KR101329149B1 - 탄소 포집 시스템 및 프로세스 - Google Patents

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Abstract

물 및 비료의 유용한 스트림을 출력하면서 화석 연료 발전소의 탈황 수증기 함유 연도 가스로부터 이산화탄소를 제거하기 위해 암모니아 용액을 사용하는 고온 기후에 주로 사용하기 위한 시스템 및 프로세스가 제공된다.

Description

탄소 포집 시스템 및 프로세스{CARBON CAPTURE SYSTEM AND PROCESS}
본 발명은 기후 보호 기술의 분야에 관한 것으로서, 특히 이산화탄소가 암모니아계 용액 또는 슬러리에 의해 발전소의 연도 가스로부터 흡수되는 시스템을 사용하는 화석 연료 발전소에서의 탄소 포집의 프로세스를 향상시키는 것에 관한 것이다.
화석 연료 발전소는 최초 건축시에 또는 개장(retrofit)으로서 이산화탄소(CO2) 포집 설비가 설치될 수 있다. 대형의 실용적인 용례를 위한 단기간 전망성을 나타내는 일 기술은 암모니아 농후 용액 및 슬러리가 발전소 연도 가스로부터 CO2를 흡수하는데 사용되는 프로세스를 포함한다.
예를 들어, 국제 출원 공개 WO 2006/022885 A1호[이. 갈(E. Gal)]는 냉각된 암모니아 유형의 프로세스를 개시하고 있고, 여기서 전기 집진기 및 연도 가스 탈황기와 같은 통상의 오염 제어 설비의 하류측에서 연도 가스가 주위 포화 온도보다 충분히 낮게 냉각되어 냉각수로 습식 스크러빙(scrubbing)되어 통상의 설비에 의해 제거되지 않은 잔류 오염물을 제거한다. 이는 이어서 대략 대기압에서 그리고 0℃ 내지 20℃ 범위의 저온에서 작동하는 하나 이상의 CO2 흡수기를 통해 세정된 연도 가스의 통과로 이어지고, 여기서 연도 가스 내의 기체 CO2는 암모니아 화합 용액과 반응한다. CO2 흡수기를 통한 통과 전의 연도 가스의 냉각은 그 수분 함량 및 그 체적을 감소시키고, 이에 의해 CO2 농도를 증가시키고 그 포집을 더 효율적이게 한다. 더욱이, 흡수기 내의 비교적 낮은 스크러빙 온도는 암모니아의 증기압을 감소시키면서 암모니아 용액으로의 CO2의 질량 전달을 향상시키므로, 연도 가스 스트림 내로의 그 증발을 방지하는 경향이 있다. 흡수기 용기로부터의 CO2 농후 암모니아 용액은 이어서 압축되고 가열되어 저농도의 암모니아를 함유하는 비교적 청결한 압축된 CO2 가스 스트림으로서 흡수된 CO2를 방출하고, 저농도 암모니아는 추가의 냉간 스크러빙 프로세스에 의해 회수된다. 암모니아 용액은 이제 CO2 희박 상태이고, 추가의 CO2 흡수 듀티를 위해 재순환된다. 한편, CO2 가스 스트림은 냉각될 수 있고, 저장 및 격리를 위해 추가로 압축될 수 있다. 독자는 프로세스의 더 완전한 설명을 위해 전술된 특허 출원 공개를 참조할 수 있다.
탄소 포집 프로세스는 물론 대기 내의 증가된 농도의 온실 가스에 의해 발생되는 기후 변화의 개시를 느리게 하는 경향이 있다. 그러나, 대부분의 기후 전문가들은 일부 지구 온난화가 이미 발생하였고 적어도 수십년 동안 계속될 것이라는 것에 동의한다. 지구 온난화 기후 변화의 결과는 부수적인 물 부족과 함께 세계의 몇몇 지역에서 건조 상태의 증가를 포함할 것이다. 부가적으로, 농작물 수확량을 증가시키기 위한 비료에 대한 필요성이 증가될 것이다.
