KR20130069818A - 반투과성 막에 의한 ｃｏ₂제거 프로세스에서의 추적 성분 제거 - Google Patents

반투과성 막에 의한 ｃｏ₂제거 프로세스에서의 추적 성분 제거 Download PDF

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알스톰 테크놀러지 리미티드
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Abstract

가스 스트림을 순환 암모니아화 용액 스트림과 접촉시켜서 이산화탄소(CO2)가 상기 암모니아화 용액 내에 흡수되도록 함으로써 가스 스트림으로부터 CO2를 제거하는 시스템(1)은, 상기 시스템이 멤브레인 정화장치(17)를 포함하고, 상기 멤브레인 정화장치는 제1 격실(18) 및 제2 격실(19)을 구비하고, 상기 제1 및 제2 격실들은 반투과성 막(20)에 의하여 분리되는 것을 특징으로 한다. 가스 스트림을 순환 암모니아화 용액 스트림과 접촉시킴으로써 이산화탄소(CO2)가 상기 암모니아화 용액 내에 흡수되도록 하여 가스 스트림으로부터 CO2를 제거하는 방법은, 반투과성 막을 사용하여 순환 용액으로부터 추적 성분들을 분리하는 단계를 포함하고, 그리고 제1 및 제2 격실들을 구비하는 멤브레인 정화장치를 사용하고, 순환 암모니아화 용액을 사용하여 CO2를 제거하기 위한 방법 또는 시스템에서 순환 용액 스트림의 추적 성분 및/또는 물 함량을 감소시키기 위해 상기 1 및 제2 격실들은 반투과성 막에 의하여 분리된다.

Description

반투과성 막에 의한 ＣＯ₂제거 프로세스에서의 추적 성분 제거{TRACE COMPONENT REMOVAL IN CO₂REMOVAL PROCESSES BY MEANS OF A SEMIPERMEABLE MEMBRANE}
제안한 발명은 가스 스트림을 순환 암모니아화 용액 스트림과 접촉시켜서 이산화탄소(CO2)가 상기 암모니아화 용액 내에 흡수되도록 함으로써 가스 스트림으로부터 CO2를 제거하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 특히, 제안한 발명은 가스 스트림으로부터 CO2를 제거하기 위한 냉각 암모니아계 방법 및 시스템에 관한 것이다.
증기를 발전소에 공급하기 위한 보일러 시스템과 연관된 연소 플랜트에서 석탄, 오일, 토탄, 폐기물 등과 같은 연료의 연소에는 과열된 프로세스 가스(또는 연도가스)가 발생한다. 그러한 연도가스는 종종 무엇보다도 이산화탄소(CO2)를 함유한다. CO2를 대기로 방출하는데 따른 부정적인 환경적 영향들은 넓게 인식되어 있고, 상술한 연료들의 연소에서 발행한 과열된 프로세스 가스로부터 CO2를 제거하기 위해 채택된 프로세스들의 개발을 초래하고 있다. 앞서 설명된 그러한 하나의 시스템 및 프로세스는 연소후 연도가스 스트림으로부터 CO2의 제거를 위한 단일-스테이지 냉각 암모니아계 시스템 및 프로세스이다.
공지된 냉각 암모니아계 시스템 및 프로세스(CAP)는 가스 스트림, 예를 들어 연소후 연도가스 스트림으로부터 CO2를 포집하여 제거하기 위한 비교적 저렴한 수단을 제공한다. 그러한 시스템 및 프로세스의 한 실례는 발명의 명칭이 'CO2'의 제거를 포함하는 연소가스의 울트라 세척'인 국제공개 특허출원 WO 2006/022885호에 이미 공개되어 있다. WO 2006/022885호는 연도가스로부터 CO2를 제거하기 위한 방법을 개시하며, 이 방법은 CO2 흡수기 내에서 대기 온도보다 낮은 온도(양호하게는 0℃와 20℃ 사이, 더 양호하게는 0℃와 10℃ 사이)로 냉각된 연도가스로부터 암모니아화 용액 또는 슬러리에 의하여 CO2를 포집하는 것을 포함한다. CO2는 0℃와 20℃ 사이, 더 양호하게는 0℃와 10℃ 사이의 온도에서 흡수기 내에서 암모니아화 용액에 의해 흡수되며, 그후 암모니아화 용액은 재생기 내에서 고도의 압력 및 온도하에서 CO2가 고순도의 기체 이산화탄소로서 암모니아화 용액에서 방출되도록 하여 재생된다. WO 2006/022885호에 개시된 프로세스에서, 재생된 암모니아화 용액은 암모니아화 용액의 순환 스트림이 형성되도록 CO2 흡수 프로세스에서 재사용될 수 있다.
WO 2006/022885호에 개시된 바와 같은 냉각 암모니아 프로세스의 문제점은, 예를 들어 유입하는 연도가스 스트림의 습기처럼, 암모니아화 용액의 순환 스트림으로 들어가는 물이 암모니아화 용액 내에 축적된다는 것이다. 이렇게 축적된 물은 암모니아화 용액을 희석시키는 작용을 하므로 연도가스 스트림으로부터 CO2를 "포집(capture)"하기 위한 암모니아화 용액의 능력을 감소시킨다.
더구나, WO 2006/022885호에 개시된 바와 같은 냉각 암모니아 프로세스의 다른 문제점은, 냉각 암모니아 프로세스에서 포집된 추적 성분들(trace components), 즉 이산화탄소, 암모니아, 물 및 각각의 이온/염 이외의 성분들이 축적될 수 있다는 것이다.
종래에는, 순환 암모니아화 용액 내의 물 및 추적 성분들의 양은 "블리드 스트림(bleed stream)"에서 암모니아화 용액의 일부분을 제거하며 그리고 새로운 암모니아를 첨가하여 암모니아화 용액의 희석을 보충함으로써 조절되고 있었다. 다음에 "블리드 스트림" 내의 암모니아화 용액은 페기되어야 하며, 새로운 암모니아가 공급되어야 하므로, 이는 비용 상승 및 환경 문제를 초래한다.
다른 해법은 사실상 모든 이산화탄소, 대부분의 암모니아 및 상당량의 물을 증발시키는 증발기(이하 '보조 스트리퍼(appendix stripper)'라고 함)를 포함하는 것이다. 증발된 혼합물들은 프로세스에서 재사용된다. 보조 스트리퍼는 물을 증발시키기 위해 상당히 많은 열 입력을 필요로 하는데, 예로서 대략 물의 50%를 증발시키기 위해서 추적 성분들의 양을 2배 필요로 하고, 이는 보조 스트리퍼가 주요한 열 소비장치가 되게 한다. 덧붙여, 보조 스트리퍼는 오버헤드 스트림의 냉각을 필요로 한다. 보조 스트리퍼의 작동 압력에 의존하여, 이러한 열은 낮은 엑서지(exergy) 레벨에서 (부분적으로) 재사용될 수 있고 또는 외부 냉각에 의해 거절되어야 한다. 고급 스테인레스스틸 또는 다른 저항성 건축 재료는 매체와 특히 증가한 농도의 추적 성분들에 의해 억제된 부식성 때문에 보조 스트리퍼에 전용으로 사용되며, 이 부식성은 보조 스트리퍼가 작동하는 고도의 온도에 의해 악화된다.
