KR101460289B1 - 입자건조가 가능한 이산화탄소 포집시스템 - Google Patents

입자건조가 가능한 이산화탄소 포집시스템 Download PDF

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이창근
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조성호
박영철
문종호
이동호
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Abstract

본 발명은 포집된 고온의 이산화탄소를 유동화가스로 이용하여 입자를 건조시킬 수 있는 입자건조가 가능한 이산화탄소 포집시스템에 관한 것으로, 원가스로부터 이산화탄소만을 분리하여 배출하는 이산화탄소 포집장치; 및 상기 이산화탄소 포집장치에서 얻어진 이산화탄소를 유동화가스로 이용하는 유동화 건조장치를 포함한다.

Description

입자건조가 가능한 이산화탄소 포집시스템{CO2 capturing system with drying materials}
본 발명은 입자건조가 가능한 이산화탄소 포집공정 및 포집시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 포집된 고온의 이산화탄소를 유동화가스로 이용하여 입자를 건조시킬 수 있는 입자건조가 가능한 이산화탄소 포집시스템에 관한 것이다.
종래에 CO2회수 공정으로는 습식법에 의한 공정이 사용되었다. 즉, CO2를 포함하는 가스를 아민류 계통의 용액을 통과시켜 CO2를 흡수하게 하고 재생탑에서 그 용액을 재생하여 사용하는 방법이며, 이러한 습식법은 공정과정에 폐수가 추가로 발생되는 단점이 있다.
따라서 상기 습식법의 단점을 해소하기 위한 대안으로 건식법에 의한 CO2의 회수방법이 제안되었다. 상기 건식법을 이용한 시스템은 두개의 반응기를 이용하여 CO2를 회수하는 것으로, 회수반응기에 공급된 CO2를 고체흡수제(건식흡수제)에 흡착제거하고, 상기 고체흡수제는 재생반응기로 유입되어 흡착된 CO2를 제거하고, 전처리반응기에서 고체흡수제에 H2O를 흡습시켜 다시 회수반응기에 공급하는 과정으로 이루어진다(등록특허 제10-0527420호)
그러나, 이렇게 얻어진 CO2는 상당히 고온이어서, 다음의 공정에서 냉각시키는 과정을 거치게 된다. 따라서, 열에너지의 낭비가 발생하며 냉각을 위한 부가적인 에너지 손실이 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 습식법 또는 건식법으로 포집된 고온의 이산화탄소를 유동화가스로 이용하여 입자를 건조시킬 수 있는 입자건조가 가능한 이산화탄소 포집시스템을 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 원가스로부터 이산화탄소를 포집하는 단계; 및 상기 이산화탄소를 유동화가스로 하는 유동화 건조장치에서 피건조입자를 건조시키는 단계를 포함하는 입자건조가 가능한 이산화탄소 포집공정이다.
또, 상기 이산화탄소가 수분을 포함하면 유동화 건조장치의 공급전에 수분을 제거하는 단계를 추가적으로 포함하는 것도 가능하다.
그리고, 수분을 제거하기 전에 상기 유동화 건조장치의 내부에서 열교환을 거쳐 온도를 하강시키는 단계를 추가적으로 포함하는 것도 가능하다.
