KR20100115801A - 탄산염 및/또는 중탄산염 무기물의 동시 생성을 통한 폐기물 스트림으로부터의 이산화탄소의 제거 - Google Patents

탄산염 및/또는 중탄산염 무기물의 동시 생성을 통한 폐기물 스트림으로부터의 이산화탄소의 제거 Download PDF

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Abstract

가스 스트림으로부터 이산화탄소 및 다른 오염물을 제거하기 위한 장치 및 방법이 제공된다. 당해 방법은 수산화물을 수성 혼합물로 수득하는 단계 및 상기 수산화물을 가스 스트림과 혼합시켜 탄산염 및/또는 중탄산염을 생성시키는 단계를 포함한다. 본 발명의 몇몇 장치는 수산화물을 제공하기 위한 전기분해 챔버와, 수산화물과 이산화탄소를 포함하는 가스 스트림을 혼합시켜 탄산염 및/또는 중탄산염을 포함하는 혼합물을 형성시키기 위한 혼합 장비를 포함한다.

Description

탄산염 및/또는 중탄산염 무기물의 동시 생성을 통한 폐기물 스트림으로부터의 이산화탄소의 제거{Removing carbon dioxide from waste streams through co-generation of carbonate and/or bicarbonate minerals}
관련 출원에 대한 상호참조
본원은 2005년 9월 20일자로 출원된 미국 가특허원 제60/718,906호(발명의 명칭: 합성 탄산염 무기물의 동시 생성을 통한 폐기물 스트림으로부터의 이산화탄소의 제거), 2005년 1월 10일자로 출원된 미국 가특허원 제60/642,698호 및 2004년 9월 23일자로 출원된 미국 가특허원 제60/612,355호에 대한 우선권을 주장한다. 상기 참조 특허원 각각은 전문(첨부물 포함)이 포기없이 구체적으로 본원에 참조로 인용된다.
본 발명은 일반적으로 폐기물 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하고 이와 병행하여 다른 오염물을 제거하는 분야에 관한 것이다. 보다 특히, 본 발명은 농축된 연도 가스(flue gas)형 스트림으로부터 이산화탄소 및 다른 오염물을 흡수한 후, 흡수된 보조 오염물을 비말동반(entrain)하여 중화시키는 탄산염 및/또는 중탄산염 물질을 동시 생성시킴으로써 폐기물 스트림으로부터 이산화탄소 및 다른 오염물을 제거하는 것에 관한 것이다.
상당한 국내 및 국제 관심이 지난 40년에 걸쳐 사유 및 상업적 영역 둘 다에서 산업시설로부터 공기중으로의 방출에 점점 집중되고 있으며, 특히 "온실 효과"를 발생시키는 대기중의 태양열의 유지에 영향을 미치는 특성을 갖는 온실 가스(GHG; greenhouse gas)에 대해 주의가 집중되고 있다. 온실 효과는 태양으로부터 도입되는 열이 지구의 대기 및 수계(水界)에서 포착되어 지구의 평균 대기 온도, 해양 온도 및 다른 중간 및 평균 측정치가 기후 변화 지점 이하로 상승하는 경우에 일어나고, 당해 효과는, 사람의 물질 연소가 이에 미치는 영향의 속도, 정도 및 당해 효과의 정도, 방향 및 크기가 논쟁화되지만, 일반적으로 지구의 열 균형의 작동 효과로서 일반적으로 인정된다. 논쟁 정도에도 불구하고, 그렇게 하기 위한 비용이 충분히 작은 경우, 점배출원(point-emission source)으로부터 CO2(및 다른 화학물질)를 제거하는 잇점이 있다는 데 모두 동의할 것이다.
온실 가스는 주로 이산화탄소로 이루어지고, 임의의 통상적인 탄소 연소(예를 들면, 자동차, 우림 세척, 단순 연소 등)시 발생하고, 이의 최고 집중 점배출이 지구 도처의 발전기에서 일어나서 고정된 장소로부터의 감소 또는 제거를, 제거 기술을 수행하는 매력적인 점으로 하지만, 지역 발전기 및 대규모 산업의 공장내 발전기(site-power-plant)에 의해 발생된다. 에너지 생성이 온실 가스 방출의 주요 원인이기 때문에, 각종 수단에 의해 탄소 농도를 감소시키고 효율을 향상시키고 탄소를 발전기 연도 가스로부터 분리시키는 방법이 지난 30년에 걸쳐 집중적으로 조사되고 연구되었다.
탄소 농도를 감소시키는 것은 탄소 연소만을 통해 생성되는 전력 비율을 감소시키기 위해서 핵발전, 수력발전, 태양광 발전, 지열발전 및 기타 전력 공급원 등의 비탄소 에너지 공급원의 대체 사용을 포함한다. 이들 발전 기술 각각은 총 에너지 발생 면에서 계속 늘고 있지만, 세계 전기 수요 예측량은 이들 방법으로부터 생성되는 에너지 생산보다 빠른 속도로 증가할 것으로 예상된다. 따라서, 탄소 온실가스 방출은 비탄소 에너지 공급원의 성장에도 불구하고 증가할 것으로 예상된다.
효율을 향상시키는 것은 일반적으로 생성된 CO2의 양을 감소시킨 후, 모든 잠재 오염물을 가능한한 완전히 산화시킴으로써 예비 연소, 탈탄소, 산소 발화 연소 등을 통해 탄소의 연소를 향상시키는 기술에 집중되고 있다. 또한, 당해 기술은 효율을 향상시키기 위해서 방출된 이산화탄소 방출량당 에너지의 생성량을 증가시킨다. 당해 분야에서의 진보는 연소 효율을 향상시켰지만, 당해 분야의 노력으로부터 끌어내야 할 개선점들은 더이상 거의 없다.
(기상 CO2의 초기 형태의) 탄소의 분리 시도는 일반적으로 지질학상, 육상 또는 해상 시스템으로 분류될 수 있는 매우 다양한 기법들을 생성시켰다. 이들 기법들은 주로 생성된 이산화탄소를 물리적 장소로 수송하고 상기 이산화탄소를 지질, 토양 또는 해양 저장소로 주입시키는 것에 관한 것이다. 이들 분리 기법 각각은 수송용 CO2의 제조, 수송 수행 및 "탄소 뱅크(carbon bank)"로의 주입 수행에 있어서 큰 비용을 수반한다. 이와 같이, 이들 기법은 일반적으로 경제적으로 적합하지 않고, 많은 경우에 생성된 최초 탄소보다 많은 에너지를 소비한다.
분리는 또한 스크러빙(scrubbing), 막, 저가 O2 및 수화물을 포함하는 수개의 산업 공정을 포함할 수 있다. 그러나, 이들 기술 각각은 비경제적 수준까지 상승된 주요 설비 비용으로 인해 어려움이 있고 전기 비용에 대한 CO2 포획 효과가 엄청나게 비싸다.
언급된 단점들이 전부는 아니며 폐기물 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하는 이미 공지된 방법들의 유효성을 손상시키는 경향이 있는 다수의 단점들 중의 일부이지만, 본 명세서에서 언급된 단점들은 당해 기술분야에서 출현한 방법론들이 전적으로 만족스럽지 않고 본원에서 기재되고 청구된 기술에 대한 상당한 필요성이 존재함을 입증하기에 충분하다.
개요
본 발명은 폐기물 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하기 위한 방법 및 장치를 제공하며, 이러한 방법 및 장치는 위에서 기재한 문제점들을 극복한다. 일반적으로, 본 발명은 수산화물 화합물을 사용하여 탄산염 및/또는 중탄산염을 형성시켜 가스 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하는 방법에 관한 것이다. 탄산염 및/또는 중탄산염은 다수의 용도로 사용된 후, 간단히 폐기될 수 있다.
본 발명의 다양한 양태들은 폐기물 스트림으로부터 이산화탄소를 여과하는 종래 기술을 능가하는 잇점을 제공한다. 본 발명에 의해 실현 가능한 몇몇 잠재적인 잇점은 다음을 포함한다.
탄소를 물리적으로 원거리의 장소로 제거하는 방법들과는 달리, 합성에 의해 염화나트륨과 이산화탄소로부터 탄산나트륨 및/또는 중탄산나트륨을 산업적 규모로 동시 생성함으로써, 바람직하지 않은 이산화탄소가 발전 지점에서 화학물질로 직접 전환되어, 분리 장소로의 수송 비용이 제거될 수 있다.
개장될 수 없는 연도 가스 스트림의 탈탄소에서의 다른 노력과 달리, 본 발명의 양태들은 기존 발전기로 개장될 수 있어 탈탄소 처리 구현에 필요한 주요 비용을 상당히 낮출 수 있다. 추가로, 탈탄소 처리는 칭량가능(scaleable)하고, 점진적으로 반응기 유닛을 추가하여 파일럿-투-인터미디어트-투-풀-스케일(pilot-to-intermediate-to-full-scale) 구현에 의해 구현될 수 있다.
당해 기술분야의 다른 방법들과 달리, 특정 양태의 탈탄소 공정은 이산화탄소를 경제적으로 유용한 화학물질로 분리시키고 염소 가스, 탄산나트륨 및 수소 가스와 같은 유용한 부산물을 부수적으로 생성한다. 탈탄소 공정의 부산물이 경제적으로 유용하기 때문에, 그 가치는 분리 비용을 상쇄시키고 적합하게 디자인된 시스템에서는 분리 공정을 그 자체로 수익이 되도록 할 수 있다.
방출된 연도 가스의 공격적인 스크러빙의 보조 공정으로 인해, SOx, NOx, HgOx 및 다른 물질과 같은 기타 바람직하지 않은 산성 오염물이 공정에서 공격적으로 스크러빙된다. 추가로, 스크러빙 공정은 탄산나트륨 속의 다른 가스 스트림 성분 및/또는 오염물(예를 들면, 석탄으로부터의 회(灰) 등)의 포착 및/또는 비말동반을 유도할 수 있어서, 이들을 가스 스트림으로부터 제거할 수 있다.
본 발명의 특정 양태는 수산화물을 수성 혼합물로 수득하는 단계, 상기 수산화물을 가스 스트림과 혼합시켜, 탄산염 생성물(탄산염 그룹 CO3를 함유하는 생성물로서 정의됨), 중탄산염 생성물(중탄산염 그룹 HCO3를 함유하는 생성물로서 정의됨), 또는 탄산염 생성물과 중탄산염 생성물과의 혼합물을 혼합물로서 생성시키는 단계, 및 상기 탄산염 생성물 및/또는 중탄산염 생성물을 혼합물로부터 분리시켜 이산화탄소를 가스 스트림으로부터 제거하는 단계를 포함하는, 가스 스트림으로부터의 이산화탄소의 제거방법을 포함한다. 수산화물은 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 수산화마그네슘 및 수산화알루미늄을 포함하지만 이들로 제한되지 않는 임의 형태의 수산화물일 수 있다. 숙련가는 다수의 수산화물 또는 수산화물들의 혼합물을 사용하여 유사한 화학 및 탈탄소를 수득할 수 있음을 이해할 것이다. 몇몇 바람직한 양태에 있어서, 수산화물은 수산화나트륨이다.
특정 양태에 있어서, 당해 방법은 방법을 공정 제어하여 실질적으로 탄산염 생성물만 생성시키거나 실질적으로 중탄산염 생성물만 생성시키는 단계를 추가로 포함한다. 다른 양태에 있어서, 당해 방법은 방법을 공정 제어하여 탄산염 생성물과 중탄산염 생성물과의 혼합물을 생성시키는 단계를 추가로 포함하며, 당해 혼합물은 약 X%의 탄산염과 약 Y%의 중탄산염으로 이루어질 수 있고, X-Y 조합은 다음 중의 어느 하나일 수 있다: 1-99, 2-98, 3-97, 4-96, 5-95, 6-94, 7-93, 8-92, 9-91, 10-90, 15-85, 20-80, 25-75, 30-70, 35-65, 40-60, 45-55, 50-50, 55-45, 60-40, 65-35, 70-30, 75-25, 80-20, 85-15, 90-10, 91-9, 92-8, 93-7, 94-6, 95-5, 96-4, 97-3, 98-2 또는 99-1.
특정 양태에 있어서, 혼합은 2개의 별개의 챔버(여기서, 하나의 챔버는 탄산염 생성물을 생성시키기 위해서 사용되고 나머지 하나의 챔버는 중탄산염 생성물을 생성시키기 위해서 사용된다)에서 일어난다. 다른 양태에 있어서, 혼합은 하나의 버블 칼럼 또는 일련의 버블 칼럼들에서 일어난다. 또 다른 양태에서, 탄산염 및/또는 중탄산염 생성물을 혼합물로부터 분리시키는 단계가 가열 침전 분리 공정(heated-precipitation separation process)을 포함한다. 몇몇 양태에 있어서, 분리 공정을 위한 열은 도입되는 연도 가스와의 열 교환으로부터 유도된다. 분리된 탄산염은 수성 슬러리 형태이거나 분리시에 다양한 농도의 수산화물, 탄산염 및 물의 용액으로서 존재할 수 있고, 그런 경우, 이는 다수의 방법들 중의 임의의 방법으로 건조될 수 있다. 몇몇 양태에 있어서, 탄산염은 건조시킬 필요가 없다. 예를 들면, 탄산나트륨의 슬러리는 경수 처리에 사용될 수 있다. 물론, 숙련가는 본 발명의 방법으로 생성된 탄산염을 적용시킬 수 있는 다양한 용도를 알 것이며, 예를 들면, 중탄산나트륨과 탄산나트륨의 슬러리 혼합물은 위에서 언급한 수처리 용도 뿐만 아니라 각종 세제 제조시, 유리 제조시 플럭스(flux)로서의 용도 등을 위해 슬러리화되어 유조차로 수송될 수 있다.
특정 양태에 있어서, 당해 방법은 탄산염 생성물을 원거리의 분리 장소로 수송하는 단계, 탄산염 생성물을 중화 반응시 산과 배합하여 순수한 이산화탄소를 생성시키는 단계 및 이산화탄소를 탄소 뱅크에 주입시키는 단계를 추가로 포함한다. 다른 양태에 있어서, SOx, NOx 및 수은 함유 물질을 포함하는 가스 스트림의 다른 성분들은 탄산염 형성 공정에서 중화되고/되거나 비말동반/포획된다.
몇몇 양태에 있어서, 수산화물을 수득하는 단계는 염을 수득하고, 상기 염을 물, 증기 또는 이들 둘 다와 혼합시켜 용액을 생성시키는 단계 및 상기 용액을 전기분해시켜 수산화물을 생성시킴을 포함한다. 몇몇 양태에 있어서, 용액은 약 5V 이상의 전압을 사용하여 전기분해되는 한편, 다른 양태에 있어서, 용액은 약 5V 미만의 전압을 사용하여 전기분해된다. 몇몇 양태에 있어서, 용액은 약 1.5V, 약 2.0V, 약 2.5V, 약 3.0V, 약 3.5V, 약 4.0V 또는 약 4.5V를 포함하는 1 내지 5V의 전압 또는 이들 지점들간에 유도 가능한 임의의 범위의 전압을 사용하여 전기분해된다.
특정 양태에 있어서, 산은 전기분해되기 전에 용액에 첨가된다. 산은 염산을 포함하지만 이로써 제한되지 않는, 용액을 양성자화시킬 수 있는 임의 형태의 산일 수 있다. 숙련가는 다수의 산 또는 산들의 혼합물을 사용하여 유사한 화학 및 전기분해를 수득할 수 있음을 이해할 것이다. 몇몇 바람직한 양태에 있어서, 산은 염산이다. 다른 양태에 있어서, 용액에 첨가되는 산의 양은 반응물을 생성시키기 위한 최저 에너지와 생성물로부터 회수하기 위한 최고 에너지를 달성하는 최적 양성자화 속도의 측정을 기준으로 한다.
또 다른 양태에 있어서, 전기분해 단계는 캐소드액측과 애노드액측을 갖는 전기화학 전지에서 일어나고, 탄산염 및/또는 중탄산염 생성물은 전기화학 전지의 캐소드액측으로 재순환된다. 다른 양태에 있어서, 당해 방법에 필요한 에너지는 가스 스트림으로부터 회수된 폐열(waste-heat)로 보충된다.
본 발명의 다른 양태는 수산화나트륨을 수성 혼합물로 수득하는 단계, 상기 수산화나트륨을 가스 스트림과 혼합시켜, 탄산나트륨, 중탄산나트륨, 또는 탄산나트륨과 중탄산나트륨과의 혼합물을 생성시키는 단계, 및 탄산나트륨 및/또는 중탄산나트륨을 혼합물로부터 분리시켜 이산화탄소를 가스 스트림으로부터 분리시키는 단계를 포함하는, 가스 스트림으로부터의 이산화탄소의 제거방법을 포함한다.
몇몇 양태에 있어서, 당해 방법은 방법을 공정 제어하여 실질적으로 탄산나트륨만 생성시키거나 실질적으로 중탄산나트륨만 생성시키는 단계를 추가로 포함한다. 다른 양태에 있어서, 당해 방법은 방법을 공정 제어하여 탄산나트륨과 중탄산나트륨과의 혼합물을 생성시키는 단계를 추가로 포함하며, 당해 혼합물은 약 X%의 탄산나트륨과 약 Y%의 중탄산나트륨으로 이루어질 수 있고, X-Y 조합은 다음 중의 어느 하나일 수 있다: 1-99, 2-98, 3-97, 4-96, 5-95, 6-94, 7-93, 8-92, 9-91, 10-90, 15-85, 20-80, 25-75, 30-70, 35-65, 40-60, 45-55, 50-50, 55-45, 60-40, 65-35, 70-30, 75-25, 80-20, 85-15, 90-10, 91-9, 92-8, 93-7, 94-6, 95-5, 96-4, 97-3, 98-2 또는 99-1.
특정 양태에 있어서, 혼합은 2개의 별개의 챔버(여기서, 하나의 챔버는 탄산나트륨을 생성시키기 위해서 사용되고 나머지 하나의 챔버는 중탄산나트륨을 생성시키기 위해서 사용된다)에서 일어난다. 다른 양태에 있어서, 혼합은 하나의 버블 칼럼 또는 일련의 버블 칼럼들에서 일어난다. 또 다른 양태에서, 탄산나트륨 및/또는 중탄산나트륨을 혼합물로부터 분리시키는 단계 가열 침전 분리 공정을 포함한다. 몇몇 양태에 있어서, 분리 공정을 위한 열은 도입되는 연도 가스와의 열 교환으로부터 유도된다.
특정 양태에서, 당해 방법은 탄산나트륨을 원거리의 분리 장소로 수송하는 단계, 탄산나트륨을 중화 반응시 산과 배합하여 순수한 이산화탄소를 생성시키는 단계 및 이산화탄소를 탄소 뱅크에 주입시키는 단계를 추가로 포함한다.
몇몇 양태에 있어서, 수산화나트륨을 수득하는 단계는 염화나트륨을 수득하고, 상기 염화나트륨을 물, 증기 또는 이들 둘 다와 혼합하여 염수를 생성시키는 단계 및 상기 염수를 전기분해시켜 수산화나트륨과 염소 가스를 생성시킴을 포함한다. 특정 양태에 있어서, 염수는 약 5V 이상의 전압을 사용하여 전기분해되는 한편, 다른 양태에 있어서, 염수는 약 5V 미만의 전압을 사용하여 전기분해된다. 몇몇 양태에 있어서, 용액은 약 1.5V, 약 2.0V, 약 2.5V, 약 3.0V, 약 3.5V, 약 4.0V 또는 약 4.5V를 포함하는 1 내지 5V의 전압 또는 이들 지점들간에 유도 가능한 임의의 범위의 전압을 사용하여 전기분해된다.
몇몇 양태에 있어서, 산은 전기분해되기 전에 염수에 첨가된다. 산은 염산을 포함하지만 이로써 제한되지 않는, 용액을 양성자화시킬 수 있는 임의 형태의 산일 수 있다. 숙련가는 다수의 산 또는 산들의 혼합물을 사용하여 유사한 화학 및 전기분해를 수득할 수 있음을 이해할 것이다. 몇몇 바람직한 양태에 있어서, 산은 염산이다. 또 다른 양태에 있어서, 염수에 첨가되는 산의 양은 반응물을 생성시키기 위한 최저 에너지와 생성물로부터 회수하기 위한 최고 에너지를 달성하는 최적 양성자화 속도의 측정을 기준으로 한다.
