KR20110139708A

KR20110139708A - 기체 포획방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20110139708A
Application number: KR1020117022760A
Authority: KR
Inventors: 스베인 크누드센; 노르베르트 슈미드바우어
Original assignee: 노르스크 인스티튜트 포 러프트포르스크닝
Priority date: 2009-03-09
Filing date: 2010-03-09
Publication date: 2011-12-29
Also published as: US20120111189A1; AU2010221873A1; ZA201107325B; EP2405990A4; NO333138B1; NO20092793L; EP2405990A1; JP2012519591A; CA2753468A1; RU2011138729A; WO2010104402A1; CN102481520A

Abstract

헨리 상수의 큰 차이점을 이용하여 대기 및 지표수, 저질(sediments) 또는 토양뿐만 아니라 모든 종류의 점원(point-sources)으로부터 표적 기체를 포획하기 위한 방법 및 시스템. 물 내의 기체 분해를 위하여 상수는 N₂ 및 O₂와 같이 연도기체의 주요 성분과 비교하여 CO₂의 분해에 유리하다. 주요 원리는 기체를 용해하는 것이다 - 표적기체가 풍부한 용해된 기체를 위하여 액체를 스트리핑하여 용해되지 않은 부분을 방출하는 것이다. 추가의 단계는 예정된 수치의 표적 기체의 농도에 도달하기 위하여 사용될 수 있다.

Description

기체 포획방법 및 시스템{Method and System for Gas Capture}

본 발명은 기체 포획에 관한 것이다.

효과적인 CO₂ 포획 및 분리는 인간이 만든 지구 온난화를 줄이기 위해 차세대를 위한 중요한 과제이다. 미래 사회의 주 에너지 요인/캐리어로서 수소의 사용은 널리 논의되고 있다. 훨씬 우수하고(안전, 저장) 또한 신재생 에너지 캐리어로서 메탄올의 사용은 Beyond Oil and Gas: The Methanol Economy (Wiley 2006)에서 노벨 수상자 George Olah에 의해 제안되었다. 탄소 중립 메탄올 경제(carbon neutral Methanol Economy)의 전제조건은 메탄올의 생산에 사용되는 CO₂를 공기 또는 바이오 매스로부터 포획하는 것이다. 메탄올 생산에 사용되는 수소 및 에너지는 상기 과정에서 생산되는 CO₂를 분리하는 한 화석 연료로부터 전이상태에서 얻을 수 있다.

연도기체로부터 CO₂를 포획하기 위해 개발되고 또는 개발 중인 여러 가지 산업용 방법이 있다. 가장 유망한 방법은 흡수 또는 화학반응에 의해 CO₂를 제거하기 위하여 냉각 암모니아, 상이한 알카놀아민 수용액 또는 상이한 수산화물 용액을 사용하는 것이다. 저장을 위하여 흡수제로부터 CO₂를 방출하는 것은 CO₂ 포획공정을 고비용으로 만드는 상당량의 에너지를 요구한다.

CO₂는 헨리의 법칙에 따라 실제로 액체에 흡수될 수 있다고 잘 알려져 있다. Simon Shackley 및 Clair Gough (Ashgate, 2006)에 의해 편집된 "Carbon capture and its storage : an integrated assessment"에서 헨리의 법칙의 사용이 참고문헌의 도 3.4와 관련하여 논의되나, 그 방법은 낮은 농도에서 과도한 비용으로 인해 일축되었다. 보다 높은 농도에서, 물을 사용하지 않고 용매를 사용하는 것이 제안되었다.

높은 압력 조건하에서 물의 사용은 암모니아 생산 공정에서 합성 기체 생산의 처리 내에서 사용되었다. (Kohl A. 및 Nielsen R. ; Gas Purification. 5.ed. Gulf Publishing Company,Houston 1997).

수제로서 물의 사용으로 인한 명백한 장점이 있다 - 비용이 싸고, 유독하지 않고 정제된 기체 스트림에 새로운 화합물을 첨가하지 않는다. 공정 시 사용되는 낮은 온도로 인해 부식이 거의 없다. 단점은 다른 흡수제에 비해 (알카놀아민 등과 같이) 많은 양의 흡수제를 필요로 하기 때문에 얻을 수 있는 흡수량이 상대적으로 낮은 것이다. 산업적 스크러빙 공정에서, 일반적으로 기체는 넓은 표면 상에 매우 얇은 흡수 필름으로 처리된다. 다른 흡수제는 일반적으로 물에 비해 낮은 표면장력 저항을 갖는다. 물 내의 N₂ 또는 O₂와 같은 다른 기체의 공-흡수(Co-absorption)는 산업 스크러빙 철학의 또 다른 단점이다. 대량의 배기가스에서 낮은 농도의 CO₂를 정제를 목표로 하는 스크러빙 타워를 사용하는 전통적인 기체 정제에 있어서, 물은 흡수제로서 첫 번째 선택이 아닐 것이다.

행 기술의 개요는 http://www.co2captureproject.org로부터 Lars Ingolf Eide 및 그 외에 의해 "CO₂ Capture Project Phase 2 - Status mid-2008" 보고서에 있다.

