KR101312914B1 - Carbon dioxide recovery - Google Patents
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Abstract
여기에서 개시된 방법과 시스템은 수증기와 부가적인 불순물, 예를 들면, 질소, 산소, 질소 산화물, 황 산화물 및 수은을 포함하는 CO₂함유 가스 흐름으로부터 이산화 탄소( CO₂)를 분리하기 위한 것이다. 상기 CO₂는 CO₂가스 공급 흐름을 온도 변동 흡착 단계로 거치도록 함으로써 포획된다. 상기 온도 변동 흡착 단계는 거의 건조한 CO₂제거(depleted) 흐름을 생성하기 위한 흡착 단계와, 상기 흡착제 베드를 가열시켜서 거의 수증기가 제거된 이산화 탄소 흐름을 생성하는 흡착제 재생 단계를 포함한다. 상기 CO₂함유 가스 흐름으로부터 수분 제거는 CO₂포획 이전에 압력 변동 흡착, 온도 변동 흡착, 박막 분리 또는 흡수를 통해서 선택적으로 제거된다The methods and systems disclosed herein are for separating carbon dioxide (CO2) from a CO2 containing gas stream comprising water vapor and additional impurities such as nitrogen, oxygen, nitrogen oxides, sulfur oxides and mercury. The CO 2 is captured by passing the CO 2 gas feed stream through a temperature swing adsorption step. The temperature swing adsorption step includes an adsorption step to produce a nearly dry CO 2 depleted stream, and an adsorbent regeneration step of heating the adsorbent bed to produce a nearly water vapor-free carbon dioxide stream. Moisture removal from the CO2 containing gas stream is selectively removed by pressure swing adsorption, temperature swing adsorption, thin film separation or absorption prior to CO2 capture.
Description
1. 본 출원은 2008년 4월 7일자로 미국특허청에 출원된 미국 가특허출원 제61/123,259호의 명칭 "Process For Carbon Dioxide Recovery" 우선권 이익을 주장한다. 1. This application claims the benefit of priority “Process For Carbon Dioxide Recovery” of US Provisional Patent Application No. 61 / 123,259, filed April 7, 2008, with US Patent Office.
2. 이하의 특허 출원은 여기에 그 전체가 수록되어 있다: 2009년 4월 7일자로 미국특허청에 출원된 미국 특허출원 제12/419,513호의 명칭 "Carbon Dioxide Recovery".2. The following patent application is incorporated in its entirety: US Pat. Appl. No. 12 / 419,513, filed April 7, 2009, entitled " Carbon Dioxide Recovery ".
본 발명은 발전소의 연도(flue) 가스와 같은 연소원으로부터 이산화 탄소(CO₂)를 포획하고, 이러한 이산화 탄소를 금속이온봉쇄(sequestration) 또는 그 밖의 다른 용도로 사용할 수 있도록 하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a method and system for capturing carbon dioxide (CO2) from a combustion source such as flue gas in a power plant and making the carbon dioxide available for use in metal ion sequestration or other applications. .
CO₂와 같은 온실가스의 방출은, 만일 관리하지 않은 상태로 놓아 둔다면, 기후 환경에 잠재적인 영향을 줄 수 있다. 석탄 또는 천연 가스와 같은 화석 연료의 에너지로의 변환은 온실가스 방출의 주요 원인이다. 온실 가스의 방출은 다양한 수단, 예를 들면 연소 공정의 효율증대 및 바람, 태양광과 같은 대체 에너지 활용에 의해서 감소될 수 있으나, 온실가스 레벨을 안정화시키는 데에 필요한 온실가스방출의 감소는 전(pre)-연소공정 또는 후(post)-연소공정 도중에 온실가스 방출 발생원에서 상당량의 온실가스를 포획하지 않고서는 이루어질 수 없다. 발전소의 연도가스 또는 정유시설로부터의 연도가스와 같은 흐름으로부터 CO₂의 후-연소 포획은 용매, 전형적으로는 아민(amine)의 사용을 포함하며, 이는 연소공정 도중에 생성된 증기의 일부분을 활용하여 재생된다. CO₂의 전-연소 포획은 연료와 공기 또는 산소와의 화학적 반응 및 증기와의 반응을 포함하며, 이산화 탄소와 수소 혼합물을 생성한다. 이산화 탄소는 이러한 흐름으로부터 CO₂포획 공정을 통해서 제거되며, 수소가 동력 발생을 위한 연료로서 사용된다. 만일 산소가 연소를 위해서 사용된다면, 주로 이산화 탄소를 함유한 연도 가스가 생성되며, 이는 금속이온봉쇄를 위해서 쉽게 분리될 수 있다. Greenhouse gas emissions, such as CO2, can have a potential impact on the climatic environment if left uncontrolled. The conversion of fossil fuels such as coal or natural gas into energy is a major source of greenhouse gas emissions. The emission of greenhouse gases can be reduced by various means, for example, by increasing the efficiency of the combustion process and by utilizing alternative energy sources such as wind and solar, but the reduction of greenhouse gas emissions required to stabilize greenhouse gas levels can be reduced. It cannot be achieved without capturing a significant amount of greenhouse gas at the source of the greenhouse gas emissions during the pre- or post-combustion process. Post-combustion capture of CO2 from a stream, such as flue gas from a power plant or flue gas from a refinery, involves the use of a solvent, typically an amine, which is regenerated by utilizing a portion of the steam produced during the combustion process. do. Pre-combustion capture of CO2 involves the chemical reaction of fuel with air or oxygen and the reaction of steam, producing a carbon dioxide and hydrogen mixture. Carbon dioxide is removed from this stream through the CO2 capture process, and hydrogen is used as fuel for power generation. If oxygen is used for combustion, a flue gas mainly containing carbon dioxide is produced, which can be easily separated for metal ion containment.
CO₂의 후-연소 포획은 동력발전에서 절대 효율의 9%-11% 감소와 미분탄 발전소에서의 상대 효율의 대략 28-30% 감소 결과를 초래하며, 이는 "Ciferno" 에 의해서 제시되어 있다(Ciferno,J.,"A Feasibility Study of Carbon Dioxide Capture from an Existing CO₂al-Fired Power Plant," paper presented at the Sixth Annual CO₂nference on Carbon Capture and Sequestration, Pittsburgh,PA,May 2007). NETL의 2007년 5월 리포트(Carbon Sequestration Technology Roadmap and Program Plan-2007,U.S.DOE National Energy Technology CO₂정제 시스템(125)aboratory(NETL), May 2007)는 기존 발전소에 대해서 CO₂분리 및 금속이온봉쇄를 위한 자본 및 가동 비용을 고려하면, 발전 비용 측면에서 60-100%의 증가를 필요로 한다고 지적하고 있다. 발전소로부터의 실제 발전 출력 또한 30% 이상 감소된다. 이와 같은 후-연소 CO₂포획에 관련된 발전 및 자본 손실을 현저히 감소시킬 수 있는 수단이 강구되고 있다. 후-연소 포획에 대해서, 에너지 관리부(DOE)는 90%의 CO₂포획에 대해서 발전 비용측면에서 35%보다 작은 증가가 이루어지도록 하는 목표를 갖고 있다. Post-combustion capture of CO2 results in a 9% -11% reduction in absolute efficiency in power generation and an approximate 28-30% decrease in relative efficiency in pulverized coal plants, which is suggested by Ciferno (Ciferno, J., "A Feasibility Study of Carbon Dioxide Capture from an Existing CO₂al-Fired Power Plant," paper presented at the Sixth Annual CO₂nference on Carbon Capture and Sequestration, Pittsburgh, PA, May 2007). NETL's May 2007 report (Carbon Sequestration Technology Roadmap and Program Plan-2007, USDOE National Energy Technology CO2 Purification System (125) aboratory (NETL), May 2007) was developed for CO2 separation and metal ion containment for existing plants. Considering capital and operating costs, he points out that a 60-100% increase in power generation costs is required. Actual power output from the plant is also reduced by more than 30%. Means have been taken to significantly reduce power generation and capital losses associated with such post-combustion CO2 capture. For post-combustion capture, the DOE aims to achieve an increase of less than 35% in power generation costs for 90% CO2 capture.
후-연소 CO₂포획에 관련된 대부분의 연구는 연도 가스로부터 이산화 탄소를 제거시키기 위하여 아민 또는 암모니아 기반의 흡착 공정을 사용한다. 이와 같은 흡착 기반의 공정은 상당한 투자비용을 필요로 하는 결함을 갖는다. 가장 우수한 아민 기반의 흡착제는 힌더 아민(hindered amines) 및 아민 브렌드(amine blends)와 같은 것으로, 포획되는 CO₂의 750-900Kcal/kg(1,350-1,620 Btu/lb) 범위의 에너지를 필요로 한다. 또한 아민 기반 공정은 특수한 철제 장치의 사용과 그와 연관된 투자 비용을 필요로 하며, 그 이유는 산성 가스와 산소를 포함하는 아민 및 암모니아 용액의 부식 특성에 기인한다. 이와 같은 장치는 상당한 투자 비용을 필요로 한다.Most studies involving post-combustion CO2 capture use amine or ammonia based adsorption processes to remove carbon dioxide from flue gases. Such adsorption-based processes have defects that require significant investment costs. The best amine-based adsorbents are such as hindered amines and amine blends and require energy in the range of 750-900 Kcal / kg (1,350-1,620 Btu / lb) of CO2 being captured. Amine-based processes also require the use of special iron equipment and the associated investment costs, due to the corrosion properties of amine and ammonia solutions containing acid gases and oxygen. Such devices require significant investment costs.
아민 기반 시스템과는 다르게, 여러가지 제올라이트 및 탄소 기반의 흡착제상에서의 CO₂흡착열은 140-240 Kcal/kg 또는 252-432 Btu/lb 사이의 범위이고(Valenzuela,D.P. and A.L Myers,"Adsorption Equilibrium Data Handbook," Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ,1989), 이는 대략 아민 베이스 시스템의 흡착열에 비해 1/5 수준이다. 낮은 흡착열의 잇점을 얻으면서 높은 이산화 탄소 산출 및 고회수 효과를 제공하는 실질적인 흡착 시스템에 대한 충족되지 못한 요구사항이 당업계에 존재한다.Unlike amine-based systems, the heat of CO2 adsorption on various zeolite and carbon-based adsorbents ranges between 140-240 Kcal / kg or 252-432 Btu / lb (Valenzuela, DP and AL Myers, Adsorption Equilibrium Data Handbook, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1989), which is roughly 1/5 the heat of adsorption of amine base systems. There is an unsatisfactory requirement in the art for substantial adsorption systems that benefit from low heat of adsorption while providing high carbon dioxide yield and high recovery effects.
온도 변동 흡착 시스템이 공기 건조, 천연가스 건조, 공기의 극저온 증류 이전의 물 및 CO₂제거와 같은 응용 공정에 다양하게 사용되어 왔다. 이와 같은 시스템은 전형적으로 불순물의 2% 이하를 제거하며, 불순물을 포함하는 재생 배출 흐름은 고순도가 아니다. 또한 전형적인 온도 변경 흡착 공정은 대략 4-12 시간의 흡착 시간을 갖는다. 연도 가스내에서 10-12% 사이의 CO₂농도를 공급하기 위해서는 이러한 흡착 시간은 매우 큰 규모의 흡착 베드를 필요로 한다. 예를 들면, 12중량%의 작업 용량(흡착 및 재생 단계 사이의 용량 차), 대략 660kgs/㎥의 흡착 농도와, 4시간의 흡착 시간을 가정하면, 공급측에서 1000톤/일의 CO₂를 처리하는 공장은 대략 8,000㎥의 흡착제(5.300,000kgs)를 필요로 하며, 이와 같은 시스템을 제작하는 크기는 연소발생원으로부터 이산화 탄소를 포획하기 위해서 실용적이지 못하다.Temperature swing adsorption systems have been used in a variety of applications such as air drying, natural gas drying, water and CO2 removal prior to cryogenic distillation of air. Such a system typically removes up to 2% of impurities and the regeneration exhaust stream containing impurities is not high purity. Typical temperature change adsorption processes also have an adsorption time of approximately 4-12 hours. This adsorption time requires a very large adsorption bed to provide a CO2 concentration between 10-12% in the flue gas. For example, assuming a 12 wt% working capacity (capacity difference between adsorption and regeneration stages), an adsorption concentration of approximately 660 kgs / m 3 and an adsorption time of 4 hours, the feed side treats 1000 tonnes / day of CO 2. The plant requires approximately 8,000 m 3 of adsorbent (5.300,000 kgs), and the size of building such a system is not practical for capturing carbon dioxide from combustion sources.