본 발명의 목적은 가스 스트림들로부터 CO2를 제거하기 위한 냉각 암모니아계 시스템 및 방법의 암모니아화 용액에서 추적 성분들의 축적을 감소 또는 방지하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 시스템상에 첨가된 에너지 필요조건이 없거나 작은 상태로 냉각 암모니아계 시스템 및 방법의 암모니아화 용액에서 추적 성분들의 축적을 감소 또는 방지하는데 있다.
예를 들어 발전소의 보일러 유닛에 의해 생성된 연도가스로부터 CO2를 제거하기 위해 공업용 가스정화 시스템의 건설 및 작동은 높은 투자 및 작업 원가와 관련되어 있다. 본원에서 설명된 양상들은, 연도가스로부터 CO2를 제거하기 위한 냉각 암모니아 프로세스에서 막 분리 단계를 사용함으로써 상당한 프로세스 개선 및 작동 원가 감소가 달성될 수 있다는 본 발명의 실현화에 기초를 두고 있다. 막 분리 단계는 물로부터 추적 성분들의 분리를 위해 종래 방식으로 사용된 보조 스트리퍼 및 경량 보일러들 대신에 또는 이들에 보충하여 유리하게 사용될 수 있다는 것을 발견하였다.
본원에 예시된 양상들에 따라, 가스 스트림을 순환 암모니아화 용액 스트림과 접촉시켜서 이산화탄소(CO2)가 상기 암모니아화 용액 내에 흡수되도록 함으로써 가스 스트림으로부터 CO2를 제거하는 시스템으로서,
상기 시스템이 멤브레인 정화장치를 포함하고, 상기 멤브레인 정화장치는 제1 격실 및 제2 격실을 구비하고, 상기 제1 및 제2 격실들은 반투과성 막에 의하여 분리되는 것을 특징으로 하는 시스템이 제공된다.
암모니아화 용액은 통상적으로 수성이며, 예를 들어 물, 암모니아, 이산화탄소 및 이들의 유도체로 구성될 수 있다. 또한, 암모니아화 용액은 실제로 CO2 제거 프로세스 중에 암모니아화 용액 내에 통합되며 축적되는 추적 성분들의 가변량을 포함할 것이다. 암모니아화 용액 내의 추적 성분들은 대체로 CO2 제거 프로세스와 직접적으로 관련되지 않은 모든 성분들, 즉 물, 암모니아, 이산화탄소 및 이들의 유도체를 제외한 모든 성분들을 포함할 수 있다. 암모니아화 용액 내에 나타날 수 있는 암모니아 및 CO2의 유도체는 예를 들어, 암모늄 이온, 중탄산 이온, 탄산염 이온, 및/또는 카르밤산염 이온이다. 본 개시에서의 추적 성분들의 실례는 금속 이온, 염소, 황산염 및/또는 질산염을 포함하며 이들로 제한하지 않는다.
하나의 실시예에서, 반투과성 막은 물 및/또는 암모니아 및/또는 암모늄 이온을 투과시킬 수 있고 금속 이온, 염화물, 황화물 및/또는 질화물을 불투과시키도록 선택된다. 멤브레인 정화장치의 제1 격실은 순환 용액이 반투과성 막과 접촉하게 되도록 시스템으로부터 순환 용액의 적어도 일부분(fraction)을 수용하도록 구성될 수 있다. 멤브레인 정화장치의 제2 격실은 제1 격실로부터 오는 순환 용액의 투과물을 반투과성 막을 통해 수용하도록 구성될 수 있다. 멤브레인 정화장치의 제2 격실은 순환 용액의 투과물을 시스템으로, 예를 들어 투과물을 수용하였던 순환 용액으로 귀환시키도록 유리하게 구성될 수 있다.
본원에서 설명한 바와 같은 멤브레인 정화장치의 사용은 추적 성분들 및/또는 물의 양을 제어하기 위해 예전에 사용된 블리드 스트림 또는 보조 스트리퍼들에 비하여 많은 장점을 갖는다. 예를 들어, 멤브레인 정화장치의 에너지 필요조건은 매우 낮아서 주로 공급 스트림을 정화장치로 펌핑하는 것과 관련되어 있다. 보조 스트리퍼에 의해 생성된 것과 같은 간헐성 기체 생성물 스트림들이 회피된다. 가열이 필요하지 않기 때문에, 작동을 경제적으로 만들기 위해 열 집적화(heat integration)가 필요하지 않다. 유틸리티(utility) 시스템들(증기, 냉각 등)이 없이 독립적 작동이 가능하다. 덧붙여, 멤브레인 정화장치는 스트리퍼 바닥들, 물 세척 바닥들 및 희박 용액과 같은 다른 공급물 용액들 사이에 스위칭을 가능하게 한다. 멤브레인 정화장치에서는 보조 스트리퍼에 비하여 상당하게 작은 장비 및 유틸리티 관련 부품들(tie-ins)을 필요로 한다. 멤브레인 정화장치는 점유공간 감소 및 낮은 투자비를 위한 잠재성을 갖는다. 예를 들어, 약 1×0.1 m의 롤형 모듈에서 7.6 m2 멤브레인 면적을 갖는 공업적 응용을 위한 하나의 멤브레인은 약 300 l/hr를 정화시킬 수 있을 것이다. 낮은 작동 온도(가능한 대기 온도)로 인하여 예로서 스트리퍼들에서의 고온과 관련된 부식 문제들이 현저하게 감소된다. 또한, 예를 들어 황화물 분해에 의해 형성된 황 화합물의 스트립핑이 불필요하다.
하나의 실시예에서, 시스템은 암모니아화 용액을 사용하여 가스 스트림으로부터 CO2를 흡수하도록 구성된 포집부(capture section), 및 암모니아화 용액으로부터 CO2를 제거하도록 구성된 재생부를 포함한다. 상기 포집부는 CO2를 함유하는 가스 스트림을 수용하며 상기 가스 스트림을 암모니아화 용액의 스트림과 접촉시켜 CO2 농후 암모니아화 용액의 스트림을 형성하도록 구성된 CO2 흡수기를 포함하고, 상기 재생부는 상기 CO2 흡수기로부터 CO2 농후 암모니아화 용액의 스트림을 수용하며, 상기 암모니아화 용액으로부터 CO2를 분리하여 CO2 희박 암모니아화 용액의 스트림을 형성하고 그리고 상기 CO2 희박 암모니아화 용액의 스트림을 상기 CO2 흡수기로 귀환시키도록 구성된 재생기를 포함할 수 있다.
암모니아화 용액에 첨가되거나 형성되는 일부 성분들은 재생기에 의해 또는 CO2 흡수기에서의 증발에 의해 제거되지 않고 용액에서 축적될 수 있다. 그러한 성분들은 본원에서 "추적 성분들"로서 언급되어 있다. 그러한 추적 성분들의 실례는 금속 이온, 염소, 황화물 및/또는 질화물을 포함하며 이것으로 제한하지 않는다. 추적 성분들의 축적은 부식, 스케일링(scaling) 및 침전물의 증가뿐만 아니라 암모니아화 용액의 불활성화를 포함하는(이것으로 제한하지 않음) 다양한 문제를 일으킬 수 있다.
