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KR101106195B1 - CO2 Purification and Liquefaction Apparatus and Method - Google Patents

CO2 Purification and Liquefaction Apparatus and Method Download PDF

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KR101106195B1
KR101106195B1 KR1020100053378A KR20100053378A KR101106195B1 KR 101106195 B1 KR101106195 B1 KR 101106195B1 KR 1020100053378 A KR1020100053378 A KR 1020100053378A KR 20100053378 A KR20100053378 A KR 20100053378A KR 101106195 B1 KR101106195 B1 KR 101106195B1
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Abstract

본 발명은 약 70~90 vol%의 이산화탄소 농도를 가진 배기가스으로부터 불순물을 정제한 후에 액화함으로써 고순도의 액상 이산화탄소를 생산하는 이산화탄소 정제 및 액화장치 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명의 이산화탄소 정제 및 액화장치는, 배기가스 스트림을 압축하는 배기가스 압축기; 상기 배기가스 스트림 내의 수분을 제거하는 드라이어; 상기 배기가스 스트림을 냉각하는 열교환기 및 상기 배기가스 스트림을 이산화탄소 스트림과 벤트가스 스트림으로 분리하는 제1 및 제2 상분리기를 구비한 이산화탄소 정제유닛; 및 상기 이산화탄소 정제유닛에 의해 분리된 이산화탄소 스트림을 증류하는 증류탑;로 구성된다. 이에 의해, 본 발명은 상업적으로 활용이 용이한 고순도의 액상 이산화탄소를 효과적으로 생산할 수 있고, 벤트가스의 재순환을 통해 이산화탄소의 회수율을 높이며, 벤트가스가 가진 압력에너지를 회수하여 동력소모를 절감할 수 있고, 벤트가스의 추가적인 정제를 통해 벤트가스 내의 특정 불순물을 효과적으로 재활용할 수 있다.The present invention relates to a carbon dioxide purification and liquefaction apparatus and a method for producing high purity liquid carbon dioxide by purifying impurities from an exhaust gas having a carbon dioxide concentration of about 70 to 90 vol% and then liquefying.
A carbon dioxide purification and liquefaction apparatus of the present invention includes an exhaust gas compressor for compressing an exhaust gas stream; A dryer for removing moisture in the exhaust stream; A carbon dioxide purifying unit having a heat exchanger for cooling the exhaust gas stream and first and second phase separators for separating the exhaust gas stream into a carbon dioxide stream and a vent gas stream; And a distillation column for distilling the carbon dioxide stream separated by the carbon dioxide purification unit. As a result, the present invention can effectively produce high-purity liquid carbon dioxide that is commercially easy to use, increase the recovery rate of carbon dioxide through recirculation of vent gas, and reduce the power consumption by recovering the pressure energy of the vent gas. Further purification of the vent gas can effectively recycle specific impurities in the vent gas.

Figure R1020100053378
Figure R1020100053378

Description

이산화탄소 정제 및 액화 장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR PURIFICATION AND LIQUIFACTION OF CARBON DIOXIDE}Carbon dioxide purification and liquefaction apparatus and its method {APPARATUS AND METHOD FOR PURIFICATION AND LIQUIFACTION OF CARBON DIOXIDE}

본 발명은 약 70~90 vol%의 이산화탄소 농도를 가진 배기가스으로부터 불순물을 정제한 후에 액화함으로써 고순도의 액상 이산화탄소를 생산하는 이산화탄소 정제 및 액화장치 및 그 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a carbon dioxide purification and liquefaction apparatus and a method for producing high purity liquid carbon dioxide by purifying impurities from an exhaust gas having a carbon dioxide concentration of about 70 to 90 vol% and then liquefying.

이산화탄소는 화력발전, 철강, 시멘트 및 소각로와 같이 화석연료를 사용하는 산업에서 대량으로 배출되며 지구온난화의 주된 원인으로 주목되고 있다. 이에 따라 전세계적으로 이산화탄소와 같은 온실가스를 감축 및 저감하기 위한 방법들이 연구되고 있다. 하지만 화석연료를 대체할 경제성 있는 신재생 에너지가 개발되기 전까지는 이산화탄소를 배출하는 화석연료의 수요는 여전히 증가할 것으로 전망되고 있다. 화석연료의 안정적인 사용을 위해서는 화석연료의 연소과정에서 발생하는 이산화탄소(CO2)를 대기로 배출하기 전에 고농도로 포집한 후 압축 내지 수송하여 안전하게 저장하는 기술인 이산화탄소 포집 및 저장기술(CCS, Carbon Dioxide Capture & Storage)이 절실히 요구되고 있는 실정이다. Carbon dioxide is emitted in large quantities in industries that use fossil fuels such as thermal power plants, steel, cement, and incinerators, and has been noted as a major cause of global warming. Accordingly, methods for reducing and reducing greenhouse gases such as carbon dioxide have been studied around the world. However, until economically renewable energy is developed to replace fossil fuels, the demand for fossil fuels that emit carbon dioxide is expected to increase. For stable use of fossil fuels, carbon dioxide capture and storage technology (CCS, Carbon Dioxide Capture) is a technology that collects carbon dioxide (CO 2 ) generated during the combustion process of fossil fuels in high concentration and then compresses or transports them and stores them safely. & Storage) is desperately required.

이러한 이산화탄소 포집 및 저장기술에는 다양한 이산화탄소의 분리 및 회수공법이 적용되고 있으며, 이러한 이산화탄소의 분리 및 회수공법에는 대표적으로 흡수법, 흡착법, 막분리법, 심랭분리법 등이 있다. Various carbon dioxide separation and recovery methods are applied to the carbon dioxide collection and storage technology, and the carbon dioxide separation and recovery methods include absorption, adsorption, membrane separation, and deep cooling.

먼저, 흡수법은 비교적 이산화탄소의 함량이 낮은 배기가스(약 13 ~ 16 vol%)에 유용한 공정이며 아민(Amine)계 흡수제를 이용한 공정으로 가장 상용화에 근접한 공정으로 알려져 있다. 그러나 가스 내의 불순물에 의한 흡수제의 열화 및 성능저하, 기기의 부식 및 과도한 에너지의 소모에 대한 문제에 대한 해결이 필요하며 이를 위하여 성능이 우수한 흡수제의 개발이 선행되어야 한다. First, the absorption method is a useful process for exhaust gas (about 13-16 vol%) having a relatively low carbon dioxide content, and is known to be the most commercially available process using an amine-based absorbent. However, it is necessary to solve the problems of deterioration and deterioration of the absorbent due to impurities in the gas, corrosion of the device and excessive energy consumption, and the development of an absorbent having excellent performance must be preceded.

흡착법은 이산화탄소를 선택적으로 흡착하는 흡착제를 사용하는 공정으로서 PSA (Pressure Swing Adsorption) 또는 TSA (Temperature Swing Adsorption)와 같이 흡착 후 탈착을 위하여 압력변동 또는 온도 변동을 통하여 이산화탄소를 분리하는 방법으로 고순도의 이산화탄소의 분리가 가능하고 장치가 비교적 간단하나 에너지 소비가 크며 대용량의 가스 처리에 한계가 있다는 문제가 있다. Adsorption is a process that uses an adsorbent that selectively adsorbs carbon dioxide. It is a method of separating carbon dioxide through pressure fluctuations or temperature fluctuations for desorption after adsorption such as PSA (Pressure Swing Adsorption) or TSA (Temperature Swing Adsorption). Separation is possible and the device is relatively simple, but the energy consumption is large, and there is a limit in the processing of a large amount of gas.

막분리법은 고분자막이나 무기막을 통과하는 투과율 차이를 이용하는 방법으로 장치가 간단하고 에너지 소비가 비교적 적은 것으로 알려져 있지만, 현재까지 이산화탄소 분리를 위한 모듈이 상용화되지 않았고 고순도, 대용량의 이산화탄소를 분리함에 한계를 가지고 있다. Membrane separation is a method that uses a difference in permeability through a polymer membrane or an inorganic membrane, and it is known that the device is simple and has relatively low energy consumption. have.

심랭 분리법은 배기가스를 압축 내지 냉각함으로써 이산화탄소를 액화하여 분리하는 기술로서, 대용량의 가스처리가 가능하며 이산화탄소의 처리를 위한 수송 및 상업적인 생산에 유용할 수 있는 액체상태의 이산화탄소를 생산할 수 있는 장점이 있다. Deep cooling is a technology that liquefies and separates carbon dioxide by compressing or cooling the exhaust gas, and it is possible to process a large amount of gas and has the advantage of producing liquid carbon dioxide, which can be useful for transportation and commercial production for treatment of carbon dioxide. have.

이러한 심랭분리법은 석유화학산업의 부산물을 이용하여 이산화탄소를 액화하는 방법으로, 95 vol% 이상의 이산화탄소를 포함하고 있는 배기가스를 약 15-20bar의 압력에서 암모니아 냉동기와 같은 냉동장치를 사용하여 액화 분리하는 공정이다. This deep cooling is a method of liquefying carbon dioxide by using the by-product of the petrochemical industry. It is a process.

하지만, 종래의 심랭분리법은 배기가스 중 이산화탄소의 농도가 95 vol% 이상일 경우에는 그 적용이 가능하지만, 이산화탄소 농도가 95 vol% 이하일 경우에는 냉동기의 냉각온도의 한계로 이산화탄소의 회수율이 급격히 저하되고 냉동기의 냉동능력의 한계로 대용량의 배기가스 처리가 불가능하다.However, the conventional deep cooling method can be applied when the concentration of carbon dioxide in the exhaust gas is 95 vol% or more, but when the carbon dioxide concentration is 95 vol% or less, the recovery rate of carbon dioxide is drastically lowered due to the limit of the cooling temperature of the freezer. Due to the limitation of freezing capacity, it is impossible to treat large amount of exhaust gas.

또한, 종래의 심랭분리법은 배기가스 중 이산화탄소 뿐만 아니라 불순물도 함께 압축되기 때문에 에너지가 과다하게 소비될 수 있으며, 배기가스를 약 30bar 근처로 압축하여 -50℃이하의 낮은 온도로 냉각하여 이산화탄소를 분리한 경우 생산되는 이산화탄소의 농도가 약 95 ~ 96 vol%의 순도를 가지고 있기 때문에 상업적으로 이용(99 vol% 이상)하기에는 한계가 있었다. In addition, in the conventional deep cooling method, energy is excessively consumed because not only carbon dioxide in exhaust gas but also impurities are compressed, and the exhaust gas is compressed to about 30 bar and cooled to a low temperature below -50 ° C. to separate carbon dioxide. In one case there was a limit to commercial use (more than 99 vol%) because the concentration of carbon dioxide produced had a purity of about 95-96 vol%.

그리고, 종래의 심냉 분리법은 이산화탄소 정제 후 버려지는 벤트가스는 배기가스와 함께 압축됨에 따라 그 자체에 에너지를 가지고 있으며 이를 회수하여야 하는데 이를 위하여 상기의 방법에서는 2개의 히터(Heater) 및 팽창기(Expander)를 사용하였다. 하지만 이러한 방법은 두 번째 히터에서 벤트가스의 가열을 위한 별도의 전기 또는 스팀의 사용이 요구되며, 팽창기에서 높은 팽창비와 높은 운전온도로 운전되기 때문에 다단으로 구성된 팽창기를 요구하지만 현재의 팽창기 기술로는 이와 같은 다단 방식의 팽창기를 사용할 수 없는 단점이 있었다. In the conventional deep cooling method, the vent gas discarded after carbon dioxide purification has energy in itself as it is compressed together with the exhaust gas and has to be recovered. In this method, two heaters and an expander are used. Was used. However, this method requires the use of a separate electric or steam for heating the vent gas in the second heater, and requires a multistage expander because it operates at a high expansion ratio and a high operating temperature. There was a disadvantage that such a multi-stage inflator cannot be used.

