KR20090104126A - 암모니아의 산 세척을 위한 연소 배가스로부터 이산화황（ｓｏ₂）의 사용 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
이산화탄소 및 이산화황 함유 공정 가스를 정화하기 위해 동작하는 가스 정화 시스템은 조합된 냉각 및 정화 시스템(16)과, CO2 흡수기를 포함한다. 조합된 냉각 및 정화 시스템(16)은, CO2 흡수기의 상류에 위치되고 냉각 액체에 의해 공정 가스를 냉각하고 공정 가스의 이산화황을 냉각 액체 내로 흡수하여 설페이트 함유 냉각 액체를 얻기 위해 동작하는 제 1 가스-액체 접촉 디바이스(50)를 포함한다. 조합된 냉각 및 정화 시스템(16)은, CO2 흡수기의 하류에 위치되고, 설페이트 함유 냉각 액체와 암모니아 함유 공정 가스를 접촉시키는 것에 의해 CO2 흡수기에서 처리된 공정 가스로부터 암모니아를 제거하기 위해 동작하는 제 2 가스-액체 접촉 디바이스를 추가로 포함한다.
연소 배가스, 이산화탄소, 이산화황, 암모니아, 가스-액체 접촉
Description
본 출원은 그 개시 내용이 참조에 의해 본 출원에 전체적으로 통합된 2007년 1월 31일자에 "암모니아의 산 세척을 위한 연소 배가스(flue gas)로부터의 이산화황(SO2)의 사용"이라는 명칭으로 출원된 동시 계류 중인 미국 특허 가출원 제60/887,357호의 우선권을 주장한다.
본 발명은 이산화탄소 및 이산화황 함유 공정 가스를 정화하는 방법에 관한 것이고, 상기 방법은 제 1 단계에서 공정 가스를 냉각시키는 수단에 의해 공정 가스로부터 이산화탄소를 적어도 부분적으로 제거하는 단계와, 제 2 단계에서, 이산화탄소의 적어도 일부를 흡수하는 암모니아처리된 용액 또는 슬러리와 냉각된 공정 가스를 접촉시키는 단계를 포함한다.
본 발명은 또한 이산화탄소 및 이산화황 함유 공정 가스를 정화하기 위하여 동작하는 가스 정화 시스템에 관한 것이고, 상기 가스 정화 시스템은 공정 가스를 냉각시키기 위해 동작하는 조합된 냉각 및 정화 시스템과, 이산화탄소의 적어도 일부를 흡수하는 암모니아처리된 용액 또는 슬러리와 냉각된 공정 가스를 접촉시키는 것에 의하여 공정 가스로부터 이산화탄소를 적어도 부분적으로 제거하기 위해 동작 하는 CO2-흡수기를 구비하는 이산화탄소 제거 시스템을 포함한다.
발전소와 같은 연소 설비에서 석탄, 석유, 이탄(peat), 폐기물 등과 같은 연료의 연소시에, 고온의 공정 가스가 발생되고, 이러한 고온의 공정 가스는 다른 성분들 중에서 이산화탄소(CO2)를 함유하는 연소 배가스로서 때때로 지칭된다. 대기중으로의 이산화탄소를 방출하는 부정적인 환경 영향이 폭넓게 인식되었으며, 상기된 연료의 연소시에 발생되는 고온의 공정 가스로부터 이산화탄소를 제거하는데 적합한 공정들이 개발되었다.
WO 2006/022885는 연소 배가스로부터 이산화탄소를 흡수하기 위한 하나의 이러한 공정을 기술한다. WO 2006/022885에 기술된 공정에서, 연소 배가스는 먼저 집진기, NOx 및 SO2 조절, 산성 안개 포집 디바이스 등과 같은 종래의 공기 오염 제어 공정에 의해 처리된다. 종래의 공기 오염 제어 공정 후에, 연소 배가스는 그런 다음 약 40℃-70℃의 온도를 가진다. 연소 배가스는 그런 다음 연소 배가스가 냉각수에 의해 냉각되는 직접 접촉 냉각에 의해 바람직하게 0℃-20℃로 냉각된다. 연소 배가스는 이산화탄소 희박(lean)인 저온 암모니아처리된 슬러리 또는 용액과 연소 배가스가 접촉하는 CO2 흡수기로 보내진다. 이산화탄소는 암모니아처리된 슬러리 또는 용액에서 흡수되고, 매우 적은 양의 오염물과 이산화탄소를 함유하는 정화된 연소 배가스는 CO2 흡수기를 떠난다. 이산화탄소 부화(rich) 암모니아처리된 슬러리 또는 용액은 재생기에서 재생되고, 재생기에서, 이산화탄소는 농축된 이산화탄소 부화 스트림을 형성하도록 고압하에서 약 50℃-200℃의 온도에서 제거된다(stripped).
WO 2006/022885에 기술된 공정의 문제점은 CO2 흡수기로부터 방출된 정화된 연소 배가스가 상당한 양의 암모니아를 함유하게 된다는 것이다. WO 2006/022885에서, 정화된 연소 배가스의 암모니아 농도는 CO2 흡수기에서의 낮은 연소 배가스 온도, CO2 흡수기의 슬러리에서 낮은 NH3/CO2 비, 및 대기중으로 연소 배가스를 방출하기 전에 연소 배가스의 차가운 물 세척에 의해 가능한 낮게 유지될 수 있다고 기술되었다. 이러한 물 세척은 약 100-1000ppm의 범위로, 바람직하게 약 100-400ppm의 범위로 정화된 연소 배가스에서의 암모니아 농도를 감소시킬 수 있지만, 암모니아 농도는 이러한 연소 배가스를 대기중으로 방출시키기에는 여전히 너무 높다.
본 발명의 목적은 공정 가스로부터 이산화탄소를 제거하는, 효율적이고 환경적으로 수용 가능한 방법을 제공하는데 있다.
이러한 목적은, 제 1 단계에서 공정 가스를 냉각시키는 것에 의해 공정 가스로부터 이산화탄소를 적어도 부분적으로 제거하는 단계와, 제 2 단계에서, 이산화탄소의 적어도 일부를 흡수하는 암모니아처리된 용액 또는 슬러리와 냉각된 공정 가스를 접촉시키는 단계를 포함하는, 이산화탄소 및 이산화황 함유 공정 가스를 정화하는 방법에 있어서,
상기 제 1 단계는 공정 가스를 냉각 액체와 직접 접촉시키는 것에 의해 공정 가스를 냉각시키는 단계와, 설페이트(sulphate) 함유 냉각 액체를 얻도록 냉각 액체 내로 공정 가스의 이산화황의 적어도 일부를 흡수하는 단계를 포함하며,
상기 제 2 단계는, 공정 가스로부터 이산화탄소를 적어도 부분적으로 제거하고 암모니아 함유 공정 가스를 형성하도록 암모니아처리된 용액 또는 슬러리와 냉각된 공정 가스를 접촉시키는 단계와, 제 3 단계에서, 설페이트 함유 냉각 액체와 암모니아 함유 공정 가스를 직접 접촉시키는 것에 의해 암모니아 함유 공정 가스로부터 암모니아를 적어도 부분적으로 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 및 이산화황 함유 공정 가스를 정화하는 방법에 의해 달성된다.
이러한 방법의 이점은 주위로 암모니아와 같은 다른 물질의 방출을 유발함이 없이 이산화탄소가 효과적인 방식으로 공정 가스로부터 제거된다는 것이다. 제 1 단계에서 냉각된 공정 가스의 이산화황은 흡수되고, 제 3 단계에서 암모니아 함유 공정 가스로부터 암모니아를 효과적으로 제거하는 것을 가능하게 하는 물질로서 이용된다. 그러므로, 공정 가스의 하나의 산 성분(acid component), 즉 이산화황이 제 2 단계에서 공정 가스에 부가되는 오염물을 형성할 수 있는 하나의 알칼리 성분, 즉 암모니아를 흡수하기 위해 이용되어서, 이러한 2개의 성분들은 사실상 서로 중화된다. 그러므로, 공정 가스는 이산화탄소와 이산화황 모두와 암모니아로부터 매우 효과적으로 정화되어서, 공정 가스는 환경 또는 인체 건강에서의 부정적인 영향없이 대기중으로 이후에 방출될 수 있다.
