KR20130112063A - 가스상 오염물들을 제거하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

가스상 오염물들을 제거하기 위한 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

세정액과 가스 스트림을 접촉시키는 것에 의해 가스 스트림(120, 140)으로부터 가스상 오염물들을 제거하고 가스 스트림으로부터 가스상 오염물들을 제거하여 추후 사용을 위하여 재생 시스템(160)에서 세정액을 재생하기 위한 방법 및 시스템(100)이 개시된다.

Description

가스상 오염물들을 제거하기 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR REMOVAL OF GASEOUS CONTAMINANTS}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 그 개시 내용이 본 출원과 부합하는 정도로 그 전체에 있어서 참조에 의해 통합되는 2011년 1월 6일자 출원된 미국 특허 가출원 제61/430,280호에 대해 우선권을 주장한다.
본 발명은 가스 스트림으로부터 가스상 오염물의 제거를 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
가스 정화를 위한 종래의 산업 기술에서, H2S, C02 및/또는 COS와 같은 불순물은 액체 세정액에서, 예를 들어 아민 화합물을 포함하는 액체 세정액에서 흡수에 의해 연도 가스, 천연 가스, 합성 가스와 같은 가스 스트림 또는 다른 가스 스트림로부터 제거된다.
사용 세정액은 전형적으로 시스템과 반류 접촉에 의해 용액에서 존재하는 불순물을 방출하도록 재생기 컬럼(또는 "재생기"로서 지칭됨)에서 연속하여 재생된다. 재생을 위해 필요한 스팀은 전형적으로 재생기 컬럼의 저부 가까이에 위치된 리보일러(reboiler)에서 재생 세정액을 끓이는 것에 의해 제조된다. 부가하여, 재생 세정액의 재끓임은 세정 요액에서 존재하는 불순물의 추가의 방출을 제공할 수 있다.
상기된 바와 같은 종래의 흡수-재생 공정에서, 재생되고 재끓임된 세정액은 전형적으로 다른 흡수 사이클에서 재사용된다. 그러나, 재끓임된 용액은 100-150℃만큼 높은 온도를 가질 수 있다. 효율적인 흡수를 가능하게 하도록, 아민 화합물에 기초한 세정액은 전형적으로 흡수 공정을 통과하기 전에 냉각된다. 냉각은 종래에 흡수 공정으로부터 사용 세정액과 열교환하는 것에 의해 달성되었다.
리보일러에 의해 만들어진 에너지는 재생을 위해 사용될 뿐만 아니라, 흡수-재생 공정에서 다른 위치에서 사용된다. 일반적으로, 종래의 가스 정화 공정의 에너지 필요 조건은 바인딩 에너지(binding energy), 스트립핑 에너지(stripping energy), 현열(sensible heat)의 세 형태가 있다. 바인딩 에너지는 불순물과 세정액 사이에 형성된 화학적 결합을 파손하기 위해 요구되는 반면에, 스트립핑 에너지는 세정액으로부터 불순물을 방출하는데 필요한 스팀의 제조를 위해 요구된다. 현열은 차례로 재생에 앞서 세정액의 가열을 위하여 필요하다. 종래의 시스템 및 공정에서, 생산된 에너지의 일부는 예를 들어 시스템 쿨러에서 손실될 수 있으며, 시스템 쿨러는 시스템에서의 특정 위치에서의 온도를 낮추며, 예를 들어, 쿨러는 흡수기로 세정액을 공급하기 전에 복귀 세정액을 냉각하기 위하여 흡수기 입구 가까이에 위치된다. 더욱이, 에너지는 흡수기, 재생기 등의 상부에 위치된 응축기에서, 수증기가 정화된 C02 가스에서 존재하는 재생기의 상부에서 주로, 공정을 빠져나가는 수증기의 형태로 손실될 수 있다.
그러므로, 가스 스트림으로부터 오염물 제거, 특히 세정액의 재생은 에너지 집약 공정이다. 가스 정화 공정의 다른 부분들에서 에너지 요구의 감소는 잠재적으로 시스템에 의해 요구되는 전체 에너지를 감소시킨다.
본 명세서에서 예시된 양태에 따라서, 가스 스트림으로부터 가스상 오염물들을 제거하는데 이용되는 세정액을 재생하기 위한 시스템이 제공되며, 상기 시스템은, 제 1 피가열(heated) 사용 세정액을 형성하도록 고온의 재생 세정액과 사용 세정액 사이의 열전달을 위한 제 1 열교환기; 제 2 피가열 사용 세정액을 형성하도록 상기 제 1 열교환기로부터 상기 사용 세정액의 적어도 일부와 상기 고온의 재생 세정액 사이의 열전달을 위한 제 2 열교환기; 및 상기 사용 세정액, 상기 제 1 피가열 사용 세정액 및 상기 제 2 피가열 사용 세정액을 수용하도록 배열된 재생기를 포함하며, 상기 제 2 피가열 사용 세정액은 상기 제 1 피가열 사용 세정액보다 높은 온도를 가지며, 상기 제 1 피가열 사용 세정액은 상기 사용 세정액보다 높은 온도를 가진다.
