KR102062246B1 - 이산화탄소 포획/재생 구조체 및 기술 - Google Patents

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Abstract

이산화탄소 적재 공기 (carbon dioxide laden air)로부터 이산화탄소를 제거하기 위한 새롭고 유용한 시스템 및 방법 개념이 제공된다. 더욱 구체적으로, 새롭고 유용한 구조체 및 기술에서 흡착제 구조체가 이산화탄소 적재 공기 스트림의 이산화탄소를 결합하기 위해 사용되며, 흡착제 구조체로부터 이산화탄소를 분리하고 흡착제 구조체를 재생하기 위해 공정열 (process heat)이 사용된다.

Description

이산화탄소 포획/재생 구조체 및 기술{Carbon dioxide capture/regeneration structures and techniques}
본 발명은 이산화탄소 포획/재생 구조체 및 기술에 관한 것이다.
US 출원 번호 제12/124,864호
공개된 US 출원 번호 제12/124,864호에 설명된 바와 같이,
a. 현재 3 가지 에너지 관련된 그리고 어느 정도 상충하는 에너지 관련 목표를 달성하고자 노력하는데 많은 관심이 집중되어 있다: 1) 경제 발전을 위한 적당한 가격의 알맞은 에너지를 제공; 2) 에너지 안전성을 달성; 및 3) 지구 온난화로 야기되는 파괴적인 환경 변화를 회피. 환경 변화를 해결하기 위해 많은 접근들이 고려되고 있는데, 이는 증가한 보존 노력 뿐만이 아니라 바이오연료, 태양, 풍력 및 핵 같은 깨끗한, 비오염성 재생가능한 에너지원의 사용을 증가시키는 것, 화석 연료 공장으로부터의 이산화탄소 방출을 포획하여 격리하려는 시도를 포함한다. 태양력 같은, 이들 접근법들 중의 몇몇은, 화석에 기초한 전기 비용과 비교해서 현재 이의 고비용으로 인하여 대규모 수행이 차단되어 있고, 핵과 같은 다른 접근법은 이의 환경 및 안전성 위험에 의하여 제한된다. 사실, 재생가능한 에너지에 대한 기반 및 공급은 너무 저개발되어 (예를 들어, 우리 에너지의 약 0.01%만이 태양에 의하여 공급된다) 우리가 경제적 번영에 필요한 에너지를 갖고 또한 충돌로 이끌 수 있는 에너지 부족을 피하려고 하지만 금세기의 남은 기간 동안 화석 연료 사용을 피할 실행 가능한 방법이 없다.
b. 지구 온난화로 야기되는 환경 변화 위협 및 지구에 해를 끼치지 않는 재생가능한 자원을 사용할 필요성에 대한 더 일반적인 인식은 1972의 첫번째 지구의 날 (Earth Day) 이후 꾸준히 커졌다. 이산화탄소 (메탄 및 수증기는 다른 주요 온실 가스이다) 같은 소위 온실 가스의 함량의 증가가 지구의 온도를 증가시킬 것은 거의 확실하다. 이들 온실 가스는 지구로부터 대기로 달아나는 열의 함량을 감소시키는 것을 돕는다. 대기 중의 온실 가스의 농도가 높을수록 지구는 더 따뜻해질 것이다. 인간의 영향이 없는 경우에도 이산화탄소 및 다른 온실 가스의 함량이 자연적으로 변하게 하는 복잡한 피드백이 있다. 지구 역사를 통해 환경 변화는 많은 멸종을 가져왔다. 인간이 유도한 환경 변화 (즉, 지구 온난화)의 위협에 대한 관심은 165 개 국이 넘는 국가에 의하여 승인되었으며 선진국이 그들의 탄소 방출을 감소하도록 의무를 지우는 국제적 협정인 쿄토 의정서 (Kyoto Protocol)를 낳았다.
c. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)에 의하여 지구 온난화가 위협으로 여겨지는 하나의 이유는 지구가 더 따뜻해짐에 따른 빙하의 융해 및 대양의 확장으로부터 유래하는 해수면 상승이다. 섬 또는 해변의 해수면의 바로 위에 사는 수많은 사람들은 파괴적인 범람으로부터 위협받고 있으며 해수면이 심지어 미터 단위로 상승하는 경우 재배치 (relocation) 또는 바다벽 (sea wall) 건설을 요구하고 있다. 인간이 야기한 환경 변화의 빠른 속도에 적응할 수 없는 생태계를 파괴할 환경 변화 때문에 다른 종이 또한 위협을 받고 있다. 추가적인 위협은 극단적인 더위 (heat)와 같은 직접적인 위협만이 아니라 증가한 전염병 및 더 극단적인 날씨를 포함한다.
d. 지구 온난화를 다루는 난제는 간단한 모델을 사용하여 증명될 수 있다. CCA(YN)이 1 년당 기가톤 단위로 YN 년에 대기에 가한 이산화탄소를 나타낸다고 하자. 유사하게, CEX(YN)이 추출되는 양이고, CEM(YN)은 인간에 의해서 방출되는 양이고 CN(YN)는 탄소 순환에서 자연적인 변화에 기인하여 가해지거나 또는 제거되는 함량이라고 하자. 오늘날, 대지는 매년 약 1.8 기가톤 (109톤)의 이산화탄소를 저장하며 대양은 약 10.5 기가톤을 저장하며 (이산화탄소는 탄소보다 3.66 배 무겁다는 것을 주목하라), 반면 방출로 인간이 추가하는 양은 약 24 기가톤의 이산화탄소이다. 더 일반적으로, 다음과 같다:
CCA(YN) = - CEX(YN) + CEM(YN) + CN(YN)
CA(YN+1) = CA(YN) + CCA(YN)
여기서 CA(YN)는 YN년에 대기에서의 탄소의 함량이며, 오늘날 2780 기가톤의 이산화탄소이다. 중량으로는 작은 성분을 나타내지만, 다른 형태의 탄소가 지구 온난화에 기여하며, 가장 주목할 만하게는 메탄이다.
e. CEX(YN)을 0으로 한다면, 대기에 이산화탄소 추가를 멈추게 할 수 있는 가능한 유일한 방법은 자연적인 흡수와 같도록 우리의 방출을 감소시키는 것일 것이다. 그러나, CN(YN) 자체는 크게 변하며 년당 약 750 기가톤의 탄소로 탄소를 첨가하고 빼는 더 큰 자연적인 탄소 순환으로부터의 대기에 대한 순수 추가 (net addition)가 될 수 있다. 이것은 인류가 존재하기 이전부터 환경 변화를 일으켰던 이러한 자연적인 균형에서의 변동 (shift)이며 또한 미래에도 계속 그러할 것이다. 따라서, 환경 변화의 위험을 제거할 수 있는 이산화탄소 방출에 대한 인간 기여를 감소시키는 것 만으로의 해결책은 없다는 것이 분명하다. 공기 추출 및 대기에서 이산화탄소의 함량을 증가시키거나 또는 감소시키는 능력으로 우리는 원칙적으로 농도를 변화시키고 환경 변화를 일으킬 수 있는 메탄 같은 다른 온실 가스를 상쇄시킬 수 있다.
f. 따라서, 화석 연료를 태움으로써 생성되는 대기에서의 이산화탄소의 함량을 감소시키는 시스템 및 방법 및 화석 연료에 대한 대체로서 저가, 비오염성 재생가능한 에너지 소스를 제공하는데 대한 넓게 인식된 요구가 있다.
g. 공개된 미국 특허 출원 제12/124,864호 호는 그러한 요구를 해결하기 위한 대한 여러 시스템 및 방법 개념을 개시한다.
본 발명의 이들 특징 및 다른 특징은, 다음의 상세한 설명, 및 동반하는 도면 및 전시물(exhibit)에 개시되어 있거나, 또는 이로부터 명백하다.
본 발명은 CO2 적재 공기를 CO2를 결합(포획)하는 흡착제 구조체로 통과시키는 단계, 및 공정열 (process heat)을 사용하여 상기 흡착제 구조체를 가열함으로써 상기 흡착제 구조체로부터 CO2를 제거하는 단계(이로써 상기 흡착제 구조체를 효과적으로 재생시킨다)에 의하여 이산화탄소 적재 공기 매스 (masss)로부터 이산화탄소를 제거하는 더 새롭고 유용한 시스템 및 방법 개념을 제공한다. 본 출원에서, 흡착제 구조체는 바람직하게 CO2와 결합하는 아민을 포함할 수 있으며, 이는 기질에 담지될 수 있거나, 또는 모놀리식 흡착제 구조체의 일 부분을 형성한다. 또한, 본 출원에서, “CO2 적재 공기 (또는 이산화탄소 적재 공기)”의 “매스” (또는 “흐름” 또는 “스트림”)에 대한 언급은 특정 위치에서 그 특정 위치에서의 대기에서의 CO2 농도와 유사한 CO2 농도를 가지는 공기를 의미한다.
공개된 미국 출원 제12/124,864호의 시스템 및 방법 개념에서, 이산화탄소 적재 공기는 이산화탄소를 흡수하거나 또는 결합하는 흡착제로 코팅되어 있는(또는 그 내부에 매립되어 있는) 기질을 통과하도록 향하게 되어, 공기로부터 이산화탄소를 제거한다. 스팀 또는 다른 매체 (예를 들어 가스)의 형태로 전환된 공정열은 흡착제로 향하여, 흡착제로부터 이산화탄소를 분리시키고 (따라서 이산화탄소는 뽑아내어져 격리될 수 있다), 흡착제를 재생하게 된다 (따라서 흡착제는 공기로부터 이산화탄소를 제거하는데 계속 사용될 수 있다).
기본적인 측면들 중 일 측면에 있어서, 본 출원은 이산화탄소 적재 공기로부터 이산화탄소를 분리하고, 공정열을 사용하여 흡착제로부터 이산화탄소를 분리하며 상기 흡착제를 재생하는 추가적인 구조체 및 기술을 제공하며 이는 출원 제12/124,864호, 및 특히 상기 출원의 도 6에 개시된 시스템을 더욱 개선한 것이다.
또한, 이의 다른 측면에서, 본 출원은 이산화탄소 적재 공기로부터 이산화탄소를 포획하는데 사용될 수 있는 몇몇 추가적인 구조체 및 기술을 제공하는데, 이는 공정열을 사용하여 흡착제로부터 이산화탄소를 분리시키고 상기 흡착제를 재생하며, 이 때 이산화탄소 분리 및 재생이 연도 가스 (flue gas)의 소스와 직접 연결되는 방식으로 수행되는데, 상기 연도 가스는 그렇지 않을 경우 상기 소스로부터 직접 방출되어 대기 중으로 이산화탄소 적재 공기를 향하게 할 것이다.
도 1-9는 공개된 미국 출원 제12/124,864호에 개시된 시스템 및 방법 개념을 예시한다; 구체적으로,
a. 도 1은 제12/124,864호 발명의 예시적인 일 구현예에 따른 대기로부터 이산화탄소 제거를 위한 시스템의 일반화된 블럭 다이아그램이다;
b. 도 2는 제12/124,864호의 발명의 예시적인 일 구현예에 따른 대기로부터 이산화탄소 제거를 위한 시스템의 블럭 다이아그램이다;
c. 도 3은 제12/124,864호의 발명의 예시적인 일 구현예에 따른 공기 추출 시스템의 블럭 다이아그램이다;
d. 도 4는 제12/124,864호의 발명의 예시적인 일 구현예에 따른 글로벌 온도 조절 장치 (global thermostat)를 예시하는 지도이다 ;
e. 도 5는 제12/124,864호의 발명의 예시적인 일 구현예에 따른 대기로부터의 이산화탄소 제거를 위한 시스템의 블럭 다이아그램이다;
f. 도 6은 제12/124,864호의 발명에 따라 대기로부터 이산화탄소를 제거하는 매체 및 상기 매체로부터 이산화탄소를 제거하는 일 버전의 개략적인 예시이다;
g. 도 7은 제12/124,864호의 발명에 따라 대기로부터 이산화탄소를 제거하는 매체 및 상기 매체로부터 이산화탄소를 제거하는 다른 버전의 개략적인 예시이다;
h. 도 8은 제12/124,864호의 발명에 따라 대기로부터 이산화탄소를 제거하는 매체 및 상기 매체로부터 이산화탄소를 제거하는 또 다른 버전의 개략적인 예시이다; 및
i. 도 9는 제12/124,864호의 발명에 따라 대기로부터 이산화탄소를 제거하는 매체 및 상기 매체로부터 이산화탄소를 제거하는 또 다른 버전의 개략적인 예시이다.
도 10a, 도 10ba 및 도 10bb는 본 발명의 원리에 따라 이산화탄소 적재 공기로부터 이산화탄소를 제거하고, 상기 이산화탄소를 흡수 또는 결합하는 흡착제를 재생하는 구조체 및 기술의 2 가지 버전을 개략적으로 예시한다(도 10b는 명확성을 위해 2 페이지로 분리되어 있다)
도 10c 및 10d는 도 10a, 도 10ba 및 도 10bb, 이의 작동의 위치들 중 하나에서,의 시스템 및 방법에서의 사용을 위한 엘리베이터 구조체의 일 형태의 평면도 및 측면도이다;
도 10e 및 10f는 도 10c 및 10d, 이의 작동의 위치들 중 다른 하나에서, 의 엘리베이터 구조체의 평면도 및 측면도이다;
도 10g는 본 발명의 원리에 따라 포획된 CO2를 스트리핑하고 흡착제를 재생하는데 사용될 수 있는 구조체의 세부 사항을 개략적으로 보여준다;
도 10h는 도 10a의 단일 이산화탄소 포획 구조체(1000) 및 도 10b의 2 개의 이산화탄소 포획 구조체(1000)의 측면도의 개략적인 확대도이며, 이산화탄소 포획 구조체(1000)의 두께(2039)를 보여주며, 도 10a, 도 10ba 및 도 10bb의 구현예의 엘리베이터 구조체의 기본적인 원리를 도시한다;
도 11a 및 11b는 본 발명의 원리에 따라 이산화탄소 적재 공기로부터 이산화탄소를 제거하고, 상기 이산화탄소를 흡수 또는 결합하는 흡착제를 재생하는 구조체 및 기술의 다른 두 버전을 개략적으로 예시한다;
도 12는 본 발명의 원리에 따라 흡착제 기질로서 사용될 수 있는 상표 Celcor® 하에 Corning이 제조하는 유형의 모놀리식, 흡착제 지지 구조의 개략적인 예시이다.