한 실시예에 따라서, 설페이트 함유 냉각 액체는 제 3 단계에서 암모니아 함유 공정 가스에 의해 냉각되고, 이에 의해 냉각된 냉각 액체는 제 1 단계에서 공정 가스의 냉각을 위해 이용된다. 제 3 단계에서, 설페이트 함유 냉각 액체의 냉각은 이 액체를 상기 제 1 단계에서 냉각 매체로서 재사용되는데 보다 적합하게 만들고, 이에 의해, 공정의 액체 밸런스를 큰 범위로 완료한다. 암모니아 함유 공정 가스는 설페이트 함유 냉각 액체에 의해 가열되어, 공정 가스를 대기중으로 방출되는데 보다 적합하게 만든다.
또 다른 실시예에 따라서, 상기 제 1 단계는 공정 가스를 냉각시키는 단계와, 제 1 가스-액체 접촉 디바이스에 의해 냉각 액체 내의 이산화황을 흡수하는 단계를 포함하고, 상기 제 3 단계는 제 2 가스-액체 접촉 디바이스에 의해 설페이트 함유 냉각 액체에 의해 암모니아 함유 공정 가스로부터 암모니아를 제거하는 단계를 포함한다. 가스-액체 접촉 디바이스들은 액체와 가스 사이의 직접 접촉을 개선하고, 액체와 가스 사이의 열교환과, 냉각 액체 내의 이산화황과 암모니아의 흡수를 증가시킨다.
하나의 실시예에 따라서, 상기 제 3 단계에서, 암모니아 함유 공정 가스의 암모니아와 설페이트 함유 냉각 액체의 설페이트는 수용액에서 황산 암모늄(ammonium sulphate)을 형성하도록 적어도 부분적으로 반응한다. 황산 암모늄은 인체 건강에 무해하고, 또한 불활성이어서, 냉각 액체로부터 이산화황의 재증발이 일어나지 않는다. 황산 암모늄은 적절한 처리 후에 매개자(fertilizer)로서 사용될 수 있다.
하나의 실시예에 따라서, 제 1 단계에서 공정 가스를 냉각시키기 위하여 이용된 냉각 액체는 에너지를 회수하기 위하여 열교환기에서 처리된다. 이 실시예의 이점은 에너지가 공정의 또 다른 부분에서, 예를 들어 CO2 흡수기로부터 CO2 부화 슬러리 또는 용액이 재생되는 재생기에서 사용될 수 있다는 것이다.
하나의 실시예에 따라서, 제 1 단계에서 얻어진 냉각 액체와 같은, 설페이트 함유 냉각 액체의 pH 값은 약 4-6의 pH의 범위에 있도록 조절된다. 이러한 pH 범위는 암모니아를 포함하는 낮은 농도의 오염물을 함유하는 정화된 공정 가스를 얻는데 적절한 것으로 알려졌다.
하나의 실시예에 따라서, 공정 가스는 상기 제 1 단계에서 냉각되기 전에 그 이산화황의 일부를 제거하도록 이산화황 제거 디바이스에서 처리되고, 이산화황 제거 디바이스의 효율은 상기 제 1 단계에서 처리되는 공정 가스를 얻도록 제어되고, 공정 가스는 상기 제 3 단계에서 처리된 몰기준(molar basis)에서 약 1:2의 암모니아 함유 공정 가스의 암모니아의 양에 대해 일정 관계를 가지는 일정량의 이산화황을 함유한다. 이 실시예의 이점은 제 1 단계에서 제거된 이산화황의 양이 제 3 단계에서 암모니아를 흡수하기 위하여 설페이트 함유 냉각 액체에서 요구되는 양에 대응하도록 조절될 수 있다는 것이다.
하나의 실시예에 따라서, 제 2 단계는 물 세척 디바이스에 의해 암모니아 함유 공정 가스로부터 암모니아를 부분적으로 제거하는 단계를 포함하고, 물 세척 디바이스의 효율은 상기 제 3 단계에서 처리되는 암모니아 함유 공정 가스를 얻도록 제어되며, 상기 암모니아 함유 공정 가스는 상기 제 1 단계에서 처리된 몰기준에서 약 2:1의 공정 가스의 이산화황의 양에 대해 일정 관계를 가지는 일정량의 암모니아를 함유한다. 이 실시예의 이점은 제 3 단계에서 제거되는 암모니아의 양이 냉각 액체에서 흡수되는 이산화황의 양에 대응하도록 조절되어, 제 1 단계에서 설페이트 함유 냉각 액체를 형성한다는 것이다.
한 실시예에 따라서, 황산이 냉각 액체의 pH 값을 조절하도록 냉각 액체에 첨가된다. 이 실시예의 이점은, 예를 들어 제 1 단계에서 제거된 이산화황의 양이 제 3 단계에서 제거되는 암모니아의 양의 관점에서 충분하지 않을 때의 상황에서, 황산이 설페이트 함유 냉각 액체의 암모니아 제거 능력을 신속하고 저렴하게 증가시키기 위해 준비한다는 것이다.
본 발명의 추가의 목적은 공정 가스로부터 이산화탄소의 효율적이고 환경적으로 수용 가능한 제거를 위해 동작하는 가스 정화 시스템을 제공하는데 있다.
이러한 목적은, 이산화탄소 및 이산화황 함유 공정 가스를 정화하기 위해 동작하는 가스 정화 시스템으로서, 공정 가스를 냉각시키기 위해 동작하는 조합된 냉각 및 정화 시스템과, 이산화탄소의 적어도 일부를 흡수하는 암모니아처리된 용액 또는 슬러리와 냉각된 공정 가스를 접촉시키는 것에 의해 공정 가스로부터 이산화탄소를 적어도 부분적으로 제거하기 위해 동작하는 CO2 흡수기를 포함하는 이산화탄소 제거 시스템을 포함하며,
상기 조합된 냉각 및 정화 시스템은 제 1 가스-액체 접촉 디바이스를 포함하며, 상기 제 1 가스-액체 접촉 디바이스는 공정 가스의 흐름 방향에 대해 CO2 흡수기의 상류에 위치되고, 냉각 액체와 공정 가스를 직접 접촉시키는 것에 의해 공정 가스를 냉각하고 설페이트 함유 냉각 액체를 얻도록 공정 가스의 이산화황의 적어도 일부를 냉각 액체 내로 흡수하기 위해 동작하며,
상기 조합된 냉각 및 정화 시스템은 제 2 가스-액체 접촉 디바이스를 추가로 포함하며, 상기 제 2 가스-액체 디바이스는 공정 가스의 흐름 방향에 대해 CO2 흡수기의 하류에 위치되고, 설페이트를 함유하고 상기 제 1가스-액체 접촉 디바이스에서 형성된 냉각 액체와 암모니아 함유 공정 가스를 직접 접촉시키는 것에 의해, CO2 흡수기에서 처리되고 암모니아를 함유하는 공정 가스로부터 암모니아를 적어도 부분적으로 제거하기 위해 동작하는 것을 특징으로 하는 가스 정화 시스템에 의해 달성된다.
이러한 가스 정화 시스템의 이점은, 이산화황을 제거하고, 냉각 액체에 함유된 설페이트의 형태로 하는 제거된 이산화황을 이용하고, 이산화탄소 제거 시스템에서 처리되고 처리의 결과로서 암모니아를 함유하는 공정 가스로부터 암모니아를 제거하는데 효율적이라는 것이다. 그러므로, 황산과 같은 외부 첨가제에 대한 필요성이 매우 제한된다. 2개의 가스-접촉 디바이스는 또한 이산화황과 암모니아를 위한 흡수기에 부가하여, 이산화탄소 제거 시스템에서 처리되기 전에, 공정 가스를 냉각하고, 대기중으로 방출되기 전에 공정 가스를 가열하기 위해 각각 동작하는 열전달 디바이스로서 기능하게 된다.
