KR102180252B1 - 배출 가스로부터의 오염물질의 재생식 회수 - Google Patents

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Abstract

오염물질 가스는 일렬로 조업되는 둘의 흡수 및 스트리핑 회로에서 공급 가스로부터 제거된다. 가스는 먼저 농후 가스 흡수기를 통과하여 농후 흡수액이 생성되고 이로부터 오염물질 가스가 농후액 스트리퍼에서 스트리핑된다. 농후 가스 흡수기를 나가는 희박 가스는 희박 가스 흡수기를 통과하여, 희박 흡수액이 생성되고 이로부터 오염물질 가스가 희박액 스트리퍼에서 스트리핑된다. 각각의 스트리퍼를 나가는 재생된 흡수 매질은 각각의 흡수기로 재순환된다.

Description

배출 가스로부터의 오염물질의 재생식 회수{REGENERATIVE RECOVERY OF CONTAMINANTS FROM EFFLUENT GASES}
발명의 분야
본 발명은 배출 가스로부터의 오염물질의 선택적 제거 공정에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명의 다양한 구체예는 양호한 에너지 효율을 성취하는 재생식 이산화황 흡수/탈착 공정에서 배출 가스로부터 이산화황의 선택적 제거 및 회수에 관한 것이다. 본 발명의 회수 계획은 다른 산 가스, 예컨대 황화수소, 이산화탄소 및 염화수소 그리고 다른 오염물질 가스, 예컨대 암모니아의 제거 및 회수에 적용 가능하다.
발명의 배경
오염물질 가스를 포함하는 가스 배출물은 다양한 조업에 의해 생성된다. 예를 들어, 이산화황은 황-연소 황산 공정, 기사용(spent) 황산 플랜트, 황화물 금속 광석의 배소(roasting) 또는 제련(smelting), 클라우스(Claus) 플랜트 및 황-함유 연료(예를 들어, 석탄 화력 발전소로부터의 연도 가스)의 연소 및 농축을 포함하는 다양한 화학 및 야금 조업에서 발생한다. 탄소 연료는 발전에서 중요한 역할을 하여, 가열을 위한 에너지 및 수송을 위한 연료를 제공한다. 대부분의 탄소 연료는 연소 시 이산화황으로 전환되는 황을 포함한다. 배출된 이산화황은 광범위한 환경 문제 및 건강 문제의 원인이 된다. 개발도상국이 성장하면서, 이들의 에너지 요구량이 신속히 증가하고, 낮은 황 함량의 탄소 연료가 고갈되면서, 점차 더 높은 수준의 황을 가지는, 점점 더 많은 원유 및 석탄 매장물이 사용되어 증가된 이산화황 배출을 유발할 것이다.
전세계에 걸쳐 이산화황 배출을 감소시키기 위한 규제 압박이 또한 증가하고 있다. 이산화황을 제거하기 위하여 가장 흔히 이용되는 방법은 흡수 또는 흡착 기법을 통한 것이다. 하나의 통상적인 접근법은 이산화황을 저렴한 염기를 포함하는 수성 스트림과 접촉시키는 것이다. 이산화황은 물에 용해되어 아황산(H2SO3)을 형성하고, 이는 결국 염기와 반응하여 염을 형성한다. 통상적인 염기는 수산화 나트륨, 탄산 나트륨 및 석회(수산화 칼슘, Ca(OH)2)이다. PH는 약 9에서 출발하여 이산화황과의 반응 이후 약 6으로 낮아진다. 1단 습식 스크러빙 시스템은 보통 95% 초과의 이산화황을 제거한다. 습식 스크러버 및 유사한 건식 스크러빙 접근법은 자본 투자, 석회 소비로 인한 가변 비용 및 고체 폐기에 더하여 이산화황 제거 시스템 조업에 사용되는 에너지 소비 및 유틸리티 소비를 필요로 한다.
석회와 같은 염기와의 반응 대신, 하기와 같이 되지 않으면 대기로 배출될 배출 가스 중의 이산화황은 정제된 이산화황 생성물로서 판매되도록 회수되거나, 성장하는 비료 산업의 전세계 수요를 충족시키도록 접촉 황산 플랜트로의 공급 가스의 일부로서 사용되고 산 및/또는 발연황산으로서 회수되거나, 원소 황의 제조를 위하여 클라우스 플랜트에 공급될 수 있다. 이산화황 배출과 관련된 환경 문제 및 건강 문제를 해결하는 것 이외에도, 이러한 접근법은 석탄 및 다른 황-함유 탄소 연료로부터 황 유용물(sulfur values)을 회수한다. 그러나, 이러한 가스 스트림은 빈번하게, 비교적 낮은 이산화황 농도 및 높은 수증기 농도를 가진다. 황산 플랜트로 공급된 가스 중의 이산화황 농도가 약 4 내지 5 부피 퍼센트 미만인 경우, 산 플랜트에서 수분 수지(water balance)와 에너지 수지(energy balance) 양자 모두와 관련하여 문제가 발생할 수 있다. 더욱 구체적으로, 관용적인 황산 플랜트의 물질 수지(material balance)는, 플랜트로 공급되는 이산화황-함유 가스 스트림 중의 H2O/SO2 몰비가 생성물 산 중의 H2O/SO3 몰비보다 크지 않을 것을 요구한다. 원하는 생성물 산 농도가 98.5 퍼센트 이상인 경우, 이 비율은 플랜트에 공급되는 이산화황-함유 가스 스트림 중에서 약 1.08을 초과할 수 없다. 야금 공정으로부터의 배출 가스 및 황 연료 연소로부터의 연도 가스는, 발생하면서 흔히 1.1 비율을 훨씬 초과하는 수증기 함량을 가지고, 이는 상당한 자본 및 에너지 비용 없이 가스 냉각에 의하여 충분하게 감소될 수 없다. 더욱이, 소스 가스(source gas)의 이산화황 가스 농도가 약 4 내지 5 부피 퍼센트 미만인 경우, 이것은 촉매 전환기의 자열 조업에 충분하지 않을 수 있다. 즉, 삼산화황으로의 이산화황의 전환열은 유입 가스를 촉매 조업 온도로 가열하기에 충분히 크지 않을 수 있고, 그 결과 얼마간의 외부 공급원으부터 열이 공급되어야 한다. 이는 결과적으로 조업 비용 및 황산 설비에 대한 자본 요건 양자 모두를 또한 증가시킨다.
기체 배출물의 이산화황 농도를 증대시키는 한 방법은 이산화황을 적절한 용매에 선택적으로 흡수시키고 차후 흡수된 이산화황을 스트리핑하여 재생된 용매 및 이산화황 함량이 농후화된 가스를 생성하는 것에 의한 것이다. 다양한 수성 및 유기 용매가 재생식 이산화황 흡수/탈착 공정에서 사용된다. 예를 들어, 알칼리 금속의 수용액(예를 들어, 아황산/중아황산 나트륨 용액), 아민(예를 들어, 알카놀아민, 테트라하이드록시에틸알킬렌다이아민 등), 아민 염 및 다양한 유기 산의 염이 재생 가능한 이산화황 흡수제로서 사용되어 왔다.
무기 수성 완충제 용액이 또한 이산화황 흡수에 있어서 효과적이다. Fung 등(2000)은 온도의 함수로서 약 1.57 Na/PO4의 비율에서 1 몰의 인산 및 탄산 나트륨 용액에 대한 이산화황의 용해도에 대한 데이터를 제공한다. 데이터는 버진(virgin) 혼합물 및 이산화황 용해도를 증대시키기 위하여 1,000 ppm의 아디프산이 첨가된 혼합물에 대한 것이다. Fung 등은 또한 비등 온도가 될 때, 95% 및 65%의 이산화황이 용액으로부터 제거됨을 나타낸다. 용액의 pH에 대한 계산은 일단 이산화황이 흡수되면 pH가 6으로부터 약 3으로 변화함을 나타낸다. 유기 용매 사용과 같이, 이산화황과 산소의 약간의 반응이 삼산화황을 형성한다. 이러한 반응은 매우 제한적이며, Na2CO3가 사용되는 경우 이는 산화 동안 형성된 자유라디칼과의 반응에 의하여 추가로 억제된다. 형성된 삼산화황은 황산 나트륨의 형성을 유발하며, 이는 결정화에 의하여 제거될 경우 글라우버 염(Glauber's salt)으로도 알려져 있는 황산 나트륨 10수화물(Na2SO4·10H2O)로서 제거된다. 이 염은 슬립스트림(slipstream)을 취하고 이를 냉각하여 글라우버 염을 강제로 침전시켜 제거될 수 있으며, 글라우버 염은 용이하게 결정화되고 선별, 여과, 원심분리 또는 다른 고체 액체 분리 기법에 의하여 제거된다.
미국 특허 제4,133,650호(Gamerdonk 등)는 약 2.8 내지 9의 pH로 완충된, 재생 가능한 수성 다이카르복실산(예를 들어, 프탈산, 말레산, 말론산 및 글루타르산 및 이의 혼합) 스크러빙 용액을 사용하여 배기 가스로부터 이산화황을 회수하기 위한 재생식 공정을 개시한다. 회수된 이산화황은 황산의 제조에 사용될 수 있다.
유사하게, 미국 특허 제2,031,802(Tyrer)는 배출 가스로부터 이산화황을 회수하기 위한 재생식 공정에서, 분자 그램당 40 리터의 희석 및 25℃의 온도에서 측정하여, 1 x 10-2 내지 1 x 10-5인 해리 상수를 가지는 실질적으로 비휘발성인 산(예를 들어, 락트산, 글라이콜산, 시트르산 및 오쏘-인산)의 염을 사용하는 것을 제시한다.
미국 특허 제4,366,134호(Korosy)는 약 3 내지 약 9의 pH로 완충된 시트르산 칼륨의 수용액을 이용하는 재생식 연도 가스 탈황 공정을 개시한다.
이산화황 흡수/탈착 공정에서 사용되는 유기 용매는 다이메틸 아닐린, 테트라에틸렌 글라이콜 다이메틸 에터 및 다이뷰틸 뷰틸 포스포네이트를 포함한다. 대부분의 용매와 마찬가지로, 유기 용매의 용량은 더 높은 압력 및 더 낮은 온도에 의하여 증대된다. 이후 이산화황 가스는 압력 저하 및/또는 온도 증가에 의하여 회수된다 (그리고 용매는 재생된다). 이러한 유기 용매는 금속 구성물의 이용을 필요로 하고, 황산의 형성으로 인하여 그리고 일부 경우에는 흡수/탈착 공정 동안 이산화황과 산소의 부반응에 의하여 형성된 삼산화황과 용매의 반응으로 인하여, 흔히 용매 재생을 필요로 하며, 보통 무기 흡수 매질보다 비싸다. 석탄 화력 발전 플랜트로부터 배출되는 상당히 큰 연도 가스 유량은, 이산화황 회수를 위한 매우 큰 설비 크기를 야기한다. 금속 구성물을 필요로 하는 유기 용매는, 통상적으로 섬유 강화 플라스틱(FRP) 구성물, 코팅된 용기 또는 저비용 합금을 사용하는 습식 스크러버와 경제적인 면에서 일반적으로 잘 경쟁하지 못한다.
관용적인 유기 용매는 이산화황 흡수/탈착 사이클에서 사용되는 흡수제에서 바람직한 특징과 관련한 하나 이상의 단점에 의하여 또한 저지된다. 현재 사용되는 용매 중 다수는 특히, 약한 이산화황-함유 배출물(예를 들어, 약 0.1 내지 약 5 kPa)에서 전형적으로 직면하는 이산화황 부분압에서 비교적 낮은 이산화황 흡수 능력을 가진다. 관용적인 유기 용매는 흔히 이산화황-함유 배출물로부터 상당한 양의 수증기를 흡수하여 용매의 이산화황 흡수 용량이 현저하게 감소된다. 그 결과, 원하는 이산화황 흡수 효율을 만족시키기 위하여 필요한 관용적인 용매의 몰 유량이 증가한다. 게다가, 용매 중 다량의 수증기 흡수는 이산화황 흡수/탈착 공정에서 사용되는 공정 설비의 과도한 부식을 유발할 수 있다. 더욱이, 일부의 관용적인 유기 용매는 용매가 산성 환경에서 고온에 노출될 때 과도한 열화, 예컨대 가수분해, 또는 다른 부반응 또는 분해를 겪기 쉽고 및/또는 많은 용매 손실을 유발하는 고휘발성이다.
2011년 10월 28일 자 출원의 동시계류 중이고 공동양도된 미국 출원 제13/283,671호에는 배출 가스로부터 이산화황을 선택적으로 흡수하기 위하여, 특정한 약한 무기 또는 유기 산 또는 이의 염, 바람직하게는 특정한 다양성자성 카복실산 또는 이의 염을 포함하는 완충된 수성 흡수 용액을 이용하는 이산화황 회수 공정이 기재된다. 흡수된 이산화황은 차후 스트리핑되어 흡수 용액이 재생되고 이산화황 함량이 농후화된 가스가 생성된다. 회수된 이산화황은 제품으로서 판매되거나 또는 황산 및/또는 발연 황산의 생성을 위한 접촉 황산 플랜트 또는 원소 황의 제조를 위한 클라우스(Claus) 플랜트로의 공급 가스의 일부로서 사용될 수 있다. 미국 출원 제13/283,671호의 공정은 이산화황 함량이 비교적 적은 배출 가스로부터 이산화황-농후화 가스를 생성하기에 특히 유용하다. 상기 출원에는 또한 배출 가스로부터의 이산화황 및 질소 산화물(NOx)의 동시 제거 및 이산화황의 회수를 위한 공정이 기재된다. 상기 공정은, 가스로부터 이산화황 및 NOx를 흡수하고 차후 흡수된 NOx를 환원시켜 질소를 형성하는 금속 킬레이트를 추가로 포함하는 완충된 수성 흡수 용액을 이용한다.
비록 미국 출원 제13/283,671호의 공정이 높은 에너지 효율에서 조업되기는 하지만, 재생식 이산화황 회수 공정에서 에너지의 이용에 있어 추가의 경제성에 대한 요구가 남아 있다.
발명의 요약
본 발명은 가스 배출물로부터 이산화황 및 다른 오염물질을 회수하기 위한 재생식 흡수/탈착 사이클에서 에너지 효율을 증대시키는 특징을 포함하는 신규한 공정에 관한 것이다. 상기 공정의 특정한 구체예에서, 에너지는 탈착 사이클에서 생성된 습윤 오염물질 가스 스트림으로부터 회수된다. 이러한 구체예 및 다른 구체예에서, 흡수 구역은 오염물질 가스의 흡수를 위한 수성 흡수 매질의 용량을 증대시키도록 임의로 및 유리하게 냉각되고, 이에 의하여 흡수/탈착 사이클에서 펌핑되고 취급되고 가열되고 냉각되어야 하는 오염물질-농후화 흡수액 및 수성 흡수 매질의 부피가 감소될 수 있다.
본 발명의 공정의 중요한 적용은 위에 언급된 바와 같이 다양한 화학 및 야금 배출 가스로부터의 이산화황의 회수에 있다. 그러나, 본 명세서에 기재된 개선은 또한 예를 들어, H2S, CO2, NOx, 또는 HCl과 같은 다른 산 가스의 회수 및 또한 암모니아와 같은 다른 오염물질 가스의 회수에 적용 가능하다.
그러므로, 간단히 말해서 본 발명은 오염물질-함유 소스 가스로부터 오염물질을 제거하고 오염물질을 회수하기 위한 공정에 관한 것이고, 여기서 소스 가스를 포함하는 공급 가스 스트림이 오염물질 흡수기에서 오염물질에 대한 흡수제를 포함하는 수성 흡수 매질과 접촉하고, 이에 의하여 오염물질이 공급 가스 스트림으로부터 흡수 매질로 흡수되고 오염물질이 제거된 배기 가스 및 오염물질-농후화 흡수액이 생성된다. 오염물질-농후화 흡수액은 흡수액 스트리퍼에서 스트리핑 스팀과 접촉하여 오염물질-농후화 흡수액으로부터 오염물질이 탈착되고, 이에 의하여 재생된 오염물질 흡수 매질 및 수증기와 오염물질을 포함하는 1차 스트리퍼 가스 배출물이 생성된다. 재생된 흡수 매질은 흡수액 스트리퍼의 액체 출구로부터 인출되고, 1차 스트리퍼 가스 배출물은 흡수액 스트리퍼의 증기 출구로부터 인출된다. 1차 스트리퍼 가스 냉각기/응축기에서 1차 스트리퍼 가스 배출물로부터 냉각 매질로의 간접 열전달에 의하여 1차 스트리퍼 가스 배출물로부터 물이 응축되고 이에 의하여 오염물질-보유 응축물이 생성된다. 1차 스트리퍼 가스 냉각기/응축기를 나가는 오염물질-보유 응축물은 응축물 스트리퍼에서 스팀과 접촉하여 스트리핑된 응축물 및 수증기와 오염물질을 함유하는 응축물 스트리퍼 가스 배출물이 생성된다. 1차 스트리퍼 가스 냉각기/응축기에서 1차 스트리퍼 가스 배출물로부터 열이 전달되는 냉각 매질은 스트리핑된 응축물의 적어도 일부를 포함하고, 이에 의하여 스트리핑된 응축물로부터 스팀이 발생한다. 1차 스트리퍼 가스 냉각기/응축기에서 스트리핑된 응축물로부터 발생한 스팀은 오염물질-농후화 흡수액과 접촉하여 이로부터 오염물질을 탈착하기 위하여 스트리핑 스팀으로서 흡수액 스트리퍼에 도입된다.
본 발명의 특정 구체예에서, 흡수액 스트리퍼로부터 인출된 1차 스트리퍼 가스 배출물이 압축되고, 1차 스트리퍼 가스 냉각기/응축기에서 압축된 1차 스트리퍼 가스 배출물로부터 스트리핑된 응축물의 적어도 일부를 포함하는 냉각 매질로의 간접 열전달에 의하여 1차 스트리퍼 가스 배출물로부터 물이 응축되고, 이에 의하여 흡수액 스트리퍼 내의 압력을 초과하는 압력에서 스트리핑된 응축물로부터 흡수액 스트리퍼의 액체 출구에서 스팀이 발생한다. 이후 1차 스트리퍼 가스 냉각기/응축기에서 스트리핑된 응축물로부터 발생한 스팀은, 오염물질-농후화 흡수액과 접촉하여 이로부터 오염물질을 탈착하기 위하여 스트리핑 스팀으로서 흡수액 스트리퍼에 도입된다.
본 발명의 다른 구체예에 따르면, 1차 스트리퍼 가스 냉각기/응축기에서 스트리핑된 응축물로부터 발생한 스팀은 흡수액 스트리퍼 내의 압력을 초과하는 압력에서 흡수액 스트리퍼의 액체 출구에서 압축된다. 이후 압축된 스팀은 오염물질-농후화 흡수액과 접촉하여 이로부터 오염물질을 탈착하기 위하여 스트리핑 스팀으로서 흡수액 스트리퍼에 도입된다.
이러한 구체예 및 다른 구체예에서, 흡수 구역이 냉각되어 오염물질 가스의 흡수를 위한 수성 흡수 매질의 용량이 증대될 수 있다. 그러한 구체예에서, 오염물질 가스-농후화 흡수액의 일부가 흡수기 및 냉각 유체로의 열전달에 의하여 흡수열이 제거되는 열교환기 사이에서 순환된다.
소스 가스로부터 오염물질 가스를 제거하고 오염물질 가스를 회수하기 위한 공정이 본 명세서에 개시된다. 상기 공정에서, 소스 가스를 포함하는 공급 가스는 농후 가스 흡수기에서 오염물질 가스에 대한 흡수제를 포함하는 농후 가스 수성 흡수 매질과 접촉하고, 이에 의하여 오염물질 가스가 공급 가스 스트림으로부터 흡수 매질로 흡수되고, 오염물질 가스가 제거된 희박 가스 및 흡수된 오염물질을 함유하는 농후 흡수액이 생성된다. 농후 가스 스트리퍼를 나가는 희박 가스는 희박 가스 흡수기에서 오염물질 가스에 대한 흡수제를 포함하는 희박 가스 수성 흡수 매질과 접촉하고, 이에 의하여 잔류 오염물질 가스가 희박 가스로부터 희박 가스 흡수 매질로 흡수되고, 추가적인 오염물질 가스가 제거된 배기 가스 및 흡수된 오염물질을 함유하는 희박 흡수액이 생성된다. 농후 흡수액은 농후액 스트리퍼에서 가열되어 오염물질이 농후액으로부터 탈착되고, 이에 의하여 재생된 농후 가스 흡수 매질 및 농후액 스트리퍼 가스 배출물이 농후액 스트리퍼로부터 생성되며, 농후액 스트리퍼 가스는 수증기 및 오염물질 가스를 포함한다. 희박 흡수액은 희박액 스트리퍼에서 가열되어 오염물질 가스가 희박액으로부터 탈착되고, 이에 의하여 재생된 희박 가스 흡수 매질 및 희박액 스트리퍼 가스 배출물이 희박액 스트리퍼로부터 생성되며, 상기 희박 스트리퍼 가스는 수증기 및 오염물질 가스를 포함한다. 재생된 농후 가스 흡수 매질은 공급 가스의 추가의 흐름으로부터 오염물질 가스를 제거하기 위하여 농후 가스 흡수기로 재순환되고, 재생된 희박 가스 흡수 매질은 희박 가스의 추가의 흐름으로부터 오염물질 가스를 제거하기 위하여 희박 가스 흡수기로 재순환된다.
이산화황-함유 소스 가스로부터 이산화황을 제거하고 이산화황을 회수하기 위한 공정이 본 명세서에 추가로 기재되고, 여기서 소스 가스를 포함하는 공급 스트림은 농후 가스 흡수기에서 이산화황에 대한 흡수제를 포함하는 농후 가스 흡수 매질과 접촉하고, 이에 의하여 이산화황이 공급 가스 스트림으로부터 흡수 매질로 흡수되고, 이산화황이 제거된 희박 가스 및 흡수된 이산화황을 함유하는 농후 흡수액이 생성된다. 농후 가스 흡수기를 나가는 희박 가스는 이산화황에 대한 흡수제를 포함하는 희박 가스 흡수 매질과 접촉하고, 이에 의하여 잔류 이산화황이 희박 가스로부터 희박 가스 흡수 매질로 흡수되고, 추가적인 이산화황이 제거된 배기 가스 및 흡수된 이산화황을 함유하는 희박 흡수액이 생성된다. 농후 흡수액은 농후액 스트리퍼에서 스트리핑 스팀과 접촉하여 이산화황이 농후액으로부터 탈착되고,이에 의하여 재생된 농후 가스 흡수 매질 및 농후 스트리퍼 가스가 농후액으로부터 생성되며, 농후 스트리퍼 가스는 수증기 및 이산화황을 포함한다. 희박 흡수액은 희박액 스트리퍼에서 스트리핑 스팀과 접촉하여 이산화황이 희박액으로부터 탈착되고, 이에 의하여 재생된 희박 가스 흡수 매질 및 희박 스트리퍼 가스 배출물이 희박액 스트리퍼로부터 생성되며, 희박 스트리퍼 가스는 수증기 및 이산화황을 포함한다. 재생된 농후 가스 흡수 매질은 공급 가스의 추가의 흐름으로부터 이산화황을 제거하기 위하여 농후 가스 흡수기로 재순환되고, 재생된 희박 가스 흡수 매질은 상기 희박 가스의 추가의 흐름으로부터 이산화황을 제거하기 위하여 희박 흡수기로 재순환된다.
오염물질-함유 소스 가스로부터 오염물질 가스를 제거하고 오염물질 가스를 회수하기 위한 공정이 추가로 개시된다. 상기 공정에서 소스 가스를 포함하는 공급 가스 스트림은 오염물질 가스 흡수기에서 오염물질에 대한 흡수제 가스를 포함하는 수성 흡수 매질과 접촉하고, 이에 의하여 오염물질 가스가 공급 가스 스트림으로부터 흡수 매질로 흡수되고 오염물질 가스가 제거된 배기 가스 및 오염물질-농후화 흡수액이 생성된다. 오염물질-농후화 흡수액은 흡수액 스트리퍼에서 스트리핑 스팀과 접촉하여 오염물질이 오염물질-농후화 흡수액으로부터 탈착되고, 이에 의하여 재생된 오염물질 흡수 매질 및 수증기 및 오염물질 가스를 포함하는 1차 스트리퍼 가스 배출물이 생성된다. 재생된 흡수 매질은 흡수액 스트리퍼의 액체 출구로부터 인출되고, 1차 스트리퍼 가스 배출물은 흡수액 스트리퍼의 증기 출구로부터 인출된다. 흡수 매질의 pH는 흡수기에서 흡수에 대한 가장 선호적인 평형을 제공하는 pH와 상이한 값으로 조정되고, 상기 값에서 재생된 흡수 매질의 오염물질 가스 함량을 목표 수준까지 감소시키기 위한 스트리퍼 내의 스팀 소비는 비교 조업에서 재생된 흡수 매질의 오염물질 가스 함량을 그러한 수준까지 감소시키기 위한 스팀 소비보다 더 적으며, 상기 비교 조업은 흡수 매질의 pH가 흡수에 대한 가장 선호적인 평형을 제공하는 값에서 유지됨을 제외하고 공정이 수행되는 조건과 본질적으로 동일한 조건하에 수행된다.
다른 목적 및 특징은 부분적으로는 명백할 것이고 부분적으로는 아래에 지적될 것이다.
도 1 및 2는 이산화황-함유 소스 가스로부터 이산화황을 선택적으로 제거하고 회수하기 위한 흡수/탈착 공정의 대안의 도식 공정계통도이고, 여기서 흡수액으로부터의 이산화황의 탈착은 스트리핑 컬럼에서 직접 증기(live steam)와의 접촉에 의하여 달성되고, 직접 증기는 스트리퍼 가스 냉각기/응축기에서 스트리퍼 오버헤드 가스로부터 비등하는 물 스트림을 포함하는 냉각 매질로의 간접 열전달에 의하여 발생하고;
도 3 및 4는 온도의 함수로서 특정한 흡수 용매 중의 이산화황의 용해도를 플로팅하는 곡선이고;
도 5는 이산화황-함유 소스 가스로부터 이산화황을 선택적으로 제거하고 회수하기 위한 흡수/탈착 공정의 공정계통도이고, 여기서 흡수액이 흡수기와 하나 이상의 외부 열교환기 사이에서 순환되어, 흡수액이 냉각되고 기체상으로부터의 이산화황의 전달을 위한 흡수 매질의 용량이 증대되고;
도 6은 가스 조성, 흡수 매질 조성 및 액체 유량의 다양한 조합에 대한 향류 흡수기의 하부로부터의 거리의 함수로서 기체상으로부터의 이산화황 회수 퍼센트 및 기체상 중 이산화황 함량을 플로팅하고; 그리고
도 7은 이산화황 회수를 위한 흡수/탈착 공정에 대하여 증기상 중의 몰 퍼센트 이산화황 및 흡수액 온도의 프로파일을 나타내고, 여기서 상이한 개수의 냉각 루프가 흡수기에 제공된다.
