KR102075463B1 - 산성 가스 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는 산성 가스의 분리 효율을 증대시키고, 재생탑에서의 스팀 사용량을 줄일 수 있는 산성 가스 처리 장치가 개시된다.
일 예로, 산성 가스를 포함한 혼합 가스를 공급받고, 내부의 흡수제와 상기 산성 가스의 반응을 유도하여 산성 가스 포화 흡수제를 생성하는 흡수탑; 상기 흡수탑의 산성 가스 포화 흡수제를 인가받고, 내부에 공급된 스팀을 통해 상기 산성 가스 포화가스로부터 산성 가스 및 흡수제를 분리하는 재생탑; 상기 재생탑에 연결되어 상기 흡수제를 증기와 분리하는 플래시 드럼; 상기 플래시 드럼의 증기를 가압하여 고온 고압의 증기로 변환시키는 압축기; 및 상기 압축기의 증기를 상기 재생탑에서 분기된 흡수제와 열 교환시키고 상기 재생탑에 공급하는 열 교환기를 포함하는 산성 가스 처리 장치가 개시된다.

Description

산성 가스 처리 장치{Apparatus and Method for Sour Gas Treating}
본 발명은 산성 가스의 분리 효율을 증대시키고, 재생탑에서의 스팀 사용량을 줄일 수 있는 산성 가스 처리 장치에 관한 것이다.
산업화가 시작된 19세기 초반부터 에너지 산업에서 사용되는 석탄, 석유, LNG 등의 화석연료의 사용 증가로 인하여 대기 중에 CO2, CH4, H2S, COS 등의 산성 가스 농도가 급격하게 증가하였다. 이러한 산성 가스, 특히 이산화탄소는 지구를 온난화시킨다는 것이 밝혀지면서, 세계적으로 배출 및 처리에 대한 규제가 엄격해지고 있다. 1992년 6월 브라질 리우에서 열린 환경과 개발에 관한 UN 회의를 통하여 지구온난화에 대한 국제적 관심을 불러 일으켰고, 미국과 일본을 포함한 선진국들은 지구온실가스 배출량을 1990년 대비 5.2% 감축하기로 합의하는 등 산성가스 저감방안에 대한 국제적 합의가 이루어지고 있다.
이산화탄소 배출 증가를 억제하기 위한 기술로서는, 이산화탄소 배출감소를 위한 에너지절약기술, 배출 가스로부터 이산화탄소의 포집 및 저장 기술(Carbon dioxide capture and storage: CCS), 이산화탄소를 이용하거나 고정화시키는 기술, 이산화탄소를 배출하지 않는 대체 에너지 기술 등이 있다.
그러나 이 중에서 CCS 기술은 발전소 및 산업시설에서 대량으로 나오는 온실 가스를 가장 효과적으로 처리할 수 있는 기술로 인식되어 G8 정상회담과 IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change) 및 IEA(International Energy Agency) 등 국제 유력기구에서 기술개발 및 활용을 적극적으로 독려하고 있다.
CCS 기술 중 포집기술이 전체 비용의 상당 부분을 차지하고 있으며, 지금까지 연구되고 있는 기술로는 흡수법, 흡착법, 막분리법, 심냉법 등이 현실성 있는 대안으로 제시되고 있다.
특히, 흡수법은 대용량의 가스를 처리하는데 용이하며, 저 농도의 가스분리에 적합하기 때문에 대부분의 산업체 및 발전소에의 적용이 용이하여 활용도가 높다.
본 발명은 산성 가스의 분리 효율을 증대시키고, 재생탑에서의 스팀 사용량을 줄일 수 있는 산성 가스 처리 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 산성 가스 처리 장치는 산성 가스를 포함한 혼합 가스를 공급받고, 내부의 흡수제와 상기 산성 가스의 반응을 유도하여 산성 가스 포화 흡수제를 생성하는 흡수탑; 상기 흡수탑의 산성 가스 포화 흡수제를 인가받고, 내부에 공급된 스팀을 통해 상기 산성 가스 포화가스로부터 산성 가스 및 흡수제를 분리하는 재생탑; 상기 재생탑에 연결되어 상기 흡수제를 증기와 분리하는 플래시 드럼; 상기 플래시 드럼의 증기를 가압하여 고온 고압의 증기로 변환시키는 압축기; 및 상기 압축기의 증기를 상기 재생탑에서 분기된 흡수제와 열 교환시키고 상기 재생탑에 공급하는 열 교환기를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 열 교환기를 통해 열 교환된 상기 재생탑에서 분기된 흡수제는 상기 재생탑으로 다시 공급될 수 있다.
