KR102055976B1 - 이산화탄소를 포집하기 위한 단일 압축 시스템 및 공정 - Google Patents

이산화탄소를 포집하기 위한 단일 압축 시스템 및 공정 Download PDF

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Abstract

본 발명은 CO2를 함유하는 연도 가스 스트림에서 이산화 탄소(CO2)를 포집하기 위한 단일 압축시스템과 공정을 제공한다. 본 발명은 또한 이산화 탄소 포집 매질의 재생을 위한 공정을 제공한다.

Description

이산화탄소를 포집하기 위한 단일 압축 시스템 및 공정{A SINGLE COMPRESSION SYSTEM AND PROCESS FOR CAPTURING CARBON DIOXIDE}
본 발명은 이산화 탄소 포집 매질을 이용하여 연도 가스에서 이산화 탄소를 포집하기 위한 시스템과 공정에 관한 것이다.
정유 공장, 화석 연료 기반 발전소, 시멘트 공장에서 발생하는 연도 가스는 사람의 건강과 환경에 단기 및 장기적으로 심한 악영향을 주는 이산화 유황(SO2) 및 삼산화 유황(SO3), 유화 수소(H2S), 염화 수소(HCl), 불화 수소, 산화 질소, 이산화 탄소(CO2)를 함유한다. 그러므로 연도 가스를 대기에 놓아주기 전에 연도 가스에서 상술된 오염 물질을 감소시키기 위한 각이한 전략들이 고안되었다.
연도 가스에 있는 CO2의 양은 석탄을 적게 태우고 석탄 화력 발전소의 효율을 개선하며 CO2 포집에 이어 포집한 CO2를 저장하는 방법과 같은 방법들에 의하여 감소될 수 있다. 예연소와 후연소, 산소 연소와 같은 여러가지 CO2 포집 기술 가운데서 후연소는 현존 처리 공장(process plant)들의 대규모 개축을 필요로 하지 않으므로 가장 유망한 기술로 되고 있다.
습식 세정 아민 흡수와 같은 흡수 기술은 이산화 탄소 포집을 위한 또 다른 재래식 기술이다. 그러나 흡수 기술은 (i)액상을 통한 확산 저항으로 인하여 CO2의 흡수 속도가 제한되는 것; (ii)아민 재생을 위한 에너지 수요가 높은 것 (2.5 4.0 GJ/톤 CO2); (iii)연도 가스에 산소가 있는 것으로 인하여 용매가 산화 분해되고 산성화되며 이로 인하여 이산화 탄소 포집을 위한 이용 가능한 알칼리성의 상실을 초래 할 뿐아니라 이를 부식성으로 되게 하는 것;(iv) 뚜렷한 휘발성으로 인한 아민의 유실이 가공 처리된 가스에 아민의 평형 유실을 일으키는 것; (v)아민의 열 분해와 그로 인하여 연속 사용에 적합치 않고 새로운 보충 아민의 실질적인 양을 필요하게 하는 것, 과 같은 여러가지 결점과 관련되어 있다. 또한 아민 흡수 공정은 주위 온도에서의 이산화 탄소 포집에 국한된다는 것이 관측되었다. 더우기, 흡수 기술을 이용하여 이산화 탄소를 포집하는 방법은 에너지를 전기 또는 증기 형태로 또는 이들 두가지 형태로 요하며 이는 발전소와 같은 처리 공장에 의하여 공급되는 것으로 하여 발전소의 전반 효율을 13%로 까지 감소시킨다.
그러므로 이산화 탄소를 포집하기위한 비용이 낮고/또는 에너지 통합된 공정을 개발하려는 관심이 커지고 있다. 일반적으로 후연소 범주에 속하는 고체 흡착 재료를 채용하는 흡착공정들은 흡수 기반 공정에 대한 대안으로 부합된다. 그것은 물을 고체 지지체로 대신하면 물에 비해 고체 지지체의 열 용량이 낮은 것으로 인하여 이산화 탄소 포집에 필요한 에너지가 대폭 감소되기 때문이다. 흡착 기술에 의한 이산화 탄소 포집 방법에 대해 개시된 문헌은 상당한 CO2 포집 능력을 보여준다. 그러나 포집 매질의 재생에 필요한 높은 온도와 많은 자금이 공정의 전반 비용과 시간 효율성에 영향을 준다.
US 7731782 및 7947120은 이산화 탄소 흡착에 제올라이트를 채용하고 탈착 단계에서 이산화 탄소가 많이 들어있는 결과의 스트림의 압축 열을 이용하는 흡착 공정을 개시한다. 여기에서 이산화 탄소가 많이 들어있는 스트림을 흡착-탈착 단계후 압축하고 발생된 열을 열 수요를 맞추는데 이용하며, 결과적으로 공정을 실행하는데 상당한 에너지를 필요케 한다.
WO 2012083108은 이산화 탄소 포집을 위하여 탄산나트륨 보강 흡착제에 기반한 흡착 공정을 개시한다. 이 방법은 동력 생산을 위한 기초 유체인 LPG 또는 프로판과의 열 교환에 의해 흡착체에서 발열 열을 이용한다. 추가적으로 LPG와 프로판을 필요로 하므로 비용과 재고만 추가된다.
US 5917136은 개량된 알루미나 흡착제를 이용하는 이산화 탄소 포집을 위한 압력 변동 흡착 공정을 개시한다. 개량된 흡착체는 대략0.11-0.29 밀리몰/g의 이산화 탄소 수착 능력을 가지지만 값이 비싸다.
공기 또는 연도 가스 스트림에서 이산화 탄소를 포집하기 위한 공정들은 대부분 탈착된 수증기 생성물(순수한 이산화 탄소)을 압축하여 얻어진 열과 함께 외부 원에서 나오는 열을 이용한다. 그러나, 이 형태의 열 이용은 공정의 비용 효과성을 별로 개선하지 못한다.