또 다른 측면으로, 약 70 ~ 90 vol%의 이산화탄소 농도를 가진 배기가스에 포함되는 불순물은 연료의 종류, 연소조건 등에 따라 크게 다르지만 주로 질소, 산소, 아르곤, 일산화탄소 등이며, 소량의 질소화합물(NOx), 황화합물(SOx) 등을 포함하고 있다. 특히 발전소의 순산소 연소를 통한 배기가스 중 불순물은 질소, 산소, 아르곤이 대부분이며, 제철소의 배기가스 중 불순물은 일산화탄소가 다량으로 포함되어 있다. 이와 같은 불순물은 추가적인 정제과정을 거쳐 재활용 될 수 있으나 현재까지 이와 같은 불순물에 대한 재활용 방법에 대한 논의는 제시되지 못하고 있다. In another aspect, impurities contained in the exhaust gas having a carbon dioxide concentration of about 70 to 90 vol% are mainly nitrogen, oxygen, argon, carbon monoxide, etc., depending on the type of fuel, combustion conditions, and the like. ), Sulfur compounds (SOx) and the like. In particular, impurities in the exhaust gas through pure oxygen combustion of power plants are mostly nitrogen, oxygen, and argon, and impurities in the exhaust gas of steel mills contain a large amount of carbon monoxide. Such impurities can be recycled through an additional purification process, but there is no discussion on how to recycle such impurities.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 상업적인 활용이 용이한 고순도의 액상 이산화탄소를 효과적으로 생산할 수 있는 이산화탄소 정제 및 액화장치 및 그 방법을 제공한다. The present invention has been made in view of the above, and provides a carbon dioxide purification and liquefaction apparatus and method for effectively producing high purity liquid carbon dioxide which is easy to use commercially.

또한, 본 발명은 소요되는 동력의 낭비를 방지하고, 배출되는 벤트가스의 재순환을 통해 이산화탄소의 회수율을 증대시킬 수 있는 이산화탄소 정제 및 액화장치 및 그 방법을 제공한다. In addition, the present invention provides a carbon dioxide purification and liquefaction apparatus and a method for preventing the waste of power required and to increase the recovery rate of carbon dioxide through the recycling of the vent gas discharged.

그리고, 본 발명은 벤트가스에 대한 추가적인 정제과정을 거쳐 벤트가스 또는 벤트가스 내의 특정 불순물을 효과적으로 재활용할 수 있는 이산화탄소 정제 및 액화장치 및 그 방법을 제공한다. In addition, the present invention provides a carbon dioxide purification and liquefaction apparatus and method for effectively recycling the vent gas or specific impurities in the vent gas through an additional purification process for the vent gas.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 이산화탄소 정제 및 액화장치는, Carbon dioxide purification and liquefaction apparatus according to the present invention for achieving the above object,

배기가스 스트림이 이송되는 배기가스 통로의 도중에 설치되어 배기가스 스트림을 압축하는 배기가스 압축기;An exhaust gas compressor installed in the middle of the exhaust gas passage through which the exhaust gas stream is transported to compress the exhaust gas stream;

상기 배기가스 압축기의 하류측에 설치되어 배기가스 스트림 내의 수분을 제거하는 드라이어;A dryer installed downstream of the exhaust gas compressor to remove moisture in the exhaust gas stream;

상기 배기가스 스트림을 냉각하는 열교환기 및 상기 배기가스 스트림을 이산화탄소 스트림과 벤트가스 스트림으로 분리하는 제1 및 제2 상분리기를 구비한 이산화탄소 정제유닛; 및 A carbon dioxide purifying unit having a heat exchanger for cooling the exhaust gas stream and first and second phase separators for separating the exhaust gas stream into a carbon dioxide stream and a vent gas stream; And

상기 이산화탄소 정제유닛에 의해 분리된 이산화탄소 스트림을 증류하는 증류탑;을 포함하고, And a distillation column for distilling the carbon dioxide stream separated by the carbon dioxide purification unit.

상기 증류탑의 상부에는 제1재순환통로가 접속되고, 상기 제1재순환통로는 상기 배기가스 스트림의 일측에 합류되며, A first recycle passage is connected to an upper portion of the distillation column, and the first recycle passage is joined to one side of the exhaust gas stream.

상기 이산화탄소 정제유닛에는 벤트가스 스트림이 이송되는 벤트가스 통로가 연결되고, 상기 벤트가스 통로에는 벤트가스 스트림 내의 이산화탄소를 흡착하여 이산화탄소 스트림과 정제된 벤트가스 스트림으로 분리하는 하나 이상의 흡착유닛이 설치되며, 상기 흡착유닛의 일측에는 이산화탄소 스트림이 이송되는 제2재순환통로가 접속되고, 상기 제2재순환통로의 하류측 단부는 상기 배기가스 통로의 압축기와 드라이어 사이의 배기가스 통로에 접속되는 것을 특징으로 한다. The carbon dioxide purifying unit is connected to a vent gas passage through which a vent gas stream is transferred, and the vent gas passage is provided with at least one adsorption unit for adsorbing carbon dioxide in the vent gas stream into a carbon dioxide stream and a purified vent gas stream. A second recirculation passage through which the carbon dioxide stream is transported is connected to one side of the adsorption unit, and a downstream end of the second recirculation passage is connected to the exhaust gas passage between the compressor and the dryer of the exhaust gas passage.

상기 흡착유닛에는 정제된 벤트가스 스트림이 이송되는 배출통로가 접속되고, 상기 배출통로는 상기 드라이어 측에 연결되는 것을 특징으로 한다. The adsorption unit is connected to the discharge passage for transporting the purified vent gas stream, characterized in that the discharge passage is connected to the dryer side.

상기 흡착유닛은 제1 및 제2 흡착유닛으로 구성되고, 상기 제1흡착유닛에는 제2재순환통로가 접속되며, 상기 제2흡착유닛의 일측에는 정제된 벤트가스 스트림이 이송되는 배출통로가 접속되고, 상기 제2흡착유닛의 타측에는 상기 벤트가스 스트림 내의 이산화탄소를 제외한 특정 불순물 성분을 분리하며, 상기 불순물 성분을 별도의 사용처로 안내하는 재활용 통로가 접속되는 것을 특징으로 한다. The adsorption unit is composed of a first and a second adsorption unit, a second recirculation passage is connected to the first adsorption unit, a discharge passage for transporting the purified vent gas stream is connected to one side of the second adsorption unit; On the other side of the second adsorption unit, a recycling passage for separating specific impurity components other than carbon dioxide in the vent gas stream and guiding the impurity components to a separate place of use is connected.

상기 제2재순환통로 상에는 재순환용 압축기가 설치되는 것을 특징으로 한다. Recirculating compressor is installed on the second recirculation passage.

상기 배기가스 통로 및 벤트가스 통로를 가로질러 터보 익스팬더가 설치되고, 상기 터보 익스팬더는 상기 배기가스 통로 상에 설치된 압축기 및 상기 벤트가스 통로 상에 설치된 팽창기로 구성되며, 상기 압축기 및 팽창기는 샤프트를 매개로 연결되는 것을 특징으로 한다. A turbo expander is installed across the exhaust gas passage and the vent gas passage, and the turbo expander includes a compressor installed on the exhaust gas passage and an expander installed on the vent gas passage, and the compressor and the expander mediate the shaft. Characterized in that connected to.

상기 팽창기의 입구측에는 히터가 설치되며, 상기 히터는 상기 배기가스 압축기에서 발생되는 열을 회수하여 이용하도록 구성되는 것을 특징으로 한다. A heater is installed at an inlet side of the expander, and the heater is configured to recover and use heat generated by the exhaust gas compressor.

상기 배기가스 통로의 하류측 단부는 제1상분리기의 입구측에 접속되고, 상기 제1상분리기의 상부에는 제1기상 통로가 접속되며, 상기 제1상분리기의 하부에는 제1액상 통로가 접속되고, 상기 제1상분리기의 제1액상통로는 상기 열교환기를 관통하며, 상기 제1액상통로의 하류측 단부에는 제1압축통로가 접속되며, 상기 제1액상통로 상에는 제1팽창밸브가 설치되고, The downstream end of the exhaust gas passage is connected to the inlet side of the first phase separator, the first gas phase passage is connected to the upper portion of the first phase separator, and the first liquid phase passage is connected to the lower portion of the first phase separator. The first liquid passage of the first phase separator passes through the heat exchanger, and a first compression passage is connected to a downstream end of the first liquid passage, and a first expansion valve is installed on the first liquid passage. ,

상기 제1상분리기의 제1기상통로는 상기 제2상분리기의 입구측에 접속되고, 상기 제2상분리기의 상부측에는 제2기상통로가 접속되며, 상기 제2상분리기의 하부측에는 제2액상통로가 접속되며, 상기 제2기상통로는 상기 열교환기를 관통한 후에 상기 벤트가스 통로측에 접속되고, 상기 제2액상통로는 열교환기를 관통하고, 사익 제2액상통로의 하류측 단부에는 제2압축통로가 접속되며, 상기 제2액상통로 상에는 제2팽창밸브가 설치되고, The first gas phase passage of the first phase separator is connected to the inlet side of the second phase separator, the second gas phase passage is connected to the upper side of the second phase separator, and the second liquid phase is connected to the lower side of the second phase separator. A passage is connected, the second gas passage is connected to the vent gas passage after passing through the heat exchanger, the second liquid passage passes through a heat exchanger, and a second compression is provided at a downstream end of the wing second liquid passage. A passage is connected, and a second expansion valve is provided on the second liquid passage.

상기 제1 및 제2 압축통로는 통합통로 측에 합류되고, 상기 통합통로 상에는 제1이산화탄소 압축기가 설치되며, 상기 제2압축통로 상에는 제2이산화탄소 압축기가 설치되는 것을 특징으로 한다. The first and second compression passages are joined to an integrated passage side, and a first carbon dioxide compressor is installed on the integrated passage, and a second carbon dioxide compressor is installed on the second compression passage.

상기 통합통로 및 벤트가스 통로를 가로질러 터보 익스팬더가 설치되고, 상기 터보 익스팬더는 상기 통합통로 상에 설치된 압축기 및 상기 벤트가스 통로 상에 설치된 팽창기로 구성되며, 상기 압축기 및 팽창기는 샤프트를 매개로 연결되고, 상기 압축기는 상기 제1 및 제2 이산화탄소 압축기 사이에 배치되는 것을 특징으로 한다. A turbo expander is installed across the integrated passage and the vent gas passage, and the turbo expander includes a compressor installed on the integrated passage and an expander installed on the vent gas passage, and the compressor and the expander are connected via a shaft. And the compressor is disposed between the first and second carbon dioxide compressors.

상기 팽창기의 입구측에는 히터가 설치되며, 상기 히터는 상기 배기가스 압축기에서 발생되는 열을 회수하여 이용하도록 구성되는 것을 특징으로 한다. A heater is installed at an inlet side of the expander, and the heater is configured to recover and use heat generated by the exhaust gas compressor.

상기 증류탑의 하부에는 재비기가 설치되고, 상기 통합통로는 상기 재비기를 통과하며, 상기 통합통로의 하류측 단부에는 증류용 이산화탄소 통로가 설치되며, 상기 증류용 이산화탄소 통로 상에는 냉각기 및 팽창밸브가 설치되고, 상기 증류용 이산화탄소 통로의 하류측 단부에는 증류용 상분리기가 설치되며, 상기 증류용 상분리기의 상부에는 기상통로가 접속되고, 상기 증류용 상분리기의 기상통로는 상기 제1재순환통로에 합류되는 것을 특징으로 한다. The lower part of the distillation column is provided with a reboiler, the integrated passage is passed through the reboiler, the downstream end of the integrated passage is installed a distillation carbon dioxide passage, a cooler and an expansion valve is installed on the distillation carbon dioxide passage, A distillation phase separator is installed at a downstream end of the distillation carbon dioxide passage, and a gas phase passage is connected to an upper portion of the distillation phase separator, and the gas phase passage of the distillation phase separator is joined to the first recirculation passage. It is done.