다양한 실시예들에서, 냉각 암모니아 시스템 및 프로세스는 또한 CO2 흡수기를 떠나는 가스 스트림 내에 존재하는 암모니아 및 기타 추적 성분들을 제거하는데 효과적인 "물 세척" 단계를 포함할 수 있다. 물 세척 단계는 대체로 적절한 흡수기 용기 내에서 일반적으로 물 또는 희석된 수성 용액인 세척 용액과 CO2 흡수기를 떠나는 가스 스트림을 접촉시키는 것을 포함한다. 그러한 물 세척부들은 종래 기술에 잘 알려져 있다.
하나의 실시예에서 시스템은 세척 용액을 이용하여 상기 가스 스트림으로부터 암모니아를 흡수하도록 구성된 암모니아 흡수기, 및 상기 세척 용액으로부터 암모니아를 제거하도록 구성된 암모니아 스트리퍼를 포함한다. 암모니아 흡수기는 CO2 흡수기로부터 CO2 내에서 격감된 가스 스트림을 수용하며, 암모니아가 세척 용액의 스트림 내에 흡수되도록 상기 가스 스트림을 세척 용액의 스트림과 접촉시키도록 구성되고, 상기 암모니아 스트리퍼는 암모니아 흡수기로부터 흡수된 암모니아를 함유하는 세척 용액을 수용하여 상기 세척 용액으로부터 암모니아를 제거하도록 구성될 수 있다. 암모니아가 암모니아 스트리퍼에서 제거되었을 때, 세척 용액은 암모니아 흡수기에서 재사용하기 위해 다시 운송될 수 있다.
세척 용액에 첨가되거나 형성되는 일부 성분들은 암모니아 스트리퍼에 의해 또는 암모니아 흡수기에서의 증발에 의해 제거되지 않고 용액 내에 축적될 수 있다. 그러한 성분들은 본원에서 "추적 성분들"로서 언급되어 있다. 그러한 추적 성분들의 실례는 금속 이온, 염소, 황화물 및/또는 질화물을 포함하며 이것으로 제한하지 않는다. 추적 성분들의 축적은 부식, 스케일링 및 침전물의 증가를 포함하는(이것으로 제한하지 않음) 다양한 문제를 일으킬 수 있다.
멤브레인 정화장치는 CO2 흡수기에서 처리된 가스 스트림으로부터 잔류 암모니아의 제거를 위한 물 세척 단계를 추가로 포함하는 CO2 제거 시스템에서 유리하게 구체화될 수 있다.
멤브레인 정화장치에서 정화되는 순환 용액은 순환 용액은 포집부 또는 재생부의 순환 암모니아화 용액과 물 세척부의 순환 세척 용액으로부터 선택될 수 있다. 하나의 실시예에서, 순환 용액은 포집부 또는 재생부의 순환 암모니아화 용액이다. 다른 실시예에서, 순환 용액은 순환 세척 용액이다.
본원에 예시된 다른 양상들에 따라서, 가스 스트림을 순환 암모니아화 용액 스트림과 접촉시켜서 이산화탄소(CO2)가 상기 암모니아화 용액 내에 흡수되도록 함으로써 가스 스트림으로부터 CO2를 제거하는 방법으로서, 상기 방법은
반투과성 막을 사용하여 순환 용액으로부터 추적 성분들을 분리하는 단계를 포함하는 제거 방법이 제공되어 있다.
본원에 예시된 양상들에 따른 방법의 장점들은 상술한 시스템에 대해 설명된 장점들과 일치한다.
하나의 실시예에서, CO2 제거 방법은,
a) 암모니아화 용액의 스트림을 CO2를 함유한 가스 스트림과 접촉시켜 암모니아화 용액의 CO2 농후 스트림을 형성하는 단계,
b) 단계 a)의 암모니아화 용액의 CO2 농후 스트림으로부터 적어도 CO2의 일부분을 제거하여 암모니아화 용액의 CO2 희박 스트림을 형성하는 단계,
c) 단계 b)에서 형성된 CO2 희박 암모니아화 용액의 적어도 일부분을 단계 a)로 재순환시키는 단계를 포함하고, 및
d) 반투과성 막을 사용하여 순환 암모니아화 용액으로부터 추적 성분들을 분리하는 단계를 특징으로 한다.
물 세척 단계를 추가로 포함하는 실시예에서, 상기 방법은 추가로,
a1) 세척 용액의 스트림을 암모니아를 함유한 가스 스트림과 접촉시켜서 세척 용액의 암모니아 농후 스트림을 형성하는 단계,
b1) 단계 a1)의 세척 용액의 암모니아 농후 스트림으로부터 적어도 암모니아의 일부분을 제거하여 세척 용액의 암모니아 희박 스트림을 형성하는 단계,
c1) 단계 b1)에서 형성된 암모니아 희박 세척 용액의 적어도 일부분을 단계 a1)으로 재순환시키는 단계를 포함하고, 그리고
d1) 반투과성 막을 사용하여 순환 세척 용액으로부터 추적 성분들을 분리하는 단계를 특징으로 한다.
본원에 예시된 다른 양상들에 따라서, 제1 격실 및 제2 격실을 갖는 멤브레인 정화장치의 사용 방법으로서, 상기 제1 및 제2 격실들은 순환 암모니아화 용액을 사용하여 이산화탄소(CO2)를 제거하기 위한 방법 또는 시스템 내에서 순환 용액 스트림의 추적 성분 및/또는 물 함량을 감소시키기 위해 반투과성 막에 의하여 분리되는, 멤브레인 정화장치의 사용 방법이 제공되어 있다.
본원에 예시된 양상들에 따른 시스템 또는 프로세스에서 물 및/또는 추적 성분 함량을 감소시키기 위한 멤브레인 정화장치의 사용 방법의 장점은 상술한 시스템 및 방법에 대해 설명된 장점들과 일치한다.
상기 양상들 중 어느 하나의 실시예에서, 가스 스트림을 순환 암모니아화 용액과 접촉시켜서 CO2가 상기 암모니아화 용액 내에 흡수되도록 함으로써 가스 스트림으로부터 CO2를 제거하기 위한 상기 방법 또는 시스템은 가스 스트림으로부터 CO2를 제거하기 위한 냉각 암모니아계 방법 또는 시스템이 될 수 있다. WO 2006/022885호는 연도가스로부터 CO2를 제거하기 위한 그러한 하나의 냉각 암모니아 방법 및 시스템을 개시하며, 이 방법은 CO2 흡수기 내에서 대기 온도보다 낮은 온도(양호하게는 0℃와 20℃ 사이, 더 양호하게는 0℃와 10℃ 사이)로 냉각된 연도가스로부터 암모니아화 용액 또는 슬러리에 의하여 CO2를 포집하는 것을 포함한다. CO2는 0℃와 20℃ 사이, 더 양호하게는 0℃와 10℃ 사이의 온도에서 흡수기 내에서 암모니아화 용액에 의해 흡수되며, 그후 암모니아화 용액은 재생기 내에서 고도의 압력 및 온도하에서 CO2가 고순도의 기체 CO2로서 암모니아화 용액에서 방출되도록 하여 재생된다.
본 발명의 다른 목적들, 특징들 및 장점들은 아래 설명 및 청구범위로부터 명백하게 나타날 것이다. 상술한 특징들 및 기타 특징들은 아래의 도면 및 상세한 설명에 의해 예증되어 있다.