도 8 및 9는 공급 가스로부터의 이산화황의 흡수가, 농후 흡수액 스트리퍼에 결합된 농후 가스 흡수기를 포함하는 농후 가스 흡수 회로 및 희박 가스 흡수액 스트리퍼에 결합된 희박 가스 흡수기를 포함하는 희박 가스 흡수 회로에 분할되는, 공정의 대안의 공정계통도이고;
도 10은 단일 흡수기 및 스트리퍼 회로를 포함하는 흡수 시스템에서 스트리퍼에 공급된 스팀 대 흡수기에서 제거된 SO2의 비율의 함수로서 흡수기로부터의 배기 가스 중의 잔류 SO2의 선형 눈금 플롯이고;
도 11은 도 10와 유사하지만 배기 가스의 잔류 SO2 함량이 로그 눈금에 플로팅된 플롯이고;
도 12는 도 10 및 11를 연관시키는 플롯이고 여기서 흡수기로부터의 배기 가스 중의 잔류 SO2는, 선형 눈금에 플로팅된 스트리퍼로부터 흡수기로 재순환되는 재생된 흡수 매질의 잔류 SO2 함량의 함수로서 로그 눈금에 플로팅된다.
도 13은 도 5와 유사하지만, 도 8에 도시된 바와 같은 개별적인 농후 및 희박 가스 흡수 및 스트리핑 회로를 일렬로 가지는 공정에서 실행되는 공정계통도이다.
도 14는 흡수기 배기 가스 중의 여러 불연속적 배출 수준 각각을 유지하면서, 단일 흡수기/스트리퍼 회로를 포함하는 공정에서 SO2를 회수하기 위하여 요구되는 스팀 사용에 대한 말산염 SO2 흡수기의 기저부에서의 pH의 효과의 플롯이고, 여기서 공급 가스의 SO2 함량은 0.24부피%이고 스트리핑된 흡수액은 SO2 흡수 매질로서 흡수기에 재순환된다.
도 15는 SO2의 회수를 위한 단일 흡수 및 스트리핑 회로 및 양자 모두의 조업을 모의하는 수학적 모델에 기초하고: (i) 말산 나트륨 흡수제(20중량% 고체)를 포함하는 흡수 용매 중의 가성물질/말산 비율의 함수로서, 2,400 ppm SO2를 함유하는 공급 가스 스트림으로부터 1 ppm SO2를 함유하는 배기 스트림을 생성하기 위하여 요구되는 스트리퍼 내의 스팀 대 SO2의 비율을 플로팅하고; (ii) 동일한 듀티를 위하여, 제거된 단위 SO2당 용매 유량과 스트리퍼 내의 필요 스팀/SO2 비율의 상관관계를 나타내고;
도 16은 또한 단일 흡수 및 스트리핑 회로의 수학적으로 모의된 조업에 관한 것이고, 20 wt/% 고체를 함유하는 말산 나트륨 흡수제를 포함하는 흡수 용매를 사용하여 2,400 ppm SO2를 함유하는 공급 가스 스트림으로부터 1 ppm SO2를 함유하는 배기 스트림을 생성하기 위한 스트리퍼 기저부의 pH 및 가성물질/말산 비율 양자에 대하여 스팀 대 SO2 비율을 플로팅하고;
도 17은 단일 흡수 및 스트리핑 회로의 수학적 모의실험에서 가성물질/말산 비율의 함수로서, 배기 가스의 SO2 함량 ("SO2 배출 (ppm)") 및 스트리퍼의 기저부에서의 pH 양자를 플로팅하고, 여기서 20중량% 고체의 흡수제 농도로 말산 나트륨을 함유하는 흡수 용매, 80 lbs./lb. SO2의 용매 비율, 및 6 lbs./회수된 SO2의 lb.의 스트리퍼로의 스팀 공급을 이용하여 1 ppm SO2를 함유하는 배기 가스가 2,400 ppm SO2를 함유하는 공급 가스로부터 생성되고;
도 18은 도 17의 플롯에 대한 데이터가 획득되는 모의된 조업과 동일한 듀티에 대하여 동일한 조건하에 실험적 조업에서 가성물질 대 말산 비율의 함수로서, 도 17의 플롯을 포함하지만 SO2 배출 및 pH의 플롯과 중첩되고;
도 19는 도 19가 일련의 불연속적 스팀 대 SO2 비율에서 개별적인 조업에 대한 곡선의 집단을 포함하는 것을 제외하고, 도 17의 플롯에서 모의된 동일한 듀티에 대하여 동일한 조건하에, 흡수 및 스트리핑 회로의 모의된 조업에 대하여 도 17과 동일한 관련성을 플로팅하고;
도 20은 도 19와 동일한 조건하에 동일한 듀티에 대하여 공정 모의실험으로부터 획득된 곡선의 두 집단을 나타내고, 곡선의 한 집단은 셋의 상이한 불연속적 스팀 대 SO2 비율에서 SO2 배출 대 가성물질/말산 비율에 대한 것이고 여기서 흡수액은 0% 황산염을 함유하고, 곡선의 다른 집단은 동일한 셋의 불연속적 스팀 대 SO2 비율에서 그러나 7중량% 황산염 이온을 함유하는 흡수액에 대하여 SO2 배출에 대한 것이고;
도 21은 SO2 배출이 가성물질/말산 비율에 대해서보다는 스트리퍼 기저부에서의 pH에 대해서 플로팅됨을 제외하고 도 19와 동일한 여섯 가지 모의실험으로부터 취한 곡선의 두 집단을 나타내고;
도 22는 도 20 및 21의 곡선이 관련된 동일한 여섯 가지 모의실험에 대하여 스트리퍼 기저부에서의 SO2 질량 분율 대 스트리퍼 기저부에서의 pH를 플로팅하는 곡선의 두 집단을 나타내고;
도 23은 도 20-22의 곡선이 관련된 동일한 여섯 가지 모의실험에 대하여 스트리퍼 기저부에서의 SO2 질량 분율 대 가성물질/말산 비율 을 플로팅하는 곡선의 두 집단을 나타내고;
도 24는 용매의 고체 함량이 단지 10중량%였지만 용매 대 SO2 비율이 140 lbs./lb. SO2였음을 제외하고 도 20-23이 관련된 것과 동일한 조건하의 여섯 가지 공정 모의실험에 대하여 스트리퍼 기저부에서 SO2 배출 대 가성물질/말산 비율을 플로팅하는 곡선의 두 집단을 나타내고;
도 25는 도 24가 관련된 것과 동일한 여섯 가지 모의실험에 대하여 SO2 배출 대 스트리퍼 기저부에서의 pH를 플로팅하는 곡선의 두 집단을 나타내고; 그리고
도 26은 도 24 및 25가 관련된 동일한 여섯 가지 공정 모의실험에 대하여 스트리퍼 기저부에서의 SO2 질량 분율 대 스트리퍼 기저부에서의 pH를 플로팅하는 곡선의 두 집단을 나타낸다.
상응하는 참조 번호는 도면 전반에 걸쳐 상응하는 구성요소를 나타낸다.
바람직한 구체예의 설명
본 발명에 따라, 여러 신규한 공정 계획이 비교적 높은 에너지 효율로 소스 가스로부터 오염물질 가스를 회수하기 위하여 개발되었다. 본 발명의 공정은 특히, 이산화황, 질소의 산화물, 황화수소, 이산화탄소 등과 같은 산 가스의 회수에 적용 가능하지만, 예를 들어 암모니아와 같은 다른 오염물질 가스의 회수에서도 유용하고 중요하다. 일반 용어 "오염물질"이 본 명세서에서 사용되는데, 전형적으로 본 발명의 공정이 산 가스 또는 다른 가스 성분의 배출을 최소화하기 위하여, 화학, 야금 또는 발전 설비로부터의 배출 가스 스트림 세정에 사용되며, 상기 산 가스 또는 다른 가스 성분은 배출을 최소화하지 않으면 대기 중에서 오염물질일 것이기 때문이다. 그러나, 당해 분야의 숙련가가 인지하는 바와 같이, 가스 배출물 스트림으로부터 제거된 오염물질 가스는 흔히 경제적 가치가 있고, 본 발명의 공정에 의하여 회수된 다음, 상업적으로 가치 있는 용도, 예컨대, 예를 들어, 삼산화황 및 황산으로의 이산화황의 전환, 이산화황 및 황화수소로부터 원소 황의 회수, 화학적 가공에서 사용하기 위한 염산 또는 수성 암모니아의 회수, 원소 염소 및 수소로의 염화수소의 회수 및 전환 등에 적용된다.
본 발명의 공정은 이산화황 회수의 특정 경우에 의하여 설명될 수 있다. 본 발명의 실시에서, 이산화황 흡수 매질로서 다양한 수성 및 유기 용매가 사용될 수 있다. 예를 들어, 흡수 매질은 알칼리 금속(예를 들어, 아황산/중아황산 나트륨 용액), 아민(예를 들어, 알칸올아민, 테트라하이드록시에틸알킬렌다이아민 등), 아민 염 또는 다양한 유기산의 염의 수용액을 포함할 수 있다. 대안적으로, 이산화황 흡수 매질은 예를 들어 다이메틸 아닐린, 테트라에틸렌 글라이콜 다이메틸 에터 또는 다이뷰틸 뷰틸 포스포네이트를 포함하는 유기 용매를 포함할 수 있다. 일부 유기 용매는 금속 구성물의 이용을 필요로 하고, 황산의 형성으로 인하여 그리고 일부 경우에는 흡수/탈착 공정 동안 이산화황과 산소의 부반응에 의하여 형성된 삼산화황과의 용매의 반응으로 인하여, 흔히 용매 재생을 필요로 하며, 보통 무기 흡수 매질보다 비싸다. 석탄 화력 발전 플랜트로부터 배출되는 상당히 큰 연도 가스 유량은, 이산화황 회수를 위한 매우 큰 설비 크기를 유발한다. 관용적인 유기 용매는, 특히 미약한 이산화황-함유 배출물에서 직면하는 이산화황 부분압에서의 비교적 낮은 이산화황 흡수 용량; 이산화황-함유 배출물로부터의 상당한 양의 수증기 흡수의 결과로서 감소된 이산화황 흡수 용량, 이는 공정 장치의 과도한 부식을 또한 유발할 수 있음; 용매가 산성 환경에서 고온에 노출될 때 과도한 열화, 예컨대 가수분해, 또는 다른 부반응 또는 분해에 대한 민감성(susceptibility); 및/또는 다량의 용매 손실을 유발하는 고 휘발성을 포함하여, 이산화황 흡수 매질에서 바람직한 특징에 관련한 하나 이상의 단점에 의하여 또한 저지될 수 있다.
이러한 고려사항 및 다른 고려사항에 비추어, 이산화황의 회수에서 실행되는 바와 같은 본 발명의 바람직한 구체예에 따라, 이산화황 흡수 매질은 전체 내용은 본 명세서에 명시적으로 참조로 포함되고 발명의 명칭이 REGENERATIVE RECOVERY OF SULFUR DIOXIDE FROM EFFLUENT GASES인 2011년 10월 28일 자 출원의 미국 출원 제13/283,671호에 기재된 비교적 약한 다양성자성 카복실산의 염(예를 들어, 말산 나트륨)의 완충 수용액을 포함한다. 다음 설명에서, 다양성자성 카복실산의 염을 포함하는 바람직한 흡수 매질뿐만 아니라 테트라에틸렌 글라이콜 다이메틸 에터(테트라글라임)를 포함하는 흡수 매질이 언급된다. 그러나, 본 명세서에 기재된 공정의 다양한 특징은 다른 흡수 매질이 사용되는 시스템에 용이하게 개조됨을 이해해야 한다. 위에 언급한 바와 같이, 본 명세서에 기재된 개선은 당해 분야에 공지인 적절한 관용적인 오염물질 흡수 매질을 이용하여 다른 산 가스 및 오염물질을 제거 및 회수하기 위한 시스템에도 마찬가지로 적용 가능한 것으로 또한 이해되어야 한다. 예를 들어, 본 명세서에 기재된 공정은 황화수소, 이산화탄소 및 염화수소, 질소 산화물, 또한 암모니아와 같은 다른 오염물질 가스를 포함하는 배출 가스 스트림으로부터의 다양한 오염물질의 재생식 흡수 및 탈착에 이용될 수 있다.
도 1에 나타나는 바와 같이, 이산화황-함유 소스 가스를 포함하는 임의로 컨디셔닝된 공정 공급 가스 스트림(10)은 이것이 이산화황에 대한 흡수제를 포함하는 수성 흡수 매질과 접촉하여 이산화황이 흡수되는 하나 이상의 이론적 단을 가지는 이산화황 흡수기(11)에 도입된다. 이산화황 흡수기(11)는 새들(saddle) 또는 링(ring)과 같은 불규칙 충전물(random packing), 체계적 충전물(structured packing), 또는 다른 접촉 장치의 층(bed)을 포함할 수 있는, 가스상과 액체상 사이의 물질전달을 촉진하는 수단을 포함하는 가스/액체 접촉 구역(13)을 포함하는 수직 컬럼 또는 탑(12)을 포함한다. 바람직하게는, 이산화황의 전달을 최대화하기 위하여, 공정 공급 가스 스트림이 향류로 수성 흡수 용액과 접촉한다. 도 1에 나타나는 바와 같이, 공정 공급 가스 스트림(10)은 탑(12)의 하부 근처의 가스 입구(14)를 통하여 도입되고 가스/액체 접촉 구역(13)의 하부에 들어가는 한편, 이산화황 스트리퍼(30)로부터 재순환된 재생된 수성 흡수 매질을 포함하는 스트림(15)은 탑의 상부 근처의 액체 입구(16)를 통하여 도입되고 가스/액체 접촉 구역의 상부에 분포되고 들어간다. 가스/액체 접촉 구역(13)의 하부를 나가는 이산화황-농후화 흡수액 스트림(17)은 탑(12)의 하부 근처의 액체 출구(18)로부터 인출되고, 영역(13)의 상부를 나가는 실질적으로 이산화황이 없는 배기 가스 스트림(19)은 탑의 상부 근처의 가스 출구(20)로부터 인출된다. 관용적인 불규칙하게 충전된 탑이 흡수기(11)로서 사용될 수 있기는 하지만, 당해 분야의 숙련가는 다른 구성이 적절하게 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 탑(12)은 체계적 충전물을 포함하거나 트레이 탑을 포함할 수 있고, 이들 중 하나에서 공정 스트림이 바람직하게는 향류로 흐른다. 비록 흡수기에서 공정 공급 가스 스트림(10) 및 수성 흡수 매질 사이에 향류 흐름이 바람직하기는 하지만, 흡수기가 병류로 조업될 수도 있다. 그러나, 그러한 배치는 흡수 용량 및 효율에 부정적으로 영향을 미치는 경향이 있고 일반적으로 덜 바람직하다.
산 염 흡수제, 또는 이산화황과 화학적으로 조합되는 다른 화학종이 수성 흡수 매질에서 주요 흡수제로서 존재할 경우, 흡수 매질 중의 흡수제의 농도 및 흡수 매질 흐름의 속도는, 흡수기의 액체 출구에서 우세한 온도에서, 과잉의 흡수 용량이 흡수액 중에 잔여하도록 하는 것이어야 한다. 바람직하게는, 잔여 용량은 흡수기에 들어가는 총 흡수 용량의 적어도 10%, 바람직하게는 적어도 20%이다. 이러한 목적을 위하여, 흡수기에 들어가는 흡수 매질 유량 및 흡수제 농도는, 바람직하게는 공급 스트림의 총 이산화황 함량에 대하여 과량으로, 이산화황이 공정 공급 가스 스트림으로부터 회수될 속도에 대하여 흡수기를 통하여 흐르는 흡수제의 속도에서 화학량론적 과량을 제공하여, 이에 따라 여러 인자, 예컨대 흡수 매질의 재생 후 이에 잔여하는 이산화황 함량, 이산화황-농후화 스트리퍼 가스 중의 이산화황의 농도, 존재 가능성이 있는 이산화탄소와 같은 약산성 성분을 보상하고, 수성 다양성자성 카복실산/염 흡수 시스템과 같은 바람직한 흡수제의 바람직하게는 비교적 약한 흡수 친화도를 대부분 보상하도록 충분해야 한다. 완만한 온도 증가 및/또는 압력의 감소에 의한 이산화황의 추후의 탈착을 용이하게 하기 위하여 비교적 약한 흡수 친화도가 바람직하다. 따라서, 원하는 제거 효율에 도달하기 위하여 필요한 수성 흡수 매질 중의 흡수제의 농도는 사용된 산, 처리될 가스 중의 이산화황의 농도 또한 흡수기의 물질전달 특징에 따라 변하고, 당해 분야의 숙련가에 의하여 용이하게 결정될 수 있다. 전형적으로, 흡수 용액 중의 다양성자성 카복실산 염의 몰당 흡수된 이산화황의 화학량론적 당량비는 약 0.1 내지 약 1 범위이다. 약 2600 ppmv 이산화황을 포함하는 가스 처리에서 사용되는 흡수 용매로서 말산의 나트륨 염을 포함하는 수성 흡수 매질의 경우에, 흡수 용액 중의 말산염의 농도는 적절하게 약 1 몰% 내지 약 7 몰 퍼센트 범위일 수 있다.
소스 가스로부터 흡수 매질로의 이산화황의 실질적인 전달을 달성하기에 필요한, 이산화황 흡수기(11)에 도입되는 수성 흡수 용액 스트림(15) 및 공정 공급 가스 스트림(10)의 질량 유량 비율(L/G)은 관용적인 설계 실시에 의하여 결정될 수 있다. 더욱 구체적으로, L/G는 흡수기에 들어가는 가스 스트림의 오염물질 함량, 수성 흡수 매질 중의 흡수제의 농도 및 흡수기에서 우세한 액체/가스 온도에서 흡수제의 단위 흡수 용량에 기초하여 선택될 수 있다. 전형적으로, L/G는 흡수기로의 흡수제의 흐름이 흡수기로의 오염물질 가스의 흐름보다 적어도 10 내지 20% 과잉이도록 선택된다. 최적 초과 정도는 가스/액체 접촉 구역 내의 물질전달 및 열전달의 속도에 의존한다.
바람직하게는, 이산화황 흡수기는 흡수기를 나가는 배기 가스 스트림(19)의 이산화황 함량이 약 500 ppmv 미만, 더욱 바람직하게는 약 200 ppmv 미만(예를 들어, 10-20 ppmv 정도로 낮음)이도록 설계되고 조업된다. 공정 공급 가스 스트림에 함유된 이산화탄소, 산소, 질소 및 다른 불활성물과 함께 이러한 미량의 이산화황은 흡수기의 상부로부터 배기되는 배기 가스 스트림의 일부로서 시스템으로부터 제거된다. 배기 가스는 흡수 용액과 실질적으로 평형이고, 흡수기에 공급되는 공정 공급 가스 스트림의 수증기 함량 및 흡수기 조건에 따라 흡수기에서 물의 순이익 또는 순손실이 존재할 수 있다. 필요한 경우, 가스를 스택(stack)으로 추진시키기 위하여 취입기(blower)(21)가 사용된다. 만족스러운 배출 기준을 달성하기 위하여, 배기 가스 스트림(19)은 미스트 제거기, 또는 스택을 통하여 방출되기 전에 비말동반된 액체를 회수하기 위한 유사한 장치를 통과할 수 있다. 추가로 또는 대안으로, 일부 경우에 배기 가스 스트림(19)은 열교환기(22)에서 공정 공급 가스의 유입 흐름으로써 또는 다른 가열 매질을 이용하여, 또는 아래 기재되는 바와 같이 열교환기(64)에서, 간접 열교환에 의하여 가열될 수 있고, 따라서 임의의 플룸(plume)이 스택을 통하여 방출된 후 하강하는 경향을 가지지 않을 것이다.
도 1에 나타나는 바와 같이, 흡수제가 다양성자성 카복실산을 포함하는 경우, 수산화 나트륨, 수산화 칼륨, 탄산 나트륨 등과 같은 금속 염기(23)의 구성 공급원이 재생된 수성 흡수 매질을 포함하는 스트림(15)과 용매 탱크(24)에서 조합된 후 흡수기 탑(12)의 상부 근처에 도입된다. 금속 염기는 다양성자성 카복실산과 반응하여 금속 염 흡수제를 형성한다. 동시계류 중인 미국 출원 제13/283,671호의 개시에 따르면, 충분한 금속 염기가 도입되어 산 기의 적어도 일부를 중화시키고, 따라서 25℃에서 약 3 내지 약 10, 바람직하게는 25℃에서 약 4 내지 약 7의 pKa 값을 가지는 산 해리의 당량점의 약 20% 이내까지, 더욱 바람직하게는 약 10% 이내까지 산이 중화된다. 당해 분야의 숙련가는 pKa 값의 당량점에 대하여 원하는 중화 정도를 유지시키기 위하여, 공지 pH 제어 기법 및 흡수기에서 이산화황-함유 가스와 접촉하기 전에 재생된 흡수 매질에 염기를 첨가하기 위한 장비를 이용할 수 있다. 더욱이, 금속 이온 농도를 유지시키기 위하여 충분한 염기가 첨가되어야 한다. 예를 들어, 아래 기재되는 바와 같이, 금속 이온의 일부가 결정화기 조업에서 제거된 황산염과 함께 소실된다. 제거된 황산 나트륨 몰당 2몰의 염기(예를 들어, 수산화 나트륨)가 첨가된다. 플랜트 실험실에서 샘플을 취하고 금속 분석을 실행함으로써 금속 이온 농도를 적절하게 모니터링하고 제어할 수 있다.
흡수기(11)를 나가는 이산화황-농후화 흡수액(17)은 (아래 기재되는 바와 같이) 중간 온도까지 가열되고, 예열된 흡수액은 이산화황 스트리퍼(30)에 도입되며 여기서 이산화황은 흡수제로부터 해리되고 흡수액으로부터 탈착된다. 스트리퍼(30)는 기체상과 액체상 사이의 물질전달을 촉진하는 수단을 포함하는 증기/액체 접촉 구역(32)을 포함하는 수직 컬럼 또는 탑(31)을 포함한다. 흡수기(11)와 같이, 스트리퍼(30)는 관용적인 불규칙 충전물, 체계적 충전물, 트레이 또는 임의의 다른 가스-액체 접촉 장치의 층을 포함하는 충전탑의 형태로 구성될 수 있다. 탑(31) 내의 증기/액체 접촉 구역(32)의 저위 (스트리핑) 섹션은 (아래 기재되는 바와 같이) 본 발명에 따라 발생한 직접 증기가 공급되고, 흡수액으로부터 이산화황을 제거하기 위하여 이용될 수 있다. 수증기로 실질적으로 포화된 이산화황을 포함하는 1차 이산화황-농후화 스트리퍼 가스 배출물(33)은, 증기/액체 접촉 구역(32) 위의 스트리퍼(30)의 오버헤드에서 생성되고 탑(31)의 상부에서 증기 출구(34)로부터 인출되고; 증기/액체 접촉 구역을 나가는 재생된 흡수 매질(15)은 탑의 하부에서 액체 출구(35)로부터 인출되고 흡수기(11)로 다시 재순환되어 사이클이 완료된다. 비록 도 1에 나타나는 바와 같이 스트리퍼에서 이산화황-농후화 흡수액과 스트리핑 스팀 사이의 향류 흐름이 바람직하기는 하지만, 스트리퍼는 병류로 조업될 수도 있다. 그러나, 그러한 배치는 스트리핑 효율에 부정적인 영향을 미치는 경향이 있고 일반적으로 덜 바람직하다.
흡수기(11)에서 이산화황 흡수 매질의 평균 온도는 일반적으로 약 10℃ 내지 약 70℃의 범위에서 유지된다. 본 발명에 따르면, 흡수기에서 이산화황 흡수액의 평균 온도는 바람직하게는 약 20℃ 내지 약 60℃에서 유지된다. 비록 일반적으로 이산화황의 흡수가 더 낮은 흡수 매질 온도에서 증대되기는 하지만, 흡수액은 이산화황을 방출하기 위하여 흡수 온도로부터 충분히 높은 온도로 가열될 필요가 있고 및/또는 감압하에 있을 필요가 있고, 이러한 현열을 제공하는 것은 더 높은 에너지 요구량을 유발한다. 재생 동안, 소비되는 에너지를 저하시키고 이산화황 흡수제(예를 들어, 약한 폴리카복실산 또는 염)의 침전을 야기할 수 있는 흡수 매질 중의 낮은 물 농도를 방지하기 위하여 기화되는 물의 양을 감소시키는 것이 또한 바람직하다. 흡수가 온도에 비교적 강하게 의존하고 사이클의 흡수 및 탈착 단 사이의 더 좁은 온도 범위 내에 있을 때, 이산화황 흡수/탈착 공정의 전체 효율이 개선된다.
스트리퍼(30) 내의 이산화황 흡수액의 평균 온도는 일반적으로 약 60℃ 내지 스트리퍼 조업 압력에서의 흡수 용액 비등점의 범위에서 유지된다.
이산화황의 흡수 및 탈착은 흡수기(11) 및 스트리퍼(30)의 조업 압력을 각각 증가 또는 감소시켜 증대될 수 있다. 흡수기(11) 내의 적절한 조업 압력은 약 70 내지 약 200 kPa 절대압력이다. 필요한 경우 최대 700 kPa 이상의 더 높은 압력이 이용될 수 있다. 흡수기 내의 압력 증가는 흡수 매질이 흡수할 수 있는 이산화황의 분율을 증가시키지만, 흡수는 바람직하게는 비교적 낮은 압력에서 수행되고 이에 의하여 설비 비용이 감소된다. 유사하게, 스트리퍼(30) 내의 적절한 조업 압력은 약 40 내지 약 200 kPa 절대압력이지만, 더 높거나 낮은 조업 압력이 이용될 수 있다.
흡수기(11) 및 스트리퍼(30) 내의 온도 제어는 이들 조업에 공급되는 다양한 공정 스트림의 온도 및 부피를 제어하여 달성될 수 있다. 바람직하게는, 스트리퍼(30) 내의 온도는 증기/액체 접촉 구역(32)의 스트리핑 섹션 내의 스트리퍼의 하부 근처에 도입된 스팀 및 이산화황-농후화 흡수액(17)의 온도를 제어하여 원하는 범위 내에 유지된다. 또다시 도 1을 참조하면, 약 10℃ 내지 약 70℃, 더욱 바람직하게는 약 20℃ 내지 약 60℃의 온도에서 흡수기(11)를 나가는 이산화황-농후화 흡수액(17)은, 이것이 스트리퍼(30)로부터 이산화황 흡수기로 재순환되는 재생된 흡수 매질(15)로부터의 간접 열전달에 의하여 중간 온도까지 예열되는, 열 상호교환기(40)를 통과한다. 상호교환기에서 재생된 흡수 매질로부터 흡수액으로의 열전달은 재생된 흡수 매질의 흡수 용량을 증가시키고, 흡수액을 가열하여 이로부터의 이산화황 스트리핑 촉진을 돕는다. 스트리퍼에서 원하는 온도를 달성하기 위하여 추가의 가열이 필요한 경우, 이산화황-농후화액(17)은 이것이 (예를 들어, 공정을 나가는 회수된 이산화황 생성물 스트림으로부터의 간접 열전달에 의하여) 예열되고 및/또는 스팀 또는 뜨거운 응축물 스트림(70)과의 간접 열교환에 의하여 추가로 가열되는 용매 가열기(41)를 통과할 수 있다. 특정한 유리한 구체예에서, 이산화황-농후화 흡수액은 외부 열의 추가 없이 공정 공급 가스 스트림 및/또는 재생된 이산화황 흡수 매질로부터의 열전달에 의하여 가열된다. 그러한 구체예에서, 공정 공급 가스 스트림의 온도는 바람직하게는 약 50℃ 미만으로 감소되지 않고, 스트리퍼에 도입된 이산화황-농후화 흡수액과 재생된 흡수 매질 사이의 온도차는 약 40℃ 미만이다.