본 발명에 의한 이산화탄소 정제 및 액화방법은, Carbon dioxide purification and liquefaction method according to the present invention,

배기가스 스트림을 압축하는 배기가스 압축단계;An exhaust gas compression step of compressing the exhaust gas stream;

배기가스 스트림을 냉각하여 이산화탄소 스트림과 벤트가스 스트림으로 분리하는 분리단계;A separation step of cooling the exhaust gas stream to separate the carbon dioxide stream and the vent gas stream;

상기 분리단계에서 분리된 이산화탄소 스트림을 압축 및 액화시킨 후에 증류하는 증류단계;A distillation step of distilling after compressing and liquefying the carbon dioxide stream separated in the separation step;

상기 증류단계에서 기화된 배기가스 스트림을 이산화탄소 정제유닛측으로 재순환시키는 제1재순환단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. And a first recycling step of recycling the exhaust gas stream vaporized in the distillation step to the carbon dioxide purification unit side.

상기 벤트가스 스트림 내에서 이산화탄소를 흡착하여 이산화탄소 스트림과 정제된 벤트가스 스트림으로 분리하는 흡착단계; 및 An adsorption step of adsorbing carbon dioxide in the vent gas stream into a carbon dioxide stream and a purified vent gas stream; And

상기 흡착단계에서 분리된 이산화탄소 스트림을 상기 배기가스 압축기의 출구측으로 재순환시키는 제2재순환단계;를 더 포함한다. And a second recycling step of recycling the carbon dioxide stream separated in the adsorption step to the outlet side of the exhaust gas compressor.

상기 배기가스 압축단계와 상기 분리단계 사이에는 상기 벤트가스 스트림의 팽창에 의해 생성되는 회수에너지를 이용하여 상기 배기가스 스트림을 추가적으로 압축하는 추가 압축단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. And further comprising an additional compression step between the exhaust gas compression step and the separation step to further compress the exhaust gas stream using recovery energy generated by expansion of the vent gas stream.

상기 분리단계와 증류단계 사이에는 벤트가스 스트림의 팽창에 의해 생성되는 회수에너지를 이용하여 이산화탄소 스트림을 예비 압축하는 예비 압축단계를 더 포함한다. Between the separation step and the distillation step further includes a preliminary compression step of precompressing the carbon dioxide stream by using the recovered energy generated by the expansion of the vent gas stream.

상기 흡착단계는 상기 벤트가스 스트림 내의 이산화탄소를 2번 이상으로 흡착하여 이산화탄소 스트림 및 정제된 벤트가스 스트림으로 분리하는 것을 특징으로 한다. The adsorption step is characterized in that the carbon dioxide in the vent gas stream is adsorbed two or more times to separate the carbon dioxide stream and the purified vent gas stream.

상기 분리단계는,The separation step,

상기 배기가스 스트림을 -20~-30℃로 1차 냉각시킨 후에 액체 상태의 제1이산화탄소 스트림 및 배기가스 스트림으로 분리하는 제1분리단계; 및 A first separation step of separating the exhaust gas stream into a first carbon dioxide stream and an exhaust gas stream in a liquid state after the first cooling to -20 to -30 ° C; And

상기 제1분리단계에서 이산화탄소가 분리된 배기가스 스트림을 -50~-55℃로 2차 냉각시킨 후에 액체 상태의 제2이산화탄소 스트림 및 벤트가스 스트림으로 분리하는 제2분리단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다. And a second separation step of separating the carbon dioxide separated exhaust gas stream in the first separation step into a second carbon dioxide stream and a vent gas stream in a liquid state after secondary cooling to -50 to -55 ° C. do.

이상과 같은 본 발명은, 상업적인 활용이 용이한 고순도의 액상 이산화탄소를 효과적으로 생산할 수 있는 장점이 있다. The present invention as described above, there is an advantage that can effectively produce a high-purity liquid carbon dioxide that is easy to use commercially.

또한, 본 발명은 소요되는 동력의 낭비를 방지하고, 배출되는 벤트가스의 재순환을 통해 이산화탄소의 회수율을 증대시킬 수 있다. In addition, the present invention can prevent the waste of power required, it is possible to increase the recovery rate of carbon dioxide through the recycling of the vent gas discharged.

그리고, 본 발명은 벤트가스에 대한 추가적인 정제과정을 거쳐 벤트가스 또는 벤트가스 내의 특정 불순물을 효과적으로 재활용할 수 있다. In addition, the present invention can be effectively recycled to the vent gas or the specific impurities in the vent gas through an additional purification process for the vent gas.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 이산화탄소 정제 및 액화장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 이산화탄소 정제 및 액화장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 이산화탄소 정제 및 액화장치를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 의한 이산화탄소 정제 및 액화방법을 도시한 공정도이다. 1 is a view showing a carbon dioxide purification and liquefaction apparatus according to a first embodiment of the present invention.
2 is a view showing a carbon dioxide purification and liquefaction apparatus according to a second embodiment of the present invention.
3 is a view showing a carbon dioxide purification and liquefaction apparatus according to a third embodiment of the present invention.
Figure 4 is a process chart showing a carbon dioxide purification and liquefaction method according to the present invention.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 이산화탄소 정제 및 액화장치를 도시한 도면이다. 1 is a view showing a carbon dioxide purification and liquefaction apparatus according to a first embodiment of the present invention.

도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 이산화탄소 정제 및 액화장치는 70~90 vol%의 이산화탄소 농도를 가진 배기가스 스트림을 압축하는 배기가스 압축기(11), 배기가스 내의 이산화탄소를 정제하는 정제유닛(30), 정제된 이산화탄소를 액화시키는 증류탑(35)을 포함한다. As shown, the carbon dioxide purification and liquefaction apparatus according to the first embodiment of the present invention is an exhaust gas compressor 11 for compressing the exhaust gas stream having a carbon dioxide concentration of 70 ~ 90 vol%, the purification of carbon dioxide in the exhaust gas Purification unit 30, the distillation column 35 to liquefy purified carbon dioxide.

배기가스 공급원(10)은 발전소 또는 제철소 등의 연소장치와 같이 화석연료를 연소한 후에 배출되는 배기가스를 공급하는 공급원으로서, 발전소 또는 제철소의 연소장치는 순산소연소방식 또는 산소부화연소방식을 채택하거나 공기연소방식에 기타 다른 이산화탄소 분리방식을 조합하도록 구성되어 대략 70~90 vol%의 이산화탄소 농도를 가진 배기가스을 배출한다. The exhaust gas supply source 10 is a supply source for supplying exhaust gas discharged after burning fossil fuel, such as a combustion apparatus such as a power plant or a steel mill, and the combustion apparatus of the power plant or a steel mill adopts a pure oxygen combustion method or an oxygen enriched combustion method. Or other combinations of carbon dioxide separation in combination with air combustion to produce emissions with CO2 concentrations of approximately 70-90 vol%.

이 배기가스 공급원(10)에는 배기가스 통로(21)가 연결되고, 이에 배기가스 스트림은 배기가스 통로(21)를 통해 이송되며, 이러한 배기가스 스트림은 대략 70~90 vol%의 이산화탄소 농도를 가진다. 배기가스 통로(21) 상에는 배기가스 압축기(11)가 설치되며, 배기가스 압축기(11)는 배기가스 스트림을 약 20~25bar 또는 30~35bar까지 압축하도록 구성된다. An exhaust gas passage 21 is connected to this exhaust gas source 10, whereby the exhaust gas stream is conveyed through the exhaust gas passage 21, which has a carbon dioxide concentration of approximately 70 to 90 vol%. . An exhaust gas compressor 11 is installed on the exhaust gas passage 21, and the exhaust gas compressor 11 is configured to compress the exhaust gas stream to about 20-25 bar or 30-35 bar.

또한, 배기가스 통로(21)의 배기가스 압축기(11) 하류측에는 압축된 배기가스 스트림 내의 수분을 제거하는 드라이어(12)가 설치된다. Further, on the downstream side of the exhaust gas compressor 11 of the exhaust gas passage 21, a dryer 12 is installed to remove moisture in the compressed exhaust gas stream.

배기가스 통로(21)에는 이산화탄소 정제유닛(30)이 연결되고, 이산탄소 정제유닛(30)의 일측에는 벤트가스 통로(45)가 연결되며, 이산화탄소 정제유닛(30)은 배기가스 스트림 내의 이산화탄소 순도를 대략 95~96 vol%로 정제하도록 구성된다. A carbon dioxide purification unit 30 is connected to the exhaust gas passage 21, a vent gas passage 45 is connected to one side of the carbon dioxide purification unit 30, and the carbon dioxide purification unit 30 is carbon dioxide purity in the exhaust gas stream. Is purified to approximately 95-96 vol%.

이산화탄소 정제유닛(30)은 배기가스를 냉각시키는 열교환기(31), 배기가스 통로(21)의 하류측 단부에 연결된 제1상분리기(32), 제1상분리기(32)측에 연결된 제2상분리기(33)로 구성된다. The carbon dioxide purification unit 30 includes a heat exchanger 31 for cooling exhaust gas, a first phase separator 32 connected to a downstream end of the exhaust gas passage 21, and a second phase separator 32 connected to the first phase separator 32. It consists of a phase separator 33.

열교환기(31)는 브레이징방법에 의해 제작된 알루미늄 플레이트 핀 타입의 열교환기로 구성될 수 있고, 배기가스 통로(21)를 통해 공급되는 배기가스 스트림의 온도를 이산화탄소의 삼중점에 근접한 온도까지 냉각시키도록 구성되며, 열교환기(31)에는 배기가스 통로(21)의 하류측 일부가 관통하고, 이에 배기가스 스트림은 이 열교환기(31)에 의해 냉각된다. The heat exchanger 31 may be constituted by an aluminum plate fin type heat exchanger manufactured by a brazing method, to cool the temperature of the exhaust gas stream supplied through the exhaust gas passage 21 to a temperature close to the triple point of carbon dioxide. And a portion downstream of the exhaust gas passage 21 passes through the heat exchanger 31, whereby the exhaust gas stream is cooled by the heat exchanger 31.

배기가스 통로(21)의 하류측 단부는 제1상분리기(32)의 입구측에 접속되고, 제1상분리기(32)의 상부에는 제1기상 통로(32a)가 접속되며, 제1상분리기(32)의 하부에는 제1액상 통로(32b)가 접속된다. 제1상분리기(32)의 제1액상통로(32b)는 열교환기(31)를 관통하고, 제1액상통로(32b)의 하류측 단부에는 제1압축통로(28a)가 접속되며, 제1액상통로(32b) 상에는 제1팽창밸브(32c)가 설치되어 있다. The downstream end of the exhaust gas passage 21 is connected to the inlet side of the first phase separator 32, and the first gas phase passage 32a is connected to the upper portion of the first phase separator 32, and the first phase separator. The first liquid passage 32b is connected to the lower portion of 32. The first liquid passage 32b of the first phase separator 32 passes through the heat exchanger 31, and the first compression passage 28a is connected to the downstream end of the first liquid passage 32b. The first expansion valve 32c is provided on the liquid passage 32b.

제1상분리기(32)의 제1기상통로(32a)는 제2상분리기(33)의 입구측에 접속되고, 제2상분리기(33)의 상부측에는 제2기상통로(33a)가 접속되며, 제2상분리기(33)의 하부측에는 제2액상통로(33b)가 접속된다. 제2기상통로(33a)는 열교환기(31)를 관통한 후에 벤트가스 통로(45)측에 접속되고, 제2액상통로(33b)는 2번에 걸쳐 열교환기(31)를 관통하며, 제2액상통로(33b)의 하류측 단부에는 제2압축통로(28b)가 접속되며, 제2액상통로(33b) 상에는 제2팽창밸브(33c)가 설치되어 있다. The first gas phase passage 32a of the first phase separator 32 is connected to the inlet side of the second phase separator 33, and the second gas phase passage 33a is connected to the upper side of the second phase separator 33. The second liquid passage 33b is connected to the lower side of the second phase separator 33. The second gas passage 33a is connected to the vent gas passage 45 after passing through the heat exchanger 31, and the second liquid passage 33b passes through the heat exchanger 31 twice. A second compression passage 28b is connected to the downstream end of the two liquid passage 33b, and a second expansion valve 33c is provided on the second liquid passage 33b.

