KR20120002004A - 산성가스 분리 회수 장치 - Google Patents

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Abstract

개시된 본 발명의 산성가스 분리 회수 장치는, 산성가스가 포함된 연소가스와 흡수제를 향류 접촉시켜 산성가스 포화 흡수제를 생성하는 흡수탑 및 열에너지를 이용하여 상기 산성가스 포화 흡수제를 상기 산성가스와 상기 흡수제로 분리하여 재생하는 탈거탑을 포함하는 산성가스 분리 회수 장치에 있어서, 상기 흡수탑은 상단에 상기 흡수탑의 미반응 가스에 포함된 수분을 제거하는 수분제거기가 설치되며, 상기 수분제거기는, 한쪽 표면이 소수성 부분이고 다른 한쪽 표면이 친수성인 쌍극성 고분자 필름 재질로 구성된 복수의 배플을 포함한다.
본 발명에 따르면, 흡수탑 상단에 쌍극성 고분자 필름 재질의 배플로 구성된 수분제거기가 설치되어 있으므로, 흡수탑 이후에 수분제거기 및 보조펌프 등 추가 장치가 필요 없어 종래에 비하여 단순한 수분 회수 공정으로 전체 운전비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

산성가스 분리 회수 장치{APPARATUS FOR SEPARATING AND RECOVERING ACID GAS}
본 발명은 산성가스 분리 회수 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 쌍극성 고분자 필름 재질의 배플로 구성된 수분제거기를 포함하는 산성가스 분리 회수 장치에 관한 것 이다.
산업이 발달함에 따라 대기 중에 이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 황화수소(H2S), 황화카르보닐(COS) 등 산성가스의 농도가 증가하고, 이에 따라 지구 온난화 문제가 대두 되면서, 국제적으로 산성가스의 배출 및 처리에 대한 규제를 강화하여 지구 온난화 현상을 방지하기 위한 노력들이 이루어지고 있다.
지구 온난화 현상을 야기하는 산성가스 중 이산화탄소는 배출되는 산성가스의 50% 이상을 차지하고 있으므로 이산화탄소의 배출을 억제하는 기술에 대하여 많은 연구가 진행되고 있다.
이산화탄소의 배출을 억제하는 기술로는 이산화탄소 배출 감소를 위한 에너지 절약기술, 이산화탄소를 분리 회수하는 기술, 이산화탄소를 이용하거나 고정화시키는 기술, 이산화탄소를 배출하지 않는 신재생 에너지 기술 등이 있다.
이산화탄소를 분리 회수하는 기술로는 흡수법, 흡착법, 막분리법, 심냉법 등이 제안되고 있다. 흡수법은 흡수제를 사용하여 이산화탄소를 제거하는 방법으로, 효율과 안정성이 높고 대용량 가스를 처리하는 데 용이하며 저 농도 가스분리에 적합하기 때문에 대부분의 산업체 및 발전소에 용이하게 적용될 수 있다.
종래 산성가스 분리 회수 공정은 흡수탑에서 배가스를 흡수제와 접촉시켜 배가스의 산성가스가 흡수제에 흡수되게 한다. 흡수탑에서 산성가스를 흡수한 흡수제는 열교환기를 거쳐 탈거탑의 상부로 주입된다. 탈거탑은 리보일러를 통해 공급되는 열에너지를 이용하여 흡수제에 화학적으로 결합되어 있는 산성가스를 탈거시켜 흡수제를 재생시킨다. 탈거된 산성가스와 수증기의 혼합가스는 리플렉스 드럼에서 상분리된다. 분리된 수증기는 응축수로 회수되어 다시 탈거탑으로 공급되고, 산성가스는 산성가스 회수 및 처리 공정을 통해 저장 또는 다른 유용한 고부가 화학 물질로 전환된다. 탈거탑에서 재생된 흡수제는 열교환기를 거쳐 온도가 낮아진 후 흡수탑으로 이송된다.
