KR20100092507A - 공정 스트림으로부터 산성 성분을 제거하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

공정 스트림으로부터 산성 성분을 제거하기 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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라세쉬 알. 코타왈라
바라스 바부라오
마이클 더블유. 폰브리앙
나레쉬쿠마르 비. 한다가마
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알스톰 테크놀러지 리미티드
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Abstract

본 발명은 공정 스트림을 수용하도록 조정된 흡수기(22)(여기서, 상기 흡수기는 흡수 용액을 사용하여 상기 공정 스트림으로부터 산성 성분을 흡수함으로써, 풍부 흡수 용액(24), 및 감소된 양의 상기 산성 성분(20a)를 갖는 공정 스트림을 생성한다); 상기 풍부 흡수 용액을 재생시킴으로써 희박 흡수 용액(28) 및 반-희박 흡수 용액(30)을 생성하도록 조정된 재생기(26); 상기 재생기로부터 적어도 일부의 상기 반-희박 흡수 용액의 제거를 용이하게 하기 위해 상기 재생기에 유동적으로 연결된 용액 배출구(50), 및 상기 용액 배출구에 연결된 제어 기구(56)(여기서, 상기 제어 기구는 상기 재생기로부터 제거되는 상기 반-희박 흡수 용액의 양을 제어하도록 조정된다)를 포함하는, 공정 스트림으로부터 산성 성분의 적어도 일부를 흡수하여 제거하기 위한 시스템(10)에 관한 것이다.

Description

공정 스트림으로부터 산성 성분을 제거하기 위한 시스템 및 방법{System and method for removal of an acidic component from a process stream}
관련 출원에 대한 상호-참조
본 출원은 2007년 12월 13일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/013,376호의 이익을 주장하며, 상기 출원의 전문을 본 명세서에 참조로 인용한다.
기술분야
본 발명은 공정 스트림으로부터 산성 성분의 제거를 증가시키기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 공정 스트림으로부터 산성 성분의 제거를 증가시키면서, 공정 스트림으로부터 산성 성분을 제거하는 데 필요한 에너지의 양을 감소시키기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
배경기술
석탄 연소로에서 배출되는 폐 스트림과 같은 공정 스트림은 환경 중으로 유입되기 전에 공정 스트림으로부터 제거되어야 하는 각종 성분들을 종종 함유한다. 예를 들면, 폐 스트림은 환경으로 배출되기 전에 제거 또는 감소되어야 하는 이산화탄소(CO2) 및 황화수소(H2S)와 같은 산성 성분들을 종종 함유한다.
다수 타입의 공정 스트림에서 발견되는 산성 성분의 한 예는 이산화탄소이다. 이산화탄소(CO2)는 다수의 용도를 갖는다. 예를 들면, 이산화탄소는 음료의 탄산화, 해산물, 육류, 가금류, 구운 음식(baked goods), 과일 및 채소의 냉장, 냉동 및 포장, 및 유제품의 저장 수명의 연장에 사용될 수 있다. 다른 용도로는 음료수의 처리, 농약 및 온실내 공기 첨가물로서의 용도가 포함되지만, 이로 제한되지 않는다. 최근, 이산화탄소는 향상된 오일 회수를 위한 유용한 화학 물질임이 확인되었는데, 이 경우 다량의 초고압 이산화탄소가 사용된다.
이산화탄소를 수득하는 하나의 방법은 이산화탄소가 유기 또는 무기 화학 공정의 부산물인 폐 스트림(예: 배연 가스(flue gas))과 같은 공정 스트림을 정제하는 것이다. 전형적으로, 고농도의 이산화탄소를 함유하는 공정 스트림을 여러 단계로 농축하고 정제한 후 증류시켜 제품 등급 이산화탄소를 생성한다.
앞서 언급된 용도에 적합한 이산화탄소("제품 등급 이산화탄소"로 알려져 있다)의 양을 증가시키고자 하는 요구와, 공정 가스가 환경 중으로 유입될 때 환경으로 배출되는 이산화탄소의 양을 감소시키고자 하는 요구에 의해서, 공정 가스로부터 제거되는 이산화탄소의 양을 증가시키고자 하는 요구가 더욱 고조되고 있다. 공정 플랜트에서는 배출된 공정 가스 중에 존재하는 이산화탄소의 양 또는 농도를 감소시키고자 하는 요구가 늘고 있다. 동시에, 공정 플랜트에서는 시간, 에너지 및 비용과 같은 자원을 절감하고자 하는 요구가 늘고 있다. 본 발명은 공정 플랜트로부터 회수되는 이산화탄소의 양을 증가시키는 동시에, 공정 가스로부터 이산화탄소를 제거하는 데 필요한 에너지의 양을 감소시킴으로써, 공정 플랜트에 대한 다양한 요구들 중 하나 이상을 만족시킬 수 있다.
발명의 개요
본원에 설명된 측면에 따르면, 공정 스트림을 수용하도록 조정된(adapted) 흡수기(여기서, 상기 흡수기는 흡수 용액을 사용하여 상기 공정 스트림으로부터 산성 성분을 흡수함으로써, 풍부 흡수 용액(rich absorbent solution)과, 감소된 양의 상기 산성 성분을 갖는 공정 스트림을 생성한다); 상기 풍부 흡수 용액을 재생시킴으로써 희박 흡수 용액(lean absorbent solution) 및 반-희박 흡수 용액(semi-lean absorbent solution)을 생성하도록 조정된 재생기; 상기 재생기로부터 적어도 일부의 상기 반-희박 흡수 용액의 제거를 용이하게 하기 위해 상기 재생기에 유동적으로 연결된(fluidly coupled) 용액 배출구; 및 상기 용액 배출구에 연결된 제어 기구(control mechanism)(여기서, 상기 제어 기구는 상기 재생기로부터 제거되는 상기 반-희박 흡수 용액의 양을 제어하도록 조정된다)를 포함하는, 공정 스트림으로부터 산성 성분의 적어도 일부를 흡수하여 제거하기 위한 시스템이 제공된다.