이러한 이산화탄소 정제유닛(30)에 의해, 배기가스 통로(21)의 하류 일부가 열교환기(31)를 관통함에 따라 배기가스 스트림은 열교환기(31)에 의해 약 -20~-30℃로 1차 냉각된 후에 제1상분리기(32)에 의해 대략 95~96 vol%의 순도를 가진 액체 상태의 제1이산화탄소 스트림이 제1액상통로(32b)를 통해 분리되고, 제1이산화탄소 스트림은 제1팽창밸브(32c)를 통과함에 따라 팽창하면서 그 온도가 저하된 후에 열교환기(31)를 거치면서 상온으로 열교환되며, 이에 제1이산화탄소 스트림은 다시 기체 상태로 상변화된다. 그리고, 1차로 이산화탄소가 분리된 배기가스 스트림은 제1기상통로(32a)를 통해 제2상분리기(33)측으로 이송되고, 배기가스 스트림은 제1기상통로(32a)를 통과하면서 열교환기(31)에 의해 약 -50~-55℃로 2차 냉각된 후에 제2상분리기(33)에 의해 대략 95~96 vol%의 순도를 가진 액체 상태의 제2이산화탄소 스트림이 제2액상통로(33b)를 통해 분리되고, 제2이산화탄소 스트림은 제2팽창밸브(33c)를 통과함에 따라 팽창하면서 그 온도가 저하된 후에 열교환기(31)를 거치면서 상온으로 열교환되며, 이에 제2이산화탄소 스트림은 다시 기체 상태로 상변화된다. By this carbon dioxide purification unit 30, as the downstream portion of the exhaust gas passage 21 passes through the heat exchanger 31, the exhaust gas stream is firstly heated to about −20 to −30 ° C. by the heat exchanger 31. After cooling, the first carbon dioxide stream in the liquid state having a purity of approximately 95-96 vol% is separated through the first liquid passage 32b by the first phase separator 32, and the first carbon dioxide stream is first expanded. After passing through the valve 32c, the temperature decreases while the temperature decreases, and then heat exchanges to room temperature through the heat exchanger 31, whereby the first carbon dioxide stream is phase-changed back to a gaseous state. In addition, the exhaust gas stream in which carbon dioxide is separated first is transferred to the second phase separator 33 through the first gas passage 32a, and the exhaust gas stream passes through the first gas passage 32a while passing through the first gas passage 32a. After the second cooling to about -50 ~ -55 ℃ by the second phase separator 33, a liquid second carbon dioxide stream having a purity of approximately 95 ~ 96 vol% is the second liquid passage (33b) The second carbon dioxide stream expands as it passes through the second expansion valve (33c) and the temperature decreases, and then heat exchanges to room temperature through the heat exchanger (31). Phase change to state

이와 같이, 본 발명은 배기가스 스트림은 열교환기(31)를 통해 2단계에 거쳐 냉각됨에 따라 열교환기(31)의 에너지 균형을 맞출 뿐만 아니라 배기가스를 이산화탄소의 삼중점(약 -56.6℃) 근처까지 냉각시킴으로써 이산화탄소의 회수율을 높일 수 있다. As such, the present invention not only balances the energy of the heat exchanger 31 as the exhaust gas stream is cooled through the heat exchanger 31 in two steps, but also exhaust gas to near the triple point (about -56.6 ° C.) of carbon dioxide. By cooling, the recovery rate of carbon dioxide can be increased.

그리고, 제1상분리기(32)의 제1액상통로(32b)에는 제1압축통로(28a)가 접속되고, 제2상분리기(33)의 제2액상통로(33b)에는 제2압축통로(28b)가 접속되며, 제1 및 제2압축통로(28a, 28b)는 통합통로(28c) 측에 합류된다. A first compression passage 28a is connected to the first liquid passage 32b of the first phase separator 32, and a second compression passage (2) is connected to the second liquid passage 33b of the second phase separator 33. 28b) is connected, and the first and second compression passages 28a and 28b join the integrated passage 28c side.

통합통로(28c) 상에는 제1이산화탄소 압축기(28d) 및 후단 냉각기(28f, after cooler)가 설치되고, 제2압축통로(29b) 상에는 제2이산화탄소 압축기(28e) 및 후단 냉각기(28g)가 설치된다. 제1 및 제2 이산화탄소 압축기(28d, 28e)는 이산화탄소 스트림을 대략 70bar의 압력까지 압축시킴으로써 고순도의 이산화탄소 정제 및 액화를 용이하게 할 수 있다. The first carbon dioxide compressor 28d and the after cooler 28f and the after cooler are installed on the integrated passage 28c, and the second carbon dioxide compressor 28e and the aftercooler 28g are installed on the second compression passage 29b. . The first and second carbon dioxide compressors 28d and 28e may facilitate high purity carbon dioxide purification and liquefaction by compressing the carbon dioxide stream to a pressure of approximately 70 bar.

통합통로(28c)의 하류측 단부는 증류탑(35) 측에 접속되고, 증류탑(35)의 하부에는 재비기(36, reboiler)가 설치되며, 재비기(36)에는 통합통로(28c)의 하류측 일부가 삽입되며, 통합통로(28c)의 하류측 단부에는 증류용 이산화탄소 통로(38)가 접속된다. 증류용 이산화탄소 통로(38) 상에는 냉각기(38a) 및 팽창밸브(38b)가 설치된다. The downstream end of the integrated passage 28c is connected to the distillation column 35 side, and a reboiler 36 is installed at the lower portion of the distillation column 35, and the reboiler 36 is downstream of the integrated passage 28c. A part of the side is inserted, and a distillation carbon dioxide passage 38 is connected to the downstream end of the integrated passage 28c. On the distillation carbon dioxide passage 38, a cooler 38a and an expansion valve 38b are provided.

증류용 이산화탄소 통로(38)의 일부가 열교환기(31)를 관통한 후에, 증류용 이산화탄소 통로(38)의 하류측 단부는 증류용 상분리기(34)의 입구측에 접속된다. 증류용 상분리기(34)의 상부에는 기상통로(34a)가 접속되고, 증류용 상분리기(34)의 하부에는 액상통로(34b)가 접속된다. 증류용 상분리기(34)의 기상통로(34a)에는 제1재순환통로(39)가 연결되고, 재순환통로(39)의 일부는 열교환기(31)를 관통하며, 제1재순환통로(39)의 하류측 단부는 배기가스 통로(21)의 일측에 합류되고, 증류용 상분리기(34)의 액상통로(34b)는 증류탑(35)의 입구측에 접속된다. After a part of the distillation carbon dioxide passage 38 passes through the heat exchanger 31, the downstream end of the distillation carbon dioxide passage 38 is connected to the inlet side of the distillation phase separator 34. The gas phase passage 34a is connected to the upper portion of the distillation phase separator 34, and the liquid phase passage 34b is connected to the lower portion of the distillation phase separator 34. The first recirculation passage 39 is connected to the gas phase passage 34a of the distillation phase separator 34, a part of the recirculation passage 39 passes through the heat exchanger 31, and the first recirculation passage 39 The downstream end portion is joined to one side of the exhaust gas passage 21, and the liquid phase passage 34b of the distillation phase separator 34 is connected to the inlet side of the distillation column 35.

증류탑(35)의 상부에는 제1재순환통로(39)가 접속되고, 제1재순환통로(39)의 일측에는 증류용 상분리기(34)의 기상통로(34a)가 합류된다. 제1재순환통로(39)는 열교환기(31)를 관통한 후에 배기가스 통로(21)의 일측에 합류되고, 이에 증류탑(35) 및 증류용 상분리기(34)에서 분리된 기체 상태의 배기가스는 배기가스 통로(21)를 통해 이송되면서 열교환기(31)에서 상온으로 열교환된 후에 이산화탄소 정제유닛(30)측으로 재순환됨으로써 이산화탄소의 회수율이 높아지는 장점이 있다. The first recirculation passage 39 is connected to the upper portion of the distillation column 35, and the gas phase passage 34a of the distillation phase separator 34 is joined to one side of the first recirculation passage 39. The first recirculation passage 39 is joined to one side of the exhaust gas passage 21 after passing through the heat exchanger 31, and the exhaust gas is separated from the distillation column 35 and the distillation phase separator 34. Since the heat is transferred through the exhaust gas passage 21 at room temperature in the heat exchanger 31 and then recycled to the carbon dioxide purification unit 30 side, the recovery rate of carbon dioxide is increased.

이러한 구성에 의해, 제1 및 제2 이산화탄소 스트림 각각은 제1 및 제2 압축통로(28a, 28b)를 통해 이송되면서 제1 및 제2 이산화탄소 압축기(28d, 28e)에 의해 대략 70bar까지 압축되고, 이렇게 압축된 기체 상태의 이산화탄소 스트림은 재비기(36) 내의 통합통로(28c) 및 증류용 이산화탄소 통로(38)를 통해 이송되며, 기체 상태의 이산화탄소스트림은 냉각기(38a)를 거치면서 약 15~20℃ 정도로 냉각되어 액체 상태로 상변화된 후 열교환기(31)를 거치면서 약 5~10℃로 추가 냉각(sub-cooling)되고, 팽창밸브(38a)를 거치면서 약 30~35bar의 압력으로 팽창된 후에 증류용 상분리기(34)로 유입된다. 그 후에, 이산화탄소 스트림은 증류용 상분리기(34) 내에서 기액분리가 일어나 기상통로(34a) 및 액상통로(34b)를 통해 분리되고, 액상통로(34b)를 통과한 액체 상태의 이산화탄소 스트림은 증류탑(35) 내로 유입된다. 증류탑(35) 내로 유입된 액체 상태의 이산화탄소 스트림은 재비기(36)에 의해 증류된다. 이때, 재비기(36) 내의 통합통로(28c)로 유입된 기체 상태의 이산화탄소는 재비기(36) 내에 수용된 액체 상태의 이산화탄소 스트림을 증류시키기 위한 열원으로 작용함으로써 기체 상태의 이산화탄소는 예비 냉각된 후에 냉각기(38a)를 거치게 되고, 이에 그 상변화작용이 보다 용이해질 수 있다. 증류탑(35)의 증류작용에 의해 이산화탄소 이외의 불순물들이 기화되어 제1재순환통로(39)측으로 분리되고, 증류탑(35)의 하부측에서 99 vol% 이상의 고순도 액상 이산화탄소(100)를 생산할 수 있다. With this configuration, each of the first and second carbon dioxide streams is compressed to approximately 70 bar by the first and second carbon dioxide compressors 28d and 28e while being transported through the first and second compression passages 28a and 28b, The compressed gaseous carbon dioxide stream is conveyed through the integrated passage 28c and distillation carbon dioxide passage 38 in the reboiler 36, and the gaseous carbon dioxide stream passes through the cooler 38a about 15-20. After being cooled to about ℃ and phase-changed to a liquid state, it is further sub-cooled to about 5 ~ 10 ℃ while passing through the heat exchanger (31), and expanded to a pressure of about 30 ~ 35 bar while passing through the expansion valve (38a) It is then introduced into the distillation phase separator 34. Thereafter, the carbon dioxide stream is separated through the gas phase passage 34a and the liquid phase passage 34b by gas-liquid separation in the distillation phase separator 34, and the liquid carbon dioxide stream passing through the liquid phase passage 34b is a distillation column. (35) flows into. The liquid carbon dioxide stream introduced into the distillation column 35 is distilled by the reboiler 36. At this time, the gaseous carbon dioxide introduced into the integrated passage 28c in the reboiler 36 serves as a heat source for distilling the liquid carbon dioxide stream contained in the reboiler 36, so that the gaseous carbon dioxide is precooled. Passing through the cooler 38a, the phase change action may be easier. Impurities other than carbon dioxide are vaporized by the distillation of the distillation column 35 to be separated to the first recirculation passage 39, and high purity liquid carbon dioxide 100 of 99 vol% or more may be produced at the lower side of the distillation column 35.

