KR20120110122A - 포집 매질의 재생방법 - Google Patents

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스코트 알렉산더 훔
아그네스츠카 마그달레나 쿠진스카
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두산 파워 시스템즈 리미티드
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Abstract

본원에서는 흡수된 가스 풍부한 포집 매질, 예컨대, 흡수 용액의 재생 및 그로부터의 흡수된 가스의 회수를 위한 장치 및 방법, 가스 스트림으로부터의 표적 가스의 제거 및 회수를 위한 장치 및 방법, 및 화력 발전소 상에서의 연소후 탄소 포집을 위한 상기 장치 및 방법의 사용을 기재하고 있다. 그러한 장치 및 방법은 재생 가열 공정에 유용하다. 그러한 장치 및 방법은 가열 공정을 위한 열 에너지의 공급원으로서 CRH 스팀을 사용함에 명백한 특징이 있다.

Description

포집 매질의 재생방법{REGENERATION OF CAPTURE MEDIUM}
본 발명은 흡수/흡착 및 그와 유사한 공정에 의해서 가스 상으로부터 구성성분을 제거하기 위한 산업 공정에서 사용되는 유형의 포집 매질의 재생을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 예를 들어, 용액 흡수 및 재생 공정을 통해서 가스 상으로부터 이산화탄소와 같은 산 가스를 제거하고 포집하기 위해서 사용되는 매질의 재생에 관한 것이다. 본 발명은 특히 재생 공정 동안의 흡수 용액의 재생에 관한 것이다. 본 발명은 특히, 새로운 시설로서 및 기존의 포집 시스템 내로의 새로운 장착 둘 모두의 경우에, 탄소성 화석 연료에 의해서 작동되는 화력 발전소의 연도가스로부터 CO2를 제거하기 위한 수성 흡수 및 재생 시스템에 적용하기에 적합하다.
오늘날 세계적으로 사용되는 대부분의 에너지는 화석 연료, 예컨대, 석탄, 오일, 및 천연 가스의 연소로부터 유래된다. 연소후 탄소 포집(Post-combustion carbon capture (PCC))은 전력 공급원으로서 화석 연료 연소를 이용하는 화력 발전소와 같은 대규모 배출물 공급원으로부터 CO2를 포집함으로써 화석 연료 연소 배출물의 효과를 완화시키는 수단이다. CO2는 대기중으로 방출되지 않지만, 적합한 흡수제에 의해서 연도 가스로부터 제거되고 대기로부터 분리되어 저장된다. 유사한 원리가 공정후 CO2를 포집하기 위해서 적용될 수 있는 다른 산업 공정은 공정 사이클에서 생성되는 CO2의 제거, 예를 들어, 암모니아의 생산 동안의 공정 흐름으로부터의 CO2의 제거, 천연 가스 공급물로부터의 CO2의 제거 등을 포함한다.
CO2는, 예를 들어, 화력 발전소의 연도가스인 가스 상으로부터, 액체 상, 전형적으로는 수용액의 흡수제의 형태인 포집 매질에 반대 방향으로 가스가 흐르는 컬럼을 통해서 가스를 통과시킴으로써 흡수에 의해서 분리될 수 있다. 그러한 공정은 때로는 습식 스크러빙으로 일컬어진다. 공지된 흡수제는 물 중의 하나 이상의 아민을 포함한다.
가스는 실질적으로 모든 이산화탄소를 흡수 용액으로 제거하도록 최적화된 압력 및 온도 조건하에 흡수 용액을 통과한다. 정화된 가스는 흡수 컬럼의 상부에서 배출되며, 이어서, 필요한 경우, 추가의 처리를 위해서 유도된다. CO2가 풍부한 흡수 용액은 흡수 컬럼의 하단부에서 배출되어 스트리핑 공정(stripping process)에 가해져서 CO2를 분리하고 흡수 용액을 재생시킨다.
이를 수행하기 위해서, CO2 풍부한 용액이 가스의 회수 및 용액의 재생을 위한 적합한 장치에 통과된다. 전형적으로, 이러한 공정은, 예를 들어, 연속적인 재가열 사이클을 통한 및, 예를 들어, 리보일러(reboiler)에 의한 용액의 재생 가열을 포함한다. CO2 풍부한 용액은, 예를 들어, 재생 컬럼에 도입되고, 압력 하의 비점이거나 그 근처일 수 있는 고온에서 유지된다. 리보일러에 LP 터빈 시스템으로부터의 일정 비율의 스팀을 공급함으로써 화력 발전소와 관련하여 시스템이 사용되는 경우에, 리보일러에 필요한 열이 전형적으로는 얻어진다. 더 높은 온도에서는, 용액은 흡수된 CO2를 방출할 것이다. 재생된 용액은 흡수 컬럼에서의 재사용을 위해서 배출될 수 있다. 스트리핑된 CO2를 함유하는 및 또한 전형적으로는 수증기 및 용매 증기를 포함하는 증기가 재생 컬럼의 상부에서 방출되며 증기를 응축시키는 응축기 시스템을 통해서 통과하고, 액체를 재생 컬럼에 반송시킨다. 이어서, 방출된 CO2는 예를 들어 격리를 위해서 수집될 수 있다.
고체 매질이 또한, 적절한 경우, 표적 가스가 수동 캐리어 상의 활성종으로서 형성된 고형상 포집 매질에 의해서 또는 직접적인 활성이 있는 고형물을 통해서 선택적으로 흡착/흡수되는 경우의 적용에 고려될 수 있다. 아민 또는 유사한 화학물질을 기반으로 하는 일부 탄소 포집 시스템이 용액 대신 고체 캐리어 상의 활성 흡수제를 안정화시킨다. 고형 지지체, 예컨대, 활성탄, 제올라이트 또는 그 밖의 미세하게 분쇄된 알루미나, 실리카, 지르코니아 또는 이들의 조합물 상에 보유된 고정된 아민 또는 다른 CO2-결합 물질에 의한 사이클 흡착/탈착 공정의 사용을 기반으로 하는 고형 흡착제 포집 시스템은 가능한 차세대 탄소 포집 기술로서 보여진다. 일반적으로, 유사한 원리가 그러한 고체 포집 매질의 재생에 적용되는 것이 가능할 듯하다.