또 다른 발명은, 상술한 입자건조가 가능한 이산화탄소 포집공정을 이용한 이산화탄소 포집시스템에 관한 것으로, 원가스로부터 이산화탄소만을 분리하여 배출하는 이산화탄소 포집장치; 및 상기 이산화탄소 포집장치에서 얻어진 이산화탄소를 유동화가스로 이용하는 유동화 건조장치를 포함하고, 상기 유동화 건조장치는, 내부에 공간을 가지고, 피건조입자가 공급되는 입자공급부와 건조된 입자가 배출되는 입자배출부와 유동화가스가 배출되는 가스배출부가 형성되는 케이싱; 상기 케이싱의 내부 공간에 설치돼서 공간을 상하로 분할하는 복수의 분산홀을 가지는 베드; 상기 케이싱의 하부공간에 위치하고 상기 이산화탄소 포집장치와 연통돼서 상기 분산홀을 통해 유동화가스를 상향으로 공급하는 유동화가스챔버; 및 상기 이산화탄소 포집장치에 연결되어 이산화탄소가 공급되는 유동화가스공급관을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 이산화탄소 포집장치는, 원가스가 유입되어 흡착제를 유동화시켜서 원가스와 흡착제의 접촉에 의해 이산화탄소를 흡착제에 흡착시키는 흡착반응기; 상기 흡착반응기를 거친 흡착제와 잔존공기를 분리하는 제1싸이클론; 상기 제1싸이클론을 지난 흡착제로부터 재생가스의 주입을 통해 이산화탄소를 재생시키고, 재생된 흡착제를 다시 상기 흡착반응기로 공급하는 재생반응기; 및 상기 재생반응기로부터 배출되는 이산화탄소로부터 흡착제를 분리하여 상기 유동화건조장치에 공급하는 제2싸이클론을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 재생가스로 스팀을 사용하는 경우에는, 상기 제2싸이클론과 연결되는 유동화가스유입관을 경유하여 상기 케이싱의 상부공간인 건조챔버에 노출되는 열교환부; 상기 열교환부와 연결되는 유동화가스유출관; 및 상기 유동화가스유출관과 연결되어 유동화가스 내부의 수분을 제거하고 상기 유동화가스공급관과 연결되는 수분제거기를 더 포함할 수 있다.
본 발명을 통하여, 고온의 이산화탄소의 열을 사용하여 추가적인 건조작업을 할 수 있으므로 에너지효율을 증대시킬 뿐 아니라, 플랜트 전체의 부가가치를 높일 수 있는 장점이 있다.
또, 이산화탄소에 수분이 포함되어 있는 경우에는 열교환을 통해 상대습도를 올려서 수분제거가 용이하도록 하여, 수분제거에 따른 별도의 추가적인 에너지의 공급이 불필요한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 입자건조가 가능한 이산화탄소 포집시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1의 이산화탄소 포집시스템에서 사용되는 유동화 건조장치의 투과사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1에 도시된 도면부호 101은 이산화탄소 포집시스템을 지시하고, 도면부호 100은 본 발명의 이산화탄소 포집시스템에서 사용되는 유동화 건조장치를 지시한다.
상기 유동화 건조장치(100)는 내부에 고온의 유동화가스를 열교환하여 온도를 낮추는 것에 특징이 있다. 이러한 특징을 가지기 위하여, 상기 유동화 건조장치(100)는 내부에 공간을 가지고, 피건조입자가 공급되는 입자공급부(116)과 건조된 입자가 배출되는 입자배출부(118)와 유동화가스가 배출되는 가스배출부(122)이 형성되는 케이싱(102)과, 상기 케이싱(102)의 내부 공간에 설치돼서 공간을 상하로 분할하는 복수의 분산홀을 가지는 베드(104)와, 상기 베드(104)의 하부공간에 위치하고, 유동화가스공급관(114)이 연결돼서 상기 분산홀을 통해 유동화가스를 상향으로 공급하는 유동화가스챔버(108)를 포함하고, 동시에 열교환을 위하여 외부로부터 공급되는 유동화가스가 유입되는 유동화가스유입관(117)과, 상기 유동화가스유입관(117)과 연결되고 상기 케이싱(102)의 상부공간인 건조챔버(106)에 노출되는 열교환부(115)와, 상기 열교환부(115)과 연결되는 유동화가스유출관(113)과, 상기 유동화가스유출관(113)과 연결되어 유동화가스 내부의 수분을 제거하고 상기 유동화가스공급관(114)과 연결되는 수분제거기(138)를 포함한다.
상기 케이싱(102)은 고온에서 견딜 수 있는 SUS와 같은 금속소재로 이루어질 수 있으며, 내부의 열의 유출을 막아 에너지 효율을 높이도록 단열재로 커버될 수 있다.
상기 케이싱(102)는 상기 베드(104)에 의해 내부공간이 분할되며, 상기 베드(104) 하부의 공간은 유동화가스챔버(108)를 이루고, 상기 베드(104)의 상측은 피건조입자가 장입되는 건조챔버(106)가 된다. 상기 베드(104)는 복수의 분산홀이 형성되는 판으로써, 금속재질 등으로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 유동화가스챔버(108)에는 유동화가스공급관(114)이 연결되어, 유동화가스가 상기 유동화가스챔버(108) 내부를 채우면서 상기 베드(104)에 형성된 분산홀을 통해 상승하여 상기 베드(104) 상측의 공간으로 공급된다. 상기 유동화가스챔버(108) 내부는 챔버분할벽(110)이 형성되어 압력분포를 균일하게 할 수 있다.
