KR20200030507A - Co₂흡착 및 포획을 위한 유형 v 흡착제 및 기체 농축의 용도 - Google Patents

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Abstract

공급 스트림 중의 부착물(sorbate)의 농축 및 유형 V 흡착제를 사용하는 후속 흡착을 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 바람직하게는, CO2는, 2,2-다이메틸-1,3-다이아미노프로판(dmpn)-부착된 Mg2(dobpdc)(dobpdc = 4,4'-다이옥사이도-3,3'-바이페닐다이카복실레이트) 또는 N,N'-다이메틸에틸렌다이아민(mmen)-부착된 Mg2(dobpdc) 상에 흡착된다.

Description

CO₂흡착 및 포획을 위한 유형 V 흡착제 및 기체 농축의 용도
최적의 기체 흡착 조건을 미세 조정하기 위해 유형 V 흡착제 및 기체 농축을 사용하여 변동 흡착 공정 동안 흡착제의 작업 용량을 개선하기 위한 시스템 및 방법이 제공된다.
기체 분리는 다수의 산업에서 중요하며, 전형적으로, 혼합물 중 덜 용이하게 흡착되는 성분 대비 더 용이하게 흡착되는 성분을 우선적으로 흡착하는 흡착제 위쪽으로 기체들의 혼합물을 유동시킴으로써 달성될 수 있다. 기체 분리 기술의 더 중요한 유형 중 하나는 변동 흡착, 예컨대 압력 변동 흡착(PSA)이다. PSA 공정은, 압력 하에, 기체가 미세다공성 흡착제 물질의 공극 구조 내에 또는 중합체성 물질의 자유 부피 내에 흡착되는 경향이 있다는 사실에 의존한다. 압력이 높을수록, 더 많은 양의 표적 기체 성분이 흡착될 것이다. 압력이 감소되면, 흡착된 표적 성분이 방출되거나 탈착된다. PSA 공정은 기체 혼합물 중의 기체를 분리하는데 사용될 수 있으며, 그 이유는, 상이한 기체들이 흡착제의 미세공극 또는 자유 부피를 상이한 정도로 충전하는 경향이 있기 때문이다.
또다른 중요한 기체 분리 기술은 온도 변동 흡착(TSA)이다. TSA 공정 역시, 기체가 미세다공성 흡착제 물질의 공극 구조 내에 또는 중합체성 물질의 자유 부피 내에 흡착되는 경향이 있다는 사실에 의존한다. 흡착제의 온도가 증가하면, 흡착된 기체가 방출되거나 탈착된다. 흡착제 층의 온도를 주기적으로 변동시킴으로써, TSA 공정이, 기체 혼합물 중의 하나 이상의 성분에 대해 선택적인 흡착제와 함께 사용될 때 혼합물 중의 기체를 분리하는데 사용될 수 있다.
통상적인 온도 변동 흡착(TSA) 공정은, 목적하는 기체 성분을 더 낮은 온도에서 선택적으로 흡착시키고 이어서 상기 성분을 더 높은 온도에서 탈착시키기 위해 고체 흡착제를 사용한다. 통상적인 고체 흡착제는 모놀리스 유형 구조 또는 고체 흡착제 입자 층에 해당할 수 있다.
금속 유기 골격구조(MOF), 특히, 유형 V 등온선 프로파일을 나타내는 MOF, 예를 들어 다이아민-부착된 Mg2(dobpdc), 예컨대 2,2-다이메틸-1,3-다이아미노프로판(dmpn)-부착된 Mg2(dobpdc)(dobpdc = 4,4'-다이옥사이도-3,3'-바이페닐다이카복실레이트) 및 N,N'-다이메틸에틸렌다이아민(mmen)-부착된 Mg2(dobpdc)는 종래 기술에서 공지된 흡착제에 비해 기체 흡착에서 상당히 개선된 작업 용량 및 에너지 효율(즉, 낮은 흡착/탈착 온도)을 나타내었다. 부착물(sorbate) 기체의 낮은 분압(예를 들어, CO2 농도가 약 3 내지 5%인 경우의 천연 가스 연도 기체)에서는 이러한 개선된 용량을 이용할 수 없다. 이는 낮은 포획 회복 성능으로 해석된다. 부착물의 농도를 고도의 에너지 효율적 흡착제(예컨대, 유형 V 흡착제)에서 흡착제의 최적 포획 특성과 정확히 일치하도록 변경하는 것이 유리할 것이다.