본원에 설명된 다른 측면에 따르면, 산성 성분을 함유하는 공정 스트림을 흡수기 내에서 흡수 용액과 접촉시키고, 상기 공정 가스로부터 상기 산성 성분의 적어도 일부를 제거함으로써 풍부 흡수 용액을 형성하는 단계; 재생기 내에서 상기 풍부 흡수 용액을 스팀과 접촉시킴으로써 상기 풍부 흡수 용액을 재생시켜 반-희박 흡수 용액과 희박 흡수 용액을 형성하는 단계; 상기 재생기로부터 일정량의 반-희박 흡수 용액을 제거하는 단계(여기서, 상기 재생기로부터 제거되는 상기 반-희박 흡수 용액의 양은 상기 재생기 내의 흡수 용액의 총량을 기준으로 약 20% 내지 약 100%이다); 및 상기 반-희박 흡수 용액을 상기 흡수기에 유입시킴으로써 상기 공정 가스로부터 제거되는 상기 산성 가스 성분의 양을 증가시키는 단계를 포함하는, 공정 스트림으로부터 제거되는 산성 성분의 양을 증가시키기 위한 방법이 제공된다.
본원에 설명된 다른 측면에 따르면, 공정 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하는 방법으로서, 상기 방법은 상기 공정 스트림을 흡수 용액과 접촉시켜 상기 공정 스트림으로부터 상기 이산화탄소를 제거함으로써 풍부 흡수 용액을 형성하는 단계, 및 재생기 내에서 상기 풍부 흡수 용액을 스팀과 접촉시켜 상기 풍부 흡수 용액을 재생시키는 단계를 포함하고, 여기서, 개선점이
상기 풍부 흡수 용액의 재생 동안, 상기 스팀의 생성을 위해 사용되는 재비기(reboiler)에 의해 사용되는 에너지를 고정된 수준으로 유지하면서 반-희박 흡수 용액과 희박 흡수 용액을 형성하고; 상기 재생기로부터 일정량의 상기 반-희박 흡수 용액을 제거하고, 여기서, 상기 재생기로부터 제거되는 상기 반-희박 흡수 용액의 양은 상기 재생기 내의 흡수 용액의 총량을 기준으로 약 20% 내지 약 100%임을 포함하는, 공정 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하는 방법이 제공된다.
앞서 설명된 특징 및 기타의 특징들을 하기 도면 및 상세한 설명을 통해 예시한다.
이하, 예시적 양태인 도면을 참조로 하며, 유사한 부재들은 동일 번호로 표시된다:
도 1은 공정 스트림으로부터 산성 성분을 흡수하여 제거하기 위한 시스템의 한 양태의 일례를 도시하는 다이아그램이다.
도 2는 공정 스트림으로부터 산성 성분을 흡수하여 제거하기 위한 시스템의 또 다른 양태의 일례를 도시하는 다이아그램이다.
도 3은 공정 스트림으로부터 산성 성분을 제거하기 위한 방법을 도시한다.
도 4는 재비기에 의해 사용되는 에너지의 양과 재생기로부터 제거되는 반-희박 흡수 재료의 양 사이의 상관관계를 도시하는 그래프이다.
도 1은 공정 스트림(20)으로부터 산성 성분의 적어도 일부를 흡수하여 제거하기 위한 시스템(10)을 보여준다. 공정 스트림(20)은 천연 가스 스트림, 합성 가스 스트림, 정제 가스 또는 증기 스트림, 석유 저류층, 또는 석탄, 천연 가스 또는 다른 연료와 같은 재료의 연소로부터 발생되는 스트림과 같은 임의의 액체 스트림 또는 가스 스트림일 수 있다. 하나의 예는 화석 연료 점화 보일러(fossil fuel fired boiler)의 연소 챔버에서 석탄과 같은 연료의 연소에 의해 발생되는 배연 가스이다. 공정 스트림의 공급원의 종류에 따라서, 산성 성분(들)은 가스, 액체 또는 미립자 형태일 수 있다.
공정 스트림(20)은 전형적으로 이산화탄소를 포함하지만 이로 제한되지 않는 수개의 산성 성분들을 함유한다. 상기 공정 스트림(20)이 흡수기(22)로 들어갈 때까지, 공정 스트림은 미립자 물질(예: 비산재)은 물론 황 산화물(SOx)과 질소 산화물(NOx)을 제거하기 위한 처리를 거칠 수 있다. 그러나, 공정은 시스템마다 다를 수 있고, 따라서 이러한 처리는 공정 스트림(20)이 흡수기(22)를 통과한 후에 일어나거나, 아예 일어나지 않을 수도 있다.
하나의 양태에서, 시스템(10)은 흡수기(22)를 포함한다. 흡수기(22)는 공정 스트림(20)을 수용하도록 조정된다. 전형적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 공정 스트림(20)은 유입 지점(input point)을 통해 흡수기의 하부로 들어가고, 상기 흡수기를 통해 이동한다. 그러나, 공정 스트림(20)은 공정 스트림으로부터 산성 성분의 흡수를 허용하는 임의의 위치에서 흡수기(22)로 들어갈 수 있는 것으로 간주한다.