상기 기재된 바와 같은 공지된 흡수 및 회수 장치의 개략도가 도 1에 도시되어 있다.
상기 기재된 기존의 흡수 및 회수 공정과 관련된 문제는 그러한 공정이 매우 고가일 수 있다는 것이다. 에너지 요건은 리보일러에 요구되는 열 때문에 크게 상승하고 있다. 화력 발전소에 대한 적용에서, 요구된 리보일러 열은 순수한 열 생산을 15% 이상만큼 감소시킬 수 있다.
증기/CO2 스트림으로부터 유용한 열을 회수하기 위하여 증기 재압축을 이용함으로써 공정의 에너지 효율을 개선시키는 것이 공지되어 있다. 재생 컬럼으로부터의 증기/CO2 스트림은 압축되고 이어서, 리보일러를 위한 열을 제공하도록 사용된다. 그러한 변형을 통합하고 있는 흡수 및 회수 장치의 개략도가 도 2에 도시되어 있다.
그러나, 화력 발전소에서의 전형적인 구성에서, 증기 재압축으로부터 전달되는 열은 전체 리보일러 요구에 불충분하다. 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 시스템은 부족함을 충족시키기 위해서 일부 LP 스팀을 여전히 필요로 하고 있다.
본 발명에 따르면, 첫 번째 양태로, 포집된 표적 가스가 풍부한 포집 매질, 예컨대, 흡수된 가스 풍부한 흡수 용액의 재생 및 그로부터의 포집된 가스의 회수를 위한 장치로서,
공정 공간을 한정하는 격납 구조물(containment structure);
포집된 가스 풍부한 포집 매질을 공정 공간으로 통과시키기 위한 공급 도관;
가스 풍부한 포집 매질을 가열하여 포집된 가스가 가스 풍부한 증기 상으로 해리되게 하기 위한, 공정 공간에 유체 소통 가능하게 연결된 응축 가열 수단;
공정 공간으로부터의 증기 유출물을 수용하고 이를 압축하기 위한, 공정 공간에 유체 소통 가능하게 연결된 증기 재압축 시스템;
유출물 압축된 증기를 가열 수단에 그에 대한 열 에너지 공급원으로서 공급하기 위한 압축된 증기 공급 도관;
화력 발전소로부터의 저온 재열 스팀을 수용하기 위한 수용 도관, 추출 작업을 하기 위한 증기 압축 시스템을 구동시키고 저온 재열 스팀의 압력을 감소시키도록 배치된 역압 터빈(back pressure turbine), 및 생성된 저압 스팀을 가열 수단에 이에 대한 열 에너지의 추가 공급원으로서 전달하기 위한 전달 도관을, 직렬로 유체 소통 가능하게, 포함하는 가열 수단을 위한 열 에너지의 제 2 공급원을 포함하는 장치가 제공된다.
따라서, 본 발명의 장치는 포집 매질, 바람직한 경우에는, 흡수 용액의 재생을 위한 장치이며, 이의 대부분의 양상은 종래 기술과 유사할 것이다.
이해하게 되는 바와 같이, 본 발명의 장치는 앞서 포집 매질과 회합된 표적 가스 종의 제거에 의한 포집 매질의 재생을 위한 장치를 포함하며, 여기서, 표적 가스 종은, 예를 들어, 적합한 포집 장치에서 먼저 포집 매질과 회합되고, 그러한 포집 장치에서는 표적 가스를 함유하는 가스 상이 포집 매질을 통해서 흐른다. 포집 매질은 그러한 목적에 적합한 어떠한 매질일 수 있다. 포집 매질은, 물리적 또는 화학적 흡수, 또는 흡착 등의 공정을 통해서, 표적 가스와 회합하기 위한, 특히, 제 1의 낮은 공정 온도에서는 회합하고 제 2 의 높은 공정 온도에서는 해리되는 경향을 나타내기 위한 선택적 특이성을 지닌 어떠한 매질일 수 있다. 따라서, 포집 매질은 가열에 의해서 포집된 표적 가스를 회수하도록 재생될 수 있다.
포집 매질은 표적 가스를 함유하는 가스 상이 그러한 매질을 통해서 흐르게 하는 어떠한 상태, 예컨대, 고체, 유동화된 고체 또는 액체 상태일 수 있다. 포집 매질은 표적 가스와 본질적으로 회합할 수 있는 물질일 수 있거나, 그렇게 회합할 수 있는 활성 성분과 수동 캐리어의 컴파운드 구조물(compound structure)을 포함할 수 있다.
바람직한 경우에, 포집 매질은, 예를 들어, 습식 스크러버로부터의 흡수 용액이다. 그러한 시스템의 대부분의 양상은 종래 기술과 유사할 것이다. 이하 논의되는 본 발명은 그러한 흡수 용액을 위한 시스템에 적용되지만, 이는 단지 본 발명이 적용될 수 있는 가능한 시스템 및 포집 매질의 예이다. 따라서, 예를 들어, 흡수 용액의 참조는 유사한 방식으로 포집된 표적 가스를 회수하기 위해서 재생 가능한 다른 포집 매질에 일반적으로 적용 가능한 것으로 이해될 것이다.
그러한 경우에, 격납 구조물은 예를 들어, 수직으로 배치된 기다란 컬럼인 공정 공간을 한정한다. 예를 들어, 적합한 흡수 컬럼으로부터의, 흡수된 표적 가스가 풍부한 흡수 용매를 포함하는 용액이, 예를 들어, 재생 컬럼의 상부를 향해서, 공정 공간 내로 통과된다. 컬럼은 바람직하게는 높은 표면적의 분리 구조물을 함유한다.