따라서, 본 발명은 비료 및 물의 스트림을 출력하면서 화석 연료 발전소의 탈황 수증기 함유 연도 가스로부터 이산화탄소를 제거하는 시스템을 제공한다. 상기 시스템은,
(a) 물 냉각 수단과, 물 냉각 수단으로부터 냉각된 재순환된 물을 수용하도록 접속되어 연도 가스를 냉각시키고 이에 의해 연도 가스로부터 물을 응축하기 위한 제 1 연도 가스 냉각기를 포함하는 제 1 연도 가스 냉각 스테이지와,
(b) 폐쇄 회로에서 제 2 연도 가스 냉각기에 접속된 냉각제 냉각 수단을 포함하고, 제 2 연도 가스 냉각기는 냉각제 냉각 수단으로부터 재순환된 냉각제를 수용하여 연도 가스를 더 냉각시키고 이에 의해 연도 가스로부터 부가의 물을 응축하는 제 2 연도 가스 냉각 스테이지와,
(c) 제 1 및 제 2 연도 가스 냉각 스테이지로부터 응축된 양과 적어도 동등한 각각의 물 스트림이 부가의 사용을 위해 시스템으로부터 개별적으로 제거되는 방출 수단과,
(d) 재순환된 암모니아 농후 용액을 사용하여 냉각된 탈수 연도 가스로부터 이산화탄소를 흡수하고 혼입된 암모니아를 포함하는 이산화탄소 고갈 연도 가스의 스트림을 출력하는 이산화탄소 흡수 스테이지와,
(e) 이산화탄소 흡수 스테이지로부터 이산화탄소 함유 암모니아 농후 용액을 수용하고, 암모니아 농후 용액을 가열함으로써 혼입된 암모니아를 포함하는 이산화탄소의 스트림을 출력하여 상기 이산화탄소 함유 암모니아 농후 용액으로부터 흡수된 이산화탄소를 유리하고, 이산화탄소 고갈 암모니아 농후 용액을 이산화탄소 흡수 스테이지로 재순환시키는 이산화탄소 재생 스테이지와,
(f) 장기간 저장을 위해 시스템으로부터 이산화탄소 스트림을 제거하는 수단과,
(g) 이산화탄소 흡수 스테이지로부터 이산화탄소 고갈 연도 가스의 스트림을 수용하고, 황산과 암모니아의 반응에 의해 그로부터 암모니아를 제거하여 농축된 아황산 암모늄 용액을 생성하고, 청결한 이산화탄소 고갈 연도 가스의 스트림을 출력하는 황산 세척 스테이지와,
(h) 농축된 황산 암모늄 용액의 스트림이 부가의 사용을 위해 시스템으로부터 제거되는 방출 수단과,
(i) 황산 세척 스테이지로부터 청결한 연도 가스를 수용하여 이를 대기로 통과시키는 수단을 포함한다.
물 세척 스테이지가 이산화탄소 흡수 스테이지와 황산 세척 스테이지 사이에 위치되어 암모니아의 초기 부분이 이산화탄소 고갈 연도 가스의 스트림으로부터 회수되고, 회수된 암모니아가 이산화탄소 흡수 스테이지에서 암모니아 화합 용액으로 재순환되는 것이 필요하거나 바람직할 수 있다. 물 세척 스테이지가 또한 이산화탄소가 장기간 저장을 위해 시스템으로부터 제거되기 전에 이산화탄소의 스트림으로부터 암모니아를 회수하기 위해 이산화탄소 재생 스테이지 다음에 위치될 수 있고, 회수된 암모니아는 이산화탄소 재생 스테이지에서 암모니아 화합 용액으로 재순환된다.
바람직하게는, 제 1 연도 가스 냉각기는 직접 접촉 가스 냉각기이다. 유리하게는, 제 1 연도 가스 냉각기의 연도 가스에 의해 가열되어 있는 재순환된 물은 이산화탄소 재생 스테이지에서 열교환기를 통과하고, 이에 의해 이산화탄소 함유 암모니아 농후 용액을 가열하여 상기 이산화탄소 함유 암모니아 농후 용액으로부터 흡수된 이산화탄소를 유리한다. 이산화탄소 재생 스테이지를 통과한 후에, 재순환된 물은 제 1 연도 가스 냉각 스테이지에서 물 냉각 수단을 통과한다.
제 1 연도 가스 냉각 스테이지의 물 냉각 수단은 증발에 의해 재순환된 물의 손실을 발생시키지 않는 방법에 의해 재순환된 물을 냉각시켜야 한다. 따라서, 제 1 연도 가스 냉각 스테이지의 물 냉각 수단은 재순환된 물을, 청결한 연도 가스 스트림이 대기로 통과하기 전에 황산 세척 스테이지에 의해 출력된 청결한 연도 가스 스트림, 또는 해수 또는 주위 공기와 같은 환경 냉각제와 비접촉 열교환 관계에 놓이게 하는 열교환기일 수 있다. 예를 들어, 물 냉각 수단은 재순환된 물을 냉각시키기 위해 청결한 연도 가스 스트림 또는 주위 공기를 사용하는 건식 냉각 타워일 수 있다. 부가의 대안예로서, 제 1 연도 가스 냉각 스테이지의 물 냉각 수단은 발전소로부터의 열에 의해 에너지 공급되고 재순환된 물을 냉각시키고 이와 같이 얻어진 열을 환경으로 배출하도록 작동하는 흡수 칠러(chiller)일 수 있다.
청결한 연도 가스 스트림이 대기로 통과되기 전에 재순환된 물을 청결한 연도 가스 스트림과 비접촉 열교환 관계에 놓이게 하는 것은 환경 냉각제의 가열을 회피하고 황산이 세척 스테이지 후의 청결한 연도 가스 스트림의 가열이 배기 기둥(plume) 소산을 보조할 수 있기 때문에 특히 유리하다.
반면, 제 1 연도 가스 냉각기는 바람직하게는 직접 접촉 가스 냉각기이고, 제 2 연도 가스 냉각기는 냉각제가 연도 가스 스트림과 직접 접촉하지 않는 열교환기의 형태이다. 따라서, 제 2 연도 가스 냉각기는 재순환된 냉각제가 통과되는 열교환 코일의 어레이를 포함할 수 있다.
