KR20150020693A - Co₂ 포획/이용 및 n₂ 생산을 위한 압력 스윙 흡착과 발전소의 통합 - Google Patents
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Abstract
전력 생산 동안 방출물이 감소되거나 경감된, 복합(combined) 사이클 전력 생산을 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 전력 생산 연소 반응으로부터의 재순환된 배기 가스는, 배기 가스의 온도를 감소시킬 필요 없이, 분리에 필요한 에너지를 감소/최소화하면서 고순도 CO2 스트림을 생성하도록, 스윙 흡착 공정을 사용하여 분리될 수 있다. 이는, 개선된 에너지 회수를 가능하게 하며, 또한 이산화탄소 및 질소의 고순도 스트림이 생성되게 할 수 있다.
Description
다양한 양태에서, 본 발명은, 생성 방출물의 분리 및/또는 포획을 이용한, 저 방출물 전력 생산 방법에 관한 것이다.
발전소로부터 방출되는 기체의 포획은 관심이 증가되는 영역이다. 석유 제품의 연소에 기초한 발전소는 반응의 부산물로서 이산화탄소를 생성한다. 역사적으로, 이러한 이산화탄소는 연소 후 대기로 방출되었다. 그러나, 연소 동안 생성되는 이산화탄소의 대안적 용도를 찾는 방법을 찾는 것이 점점 더 바람직해지고 있다.
복합(combined) 사이클 발전소는 석유 제품 또는 다른 탄소계 연료의 연소로부터 전기를 생산하는 효과적인 방법을 제공한다. 복합 사이클 발전소는 전기 생산용 다중 터빈에 동력을 공급하기 위한 초기 연소 반응에 영향력을 행사하여, 더 효과적인 전력 생산을 유발할 수 있다. 그러나, 이산화탄소를 포획하는 통상적인 방법은, 이산화탄소를 포획 및/또는 봉쇄하는데 필요한 추가적인 에너지로 인해, 전기 생산의 효율을 감소시키는 경향이 있다.
국제 특허 출원 공개 제 WO/2012/003079 호는, 탄소계 연료의 연소에 기초한 복합 사이클 발전소를 사용하여 전기를 생산하기 위한 시스템 및 방법을 기술하고 있다. 이러한 시스템 및 방법은, 연소 반응에서 연료 대 산소의 화학량론적 비를 사용하는 것뿐만 아니라, 연소 반응으로의 투입물의 일부로서의 연소 배기 가스를 재순환시키는 것을 포함한다. 연소 생성물은 시스템으로부터 퍼지 기체 스트림으로서 수거된다. 퍼지 기체 스트림 중의 CO2는, 예를 들어 용매(예컨대, 탄산 칼륨)를 사용하여 제거된다.
미국 특허 제 6,902,602 호는 스윙 흡착에 의해 분리를 수행하는 방법을 기술하고 있으며, 이때 분리될 기체 스트림 중의 성분들 중 하나와, 스윙 흡착 장치를 퍼지하는데 사용되는 기체 스트림의 성분간 상호작용을 최소화하거나 방지하는 것이 바람직하다. 신가스 스트림으로부터 수소 및 이산화탄소를 분리하는 것이 예로서 공지되어 있으며, 이때 전형적인 산소-함유 퍼지 스트림으로부터의 임의의 산소를 사용하여 수소 생성물 스트림의 오염을 방지하는 것이 바람직하다. 이러한 분리 방법은 분리 동안 하나 이상의 버퍼 가스 단계를 사용하는 것을 포함하며, 이때 임의의 다른 성분들과 상이한 버퍼가 사용되어 분리 공정의 단계들 간의 오염을 방지한다.
미국 특허 출원 공개 제 2012/0125194 호는 CO2 포획을 위한 자열 사이클을 기술하고 있다. 연소 배기 가스는 CO2를 흡착하기 위한 흡착제 층과 접촉한다. 이어서, 상기 흡착제와 스팀-함유 기체와의 접촉에 의해 CO2가 제거된다. 스팀 및 CO2를 함유하는 생성된 배출 기체는 증기 재압축 시스템으로 전달되어 H2O, CO2 및 열이 회수된다. 이어서, 회수된 H2O 및 열은 스윕 가스용 스팀을 제공하는데 사용된다. CO2 회수에 필요한 스팀 스윕 가스의 양은, 투입된 공급 기체 mol 당 약 1 mol로 기술된다. 연도(flue) 가스 투입 공급물은, 15 mol% 이하의 CO2 함량을 갖는 것으로 기술된다. 따라서, 이러한 스팀/CO2 몰 비는 CO2 mol 당 약 6 mol 이상인 것으로 기술된다. 이러한 공정은 연소 배기 가스 중의 탄소의 90% 이상을 배출 기체의 일부로서 회수하는 것으로 기술된다.
다른 가능성 있는 관련 문헌은 미국 특허 출원 공개 제 2012/0318533 호, 유럽 특허 출원 제 2220338 호, 문헌[Reijers et al ., Ind . Eng . Chem . Res ., 2009, 48, 6966], 및 문헌[Wright et al ., Energy Procedia, 2011, 4, 1457, inter alia]을 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 양태는, 재순환된 배기 가스를 주요 압축기 내에서 압축하여 압축된 재순환 배기 가스를 생성하는 단계로서, 이때 상기 압축된 재순환 배기 가스가 약 400℃ 내지 약 500℃의 재순환 온도 및 약 10 bara(약 1.0 MPaa) 내지 약 30 bara(약 3.0 MPaa)의 재순환 압력을 갖고, 상기 재순환된 배기 가스가 약 70 vol% 이상의 N2 및 약 10 vol% 이상의 CO2를 포함하는, 단계; 농축 공기를 주입구 압축기 내에서 압축하여 압축된 산화제를 생성하는 단계; 상기 압축된 재순환 배기 가스의 제 1 부분을 연소 챔버 내로 통과시키는 단계; 상기 압축된 산화제 및 연료를 연소 챔버 내에서 및 상기 압축된 재순환 배기 가스의 제 1 부분의 존재 하에 화학량론적으로 연소시켜 배출 스트림을 생성하는 단계로서, 이때 상기 압축된 재순환 배기 가스의 제 1 부분이, 상기 배출 스트림의 온도를 조절하도록 구성된 희석제로서 작용하는, 단계; 상기 배출 스트림을 팽창기 내에서 팽창시켜 상기 주요 압축기를 적어도 부분적으로 구동하고, 재순환된 배기 가스를 생성하는 단계; 상기 재순환된 배기 가스의 제 2 부분을, 흡착제 물질을 포함하는 스윙 흡착 반응기 내로 통과시키는 단계; 상기 재순환 온도와 약 20℃ 미만 만큼 다른 흡착 온도 및 상기 재순환 압력과 약 1 bar(약 0.1 MPa) 미만 만큼 다른 흡착 압력에서 CO2를 상기 흡착제 물질 상에 흡착시키는 단계; 약 95 vol% 이상의 순도를 갖는 N2 스트림을 상기 반응기의 전면 말단으로부터 회수하는 단계로서, 이때 회수된 N2 스트림이 분리 압력과 약 0.5 bar(약 50 kPa) 미만 만큼 다른 압력을 갖는, 단계; 상기 반응기의 하나 이상의 말단으로부터 블로우 다운 스트림을 배출함으로써, 상기 스윙 흡착 반응기 내의 압력을 약 1.0 bara(약 0.1 MPaa) 내지 약 3.0 bara(약 0.3 MPaa)의 압력으로 감소시키는 단계; 및 상기 스윙 흡착 반응기를 스팀 퍼지로 약 1.0 bara(약 0.1 MPaa) 내지 약 3.0 bara(약 0.3 MPaa)의 압력에서 퍼지하여 CO2 회수 스트림을 생성하는 단계로서, 이때 상기 CO2 회수 스트림이, 상기 재순환된 배기 가스의 제 2 부분 중에 존재하는 CO2의 약 90% 이상을 포함하고, 상기 스팀 퍼지가 상기 재순환된 배기 가스의 제 2 부분 중의 CO2 mol 당 1.0 mol 미만(예컨대, 약 0.8 mol 미만)의 H2O를 포함하는, 단계를 포함하는 전력 생산 방법에 관한 것이다.
본 발명의 또다른 양태는, 약 70 vol% 이상의 N2 및 약 10 vol% 이상의 CO2를 포함하는 반응기 배기 스트림을, 흡착제 물질을 포함하는 스윙 흡착 반응기 내로 통과시키는 단계로서, 이때 상기 반응기 배기 스트림이 약 10 bara(약 1.0 MPaa) 내지 약 30 bara(약 3.0 MPaa)의 압력을 갖는, 단계; CO2를 400℃ 이상의 흡착 온도에서 상기 흡착제 물질 상에 흡착시키는 단계; 약 95 vol% 이상의 순도를 갖는 N2 스트림을 상기 반응기의 전면 말단으로부터 회수하는 단계로서, 이때 회수된 N2 스트림이 상기 반응기 배기 스트림의 압력과 약 0.5 bar(약 50 kPa) 이하 만큼 다른 압력을 갖는, 단계; 상기 반응기의 하나 이상의 말단으로부터 블로우 다운 스트림을 배출함으로써, 상기 스윙 흡착 반응기 내의 압력을 약 1.0 bara(약 0.1 MPaa) 내지 약 3.0 bara(약 0.3 MPaa)의 압력으로 감소시키는 단계; 및 상기 스윙 흡착 반응기를 스팀 퍼지로 약 1.0 bara(약 0.1 MPaa) 내지 약 3.0 bara(약 0.3 MPaa)의 압력에서 퍼지하여 CO2 회수 스트림을 생성하는 단계로서, 이때 상기 CO2 회수 스트림이, 상기 반응기 배기 스트림 중에 존재하는 CO2의 약 90% 이상을 포함하고, 상기 스팀 퍼지가 상기 반응기 배기 스트림 중의 CO2의 mol 당 약 1.0 mol 미만(예컨대, 약 0.8 mol 미만)의 H2O를 포함하는, 단계를 포함하는, 반응기 배기 스트림으로부터 N2 및 CO2를 생산하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 또다른 양태는, 재순환된 배기 가스를 압축하여 압축된 재순환 배기 가스를 생성하는 단계로서, 이때 상기 압축된 재순환 배기 가스가 약 400℃ 내지 약 500℃의 재순환 온도 및 약 10 bara(약 1.0 MPaa) 내지 약 30 bara(약 3.0 MPaa)의 재순환 압력을 갖고, 상기 재순환된 배기 가스가 약 70 vol% 이상의 N2 및 약 10 vol% 이상의 CO2를 포함하는, 단계; 사이클 형태의 압력 스윙 흡착 공정으로, 상기 압축된 재순환 배기 가스의 적어도 일부 중의 N2로부터 CO2를 분리하는 단계[이때 공정 사이클은, 상기 압축된 재순환 배기 가스의 적어도 일부를, 흡착제 물질을 포함하는 스윙 흡착 반응기 내로 통과시키는 단계로서, 이때 상기 반응기 배기 스트림이 약 10 bara(약 1.0 MPaa) 내지 약 30 bara(약 3.0 MPaa)의 압력을 갖는, 단계; 상기 재순환 온도와 약 20℃ 미만 만큼 다른 흡착 온도 및 상기 재순환 압력과 약 1 bara(0.1 MPaa) 미만 만큼 다른 흡착 압력에서 CO2를 상기 흡착제 물질 상에 흡착시키는 단계; 약 95 vol% 이상의 순도를 갖는 N2 스트림을 상기 반응기의 전면 말단으로부터 회수하는 단계로서, 이때 회수된 N2 스트림이 상기 반응기 배기 스트림의 압력과 약 0.5 bar(약 50 kPa) 이하 만큼 다른 압력을 갖고, 상기 회수된 N2 스트림이 상기 재순환 온도와 20℃ 이하 만큼 다른 온도를 갖는, 단계; 상기 반응기의 하나 이상의 말단으로부터 블로우 다운 스트림을 배출함으로써, 상기 스윙 흡착 반응기 내의 압력을 약 1.0 bara(약 0.1 MPaa) 내지 약 3.0 bara(약 0.3 MPaa)의 압력으로 감소시키는 단계; 및 상기 스윙 흡착 반응기를 스팀 퍼지로 약 1.0 bara(약 0.1 MPaa) 내지 약 3.0 bara(약 0.3 MPaa)의 압력에서 퍼지하여 CO2 회수 스트림을 생성하는 단계로서, 이때 상기 CO2 회수 스트림이, 상기 반응기 배기 스트림 중에 존재하는 CO2의 약 90% 이상을 포함하고, 상기 스팀 퍼지가 상기 반응기 배기 스트림 중의 CO2의 mol 당 약 1.0 mol 미만(예컨대, 약 0.8 mol 미만)의 H2O를 포함하는, 단계를 포함함]; 및 상기 CO2 회수 스트림을 CO2 생성물 스트림 및 물로 분리하는 단계로서, 이때 상기 CO2 생성물 스트림이 약 90 vol% 이상의 CO2를 포함하는 단계를 포함하되, 이때 상기 압축된 재순환 배기 가스의 적어도 일부 및 상기 스팀 퍼지가, 공정 사이클 동안 상기 스윙 흡착 반응기 내로 도입되는 기체의 약 95 vol% 이상을 포함하는, 반응기 배기 스트림으로부터 N2 및 CO2를 생산하는 방법에 관한 것이다.
도 1은 탄소계 연료의 연소에 기초한 전기 생산용 복합 사이클 시스템의 예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 압력 스윙 흡착 공정의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 실시예 4에서 CO2 순도 대 스팀 퍼지 함량의 그래프를 도시한 것이다.
도 4는 용기들 간의 상호연결이 없는 3-용기 흡착 배열의 사이클 구성을 그림으로 나타낸 것이다.
도 5는 용기들 간의 상호연결이 없는 4-용기 흡착 배열의 사이클 구성을 그림으로 나타낸 것이다.
도 6은 용기들 간의 일정 수준의 상호연결이 있는 4-용기 흡착 배열의 사이클 구성을 그림으로 나타낸 것이다.
도 2는 압력 스윙 흡착 공정의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 실시예 4에서 CO2 순도 대 스팀 퍼지 함량의 그래프를 도시한 것이다.
도 4는 용기들 간의 상호연결이 없는 3-용기 흡착 배열의 사이클 구성을 그림으로 나타낸 것이다.
도 5는 용기들 간의 상호연결이 없는 4-용기 흡착 배열의 사이클 구성을 그림으로 나타낸 것이다.
도 6은 용기들 간의 일정 수준의 상호연결이 있는 4-용기 흡착 배열의 사이클 구성을 그림으로 나타낸 것이다.
다양한 양태에서, 전력 생산 동안 방출물을 감소시키고/시키거나 경감시키면서, 터빈을 사용하여 전력을 생산하기 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 복합 사이클 생성 시스템에서는, 가스 터빈용 연소 반응으로부터의 연도 가스가 또한 스팀 터빈에 동력을 공급하기 위해 사용될 수 있다. 이어서, 연도 가스는 가스 터빈으로의 투입물의 일부로서 사용되도록 재순환될 수 있다. 재순환된 배기 가스의 일부는 효과적으로 분리되어, 분리에 필요한 에너지를 감소 및/또는 최소화시키고, 연도 가스의 온도를 감소시킬 필요 없이, 고순도 이산화탄소 스트림을 생성할 수 있다. 이는, 예를 들어 이산화탄소 분리 공정에 필요한 조건에 맞도록 상기 재순환된 배기 가스의 압력 및/또는 온도를 조절할 필요 없이, 상기 재순환된 배기 가스의 또다른(예컨대, 나머지) 부분(이는 전형적으로 주로 질소로 구성될 수 있음)이 추가의 전기를 생산하는 데 사용될 수 있게 한다. 따라서, 이산화탄소 및 질소의 비교적 고순도 스트림을 생성하면서도 복합 사이클 시스템으로부터 개선된 에너지 회수가 실현될 수 있다.
다양한 시스템 구성 및 가공 조건이, 추가의 용도를 위해 또한 효과적으로 분리 및/또는 포획될 수 있는 방출물이 적은 전력 생산에 기여할 수 있다. 예를 들어, 가스 터빈으로의 연소기용 투입 기체 유동은 바람직한 조성(예컨대, 연료 대 산소의 대략 화학량론적 비)를 갖도록 선택될 수 있다. 연료 대 산소의 대략 화학량론적 비를 갖는 것은, 연소 후 배출 기체 중에 존재하는 미반응된 산소의 양을 감소시킬 수 있다. 이는, 다른 연소 생성물의 분리를 용이하게 할 뿐만 아니라, NOx 화학종의 생성을 감소/제거할 가능성이 있다. 보다 일반적으로, 바람직한 공급물을 사용하는 대략 화학량론적 연소 반응은 CO2, N2 및 H2O로 구성된 배기물을 제공할 수 있다.
효과적으로 분리 및/또는 포획될 수 있는 방출물이 적은 전력 생산에 기여할 수 있는 시스템 구성 및/또는 공정 조건의 또다른 예는, 투입 기체 유동의 일부로서 재순환된 배기 가스를 사용하는 것을 포함할 수 있다. 연소 공정으로부터 배출된 기체 유동은 유리하게는 가스 터빈에 동력을 공급하는데 사용될 수 있다. 가스 터빈에 동력을 공급한 후, 이러한 기체 유동은 배기 가스에 상응한다. 이러한 배기 가스는, 배기 가스로부터 열을 추출하기 위해 열 교환기를 사용함으로써 스팀 터빈을 가진 복합 사이클 구성 발전소에 사용될 수 있다. 이어서, 이러한 배기 가스는 물이 제거된 후, 투입 기체 유동의 일부로서 사용하기 위해 재순환될 수 있다. 이러한 배기 가스는 유리하게는 대기에 비해 증가된 vol%의 CO2를 가질 수 있으며, 이는 연소 반응으로의 투입 기체 유동의 CO2 함량을 선택하는 것을 도울 수 있다. 연소 생성물 중의 CO2 양을 조절하는 것은 연소 반응으로부터 수득된 에너지 배출량을 증가시키는 데 이로울 수 있다.
모든 배기 가스를 재순환시키는 것은, 스트림이 탄소 포획 공정으로 우회될 때까지 배기물 내의 모든 탄소가 단일 스트림으로 유지되도록 할 수 있다. 그러나, 전형적으로는 모든 재순환된 배기 가스보다는 적은 양이 연소용 투입 기체 유동을 위한 추가의 기체를 제공하는데 필요할 수 있다. 결과적으로, 임의의 과잉의 배기 가스가, 예를 들어 고순도 CO2 및 N2 기체 스트림으로의 분리를 위해 우회될 수 있다. 공정에서 이러한 우회를 수행하기에 편리한 위치는, 재순환된 배기 가스가 연소용 투입 기체 유동에 적합한 온도 및 압력을 달성하도록 개질된 이후일 수 있다. 이 시점에서, 온도/압력 감소로 인한 에너지 손실량을 감소/최소화하면서 CO2 및 N2의 분리를 수행하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, CO2 및 N2를 분리하기 위한 전형적인 용매 방법은, 재순환된 배기 가스의 온도를 감소시키는 것을 필요로 한다. 이러한 통상적인 용매 방법의 경우, N2 스트림에서 가능한 많은 에너지를 보존하기 위해, 재순환된 배기 가스로부터, 분리된 N2 스트림으로 열을 전달하기 위해 열 교환기가 사용될 수 있다.
몇몇 양태에서, 압력 스윙 흡착(PSA) 공정을 사용함으로써 CO2 및 N2의 분리를 수행하여, 연소 반응으로의 투입 기체 유동의 온도 및 압력에서 CO2 및 N2를 분리할 수 있다. 압력 스윙 흡착을 사용하여 이러한 분리를 수행하면, 예컨대 또한 약 90% 이상의 순도(예컨대, 약 93% 이상의 순도, 약 95% 이상의 순도, 약 97% 이상의 순도, 약 98% 이상의 순도, 또는 약 99% 이상의 순도)를 갖는 N2 스트림 및/또는 약 80% 이상의 순도(예컨대, 약 85% 이상의 순도, 약 90% 이상의 순도, 약 95% 이상의 순도, 약 97% 이상의 순도, 약 98% 이상의 순도, 약 99% 이상의 순도, 약 99.3% 이상의 순도, 또는 약 99.5% 이상의 순도)를 갖는 CO2 스트림을 생성하면서, 예를 들어 상기 재순환된 배기 가스 중의 CO2의 약 60% 이상(예컨대, 약 65% 이상, 약 70% 이상, 약 75% 이상, 약 80% 이상, 약 85% 이상, 약 90% 이상, 약 95% 이상, 약 97% 이상, 약 98% 이상, 약 99% 이상, 약 99.3% 이상, 또는 약 99.5% 이상)을 회수할 수 있다.
다양한 양태에서, PSA 반응기의 조작 조건은, 배기 가스를 효과적으로 포획하면서 전력 생산을 촉진시키도록 선택될 수 있다. 비교적 고온 PSA를 사용하면, 전기 생산용 추가의 터빈에 동력을 공급하는데 N2 기체 스트림이 사용될 수 있도록, 재순환된 배기 가스 중의 N2 부분의 에너지 함량을 보존할 수 있다. 이에 반해, CO2 분리를 위한 통상적인 분리 방법, 예컨대 용매 분리는 전형적으로, CO2 분리를 촉진하기 위해 스트림의 온도 및/또는 압력을 조절하는 것을 필요로 할 수 있다. 따라서, PSA 반응기를 사용하면, 배기 가스를 처리하기 이전에 상기 재순환된 배기물을 개질하기 위해 에너지가 필요한 대신, 전력 생산을 위한 조작 조건에 맞도록 포획 공정이 조절되도록 할 수 있다.
고온 PSA는 또한, 고온 스팀 및/또는 또다른 에너지-집약적 퍼지 기체가 필요하지 않은 공정 사이클을 사용하여 수행될 수 있다. 이는, 배기 가스를 포획하기 위해 손실되는 에너지의 양을 감소/최소화하면서, 고순도 CO2가 회수되도록 할 수 있다.
방출물이
적은, 전력 생산용 복합 사이클 공정
다양한 양태에서, 전력 생산 동안 생성되는 방출물을 제어 및/또는 포획하면서 전력을 생산하기 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 전력 생산의 하나의 목적은, 주어진 양의 연료 및/또는 장비에 대해 전력 생산이 증가/최적화될 수 있도록, 투입 공급물(예컨대, 연료)을 가능한 효과적으로 사용하는 것이다. 효과적인 전력 생산 조건에 기초하여, 방출물을 제어/포획하는 목적은, 전력 생산 조건의 변화를 감소/최소화하면서 방출물의 효과적인 포획을 제공하는 것일 수 있다.
본원에서 "화학량론적 연소"라는 용어는, 연료 및 산화제를 포함하는 반응물의 체적 및 상기 반응물의 연소에 의해 형성된 생성물의 체적을 갖는 연소 반응을 지칭하며, 이때 반응물의 실질적으로 전체 체적이 생성물을 형성하는데 사용된다. 본원에서 "실질적으로 화학량론적 연소"라는 용어는, 화학량론적 비에 필요한 산소의 약 ±10%, 예컨대 약 ±5% 범위의 산소에 대한 연소 연료의 몰 비를 갖는 연소 반응을 지칭한다. 예를 들어, 메탄의 경우 연료 대 산소의 화학량론적 비는 1:2이고(CH4 + 2O2 ↔ CO2 + 2H2O), 프로판은 1:5의 연료 대 산소의 화학량론적 비를 가져야 한다. 실질적으로 화학량론적 연소를 측정하는 또다른 방법은, 예컨대, 약 0.9:1 내지 약 1.1:1 또는 약 0.95:1 내지 약 1.05:1의 공급되는 산소 대 화학량론적 연소에 필요한 산소의 비일 수 있다.