본 발명은 온도 및 압력 변동(swing) 흡착 싸이클에 기초한 공정을 사용하여 효율적인 CO₂포획을 위한 해결책을 제공하는 방법과 시스템을 개시한다.The present invention discloses a method and system for providing a solution for efficient CO2 capture using a process based on temperature and pressure swing adsorption cycles.
본 요약 내용은 본 발명의 개념을 간단한 형태로 소개하기 위한 것으로서, 이후에 기술되는 상세한 설명란에서 보다 상세히 설명될 것이다. 본 요약 내용은 본 발명의 특허청구된 주제(subject matter)에 대한 핵심적인 또는 필수적인 발명 개념들을 식별하기 위해서 의도된 것이 아니고, 또한 특허청구된 본 발명 주제의 범위를 결정하기 위하여 의도된 것이 아니다. This Summary is intended to introduce the concepts of the invention in a simplified form and will be described in more detail in the Detailed Description section that follows. This Summary is not intended to identify key or essential inventive concepts of the subject matter of the present invention, nor is it intended to determine the scope of the claimed subject matter.
여기에서 개시된 방법과 시스템은 수증기와 부가적인 불순물을 포함하는 가스 흐름으로부터 이산화 탄소(CO₂)를 분리하기 위하여 상기 설명된 문제점들을 해소시킨다. 본 발명의 방법 및 시스템은 온도 및 압력 변동(swing) 흡착 싸이클에 기초한 공정을 사용하여 CO₂를 포획한다. 상기 가스는 석탄 화력 발전소, 천연가스 화력발전소 또는 정유시설로부터의 연도가스이다.The methods and systems disclosed herein solve the problems described above for separating carbon dioxide (CO2) from a gas stream comprising water vapor and additional impurities. The method and system of the present invention capture CO2 using a process based on temperature and pressure swing adsorption cycles. The gas is flue gas from coal fired power plants, natural gas fired power plants or refineries.
고순도의 CO₂, 즉 불순물을 체적기준으로 대략 10% 이하를 포함하는 CO₂는 온도 변동 흡착 단계로 CO₂가스 흐름을 거치도록 함으로써 얻어진다. 상기 온도 변동 흡착 단계는 거의 건조한 CO₂가 제거된(depleted) 흐름을 생성하기 위한 흡착 단계와, 흡착제 베드를 가열시켜 거의 수증기가 제거된 CO₂흐름을 생성하는 흡착제 재생 단계를 포함한다. 상기 흡착제 재생 단계 도중, 온도 변동 흡착 단계에서의 온도는 대략 80℃ 내지 300℃ 까지 상승된다. 상기 온도 변동 흡착 단계의 지속 시간은 대략 2분 내지 60분 범위 이내이다.High purity CO2, ie CO2 containing less than about 10% by volume of impurities, is obtained by passing the CO2 gas stream in a temperature swing adsorption step. The temperature swing adsorption step includes an adsorption step for generating a nearly dry CO 2 depleted stream and an adsorbent regeneration step for heating the adsorbent bed to produce a CO 2 flow that is substantially free of water vapor. During the adsorbent regeneration step, the temperature in the temperature swing adsorption step is raised to approximately 80 ° C to 300 ° C. The duration of the temperature swing adsorption step is in the range of approximately 2 to 60 minutes.
상기 흡착 작용은 일반적으로 온도 10℃ 내지 80℃ 및 대략 1.07 내지 40.0 바(bar)의 절대 압력의 가스 상태에서 실행된다. 상기 CO₂농도는 체적으로 대략 3% 내지 60%의 범위 내이다. The adsorption action is generally carried out in a gaseous state of
상기 CO₂함유 가스 흐름으로부터 바람직하게 제거된 불순물들은 예를 들면, 질소, 산소, 탄화수소, 질소 산화물, 황 산화물, 수은 및 아르곤을 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 이러한 흡착 작용은 흡착제 재료를 포함하는 베드내에서 실행되며, 이는 가스 흐름내의 CO₂를 우선적으로 흡착하거나 또는 반응한다.Impurities preferably removed from the CO2 containing gas stream are selected from the group comprising, for example, nitrogen, oxygen, hydrocarbons, nitrogen oxides, sulfur oxides, mercury and argon. This adsorption action is carried out in a bed containing adsorbent material, which preferentially adsorbs or reacts with CO2 in the gas stream.
일 실시예에서, 예를 들면, 수분, 탄화 수소, 질소 산화물, 황 산화물 및 수은을 포함하는 불순물들은 CO₂흡착 이전에 제거된다. 수분 제거는 예를 들면 압력 변동 흡착, 온도 변동 흡착, 박막 분리 및 흡수를 이용하여 실행된다. 상기 압력 변동 흡착공정의 지속 시간은 대략 4분 내지 60분 범위 이내이고, 온도 변동 흡착공정의 지속 시간은 대략 1시간 내지 12.0 시간 범위 이내이다. 수분 제거단계에서의 수분 함량은 -40℃ 또는 그 이하의 이슬점까지 낮아진다. 흡착제, 예를 들면, 활성 탄소, 탄소 분자 여과기, 4A, 5A, 13X, NaY 및 CaX 와 같은 제올라이트, 메탈로올가닉 프레임워크(metallorganic framework) 화합물, 천연 제올라이트, 변형된 천연 및 인조 제올라이트, 변형된 활성 탄소, 기둥모양의 점토(pillared clays) 등이 CO₂흡착에 사용된다. 상기 CO₂흡착부로부터 CO₂가 제거된 흐름은 수분 흡착 시스템의 재생에 사용된다.In one embodiment, impurities including, for example, water, hydrocarbons, nitrogen oxides, sulfur oxides and mercury are removed prior to CO 2 adsorption. Moisture removal is carried out using, for example, pressure swing adsorption, temperature swing adsorption, thin film separation and absorption. The duration of the pressure swing adsorption process is in the range of approximately 4 minutes to 60 minutes, and the duration of the temperature swing adsorption process is in the range of approximately 1 hour to 12.0 hours. The water content in the water removal step is lowered to a dew point of -40 ° C or less. Adsorbents, for example activated carbon, carbon molecular filter, zeolites such as 4A, 5A, 13X, NaY and CaX, metallorganic framework compounds, natural zeolites, modified natural and artificial zeolites, modified Activated carbon and pillared clays are used for CO2 adsorption. The stream of CO2 removed from the CO2 adsorption unit is used for regeneration of the water adsorption system.
다른 실시 예에서, 수분을 함유하는 공급 흐름은 CO₂흡착 시스템으로 바로 보내지고, 상기 공급 흐름으로부터 CO₂가 활성 탄소 또는 미세 다공성 지지대 상에서 지지되는 소듐(sodium) 및 포타슘 카보네이트(potassium carbonates), 아민 또는 이온성 액체와의 화학반응에 의해서 제거된다.In another embodiment, a water-containing feed stream is sent directly to the CO 2 adsorption system, from which sodium and potassium carbonates, amines or ions are supported, on which CO 2 is supported on activated carbon or microporous supports. It is removed by chemical reaction with the liquid.
이와 같은 두 가지 실시 예에서, CO₂를 포함하는 재료는 직접식 또는 간접식 열전달에 의해서 재생되어 고순도의 CO₂흐름을 생성한다. 또한 CO₂제거는 가열 후의 베드 소개(bed evacuation)에 의해서 이루어진다. 생성된 상기 CO₂는 박막 공정, 증류 공정, 흡착 공정 또는 게터(getter) 공정을 통해서 추가적으로 정제되어 예를 들면, 질소, 산소, 아르곤, 질소 산화물, 황 산화물 및 수분과 같은 불순물들을 제거시킨다. 정제된 CO₂의 일부분은 CO₂분리 시스템의 세정제(rinse)로서 사용될 수 있다. In these two embodiments, the material containing CO 2 is regenerated by direct or indirect heat transfer to produce a high purity CO 2 flow. CO2 removal is also achieved by bed evacuation after heating. The CO 2 produced is further purified through a thin film process, a distillation process, an adsorption process or a getter process to remove impurities such as nitrogen, oxygen, argon, nitrogen oxides, sulfur oxides, and water. Part of the purified CO2 can be used as a rinse in the CO2 separation system.
본 발명의 방법과 시스템은 CO₂흐름으로부터 불순물의 체적 기준으로 대략 80% 또는 그 이상을 제거시키는 데에 효과적이다. The method and system of the present invention are effective at removing approximately 80% or more on a volume basis of impurities from the CO2 flow.
상기 설명된 본 발명의 요약 내용은 이하에 기재된 상세한 설명과 함께 첨부 도면을 참조하여 기술내용을 파악하면 보다 잘 이해될 수 있다. 본 발명을 설명하기 위한 목적으로, 본 발명의 예시적인 구성들이 첨부 도면에 기재되어 있다. 그러나, 본 발명은 여기에서 설명되는 특정 방법 및 수단에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 CO₂를 함유하는 공급 흐름으로부터 고순도의 CO₂를 회수시키기 위한 이산화 탄소(CO₂) 분리 시스템의 전체 구성도이다.
도 2A-2D는 CO₂분리 시스템의 예시적인 다양한 구성을 도시한 도면으로서, 수분이 제1 분리 유닛에서 선택적으로 제거되고, 후속하여 제2 분리 유닛에서 화학 반응 또는 흡착에 의해서 CO₂의 포획이 이루어진다.
도 3은 수분 흡착 시스템의 예시적인 다양한 구성을 도시한 도면으로서, 수분 및 부가적인 불순물, 예를 들면 탄화 수소, 황 산화물 또는 질소 산화물 및 수은 등이 압력 및 온도 변동 흡착의 조합 작용에 의해서 제거된다.
도 4는 CO₂분리 시스템의 예시적인 다양한 구성을 도시한 도면으로서, CO₂가 흡착 또는 화학 반응에 의해서 공급 흐름으로부터 제거되고, 증기, 고온수 또는 상기 CO₂분리 시스템으로부터 회수된 건조 흐름에 의한 직접 및 간접 가열에 의해서 회수된다.The above summary of the present invention can be better understood by reading the following description with reference to the accompanying drawings in conjunction with the following detailed description. For the purpose of illustrating the invention, exemplary configurations of the invention are set forth in the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the specific methods and means described herein.
1 is a schematic diagram of a carbon dioxide (CO2) separation system for recovering high purity CO2 from a feed stream containing CO2.
2A-2D illustrate various exemplary configurations of a CO 2 separation system in which water is selectively removed in a first separation unit followed by capture of CO 2 by chemical reaction or adsorption in the second separation unit.
FIG. 3 illustrates various exemplary configurations of a water adsorption system in which water and additional impurities, such as hydrocarbons, sulfur oxides or nitrogen oxides and mercury, etc., are removed by the combined action of pressure and temperature swing adsorption. .
4 shows various exemplary configurations of a CO 2 separation system, in which CO 2 is removed from the feed stream by adsorption or chemical reaction and is directly and indirectly by steam, hot water or dry flow recovered from the CO 2 separation system. Recovered by heating.