본 명세서에서 예시된 또 다른 양태에 따라서, 가스 스트림으로부터 가스상 오염물들을 제거하는데 이용되는 세정액을 재생하기 위한 공정이 제공되며, 상기 공정은 재생기에 사용 세정액의 제 1 부분을 제공하는 단계; 제 1 피가열 사용 세정액을 형성하도록 고온의 재생 세정액과 상기 사용 세정액의 제 2 부분 사이에서 열을 전달하는 제 1 열교환기에 상기 사용 세정액의 제 1 부분을 제공하는 단계; 재생기에 상기 제 1 피가열 사용 세정액의 제 1 부분을 제공하는 단계; 제 2 피가열 사용 세정액을 형성하도록 상기 고온의 재생 세정액과 상기 제 1 피가열 사용 세정액 사이에서 열을 전달하는 제 2 열교환기에 상기 제 1 피가열 사용 세정액의 제 2 부분을 제공하는 단계; 그리고 상기 재생기에 상기 제 2 피가열 사용 세정액을 제공하는 단계를 포함하며, 상기 재생기에 제공된 상기 제 2 피가열 사용 세정액은 상기 재생기에 제공된 상기 제 1 피가열 사용 세정액의 온도보다 높은 온도를 가지며, 상기 재생기에 제공된 상기 제 1 피가열 사용 세정액은 상기 재생기에 제공된 상기 사용 세정액의 온도보다 높은 온도를 가진다.
본 명세서에 예시된 다른 양태에 따라서, 재생기에 의해 소비되는 에너지의 양을 감소시키는 방법이 제공되며, 상기 방법은, 사용 세정액을 복수의 부분들로 분리하는 단계; 제 1 온도(Tl)를 가지는 상기 사용 세정액의 제 1 부분을 재생기에 제공하는 단계; 제 2 온도(T2)를 가지는 제 1 피가열 사용 세정액을 형성하도록 상기 사용 세정액의 제 2 부분을 가열하는 단계; 제 3 온도(T3)를 가지는 제 2 피가열 사용 세정액을 형성하도록 상기 사용 세정액의 제 3 부분을 가열하는 단계; 그리고 상기 재생기에 상기 제 1 및 제 2 피가열 사용 세정액들을 제공하는 단계를 포함하며, T1<T2<T3의 온도 분포가 유지되고, 이에 의해 상기 재생기에 의해 소비되는 에너지의 양을 감소시킨다.
상기 및 다른 특징들은 다음의 도면 및 상세한 설명에 의해 예시화된다.
도 1은 가스 스트림으로부터 가스상 오염물들을 제거하기 위한 시스템의 개략도;
도 2는 재생기의 개략도; 및
도 3은 본 명세서에 기술된 시스템의 시뮬레이팅된 테스트에 관련된 데이터를 나타내는 그래프이다.
예시적인 실시예들이고 동일한 요소들이 동일하게 부호화되는 도면들을 지금 참조한다.
도 1은 가스 스트림(120)으로부터 가스상 오염물들을 제거하기 위한 시스템(100)을 도시한다. 가스 스트림(120)은 가스상 오염물들을 포함하는 임의의 가스 스트림일 수 있으며, 연소원으로부터의 연도 가스 스트림, 천연 가스 스트림, 합성 가스 스트림 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 가스 스트림(120)에 존재하는 가스상 오염물은 C02, H2S 등과 같은 산성 가스 오염물들을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
가스 스트림(120)은 가스 스트림과 세정액 사이의 접촉을 허용하도록 배열된 흡수기(130)로 도입된다. 한 실시예에서, 흡수기(130)는 패킹된 베드 컬럼(packed bed column)이다. 패킹된 베드 컬럼은 동일 또는 상이한 패킹 재료의 다중 섹션을 가질 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 흡수기(130)는 상부 흡수 섹션(132)과 저부 흡수 섹션(134)의 2개의 흡수 섹션들을 포함한다. 흡수기(130)는 더욱 많거나 또는 더욱 적은 흡수 섹션들이 흡수기에 존재할 수 있음에 따라서 이에 관하여 제한되지 않는다.
가스상 오염물들을 함유하는 가스 스트림(120)은 진입 지점(131)에서 흡수기(130)에 들어가며, 흡수기의 길이(L)의 상류로 이동한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 진입 지점(131)은 흡수기(130)의 저부(133)에 위치된다. 가스 스트림(120)이 흡수기(130)의 길이(L)의 상류로 이동함으로써, 가스 스트림은 흡수 섹션(132, 134)들에서 세정액과 접촉된다. 세정액은 전형적으로 가스 스트림(120)과 반류 접촉하도록 흡수기(130)의 길이(L)의 하류로 이동한다.