프로젝트는 다음의 기술을 연구한다:

- 산소-연소 유동층 촉매 분해기(Oxy-firing liquidized Catalytic Cracker)

- 화학회로연소(Chemical Looping Combustion)

- 수소막 개질기(Hydrogen Membrane Reformer)

- M-WGS(Membrane Water Gas Shift)

- SE-WGS(Sorption Enhanced Water Gas Shift)

- 화학회로 개질(Chemical Looping Reforming)

- 1 단계 탈탄소화(One Step Decarbonisation)

- 수증기, 메탄 개질기 및 기체 터빈(HyGenSys)

상기 기술에 있어서 탄소 포획은 수율 및 에너지 사용에 있어서 고비용의 작동, 아민과 같이 환경에 문제가 될 수 있는 화학물질의 사용을 필요로 하고 복잡한 산업공정을 포함한다.

기체 포획, 특히 CO₂의 포획을 위한 간단하고 비용 효율적인 방법 및 시스템에 대한 필요가 있다.

본 발명은 연도기체 혼합물 또는 공기 내에 존재하는 표적 기체를 포획 및 농축하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.

기체 혼합물은 기체 혼합물 내의 다른 기체보다 표적 기체에 대해 더 높은 용해도를 갖는 액체에 용해시키고, 용해된 기체를 액체로부터 방출시키고, 상기 방출된 기체는 새로운 기체 혼합물을 구성할 것이다. 이러한 새로운 기체 혼합물은 상기 새로운 기체 혼합물 내에 존재하는 다른 기체보다 표적 기체에 대해 더 높은 용해도를 갖는 액체를 포함하는 컨테이너에 용해시키고, 상기 단계를 상기 새로운 기체 혼합물 내의 표적 기체의 농도가 액체 내에서 예정된 수치에 이를 때까지 반복한다.

이러한 방식으로 연도기체를 다량의 물을 통해 버블링함으로써 발전소로부터 인스턴트 CO₂를 효과적으로 포획하는 것이 가능하다.

연도기체의 조성은 N₂, O₂ 및 CO₂를 포함할 것이고 이러한 기체는 물에 대해서 매우 다른 용해도를 가진다.

정상적인 대기 조건 및 25℃에서 대기는 약 79% N₂, 21% O₂ 및 0.038% CO₂를 함유한다. 이와 같이 대기와 접촉한 1 m³의 물은 평형상태에서 약 15 리터의 다음의 조성과 함께 용해된 기체를 포함할 것이다: 73% N₂, 25% O₂ 및 1,7 % CO₂. 상기 용해된 기체는 예를 들어, 압력을 낮춤으로 인해 물로부터 제거되어 제 2 단계에서 물과 접촉하는 "새로운 기체 혼합물"이 된다. 상기 제 2 단계에서, 1 m³의 물은 27 리터의 다음의 조성을 갖는 기체를 포함한다: 36,6% N₂, 16 % O₂ 및 47,3 % CO₂. 제 3 단계에서, 5 리터의 N₂ 및 약 3 리터의 O₂와 비교하여 360 리터의 CO₂를 해결할 수 있다.

4% CO₂와 함께 연도기체에 효과적으로 노출된 1 m³의 물은 평형상태에서 45 리터의 용해된 기체를 포함할 것이다 -제 1 단계 내에서 CO₂의 최대 농도는 15배 이상으로 66% CO₂ 이다.

기체 용해도는 물의 온도가 감소함에 따라 증가한다 -4 ℃에서의 물 내의 CO₂의 용해도는 25 ℃와 비교할 경우 2배이다. 헨리의 법칙은 얼마의 바 압력까지는 대부분의 기체에 유효하다. 물 내에 용해된 기체의 양은 1 바의 압력 증가와 함께 두 배로 증가한다.

공정의 주요 원칙은 다음과 같다:

- 기체 흡수, 난류장치의 속도 및 효율성을 향상시키기 위하여 캐비테이션에 의해 생성되는 버블 또는 작은 버블을 흘러나오게 함으로써 기체와 물 간의 효과적인 접촉. 어느 응용에 있어서, 분무흡수 또는 많은 젖은 표면 영역에도 첨가에서 적용될 수 있다.

- 비-용해된 기체의 방출 - 기체 혼합물은 다음 단계에 사용될 수 있다.

- 예를 들어, 부분압력을 낮추고, 상압 이하의 압력의 사용, 초음파 장치의 사용, 및 라시히링(raschig rings) 또는 나노-표면 또는 나노입자와 같은 넓은 표면을 제공함으로써 물로부터 용해된 기체의 제거. 부분압력을 낮춤으로 인한 가스 방출(가스 방출)의 속도는 서로 다를 것이다. 공기에 노출된 물의 경우, N₂는 O₂ 보다 빠를 것이고, O₂는 CO₂ 보다 빠를 것이다. 이러한 방법은 표적 기체 농도를 증가시키기 위하여 사용될 수 있다.

이러한 공정은 농도에 도달할 때까지 연속적인 단계로 반복될 수 있다. 스트리핑 공정은 압력차이의 사용을 포함하고 초음파, 막, 압력 교환기 또는 첨가제와 같은 일반 산업공정을 사용할 수도 있다.