출원 제12/124,864호의 시스템 및 방법 개념의 배경 설명
처음에, 미국 출원 제12/124,864호의 방법 및 시스템을 설명함으로써, 본 발명이 이들 원리를 더 발전시키는 추가적인 방법에 대한 배경을 제공하는 것이 유용하다고 믿는다. 도 1-9는 출원 제12/124,864호의 시스템 및 방법을 예시한다. 도 1은 전체적으로 참조 번호 1로 표기된 일 시스템의 일반화된 블럭 다이아그램이며, 이는 본 발명의 예시적인 일 구현예에 따라, 2001 방향으로부터, 대기로부터 이산화탄소를 제거하기 위한 것이다. 시스템(1)은 공기 추출 시스템(40) 및 수집 시스템(50)을 포함하는데 이는 재생가능한 탄소 연료의 격리, 저장 및 생성 중 하나 이상 또는 비료 및 건축 재료 같은 (또는 온실에 사용되거나 또는 바이오연료의 미생물 생산 속도를 향상시키는) 비연료 생산물의 생성을 위한 위치에 제거된 이산화탄소를 격리한다. 공기 추출 시스템(40)은 바람직하게 임의의 공지된 또는 이후 발견될 CO2 추출 방법을 구현 (incorporation)하는데, 이는 포획된 공기 중의 CO2와의 화학적, 전기적 및/또는 물리적 상호 작용에 매체를 노출시킴으로써 대기 공기로부터 CO2를 흡수 및/또는 결합(흡착)하는 매체 (흡착제로도 언급된다)를 사용하는 방법을 포함한다. 매체는 액체, 기체 또는 고체, 또는 액체의 화합물, 기체 및 고체 물질일 수 있으며, 고체의 경우, 상기 물질은 바람직하게 다공성이다. 매체는 바람직하게는 재생가능하여 CO2가 매체에 의하여 포획된 후 격리를 위해 매체로부터 분리되고, 매체는 추가적인 CO2의 흡수/결합을 위해 재사용될 수 있다. 그러나, 다른 구현예에서 매체는 포획된 CO2와 함께 격리될 수 있다. 도 1에 나타난 바와 같이, CO2 흡수/결합 및 격리 시스템(50)에 의해 수행되는 CO2 격리 같은 다른 공정뿐만이 아니라 매체로부터의 CO2 분리는, 공기 추출 시스템(40)에 라인(2000)을 통해 열을 가함으로써 더욱 효율적이 될 수 있다. 본 발명에서, 열은 태양열 집열 장치 같은 예를 들어 태양 에너지 발생기에 의하여 생성되는 공정열이며, 이후 더욱 상세히 설명된다. 다른 구현예에서, 공정열은, 예를 들어, 화석 연료, 지열, 핵, 바이오매스, 및 다른 재생가능한 에너지 소스 같은 에너지 소스의 다른 유형에 의하여 공급될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바로서 용어 “공정열”은 더 높은 온도 열이 전기를 생성하는데 사용된 후 남은 더 낮은 온도 열을 의미한다. 더욱 일반적으로, 용어 “공정열”은 예를 들어, 이산화탄소가 미네랄로 저장되는 발열 탄산화 반응 또는 사실 이산화탄소가 매체에 결합하여 포획될 때 같이 주공정 후에 남은 임의의 낮은 온도 열 또는 공정 자체에 의해 가해지는 것을 의미한다. 또한, “공정열”은 전력 또는 전기 생성 이외의 제품을 생산하기 위한 에너지 소스의 사용으로부터 제공될 수 있다. 예를 들어, 화학 공정, 시멘트, 강철 또는 알루미늄의 생산, 석탄부터 액체 에너지 생산품까지의 에너지 생산품의 생산, 정련 같은 주공정은, 그 주공정을 운전하기 위해 열을 사용할 수 있으며, 주공정 후에 남거나 또는 주공정 동안 생성된 미사용 열은 그러한 공정의 공정열일 수 있고, 본 발명의 원리에 따른 시스템 또는 방법에 사용될 수 있다. 공정열을 제공하는 특히 바람직한 방법은 열병합발전 (co-generation) 공정에 의한 것인데, 이 경우 주공정 (예를 들어 전기 생성용)은 공정열의 소스를 제공하고 (직접 스팀의 형태로, 또는 스팀을 제조하기 위한 액체의 바디 (body)를 가열하기 위해 사용될 수 있는 형태로) 상기 공정열은 본 명세서에서 기재된 방식으로 더 사용되어 기질로부터 CO2를 제거하고 기질에 담지된 흡착제를 재생한다.
대기로부터 이산화탄소를 추출하고 수집 매체로부터 이산화탄소를 분리하기 위해 공정열을 사용하는 출원인의 바람직한 개념은 지구 온난화 문제를 다루는 중요한 방법이며, 종래 기술에서 통상적인 지식에 반하는 것이다 (종래 기술의 당업자에게 반직관적이다). 구체적으로, 저농도 주위 공기로부터 이산화탄소 (CO2)를 추출함으로써 지구 온난화 문제를 해결하기 위해 공정열을 사용하는 것은 고농도 연도 가스 소스로부터 CO2를 추출하는 통상적인 접근 및 주위 대기로부터 CO2를 추출하는 당해 기술에 공지된 다른 계획 모두와 비교할 때 매우 매력적이다. 전자의 경우 이는 분리 비용은 일반적으로 농도에 반비례하여 증가하는 것으로 생각되기 때문에 주위 대기에서 CO2의 300배 더 낮은 농도는 300배 더 비쌀 것으로 예상된다는 통상적인 지식에 반하는 것이다. 따라서 미국 연방 전체적으로 투자된 노력은 발전소 (예를 들어 청결 석탄)의 연도 가스 방출로부터 CO2를 추출하는 방향이었으며 전문가들은 연도 가스에 배치되는 주위 공기의 사용은 이해할 수 없다고 공개적으로 주장하였다. 그러나, 유한한 연도 가스 소스에 비하여 주위 공기 소스의 큰 무한한 크기 및 소스는 일반적으로 통상적인 지식 및 관행에도 불구하고 출원인의 접근법이 효과적이게 하는 한가지 특징이다. 연도 가스의 경우 CO2를 포함하는 방출물은 더 높은 온도 (65-70 ℃)에서이며 따라서 재생은 서늘한 주위 공기 (약 25-30 ℃)에 대해 요구되는 것보다 더 비싼 더 높은 온도 열을 사용한다. 출원인의 접근법에는 다른 이점이 있는데 이는 추가적인 공정 개선을 또한 제공하는 매우 얇은 분리 장치를 사용하는 능력을 포함한다. 따라서, 출원인 발명의 원리로 작동하는 글로벌 온도 조절 장치 설비에 공정열을 파이프로 보냄으로써 CO2를 제거하는 것은 직접 이의 연도 방출물을 청소하는 것 보다 덜 비용이 들 수 있다. 또한, 출원인의 접근법은 음의 탄소 (negative carbon)를 만들어 내는데, 이는 실제로 대기에서의 CO2의 함량을 감소시키나, 반면 연도 가스를 청소하는 것은 공기에서의 CO2 함량이 증가하는 것만을 방지할 것이다.
추가적인 분석은 석탄 발전소 같은 큰 고정식 화석 연료 소스를 단순히 청소하거나 또는 이를 위하여 재생가능한 연료를 보존 또는 사용하는 것으로 지구 온난화가 제기하는 큰 위험을 감소시켜 시기적절한 방식으로 지구 온난화 문제를 해결할 수 없거나 해결할 수 없음을 보여준다. 본 발명의 경우처럼, 대기로부터 CO2를 추출하여 주위 농도 (“음의 탄소”)를 감소시키고 지구 온난화의 위협을 실제로 감소시킬 수 있을 필요가 있다. 주위 대기로부터 CO2를 추출하는 다른 공개된 계획은 일반적으로 더 높은 온도 열을 사용하였으며 구체적으로 공정열을 사용하지는 않았고 따라서 이의 고에너지 비용 때문에 심각하게 고려되지는 않았다.
도 2는 전체적으로 참조 번호 2로 표시된 시스템의 블럭 다이아그램이며, 본 발명의 예시적인 일 구현예에 따라 대기로부터 이산화탄소를 제거하기 위한 것이다. 시스템(2)은 태양열 집열 장치(10), 선택적 보충 에너지 소스(20), 전력 발생기(30), 공기 추출 시스템(42) 및 수집 시스템(50)을 포함한다. 시스템(1)의 이들 구성 요소 각각은 아래에 상세히 설명한다.
태양열 집열 장치(10)는 임의의 공지된 또는 장래 발견될 태양 에너지 수집 시스템일 수 있으며, 이는 태양 에너지 수집 유닛을 포함할 수 있는데, 예를 들어, 집중된 태양 전력 포물경 (concentrated solar power parabolic mirror), 및 집중된 태양 전력 타워 (concentrated solar power tower)등이 있다. 당해 기술에 공지된 바와 같이, 태양열 집열 장치(10)은 태양 에너지를 열 에너지로 전환시키며, 이는 라인 2002를 통해 전력 발생기(30)를 운전하는데 사용될 수 있다. 잔열 에너지 (즉, 공정열, 라인 2004를 통해)는 공기 추출 시스템(42) 및/또는 수집 시스템(50)을 운전하는데 사용될 수 있다(라인 20032, 20033 및 20034를 통해). 예를 들어, 공정열은 공기로부터 CO2를 흡수하기 위해 및/또는 매체로부터 CO2를 배제하기 위해 공기 추출 시스템(42)에서 사용되는 화학적 및/또는 물리적 반응의 효율을 향상시키는데 사용될 수 있다. 또한, 다른 예시적인 구현예에서, 도 2에서 쇄선 화살표로 보이는 바와 같이, 태양열 집열 장치(10)로부터의 직접적인 열은 공기 추출 시스템(42)(20031을 통해) 및/또는 수집 시스템(50)(20034를 통해)을 운전하기 위해 사용될 수 있다.
전력 발생기(30)는, 예를 들어, 태양열 집열 장치에 의하여 제공된 열 에너지를 전기로 전환시키는 열 전력 발생기일 수 있다. 당해 기술에 공지된 바와 같이, 태양열은 융해 염 (molten salt) 같은 매체에 집중될 수 있으며, 다음으로 전기를 생산하기 위해 터빈을 운전하는 고온, 고압 스팀을 생산하는데 사용된다. 다음으로 생산된 전기(2005)는 전력망의 일 부분으로서 일반 집단 (general population)에 전력을 제공하는 것에 더하여 시스템(2)의 다른 구성 요소에 전기를 공급하는데 사용될 수 있다. 이와 관련하여, 태양열 집열 장치(10)에 의하여 공급되는 열 에너지는 보충 에너지 소스(20)에 의하여 생산되는 에너지로 보충될 수 있다. 예를 들어, 보충 에너지 소스(20)는 폐기물 소각 플랜트일 수 있으며, 이는 전력 발생기(30)를 운전하는 추가적인 열 에너지(20032)를 공급한다. 또한, 재생가능한 에너지 소스의 임의의 다른 유형이 태양 에너지에 추가되어 사용될 수 있으며, 바람직하게는 전기 생성의 전구체인 열을 생산하는 재생가능한 에너지 소스가 사용될 수 있음이 이해되어야 한다. 태양 에너지에 부가하여 사용되는 다른 잠재적인 재생가능한 에너지 소스는, 예를 들어, 핵, 바이오매스, 및 지열 에너지 소스를 포함한다.
다르게는, 전력 발생기(30)는 전기 생성을 위해 예를 들어, 석탄, 연료유, 천연 가스 및 오일 셰일 같은 화석 연료의 연소에 의존하는 임의의 공지되거나 또는 이후 발견될 화석 연료 설비 (플랜트)일 수 있다. 전력 발생기는 또한 전기를 발생시키는 것 이외의 목적을 위한 것일 수 있다 (예를 들어 전력 발생기는 화학 공정을 위한 것일 수 있거나, 또는 알루미늄 제조 같은 여러 다른 목적을 위한 것일 수 있다). 화석 연료 발전소(30)에 의하여 생성되는 열 에너지는 전기를 생산하는데 사용되며 잔열 에너지 (즉, 공정열)는 공기 추출 시스템(42) 및/또는 격리 시스템(50)을 운전하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 화석 연료 발전소(30)로부터의 공정열은 공기로부터 CO2를 흡수/결합 및/또는 매체로부터 CO2를 배제시키는 공기 추출 시스템(42)에 사용되는 화학적 및/또는 물리적 반응의 효율을 향상시키는데 사용될 수 있다. 화석 연료 발전소(30)에 의하여 제공되는 공정열은 보충 에너지 소스에 의하여 생산되는 에너지로 보충될 수 있다. 예를 들어, 보충 에너지 소스는 폐기물 소각 플랜트 또는 재생가능한 에너지 소스일 수 있으며, 예를 들어, 태양, 핵, 바이오매스, 및 지열 에너지 소스이고, 이는 공기 추출 시스템(42) 및/또는 수집 시스템(50)을 운전하기 위한 추가적인 열 에너지를 제공한다. 보충 에너지 소스로부터의 공정열은 또한 공기 추출 시스템(42) 및/또는 수집 시스템(50)을 운전하기 위해 사용될 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, “공정열”은 전력 또는 전기 생산 이외에 제품 생산을 위한 에너지 소스의 사용으로부터 제공될 수 있다. 예를 들어, 열병합발전 시스템에서, 화학 공정, 시멘트, 강철 또는 알루미늄의 생산, 정련, 석탄 및 액체 에너지 제품 같은 에너지 제품 생산 같은 주공정은, 주공정을 운전하기 위한 열을 사용할 것이며, 주공정 후 남거나 또는 주공정 동안 생성된 미사용열은 그러한 공정의 공정열일 수 있고, 본 발명의 원리에 따른 시스템 또는 방법에서 사용될 수 있다. 주공정이 전기 생산을 위한 것일 경우, 공정열은 스팀의 형태 (또는 스팀을 생산할 수 있는 유체의 바디를 가열할 수 있는 형태로)로 생성되며, 상기 스팀은 본 명세서에 개시된 방식으로 기질로부터 CO2를 제거하고 기질에 담지된 흡착제를 재생하기 위해 사용된다.
