KR20180081750A - 산업 공정으로부터 co2 배출물을 감소시키기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

산업 공정으로부터 co2 배출물을 감소시키기 위한 방법 및 시스템 Download PDF

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안제이 엠. 말레크
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갈므트 얼. 메이마
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Abstract

산업 공정에서의 CO2 배출물을 감소시키는 방법 및 통합 시스템. 상기 방법 및 통합 시스템(100)은 화학 흡수제를 사용하여 제1 기체 스트림(104)으로부터 이산화탄소(CO2) 기체를 포획하여, 제1 기체 스트림과 비교하여 더 높은 농도의 일산화탄소(CO) 기체 및 더 낮은 농도의 CO2 기체를 갖는 제2 기체 스트림(106)을 생성시킨다. 제2 기체 스트림 내 CO 기체는 수소(H2) 기체(138)와의 발열 반응(108)으로 C5 내지 C20 탄화수소를 생성시키는데 사용된다. 발열 반응에서 생성된 열의 일부가 제1 기체 스트림으로부터 포획된 CO2 기체(128)의 유리에 의해 화학 흡수제를 재생시키는데 사용된다. 발열 반응 동안 포획된 열은 임의로 먼저는 전기를 생산하는데 사용될 수 있는데, 이 경우에 전기 생산 후 남아있는 열은 화학 흡수제를 열적으로 재생시키는데 사용된다.

Description

산업 공정으로부터 CO2 배출물을 감소시키기 위한 방법 및 시스템
본원은 일반적으로 산업 공정에, 그리고 더 구체적으로는 산업 공정으로부터의 유출 기체로부터 CO2 기체 배출물을 감소시키는 것에 관한 것이다.
다양한 산업 공정은 이산화탄소 (CO2) 및 다른 탄소 함유 생성물, 예컨대 일산화탄소 (CO)를 함유하는 유출 기체를 생성시킨다. 그와 같은 유출 기체의 예는 강철 제조 산업으로부터의 것들 (예를 들면, 용광로 기체, 산소 전환기 기체, 또는 코크스 오븐 기체)을 포함한다. 이러한 유출 기체는 약 10 내지 50 용적 백분율 (용적%) 범위의 CO2 기체 농도 및 약 10 내지 80 용적% 범위의 CO 기체 농도를 갖는다. 유출 기체는 또한 다른 기체, 예컨대 수소, 탄화수소 및/또는 불활성 기체, 예컨대 질소를 최대 약 50 용적%의 양으로 함유할 수 있다. 연도(flue) 가스가 유출 기체의 한 예이다.
대기로 배출되기 전에, 유출 기체 내 CO 기체는 이것의 독성 때문에 CO2 기체로 전환되어야 한다. 연소 공정이, 다양한 공정에 사용될 수 있는 열과 함께, CO2 기체를 생성시키는데 사용될 수 있다. 그러나, 고 농도의 CO2 기체 및 질소 기체는 유출 기체 중에 존재하는 CO 기체의 칼로리 농도(caloric concentration)를 현격히 감소시켜서, 상기 유출 기체가 덜 사용되게 한다. 그럼에도 불구하고, 독성/유해한 CO 기체는 배출되기 전에 CO2 기체로 전환되어야 한다. 그러므로, 유출 기체는, 전력 생산에서 생성된 열을 회수하지 않으면서 CO 기체를 추가의 CO2 기체로 전환시키기 위해 종종 연소된다.
공정과 상관없이, 에너지 생산 공정에 유출 기체를 사용하거나 유출 기체를 연소시키면 대기로 배출되는 추가의 CO2 기체가 생성된다. 몇몇 지역에서, 예를 들면, 유럽에서는 다량의 CO2 기체를 배출하는 산업은 세금이 부과되고/되거나, CO2 기체를 생성시키는 원료 사용에 기반하여 CO2 거래 권을 사도록 하고 있는데, 이는 종종 그와 같은 에너지 생산 공정을 경제적이지 않게 만든다.
CO2 기체의 배출을 최소화시키기 위해, 이것은 포획되어 저장되거나 하나 이상의 산업 공정에 사용될 수 있다. 예를 들면, CO2 기체가 공급원료로 사용되는 산업 공정이 있다. 그러나, 이러한 적용에서는 종종 농축되고 고도로 정제된 CO2 기체가 필요하다. 이러한 산업 공정의 예는 시멘트 산업, 음료 산업 (예를 들면, 탄산 음료의 생산에), 소위 건식 개질 공정을 통한 또는 수증기 개질과 함께, 또는 수증기 개질, 및 소위 삼중 개질을 통한 부분적 산화와 함께 합성기체의 생성, 또는 H2를 사용한 화학적 전환에 의한 메탄올 생산에서의 사용을 포함한다. 그러나, 연소 공정에서 생성된 CO2 기체는 전형적으로 농축되지 않고/않거나 그와 같은 적용에서 공급원료로 사용하기에 충분히 순수하지 않다.
유출 기체로부터 CO2 기체를 분리하는 공정 또한, 포획되는 것보다 대체로 더 많은 CO2가 생성되는 정도까지의 에너지 투입을 일반적으로 필요로 한다. 말하자면, CO2 전환 및/또는 분리 공정은 종종 열역학적으로 바람직하지 않은데, 이는 과도한 CO2가 형성되게 하는 에너지 투입을 필요로 한다. 예를 들면, 아민 기반 용액에 의한 CO2 흡수는, CO2 기체를 흡수하기에 매우 효율적이며 선택적인 것으로 알려져 있다. 그러나, 재생 단계로도 지칭되는 그와 같은 용액으로부터의 CO2 회수는 매우 흡열 반응이다. 따라서, 이 재생 공정은 추가의 에너지 소모 및 결과적으로 추가의 CO2 기체 배출물을 초래하는 에너지를 필요로 한다.
따라서, CO 및 CO2 기체를 함유하는 유출 기체로부터 CO2 배출물을 감소시키는데 개선이 필요하다.
본원은, 산업 공정에서 생성된 유출 기체로부터 CO2 배출물을 감소시키는 것을 돕고 동시에 또한 가치있는 탄화수소 공급원료를 생산하는 방법 및 통합 시스템 둘 모두를 제공한다. 상기 방법은, 화학 흡수제를 사용하여, 일산화탄소 (CO) 기체 및 CO2 기체를 포함하는 제1 기체 스트림으로부터 이산화탄소 (CO2) 기체를 포획하여, 제1 기체 스트림과 비교하여 더 높은 농도의 CO 기체 및 더 낮은 농도의 CO2 기체를 갖는 제2 기체 스트림을 생성시키는 단계; 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응으로부터, 제2 기체 스트림 내 수소 (H2) 기체 및 CO 기체를 사용하여 탄화수소를 생성시키는 단계로서, 상기 피셔-트롭쉬 반응에 의해서 열이 생성되는 단계; 및 피셔-트롭쉬 반응에서 생성된 열의 적어도 일부를 사용하여 제1 기체 스트림으로부터 포획된 CO2 기체를 유리시킴에 의해 화학 흡수제를 재생시키는 단계를 포함한다.
제1 기체 스트림은 0.5:1 내지 10:1의 CO 기체: CO2 기체의 몰 비 (CO 기체 몰:CO2 기체 몰)를 갖는데, 이 경우에 제1 기체 스트림은 또한 0.5:1 내지 2.5:1의 CO 기체: CO2 기체의 몰 비 (CO 기체 몰:CO2 기체 몰)를 가질 수 있다. 피셔-트롭쉬 반응으로부터 탄화수소의 생성은 C5 내지 C20 탄화수소를 생성시키는 것을 포함하는데, 이 경우에 피셔-트롭쉬 반응으로부터 C5 내지 C20 탄화수소를 생성시키는데 사용된 제2 기체 스트림 내 CO 기체 및 H2 기체, 및 H2 기체 공급원으로부터의 H2 기체는 1:1 내지 3:1 범위의 H2 기체:CO 기체 몰 비 (H2 기체 몰:CO 기체 몰)로 반응한다. 언급된 대로, 피셔-트롭쉬 반응은 열을 생성시키는데, 이 열의 일부는 제1 기체 스트림으로부터 포획된 CO2 기체를 유리시킴으로써 화학 흡수제를 재생시키는데 사용될 수 있다. 피셔-트롭쉬 반응 동안 생성된 열은 또한 전기를 생산하는데 사용될 수 있는데, 이 경우에 전기 생산으로부터의 폐열은 피셔-트롭쉬 반응 동안 생성된 열의 일부로 사용되어 화학 흡수제를 재생시킨다.