몇몇 양태에서, 본원에 기술된 방법은, 향상된 오일 회수(EOR), 향상된 탄화수소 회수(EHR), 및/또는 봉쇄/포획 용도를 위한, 초 저 방출물 전력 및 CO2 생산에 사용될 수 있으며, 이러한 경우 EOR/EHR을 위한 공정 조건은 봉쇄/포획 용도와 유사하거나 약간 다를 수 있다. 하나 이상의 양태에서, 산소-풍부 기체(예컨대, 농축 공기)와 연료의 혼합물은 화학량론적으로 또는 실질적으로 화학량론적으로 연소됨과 동시에, 재순환된 배기 가스의 스트림과 혼합될 수 있다. 일반적으로 연소 생성물(예컨대, CO2)을 포함하는 재순환된 배기 가스의 스트림은, 연소 온도 및 후속 팽창기로 도입되는 배기물의 온도를 제어, 조정 및/또는 다르게는 조절하기 위한 희석제로서 사용될 수 있다. 산소-풍부를 사용한 결과로서, 상기 재순환된 배기 가스는 증가된 CO2 함량을 가질 수 있으며, 이로써 동일한 주입구 및 배출 온도에 대해 팽창기가 심지어 더 높은 팽창 비로 조작될 수 있게 하며, 이로써 상당히 증가된 전력이 생산되도록 한다.
상업적 가스 터빈의 화학량론적 조건 또는 실질적으로 화학량론적 조건에서의 연소(예컨대, "약간 농후(slightly rich)" 연소)는 과잉의 산소를 제거하는 비용을 없애는 것이 유리한 것으로 입증될 수 있다. 배기물을 냉각하고 냉각된 배기 스트림으로부터 물을 농축함으로써, 비교적 고 함량의 CO2 배기 스트림이 생성될 수 있다. 상기 재순환된 배기 가스의 일부는 폐쇄형 브래이턴(Brayton) 사이클에서 온도 조절(moderation)에 사용될 수 있으며, 나머지 퍼지 스트림은 EOR 및/또는 향상된 탄화수소 회수 용도에 사용될 수 있고/있거나, 황 산화물(SOx), 질소 산화물(NOx), 및/또는 CO2가 거의 또는 전혀 대기로 방출되지 않으면서 전력이 생산될 수 있다. 이러한 공정의 결과는, 3개의 개별적인 사이클에서의 전력 생산 및 추가적 CO2의 제조를 포함할 수 있다. 몇몇 양태에서, 화학량론적 연소를 수행하는 것은, 실질적으로 CO2, H2O 및 N2로 이루어진 배기 스트림이 생성되게 할 수 있다. 실질적으로 CO2, H2O 및 N2로 이루어진 배기 스트림은, 약 5 mol% 이하, 예컨대 약 2.5 mol% 이하 또는 약 1 mol% 이하의 다른 기체 분자를 함유하는 배기 스트림으로 정의된다.
도 1은, 하나 이상의 실시양태에 따라, 복합-사이클 배열을 사용하여 전력을 생산하고 CO2를 회수하기 위한 예시적 통합 시스템(100)의 개략도이다. 하나 이상의 실시양태에서, 전력 생산 시스템(100)은, 전력-생산용 폐쇄형 브래이턴 사이클을 특징으로 하는 가스 터빈 시스템(102)을 포함할 수 있다. 가스 터빈 시스템(102)은, 축(108)을 통해 팽창기(106)에 커플링된 제 1 또는 주요 압축기(104)를 가질 수 있다. 축(108)은 임의의 기계적, 전기적 및/또는 다른 동력 커플링일 수 있으며, 이로써, 팽창기(106)에 의해 생성된 기계적 에너지의 일부가 주요 압축기(104)를 구동하게 할 수 있다. 하나 이상의 실시양태에서, 가스 터빈 시스템(102)은 표준 가스 터빈일 수 있고, 이때 주요 압축기(104) 및 팽창기(106)가 압축기 및 팽창기 말단을 각각 형성한다. 그러나, 다른 실시양태에서는, 주요 압축기(104) 및 팽창기(106)가 시스템(102)의 개별적인 구성요소일 수 있다.
가스 터빈 시스템(102)은 또한, 라인(114)을 통해 도입된 산화제와 혼합되고 라인(112)을 통해 도입되는 연료를 연소하도록 구성된 연소 챔버(110)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 실시양태에서, 라인(112) 내의 연료는 임의의 적합한 탄화수소 기체 또는 액체, 예컨대 천연 가스, 메탄, 에탄, 나프타, 부탄, 프로판, 신가스, 디젤, 케로센, 아비에이션(aviation) 연료, 석탄-유도된 연료, 바이오-연료, 산소화된(oxygenated) 탄화수소 공급원료, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 라인(114)을 통한 산화제는, 라인(120)을 통해 도입된 공급물 산화제를 압축하도록 개조되고 연소 챔버(110)에 유체-연통된 제 2 또는 주입구 압축기(118)로부터 유도될 수 있다. 하나 이상의 실시양태에서, 라인(120) 내의 공급물 산화제는 대기, 농축 공기, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 라인(114) 내의 산화제가 대기와 농축 공기의 혼합물을 포함하는 경우, 농축 공기는 대기와 혼합되기 이전 및/또는 이후에 주입구 압축기(118)에 의해 압축될 수 있다. 농축 공기는 약 30 vol%, 예컨대, 약 35 vol% 이상, 약 40 vol% 이상, 약 45 vol% 이상, 약 50 vol% 이상, 약 30 vol% 내지 약 70 vol%, 약 30 vol% 내지 약 65 vol%, 약 30 vol% 내지 약 60 vol%, 약 30 vol% 내지 약 55 vol%, 약 30 vol% 내지 약 50 vol%, 약 35 vol% 내지 약 70 vol%, 약 35 vol% 내지 약 65 vol%, 약 35 vol% 내지 약 60 vol%, 약 35 vol% 내지 약 55 vol%, 약 35 vol% 내지 약 50 vol%, 약 40 vol% 내지 약 70 vol%, 약 40 vol% 내지 약 65 vol%, 약 40 vol% 내지 약 60 vol%, 약 40 vol% 내지 약 55 vol%, 약 40 vol% 내지 약 50 vol%, 약 45 vol% 내지 약 70 vol%, 약 45 vol% 내지 약 65 vol%, 약 45 vol% 내지 약 60 vol%, 약 45 vol% 내지 약 55 vol%, 약 45 vol% 내지 약 50 vol%, 약 50 vol% 내지 약 70 vol%, 약 50 vol% 내지 약 65 vol%, 또는 약 50 vol% 내지 약 60 vol%의 총 산소 농도를 가질 수 있다.
농축 공기는 임의의 하나 이상의 몇몇 공급원(농축 공기를 생성하는 주입구 압축기(118)의 상류에서 다양한 기술을 수행하는 것 포함)으로부터 유도될 수 있다. 예를 들어, 농축 공기는, 멤브레인 분리, 압력 스윙 흡착, 온도 스윙 흡착, 질소 플랜트-부산물 스트림, 및/또는 이들의 조합과 같은 분리 기술로부터 유도될 수 있다. 추가적으로 또는 다르게는, 농축 공기는 압력 유지를 위한 질소 생성 또는 다른 목적을 위해, 공기 분리 유닛(ASU), 예컨대 극저온 ASU로부터 유도될 수 있다. ASU로부터의 배제(reject) 스트림은 산소-풍부일 수 있으며, 예컨대 약 50 vol% 내지 약 70 vol%의 총 산소 함량을 가질 수 있다. 이러한 배제 스트림은 농축 공기의 적어도 일부로서 사용될 수 있으며, 필요한 경우, 이러한 목적에 바람직한 산소 농도를 수득하기 위해 미처리된 대기로 희석될 수 있다.
하기에 보다 자세히 기술되는 바와 같이, 연소 챔버(110)는 또한, 라인(144) 내의 압축된 재순환 배기 가스(CO2 및 질소 성분을 갖는 재순환 배기 가스 포함)를 수용할 수 있다. 라인(144) 내의 압축된 재순환 배기 가스는 주요 압축기(104)로부터 유도될 수 있으며, 연소 생성물의 온도를 조절함으로써, 라인(114) 내의 압축된 산화제 및 라인(112) 내의 연료의 화학량론적 또는 실질적으로 화학량론적 연소를 촉진하는 것을 돕도록 개질될 수 있다. 이해할 수 있는 바와 같이, 배기 가스를 재순환시키는 것은 배기 가스 내의 CO2 농도를 증가시키는 것을 도울 수 있다.
팽창기(106)의 주입부를 향하는 라인(116) 내의 배기 가스는, 라인(144) 내의 압축된 재순환 배기 가스의 존재 하에, 라인(112) 내의 연료 및 라인(114) 내의 압축된 산화제의 연소 생성물로서 생성될 수 있다. 하나 이상의 실시양태에서, 라인(112) 내의 연료는 주로 천연 가스일 수 있으며, 이로써, 증기화된 물, CO2, 질소, 질소 산화물(NOx) 및 황 산화물(SOx)의 체적 부분을 포함할 수 있는 배출 또는 배기 가스를 라인(116)을 통해 생성할 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 라인(112) 내의 미연소된 연료의 작은 부분 또는 다른 화합물이 또한, 연소 평형 제한(limitation)에 의해 라인(116) 내의 배기 가스 중에 존재할 수 있다. 라인(116) 내의 배기 가스는 팽창기(106)를 통해 팽창되기 때문에, 주요 압축기(104), 전기적 발전기 및/또는 다른 설비를 구동하는 기계적 동력을 생성하고, 또한 라인(122) 내에, 라인(144) 내의 압축된 재순환 배기 가스의 유입으로부터 유래하는 높아진 CO2 함량을 갖는 기체 배기물을 생성할 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 팽창기(106)는, 다른 용도로 사용될 수 있는 추가의 기계적 동력을 생산하도록 개조될 수 있다.
추가적으로 또는 다르게는, 전력 생산 시스템(100)은 배기 가스 재순환(EGR) 시스템(124)(이는, 열 회수 스팀 발전기(HRSG)(126), 또는 스팀 가스 터빈(128)에 유체-연통된 유사한 장치를 포함할 수 있음)을 포함할 수 있다. 하나 이상의 실시양태에서, HRSG(126)와 스팀 가스 터빈(128)의 조합은, 전력-생산용 폐쇄형 란킨(Rankine) 사이클을 특징으로 할 수 있다. 가스 터빈 시스템(102)과의 조합시, HRSG(126) 및 스팀 가스 터빈(128)은 복합-사이클 전력 생산 플랜트, 예컨대 천연 가스 복합-사이클(NGCC) 플랜트의 일부를 형성할 수 있다. 라인(122) 내의 기체 배기물은, 라인(130)을 통한 스팀 및 라인(132) 내의 냉각된 배기 가스를 생성하기 위해, HRSG(126)로 도입될 수 있다. 추가적으로 또는 다르게는, 라인(130) 내의 스팀은 스팀 가스 터빈(128)으로 보내져서 추가의 전력을 생성할 수 있다.
라인(132) 내의 냉각된 배기 가스는, 라인(132) 내의 냉각된 배기 가스를 냉각시켜 냉각된 재순환 기체 스트림(140)을 생성하도록 개조된 제 1 냉각 유닛(134)으로 보내질 수 있다. 상기 제 1 냉각 유닛(134)은, 예를 들어 하나 이상의 접촉식 냉각기, 트림(trim) 냉각기, 증발식 냉각 유닛, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 상기 제 1 냉각 유닛(134)은, 추가적으로 또는 다르게는, 물 드롭아웃(dropout) 스트림(138)을 통해 라인(132) 내의 냉각된 배기 가스로부터 임의의 농축된 물의 일부를 제거하도록 개조될 수 있다. 하나 이상의 실시양태에서, 물 드롭아웃 스트림(138)은 라인(141)을 통해 HRSG(126)로 보내져서, 라인(130) 내의 추가의 스팀을 생성하기 위한 물 공급원을 제공할 수 있다. 추가적으로 또는 다르게는, 물 드롭아웃 스트림(138)을 통해 회수된 물은 다른 하류 용도, 예컨대 보충적인 열 교환 공정에 사용될 수 있다.
대부분의 실시양태에서, 냉각된 재순환 기체 스트림(140)은 부스트 압축기(142)를 향할 수 있다. 제 1 냉각 유닛(134)에서 라인(132) 내의 냉각된 배기 가스를 냉각시키는 것은, 부스트 압축기(142) 내의 냉각된 재순환 기체 스트림(140)을 압축하는데 필요한 동력을 감소시킬 수 있다. 통상적인 팬(fan) 또는 송풍기 시스템과 달리, 부스트 압축기(142)는 냉각된 재순환 기체 스트림(140)의 총 밀도를 압축시키고 이에 따라 증가시키도록 구성될 수 있으며, 이에 따라 하류에서 라인(145) 내의 가압된 재순환 기체를 향하며, 따라서 라인(145) 내의 가압된 재순환 기체는 동일한 체적 유량에 대해 증가된 물질 유량을 나타낼 수 있다. 이는, 주요 압축기(104)는 체적-유량 제한적일 수 있으며, 더 많은 물질 유량이 주요 압축기(104)를 통과하도록 하는 것은 더 높은 배출 압력을 제공하여, 팽창기(106)를 가로지르는 더 높은 압력 비가 제공될 수 있기 때문에, 유리한 것으로 입증될 수 있다. 팽창기(106)를 가로질러 생성된 더 높은 압력 비는 더 높은 주입구 온도 및 이에 따라 팽창기(106) 내의 동력 및/또는 효율의 증가를 가능하게 한다. 이해할 수 있는 바와 같이, 이는, 라인(116) 내의 CO2-풍부 배기 가스가 일반적으로 더 높은 비 열용량을 유지할 수 있기 때문에 유리한 것으로 입증될 수 있다.
주요 압축기(104)의 흡입(suction) 압력이 전형적으로 그의 흡입 온도의 함수일 수 있기 때문에, 냉각기 흡입 온도는 일반적으로, 동일한 물질 유량에 대해 주요 압축기(104)를 조작하기 위해 더 적은 동력을 요구할 수 있다. 결과적으로, 라인(145) 내의 가압된 재순환 기체는 임의적으로 제 2 냉각 유닛(136)(이는 예컨대, 하나 이상의 직접 접촉식 냉각기, 트림 냉각기, 증발식 냉각 유닛, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있음)을 향할 수 있다. 하나 이상의 실시양태에서, 제 2 냉각 유닛(136)은, 라인(145) 내의 가압된 재순환 기체에 대한 부스트 압축기(142)에 의해 생성된 압축 열의 적어도 일부를 제거하도록 개조된 후-냉각기(aftercooler)로서 작용할 수 있다. 제 2 냉각 유닛(136)은, 추가적으로 또는 다르게는, 물 드롭아웃 스트림(143)을 통해 추가의 농축된 물을 추출할 수 있다. 이러한 몇몇 실시양태에서, 물 드롭아웃 스트림(138, 143)은 스트림(141)으로 수렴될 수 있으며, 추가의 스팀을 생성하기 위해 라인(130)을 통해 HRSG(126)로 보내지거나 보내지지 않을 수 있다. 본원에서는 단지 제 1 및 제 2 냉각 유닛(134, 136)이 도시되었지만, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않고, 다양한 용도에 부합하는 임의의 바람직한 개수의 냉각 유닛이 사용될 수 있다.
주요 압축기(104)는, 라인(145) 내의 가압된 재순환 기체를 수용하고, 연소 챔버(110)의 압력 또는 그 이상의 공칭 압력으로 압축하여, 라인(144) 내에 압축된 재순환 배기 가스를 생성하도록 구성될 수 있다. 이해할 수 있는 바와 같이, 부스트 압축기(142)에서의 압축 이후에 제 2 냉각 유닛(136)에서 라인(145) 내의 가압된 재순환 기체를 냉각하는 것은, 주요 압축기(104) 내로의 배기 가스의 증가된 체적 물질 유량을 가능하게 할 수 있다. 이는 결과적으로, 라인(145) 내의 가압된 재순환 기체를 사전결정된 압력으로 압축하는데 필요한 동력의 양을 감소시킬 수 있다.
다수의 실시양태에서, 퍼지 스트림(146)은 라인(144) 내의 압축된 재순환 배기 가스로부터 회수되고, 후속적으로 CO2 분리기(148) 내에서 처리되어, 승압에서 라인(150)을 통해 CO2가 포획될 수 있다. 바람직하게는, CO2 분리기는, 하기 더 자세히 기술되는 바와 같은 압력 스윙 흡착 유닛일 수 있다. 라인(150) 내의 분리된 CO2는 판매되고/되거나, CO2를 필요로 하는 또다른 공정에 사용되고/되거나, 향상된 오일 회수(EOR), 향상된 탄화수소 회수(EHR), 봉쇄 또는 또다른 목적을 위해, 추가로 압축되어 지상 저장소 내로 주입될 수 있다. 부스트 압축기(142)로부터의 부스팅된 압력과 조합된, 라인(112) 내의 연료의 화학량론적 또는 실질적으로 화학량론적 연소로 인해, 퍼지 스트림(146) 내의 CO2 분압은 통상적인 가스 터빈 배기가스보다 훨씬 더 높을 수 있다.
추가적으로 또는 다르게는, 본질적으로 CO2가 고갈되고 주로 질소로 이루어진 잔류 스트림(151)이 CO2 분리기(148)로부터 유도될 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 잔류 스트림(151)은 기체 팽창기(152)로 도입되어, 라인(156)을 통해 동력 및 팽창된 탈-가압된 기체, 또는 배기 가스를 제공할 수 있다. 팽창기(152)는, 예를 들어 전력-생산 질소 팽창기일 수 있다. 도시된 바와 같이, 기체 팽창기(152)는 임의적으로, 통상적인 축(154) 또는 다른 기계적, 전기적, 또는 다른 동력 커플링을 통해 주입구 압축기(118)에 커플링되어, 기체 팽창기(152)에 의해 생성된 동력의 일부가 주입구 압축기(118)를 구동하도록 할 수 있다. 그러나, 시스템(100)의 시동 도중 및/또는 통상적인 조작 도중, 주입구 압축기(118)를 조작하는데 필요한 모든 동력을 기체 팽창기(152)가 공급할 수 없을 때, 하나 이상의 모터(158), 예컨대 전기 모터가 기체 팽창기(152)와 상승작용으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 모터(158)는, 시스템(100)의 통상적인 조작 도중 모터(158)가 기체 팽창기(152)로부터의 동력 부족분을 보충하도록 구성될 수 있도록 합리적으로 사이징될 수 있다. 그러나, 다른 실시양태에서는, 기체 팽창기(152)가 다른 용도에 동력을 공급하는데 사용되어, 주입구 압축기(118)에 직접적으로 커플링되지 않을 수 있다. 예를 들어, 팽창기(152)에 의해 생성된 동력과 압축기(118)의 필요 간의 실질적인 불일치가 발생할 수 있다. 이러한 경우, 팽창기(152)는, 동력을 덜(또는 더) 요구할 수 있는 더 작은(또는 더 큰) 압축기(미도시)를 구동하도록 개조될 수 있다.
주로 건조 질소 기체로 이루어진, 라인(156) 내의 팽창된 탈-가압된 기체가 기체 팽창기(152)로부터 배출될 수 있다. 하나 이상의 실시양태에서, 기체 팽창기(152), 주입구 압축기(118) 및 CO2 분리기(148)의 조합은 개방형 브래이턴 사이클, 및/또는 전력 생산 시스템(100)의 제 3 전력-생산 구성요소를 특징으로 할 수 있다. 잔류 스트림(151) 내의 질소 기체를 팽창시키는 통상적인 시스템 및 방법 및 이들의 변형은 당분야에 공지되어 있는 것으로 여겨지며, 따라서 본원에서 논의하지 않는다.
추가적으로 또는 다르게는, 기체 팽창기(152)는 하류 압축기(158)로 대체되고/되거나 보충될 수 있다. 잔류 스트림(151)의 적어도 일부(및 전체까지)는 하류 압축기에서 압축되어, 압력 유지 용도를 위해 저장소 내로 주입되기에 적합한 압축된 배기 가스를 라인(160)을 통해 생성할 수 있다. 탄화수소 웰(well) 내로 재주입되어 웰 압력을 유지하는 용도에서는, 잔류 스트림(151)을 압축하는 것이 유리한 것으로 입증될 수 있다. 예를 들어, 라인(160) 내의 가압된 질소 기체가 대신 탄화수소 웰 내로 주입되고, 임의의 잔류 메탄 기체는 판매되거나, 다르게는, 예컨대 라인(112) 내에서, 관련된 용도의 연료로 사용될 수 있다.
라인(114) 내의 압축된 산화제로서 농축 공기를 사용하고, 부스트 압축기(142) 내의 배기 가스를 가압함으로써, 전력 생산 시스템(100)이 배기 가스 중의 더 고농도의 CO2를 달성하여, 보다 효과적인 CO2 분리 및 포획을 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 본원에 개시된 실시양태는, 라인(116) 내의 배기 가스 중의 CO2 농도를 약 10 vol% 내지 약 20 vol% 범위의 CO2 농도로 효과적으로 증가시킬 수 있다. 이러한 CO2 농도를 달성하기 위해, 연소 챔버(110)는, 라인(112) 내의 연료와 라인(114) 내의 압축된 산화제의 도입 혼합물을 화학량론적으로 또는 실질적으로 화학량론적으로 연소하도록 개조될 수 있으며, 이때 라인(114) 내의 압축된 산화제는, 약 21 vol% 초과의 산소 함량을 갖는 스트림, 예컨대 약 30 vol%, 약 35 vol%, 약 40 vol%, 약 45 vol%, 또는 약 50 vol%의 총 산소 농도를 갖는 농축 공기를 포함할 수 있다.
화학량론적 연소 온도를 조절하고 팽창기(106) 주입구 온도 및 구성요소 냉각 요건을 만족시키기 위해, 라인(144) 내의 압축된 재순환 배기 가스로부터 유도되고 CO2 함량이 증가된 배기 가스의 일부를 희석제로서 연소 챔버(110) 내로 주입할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시양태는, CO2 농도를, 예컨대 약 20 vol% 이하로 또는 임의적으로 더 높게 유리하게 증가시키면서, 라인(116) 내의 배기 가스로부터의 과잉의 산소를 본질적으로 제거할 수 있다. 라인(122) 내의 기체 배기물은 그 자체로, 약 3.0 vol% 미만의 산소, 예를 들어 약 1.0 vol% 미만의 산소, 약 0.1 vol% 미만의 산소, 약 0.01 vol% 미만의 산소를 가질 수 있다.
증가된 CO2 농도를 갖는 것의 적어도 하나의 이점은, 팽창기(106)가, 동일한 주입구 및 배출 온도에 대해 심지어 더 높은 팽창 비로 조작될 수 있으며, 이에 따라 증가된 전력을 생산할 수 있다는 것이다. 이는, 대기에서 발견되는 질소에 비해 CO2의 더 높은 열용량 때문일 수 있다. 하나 이상의 양태에서, 팽창기(106)의 팽창 비는 약 17.0 내지 약 20.0(각각, 약 10 vol% 및 약 20 vol%의 CO2 재순환 스트림에 상응함)로 증가될 수 있다. 예를 들어, CO2 재순환 스트림 중의 약 20 vol%를 달성하기 위해, 약 35 vol%의 산소를 갖는 농축 공기가 사용될 수 있다.