도 3 은 본 발명의 예시적인 일 구현예에 따른 도 2의 시스템(2)과 이용될 수 있는 공기 추출기 시스템(42)의 블럭 다이아그램이다. 공기 추출기 시스템(42)은 공기 접촉기 (air contactor)(41), 가성화기(causticizer, 43), 소화기(slaker, 45), 소성기(calciner, 47) 및 포획 유닛(capture unit, 49)을 포함한다. 공기 접촉기(41)는 공기(20071)로부터 선택적으로 CO2를 포획하는 흡착제 물질을 이용할 수 있고, 공지되거나 또는 이후에 발견될 접촉기 구조로 이루어질 수 있는데, 예를 들면, 대형 대류 타워(convection tower), 개방된 정체 풀(open, stagnant pool) 및 팩킹된 스크러빙 타워(packed scrubbing tower)들과 같은 것이다. 본 구현예에서, 공기로부터 CO2를 즉시 흡수/결합하는 흡착제 물질은 상대적으로 저온 (예를 들어 약 120 ℃ 아래)에서 작동할 수 있는(예를 들어 CO2를 포획하고, CO2를 수집하도록 처리되고 흡착제를 재생하는) 아민일 수 있거나 또는 상당히 더 높은 온도에서 작동하는 수산화 나트륨 (NaOH)일 수 있다. 다른 공지되거나 또는 미래에 발견될 포획 방법들이 이용될 수 있으며, 예를 들면, 화학적 흡수, 물리적 및 화학적 흡수, 저온 증류, 가스 분리막, 광물화작용/바이오광물화작용(mineralization/biomineralization) 및 식물화(vegetation)와 같은 것이 이용될 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 다른 예로서, 당해 기술 분야에 공지된 바와 같이, 아민 수용액 또는 아민 농후 고체 흡착제가 CO2를 흡수/결합하도록 이용될 수 있다. 바람직하게는, 흡수 물질이 재생되고, 포획 방법은 흡착제 물질을 재생시키는데 약 100-120℃ 보다 낮은 열을 필요로 한다. 따라서, 바람직한 흡착제 물질은 아민이다. 저온 열로 재생될 수 있는 능력을 가진 장래 개선된 흡착제가 또한 사용될 수 있음을 또한 주목하여야 한다. 또한, NaOH 같은 흡착제는 (고온에서의 이의 필요 때문에), 예를 들어 강철 제조 같이 열이 생성되는 주공정 완료 후 더 높은 온도의 공정열이 이용가능한 공정에 대한 본 발명의 열병합발전 모드에서 유일하게 사용가능하다. 그러나, 이 때 이 열은 훨씬 덜 이용가능하고, 더 비싸기 때문에, 이의 이용은 기후 변화를 적당하게 해결할 수 없는 뜻에서 본 발명의 전체 범위를 제한할 수 있으며, 따라서 흡착제로서 NaOH의 이용은 이 때에는 바람직하지 않다.
포획 유니트(49)는 대기중에 존재하는 저농도 CO2 에서 효과적이고 재생을 위해서 오직 낮은 온도만을 필요로 하는 임의의 공지되거나 또는 이후에 발견될 CO2 포획 방법을 이용하여 소성기(47)로부터 배제된 CO2를 라인 2013으로부터 포획한다. 예를 들면, 포획 유닛(49)은 아민 베이스의 포획 시스템을 이용할 수 있는데, 이것은 2003. 4.15. 자의 미국 특허 제 6,547,854호 (Gary 등) 및 2005.6.21.자의 미국 특허 제 6,908,497호 (Sirwardane)에 설명된 시스템으로서, 이들 모두는 인용에 의하여 본 명세서에 통합된다. 포획 유니트(49)는 포획된 CO2를 액체 형태로 압축함으로써 CO2가 보다 용이하게 격리되도록 할 수 있다.
수집 시스템(2014)은 재생 가능 탄소 연료의 생성, 저장 및 격리중 적어도 하나, 또는 비료 및 건축 재료들과 같은 비연료 제품의 생산을 위한 위치로, 제거된 이산화탄소를 격리시킨다. 수집 시스템(2014)은 임의의 공지된, 또는 장래에 발견될 탄소 격리 및/또는 저장 기술을 이용할 수 있는데, 예를 들면, 광물질 격리(mineral sequestration) 또는 지질층(geological formation)으로 주입하는 것이다. 주입(injection)의 경우에, 포획된 CO2 는 예를 들면, 오일 및 가스 저장부, 채굴 불가능한 석탄 광층(unmineable coal seam) 및 깊은 염류 저장고 (deep saline reservoir)와 같은 지질층에 격리될 수 있다. 이와 관련하여, 많은 경우에, 지질층으로 CO2를 주입하는 것은 탄화수소의 회수를 향상시킬 수 있어서, CO2 의 포획 및 수집 비용을 상쇄할 수 있는 부가 가치의 부산물을 제공한다. 예를 들면, 오일 또는 천연 가스 저장고로 CO2 를 주입하면 생성물을 향상된 오일 회수로 알려진 공정으로 상기 오일 또는 천영 가스를 밀어낸다. 포획된 CO2 는 지하에 격리될 수 있으며, 본 발명의 적어도 일 구현예에 따르면 시스템(2)의 다른 구성 요소들로부터 바람이 불어오는 쪽의(upwind) 원격 장소에 격리됨으로써 그 장소로부터의 임의의 누설은 시스템(2)에 의해서 다시 포획된다.
광물질 격리(mineral sequestration)에 관하여, CO2 는 칼슘 및 마그네슘 규산염과의 탄산화 반응에 의해 격리될 수 있으며, 이는 광물질 퇴적물로서 천연적으로 발생한다. 예를 들면, 아래의 반응 (1) 및 (2)에 나타난 바와 같이, CO2 는 포르스테라이트(forsterite) 및 서펜타인(serpentine)과 반응할 수 있으며, 이것은 발열 반응으로 고체의 칼슘 및 마그네슘 탄산염을 생성한다.
(1) 1/2 Mg2SiO4 + CO2 = MgCO3 + 1/2 SiO2 + 95 kJ/mole
(2) 1/3 Mg3Si2O5(OH)4 + CO2 = MgCO3 + 2/3 SiO2 +2/3 H2O + 64 kJ/mol
이들 반응 모두는 저온에서 선호되며, 이는 아민을 흡착제로서 선호한다. 이와 관련하여, 여기에 설명된 공기 포획 및 공기 격리 공정들은 필요한 반응을 구동하고 적절한 시스템 구성 요소들에 전력을 제공하도록 태양 에너지 수집기(10)(또는 다른 재생 에너지 소스)에 의해 발생된 전기 및/또는 열에너지를 이용할 수 있다. 본 발명의 예시적인 일 구현예에서, 고온 캐리어(carrier)는 전기 발전기를 가동시키는 증기를 발생시키도록 약 400℃ 내지 약 500℃ 의 범위인 온도로 가열될 수 있고, 전기 발생 터빈으로부터 배출되는 저온 및 저압 증기는 CO2를 배제하고 흡착제(예를 들면 저온에서 아민 또는 더 높은 온도에서 NaOH)를 재생하는데 이용될 수 있다. 고온 열의 온도, 발생된 전기 및 전기 생산 이후에 남은 저온 공정열의 온도는, 주어진 열병합발전 응용예에서 최적으로 간주되는 전기 생산 및 CO2 제거의 혼합을 생성하도록 조절될 수 있다. 또한, 예시적인 구현예에서, 포획 및 격리 단계들로부터 나오는 더 낮은 온도의 공정열은 그 단계들에서 이용되는 장비를 냉각하는데 이용될 수 있다.
대기로부터 이산화탄소를 제거하기 위한 하나 또는 그 이상의 시스템들은 본 발명의 예시적인 일 구현예에 따라서 글로벌 온도 조절 장치(global thermostat)의 일부로서 이용될 수 있다. 대기중의 이산화탄소 양을 조절하고 따라서 이산화탄소 및 다른 가스 방출물에 의해 야기되는 온실 효과를 조절함으로써, 여기에 설명된 시스템은 지구의 평균적인 온도를 변화시키도록 이용될 수 있다. 본 발명의 적어도 하나의 예시적인 구현예에 따르면, 몇 개의 이산화탄소 포획 및 격리 시스템들이 지구에 걸쳐서 상이한 위치들에 위치될 수 있어서 대기중의 CO2 농도를 변경하도록 다중 시스템들의 작동이 이용될 수 있고 따라서 지구의 온실 가스 가열이 변화될 수 있다. 대규모 산업 센터 및 높은 인구 밀도의 도시 또는 CO2 의 자연적인 점 소스 (natural point source)와 같이 지역들에 최상의 효과가 있도록 위치들이 선택될 수 있는데, 그 위치들 각각은 보다 비용 효과적인 포획을 가능하게 하는 국부적으로 더 높은 CO2 농도를 발생시킬 수 있다. 예를 들면, 도 4 에 도시된 바와 같이, 다중 시스템(1)들이 지구를 가로질러 산재될 수 있고, 예를 들면 국제적인 자금 조성 및 동의를 포함하는 국제 협력이 시스템(1)의 제어 및 구성을 조절하도록 이용될 수 있다. 이와 관련하여, 온실 가스 농도는 평균 글로벌 온도를 변경시키도록 변화될 수 있어서, 인간 및 생태 시스템에 파괴적일 수 있는 냉각 및 온난 주기가 회피된다. 우리 지구의 과거 동안에, 예를 들면, 파괴 및 심지어는 대량 멸종을 야기했던 빙하기들 및 급속한 온도의 변화가 많이 있었다. 미래의 그러한 온도 변화는 잠재적인 자원 감소에서 초래되는 분쟁에 의한 인류 사회의 불안정 및 대량 손실의 직접적인 원인이 될 수 있다. 본 명세서에 설명된 글로벌 온도 조절 장치는 다가올 수 십년간에 그러한 재난들을 방지하는 열쇠가 될 수 있다.
도 5 는 전체적으로 참조 번호 100 으로 표시된 시스템의 블럭 다이아그램으로서, 이는 본 발명의 다른 예시적인 구현예에 따라서 대기로부터 이산화탄소를 제거하기 위한 것이다. 시스템(100)은 재생 가능 에너지 소스(110), 선택적인 보충 에너지 소스(120), 전력 발생기(130), 공기 추출 시스템(142) 및 수집 시스템(150)을 포함한다. 본 구현예가 도 2 의 구현예와 상이한 점은 재생 가능 에너지 소스(110)가 임의의 공지되거나 또는 장래에 발견될 에너지 소스일 수 있는 것이며, 태양 에너지 이외에, 예를 들면, 핵, 지열 및 바이오매스 에너지 소스들과 같은 것이다. 바람직하게는, 재생 에너지 소스가 열 에너지(20161)를 발생시키는데, 이것은 전기(2020)를 발생시키고 공기 추출 시스템(142) 및 수집 시스템(150) 안에서 발생되는 다양한 화학적 및/또는 물리적 반응들의 효과를 향상시키도록 이용될 수 있다. 이와 관련하여, 공기 추출 시스템(142) 및 수집 시스템(150)은 이전의 구현예를 참조하여 설명된 것과 동일할 수 있거나, 또는 임의의 공지되거나 또는 장래에 발견될 공기 추출 및 수집 시스템들에 따른 구성 요소들을 포함할 수 있다. 또한, 이전의 구현예를 참조하여 도 4 에 도시된 바와 같이, 복수개의 시스템(100)들이 지구에 걸쳐 전략적으로 배치될 수 있고, 시스템(100)의 제어는 글로벌 온도 조절 장치로서 집합적으로 기능하기 위하여 조정될 수 있다.
도 6 내지 도 9 는 이산화탄소가 본 발명의 원리에 따라서 대기로부터 제거될 수 있는 몇가지 방법을 개략적으로 도시한 것이다.