그리고 상기 압축기의 운전 압력은 상기 재생탑의 운전 압력에 비해 0.1[barg] 내지 0.5[barg] 더 높을 수 있다.
또한, 상기 플래시 드럼의 운전 압력은 0.1[barg] 내지 1.0[barg]일 수 있다.
또한, 상기 플래시 드럼 내에 저장된 흡수제는 상기 흡수탑으로 재공급될 수 있다.
또한, 상기 흡수제가 상기 흡수탑으로 재공급되는 경로와 상기 흡수탑의 산성 가스 포화 흡수제가 상기 재생탑으로 공급되는 경로의 사이에 추가적인 열 교환기가 더 구비될 수 있다.
본 발명에 의한 산성 가스 처리 장치는 재생탑의 하부에 플래시 드럼을 구비하여, 흡수제로부터 분리된 증기를 가압기를 통해 고온 고압의 증기로 변환하고, 재생탑으로부터 분기된 흡수제와 고온 고압의 증기를 열 교환시키며, 증기와 흡수제를 재생탑에 다시 공급함으로써, 재생탑에서 사용되는 스팀 및 열 에너지를 줄여 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 산성 가스 처리 장치의 구성도이다.
도 2는 도 1의 장치를 따라 산성 가스가 처리되는 단계를 도시한 흐름도이다.
본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 산성 가스 처리 장치의 구성도이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 산성 가스 처리 장치(100)는 블로워(110), 흡수탑(120), 제 1 이송 펌프(130), 제 1 열교환기(140), 재생탑(150), 플래시 드럼(160), 압축기(170), 제 2 열교환기(180), 제 2 이송 펌프(190)를 포함한다.
상기 블로워(blower, 110)는 혼합 가스 공급 라인으로부터 산성 가스가 포함된 혼합 가스를 공급받는다. 또한, 상기 블로워(110)는 혼합 가스에 압력을 가하여 상기 흡수탑(120)의 하부로 전달한다.
상기 흡수탑(120)은 상기 블로워(110)로부터 공급받은 혼합 가스를 내부의 흡수제와 반대 방향으로 통과시켜, 상기 흡수제와 상기 산성 가스가 화학적으로 결합되도록 한다. 여기서, 상기 혼합 가스의 공급 방향은 상기 흡수탑(120)의 하부에서 상부를 향하는 방향이고, 상기 흡수제의 공급 방향은 상기 흡수탑(120)의 상부에서 하부를 향하는 방향일 수 있다. 또한, 상기 흡수탑(120)의 내부는 비정형 또는 정형 충진물을 구성하여, 기상의 산성 가스와 액상의 흡수제간 반응성을 향상시킬 수 있다. 상기 흡수제와 반응한 산성 가스를 제외한 나머지의 혼합 가스는 상기 흡수탑(120) 상부의 스크러버를 통과하며, 이 중 포함된 소량의 흡수제 및 수분은 스크러버에서 포집되어 상기 흡수탑(120)의 내부에서 재순환되고, 탈거가 이루어진 가스는 대기 중으로 배출된다. 상기 흡수탑(120)의 운전 온도는 사용되는 흡수제의 종류 및 산성 가스의 조성에 따라 달라질 수 있고, 통상 25[℃] 내지 60[℃]의 범위에서 운전이 이루어지고 있다.
상기 제 1 이송 펌프(130)는 상기 흡수탑(120)의 하부로부터 산성 가스 포화 흡수제를 공급받고, 이를 상기 재생탑(150)으로 이송한다. 다만, 상기 경로 상에는 상기 제 1 열 교환기(140)가 구비되어, 후술할 바와 같이 1차적 열 교환이 이루어질 수 있다.
상기 제 1 열교환기(140)는 상기 제 1 이송 펌프(130)를 통해 상기 흡수탑(120)으로부터 인가받은 산성 가스 포화 흡수제와 상기 제 2 이송 펌프(190)를 통해 플래시 드럼(160)로부터 인가받은 흡수제를 서로 열 교환시킨다. 따라서, 상대적 저온의 상기 산성 가스 포화 흡수제의 온도는 1차적으로 상승하여 상기 재생탑(150)에 공급되어 상기 재생탑에서 사용되는 스팀 또는 열 에너지의 사용량을 줄일 수 있다.
상기 재생탑(150)은 화학적으로 결합되어 있는 산성 가스와 흡수제로 구성된 산성 가스 포화 흡수제를 열 에너지를 통해 분리시키며, 상기 재생탑(150)의 내부에서 고순도의 산성 가스와 흡수제로 각각 분리될 수 있다.