그러므로 종래 기술과 연관된 결점들을 극복하는 연도 가스에 있는 이산화 탄소 제거를 위한 간단하고 에너지 효율적이고 비용이 낮은 공정과 함께 시스템을 개발해야 할 필요성이 제기된다.
적어도 한 개의 실시 방식이 달성할 수 있는 본 발명의 목적들중 일부를 여기 하기에서 논의하였다.
본 발명의 일 목적은 포집 매질을 이용하여 이산화 탄소를 포집하기 위한 단일 압축 공정을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 포집 매질을 이용하여 이산화 탄소를 포집하기 위한 비용 효율적이고 친환경적인 공정을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 포집 매질을 이용하여 이산화 탄소를 포집하기 위한 단일 압축시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 이산화 탄소 포집 매질의 재생을 위한 비용 효율적이고 친환경적인시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 종래 기술의 일 또는 그 이상의 문제점을 완화시키거나 적어도 유용한 대안을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적들과 유리성들은 본 발명의 범위를 제한할 예정이 아닌 하기의 설명들과 첨부 도들로 부터 명백해질 것이다.
본 발명은 CO2를 함유한 연도 가스에서 이산화 탄소(CO2)를 포집하기 위한 단일 압축 공정을 제공하며; 상기 공정은 하기 단계들:
i. 제1송풍기(B1)를 거쳐 연도 가스의 흐름을 안내하여 높은 온도의 가압 연도 가스 스트림을 수득하는 단계;
ii. 열 유체를 이용하여 제1 열교환기(Hex-A)의 가압 연도 가스 스트림에서 열을 적출하여 가열된 열 유체와 냉각된 가압 연도 가스 스트림을 수득하는 단계;
iii. 냉각된 가압 연도 가스 스트림을 CO2 흡착체(A)로 안내하는 단계;
iv. 흡착체(A)에 유동화된 연한 CO2 포집 매질을 통과시켜진한 포집 매질과 CO2가 없는 연도 가스를 포함하는 스트림을 발생시키는 단계;
v. 제1 사이클론(C1)에서 상기의 진한 포집 매질과 CO2가 없는 상기 연도 가스 스트림을 분리하는 단계;
vi. CO2가 없는 분리된 연도 가스 스트림을 차후 처리를 위해 배기관으로 안내하는 단계;
vii. 상기 분리된 진한 포집 매질을 제2의 열 교환기(Hex-B)로 인도하여 적어도 부분적으로 상기 가열된 열 유체를 이용하여 이를 재생 온도에 가깝게 가열함으로써 가열된 진한 포집 매질을 수득하는 단계;
viii. 상기 가열된 진한 포집 매질을 탈착체(D)에 공급하는 단계;
ix. 상기 가열된 열 유체를 순환시켜 탈착체(D)에서 상기 가열된 진한 포집 매질을 가열하여 가열된 진한 포집 매질에서 CO2를 탈착함으로써 뜨거운 연한 포집 매질과 CO2 가스의 혼합물을 발생시키는 단계
x. 뜨거운 연한 포집 매질에서 CO2 가스를 분리하는 단계;
xi. 흡착체(A)에서의 흡착을 위한 제3의 열 교환기(Hex-C)에서 분리된 뜨거운 연한 포집 매질을 냉각시켜 공정을 반복하는 단계, 를 포함한다.
냉각 가압된 연도 가스 스트림(X)의 일부를 제3의 열 교환기(Hex-C)에서 상기 분리된 포집 매질을 유동화하는데 이용할 수 있다.
흡착체(A)의 온도를 냉각된 연한 포집 매질에서의 CO2의 흡착 공정 동안에 흡착체(A)를 거쳐 순환하는 외부 찬물(C/W)을 이용하여 조종될 수 있다. 흡착체(A)에서의 흡착 반응은 50-70oC의 온도에서 효율적으로 진행된다.
포집 매질은 지지된 알칼리 금속 탄산염과 지지된 알칼리 금속 산화물, 지지된 아민으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 한가지가 될 수 있다.
CO2가 없는 연도 가스 스트림에서 분리된 후 흡착체(A)에서 발생하는 진한 포집 매질은 스트림(O')으로서, 제1 사이클론(C1)를 거쳐 흡착체(A)로 재순환될 수 있다.
제2 열 교환기(Hex-B)에서, 상기 진한 포집 매질은 흡착체(D)에서 벗어나 순환하는 열 유체에 의하여 가열되어 제2 열 교환기(Hex-B)를 벗어나는 더운 열 유체를 수득한다.
상기 흡착체(A)와 상기 탈착체(D)는 조밀 유동화 및 거품 유동화, 거품 흡수 유동화, 난류 유동화, 속성 유동화로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 한가지 방법으로 작동하는 순환하는 호상 연결된 유동화된 베드 반응기이다.
제2 열 교환기(Hex-B)를 벗어나는 더운 열 유체는 공정에서의 차후 순환을 위하여 열 유체 저장 탱크(DT)에 저장하기 전에 냉각될 수 있다.
탈착체(D)에서 가열된 진한 포집 매질은 가열된 진한 포집 매질에서 CO2를 효율적으로 탈착하기 위하여130-150oC의 온도로 가열하여 뜨거운 연한 포집 매질과 CO2 가스를 발생시킬수 있다. 탈착체에서 발생된 CO2의 일부를 가압하여 스트림(Y)로서 탈착체(D)에로 그리고 선택적으로 스트림(Z)로서 제2 열 교환기(Hex-B)에로의 공급하여 진한 포집 매질의 유동화하였다.
CO2는 제2의 사이클론(C2)에서 뜨겁고 연한 포집 매질에서 분리될 수 있고 분리된 CO2의 일부를 하류 사용을 위하여 제5의 열 교환기(Hex-E)에서 냉각한다.
열 유체는 상기 제1 열 교환기(Hex-A)에 공급하기전에 펌프(P)에 의하여 가압된다.