구체적으로, 도 6에서, 한쌍의 기질(600,602)들이 도시되어 있는데, 이들 각각은 이산화탄소를 대기로부터 이산화탄소를 제거하도록 대기와 접촉할 수 있는 매체(예를 들면, NaOH, 아민 또는 다른 적절한 흡착제)를 가진다. 기질(600,602)들은 수직으로 배향된 팬케이크 형상(기질들이 두께에 비해서 상대적으로 큰 면적이라는 점에서)이고, 그 각각은 (표면 영역에서) 상대적으로 넓고 상대적으로 얇다(예를 들면 수 밀리미터의 정도이고, 바람직하게는 1 미터보다 두껍지 않다). 각각의 기질은 상부 위치와 하부 위치 사이에서 (예를 들면 풀리 또는 유압 시스템(미도시)에 의해서) 움직일 수 있는데, 상부 위치에서는 이산화탄소 적재 공기가 기질에 담지된 매체와 접촉하여 공기로부터 이산화탄소를 제거하고, 하부 위치에서는 공정열이 기질을 향하게 되어 이산화탄소를 매체로부터 제거한다. 기질(600,602)은 큰 표면적을 가진 다공성이어서, 기질을 향하는 공기는 기질을 통해 흐를 수 있다. 기질이 상부 위치(예를 들면 기질(600)의 위치)에 있을 때, 이산화탄소 적재 공기는 (예를 들면 쇄선으로 도시된 팬(604)에 의해) 기질을 향하게 되어, 공기가 기질을 통해 흐를 때, 이산화탄소는 매체와 접촉하고 실질적으로 공기로부터 제거된다. 따라서, 이산화탄소 적재 공기는 기질을 향하고 기질을 통과함으로써 이산화탄소는 매체와 접촉하게 되며, 이산화탄소는 매체에 의해서 공기로부터 실질적으로 제거되며, 이산화탄소가 실질적으로 제거되었던 공기는 기질로부터 떨어져 향하게 된다. 기질이 하부 위치(예를 들면, 기질(602)의 위치)로 움직일 때, 공정열은 기질을 (예를 들면, 유체 도관(606)을 통하여) 향하게 되고, 이산화탄소는 (화살표(608)에 의해 도시된 방향으로) 기질을 향하는 유체의 소스에 의해 제거되고(뽑아지고), 매체로부터 이산화탄소를 제거하였던 흡입 소스(610)는 기질로부터 떼어진다. 기질(600,602)들은 상부 위치와 하부 위치 사이에서 번갈아서 움직일 수 있어서, 상부 위치에 있는 기질은 공기로부터 이산화탄소를 제거하고, 이산화탄소는 하부 위치에 있는 기질로부터 제거되고 있다. 만약 강한 바람을 이용할 수 있다면, 팬보다는 자연 바람이 기질을 통해 공기를 추진하는데 이용될 수 있다는 점이 주목되어야 한다. 또한, 아래에 설명된 바와 같이, 팬은 태양열 구동 소스로 대체될 수 있으며 (또는 풍력 또는 열로 구동되는 공기 흐름에 의해서) 그러한 경우에 대기로부터 이산화탄소를 추출하는 비용 감소 및 효율은 더욱 향상될 수 있다. 또한, 당업자에게 명백한 바와 같이, 이산화탄소가 공기로부터 포획되고 매체로부터 추출될 때, 기질의 위치를 전환 (switching)시키기 보다는, 공기 흐름, 공정열의 흐름 및, 기질로부터 이탈되는 이산화탄소의 흐름을 발생시키는 수단이 전환 (switching)될 수 있다.
도 7 은 본 발명의 원리에 따라서, 대기로부터 이산화탄소를 제거하고 매체로부터 이산화탄소를 제거하기 위한 매체의 다른 버전을 개략적으로 도시한 것이다. 구체적으로, 도 7에서, 한쌍의 기질(700,702)들이 도시되어 있는데, 기질들 각각은 대기로부터 이산화탄소를 제거하도록 대기와 접촉될 수 있는 매체(예를 들면, NaOH, 아민 또는 다른 적합한 흡착제)를 가진다. 기질(700,702)들은 수평 방향으로 배향되어 있으며, 각각 (표면 영역에서) 상대적으로 넓고 상대적으로 얇다(예를 들면 밀리미터 또는 센터미터, 미터까지의 정도이다). 각각의 기질은 공기 추출 위치와 탄소 추출 위치 사이에서 (예를 들면, 풀리 시스템(미도시)에 의해서) 수평으로 움직일 수 있는데, 공기 추출 위치에서는 이산화탄소 적재 공기가 기질에 담지된 매체와 접촉하여 공기로부터 이산화탄소를 제거하고, 탄소 추출 위치에서는 공정열이 기질로 향하여 이산화탄소를 매체로부터 제거한다. 기질(700,702)들은 다공성이며, 따라서 기질로 향한 공기는 기질을 통하여 흐를 수 있다. 기질이 공기 추출 위치(예를 들면 기질(700)의 위치)에 있을 때, 이산화탄소 적재 공기는 (예를 들면 쇄선으로 도시된 팬(704)에 의해서) 기질로 향하여, 공기가 기질을 통하여 흐르면 이산화탄소는 매체와 접촉하고 실질적으로 공기로부터 제거된다. 따라서, 이산화탄소 적재 공기는 기질에 향하고 그것을 통과함으로써 이산화탄소가 매체와 접촉하게 되고, 이산화탄소는 매체에 의해 공기로부터 실질적으로 제거되고, 이산화탄소가 실질적으로 제거된 공기는 기질로부터 떨어져 향하게 된다. 기질이 탄소 추출 위치(예를 들면, 기질(702)의 위치)로 움직일 때, 공정열은 (예를 들면 유체 도관(706)을 통하여) 기질로 향하고, 이산화탄소는 (화살표(708)에 의해 도시된 방향으로) 기질을 향한 유체 소스에 의해 제거되고(뽑아지게 되고), 매체로부터 이산화탄소를 제거하였던 흡입 소스(710)에 의해 기질로부터 떼어진다. 기질(700,702)들은 공기 추출 위치와 탄소 추출 위치 사이에서 번갈아서 움직일 수 있어서, 공기 추출 위치에 있는 기질은 공기로부터 이산화탄소를 제거하고 이산화탄소는 탄소 추출 위치에 있는 기질로부터 제거된다. 만약 강한 바람을 이용할 수 있다면, 팬보다는 자연 바람이 기질을 통해 공기를 추진하는데 이용될 수 있다는 점이 주목되어야 한다. 또한, 아래에 설명된 바와 같이, 팬은 태양열 구동 소스로 대체될 수 있으며 (또는 풍력 또는 열로 구동되는 공기 흐름에 의해서), 그러한 경우에 대기로부터 이산화탄소를 추출하는 비용 감소 및 효율은 더욱 향상될 수 있다. 또한, 당업자에게 명백한 바와 같이, 이산화탄소가 공기로부터 포획되고 매체로부터 추출될 때, 기질의 위치를 전환시키기 보다는, 공기 흐름, 공정열의 흐름 및, 기질로부터 이탈되는 이산화탄소의 흐름을 발생시키는 수단이 전환될 수 있다.
도 9 에 도시된 본 발명의 버전은 도 7 에 수평 방향 버전과 전체적으로 유사하지만, 도 9 의 버전에서, 공기 추출 위치에 있는 기질(예를 들면 기질(900))을 통해서 탄소가 적재된 공기를 움직이는 소스가 팬이기보다는, 태양열 가열 타워 또는 굴뚝(도 9 에 참조 번호 912 로 개략적으로 도시됨)으로부터 발생되는 가스 흐름의 소스가 있다. 태양열 굴뚝(solar chimney)은 공기 매스를 태양로 가열함으로써 발생될 수 있다. 태양열 굴뚝은 "스커트(skirt)"를 가질 수 있는데(도 9에서 쇄선(913)으로 표시됨), 이것은 태양열로 가열된 공기가 굴뚝에 집중될 수 있게 한다. 따라서, 태양열 굴뚝을 가진 태양 에너지 분야는 도 7 과 관련하여 설명되고 도시된 방식으로, 대기로부터 이산화탄소를 제거하고 매체로부터 이산화탄소를 제거하는 시스템 및 구조체와 관련될 수 있다. 그러나, 기질에 있는 이산화탄소 적재 공기의 주 구동기로서의 팬(704) 보다는, 이산화탄소 적재 공기는 태양 에너지에 의해 가열되고 그 공기는 태양열 깔때기 또는 타워(912)에서 상승하는 것이 허용된다. 뜨거운 공기가 상승하는 경향 때문에, 상방향으로의 통풍이 발생되고, 그것은 이산화탄소 적재 공기를 함께 운반하며, 기질(900)은 상방향 통풍의 경로에 위치된다. 따라서 이산화탄소 적재 공기는 공기 추출 위치에 있는 기질(900)을 통하도록 향할 것이며, 이산화탄소는 도 7 과 관련하여 설명되고 도시된 것과 같은 방식으로 탄소 추출 위치에 있는 기질(902)로부터 제거될 것이다. 태양 에너지로써 공기로부터 이산화탄소의 추출을 추진함으로써, 추출 비용은 더욱 감소되고, 전체적인 작동은 더욱 재생 가능하다. 물론, 태양이 빛나지 않을 때의 기간 동안에 대한 준비가 이루어질 필요가 있으며, 팬(704)(도 7)과 유사한 구동기의 일부 형태가 필요할 것이다. 그러나, 팬 대신에, 팬을 태양열 구동 소스로 대체하는 (또는 풍력이나 열 구동되는 공기 흐름으로) 기간을 가지는 그 어떤 경우에라도, 대기의 공기로부터 이산화탄소를 추출하는 것의 비용 절감 및 효율은 더욱 향상될 수 있다.
도 8 은 본 발명의 원리에 따라서 대기로부터 이산화탄소를 제거하는 매체 및 상기 매체로부터 이산화탄소를 제거하는 또 다른 버전을 개략적으로 도시한 것이다. 도 8에서, 대기로부터 이산화탄소를 제거하는 매체 및 상기 매체로부터 이산화탄소를 제거하는 매체는 연속적으로 이동하는 예를 들어 흡착제가 적재된 팰렛으로 구성된 기질(800)상에 배치된다. 기질은 공기 추출 영역(814)을 통해 움직이는데, 여기에서 이산화탄소 적재 공기는 기질(이전의 구현예에서와 같이 다공성이다)을 향하고 통과하여 이산화탄소가 공기로부터 제거된다. 기질(800)은 다음에 탄소 추출 영역(816)으로 움직여서, 여기에서 공정열이 기질에 향하며, 탄소는 도 6 및 도 7 과 관련하여 위에 설명된 방식으로 기질로부터 이탈한다. 다음에, 기질(800)은 열 교환 영역(818)으로 움직여 통과하고, 그곳에서 기질의 온도는 낮춰진다 (예를 들면, 공기 추출 영역에 있는 기질을 통해 흐르는 공기에 의해서, 그리고 임의의 추가적인 냉각 장치에 의해서 낮춰지는데, 그 냉각 장치는 기질이 추출 영역(814)을 통해 뒤로 움직일 때 기질이 공기로부터 이산화탄소를 효과적으로 제거할 수 있는 레벨로 기질의 온도를 낮추는데 유용할 수 있다). 또한, 도 8 의 시스템은 다른 탄소 추출 영역(816)을 가질 수 있는데, 여기에서 공정열은 기질로 향하고 탄소는 도 6 및 도 7 과 관련하여 설명된 방식으로 기질로부터 이탈한다.
위에 설명된 본 발명의 모든 버전에서, 공기로부터의 이산화탄소의 제거는 비평형 조건하에서 적어도 부분적으로 수행될 수 있다. 또한, 대기로부터 이산화탄소를 추출하는 것에 대한 출원인의 바람직한 개념은 대기로부터 이산화탄소를 제거하는 매체(예를 들면, 아민)를 가지는 상대적으로 얇고 넓은 표면적의 기질을 이용하고 매체로부터 이산화탄소를 제거하는데 공정열을 이용하는 것을 포함한다. 공기 흐름의 방향에 직각인 상대적으로 넓은 영역의 기질을 이용하는 것이 특히 유용한데, 이는 (예를 들면, 연도 가스에서 보통 발견되는 상대적으로 높은 농도와는 반대로) 대기중에 있는 상대적으로 낮은 이산화탄소 농도 때문이다.
본 발명에 따라 이산화탄소 적재 공기로부터 이산화탄소를 제거하는 새로운 시스템, 구성 요소 및 방법 개념
흡착제 구조체 및 흡착제의 일반적 작동
*도 12는 본 발명의 원리에 따라 흡착제 구조체에 사용될 수 있는 상표 Celcor® 하에 Corning이 제조하는 유형의 다공성, 세라믹 기질 구조체의 개략적인 예시이다. 흡착제 (예를 들어 아민)는 Celcor®, 다공성 세라믹 기질 (cellular ceramic substrate)의 하나 이상의 내부에 담지되며 (예를 들어 코팅되거나 또는 다르게 고정된다), 이는 CO2 적재 공기가 기질을 통과해 흐를 때 높은 표면적 및 낮은 압력 강하를 제공한다. 흡착제 구조체는 예를 들어, 복수 개의 Celcor,® 다공성, 세라믹 기질 또는 단일의 기질을 포함할 수 있으며, 이는 도 6과 관련하여 상술한 팬케이크 형상의 유형을 가지며 (즉 두께보다 훨씬 더 큰 표면적), CO2 적재 공기는 흡착제 구조체의 셀을 통과하도록 향한다. 흡착제 구조체는 흡착제 물질을 Celcor® 다공성, 세라믹 구조에 매립함으로써 모놀리식 흡착제 구조체를 형성하도록 형성될 수 있음이 또한 고려된다.
또한, 기질은, 바람직하게는 세라믹, 즉 무기 물질이지만, 유기 물질일 수도 있음을 주목하여야 한다.
CO2 적재 공기는, 바람직하게는 팬케이크 형상인 흡착제 구조체를 통과하며, 흡착제 구조체는 흡착제 구조체가 특정한 포화 수준에 이를 때까지, 또는 흡착제 구조체의 출구에서 CO2 수준이 CO2 유출 (breakthrough)이 시작되었음을 나타내는 특정한 수치에 이를 때까지 CO2를 결합한다 (CO2 유출은 흡착제 구조체가 CO2로 충분히 포화되어서 추가적인 의미있는 CO2가 흡착제 구조체에 의하여 포획되지 않는 것을 의미한다).