본 발명의 장점은 다음과 같다:

- 물은 낮은 비용 컨테이너에 대량으로 사용된다: 이는 매우 높은 정제 수율(90% 이상)을 목표로 하지 않는 매우 간단한 공정이다.

- 기체의 양이 대량의 흡수제에 녹아 있을 때, 산업 스크러빙 공정에서 일반적으로 문제인 용해열을 취급하기 쉽다.

- 상기 공정은 다른 요구 조건에 맞춰 규모를 높이거나 줄이기 용이하다.

- 소량의 배기가스에 적합한 소규모의 프리패브리케이션은 모듈식의 단위의 큰 규모에도 함께 사용될 수 있다.

- 바이오 매스 융합반응으로부터 CO₂ 포획을 위하여, 공정의 효율성에 관계 없이 포획된 CO₂의 각 량은 기후변화완화(climate change mitigation) 측면에서 긍정적인 기여이다.

- CO₂는 직접적으로 대기 또는 물(대양, 지표수(surface waters))로부터, 또는 대규모 점 소스(large point sources), 화석 연료 또는 바이오 매스 에너지 시설과 같은 산업 공정, 시멘트 공장, 정제, 천연기체 공정, 합성 연료공장 및 화석 연료 및 수소 생산 공장과 에너지 생산과 같은 주요 CO₂ 배출량의 산업의 연도기체로부터 포획할 수 있다. CO₂는 또한 선박 또는 트럭과 같은 대형 이송 차량으로부터 포획될 수도 있다. CO₂는 또한 선박 또는 트럭과 같은 대형 이송 차량으로부터 포획될 수도 있다. 매립지, 퇴비 또는 발효공정에서 생성되는 CO₂는 기체상 또는 유출수(effluent water)로부터 포획될 수도 있다. CO₂는 또한 도로 터널 또는 주차장 또는 마천루와 같은 빌딩의 환기 시스템으로부터 포획될 수도 있다.

- CO₂는 본 발명을 기술하는데 사용된다. 그러나 이는 CO₂처럼 대기 또는 연도기체 (예를 들어, SO₂, N₂O 및 NO₂)와 같은 기체 혼합물 내의 다른 기체에 대하여 액체(물) 내의 유사한 헨리 상수를 갖는 모든 기체에 사용될 수 있음을 이해할 것이다.

- 본 발명의 대부분의 실시예에서 액체는 물이다. 그러나, 알려진 스크러빙 액체 및 해수와 같은 첨가제를 갖는 물과 같이 다른 액체가 사용될 수 있다. 상기 액체는 스프레이 또는 에어로졸 형태일 수 있다.

도 1: 공정의 모식도.
도 2: 연도기체가 매니폴드(manifold) 또는 공동 디스크(cavity disc)를 통해 챔버 1로 버블링되고 챔버를 통해 상승하고 상단의 탱크 밖으로 이동하는 실린더 용액.
도 3: 물 내의 수몰된 루프 용액.
도 4: 연도기체는 챔버의 하단으로 펌핑된다.
도 5: 펌프는 루프의 액체를 순환시키고 액체는 물이 아닌 기체를 통과시키는 막으로 노출된다.
도 6a 및 6b: 시스템은 일련의 수평 루프-챔버이다. 상기 챔버의 부피 크기는 표시되지 않았다.
도 7: 도 1 내지 5에 기재된 상이한 용액은 상호 작용하는 어레이로 배열될 수 있다.
도 8: CO₂가 부분적으로 제거된 연도기체의 재공급.
도 9: 상승 기포의 속도가 하향 스트림에 의해 부분적으로 카운터 발란스 되는 시스템.
도 10: 온도 대신 단지 압력만을 이용한 온도 증류와 같은 단계에서 액체 내의 상이한 기체를 분리하는데 사용되는 단계적 제거.

헨리의 법칙은 일정한 온도에서 다음과 같다:

P = k _H _* c

여기서, p는 용질의 부분압력이고, c는 용질의 농도이고, k _H는 압력의 크기를 농도로 나눈 상수이다. 헨리 상수로 알려진 상기 상수는 용질, 용매 및 온도에 의존한다.

298 켈빈 온도(25 ℃)에서 물에 용해된 기체에 대한 k _H 대한 수치(L.atm/mol)는 다음과 같다:

O₂　: 770

CO₂　: 29

H₂　: 1280

N₂　: 1640

NO₂ : 25 내지 80

N₂O : 41

CH₄ : 770

SO₂ : 0.8

H₂S : 10

"기체 혼합물의 총 압력은 기체 혼합물의 각 성분의 부분압력의 합과 같다"는 이상기체의 혼합물에서 돌턴의 법칙의 부분압력이 적용된다. 이는 대기 또는 연도기체에 적용될 수 있다.

액체로서 물을 사용하는 헨리의 법칙은 "일정한 온도에서 일정 부피의 액체에 녹는 기체의 질량은 용매와 평형을 이루고 있는 그 기체의 부분압력에 비례한다"는 것이다.

CO₂에 대한 헨리 상수는 대기 또는 연도기체의 다른 기체보다 1 마그니튜드(one magnitude) 적고, 따라서 상대적으로 다른 기체에 비해 더 많은 CO₂가 물에 용해되어 CO₂에 대한 기체상을 대폭 감소시킬 것이다.