모든 연소후("PC") CO2 포획 기술은, 연도 기체 중의 CO2가 저압(단지 약 1 atm)에서 저농도(3 내지 15 %)로 존재한다는 단점이 있다. CO2를 분리하려면 다량의 에너지가 필요한다. 1 기압에서 연도 기체 중 10% CO2를 90% 회수하기 위해서는, CO2를 0.1 기압 내지 1 기압으로 만들고 이어서 150 기압의 전달 압력으로 추가로 압축하여야 한다. NETL에서 수행된 분석은, 통상적인 흡수 공정을 사용한 CO2 포획 및 압축이, 새로 구축된 초임계 PC 발전소의 전력 비용을 64 cent/kWh에서 118.8 cent/kWh로 86%만큼 증가시켰음을 보여준다(문헌[Julianne M. Klara, DOE/NETL-2007/1281, Revision 1, August 2007, Exhibit 4-48 LCOE for PC Cases] 참조). 수성 아민은 PC 발전소의 CO2 포획을 위한 최첨단 기술로 간주되지만, $68/(회피할 CO2 톤)의 비용을 가진다(문헌[Klara 2007, DOE/NETL-2007/1282] 참조). 연도 기체로부터 CO2를 제거하는 것이 경제적이도록 하기 위해서는 에너지 및 기타 비용을 최소화하는 방법을 개발하는 것이 필요할 것이다.
기체 스트림으로부터 CO2를 제거하는 방법은, 용매를 사용한 흡착, 흡착제를 사용한 흡착, 멤브레인 분리, 및 극저온 분별 및 이들의 조합을 포함한다. CO2를 포획하기 위한 흡착/탈착 공정에서는, 흡착제 또는 용매를 재생하는데 필요한 에너지가 큰 비용 요소이다.
기체 성분을 흡착하기 위한 시스템 및 방법이 본원에 제공되며, 상기 시스템 및 방법은 본원 전반에 걸쳐 상호교환적으로 논의될 수 있다. 하나의 양태에서, 상기 방법은, 제 1 농도의 기체 성분을 포함하는 공급 스트림을 제 1 온도에서 제공하는 단계; 상기 공급 스트림을, 상기 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도로 냉각시키는 단계; 상기 공급 스트림을 농축기(concentrator)에 노출시켜, 상기 기체 성분의 제 1 농도보다 높은 상기 기체 성분의 제 2 농도를 갖는 농축된(enriched) 공급 스트림을 생성하는 단계; 상기 농축된 공급 스트림을, 유형 V 흡착제를 포함하는 흡착제 입자에 노출시켜, 상기 공급 스트림보다 낮은 농도의 기체 성분을 갖는 흡착제 유출물을 생성하는 단계; 및 상기 기체 성분의 적어도 일부를 상기 제 2 온도보다 높은 탈착 온도에서 상기 흡착제 입자로부터 탈착시키는 단계를 포함한다. 몇몇 경우, 상기 농축기는 멤브레인, 금속 유기 골격구조 또는 이들의 조합을 포함한다. 다른 경우, 농축된 O2 수준에서 연소전 공급 스트림을 연소시켜, CO2-농축된 연소후 공급 스트림을 생성함으로써, 상기 농축된 공급 스트림을 생성한다.