예를 들어, 컬럼의 바닥에서, 공정 공간을 빠져나오는 용액은 반복적인 사이클 가열 및 예를 들어, 익숙하게 될 방식으로 가열 수단에 의한 리보일링 공정에 가해진다. 따라서, 가열 수단은 전형적으로는 리보일러, 예컨대, 응축 리보일러를 포함한다.
이러한 공정의 결과는 흡수된 가스가 용액으로부터 해리되게 하는 경향을 유발시키고, 예를 들어, 컬럼의 상부에서 공정 공간으로부터 배출될 수 있는 흡수된 가스 풍부한 증기 상(예를 들어, 수증기 및 용액 증기를 추가로 포함함) 및 흡수 시스템에서의 재사용을 위해서 제거될 수 있는 린 재생 용액(lean regenerated solution)의 생성을 유도한다는 것이다. 그러한 배열은 일반적으로 종래 기술과 유사할 것이다.
본 발명은 명백하게는 에너지, 특히 바람직한 경우에는, 가열 수단을 구동시키기에 필요한 실질적으로 모든 에너지를 공급하기 위해서 사용되는 두 개의 열 에너지 공급원에 특징이 있다.
먼저, 회수된 앞서 흡수된 가스가 풍부한 증기 스트림은 하나 이상의 압축기를 포함하는 증기 재압축 장치에서 압축된다. 이러한 공정에 의해서 회수된 열은 이의 열 에너지 요구 중 일부를 공급하는 가열 수단으로 전달된다.
그러한 배열 단독은 공지되어 있다. 그러나, 이는 전형적인 리보일러의 전체 요구를 충족시키기에는 불충분하다. 종래 기술 시스템에서, 증기 재압축 방법은 리보일러을 위한 에너지를 제공하기 위해서 요구된 LP 스팀의 양을 감소시킬 수는 있지만, 이를 대체할 수는 없다. 실질적인 LP 스팀 에너지의 양은 여전히 요구된다.
본 발명은 명백하게는 적어도 부분적으로 나머지 LP 스팀 대용으로 저온 재열(cold reheat (CRH)) 스팀을 추가적으로 사용하는 것이 특징이다. 본 기술분야에서 잘 이해되는 바와 같이, 저온 재열 스팀은 고압 터빈, 예를 들어, HP/IP/LP 시스템의 HP 터빈으로부터의 배출 스팀을 포함하는데, 그러한 배출 스팀은 시스템에서 다음 터빈에 대한 공급을 위한 조건으로 재가열되기 전에 재가열 스트림으로부터 전환된다. CRH 스팀은 통상적으로 사용되는 LP 배출물보다 더 고압이며, 추출 작업을 하고 CRH 스팀의 압력을 감소시키기 위한 수단을 포함하는 압력 감소 수단을 통해서 통과된다. 추출 작업을 하기 위한 수단은 증기 압축 시스템을 구동시키도록 배치된 역압 터빈의 형태의 증기 압축 시스템을 위한 드라이브(drive)를 포함한다. 따라서, CRH 스팀은 두 가지 기능을 제공한다. 첫 번째로, 이는, 예를 들어, 적합한 기계적으로 연결된 구동 수단에 의해서, 증기 압축 장치를 구동시키도록 사용되는 역압 터빈을 통해서 증기 재압축 공정을 구동시키기에 유용한 기계적 작업을 제공한다. 두 번째로, 유출물로서 생산되는 생성된 저압 스팀은 열 에너지의 추가적인 공급원으로서 가열 수단에 공급된다.
증기 재압축 단독으로 공급될 수 없는 열 에너지 부족분의 적어도 일부, 바람직하게는 대부분, 특히 바람직하게는, 실질적으로 전부를 공급하기 위해서 이러한 방식으로 CRH 스팀을 사용하는 것은 LP 시스템으로부터의 스팀을 사용할 필요성을 실질적으로 감소시키고, 바람직한 경우에는, 그러한 필요성을 근본적으로는 제거할 수 있다. 이는 각각의 스트림을 적절한 조건에서 가열 수단에 전달하도록 CRH 스팀 및 증기 재압축 둘 모두를 특징적으로 조합하기 때문에 달성된다.
그러한 이중 전달 시스템의 이점은 하기 이점 중 하나 이상을 포함한다.
리보일러에 대한 요망되는 열의 입력을 균형되게 하는 능력이 있다(즉, 증기 재압축으로부터의 열 입력과 저온 재열을 균형되게 함).
플랜트가, 예를 들어, IP/LP 크로스오버(crossover) 시의 큰 압력 유지 밸브에 대한 필요를 제거하거나 클러치 배열을 지닌 특수 LP 터빈이 요망되는, 화력 발전 설비의 터빈 시스템 내로 더 용이하게 통합될 수 있다.
공정으로부터 전달된 가스는 더 상승된 압력(예를 들어, 5bar)으로 되는 경향이 있어서, 하류 압축 파워 요건이 감소될 수 있다.
장치는 추가로 가열 수단의 하류에 환류 응축기를 포함할 수 있다. 환류 응축기는 열을 가열 수단에 대해서 거부하도록 설치될 수 있기 때문에, 냉각수 요구가 감소될 수 있다.
가열 수단은, 예를 들어, 친숙한 응축기 리보일러이다. 또한, 친숙한 바와 같이, 이는 컬럼의 바닥을 향해서, 예를 들어, 출구를 통해서, 공정 공간을 통해 통과하는 용액을 수용하고, 그러한 용액을 재비등시키도록 배치된다. 본 발명은 명백하게는 리보일러를 위한 에너지가 적어도 대부분 증기 재압축에 의해서 HP 터빈 시스템으로부터의 CRH 스팀으로부터 유래된 저압 스트림으로부터 공급되는 것이 특징이다. 이는 LP 터빈 시스템으로부터의 스트림에 대한 필요를 상당히 감소시키거나 제거할 수 있다. 따라서, 바람직한 경우에, 재생 장치는 LP 터빈 시스템으로부터의 어떠한 스팀 공급의 부재가 추가로 차별될 수 있으며, 그러한 스팀 공급은 HP 터빈 시트템으로부터의 CRH 스팀으로 제한된다.