본원의 통합 시스템은 특히, 적어도 CO 기체 및 CO2 기체를 갖는 제1 기체 스트림에 대한 입구를 가지며, 화학 흡수제를 사용하여 제1 기체 스트림으로부터 CO2 기체를 포획하여, 제1 기체 스트림과 비교하여 더 높은 농도의 CO 기체 및 더 낮은 농도의 CO2 기체를 갖는 제2 기체 스트림을 생성시키는, CO2 흡수 시스템; 제2 기체 스트림을 수용하기 위한 CO2 흡수 시스템에 그리고 수소 (H2) 기체 공급원에 연결되어, H2 기체 공급원으로부터의 H2 기체 및 제2 기체 스트림으로부터의 CO 기체 및 H2 기체를 사용하여 피셔-트롭쉬 반응으로부터 탄화수소를 촉매적으로 생성시키도록 작동하는 피셔-트롭쉬 반응기로서, 상기 피셔-트롭쉬 반응으로부터 열이 생성되는, 피셔-트롭쉬 반응기; 피셔-트롭쉬 반응기에 연결되어, 피셔-트롭쉬 반응 동안 생성된 열을 포획하는, 열 교환기; 및 CO2 흡수 시스템 및 열 교환기 둘 모두에 연결된 CO2 탈착 시스템으로서, 피셔-트롭쉬 반응기에 연결된 열 교환기에 의해 포획된 열의 적어도 일부가, 포획된 CO2 기체를 유리시키도록 CO2 탈착 시스템에서 화학 흡수제를 열적으로 재생시키는, CO2 탈착 시스템을 포함한다. 피셔-트롭쉬 반응기는 200℃ 내지 260℃ 범위의 온도 및 0.5 MPa 내지 5 MPa 범위의 압력에서 코발트-촉매를 사용하여 작동할 수 있다. 추가의 구현예에서, 피셔-트롭쉬 반응기의 열 교환기에 의해 포획된 열은 먼저 전기 생산에 사용되는데, 이 경우에 전기 생산한 후에 남아있는 폐열은 CO2 탈착 시스템에서 화학 흡수제를 열적으로 재생시키는데 사용된다.
도 1은 본원에 따른 통합 시스템의 예시를 제공한다.
도 2는 본원에 따른 통합 시스템의 예시를 제공한다.
유해한 기후 변화를 일으키는 온실 기체 중 인공 배출물에 대한 관심이 증가하고 있다. 이산화탄소 (CO2)는 생성된 주요 온실 기체 중 하나로 확인되었고, 예를 들면, 산업 공정으로부터 유출 기체로 배출된다. 그와 같은 산업 공정은 화석 연료 에너지 설비, 강철 제조 설비, 생물자원(biomass) 에너지 설비, 천연 가스 가공 설비, 합성 연료 플랜트, 정련소, 석유화학 생산 플랜트, 및 화석 연료 기반 수소 생산 플랜트를 포함하지만 이것들로 제한되지 않는다. 몇몇 예에서, 이러한 유출 기체는 또한 CO를 함유하는데, 이는 예를 들면, 강철 산업으로부터의 유출 기체에서의 경우이다. 대기로 배출되기 전에, 유출 기체 내 CO 기체는 이것의 독성 때문에 CO2 기체로 전환되어야 한다. 연소 공정이, 다양한 공정에 사용될 수 있는 열과 함께, CO2 기체를 생성시키는데 사용될 수 있다.
CO2 기체의 배출을 방지하기 위해, 다양한 포획 기술이 제안되었다. 이러한 포획 기술 중에서, 화학적 흡수가 이러한 산업 공정의 유출 기체로부터 CO2 기체를 포획하는데 가장 적합한 것으로 생각된다. 그러나, 화학적 흡수는 CO2-풍부 화학 흡수제를 재생시키기 위해서 에너지를 필요로 한다. 종종, 화학 흡수제를 재생시키는데 필요한 에너지 또한 CO2 기체를 생성시키며, 이는 CO2 기체 포획의 전반적인 효율 및 유효성을 감소시킨다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본원은, 산업 공정에서 생성된 유출 기체로부터 CO2 배출물을 감소시키는데 도움을 주며, 동시에 또한 화석 기원으로부터의 탄소 기반 생성물, 즉, 오일 또는 가스를 대체할 수 있는 가치있는 탄화수소 생성물을 생산하는 방법 및 통합 시스템 둘 모두를 제공한다. 본원에서 논의된 방법 및 통합 시스템은, 화학 흡수제를 사용하여 제1 기체 스트림으로부터 CO2 기체를 포획하여, 제1 기체 스트림과 비교하여 더 높은 농도의 CO 기체 및 더 낮은 농도의 CO2 기체를 갖는 제2 기체 스트림을 생성시킨다. 수소 (H2) 기체와 함께 제2 기체 스트림 내 CO 기체는 피셔-트롭쉬 반응으로 탄화수소를 생성시킨다. CO 기체가 연소되어 더 많은 CO2 기체를 생성시키는 대신에 가치있는 생성물로 전환되기 때문에, 탄화수소의 형성은 CO2 기체 배출물을 본질적으로 절감시킨다. 피셔-트롭쉬 반응에서 생성된 열의 적어도 일부는, 제1 기체 스트림으로부터 포획된 CO2 기체를 유리시키면서 CO2-풍부 화학 흡수제를 재생시키는데 사용된다. 피셔-트롭쉬 반응 동안 포획된 열은 또한 임의로, 전기를 생산하는데 먼저 사용될 수 있는데, 이 경우에 전기 생산 후 남아있는 열은 그 후 CO2-풍부 화학 흡수제를 열적으로 재생시키는데 사용된다. 그래서, 본원은 놀랍게도, 0 내지 낮은 순 에너지 투입량에서 CO2 기체를 동시에 포획하면서, 일반적으로 폐기될 CO 함유 폐 스트림으로부터 가치있는 탄화수소의 생산을 제공한다.
본원에 사용된 용어 "유출 기체" 또는 "유출 기체들"은, 적어도 CO2 기체 및 CO 기체를 함유하는 임의의 공정 후 기체를 의미한다. 유출 기체 또는 유출 기체들의 예는, 연도 가스, 배기 가스, 배출 가스 및/또는 산업 공정으로부터의 공정 기체, 예컨대 본원에 기재된 것들을 포함한다.
본원에 사용된, 통합 시스템과 관련된 "라인"은, 이 라인 내에서 이동하도록 명시된 유체 (예를 들면, 액체 또는 기체)를 전달시키는, 적절한 재료로 된 그리고 충분한 크기의 파이프 또는 도관을 의미한다. 하나 이상의 펌프 및/또는 압축기 또는 유체를 이동시키는 알려진 다른 장치가 또한 본원에서 논의된 통합 시스템의 라인 및 구성요소와 결합되는 것으로 이해된다. 그러나, 그와 같은 장치는, 도면이 본원을 더욱 잘 나타낼 수 있도록 예시되지는 않는다. 통합 시스템의 도면에서 확인된 "라인" 위에 표시된 화살 표시는, 유체 흐름의 방향을 나타낸다.
본원에 사용된 단수 형태, "상기", "적어도 하나" 및 "하나 이상"은 번갈아 사용된다. 용어 "포함한다" 및 이것의 변형예는, 이러한 용어가 설명 및 청구범위에 나타나는 곳에서 제한된 의미를 갖지 않는다. 용어 "및/또는"은, 나열된 요소의 하나, 하나 초과, 또는 모두를 의미한다. 본원에 사용된 용어 "약"은, 특정된 정확한 값으로 제한되지 않을 수 있다. 적어도 하나의 예에서, 용어 "약"으로 표시된 변형은 측정 기기의 정밀도를 참고하여 측정될 수 있다. 또한 본원에서, 종점에 의한 수치 범위의 언급은 그 범위 내 하위합산된 모든 수를 포함한다 (예를 들면, 1 내지 5는 1, 1.5, 2, 2.75, 3, 3.80, 4, 5 등을 포함한다).
본원의 하기 상세한 설명에서, 본원의 일부를 형성하며, 본원의 하나 이상의 구현예가 어떻게 실시될 수 있는 지를 예시로 보이는 첨부되는 도면을 참고한다. 이러한 구현예는 당해 기술 분야에서의 숙련가가 본원의 구현예를 실시할 수 있도록 충분히 상세하게 설명되며, 다른 구현예가 이용될 수 있고 본원의 범위를 벗어나지 않으면서 공정, 화학 및/또는 구조적인 변화가 수행될 수 있음이 이해되어야 한다.