흡수기(22)를 통해 이동한 후, 공정 스트림(20)은 도 1에 스트림(20a)로 표시된 감소된 양의 산성 성분을 갖는 공정 스트림으로서 배출된다. 스트림(20a)는 대기와 같은 환경으로 배출되거나, 추가의 공정을 위해 이송된다(도시하지 않음). 도 1에 도시된 바와 같이, 스트림(20a)는 흡수기(22)의 상부로부터 배출된다. 그러나, 스트림(20a)는 흡수기(22)의 임의의 위치에서 흡수기로부터 배출될 수 있는 것으로 간주한다. 스트림(20a)의 배출 위치는 시스템마다 다를 수 있다.
흡수기(22)는 공정 스트림(20)으로부터 가스 성분의 흡수와 제거를 용이하게 하는 흡수 용액(도시하지 않음)을 사용한다. 흡수 용액은 전형적으로 화학적 용매 및 물을 포함하며, 여기서 화학적 용매는 질소계 용매, 특히 1급, 2급 및 3급 알칸올아민; 1급 및 2급 아민; 입체 장애 아민; 및 심한 입체 장애 2차 아미노에테르 알코올을 함유한다. 통상적으로 사용되는 화학적 용매의 예로는 모노에탄올아민(MEA), 디에탄올아민(DEA), 디이소프로판올아민(DIPA), N-메틸에탄올아민, 트리에탄올아민(TEA), N-메틸디에탄올아민(MDEA), 피페라진, N-메틸피페라진(MP), N-하이드록시에틸피페라진(HEP), 2-아미노-2-메틸-1-프로판올(AMP), 2-(2-아미노에톡시)에탄올(디에틸렌글리콜아민 또는 DEGA로도 불리운다), 2-(2-3급-부틸아미노프로폭시)에탄올, 2-(2-3급-부틸아미노에톡시)에탄올(TBEE), 2-(2-3급-아밀아미노에톡시)에탄올, 2-(2-이소프로필아미노프로폭시)에탄올, 2-(2-(1-메틸-1-에틸프로필아미노)에톡시)에탄올 등이 포함되지만, 이로 제한되지 않는다. 이들은 개별적으로 또는 배합되어 사용될 수 있고, 다른 보조 용매, 소포제, 완충제, 금속염 등과 같은 첨가제 및 부식 억제제와 함께 또는 이들 없이 사용될 수 있다. 부식 억제제의 예로는 티오모르폴린, 디티안 및 티옥산으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 헤테로사이클릭 환 화합물(여기서, 티오모르폴린, 디티안 및 티옥산의 탄소 구성원은 각각 독립적으로 H, C1 -8 알킬, C7 -12 알크아릴, C6 -10 아릴 및/또는 C3 -10 사이클로알킬 그룹 치환체를 갖는다), 티오우레아-아민-포름알데하이드 중합체, 및 구리(Ⅱ) 염과 함께 사용되는 중합체, + 4 또는 5 원자가 상태의 바나듐을 함유하는 음이온; 및 다른 공지의 부식 억제제들이 포함되지만, 이로 제한되지 않는다.
전형적으로, 흡수기(22) 내에 존재하는 흡수 용액은 "희박" 흡수 용액 및/또는 "반-희박" 흡수 용액으로 일컬어진다. 희박 및 반-희박 흡수 용액은 공정 스트림(20)으로부터 산성 성분을 흡수할 수 있으며, 즉 상기 흡수 용액은 완전히 포화되지 않았거나 완전한 흡수 용량(full absorption capacity) 상태가 아닌 것이다.
공정 스트림(20)으로부터 산성 성분의 흡수는 희박 및/또는 반-희박 흡수 용액과 공정 스트림 사이의 접촉에 의해서 발생한다. 공정 스트림(20)과 희박 및/또는 반-희박 흡수 용액 사이의 접촉은 흡수기(22) 내에서 임의의 방식으로 일어날 수 있다. 하나의 예에서, 공정 스트림(20)은 흡수기(22)의 하부로 들어가고 흡수기의 길이를 따라 위로 이동하는 반면, 희박 및/또는 반-희박 흡수 용액은 공정 스트림이 들어가는 위치보다 높은 위치에서 흡수기로 들어가고 공정 스트림의 향류(countercurrent) 방향으로 유동한다.
공정 스트림(20)과 희박 및/또는 반-희박 흡수 용액 사이의 접촉은, 희박 또는 반-희박 흡수 용액으로부터 풍부 흡수 용액(24), 및 감소된 양의 산성 성분을 갖는 공정 스트림(20a)를 생성한다. 하나의 예에서, 풍부 흡수 용액(24)은 흡수기(22)의 하부로 내려오고 여기서 추가 가공을 위해 제거되는 반면, 감소된 양의 산성 성분을 갖는 공정 스트림은 흡수기의 길이를 따라 위로 이동하고 흡수기의 상부로부터 스트림(20a)로서 배출된다. 스트림(20a)는 흡수기(22)로부터 배출된 후, 추가 처리 공정을 거치거나, 환경에 배출되기 위해 스택(stack)(도시하지 않음)으로 이송된다.
시스템(10)은 재생기(26)도 포함한다. 재생기(26)는 풍부 흡수 용액(24)을 재생시켜 산성 성분의 스트림(32)은 물론 희박 흡수 용액(28) 및 반-희박 흡수 용액(30)을 생성하도록 조정된다.