보다 상세하게, 상기 재생탑(150)의 상부에 공급된 상기 산성 가스 포화 흡수제는 상기 재생탑(150)의 하부로 이동하고, 이 과정에서 상기 재생탑(150)의 하부에 위치한 리보일러(미도시)에서 발생되는 스팀 또는 열 에너지에 의하여 산성 가스가 탈거되고 상기 흡수제가 재생된다. 상기 재생탑(150)의 운전 온도는 흡수제의 종류 및 산성 가스 조성에 따라 달라질 수 있는데, 통상적으로 90[℃] 내지 140[℃]의 범위에서 운전이 이루어진다.
그리고 상기 재생탑(150)의 상부로는 증기(H2O) 성분을 포함한 탈거된 산성 가스가 냉각기(미도시)로 이동되며, 여기서 대부분의 증기는 냉각되어 기체와 액체의 2상의 유체가 생성된 후 상기 재생탑(150) 상부의 리플럭스 드럼(미도시)으로 이송된다. 상기 리플럭스 드럼은 기상의 산성 가스와 액상의 응축수로 상 분리를 수행하고, 이 중에서 상기 산성 가스를 회수 및 처리 공정으로 이송하여 저장하거나, 다른 고부가 화학 물질로 전환될 수 있다. 또한, 상기 응축수는 리플럭스 드럼을 통하여 다시 상기 재생탑(150)의 내부로 이송되어, 상기 재생탑(150)의 상부로 상승하는 기체에 존재하는 부유물을 세정하는데 사용될 수 있다.
상기 플래시 드럼(160)은 상기 재생탑(150)의 하단으로부터 재생된 흡수제(린 아민)을 공급받고, 이를 플래시 증발 즉, 감압시켜서 증기와 액상의 흡수제로 분리시킨다. 또한, 상기 플래시 드럼(160)은 상기 분리된 증기를 다시 상기 압축기(170)를 통해 상기 재생탑(150)의 내부로 공급하여, 상기 재생탑(150)에서의 스팀 사용량 또는 열 에너지 사용량을 감소시킬 수 있다.
또한, 이를 위해, 상기 재생탑(150)의 운전 압력은 1.5[barg] 내지 2.5[barg]의 범위인 것이 바람직하다. 상기 운전 압력이 1.5[barg] 보다 작은 경우, 상기 플래시 드럼(160)에서 발생되는 증기의 양이 적고, 2.5[barg] 보다 큰 경우, 흡수제의 재생을 위한 스팀의 사용량이 증가되어, 운전비용이 증가하게 된다.
또한, 상기 플래시 드럼(160)의 압력은 상기 압축기(170)로 연결되는 출력 라인에 설치된 글로브 밸브 등을 이용하여 미세 조정하여 제어되는데 운전 압력은 0.1[barg] 내지 1.0[barg]가 적당하다. 0.1[barg] 보다 작은 경우, 이후 압축 공정에서의 압축비가 증대됨에 따라 다단의 압축 공정을 적용하여야 하기 때문에 적합하지 않고, 1.0[barg] 보다 큰 경우, 플래시 드럼에서 발생되는 증기의 양이 감소하기 때문에 증기 재압축 기술의 효과를 기대하기 어렵다.
상기 압축기(170)는 상기 플래시 드럼(160)으로부터 공급받은 증기를 가압하여, 고온 고압의 증기로 변환시킨다. 따라서, 상기 압축기(170)를 통해, 상술한 것처럼, 상기 재생탑(150)에서의 스팀 사용량 또는 열 에너지 사용량을 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 압축기(170)의 운전 압력은 상기 재생탑(150)의 운전 압력에 비해 0.1[barg] 내지 0.5[barg] 높게 운전될 수 있다. 0.1[barg] 보다 작은 경우, 열 에너지 저감의 효과가 적고, 0.5[barg] 보다 큰 경우 상기 제 2 열 교환기(190)에서의 열 교환에도 불구하고, 상기 재생탑(150)의 운전 온도보다 증기 온도가 높아질 우려가 있다.