본원에서의 도면은, 첫 숫자(digit)는 도면 번호이고 나머지 숫자는 도면 내 요소 또는 구성요소를 나타낸다는 점에서 수 매기기 규칙을 따른다. 상이한 도면 사이에서 유사한 요소 또는 구성요소는 유사한 숫자의 사용에 의해서 확인될 수 있다. 예를 들면, (110)은 도 1에서의 요소 "10"을 나타낼 수 있고, 유사 요소는 도 2에서 (210)으로 표시될 수 있다. 이해될 것이 듯이, 본원에서의 다양한 구현예에서 표시된 요소는, 본원의 다수의 추가 구현예를 제공하도록 부가, 교환, 및/또는 제거될 수 있다. 또한, 이해될 것이 듯이, 도면에 제공된 요소의 상대적 축척 및 비율은 본 발명의 구현예를 예시하도록 의도되며, 제한되는 의미로 간주되지 않아야 한다.
지금부터 도 1을 참고하면, 본원에 따른 통합 시스템(100)의 구현예가 예시되어 있다. 통합 시스템(100)은, 화학 흡수제를 사용하여 CO2 기체를 포획하고, CO 기체 및 H2 기체를 탄화수소로 전환시키는 발열 과정 (예를 들면, 피셔-트롭쉬 반응)에서 포획된 열을 사용하여 화학 흡수제를 열적으로 재생시키게 하는 그러한 방식으로 통합되는 2개의 주요 공정을 포함한다. 도 1에 예시된 대로, 통합 시스템(100)은 화학 흡수제를 사용하여 제1 기체 스트림(104)으로부터 CO2 기체를 흡수하여, 제1 기체 스트림(104)과 비교하여 더 높은 농도의 CO 기체 및 더 낮은 농도의 CO2 기체를 갖는 제2 기체 스트림(106)을 생성시키도록 작동하는 CO2 흡수 시스템(102)을 포함한다. 본원에서 더욱 충분하게 논의될 것이 듯이, 제2 기체 스트림(106)은 피셔-트롭쉬 반응기(108)에 사용되는데, 여기서 제2 기체 스트림(106) 내 CO 기체가 제2 기체 스트림(106) 및 스트림(138) 둘 모두로부터의 H2 기체와 반응하여 발열 피셔-트롭쉬 반응으로부터 탄화수소 및 열 둘 모두를 생성시킨다. 피셔-트롭쉬 반응기(108)에서 생성된 열은, 본원에서 설명될 것이 듯이, CO2 탈착 시스템(110)에서 화학 흡수제를 재생시키는데 사용된다.
CO2 흡수 시스템(102) 및 CO2 탈착 시스템(110)과 함께 사용될 수 있는 다양한 CO2 기체 포획 기술이 존재한다. 그와 같은 CO2 기체 포획 기술은 제1 기체 스트림(104)으로부터 CO2 기체를 포획하기 위한 물리적 흡착, 물리적 흡수, 멤브레인 기술 및/또는 화학적 흡수를 포함할 수 있다. 이러한 기술 중에서, 화학 흡수제를 사용한 화학적 흡수를 이용하는 것이 바람직한데, 그 이유는 이 방법이 본원에 기재된 산업 공정으로부터의 유출 기체 중에 존재하는 CO2 기체의 용적, 압력 및 온도에 가장 적용가능하기 때문이다. 그러나, 언급된 대로, 화학 흡수제의 사용은 몇몇 단점, 가장 두드러지게는 CO2 탈착 시스템에서 화학 흡수제를 재생시키는 경우에 높은 에너지 소비 문제를 제기한다. 본원은, CO2 탈착 시스템(110)에서 화학 흡수제를 재생시키는데 적어도 필요한 에너지를 제공하기 위해서 피셔-트롭쉬 반응기(108)를 사용한다 .
도 1에 예시된 대로, CO2 흡수 시스템(102)은 화학 흡수제를 사용하여 제1 기체 스트림(104)으로부터 CO2 기체를 포획하기 위한 흡수 컬럼(112) (스크러버 또는 흡수기로 또한 지칭됨)을 포함한다. 도 1은 또한 화학 흡수제를 재생시키고 제1 기체 스트림(104)으로부터 포획된 CO2 기체를 배출시키기 위한 탈착 컬럼(114) (스트리퍼로 또한 지칭됨)을 갖는 CO2 탈착 시스템(110)을 예시한다. CO2 흡수 시스템(102) 및 CO2 탈착 시스템(110)은 흡수 컬럼(112)에서 화학 흡수제를 사용하여 제1 기체 스트림(104)으로부터 CO2 기체를 포획하여, 제1 기체 스트림(104)과 비교하여 더 높은 농도의 CO 기체 및 더 낮은 농도의 CO2 기체를 갖는 제2 기체 스트림을 생성시키도록 작동한다.
다양한 화합물 및 이것의 용액이 화학 흡수제로 사용될 수 있다. 예를 들면, 화학 흡수제는 아민 기반 화합물일 수 있다. 그와 같은 아민 기반 화합물의 구체적인 예는 아민, 알칸올아민, 이온성 액체 및/또는 피페라진을 포함하지만 이것들로 제한되지 않는다. 바람직하게는, 알칸올아민은 적어도 하나의 OH 및 아민 기를 함유하는 1차, 2차 및/또는 3차 아민을 포함할 수 있지만 이것들로 제한되지 않는다. 그와 같은 알칸올아민의 예는 모노에탄올아민 (MEA), 2-디-프로판올아민 (DIPA), 디에탄올아민 (DEA), 트리에탄올아민 (TEA), N-메틸디에탄올아민 (MDEA), 디글리콜아민 (DGA), 2-아미노-2-메틸-1-프로판올 (AMP) 및 이들의 조합물로 이루어지는 군으로부터 선택된 것들을 포함한다.
바람직하게는, 알칸올아민 수용액이 CO2 흡수 시스템(102)에서 화학 흡수제로 사용된다. 알칸올아민 수용액은 본원에 제공된 하나 이상의 알칸올아민과 물의 용액을 포함한다. 바람직하게는, CO2 흡수 시스템(102)에 사용된 알칸올아민 수용액은 이 알칸올아민 수용액의 총 중량을 기준으로 20 중량 백분율 (중량%) 내지 55 중량%의 농도를 갖는다. 최종적으로, 본원에 제공된 다양한 화학 흡수제의 다양한 특성 및 이점 때문에, 둘 이상의 화학 흡수제의 혼합물이 또한 흡수 컬럼(112)에서 CO2 기체 포획 효율을 향상시키기 위해 사용될 수 있다.
당해 기술 분야에서의 숙련가에게 이해된 대로, 제1 기체 스트림(104)의 다른 파라미터와 함께 용적, 조성, CO2 농도, 온도가, 흡수 컬럼(112) 및 탈착 컬럼(114) 각각에 대한 기능, 구성, 수, 크기 및 작동 파라미터를 결정하는데 도움된다. 일반적으로, 흡수 컬럼(112)은 약 100 kPa의 압력 및 40℃ 내지 60℃ 범위의 온도에서 작동할 수 있다. 대안적으로, 흡수 컬럼(112)은 15℃ 내지 65℃ 범위의 온도와 함께 5 kPa 내지 8400 kPa 범위의 압력에서 작동할 수 있다. 흡수 컬럼(112)에 대한 작동 압력의 구체적인 예는 또한 25℃ 내지 50℃ 범위의 온도와 함께 500 kPa 내지 4000 kPa를 포함할 수 있다. 흡수 컬럼(112)을 작동시키기 위한 정확한 압력 및 온도는 사용된 화학 흡수제(들)의 정확한 조성에 따를 수 있다. 탈착 컬럼(114)은 약 100 kPa의 압력 및 90℃ 내지 135℃ 범위의 온도에서 작동할 수 있다. 대안적으로, 탈착 컬럼(114)은 90℃ 내지 110℃ 범위의 온도와 함께 100 kPa 내지 250 kPa 범위의 압력에서 작동할 수 있다. 탈착 컬럼(114)에 대한 작동 압력의 구체적인 예는 또한 90℃ 내지 110℃ 범위의 온도와 함께 40 kPa 내지 170 kPa를 포함할 수 있다. 유사하게, 탈착 컬럼(114)을 작동시키기 위한 정확한 압력 및 온도는 또한 사용된 화학 흡수제(들)의 정확한 조성, 화학 흡수제(들)의 열 안정성, 및 용매의 풍부한 장입량에 따를 수 있다. 각각의 흡수 컬럼(112) 및/또는 탈착 컬럼(114)의 둘 이상이, 특히 취급되어야 하는 기체의 용적 흐름에 따라 CO2 흡수 시스템(102)에 사용될 수 있음이 이해된다.