도 10a-h와 관련하여 이후 더 설명하는 방식으로 흡착제 구조체로부터 CO2를 제거하고 수집 (및 흡착제 구조체를 재생)하는 것이 요구되는 경우, 흡착제 구조체는 이산화탄소 적재 공기 스트림으로부터 제거되어 상기 공기 스트림 및 공기 침입의 다른 소스로부터 격리된다. 다음으로 스팀이 흡착제 구조체를 통과한다. 스팀은 초기에는 응축될 것이며 이의 응축 잠열을 흡착제 구조체에 전달할 것이다. 결국 흡착제 구조체는 포화 온도에 도달할 것이며 스팀은 응축없이 흡착제 구조체를 통과할 것이다. 응축액 및 다음으로 스팀이 통과해서 흡착제 구조체를 가열함에 따라 흡착제 구조체에 의하여 포획된 CO2는 흡착제 구조체로부터 유리될 것이며 흡착제 구조체로부터 CO2를 유리시키는 반응이 요구하는 열을 제공하는데 있어서 더 많은 응축된 물을 생성하고 스팀에 의하여 흡착제 구조체 밖으로 밀려나거나 또는 팬/펌프에 의하여 추출될 것이다. 따라서, 흡착제 구조체를 통과하는 스팀은 흡착제로부터 CO2를 방출하며 에너지 효율 비용 이유로 사용되고, CO2와 혼합되는 스팀량을 최소화하는 것을 원할 것이다. 따라서, 재생 챔버를 탈출하는 순간 무엇이 응축되든 (또는 될 수 있든) 응축액은 재생 챔버에서 생성된 것에 첨가되고, 재활용되어 가열되어 스팀으로 다시 전환되어 사용될 수 있다. 이 기술은 “스팀 스트리핑”으로 언급되며 또한 이후 더 설명된다.
도 10a-10f, 및 10h의 수직 엘리베이터 개념
도 10a, 도 10ba 및 도 10bb는 본 발명의 원리에 따라 CO2 적재 공기로부터 이산화탄소가 제거될 수 있는 원리를 더 발전시키는 구조체 및 방법 개념의 개략적인 예시이다. 특히, 도 10a, 도 10ba 및 도 10bb는 미국 출원 제12/124,864호의 도 6에 개시된 원리를 더 발전시킨 것이다. 도 10c-h 및 전시물 A 및 B는 도 10a,도 10ba 및 도 10bb의 구조 및 방법의 세부 사항을 더 보여준다.
구체적으로, 도 10a에서, 본 명세서에 개시된 바와 같이, 흡착제 구조체를 가지는 직사각형의 이산화탄소 포획 구조체(1000)가 개시되어 있는데, 이는 CO2 적재 공기와 접촉하여 CO2 적재 공기로부터 이산화탄소를 제거할 수 있다. 직사각형의 이산화탄소 포획 구조체는 이의 두께에 비하여 비교적 큰 면적을 가진다는 점에서 도 6의 팬케이크 형상 기질과 유사하며, CO2 적재 공기의 흐름에 대하여 수직으로 배향되어 있다. 이산화탄소 포획 구조체(1000)는 바람직하게 각각 고체 금속 플레이트인 상부 부재(1002) 및 바닥 부재를 포함하며, 상기 두 플레이트 사이에 지지를 위한 수직 바만를 가지며, 상기 상부 부재(1002)에 매달려 있는 흡착제 구조체(1004)를 포함한다. CO2 적재 공기의 스트림 내에 위치할 때, 흡착제 구조체(1004)는 대면적 면 상에서 CO2 적재 공기 스트림에 개방되고 이 면을 통하여 공기는 팬(1010) 또는 항풍 (prevailing wind)에 의하여 보내지며, 흡착제 구조체를 통과하여 흐르는 이산화탄소를 결합하는 흡착제를 운반하며, 흡착제 구조체를 통과하도록 향하는 이산화탄소 적재 공기의 흐름으로부터 이산화탄소를 포획한다. CO2 적재 공기 흐름이 흡착제 구조체(1004)를 통과할 때 흡착제 구조체(1004)는 높은 표면적 및 낮은 압력 강하를 제공한다.
이산화탄소 포획 구조체(1000)는 엘리베이터 구조체에 의한 수직 움직임에 대해 지지되며, 도 10a, 도 10ba 및 도 10bb와 관련하여 개략적으로 보여지고 설명되며, 이의 세부사항은 도 10c-f 및 10h와 관련하여 더 보여지고 설명된다. 포획 구조체(1000)는 상부 및 바닥부에 고체 금속 플레이트를 가지며, 다른 곳에 수직 바만을 가지므로(지지를 위해), 남은 4 면에서 대기에 개방된다. GT흡착제의 적당한 두께로 코팅된 스테인레스 스틸 구조 패킹, 또는 다르게, GT 흡착제로 직접 제조된 구조 패킹이 상기 구조체 내에 갖추어져 있다. 도 10a에 나타난 바와 같이, 유압 실린더(1006)는 포획 구조체(1000)의 상부 부재(1002)에 연결되어 있으며 주위 환경으로부터 유압 실린더를 보호하는 구조 프레임(1008) 내에서 움직일 수 있다. 유압 실린더(1006)는 이산화탄소 적재 공기의 흐름과 일치하는 이산화탄소 포획 위치, 및 이후 더 설명하는 재생 위치 사이에서 이산화탄소 포획 구조체(1000)를 선택적으로 움직일 수 있다. 이산화탄소 포획 위치에서 이산화탄소 적재 공기의 흐름(도 10a에서 2024로 표지)은 이산화탄소 포획 구조체(1000)를 통과하도록 끌어당겨진다 (예를 들어 이 경우 모터(1012)에 의하여 운전되는 팬(1010)에 의하여 생성되는 유도 통풍에 의하여). 이산화탄소 적재 공기는 흡착제 지지 구조(1004)를 통하여 흐르며, 이 곳에서 흡착제가 이산화탄소를 결합하여 공기로부터 이산화탄소를 제거하므로, 2045, 2077에서 이산화탄소 포획 구조체(1000)를 탈출하는 공기는 실질적으로 이산화탄소가 고갈되어 있다 (바람직하게 이산화탄소가 약 95% 고갈).
이산화탄소 포획 구조체(1000)는 재생 위치로 선택적으로 움직일 수 있으며 (유압 실린더 피스톤(1006)에 의하여(이는 리프팅 파이프(2034)(보통 2 개면 충분하다)에 의하여 흡착제 챔버의 상부 플레이트(1002)에 연결되어 있다), 또는 흡착 및 재생 위치 사이에서 이산화탄소 포획 구조체를 움직이는 유사 작용을 수행하는 유압실린더(1006) 또는 풀리 시스템에 의하여), 여기서 이산화탄소는 흡착제 구조체(1004)로부터 분리되어, 이산화탄소는 수집되고 격리될 수 있게 되며, 흡착제 구조체는 재생될 수 있게 되므로, 다음으로 흡착제 구조체는 이산화탄소 적재 공기 흐름과 일치하는 위치로 다시 움직일 수 있게 되어, 상기 공기로부터 추가적인 이산화탄소를 제거할 수 있다. 재생 박스(1014)는 이산화탄소 포획 구조체(1000) 아래에 위치한다. 재생 박스(1014)는 바람직하게 5 면 (5 sides) 상에 고체 금속 플레이트로 형성되며, 상부가 개방되어, 이산화탄소 포획 구조체(1000)가 박스(1014) 내로 하강할 때, 상부 플레이트(1002)는 재생 박스(1014)의 상부를 기밀 기계식 밀봉(air-tight mechnaical seal)으로 닫을 것이다. 재생 박스(1014)는 열보존 목적으로 잘 단열되어 있으며 공정열 흐름에 의하여 선택적으로 가열될 수 있다 (바람직하게는 열병합발전 시스템 및 공정으로부터 이며, 이후 본 명세서에서 더 설명한다). 재생 박스(1014)가 가열됨에 따라 (바람직하게 본 명세서에서 “스팀 스트리핑 공정”이라고 개시된다), 이산화탄소는 흡착제 구조체로부터 분리되고, 빼내어지므로 이산화탄소는 격리될 수 있다. 이산화탄소가 흡착제 구조체로부터 분리되어, 재생 박스(1014)로부터 빼내어지므로, 흡착제 구조체는 재생되고, 이산화탄소 포획 구조체(1000)는 이산화탄소 적재 공기 흐름과 일치하는 위치로 다시 움직일 수 있게 되어, 이산화탄소 적재 공기로부터 이산화탄소를 제거할 수 있다.
도 10b(도 10ba 및 도 10bb 처럼 2개의 부분으로 분리)는, 한 쌍의 이산화탄소 포획 구조체(1000)가 제공되고, 각각은 도 10a의 이산화탄소 포획 구조체와 일치하도록 구성되며, 각각은 탄소 포획 구조체가 탄소 적재 공기의 흐름과 일치하는 탄소 포획 위치, 및 도 10a의 재생 박스(1014)와 유사하게 구성되고 유사한 방식으로 작동하는 재생 박스(1014) 내로 이산화탄소 포획 구조체가 하강하는 재생 위치 사이에서 유압 실린더(1002)에 의하여 움직인다는 점에서 도 10a의 구조체 및 기술의 대안을 개략적으로 나타낸다. 도 10ba, 도 10bb 및 도 10a의 탄소 포획 구조체 및 기술의 유일한 본질적인 차이는, 도 10ba 및 도 10bb에서는, 하나의 이산화탄소 포획 구조체는 항상 이산화탄소 적재 공기 흐름과 일치할 수 있는 반면 다른 이산화탄소 포획 구조체는 도 10a와 연관하여 상술한 방식으로 재생된다는 점이다. 따라서, 도 10ba 및 도 10bb에서(도 6에서 보이는 것과 유사한 방식으로), 이산화탄소 포획 구조체(1000)가 위쪽 위치에 있을 때 (예를 들어 도 10ba 및 도 10bb에 나타낸 위쪽 위치), 이산화탄소 적재 공기는 흡착제 구조체를 향하게 되어, 흡착제 구조체는 이산화탄소 적재 공기 내의 이산화탄소를 결합한다. 이산화탄소 포획 구조체(1000)가 낮은 위치로 움직여 재생 박스(1014) 내로 움직일 때, 공정열은 기질을 향하게 되고, 이산화탄소는 흡착제 지지 구조로부터 제거된다(배제된다)(다시 바람직하게는 본 명세서에 개시된 “스팀 스트리핑” 공정에 의하여). 한 쌍의 이산화탄소 포획 구조체(1000)는 위쪽 및 아래쪽 위치 사이에서 교대로 움직일 수 있어서, 위쪽 위치의 이산화탄소 포획 구조체는 이산화탄소 적재 공기로부터 이산화탄소를 제거하고 이산화탄소는 낮은 위치인 흡착제 구조체로부터 제거된다. 도 10b의 교호적인 옵션은 흡수 시간이 거의 재생 시간과 동등하도록 한다.
도 10a, 도 10ba 및 도 10bb 각각은 이산화탄소 적재 공기로부터 이산화탄소를 제거하고 이산화탄소 흡착제 구조체를 재생하는 단일 흡착제 구조체를 보여주는 반면 (그러한 흡착제 구조체는 때때로 본 명세서에서 유닛으로 언급된다. 실제로 글로벌 온도 조절 장치 시스템은 많은 유닛을 가질 것이며, 각각은 상술한 구조체 및 기술과 일치되도록 구성되어 작동하며, 이는 당업자에게 분명할 것이다). 또한, 도 10h는 엘리베이터 구조체를 추가적으로 자세히 설명하며, 도 10c, d, e 및 f에 나타난 바와 같이, 엘리베이터 구조체는, 예를 들어, 흡착제 구조체를 통과하는 이산화탄소 적재 공기 흐름과 간섭하지 않도록 위치하는 몇 쌍의 유압 실린더를 포함할 수 있다.
도 10h에서, 유압 활성제(hydraulic activator)를 포함하는 시스템 구조체에 대해 세부 사항을 더 분명히 나타내었다. 나타난 바와 같이, 구조 프레임(2116)이 제공되어 유압 실린더를 지지하며, 이는 기후/인원 보호를 위해 전체가 봉해져 있다.
실린더(2112)로부터 연장된 단일 피스톤(2113)은 결합 플레이트(2117)에 직접 연결되어 있고, 이는 단일 피스톤 막대(2115) 및 다중 리프팅 파이프(2120)(이 경우 2 개 파이프) 사이에 연결되어 있다. 보이는 바와 같이, 유압 구조체는 이산화탄소 포획 구조체(1000)를 공기 흐름 주입 도관(Inlet Air flow duct)(2121) 및 CO2 재생 박스(2121) 사이에서 이동시킨다. 공기 흐름 도관 내의 팬, 및 공정열 소스에 연결된 배관은 용이한 참조를 위해 나타내지 않았다. 도 10c - 10f는 두 개의 유압 실린더 및 피스톤(2093)을 갖는 시스템을 도시하는데, 상기 유압 실린더와 피스톤은 이동하는 흡착제 유지 구조체(2086)의 양쪽 측면에 위치한다.