도 1은 CO₂를 함유하는 공급 흐름으로부터 고순도의 CO₂를 회수시키기 위한 이산화 탄소(CO₂)분리 시스템(80)의 전체 구성도이다. 이와 같은 CO₂는 연소 공정 또는 CO₂를 발생시키는 다른 공정인 어느 한 공정(5)에서 생성된다. 만일 공정(5)이 연소 공정이라면, 산소가 풍부한 흐름(10)이 상기 연소 도중에 선택적으로 사용되어 연소 효율을 향상시키고, 연소로부터 발생하는 CO₂의 농도를 증가시킨다. 공정(5)에서의 열 재생을 활용하여, 증기가 흐름(15)으로서 생성될 수 있다. 상기 흐름(15)의 일부분이 흐름(20)으로서 분리되어 이후에 설명되는 CO₂분리 시스템(80)에서 활용된다. 상기 흐름(15)의 나머지 부분은 흐름(25)으로서 얻어지고, 다른 목적, 예를 들면, 발전용으로, 또는 유닛(30)에서의 합성가스 생성용으로 사용될 수 있다. 흐름(35), 유닛(30)에서의 저압 흐름 또는 고온수는 CO₂분리 시스템(80)에서 사용될 수 있고, 또는 증기를 생성하기 위하여 유닛(5)으로 보내질 수 있다. 유닛(30)에서 생성된 전력의 일부분은 라인(45)을 통해서 CO₂분리 시스템(80)으로 보내질 수 있다. 나머지 전력은 최종 사용자, 즉 산업용 및 주거용 소비자들에게 라인(50)을 통하여 공급될 수 있다. 연도 가스와 같은 CO₂함유 흐름은 흐름(55)으로서 공정(5)을 나가게 된다. 1 is an overall configuration diagram of a carbon dioxide (CO2)
미립자들을 제거한 후, 상기 흐름(55)은 선택적으로 공급 조절 유닛(60)으로 보내져서 질소 산화물, 황 산화물 및 수은과 같은 불순물들을 제거한다. 주된 불순물로서 잔류 황 및 질소 산화물, 수은, 질소, 산소 및 아르곤 등을 포함하는 흐름(55)의 압력이, 만일 필요하다면, 유닛(60) 이후에서 팬 또는 송풍기(65)에 의해서 상승될 수 있다. 만일 CO₂함유 흐름이 화학 공장 또는 정유시설, 또는 전-연소 공정으로부터 온 것이라면, 상기 CO₂함유 흐름은 부가적인 불순물, 예를 들면, 수소, 탄화 수소 및 일산화 탄소 등을 포함할 수 있다. 석탄 또는 천연가스식 발전소는, 연도 가스의 압력이 전형적으로 대략 1.07 바(bar) 내지 1.34 바 절대 압력까지 상승될 수 있다. 화학 공정 또는 산업 공정에서 생성된 상기 CO₂흐름은 그 흐름 압력이 1.07-1.34 바의 절대압력보다도 높을 수 있으며, 그 보다 높지 않을 수도 있다. 연료가 공기 또는 산소와 함께 기체화되어지는 기체화 공정에서는, CO₂를 함유하는 흐름의 압력은 대기압의 몇 배일 수 있으며, 그 정도로 높지 않을 수 있다. 산소 연소 공정에서는, 연도가스가 연소 시스템에 재사용되어 CO₂의 농도를 높일 수 있다. 질소 산화물, 황 산화물 및 수은 및 압축상태를 제거시킨 후에, 상기 CO₂함유 흐름은 CO₂포획 전에 전형적으로 거의 대기 온도 내지 60℃ 사이의 온도 범위로 냉각된다. 연도가스 냉각 유닛은 도 1에 도시되어 있지 않다. 많은 발전소는 미립자들, 질소 산화물 및 황 산화물들을 제거하기 위한 시스템들을 갖고 있다. 그러한 시스템은 질소 산화물에 대한 선택적인 환원 촉매(SCR), 미립자들을 위한 전기 집진기 및 황 산화물을 위한 습식 집진기들을 포함할 수 있다. 미립자들, 질소 산화물 및 황 산화물의 제거는, 만일 흐름(55)이 부분 산화 또는 개질 공정으로부터 오는 것이라면, 불필요할 수 있다.After removing the particulates, the
CO₂함유 흐름은 흐름(70)으로서 유닛(65)을 나가며, CO₂분리 시스템(80)으로 들어간다. 상기 CO₂분리 시스템(80)은 적어도 하나의 베드를 포함하며, 이는 흡착 또는 화학 반응에 의해서 상기 공급 흐름으로부터 CO₂를 제거시키는 물질을 구비한다. 상기 베드의 압력은 대략 1.07 내지 40.0 바(bar)의 절대 압력이다. The CO2 containing
CO₂포획에 사용되는 재료에 따라서, 상기 CO₂분리 시스템(80)은 상기 공급 흐름내의 다른 성분들, 예를 들면, 수분, 잔류 황 산화물, 질소 산화물 및 수은과 같은 것들을 제거시키기 위한 부가적인 유닛들을 포함할 수 있다. 만일 활성 탄소 또는 포타슘 카보네이트와 같은 재료들이라면, 미세 다공성 지지대 상의 아민 또는 이온성 액체가 CO₂제거에 사용되며, 공급 흐름(70) 내의 수분은 제거될 필요가 없고, CO₂분리 시스템(80)을 나가는 CO₂가 제거된 흐름(85)은 흐름(70) 내에 함유된 대부분의 수분을 포함한다. 이와 같은 경우, 흐름(85)은 배출될 수 있다. 그러나, 제올라이트와 같은 재료가 흡착에 의한 CO₂포획에 사용된다면, 공급 흐름(70)으로부터의 수분은 CO₂흡착 전에 제거되어야만 하고, CO₂가 제거된 흐름(85)은 상대적으로 건조한 상태일 것이다. 이와 같은 경우, 흐름(85)의 일부분 또는 전부인 흐름(95)은 수분 흡착 시스템(79)을 재생시키기 위하여 사용될 수 있다.Depending on the material used to capture CO 2, the CO 2
상기 CO₂분리 시스템(80)에서 포획된 CO₂는 상기 CO₂를 탈착(desorb)시킴으로써 회수된다. CO₂탈착에 필요한 에너지는 흐름(20), 흐름(35)으로 제공되거나, 또는 흐름(45)으로 표시된 전기에 의해서 제공될 수 있다. 다른 외부 열 및 전기 공급원이 CO₂분리 시스템(80) 내의 재료 재생에 사용될 수도 있다. 흡착제 또는 반응물들은, 만일 재료가 견딜 수 있다면, 흐름 또는 응축물에 직접 접촉될 수 있다. CO₂분리 시스템(80) 내의 재료는 증기, 고온수 또는 전기에 의해서 가열되는 건조된 CO₂가 제거된 흐름(85)에 의해서 재생될 수도 있다. 만일 흡착제 재료가 내수성(water tolerant)이 아니라면, 상기 흡착제 베드는 증기 또는 고온수에 의해서 간접적으로 가열되어야만 한다. 전형적으로, CO₂분리 시스템(80) 내의 수분 흡착 재료 및 CO₂흡착 재료의 재생은 병행으로 실행되어 CO₂분리 시스템(80)을 나가는 CO₂가 확실하게 건조되도록 한다. 가열에 부가하여, 진공 펌프가 사용되어 CO₂분리 시스템(80)으로부터 CO₂를 제거시킬 수 있다. 재생에 사용되는 흐름이 도 1에서 흐름(90)으로서 도시되어 있다. 불순물의 80% 이상은 전형적으로 CO₂분리부에서 제거된다.CO2 captured in the
탈착된 CO₂는 CO₂분리 시스템(80)를 라인(105)을 통해서 나가고, CO₂정제 시스템(125)으로 보내진다. 선택적인 진공 펌프(110)가 사용되어 CO₂분리 시스템(80)로부터 CO₂의 회수을 용이하게 한다. CO₂생산물의 일부분은 흐름(100)으로서 진공 펌프(110) 내로 유입하고, 흐름(105)에 합쳐지며, 진공 펌프(110)를 나간다. 상기 흐름(105)과 진공 펌프(110)를 나가는 흐름은 서로 합쳐져서 CO₂생산 흐름을 형성하며 흐름(120)으로서 CO₂정제 시스템(125)으로 유입한다. 재생과정에서 생산된 상기 CO₂생산 흐름(120)의 순도는 공급 CO₂농도에 따르지만, 전형적으로 90% 보다 높다. 이와 같은 흐름(120)은 선택적으로 압축되어 정제 전에 1.1 바 내지 200바의 절대압력으로 유지된다. 상기 CO₂정제 시스템(125)은 예를 들면,증류 시스템, 박막 시스템, 압력 또는 온도 변동 흡착 시스템 또는 게터(getter) 시스템으로 이루어져서 CO₂로부터 질소, 산소, 질소산화물 및 황 산화물과 같은 소량의 불순물도 제거시킨다. 그리고, 상기 CO₂분리 시스템(80)을 나가는 CO₂흐름이 젖은 상태라면, 수분이 또한 제거된다. 정제된 CO₂는 CO₂정제 시스템(125)으로부터 흐름(130)으로서 나간다. 흐름(135)은 흐름(120)의 작은 부분이고, 흐름(115) 또는 흐름(130)이 사용되어 CO₂분리 시스템(80)내의 불활성 부분을 제거하도록 사용될 수 있다. 이러한 흐름(135)은 흐름(145)으로서 CO₂분리 시스템(80)으로 유입한다. 정제된 CO₂생산물은 CO₂정제 시스템(125)을 흐름(140)으로서 나가고, 음식물 또는 음료수 응용분야, 산업용 응용분야, 고품질 오일 및 가스 회수공정 및 금속이온봉쇄 분야에 사용될 수 있다. 상기 CO₂생산물 흐름(140)은 몇몇의 이러한 적용분야에 사용되기 전에 압축되고, 액화되거나 또는 두 가지 모두 이루어질 수 있다.The desorbed CO 2 exits the CO 2
도 2A-2D는 CO₂분리 시스템(80)의 예시적인 다양한 구성을 도시한 도면으로서, 수분이 제1 분리 유닛에서 선택적으로 제거되고, 후속하여 제2 분리 유닛에서 화학 반응 또는 흡착에 의해서 CO₂의 포획이 이루어진다.2A-2D illustrate various exemplary configurations of a CO 2
도 2A에서는, 젖은 CO₂흐름(70)이 베드 재료를 통과하게 되며, 여기서는 수분이 있는 상태에서, CO₂를 흡착하거나 반응하게 된다. 상기 흡착 또는 화학 반응 시스템은 적어도 2대의 베드를 포함하고, 그 중 적어도 하나가 공급 흐름으로부터 CO₂를 제거하고, 그중 적어도 하나가 임의의 시간에 재생을 실현한다. 도 4에 관련하여 이후에 설명되는 바와 같이, 부가적인 베드가 다른 단계, 예를 들면 냉각, 가압, 세정(rince) 및 소개(evacuation)를 위해서 사용될 수 있다. 상기 세정 단계는 상대적으로 순수한 CO₂흐름(145)을 이용하여 이루어질 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 CO₂생산 흐름은 흐름(105) 및 부가적인 선택적 흐름(100)으로서 CO₂분리 시스템(80)을 나간다. In FIG. 2A, wet CO 2
도 2B에서, 젖은 CO₂흐름(70)이 박막 건조기(71)를 통과하고, 여기서 공급 흐름으로부터 수분이 제거된다. 건조된 공급 흐름(72)은 흡착 또는 반응 베드(81)로 보내지며, 여기서 공급 흐름으로부터 CO₂가 제거되고, 건조되고 CO₂가 제거된 흐름(85)이 CO₂분리 시스템(80)을 나간다. CO₂가 흡착되는 동안, 적어도 하나의 다른 베드(81)는 흐름(90)을 사용하여 재생과정이 이루어진다. 도 2A의 경우에서와 같이, 부가적인 베드들이 다른 단계, 예를 들면 냉각, 가압, 세정 및 소개와 같은 단계에 사용될 수 있다. 흐름(85)의 일부분 또는 그 전부가 흐름(95)으로서 취해지고, 박막 건조기(71) 내의 침투 수분을 배출시키도록 사용된다. 수분을 포함한 흐름은 흐름(73)으로서 박막 건조기(71)를 나간다. 선택적인 진공 펌프(74)가 사용되어 박막을 가로지르는 구동력을 증대시키고, 수분제거를 용이하게 하도록 사용될 수 있으며, 상기 수분이 포함된 흐름은 흐름(75)으로서 진공 펌프(74)를 나간다. In FIG. 2B,