본 발명의 많은 양상들은 아래 도면들을 참고하여 더 양호하게 이해될 수 있다. 도면들은 동일한 구성요소들이 동일한 번호로 붙여져 있는 실시예들이다.
도 1은 가스 세척 시스템의 실례를 일반적으로 도시하는 도면.
도 2는 멤브레인 정화장치를 일반적으로 도시하는 도면.
도 3a 및 도 3b는 멤브레인 정화장치를 포함하는 가스 세척 시스템의 실시예들을 일반적으로 도시하고 있다.
여기서, 본 발명은 도면을 참고하여 상세히 설명될 것이다.
CO2 제거 시스템은 일반적으로 예를 들어 발전소의 증기 발생기 시스템에서 사용된 보일러 시스템의 연소실에 의해 방출된 연도가스를 세척하기 위한 가스 세척 시스템의 일부를 형성할 수 있다. 가스 세척 시스템은 연도가스로부터 입자들 및 기타 오염물을 제거하기 위해 구성된 먼지 제거 시스템 및 스크러버(scrubber) 시스템을 포함할 수 있다. CO2 제거 시스템은 세척된 연도가스 스트림을 배기통(exhaust stack)(또는 대안으로 보조 프로세싱)으로 방출하기 전에 연도가스 스트림(FG)으로부터 CO2를 제거하도록 구성되어 있다. 또한 CO2 제거 시스템은 연도가스 스트림(FG)으로부터 제거된 CO2를 출력시키도록 구성되어 있다.
도 1을 참고하면, CO2 제거 시스템(1)은 연도가스 스트림(FG)으로부터 CO2를 포집 및 제거하기 위한 포집부(2)와, 연도가스 스트림으로부터 CO2를 제거하도록 사용된 암모니아화 용액을 재생하기 위한 재생부(3)를 포함한다.
이 실시예에서, CO2 포집부(2)는 냉각 암모니아계 CO2 포집부이다. CO2 제거를 위한 냉각 암모니아계 시스템/방법에서, CO2 흡수기(4)가 제공되며, 여기서 흡수성 암모니아화 용액(암모니아화 용액)이 CO2를 함유한 연도가스 스트림(FG)과 접촉한다. 공지된 냉각 암모니아계 CO2 제거 방법 및 시스템의 실례는 WO 2006/022885호에 기재되어 있다. WO 2006/022885호는 연도가스로부터 CO2를 제거하기 위한 방법을 개시하며, 이 방법은 CO2 흡수기 내에서 대기 온도보다 낮은 온도(양호하게는 0℃와 20℃ 사이, 더 양호하게는 0℃와 10℃ 사이)로 냉각된 연도가스로부터 암모니아화 용액 또는 슬러리에 의하여 CO2를 포집하는 것을 포함한다. 이산화탄소는 0℃와 20℃ 사이, 더 양호하게는 0℃와 10℃ 사이의 온도에서 흡수기 내에서 암모니아화 용액에 의해 흡수되며, 그후 암모니아화 용액은 재생기 내에서 고도의 압력 및 온도하에서 CO2가 고순도의 기체 이산화탄소로서 암모니아화 용액에서 방출되도록 하여 재생된다.
암모니아화 용액은 통상적으로 수성이며, 예를 들어 물, 암모니아, 이산화탄소 및 이들의 유도체로 구성될 수 있다. 암모니아화 용액 내에 나타날 수 있는 암모니아 및 CO2의 유도체를 예로 들면, 암모늄 이온, 중탄산 이온, 탄산염 이온, 및/또는 카르밤산염 이온이다. 암모니아화 용액은 또한 암모니아화 용액에 의해 CO2의 포집에 포함된 화학적 반응 동역학을 증강시키기 위해 프로모터(promoter)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 프로모터는 용액의 형태로 될 수 있고 또는 고체 또는 반고체 표면에서 부동화될 수 있는, 아민(예로서, 피페라진) 또는 효소(예로서, 황산 탈수 효소 또는 그 유사체)를 포함할 수 있다.
CO2 흡수기(4)는 예로서 화석연료 연소식 보일러(도시 안 됨)의 연소실로부터 나오는 연도가스 스트림(FG)을 수용하도록 구성되어 있다. 또한 CO2 흡수기는 재생부(5)로부터 공급되는 희박 암모니아화 용액을 수용하도록 구성되어 있다. 희박 암모니아화 용액은 액체 분배 시스템을 경유하여 CO2 흡수기(4) 내로 주입되며 한편, 연도가스 스트림(FG)는 또한 연도가스 유입구(inlet)를 경유하여 CO2 흡수기에 의해 수용된다.
암모니아화 용액은 질량 전달을 위해 사용된 가스-액체 접촉장치(이하, 질량전달장치(MTD)라 함)를 경유하여 연도가스 스트림과 접촉하게 되며, 질량전달장치는 CO2 흡수기(4) 내에서 경로 내에 배치되며, 상기 경로에서 연도가스 스트림이 입구로부터 유입구를 경유하여 CO2 흡수기 배출구로 이동하게 된다. 질량전달장치는 예를 들어 하나 이상의 공지된 구조 또는 무작위 패킹 재료, 또는 이들의 조합이 될 수 있다.
일단 CO2 흡수기(4) 내에서 연도가스 스트림과 접촉하게 되면, 암모니아화 용액은 연도가스 스트림으로부터 CO2를 흡수하는 작용을 하며, 따라서 CO2로 "농후(rich)" 암모니아화 용액(농후 용액)을 만든다. 농후 암모니아화 용액은 계속해서 질량전달장치를 통과하여 하향으로 흘러 CO2 흡수기의 바닥에 수집된다. CO2 흡수기 내에 수집된 농후 용액은 냉각되어 액체 도관(6) 및 액체 분배 시스템을 경유하여 가스 스트림으로부터 추가의 CO2를 포집하는데 사용하기 위한 CO2 흡수기(4)의 상단으로 재순환되며, 그 결과 흡수된 CO2의 고농도를 갖는 농후 암모니아화 용액을 초래한다. CO2 흡수기 내에 수집된 농후 용액의 적어도 일부분은 재생하기 위해 재생부(3)로 운송된다.
농후 암모니아화 용액을 CO2 흡수기 내에서 재사용하기에 적절한 "희박(lean)" 암모니아화 용액으로 변환시키기 위해, 농후 암모니아화 용액의 적어도 일부분은 재생기(5)를 포함하는 재생부(3)에서 재생된다. 상기 재생기에서, 암모니아화 용액은 연도가스 스트림으로부터 흡수된 CO2를 방출하도록 처리된다. 다음에 암모니아화 용액으로부터 방출된 CO2는 저장소 또는 다른 예정된 사용/목적을 위해 출력될 수 있다. 일단 CO2가 암모니아화 용액으로부터 방출되면, 암모니아화 용액은 "희박"하다고 말한다. 희박 암모니아화 용액은 다음에 다시 연도가스 스트림으로부터 CO2를 흡수할 준비를 갖추어서 액체 도관(7)을 경유하여 CO2 흡수기(4)로 다시 향하여 갈 수 있다.