하나의 실시예에 따라서, 제 2 가스-접촉 디바이스는 암모니아 함유 공정 가스에 의해 설페이트 함유 냉각 액체를 냉각시키기 위해 동작하며, 액체 운반 디바이스는 제 2 가스-접촉 디바이스로부터 제 1 가스-접촉 디바이스로 냉각된 냉각 액체의 적어도 일부분을 재순환시키기 위해 동작한다. 이 실시예의 이점은 액체 밸런스가 거의 완료되어서, 냉각 액체가 제 2 가스-접촉 디바이스에서 냉각된 후에 제 1 가스-접촉 디바이스에서 재사용되는 것이다.
하나의 실시예에 따라서, 조합된 냉각 및 정화 시스템은 설페이트 함유 냉각 액체의 pH 값을 조절하기 위해 동작하는 제어 시스템을 포함한다. 설페이트 함유 냉각 액체의 pH 값의 조절은 제 2 가스-접촉 디바이스에서 암모니아 함유 공정 가스로부터 암모니아 제거의 제어를 개선한다.
본 발명의 추가의 목적 및 특징들은 상세한 설명 및 특허청구범위로부터 자명하게 된다.
본 발명의 많은 양태들은 다음의 도면을 참조하여 보다 더 이해될 수 있다. 도면에 있는 구성 요소들은 반드시 축척으로 도시되지 않았으며, 대신에 본 발명의 원리들을 명확하게 예시한다. 또한, 도면에서, 동일한 도면 부호는 다수의 도면을 통해 대응 부분들을 지시한다. 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 기술된다.
도 1은 발전 설비의 예를 도시하는 개략 측면도.
도 2는 조합된 냉각 및 정화 시스템의 예를 도시한 개략 측면도.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 방법의 주요 단계를 나타내는 개략도.
본 명세서에서 도처에 사용되는 바와 같이, 단위 "ppm"은 부피 기준으로 백만분의 1(parts per million)을 지칭한다.
도 1은 그 측면으로부터 본 바와 같은 발전 설비(1)를 예시하는 개략 측면도이다. 발전 설비(1)는 보일러(2)를 포함한다. 석탄 또는 석유와 같은 연료의 연소 동안, 때때로 연소 배가스로서 지칭되는 고온의 공정 가스가 보일러(2)에서 발생된다. 먼지 입자, 이산화황(SO2), 삼산화황(SO3), 이산화탄소(CO2)를 포함하는 오염물을 함유하는 연소 배가스는 가스 덕트(4)를 통해 보일러(2)를 떠난다. 가스 덕트(4)는 종래의 공기 오염 제어 시스템(6)으로 연소 배가스를 안내하기 위해 동작한다. 종래의 공기 오염 제어 시스템(6)은 예를 들어 US 4,502,872에 개시된 바와 같은 정전 집진기의 형태를 하는 집진기(8)를 포함한다. 또한, 종래의 공기 오염 제어 시스템(6)은 집진기(8)로부터 습식 스크러버(wet scrubber)의 형태를 하는 배연탈황 시스템(Flue Gas Desulfurization system, FGD)으로 지칭되는 이산화황 제거 디바이스(12)로 연소 배가스를 안내하기 위해 동작하는 덕트(10)를 포함한다. 습식 스크러버의 예는 EP 0 162 536 A1에서 볼 수 있다. 이러한 습식 스크러버에서, 이산화황은 석회석 슬러리와 연소 배가스를 접촉시키는 것에 의해 연소 배가스로부터 제거된다. 석탄 또는 석유 연소 발전 설비에서의 연소 배가스는 황 적재 석탄 또는 석유가 연소될 때 형성되는 SO2를 함유한다. 전형적인 발전 설비에서, SO2의 약 90-98%가 이산화황 제거 디바이스(12)에서 포집되고, 이러한 이산화황 제거 디바이스(12)를 떠나는 연소 배가스는 전형적으로 약 20-200ppm의 SO2을 함유한다. 이산화황 제거 디바이스(12)는 또한 소위 건식 시스템일 수 있으며, 연소 배가스가 습한 흡수 물질과 접촉되는 WO 2004/026443 A1에 그 예가 예시되어 있다.
종래의 공기 오염 제어 시스템(6)은 연소 배가스로부터 질소 산화물을 제거하기 위하여 예를 들어 US 5,555,849에 기술된 형태의 선택적 촉매 환원 반응기와 같은 추가의 디바이스를 포함할 수 있으며, 이러한 추가의 디바이스는 예시의 명료성의 이유때문에 도 1에 예시되지 않는다. 매우 작은 양의 대부분의 오염물을 함유하지만 본래 농도의 이산화탄소의 대부분을 함유하는 연소 배가스는 덕트(14)를 통해 종래의 공기 오염 제어 시스템(6)을 떠난다. 덕트(14)는 이후에 보다 상세하게 설명되는 조합된 냉각 및 정화 시스템(16)으로 연소 배가스를 안내하기 위해 동작한다. 덕트(14)에서 안내되는 연소 배가스는 전형적으로 49℃-60℃(120℉-140℉)의 온도를 가지며, 대기압이고 물로 적셔진다.
연소 배가스는 덕트(18)를 통해 조합된 냉각 및 정화 시스템(16)을 떠난다. 덕트(18)에서의 연소 배가스는 0℃-20℃, 바람직하게 0℃-10℃의 온도를 가진다. 덕트(18)는 이산화탄소 제거 시스템(20)으로 연소 배가스를 안내하기 위해 동작한다. 이산화탄소 제거 시스템(20)은 오히려 국제특허출원번호 PCT/US2005/012794를 가지는 WO 2006/022885의 도 1을 참조하여 기술되는 이산화탄소 제거 시스템과 유사하다. WO 2006/022885에 기술된 이산화탄소 제거 시스템의 형태는 때때로 냉각된 암모니아 처리(Chdilled Ammonia Process, CAP)로서 지칭된다. 0℃-20℃, 바람직하 게 0℃-10℃의 연소 배가스 온도는 이산화탄소 제거 시스템(20)를 위해 적합하다.
따라서, 이산화탄소 제거 시스템(20)은 본 출원의 도 1을 참조하여 WO 2006/022885에 기술된 것과 유사한 방식으로 연소 배가스가 암모니아처리된 슬러리 또는 용액과 접촉하는 CO2 흡수기(22)를 포함한다. 파이프(24)는 명료성을 이유로 도 1에 도시되지 않은 고압 펌프에 의해, CO2 흡수기(22)로부터 재생기(26)로 CO2 부화 슬러리 또는 용액을 안내하기 위해 동작한다. 열은 히터(30)에서 스트림(28)을 가열하는 것에 의해 재생기(26)에 제공된다. 재생기(26)에서의 고압 및 고온은 스트림(32)으로의 고압 가스상 CO2의 방출을 유발한다. 파이프(34)는 도 1에 도시되지 않은 쿨러에서 냉각되는 CO2 희박 암모니아처리된 용액 또는 슬러리를 재생기(26)로부터 CO2 흡수기(22)로 복귀시키기 위하여 동작한다.
덕트(36)는 CO2 흡수기(22)로부터 물 세척 용기(38)로 낮은 농도의 이산화탄소를 가지는 연소 배가스를 안내하기 위해 동작하고, 물 세척 용기는 선택적이며 CO2 흡수기(22)에서 처리된 연소 배가스로부터 암모니아(NH3)를 제거하기 위해 동작한다. 물 세척 용기(38)는 WO 2006/022885의 도 3을 참조하여 기술된 상기 국제특허출원에서 도면 부호 356으로서 기술된 물 세척 용기와 유사한 디자인을 가질 수 있다. 본 출원의 도 1을 참조하여, 차가운 물 또는 차갑고 약간 산성인 용액의 스트림(40)은 열교환기(42)에서 냉각되고 물 세척 용기(38)로 공급된다. 덕트(44)는 물 세척 용기(38)에서 정화된 연소 배가스를, 이후에 보다 상세하게 기술되는 바와 같이 추가의 정화을 위하여 조합된 냉각 및 정화 시스템(16)으로 안내하기 위해 동작한다.