증기 재압축 장치는 단일의 압축기를 포함할 수 있다. 임의로, 복수의 압축기가, 예를 들어, 직렬로 제공되어, 증기를 압축할 수 있다. 증기는, 예를 들어, 2 내지 20 bar 또는 필요한 경우, 그 초과로 압축된다.
장치는 통상적으로는 압축된 증기 상으로부터의 용액 증기를 응축시키고 회수하기 위한 응축기를 포함한다. 도관 수단이 증기 상으로부터 응축된 회수 용액을 시스템내의 어떠한 적합한 지점에 그리고, 예를 들어, 다시 격납 구조물내로 공급하도록 제공될 수 있다.
장치는 통상적으로는 증기 상으로부터의 수증기를 응축시키고 회수하기 위한 응축기를 포함한다. 도관 수단은 회수된 물을 시스템내의 어떠한 적합한 지점에 전달하도록 제공될 수 있다.
생성되는 유출물은 후속 저장에 적합한 실질적으로 순수한 표적 가스 상, 예를 들어, 실질적으로 순수한 CO2 가스 상이다. 더욱 완전한 시스템에서, 장치는, 예를 들어, 상기 기재된 바와 같은 임의의 추가의 응축 냉각 수단을 통해서, 임으로 탈수 장치를 통해서, 응축 가열 수단에 의해서 생성된 가스 상을 저장을 위한 압축 시스템에 전달하기 위한 도관을 유체 소통가능하게 직렬로 추가로 포함할 수 있다. 바람직한 경우에, 회수된 가스가 CO2인 경우, 그러한 시스템은 저장을 위한 98% 초과 순도의 CO2를 생성시키는 것으로 공지되어 있다.
재생 장치는, 특히, 흡수 장치, 예컨대, 공급원 가스 스트림으로부터의 표적 가스를 적합한 포집 매질, 예컨대, 흡수 용액 내로 흡수시키고, 포집 매질의 재생과 그로부터 흡수된 표적 가스의 회수를 위한 본 발명의 제 1 양태의 재생 장치에 후속 전달될 수 있는 표적 가스 풍부한 용액을 생성시키기에 적합한 흡수 컬럼과 함께 사용하기 위한 것이며, 바람직하게는 그와 함께 사용하기 위해서 개조된다.
바람직하게는, 상기 기재된 바와 같은 하나 이상의 재생 장치가 하나 이상의 그러한 흡수 장치와 함께 사용을 위해서 제공되며, 그리고, 예를 들어, 그러한 흡수 장치의 하류에 유체 소통가능하게 직렬로 제공된다.
따라서, 본 발명의 더욱 완전한 제 2 양태에서, 공급원 가스 스트림으로부터의 표적 가스의 제거를 위한 장치는 본 발명의 제 1 양태에 따라서 재생 장치의 상류에 유체 소통가능하게 연결된 흡수 장치를 포함한다. 흡수 장치는 특히 공급원 가스 스트림으로부터의 표적 가스를 적합한 포집 매질, 예컨대, 흡수 용액내로 흡수시키는 수단을 포함하고, 예를 들어, 표적 가스가 흡수 용액내로 통과되고 흡수되게 하도록 흡수 용액과 공급원 가스 스트림을 역류로 흐르게 하는 수단이다. 즉, 예를 들어, 흡수 장치는 친숙한 흡수 컬럼 또는 습식 스크러버 컬럼을 포함한다.
그러한 흡수 컬럼은, 예를 들어, 격납 용기, 및 예를 들어, 질량 전달을 위한 표면적을 최대화하기 위한 구조화된 패키징의 다중 섹션(multiple section)을 함유하는 수직 격납 용기를 포함할 수 있다. 가스 스트림 유입구 수단은, 예를 들어, 컬럼의 바닥을 향해서 제공되어, 표적 가스를 포함한 가스 스트림을 유입시킬 수 있다. 용액 공급 수단은, 예를 들어, 컬럼의 상부를 향해서 제공되어, 그에 린 흡수 용액(lean absorption solution)을 제공할 수 있다. 가스 스트림은 컬럼을 통해서 상향으로 흐르면서, 흡수 용액은 역으로 하향으로 흐른다. 표적 가스는 흡수 용액에 흡수되며, 표적 가스 풍부한 흡수 용액이, 예를 들어, 컬럼의 바닥에서, 배출된다. 리치 흡수 용액 출구(rich absorption solution outlet)가 바람직하게는 이러한 목적으로 제공된다.
장치는 바람직하게는 리치 흡수 용액 출구를 본 발명의 제 1 양태의 재생 장치의 리치 흡수 용액 입구(rich absorption solution inlet)에 연결하는 리치 흡수 용액 도관을 포함한다. 장치는 바람직하게는 재생된 린 흡수 용액을 재생 장치로부터 흡수 장치의 흡수 용액 입구에 전달하는 린 흡수 용액 도관을 추가로 포함한다. 린 흡수 용액 도관은 재생 용액을 리보일러에서 배출되는 때의 고온에서 흡수 공정에 더욱 적합한 저온으로 냉각시키기 위한 용액 냉각 수단을 포함할 수 있다.
표적 가스는 바람직하게는 산 가스이고, 특히 CO2이다. 바람직한 흡수 용액은 적합한 흡수 시약의 수용액을 포함한다. 가스 스트림으로부터의 CO2의 회수를 위한 시스템은 잘 확립되어 있으며, 적합한 화학약품 및 흡수 시약이 널리 공지되어 있다. 용액은, 예를 들어, 모노에탄올아민 또는 메틸-디에탄올-아민을 포함하지만 이로 한정되는 것이 아닌 하나 이상의 수성 아민을 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명은 가스 풍부한 흡수 용액이 표적 가스와 린 용액(lean solution)을 회수하기 위해서 열적으로 재생되는 어떠한 공정에 적용되는 화학에 의해서 한정되지 않는다.