제 2 연도 가스 냉각 스테이지의 냉각제 냉각 수단은, 냉각제가 연도 가스와의 열교환에 의해 증발되고 해수 또는 주위 공기와 같은 환경 냉각제와의 열교환에 의해 응축되는 냉매(암모니아, CO2 또는 프레온
Figure 112010034241986-pct00001
)인 기계식 칠러일 수 있다. 대안적으로, 냉각제 냉각 수단은, 발전소로부터의 열에 의해 에너지 공급되고 연도 가스에 의해 가열되어 있는 재순환된 물 또는 다른 냉각제를 냉각시키고 이와 같이 얻어진 열을 환경으로 배출하도록 작동하는 흡수 칠러일 수 있다.
본 발명은 또한 화석 연료 발전소의 탈황 수증기 함유 연도 가스로부터 이산화탄소를 제거하기 위한 프로세스를 제공한다. 이 프로세스는,
(a) 제 1 연도 가스 냉각 스테이지에서 연도 가스를 냉각시키고 연도 가스로부터 물을 응축하는 단계와,
(b) 제 2 연도 가스 냉각 스테이지에서 연도 가스를 더 냉각시키고 연도 가스로부터 물을 더 응축하는 단계와,
(c) 그 유량이 제 1 및 제 2 연도 가스 냉각 스테이지로부터 응축된 각각의 양과 적어도 동등한 각각의 물 스트림 내의 제 1 및 제 2 연도 가스 냉각 스테이지로부터 개별적으로 물을 방출하는 단계와,
(d) 암모니아 농후 용액 내의 냉각된 탈수 연도 가스로부터 이산화탄소를 흡수하고 혼입된 암모니아를 포함하는 이산화탄소 고갈 연도 가스의 스트림을 출력하는 단계와,
(e) 암모니아 농후 용액을 가열하고 혼입된 암모니아를 포함하는 유리된 이산화탄소의 스트림을 출력하는 단계와,
(f) 추가의 이산화탄소 흡수시에 사용을 위해 이산화탄소 고갈 암모니아 농후 용액을 재순환하는 단계와,
(g) 장기간 저장을 위해 프로세스로부터 이산화탄소 스트림을 제거하는 단계와,
(h) 황산 세척 스테이지에서 이산화탄소 고갈 연도 가스의 스트림을 스크러빙함으로써 상기 스트림으로부터 혼입된 암모니아를 제거하고 청결한 이산화탄소 고갈 연도 가스의 스트림을 출력하는 동시에 황산과 암모니아의 조합에 의해 농축된 황산 암모늄 용액을 생성하는 단계와,
(i) 추가의 사용을 위해 황산 세척 스테이지로부터 농축된 황산 암모늄 용액의 스트림을 방출하는 단계와,
(j) 청결한 연도 가스를 대기로 통과시키는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 화석 연료 발전소는 기체화 석탄 또는 석유를 연소하는 가스 터빈 조합 사이클 발전소이다.
본 발명의 부가의 양태는 이하의 설명 및 청구범위의 숙독으로부터 명백해질 것이다.
본 발명의 예시적인 실시예가 이제 첨부된 도 1을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 특히 연도 가스로부터 이산화탄소를 제거하기 위한 프로세스를 개략 형태로 도시하는 흐름도.
발전소 연소 천연 가스는 단지 약 2 내지 3% CO2만을 함유하는 비교적 청결한 연도 가스 스트림을 생성한다. 한편, 석탄 및 석유와 같은 발전소 연소 연료는 (다른 것들 중에서) 약 10 내지 15% CO2를 함유하는 연도 가스를 생성한다. 전세계의 이미 건축된 또는 최근에 건축되도록 계획된 대부분의 발전소는 몇몇 형태 또는 다른 형태로 석탄 연소식이다. 따라서, 이들의 CO2 배출물을 감소시키는 것이 기후 변화의 영향을 감소시키는데 매우 중요한 역할을 갖는다는 것이 이해될 것이다.
발전소 연도 가스의 탈황은 본 발명의 목적은 아니지만, 연도 가스 스트림(10)이 탈황을 요구하는 것이 도 1의 좌측단에 나타나 있다. 임의의 부유된 미립자 및 유황산/황산 미스트를 제거하는 전기 집진기(필요하다면, 미도시)를 통과한 후에, 연도 가스(10)는 탈황 프로세스(12)에 진입한다. 본 발명의 경우에, 분쇄된 석회암(탄화칼슘)(13)이 저품질수(14)(예를 들어, 해수)와 혼합되어 연도 가스(10)가 통과하는 석회암 슬러리 스프레이를 생성하는 습식 스크러빙 프로세스가 취해진다. 연도 가스 내의 이산화황이 아황산 칼슘 및 이산화탄소로 변환되는 반응이 일어난다. 아황산 칼슘은 이어서 건축 재료로서 판매될 수 있는 수산화 칼슘 황산염[집섬(gypsum)](15)으로 산화된다.