흡수 컬럼(112)의 예는 트레이(trayed) 컬럼, 패킹 층, 분무 컬럼, 버블 컬럼, 또는 살포 탑으로 구성된 것들을 포함할 수 있다. 흡수 컬럼(112)은 액체와 기체 상 사이에서 CO2 기체를 교환하기 위해 병류, 또는 바람직하게는 역류 방식으로 제1 기체 스트림(104) 및 화학 흡수제에 대하여 작동할 수 있다. 그래서, 예를 들면, 제1 기체 스트림(104)은 예시된 대로 라인(118)을 통하여 입구(116)에서 흡수 컬럼(112)의 최하단(bottom)에서 유입되고, 화학 흡수제와 역류로 접촉할 수 있다. 흡수 컬럼(112) 내부에서, 제1 기체 스트림(104) 내 CO2 기체가 기체 상에서부터 화학 흡수제 액체 상으로 이동한다. 기체 상에서부터 화학 흡수제 액체 상으로 전달된 CO2 기체의 양은, 흡수 컬럼(112)에 이용가능한 패킹의 높이 또는 트레이 수의 함수이며, 소정 위치에 대한 이것의 크기 및 구성은 당해 기술 분야의 기술 범위 내에 있다. 기체 상에서부터 화학 흡수제 액체 상으로 전달된 CO2 기체의 양은 또한 흡수제 농도의, 액체 대 기체 비의, 그리고 작동 온도 및 압력의 함수이다.
CO2 풍부 화학 흡수제가 흡수 컬럼(112)의 하부에서 라인(120)을 통하여 추출되고, 재생을 위해 CO2 탈착 시스템(110)의 탈착 컬럼(114)으로 보내진다. 탈착 컬럼(114)의 예는 패킹 층 컬럼, 트레이 컬럼, 분무 컬럼 또는 버블 컬럼으로 구성된 것들을 포함할 수 있다. CO2 풍부 화학 흡수제는 라인(122)을 통하여 탈착 컬럼(114) 최상단 근방으로 유입된다. 예시된 대로, CO2 탈착 시스템(110)은 탈착 컬럼(114) 내로 열을 도입하기 위한 리보일러(124)를 포함한다. 리보일러(124)는 CO2-풍부 화학 흡수제가 가열되어 흡수된 CO2 기체를 배출시키고, 이에 의해 탈착 컬럼(114) 통과 시 화학 흡수제가 재생되는 것을 돕는다.
배출된 CO2 기체는, 기체 버블이 탈착 컬럼(114)의 최상단까지 상승하기 때문에 화학 흡수제에 대하여 역류로 이동하는 기체 버블을 형성시킨다. 배출된 CO2 기체는 물 및 다른 화합물을 제거하는 것을 돕는 응축기(126)로 통과된 다음, 이 CO2 기체는 회수된 CO2 기체 스트림(128)으로 CO2 탈착 시스템(110)을 빠져 나갈 수 있다. 회수된 CO2 기체 스트림(128)은 비교적 높은 농도의 CO2 기체를 함유한다. 예를 들면, 회수된 CO2 기체 스트림(128)은, 이 회수된 CO2 기체 스트림(128)의 총 용적을 기준으로 적어도 95 용적%의 CO2 기체를 함유할 수 있다. 회수된 CO2 기체 스트림(128)은 하나 이상의 산업 공정에 사용되거나 저장될 수 있다.
재생된 화학 흡수제는 탈착 컬럼(114)의 하부로부터 라인(130)을 통하여 제거된다. 그 후, 라인(130) 내 화학 흡수제는 열 교환기(132)를 통과할 수 있다. 열 교환기(132)는 라인(130) 내 화학 흡수제에서의 열을 CO2 풍부 화학 흡수제로 이동시킬 수 있는데, 상기 CO2 풍부 화학 흡수제는 흡수 컬럼(112)의 하부에서 라인(120)을 통하여 추출된 다음, CO2 탈착 시스템(110)의 탈착 컬럼(114)으로 보내진다. 그 후, 열 교환기(132)에서 냉각시킨 라인(130) 내 화학 흡수제를, 새로운 순환에서 화학 흡수제로 사용하기 위해 라인(134)을 통하여 흡수 컬럼(112)의 상부로 재도입한다. 전형적으로, 스트림(134)을 흡수제 컬럼(112)으로 유입시키기 전에 먼저 희박(lean) 아민 냉각기를 사용하여 추가로 냉각시킨다.
CO2 흡수 시스템(102)을 다시 참고하면, 제1 기체 스트림(104)이 입구(116)에서 CO2 흡수 시스템(102)의 흡수 컬럼(112)으로 유입된다. 이것의 조성에 따라, 제1 기체 스트림 (104)은 그 공급원 (즉, 산업 공정으로부터의 직접적인 유출 기체)으로부터 입수된 대로 바로 사용될 수 있다. 대안적으로, 제1 기체 스트림(104)은, 유출 기체 중 하나 이상의 성분의 용적 백분율을 제거하거나 감소시키기 위한 일련의 화학 공정 및/또는 스크러버 중 하나 이상을 포함하는 유출 기체 처리 공정(136)이 수행된 유출 기체로부터 유래된다. 예를 들면, 제1 기체 스트림(104)은 고체 입자 (예를 들면, 먼지 입자 및/또는 그을음 입자)를 포함할 수 있는데, 이 경우에 유출 기체 처리 공정(136)은, CO2 흡수 시스템(102)에서 제1 기체 스트림(104)으로부터 CO2 기체를 포획하기 전에, 제1 기체 스트림(104)으로부터 고체 입자의 적어도 일부를 제거하기 위한 전기 집진기, 사이클론 및/또는 여과포 집진기를 포함할 수 있다.
또한, 유출 기체 처리 공정(136)은, CO2 흡수 시스템(102)에서 CO2 기체를 포획하기 전에, 제1 기체 스트림(104)으로부터 적어도 하나의 추가 물질을 기체 상으로 포획하도록 작동될 수 있다. 그와 같은 추가 물질의 예는 아민, 황 화합물, 포스페이트 및 시안화물의 군으로부터 선택된 모이어티를 갖는 것들을 포함한다. 그래서, 예를 들면, 유출 기체 처리 공정(136)은 SOx 기체 (예를 들면, SO2 기체 및 SO3 기체)를 포획하여 제거하기 위한 유출-기체 탈황을 포함할 수 있다. 존재한다면, 유출 기체 내 질소 산화물은, NOx 기체를 N2 기체로 전환시키기 위한 암모니아 또는 우레아를 사용한 고온 또는 촉매 반응에 의해 유출 기체 처리 공정(136)으로 처리될 수 있다. 존재한다면, 황화수소는 알려진 대로 아민 또는 부식성 스크러빙 공정을 사용하여 제거될 수 있다. 시안화물은 가수분해에 의해 아민 (NH3)으로 전환되고 차후 흡수 단계에서 제거될 수 있다. 부식성 용액 (예를 들면, 수산화나트륨 용액)이 또한 제1 기체 스트림(104)으로부터 시안화물을 제거하는 것을 돕기 위해 사용될 수 있다. 존재한다면, 유출 기체의 다른 성분, 예컨대 수은, 비소 또는 다른 금속은, 예를 들면, 흡수제 위에서의 흡착에 의해 또는 유출 기체 탈황 생성물의 일부로의 불활성 고체 중의 포획에 의해 유출 기체 처리 공정(136) 동안 유출 기체로부터 제거될 수 있다. 유출 기체 처리 공정(136) 중에 포함시킬 공정의 선택은, 적어도 부분적으로 산업 공정으로부터 입수된 유출 기체의 유형 및 조성에, 그리고 본원에서 논의된 대로 제1 기체 스트림(104)의 원하는 조성에 기반할 수 있다. 유출 기체 내 특정의 추가 화합물에 대해서는, 유출 기체를 흡수제 시스템 중에 존재하는 화학물질에 노출시킴에 의해서 제거가 또한 수행된다. 그러나, 이들의 흡수는 흡수제 시스템의 작동 효율에 영향을 미칠 수 있다.
바람직하게는, 제1 기체 스트림(104)은, 이 제1 기체 스트림(104)의 총 용적 백분율을 기준으로 적어도 20 용적 백분율 (용적%)의, 합산 양의 CO 기체 및 CO2 기체를 갖는다. 개별 성분에 대해서, 제1 기체 스트림(104)은 5 내지 80 용적 백분율 (용적%)의 질소 (N2) 기체, 15 내지 80 용적%의 CO 기체, 5 내지 40 용적%의 CO2 기체 및 1 내지 60 용적%의 수소 (H2) 기체를 포함한다. 바람직하게는, 제1 기체 스트림(104)은 5 내지 60 용적%의 N2 기체, 15 내지 50 용적%의 CO 기체, 5 내지 35 용적%의 CO2 기체 및 1 내지 35 용적%의 H2 기체를 포함한다. 가장 바람직하게는, 제1 기체 스트림(104)은 5 내지 50 용적%의 N2 기체, 15 내지 35 용적%의 CO 기체, 5 내지 25 용적%의 CO2 기체 및 1 내지 10 용적%의 H2 기체를 포함한다. 제1 기체 스트림(104)에 대한 소정의 용적% 값은 제1 기체 스트림의 총 용적을 기준으로 하는데, 이 경우에 제1 기체 스트림(104)에 대한 용적% 값의 합은 항상 100 용적%이다. 본원에서 논의된 제1 기체 스트림은 또한 다른 성분을 포함할 수 있는데, 이 경우에 제1 기체 스트림(104)에 대한 용적 백분율은 항상 합산하여 100 용적%가 될 것이다. 다른 성분의 예는, 대기 중에서 확인되는 다른 기체 중에서, 기체상 메탄, 산소 및 아르곤을 포함할 수 있지만 이것들로 제한되지 않는다.