또한, 도 10a도, 10ba 및 도 10bb의 구조체 및 기술의 추가적인 특징을 또한 주목하여야 한다.
a. 저수준 (Low Level) 공정열 소스/공급 헤더 (Supply Header)(전형적으로 저압 스팀)에 대한 배관(piping), 밸브, 등. 이는 가장 흔하게는 동일한 글로벌 온도 조절 장치 (GT) 유닛의 수평 열 아래에 위치하는 수평 파이프 래크 런 (rack run)일 것이며, 도 10a, 도 10ba 및 도 10bb에 나타난 “디멘전 2044, 2076”와 평행하게 지나간다. 적합한 높이에서 추가적인 플랫폼 수준을 가지는 구조체를 건설함으로써 글로벌 온도 조절 장치 (GT) 유닛의 수가 또한 수직적으로 위로 확장된다면, 수직 헤더, 또는 수직 파이프 래크 런이 또한 있을 것이며, 이는 적합한 높이에서 추가적인 플랫폼 수준을 포함하는 구조체에 인접하여, 동일한 GT 유닛의 수평 열의 바로 단부에 위치한다.
b. 저수준 공정열 리턴 헤더(전형적으로 저압 스팀 응축액)에 대한 배관, 밸브, 등. 이는 가장 흔하게는 동일한 글로벌 온도 조절 장치 (GT) 유닛의 수평 열 아래에 위치하는 수평 파이프 래크 런일 것이며, 도 10a, 도 10ba 및 도 10bb에 나타난 “디멘전 W”와 평행하게 지나간다. 적합한 높이에서 추가적인 플랫폼 수준을 가지는 구조체를 건설함으로써 글로벌 온도 조절 장치 (GT) 유닛의 수가 또한 수직적으로 위로 확장된다면, 수직 헤더, 또는 수직 파이프 래크 런이 또한 있을 것이며, 이는 적합한 높이에서 추가적인 플랫폼 수준을 포함하는 구조체에 인접하여, 동일한 GT 유닛의 수평 열의 바로 단부에 위치한다.
c. 선택적인 냉각수 공급 헤더(2030)를 위한 배관, 밸브, 등. 이는 가장 흔하게는 동일한 글로벌 온도 조절 장치 (GT) 유닛의 수평 열 아래에 위치하는 수평 파이프 래크 런일 것이며, 도 10a, 도 10ba 및 도 10bb에 나타난 “디멘전 2039”와 평행하게 지나간다. 적합한 높이에서 추가적인 플랫폼 수준을 가지는 구조체를 건설함으로써 글로벌 온도 조절 장치 (GT) 유닛의 수가 또한 수직적으로 위로 확장된다면, 수직 헤더, 또는 수직 파이프 래크 런이 또한 있을 것이며, 이는 적합한 높이에서 추가적인 플랫폼 수준을 포함하는 구조체에 인접하여, 동일한 GT 유닛의 수평 열의 바로 단부에 위치한다.
d. 선택적인 냉각수 리턴 헤더(2028)에 대한 배관, 밸브, 등, 이는 아마 동일한 글로벌 온도 조절 장치 (GT) 유닛의 수평 열 아래에 위치하는 수평 파이프 래크 런일 것이며, 도 10a, 도 10ba 및 도 10bb에 나타난 “디멘전 2039”와 평행하게 지나간다. 적합한 높이에서 추가적인 플랫폼 수준을 가지는 구조체를 건설함으로써 글로벌 온도 조절 장치 (GT) 유닛의 수가 또한 수직적으로 위로 확장된다면, 또한 동일한 GT 유닛의 수평 열의 바로 단부에 위치한 수직 헤더, 또는 수직 파이프 래크 런이 있을 것이며, 이는 적합한 높이에서 추가적인 플랫폼 수준을 포함하는 구조체에 인접해 있다.
e. CO2 (>95.00 몰 %) -> CO2 생성물 저장 헤더(2026)를 위한 배관, 밸브, 등. 이는 아마 동일한 글로벌 온도 조절 장치 (GT) 유닛의 수평 열 아래에 위치하는 수평 파이프 래크 런일 것이며, 도 10a, 도 10ba 및 도 10bb에 나타난 “디멘전 2039”와 평행하게 지나간다. 적합한 높이에서 추가적인 플랫폼 수준을 가지는 구조체를 건설함으로써 글로벌 온도 조절 장치 (GT) 유닛의 수가 또한 수직적으로 위로 확장된다면, 수직 헤더, 또는 수직 파이프 래크 런이 또한 있을 것이며, 이는 적합한 높이에서 추가적인 플랫폼 수준을 포함하는 구조체에 인접하여, 동일한 GT 유닛의 수평 열의 바로 단부에 위치한다.
f. 고압 CO2 처분 파이프라인에 연결될 필요가 있는 C02 수용/저장 용기(2026), 및 임의의 및 모든 장비. 작동시, 10a 및 10b 모두의 시스템은 95 몰 %보다 큰 순도로 CO2를 저장하도록 의도된다.
g. 현존하는 설비 (발전소, 화학 플랜트, 또는 정련소, 등)에서 저수준 공정열 소스(2029, 2027)에 공급 및 리턴 연결장치 (배관, 밸브, 등). 이는 아마 보통의 저압 스팀 공급/저압 스팀 응축액 리턴일 것이다.
h. 현존하는 설비 (발전소, 화학 플랜트, 또는 정련소, 등)에서 저수준 냉각 소스(2030, 2028)에 공급 및 리턴 연결 장치 (배관, 밸브, 등). 이는 아마 보통의 또는 일반적인 냉각수 공급 (2030)/냉각수 리턴 (2028)일 것이다.
i. 모든 기계류 (instrumentation), 모든 전기 시설 (변전소, 배선, 등 같은), 모든 일반 유틸리티 접속 (기구 공기, 식수, 등 같은), 모든 안전 및 조업 중지 (shotdown) 시스템, 등. 이는 또한 전형적인 컴vb터 데이타 로거/컴퓨터 컨트롤 시스템 (Computer Data Logger/Computer Control System)을 갖는 컨트롤 하우스 (Control House)를 포함한다.
j. 도 10a, 도 10ba 및 도 10bb에 나타난 모든 블럭 밸브는 “최소 누출” 또는 TSO (tight shut-off) 블럭 밸브로 구체화될 것인데, 어느 것이든 가장 실용적이거나 또는 가장 실행가능하다.
k. 도 10a, 도 10ba 및 도 10bb에 나타난 모든 블럭 밸브는 완전 자동화된 블럭 밸브이다 (동력화되어 있고, 유압식으로, 또는 압축공기식으로 작동된다). 이들 블럭 밸브 모두는 컴퓨터 조절되는 타이머/순차기 (sequencer) 시스템으로 서로 맞물려 있을 것이다. 유압 유체 펌프(들)(2033) 및 CO2 생성물/재활용 가스 송풍기(들)(2031)은 또한 컴퓨터 조절되는 타이머/순차기 시스템에 연결되어 맞물릴 것이다.
l. 10a 10b 시스템 모두에서, 공기 도관(2121)은 이의 입구 단부에서 거친 와이어 버드 네스트(2025, 2050)로 각각 보호되며, 입자 제거를 위해 좀더 섬세한 필터 메쉬(2035, 2060)로 보호된다. 또한, 모두는 도관(2121)의 출구 단부에 공기 유도 팬(1010)을 가진다.
m. 본 명세서에 기재된 바람직한 흡착제 구조체는 Celcor® 다공성 기질의 내부에 담지된 (예를 들어 코팅되거나 또는 다르게 고정화된) 흡착제 물질 (즉 아민)을 포함하지만, Celcor® 다공성 구조체 내에 흡착제 물질을 매립함으로써 흡착제 구조체가 형성되어 모놀리식 흡착제 구조체를 형성될 수 있다는 것이 또한 고려된다.
n. 흡착제 구조체의 산소 오염을 피하기 위해 (이는 흡착제 구조체를 산화시킴으로써 흡착제 구조체를 피독 (poisoning)시키는 산소로 인하여 일어날 것이다) 흡착제 구조체의 재생 전 및 재생 후 모두에 흡착제 구조체(1000) 주변의 환경으로부터 산소를 제거하는 것이 중요할 수 있다는 것이 고려된다. 산소 제거가 다루어질 수 있는 방식은 “퍼지 가스로 스팀 스트리핑”으로 언급되는 기술과 연관하여 아래에 설명된다.
전체 시스템은 흡착제 구조체(1000)의 높이의 단지 약 5~6배 높이를 갖도록 건설될 수 있다는 것을 주목하라. 다중 유닛이 수직으로 쌓이지 않는 한.
스팀 스트리핑
스팀 스트리핑 공정에 대해 고려되는 2 기술이 있다. 한 기술은 “스팀만으로 스팀 스트리핑”으로 언급된다. 다른 기술은 “퍼지 가스와 스팀 스트리핑”으로 언급된다. 두 기술 모두 도 10g에 개략적으로 나타난 시스템 구성 요소 및 공정 단계를 활용한다.
“스팀만으로 스팀 스트리핑”으로 언급되는 기술은 다음 방식으로 작동한다:
a. 공기가 흡착제 베드 구조체(2105)의 채널을 통과하고, 흡착제 구조체에 의하여 공기로부터 흡착제 구조체가 구체적인 포화 수준에 도달하거나 또는 흡착제 구조체의 출구에서 CO2 수준이 CO2 유출이 시작되었음을 나타내는 특정한 수치에 도달할 때까지, 또는 테스트에 의하여 결정된 특정한 시간 기간 동안 CO2가 제거된다.
b. 도 10g에 나타난 바와 같이, 흡착제 구조체는 공기 스트림으로부터 제거되어 공기 흐름 및 공기 침입 및 외부 공기로의 CO2 이동으로부터 고립된다.
c. 저압 스팀(2098)이 흡착제 구조체(2105)에서 채널을 통과한다. 스팀은 초기에 응축하고 흡착제 구조체의 앞 부분에서 이의 응축 잠열을 흡착제 구조체에 전달할 것이다. 응축열은 흡착제 구조체의 온도를 상승시키고 에너지를 공급해서 흡착제 구조체로부터 CO2 탈착 과정을 가동시킨다. 결국 흡착제 구조체의 앞부분은 포화 온도에 도달할 것이고 유리된 CO2 는 스팀에 의해서 밀려나가거나 또는 팬에 의해서 추출될 것이다. 상기 공정은 스팀이 들어가는 흡착제 구조체의 앞부분으로부터 CO2 가 유리될 때까지 흡착제 구조체 내로 더 깊이 움직일 것이다 (방출된 분류는 사용된 흡착제 구조체 및 스팀 온도에 의존할 것이라는 것을 주목하라). 사용된 스팀을 최소화하고 유리된 CO2와 혼합되는 스팀량을 최소화하기 위해 적당한 양의 스팀만이 제공되어 흡착제 구조체로부터 CO2의 탈착을 달성할 것이다. 응축액 및 다음으로 스팀이 흡착제 구조체를 통과해 흡착제를 가열함에 따라 CO2 가 흡착제 구조체로부터 유리되어 스팀 및 응축액 내로 전달될 것이다. 응축액은 CO2를 “보유 (hold)”하는 제한된 능력을 가질 것이며 일단 포화되면 “사우어(sour)” 물은 CO2를 더 이상 보유하지 않을 것이며 CO2 는 스팀에 의하여 밀려져 나오거나 또는 팬으로 추출됨에 따라 증기상에 남을 것이다. 일단 스팀이 흡착제 구조체를 통과하면 CO2를 유리하기 위해서 응축되어야 한다. 이는 열을 제거하기 위해 냉각수(2108)를 사용하는 응축기(2106)에서 달성된다. 수집된 스트림에는 가능한 한도까지 최소화될 얼마간의 스팀이 혼합되며, 상기 스팀은 CO2로부터 이를 분리하기 위해 응축되어야 한다. 다르게는 스팀은 비단열된 파이프 또는 핀 파이프에서 대기로의 열 손실을 이용하여 응축될 수 있다. 상기 열은, 대안이 스팀을 응축하기 위한 흡착 단계 (상기 단계 1)에서 흡착제 구조체를 탈출하는 공기를 사용하는 것일 것임에도 불구하고, 시스템에는 손실이다. 이는 흡착제 구조체의 출구에서 공기의 온도를 상승시킬 것이며 공기가 흡착제 구조체를 통과하여 이동하게 하는 추가적인 구동력을 제공하고 에너지 요구를 감소시킬 것이다.
d. 일단 흡착제 구조체에서 CO2 가 제거되면 다음으로 흡착제 구조체는 다시 공기 스트림 내로 끌어 올려진다. 공기는 흡착제 구조체를 냉각시킬 것이고 임의의 남은 수분을 제거할 것이다. 다음으로 흡착제 구조체는 특정한 유출이 일어날 때까지 CO2를 제거할 것이며 (단계 1 참조) 다음으로 흡착제 구조체는 재생 위치 내로 내려지고 공정은 반복된다.
e. 탈착 공정 (흡착제 구조체로부터 CO2를 제거)으로부터의 응축액은 포화 수준으로 CO2를 포함한다. 상기 응축액은 포화 온도에 가까울 것이며 (충분한 스팀만이 CO2제거를 달성하기 위해 시스템에 첨가되기 때문) 및 보일러로 리사이클되는데(2109) 여기서 설비 (석유화학 플랜트 또는 유틸리티 발전소)로부터의 저압 스팀은 흡착제 구조체를 가열하기 위해 사용되는 스팀을 재생하는데 사용된다. CO2 포화된 스팀의 재사용은 대량의 산성 물을 취급할 필요를 제거한다. 물 응축액은 펌프(2104)를 통과해서 스팀 공급 헤더(2110)로 다시 돌아간다.
