KR101304886B1 - 이산화탄소 흡수액 재생 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이산화탄소 흡수액 재생 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량의 연소공정 등으로부터 배출되는 연소배기가스 내에 함유된 이산화탄소를 흡수하는 흡수액을 재생하는 이산화탄소 흡수액 재생 장치에 관한 것이다.
본 발명에서는 이러한 이산화탄소 흡수액 재생 장치에 있어서, 에너지 비용를 절감하고, 설비를 단순화시키는 관점에서 개량된 이산화탄소 흡수액 재생 장치를 제공하고자 함을 목적으로 한다.
이에 따라 본 발명에서는 이산화탄소를 흡수한 흡수액을 저장하는 제1저장조와, 상기 흡수액을 가열하여 이산화탄소를 유리화시켜 재생된 흡수액을 생성하는 재생탑과, 상기 재생에서 유리화된 이산화탄소를 분리하는 분리 드럼과, 분리된 이산화탄소를 압축하는 다단의 압축기와, 상기 제1저장조로부터 배출되는 흡수액과 상기 압축기의 각 단에서 압축된 이산화탄소와의 열교환을 수행하는 열교환기와, 상기 열교환기에서의 열교환 후 흡수액의 온도를 검출하는 온도 센서와, 상기 온도 센서로부터 검출된 흡수액의 온도에 따라 열교환기를 통과하는 흡수제의 유량을 제어하는 유량계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수액 재생 장치를 제공한다.

Description

이산화탄소 흡수액 재생 장치{System for regenerating CO2 absorption solution}

본 발명은 이산화탄소 흡수액 재생 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량의 연소공정에서 배출되는 연소배기가스 내에 함유된 이산화탄소를 흡수하는 흡수액을 재생하는 이산화탄소 흡수액 재생 장치에 관한 것이다.

지구 온난화 문제의 심각성을 인식한 세계 각국은 1992년 브라질의 리우에 모여 지구 온난화의 주요 원인인 이산화탄소(CO₂)배출량을 2000년까지 1990년 수준으로 동결시키기로 하고, 규제 방안을 마련하기 위해 기후변화협약을 체결하였다. 이 협약은 1997년 교토의정서의 의해 이행방안이 구체화되었으며, 2001년 11월 7차 당사국 총회에서 교토의정서 이행방안이 최종 타결됨에 따라, 선진국(Annex 1 국가)의 온실가스 감축의무 부담방식이 확정되었고 현재 실행 중이다. 2007년 12월 13차 당사국 총회에서 논의된 결과에 의하면 우리나라는 2012년 이후에 자발적으로 참여하는 형태로 온실가스 감축의무 부담을 지게될 것으로 예상된다. 1990년부터 2004년까지 우리나라의 온실가스 배출증가율은 전세계 1위로 빠르게 증가하고 있으며 전체 배출량 중 생산공정 발생 온실가스의 양이 25%를 차지하고 있는 점을 고려할 때 이에 대한 저감방안 마련이 시급하다.

온실가스 배출량의 대부분을 차지하고 있는 CO₂배출량을 저감하기 위한 방법은 크게 에너지 소비량 저감, CO₂회수/저장, 대체에너지 사용 등으로 나눌 수 있으며, CO₂회수/저장 방법은 산업 활동 위축에 미치는 영향이 적고 회수한 이산화탄소의 재이용이 가능하다는 점 등의 장점이 있어 국내외에서 기술 개발이 활발히 진행 중이다.

CO₂회수 기술 중 화학 흡수법은 대부분의 생산공정에서 배출되는 연소배기가스내 이산화탄소 농도인 8~15% 내외의 낮은 CO₂농도조건에서도 높은 제거 효율을 가지면서 대유량의 배기가스 처리가 가능하여 흡착법이나 막분리 등과 같은 타 회수 기술에 비하여 경제성이나 공정 적용 용이성이 높은 것으로 평가받고 있다.

이러한 화학 흡수법을 이용한 이산화탄소 흡수액 재생 장치로서, 종래에는 흡수탑으로부터 이산화탄소가 흡수된 흡수액을 일정 온도 범위에서 가열하여 이산화탄소를 유리시켜 흡수액을 재생하는 한편, 이산화탄소를 분리 회수하는 장치가 사용되었다.