한 실시예에서, 세정액은 아민 기반 세정액이다. 아민 기반 세정액의 예는 모노에탄올아민(MEA), 디에탄올아민(DEA), 메틸디에탄올아민(MDEA), 디이소프로필아민(DIPA) 및 아미노에톡시에탄올(디클리콜아민)과 같은 아민화합물을 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 산업 플랜트에서 가장 일반적으로 사용되는 아민 화합물은 알칼로아민 MEA, DEA, MDEA 및 촉진제, 억제제 등과 종래의 아민의 일부 혼합물이다. 아민 기반 세정액은 암모니아 용액에 의한 C02의 포획시에 수반되는 화학 반응 속도를 향상시키는 촉진제를 또한 포함할 수 있다. 예를 들어, 촉진제는 용액의 형태를 하거나 또는 고체 또는 반고체 표면 상에서 움직일 수 있는 아민(예를 들어, 피페라진) 또는 효소(탄산무수화 효소 또는 그 유사물)를 포함할 수 있다. 그러나, 본 명세서에 기술된 바와 같은 시스템과 공정은 흡수/재생 계획에 의해 공정에 수반되는 임의의 용액에 적용될 수 있다는 것이 이해된다.
세정액의 적어도 일부는 라인(136)을 통하여 흡수기의 상부(135)에서 흡수기(130)로 도입되고, 흡수 섹션(132, 134)에서 세정액이 가스 스트림(120)과 접촉하는 흡수기의 길이(L)의 하류로 이동한다.
흡수기(130)에서, 가스 스트림(120)에서 존재하는 이산화탄소(C02)와 같은 가스상 오염물은 세정액에 의해 흡수되고, 이에 의해 사용 세정액(138)과 감소된 오염물 가스 스트림(140)을 형성한다. 사용 세정액(138)은 가스 스트림(120)으로부터 흡수된 오염물이 풍부하다.
도 1에 도시된 바와 같이, 감소된 오염물 가스 스트림(140)은 흡수기(130)의 상부(135)로부터 방출된다. 감소된 오염물 가스 스트림(140)은 대기로 방출하기 위한 스택으로 보내지기 전에 추가 처리될 수 있다(도시되지 않음). 감소된 오염물 가스 스트림(140)의 추가 처리는 예를 들어 입자 제거를 포함할 수 있다.
사용 세정액(138)의 적어도 일부는 인출되며 제 1 인출 레벨(139, withdrawal level)에서 흡수기(130)를 떠난다. 도 1은 흡수기(130)의 저부(133)에서의 제 1 인출 레벨(139), 즉 세정액의 유동에 대하여 저부 흡수 섹션(134)의 하류를 도시한다. 그러나, 제 1 인출 레벨은 흡수기(130)의 임의의 지점에 위치될 수 있다는 것이 예측된다.
제 1 인출 레벨(139)에서 인출되는 사용 세정액(138)은 재생기에서 재생될 수 있으며, 재생기에서, 오염물은 흡수기(130)에서 재사용을 위한 재생 세정액을 만들기 위하여 사용 세정액으로부터 분리된다.
여전히 도 1을 참조하여, 제 1 인출 레벨(139)에서 흡수기(130)를 떠난 후에, 사용 세정액(138)은 제 1 부분(138a)과 제 2 부분(138b)의 2개의 부분으로 분리된다. 한 실시예에서, 사용 세정액(138)은 2개의 동일한 부분들로 분리되며, 예를 들어 사용 세정액(138)의 50%는 제 1 부분(138a)을 형성하는 한편, 사용 세정액(138)의 50%는 제 2 부분(138b)을 형성한다. 그러나, 다른 실시예에서, 사용 세정액(138)은 2개의 동등하지 않은 부분들로 분리되며, 예를 들어, 사용 세정액(138)의 10%는 제 1 부분(138a)을 형성하는 한편, 사용 세정액(138)의 90%는 제 2 부분(138b)을 형성한다. 특정 실시예에서, 사용 세정액(138)의 30-60%는 제 1 부분(138a)을 형성하고, 사용 세정액(138)의 나머지는 제 2 부분(138b)을 형성한다.
사용 세정액(138)의 제 1 부분은 흡수기(130)와 유체 소통하는 냉각 유닛(142)에 제공된다. 냉각 유닛(142)에서, 사용 세정액(138a)의 온도는 감소되고, 사용 세정액(138a)은 냉각된 사용 세정액(144)으로서 흡수기(130)로 복귀된다. 냉각된 사용 세정액(144)은 제 1 재도입 레벨(146)에서 흡수기(130)로 복귀된다. 냉각된 사용 세정액(144)의 제 1 재도입 레벨(146)은 흡수기(130)에서의 세정액의 유동에 대하여 제 1 인출 레벨(139)로부터 상류에 위치된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 흡수기(130)는, 흡수기(130)에서의 세정액의 유동에 대하여 상부 흡수 섹션(132)의 하류 및 제 1 재도입 레벨(146)의 상류 위치에 위치되는 제 2 인출 레벨(148)을 가진다. 가스 스트림(120)으로부터 흡수된 오염물이 부분적으로 포화되는 사용 세정액(150)은 제 2 인출 레벨(148)에서 흡수기(130)로부터 인출되고, 냉각 유닛(142)에 제공된다. 사용 세정액(150)은 사용 세정액(138a)과 결합되고, 냉각 유닛(142)에서 냉각되며, 냉각된 사용 세정액(144)의 부분으로서 흡수기로 복귀된다.