대부분의 CO₂는 용해된 분자로 남고 단지 1000 CO₂ 분자 중 하나만 탄산으로 변환하기 때문에, 엄격하게 말해서 용매가 용해되어 있는 기체와 화학적으로 반응하지 않은 용액에만 적용될지라도 헨리의 법칙은 적용한다. 촉매의 부재하에서, 평형은 매우 서서히 도달한다. 속도 상수는 정반응(CO₂　+　H₂O　→ H₂CO₃)에 대해서 0,039　s^-1 이고 역반응(H₂CO₃　→ CO₂　+ H₂O)에 대해서는 23 s^- ¹ 이다.

표적 기체를 포획할 기체 혼합물은, 연도기체, 대기, 지표수 (바다, 호수, 강), 또는 토양, 매립지, 퇴비/발효 공정과 같은 지표면으로부터 나오는 가스 일 수 있다.

기체 발전소로부터의 연도기체는 4% 이하의 CO₂와 함께 주로 N₂, O₂ 및 수증기를 함유한다. 물과 만났을 때, 일정 시간의 지연 후 기체와 액체 간의 평형 상태가 될 것이다. 기체 혼합물 내의 기체의 상대적 농도는 물에 용해되었을 때 달라질 것이고, 낮은 온도에서 더 많은 기체가 용해될 수 있다. 압력이 두 배가 되면, 용해되는 기체의 양도 두 배가 된다.

대기권 내의 CO₂의 혼합 비율은 0.04% 이다. 헨리의 법칙으로 인해 대기권에 노출된 물에 용해된 CO₂의 혼합 비율은 CO₂의 혼합 비율은 1,7%이다. 4% CO₂의 혼합 비율을 갖는 연도기체에 있어서, CO₂의 해당 혼합 비율은 66%이다.

기체가 용해되기에 충분하도록 기체 혼합물과 물 사이의 접촉 시간 길거나, 또는 접촉면이 넓을 것을 전제조건으로 한다. 접촉면을 증가시키는 실용적인 해결책은 버블 스트림으로 기체를 용해시키는 것이다. 일반적으로 액체의 동적 점성도로 인해 작은 버블이 큰 버블 보다 서서히 오른다. 버블의 크기는 기체가 포획될 때 상승하는 동안 달라질 수 있다.

0.5 mm 이하의 반경을 갖는 버블에 있어서, 속도는 다음의 공식에 의해 추정된다:

V = 1/3 r²g/n

여기서 r은 버블의 반경이고, g는 중력가속도이고, n은 액체의 동적 점성도이다. 물의 경우, 0.011 cm²/s이다.

큰 버블은 기체와 액체 간의 경계면에서의 상호작용으로 인해 다음의 공식을 따른다.

v = 1/9r²g/n

버블이 0.5 cm 이상의 반경일 경우, 버블은 터지고 점도는 별로 중요하지 않게 된다. 공식은 다음과 같다.

v = 2/3 sqrt(g/R)

여기서 R은 버블의 구면 상단의 곡률 반경이다. 이렇게 큰 버블에 있어서, 상대적으로 작은 버블이 빨리 상승한다.

포획되는 기체의 양은 버블의 크기 및 액체와 접촉한 시간에 의해 측정된다: 상기 공식은 버블의 이상 크기를 측정하는데 사용될 수 있다.

흡수 챔버의 상단으로 오른 대기 또는 연도기체는 대기 밖으로, 대양으로 배출되거나, 또는 연소 공정으로, 또는 포획 공정의 새로운 단계로 보내질 수 있다.

특히 CO₂는 기체 또는 기체를 함유하는 물로써 전달될 수 있다. 상기 물은 저장되거나 또는 산업공정(샘해 퇴적물, 유정(oil well), 또는 탄화공정)에서 사용될 수 있다.

화학적 첨가제가 액체의 표면장력을 변화시키는데 사용될 수 있고, 초음파 기기 또는 선택성 막이 분해공정 또는 제거공정(stripping process)을 향상시키기 위하여 사용될 수 있다.

심해저에서는 표면 또는 토지에서 보다 당연히 압력이 높고 온도가 더 낮기 때문에 심해저 컨테이너를 사용할 수 있다. 이는 또한 압력의 차이를 생성하는데 더 용이하고 구조는 유사한 컨테이너의 내부 및 외부 압력으로부터 유리할 수 있다: 컨테이너는 막으로 만들어질 수 있고 물은 CO₂ 포획 및 방출을 위해 루프 내에서 순환될 수 있다.

컨테이너 설계 이외에도, 피오르드, 호수, 강, 계곡 또는 자연 동굴과 같은 자연적 형성 또는 수체가 있을 수 있고, 여기서 물 루프가 위치할 수 있거나 제 1 혼합 챔버로써 사용되고 그 후 감압 챔버로 스트리핑되는 수체(water body) 자체가 위치할 수 있다.

가스 배출은 간단히 부분압력을 감소함으로써 초기화될 수 있다. 예를 들어, 구조 또는 화학적 조성에 의해 적합한 표면을 갖는 입자와 함께 교반하거나 시딩(seeding)하는 방법과 같은 액체로부터 기체를 배출하는 다른 방법도 있다. 벤투리(venture) 또는 캐비테이션(cavitation) 챔버가 사용될 수도 있다. 이러한 방법은 CO₂ 포획을 위한 다른 방법에 비하여 에너지를 거의 필요로 하지 않는다.

