(19) 대한민국특허청 (KR) (12) 등록특허공보 (B1) (51) 국제특허분류 (Int. Cl.) B01D 53/22 (2006.01) B01D 53/62 (2006.01) (52) CPC 특허분류 B01D 53/225 (2013.01) B01D 53/228 (2013.01) (21) 출원번호 10-2015-0076621 (22) 출원일자 2015 년 05 월 29 일 심사청구일자 (56) 선행기술조사문헌 JP2009242773 A* KR101414491 B1* KR101086798 B1 KR101327337 B1 2015 년 05 월 29 일 * 는심사관에의하여인용된문헌 (45) 공고일자 2016년11월23일 (11) 등록번호 10-1678502 (24) 등록일자 2016년11월16일 (73) 특허권자 한국에너지기술연구원 대전광역시유성구가정로 152( 장동 ) (72) 발명자 여정구 대전광역시중구유등천동로 428 파라곤아파트 308 동 1201 호 문종호 대전광역시유성구가정로 65 101 동 501 호 ( 신성동, 대림두레아파트 ) ( 뒷면에계속 ) (74) 대리인 특허법인다울 전체청구항수 : 총 3 항심사관 : 김정은 (54) 발명의명칭다단분리막을이용하여연소가스로부터이산화탄소를분리하는장치 (57) 요약 본발명은다단분리막을이용하여연소가스로부터이산화탄소를분리하는장치에관한것이다. 본발명의분리장치는연소가스가주입부에주입되는제 1 분리막과, 상기제 1 분리막의잔여부기체가주입부에주입되는제 2 분리막과, 상기제 1 분리막의투과부기체가주입부에주입되는제 3 분리막을포함하고, 상기제 3 분리막의잔여부기체는상기제 1 분리막의주입부로주입되고, 상기제 3 분리막의투과부기체는포집된다. 본발명은분리막을이용해효율적으로이산화탄소를분리하면서실제공정에용이하게적용할수있다. 대표도 - 1 -
(52) CPC 특허분류 B01D 53/62 (2013.01) Y02C 10/10 (2013.01) (72) 발명자 이정현 대전광역시서구대덕대로 246 넥서스밸리 B 동 1417 호 박영철 대전광역시유성구반석동로 33 반석마을 5 단지아파트 505 동 201 호 이발명을지원한국가연구개발사업 과제고유번호 NRF-2014M1A8A1049312 부처명 미래창조과학부 연구관리전문기관 한국이산화탄소포집및처리연구개발센터 연구사업명 Korea CCS 2020사업 연구과제명 연소후이산화탄소분리막성능평가및포집공정연구 기여율 1/1 주관기관 한국에너지기술연구원 연구기간 2014.06.01 ~ 2017.05.31-2 -
명세서청구범위청구항 1 삭제청구항 2 다단분리막을이용하여연소가스로부터이산화탄소를분리하는장치에있어서, 연소가스가주입부에주입되는제1 분리막과, 상기제1 분리막의잔여부기체가주입부에주입되는제2 분리막과, 상기제1 분리막의투과부기체가주입부에주입되는제3 분리막을포함하고, 상기제3 분리막의잔여부기체는상기제2 분리막의주입부로주입되고, 상기제3 분리막의투과부기체는포집되는것을특징으로하는이산화탄소분리장치. 청구항 3 제2항에있어서, 상기제2 분리막의투과부기체는상기제1 분리막의주입부로주입되는것을특징으로하는이산화탄소분리장치. 청구항 4 제2항에있어서, 상기제2 분리막의투과부기체또는상기제3 분리막의잔여부기체의이산화탄소농도를센싱하는감지부와, 상기제1 내지제3 분리막의적어도하나의주입부에설치되는가압수단과, 상기제1 내지제3 분리막의적어도하나의투과부에설치되는감압수단을더포함하는것을특징으로하는이산화탄소분리장치. 발명의설명 [0001] 기술분야 본발명은연소가스로부터이산화탄소를분리하는장치에관한것으로서, 특히다단분리막을이용해연소가스 로부터효율적으로이산화탄소를분리하면서실제공정에용이하게적용할수있는분리장치에관한것이다. [0003] 배경기술온실가스의주범인 CO2를포집하는기술에대해연구가많이진행되고있다. CO2 포집기술은크게연소후 (Post-combustion), 연소전 (Pre-combustion) 및순산소연소 (Oxyfuel combustion) 로분류할수있다. 연소후 CO2 포집기술은다시아민계열혹은암모니아계열흡수제를활용한화학흡수법, 기존의흡수용액대신고체흡수제를활용한건식흡수법및분리막을활용한막분리법등으로나누어진다. 막분리법은친환경공정이라는장점이있으나, 아직분리막소재및모듈개발이주로이루어지고있으며, 연소후포집공정에대한연구는소수회사만이진행하고있다. - 3 -
