KR20170126374A - 연소가스 중 이산화탄소 분리막 시스템 분리 성능 향상 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전단 가스 분리부 및 후단 가스 분리부를 포함하여 연소가스 중의 이산화탄소를 회수하는 분리막 시스템의 분리 성능을 향상시키는 방법 및 장치에 관한 것으로, 후단 가스 분리부에 더 포함되는 압력조절장치에 의해 후단 압축기가 연속 운전하도록 하여 전단 가스 분리부의 이산화탄소 분리 효율 저하를 방지함으로써 분리막 시스템의 분리 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

연소가스 중 이산화탄소 분리막 시스템 분리 성능 향상 방법 및 장치{Method and apparatus for improving the separation performance of separation membrane system for recovering carbon dioxide in the combustion gas}

본 발명은 기체분리막을 이용하여 발전소, 제철소, 소각로 등에서 화석연료 및 폐기물을 연소 시 발생되는 연소가스 중 이산화탄소를 높은 효율로 분리 및 농축하는 분리막 시스템의 분리 성능을 향상시킬 수 있는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

산업 발달로 화석연료 사용이 급증하고 이에 따른 지구 온난화 문제와 자원 고갈 문제가 대두되어 지속 성장을 위협하고 있다. 따라서 지속 성장을 위해서는 온실가스인 이산화탄소를 포집 및 저장할 수 있는 기술(Carbon capture and sequestration, CCS)이 필요한 실정이다.

이산화탄소는 가장 대표적인 온실가스로 지구전체 온실가스의 약 77%를 차지하고 있으며, 대표적인 발생원으로는 화력발전소, 제철소, 정유산업체 등이 있으며, 이들 발생원들의 배출량은 전체 이산화탄소 배출량의 45%를 차지하고 있다.

화력발전소로부터 유출되는 연소가스는 약 12∼17%의 이산화탄소와 76∼78%의 질소, 그리고 4∼5%의 산소와 그밖에 미량의 수분과 SOx, NOx 화합물을 포함하고 있다. 그 중에서 특히 이산화탄소는 지구 온난화의 주요 원인으로 지목되고 있으므로 이의 배출을 줄이고 재사용하는 방안이 세계적인 관심사로 등장하고 있다. 일부 선진국들은 이산화탄소 배출량을 일정 시점의 배출량을 기준으로 동결시키고자 노력하고 있으며 이와 관련하여 탄소세의 도입을 주장하고 있는 실정이다. 따라서 이산화탄소의 가장 큰 배출원 중 하나인 화력발전소 연소가스로부터 이산화탄소의 회수는 시급히 해결해야 할 중요한 문제라고 할 수 있다.

이산화탄소를 배출하는 공장들은 화력발전소 뿐 아니라 제철소, 시멘트공장, 석유화학공장, 발효공장 등이 있으며 이중 화력발전소를 제외한 대부분의 공장에서 배출되는 배출기체는 이산화탄소의 농도가 25%이상으로 상업적인 분리 및 회수가 용이한 반면, 화력발전소의 경우는 이산화탄소의 농도가 낮기 때문에 분리회수가 어려워 상업화할 경우 경제성이 낮은 것으로 알려져 있다.

연소가스 중 이산화탄소를 분리/정제 하기위한 상업화 기술로는 흡착법(pressure swing adsorption), 흡수법(water scrubbing, methanol scrubbing, polyethylene glycol scrubbing 등), 막분리법(membrane separation)이 있다. 흡수공정은 주로 물을 이용한 흡수 공정(water scrubbing process)이 적용되며 이 공정은 흡수액의 종류, 기액 접촉면적, 가스와 물의 온도에 따라 성능이 좌우된다. 또한, 정제된 메탄가스에는 수분이 포화되어 있어 수분을 제거하는 후처리 공정을 필요로 한다.

흡착공정은 흡착제와 혼합가스의 압력순환에 의해서 생기는 흡착 평형량의 차이를 이용하여 혼합가스 중 특정성분을 선택적으로 분리하는 기술로 주로 고압에서 이산화탄소를 흡착하고 저압에서 흡착성분을 탈착한다. 흡착공정은 비정상 상태의 운전이기 때문에 운전단계 중에 여러 가지 운전변수의 예측과 설계가 어려우며 흡착제에 따라 수분에 대한 전처리가 필요하다.

이해 비해 분리막 공정은 상변화에 요구되는 에너지가 필요 없기 때문에 막공정에 요구되는 최소한의 구동력만으로 운전이 가능하여 에너지 절약형이고, 상변화가 없으므로 분리 대상물질의 성상변화가 일어나지 않는다. 또한 증발기(Evaporator)나 응축기(Condenser) 등이 없이 대부분 펌프, 배관, 멤브레인(membrane) 및 제어부(control part)로 구성되어 설비가 간소한 이점이 있다.

