게시판 > 질답게시판 > CO2 (이산화탄소) 제거법

스테파노 Stefano

08-02-03 13:12

(0)상업적으로 이용되는 CO2 제거방법에는 아래의 7가지 방법이 있습니다.
Gas중에 포함된 CO2의 분리가 필요한 경우 CO2와 다른 가스의 물리적 화학적 성질의 차와 경제성을 이용하여 분리방법을 결정합니다. 이중 화학적으로 분리하는 방법은 아래의 (1~3)의 방법이고 나머지 (4~5)는 물리적으로 분리하는 방법입니다.
1) Amine Absorption & Desorption
2) Hot Potash Solution Absorption & Desorption
3) Glycolic Solution Absorption & Desorption
4) Alkaline Solution Absorption
5) Refrigerative Condensation
6) Adsorptive Separation
7) Membrane Separation

(1) Amine Absorption & Desorption (Amine 용액에 CO2를 흡수한 다음 분리하는 방법)

이 방법은 저온 고압에서 CO2를 Amine에 반응흡수시키고 고온 저압에서 흡수된 Amine으로부터 CO2를 분리함으로써 Amine을 재생합니다. 이 공정은 H2S RSH, COS, CO2와 같은 Acid Gas를 분리하는데 사용하는 방법이고 이중 주로 H2S와 CO2를 분리하는데 사용하며 H2, CO, CH4등에 포함되어 있는 Acid Gas 들을 분리하는데 사용합니다. 고압에서 흡수시키기 때문에 재생되는 CO2, H2S가스에는 고압에서 흡수되었있던 H2, CO, CH4등도 포함되어 있습니다.

사용하는 Amine에는 MEA(Mono-Ethanol-Amine), DEA(Di-Ethanol-Amine), MDEA(N-Methy-Di-Ethanol-Amine), Sulfolane, DIPA(Di-Iso-Propanol-Amine) 등이 사용되며 CO2나 H2S가 산성가스이기 때문에 약염기인 Amine과 반응시켜 흡수시키고 고온에서 분리시키는 방법입니다. Amine에 흡수하는 탑과 Amine을 재생하는 탑을 이용하며 Amine 용액을 순환시킵니다. Amine에 Acid Gas가 흡수된 용액을 "Rich Amine"이라고 부르고 재생된 Amine을 "Lean Amine" 이라고 합니다 .
흡수탑에서는 Lean Amine에 CO2가 흡수되는 반응이 일어나고 재생탑에서는 흡수되었던 CO2가 분리되어 나오는 반응이 일어납니다. Amine 흡수탑을 거쳐도 미량의 Acid가스가 남아있기 때문에 추가로 CO2 제거 장치를 필요로 합니다.

흡수탑의 반응: R-NH2 + CO2 + H2O ---> R-NH4(HCO3) + Q (저온, 고압, 발열반응)
재생탑의 반응: R-NH4(HCO3) ----------------> R-NH2 + H2O + CO2 -Q (고온, 저압, 흡열반응)

(2) Hot Potash 흡수 재생 (Hot Potasium Carbonate Solution에 CO2를 흡수한 후 재생하는 방법)

KHCO3 용액에 고압에서 CO2를 흡수한 다음 저압에서 Steam으로 Stripping 시키는 방법으로 흡수탑과 재생탑으로 구성됩니다. Hot Solution을 사용하는 이유는 탄산염의 물에대한 용해도가 낮기 때문입니다. 이 방법도 CO2를 완전히 제거하기 어렵기 때문에 추가 CO2 제거 장치를 필요로 합니다.

흡수탑의 반응: K2CO3 + CO2 + H2O ------> 2KHCO3 + Q (발열반응)
재생탑의 반응: 2KHCO3-------------------------> K2CO3 + H2O + CO2 -Q (흡열반응)

(3) Glycolic Solution에 흡수, 재생 (물리적인 흡수, 재생에 의한 CO2 분리방법)

Ethylene Glycol Solution에 저온 고압에서 CO2를 흡수하고 고온 저압에서 재생하는 CO2 분리방법, CO2의 잔량이 남을 수 있기 때문에 완전제거를 위해서는 추가 장치가 필요합니다

흡수탑: EG Solution에 CO2흡수------(저온 고압)------>EG-CO2 Solution + Q (발열반응)
재생탑: EG-CO2 Solution---------------(고온, 저압)----->EG Solution(재생) + CO2 -Q (흡열반응)

(4) Alkaline Solution에 흡수 (화학적인 중화반응에 의해 CO2를 제거하는 방법)

NaOH 혹은 KOH Solution과 반응시켜 제거하는 방법으로 흡수된 용액을 1회사용하고 버리거나 재생하는 방법을 사용합니다. CO2 량이 큰 경우 흡수탑은 2개로 나누어 Alkaline Solution의 Loss를 줄이도록 하거나 Ca(OH)2를 이용하여 NaOH나 KOH를 재생하는 방법이 사용됩니다. 강알카리 용액을 이용한 화학적 중화방법이 사용되기 때문에 잔류CO2의 량이 거의 없습니다. 잔류 CO2량을 최소한으로 줄이려면 흡수탑의 높이를 늘여주어야 합니다.