상기 재순환 기체에서 증가된 CO2 농도를 갖는 것의 추가적 또는 대안적 이점은, 비제한적으로, CO2 분리에 사용되는 추출된 퍼지 스트림(146) 중의 증가된 농도의 CO2를 포함할 수 있다. 퍼지 스트림(146)은, 이의 증가된 CO2 농도로 인해, 필요한 양의 CO2를 추출할 만큼 클 필요가 없다. 예를 들어, 배관, 열 교환기, 밸브, 흡수기 타워 등을 비롯한, CO2 분리를 위한 추출을 처리하는 장비는 더 작을 수 있다. 더욱이, 증가된 농도의 CO2는 CO2 제거 기술의 성능을 개선할 수 있다(예를 들면, 저-에너지 분리 공정의 사용, 예컨대, 그렇지 않으면 사용될 수 없을 덜 에너지-집약적 용매를 사용함). 결과적으로, CO2 포획을 위한 설비 투자가 극적으로 낮아질 수 있다.
이제, 시스템(100) 조작의 하나의 예가 논의될 것이다. 이해해야 되는 바와 같이, 본원에 개시된 임의의 실시양태의 다양한 요소에서 달성되는/경험되는 특정 온도 및 압력은, 특히, 사용되는 산화제의 순도 및/또는 팽창기, 압축기, 냉각기 등의 특정 제조사 및/또는 모델에 따라 변할 수 있다. 따라서, 본원에 기술된 특정 데이터가 단지 예시의 목적을 위한 것이며, 본 발명의 해석으로만 간주되어서는 안됨을 이해해야 한다. 하나의 실시양태에서, 주입구 압축기(118)는 약 280 psia(약 1.9 MPaa) 내지 약 300 psia(약 2.1 MPaa)의 압력에서 라인(114) 내의 압축된 산화제를 제공할 수 있다. 그러나, 약 750 psia(약 5.2 MPaa) 이상까지의 압력을 생성하고 소비할 수 있는 대기-유도식(aeroderivative) 가스 터빈 기술도 고려될 수 있다.
주요 압축기(104)는, 재순환된 배기 가스를 재순환시키고, 라인(144) 내에서 연소 챔버(110) 압력 또는 그 이상의 공칭 압력으로 압축된 재순환 배기 가스로 압축시키고, 재순환된 배기 가스의 일부가 연소 챔버(110) 내에서 희석제로 사용되도록 구성될 수 있다. 연소 챔버(110) 내에서 필요한 희석제의 양이, 화학량론적 연소에 사용되는 산화제의 순도 또는 팽창기(106)의 특정 모델/설계에 의존할 수 있기 때문에, 온도계 및/또는 산소 센서(미도시)의 고리가 팽창기(106)의 배출구 상에 위치할 수 있다. 조작 시, 온도계 및/또는 센서는, 요구되는 팽창기 주입구 온도로 연소 생성물을 냉각시키는데 필요한 희석제로서 필요한 배기 가스의 체적을 제어하고 결정하며, 또한 연소 챔버(110)로 주입되는 산화제의 양을 제어하기 위한 피드백을 제공하도록 개조될 수 있다. 따라서, 온도계에 의해 감지되는 열 요건 및/또는 산소 센서에 의해 감지되는 산소 수준에 반응하여, 수요에 따라, 라인(144) 내의 압축된 재순환 배기 가스의 체적 물질 유량 및 라인(114) 내의 압축된 산화제가 위로 또는 아래로 조작될 수 있다.
하나 이상의 실시양태에서, 화학량론적 또는 실질적으로 화학량론적 연소 동안 연소 챔버(110)를 가로질러 약 12 내지 13 psi(약 83 내지 90 kPaa)의 압력 강하가 경험될 수 있다. 라인(112) 내의 연료 및 라인(114) 내의 압축된 산화제의 연소는 약 2000℉(약 1093℃) 내지 약 3000℉(약 1649℃)의 온도 및 약 250 psia(약 1.7 MPaa) 내지 약 300 psia(약 2.1 MPaa)의 압력을 생성할 수 있다. 전술된 바와 같이, 라인(144) 내의 압축된 재순환 배기 가스로부터 유도된 CO2-풍부 배기 가스의 증가된 물질 유량 및 더 높은 비 열용량으로 인해, 팽창기(106)를 가로질러 더 높은 압력 비가 달성될 수 있으며, 이로써 더 높은 주입구 온도 및 증가된 팽창기(106) 동력이 허용될 수 있다.
팽창기(106)에서 배출된, 라인(122) 내의 기체 배기물은 대기 압력 또는 그 근처, 예컨대, 약 13 내지 17 psia(약 90 내지 120 kPaa)를 나타낼 수 있다. 라인(122) 내의 기체 배기물의 온도는, HRSG(126)를 통과하여 라인(130) 내의 스팀 및 라인(132) 내의 냉각된 배기 가스를 생성하기 이전에, 약 1225℉(약 663℃) 내지 약 1275℉(약 691℃)일 수 있다. 하나 이상의 실시양태에서, 냉각 유닛(134)은, 라인(132) 내의 냉각된 배기 가스의 온도를 감소시켜, 약 32℉(약 0℃) 내지 약 120℉(약 49℃)의 온도를 갖는 냉각된 재순환 기체 스트림(140)을 생성할 수 있다. 이해할 수 있는 바와 같이, 이러한 온도는, 예컨대 지구 상의 특정 위치에서 특정 계절 동안의 습구(wet bulb) 온도에 따라 변동될 수 있다.
하나 이상의 실시양태에 따라, 부스트 압축기(142)는, 냉각된 재순환 기체 스트림(140)의 압력을 약 17 psia(약 120 kPaa) 내지 약 21 psia(약 140 kPaa) 범위의 압력으로 올리도록 구성될 수 있다. 결과적으로, 주요 압축기(104)는 더 높은 밀도 및 증가된 물질 유량을 갖는 재순환된 배기물을 수용하고 압축하여, 동일하거나 유사한 압력 비를 유지하면서, 실질적으로 더 높은 배출 압력이 허용되게 할 수 있다. 상기 재순환 배기 가스의 밀도 및 물질 유량을 추가로 증가시키기 위해, 부스트 압축기(142)로부터 배출된, 라인(145) 내의 가압된 재순환 기체는 이어서, 임의적인 제 2 냉각 유닛(136)(이는, 몇몇 실시양태에서, 주요 압축기(104)로 향하기 전에, 라인(145) 내의 가압된 재순환 기체 온도를 약 105℉(약 41℃)로 감소시키도록 구성될 수 있음) 내에서 추가로 냉각될 수 있다.
추가적으로 또는 다르게는, 주요 압축기(104)로부터 배출된, 라인(144) 내의 압축된 재순환 배기 가스의 온도 및 결과적으로 퍼지 스트림(146)의 온도는 약 280 psia(약 1.9 MPaa)의 압력에서 약 800℉(약 427℃)일 수 있다. 부스트 압축기(142)의 추가 및 농축 공기의 화학량론적 연소는 퍼지 스트림(146) 내의 CO2 퍼지 압력을 증가시킬 수 있으며, 이는 더 높은 CO2 분압으로 인해 CO2 분리기(148) 내의 개선된 용매 처리 성능을 유발할 수 있다.
스윙 흡착기 공정(개요)
압력 스윙 흡착(PSA)은, 일정 범위의 압력을 통해 흡착제 층에 대한 압력을 스윙 또는 사이클링(cycling)하는 것에 기초한다. PSA 공정에서는, 기체 혼합물로부터 제거될 하나 이상의 성분(일반적으로 오염물로 간주됨)에 대해 선택적이거나 비교적 선택적인 고체 흡착제의 제 1 층(bed) 위에서, 기체 혼합물이 가압 하에 일정 기간 동안 처리된다. 예를 들어, 공급물이 공급 압력에서 PSA 장치 내로 도입될 수 있다. 공급 압력에서, 공급물 중의 하나 이상의 성분(기체)은 선택적으로(또는 비교적 선택적으로) 흡수(흡착)될 수 있고, 다른 성분(기체)은 더 적게 또는 최소로 흡착되고 통과될 수 있다. 선택적으로 흡수(흡착)되는 성분(기체)은 공급물의 "중질" 성분으로 지칭될 수 있으며, 선택적으로 흡수(흡착)되지 않는 기체는 공급물의 "경질" 성분으로 지칭될 수 있다. 편의상, 달리 명시되지 않는 한, 공급물의 "중질" 성분은, 선택적으로 흡수(흡착)되는 모든 성분을 지칭한다. 유사하게, 달리 명시되지 않는 한, 공급물의 "경질" 성분은, 선택적으로 흡수(흡착)되지 않는 모든 성분을 지칭한다. 일정 시간 이후, PSA 장치 내로의 공급물 유동이 중단될 수 있다. 공급물 유동은, 사전결정된 스케쥴에 기초하여, 하나 이상의 중질 성분의 파과(breakthrough) 방향에 기초하여, 흡수제(흡착제)의 총 용량의 역치% 이상에 대응하는 중질 성분의 흡수(흡착)에 기초하여, 또는 임의의 다른 편리한 기준에 기초하여 중단될 수 있다. 이어서, 상기 반응기 내의 압력은, 선택적으로 흡수(흡착)된 성분(기체)이 흡수제(흡착제)로부터 방출되게 할 수 있는 탈착 압력으로 감소될 수 있다. 임의적으로, 선택적으로 흡수(흡착)된 성분(기체)의 방출을 촉진하기 위해 압력을 감소시키기 이전, 도중 및/또는 이후에 하나 이상의 퍼지 기체가 사용될 수 있다. 완전 PSA 사이클은, 그 특성에 따라, 대략 일정한 온도에서 수행될 수 있다. PSA가 일반적으로 적어도 흡착에 의해 가능하며, 일반적으로 기체 성분에 대해 수행되기 때문에, "흡수"(absorption, sorption)/"흡수제"(absorbent, sorbent) 및 "성분"이 보다 일반적으로 적용가능하더라도, "흡착"/"흡착제" 및 "기체"라는 용어가 본원 명세서 및 특허청구범위에서 서술자(descriptor)로서 사용되며, 이는 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
완전한 사이클이 가능하도록 다중 층이 사용될 수 있으며, 이때 전형적으로 각각의 층은 순차적으로 동일한 사이클을 경험한다. 제 1 PSA 반응기가 하나의 조건을 만족시키는 경우(예컨대, 상기 반응기 내의 흡착제가 충분히 포화됨), 공급물 유동이 제 2 반응기로 스위칭될 수 있다. 이어서, 상기 제 1 PSA 반응기는 흡착된 기체가 방출됨으로써 재생될 수 있다. 연속적인 공급물 유동을 허용하기 위해, 하나 이상의 다른 PSA 반응기가 반응기 스위칭 조건을 만족시키기 이전에 상기 제 1 PSA 반응기의 재생이 완료되도록, 충분한 개수의 PSA 반응기 및/또는 흡착제 층이 사용될 수 있다.
스윙 흡착제 공정(공정 사이클)
다양한 양태에서, PSA 반응기는 CO2 및 N2를 함유하는 스트림에 대한 분리를 수행하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 스트림의 예는, 가스 터빈에 동력을 제공하기 위한 연소 반응으로부터의 배기 스트림을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 이러한 배기 스트림은, 산소 및 연료의 양에 대해 실질적으로 화학량론적 조성으로 수행되는 연소 반응으로부터의 배기물일 수 있다. 상기 배기 스트림은, PSA에 의한 분리용 공급물로서 사용되기 전에 추가의 공정(예컨대 물을 제거하기 위한 농축, 과잉의 연료를 제거하기 위한 연소, NOx 화학종을 제거하기 위한 흡착, 및/또는 CO2 및 N2가 아닌 성분을 제거하기 위한 다른 유형의 공정)을 겪을 수 있다. 몇몇 양태에서, PSA 반응기를 위한 공급물로서 사용되는 배기 스트림의 일부는 약 1.0 vol% 미만, 예컨대 약 0.5 vol% 미만의 물 함량을 가질 수 있다. 추가적으로 또는 다르게는, PSA 반응기를 위한 공급물로서 사용되는 배기 스트림의 일부는 약 3.0 vol% 미만, 예컨대 약 1.0 vol% 미만 또는 약 0.5 vol% 미만의 O2 함량을 가질 수 있다. 또한, 추가적으로 또는 다르게는, PSA 반응기로의 공급물은 실질적으로 CO2 및 N2로 구성될 수 있으며, 이때 CO2 및 N2가 아닌 투입 기체 공급물의 성분들은 각각 약 1.0 vol% 미만, 예컨대 각각 약 0.5 vol% 미만의 양으로 존재한다. 또한, 추가적으로 또는 다르게는, 실질적으로 CO2 및 N2로 구성된 공급물에서, CO2 및 N2가 아닌 성분들의 합친 vol%는 약 2.0 vol% 이하, 예컨대 약 1.0 vol% 이하 또는 0.5 vol% 이하일 수 있다.
분리를 수행하기 위해, 상기 재순환된 배기 스트림의 일부, 예컨대 상기 배기 스트림 재순환 루프로부터의 퍼지 스트림을 PSA 반응기 내로 도입할 수 있다. 상기 재순환된 배기 스트림의 일부는 연소 반응으로의 투입 기체 유동의 일부로서 사용되기 위해, 상기 재순환된 배기 스트림의 온도 및 압력이 개질된 후(및/또는 목적하는 온도 및 압력이 수득된 후) 배기 재순환 시스템으로부터 하나의 위치에서 인출될 수 있다. 상기 재순환 시스템의 이러한 지점에서, 상기 배기 스트림은 약 300℃ 내지 약 600℃, 예컨대, 약 300℃ 내지 약 550℃, 약 300℃ 내지 약 500℃, 약 300℃ 내지 약 450℃, 약 300℃ 내지 약 400℃, 약 350℃ 내지 약 600℃, 약 350℃ 내지 약 550℃, 약 350℃ 내지 약 500℃, 약 350℃ 내지 약 450℃, 약 400℃ 내지 약 600℃, 약 400℃ 내지 약 550℃, 약 400℃ 내지 약 500℃, 약 425℃ 내지 약 600℃, 약 425℃ 내지 약 550℃, 약 425℃ 내지 약 500℃, 약 425℃ 내지 약 460℃, 약 450℃ 내지 약 600℃, 약 450℃ 내지 약 550℃, 약 500℃ 내지 약 600℃의 온도를 가질 수 있다. 추가적으로 또는 다르게는, 상기 온도는 약 325℃ 이상, 예컨대, 약 350℃ 이상, 약 400℃ 이상, 약 425℃ 이상, 또는 약 440℃ 이상일 수 있다. 또한, 추가적으로 또는 다르게는, 상기 온도는 약 575℃ 이하, 약 550℃ 이하, 약 500℃ 이하, 약 475℃ 이하, 약 460℃ 이하, 또는 약 440℃ 이하일 수 있다. 또한, 추가적으로 또는 다르게는, 상기 재순환된 배기 스트림의 압력은 약 10 bara(약 1.0 MPaa) 이상, 예컨대 약 15 bara(약 1.5 MPaa) 이상, 약 20 bara(약 2.0 MPaa) 이상, 약 25 bara(약 2.5 MPaa) 이상, 또는 약 30 bara(약 3.0 MPaa) 이상일 수 있다. 또한, 추가적으로 또는 다르게는, 상기 압력은 약 60 bara(6.0 MPaa) 이하, 예컨대, 약 50 bara(약 5.0 MPaa) 이하, 약 40 bara(약 4.0 MPaa) 이하, 약 35 bara(약 3.5 MPaa) 이하, 약 30 bara(약 3.0 MPaa) 이하, 약 25 bara(약 2.5 MPaa) 이하, 또는 약 22.5 bara(약 2.25 MPaa) 이하일 수 있다. 몇몇 대안적 양태에서, 인출된 부분이 유사한 온도 및 압력 값을 갖는 한, 상기 재순환된 배기 스트림의 일부를 인출하기 위한 다른 위치가 선택될 수 있다.
몇몇 양태에서, 상기 재순환된 배기 스트림은, 상기 재순환 스트림의 온도 및 압력에 상응할 수 있는 분리 온도 및 분리 압력에서 상기 PSA 반응기 내로 도입될 수 있다. 그러나, 상기 재순환된 배기 스트림의 일부를 인출하는 것과 상기 재순환된 배기 스트림을 상기 PSA 반응기로 도입하는 것 사이에, 온도 및/또는 압력의 약간의 변화가 발생할 수 있다. 예를 들어, 상기 PSA 반응기로 도입된 재순환된 배기 스트림의 일부의 분리 온도는 상기 재순환 시스템의 온도와 약 20℃ 이하, 예컨대, 약 15℃ 이하 또는 약 10℃ 이하로 다를 수 있다. 상기 분리 온도와 상기 재순환 스트림의 온도가 동일한 온도(즉, 대략 0℃의 차이)를 갖는다는 것이 열거된 차이 이내에 포함될 수 있지만, 몇몇 드문 실시양태에서, 이러한 온도 차이는 임의적으로 0℃를 배제할 수 있음에 주목한다. 추가적으로 또는 다르게는, 상기 PSA 반응기로 도입된 재순환된 배기 스트림의 일부의 분리 압력은 상기 재순환 시스템과 약 5 bar(0.5 MPa) 이하, 예컨대, 약 2 bara(0.2 MPa) 이하, 약 1 bara(약 0.1 MPa) 이하, 또는 약 0.5 bar(약 50 kPa) 이하로 다를 수 있다.
상기 배기 스트림이 상기 PSA 반응기 내로 도입되는 경우, 상기 배기 스트림 중의 N2는 "경질" 성분에 상응하고, CO2는 "중질" 성분에 상응한다. 따라서, N2는 주로 반응기를 통과하고, CO2는 상기 반응기 내에 선택적으로 흡착될 수 있다. 상기 공급물로부터의 CO2의 흡착은 생성물 N2 스트림을 제공할 수 있다. 상기 공급물을 또다른 PSA 반응기로 스위칭하거나 또는 다르게는 공급물 기체의 유동을 중단하기 위한 하나 이상의 사전-정의된 기준이 만족될 때까지, 상기 공급물은 상기 PSA 반응기를 통과할 수 있다. 임의의 편리한 사전-정의된 기준이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 공급물은 지정된 기간 동안 상기 반응기를 통과할 수 있다. 추가적으로 또는 다르게는, CO2의 파과가 생성물 N2 스트림 내에서 검출될 때까지, 상기 공급물은 상기 반응기 내로 통과할 수 있다. 또한, 추가적으로 또는 다르게는, 상기 반응기로 도입되는 CO2 양이 상기 반응기의 흡착제 용량의 역치 값과 대략 동일하게 될 때까지, 상기 공급물은 상기 반응기 내로 통과할 수 있다. 이러한 경우, 예를 들어, 상기 반응기로 도입되는 CO2 양이 상기 반응기의 흡착제 용량의 약 75% 이상, 예컨대 약 80% 이상, 약 85% 이상, 또는 약 90% 이상과 동일하게 될 때까지, 상기 공급물은 상기 반응기 내로 통과할 수 있다. 전형적인 PSA 사이클은 약 30초 내지 약 300초 동안, 예컨대, 약 60초 내지 약 120초 동안 공급물을 상기 반응기 내로 도입하는 것을 포함할 수 있다.
상기 생성물 N2 스트림은 약 85 vol% 이상, 예컨대 약 88 vol% 이상, 약 90 vol% 이상, 약 92 vol% 이상, 약 93 vol% 이상, 약 94 vol% 이상, 약 95 vol% 이상, 약 96 vol% 이상, 약 97 vol% 이상, 또는 약 98 vol% 이상의 순도를 가질 수 있다. 물을 임의적으로 제거한 후, 상기 생성물 N2 스트림은 약 90 vol% 이상, 예컨대, 약 95 vol% 이상, 약 97 vol% 이상, 약 98 vol% 이상, 또는 99 vol% 이상의 순도를 가질 수 있다. 상기 N2 스트림의 압력은, 상기 PSA 반응기로의 투입물로서 사용되는 상기 재순환된 배기물의 압력의 약 90% 이상, 예컨대, 약 95% 이상일 수 있다. 추가적으로 또는 다르게는, 상기 N2 스트림의 압력은 상기 분리 압력과 약 0.5 bar(약 50 kPa) 미만, 예컨대 약 0.3 bar(약 30 kPa) 미만 또는 약 0.1 bar(약 10 kPa) 미만으로 다를 수 있다. 또한, 추가적으로 또는 다르게는, 상기 PSA 반응기 내로 도입된 재순환된 배기 스트림의 분리 온도는 상기 N2 생성물 스트림의 온도와 약 20℃ 이하, 예컨대 약 15℃ 이하 또는 약 10℃ 이하로 다를 수 있다. 상기 분리 온도와 상기 재순환 스트림의 온도가 동일한 온도(즉, 대략 0℃ 차이)를 갖는다는 것이 열거된 차이 이내에 포함될 수 있지만, 몇몇 드문 실시양태에서, 이러한 온도 차이가 임의적으로 0℃를 배제할 수 있음에 주목한다. 추가적으로 또는 다르게는, 상기 N2 생성물 스트림의 온도는 상기 분리 사이클의 흡착 부분 동안 상기 PSA 반응기의 온도(상기 흡착 온도) 이상일 수 있다.
상기 공급물을 중단한 후, 상기 PSA 반응기 내의 압력은, 예컨대 하나 이상의 블로우 다운 공정을 사용하여 감소될 수 있다. 블로우 다운 공정에서는, PSA 반응기의 한쪽 또는 양쪽이 개방되어, 압력이 블로우 다운 기체 스트림 형태로 방출되게 할 수 있다. 상기 블로우 다운 기체 스트림은 일반적으로 N2의 주된 부분을 포함할 수 있으며, 또한 전형적으로 약간의 CO2를 포함할 수 있다. 상기 블로우 다운 공정에서 방출된 흡착된 CO2의 양은 상기 흡착제의 성질에 의존할 수 있다. 몇몇 통상적인 PSA 반응기에서, 상기 블로우 다운 기체 스트림은 상기 반응기의 공급물 투입쪽으로부터 배기될 수 있다. 다르게는, 하나 이상의 블로우 다운 기체 스트림은 상기 반응기의 생성물쪽으로부터 배기될 수 있다. 예를 들어, 하나의 선택사항은, 상기 반응기의 생성물쪽으로부터 배출되는 초기 블로우 다운 공정 및 이어서 상기 반응기의 양쪽으로부터 기체 스트림이 배출되도록 하는 제 2 블로우 다운 공정을 갖는 것을 포함할 수 있다. 상기 블로우 다운 공정은 상기 반응기의 압력을 약 0.9 bara(약 90 kPaa) 내지 약 3.0 bara(약 0.3 MPaa), 예컨대 약 1.0 bara(약 0.1 MPaa) 내지 약 3.0 bara(약 0.3 MPaa), 약 1.1 bara(약 110 kPaa) 내지 약 3.0 bara(약 0.3 MPaa), 약 1.3 bara(약 130 kPaa) 내지 약 3.0 bara(약 0.3 MPaa), 약 0.9 bara(약 90 kPaa) 내지 약 2.6 bara(약 260 kPaa), 약 1.0 bara(약 0.1 MPaa) 내지 약 2.6 bara(약 260 kPaa), 약 1.1 bara(약 110 kPaa) 내지 약 2.6 bara(약 260 kPaa), 약 1.3 bara(약 130 kPaa) 내지 약 2.6 bara(약 260 kPaa), 약 0.9 bara(약 90 kPaa) 내지 약 2.0 bara(약 0.2 MPaa), 약 1.0 bara(약 0.1 MPaa) 내지 약 2.0 bara(약 0.2 MPaa), 약 1.1 bara(약 110 kPaa) 내지 약 2.0 bara(약 0.2 MPaa), 또는 약 1.3 bara(약 130 kPaa) 내지 약 2.0 bara(약 0.2 MPaa)의 값으로 감소시킬 수 있다. 다수의 실시양태에서, 상기 반응기 내에서 압력을 대기압 이상으로 유지하는 것은, 탈착이 필요한 경우, 후속 퍼지 단계까지 상기 흡착제가 CO2를 보유하는 것을 도울 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 상기 블로우 다운 공정 시간의 길이는 약 30초 내지 약 120초일 수 있다.