뜨겁고 연한 포집 매질을 외부에서 제공되는 찬물의 공급으로 제3 열 교환기(Hex-C)에서 냉각하여 냉각된 연한 포집 매질을 수득할 수 있다.
보충 포집 매질의 스트림을 흡착체(A)에 넣기전에 상기 냉각된 연한 포집 매질에 주입할 수 있다.
본 발명은 또한 CO2를 함유한 연도 가스로 부터 이산화 탄소(CO2)를 포집하기 위한 단일 압축 시스템을 제공하며, 상기 시스템은 하기들:
i. 연도 가스 스트림을 접수하고 상기 연도 가스 스트림을 가압하여 높은 온도를 갖는 가압된 연도 가스 스트림을 발생시키도록 적응된 제1송풍기 (B1);
ii. 상기 가압된 연도 가스 스트림과 열 유체를 접수하고 상기 가압된 연도 가스 스트림으로 부터 열을 상기 열 유체로 전달하여 가열된 열 유체와 냉각되고 가압된 연도 가스 스트림을 수득하도록 적응된 제1 열 교환기(Hex-A);
iii. 포집 매질이 CO2를 흡착하여 진한 포집 매질과 CO2가 없는 연도 가스 스트림을 발생시키도록 적응되어 있는, 상기 냉각되고 가압된 연도 가스 스트림과 유동화된 연한 냉각 포집 매질, 제3 열 교환기(Hex-C)에서 발생하는 냉각된 연한 포집 매질을 접수하도록 적응된 흡착체(A);
iv. 상기 진한 포집 매질을 접수하고 상기 진한 포집 매질을 가열하여 예정 재생 온도에 가깝게 가열하여 가열된 진한 포집 매질을 수득하도록 적응된 제2 열 교환기(Hex-B);
v. 상기 가열된 진한 포집 매질을 접수하고 또 상기 가열된 진한 포집 매질을 가열하여 CO2를 탈착하여 뜨거운 연한 포집 매질과 CO2 가스를 발생하도록 적응된 탈착체(D);
vi. 상기 열 유체를 상기 제1 열 교환기(Hex-A)와 상기 탈착체 (D), 상기 제2 열 교환기(Hex-B)를 거쳐 상기 열 유체를 순환하도록 적응되고, 열 유체 저장탱크(DT) 와 펌프(P)를 포함하는 열 유체 순환 시스템,
vii. 상기 뜨겁고 연한 포집 매질을 냉각하여 상기 흡착체(A)에서의 흡착을 위한 냉각된 연한 포집 매질을 발생시키도록 적응된 제3 열 교환기(Hex-C), 를 포함한다.
본 발명의 상기시스템은 또한 상기 진한 포집 매질과 CO2가 없는 상기 연도 가스 스트림을 분리하도록 적응된 제 1 사이클론(C1)을 포함할 수 있다.
본 발명의 상기시스템은 또한 상기 연한 포집 매질과 CO2 가스를 분리하도록 적응된 제 2 사이클론(C2)을 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 시스템은 또한 상기 흡착체(A)와 상기 제3 열 교환기(Hex-C), 상기 열 유체 순환 시스템에 찬물을 공급하도록 적응된 찬물(C/W) 원을 포함할 수 있다.
본 발명의 상기시스템은 또한 상기 제2 사이클론(C2)에서 CO2 가스를 접수하고 가압된 CO2 가스를 상기 탈착체(D)에 스트림(Y)로서 그리고 선택적으로 상기 제2 열 교환기(Hex-B)에 스트림(Z)로서 공급하도록 적응된 제2 송풍기(B2)를 포함할 수 있다.
상기 열 순환시스템은 탈착체(D)에서 벗어나 열 유체 저장 탱크(DT)로 가는 열 유체 스트림의 일부를 우회시켜 제2 열 교환기(Hex-B)를 거쳐 탱크로 흘러가도록 적응된 다이버터(diverter)(Dv)를 포함할 수 있다.
보충 포집 매질 스트림을 탈착체(A)로 들어가기 전에 제3 열 교환기(Hex-C)를 벗어나는 상기 냉각된 연한 포집 매질에 주입한다.
본 발명은 비제한적인 첨부 도들을 참조로 서술할 것이다:
도 1은 이산화 탄소 포집 매질을 이용하여 연도 가스에 포함된 이산화 탄소를 포집하기 위한 단일 압축시스템(100)의 개략도를 도시한다.
본 발명은 정유 공장들과 화석 연료 기반 발전소, 시멘트 공장과 임의의 다른 잠재적인 방출 원들을 포함하나 이에 제한되지 않는 다양한 연도 가스 원들로 부터 이산화 탄소를 포집하는 것과 관련된다. 본 발명은 상술된 원들에서 생성된 과잉의 연도 가스를 압축하기 위한 단일 압축 사이클을 동반하며 포집 매질의 재생 단계에서의 열 수요를 보상하기 위하여 압축으로 인하여 발생된 열을 적출하는 고온 열 전달유체(열 유체)를 채용한다. 그러므로 본 발명은 우선 압축 후 연도 가스의 효과적 이용과의 공정 열 통합 응용을 포함한다.
본 발명에 따라 CO2를 함유한 연도 가스 스트림에서 이산화 탄소(CO2)를 포집하기 위한 시스템(100)과 공정을 제공하며 여기서 본 발명은 또한 이산화 탄소 포집 매질의 재생을 위한 공정을 제공한다. 이 시스템과 공정을 도 1을 참조로 하여 서술하며 이 시스템의 기본 요소들은 일발적으로 첨부 도에서 지적한 숫자들에 의하여 일반적으로 참조를 주었다.
본 발명에 따라 이 시스템(100)은 하기 요소들을 포함한다:
* 제1 송풍기(B1);
* 제1 열 교환기 (Hex-A);
* 탈착체(A);
* 제2 열 교환기 (Hex-B);
* 탈착체(D);
* 제3 열 교환기 (Hex-C).