도2C에는, 젖은 CO₂흐름(70)이 흡수 시스템(76)을 통과하며, 여기서는 공급 흐름으로부터 수분이 에틸렌 글리콜과 같은 흡수제에 의해서 제거된다. 수분 제거를 위해 사용되는 베드들은 통상적으로 공급 흐름과 흡수제 사이에서 물질전달을 위하여 투매된(dumped) 또는 구조적인 패킹을 포함하며, 흐름들은 전형적으로 대향류(countercurrent) 방향으로 흐른다. 흡수 시스템(76)을 나가는 건조된 공급 흐름(72)은 CO₂흡착 베드(81)로 보내지고, 여기서 공급 흐름으로부터 CO₂가 제거되며, 건조된 CO₂제거 흐름(85)이 CO₂분리 시스템(80)을 빠져나간다. CO₂가 흡수되는 동안, 적어도 하나의 다른 베드(81)는 흐름(90)을 이용하여 재생과정이 이루어진다. 부가적인 베드들이 냉각, 가압, 세정 및 소개와 같은 다른 단계를 위해서 사용될 수 있다. CO₂제거 흐름의 일부 또는 전부인 흐름(85)이 흐름(95)으로서 얻어지고, 열교환기 또는 히터(96)에서 가열되며, 흐름(97)으로서 흡수 시스템(76)을 통과하며, 수분이 포함된 용매 흐름(77)을 재생시킨다. 상기 수분이 포함된 용매는 증기가 공급되는 열교환기(미 도시) 내에서 대향류 열교환을 통하여 재생될 수도 있다. 상기 재생된 용매 흐름(78)은 수분 제거를 위하여 흡수 시스템(76)으로 보내진다. 이러한 흐름(95)은 증기 또는 응축물이 제공되는 열교환기에 의해서 가열될 수 있고, 흐름(95)은 전기 에너지를 이용하여 직접적으로 가열될 수 있다. 수분이 함유된 흐름은 흐름(75)으로서 흡수 시스템(76)을 나간다. In FIG. 2C,
도 2D에서, 젖은 CO₂흐름(70)은 수분 흡착 시스템(79)으로 통과되고, 여기서 공급 흐름으로부터 수분이 활성 알루미나, 실리카 겔 또는 분자 여과기와 같은 흡착제에 의해서 제거된다. 상기 수분 흡착 시스템(79)을 나가는 건조된 공급 흐름(72)은 CO₂흡착 베드(81)로 보내지고, 여기서 공급 흐름으로부터 CO₂가 제거되며, 건조된 CO₂제거 흐름(85)이 CO₂분리 시스템(80)을 나간다. 하나 혹은 그 이상의 CO₂흡착 베드(81) 내에서 CO₂가 제거되는 동안, 적어도 하나의 다른 CO₂흡착 베드(81)는 흐름(90)을 이용하여 재생과정을 거친다. 부가적인 베드들이 베드들이 냉각, 가압, 세정 및 소개와 같은 다른 단계를 위해서 사용될 수 있다. 흐름(85)의 일부 또는 전부가 흐름(95)으로서 얻어지고, 선택적으로 열교환기 또는 히터(96)에서 가열되며, 수분 흡착 베드들을 수분 흡착 시스템(79) 내에서 재생시키도록 사용된다. 만일 흐름(95)이 수분 흡착 베드의 재생 전에 가열된다면, 이러한 흐름(95)은 증기 또는 고온수가 제공되는 열교환기에 의해서 가열될 수 있다. 흐름(95)은 전기 에너지를 이용하여 직접적으로 가열될 수 있다. 수분이 함유된 흐름은 흐름(73)으로서 수분 흡착 시스템(79)을 나간다. 선택적인 진공 펌프(74)가 사용되어 수분 제거에 부가적인 구동력을 제공하도록 사용될 수 있으며, 그 다음 수분이 포함된 흐름은 흐름(75)으로서 진공 펌프(74)를 나가게 된다.In FIG. 2D, the
수분 흡착 시스템(79)은 전형적으로 다수의 수분 흡착 베드들을 포함하여 수준과 다른 불순물, 예를 들면 CO₂흡착 베드(81) 내에서 CO₂의 흡착을 방해할 수 있는 중(heavy) 탄화수소와 같은 것을 제거시킨다. 수분 흡착 시스템(79) 내에서의 수분흡착 베드들은 공급 흐름내의 약간의 환 산화물, 질소 산화물, 수은 불순물 등을 제거하도록 설계될 수도 있다. 수분제거를 위하여, 수분 흡착 시스템(79) 내에서의 수분흡착 베드들은 통상적으로 압력 변동(swing), 온도 변동 또는 진공 변동모드로 동작되어진다. 압력 또는 진공 변동 흡착을 위하여, 수분 흡착 열이 흡착작용 도중에 유지되며, 낮아진 압력에서 흐름(95)이 수분을 탈착한다. 압력 변동 흡착만으로 수분을 제거할 수도 있지만, 다른 불순물, 예를 들면 중 탄화수소, 황 산화물, 질소 산화물 및 수은 등을 탈착시키기 위하여 온도 변동 흡착의 사용이 필요할 수도 있다. 이와 같은 작동은 3대 또는 그 이상의 베드들을 포함하는 싸이클로서 이루어질 수 있으며, 이에 대해서는 후술하기로 한다.The
도 3은 수분 흡착 시스템(79)의 예시적인 구성을 도시한 도면으로서, 여기서는 수분 및 부가적인 불순물, 예를 들면 탄화 수소, 황 산화물 또는 질소 산화물 및 수은 등이 압력 및 온도 변동 흡착의 조합 작용에 의해서 제거된다. 3대 베드의 압력 및 온도 변동 흡착 시스템이 수분 및 다른 불순물들의 제거를 위하여 사용되며, 도 3에 도시되어 있다. 그러나, 수분 및 미량(trace) 불순물 제거 공정은 이러한 3대 베드 시스템에 제한되는 것은 아니다. 만일 황 산화물 및 탄화 수소와 같은 불순물의 제거가 필요하지 않는 경우라면, 압력 변동 흡착(PSA)에서 작동하는 2대의 베드, 진공 변동흡착(VSA) 또는 온도변동 흡착(TSA) 모드가 사용될 수 있다. 또한 상기 시스템이 PSA 및 TSA, 또는 VSA 및 TSA 모드에서 동작하는 때에, 2대 이상의 베드가 PSA 또는 VSA 작동에 사용될 수 있으며, 하나 이상의 베드가 TSA 작동을 위하여 사용될 수 있다. 수분 흡착 시스템(79)에서 수분 흡착 베드의 대수는 이와 같은 공정의 작동에 필수적인 사항은 아니다. 도 3에 도시된 시스템에서, 젖은 공급 흐름은 밸브(200),(210) 및 (220)들을 통하여 각각 흐름(70)으로서 수분 흡착 시스템(79)으로 유입한다. 이러한 밸브(200),(210) 및 (220)들은 공급 가스 흐름이 용기(230),(235) 및 (240)로 각각 유입하는 것을 제어한다. 용기(230),(235) 및 (240) 각각은 제1 흡착제 층(230a),(235a) 및 (240a)을 각각 갖고, 활성 알루미나, 실리카 겔 또는 3A, 4A, 5A 및 13X 제올라이트와 같은 분자 여과기와 같은 흡착제를 포함하여 수분제거에 사용한다. 용기(230),(235) 및 (240) 내에서 층(230a), (235a) 및 (240a) 상부에 위치된 것은 각각 선택적인 층(230b), (235b) 및 (240b)으로서, 탄화 수소, 질소 및 황 산화물 및 수은에 선택적인 흡착제들이다. 활성 탄소, 13X와 같은 제올라이트 및 포화된 알루미나와같은 흡착제들이 이러한 불순물들을 흡착시키기 위하여 사용될 수 있다. 변형된 활성 탄소 및 규산염들이 수은 불순물 제거에 사용될 수 있다. 용기(230),(235) 및 (240) 내의 흡착제들은 CO₂의 흡착을 최소화하도록 선택되어 CO₂흡착 베드(81) 내에서 CO₂의 회수을 최대화하게 된다. 수분제거에 바람직한 흡착제는 3A 및 4A 제올라이트, 활성 알루미나, 실리카 겔 및 활성 알루미나 및 제올라이트 3A 및 4A 혼합물이다.FIG. 3 shows an exemplary configuration of a
용기(230),(235) 및 (240)의 배출구 단부들은 밸브(245),(260) 및 (275)들을 각각 구비한 배출 배관에 연결된다. 흡착을 진행하는 베드에 따라서, 건조된 CO₂포함 흐름은 이러한 밸브(245)들 중의 하나를 통하여 흐름(72)으로서 수분 흡착 시스템(79)을 나가며, CO₂분리 시스템(80)으로 보내진다. 상기 CO₂분리 시스템(80)으로부터의 퍼지(purge) 흐름(95)이 수분 흡착 베드들을 재생시키도록 사용된다. 재생의 PSA 또는 VSA 모드에 대해서, 퍼지 가스(95)는 밸브(290) 및 이러한 밸브(250),(265) 및 (280) 중의 어느 하나를 통하여 들어가고, 해당 밸브(205)(215) 및 (225)들을 통하여 수분 흡착 시스템(79)으로부터 흐름(73)으로서 나온다. 만일 선택적인 진공펌프(74)가 사용되면, 퍼지 가스(95)는 흐름(75)으로서 수분 흡착 시스템(79)을 나온다. 재생의 TSA 모드에 대해서, 퍼지 가스(95)가 히터 또는 열교환기(96) 내에서 가열되고, 개방된 밸브(255)(270) 및 (285) 중의 어느 하나를 통하여 용기(230),(235) 및 (240)로 들어가고, 해당 밸브(205)(215) 및 (225)를 통하여 수분 흡착 시스템(79)을 나온다. 만일 진공 펌프(74)가 사용되지 않는다면, 퍼지 가스(95)는 수분 흡착 시스템(79)을 흐름(73)으로서 나온다. 만일 진공 펌프(74)가 사용되면, 퍼지 가스(95)는 흐름(75)으로서 수분 흡착 시스템(79)을 나온다. 통상적인 작동에서, 용기들 중의 하나는 PSA 또는 VSA를 통한 재생이, 그리고 다른 용기는 TSA 에 의한 재생이 이루어진다. The outlet ends of the
여러가지 층들이 단일 용기들 내에 도시된 바와 같이 수용될 수 있으며, 만일 필요하다면, 각각의 층들이 개별적인 용기들 내에 담겨질 수도 있다. PSA 단계의 각각의 종료 싸이클의 지속시간은 많아야 수분(mins), 전형적으로는 4-60 분이며, 열 재생의 지속시간은 일반적으로 대략 1-12 시간이고; 그에 따라서, 이러한 공정의 임의의 단일 단계 도중에 PSA 또는 VSA 모드의 2개의 용기들은 많은 PSA 또는 VSA 싸이클을 진행하게 되지만, 제3의 용기는 하나의 열재생 단계를 진행하게 된다. 설명을 위해서, PSA 또는 VSA 공정이 대기압 이상으로의 가압과 함께 흡착 단계 도중에 실행되고, 베드 재생 단계 도중에 대기압 또는 그 이하로 감압과 함께 실행된다고 가정한다. 열재생을 진행하는 용기 내의 압력은 대기압으로 또는 이에 근접하도록 유지된다.Various layers may be contained as shown in single containers, and if necessary, each layer may be contained in separate containers. The duration of each termination cycle of the PSA stage is at most several minutes (mins), typically 4-60 minutes, and the duration of thermal regeneration is generally approximately 1-12 hours; Thus, during any single step of this process, the two vessels in PSA or VSA mode will go through many PSA or VSA cycles, while the third vessel will go through one thermal regeneration step. For illustrative purposes, it is assumed that the PSA or VSA process is run during the adsorption step with pressurization above atmospheric pressure and with reduced pressure at atmospheric pressure or below during the bed regeneration step. The pressure in the vessel undergoing thermal regeneration is maintained at or near atmospheric pressure.