웰먼-로드(Wellman-Lord) 프로세스가 본 발명과 함께 사용하기 위해 고려될 수 있는 대안적인 탈황 프로세스이다. 먼저, 고온의 연도 가스가 애쉬, 염화수소, 불화수소 및 3산화황을 제거하기 위해 스크러빙된다. 냉각 후에, 가스는 흡수 타워 내의 아황산 나트륨의 포화 용액으로 스프레이된다. 아황산 나트륨은 이산화황과 반응하여 재생을 위해 증발 시스템으로 통과되는 농축된 중아황산 나트륨 용액을 형성하고, 여기서 재순환을 위해 아황산 나트륨을 배출하도록 증기 처리에 의해 파괴된다. 배출된 이산화황은 원소 황, 황산 또는 액체 이산화황으로 변환된다. 이 프로세스의 주요 장점은 흡수제가 프로세스 중에 재생되고 계속 재순환된다는 것이다. 더욱이, 발전을 위해 증기를 발생시키는 발전소와 함께 사용될 때, 발전소는 프로세스에서 사용을 위해 증기의 소스를 제공할 수 있다.
본 발명과 함께 사용하기 위해 고려될 수 있는 부가의 대안은 발전소 내의 연소 프로세스 중에 석탄으로부터 황을 제거하는 것이다. 이는 압축된 유동층(fluidised bed) 연소기 또는 통합형 기체화 조합 사이클 프로세스를 사용함으로써 수행될 수 있다. 이 경우, 도 1에 도시된 바와 같은 연도 가스 탈황은 불필요할 것이다.
도 1을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기 위해, 얼마나 탈황되었건간에 연도 가스(10A)는 기체화 석탄 또는 석유를 연소하는 가스 터빈 조합형 사이클(GTCC) 발전소로부터 발생하고, 따라서 약 10 내지 15% CO2를 함유하는 것으로 가정할 것이다. CO2 및 다른 대기 가스에 부가하여, 탈황된 연도 가스(10A)는 단지 잔류 오염물을 함유하고, 40 내지 70℃, 일반적으로 약 55℃의 온도에서 약 15 내지 18% 물로 포화된 물이다. 잔류 오염물을 정화하고 연도 가스(10A)를 냉각시키기 위해, 이는 직접 접촉 가스 냉각기(DCC)(16)를 포함하는 제 1 연도 가스 냉각 스테이지를 통과하고, 여기서 대략 주위 온도(즉, 25℃)에서의 비교적 저온의 물(18A)이 역방향 유동 충전층(packed-bed) 용기 내의 연도 가스를 세척하는데 사용된다. 따라서, 연도 가스는 대략 주위 온도로 냉각되고, 과잉의 물이 응축된다. 연도 가스 스트림(10A)이 수용 가능하게 청결하게 된 후에, DCC(16)내의 물[이하에 설명되는 바와 같이, CO2 재생기(44)를 경유하여 재순환됨]은 또한 수용 가능하게 청결할 수 있다. 응축된 물은 세척수(18A)와 혼합되어 약 52℃의 온도로 DCC(16)를 나오는 약간 오염된 물 스트림(18B)을 형성한다. 스트림(18B)의 상승된 온도는 연도 가스로부터의 열 전달 및 응축의 열의 조합된 효과로부터 발생한다. 적어도 연도 가스(14)의 응축된 물의 양과 동등한 물(20)의 스트림은 DCC(16)의 출구에서 메인 스트림(18B)으로부터 방출되는 것으로서 도시되어 있다는 것을 주지하라. 필요에 따라 이온 교환 수지 또는 태양열 증류기(solar still)에서 정화 후에, 물(20)은 산업용 또는 농업용으로 유용하거나 사용 가능할 수 있다.
그 내부에 사용된 물이 계속 재순환되는 DCC(16)의 작동 기간 후에, 연도 가스(10A)로부터 취출된 불순물은 재순환된 물에 점진적으로 축적될 것이라는 것이 당 기술 분야의 숙련자들에게 명백할 것이다. 따라서, 더러운 재순환 물의 일부를 청결수로 계속적으로 또는 주기적으로 대체할 필요가 있다. 이를 수행하기 위한 편리한 방법은 연도 가스(14)로부터 응축된 양의 약간 초과하는 물의 양을 스트림(20)으로부터 배출하고 DCC(16)의 상부 내로 대응하는 적은 유량의 청결수의 계속적인 주입에 의해 결과적인 물 결핍을 구성하는 것이다. 이러한 청결수는 적합하게는 정화 후에 스트림(20)의 과잉 부분일 수 있다.
초기에 냉각된 연도 가스(10B)는 주위 공기 온도가 가스 터빈의 효율적인 작동을 위해서는 너무 높을 때 가스 터빈 엔진에 사용되는 공기 입구 냉각기와 유사한 복사형 열교환기인 가스 냉각기(24)를 포함하는 제 2 냉각 스테이지로 다음에 통과한다. 이 유형의 가스 냉각기에서, 냉각제(26A, 26B)가 열교환 코일의 어레이를 통과하고, 냉각제와 가스 스트림(10B) 사이에 직접적인 접촉이 없다.