본 발명의 특별히 통상적인 적용에서, 공급원 가스 스트림은 탄소질 연료의 연소를 위한 연소 장치로부터의 연도 가스, 예컨대, 화력 발전소로부터의 연도 가스이다.
본 발명의 더욱 완전한 제 3 양태에 따르면, 탄소질 연료를 연소시키고 스팀을 생성시키는 연소 수단, 하나 이상의 고압(HP) 터빈 시스템 및 하나 이상의 저압(LP) 터빈 시스템, 및 임으로, 추가의, 예를 들어, 중간 압력(IP) 터빈 시스템(들); 본 발명의 제 1 양태에 따른 재생 장치 또는 그러한 재생 장치를 포함한 본 발명의 제 2 양태에 따른 가스 제거 장치; 화력 발전소의 HP 터빈 시스템의 스팀 배출물로부터의 저온 재열 스팀을, 예를 들어, 재생 장치의 역압 터빈인 작업 추출/압력 감소 수단에 공급하기 위한 도관 수단을 포함하는 화력 발전소가 제공된다.
본 발명의 이러한 양태에 따른 화력 발전소는 명백하게는 증기 재압축과 CRH 스팀의 조합이 가열 수단에 열 에너지를 제공하기 위해서 사용된다는 것이 특징이다. 이는 통상적으로 사용되는 LP 스팀을, 바람직한 경우에는, 완전히 대체할 수 있다. 따라서, 바람직한 경우에, 발전소는 LP 터빈 시스템으로부터 재생 장치로의 어떠한 스팀 공급의 부재에 의해서 추가로 차별될 수 있다.
발전소는 임의로 공급 가스 스트림으로서 연소 장치로부터의 연도 가스를 본 발명의 제 2 양태의 제거 장치에 직접적으로 공급하기 위한 유체 소통가능하게 연결된 연도 가스 출구를 추가적으로 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 제 4 양태로, 포집된 표적 가스가 풍부한 포집 매질, 예컨대, 흡수된 가스가 풍부한 흡수 용액을 재생하고 그로부터 흡수된 가스를 회수하는 방법으로서,
표적 가스 풍부한 포집 매질, 예컨대, 흡수 용액을, 특히 반복적으로, 특히, 재비등시킴으로써 가열하여 포집된 가스가 가스 풍부한 증기 상으로 해리되게 하는 단계;
증기 상을 압축하고 압축된 증기 상을 포집 매질을 가열하기 위한 열 에너지의 제 1 공급원으로서 사용하는 단계;
추가적으로, 화력 발전소로부터의 저온 재열 스팀의 공급물을 취하고, 저온 재열 스팀의 압력을 감소시키고, 앞선 단계에 따라 증기 상을 압축하기 위한 압축기를 구동시키기 위해서 역압 터빈을 통해서 저온 재열 스팀을 통과시킴으로써 앞선 단계에 따라 증기 상을 압축하기 위한 증기 압축 시스템을 구동시키도록 배치된 역압 터빈을 통해서 추출 작업을 수행하고, 생성되는 저압 스팀을 포집 매질을 가열하기 위한 열 에너지의 추가 공급원으로서 사용하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.
방법은, 특히, 재비등시킴으로써 가스 풍부한 포집 매질, 예컨대, 흡수 용액을 가열하고, 그에 의해서, 포집된 가스가 가스 풍부한 증기 상내로 해리되게 하기 위한 가열 수단을 지닌 상기 기재된 바와 같은 재생 장치를 통해서 가스 풍부한 포집 매질, 예컨대, 흡수 용액을 통과시킴을 포함하며; 여기서, 압축된 증기는 가열 수단에 열 에너지를 공급하기 위해서 사용되고; 생성되는 저압 스팀은 가열 수단을 위한 열 에너지의 추가 공급원으로서 그에 통과된다.
따라서, 상기 기재된 바와 같이, 저온 재열 스팀(CRH)은 첫째로 재압축 공정을 구동시키는 작업 공급원으로서 사용되고, 둘째로, 가열 수단의 열 에너지 요구를 보충하기 위한 회수된 열의 공급원으로서 사용된다. LP 스팀을 사용하기 위한 요건이 감소되거나 제거될 수 있다.
추가의 공정 단계는 상기 장치에 대한 설명에 의해서 이해될 것이다. 특히, 상기 방법 단계들에 의해서 재생된 가스는, 이어서, 예를 들어, 흡수 액체 증기 및/또는 수증기를 제거하기 위한 응축, 건조, 예를 들어, 후속 저장을 위한 압축/액화 단계에 주어질 수 있다.
포집을 위한 표적 가스는, 예를 들어, 산 가스, 예컨대, 화력 발전소로부터의 연도 가스와 같은 연소 가스 스트림으로부터 제거되는 CO2이다.
따라서, 본 발명의 제 5 양태에 따르면, 가스 스트림으로부터 표적 가스의 제거 및 회수를 위한 방법으로서,
예를 들어, 흡수 용액과 가스를 역류로 흐르게 하는 수단을 포함하는 흡수 장치를 통해서 가스 스트림을 통과시킴으로써, 가스 스트림의 표적 가스 성분을 포집 매질과 회합되게, 예를 들어, 흡수 용액에 의해서 흡수되게 하기 위해서, 린 포집 매질을 통해서 공급원 가스 스트림을 통과시킴으로써 공급원 가스 스트림으로부터의 표적 가스를 적합한 포집 매질, 예컨대, 흡수 용액내로 포집, 예를 들어, 흡수시키는 단계;
생성되는 표적 가스 풍부한 포집 매질을 배출시키는 단계;
본 발명의 제 4 양태에 따라서 표적 가스 풍부한 포집 매질을 처리하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.
가스 스트림은 특히 연소 연도 가스, 예를 들어, 화력 발전소 연도 가스이고, 가스는 특히 CO2이며, 방법은 특히 바람직한 경우에 연도 가스 스트림, 예컨대, 화력 발전소 연도 가스 스트림으로부터 CO2의 격리를 위한 제거 및 회수 방법이다.