특정 양태에 있어서, 전기분해 단계는 캐소드액측과 애노드액측을 갖는 전기화학 전지에서 일어나고, 탄산나트륨 및/또는 중탄산나트륨은 전기화학 전지의 캐소드액측으로 재순환된다. 다른 양태에 있어서, 당해 방법에 필요한 에너지는 가스 스트림으로부터 회수된 폐열로 보충된다. 또 다른 양태에 있어서, 당해 방법은 염소 가스를 수집하는 단계를 추가로 포함하는 한편, 다른 양태에 있어서, 수소 가스를 생성시킨다. 몇몇 양태에 있어서, 수소 가스와 염소 가스는 연소되어 염산(이는 전기분해되기 전에 염수에 첨가된다)을 형성한다. 다른 양태에 있어서, 수소 가스는 대기 산소 또는 원료 화학물질(stock chemical)로부터의 산소와 함께 연소되어 물을 생성하는 한편, 다른 양태에 있어서, 당해 방법은 수소 가스를 사용하여 에너지를 생성시키는 단계를 포함한다. 몇몇 양태에 있어서, 수산화나트륨 및/또는 중탄산나트륨을 혼합물로부터 분리시키는 단계는 가열 침전 분리 공정을 포함하고, 여기서, 분리 공정을 위한 열은 수소 가스에 의해 생성된 에너지로부터 유도된다. 다른 양태에 있어서, 수소 가스는 석탄과 동시 연소되어 석탄 발화 방출을 향상시키거나 DC 전기의 연료 전지 회수용 연소 공정에 사용된다.
몇몇 양태에 있어서, 가스 스트림은 설비로부터의 배기 스트림인 한편, 다른 양태에 있어서, 설비는 탄소계 연료 공급원을 사용하는 발전기이다. 특정 양태에 있어서, 배기 스트림은 CO2와 H2O를 포함한다.
본 발명의 특정 양태는 하나 이상의 캐소드(cathode) 및 하나 이상의 애노드(anode)를 포함하는 전기분해 챔버로서, 사용 동안 수산화물을 생성시키도록 적합화된 전기분해 챔버, 전기분해 챔버와 사용 동안 가스 스트림을 함유하도록 적합화된 도관에 작동 가능하게 연결된 혼합 장비로서, 사용 동안 전기분해 챔버로부터의 수산화물과 가스 스트림을 혼합시켜 혼합물을 생성시키도록 적합화된 혼합 장비(여기서, 가스 스트림 속의 탄소, 황 및/또는 질소 화합물은 수산화물과 반응할 수 있다) 및 혼합 장비에 작동 가능하게 연결되어 있고 혼합물을 개별적인 기상과 고상 및/또는 액상으로 분리시키도록 적합화된 분리 챔버를 포함하는 장치를 또한 포함한다.
몇몇 양태에 있어서, 전기분해 챔버는 막 전지, 격벽 및/또는 수은을 포함한다. 특정 양태에 있어서, 혼합 장비는 하나의 배치식 반응기 또는 일련의 배치식 반응기들인 한편, 다른 양태에 있어서, 혼합 챔버는 하나의 가스/액체 흡수/반응 장치 또는 일련의 가스/액체 흡수/반응 장치이다. 다른 양태에 있어서, 혼합 챔버는 하나의 결정화 탑 또는 일련의 결정화 탑들인 한편, 다른 양태에 있어서, 이는 하나의 버블 칼럼 또는 일련의 버블 칼럼들이다.
특정 양태에 있어서, 당해 장치는 분리 챔버에 작동 가능하게 연결되어 있고 사용 동안 고상 및/또는 액상으로부터 액체를 제거하도록 적합화된 건조 챔버를 추가로 포함하는 한편, 다른 양태에 있어서, 건조 챔버는 사용 동안 고상 및/또는 액상을 가열하도록 적합화된다. 또 다른 양태에 있어서, 당해 장치는 발전기에 작동 가능하게 연결되는 것으로 추가로 한정된다.
몇몇 양태에 있어서, 전기분해 챔버는 사용 동안 염화나트륨과 물로부터 염소 가스와 수산화나트륨을 생성시키도록 적합화된다. 다른 양태에 있어서, 혼합 장비는 사용 동안 전기분해 챔버로부터의 수산화물과 가스 스트림으로부터의 이산화탄소를 혼합시켜 탄산염 및/또는 중탄산염 생성물을 생성시키도록 적합화된다.
또 다른 양태에 있어서, 본 발명은 소정의 양성자화에서 소정의 V/I 특성에 대한, 증가한 면적에 대한 저전압 작동을 위한 전기화학 전지의 최적 작동 전압 및 전류를 측정하는 방법을 포함한다. 다른 양태에 있어서, 본 발명은 공정에서 사용되는 소정의 전기분해 전지용 작동 전압에 대한 열역학적 하한을 측정하는 방법을 포함한다. 특정 양태에 있어서, 폐기물 스트림으로부터 CO2를 제거하는 작업을 수행하는 장치에 대하여 일반적으로 생태학적 효율(∂CO2/∂E)을 정의하는 방법이 제공되는 한편, 다른 양태는 특히 임의의 양태의 본 발명을 사용하는 장치에 대하여 특이적으로 생태학적 효율(∂CO2/∂E)을 정의하는 방법을 포함한다. 다른 양태는 낮은 무차별 가격대, 즉 회수 가능한 에너지 함량과 동일한 비용으로 매우 순수한 수소 가스를 생성시키는 방법을 포함한다.
용어 "포함하다(comprise)"(및 "포함한다" 및 "포함하는" 등의 모든 형태의 포함하다), "갖다"(및 "갖다" 및 "갖는" 등의 모든 형태의 갖다), "함유하다"(및 "함유한다" 및 "함유하는" 등의 모든 형태의 함유하다) 및 "포함하다(include)"(및"포함한다" 및 "포함하는" 등의 모든 형태의 포함하다)는 어미가 개방형 연결 동사이다. 따라서, 하나 이상의 단계 또는 요소를 "포함하는", "갖는", "함유하는" 또는 "포함하는" 방법 또는 장치는 이들 하나 이상의 단계 또는 요소를 지니지만, 이들 하나 이상의 단계 또는 요소만을 지니는 것으로 제한되지 않는다. 마찬가지로, 하나 이상의 특징을 "포함하는", "갖는", "함유하는" 또는 "포함하는" 장치 또는 방법의 요소는 이들 하나 이상의 특징을 지니지만, 이들 하나 이상의 특징만을 지니는 것으로 제한되지 않는다. 용어 "사용하는"도 동일한 방식으로 해석되어야 한다. 따라서, 예로서, 특정 정보를 "사용하는"을 포함하는 방법에서의 단계는 적어도 언급된 정보가 사용되지만 언급되지 않은 다른 정보도 또한 사용될 수 있는 가능성을 배제하지 않음을 의미한다. 더구나, 특정 방식으로 구성된 구조는 적어도 당해 방식으로 구성되어야 하지만, 특정되지 않은 방식으로도 구성될 수 있다.
단수로 정의된 용어는 당해 명세서에서 분명히 다른 것을 요구하지 않는 한 하나 또는 하나 이상으로서 정의된다. 용어 "다른(another)"은 적어도 제2의 또는 그 이상으로서 정의된다. 용어 "실질적으로" 및 "약"은 적어도 소정의 값 또는 상태에 근접(및 포함)하는 것(바람직하게는 10% 이내, 보다 바람직하게는 1% 이내, 가장 바람직하게는 0.1% 이내)으로서 정의된다.
본원에 사용되는 용어 "탄산염" 또는 "탄산염 생성물"은 일반적으로 탄산염 그룹 CO3를 함유하는 무기물 성분으로서 정의된다. 따라서, 당해 용어는 탄산염/중탄산염 혼합물 및 탄산염 이온만을 함유하는 종 둘 다를 포함한다. 용어 "중탄산염" 또는 "중탄산염 생성물"은 일반적으로 중탄산염 그룹 HCO3를 함유하는 무기물 성분으로서 정의된다. 따라서, 당해 용어는 탄산염/중탄산염 혼합물 및 중탄산염 이온만을 함유하는 종 둘 다를 포함한다.
본 발명의 몇몇 양태를 사용하여 중탄산염 및 탄산염을 형성시키는 경우, 용어 "이온 비"는 생성물 속의 나트륨 이온을 생성물에 존재하는 탄소의 수로 나눈 비를 나타낸다. 따라서, 순수한 중탄산염(NaHCO3)으로 형성된 생성물 스트림은 "이온 비" 1.0(Na/C)이라고 할 수 있는 반면, 순수한 탄산염(Na2CO3)으로 형성된 생성물 스트림은 "이온 비"가 2.0(Na/C)이라고 할 수 있다. 확장하면, 탄산염과 중탄산염의 무한수의 연속 혼합물은 이온 비가 1.0 내지 2.0에서 변한다고 할 수 있다.
본 발명의 몇몇 바람직한 양태에 있어서, 염산이 클로르-알칼리 전기분해 전지의 염화나트륨 염수 공급물에 첨가되어 다음 반응을 일으킬 수 있다:
H2O + NaCl + aHCl + 에너지 → NaOH + (1/2+a/2)H2 + (1/2+a/2)Cl2
당해 식에서, 용어 "a"는 "양성자화율"로서 정의되고, 이는 양성자(H+ 이온) 대 나트륨 이온(Na+ 이온)의 비를 나타낸다.
본원에 사용되는 용어 "분리"는 부분적인 효과 또는 전체 효과가 점배출원으로부터 CO2를 제거하고 대기로의 반송을 방지하기 위해서 CO2를 몇몇 형태로 저장하는 기술 또는 실시를 나타내는 데 사용된다. 당해 용어의 사용은 임의 형태의 기재된 양태를 "분리" 기술로 고려되는 것으로부터 배제하지 않는다.
본원에 사용되는 용어 "생태학적 효율"은 용어 "열역학적 효율"과 동의어로서 사용되고 소비된 에너지당 본 발명의 특정 양태에 의해 분리된 CO2의 양(식 ∂CO2/∂E로 나타냄)으로서 정의된다. CO2의 분리는 총 설비 CO2의 비율(%)면에서 명명되고, 에너지 소비는 유사하게 총 설비 전력 소비면에서 명명된다.
본원에 사용되는 용어 "저전압 전기분해" 및 "LVE"는 약 5V 미만의 전압에서의 전기분해를 나타내기 위해서 사용된다.
익히 알려진 처리 기술, 부품 및 장비의 설명은 불필요하게 상세히 하여 본 발명의 방법 및 장치를 불명료하게 하지 않기 위해 생략한다. 첨부된 도면을 포함한 본 발명의 방법 및 장치의 상세한 설명은 예시적인 것이며 비제한적이다. 청구의 범위 내에 속하는 특정 치환, 변형, 추가 및/또는 재배열은 본 명세서에 명확하게 기재되어 있지는 않지만 본 명세서를 기준으로 하여 당해 기술분야의 숙련가에게는 자명할 수 있다.
다른 특징 및 관련 이점이 첨부된 도면과 관련하여 다음과 같은 특정 양태의 상세한 설명을 참조함으로써 자명해질 것이다.
다음 도면은 예로서 예시되며 제한적이지 않다. 도면은 본 명세서의 일부를 형성하며 본 발명의 특정 양태를 추가로 설명하기 위해서 포함된다. 본 발명은 본원에 제시된 예시적인 양태의 설명과 함께 하나 이상의 이들 도면을 참조함으로써 보다 잘 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 특정 양태의 공정 흐름도이다.
도 2a는 본 발명의 탈탄산 부분의 하나의 양태의 주요 특성을 관찰하기 위한 장치를 도시한다.
도 2b는 흡수/전환 실험 결과를 도시한다.
도 2c는 흡수/전환 실험 결과를 도시한다.
도 2d는 CO2를 90% 제거하는 데 필요한 가스/액체 접촉 거리(유체의 깊이, m)를 보여주는 차트(chart)이다.
도 2e는 시험 반응기에서 흡수된 생성물 이온 비 대 CO2의 비율(%)을 보여주는 차트이다.
도 3은 반응이 지시된 시간 동안 진행됨에 따라 반응 챔버 내에서 유체에 의해 계산된 열 거동을 보여주는 차트이다.
도 4는 5' 칼럼의 범람 조사를 보여주는 차트이다.
도 5는 각종 분석물 pH 및 온도 조건에 대한 통상적인 전압/전류 특성 작동 라인을 보여주는 차트이다.
도 6은 본 발명의 양태에 따르는, 수소가 회수되지 않는 반응기를 포함하는 시스템의 블록도(block diagram)이다.
도 7은 본 발명의 양태에 따르는, 수소가 연료 전지 DC 반송을 통해 회수되는 반응기를 포함하는 시스템의 블록도이다.
도 8은 낮은 계면 속도에서의 버블 칼럼에서의 CO2 흡수량(%) 대 유체 깊이 대 가스 계면 속도를 보여주는 차트이다.
도 9a는 본 발명의 양태에 따르는, 이론적인 최대 CO2 흡수량 및 실험 결과를 보여주는 차트이다.
도 9b는 본 발명의 특정 양태를 포함하는 설비용 연도 가스 모델에 대한 추정치 및 계산치를 도시한다.
도 9c는 본 발명의 특정 양태를 포함하는 설비에 대한 탈탄산 장치(decarbonator)의 공정 부하 및 중간체 가성 요건을 도시한다.
도 9d는 본 발명의 특정 양태를 포함하는 설비에 대한 전기분해 구역 부하 및 요건을 도시한다.
도 9e는 본 발명의 특정 양태를 포함하는 설비에 대한 폐열 순환을 도시한다.
도 9f는 본 발명의 특정 양태를 포함하는 설비에 대한 에너지 균형 및 생태학적 효율 계산치를 도시한다.
도 10은 본 발명의 양태를 포함하는 각종 모델의 발전기의 생태학적 효율을 도시한다.
도 11은 표준화된 LVE 디자인의 면적(m2)에 대해 전력 절감률(%)을 보여주는 차트이다.
예시적인 양태의 설명
본 발명은 이산화탄소가 폐기물 스트림으로부터 제거되어 탄산염 및/또는 중탄산염 생성물로 전환되는 분리 공정에 관한 것이다. 본 발명의 방법 및 장치의 양태는 다음 일반적인 요소들 중의 하나 이상을 포함한다: (1) 수성 탈탄산 공정(이에 의해 기상 CO2는 수성 가성 혼합물로 흡수된 후, 수산화물과 반응하여 탄산염 및/또는 중탄산염 생성물을 형성한다), (2) 분리 공정(이에 의해 탄산염 및/또는 중탄산염 생성물은 액체 혼합물로부터 분리된다), (3) 탈탄산 공정에서 흡수제 유체로서 사용되는 수산화나트륨을 생성하기 위한 염수 전기분해 공정 및 (4) 염소 가스, 탄산나트륨과 중탄산나트륨 및 수소 가스를 포함하는, 탈탄산 및 전기분해 공정으로부터의 부산물의 생성 및 사용. 이들 일반적인 요소를 각각 이하에서 더욱 상세히 설명한다.
I. 잇점의 개관
목적을 달성하기 위한 작업을 수행하는 다른 방법 또는 장치와 유사하게, 본 발명의 다수의 양태는 연도 가스 스트림으로부터 CO2와 다른 화학물질을 흡수하고 본원에 기재된 본 발명의 양태의 다른 목적을 달성하기 위해서 약간의 에너지를 소비한다. 그러나, 본 발명의 특정 양태의 하나의 잇점은, 이들이 실시예 5 및 6에 상세히 설명되어 있는 바와 같이, 선행 기술의 생태학적 효율보다 우수한 생태학적 효율을 제공한다는 것이다. 실시예 5 및 6의 데이타로부터 입증되는 바와 같이, 공정을 가동시키기 위한 증폭된 폐열 회수 또는 비온실 가스 생성 에너지, 훨씬 낮은 전압 전기분해의 사용 및 수소 에너지 회수로부터의 전기 반송 향상은, 공정의 생태학적 효율을, 공정이 폐열 회수(및 수소 에너지 회수)에 의해 충분히 가동되고 발전기 방출 CO2를 실질적으로 100% 흡수하는 지점까지 및 이를 초과하여 추가로 향상시킬 수 있다.
추가로, 본 발명의 특정 양태의 극단적인 화학을 사용하여 약산 CO2를 흡수하도록 하는 하나의 잇점은 공정이 강산 SOx 및 NOx를 실질적으로 완전히 흡수하고 수은을 덜 흡수하는 것이다. 충전된 부하 단일 단계 탈탄산 장치에서의 SOx/Ar 및 NOx/Ar을 사용한 시험은 연도 가스의 이들 성분들의 99%+의 제거율(여기서, "99%+"는 14L/분 연도 가스 처리 경우에 오염물의 존재가 가스 크로마토그래피법에 의해 생성물 기류에서 검출되지 않는 것, 즉 이들이 효과적으로 제거된 것을 의미한다)을 입증했다. 본 발명의 특정 양태에 있어서, NOx, SOx 및 수은 화합물의 보조 스크러빙은 보다 큰 경제적 중요성을 추정할 수 있다. 즉, 본 발명의 양태를 사용함으로써, 몇몇 양태에서는, 이들 화합물을 대량으로 함유하는 석탄은 본 발명의 특정 양태의 CO2/흡수 공정의 잇점없이 처리된 보다 높은 등급의 석탄을 사용하는 경우보다 생성된 오염물이 적도록 발전기에서 연소될 수 있다.
또한, 본 발명의 특정 양태의 칭량 능력은 극단적인 변화까지 수행될 수 있다. 즉, 특정 양태에서, 공정은 전기적으로 제어되어 전력 비용이 실질적으로 소정의 시간에서 생성된 흡수제의 개별 분자까지 칭량될 수 있다. 또한, 흡수된 CO2의 양을 정확히 측정하는 능력은 실용적이고 용이한데, 형성된 탄산염/중탄산염 생성물을 칭량하고, 분석에 의해 이들의 이온 비를 측정하고, 흡수된 CO2의 mol을 측정하기 위해 계산을 수행하고, 흡수된 CO2를 쉽게 확인하고 측정한다(연도 가스 중의 CO2와 다른 화학물질을 제거하기 위한 특정 유도 방식에 유용할 수 있는 인자).
다른 CO2 제거 공정과 구별되는 본 발명의 특정 양태의 다른 추가의 잇점은 몇몇 시장 조건에서, 생성물이 필요한 반응물 또는 순수 전력 또는 설비 감각비보다 상당히 큰 가치가 있다는 것이다. 즉, 특정 양태는 CO2 및 보조 해당 오염물의 상당한 제거율을 달성하면서 클로르-하이드로-탄산염 생성물을 수익성있게 제조하는 산업적 방법이다. 모든 다른 경쟁적인 방법은 단순히 추가 운영비이다.
II. 공정 흐름도
도 1은 본 발명의 장치 및 방법의 일반적인 예시적인 양태를 설명하는 간략화된 공정 흐름도이다. 당해 도면은 예시적인 목적으로만 제공되는 것으로서, 본 발명의 특정 양태를 단지 도시할 뿐이며, 어떤 식으로든 청구의 범위를 제한하고자 하지 않는다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 연도 가스(FG)는 먼저 폐열/DC 생성 시스템을 사용하여 폐열을 교환한 후, 공정(901)으로 도입된다. 당해 실시예에서 300℃의 가스 혼합물로서 도입된 FG는 먼저 파이프(902)에 의해 FG/중탄산염 열 교환기(903)(여기서, FG 온도는 당해 실시예에서 120 내지 140℃로 감소된다)로 전달된다. 유사하게, FG는 계속해서 애노드액/FG 열 교환기(904) 및 캐소드액 열교환기(905)(여기서, 이의 온도는 95℃로 감소된다)를 통과한 후, 물/FG 열 교환기(929)(여기서, 이의 온도는 30℃로 추가로 감소된다)를 통과한다. 이어서, 물/FG 열교환기(929)로부터 방출된 FG는 밸브 방식의 연도 가스 온도 혼합 제어장치(931)[여기서, 30℃의 FG는 고온 연도 가스 공정 파이프(906)를 통해 연도 가스 온도 혼합 제어장치(931)로 또한 운반된 120 내지 140℃ 연도 가스와 혼합될 수 있다]로 도입된다. 이어서, 30 내지 140℃의 FG 혼합물은 충전되거나 충전되지 않은 버블 칼럼일 수 있는 탄산염화/흡수 칼럼(907)의 하부[여기서, 가스는 가스가 유체를 통해 상승하는 버블을 형성하는 효과에 의해 주입되거나 스파징(sparging)되어 상부 배기구(908)에서 수집된다]로 별도로 도입될 수 있다. 이러한 양태에서, 부분적으로 또는 완전히 탈탄산된 유체는 중탄산염화/전환 칼럼(909)을 통해 주입되거나 통과되고, 당해 칼럼에서 유체를 통한 버블은 취입기(blower)에 의해 추가로 인취되고 배기구(910)로 배출된다.