사용 세정액(138a, 150)이 냉각되는 온도는, 냉각 매체의 이용 가능성, 세정액 및 가스 스트림(120)에 존재하는 오염물의 반응 속도, 흡수 섹션(132, 134)에서 사용된 패킹 재료의 특성을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다수의 인자들에 의존한다. 한 실시예에서, 냉각 유닛(142)은 약 40℃의 온도로 사용 세정액(138a, 150)의 온도를 감소시킨다.
냉각된 사용 세정액(144)은 제 1 재도입 레벨(146)을 통해 흡수기(130)로 도입되고, 하류로 유동하여 저부 흡수 섹션(134)를 통과하고, 여기에서, 세정액이 가스 스트림(120)을 접촉한다. 냉각된 사용 세정액(144)이 가스 스트림(120)을 접촉함으로써, 세정액이 사용 세정액(138)으로서 제 1 인출 레벨(139)에서 인출되기 전에, 오염물은 가스 스트림으로부터 흡수된다. 이러한 공정은 반복될 수 있다.
흡수기(130)로부터 인출된 사용 세정액(138b)의 제 2 부분은 재생 시스템(160)에 제공된다. 재생 시스템(160)은 사용 세정액의 재생을 위하여 사용 세정액을 수용하도록 배열된 재생기(162)를 포함한다. 사용 세정액은 적어도 3개의 부분 즉, 사용 세정액(141), 제 2 피가열 사용 세정액(164b) 및 제 2 피가열 사용 세정액(166)으로 재생기(162)에 제공된다. 재생기(162)는 예를 들어 패킹된 베드 컬럼 또는 트레이 포함 컬럼과 같은 컬럼일 수 있다. 패킹된 베드 컬럼이면, 재생기(162)는 동일 또는 다른 패킹 재료를 가지는 다수의 섹션들을 포함할 수 있다.
재생기(162)는 재생 세정액(168)과 오염물 스트림(170)을 형성하도록 사용 세정액으로부터 가스상 오염물들을 제거하거나 또는 흡수한다("재생한다"). 사용 세정액(141, 164b, 166)이 오염물과 세정액 사이의 화학 결합을 파괴하는 것에 의한 가스상 오염물들을 스트립핑(stripping)하는 것에 의해 재생되는 것이 예측된다.
오염물 스트림(170)은 응축과 같이 추가 처리될 수 있거나, 또는 저장 설비에 직접 제공될 수 있다. 한 실시예에서, 사용 세정액(141, 164b, 166)은 C02 가스 스트림과 같이 재생기(162)에서 세정액으로부터 제거되는 C02를 함유하며, 가스 스트림은 추후에 응축되고 추후 사용을 위해 저장된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 흡수기(130)로부터 사용 세정액(138b)은, 세정액을 가열 또는 냉각하지 않고 재생기(162)에 직접 제공되는 제 1 부분(141)과, 열교환기(172)에 제공되는 제 2 부분(143)의 2개의 부분으로 분리된다. 열교환기의 예는 원통 다관형 열교환기(shell-and-tube heat exchangers), 및 판 및 프레임 열교환기를 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
한 실시예에서, 사용 세정액(138b)은 2개의 동등한 부분으로 분리되고, 예를 들어, 사용 세정액(138b)의 50%는 재생기(162)에 제공되는 제 1 부분(141)을 형성하는 한편, 사용 세정액(138b)의 50%는 열교환기(172)에 제공되는 제 2 부분(143)을 형성한다. 그러나, 다른 실시예에서, 사용 세정액(138b)은 2개의 동등하지 않는 부분으로 분리되며, 예를 들어, 사용 세정액(138b)의 10%는 재생기(162)에 제공되는 제 1 부분(141)을 형성하는 한편, 사용 세정액(138b)의 90%는 열교환기(172)에 제공되는 제 2 부분(143)을 형성한다. 특정 실시예에서, 사용 세정액(138b)의 1-10%는 재생기(162)에 제공되는 제 1 부분(141)을 형성하고, 사용 세정액(138b)의 나머지는 열교환기(172)에 제공되는 제 2 부분(143)을 형성한다.
재생기(162)에 제공되는 사용 세정액의 제 1 부분(141)은 세정액이 흡수기(130)로부터 인출되었을 때에 사용 세정액(138)의 온도와 동일하거나 그보다 낮은 온도(Tl)를 가진다. 전형적으로, 재생기(162)에 제공되는 사용 세정액(141)의 온도는 40 내지 60℃이다.
열교환기(172)에 제공되는 사용 세정액의 제 2 부분(143)은 열에너지를 얻으며, 제 1 피가열 사용 세정액(164)을 형성하도록 온도가 증가한다. 한 실시예에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 피가열 사용 세정액(164)은 2개의 부분(164a 및 164b)으로 분리되며, 제 1 부분(164a)은 재생기에서 사용 세정액의 유동에 대해 하류에서 사용 세정액이 재생기(162)로 들어가는 진입 지점에서 재생기(162)에 제공된다. 사용 세정액의 제 2 부분(164b)은 분리기(174)에 제공된다.