몇몇 양태에서, 후속적으로 더 용이하게 가공되는 블로우 다운 스트림을 생성하기 위해서는, 다중 블로우 다운 단계의 사용이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 배기 가스로부터 CO2를 흡착하는 동안, 상기 반응기의 후면(투입) 말단 근처에서 더 높은 함량의 비-흡착된 CO2 및 상기 반응기의 배출(전면) 말단 근처에서 더 낮은 함량의 CO2를 갖는 프로파일이 전형적으로 상기 반응기 내에서 발달할 수 있다. 이러한 프로파일에 기초하여, 단지 상기 반응기의 배출(전면) 말단으로부터의 부분 블로우 다운이, 낮은 CO2 함량을 갖는 블로우 다운 배출물을 생성하는데 사용될 수 있다. 이러한 초기 블로우 다운 단계는, 상기 반응기의 후면(투입) 말단 근처에서, 상기 반응기 전체에 걸쳐 보다 균일하게 분포되는 더 높은 CO2 함량을 제공할 수 있다. 이것이 일어나는 경우, 이어서, 목적하는 더 낮은 압력이 달성될 수 있을 때까지, 블로우 다운 배출물 스트림이 상기 반응기의 양쪽으로부터 보다 효과적으로 배출되도록 할 수 있다.
바람직하게, 배기 가스의 유동이 중단되는 것과 상기 블로우 다운 공정 단계가 시작되는 것 사이의 시간 동안, 버퍼 가스는 상기 반응기 내로 도입되지 않는다. 추가적으로 또는 다르게는, 추가의 기체가 상기 반응기 내로 도입되지 않고, 상기 블로우 다운 공정 단계가 수행될 수 있다. 상기 블로우 다운 단계에서 버퍼 가스 및/또는 추가의 기체의 사용을 피하는 것이 바람직할 수 있으며, 그 이유는, 배기 가스의 유동이 중단된 후 이러한 기체가 전형적으로, 낮은 가치의 스트림으로의 추가적 가치 손실을 제공할 수 있기 때문이다. 예를 들어, 상기 블로우 다운 단계에 의해 생성된 배출물 유동은, 정의상, 상기 배기 가스의 분리 동안 생성된 생성물 N2 유동에 비해 더 낮은 압력의 배출물 유동이다. 따라서, 상기 블로우 다운 배출물 중의 N2는 전형적으로 전력 생산 관점에서의 그의 가치가 많이 손실된다. 추가로 사용되기 이전에, 상기 블로우 다운 배출물 유동 중의 N2는 재압축될 필요가 있을 수 있다. 배기 가스의 유동이 중단된 이후에 추가로 N2를 첨가하는 것은 전형적으로, 이러한 낮은 가치의 배출물 유동 중의 N2의 양을 증가시킬 수만 있다. 상기 블로우 다운 배출물 유동은 바람직하게는 CO2가 비교적 낮을 수 있으며, 그 이유는, 일반적으로 후속적인 퍼지 단계가 개시될 때까지 가능한 많은 CO2를 보유하는 것이 바람직할 수 있기 때문이다. 블로우 다운 스트림의 일부로서 상기 PSA 반응기에서 배출되는 임의의 CO2는, 목적하는 CO2 생성물 스트림 이외의 스트림에서의 추가의 CO2를 나타낸다. 이어서, 가능한 높은 양의 탄소 포획 및 회수를 달성하는 것이 바람직한 경우, 이러한 추가의 CO2(이는 전형적으로 낮은 농도로 존재할 수 있음)는 별도로 취급될 필요가 있을 수 있다. 따라서, 추가의 CO2를 첨가하는 것도 전형적으로 바람직하지는 않다. 최종적으로, CO2, N2, 또는 H2O가 아닌 제 3 기체를 첨가하는 것도 바람직하지 않을 수 있으며, 그 이유는, 이러한 기체의 도입이, 분리가 필요한 또다른 성분을 제공할 가능성이 있기 때문이다.
상기 블로우 다운 공정 이후, 상기 반응기로부터 흡착된 CO2를 제거하기 위해 하나 이상의 퍼지 기체 유동이 사용될 수 있다. 하나의 선택사항은, CO2를 탈착시키는 것을 돕기 위해, 약 1.0 bara(약 0.1 MPaa) 내지 약 3.0 bara(약 0.3 MPaa), 예컨대 약 1.1 bara(약 110 kPaa) 내지 약 3.0 bara(약 0.3 MPaa), 약 1.3 bara(약 130 kPaa) 내지 약 3.0 bara(약 0.3 MPaa), 약 1.0 bara(약 0.1 MPaa) 내지 약 2.6 bara(약 260 kPaa), 약 1.1 bara(약 110 kPaa) 내지 약 2.6 bara(약 260 kPaa), 약 1.3 bara(약 130 kPaa) 내지 약 2.6 bara(약 260 kPaa), 약 1.0 bara(약 0.1 MPaa) 내지 약 2.0 bara(약 0.2 MPaa), 약 1.1 bara(약 110 kPaa) 내지 약 2.0 bara(약 0.2 MPaa), 또는 약 1.3 bara(약 130 kPaa) 내지 약 2.0 bara(약 0.2 MPaa)의 압력에서 스팀 퍼지를 사용하는 것을 포함할 수 있다. 대안적 선택사항은, 3.0 bara(0.3 MPaa) 초과, 예컨대, 4.0 bara(0.4 MPaa) 이상, 5.0 bara(0.5 MPaa) 이상, 3.0 bara(0.3 MPaa) 초과 내지 약 20 bara(약 2 MPaa), 3.0 bara(0.3 MPaa) 초과 내지 약 15 bara(약 1.5 MPaa), 3.0 bara(0.3 MPaa) 초과 내지 약 10 bara(약 1 MPaa), 3.0 bara(0.3 MPaa) 초과 내지 약 8 bara(약 0.8 MPaa), 3.0 bara(0.3 MPaa) 초과 내지 약 6 bara(약 0.6 MPaa), 3.0 bara(0.3 MPaa) 초과 내지 약 5 bara(약 0.5 MPaa), 4.0 bara(0.4 MPaa) 내지 약 20 bara(약 2 MPaa), 4.0 bara(0.4 MPaa) 내지 약 15 bara(약 1.5 MPaa), 4.0 bara(0.4 MPaa) 내지 약 10 bara(약 1 MPaa), 4.0 bara(0.4 MPaa) 내지 약 8 bara(약 0.8 MPaa), 4.0 bara(0.4 MPaa) 내지 약 6 bara(약 0.6 MPaa), 4.0 bara(0.4 MPaa) 내지 약 5 bara(약 0.5 MPaa), 5.0 bara(0.5 MPaa) 내지 약 20 bara(약 2 MPaa), 5.0 bara(0.5 MPaa) 내지 약 15 bara(약 1.5 MPaa), 5.0 bara(0.5 MPaa) 내지 약 10 bara(약 1 MPaa), 5.0 bara(0.5 MPaa) 내지 약 8 bara(약 0.8 MPaa), 또는 5.0 bara(0.5 MPaa) 내지 약 6 bara(약 0.6 MPaa)의 압력에서 스팀 퍼지를 사용하는 것을 포함할 수 있다. 상기 스팀 퍼지는, H2O 및 더 적은 양의 N2를 포함할 수 있는 CO2 생성물 배출 스트림을 제공할 수 있다. 몇몇 실시양태에서, 상기 스팀 퍼지는 약 25초 내지 약 60초 동안 지속될 수 있다. 물을 제거한 후, 상기 CO2 생성물 스트림은 약 60% 이상, 예컨대, 약 65% 이상, 약 70% 이상, 약 75% 이상, 약 80% 이상, 약 85 vol% 이상, 약 90 vol% 이상, 약 92 vol% 이상, 약 94 vol% 이상, 약 95 vol% 이상, 약 96 vol% 이상, 약 97 vol% 이상, 약 98 vol% 이상, 약 99 vol% 이상, 약 99.3 vol% 이상, 또는 약 99.5 vol% 이상의 순도를 가질 수 있다. 추가적으로 또는 다르게는, 회수된 CO2의 양은 약 80 vol% 이상, 예컨대 약 85 vol% 이상, 약 90 vol% 이상, 약 92 vol% 이상, 약 94 vol% 이상, 약 95 vol% 이상, 약 96 vol% 이상, 약 97 vol% 이상, 약 98 vol% 이상, 약 99 vol% 이상, 약 99.3 vol% 이상, 또는 약 99.5 vol% 이상에 상응할 수 있다.
상기 스팀 퍼지에 사용되는 스팀의 양은 상기 공급물 중의 CO2의 mol 당 약 1.0 mol 이하의 물, 예컨대 상기 공급물 중의 CO2의 mol 당 약 0.9 mol 이하의 물, 상기 공급물 중의 CO2의 mol 당 약 0.75 mol 이하의 물, 상기 공급물 중의 CO2의 mol 당 약 0.6 mol 이하의 물, 상기 공급물 중의 CO2의 mol 당 약 0.5 mol 이하의 물, 또는 상기 공급물 중의 CO2의 mol 당 약 0.4 mol 이하의 물에 상응할 수 있다. 상기 퍼지에서 더 적은 스팀을 사용하는 것이 유익할 수 있으며, 그 이유는, 사용되는 스팀의 양이 전형적으로 CO2 회수에 사용되는 에너지의 양에 상응할 수 있기 때문이다. 상기 공급물이 전형적으로 50 mol% 이상, 흔히 75 mol% 이상의 N2를 함유할 수 있음에 주목한다. 따라서, 상기 공급물 중의 기체(N2 및 CO2를 둘 다 포함)의 총 mol 당 물의 mol 수를 비교하면, 훨씬 더 낮은 값, 예컨대, 상기 공급물 중의 기체의 mol 당 약 0.5 mol 이하의 물, 상기 공급물 중의 기체의 mol 당 약 0.4 mol 이하의 물, 상기 공급물 중의 기체의 mol 당 약 0.3 mol 이하의 물, 상기 공급물 중의 기체의 mol 당 약 0.25 mol 이하의 물, 상기 공급물 중의 기체의 mol 당 약 0.2 mol 이하의 물, 상기 공급물 중의 기체의 mol 당 약 0.15 mol 이하의 물, 또는 상기 공급물 중의 기체의 mol 당 약 0.1 mol 이하의 물을 생성할 수 있다. 상기 스팀 퍼지에 사용되는 스팀의 0이 아닌 양이 존재하는 실시양태에서, 스팀의 몰 비는 상기 공급물 중의 CO2의 mol 당 적어도 약 0.05 mol 이하의 물(예컨대, 상기 공급물 중의 CO2의 mol 당 적어도 약 0.1 mol 이하의 물, 상기 공급물 중의 CO2의 mol 당 적어도 약 0.2 mol 이하의 물, 또는 상기 공급물 중의 CO2의 mol 당 적어도 약 0.3 mol 이하의 물)이고/이거나, 상기 공급물 중의 기체의 mol 당 적어도 약 0.01 mol 이하의 물(예컨대, 상기 공급물 중의 기체의 mol 당 적어도 약 0.02 mol 이하의 물, 상기 공급물 중의 기체의 mol 당 적어도 약 0.05 mol 이하의 물, 또는 상기 공급물 중의 기체의 mol 당 적어도 약 0.1 mol 이하의 물)일 수 있다.
상기 스팀 퍼지 후, 상기 반응기로부터 물 및 임의의 남아있는 CO2를 제거하기 위해, 제 2 질소 퍼지가 임의적으로 사용될 수 있다. 제 2 퍼지가 사용되지 않는 경우, 다음 사이클에서 N2 배출 스트림이 더 높은 물 함량을 가질 수 있지만, 그렇지 않은 경우, 추가의 물이 상기 분리 공정에 그다지 영향을 주지는 않는 것으로 생각된다. 제 2 질소 퍼지가 사용되는 경우, 이는 약 10초 내지 약 45초 동안 수행될 수 있다. 상기 스팀 퍼지 및 임의적 제 2 질소 퍼지 후, 이어서 상기 반응기는, 다음 분리 사이클을 개시하기 위해 재가압될 수 있다. 이러한 재가압은 상기 투입 공급물(상기 재순환된 배기 가스)을 사용하여 수행될 수 있다. 다르게는 그러나 바람직하게는, 제 2 퍼지, 예컨대 제 2 질소 퍼지가 수행되지 않을 수 있으며, 그 이유는, 이러한 제 2 퍼지가, 퍼지 단계가 끝날 무렵과, N2 및 CO2 분리를 위해 배기 가스를 도입하는 다음 사이클의 개시 사이의 버퍼 가스의 유동을 나타낼 수 있기 때문이다. 전술된 이유로 인해, 추가적 버퍼 가스 단계는 전형적으로 바람직하지 않을 수 있으며, 그 이유는, 이러한 버퍼 단계가 낮은 가치의 기체 스트림의 추가의 체적을 제공하는 경향이 있기 때문이다.
대안적 실시양태에서, 스팀은 의도적으로, 상기 PSA 사이클의 탈착 단계의 퍼지 기체로서 사용되지 않는다. 이러한 대안적 실시양태에서, 이왕 퍼지 기체가 사용된다면, 이는 의도적으로 물을 함유하지 않을 것이지만, 예를 들어 질소 퍼지(이는 예컨대, 약 10초 내지 약 60초, 약 10초 내지 약 50초, 약 10초 내지 약 45초, 약 15초 내지 약 60초, 약 15초 내지 약 50초, 약 15초 내지 약 45초, 약 20초 내지 약 60초, 약 20초 내지 약 50초, 약 20초 내지 약 45초, 약 25초 내지 약 60초, 약 25초 내지 약 50초, 또는 약 25초 내지 약 45초 동안 지속될 수 있음)를 포함할 수 있다. 심지어 스팀이 의도적으로 첨가되지 않는 실시양태에서도, 그럼에도 불구하고, 사용되는 임의의 퍼지 스트림 중의 불순물/오염물로서, 약간의 물/스팀이 존재할 수 있음을 이해해야 한다. 이러한 대안적 실시양태에서, 의도적으로 첨가되지 않은 스팀을 사용하면, 중간 장비(예컨대, 응축기 또는 열 교환기)의 필요 없이, 향상된 오일 회수 공정에서의 우수한 주입을 위해, 상기 PSA 공정으로부터의 CO2가 CO2 압축기 내로 직접 도입되도록 할 수 있다. 이러한 대안적 실시양태에서 CO2의 유사한 회수율 및/또는 순도가 달성될 수 있지만, 확실히, 이러한 실시양태에서 이러한 회수율 및/또는 순도를 수득하기 위해서 물이 제거될 필요는 없다.
버퍼 가스의 사용을 감소/최소화하고자 하는 열망을 특징짓는 추가적/대안적 방법은, 공정 사이클 동안 상기 PSA 반응기 내로의 총 기체 투입 유동을 특징으로 할 수 있다. 전술된 공정에서, 상기 공정의 전체 사이클은, 분리를 위해 초기 기체 유동을 상기 반응기 내로 통과시키고, 상기 투입 기체 유동으로부터 CO2를 흡착하고, N2 생성물 스트림을 회수하고, 상기 반응기 내의 압력을 블로우 다운시키고, 상기 반응기를 스팀(임의적으로 제 2 퍼지 스트림 포함)으로 퍼지하는 것에 상응할 수 있다. 스팀 퍼지만 사용되는 경우, 공정 사이클 동안 상기 PSA 반응기 내로의 주요 투입 기체 유동은, 재순환된 배기 가스 및 상기 스팀 퍼지의 투입 기체 유동을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 이러한 주요 투입 유동이 상기 PSA 반응기 내로의 모든 기체 유동의 약 90 vol% 이상, 예컨대 약 95 vol% 이상, 약 98 vol% 이상, 또는 약 99 vol% 이상에 상응할 수 있다. N2의 제 2 퍼지 또는 또다른 제 2 퍼지 기체가 사용되는 경우, 이어서 공정 사이클 동안 상기 PSA 반응기 내로의 주요 투입 기체 유동은 재순환된 배기 가스, 상기 스팀 퍼지 및 제 2 퍼지의 투입 기체 유동을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 이러한 실시양태에서, 이러한 주요 투입 유동은 상기 PSA 반응기 내로의 모든 기체 유동의 약 90 vol% 이상, 예컨대 약 95 vol% 이상, 약 98 vol% 이상, 또는 약 99 vol% 이상에 상응할 수 있다.
도 2는, CO2 및 N2를 함유하는 배기 가스를 분리하는데 사용하기에 적합한 압력 스윙 흡착 유닛 내로 및 이로부터의 기체 유동의 예를 개략적으로 도시하는 것이다. 도 2에서, 압력 스윙 흡착 반응기(210)는 상기 반응기의 제 1 쪽 또는 후면으로부터 분리되는 CO2 및 N2를 함유하는 공급물(205)을 수용할 수 있다. N2 생성물 스트림(202)은 상기 반응기의 제 2 쪽 또는 전면으로부터 나올 수 있다. 일정 시간 이후, 예컨대 CO2의 파과 이후, 상기 PSA로의 공급물이 중단될 수 있다. 이어서, 상기 반응기 내의 압력을 감소시키기 위해 하나 이상의 블로우 다운 공정이 수행될 수 있다. 도 2에서, 전면 블로우 다운 배출물(222)이 도시되어 있다. 임의적으로, 후면 블로우 다운 또는 후면 블로우 다운과 전면 블로우 다운 둘 다가 전면 블로우 다운(222) 대신에 사용될 수 있다. 이어서, 퍼지 스트림, 예컨대 스팀 퍼지(215)가 상기 반응기의 전면 내로 도입될 수 있다. 상기 퍼지 스트림은 CO2 생성물 스트림(212)이 생성되도록 상기 흡착제로부터 CO2의 탈착을 도울 수 있다.
본원의 임의의 도면에는 구체적으로 도시되지 않았지만, 상기 PSA 공정의 정제된 CO2 배출물이, 표면 및/또는 지하 퇴적물(예컨대, 통상적인 하향공(downhole) 오일/천연 가스 저장소, 비통상적인 저장소/웰, 셰일 오일 퇴적물, 셰일 가스 퇴적물, 치밀 가스 사암(tight gas sand), 비경제성(stranded) 가스 퇴적물, 프랙킹(fracking) 퇴적물 등)로부터의 오일, 기체 또는 관련 탄화수소 회수 용도에 사용될 수 있다. 이러한 많은 실시양태에서, 예를 들어 효율을 높이고, 불순물 압축과 관련된 비용을 줄이기 위해, 비교적 고순도의 CO2가 바람직할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 이러한 특정 실시양태에서, 향상된 오일/기체/탄화수소 회수의 적어도 일부는 더 낮은 순도(예컨대, 약 60% 내지 약 85% 또는 약 60% 내지 약 80%)의 CO2를 효과적으로 사용할 수 있으며, 특히 본 발명에 따른 방법으로부터, CO2 스트림 순도의 융통성(예컨대, 다단 플러드(staged flood), 이때 일련의 상이한 순도가 사용됨)을 허용하는 분명한 이점을 제공할 수 있다. 이러한 융통성 있는 순도 제어는, 시간에 따라 에이징될 수 있는 특정 퇴적물/저장소 및/또는 특정 퇴적물의 품질에 맞추어 조정될 수 있다.
스윙 흡착기 공정(반응기 구성)
흡착제 층은 기체의 유동 경로(축방향 및/또는 반경방향 유동 포함)를 제공하기 위한 임의의 편리한 방식으로 배열될 수 있다. 상기 흡착제 층을 보유하는 용기는 임의의 편리한 방식으로 유동 방향에 대해 배향될 수 있다. PSA 반응기의 하나의 전형적인 배향은, 반응기의 장축 또는 주축과 나란히 배향되는 반응기를 갖는 것일 수 있다. 이의 예는, 수직 원통 형태의 PSA 반응기들을 갖는 것을 포함할 수 있으며, 이때 투입 기체 유동은 상부 또는 하부 표면을 통해 상기 원통으로 도입된다. 이것이 기체 유동의 방향에 대한 PSA 반응기의 통상적인 구성을 나타낼 수 있지만, 큰 유동 체적을 취급하도록 공정을 대규모화하는 것은 어려울 수 있다. 예를 들어, PSA 반응기의 전형적인 길이 대 직경 비는 약 3 대 1일 수 있으며, 예컨대 약 10 m의 길이 및 약 3 m의 직경을 갖는 반응기이다. 이러한 반응기의 크기를 증가시키는 것은 일반적으로 상기 반응기에 걸쳐 압력 강하를 증가시킬 수 있으며, 이는 전형적으로 바람직하지 않다. 따라서, 큰 기체 유동을 취급하도록 축방향 유동을 대규모화하기 위해서는, 다중 반응기가 전형적으로 사용될 수 있다.
추가적으로 또는 다르게는, 반응기의 장축 또는 주축이 기체 유동의 방향에 수직일 수 있는 PSA 반응기가 사용될 수 있다. 예를 들어, PSA 반응기는, 흡착제의 평행한 플레이트들(이때, 상기 평행한 플레이트들의 장축은 기체 유동의 방향에 수직임)을 포함할 수 있다. 이는, 기체 유동이 상기 반응기를 가로질러 이동해야 하는 거리를 줄이면서, CO2를 포획하기 위한 더 큰 체적의 흡착제가 축 유동 배향으로 단일 반응기 내에 위치되도록 할 수 있다. 결과적으로, 이러한 유형의 구성은, 큰 체적의 투입 기체 유동을 취급하면서, PSA 반응기에 걸쳐 압력 강하를 감소시킬 수 있다. 이는, 큰 유동을 취급하는데 필요한 반응기의 개수를 줄일 수 있다.
예로서, 수평 배향된 PSA 반응기는, 예컨대 약 30 m의 장축 및 약 4 m의 단축을 갖는 대략 직사각형 형태의 흡착제의 평행한 플레이트들을 가질 수 있다. 이러한 수평 구성에서, 투입 기체는 단축을 가로질러 유동하도록 도입될 수 있다. 이는, 장축에 상응하는 상기 반응기의 한쪽을 따라 몇몇 위치에서 투입 기체를 도입함으로써 달성될 수 있다. 이어서, 투입 기체가 장축의 전체 길이를 따라 분포될 수 있도록, 유동 분포가 상기 PSA 반응기 내부에 사용될 수 있다. 큰 기체 유량의 경우, PSA 반응기의 장축을 가로질러 공급물을 분배하는 것으로부터 생성된 압력 강하는, 큰 기체 유량이 복수개의 통상적인 축방향 유동 PSA 반응기를 통과하도록 하는 시도에 비해 더 낮을 수 있다.