FG/중탄산염 열 교환기(903)에서 사용되는 유체는 흡수/전환 칼럼(907 및 909)에서 연도 가스로부터 흡수된 중탄산나트륨/탄산나트륨 및 각종 황산염, 질산염, 수은 및 미립자 및 에어로졸이다. 이와 도입되는 300℃의 FG와의 접촉에 의해, 당해 액체 유체는 상당한 수증기압을 발달시키기에 충분한 온도로 가열되어, 유체가 탱크(911)로 주입될 때 증기를 생성시킨 후, 응축기(912)에서 응축되며, 생성된 증류수는 H2O 재생 탱크(913)로 재순환되어 임의의 필요한 조건화 후 염수 혼합기(914)에서 염수를 형성시키기 위해 추가로 사용된다. 애노드액/FG 열 교환기(904)에서 사용되는 유체는 주요 급수원(915)으로부터 공급되거나 H2O 재생 탱크(913)로부터 부분 또는 전부 공급되는 물에 그룹 1 염 또는 그룹 2의 염(당해 실시예에서는 NaCl)을 첨가함으로써 제조된 염수이다. 당해 염수를, 물에 의해 흡수된 HCl 가스 형태의 HCl 또는 원료 화학물질 HCl로부터의 HCl을 첨가함으로써 양성자화(산성화)하며, 모두 pH 폐쇄 루프 조절기(916)에 의해 조절된다. 이러한 유체는 전기분해 전지(933)의 애노드액 구역(917)을 통해 순환한다. 유사하게, 캐소드액/FG 열 교환기(905)에 사용된 유체는 전기분해 전지(933)의 캐소드액 구역(918)을 통해 순환되는 NaOH(수성)이다. 캐소드액의 pH가 콘트롤 포인트(919)에서 최소 pH값(농도 대신)을 초과하는 경우, 진한 NaOH를 수산화물 저장 탱크(920)로 운반한다.
물/FG 열 교환기(929)에서 사용된 유체는 열 교환을 달성하기에 충분한 냉각 온도에서 충분히 대형 물 저장소로부터 운반된다. 몇몇 양태에서, 이러한 열 교환 시스템은 연도 가스/중탄산염 열 교환기(905)에서의 추가의 열 교환 전에 중탄산염/탄산염 용액에 대한 "예비 가온"처리로서 사용될 수 있다. 또한, 몇몇 양태에서, 주요 급수원(915), H2O HX 저장 탱크(937) 및 H2O 재생 탱크(913)의 비축은 부분적으로 또는 완전히 통합되어 있다.
전기분해 전지(933)의 애노드액 구역(917)을 통해 순환하는 양성자화 염수는 전기분해 공정에 의해 영향을 받아 염소 가스를 형성시키고, 이는 수집되어 염소 가스 라인(921)을 통해, 당해 실시예에서는, 차아염소산나트륨 반응기(924)로 이동된다. 나트륨 이온과 수소 이온(양성자)은 전기분해 전지(933)의 막을 통해 캐소드액 구역(918)으로 수송된다. 여기서, 나트륨 이온은 물 속의 수소 이온을 치환시켜 수소 가스를 형성시키고, 수소 가스는 도입되는 순수한 수소 가스 파이프(922)로 H2/O2 연료 전지(923)(여기서, 수소 가스는 대기중의 O2와 합해져서 DC 전기를 생성하여, 당해 실시예에서는 전기분해 전지(933)로 재순환되며, 순수한 물은 순수 회수 루프(935)를 통해 H2O 재생 탱크(913)로 재순환된다)까지 운반된다. 차아염소산나트륨 반응기(924)로 운반된 염소 가스는 수산화물 저장 탱크(920)로부터 당해 반응기로 운반된 수산화나트륨을 통해 접촉(버블링)된다. 차아염소산나트륨이 생성되고, 이는 원료 화학물질로서 시판되거나 추가로 사용하기 위해서 비축된다. 생성된 염소 및 HCl 가스의 일부(화학량론적 과량(a)을 사용함으로써 보조 손실을 제외한 HCl의 연속 재순환을 이룬다)를 본 발명에서는 HCl 연료 전지(925)에서 연소시킨 후, HCl 산 가스 환류 라인(926)을 통해 염수 혼합기(914)로 재순환시킨다.
생성되어 저장되거나 원료 화학물질로부터 제조되어 수산화물 저장 탱크(920)에 저장된 수산화물은 탄산염화/흡수 칼럼(907)으로 도입된 흡수제 유체이다. 이어서, 이는 중탄산염화/전환 칼럼(909)을 통과한 후, FG/중탄산염 열 교환기(903)로 (물 속의 중탄산염/탄산염 혼합물로서) 운반된다. 증발을 통해 물을 제거한 후, 농축된 중탄산염/탄산염의 생성물 슬러리를 생성물 중탄산염 탱크(927)로 운반하고, 여기서 이는 추가 처리 또는 정련을 위해서 인출될 수 있거나 처분 또는 시판하기 위해서 수송될 수 있다.
위에서 설명하고 도 1에 도시된 본 발명의 장치 및 방법의 일반화된 부품 각각을 이하에서 더욱 상세히 설명한다.
III. 폐기물 스트림으로부터 CO2의 수성 탈탄산염화(흡수), 및 탄산염 및 중탄산염으로의 이의 전환
위에서 언급한 바와 같이, 특정 양태에 있어서, 본 발명의 장치 및 방법은 수성 탈탄산 공정을 사용함으로써 기상 CO2가 수성 가성 혼합물로 흡수된 후, 수산화물과 반응하여 탄산염 생성물 및 중탄산염 생성물을 형성한다. 본 발명의 다수의 양태에서, 다른 포획/분리 방식과는 달리, 수산화나트륨을 주요 흡수제 유체로서 사용한다. 다양한 농도의 수산화나트륨은 CO2의 용이한 흡수제로서 공지되어 있다. 이산화탄소를 수성 수산화나트륨과 접촉시키는 경우, 순수한 중탄산나트륨(NaHCO3)으로부터 순수한 탄산나트륨(Na2CO3)에 이르는 범위의 연속 생성물이 형성될 수 있으며, 평형을 어느 하나의 방향으로, 심지어는 완료하도록(또는 이에 근접하도록) 유도하고 충분한 농도의 (공정 화학 또는 각종 수단에 의한 물의 제거에 의한) 중탄산염, 탄산염 또는 두 화합물을 모두 함유하는 혼합 침전물의 침전을 유도하는 다양한 조건을 생성시킬 수 있다.
이산화탄소를 수성 수산화나트륨과 접촉시키는 경우, 반응 챔버 속의 유체는 반응이 제시된 시간 동안 진행함에 따라 도 3에 도시된 거동과 비슷해진다. 두 개의 온도 편위(excursion) 단계는 상응하고 2개의 별개의 반응 방식을 확인한다.
(1) CO2가 쉽게 흡수되는 초기 흡수 단계. 유체의 흡수 능력은 OH 농도가 감소함에 따라 감소되고, 흡수는 OH 이온 농도가 소비될 때 종결되고, 몇몇 경우, 역전된다. 반응은 당해 부분 동안 발열성이고 거의 탄산염만 형성한다.
(2) CO2가 쉽게 흡수되지 않는 2차 전환 단계. 연도 가스를 혼합물에 통과시키면, 유체는 순수 CO2를 흡수하지 못하지만, 물의 증발로 인한 증발열의 손실에 의해, CO2의 기상으로의 손실에 의해 및 흡열 반응의 발생에 의해 상당히 냉각된다. 당해 단계 동안, 용액 중에 이미 형성된 탄산나트륨은 다음 필요한 최종 화학량론에 의해 중탄산나트륨으로 전환된다:
Na2CO3(수성) + H2O(l) + CO2(수성) -> 2NaHCO3(수성)
탄산염화 후 중탄산염화의 이러한 순서는 흡착제의 농도가 다양한 유체의 흡수 한계를 지나치도록 도 2a의 장치(실시예 3에서 상세히 설명됨)를 반복적으로 가동시킴으로써 재현 가능하게 입증가능하다.
두 단계는 표 1에 도시한 특성들에 의해 구별된다.
[표 1]
Figure pat00001
본 발명의 양태는 2개의 공정을 동일 반응계내에서 수행하기 위해서 동일한 챔버를 사용하지만, 반응의 다양한 특성은 반응을 2개의 챔버로 분리시키고 이들을 별도로 최적화하는 것이 바람직한 양태를 위한 적합한 경로임을 제시한다. 이동 장치의 "내부 배열"(즉 배치식 대 연속식의 정도, 수개의 챔버, 용기, 단계 등)과는 무관하게, 기본적인 2개의 공정은 우수한 흡수율을 제공하기에 충분한 몰농도에서 이러한 순서로 일어난다.
따라서, 본 발명의 방법 및 장치의 몇몇 양태가 공정 제어되어 순수하거나 거의 순수한 중탄산나트륨을 생성시킬 수 있으므로, 본 발명의 몇몇 양태는 전기분해에 의해 생성된 나트륨당 1/2 대신에 하나의 탄소를 포획한다(달성된 생태학적 효율에 있어서 탄산염 생성의 생태학적 효율의 명목상 2배 향상). 따라서, 수산화물 1mol을 생성시키기 위해서 소비된 전기분해 에너지량 및 처리량은 탄산염 형성의 흡수/에너지 효율에 비해 중탄산염을 형성하는 데 사용되는 경우에 "표준" 흡수 전력의 2배이다.
본 발명의 다양한 양태에 있어서, 모든 형태의 중탄산염/탄산염 농도 범위가 생성될 수 있다. 바람직한 양태에 있어서, 유체의 농도, 온도, 압력, 유속 등이 중탄산염 형성을 최적화하기 위해 흡수되는 "이용 가능한" CO2의 비율을 최적화하기 위해서 조작될 수 있다.
본 발명의 몇몇 양태는 CO2 및 다른 가스의 흡수율을 조절하는 수단으로서 흡수 유체의 pH(OH 이온 농도)를 조절할 수 있다. 몇몇 바람직한 양태에 있어서, 증가된 농도의 염/탄산염이 중탄산염을 형성하도록 반응을 추가로 유도하기 위해서 사용될 수 있다. 생성물의 시장 가격 및 경제적 요인으로 인해, 일정 기간 동안 탄산염이 풍부한 생성물을 생성시킨 후 다른 기간 동안 중탄산염이 풍부한 생성물을 생성시키도록 운영함으로써, Na/C의 설비 평균은 흡수/전환용으로 생성된 이온 종의 효율적인 사용의 척도를 형성할 수 있다.
2개의 공정을 2개의 별도의 챔버로 분리시키고 OH 소비, 온도 균형/강하 및 흡수 감쇠의 지점에서, 챔버들 사이를 이행시킴으로써, 탈탄산 장치가 축조될 수 있고 최적화될 수 있는 방식은 변형된다. 당해 기술분야의 숙련가는 당해 단순 2단계 탈탄산 공정의 배치식, 유사연속식, 연속식 등의 버전이 설계될 수 있음을 이해할 것이다.
추가로, 가능한 최소 에너지를 사용한 흡수를 달성하기 위해서, 본 발명의 다수의 바람직한 양태는 특성상, 물질 수송을 촉진시키는 대규모의 액체/가스 접촉 면적[이로부터 전체 디자인은 유체의 펌핑시 극복해야 하는 저항 또는 헤드 오브 프레셔(head-of-pressure)를 거의 받지 않고 90% 초과 흡수율을 달성하는 단계 높이가 짧은(3m 이하) 단계를 이용하는 자유에 의한 잇점이 있다]을 형성하여, 산업상 규모[용기 중의 넓고 얕은 풀(pool) 또는 등가물]를 달성하도록 넓은 수평 면적을 갖도록, 잠재적으로는 연속 작동을 수용하기 위해 수평 이동하도록 디자인된 버블 칼럼 반응기(충전되거나 충전되지 않음, 수평 유체 유동 사용/사용하지 않음)를 사용할 수 있다. 본 발명의 몇몇 양태는 이들 장치가 필요한 가스-액체 접촉을 이루는 한, 다수의 다른 구성의 가스-액체 접촉 장치를 이용할 수 있다.
도 4는 저항이 5'의 유체 깊이를 극복하기 위한 헤드의 1.52psig + 약 0.01psig인 5' 칼럼의 범람 조사를 보여준다. 당해 손실 및 다른 압축 비용은 발전기 기준으로 1% 미만을 소비하는 것으로 예상되며, 최소량으로 여겨져 실시예에서 계산되지 않는다. 도 4는 유체 통로의 극히 낮은 저항이 극히 낮은 에너지 압축을 야기하여 장치의 생태학적 효율이 압축 또는 가스 처리시 소비된 과량의 에너지에 의해 손상되지 않는다는 효과를 입증한다.
본 발명의 방법 및 장치의 양태의 생태학적 효율은 CO2를 흡수하기 위해 가능한 최소한의 작업을 수행함으로써 향상되고, 당해 효율을 손상시키는 하나의 인자는 압축량, 즉 당해 공정을 수행하는 데 필요한 유체 및 공기의 펌핑량이다. 이러한 이유로, (N2 중의 60% CO2인 도입되는 연도 가스 스트림으로부터 CO2의 99%를 제거할 수 있는) 2종의 고효율 흡수제가 "짧은 단계"로 작동하여 높은 CO2 흡수율을 달성하도록 디자인된다.
본 발명의 바람직한 양태는 짧은 높이의 유체 흡수제로 높은 흡수율을 달성하기 위해서 넓은 면적의 액체-가스 이동면(충전되거나 빈 버블 칼럼, 또는 고정 또는 이동 유체 용기에서 이의 등가물)을 사용함으로써 유체를 접촉시키는 데 필요한 저항을 감소시키고, 따라서 이러한 "짧은 단계 디자인"은 파이프, 트렌치, 용기 등의 넓고 짧은 "풀" 또는 이의 등가물이 대량의 CO2를 효율적으로 흡수하기 위해서 사용될 것을 요한다.
본 발명의 탈탄산 반응은 일반적으로 물질 이동이 제한되는 주류(main stream) 산업 및 이의 모든 참조 문헌에 의해 고려된다. 실제로, 유체를 통한 버블 상승 방법(bubble-rising-through-fluid method)에서 넓은 면적으로 가스-액체 접촉 흡수되는, 충전되거나 충전되지 않은 칼럼을 사용하는 경우, 반응은 물질 이동 한계가 거의 없는 것으로 보이거나, 달리 액체-가스 접촉을 위한 버블 칼럼 디자인의 본 발명을 사용함으로써 물질 이동 한계를 수월하게 극복한 것으로 보이며, 가스/액체 접촉 거리가 단지 30cm인 스파저(sparger)를 통해 제로 충전된 버블링은 CO2의 흡수율의 순간 속도가 98% 초과를 달성하는 것으로 입증(실시예 3에서 논의되는 도 2b 및 2C 참조)되었고 산업상 유의한 시간 15 내지 25분에 걸쳐 유체는 평균 80% 초과의 흡수율 능력을 유지한다. 이는 거의 물질 이동이 심각하게 제한되지 않으며, 소멸까지의 간단히 충전된 부하 수행을 사용하는 경우에도 실제 실험은 이러한 화학흡착의 물질 이동이 용이함을 입증한다.
고흡수성 CO2/NaOH 흡수 반응기의 세가지 디자인 예를 실시예 1 내지 3에서 상세히 설명한다. 실시예 1 내지 3으로부터 도출된 결론은 NaOH의 짧은 단계의 고흡수율이, 도입되는 CO2를 제조 가능한 치수의 용기에서 저저항에서 높은 비율로 제거할 수 있는 것으로 입증된다는 것이다.
요약하면, 방법 및 장치의 탈탄산 부분에 대한 본 발명의 특정 양태는 하나 이상의 다음 특성을 포함한다.
(1) 반응의 탈탄산 단계에서 CO2의 고흡수율을 달성하기 위한 짧은 단계의 사용,
(2) CO2 함유 공정 가스(또는 CO2의 농도가 흡수제 유체로부터 재형성된 CO2의 분압보다 높은 다른 CO2 함유 가스)와의 연속 접촉을 통한 중탄산염화 공정에서의 탄산염화 유체의 분리 및 처리,
(3) 순수한 중탄산염, 순수한 탄산염 및 이들간의 모든 다양한 혼합물을 생성시키기 위한 상태 변수 및 농도의 공정 조절에 의해 사용될 수 있는 공정 순서의 소유 및
(4) 본 발명의 양태는 나트륨/탄소 흡수 비 1:1만큼 효율적일 수 있는 본 발명의 양태[이는 반응물 생성시 사용되는 kw-hr당 흡수된 CO2(다양한 생태학적 효율(∂CO2/∂E))를 최적화한다].
IV. 생성물의 분리
위에서 기재한 바와 같이, 특정 양태에 있어서, 본 발명의 장치 및 방법은 탄산염과 중탄산염 생성물이 액체 용액으로부터 분리되는 분리 공정을 사용한다. 액체 용액 생성물의 분리는 관련 공정을 필요로 한다. 수산화나트륨(NaOH 또는 가성 소다)과 액체 평형 상태로 탄산수소나트륨(NaHCO3 또는 중탄산나트륨) 및 탄산나트륨(Na2CO3 또는 소다 회)의 형성은 광범위한 온도 및 압력에 걸쳐 일어나고 평형의 다양한 종말점을 제공하는데, 이는 CO2의 다양한 분압을 제공한다. 기본 농도, 온도, 압력, 반응기 크기, 유체 깊이 및 탄산염화도를 조작함으로써 탄산염 및 중탄산염의 침전을 야기시킬 수 있다. 또는, 몇몇 바람직한 양태에 있어서, 탄산염/중탄산염 생성물을 도입되는 연도 가스와의 열 교환에 의해 이의 물로부터 분리할 수 있다. 추가로, 탄산나트륨과 중탄산나트륨간의 일정한 용해도 차이로 인해, 특정 비직관적 처리 포인트에 도달할 수 있으며, 예를 들면, 특정 가성 용액 중의 나트륨의 탄산염들의 평형 특성들 중의 하나는 열의 첨가가 고체의 침전을 촉진시키고, 특정 조건에서는 탄산염이 수성 용액으로부터 고순도(93%+)로 자가 침전하는 것으로 입증되었다.
또는, 특정 양태에 있어서, 분리 공정을 위한 열은 최초 전기분해에서 생성된 수소 또는 도입되는 연도 가스 스트림에 함유된 폐열의 독창적인 사용으로부터 유도될 수 있다. 결정화 공정은 본래 결정화에 의한 익히 공지된 정제방법을 통해 결정화 무기물을 정제한다.
방출되는 액체 스트림은 반응기 디자인에 따라서 다양한 평형 상태의 물, NaOH, NaHCO3, Na2CO3 및 다른 용해된 가스를 포함할 수 있다. H2SO4, HNO3 및 Hg와 같은 용해된 미량의 방출 성분이 또한 발견될 수 있다. 하나의 양태에 있어서, 방출되는 액체 스트림을 분리/제거하기 위해서, 예를 들면, 물을 탄산염(이러한 용어의 의미에서, "탄산염"은 잠재적으로는 존재하는 수산화물로 함께 탄산염과 중탄산염의 혼합물을 의미하고, 이러한 혼합물에 적용되는 분리 기법은 유사하게 혼합물로부터 물을 증발시키기 위해 열 에너지를 가하는 것을 포함한다)으로부터 제거/분리시키기 위해서, 물을 도 6에 도시되어 있는 리보일러(reboiler)(106)를 사용하여 물이 증발되도록 비등시킬 수 있다. 또는, 부분 염기성 용액(예를 들면, 대략 1몰의 NaOH)을 유지시킨 후, 용액을 별도의 챔버에서 가열시킴으로써 비교적 순수한 Na2CO3가 보유 탱크에서 침전하도록 할 수 있고 나머지 NaOH는 반응기(200)로 재순환한다. 다른 양태에 있어서, 평형 농도 및/또는 슬러리 또는 농축된 형태의 순수한 탄산염, 순수한 중탄산염 및 이들 둘의 혼합물은 이어서 주기적으로 트럭/유조차로 수송될 수 있다. 다른 양태에 있어서, 액체 스트림은 물과 같은 액체가 증발에 의해 제거될 수 있는 증발 탱크/계로 이동시킬 수 있다.