한 실시예에서, 제 1 피가열 사용 세정액(164)은 2개의 동등한 부분으로 분리되고, 예를 들어, 제 1 피가열 사용 세정액(164)의 50%는 재생기(162)에 제공된 제 1 부분(164a)을 형성하는 한편, 제 1 피가열 사용 세정액(164)의 50%는 분리기(174)에 제공되는 제 2 부분(164b)을 형성한다. 그러나, 다른 실시예에서, 제 1 피가열 사용 세정액(164)은 2개의 동등하지 않는 부분으로 분리되며, 예를 들어, 제 1 피가열 사용 세정액(164)의 10%는 재생기(162)에 제공되는 제 1 부분(164a)을 형성하는 한편, 제 1 피가열 사용 세정액(164)의 90%는 분리기(174)에 제공되는 제 2 부분(164b)을 형성한다.
특정 실시예에서, 제 1 피가열 사용 세정액(164)의 30-60%는 재생기(162)에 제공되는 제 1 부분(164a)을 형성하고, 나머지는 분리기(174)에 제공되는 제 2 부분(164b)을 형성한다.
재생기(162)에 제공되는 제 1 피가열 사용 세정액(164a)은 재생기에 제공되는 사용 세정액(141)의 온도보다 높은 온도(T2)를 가진다. 전형적으로, 재생기(162)에 제공되는 제 1 피가열 사용 세정액(164a)의 온도(T2)는 80 내지 100℃이다.
분리기(174)는 사용 세정액의 제 2 부분(164b)으로부터 가스 성분(증기)(176)을 제거하고, 열교환기(178)에 사용 세정액을 제공한다. 가스 성분(176)은 제 1 피가열 사용 세정액(164a)이 재생기에 제공되는 것에 대하여 하류 진입 지점에서 재생기(162)에 제공된다. 열교환기(178)에 제공되는 사용 세정액(164b)은 제 2 피가열 사용 세정액(166)을 형성하도록 열교환기에서 가열된다.
다른 실시예에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 피가열 사용 세정액(164)은 열교환기(172)를 떠난 후에 2개의 부분(164a 및 164b)으로 분리된다. 제 1 부분(164a)은, 사용 세정액(141)이 재생기에 들어가는 곳의 하류의 진입 지점에서 재생기(162)에 제공되고, 제 2 부분(164b)은 열교환기(178)에 직접 제공되며, 열교환기에서 세정액은 제 2 피가열 사용 세정액(166)을 형성하도록 가열된다. 도 2에서의 배열은 제 1 피가열 사용 세정액(164)으로부터 가스상 오염물들을 제거하기 위한 분리기(174)를 포함하지 않는다. 이 실시예에서, 동작의 용이성 및 효율적인 열에너지 이용을 위하여, 열교환기(178)의 출구는 기화점으로, 예를 들어 용액의 거품점(bubble point)에 매우 근접하게 가열될 수 있다.
도 2에서, 제 1 피가열 사용 세정액(164)은 2개의 동등한 부분으로 분리될 수 있으며, 예를 들어, 제 1 피가열 사용 세정액(164)의 50%는 재생기(162)에 제공되는 제 1 부분(164a)을 형성하는 한편, 제 1 피가열 사용 세정액(164)의 50%는 열교환기(178)에 제공되는 제 2 부분(164b)을 형성한다. 그러나, 다른 실시예에서, 제 1 피가열 사용 세정액(164)은 2개의 동등하지 않은 부분으로 분리되며, 예를 들어, 제 1 피가열 사용 세정액(164)의 10%는 재생기(162)에 제공되는 제 1 부분(164a)을 형성하는 한편, 제 1 피가열 사용 세정액(164)의 90%는 열교환기(178)에 제공되는 제 2 부분(164b)을 형성한다 것이 예측된다. 특정 실시예에서, 제 1 피가열 사용 세정액(164)의 30-60%는 재생기(162)에 제공되는 제 1 부분(164a)을 형성하고, 나머지는 열교환기(178)에 제공되는 제 2 부분(164b)을 형성한다.
지금 도 1 및 도 2를 모두 참조하여, 제 1 피가열 사용 세정액(164b)의 온도는 열교환기(178)에서 증가되고, 이에 의해 제 2 피가열 사용 세정액(166)을 형성한다. 제 2 피가열 사용 세정액(166)은 재생기(162)에 제공된다. 재생기(162)에 제공된 제 2 피가열 사용 세정액(166)의 온도(T3)는 재생기에 제공된 제 1 피가열 사용 세정액(164a)의 온도(T2)보다 높다. 제 2 피가열 사용 세정액(166)의 온도(T3)는 재생기(162)에 제공된 사용 세정액(141)의 온도(T1)보다 또한 높다. 한 실시예에서, 제 2 피가열 사용 세정액(166)의 온도(T3)는 110 내지 150℃이다. 재생기(162)에 제공되는 사용 세정액(141, 164a, 166)의 온도 분포는 Tl<T2<T3이다.