스윙 흡착기 공정(흡착제 물질)
다양한 양태에서, 복합 전력 생산 공정의 다른 양태에 유리한 온도 및 압력에서, CO2로부터 N2를 분리하기 위해 스윙 흡착 공정이 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 재순환된 배기 가스는 약 300℃ 내지 약 600℃의 온도(예컨대 약 300℃ 내지 약 550℃, 약 300℃ 내지 약 500℃, 약 300℃ 내지 약 450℃, 약 300℃ 내지 약 400℃, 약 350℃ 내지 약 600℃, 약 350℃ 내지 약 550℃, 약 350℃ 내지 약 500℃, 약 350℃ 내지 약 450℃, 약 400℃ 내지 약 600℃, 약 400℃ 내지 약 550℃, 약 400℃ 내지 약 500℃, 약 425℃ 내지 약 600℃, 약 425℃ 내지 약 550℃, 약 425℃ 내지 약 500℃, 약 425℃ 내지 약 460℃, 약 450℃ 내지 약 600℃, 약 450℃ 내지 약 550℃, 또는 약 500℃ 내지 약 600℃의 온도; 추가적으로 또는 다르게는, 상기 온도는 약 325℃℃ 이상, 예컨대 약 350℃ 이상, 약 400℃ 이상, 약 425℃ 이상, 또는 약 440℃ 이상일 수 있음; 또한, 추가적으로 또는 다르게는, 상기 온도는 약 575℃ 이하, 약 550℃ 이하, 약 500℃ 이하, 약 475℃ 이하, 약 460℃ 이하, 또는 약 440℃ 이하일 수 있음) 및 약 10 bara(약 1.0 MPaa) 내지 약 60 bara(약 6.0 MPaa)의 압력(예컨대, 약 10 bara 이상(약 1.0 MPaa) 이상, 약 15 bara(약 1.5 MPaa) 이상, 약 20 bara(약 2.0 MPaa) 이상, 약 25 bara(약 2.5 MPaa) 이상, 또는 약 30 bara(약 3.0 MPaa) 이상의 압력 및/또는 약 60 bara(6.0 MPaa) 이하, 약 50 bara(약 5.0 MPaa) 이하, 약 40 bara(약 4.0 MPaa) 이하, 약 35 bara(약 3.5 MPaa) 이하, 약 30 bara(약 3.0 MPaa) 이하, 약 25 bara(약 2.5 MPaa) 이하, 또는 약 22.5 bara(약 2.25 MPaa) 이하의 압력)을 가질 수 있다.
전술된 바와 같이, 상기 분리 공정의 하나의 목적은, 전력 생산 공정과 호환성인 조건 하에 분리 공정을 수행하는 것일 수 있다. 따라서, 대략 상기 재순환된 배기 가스의 온도 및 압력에서 분리를 수행하는 것이 바람직할 수 있다. 상기 재순환된 배기 가스의 조건에서 분리를 수행하기 위해서는, 압력 스윙 흡착기 반응기 내의 흡착제 물질이 이러한 조건 하에 일반적으로 효과적이어야 한다.
적합한 흡착제의 하나의 예는, 혼합된 금속 산화물 흡착제, 예컨대 알칼리 금속 탄산염 및 알칼리 토금속 산화물 및/또는 전이 금속 산화물의 혼합물을 포함하는 흡착제를 포함한다. 적합한 알칼리 금속 탄산염의 예는, 비제한적으로 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘, 또는 이들의 조합물의 탄산염, 예컨대 리튬, 나트륨, 칼륨, 또는 이들의 조합물의 탄산염을 포함할 수 있다. 적합한 알칼리 토금속 산화물의 예는, 비제한적으로 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨, 또는 이들의 조합물의 산화물, 예컨대 마그네슘 및/또는 칼슘의 산화물을 포함할 수 있다. 적합한 전이 금속 산화물의 몇몇 예는, 비제한적으로 란탄족 금속, 예를 들면 란타늄, 및/또는 +2 또는 +3 산화 상태로 금속과 산화물을 형성할 수 있는 전이 금속(예컨대, 이트륨, 철, 아연, 니켈, 바나듐, 지르코늄, 코발트, 또는 이들의 조합물)의 산화물을 포함할 수 있다.
몇몇 양태에서, 상기 탄산염은 혼합된 금속 산화물 중의 산화물로부터 독립적으로 선택될 수 있다. 이러한 양태에서, 상기 탄산염은, 탄산 리튬, 탄산 나트륨, 탄산 칼륨, 탄산 루비듐 및/또는 탄산 세슘(예컨대, 탄산 리튬, 탄산 나트륨, 및/또는 탄산 칼륨; 탄산 리튬 및/또는 탄산 칼륨; 탄산 리튬 및/또는 탄산 나트륨; 또는 탄산 나트륨 및/또는 탄산 칼륨)을 포함하거나, 이들로 본질적으로 이루어지거나, 이들일 수 있다.
상기 탄산염이 상기 산화물과 독립적으로 선택되는 양태에서, 상기 산화물은 알칼리 토금속 산화물, 전이 금속 산화물, 2종 이상의 알칼리 토금속 산화물들의 조합물, 2종 이상의 전이 금속 산화물들의 조합물, 또는 하나 이상의 알칼리 토금속 산화물과 하나 이상의 전이 금속 산화물을 포함하는 산화물들의 조합물일 수 있다. 상기 독립적으로 선택된 산화물이 하나 이상의 알칼리 토금속 산화물을 포함하는 양태에서, 적합한 알칼리 토금속 산화물은 산화 마그네슘, 산화 칼슘, 산화 스트론튬, 및/또는 산화 바륨을 포함하거나, 이들로 본질적으로 이루어지거나 또는 이들일 수 있다(예컨대, 적어도 산화 마그네슘 및/또는 산화 칼슘 포함).
상기 독립적으로 선택되는 산화물이 하나 이상의 전이 금속 산화물을 포함하는 양태에서, 적합한 전이 금속은, +2 또는 +3 산화 상태로 금속과 산화물(예컨대, 산화 이트륨, 산화 철, 산화 아연, 산화 니켈, 산화 바나듐, 산화 코발트, 산화 지르코늄, 산화 란타늄, 란탄족 금속의 다른 산화물, 및/또는 이들의 조합물)을 형성할 수 있는 하나 이상의 전이 금속을 포함하거나, 이들로 본질적으로 이루어지거나 또는 이들일 수 있다. 하나의 바람직한 선택사항은, 산화 란타늄 및/또는 산화 지르코늄으로부터 선택되는 전이 금속 산화물을 포함한다. 또다른 선택사항은, 산화 란타늄, 산화 이트륨, 산화 지르코늄, 및/또는 산화 아연으로부터 선택되는 금속 산화물을 포함한다. 또다른 선택사항은, 산화 니켈, 산화 코발트, 및/또는 산화 철로부터 선택되는 금속 산화물을 포함한다. 각각의 이러한 선택사항 내의 혼합물 및/또는 이러한 선택사항들을 교차하는 혼합물, 예컨대 산화 란타늄과 산화 아연 및/또는 산화 바나듐의 혼합물; 산화 란타늄과 산화 철, 산화 코발트, 및/또는 산화 니켈의 혼합물; 산화 지르코늄과 산화 이트륨, 산화 아연, 및/또는 산화 바나듐의 혼합물; 및 산화 지르코늄과 산화 철, 산화 코발트, 및/또는 산화 니켈의 혼합물이 고려된다.
상기 독립적으로 선택되는 산화물이 하나 이상의 알칼리 금속 산화물 및 하나 이상의 전이 금속 산화물을 포함하는 양태에서, 적합한 알칼리 금속 산화물은 산화 마그네슘, 산화 칼슘, 산화 스트론튬, 및/또는 산화 바륨을 포함하거나, 이들로 본질적으로 이루어지거나 또는 이들일 수 있고, 적합한 전이 금속은, +2 또는 +3 산화 상태로 금속과 산화물(예컨대, 산화 이트륨, 산화 철, 산화 아연, 산화 니켈, 산화 바나듐, 산화 코발트, 산화 지르코늄, 산화 란타늄, 및/또는 다른 란탄족 산화물)을 형성할 수 있는 전이 금속을 포함하거나, 이들로 본질적으로 이루어지거나 또는 이들일 수 있다. 각각의 이러한 알칼리 금속 산화물 및 전이 금속 산화물은 개별적으로 또는 복수개의 전이 금속 산화물의 임의의 조합으로 선택될 수 있다. 혼합물의 예는, 하나 이상의 산화물이 산화 란타늄, 산화 지르코늄, 및/또는 산화 마그네슘인, 산화물들의 혼합물; 혼합물이 산화 란타늄, 산화 지르코늄 및 산화 마그네슘 중 적어도 2종을 포함하는, 산화물들의 혼합물; 하나의 산화물이 산화 마그네슘 및/또는 산화 칼슘인, 산화물들의 혼합물; 및/또는 하나 이상의 산화물이 산화 란타늄, 산화 이트륨, 및/또는 산화 지르코늄인, 산화물들의 혼합물을 포함하거나, 이들로 본질적으로 이루어지거나 또는 이들일 수 있다.
몇몇 대안적 양태에서, 혼합된 금속 산화물은 전이 금속 산화물과 조합된 알칼리 토금속 탄산염을 포함할 수 있다. 이러한 양태에서, 상기 알칼리 토금속 탄산염은 탄산 마그네슘 및/또는 탄산 칼슘을 포함하거나, 이들로 본질적으로 이루어지거나 또는 이들일 수 있다. 추가적으로 또는 다르게는, 상기 알칼리 토금속 탄산염은 알칼리 금속 탄산염과의 혼합물로 존재할 수 있다. 이러한 탄산염 혼합물의 예는 탄산 리튬과 탄산 마그네슘의 혼합물, 탄산 리튬과 탄산 칼슘의 혼합물, 탄산 칼륨과 탄산 마그네슘의 혼합물, 탄산 칼륨과 탄산 칼슘의 혼합물, 탄산 나트륨과 탄산 마그네슘의 혼합물, 및 탄산 나트륨과 탄산 칼슘의 혼합물(예컨대, 탄산 리튬과 탄산 마그네슘의 혼합물 또는 탄산 칼륨과 탄산 마그네슘의 혼합물)을 포함하거나, 이들로 본질적으로 이루어지거나 또는 이들일 수 있다. 이러한 양태에서, 적합한 전이 금속은, +2 또는 +3 산화 상태로 금속과 산화물(예컨대, 산화 이트륨, 산화 철, 산화 아연, 산화 니켈, 산화 바나듐, 산화 코발트, 산화 지르코늄, 산화 란타늄, 다른 란탄족 산화물, 및/또는 이들의 조합물)을 형성할 수 있는 전이 금속을 포함하거나, 이들로 본질적으로 이루어지거나 또는 이들일 수 있다. 각각의 이러한 알칼리 토금속 탄산염 및 전이 금속 산화물은 개별적으로 또는 복수개의 알칼리 토금속 탄산염 및/또는 복수개의 전이 금속 산화물의 임의의 조합으로 독립적으로 선택될 수 있다. 전이 금속 산화물의 경우, 하나의 바람직한 선택사항은, 산화 란타늄 또는 산화 지르코늄으로부터 선택되는 전이 금속 산화물을 포함할 수 있다. 또다른 선택사항은, 산화 란타늄, 산화 이트륨, 산화 지르코늄, 및/또는 산화 아연으로부터 선택되는 금속 산화물을 포함할 수 있다. 또다른 선택사항은, 산화 니켈, 산화 코발트, 및/또는 산화 철로부터 선택되는 금속 산화물을 포함할 수 있다. 각각의 이러한 선택사항 내의 혼합물 및/또는 이러한 선택사항들을 교차하는 혼합물, 예컨대 하나 이상의 산화물이 산화 란타늄 및/또는 산화 지르코늄인, 산화물들의 혼합물; 산화 란타늄과 산화 아연 및/또는 산화 바나듐의 혼합물; 산화 란타늄과 산화 철, 산화 코발트, 및/또는 산화 니켈의 혼합물; 산화 지르코늄과 산화 이트륨, 산화 아연, 및/또는 산화 바나듐의 혼합물; 및/또는 산화 지르코늄과 산화 철, 산화 코발트, 및/또는 산화 니켈의 혼합물이 고려된다.
추가적 또는 대안적 물질은 하이드로탈사이트를 포함할 수 있다.
다른 실시양태
추가적으로 또는 다르게는, 본 발명은 하나 이상의 하기 실시양태를 포함할 수 있다.
실시양태 1. 재순환된 배기 가스를 주요 압축기 내에서 압축하여 압축된 재순환 배기 가스를 생성하는 단계로서, 이때 상기 압축된 재순환 배기 가스가 약 400℃ 내지 약 500℃의 재순환 온도 및 약 10 bara(약 1.0 MPaa) 내지 약 30 bara(약 3.0 MPaa)의 재순환 압력을 갖고, 상기 재순환된 배기 가스가 약 70 vol% 이상의 N2 및 약 10 vol% 이상의 CO2를 포함하는, 단계; 농축 공기를 주입구 압축기 내에서 압축하여 압축된 산화제를 생성하는 단계; 상기 압축된 재순환 배기 가스의 제 1 부분을 연소 챔버 내로 통과시키는 단계; 상기 압축된 산화제 및 연료를 연소 챔버 내에서 및 상기 압축된 재순환 배기 가스의 제 1 부분의 존재 하에 화학량론적으로 연소시켜 배출 스트림을 생성하는 단계로서, 이때 상기 압축된 재순환 배기 가스의 제 1 부분이, 상기 배출 스트림의 온도를 조절하도록 구성된 희석제로서 작용하는, 단계; 상기 배출 스트림을 팽창기 내에서 팽창시켜 상기 주요 압축기를 적어도 부분적으로 구동하고, 재순환된 배기 가스를 생성하는 단계; 상기 재순환된 배기 가스의 제 2 부분을, 흡착제 물질을 포함하는 스윙 흡착 반응기 내로 통과시키는 단계; 상기 재순환 온도와 약 20℃ 미만 만큼 다른 흡착 온도 및 상기 재순환 압력과 약 1 bar(약 0.1 MPa) 미만 만큼 다른 흡착 압력에서 CO2를 상기 흡착제 물질 상에 흡착시키는 단계; 약 95 vol% 이상의 순도를 갖는 N2 스트림을 상기 반응기의 전면 말단으로부터 회수하는 단계로서, 이때 회수된 N2 스트림이 분리 압력과 약 0.5 bar(약 50 kPa) 미만 만큼 다른 압력을 갖는, 단계; 상기 반응기의 하나 이상의 말단으로부터 블로우 다운 스트림을 배출함으로써, 상기 스윙 흡착 반응기 내의 압력을 약 1.0 bara(약 0.1 MPaa) 내지 약 3.0 bara(약 0.3 MPaa)의 압력으로 감소시키는 단계; 및 상기 스윙 흡착 반응기를 스팀 퍼지로 약 1.0 bara(약 0.1 MPaa) 내지 약 3.0 bara(약 0.3 MPaa)의 압력에서 퍼지하여 CO2 회수 스트림을 생성하는 단계로서, 이때 상기 CO2 회수 스트림이, 상기 재순환된 배기 가스의 제 2 부분 중에 존재하는 CO2의 약 90% 이상을 포함하고, 상기 스팀 퍼지가 상기 재순환된 배기 가스의 제 2 부분 중의 CO2의 mol당 약 1.5 mol 미만(예컨대, 약 1.0 mol 미만 또는 약 0.8 mol 미만)의 H2O를 포함하는 단계를 포함하는, 전력 생산 방법.
실시양태 2. 재순환된 배기 가스를 주요 압축기 내에서 압축하여 압축된 재순환 배기 가스를 생성하는 단계로서, 이때 상기 압축된 재순환 배기 가스가 약 400℃ 내지 약 500℃의 재순환 온도 및 약 10 bara(약 1.0 MPaa) 내지 약 30 bara(약 3.0 MPaa)의 재순환 압력을 갖고, 상기 재순환된 배기 가스가 약 70 vol% 이상의 N2 및 약 10 vol% 이상의 CO2를 포함하는, 단계; 농축 공기를 주입구 압축기 내에서 압축하여 압축된 산화제를 생성하는 단계; 상기 압축된 재순환 배기 가스의 제 1 부분을 연소 챔버 내로 통과시키는 단계; 상기 압축된 산화제 및 연료를 연소 챔버 내에서 및 상기 압축된 재순환 배기 가스의 제 1 부분의 존재 하에 화학량론적으로 연소시켜 배출 스트림을 생성하는 단계로서, 이때 상기 압축된 재순환 배기 가스의 제 1 부분이, 상기 배출 스트림의 온도를 조절하도록 구성된 희석제로서 작용하는, 단계; 상기 배출 스트림을 팽창기 내에서 팽창시켜 상기 주요 압축기를 적어도 부분적으로 구동하고, 재순환된 배기 가스를 생성하는 단계; 상기 재순환된 배기 가스의 제 2 부분을, 흡착제 물질을 포함하는 스윙 흡착 반응기 내로 통과시키는 단계; 상기 재순환 온도와 약 20℃ 미만 만큼 다른 흡착 온도 및 상기 재순환 압력과 약 1 bar(약 0.1 MPa) 미만 만큼 다른 흡착 압력에서 CO2를 상기 흡착제 물질 상에 흡착시키는 단계; 약 95 vol% 이상의 순도를 갖는 N2 스트림을 상기 반응기의 전면 말단으로부터 회수하는 단계로서, 이때 회수된 N2 스트림이 분리 압력과 약 0.5 bar(약 50 kPa) 미만 만큼 다른 압력을 갖는, 단계; 임의적으로, 상기 반응기의 하나 이상의 말단으로부터 블로우 다운 스트림을 배출함으로써, 상기 스윙 흡착 반응기 내의 압력을 3.0 bara(0.3 MPaa) 이상의 압력으로 감소시키는 단계; 및 상기 스윙 흡착 반응기를, 의도적으로 첨가된 물/스팀을 함유하지 않는 퍼지로 3.0 bara(0.3 MPaa) 내지 약 20.0 bara(약 2.0 MPaa)의 압력에서 퍼지하여 CO2 회수 스트림을 생성하는 단계로서, 이때 상기 CO2 회수 스트림이, 상기 재순환된 배기 가스의 제 2 부분 중에 존재하는 CO2의 약 90% 이상을 포함하는, 단계를 포함하는 전력 생산 방법.
실시양태 3. 실시양태 1 또는 실시양태 2에 있어서, 상기 압축된 산화제가 약 30 vol% 내지 약 50 vol%의 산소 농도를 갖고, 임의적으로, 상기 압축된 산화제를 생성하는 단계가 또한, 상기 농축 공기를 대기와 혼합하는 것을 추가로 포함하는, 전력 생산 방법.
실시양태 4. 약 70 vol% 이상의 N2 및 약 10 vol% 이상의 CO2를 포함하는 반응기 배기 스트림을, 흡착제 물질을 포함하는 스윙 흡착 반응기 내로 통과시키는 단계로서, 이때 상기 반응기 배기 스트림이 약 10 bara(약 1.0 MPaa) 내지 약 30 bara(약 3.0 MPaa)의 압력을 갖는, 단계; CO2를 400℃ 이상의 흡착 온도에서 상기 흡착제 물질 상에 흡착시키는 단계; 약 95 vol% 이상의 순도를 갖는 N2 스트림을 상기 반응기의 전면 말단으로부터 회수하는 단계로서, 이때 회수된 N2 스트림이 상기 반응기 배기 스트림의 압력과 약 0.5 bar(약 50 kPa) 이하 만큼 다른 압력을 갖는, 단계; 상기 반응기의 하나 이상의 말단으로부터 블로우 다운 스트림을 배출함으로써, 상기 스윙 흡착 반응기 내의 압력을 약 1.0 bara(약 0.1 MPaa) 내지 약 3.0 bara(약 0.3 MPaa)의 압력으로 감소시키는 단계; 및 상기 스윙 흡착 반응기를 스팀 퍼지로 약 1.0 bara(약 0.1 MPaa) 내지 약 3.0 bara(약 0.3 MPaa)의 압력에서 퍼지하여 CO2 회수 스트림을 생성하는 단계로서, 이때 상기 CO2 회수 스트림이, 상기 반응기 배기 스트림 중에 존재하는 CO2의 약 90% 이상을 포함하고, 상기 스팀 퍼지가 상기 반응기 배기 스트림 중의 CO2의 mol 당 약 1.5 mol 미만(예컨대, 약 1.0 mol 미만 또는 약 0.8 mol 미만)의 H2O을 포함하는, 단계를 포함하는, 반응기 배기 스트림으로부터 N2 및 CO2를 생산하는 방법.
실시양태 5. 약 70 vol% 이상의 N2 및 약 10 vol% 이상의 CO2를 포함하는 반응기 배기 스트림을, 흡착제 물질을 포함하는 스윙 흡착 반응기 내로 통과시키는 단계로서, 이때 상기 반응기 배기 스트림이 약 10 bara(약 1.0 MPaa) 내지 약 30 bara(약 3.0 MPaa)의 압력을 갖는, 단계; CO2를 400℃ 이상의 흡착 온도에서 상기 흡착제 물질 상에 흡착시키는 단계; 약 95 vol% 이상의 순도를 갖는 N2 스트림을 상기 반응기의 전면 말단으로부터 회수하는 단계로서, 이때 회수된 N2 스트림이 상기 반응기 배기 스트림의 압력과 약 0.5 bar(약 50 kPa) 이하 만큼 다른 압력을 갖는, 단계; 임의적으로, 상기 반응기의 하나 이상의 말단으로부터 블로우 다운 스트림을 배출함으로써, 상기 스윙 흡착 반응기 내의 압력을 3.0 bara(0.3 MPaa) 이상의 압력으로 감소시키는 단계; 및 상기 스윙 흡착 반응기를, 의도적으로 첨가된 물/스팀을 함유하지 않는 퍼지로 3.0 bara(0.3 MPaa) 내지 약 20.0 bara(약 2.0 MPaa)의 압력에서 퍼지하여 CO2 회수 스트림을 생성하는 단계로서, 이때 상기 CO2 회수 스트림이, 상기 재순환된 배기 가스의 제 2 부분 중에 존재하는 CO2의 약 90% 이상을 포함하는, 단계를 포함하는, 반응기 배기 스트림으로부터 N2 및 CO2를 생산하는 방법.
실시양태 6. 전술된 실시양태들 중 임의의 하나의 실시양태에 있어서, 상기 스팀 퍼지와 다른 조성을 갖는 제 2 퍼지 스트림을 상기 스윙 흡착 반응기에 통과시켜 제 2 CO2 회수 스트림을 생성하는 단계를 추가로 포함하는, 생산 방법.
실시양태 7. 전술된 실시양태들 중 임의의 하나의 실시양태에 있어서, 상기 통과시키는 단계, 상기 흡착시키는 단계, 상기 회수하는 단계, 상기 감소시키는 단계, 및 상기 퍼지하는 단계가 압력 스윙 흡착 사이클을 포함하며, 상기 재순환된 배기 가스의 제 2 부분, 상기 스팀 퍼지 및 상기 제 2 퍼지 스트림(존재하는 경우)이, 상기 압력 스윙 흡착 사이클 동안 상기 스윙 흡착 반응기 내로 도입되는 기체의 약 95 vol% 이상을 포함하는, 생산 방법.
실시양태 8. 전술된 실시양태들 중 임의의 하나의 실시양태에 있어서, 상기 CO2 회수 스트림을 CO2 생성물 스트림 및 물로 분리하는 단계를 추가로 포함하고, 이때 상기 CO2 생성물 스트림이 90 vol% 이상의 CO2를 포함하는, 생산 방법.