이하에서 설명되는 공정은 3가지 단계들을 포함한다; 제1 단계는 용기(230)(235)들이 초기에 PSA 또는 VSA 싸이클을 교대로 작동하고, 용기(240) 내의 흡착제는 열 재생을 진행하며; 제2 단계는 용기(235)(240)들이 PSA 또는 VSA 싸이클을 교대로 작동하고, 용기(230) 내의 흡착제는 열 재생을 진행하며; 그리고 제3 단계는 용기(230)(240)들이 초기에 PSA 또는 VSA 싸이클을 교대로 작동하고, 용기(235) 내의 흡착제는 열 재생을 진행한다.The process described below comprises three steps; The first step involves
상기 공정의 제1 단계의 단계 1 시점에서, 용기(230) 또는 (235) 중의 하나는 예를 들면, 용기(230)는 흡착 모드에 있고, 다른 용기는 재생 모드에 있다. 용기(230)가 흡착 모드로 개시하면, 젖은 공급 흐름(70)이 개방된 밸브(200)를 통해서 베드로 들어오고, 개방 밸브(245)를 통하여 베드를 나간다. 흡착 개시 이전에, 용기(230)가 밸브(200)를 통하여 흡착 압력으로 가압된다. 공급 흐름(70)이 용기(230)를 통과하면, 거의 모든 수증기, 탄화 수소, 황 산화물 및 수은과 약간의 질소 산화물들이 제거된다. 상기 수분 흡착 시스템(79)을 나가는 가스 흐름의 이슬점은 통상적으로 -40℃이며, 보다 바람직하게는 -60℃이다. 베드(235)의 재생을 위하여, 퍼지 가스(95)의 일부분이 개방 밸브(290) 및 (265)들을 통하여 유입하고, 흡착제 베드(235)로부터 수분을 회수하여 밸브(215)를 통하여 나간다. 비록 필요하지는 않을지라도, 상기 퍼지 가스는 PSA 또는 VSA 공정에서 사용되기 이전에 가열될 수 있다. 상기 수분 흡착 시스템(79)으로 유입하는 퍼지 가스의 나머지 부분은 히터 또는 열교환기(96)에서 가열되고, 용기(240)의 층(240a)(240b)들을 통과하여 흐른다. 가열된 퍼지 가스가 용기(240) 내의 층(240a) 및 (240b)들을 통과하여 흐르면, 퍼지가스는 잔류 수분, 탄화 수소, 질소, 황 산화물들과, 다른 층들로부터의 수은을 탈착시키는데, 이들은 이 용기 내에서 실행된 이전의 PSA 및 VSA 단계들 도중에 용기(240) 내에 점차적으로 축적된 것들이다. 상기 재생 가스는 탈착된 불순물들과 함께 개방 밸브(225)들을 통하여 용기(240)를 나간다. 흐름(72) 내의 수분 농도와 베드내에서의 보유 열 분포에 기초한 임의의 시간, 전형적으로 4 내지 60분 후에, 용기(230)는 재생을 개시하고, 용기(235)는 수분 및 다른 불순물들의 제거를 개시한다. 용기(230) 및 (235)들은 PSA 및 VSA 작동 하에서 수 시간 또는 수일의 일정기간 동안, 전형적으로는 8 내지 96 시간 동안 지속적으로 동작하고, 용기(240)는 이 시간의 일부 도중에 열적으로 재생된다. 열 재생을 위한 온도는 전형적으로 100℃ 내지 300℃ 사이의 범위에 해당하지만 재료에 따라서 보다 높거나 낮을 수 있다. 열 재생 도중에 제거된 질소 산화물 및 황 산화물과 같은 불순물들은 이와 같은 불순물들의 추가적인 제거를 위해서 기존의 질소 및 황 제거 시스템으로 보내질 수 있다. At the time point 1 of the first step of the process, one of the
상기 PSA 및 VSA 싸이클이 용기(230) 및 (235) 내에서 진행되면, 황 산화물 및 수은과 같은 여러가지 불순물들은 이러한 용기들 내에서 축적된 수증기보다 강하게 흡착되는데, 이들은 압력 변동 또는 진공 변동 흡착의 퍼지 단계 도중에 제거되지 않기 때문이다. 하나 또는 그 이상의 층내에서 이러한 성분들의 성장이 가스 정체 공정의 효율에 악영향을 주는 지점에 도달하게 되면, 상기 공정의 제1 단계는 종료되고, 제2 단계가 개시된다. As the PSA and VSA cycles proceed in
상기 공정의 제2 단계 도중에, 용기(235) 및 (240)들은 교대로 PSA 및 VSA 작동을 하게 되며, 용기(230) 내의 흡착제들은 열 재생을 실행한다. 상기 공정의 이러한 단계의 단계 1 시점에서, 용기(235) 또는 (240) 중의 하나는 예를 들면, 용기(235)는 흡착 모드에 있고, 다른 용기는 재생 모드에 있다. 용기(235)가 흡착 모드로 개시하면, 젖은 공급 흐름(70)이 개방된 밸브(210)를 통해서 베드로 들어오고, 개방 밸브(260)를 통하여 베드를 나가며, 상기 공정 중에 정제된다. 흡착 개시 이전에, 용기(235)가 밸브(210)를 통하여 흡착 압력으로 가압된다. 베드(240)의 재생을 위하여, 퍼지 가스(95)의 일부분이 개방 밸브(290) 및 (280)들을 통하여 유입하고, 흡착제 베드(240)로부터 수분을 회수하여 개방된 밸브(225)를 통하여 나간다. 상기 수분 흡착 시스템(79)으로 유입하는 퍼지 가스의 나머지 부분은 히터 또는 열교환기(96)에서 가열되고, 용기(230)의 층(230a)(230b)들을 통과하여 흐르며, 잔류 수분, 탄화 수소, 질소, 황 산화물들과, 다른 층들로부터의 수은을 탈착시키며, 이들은 이 용기(230) 내에서 실행된 이전의 PSA 및 VSA 단계들 도중에 용기(230) 내에 점차적으로 축적된 것들이다. 상기 재생 가스는 탈착된 불순물들과 함께 개방 밸브(205)들을 통하여 용기(230)를 나간다. 흐름(72) 내의 수분 농도와 용기 내에서의 보유 열 분포에 기초한 임의의 시간 후에, 용기(235)는 재생을 개시하고, 용기(240)는 수분 및 다른 불순물들의 제거를 개시한다. 용기(235) 및 (240)들은 교대로 PSA 또는 VSA 작동 하에서 수 시간 또는 수일의 일정기간 동안 지속적으로 동작하고, 용기(230)는 이 시간의 일부 도중에 열적으로 재생된다.During the second stage of the process,
상기 PSA 및 VSA 싸이클이 용기(235) 및 (240) 내에서 진행되면, 여러가지 불순물들은 이러한 용기(235) 및 (240)들 내에서 축적된 수증기 보다 강하게 흡착된다. 하나 또는 그 이상의 층내에서 이러한 성분들의 성장이 가스 정체 공정의 효율에 악영향을 주는 지점에 도달하게 되면, 상기 공정의 제2 단계는 종료되고, 제3 단계가 개시된다. As the PSA and VSA cycles proceed in
상기 공정의 제3 단계 도중에, 용기(230) 및 (240)들은 PSA 또는 VSA 작동을 하게 되며, 용기(235) 내의 흡착제들은 열 재생을 실행한다. 제3 단계의 작동은 제1 및 제2 단계의 작동과 유사하다. 모든 3단계가 종료된 후, 상기 공정은 단계 1로서 다시 개시하고, 모든 3 단계들은 순환(cyclic) 방식으로 반복된다.During the third step of the process,
PSA 및 VSA 베드와 같이, CO₂흡착 또는 반응 베드들(도 4에서 베드 A 내지 E) 들도 순환 공정을 실행하여 연속 작동을 이루며, CO₂회수을 최대화한다. 이와 같은 베드들은 연도 가스의 다른 성분들, 예를 들면 산소, 질소 및 아르곤들 보다도 CO₂에 대해서 현저한 선택능력을 갖는 하나 혹은 그 이상의 재료들을 포함한다. 연도가스로부터 CO₂를 포획하기 위하여 사용될 수 있는 몇몇의 재료들은 예를 들면, 활성 탄소, 탄소 분자 여과기, 4A, 5A, 13X, NaY 및 CaX 와 같은 제올라이트, 메탈로올가닉 프레임워크(metallorganic framework) 화합물, 천연 제올라이트, 변형된 천연 및 인조 제올라이트, 변형된 활성 탄소, 기둥모양의 점토(pillared clays) 및 반응성 용매들, 예를 들면 소듐, 포타슘 카보네이트, 아민 또는 미세다공성 지지대상에 지지되는 이온성 액체들을 포함한다.Like the PSA and VSA beds, the CO2 adsorption or reaction beds (beds A to E in FIG. 4) also undergo a circulating process to achieve continuous operation, maximizing CO2 recovery. Such beds include one or more materials that have a greater selectivity for CO2 than other components of the flue gas, such as oxygen, nitrogen and argon. Some materials that can be used to capture CO2 from flue gases include, for example, activated carbon, carbon molecular filters, zeolites such as 4A, 5A, 13X, NaY, and CaX, metallorganic framework compounds. Natural zeolites, modified natural and artificial zeolites, modified activated carbons, pillared clays and ionic liquids supported on reactive solvents such as sodium, potassium carbonate, amines or microporous supports. Include.
도 4에 도시된 CO₂포획부 내의 다양한 베드들은 전형적으로, 흡착, 균등화, CO₂생산품에 의한 세정, 가열, 소개(evacuation)에 의한 가열, 냉각 및 재가압 등의 단계들을 거친다. 재료 및 공정 조건들에 따라서 상기 단계들의 다른 조합이 사용되어 CO₂회수을 최대화할 수 있다. 그리고 몇몇의 싸이클 도중에, 몇몇의 단계들, 예를 들면 베드 냉각과정이 생략될 수 있다. CO₂흡착 베드(81)의 작동 도중에, CO₂포획부로 향한 공급 흐름내의 모든 황 산화물 불순물이 제거되며, 이는 대부분의 흡착제들이 CO₂보다 황 산화물에 대해서 보다 높은 친화성을 갖기 때문이다. 대부분의 흡착제들은 질소 산화물보다 CO₂에 대해서 높은 친화성을 갖기 때문에, 이와 같은 포획부로 향한 공급 흐름 내의 대부분의 질소 산화물 불순물들은 CO₂분리 시스템(80)을 나가는 CO₂가 제거된 흐름(85) 내로 통과한다. 화학 반응, 예를 들면 지지된 카보네이트 또는 아민에 의한 CO₂제거를 위해서, 다소의 질소 산화물 및 황 산화물이 화학 반응에 의해서 제거될 수 있다. The various beds in the CO 2 capture shown in FIG. 4 typically undergo steps such as adsorption, equalization, cleaning with CO 2 products, heating, heating by evacuation, cooling and repressurization. Depending on the material and process conditions, different combinations of the above steps may be used to maximize CO 2 recovery. And during some cycles, some steps may be omitted, eg bed cooling. During operation of the CO2 adsorption bed 81, all sulfur oxide impurities in the feed stream directed to the CO2 capture are removed because most adsorbents have a higher affinity for sulfur oxides than CO2. Since most adsorbents have a higher affinity for CO2 than nitrogen oxides, most of the nitrogen oxide impurities in the feed stream directed to these captures pass into the CO2 depleted
도 4는 CO₂분리 시스템(80)의 예시적인 다양한 구성을 도시한 도면으로서, 여기서는 CO₂가 흡착 또는 화학 반응에 의해서 공급 흐름으로부터 제거되고, 증기, 고온수 또는 상기 CO₂분리 시스템(80)으로부터 회수된 건조 흐름에 의한 직접 및 간접 가열에 의해서 회수된다. 5대 베드의 CO₂포획공정이 도 4에 전체적으로 도시되어 있다. 상기 CO₂공급 단계와 상기 CO₂생산 단계들은 이러한 싸이클에서 연속적으로 이루어진다. 상기 CO₂포획이 5대의 베드 공정을 사용하는 것으로 도시되어 있지만. 상기 CO₂포획 공정은 5대의 베드로 한정되는 것은 아니다. 이와 같은 공정은 5대의 베드 이하 또는 그 이상을 사용할 수 있으며, 최소한 2대의 베드들이 동시에 CO₂포획과 생산을 실행하기 위하여 필요하다. 도 4에 도시된 바와 같이, 임의의 시간에서, 하나의 베드가 흡착 또는 반응을 통하여 공급 흐름으로부터 CO₂를 제거하는 동안, 다른 베드는 균등화 및 가압 단계를 실행하고, 제3 베드는 가열되는 도중에 CO₂를 생산하며, 제4 베드는 가열 및 소개 단계 도중에 CO₂를 생산하고, 제5 베드는 CO₂세정 및 균등화 단계들을 실행한다. 이와 유사한 다른 싸이클들이 CO₂세정과 같은 단계를 생략하고, 가열 단계 후에 베드 냉각과 같은 단계들을 부가하여 사용될 수 있다. 균등화 공정은 하부로부터, 상부로부터 또는 상,하부 모두로부터 실행될 수 있다. 가압 공정도 공급 흐름을 사용하여 하부로부터, 또는 CO₂제거 흐름을 이용하여 상부로부터 이루어질 수 있다. 4 shows various exemplary configurations of a CO 2
CO₂포획 공정의 각각의 개별적인 단계는 대략 2-60분에 걸쳐서 이루어져서 상기 공정의 생산성을 최대화한다. 도 4에 도시된 5대의 베드 구성을 사용하는 전형적인 싸이클이 표 1에 기재되어 있다. Each individual step of the CO2 capture process takes place over approximately 2-60 minutes to maximize the productivity of the process. A typical cycle using the five bed configuration shown in FIG. 4 is shown in Table 1.