도 6을 참조하면, 도시된 반응기 디자인은 연소 연료, 즉 보일러 가스로서 또는 H2/O2 연료 전지에서의 전기분해된 수소에 저장된 에너지를 회수할 수 있다. 반응기(200)는 NaOH와 NaHCO3를 대략 50:50의 비율로 생성시킬 수 있는 정지상 작업을 수행하는 데 사용될 수 있다. 최초 전기분해시 생성된 수소 가스는 열을 제공하기 위해서 사용될 수 있고, NaHCO3는 분리 챔버(108)에서 침전될 수 있으며, 나머지 NaOH는 반응기(200)로 환류된다. 분리 챔버(108)로부터의 슬러리를 수 처리 챔버(110)(이는 분리 챔버(108)에 커플링될 수 있다)로 공급할 수 있다. 또는, 슬러리는 저장된 후, 필요한 경우, 수 처리 챔버(110)로 공급될 수 있다.
도 7은 본 발명의 한 양태에 따르는 또 다른 반응기 디자인을 도시한다. 특히, 도 7은 수소 부산물을 생성하기 위해 사용되는 약간 과량의 에너지의 재포획을 나타낸다. 직렬의 현장 고효율 연료 전지를 사용함으로써 직류를 회수하여 전기분해 전류를 보충하고 부분적으로 공급하는데 사용할 수 있다. 혼합 챔버(300)는 일정 비율의 NaOH, NaHCO3, NOx, SOx 및 Hg를 포함하지만 이들로 제한되지 않는 혼합물을 분리 챔버(308)로 공급한다. 분리 챔버(308)는 열을 혼합물에 제공함으로써 혼합물을 고상 및/또는 액상으로 분리시킬 수 있다. 분리 챔버(308)의 건조 챔버(도시되지 않음)는 열을 제공함으로써 공정 동안 액체를 고상 및/또는 액상으로부터 제거할 수 있다. 생성된 묽은 형태의 NaOH를 보일러(306)(이는 묽은 NaOH를 비등시켜 농축된 형태로 되도록 하고 농축물을 환류 루프를 통해 혼합 챔버(300)로 공급한다)로 공급한다. 보일러(306)로부터의 물은 전기분해 챔버(302), 특히 염수 믹서(302A)로 공급될 수 있다. 분리 챔버(308)로부터의 생성된 Na2CO3/NaHCO3(슬러리)는 상업용으로 제공될 수 있다. 하나의 양태에 있어서, 탄산염 슬러리를 수 처리 설비(310)로 직접 또는 간접적으로(예를 들면, 경수 처리와 같은 공정에서 나중에 사용하기 위해 NaHCO3를 저장함) 공급할 수 있다. 또는, NaHCO3를 추가로 정련시키고, 건조하고, 선적하여 다른 산업적 용도로 제공할 수 있다.
기상 생성물의 방출은 NaOH 또는 동일한 성분이 안전하게 방출될 수 있는지, 즉 발전기로부터 방출되는 "염기성 비(rain)"가 방출되는 "산성 비"와 동일하게 회피되어야 하는지의 고려를 포함한다. 그러나, 수산화나트륨은 보통 발전기 제조시 스크러빙 성분으로서 사용되고 EPA에 의해 사용이 승인되었다. 발전기에서의 수산화나트륨의 취급 및 염기성 방출을 방지하는 방법은 당해 기술분야에 익히 알려져 있다. 예를 들면, 간단하고 저렴한 냉각기/환류 유닛은 기상 배기 중으로 NaOH의 상당한 배출을 방지할 수 있다.
본 발명의 특정 양태에 따르는 탄산염 분리 침전 방법에서, 탄산염 평형은 이산화탄소를 입체적으로 둘러싸고 접촉시 가스를 흡수하여, 실질적으로 탄산염 이온으로의 순간적인 전환이 일어난다. 반응 연쇄는 일단 이산화탄소가 염기에 의해 흡수되는 경우에 후속 이온성 반응이 급속하게 일어나는 식으로 물질 수송 제한될 수 있다.
탄산나트륨 평형은 온도가 상승함에 따라서 Na2CO3가 자연적으로 침전하고 수집되는 특성이 있으며, 이는 슬러리로서 흡인될 수 있고 일부 분획의 NaOH는 슬러리에서 제거된다. 하나의 양태에 있어서, 염소 사이클에서 생성된 몇몇 습윤 염소를 사용한 이러한 슬러리의 유출 관통 처리(bleed-through treatment)를 사용하여 NaOH를 지하 "트로나" 또는 부착물을 채굴함으로써 생성된 탄산나트륨에 근접하거나 이보다 적은 수준의 NaHCO3 중의 미량의 NaCl로 감소시킬 수 있다. 이와 같이, 탄산나트륨/가성 소다 평형은 탄소를 가스로부터 액체로 다시 고체로 완전히 이동시킨다. 다른 양태에 있어서, 탄산염 루프를 회, 수산화나트륨 및 다른 다양한 탄산염 및 불순물의 슬러리를 수집하기 위한 수집 매질로서 사용하여 슬러리를 육로로서 트럭으로 운반하는 것이 유리할 수 있다.
V. 낮은 에너지로 흡수제 유체를 생성시키기 위한 염수 전기분해
위에서 언급한 바와 같이, 특정 양태에 있어서, 본 발명의 장치 및 방법은 탈탄산 공정에서 흡수제 유체로서 사용되는 수산화나트륨을 생성시키기 위해 염수 전기분해를 사용한다. 염수 전기분해는 진한 수산화나트륨(가성 소다)과 염소 가스의 생성시 주로 사용되는 전기화학 공정이고 통상적으로 관련 문헌 전체에 다음 식으로 설명되어 있다.
2NaCl + 2H2O + e- -> 2NaOH + H2(g) + Cl2(g)
염수 전기분해는 3개의 일반적인 유형의 표준 전기분해 전지, 즉 격막, 수은 및 막 전지에 의해 달성될 수 있다. 이들 유형의 전지 각각은 동일한 입력 반응물로부터 동일한 출력 생성물을 생성시킨다. 이들은 주로 반응물과 생성물이 서로 분리되는 방식이 서로 다르다.
하나의 양태에 있어서, 막 전지는 수 개의 인자로 인해 사용될 수 있다. 첫째, 수은에 대한 환경적 우려는 수은 전지에 대한 수요를 감소시켰다. 둘째, 격벽 전지는 상당한 농도의 염과 염소 이온을 함유하고 상당한 염 함량을 가성 물질로부터 제거하기 위해서 상당한 후속 재처리/분리를 필요로 하는 비교적 약한 가성 생성물을 생성시킬 수 있다. 셋째, 불소화 중합체 기술의 향상은 막 전지 기술의 수명 및 전기 효율을 증가시켰고, 여기서 5년 초과의 수명이 산업 시장에서 보통 보장된다. 추가로, 가성 물질 ton당 전력 효율은 바람직한 구현시 격막 및 수은 전지 둘 다의 당해 효율을 초과한다.
막 전지 처리 유닛은 다음 일반화된 입력 및 출력으로 표기되지만 이로써 제한되는 것은 아니다.
애노드: 26% NaCl 입력 + 2275 kwh/ton Cl2 -> Cl2(g) + 24% NaOH
캐소드: H2O 입력 + e- -> 30 내지 33% NaOH + H2(g)
전력 요건(예를 들면, 2275kwh/염소 ton)이 개별 전기분해 전지 디자인에 좌우될 수 있다는 것은 주지되어 있다. 이와 같이, 요건은 달라질 수 있다.
다수의 바람직한 양태는 이러한 기능으로 막 전지를 사용할 수 있다. 막 전지는 다른 염수 전기분해 공정을 능가하는 수개의 잇점이 있다. 첫째, 막 전지는 환경적으로 민감한 방출물(예를 들면, 수은)을 함유하지도 생성시키지도 않고 격막 및 수은 전지에 비해 전기적으로 효율적이다. 이는 또한 연속 "염 루프" 처리 유닛으로서 사용하기에 적합할 수 있도록 농축/희석/보충 NaCl 루프를 사용한다. 그 다음으로, 추가의 증발/농축 없이 막 전지에서 생성된 NaOH는 탈탄산 공정에 사용하기에 본래 적합한 수준의 농도(예를 들면, 중량 기준으로 30 내지 33% NaOH)일 수 있다. 추가로, 막 전지에 의해 생성된 수소는 "청정"하고, 대략적으로 "전자 등급"이며 NaCl 또는 다른 오염물이 비교적 없다. 이와 같이, 수소는 압축될 수 있고, 저급 석탄과의 연소 혼합물과 같이 현장 발전용 또는 연소 기술 이득을 위해 사용되는 전자 등급 H2 가스로서 저장될 수 있다. 또는, 수소는 탈탄산 후에 수행될 수 있는 분리 공정용 보일러 연료용으로 사용될 수 있다. 막 전지 기술은 또한 보조 소형 유닛을 첨가함으로써 실험실용 크기로부터 발전기 크기로 쉽게 증가시킬 수 있다. 추가로, 막 공정에 의해 생성된 염소 가스는 다른 표준 전기분해 공정에 의해 생성된 것보다 덜 "습윤성"이다. 이와 같이, 1단계 압축 사이클은 수 처리 등급 염소를 생성시키는 데 충분할 수 있다.
상기한 것은 상업적인 염소 가스 및 가성 소다를 생성시킬 목적으로 보통 수행되는 당해 기술분야의 공개 및 실시 상태를 나타낸다. 그러나, 본 발명의 특정 양태의 목적은 수개의 측면에서 상이하고, 다양한 화학적 기술이 본 발명의 특정 양태의 다양한 목적을 달성하기 위해 사용된다.
A. 저전압 전기분해 기술의 사용
본 발명의 몇몇 양태에 있어서, 염수 전기분해는 저전압 전기분해(LVE) 기술을 혼입하여 공정의 열역학적 효율을 향상시킨다. 본 발명의 특정 양태는 최종 생성물로서 가성 소다만을 제조하는 것은 아니지만, 대신에 연도 가스로부터 CO2를 대기로 방출하기 전에 흡수하기 위한 중간체 흡수제로서 주로 NaOH를 사용한다. 클로르-알칼리 사업이 일반적으로 가성 소다를 제조 설비로부터 사용지까지 수송하는 것을 포함하기 때문에, 가성 소다 중의 대량의 물의 수송은 비경제적이어서, 가성 소다는 일반적으로 증기 증발에 의해 물을 에너지 집중 제거함으로써 액체로서 수송하기 위해 대략 55중량%로 농축되고, 몇몇 경우, 이는 무수 고체, 일반적으로 펠렛화 형태로 농축된다. 이러한 농축은 가장 일반적으로 5V를 초과하는 전압(관련 용어로 "상당한 과전압")으로 전기분해 전지를 가동시킴으로써 달성되며, 이는 상기한 30 내지 35% NaOH를 달성한 후, 증기 증발 사이클에 의해 55%를 달성(또는 생성물을 무수 펠렛화 상태 등으로 완전히 건조)시킨다.
본 발명의 대부분의 양태는 NaOH를 생성물로서 수송하지 않고, 클로르-알칼리 설비 작업시 사용되는 5V+ 표준에 상당히 미달되는 전압에서 사용 가능한 농도로 (수성 흡수제 유체로서) 생산 가능하다. 본 발명의 열역학적 효율에 대한 LVE를 사용하는 영향은, 소비 전력이 단순한 DC 식과 정확히 일치하기 때문에, 과대 평가될 수 없다.
P = V(전압) × I(전류) × (전류 효율)
전류가 전기화학 공정(각각의 분자에 대해 한 쌍의 전자 등)에 의해 고정되기 때문에, 전력은 전기분해하는 데 필요한 전압에 의해 거의 완전히 조절된다(추가의 강력한 인자는 인가되는 전압의 함수이기도 한 전류 효율이다). 본 발명의 양태가 표준 막 전지에 대한 공정 및 기하학적 변형을 통해 작동 조건을 2.1V만큼 낮게 변경함으로써 표준 전기분해 전지에서 쉽게 입증되는 전압을 갖는 LVE를 사용하기 때문에, 본 발명의 양태는 종래의 고전압 클로르-알칼리 전기분해보다 형성된 NaOH의 각각의 양에 대해 전력(kw-hr)을 덜 소비한다. 이러한 이유로, 본 발명의 바람직한 양태는 좁은 간극(gap) 작동, 고압, 넓은 면적의 막, 변경된 농도의 애노드액 및 캐소드액 및 양성자화 이온 비를 포함하지만 이들로 제한되지 않는 저전압 작업을 수행하는 데 이용 가능한 모든 기술을 사용하도록 디자인된 전기분해 유닛을 포함한다. LVE의 추가의 양태는 도 4에서 상세히 설명된다.
B. "무차별점" 수소 사용
통상적인 클로르-알칼리 작업은 증기 증발용 보일러 연료로서 현장에서 연소되는 수소 가스를 생성시키거나, 다수의 경우, 공기 전극(예를 들면, 중간체 환원 반응 H2(g)+ 1/2O2(g) -> H2O(l/g)을 일으키도록 캐소드에 산소 함유 공기를 취입하는 장치)의 사용에 의해 완전히 억제되며, 이는 에너지의 전기화학적 합계를 변화시키고, 수소를 생성시키지 않는 비용으로 가성 소다 및 염소를 생성시키는 데 필요한 전압을 저하(몇몇 경우, 다양한 산업 문헌에서 2.8V만큼 낮음)시킨다. 본 발명의 바람직한 양태에 대한 잇점은 이들이 증기 증발 보일러 연료로서 수소를 필요로 하지 않는다는 것이다.
본 발명의 몇몇 양태는 수소 생성을 억제하는 "공기 전극" 공정을 포함할 수 있지만, 다수의 바람직한 양태는 에너지 반환용 또는 다른 공정용 화학 원료로서 사용하기 위해 수소 생성을 이용한다.
따라서, 본 발명의 특정 양태를 사용하는 설비는 이렇게 생성된 수소의 사용에 대한 "무차별점"을 갖는다. 즉, 설비는 에너지 반환용 수소(예를 들면, 실시예의 경우 에너지 함량의 60%)를 생성시키고 에너지의 양은 특정 경제적 가치를 가지며, 수소는 에너지 반환용으로 사용하는 대신에 수소를 에너지만의 경제적 가치를 초과하거나 동일한 양에 대해 거래되거나 판매될 수 있다. 이런 식으로, 이런 유형의 설비는 일종의 "수소 우물(well)"을 나타낸다. 수소는 전기적 가치로 인해 생산되고 소비되고, 다른 목적으로 수소를 필요로 하는 사람은 공정의 경제성을 유지하기 위해서 전기적 가치 또는 이의 경제적 등가물을 단지 거래할 필요가 있다. 이러한 양태는 미래의 "수소 경제" 계획에 대해 유익한 의미가 있는데, 이의 선천적인 에너지 함량보다 낮은 가격 무차별 비용 지점에서 입수 가능한 수소 공급원을 용이하게 소유할 수 있음은 이러한 기술의 유용하고 유리한 특징을 입증할 수 있다.
C. 양성자화된 염수 최적화 기술의 사용
본 발명의 특정 양태는 다음 양성자화된 염수 최적화 수단에 의해 수소 생성을 억제하는 대신에 수소 생성을 의도적으로 최적화한다. 일반적인 클로르-알칼리 산업은, 몇몇 경우, 염산 형태의 HCl을 애노드액 챔버라고 하는 염수(NaCl) 전지에 첨가하는 방법을 사용한다. 이러한 염수의 "양성자화"는 본 발명의 특정 양태의 반응물/흡수제를 제조하는 데 필요한 전력을 감소시키기 때문에 특정 양의 가성 소다를 생성시키는 데 필요한 전압을 낮추는 효과가 있다. 클로르-알칼리 설비의 정상 작업 본체에서, 이러한 전압 저하 효과의 원인은 막 선택성 등에 대해 연구되었으며 잘 이해되는 공정인 "막을 거쳐 반송되는 NaOH의 중화"로 귀결된다. 일반적으로 말해서, 이러한 "중화"는 염수만 생성[NaOH(반환) + HCl(애노드액) -> NaCl + H2O]시키는 것으로 보이고 생성물의 화학량론을 변경시키는 것으로는 보이지 않는다. 그러나, 당해 기술분야에서 잘 이해되지 않고 이용되지 않는 한가지는 HCl의 첨가가 근본적으로 사실상 다음 식의 화학량론을 변형시킨다는 것이다.
NaCl + aHCl + H2O -> NaOH + (1/2+a/2)H2 + (1/2+a/2)Cl2
본 발명의 양태가 수소로부터의 에너지 회수율(이는 제조된 흡수제 NaOH의 mole당 수소가 많이 생성될수록 증가하며 염소 가스가 많이 생성될수록 보다 경제적이다)에 좌우되기 때문에, 생성된 이러한 추가량의 수소 및 염소는 본 발명에 특히 중요하다. 에너지 회수용 수소 및 판매용 염소의 이러한 추가 보상이 이루어지는 한편, 전체 전압(따라서, 전력 및 비용)이 감소됨으로써, 본 발명의 특정 양태는 반응물을 생성시키기 위해 최저 에너지에 대한 값 "a" 및 생성물로부터 회수하기 위한 최고 에너지를 최적화한다. 최적 범위는 일반적으로 NaCl(수성) 용액에서 0.5 내지 1.0M HCl이다. 그러나, 최적화는 각각의 전지 디자인, 구조, 농도, 온도 및 압력 상황에 대해 특이적이다. 그러나, 각각의 전기화학 전지의 경우, 최저 에너지 작업을 달성하는 최적 양성자화 속도("a")가 있다. 실제로 매우 높은 "a" 값(예를 들면, 90℃에서 0.15M 초과)은 대부분의 시판되는 막에 신속하게 수포를 생성시킬 수 있을 것이다. 물론, HCl이 본 발명에서 염수의 양성자화용으로 바람직한 산이지만, 당해 기술분야의 숙련가에게 알려진 다수의 다른 산도 염수를 양성자화하는 데 사용될 수 있다.
D. 양성자화용으로 사용되는 HCl의 자가 생성
본 발명의 특정 양태가 입력 HCl을 사용하고 H2 및 Cl2 가스를 생성시키기 때문에, 염수의 양성자화는 자체 왕복될 수 있다. 즉 H2 및 Cl2 생성물 가스는 (효율적인 연료 전지 또는 평평한 버너에서) 연소되어 HCl 가스를 생성시킬 수 있고, 이는 이후에 염수의 양성자화용 애노드액으로 재순환될 수 있다. H2/Cl2 연소로부터 회수된 에너지는 H2/O2 연소로부터 회수된 에너지보다 높다. 이는 본 발명의 열역학적 효율에 첨가된다.
본 발명의 몇몇 바람직한 양태는 "프론트 엔드(front-end) 농축/흡수 공정"으로서 흡수/전환/재생 경로를 사용하며, 이는 이후에 다음 수단 또는 이와 유사한 수단에 의해 지질, 해양 또는 육상 분리 기술(예를 들면, CO2를 탄소 뱅크로 주입시키는 기술)에 사용하기 위해 CO2를 흡수하고 농축시키는 데 사용된다:
(1) 모든 수소는 연소되어 HCl 가스를 생성시킨다.
(2) 모든 HCl 가스는 생성된 중탄산나트륨과 반응한다.
(3) 관련 중화 반응을 통해, 거의 100% 순수한 CO2가 방출되고, 염수가 재생되어 추가 흡수 사이클을 위해 재순환될 수 있다.
(4) 이러한 공정에 의해, 본 발명은 CO2를 흡수하고, 전환시킨 후, 방출하는데 사용되며, 가스를 연도 가스로부터 제거하고 추가의 분리 기술을 위해 농축시켜 가공시키는 최종 효과가 있다.
E. 캐소드액 유체로의 탄산염과 중탄산염의 역혼합
염소/수소 전지의 클로르-알칼리 산업상 용도와 달리, 본 발명의 몇몇 양태는 또한 전기화학 전지의 캐소드액(가성 소다) 측으로 탄산염과 중탄산염 혼합물을 재순환시킨다. 이러한 기술은 광범위하고 다양하지만, 전체 공정에 대한 각각의 작업 포인트는 캐소드액으로의 중탄산염/탄산염 혼합물의 최적 재순환을 가지며, 이는, 몇몇 농도 및 조건에서, 전지 전압을 감소시켜 전지 전력을 감소시킬 수 있기 때문이다.