보통 기체 발전소(400MW)는 일년에 100만 톤의 CO₂를 방출할 것이다. 배출량은 4 % CO₂를 포함하는 약 430 m³/s이다 - CO₂를 포획하는 물의 양은 298 K 및 대기압에서 약 500 m³/s이다. 이는 대규모 수력 터빈의 물의 흐름과 유사하다. 그러나, 온도를 낮추고 압력을 높임으로 인해 500 m³/s의 부피는 현저히 감소될 수 있다.

높은 용해도를 갖는 기체는 용해시키기는 보다 쉬우나 반대로 방출시키는 더 어렵다. 큰 차이의 헨리 상수를 갖는 기체의 용해공정과 이러한 기체의 방출공정 동안에 비평형 상태는 표적 기체를 선호하도록 사용될 수 있다.

도 1은 연도기체가 용해 챔버로 공급되고 비용해 기체는 대기로 방출되는 공정을 나타내는 모식도이다. CO₂가 풍부한 기체는 저장을 위해 또는 다음 처리를 위해 보내질 수 있다. 상기 기체 스트림은 대기로 환기되거나, 연소공정을 위해 공기 유입구로 들어가거나, 또는 새로운 농축 유닛으로 들어갈 수 있다.

도 2는 연도기체가 매니폴드(manifold) 또는 공동 디스크(cavity disc)를 통해 챔버 1로 버블링되고 챔버를 통해 상승하고 상단의 탱크 밖으로 이동하는 실린더 용액에 대한 실시예를 보여준다. 상기 공동 디스크는 특허 출원번호 제 EP 2125174A1호에 기재된 것과 유사할 수 있고 Ultrasonic Systems GmbH로부터 판매되거나, 또는 SU 1240439A1에 기재된 것일 수 있다. 액체는 노즐을 통해 제거된다. 구동 압력은, 물을 챔버 2로 주입하여 노즐의 제한으로 인해 챔버 2에 낮은 압력을 생성하도록 액체를 챔버 2에서 챔버 1으로 펌핑하는, 펌프에 의해 생성된다. 풍부한 CO₂를 갖는 스트리핑된 기체는 저장고로 펌핑된다. CO₂의 함량이 설명서에 따르지 않는 경우, 기체는 추가로 농도를 증가시키는 유사한 단계로 갈 수 있다. 이러한 설비는 물 속에 설치될 수 있으나 땅에도 설치될 수 있다.

도 3은 물 내 수몰된 루프 용액의 다른 실시예를 보여준다. 액체는 루프 내에서 흐르고 연도기체는 20~30 m 깊이에서 액체 내로 버블링된다. 루프는 루프내의 약간의 과도 압력에 의해 부풀어지게 하기 위하여 유연한 물질로 만들어져야 한다. 액체는 순환한다. 루프는 압력이 더 낮고 기체가 방출되어 저장고 또는 다음 처리로 펌핑되는 표면에 근접한 물을 상승시킴으로 인해 압력이 감소되는 재생기(desorber)를 갖는다.

도 4는 교대 압력의 사용을 보여준다. 연도기체는 챔버의 하단으로 펌핑된다. 흡수되지 않은 기체는 다음 흡수를 위해 새로운 단계로 가거나 또는 대기로 방출될 수 있다. 액체가 기체 포화상태에 도달하는 경우, 연도기체는 차단되고 펌프는 챔버의 압력을 낮추기 위해 사용되고, 용해된 기체는 방출된다. 상기 기체는 저장을 위해 펌핑되거나 농도를 더 높이기 위하여 유사한 단계를 통해 처리될 수 있다. 상기 공정은 이 후 반복된다.

도 5는 공정이 도 1에 기술된 공정과 유사한 또 다른 실시예를 보여준다. 다른 점은 액체를 저압력 구역으로 공급하는 대신 펌프가 루프 내의 액체를 순환시켜 액체를 기체는 통과시키나 물은 통과시키지 않는 막에 노출시키는 것이다. 상기 기체상은 낮은 압력 쪽이다. 낮은 압력은 펌프로 유지된다.

도 6a는 도 6b에서 보여주는 바와 같이 하나의 챔버가 수직으로 더 낮은 농도의 챔버와 연결된 일련의 챔버를 갖는 시스템을 보여준다. 도 6a의 단면에서 보여주는 바와 같이 튜브는 반은 액체로 채워지고 나머지 반은 연도기체로 채워진다. 연도기체는 물과 혼합된다. 물은 기체 투과막으로 덮인 섹션에 있다. 액체는 루프 주위를 흐른다. 막 위에 낮은 압력이 유지된다. 연도기체는 더 낮은 단계로 버블링된다. CO₂는 다음 처리로 보내지고 낮은 함량의 CO₂를 갖는 기체는 대기로 방출된다. 서로 서로의 상부에 쌓인 챔버의 수는 표적된 CO₂의 농도에 의존한다. 표적 기체의 높은 용해도 및 최대 농도 비율로 인해 단계 2 및 단계 3의 챔버의 크기는 약 10 내지 50 배 더 작을 것이다(챔버의 부피는 크기로 나타내지 않았음).