약 60℃ 내지 약 140℃의 온도에서 스트리퍼(30)의 하부를 나가는 재생된 수성 흡수 매질(15)은 이산화황 흡수기(11)를 나가는 이산화황-농후화 흡수액(17)으로의 열전달에 의하여 상호교환기(40)에서 냉각된다. 유사하게, 흡수기 내에서 원하는 온도를 유지시키기 위하여 추가의 냉각이 필요한 경우, 상호교환기(40)를 떠나는 재생된 흡수 매질은 용매 냉각기(42)를 통과하고 냉각탑 물과의 간접 열교환에 의하여 추가로 냉각될 수 있다. 열 상호교환기(40)의 사용은 용매 가열기 및/또는 용매 냉각기의 사용이 필요하지 않을 수 있도록 시스템의 에너지 요구량을 감소시킨다.
본 발명의 바람직한 구체예에서, 다양성자성 카복실산의 염을 포함하는 수성 흡수 용액 중의 황산염 오염물질 수준은, 황산염 제거 처리를 위하여 스트리퍼(30)를 나가는 재생된 흡수 매질(15) 중의 적어도 퍼지 분획(90)을 임의로 우회시켜, 허용 가능한 수준으로 유지된다. 퍼지 분획의 상대 부피는 재생된 흡수 매질 중의 흡수제의 농도 및 흡수와 스트리핑 과정에서의 산화에 대한 이산화황의 감수성에 따라 변한다. 전형적으로, 흡수제로서 말산염을 사용하는 조업에서, 퍼지 분획은 재생된 흡수 매질 스트림의 약 10.1% 미만을 나타낼 수 있다.
퍼지 분획의 처리는 증발 결정화기(92)에서 퍼지 분획(90)으로부터 물을 증발시켜 황산염으로 과포화된 농축 용액을 생성하는 것을 포함한다. 이후 황산염 결정은 결정화기에서 농축된 수성 흡수 용액으로부터 침전되어 침전된 황산염 결정 및 모액을 포함하는 결정화 슬러리(94)가 형성된다. 황산 나트륨 결정은 관용적인 고체/액체 분리 장치(96), 예컨대 진공 필터 또는 원심분리기에서 슬러리로부터 분리되고, 모액 분획(98)은 이것이 흡수기(11)로의 반송을 위하여 재생된 흡수 매질의 주 스트림과 혼합되는 용매 탱크(24)로 재순환된다. 수성 흡수 용액의 농도는 물을 플래시 증발시키기 위하여, 가열 및/또는 압력 감소, 또는 재비기로의 스팀 흐름 증가에 의하여 적절하게 달성될 수 있다. 전형적으로, 수성 흡수 용액은 농축 동안 황산 나트륨 10수화물 또는 글라우버 염(Na2SO4·10H2O)의 형성 및 침전을 억제하기 위하여 적어도 약 40℃, 더욱 바람직하게는 적어도 약 60℃의 온도까지 그리고 바람직하게는 스트리퍼 조업 압력에서 흡수 용액의 비등점까지 가열된다. 글라우버 염은 원심분리 또는 여과에 의해 모액으로부터 용이하게 분리되지 않는 교질 또는 점착 침전물을 형성하는 경향이 있다.
결정화기는 대기압 또는 진공하에 조업될 수 있다. 원심분리 또는 여과에 의한 황산 나트륨 염 결정의 분리에 대한 대안으로서, 결정화기가 결정화 슬러리로부터 모액을 계속해서 디캔팅(decanting)하도록 설계될 수 있다. 더욱이, 황산염 결정이 물로 세척될 수 있고, 다양성자성 카복실산 염 흡수제를 포함하는 결과적인 세척수는 마찬가지로 흡수기로의 반송을 위하여 용매 탱크에 보내진다. 결정화기로부터의 오버헤드 증기 스트림은 응축되고 흡수기로 되돌아갈 수 있다. 대안으로, 결정화기로부터의 오버헤드 스트림은 스트리핑 스팀의 공급원으로서 스트리퍼에 보내질 수 있다.
비록 위에 기재된 처리가 순환하는 흡수 용액 중의 허용 하능한 황산염 수준 유지에 효과적이기는 하지만, 본 발명의 일부 구체예에 따라, 산화 억제제가 흡수 용액에 포함되어 각각 중황산염 및 황산염 오염물질로의 중아황산염 및 아황산염의 산화가 감소될 수 있다. 산소제거제 및 유리 라디칼 포획제, 예컨대 p-페닐렌다이아민 및 하이드로퀴논; NOx-촉매화 산화 억제제, 예컨대 아스코르브산; 및 금속-촉매화 산화를 격리 및 억제하는 킬레이트제, 예컨대 에틸렌다이아민테트라아세트산(EDTA)를 포함하는, 본 발명의 실시에서 유용할 수 있는 여러 상이한 유형의 산화 억제제가 존재한다. 그러한 산화 억제제는 개별적으로 또는 다양한 조합으로 사용될 수 있고 흡수기에 도입되는 재생된 수성 흡수 용액에 필요한 대로 첨가될 수 있다. 사용된 억제제(들)의 유형에 따라, 흡수 용액 중의 농도는 전형적으로 수 ppm으로부터 약 1 내지 약 10 중량 퍼센트까지의 범위이다. 억제제가 산화에 의하여 점차적으로 소비될 것이므로 전형적으로 과량이 첨가된다 (예를 들어, 적어도 약 1000 ppm). 아스코르브산 및 하이드로퀴논이 말산 나트륨 흡수 용액에서 산화 억제에 특히 효과적이다. EDTA는 금속이 흡수 용액에 존재할 때 산화 억제제로서 효과적인 것으로 예상된다.
흡수 용액 중의 산성도 증가는 이산화황 스트리핑 효율 증가의 효과를 가진다. 따라서, 작은 농도의 용해된 이산화황을 남기는 것 또는 흡수 용액 중에 약간의 황산염을 유지시키는 것이 스트리퍼에서 더 높은 효율을 유발한다. 예를 들어, 스트리퍼 내의 작은 농도의 황산 나트륨 및/또는 아황산은 흡수 용액의 재생을 덜 에너지 집약적이도록 만든다. 그러나, 재생된 흡수 매질 중의 SO2의 존재는 흡수기 내의 평형에 불리하게 영향을 미친다. 따라서, 순환하는 흡수 매질/흡수액의 성분 축적을 허용하여 산성도가 조절될 경우, 임의의 상당한 정상 상태 수준의 SO2 축적보다 황산염 이온을 축적시켜 이를 성취하는 것이 바람직하다. 본 발명의 다양한 구체예에 따르면, 황산염의 농도는 흡수 용액 중에서 약 0.5 내지 약 11 중량 퍼센트, 바람직하게는 약 3 내지 약 11 중량 퍼센트에서 유지되고, 작은 분획의 이산화황이 재생된 수성 흡수 용액에 남아 용액을 약간 더 산성으로 만들고 결과적으로 이산화황의 탈착이 덜 에너지 집약적이도록 만든다.
스트리핑된 응축물로부터의 스트리핑 스팀의 발생
스트리핑 스팀을 발생시키기 위한 에너지원을 제공하기 위하여, 흡수액 스트리퍼(30)로부터의 1차 스트리퍼 가스 배출물(33)은 1차 스트리퍼 가스 배출물의 압력을 증가시키기에 적절한 장치에서 압축된다. 적절한 장치에는 기계적 압축기 및 열적 압축기(즉, 스팀-제트 이젝터)가 포함된다. 도 1에 나타나는 바와 같이, 1차 스트리퍼 가스 배출물은 바람직하게는, 스팀-제트 이젝터(36) 통과에 의하여 압축된다. 이산화황이 접촉식 황산 플랜트의 테일 가스로부터 회수되는 경우, 삼산화황 흡수열 회수에서 발생한 스팀은 이젝터에 대한 원동 스팀(motive steam)을 제공할 수 있다.
비록 습윤 이산화황 스트리퍼 가스가 압축되고 수증기 응축의 잠열이 압축된 가스로부터 이산화황-농후화 흡수액으로 전달되는 이산화황의 회수를 위한 흡수/탈착 시스템이 공지이기는 하지만, 그러한 시스템에서는 응축물이 이산화황으로 포화된 시스템을 나간다. 응축물로부터 나오는 이산화황이 개별적인 시스템에서 포획되지 않을 경우, 이러한 계획은 또한 이산화황 유용물의 손실에 일치하는 허용 불가능 배출물을 생성한다.
미국 출원 제13/283,671호에 기재된 공정에서, 이산화황은 응축물 스트리핑 컬럼에서 응축물로부터 회수되지만, 이는 추가의 에너지 소비를 수반한다.
본 발명의 바람직한 공정에 따르면, 응축물 스트리핑에 요구되는 에너지는 흡수액 스트리퍼를 위한 스트리핑 스팀의 공급원으로서 스트리핑된 응축물 사용에 의하여 실질적으로 회수된다. 응축물이 스트리퍼의 기저부로 흐르기에 충분한 압력에서 이를 기화시키기 위하여 추가의 에너지 유입이 필요하다. 본 발명의 공정에서, 스트리퍼 가스의 수증기 성분의 잠열은 에너지원을 제공한다. 흡수액 스트리퍼를 나가는 스트리퍼 가스의 적당한 압축은 압축된 스트리퍼 가스로부터 스트리핑된 응축물로의 열전달에 충분한 적당한 온도차를 생성하고, 이에 의하여 스트리핑된 응축물이 결과적인 스팀을 스트리퍼로 추진하기에 충분한 압력에서 기화된다.
스트리퍼로부터의 습윤 이산화황-함유 가스 배출물의 압축은 바람직하게는, 약 30 kPa 내지 약 65 kPa의 증분만큼 스트림의 압력을 증가시킨다. 더 큰 압력 증분은 기계적 압축기를 사용하여 쉽게 달성될 수 있다. 이산화황의 분리는, 스트리퍼(30)가 더 낮은 압력에서 (예를 들어, 진공하에) 조업되어, 물에 대한 이산화황의 상대 휘발도가 증가되고 탈착이 증대되며 주어진 환류에 필요한 이론적 단의 수가 감소하는 경우에 증대된다. 더욱이, 더 낮은 압력은 시스템에서 더 낮은 온도를 유발하여, 이산화황-농후화 흡수액을 가열하기 위하여 더 낮은 압력의 스팀 사용이 허용된다. 그러나, 에너지의 회수는 적당하게 더 높은 조업 압력에서 최적화되고, 이는 탑(31)의 필요 직경 및 관련 자본 비용을 또한 감소시킨다. 예로서, 약간의 진공(예를 들어, -35 kPa 게이지)하에 스트리퍼를 조업하는 것 및 스트리퍼를 나가는 이산화황-농후화 스트리퍼 가스의 압력을 (예를 들어, 약 20 kPa 게이지로) 적당히 증가시키는 것은 하나의 경제적 접근법을 나타낸다. 그럼에도 불구하고, 대기압 이상에서의 스트리퍼 조업은 또한 매력적인 접근법일 수 있다. 경제적 최적화는 구체적인 조업 조건을 결정할 수 있다. 이러한 고려사항의 균형을 맞추어, 흡수액 스트리퍼를 나가는 1차 스트리퍼 가스 배출물의 압력은 가장 바람직하게는 약 40 내지 약 170 kPa 절대압력에서 유지된다).
이산화황-함유 스트리퍼 가스의 가압 흐름은 1차 스트리퍼 가스 냉각기/응축기(50)에 보내진다. 수증기의 상당 부분이 냉각기/응축기(50)에서 냉각 매질로의 간접 열전달에 의하여 1차 스트리퍼 가스 배출물로부터 응축된다. 본 발명에 따르면, 응축물 스트리퍼 또는 물 컬럼(60)으로부터 냉각기/응축기(50)로 흐르는 (이의 조업은 아래 기재됨) 스트림(51) 중의 스트리핑된 응축물은 냉각 매질 역할을 하고, 응축의 잠열은 스트리핑된 응축물로 전달되고 이에 의하여 흡수액 스트리퍼(30)에서 스트리핑 매질로서 사용되는 스팀이 발생한다. 도 1에 나타나는 바와 같이, 컬럼(60)을 나가는 스트리핑된 응축물 스트림(51)은 증기 액체 분리기(52)로 보내지고, 1차 스트리퍼 가스로부터의 열전달이 스트리퍼를 위한 스팀을 발생시키는 냉각기/응축기(50)와 분리기 사이의 라인(54)을 통하여 순환한다. 스트리핑된 응축물 및 스팀은 분리기(52)에서 분리되고, 스팀은 스트리퍼(30)로 보내지고, 응축물의 적어도 일부는 라인(54)을 통하여 1차 스트리퍼 가스 냉각기/응축기(50)로 순환되고, 또 다른 일부는 라인(55)을 통하여 임의로 재순환되고, 재생된 이산화황 흡수 용액(15)과 조합되고 흡수기(11)에 반송될 수 있고 및/또는 일부(56)는 시스템으로부터 퍼징될 수 있다. 대안으로, 스트리퍼 가스 냉각기/응축기(50)의 응축물측은 열교환기 자체 내에서 물로부터 스팀의 이탈을 허용하도록 설계되어, 개별적인 증기/액체 분리기의 필요 없이 비말동반된 물이 없는 스팀 흐름이 냉각기/응축기로부터 흡수기로 직접 흐르도록 허용할 수 있다.
1차 스트리퍼 가스 냉각기/응축기(50)에서 발생한 증기는, 라인(57)을 통하여 스트리퍼(30)에 도입되고 여기서 상기 증기는 증기/액체 접촉 구역(32)에서 흡수액과 접촉하고, 흡수액에 열을 공급하면서 액체상으로부터 이산화황을 제거하기 위한 스트리핑 가스로서 기능을 한다. 흡수 액체 스트리퍼에서 액체상의 가열은 그 안의 이산화황의 평형 농도를 감소시키고, 증기상으로의 이산화황의 전달을 위한 추진력을 증대시킨다. 액체상으로의 열전달에서, 냉각기/응축기(50)에서 스트리핑된 응축물로부터 발생한 스팀은 부분적으로 스트리퍼 내에서 응축하고, 따라서 본질적으로 응축 가능 스트리핑 가스로서 작용한다. 임의로, 1차 스트리퍼 가스 냉각기/응축기에서 스트리핑된 응축물로부터 발생한 스팀에 의하여 공급된 스트리핑 열은 흡수액 스트리퍼로부터 액체상이 순환되는 재비기(37)에서 외부 공급원으로부터 공급된 열에 의하여 보충될 수 있다. 보조 재비기는 공정의 수분 수지 제어에서 완전한 유연성을 제공한다. 전형적으로, 재비기를 통과할 흡수액은 스트리퍼의 집수조(sump)로부터 인출되고 집수조 위의 증기/액체 접촉 구역(32)의 저위 부분으로 반송된다.
1차 스트리퍼 가스 냉각기/응축기(50)에서, 1차 스트리퍼 가스 배출물(33)의 수증기 함량의 대부분이 응축되고 따라서 잠열의 대부분이 응축물 스트리퍼(60)로부터 되돌아온 스트리핑된 응축물로의 열전달에 의하여 제거된다. 1차 스트리퍼 가스 배출물로부터 수증기 응축에 의하여 획득된 수성 응축물은 용해된 이산화황을 포함한다. 이 응축물은 냉각기/응축기(50)로부터 제거되고 라인(58)을 통하여 응축물 스트리퍼 또는 물 컬럼(60)으로 공급되고 (예를 들어, 스팀 또는 재비기로써) 가열되어, 이산화황이 탈착되고 수성 응축물로부터 탈착된 이산화황 및 수증기를 포함하는 응축물 스트리퍼 가스가 생성된다. 도 1에 나타나는 바와 같이, 응축물 스트리퍼 가스는 1차 스트리퍼 가스 냉각기/응축기(50)로부터의 습윤 이산화황-함유 배기 가스(59)와 조합된다. 응축물 스트리퍼 컬럼(60)의 상부를 나가는 조합된 최종 응축물 스트리퍼 가스(습윤 회수 SO2 스트림)(61)는 저온 응축기(62)에서 (예를 들어, 50℃의 냉각수로써) 보통 약 70℃ 아래의 온도까지 냉각되어, 수증기가 응축되고 회수된 이산화황을 포함하는 생성물 스트림(63)이 생성된다. 도 1에 나타나는 바와 같이, 응축물 스트리퍼 가스가 흡수기(11)를 나가는 배기 가스(19)의 부분으로의 열전달에 의하여 냉각되는 열교환기(64)에 가스를 먼저 통과시켜, 근소한 추가적 응축물이 응축물 스트리퍼 가스, 또는 조합된 응축물 스트리퍼 컬럼(60)의 상부를 나가는 최종 응축물 스트리퍼 가스(습윤 회수 SO2 스트림)(61)으로부터 얻어질 수 있다. 냉각 후, 회수된 이산화황 생성물 스트림(63)은 이산화황 회수 공정으로부터 제거되고, 이것이 사용될 수 있는 목적지로, 예를 들어, 삼산화황으로의 전환을 위한 접촉 황산 플랜트의 건조탑 또는 촉매 단으로, 원소 황을 발생시키기 위한 클라우스 공정 조업으로, 알칼리 금속 아황산염 또는 중아황산염 제조 공정으로, 제지 조업으로, 또는 액체 이산화황으로의 액화를 위한 압축 및 냉동 유닛으로 보내진다
이산화황이 고갈된 스트리핑된 응축물 스트림(51)은 응축물 스트리퍼 컬럼(60)의 하부를 나가고 1차 스트리퍼 가스 냉각기/응축기(50)로 보내지며, 여기서 압축된 1차 스트리퍼 가스 배출물(33)로부터의 수증기 응축이 열을 스트리퍼 응축물에 전달하고, 이에 의하여 흡수액 스트리퍼(30)에서 조합된 가열 매질 및 스트리핑 가스로서 (예를 들어, 응축 스트리핑 매질로서) 사용하기 위한 스팀이 발생한다. 임의로, 일부가 시스템으로부터 퍼징될 수 있다.
흡수액 스트리퍼(30)로부터의 1차 스트리퍼 가스 배출물(33) 압축 정도는, 탑(31) 내의 증기/액체 접촉 구역(32)의 저위 (스트리핑) 섹션 내의 압력보다 높은 압력을 가지는 스팀이 1차 스트리퍼 가스 냉각기/응축기(50)에서 스트리핑된 응축물 가열에 의하여 발생할 수 있기에 충분하게, 압축된 증기가 충분히 높은 온도로 되도록 하기에 필연적으로 충분하다. 그러나 압축 정도는 바람직하게는,스트리핑된 응축물로부터 발생한 스팀이 스트리퍼로 흐르기에 필요한 최소로 제어된다. 더욱 구체적으로, 흡수액 스트리퍼 내의 이의 액체 출구(35)에서의 액체상의 온도보다 약 30℃ 이하 더 높은, 또는 더욱 구체적으로 스트리퍼 내의 증기/액체 접촉 구역(32)의 하부를 나가는 액체상의 온도보다 약 20℃ 이하 또는 약 5 내지 약 10℃ 이하 더 높은 온도의 스트리핑된 응축물로부터 스팀이 발생하는 것이 바람직하다. 특정한 특히 바람직한 구체예에서, 1차 스트리퍼 가스 냉각기/응축기(50)에서 스트리핑된 응축물 가열에 의하여 생성된 스팀의 온도는 흡수액 스트리퍼 내에서 이의 액체 출구에서의, 또는 증기/액체 접촉 구역의 하부에서의 액체상의 온도 이하이거나 더 낮을 수 있다. 더욱 일반적으로, 1차 스트리퍼 가스 냉각기/응축기(50)에서 발생한 스팀의 온도가 스트리퍼 내의 이의 액체 출구에서의 재생된 흡수 매질의 온도로부터, 또는 흡수액 스트리퍼 내의 증기/액체 접촉 구역의 저위 (스트리핑) 섹션을 나가는 액체상의 온도로부터, 약 ±10℃ 이하만큼 변하는 것이 바람직하다. 스팀이 흡수액 스트리퍼로 흐르기 위하여, 냉각기/응축기(50)에서 발생한 스팀의 압력은 스트리퍼 내의 총 압력보다 필연적으로 더 높고, 그러므로 증기/액체 접촉 구역의 스트리핑 섹션 내에서, 심지어 이산화황의 부분압이 한계로서 0에 접근하는 스트리핑 섹션의 액체상 출구에서도 액체상의 평형 증기 압력보다 더 높다.
따라서 결과로 발생한 증기상 물 압력 추진력은 증기상과 액체상 사이의 온도차와 무관하게 스트리퍼에서 수증기의 응축을 발생시키고, 스팀이 액체상의 온도보다 높지 않거나, 심지어 약간 낮은 온도에서 영역에 도입될 경우에도 증기/액체 접촉 구역의 스트리핑 섹션 내에서 액체상의 응축 및 가열을 야기한다. 액체상 중의 용질, 즉, 다양성자성 카복실산 염과 같은 흡수제의 저하제 효과로 인하여, 액체상의 증기 압력은 동일한 온도에서, 또는 액체상의 온도가 스팀의 온도보다 약간 높은 경우에도 스팀의 압력보다 약간 낮을 수 있다.
이러한 바람직한 조건을 충족시키기 위하여, 1차 스트리퍼 가스 냉각기/응축기 내의 로그 평균 온도차(Δt)는 약 1.5℃, 약 2℃, 약 3℃, 약 4℃, 또는 약 5℃ 이상 및 약 10℃, 약 8℃, 약 6℃ 또는 약 5℃ 이하이다. 예를 들어, 1차 스트리퍼 가스 냉각기/응축기 내의 로그 평균 온도차(Δt)는 약 1.5° 내지 약 10℃, 또는 약 2° 내지 약 9℃, 또는 약 2.5° 내지 약 8℃이다.
전체 공정 에너지 및 수분 수지에 따라, 응축물 스트리퍼(60)로부터의 스트리핑된 응축물의 부피가 흡수액 스트리퍼(30)에서 스팀에 대한 요구량을 초과할 수 있다. 따라서, 스트리핑된 응축물은 (i) 스트리퍼 가스로부터 물을 응축시키기 위한 냉각 유체로서 1차 스트리퍼 가스 냉각기/응축기(50)에 보내지고, 이에 의하여 스트리핑된 응축물을 적어도 부분적으로 흡수액 스트리퍼에 도입하기 위한 스팀으로 전환시키는 응축물 스트림; 및 (ii) 공정으로부터 물을 제거하기 위한 방출 물 스트림으로 유용하게 분할될 수 있다.
방출 물로서 응축물 스트리퍼(60)로부터의 스트리핑된 응축물의 일부는 또한 임의로, 이산화황-함유 소스 가스 또는 공급 가스 스트림(10)을 컨디셔닝하기 위하여 사용될 수 있다. 도 1에 나타나는 바와 같이, 스팀 드럼(52)으로부터의 스트리핑된 응축물은 라인(70)을 통과하고, 공급 가스 흐름에 대하여 이산화황 흡수기(11)의 상류의 포화기(71)로 도입된다. 포화기는 하나의 단 접촉기(일반적으로 불규칙 또는 체계적 충전물 또는 분사 컬럼을 포함하는 충전된 컬럼 또는 탑으로 이루어짐)를 포함할 수 있고, 여기서 스트리핑된 응축물이 가스 스트림과 접촉하고, 이에 의하여 이산화황 흡수기에 들어가는 공급 가스의 습도가 증가한다. 포화기를 나가는 물 스트림은 공정으로부터 제거될 수 있다. 포화기는 또한 증발 냉각에 의하여 이산화황-함유 가스를 냉각하고, 흡수기에 들어가기 전에 산 가스(예를 들어, 황산, 염산, 삼산화황)를 제거한다. 포화기는 유리하게는 더 낮은 품질의 물을 사용하는 공급 가스 스트림의 가습을 허용하고, 이는 불순물의 축적을 피하기 위하여 사용되는 물이 탈이온화 또는 증류되어야 하는 흡수기에서의 가스 가습과 비교하여, 증분의 비용 절감을 제공한다. 비록 포화기를 나가는 물 스트림이 이산화황으로 포화되기는 하지만, 이 스트림의 부피는 작다. 더욱이, 예를 들어, 이산화황이 황산 플랜트의 테일 가스로부터 회수되는 경우, 포화기를 나가는 이산화황이 가득한 물 스트림이 SO3 흡수기에서 희석수로서 사용될 수 있다. 인터패스(interpass) 플랜트에서, 물은 유리하게는 인터패스 흡수기에서 희석을 위하여 사용되지만, 최악의 경우에는, 관여된 이산화황의 최소 순 흐름이 이산화황 회수 유닛을 통하여 돌아오고 공정으로부터 소실되지 않는다.
도 1의 공정은 온도차를 제공하기 위하여 1차 스트리퍼 가스 배출물을 압축하고, 이에 의하여 1차 스트리퍼 가스로부터의 수증기 응축에 의하여 재생된 잠열이, 흡수액 스트리퍼에서 흡수액의 스트리핑을 수행하기 위하여 도입되는 스팀의 발생을 위하여 스트리핑된 응축물로 전달된다. 본 발명에 따라, 이러한 온도차를 발생시키고 스트리핑 조업을 추진시키기 위한 다른 대안이 제공된다.
도 2는 스트리핑된 응축물로부터 발생한 스팀이 냉각기/응축기(50)의 스팀 출구와 흡수액 스트리퍼(30) 사이의 흐름 동안 압축기(39)에 의하여 압축되는 도 1의 공정에 대한 대안을 도시한다. 도면은 기계적 압축기에 의한 스팀의 압축을 나타내지만, 스팀이 또한 필요 압축을 달성하기 위하여 스팀-제트 이젝터의 경부(throat)에 도입될 수 있다. 영역을 통하여 상향으로 가스/증기상을 통과하는 동안 과도한 압력 강하를 피하기 위하여, 스트리퍼(30)의 직경 크기가 정해지고, 스트리퍼(30)의 증기/액체 접촉 구역(32) 내의 충전물 또는 다른 물질전달 촉진 구조물이 설계된다. 1차 스트리퍼 가스 배출물(33)을 냉각기/응축기(50)로 전달하기 위하여 사용된 1차 스트리퍼 가스 출구(34) 및 라인은 또한 과도한 압력 강하를 피하도록 크기가 정해진다. 교환기의 스트리핑된 응축물측의 압력보다 높은 냉각기/응축기(50)의 1차 스트리퍼 가스측의 압력을 보존하여, 온도차가 확립되고 이에 의하여 수증기가 1차 스트리퍼 가스 배출물로부터 응축함에 따라 열이 스트리핑된 응축물로 전달되고 스트리퍼(30)에서 사용하기 위한 스팀이 응축물측에서 발생한다. 냉각기/응축기(50)에서 발생한 스팀은 압축기(39)의 흡인측에 도입되고, 상기 압축기는 라인(57)을 통하여 스트리퍼에 도입하기 위하여 스팀을 압축한다.