본 발명의 공정은 처음으로 외부의 공장 또한 장치에 원천을 둔 CO2를 함유한 뜨거운 연도 가스 스트림을 제1 송풍기(B1)로 안내하는 방법을 포함한다. 제1송풍기(B1)는 연도 가스를 접수하고 이를 가압하며 높은 온도의 가압된 연도 가스 스트림을 발생시킨다. 제1 송풍기(B1)에서 나오는 가압된 연도 가스 스트림을 제1 열 교환기(Hex-A)가 접수하고 제1 열 교환기(Hex-A)는 열 교환기(Hex-A)를 거쳐 순환되는 열 유체를 이용하여 가압된 연도 가스 스트림에서 열을 적출하여 가열된 열 유체와 냉각된 가압 연도 가스 스트림을 발생시킨다. 냉각되고 가압된 연도 가스 스트림의 일부를 다른 포집 장치 열에서 차후 처리하기 위하여 보낸다. 열 유체 저장 탱크 (DT)에 원래있는 열 유체는 제1 열 교환기(Hex-A)에 들어가기 전에 펌프(P)로 퍼올린다. 전형적으로 순환 열 유체는 다우섬(Dowtherm)과 글리콜과 같은 탄화 수소 유를 포함하나 이에 제한되지 않는다. 탈착체(A)는 냉각되고 가압된 연도 가스 스트림의 다른 일부와 차고 연한 포집 매질을 접수하고 여기서 차고 연한 포집 매질은 CO2를 흡착하고 진한 포집 매질(흡착된 CO2가 있는 포집 매질)을 CO2(O)가 없는 연도 가스 스트림을 발생시킨다. 흡착체(A)의 흡착 반응은 50-70oC의 온도에서 효과적으로 진행된다. 본 발명의 포집 매질은 유동화 방식에서 작용 가능하다. 흡착체(A)에 들어가자 마자 제1 열 교환기(Hex-A)에서 발생하는 냉각되고 가압된 연도 가스 스트림은 포집 매질을 유동화한다. 이는 포집 매질이 흡착체(A)의 바닥에서 케이크를 형성하는 것을 방지하고 반응기 벽체에 부착되거나 중합화 되는 것을 방지함으로써 포집 매질에서 CO2 가스의 최대 흡착을 유도한다. 고압 연도 가스는 포집 매질이 유동화되고 중력에 거슬러 이동하도록 하여 포집 매질의 최대 표면적이 CO2를 함유한 연도 가스 스트림에 노출될 수 있게 한다. 전형적으로 포집 매질은 지지된 금속 탄산염과 지지된 알칼리 금속 산화물, 지지된 아민을 포함하나 이에 제한되지 않는다. 포집 매질의 수착 능력은 포집 매질 매 킬로그램 당 이산화탄소 50-200 그램에 달한다. 또한 본 발명의 포집 매질은 재생후 실질적으로 이산화 탄소 이전의 포집 매질과 같은 수착 능력(> 99%)을 가진다. 흡착 반응이 발열성이므로 찬물(C/W)의 외부적 공급을 도입하여 흡착체(A)의 온도 증가를 제어한다. 이는 반응 속도를 증가시키고 총 흡착 시간을 최소로 한다. 포집 매질 베드 우 에서의 연도 가스 흐름의 끌힘으로 인하여 포집 매질 입자들이 흡착체(A)를 거쳐 제1 사이클론(C1)으로 우로 올라간다. CO2(O)가 없는 연도 가스 스트림과 진한 포집 매질을 제1 사이클론(C1)에서 분리한다. CO2가 없는 연도 가스 스트림으로 부터 분리된 후 흡착체(A)에서 발생하는 진한 포집 매질을 스트림(O')로서 제1 사이클론(C1)을 거쳐 흡착체(A)로 재순환 할 수 있다. CO2(O)가 없는 연도 가스 스트림을 차후 처리를 위하여 배기관으로 보내고 대기로 배출하지만; 제2 열 교환기 CO2(O)는 진한 포집 매질을 접수하고 예정 재생 온도로 진한 포집 매질을 가열하여 가열된 진한 포집 매질을 수득한다. 제2 열 교환기(Hex-B)는 하류로 이용되는 탈착체(D)의 열 부하를 감소시킨다. 제2열 교환기(Hex-B)에서의 가열은 순환 열 유체의 현저한 엔탈피를 이용하여 진행된다. 가열된 진한 포집 매질 스트림과 더운 열 유체 스트림은 제 2 열 교환기(Hex-B)에서 발생하게 된다. 더운 열 유체 스트림은 공정에서 차후 순환을 위하여 상술된 열 유체 저장 탱크(DT)에 저장하기 전에 제4 열 교환기(Hex-D)에 의하여 냉각된다.