F. 유체를 가열하기 위한 폐열 회수의 사용
본 발명의 특정 양태는 발전기 또는 연소로부터 연도 가스 또는 다른 고온 가스 형태의 CO2의 대량 방출물의 존재하에 사용되기 때문에, 표준 클로르-알칼리 공정과 달리 열교환에 대한 충분한 기회가 있다. 예를 들면, 통상적인 도입 연도 가스 온도(예를 들면, 정전기적 침전 처리 후)는 300℃일 수 있다. (LVE의 경우, 일반적으로 90℃ 초과의 온도로 유지되어야 하는) 애노드액과 캐소드액 유체를 가온하면서 당해 연도 가스를 300℃ 미만의 온도로 냉각시킴으로써, 본 발명의 특정 양태는 애노드액 및 캐소드액 히터와 관련된 전력 손실없이 가동될 수 있다.
G. 공정 장비를 가동하기 위한 폐열 회수의 사용
일반적으로, 발전기에서 이용 가능한 연도 가스는 100℃(통상적으로 스크러빙됨), 300℃(침전 처리 후) 및 900℃(침전 비말동반) 사이의 온도 또는 다른 온도로 존재하므로, 상당한 폐열 처리는 전력 회수 사이클[이의 한 예는 암모니아-물 사이클(예를 들면, "칼리나(kalina)" 특허 공정), 증기 사이클 또는 동일한 열역학적 수단을 달성하는 임의의 이러한 사이클이다]을 사용한 열 교환을 통해 도입 연도 가스를 냉각시킴으로써 유도될 수 있다. 본 발명의 특정 양태가 본 발명의 시약/흡수제를 제조하기 위한 DC 전력에 좌우되기 때문에, 당해 공정은 다른 용도를 위해 DC 전력을 AC 전력으로 전환시키는 것과 관련된 보통 변환기(transformer) 손실없이 달성되는 폐열 회수에 의해 부분적으로 또는 완전히 직접 전력 공급될 수 있다. 추가로, 폐열 대 작업(waste-heat-to-work) 엔진을 사용함으로써, 상당한 효율이 발전 단계를 전혀 사용하지 않으면서 달성될 수 있다. 몇몇 조건에서, 이들 폐열 회수 에너지 양은 본 발명의 양태에 전력을 전부 공급하는 것으로 밝혀질 수 있다.
VI. 탈탄소 및 전기분해 공정으로부터의 부산물의 생성 및 사용
위에서 언급한 바와 같이, 본 발명의 장치 및 방법의 특정 양태는 탈탄소 및 전기분해 공정으로부터 염소 가스, 중탄산나트륨 및 수소 가스를 포함하는 다수의 유용한 부산물을 생성시킨다. 몇몇 양태에 있어서, 본 발명의 양태에 의해 생성된 수소 가스를 수소 에너지 재포획 루프에 혼입시킨다. 하나의 양태에 있어서, 본 발명은 탈탄소 공정 동안 염소 이온 이동을 감소시키기 위한 종래의 불소화 중합체 막 기술을 포함할 수 있다. 따라서, 당해 공정은 염소 이온을 분리시키기 위한 막대한 에너지 및 비용 지출 없이 기능할 수 있고, 탈탄산 및 분리 루프는 염소를 비교적 함유하지 않는다. 이와 같이 본 발명의 탈탄산 반응기의 양태는 다음과 같이 수소 연소를 통해 염소 가스, 중탄산나트륨 및 전력 회수를 형성하기 위해 전기와 결합된 통상적인 염, 물 및 이산화탄소 배기를 사용할 수 있다.
2NaCl + H2O + 2CO2 + e- -> 2NaHCO3 + Cl2 + [1/2H2 + 대기 O2 -> e-]
A. 수소 에너지 재포획 루프
본 발명의 양태에 의해 포획된 수소 에너지를 사용할 수 있는 두 가지 기술이 개발되었다. 첫번째 기술은 수소와 석탄을 동시에 연소시켜 석탄 연소 방출을 향상시키는 것이고, 두번째 기술은 DC 전기의 수소/산소 연료 전기 회수를 포함한다. 대략 22% 내지 32%의 전기분해 소비 에너지가 H2/O2 연소에 의해 회수된다. 또는, H2와 Cl2는 직접 또는 연료 전지 또는 DC 회수를 통해 Cl2 및 HCl로 연소될 수 있다. 폐열 제거로부터의 열 공급원, 예를 들면, 대략 135℃의 가성 소다를 생성시켜 탱크에 저장하는 전기분해 반응으로부터의 열 또는 다양한 융해열, 기화열 및 발열 반응시 방출된 열을 흡수하는 탈탄산 공정 자체로부터의 열 공급원은 익히 공지된 기술(즉, 리보일러 등)에 의해 연소 가스의 예비 가열 또는 다른 용도로 발전기에서 활용될 수 있다.
하나의 양태에 있어서, DC 전기의 상업적인 연료 전지 생성은 취급 용이성 및 대기압 미만 압력에서의 안전한 작동으로 인해 유리할 수 있다. 생성된 수소의 즉각적인 소비는 또한 염수 전기분해용 전기 부하 비용을 직접 감소시킬 수 있다. 추가로, 수소 에너지 회수 사이클이 H2, Cl2 및 NaOH의 오프 피크(off-peak) 전기 생성되고, 여기서 H2가 이후에 온 피크(on-peak) 부하 동안 전기를 제공하는 데 사용될 수 있으므로, 본 발명은 반응물을 저비용으로 제조하는 한편, 보조적인 고비용의 온 피크 전기를 생성시키는 동시에 탈탄산 공정을 수행하는 방법을 제공한다. 연료로서 또는 연료 전지에서 H2 연소 능력에 의해 전류 생성을 증가시킴으로써 설비의 온 피크 발전량을 증가시키기 위한 H2 에너지 회수 사이클의 경제적 용도는 자가 소비 기본의 용도를 제공할 수 있다.
또는, 전자 등급 수소 가스의 청정 탄소 생성 공급원을 제공하는 경우, 공익 사업, 산업적 회사 및 발전 설비는 지역 버스 차량, 기차, 및 수소 연료의 공적 또는 민간 용도에 생성되는 수소를 사용함으로써 번창할 수 있다.
B. 탈탄소 공정으로부터의 부산물의 기타 용도
하나의 양태에 있어서, 염소 가스는 전세계적으로 수 처리 설비에서 세균을 사멸시키는 데 사용되는 주요 산화제일 수 있다. 염소와 이로부터 유도되는 100종 이상의 유도체 원료 화학물질은 종종 미국 국내 GDP의 30%+만큼 많이 혼입되는 것으로 언급된다. 이는 또한 최대 공업 화학물질, 즉 염산의 제조에 사용될 수 있다. 염소는 또한 가장 통상적인 비탄소 반응물로서 플라스틱 산업에 광범위하게 사용된다.
탄산나트륨은 본 발명에 기재된 공정의 부산물이며, 전세계적으로 비누, 세제 및 샴푸의 제조 뿐만 아니라 유리의 제조시 플럭스로서도 통상적으로 사용된다. 추가로, 전력 설비 뿐만 아니라 민간 주택에서 다음 일반적인 반응에 의해 경수를 연화시키는 데 중탄산나트륨을 이용한다.
CaCl2(수성) + NaHCO3(수성) -> CaCO3(침전물) + NaCl(수성) +HCl(수성)
다수의 그룹 1 및 그룹 2의 염으로 이온 교환을 수행하여 다양한 탄산염을 침전시키기 위해서, 당해 공정으로부터의 탄산나트륨과 중탄산나트륨을 사용하는 유사한 공정이 사용될 수 있다.
탈탄산 공정으로부터 생성되는 부산물의 또 다른 예는 수소 가스이다. 전자 등급의 수소 가스는 에너지 캐리어(carrier)의 높은 형태이다. 반대로, 생성된 수소 연료는 연료의 방출량을 감소시키기 위해 "오염" 수준의 석탄과 함께 연소될 수 있고, 분리 공정에서 보일러 공급물로서 연소될 수 있거나 수소 차량에서 이용될 수 있다.
추가의 양태에 있어서, 이산화탄소를 다음 방법 또는 이의 등가물에 의해 원거리의 분리 장소로 수송하는 효과를 달성할 수 있다.
(1) 발전기 장소에서, CO2 및 다른 오염물이 수소, 염소 및 탄산염의 생성과 함께 공정 또는 이의 변형 공정에 의해 흡수된다.
(2) 원거리의 분리 장소에서, 염산 및 탄산염이 중화 반응시 다시 배합되어 실질적으로 순수한 CO2를 생성시킨다. 이어서, 당해 수단으로 생성된 CO2는 탄소 뱅크에 주입될 수 있다.
이러한 수단에 의해, 전력 장소와 분리 장소 사이에 CO2를 수송하는 동일한 최종 효과는 액화에 의한 CO2의 물리적 수송 및 파이프 라인, 트럭 등에 의한 수송 없이 달성된다.
실시예
다음 실시예는 본 발명의 바람직한 양태를 설명하기 위해서 포함된다. 이러한 양태는 상업적인 또는 산업적 공정에 생성된 반응물을 제공하고 사용하고/하거나 에너지를 재순환시킴으로써 이산화탄소 및 다른 오염물을 발전기로부터 감소시키거나 심지어 실질적으로 제거하기 위한 실현가능한 경제적 해법을 제공한다.
당해 기술분야의 숙련가는 다음 실시예에 개시된 기술이 본 발명의 실시에서 잘 기능하도록 본 발명자에 의해 발견된 기술을 나타내며, 따라서 이의 실시용으로 바람직한 양식을 구성하는 것으로 고려될 수 있다. 그러나, 당해 기술분야의 숙련가는, 본 발명의 개시 내용을 고려하여, 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 개시되어 있는 특정 양태에서 많은 변화가 이루어질 수 있고 동일하거나 유사한 결과를 여전히 얻을 수 있음을 이해해야 한다.
실시예 1
그래픽법에 의한 CO2/NaOH 버블 칼럼 반응기 디자인
당해 실시예를 위해 디자인된 버블 칼럼 반응기에는 4개의 주요 유동 스트림이 있다. 즉
(1) 소정의 체적 유속(V1 = 시간당 유체의 입방 체적)으로 버블 칼럼의 유체로의 액체 유동; 선택된 경우, 도입 체적 유속은 방출 체적 유속과 동일하다. 따라서, 둘 다 V1이다. 당해 실시예에서, V1 = O.OOlm3/sec이다.
(2) Vg0 = 흡수제 유체에 의해 부분적으로 또는 전체적으로 흡수되는 가스의 도입 체적 유속. 당해 실시예에서, VgO = O.O5m3/sec이다.
(3) Vg = 가스의 방출 체적 유속. 당해 실시예에서, Vg = 0.02m3/sec이다.
버블 칼럼 반응기는 위의 조건에 구속되도록 디자인하였다. 연도 가스 중의 도입 CO2 60%를, 진한 수산화나트륨 용액을 통한 버블링으로 제거해야 한다. 반응은 물질 이동이 제한된다. 당해 실시예의 목적은 이산화탄소 99.9%를 제거하는 데 필요한 반응기 크기(높이 및 직경)를 계산하는 것이다. P=2기압, T=298K. 도 8에서 입수 가능한 그래픽 데이타를 사용하여, 당해 실시예는 긴 반응기(2.36m) 및 짧은 반응기(0.41m) 둘 다의 디자인을 설명한다. 도 8은 버블 칼럼에서 CO2의 흡수율 대 유체 깊이 대 낮은 계면 속도의 가스 계면 속도를 보여주는 차트이다[참조; Schumpe et al., 1979].
2.36m 높이 칼럼 해법
전환율은 대략 0.04m/s의 표면 속도(Ug0)에서 100%에 근접한다. 이러한 속도는 버블형 유동 범위에 있다(물 유사 해법에서, 이는 대략 0.05m/s이다). 체적 가스 유동 조건(Vg0)을 안다면, 칼럼의 직경은 다음과 같이 계산된다.
Ac = VgO/UgO = 0.05/ 0.04 = 1.25m2
Figure pat00002
따라서, 도입된 CO2 60%의 99% 전환율은 높이 2.36m, 면적 1.25m2 및 직경 1.26m 및 총 체적 2.95m3의 칼럼을 필요로 한다.
0.41m 높이 칼럼 해법
0.41m 높이 칼럼 속에서의 전환은 약 0.02m/s의 표면 가스 속도를 필요로 한다. 위에서와 유사하다.
Ac = VgO/UgO = 0.05/0.02 = 2.50m2
Figure pat00003
따라서, 도입되는 CO2 60%의 99% 전환율은 높이 0.41m, 면적 2.50m2 및 직경 1.78m 및 총 체적 1.03m3의 칼럼을 필요로 한다.
요컨대, 당해 실시예를 통해, 칼럼이 짧을 수록 연도 가스로부터 이산화탄소의 스트립핑시 체적 기준에 보다 효율적인 것으로 입증되고, 당해 실시예의 경우, 당해 디자인은 짧은 단계로 이루어진 짧은 단계 및/또는 다수 단계 반응기를 표적으로 한다.
실시예 2
물질 이동 계수 해법에 의한 CO2/NaOH 버블 칼럼 디자인
당해 실시예의 목적은 이론적 축적으로부터 질량 이동 계수 kla(mol/초/체적)을 측정하는 것이다. 당해 실시예로부터 당해 상관 방법이 불확정적인 결과를 도출할 수 있는 것으로 측정된다. 즉, 당해 실시예는 몇몇 중요한 파라미터를 측정하는 불확정성으로 인해 이론으로부터 실제 결과를 예측하는 데 있어서 어려움이 현저하다. 그러므로, 실험적 규모화에 의해서만 대형 탈탄산 유닛의 결과를 확실히 측정할 수 있다.
가스 보유(εg) 및 몰 이동(kLa)에 대한 다음 식은 아키타(Akita) 및 요시다(Yoshida)(1973)로부터의 상관관계로부터 유도되고, 비교적 큰 칼럼 높이 및 직경(> 0.1 m)의 이산화탄소 및 물 시스템에 대해 유효하다.
가스 보유
Figure pat00004
Figure pat00005
및 물질 이동 계수
kLa(1/sec) = [Cco2 * Dco2 - h20/Dc2] * [vL/Dco2 - h20]0.2*[g * Dc2 * ρL/σ]0.62 * [g * Dc3/vl2] * ε11
위의 수학식에서,
εg는 가스 보유 인자이고,
Cco2는 연도 가스 중의 CO2의 농도이고,
Dc는 칼럼의 직경이고,
vL은 0.0001m2/sec이고,
σ= lcP = O.LPａ*sec이고,
ρL은 998kg/m3이다.
Dco2-h20P = 1.661 m2*Pa/sec이므로,
따라서, Dco2-HO = 1.661/5.067*10(5) = 3.278*10(-6)m2/sec이다.
구동력은 이산화탄소의 평형 농도(Cco2*)와 이산화탄소의 실제 액상 농도(Cco2) 사이의 차이이며, 당해 실시예에서는 0으로 추정된다. 즉, 수산화나트륨은 수성 이산화탄소 "산"을 순간적으로 중화시킨다. 따라서, 반응기 체적당 몰 이동 속도는 다음과 같이 기재할 수 있다.
Nco2 = kLa * [Cco2 * -Cco2] = kLa(Cco2*)
연도 가스 중의 이산화탄소를 99.99% 제거하는 데 필요한 몰 이동 속도. CO2는 칼럼의 조건하에 이상적인 가스로 여겨진다.
입방 체척/sec :
VgO = 0.05m3/sec ∴ Vco2 = 0.6 * VgO = 0.03m3/s
Mole/Sec:
Vco2*P/RT = [0.03M3/sec*5Atm]/
[0.082m3atm/kmolK * 298] * 1OOOgmmole/1kmole = 6.14mole/sec
Nco2(mole/sec)=0.999(제거된 CO2 mole/함유 CO2 mole)*6.14mole/sec=6.13mole/sec
모델 상관관계에 필요한 다른 유체 특성
버블형 유동 한계(VgO = O.O5m/s)에서 초기 표면 속도를 설정하는 경우, 칼럼의 면적 및 직경은 다음과 같이 계산한다:
Ac = VgO/UgO = 0.05/0.05 = 1.0m2
Figure pat00006
기상 보유 반응을 위해서, 당해 실시예는 C=0.2로 설정하고 표면 속도(Ug)는 도입 속도와 방출 속도의 평균인 것으로 가정하고: Ug = 0.035m/s = 평균 (0.05m/s, 0.02m/s), 식 해결기를 사용하는 경우, εg = 0.055인 것으로 밝혀진다.
그 다음, 몰 이동 속도 상수를 다음 식으로 해결한다.
Figure pat00007
Figure pat00008
kLa = 0.386/sec
구동력 식으로 되돌아가서, 반응기 체적(V)을 다음 식으로 해결한다:
V = Nco2/[(kLa)(Cco2*)] = 6.13mole/sec/(0.386/sec*(103.6mole/m3)) = 0.15m3 및 Hc = 0.15m3/1m2 = 0.15M
따라서, 버블 칼럼의 치수는 Dc= 1.13m 및 Hc=O.15m이며, 실제 버블 칼럼에서 실제 결과와 상당한 차이를 야기한다.
수개의 가정은 상관관계 모델(당해 거동의 최상의 모델로 여겨짐)과 실제 결과에 있어서의 차이점을 설명할 수 있다.
(1) 수산화나트륨은 물의 특성(밀도, 표면 장력 등)을 갖는 것으로 여겨지고,
(2) 용액 중의 CO2의 농도는 0으로 특징지워지지 않는데, 이는 보다 가능한 피연산자이며, 예를 들면, CO2 유효 농도가 0이 아닌 경우, 구동력은 적고 보다 큰 칼럼이 필요하다.
이러한 이론적 상관관계는 이의 강도인 조건 하에서 문제가 있는데, (vL = 0.0001m2/sec)와 같은 용어가 종종 분모에서 제곱되기 때문에, 이러한 수의 작은 변화는 거대한 효과를 발생시킨다. 이러한 유형의 이론적 축적은 사후에 곡선 작성에 우수하지만, 디자인 목적을 위한 물질 이동의 우수한 예측 변수는 아니다. 또한, 상이하고 진보적인 규모의 디자인이 지시되도록 CO2의 흡수/전환 속도에 대한 현저한 유체 유동 효과가 있다.
실시예 3
실험 데이타로부터 CO2/NaOH 버블 칼럼 디자인(깊이)
본 명세서에 기재된 "짧은 단계 효율 이론"에 대한 본 발명의 특정 양태의 의존성(90% 초과 흡수율을 달성하기 위해 가스-액체 접촉 거리 또는 유체 단계 높이 3m 이하)은 실행된 화학 엔지니어링 디자인과 일치하는 2개의 다양한 계산방법으로 확인됨을 주지한다. 그러나, 특정의 경우(위에서 언급한 바와 같음), 디자인 계산에 특정한 간소화 가정을 적용하여 실험적 증명을 도 2b 및 2C(이후 보다 상세히 설명됨)에 도시된 결과로 나타내고 수행한다.
이러한 처리 수행 각각은 특정 가스-액체 접촉 거리(즉, 충전되지 않은 개방된 버블 칼럼 경우에서의 유체의 높이)에 따른 특정 CO2 흡수율, 예를 들면, 유체 30cm를 통한 20% 흡수율을 수득한다.
가스가 동일한 디자인과 조건 상태의 제2 칼럼을 통과하는 경우, 동일한 흡수율이 다시 발생할 것이다. 즉, 초기 CO2의 나머지 80%의 20%가 다시 흡수될 것이다. 이러한 관계는 결국 감쇠되지만, 흡수제 유체의 높은 흡수성 및 연도 가스 중의 묽은 CO2의 강력한 흡수에 견디는 화학흡착 경향성이 제공되는 경우, 이러한 효과는 당해 실시예의 경우 무시되고 90% 제거율의 디자인이 수득된다.
흡수 유체를 통한 유체의 추가 통과가, 목적하는 흡수 수준의 충분한 통과를 달성할 때까지(이러한 경우, 90%) 나머지 CO2를 20% 차이로 감소시킬 것임을 알 수 있다.