그런데 종래 산성가스 분리 회수 공정에서는, 흡수탑 상단으로 배출되는 미반응 가스의 수분을 포집하기 위해서 흡수탑 이후에 수분제거기 및 보조 펌프를 설치하여 수분을 회수하였다. 따라서, 흡수액의 손실을 줄이기 위하여 추가적인 장치 및 운전 비용이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 쌍극성 고분자 필름 재질의 배플로 구성된 수분제거기를 흡수탑 상단에 설치한 산성가스 분리 회수 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 산성가스 분리 회수 장치는, 산성가스가 포함된 연소가스와 흡수제를 향류 접촉시켜 산성가스 포화 흡수제를 생성하는 흡수탑 및 열에너지를 이용하여 상기 산성가스 포화 흡수제를 상기 산성가스와 상기 흡수제로 분리하여 재생하는 탈거탑을 포함하는 산성가스 분리 회수 장치에 있어서, 상기 흡수탑은 상단에 상기 흡수탑의 미반응 가스에 포함된 수분을 제거하는 수분제거기가 설치되며, 상기 수분제거기는, 한쪽 표면이 소수성 부분이고 다른 한쪽 표면이 친수성인 쌍극성 고분자 필름 재질로 구성된 복수의 배플을 포함한다.
상기 소수성 부분은 폴리스티렌 또는 폴리프로필렌 계열의 폴리머이고, 상기 친수성 부분은 폴리메틸메타 아크릴레이트 또는 폴리우레탄 계열의 폴리머인 것이 바람직하다.
상기 배플은 상기 소수성 부분이 상기 흡수탑 하단으로 향하고, 상기 친수성 부분이 상기 흡수탑 상단으로 향하도록 배치되고, 상기 배플의 단수는 3단 내지 5단인 것이 좋다.
상기 배플의 직경은 상기 흡수탑 직경의 3/5 내지 4/5이고, 상기 배플의 간격는 상기 흡수탑 직경의 1/5 내지 1/4일 수 있다.
상기 배플은 상기 흡수탑 하단 방향으로 5ㅀ 내지 10ㅀ 기울어져 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 산성가스 분리 회수 장치는, 흡수탑 상단에 쌍극성 고분자 필름 재질의 배플로 구성된 수분제거기가 설치되어 있으므로, 흡수탑 이후에 수분제거기 및 보조펌프 등 추가 장치가 필요 없어 종래에 비하여 단순한 수분 회수 공정으로 전체 운전비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 산성가스 분리 회수 장치의 공정도이다.
도 2는 도 1의 흡수탑의 정면 구성도이다.
도 3은 도 1의 흡수탑의 평면 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 산성가스 분리 회수 장치의 공정도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 산성가스 분리 회수 장치는 흡수탑(210), 탈거탑260), 리보일러(270), 제1열교환기(250), 제2열교환기(252) 및 제1펌프(240), 제2펌프(242)를 포함한다.
상기 흡수탑(210) 상단에는 미스트제거기(220)와 수분제거기(230)가 설치되고, 흡수탑(210) 중단에는 충진물(280,282)이 설치되며, 흡수탑(210) 내부로 연소가스(100)와 흡수제가 공급된다. 연소가스(100)는 이산화탄소(CO2), 황화수소(H2S), 이산화황(SO2), 이산화질소(NO2) 및 황화카르보닐(COS) 중 적어도 하나의 산성가스를 포함하는 화학공정가스 또는 연소배기가스일 수 있다. 연소가스(100)는 흡수탑(210)에서 발생되는 압력강하를 극복하기 위하여 냉각장치(미도시)에 의해 냉각된 상태로 가스 블로어(미도시)를 통해 흡수탑(210) 하부로 공급되는 것이 바람직하다.
흡수제는 아민계, 아미노산염, 무기염류 용액, 암모니아수 등을 단독으로 사용할 수 있고 혼합하여 사용할 수도 있으며, 특별히 특정한 것에 제한되지 않는다. 이때 흡수제는 1~50 부피 분율 범위의 수용액으로 이용되는 것이 좋다.