도 7에서, 도 1 내지 6에 기술된 상이한 용액이 어떻게 많은 량의 기체를 처리하고 원하는 농도에 도달하기 위하여 상호작용하는 어레이로 배열될 수 있는지를 보여준다.

도 8에서, 석탄 발전소로부터의 연도기체는 N₂를 거의 포함하지 않거나 전혀 포함하지 않는 반면, CO₂ 혼합 비율은 16% 정도이다. 산소와 함께 석탄을 때는 발전소는 가능한 한 많은 함량의 산소를 사용하기 위하여 종종 배기가스를 여러 번 재활용한다. 처리 챔버로부터의 배기가스는 감소된 CO₂ 수치 및 증가된 O₂ 수치를 갖기 때문에 재활용 사이에 연도기체의 처리는 이러한 발전소의 효과를 증가시킬 수 있다.

바람직한 실시예에서, 시스템은 다단계 공정을 형성하도록 연결된 자연 수체(natural water body) 내에 수몰되거나 대지의 저수지에 수몰된 다수의 컨테이너를 포함한다. 상기 컨테이너는 보통 430 m³/s 연도기체의 파이프라인으로부터의 연도기체가 공급된다.

다른 실시예에서, 시스템은 대기로부터 CO₂를 포획한다. 크기가 크고 비용이 많이 들기 때문에 초기단계에서 덜 효과적으로 CO₂를 포획할 수 있으나, 대신에 나중 단계에서 더 많이 포획할 수 있다.

대기로부터 포획하는 경우, 이러한 공정으로부터의 모든 배기가스는 문제가 되지 않는다.

도 9는 원하는 속도의 분해 및 챔버의 크기를 최적화하기 위하여 상승 기포의 속도가 하향 스트림에 의해 부분적으로 카운터 발란스되는 시스템을 보여준다. 이는 스트립된 배기가스가 대기로 직접 배출되는 원 스탭 시스템을 의미한다. 상기 장치는 이전에 서술된 다른 시스템으로부터 전달된 사전-농축된 기체 혼합물(10% 이상의 CO₂ 농도와 같이)의 최종 농축의 마지막 단계로 사용될 수 있다. 물은 낮은 에너지 소비로 순환에 의해 구동된다.

도 10은 단계적 제거를 보여준다. 기체의 용해도의 차이점으로 인해 상이한 기체는 다른 압력에서 버블을 형성할 것이고 기체는 유사한 온도 그러나 압력이 다름을 이용하여 증류될 수 있다.

또 다른 실시예에서, 시스템은 이미 바닷물에 용해된 CO₂를 포획한다. 상기 실시예는 파력(wave force)을 이용하여 수력으로 작동되는 시스템을 포함할 수 있다. 2개의 피스톤을 갖는 컨테이너는 물로 채워지고 표면 바로 아래에 수몰된다. 파력은 최상단의 피스톤을 구동하기 위해 사용되고, 두 번째 피스톤은 예를 들어 CO₂ 농도가 약 1.5 g/m³인 30 m부터의 깊은 물을 펌핑한다. 그 후 물은 표면과 상기 깊이 사이를 순환한다. 이는 1 년에 150만 웨이브로 1 m의 파고(wave height)로 펌프 부피 m³ 당 2톤 이상의 CO₂이다(노르웨이해의 평균은 3m이다). 압력의 차이로 인해 상기 기체는 주로 스트립핑되고, 공정의 다음 단계로 보내질 수 있다. 상기 깊이의 차가운 물은 표면에서 배출될 수 있고 그 후 표면수를 CO₂가 풍부하도록 하고 다시 하부로 내려간다. 스트립핑된 대기는 높은 함량의 O₂를 가질 것이고, 이는 주변 대기보다 거의 2 배일 것이다. 이것이 기체 발전소에 사용된다면, 연소 공정은 보다 더 효과적이고 연도기체 연소에 있어서 다른 장점이 있다.

또 다른 실시예에서, 시스템은 배기가스를 파이프라인으로부터 전달된 발전소로부터 근해로 공급한다. 파도 구동 유압 시스템은 배기가스를 압축하고 도 9에 기술된 시스템으로 공급한다. 파도 구동 유압 시스템은 반대 스트림의 물을 기체-주입으로 펌핑한다. 재생에너지 파 공기 펌프의 예는 대기를 감압하기 위하여 파동에너지를 이용하는 US7391127에 있다. 그러나 이러한 펌프는 재생에너지를 만들고 배기가스로부터 CO₂를 포획하지는 않도록 설계되었다.

또 다른 실시예에서, 피오르드가 천연 저수지이고 입구를 가로질러 압력 차이가 사용될 수 있는 피오르드의 입구가 사용된다.

연도기체는 수력발전 설비로 사용되는 고도의 저수지 또는 호수로 파이프로 보내질 수도 있다. 포획된 기체를 함유하는 물은 수력 터빈으로 내려가는 파이프로 공급되고, 여기서 CO₂는 터빈으로 향하는 물의 흐름으로부터 방출된다. 터빈은 시스템의 상부에 위치할 수 있어서 기체가 파이프로 나올 수 있다. 여러 단계를 만드는 하나 또는 그 이상의 중간 저장고가 있을 수 있다.