그러한 방법은 일반적으로 익숙한 방법이며, 잘 확립된 기술, 장치 및 화학물질의 주제이다. 모든 양태에 따른 본 발명의 방법의 구별되는 특징은 증기 재압축을 유도하기 위해서, 그리고, 가열 수단에서 증기 재압축에 의해 공급된 열 에너지를 보충하여 LP 스팀을 사용할 필요를 감소시키거나 완전히 제거하기 위해서, CRH 스팀을 사용하는 것이다.
본 발명은 이하 도 1 내지 도 3의 첨부된 도면을 참조로 하여 단지 예시를 위해서 기재될 것이다.
도 1은 종래 기술의 흡수 및 재생 시스템의 단순 개략도이다.
도 2는 증기 재압축 능력을 포함하는 대안적인 종래 기술의 흡수 및 재생 시스템의 단순 개략도이다.
도 3은 본 발명의 원리를 포함하는 흡수 및 재생 시스템의 단순 개략도이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 흡수를 통한 연도 가스로부터의 CO2의 제거, 재생을 통한 이의 회수, 및 격리를 위한 이의 압축을 위한 전형적인 종래 기술 시스템의 일반적인 개략도이다.
연도 가스는 연도 가스 공급 도관(2) 및 연도 가스 송풍기(4)를 통해서 흡수 컬럼(10)의 하부내로 공급된다. 흡수 컬럼은 어떠한 적합한 설계이고, 예를 들어, 액체와 가스 사이의 교환 및 흡수 액체에 의한 CO2의 흡수를 위한 표면적을 최대화시키도록 구성된 구조화된 팩킹(structured packing: 6)을 함유하는 용기를 포함한다. 이는 다른 구조물, 예컨대, 통상적인 것들과 같은 세척 구조물, 데미스터(demister) 등을 포함할 수 있다.
용매는, 예를 들어, 새로운 공급물 공급원으로부터 및/또는 이하 기재된 시스템의 재생 부분에서 재생된 린 용매(lean solvent)로서, 컬럼의 상부에 도입되고, 컬럼내의 상승 연도 가스에 대해서 역류로 중력 작용하에 흐른다. 이러한 흐름이 수행됨에 따라서, CO2가 친숙한 방식으로 용매내로 흡수된다.
스크러빙된 연도 가스는 물이 세척수 공급장치(8)를 통해서 역류로 공급되는 구조화된 팩킹을 포함하는 세척 구조물을 통해서 상향으로 진행하고, 후속 처리를 위해서 데미스터(12)를 통해서 컬럼의 상부로 배출된다. CO2 풍부한 용매는 컬럼의 바닥에서 출구로 통과되고 적합한 도관을 경유하여 용매 냉각 스테이지(14) 및 린/리치 용매 교환기(16)을 통해 통과하고, 재생 컬럼(20)에 도입된다. 메이크업 서플라이(make up supply: 18)가 이 지점에서 추가될 수 있다.
리치 용매의 온도가 상승함에 따라서, 앞서 흡수된 CO2가 방출된다. 이는 CO2가 풍부한 증기 상을 생성시키고, 이는 추가적으로 일부 용매 증기를 포함한다. 증기 상은 응축기(22)를 통해서 통과되어 재생 컬럼(10)으로 반송된 용매 증기를 응축시킨다. CO2가 풍부한 생성 유출물이 압축 및 탈수 시스템(24)을 통과하고 생성된 고순도의 CO2 생성물이, 예를 들어, 격리를 위해서 처리될 수 있다. 린 용액은 관련된 화력 발전소(도시되지 않음)로부터의 LP 스팀에 의해서 가열되는 리보일러(26)를 통해서 순환된다. 재생된 린 용매가 재사용을 위해서 흡수 컬럼(10)에 반송될 수 있다.
도 1에 나타낸 시스템은 본 기술 분야에 통상적으로 공지되어 있다. 이러한 시스템은 화력 발전소에서의 연소 가스로부터의 CO2의 제거 문제에 대한 효과적인 해결방법을 나타내지만, 아주 에너지 소모적일 수 있다. 리보일러를 구동시키는 LP 스팀의 사용은 아마도 15% 이상까지 화력 발전소의 효율을 현저하게 감소시킬 수 있다.
이러한 비효율성을 어느 정도로 완화시키기 위한 배열이 도 2에 예시되어 있다.
재생 컬럼의 상류에 도 2에서 개략적으로 예시된 시스템의 일반적인 원리는 도 1의 것들과 동일하고, 가능한 한 유사한 참조 번호가 사용된다. 도 2의 장치는 컬럼의 상부로부터 제거된 증기 상이 추가로 처리되는 방식에서 상이하다. 증기 상은 증기 재압축(30)에 주어지고, 압축 및 후속 가열된 증기 상이 응축기 리보일러(36)를 통해서 통과하여 재비등 공정을 위해 요구된 열 에너지의 일부를 제공한다. 이어서, 압축된 증기 상은 응축기를 통해서 통과하여 재생 컬럼으로 반송되는 용매 증기가 제거된다. 이어서, 비교적 순수한 CO2가 추가의 압축 및 탈수 시스템(40)으로 통과된다. 그러나, CO2가 이미 증기 재압축 공정에 의해서 더 높은 압력하에 있기 때문에, 저장 전에 후속 압축에 요구된 에너지가 감소된다.
그러한 시스템은 잠재적인 증가된 효율을 제공하는 것으로 공지되어 있다.증기 재압축 공정을 통한 시스템으로부터의 에너지의 회수는 리보일러를 구동시키기 위해서 요구되는 열 에너지를 상당히 감소시킬 수 있다. 전기 에너지가 압축 장치를 구동시키기 위해서 요구되지만, 이는 여전히 전형적인 화력 발전소에서 절약하는 인지가능한 효율을 나타낼 수 있다. 전형적인 에너지 소비 특징이 예시적인 목적으로 도 1 및 도 2상에 도시되어 있다.