스트리핑 가스로부터의 수증기 응축의 잠열을 회수하기 위하여, 압축기(39)는 스팀의 압력을, 1차 스트리퍼 가스가 냉각기/응축기(50)에 도달할 때, 냉각기/응축기의 스트리퍼 가스측의 압력이 냉각기/응축기의 스트리핑된 응축물측에서 스트리핑된 응축물로부터 발생한 스팀의 압력보다 높도록 하는 수준까지 증가시킨다. 더욱 구체적으로, 압축 정도는 냉각기/응축기의 1차 스트리퍼 가스측에서 응축되는 물 포화 압력이, 냉각기/응축기의 스트리핑된 응축물측에서 발생하는 압력보다 높도록 충분하다.
도 2의 공정에서 달성된 온도 및 압력 차이는 바람직하게는, 스트리퍼의 가스 출구로부터 냉각기/응축기의 가스 입구로의 흐름 동안 1차 스트리퍼 가스 배출물이 압축되는 도 1의 구체예에서 냉각기/응축기(50)에서 우세한 것과 본질적으로 동일하다. 증기/액체 접촉 구역에서 우세한 절대 압력은 바람직하게는 또한 도 1 및 2에 각각 나타난 구체예 각각에 대하여 동일한 범위에 있다. 두 경우 모두에, 스트리퍼에서 대기압보다 약간 높은 압력, 예를 들어, 약 15 내지 약 18 psia(약 100 내지 약 125 kPa 절대압력)를 유지시키는 것이 바람직하다. 그러나, 스팀만이 도 2의 공정에서 압축되므로, 도 2의 공정에서 흡수액 스트리핑 영역 내의 최적 압력은, 냉각기/응축기(50)의 스트리핑된 응축물측에서 비등하는 물 온도보다 높은 온도에서 수증기가 응축할 수준으로 수증기의 부분압이 되면서 1차 스트리퍼 가스의 이산화황 성분이 또한 압축되어야 하는, 도 1의 공정에서의 최적 압력보다 근소하게 낮을 수 있다.
도 2의 공정의 나머지는 도 1에 대하여 위에 기재된 것과 실질적으로 동일한 방식으로 조업된다.
비록 도 1 및 2의 공정이 유사한 에너지 효율을 제공하기는 하지만, 도 2의 공정의 장점은 압축을 거치는 스트림에서 기인한 이산화황의 실질적인 부재이다. 이는 압축되는 유체가 도 1의 공정에서 압축된 유체보다 일반적으로 덜 부식성이고, 따라서 압축기 또는 이젝터의 구성을 위한 재료의 유지 및 선택 양자의 절감을 제공함을 의미한다.
흡수액으로부터 이산화황 스트리핑을 위한 단독 에너지 공급원으로서 1차 스트리퍼 가스 냉각기/응축기에서 스트리핑된 응축물로부터 발생한 포화 스팀에 대한 의존은 흡수기로 다시 순환된 재생된 흡수 매질에서, 그리고 최종적으로 흡수기와 스트리퍼 사이의 흡수제 매질 회로에서 물의 순 축적을 야기할 수 있다. 사실상, 직접 증기에만 의존하는 임의의 스트리퍼 조업은, 이산화황의 기화열을 제공하기 위하여 첨가되어야 하는 스팀의 증분 및 환경으로의 열손실에서 기인한 증분으로 인하여, 필연적으로 이러한 효과를 가진다. 따라서, 이러한 회로에서 수분 수지의 제어는 물 분획을 제거하기 위하여 몇몇 수단을 필요로 하고, 상기 물 분획은 제거되지 않으면 이 조업 계획에서 증가될 수 있다. 이 목적을 위하여 다양한 선택사항이 이용 가능하다. 예를 들어, 재비기(37)에서 외부 공급원으로부터 공급된 에너지가 1차 스트리퍼 가스의 온도를 근소하게 증가시킬 수 있고 따라서 이는 약간 더 높은 수증기 부하를 운반하며, 1차 스트리퍼 가스 냉각기/응축기는 수분 수지를 유지하기 위하여 충분한 증분의 수증기를 제거하도록 근소하게 더 높은 Δt 및 근소하게 더 높은 배기 가스 온도에서 조업될 수 있다. 이는 도 1의 구체예에서 근소하게 더 많은 1차 스트리퍼 가스의 압축, 또는 도 2의 구체예에서 근소하게 더 많은 스트리핑 스팀의 압축을 필요로 할 수 있다. 대안으로, 일부 또는 전부의 재생된 흡수액이 상호교환기(40) 및/또는 트림 냉각기(42)를 우회하여, 흡수기가 균형을 유지하기 위하여 배기 가스의 수증기 함량을 증분으로 증가시키는 근소하게 더 높은 온도에서 조업되는 것이 허용될 수 있다.
도 1의 공정의 전형적인 조업에서, 약 2% 물 부피 획득을 흡수기/스트리퍼 회로의 모든 전환 동안 경험한다. 석탄의 황 함량을 반영하는 수준으로 이산화황을 함유하는 연도 가스가 27℃의 흡수기로 전달되는 구체예에서, 균형은 재생된 흡수 매질을 상호교환기(40) 및 트림 냉각기(42) 주위로 우회시키고 흡수 매질을 흡수기로 40℃에서 공급하여 달성될 수 있다. 35℃에서 흡수기를 떠나는 배기 가스는 흡수액 스트리퍼에서 흡수액으로부터 이산화황을 기화시키기 위하여 필요한 스팀의 증분으로부터 발생하는 이익이 균형을 이루기에 충분한 수증기를 운반한다.
농후 가스 스트림으로부터의 이산화황 회수
본 발명의 공정은 접촉식 황산 플랜트의 테일 가스로부터의 이산화황의 회수에 적절하다. 그러나, 이는 비교적 농후한 이산화황 가스 스트림을 발생시키는 조업을 포함하여, 이산화황 회수를 필요로 하는 다른 공정 조업에도 적용 가능하다. 공급 가스로부터 이산화황을 흡수하는 반응이 전형적으로 발열성이므로, 상당한 반응열이 흡수기에서 발생하고, 여기서 예를 들어, 이산화황 함량이 10부피%, 15부피%, 20부피%, 25부피%, 30부피%, 40부피% 정도로 높거나 더 높을 수 있는 가스 스트림을 포함하여, 2 내지 4부피% 이상의 이산화황을 함유하는 농후 가스로부터 이산화황을 회수하기 위한 공정이 이용된다. 예를 들어, 이산화황 농도는 적어도 약 4부피%, 또는 적어도 약 5부피%, 또는 적어도 약 10부피%, 또는 적어도 약 15부피%, 또는 적어도 약 20부피%, 또는 적어도 약 30부피%일 수 있다.
본 발명의 공정은 그러한 농후 이산화황-함유 가스 스트림으로부터 이산화황을 회수하기 위하여 상당히 용이하게 개조 가능하다. 그러나, 가스 스트림의 이산화황 함량이 높을 경우, 발열 흡수 반응에서 발생한 현열이 흡수액의 온도를, 일부 경우에는 순환하는 흡수 매질의 흡수 효율 및/또는 흡수 용량을 심각하게 저하시킬 수 있는 수준까지, 급격하게 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 흡수제로서 테트라글라임을 사용하는 흡수 시스템에서, 유입 공급 가스의 이산화황 농도가 2.9부피%에 도달하는 경우, 흡수액의 온도는 흡수기에서 그 이외의 적절한 L/G 비율에서 17℃의 전형적으로 바람직한 온도로부터 30℃의 온도까지 증가할 수 있다. 유입 가스의 이산화황 함량이 43 몰 %인 경우, 온도는 전형적으로 17°로부터 49℃까지 증가할 수 있다. 테트라글라임 흡수 시스템에 있어서, 그러한 온도 상승은 이산화황의 흡수를 위한 흡수 매질의 용량을 심각하게 저하시킬 수 있다.
도 3 및 4는 두 가지 공지 이산화황 흡수 용매의 평형 흡수 용량에 대한 온도의 부정적인 효과를 도시한다. 도 3에 도시되는 바와 같이, 가스 중의 4 몰% SO2 (100S)에서 순수한 테트라글라임(100S)을 사용하여, 20° 내지 30℃의 좁은 범위에서도 온도가 상승함에 따라 수성 흡수 매질의 흡수 용량이 약 13중량%로부터 약 8중량%까지 감소한다. 40℃에서는, 흡수 용량은 약 5중량%로 하락하고, 50℃에서는, 약 4중량%로 하락한다. 도 4에 도시되는 바와 같이, 가스 공급물이 30 몰% SO2를 함유하는 경우, 흡수 용량은 20℃에서 약 25중량%로부터 30℃에서 약 21중량%까지 감소하며, 40℃에서 약 17중량%, 그리고 50℃에서 약 14중량% 미만까지 하락한다. 도 3 및 4에 또한 나타나는 바와 같이, 유사한 흡수 용량 감소가 또 다른 테트라글라임 흡수제, 즉, 95S_5 W(95% 테트라글라임)를 사용하여 초래된다. 따라서, 2부피% 초과의 이산화황을 함유하는 농후 가스에 있어서, 증가된 수성 흡수 매질 흐름은 일반적으로, 흡수기를 통과하는 액체상에서의 온도 상승 정도를 감소시키도록 요구되고, 이는 이산화황-농후화 흡수액 중의 상대적으로 더 낮은 이산화황 농도를 야기한다.
흡수 매질 및 흡수액의 증가된 흐름은 두 가지 중요한 방식으로 흡수액 스트리퍼에 부담을 준다. 이는 흡수액으로부터 이산화황을 스트리핑하기 위하여 적절한 온도로 흡수액을 가열하기 위한 에너지 요구량을 증가시키고, 따라서 공정의 에너지 효율이 감소된다. 그러한 이는 또한 스트리핑 컬럼 전반에 걸쳐 증가된 질량 흐름을 부과하고, 이는 증기/액체 접촉 구역의 범람 없이 액체 흐름을 수용하기 위하여 요구되는 전체 컬럼의 직경을 증가시킨다. 마찬가지로 더 높은 액체상 유량이 또한 증가된 흡수 컬럼 직경을 지시한다.
이산화황 흡수 공정의 추가의 바람직한 특징에 따르면, 흡수 (즉, 가스/액체 접촉) 구역을 통한 흡수 매질 통과에서 이의 온도 상승을 감소시키기 위하여 흡수기의 기저부에서 냉각이 제공되고, 따라서 흡수기 및 스트리퍼 양자 모두 비교적 낮은 L/G 비율에서 조업되도록 한다. 흡수 매질의 온도 상승 제어는, 특히 흡수 구역의 저위 부분에서, 흡수 매질의 평형 용량을 보존하고, 따라서 흡수 구역 내에서 기체상으로부터 액체상으로의 이산화황의 물질전달을 위한 추진력뿐만 아니라 액체상 중의 흡수제와의 이산화황의 반응을 위한 추진력을 보존한다. 상대적으로 더 낮은 액체상 온도가 액체상 내의 이산화황 부가물로의 전환 정도에 또한 선호되고 여기서 이산화황과 흡수제 사이의 반응은 발열 평형 반응이다. 바람직하게는, 흡수액은 흡수기 내의 가스 액체/접촉 구역으로부터 인출되고, 외부 열교환기를 통하여 순환되고, 흡수 구역으로 반송된다. 더욱 구체적으로, 순환 흡수액은 냉각된 순환 흡수액이 구역으로 반송되는 영역 아래에 배치된 영역에서 가스/액체 접촉 구역으로부터 제거되고, 따라서 냉각된 흡수액이 반송되는 영역 아래의 흡수 구역 내의 섹션이 획정되고, 이 안에서 바람직하게는 대부분의 이산화황의 흡수가 일어나고 대부분의 흡수열이 발생한다.
예를 들어, 도 5에 도시되는 바와 같이, 뜨거운 이산화황-농후화 흡수액(17)의 일부는 액체 출구(18)로부터 인출되거나 흡수기(11) 내의 수직 가스/액체 접촉 구역(13)의 하부 근처의 영역(13.1)으로부터 인출되고, 흡수열이 냉각 유체로의 열전달에 의하여 제거되는 외부 열교환기(80)를 통하여 순환된다. 냉각된 흡수액은, 뜨거운 흡수액이 인출되는 영역 위에 배치되지만 가스/액체 접촉 구역의 상부 아래에 배치되는 가스/액체 접촉 구역의 영역(13.2) 내의 흡수기로 반송된다. 더욱 바람직하게는, 냉각된 순환 흡수액이 반송되는 영역(13.2)은 가스/액체 접촉 구역의 저위 부분에 있다.
이산화황 흡수기와 외부 열교환기 사이의 흡수액의 순환은 영역(13.1)과 영역(13.2) 사이인 흡수 구역의 순환 섹션에서 흡수액의 불가피한 역혼합 및 증가된 질량 흐름을 야기하고, 이는 상기 구역의 이 섹션에서 이산화황의 제거를 위한 물질전달 이익을 근소하게 상쇄할 수 있다. 그러므로 바람직하게는 반송 영역(13.2)은 가스/액체 접촉 구역의 상부 아래의 적어도 하나의 전달 유닛의 높이만큼 이격되고, 이에 의하여 상기 구역의 상부 아래에 적어도 하나의 전달 유닛을 포함하는 흡수 구역의 정류 섹션이 획정된다. 바람직하게는, 정류 섹션은 적어도 둘의 전달 유닛을 포함한다. 반송 영역(13.2)은 인출 영역(13.1) 위의 적어도 하나의 전달 유닛, 더욱 바람직하게는 적어도 둘의 전달 유닛의 높이만큼 이격되는 것이 또한 바람직하다. 반송 영역(13.2)과 인출 영역(13.1) 사이의 흡수 구역의 순환 섹션 및 반송 영역(13.2)과 흡수 구역의 상부 사이의 정류 섹션 양자에서 적절한 물질전달 용량을 수용하기 위하여, 흡수 구역은 전체로서 바람직하게는 적어도 셋, 더욱 바람직하게는 적어도 넷의 전달 유닛을 포함한다. 가스 및 액체 스트림 모두 정류 섹션 내에서 실질적인 플러그 흐름이므로, 물질전달을 위한 최대 추진력이 상기 섹션에서 제공되어, 배출 기준을 만족시키는 수준까지 배기 가스 중의 이산화황 농도의 감소가 허용된다. 순환 액체 반송 영역(13.2)에 대한 위치의 적절한 선택은 영역의 선택, 여기서 이로부터 상향으로 흐르는 가스 중의 이산화황 수준이 수성 흡수 매질 흡수 용량에 상당한 부정적 영향을 미칠 정류 섹션 내의 흡수/반응열을 발생시키기에 충분히 높지 않음, 또는 정류 섹션 내의 물질전달 추진력에 기초한다.
바람직하게는, 흡수제가 테트라글라임인 경우에, 냉각된 순환 흡수액이 가스/액체 접촉 구역으로 반송되는 영역(13.2)은 약 40℃ 이하, 더욱 바람직하게는 약 30℃ 이하, 가장 전형적으로 약 15° 내지 약 25℃의 온도에서 유지된다. 테트라글라임 시스템에서, 뜨거운 순환 흡수액이 가스/액체 접촉 구역으로부터 제거되는 영역(13.1)의 온도는 바람직하게는 약 45℃ 이하, 더욱 바람직하게는 35℃ 이하, 더욱 전형적으로 약 15° 내지 약 30℃의 온도에서 유지된다. 당해 분야의 숙련가는 상이한, 일부 경우에는 실질적으로 상이한, 온도 범위가 다른 흡수제에 대하여 최적임을 인지할 것이다. 예를 들어, 흡수제가 말산 나트륨인 경우에, 냉각된 순환 흡수액이 가스/액체 접촉 구역으로 반송되는 영역(13.2)은 약 45℃ 이하, 더욱 바람직하게는 약 45℃ 이하, 가장 전형적으로 약 20° 내지 약 40℃의 온도에서 유지된다. 이 경우에, 뜨거운 순환 흡수액이 가스/액체 접촉 구역으로부터 제거되는 영역(13.1)의 온도는 바람직하게는 약 50℃ 이하, 더욱 바람직하게는 40℃ 이하, 더욱 전형적으로 약 25° 내지 약 35℃의 온도에서 유지된다. 각각의 경우에, 영역(13.1)과 영역(13.2) 사이의 순환 속도는 이러한 온도 제약 및 흡수 공정의 단위 에너지 발생에 의하여 좌우된다.
편리하게는, 뜨거운 이산화황-농후화 흡수액(17)의 전향 흐름 분획이 외부 열교환기(80)의 순환 흡수액 스트림 상류로부터 인출되고 흡수액 스트리퍼(30)로 보내진다.
순환 흡수액 반송 영역(13.2)의 위치는 이산화황 흡수 구역에 대한 흡수 프로파일에 기초하여 선택될 수 있다. 상이한 흡수 매질을 사용한 전형적인 프로파일이 도 6에 도시된다.
가스/액체 접촉 구역에서 공급 가스와 흡수 매질의 접촉 시 흡수가 즉각적이고 실질적으로 정량적인 경우, 보통 단일 흡수액 냉각 회로가 흡수 효율을 보존하고 흡수액의 부피 흐름을 흡수액 스트리퍼에서의 효율적인 에너지 이용과 일치하는 수준으로 제어하기에 충분하다. 그러나, 이산화황에 대한 흡수제의 친화도가 더욱 제한되는 경우, 흡수액 스트리퍼의 효율적인 조업의 목적을 위하여 또한 바람직한 것과 같이, 흡수 구역을 통한 이산화황 농도 구배, 즉 가스 스트림 (및 액체 스트림) 중의 이산화황의 농도가 흡수 구역에 대한 가스 입구 위의 거리에 따라 감소하는 비율이, 유일하게 적당할 수 있다. 그러한 상황에서, 흡수기 및 스트리퍼의 조업에서 더 큰 효율이 흡수 구역 내의 가스 흐름 경로를 따라 수직으로 배치된 둘 이상의 냉각 루프 사용에 의하여 실현될 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시되는 바와 같이, 둘의 그러한 냉각 루프가 나타난다. 제2 냉각 루프에서, 흡수기(11)의 가스/액체 접촉 구역(13)을 하강하는 뜨거운 이산화황-농후화 흡수액의 제2 부분은 냉각된 순환 흡수액이 제1 냉각 루프 내의 가스/액체 접촉 구역으로 반송되는 영역(13.2) 위의 영역(13.3)으로부터 인출되고 흡수열이 냉각 유체로의 열전달에 의하여 제거되는 외부 열교환기(81)를 통하여 순환된다. 냉각된 흡수액은, 뜨거운 흡수액이 인출되는 영역(13.3) 위에 배치되지만 가스/액체 접촉 구역의 상부 아래에 배치되는, 가스/액체 접촉 구역의 영역(13.4) 중의 흡수기로 반송된다.
도 7은 이산화황이 단지 흡수제에 대한 적당한 친화도를 가져, 이산화황 구배가 비교적 완만한 흡수기/스트리퍼 시스템의 조업을 도시한다. 도 7은 각각의 사례에서 상부, 즉, 구역의 가스 출구로부터 전달 유닛의 거리로서 표현된 흡수 구역 내의 위치의 함수로서, 흡수 구역 내의 흡수액의 온도 및 가스 스트림 이산화황 농도를 플로팅하고, 시스템에 대한 상이한 곡선은 각각 영의 냉각 루프, 하나의 냉각 루프, 둘의 냉각 루프, 및 셋의 냉각 루프를 포함한다. 하나, 둘, 또는 셋의 냉각 루프의 효과에 대한 데이터가 또한 아래 표 1에 제시된다.
표 1: 스팀 요구량에 대한 냉각 루프의 영향
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도 7에 플로팅되고 표 1에 작성된 데이터는 흡수기가 15 단을 포함하는 이산화황 흡수 시스템(본질적으로 전달 유닛에 상응함)에서 기인한다. 순환 흡수액이 냉각되는 각각의 경우에서, 인출 영역이 단 15이고 반송 영역이 단 13인 적어도 하나의 루프가 존재하고, 즉, 반송 영역이 흡수 구역의 하부로부터 본질적으로 둘의 전달 유닛의 높이만큼 이격되고 구역의 상부로부터 12 유닛의 높이만큼 이격된다. 제2 루프가 부가될 경우, 인출 영역은 단 10이고 반송 영역은 단 8이며, 제3 루프가 사용될 경우, 인출 영역은 단 5이고 반송 영역은 단 3이다.
이러한 플롯 및 도표는 공정의 전체 에너지 효율에 대한 기여에 있어어 하나 이상의 냉각 루프의 유용성을 도식적으로 도시한다. 표 1에 나타난 바와 같이, 하나의 냉각 루프는 냉각이 없는 조업과 비교하여 흡수액 스트리퍼에서의 스팀 사용을 약 15% 감소시킨다. 둘의 냉각 루프를 사용하는 조업은 냉각이 없는 조업과 비교하여 스팀 소비를 24% 감소시키고; 셋의 루프를 사용하는 조업은 냉각이 없는 조업과 비교하여 스팀 소비를 25% 감소시킨다. 냉각 없이, 온도는 31℃의 최대에 도달한다. 최대 온도는 하나, 둘, 또는 셋의 냉각 회로의 도입으로써 각각 27℃, 22.5, 및 19℃까지 강하한다.
조업이 도 7 및 표 1에 반영되는 시스템과의 비교에 의하여, 오직 단일 냉각 루프만이 흡수제로서 말산 나트륨과 같은 다양성자성 산을 사용하는 이산화황 흡수 공정에서 전형적으로 정당화될 것이다.
도 5에 도시된 공정의 나머지는 실질적으로 도 1 또는 도 2에 대하여 위에 기재된 방식으로 조업된다. 그러나, 본 발명에 따른 흡수기(11) 내의 흡수 매질 온도 상승 제어가, 스트리핑된 응축물로부터 발생한 1차 스트리퍼 가스 배출물 또는 스팀 압축에 의하여 스트리핑 스팀을 발생시키기 위한 에너지원 제공과 별개로 실시될 수 있음을 이해해야 한다 (즉, 공정은 흡수액 스트리핑 컬럼(30)을 위한 에너지원으로서 재비기(37)에 전적으로 의존할 수 있다).
일렬 농후 및 희박 가스 흡수 및 스트리핑 회로
도 8은 일렬로 조업되는 둘의 개별적인 흡수 및 스트리핑 회로에 오염물질 가스 흡수 듀티(duty)를 분할하여 현저하게 적은 배출을 달성하면서 현저한 에너지 절감이 실현되는 시스템을 도시한다. 도 8에 관하여 기재되는 바와 같이, 공정은 이산화황의 회수에 적용된다. 그러나, 공정은 흡수된 가스 및 용매, 전형적으로 물 사이의 현저한 휘발도 차이가 존재하는 흡수액을 생성하는 수성 시스템에서 흡수를 거치는 다른 가스의 회수에도 적용 가능하다. 그러한 흡수 시스템에서, 동시계류 중인 제13/283,671호에 개시되는 바와 같이, 흡수 반응은 전형적으로 비-0차이다. 도 10 및 11에 도시되는 바와 같이, 흡수기 내의 임의의 주어진 L/G 및 흡수제 대 SO2 비율에서, 흡수기 배기 가스 중의 잔류 SO2 농도는, SO2가 흡수액으로부터 회수되는 스트리퍼로의 스팀의 속도에 따라 변한다. 도 12에 도시되는 바와 같이, 이는 스트리퍼로의 스팀 속도가 감소함에 따라 흡수기로 재순환된 재생된 흡수 매질 중의 잔류 SO2 농도가 증가하고, 이에 의하여 SO2 흡수를 위한 추진력이 감소하기 때문이다. 가스 흐름에 대하여 직렬인 두 흡수기에 흡수 듀티를 분할하는 것은, 제1 농후 가스 흡수기에서 적당한 L/G 및 흡수제 대 SO2 비율에서 공급 가스로부터 대부분의 이산화황이 제거되도록 하여, 훨씬 감소되기는 하지만 전형적으로 배출 기준을 만족시키는 및/또는 목표 황 수율을 충족시키는 수준까지는 감소되지 않은 이산화황 함량을 가지는 희박 가스가 생성된다. 이후 허용 가능한 잔류 설계 목표 농도에 이르는 나머지 이산화황이, 비교적 높은 흡수제 대 SO2 비율에도 불구하고 마찬가지로 비교적 적당한 L/G에서, 가스 흐름의 방향으로 농후 가스 흡수기의 하류에 있는 희박 가스 흡수기에서 희박 가스로부터 제거될 수 있다.
도 8을 참조하면, 각각의 흡수기가 흡수기를 나가는 흡수액으로부터 이산화황을 제거하기 위한 스트리퍼와 연계됨을 알 것이다. 공정의 조업에서, 소스 가스를 포함하는 공급 가스 스트림(110)이 농후 가스 흡수기(101)에서 수성 농후 가스 흡수 매질(103)과 접촉한다. 공급 가스 중의 대부분의 이산화황이 가스 스트림으로부터 제거되어, 잔류 이산화황을 함유하는 희박 가스(113) 및 흡수된 이산화황을 함유하는 농후 흡수액(105)이 생성된다. 농후 가스 흡수액은 농후 흡수액 스트리퍼(107)로 전달되고 여기서 이산화황은 바람직하게는 스트리퍼에서 흡수액과 스팀의 접촉에 의하여 농후 흡수액으로부터 스트리핑된다. 바람직하게는, 농후 가스 흡수기(101)는 충전물, 트레이, 또는 기체상과 액체상 사이의 물질전달을 촉진하는 다른 수단을 포함하는 수직 가스/액체 접촉 구역(101.1)을 포함하는 컬럼을 포함한다. 공급 가스는 하부에 들어가고, 희박 가스는 가스/액체 접촉 구역의 상부를 나가며 흡수기에 대한 가스 출구를 통하여 인출되는 한편, 농후 가스 수성 흡수 매질은 구역의 상부에 들어가고 농후 흡수액이 바닥을 나간다. 즉, 흡수 매질과 기체상이 구역을 통하여 향류로 흐른다. 농후 가스 흡수 구역의 하부를 나가는 농후 흡수액(105)은 흡수기의 액체 출구를 통하여 인출되고 농후 흡수액 스트리퍼(107)로 전달된다.
농후액 스트리퍼(107)로의 수송에서, 농후 가스 흡수액(105)은 바람직하게는 임의의 다양한 다른 공정 스트림으로부터의 에너지 회수에 의하여 예열되고, 이에 의하여 그러한 스트림이 나오는 다른 공정 조업에서 공정으로 유도된 열이 보존된다. 주요 예로서, 흡수액은 농후액 스트리퍼로부터 농후 가스 흡수기(101)로 반송되는 재생된 농후 가스 흡수 매질(103)로부터 열이 전달되는 상호교환기(147)를 통과할 수 있다. 상호교환기(147)에 들어가기 전에, 흡수액은 이것이 아래 언급되는 바와 같은 또 다른 편리한 공급원으로부터의 열전달에 의하여 가열되는 또 다른 열교환기(149)를 임의로 통과할 수 있다.