재생기(5)는 액체 도관(8)을 경유하여 포집부로부터 농후 용액 공급물을 수용하며, CO2가 농후 용액으로부터 분리되면 희박 용액 공급물을 포집부로 복귀시키도록 구성되어 있다. 분리된 CO2는 가스 배출구를 경유하여 재생기를 떠난다. 재생기는 추가로, 예를 들어 리보일러(re-boiler)에 의하여, 재생기로 공급되는 농후 용액과 재생기에서 생성된 증기 사이의 열 및 질량 전달을 용이하게 하는 질량전달장치(MTD)를 포함한다.
재생 프로세스 중에, 농후 암모니아화 용액은 이 용액 내에 포함된 CO2가 암모니아화 용액으로부터 분리되도록 압축 및 가열된다. 재생 프로세스는 일반적으로 예를 들어 고압 펌프(9)를 사용하여 재생기 내의 압력을 2 내지 150 bar, 양호하게는 10 내지 30 bar의 범위에 있는 압력으로 상승시키고, 그리고 암모니아화 용액의 온도를 50 내지 200 ℃, 양호하게는 100 내지 150 ℃의 범위에 있는 온도로 상승시키는 것을 포함한다. 이러한 조건하에서, 흡수된 CO2는 거의 모두 암모니아화 용액으로부터 가스상으로 방출된다. 가스상은 또한 추가의 CO2를 포집하는데 사용하기 위해 응축되어 포집부로 귀환될 수 있는 암모니아의 작은 부분(암모니아 슬립)을 포함할 수 있다. 희박 암모니아화 용액은 재생기(5)의 바닥에 수집된다.
열교환기(10)는 재생기(5)로부터 나오는 과열된 희박 암모니아화 용액을 사용하여 CO2 흡수기(4)로부터 나오는 농후 암모니아화 용액을 가열하도록 구성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 암모니아화 용액은 사이클을 형성하기 위해 포집부(2)와 재생부(3) 사이를 순환한다. 순환 용액의 구성물은 한 사이클의 경로에 걸쳐 변화될 수 있다. CO2 및 그 유도체의 농도는 암모니아화 용액이 가스 스트림으로부터 CO2를 흡수함에 따라 CO2 흡수기 내에서 증가되고, 다시 CO2가 암모니아화 용액으로부터 분리됨에 따라 재생기 내에서 감소된다. 암모니아의 농도는 일부 암모니아가 증발되어 가스 스트림에 의해 CO2 흡수기에서 탈출함에 따라 감소될 수 있다. 암모니아화 용액에 첨가되거나 이 용액 내에 형성되는 일부 성분들은 재생기에 의해 또는 CO2 흡수기에서의 증발에 의해 제거되지 않고, 용액 내에 축적될 수 있다. 그러한 성분들은 "추적 성분들"로서 본원에서 언급되어 있다. 그러한 추적 성분들의 실례는 금속 이온, 염소, 황화물 및/또는 질화물을 포함하며 이것으로 제한하지 않는다. 추적 성분들의 축적은 부식, 스케일링(scaling) 및 침전물의 증가뿐만 아니라 암모니아화 용액의 불활성화를 포함하는(이것으로 제한하지 않음) 다양한 문제를 일으킬 수 있다.
더구나, 가스 스트림과 함께 시스템 내로 들어가는 수증기도 역시 암모니아화 용액에 축적될 수 있다. 암모니아화 용액의 유효성을 유지하기 위해, 암모니아화 용액으로부터 물을 제거할 필요가 있으며 그렇지 않으면 시스템 내에 축적되어 암모니아화 용액의 흡수능력을 감소시킬 것이다.
종래에는, 순환 암모니아화 용액 내의 물 및 추적 성분들의 양은 일반적으로 "블리드 스트림" 내에서 암모니아화 용액의 일부분을 제거하고 그리고 새로운 암모니아를 첨가하여 암모니아화 용액의 희석화를 보충함으로써 조정되고 있었다. 다음에 "블리드 스트림" 내의 암모니아화 용액은 폐기되어야 하며 새로운 암모니아가 공급되어야 하고, 이는 비용 증가를 초래한다.
순환 암모니아화 용액에서 물의 양을 조절하려고 하는 종래의 시도들은 또한 암모니아로부터 물을 분리하며 시스템으로부터 물을 제거하는 작용을 하는 스트리퍼의 도입을 포함하였다. 실현가능하지만, 스트리퍼는 전체 에너지 필요조건 및 시스템의 투자 비용을 증가시킬 수 있다.
CO2 흡수 후에, 암모니아화 용액으로부터 미량의 암모니아가 가스 스트림 내에 남아있다. 이러한 오염물들은 별개의 프로세스 단계에서 가스 스트림으로부터 제거되어야 한다. 따라서 CO2 제거 시스템(1)은 선택사양으로, CO2 흡수기(4)를 떠나는 가스 스트림 내에 존재한 암모니아를 제거하기 위한 작용을 하는 물 세척부를 추가로 포함할 수 있다. 물 세척부의 실례는 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 물 세척부(11)는 일반적으로 흡수기(12)(본원에서 '암모니아 흡수기'로서 언급됨) 및 스트리퍼(13)(본원에서 '암모니아 스트리퍼'로서 언급됨)를 포함한다. 물 세척 프로세스 동안에, 세척 용액의 스트림은 암모니아 흡수기(12)와 암모니아 스트리퍼(13) 사이에서 순환한다.
물 세척 단계의 세척 용액은 물 또는 수성 용액으로 구성될 수 있다. 세척 용액은 가스 스트림으로부터 암모니아를 흡수하기에 적절해야 하며, 양호하게는 암모니아 또는 암모늄의 농도가 없거나 낮은 농도를 포함해야 한다. 세척 용액은 양호하게는 중성 내지 약산성 pH 값을 가질 수 있다. 더 나아가서, 세척 용액은 실제로 또한 암모니아 제거 프로세스 동안 세척 용액에 집적되어 축적되는 추적 성분들의 가변량을 포함할 것이다. 세척 용액 내의 추적 성분들은 일반적으로 암모니아 제거 프로세스와 직접적으로 관련되지 않은 모든 성분들, 즉 물, 암모니아, 이산화탄소 및 이들의 유도체를 제외한 모든 성분들을 포함할 수 있다. 암모니아화 용액 내에 나타날 수 있는 암모니아 및 CO2의 유도체를 예로 들면, 암모늄 이온, 중탄산 이온, 탄산염 이온, 및/또는 카르밤산염 이온이다. 본 개시에서의 추적 성분들의 실례는 금속 이온, 염소, 황산염 및/또는 질산염을 포함하며 이들로 제한하지 않는다. 암모니아 및 암모늄의 농도들은 일반적으로 암모니아화 용액에서보다 세척 용액에서 상당히 더 낮다.
암모니아 흡수기(12)에서 CO2 흡수기로부터 CO2가 격감된 가스 스트림은 세척 용액의 스트림과 접촉하게 되어 암모니아가 세척 용액의 상기 스트림 내에 흡수되도록 한다. 암모니아 흡수기에 사용된 암모니아의 적어도 일부분은 액체 도관(14)을 경유하여 후퇴하여 암모니아 스트리퍼(13)로 공급된다. 암모니아 스트리퍼(13)에서, 암모니아를 포함한 가스상은 세척 용액으로부터 분리되어 가스 도관(15)을 경유하여 물 세척부로부터 제거된다. 암모니아에 추가하여, 암모니아 스트리퍼(13)로부터의 가스상도 역시 수증기, 이산화탄소 및 기타 저비등(low-boiling) 오염물을 함유할 수 있다. 암모니아를 포함한 분리된 가스상은 시스템으로부터 암모니아의 손실을 최소화하기 위해 CO2 제거 시스템의 암모니아화 용액, 예로서 재생기(5)로 복귀될 수 있다. 암모니아를 분리하였던 세척 용액은 가스 스트림으로부터 추가의 암모니아를 포집하는데 사용하기 위해 액체 도관(16)을 경유하여 암모니아 흡수기(12)로 재사이클된다.