상기 케이스(202)의 베드(104) 상측의 공간의 일측으로는 입자공급부(116)이 형성되어, 외부로부터 피건조입자가 공급된다. 상기 입자공급부(116)의 내부에는 입자공급의 원활을 위해 입자공급스크류가 설치될 수 있다.
또, 상기 케이스(202)의 베드(104) 상측의 공간의 타측으로는 입자배출부(118)가 형성되어, 건조된 입자가 배출된다. 본 발명에서 상기 입자배출부(118)는 상기 케이싱(102)의 외부로 돌출되어 하측을 향하는 관의 형태로 이루어졌다. 상기 입자배출부(118)의 높이는 상기 입자공급부(116)의 높이 이하로 하는 것이 연속적인 입자의 공급과 배출에 유리하다. 상기 입자배출부(118)에는 입자배출량을 조절하는 밸브가 설치될 수 있다.
그리고, 케이싱(102)의 상측으로는 가스배출부(122)가 형성되어, 입자의 유동화 및 건조를 수행한 유동화가스를 계속적으로 배출할 수 있다. 배출되는 유동화가스는 상당히 고온인 경우가 있고, 일정량의 입자를 포함하고 있으므로, 입자를 기체로부터 분리하는 집진기(126)에 의해 하는 것에 의해 고체입자를 분리하고, 나머지 기체는 열교환기에 의해 다른 공정의 열원으로 쓰거나, 유동화가스가 요구되는 온도까지 가열하여 유동화가스공급관(114)으로 피드백시켜 재사용하는 것도 가능하다.
상기 열교환부(115)는 기본적으로 유동화가스의 온도를 낮추는 역할을 하고, 동시에 상기 건조챔버(106) 내부의 온도를 상승시켜 건조효율을 향상시킬 수 있게 된다.
상기 열교환부(115)는 상기 유동화가스유입관(117)과 상기 유동화가스유출관(113)의 사이에서 상기 케이싱(102) 내부에 배치된다. 상기 열교환부(115)는 여러가지 형상이 고려될 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 코일형태로 감긴 열교환관을 사용하였다. 이 때, 상기 열교환부(115)는 열교환성능을 크게 하기 위해 부피를 팽창시켜 유동화가스의 이동속도를 낮추는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 열교환관의 단면은 상기 유동화가스유입관(117)보다 크게 하여 케이싱 내의 체류시간을 증대시키는 것이 바람직하다.
또, 상기 열교환부(115)가 복수의 열교환이 병렬로 배치되는 것도 가능하다. 이에 의해 상기 케이싱(102) 내부에서의 열교환면적을 넓힐 수 있다. 또는, 상기열교환부I(115)를 내부에 공간을 가지는 플레이트 형상으로 하는 것도 하다. 이와 같이, 상기 열교환부(115)는 다양한 형태를 가질 수 있으며 위에 열거한 것에 한정되지 않는다.
그리고, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 유동화가스유출관(113)과 연결되어 유동화가스 내부의 수분을 제거하고 상기 유동화가스공급관(114)과 연결되는 수분제거기(138)가 설치된다. 상기 수분제거기(138)에 공급되는 유동화가스는 최초의 유동화가스보다 온도가 떨어져 있으므로 상대습도가 올라가서 수분제거가 유리하다. 또, 최초의 유동화가스에 포함된 열량은 상기 케이싱(102) 내부에서 방출되므로, 이 방출된 열량은 피건조입자를 건조시키기 위하여 사용된다.
다만, 도 1에서 재생가스로 스팀을 사용하지 않는 경우 수분제거기(138)와 유동화가스공급기(136)는 생략될 수 있다.
또, 상기 케이싱(102)의 유동화가스챔버(108)에 연결되는 유동화가스공급관(114)에는 유동화가스공급기(136)가 설치될 수 있다. 상기 유동화가스공급기(136)는 유동화가스 내부의 이물질을 제거하는 필터 또는 유동화가스를 가압하여 공급하는 블로워가 포함될 수 있다.