한편, 이러한 종래의 이산화탄소 흡수액 재생 장치를 개선한 것으로, 대한민국 등록특허 제0962871호에서는 이산화탄소를 고압으로 압축하는 과정에서 발생되는 열을 흡수액의 예열에 사용할 수 있도록 구성된 이산화탄소 흡수액 재생 장치를 제안한 바 있다.

첨부한 도 1은 상기 등록특허 제0962871호에서 제안된 이산화탄소 흡수액 재생 장치의 일실시예를 개략적으로 도시한 구성도이다.

이러한 종래의 이산화탄소 흡수액 재생 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 이산화탄소의 압축 과정에서 압축기로부터 발생하는 열 및 재생탑의 분리드럼에서 응축된 흡수액이 재생탑으로 환류될 때 폐열을 활용하여 추가적으로 예열을 수행함으로써, 재생탑 상층부의 열효율을 개선하는 방식으로 구성된다.

구체적으로, 도 1의 이산화탄소 흡수액 재생 장치에서는 대기압 상태의 흡수탑에 제공된 흡수액이 생산공정에서 배출되는 이산화탄소를 함유한 연소배기가스와 접촉되어 이산화탄소를 흡수하고, 이렇게 이산화탄소를 흡수한 흡수액은 저장조(10)에 저장되었다가(예를 들어 50℃ 전후) 예열을 위해 이산화탄소 압축기(11)로 송출한다.

송출된 상기 흡수액은 상기 이산화탄소 압축기(11)에 장착되어 있는 열교환기를 이용하여 이산화탄소 압축기(11)에서 이산화탄소가 압축될 때 발생되는 열을 회수(교환)하여(예를 들면 90℃ 전후) 고온 흡수액 유량조절조(12)로 송출된다.

상기 고온 흡수액 유량조절조(12)로 이송된 흡수액은 유량 조절을 위해 일정 시간 저장되었다가 제1열교환기(13)로 유동되고, 재생탑(15) 하단부에서 흡수액 가열기(17)를 통해 상기 흡수액보다 상대적으로 고온(예를 들어 100℃ 전후) 상태에서 방출되는 재생된 흡수액과 제1열교환기(13)에서 열교환을 하여 온도가 상승(예를 들어 97℃ 전후)되어 재생탑(15)의 상단부로 유입된다.

상기 재생탑(15) 상단부에 유입된 흡수액은 재생탑(15) 내에 충전부를 지나 하단부로 가면서 더욱 가열되어 이산화탄소가 유리되어 재생된다. 이때, 유리된 이산화탄소와 함께 일부 가열되어 증기화된 흡수액이 재생탑(15)의 상단부로 상승되어 배출되고, 냉각기를 거쳐 이산화탄소 압축기(11)에 의해 고압으로 압축되어 저장탱크(20)에 저장된다.

전술된 바와 같이 유리된 이산화탄소와 증기화된 흡수액은 99% 이상의 고농도 이산화탄소 상태로서 도 1에 도시된 바와 같이, 냉각기(16)에서 냉각되어 분리드럼(18)으로 전달되고 상기 분리드럼(18)에서 응축되어 온도가 하강하고(예를 들어 60℃ 전후), 상기 분리드럼(18)에서 응축된 흡수액은 제2열교환기(14)에서 제1열교환기(13)를 거쳐 이송되는 재생된 흡수액(예를 들어 92℃ 전후)과 열교환을 하고 온도가 상승(예를 들어 82℃ 전후)되어 재생탑(15) 상단부로 환류되어 유입된다. 그리고, 상기 제2열교환기(14)에서 재생된 흡수액은 흡수탑으로 송출되도록 구성된다.

그러나, 이러한 종래의 이산화탄소 흡수액 재생 장치를 이용하더라도, 여전히 흡수액의 재생에 매우 큰 에너지가 사용되고 있어, 이러한 공정 비용을 저감할 수 있는 이산화탄소 흡수액 재생 장치가 절실하게 요구되었다.