도 1에 도시된 본 발명의 실시예에서, 칠러(30)는 기계식 칠러이다. 이는 주로 냉각제가 증발에 의해 연도 가스로부터 열을 제거하는 가스 냉각기(24)와 응축기를 포함하는 열 배출 수단(28) 사이의 폐쇄 회로 둘레에서 프레온
Figure 112013053934046-pct00002
, 암모니아 또는 이산화탄소와 같은 냉매를 펌핑하는 압축기를 포함하고, 따라서 전체는 히트 펌프로서 작용한다. 응축기는 해수 또는 주위 공기와 같은 환경 냉각제로 열을 배출함으로써 냉각제를 응축할 것이다.
대안적으로, 칠러(30)는 발전소로부터 열에 의해 에너지 공급되고 연도 가스 스트림(10B)에 의해 가열되어 있는 재순환된 물 또는 다른 냉각제(26B)를 냉각시키는 작용을 하는 흡수형 산업용 칠러일 수 있다. 재차, 가열된 냉각제(26B)로부터 흡수 칠러에 의해 얻어진 열은 가스 냉각기(24)에서 사용된 냉각제의 유형 및 열이 배출되는 환경 냉각제의 특성에 의존할 수 있는 형태를 갖는 열교환기를 통해 도면 부호 28에서 환경으로 배출되어야 한다.
상기 냉각기 배열을 사용한 후에, 부스터 팬(36)에 의해 에너지 공급된 후에 CO2 흡수기(34)로 진입 준비가 된 스트림(10C) 내에서 연도 가스를 5℃로 냉각시키는 것이 가능하다.
가스 냉각기(24)에 진입하기 전에 약 25℃의 온도에서 연도 가스(10B)는 여전히 상당한 양의 수증기를 함유한다. 따라서, CO2 흡수기/재생기 시스템(34/44) 내의 물 균형에 영향을 주지 않는 낮은 레벨로 연도 가스 스트림(10B) 내의 물의 양을 더 감소시킬 필요가 있다. 이는 5℃에서 연도 가스(10B) 내의 대부분의 수증기가 물 스트림(32)으로서 제거를 위해 응축되기 때문에 가스 냉각기(24) 내에서 성취된다. 부가의 처리가 거의 또는 전혀 없게 된 후에, 물(32)은 산업용 또는 농업용으로 유용하거나 사용 가능할 수 있다.
비교적 건조한(0.8% 물 함량), 냉각되고 에너지 공급된 연도 가스(10D)는 대략 대기압에서 작동하는 하나 이상의 CO2 흡수기(34)를 통과하고, 여기서 연도 가스 내의 기체 CO2는 암모니아 화합 용액 또는 슬러리와 반응하고 따라서 이들에 의해 흡수된다. CO2 고갈 연도 가스 스트림(10E)이 이하에 설명되는 바와 같이 대기로 배출되기 전에 부가의 처리를 위해 통과된다. 한편, CO2 농후 암모니아 용액(40A)이 흡수기 용기(34)로부터 CO2 재생 시스템(44)으로 펌프(42)에 의해 펌핑되고, 여기서 저농도의 암모니아를 함유하는 비교적 청결한 압축된 CO2 가스 스트림(45)으로서 흡수된 CO2를 배출하도록 가열된다. 재생 시스템(44)을 통과한 후에, CO2 희박 암모니아 용액(40B)이 부가의 듀티를 위해 CO2 흡수기(34)로 재순환된다. 유리하게는, 필수적인 것은 아니지만, CO2 가스 스트림(45) 내의 저농도의 암모니아는 스크러버(46) 내의 물 세척 프로세스에 의해 회수되어 재생기(44)로 재순환될 수 있다. 그 후에, 세척된 CO2 가스 스트림(47)은 저장 및 격리를 위해 냉각되고 더 압축된다(미도시).
설명되고 있는 탄소 포집 시스템의 유리한 양태는 재생 시스템(44) 내의 암모니아 화합 용액으로부터 흡수된 CO2를 배출하는데 필요한 열의 적어도 일부가 DCC(16)로부터 공급되는 방식이다. 전술된 바와 같이, 냉각수 스트림(18B)은 약 52℃의 온도에서 DCC(16)를 나온다. 물(20)이 방출된 후에, 남아 있는 물 스트림(18C)은 재생 시스템(44)에서 열교환기(22)를 통과하고, 여기서 암모니아 화합 용액을 가열함으로써 CO2를 유리시키는 것을 보조한다. DCC(16)로부터 재생 시스템(44)에 의해 요구되는 모든 열을 공급하는 것이 불가능할 수 있는데, 이 경우 보충의 가열기(미도시)가 재생 시스템(44)에 요구될 것이다. 재생 시스템으로 그 열의 대부분을 제공한 후에, 물은 이제 약 35℃에 있고, DCC(16)에서 재사용되기 전에 재차 주위 온도로 냉각시키기 위해 스트림(18D)으로서 건식 냉각 타워(48)로 재순환된다.