세척 용액은 사이클을 형성하기 위해 암모니아 흡수기(12)와 암모니아 스트리퍼(13) 사이에서 순환한다. 순환 세척 용액의 구성물은 하나의 사이클의 과정에 걸쳐 변할 수 있다. 암모니아 및 그 유도체의 농도는 세척 용액이 가스 스트림으로부터 암모니아를 흡수함에 따라 암모니아 흡수기(12) 내에서 증가되고, 다시 암모니아가 세척 용액으로부터 분리됨에 따라 암모니아 스트리퍼(13) 내에서 감소된다. 세척 용액에 첨가되거나 이 용액 내에 형성되는 일부 성분들은 암모니아 스트리퍼에 의해 제거되지 않고, 용액 내에 축적될 수 있다. 그러한 성분들은 "추적 성분들"로서 본원에서 언급되어 있다. 그러한 추적 성분들의 실례는 금속 이온, 염소, 황화물 및/또는 질화물을 포함하며 이것으로 제한하지 않는다. 추적 성분들의 축적은 부식, 스케일링 및 침전물의 증가를 포함하여(이것으로 제한하지 않음) 다양한 문제를 일으킬 수 있다.
상술한 바와 같이, CO2 제거 시스템에서 순환 용액 스트림들 내에 추적 성분들 및/또는 물의 축적에 따른 문제가 있다.
본 개시에 따라서, CO2 제거 시스템은 추가로, 시스템 내에서 순환 용액들로부터 추적 성분들 및/또는 물을 제거하는 작용을 하는 멤브레인 정화장치를 포함한다.
멤브레인 정화장치는 도 2에 개략적으로 도시되어 있다. 멤브레인 정화장치(17)는 대체로 제1 격실(18) 및 제2 격실(19)를 포함할 수 있고, 여기서 상기 제1 및 제2 격실들은 반투과성 막(20)에 의해 분리되어 있다. 그러한 멤브레인 정화장치들은 예를 들어 물 정화 및 물 담수화 분야에서 광범위하게 채용되어 있다. 멤브레인 정화장치는 예를 들어 직교류 또는 데드-엔드(dead-end) 작업을 위해 구성될 수 있는데, 일반적으로 직교류 구성이 정화장치의 연속 작동을 허용하기 때문에 선호되고 있다. 다양한 용도를 위해 넓은 범위의 멤브레인 정화장치가 상업적으로 이용될 수 있다. 기술에 숙련된 자는 예를 들어 필요한 선택도, 유동 속도 및 pH와 온도 조건에 기초하여 특정 응용을 위해 적절한 멤브레인 정화장치를 선택할 수 있다.
멤브레인 정화장치는 CO2 제거 시스템의 순환 용액과 액체 소통하도록 배열되어 있어서, 추적 성분들을 함유한 용액이 제1 격실(18)로 진행하여 수용되고, 추적 성분들의 감소된 양을 함유한 정화된 용액은 CO2 제거 시스템의 순환 용액으로 복귀하게 된다. 용액은 수동적으로는 CO2 제거 시스템의 내부 압력에 의하여, 능동적으로는 펌프에 의하여 멤브레인 정화장치에 공급될 수 있다. 멤브레인 정화장치에 의해 수용되는 순환 용액의 양은 멤브레인 정화장치의 용량과, 특정한 CO2 제거 시스템에서 추적 성분 및/또는 물 제거의 필요에 따라 넓은 범위 내에서 변할 수 있다.
또한 선택-투과막, 부분-투과막 또는 차별-투과막이라고도 하는 반투과성 막은 일정한 분자 또는 이온이 확산에 의해 멤브레인을 통과하도록 허용하는 멤브레인이다. 통과 속도는 압력, 농도, 어느 한쪽의 분자 또는 용질의 온도뿐만 아니라, 각 용질에 대한 막의 투과도에 의존한다. 멤브레인 및 용질에 따라, 투과도는 용질 크기, 용해성, 성질 또는 화학에 의존할 수 있다. 어떻게 막이 그 투과도에서 선택할 수 있게 구성되어 있는가 하는 것은 속도 및 투과도를 결정할 것이다.
반투과성 막은 합성물질이 될 수 있고 그리고 금속 또는 세라믹과 같은 고체, 동질성 필름(폴리머), 이종 고체(폴리머 혼합물, 혼합된 유리), 액체를 위시하여 유기물질 또는 무기물질을 포함할 수 있다. 분리 산업에서 가장 상업적으로 많이 사용되는 합성막은 폴리머 구조체로 제조되어 있다. 막 합성에서 가장 흔한 폴리머는 셀룰로스 아세테이트, 질화물, 에스테르, 폴리설폰, 폴리에테르 설폰, 폴리아크릴니트릴, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리비닐클로라이드이다.
역삼투에서 사용된 멤브레인은 종종 폴리이미드 또는 폴리아미드로 제조되며, 기본적으로 물에 대한 그들의 투과도와, 소금 이온 및 여과될 수 없는 기타 작은 분자들을 위시하여 여러 가지 분해된 불순물에 대한 상대 불투과도를 위해 선택되어 있다. 폴리아미드 및 폴리이미드계 멤브레인은 본원에서 설명된 여러 양상들에 따라 사용하기 위한 멤브레인 정화장치에서 유용하다는 것을 알게 되었다. 반투과성 막은 박막 복합체 멤브레인의 형태로 제공될 수 있다. 박막 복합체 멤브레인은 대체로 2층 이상의 적층 재료로 제조된 필름이다.
하나의 실시예에서, 반투과성 막은 폴리아미드 또는 폴리이미드를 포함한다. 하나의 실시예에서, 반투과성 막은 박막 복합체 멤브레인이다. 보다 특정한 실시예에서, 반투과성 막은 폴리아미드 또는 폴리이미드계 박막 복합체 멤브레인이다. 본원에 설명된 양상들에서 사용하기에 적절한 반투과성 막의 특정 실례는 상표명 FILMTEC (TM)하에서 다우 케미칼 캄파니에 의해 공급된 멤브레인들의 범위를 언급할 수 있다.
반투과성 막은 특히 암모니아 또는 암모늄을 포함하는 수성 용액과 함께 사용하기에 적절하다는 것을 알게 되었는데, 왜냐하면 물을 투과시킬 수 있는 멤브레인들은 종종 또한 암모니아 및/또는 암모늄에 대해 투과성을 발휘하기 때문이다. 결과적으로, 여기서 설명된 시스템의 멤브레인 정화장치는 시스템으로부터 암모니아의 손실을 최소로 유지하면서 축적된 추적 성분들이 시스템으로부터 제거될 수 있게 허용한다.