가격은 KOH, NaOH, Ca(OH)2순으로 높기 때문에 가격이 가장 저렴할 뿐 만 아니라 Ca(OH)와 반응하면 물에 거의 용해되지 않는 CaCO3가 생성되기 때문에 NaOH나 KOH를 재생 시킨다음 CaCO3를 여과하여 제거하는 방법으로 재생합니다.

흡수반응, 2nd Tower: NaOH or KOH Aqueous Solution + CO2 -----------------------> NaHCO3 or KHCO3 Aq. Solution
ditto, 1st Tower: NaHCO3 or KHCO3 Aqueous Solution + CO2 -------------------> Na2CO3 or K2CO3 Aq. Solution

재생반응(필요시):
Na2CO3 or K2CO3 + Ca(OH)2 Solution-------->CaCO3(불용성, 여과제거) + 2NaOH or 2KOH Aq. Solution

(5) Refrigerative Condensation (CO2를 응축시켜 제거하는 방법)

고압에서 냉동시키면 CO2가 액체탄산으로 응축되어 제거될 수 있기 때문에 CO2의 량이 많은 경우 사용되는 방법입니다. 응축된다고 해도 응축운도에서의 증기압만큼의 CO2가 남기 때문에 CO2를 완전히 제거하려면 추가장치가 필요합니다.

CO2 + Noncondensables --------(압축, 냉각 혹은 냉동)---------> CO2(Liquid) + Noncondensables

(6) Adsorptive Separation(흡착방법에 의한 CO2 분리)

Molecular Sieve(Pore Size가 일정한 흡착물질)를 이용하여 고압에서 CO2를 흡수하고 저압에서 CO2를 분리해내는 방법의 Pressure-Swing-Adsorption 방법 재생가스에 유효가스가 포함되어 나오기는 하지만 공정이 간단하고 배출물질이 없기 때문에 최근에 많이 사용되는 방법. 분자크기에 따라 물리적으로 Sieve를 사용하여 Filtering하는 효과를 가지기 때문에 Molecular Sieve를 이용한 방법이라고 부릅니다.

CO2 + CO2보다 분자크기가 작은 가스----------(고압, Molecular Sieve)------> CO2-free Gas
Adsorbed Molecular Sieve---------------------------(저압, Molecular Sieve)------> CO2 + Molecular Sieve (재생)

(7) Membrane Separation (분리막을 이용한 CO2 분리)

분리막(Membrane)을 이용하여 Gas의 투과속도 차이를 이용하여 CO2를 선택적으로 제거하는 방법, 선택성이 좋은 Membrane의 선정이 어렵기 때문에 최근에도 연구되고 있는 분리 방법.

(1) Amine Absorption & Desorption (Amine 용액에 CO2를 흡수한 다음 분리하는 방법)

이 방법은 저온 고압에서 CO2를 Amine에 반응흡수시키고 고온 저압에서 흡수된 Amine으로부터 CO2를 분리함으로써 Amine을 재생합니다.   이 공정은 H2S RSH, COS, CO2와 같은 Acid Gas를 분리하는데 사용하는 방법이고 이중 주로 H2S와 CO2를 분리하는데 사용하며 H2, CO, CH4등에 포함되어 있는 Acid Gas 들을 분리하는데 사용합니다.   고압에서 흡수시키기 때문에 재생되는 CO2, H2S가스에는 고압에서 흡수되었있던 H2, CO, CH4등도 포함되어 있습니다.

사용하는 Amine에는 MEA(Mono-Ethanol-Amine), DEA(Di-Ethanol-Amine), MDEA(N-Methy-Di-Ethanol-Amine), Sulfolane, DIPA(Di-Iso-Propanol-Amine) 등이 사용되며 CO2나 H2S가 산성가스이기 때문에 약염기인 Amine과 반응시켜 흡수시키고 고온에서 분리시키는 방법입니다.  Amine에 흡수하는 탑과 Amine을 재생하는 탑을 이용하며 Amine 용액을 순환시킵니다.   Amine에 Acid Gas가 흡수된 용액을 "Rich Amine"이라고 부르고 재생된 Amine을 "Lean Amine" 이라고 합니다 .
흡수탑에서는 Lean Amine에 CO2가 흡수되는 반응이 일어나고 재생탑에서는 흡수되었던 CO2가 분리되어 나오는 반응이 일어납니다.  Amine 흡수탑을 거쳐도 미량의 Acid가스가 남아있기 때문에 추가로 CO2 제거 장치를 필요로 합니다.