이는 90%를 달성하는 데 필요한 유체의 깊이를 결정하는 "다수의 기재 단계" 디자인(30cm 높이의 단계의 다수 깊이로)을 생성시킨다. 각각의 단계가 전자와 동일한 %CO2/거리를 흡수한다고 가정하는 경우, 도 2b 및 2C의 결과가 수득되고 도 2d 및 2E에 그래프로 도시한다.
도 2a는 본 발명의 탈탄산 부분의 하나의 양태의 주요 특징을 관찰하기 위한 장치를 도시한다. 도 2a의 장치(또는 유사한 효과의 장치)는 아래에 기재된 절차에 따라서 작동될 수 있다.
(1) 충전되거나 충전되지 않은 탄산염화 유닛(801)을 시험 하중의 NaOH(예를 들면, 25℃ 물 속의 1M NaOH)로 30cm 깊이까지 충전시킨다.
(2) 이러한 경우, 통상적인 석탄 연소된 연도 가스 배기(16% CO2, 84% N2, SOX/NOX <1% 또는 자연 ppm 비율)에 대해 모의 또는 실제의 연도 가스를 탄산염화 유닛(801)에 도입시키고, 충전되지 않은 칼럼에서 효과적으로 스파징하고, 충전된 칼럼에서 효과적으로 스파징하거나 분산시키고, 유체를 통해 이동시키고, 배기시킨다. 가스는 25℃이고, CO2는 4인치 직경의 환형 칼럼을 통해 상부로 유동하는 비율적으로 혼합된 다른 가스와 함께 2L/min이고, 계 압력은 1atm psig 이하일 수 있다.
(3) 도입되는 CO2 농도 측정에 의해 (가스 크로마토그래피 샘플링, 예를 들면, CO2 농도의 인라인 측정에 의해), CO2가 유체에 의해 흡수되고 있고, 온도가 상승하고 있으며(발열 반응), 액체 분석 샘플링이 탄산염/중탄산염/수산화물 평형의 존재를 나타내고, 이는 CO2의 흡수뿐만 아니라 이의 탄산염 또는 중탄산염 형태로의 전환도 진행됨을 나타냄을 알 수 있다. 실제 작동 경험은 이러한 중요한 "전이 포인트"가 pH 평형에 존재함을 나타낸다:
a. pH<=8.3에서, 중탄산염의 형성이 유리하다.
b. pH>=10에서, 탄산염의 형성이 유리하다.
(4) 탄산염으로의 흡수/전환 반응은, 가스의 유동 역학이 제공되는 경우, CO2가 흡수/전환되는 어떠한 속도에서도 반응의 발열 단계가 종결되고 온도가 안정된 후 감소되고, OH 이온농도가 감소함에 따라 감소하는 유체의 흡수능이 이 지점에서 효과적으로 0으로 될 때까지, 강하고 발열적으로 진행된다. pH는, 일반적으로 흡수 수준이 감소하기 시작하는 경우, 8.3에 근접하거나 이의 근처에 존재하고, pH>8.3에서의 흡수는 비교적 강하다.
(5) 유체를 중탄산염화 칼럼(803)으로 옮기고, 연도 가스를 다시 유체로 도입시킨다. CO2의 흡수는 중단되고, 몇몇 경우, 음의 값을 나타낼 것이다(유체는 이를 통해 이동하는 가스 유동에 대해 약간의 CO2를 제공한다). 유체의 온도는 이동 가스 스트림으로의 보조 증발로 인해서 부분적으로 계속해서 떨어지지만, 이미 생성된 탄산나트륨과 유체에 용해되어 있는 나머지 "고아(orphan)" CO2 사이에 일어나는 중탄산염화 반응으로 인해서도 계속해서 떨어진다.
(6) 평형은 중탄산염을 향해 계속해서 이동하고, 출발 수산화물 농도, 유체 및 가스 온도, 압력, 유속 및 속도, 굴곡도 등의 최적화는 심지어 순수한 중탄산염(99%+)을 생성하는 지점까지 수행될 수 있다.
도 2b 및 도 2c는 충전된 부하로 수행된 수 회의 시험 시리즈의 결과를 도시한다(특정 농도의 NaOH는 도 2a에 도시되어 있는 탈탄산 시스템에 배치된다). 수 개의 요점이 도 2b 및 도 2c의 데이타에 의해 입증된다.
(1) 조건은 순수한 탄산염(실험 4 및 14) 또는 순수한 중탄산염(실험 28 및 32)을 재현가능하게 생성시키기에 충분하도록 변형될 수 있고, 조절되어 다양한 결과(또는 1.0 내지 2.0 사이의 "이온 비")를 달성할 수 있다.
(2) 이러한 연구로 인한 반응기 치수는, 충분히 흡수되는 모든 경우에, 일반적으로 3m 미만의 가스-액체 접촉 거리가 도입되는 가스의 90% 흡수율을 달성하는 데 충분한 것으로 밝혀졌다. 따라서, 짧은 저저항 단계는 열역학적 효율 한계와 일치되는 높은 비율의 흡수율을 달성하기 위해 디자인 가능한 것으로 입증된다. 즉, CO2를 제거하는 물리적 공정은 시스템의 열역학적 효율을 분명히 충족시키거나 초과할 수 있는 흡수 수준으로 작동한다. 이러한 높은 흡수율(가스 도입, 가스 방출)은 에너지를 설명하지 못하므로, CO2 생성도 설명하지 못한다. 따라서, 2개의 분명히 다양한 척도로서 (유체로부터의) CO2 흡수율 및 설비의 열역학적 효율을 유지시키는 것은 혼란을 방지하기 위해서 중요하다.
도 2b 및 도 2c로부터의 결과(유체에 의한 CO2의 흡수) 및 생성물 이온 비(1.0 = 중탄산염, 2.0 = 탄산염)를 도 2d 및 도 2e에 도시한다. 수 개의 중요한 결과를 도 2b 및 도 2c로부터 유도할 수 있다.
(1) 도입되는 CO2의 단일 흡수 단계에서 98%로 높은 순간적인 흡수율이 주지된다.
a. 순수한 중탄산염(NaHCO3)을, 0.30m 유체 깊이/가스-액체 접촉 거리의 단일 단계 버블 칼럼 가스-액체 접촉 장치에서, 도입되는 CO2의 25%를 흡수하는 조건에서 용액으로 제조한다. 90% 흡수율로 외삽하면, 3m의 접촉 거리는 도입되는 CO2 90%를 흡수하기에 충분하다.
b. 순수한 탄산염(Na2CO3)을, 0.30m 유체 깊이/가스-액체 접촉 거리의 단일 단계 버블 칼럼 가스-액체 접촉 장치에서, 도입되는 CO2의 70%를 흡수하는 조건에서 용액으로 제조한다. 90% 흡수율로 외삽하면, 2m 미만의 접촉 거리는 도입되는 CO2 90%를 흡수하기에 충분하다.
c. 생성물에서의 다양한 흡수율 대 탄산염 이온 비는 해답의 연속체가 이들 극단 사이에 존재함을 나타낸다.
(2) 흡수제 유체는 산업상 가치있는 시간(예를 들면, 이들 실시예에서 15 내지 240분)에 대한 이의 흡수 특성을 유지한다.
(3) 반응기 입력 변수(농도, 온도, 압력, 가스 유속, 접촉 시간 등)를 순수한 중탄산염, 순수한 탄산염 또는 이들의 임의 혼합물을 생성시키기 위해 조절할 수 있다.
(4) 90% CO2 반응기를 디자인하기 위해 이들 실험 결과를 사용함으로써 가스-액체 접촉 거리(예를 들면, 대략적인 유체 깊이, 칼럼 높이) 3m, 다수의 산업상 유용한 공정 코너에서 1m 하에 용액을 생성시킨다.
실시예 4
다양한 화학 조건에 대한 LVE의 분석
도 5는 다양한 화학 조건에 대한 저전압 전기분해 작동 라인을 보여주는 차트이다. 이는 통상적인 실험 결과를 도시하며, 여기서 막 클로르-알칼리 전지는 다음과 같은 비표준 조건하에 작동된다. 즉,
(1) 애노드액 유체(양성자화된 염수)의 pH를 pH 1.0, 2.5 및 5.0의 HCl(염산 수용액)의 밀폐된 루프 pH 조절된 첨가에 의해 조절한다.
(2) 애노드액 유체의 온도를 설정점에서 전기 히터에 의해 가열된 밀폐 루프 유체 회로에 의해 유지한다.
(3) 전압을 각각의 유체/양성자화/온도 조건에 대해 조절하면서, 0.01m2 클로르-알칼리 전지에 의해 얻어진 전류를 기록한다.
도 5에서, 온도와 애노드액 염수 유체의 양성자화도[이러한 실험 시리즈에서 HCl(l)을 염수 루프에 밀폐된 루프 pH 조절 첨가하여 조절됨]의 다양한 조합에서 작동하는 0.01m2 전기분해 전지, 13mm 간극에 대해 실제 실험 전압 대 전류(차트에 나타낸 바와 같이 전류 밀도(kA/m2)로 해석 가능)를 플로팅한 실시예 실험 데이타 세트를 주지한다.
도 5의 통상적인 결과에 대해 다음을 주지한다.
(1) 전지의 클로르-알칼리용으로 보통 사용되는 것과 같은 고 전압(5V)에서, 최대 전류(및 소정의 전지의 경우, 최대 전류 밀도)가 달성된다.
(2) 동일한 pH에서 보다 높은 온도의 염수는 소정의 전압에서 전류 밀도가 우수하다.
(3) 보다 낮은 pH의 염수는 보다 높은 pH의 염수에 비해 소정의 전압에서 전류 밀도가 우수하다.
(4) 이들 일반적인 경향(높은 온도, 높은 산 농도)은 각각의 개별 전기화학 전지 기하학적/성분 디자인을 위한 표준 디자인 실험 기술에 의해 최적화되어 이러한 전지에 대해 최적값(kA/m2V)을 생성할 수 있다. 작동 압력이 증가하는 클로르-알칼리 전지에 대한 유사한 실험은 증가된 작동 압력이 또한 향상(kA/m2V)되는 결과를 낳을 것이다.
(5) 라인의 기울기(ΔV/ΔA)는 초기에는 크며, 비교적 큰 전압 강하는 비교적 낮은 전류/전류 밀도 강하와 함께 발생하지만, 변곡점에 도달한 후(대략 2.5V, 10A/.01m2), 전압의 추가 감소는 전류 및 전류 밀도의 보다 극단적인 감소를 야기한다.
(6) 작동 조건의 이러한 변곡점 및 이의 근접점은 경제적 효율면에서 최적 전압 대 전류 밀도 균형을 나타낸다. 표준 디자인 실험 최적화는 본 발명의 물리적 전지 양태에 대한 최적 저전압 조건을 달성할 수 있다.
(7) 본 실시예만의 정황상, pH 1.0 및 90℃ 애노드액 조건은 전류/전압 특성이 우수하고, 따라서 이들 다양한 입증된 작동 라인 중에 나타낸 최적 작동 라인이다.
(8) 저전압 전기분해의 주요 단점은 전류 밀도의 보조 감소인데, kA/m2이 전압 감소에 따라 감소한다. 시스템은 동일한 양의 이산화탄소를 흡수하기 위해 동일한 수의 Na+ 이온을 생성해야 하기 때문에, 막의 표면적(m2)은 비례적으로 증가해야 하고, 예를 들면, 전류 밀도가 50%로 감소되는 경우, 2배 정도의 막 면적이 충분한 흡수제 유체를 생성시키기 위해서 필요할 것이다. 이는 클로르-알칼리 설비가 막 면적에 거의 비례하는 비용을 갖기 때문에 설비 비용에 중대한 영향을 미친다. 저전압 전기분해는, 본 발명의 특정 양태에 있어서, 이러한 대면적 요건 단점을 상당히 또는 완전히 보상하는 저전압 라인을 최적화할 수 있는 수 개의 잇점을 제공한다. 즉, 전지 및/또는 막 수명을 연장시킬 수 있는 온화하고 덜 강력한 작동 조건에서 작동되는 막 및 전기분해 전지 성분의 수명이 경험될 수 있다. 저전압 조건용으로 특정하게 디자인함으로써, 저전압을 사용하는 양태에서 필수적이지 않은 특정 물질 및 성능 기준을 완화시키는 능력이 수반된다. 이러한 특정 디자인 자유도(degrees-of-design freedom)는 저전압/저전류 밀도 작동으로 인해 최초 유발된 보조 전지 막 비용을 부분적으로 또는 전부 흡수하는 저비용 전지를 생성시킬 수 있다. 이들 및 다수의 다른 방식들로, LVE 시스템은 동일한 양의 NaOH를 제조하기 위한 표준 클로르-알칼리 전지보다 큰 막 면적을 필요로 하지만, 추가 비용 및 작동 경비의 일부를 완전히 또는 부분적으로 완화시킬 수 있다.
(9) 이득(저전압 및 이에 의한 저전력)과 손해(큰 면적 및 전류 밀도 손상)간의 균형은 실시예 7에 기재된 기술에 의해 최적화될 수 있다. 도 5에 도시된 1.0/90℃ 작동 라인의 경우(이를 위해 작은 실시예 세트는 LVE 작동에 대한 우수한 V/I이다), Voptlve가 계산될 수 있고, 위의 관계로부터 Ioptlve가 수득될 수 있다. 따라서, 소정의 전기분해 전지 구조 디자인의 경우, 온도, 압력, 염수 농도, 양성자화도, 막 선택 등의 조건을 모두 우수한 V/I 곡선 또는 작동 라인을 생성시키도록 한 후, 곡선 상의 최적 포인트를 실시예 7의 방법에 의해 계산할 수 있다. 이러한 경우, Voptlve는 2.88V이고 전류 밀도 Ioptlve는 l.04kA/m2이다.
(10) 실시예 7에서, Vopt=2.88V에서의 전류는 약간 양성자화되고/되거나 저온의 경우에 대략 5A이다. 당해 실시예에서, 전류(및 전류 밀도)는 10.4A로 2배 이상되었다.
(11) 염수의 추가 양성자화, 온도, 압력, 농도, 전지 성분들의 기하학적 배열, 전기장 및 조건들을 우수한 (kA/m2V) 측정치를 생성하도록 유사하게 최적화할 수 있지만, 양성자화 자체는 생성된 화학량론적 수소의 양을 증가시켜, 시스템의 에너지 회수를 증가시킨다. 최소 에너지 CO2 흡수/전환에 대한 최적화는 흡수제 유체를 제조하는 데 필요한 에너지를 감소시키는 시스템의 (kA/m2V)를 최적화화는 것과 에너지 회수용으로 이용 가능한 수소를 동시에 최적화하는 것(이후, 이용 가능한 수소 에너지가 회수되는 효율을 최적화한다)에 의해 달성될 수 있지만, 공정의 전체 에너지는 소정의 특정 디자인의 물리적 전기화학 전지의 경우 이의 최저 포텐셜(potential)로 최적화될 수 있음을 인지하는 것이 중요하다.
(12) 본 발명의 양태가 클로르-알칼리 제조시 통상 생성된 농축 수산화물(통상적으로 33 내지 35중량%, 이후 증기 증발에 의해 추가로 농축됨)에 비해 매우 묽은 수산화물(0.2M 이하로 입증됨) 중의 CO2를 효과적으로 흡수할 수 있는 경우, 저 농도 작동(및 저전압 작동)을 위한 클로르-알칼리 전지 디자인은 이들 비표준 조건에서 디자인 최적화에 새로운 자유도를 제공할 수 있다.
본 발명의 양태는 수소 제조시 소비되는 에너지보다 많은 수소 에너지를 제조할 수 없다. 다르게는, 열역학 제2 법칙이 위반된다. 이는 전기화학 전지에 인가될 수 있는 최소 전압에 대한 한계를 제공한다. 수소 반환에 대한 100% 효율을 가정하고 39000kw-hr/ton H2 에너지 함량(EIA 참조값)을 사용함으로써 최소 전압 1.55V를 발생시킨다. 당해 기술분야의 숙련가는 소정의 수소/전기 반환 효율 및 시스템의 에너지 함량에 대한 선택된 값을 갖는 시스템에 대해 당해 시스템의 최소 달성 가능한 전압을 계산할 수 있다.
실제로, 열역학적 비효율성(I2R 손실, 전지에서의 전류 비효율, 폐열 손실 등을 포함하지만 이들로 제한되지 않음) 및 작동을 위한 약간의 과전압의 필요성은 소정의 전지에 대해 달성 가능한 최소 전압을 증가시킨다. "a"의 값, 양성자화 비가 에너지 회수에 이용 가능한 수소의 양을 변화시키기 때문에, 위의 수는 "a"의 값, 양성자화 비에 따라서 약간 달라진다.
저전압에서의 전류 밀도는 가성 소다의 양을 생성시키는 데 필요한 전기분해 면적량(자본 비용에 우수한 스칼라)을 결정하고, 최소 전압에서의 필요한 면적은 매우 크다. 따라서, 상기 최소 전압을 초과하는 일부 전압은 작동용으로 필요하고, 그 양은 디자인시 선택된 자본 비용/생태학적 효율 균형에 좌우된다. 전류 효율(생성물 제조시 소비되는 전류 비율)은 저전압에서 감소하므로, 저전압 전기분해 작동의 최적화는 단일 저전압 작동 조건을 달성하는 것과 동일하지 않다. 전류 공정은 (5V 미만에서) LVE 방식으로 작동하도록 디자인되고, 5V 미만의 전압에서, 통상적인 기술에 비하여 전력 소비는 상당히 향상된다.
실시예 5
대규모 설비 디자인의 열역학
당해 실시예에서는 전규모 작동 설비 거동을 나타내는 모델 설비(본 발명의 특정 양태 혼입함)를 설명하고 소정량의 CO2를 추출하는 데 필요한 에너지를 다음 수단 및 방법을 포함하는 다양한 수단 및 방법에 의해 통계학적 한도내에서 정량화하고 결부시킨다.
(1) 열역학적 효율(∂CO2/∂E)을 E(에너지)의 충분히 짧은 간격 범위에 걸쳐 ΔCO2/ΔE로서 근사할 수 있다.
(2) 도 9a에 도시된 것과 같은 설비 디자인에 대해 다음과 같은 특정 간소화 가정을 세울 수 있다.
a. 주요 소비 에너지는 전기분해 공정에 존재하고, 펌핑, 압축, 조절 등은 반응물 제조(전기분해) 및 수소 에너지 회수에 소비된 에너지에 비하여 최소인 것으로 여겨진다. 이들 값은 0 또는 전기분해 작동시 소비된 전력의 0.1% 미만인 것으로 추정된다.
b. 소비된 전기분해 에너지를 다음 식으로 대략적으로 나타낼 수 있다:
Eout = V * I * EFF전류
여기서, V는 작동 전기분해 전지의 전압이고, I는 염수의 양성자화로 유발된 1:1 초과의 화학량론적 비를 포함하는 전기화학 반쪽 반응에 의해 화학물질을 생성시키는 데 필요한 전류이다. 전기분해시 소비된 양성자화 이온의 0.05HCl/NaCl 비가 당해 실시예에서 사용된다. EFF전류는 화학 종의 실제 생성시 사용되는 전류의 양을 정의하는 전류 효율이고, 나머지는 I2R 손실 등에서 손실된다. 97%가 당해 실시예에서 사용되는 값이고, 각각의 전기분해 전지는 전지의 수명에 따라 열화되고 달라지는 고유의 독특한 전류 효율을 갖는다.
c. 수소-연소로부터 회수된 에너지(어떠한 수단이든 가능, 보일러 가스로서 연소, 연료 전지에서의 연소 등)는 다음과 같다
Ein = 39000kw-hr/압축 H2 ton * H2 ton *EFFdc
여기서, H2 ton은 염수의 양성자화에 의해 야기된 1:1 초과의 화학량론적 비에 의해 생성된 수소를 포함하는, 공정에 의해 생성된 수소의 ton이다.