이상에서 확인된 용적 백분율에 추가하여, CO 기체: CO2 기체의 특정 몰 비가, 피셔-트롭쉬 반응기(108)에서 생성된 에너지와 CO2 탈착 시스템(110)을 작동시키는데 필요한 에너지 사이에서 적어도 최소의 에너지 균형이 성취될 수 있게 함이 놀랍게도 발견되었다. 예를 들면, 피셔-트롭쉬 반응기(108)에서 생성된 에너지와 CO2 탈착 시스템(110)을 작동시키는데 필요한 에너지를 주의깊게 균형 맞춤으로써, CO 기체: CO2 기체 몰 비가 적어도 0.5:1인 제1 기체 스트림(104)으로부터 에너지 중립 또는 더욱 적은 에너지 집약적인 공정이 얻어질 수 있다. 바람직하게는, 제1 기체 스트림(104)의 조성물은 0.5:1 내지 10:1의 CO 기체: CO2 기체의 몰 비 (CO 기체 몰:CO2 기체 몰)를 갖는다. 더 바람직하게는, 제1 기체 스트림(104)은 0.5:1 내지 5:1의 CO 기체: CO2 기체의 몰 비를 가질 수 있다. 가장 바람직하게는, 제1 기체 스트림(104)은 0.5:1 내지 2.5:1의 CO 기체: CO2 기체의 몰 비를 가질 수 있다.
CO2 흡수 시스템(102)으로 유입되는 제1 기체 스트림(104)은 5℃ 내지 100℃ 범위의 온도를 가질 수 있다. 바람직하게는, 제1 기체 스트림의 온도는 15℃ 내지 65℃의 범위이다. 더 바람직하게는, 제1 기체 스트림의 온도는 25℃ 내지 50℃의 범위이다. CO2 흡수 시스템(102)으로 유입되는 제1 기체 스트림(104)은 5 kPa 내지 8400 kPa 범위의 압력을 가질 수 있다. 바람직하게는, 제1 기체 스트림(104)은 500 kPa 내지 5000 kPa 범위의 압력을 갖는다. 더 바람직하게는, 제1 기체 스트림(104)은 1500 kPa 내지 3000 kPa 범위의 압력을 갖는다.
도 1에 예시된 대로, CO2 탈착 시스템(110)은 CO2 흡수 시스템(102) 및 피셔-트롭쉬 반응기(108) 둘 모두로 연결된다. 피셔-트롭쉬 반응기(108)는 또한 입구(140)에서 제2 기체 스트림(106)을 수용하도록 CO2 흡수 시스템(102)에 그리고 라인(138)을 통하여 수소 (H2) 기체의 공급원 둘 모두에 연결된다. 본원에서 논의된 대로, 피셔-트롭쉬 반응기(108)는 피셔-트롭쉬 반응을 통하여 H2 기체 공급원으로부터의 H2 기체 (스트림 (138)), 및 제2 기체 스트림(106) 내 CO 기체 및 H2 기체를 사용하여 탄화수소를 촉매적으로 생성시키도록 작동하는데, 이 경우에 피셔-트롭쉬 반응에 의해 탄화수소 및 열 (즉, 발열임)이 생성된다. 바람직하게는, 피셔-트롭쉬 반응으로부터 탄화수소를 생성하는 것은 본원에서 논의된 대로 C5 내지 C20 탄화수소를 생성하는 것을 포함한다.
일반적으로, 피셔-트롭쉬 반응기(108)는, H2 기체 공급원으로부터의 H2 기체 (스트림 (138)), 및 제2 기체 스트림(106)으로부터의 CO 기체 및 H2 기체에서 피셔-트롭쉬 반응이 일어나서 일련의 발열 반응으로 탄화수소가 생성될 수 있도록 작동한다. 당해 기술 분야에서의 숙련가에게 이해되듯이, 피셔-트롭쉬 반응은, 특히 다른 인자 중에서 선택된 반응기 디자인, 작동 조건 (예를 들면, CO:H2 기체 비, 유속, 반응 온도 및 압력), 담지 물질(support material)을 포함하는 촉매 및 하나 이상의 조촉매(promoter)가 주어지면 탄화수소 혼합물이 생성되는 일련의 반응이다. 바람직한 구현예에서, 피셔-트롭쉬 촉매 및 공정 조건을 적절히 선택하여, 5개 이상 20개 이하의 탄소 사슬 길이를 갖는 적어도 50 중량%의 탄화수소를 포함하며, 21개 이상의 탄소 범위를 갖는 탄화수소의 분율이 10 중량% 미만, 바람직하게는 5 중량% 미만인 탄화수소를 생성시킬 수 있다. 이러한 탄화수소 생성물은 바람직하게는 선형 탄화수소, 예컨대 n-알칸 및/또는 n-올레핀이다. 당해 기술 분야에서의 숙련가에게 이해되듯이, 촉매 및 공정 조건의 선택은, 원하는 생성물을 최적화하고/하거나 조정하는데, 예컨대 메탄의 생산을 최소화하고 C5 내지 C20 탄화수소 분획의 생산을 최대화하고/하거나 선형/분지형 비를 최대화하는데 이용될 수 있다.
제1 기체 스트림 내 수소 몰 농도는 이러한 동일한 스트림 내 CO 몰 농도와 비교하여 전형적으로 낮아서, 1:1보다 낮은 H2 몰: CO 몰 비가 얻어진다. H2 몰: CO 몰 비를 증가시키는 방법은 당해 기술 분야에서의 숙련가에게 알려져 있다. 예를 들면, 물 기체 이동 반응기가, CO 및 H2O를 CO2 및 H2로 전환시켜서 H2 몰: CO 몰 비를 증가시키는데 사용될 수 있다. 그러나 바람직하게는, 수소 공급원은 유용한 화학물질을 생성시키기 위한 CO의 사용을 최대화하도록 선택된다. 이 추가 H2 기체는 스트림(138)으로서 피셔 트롭쉬 반응기(108)로 공급되어, H2:CO 비를 피셔 트롭쉬 반응에 대하여 원하는 비로 증가시킬 수 있다.
피셔-트롭쉬 반응기(108)의 디자인은 다중관형의 고정 층 반응기, 유동 층 반응기, 슬러리 반응기, 및 유동 층 및 순환형 촉매 반응기를 포함하는 여러 반응기 디자인으로부터 선택될 수 있다. 반응기 디자인에 따라, 피셔-트롭쉬 반응기(108)는 150℃ 내지 500℃ 범위의 온도에서 작동될 수 있다. 바람직하게는, 피셔-트롭쉬 반응기(108)의 작동 온도는 150℃ 내지 300℃의 범위일 수 있다. 피셔-트롭쉬 반응기(108)에 대한 작동 압력은 100 kPa 내지 10000 kPa일 수 있다. 바람직하게는, 피셔-트롭쉬 반응기(108)의 작동 압력은 1000 kPa 내지 5000 kPa 범위일 수 있다. 다양한 촉매가 피셔-트롭쉬 공정에 사용될 수 있다. 적합한 촉매의 예는 코발트, 철 및/또는 루테늄을 포함하지만 이것들로 제한되지 않는다. 바람직하게는, 코발트 촉매가 사용된다. 예를 들면, C5 내지 C20 탄화수소 분획을 선택적으로 형성시키기에 적합한 코발트 기반 촉매 및 가공 조건은, 전체가 본원에 참고로 편입되는 2015년 9월 21일 출원된 "표준 알칸의 형성" (국제 출원 번호 PCT/US15/51189) 및 2015년 9월 21일 출원된 "저분자량(light) 탄화수소의 형성" (국제 출원 번호 PCT/US15/51234)에서 확인될 수 있다.
촉매는 또한 담체(support), 예컨대 실리카, 알루미나, 티타니아, 및/또는 제올라이트를 포함할 수 있다. 조촉매가 또한 촉매와 함께 사용될 수 있는데, 이 경우에 조촉매의 예는 당해 기술 분야에 알려진 대로 칼륨 및 구리 화합물을 포함하지만 이것들로 제한되지 않는다. 조촉매의 선택은 선택된 촉매 및 생성시킬 탄화수소에 따를 수 있다. 또한, 피셔-트롭쉬 반응에 대한 작동 온도 및 압력의 선택은 반응기 디자인, 생성시킬 탄화수소, 촉매 및 피셔-트롭쉬 반응에 사용된 촉매 장입량 값을 포함하는 다양한 인자에 따른다.