농후액 스트리퍼(107)는 바람직하게는, 충전물, 트레이 또는 액체상과 증기상 사이의 물질전달을 촉진하는 다른 수단을 포함하는 수직 증기/액체 접촉 구역(107.1)을 포함하는 스트리핑 구역을 포함하는 컬럼을 또한 포함한다. 스트리퍼는 바람직하게는, 구역의 상부에 도입되는 농후 흡수액 및 하부에 도입되는 스팀으로써 향류로도 조업된다. 임의로, 스팀 대신에 또는 스팀에 부가하여, 액체상은 이로부터의 이산화황 스트리핑을 위하여 액체상에 열을 전하는 재비기(나타나지 않음)를 통하여, 구역의 하부로부터 또는 그 근처에서 순환될 수 있다. 재생된 농후 가스 흡수 매질(103)은 증기/액체 접촉 구역의 하부를 나가고, 농후액 스트리퍼(107)의 액체 출구를 통하여 인출되며, 공급 가스의 추가의 흐름으로부터 이산화황을 제거하기 위하여 농후 가스 흡수기(101)로 재순환된다. 유리하게는, 재생된 농후 가스 흡수 매질은 열교환기(147)에서 농후 가스 흡수액(105)로의 열전달에 의하여 반송 시 냉각된다. 황산염이 농후 가스 시스템 흡수 매질 회로에 축적될 경우, 이는 필터 또는 원심분리기(151)에 의하여 나중에 제거될 수 있는 황산 나트륨을 결정화시키기에 충분한 온도까지, 열교환기(111)에서 재생된 농후 가스 흡수 매질의 슬립스트림을 냉각하여 제거될 수 있다.
농후 가스 흡수기에서 제거되지 않은 SO2를 함유하는 희박 가스(113)는 농후 가스 흡수 구역(101.1)의 상부를 나가고, 농후 가스 흡수기(101)의 가스 출구로부터 인출되며, 희박 가스 흡수기(115)의 가스 입구에 보내진다. 희박 가스 흡수기는 바람직하게는, 충전물 또는 트레이와 같은 물질전달을 촉진하는 수단을 포함하는 가스/액체 접촉 구역(115.1)을 포함하는 수직 흡수 구역을 포함하는 컬럼을 또한 포함한다. 희박 가스는 가스/액체 접촉 구역의 하부로 들어가는 한편 희박 가스 흡수 매질은 구역의 상부로 들어가며, 가스상 및 액체상은 바람직하게는 구역을 통하여 향류로 흐른다. 희박 가스 중의 잔류 이산화황은 희박 가스 흡수기에서 제거되고 흡수 매질로 전달되어, 희박 가스 흡수액(117)이 산출되고 이는 희박 가스 흡수 구역(115.1)의 하부를 나가고 희박 가스 흡수기(115)로부터 이의 액체 출구를 통하여 인출된다. 공정으로부터의 배출의 허용 가능한 수준 및/또는 황 수율에 대한 목표 규격을 충족시키는 청정 가스 스트림이 희박 가스 흡수 구역의 상부를 나가고 희박 가스 흡수기로부터 이의 가스 출구를 통하여 인출된다. 위에 기재된 바와 같이, 이 가스는 미스트 제거기를 통과하고 플룸의 형성을 억제하기 위하여 약간 가열될 수 있다.
희박 흡수액(117)은 희박액 스트리퍼(119)로 보내진다. 희박액 스트리퍼는 바람직하게는, 충전물, 트레이 또는 액체상과 증기상 사이의 물질전달을 촉진하는 다른 수단을 포함하는 수직 증기/액체 접촉 구역(119.1)을 포함하는 컬럼을 또한 포함한다. 스트리퍼는 바람직하게는, 구역의 상부에 도입되는 희박 흡수액 및 하부에 도입되는 스팀으로써 향류로도 조업된다. 임의로, 스팀 대신에 또는 스팀에 부가하여, 액체상은 이로부터의 이산화황 스트리핑을 위하여 액체상에 열을 전하는 재비기(109)를 통하여 구역의 하부로부터 또는 그 근처에서 순환될 수 있다. 재생된 희박 흡수 매질(121)은 증기/액체 접촉 구역의 하부를 나가고, 스트리퍼의 액체 출구를 통하여 인출되며, 희박 가스 흡수기로 재순환된다. 희박 가스 흡수기(115)로의 역수송에서, 재생된 희박 가스 흡수 매질은, 예를 들어, 열교환기(153)에서 탑 물 또는 다른 편리한 냉각 유체로의 열전달에 의하여 임의로 냉각될 수 있다. 예를 들어, 도 8에 나타나는 바와 같이, 열교환기(153)는 희박액 스트리퍼로의 수송에서 희박 흡수액을 예열하기 위하여 사용되는 재생된 희박 가스 흡수 매질로부터 전달된 열과의 상호교환기일 수 있다.
황산 나트륨이 재생된 희박 가스 흡수 매질에 축적될 경우에 그리고 축적되므로, 퍼지 스트림은 황산 나트륨이 제거되는 결정화 및 여과 시스템으로 우회할 수 있다. 공통 결정화기/필터 회로는 농후 및 희박 흡수기/스트리퍼 회로 모두에 작용할 수 있다 . 그러한 경우에, 재생된 희박 가스 흡수 매질의 퍼지 분획은 바람직하게는, 결정화기에 전달된 재생된 농후 가스 흡수 매질의 퍼지 분획과 혼합된다. 비록 공통 결정화기가 두 가지 회로 모두에 작용할 수 있기는 하지만, 개별적인 용매 탱크가 공정에서 각각의 재생된 흡수 매질의 저장, 이의 pH의 조정 및 흡수제의 구성을 위하여 유지된다.
도 8에 도시되는 바와 같은 바람직한 공정에서, 두 스트리퍼로부터의 스트리퍼 가스는 편리하게는 조합되어 스트리퍼 공정 가스(123)를 제공할 수 있고, 이는 바람직하게는 스팀 이젝터 또는 압축기(나타나지 않음)에서 압축된 다음 냉각기 응축기(125)에서 수증기의 응축을 위하여 냉각된다. 냉각기/응축기로부터의 응축물은 이것이 잔류 SO2의 스트리핑을 위하여 스팀과 접촉하는 응축물 스트리퍼(127)에 보내진다. 냉각기/응축기(125)로부터의 배기 가스는 응축물 스트리퍼(127)로부터의 응축물 스트리퍼 가스와 조합되어 최종 조합 스트리퍼 가스(습윤 회수 SO2 스트림)(133)가 생성되고 이는 전형적으로, 예를 들어 열교환기(135 및 137)에서, 추가로 냉각되며 공정으로부터 제거된다. 열교환기(135 및 137)에서 습윤 회수 SO2 스트림 냉각에 의하여 형성된 추가의 수성 응축물은 응축물 스트리퍼(127)로 반송된다. SO2 냉각기/응축기(135)에서 회수된 냉각 매질은, 예를 들어, 희박 가스 흡수기(115)로부터의 배기 가스일 수 있고 회수된 SO2 냉각기/응축기(137)에서 냉각 매질은 농후 가스 흡수기(101)를 나가는 풍부한 농후 가스 흡수액일 수 있으며, 이러한 경우에 열교환기(137) 및 열교환기(149)는 하나이고 동일할 수 있다. 배기 가스의 가열이 스택에서 플룸 형성 방지를 돕는 한편 흡수액의 예열은 농후액 스트리퍼에서 에너지를 보존한다. 회수된 SO2 스트림으로부터의 물의 냉각 및 응축은 하류 조업을 위하여 이 스트림을 컨디셔닝하는 것을 돕고, 예를 들어, 이는 접촉식 황산 플랜트의 전환기에 도입되기 전에 회수된 SO2가 통과할 수 있는 건조탑에서 부하를 감소시킬 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같은 공정의 바람직한 구체예에서, 희박액 스트리퍼의 상부 섹션에서 희박 흡수액의 온도의 수증기로 본질적으로 포화된 이산화황을 포함하는, 희박액 스트리퍼로부터의 스트리퍼 가스 배출물은 농후액 스트리퍼를 위한 스트리핑 스팀의 공급원으로서 사용된다. 이러한 흐름 패턴은 농후 가스 흡수기에 들어가는 가스 스트림이 비교적 높은 SO2 또는 다른 오염물질 가스 함량, 예를 들어, 약 40부피% 초과, 바람직하게는 약 30부피% 초과, 더욱 전형적으로 약 0.2 내지 약 10부피%를 가지는 경우 특히 유리할 수 있다. 유입 가스 스트림이 비교적 낮은 SO2 함량, 예를 들어, 약 5중량% 미만, 또는 약 0.1 내지 약 2부피%를 가질 경우, 농후액 스트리퍼를 위한 재비기에 간접적으로 또는 스트리핑 컬럼 자체에 직접 주입되는 직접 증기에 의하여 직접적으로, 개별적인 열원을 농후액 스트리퍼에 제공할 필요가 있을 수 있다.
또 다른 바람직한 구체예에서, 바람직하게는 희박 스트리퍼 공정 가스(131)보다 더 낮은 SO2 함량의, 더욱 바람직하게는 실질적으로 SO2가 없는 또 다른 공급원으로부터의 직접 증기(129a)가 농후액 스트리퍼(107) 내의 가스/액체 접촉 구역(107.1)의 하부에 도입된다. 이 구체예에서, 희박액 스트리퍼(119)를 나가는 희박 스트리퍼 가스(131)는 바람직하게는 농후액 스트리퍼 가스/액체 접촉 구역(107.1)의 하부에서 액체 출구 주위로 우회되고, 실질적으로 SO2가 없이 들어가는 스팀(129a)으로써 액체상으로부터의 SO2 스트리핑을 가능하게 하도록 액체상 (재생된 흡수 매질) 출구의 충분히 위에 배치된 지점에서 구역(107.1)에 도입된다. 이 구체예에서, 스트리퍼(107)로의 희박 스트리퍼 가스의 전달을 위한 도관(131a)은 스트리퍼(119)의 기체상 출구와 농후액 스트리퍼 접촉 구역(107.1)으로의 희박 스트리퍼 가스 진입 지점 사이의 압력 강하를 최소화하기 위하여 충분히 크기가 정해져야 한다.
추가의 임의적인 구체예에서, 희박 스트리퍼 가스(131)는, 농후액 스트리핑 구역(107.1)에서 농후 흡수액으로부터 전달된 것 이외에 실질적으로 SO2가 농후 흡수액을 위한 스트리핑 스팀에 없도록, 도관(131b)을 통하여 농후액 스트리퍼(107)를 완전히 우회할 수 있다. 이후 농후 스트리퍼 가스(122)는 희박 스트리퍼 가스(131)와 조합되어 스트리퍼 공정 가스 스트림(123)을 형성할 수 있다. 따라서, 이 구체예에서, 두 스트리퍼가 직렬이기보다는 완전히 병렬로 가동되지만, 배출 가스가 여전히 조합되어 스트리퍼 공정 가스 스트림(123)이 형성된다. 유연성을 제공하기 위하여, 스트리퍼(107) 및 스트리퍼(119) 양자 모두는, 하나 또는 다른 스트리핑 컬럼이 사용 정지되어야 할 경우에도 조업을 유지하기 위하여 스트리핑 부하를 완전히 운반하도록 크기가 정해진다. 이러한 용량은 공정 중단 또는 휴지가 최소이며 고 생산 부피에서 신뢰성 있게 조업되어야 하는 고 자본 설비에서, 예를 들어, 석유 정제 조업의 탈황 유닛에서 또는 황산 mfg.에서 특히 중요할 수 있다. 그러한 조업 양식에서, 스트리핑 컬럼 중 하나가 사용 정지되어야 할 경우, 공정의 조업은 단일 흡수 및 스트리핑 회로로 전환되고, 여기서, 예를 들어, 재생된 흡수 매질이 흡수기(115)의 상부로 재순환될 수 있고, 흡수기(115)를 나가는 액체상이 흡수기(101)의 상부에서 액체 입구에 전달될 수 있으며, 흡수기(101)를 나가는 흡수액이 기능 중인 단일 스트리퍼로 전달될 수 있다.
또 다른 구체예에서 (나타나지 않음), 제3 스트리핑 컬럼이 제공되고, 스트리퍼 중 임의의 둘이 도 8의 공정계통도에 따라 동시에 조업되면서 다른 하나가 사용 대기 중일 수 있거나; 원하는 경우, 고 처리량 농후/희박 조업 동안 농후 또는 희박 흡수액을 스트리핑하기 위한 부가 용량을 제공하기 위하여 스트리퍼(107 또는 119)와 병렬로 조업될 수 있도록 크기가 결정된다.
추가의 바람직한 구체예에서, 스트리퍼 공정 가스로부터의 수증기 응축은 농후액 및 희박액 스트리퍼 중 하나 또는 둘 모두를 위한 스트리핑 스팀을 발생시키기 위하여 사용된다. 스트리퍼 공정 가스는 농후액 스트리퍼(107)로부터의 농후 스트리퍼 가스 배출물, 희박액 스트리퍼(119)로부터의 희박 스트리퍼 가스, 또는, 위에 언급한 바와 같이, 두 스트림의 조합을 포함할 수 있다. 특히 바람직한 구체예에서, 도 8에 도시된 바와 같이, 스트리퍼 공정 가스는 농후액 스트리퍼(107)로부터 인출된 농후 스트리퍼 가스(123)로 필수적으로 이루어지며, 이는 농후액 및 희박액 모두로부터 스트리핑된 SO2를 포함한다. 대안으로, 스트리퍼 공정 가스(123)는 농후액 스트리퍼(107)를 떠나는 농후액 스트리퍼 가스(122)를, 농후액 스트리퍼(107) 주위로 우회되고 기체상 흐름에 대하여 스트리퍼(107)의 농후 스트리퍼 가스(122) 하류와 혼합된 희박액 스트리퍼 가스(131b)와 조합하여 형성될 수 있다. 스트리퍼 공정 가스는 스트리퍼 공정 가스 냉각기(125)에서 냉각되어 이로부터 물이 응축되고 응축물이 제공되며 이는 도 1 및 2의 응축물 스트리퍼와 본질적으로 동일한 방식으로 조업되는 응축물 스트리퍼(127)에 보내진다. 응축물 스트리퍼(127)를 나가는 스트리핑된 응축물의 적어도 분획이 스트리퍼 가스로부터 물을 응축하기 위한 냉각 유체로서 스트리퍼 공정 가스 냉각기(125)에 다시 보내지는 것이 또한 바람직하다. 스트리퍼 공정 가스 냉각기가 스트리핑된 응축물로부터 스팀을 발생시키기 위하여 조업되고, 이렇게 발생한 스팀(129)의 적어도 일부가 도관(129a)을 통한 흡수액 스트리퍼(107) 및 도관(129)을 통한 흡수액 스트리퍼(119) 중 하나 또는 둘에 스트리핑 스팀의 공급원으로서 보내지는 것이 추가로 바람직하다. 특히 바람직한 구체예에서, 도 8에서 실선 흐름선으로 도시되는 바와 같이, 스트리퍼 공정 가스 냉각기/응축기(125)에서 스트리퍼 공정 가스와 스트리핑된 응축물 사이의 열교환에 의하여 발생한 스팀(129)이 주로 희박액 스트리퍼(119)의 증기 입구에 보내지고, 농후액 스트리퍼를 위한 스팀의 공급원(131)이 주로 도 8에 추가로 도시되는 바와 같이 희박액 스트리퍼의 가스 배출물로부터 인출된다. 따라서, 추가의 에너지 효율이 구현된다. 비록, 농후 시스템 스트리퍼(107)에서의 탈착을 위한 추진력이 희박액 스트리퍼(119)에서 스트리핑된 SO2에 의하여 기여된 기체상 SO2 함량의 작은 증분에 의하여 상당하게 발휘되지 않을 수 있지만, 임의의 유해한 효과가 냉각기/응축기(125)에서 발생한 스팀의 일부를 라인(129a)를 통하여 농후액 스트리퍼에 직접 보내고 희박 스트리퍼 가스를 농후액 스트리퍼 구역(107.1)으로부터의 액체상 출구 위에 배치된 지점에서 농후액 스트리퍼에 도입하여 회피될 수 있다.
도 8에 또한 도시되는 바와 같이, 농후액 스트리퍼를 나가는 스트리퍼 공정 가스(123)가, 예를 들어 스팀 제트 이젝터(155)에 의하여, 스트리퍼 공정 가스 냉각기/응축기(125)에서 스트리핑된 응축물로부터 스팀을 발생시키기 위하여 사용될 수 있기에 충분한 압력까지 압축되는 것이 더욱 바람직하다. 농후액 스트리퍼, 증기 압축, 및 스트리퍼 공정 가스 냉각기-응축기/스트리퍼 응축물 보일러의 조업 조건은 실질적으로 도 1에 대하여 위에 기재된 바와 같다.
도 8에 나타나는 바와 같이, 응축물 스트리퍼(127)를 나가는 스트리핑된 응축물 스트림(139)은 증기/액체 분리기(141)에 보내지고, 스트리퍼 공정 가스로부터의 열전달이 희박액 스트리퍼(119)를 위한 스팀(129)을 발생시키는 냉각기/응축기(125)와 분리기 사이의 라인(143)을 통하여 순환된다. 스트리핑된 응축물 및 스팀은 분리기(141)에서 분리되고, 스팀(129)은 바람직하게는 스트리퍼(119)에 보내지고, 스트리핑된 응축물의 적어도 일부는 스트리핑 스팀으로의 전환을 위한 라인(143)을 통하여 희박액 스트리퍼 가스 냉각기/응축기(125)로 순환된다. 증기/액체 분리기(141)를 나가는 스트리핑된 응축물의 다른 부분은, 희박 가스 흡수기(115), 농후 가스 흡수기(101) 또는 양자 모두로의 반송을 위하여, (나타나지 않는 라인을 통하여) 임의로 재순환되고 재생 희박 가스 흡수 매질(121) 또는 농후 가스 흡수 매질(103)과 조합될 수 있고, 스트리핑된 응축물의 나머지(145)는 시스템으로부터 퍼징될 수 있다.
대안으로, 스트리퍼 가스 냉각기/응축기(125)의 스트리핑된 응축물측은 열교환기 자체 내에서 물로부터 스팀의 이탈을 허용하도록 설계되어, 개별적인 증기/액체 분리기의 필요 없이 비말동반된 물이 실질적으로 없는 스팀 흐름이 냉각기/응축기로부터 흡수기로 직접 지나도록 허용할 수 있다. 이 예에서, 스트리핑된 응축물 보일러(125)를 나가는 스트리핑된 응축물은, 분리기(141)에 대하여 위에 기재된 바와 같이, 증기/액체 분리기를 나가는 스트리핑된 응축물과 동일한 방식으로 분포될 수 있다.
1차 스트리퍼 가스 냉각기/응축기(125)에서 발생한 증기는, 라인(129)을 통하여 스트리퍼(119)에 도입되고 여기서 증기/액체 접촉 구역(119.1)에서 희박 흡수액과 접촉하고, 희박 흡수액에 열을 공급하면서 액체상으로부터 이산화황을 제거하기 위한 스트리핑 가스로서 기능을 한다. 희박 흡수 액체 스트리퍼에서 액체상의 가열은 액체상 중의 이산화황의 평형 농도를 감소시키고, 증기상으로의 이산화황의 전달을 위한 추진력을 증대시킨다. 액체상으로의 열전달에서, 냉각기/응축기(125)에서 스트리핑된 응축물로부터 발생한 스팀은 부분적으로 희박액 스트리퍼 내에서 응축하고, 따라서 본질적으로 응축 가능 스트리핑 가스로서 작용한다. 임의로, 스트리퍼 공정 가스 냉각기/응축기에서 스트리핑된 응축물로부터 발생한 스팀에 의하여 공급된 스트리핑 열은 흡수액 스트리퍼로부터의 액체상이 순환되는 재비기(109)에서 외부 공급원으로부터 공급된 열에 의하여 보충될 수 있다. 보조 재비기는 공정의 수분 수지 제어에서 완전한 유연성을 제공한다. 전형적으로, 재비기를 통과할 흡수액은 스트리퍼의 집수조로부터 인출되고 집수조 위의 희박액 스트리퍼 증기/액체 접촉 구역(119.1)의 저위 부분으로 반송된다.
개별적인 농후 가스 및 희박 가스 흡수 및 스트리핑 회로를 포함하는 시스템의 조업은 SO2와 H2O 사이의 현저한 휘발도 차이를 이용하여 주요 에너지 절감에 대한 기회를 제공한다. 따라서, 농후 가스 흡수기는 이산화황의 정량적 제거를 달성할 필요가 없으며, 이는 비교적 적당한 부피의 수성 농후 가스 흡수 매질 및 비교적 낮은 흡수제 대 SO2의 당량비가 대부분의 이산화황을 제거하기에 효과적이고, 희박 가스 흡수기의 흡수 용량에 대하여 적당한 부하만을 부과하기에 충분함을 의미한다. 예를 들어, 말산염과 같은 다양성자성 카복실산 염 흡수제 중의 SO2 흡수의 경우에, 흡수제가 농후 가스 흡수기에 도입되는 속도 대 SO2가 흡수기에 도입되는 속도의 화학량론적비는 바람직하게는 약 0.6 이하, 더욱 바람직하게는 약 0.3 내지 약 0.5이다. 농후 가스 흡수기에서 질량비 L/G는 전형적으로 약 0.1 내지 약 50, 더욱 전형적으로 0.1 내지 40, 바람직하게는 0.1 내지 30이다. 이들 범위의 하한은 일반적으로 비교적 낮은 것부터 적당한 것까지, 예를 들어, ≤5부피%의 입구 SO2 농도일 경우 바람직할 것이고, 범위의 상한은 고 SO2 농도, 예를 들어, 30-40% 이상에서 바람직할 것이다. 비교적 낮은 L/G와 함께, 농후 가스 흡수기에서 우세한 최대 추진력은 전형적으로 적어도 약 0.5중량% SO2, 더욱 전형적으로 약 0.8 내지 약 15중량% SO2를 함유하는 농후 가스 흡수액을 생성할 수 있다. 유사한 공정 파라미터가 말산염 이외의 SO2 흡수제에, 그리고 CO2, NOx, H2S, 또는 HCl과 같은 다른 산 가스의 흡수에, 그뿐만 아니라 NH3와 같은 다른 흡수 가능 가스에 적용된다.
농후 가스 흡수액이 상대적으로 농축되므로, SO2는 적당한 스팀 소비만으로 농후액 스트리퍼에서 용이하게 회수된다. 여러 이유로, 단지 비교적 낮은 스팀 대 흡수 액체 흐름 비율이 농후액 스트리퍼에서 요구된다. 농후 흡수액 중의 비교적 높은 이산화황 농도는 농후액 스트리퍼의 증기상에서 평형 이산화황 부분압을 증가시키고 따라서 증기상으로의 물질전달이 선호된다. 동시에, 농후액 흡수기를 나가는 희박 가스가 희박액 흡수기에서 세정될 수 있으므로, 재생된 농후 가스 흡수 매질 중의 비교적 높은 이산화황 잔류 농도가 용인될 수 있다. 물과 이산화황 사이의 현저한 휘발도 차이가 주어지면, 단지 비교적 작은 스팀 대 농후 흡수액의 비율이, 농후 가스 SO2 흡수기에 반송되는 탈착된 용매의 필요 SO2 흡수 용량에 중요한 영향을 미치지 않는 수준까지 SO2의 거의 정량적인 제거를 달성하기 위하여 필요하다. 따라서, 예를 들어, 농후액 스트리퍼에 도입되는 스팀 대 SO2의 질량비는 약 8 이하, 더욱 전형적으로 약 0.2 내지 약 8, 더욱더 전형적으로 약 0.3 내지 약 6, 바람직하게는 약 0.3 내지 약 4의 값에서 제어될 수 있다. 이는 실질적으로 동일한 농후액 흡수기에 들어가는 스팀 대 SO2의 비율에 일치한다. 농후액 스트리퍼에서, 재생된 흡수 매질 중의 잔류 SO2 농도는 전형적으로, 소스 가스의 SO2 함량이 4% 미만인 경우 약 0.02중량% 이상, 또는 약 0.02중량% 내지 약 1.5중량%, 또는 약 0.02중량% 내지 약 0.5중량% 또는 약 0.03중량% 내지 약 0.3중량%의 수준까지 감소된다. 공급 가스 중의 더 높은 SO2 함량에서, 재생된 흡수 매질의 SO2 함량은 실질적으로 더 높은 범위, 예를 들어, 적어도 약 0.3중량%, 또는 약 0.2 내지 약 8중량%, 또는 약 0.4 내지 약 7중량%, 또는 약 0.5 내지 약 6중량%, 또는 약 0.8 내지 약 15중량%에 있을 수 있다.
농후 가스 흡수기에서 유지되는 비교적 거센 조건하에서도, 농후 가스 흡수기 및 희박 가스 흡수기의 조합된 조업에 의하여 제거된 가스의 합계의 높은 비율, 예를 들어, 적어도 85%, 또는 더욱 전형적으로 90%, 95% 또는 심지어 99%가 농후 가스 흡수기 단독에서 제거될 수 있고, 본질적으로 동일한 비율의 총 유입 오염물질 가스 함량의 또한 농후 가스 흡수기에서 제거될 수 있다. 예를 들어, 말산염 또는 테트라글라임 흡수제 용액 중의 SO2 흡수의 경우에, 농후 가스 흡수기를 나가는 희박 가스 전형적으로 약 0.5부피% 이하, 더욱 전형적으로 약 0.4부피% 이하, 바람직하게는 약 0.01 내지 약 0.3부피%, 더욱 바람직하게는 약 2,000 이하, 가장 바람직하게는 약 100 내지 약 1,500 부피 ppm SO2를 함유한다. 농후 가스 흡수기에서 SO2 수준을 지나치게 낮추는 것이 재생된 농후 가스 흡수 매질의 SO2 함량을 전체 공정 효율을 위하여 필요하지 않은 매우 낮은 수준으로 감소시키는 것을 필요로 할 수 있지만, 농후액 스트리퍼 내의 스팀의 최적 소비 이상을 필요로 함을 이해해야 한다.
농후액 스트리퍼를 나가는 농후 스트리퍼 가스의 SO2 함량은 바람직하게는 적어도 15부피%, 더욱 바람직하게는 적어도 약 20부피%, 더욱더 바람직하게는 적어도 약 25부피%이다. 농후 스트리퍼 가스는 전형적으로 10부피% 내지 약 60부피%, 또는 20부피% 내지 50부피%, 또는 바람직하게는 약 25부피% 내지 약 40부피% SO2를 함유할 수 있다. 추가의 예로서, 농후 스트리퍼 가스의 SO2 함량은 농후 가스 흡수기로의 공급 가스의 SO2 함량 및 재생된 흡수 매질의 SO2 함량과 상관관계가 있을 수 있다. 따라서, 공급 가스의 이산화황 함량이 약 1000 ppm 내지 약 4000 ppm이고 재생된 농후 가스 흡수 매질의 이산화황 함량이 약 0.5 내지 약 2중량%인 경우, 농후액 스트리퍼로부터의 농후 스트리퍼 가스 배출물의 이산화황 함량은 약 25부피% 내지 약 45부피%이고, 이는 단일 흡수기/스트리퍼 회로에서 발생한 스트리퍼 가스 중의 수증기 부하보다 실질적으로 낮은 수증기 부하에 상응한다. 또 다른 예를 들면, 공급 가스의 SO2 함량이 훨씬 더 높고, 즉, 약 40부피%이고, 재생된 농후 가스 흡수 매질의 SO2 함량이 약 1.5 내지 약 8.0중량%인 경우, 농후액 스트리퍼로부터의 농후 스트리퍼 가스 배출물의 이산화황 함량은 약 40부피% 내지 약 60부피%이다. 재생된 농후 가스 흡수 매질 중의 그러한 비교적 높은 이산화황 잔류 수준은 재생된 흡수 매질의 용량에 부정적인 영향을 미치지 않아, 소스 가스 및 공급 가스 중의 고비율의 공정에 들어가는 SO2가 제거된다.