본 발명에서 사용되는 유동화 건조장치(100)는 기본적으로 상술한 바와 같이 구성된다. 이하, 수평식 유동화 건조장치(100)을 가지는 입자건조시스템(101)을 이용한 이산화탄소포집시스템을 도 1을 이용하여 설명한다.
상기 유동화 건조장치(100)의 입자공급부(116)에는 입자공급호퍼(120)가 연결되어, 외부로부터 공급되는 피건조입자를 정량적으로 상기 케이싱(102) 내부에 공급할 수 있게 된다. 상기 입자공급호퍼(120)에서 상기 입자공급부(116)를 거쳐 상기 케이싱(102) 내부로 피건조입자를 이송하는 힘은 입자공급스크류에 의해 수행될 수 있으며, 그 밖의 다른 입자운송장치를 사용하는 것이 가능하다.
그리고, 상기 케이싱(102)의 가스배출부(122)는 집진기(126)와 연결돼서, 정제된 유동화가스만 여과가스방출관(128)을 통해 배출될 수 있다. 수집된 건조입자는 회수입자배출관(130)를 통해 배출될 수 있다.
그리고, 상기 케이싱(102)의 하부공간에 형성되는 유동화가스챔버(108)에는 유동화가스공급기(136)에 연결되는 유동화가스공급관(114)이 결합된다. 상기 유동화가스공급기(136)는 공지의 기술인 컴프레서 등을 사용할 수 있다.
상기 케이싱(102)의 내부에 설치되는 열교환부(105)로 공급되는 유동화가스는 외부의 장치 또는 플랜트로부터 공급된다. 본 발명의 경우, 이산화탄소포집장치가 상기 유동화가스유입관(117)과 연결된다. 물론 상술한 바와 같이, 재생가스로 수분을 사용하지 않는 경우에는 상기 이산화탄소포집장치가 직접 상기 유동화가스공급관(114)에 연결되는 것도 가능하다.
상기 이산화탄소포집장치(100)는 공지의 기술로써, 탄산칼륨과 같은 흡착제를 흡착반응기(10)와 재생반응기(14)를 순환시키면서, 배가스유입관(20)으로 공급되는 원가스에서 분리된 이산화탄소를 재생반응기(14)와 연결되는 제2사이클론(18)을 통해 배출한다. 도 1에서 도면부호 12는 흡착반응기(10)를 통과한 기체와 흡착제를 분리하는 제1싸이클론이고, 도면부호 16은 상기 재생반응기(14)로 재생가스를 공급하는 재생가스공급관이다. 상기 이산화탄소의 포집방법 및 포집장치는 위의 예시에 제한되는 것은 아니며 다양한 종류의 장치를 사용할 수 있다.
상기 입자배출부(118)의 주위에는 입자를 이송할 수 있는 이송수단이 배치되며, 본 명세서에서는 입자를 이송하기 위해 컨베이어(124)를 사용하였다. 따라서, 상기 컨베이어(124)가 관형상의 입자배출부(118)보다 하측에 위치한다. 그리고, 상기 회수입자배출관(130)도 상기 컨베이어(124) 상에 건조입자를 공급할 수 있도록 배치하는 것이 바람직하다.
상기 컨베이어(124)의 후단에는 건조된 입자를 일정한 모양(예를 들어, 펠렛 등)으로 성형하는 성형기(132)가 설치된다. 상기 성형기(132)는 연속동작을 위해 롤성형기로 제작되는 것이 바람직하다. 상기 성형기(132)의 아래에는 완성된 제품이 수집되는 저장부(134)가 배치된다.
따라서, 상기 입자공급호퍼(120)를 통해 피건조입자를 공급하면 상기 입자공급스크류(104)에 의해 피건조입자는 상기 케이싱(102) 내부로 공급되고, 상기 케이싱(102) 내부에 공급된 입자는 유동화가스공급관(114)을 통해 공급되는 유동화가스에 의해 유동화되며 진행하게 된다. 상기 입자배출부(118)로 건조된 입자가 연속적으로 배출되고, 상기 입자공급부(116)을 통해 피건조입자가 연속적으로 공급되는 것에 의해 건조입자의 연속생산이 가능하게 된다.