제 2 열 교환기에서 발생하는 가열된 진한 포집 매질을 다음 탈착체(D)로 공급하며 이를 제1 열 교환기(Hex-A)에서 발생하는 순환하는 가열된 열 유체에 의하여 가열하여 CO2 탈착(진한 포집 매질 재생)을 일으킨다. 탈착체(D)의 가열된 진한 포집 매질을 가열된 진한 포집 매질에서 효과적으로 CO2를 탈착하기 위하여 130-150oC의 온도로 가열할 수 있다. 재생을 위하여 필요한 열에너지를 CO2를 함유한 연도 가스 스트림에서 열 유체에 의하여 유도된 본질적인 현저한 엔탈피에 의하여 제공된다. 촉매를 연속적으로 순환할 수 있는 임의의 반응기를 흡착 및 탈착 공정을 위하여 채용할 수 있지만 순환하는 호상 연결된 유동화된 베드 반응기들을 이용하는데 그것은 이들이 (i) 신속 혼합에 의하여 균일한 온도 분배를 용이하게 하고 순환하는 흡착체와의 열 교환에 의하여 에너지 효율적으로 되게 하고; (ii) 가스 우회의 영향을 줄여 가스와 입자들 사이에 높은 열 과대 양 전달 속도를 발생시키고; (iii) 발열 흡수 반응 동안에 열점 발생을 막고; (iv) 높은 표면 속도를 제공하여 반응기 크기를 감속하기 때문이다. 전형적으로 흡착체(A)와 탈착체(D)들은 조밀 유동화 및 거품 유동화, 거품 흡수 유동화, 난류 유동화, 속성 유동화로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 한가지 방법으로 작동하는 호상 연결되고 순환하고 유동화 된 베드 반응기들이다. 가열 단계는 가열된 진한 포집 매질에서 CO2가 탈착되도록 하고 따라서 뜨겁고 연한 포집 매질과 CO2 가스의 혼합물을 발생시킨다. CO2 가스는 제 2 사이클론(C2)에서 뜨겁고 연한 포집 매질에서 분리되고 분리된 CO2의 일부가 제 5 열 교환기(Hex-E)에서 하류 이용으로 냉각된다. CO2 가스 스트림의 다른 일부를 탈착체(D)의 가열된 진한 포집 매질의 유동화를 위하여 이용한다. 일 실시례에서 CO2 가스 스트림의 또 다른 일부를 유동화를 위하여 탈착체(D)에 공급하기 전에 스트림(Y)로서 제2 열 교환기(Hex-B)에 공급하기 전에 스트림(Z)로서 송풍기(B2)에서 초기에 가압한다.
분리된 뜨겁고 연한 포집 매질을 제3 열 교환기(Hex-C)에 안내하여 공정의 반복을 위하여 결과의 냉각된 연한 포집 매질을 흡착체(A)에 안내하기 전에 냉각한다. 냉각 단계를 외부적으로 제공된 찬물(C/W)의 공급 방식으로 수행한다. 보충 포집 매질의 스트림을 흡착체(A)에 넣기전에 냉각된 연한 포집 매질에 주입한다.
본 발명의 시스템은 열 유체 순환 시스템을 포함한다. 열 유체 순환 시스템은 제1 열 교환기(Hex-A)와 탈착체(D), 제2 열 교환기(Hex-B)를 거쳐 열 유체를 순환시키며 온도와 전체 시스템(100)의 엔탈피를 조절하는 역할을 한다. 열 유체 순환 시스템은 또한 탈착체(D)에서 나가서 열 유체 저장 탱크(DT)로 가는 열 유체 스트림의 일부를 우회시켜 제2 열 교환기(Hex-B)를 거쳐 탱크로 흘러가도록 적응된 다이버터(Dv)를 포함할 수 있다.
본 발명의 공정의 선택적인 실시 방식에서 제1 열 교환기(Hex-A)에서 발생하는 냉각되고 가압된 연도 가스 스트림(X)의 일부를 제3 열 교환기에서 분리된 포집 매질을 유동화하기 위하여 이용한다.
본 발명의 공정은 모든 주요 성능 파라미터에 대하여 재래식 아민 기반 흡수 공정과 비교할 때 상당한 우점을 제공한다. 재래식 아민 기반 흡수 공정에서 포집 매질을 재생하는데 필요되는 전체 열은 본 발명의 공정에서 필요되는 열보다 크다. 본 발명의 연도 가스 냉각기는 연도 가스 스트림과 관련한 최대의 열을 벌충하여 공정내에서 이용한다. 다른 측면에서 열의 대부분은 재래식 아민 공정에서의 냉각 동안에 유실된다. 임의의 포집 공정에서 증기 수요는 상당하게 포집 매질의 재생과 관련한 작동비용에 영향을 주지만, 본 발명은 증기 발생과 비교할 때 보잘 것 없는 가치를 가지는 연도 가스 스트림에서 얻어지는 열을 이용하여 재생 단계를 위한 열 수요 문제를 신중하게 처리한다. 유사하게 본 발명에서 수요되는 찬물의 양은 종래의 아민 기반 공정에서 수요되는 양보다 현저하게 작다.
본 발명은 하기의 비제한적인 실시 방식에 비추어 논의한다.
실시례 1: 본 발명에 따르는 CO 2 의 포집 공정과 재래식 흡수 공정과의 비교
A] 본 발명에 따르는 CO2의 포집 공정
160oC 온도와 1바르 압력의315TPH(시간 당 톤수)의 연도 가스 스트림 [이산화 탄소: 16, 산소:2, 질소: 나머지, 건조한 상태의 조성물(부피 %)]을 제1 송풍기(7.9MW)에 주입하여243oC 의 온도와 1.65바르 압력의 연도 가스 스트림을 수득하였다. 가압된 연도 가스 스트림을 제1 열 교환기를 통과하도록 된 순환하는 열유체로서 제1 열 교환기에 보냈고 여기서 가압된 스트림에서 나오는 열을 180.9TPH의 다우섬(Dowtherm)으로 적출하였다. 열유체 저장탱크에 들어있는40oC의 열유체를 제1 열교환기에 들어가기 전에 퍼올리였다(10 bar). 열적출 후, 55oC의 온도와 1.5바르의315TPH의냉각된 연도 가스 스트림과232.35oC의 180.9TPH의 가열된 열유체 스트림을 수득하였다.
냉각되고 가압된 연도 가스 스트림의 일부를 CO2 흡착체에 우회시키고 여기서 알루미나에 지지된 유동화되고 차고 연한 포집 매질 탄산칼륨을 주입하였다. 유동화된 차고 연한 포집 매질이 연도 가스 스트림에 있는 CO2 를 흡착하70 oC의 CO2가 없는 52.5TPH의 처리된 연도 가스 스트림을 발생시켰고 이는 제 1사이클론에서 분리된 후 배기관으로 배출하였다. 흡착된 CO2가 많은70 oC의 132.5TPH의 포집매질도 수득하였다. 흡착체의 온도를 반응기를 거쳐 순환하도록 된30oC의 358TPH의 외부적 찬물로 조절하였고 흡착체에서 발생한 진한 포집매질을 제1사이클론에서 분리하고 탈착체로 재순환하였다.