한편, 이러한 구성을 갖는 종래의 이산화탄소 흡수액 재생 장치의 경우, 이산화탄소를 고압으로 압축하기 위하여 다단의 압축기를 포함하도록 구성됨에 반하여, 이러한 압축기로부터의 열교환량이 서로 달라 흡수액의 온도가 상이해지는 문제점이 존재하였다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서는 이산화탄소 흡수액 재생 장치에 있어서, 에너지 비용를 절감하고, 설비를 단순화시킨 이산화탄소 흡수액 재생 장치를 제공하고자 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 이산화탄소를 흡수한 흡수액을 저장하는 제1저장조와; 상기 흡수액을 가열하여 이산화탄소를 유리화시켜 재생된 흡수액을 생성하는 재생탑과; 상기 재생에서 유리화된 이산화탄소를 분리하는 분리 드럼과; 분리된 이산화탄소를 압축하는 다단의 압축기와; 상기 제1저장조로부터 배출되는 흡수액과 상기 압축기의 각 단에서 압축된 이산화탄소와의 열교환을 수행하는 열교환기와; 상기 열교환기에서의 열교환 후 흡수액의 온도를 검출하는 온도 센서와; 상기 온도 센서로부터 검출된 흡수액의 온도에 따라 열교환기를 통과하는 흡수제의 유량을 제어하는 유량계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수액 재생 장치를 제공한다.

또한, 상기 열교환기를 통과한 고온의 흡수액을 저장하는 제2저장조를 더 포함하며, 상기 제2저장조에서 유리된 이산화탄소를 상기 압축기 측으로 송출하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수액 재생 장치를 제공한다.

또한, 상기 제2저장조로부터 배출되는 흡수액은 상기 재생탑으로부터 재생된 흡수액과 열교환되도록 구성된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수액 재생 장치를 제공한다.

또한, 상기 제2저장조로부터 배출되는 흡수액을 제3저장조를 더 포함하며, 상기 제3저장조에서 유리된 이산화탄소를 상기 압축기 측으로 송출하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수액 재생 장치를 제공한다.

또한, 상기 분리드럼으로부터 분리된 흡수액을 제1저장조로 송출하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수액 재생 장치를 제공한다.

또한, 상기 유량계는 상기 온도 센서로부터 검출된 흡수액의 온도에 따라 열교환기를 통과하는 이산화탄소의 유량을 제어하는 유량계인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수액 재생 장치를 제공한다.

여기서, 상기 압축기로부터 압축된 고압의 이산화탄소를 저장하는 이산화탄소 저장 탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수액 재생 장치를 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 온도센서와 유량조절기 같은 간단한 장치를 압축기 라인과 열교환하는 흡수제 라인에 설치함으로써, 고온의 압축 이산화탄소의 냉각 및 저온의 흡수제를 예열을 균일한 조건으로 제어할 수 있어, 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에서는 이러한 이산화탄소의 냉각 및 흡수제의 예열을 위하여 별도의 구성이 필요하지 않아 이산화탄소 흡수액 재생 장치의 구성을 단순화하고, 시설투자비를 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에서는 예열과정에서 유리되는 이산화탄소를 따로 분리하여 압축기를 거쳐 회수할 수 있도록 구성함으로써, 재생탑을 거치는 과정을 생략할 수 있어서 재생 공정 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 연소배기가스내의 이산화탄소를 흡수한 흡수 용액을 열 교환기를 이용해 재생하는 이산화탄소 흡수액 재생 장치의 개략적인 구성을 도시한 것이고,
도 2는 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 이산화탄소 흡수액 재생 장치의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.

본 발명은 이산화탄소 흡수액 재생 장치에 관한 것으로, 고온의 압축 이산화탄소와 흡수제의 열교환이 이루어지는 압축기 영역에서, 흡수제 라인에 설치된 온도 센서 및 유량계에 의하여 각각의 열교환기로 흐르는 흡수제의 유량을 조절함으로써 원하는 온도의 흡수제 온도를 구현할 수 있어 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 이산화탄소 흡수액 재생 장치를 제공한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 구현예에 따른 이산화탄소 흡수액 재생 장치에 관하여 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 이산화탄소 흡수액 재생 장치에서, 흡수제와 이산화탄소의 주요 흐름을 도시하면서, 이러한 흡수제와 이산화탄소의 흐름에서 기능하는 각각의 구성을 개략적으로 도시하고 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일구현예에 따른 이산화탄소 흡수액 재생 장치는 흡수탑, 저장조, 재생탑, 분리드럼, 다단의 압축기 및 이산화탄소 저장탱크를 포함하여 구성된다.