흡수탑(210)에서 흡수제와 연소가스(100)는 향류(向流) 접촉된다. 흡수제는 연소가스(100) 중에 포함된 산성가스를 흡수하여 산성가스 포화 흡수제(104)를 생성한다. 산성가스 포화 흡수제(104)는 제1 펌프(240)와 제1열교환기(250)에 의해 예열된 상태로 탈거탑(260) 상부로 주입된다.
연소가스(100) 중 흡수제와 반응하지 않은 질소(N2), 산소(O2) 등 미반응 가스(102)는 흡수탑(210) 상단의 미스트 제거기(220)를 거치면서 충전물(280,282) 등 으로부터 발생되는 미스트가 제거되고, 수분제거기(230)을 통과한 후, 흡수탑(210) 상단 외부로 배출된다. 흡수탑(210)에서 발생되는 미스트는 그 크기가 50μm 내지 100μm로 크기 때문에 미스트 제거기(220)을 통해서 99% 이상 제거될 수 있다.
흡수탑(201)의 운전온도는 흡수제의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들면, 흡수탑(201)의 운전 온도는 25℃ 내지 60℃의 범위로 유지되는 것이 좋다.
상기 탈거탑(260)은 리보일러(270)가 제공하는 열 에너지를 이용하여 산성가스 포화 흡수제(104)를 산성가스(106)와 흡수제(108)로 분리한다. 탈거탑(260) 상부로 주입된 산성가스 포화 흡수제(104)는 탈거탑(260)의 하부로 이동하면서 탈거탑(260) 하부에 설치된 리보일러(270)가 제공하는 스팀 또는 열 에너지에 의하여 산성가스가 탈거되고 흡수제(108)로 재생된다.
산성가스와 배출수증기가 혼합된 혼합가스(106)는 열교환기(미도시)와 리플럭스 드럼(미도시)을 거치면서 응축수와 산성가스로 상분리된다. 산성가스는 회수 공정 또는 처리 공정으로 이송되어 저장 또는 용도에 따라 사용되고, 응축수는 리플럭스 드럼을 통하여 다시 탈거탑(260) 상부로 이송되어 탈거탑(260) 상부로 상승하는 혼합가스(106)에 존재하는 부유물을 세정한다. 재생된 흡수제(108)는 리보일러(270)로 공급되고, 제2펌프(242)와 제2열교환기(252)를 거쳐 온도가 낮아 진 후 흡수탑(210) 상부로 이송된다. 탈거탑(260)의 운전 온도는 흡수제의 종류에 따라서 달라질 수 있는 데, 예를 들면 탈거탑(260)의 운전 온도는 80℃ 내지 140℃의 범위로 유지되는 것이 좋다.
도 2는 도 1의 흡수탑의 정면 구성도이고, 도 3은 도 1의 흡수탑의 평면 구성도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 흡수탑(210)은 상단에 미반응 가스 배출구(216)와 재생 흡수제 공급구(218)가 형성되고, 하단에 연소가스 공급구(212)와 포화 흡수제 배출구(214)가 형성되어 있다.
흡수탑(210) 내부에는 액체 상태인 흡수제와 기체 상태인 연소가스의 접촉 효율을 향상시키기 위하여 충진물(280,282)이 설치되고, 충진물(280,282) 상부에 미스트 제거기(220)와 수분제거기(230)가 설치된다.
상기 수분제거기(230)는 미반응가스에 포함된 수분이 흡수탑(210) 내부에서 충분히 제거될 수 있도록, 한쪽 표면이 소수성 부분, 다른 한쪽 표면이 친수성인 쌍극성 고분자 필름 재질로 구성된 4단 내지 5단의 배플(232,234)을 포함한다. 배플(232,234)은 소수성 부분이 흡수탑(210) 하단으로 향하고, 친수성 부분이 흡수탑(210) 상단으로 향하도록 배치되는 것이 바람직하다.