70 oC의 132.5TPH의 진한 포집 매질을 제2 열교환기로 이동시켰고 여기서 적어도 부분적으로 130oC의 91.15TPH의 가열된 열유체를 이용하여 이 진한 포집 매질을130 oC의 재생 온도에 가깝게 가열하였다. 120oC의 132.5TPH의 가열된 진한 포집 매질 스트림과 더운 열 유체 스트림이 제2 열교환기에서 발생하였다. 더운 열유체 스트림을 공정에서의 차후 순환을 위하여 상술된 열유체 저장탱크에 저장하기전에 30oC의 241TPH의 찬물을 이용하여 냉각하였다.
제2 열 교환기에서 발생하는 120oC, 132.5TPH의 가열된 진한 포집 매질을 다음 탈착체로 공급하였고 여기서 제 1 열 교환기에서 나오는 232.35oC, 180.9TPH의 순환하는 가열된 열 유체로 가열하였다. 가열 단계는 가열된 진한 포집 매질에서 CO2 가 탈착되도록 하여 130oC, 120TPH의 뜨겁고 연한 포집 매질과 12.5TPH의 CO2 가스의 혼합물을 발생시켰다. CO2 가스를 제2 사이 클론에서 뜨겁고 연한 포집 매질에서 분리하고 분리된 CO2 의 일부를 하류 사용을 위하여 30oC, 12.6TPH의 찬물을 이용하여 냉각하였다. CO2 가스 스트림의 다른 일부를 탈착체의 가열된 진한 포집 매질의 유동화를 위하여 이용하였다. 일 실시 방식에서 CO2 가스 스트림의 다른 일부를 탈착체로 유동화를 위하여 제2 열 교환기로 공급하기 전에 1.5바르로 송풍기에서 초기에 가압하였다.
결과적으로 얻어진55oC의120TPH의 냉각된 연한 포집 매질을 공정의 반복을 위하여 흡착체로 안내하기 전에 분리된 뜨겁고 연한 포집 매질을 제3 열 교환기로 30oC, 126TPH의 찬물을 이용하여 냉각하기 위하여 제3 열 교환기로 안내하였다. 보충 포집 매질 스트림을 또한 냉각된 연한 포집 매질에 흡착체에 넣기 전에 주입하였다.
B] 재래식 흡수 공정과 본 발명의 공정의 비교:
종래의 아민 기반 흡수 공정과 본 발명의 공정에 의하여 이루어진 CO2 포집 공정을 표1에서 제공하였고 이는 이산화 탄소 매 톤에 해당하여 재래식 아민 기반 흡수 공정과 비교한 본 발명의 공정의 효과성을 보여준다.
표1: 본 발명의 재래식 흡수 공정과의 비교
주요 성능 파라미터
( 기초:이산화 탄소 톤당 포집 ) 		재래식 흡착 공정 본 발명의 공정
정제 공장 발전소에서 나오는 연도 가스 스트림에 대한 온도 (oC)창 160 - 250 160 - 250
과잉 연도 가스 (× 수요 양 ) NA 2.5 - 4.5
연도 가스 송풍기 압력 창 (바르) 1.5 - 2.0 1.5 - 1.75
수착을 위하여 압축된 연도 가스의 온도 창 (oC) 30 - 40 50 - 65
용매/흡착제 재생 온도 창 (oC) 105 - 120 130 - 150
총 에너지 수요 양(GJ) 3.0 - 4.2 0.85 - 2.5
재생을 위한 외부 증기 @ 4 바르 (톤) 2.0 - 3.5 0.0
냉각 수 (m3) 70 - 105 50 - 60
전력 (MW) 1.75 - 2.0 3.0 - 8.0
작동 비용 Bb (0.3-0.6)×B
NA: 적용되지 않음
a연도 가스 냉각기에서 열이 유실 되어 흡수 온도를 보장한다.
b기선 비용 = B
본 발명의 실시방식과 이의 여러가지 특징과 유리성들은 명세서의 비제한적인 실시방식들을 참조로 설명된다. 공지된 성분들과 공정 기술에 대한 설명은 본 발명의 실시방식들을 불필요하게 모호하게 하지 않기 위하여 생략된다. 본 발명의 실시례들은 단지 본 발명의 실시방식들이 실행되는 방식들에 대한 이해를 용이하게 하고 당업자들이 본 발명의 실시방식들을 실행할 수 있도록 하자고 의도된다. 따라서 실시례들은 본 발명의 실시 방식들의 범위를 제한하는 것으로 해석되지 말아야 한다.
특정 실시 방식들에 대한 상기 설명은 실시례의 일반 특성을 완전히 나타낼 것이며 따라서 당업자들은 현존지식을 적용하여 일반 개념에서 이탈하지 않고 이러한 특정 실시 방식들을 쉽게 변경하고/또는 다양한 애플리케이션에 적용할 수 있으며, 따라서, 이러한 적용 및 변경은 개시된 실시례들과 동일한 의미와 범위내에서 인식되어야 할 것이다. 본 명세서에서 채용된 술어 또는 용어들은 설명을 목적으로 하며 제한하고자 하는 것이 아니다. 따라서, 본 명세서의 실시 방식들은 바람직한 실시 방식의 견지에서 설명되었지만, 당업자들은 본 명세서의 실시 방식들이 여기서 설명된 실시 방식들의 정신과 범위내에서 수정하여 실행될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
기술적 장점들
본 발명의 공정과 체계는 연도 가스와 연관된 열을 이용하고 이를 공정내에서의 열 수요를 보충하는데 이용하여 공정의 비용 효과성과 환경적 가치를 높였다.