한편, 제2상분리기(33)의 기상통로(33b)를 통해 배출되는 벤트가스 스트림은 약 20~25 vol%의 이산화탄소를 함유하고, 이러한 벤트가스 스트림은 벤트가스 통로(45)를 통해 이송된다. Meanwhile, the vent gas stream discharged through the gas phase passage 33b of the second phase separator 33 contains about 20 to 25 vol% of carbon dioxide, and the vent gas stream is transferred through the vent gas passage 45. .

그리고, 벤트가스 통로(45) 상에는 하나 이상의 흡착유닛(41)이 설치되고, 흡착유닛(41)은 압력스윙흡착(PSA), 멤브레인(membrane) 중에서 어느 하나로 구성되어 벤트가스 내에 함유된 이산화탄소를 효과적으로 흡착한다. 이러한 흡착유닛(41)은 벤트가스 내에 함유된 이산화탄소를 흡착함으로써 약 70~90 vol%의 이산화탄소를 함유한 이산화탄소 스트림과 정제된(이산화탄소가 제거된) 벤트가스 스트림으로 분리하도록 구성된다. In addition, at least one adsorption unit 41 is installed on the vent gas passage 45, and the adsorption unit 41 is configured by any one of pressure swing adsorption (PSA) and a membrane to effectively absorb carbon dioxide contained in the vent gas. Adsorb. The adsorption unit 41 is configured to adsorb the carbon dioxide contained in the vent gas into a carbon dioxide stream containing about 70 to 90 vol% carbon dioxide and a purified (carbon dioxide removed) vent gas stream.

흡착유닛(41)에는 약 70~90 vol%의 이산화탄소를 함유한 이산화탄소 스트림이 이송되는 제2재순환통로(46) 및 정제된 벤트가스 스트림이 이송되는 배출통로(41a)가 접속되어 있다. The adsorption unit 41 is connected to a second recirculation passage 46 through which a carbon dioxide stream containing about 70 to 90 vol% carbon dioxide is transferred, and a discharge passage 41a through which a purified vent gas stream is transferred.

제2재순환통로(46)의 하류측 단부는 배기가스 압축기(11)의 출구와 드라이어(12)의 입구 사이의 배기가스 통로(21)에 접속되고, 이에 제2재순환통로(46)를 통해 이송되는 이산화탄소 스트림은 배기가스 통로(21)의 배기가스 스트림과 합류된 후에 드라이어(12)를 거쳐 이산화탄소 정제유닛(30)측으로 재순환됨으로써 이산화탄소의 회수율을 더욱 증대시킬 수 있다. The downstream end of the second recirculation passage 46 is connected to the exhaust gas passage 21 between the outlet of the exhaust gas compressor 11 and the inlet of the dryer 12, and is thus transported through the second recirculation passage 46. The carbon dioxide stream may be recycled to the carbon dioxide purification unit 30 through the dryer 12 after joining the exhaust gas stream of the exhaust gas passage 21 to further increase the recovery rate of carbon dioxide.

또한, 재순환되는 이산화탄소 스트림은 벤트가스가 후술하는 터보익스팬더(50)의 팽창기(52)를 통과할 때 약 6-7bar로 팽창됨과 더불어 흡착유닛(41)을 통과하면서 최대 3bar의 압력강하가 일어나므로 이를 보상하기 위하여 제2재순환통로(46) 상에는 재순환용 압축기(43)가 설치된다. 이러한 재순환용 압축기(43)에 의해 재순환되는 이산화탄소 스트림은 배기가스 압축기(11)에서 배기가스가 압축되는 압력에 상응하는 압력만큼 압축된다. In addition, the recycled carbon dioxide stream expands to about 6-7 bar when the vent gas passes through the expander 52 of the turboexpander 50, which will be described later, and a pressure drop of up to 3 bar occurs while passing through the adsorption unit 41. In order to compensate for this, a recycling compressor 43 is installed on the second recycling passage 46. The carbon dioxide stream recycled by this recirculating compressor 43 is compressed by a pressure corresponding to the pressure at which the exhaust gas is compressed in the exhaust gas compressor 11.

배출통로(41a)의 일측은 드라이어(12)의 일측에 관통한 후에 연장되고, 이에 배출통로(41a)를 통해 이송되는 정제된 벤트가스 스트림은 드라이어(12)의 재생에 이용된 후에 외부로 배출된다. One side of the discharge passage 41a extends after passing through one side of the dryer 12, and thus the purified vent gas stream transferred through the discharge passage 41a is discharged to the outside after being used for regeneration of the dryer 12. do.

이와 같이, 본 발명은 증류탑(35)에서 분리되는 기체 상태의 배기가스 스트림 및 흡착유닛(41)의 흡착에 의해 포집된 이산화탄소 스트림을 이산화탄소 정제유닛(30)측으로 재순환시킴으로써 이산화탄소의 회수율을 기존 대비 8~10% 이상으로 증대시킬 수 있다. As such, the present invention recycles the recovery rate of carbon dioxide by recycling the exhaust gas stream separated from the distillation column 35 and the carbon dioxide stream collected by adsorption of the adsorption unit 41 to the carbon dioxide purification unit 30. Can be increased to -10% or more.

그리고, 배기가스 통로(21) 및 벤트가스 통로(45)를 가로질러 터보 익스팬더(50, turbo expander)가 설치되고, 터보 익스팬더(50)는 배기가스 스트림을 압축하는 압축기(51) 및 이 압축기(51)에 샤프트(53)를 매개로 연결되는 팽창기(52)로 구성된다. A turbo expander 50 is installed across the exhaust gas passage 21 and the vent gas passage 45, and the turbo expander 50 includes a compressor 51 for compressing the exhaust gas stream and a compressor ( And an inflator 52 connected to the shaft 53 via a shaft 53.

팽창기(52)는 벤트가스 통로(45)의 도중에 설치되며, 팽창기(52)의 입구에 인접하여 히터(45a)가 설치되고, 팽창기(52)의 출구에 인접하여 흡착유닛(41)이 설치된다. 히터(45a)는 벤트가스 스트림을 대략 100~150℃ 까지 가열하도록 구성되고, 히터(45a)는 일반적인 전열히터가 적용될 수도 있으나, 본 발명의 히터(45a)는 배기가스 압축기(11)에서 발생된 압축열을 회수하여 사용하도록 구성됨이 바람직할 것이다. 예컨대, 배기가스 압축기(11)로부터 히터(45a)측으로 배관이 연결되고, 이 배관을 통해 배기가스 압축기(11)의 토출열이 히터(45a)측으로 전달됨으로써 히터(45a)는 그 토출열에 의해 발열하도록 구성될 수 있다. The expander 52 is installed in the middle of the vent gas passage 45, the heater 45a is installed adjacent to the inlet of the expander 52, and the adsorption unit 41 is installed adjacent to the outlet of the expander 52. . The heater 45a is configured to heat the vent gas stream to approximately 100 to 150 ° C., and the heater 45a may be a general electrothermal heater, but the heater 45a of the present invention may be generated in the exhaust gas compressor 11. It would be desirable to be configured to recover and use the heat of compression. For example, a pipe is connected from the exhaust gas compressor 11 to the heater 45a side, and the heat of discharge of the exhaust gas compressor 11 is transferred to the heater 45a side through the pipe, so that the heater 45a generates heat by the discharge heat. It can be configured to.

이에, 히터(45a)에 의해 벤트가스 스트림이 100~150℃까지 가열된 후에 팽창기(52)로 유입되어 대략 6~7bar로 팽창됨에 따라 샤프트(53)를 회전구동시키고, 이 샤프트(53)의 회전구동에 의해 압축기(51)가 작동하고, 이러한 압축기(51)의 작동에 의해 배출통로(22)를 통해 이송되는 배기가스 스트림이 압축된다. 예컨대, 배기가스 압축기(11)가 배기가스 스트림을 20~25bar의 압력으로 1차 압축하면, 터보 익스팬더(50)의 압축기(51)는 배기가스 스트림은 대략 30~35bar의 압력으로 2차 압축하도록 구성될 수 있다. Accordingly, the vent gas stream is heated to 100 to 150 ° C. by the heater 45a and then flows into the expander 52 and expands to about 6 to 7 bar, thereby rotating and driving the shaft 53. The compressor 51 is operated by the rotational drive, and the operation of the compressor 51 compresses the exhaust gas stream conveyed through the discharge passage 22. For example, when the exhaust gas compressor 11 first compresses the exhaust stream to a pressure of 20 to 25 bar, the compressor 51 of the turbo expander 50 allows the exhaust stream to be secondarily compressed to a pressure of approximately 30 to 35 bar. Can be configured.

이와 같이, 본 발명은 터보 익스팬더(50)에 의해 벤트가스 스트림의 회수에너지를 배기가스 스트림의 압축에 활용하도록 구성됨으로써, 배기가스 스트림의 압축에 이용되는 전력 소모를 줄일 수 있고, 이를 통해 에너지 활용이 매우 유용한 장점이 있다. As described above, the present invention is configured to utilize the recovery energy of the vent gas stream by the turbo expander 50 to compress the exhaust gas stream, thereby reducing the power consumption used for the compression of the exhaust gas stream, thereby utilizing energy. This has a very useful advantage.

도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 이산화탄소 정제 및 액화장치를 도시한 도면이다. 2 is a view showing a carbon dioxide purification and liquefaction apparatus according to a second embodiment of the present invention.

도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예는, 벤트가스 내의 이산화탄소를 단계적으로 흡착할 수 있도록 2 이상의 흡착유닛(41, 42)이 벤트가스 통로(45) 상에 설치되는 것을 특징으로 한다. As shown, the second embodiment of the present invention is characterized in that two or more adsorption units 41 and 42 are installed on the vent gas passage 45 so as to gradually adsorb carbon dioxide in the vent gas.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 흡착유닛(41, 42)은 벤트가스 통로(45) 상에 직렬로 설치된 제1 및 제2 흡착유닛(41, 42)으로 구성된다. As shown in FIG. 2, the adsorption units 41 and 42 of the present invention are composed of first and second adsorption units 41 and 42 installed in series on the vent gas passage 45.

제1흡착유닛(41)은 벤트가스 내에 함유된 이산화탄소를 흡착함으로써 약 70~90 vol%의 이산화탄소를 함유한 이산화탄소 스트림과 정제된 벤트가스 스트림으로 분리하고, 제1흡착유닛(41)의 일측에는 제2재순환통로(46)가 접속되며, 이에 이산화탄소 스트림은 제2재순환통로(46)를 통해 이산화탄소 정제유닛(30)측으로 재순환된다. The first adsorption unit 41 adsorbs carbon dioxide contained in the vent gas to separate the carbon dioxide stream containing about 70 to 90 vol% of carbon dioxide and the purified vent gas stream, and on one side of the first adsorption unit 41. The second recycle passage 46 is connected, whereby the carbon dioxide stream is recycled to the carbon dioxide purification unit 30 through the second recycle passage 46.

그리고, 제1흡착유닛(41)에 의해 정제된 벤트가스 스트림은 벤트가스 통로(45)를 통해 제2흡착유닛(42) 측으로 유입되고, 제2흡착유닛(42)의 일측에는 배출통로(42a)가 접속되며, 배출통로(42a)는 드라이어(12)의 일측에 연결된다. 제2흡착유닛(42)의 타측에는 벤트가스 내의 이산화탄소를 제외한 기타 불순물을 별도의 사용처(49)로 안내하는 재활용 통로(48)가 접속되어 있다. The vent gas stream purified by the first adsorption unit 41 is introduced into the second adsorption unit 42 through the vent gas passage 45, and a discharge passage 42a is provided at one side of the second adsorption unit 42. ) Is connected, the discharge passage (42a) is connected to one side of the dryer (12). The other side of the second adsorption unit 42 is connected to a recycling passage 48 for guiding other impurities other than carbon dioxide in the vent gas to a separate place of use 49.