상기 공급 스트림의 냉각은, 흡착제 입자의 상류에서, 상기 농축의 상류에서, 상기 공급 스트림을 흡착제 입자와 접촉시킴과 동시에, 및/또는 이들의 조합에서 수행될 수 있다. 상기 공급 스트림을 흡착제 입자와 접촉시킴과 동시에 상기 공급 스트림을 냉각시키는 경우, 냉각은 트리클 베드 접촉기, 중공 섬유 접촉기, 교번 기체 및 액체 채널을 갖는 병렬 채널 모놀리스, 쉘/튜브 열교환기 또는 이들의 조합을 통해 달성할 수 있다.
특정 양태에서, 상기 기체 성분의 제 1 농도는 1 내지 10 부피%이다. 다른 양태에서, 상기 기체 성분의 제 2 농도는 약 10 내지 25 부피%이다. 특정 양태에서, 상기 기체 성분의 제 2 농도는, 유형 V 흡착제의 하한 수준 포획 한계(하기 정의됨)에 기초하여 선택된다. 표적 기체 성분은 CO2일 수 있다. 공급 스트림 자체는 기체 성분(예컨대, 연소 연도 기체, 천연 가스 및/또는 천연 가스 연소 연도 기체)을 함유하는 임의의 개수의 스트림일 수 있다. 탈착 온도는 흡착 온도보다 적어도 20℃(예컨대, 20 내지 40℃, 20 내지 70℃ 또는 20 내지 100℃) 높을 수 있다.
다른 양태에서, 탈착 후 흡착제 입자 중의 흡착된 기체 성분의 적재량은, 노출 종결시의 흡착제 입자 중의 기체 성분의 적재량의 50% 미만이다. 또다른 양태에서, 투입 유체를 흡착제 입자에 노출시키는 단계는, 투입 유체를 슬러리 접촉기, 유동층 접촉기, 트리클 베드 접촉기, 중공 섬유 접촉기, 교대 기체 및 액체 채널을 갖는 병렬 채널 모놀리스, 쉘/튜브 열교환기 또는 이들의 조합 내에서 흡착제 입자에 노출시키는 것을 포함한다. 흡착제 입자는 아민-부착된 금속 유기 골격구조, 예컨대 mmen-Mg2(dobpdc) 및/또는 dmpn-Mg2(dobpdc)를 포함할 수 있다.
도 1은, 유형 I 내지 V 흡착제에 의한 기체의 흡착 등온선의 예를 개략적으로 도시하는 것이다.
도 2는, 유형 I 흡착제에 의한 CO2 흡착에 대한 흡착 등온선 및 잠재적 작업 용량의 예를 개략적으로 도시하는 것이다.
도 3은, 유형 V 흡착제에 의한 CO2 흡착에 대한 흡착 등온선 및 잠재적 작업 용량의 예를 개략적으로 도시하는 것이다.
도 4a 및 4b는, 각각, 부적절한 CO2 농도 및 바람직한 CO2 농도에서 유형 V 흡착제에 의한 CO2 흡착에 대한 흡착 등온선 및 잠재적 작업 용량의 예를 개략적으로 도시하는 것이다.
도 5는, 본원에 기술된 변동 흡착 공정을 수행하기에 적합한 시스템의 예를 개략적으로 도시하는 것이다.
도 6a 및 6b는, 10%의 CO2 공급 농도 및 각각 40℃ 및 75℃의 흡착 온도에서 유형 V 흡착제에 의한 CO2의 파과(breakthrough) 및 우회(bypass)의 예를 개략적으로 도시하는 것이다.
도 7a 및 7b는, 75℃에서 각각 4% 및 15%의 CO2 농도에서 CO2의 흡착에 대한 흡착 등온선을 개략적으로 도시하는 것이다.
정의
본원에서 용어 "파과"는, 흡착 층에 노출된 후 유출물 부착물 농도가 유입물 부착물 농도와 실질적으로 동일한 시점을 지칭하며, 이는, 흡착 층이 부착물로 포화됨으로써 유발된다.
본원에 사용된 용어 "우회"는, 유입물 공급 스트림 중의 부착물의 제시된 분압에서 특정 흡착제의 흡착 등온선이 부착물 흡착에 대해 비활성화되는 것으로 인해 유출물 부착물 농도의 증가가 관찰되는 시점을 지칭한다.