그러나, 도 2에 예시된 바와 같은 시스템에서, 리보일러를 구동시키기에 요구된 열 에너지의 단지 일부가 증기 재압축 공정에 의해서 제공된다. 단지 예를 들어, 가능한 열 에너지 기여도가 도면에 제시되어 있다. 주어진 예시 도면을 기반으로 하여, 요구된 192 MWth 에너지 입력의 단지 64 MWth가 제공된다. 따라서, 시스템은, 비록 감소된 양이지만, 부족분을 제공하기 위한 LP 스팀을 여전히 필요로 한다.
LP 터빈 시스템으로부터의 LP 스팀의 공급에 대한 필요를 감소시키고, 잠재적으로는 완전히 제거하는, 본 발명의 예시적인 구체예를 포함한 균등 시스템이 도 3에 개략적으로 예시되고 있다.
재생 컬럼의 상류에 있는 흡수 장치는 본 발명에 관한 것이 아니며, 통상의 장치일 수 있고, 도 1 및 도 2에 도시된 장치와 동일할 수 있고, 가능한 경우 유사한 참조 번호가 사용된다. 본 발명은 두 가지 양태에 특징이 있는데, 첫째로는, 응축기 리보일러에 요구된 열 에너지의 일부를 제공하기 위한 증기 재압축의 사용에 특징이 있으며, 둘째로는, 증기 재압축을 유도하기 위한 것과 응축기 리보일러에 요구된 추가의 열 에너지를 (저압 스팀으로서) 제공하기 위한 HP 터빈 시스템으로부터의 CRH 스팀의 사용에 특징이 있다.
도 3에 예시된 구체예에 따르면, 재생 공정에 의해서 생성되고 재생 컬럼의 상부로부터 배출된 증기가 이어지는 압축기(33)를 통해서 통과된다. 압축된 증기로부터의 열 에너지는 응축기 리보일러(36)에 의해서 요구된 열 입력의 일부를 제공하도록 회수된다. 구체예에서, 증기 재압축 공정은 64 MWth를 제공한다. 압축된 증기는 재생 컬럼(20)에 반송되는 용매 및 통상의 방식으로의 추가의 압축 및 탈수에 의해서 처리된 생성된 CO2 풍부한 가스를 제거하기 위한 응축기를 통해서 통과된다.
장치는 특히 HP 터빈 시스템으로부터의 CRH 스팀의 공급이 추가로 제공된다는 점에 특징이 있다. 바람직한 경우에, 구체예에서 예시된 바와 같이, 이는 도 2의 시스템에 의해서 요구된 LP 스팀의 공급에 대한 전체적인 대체이다. CRH 스팀은 증기 재압축 시스템(33)을 구성하는 압축 터빈의 어레이(array)를 구동시키도록 기계적으로 배열되는 역압 터빈(44)을 통해서 통과된다. 이러한 구동 임펄스를 제공하는 것에 추가로, 생성되는 저압 유출물이 응축기 리보일러(36)에 대한 저압 스팀의 공급물로서 사용된다. 이러한 저압 스팀은 도 1 및 도 2에 나타낸 종래 기술에서의 LP 터빈 시스템으로부터의 저압 스팀을 적어도 부분적으로, 특히 완전히 대체할 수 있다. 예를 들어, 예시된 구체예에서, 이러한 방식으로 공급된 저압 스팀은 65MWth 에너지를 제공하여, 증기 재압축에 의해서 제공된 것으로부터의 부족분을 충족시킨다.
따라서, 본 발명에 따르면, CRH 스팀 공급 및 증기 압축 시스템은 차별 및 혁신적인 방식으로 통합되어 적절한 조건에서 리보일러에 두 열 스트림을 전달한다.
그러한 배열의 이점은,
· 리보일러에 요구된 열을 상쇄하는 능력,
· 통상의 배열들에서 직면하는 터빈 시스템과의 많은 통합의 문제를 피하여 IP/LP 크로스오버(crossover)시의 큰 압력 유지 밸브에 대한 필요를 없애거나 사실 클러치 배열(clutch arrangement)을 지닌 특수 LP 터빈을 지니는 PCC 플랜트,
· 이러한 공정으로부터 전달된 CO2가 더 높게 상승된 압력(5 bar)에 있어서, 추가의 압축 파워 요건을 감소시키는 점(예시된 구체예에서, 통상의 압축 트레인의 제 1 스테이지가 제거된다).
· 환류 응축기가 리보일러에 대한 열을 거부하기 때문에, 냉각수에 대한 필요가 실질적으로 감소되는 점을 포함할 수 있다.