건식 냉각 타워(48)는 일반적으로 발전 체계에서 사용되는 개방형 냉각 타워가 대기 내로 대량의 물을 증발시키기 때문에 도 1의 실시예에서 사용된다. 이는 물 절약이 중요한 상황에서는 바람직하지 않을 수 있고, 공급 부족이 있을 수 있는 영역에서 추가의 물을 제공하기 위해 발전소 연도 가스를 사용해야 하는 본 발명의 목적에 반하는 경향이 있다.
이제 CO2 흡수기(34)를 떠난 후에 연도 가스의 경로로 복귀하면, 당 기술 분야의 숙련자는 연도 가스 스트림(10E)이 필수 불가결하게 CO2 흡수기(34) 내의 암모니아에 의해 오염되어 있을 수 있다는 것을 이해할 것이다. 도 1의 실시예에서, 이 암모니아는 2단 프로세스에서 제거된다. 먼저, 약 5000 ppm(parts per million)의 NH3를 함유하는 연도 가스 스트림(10E)이 스크러버(48) 내의 물 세척 프로세스를 통과하여 흡수기(34)로 재순환되는 큰 비율의 암모니아를 회수한다. 이는 스크러버(48)를 떠나는 연도 가스 스트림(10F) 내에 약 200 ppm으로 암모니아 농도를 감소시킨다. 둘째로, 연도 가스 스트림(10F)은 황산 세척 스크러버(50)를 통과하는데, 이는 스크러버(50)를 떠나는 연도 가스 스트림(10F) 내에 약 2 ppm으로 암모니아 농도를 감소시킨다. 시스템의 이 스테이지에 의해, 연도 가스 스트림(10G)은 스택을 통해 대기로의 배출을 위해 충분히 세척되어 있다.
산 세척은 스크러버(50)의 저부로부터 펌프(52)를 경유하여 상부로 비교적 적은 양의 황산을 계속 재순환시키는 독립형 프로세스이다. 스크러버에서, 황산은 연도 가스 내의 암모니아와 조합하여 이하의 반응에 의해 황산 암모늄을 형성한다.
Figure 112010034241986-pct00003
스크러버 내에서 순환하는 황산의 양 및 농도는 적절하게 제어되기 때문에, 스크러버의 저부에서의 황산 암모늄 용액은 매우 고도로 농축되는데, 최대 30% 또는 40% 황산 암모늄을 함유한다. 도시된 바와 같이, 이는 스트림(54)으로부터 방출되고 최소의 부가의 처리 후에 비료로서 사용하기에 적합하다. 황산은 물론 산 세척 프로세스에서 점진적으로 소비되므로, 형성 라인(56)을 경유하여 스크러버(52) 내로 부가의 양을 계속 주입시킬 필요가 있다. 스크러버(52) 내에서의 증발에 의한 물의 손실은 매우 낮을 수 있는데, 이는 스크러버로의 입구에서의 연도 가스(10F)가 단지 약 5℃의 온도를 갖기 때문이다. 따라서, 청결한 연도 가스(10G)가 또한 약 5℃에 있을 수 있어 매우 적은 수증기를 함유하고, 매우 적은 물 형성이 황산과 함께 스크러버(52) 내로 주입될 필요가 있게 된다.
암모니아 회수의 비효율성 및 황산 암모늄의 생성시의 그 사용에 기인하는 시스템으로부터의 암모니아의 손실은 물론 CO2 흡수기/재생기 스테이지(34/44) 내로의 형성 암모니아의 주입(미도시)에 의해 보상되어야 한다.
흡수기를 통한 통과 중에 연도 가스 내에 혼입된 암모니아가 황산 스크러버(50)만에 의해 제거되는 프로세스가 고려될 수 있다. 이 경우에, 대량의 황산 암모늄 용액이 생성되게 되어, 스크러버(50) 내에서 비례적으로 다량의 황산이 필요하게 되고, 황산 및 암모니아 제조가 증가된다.
전술된 바와 같이, 냉각 타워(건식 또는 개방형이건간에)는, 이들이 냉각 효과를 얻기 위해 주위 공기에 의존하기 때문에, 단지 주위 온도 또는 그 약간 위의 온도로 유체를 냉각할 수 있다. 따라서, 공기 온도가 규칙적으로 35℃를 초과할 수 있는 고온 기후에서, 물 스트림(18D)은 냉각 타워를 사용하기보다는 국부적으로 이용 가능한 경우에 해수와의 열 교환 관계에 놓일 수 있다.
건식 냉각 타워(48)에 대한 다른 대안은 DCC(16) 내에서 사용을 위해 수용 가능한 온도로 물(18D)을 냉각시키기 위해 발전소로부터 열에 의해 에너지 공급된 다른 흡수형 칠러일 수 있다. 재차, 이는 환경으로의 열의 배출을 필요로 한다.