본원에서 논의된 대로, CO2 흡수 시스템(102)은 화학 흡수제를 사용하여 제1 기체 스트림(104)으로부터 CO2 기체를 흡수하여, 제1 기체 스트림(104)과 비교하여 더 높은 농도의 CO 기체 및 더 낮은 농도의 CO2 기체를 갖는 제2 기체 스트림(106)을 생성시키도록 작동한다. 바람직하게는, CO2 흡수 시스템(102)은 제1 기체 스트림(104) 중에 존재하는 CO2 기체의 적어도 90 용적 백분율 (용적%) 내지 95 용적%를 회수하도록 작동한다. 즉, CO2 흡수 시스템(102)에 대한 화학 흡수제(들), 작동 온도 및/또는 작동 압력의 선택은, 제1 기체 스트림(104)으로부터의 CO2 기체의 적어도 90 용적% 내지 95 용적%를 제거함으로써 제2 기체 스트림(106)을 형성시키도록 선택될 수 있다. 제1 기체 스트림(104)으로부터의 CO2 기체의 95 용적% 초과를 제거하는 것이 또한 가능하다.
제2 기체 스트림(106)을 생성시킬 때 CO2 기체의 적어도 90 용적% 내지 95 용적%가 제1 기체 스트림(104)으로부터 제거됨을 고려하면, 제2 기체 스트림(106) 내 CO 기체: CO2 기체의 몰 비는 제1 기체 스트림(104)보다 높을 것이다. 예를 들면, 제2 기체 스트림(106) 내 CO 기체: CO2 기체의 몰 비는 5:1 내지 200:1 (CO 기체 몰: CO2 기체 몰)일 수 있다. 바람직하게는, 제2 기체 스트림(106) 내 CO 기체: CO2 기체의 몰 비는 10:1 내지 100:1 (CO 기체 몰: CO2 기체 몰)일 수 있다.
라인(138)을 통하여 그리고 제2 기체 스트림(106)으로부터 공급된 H2 기체를 사용하여 피셔-트롭쉬 공정은 0.1:1 내지 10:1의 H2 기체 몰:CO 기체 몰 비로 피셔-트롭쉬 반응기(108)에서 수행될 수 있다. 바람직하게는, 피셔-트롭쉬 반응으로 탄화수소를 생성시키는데 사용된 H2 기체 및 CO 기체(106)는 1:1 내지 3:1 범위의 H2 기체: CO 기체의 몰 비 (H2 기체 몰:CO 기체 몰)로 반응한다. 상기 소정의 몰 비에서 H2 기체 및 CO 기체의 흐름에 대한 기체 시간당 공간 속도는 100 hr-1 내지 10000 hr- 1의 범위일 수 있다. 특히 바람직한 예에서, 피셔-트롭쉬 반응기는, 1:1 내지 3:1 범위의 H2 기체: CO 기체의 몰 비 (H2 기체 몰:CO 기체 몰)에서의 H2 기체 및 CO 기체를 사용하여, 200℃ 내지 260℃ 범위의 온도 및 1000 kPa 내지 5000 kPa 범위의 압력에서 코발트 촉매를 사용하여 작동한다. 이 특히 바람직한 예는 H2 기체 및 CO 기체가 피셔-트롭쉬 반응으로부터 C5 내지 C20 탄화수소를 생성할 수 있게 한다.
제2 기체 스트림(106)에서 피셔-트롭쉬 반응기(108)로 공급된 H2 기체는 제1 기체 스트림(104) 중에 존재하는 H2 기체로부터 비롯된다. 라인(138)을 통하여 피셔-트롭쉬 반응기(108)로 공급된 H2 기체는 임의 수의 수소 생산 공정으로부터 비롯될 수 있다. H2 기체 공급원의 예는, 강철 제조 플랜트로부터의 코크스 오븐 기체, 탈수소화 플랜트, 수증기 열분해 공정, 오일 정제 공정으로부터의, 또는 수증기 개질 공정 또는 전기분해 공정으로부터의 수소 부산물 스트림을 포함할 수 있다. 통합 시스템(100)은 H2 기체 세정 공정(142)을 추가로 포함할 수 있는데, 이 공정의 선택은 당해 기술 분야에 알려진 대로 H2 기체 공급원에 따를 것이다. H2 기체 세정 공정(142)에서의 단계의 예는, H2 기체의 하나 이상의 성분의 용적%를 제거하거나 감소시키기 위한 일련의 화학 공정 및/또는 스크러버 중 하나 이상을 포함할 수 있지만 이것들로 제한되지 않는다. 예를 들면, 전기 집진기, 사이클론 및/또는 여과포 집진기가 H2 기체의 스트림(138) 중에 존재하는 임의의 고체 입자의 적어도 일부를 제거하는데 사용될 수 있다. 다른 기술, 예컨대 압력 스윙 흡착이 필요에 따라 H2 기체의 스트림(138)을 세정시키는데 사용될 수 있다. 그래서, 예를 들면, H2 기체 처리 공정(142)은, S 함유 오염물질을 포획하여 제거하기 위한 유출 기체 탈황을 포함할 수 있다. 존재한다면, 황화수소는 알려진 대로 아민 또는 부식성 스크러빙 공정을 사용하여 제거될 수 있다. 암모니아 (NH3)는 스크러빙 공정 또는 흡수 공정에 의해 제거될 수 있다. 시안화물은 가수분해에 의해 아민 (NH3)으로 변환되고, 차후 흡수 단계에서 제거될 수 있다. 부식성 용액 (예를 들면, 수산화나트륨 용액)이 또한 제1 기체 스트림(104)으로부터 시안화물을 제거하는 것을 돕는데 사용될 수 있다. 존재한다면, 유출 기체의 다른 성분, 금속이, 예를 들면, 흡수제 위에서의 흡착에 의해서 또는 유출 기체 탈황 생성물의 일부로 불활성 고체 중의 포획에 의해서 유출 기체 처리 공정(142) 동안 유출 기체로부터 제거될 수 있다. 유출 기체 처리 공정(142)에 포함시킬 공정의 선택은, 본원에서 논의된 대로, 적어도 부분적으로 산업 공정으로부터 입수된 유출 기체의 유형 및 조성에, 그리고 제1 기체 스트림(104)의 원하는 조성에 기반할 수 있다. 특정의 구현예에서, 추가의 H2 공급원 기체는 제1 기체 스트림(104)과 함께 세정 부분(clean-up section)(136)으로 함께 공급되고 CO2 흡수 시스템(102)을 통하여 피셔-트롭쉬 반응기(108)로 공급될 수 있다. 또 하나의 공급원으로부터의 추가의 H2 기체가, 피셔-트롭쉬 반응을 수행하는데 필요한 H2:CO 기체 비가 성취되도록 스트림(138)으로서 피셔-트롭쉬 반응기(108)로 공급될 필요가 계속해서 있을 수 있다.
피셔-트롭쉬 반응기(108)의 배출물은 분리 유닛(144)으로 보내지고, 여기서 피셔-트롭쉬 반응으로부터 생성된 탄화수소가, 다른 기체 중에서 CO 기체, H2 기체, CO2 기체 및 수증기로부터 분리된다. 분리 유닛(144)은 다른 옵션 중에서 기체상 생성물로부터 응축된 생성물을 감소된 온도에서 분리시키기 위해 응축의 원리를 적용하는 통상의 기체-액체 분리기일 수 있다.
특정의 구현예에서, 분리 유닛(144)으로부터의 액체 생성물은 생성물을 원하는 규격으로 조정하도록 필요에 따라 추가로 가공될 수 있다. 그와 같은 유닛 작동은 필요에 따라, 생성물을 열분해시키고/시키거나 이성화시키고 피셔-트롭쉬 반응에서 때때로 형성되는 산소화된 화합물을 제거하기 위한 촉매적 전환, 예컨대 (수소첨가) 열분해 및/또는 수소첨가 탈산소화를 포함할 수 있다.
임의로, 피셔-트롭쉬 반응기(108)로부터 비롯되고 분리 유닛(144)에서 분리된 CO2 함유 기체는, 화학 흡수제를 사용한 포획을 위해 라인(146)을 통하여 CO2 흡수 시스템(102)의 입구(116)로 공급될 수 있다. 또한, 라인(147)은 피셔-트롭쉬 반응 후 남아있는 CO 기체 및 H2 기체의 적어도 일부를 피셔-트롭쉬 반응기(108)로 다시 반환시키는데 사용될 수 있다. 예시된 대로, 라인(147)은 피셔-트롭쉬 반응기(108)로 유입되기 전에 제2 기체 스트림(106)에 합류될 수 있다.