분리막은 기체들의 투과되는 성질은 고분자 분리막인 경우에는 흡수 또는 용해 후, 분리막 내부를 이동하는 속도차에 의한 것과 고분자의 연결 측쇄 간에 존재하는 미세한 틈 사이로 기체 분자가 통과되는 방법들이 있다. 수소나 헬륨은 후자의 경우처럼 고분자 측쇄의 간격에 따라 기체가 투과하며, 수증기나 CO₂ 등은 흡수 또는 용해되고 분리막 내부를 이동하는 현상으로 투과된다.

초기 기체분리막 공정은 수소 분리(H₂/CO, H₂/CH₄) 및 회수를 위해 시작 되었으나, 현재는 질소의 발생, 산소 농축공기 제조, 수소 및 휘발성 유기 증기 회수, 바이오가스 정제 등 다양한 분야로 확대되어 나가고 있다.

분리 및 농축 하고자 하는 가스의 농도가 상대적으로 낮은 연소가스를 대상으로 막분리 공정을 이용하여 이산화탄소 분리 및 농축하는 경우 고순도 이산화탄소의 생산량을 유지하면서 회수율 높이기 위해서는 추가적인 공정을 설치해야 하는 문제점이 있다.

한국등록특허 제10-1327337호(2013.11.04.) 한국등록특허 제10-1275685호(2013.06.11.) 한국공개특허 제10-1997-7006886호(1997.12.01.) 한국등록특허 제10-0324709호(2002.02.02.)

본 발명은 연소가스에 포함된 이산화탄소를 회수하기 위한 분리막 시스템의 분리 성능을 향상시킬 수 있는 방법 및 장치를 제공함에 있어서, 투과부(permeate) 흐름의 후단 가스 분리부에 압력조절장치를 포함하여 다단 분리공정 적용 시 분리막, 압축기, 가스탱크의 압력을 제어하여 압축기가 연속 운전을 하도록 하여 혼합가스의 분리 효율이 저하되는 것을 방지함으로써 분리 성능을 향상시키는 방법 및 장치를 제공하고자 한다.

그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 1단 가스 분리부, 2단 가스 분리부 및 압력조절장치를 포함하여 연소가스 중의 이산화탄소를 회수하는 분리막 시스템의 분리 성능 향상 장치로서, 상기 1단 및 2단 가스 분리부는 각각, 이산화탄소, 산소 및 질소를 포함하는 혼합 가스가 유입되고, 유입된 혼합 가스를 공급 압력으로 가압하여 유출하는 1단 및 2단 압축기; 상기 가압된 혼합 가스가 유입되고, 유입된 혼합 가스가 유출되는 1단 및 2단 가스탱크; 및 상기 가스탱크로부터 혼합 가스가 유입되고, 유입된 혼합 가스 중 분리막을 투과한 성분이 농축되는 투과부, 및 분리막을 투과하지 못한 성분이 농축되는 배제부를 포함하는 1단 및 2단 분리막;을 포함하고, 상기 압축기는 상기 압축기에 연결된 가스탱크의 압력이 설정 압력 이상일 때 구동을 정지하는 방식으로 제어되며, 상기 압력조절장치는 상기 2단 가스탱크의 압력을 조절하여 상기 2단 압축기가 연속적으로 구동되도록 하는 장치인 분리막 시스템의 분리 성능 향상 장치를 제공한다.

본 발명에 따른 분리막 시스템은 이산화탄소, 산소 및 질소를 포함하는 혼합가스로부터 이산화탄소를 고농도로 분리하는 다단의 가스 분리부를 포함하여 연소가스로부터 높은 효율로 이산화탄소를 분리 및 농축이 가능하다.

또한 본 발명에 따른 분리막 시스템의 가스 분리부에 가스탱크를 더 포함하고 후단 가스 분리부에는 가스탱크의 압력을 조절하는 압력조절장치를 포함하여 후단 압축기가 연속으로 운전될 수 있도록 하여 이산화탄소 분리 성능 및 회수율을 더욱 향상시킬 수 있다.

또한 화력 발전소 등에서 발생되는 연소가스로부터 이산화탄소를 제거하여 배출시키므로 온실가스 저감의 효과를 제공할 수 있으며 분리 및 농축된 이산화탄소를 탄산칼슘 합성, 드라이아이스 제조, 폴리머 제조, 포름산 제조 등 다양한 산업분야의 원료로 공급함으로써 부가가치 창출에 기여 가능한 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연소가스 중 이산화탄소 회수를 위한 분리막 시스템의 구성 및 흐름을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연소가스 중 이산화탄소 분리막 시스템 분리 성능 향상 장치의 구성 및 흐름을 나타낸 것이다.