특히 항양선(seagoing vessel)에 유용한 두 실시예에 있어서, 약 13%의 CO₂를 함유하는 연도기체가 다음 중 하나 또는 그 이상을 이용하여 본 발명의 시스템으로 공급한다:

1. 밸러스트 물 탱크. 이는 연도기체로부터 CO₂ 포획과 미생물 및 조류(algae)를 감소시키거나 죽이는 것과 결합될 것이다.

2. 화물 및 연료 탱크는 오늘날의 질소 기반 시스템을 대신하여 이를 탄화수소 위를 통과하는 카펫으로 사용하여 포획된 CO₂를 저장하는데 사용될 수 있다.

NOx 및 미립 물질이 더 동일한 시스템으로 포획될 수 있다. 선내 시스템은 또한 연료전지, 또는 어업 산업 또는 다른 냉각 목적으로 사용될 수 있는 동결 CO₂에 메탄올의 생성을 포함할 수 있다.

다른 실시예에서, 배기가스 또는 연도기체는 몇 센티미터의 두께의 물층을 갖는 챔버로 공급된다. 물층은 테플론 또는 CO₂ 선택적 투과막으로 만들어진 막 상에 위치한다. 압력은 막의 물 쪽이 더 높고 물에 포획된 CO₂는 그 후 막을 통과하여 막의 아래에 있는 제 2 챔버로 방출된다. 이 원리는 수력 발전 설비의 저수지로부터 파이프 내부에 또는 강, 조류(tidal stream) 또는 압력을 변화시키기 위하여 파도를 이용하는 구조 내부에 사용될 수 있다. 이러한 구조는 예를 들어 성장 사이클에 CO₂를 사용하는 식물 또는 조류(algeas)와 같은 바이오 매스 생산과 결합될 수 있다.

또 다른 실시예에서, 시스템은 기체 주입을 위해 벤투리와 함께 하나 또는 그 이상의 파이프를 사용한다. 그 후 산소 및 질소가 방출되고 제거되는 하나 또는 그 이상의 큰 캐비티를 사용한다. 여기서 원리는 높은 압력하에서 CO₂를 주입하고 낮은 압력하에서 다른 기체를 제거하기 위해서이다.

또 다른 실시예에서, 공정은 연도기체로 분사되는 에어로졸 형태의 액체를 사용하여 보충된다. 액적의 형성은 액적의 코어가 주어진 형태의 나노입자가 되도록 나노입자를 사용함으로써 조절될 수 있다. 에어로졸은 외부 대기 또는 굴뚝에서 사용될 수 있다. 굴뚝의 하부에의 압력은 같은 고도에서 외부 대기의 압력보다 낮기 때문에 제 1 단계는 대기보다 낮은 압력에서 수행될 수 있다.

다른 실시예는 하나 또는 그 이상의 포획 공정 단계에서 사용될 수 있고 결합될 수 있다.

본 발명을 이용한 소규모의 모듈 구현은 유용한 데이터를 제공하기 위하여 설치된다. 장치는 약 10 cm의 직경 및 10 m의 높이의 수직 튜브이다. 장치는 75 리터의 물을 함유한다. 장치는 물로 채워지고 하부 및 상부에서 압력을 생성하고 압력을 유지하기 위하여 열릴 수 있다. 기체를 주입하기 위하여 튜브의 하부에 주입구가 있다. 이는 실험용 주사기의 80 바늘침을 갖는 장치이다. 이러한 주사기는 다른 농도의 CO₂를 함유하는 다른 형태의 기체를 공급한다. 주입된 기체는 튜브 내에서 상승한다. 상승하는 동안 버블은 압력 차이 및 다른 버블과의 충돌로 인해 커진다. 버블의 크기는 상승 속도를 결정한다. 기체는 버블의 표면을 통해서 물로 흡수된다. 장치의 물 내의 버블의 상승 시간은 30 내지 40 초이다. 버블이 상부에 도달할 때, 기체는 재순환되거나 또는 대기로 방출될 수 있다. 기체가 충분한 시간 동안 물에 노출되는 경우, 장치의 흡수 단계는 종결된다.

모듈은 기체가 용이하게 흡수되고 1 분 보다 짧은 노출은 상당한 CO₂의 농도를 감소시킨다. CO₂ 기체는 그러나 주로 장치가 완전히 조이지 않고 압력 스윙이 수행되지 않기 때문에 물을 빠져나가기가 더 어렵다.

가스 방출 속도를 증가시키기 위한 몇몇 방법이 구현되었다. 초음파 장치의 사용은 물에 용해되어야 할 기체의 이론적 양은 거의 양적으로 스트리핑될 수 있음을 보여준다. CO₂의 농도는 초기 4 %에서 30 % 이상까지(측정에 사용된 드래거 튜브(Drager tube)로 CO₂ 측정의 상한값이다) 다양하다.