덕트(46)는 조합된 냉각 및 정화 시스템(16)에서 추가로 정화된 연소 배가스를, 정화된 연소 배가스를 대기중으로 방출하는 스택(48)으로 안내하기 위해 동작한다.
도 2는 조합된 냉각 및 정화 시스템(16)을 보다 상세하게 예시한다. 이산화황 제거 디바이스(12)로부터의 연소 배가스는 도 1을 참조하여 이전에 기술된 덕트(14)를 통하여 조합된 냉각 및 정화 시스템(16)으로 들어간다. 연소 배가스는 먼저 탑의 형상을 가지는 제 1 직접 접촉 쿨러(50)의 형태를 하는 제 1 가스-액체 접촉 디바이스에 도달한다. 제 1 직접 접촉 쿨러(50)는 예를 들어 20.5℃ [69℉]의 온도를 가지는 냉각수의 형태를 하는 냉각 액체와 연소 배가스를 직접 접촉시키는 것에 의하여 연소 배가스의 효과적인 냉각을 위해 동작하며, 냉각 액체는 파이프(52)를 통해 공급된다. 한 세트의 노즐(54)은, 조직화된 패킹(packing) 또는 가스-액체 접촉 충전의 다른 적절한 형태를 가질 수 있는 접촉 디바이스(56) 위에 냉각수를 분포시키기 위해 동작한다. 예를 들어 57℃ [135℉]의 온도를 가지는 연소 배가스는 가스 입구(58)를 통해 제 1 직접 접촉 쿨러(50)를 들어가고, 접촉 디바이스(56)를 통하여 위로 안내된다. 연소 배가스는 가스 출구(60)를 통해 21℃ [70℉]의 온도로 제 1 직접 접촉 쿨러(50)를 떠난다. 냉각수와 연소 배가스는 열의 교환 하에서 접촉 디바이스(56)에서 서로 접촉된다. 데워진한 냉각수는 제 1 직접 접촉 쿨러(50)의 바닥에 위치된 탱크(62)에서 수집된다. 탱크(62)에 수집된 냉각수는 예 를 들어 55.5℃ [132℉]의 온도를 가진다. 안개 제거기(64)는 연소 배가스에 의해 동반된 물방울의 수집 목적을 위하여 상기 노즐(54)의 세트 위에 위치된다.
제 1 직접 접촉 쿨러(50)는 용기의 양측 단부 상에서 낮은 온도차를 달성하도록 디자인된 반류(counter-current) 가스-액체 접촉 용기이다. 제 1 직접 접촉 쿨러(50)의 상부에서의 온도차, 즉 파이프(52)를 통해 공급되는 차가운 냉각수와 가스 출구(60)를 통해 제 1 직접 접촉 쿨러(50)를 막 떠나는 연소 배가스 사이의 온도차는 3℃ [5℉] 미만, 바람직하게 약 0.6℃ [1℉]이도록 디자인된다. 유사하게, 제 1 직접 접촉 쿨러(50)의 바닥에서의 온도차, 즉 추가의 운반을 위해 탱크(62)에 수집된 데워진 냉각수와 가스 입구(58)를 통해 제 1 직접 접촉 쿨러(50)에 막 들어가는 연소 배가스 사이의 온도차는 3℃ [5℉] 미만, 바람직하게 약 0.6℃ [1℉]이도록 디자인된다. 온도차를 낮추는 것은 연소 배가스의 최대 냉각과 냉각수의 최대 가열을 초래한다. 가스 출구(60)를 통해 제 1 직접 접촉 쿨러(50)를 막 떠나는 연소 배가스의 온도를 낮추는 것은 공정 하류에서의 냉각 동력을 절약한다.
덕트(66)는 가스 출구(60)로부터 제 1 간접 쿨러(68)와 제 2 간접 쿨러(70)로 연소 배가스를 안내하기 위해 동작한다. 파이프(72)는 제 1 간접 쿨러(68)와 냉각기(74, chiller)로 냉각 액체를 공급한다. 냉각기(74)는 제 2 간접 쿨러(70)로 냉각 액체를 공급하기 전에 냉각 액체를 더욱 냉각시킨다. 파이프(76)는 제 1 및 제 2 간접 쿨러(68, 70)로부터 사용된 냉각 액체를 복귀시킨다. 파이프(72, 76)에서 순환하는 냉각 액체는 도 2에 도시되지 않은 냉각탑에서 냉각될 수 있다.
도 1을 참조하여 이전에 기술된 덕트(18)는 제 2 간접 쿨러(70)로부터 또한 도 1을 참조하여 이전에 기술된 이산화탄소 제거 시스템(20)으로 0℃-20℃, 바람직하게 0℃-10℃의 필요한 온도를 가지는 연소 배가스를 안내하기 위해 동작한다.
펌프(78)는 파이프(80)를 통해, 제 1 직접 접촉 쿨러(50)의 탱크(62)에 수집된 데워진 냉각수를 열교환기(82)로 안내하기 위하여 동작한다. 열교환기(82)에서, 데워진 냉각수는 약 55.5℃ [132℉]로부터 예를 들어 약 35℃ [95℉]로 냉각된다. 그러므로, 데워진 냉각수는 공정에서 어딘가에 이용되는 열원으로서 사용된다. 그러므로, 냉각탑(84)에 폐기되거나 거절되는 열은 열교환기(82)로 전달되고, 재생을 위해 사용된다. 파이프(80)에서 안내된 데워진 냉각수의 보다 높은 온도는 폐에너지 이용을 개선하고, 그러므로 발전 설비(1)의 전체적인 에너지 효율을 개선한다.
파이프(86)는 열교환기(82)로부터 냉각탑(84)으로 냉각수를 안내하기 위해 동작한다. 열교환기(82)에서 유용한 목적을 위해 거절되지 않은 열은 냉각탑(84)에서 폐에너지로서 거절된다. 주위 공기는 입구 덕트(88)를 통해 냉각탑(84)으로 공급되며, 냉각탑의 널리 공지된 원리에 따라서 데워진 냉각수를 냉각시킨다. 가열된 주위 공기는 출구 덕트(90)를 통해 냉각탑(84)을 떠난다. 약 25℃ [77℉]의 온도를 가지는 냉각된 냉각수는 파이프(92)를 통해 냉각탑(84)을 떠난다.
조합된 냉각 및 정화 시스템(16)은 탑의 형상을 가지는 제 2 직접 접촉 쿨러(94)의 형태를 하는 제 2 가스-액체 접촉 디바이스를 추가로 포함한다. 제 2 직접 접촉 쿨러(94)는 차가운 연소 배가스와 냉각 액체를 직접 접촉시키는 것에 의하여 파이프(92)에 의해 제 2 직접 접촉 쿨러(94)에 공급되는 냉각 액체의 효과적인 냉각을 위해 동작하고, 차가운 연소 배가스는 도 1을 참조하여 기술된 전체 이산화탄소 제거 시스템(20)을 통과하며, 도 1을 참조하여 이전에 기술된 덕트(44)에 의해 제 2 직접 접촉 쿨러(94)의 가스 입구(96)로 안내된다. 이산화탄소 제거 시스템(20)에서 대부분의 이산화탄소가 제거된 연소 배가스는 가스 입구(96)로 들어갈 때 예를 들어 5℃ [41℉]의 온도를 가진다.