흡착기 A 내지 E 로 향하는 공급 흐름은 전형적으로 대략 10 내지 80℃의 온도와 대략 1.07 바 내지 40 바의 절대압력 사이의 압력 및 바람직하게는 대략 20℃ 내지 60℃의 온도를 유지한다. 발전소 또는 정유시설의 연도 가스로부터의 CO₂포획에 대해서, 상기 압력은 대략 1.07 내지 1.34 바의 절대압력의 압력일 것이다. 재생 온도는 대략 80℃ 내지 300℃의 범위이며, 보다 전형적으로는 80℃-150℃의 범위이다. 상기 공급 가스내의 CO₂농도는 천연가스 화력 발전소의 경우에는 대략 3%이고, 석탄 화력 발전소의 경우에는 대략 12%이며, 여러가지 화학 공정에 대해서는 60% 까지 높아진다. CO₂분리의 초기 개시 이전에, 흡착기 A 내지 E 내의 베드들은 300℃ 이상의 온도로 가열되어 그 내부에 포함된 잔류 수분들을 모두 제거할 수 있다. 고온의 재생 공정이 실행되어 통상적인 작동 도중에 생성된 불순물들을 제거할 수 있다. The feed flow to the adsorbers A to E typically maintains a pressure between a temperature of approximately 10 to 80 ° C. and an absolute pressure of approximately 1.07 bar to 40 bar and preferably a temperature of approximately 20 to 60 ° C. For CO2 capture from flue gas from a power plant or refinery, the pressure will be an absolute pressure of approximately 1.07-1.34 bar. The regeneration temperature is in the range of approximately 80 ° C to 300 ° C, more typically in the range of 80 ° C to 150 ° C. The CO2 concentration in the feed gas is approximately 3% for natural gas thermal power plants, approximately 12% for coal-fired power plants, and up to 60% for various chemical processes. Prior to the initial initiation of the CO 2 separation, the beds in the adsorbers A to E can be heated to a temperature above 300 ° C. to remove any residual moisture contained therein. A high temperature regeneration process may be performed to remove impurities generated during normal operation.
다양한 밸브들의 작동이 표 1의 단계 1 및 2들을 사용하여 도시되어 있다. 베드 A에 대한 두 가지 단계 1 및 2에서, 공급 가스(72)는 열려진 밸브(302)를 통하여 베드로 들어가고, 상기 베드 내에서 CO₂가 포획되며, CO₂제거 흐름은 개방된 밸브(312)를 통하여 흐름(85)으로서 베드를 나간다. 단계 1 도중에, 베드 B 와 E는 개방된 밸브(340) 및 (430)들을 통하여 가압 균등화를 진행한다. 단계 2 도중에, 베드 B는 개방된 밸브(320) 및 (350)들을 통하여 베드 A를 사용하여 가압된다. 두가지 단계 1 및 2 도중에, 베드 C는 진공하에서 가열을 통하여 재생되며, 밸브(366)는 개방된 상태이다. 고순도의 CO₂생산물은 흐름(100)으로서 나가고 진공 펌프(110)로 유입한다. 두 가지 단계 1 및 2 도중에, 베드 D는 가열을 통하여 재생되며, 밸브(398) 및 (408)들은 개방된 상태이고, CO₂생산물은 흐름(105)으로서 나간다. 단계 2 도중에, 베드 E는 CO₂생산물 흐름(145)으로서 세정되고, 이는 개방된 밸브(424)를 통해서 베드로 유입되고, 개방된 밸브(434)를 통해서 나간다. 단계 3 내지 10 도중의 다양한 밸브들의 작동은 단계 1 및 2 도중의 작동에 유사하다. 일단 모든 단계들이 종료되면, 상기 싸이클은 단계 1에서 시작하여 연속적으로 반복된다.The operation of the various valves is shown using steps 1 and 2 of Table 1. In two steps 1 and 2 for bed A,
분time
minute
반응 absorption/
reaction
반응absorption/
reaction
반응absorption/
reaction
반응absorption/
reaction
반응absorption/
reaction
반응absorption/
reaction
반응absorption/
reaction
반응absorption/
reaction
반응absorption/
reaction
반응absorption/
reaction
총 20.0 분 20.0 minutes total
표 1에 도시된 바와 같이, CO₂포획 및 재생 공정의 다양한 단계들은 이러한 단계들이 대략 수 시간을 소요하는 전형적인 온도 변동 흡착공정보다 현저히 빠른 것이다. 내수성인 흡착제와 반응물들에 대해서, 빠른 가열이 상기 베드들을 증기를 이용하여 직접 가열시킴으로써 이루어질 수 있고, 이후에 증기를 제거하기 위해서 퍼지공정이 이루어져야 하며, 그 다음 베드들이 냉각되어야 할 것이다. 제올라이트와 같이 내수성이 아닌 흡착제와 반응물에 대해서, 증기를 통한 직접적인 가열은 해결방안이 아니며, 건조 가스를 통한 가열은 너무 늦을 것이다. 이와 같은 경우에는, 베드들은 간접적으로 가열될 수 있을 것이다. 한가지 그러한 구성은 셀(shell) 및 튜브 구성이며, 여기서 흡착제 및 반응물들은 작은 직경의 튜브 내에 담겨지고, 가열 매체는 싸이클의 재생 부분동안 상기 셀측 상에서 흐른다. 대략 80℃-300℃의 재생 온도가 가열 매체로서 증기 또는 고온수를 사용하여 얻어질 수 있다. 발전소에서 생산된 전기를 활용하는 가열된 액체 또는 기체 흐름이 재생을 위하여 사용될 수 있다. 한가지 대체 구성은 셀측 상의 흡착제 재료를, 튜브측에 가열 또는 냉각 액체를 포함시키는 것이다. 간접 가열을 허용하는 다른 구성으로는 판 및 프레임 구조이며, 여기서 흡착제는 엇걸려 배치된 나란한 통로 내에 배치되고, 가열된 유체는 엇갈려 배치된 나란한 통로 내에서 흐른다. 증기 또는 가열된 유체가 가열 매체로서 사용될 수 있다. 상기 셀 및 튜브 구성과 판 및 프레임 구성에 대해서, 차가운 유체가 CO₂제거 단계에서 사용되어 흡착 또는 화학 반응 열을 제거시킬 수 있다. 차가운 액체는 또한 베드 냉각 단계에도 사용될 수 있다. 개량 적용 예에 대해서, 재생 매체로는 고온 수 또는 저압 증기를 사용하는 것이 보다 손쉬울 수 있으며, 이는 발전소의 증기 싸이클에 혼란을 최소화하고, 개량하기 쉽기 때문이다. 수직형 베드에 부가하여, 수평형 및 방사형 베드들 모두가 상기 싸이클을 실행하도록 사용가능하다. 그리고, 만일 필요하다면, 상기 셀 및 튜브 구성 또는 상기 판 및 프레임 구성들 각각은 수평 또는 방사형 베드들과 열교환을 위해서 사용될 수 있다. As shown in Table 1, the various steps of the CO2 capture and regeneration process are significantly faster than typical temperature swing adsorption processes where these steps take approximately several hours. For water-resistant adsorbents and reactants, rapid heating can be achieved by directly heating the beds with steam, after which a purge process must be performed to remove the steam, and then the beds must be cooled. For adsorbents and reactants that are not water resistant, such as zeolites, direct heating through steam is not a solution, and heating through dry gas will be too late. In such cases, the beds may be heated indirectly. One such configuration is a shell and tube configuration wherein the adsorbent and reactants are contained in a small diameter tube and the heating medium flows on the cell side during the regeneration portion of the cycle. Regeneration temperatures of approximately 80 ° C.-300 ° C. can be obtained using steam or hot water as the heating medium. Heated liquid or gas streams utilizing electricity produced at the power plant can be used for regeneration. One alternative configuration is to include the adsorbent material on the cell side with the heating or cooling liquid on the tube side. Another configuration that allows indirect heating is a plate and frame structure wherein the adsorbent is disposed in staggered sideways and the heated fluid flows in staggered sideways. Steam or heated fluid can be used as the heating medium. For the cell and tube configurations and the plate and frame configurations, cold fluid can be used in the CO2 removal step to remove heat of adsorption or chemical reaction. Cold liquid can also be used for the bed cooling step. For retrofit applications, it may be easier to use hot water or low pressure steam as the regeneration medium, because it is easy to minimize and improve confusion in the steam cycle of the power plant. In addition to the vertical bed, both horizontal and radial beds are usable to carry out the cycle. And, if desired, each of the cell and tube configurations or the plate and frame configurations can be used for heat exchange with horizontal or radial beds.