제 2 피가열 사용 세정액(166)은 제 1 피가열 사용 세정액(164a) 및 사용 세정액(141)이 도입되는 곳의 하류의 진입 지점에서 재생기(162)에 제공된다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 재생기(162)에 제공되는 제 2 피가열 사용 세정액(166)의 온도(T3)는 재생기에 제공된 제 1 피가열 사용 세정액(164a)의 온도(T2)보다 높고, 재생기에 제공된 제 2 피가열 사용 세정액의 온도는 재생기에 제공되는 사용 세정액(141)의 온도(Tl)보다 높다(T1<T2<T3). 사용 세정액(141, 164a, 166)의 온도 분포를 유지하는 것은 세정액으로부터 멀리 오염물들을 스트립핑하도록 요구되는 에너지("스트립핑 에너지")의 손실을 동시에 최소화하는 것에 의해 재생기(162)에서 열에너지의 최대 이용을 가능하게 한다. 그러므로, 열에너지의 최대 이용은 재생기(162)의 에너지 소비를 감소시킨다.
종래의 용매 기반 가스 오염물 포획 공정을 구동하는데 요구되는 재생 에너지는 다른 형태로 분포된다: (1) 재생 반응을 개시하도록 세정액을 가열하는데 요구되는 에너지("현열"); 및 (2) 세정액, 즉 용매로부터 오염물들을 제거하는데 요구되는 스팀 에너지("스트립핑 에너지").
용매로부터 오염물들을 제거하는데 필요한 에너지의 이론적인 최소량은 용매의 바인딩 에너지로 설정된다. 그러나, 오염물들을 스트립핑에서 소비되는 에너지는 효과적인 열에너지 이용에 의해 최소화될 수 있다.
재생기(162)를 따르는 온도 분포는 상기 온도가 재생이 개선되는 저부에서 가장 높도록 한다. 사용 세정액(Tl) < 제 1 피가열 사용 세정액(T2) < 제 2 피가열 사용 세정액(T3)의 공식을 만족시키는 온도 분포를 가지면, 스트립핑 에너지의 최소화를 가능하게 한다.
사용 세정액(141), 제 1 피가열 사용 세정액(164a) 및 제 2 피가열 사용 세정액(166)은 상기된 바와 같이 재생 세정액(168)을 형성하도록 재생기에서 재생된다. 재생 세정액(168)은 재생기(162)의 저부(169)로부터 인출되고 리보일러(180)에 제공되며, 리보일러는 재생기의 하류(세정액의 유동에 대하여)에 위치되고 재생 세정액을 수용하도록 배열된다.
리보일러(180)는 스팀(182)과 고온의 재생 세정액(184)을 형성하도록 재생 세정액(168)을 끓인다. 스팀(182)은 재생기에서 존재하는 사용 세정액(141, 164a, 166)으로부터 오염물의 제거를 촉진하도록 재생기(162)에 제공된다. 또한 "고온 희박 용액"으로서 지칭되는 고온의 재생 세정액(184)은 가스 스트림(120)으로부터 가스상 오염물의 제거를 위하여 흡수기(130)에 제공된다.
고온의 재생 세정액(184)은 재사용을 위하여 흡수기(130)에 직접 제공될 수 있다. 그러나, 고온의 재생 세정액(184)에 존재하는 열에너지의 이점을 취하도록, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 고온의 재생 세정액은 열교환기(178)에 제공될 수 있으며, 열교환기에서 세정액은 사용 세정액(164b)과 열을 교환한다. 따라서, 열교환기(178)를 통과한 후에, 고온의 재생 세정액(184)은 리보일러(180)를 떠난 후의 온도와 비교하여 감소된 온도를 가진다.
한 실시예에서, 재생 세정액(184)은 열교환기(178)를 통과한 후에 약 100 내지 140℃의 온도를 가진다. 고온의 재생 세정액(184)으로 사용 세정액(164b)을 가열하는 것은 열교환기(178)에 제공되는 별도의 가열 매체에 대한 필요성을 제거하고, 이에 의해, 시스템(100)의 비용 및 에너지 소비를 감소시킨다.
열교환기(178)를 통과한 후에, 고온의 재생 세정액(184)은 열교환기(172)에 제공되며, 여기에서, 세정액은 제 1 피가열 사용 세정액(164)을 형성하도록 사용 세정액(143)과 열 교환한다. 따라서, 열교환기(172)를 통과한 후에, 고온의 재생 세정액(184)은 열교환기(178)를 떠난 후의 온도와 비교하여 감소된 온도를 가진다. 한 실시예에서, 고온의 재생 세정액(184)은 열교환기(172)를 떠난 후에 약 80 내지 120℃의 온도를 가진다.
고온의 재생 세정액(184)과 열을 교환하는 것에 의해 사용 세정액(143)을 가열하는 것은 열교환기(172)를 위한 별도의 가열 매체를 제거하고, 이에 의해 시스템(100)의 비용 및 에너지 소비를 감소시킨다. 이러한 것은 재생 공정에서 현열로서 고온의 재생 세정액(184)으로부터 열에너지를 이용하는 것을 가능하게 한다.