냉각수 스트림(18D)으로의 환경적인 냉각제의 사용에 대한 환경적으로 바람직한 대안으로서, 연도 가스가 대기로 배기되기 전에, 건식 냉각 타워(48) 또는 다른 적합한 열교환 장치가 약 35℃에서 물 스트림(18D)으로부터 초기에 약 5℃에 있는 청결한 연도 가스 스트림(10G)으로 열을 전달하는데 사용될 수 있다. 이는 화살표(10G)의 점선 좌향 연장부에 의해 도 1에 지시되어 있다. 프로세스의 조기 스테이지로부터의 청결한 연도 가스 스트림으로의 이러한 연도 가스 열의 전달은 해수와 같은 환경적인 냉각제로의 열을 배출하기 위한 필요성을 회피하고 배기 기둥 내의 청결한 연도 가스의 더 급속한 소산을 가능하게 한다. 기둥은 그 낮은 수증기 함량에 기인하여 비가시적일 수 있다.
전술된 프로세스의 이하의 특징이 특히 주지되어야 한다.
(a) 프로세스로부터 방출될 수 있는 물의 양 및 순도는,
- 탈황 후에 DCC(16)에 진입하는 연도 가스 스트림(10A)이 수용 가능하게 청결한 물 방출(20)을 용이하게 하기 위해 충분히 청결하도록, 연도 가스 스트림(10)의 불순물 함량이 최소화되는 것을 보장하기 위해 기체화 석탄을 연소하는 GTCC 발전소(다른 유형의 석탄 연소 발전소와 반대됨)를 사용하여,
- DCC(16)로부터 탈황 프로세스(12)로 과잉의 물을 재차 공급하는 종래의 수단을 회피하고, 대신에 해수와 같은 저품질수가 탈황 프로세스에 사용될 수 있어 이에 의해 스트림(20) 내에서의 방출을 위해 비교적 청결한 물을 자유롭게 하여,
- DCC(16) 및 가스 냉각기(24)로의 각각의 진입 전에 물 스트림(18A) 및 냉각제 스트림(26A)의 "제로 증발"(물 손실이 없음) 방법을 사용하여,
최대화된다.
(b) 본 발명은 프로세스에 의해 생성되는 유용한 비료 생성물의 양을 최대화한다. 이는 프로세스의 종료시에 독립형 스테이지로서 황산 세척(50)을 사용함으로써 성취되는데, 즉 프로세스 내에서의 임의의 이전 스테이지 또는 스테이지들과의 그 유일한 연결은 조기의 프로세스 스테이지로부터 연도 가스 스트림(10F)을 수용하는 것이고, 그 재순환 산 세척은 이전의 프로세스 스테이지로부터 격리되어 있다.
(c) CO2 제거 프로세스의 에너지 효율은 증가되고 그 환경적인 영향은,
- CO2 재생기 내의 DCC(16)로부터의 열의 사용,
- 물이 DCC(16)에 진입하기 전에 물을 냉각시키기 위한 냉각된 청결 연도 가스(10G) 및 배기 기둥 소산을 보조하기 위한 청결한 연도 가스의 대응 가열의 사용
에 의해 감소된다.
본 발명은 단지 예로서 전술되었고, 수정이 청구된 바와 같은 본 발명의 범주 내에서 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위 및 범주는 임의의 전술된 예시적인 실시예에 의해 한정되어서는 안된다. 청구범위 및 도면을 포함하여 명세서에 개시된 각각의 특징은 명백히 달리 언급되지 않으면 동일한, 등가의 또는 유사한 목적을 담당하는 대안의 특징으로 대체될 수 있다.
문맥에서 명백히 달리 요구하지 않으면, 상세한 설명 및 청구범위 전체에 걸쳐, 용어 "포함한다", "포함하는" 등은 배제적이거나 독점적인 의미에 반대되는 포함의 의미로서, 즉 "포함하지만, 이에 한정되는 것은 아닌"의 개념으로 해석되어야 한다.
10: 연도 가스 스트림 12: 탈황 프로세스
13: 석회암 14: 저품질수
15: 수산화 칼슘 황산염(집섬) 16: 직접 접촉 가스 냉각기(DCC)
18A: 세척수 18B: 스트림
24: 가스 냉각기 30: 칠러
34: CO2 흡수기 42: 펌프
44: CO2 재생기 46: 스크러버

Claims (23)

  1. 연소 가스로부터 CO2를 제거하기 위한 프로세스로서,
    (a) CO2를 함유하는 제 1 가스 스트림을 냉각시키는 단계로서, 상기 냉각 단계는 복수의 냉각 스테이지로 수행되는, 냉각 단계와,
    (b) 제 1 암모니아 용액을 사용하여 냉각된 상기 제 1 가스 스트림으로부터 CO2를 흡수하고, 이에 의해 농도가 감소된 CO2를 함유하는 제 2 가스 스트림 및 농도가 증가된 CO2를 함유하는 제 2 암모니아 용액을 생성하는 단계와,
    (c) 상기 제 2 암모니아 용액을 가열하여 상기 제 2 암모니아 용액으로부터 CO2를 유리시키고, 이에 의해 단계 (b)를 위한 상기 제 1 암모니아 용액을 제공하는 단계, 및
    (d) 단계 (a)로부터의 유체를 사용하여 상기 제 2 가스 스트림으로 열이 전달되어 상기 제 2 가스 스트림의 대기로의 소산을 향상시키고 단계 (a)에서 사용하기 위한 냉각된 유체를 생성하기 위해 상기 유체를 냉각시키는 단계를 포함하고,
    상기 냉각된 유체는 단계 (a)에서 상기 제 1 가스 스트림을 냉각시키는데 사용되고, 이에 의해 가열된 유체를 생성하기 위해 상기 냉각된 유체를 가열하며,
    상기 가열된 유체는 단계 (c)에서 상기 제 2 암모니아 용액을 가열하는데 사용되는, 프로세스.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각된 유체는 직접 접촉 냉각기에서 상기 제 1 가스 스트림을 냉각시키는 프로세스.