쌍극성 고분자 필를 재질에서 친수성 부분은 폴리메틸메타 아크릴레이트 혹은 폴리우레탄 계열의 폴리머로 코팅되고, 소수성 부분은 폴리스티렌 혹은 폴리프로필렌 계열의 폴리머로 코팅되어 구성된다. 친수성 부분 및 소수성 부분의 폴리머는 모두 아민계열에 녹지 않으며, 100℃ 이하에서 사용이 가능하므로 흡수 공정의 장기 운용에서 우수한 운전 안정성을 제공한다.
미반응 가스(102)가 4단 내지 5단의 배플(232,234)을 통과하면서 배플(232)의 친수성 부분과 만나면 미반응 가스(102) 중 수분이 친수성 부분에 포집된 후 물방울 형태로 자라나다가 일정 크기 이상이 되면 흡수탑(210) 내부 하단으로 떨어지게 된다. 친수성 부분 반대쪽은 소수성 부분이기 때문에 위단의 배플(232)에서 떨어진 물방울은 하단의 배플(234)의 소수성 부분에 부착되지 않고 흡수탑(210) 내부로 흘러 떨어지게 된다.
배플(232,234)은 배플(232,234)에 의해 포집된 수분이 응집되어 흡수탑(210) 내부로 다시 떨어질 때 물방울의 흐름을 원활하게 하기 위하여 흡수탑(210)의 하단 방향으로 기울어 지도록 설치되는 것이 바람직하다. 배플(232,234)이 하단으로 향하는 각도는 5ㅀ 내지 10ㅀ 기울어지는 것이 좋다. 배플(232,234)의 기울어진 각도가 10ㅀ 이상인 경우로 너무 커지면, 상하 배플(232,234) 간의 간섭이 일어날 수 있고, 차압이 증가할 수 있다.
수분제거기(230) 내의 배플(232,234)의 직경 사이즈는 흡수탑(210) 직경(R)의 3/5 내지 4/5 범위로 하여 흡수제와 충분히 접촉되도록 유도 하면서 차압이 많이 걸리지 않도록 한다. 배플(232)과 배플(234)와 간격은 차압을 고려하여 흡수탑(210) 직경(R)의 1/5 내지 1/4 범위로 하는 것이 바람직하다.
<실시예 1>
흡수탑(210) 하단의 연소가스 공급구(212)를 통해 연소가스를 2.0m3/hr 유량으로 투입하였다. 연소가스의 온도는 연소기에서 나온 후 냉각기를 거치면서 40℃로 조절하였다. 흡수제는 상용인 모노에탄올 아민을 30wt% 사용하였고, 흡수제의 순환량은 100cc/min로 하고, 흡수탑(210)에 투입되는 흡수제의 온도는 40℃로 하였다.
흡수탑(210) 상단에는 표면이 쌍극성 고분자 필름 재질의 배플(232,234)로 구성된 수분제거기(230)를 설치하였다. 배플(232,234)의 단수는 5단으로 구성하여 가스 중의 수분이 충분히 흡수탑(210) 내부에서 제거될 수 있도록 구성하였다. 배플(232,234)의 직경은 흡수탑 직경의 3/5로 하였다.
쌍극성 고분자 필름은 한쪽은 소수성 다른 한쪽은 친수성을 가지는 필름으로써, 친수성 부분은 폴리메틸메타 아크릴레이트 계열의 폴리머로 코팅되고, 소수성 부분은 폴리프로필렌 계열의 폴리머로 코팅하여 배플(232)을 구성하였다.
이 후 흡수탑(210)을 통과한 미반응가스(102)가 수분제거기(230)를 통과하도록 한 후 흡수탑(210) 외부에 추가로 설치된 상용 막분리 수분제거기에 포집되는 수분의 양을 측정하였다. 공정 운전 시간은 연속적으로 5시간 운전하였으며 그 결과를 표 1에 나타내었다.