피셔-트롭쉬 반응기(108)는 피셔-트롭쉬 반응 동안 생성된 열의 적어도 일부를 포획하기 위한 열 교환기(148)를 추가로 포함할 수 있다. 열 교환기(148)는, 다른 디자인 중에서 피셔-트롭쉬 반응기(108)의 디자인 내로 배열된 다관식(shell and tube) 열 교환기를 포함할 수 있다. 열 교환기(148)를 통과하는 냉각 유체가 피셔-트롭쉬 반응 동안 생성된 열을 흡수하여, 피셔-트롭쉬 반응기(108) 내부에서 반응 조건을 유지하는 것을 돕는다. 열 교환기(148)에 사용된 냉각 유체는 다른 알려진 냉각 유체 중에서 물을 포함할 수 있다.
도 1에 예시된 대로, CO2 탈착 시스템(110)이 열 교환기(148)에 연결된다. 구체적으로, CO2 탈착 시스템(110)의 리보일러(124)가 라인(150)을 통하여 열 교환기(148)에 연결된다. 열 교환기(148)에 사용된 냉각 유체는 피셔-트롭쉬 반응 동안생성된 열을 흡수하는데, 이 경우에 이 냉각 유체는 그 후 라인(150)을 통하여 CO2 탈착 시스템(110)의 리보일러(124)로 공급되어서, 피셔-트롭쉬 반응에서 생성되고 열 교환기(148)에 의해 포획된 열의 적어도 일부가 그 후 제1 기체 스트림으로부터 포획된 CO2 기체를 유리시키도록 탈착 시스템(110) 내 화학 흡수제를 열적으로 재생시키는데 사용될 수 있다.
도 1에서 보여지듯이, 피셔-트롭쉬 반응 동안 생성된 열이 흡수된 후 열 교환기(148)로부터 비롯되는 냉각 유체는 입구(152)에서 리보일러(124)로 유입되는데, 이 경우에 리보일러(124)는 열 교환기(148)로부터 비롯되는 냉각 유체 내 이 열을 탈착 컬럼(114) 내 CO2-풍부 화학 흡수제로 이동시킨다. 본원에서 논의된 대로, 열은 그 후 CO2-풍부 화학 흡수제로부터 흡수된 CO2 기체를 배출시켜서, 탈착 컬럼(114) 통과 시 화학 흡수제를 재생시킬 수 있다.
도 2를 참고하면, 본원에 따른 통합 시스템(200)의 추가 구현예가 도시되어 있다. 예시된 대로, 통합 시스템(200)은 도 1과 관련하여 이전에 논의된 2개의 주요 공정을 포함하는데, 여기서 상기 2개의 주요 공정은, 화학 흡수제를 사용하여 CO2 기체를 포획하고, CO 기체 및 H2 기체를 탄화수소로 전환시키는 발열 공정 (예를 들면, 피셔-트롭쉬 반응)에서 포획된 열을 사용하여 화학 흡수제를 열적으로 재생시키는 그러한 방식으로 통합된다. 도 1에 예시된 구성요소의 논의는 간결함을 위해 여기서 반복하지 않을 것이지만, 이것은 도 2에 도시되어 있고 여기서 도 2의 하기 논의로 편입된다.
도 2는 3개의 주요 공정 사이에서 에너지 "이동"이 일어나는 본원의 구현예를 예시한다. 이전에 논의된 대로, 2개의 주요 공정은, 화학 흡수제를 사용하여 CO2 기체를 포획하고, CO 기체 및 H2 기체를 탄화수소로 전환시키는 발열 공정 (예를 들면, 피셔-트롭쉬 반응)에서 포획된 열을 사용하여 화학 흡수제를 열적으로 재생시키는 그러한 방식으로 통합된다. 도 2는 현재, 전기 에너지 생산 공정으로의 보일러 공급 수를 먼저 예열시키기 위해 피셔-트롭쉬 반응으로부터 유래된 열을 바람직하게 이용하는 전기 에너지 생산 공정 (예를 들면, 수증기 기반 전기 에너지 발전소)을 통합하고 있다. 이것에 의해 전기 에너지 생산 공정은 동일한 전기 에너지 출력을 유지하면서 그 연료 사용을 감소시킬 수 있다
도 2에 예시된 대로, 통합 시스템(200)은 전기 에너지 생산 공정(254)을 포함한다. 다양한 전기 에너지 생산 공정이 알려져 있고, 이하의 것은 단 하나의 그 예이다. 본원의 일반적인 이해를 변경시키지 않고 다른 알려진 구성요소가 전기 에너지 생산 공정(254)에 치환되고/되거나 부가될 수 있음이 이해된다.
전기 에너지 생산 공정(254)은, 당해 기술 분야에 알려진 다른 것들 중에서, 수증기 터빈(256), 축(260)을 통하여 수증기 터빈(256)에 기계적으로 결합되어 수증기 터빈(256)으로부터의 기계적 에너지를 전기 에너지로 전환시킬 수 있는 발전기(258)를 포함하는데, 상기 전기 에너지는 전기 라인(262)에 의해서 외부 회로로 전달될 수 있다. 노(264)는 보일러 공급 수를 가열시켜서 수증기 터빈(256)에 동력을 공급하는 고압 수증기를 생성시킨다. 노(264)는 라인(266)을 통하여 전달된 연료, 예컨대, 예를 들면, 석탄, 석유, 천연 가스 또는 셰일 오일을 사용하여 작동할 수 있다. 노(264)에 의해 생성된 고압 수증기는 입구(268)에서 수증기 터빈(256)으로 제공되는데, 여기서 고압 수증기가 축(260)을 회전시키는 작용을 한다.
이 세번째 공정을 2개의 앞서 논의된 공정에 연결시키기 위해, 피셔-트롭쉬 반응기(208)와 관련된 열 교환기(248)를 전기 에너지 생산 공정(254)과 연결시킨다. 구체적으로, 전기 에너지 생산 공정(254)의 노(264)는 라인(250)을 통하여 열 교환기(248)에 연결된다. 열 교환기(248)에서 가열된 후 라인(250) 내 열 교환 유체 (예를 들면, 고온 수 응축물)는 노(264)의 입구(270)로 펌핑된다. 여기서, 열 교환 유체는 보일러 공급 수의 일부로 노(264)로 유입될 수 있다. 대안적으로, 열 교환기는, 먼저 보일러 공급 수를 예열시키기 위해 피셔-트롭쉬 반응기(208)와 관련된 열 교환기(248)로부터의 열 교환 유체로부터의 열을 이동시키는데 사용될 수 있었다. 노(256)에 의해 생성된 유출 기체(282)는 CO2 흡수 시스템(202)의 제1 기체 스트림(204)과 합류되도록 다시 재이용될 수 있다.
그래서, 피셔-트롭쉬 반응 동안 피셔-트롭쉬 반응기(208)에서 열 교환기(248)에 의해 생성되고 포획된 열은 먼저 전기를 생산하는데 사용된다. 이에 의해 피셔-트롭쉬 반응기(208)의 열 교환기(248)로부터 비롯되는 열 교환 유체는 먼저 전기 에너지 생산 공정(254)에서 높은 에너지 전위로 사용될 수 있다. 본원에서 논의될 것이 듯이, 전기 생산 후 남아있는 폐열은 그 후 피셔-트롭쉬 반응 동안 생성된 열의 일부로 사용되어, 통합 시스템(200)의 CO2 탈착 시스템(210)에서 화학 흡수제를 열적으로 재생시킨다. 이렇게 하는 경우에, 전기 에너지 생산 공정의 효율은, 생성된 MW 전력 당 1.1 kT/y의 관련된 CO2 감소 또는 3.7 T CO2/T 생성된 생성물과 함께, 약 40% 내지 약 50%로 증가될 수 있음이 계산된다.