실시양태 9. 재순환된 배기 가스를 압축하여 압축된 재순환 배기 가스를 생성하는 단계로서, 이때 상기 압축된 재순환 배기 가스가 약 400℃ 내지 약 500℃의 재순환 온도 및 약 10 bara(약 1.0 MPaa) 내지 약 30 bara(약 3.0 MPaa)의 재순환 압력을 갖고, 상기 재순환된 배기 가스가 약 70 vol% 이상의 N2 및 약 10 vol% 이상의 CO2를 포함하는, 단계; 사이클 형태의 압력 스윙 흡착 공정으로, 상기 압축된 재순환 배기 가스의 적어도 일부 중의 N2로부터 CO2를 분리하는 단계[이때 공정 사이클은, 상기 압축된 재순환 배기 가스의 적어도 일부를, 흡착제 물질을 포함하는 스윙 흡착 반응기 내로 통과시키는 단계로서, 이때 상기 반응기 배기 스트림이 약 10 bara(약 1.0 MPaa) 내지 약 30 bara(약 3.0 MPaa)의 압력을 갖는, 단계; 상기 재순환 온도와 약 20℃ 미만 만큼 다른 흡착 온도 및 상기 재순환 압력과 약 1 bara(0.1 MPaa) 미만 만큼 다른 흡착 압력에서 CO2를 상기 흡착제 물질 상에 흡착시키는 단계; 약 95 vol% 이상의 순도를 갖는 N2 스트림을 상기 반응기의 전면 말단으로부터 회수하는 단계로서, 이때 회수된 N2 스트림이 상기 반응기 배기 스트림의 압력과 약 0.5 bar(약 50 kPa) 이하 만큼 다른 압력을 갖고, 상기 회수된 N2 스트림이 상기 재순환 온도와 20℃ 이하 만큼 다른 온도를 갖는, 단계; 상기 반응기의 하나 이상의 말단으로부터 블로우 다운 스트림을 배출함으로써, 상기 스윙 흡착 반응기 내의 압력을 약 1.0 bara(약 0.1 MPaa) 내지 약 3.0 bara(약 0.3 MPaa)의 압력으로 감소시키는 단계; 및 상기 스윙 흡착 반응기를 스팀 퍼지로 약 1.0 bara(약 0.1 MPaa) 내지 약 3.0 bara(약 0.3 MPaa)의 압력에서 퍼지하여 CO2 회수 스트림을 생성하는 단계로서, 이때 상기 CO2 회수 스트림이, 상기 반응기 배기 스트림 중에 존재하는 CO2의 약 90% 이상을 포함하고, 상기 스팀 퍼지가 상기 반응기 배기 스트림 중의 CO2의 mol 당 약 1.5 mol 미만(예컨대, 약 1.0 mol 미만 또는 약 0.8 mol 미만)의 H2O를 포함하는, 단계를 포함함]; 및 상기 CO2 회수 스트림을 CO2 생성물 스트림 및 물로 분리하는 단계로서, 이때 상기 CO2 생성물 스트림이 약 90 vol% 이상의 CO2를 포함하는 단계를 포함하고, 이때 상기 압축된 재순환 배기 가스의 적어도 일부 및 상기 스팀 퍼지가, 공정 사이클 동안 상기 스윙 흡착 반응기 내로 도입되는 기체의 약 95 vol% 이상을 포함하는, 반응기 배기 스트림으로부터 N2 및 CO2를 생산하는 방법.
실시양태 10. 전술된 실시양태들 중 임의의 하나의 실시양태에 있어서, 상기 CO2 생성물 스트림이 추가로 N2를 포함하는, 생산 방법.
실시양태 11. 전술된 실시양태들 중 임의의 하나의 실시양태에 있어서, 상기 재순환된 배기 가스가 약 5 vol% 내지 약 20 vol%(예컨대, 약 10 vol% 내지 약 20 vol%)의 CO2 농도 및/또는 약 1 vol% 이하의 O2 농도를 갖는, 생산 방법.
실시양태 12. 전술된 실시양태들 중 임의의 하나의 실시양태에 있어서, 상기 흡착제가 다음 중 하나 이상을 포함하는, 생산 방법: (a) 알칼리 금속 탄산염(예컨대, 탄산 칼륨, 탄산 리튬, 및/또는 탄산 나트륨) 및 알칼리 토금속 및/또는 전이 금속(예컨대, +2 및/또는 +3 산화 상태의 산화물을 형성하는 것)의 산화물, 예컨대, 탄산 리튬 또는 탄산 칼륨 중 적어도 하나와 산화 란타늄, 산화 이트륨 및 산화 마그네슘 중 적어도 하나; (b) 알칼리 토금속 탄산염(예컨대, 탄산 마그네슘 및/또는 탄산 칼슘) 및 전이 금속(예컨대, +2 및/또는 +3 산화 상태의 산화물을 형성하는 것)의 산화물, 예컨대 탄산 마그네슘 또는 탄산 칼슘 중 적어도 하나와 산화 란타늄, 산화 이트륨 및 산화 마그네슘 중 적어도 하나; 및 (c) 하이드로탈사이트.
실시양태 13. 전술된 실시양태들 중 임의의 하나의 실시양태에 있어서, 상기 회수된 N2 스트림의 온도가 상기 흡착 온도 이상인, 생산 방법.
실시양태 14. 전술된 실시양태들 중 임의의 하나의 실시양태에 있어서, 상기 스윙 흡착 반응기를 상기 반응기 배기 스트림 또는 상기 압축된 재순환 배기 가스를 사용하여 약 10 bara(약 1.0 MPaa) 이상의 압력으로 재가압하는 단계를 추가로 포함하는 생산 방법.
실시양태 15. 전술된 실시양태들 중 임의의 하나의 실시양태에 있어서, 상기 스윙 흡착 반응기 내의 압력을 감소시키는 단계가, (i) 상기 반응기의 전면 말단으로부터 제 1 블로우 다운 스트림을 배출하고/하거나 (ii) 상기 제 1 블로우 다운 스트림을 배출한 후, 상기 반응기의 전면 말단으로부터 제 2 블로우 다운 스트림을 배출하고, 상기 반응기의 후면 말단으로부터 제 3 블로우 다운 스트림을 배출하는 것을 포함하는, 생산 방법.
실시양태 16. 재순환된 배기 가스를 압축하여 압축된 재순환 배기 가스를 생성하는 단계로서, 이때 상기 압축된 재순환 배기 가스가 약 400℃ 내지 약 500℃의 재순환 온도 및 약 10 bara(약 1.0 MPaa) 내지 약 30 bara(약 3.0 MPaa)의 재순환 압력을 갖고, 상기 재순환된 배기 가스가 약 70 vol% 이상의 N2 및 약 10 vol% 이상의 CO2를 포함하는, 단계; 사이클 형태의 압력 스윙 흡착 공정으로, 상기 압축된 재순환 배기 가스의 적어도 일부 중의 N2로부터 CO2를 분리하는 단계[이때 공정 사이클은, 상기 압축된 재순환 배기 가스의 적어도 일부를, 흡착제 물질을 포함하는 스윙 흡착 반응기 내로 통과시키는 단계로서, 이때 상기 반응기 배기 스트림이 약 10 bara(약 1.0 MPaa) 내지 약 30 bara(약 3.0 MPaa)의 압력을 갖는, 단계; 상기 재순환 온도와 약 20℃ 미만 만큼 다른 흡착 온도 및 상기 재순환 압력과 약 1 bara(0.1 MPaa) 미만 만큼 다른 흡착 압력에서 CO2를 상기 흡착제 물질 상에 흡착시키는 단계; 약 95 vol% 이상의 순도를 갖는 N2 스트림을 상기 반응기의 전면 말단으로부터 회수하는 단계로서, 이때 회수된 N2 스트림이 상기 반응기 배기 스트림의 압력과 약 0.5 bar(약 50 kPa) 이하 만큼 다른 압력을 갖고, 상기 회수된 N2 스트림이 상기 재순환 온도와 20℃ 이하 만큼 다른 온도를 갖는, 단계; 상기 반응기의 하나 이상의 말단으로부터 블로우 다운 스트림을 배출함으로써, 상기 스윙 흡착 반응기 내의 압력을 약 1.0 bara(약 0.1 MPaa) 내지 약 5.0 bara(약 0.5 MPaa)의 압력으로 감소시키는 단계; 및 상기 스윙 흡착 반응기를 스팀 퍼지로 약 1.0 bara(약 0.1 MPaa) 내지 약 5.0 bara(약 0.5 MPaa)의 압력에서 퍼지하여, CO2 회수 스트림을 생성하는 단계로서, 이때 상기 CO2 회수 스트림이, 상기 반응기 배기 스트림 중에 존재하는 CO2의 약 60% 이상을 포함하고, 상기 스팀 퍼지가 상기 반응기 배기 스트림 중의 CO2의 mol 당 약 1.5 mol 미만(예컨대, 약 1.0 mol 미만 또는 약 0.8 mol 미만)의 H2O를 포함하는, 단계를 포함함]; 및 상기 CO2 회수 스트림을 CO2 생성물 스트림 및 물로 분리하는 단계로서, 이때 상기 CO2 생성물 스트림이 약 60 vol% 내지 약 99.5 vol%의 CO2를 포함하는, 단계를 포함하고, 이때 상기 압축된 재순환 배기 가스의 적어도 일부 및 상기 스팀 퍼지가, 공정 사이클 동안 상기 스윙 흡착 반응기 내로 도입되는 기체의 약 90 vol% 이상을 포함하는, 반응기 배기 스트림으로부터 N2 및 CO2를 생산하는 방법.
실시예
1. 재순환된
배기물의
일부에 대한 압력 스윙 흡착 수행
하기 예측 실시예는, 도 2에 도시된 구성과 유사한 압력 스윙 흡착 반응기 구성에 기초한다. 본 실시예에서, CO2 및 N2를 분리하기 위해, 혼합된-금속 산화물에 기초한 흡착제를 복수개의 PSA 반응기 내에 사용하였다. 상기 분리는 약 400℃ 내지 약 500℃의 온도에서 수행하였다. 상기 PSA 반응기는 복수개의 수평 배향된 용기, 예컨대 3-용기 또는 4-용기에 상응한다. 상기 반응기는, 상기 반응기의 장축에 수직인 투입 유량에 대해 수평 배향으로 사용하기에 적합한 흡착제 구성, 예컨대 평행한 플레이트 흡착제를 포함한다. 상기 반응기 용기는 약 7.5 대 1의 길이 대 폭 비(이는, 약 30 m의 장축 및 약 4 m의 단축에 상응함)를 가진다. 상기 반응기는 일련의 단계를 포함하는 사이클에 배치된다. 상기 사이클의 제 1 단계는, 고압(예컨대, 약 21 bara(약 2.1 MPaa))에서, 약 60 내지 120초 동안의 공급 단계이며, 이 동안 공급물 기체가 PSA 반응기 용기의 공급 말단에 공급된다. 공급물 기체의 예는 저 방출물 전력 생산 시스템으로부터의 재순환된 터빈 배기 가스이다. 상기 터빈 배기 가스는 약 440℃의 온도에서 상기 PSA 용기로 전달될 수 있다. 터빈 배기 가스 조성의 하나의 예는 약 11 vol%의 이산화탄소, 약 84 vol%의 질소, 및 잔량의 물 및 다른 미량 화학종일 수 있다. 상기 공급물 기체가 상기 용기의 공급 말단으로 공급되기 때문에, 생성물쪽으로부터 질소 생성물이 생성된다. 상기 질소 생성물은 약 90 vol% 이상의 순도, 약 440℃의 온도, 및 약 20.7 bara(약 2.07 MPaa)의 압력을 가질 수 있다. 충분한 양의 CO2가 흡착된 후(예컨대 상기 흡착제의 약 85%의 용량), 블로우 다운 단계가 개시될 수 있다. 상기 블로우 다운 단계는 약 30 내지 120초 동안 수행될 수 있다. 상기 블로우 다운 단계가 끝날 무렵에, 상기 반응기 용기는 약 1.3 bara(약 130 kPaa) 내지 약 1.6 bara(약 160 kPaa)의 압력을 갖는다. 상기 생성물 말단만 개방된 경우에는 상기 블로우 다운이 단지 전면 방향으로만 수행되거나, 공급물 말단 및 생성물 말단이 둘 다 개방된 경우에는 전면 방향의 제 1 블로우 다운에 이어 제 2 블로우 다운이 수행될 수 있다. 상기 블로우 다운 후, 흡착된 이산화탄소를 스윕하기 위해, 상기 생성물 쪽으로부터의 저압 스팀 퍼지가 약 35 내지 135초 동안 수행될 수 있다. 이러한 저압 스팀 퍼지는 물 및 이산화탄소를 함유하는 배출 스트림을 생성한다. 물을 제거한 후, 상기 배출 스트림은 약 90 vol% 이상의 CO2 순도를 가질 수 있다. 상기 배출 스트림은, 상기 PSA 반응기로의 공급물 중에 존재하는 CO2의 약 90 중량% 이상에 상응할 수 있다. 임의적으로, 상기 반응기에 남아 있는 임의의 스팀 및 이산화탄소를 스윕하기 위해 상기 스팀 퍼지 후 추가의 질소 퍼지가 수행될 수 있다. 이어서, 상기 공급물 기체의 분리를 수행하도록 상기 PSA 반응기 용기를 초기 압력으로 되돌리기 위해, 상기 용기는 상기 공급물 쪽으로부터 재가압된다. 이러한 재가압은 상기 공급물 기체를 사용하여 수행될 수 있으며, 전형적으로 약 25 내지 60초가 걸릴 수 있다. 이러한 PSA 사이클의 수행은, 90% 이상의 속도 및 90 vol% 이상의 순도(물을 농축한 후)로 이산화탄소가 회수되고, 또한 동시에 90 vol% 초과의 순도로 질소가 생성되도록, 터빈 배기 가스, 예컨대 재순환된 배기 가스 내에 함유된 질소로부터 이산화탄소가 분리되게 할 수 있다. 상기 사이클은 또한 감소된 양의 스팀, 예컨대 상기 PSA 반응기로의 공급물 기체 중의 이산화탄소의 mol 당 약 0.3 내지 약 0.6 mol의 스팀을 사용할 수 있다.
실시예
2. 터빈 배기 가스 분리의 모의시험
하기 실시예는 전력 생산용 터빈으로부터의 연도 가스 또는 배기 가스 중의 N2로부터 CO2를 분리하는 모의시험에 기초한다. 이러한 모의시험은, 흡착/탈착 사이클 공정과 관련된 일시적인 물질 및 에너지 균형의 수치 해법에 기초한 것이다. 상기 반응기 구성은, 도 2에 도시된 구성에 상응한다.
하기 표 1은, 상기 모의시험으로부터의 투입 및 결과를 도시하는 것이다. 배기 가스의 모의시험된 유동은 약 8억 2천만 SCF/일이었다. 칼럼들은, 탄산 칼륨 및 산화 란타늄을 함유하는 혼합된-금속 산화물에 기초한 흡착제를 사용하는 압력 스윙 흡착 사이클의 다양한 단계에 상응한다. "공급물" 및 "스팀 퍼지" 칼럼은 상기 공정으로의 투입에 상응하고, 나머지 칼럼은 배출물 유동에 상응한다.
| 공급물 | 스팀 퍼지 | N2 생성물 | CO2 생성물 | 블로우 다운 | |
| P(bar) | 21 | 1.5 | 20.7 | 1.35 | 1.35 |
| T(℉) | 826 | 826 | 837 | 824 | 837 |
| MMSCFD | 822 | 81.3 | 653 | 158 | 91.4 |
| lb·mol/hr | 90200 | 8930 | 71800 | 17400 | 10000 |
| CO2 mol% | 11 | 0 | 0.39 | 51.5 | 5.69 |
| N2 mol% | 84 | 0 | 93.3 | 1.69 | 89.0 |
| H2O mol% | 5 | 100 | 6.33 | 46.78 | 5.30 |
하기 표 2는 또다른 모의시험으로부터의 투입 및 결과를 도시한다. 모의시험된 배기 가스의 유동은 약 8억 3천만 SCF/일이었다. 칼럼들은, 탄산 칼륨 및 산화 마그네슘을 함유하는 혼합된-금속 산화물에 기초한 흡착제를 사용하는 압력 스윙 흡착 사이클이 다양한 단계에 상응한다. "공급물" 및 "스팀 퍼지" 칼럼은 공정으로의 투입에 상응하고, 나머지 칼럼은 배출물 유동에 상응한다.
| 공급물 | 스팀 퍼지 | N2 생성물 | CO2 생성물 | 블로우 다운 | |
| P(bar) | 21 | 1.5 | 20.5 | 1.37 | 1.37 |
| T(℉) | 826 | 826 | 840 | 820 | 840 |
| MMSCFD | 834 | 33.5 | 708 | 116 | 43.3 |
| lb·mol/hr | 91500 | 3680 | 77700 | 12700 | 4750 |
| CO2 mol% | 11.0 | 0 | 0.72 | 73.7 | 4.21 |
| N2 mol% | 84.0 | 0 | 93.4 | 0.57 | 90.4 |
| H2O mol% | 5.00 | 100 | 5.89 | 25.8 | 5.38 |
상기 모의시험에 기초하면, 상기 공급물 중의 CO2의 90% 이상이, 목적하는 CO2 생성물의 일부로서 포획되었다. 달리 말하면, 상기 공급물 중의 CO2의 10% 미만이 N2 생성물 또는 상기 블로우 다운 스트림으로 손실되었다. 상기 표 1 및 2에 도시된 바와 같이, CO2 생성물 스트림의 순도는 96% 초과였다. 초기 CO2 생성물 스트림의 약 절반이 물이었기 때문에, 물을 제거한 후, N2가, 남아있는 CO2 생성물 스트림의 대응적으로 더 큰 %를 나타냄에 주목한다.
실시예
3.
CO
2
분리를 위한 에너지 요건
배기 가스로부터 CO2를 분리하기 위해 압력 스윙 흡착을 사용하는 것은, 통상적인 분리 방법에 비해 이점을 제공할 수 있다. 하기 표 3은, 2개의 비교 아민 분리 공정을 사용하는 것 대비 압력 스윙 흡착을 사용하여 CO2 분리를 수행하는 동안 소비된 총 에너지의 비교를 도시하는 것이다.
| 조건 | 흡수 압력 (kPaa) |
P최종 CO2 (kPaa) |
P최종 N2 (kPaa) |
에너지 소비 (kJ/mol CO2, 예측치) |
| 저압 아민(40℃) | 101 | 101 | 101 | 18.2 |
| 고압 아민(40℃) | 1919 | 101 | 1919 | 23.3 |
| 압력 스윙 흡착 (432℃) |
1919 | 101 | 1919 | 19.1 |
상기 표 3에서, 저압 및 고압 아민 공정은, 아민 분리기 내의 흡착에 의한 CO2 분리를 지칭한다. 이러한 아민 분리는 약 40℃의 온도에서 수행하였다. 흡수 압력은, 상기 분리 공정으로 도입되는 배기 스트림의 압력을 지칭한다. P최종 CO2 값은 일정하며, 분리된 CO2 스트림의 저압(예컨대, 주위 압력) 특성을 반영한다. P최종 N2 값은, CO2 분리 후 상기 공정에 의해 생성된 N2 스트림의 압력에 상응한다. 에너지 소비 예측치는, 제시된 조건에서 다양한 공정에 대한 열역학적 계산에 기초한 것이다.
상기 표 3에서, 압력 스윙 흡착에 의한 CO2 분리에 필요한 에너지는 고압 아민 처리에 필요한 에너지보다 더 낮았으며, 저압 아민 처리에 필요한 에너지에 필적할 만했다. 그러나, 상기 표 3에 도시된 바와 같이, CO2 분리를 위해 압력 스윙 흡착을 사용하면, 분리 동안 생성되는 N2 스트림에 대해 몇몇 이점을 제공하였다. 먼저, 상기 N2 생성물 스트림의 온도는 압력 스윙 흡착 공정 동안 대략 유지되었으나, 상기 아민 분리 공정은, 예컨대 약 40℃로 온도를 낮추는 것이 필요하였다. 추가의 전력 생산용으로 상기 N2 생성물 스트림을 사용하기 위해서는, 전형적으로 상기 아민 공정으로부터의 N2 생성물 스트림의 온도를 적어도 약 300 내지 400℃ 또는 그 이상으로 다시 올리는 것이 필요하며, 이는, 상기 표 3에 도시된 분리 에너지 예측치에 포함되지 않은 추가의 에너지 비용을 필요로 할 것이다. 상기 N2 생성물 스트림을 더 높은 온도로 되돌리는 추가의 에너지 비용은 열 교환기를 사용함으로써 경감될 수 있으며, 이로써 분리 이전의 배기물의 에너지가 분리 후의 상기 N2 생성물 스트림으로 전달될 수 있다. 그러나, 이는 추가의 상당한 장비의 차지 공간(차지 공간)을 필요로 할 것이며, 따라서 덜 바람직할 것이다.
상기 저압 아민 분리에 대한 상기 압력 스윙 흡착 분리의 또다른 이점은, 상기 분리 동안 상기 N2 생성물 스트림의 압력을 유지하는 것을 포함할 수 있으며, 이는, 상기 스트림을 개질하기 위해 에너지를 소비할 필요 없이, 상기 N2 생성물 스트림이 다른 목적(예컨대, 전력 생산)으로 사용되게 할 수 있다.
실시예
4.
EOR
용도를 위한
CO
2
순도 및 회수의 모의시험
도 1에 상응하는 구성 및 본원에 개시된 조건을 사용하여, 예컨대 라인(150)으로부터의 정제된 CO2 기체 스트림(연도 가스)은 약 21 barg(약 2.1 MPag)의 압력을 가질 수 있다. 도 3은, 이러한 압력을 갖는 연도 가스를 위한 CO2 회수 속도 및 CO2 순도를 도시한다. 더 높은 기체 압력이 바람직한 경우, 배기 가스 재순환 터빈의 배출구와 상기 PSA 용기 사이에 추가의 압축기를 추가할 수 있다.
도 3은, 주요 흡착제 특성에 대한 수치 모의시험과 실험 데이터의 조합을 사용하는 통합된 유닛 성능을 도시한다. 모의시험은, 400℃ 이상의 온도에서, 적합한 고온 흡착제(예컨대, 혼합된-금속 산화물 및/또는 하이드로탈사이트, 예컨대 본원에 개시된 것)를 사용하여, 약 8억 2천만 SCFD(표준 ft2/일)의 공칭 유량으로, 약 11 vol%의 CO2, 약 84 vol%의 N2, 약 5 vol%의 물을 함유하는 PSA 유닛으로의 연도 가스 투입에 기초하여 수행하였다. 본원에 사용된 모의시험은, 상기 PSA 사이클의 흡착 및 탈착 공정 단계와 관련된 물질 및 에너지 균형의 수치 해법에 기초하였다. 흡착제에 대한 포화 CO2 용량은, 표준 열중량 분석(TGA) 및 파과 칼럼 측정을 사용하여 결정하였다.
도 3은, 약 21 bara의 방출 기체 압력을 갖는 ULET 발전소에 대한 CO2 순도 대 스팀 사용의 균형(trade-off)을 도시한 것이다. CO2 순도의 각각의 데이터 포인트에 도시된 숫자는, CO2 회수율에 상응함을 의미한다. 도 3은 또한, CO2 순도, CO2 포획 속도, 플랜트 차지 공간, 및 스팀 사용량 간의 비교를 도시한 것이다.
