KR101935066B1 - 용매, 흡수액의 제공 방법, 그 용매의 용도 및 용매의 활성화 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연소 설비의 연도 가스에서 CO2를 선택적으로 흡수하는 용매 (2)의 용도에 관한 것이다. 용매 (2)는 활성 세정 물질로서 이차 아미노산 염 (4)의 수용액 및 첨가제 (6)를 포함하고, 첨가제 (6)는 일차 아미노산 염 (3)을 포함한다. 본 발명은 추가로 흡수액의 제공 방법, 연소 설비의 연도 가스에서 CO2를 선택적으로 흡수하는 용매 (2)의 용도 및 용매의 활성화 방법에 관한 것이다.

Description

용매, 흡수액의 제공 방법, 그 용매의 용도 및 용매의 활성화 방법 {SOLVENT, PROCESS FOR PROVIDING AN ABSORPTION LIQUID, USE OF THE SOLVENT AND PROCESS FOR ACTIVATION OF A SOLVENT}
전력을 생산하는 화력발전소에서, 화석 연료의 연소는 이산화탄소 함유 연도 가스를 생기게 한다. 이산화탄소 배출을 방지하거나 감소시키기 위해서, 이산화탄소는 연도 가스에서 제거되어야 한다. 일반적으로, 다양한 방법이 가스 혼합물에서 이산화탄소를 제거하는 것으로 알려졌다. 특히 연소 작업 이후에 연도 가스에서 이산화탄소를 제거하기 위하여, 흡수-탈착 방법이 통상적으로 사용된다. 산업적 규모에서, 이산화탄소 (CO2)는 흡수액으로 흡수제 내 연도 가스에서 씻긴다 (CO2 포획 작업).
통상적으로 사용되는 흡수액 (용매)은 일차, 이차 또는 삼차 아민을 바탕으로하고 이산화탄소 CO2에 대하여 좋은 선택성 및 높은 용량을 보인다.
일차 아민 화합물 (일차 아민 또는 일차 아미노산 염)보다 이차 아민 화합물 (이차 아민 또는 이차 아미노산 염)의 장점은 더욱더 낮은 흡수 에너지 및 생성된 더 낮은 재생 에너지에 있고, 이는 발전소의 효율이 더 적게 감소하는 것으로 인지될 수 있다. 또한, 이차 아민 화합물은 CO2에 대해 더 높은 로딩 용량을 보인다. 일차 아민 화합물의 한가지 장점은 더욱더 빠른 흡수 반응속도론이다. 이는 이차 아민 또는 이차 아미노산 염과 비교하여 CO2 포획 설비의 컬럼이 더 작게 디자인 되도록 하고, 이는 더 적은 자본 비용으로 이어진다.
헤테로시클릭 아민 또는 알칸올아민과 비교하여 아미노산 염의 장점은, 아미노산 염이 임의의 현저한 증기압을 가지지 않고, 따라서 증발하지 않으며 CO2 포획 작업에 의하여 환경으로 배출될 수 없다는 것이다. 헤테로시클릭 아민 및 알칸올아민은 휘발성이고 또한 환경으로 분출되는 연도 가스에 의해 배출되며, 이는 원치 않는 환경 오염으로 이어진다.
화학 산업에서, 요즘에는 주로 일차 아민 MEA (모노에탄올아민; monoethanolamine)가 이용되고 있다. 에너지 효율이 화학 산업에서 주요 관심사가 아니기 때문에, 에너지적 문제점이 지금까지 매우 실질적으로 등한시되어왔다. 반대로, 발전소에서 가장 중요한 것은 정확히 CO2 포획 작업의 에너지 소비인데, 이는 그 크기로 인하여 발전소의 전반적인 효율에 상당한 영향을 미치기 때문이다. 이런 산업적 전환은 현재 연구 및 개발의 주제이고, 따라서 이 때문에 이러한 문제가 현재 높은 수준으로 최적화되고 있다.