풍부 흡수 용액(24)은 재생기(26)로 들어가기 전에 흡수기(22)로부터 처리 트레인(treatment train)을 통과하여 전진할 수 있다. 처리 트레인은 플래시 드라이(flash dry) 흡수기, 제어기, 재순환기 및 분리기(divider)(도시하지 않음)를 포함할 수 있다. 또는, 흡수기(22)로부터 재생기(26)로의 풍부 흡수 용액(24)의 수송은 유량 제어 밸브(도시하지 않음)에 의해 용이하게 될 수도 있다. 또 다른 양태에서는, 흡수기(22)가 재생기(26)에 직접 연결됨에 따라 풍부 흡수 용액(24)이 흡수기로부터 재생기로 직접 수송될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 풍부 흡수 용액(24)은 혼합기(44)로 들어가기 전에 하나 이상의 열 교환기(42)를 통과하여 전진할 수 있다. 풍부 흡수 용액(24)은 도 1에 도시된 추가의 단계 또는 공정을 거치거나, 달리, 도 1에 도시된 것보다 더 적은 단계 또는 공정을 거칠 수 있는 것으로 간주한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 풍부 흡수 용액(24)은 재생기(26)의 상부의 위치에서 재생기로 들어갈 수 있다. 그러나, 풍부 흡수 용액(24)은 풍부 흡수 용액의 재생을 용이하게 하는 임의의 위치에서 재생기(26)로 들어갈 수 있는 것으로 간주한다.
재생기(26)로 들어간 후, 풍부 흡수 용액(24)은 재비기(48)가 생성하는 스팀(46)의 향류 유동과 접촉한다. 스팀(46)은 풍부 흡수 용액(24)을 재생시켜 산성 성분의 스트림(32)은 물론 희박 흡수 용액(28) 및 반-희박 흡수 용액(30)을 생성한다. 희박 흡수 용액(28)과 반-희박 흡수 용액(30) 중 어느 하나 또는 둘 다의 적어도 일부는 공정 스트림(20)으로부터 산성 성분의 추가의 흡수 및 제거를 위해 흡수기(22)로 수송된다.
스팀(46)을 생성하기 위해 재비기(48)에 의해 사용되는 에너지의 양 (또는 수준)은 재생시키고자 하는 풍부 흡수 용액(24)의 양에 따라 달라질 수 있다. 또는, 재비기(48)에 의해 사용되는 에너지의 양은 재생시키고자 하는 풍부 흡수 용액(24)의 양에 상관 없이 고정된 또는 일정한 수준으로 유지될 수도 있다. 재비기(48)에 의해 사용되는 에너지가 일정한 수준으로 유지되면 재비기는 물론 시스템(10) 전체에 의해 소모되는 에너지가 보다 적어질 수 있다. 재비기(48)에 의해 사용되는 에너지의 수준은 0.3MMbtu/hr(시간당 백만 btu(영국 열량 단위))(약 315백만 줄/hr) 내지 0.8MMbtu/hr(약 844백만 줄/hr) 범위에서 달라지거나 이 범위 내의 임의의 값으로 유지될 수 있다. 하나의 예에서, 재비기(48)에 의해 사용되는 에너지의 수준은 약 0.7MMbtu/hr(약 740백만 줄/hr)로 유지된다. 재비기(48)가 유지하는 에너지의 수준은 시스템마다 다를 수 있다.
전형적으로, 반-희박 흡수 용액(30)은, 재생기(26) 내에서 풍부 흡수 용액(24)의 일부만이 재생되는 경우, 즉 풍부 흡수 용액이 완전히 재생되지 않는 경우에 형성된다. 반-희박 흡수 용액(30)의 적어도 일부는 재생기에 유동적으로 연결된 용액 배출구(50)에 의해 재생기(26)로부터 제거된다. 본원에서 사용된 용어 "유동적으로 연결된다"는 둘 이상의 장치가 이들 사이에서 액체 또는 가스의 유동을 용이하게 하도록 직접 또는 간접적으로 서로 연결 또는 부착됨을 의미한다.
용액 배출구(50)는 간단히 재생기(26) 내의 개구부일 수 있거나, 재생기로부터 반-희박 흡수 용액(30)의 적어도 일부가 제거될 수 있게 하는 임의의 형태의 측면 배출부일 수 있다. 용액 배출구(50)는 재생기(26) 내의 어떠한 위치에도 존재할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 용액 배출구(50)는 재생기(26)의 중간점(A)에 위치할 수 있다. 그러나, 용액 배출구(50)는 재생기(26)로부터 반-희박 흡수 용액(30)의 적어도 일부의 제거를 용이하게 하는 임의의 위치에 존재할 수 있는 것으로 간주한다.
도 2(도 1에 설명된 것과 동일한 부분은 동일 번호로 표시한다)에 도시된 바와 같이, 하나의 양태에서, 용액 배출구(50)는 재생기(26)의 제1 재생 영역(52)과 제2 재생 영역(54) 사이에 위치한다. 제1 재생 영역(52)은 풍부 흡수 용액(24)의 일부를 재생시켜 반-희박 흡수 용액(30)을 형성한다. 반-희박 흡수 용액(30)의 적어도 일부는 재생기(26)로부터 제거되거나, 반-희박 흡수 용액을 재생시키는 제2 재생 영역(54)에서 추가로 가공되어 희박 흡수 용액(28)을 형성할 수 있다.
재생기(26)로부터 스플릿(split)되는, 즉 제거되는 반-희박 흡수 용액(30)의 양이 변화됨에 따라, 흡수기(22) 내에서 공정 가스(20)로부터 흡수되는 산성 성분의 양이 증가하는 것으로 밝혀졌다. 또한, 재비기(48)에 의해 사용되는 에너지를 일정한 수준으로 유지하하는 경우, 반-희박 흡수 용액(30)의 양이 변화됨에 따라 흡수기(22) 내에서 공정 스트림(20)으로부터 더 많은 양의 산성 성분이 제거되는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 도 1 및 2에 도시된 양태에서, 시스템(10)은 용액 배출구(50)에 연결된 제어 기구(56)를 포함한다.