열교환기(172)를 통과한 후에, 고온의 재생 세정액(184)은 냉각 유닛(186)에 제공된다. 냉각 유닛(186)은 열교환기(172)와 흡수기(130) 사이에 배치되고, 고온의 재생 세정액(184)을 수용하고 냉각된 재생 세정액(188)을 형성하도록 세정액의 온도를 냉각하도록 배열된다. 냉각된 재생 세정액(188)은 약 25 내지 50℃의 온도를 가진다.
냉각된 재생 세정액(188)은 라인(136)을 통해 진입 지점에서 흡수기(130)에 제공된다. 냉각된 재생 세정액(188)의 진입 지점은 흡수기(130)의 상부(135)에 위치된다. 냉각된 재생 세정액(188)은 그로부터 가스상 오염물들을 제거하도록 가스 스트림(120)과 접촉되고, 이에 의해 흡수 및 재생의 사이클을 반복한다.
고온의 재생 세정액(184)에 있는 열에너지를 이용하고 재생기에서 상기된 온도 분포를 유지하는 것에 의해, 시스템(100)의 전체적인 에너지 소비는 종래의 시스템과 비교하여 감소될 수 있다.
예들
예 1
본 명세서에 설명에 따른 시스템의 에너지 소비를 결정하도록, 도 1에 도시된 도식을 시뮬레이팅하는 시스템이 채택되었다. 시뮬레이션은 약 13-14 mole %의 유입 C02와 함께 동작하는 연도 가스로부터 90% C02 제거를 가졌었다. 종래의 시스템과 비교하여, 본 명세서에 기술된 시스템은 30-40% 적은 에너지를 이용한다. 시뮬레이션의 결과는 도 3에 도시된다.
달리 지정되지 않으면, 본 명세서에 개시된 모든 범위는 포괄적이며 범위의 모든 종료 지점들과 모든 중간 지점에서 결합 가능하다. 용어 "제 1", "제 2" 등은 임의의 순서, 양 또는 중요도를 인용하지 않고, 하나의 요소를 다른 것과 구별하도록 사용된다. 단수 표현 용어는 양의 제한을 인용하지 않으며, 참조된 물품의 적어도 하나의 존재를 인용한다. "약"에 의해 변형된 모든 수치들은 달리 지정되지 않으면 정밀한 수치값이 포함된다.
본 발명에 다양한 예시적인 실시예를 참조하여 기술되었지만, 다양한 변형들이 만들어지고 등가물이 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 그 요소를 대체할 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 부가하여, 많은 변경들이 본 발명의 본질적인 범위로부터 벗어남이 없이 본 발명의 교시에 특정 상황 또는 재료를 적응시키도록 만들어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위하여 예상되는 최상의 모드로서 개시된 특정 실시예로 제한되지 않고, 본 발명이 첨부된 청구항들의 범위에 놓이는 모든 실시예들을 포함하도록 의도된다.

Claims (17)

  1. 가스 스트림으로부터 가스상 오염물들을 제거하는데 이용되는 세정액을 재생하기 위한 시스템으로서,
    제 1 피가열 사용 세정액을 형성하도록 고온의 재생 세정액과 사용 세정액 사이의 열전달을 위한 제 1 열교환기;
    제 2 피가열 사용 세정액을 형성하도록 상기 제 1 열교환기로부터 상기 사용 세정액의 적어도 일부와 상기 고온의 재생 세정액 사이의 열전달을 위한 제 2 열교환기; 및
    상기 사용 세정액, 상기 제 1 피가열 사용 세정액 및 상기 제 2 피가열 사용 세정액을 수용하도록 배열된 재생기를 포함하며,
    상기 제 2 피가열 사용 세정액은 상기 제 1 피가열 사용 세정액보다 높은 온도를 가지며, 상기 제 1 피가열 사용 세정액은 상기 사용 세정액보다 높은 온도를 가지는, 세정액 재생 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 재생기로부터 재생 세정액을 수용하도록 배열된 리보일러를 추가로 포함하며;
    상기 리보일러는 스팀 및 고온의 재생 세정액을 형성하기 위해 상기 재생 세정액을 가열하도록 배열되는, 세정액 재생 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    가스상 오염물들을 포함하는 상기 가스 스트림을 수용하도록 배열된 흡수기를 추가로 포함하는, 세정액 재생 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 열교환기로부터 상기 고온의 재생 세정액을 수용하도록 배열되고 냉각된 재생 세정액을 형성하기 위해 고온의 재생 세정액을 냉각시키는 제 1 냉각 유닛을 추가로 포함하는, 세정액 재생 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 흡수기는 상기 냉각된 재생 세정액을 수용하도록 배열되는, 세정액 재생 시스템.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 흡수기와 유체 소통하는 제 2 냉각 유닛을 추가로 포함하며, 상기 제 2 냉각 유닛은 상기 흡수기의 제 1 인출 레벨(withdrawal level)로부터 사용 세정액을 수용하고 상기 흡수기의 제 1 재도입 레벨로 냉각된 사용 세정액을 복귀시키며, 상기 제 1 재도입 레벨은 상기 흡수기에서의 상기 세정액의 유동에 대하여 상기 제 1 인출 레벨의 상류에 있는, 세정액 재생 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 흡수기는, 상기 제 2 냉각 유닛에 사용 세정액을 제공하기 위한 제 2 인출 레벨을 추가로 포함하고, 상기 제 2 인출 레벨은 상기 흡수기에서의 상기 세정액의 유동에 대하여 상기 제 1 인출 레벨의 상류에 있는, 세정액 재생 시스템.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 흡수기는 패킹된 베드 컬럼(packed bed column)인, 세정액 재생 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 패킹된 베드 컬럼은 유사한 패킹의 다수의 흡수 섹션들을 포함하는, 세정액 재생 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 패킹된 베드 컬럼은 상이한 패킹의 다수의 흡수 섹션들을 포함하는, 세정액 재생 시스템.