배출 규격을 만족시키거나 황 수율 목표를 충족시키기 위하여 흡수제 대 SO2의 더 높은 비율이 농후 가스 흡수기에서보다는 희박 가스 흡수기에서 요구될 수 있지만, 희박 가스 흡수기 내의 질량비 L/G는 일반적으로, 제13/283,671호에 기재된 바와 같이 단일 흡수기에서 해당할 것보다 높지 않으며, 예를 들어, 약 0.8 이하, 약 0.02 내지 약 0.6, 약 0.4 내지 약 0.4, 0.05 내지 약 0.3, 더욱 바람직하게는 약 0.08 내지 약 0.25, 또는 약 0.1 내지 약 0.2이다. 공급 가스가 고 SO2 함량, 예를 들어, 30-40% 이상을 가지는 경우, 희박 가스 흡수기 중의 질량비 4G는 2.5 이상만큼 높을 수 있다. 흡수제 대 SO2의 비교적 높은 당량비,예를 들어, 약 1 내지 약 6, 더욱 전형적으로 약 2 내지 약 4가 희박 가스 흡수기에서 또한 전형적으로 요구되지만, 대부분의 SO2가 농후 가스 흡수기에서 이미 제거되었으므로, L/G와 희박 가스 흡수기로의 절대 흡수제 흐름 어느 것도 더 높을 필요가 없으며, 일반적으로, 단일 흡수기/스트리퍼 회로에 기초한 공정에서 흡수기에 대하여 요구되는 것보다 현저하게 낮아질 수 있다. 따라서, 이산화황이 농후 가스 흡수기에 도입되는 속도에 대한 희박 가스 흡수기로의 흡수제 도입 속도의 화학량론비는 일반적으로 약 0.8 이하, 바람직하게는 약 0.02 내지 약 0.6, 더욱 바람직하게는 약 0.04 내지 약 0.4이다. 이러한 저 흡수제 흐름에서도, 흡수기를 나가는 희박 흡수액의 이산화황 함량은 전형적으로 약 10중량% 이하, 또는 약 9중량% 이하, 또는 약 8중량% 이하, 또는 약 7중량% 이하 또는 약 6중량% 이하, 또는 약 5중량% 이하, 또는 약 4.5중량% 이하, 또는 약 4중량% 이하 전형적으로 약 0.1 내지 약 8중량%, 또는 약 0.1중량% 내지 약 5중량%이다.
희박 가스 흡수기에서의 흡수를 위한 충분한 물질전달 및 반응 평형 추진력을 보장하여 배출 기준 및/또는 수율 목표를 충족시키기 위하여, 재생된 희박 가스 흡수 매질 중의 이산화황 함량을 낮은 수준으로 감소시키는 것이 중요하고, 그러므로 희박 흡수액으로부터 잔류 SO2를 스트리핑하기 위하여 높은 스팀 대 액체상 비율이 요구된다. 바람직하게는, 재생된 희박 가스 흡수 매질의 잔류 이산화황 함량은 약 100 ppb 내지 약 0.5중량%, 또는 약 500 ppb 내지 약 0.2중량%, 또는 약 700 ppb 내지 약 500 ppm이다. 재생된 희박 가스 흡수 매질의 SO2 함량은 약 500 ppm 미만, 또는 약 100 ppm 미만, 더욱 바람직하게는 약 50 ppm 미만, 더욱더 바람직하게는 약 10 중량 ppm 미만, 전형적으로 0.1 내지 25 또는 0.1 내지 10 중량 ppm인 것이 특히 더욱 바람직하다.
희박액 스트리퍼 SO2가 농후액 스트리퍼로의 스팀 공급 역할을 하는 도 8의 공정에서, 희박액 스트리퍼에 공급되는 스팀 대 희박 흡수액의 비율은 약 0.05 내지 약 0.8, 더욱 전형적으로 약 0.1 내지 약 0.5이다. 독자적인 스팀 공급이 농후액 스트리퍼에 제공될 경우 더 낮은 스팀 대 희박액 비율이 충분할 수 있다. 이는 여전히 희박액 스트리퍼에서 스팀 대 SO2의 높은 비율을 제공하지만, 희박액 스트리퍼에 대한 이산화황 부하가 매우 낮으므로, 희박 흡수액 스트리퍼 내의 스팀 부하가 소스 가스 및 공급 가스로써 시스템으로의 이산화황 흐름의 함수로서 낮게 유지된다.
일반적으로, 희박 스트리퍼 가스의 SO2 함량은 약 0.1부피% 내지 약 10부피%, 또는 약 0.2부피% 내지 약 6부피%이다.
농후 흡수액 스트리퍼 및 희박 흡수액 스트리퍼로부터의 증기 배출물(스트리퍼 가스)은 유리하게는, 응축물 스트리퍼로의 전달을 위한 단일 응축물 스트림 발생 이전 또는 이후에 조합된다. 그러나, 두 스트림이 개별적으로 응축물 스트리퍼에 공급될 수 있거나, 또는 바람직한 경우 개별적인 스트리퍼들에 공급될 수 있다.
비록 비교적 높은 스팀 대 SO2 비율이 희박 흡수액으로부터 잔류 SO2를 스트리핑하기 위하여 요구되기는 하지만, 희박액으로부터 제거될 작은 부피의 SO2가 희박 흡수액의 흐름에 대하여 단지 적당한 스트리핑 스팀의 흐름, 위에 언급한 바와 같이, 농후 가스 흡수기로의 유입 공급 가스 중의 이산화황 부하에 대한 낮은 비율을 필요로 한다. 더욱이, 희박 흡수액의 흐름 부피는 SO2가 농후 가스 흡수기에서 거의 정량적으로 제거된 후 유지되는 비교적 최소 흡수 부하가 주어지면 또한 비교적 작다. 희박 가스 흡수 매질의 비교적 낮은 부피 유량과 함께 농후액 스트리퍼를 나가는 재생된 농후 가스 흡수 매질에서 용인될 수 있는 높은 잔류 SO2 수준으로 인하여, 두 스트리퍼의 조합된 조업에 대한 총 스팀 요구량은 동일한 배출에 대하여 단지 단일 흡수기/스트리퍼 회로만을 사용하는 공정에서의 흡수액 스트리퍼에 대한 스팀 요구량보다 현저하게 더 적다.
따라서, 응축물의 총 흐름은 적당하고, 응축물 스트리퍼(들)에 대한 부하는 상응하여 적당하다. 결과적인 응축물 스트리퍼 내의 적은 스팀 요구량은, 일렬 농후 및 희박 흡수 및 스트리핑 회로의 감소된 순 스팀 요구량과 함께, 비교적 높은SO2 함량을 가지는 최종 조합 스트리퍼 가스(습윤 회수 SO2 스트림)의 생성을 야기한다. 단일 흡수기/스트리퍼 회로만을 가지는 공정으로부터의 스트리퍼 가스와 비교하여 스트리퍼 공정 가스 중의 더 높은 SO2 대 물 비율로 인하여, 응축물의 평형 SO2 함량은 단일 회로 공정으로부터의 응축물의 SO2 함량보다 근소하게 더 높을 수 있다. 물 컬럼 (응축물 스트리퍼) 중의 근소하게 더 높은 스팀 대 물 비율에서 스트리퍼 공정 가스 냉각기/응축기로부터의 응축물 스트리핑에 의하여 여전히 높은 황 수율이 보장될 수 있지만, 이 비율이 비교적 높은 경우에도, 응축물 스트리퍼로의 스팀 유량 증분 증가가 농후 흡수액 스트리퍼를 통하여 흐르는 용매액으로부터의 정량적인 SO2 제거 달성을 불필요하게 하여 실현되는 스팀 흐름의 증분 감소보다 훨씬 더 적다. 물과 SO2 사이의 현저한 휘발도 차이를 이용하여, 공정의 전체 스팀 요구량은, 농후액 스트리퍼를 위한 스트리핑 스팀, 희박액 스트리퍼를 위한 스트리핑 스팀, 응축물 스트리퍼를 위한 스트리핑 스팀 및 스트리퍼 공정 가스를 압축시키기 위한 제트 이젝터로의 스팀을 포함하여, 공급 가스의 이산화황 함량에 대하여, 일반적으로 농후 가스 흡수기로의 공급 가스 중의 1000 내지 2000 ppm의 SO2 수준에서 15 lbs/lb. SO2 이하 또는 바람직하게는 약 5 내지 약 10 lbs./lb. SO2, 가스 중의 2000 ppm 내지 2부피%의 SO2 수준에서 8 lbs./lb. SO2 이하 또는 바람직하게는 약 1.5 내지 약 5 lbs./lb. SO2, 가스 중의 2 내지 4부피%의 SO2 수준에서 4 lbs./lb. SO2 이하 또는 바람직하게는 약 0.8 내지 약 3 lbs./lb. SO2, 및 4부피% 초과의 SO2 수준에서 3 lbs./lb. SO2 이하 또는 바람직하게는 약 0.5 내지 약 2.5 lbs./lb. SO2이다. 재생된 흡수 매질로부터 황산염을 제공하기 위하여 추가적인 스팀이 결정화기에 의하여 요구될 수 있지만, 이러한 증분은 관용적인 단일 흡수/스트리핑 시스템에서와 같이 농후/희박 시스템에서 실질적으로 동일해야 한다. 이러한 스팀 요구의 속도에서, 일렬 농후/희박 시스템이 희박 가스 흡수기로부터의 배기 가스의 SO2 함량을 ≤20 ppm, 또는 심지어 ≥10 ppm로 낮출 수 있다. 스트리퍼 공정 가스의 압축은 이러한 배출 수준을 추가의 감소가 가능하도록 할 수 있다.
위에 논의된 에너지 절감 원리는 요약되고 다음과 같이 설명될 수 있다. 농후액 스트리퍼를 위하여 비교적 낮은 스팀 유량이 요구되므로, 농후액 스트리퍼로부터의 증기 배출물은 재생된 흡수 매질 중의 더 낮은 정상 상태 SO2 함량을 달성하도록 조업되어야 하는 단일 흡수기/스트리퍼 시스템으로부터의 증기 배출물보다 더 높은 SO2 함량을 가진다. 희박액 스트리퍼에서 제거될 잔여하는 비교적 작은 분율의 SO2, 및 적당한 부피의 희박 가스 흡수액 흐름으로 인하여, 희박액 스트리퍼의 에너지 및 스팀 흐름 요구량이 또한 적다. 따라서, (도 8에서 스트리퍼 공정 가스로서 작용을 하는) 둘의 흡수액 스트리퍼로부터의 조합된 가스 배출물의 SO2 함량은 또한 단일 스트리퍼 시스템으로부터의 증기 배출물보다 더 높고, 희박액 스트리퍼로부터의 가스 배출물이 농후액 스트리퍼의 증기 입구에 모두 보내지고 경우에도 농후액 스트리퍼 가스 배출물의 SO2 함량도 그러하며, 도 8에 도시된 바람직한 구체예에서와 같이 희박 스트리퍼 가스는 농후액 스트리퍼를 위한 스트리핑 스팀의 공급원으로서 사용된다. 이 계획은 희박 가스 흡수기(115)에서 가스 스트림으로부터 제거된 추가 증분의 SO2를 회수하고, 농후액 스트리퍼를 위한 스트리핑 가스로서 희박액 스트리퍼로부터의 가스/증기 배출물의 증기 성분을 사용하여 추가의 에너지 효율이 달성된다. 희박 시스템 흡수기에서 희박 가스 스트림으로부터 제거된 추가 증분의 SO2는 희박 가스 스트리퍼에서 희박액으로부터 제거되고, 최종 회수를 위하여, 예를 들어 냉각기/응축기(125)로부터의 배기 가스로서, 농후 시스템 스트리퍼를 통과한다.
농후 및 희박 흡수액 스트림 스트리핑에서 스팀 소비의 결과적인 경제성으로 인하여, 조합된 증기 배출물 냉각 시 획득된 응축물은 상응하는 높은 SO2 함량을 가진다. 언급한 바와 같이, 이는 도 1에 도시된 단일 흡수기/스트리퍼 회로 공정에서보다 다소 더 높은 응축물 스트리퍼(129) 내의 스팀 흐름 대 응축물 흐름의 비율을 필요로 할 수 있다. 그러나, 도 8의 공정에서 비교적 작은 응축물의 부피 및 SO2와 물 사이의 현저한 휘발도 차이로 인하여, SO2는 공급 가스의 흐름에 비하여 적은 스팀 흐름 및 이의 SO2 함량에서 응축물로부터 여전히 용이하게 제거된다. 오버헤드 증기의 열적 압축은 에너지 효율에 추가로 기여한다. 도 8에 도시되는 바와 같이, 스트리퍼 공정 가스는 스팀 제트 이젝터(155)에서 압축되어, 바람직하게는 스트리퍼 공정 가스 압력이 바람직하게는 약 16 내지 약 20 psia인 농후액 스트리퍼의 상부의 압력보다 약 12 내지 약 18 psi만큼 증가된다.
도 10 내지 12는 SO2 파운드당 5-10 lbs. 스팀의 적당한 스팀 소비에서 농후 가스 시스템 스트리퍼에서 SO2의 85-90% 회수를 달성하면서, 현저하게 더 높은 스팀 대 SO2 비율에서, 그러나 훨씬 더 낮은 스팀 소비의 절대 비율에서 희박 시스템 스트리퍼에서 정량적인 SO2 회수를 달성하는 능력을 도시한다. 도 10 내지 12는 모두, SO2가 단일 흡수기/스트리퍼 회로에서 0.24% 부피% SO2를 함유하는 공급 가스로부터 제거되는 공정의 조업을 반영한다. 도 10은 스트리퍼에 공급된 스팀 대 흡수기에 들어가는 SO2의 비율의 함수로서 흡수기로부터의 배기 가스 중의 잔류 SO2의 선형 플롯인 한편, 도 11은 선형 눈금상의 스팀 대 SO2 비율에 대한 로그 눈금상의 잔류 SO2를 플로팅한다. 도 12는 도 10 및 11의 가로축에서 스팀/SO2 비율과 역으로 상관관계가 있는 변수인 배기 가스 중의 잔류 SO2를 흡수 매질의 SO2 함량의 함수로서 플로팅한다. 도 10의 두 가지 파라미터는 선형 눈금상에 있다. 세 플롯은 다음을 입증한다: (i) 큰 분율의 SO2가 단일 흡수기/스트리퍼 회로로 이루어진 공정에서 스팀의 적은 소모에서 제거될 수 있지만, 이는 여전히 허용 불가능하게 높은 농도의 SO2를 배기 가스에 남긴다; (ii) 배기 가스의 SO2 함량을 전형적인 배출 기준에 따라 허용 가능한 수준에 이르도록 하기 위하여 유입 SO2의 단위당 매우 많은 스팀 소모가 단일 흡수기/스트리퍼 회로 시스템에서 필요하다; 및 (iii) 이러한 현상은 흡수 반응 및 스트리핑 조업의 비-0차 성질을 반영한다.
비교하면, 스팀 및 에너지 소비의 주요 효율이 도 8의 공정에서 달성되고, 여기서 흡수 부하가, 공급 가스 중의 농후 가스 흡수기에 들어가는 SO2에 대하여 농후액 스트리퍼로 전달된 스팀의 낮은 비율에서 조업되는 농후 가스 흡수기/스트리퍼 회로에 분할되고, 희박 가스 흡수기/스트리퍼 회로는 농후 가스 흡수기의 출구로부터 희박 가스 흡수기의 입구로 흐르는 희박 가스의 SO2 함량에 대하여 희박액 스트리퍼에 전달된 스팀의 높은 비율에서 조업된다. 도 10 및 11은, 비교적 대략적이기는 하지만 높은 분율의 유입 이산화황이 농후 가스 흡수기에서 제거될 수 있으므로, 비교적 높은 SO2 함량이 농후 가스 흡수기에 반송되는 재생된 농후 가스 흡수 매질에 잔여하도록 허용될 수 있고, 따라서 농후액 스트리퍼가 비교적 낮은 스팀 대 유입 SO2 비율에서 조업되도록 하여, 이 회로에서 순 스팀 전환을 제공함을 입증하고 도식적으로 도시한다. 희박액 스트리퍼에서 제거될 단지 매우 근소한 분율의 유입 SO2가 잔여하므로, 농후 가스 흡수기 조업에서 적당한 효율에서도, 희박액 스트리퍼에 대한 SO2 제거 부하가 매우 낮다. 희박 가스 흡수기 중의 잔류 SO2 제거에 의하여 배출 기준 및/또는 목표 황 수율을 달성할 수 있는 재생된 희박 가스 흡수 매질을 제공하기 위하여 희박 가스 및 희박 흡수액 중의 스팀 대 SO2 함량의 높은 비율이 요구되기는 하지만, 필요 스팀 흐름 대 희박액 스트리퍼의 절대 속도는 희박 흡수기/스트리퍼 회로에 부과된 매우 낮은 SO2 부하로 인하여 낮다. 이는 희박 가스 흡수기로의 희박 가스 흡수 매질의 낮은 질량 유량, 상응하는 희박액 스트리퍼로의 적당한 내지 낮은 스팀 속도, 및 농후 가스 흡수기에 들어가는 유입 공급 가스의 SO2 함량에 대하여 낮은 비율의 총 스팀 소비로 해석된다.
따라서, 예를 들어, 도 8에 도시된 공정에서 희박 가스(113)에서 SO2 함량을 100-200 ppm로 감소시키기 위하여, 농후액 스트리퍼에 들어가는 스팀 대 농후 가스 흡수기에 들어가는 SO2의 필요 비율은 농후 가스 흡수기로의 공급 가스 중 1000 내지 2000 ppm의 SO2 수준에서 약 4 내지 약 15 바람직하게는 약 5 내지 약 10 lbs. 스팀/lb. SO2, 공급 가스 중의 2000 ppm 내지 2부피%의 SO2 수준에서 약 2 내지 약 8 lbs 스팀/lb. SO2, 공급 가스 중의 2부피% 내지 4부피%의 SO2 수준에서 약 1 내지 약 4 lbs. 스팀/lb. SO2, 및 공급 가스 중의 4부피% 초과의 SO2 수준에서 약 1 내지 약 3 lbs 스팀/lb.이다. 희박 가스 흡수기로부터의 배기 가스(18) 중의 50 ppm의 전형적인 배출 기준을 달성하도록 희박 가스(113)의 SO2 함량을 200 ppm으로부터 감소시키기 위하여, 희박액 스트리퍼에 들어가는 스팀 대 희박 가스 흡수기에 들어가는 SO2의 비율은 농후 가스 흡수기 스트리퍼 회로 내의 상응하는 비율보다 훨씬 더 높다. 예를 들어, 희박액 스트리퍼 스팀 요구량은, 희박 가스 흡수기로의 희박 가스 중의 200 ppm의 SO2 수준에서 희박 가스 중의 SO2 lb.당 전형적으로 적어도 약 15 lbs., 예를 들어, 약 15 내지 약 100, 더욱 전형적으로 약 10 내지 약 80 lbs. 스팀/lb. 희박 가스 SO2, 또는 희박 가스 중의 100 ppm의 SO2 수준에서 약 20 내지 약 120 lbs 스팀/lb. SO2이다. 그러나, 희박 가스 중의 매우 낮은 SO2 함량 때문에, 희박 가스 흡수기로의 흡수 매질의 필요 유량이 비교적 낮고, 희박액 스트리퍼 내의 순 스팀 요구량이, 절대적 측면에서 및 농후 가스 흡수기에 들어가는 공급 가스의 SO2 함량의 함수로서 모두 여전히 매우 적당하며, 즉, 공급 가스 중의 SO2 파운드당 약 0.2 내지 약 5, 더욱 전형적으로 약 0.2 내지 약 3 lbs.이다.
더욱이, 특히 희박액 스트리퍼 가스(131)가 농후 흡수액을 위한 스트리핑 스팀으로서 기능을 하도록 농후액 스트리퍼에 보내지고, 농후액 스트리퍼를 나가는 스트리퍼 가스가 스트리퍼 공정 가스 냉각기(125)에서 스트리핑 스팀을 발생시키기 위한 에너지를 제공하는 스트리퍼 공정 가스로서 기능을 할 경우, 순 총 스팀 요구량은 농후 가스 스트리퍼 단독에 대한 스팀 요구량 이하, 즉, 농후 가스 흡수기로의 공급 가스 중의 1000 내지 2000 ppm의 SO2 수준에서 약 4 내지 약 14 lbs./lb. SO2, 공급 가스 중의 2000 ppm 내지 2부피%의 SO2 수준에서 약 2 내지 약 8 lbs/lb. SO2, 공급 가스 중의 2부피% 내지 4부피%의 SO2 수준에서 약 1 내지 약 4 lbs./lb. SO2, 및 공급 가스 중의 4부피% 초과의 SO2 수준에서 약 1 내지 약 3 lbs/lb. SO2이다.
더욱 일반적으로, 가스 스트림의 SO2 또는 다른 오염물질 가스 함량은 농후 가스 흡수기에서 1 내지 3 차수(orders of magnitude)만큼 그리고 희박 가스 흡수기에서 또 다른 1 내지 3 차수만큼 감소되어, 농후/희박 흡수 시스템을 통하여 3 내지 6 차수의 전체 감소가 야기된다. 증기 소비는 가스 스트림의 오염물질 가스 함량이 감소되는 정도에 대하여 적당하게 변한다. 공급 가스 중의 SO2의 낮은 농도, 예를 들어, 1000 내지 2000 ppm에서는, SO2 함량을 3 내지 5 차수만큼 감소시키기 위한 스팀 요구량은 5 내지 약 15, 또는 약 7 내지 약 12 lbs./lb. 제거된 SO2 범위이고; 공급 가스 중의 다소 더 높은 농도 , 즉, 2000 ppm 내지 2부피%에서는, SO2 함량의 동일한 비례 감소를 위한 스팀 요구량은 약 3 내지 약 10, 또는 약 3 내지 약 8 lbs./lb. 제거된 SO2에서 변하고; 공급 가스 중의 2 내지 4부피% SO2의 농도에서는, 동일한 비례 감소는 약 2 내지 약 4 또는 약 2.5 내지 약 4 lbs. 스팀/lb. 제거된 SO2를 요구하고; 공급 가스 중의 4 내지 20부피% SO2에서는, 스팀 요구량은 약 1 내지 약 3.5, 또는 약 2 내지 약 3.5 lbs./lb. 제거된 SO2 범위에 있고; 공급 가스 중의 20 내지 40부피% SO2에서는, 스팀 요구량은 약 1 내지 약 3, 또는 약 0.8 내지 약 2.5 lbs./lb. 제거된 SO2이고; 공급 가스 중의 ≥40부피% SO2에서는, 스팀 요구량는 단지 0.8 내지 2.5 또는 약 0.5 내지 약 2.5 lbs./lb. 제거된 SO2이다. 각각의 경우에, 회수된 SO2 스트림은 2 내지 20x 범위의 또는 공급 가스 중의 SO2의 농도에 대하여 더욱 상대적인 SO2 함량을 가진다. 이중 흡수 접촉식 황산 플랜트로부터의 테일 가스와 같은 전형적인 SO2-보유 폐스트림에 대하여, 말산염 흡수제를 사용하는 농후/희박 공정은 <5 ppmv, 또는 심지어 <1 ppmv의 잔류 SO2 함량을 가지는 희박 흡수기로부터의 배기 가스를 경제적으로 산출할 수 있다.
위에 명시된 바와 같이 순 (총) 스팀 요구량은, (i) 농후액 스트리퍼를 위한 스트리핑 스팀; (ii) 희박액 스트리퍼를 위한 스트리핑 스팀; (iii) 스트리퍼 공정 가스 냉각에서 획득된 응축물을 위한 스트리핑 스팀; 및 (iv) 흡수액 스트리퍼(들)의 출구와 흡수액 스트리핑 스팀을 발생시키기 위한 보일러로서 기능을 하는 스트리퍼 공정 가스 냉각기/응축기 사이의 스트리퍼 공정 가스 압축을 위한 제트 이젝터, 및/또는 하나 이상의 흡수액 스트리퍼에서 스트리핑 스팀으로서 사용하기 위하여 스트리퍼 공정 가스 냉각기/응축기에서 스트리핑된 응축물로부터 발생한 스팀 압축을 위한 제트 이젝터를 위한 스팀을 포함하는, 외부 공급원으로부터 공정에 공급된 모든 스팀의 합계를 포함한다.
도 9는, 도 8에 도시된 바와 같은 스트리퍼 공정 가스를 압축하기보다는, 도 9의 공정이 대신 스트리퍼 공정 가스 냉각기/응축기(125)에서 발생한 스팀을 위에 기재된 바와 같은 도 2의 공정와 정확하게 유사한 방식으로 압축함을 제외하고, 도 8에 나타나고 기재된 것과 동일한 설비를 사용하고, 동일한 공정계통도에 기초하여, 동일한 파라미터에 따라 정확히 동일한 원리로 조업되는 공정을 도시한다. 도 2 및 도 9 모두에 대하여, 당해 분야의 숙련가는 스팀의 압축이 스트리퍼 가스의 압축에 대안적이기는 하지만, 두 가지가 상호 배타적이 아님을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 도 1 및 8의 스트리퍼 가스 압축을 도 2 및 9의 스팀 압축과 조합하는 혼성 시스템을 포함한다.
일렬 농후/희박 흡수/스트리핑 회로는, 흡수 단계가 화학 반응을 포함할 경우, 더욱 구체적으로 흡수 반응이 비-0차인 경우, 비-선형 조업 라인을 야기하는 가장 큰 장점을 제공하며 (흡수기를 통한 유체 흐름 경로를 따른 액체 및 가스 SO2 함량 프로파일) 예를 들어, 도 10 및 11에서 간접적으로 도시되는 바와 같이 가스 입구 근처의 흡수기의 영역에 특히 급격한 기울기가 있다. 일렬 공정이 화학 반응을 포함하지 않는 흡수 공정에서 또한 사용될 수 있지만, 이들 중 대부분에서 흡수기 조업 라인이 더욱 선형이고 스팀 소비 절감이 그렇게 크지 않다.
본 명세서에 제공된 개시에 기초하여, 당해 분야의 숙련가는 오염물질 가스의 흡수 및 회수가 둘 초과의 흡수/스트리핑 회로를 일렬로 포함하는 공정에서 수행될 수 있음을 인지할 것이다. 대부분의 예는 아니지만 다수에서, 이러한 방식으로 달성 가능한 증분의 스팀 절감이, 요구되는 추가 자본 투자를 정당화하기에 실패할 수 있다. 그러나, 소스 가스 중의 오염물질의 농도가 특히 높고 흡수 반응에서 0차로부터 벗어남이 특히 클 경우, 일렬로 셋 또는 더 많은 흡수기/스트리퍼 회로의 사용이 훌륭할 수 있다. 가장-희박한 것으로부터 점진적으로 더 농후한 액체 스트리퍼까지 직렬 스팀/스트리퍼 가스 스트림의 전달은, 비록 열 손실이 실제적 문제로서 보충 스팀을 필요로 할 수 있기는 하지만, 추가적인 장점을 제공할 수 있다.