[0004] [0005] [0006] US7,964,020는연소가스로부터이산화탄소를제거하기위해투과부스윕 (permeate sweep) 을갖는분리막을이용하여가스를분리하는방법을개시하고있다. US7,964,020는처리할배출가스를분리막의주입부로주입하고, 투과부로공기와같은스윕가스를주입하여연소기로투과부기체와스윕가스를전달하는구성을포함하고있다. 이를통해분리막의투과부기체가스윕가스와함께보일러로회수됨으로써분리막주입부의이산화탄소를조성을높인다. 하지만, US7,964,020에개시된구성은발전플랜트에실제공정적용시보일러효율을변동시키므로실제공정적용에제한이따른다. US4,264,338에개시된가스분리방법은다단분리막공정에서 2단또는 3단의미반응의잔여부기체를회수하여 1단의주입부로흐르게하여 1단분리막의분리계수를높인다. 하지만, US4,264,338의가스분리방법에는잔여부기체를회수하여사용함으로시스템의이산화탄소분리성능을높이는데한계가있다. 선행기술문헌 [0008] 특허문헌 ( 특허문헌 0001) 1. US7,964,020 (Gas separation process using membranes with permeate sweep to remove CO2 from combustion gases) ( 특허문헌 0002) 2. US4,264,338 (Method for separating gases) ( 특허문헌 0003) 3. US5,102,432 (Three-stage membrane gas separation process and system) [0009] 비특허문헌 ( 비특허문헌 0001) 1. A parametric study of CO2/N2 gas separation membrane processes for post- combustion capture (L Zhao, E Riensche, R Menzer, L Blum; Journal of Membrane, 2008, Elsevier) 발명의내용 [0010] [0011] 해결하려는과제따라서본발명은연소가스로부터이산화탄소를분리막을이용해효율적으로분리하는장치를제공하는것을일목적으로한다. 또한, 본발명은연소가스로부터이산화탄소를분리하는장치로서실제공정에용이하게적용할수있는분리장치를제공하는것을다른목적으로한다. [0013] [0014] [0015] 과제의해결수단전술한바와같은목적을달성하기위해제안된본발명은다단분리막을이용하여연소가스로부터이산화탄소를분리하는장치에있어서, 연소가스가주입부 (feed side) 에주입되는제1 분리막과, 상기제1 분리막의잔여부 (retentate side) 기체가주입부에주입되는제2 분리막과, 상기제1 분리막의투과부 (permeate side) 기체가주입부에주입되는제3 분리막을포함하고, 상기제3 분리막의잔여부기체는상기제1 분리막의주입부로주입되고, 상기제3 분리막의투과부기체는포집되는것을일특징으로한다. 또한, 본발명은다단분리막을이용하여연소가스로부터이산화탄소를분리하는장치에있어서, 연소가스가주입부에주입되는제1 분리막과, 상기제1 분리막의잔여부기체가주입부에주입되는제2 분리막과, 상기제1 분리막의투과부기체가주입부에주입되는제3 분리막을포함하고, 상기제3 분리막의잔여부기체는상기제2 분리막의주입부로주입되고, 상기제3 분리막의투과부기체는포집되는것을다른특징으로한다. 바람직하게는, 상기제2 분리막의투과부기체는상기제1 분리막의주입부로주입된다. 또한, 상기제2 분리막의투과부기체또는상기제3 분리막의잔여부기체의이산화탄소농도를센싱하는감지부와, 상기제1 내지제3 분리막의적어도하나의주입부에설치되는가압수단과, 상기제1 내지제3 분리막의적어도하나의투과부에설치되는감압수단을더포함한다. - 4 -