한 세트의 노즐(98)은 접촉 디바이스(56)와 유사할 수 있는 접촉 디바이스(100) 위에 파이프(92)에 의해 공급된 냉각수를 분포시키기 위하여 동작한다. 가스 입구(96)를 통해 들어오는 연소 배가스는 접촉 디바이스(100)를 통해 위로 안내되고, 가스 출구(102)를 통해 24.5℃ [76℉]의 온도로 제 2 직접 접촉 쿨러(94)를 떠난다. 가스 출구(102)는 덕트(46)에 연결되고, 이 덕트는 도 1을 참조하여 이전에 기술되었으며 조합된 냉각 및 정화 시스템(16)으로부터 정화된 연소 배가스를 스택(48)으로 안내하기 위해 동작한다. 냉각수와 연소 배가스는 열의 교환하에서 접촉 디바이스(100)에서 서로 접촉된다. 냉각된 냉각수는 제 2 직접 접촉 쿨러(94)의 바닥에 위치된 탱크(104)에서 수집된다. 탱크(104)에 수집된 냉각수는 파이프(52)를 참조하여 이전에 기술된 바와 같이 예를 들어 20.5℃ [69℉]의 온도를 가진다. 펌프(106)는 탱크(104)로부터 파이프(52)를 통해 제 1 직접 접촉 쿨러(50)로 차가운 냉각수를 안내하기 위해 동작한다. 안개 제거기(108)는 연소 배가스에 의해 동반된 물방울의 수집의 목적을 위해 상기 노즐(98)의 세트 위에 위치된다.
제 2 직접 접촉 쿨러(94)는 용기의 양단부에서 낮은 온도차를 달성하도록 디자인된 반류 가스-액체 접촉 용기이다. 제 2 직접 접촉 쿨러(94)의 상부에서의 온 도차, 즉 파이프(92)를 통해 공급되는 냉각수와 가스 출구(102)를 통해 제 2 직접 접촉 쿨러(94)를 막 떠나는 연소 배가스 사이의 온도차는 3℃ [5℉] 미만, 바람직하게 0.6℃ [1℉]이도록 디자인된다. 정화된 연소 배가스에서의 보다 높은 온도는 그 부력을 개선하고, 필요하다면 재가열 부하(reheat load), 즉 정화된 연소 배가스를 특정 온도로 가열하도록 요구되는 열 입력을 감소시킨다.
아래의 표는 냉각수와 연소 배가스가 조합된 냉각 및 정화 시스템(16)을 통과하는 동안 겪는 온도 변화를 요약한다:
| 연소 배가스 | 도면 부호 | 온도[℃] | 온도[℉] |
| 제 1 직접 접촉 쿨러 입구 | 14 | 57 | 135 |
| 제 1 직접 접촉 쿨러 출구 | 66 | 21 | 70 |
| 추가의 냉각 후 | 18 | 0-10 | 32-50 |
| 제 2 직접 접촉 쿨러 입구 | 44 | 5 | 41 |
| 제 2 직접 접촉 쿨러 출구 | 46 | 24.5 | 76 |
표 1 : 상이한 위치에서의 연소 배가스 온도
| 냉각수 | 도면 부호 | 온도[℃] | 온도[℉] |
| 제 1 직접 접촉 쿨러 입구 | 52 | 20.5 | 69 |
| 제 1 직접 접촉 쿨러 출구 | 80 | 55.5 | 132 |
| 열교환 후 | 86 | 35 | 95 |
| 제 2 직접 접촉 쿨러 입구 | 92 | 25.0 | 77 |
| 제 2 직접 접촉 쿨러 출구 | 52 | 20.5 | 69 |
표 2 : 상이한 위치에서의 냉각수 온도
결론적으로 기술하면, 제 1 직접 접촉 쿨러(50)는 냉각수에 의해 도 1을 참조하여 이전에 기술된 종래의 공기 오염 제어 시스템(6)으로부터 오는 연소 배가스를 냉각하며, 냉각수는 열교환기(82)와 냉각탑(84)에서 냉각된다. 냉각수는 도 1을 참조하여 이전에 기술된 이산화탄소 제거 시스템(20)으로부터 오는 냉각된 연소 배가스와 접촉되는 것에 의해 제 2 직접 접촉 쿨러(94)에서 추가로 냉각된다.
덕트(14)에서 안내되는 연소 배가스는 도 1을 참조하여 이전에 기술된 이산화황 제거 디바이스(12)에서 포집되지 않은 잔류 이산화황(SO2)을 함유한다. 제 1 직접 접촉 쿨러(50)는 또한 저온 및 약 4-6의 pH 범위에서 동작하는 고효율 SO2 흡수기이다. 물 함유 냉각 액체 내로의 SO2의 흡수는 냉각 액체를 약간 산성으로 만든다. 다음의 주요 반응은 흡수를 예시한다:
SO2(가스) + H2O = > H2SO3 (수용액)
실제적으로, 연소 배가스에서의 모든 잔류 SO2 뿐만 아니라 대부분의 삼산화황(SO3)은 제 1 직접 접촉 쿨러(50)에서 포집된다. pH 조절은 이후에 설명되는 바와 같이 평형화 반응을 요구한다. 연소 배가스에서의 SO2의 낮은 농도로 인하여, 이전에 기술된 바와 같이, 덕트(14)에서 안내되는 연소 배가스의 SO2의 농도는 전형적으로 20-200ppm이며, 냉각수에서의 SO2의 흡수의 결과로서 제 1 직접 접촉 쿨러(50)에서 형성된 아황산염(sulphite, SO3 2-)(수용액)은 자연적으로 설페이트로 산화된다. 산화 증진은 필요하다면 공기 파이프(110)에 의해 제 1 직접 접촉 쿨러(50)의 바닥으로 작은 양의 공기를 기포화하는 것에 의해 제공될 수 있다. 산화 반응은 다음의 주요 반응에 따라서 일어난다.
H2SO3 (수용액) + 1/2 O2 (가스) = > H2SO4 (수용액)
그러므로, 형성된 황산(H2SO4)은 수용액에서 해리하며, 냉각수의 pH를 감소시키게 된다.
파이프(80)를 통해 제 1 직접 접촉 쿨러(50)를 떠나는 냉각수는 SO2의 흡수때문에 오히려 낮은 pH를 가지며, 이후에 기술되는 바와 같이 제 2 직접 접촉 쿨러(94)에서 덕트(44)를 통해 이산화탄소 제거 시스템(20)으로부터 안내되는 연소 배가스로부터 암모니아를 제거하기 위해 이용된다.
대부분의 이산화탄소가 제거된 연소 배가스는 가스 입구(96)를 통해 제 2 직접 접촉 쿨러(94)로 들어간다. 제 2 직접 접촉 쿨러(94)로 들어간 연소 배가스는 암모니아 세척 시스템, 즉 도 1을 참조하여 이전에 기술된 물 세척 용기(38)의 디자인 및 동작 조건에 따라서, 약 100-1000ppm의 암모니아(NH3), 보다 바람직하게 200-400ppm의 암모니아를 함유한다. 환경적인 이유 때문에, 그리고 공정으로부터의 암모니아 손실을 감소시키기 위하여, 대기중으로 방출된 연소 배가스의 암모니아 농도는 약 10ppm보다 아래, 바람직하게 약 1ppm 미만이어야 한다. 이러한 것은 제 2 직접 접촉 쿨러(94)에서 달성될 수 있다.