용해 속도는 1 m² 주입 면적에 대해 계산된 1 초 당 약 15 리터의 기체이다. 이는 몇 배 향상될 수 있다(캐비티 디스크 주입을 사용하여)- 그러나 기체 발전소로부터의 배기가스가 420　000 리터/s으로 증가된 이 수도 약 6 개의 축구장의 면적 중 하나 이상의 주입 면적을 요구하지 않는다. 이는 현재 아민 스크러버(scrubber) 기술이 발전소의 배기가스 파이프에 가까운 공간을 요구하는 면적과 비교된다. 30 초의 반응시간은 꽤 큰 버블 크기(4mm)로 하였다. 4% CO₂를 함유하는 기체는 약 1 분의 접촉 시간 후에는 1% 이하였다. 짧은 접촉 시간은 흡수제로 사용되는 물의 총량과 직접적으로 비례하고 따라서 챔버의 크기에 직접적으로 비례한다.

Claims

i) 표적 기체에 대한 용해도가 기체 혼합물에 존재하는 다른 기체에 대한 용해도 보다 더 높은 액체에 기체 혼합물을 공급되는 단계;
ii) 용해된 기체가 상기 액체로부터 방출되고, 방출된 기체는 새로운 기체 혼합물을 구성하는 단계;
iii) 표적 기체에 대한 용해도가 상기 새로운 기체 혼합물에 존재하는 다른 기체에 대한 용해도 보다 더 높은 액체를 포함하는 컨테이너에 상기 새로운 기체 혼합물을 공급하는 단계를 포함하고,
상기 단계 ii) 및 iii)은 상기 새로운 기체 혼합물 내의 표적 기체의 농도가 액체 내의 예정된 수치가 될 때까지 반복되는 연도기체 혼합물에 존재하는 표적 기체를 포획하고 농축하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 표적 기체는 이산화탄소인 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 표적 기체는 액체를 감압할 때 방출되는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 액체는 물, 바닷물, 염수 또는 담수인 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
적어도 하나의 컨테이너 내의 압력은 2 atm을 초과하는 방법.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 컨테이너는 물 속에 수몰되어 위치하는 방법.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
화학적 첨가, 초음파 장치, 캐비테이션 디스크 및 선택성 막 중 하나 또는 그 이상이 용해 공정 또는 스트리핑 공정을 촉진하기 위하여 사용되는 방법.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
표적 기체 이외의 다른 기체는 단계적으로 스트리핑되는 방법.
제 2 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
예정된 수치의 표적 기체를 함유하는 액체는 심해 퇴적물로 전달되는 방법.
제 2 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 이산화탄소는 재생산 에너지원으로부터 포획되고 다음 단계에서 메탄올과 같은 바이오-연료를 생산하기 위하여 사용되는 방법.
i) 표적 기체에 대한 용해도가 상기 대기에 존재하는 다른 기체에 대한 용해도 보다 더 높은 액체에 대기를 공급되는 단계;
ii) 용해된 기체가 액체로부터 방출되고, 방출된 기체는 새로운 기체 혼합물을 구성하는 단계;
iii) 표적 기체에 대한 용해도가 상기 새로운 기체 혼합물에 존재하는 다른 기체에 대한 용해도 보다 더 높은 액체를 포함하는 컨테이너에 상기 새로운 기체 혼합물을 공급하는 단계를 포함하고,
상기 단계 ii) 및 iii)은 상기 새로운 기체 혼합물 내의 표적 기체의 농도가 액체 내의 예정된 수치가 될 때까지 반복되는 대기에 존재하는 표적 기체를 포획하고 농축하는 방법.
표적 기체에 대한 용해도가 연도기체 혼합물에 존재하는 다른 기체에 대한 용해도 보다 더 높은 액체를 포함하는 다수의 컨테이너를 포함하고, 상기 컨테이너는 연도기체를 공급하는 수단으로, 상기 컨테이너 내의 기체 혼합물을 방출하는 수단으로, 및 상기 방출된 표적 기체를 운반하는 수단으로 기체 혼합물을 그 결과 상기 컨테이너로 공급할 수 있도록 배열되는, 연도기체 혼합물에 존재하는 표적 기체를 포획하고 농축하는 시스템.
제 12 항에 있어서, 상기 액체에 화학적 첨가, 초음파 장치의 사용, 캐비테이션 디스크 또는 선택성 막 중 하나 또는 그 이상을 포함하는 시스템.
제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
적어도 하나의 컨테이너는 물 아래 수몰되어 위치하는 시스템.
제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 컨테이너는 밸러스트 물 탱크, 화물 탱크 및 연료 탱크 중 하나 또는 그 이상인 시스템.
제 12 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 액체는 물이고 상기 표적 기체는 이산화탄소인 시스템.
표적 기체에 대한 용해도가 대기에 존재하는 다른 기체에 대한 용해도 보다 더 높은 액체를 포함하는 다수의 컨테이너를 포함하고, 상기 컨테이너는 상기 컨테이너 내의 기체 혼합물을 방출하는 수단으로, 및 상기 방출된 표적 기체를 운반하는 수단으로 기체 혼합물이 그 결과 상기 컨테이너로 공급되도록 배열되는, 대기에 존재하는 표적 기체를 포획하고 농축하는 시스템.
제 12 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 이산화탄소는 재생산 에너지원으로부터 포획되고 다음 단계에서 메탄올과 같은 바이오-연료를 생산하기 위하여 사용되는 시스템.