이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.

본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.

한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 및 이에 따른 효과를 설명하기로 한다.

화력 발전소의 경우 굴뚝(stack)을 통해 배출되는 연소 가스의 조성은 이산화탄소 10~15%, 질소 70~73%, 산소, 4~9%, 수분 9~11%이고, 기타 황산화물 약 60ppm 이하, 질소산화물 약 80ppm이하, 더스트(Dust) 약 5mg/Sm³를 포함한다.

본 발명은 상기와 같은 조성의 연소 가스로부터 이산화탄소를 높은 효율로 회수할 수 있는 분리막 시스템의 분리 성능을 향상시키는 장치를 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 분리막 시스템은 도 1에 나타나는 것과 같이 연소 가스로부터 이산화탄소, 질소 및 산소를 제외한 불순물을 제거하는 전처리 장치와 다단의 가스 분리부가 포함되는 가스분리 장치를 포함하고, 본 발명의 일실시예에 따른 분리막 시스템의 분리 성능 향상 장치는 가스 분리부에 가스탱크를 더 포함하고, 후단의 가스 분리부에 압력조절장치를 더 포함하여 연소 가스 중의 이산화탄소를 분리함에 있어서 성능이 저하되지 않고 고농도로 분리 및 농축이 가능하다.

분리막을 이용한 기체를 분리하는 메커니즘은 용해-확산 모델을 통해 설명할 수 있다. 고분자 분리막에서의 기체 투과 현상은 ⅰ) 상부(분리막을 경계로 상대적으로 높은 부분압)에서 경계면으로 확산, ⅱ) 기체분자의 고분자 분리막에 대한 상대적인 흡착, ⅲ) 고분자 분리막 내로의 기체의 확산, ⅳ) 투과부(상대적으로 낮은 부분압)에서 기체의 탈착, ⅴ) 하부 경계면에서 외부로의 확산의 5단계로 구분할 수 있다.

분리막에서의 기체 투과 속도는 kinetic diameter와 분리막 소재인 고분자와 투과 기체의 친밀도, 가스의 온도 등의 요인에 의해 결정된다. 이 때 전처리되어 불순물이 제거된 연소 가스, 즉 이산화탄소, 산소 및 질소를 포함하는 가스(이하, '혼합 가스'라고 한다)를 구성하는 성분들의 분리막 투과 속도는 상기 요인들로 인해 이산화탄소, 산소 및 질소 순서로 빠르다. 따라서 혼합 가스가 투과부(permeate) 및 배제부(retentate)를 포함하는 다단의 분리막을 지날 때마다 투과부에서는 상대적으로 투과 속도가 빠른 이산화탄소가 농축되고, 배제부에서는 상대적으로 투과속도가 느린 질소가 농축되어 최종 투과부에서 고농도의 이산화탄소를 회수할 수 있도록 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 분리막 시스템은 도 1에 나타낸 것과 같이 연소 가스 중의 이산화탄소, 산소 및 질소를 제외한 불순물을 제거하는 전처리부(10), 이산화탄소, 산소 및 질소를 포함하는 혼합가스로부터 이산화탄소를 고농도로 분리하는 1단 가스 분리부(20) 및 2단 가스 분리부(30)의 적어도 2단 이상의 가스 분리부를 포함한다.

1단 가스 분리부(20) 및 2단 가스 분리부(30)는 도 2에 나타낸 것과 같이 각각 압축기(21, 31) 및 분리막(23, 33)을 포함한다. 즉 1단 가스 분리부(20)는 1단 압축기(21) 및 1단 분리막(23)을 포함하고, 2단 가스 분리부(30)는 2단 압축기(31) 및 2단 분리막(33)을 포함한다.

각각의 분리막(23, 33)은 분리막 투과 속도가 빠른 이산화탄소의 상대적인 농도가 높은 투과부 및 분리막 투과 속도가 느린 질소의 상대적인 농도가 높은 배제부를 포함한다.

더욱 구체적으로 본 발명의 일실시예에 따른 분리막 시스템은 전처리부(10)에서 불순물을 제거한 후 1단 압축기(21)에서 가압한 혼합가스를 1단 분리막(23) 도입부로 공급하고, 1단 분리막(23)의 투과부에서 이산화탄소가 1차 농축된 혼합가스를 2단 압축기(31)에서 가압하며, 2단 분리막(33) 도입부로 공급한다. 2단 분리막(33) 후단의 투과부에서 95% 이상으로 농축된 이산화탄소를 생산할 수 있다.