상기 싸이클의 가열 및 소개 공정 도중에 생성된 CO₂는 전형적으로 90% 이상의 순도를 갖는다. 이와 같은 흐름은 압축되고, 상기에서 설명된 바와 같이, CO₂정제시설로 보내진다. 만일 박막이 CO₂정제를 위해서 사용된다면, 적은 량의 CO₂흐름이 상기 박막을 침투하여 보다 높은 순도의 CO₂흐름을 생성하고, CO₂분리 시스템(80) 내에서 세정 흐름으로서 사용된다. 상기 흐름의 나머지는 추가적으로 압축되고, 강화된 오일 회수, 산업적 응용 또는 CO₂금속이온봉쇄 등을 위해서 사용될 수 있다. 만일 게터(getter) 공정이 CO₂정제에 사용된다면, 산소 및 황 산화물과 같은 불순물들은 게터와의 반응에 의해서 제거되며, 정제된 CO₂흐름은 더욱 압축되고, 다양한 응용처에 사용될 수 있다. 만일 증류 공정이 CO₂정제에 사용된다면, CO₂는 하부 생산물로서 얻어지고, 비응축물들은 증류 컬럼의 상부층에서 제거된다. 증류 공법에 의해서 생산된 CO₂의 일부분은 CO₂포획부의 퍼지(purge) 작용을 위해서 사용될 수 있으며; 그 나머지는 보다 고압으로 가압펌핑되어 강화된 오일 회수 또는 금속이온봉쇄와 같은 다양한 응용예에 사용된다. 비응축 흐름은 박막 또는 흡착 공정을 통하여 추가적으로 정제되어 부가적인 CO₂량을 회수할 수 있다.The CO2 produced during the heating and evacuation process of the cycle typically has a purity of at least 90%. This stream is compressed and sent to the CO 2 purification plant as described above. If a thin film is used for the CO 2 purification, a small amount of CO 2 flow penetrates the thin film to produce a higher purity CO 2 flow and is used as a cleaning flow in the CO 2
시험 예 1:Test Example 1:
8 X 12 메시 크기(대략 1.5mm)의 상업적으로 구입가능한 5A 제올라이트가 Aldrich Corporation 사로부터 구입되어 2대의 18mm 직경의 흡착제 베드내에 장입되었다. 상기 흡착제의 총 중량은 대략 500 그램(gms)이었다. 대략 12.5%의 CO₂를 함유하고, 나머지는 질소인 공급흐름이 석탄 화력발전소로부터의 연도가스를 모사하기 위해서 준비되었으며, 이러한 베드들을 통하여 11 표준 리터/분의 유속과 1.34 바 절대압력의 압력으로 통과되었다. 표준 조건은 21.1 ℃ 및 1 바의 절대압력이다. 상기 흡착 베드는 30℃의 물/글리콜 혼합물을 포함하는 쟈켓에 의해서 냉각되었다. 재생 베드는 100℃의 물/글리콜 혼합물을 포함하는 쟈켓에 의해서 가열되었다. CO₂가 제거된 흐름 및 CO₂생산물 내의 농도가 적외선 CO₂분석기를 사용하여 분석되었다. 이와 같은 공정의 싸이클이 표 II에 도시되어 있다. 가열 후에, 상기 베드들은 소개 단계에서 대략 0.25 바의 절대압력의 압력으로 소개되었다. 이와 같은 공정의 조건들에 대해서, 평균 CO₂순도 99.8% 및 평균 CO₂회수 85.8%가 얻어졌다. A commercially available 5A zeolite of 8 × 12 mesh size (approximately 1.5 mm) was purchased from Aldrich Corporation and loaded into two 18 mm diameter adsorbent beds. The total weight of the adsorbent was approximately 500 gms. A feed stream containing approximately 12.5% CO2 and the remainder nitrogen was prepared to simulate the flue gas from the coal-fired power plant, passing through these beds at a flow rate of 11 standard liters per minute and a pressure of 1.34 bar absolute. It became. Standard conditions are 21.1 ° C. and 1 bar absolute. The adsorption bed was cooled by a jacket containing a water / glycol mixture at 30 ° C. The regeneration bed was heated by a jacket containing a water / glycol mixture at 100 ° C. The CO2 removed stream and the concentration in the CO2 product were analyzed using an infrared CO2 analyzer. The cycles of this process are shown in Table II. After heating, the beds were introduced at an absolute pressure of approximately 0.25 bar in the introduction step. For these process conditions, 99.8% average CO2 purity and 85.8% average CO2 recovery were obtained.
시험 예 2:Test Example 2:
시험 예 1의 공정이 다른 흡착 온도에서 실행되었다. 다른 공정 조건들, 즉 공급 압력, 공급 CO₂농도, 및 흡착제 재료는 시험 예 1과 동일하였다. 다시, CO₂가 제거된 흐름 및 CO₂생산물 흐름 내의 농도가 적외선 CO₂분석기를 사용하여 분석되었다. 표 II의 공정 싸이클이 사용되었다. 공급 온도 20℃에 대하여, 평균 CO₂순도 99.0% 및 평균 CO₂회수 88%가 얻어졌다. 공급 온도 40℃에 대하여, 평균 CO₂순도 99.2% 및 평균 CO₂회수 84%가 얻어졌다. The process of Test Example 1 was run at different adsorption temperatures. Other process conditions, namely feed pressure, feed CO2 concentration, and adsorbent material were the same as in Test Example 1. Again, the concentrations in the CO2 removed stream and the CO2 product stream were analyzed using an infrared CO2 analyzer. The process cycles in Table II were used. For a feed temperature of 20 ° C., an average CO 2 purity of 99.0% and an average CO 2 recovery of 88% were obtained. For a feed temperature of 40 ° C., an average CO 2 purity of 99.2% and an average CO 2 recovery of 84% were obtained.
시험 예 3:Test Example 3:
시험 예 1의 공정이 8 X 12 메시 크기(대략 1.5mm)의 상업적으로 구입가능한 13X 제올라이트를 Aldrich Corporation 사로부터 구입하여 실행되었다. 상기 공급 압력 및 공급 CO₂농도는 시험 예 1과 동일한 조건이었으며, 표 II의 공정 싸이클이 사용되었다. 다시, CO₂가 제거된 흐름 및 CO₂생산물 흐름 내의 농도가 적외선 CO₂분석기를 사용하여 분석되었다. 공급 온도 20℃에 대하여, 평균 CO₂순도 98.5% 및 평균 CO₂회수 87%가 얻어졌다. 공급 온도 30℃에 대하여, 평균 CO₂순도 98.5% 및 평균 CO₂회수 78%가 얻어졌다. The process of Test Example 1 was carried out by purchasing a commercially available 13X zeolite of 8 X 12 mesh size (approximately 1.5 mm) from Aldrich Corporation. The feed pressure and feed CO 2 concentration were the same as in Test Example 1, the process cycle of Table II was used. Again, the concentrations in the CO2 removed stream and the CO2 product stream were analyzed using an infrared CO2 analyzer. For a feed temperature of 20 ° C., an average CO 2 purity of 98.5% and an average CO 2 recovery of 87% were obtained. For a feed temperature of 30 ° C., an average CO 2 purity of 98.5% and an average CO 2 recovery of 78% were obtained.
시험 예 4:Test Example 4:
시험 예 1과 같이 5A를 포함하는 베드(대략 500 그램의 총 중량)가 대략 3.4%의 CO₂를 함유하고, 나머지가 질소인 공급 흐름과 함께 사용되어 천연가스 화력 발전소로부터의 연도가스를 모사하였다. 상기 공급흐름은 이러한 베드들은 통하여 17 표준 리터/분의 총 유속으로 통과되었다. 상기 흡착 베드는 20℃의 물/글리콜 혼합물을 포함하는 쟈켓에 의해서 냉각되었다. 표 II의 공정 싸이클이 사용되었다. 상기 재생 베드는 100℃의 물/글리콜 혼합물을 포함하는 쟈켓에 의해서 가열되었다. CO₂가 제거된 흐름 및 CO₂생산물 내의 농도가 적외선 CO₂분석기를 사용하여 분석되었다. 이와 같은 공정 조건들에 대해서, 평균 CO₂순도 91% 및 평균 CO₂회수 86%가 얻어졌다. 이와 같은 시험의 결과들은 본 발명의 공정이 천연가스 화력 발전소로부터 배출되는 것과 같은 매우 낮은 레벨의 이산화 탄소를 함유한 흐름에 대해서도 우수한 순도와 회수효과를 제공할 수 있다는 것을 나타낸다.As in Test Example 1, a bed comprising 5A (approximately 500 grams total weight) contained approximately 3.4% of CO 2 and the remainder was used with a feed stream that simulated flue gas from a natural gas thermal power plant. The feed flow was passed through these beds at a total flow rate of 17 standard liters / minute. The adsorption bed was cooled by a jacket containing a water / glycol mixture at 20 ° C. The process cycles in Table II were used. The regenerated bed was heated by a jacket containing a water / glycol mixture at 100 ° C. The CO2 removed stream and the concentration in the CO2 product were analyzed using an infrared CO2 analyzer. For these process conditions, an average CO2 purity of 91% and an average CO2 recovery of 86% were obtained. The results of these tests indicate that the process of the present invention can provide excellent purity and recovery for flows containing very low levels of carbon dioxide such as those emitted from natural gas fired power plants.
비교 예 1: Comparative Example 1:
시험 예 1의 5A 제올라이트가 어떠한 열 재생도 없는 진공 변동 흡착공정에 대한 결과를 얻기 위해서 사용되었다. 상기 공급흐름은 1.34 바의 절대압력 및 30℃에서 12.8%의 CO₂를 포함한 것이었다. 상기 베드들은 재생 단계에서 0.25바의 절대압력의 압력으로 소개되었다. 흡착 및 재생 단계 두가지가 30℃에서 실행되었다. 상기 공정 싸이클은 흡착, 균등화, 순수 CO₂에 의한 세정, 소개, 균등화 및 가압 단계들을 포함하였다. The 5A zeolite of Test Example 1 was used to obtain results for the vacuum swing adsorption process without any thermal regeneration. The feed flow included an absolute pressure of 1.34 bar and 12.8% CO2 at 30 ° C. The beds were introduced at a pressure of 0.25 bar absolute in the regeneration phase. Both adsorption and regeneration steps were performed at 30 ° C. The process cycle included adsorption, equalization, washing with pure CO2, introduction, equalization and pressurization steps.
5.5 표준 리터/분의 공급 유속과 4분의 흡착시간, 0.5분의 균등화 시간, 1.0분의 세정시간, 4.0분의 소개 시간 및 0.5분의 가압 시간에 대해서, 평균 CO₂순도 81.6% 및 평균 CO₂회수 25.4%가 얻어졌다. 2.2 표준 리터/분으로의 공급 유속의 감속은 평균 순도를 53% 로, 평균 회수을 26%로 낮추었다. 5.5 표준 리터/분의 공급 유속과 보다 빠른 싸이클(2분의 흡착시간, 0.25분의 균등화 시간, 0.5분의 세정시간, 2.0분의 소개 시간 및 0.25분의 가압 시간)에 대해서, 평균 순도 59.4% 및 평균 회수 43.9%가 얻어졌다. 5.5 average CO2 purity and 81.6% average CO2 recovery for a feed rate of 5.5 standard liters / minute, adsorption time of 4 minutes, equalization time of 0.5 minutes, cleaning time of 1.0 minutes, introduction time of 4.0 minutes and pressurization time of 0.5 minutes 25.4% were obtained. 2.2 Deceleration of feed flow rate to standard liters / minute lowered average purity to 53% and average recovery to 26%. 59.4% average purity for 5.5 standard liters / minute feed flow rate and faster cycles (2 minutes adsorption time, 0.25 minutes equalization time, 0.5 minutes cleaning time, 2.0 minutes introduction time and 0.25 minutes pressurization time) And an average recovery of 43.9% were obtained.
본 비교 예와 시험 예 1의 결과를 비교하면 CO₂회수 및 CO₂순도의 두가지 효과측면이 베드들의 열 재생없이는 현저하게 낮은 것을 나타낸다. Comparing the results of this Comparative Example with Test Example 1 shows that the two effects of CO 2 recovery and CO 2 purity are significantly lower without thermal regeneration of the beds.
시험 예 5:Test Example 5:
Alcoa사로부터 상업적으로 구입가능한 F-200 활성 알루미나가 시험 예 1의 베드내에 장입되었다. 흡착제의 총 중량은 대략 300 그램이었다. 공급 흐름이 25℃에서 물로 포화되었고, 대략 12.5%의 CO₂를 포함하며, 나머지는 질소인 것이 이러한 베드들을 통하여 10 표준 리터/분의 총 유속과 1.34 바의 절대압력의 압력으로 통과되었다. 상기 싸이클은 5분의 흡착시간, 4.5분의 퍼지 시간 및 각각 0.25분의 가압 및 감압시간을 포함하였고, 베드내에 대부분의 물 흡착열을 유지하도록 설계되었다. 상기 흡착 베드를 나가는 건조된 생산물은 그 압력을 대략 대기압으로 낮춘 후에 퍼지 작동을 위해서 사용되었다. 상기 베드를 나가는 생산물 흐름의 이슬점은 연속적으로 검출되고, 생산물의 수분 농도는 5일 주기 동안 1/1,000,000부(ppm) 이하로 유지되었다. F-200 activated alumina commercially available from Alcoa was loaded into the bed of Test Example 1. The total weight of the adsorbent was approximately 300 grams. The feed stream was saturated with water at 25 ° C., containing approximately 12.5% of CO 2, and the remainder being nitrogen passed through these beds at a total flow rate of 10 standard liters / minute and an absolute pressure of 1.34 bar. The cycle included a 5 minute adsorption time, a 4.5 minute purge time and a 0.25 minute pressurization and decompression time, respectively, and was designed to maintain most of the heat of adsorption of water in the bed. The dried product exiting the adsorptive bed was used for purge operation after lowering its pressure to approximately atmospheric pressure. The dew point of the product flow leaving the bed was continuously detected and the moisture concentration of the product remained below 1 / 1,000,000 parts per million (ppm) over a five day cycle.