Claims (20)

  1. 포집된 표적 가스가 풍부한 포집 매질의 재생 및 그로부터의 흡수된 가스의 회수를 위한 장치로서,
    공정 공간을 한정하는 격납 구조물(containment structure);
    포집된 가스 풍부한 포집 매질을 공정 공간으로 통과시키기 위한 공급 도관;
    가스 풍부한 포집 매질을 가열하여 포집된 가스가 가스 풍부한 증기 상으로 해리되게 하기 위한, 공정 공간에 유체 소통 가능하게 연결된 응축 가열 수단;
    공정 공간으로부터의 증기 유출물을 수용하고 이를 압축하기 위한, 공정 공간에 유체 소통 가능하게 연결된 증기 재압축 시스템;
    유출물 압축된 증기를 가열 수단에 그에 대한 열 에너지 공급원으로서 공급하기 위한 압축된 증기 공급 도관;
    화력 발전소로부터의 저온 재열 스팀(cool reheat steam)을 수용하기 위한 수용 도관, 추출 작업을 하기 위한 증기 압축 시스템을 구동시키고 저온 재열 스팀의 압력을 감소시키도록 배치된 역압 터빈(back pressure turbine), 및 생성된 저압 스팀을 가열 수단에 이에 대한 열 에너지의 추가 공급원으로서 전달하기 위한 전달 도관을, 직렬로 유체 소통 가능하게, 포함하는 가열 수단을 위한 열 에너지의 제 2 공급원을 포함하는 장치
  2. 제 1항에 있어서, 가열 수단이 포집된 가스 풍부한 포집 매질을 반복된 사이클 가열로 처리하도록 구성되는 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 가열 수단이 응축 리보일러(condensing reboiler)인 장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, LP 터빈 시스템으로부터의 임의의 스팀 공급이 부재하고, 스팀 공급이 HP 터빈 시스템으로부터의 CRH 스팀으로 제한됨을 추가로 특징으로 하는 장치.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 증기 재압축 장치가 직렬로 연결된 복수의 압축기를 포함하는 장치.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 증기 재압축 장치가 증기를 2 내지 20 bar의 압력으로 압축하도록 구성되는 장치.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 압축된 증기 상으로부터의 용액 증기를 응축시키고 회수하기 위한 응축기를 추가로 포함하는 장치.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 증기 상으로부터의 수증기를 응축시키고 회수하기 위한 응축기를 추가로 포함하는 장치.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 응축 가열 수단에 의해서 생성된 가스 상을 응축 냉각 수단 및 탈수 장치를 통해서 저장을 위한 압축 시스템에 전달하기 위한 유체 소통가능하게 직렬로 연결된 도관을 추가로 포함하는 장치.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 공급원 가스 스트림으로부터의 표적 가스를 적합한 포집 매질내로 흡수시키고, 포집 매질의 재생 그러한 포집 매질로부터의 흡수된 표적 가스의 회수를 위한 재생 장치에 후속적으로 통과될 수 있는 표적 가스 풍부한 포집 매질을 생성시키기에 적합한 흡수 장치와 함께 사용되도록 구성된 장치.
  11. 공급원 가스 스트림으로부터의 표적 가스의 제거를 위한 장치로서, 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 재생 장치의 상류에 유체 소통가능하게 연결된 흡수 장치를 포함하는 장치.
  12. 제 11항에 있어서, 흡수 장치가 공급원 가스 스트림으로부터의 표적 가스를 적합한 포집 매질 내로 흡수시키기 위한 수단을 포함하는 장치.
  13. 제 12항에 있어서, 표적 가스가 흡수 용액 내로 통과하고 흡수 용액에 의해서 흡수되게 하기 위해서, 흡수 장치가 흡수 용액과 공급원 가스 스트림을 역류로 흐르게 하는 수단을 포함하는 장치.
  14. 제 11항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서, 공급원 가스 스트림이 탄소질 연료의 연소를 위한 연소 장치로부터의 연도 가스, 예컨대, 화력 발전소로부터의 연도 가스인 장치.
  15. 탄소질 연료를 연소시키고 스팀을 생성시키는 연소 수단, 하나 이상의 고압(HP) 터빈 시스템 및 하나 이상의 저압(LP) 터빈 시스템; 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 재생 장치 또는 그러한 재생 장치를 포함한 제 11항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 따른 가스 제거 장치; HP 터빈 시스템의 스팀 배출물로부터의 저온 재열 스팀(cold reheat steam)을 재생 장치의 작업 추출 수단(work extraction mean)에 공급하는 도관 수단을 포함하는 화력 발전소.
  16. 제 15항에 있어서, 제 11항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 따른 가스 제거 장치 및 공급원 가스 스트림으로서의 연소 장치로부터의 연도 가스를 제거 장치에 직접 공급하도록 유체 소통가능하게 연결된 연도 가스 출구를 포함하는 화력 발전소.
  17. 포집된 표적 가스가 풍부한 포집 매질을 재생하고 그로부터 포집된 가스를 회수하는 방법으로서,
    표적 가스 풍부한 포집 매질을 가열하고, 그에 의해서, 포집된 가스가 가스 풍부한 증기 상으로 해리되게 하는 단계;
    증기 상을 압축하고 압축된 증기를 포집 매질을 가열하기 위한 열 에너지의 제 1 공급원으로서 사용하는 단계;
    추가적으로, 화력 발전소로부터의 저온 재열(CRH) 스팀의 공급물을 취하고, 상기 증기 상을 압축하기 위한 압축기를 구동시키기 위해서 역압 터빈을 통해서 저온 재열 스팀을 통과시키고 CRH 스팀의 압력을 감소시킴으로써 그로부터 추출 작업을 수행하고, 생성되는 저압 스팀을 포집 매질을 가열하기 위한 열 에너지의 추가 공급원으로서 사용하는 단계를 포함하는 방법.
  18. 제 17항에 있어서, 가스 풍부한 포집 매질을 가열하고, 그에 의해서, 포집된 가스가 가스 풍부한 증기 상 내로 해리되게 하는 가열 수단을 지니는 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 재생 장치를 통해서 가스 풍부한 포집 매질을 통과시킴을 포함하며; 압축된 증기가 가열 수단에 열 에너지를 공급하기 위해서 사용되고; 생성되는 저압 스팀이 가열 수단에 그에 대한 열 에너지의 추가 공급원으로서 통과되는 방법.
  19. 가스 스트림으로부터의 표적 가스의 제거 및 회수를 위한 방법으로서,
    가스 스트림의 표적 가스 성분을 포집 매질과 회합되게 하기 위해서, 린 포집 매질(lean capture medium)을 통해서 공급원 가스 스트림을 통과시킴으로써 공급원 가스 스트림으로부터의 표적 가스를 적합한 포집 매질 내로 포집시키는 단계;
    생성되는 표적 가스 풍부한 포집 매질을 배출시키는 단계;
    제 17항 또는 제 18항의 방법에 따라서 표적 가스 풍부한 포집 매질을 처리하는 단계를 포함하는 방법.
  20. 연도 가스 스트림, 예컨대, 화력 발전소 연도 가스 스트림으로부터 CO2의 격리를 위한 제거 및 흡수 방법으로서, 그러한 연도 가스를 포함하는 공급원 가스 스트림에 대해서 수행되는 제 19항의 방법을 포함하는 방법.
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