스 204: 이산화탄소
205: 세정수 206: 암모니아 함유 세정수
207: 재생된 암모니아수 208: 블로우 다운

Claims (10)

  1. 이산화탄소가 함유된 배가스로부터 암모니아수를 흡수액으로 이용하여 이산화탄소를 회수하는 이산화탄소를 회수하는 장치에서,
    이산화탄소 함유 배가스로부터 암모니아수로 이산화탄소를 흡수하고, 상기 이산화탄소가 흡수된 암모니아수를 배출하는 흡수탑; 및
    상기 흡수탑의 내부 압력을 가압하는 압력 조절부를 포함하는, 이산화탄소가 함유된 배가스로부터 이산화탄소를 회수하는 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 압력 조절부는 상기 흡수탑의 내부 압력을 상압을 기준으로 0.1 내지 0.5bar 가압하는, 이산화탄소가 함유된 배가스로부터 이산화탄소를 회수하는 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 이산화탄소를 회수하는 장치는 상기 흡수탑으로부터 배출된 암모니아수를 가열하여 이산화탄소를 기상으로 회수하는 재생탑을 더 포함하는, 이산화탄소가 함유된 배가스로부터 이산화탄소를 회수하는 장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 이산화탄소를 회수하는 장치는 상기 흡수탑 및 재생탑 중 적어도 하나로부터 배출되는 가스상에 포함된 암모니아에 세정수를 공급하여 세정하는 세정부를 더 포함하는, 이산화탄소가 함유된 배가스로부터 이산화탄소를 회수하는 장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 이산화탄소를 회수하는 장치는 상기 세정부로부터 배출되는 세정수에 함유된 암모니아를 탈거하여 농축하기 위한 농축탑을 더 포함하는, 이산화탄소가 함유된 배가스로부터 이산화탄소를 회수하는 장치.
  6. 이산화탄소가 함유된 배가스로부터 암모니아수로 이루어지는 흡수액을 이용하여 이산화탄소를 회수하는 방법으로,
    이산화탄소 함유 배가스를 흡수탑 하부에 공급하고, 암모니아수를 흡수탑에 상단에 공급하여 상기 배가스에 함유된 이산화탄소를 흡수시키는 단계를 포함하고,
    상기 흡수탑의 내부 압력을 가압하는, 이산화탄소가 함유된 배가스로부터 이산화탄소를 회수하는 방법.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 흡수탑의 내부 압력을 상압을 기준으로 0.1 내지 0.5bar 가압하는, 이산화탄소가 함유된 배가스로부터 이산화탄소를 회수하는 방법.
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 흡수탑으로부터 이산화탄소가 흡수된 암모니아수를 배출하여 재생탑으로 공급하고, 상기 암모니아수를 가열하여 이산화탄소를 기상으로 회수하는 단계를 더 포함하는, 이산화탄소가 함유된 배가스로부터 이산화탄소를 회수하는 방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 흡수탑 및 재생탑 중 적어도 하나로부터 배출되는 가스상에 포함된 암모니아를 세정부로 공급하여 세정수로 세정하는 단계를 더 포함하는, 이산화탄소가 함유된 배가스로부터 이산화탄소를 회수하는 방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 세정부로부터 배출되는 세정수를 농축탑에 공급하여 세정수에 함유된 암모니아를 탈거하여 농축시키는 단계를 더 포함하는, 이산화탄소가 함유된 배가스로부터 이산화탄소를 회수하는 방법.
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