본 발명의 목적은 환경적으로 적합한 CO2 흡수를 위한 용매를 제공하는 것이며, 이는 높은 흡수 용량 및 동시에 재생시 낮은 에너지 소비를 가진다. 본 발명의 추가적인 목적은 선행 기술의 문제점을 피하면서 흡수액을 제공하는 방법을 명시하는 것을 포함한다. 본 발명의 추가적인 목적은 선행 기술의 문제점을 피하면서 연소 설비로부터의 연도 가스에서 CO2를 선택적으로 흡수하는 용매의 사용을 명시하는 것이다. 본 발명의 목적은 추가적으로 흡수 속도가 더 낮아지고 재생시 에너지 소비가 감소되도록 하는 환경적으로 적합한 용매를 활성화하는 방법을 명시하는 것이다.
용매에 관련된 본 발명에서 나타나는 문제는 이차 아미노산 염의 수용액 및 활성 첨가제를 포함하는 용매에 의해 해결되고, 상기 활성 첨가제는 일차 아미노산 염을 포함한다.
본 발명은 일차 아민 화합물이 이차 아민 화합물보다 CO2와 더 빠르게 반응하여 카르바메이트 화합물을 제공한다는 사실을 활용한다. 본 발명은 따라서 소량의 일차 아민 화합물이라도 CO2의 흡수를 상당히 촉진시키기에 충분하다는 특정 발견을 바탕으로 한다. 아미노산 염의 사용 결과, 용매는 환경적으로 적합하게 유지되는데, 이는 감지할 수 없는 증기압으로 인하여 대기 중으로 배출되는 아미노산 염이 없기 때문이다. 따라서 본 발명은 이차 아미노산 염의 장점 (즉, 더 낮은 재생 에너지 및 더 높은 로딩 용량)을 일차 아미노산 염의 장점 (즉, 더 빠른 흡수 반응속도론)과 결합하는 것을 가능하게 한다.
용매 중의 이차 아미노산 염의 양이 여전히 우세한 사실 때문에, 재생 에너지는 증가되지 않는다. 일차 아미노산 염을 가지는 첨가제를 첨가함으로써 심지어 추가적으로 감소시킬 수 있는데, 이는 흡수제에서 상응하는 더 높은 로딩이 달성되고 증가된 부분압의 차이로 인해 탈착제에서 구동력이 증가하기 때문이다. 따라서, 증가된 흡수 속도로 인한 흡수제의 디자인, 및 요구되는 재생 에너지 둘 모두가 절약된다.
이차 아미노산 염과 일차 아미노산 염 사이의 유리한 중량비는 80:20 (이차 아미노산 염/일차 아미노산 염) 내지 99:1, 및 더 유리하게는 90:10 내지 95:5로 밝혀졌다. 이 중량비는 중량 백분율 기준으로 한다. 용매에서 일차 아미노산 염의 유해 작용을 최소화하도록 일차 아미노산 염의 양은 최소한으로 유지되어야 한다. 더 빠른 반응 속도의 장점을 가지고, 더 높은 비율의 일차 아미노산 염에서 더 많은 에너지를 용매의 탈착에 투자하는 것, 또는 더 낮은 비율의 일차 아미노산 염을 가지고 상응하는 더 커다란 CO2 포획 설비를 구성하는 것이 경제적 측면에서 더 바람직한지 여부를 고려해야 한다.
방법에 대한 문제는 흡수액을 제공하는 방법으로 해결되고, 이는 이차 아미노산 염으로 수용액을 만들며, 첨가제가 수용액에 도입되고, 첨가제는 하나 이상의 일차 아미노산 염을 포함한다.
첨가제는 추가적인 구성성분을 포함할 것이다. 또한 다양한 일차 아미노산 염이 혼합물에 존재하는 것이 가능하다.