  11. 가스 스트림으로부터 가스상 오염물들을 제거하는데 이용되는 세정액을 재생하기 위한 공정으로서,
    재생기에 사용 세정액의 제 1 부분을 제공하는 단계;
    제 1 피가열 사용 세정액을 형성하도록 고온의 재생 세정액과 상기 사용 세정액의 제 2 부분 사이에서 열을 전달하는 제 1 열교환기에 상기 사용 세정액의 제 1 부분을 제공하는 단계;
    재생기에 상기 제 1 피가열 사용 세정액의 제 1 부분을 제공하는 단계;
    제 2 피가열 사용 세정액을 형성하도록 상기 고온의 재생 세정액과 상기 제 1 피가열 사용 세정액 사이에서 열을 전달하는 제 2 열교환기에 상기 제 1 피가열 사용 세정액의 제 2 부분을 제공하는 단계; 그리고
    상기 재생기에 상기 제 2 피가열 사용 세정액을 제공하는 단계를 포함하며,
    상기 재생기에 제공된 상기 제 2 피가열 사용 세정액은 상기 재생기에 제공된 상기 제 1 피가열 사용 세정액의 온도보다 높은 온도를 가지며, 상기 재생기에 제공된 상기 제 1 피가열 사용 세정액은 상기 재생기에 제공된 상기 사용 세정액의 온도보다 높은 온도를 가지는, 세정액 재생 공정.
  12. 제 11 항에 있어서,
    재생 세정액을 형성하도록 상기 사용 세정액, 상기 제 1 피가열 사용 세정액 및 상기 제 2 피가열 사용 세정액을 상기 재생기 내의 스팀과 접촉시키는 단계를 추가로 포함하는, 세정액 재생 공정.
  13. 제 12 항에 있어서,
    리보일러에서 상기 재생 세정액을 가열하며, 이에 의해 상기 고온의 재생 세정액을 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 세정액 재생 공정.
  14. 제 13 항에 있어서,
    냉각된 재생 세정액을 형성하도록 냉각 유닛에 상기 고온의 재생 세정액을 제공하는 단계를 추가로 포함하며, 상기 냉각 유닛은 상기 제 1 열교환기와 상기 흡수기 사이에 위치되는, 세정액 재생 공정.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 흡수기에 상기 냉각된 재생 세정액을 제공하는 단계; 그리고
    가스상 오염물들을 포함하는 가스 스트림과 상기 냉각된 재생 세정액을 접촉시키며, 이에 의해 상기 가스 스트림으로부터 상기 가스상 오염물들을 제거하고 상기 사용 세정액을 형성하는 단계를 추가로 포함하는, 세정액 재생 공정.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 피가열 사용 세정액이 상기 제 1 피가열 사용 세정액의 온도보다 높은 온도를 갖고 상기 제 1 피가열 사용 세정액이 상기 사용 세정액의 온도보다 높은 온도를 갖도록, 상기 사용 세정액, 상기 제 1 피가열 사용 세정액 및 상기 제 2 피가열 사용 세정액의 온도 분포를 유지하는 단계를 추가로 포함하며, 상기 온도 분포는 상기 재생기에 의해 소비되는 에너지의 양을 감소시키는데 유효한, 세정액 재생 공정.
  17. 재생기에 의해 소비되는 에너지의 양을 감소시키는 방법으로서,
    사용 세정액을 복수의 부분들로 분리하는 단계;
    제 1 온도(Tl)를 가지는 상기 사용 세정액의 제 1 부분을 재생기에 제공하는 단계;
    제 2 온도(T2)를 가지는 제 1 피가열 사용 세정액을 형성하도록 상기 사용 세정액의 제 2 부분을 가열하는 단계;
    제 3 온도(T3)를 가지는 제 2 피가열 사용 세정액을 형성하도록 상기 사용 세정액의 제 3 부분을 가열하는 단계; 그리고
    상기 재생기에 상기 제 1 및 제 2 피가열 사용 세정액들을 제공하는 단계를 포함하며,
    T1<T2<T3의 온도 분포가 유지되고, 이에 의해 상기 재생기에 의해 소비되는 에너지의 양을 감소시키는, 재생기에 의해 소비된 에너지 양의 감소 방법.
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