냉각탑(84)으로부터 제 2 직접 접촉 쿨러(94)로 파이프(92)에서 안내된 냉각수는, 냉각수가 이산화황(SO2)을 흡수하였기 때문에, 제 1 직접 접촉 쿨러(50)에서 약 4-6의 pH를 가진다. 그러므로, 산 소스(acid source)는 연소 배가스에 있는 SO2이다. 약간 산성인 냉각수는 가스 입구(96)를 통해 제 2 직접 접촉 쿨러(94)로 들어가는 연소 배가스로부터 암모니아를 포집하기 위하여, 그리고 대기중으로 연소 배가스를 배출하기 전에 연소 배가스를 재가열하기 위하여 사용된다. 그러므로, 제 2 직접 접촉 쿨러(94)는 연소 배가스로부터 암모니아의 산 세척을 위해 이용되고, 상기 연소 배가스는 도 1을 참조하여 이전에 기술된 이산화탄소 제거 시스템(20)을 통과하였으며, 이러한 연소 배가스가 이산화탄소 제거 시스템(20)으로 들어가기 전에 연소 배가스로부터 제거되고 제 1 직접 접촉 쿨러(50)에서 설페이트로 산화된 이산화황(SO2)을, 산 세척 소스로서 이용한다. 파이프(92)를 통해 제 2 직접 접촉 쿨러(94)로 공급되는 약간 산성인 냉각수는 덕트(44)와 가스 입구(96)를 통해 공급된 연소 배가스의 고수용성 저농도의 가스상 암모니아에 대한 훌륭한 흡수제이다. 덕트(44)를 통해 공급된 연소 배가스의 암모니아(NH3)는 아래의 반응에 의해 나타나는 바와 같이 용해된 황산 암모늄((NH4)2SO4)을 형성하도록 파이프((2)를 통해 공급된 냉각수의 산화된 SO2, 즉 설페이트와 반응한다:
2 NH3(가스) + H2SO4(수용액) => (NH4)2SO4 (수용액)
이것은 1몰의 SO2로 형성된 황산과 반응하도록 2몰의 암모니아를 취하고, 즉, 덕트(14)를 통해 제 1 직접 접촉 쿨러(50)로 공급된 연소 배가스와 덕트(44)를 통해 제 2 직접 접촉 쿨러(94)로 공급된 암모니아 사이의 필요한 관계는 바람직하게 몰기준에서 바람직하게 1:2이다. 덕트(44)를 통해 제 1 직접 접촉 쿨러(50)로 공급된 연소 배가스 유량의 부피는 덕트(44)를 통해 제 2 직접 접촉 쿨러(94)로 공급된 연소 배가스 유량의 부피보다 약 10%(건조 부피) 크다. 따라서, 제 1 직접 접촉 쿨러(50)로 공급된 연소 배가스가 예를 들어 100ppm(건조 기준)의 SO2를 함유할 때, 연소 배가스는 덕트(44)를 통해 제 2 직접 접촉 쿨러(94)에 공급된 연소 배가스의 약 220ppm(건조 기준)의 암모니아와 반응하여 중화된다.
덕트(14)를 통해 제 1 직접 접촉 쿨러(50)에 공급된 연소 배가스의 이산화황(SO2)의 양이, 공정으로부터, 즉 도 1을 참조하여 이전에 기술된 이산화탄소 제거 시스템(20)에서 발생하는 이산화탄소 제거 공정으로부터 방출되어 제 2 직접 접촉 쿨러(94)에 공급되는 연소 배가스에 함유된 암모니아를 반응시켜 중화하도록 요구되는 것보다 작으면, 밸런스 반응이 요구된다. 2개의 선택이 바람직하다:
1. 도 1을 참조하여 이전에 기술된 이산화황 제거 시스템(12)의 제거 효율을 조정하고(감소시키고), 암모니아와 전체적으로 반응하도록 요구되는 충분한 농도로 보다 많은 SO2를 방출하는 것을 허용한다. 그러므로, 이산화황 제거 시스템(12)의 제거 효율은 계획적으로 감소되어서, 보다 많은 이산화황(SO2)이 제 1 직접 접촉 쿨러(50)에서 제거되고, 파이프(92)를 통해 제 2 직접 접촉 반응기(94)로 공급되는 냉각수를 보다 산성으로 만든다.
2. pH를 유지하도록 루프에 황산을 첨가한다. 산은 루프 어디라도 첨가될 수 있으며, 바람직하게 제 1 직접 접촉 쿨러(50)의 바닥에 첨가될 수 있다. 도 2에서, 파이프(112)는 탱크(62)에 황산을 공급하기 위해 동작한다.
덕트(44)를 통하여 제 2 직접 접촉 쿨러(94)에 공급되는 연소 배가스에서의 NH3의 양이 도 1을 참조하여 이전에 기술된 이산화황 제거 시스템(12)으로부터 방출되는 SO2로 형성된 황산과 반응하여 중화하도록 요구되는 것보다 적으면, 암모니아 농도는 암모니아 물 세척, 즉 도 1을 참조하여 이전에 기술된 물 세척 용기(38)의 동작을 조정하는 것에 의해 증가될 수 있어서, 제 2 직접 접촉 쿨러(94)로 들어오는 연소 배가스는 보다 많은 암모니아를 함유한다. 대안적으로 또는 부가적으로, SO2의 농도는 이산화황 제거 디바이스(12)의 효율을 개선하는 것에 의해 감소될 수 있다.
냉각수에 형성된 황산 암모늄은 파이프(114)를 통하여 제 2 직접 접촉 쿨러(94)의 탱크(104)를 떠나는 유출 액체 스트림(bleed liquid stream)으로서 조합된 냉각 및 정화 시스템(16)으로부터 제거된다. 신선한 물이 조합된 냉각 및 정화 시스템(16)에서의 액체 부피를 일정하게 유지하도록 보충(make-up)으로서 공급될 수 있다.
제어 디바이스(116)는 조합된 냉각 및 정화 시스템(16)의 동작을 제어하기 위해 동작할 수 있다. pH-미터(118)는 제 1 직접 접촉 쿨러(50)를 떠나는 데워진 냉각수의 pH를 측정하여 제어 디바이스(116)에 측정된 pH에 관한 정보를 포함하는 신호를 보내기 위해 동작한다. 이러한 신호에 응답하여, 제어 디바이스(116)는 파이프(112)를 통한 황산의 공급을 제어할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 제어 디바이스(116)는 모두 도 1을 참조하여 이전에 기술된 이산화황 제거 디바이스(12) 및/또는 물 세척 용기(38)를 제어할 수 있다. 여전히 부가적으로, 제어 디바이스(116)는 측정된 pH가 너무 낮게 되고, 급속히 증가되어야만 하는 때와 같은 상황에서 파이프(112), 또는 바람직하게 별도의 파이프를 통하여 수산화나트륨용액과 같은 알칼리의 공급을 또한 제어할 수 있다. 제어 디바이스(116)는 조합된 냉각 및 정화 시스템(16)을 떠나는 연소 배가스에서의 암모니아의 농도를 측정하기 위하여 동작하는 암모니아 농도 분석기(120)로부터의 신호를 또한 수신할 수 있다.
pH-미터(118)로부터 수신된 신호에 따라서, 제어 디바이스(116)는 아래의 표 3에 기술된 바와 같은 상이한 명령을 줄 수 있다:
| 제어 디바이스(116)로의 신호 | 제어 디바이스(116)의 작용 |
| 설정값 이상의 pH | 이산화황 제거 디바이스(12)의 효율을 감소시키는 명령, 및/또는 파이프(112)를 통한 황산의 공급 명령, 및/또는 물 세척 용기(38)의 증가된 효율을 명령 |
| 설정값 아래의 pH | 이산화황 제거 디바이스(12)의 효율에서의 증가 명령, 및/또는 물 세척 용기(38)의 감소된 효율 명령, 및/또는 냉각 액체에 알칼리의 공급 명령 |
표 3 : 제어 디바이스(116)에 의한 결정
암모니아 농도 분석기(120)로부터의 신호가 암모니아의 농도가 방출 제한에 접근하였다는 것을 나타내면, 제어 디바이스(116)는 예를 들어 제 2 직접 접촉 쿨러(94)의 암모니아 제거의 효율을 개선하도록 pH 4.5를 설정하기 위해 pH 설정값을 감소시키도록 결정할 수 있다.