[0017] 발명의효과전술한바와같은본발명에의하면연소가스로부터이산화탄소를분리막을이용해효율적으로분리할수있다. 또한, 본발명은연소가스로부터이산화탄소를분리하는장치로서실제공정에용이하게적용할수있는분리장치를제공할수있다. [0019] 도면의간단한설명 도 1 은본발명의제 1 실시예에의한이산화탄소분리시스템의구성도이고, 도 2 는본발명의제 2 실시예에의한이산화탄소분리시스템의구성도이다. [0020] [0021] [0022] [0023] [0024] [0025] [0026] [0027] [0028] 발명을실시하기위한구체적인내용이하, 첨부된도면들을참조하여본발명의일실시예를상세히설명한다. 전술한실시예와첨부된도면에도시된구성은본발명의바람직한일실시예에불과할뿐이고, 본발명의기술적사상을모두대변하는것은아니다. 따라서다양한균등물과변형예들이있을수있음을이해하여야한다. 본명세서에서주입부가스는특정분리막의주입부로주입되는가스를말하고, 투과부기체는특정분리막을투과하여배출되는가스를말하며, 잔여부기체는분리막을통해투과부로투과되지않고배출되는가스를말한다. 도 1은본발명의제1 실시예에의한이산화탄소분리시스템 (100) 의구성도이다. 도시된바와같이이산화탄소분리시스템 (100) 은 3개의분리막 (104, 106, 113) 를포함하고있다. 분리막 (104, 106, 113) 의적어도하나의주입부에는압축기 (102) 가구비되며, 투과부에는진공펌프 (109, 116, 120) 가구비된다. 압축기대신블로우어등의가압장치가사용될수있으며, 진공펌프대신에팬 (fan) 등의감압장치가사용될수있다. 가압장치나감압장치는압력조건에따라생략될수있다. 보일러등으로부터배출된연소가스는라인 (101) 을통해압축기 (102) 에주입되며, 압축기 (102) 는연소가스를압축하여라인 (103) 을통해분리막 (104) 의주입부에주입한다. 분리막 (104) 의주입부에주입된연소가스중이산화탄소는분리막을통해투과부로흐른다. 진공펌프 (109) 는라인 (108) 을통해분리막 (104) 의투과부에진공을인가하여주입부로주입된연소가스가분리막을통해투과부로잘흐르도록한다. 분리막을통과하지않은잔여부기체는분리막 (104) 의잔여부로부터라인 (105) 을경유하여분리막 (106) 의주입부로주입된다. 분리막 (106) 의잔여부기체는라인 (107) 을통해배출된다. 라인 (107) 을통해배출되는가스에서이산화탄소제거율은대략 80% 이상이며, 이산화탄소의농도는대략 3% 이하이다. 분리막 (106) 의투과부기체는진공펌프 (120) 에의해흡입되고라인 (119) 을경유하여압축기 (102) 에제공된다. 분리막 (104) 의투과부기체는진공펌프 (109) 에의해흡입되고라인 (110) 을통해분리막 (113) 의주입부로주입된다. 분리막 (113) 의잔여부기체는압축기 (102) 를경유하여분리막 (104) 의주입부로주입된다. 분리막 (113) 의투과부기체는라인 (115) 을통해진공펌프 (116) 에의해흡입되어이산화탄소수집장치 ( 도시되지않음 ) 로제공된다. 분리막 (104) 은주입부에분리막 (106) 의투과부기체와분리막 (113) 의잔여부기체가입력되므로이산화탄소농도가상승하여분리막 (104) 의선택성이향상된다. 이러한작용에의해분리막 (113) 에서투과부기체의이산화탄소의순도는 80% 이상으로향상된다. 라인 (101) 을통해압축기 (102) 에제공되는연소가스의성분은연소장치의성능에따라결정되며통상이산화탄소의농도는 10 내지 30% 정도이다. 라인 (119) 을통해압축기 (102) 에제공되는분리막장치 (106) 의투과부기체와, 라인 (114) 을통해분리막장치 (104) 의주입부에주입되는분리막장치 (113) 의잔여부기체는이산화탄소농도가라인 (101) 을통해처음주입되는농도이상이어야전체시스템 (100) 의이산화탄소분리성능을높일수있다. 