본원에 사용된 "하한 수준 포획 한계"는, 상기 한계 미만에서, 제시된 흡착 등온선에 대한 우회가 발생하는, 유입물 공급 스트림 중의 부착물의 분압 또는 농도를 지칭한다.
개요
변동 흡착 공정은, 공급 혼합물(전형적으로, 기상 상태)이, 덜 용이하게 흡착되는 성분에 비해 더 용이하게 흡착되는 성분을 우선적으로 흡착할 수 있는 흡착제 위쪽로 유동하고/하거나 이에 노출되는 흡착 단계를 가질 수 있다. 흡착제의 동역학적 또는 평형 특성으로 인해, 특정 성분이 더 용이하게 흡착될 수 있다. 흡착제는 전형적으로, 변동 흡착 유닛의 일부인 접촉기 내에 함유된다. 상기 논의에서, 접촉기는 미립자 흡착제 층을 함유할 수 있거나, 다르게는, 미립자 흡착제가 열 전달 유체에 현탁되어 슬러리를 형성할 수 있다. 변동 흡착 유닛 내의 다른 구성요소는 밸브, 배관, 탱크 및 기타 접촉기일 수 있다. 몇몇 양태에서, 복수의 접촉기가 변동 흡착 시스템의 일부로서 사용될 수 있다. 이는, 흡착 및 탈착이 연속 공정으로서 수행되도록 할 수 있으며, 이때 하나 이상의 접촉기가 흡착에 사용되고, 하나 이상의 추가적 접촉기가 탈착에 사용된다. 접촉기가 흡착 동안 최대 적재량에 근접하고/하거나 탈착 조건 하에 완전한 탈착에 접근함에 따라, 접촉기로의 유동은 흡착과 탈착 사이에서 스위칭될 수 있다. 탈착 단계 이후, 흡착제가 기체 성분의 상당한 적재량을 보유할 수 있음에 주목한다. 다양한 양태에서, 탈착 단계 종결시의 흡착된 기체 성분을 갖는 흡착제의 적재량은 약 0.001 mol/kg 이상, 또는 약 0.01 mol/kg 이상, 또는 약 0.1 mol/kg 이상, 약 0.2 mol/kg 이상, 또는 약 0.5 mol/kg 이상, 또는 약 1.0 mol/kg 이상, 및/또는 약 3.0 mol/kg 이하, 또는 약 2.5 mol/kg 이하, 또는 약 2.0 mol/kg 이하, 또는 약 1.5 mol/kg 이하, 또는 약 1.0 mol/kg 이하, 또는 약 0.1 mol/kg 이하일 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 탈착 단계 종결시의 상기 적재량은, 이전 흡착 단계 종결시의 상기 적재량에 대해 특징지어질 수 있다. 탈착 단계 종결시의 흡착된 기체 성분을 갖는 흡착제의 적재량은, 이전 흡착 단계 종결시의 흡착제 적재량의 약 0.01% 이상, 또는 약 0.1% 이상, 또는 약 1% 이상, 또는 약 5% 이상, 또는 약 10% 이상, 또는 약 20% 이상, 또는 약 30% 이상, 또는 약 50% 이상, 및/또는 약 90% 이하, 또는 약 70% 이하, 또는 약 50% 이하, 또는 약 40% 이하, 또는 약 30% 이하, 또는 약 20% 이하, 또는 약 10% 이하, 또는 약 5% 이하, 또는 약 1% 이하, 또는 약 0.1% 이하일 수 있다.