상기 제 2 열교환기(180)는 상기 압축기(170)로부터 나온 고온 고압의 증기와 상기 재생탑(150)에서 일부 분기된 흡수제를 열 교환시킨다. 상기 압축기(170)로부터 나온 고온 고압의 증기는 약 170[℃] 정도이기 때문에, 상기 재생탑(150)의 운전 온도에 비해 높다. 따라서, 상기 제 2 열 교환기(180)는 상기 압축기(170)로부터의 증기를 상기 흡수제와 열 교환시킴으로써 상기 재생탑(150)에 적절한 온도로 낮출 수 있고, 따라서 온도를 낮추기 위한 별도의 물 공급 라인 등이 필요하지 않게 된다. 또한, 상기 흡수제의 온도가 상승되기 때문에 상기 재생탑(150) 내부의 온도가 상승하게 되어 흡수제와 산성 가스의 분리 효율을 높일 수 있고, 결과적으로 공정 효율을 높일 수 있이며 상기 재생탑(150)의 스팀 사용량을 줄일 수 있다.
상기 제 2 이송 펌프(190)는 상기 플래시 드럼(160)의 하부에 연결되어, 상기 플래시 드럼(160)의 내부에 저장된 흡수제를 상기 흡수탑(120) 측으로 이송하여 재사용될 수 있도록 한다. 다만, 상술한 바와 같이, 상기 제 2 이송 펌프(190)를 통해 이송되는 흡수제는 상기 제 1 열 교환기(140)를 통해 상기 흡수탑(120) 하부로부터 이송되는 산성 가스 포화 흡수제와 열 교환을 수행하여, 상기 산성 가스 포화 흡수제의 온도를 1차적으로 높일 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 산성 가스가 처리되는 단계를 단계적으로 설명하도록 한다.
도 2는 도 1의 장치를 따라 산성 가스가 처리되는 단계를 도시한 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 먼저 ①번 라인을 따라 블로워(110)를 통해 산성 가스를 포함하는 혼합 가스가 상기 흡수탑(110)의 하부를 통해 공급되고, 이 중 산성 가스가 흡수탑(110) 내의 흡수제와 화학적으로 결합된다. 또한, 이를 통한 산성 가스 포화 흡수제는 제 1 이송 펌프(130)를 통해 이송되어 상기 제 1 열 교환기(140)에서 상기 플래시 드럼(160)으로부터의 흡수제와 열 교환을 수행하여 온도 상승된 후, 상기 재생탑(150)에 공급된다.
그리고 ②번 라인을 따라, 상기 재생탑(150)의 내부에서 재생되고 상기 플래시 드럼(160)에 저장된 흡수제는 제 2 이송 펌프(190)를 통해 상기 제 2 열 교환기(140)에 공급되어, 위 ①번 라인에서의 설명처럼 상기 산성 가스 포화 흡수제와 열 교환을 수행한 뒤, 상기 흡수탑(120)에 다시 공급되어 재사용된다.
또한, ③번 라인을 따라, 상기 재생탑(150)의 내부에서 재생되고, 상기 플래시 드럼(160)에 저장된 증기는 상기 압축기(170)를 통해 고온 고압의 증기로 변환되고, 상기 제 2 열 교환기(180)를 통해 상기 재생탑(150) 내 흡수제와 열 교환하여 상기 재생탑(150)에 사용 가능한 온도로 하강되고 상기 재생탑(150)에 공급된다.
마지막으로, ④번 라인을 따라, 상기 재생탑(150)에서 일부 분기된 흡수제는 상기 제 2 열 교환기(180)를 통해 상기 가압기(170)를 통한 고온 고압의 증기와 열 교환을 수행하고, 다시 상기 재생탑(150)에 투입된다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 산성 가스 처리 장치(100)와 비교예의 재생 에너지 비교를 통한 효과를 보다 상세하게 설명하도록 한다.
먼저, 실시예 1은 흡수탑(120) 하단에 가스를 2[m3/hr] 유량으로 투입, 온도는 40[℃], 공정상에서 순환하는 흡수제의 속도는 100[ml/min], 재생탑 하부의 운전 온도 및 압력은 110[℃], 2.0[barg]의 조건에서 실험한 것이다. 또한, 플래시 드럼(160)의 운전 압력은 0.5[barg], 압축기의 운전 압력은 2.5[barg], 재생탑(150)으로부터의 흡수제(린-아민) 유량은 30[ml/min]로 실험한 것이다.
다음으로 실시예 2는 실시예 1과 다른 조건은 동일하고, 다만 플래시 드럼의 운전 압력이 1.0[barg]이 되도록 설정하여 실험하였다.
한편, 비교예 1은 별도의 플래시 드럼(160), 압축기(170) 및 제 2 열 교환기(180)를 구비하지 않았다. 즉, 비교예 1은 재생탑 하부에서의 흡수제가 플래시 드럼 및 압축기를 통한 증기 재압축 공정이나 재생탑에서 분기된 흡수제와의 열 교환을 수행하지 않는 외에 실시예 1과 동일한 조건에서 실험하였다.