EFFdc는 수소 가스의 초기 에너지를 DC 전류로 전환시키는 경우, 수소 회수 공정의 효율이다. 생성된 수소 에너지의 60%가 DC 전류로 회수된다. 이는 수소/대기 산소 연료 전지의 전류 규격품(off-the-shelf) DC 효율이고, 유사한 수가 수소를 압축시키는 공정(이는 달성하는 이의 전력의 15%를 소비한다)의 경우 수득되고, 수소 에너지의 대략 85%가 수소화 공정, 가솔린 재생 공정 등과 같은 단골 공정으로 반환되는 것으로 추정한다.
d. 도입되는 연도 가스 스트림의 열로부터 구조된 폐열 회수로부터 반환된 에너지. 도입되는 가열 가스를, 공정에 도입되면, 냉각시킨다. 본 발명의 몇몇 양태에 있어서, 이러한 냉각은 폐열의 흡수 및 열의 전기 DC 에너지로의 전환에 의해 달성될 수 있고, 이는 본 발명을 구성하는 공정을 보충하고/전력을 충분히 공급하고/전력을 초과 공급하는 데 사용될 수 있다. 당해 실시예에서, 보조 폐열 회수는 포함되지 않는다.
당해 실시예를 위한 설비 모델은 도 9b에 도시된 바와 같은 정상 작동 조건하에 발전기로부터 방출되는 연도 가스의 모델링을 포함한다. 이는 연료의 조성, 연소 공정 자체의 효율, 연소 공정에서의 성분들의 상대적인 비율 등에 대한 유의한 가정을 포함한다. 당해 실시예에 대한 가정은 도 9b에 도시되어 있고 가열 속도가 10,000BTU/kw-hr인 통상적인 하위 역청탄 공급 발전기의 연도 가스 출력량과 일치한다.
소정의 연도 가스 출력량에 있어서, 계산될 수 있는 수산화물 요건이 있다. 수개의 가정이 여기서 필요하다. 이온의 비("이온 비"는 흡수/전환 반응에서 Na/C 비이다)는 형성된 생성물 고체 속의 성분들의 비와 동일하다. 순수한 중탄산염의 경우, 당해 값은 1.0이고, 순수한 탄산염의 경우, 당해 값은 2.0이고, 중탄산염과 탄산염과의 혼합물의 경우, 당해 값은 1.0 내지 2.0이다. 당해 실시예에서 가성 소다 요건에 대한 계산을 도 9c에 도시한다. 도 9c에 도시된 실시예의 경우, 이온 비는 1.0이다.
소정의 수산화물 요건에 있어서, 물의 양, 염, 막 표면적(이러한 유형의 전기화학 전지에 대한 스칼라(scalar)) 및 전류 밀도(전지 디자인, 화학 및 작동 조건의 함수 자체, 본원에서는 3kA/m2가 사용됨)를 기준으로 하여 상응하는 전기분해 요건이 있다. 당해 실시예에 대한 전기분해 요건의 계산은 도 9d에 도시되어 있다.
양성자화 조건하에 소정량의 전기분해의 경우, 소정량의 수소 가스가 생성되고, 그 자체는 회수에 이용 가능한 특정량의 에너지를 나타내거나, 수소는 추가 처리시 화학적으로 사용된다. 당해 실시예에서, 수소는 EFFdc = 60%에서 작동하는 연료 전지를 사용하여 DC 전기로 전환된다.
소정량의 가공된 연도 가스의 경우, 특정 폐열 함량이 존재하며, 이는 DC 전기로의 특정 전환 효율에서 이로부터 유도될 수 있고 회수된 전기는 전기분해시 공정에 의해 소비된 DC 전기를 보충하는 데 사용될 수 있다. 당해 실시예에 대한 폐열은 도 9e에 도시되어 있고, 이 경우에 선택된 효율은 25%이고, 당해 분야에 현존하는 다양한 폐열/DC 생성 기술에 의해 초과되는 수치이다.
에너지 입력 및 출력의 개별 성분이 제공되는 경우, 이러한 에너지 이동의 순수 효과를 도 9f에서와 같이 요약할 수 있다. 여기서, 에너지는 기본 설비 전력(kw-hr)의 백분율로서 나타내며, 당해 실시예에 대한 생태학적 효율의 계산을 도시한다.
본 발명의 몇몇 양태에 있어서, 추가의 H2/C12 연료 전지가 염수의 양성자화에 사용되는 HCl을 재순환시키기 위해서 수소 가스와 염소 가스를 연소시키는 데 사용될 수 있다. 특히, "화학량론적 과량"의 HCl을 재순환시킬 수 있고, 이론상 시스템으로 첨가되어야 하는 원료 화학물질 HCl이 필요없다. 실제 실시하는 경우, 특정량의 보충 HCl을 시스템에 주기적으로 첨가해야 한다. Cl2 속에서의 H2의 연소는 H2/O2 연소보다 많은 에너지를 함유한다. 따라서, 약간 추가의 에너지가 달성된다. 그러나, 연료 전지는 원래 약간 덜 완전 효율적이어서, 산화제로서 염소를 사용하는 것으로부터의 에너지 "이득"보다는 회수 방법에서의 고유 손실이 크다. 따라서, 당해 실시예에서, 이들 효과는 서로 상쇄시키고 제로화되는 것으로 여겨진다. 따라서, 두 가지 효과는 서로 약간 상쇄되지만 여전히 순 손실은 야기된다. 그러나, 전기분해시 추가의 양성자의 존재 효과는 저전압 및 당해 저 전압에서의 높은 (kA/m2V)에서 NaOH의 생성을 극적으로 촉매하는 것이다. 따라서, 소정의 임의의 장치에 있어서, 소정량의 H2/Cl2를 HCl로 재순환시키고 도입되는 염수를 당해 양의 HCl로 양성자화하기 위해 최적화를 수행할 수 있다. 몇몇 최적 값(통상적으로 a = 0.05 및 a=1.0M, 또는 90℃에서 pH=1에서 발견)에서, 수소/염소 연료 전지 손실(이는 염소에 의해 나타난 산소 산화에 비하여 약간의 이득을 초과함) 및 수산화물 에너지 잇점(우수한 kA/m2V)은 전체 시스템에 대해 동시에 최적이다. 당해 실시예에서, H2/O2 연소만이 계산되고, H2/Cl2 연소는 염소 산화의 여분의 힘으로부터 약간의 열역학적 이득을 갖지만 연료 전지 비효율성의 상쇄 효과(countering effect)는 약간 부정적으로 만들지만, 최소 효과로 여겨진다.
A. 생태학적 효율의 계산
당해 실시예에 대한 생태학적 효율(∂CO2/∂E) 및 ΔCO2/ΔE 를 다음과 같이 달성한다:
(1) 3개의 설비가 있다고 생각한다.
a. 기본 발전기(도 9b에 연도 가스 모델로 예시됨)
b. CO2 흡수/전환 설비(수소가 최종 생성물이고 연소되지 않는 경우, 기본 발전기로부터의 연도 가스를 처리하기 위해 보조 전력을 필요로 하고, 수소 연소로부터의 전력 또는 수소 고유의 계산된 전력의 일부를 반환한다).
c. CO2 흡수/전환 설비에 필요한 전력을 제공하는 제3의 보조 발전기. 당해 실시예에서, 당해 발전기의 특성은 기본 발전기와 동일한 것으로 가정한다.
(2) 기본 발전기를 100% 처리시 소비되는 CO2와 에너지에 대한 다음 측면을 계산한다:
a. 기본 발전기로부터의 CO2 (연도 가스 모델)
b. 기본 발전기에 의해 생성된 에너지
c. CO2 흡수/전환 공정에 필요한 순 에너지
d. 보조 발전기에 필요한 순 에너지는 CO2 흡수/전환 공정에 의해 필요한 순 에너지와 동일한 것으로 가정한다.
e. 보조 발전기에 의해 생성된 CO2는 보조 발전기에 의해 생성된 에너지에 비례하고 기본 발전기와 동일한 ΔCO2/ΔE를 갖는 것으로 가정한다.
(3) 위의 계산에 대한 다음 결과를 수득한다.
a. 기본 발전기 - 1년 동안 연속적으로 1Gw를 생산하는 10,000 열소비율 발전기는 매년 8.76 Bkw-hr를 생산하고 1년당 CO2 7,446,068ton을 생산하며, 평균은 1176kw-hr/CO2 ton이다.
b. CO2 흡수/전환 설비- 당해 실시예(a=0.10, 2.1V 작동, 순수한 중탄산염 생성, 수소 에너지의 15%가 압축시 소비됨, 펌핑/압축 비용 및 폐열 회수 잇점은 배제됨)의 경우, 3.648BKw-hr가 기본 발전기의 100%를 흡수/전환시키는 데 필요하다.
c. 보조 발전기 - 당해 실시예에서 발전기는 CO2 흡수/전환 설비에 필요한 전력 3.648Bkw-hr을 생산하고 총 3,101,209ton의 CO2를 (위로부터 1176 Kw-hr/ton CO2에 의해) 자체 생산하며, 이는 대기중으로 방출될 것으로 추정된다.
d. 따라서, 생성된 총 전력은 12.48Gw-hr이다. 따라서, 운반된 총 전력은 8.76Gw-hr이다. 생성된 총 CO2는 10.55Mton이다. 방출된 총 CO2는 3.101Mton이다. 총 전력의 29.1%가 CO2 흡수/전환 공정에서 소비된다. 총 CO2의 71.9%가 소비된다.
수개의 요점이 위의 계산에 의해 설명된다:
(1) 산술적으로, 다음 식이 적용되는 것으로 입증된다:
소비 전력(%) = 1 - 소비된 CO2(%)
소비된 CO2(%) = 1 - 소비 전력(%)
이는 도 9a에 도시된 1단위 작동 라인이라고 하는 라인을 형성한다.
(2) 당해 실시예에 있어서, (∂CO2/∂E)와 ΔCO2/ΔE은 대수적으로 동일하다. 즉
ΔCO2/ΔE = (∂CO2/∂E) = 0.291/0.719 = 0.41
추가의 외삽된 경우가 추가로 모델화될 수 있고, 이러한 경우, 보조 발전기로부터 방출된 CO2는 상응하게 보다 작은 용량의 또 다른 CO2 흡수/전환 공정 유닛 #2 에 의해 처리되고, CO2 흡수/전환 공정 유닛 #2는 보조 발전기 #2 등에 의해 상응하게 전력 공급되며, 이는 최초 5회 연속 반복에 대해 표 2에 기재한 바와 같은 결과를 나타낸다.
[표 2]
Figure pat00009

표 2에 대한 수개의 포인트는 모델에 중요하다:
(1) 공정 효율은 기본 경우 또는 임의의 연속 반복 경우에 시스템에 대해 동일한 (∂CO2/∂E) 값을 일관되게 나타내고, 이는 당해 모델의 제약을 근사하고 이러한 목적으로 공정의 생태학적 효율이라고 하는 시스템에 대해 일정한 것으로 여겨짐을 주지한다.
(2) 값(∂CO2/∂E)이 모든 용액에 있어서 일정하므로, 해답은, 다수의 반복이 무한대인 경우, 즉 발전기가 발전기에 의해 생산된 CO2를 100% 소비하도록 작동되는 경우, 다음 식을 사용하는 간단한 수단에 의해 유도될 수 있음은 분명하다.
1/(∂CO2/∂E) = 생성된 CO2를 100% 흡수/포획하는 데 필요한 전력(%)
당해 실시예에서, 이는 41.6%로 계산된다.
(3) 또는, 소정의 공정 조건에 대해 흡수/전환시 소비된 순 전력이 0인 경우(폐열 회수는 무시), 흡수되고 전환된 CO2는 마찬가지로 0이다. 따라서, 이러한 유형의 설비에 대해 모든 작동 라인은 이론적으로 (전력 0%, CO2 0%)에서 교차한다.
(4) 선형 시스템에서 2개의 포인트가 제공되는 경우, 다음 수단에 의해 CO2 흡수/전환 공정의 작동 특성을 정의하는 작동 라인의 직선 해답이 구성될 수 있다.
a. 각각의 작동 조건에 대해, 기본 경우 해답이 달성되고, 얻어진 포인트 1단위 경우 해답(전력 %, CO2 %)을 CO2(%)(y축) 대 순 소비 전력(%)(x축)의 그래프상에 플로팅한다.
b. 이러한 경우, (∂CO2/∂E)를 계산하고, y=100%인 경우의 x좌표를 구한다.
c. 모든 라인은 원점을 통해 이동하는 것으로 여겨진다. 실제 시스템에서, 심지어 0 흡수에서 약간의 전력 소비(대조군, 환경 등)가 있을 것이므로, 이는 이상적인 경우이다. 실제로, 이들 라인은 약간 곡선이고 원점에서 종결된다.
(5) 이런 식으로, 이러한 유형의 CO2 흡수/전환 공정에 대한 일군의 작동 라인이 생성될 수 있다.
(6) 이러한 동일한 유형의 플롯에서, 경쟁 기술이 또한 플로팅될 수 있고 그래프에 의해 비교될 수 있다. 예를 들면,
a. 경쟁적인 MEA(메틸-에틸-아민) 흡수 기술은 흡수가 유도되기 전에 방출된 CO2를 58% 흡수하기 위해서 발전기 전력을 30% 소비한다.
b. 추가로, 대략 15%의 발전기 전력이 극한 압력 및 냉동 사이클링을 통해 CO2를 액화하는 데 소비된다(전력 45%/CO2 58%)
c. 이는 (∂CO2/∂E) 값이 1.24임을 입증하지만, 분리 장소에서 CO2를 수송/주입/유지시키는 데 필요한 고려되지 않는 추가의 에너지가 있다.
d. 그래프적으로, 이러한 경쟁 기술은 본 발명의 하나의 양태인 공정을 작동하는 실시예의 CO2 흡수/전환 설비보다 덜 효율적인 것으로 입증된다. 즉 이러한 모델은 경쟁 기술이 이의 CO2 생산량의 100%를 제거하기 위해서 전력의 70%+가 필요함을 나타낸다. 도 9a에 그래프로 나타낸 바와 같이 경쟁 기술에 대한 이러한 점을 주지한다(차트에 대한 범례 참조).
i. 2005 EIA 추정에 따라서, MEA 기술에 의한 CO2의 흡수는 생성된 연도 가스 CO2의 58%를 흡수하기 위해 발전기 전력의 30%를 필요로 한다. (도 9a에서 차트에서 흡수/처리 단독에 대한 위치(30%, 58%)에 주목한다)
ii. 동일한 추정에 의하면, CO2의 압축/액화가 발전기 전력의 15%를 소비하고, 이러한 발전기의 작동 포인트는 (45%,58%)로 이동한다.
iii. 액체 CO2를 파이프 또는 다른 수송 장치에 의해 수송하는 데 필요한 에너지의 확고한 추정은 없으며 다양한 특성의 탄소 저장소로 CO2를 펌핑하거나 주입하는 데 필요한 에너지량도 영구 저장시 CO2를 유지하는 데 필요할 수 있는 에너지량도 없다. 그러나, 추가 에너지는 추정 가능하지 않더라도, 이들은 0이 아니라고 추정하는 것이 합리적이다. 따라서, 이러한 장치의 생태학적 효율은 논리적으로 특정 CO2 감소 잇점을 확보하기 위해서 소비전력의 (45%/58%) 균형보다 나쁘다. 이를 100% 완화 경우로 외삽하는 경우, MEA/액화/분리 기술은 발전기 전력의 70% 이상을 소비할 것이다. 통상적인 경쟁 흡수 기술은 100% 흡수율에 접근할 수 없음을 주지하여야 한다. 즉, CO2 흡수율 58%는 방출 연도 가스를 100% 처리하는 설비에 대한 값이다.
B. 생태학적 효율의 한계 산출[(∂CO2/∂E)최대]
실제로, CO2를 흡수함으로써 생성된 NaOH를 모두 NaHCO3로 효과적으로 전환시키는 소정의 시스템의 경우, 주요 에너지 성분은 kw-hr/mole NaOH이다. NaOH mole당 전력이 전압과 전류 둘 다에 비례하더라도, 전류는 화학량론적 양으로 고정된다. 따라서, CO2 mol당 소비된 전력은 주로 수산화물을 효율적으로 생성시키는 최저 전압 조건을 달성함으로써 최적화된다.
*본 발명의 양태에 따르는 전기분해 시스템(농도, 기하학적 치수, 유속 등이 달라지도록 구성)이 작동하는 최소 전압은 시스템의 전류 밀도(kA/m2) 대 전압 특성을 관찰하고 생성물을 제조하기 위해 0이 아닌 충분한 전류 밀도가 수득되는 최저 전압을 측정함으로써 측정할 수 있다. 물리적 치수, 전기장 생성 장치, 전지 기하학적 구조, 물질의 조성 및 공정 조건을 변경시켜 이들 특성 계량(kA2/m2V)을 최적화하는 것이 이들 시스템을 최적화하는 1차 수단이고, 통상적인 실험 디자인 기술이 소정의 물리적 설비에 대한 산업 공정을 최적화하는 데 유용하다.
실제 한계를 별도로 하고, 소정의 H/Na 비(양성자화 비)를 갖는 모든 시스템에 적용되는, 다음과 같은 하나의 근본적인 한계점이 있다.
(1) 장치는 전기분해시 시스템에 투입되는 에너지보다 수소 에너지 회수를 통한 에너지를 더 많이 생성하도록 작동할 수 없다. 열역학 원리에 익숙한 사람들은 이것이 "제2 법칙 위반"임을 주지할 것이다.
(2) 이러한 사실로 인해, 애노드액 소비에 사용되는 H/Na 비의 선택이 제공되는 경우, 근본적인 열역학적 한계는 구속될 수 있다:
a. 당해 실시예에서는 H/Na는 0.10으로 추정된다.
b. 수소-에너지 반환 효율은 100%로 설정된다.
c. 작동이 일어날 수 있는 최저 전압(여기서, 시스템에 의해 소비된 순 에너지는 0이다("Vmintheo"), 즉 전기분해 비용이 추정되는 100% 수소 반환 효율과 동일하다)을 계산한다.
d. 당해 실시예에서, 저전압은 1.5526V이다. 당해 수치는 Na/C 비, H/C 비 및 수소-에너지 반환 효율의 강한 함수이다. 이러한 최적의 경우, Na/C는 1.0이고 H/C는 1.0이다.
e. 이의 생태학적 효율까지 이러한 계산을 적용하면, 단일 유닛 해답은 93% CO2 흡수/전환에 대해 대략 7% 전력이다.
f. 이러한 이론적 최소값보다 효율적인 작동 포인트로 처리하는 것은
i. 전력 소비를 폐열 회수로 보충하고,
ii. CO2 방출을 야기하지 않는 전력 생산(수력 발전, 태양열 발전, 풍력 발전, 원자력 발전 등)으로 부분적으로 또는 전체적으로 흡수/전환 공정에 전력을 공급함으로써 가능하다.
유사하게는, 위에서와 같이 이상적인 수소 반환 효율 등을 추정하여, 작동이 "생태적"일 수 있는 최대 전압("Vmaxeco")(즉, CO2 흡수/전환 공정은 생성시키는 것보다 많은 CO2를 제거한다)을 계산한다:
a. H/Na, Na/C 및 수소 반환 에너지 효율을 위에서와 같이 각각 1.0, 1.0, 및 100%로 설정한다.
b. CO2 제거율이 50%인 전압을 계산한다.
c. 당해 실시예에서, Vmaxeco는 4.457V이다. 당해 전압 및 조건에서, 공정은 생태학적으로 유익한 작동과 생태학적으로 유해한 작동의 경계인 라인 ∂CO2=∂E에서 작동한다.
따라서, 생태학적으로 유익한 작동은 전기분해 시스템이 Vmintheo(1.5526V)와 Vmaxeco(4.457V) 사이에서 작동하는 경우에 일어날 것이다. 이들 두 지점 사이에서의 작동은 다수의 통상적인 전기분해 시스템을 사용하여 반복될 수 있다. 2.1V 이하에서의 실험실 결과는 이러한 방식으로 디자인된 전기화학 전지의 기하학, 농도, 온도, 압력, 유량 등의 조작에 의해 용이하게 재생될 수 있다.