따라서, 제 1 직접 접촉 쿨러(50)는 덕트(14)를 통해 공급되는 연소 배가스를 냉각하고, 연소 배가스로부터 이산화황(SO2)을 제거하고, 약간 산성이고 가열된 냉각수를 발생시키도록 작용하며, 열은 가열된 냉각수로부터 열교환기(82)에서 회수될 수 있다. 제 2 직접 접촉 쿨러(94)는 제 1 직접 접촉 쿨러(50)에서 얻어지는 약간 산성인 냉각수를 이용하여 이러한 연소 배가스로부터 암모니아(NH3)를 제거도록 덕트(44)를 통해 공급되는 연소 배가스를 가열하고 파이프(92)를 통해 공급되는 냉각수를 냉각하도록 작용하며, 약간 산성인 냉각수는 이에 의해 중화된다.
도 3은 본 발명의 방법의 하나의 실시예의 주요 단계를 개략적인 방식으로 도시한다. 공정 가스를 정화하는 방법은 3개의 주요 단계들을 포함한다.
제 1 가스-액체 접촉 디바이스(250)에서 진행되는 제 1 단계는 파이프(252)를 통해 공급되는 냉각 액체와 공정 가스를 직접 접촉시키는 것에 의해 덕트(214)를 통해 공급된 공정 가스를 냉각시키는 단계를 포함한다. 냉각 동안, 공정 가스의 이산화황의 적어도 일부는 냉각 액체에 의해 흡수되어서, 설페이트를 함유하는 냉각 액체가 형성된다. 이러한 설페이트 함유 냉각 액체는 파이프(280)를 통해 제 1 가스-액체 접촉 디바이스(250)를 떠난다. 약 0℃-20℃의 온도를 가지는 냉각된 공정 가스는 덕트(218)를 통해 제 1 가스-액체 접촉 디바이스(250)를 떠난다.
CO2 흡수기(222)에서 진행되는 제 2 단계에서, 냉각된 공정 가스는 암모니아처리된 용액 또는 슬러리와 접촉한다. CO2 흡수기(222)의 동작은 WO 2006/022885에서 도면 부호 134)로 지시된 CO2 흡수기를 참조하여 상기 문헌에서 기술된 것과 유사하고, 또한 본 출원의 도 1을 참조하여 이전에 기술된 것과 유사하다. 재생기가 이용될 수 있지만, 예시의 명료성을 이유로 도 3에는 도시되지 않았다. 이산화탄소의 적어도 일부가 제거된 공정 가스는 덕트(244)를 통해 CO2 흡수기(222)를 떠난다. CO2 흡수기(222)에서 발생하는 공정으로 인하여, 덕트(244)를 통해 CO2 흡수기(222)를 떠나는 공정 가스는 전형적으로 약 100-1000ppm의 암모니아인 일부 암모니아를 함유하게 된다.
제 2 가스-액체 접촉 디바이스(294)에서 진행되는 제 3 단계에서, 덕트(244)를 통해 공급된 암모니아 함유 공정 가스는 파이프(280)에 의해 제 2 가스-액체 접촉 디바이스(294)에 공급된 설페이트 함유 냉각 액체와 접촉된다. 열교환기 및/또는 냉각탑과 같은 쿨러(282)는 파이프(280)에 연결되고, 이러한 냉각 액체가 제 2 가스-액체 접촉 디바이스(294)에 도입되기 전에 설페이트 함유 냉각 액체를 냉각시키기 위해 동작한다. 제 2 가스-액체 접촉 디바이스(294)에서, 암모니아 함유 공정 가스의 암모니아는 설페이트 함유 냉각 액체 내로 적어도 부분적으로 흡수된다. 동시에, 암모니아 함유 공정 가스는 설페이트 함유 냉각 액체를 냉각시킨다. 설페이트 함유 냉각 액체는 파이프(252)를 통해 제 2 가스-액체 접촉 디바이스(294)를 떠나고, 제 1 가스-액체 접촉 디바이스(250)로 다시 재순환된다. 암모니아가 제거된 공정 가스는 정화 가스 덕트(246)를 통해 제 2 가스-액체 접촉 디바이스(294)를 떠나며, 대기중으로 방출될 수 있다. 순환중인 냉각 액체에서의 황산 암모늄의 농도는 시간외 작업 시간을 증가시키며, 도 3에 도시되지 않은 블리드오프(bleed-off)가 요구되는 것을 예측할 것이다. 또한, 도 3에 도시되지 않은, 블리드오프에서의 액체 손실을 고려하여 일부 액체를 첨가하는 것이 필요할 수 있다.
요약하여, 이산화탄소 및 이산화황 함유 공정 가스를 정화하기 위해 동작하는 가스 정화 시스템(1)은 조합된 냉각 및 정화 시스템(16)와, CO2 흡수기(22)를 포함한다. 조합된 냉각 및 정화 시스템(16)는 CO2 흡수기(22)의 상류에 위치된 제 1 가스-액체 접촉 디바이스(50)를 포함하고, 제 1 가스-액체 접촉 디바이스는 냉각 액체에 의해 공정 가스를 냉각하고 공정 가스의 이산화황을 냉각 액체 내로 흡수하여서 설페이트 함유 냉각 액체를 얻기 위해 동작한다. 조합된 냉각 및 정화 시스템(16)은 CO2 흡수기(22)의 하류에 위치된 제 2 직접 접촉 쿨러(94)를 추가로 포함하고, 제 2 직접 쿨러는 설페이트 함유 냉각 액체와 암모니아 함유 공정 가스를 접촉시키는 것에 의해 CO2 흡수기(22)에서 처리된 공정 가스로부터 암모니아를 제거하기 위해 동작한다.
본 발명이 다수의 바람직한 실시예를 참조하여 기술하였지만, 다양한 변형들이 만들어지고 등가물이 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 그 구성 요소들이 대체될 수 있다는 것이 당업자에게는 자명한 것이다. 부가하여, 많은 변경들이 본 발명의 본질적인 범위로부터 벗어남이 없이 본 발명의 교시에 대한 특정 상황 또는 물질을 적응하도록 만들어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위해 고찰된 최상의 모드로서 개시된 특정 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명은 첨부된 특허청구범위 내에 놓이는 모든 실시예들을 포함하게 된다. 또한, 용어 제 1, 제 2 등의 사용은 임의의 순서나 중요도를 나타내지 않으며, 오히려 용어 제 1, 제 2 등은 하나의 요소를 다른 요소와 구별하도록 사용된다.
Claims (17)
- 공정 가스를 냉각시키는 것에 의해 공정 가스로부터 이산화탄소를 적어도 부분적으로 제거하는 단계와, 이산화탄소의 적어도 일부를 흡수하는 암모니아처리된 용액 또는 슬러리와 냉각된 공정 가스를 접촉시키는 단계를 포함하는, 이산화탄소 및 이산화황 함유 공정 가스를 정화하는 방법으로서,상기 공정 가스를 냉각 액체와 직접 접촉시키는 것에 의해 공정 가스를 냉각시키고, 설페이트 함유 냉각 액체를 얻도록 냉각 액체 내로 공정 가스의 이산화황의 적어도 일부를 흡수하는 단계,공정 가스로부터 이산화탄소를 적어도 부분적으로 제거하고 암모니아 함유 공정 가스를 형성하도록 암모니아처리된 용액 또는 슬러리와 냉각된 공정 가스를 접촉시키는 단계, 및상기 설페이트 함유 냉각 액체와 상기 암모니아 함유 공정 가스를 직접 접촉시키는 것에 의해 상기 암모니아 함유 공정 가스로부터 암모니아를 적어도 부분적으로 제거하는 단계를 포함하는 공정 가스 정화 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 설페이트 함유 냉각 액체는 상기 암모니아 함유 공정 가스에 의해 냉각되고, 이에 의해, 냉각된 냉각 액체는 상기 공정 가스의 냉각시에 이용되는 공정 가스 정화 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 공정 가스와 상기 냉각 액체 중의 흡수된 이산화황 은 제 1 가스-액체 접촉 디바이스(50; 250)를 사용하여 냉각되고, 상기 암모니아 함유 공정 가스로부터의 암모니아는 제 2 가스-액체 접촉 디바이스(94; 294)를 사용하여 상기 설페이트 함유 냉각 액체에 의해 제거되는 공정 가스 정화 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 암모니아 함유 공정 가스의 암모니아와 상기 설페이트 함유 냉각 액체의 설페이트는 수용액에서 황산 암모늄을 형성하도록 적어도 부분적으로 반응하는 공정 가스 정화 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 공정 가스를 냉각시키기 위해 이용되는 냉각 액체는 에너지 회수를 위해 열교환기(82)에서 처리되는 공정 가스 정화 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 설페이트 함유 냉각 액체의 pH-값은 약 4-6의 pH 범위에서 조절되는 공정 가스 정화 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 공정 가스는 냉각되기 전에 그 이산화황의 일부를 제거하도록 이산화황 제거 디바이스(12)에서 처리되고, 상기 이산화황 제거 디바이스(12)의 효율은 몰기준에서 약 1:2의 암모니아 함유 공정 가스의 암모니아의 양에 대해 일정 관계를 가지는 일정량의 이산화황을 함유하는 공정 가스를 얻도록 제어되는 공정 가스 정화 방법.