이차 아미노산 염과 일차 아미노산 염 사이의 유리한 중량비는 80:20 내지 99:1로 밝혀졌다. 중량비는 더 유리하게는 90:10 내지 95:5이다.
사용의 측면에서 본 발명에서 나타나는 문제는 연소 설비로부터의 연도 가스에서 CO2를 선택적으로 흡수하는 용매의 사용에 의해 해결되고, 상기 용매는 이차 아미노산 염의 수용액 및 활성 첨가제를 포함하고, 첨가제는 일차 아미노산 염을 포함한다. 연소 설비는 화력 증기 발전소, 가스 터빈 발전소, 또는 가스 및 증기 혼합 터빈 발전소일 것이다.
용매를 활성화하는 방법의 측면에서 본 발명에서 나타나는 문제는 연소 설비로부터의 연도 가스에서 CO2를 선택적으로 흡수하는 용매를 활성화하는 방법에 의해 해결되고, 용매는 이차 아미노산 염의 수용액을 포함하고, 용매는 활성 첨가제 (6)의 첨가에 의해 활성화되며, 첨가제는 일차 아미노산 염을 포함한다. 이차 아미노산 염과 일차 아미노산 염 사이의 중량비는 유리하게는 80:20 내지 99:1이다. 활성화 방법은 CO2 포획 작업에서 유리하게 이용될 수 있고, CO2는 화력 증기 발전소로부터의 연도 가스에서, 가스 터빈 발전소로부터의 오프가스에서, 또는 가스 및 증기 혼합 터빈 발전소로부터의 오프가스에서 흡수된다.
본 발명의 실시예가 도면을 참조로 하여 본 명세서에 상세하게 설명되었다. 도면은 다음을 보여준다:
도 1 상이한 용매의 비교를 보여주는 그림
도 2 CO2와 이차 아미노산의 느린 반응을 보여주는 반응식
도 3 CO2와 일차 아미노산의 빠른 반응을 보여주는 반응식
도 4 이차 아민의 예시
도 1에서 보이는 그림은 제거된 CO2의 kg 당 kJ로 연도 가스로부터 CO2의 제거에 요구되는 특정 에너지를 보여준다. 요구되는 에너지는 또한 기본적으로 다른 공정 파라미터 예컨대, 압력, 온도, 펌프 순환, 연도 가스 질량 유속 등에 따라 달라지기 때문에 축에는 눈금이 없다.
막대는 상이한 용매들 (13, 14 및 15)을 나타낸다. 왼쪽 막대는 활성 세정 물질로서 오로지 이차 아미노산 염을 가지는 용매 (13)를 보여준다. 가운데 막대는 활성 첨가제로서 이차 아미노산 염 및 일차 아미노산 염을 포함하는 용매 (14)를 보여주며, 그에 반해, 오른쪽 막대는 이차 아미노산 염 및 모노에탄올아민을 가지는 용매 (15)를 보여준다. 본 예시에서 이차 아미노산 염과 아민 화합물 사이에서 용매들 (14 및 15)의 비는 95:5 (중량 백분율)이다. 보이는 것은 연도 가스로부터 CO2의 제거를 위해 요구되는 비 에너지(specific energy)를 보여준다. 본 명세서에서는 사용된 용매 외에 임의의 다른 공정 파라미터가 변화하지 않는 것으로 가정한다.
용매 (13)와 비교하여 용매 (14)가 더욱더 적은 비 에너지를 요구한다는 것은 분명하다. 이는 동일한 컬럼 크기에서, 일차 아미노산 염으로 활성화되는 용매 (14)가 비 에너지에 대해 더욱 적은 요구를 보인다는 것을 의미한다.