흡수탑의 반응:   R-NH2  +  CO2 + H2O ---> R-NH4(HCO3) + Q  (저온, 고압, 발열반응)
재생탑의 반응:  R-NH4(HCO3) ----------------> R-NH2 +  H2O + CO2 -Q  (고온, 저압, 흡열반응)

(2) Hot Potash 흡수 재생 (Hot Potasium Carbonate Solution에 CO2를 흡수한 후 재생하는 방법)

KHCO3 용액에 고압에서 CO2를 흡수한 다음 저압에서 Steam으로 Stripping 시키는 방법으로 흡수탑과 재생탑으로 구성됩니다.  Hot Solution을 사용하는 이유는 탄산염의 물에대한 용해도가 낮기 때문입니다.  이 방법도 CO2를 완전히 제거하기 어렵기 때문에 추가 CO2 제거 장치를 필요로 합니다.

흡수탑의 반응:  K2CO3 + CO2 + H2O ------> 2KHCO3 + Q (발열반응)
재생탑의 반응:  2KHCO3-------------------------> K2CO3 + H2O + CO2  -Q (흡열반응)

(3) Glycolic Solution에 흡수, 재생 (물리적인 흡수, 재생에 의한 CO2 분리방법)

Ethylene Glycol Solution에 저온 고압에서 CO2를 흡수하고 고온 저압에서 재생하는 CO2 분리방법,  CO2의 잔량이 남을 수 있기 때문에 완전제거를 위해서는 추가 장치가 필요합니다

흡수탑: EG Solution에 CO2흡수------(저온 고압)------>EG-CO2 Solution + Q (발열반응)
재생탑: EG-CO2 Solution---------------(고온, 저압)----->EG Solution(재생) + CO2 -Q (흡열반응)

(4) Alkaline Solution에 흡수 (화학적인 중화반응에 의해 CO2를 제거하는 방법)

NaOH 혹은 KOH Solution과 반응시켜 제거하는 방법으로 흡수된 용액을 1회사용하고 버리거나 재생하는 방법을 사용합니다.   CO2 량이 큰 경우 흡수탑은 2개로 나누어 Alkaline Solution의 Loss를 줄이도록 하거나 Ca(OH)2를 이용하여 NaOH나 KOH를 재생하는 방법이 사용됩니다.  강알카리 용액을 이용한 화학적 중화방법이 사용되기 때문에 잔류CO2의 량이 거의 없습니다.  잔류 CO2량을 최소한으로 줄이려면 흡수탑의 높이를 늘여주어야 합니다.

가격은 KOH, NaOH, Ca(OH)2순으로 높기 때문에 가격이 가장 저렴할 뿐 만 아니라 Ca(OH)와 반응하면 물에 거의 용해되지 않는 CaCO3가 생성되기 때문에 NaOH나 KOH를 재생 시킨다음 CaCO3를 여과하여 제거하는 방법으로 재생합니다.

흡수반응, 2nd Tower: NaOH or KOH Aqueous Solution + CO2 ----------------------->  NaHCO3 or KHCO3 Aq. Solution
   ditto, 1st Tower:  NaHCO3 or KHCO3 Aqueous Solution + CO2 ------------------->   Na2CO3 or K2CO3 Aq. Solution

재생반응(필요시):
                Na2CO3 or K2CO3 + Ca(OH)2 Solution-------->CaCO3(불용성, 여과제거) + 2NaOH or 2KOH Aq. Solution

(5) Refrigerative Condensation (CO2를 응축시켜 제거하는 방법)

고압에서 냉동시키면 CO2가 액체탄산으로 응축되어 제거될 수 있기 때문에 CO2의 량이 많은 경우 사용되는 방법입니다.  응축된다고 해도 응축운도에서의 증기압만큼의 CO2가 남기 때문에 CO2를 완전히 제거하려면 추가장치가 필요합니다.

CO2 + Noncondensables --------(압축, 냉각 혹은 냉동)---------> CO2(Liquid)  + Noncondensables

(6) Adsorptive Separation(흡착방법에 의한 CO2 분리)

Molecular Sieve(Pore Size가 일정한 흡착물질)를 이용하여 고압에서 CO2를 흡수하고 저압에서 CO2를 분리해내는 방법의 Pressure-Swing-Adsorption 방법  재생가스에 유효가스가 포함되어 나오기는 하지만 공정이 간단하고 배출물질이 없기 때문에 최근에 많이 사용되는 방법.  분자크기에 따라 물리적으로 Sieve를 사용하여 Filtering하는 효과를 가지기 때문에 Molecular Sieve를 이용한 방법이라고 부릅니다.

CO2 + CO2보다 분자크기가 작은 가스----------(고압, Molecular Sieve)------> CO2-free Gas
Adsorbed Molecular Sieve---------------------------(저압, Molecular Sieve)------> CO2  + Molecular Sieve (재생)

(7) Membrane Separation (분리막을 이용한 CO2 분리)

분리막(Membrane)을 이용하여 Gas의 투과속도 차이를 이용하여 CO2를 선택적으로 제거하는 방법,  선택성이 좋은 Membrane의 선정이 어렵기 때문에 최근에도 연구되고 있는 분리 방법.