C. 생태학적 효율에 대한 비온실 생성 전력의 효과
보조 전력(공정에 전력을 공급함)이 비온실 가스(Non-GHG) 방출 전력(예를 들면, 풍력 발전, 수력 발전, 태양광 발전, 핵 발전 등)에 의해 생성되는 경우, 보조 CO2 방출량은 0이고, 본 발명의 생태학적 효율은 대단히 향상된다. 당해 실시예에서, 표 2에서 CO2 3101209ton은 모든 후속 반복 등을 사용하여 제거되어 이러한 간략한 결과를 낳고, 모든 CO2는 흡수/전환되고(7,446,069ton), 필요한 전체 전력은 단지 기본량 8,760,000,000 + 기본량의 CO2를 흡수/전환시키는 데 필요한 작업을 달성하는 데 필요한 3,648,448,267kw-hr이며, 이는, GHG 전력 공급 공정에서 CO2 방출량 100%를 확보하기 위한 총 전력의 41%와 비교하여, 비 GHG 전력 공급 공정에서 CO2 방출량 100%를 확보하기 위한 총 전력의 29%만이 필요함을 보여준다. 이는 본 발명의 양태가, 공정이 비 GHG 방출에 의해 전력 공급되는 경우, 상당한 "레버리지(leverage)" 인자를 제공함을 의미한다. 1%:1% 기본으로 GHG 생성 전력을 대체하기 위해 비 GHG 전력을 사용하기 보다, 비 GHG 전력을 본 발명의 몇몇 양태인 공정에 전력 공급하기 위해 대신 사용하는 경우, 1%의 비 GHG 생성 전력은 GHG 생성을 배수로, 심지어 본원에 기재된 GHG 생성 전력예를 초과하여 대체한다. 소정의 국가, 주 또는 사업체의 경우, 특정 비율의 비 GHG 생성 전력은 당해 확대 방식으로 사용되는 경우 CO2 감소 목표를 보다 효과적으로 달성할 수 있다. 즉, 다른 "오염된 전력"의 방출을 정화하기 위해 고도로 레버리지화된 방식으로 "청정" 전력을 사용할 수 있다.
몇몇 용도에서, 비 GHG 생성 전력 생성이 이용 가능한 경우, 종종 산발적인 형태(예를 들면, 태양, 풍력 "농장" 등)로 비수기 동안 대량의 흡수제를 제조하기 위해서 전력을 사용하는 능력은 매우 유리하다.
실시예 6
다양한 모델의 발전기의 생태학적 효율
도 10은 본 발명의 양태를 혼입한 다양한 모델의 발전기의 생태학적 효율을 보여주고 생태학적 효율(∂CO2/∂E) 측정시 주요 인자인 다양한 조건을 도시하고 있다.
이들 계산으로부터, 일반적으로 다음과 같이 결론지을 수 있다.
(1) 탄산나트륨을 형성하고 표준 클로르-알칼리 조건을 사용하는 경우, 공정은 생태학적 효율이 1을 초과하는 한편, 이러한 작업은 경제적으로 실행 가능하고, 흡수하는 것보다 많은 CO2를 생성시킨다.
(2) 생성물 평형을 중탄산나트륨 생성에 유리하도록 변경함으로써, 공정의 생태학적 효율은 개선된다. 조건을 실질적으로 순수한 중탄산나트륨을 생성하도록 변경하는 경우, 이러한 잇점은 충분히 최적화된다.
(3) 저전압 전기분해 실시를 적합화함으로써, 공정은 생태학적 효율이 1.0 미만임을 특징으로 하는 작동 영역(즉, 생태학적으로 유익한 CO2 흡수 및 전환 공정)으로 확실히 이동한다. 최적 (kA/m2V) 및 최대 수소 에너지 생성을 위해 전기분해 시스템의 물리적 경쟁을 각각 최적화함으로써 생태학적 효율을 추가로 향상시킬 수 있다.
(4) 본 발명의 양태의 흡수/전환 공정을 폐열을 DC 전기로 전환시키는 다수의 입수 가능하거나 생산용 기계와 커플링시킴으로써, DC 전기분해 및 AC 펌핑 등의 초기 에너지 투자는 폐열 회수로부터 보충될 수 있거나 완전히 공급된다.
비온실 가스 방출 발전기로부터의 전력을 본 발명에 공급함으로써 공정을 100% CO2 흡수율에 바로 근접하도록 할 수 있음을 주목해야 한다(실시예 5에서의 논의 참조).
실시예 7
최적화된 LVE 클로르-알칼리 전지에 특징적인 작동 라인 V/I가 제공되는 경우, Voptlve(전지 용량 또는 면적에 대한 최적 저전압 작동 전압) 및Ioptlve(작동 전압에서의 전류)의 측정
본원에서는 저전압 작동이 흡수제 유체로서 사용되는 수산화나트륨을 제조하는 데 필요한 전력을 감소시키는 것으로 입증되었다. 표 3은 도 5에서 1.0/90℃ 애노드액 경우의 VI 작동 라인으로부터 유도된 계산치를 나타낸다(실시예 4에서 논의됨).
표 3의 내용에 대하여 수개의 포인트를 주목해야 한다.
(1) 세번째 칼럼의 전류 효율(무차원)은 생성물 화학물질 제조에 사용되는 생성된 전류의 비율을 나타내고, I2R 손실과 같은 손실과 전기분해 유체의 낭비성 가열은 비효율성의 주요 원인이다. 전류 효율은 전압이 감소됨에 따라 감소된다.
(2) 전지 면적은 3.975V 경우(공정의 전류 밀도 및 면적 요건은 3.0kA/m2의 특성으로 실시되는 표준 5V 전기분해와 동일하다)에 대해 표준화된다. A2/A1(무차원)를 계산한다.
마지막으로, 무차원 면적당 절감된 전력(%)을 도 11에 플로팅한다. 이러한 함수의 경우, 최대 기울기(전압 변화당 전력 사용 변화율)가 최적을 나타내는 포인트, 즉 저전압(예를 들면, 2.1 내지 2.5 V)에서, 기울기(Δ전력/Δm2)는 비교적 낮고, 고전압(예를 들면, 2.5 내지 대략 3V)에서 기울기(Δ전력/Δm2)는 큰 값으로 증가한 후, 전압이 계속 증가함에 따라, 낮은 기울기로 감소한다. 이는 각 측면에 기울기가 작은 영역에 의해 구속되는 큰 기울기 영역이 있음을 나타낸다. 즉, Voptlve의 어느 측면에서도 전압 변화당 전력 사용의 변화율은 덜 효과적이다.
실제 거동을 근사하는 함수를 먼저 달성한다(최소 자승 적합화에 의해 생성된 추세선 다항식). 당해 실시예에서, y = -10.164x3 + 88.256x2 - 235.06x + 198.37은 근사값이다. 그 다음, 당해 함수의 제1 도함수를 통상적인 다항식 처리에 의해 계산한다: dy/dx = (3)(-10.164)x2 + (2)(88.256)x - 235.06 = 최대. x(볼트) 값을, 이러한 최초 도함수의 최대값을 찾기 위해서 반복할 수 있고, 이는 다양한 기술로 수행될 수 있으며, 해답으로서 2.894V를 제공한다.
2.894V 미만의 전압이 사용될 수 있고 추가의 전력 절감이 이루어질 수 있음을 주목한다. 몇몇 바람직한 양태는 이러한 "자연 최적 포인트" 미만으로 저전력 작동을 최적화한다. 이러한 경우, 막에 사용되는 추가 면적은 "최적 미만"의 전기분해 시스템을 생성시키지만, 전체 탈탄산 공정에 대한 저전압 작동은 소정의 전기분해 하위시스템에 대한 이러한 자연 최적값 미만에서의 작동에 의해 추가로 이득을 얻을 수 있다. 그러나, 그렇게 하는 경우, 전압/전력 이득은 이후에 감쇠되는 한편, 면적 인자는 면적당 덜 효율적인 작동을 비례적으로 계속한다.
이러한 Voptlve에 상응하는 전류 및 전류 밀도를, V와 I에 대해 유사한 최소 자승법 관계를 형성시키거나 Ioptlve를 측정하기 위해 작동 곡선을 그래프로 사용함으로써 측정할 수 있다. 당해 실시예에서, 계산된 값은 10.419A(또는 0.01m2 전지 면적에 대해서 이 경우와 동일), 1.042kA/m2이다.
[표 3]
Figure pat00010

본원에 기재되고 청구된 모든 방법 및 장치는 본 발명의 개시 내용에 비추어 과도한 실험없이 이루어지고 실시될 수 있다. 본 발명의 방법 및 장치가 바람직한 양태의 면에서 설명되어 있지만, 당해 분야의 숙련가는 본 발명의 개념, 목적 및 범위를 벗어나지 않으면서 본원에 기재된 방법 및 장치 및 방법의 단계 및 순서를 변화시킬 수 있음을 알 것이다. 보다 구체적으로, 화학적으로 관련된 특정 조성물이 본원에 기재된 조성물을 대체할 수 있는 한편, 동일하거나 유사한 결과가 달성될 수 있음은 자명하다. 당해 기술분야의 숙련가에서 자명한 이러한 유사한 모든 치환체 및 변형은 첨부된 청구의 범위에 의해 정의된 발명의 목적, 범위 및 개념 내에 있다.
참조 문헌
다음 참조 문헌은 이들이 본원에 기재되어 있는 내용에 부수적으로 전형적인 절차 또는 다른 세부 설명을 제공하는 정도로 참고로 본원에 인용된다.
Figure pat00011
Figure pat00012

Claims (36)

  1. 하나 이상의 캐소드와 하나 이상의 애노드를 포함하고 사용 동안 수산화물을 생성시키도록 적합화된 전기분해 챔버,
    사용 동안 가스 스트림을 함유하도록 적합화된 도관과 상기 전기분해 챔버에 작동 가능하게 연결되어 있고 사용 동안 상기 전기분해 챔버로부터의 수산화물과 상기 가스 스트림을 혼합시켜 혼합물을 생성시키도록 적합화된 혼합 장비(여기서, 상기 가스 스트림 중의 탄소, 황 및/또는 질소 화합물은 상기 수산화물과 반응할 수 있다) 및
    상기 혼합 장비에 작동 가능하게 연결되어 있고 상기 혼합물을 개별적인 기상과 고상 및/또는 액상으로 분리시키도록 적합화된 분리 챔버를 포함하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전기분해 챔버가 막 전지, 격막 및/또는 수은을 포함하는 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 혼합 장비가 하나의 배치식 반응기 또는 일련의 배치식 반응기들, 하나의 가스/액체 흡수/반응 장치 또는 일련의 가스/액체 흡수/반응 장치들, 하나의 결정화 탑 또는 일련의 결정화 탑들, 또는 하나의 버블 칼럼 또는 일련의 버블 칼럼들을 포함하는 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 분리 챔버에 작동 가능하게 연결되어 있고 사용 동안 고상 및/또는 액상으로부터 액체를 제거하도록 적합화된 건조 챔버를 추가로 포함하는 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 건조 챔버가 사용 동안 고상 및/또는 액상을 가열하도록 적합화된 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 발전기에 작동 가능하게 연결되는 것으로 추가로 한정되는 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전기분해 챔버가 사용 동안 염화나트륨과 물로부터 염소 가스와 수산화나트륨을 생성시키도록 적합화된 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 혼합 장비가 사용 동안 상기 전기분해 챔버로부터의 수산화물과, 상기 가스 스트림으로부터의 이산화탄소를 혼합시켜 탄산염 생성물 및/또는 중탄산염 생성물을 생성시키도록 적합화된 장치.
  9. 수산화물을 수성 혼합물로 수득하는 단계(a),
    상기 수산화물을 공급원에 의해 생성된 이산화탄소와 혼합시켜, 중탄산염 생성물, 또는 탄산염 생성물과 중탄산염 생성물의 배합물을 혼합물로서 생성시키는 단계(b),
    상기 생성물을 상기 혼합물로부터 분리시켜 이산화탄소를 무기질 생성물 형태로 분리시키는 단계(c) 및
    상기 생성물을 사용하여 하나 이상의 그룹 1 또는 그룹 2의 염과 이온 교환을 수행하여 탄산염을 침전시키는 단계(d)를 포함하는, 공급원에 의해 생성되고 가스 스트림에 함유된 이산화탄소를 제거하기 위한 방법으로서,
    상기 수산화물을 수득하는 단계가, 그룹 1 또는 그룹 2의 염을 수득하고, 상기 염을 산과 물, 산과 증기, 또는 산, 물 및 증기와 혼합시켜 양성자화된 염 용액을 생성시키고, 양성자화된 염 용액을 전기분해하여 수산화물을 생성시킴을 포함하고,
    상기 단계(b)가 상기 생성물 평형을 변화시켜 중탄산염 생성물의 생성에 유리하도록 함을 포함하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 일정량의 이산화탄소가 상기 단계(a) 내지 단계(c)를 수행하면서 발생되고, 당해 이산화탄소의 양이 상기 단계(a) 내지 단계(c)를 수행하면서 분리되는 이산화탄소의 양보다 적은 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 혼합이 2개의 별개의 챔버에서 일어나는데, 이때 하나의 챔버가 탄산염 생성물을 생성시키기 위해 사용되고 나머지 하나의 챔버가 중탄산염 생성물을 생성시키기 위해 사용되는 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 혼합이 하나의 버블 칼럼(bubble column) 또는 일련의 버블 칼럼들에서 일어나는 방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 단계(c)가 가열 침전 분리 공정을 포함하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 분리 공정을 위한 열이, 도입되는 연도 가스(flue gas)와의 열 교환으로부터 유도되는 방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 생성물을 원거리의 분리 장소로 수송하는 단계,
    상기 생성물을 중화 반응시 산과 배합하여 순수한 이산화탄소를 생성시키는 단계 및
    상기 이산화탄소를 탄소 뱅크(bank)에 주입시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  16. 제9항에 있어서, 상기 가스 스트림의 다른 성분들이 상기 단계(a) 내지 단계(c)를 수행하면서 중화되고/되거나 포획되는 방법.
  17. 제9항에 있어서, 상기 양성자화된 염을 전기분해하는 단계가 탄소계 연료 공급원을 연소시켜 DC 전기를 생성함을 포함하는 방법.
  18. 제9항에 있어서, 상기 염과 혼합되는 산의 양이, 반응물을 생성시키기 위한 최저 에너지를 달성하고 생성물로부터 회수하기 위한 최고 에너지를 달성하는 최적 양성자화 속도의 측정을 기준으로 하는 방법.
  19. 제9항에 있어서, 상기 양성자화된 염 용액이 캐소드액 측 및 애노드액 측을 갖는 전기화학 전지에서 전기분해되고, 상기 생성물이 상기 전기화학 전지의 캐소드액 측으로 재순환되는 방법.
  20. 제9항에 있어서, 상기 방법에 필요한 에너지가 가스 스트림으로부터 회수된 폐열로 보충되는 방법.
  21. 제9항에 있어서, 상기 염이 염화나트륨이고, 상기 산이 염산이고, 상기 양성자화된 염 용액을 전기분해하여 생성된 수산화물이 수산화나트륨인 방법.
  22. 제9항에 있어서, 상기 가스 스트림이 설비로부터의 배기 스트림인 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 설비가 탄소계 연료 공급원을 사용하는 발전기인 방법.
  24. 제21항에 있어서, 상기 양성자화된 염 용액을 전기분해하는 단계가 염소 가스와 수소 가스를 생성하는 방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 염소 가스와 수소 가스가 연소되어 염산을 형성하는 방법.
  26. 제24항에 있어서, 상기 수소 가스가 에너지를 생성하는데 사용되는 방법.
  27. 제25항에 있어서, 상기 염소 가스와 수소 가스로부터 형성된 염산이 추가의 수산화물을 수득하는데 사용되는 방법.
  28. 제24항에 있어서, 상기 수소 가스가 대기 산소 또는 원료 화학물질로부터의 산소로 연소되어 물을 생성하는 방법.
  29. 제26항에 있어서, 상기 단계(c)가 가열 침전 분리 공정을 포함하고, 이때 당해 분리 공정을 위한 열이 수소 가스에 의해 생성된 에너지로부터 유도되는 방법.
  30. 제26항에 있어서, 상기 수소 가스가 석탄과 동시 연소되어 석탄 연소 방출을 향상시키는 방법.
  31. 제26항에 있어서, 상기 수소 가스가 DC 전기의 연료 전지 회수용 연소 공정에 사용되는 방법.
  32. 수산화물을 수성 혼합물로 수득하는 단계(a),
    상기 수산화물을 공급원에 의해 생성된 이산화탄소와 혼합시켜, 중탄산염 생성물, 또는 탄산염 생성물과 중탄산염 생성물의 배합물을 혼합물로서 생성시키는 단계(b) 및
    상기 생성물을 상기 혼합물로부터 분리시켜 이산화탄소를 무기질 생성물 형태로 분리시키는 단계(c)를 포함하는, 공급원에 의해 생성되어 가스 스트림에 함유된 이산화탄소를 제거하기 위한 방법으로서,
    상기 수산화물을 수득하는 단계가 그룹 1 또는 그룹 2의 염을 수득하고, 상기 염을 산과 물, 산과 증기, 또는 산, 물 및 증기와 혼합시켜 양성자화된 염 용액을 생성시키고, 상기 양성자화된 염 용액을 전기분해하여 격벽, 수은 또는 막 전지를 사용하여 수산화물을 생성시킴을 포함하고,
    상기 단계(b)가 상기 생성물 평형을 변화시켜 중탄산염 생성물의 생성에 유리하도록 함을 포함하는 방법.
  33. 수산화물을 수성 혼합물로 수득하는 단계(a),
    상기 수산화물을 공급원에 의해 생성된 이산화탄소와 혼합시켜, 중탄산염 생성물, 또는 탄산염 생성물과 중탄산염 생성물의 배합물을 혼합물로서 생성시키는 단계(b) 및
    상기 생성물을 상기 혼합물로부터 분리시켜 이산화탄소를 무기질 생성물 형태로 분리시키는 단계(c)를 포함하는, 공급원에 의해 생성되어 가스 스트림에 함유된 이산화탄소를 제거하기 위한 방법으로서,
    상기 수산화물을 수득하는 단계가 그룹 1 또는 그룹 2의 염을 수득하고, 상기 염을 산과 물, 산과 증기, 또는 산, 물 및 증기와 혼합시켜 양성자화된 염 용액을 생성시키고, 상기 양성자화된 염 용액을 전기분해하여 수산화물 및 수소 가스를 생성시킴을 포함하고,
    상기 단계(b)가 상기 생성물 평형을 변화시켜 중탄산염 생성물의 생성에 유리하도록 함을 포함하고,
    상기 수소 가스가 거래되거나 시판되는 방법.
  34. 수산화물을 수성 혼합물로 수득하는 단계(a),
    상기 수산화물을 공급원에 의해 생성된 이산화탄소와 혼합시켜, 중탄산염 생성물, 또는 탄산염 생성물과 중탄산염 생성물의 배합물을 혼합물로서 생성시키는 단계(b) 및
    상기 생성물을 상기 혼합물로부터 분리시켜 이산화탄소를 무기질 생성물 형태로 분리시키는 단계(c)를 포함하는, 공급원에 의해 생성되어 가스 스트림에 함유된 이산화탄소를 제거하기 위한 방법으로서,
    상기 수산화물을 수득하는 단계가 그룹 1 또는 그룹 2의 염을 수득하고, 상기 염을 산과 물, 산과 증기, 또는 산, 물 및 증기와 혼합시켜 양성자화된 염 용액을 생성시키고, 상기 양성자화된 염 용액을 전기분해하여 수산화물을 생성시킴을 포함하고,
    상기 단계(b)가 상기 생성물 평형을 변화시켜 중탄산염 생성물의 생성에 유리하도록 함을 포함하고,
    일정량의 전력이 상기 단계(a) 내지 단계(c)를 수행하는데 필요하고 당해 전력의 양이 하나 이상의 비온실 가스 배출 전력 공급원에 의해 생성되는 방법.
  35. 제34항에 있어서, 상기 비온실 가스 배출 전력 공급원이 풍력 발전, 수력 발전, 태양열 발전 및 원자력 발전으로부터 선택되는 방법.
  36. 수산화물을 수성 혼합물로 수득하는 단계(a),
    상기 수산화물을 공급원에 의해 생성된 이산화탄소와 혼합시켜, 중탄산염 생성물, 또는 탄산염 생성물과 중탄산염 생성물과의 배합물을 혼합물로 생성시키는 단계(b) 및
    상기 생성물을 상기 혼합물로부터 분리시켜 이산화탄소를 무기질 생성물 형태로 분리시키는 단계(c)를 포함하는, 공급원에 의해 생성되어 가스 스트림에 함유된 이산화탄소를 제거하기 위한 방법으로서,
    상기 수산화물을 수득하는 단계가 그룹 1 또는 그룹 2의 염을 수득하고, 상기 염을 물, 증기, 또는 물과 증기와 혼합시켜 염 용액을 생성시키고, 상기 염 용액을 전기분해하여 수산화물을 생성시킴을 포함하고,
    상기 단계(b)가 상기 생성물 평형을 변화시켜 중탄산염 생성물의 생성에 유리하도록 함을 포함하는 방법.
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