예시된 대로, 수증기 터빈(256)은 수증기에 대한 출구를 갖는데, 이 경우에 출구 위치는 특정 목적을 위하여 배열된다. 예시된 대로, 배출 수증기 출구(272)는 수증기 터빈(256)을 떠나서 라인(274) 내 배출 수증기가 응축기(276)로 공급되는데, 상기 응축기는 응축시키고 응축물을 고압 수증기로 재생될 라인(278)을 통하여 노(264)의 입구(270)로 반환시킨다. 수증기 터빈(256)에는 또한 측면 추출 출구(280)가 구비되어 있는데, 이 출구는 탈착 컬럼(214)의 리보일러(224)에서 사용하기에 적합한 온도 및 압력에서 수증기를 제공하여, CO2-풍부 화학 흡수제를 가열하여 흡수된 CO2 기체를 배출시키고, 이에 의해 화학 흡수제가 탈착 컬럼(214) 통과 시에 재생된다. 리보일러(224)로부터의 응축물은 그 후 열 교환기(248)의 입구(252)로 반환될 수 있다. 본원에서 논의된 대로, 이에 의해 수증기 터빈(256)으로부터 일반적으로 폐열이 되게 될 것이 지금은 CO2 기체를 포획하는데 사용된 화학 흡수제를 재생시키는데 사용될 수 있게 되는데, 상기 CO2 기체는 그렇지 않으면 대기로 배출되었을 것이다. 그러므로, 이 구성은 개선된 에너지 사용 체계를 제공하는데, 이 경우에, 피셔-트롭쉬 반응기(208)에서 생성된 열이 먼저는 전기 생산을 돕는데 사용될 뿐 아니라, CO2 기체를 포획하기 위해 사용된 화학 흡수제를 재생시키는데 사용된다. 이는 상기 사용을 효과적으로 배가시키며, 따라서 피셔-트롭쉬 반응기(208)에서 생산된 열의 가치를 배가시킨다. 결과적으로, 에너지가 절감되며 (의도적인(on-purpose) 에너지 생산이 CO2 배출물의 추가 공급원이다) CO2 기체가 포획된다.
본원에서 논의된 통합 시스템(100) 및/또는 (200)의 공정은 회분식 공정, 반-연속식 공정 또는 연속식 공정 작업으로 작동될 수 있다. 바람직하게는, 본원에서 논의된 통합 시스템(100) 및/또는 (200)의 공정은 연속식 공정 작업으로 작동될 수 있다.

Claims (20)

  1. 화학 흡수제를 사용하여, 일산화탄소(CO) 기체 및 CO2 기체를 포함하는 제1 기체 스트림으로부터 이산화탄소(CO2) 기체를 포획하여, 제1 기체 스트림과 비교하여 더 높은 농도의 CO 기체 및 더 낮은 농도의 CO2 기체를 갖는 제2 기체 스트림을 생성시키는 단계;
    피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응으로부터, 상기 제2 기체 스트림 내 상기 CO 기체 및 수소(H2) 기체를 사용하여 탄화수소를 생성시키는 단계로서, 상기 피셔-트롭쉬 반응에 의해서 열이 생성되는, 상기 탄화수소를 생성시키는 단계; 및
    상기 피셔-트롭쉬 반응에서 생성된 상기 열의 적어도 일부를 사용하여 상기 제1 기체 스트림으로부터 포획된 상기 CO2 기체를 유리시킴에 의해서 상기 화학 흡수제를 재생시키는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 기체 스트림은, 상기 제1 기체 스트림의 총 용적 백분율을 기준으로, CO 기체 및 CO2 기체의 합산 양의 적어도 20 용적 백분율(용적%)을 갖는, 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 제1 기체 스트림이 0.5:1 내지 10:1의 상기 CO 기체:상기 CO2 기체의 몰 비(CO 기체 몰:CO2 기체 몰)를 갖는, 방법.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 제1 기체 스트림이 0.5:1 내지 2.5:1의 CO 기체:CO2 기체의 몰 비(CO 기체 몰:CO2 기체 몰)를 갖는, 방법.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 기체 스트림으로부터 CO2 기체를 포획하는 것이 적어도 하나의 추가 물질을 기체 상으로 포획하는 것을 포함하며, 상기 물질이 아민, 황, 포스페이트 및 시안화물의 군으로부터 선택된 모이어티를 갖는, 방법.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피셔-트롭쉬 반응으로부터 탄화수소를 생성시키는 단계가 C5 내지 C20 탄화수소를 생성시키는 것을 포함하는, 방법.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 피셔-트롭쉬 반응으로부터 C5 내지 C20 탄화수소를 생성시키는데 사용된 상기 제2 기체 스트림 내 상기 CO 기체 및 상기 H2 기체가, 1:1 내지 3:1 범위의 H2 기체 대 CO 기체의 몰 비(H2 기체 몰:CO 기체 몰)로 반응하는, 방법.
  8. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서, 상기 피셔-트롭쉬 반응 후 남아있는 상기 CO 기체 및 H2 기체의 적어도 일부를 상기 제2 기체 스트림으로 반환시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  9. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피셔-트롭쉬 반응 동안 생성된 상기 열을 사용하여 전기를 생산하는 단계를 추가로 포함하며, 상기 전기의 생산으로부터의 폐열이 상기 피셔-트롭쉬 반응 동안 생성된 상기 열의 상기 일부로 사용되어 상기 화학 흡수제를 재생시키는, 방법.
  10. 적어도 CO 기체 및 CO2 기체를 갖는 제1 기체 스트림에 대한 입구를 가지며, 화학 흡수제를 사용하여 상기 제1 기체 스트림으로부터 CO2 기체를 포획하여, 제1 기체 스트림과 비교하여 더 높은 농도의 CO 기체 및 더 낮은 농도의 CO2 기체를 갖는 제2 기체 스트림을 생성시키는, CO2 흡수 시스템;
    상기 제2 기체 스트림을 수용하기 위한 CO2 흡수 시스템에 그리고 수소(H2) 기체 공급원에 연결되는 피셔-트롭쉬 반응기로서, 상기 H2 기체 및 상기 제2 기체 스트림으로부터의 상기 CO 기체를 사용하여 피셔-트롭쉬 반응으로부터 탄화수소를 촉매적으로 생성시키도록 작동하며, 상기 피셔-트롭쉬 반응으로부터 열이 생성되는, 상기 피셔-트롭쉬 반응기; 및
    상기 피셔-트롭쉬 반응기에 연결되어, 상기 피셔-트롭쉬 반응 동안 생성된 열을 포획하는, 열 교환기; 및
    상기 CO2 흡수 시스템 및 상기 열 교환기 둘 모두에 연결된 CO2 탈착 시스템으로서, 상기 피셔-트롭쉬 반응기에 연결된 상기 열 교환기에 의해 포획된 상기 열의 적어도 일부가 포획된 CO2 기체를 유리시키도록 상기 CO2 탈착 시스템에서 상기 화학 흡수제를 열적으로 재생시키는, CO2 탈착 시스템을 포함하는, 통합 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 제1 기체 스트림은, 상기 제1 기체 스트림의 총 용적 백분율을 기준으로, CO 기체 및 CO2 기체의 합산 양의 적어도 20 용적 백분율(용적%)을 갖는, 통합 시스템.
  12. 청구항 10 또는 청구항 11에 있어서, 상기 제1 기체 스트림이 5 내지 60 용적 백분율(용적%)의 질소 기체, 15 내지 50 용적%의 CO 기체, 5 내지 35 용적%의 CO2 기체 및 1 내지 35 용적%의 수소 기체를 포함하는, 통합 시스템.
  13. 청구항 10 내지 12 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 기체 스트림이 0.5:1 내지 10:1의 CO 기체 대 CO2 기체의 몰 비(CO 기체 몰:CO2 기체 몰)를 갖는, 통합 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 제1 기체 스트림이 0.5:1 내지 2.5:1의 CO 기체:CO2 기체의 몰 비(CO 기체 몰:CO2 기체 몰)를 갖는, 통합 시스템.
  15. 청구항 10 내지 14 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피셔-트롭쉬 반응에서 탄화수소를 생성시키는데 사용된 상기 제2 기체 스트림 내 상기 CO 기체 및 상기 H2 기체가, 1:1 내지 3:1 범위의 H2 기체 대 CO 기체의 몰 비(H2 기체 몰:CO 기체 몰)로 반응하는, 통합 시스템.
  16. 청구항 10 내지 15 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피셔-트롭쉬 반응기가 200℃ 내지 260℃ 범위의 온도 그리고 1000 kPa 내지 5000 kPa 범위의 압력에서 작동하는, 통합 시스템.
  17. 청구항 10 내지 16 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피셔-트롭쉬 반응에 의해 C5 내지 C20 탄화수소가 생성되는, 통합 시스템.
  18. 청구항 11 내지 17 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피셔-트롭쉬 반응기로부터의 CO2 기체가 상기 CO2 흡수 시스템의 입구로 공급되는, 통합 시스템.
  19. 청구항 11 내지 18 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피셔-트롭쉬 반응기로부터의 상기 CO 기체 및 H2 기체의 적어도 일부가 상기 피셔-트롭쉬 반응기로 반환되는, 통합 시스템.
  20. 청구항 11 내지 19 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피셔-트롭쉬 반응기의 상기 열 교환기에 의해 포획된 상기 열이 먼저 전기를 생산하는데 사용되며, 상기 전기의 생산 후 남아있는 폐열이 상기 CO2 탈착 시스템에서 상기 화학 흡수제를 열적으로 재생시키는데 사용되는, 통합 시스템.
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