멤브레인 정화장치는 대체로 제1 격실 및 제2 격실을 포함하고, 여기서 상기 제1 및 제2 격실들은 반투과성 막에 의해 분리되어 있다. 제1 격실은 시스템으로부터 용액을 수용하여 이 용액이 반투과성 막과 접촉하게 되도록 구성될 수 있다. 멤브레인 정화장치의 제2 격실은 제1 격실로부터 용액의 투과물을 반투과성 막을 통해 수용하도록 구성되어 있다. 제1 격실에서의 생성된 용액은 농축물로서 언급되며, 제2 격실에서의 생성된 용액은 투과물로서 언급된다.
투과물은 냉각 암모니아 프로세스에 유리하게 재사용될 수 있다. 따라서, 실시예에서 멤브레인 정화장치의 제2 격실은 투과물을 수용하였던 순환 용액 스트림으로 투과물을 귀환시키도록 추가로 구성되어 있다.
불순물이 농축되어 있던 농축물은 대체로 시스템에서 제거되어 폐기된다. 그러나, 농축물의 실제 구성물에 따라서, 추가의 처리를 고려할 수 있다. 상황에 따라, 부식성 분사(causic injection)에 의해 또는 프로세스에서의 재사용에 의하여 예를 들어 암모니아와 함께 중화가 황화물 및 염소 이온 농도에 의존하여 필요로 할 수 있다. 대안으로서 농축물은 불순물에 대해 덜 민감한 시스템의 일부에서 재사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 멤브레인 정화장치는 제1 격실에서 떠나는 농축물의 일부를 귀환시켜서, 이 농축물의 일부를 멤브레인 정화장치에서 추가의 처리를 위해 제1 격실로 들어오는 용액과 결합시키도록 구성된 재순환 루프를 추가로 포함할 수 있다. 그러한 재순환 루프는 제1 격실의 배출구를 제1 격실의 유입구와 연결시키는 액체 도관과, 재순환될 농축물의 양을 제어하기 위한 유동조절장치를 포함할 수 있다.
도 3a에 개략적으로 도시된 실시예에서, 멤브레인 정화장치(17)는 시스템의 CO2 포집부(2)에서 구체화되어 있다. 이 실시예에서, 멤브레인 정화장치는 CO2 흡수기(4)와 재생기(5) 사이를 순환하는 암모니아화 용액의 적어도 일부분을 수용하도록 구성되어 있다. 암모니아화 용액은 액체 도관(7a)을 경유하여 액체 도관(7)으로부터 수용한 "희박" 암모니아화 용액이 될 수 있다. 멤브레인 정화장치(17)는 제1 격실(18) 내로 용액을 수용하도록 구성되어 있어서, 용액이 반투과성 막(20)과 접촉하게 된다. 반투과성 막은 폴리아미드 또는 폴리이미드계 박막 복합체 멤브레인, 예를 들어 FILMTEC(TM) 멤브레인이 될 수 있다. 물 암모니아 및 암모늄 이온은 적어도 부분적으로 멤브레인을 통해 확산하며, 한편 금속 이온, 염소, 황화물, 및/또는 질화물과 같은 더 큰 이온들은 멤브레인을 통과하지 않는다. 투과물, 소위 물, 암모니아 및 암모늄 이온은 제2 격실(19) 내에 수집되어 재생기(5)의 바닥에 또는 액체 도관(7b)을 경유하여 액체 도관(7) 내에 있는 순환 암모니아화 용액으로 귀환된다. 농축된 추적 성분들을 포함하는 농축물은 폐기되거나 또는 프로세스에서 재사용된다.
선택사양으로 멤브레인 정화장치는 제1 격실(18)에서 떠나는 농축물의 일부를 귀환시켜서, 이 농축물의 일부를 멤브레인 정화장치에서 추가의 처리를 위해 제1 격실(18)로 들어오는 용액과 결합시키도록 구성된 재순환 루프를 추가로 포함할 수 있다. 그러한 재순환 루프는 제1 격실의 배출구를 제1 격실의 유입구와 연결시키는 액체 도관(21)과, 재순환될 농축물의 양을 제어하기 위한 유동조절장치(22)를 포함할 수 있다.
도 3b에 개략적으로 도시된 실시예에서, 멤브레인 정화장치(17)는 시스템의 물 세척부(11)에서 구체화되어 있다. 이 실시예에서, 멤브레인 정화장치는 암모니아 흡수기(12)와 암모니아 스트리퍼(13) 사이를 순환하는 세척 용액의 적어도 일부분을 수용하도록 구성되어 있다. 세척 용액은 암모니아 스트리퍼의 바닥으로부터 또는 액체 도관(16a)을 경유하여 액체 도관(16)으로부터 수용한 세척 용액이 될 수 있다. 멤브레인 정화장치(17)는 제1 격실(18) 내로 세척 용액을 수용하도록 구성되어 있어서, 용액이 반투과성 막(20)과 접촉하게 된다. 반투과성 막은 폴리아미드 또는 폴리이미드계 박막 복합체 멤브레인, 예를 들어 FILMTEC(TM) 멤브레인이 될 수 있다. 물, 암모니아 및 암모늄 이온은 적어도 부분적으로 멤브레인을 통해 확산하며, 한편 금속 이온, 염소, 황화물, 및/또는 질화물과 같은 더 큰 이온들은 멤브레인을 통과하지 않는다. 투과물, 주로 물은 제2 격실 내에 수집되어 암모니아 스트리퍼의 바닥에 또는 액체 도관(16b)을 경유하여 세척 용액 도관 내에 있는 순환 세척 용액으로 귀환된다. 농축된 추적 성분들을 포함하는 농축물은 폐기된다.
선택사양으로 멤브레인 정화장치는 제1 격실(18)에서 떠나는 농축물의 일부를 귀환시켜서, 이 농축물의 일부를 멤브레인 정화장치에서 추가의 처리를 위해 제1 격실(18)로 들어오는 용액과 결합시키도록 구성된 재순환 루프를 추가로 포함할 수 있다. 그러한 재순환 루프는 제1 격실의 배출구를 제1 격실의 유입구와 연결시키는 액체 도관(21)과, 재순환될 농축물의 양을 제어하기 위한 유동조절장치(22)를 포함할 수 있다.
본 발명의 장점들:
멤브레인 정화장치의 에너지 필요조건은 매우 낮으며 주로 공급 스트림을 펌핑하는 것과 관련되어 있다. 간헐적 기체 생성물 스트림들이 회피된다. 가열이 필요하지 않기 때문에, 작동을 경제적으로 만들기 위해 열 집적화가 필요하지 않다. 유틸리티 시스템들(증기, 냉각 등)이 없이 독립적 작동이 가능하다. 덧붙여, 멤브레인 정화장치는 스트리퍼 바닥들, 물 세척 바닥들 및 희박 용액과 같은 다른 공급물 용액들 사이에 스위칭을 가능하게 한다.
멤브레인 정화장치에서는 보조 스트리퍼에 비하여 상당하게 작은 장비 및 유틸리티 관련 부품들을 필요로 한다. 멤브레인 정화장치는 점유공간 감소 및 더 낮은 투자비를 위한 잠재성을 갖는다. 예를 들어, 약 1×0.1 m의 롤형 모듈에서 7.6 m2 멤브레인 면적을 갖는 공업적 응용을 위한 하나의 멤브레인은 약 300 l/hr를 정화시킬 수 있을 것이다.