제어 기구(56)는 재생기(26)로부터 스플릿(이하, 제거)되는 반-희박 흡수 용액(30)의 양을 제어하도록 조정된다. 제어 기구(56)는 재생기(26)로부터 제거되는 반-희박 흡수 용액(30)의 양을 사용자가 제어할 수 있게 하는 임의의 기구일 수 있다. 제어 기구(56)의 예로는, 변환기, 조절 패널, 컴퓨터 등에 연결될 수 있는, 밸브, 펌프 등이 포함되지만, 이로 제한되지 않는다.
제어 기구(56)는 재생기(26)로부터 제거되는 반-희박 흡수 용액(30)의 양을 사용자가 제어하고 조절할 수 있게 해준다. 재생기(26)로부터 제거되는 반-희박 흡수 용액(30)의 양은 시스템마다 그리고 사용자마다 다를 수 있다. 전형적으로, 재생기(26)로부터 제거되는 반-희박 흡수 용액(30)의 양은 시스템(10)의 응용 분야, 시스템(10)의 사용자의 필요성, 및 공정 스트림(20) 내에 존재하는 산성 성분의 양에 의존한다. 시스템(10)의 몇몇 응용 분야에서는 재생기(26)로부터 제거되는 반-희박 흡수 용액(30)의 양이 고정된 양으로 유지되는 반면, 다른 응용 분야에서는 재생기로부터 제거되는 반-희박 흡수 용액의 양이 시스템 또는 사용자의 필요에 따라 달라지거나 변동을 거듭하는 것으로 간주한다.
하나의 양태에서, 재생기(26)로부터 제거되는 반-희박 흡수 용액(30)의 양은 재생기 내의 흡수 용액의 총량(흡수 용액의 총량은 풍부 흡수 용액, 반-희박 흡수 용액 및 희박 흡수 용액을 포함한다)을 기준으로 약 20% 내지 약 100%이다. 또 다른 예에서, 재생기(26)로부터 제거되는 반-희박 흡수 용액(30)의 양은 재생기 내의 흡수 용액의 총량을 기준으로 약 25% 내지 약 90%이다. 또 다른 예에서, 재생기(26)로부터 제거되는 반-희박 흡수 용액(30)의 양은 재생기 내의 흡수 용액의 총량을 기준으로 약 30% 내지 약 85%이다. 또 다른 예에서, 재생기(26)로부터 제거되는 반-희박 흡수 용액(30)의 양은 재생기 내의 흡수 용액의 총량을 기준으로 약 35% 내지 약 80%이다. 추가의 예에서, 재생기(26)로부터 제거되는 반-희박 흡수 용액(30)의 양은 재생기 내의 흡수 용액의 총량을 기준으로 약 40% 내지 약 80%이다.
또 다른 예에서, 재생기(26)로부터 제거되는 반-희박 흡수 용액(30)의 양은 재생기 내의 흡수 용액의 총량을 기준으로 약 45% 내지 약 80%이다. 또 다른 추가의 예에서, 재생기(26)로부터 제거되는 반-희박 흡수 용액(30)의 양은 재생기 내의 흡수 용액의 총량을 기준으로 약 50% 내지 약 80%이다. 또 다른 예에서, 재생기(26)로부터 제거되는 반-희박 흡수 용액(30)의 양은 재생기 내의 흡수 용액의 총량을 기준으로 약 55% 내지 약 80%이다. 다른 예에서, 재생기(26)로부터 제거되는 반-희박 흡수 용액(30)의 양은 재생기 내의 흡수 용액의 총량을 기준으로 약 60% 내지 약 80%이다.
또 다른 추가의 예에서, 재생기(26)로부터 제거되는 반-희박 흡수 용액(30)의 양은 재생기 내의 흡수 용액의 총량을 기준으로 약 65% 내지 약 80%이다. 또 다른 추가의 예에서, 재생기(26)로부터 제거되는 반-희박 흡수 용액(30)의 양은 재생기 내의 흡수 용액의 총량을 기준으로 약 70% 내지 약 80%이다. 또 다른 추가의 예에서, 재생기(26)로부터 제거되는 반-희박 흡수 용액(30)의 양은 재생기 내의 흡수 용액의 총량을 기준으로 약 70% 내지 약 75%이다. 또 다른 예에서, 재생기(26)로부터 제거되는 반-희박 흡수 용액(30)의 양은 재생기 내의 흡수 용액의 총량을 기준으로 70%이다.
반-희박 흡수 용액(30)은, 하나 이상의 열 교환기(42) 및 펌프(58)를 포함할 수 있는 처리 트레인을 통해 흡수기(22)로 수송된다. 반-희박 흡수 용액(30)을 제어 기구(56)로부터 흡수기(22)로 수송시키기 위하여 약간의 부재들이 사용될 수 있다. 반-희박 흡수 용액(30)은 임의의 위치에서 흡수기(22)로 유입될 수 있다. 도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 반-희박 흡수 용액은 흡수기(22)의 하부에서 유입된다.
희박 흡수 용액(28)은, 하나 이상의 열 교환기(42), 펌프(60), 및 다른 제어 장치 및/또는 모니터를 포함할 수 있는 처리 트레인을 통해 재생기(26)로부터 흡수기(22)로 수송될 수 있다. 희박 흡수 용액(28)을 재생기(26)로부터 흡수기(22)로 수송시키기 위하여 약간의 부재들이 사용될 수 있다.
희박 흡수 용액(28)은 임의의 위치에서 흡수기(22)로 유입될 수 있다. 도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 희박 흡수 용액(28)은 흡수기(22)의 상부에서 유입된다.