다른 공정 공정계통도가 본 발명의 농후/희박 공정이 기초를 두는 원리에 따라 실행될 수 있다.
농후/희박 흡수 구상의 실행에서, 위에 기재된 공정은 비교적 낮은 L/G에서, 그리고 전형적으로 또한 비교적 낮은 농후 가스 흡수기 중의 흡수제 대 입구 오염물질 가스 비율에서 조업되고, 따라서 농후 흡수액 중의 비교적 높은 오염물질 농도가 야기된다. 액체상 중의 높은 오염물질 농도는 농후액 스트리퍼 내의 탈착을 위한 상당한 추진력을 제공하고, 이에 의하여 흡수기에 들어가는 스트리핑 스팀 대 오염물질 가스의 비교적 낮은 비율에서 오염물질 가스의 실질적인 회수에 공헌한다.
흡수가 산/염기 반응을 포함하는 경우, 농후액 스트리퍼에서 액체상과 증기상 사이의 오염물질의 평형 분포에 영향을 미치는 또 다른 변수는 농후 흡수액의 pH이다. 산 가스의 흡수에 적용되는 바와 같이, "산/염기" 반응이 산 가스와 흡수제 사이의 반응을 포함하고, 상기 흡수제는 반드시 알칼리성일 필요는 없지만 산의 pKa보다 실질적으로 더 높은 pKa를 가지며, 상기 산의 오염물질 가스는 무수물이고, 또는 친핵성 가스와 흡수제 사이의 반응을 포함하고, 상기 흡수제는 반드시 산성일 필요는 없지만 알칼리성 용액보다 낮은 pKa를 가지고, 상기 알칼리성 용액의 오염물질 친핵체는 무수물임을 이해할 것이다. pH의 조정이 그러한 반응에도 마찬가지로 적용된다.
예를 들어, 말산 또는 말산염과 같은 흡수제를 사용하는 SO2의 흡수에서, 농후 흡수액의 pH는 농후액 스트리퍼에서 액체상과 증기상 사이의 SO2의 평형 분포에 영향을 미친다. pH가 감소함에 따라, 액체상 중의 SO2 및 흡수제의 주어진 농도에서 비교적 높은 분율의 SO2를 기체상으로 분배하도록 평형이 변한다. 따라서, 임의의 주어진 입구 가스 조성, L/G, 및 흡수기 내의 흡수제 대 SO2 비율에서, 농후액 스트리퍼 중의 주어진 분율의 SO2를 제거하고 회수하기 위하여 요구되는 스팀의 소비량은 흡수기를 나가고 스트리퍼에 들어가는 농후 흡수액의 pH에 따라 직접적으로 변하며, 농후 가스 흡수기를 나가는 희박 가스 스트림 중의 역의 상관관계가 있는 SO2의 농도를 달성하기 위하여 요구되는 스팀 소비도 그러하다.
이러한 효과가 도 14에 도시된다. 원형 데이터 점에 의하여 규정된 곡선은 흡수기를 나가는 농후 가스 흡수기를 나가는 희박 가스가 450 부피 ppm의 SO2 함량을 가지도록 재생된 흡수액으로부터 충분한 SO2를 제거하기 위하여 스트리퍼에서 소비된 스팀에 대하여 흡수액의 pH 사이의 관련성을 도시한다. 삼각형 데이터 점에 의하여 규정된 곡선은, pH의 함수로서, 희박 가스 스트림의 SO2 함량을 200 ppm까지 감소시키기 위하여 요구되는 스팀/SO2 비율을 플로팅하고, 다이아몬드-형 데이터 점에 의하여 규정된 곡선은 가스 스트림의 SO2 함량을 100 ppm까지 감소시키기 위하여 요구되는 스팀/SO2 비율 대 pH를 플로팅하고, 별-형 데이터 점에 의하여 규정된 곡선은 희박 가스 스트림의 SO2 함량을 17 ppm까지 감소시키기 위하여 요구되는 스팀/SO2 비율 대 pH를 플로팅한다. 도 14의 데이터 플롯에 도시된 관련성에 기초하여, 흡수 매질의 pH는 농후 및 희박 흡수 및 스트리퍼 회로가 일렬로 조업되는 흡수 시스템에서, 또는 단일 흡수기 및 스트리퍼를 포함하는 표준 흡수 시스템에서 최적화될 수 있다.
단지 단일 흡수 및 스트리핑 회로만으로 이루어진 공정에서, 스트리퍼의 효율에 대한 농후 흡수액의 더 낮은 pH의 유익한 효과는 비용을 수반하는데, 이는 보통 적어도 흡수기 내의 산의 도입에 의하여 독자적으로 pH를 제어하기 위한 수단의 부재에서 흡수기에 들어가는 재생된 흡수 매질의 더 낮은 pH, 및 흡수기로 반송되는 재생된 흡수 매질로의 염기의 증분 상쇄와 상관관계가 있기 때문이다. 재생된 흡수 매질 중의 더 낮은 pH는 농후 가스 흡수기 중의 흡수 효율을 근소하게 감소시킨다. 흡수기의 고위 및 저위 섹션에서 pH를 독자적으로 제어함에 의한 흡수 효율 보존은 실현 가능하며 선택적인 조업 양식으로서 발명의 범위 내에 있지만, 또한 pH 조정에 사용되는 산 및 알칼리성 물질의 소비에서 비용이 따른다.
도 14에 나타난 플롯은 독자적인 pH 조정을 반영하지 않지만 대신 스트리핑 효율에 대한 더 낮은 pH의 유리한 효과 및 흡수 효율에 대한 더 적은 부정적인 효과를 포괄한다. 따라서, 본 발명에 따라, 도 14에 의하여 나타난 바와 같은 최적 범위 내에서, pH는 농후액 스트리퍼 내의 스팀 소비에 대한 유리한 효과가 농후 가스 흡수기 내의 더 적은 흡수 효율의 부정적인 효과에 우세한 수준까지 조정될 수 있고, 흡수기로의 산의 첨가 또는 재생된 흡수 매질로의 염기의 증분 상쇄 없이 바람직한 값에서 pH를 맞추어 이익이 성취됨이 밝혀졌다. 예를 들어, 200 ppm의 흡수기 배출 목표를 위하여, SO2의 단위 질량당 필요 스팀 소비는 흡수기의 저위 말단에서 흡수 매질의 정상 상태 pH를 4.5의 값 내지 4.0의 값으로 조정하여 >10:1로부터 7:1의 부근까지 감소시킬 수 있다. 정상 상태 pH를 3.6 내지 3.8의 범위의 값으로 조정하여 심지어 더 큰 경제성이 이론적으로 달성될 수 있다. 곡선의 수렴은, 필요 스팀/SO2 비율이 도 14가 기초하는 특정한 시스템에 대하여 약 7 아래로 현저하게 강하하는 수준까지 pH를 감소시킴에 의하여 나타난 관련성을 이용하면서 흡수기에서 SO2의 충분한 제거를 보장하기 위하여, 단일 흡수 및 스트리핑 회로에서, 용매 흐름을 점차 증가시킬 필요가 있을 수 있음을 나타낸다. 그러나, 농후/희박 시스템에서, 희박 가스 흡수기는 도 14에 의하여 나타난 다른 값에 의하여 한정된 범위 내에서 무작위로 변하는 입구 오염물질 가스 함량에서도 일정한 L/G 및 흡수 매질의 흡수제 함량에서 안정적으로 조업될 수 있다.
따라서, pH의 최적화가 단일 흡수기/스트리퍼 회로를 포함하는 공정에서 스팀 소비의 이익을 산출할 수 있는 한편, 도 14에 도시된 관련성의 실질적인 부가 장점이 예를 들어 도 8에 나타나는 바와 같은, 일렬로 농후 및 희박 흡수기/스트리퍼 회로를 가지는 공정에서 획득될 수 있다. 도 14를 유도하는 단일 흡수/스트리핑 회로 시스템에서, 흡수기의 저위 말단의 pH는 값을 4.0 내지4.2 인근으로 조정하도록 확립 또는 허용될 수 있고, 스트리퍼로의 스팀은 공급 가스의 SO2 함량 및 배출의 목표 수준에 따라 변하는 범위의 유입 SO2에 대한 비율로 설정되지만, 전형적으로 2 내지 10 lbs./lb. SO2 범위일 수 있다. 이러한 조업 양식에서, 희박 가스 스트림 중의 잔류 SO2의 정확한 수준은 다소 변동성일 수 있지만, 희박 가스 흡수기가 SO2 함량을 가장 엄격한 환경적 규제를 만족시키는 예외적으로 낮은 수준까지 더욱 감소시킬 수 있는 비교적 낮은 범위 내에서 변동성이다.
도 14에 도시된 바와 같은 pH와 오염물질 가스 배출 사이의 특별한 관련성은 말산 또는 말산염을 포함하는 흡수제를 사용하는 SO2의 흡수에 특별하다. 그러나, 유사한 관련성이, 예를 들어 아민 흡수제를 사용하는 H2S의 회수 또는 산성 흡수제를 사용하는 암모니아의 회수와 같은 산/염기 반응을 포함하는 다른 흡수 시스템에 적용될 수 있다. 암모니아의 경우에, 스팀 소비가 흡수 매질의 pH 감소보다는 근소한 증가에 의하여 감소될 수 있다.
언급한 바와 같이, pH 조정의 구상이 단일 흡수기 및 스트리퍼 회로 내의 산/염기 흡수 반응을 포함하는 흡수 시스템의 조업 최적화에 적용될 수 있다. 단일 회로 또는 농후/희박 시스템의 농후 가스 흡수 스트리핑 회로에서, 흡수기 내의 흡수 매질의 pH는 흡수에 대한 가장 선호적인 평형을 제공하는 pH와 상이한 값으로 조정되고, 상기 값에서 재생된 흡수 매질의 오염물질 가스 함량을 목표 수준까지 감소시키기 위한 스트리퍼 내의 스팀 소비는 재생된 흡수 매질의 오염물질 가스 함량을 흡수 매질의 pH가 흡수에 대한 가장 선호적인 평형을 제공하는 값으로 유지되는 비교 조업에서 그러한 수준까지 감소시키기 위한 스팀 소비보다 적다. 그 결과, 흡수기를 나가는 가스의 오염물질 가스 함량은 비교 시스템에서 출구 가스의 오염물질 함량보다 현저하게 더 높지 않을 수 있고, 특정한 산/염기 시스템에서는 더 높지 않을 수 있다.
바람직하게는, 가스 스트림은 가스 흡수기에서 가스 흡수 매질 스트림에 대하여 향류로 흐르고, 흡수기의 기저부에서의 흡수 매질의 pH는 흡수에 대한 가장 선호적인 평형을 제공하는 pH와 상이한 값으로 조정된다. 더욱 일반적으로, pH는 흡수액이 인출되는 흡수기의 영역에서 원하는 값으로 조정된다. 일반적인 최적화가 감소된 스팀 소비의 이익이 근소한 흡수 효율 상실에서 기인한 임의의 불이익을 초과하는 그러한 영역에 대한 pH를 규명할 수 있다. 일부 시스템에서, 특히 농후 가스 흡수기 내의 흡수 효율 상실이 희박 가스 흡수기의 설계 및/또는 조업에서 쉽게 보상될 수 있는 농후/희박 시스템에서, 감소된 스팀 소비의 이익이, 만약 존재한다면 흡수 효율의 불이익과 불균형이다.
오염물질 가스가 SO2 또는 H2S와 같은 산 가스를 포함할 경우에, 흡수기 내에서, 가장 특별하게는 향류 흡수기의 기저부에서, 흡수 매질은 바람직하게는, 흡수에 대한 가장 선호적인 평형을 제공하는 pH보다 더 낮은 값으로 조정된다. 오염물질 가스가 암모니아와 같은 알칼리성 가스를 포함할 경우에, 흡수기 내의 흡수 매질은 바람직하게는, 흡수에 대한 가장 선호적인 평형을 제공하는 pH보다 더 높은 값으로 조정된다.
산 가스에 대한 예시적인 흡수제는 SO2의 흡수를 위한 말산과 말산염 염 및 H2S의 흡수를 위한 아민을 포함한다. SO2가 말산 또는 말산염을 포함하는 흡수제를 사용하여 회수되는 경우, 흡수액 출구에 인접한 흡수기 내의 흡수 매질의 pH는, 예를 들어, 3.4 내지 4.2, 또는 3.4 내지 4.0, 또는 3.5 내지 3.9, 또는 3.6 내지 3.8, 또는 3.7 내지 3.85 또는 4.0 내지 4.2의 값에서 유지된다. 농후/희박 시스템에서, 농후 가스 흡수기 내의 말산염 염 흡수 매질의 pH는 가장 바람직하게는 3.4 내지 4.2의 범위에서 유지된다. 운전개시 동안, 최초 pH는 바람직하게는 말산 및 NaOH 또는 KOH와 같은 알칼리성 물질의 상대적 첨가에 의하여 3.2 내지 3.6의 값에서 확립된다.
공정 제어의 문제로서, 제어 변수가, 스트림이 흡수기로 반송되기 전에 상기 스트림에 가성물질 및 말산염을 첨가하여 임의로 조정되는, 흡수액 스트리퍼를 나가는 재생된 흡수 매질의 pH인 것이 바람직할 수 있다. 비록 이 pH가 흡수기의 출구에서 흡수액의 pH로부터 변할 수 있기는 하지만, 바로 아래에 요약된 바람직한 범위의 pH 값이 재생된 농후 가스 흡수 매질에 마찬가지로 적용된다.
흡수 매질 pH가 위에 나열된 바람직한 범위에서 유지되는 경우, 재생된 흡수 매질 중의 만족스러운 SO2 수준을 달성하기 위한 스트리퍼 내의 스팀 소비는 단일 흡수기/스트리퍼 회로를 포함하는 공정의 스트리퍼에서 액체상으로부터 제거된 SO2 lb.당. 7.5 lbs. 이하, 또는 4.8 내지 7.5 lbs. 또는 5.0 내지 7.0 lbs.일 수 있다. 도 14에 도시되는 바와 같이, 재생된 흡수 매질 중 만족스러운 SO2 수준은 450 ppm 미만, 또는 200 ppm 미만, 또는 100 ppm 미만, 또는 심지어 17 ppm 미만의 SO2 함량을 가지는 흡수기를 나가는 가스 스트림을 산출하도록 하는 것일 수 있다. 전형적으로, 흡수기를 나가는 가스 중의 450 ppm SO2의 수준이, 예를 들어, 도 8에 도시되는 바와 같은 본 발명의 신규한 농후/희박 흡수 시스템의 조업에서 적용 가능할 것이다. 그러나, 가스의 부피, 조절 계획 및 다른 상황에 따라, 200 ppm 또는 100 ppm의 SO2 수준이 최종 배기 가스 배출물로서 허용 가능할 수 있고, 17 ppm 이하의 SO2 수준이 대부분의 상황에서 허용 가능할 것이다.
농후/희박 시스템의 농후 가스 흡수기 내의 흡수 매질의 pH가 스팀 소비를 감소시키도록 조정될 경우, 가스/액체 평형에 대한 최적에 더 가까운 pH가 바람직하게는, 희박 흡수액의 매우 낮은 산 가스 함량이 pH에 관계 없이 높은 스팀 요구량을 생성하지 않으므로 어느 경우에나 스팀 소비가 비교적 적은 희박 가스 흡수기에서 확립되고 유지된다. 따라서, 예를 들어, 말산염 흡수제를 사용하여 SO2를 회수하기 위한 시스템에서, 희박 가스 흡수기 내의 흡수 매질의 pH는 유리하게는 농후 흡수기 내의 pH보다 0.1 내지 0.5 단위 더 높게 유지될 수 있다. 공정 제어의 목적을 위하여, 이러한 범위의 동일한 차이가 재생된 희박 가스 흡수 매질과 재생된 농후 가스 흡수 매질 사이의 차이, 그리고 희박 흡수액과 농후 흡수액 사이의 pH 차이에도 적용된다. 말산염 시스템에서, 희박 흡수기 중의 pH는 바람직하게는 3.8 내지 4.4 범위이다.
흡수기 내의 pH가 스트리퍼 스팀 소비를 최소화하기 위하여 최적에서 떨어져 조정될 경우, 흡수 효율의 희생이 또한 흡수기에 전달 유닛을 부가하여, 즉, 트레이 또는 충전된 높이를 부가하여 보상될 수 있다.
흡수 매질의 pH 조정이 시스템에 추가되는 산 또는 염기의 증가된 증분을 요구할 수 있기는 하지만, 이는 반드시 그런 경우는 아니다. 예를 들어, SO2 제거 회로 중의 황산염 형성에서 기인한 것과 같이, 최적 가스/액체 평형에서 우세한 것으로부터 벗어나는 방향으로 pH가 멀어지는 경향이 있는 시스템에서, pH가 상기 방향으로 지나치게 멀어지는 것을 방지하기 위하여 산 또는 염기가 필연적으로 첨가될 수 있다. 예를 들어, NaOH와 같은 가성물질이 SO2를 위한 말산염 흡수 매질의 조업 동안 지속적으로 첨가된다. 그러한 조업에서, 흡수에 대하여 비-최적이지만 스팀 소비의 최종적인 이익을 낳는 pH로의 조정은 단지 산 또는 염기 첨가를 억제하여, 또는 원하는 pH 수준이 달성될 때까지 준-화학량론적(sub-stoichiometric) 수준에서 산 또는 염기를 첨가하여 성취될 수 있고, 상기 지점에서 첨가가 원하는 수준에서 정상 상태 pH를 보존하기 위하여 화학량론비로 재개될 수 있다.
스트리퍼에서 수성상의 pH를 비교적 낮은 수준으로 유지하는 것의 이익은 도 15-26에 추가로 도시되고, 이는 오염물질 제거의 효율을 증대시킬 기회를 도식적으로 입증하며, 이에 의하여 스트리핑 스팀의 최소 소비로써 적은 오염물질 가스 배출이 달성된다.
농후/희박 시스템에서, 흡수 매질의 pH의 최적 제어는 주어진 배출 수준, 즉, 희박 가스 흡수기로부터의 배기 가스 중의 오염물질 가스 농도가, 스트리핑 스팀의 최소 소비로써 및/또는 스트리퍼로의 주어진 스팀 공급 속도에서 희박 흡수기 배기물 중 잔류 오염물질 가스의 최소 배출로써 달성될 수 있도록 한다. 오염물질 가스가 이산화황을 포함하고 흡수 매질이 말산염 이온의 수용액을 포함하는 경우, 최적에 근접하는 성능은 농후 가스 흡수 매질이 약 5 내지 약 30 중량% 말산염 이온을 함유하고, 알칼리 금속 수산화물 대 말산 비율이 위에 명시된 범위에 있고, 농후 가스 흡수기에 들어가는 흡수제의 활성 성분 흐름 대 흡수기에 들어가는 SO2의 비율이 약 1 내지 약 20, 또는 약 2 내지 약 15, 또는 약 2.5 내지 약 12인 경우에 달성될 수 있음이 밝혀졌다. 이는 아래 표 A에 반영되는 바와 같이 입구 가스의 SO2 함량에 따라 변하는 s농후 가스 흡수기의 하부에서의 L/G로 해석된다.
희박 가스 흡수 매질의 말산염 이온 함량은 더욱 바람직하게는 약 5 내지 약 35중량% 범위이다. 말산염 이온 함량이 이 범위에 속할 경우, 최적에 접근하는 성능은 알칼리 금속 수산화물 대 말산 비율이 재생된 흡수 매질의 말산염 및 황산염 함량의 함수로서 제거될 경우 달성될 수 있음이 밝혀졌고, 희박 가스 흡수기에 들어가는 흡수제 대 흡수기에 들어가는 SO2의 몰 흐름의 비율은 약 1 내지 약 15 또는 약 2.5 내지 약 12이다. 이는 아래 표 Z에도 반영되는 바와 같이 입구 가스의 SO2 함량에 따라 변하는 희박 가스 흡수기의 하부에서의 L/G로 해석된다. 전형적으로, 희박액 스트리퍼의 기저부(액체상 출구)에서의 pH와 농후액 스트리퍼의 기저부에서의 pH 사이의 최적 차이는 약 0.2 내지 약 0.4이다.
Figure 112015097970776-pct00002
표에 들어간 L/G 값은 흡수 매질이 20중량% Na 말산염을 포함하는 공정에 대한 것이다; 이 표제에서 표현된 관련성에 따라 L/G가 말산염 함량 변화에 대하여 비례적으로 조정될 것이다
도면을 참조하면, 도 15는 20중량% 고체, 즉, 20중량% Na 말산염을 함유하는 수성 흡수 매질을 사용하는, 2,400 부피 ppm SO2를 함유하는 공급 가스에 대한 단일 흡수 및 스트리핑 회로의 성능을 나타낸다. 가성 대 말산의 비율이 일반적으로 1보다 크기 때문에, 20% 고체가 실질적으로 Na+ 이온, 말산염 음이온, 및 유리 하이드록실 이온의 혼합을 포함함이 이해될 것이다. 가성물질/말산(caustic/malic) 비율이 1.0을 향하여 추진됨에 따라, 중말산염(bimalate) 이온의 분획이 또한 존재한다. 그러나 조성은 대략 20중량% 말산 나트륨이다. 두 관련성이 도 15에 플로팅된다. 다이아몬드 형태 데이터 점에 기초한 곡선은 희박 가스 흡수기로부터의 배기 가스 중 오염물질 가스의 주어진 농도, 이 예에서는 1 부피 ppm을 달성하도록 요구되는 입구 가스 스트림 중의 SO2 lb.당 스팀 소비를 플로팅한다. 정사각형 데이터 점에 기초하는 곡선은 공급 중의 용매 유량 대 SO2의 비율, 즉
L/G
[공급 가스의 SO2 함량]
의 함수로서 스팀 대 SO2 비율을 플로팅한다.
이들 곡선 중 첫 번째로부터, 스팀 요구량이 비교적 넓은 범위의 가성 대 말산 비율, 즉, 1.0 내지 약 1.4에 걸쳐 최소 수준, 이 예에서는 입구 가스 중의 SO2 lb.당 5 lbs. 스팀에서 실질적으로 일정하게 유지됨을 볼 것이다. 합리적으로 만족스러운 성능이 최대 약 1.45의 비율에서도 달성된다. 따라서, 도 15와 동일한 조건하의 성능을 반영하는 도 16에 도시되는 바와 같이, 선호적인 스팀 효율이 농후액 스트리퍼의 하부(액체 출구)에서 측정된 재생된 흡수 매질 pH의 적당한 범위, 즉 pH 3.5 내지 대략 pH 4.0에 걸쳐 보존된다.
도 15에 플로팅된 두 번째 곡선은 흡수 매질 중의 20중량%의 일정 흡수제 함량에서 L/G에 의하여 제어되는 바와 같은 흡수제/SO2 비율의 효과를 반영한다. 약 11 내지 약 3의 흡수제 대 SO2 몰비에 일치하는 130로부터 50까지 범위의 (L/G)/[공급 가스의 SO2 함량], 즉, 대략 0.3 내지 0.12의 L/G에서, 희박 가스 흡수기를 나가는 배기 가스에서 1 ppm 수준을 달상하기에 충분한 스팀 요구량은 본질적으로 5 lbs./lb. SO2에서 일정하게 유지된다. L/G가 0.12 아래로 하강함에 따라, 즉, 파라미터 (L/G)/[공급 가스의 SO2 함량]이 50 아래로 하강함에 따라, 스팀 요구량이 흡수기 내의 물질전달을 위한 불충분한 추진력으로 인하여 급격하게 증가한다.
도 17은 각각의 경우에 공정의 수학적 모델에 기초하여, 흡수 매질 중의 가성물질/말산 비율에 대하여 스트리퍼를 나가는 재생된 흡수 매질의 pH 및 흡수기로부터의 SO2 배출 두 가지 모두를 플로팅한다. 기획은 수성 흡수 매질 중의 20% 고체, 흡수기 (L/G)/[가스의 SO2 함량] = 80 lbs./lb., 및 6 lbs./lb.의 고정된 스팀/SO2 비율에 기초한다. 스팀 요구량에서 뚜렷한 최적값(최소값)이 3.8 약간 아래의 pH에 일치하는 1.20 내지 1.25의 영역의 가성 대 말산성 비율에서 기획됨을 알 수 있다. 더 낮은 pH에서, 흡수기의 효율이 악화된다. 그러나 도 17은 가성 대 말산성의 비율이 1.25 위로 상당히 증가함에 따라 배기 가스의 품질이 낮아짐을 추가로 도시한다. 비록 더 높은 pH의 흡수 매질이 오염물질 산 가스(SO2)에 대한 더 높은 친화도를 가지기는 하지만, pH가 배기 가스 스트림 중의 최소 SO2 농도 지점에서 나타난 3.8 위의 값으로 증가함에 따라 수성상으로부터 SO2를 제거하기 위한 스트리퍼의 용량이 급격하게 감소하기 시작한다. 예외적으로 적은 배출을 달성하는 공정의 능력은 농후 가스 흡수기에 반송되는 재생된 흡수 매질의 SO2 함량에 상당히 민감함이 발견되었다.
도 18은 도 17의 곡선 위에 L/G = 80 lbs./lb. 및 6 lbs./lb.의 스팀/SO2 비율에서 실제 조업으로부터의 데이터의 플롯을 중첩시킨다. 모델로부터 유도된 곡선에서와 같이, 실제 데이터는 1.2 내지 1.3의 가성물질/말산 비율에서의 최소 SO2 배출을 반영한다. 실제 데이터에 기초한 최소값은 모델에 의하여 나타난 최소값만큼 가파르거나 유리하지 않지만, 여전히 확정적이다. 최적 가성물질/말산 비율은 모델에 기초한 최적 비율보다 매우 약간 더 높은 것으로 보이지만, 차이는 현저하지 않다. 더욱이, 실제 데이터에 기초하여 최소 SO2 배출을 달성하도록 나타난 최적 가성물질/말산 비율은 또한, 최소 스팀 소비가 도 15에 플로팅된 데이터에 의하여 나타난 영역에 있다.
도 19는 도 19가 세 가지 불연속적 스팀 대 SO2 비율, 즉, 4 lbs. 스팀/lb. SO2, 5 lbs. 스팀/lb. SO2, 및 6 lbs. 스팀/lb. SO2에서 모의된 조업에 대한 곡선의 집단을 포함함을 제외하고, 또한 도 17과 유사하다. 최소 SO2 배출이 스팀/SO2 비율이 6 lbs./lb.로부터 5 lbs./lb. 및 4 lbs./lb.로 강하함에 따라 예상되는 대로 증가함을 제외하고, 도 19에서 곡선의 구성이 도 17의 곡선과 유사함을 관찰할 수 있다. 스팀 대 SO2 비율이 감소함에 따라 점진적으로 더 낮은 가성물질/말산 비율에서 최소값이 발견됨에 또한 주목하라. 그러나 모든 경우에서, 최소 SO2 배출은 최소 스팀 요구량이 도 15에 반영되는 것과 같은 주어진 SO2 배출 수준을 달성하기 위하여 필요한 영역 안으로 하락한다.