낮은 작동 온도(가능한 대기 온도)로 인하여 예로서 스트리퍼들에서의 고온과 관련된 부식 문제들이 현저하게 감소된다. 또한, 예를 들어 황화물 분해에 의해 형성된 황 화합물의 스트립핑이 불필요하다.
본 발명의 상술한 실시예들, 특히 어떠한 "양호한" 실시예들은 단순히 구체화의 가능한 실례들이며, 단순히 본 발명의 원리를 명확히 이해시키기 위해 설명되어 있는 것임을 강조하고자 한다. 본 발명의 정신 및 원리를 실질적으로 벗어나지 않고 본 발명의 상술한 실시예에 대해 여러 가지 변경 및 수정이 가능하다. 그러한 변경 및 수정은 모두 여기에서 개시된 내용 및 본 발명의 범위 내에 포함되며 아래 청구범위에 의해 보호받는 것으로 의도되어 있다.

Claims (18)

  1. 가스 스트림을 순환 암모니아화 용액 스트림과 접촉시켜서 이산화탄소(CO2)가 상기 암모니아화 용액 내에 흡수되도록 함으로써 상기 가스 스트림으로부터 CO2를 제거하는 시스템(1)으로서,
    상기 시스템이 멤브레인 정화장치(15)를 포함하고, 상기 멤브레인 정화장치는 제1 격실(16) 및 제2 격실(17)을 구비하고, 상기 제1 및 제2 격실들은 반투과성 막(18)에 의하여 분리되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    암모니아화 용액을 사용하여 상기 가스 스트림으로부터 CO2를 흡수하도록 구성된 포집부(2); 및
    상기 암모니아화 용액으로부터 CO2를 제거하도록 구성된 재생부(3)를 포함하는 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 포집부는 CO2를 함유하는 가스 스트림을 수용하며 상기 가스 스트림을 암모니아화 용액의 스트림과 접촉시켜 CO2 농후 암모니아화 용액의 스트림을 형성하도록 구성된 CO2 흡수기(4)를 포함하고;
    상기 재생부는 상기 CO2 흡수기로부터 CO2 농후 암모니아화 용액의 스트림을 수용하며, 상기 암모니아화 용액으로부터 CO2를 분리하여 CO2 희박 암모니아화 용액의 스트림을 형성하고 그리고 상기 CO2 희박 암모니아화 용액의 스트림을 상기 CO2 흡수기로 귀환시키도록 구성된 재생기(5)를 포함하는 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 스트림을 순환 세척 용액 스트림과 접촉시켜서 암모니아가 상기 세척 용액 내에 흡수되도록 함으로써 상기 가스 스트림으로부터 암모니아를 제거하기 위한 물 세척부(11)를 추가로 포함하고, 상기 물 세척부는:
    세척 용액을 이용하여 상기 가스 스트림으로부터 암모니아를 흡수하도록 구성된 암모니아 흡수기(12); 및
    상기 세척 용액으로부터 암모니아를 제거하도록 구성된 암모니아 스트리퍼(13)를 포함하는 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 암모니아 흡수기는 상기 CO2 흡수기로부터 CO2 내에서 격감된 가스 스트림을 수용하며, 암모니아가 세척 용액의 스트림 내에 흡수되도록 상기 가스 스트림을 상기 세척 용액의 스트림과 접촉시키도록 구성되고;
    상기 암모니아 스트리퍼는 상기 암모니아 흡수기로부터 흡수된 암모니아를 함유하는 세척 용액을 수용하여 상기 세척 용액으로부터 암모니아를 제거하도록 구성된, 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 멤브레인 정화장치의 제1 격실은 순환 용액이 상기 반투과성 막과 접촉하도록 상기 시스템으로부터 상기 순환 용액의 적어도 일부분을 수용하도록 구성되어 있는, 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 순환 용액은 상기 포집부 또는 상기 재생부의 순환 암모니아화 용액과 상기 물 세척부의 순환 세척 용액으로부터 선택되는, 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 순환 용액은 상기 포집부 또는 상기 재생부의 순환 암모니아화 용액인, 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 순환 용액은 상기 순환 세척 용액인, 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 멤브레인 정화장치의 제2 격실은 상기 반투과성 막을 통해 상기 제1 격실로부터 상기 순환 용액의 투과물을 수용하도록 구성되어 있는, 시스템.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 멤브레인 정화장치의 제2 격실은 상기 순환 용액의 투과물을 상기 시스템으로 귀환시키도록 구성되는, 시스템.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 멤브레인 정화장치의 제2 격실은 상기 순환 용액의 투과물을 이 투과물이 수용되어 있었던 상기 순환 용액으로 귀환시키도록 구성되는, 시스템.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반투과성 막은 물 및/또는 암모니아 및/또는 암모니아 이온에는 투과성이고, 금속 이온들, 염화물, 황산 및/또는 질산염에는 불투과성인, 시스템.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반투과성 막은 폴리아미드 또는 폴리이미드를 포함하는, 시스템.
  15. 가스 스트림을 순환 암모니아화 용액 스트림과 접촉시켜서 이산화탄소(CO2)가 상기 암모니아화 용액 내에 흡수되도록 함으로써 상기 가스 스트림으로부터 CO2를 제거하는 방법으로서,
    반투과성 막을 사용하여 순환 용액으로부터 추적 성분들을 분리하는 단계를 포함하는 제거 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    a) 암모니아화 용액의 스트림을 CO2를 함유한 가스 스트림과 접촉시켜 암모니아화 용액의 CO2 농후 스트림을 형성하는 단계,
    b) 단계 a)의 암모니아화 용액의 CO2 농후 스트림으로부터 적어도 CO2의 일부분을 제거하여 암모니아화 용액의 CO2 희박 스트림을 형성하는 단계,
    c) 단계 b)에서 형성된 CO2 희박 암모니아화 용액의 적어도 일부분을 단계 a)로 재순환시키는 단계, 및
    d) 반투과성 막을 사용하여 상기 순환 암모니아화 용액으로부터 추적 성분들을 분리하는 것을 특징으로 하는 단계를 포함하는 제거 방법.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    a1) 세척 용액의 스트림을 암모니아를 함유한 가스 스트림과 접촉시켜서 세척 용액의 암모니아 농후 스트림을 형성하는 단계,
    b1) 단계 a1)의 세척 용액의 암모니아 농후 스트림으로부터 적어도 암모니아의 일부분을 제거하여 세척 용액의 암모니아 희박 스트림을 형성하는 단계,
    c1) 단계 b1)에서 형성된 상기 암모니아 희박 세척 용액의 적어도 일부분을 단계 a1)으로 재순환시키는 단계, 및
    d1) 반투과성 막을 사용하여 상기 순환 세척 용액으로부터 추적 성분들을 분리하는 것을 특징으로 하는 단계를 포함하는 제거 방법.
  18. 제1 격실 및 제2 격실을 갖는 멤브레인 정화장치의 사용 방법으로서,
    상기 제1 및 제2 격실들은 순환 암모니아화 용액을 사용하여 이산화탄소(CO2)를 제거하기 위한 방법 또는 시스템 내에서 순환 용액 스트림의 추적 성분 및/또는 물 함량을 감소시키기 위해 반투과성 막에 의하여 분리되는, 멤브레인 정화장치의 사용 방법.
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