또한, 비교예 2는 제 2 열 교환기(180)를 구비하지 않았다. 즉, 비교예 2는 압축기(170)를 통과한 고온 고압의 증기에 추가적인 물 공급 라인으로 물을 공급하여 온도를 하강시키고 바로 재생탑(150)에 투입하였고, 그 이외의 조건은 실시예 1과 동일하다.
구분 증기 재압축 적용 유무 린아민-증기 열 교환 적용 유무 플래시 드럼 압력(barg) 재생탑으로 재투입되는 증기 온도[℃] 재생탑에서의 재생 에너지[GJ/tCO2]
실시예 1 O O 0.5 130 3.3
실시예 2 O O 1.0 135 3.4
비교예 1 X - - - 4.1
비교예 2 O X 0.5 165 3.6
각 실시예 및 비교예들의 실험 결과는 위의 표 1과 같다.
분석 결과, 실시예 1과 2은 재생탑에서의 재생 에너지가 각각 3.3[GJ/tCO2] 및 3.4[GJ/tCO2]로서 비교예 1의 4.1[GJ/tCO2]에 비해 재생 에너지가 크게 낮아졌음을 확인할 수 있다.
또한, 비교예 2의 재생탑으로 재투입된느 증기 온도는 165[℃]로서 장기 운전시 흡수제가 열화될 가능성이 높음을 확인할 수 있다.
따라서, 상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 산성 가스 처리 장치(100)는 재생탑(150)의 하부에 플래시 드럼(160)을 구비하여, 흡수제로부터 분리된 증기를 가압기(170)를 통해 고온 고압의 증기로 변환하고, 재생탑(150)으로부터 분기된 흡수제와 고온 고압의 증기를 열 교환시키며, 증기와 흡수제를 재생탑(150)에 다시 공급함으로써, 재생탑(150)에서 사용되는 스팀 및 열 에너지를 줄여 효율을 높일 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 산성 가스 처리 장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 산성 가스 처리 장치 110; 블로워
120; 흡수탑 130; 제 1 이송 펌프
140; 제 1 열 교환기 150; 재생탑
160; 플래시 드럼 170; 압축기
180; 제 2 열 교환기 190; 제 2 이송 펌프

Claims (6)

  1. 산성 가스를 포함한 혼합 가스를 공급받고, 내부의 흡수제와 상기 산성 가스의 반응을 유도하여 산성 가스 포화 흡수제를 생성하는 흡수탑;
    상기 흡수탑과 연결되어 상기 흡수탑으로부터 상기 산성 가스 포화 흡수제를 인가받고, 내부에 공급된 증기를 통해 상기 산성 가스 포화 흡수제로부터 산성 가스 및 흡수제를 분리하는 재생탑;
    상기 재생탑과 연결되어 상기 재생탑으로부터 흡수제를 인가받고, 상기 흡수제를 증기와 분리하는 플래시 드럼;
    상기 플래시 드럼과 연결되어 상기 플래시 드럼으로부터 증기를 인가받고, 상기 증기를 가압하여 고온 고압의 증기로 변환시키는 압축기; 및
    상기 압축기와 연결되어 상기 압축기로부터 상기 고온 고압의 증기를 인가받고, 상기 고온 고압의 증기를 상기 재생탑에서 분기된 흡수제와 열 교환시키며, 상기 열 교환된 증기를 상기 재생탑에 공급하는 열 교환기를 포함하고,
    상기 열 교환된 증기는 130℃ 내지 135℃로 공급되며,
    상기 압축기의 운전 압력은 상기 재생탑의 운전 압력에 비해 0.1[barg] 내지 0.5[barg] 더 높고,
    상기 플래시 드럼의 운전 압력은 0.1[barg] 내지 1.0[barg]인 산성 가스 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 교환기를 통해 열 교환된 상기 재생탑에서 분기된 흡수제는 상기 재생탑으로 다시 공급되는 산성 가스 처리 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 플래시 드럼 내에 저장된 흡수제는 상기 흡수탑으로 재공급되는 산성 가스 처리 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 흡수제가 상기 흡수탑으로 재공급되는 경로와 상기 흡수탑의 산성 가스 포화 흡수제가 상기 재생탑으로 공급되는 경로의 사이에 추가적인 열 교환기가 더 구비된 산성 가스 처리 장치.
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