  3. 제 1 항에 있어서, 물 세척 스테이지에서 상기 제 2 가스 스트림을 스크러빙함으로써 상기 제 2 가스 스트림으로부터 혼입된 암모니아를 1차적으로 회수하는 단계, 및
    산 세척 스테이지에서 상기 제 2 가스 스트림을 스크러빙함으로써 상기 제 2 가스 스트림으로부터 혼입된 암모니아를 2차적으로 회수하는 단계를 추가로 포함하는 프로세스.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 2 가스 스트림으로부터 혼입된 암모니아를 회수할 때 상기 물 세척 스테이지는 상기 산 세척 스테이지보다 선행되는 프로세스.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 산 세척 스테이지에서 황산이 사용되고, 상기 황산과 상기 혼입된 암모니아의 조합에 의해 농축된 황산 암모늄을 제공하는 프로세스.
  6. 삭제
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 단계 (b)는 적어도 하나의 흡수 스테이지에서 수행되고, 상기 물 세척 스테이지에서 회수된 암모니아는 흡수 칼럼에 제공되고, 상기 산 세척 스테이지에서 회수된 암모니아는 프로세스로부터 제거되는 프로세스.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 가스 스트림은 기체화 석탄 또는 석유를 연소하는 가스 터빈 조합 사이클 발전소로부터 발생하고, 상기 단계 (a)는
    제 1 및 제 2 가스 냉각 스테이지들로부터 물을 방출하는 단계를 추가로 포함하는 프로세스.
  9. 제 8 항에 있어서, 해수를 사용하여 단계 (a) 전에 상기 제 2 가스 스트림을 탈황시키는 단계를 추가로 포함하는 프로세스.
  10. 제 9 항에 있어서, 물은 상기 제 1 및 제 2 가스 냉각 스테이지로부터 개별적으로 방출되는 프로세스.
  11. 연소 가스로부터 CO2를 제거하기 위한 프로세스로서,
    (a) CO2를 함유하는 제 1 가스 스트림을 냉각시키는 단계로서, 상기 냉각 단계는 복수의 냉각 스테이지로 수행되는 냉각 단계와,
    (b) 제 1 암모니아 용액을 사용하여 냉각된 상기 제 1 가스 스트림으로부터 CO2를 흡수하고, 이에 의해 농도가 감소된 CO2를 함유하는 제 2 가스 스트림 및 농도가 증가된 CO2를 함유하는 제 2 암모니아 용액을 생성하는 단계와,
    (c) 상기 제 2 암모니아 용액을 가열하여 상기 제 2 암모니아 용액으로부터 CO2를 유리시키고, 이에 의해 단계 (b)를 위한 상기 제 1 암모니아 용액을 제공하는 단계와,
    (d) 물 세척 스테이지에서 상기 제 2 가스 스트림을 스크러빙함으로써 상기 제 2 가스 스트림으로부터 혼입된 암모니아를 1차적으로 회수하는 단계와,
    (e) 산 세척 스테이지에서 상기 제 2 가스 스트림을 스크러빙함으로써 상기 제 2 가스 스트림으로부터 혼입된 암모니아를 2차적으로 회수하는 단계를 포함하고,
    CO2를 유리시키기 위해 상기 제 2 암모니아 용액을 가열하는 단계는 단계 (a)에서 사용하기 위한 냉각된 유체를 생성하여 상기 제 1 가스 스트림을 냉각하고, 이에 의해 상기 냉각된 유체를 가열하여 단계 (c)에서 상기 제 2 암모니아 용액을 가열하기 위해 사용된 가열된 유체를 생성하는, 프로세스.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 제 2 가스 스트림으로부터 혼입된 암모니아를 회수할 때 상기 물 세척 스테이지는 상기 산 세척 스테이지보다 선행되는 프로세스.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 산 세척 스테이지에서 황산이 사용되고, 상기 황산과 상기 혼입된 암모니아의 조합에 의해 농축된 황산 암모늄을 제공하는 프로세스.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 단계 (b)는 적어도 하나의 흡수 스테이지에서 수행되고, 상기 물 세척 스테이지에서 회수된 암모니아는 흡수 칼럼에 제공되고, 상기 산 세척 스테이지에서 회수된 암모니아는 프로세스로부터 제거되는 프로세스.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
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