따라서분리막장치 (106) 의투과부기체와분리막장치 (113) 의잔여부기체의이산화탄소농도를이산화탄소센서 (122, 124) 를통해감지하고, 이산화탄소농도가처음주입농도이하인경우는압축기 (102) 또는진공펌프 (109, 116, 120) 의동작을제어할필요가있다. 도 2는본발명의제2 실시예에의한이산화탄소분리시스템 (200) 의구성도이다. 도시된바와같이이산화탄소분리시스템 (200) 은 3개의분리막 (104, 106, 113) 를포함하고있다. 분리막 (104, 106, 113) 의적어도하나의주입부에는압축기 (102, 202) 가구비되며, 투과부에는진공펌프 (109, 116, 120) 가구비된다. 압축기는블로우어 - 5 -
등의가압장치로대체될수있으며, 진공펌프는팬등의감압장치로대체될수있다. 가압장치나감압장치는압 력조건에따라생략될수있다. [0029] [0030] [0031] [0032] [0033] [0034] 보일러등으로부터배출된연소가스는라인 (101) 을통해압축기 (102) 에주입되며, 압축기 (102) 는연소가스를압축하여라인 (103) 을통해분리막 (104) 의주입부에주입한다. 분리막 (104) 의주입부에주입된연소가스중이산화탄소는분리막을통해투과부로흐른다. 진공펌프 (109) 는라인 (108) 을통해분리막 (104) 의투과부에진공을인가하여주입부로주입된연소가스가분리막을통해투과부로잘흐르도록한다. 분리막을통과하지않은잔여부기체는분리막 (104) 의잔여부로부터라인 (105) 을경유하여분리막 (106) 의주입부로주입된다. 분리막 (106) 의잔여부기체는라인 (107) 을통해배출된다. 라인 (107) 을통해배출되는가스에서이산화탄소제거율은대략 80% 이상이며, 이산화탄소의농도는대략 3% 이하이다. 분리막 (106) 의투과부기체는진공펌프 (120) 에의해흡입되고라인 (119) 을경유하여압축기 (102) 에제공된다. 분리막 (104) 의투과부기체는진공펌프 (109) 에의해흡입되고라인 (110) 을통해압축기 (202) 에제공된다. 압축기 (202) 는투과부기체를가압하여라인 (203) 을통해분리막 (113) 의주입부로주입한다. 분리막 (113) 의잔여부기체는분리막 (106) 의주입부로주입된다. 분리막 (113) 의투과부기체는라인 (115) 을통해진공펌프 (116) 에의해흡입되어이산화탄소수집장치 ( 도시되지않음 ) 로제공된다. 분리막 (104) 은주입부에분리막 (106) 의투과부기체가입력되므로이산화탄소농도가상승하여분리막 (104) 의선택성이향상된다. 또한, 분리막 (106) 은주입부에분리막 (113) 의잔여부기체가입력되므로이산화탄소농도가상승하여분리막 (106) 의선택성이향상된다. 이러한작용에의해분리막 (113) 에서투과부기체의이산화탄소의순도는 80% 이상으로향상된다. 라인 (101) 을통해압축기 (102) 에제공되는연소가스의성분은연소장치의성능에따라결정되며통상이산화탄소의농도는 10 내지 30% 정도이다. 라인 (119) 을통해압축기 (102) 에제공되는분리막장치 (106) 의투과부기체는이산화탄소농도가라인 (101) 을통해처음주입되는농도이상이어야전체시스템 (100) 의이산화탄소분리성능을높일수있다. 따라서분리막장치 (106) 의투과부기체의이산화탄소농도를이산화탄소센서 (124) 를통해감지하고, 이산화탄소농도가처음주입농도이하인경우는압축기 (102, 202) 또는진공펌프 (109, 116, 120) 의동작을제어할필요가있다. 이상과같이, 본발명은비록한정된실시예와도면에의해설명되었으나, 본발명은이것에의해한정되지않으며본발명이속하는기술분야에서통상의지식을가진자에의해본발명의기술사상과하기에기재될청구범위의균등범위내에서다양한수정및변형이가능함은물론이다. [0036] 부호의설명 104, 106, 113 : 분리막장치 102, 202 : 압축기 109, 116, 120 : 진공펌프 이산화탄소센서 : 122, 124-6 -
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