본 발명의 공정과 체계는 연도 가스 스트림에서 흡착 기반 이산화 탄소 포집을 위하여 연도 가스를 가압하기 위한 단일 압축 사이클을 채용한다.
본 발명은 또한 연도 가스 스트림의 이산화 탄소 포집을 위하여 이용되는 포집 매질의 재생을 위하여 단일 압축 사이클을 이용하여 작동 비용을 상당히 감소시키는 열 통합 공정을 제공한다.
배터리 리밋 밖의 임의의 원에서 발생되는 연도 가스를 재래식으로 본 발명의 시스템에 전달할 수 있다. 본 발명의 공정과 시스템은 따라서 현존 설비로 쉽게 개량할 수 있다.
또한 순환 포집 매질과 유동화된 베드 반응기(흡착체와 탈착체)를 이용하면 포집 매질 온도를 효과적으로 조절하고 고정 베드 컨피규레이션으로 인한 임의의 불리성을 피할 수 있다.
본 명세서에서 단어 《포함한다(comprise)》, 또는 《포함한다(comprises)》이나 《포함하고 있는(comprising)》와 같은 변형들은 지적된 요소, 정수 또는 단계, 또는 요소, 정수, 또는 단계의 그룹을 포함한다는 것을 나타내는 것으로 이해될 것이며, 임의의 다른 요소, 정수 또는 단계, 또는 요소, 정수, 또는 단계의 그룹의 제외를 나타내는 것이 아니다.
《적어도》 또는 《적어도 하나의》라는 용어는 본 발명의 실시례에서 하나 이상의 바람직한 목적이나 결과를 달성하기 위해 이용되는 하나 이상의 요소 또는 성분 또는 수량의 사용을 나타낸다.
물리적 파라미터들, 크기들 또는 양들에 대하여 언급된 수값들은 근사값들에 불과하며파라미터들, 크기들 또는 양들에 배당된 이 수값들보다 크거나 작은 값들도 명세서에서 특별히 반대되게 언급하지 않는 한 본 발명의 범위에 들어간다는 것을 예상한다.
본 발명의 특정 실시례들이 설명되었지만, 이들 실시례는 오직 실시례의 방식으로만 제공되었으며, 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것이 아니다. 본 발명에 대한 고찰로부터 당업자들은 본 발명의 범위내에서 발명의 공정 또는 화합물 또는 식 또는 이들의 배합에서의 변경 및 수정을 실행할 수 있을 것이다. 이러한 변경 및 수정은 명확하게 본 발명의 정신을 벗어나지 않는다. 첨부된 청구항들과 이들의 등가물은 이러한 형태 또는 수정들이 본 발명의 범위와 정신내에 속하는 것으로 하여 이들을 포함하도록 의도되었다.

Claims (20)

  1. CO2를 포함하는 연도 가스 스트림에서 이산화 탄소(CO2)를 포집하기 위한 단일 압축 공정에 있어서; 상기 공정은 하기 단계들:
    i. 제1송풍기를 거쳐 연도 가스의 흐름을 안내하여 높은 온도의 가압 연도 가스 스트림을 수득하는 단계;
    ii. 순환 열 유체를 이용하여 제1 열 교환기의 가압 연도 가스 스트림에서 열을 적출하여 가열된 열 유체와 냉각된 가압 연도 가스 스트림을 수득하는 단계;
    iii. 냉각된 가압 연도 가스 스트림을 CO2 흡착체로 안내하는 단계;
    iv. 흡착체에 유동화된 연한 CO2 포집 매질을 통과시켜 진한 포집 매질과 CO2가 없는 연도 가스를 포함하는 스트림을 발생시키는 단계;
    v. 제1 사이클론에서 상기의 진한 포집 매질과 CO2가 없는 상기 연도 가스 스트림을 분리하는 단계;
    vi. CO2가 없는 분리된 연도 가스 스트림을 차후 처리를 위해 배기관으로 안내하는 단계;
    vii. 상기 분리된 진한 포집 매질을 제2 열 교환기로 인도하여 적어도 부분적으로 상기 가열된 열 유체를 이용하여 이를 재생 온도에 가깝게 가열함으로써 가열된 진한 포집 매질을 수득하는 단계;
    viii. 상기 가열된 진한 포집 매질을 탈착체에 공급하는 단계;
    ix. 상기 가열된 열 유체를 순환시켜 탈착체에서 상기 가열된 진한 포집 매질을 가열하여 가열된 진한 포집 매질에서 CO2를 탈착함으로써 뜨거운 연한 포집 매질과 CO2 가스의 혼합물을 발생시키는 단계.
    x. 뜨거운 연한 포집 매질에서 CO2 가스를 분리하는 단계;
    xi. 흡착체에서의 흡착을 위한 제3의 열 교환기에서 분리된 뜨거운 연한 포집 매질을 냉각시켜, 냉각된 연한 포집 매질을 제공하도록, 공정을 반복하는 단계를 포함하는 공정.
  2. 제1항에 있어서, 냉각되고 가압된 연도 가스 스트림의 일부를 제3 열 교환기에서 상기 분리된 포집 매질을 유동화하기 위하여 이용하는 것을 특징으로 하는 공정.
  3. 제1항에 있어서, 흡착체의 온도는 차고 연한 포집 매질에 CO2를 흡착하는 공정 동안에 탈착체를 거쳐 순환하는 외부적 찬물을 이용하여 조절하는 것을 특징으로 하는 공정.
  4. 제1항에 있어서, 상기 포집 매질은 지지된 알칼리 금속 탄산염과 지지된 알칼리 금속 산화물, 지지된 아민으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 한가지인 것을 특징으로 하는 공정.
  5. 제1항에 있어서, CO2가 없는 연도 가스 스트림에서 분리한 후 흡착체에서 나오는 진한 포집 매질은 제1사이클론을 거쳐 흡착체로 재순환하는 것을 특징으로 하는 공정.