"퍼지 가스와 스팀 스트리핑"으로 언급되는 기술은 다음 방식으로 작동한다:
a. 공기가 흡착제 구조체의 채널을 통과하고, 흡착제 구조체가 구체적인 포화 수준에 도달하거나 또는 흡착제 구조체의 출구에서 CO2 수준이 CO2 유출이 시작되었음을 나타내는 특정한 수치에 도달할 때까지, 또는 테스트에 의하여 결정된 특정한 시간 기간 동안 CO2 가 흡착제 구조체에 의하여 공기로부터 제거된다.
b. 흡착제 구조체는 공기 스트림으로부터 제거되어 공기 흐름 및 공기 침입 및 외부 공기로의 CO2 이동으로부터 고립된다.
c. 흡착제 구조체 내의 채널로부터 산소를 제거하기 위해 불활성 가스의 퍼지가 잠시 동안 흡착제 구조체를 통과한다.
d. 저압 스팀이 흡착제 구조체에서 채널을 통과한다. 스팀은 초기에 응축하고 흡착제 구조체의 앞 부분에서 이의 응축 잠열을 흡착제 구조체에 전달할 것이다. 응축열은 흡착제 구조체의 온도를 상승시키고 에너지를 공급해서 흡착제 구조체로부터 CO2 탈착 과정을 가동시킨다. 결국 흡착제 구조체의 앞부분은 포화 온도에 도달할 것이고 유리된 CO2 는 스팀에 의해서 밀려나가거나 또는 팬에 의해서 추출될 것이다. 상기 공정은 스팀이 들어가는 흡착제 구조체의 앞부분으로부터 CO2 가 유리될 때까지 흡착제 구조체 내로 더 깊이 움직일 것이다 (방출된 분류는 사용된 흡착제 구조체 및 스팀 온도에 의존할 것이라는 것을 주목하라). 사용된 스팀을 최소화하고 유리된 CO2와 혼합되는 스팀양을 최소화하기 위해 적당 양의 스팀만이 제공되어 흡착제 구조체로부터 CO2의 탈착을 달성할 것이다. 응축액 및 다음으로 스팀이 흡착제 구조체를 통과해 흡착제를 가열함에 따라 CO2 가 흡착제 구조체로부터 유리되어 스팀 및 응축액 내로 전달될 것이다. 응축액은 CO2를 “보유”하는 제한된 능력을 가질 것이며 일단 포화되면 “사우어” 물은 CO2를 더 이상 보유하지 않을 것이며 CO2 는 스팀에 의하여 밀려져 나오거나 또는 팬으로 추출됨에 따라 증기상에 남을 것이다. 일단 스팀이 흡착제 구조체를 통과하면 CO2를 유리하기 위해서 응축되어야 한다. 이는 열을 제거하기 위해 냉각수를 사용하는 냉각기에서 달성된다. 수집된 스트림에는 가능한 한도까지 최소화될 얼마간의 스팀이 혼합되며, 상기 스팀은 CO2로부터 이를 분리하기 위해 응축되어야 한다. 다르게는 스팀은 비단열된 파이프 또는 핀 파이프에서 대기로의 열 손실을 이용하여 응축될 수 있다. 상기 열은, 대안이 스팀을 응축하기 위한 흡착 단계 (상기 단계 1)에서 흡착제 구조체를 탈출하는 공기를 사용하는 것일 것임에도 불구하고, 시스템에는 손실이다. 이는 흡착제 구조체의 출구에서 공기의 온도를 상승시킬 것이며 공기가 흡착제 구조체를 통과하여 이동하게 하는 추가적인 구동력을 제공하고 에너지 요구를 감소시킬 것이다.
e. 공기 스트림 내로 되돌려지기 전에 흡착제 구조체를 냉각하기 위해 흡착제 구조체가 특정한 온도까지 냉각될 때까지 불활성 가스가 흡착제 구조체를 통과하며, 이 때문에 공기 스트림 내로 되돌려질 때 흡착제 구조체에 손상이 발생하지 않을 것이다.
f. 일단 흡착제에서 CO2가 제거된면 흡착제 구조체는 냉각되고 다음으로 흡착제 구조체는 공기 스트림 내로 다시 올려진다. 공기는 계속 흡착제 구조체를 냉각시킬 것이며 임의의 남은 수분을 제거할 것이다. 다음으로 흡착제 구조체는 특정한 유출이 발생할 때까지 CO2를 제거할 것이며 (단계 1 참조) 다음으로 흡착제 구조체는 재생 위치 내로 낮추어지고 공정은 반복된다.
g. 탈착 공정 (흡착제 구조체로부터 CO2를 제거)으로부터의 응축액은 포화 수준으로 CO2를 포함한다. 상기 응축액은 포화 온도에 가까울 것이며 (충분한 스팀만이 CO2제거를 달성하기 위해 시스템에 첨가되기 때문) 및 보일러로 리사이클되는데 여기서 설비 (석유화학 플랜트 또는 유틸리티 발전소)로부터의 저압 스팀은 흡착제 구조체를 가열하기 위해 사용되는 스팀을 재생하는데 사용된다. CO2 포화된 스팀의 재사용은 대량의 산성 물을 취급할 필요를 제거한다.
상술한 각각의 스팀 스트리핑 기술에서, 열 교환기에 의하여 연결된 2 개의 폐쇄 스팀 루프가 있다는 것을 주목하라. 하나의 스팀 루프는 공정열을 공급하고 스팀 스트리핑을 하는 루프를 가열하여 발생하는 뜨거운 응축액을 보일러에 다시 돌려보낸다. 다른 스팀 루프는 스팀 스트리핑 및 흡착제 구조체의 재생을 하는 스팀 루프이다.
흡착제 구조체가 도 10a, 도 10ba 및 도 10bb와 관련하여 나타내지고 설명된 재생 박스(1014)에 배치되어 있는 동안 상술한 바와 같은 스팀 스트리핑은 상술한 방식으로 수행될 것이다. 또한 도 10a, 도 10ba 및 도 10bb와 관련하여 나타내지고 설명된 바와 같이 일단 흡착제 구조체가 CO2를 제거하면 다음으로 흡착제 구조체는 재생 박스(1014)로부터 끌어올려져 다시 이산화탄소 적재 공기 스트림 내로 돌아간다. 이산화탄소 적재 공기 스트림은 흡착제 구조체를 냉각시키고 임의의 남은 수분을 제거할 것이다. 다음으로 흡착제 구조체는 특정한 유출이 일어날 때까지 CO2를 제거할 것이며 다음으로 흡착제 구조체는 재생 박스(1014) 내의 재생 위치로 내려간다.
흡착제 특성
일반적으로, 흡착제 구조체를 형성하는 흡착제는 저온 및 저농도에서 CO2를 흡착 (결합)하고 고온 및 고농도에서 재생하는 능력으로 특징지워진다 (흡착제 구조체에 의하여 포획되는 CO2는 높은 CO2 농도를 가질 것이기 때문이다). CO2 적재 공기에서 CO2의 농도는 연도 가스 (대기에서 CO2 존재의 주요 기여자)에서 CO2의 농도보다 300 배 작기 때문에, CO2 는 주위 온도에서 CO2 적재 공기의 스트림으로부터 포획되고 (예를 들어 많은 기후에서 약 20 ℃) 상술한 스팀 스트리핑 공정에서 사용되는 스팀의 온도는 Langmuir 등온 또는 Langmuir 흡착식 (이는 당업자에게 공지되어 있다)에 근거하여 약 100-120 ℃의 온도이며, 흡착제 구조체의 흡착제 적용 범위 (sorbentcoverage)는 CO2 가 포획되는 더 낮은 온도에서 너무 높지 않아야 하는데, 왜냐하면 이는 흡착제 구조체로부터 CO2를 제거하는데 요구되는 온도를 증가시킬 것이기 때문이다. 따라서, 흡착제 물질은 바람직하게는 아민이지만, 본 발명의 시스템 및 공정이 사용될 포획 및 재생의 각각의 사이클 동안 수집되는 순수 CO2를 최적화하도록 구체적인 아민 물질 또는 다른 적합한 흡착제는 다른 기후에 대해 변할 수 있다.
열병합발전 및 공정열
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따라, 공정열이 사용되어 본 명세서에 설명된 “스팀 스트리핑” 공정 및 시스템에 사용되는 스팀을 제공하며, 흡착제 구조체로부터 CO2를 제거하고 흡착제 구조체를 재생시킨다. 또한 공정열은 열병합발전 공정 및 시스템에 의하여 제공되는 것이 바람직한데, 여기서 주공정 (예를 들어 석유화학 플랜트, 유틸리티 시설, 등)은 본 발명의 시스템에 직접 공급되어 흡착제 구조체로부터 CO2를 제거하고 흡착제 구조체를 재생하는데 사용되는 스팀을 제공한다.
발전소 및 석유화학 플랜트 같은 산업 플랜트는 막대한 양의 스팀을 발생시킨다. 스팀이 생성되는 압력이 더 높을수록 달성될 수 있는 열효율이 더 높고 열병합발전 시스템의 사용은 (여기서 가스 터빈은 전기를 생성하며 터빈으로부터의 뜨거운 가스는 더 많은 스팀을 생성하는데 사용된다) 또한 본 발명의 원리에 따른 CO2 포획 시스템 및 공정의 전체적인 열효율을 향상시킨다.
펌프 및 압축기를 위한 전기 및 터빈 드라이버의 다른 혼합, 칼럼 리보일러 및 예열 듀티 (preheating duties)에 요구되는 온도 등으로 인하여 석유화학 산업 내에는 많은 다른 디자인의 스팀 시스템이 있다. 이들은 생산되는 스팀 양 및 또한 스팀이 공정에 공급되는 압력 수준의 수 모두에 영향을 미친다. 이러한 조건이 주어지면 “전형적인” 석유화학 스팀 시스템 디자인은 큰 보일러 및 열병합발전 시설에 의해서 매우 높은 압력에서 (VHP: very high pressure) 생성되는 스팀을 포함한다. 상기 VHP 스팀은 모터 또는 압축기를 운전하는데 사용되는 터빈을 통과하여 더 낮은 압력에서 배기 스팀이 된다. 스팀의 다음 수준은 추출 터빈으로부터 제공되거나 또는 VHP 스팀 메인으로부터 직접 배출 (let-down)에 의한 HP 및 MP이다. 최종 스팀 수준은 LP이며 터빈으로부터의 탈출 스팀 및 직접 배출에 의하여 공급된다. 각각의 스팀 수준은 다른 사용자들에게 스팀을 공급하며 임의의 과량의 스팀은 다음 스팀 수준으로 아래로 통과된다. 따라서 LP 스팀은 더 높은 스팀 수준에서 유용하게 사용될 수 없는 모든 스팀을 수용한다. 공정의 다른 섹션이 오프 라인 또는 시작 (starting-up), 셧다운 (shutting down)일 수 있거나 또는 다른 시간에 설계 속도보다 더 낮을 수도 있기 때문에 석유화학 설비에서 스팀 시스템은 유동적이어야 한다는 것을 인식하는 것은 중요하다. 이는 스팀이 단지 한 가지 기능인 전기 생산만을 제공해야 하는 유틸리티 발전소와 다르다.
스팀의 수치는 압력 수준에 의존한다. VHP 스팀의 기본 가격은 자본 및 생성 운전 비용에 의하여 결정된다. 그러나, 스팀이 터빈을 통과함으로써 압력이 감소함에 따라 에너지는 생성되고 이는 스팀의 가격을 낮춘다.
흡착제 구조체로부터 CO2를 유리시키는 LP 스팀의 제안된 용도의 경우에 전형적인 대형 석유화학 시설에 대해 다음의 이점이 존재하는 것으로 보인다:
a. 요구되는 스팀의 비용은 이용가능한 LP 양에 의존하는 시설들 사이에서 변할 것임에도 불구하고, 본 발명에 대해 제안된 스팀 수준(2-10 psig)에서 요구되는 스팀의 비용은 전형적인 시설에 대해 매우 낮을 것이다.
b. 약 60 psig에서 스팀을 필요로 하는 통상적인 아민 시스템과 비교하여 상기 수준에서 스팀의 비용은 2-10 psig 스팀에 대한 것보다 상당히 더 높을 것이다. 또한 사용가능한 60 psig의 적당한 공급이 없을 것이며 추가적인 VHP 스팀이 생성되어야 할 것이다. 이는 60 psig 스팀의 가격을 상승시킬 것이다. 왜냐하면, VHP 스팀의 최고 가격이 청구되어야 하던지 또는 전력을 회복하기 위해 추가적인 터빈이 설치되어야 하기 때문이지만, 이는 상당한 자본 비용을 포함할 것이다.
대부분의 발전소에서 스팀 공급은 저압 터빈으로부터 추출되고 시스템으로의 주입수를 가열한다. 상기 추출 스팀은 흡착제 구조체로부터 CO2를 제거하는 제안된 공정에서의 용도에 적합할 것인데 왜냐하면 이는 전기 및 산업 열의 열병합발전에 있기 때문이다. 전기 및 상기 구현예에서 설명한 CO2의 열병합발전에서 매우 저압 (대기압 초과의 2 lb 및 약 105 ℃ 온도)을 사용하는 것이 가능하며 응축액을 되돌려 보일러를 가열할 수 있는데 이는 사용되는 공정열이 단지 스팀의 잠열이기 때문이다. 전기 및 산업 열의 열병합발전이 생산되는 전기를 감소시키지만 이는 생성되는 열을 유용한 에너지로 사용하는 전체적인 열효율을 35-40%에서 85-95%까지 올린다. 따라서 이는 저온 및 저압 스팀(보통 120 ℃, 대기압 초과의 2 lbs)에 대하여 가까운 곳에 용도가 있을 때 선호된다. 전기의 열병합발전 및 CO2 포획에 있어서 저온 및 저압 스팀을 사용하기에 충분히 가깝게 설비를 위치시킬 수 있으며 더 낮은 압력 및 온도 스팀을 사용할 수 있고 또한 뜨거운 응축액을 공정열 스팀 루프 내에서 보일러를 가열하도록 재순환시킴으로써 전기 생성에 대한 충격을 최소화하며 따라서 스팀의 비용을 최소화한다.
도 11a, 도 11b의 흡착제 코팅된 펠렛 구조 및 개념
도 11a, 및 11b는 본 발명의 원리에 따라 이산화탄소 적재 공기의 흐름으로부터 이산화탄소를 제거하고, 이산화탄소를 흡수 또는 결합하는데 사용된 흡착제를 재생하는데 대한 또 다른 구조체 및 기술의 두 가지 예를 보여준다.