이러한 구성들로부터 구체적인 흡수제 및 이산화탄소의 흐름을 살펴보면, 흡수탑에서 이산화탄소를 흡수한 흡수제 용액은(예를 들어, 50 ℃ 전후) 분리 드럼(160) 앞 열 교환기(A)를 통해 재생탑에서 나온 고온의 이산화탄소와(예를 들어, 120 ℃ 전후) 만나 예열된 후 유량 조절을 위한 제1저장조(110)에 저장되고(예를 들어, 60 ℃ 전후), 이산화탄소 압축기(170)와의 열교환기로 보내진다.

한편, 본 발명에서는 도 2에서와 같이 고압의 압축 이산화탄소를 형성하기 위하여 설치된 다단 압축기(170)의 각 단에서 서로 다른 열교환량이 발생함에 따라 각 단의 열교환기를 거친 흡수제 용액(이하, 흡수액)이 균일한 온도 조건을 형성할 수 있도록 흡수제 라인에 유량계(120) 및 온도 센서(130)를 설치한다.

이러한 유량계(120) 및 온도 센서(130)는 압축기(170)의 각 단마다 압축 시 발생하는 열이 달라 온도 제어가 어려운 문제점으로 인하여, 재생탑에서 최적의 재생 온도로 재생이 이루어지지 못하는 것을 방지하기 위함이다.

따라서, 본 발명에서는 압축기 효율을 위한 압축 이산화탄소 냉각효과 및 열 교환 후 흡수액의 동일한 예열 온도를 구현하기 위하여 상기 유량계(120) 및 온도 센서(130)로부터 열 교환기(B)로 흘러가는 흡수액의 유량을 조절하게 된다.

상기 유량계(120) 및 온도 센서(130)는 도 2에 도시된 것처럼, 열교환기(B)의 전후로 배치되어, 열교환기를 거쳐 열교환된 흡수액의 온도를 측정하고, 이를 통해 상기 유량계(120)를 통해 열 교환기(B)를 통과하는 흡수액의 유량을 제어함으로써 원하는 흡수액의 온도를 유지할 수 있도록 구성된다.

한편, 도 2에서와는 달리, 상기 유량계는 이산화탄소의 압축 라인에 설치되어, 압축기(170)를 통과하여 압축되는 이산화탄소의 유량을 흡수액 라인의 온도 센서 검출값에 따라 조절함으로써 동일한 목적을 달성할 수 있도록 구현할 수 있다.

상술한 바와 같은 유량계 및 온도 센서에 의하여, 조건에 맞는 유량으로 이산화탄소 압축기(170)와 열 교환을 한 고온의 흡수액은(예를 들어, 90 ℃ 전후) 제2저장조(140)에 잠시 저장된다.

한편, 본 발명에서는 상기 제2저장조(140)에서 유리된 이산화탄소는 분리 드럼(160)과 압축기(170) 사이로 송출되어 재생탑을 거치지 않고 압축, 저장되는 과정을 거치게 된다.

유량조절조의 흡수액은 다시 재생탑 하단부의 더 고온(예를 들어, 100 ℃ 전후)에서 방출된 재생된 흡수용액과 열 교환기(C)를 통한 열 교환을 하고 온도가 상승되어(예를 들어, 97 ℃ 전후) 또 다른 고온 흡수액의 저장조인 제3저장조(150)에 저장되고, 여기서 유리된 이산화탄소는 상기 제2저장조(140)에서 유리된 이산화탄소와 마찬가지로 분리 드럼(160)과 압축기(170) 사이로 송출되어 압축, 저장된다.

따라서, 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수액 재생 장치에서는 상기 제2저장조(140) 및 제3저장조(150)로부터 유리된 이산화탄소를 재생탑을 거치지 않고 직접 압축기(170) 측으로 보냄으로써 해당되는 흡수액에 대한 재생탑에서의 공정을 제거할 수 있어, 매우 큰 에너지를 절감할 수 있게 된다.