이와 같은 예는 임의의 조건 하에서, CO₂분리로 향한 공급 흐름이 매우 낮은 수분 레벨로 건조되어 CO₂분리부에서 CO₂회수을 개선시킬 수 있음을 나타낸다. 수분이 CO₂흡착이전에 제거되는 공정에서의 퍼지 가스는 CO₂흡착부로부터 온 CO₂가 제거된 흐름일 것이다.This example shows that under certain conditions, the feed stream to the CO 2 separation can be dried to very low moisture levels to improve CO 2 recovery in the CO 2 separation. In a process where water is removed prior to CO2 adsorption, the purge gas will be a stream of CO2 removed from the CO2 adsorption section.
이와 같은 시험 예들의 결과는 본 발명에서 제시된 공정이 다양한 공정 흐름으로부터 고순도 및 회수율로서 CO₂를 회수시키기 위하여 사용될 수 있음을 제안한다. The results of these test examples suggest that the process presented in the present invention can be used to recover CO2 with high purity and recovery from various process streams.
본 발명의 공정에서 에너지 소비 추정량은 본 공정에서 CO₂포획에 필요한 에너지가 아민 기반의 CO₂포획 공정에서 필요한 에너지의 대략 반정도임을 나타낸다.Estimated energy consumption in the process of the present invention indicates that the energy required for CO 2 capture in this process is approximately half of the energy required for the amine-based CO 2 capture process.
여기에서 CO₂를 포획하기 위하여 제시된 상기 방법 및 시스템은 많은 잇점을 제공한다. 본 공정은 설비의 개조 응용 및 새로운 설비 모두에 적용가능하다. 설비 개조를 위하여 발전소에서 필요한 개조부분은 아민 기반의 CO₂포획시설에서 요구되는 것 보다 현저하게 작은 규모이다. 본 발명의 공정은 석탄 및 천연가스 화력 발전소 모두에 적용가능하다. 또한 본 공정은 이산화 탄소를 포함하고 있는 정유시설 및 화학 공정흐름과 같은 다른 흐름에도 적용가능하다. 공급 흐름내의 질소 산화물 및 황 산화물(NOx 및 SOx)이 용매에 비가역적으로 반응할 수 있고, 대략 10ppm 레벨 이하로의 제거를 필요로 하는 흡착 공정과는 다르게, 상기 공급 흐름내의 NOx 및 SOx는 흡착제에 악영향을 주지 않는다. 공급 흐름내의 산소는 아민 용매의 품질을 저하시키는 흡착 기반 공정들과는 다르게, 흡착제 상에 아무런 영향도 주지 않는다. 본 공정은 CO₂압축 및 액화 이전에 건조 단계를 불필요하게 하는 건조 CO₂생산물을 제공하며, 그에 연관된 에너지 및 자본 비용을 절감시킨다.The methods and systems presented here for capturing CO2 provide a number of advantages. The process is applicable to both retrofit applications and new installations. The retrofitting required by the plant for retrofitting is significantly smaller than required for amine-based CO2 capture. The process of the present invention is applicable to both coal and natural gas fired power plants. The process is also applicable to other streams such as refineries and chemical process streams containing carbon dioxide. Unlike the adsorption process in which nitrogen oxides and sulfur oxides (NOx and SOx) in the feed stream can irreversibly react to the solvent and require removal below approximately 10 ppm level, the NOx and SOx in the feed stream are adsorbents. Does not adversely affect Oxygen in the feed stream has no effect on the adsorbent, unlike adsorption based processes that degrade the quality of the amine solvent. The process provides a dry CO2 product which eliminates the drying step prior to CO2 compression and liquefaction and reduces the associated energy and capital costs.
상기에서 설명된 본 발명의 시스템과 방법이 특정 예에 관련하여 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, CO₂를 함유하는 공급가스는 다른 공정들, 예를 들면 천연가스 화력 발전소 또는 석탄 가스화 발전소로부터 발생된 것일 수 있다. Although the systems and methods of the present invention described above have been described with reference to specific examples, the scope of the present invention is not limited thereto. For example, the feed gas containing CO 2 may be from other processes, for example a natural gas fired power plant or a coal gasification power plant.
앞서 설명된 예들은 단지 본 발명을 설명하기 위하여 제공된 것으로서, 본 발명의 방법과 시스템을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명이 다양한 실시 예들을 참조로 하여 설명되었지만, 여기에서 사용된 용어들은 설명 및 예시를 위한 것으로서, 제한을 위한 용어가 아님을 알아야 할 것이다. 또한 본 발명이 여기에서 특정 수단, 재료 및 실시 예들을 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 여기에서 제시된 특정한 실시 예에 한정되고자 의도된 것은 아니며; 본 발명은 모든 기능적으로 균등한 구조물, 방법 및 용도들, 예를 들면 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상 범위 내에 포함된 것들을 포함한다. 본 명세서의 개시 내용을 습득한 당업자는 본 발명의 발명 개념으로부터 벗어남이 없이 상기 설명된 실시 예들에 다양한 변경 및 변형이 이루어질 수 있음을 잘 알 수 있을 것이다. The examples described above are merely provided to illustrate the present invention and should not be construed as limiting the method and system of the present invention. Although the present invention has been described with reference to various embodiments, it is to be understood that the terminology used herein is for the purpose of description and illustration, and is not intended to be limiting. Also, while the invention has been described herein with reference to specific means, materials and embodiments, the invention is not intended to be limited to the specific embodiments set forth herein; The present invention includes all functionally equivalent structures, methods and uses, for example, those included within the scope of the appended claims. Those skilled in the art having learned the present disclosure will appreciate that various changes and modifications can be made to the embodiments described above without departing from the inventive concept of the invention.
5...... 공정
10,15,20,25,55,70,85,90,95,105,115,120,130,140,145..... 흐름
30,60..... 유닛 45,50,105..... 라인
65..... 송풍기 71..... 박막 건조기
74..... 진공 펌프 76..... 흡수 시스템
79..... 수분 흡착 시스템
80..... 이산화 탄소(CO₂)분리 시스템
81..... 베드 96..... 열교환기 또는 히터
110.... 진공 펌프 125.... CO₂정제 시스템
200,210,220,245,250,260,265,275,280,290,320,340,350,430..... 밸브
230,235,240..... 용기
230a,230b,235a,235b,240a,240b.... 층5 ...... process
10,15,20,25,55,70,85,90,95,105,115,120,130,140,145 ..... flow
30,60 .....
65 .....
74 ..... vacuum pump 76 ..... absorption system
79 ..... Moisture Adsorption System
80 ..... CO2 Separation System
81 .....
110 ...
200,210,220,245,250,260,265,275,280,290,320,340,350,430 ..... Valve
230,235,240 ..... Courage
230a, 230b, 235a, 235b, 240a, 240b .... Floor
Claims (23)
상기 수분이 제거된 가스를 제2 온도 변동 흡착 단계로 실행시키고, 여기서 상기 제2 온도 변동 흡착 단계는 흡착제를 포함하는 베드내에서 실행되며, 상기 제2 온도 변동 흡착 단계는 건조하고 이산화탄소가 제거된 흐름을 생산하기 위한 흡착 단계, 상기 흡착제 베드를 가열시켜서 수분이 제거된 이산화 탄소 흐름을 생산하는 것을 포함하는 흡착제 재생 단계; 및 베드 가열 후에 부가적인 이산화 탄소 량을 회수시키기 위한 베드 소개공정을 포함하고,
상기 단계들을 1회 또는 그 이상 실행하는 것을 포함하여 수분 및 부가적인 불순물을 포함하는 가스 흐름으로부터 이산화 탄소를 분리시키는 방법. The gas stream is run in a first moisture removal step, wherein all moisture from the gas in the gas stream is removed using any process selected from the group comprising pressure swing adsorption, temperature swing adsorption, thin film separation and absorption; And
The moisture-free gas is run in a second temperature swing adsorption step, where the second temperature swing adsorption step is performed in a bed containing an adsorbent, and the second temperature swing adsorption step is dried and carbon dioxide is removed. An adsorption step for producing a stream, the adsorbent regeneration step comprising heating the adsorbent bed to produce a water-depleted carbon dioxide stream; And bed introduction process for recovering additional carbon dioxide amount after bed heating,
Separating carbon dioxide from a gas stream comprising water and additional impurities, including performing the steps one or more times.
상기 가스를 싸이클을 이루는 압력 변동 흡착 공정에 거치도록 하여 상기 제1 흡착부 및 제2 흡착부에서 교대로 흡착 단계와 흡착제 재생 단계들이 이루어지도록 하고, 그에 따라서 상기 가스로부터 모든 수분을 제거시키며, 상기 흡착제들을 가열시킴으로써 상기 제3 흡착부의 상기 제1 영역 및 제2 영역에서 상기 흡착제로부터 수분 및 다른 불순물들을 탈착시키고;
상기 가스를 싸이클을 이루는 압력 변동 흡착 공정에 거치도록 하여 상기 제1 흡착부 및 제3 흡착부에서 교대로 흡착 단계와 흡착제 재생 단계들이 이루어지도록 하고, 그에 따라서 상기 가스로부터 모든 수분을 제거시키며, 상기 흡착제들을 가열시킴으로써 상기 제2 흡착부의 상기 제1 영역 및 제2 영역에서 상기 흡착제로부터 수분 및 다른 불순물들을 탈착시키며; 그리고
상기 가스를 싸이클을 이루는 압력 변동 흡착 공정에 거치도록 하여 상기 제2 흡착부 및 제3 흡착부에서 교대로 흡착 단계와 흡착제 재생 단계들이 이루어지도록 하고, 그에 따라서 상기 가스로부터 모든 수분을 제거시키며, 상기 흡착제들을 가열시킴으로써 상기 제1 흡착부의 상기 제1 영역 및 제2 영역에서 상기 흡착제로부터 수분 및 다른 불순물들을 탈착시키는 것임을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the water and additional impurities removal process comprises a first adsorption section, a second adsorption section, and a third adsorption section arranged side by side, wherein each of the first adsorption section, the second adsorption section, and the first adsorption section is arranged. The three adsorption sections comprise a first region containing a water removal adsorbent and a second region containing one or more adsorbents for the removal of impurities selected from hydrocarbons, nitrogen oxides, sulfur oxides and mercury, Run it one or more times:
The gas is subjected to a cycle of pressure swing adsorption process, so that the adsorption step and the adsorbent regeneration steps are alternately performed in the first adsorption part and the second adsorption part, thereby removing all moisture from the gas. Desorb water and other impurities from the adsorbent in the first and second regions of the third adsorbent by heating adsorbents;
The gas is subjected to a pressure swing adsorption process forming a cycle so that the adsorption step and the adsorbent regeneration steps are alternately performed in the first adsorption part and the third adsorption part, thereby removing all moisture from the gas. Desorb water and other impurities from the adsorbent in the first and second regions of the second adsorption section by heating adsorbents; And
The gas is subjected to a cycle of the pressure swing adsorption process forming a cycle so that the adsorption step and the adsorbent regeneration steps are alternately performed in the second adsorption part and the third adsorption part, thereby removing all moisture from the gas. Heating the adsorbents to desorb water and other impurities from the adsorbent in the first and second regions of the first adsorption section.
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