도 11a 및 11b의 구조체 및 기술에서, 입자, 바람직하게는 펠렛 크기의 입자는, 중력에 의하여 펠렛 공급물 소스/저장통(1100) 내로 흐른다. 펠렛(2129)은 펠렛을 통과해 흐르는 이산화탄소 적재 공기의 흐름에서 이산화탄소를 흡수하거나 또는 결합하는 흡착제 (예를 들어 아민)로 코팅되어 있다. 펠렛은 회전 밸브 구조체(1102)를 통과해서 공기 접촉 용기(1104) 내로 선택적으로 공급될 수 있으며, 이산화탄소 적재 공기의 흐름은 용기(1104)를 통과하도록 향해져서, 흡착제는 이산화탄소를 흡수 또는 결합하여 공기로부터 이산화탄소를 제거한다. 용기(1104) 상부에, 쉐드 로우(shed row)(보이는 바와 같이 도시된), 또는 임의의 다른 전형적인 벌크 고체/가스 접촉 & 분배 장치(예를 들어 Glitsch Grid)가 제공될 수 있다. 가열된 재생통(1106)은 공기 접촉 용기(1104) 아래에 제공된다. 펠렛은 재생통(1106) 내부로 선택적으로 향하게 되며, 여기서 공정열이 입구(2144)를 통해 저수준 공정열 소스/공급, 전형적으로 펠렛에 향해진 저압 스팀을 제공하여, 흡착제로부터 이산화탄소를 제거하고 흡착제를 재생시킨다. CO2는 95.00 몰% 순도 CO2로서 CO2생성물 저장소(2142,2169)로 제거된다. 다음으로 재생된 흡착제를 갖는 펠렛은 회전 밸브, 또는 다른 유사한 벌크 고체 주입 장치(2146)를 통해 수직 상승 구조체(1108, 2179)로 향하게 되며, 여기서 펠렛은 이산화탄소 제거 공정을 계속하기 위하여 공급물 소스/저장통(1100) 내부로 펠렛을 흐를 수 있게 하는 위치로 다시 향하게 된다. 수직 상승 구조체(1108)는 펠렛이 이산화탄소 제거 공정을 다시 시작할 수 있도록 하는 위치로 펠렛을 다시 수직으로 위로 향하게 하는, 예를 들어 공기 취입 구조체, 엘리베이터(예를 들어, 버킷 엘리베이터), 수직 스크류 컨베이어, 등을 포함할 수 있다. 도 11a 및 11b의 시스템 및 기술 간의 차이점은 도 11a의 시스템 및 기술에서, 이산화탄소 적재 공기는 아래를 향하는 공기 주입 분배기 파이프(2135)로부터 공기 접촉 용기(1104) 내에 포함된 펠렛 매스 (mass)를 통과해 아래로 향하며, 반면 도 11 b의 시스템 및 기술에서, 이산화탄소 적재 공기는, 수직 아래로 흘러 공기 접촉 용기(1104)를 통과하는 펠렛을 통과해 수평으로 흐른다는 것이다.
도 11a, 11b의 구조체 및 기술은 이산화탄소 적재 공기로부터 이산화탄소를 제거하는데 유용하며, 또한 그렇지 않을 경우 이산화탄소를 대기로 향하게 하는 소스로부터 유출되는 연도 가스로부터 이산화탄소를 제거하는데 유용할 수 있다. 구체적으로, 도 11a 및 11b의 구조체 및 기술은 소스로부터 유출되어 그렇지 않을 경우 대기로 향하게 될 연도 가스의 경로에 직접 흡착제 코팅된 펠렛을 제공하는데 사용될 수 있다. 흡착제 코팅된 펠렛은 연도 가스로부터 이산화탄소를 제거하는데 사용될 수 있고, 다음으로 흡착제는 공정열로 처리되어, 펠렛으로부터 이산화탄소를 제거해 (이산화탄소가 배제되어 격리될 수 있도록), 펠렛 상의 흡착제를 재생할 수 있다 (연도 가스로부터 이산화탄소를 제거해 계속 사용될 수 있도록).
도 11a,11b의 구조는 수직 방향이지만, 어떤 구조 (예를 들어 입자 베드)는 기울어지거나 (재생 동안 스팀으로부터 응축되는 물이 입자 베드의 바닥에 떨어지는 것을 촉진하여 입자 베드를 막지 않도록), 또는 심지어 수평 방향인 것이 바람직할 수 있다는 것을 또한 주목하여야 한다 (또한 응축수 이슈에 대처하기 위해).
공기 스트림을 연도 가스와 결합하는 것에 관한 추가적인 코멘트
본 발명의 원리는 CO2 적재 공기 및 연도 가스 (예를 들어 화석 연료 플랜트로부터)의 결합으로부터 CO2 를 제거하는 새롭고 유용한 방법에 적용될 수 있다. CO2 적재 공기의 상대적으로 큰 부피비 (예를 들어 98-99%)가 연도 가스의 (이는 CO2 적재 공기로부터 궁극적으로는 제거되어야 할 상대적으로 고농도의 CO2를 포함한다) 상대적으로 작은 부피와 함께 유체 스트림을 생성하는데 여기서 연도 가스 내의 CO2는 공기에 충분한 CO2를 첨가해서 CO2 제거 비용을 더욱 유리하게 하며, 또한 CO2 적재 공기가 연도 가스를 냉각시킨다는 점에 있어서도 이점을 제공한다. 그러한 유체 스트림을 생성시키는 본 발명의 원리의 적용은 상술한 본 발명의 원리를 특히 효율적으로 만든다고 믿어진다. 상대적으로 큰 부피의 CO2 적재 공기의 CO2는 아직 상대적으로 저농도이며, 출원인의 패러다임의 기본 개념에 따라, 연도 가스의 작은 부피 함량은 유체 스트림에서 CO2 농도를 증가시키며, 주위 유체 스트림으로부터 CO2 를 제거하는 방식에 있어서 출원인의 공정이 매우 더 비용 효율적이게 한다. 동시에, 주위 공기는 흡착제로서 아민을 갖는 공정이 작동할 수 있게 하는 방식으로 연도 가스를 냉각시키며, 이는 효율적이라고 믿어지는데 왜냐하면 상기 공정이 흡착제로부터 CO2를 제거할 수 있고, 저온 범위에서 재생할 수 있으며 아민은 효율적으로 재생될 수 있기 때문이다.
요약
따라서, 도 10a-10h의 구조체 및 기술로, 이산화탄소 적재 공기는 이산화탄소를 흡수하거나 또는 결합하는 흡착제를 갖는 수직 방향인 이산화탄소 포획 구조체(1000)를 향하게 되어, 공기로부터 이산화탄소를 제거하고, 상기 수직 방향인 이산화탄소 포획 구조체는 재생 봉입부(regeneration enclosure; 1014) 내로 내려지고, 여기서 공정열이 이산화탄소 포획 구조체로 향해져, 흡착제로부터 이산화탄소를 분리시키고, 흡착제를 재생하며, 이산화탄소 포획 구조체(1000)는 선택적으로 재생 봉입부의 밖으로 이산화탄소 적재 공기의 흐름이 있는 위치로 올려져, 재생된 흡착제는 이산화탄소를 흡수 또는 결합하는데 계속 사용될 수 있고, 이산화탄소 적재 공기의 흐름으로부터 이산화탄소를 제거할 수 있다. 또한, 도 11a,11b의 구조체 및 기술로, 흡착제를 담지한 입자의 흐름은 선택적으로 이산화탄소 제거 챔버(1104)에 공급되며, 유체가 이산화탄소 제거 챔버 내의 입자를 통과하도록 향하게 되고, 이산화탄소가 흡착제에 의하여 흡수 또는 결합되어, 유체로부터 이산화탄소를 분리하고, 입자는 탄소 분리/재생 챔버(1106)를 향하게 되며, 여기서 공정열이 사용되어 흡착제로부터 이산화탄소를 분리시키고, 입자에 담지된 흡착제를 재생하며, 재생된 흡착제를 갖는 입자는 다시 입자 공급물 소스를 향하게 되어, 재생된 흡착제를 갖는 입자는 유체에서 이산화탄소를 흡착하거나 또는 결합하도록 재사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 원리는 CO2 포획 방법에 제공될 수 있는데, 여기서 CO2 적재 공기의 흐름이 제공되고, 연도 가스의 작은 함량 (부피로)이 CO2 적재 공기의 흐름에 첨가되어, 유체 흐름을 생성하며 여기서 CO2 농도는 CO2 적재 공기 흐름에서 CO2 농도와 비교하여 매우 증가하며, 유체 흐름은 유체 흐름에서 CO2를 결합하는 흡착제 구조체를 통과한다.
따라서, 본 발명의 원리는 미국 출원 제12/124,864호에 개시된 원리를 더욱 발전시키는데 사용되며(특히 상기 출원의 도 6의 구현예), 미국 출원 제12/124,864호의 일반적인 원리에 따라 유체로부터 이산화탄소를 제거하는데 대한 추가적인 개념을 개시하는데 사용된다. 상술한 개시로 본 출원의 원리에 따라, 유체로부터 이산화탄소를 제거하는 여러 다른 방법이 당업자에게 명백할 것이라고 믿어진다.

Claims (6)

  1. 대기로부터 이산화탄소를 제거하는 시스템으로서,
    이산화탄소 적재 대기 공기의 흐름에 대하여 열린 이산화탄소 제거 챔버,
    상기 이산화탄소 제거 챔버가 상기 이산화탄소 적재 대기 공기의 흐름에 대하여 열렸을 때, 개개의 다공성 입자들의 흐름을 선택적으로 상기 이산화탄소 제거 챔버 내로 향하게 하도록 구성된 입자 공급물 소스로서, 상기 개개의 다공성 입자들 각각은 상기 이산화탄소 제거 챔버 내로 향하여진 이산화탄소 적재 공기의 흐름으로부터 이산화탄소를 흡수하거나 또는 결합하여 상기 이산화탄소 적재 공기의 흐름으로부터 이산화탄소를 제거하고 이산화탄소-감소 대기 공기를 배기할 수 있게 하는 흡착제를 담지하고 있는 입자 공급물 소스,
    상기 이산화탄소 제거 챔버로부터의 개개의 다공성 입자들을 수용하도록 위치한 이산화탄소 분리/재생 챔버, 및 상기 이산화탄소 분리/재생 챔버 내로 공정열을 향하게 하여, 상기 흡착제로부터 이산화탄소를 분리하고, 상기 다공성 입자들에 담지된 상기 흡착제를 재생하는 유체 도관, 및
    상기 재생된 흡착제를 갖는, 펠렛 크기의 상기 다공성 입자들의 흐름을 상기 입자 공급물 소스로 다시 운반하여, 상기 재생된 흡착제를 갖는, 펠렛 크기의 상기 다공성 입자들이, 이 청구항에서 상술한 방식으로, 상기 이산화탄소 적재 공기의 흐름으로부터 추가적인 이산화탄소를 흡수 또는 결합하는데 재사용될 수 있도록 하는, 입자 운동 시스템 및 도관을 포함하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이산화탄소 적재 공기의 흐름이 상기 이산화탄소 제거 챔버 내의 상기 흡착제를 담지한 다공성 입자들의 매스(mass)를 아래로 통과하도록 배향되어 있어, 상기 흡착제가 상기 이산화탄소 적재 공기의 흐름으로부터 이산화탄소를 흡수 또는 결합할 수 있도록 하는 유체 도관을 더 포함하는 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    흡착제를 담지한 다공성 입자들이 상기 이산화탄소 제거 챔버 내로 수직으로 하강하고, 이산화탄소 적재 공기의 흐름이 상기 이산화탄소 제거 챔버 내로 수직으로 하강하는 상기 흡착제를 담지한 다공성 입자들을 수평으로 통과하여, 상기 이산화탄소 제거 챔버 내로 수직으로 하강하는 상기 흡착제를 담지한 다공성 입자들 상의 흡착제가 상기 이산화탄소 적재 공기의 흐름으로부터 이산화탄소를 흡수 또는 결합할 수 있도록, 상기 입자 공급물 소스 및 상기 이산화탄소 제거 챔버가 서로에 대하여 배향되어 있는 시스템.
  4. 대기로부터 이산화탄소를 제거하는 방법으로서,
    이산화탄소 적재 대기 공기를 수직으로 배향된 이산화탄소 제거 챔버를 가로질러 수평으로 흘리는 단계;
    상기 이산화탄소 적재 대기 공기를 상기 이산화탄소 제거 챔버를 가로질러 흘리는 동안 입자 공급물 소스로부터 상기 이산화탄소 제거 챔버를 통과하여 아래로 개개의 다공성 입자들의 흐름을 선택적으로 떨어뜨리는 단계로서, 여기에서 상기 개개의 다공성 입자들 각각은 상기 이산화탄소 제거 챔버 내로 향하여진 이산화탄소 적재 공기의 흐름으로부터 이산화탄소를 흡수하거나 또는 결합하여 상기 이산화탄소 적재 공기의 흐름으로부터 이산화탄소를 제거하는 흡착제를 담지하고 있는 단계;
    상기 수직으로 배향된 이산화탄소 제거 챔버로부터 이산화탄소-감소 대기 공기를 배기하는 단계;
    이산화탄소를 함유하는 상기 개개의 다공성 입자들의 흐름을 상기 이산화탄소 제거 챔버로부터 떨어지고 있는 상기 개개의 다공성 입자들을 수용하도록 위치한 이산화탄소 분리/재생 챔버내로 통과시키는 단계;
    상기 이산화탄소 분리/재생 챔버 내로 공정열을 향하게 하여, 상기 흡착제로부터 이산화탄소를 분리하고, 상기 다공성 입자들에 담지된 상기 흡착제를 재생하는 단계; 및
    상기 개개의 다공성 입자들을 입자 운동 시스템으로 통과시키고 상기 재생된 흡착제를 갖는 개개의 다공성 입자들의 흐름을 상기 입자 공급물 소스로 다시 위로 운반시켜서, 상기 재생된 흡착제를 갖는 상기 다공성 입자들이 상기 이산화탄소 제거 챔버를 가로질러 통과하는 상기 이산화탄소 적재 공기의 수평 흐름으로부터 추가적인 이산화탄소를 흡수 또는 결합하는데 재사용될 수 있게 하는 단계를 포함하는, 대기로부터 이산화탄소를 제거하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 공정열은 100-120℃의 온도에서 상기 이산화탄소 분리/재생 챔버 내로 향하는, 대기로부터 이산화탄소를 제거하는 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 공정열은 스팀의 형태로 상기 이산화탄소 분리/재생 챔버 내로 향하는, 대기로부터 이산화탄소를 제거하는 방법.
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