<실시예 2>
상기 실시예 1에서 흡수탑(210) 상단에 설치된 수분제거기(230)의 재질이 친수성부분은 폴리메틸메타 아크릴레이트 계열의 폴리머로 코팅되어 있고, 소수성 부분은 폴리스티렌 계열의 폴리머로 코팅된 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 얻은 흡수탑(210) 외부로 배출되는 수분의 양을 표 1에 나타내었다.
<실시예 3>
상기 실시예 1에서 흡수탑(210) 상단에 설치된 수분제거기(230)의 배플(232,234)의 개수가 3개인 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 얻은 흡수탑(210) 외부로 배출된 수분의 양을 표 1에 나타내었다.
<비교예 1>
상기 실시예 1에서 흡수탑(210) 상단에 본 실시예에 따른 수분제거기(230)가 설치되지 않은 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하여 얻은 흡수탑(210) 외부로 배출된 수분의 양은 표 1과 같다.
실시예/비교예 흡수탑 내부 신규 수분제거기 설치 유무 흡수탑 외부 막분리 수분제거기에 포집된 수분량 5시간 운전 후(ml)
실시예 1 유 25
실시예 2 유 24
실시예 3 유 52
비교예 1 무 120
표 1을 참조하여, 실시예 1 내지 실시예 3과 비교예 1을 비교하여 보면, 흡수탑(210) 외부 막분리 수분제거기에 포집된 수분량이 적게 나온 것을 확인할 수 있었다. 소수성 막의 종류에 따라서는 포집된 수분량의 차이가 크지 않지만 실시예 3의 경우와 같이 배플(232)의 수가 작아지는 경우 외부 막분리 수분제거기에 포집된 수분량이 증가하므로 흡수탑(210) 내부에 설치된 수분제거기(230)에서 포집되는 수분의 양이 적어짐을 확인할 수 있었다.
이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
210: 흡수탑 220: 미스트제거기
230: 수분제거기 240: 제1펌프
242: 제2펌프 250: 제1열교환기
252: 제2열교환기 260: 탈거탑
270: 리보일러

Claims (7)

  1. 산성가스가 포함된 연소가스와 흡수제를 향류 접촉시켜 산성가스 포화 흡수제를 생성하는 흡수탑 및 열에너지를 이용하여 상기 산성가스 포화 흡수제를 상기 산성가스와 상기 흡수제로 분리하여 재생하는 탈거탑을 포함하는 산성가스 분리 회수 장치에 있어서,
    상기 흡수탑은 상단에 상기 흡수탑의 미반응 가스에 포함된 수분을 제거하는 수분제거기가 설치되며,
    상기 수분제거기는, 한쪽 표면이 소수성 부분이고 다른 한쪽 표면이 친수성인 쌍극성 고분자 필름 재질로 구성된 복수의 배플을 포함하는 산성가스 분리 회수 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소수성 부분은 폴리스티렌 또는 폴리프로필렌 계열의 폴리머이고,
    상기 친수성 부분은 폴리메틸메타 아크릴레이트 또는 폴리우레탄 계열의 폴리머인 것을 특징으로 하는 산성가스 분리 회수 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 배플은 상기 소수성 부분이 상기 흡수탑 하단으로 향하고, 상기 친수성 부분이 상기 흡수탑 상단으로 향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 산성가스 분리 회수 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 배플의 단수는 3단 내지 5단인 것을 특징으로 하는 산성가스 분리 회수 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 배플의 직경은 상기 흡수탑 직경의 3/5 내지 4/5인 것을 특징으로 하는 산성가스 분리 회수 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 배플의 간격는 상기 흡수탑 직경의 1/5 내지 1/4인 것을 특징으로 하는 산성가스 분리 회수 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 배플은 상기 흡수탑 하단 방향으로 5ㅀ 내지 10ㅀ 기울어져 설치되는 것을 특징으로 하는 산성가스 분리 회수 장치.
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