한편, 상기 제3저장조(150)에 저장된 흡수액은 재생탑 상단부로 유입되고, 재생탑에서의 공정을 수행한다.

재생탑 상단부에 유입된 흡수액은 충전부를 지나면서 하단부로 갈수록 더 가열되면서 이산화탄소가 유리되고 흡수액은 재생되며, 유리된 이산화탄소는 증기화된 흡수액과 함께 재생탑 상단부로 배출되어 열 교환기(A)에서 냉각된 후 이산화탄소 압축기(170)에 의해 고압으로 압축되어 이산화 탄소 저장 탱크(180)에 저장된다.

유리된 이산화탄소와 함께 배출된 증기화된 흡수액은 열 교환기에서 냉각되고 분리 드럼(160)에서 응축되어 온도가 떨어져(예를 들어, 60 ℃ 전후) 재생탑에 도달하기 전 저장조로 송출되어 예열되는 과정을 거친 후 재생탑 상단부로 유입되도록 구성할 수 있다. 구체적으로, 상기 분리 드럼(160)으로부터 배출되는 흡수액은 도 2에 도시된 것처럼, 열교환기(A) 전 흡수탑으로부터 제1저장조(110)로 흐르는 흡수제 라인과 연결되어 상기 흡수탑으로부터의 흡수액과 동일한 예열 과정 등을 거친 다음, 재생탑 상단부로 유입되도록 구성할 수 있다.

본 발명의 도 2에서는 100 기압까지 이산화탄소를 압축함을 고려하여, 4단 압축기를 예시하였으나 본 실시형태의 이산화탄소 흡수액 재생방법을 적용할 수 있는 압축기의 종류와 단수에는 제한 없이, 다단의 압축기로 이산화탄소를 고압으로 압축하는 과정에서 발생되는 열을 회수할 수 있는 것이면 족하다.

또한, 본 발명에 의해 재생할 수 있는 흡수용액은 화학 흡수법에서 사용할 수 있는 것이면 포함되고 조성에 제한이 있는 것은 아니다.

이상에서와 같이, 본 발명은 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 요소들에 대한 수정 및 변경의 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 필수적인 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 특별한 상황들이나 재료에 대하여 많은 변경이 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명으로 제한되지 않으며, 첨부된 특허청구범위 내에서 모든 실시 예들을 포함할 것이다.

110: 제1저장조 120: 유량계
130: 온도 센서 140: 제2저장조
150: 제3저장조 160: 분리 드럼
170: 압축기 180: 이산화탄소 저장 탱크

Claims (7)

1. 이산화탄소를 흡수한 흡수액을 저장하는 제1저장조와;
   상기 흡수액을 가열하여 이산화탄소를 유리화시켜 재생된 흡수액을 생성하는 재생탑과;
   상기 재생에서 유리화된 이산화탄소를 분리하는 분리 드럼과;
   분리된 이산화탄소를 압축하는 다단의 압축기와;
   상기 제1저장조로부터 배출되는 흡수액과 상기 압축기의 각 단에서 압축된 이산화탄소와의 열교환을 수행하는 열교환기와;
   상기 열교환기에서의 열교환 후 흡수액의 온도를 검출하는 온도 센서와;
   상기 온도 센서로부터 검출된 흡수액의 온도에 따라 열교환기를 통과하는 흡수제의 유량을 제어하는 유량계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수액 재생 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 열교환기를 통과한 고온의 흡수액을 저장하는 제2저장조를 더 포함하며, 상기 제2저장조에서 유리된 이산화탄소를 상기 압축기 측으로 송출하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수액 재생 장치.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 제2저장조로부터 배출되는 흡수액은 상기 재생탑으로부터 재생된 흡수액과 열교환되도록 구성된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수액 재생 장치.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 제2저장조로부터 배출되는 흡수액을 제3저장조를 더 포함하며, 상기 제3저장조에서 유리된 이산화탄소를 상기 압축기 측으로 송출하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수액 재생 장치.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 분리드럼으로부터 분리된 흡수액을 제1저장조로 송출하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수액 재생 장치.
   
6. 삭제
7. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 압축기로부터 압축된 고압의 이산화탄소를 저장하는 이산화탄소 저장 탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수액 재생 장치.
   
   

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