제2흡착유닛(42)은 벤트가스 스트림 내에 잔존하는 미량의 이산화탄소를 2차로 제거하여 이산화탄소가 거의 제거된 벤트가스 스트림과 이산화탄소 스트림으로 분리하고, 이산화탄소 스트림은 배출통로(42a)를 통해 드라이어(12)측으로 공급되어 드라이어(12)의 재생에 이용된 후에 외부로 배출되며, 이산화탄소가 거의 제거된 벤트가스 스트림은 재활용 통로(48)를 통해 발전소 또는 제철소의 특정 사용처(49)로 안내되어 다른 용도로 활용될 수 있다. 특히, 제2흡착유닛(42)은 벤트가스 내에서 이산화탄소를 제외한 질소, 산소, 아르곤 또는 일산화탄소와 같은 특정 불순물을 분리하도록 구성될 수 있고, 이에 벤트가스 내의 이산화탄소를 제외한 특정 불순물들을 재활용 통로(48)를 통해 특정의 사용처(49)로 공급할 수 있다. The second adsorption unit 42 secondly removes a small amount of carbon dioxide remaining in the vent gas stream into a vent gas stream and a carbon dioxide stream which are substantially free of carbon dioxide, and the carbon dioxide stream is drier 12 through the discharge passage 42a. And vented to the outside after being supplied to the dryer 12 for regeneration of the dryer 12, the vent gas stream, which is substantially free of carbon dioxide, is guided through a recycling passage 48 to a specific use 49 of the power plant or steel mill for other purposes. Can be utilized. In particular, the second adsorption unit 42 may be configured to separate specific impurities such as nitrogen, oxygen, argon or carbon monoxide except carbon dioxide in the vent gas, thereby recycling specific impurities other than carbon dioxide in the vent gas. Can be supplied to a specific use 49.

이러한 사용처(49)로는 예컨대, 순산소연소방식을 적용하는 발전소의 경우 공기분리장치(ASU, Air Separation Unit)가 될 수 있고, 이 경우 제2흡착유닛(42)은 벤트가스 내에서 이산화탄소를 제외한 질소, 산소, 아르곤 성분들을 분리하여 순산소연소의 공기분리장치측으로 공급함으로써 순산소의 생성효율을 증대시킬 수 있으며, 이렇게 공기분리장치측으로 공급되는 벤트가스는 공기의 조성과 유사하거나 공기보다 산소를 더 많이 포함할 수 있으며, 약 5~6bar의 압력을 가지기 때문에 압축된 원료공기로서 공기분리장치의 전력 소모량을 감소시킬 수 있다. Such a use 49 may be, for example, an air separation unit (ASU) in the case of a power plant using the oxy-fuel combustion method, in which case the second adsorption unit 42 excludes carbon dioxide from the vent gas. By separating nitrogen, oxygen, and argon components and supplying them to the air separation unit of oxy-fuel combustion, the generation efficiency of pure oxygen can be increased. It can contain more, and because it has a pressure of about 5 ~ 6bar can reduce the power consumption of the air separation device as compressed raw air.

또한, 사용처(49)는 제철소의 일산화탄소가 이용되는 다양한 공정일 수 있다. 특히, 본 발명의 제2흡착유닛(42)은 벤트가스 내의 일산화탄소를 고순도로 분리하여 일산화탄소가 이용되는 공정으로 공급할 수도 있다. In addition, the use 49 may be various processes in which carbon monoxide of the steel mill is used. In particular, the second adsorption unit 42 of the present invention may be supplied to a process in which carbon monoxide in the vent gas is separated with high purity.

이와 같이 본 발명은 벤트가스 내에서 이산화탄소를 제외한 다른 불순물을 적절히 분리하여 다양한 상업적으로 용도로 활용함으로써 재료 내지 에너지 낭비를 줄일 수 있는 장점이 있다. As such, the present invention has an advantage of reducing materials to energy waste by appropriately separating other impurities except carbon dioxide in the vent gas and using them for various commercial purposes.

그외 나머지 구성 및 작동은 선행하는 제1실시예와 유사 내지 동일하므로 자세한 설명은 생략한다. The rest of the configuration and operation are similar to or the same as in the first embodiment, so detailed description thereof will be omitted.

도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 이산화탄소 정제 및 액화장치를 도시한 도면이다. 3 is a view showing a carbon dioxide purification and liquefaction apparatus according to a third embodiment of the present invention.

도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예는 터보 익스팬더(50)가 제1 및 제2 압축통로(28a, 28b)가 합류하는 통합통로(28c)와 벤트가스 통로(45) 사이에 가로질러 설치되고, 터보 익스팬더(50)의 압축기(51)는 통합통로(28c)의 도중에 설치되며, 터보 익스팬더(50)의 팽창기(52)는 벤트가스 통로(45)의 도중에 설치되는 것을 특징으로 한다.As shown, the third embodiment of the present invention allows the turbo expander 50 to cross between the integrated passage 28c and the vent gas passage 45 where the first and second compression passages 28a and 28b join. The compressor 51 of the turbo expander 50 is installed in the middle of the integrated passage 28c, and the expander 52 of the turbo expander 50 is installed in the middle of the vent gas passage 45.

이에, 본 발명의 제3실시예에 의하면, 터보 익스팬더(50)의 압축기(51)가 제1이산화탄소 압축기(28d)와 제2이산화탄소 압축기(28e) 사이에 배치됨으로써 제1이산화탄소 압축기(28d)에 의해 압축되기 전의 예비 압축(pre-compression)의 용도로 활용됨으로써 이산화탄소의 정제효율을 보다 향상시킬 수 있다. Accordingly, according to the third embodiment of the present invention, the compressor 51 of the turbo expander 50 is disposed between the first carbon dioxide compressor 28d and the second carbon dioxide compressor 28e, thereby providing the first carbon dioxide compressor 28d. By the use of the pre-compression (pre-compression) before being compressed by it can further improve the purification efficiency of carbon dioxide.

도 4는 본 발명에 의한 이산화탄소 정제 및 액화방법을 도시한 공정도이다. Figure 4 is a process chart showing a carbon dioxide purification and liquefaction method according to the present invention.

도시된 바와 같이, 본 발명의 이산화탄소 정제 및 액화방법은 배기가스 압축단계(S1), 분리단계(S2), 증류단계(S3), 제1재순환단계(S4), 흡착단계(S5), 제2재순환단계(S6)로 이루어진다. As shown, the carbon dioxide purification and liquefaction method of the present invention is the exhaust gas compression step (S1), separation step (S2), distillation step (S3), the first recycle step (S4), adsorption step (S5), the second The recycling step (S6) is made.

이하에서는 본 발명의 이산화탄소 정제 및 액화방법을 도 1 내지 도 3을 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, the carbon dioxide purification and liquefaction method of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 3.

배기가스 압축단계(S1)는 배기가스 압축기(11)에 의해 배기가스 스트림을 대략 25~30bar의 압력으로 압축시키는 공정이다. The exhaust gas compression step S1 is a process of compressing the exhaust gas stream by the exhaust gas compressor 11 at a pressure of approximately 25-30 bar.

분리단계(S2)는 열교환기(31)에 의해 배기가스 스트림을 냉각시킨 후에 제1 및 제2 상분리기(32, 33)를 통해 액상의 이산화탄소 스트림과 벤트가스 스트림으로 분리하는 공정이다. Separation step (S2) is a process of cooling the exhaust gas stream by the heat exchanger 31 and then separating the liquid carbon dioxide stream and the vent gas stream through the first and second phase separators 32 and 33.

이러한 분리단계(S2)를 도 1 내지 도 3을 참조하여 보다 구체적으로 살펴보면, 배기가스 통로(21)의 하류 일부가 열교환기(31)를 관통함에 따라 배기가스 스트림은 열교환기(31)에 의해 약 -20~-30℃로 1차 냉각된 후에 제1상분리기(32)에 의해 대략 95~96 vol%의 순도를 가진 액체 상태의 제1이산화탄소 스트림이 제1액상통로(32b)를 통해 분리되고, 제1이산화탄소 스트림은 제1팽창밸브(32c)를 통과함에 따라 팽창하면서 그 온도가 저하된 후에 열교환기(31)를 거치면서 상온으로 열교환되며, 이에 제1이산화탄소 스트림은 다시 기체 상태로 상변화된다. 그리고, 1차로 이산화탄소가 분리된 배기가스 스트림은 제1기상통로(32a)를 통해 제2상분리기(33)측으로 이송되고, 배기가스 스트림은 제1기상통로(32a)를 통과하면서 열교환기(31)에 의해 약 -50~-55℃로 2차 냉각된 후에 제2상분리기(33)에 의해 대략 95~96 vol%의 순도를 가진 액체 상태의 제2이산화탄소 스트림이 제2액상통로(33b)를 통해 분리되고, 제2이산화탄소 스트림은 제2팽창밸브(33c)를 통과함에 따라 팽창하면서 그 온도가 저하된 후에 열교환기(31)를 거치면서 상온으로 열교환되며, 이에 제2이산화탄소 스트림은 다시 기체 상태로 상변화된다. Looking at this separation step (S2) in more detail with reference to Figures 1 to 3, as the downstream portion of the exhaust gas passage 21 passes through the heat exchanger (31) the exhaust gas stream by the heat exchanger (31) After first cooling to about -20 to -30 ° C, the liquid first carbon dioxide stream having a purity of approximately 95 to 96 vol% is separated by the first liquid phase passage 32b by the first phase separator 32. After the first carbon dioxide stream expands as it passes through the first expansion valve 32c and the temperature decreases, the first carbon dioxide stream is heat-exchanged to room temperature while passing through the heat exchanger 31. Is changed. In addition, the exhaust gas stream in which carbon dioxide is separated first is transferred to the second phase separator 33 through the first gas passage 32a, and the exhaust gas stream passes through the first gas passage 32a while passing through the first gas passage 32a. After the second cooling to about -50 ~ -55 ℃ by the second phase separator 33, a liquid second carbon dioxide stream having a purity of approximately 95 ~ 96 vol% is the second liquid passage (33b) The second carbon dioxide stream expands as it passes through the second expansion valve (33c) and the temperature decreases, and then heat exchanges to room temperature through the heat exchanger (31). Phase change to state

이와 같이, 본 발명은 배기가스 스트림이 열교환기(31)를 통해 2단계에 거쳐 냉각됨에 따라 열교환기(31)의 에너지 균형을 맞출 뿐만 아니라 배기가스를 이산화탄소의 삼중점(약 -56.6℃) 근처까지 냉각시킴으로써 이산화탄소의 회수율을 높일 수 있다. As such, the present invention not only balances the energy of the heat exchanger 31 as the exhaust gas stream is cooled through the heat exchanger 31 in two steps, but also exhaust gas to near the triple point (about -56.6 ° C.) of carbon dioxide. By cooling, the recovery rate of carbon dioxide can be increased.

증류단계(S3)는 상기 분리단계(S2)에서 분리된 제1 및 제2 이산화탄소 스트림을 압축 및 액화시킨 후에 증류시킴으로써 고순도의 액상 이산화탄소를 생성하는 공정이다. Distillation step (S3) is a process of producing a high-purity liquid carbon dioxide by distilling after compressing and liquefying the first and second carbon dioxide stream separated in the separation step (S2).