도 20은 도 17-19에 표시된 것과 유사한 곡선의 플롯이다. 도 20의 곡선은 모두, 공급 가스 중의 2,400 ppmv SO2의 농도, 농후 가스 흡수 매질 중의 20% 말산 일나트륨, 및 흡수기 내의 80 lbs./lb.의 용매/입구 SO2 비율을 규정하는 공정의 수학적 모델에 기초한다. 각각 4 lbs. 스팀/lb. SO2, 5 lbs. 스팀/lb. SO2, 및 6 lbs. 스팀/lb. SO2에서의 조업에 대하여 곡선이 생성된다. 곡선의 한 집단은 용매가 말산염 흡수제을 함유하고 황산염 이온을 함유하지 않는 여러 불연속적 스팀 대 SO2 비율에 대하여 플로팅되고, 곡선의 또 다른 집단은 용매가 말산염 흡수제 및 7중량% 황산염 이온을 모두 함유하는 동일한 계열의 스팀 대 SO2 비율에 대하여 플로팅된다. 0% 대 7% 황산염 경우에 대하여 뚜렷하게 상이한 최적값은 황산염을 함유하는 용매 중의 현저하게 더 낮은 물 함량의 효과에 더하여, 말산 평형에 대한 황산 해리 평형의 효과 및 결과적인 유리 말산염 이온 대 중말산염 이온 및 비해리된 말산의 함량에서 기인한다. 더 낮은 가성물질 대 산 비율이 (황산염 경우에 대하여) pH를 낮추기 위하여 요구되고 이는 가장 적은 이산화황 배출을 제공한다.
도 21은 곡선의 집단 각각이 농후액 스트리퍼 기저부에서의 가성물질/말산 비율보다는 SO2 배출 대 pH를 플로팅함을 제외하고 도 20과 유사하다. 수학적 모델에 의하여 생성되고 도 21에 표시된 곡선은 도 20에 플로팅된 데이터를 생성한 동일한 불연속적 일련의 조건에 기초한다. 또다시, 스팀 속도는 0% 황산염에 기초한 모델에 의하여 생성된 곡선의 한 세트 및 7중량% 황산염에 기초하여 생성된 곡선의 다른 세트로써 6 lbs./lb. SO2, 5 lbs./lb. SO2, 및 4 lbs./lb. SO2이다. 다시 한 번, 그리고 동일한 이유로, SO2 배출 대 7% 황산염에 대한 pH의 관계는 0% 황산염에 대한 관련성으로부터의 상쇄이다.
도 22는 이 경우에서 농후액 스트리퍼 기저부에서 재생된 흡수 매질의 SO2 함량 스트리퍼 기저부에서의 pH와 상관관계가 있음을 제외하고, 도 17-21에 데이터가 제시된 동일한 모의실험에 기초한 곡선의 집단을 표시한다. 비록 재생된 흡수 매질의 SO2 함량이 농후 가스 흡수기를 돌파한 이산화황이 희박 가스 흡수기에서 포착되는 농후/희박 시스템에서 농후 가스 흡수기/스트리퍼 회로에 결정적인 것은 아니지만, 재생된 흡수 매질의 SO2 함량이 흡수기를 떠나는 배기 가스가 흡수기에 들어가는 재생된 흡수 매질과 평형인 농도보다 낮지 않을 수 있는 오염물질 가스 함량을 가지는 단일 흡수기 스트리퍼 회로에서 결정적인 변수일 수 있다.
도 22는 상당한 SO2 제거 개선이 기획됨을 나타내고, 여기서 황산염 수준이 7중량%의 정상 상태 수준까지 상승하도록 허용된다.
도 23은 도 17-22와 동일한 모의실험에 기초하지만 이 경우에는 재생된 흡수 매질의 SO2 함량이 가성물질/말산 비율에 대하여 플로팅된다. 도 23의 정사각형 점은 0% 황산염 및 6 lbs./lb. SO2의 스팀 대 SO2 비율에서의 모의실험과 동일한 조건하에 취해진 실험 데이터를 나타낸다. 이 경우에, 가성물질/말산 비율을 낮추는 실제 효과가 모의실험에서 기획된 것보다 덜 극적이었음이 알 것이지만, 비율이 1.5로부터 1.25로 낮아짐에 따라 상당한 이익이 보인다. SO2 수준은 분석 감소의 상실로 인하여 1.25 비율 아래에서 정체하는 것으로 보인다.
도 24는 도 20와 유사한 곡선의 두 집단을 나타내고, 양자 모두에서 SO2 배출이 가성 대 말산 비율에 대하여 플로팅된다. 도 24가 기초하는 모의된 조업은 20중량%보다는 10중량%의 Na 말산염 함량 및 80 lbs./lb.대신 140 lbs./lb.의 용매/SO2 비율을 특정함에 있어서 도 20의 조업과 상이하다. 또다시 7중량%의 흡수 매질 황산염 함량을 이용한 조업에 대한 곡선은 흡수 매질 중에 황산염을 가지지 않는 조업에 대한 상응하는 곡선을 상쇄한다. 관련성 차이는 밀려나는 물, 및 말산염 음이온의 양성자첨가 정도 변화에서 황산염의 효과로부터 발생한다. 7% 황산염 및 0% 황산염 사례 양자에 대하여, 최적 가성물질/말산 비율은 도 20에 플로팅된 모의실험 가동에 대하여 기획된 것보다 현저하게 낮음이 주목될 것이다. 최종적 최소값은 10% 고체/140 lbs./lb. 경우보다 lb.당 20% 고체/80 lbs. 경우에 대하여 약간 더 선호적이지만, SO2 배출 기준이 고려되는 한 차이가 현저하지 않을 수 있다. 도 24의 조건은 현열 요구량으로 인한 다소 더 높은 스팀 요구량을 또한 부과한다. 곡선의 상쇄는 도 20에 대하여 확인된 동일한 인자에 기인한다
도 25는 도 24의 모의된 가동에 대한 SO2 배출 대 스트리퍼 기저부에서의 pH에 대하여 일련의 곡선을 플로팅한다. 도 21과의 비교는 SO2 lb.당 10% 말산염/140 lbs. 용매 조건에 대하여 더 낮은 pH 최적값을 분명하게 나타낸다. 또다시, 0% 황산염 곡선으로부터 7중량% 황산염이 상쇄는 위에 설명된 동일한 이유로 인한 것이다.
도 26은 도 26이 도 24 및 25가 기초하는 동일한 모의실험에 관련됨을 제외하고 도 22의 곡선과 유사한 곡선을 나타낸다.
도 24-26에 플로팅된 데이터와 도 17-23에 플로팅된 것의 비교에 기초하여, 흡수 매질 중의 황산염 대 말산염의 비율을 약 0.9 내지 약 1.4의 값으로, 그리고 흡수 매질의 말산염 함량을 약 10 내지 약 20중량%의 농도 범위 이내로 제어하는 것이 바람직할 수 있다.
이산화황 흡수 공정의 추가의 바람직한 특징에 따르면, 흡수 (즉, 가스/액체 접촉) 영역을 통한 농후 가스 흡수 매질의 통과에서 이의 온도 상승을 감소시키기 위하여 농후 가스 흡수기의 기저부에서 냉각이 제공되고, 따라서 농후 가스 흡수기 및 농후 흡수액 스트리퍼 양자 모두가 비교적 낮은 L/G 비율에서 조업되는 능력이 보존된다. 흡수 매질의 온도 상승 제어는, 특히 농후 가스 흡수 구역의 저위 부분에서, 흡수 매질의 평형 용량을 보존하고, 따라서 흡수 구역 내에서 기체상으로부터 액체상으로의 이산화황의 물질전달을 위한 추진력뿐만 아니라 액체상 중의 흡수제와의 이산화황의 반응을 위한 추진력을 보존한다. 상대적으로 더 낮은 액체상 온도는 액체상 내의 이산화황 부가물로의 전환 정도를 또한 선호하고 여기서 이산화황과 흡수제 사이의 반응은 발열 평형 반응이다. 바람직하게는, 흡수액은 농후 가스 흡수기 내의 가스 액체/접촉 구역으로부터 인출되고, 외부 열교환기를 통하여 순환되고, 흡수 구역으로 반송된다. 더욱 구체적으로, 순환 흡수액은 냉각된 순환 흡수액이 구역으로 반송되는 영역 아래에 배치된 영역에서 가스/액체 접촉 구역으로부터 제거되고, 따라서 냉각된 흡수액이 반송되는 영역 아래의 흡수 구역 내의 섹션이 획정되고, 이 안에서 바람직하게는 대부분의 이산화황의 흡수가 일어나고 대부분의 흡수열이 발생한다.
예를 들어, 도 13에 도시되는 바와 같이, 뜨거운 이산화황-농후화 흡수액(405)의 일부는 액체 출구(418)로부터 인출되거나 흡수기(401) 내의 수직 가스/액체 접촉 구역(401.1)의 하부 근처의 영역(401.2)으로부터 인출되고 흡수열이 냉각 유체로의 열전달에 의하여 제거되는 외부 열교환기(480)를 통하여 순환된다. 냉각된 흡수액은 뜨거운 농후 흡수액이 인출되는 영역 위에 배치되지만, 가스/액체 접촉 구역의 상부 아래에 배치되는 가스/액체 접촉 구역의 영역(401.3) 중의 흡수기로 반송된다. 더욱 바람직하게는, 냉각된 순환 흡수액이 반송되는 영역(401.3)은 가스/액체 접촉 구역의 저위 부분에 있다.
농후 가스 흡수기와 외부 열교환기 사이의 흡수액의 순환은 영역(401.2)과 영역(401.3) 사이인 흡수 구역의 순환 섹션에서 흡수액의 불가피한 역혼합 및 증가된 질량 흐름을 야기하고, 이는 영역의 이 섹션에서 이산화황의 제거를 위한 물질전달 이익을 근소하게 상쇄할 수 있다. 바람직하게는, 그러므로, 반송 영역(401.3)은 가스/액체 접촉 구역의 상부 아래의 적어도 하나의 전달 유닛의 높이만큼 이격되고, 이에 의하여 구역의 상부 아래에 적어도 하나의 전달 유닛을 포함하는 흡수 구역의 정류 섹션이 획정된다. 바람직하게는, 정류 섹션은 적어도 둘의 전달 유닛을 포함한다. 반송 영역(401.3)은 인출 영역(401.2) 위의 적어도 하나의 전달 유닛, 더욱 바람직하게는 적어도 둘의 전달 유닛의 높이만큼 이격되는 것이 또한 바람직하다. 반송 영역(401.3)과 인출 영역(401.2) 사이의 흡수 구역의 순환 섹션 및 반송 영역(401.3)과 흡수 구역의 상부 사이의 정류 섹션 양자에서 적절한 물질전달 용량을 수용하기 위하여, 농후 가스 흡수 구역은 전체로서 바람직하게는 적어도 셋, 더욱 바람직하게는 적어도 넷의 전달 유닛을 포함한다. 가스 및 액체 스트림 모두 정류 섹션 내에서 실질적인 플러그 흐름이므로, 물질전달을 위한 최대 추진력이 상기 섹션에서 제공되어, 희박 가스 흡수기(415.1)에서 희박 가스로부터의 추가의 SO2 흡수가 배출 기준 및/또는 목표 황 수율을 충족시킬 수 있는 충분히 낮은 수준까지 배기 가스 중의 이산화황 농도의 감소가 허용된다. 순환 액체 반송 영역(401.3)에 대한 위치의 적절한 선택은 영역의 선택, 여기서 이로부터 상향으로 흐르는 가스 중의 이산화황 수준이 수성 흡수 매질 흡수 용량에 상당한 부정적 영향을 미칠 정류 섹션 내의 흡수/반응열을 발생시키기에 충분히 높지 않음, 또는 정류 섹션 내의 물질전달 추진력에 기초한다.
도 5의 공정 내의 흡수기의 경우에서와 같이, 도 13의 농후 가스 흡수기(401)에 흡수기에서 흡수액 온도의 적절한 제어를 달성하기에 필요한 대로 다중 냉각 루프가 제공될 수 있다. 도 13은 두 냉각 루프의 존재를 도시하지만, 물질전달 속도, 흡수열, 흡수 속도론, 흡수제/오염물질 반응의 열ㅣ 등에 따라 그 이상이 가능하다
도 13의 공정의 나머지는 실질적으로 도 9에 대하여 도시되고 기재된 바와 같지만, 도 13에서 참조 문자는 100 시리즈이기보다는 400이다.
바람직하게는, 흡수제가 테트라글라임인 경우에, 냉각된 순환 흡수액이 가스/액체 접촉 구역으로 반송되는 영역(401.3)은 약 40℃ 이하, 더욱 바람직하게는 약 30℃ 이하, 가장 전형적으로 약 15° 내지 약 25℃의 온도에서 유지된다. 테트라글라임 시스템에서, 뜨거운 순환 흡수액이 농후 가스/액체 접촉 구역으로부터 제거되는 영역(401.2)의 온도는 바람직하게는 약 45℃ 이하, 더욱 바람직하게는 35℃ 이하 더욱 전형적으로 약 15° 내지 약 30℃의 온도에서 유지된다 당해 분야의 숙련가는 상이한, 일부 경우에는 실질적으로 상이한, 온도 범위가 다른 흡수제에 대하여 최적임을 인지할 것이다. 예를 들어, 흡수제가 말산 나트륨인 경우에, 냉각된 순환 흡수액이 가스/액체 접촉 구역으로 반송되는 영역(401.3)은 약 45℃ 이하, 더욱 바람직하게는 약 45℃ 이하, 가장 전형적으로 약 20° 내지 약 40℃의 온도에서 유지된다. 이 경우에, 뜨거운 순환 흡수액이 가스/액체 접촉 구역으로부터 제거되는 영역(401.2)의 온도는 바람직하게는 약 50℃ 이하, 더욱 바람직하게는 40℃ 이하, 더욱 전형적으로 약 25° 내지 약 35℃의 온도에서 유지된다. 각각의 경우에, 영역(401.2)과 영역(401.3) 사이의 순환 속도는 이러한 온도 제약 및 흡수 공정의 단위 에너지 발생에 의하여 좌우된다.
편리하게는, 뜨거운 이산화황-농후화 흡수액(405)의 전향 흐름 분획은 외부 열교환기(480)의 순환 흡수액 스트림 상류로부터 인출되고 농후 흡수액 스트리퍼(407)로 보내진다.
순환 흡수액 반송 영역(401.3)의 위치는 이산화황 흡수 구역에 대한 흡수 프로파일에 기초하여 선택될 수 있다. 상이한 흡수 매질을 사용한 전형적인 프로파일이 도 6에 도시된다.
가스/액체 접촉 구역에서 공급 가스와 흡수 매질의 접촉 시 흡수가 즉각적이고 실질적으로 정량적인 경우, 보통 단일 농후 흡수액 냉각 회로가 흡수 효율을 보존하고 흡수액의 부피 흐름을 흡수액 스트리퍼에서의 효율적인 에너지 이용과 일치하는 수준으로 제어하기에 충분하다. 그러나, 이산화황에 대한 흡수제의 친화도가 더욱 제한되는 경우, 흡수액 스트리퍼의 효율적인 조업의 목적을 위하여 또한 바람직한 것과 같이, 흡수 구역을 통한 이산화황 농도 구배, 즉 가스 스트림 (및 액체 스트림) 중의 이산화황의 농도가 흡수 구역에 대한 가스 입구 위의 거리에 따라 감소하는 비율이, 유일하게 적당할 수 있다. 그러한 상황에서, 농후 가스 흡수기 및 농후액 스트리퍼의 조업에서 더 큰 효율이 흡수 구역 내의 가스 흐름 경로를 따라 수직으로 배치된 둘 이상의 냉각 루프 사용에 의하여 실현될 수 있다. 예를 들어, 도 13에 도시되는 바와 같이, 둘의 그러한 냉각 루프가 나타난다. 제2 냉각 루프에서, 흡수기(401)의 가스/액체 접촉 구역(401.1)을 하강하는 뜨거운 이산화황-농후화 흡수액의 제2 부분은 냉각된 순환 흡수액이 제1 냉각 루프 내의 가스/액체 접촉 구역으로 반송되는 영역(401.3) 위의 영역(401.4)으로부터 인출되고 흡수열이 냉각 유체로의 열전달에 의하여 제거되는 외부 열교환기(481)를 통하여 순환된다. 냉각된 흡수액은 뜨거운 흡수액이 인출되는 영역(401.4) 위에 배치되지만, 가스/액체 접촉 구역의 상부 아래에 배치되는 가스/액체 접촉 구역의 영역(401.5) 중의 흡수기로 반송된다.
당해 분야의 숙련가가 이해할 것과 같이, 도 13에 도시된 농후 흡수기 냉각 시스템은, 스트리퍼 공정 가스가 바람직하게는 냉각기/응축기에 도입되기 전에 압축되는 도 8에 달리 도시된 공정에서 실행되는 바와 같이, 냉각기/응축기에서 발생한 스팀이 바람직하게는 흡수액 스트리퍼에 보내지기 전에 압축되는 도 9에 달리 도시된 공정에서 용이하게 실행될 수 있다. 조업의 파라미터는 냉각 농후액 흡수기에 관한 한 도 13에서와 동일하고, 스팀 압축 및 스트리퍼로의 스팀의 도입에 관한 한 도 9에서와 동일하다.
본 발명 또는 이의 바람직한 구체예(들)의 요소를 도입하는 경우, 관사("a", "an", "the") 및 "상기"는 하나 이상의 요소들이 있음을 의미하는 것으로 의도된다. 용어 "포함하는"("comprising", "including") 및 "가지는"("having")은 포괄적인 것으로 의도되며, 열거된 요소 이외에 부가적인 요소들이 존재할 수 있음을 의미한다.
상기 내용에 비추어, 본 발명의 여러 목적들이 달성되고 다른 유리한 결과가 성취됨을 알 것 이다.
본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 상기 조성 및 공정에 다양한 변화가 이루어질 수 있으므로, 상기 설명에 포함된 모든 사항은 예시적으로 해석되어야 하고 제한하는 의미가 아닌 것으로 의도된다.

Claims (103)

  1. 소스 가스로부터 오염물질 가스를 제거하고 오염물질 가스를 회수하기 위한 방법이며,
    소스 가스를 포함하는 공급 가스 스트림을 농후 가스 흡수기에서 오염물질 가스에 대한 흡수제를 포함하는 농후 가스 수성 흡수 매질과 접촉시키고, 이에 의하여 오염물질 가스가 공급 가스 스트림으로부터 흡수 매질로 흡수되고, 오염물질 가스가 제거된 희박 가스 및 흡수된 오염물질을 함유하는 농후 흡수액이 생성되는 단계;
    상기 농후 가스 흡수기를 나가는 희박 가스를 희박 가스 흡수기에서 오염물질 가스에 대한 흡수제를 포함하는 희박 가스 수성 흡수 매질과 접촉시키고, 이에 의하여 잔류 오염물질 가스가 희박 가스로부터 희박 가스 흡수 매질로 흡수되고, 추가적인 오염물질 가스가 제거된 배기 가스 및 흡수된 오염물질을 함유하는 희박 흡수액이 생성되는 단계;
    상기 농후 흡수액을 농후액 스트리퍼에서 가열하여 상기 오염물질이 상기 농후액으로부터 탈착되고, 이에 의하여 재생된 농후 가스 흡수 매질 및 농후액 스트리퍼 가스 배출물이 상기 농후액 스트리퍼로부터 생성되며, 상기 농후액 스트리퍼 가스 배출물은 수증기 및 오염물질 가스를 포함하는 단계;
    상기 희박 흡수액을 희박액 스트리퍼에서 가열하여 오염물질 가스가 상기 희박액으로부터 탈착되고, 이에 의하여 재생된 희박 가스 흡수 매질 및 희박액 스트리퍼 가스 배출물이 상기 희박액 스트리퍼로부터 생성되며, 상기 희박액 스트리퍼 가스 배출물은 수증기 및 상기 오염물질 가스를 포함하는 단계; 및
    상기 공급 가스의 추가의 흐름으로부터 오염물질 가스를 제거하기 위하여 상기 재생된 농후 가스 흡수 매질을 상기 농후 가스 흡수기로 재순환시키고, 희박 가스의 추가의 흐름으로부터 오염물질 가스를 제거하기 위하여 상기 재생된 희박 가스 흡수 매질을 상기 희박 가스 흡수기로 재순환시키는 단계를 포함하고,
    상기 오염물질 가스는 이산화황을 포함하고,
    상기 오염물질 가스를 위한 흡수제는 다양성자성 카복실산 또는 이의 염을 포함하고,
    상기 농후 흡수액을 상기 농후액 스트리퍼에서 가열하는 것은 농후 흡수액을 스트리핑 스팀과 접촉시키는 것을 포함하고,
    상기 희박 흡수액을 상기 희박액 스트리퍼에서 가열하는 것은 상기 희박 흡수액을 상기 희박액 스트리퍼에서 스트리핑 스팀과 접촉시키는 것을 포함하고,
    상기 방법의 전체 스팀 요구량은, 공급 가스 중의 1000 내지 2000 ppm의 SO2 수준에서 공급 가스 내에 15 lbs/lb. SO2 이하, 공급 가스 중의 2000 ppm 내지 2부피%의 SO2 수준에서 공급 가스 내에 8 lbs./lb. SO2 이하, 공급 가스 중의 2 내지 4부피%의 SO2 수준에서 4 lbs./lb. SO2 이하, 및 공급 가스 중의 4부피% 초과의 SO2 수준에서 3 lbs./lb. SO2 이하인 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 농후 가스 흡수기에서 상기 공급 가스로부터 제거된 오염물질 가스는 상기 공급 가스에 함유된 오염물질 가스의 합계의 적어도 85%를 나타내는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 농후 가스 흡수기를 나가는 희박 가스의 오염물질 가스 함량은 0.5부피% 이하인 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 농후 가스 흡수 매질 및 상기 공급 가스의 상대 유량은 흡수제가 농후 가스 흡수기에 도입되는 속도 대 오염물질 가스가 농후 가스 흡수기에 도입되는 속도의 화학량론적비가 0.6 이하 이도록 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 오염물질 가스는 CO2, NOx, H2S, HCl 및 암모니아로 이루어진 군으로부터 선택된 가스를 더 포함하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 농후액 스트리퍼를 나가는 상기 재생된 농후 가스 흡수 매질의 이산화황 함량은 0.8 내지 15중량%인 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 재생된 희박 가스 흡수 매질의 이산화황 함량은 1중량% 이하인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 농후액 스트리퍼에 도입되는 스팀 대 농후 흡수액의 질량비는 0.01 내지 0.15인 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 농후액 스트리퍼에 도입되는 스팀 대 상기 농후 가스 흡수기로의 이산화황 흐름의 질량비는 0.2 내지 8인 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 희박액 스트리퍼에 도입되는 스팀 대 상기 희박 가스 흡수기에 도입되는 이산화황의 비율은 SO2 kg당 스팀 8 내지 20 kg인 방법.
  11. 제1항에 있어서, 농후액 스트리퍼에 들어가는 스팀 대 농후 가스 흡수기에 들어가는 SO2의 비율은 공급 가스 중의 1000 내지 2000 ppm의 SO2 수준에서 4 내지 15 lbs./lb. SO2, 공급 가스 중의 2000 ppm 내지 2부피%의 SO2 수준에서 1.5 내지 8 lbs./lb. SO2, 공급 가스 중의 2부피% 내지 4부피%의 SO2 수준에서 1 내지 4 lbs. /lb. SO2 , 및 공급 가스 중의 4부피% 초과의 SO2 수준에서 1 내지 3 lbs./lb. SO2인 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 재생된 희박 가스 흡수 매질의 이산화황 함량은 1중량% 이하인 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오염물질 가스의 흡수는 오염물질 가스와 흡수제 사이의 산/염기 반응을 포함하고, 농후 가스 흡수기 내의 농후 가스 수성 흡수 매질의 pH는 흡수에 대한 가장 선호적인 평형을 제공하는 pH와 상이한 값으로 조정되고, 상기 값에서 재생된 농후 가스 흡수 매질의 오염물질 가스 함량을 목표 수준까지 감소시키기 위한 농후액 스트리퍼 내의 스팀 소비는 비교 조업에서 재생된 농후 가스 흡수 매질의 오염물질 가스 함량을 그러한 수준까지 감소시키기 위한 스팀 소비보다 더 적으며, 상기 비교 조업은 농후 가스 수성 흡수 매질의 pH가 흡수에 대한 가장 선호적인 평형을 제공하는 값에서 유지됨을 제외하고 상기 방법이 수행되는 조건과 본질적으로 동일한 조건하에 수행되는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 흡수제는 말산염을 포함하고, 농후 가스 흡수기를 나가는 농후 흡수액의 pH 또는 농후액 스트리퍼를 나가는 재생된 농후 가스 흡수 매질의 pH는 3.4 내지 4.2의 값에서 유지되는 방법.
  15. 소스 가스로부터 이산화황을 제거하고 이산화황을 회수하기 위한 방법이며,
    소스 가스를 포함하는 공급 가스 스트림을 흡수기에서 상기 공급 가스 스트림에 대하여 향류로 흐르고 이산화황에 대한 말산염 흡수제를 포함하는 수성 이산화황 흡수 매질과 접촉시키고, 이에 의하여 이산화황이 공급 가스 스트림으로부터 이산화황 흡수 매질로 흡수되고 이산화황이 제거된 배기 가스 및 이산화황-농후화 흡수액이 생성되는 단계;
    이산화황-농후화 흡수액을 흡수액 스트리퍼에서 스트리핑 스팀과 접촉시켜 이산화황-농후화 흡수액으로부터 이산화황이 탈착되고, 이에 의하여 재생된 이산화황 흡수 매질, 및 수증기와 이산화황을 포함하는 1차 스트리퍼 가스 배출물이 생성되는 단계;
    상기 흡수액 스트리퍼의 액체 출구로부터 재생된 이산화황 흡수 매질이 인출되고 상기 흡수액 스트리퍼의 증기 출구로부터 1차 스트리퍼 가스 배출물이 인출되는 단계; 및
    이산화황-농후화 흡수액의 pH가 흡수기의 기저부에서 3.4 내지 4.2의 값에서 유지되는 비율로 이산화황 흡수 매질에 산 또는 염기를 첨가하는 단계를 포함하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 흡수기를 나가는 가스 스트림의 SO2 함량은 450 ppm 미만인 방법.
  17. 제15항에 있어서, 흡수기를 나가는 가스 스트림의 SO2 함량은 200 ppm 미만인 방법.
  18. 제15항에 있어서, 흡수기를 나가는 가스 스트림의 SO2 함량은 100 ppm 미만인 방법.
  19. 제15항에 있어서, 흡수기를 나가는 가스 스트림의 SO2 함량은 17 ppm 미만인 방법.
  20. 제15항에 있어서, 이산화황 흡수 매질의 pH는 상기 이산화황 흡수 매질이 흡수기를 나가는 영역에서 상기 값에서 유지되는 방법.
  21. 제15항에 있어서, 이산화황 흡수 매질의 pH는 흡수에 대한 가장 선호적인 평형을 제공하는 pH보다 낮은 값에서 유지되는 방법.
  22. 제15항에 있어서, 이산화황 흡수 매질의 pH는 흡수에 대한 가장 선호적인 평형을 제공하는 pH와 상이한 값에서 유지되는 방법.
  23. 제22항에 있어서, 이산화황-농후화 흡수액의 pH는 흡수기의 기저부에서 3.4 내지 4.0의 값에서 유지되는 방법.
  24. 제23항에 있어서, 스트리퍼에서의 스팀 소비는 스트리퍼에서 액체상으로부터 제거되는 SO2 lb.당 또는 4.8 내지 7.5 lbs.인 방법.
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