도 2는 이차 아미노산과 CO2의 느린 반응 (8)을 보여주는 반응식을 보여준다. 보이는 것은 기체상 (10)에서 액체상 (11)으로의 CO2 전이이다. 기체상 (10)에서 액체상 (11)으로의 CO2의 흡수, 또는 CO2의 전이는 실제 CO2 포획 작업에 대한 속도 결정 효과를 가지는데, 이는 중탄산염 형성은 카바메이트 형성보다 더욱더 느리고, 이차 아미노산 염의 입체 장애로 인해 후자는 매우 낮아지기 때문이다.
도 2와 비교하여, 도 3은 일차 아미노산과 CO2의 빠른 반응 (9)을 보여주는 반응식을 보여준다. 첨가된 일차 아미노산 염의 결과로서 CO2의 가속된 카바메이트 형성이 평형을 이동시킨다. 그 결과, CO2는 더 빠르게 용매의 기체상 (10)에서 액체상 (11)으로 가고 그 다음에 이차 아미노산 염과 중탄산염을 만들 수 있다.
본 발명과 관련하여, 단지 일차 아미노산 염을 가지는 활성 첨가제 (활성제)의 적은 첨가는 이미 CO2 포획 작업의 상당한 가속화를 이미 달성하는데 필요하게 된다. 유리한 비율은 활성 아미노산 염의 총량을 기준으로, 20 중량% 미만이 되어야 한다는 것이 발견되었다. 활성제의 더 높은 첨가는 흡수능을 악화시킬 것인데, 이는 이차 아미노산 염이 중탄산염의 형성 결과로서 용매의 몰 당 2 mol의 CO2를 흡수할 수 있기 때문이다. 반대로, 일차 아미노산 염은 용매의 몰 당 단지 1 mol의 CO2를 흡수할 수 있다.
도 4는 R1 및 R2가 각각 알킬, 히드록시알킬 또는 할로알킬이며, M이 Na, K, Li, Mg, Ca 또는 Be인 이차 아민 (아미노산 염)의 예시를 보여준다.

Claims (9)

  1. 활성 첨가제 (6)가 일차 아미노산 염 (3)을 포함하고, 이차 아미노산 염 (4)과 일차 아미노산 염 (3) 사이의 중량비가 80:20 내지 99:1인 것을 특징으로 하는, 활성 첨가제 (6) 및 이차 아미노산 염 (4)의 수용액을 포함하는 용매 (2).
  2. a) 수용액이 이차 아미노산 염 (4)으로 만들어지고,
    b) 활성 첨가제 (6)가 수용액에 도입되고, 첨가제 (6)가 일차 아미노산 염 (3)을 포함하며,
    이차 아미노산 염 (4)과 일차 아미노산 염 (3) 사이의 중량비가 80:20 내지 99:1로 설정된 것을 특징으로 하는, 흡수액의 제공 방법.
  3. 제1항에 있어서, 연소 설비로부터의 연도 가스에서 CO2를 선택적으로 흡수하기 위해 사용되는 용매 (2).
  4. 제3항에 있어서, 이산화탄소가 화력 증기 발전소로부터의 연도 가스에서, 가스 터빈 발전소로부터의 오프가스에서, 또는 가스 및 증기 혼합 터빈 발전소로부터의 오프가스에서 흡수되는 것인 용매 (2).
  5. 용매 (2)가 이차 아미노산 염 (4)의 수용액을 포함하고, 용매 (2)는 활성 첨가제 (6)의 첨가로 활성화되며, 첨가제 (6)는 일차 아미노산 염 (3)을 포함하며, 이차 아미노산 염 (4)과 일차 아미노산 염 (3) 사이의 중량비가 80:20 내지 99:1인 것을 특징으로 하는, 연소 설비로부터의 연도 가스에서 CO2를 선택적으로 흡수하는 용매 (2)의 활성화 방법.
  6. 제5항에 있어서, CO2가 화력 증기 발전소로부터의 연도 가스에서, 가스 터빈 발전소로부터의 오프가스에서, 또는 가스 및 증기 혼합 터빈 발전소로부터의 오프가스에서 흡수되는 것인 방법.
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