  6. 제1항에 있어서, 제2 열 교환기에서 상기 진한 포집 매질은 탈착체를 벗어나는 순환 열 유체에 의하여 가열되어 제2 열 교환기를 벗어나는 더운 열 유체를 수득하는 것을 특징으로 하는 공정.
  7. 제1항에 있어서, 상기 흡착체 와 상기 탈착체는 조밀 유동화 및 거품 유동화, 거품 흡수 유동화, 난류 유동화, 속성 유동화로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 한가지 방법으로 작동하는 순환하고 호상 연결된 유동화된 베드 반응기인 것을 특징으로 하는 공정
  8. 제1항에 있어서, 제2 열 교환기를 벗어나는 더운 열 유체는 공정에서의 차후 순환을 위하여 열 유체 저장탱크에 저장하기 전에 냉각되는 것을 특징으로 하는 공정.
  9. 제1항에 있어서, 탈착체에서 발생하는 CO2의 일부는 가압하여 스트림으로서 탈착체로 그리고 선택적으로 스트림으로서 제2 열 교환기로 공급하여 진한 포집 매질을 유동화하는 것을 특징으로 하는 공정.
  10. 제1항에 있어서, CO2는 제2 사이클론에서 뜨거운 연한 포집 매질로부터 분리되고 분리된 CO2의 일부는 제5 열 교환기에서 하류 사용을 위하여 냉각되는 것을 특징으로 하는 공정.
  11. 제1항에 있어서, 열 유체는 상기 제1 열 교환기로 공급하기 전에 펌프에 의하여 가압되는 것을 특징으로 하는 공정.
  12. 제1항에 있어서, 뜨겁고 연한 포집 매질을 외부 제공되는 찬물 공급에 의하여 제3 열 교환기에서 냉각하여 냉각된 연한 포집 매질을 수득하는 것을 특징으로 하는 공정.
  13. 제1항에 있어서, 보충 포집 매질 스트림을 흡착체로 들어가기 전에 상기 냉각된 연한 포집 매질에 주입하는 것을 특징으로 하는 공정.
  14. CO2를 함유한 내굴 가스 스트림에서 이산화 탄소(CO2)를 포집하기 위한 단일 압축 시스템에 있어서, 상기 시스템은 하기들:
    i. 연도 가스 스트림을 접수하고 상기 연도 가스 스트림을 가압하여 높은 온도를 갖는 가압된 연도 가스 스트림을 발생시키도록 적응된 제1송풍기;
    ii. 상기 가압된 연도 가스 스트림과 열 유체를 접수하고 상기 가압된 연도 가스 스트림으로부터 열을 상기 열 유체로 전달하여 가열된 열 유체와 냉각되고 가압된 연도 가스 스트림을 수득하도록 적응된 제1 열 교환기 ;
    iii. 포집 매질이 CO2를 흡착하여 진한 포집 매질과 CO2가 없는 연도 가스 스트림을 발생시키도록 적응되어 있는, 상기 냉각되고 가압된 연도 가스 스트림과 유동화된 연한 냉각 포집 매질, 제3 열 교환기에서 발생하는 냉각된 연한 포집 매질을 접수하도록 적응된 흡착체,
    iv. 상기 진한 포집 매질을 접수하고 상기 진한 포집 매질을 가열하여 예정 재생 온도에 가깝게 가열하여 가열된 진한 포집 매질을 수득하도록 적응된 제2 열 교환기;
    v. 상기 가열된 진한 포집 매질을 접수하고 또 상기 가열된 진한 포집 매질을 가열하여 CO2를 탈착하여 뜨거운 연한 포집 매질과 CO2 가스를 발생하도록 적응된 탈착체;
    vi. 상기 열 유체를 상기 제1 열 교환기와 상기 탈착체, 상기 제2 열 교환기를 거쳐 상기 열 유체를 순환하도록 적응되고, 열 유체 저장탱크와 펌프를 포함하는 열 유체 순환시스템,
    vii. 상기 뜨겁고 연한 포집 매질을 냉각하여 상기 흡착체에서의 흡착을 위한 냉각된 연한 포집 매질을 발생시키도록 적응된 제3 열 교환기를 포함하는 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 포집 매질은 지지된 알칼리 금속 탄산염과 지지된 알칼리 금속 산화물, 지지된 아민으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 한가지인 것을 특징으로 하는 시스템.
  16. 제14항에 있어서, 상기 흡착체와 상기 탈착체는 조밀 유동화 및 거품 유동화, 거품 흡수 유동화, 난류 유동화, 속성 유동화로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 한가지 방법으로 작동하는 순환하는 호상 연결된 유동화된 베드 반응기인 것을 특징으로 하는 시스템.
  17. 제14항에 있어서, 상기 진한 포집 매질과 CO2가 없는 상기 연도 가스 스트림을 분리하도록 적응된 제1 사이클론; 상기 연한 포집 매질과 CO2 가스를 분리하도록 적응된 제2 사이클론; 상기 제2 사이클론에서 CO2 가스를 접수하고 가압된 CO2 가스를 상기 탈착체에 스트림으로서 그리고 선택적으로 상기 제2 열 교환기에 스트림으로서 공급하도록 적응된 제2 송풍기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  18. 제14항에 있어서, 찬물을 상기 흡착체와 상기 제3 열 교환기, 상기 열 유체 순환시스템에 공급하도록 적응된 찬물 원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  19. 제14항에 있어서, 상기 열 유체 순환 시스템은 탈착체에서 벗어나 열 유체 저장 탱크로 가는 열 유체 스트림의 일부를 우회시켜 제2 열 교환기를 거쳐 탱크로 흘러가도록 적응된 다이버터(diverter)를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  20. 제14항에 있어서, 보충 포집 매질 스트림을 탈착체로 들어가기 전에 제3 열 교환기를 벗어나 상기 냉각된 연한 포집 매질에 주입하는 것을 특징으로 하는 시스템.
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