발전소, 제철소, 소각로 등의 굴뚝(stack)에서 발생하는 연소 가스는 송풍기로 음압을 형성하여 전처리부(10)로 보내진다. 전처리부(10)는 필터(11), 드라이어(12) 및 흡착탑(13)을 포함하여 연소 가스 중 미량의 산성가스, 입자상 물질, 수분 등의 불순물을 제거한다.

필터(11)는 연소가스 내의 입자상 물질을 제거하기 위한 것으로 필터(11)의 세퍼레이터(separator) 내부에 여과도 3미크론(micron)의 엘리먼트(element)의해 불순물 및 수분이 관성 충돌작용으로 제거된다. 엘리먼트로는 소결금속, 합성수지, 철망 등으로 구성되며, 소결금속 엘리먼트는 미소한 금속입자를 틀에 충진하고 전기로로 가열하여 입자간의 접촉 부분만을 상호 밀착시켜, 많은 미세한 구멍의 여과층을 형성시킨 것으로서, 직선으로 유동하지 않고 구불구불하게 유동하는 연소가스의 여과작용이 엘리먼트 표면이 아니라 내부에서도 이루어져 수분 및 입자상 물질을 제거한다.

드라이어(12)는 연소가스를 저온의 냉매가스에 의하여 강제적으로 냉각하여 가스 중에 포함된 수분을 응축시켜 배출하는 장치이다. 드라이어(12)에 공급되는 연소가스의 노점(dew point)은 부하의 대소에 따라 달라진다. 연소가스의 압력이 높을수록, 온도가 낮을수록, 유량이 작을수록, 또한 주위의 공기 온도가 낮을수록 부하가 작아지며, 노점은 낮아지게 된다. 그러나 반대의 경우는 부하가 크고, 노점은 높아지게 된다. 단위 질량당 가스 중에 포함되는 수증기는 온도가 같은 경우, 압력이 높을수록 적어지게 되며, 압력이 같은 경우에는 온도가 낮을수록 적어지게 된다. 또 주위의 공기 온도가 낮으면, 연소가스를 냉각하는데 사용된 냉매가스를 다시 액화시키는 응축기로부터 방열효과가 높아지게 되며, 부하가 감소하는 것과 동일한 효과가 얻어진다.

흡착탑(13)은 유입되는 연소가스의 조성에 따라 수분이 적을 때에는 개별 흡착탑을 단독으로 운전 가능한 병렬 배치가 가능하고, 수분의 양이 많을 경우 여러 개의 흡착탑을 동시에 운전 가능한 직렬 배치가 가능하다. 흡착탑(13)은 하부의 가스공급라인과 상부의 가스배출라인, 내부에는 흡착제로 충진되어 있으며, 흡착탑(13) 하부로 공급된 가스는 내부에 충진된 흡착제로 인하 불순물을 제거하고 불순물이 제거된 가스는 상부로 배출되는 구조를 갖는다.

전처리부(10)에 의해 불순물이 제거된 혼합가스는 1단 가스 분리부(20)로 보내지게 된다. 가스 분리부는 압축기와 분리막으로 구성되어 있으며, 압축기는 혼합가스 내의 이산화탄소, 질소, 산소가 원활하게 분리가 이루어 질 수 있도록 구동력(driving force)을 제공하는 장치이며, 분리막은 유입된 혼합가스 성분들의 투과 속도 차이를 이용하여 분리하는 장치이다.

압축기는 스크류탑으로 중앙에 크게 비틀린 6구획의 나사 구조를 갖고 있는 스크류 로터와 각각 11개의 톱니를 갖고 있는 2개의 게이트로터가 축을 대상으로 맞물린 구조로서, 중앙의 스크류 로터가 회전하면 스크류 로터의 벌어진 홈의 공간에 바깥 공기가 빨려 들어가 실린더와 게이트 로터에 의해 1개의 압축실이 형성하게 되고 스크류 로터의 회전에 따라 게이트 로터의 톱니가 이동하고, 벌어진 홈의 공간에 용적이 축소되어 갇힌 공기는 압축되어 압력이 상승되어 회전이 더 진행되어 내부의 압력이 소정의 압력으로 높아질 때, 파이프 바깥쪽에 마련된 토출구에서 압축가스가 토출되는 원리를 이용한다.

압축기에 의해 가압된 가스는 분리막을 통과하며, 분리막은 투과 속도가 빠른 가스 성분의 상대적인 농도가 높은 투과부(permeate) 및 투과 속도가 느린 가스 성분의 상대적인 농도가 높은 배제부(retentate)를 포함한다. 분리막을 통과하는 연소가스 중 배제부를 통과하는 가스는 부산물 가스로서 공급 압력과 유사한 압력을 유지하고 있으며, 투과부를 통과하는 가스는 이산화탄소가 분리되어 농축된 가스로서 감압되어 농축된 혼합가스를 공급 압력보다 낮은 압력으로 다음 단의 가스 분리부로 유입된다.