공정 스트림(20)으로부터 산성 성분을 제거하기 위해 시스템(10)을 사용하는 방법(100)이 도 3에 도시되어 있다. 단계(120)에서, 흡수기(22) 내의 희박 흡수 용액 및/또는 반-희박 흡수 용액과 같은 흡수 용액과 공정 스트림(20) 사이의 접촉이 일어난다. 단계(140)에서, 공정 스트림(20) 내에 존재하는 이산화탄소와 같은 산성 성분이 공정 스트림으로부터 희박 흡수 용액 및/또는 반-희박 흡수 용액에 의해 흡수되어 공정 스트림으로부터 상기 산성 성분의 적어도 일부가 제거된다. 희박 흡수 용액 및/또는 반-희박 흡수 용액이 공정 스트림(20)으로부터 산성 성분을 흡수한 후 단계(160)에서 풍부 흡수 용액(24)을 형성한다.
단계(180)에서, 풍부 흡수 용액(24)은 재생기(26) 내에서 스팀(46)과 접촉됨으로써 재생되어 반-희박 흡수 용액(30) 및 희박 흡수 용액(28)을 형성한다.
당해 방법(100)의 단계(200)에서, 일정량의 반-희박 흡수 용액(30)이 재생기(26)로부터 제거되어 흡수기(22)로 유입된다. 반-희박 흡수 용액(30)이 제거되어 흡수기(22)로 수송 및 유입되는 것은 공정 가스(20)로부터 제거되는 산성 가스 성분의 제거를 초래한다.
재비기(48)에 의해 사용되는 에너지를 일정 수준으로 유지하면서 흡수기(22) 내에서 반-희박 흡수 용액(30)을 이용하는 것은, 공정 스트림(20)으로부터 제거되는 이산화탄소의 양 또는 농도를 증가시킬 수 있다. 재비기(48)의 에너지 수준을 유지시킴으로써 시스템(10) 내에서 더 적은 에너지를 소모할 수 있게 된다.
본원에 설명된 시스템(들) 및 방법(들)의 비제한적인 예들을 아래에 제공한다. 달리 언급이 없는 한, 재생기(26)로부터 제거되는 양은 재생기 내의 흡수 용액의 총 유량을 기준으로 백분율(%)로서 표시되고, 재비기(48)에 의해 사용되는 에너지는 MMbtu/hr 단위(여기서, MMbtu는 백만 Btu(영국 열량 단위)이며, "hr"은 1시간이다)로 표시된다.
실시예
실시예 IA : 재비기 에너지의 변화
흡수기 및 재생기를 사용하는 이산화탄소 제거 시스템을, 재생기로부터 반-희박 흡수 용액의 적어도 일부를 제거하기 위한 용액 배출구를 재생기 내에 포함하도록 변형시킨다. 용액 배출구는 재생기로부터 제거되는 반-희박 흡수 용액의 양을 제어하는 제어 기구, 예를 들면, 제어 밸브에 연결된다.
제어 밸브는 재생기로부터 제거되는 반-희박 흡수 용액의 고정된 양(스플릿 유량(%)으로 표시된다)으로 설정된다. 이 경우, 고정된 양은 재생기 내의 흡수 용액의 총 유량을 기준으로 70%이다.
재생기로부터 제거되는 반-희박 흡수 용액의 양을 고정된 양으로 유지시키는 한편, 재비기에 의해 사용되는 에너지의 양은 0.3 MMbtu/hr(약 315 백만 joule/hour)로부터 0.8 MMbtu/hr(약 844 백만 joule/hour)로 증가시킨다. 도 4에 도시된 바와 같이, 재생기로부터 제거되는 반-희박 흡수 용액의 양이 70%로 유지될 때, 재비기에 의해 사용되는 에너지의 양이 증가됨에 따라, 흡수기 내에서 공정 스트림으로부터 제거되는 이산화탄소의 양은 약 87%로부터 약 94%로 증가한다.
실시예 IB : 재생기로부터 제거되는 반-희박 흡수 용액의 양의 변화
흡수기 및 재생기를 사용하는 이산화탄소 제거 시스템을, 재생기로부터 반-희박 흡수 용액의 적어도 일부를 제거하기 위한 용액 배출구를 재생기 내에 포함하도록 변형시킨다. 용액 배출구는 재생기로부터 제거되는 반-희박 흡수 용액의 양을 제어하는 제어 기구, 예를 들면, 제어 밸브에 연결된다. 제어 밸브는 재생기로부터 제거되는 반-희박 흡수 용액의 양(스플릿 유량(%)으로 표시된다)을 증가 또는 감소시킬 수 있다.
재생기를 위한 스팀 생성에 사용되는 재비기에 의해 사용되는 에너지의 양은 고정된 양으로 설정된다. 이 경우, 재비기에 의해 사용되는 에너지의 고정된 양은 0.8MMbtu/hr(약 844 백만 joule/hour)이다.
재비기에 의해 사용되는 에너지의 양을 고정된 양으로 유지시키는 한편, 재생기로부터 제거되는 반-희박 흡수 용액의 양을 0%로부터 약 70%로 증가시킨다. 도 4에 도시된 바와 같이, 재비기에 의해 사용되는 에너지의 양이 0.8MMbtu/hr(약 80 joule/hour)로 유지될 때, 재생기로부터 제거되는 반-희박 흡수 용액의 양이 증가함에 따라, 흡수기 내에서 공정 스트림으로부터 제거되는 이산화탄소의 양은 약 75%로부터 약 94%로 증가한다.
달리 특정하지 않는 한, 본원에 기재된 모든 범위는 이 범위 내의 모든 종말점 및 모든 중간점을 포함하고 합할 수 있다. 본원에서 용어 "제1", "제2" 등은 어떠한 순서, 양 또는 중요성을 나타내는 것이 아니라, 하나의 부재를 또 다른 부재와 구별하기 위해 사용된다. 본원에서 단수로 표시된 용어들은 양의 제한을 나타내지 않고, 언급된 항목이 하나 이상 존재함을 나타낸다. "약"으로 수식된 모든 숫자는 달리 특정되지 않는 한 정확한 당해 숫자 값을 포함한다.