정제된 CO2의 모든 추가의 용도, 예를 들면 향상된 탄화수소 회수, 예컨대 하향공 EOR은 전형적으로, 요구되는 저장소 주입 압력 또는 국부적인 CO2 파이프라인 압력(예컨대, 약 2215 psig, 또는 약 150 barg)으로의 후속적인 하류 압축을 필요로 할 수 있다. 이러한 압력은, US CO2 파이프라인 네트워크에 명시되어 있다. 필요한 실제 압력은 저장소 및 오일 특성의 함수이며, 2215 psig 훨씬 미만일 수 있다.
하류 압축 비용을 감소시키기 위한 하나의 접근법은, 승압에서(예컨대, 약 2 내지 3 bara에서) CO2를 재생하는 것일 수 있다. 도 3은, 4층 PSA 공정이, 또한 비교적 더 높은 CO2 압력(역시, 약 2 내지 3 bara 이상)에서 비교적 낮은 스팀 사용량(생성되는 CO2의 mol에 대한 적용되는 스팀의 mol 비로 측정됨, 바람직하게는 1.0 이하)을 유지하면서, 비교적 고순도(약 97% 내지 약 99%)의 CO2를 CO2 포획 속도로 전달할 수 있음을 보여준다. 상기 제 1 단계의 압축이 가장 큰 장비 차지 공간 및 이에 따른 가장 큰 경제적 위약금을 가지며, 그 이유가, 가공되는 저압 기체의 매우 큰 체적 때문임에 주목해야 한다. 따라서, 압축의 이전 단계를 제거하면, 궁극적인 압축 값을 감소시키는 것(즉, 압축의 이후 단계를 제거하는 것)보다 더 높은 경제적 이점을 제공한다. 하향공 EOR 용도를 위한 궁극적인 총 압축은 100 bara 초과, 예컨대 약 100 bara 내지 약 250 bara일 수 있다.
본 실시예에서 입증되는 바와 같이 본 발명의 이점은 2배가 될 수 있다. 즉, [1] 증가된 배기 압력에 의해 가능할 수 있는 기체 체적 감소를 수반하면서, 장비(배관)가 전반적으로 감소될 수 있고; [2] 상기 제 1(또는 그 이상의) 압축 단계를 제거함으로써, 압축 전력 요건이 감소될 수 있다. 이러한 이점들의 결합된 효과는 주된 차지 공간 및 에너지 이점을 포함할 수 있으며, 이는, 특히 통상적인 EOR을 위해 발전소와 향상된 탄화수소 회수 시설을 통합하는데 중요할 수 있다.
낮아진 순도 요건(이는 특정 저장소에 적합할 수 있음)의 경우, 고온 PSA는 의도적으로 첨가된 스팀 퍼지를 사용하지 않고 조작될 수 있다. 예를 들어, 약 21 bara에서 스팀 없이 조작되는 3층 고온 PSA 구성은 약 60% 이상의 순도 및 회수율로 CO2를 유리하게 생성할 수 있다. 추가적으로 또는 다르게는, 약 55 bara에서 조작되는 3층 고온 PSA 구성은, 의도적으로 첨가된 스팀 없이, 약 70% 이상의 순도로 CO2를 유리하게 생성할 수 있다. 사실, 스팀을 완전히 제거하는 것은 공정 복잡성을 상당히 감소시킬 수 있으며, 그 이유는, 다양한 스팀 응축, 열 교환, 및 장비 관련 부식이 이러한 시나리오로 유리하게 제거될 수 있기 때문이다.
더욱이, 특정 회수 조작, 예컨대 비통상적인 저장소(셰일 가스 및 암석 형성과 관련된 것들 포함)의 경우, 더 낮은 순도의 CO2가 적합하거나 또는 심지어 바람직할 수 있으며, 예컨대 그 이유는, 비-CO2 "불순물"을 증가시키는 것이, 저장소 내로 주입되는 혼합물의 점도를 낮출 수 있고, 이는, 특정 경우, 개선된 흡수 및/또는 후속적인 개선된 탄화수소 생성을 허용할 수 있기 때문이다. 예를 들어, 공칭 저장소 내에서는, 약 2000 psig 및 약 100℉에서, CO2/N2(80/20) 기체 스트림이 약 0.03 cP의 점도를 가질 수 있고, CO2/N2(70/30) 기체 스트림이 약 0.025 cP의 점도를 가질 수 있다. CO2 순도를 변화시키는데 있어서의 증가된 융통성은, 특정 경우, 본 발명에 따른 방법 및 장치가 증가된 생산 효율을 갖고/갖거나, 이러한 융통성 없이는 용이하게 달성될 수 없는 퇴적물/저장소의 총 생산을 달성하도록 할 수 있다.
예를 들어, 셰일 가스로부터의 향상된 천연 가스 회수에 CO2를 사용하는 경우, 회수 투입 스트림 중의 CO2 순도는, 더 많은 CH4가 생성됨에 따라 시간에 따라(연속적으로, 다르게는, 간헐적으로, 점진적으로 또는 심지어 극적으로) 증가될 필요가 있을 수 있고, 예컨대 저장소 암석 내의 유기 물질에 흡착된 CH4를 대체하기 위해 CO2가 더 많이 필요할 수 있다. 따라서, 저장소 중의 CH4 함량이 연속 생산을 통해 감소될 수 있기 때문에, 주입에 필요한 CO2의 양 및/또는 순도는 시간에 따라 증가될 수 있다. 이는, 본 발명에 따른 통합된 방법을 사용하여, 더 큰 체적 면에서 및/또는 순도 면에서, 시간에 따라 CO2에 대한 더 많은 수요를 제공할 수 있다. 또한, 특정 실시양태에서, 이는, 상기 PSA 공정에서 더 높은 스팀 사용량을 필요로 할 수 있으며, 이러한 가변적 스팀 수요는 본원에 기술된 실시간 조절 능력에 의해 가능해질 수 있다.
실시예
5. 고순도
CO
2
를 위한, 재순환된
배기물의
일부에 대한
PSA
수행
하기 예측 실시예는, 도 2에 도시된 구성과 유사한 압력 스윙 흡착 반응기의 구성에 기초한다. 본 실시예에서는, CO2 및 N2를 분리하기 위해, 혼합된-금속 산화물에 기초한 흡착제를 복수개의 PSA 반응기 내에 사용하였다. 상기 분리는 약 440℃의 온도에서 수행하였다. 상기 PSA 반응기는 약 3개의 수평 배향된 용기에 상응할 수 있다. 상기 반응기는, 상기 반응기의 장축에 수직인 투입 유량에 대해 수평 배향으로 사용하기에 적합한 흡착제 구성, 예컨대 평행한 플레이트 흡착제 및/또는 흡착제 층을 포함할 수 있다. 상기 반응기 용기는 약 30 m의 장축 및 약 4 m의 단축을 가질 수 있다. 상기 반응기는 일련의 단계를 포함하는 사이클에 배치된다. 상기 사이클에서 제 1 단계는 비교적 고압(예컨대, 약 21 bara(약 2.1 MPaa))에서 약 150초 동안의 공급 단계이며, 이 동안 공급물 기체는 PSA 반응기 용기의 공급 말단으로 공급된다. 공급물 기체의 예는, 저 방출물 전력 생산 시스템으로부터의 재순환된 터빈 배기 가스를 포함하거나 이러한 가스일 수 있다. 상기 터빈 배기 가스는 약 440℃의 온도에서 상기 PSA 용기로 전달될 수 있다. 터빈 배기 가스 조성의 하나의 예는 약 11 vol%의 CO2, 약 84 vol%의 N2, 및 잔량의 물 및 다른 미량 화학종일 수 있다. 상기 공급물 기체가 상기 용기의 공급 말단으로 공급되기 때문에, 생성물쪽으로부터 질소 생성물이 생성된다. 상기 질소 생성물은 약 90 vol% 이상의 순도, 약 440℃의 온도, 및 약 20.7 bara(약 2.07 MPaa)의 압력을 가질 수 있다. 충분한 양의 CO2가 흡착된 후(예컨대 상기 흡착제의 약 85%의 용량), 블로우 다운 단계가 개시될 수 있다. 상기 블로우 다운 단계는 약 40초 동안 전면(유동) 방향으로 수행될 수 있다. 상기 블로우 다운 단계가 끝날 무렵에, 상기 반응기 용기는 약 1.5 bara(약 150 kPaa)의 압력을 가질 수 있다. 상기 생성물 말단만 개방된 경우에는 상기 블로우 다운이 단지 전면 방향으로만 수행되거나, 공급물 말단 및 생성물 말단이 둘 다 개방된 경우에는 전면 방향의 제 1 블로우 다운에 이어 제 2 블로우 다운이 수행될 수 있다. 추가적으로 또는 다르게는, 이러한 순서의 블로우 다운의 다른 조합이 가능하다. 상기 블로우 다운 후, 흡착된 이산화탄소를 스윕하기 위해, 상기 생성물 쪽으로부터의 비교적 저압 스팀 퍼지(약 1 내지 1.5 bara, 약 100 내지 150 kPaa)가 약 205초 동안 수행될 수 있다. 이러한 비교적 저압 스팀 퍼지는 약 1.48 bara(약 148 kPaa)의 압력에서, 물 및 이산화탄소를 함유하는 생성물 스트림을 생성할 수 있다. 농축에 의해 물을 제거한 후, 상기 생성물 스트림은 약 99 mol% 이상의 CO2 순도를 가질 수 있다. 상기 생성물 스트림은, 상기 PSA 반응기로의 공급물 중에 존재하는 CO2의 약 82% 이상에 상응할 수 있다. 임의적으로, 상기 반응기에 남아 있는 임의의 스팀 및 이산화탄소를 스윕하기 위해, 상기 스팀 퍼지 이후에 추가의 질소 퍼지가 수행될 수 있다. 이어서, 상기 공급물 기체의 분리를 수행하기 위해 상기 PSA 반응기 용기를 약 21 bara(약 2.1 MPaa)의 초기 압력으로 되돌리도록, 상기 용기는 상기 공급물 쪽으로부터 재-가압될 수 있다. 이러한 재-가압은 생성물 기체를 사용하여 약 55초 동안 수행될 수 있다. 이러한 PSA 사이클의 수행은, 80% 이상의 속도 및 99% 이상의 순도(물을 농축한 후)로 이산화 탄소가 회수될 수 있도록, 터빈 배기 가스(예컨대, 재순환된 배기 가스) 내에 함유된 질소로부터 이산화탄소가 분리되게 할 수 있다. 상기 사이클은 또한 감소된 양의 스팀, 예컨대 생성물로서 회수된 이산화탄소의 mol 당 약 0.59 mol의 스팀을 사용할 수 있다.
실시예
6. 고순도
CO
2
를 위한, 재순환된
배기물의
일부에 대한
PSA
수행
하기 예측 실시예는, 도 2에 도시된 구성과 유사한 압력 스윙 흡착 반응기의 구성에 기초한다. 본 실시예에서는, CO2 및 N2를 분리하기 위해, 혼합된-금속 산화물에 기초한 흡착제를 복수개의 PSA 반응기 내에 사용하였다. 상기 분리는 약 440℃의 온도에서 수행하였다. 상기 PSA 반응기는 약 4개의 수평 배향된 용기에 상응할 수 있다. 상기 반응기는, 상기 반응기의 장축에 수직인 투입 유량에 대해 수평 배향으로 사용하기에 적합한 흡착제 구성, 예컨대 평행한 플레이트 흡착제 및/또는 흡착제 층을 포함할 수 있다. 상기 반응기 용기는 약 35 m의 장축 및 약 4 m의 단축을 가질 수 있다. 상기 반응기는 일련의 단계를 포함하는 사이클에 배치된다. 상기 사이클에서 제 1 단계는 비교적 고압(예컨대, 약 21 bara(약 2.1 MPaa))에서 약 200초 동안의 공급 단계이며, 이 동안 공급물 기체는 PSA 반응기 용기의 공급 말단으로 공급된다. 공급물 기체의 예는, 저 방출물 전력 생산 시스템으로부터의 재순환된 터빈 배기 가스를 포함하거나 이러한 가스일 수 있다. 상기 터빈 배기 가스는 약 440℃의 온도에서 상기 PSA 용기로 전달될 수 있다. 터빈 배기 가스 조성의 하나의 예는 약 11 vol%의 CO2, 약 84 vol%의 N2, 및 잔량의 물 및 다른 미량 화학종일 수 있다. 상기 공급물 기체가 상기 용기의 공급 말단으로 공급되기 때문에, 생성물쪽으로부터 질소 생성물이 생성된다. 상기 질소 생성물은 약 90 vol% 이상의 순도, 약 440℃의 온도, 및 약 20.7 bara(약 2.07 MPaa)의 압력을 가질 수 있다. 상기 공급 단계 후, 블로우 다운 단계가 전면(유동) 방향으로 약 35초 동안 수행될 수 있다. 상기 블로우 다운 후, 흡착된 이산화탄소를 스윕하기 위해, 상기 생성물 쪽으로부터의 비교적 저압 스팀 퍼지(약 1 내지 1.5 bara, 약 100 내지 150 kPaa)가 약 530초 동안 수행될 수 있다. 이러한 비교적 저압 스팀 퍼지는 약 1.85 bara(약 185 kPaa)의 압력에서, 물 및 이산화탄소를 함유하는 배출 스트림을 생성할 수 있다. 농축에 의해 물을 제거한 후, 상기 배출 스트림은 약 99 mol% 이상의 CO2 순도를 가질 수 있다. 상기 배출 스트림은 또한, 상기 PSA 반응기로의 공급물 내에 존재하는 CO2의 약 72% 이상에 상응할 수 있다. 이어서, 상기 공급물 기체의 분리를 수행하기 위해 상기 PSA 반응기 용기를 약 21 bara(약 2.1 MPaa)의 초기 압력으로 되돌리도록, 상기 용기는 상기 공급물 쪽으로부터 재-가압될 수 있다. 이러한 재-가압은 생성물 기체를 사용하여 약 35초 동안 수행될 수 있다. 이러한 PSA 사이클의 수행은, 70% 이상의 속도 및 99% 이상의 순도(물을 농축한 후)로 이산화탄소가 회수될 수 있도록, 터빈 배기 가스(예컨대, 재순환된 배기 가스) 내에 함유된 질소로부터 이산화탄소가 분리되게 할 수 있다. 상기 사이클은 또한, 감소된 양의 스팀, 예컨대 생성물로서 회수된 이산화탄소의 mol 당 약 0.77 mol의 스팀을 사용할 수 있다.
실시예
7. 고순도
CO
2
를 위한, 재순환된
배기물의
일부에 대한
PSA
수행
하기 예측 실시예는, 도 2에 도시된 구성과 유사한 압력 스윙 흡착 반응기의 구성에 기초한다. 본 실시예에서는, CO2 및 N2를 분리하기 위해, 혼합된-금속 산화물에 기초한 흡착제를 복수개의 PSA 반응기 내에 사용하였다. 상기 분리는 약 440℃의 온도에서 수행하였다. 상기 PSA 반응기는 약 4개의 수평 배향된 용기에 상응할 수 있다. 상기 반응기는, 상기 반응기의 장축에 수직인 투입 유량에 대해 수평 배향으로 사용하기에 적합한 흡착제 구성, 예컨대 평행한 플레이트 흡착제를 포함할 수 있다. 상기 반응기 용기는 약 35 m의 장축 및 약 4 m의 단축을 가질 수 있다. 상기 반응기는 일련의 단계를 포함하는 사이클에 배치된다. 상기 사이클에서 제 1 단계는 비교적 고압(예컨대, 약 21 bara(약 2.1 MPaa)) 약 200초 동안의 공급 단계이며, 이 동안 공급물 기체는 PSA 반응기 용기의 공급 말단으로 공급된다. 공급물 기체의 예는, 저 방출물 전력 생산 시스템으로부터의 재순환된 터빈 배기 가스를 포함하거나 이러한 가스일 수 있다. 상기 터빈 배기 가스는 약 440℃의 온도에서 상기 PSA 용기로 전달될 수 있다. 터빈 배기 가스 조성의 하나의 예는 약 11 vol%의 CO2, 약 84 vol%의 N2, 및 잔량의 물 및 다른 미량 화학종일 수 있다. 상기 공급물 기체가 상기 용기의 공급 말단으로 공급되기 때문에, 생성물쪽으로부터 질소 생성물이 생성된다. 상기 질소 생성물은 약 90 vol% 이상의 순도, 약 440℃의 온도, 및 약 20.7 bara(약 2.07 MPaa)의 압력을 가질 수 있다. 상기 공급 단계 후, 블로우 다운 단계가 전면(유동) 방향으로 약 35초 동안 수행될 수 있다. 상기 블로우 다운 후, 흡착된 이산화탄소를 스윕하기 위해, 상기 생성물 쪽으로부터의 비교적 저압 스팀 퍼지(약 1 내지 1.5 bara, 약 100 내지 150 kPaa)가 약 530초 동안 수행될 수 있다. 이러한 비교적 저압 스팀 퍼지는 약 2.85 bara(약 285 kPaa)의 압력에서, 물 및 이산화탄소를 함유하는 배출 스트림을 생성할 수 있다. 농축에 의해 물을 제거한 후, 상기 배출 스트림은 약 97 mol% 이상의 CO2 순도를 가질 수 있다. 상기 배출 스트림은 또한, 상기 PSA 반응기로의 공급물 중에 존재하는 CO2의 약 65% 이상에 상응할 수 있다. 이어서, 상기 공급물 기체의 분리를 수행하기 위해 상기 PSA 반응기 용기를 약 21 bara(약 2.1 MPaa)의 초기 압력으로 되돌리도록, 상기 용기는 상기 공급물 쪽으로부터 재-가압될 수 있다. 이러한 재-가압은 생성물 기체를 사용하여 약 35초 동안 수행될 수 있다. 이러한 PSA 사이클의 수행은, 60% 이상의 속도 및 97% 이상의 순도(물을 농축한 후)로 이산화탄소가 회수될 수 있도록, 터빈 배기 가스(예컨대, 재순환된 배기 가스) 내에 함유된 질소로부터 이산화탄소가 분리되게 할 수 있다. 상기 사이클은 또한, 감소된 양의 스팀, 예컨대 생성물로서 회수된 이산화탄소의 mol 당 약 0.65 mol의 스팀을 사용할 수 있다.
실시예
8. 재순환된
배기물의
일부에 대한
PSA
수행
하기 예측 실시예는, 도 2에 도시된 구성과 유사한 압력 스윙 흡착 반응기의 구성에 기초한다. 본 실시예에서는, CO2 및 N2를 분리하기 위해, 혼합된-금속 산화물에 기초한 흡착제를 복수개의 PSA 반응기 내에 사용하였다. 상기 분리는 약 440℃의 온도에서 수행하였다. 상기 PSA 반응기는 약 3개의 수평 배향된 용기에 상응할 수 있다. 상기 반응기는, 상기 반응기의 장축에 수직인 투입 유량에 대해 수평 배향으로 사용하기에 적합한 흡착제 구성, 예컨대 평행한 플레이트 흡착제 및/또는 흡착제 층을 포함할 수 있다. 상기 반응기 용기는 약 30 m의 장축 및 약 4 m의 단축을 가질 수 있다. 상기 반응기는 일련의 단계를 포함하는 사이클에 배치된다. 상기 사이클에서 제 1 단계는 비교적 고압(예컨대, 약 21 bara(약 2.1 MPaa))에서 약 110초 동안의 공급 단계이며, 이 동안 공급물 기체는 PSA 반응기 용기의 공급 말단으로 공급된다. 공급물 기체의 예는, 저 방출물 전력 생산 시스템으로부터의 재순환된 터빈 배기 가스를 포함하거나 이러한 가스일 수 있다. 상기 터빈 배기 가스는 약 440℃의 온도에서 상기 PSA 용기로 전달될 수 있다. 터빈 배기 가스 조성의 하나의 예는 약 11 vol%의 CO2, 약 84 vol%의 N2, 및 잔량의 물 및 다른 미량 화학종일 수 있다. 상기 공급물 기체가 상기 용기의 공급 말단으로 공급되기 때문에, 생성물쪽으로부터 질소 생성물이 생성된다. 상기 질소 생성물은 약 90 vol% 이상의 순도, 약 440℃의 온도, 및 약 20.7 bara(약 2.07 MPaa)의 압력을 가질 수 있다. 상기 공급 단계 후, 블로우 다운 단계는 약 5초 동안 반대(역류(counter-flow)) 방향으로, 이어서 약 25초 동안 전면(유동) 방향으로 수행될 수 있다. 상기 블로우 다운 단계 후, 흡착된 이산화탄소를 스윕하기 위해, 상기 생성물 쪽으로부터의 비교적 저압 스팀 퍼지(약 1 내지 1.5 bara, 약 100 내지 150 kPaa)가 약 173초 동안 수행될 수 있다. 이러한 비교적 저압 스팀 퍼지는 약 1.35 bara(약 135 kPaa)의 압력에서, 물 및 이산화탄소를 함유하는 배출 스트림을 생성할 수 있다. 농축에 의해 물을 제거한 후, 상기 배출 스트림은 약 63 mol% 이상의 CO2 순도를 가질 수 있다. 상기 배출 스트림은 또한, 상기 PSA 반응기로의 공급물 중에 존재하는 CO2의 약 69% 이상에 상응할 수 있다. 이어서, 상기 공급물 기체의 분리를 수행하기 위해 상기 PSA 반응기 용기를 약 21 bara(약 2.1 MPaa)의 초기 압력으로 되돌리도록, 상기 용기는 상기 공급물 쪽으로부터 재-가압될 수 있다. 이러한 재-가압은 생성물 기체를 사용하여 약 17초 동안 수행될 수 있다. 이러한 PSA 사이클의 수행은, 65% 이상의 속도 및 60% 이상의 순도(물을 농축한 후)로 이산화탄소가 회수될 수 있도록, 터빈 배기 가스(예컨대, 재순환된 배기 가스) 내에 함유된 질소로부터 이산화탄소가 분리되게 할 수 있다.
실시예
9. 재순환된
배기물의
일부에 대한
PSA
수행
도 3은, 본 발명을 추가로 예시할 수 있는 예시적 PSA 구성에서, 회수율(몰 비로 나타냄) 및 순도(%로 나타냄)가 스팀 사용량과 어떻게 균형을 이루는지를 보여준다. 도시된 각각의 경우, 상기 공급물 조성 및 압력은 전술된 실시예에 기술된 것과 유사하다. 도 3에서는, 물질 전달 및 흡착제 용량의 전형적인 흡착제 특성에 대한 약 3-용기 또는 약 4-용기 PSA 구성이 예시된다. 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 더 높은 순도(95 vol% 초과)의 CO2는 증가된 스팀 사용량(그러나, 여전히 약 1.0 mol/(회수된 CO2의 mol) 미만)을 사용하여 달성가능할 수 있다. 또한, 약 4-용기 PSA를 사용하면, 더 높은 상대 퍼지 압력(약 1.35 내지 1.5 bara 초과, 전형적으로 약 2 bara 내지 약 3 bara)을 사용하여 감소된 압력 스윙을 허용할 수 있으며, 이는, EOR 시설에 사용되기 이전에 후속 CO2 압축을 위한 장비 및 에너지 요건 둘 다를 감소시킬 수 있다. 도 3에 도시된 약 4-용기 회수의 추가의 개선은, 용기들이 서로 유체-연통된 구성을 사용하여 수득될 수 있다.