- 제 1 항에 있어서, 암모니아 함유 공정 가스로부터의 암모니아는 물 세척 디바이스(38)에 의해 부분적으로 제거되고, 상기 물 세척 디바이스(38)의 효율은 몰기준에서 약 2:1의 상기 공정 가스의 이산화황의 양에 대한 관계를 가지는 일정량의 암모니아를 함유하는 암모니아 함유 공정 가스를 얻도록 제어되는 공정 가스 정화 방법.
- 제 1 항에 있어서, 황산이 상기 냉각 액체의 ph-값을 조절하도록 냉각 액체에 첨가되는 공정 가스 정화 방법.
- 이산화탄소 및 이산화황 함유 공정 가스를 정화하기 위한 가스 정화 시스템으로서,공정 가스를 냉각시키기 위해 동작하는 조합된 냉각 및 정화 시스템(16);이산화탄소 제거 시스템(20);이산화탄소의 적어도 일부를 흡수하기 위하여 암모니아처리된 용액 또는 슬러리와 냉각된 공정 가스를 접촉시키는 것에 의해 상기 공정 가스로부터 이산화탄소를 적어도 부분적으로 제거하기 위해 동작하는 CO2 흡수기(22)를 포함하며,상기 조합된 냉각 및 정화 시스템(16)은 제 1 가스-액체 접촉 디바이스(50; 250)를 포함하며, 상기 제 1 가스-액체 접촉 디바이스는 공정 가스의 흐름 방향에 대해 CO2 흡수기(22; 222)의 상류에 위치되고, 냉각 액체와 공정 가스를 직접 접촉시키는 것에 의해 상기 공정 가스를 냉각하고 설페이트 함유 냉각 액체가 얻어지도록 상기 공정 가스의 이산화황의 적어도 일부를 상기 냉각 액체 내로 흡수하기 위해 동작하며,상기 조합된 냉각 및 정화 시스템(16)은 제 2 가스-액체 접촉 디바이스(94; 294)를 추가로 포함하며, 상기 제 2 가스-액체 디바이스는 공정 가스의 흐름 방향에 대해 CO2 흡수기의 하류에 위치되고, 설페이트를 함유하고 상기 제 1 가스-액체 접촉 디바이스(50; 250)에서 형성된 냉각 액체와 암모니아 함유 공정 가스를 직접 접촉시키는 것에 의해, 상기 CO2 흡수기(22; 222)에서 처리되고 암모니아를 함유하는 공정 가스로부터 암모니아를 적어도 부분적으로 제거하기 위해 동작하는 가스 정화 시스템.
- 제 10 항에 있어서, 상기 제 2 가스-액체 접촉 디바이스(94; 294)는 상기 암모니아 함유 공정 가스에 의해 상기 설페이트 함유 냉각 액체를 냉각시키기 위해 동작하며, 액체 운반 디바이스(52, 106)는 상기 제 2 가스-액체 접촉 디바이스(94; 294)로부터 상기 제 1 가스-액체 접촉 디바이스(50; 250)로 냉각된 액체의 적어도 일부를 재순환시키기 위해 동작하는 가스 정화 시스템.
- 제 10 항에 있어서, 공정 가스의 흐름 방향에 대해 상기 제 1 가스-액체 접 촉 디바이스(50; 250)의 상류에 위치되고 상기 공정 가스의 이산화황 함유량의 일부를 제거하기 위해 동작하는 이산화황 제거 디바이스(12)를 추가로 포함하고, 상기 이산화황 제거 디바이스(12)의 효율은 상기 제 1 가스-액체 접촉 디바이스(50; 250)에서 처리되는 공정 가스를 얻도록 제어 가능하며, 상기 공정 가스는 상기 제 2 가스-액체 접촉 디바이스(94; 294)에서 처리된 몰기준에서 약 1:2의 상기 암모니아 함유 공정 가스의 암모니아의 양에 대해 일정 관계를 가지는 일정량의 이산화황을 함유하는 가스 정화 시스템.
- 제 10 항에 있어서, 상기 이산화탄소 제거 시스템(20)은 물 세척 디바이스(38)를 추가로 포함하고, 상기 물 세척 디바이스는 상기 공정 가스의 흐름 방향에 대해 상기 제 2 가스-액체 접촉 디바이스(94; 294)의 상류에 위치되고 상기 암모니아 함유 공정 가스의 암모니아 함유량의 일부를 제거하기 위해 동작하며, 상기 물 세척 디바이스(38)의 효율은 상기 제 2 가스-액체 접촉 디바이스(94; 294)에서 처리되는 공정 가스를 얻도록 제어 가능하며, 상기 공정 가스는 상기 제 1 가스-액체 접촉 디바이스(50; 250)에서 처리된 몰기준에서 약 2:1의 상기 공정 가스의 이산화황의 양에 대해 일정 관계를 가지는 일정량의 암모니아를 함유하는 가스 정화 시스템.
- 제 10 항에 있어서, 상기 조합된 냉각 및 정화 시스템(16)은 설페이트 함유 냉각 액체의 pH-값을 조절하기 위해 동작하는 제어 디바이스(116)를 포함하는 가스 정화 시스템.
- 제 10 항에 있어서, 상기 조합된 냉각 및 정화 시스템(16)은 상기 제 1 가스-액체 접촉 디바이스(50; 250)에서 공정 가스를 냉각시키기 위해 이용된 냉각 액체로부터 에너지를 회수하기 위해 동작하는 열교환기(82)를 포함하는 가스 정화 시스템.
- 이산화탄소 및 이산화황 함유 공정 가스를 정화하는 방법으로서,상기 공정 가스를 냉각시키는 것에 의하여 상기 공정 가스로부터 이산화탄소를 적어도 부분적으로 제거하는 단계; 및이산화탄소의 적어도 일부분을 흡수하도록 암모니아처리된 용액과 냉각된 공정 가스를 접촉시키는 단계를 포함하는 공정 가스 정화 방법.
- 이산화탄소 및 이산화황 함유 공정 가스를 정화하는 방법으로서,냉각 액체와 상기 공정 가스를 직접 접촉시키는 것에 의해 상기 공정 가스를 냉각하고, 설페이트 함유 냉각 액체가 얻어지도록 상기 냉각 액체 내로 상기 공정 가스의 이산화황의 적어도 일부를 흡수하는 단계,상기 공정 가스로부터 이산화탄소를 적어도 부분적으로 제거하고 암모니아 함유 공정 가스를 형성하도록 암모니아처리된 용액 또는 슬러리와 냉각된 공정 가스를 접촉시키는 단계, 및상기 설페이트 함유 냉각 액체와 상기 암모니아 함유 공정 가스를 직접 접촉시키는 것에 의해 상기 암모니아 함유 공정 가스로부터 암모니아를 적어도 부분적으로 제거하는 단계를 포함하는 공정 가스 정화 방법.
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