압축기는 전단의 가스 분리부의 분리막 투과부로부터 유출되는 농축된 혼합 가스의 유출 압력에 대하여 2배 내지 10배로 가압하여 후단의 가스 분리부의 분리막으로 유입시키는 공급 압력을 제공한다. 분리막으로 유입된 혼합 가스는 분리막을 투과하면서 감압되는데, 후단의 가스 분리부의 압축기에 의해 공급 압력으로 가압된 후 후단의 분리막으로 혼합 가스가 유입된다.

예를 들어, 압축기에 의해 연소 가스는 2 내지 10 Bar·G의 공급 압력으로 가압되어 전단의 분리막으로 유입되고, 분리막의 투과부를 통과하여 농축된 혼합 가스는 0 내지 1 Bar·G 의 압력으로 감압된다. 감압된 혼합 가스는 후단의 가스 분리부에 포함되는 압축기에 의해 다시 2 내지 10 Bar·G의 공급 압력으로 가압되어 후단의 분리막으로 유입된다.

더욱 구체적으로, 전처리부(10)로부터 불순물이 제거된 혼합가스는 1단 압축기(21)로 유입되고, 1단 압축기(21)에 의해 가압되는 혼합가스는 1단 분리막(23) 도입부로 유입되며, 혼합가스 중 이산화탄소가 상대적으로 빠른 속도로 분리막을 통과하여 1단 분리막(23)의 투과부에 1차 농축되어 2단 압축기(31)로 유입된다. 혼합가스 중 질소는 상대적으로 느린 속도에 의해 대부분이 분리막을 통과하지 못하고 1단 분리막(23)의 배제부를 통과하여 배출되거나 굴뚝으로 반송되어 분리막 시스템을 다시 통과시키도록 할 수 있다.

분리막은 내부 중공 부분의 지상 구조와 중간층의 마이크로 기공 그리고 표면의 비다공성 구조로 되어 있는 분리막을 사용할 수 있다.

1단 분리막(23)을 통해 얻어지는 이산화탄소가 1차 농축된 혼합가스는 35% 이상의 농도의 이산화탄소를 포함한다.

2단 압축기(31)는 1차 농축된 혼합가스를 가압하여 2단 분리막(33)으로 유입시키는데, 이 때 2단 압축기(31)의 흡입 압력에 의해 2단 분리막(23)의 투과부측의 이산화탄소 분리 효율이 상승되는 효과가 있다.

1단 분리막(23)의 투과부를 통과한 1차 농축된 혼합가스는 1단 분리막(23)에의 공급 압력보다 낮은 압력으로 2단 압축기(31)에 유입되고, 1차 농축된 혼합가스는 2단 압축기(31)에 의해 가압되어 2단 분리막(33) 도입부로 유입된다.

2단 분리막(33) 도입부로 유입되는 1차 농축된 혼합가스 중 이산화탄소가 상대적으로 빠른 속도로 분리막을 통과하여 2단 분리막(33)의 투과부에 2차 농축되어 3단 압축기(41)로 유입된다. 1차 농축된 혼합가스 중 질소는 상대적으로 느린 속도에 의해 대부분이 분리막을 통과하지 못하고 2단 분리막(33)의 배제부를 통과하여 배출되거나 굴뚝으로 반송되어 분리막 시스템을 다시 통과시키도록 할 수 있다. 된다.

2단 분리막(33)을 통해 얻어지는 이산화탄소가 2차 농축된 혼합가스는 70% 이상의 농도의 이산화탄소를 포함한다.

3단 압축기(41)는 2차 농축된 혼합가스를 가압하여 3단 분리막(43)으로 유입시키는데, 이 때 3단 압축기(41)의 흡입 압력에 의해 2단 분리막(33)의 투과부측의 이산화탄소 분리 효율이 상승되는 효과가 있다.

2단 분리막(33)의 투과부를 통과한 2차 농축된 혼합가스는 2단 분리막(33)에의 공급 압력보다 낮은 압력으로 3단 압축기(41)에 유입되고, 2차 농축된 혼합가스는 3단 압축기(41)에 의해 가압되어 3단 분리막(43) 도입부로 유입된다.