본 발명을 다수의 예시적 양태들을 참조로 설명하였으나, 당업자들은 본 발명의 범위에서 벗어남 없이 다양한 변화가 이루어질 수 있고 본 발명의 요소들을 동등물들이 대체할 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 본 발명의 본질적 범위로부터 벗어남 없이 특정 상황 또는 재료를 본 발명의 교시에 따라 조정하기 위하여 다양한 변형이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위한 최선의 형태로서 기재된 특정 양태에 제한되지 않고, 첨부된 특허청구범위 내에 속하는 모든 양태들을 포함하는 것으로 의도한다.

Claims (23)

  1. 공정 스트림으로부터 산성 성분의 적어도 일부를 흡수하여 제거하기 위한 시스템으로서,
    공정 스트림을 수용하도록 조정된(adapted) 흡수기(여기서, 상기 흡수기는 흡수 용액을 사용하여 상기 공정 스트림으로부터 산성 성분을 흡수함으로써, 풍부 흡수 용액(rich absorbent solution)과, 감소된 양의 상기 산성 성분을 갖는 공정 스트림을 생성한다);
    상기 풍부 흡수 용액을 재생시킴으로써 희박 흡수 용액(lean absorbent solution) 및 반-희박 흡수 용액(semi-lean absorbent solution)을 생성하도록 조정된 재생기;
    상기 재생기로부터 적어도 일부의 상기 반-희박 흡수 용액의 제거를 용이하게 하기 위해 상기 재생기에 유동적으로 연결된(fluidly coupled) 용액 배출구; 및
    상기 용액 배출구에 연결된 제어 기구(control mechanism)(여기서, 상기 제어 기구는 상기 재생기로부터 제거되는 상기 반-희박 흡수 용액의 양을 제어하도록 조정된다)를 포함하는, 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 재생기 내에 상기 풍부 흡수 용액을 재생시키기 위한 스팀을 생성하도록 조정된 재비기(reboiler)를 추가로 포함하는, 공정 스트림으로부터 산성 성분의 적어도 일부를 흡수하여 제거하기 위한 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 스팀을 생성하기 위해 상기 재비기에 의해 사용되는 에너지가 고정된 수준으로 유지되는, 공정 스트림으로부터 산성 성분의 적어도 일부를 흡수하여 제거하기 위한 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 산성 성분이 이산화탄소인, 공정 스트림으로부터 산성 성분의 적어도 일부를 흡수하여 제거하기 위한 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 흡수 용액이 모노에탄올아민(MEA), 디에탄올아민(DEA), 디이소프로판올아민(DIPA), N-메틸에탄올아민, 트리에탄올아민(TEA), N-메틸디에탄올아민(MDEA), 피페라진, N-메틸피페라진(MP), N-하이드록시에틸피페라진(HEP), 2-아미노-2-메틸-1-프로판올(AMP), 2-(2-아미노에톡시)에탄올, 2-(2-3급-부틸아미노프로폭시)에탄올, 2-(2-3급-부틸아미노에톡시)에탄올(TBEE), 2-(2-3급-아밀아미노에톡시)에탄올, 2-(2-이소프로필아미노프로폭시)에탄올 또는 2-(2-(1-메틸-1-에틸프로필아미노)에톡시)에탄올의 그룹으로부터 선택된 화학적 용매를 포함하는, 공정 스트림으로부터 산성 성분의 적어도 일부를 흡수하여 제거하기 위한 시스템.
  6. 제3항에 있어서, 상기 흡수 용액이 모노에탄올아민을 포함하는, 공정 스트림으로부터 산성 성분의 적어도 일부를 흡수하여 제거하기 위한 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 재생기로부터 제거되는 상기 반-희박 흡수 용액의 양이 상기 재생기 내의 흡수 용액의 총량을 기준으로 20% 내지 100%인, 공정 스트림으로부터 산성 성분의 적어도 일부를 흡수하여 제거하기 위한 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 재생기로부터 제거되는 상기 반-희박 흡수 용액의 양이 상기 재생기 내의 흡수 용액의 총량을 기준으로 25% 내지 90%인, 공정 스트림으로부터 산성 성분의 적어도 일부를 흡수하여 제거하기 위한 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 재생기로부터 제거되는 상기 반-희박 흡수 용액의 양이 상기 재생기 내의 흡수 용액의 총량을 기준으로 70%인, 공정 스트림으로부터 산성 성분의 적어도 일부를 흡수하여 제거하기 위한 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 재생기가 적어도 제1 재생 영역 및 제2 재생 영역을 포함하고, 상기 제1 재생 영역은 상기 풍부 흡수 용액의 적어도 일부를 재생시켜 상기 반-희박 흡수 용액을 형성하도록 조정되고, 상기 제2 재생 영역은 상기 풍부 흡수 용액의 적어도 일부를 재생시켜 상기 희박 흡수 용액을 형성하도록 조정되며,
    상기 용매 배출구가 상기 제1 재생 영역과 상기 제2 재생 영역 사이에 위치하여 상기 반-희박 흡수 용액의 적어도 일부의 제거를 용이하게 하는, 공정 스트림으로부터 산성 성분의 적어도 일부를 흡수하여 제거하기 위한 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 공정 스트림이 화석 연료 점화 보일러(fossil fuel fired boiler)의 연소 챔버에서 발생되는 배연 가스(flue gas)인, 공정 스트림으로부터 산성 성분의 적어도 일부를 흡수하여 제거하기 위한 시스템.