실시예
10. 재순환된
배기물의
일부를 사용하는 3-용기
PSA
구성
도 4는, 본 발명의 범주 이내의 흡착기 용기들의 하나의 가능한 배열을 예시하지만 제한하지는 않는 3-용기 구성을 도시하는 것이다. 이러한 구성에서, 하나의 용기는 공급 상태(on feed)이며, 따라서 항상 질소 생성물을 제조한다. 다른 2개의 용기는 상기 사이클의 다른 단계(예컨대, 상기 제 1 용기가 비교적 고압에서 생성물을 제조하는 동안, 상기 흡착제를 재생함)를 거칠 수 있다. 이러한 특정 3-용기 배열에서는 용기들 간의 유체-연통(즉, 기체 스트림의 교환)이 존재하지 않으며, 이는, 사이클 복잡성뿐만 아니라 장비(예컨대, 상호연결 배관 및 밸브)도 감소시킨다.
실시예
11. 재순환된
배기물의
일부를 사용하는 4-용기
PSA
구성
도 5 및 6은, 본 발명의 범주 이내의 흡착제 용기들의 또다른 가능한 배열을 예시하지만 제한하지는 않는 4-용기 구성을 도시하는 것이다. 도 5 및 6의 구성에서, 하나 이상의 용기는 항상 공급 상태이다. 2개 또는 3개의 다른 용기는 상기 사이클의 다른 단계(예컨대, 상기 제 1 용기가 비교적 고압에서 생성물을 제조하는 동안, 상기 흡착제를 재생함)를 거칠 수 있다. 도 5의 특정 4-용기 배열에서는 용기들 간의 유체-연통(즉, 기체 스트림의 교환)이 존재하지 않으며, 이는, 사이클 복잡성뿐만 아니라 장비(예컨대, 상호연결 배관 및 밸브)도 감소시킨다. 그러나 4-용기 배열은, 예컨대 도 6에 도시된 바와 같이, 비교적 더 높은 압력의 제 1 용기가 비교적 더 낮은 압력의 제 2 용기 내로 탈가압될 수 있어서 제 2 용기의 압력은 증가되고 상기 제 1 용기의 압력은 감소되는 압력 균등화(equalization) 단계를 사용함으로써, 공급 상태가 아닌 2개의 용기가 기체를 교환할 수 있는 사이클이 수행되도록 한다. 이러한 유형의 사이클은 더 높은 (CO2) 회수율을 허용할 수 있으며, 그 이유는, 표적 기체(CO2)를 함유하는 스트림이 주위 대기로 방출되지 않고 또다른 흡착제 용기로 보내지기 때문이다. 4-용기 구성(또는 4-용기보다 더 많은 용기를 사용하는 구성)을 사용하는 것으로부터의 더 높은 회수율의 이점은, 부가된 용기, 상호연결 배관 및 밸브, 및 요구되는 관련 사이클 제어 장비의 증가된 비용에 의해 어느 정도 상쇄될 수 있다.
본 발명이 특정 실시양태 면에서 기술되었지만, 본 발명이 반드시 이렇게 한정될 필요는 없다. 특정 조건 하의 조작에 적합한 변경/변형이 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 첨부된 특허청구범위가, 본 발명의 진의/범주 내에 드는 이러한 모든 변경/변형을 커버하는 것으로 해석되어야 함이 의도된다.
Claims (15)
- 재순환된 배기 가스를 주요(main) 압축기 내에서 압축하여 압축된 재순환 배기 가스를 생성하는 단계로서, 이때 상기 압축된 재순환 배기 가스가 약 400℃ 내지 약 500℃의 재순환 온도 및 약 10 bara(약 1.0 MPaa) 내지 약 30 bara(약 3.0 MPaa)의 재순환 압력을 갖고, 상기 재순환된 배기 가스가 약 70 vol% 이상의 N2 및 약 10 vol% 이상의 CO2를 포함하는, 단계;
농축(enriched) 공기를 주입구 압축기 내에서 압축하여 압축된 산화제를 생성하는 단계;
상기 압축된 재순환 배기 가스의 제 1 부분을 연소 챔버 내로 통과시키는 단계;
상기 압축된 산화제 및 연료를 연소 챔버 내에서 및 상기 압축된 재순환 배기 가스의 제 1 부분의 존재 하에 화학량론적으로 연소시켜 배출 스트림을 생성하는 단계로서, 이때 상기 압축된 재순환 배기 가스의 제 1 부분이, 상기 배출 스트림의 온도를 조절하도록(moderate) 구성된 희석제로서 작용하는, 단계;
상기 배출 스트림을 팽창기 내에서 팽창시켜, 상기 주요 압축기를 적어도 부분적으로 구동하고(drive), 재순환된 배기 가스를 생성하는 단계;
상기 재순환된 배기 가스의 제 2 부분을, 흡착제 물질을 포함하는 스윙(swing) 흡착 반응기 내로 통과시키는 단계;
상기 재순환 온도와 약 20℃ 미만 만큼 다른 흡착 온도 및 상기 재순환 압력과 약 1 bar(약 0.1 MPa) 미만 만큼 다른 흡착 압력에서 CO2를 상기 흡착제 물질 상에 흡착시키는 단계;
약 95 vol% 이상의 순도를 갖는 N2 스트림을 상기 반응기의 전면 말단(forward end)으로부터 회수하는 단계로서, 이때 회수된 N2 스트림이 분리 압력과 약 0.5 bar(약 50 kPa) 미만 만큼 다른 압력을 갖는, 단계;
상기 반응기의 하나 이상의 말단으로부터 블로우 다운(blow down) 스트림을 배출함으로써, 상기 스윙 흡착 반응기 내의 압력을 약 1.0 bara(약 0.1 MPaa) 내지 약 3.0 bara(약 0.3 MPaa)의 압력으로 감소시키는 단계; 및
상기 스윙 흡착 반응기를 스팀 퍼지로 약 1.0 bara(약 0.1 MPaa) 내지 약 3.0 bara(약 0.3 MPaa)의 압력에서 퍼지하여 CO2 회수 스트림을 생성하는 단계로서, 이때 상기 CO2 회수 스트림이, 상기 재순환된 배기 가스의 제 2 부분 중에 존재하는 CO2의 약 90% 이상을 포함하고, 상기 스팀 퍼지가 상기 재순환된 배기 가스의 제 2 부분 중의 CO2의 mol 당 약 1.5 mol 미만(예컨대, 약 1.0 mol 미만 또는 약 0.8 mol 미만)의 H2O를 포함하는, 단계
를 포함하는, 전력 생산 방법. - 재순환된 배기 가스를 주요 압축기 내에서 압축하여 압축된 재순환 배기 가스를 생성하는 단계로서, 이때 상기 압축된 재순환 배기 가스가 약 400℃ 내지 약 500℃의 재순환 온도 및 약 10 bara(약 1.0 MPaa) 내지 약 30 bara(약 3.0 MPaa)의 재순환 압력을 갖고, 상기 재순환된 배기 가스가 약 70 vol% 이상의 N2 및 약 10 vol% 이상의 CO2를 포함하는, 단계;
농축 공기를 주입구 압축기 내에서 압축하여 압축된 산화제를 생성하는 단계;
상기 압축된 재순환 배기 가스의 제 1 부분을 연소 챔버 내로 통과시키는 단계;
상기 압축된 산화제 및 연료를 연소 챔버 내에서 및 상기 압축된 재순환 배기 가스의 제 1 부분의 존재 하에 화학량론적으로 연소시켜 배출 스트림을 생성하는 단계로서, 이때 상기 압축된 재순환 배기 가스의 제 1 부분이, 상기 배출 스트림의 온도를 조절하도록 구성된 희석제로서 작용하는, 단계;
상기 배출 스트림을 팽창기 내에서 팽창시켜, 상기 주요 압축기를 적어도 부분적으로 구동하고, 재순환된 배기 가스를 생성하는 단계;
상기 재순환된 배기 가스의 제 2 부분을, 흡착제 물질을 포함하는 스윙 흡착 반응기 내로 통과시키는 단계;
상기 재순환 온도와 약 20℃ 미만 만큼 다른 흡착 온도 및 상기 재순환 압력과 약 1 bar(약 0.1 MPa) 미만 만큼 다른 흡착 압력에서 CO2를 상기 흡착제 물질 상에 흡착시키는 단계;
약 95 vol% 이상의 순도를 갖는 N2 스트림을 상기 반응기의 전면 말단으로부터 회수하는 단계로서, 이때 회수된 N2 스트림이 분리 압력과 약 0.5 bar(약 50 kPa) 미만 만큼 다른 압력을 갖는, 단계;
임의적으로, 상기 반응기의 하나 이상의 말단으로부터 블로우 다운 스트림을 배출함으로써, 상기 스윙 흡착 반응기 내의 압력을 3.0 bara(0.3 MPaa) 이상의 압력으로 감소시키는 단계; 및
상기 스윙 흡착 반응기를, 의도적으로 첨가된 물/스팀을 함유하지 않는 퍼지로 3.0 bara(0.3 MPaa) 내지 약 20.0 bara(약 2.0 MPaa)의 압력에서 퍼지하여 CO2 회수 스트림을 생성하는 단계로서, 이때 상기 CO2 회수 스트림이, 상기 재순환된 배기 가스의 제 2 부분 중에 존재하는 CO2의 약 90% 이상을 포함하는, 단계
를 포함하는, 전력 생산 방법. - 실시양태 1 또는 실시양태 2에 있어서,
상기 압축된 산화제가 약 30 vol% 내지 약 50 vol%의 산소 농도를 갖고,
임의적으로, 상기 압축된 산화제를 생성하는 단계가 또한, 상기 농축 공기를 대기와 혼합하는 것을 추가로 포함하는, 전력 생산 방법. - 약 70 vol% 이상의 N2 및 약 10 vol% 이상의 CO2를 포함하는 반응기 배기 스트림을, 흡착제 물질을 포함하는 스윙 흡착 반응기 내로 통과시키는 단계로서, 이때 상기 반응기 배기 스트림이 약 10 bara(약 1.0 MPaa) 내지 약 30 bara(약 3.0 MPaa)의 압력을 갖는, 단계;
CO2를 400℃ 이상의 흡착 온도에서 상기 흡착제 물질 상에 흡착시키는 단계;
약 95 vol% 이상의 순도를 갖는 N2 스트림을 상기 반응기의 전면 말단으로부터 회수하는 단계로서, 이때 회수된 N2 스트림이 상기 반응기 배기 스트림의 압력과 약 0.5 bar(약 50 kPa) 이하 만큼 다른 압력을 갖는, 단계;
상기 반응기의 하나 이상의 말단으로부터 블로우 다운 스트림을 배출함으로써, 상기 스윙 흡착 반응기 내의 압력을 약 1.0 bara(약 0.1 MPaa) 내지 약 3.0 bara(약 0.3 MPaa)의 압력으로 감소시키는 단계; 및
상기 스윙 흡착 반응기를 스팀 퍼지로 약 1.0 bara(약 0.1 MPaa) 내지 약 3.0 bara(약 0.3 MPaa)의 압력에서 퍼지하여 CO2 회수 스트림을 생성하는 단계로서, 이때 상기 CO2 회수 스트림이, 상기 반응기 배기 스트림 중에 존재하는 CO2의 약 90% 이상을 포함하고, 상기 스팀 퍼지가 상기 반응기 배기 스트림 중의 CO2의 mol 당 약 1.5 mol 미만(예컨대, 약 1.0 mol 미만 또는 약 0.8 mol 미만)의 H2O을 포함하는, 단계
를 포함하는, 반응기 배기 스트림으로부터 N2 및 CO2를 생산하는 방법. - 약 70 vol% 이상의 N2 및 약 10 vol% 이상의 CO2를 포함하는 반응기 배기 스트림을, 흡착제 물질을 포함하는 스윙 흡착 반응기 내로 통과시키는 단계로서, 이때 상기 반응기 배기 스트림이 약 10 bara(약 1.0 MPaa) 내지 약 30 bara(약 3.0 MPaa)의 압력을 갖는, 단계;
CO2를 400℃ 이상의 흡착 온도에서 상기 흡착제 물질 상에 흡착시키는 단계;
약 95 vol% 이상의 순도를 갖는 N2 스트림을 상기 반응기의 전면 말단으로부터 회수하는 단계로서, 이때 회수된 N2 스트림이 상기 반응기 배기 스트림의 압력과 약 0.5 bar(약 50 kPa) 이하 만큼 다른 압력을 갖는, 단계;
임의적으로, 상기 반응기의 하나 이상의 말단으로부터 블로우 다운 스트림을 배출함으로써, 상기 스윙 흡착 반응기 내의 압력을 3.0 bara(0.3 MPaa) 이상의 압력으로 감소시키는 단계; 및
상기 스윙 흡착 반응기를, 의도적으로 첨가된 물/스팀을 함유하지 않는 퍼지로 3.0 bara(0.3 MPaa) 내지 약 20.0 bara(약 2.0 MPaa)의 압력에서 퍼지하여 CO2 회수 스트림을 생성하는 단계로서, 이때 상기 CO2 회수 스트림이, 상기 재순환된 배기 가스의 제 2 부분 중에 존재하는 CO2의 약 90% 이상을 포함하는, 단계
를 포함하는, 반응기 배기 스트림으로부터 N2 및 CO2를 생산하는 방법. - 실시양태 4 또는 실시양태 5에 있어서,
상기 스팀 퍼지와 다른 조성을 갖는 제 2 퍼지 스트림을 상기 스윙 흡착 반응기에 통과시켜 제 2 CO2 회수 스트림을 생성하는 단계를 추가로 포함하는, 생산 방법. - 실시양태 4 내지 실시양태 6 중 어느 한 실시양태에 있어서,
상기 통과시키는 단계, 상기 흡착시키는 단계, 상기 회수하는 단계, 상기 감소시키는 단계, 및 상기 퍼지하는 단계가 압력 스윙 흡착 사이클을 포함하며, 상기 재순환된 배기 가스의 제 2 부분, 상기 스팀 퍼지 및 상기 제 2 퍼지 스트림(존재하는 경우)이, 상기 압력 스윙 흡착 사이클 동안 상기 스윙 흡착 반응기 내로 도입되는 기체의 약 95 vol% 이상을 포함하는, 생산 방법. - 실시양태 4 내지 실시양태 7 중 어느 한 실시양태에 있어서,
상기 CO2 회수 스트림을 CO2 생성물 스트림 및 물로 분리하는 단계를 추가로 포함하고, 이때 상기 CO2 생성물 스트림이 90 vol% 이상의 CO2를 포함하는, 생산 방법. - 재순환된 배기 가스를 압축하여 압축된 재순환 배기 가스를 생성하는 단계로서, 이때 상기 압축된 재순환 배기 가스가 약 400℃ 내지 약 500℃의 재순환 온도 및 약 10 bara(약 1.0 MPaa) 내지 약 30 bara(약 3.0 MPaa)의 재순환 압력을 갖고, 상기 재순환된 배기 가스가 약 70 vol% 이상의 N2 및 약 10 vol% 이상의 CO2를 포함하는, 단계;
사이클 형태의(cyclical) 압력 스윙 흡착 공정으로, 상기 압축된 재순환 배기 가스의 적어도 일부 중의 N2로부터 CO2를 분리하는 단계(이때 공정 사이클은,
상기 압축된 재순환 배기 가스의 적어도 일부를, 흡착제 물질을 포함하는 스윙 흡착 반응기 내로 통과시키는 단계로서, 이때 상기 반응기 배기 스트림이 약 10 bara(약 1.0 MPaa) 내지 약 30 bara(약 3.0 MPaa)의 압력을 갖는, 단계;
상기 재순환 온도와 약 20℃ 미만 만큼 다른 흡착 온도 및 상기 재순환 압력과 약 1 bara(0.1 MPaa) 미만 만큼 다른 흡착 압력에서 CO2를 상기 흡착제 물질 상에 흡착시키는 단계;
약 95 vol% 이상의 순도를 갖는 N2 스트림을 상기 반응기의 전면 말단으로부터 회수하는 단계로서, 이때 회수된 N2 스트림이 상기 반응기 배기 스트림의 압력과 약 0.5 bar(약 50 kPa) 이하 만큼 다른 압력을 갖고, 상기 회수된 N2 스트림이 상기 재순환 온도와 20℃ 이하 만큼 다른 온도를 갖는, 단계;
상기 반응기의 하나 이상의 말단으로부터 블로우 다운 스트림을 배출함으로써, 상기 스윙 흡착 반응기 내의 압력을 약 1.0 bara(약 0.1 MPaa) 내지 약 3.0 bara(약 0.3 MPaa)의 압력으로 감소시키는 단계; 및
상기 스윙 흡착 반응기를 스팀 퍼지로 약 1.0 bara(약 0.1 MPaa) 내지 약 3.0 bara(약 0.3 MPaa)의 압력에서 퍼지하여 CO2 회수 스트림을 생성하는 단계로서, 이때 상기 CO2 회수 스트림이, 상기 반응기 배기 스트림 중에 존재하는 CO2의 약 90% 이상을 포함하고, 상기 스팀 퍼지가 상기 반응기 배기 스트림 중의 CO2의 mol 당 약 1.5 mol 미만(예컨대, 약 1.0 mol 미만 또는 약 0.8 mol 미만)의 H2O를 포함하는, 단계
를 포함함); 및
상기 CO2 회수 스트림을 CO2 생성물 스트림 및 물로 분리하는 단계로서, 이때 상기 CO2 생성물 스트림이 약 90 vol% 이상의 CO2를 포함하는 단계
를 포함하고,
이때 상기 압축된 재순환 배기 가스의 적어도 일부 및 상기 스팀 퍼지가, 공정 사이클 동안 상기 스윙 흡착 반응기 내로 도입되는 기체의 약 95 vol% 이상을 포함하는,
반응기 배기 스트림으로부터 N2 및 CO2를 생산하는 방법. - 재순환된 배기 가스를 압축하여 압축된 재순환 배기 가스를 생성하는 단계로서, 이때 상기 압축된 재순환 배기 가스가 약 400℃ 내지 약 500℃의 재순환 온도 및 약 10 bara(약 1.0 MPaa) 내지 약 30 bara(약 3.0 MPaa)의 재순환 압력을 갖고, 상기 재순환된 배기 가스가 약 70 vol% 이상의 N2 및 약 10 vol% 이상의 CO2를 포함하는, 단계;
사이클 형태의 압력 스윙 흡착 공정으로, 상기 압축된 재순환 배기 가스의 적어도 일부 중의 N2로부터 CO2를 분리하는 단계(이때 공정 사이클은,
상기 압축된 재순환 배기 가스의 적어도 일부를, 흡착제 물질을 포함하는 스윙 흡착 반응기 내로 통과시키는 단계로서, 이때 상기 반응기 배기 스트림이 약 10 bara(약 1.0 MPaa) 내지 약 30 bara(약 3.0 MPaa)의 압력을 갖는, 단계;
상기 재순환 온도와 약 20℃ 미만 만큼 다른 흡착 온도 및 상기 재순환 압력과 약 1 bara(0.1 MPaa) 미만 만큼 다른 흡착 압력에서 CO2를 상기 흡착제 물질 상에 흡착시키는 단계;
약 95 vol% 이상의 순도를 갖는 N2 스트림을 상기 반응기의 전면 말단으로부터 회수하는 단계로서, 이때 회수된 N2 스트림이 상기 반응기 배기 스트림의 압력과 약 0.5 bar(약 50 kPa) 이하 만큼 다른 압력을 갖고, 상기 회수된 N2 스트림이 상기 재순환 온도와 20℃ 이하 만큼 다른 온도를 갖는, 단계;
상기 반응기의 하나 이상의 말단으로부터 블로우 다운 스트림을 배출함으로써, 상기 스윙 흡착 반응기 내의 압력을 약 1.0 bara(약 0.1 MPaa) 내지 약 5.0 bara(약 0.5 MPaa)의 압력으로 감소시키는 단계; 및
상기 스윙 흡착 반응기를 스팀 퍼지로 약 1.0 bara(약 0.1 MPaa) 내지 약 5.0 bara(약 0.5 MPaa)의 압력에서 퍼지하여 CO2 회수 스트림을 생성하는 단계로서, 이때 상기 CO2 회수 스트림이, 상기 반응기 배기 스트림 중에 존재하는 CO2의 약 60% 이상을 포함하고, 상기 스팀 퍼지가 상기 반응기 배기 스트림 중의 CO2의 mol 당 약 1.5 mol 미만(예컨대, 약 1.0 mol 미만 또는 약 0.8 mol 미만)의 H2O를 포함하는, 단계
를 포함함); 및
상기 CO2 회수 스트림을 CO2 생성물 스트림 및 물로 분리하는 단계로서, 이때 상기 CO2 생성물 스트림이 약 60 vol% 내지 약 99.5 vol%의 CO2를 포함하는, 단계
를 포함하고,
이때 상기 압축된 재순환 배기 가스의 적어도 일부 및 상기 스팀 퍼지가, 공정 사이클 동안 상기 스윙 흡착 반응기 내로 도입되는 기체의 약 90 vol% 이상을 포함하는,
반응기 배기 스트림으로부터 N2 및 CO2를 생산하는 방법. - 실시양태 9 또는 실시양태 10에 있어서,
상기 CO2 생성물 스트림이 추가로 N2를 포함하고,
상기 회수된 N2 스트림의 온도가 상기 흡착 온도 이상인, 생산 방법. - 실시양태 9 내지 실시양태 11 중 어느 한 실시양태에 있어서,
상기 재순환된 배기 가스가 약 5 vol% 내지 약 20 vol%(예컨대, 약 10 vol% 내지 약 20 vol%)의 CO2 농도 및/또는 약 1 vol% 이하의 O2 농도를 갖는, 생산 방법. - 실시양태 9 내지 실시양태 12 중 어느 한 실시양태에 있어서,
상기 흡착제가,
(a) 알칼리 금속 탄산염(예컨대, 탄산 칼륨, 탄산 리튬, 및/또는 탄산 나트륨) 및 알칼리 토금속 및/또는 전이 금속(예컨대, +2 및/또는 +3 산화 상태의 산화물을 형성하는 것)의 산화물, 예컨대 탄산 리튬 또는 탄산 칼륨 중 적어도 하나와 산화 란타늄, 산화 이트륨 및 산화 마그네슘 중 적어도 하나;
(b) 알칼리 토금속 탄산염(예컨대, 탄산 마그네슘 및/또는 탄산 칼슘) 및 전이 금속(예컨대, +2 및/또는 +3 산화 상태의 산화물을 형성하는 것)의 산화물, 예컨대 탄산 마그네슘 또는 탄산 칼슘 중 적어도 하나와 산화 란타늄, 산화 이트륨 및 산화 마그네슘 중 적어도 하나; 및
(c) 하이드로탈사이트
중 하나 이상을 포함하는, 생산 방법. - 실시양태 9 내지 실시양태 13 중 어느 한 실시양태에 있어서,
상기 스윙 흡착 반응기를 상기 반응기 배기 스트림 또는 상기 압축된 재순환 배기 가스를 사용하여 약 10 bara(약 1.0 MPaa) 이상의 압력으로 재가압하는 단계를 추가로 포함하는 생산 방법. - 실시양태 9 내지 실시양태 14 중 어느 한 실시양태에 있어서,
상기 스윙 흡착 반응기 내의 압력을 감소시키는 단계가, (i) 상기 반응기의 전면 말단으로부터 제 1 블로우 다운 스트림을 배출하고/하거나 (ii) 상기 제 1 블로우 다운 스트림을 배출한 후, 상기 반응기의 전면 말단으로부터 제 2 블로우 다운 스트림을 배출하고, 상기 반응기의 후면 말단으로부터 제 3 블로우 다운 스트림을 배출하는 것을 포함하는, 생산 방법.
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