이러한 증류단계(S3)를 보다 구체적으로 살펴보면, 제1 및 제2 이산화탄소 스트림 각각은 제1 및 제2 압축통로(28a, 28b)를 통해 이송되면서 제1 및 제2 이산화탄소 압축기(28d, 28e)에 의해 대략 70bar까지 압축되고, 이렇게 압축된 기체 상태의 이산화탄소 스트림은 재비기(36) 내의 통합통로(28c) 및 증류용 이산화탄소 통로(38)를 통해 이송되며, 기체 상태의 이산화탄소스트림은 냉각기(38a)를 거치면서 약 15~20℃ 정도로 냉각되어 액체 상태로 상변화된 후 열교환기(31)를 거치면서 약 5~10℃로 추가 냉각(sub-cooling)되고, 팽창밸브(38a)를 거치면서 약 30~35bar의 압력으로 팽창된 후에 증류용 상분리기(34)로 유입된다. 그 후에, 이산화탄소 스트림은 증류용 상분리기(34) 내에서 기액분리가 일어나 기상통로(34a) 및 액상통로(34b)를 통해 분리되고, 액상통로(34b)를 통과한 액체 상태의 이산화탄소 스트림은 증류탑(35) 내로 유입된다. 증류탑(35) 내로 유입된 액체 상태의 이산화탄소 스트림은 재비기(36)에 의해 증류된다. 이때, 재비기(36) 내의 통합통로(28c)로 유입된 기체 상태의 이산화탄소는 재비기(36) 내에 수용된 액체 상태의 이산화탄소 스트림을 증류시키기 위한 열원으로 작용함으로써 기체 상태의 이산화탄소는 예비 냉각된 후에 냉각기(38a)를 거치게 되고, 이에 그 상변화작용이 보다 용이해질 수 있다. 증류탑(35)의 증류작용에 의해 이산화탄소 이외의 불순물들이 기화되어 제1재순환통로(39)측으로 분리되고, 증류탑(35)의 하부측에서 99 vol% 이상의 고순도 액상 이산화탄소(100)를 생산할 수 있다. Looking at this distillation step (S3) in more detail, each of the first and second carbon dioxide streams are passed through the first and second compression passages (28a, 28b) to the first and second carbon dioxide compressors (28d, 28e) Compressed to approximately 70 bar, and the compressed gaseous carbon dioxide stream is conveyed through the integrated passage 28c and distillation carbon dioxide passage 38 in the reboiler 36, and the gaseous carbon dioxide stream is cooled by the cooler 38a. After cooling through about 15 ~ 20 ℃ to phase change to a liquid state and then through the heat exchanger (31) further sub-cooling to about 5 ~ 10 ℃ (about 30, while passing through the expansion valve 38a) After being expanded to a pressure of ˜35 bar, it is introduced into the distillation phase separator 34. Thereafter, the carbon dioxide stream is separated through the gas phase passage 34a and the liquid phase passage 34b by gas-liquid separation in the distillation phase separator 34, and the liquid carbon dioxide stream passing through the liquid phase passage 34b is a distillation column. (35) flows into. The liquid carbon dioxide stream introduced into the distillation column 35 is distilled by the reboiler 36. At this time, the gaseous carbon dioxide introduced into the integrated passage 28c in the reboiler 36 serves as a heat source for distilling the liquid carbon dioxide stream contained in the reboiler 36, so that the gaseous carbon dioxide is precooled. Passing through the cooler 38a, the phase change action may be easier. Impurities other than carbon dioxide are vaporized by the distillation of the distillation column 35 to be separated to the first recirculation passage 39, and high purity liquid carbon dioxide 100 of 99 vol% or more may be produced at the lower side of the distillation column 35.

제1재순환단계(S4)는 증류단계(S3)에서 기화된 배기가스 스트림 및 증류용 상분리기(34)의 기상통로(34a)를 통해 배출되는 배기가스 스트림을 제1재순환통로(39)를 통해 배기가스 통로(21)측으로 합류시킴으로써 이산화탄소 정제유닛(30)측으로 재순환시키는 공정이다. The first recycle step (S4) is the exhaust gas stream vaporized in the distillation step (S3) and the exhaust gas stream discharged through the gas phase passage (34a) of the phase separator 34 for distillation through the first recycle passage (39). By joining the exhaust gas passage 21 side, it is a step of recycling to the carbon dioxide purification unit 30 side.

흡착단계(S5)는 이산화탄소 정제유닛(30)에서 배출되는 벤트가스 스트림 내의 이산화탄소를 흡착함으로써 이산화탄소 스트림 및 정제된 벤트가스 스트림으로 분리하는 공정이다. The adsorption step (S5) is a process of separating the carbon dioxide stream and the purified vent gas stream by adsorbing carbon dioxide in the vent gas stream discharged from the carbon dioxide purification unit 30.

이러한 흡착단계(S5)는 도 1과 같이 단일의 흡착유닛(41)에 의해 한 번의 흡착이 진행될 수도 있고, 이와 달리 도 2 및 도 3과 같이 2 이상의 흡착유닛(41, 42)에 의해 2번 이상의 단계적인 흡착이 진행될 수도 있다. In the adsorption step (S5), a single adsorption may be performed by a single adsorption unit 41 as shown in FIG. 1, or alternatively, twice by two or more adsorption units 41 and 42 as shown in FIGS. 2 and 3. The above step adsorption may proceed.

제2재순환단계(S6)는 흡착단계(S5)에서 흡착된 이산화탄소 스트림을 이산화탄소 정제유닛측으로 재순환시키는 공정으로, 이러한 제2재순환단계(S6)를 통해 이산화탄소 정제유닛 내에서 이산화탄소의 분리공정이 반복적으로 진행됨에 따라 이산화탄소의 회수율이 대폭 증진될 수 있다. 특히, 벤트가스 스트림 내의 이산화탄소를 2번 이상으로 단계적으로 흡착할 경우에는 이산화탄소의 회수율이 더욱 증대될 수 있다. The second recirculation step (S6) is a step of recycling the carbon dioxide stream adsorbed in the adsorption step (S5) to the carbon dioxide purification unit side, the separation process of carbon dioxide in the carbon dioxide purification unit repeatedly through this second recycle step (S6). As it progresses, the recovery of carbon dioxide can be greatly improved. In particular, when the carbon dioxide in the vent gas stream is adsorbed two or more times, the recovery rate of carbon dioxide may be further increased.

한편, 이러한 제2재순환단계(S6)에서, 도 1 내지 도 3과 같이 정제된 벤트가스 스트림을 배출통로(41a, 42a)를 통해 드라이어(12)측으로 공급하는 단계를 추가함으로써 드라이어(12)의 재생을 용이하게 할 수도 있다. On the other hand, in this second recirculation step (S6), by adding the step of supplying the purified vent gas stream to the dryer 12 through the discharge passage (41a, 42a) as shown in Figures 1 to 3 of the dryer (12) Playback can also be facilitated.

또한, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 배기가스 압축단계(S1)와 분리단계(S2) 사이에는 벤트가스 스트림의 팽창에 의해 생성되는 회수에너지를 이용하여 배기가스 스트림을 2차로 압축하는 추가 압축단계를 더 포함할 수 있다. In addition, as shown in Figures 1 and 2, between the exhaust gas compression step (S1) and the separation step (S2) of the exhaust gas stream by secondary compression using the recovery energy generated by the expansion of the vent gas stream. An additional compression step may be further included.

이러한 추가 압축단계를 도 1 및 도 2를 참조하여 구체적으로 살펴보면, 히터(45a)에 의해 벤트가스 스트림이 100~150℃까지 가열된 후에 팽창기(52)로 유입되어 대략 6~7bar로 팽창됨에 따라 샤프트(53)를 회전구동시키고, 이 샤프트(53)의 회전구동에 의해 압축기(51)가 작동하고, 이러한 압축기(51)의 작동에 의해 배출통로(22)를 통해 이송되는 배기가스 스트림이 압축된다. 예컨대, 배기가스 압축기(11)가 배기가스 스트림을 20~25bar의 압력으로 1차 압축하면, 터보 익스팬더(50)의 압축기(51)는 배기가스 스트림을 대략 30~35bar의 압력으로 2차 압축할 수 있다. Looking at this additional compression step in detail with reference to Figures 1 and 2, as the vent gas stream is heated to 100 ~ 150 ℃ by the heater (45a) is introduced into the expander 52 and expanded to approximately 6-7 bar Compressor 51 is operated by rotating the shaft 53 and rotating the shaft 53, and the exhaust gas stream which is conveyed through the discharge passage 22 by the operation of the compressor 51 is compressed. do. For example, if the exhaust gas compressor 11 first compresses the exhaust stream to a pressure of 20 to 25 bar, the compressor 51 of the turbo expander 50 may secondary compress the exhaust stream to a pressure of approximately 30 to 35 bar. Can be.

이와 달리, 도 3에 도시된 바와 같이, 분리단계(S2)와 증류단계(S3) 사이에 벤트가스 스트림의 팽창에 의해 생성되는 회수에너지를 이용하여 이산화탄소 스트림을 예비 압축하는 예비 압축단계를 더 포함할 수 있다. On the contrary, as shown in FIG. 3, the method further includes a preliminary compression step of preliminarily compressing the carbon dioxide stream by using recovery energy generated by expansion of the vent gas stream between the separation step S2 and the distillation step S3. can do.

이러한 예비 압축단계는, 터보 익스팬더(50)의 압축기(51)가 제1이산화탄소 압축기(28d)와 제2이산화탄소 압축기(28e) 사이에 배치됨으로써 제1이산화탄소 압축기(28d)에 의해 압축되기 전에 예비 압축(pre-compression)하여 이산화탄소의 정제효율을 보다 향상시킬 수 있다.In this preliminary compression step, the compressor 51 of the turbo expander 50 is preliminarily compressed before being compressed by the first carbon dioxide compressor 28d by being disposed between the first carbon dioxide compressor 28d and the second carbon dioxide compressor 28e. (pre-compression) can further improve the purification efficiency of carbon dioxide.

11: 배기가스 압축기 12: 드라이어
30: 이산화탄소 정제유닛 31: 열교환기
32, 33: 제1 및 제2 상분리기 34: 증류용 상분리기
35: 증류탑 36: 재비기11: exhaust gas compressor 12: dryer
30: carbon dioxide purification unit 31: heat exchanger
32, 33: first and second phase separators 34: distillation phase separators
35: distillation column 36: recycling

Claims (16)