  12. 산성 성분을 함유하는 공정 스트림을 흡수 용액과 접촉(여기서, 접촉은 흡수기 내에서 발생한다)시키고, 상기 공정 가스로부터 상기 산성 성분의 적어도 일부를 제거함으로써 풍부 흡수 용액을 형성하는 단계;
    재생기 내에서 상기 풍부 흡수 용액을 재생시키는 단계(여기서, 상기 풍부 흡수 용액은 상기 풍부 흡수 용액을 스팀과 접촉시킴으로써 풍부 흡수 용액을 재생시켜 반-희박 흡수 용액과 희박 흡수 용액을 형성한다);
    상기 재생기로부터 일정량의 반-희박 흡수 용액을 제거하는 단계(여기서, 상기 재생기로부터 제거되는 상기 반-희박 흡수 용액의 양은 상기 재생기 내의 흡수 용액의 총량을 기준으로 약 20% 내지 약 100%이다); 및
    상기 반-희박 흡수 용액을 상기 흡수기에 유입시킴으로써 상기 공정 가스로부터 제거되는 상기 산성 가스 성분의 양을 증가시키는 단계
    를 포함하는, 공정 스트림으로부터 제거되는 산성 가스 성분의 양을 증가시키는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 산성 성분이 이산화탄소인, 공정 스트림으로부터 제거되는 산성 가스 성분의 양을 증가시키는 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 흡수 용액이 모노에탄올아민(MEA), 디에탄올아민(DEA), 디이소프로판올아민(DIPA), N-메틸에탄올아민, 트리에탄올아민(TEA), N-메틸디에탄올아민(MDEA), 피페라진, N-메틸피페라진(MP), N-하이드록시에틸피페라진(HEP), 2-아미노-2-메틸-1-프로판올(AMP), 2-(2-아미노에톡시)에탄올, 2-(2-3급-부틸아미노프로폭시)에탄올, 2-(2-3급-부틸아미노에톡시)에탄올(TBEE), 2-(2-3급-아밀아미노에톡시)에탄올, 2-(2-이소프로필아미노프로폭시)에탄올 또는 2-(2-(1-메틸-1-에틸프로필아미노)에톡시)에탄올의 그룹으로부터 선택된 화학적 용매를 포함하는, 공정 스트림으로부터 제거되는 산성 가스 성분의 양을 증가시키는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 흡수 용액이 모노에탄올아민을 포함하는, 공정 스트림으로부터 제거되는 산성 가스 성분의 양을 증가시키는 방법.
  16. 제12항에 있어서, 상기 재생기로부터 제거되는 상기 반-희박 흡수 용액의 양이 상기 재생기 내의 흡수 용액의 총량을 기준으로 20% 내지 100%인, 공정 스트림으로부터 제거되는 산성 가스 성분의 양을 증가시키는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 재생기로부터 제거되는 상기 반-희박 흡수 용액의 양이 상기 재생기 내의 흡수 용액의 총량을 기준으로 25% 내지 90%인, 공정 스트림으로부터 제거되는 산성 가스 성분의 양을 증가시키는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 재생기로부터 제거되는 상기 반-희박 흡수 용액의 양이 상기 재생기 내의 흡수 용액의 총량을 기준으로 70%인, 공정 스트림으로부터 제거되는 산성 가스 성분의 양을 증가시키는 방법.
  19. 제12항에 있어서, 상기 스팀이 고정된 수준의 에너지를 사용하는 재비기에 의해 생성되는, 공정 스트림으로부터 제거되는 산성 가스 성분의 양을 증가시키는 방법.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 재생기가 적어도 제1 재생 영역과 제2 재생 영역을 포함하고, 상기 제1 재생 영역은 상기 풍부 흡수 용액의 적어도 일부를 재생시켜 상기 반-희박 흡수 용액을 형성하기도록 조정되고, 상기 제2 재생 영역은 상기 풍부 흡수 용액의 적어도 일부를 재생시켜 상기 희박 흡수 용액을 형성하도록 조정되며,
    상기 제1 재생 영역과 상기 제2 재생 영역 사이에 용매 배출구가 위치하여 상기 반-희박 흡수 용액의 적어도 일부의 제거를 용이하게 하는, 공정 스트림으로부터 제거되는 산성 가스 성분의 양을 증가시키는 방법.
  21. 제12항에 있어서, 상기 공정 스트림이 화석 연료 점화 보일러의 연소 챔버에서 발생되는 배연 가스인, 공정 스트림으로부터 제거되는 산성 가스 성분의 양을 증가시키는 방법.
  22. 공정 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하는 방법으로서,
    상기 방법은 상기 공정 스트림을 흡수 용액과 접촉시켜 상기 공정 스트림으로부터 상기 이산화탄소를 제거함으로써 풍부 흡수 용액을 형성하는 단계, 및 재생기 내에서 상기 풍부 흡수 용액을 스팀과 접촉시켜 풍부 흡수 용액을 재생시키는 단계를 포함하고, 여기서, 개선점이
    상기 풍부 흡수 용액의 재생 동안, 상기 증기의 생성을 위해 사용되는 재비기에 의해 사용되는 에너지를 고정된 수준으로 유지하면서 반-희박 흡수 용액과 희박 흡수 용액을 형성하고;
    상기 재생기로부터 일정량의 반-희박 흡수 용액을 제거하고, 여기서, 상기 재생기로부터 제거되는 상기 반-희박 흡수 용액의 양은 상기 재생기 내의 흡수 용액의 총량을 기준으로 약 20% 내지 약 100%임을 포함하는, 공정 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하는 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 공정 스트림이 화석 연료 점화 보일러의 연소 챔버에서 발생되는 배연 가스인, 공정 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하는 방법.
KR1020107015433A 2007-12-13 2008-12-09 공정 스트림으로부터 산성 성분을 제거하기 위한 시스템 및 방법 KR20100092507A (ko)

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