3단 분리막(43) 도입부로 유입되는 2차 농축된 혼합가스 중 이산화탄소가 상대적으로 빠른 속도로 분리막을 통과하여 3단 분리막(43)의 투과부에 3차 농축되어 95% 이상의 농도의 이산화탄소를 생성한다. 2차 농축된 혼합가스 중 질소는 상대적으로 느린 속도에 의해 대부분이 분리막을 통과하지 못하고 3단 분리막(43)의 배제부를 통과하여 배출되거나 굴뚝으로 반송되어 분리막 시스템을 다시 통과시키도록 할 수 있다.

1단 내지 3단을 거칠수록 혼합가스가 분리/농축됨에 따라 막 면적을 감소시켜 형성함으로써 분리막 사용을 절감하면서도 이산화탄소의 분리효율을 높일 수 있다. 더욱 구체적으로 1단 가스 분리부(20)의 1단 분리막(23) 면적에 대하여, 2단 가스 분리부(30)의 2단 분리막(33) 면적은 1단 분리막(23) 면적의 10 내지 50%로 형성하고, 3단 가스 분리부(40)의 3단 분리막(43) 면적은 2단 분리막(23) 면적의 20 내지 60%로 형성한다

각 단의 가스 분리부에 포함되는 압축기에 의해 분리막으로 공급되는 압력이 일정하게 유지되고, 전단 분리막에 발생하는 흡입 압력에 의해 이산화탄소 분리 효율이 증가하기 때문에, 후단으로 갈수록 작은 면적의 분리막을 사용하더라도 이산화탄소가 더욱 농축된 혼합 가스를 제공할 수 있다.

분리막은 폴리술폰, 폴리이미드 및 폴리이서술폰으로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나 이상으로 이루어진 분리막을 사용한다.

본 발명의 일실시예에 따른 분리막 시스템의 분리 성능 향상 장치는 도 2에 나타낸 것과 같이 가스 분리부(20, 30)에서의 이산화탄소 분리 성능을 향상시키기 위하여, 가스 분리부(20, 30)의 2단 압축기(31)와 2단 분리막(33) 사이에 구비되는 2단 가스탱크(32)를 더 포함하고, 2단 가스탱크(32)의 압력을 조절하는 압력조절장치(60)를 더 포함한다.

또한 도 3에 나타낸 것과 같이 본 발명의 일실시예에 따른 분리막 시스템의 분리 성능 향상장치는 도 3에 나타낸 것과 같이 이산화탄소 분리 성능을 더욱 향상시키기 위하여 3단 압축기(41)와 3단 분리막(43) 사이에 구비되는 3단 가스탱크(42) 및 3단 가스탱크(42)의 압력을 조절하는 압력조절장치(60')를 포함하는 3단 가스 분리부(40)를 더 포함할 수 있다.

분리막 시스템에 의한 연소 가스 중 이산화탄소 분리 및 농축 공정을 적용함에 있어 압축기(21, 31, 41)는 설정 압력과 압축기와 연결된 가스탱크 압력이 같아지면 구동을 정지하는데, 전단에 연결된 분리막이 없는 1단 압축기(21)와 달리 2단 압축기(31) 및 3단 압축기(41)의 경우 구동이 정지되면 압축기 흡입 라인과 연결된 전단의 분리막 투과부에 차압이 형성되어 분리막 효율을 저하시킨다.

즉 1단 압축기(21)는 설정 압력이 연결된 1단 가스탱크(22)의 압력과 같아져 구동이 정지되어도 1단 압축기(21)의 흡입 라인과 연결된 전단의 분리막이 존재하지 않아 분리 효율을 저하시킬 염려가 없으나, 2단 압축기(31)의 경우 1단 분리막(23)의 투과부와 연결되어 있으므로 2단 압축기(31)가 연결된 2단 가스탱크(32)와의 압력이 같아서 구동이 정지된다면 1단 분리막(23)에서 혼합가스가 투과속도의 차이에 의해 분리되지 못하고 1단 분리막(23) 도입부로 공급된 혼합가스 전체가 1단 분리막(23) 배제부로 배출되기 때문에 1단 분리막(23)의 분리 효율을 저하시키는 문제가 발생한다.

따라서 본 발명의 일실시예에 따른 분리막 시스템의 분리 성능 향상 장치는 다단 분리공정 적용 시 분리막, 압축기, 가스탱크의 압력을 제어하여 혼합가스의 분리 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

더욱 구체적으로, 1단 압축기(21)는 연결된 1단 가스탱크(22)의 압력이 설정 압력(2 내지 10 Bar·G)이 될 때까지 구동된다. 1단 가스탱크(22)의 압력이 설정 압력을 초과하게 되면 1단 압축기(21)는 구동을 정지하고, 1단 가스탱크(22)의 압력이 설정 압력에 미달하게 되면 1단 압축기(21)는 설정 압력에 도달하기 위하여 구동된다.