배기가스 스트림이 이송되는 배기가스 통로의 도중에 설치되어 배기가스 스트림을 압축하는 배기가스 압축기;
상기 배기가스 압축기의 하류측에 설치되어 배기가스 스트림 내의 수분을 제거하는 드라이어;
상기 배기가스 스트림을 냉각하는 열교환기 및 상기 배기가스 스트림을 이산화탄소 스트림과 벤트가스 스트림으로 분리하는 제1 및 제2 상분리기를 구비한 이산화탄소 정제유닛; 및
상기 이산화탄소 정제유닛에 의해 분리된 이산화탄소 스트림을 증류하는 증류탑;을 포함하고,
상기 증류탑의 상부에는 제1재순환통로가 접속되고, 상기 제1재순환통로는 상기 배기가스 스트림의 일측에 합류되며,
상기 이산화탄소 정제유닛에는 벤트가스 스트림이 이송되는 벤트가스 통로가 연결되고, 상기 벤트가스 통로에는 벤트가스 스트림 내의 이산화탄소를 흡착하여 이산화탄소 스트림과 정제된 벤트가스 스트림으로 분리하는 하나 이상의 흡착유닛이 설치되며, 상기 흡착유닛의 일측에는 이산화탄소 스트림이 이송되는 제2재순환통로가 접속되고, 상기 제2재순환통로의 하류측 단부는 상기 배기가스 통로의 압축기와 드라이어 사이의 배기가스 통로에 접속되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 정제 및 액화장치.An exhaust gas compressor installed in the middle of the exhaust gas passage through which the exhaust gas stream is transported to compress the exhaust gas stream;
A dryer installed downstream of the exhaust gas compressor to remove moisture in the exhaust gas stream;
A carbon dioxide purifying unit having a heat exchanger for cooling the exhaust gas stream and first and second phase separators for separating the exhaust gas stream into a carbon dioxide stream and a vent gas stream; And
And a distillation column for distilling the carbon dioxide stream separated by the carbon dioxide purification unit.
A first recycle passage is connected to an upper portion of the distillation column, and the first recycle passage is joined to one side of the exhaust gas stream.
The carbon dioxide purifying unit is connected to a vent gas passage through which a vent gas stream is transferred, and the vent gas passage is provided with at least one adsorption unit for adsorbing carbon dioxide in the vent gas stream into a carbon dioxide stream and a purified vent gas stream. A second recirculation passage through which the carbon dioxide stream is transported is connected to one side of the adsorption unit, and a downstream end of the second recirculation passage is connected to the exhaust gas passage between the compressor and the dryer of the exhaust gas passage. Purification and Liquefaction Equipment. 제1항에 있어서,
상기 흡착유닛에는 정제된 벤트가스 스트림이 이송되는 배출통로가 접속되고, 상기 배출통로는 상기 드라이어 측에 연결되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 정제 및 액화장치.The method of claim 1,
And a discharge passage through which the purified vent gas stream is connected to the adsorption unit, and the discharge passage is connected to the dryer side. 제1항에 있어서,
상기 흡착유닛은 제1 및 제2 흡착유닛으로 구성되고, 상기 제1흡착유닛에는 제2재순환통로가 접속되며, 상기 제2흡착유닛의 일측에는 정제된 벤트가스 스트림이 이송되는 배출통로가 접속되고, 상기 제2흡착유닛의 타측에는 상기 벤트가스 스트림 내의 이산화탄소를 제외한 특정 불순물 성분을 분리하며, 상기 불순물 성분을 별도의 사용처로 안내하는 재활용 통로가 접속되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 정제 및 액화장치.The method of claim 1,
The adsorption unit is composed of a first and a second adsorption unit, a second recirculation passage is connected to the first adsorption unit, a discharge passage for transporting the purified vent gas stream is connected to one side of the second adsorption unit; And a recycling passage for separating specific impurity components other than carbon dioxide in the vent gas stream and guiding the impurity components to a separate place, on the other side of the second adsorption unit. 제1항에 있어서,
상기 제2재순환통로 상에는 재순환용 압축기가 설치되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 정제 및 액화장치.The method of claim 1,
A carbon dioxide purification and liquefaction apparatus is installed on the second recirculation passage recirculation compressor. 제1항에 있어서,
상기 배기가스 통로 및 벤트가스 통로를 가로질러 터보 익스팬더가 설치되고, 상기 터보 익스팬더는 상기 배기가스 통로 상에 설치된 압축기 및 상기 벤트가스 통로 상에 설치된 팽창기로 구성되며, 상기 압축기 및 팽창기는 샤프트를 매개로 연결되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 정제 및 액화장치.The method of claim 1,
A turbo expander is installed across the exhaust gas passage and the vent gas passage, and the turbo expander includes a compressor installed on the exhaust gas passage and an expander installed on the vent gas passage, and the compressor and the expander mediate the shaft. Carbon dioxide purification and liquefaction apparatus, characterized in that connected to. 제5항에 있어서,
상기 팽창기의 입구측에는 히터가 설치되며, 상기 히터는 상기 배기가스 압축기에서 발생되는 열을 회수하여 이용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 정제 및 액화장치. The method of claim 5,
A heater is installed at an inlet side of the expander, and the heater is configured to recover and use heat generated by the exhaust gas compressor. 제1항에 있어서,
상기 배기가스 통로의 하류측 단부는 제1상분리기의 입구측에 접속되고, 상기 제1상분리기의 상부에는 제1기상 통로가 접속되며, 상기 제1상분리기의 하부에는 제1액상 통로가 접속되고, 상기 제1상분리기의 제1액상통로는 상기 열교환기를 관통하며, 상기 제1액상통로의 하류측 단부에는 제1압축통로가 접속되며, 상기 제1액상통로 상에는 제1팽창밸브가 설치되고,
상기 제1상분리기의 제1기상통로는 상기 제2상분리기의 입구측에 접속되고, 상기 제2상분리기의 상부측에는 제2기상통로가 접속되며, 상기 제2상분리기의 하부측에는 제2액상통로가 접속되며, 상기 제2기상통로는 상기 열교환기를 관통한 후에 상기 벤트가스 통로측에 접속되고, 상기 제2액상통로는 열교환기를 관통하고, 사익 제2액상통로의 하류측 단부에는 제2압축통로가 접속되며, 상기 제2액상통로 상에는 제2팽창밸브가 설치되고,
상기 제1 및 제2 압축통로는 통합통로 측에 합류되고, 상기 통합통로 상에는 제1이산화탄소 압축기가 설치되며, 상기 제2압축통로 상에는 제2이산화탄소 압축기가 설치되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 정제 및 액화장치.The method of claim 1,
The downstream end of the exhaust gas passage is connected to the inlet side of the first phase separator, the first gas phase passage is connected to the upper portion of the first phase separator, and the first liquid phase passage is connected to the lower portion of the first phase separator. The first liquid passage of the first phase separator passes through the heat exchanger, and a first compression passage is connected to a downstream end of the first liquid passage, and a first expansion valve is installed on the first liquid passage. ,
The first gas phase passage of the first phase separator is connected to the inlet side of the second phase separator, the second gas phase passage is connected to the upper side of the second phase separator, and the second liquid phase is connected to the lower side of the second phase separator. A passage is connected, the second gas passage is connected to the vent gas passage after passing through the heat exchanger, the second liquid passage passes through a heat exchanger, and a second compression is provided at a downstream end of the wing second liquid passage. A passage is connected, and a second expansion valve is provided on the second liquid passage.
The first and second compression passages are joined to the integrated passage side, the first carbon dioxide compressor is installed on the integrated passage, the second carbon dioxide purification and liquefaction apparatus is installed on the second compression passage is installed. . 제7항에 있어서,
상기 통합통로 및 벤트가스 통로를 가로질러 터보 익스팬더가 설치되고, 상기 터보 익스팬더는 상기 통합통로 상에 설치된 압축기 및 상기 벤트가스 통로 상에 설치된 팽창기로 구성되며, 상기 압축기 및 팽창기는 샤프트를 매개로 연결되고, 상기 압축기는 상기 제1 및 제2 이산화탄소 압축기 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 정제 및 액화장치.The method of claim 7, wherein
A turbo expander is installed across the integrated passage and the vent gas passage, and the turbo expander includes a compressor installed on the integrated passage and an expander installed on the vent gas passage, and the compressor and the expander are connected via a shaft. Wherein the compressor is disposed between the first and second carbon dioxide compressors. 제8항에 있어서,
상기 팽창기의 입구측에는 히터가 설치되며, 상기 히터는 상기 배기가스 압축기에서 발생되는 열을 회수하여 이용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 정제 및 액화장치.The method of claim 8,
A heater is installed at an inlet side of the expander, and the heater is configured to recover and use heat generated by the exhaust gas compressor. 제7항에 있어서,
상기 증류탑의 하부에는 재비기가 설치되고, 상기 통합통로는 상기 재비기를 통과하며, 상기 통합통로의 하류측 단부에는 증류용 이산화탄소 통로가 설치되며, 상기 증류용 이산화탄소 통로 상에는 냉각기 및 팽창밸브가 설치되고, 상기 증류용 이산화탄소 통로의 하류측 단부에는 증류용 상분리기가 설치되며, 상기 증류용 상분리기의 상부에는 기상통로가 접속되고, 상기 증류용 상분리기의 기상통로는 상기 제1재순환통로에 합류되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 정제 및 액화장치.The method of claim 7, wherein
The lower part of the distillation column is provided with a reboiler, the integrated passage is passed through the reboiler, the downstream end of the integrated passage is installed a distillation carbon dioxide passage, a cooler and an expansion valve is installed on the distillation carbon dioxide passage, A distillation phase separator is installed at a downstream end of the distillation carbon dioxide passage, and a gas phase passage is connected to an upper portion of the distillation phase separator, and the gas phase passage of the distillation phase separator is joined to the first recirculation passage. Carbon dioxide purification and liquefaction apparatus. 삭제delete 배기가스 압축기, 이산화탄소 정제유닛, 증류탑을 가진 이산화탄소 정제 및 액화장치를 이용한 이산화탄소 정제 및 액화방법에 있어서,
배기가스 압축기에 의해 배기가스 스트림을 압축하는 배기가스 압축단계;
배기가스 스트림을 냉각하여 이산화탄소 스트림과 벤트가스 스트림으로 분리하는 분리단계;
상기 분리단계에서 분리된 이산화탄소 스트림을 압축 및 액화시킨 후에 증류하는 증류단계;
상기 증류단계에서 기화된 배기가스 스트림을 이산화탄소 정제유닛측으로 재순환시키는 제1재순환단계;
상기 벤트가스 스트림 내에서 이산화탄소를 흡착하여 이산화탄소 스트림과 정제된 벤트가스 스트림으로 분리하는 흡착단계; 및
상기 흡착단계에서 분리된 이산화탄소 스트림을 상기 배기가스 압축기의 출구측으로 재순환시키는 제2재순환단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 정제 및 액화방법.In the carbon dioxide purification and liquefaction method using an exhaust gas compressor, carbon dioxide purification unit, carbon dioxide purification and liquefaction apparatus having a distillation column,
An exhaust gas compression step of compressing the exhaust gas stream by the exhaust gas compressor;
A separation step of cooling the exhaust gas stream to separate the carbon dioxide stream and the vent gas stream;
A distillation step of distilling after compressing and liquefying the carbon dioxide stream separated in the separation step;
A first recycling step of recycling the exhaust gas stream vaporized in the distillation step to the carbon dioxide purification unit;
An adsorption step of adsorbing carbon dioxide in the vent gas stream into a carbon dioxide stream and a purified vent gas stream; And
And a second recycling step of recycling the carbon dioxide stream separated in the adsorption step to the outlet side of the exhaust gas compressor. 제12항에 있어서,
상기 배기가스 압축단계와 상기 분리단계 사이에는 상기 벤트가스 스트림의 팽창에 의해 생성되는 회수에너지를 이용하여 상기 배기가스 스트림을 추가적으로 압축하는 추가 압축단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 정제 및 액화방법.The method of claim 12,
Between the exhaust gas compression step and the separation step further comprises a further compression step of further compressing the exhaust gas stream by using the recovered energy generated by the expansion of the vent gas stream. . 제12항에 있어서,
상기 분리단계와 증류단계 사이에는 벤트가스 스트림의 팽창에 의해 생성되는 회수에너지를 이용하여 이산화탄소 스트림을 예비 압축하는 예비 압축단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 정제 및 액화방법.The method of claim 12,
And a preliminary compression step of preliminarily compressing the carbon dioxide stream by using the recovered energy generated by the expansion of the vent gas stream between the separation step and the distillation step. 제12항에 있어서,
상기 흡착단계는 상기 벤트가스 스트림 내의 이산화탄소를 2번 이상으로 흡착하여 이산화탄소 스트림 및 정제된 벤트가스 스트림으로 분리하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 정제 및 액화방법.The method of claim 12,
The adsorption step is characterized in that the carbon dioxide in the vent gas stream is adsorbed two or more times to separate the carbon dioxide stream and the purified vent gas stream. 제12항에 있어서,
상기 분리단계는,
상기 배기가스 스트림을 -20~-30℃로 1차 냉각시킨 후에 액체 상태의 제1이산화탄소 스트림 및 배기가스 스트림으로 분리하는 제1분리단계; 및
상기 제1분리단계에서 이산화탄소가 분리된 배기가스 스트림을 -50~-55℃로 2차 냉각시킨 후에 액체 상태의 제2이산화탄소 스트림 및 벤트가스 스트림으로 분리하는 제2분리단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 정제 및 액화방법.The method of claim 12,
The separation step,
A first separation step of separating the exhaust gas stream into a first carbon dioxide stream and an exhaust gas stream in a liquid state after the first cooling to -20 to -30 ° C; And
And a second separation step of separating the carbon dioxide separated exhaust gas stream in the first separation step into a second carbon dioxide stream and a vent gas stream in a liquid state after secondary cooling to -50 to -55 ° C. CO2 purification and liquefaction method.
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