석탄입자의 경우에는 상기 컨베이어(124)의 후단에 설치되는 성형기(132)에 의해 펠렛 등의 형태로 제작되어, 상기 성형기(132) 후단의 저장부(134) 등으로 공급된다.
따라서, 이산화탄소 포집장치에서 배출되는 이산화탄소에 포함되어 있는 열에너지는 피건조입자를 건조시키는 것에 사용되므로 이산화탄소 포집공정에서 부가적인 건조공정을 추가할 수 있으며, 또 이로 인해 온도가 떨어진 이산화탄소는 다음의 공정으로 이동시 냉각 등의 과정을 생략하거나 냉각에 필요한 에너지 또는 시간을 줄일 수 있는 장점이 있다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 흡착반응기 12: 제1싸이클론
14: 재생반응기 16: 재생가스
18: 제2싸이클론 20: 배가스유입관
100: 유동화 건조장치 101: 입자건조시스템
102: 케이싱 104: 베드
106: 건조챔버 108: 유동화가스챔버
110: 챔버분할벽 113: 유동화가스유출관
114: 유동화가스공급관 115: 열교환부
116: 입자공급부 117: 유동화가스유입관
118: 입자배출부 120: 입자공급호퍼
122: 가스배출부 124: 컨베이어
126: 집진기 128: 여과가스방출관
130: 회수입자배출관 132: 성형기
134: 저장부

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 원가스로부터 이산화탄소만을 분리하여 배출하는 이산화탄소 포집장치; 및
    상기 이산화탄소 포집장치에서 얻어진 이산화탄소를 유동화가스로 이용하는 유동화 건조장치를 포함하고,
    상기 유동화 건조장치는,
    내부에 공간을 가지고, 피건조입자가 공급되는 입자공급부와 건조된 입자가 배출되는 입자배출부와 유동화가스가 배출되는 가스배출부가 형성되는 케이싱;
    상기 케이싱의 내부 공간에 설치돼서 공간을 상하로 분할하는 복수의 분산홀을 가지는 베드;
    상기 케이싱의 하부공간에 위치하고 상기 이산화탄소 포집장치와 연통돼서 상기 분산홀을 통해 유동화가스를 상향으로 공급하는 유동화가스챔버; 및
    상기 이산화탄소 포집장치에 연결되어 이산화탄소가 공급되는 유동화가스공급관을 포함하고,
    상기 이산화탄소 포집장치는,
    원가스가 유입되어 흡착제를 유동화시켜서 원가스와 흡착제의 접촉에 의해 이산화탄소를 흡착제에 흡착시키는 흡착반응기;
    상기 흡착반응기를 거친 흡착제와 잔존공기를 분리하는 제1싸이클론;
    상기 제1싸이클론을 지난 흡착제로부터 재생가스의 주입을 통해 이산화탄소를 재생시키고, 재생된 흡착제를 다시 상기 흡착반응기로 공급하는 재생반응기; 및
    상기 재생반응기로부터 배출되는 이산화탄소로부터 흡착제를 분리하여 상기 유동화건조장치에 공급하는 제2싸이클론을 포함하는 것을 특징으로 하는 입자건조가 가능한 이산화탄소 포집시스템.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서,
    상기 재생가스로 스팀을 사용하고,
    상기 제2싸이클론과 연결되는 유동화가스유입관을 경유하여 상기 케이싱의 상부공간인 건조챔버에 노출되는 열교환부;
    상기 열교환부와 연결되는 유동화가스유출관; 및
    상기 유동화가스유출관과 연결되어 유동화가스 내부의 수분을 제거하고 상기 유동화가스공급관과 연결되는 수분제거기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 입자건조가 가능한 이산화탄소 포집시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20110054948A (ko) * 2009-11-19 2011-05-25 한국에너지기술연구원 다단유동층 열교환기 형태의 재생반응기를 갖는 ｃｏ₂회수장치
KR101116832B1 (ko) 2010-06-30 2012-02-29 한국전력공사 석탄 건조 장치 및 이를 포함하는 석탄 고품위화 시스템

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