2단 압축기(31) 역시 연결된 2단 가스탱크(32)의 압력이 설정 압력(2 내지 10 Bar·G)이 될 때까지 구동된다. 이 때, 2단 가스탱크(32)에 연결된 압력조절장치(60)는 2단 가스탱크(32)의 압력이 상기 설정 압력보다 0.1 내지 2 Bar·G 작게 유지되도록 압력을 조절한다. 따라서 2단 가스탱크(32)의 압력이 2단 압축기(31)의 설정 압력보다 항상 작게 유지되기 때문에 2단 압축기(31)의 구동이 정지되는 것을 방지한다.

즉 2단 압축기(31)는 연속운전을 하게 되므로 1단 분리막(23) 투과부에 흡입 압력이 계속적으로 발생하게 되어 1단 분리막(23)의 분리 성능 향상을 유지시킬 수 있으며, 이산화탄소가 1차 농축된 혼합가스를 2단 분리막(33)에 일정한 압력(일정한 유량)으로 공급할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 분리막 시스템의 분리 성능 향상 장치는 1단 가스 분리부(20), 2단 가스 분리부(30) 및 3단 가스 분리부(40)에 각각 포함되는 분리막의 배제부 유량을 조절하는 제어부(50)를 더 포함한다.

제어부(50)는 일정한 압력에서 1단 분리막(23), 2단 분리막(33), 2단 분리막(43) 각각의 배제부 유량을 조절하여 분리막에 유입되는 혼합 가스의 유량에 대한 투과부로 유출되는 혼합 가스의 유량의 비율(stage-cut)을 제어한다.

더욱 구체적으로, 제어부(50)는 1단 분리막(23)에 유입되는 혼합 가스의 유량에 대한 투과부 유량의 비율이 0.2 내지 0.6 범위 내 이도록 제어하고, 2단 분리막(33)에 유입되는 혼합 가스의 유량에 대한 투과부 유량의 비율이 0.2 내지 0.6 범위 내 이도록 제어하며, 3단 분리막(43)에 유입되는 혼합 가스의 유량에 대한 투과부 유량의 비율이 0.4 내지 0.7 범위 내 이도록 제어한다.

각 단의 분리막에 유입되는 혼합 가스의 유량에 대한 투과부 유량의 비율이 상기의 범위 내에서 작아질수록 분리막 투과부의 이산화탄소의 농도가 높아진다. 또한 각 분리막에서 상기 비율을 초과하도록 제어되는 경우 회수되는 이산화탄소의 농축 농도가 저하되는 문제점이 있으며, 상기 비율 미만으로 제어되는 경우 이산화탄소의 회수 효율이 저하되는 문제점이 있다.

실시예 및 비교예

(1) 실시예

연소가스의 제1 모사가스를 제조하여 본 발명의 일실시예에 따른 분리막 시스템의 분리 성능 향상 장치의 분리막 성능 평가를 실시하였다. 제1 모사가스의 조성은 이산화탄소 10~15%, 질소 70~73%, 산소 4~9%로 제조하였다.

제1 모사가스는 7Bar·G 의 압력으로 1단 분리막으로 공급되고, 1단 분리막을 통과하지 않은 배제부 가스는 연소가스 굴뚝으로 보내지고, 1단 분리막을 통과한 투과부 가스는 2단 압축기로 보내어졌다.

2단 압축기는 2단 가스탱크의 내부의 가스압력이 8Bar·G 으로 가압되었을 때 정지하도록 설정하고, 2단 가스탱크의 후단에 2단 분리막 공급배관 라인 및 연소가스 굴뚝으로 보내는 벤트(vent) 라인을 설치하였다.

연소가스 굴뚝으로 보내지는 벤트(vent) 라인에 압력조절장치를 설치하여 2단 가스탱크의 압력이 7.5Bar·G 로 유지할 수 있도록 하여, 2단 압축기가 정지하지 않고 지속적으로 구동될 수 있도록 하여 2단 압축기가 연속운전할 때 얻어진 1단 분리막의 배제부와 투과부에서의 이산화탄소, 산소 및 질소의 농도를 표 1에 나타내었다.

(2) 비교예

상기 제조한 제1 모사가스는 7Bar·G 의 압력으로 1단 분리막으로 공급되고, 1단 분리막을 통과하지 않은 배제부 가스는 연소가스 굴뚝으로 보내지고, 1단 분리막을 통과한 투과부 가스는 2단 압축기로 보내어졌다.

2단 압축기는 2단 가스탱크의 내부의 가스압력이 8Bar·G 으로 가압되었을 때 정지하도록 설정하고, 압력조절장치를 구비하지 않아 2단 압축기가 가동을 멈춤으로써 2단 압축기 흡입 압력에 의한 분리효율 향상이 없을 때 얻어진 1단 분리막의 배제부와 투과부에서의 이산화탄소, 산소 및 질소의 농도를 표 1에 나타내었다.

No.	Stage-cut	1st Retentate Conc.(%)			1st Permeate Conc.(%)
		CO2	O2	N2	CO2	O2	N2
실시예	0.3	4.33	7.22	88.45	51.20	9.14	39.66
비교예	0.3	4.85	5.91	89.25	45.80	11.26	42.94

상기 표 1에 나타나는 결과와 같이 2단 압축기가 연속 운전을 한 실시예의 경우에 비교예에 비해 1단 분리막 투과부에서의 이산화탄소 농도가 높은 것을 알 수 있다.

전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 분리막 시스템
10: 전처리부
11: 필터
12: 드라이어
13: 흡착탑
20: 1단 가스 분리부
21: 1단(전단) 압축기
22; 1단(전단) 가스탱크
23: 1단(전단) 분리막
30: 2단 가스 분리부
31: 2단(후단) 압축기
32; 2단(후단) 가스탱크
33: 2단(후단) 분리막
40: 3단 가스 분리부
41: 3단 압축기
42: 3단 가스탱크
43: 3단 분리막
50: 제어부
60: 압력조절장치

Claims (7)

1단 가스 분리부, 2단 가스 분리부 및 압력조절장치를 포함하여 연소가스 중의 이산화탄소를 회수하는 분리막 시스템의 분리 성능 향상 장치로서,
상기 1단 및 2단 가스 분리부는 각각,
이산화탄소, 산소 및 질소를 포함하는 혼합 가스가 유입되고, 유입된 혼합 가스를 공급 압력으로 가압하여 유출하는 1단 및 2단 압축기;
상기 가압된 혼합 가스가 유입되고, 유입된 혼합 가스가 유출되는 1단 및 2단 가스탱크; 및
상기 가스탱크로부터 혼합 가스가 유입되고, 유입된 혼합 가스 중 분리막을 투과한 성분이 농축되는 투과부, 및 분리막을 투과하지 못한 성분이 농축되는 배제부를 포함하는 1단 및 2단 분리막;을 포함하고,
상기 압축기는 상기 압축기에 연결된 가스탱크의 압력이 설정 압력 이상일 때 구동을 정지하는 방식으로 제어되며,
상기 압력조절장치는 상기 2단 가스탱크의 압력을 조절하여 상기 2단 압축기가 연속적으로 구동되도록 하는 장치인 분리막 시스템의 분리 성능 향상 장치.

제1항에 있어서,
상기 압력조절장치는 상기 2단 가스탱크의 압력이 상기 설정 압력보다 0.1 내지 2 Bar·G 작게 유지되도록 압력을 조절하는 장치인 분리막 시스템의 분리 성능 향상 장치.

제1항에 있어서,
상기 1단 및 2단 압축기의 설정 압력은 2 내지 10 Bar·G 인 분리막 시스템의 분리 성능 향상 장치.

제1항에 있어서,
상기 분리막 시스템의 분리 성능 장치는 상기 1단 및 2단 분리막 각각의 배제부 유량을 조절하여 유입되는 혼합 가스의 유량에 대한 투과부로 유출되는 혼합 가스의 유량의 비율을 제어하는 제어부를 더 포함하며,
상기 제어부는 상기 1단 및 2단 분리막에 유입되는 혼합 가스의 유량에 대한 투과부 유량의 비율이 0.2 내지 0.6 범위 내 이도록 제어하는 분리막 시스템의 분리 성능 향상 장치.

제1항에 있어서,
상기 1단 및 2단 분리막은 폴리술폰, 폴리이미드 및 폴리이서술폰으로 구성되는 군에서 선택되는 어느 1종 이상으로 형성되는 분리막 시스템의 분리 성능 향상 장치.

제1항에 있어서,
이산화탄소, 산소, 질소 및 불순물을 포함하는 연소 가스가 유입되고, 상기 연소 가스로부터 불순물을 제거하여 이산화탄소, 산소 및 질소를 포함하는 혼합 가스를 상기 2단 압축기로 유출하는 전처리부;를 더 포함하는 분리막 시스템의 분리 성능 향상 장치.

제6항에 있어서,
상기 전처리부는 상기 연소 가스 내의 입자상 물질 및 수분을 포함하는 불순물을 제거하는 필터, 드라이어 및 흡착탑을 포함하는 분리막 시스템의 분리 성능 향상 장치.

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