흡착제 재생 방법은 변동 흡착 공정의 유형을 지정한다. 압력 변동 흡착(PSA) 공정은, 기체가 압력 하에 미세다공성 흡착제 물질의 공극 구조 내에 흡착되는 경향이 있다는 사실에 의존한다. 압력이 높을수록, 흡착될 표적 기체 성분의 양이 더 많아진다. 압력이 감소되면, 흡착된 표적 성분이 방출되거나 탈착된다. PSA 공정은 기체 혼합물 중의 기체를 분리하는데 사용될 수 있으며, 그 이유는, 상이한 기체들이 흡착제의 평형 또는 동역학적 특성으로 인해 흡착제의 미세공극 또는 자유 부피를 상이한 정도로 채우는 경향이 있기 때문이다. 온도 변동 흡착(TSA) 공정 역시, 기체가 미세다공성 흡착제 물질의 공극 구조 내에서 흡착되는 경향이 있다는 사실에 의존한다. 흡착제의 온도가 증가하면, 흡착된 기체가 방출되거나 탈착된다. 흡착제 층의 온도를 주기적으로 변동시킴으로써, 기체 혼합물 중의 하나 이상의 성분에 대해 선택적인 흡착제와 함께 사용되는 경우, TSA 공정을 사용하여 혼합물 중의 기체를 분리할 수 있다.
온도 변동 흡착(TSA) 공정(열 변동 흡착 공정으로도 지칭됨)은, 2개 이상의 단계(흡착 단계 및 열-보조된 재생 단계)를 통해 반복적으로 순환되는 흡착제를 사용할 수 있다. 흡착제의 재생은, 흡착제로부터 표적 성분을 탈착시키기에 효과적인 온도로 흡착제를 가열함으로써 달성될 수 있다. 이어서, 또다른 흡착 단계가 완료될 수 있도록, 흡착제를 냉각시킬 수 있다. TSA 공정에 대한 연속적인 흡착 단계들 간의 사이클 시간은 전형적으로 대략 수 분, 예컨대 약 0.2분 내지 약 120분 또는 그 이상일 수 있다. 몇몇 양태에서, TSA 공정에 대한 연속적인 흡착 단계들 간의 사이클 시간은 약 30분 미만, 또는 약 10분 미만, 또는 약 2분 미만, 또는 약 1분 미만일 수 있다. 상기 사이클 시간은 흡착제 층의 특성, 예컨대 트리클 베드 접촉기의 층 깊이에 부분적으로 의존할 수 있다. TSA 공정을 사용하여, 90 부피% 초과, 예를 들어 95 부피% 초과, 또는 몇몇 경우는 98 부피% 초과의 매우 높은 생성물 회수율을 수득할 수 있다. 본원에 사용된 용어 "흡착"은 물리 흡착, 화학 흡착, 고체 지지체 상의 응축, 고체-지지된 액체로의 흡수, 고체-지지된 액체로의 화학 흡착 및 이들의 조합을 포함한다.
TSA 사이클은 또한, 흡착 단계의 온도로부터 탈착 단계의 온도로의 흡착제의 온도 변화를 전형적으로 포함할 수 있다. 흡착 단계는, 흡착을 위한 성분을 함유하는 투입 기체에 대해 기체 유동이 시작되는 시간 및 기체 유동이 정지되는 시간에 기초하여 정의될 수 있다. 탈착 단계는, 흡착제로부터 탈착되는 기체가 수집되는 시간 내지 수집이 종료되는 시간에 기초하여 정의될 수 있다. 이들 단계 이외의 사이클 중의 임의의 시간을 흡착제 온도의 추가 조절에 사용할 수 있다. 몇몇 양태에서, 열 전달 유체는, 흡착 단계 및 탈착 단계에만 해당하는 TSA 사이클이 수행되도록 할 수 있는데, 그 이유는, 상기 층의 온도를 조절하기 위한 개재 단계를 반드시 필요로 하지 않고도, 열 전달 유체가 흡착/탈착 단계가 시작되도록 할 수 있기 때문이다.
TSA 분리의 잠재적 이점은, 상기 공정이 편리한 압력에서 또는 편리한 압력 근처의 소량의 변화로 수행될 수 있다는 것이다. 예를 들어, TSA 분리의 목적은, 흡착되고 이어서 탈착되는 기체 성분의 실질적으로 순수한 스트림을 개발하는 것일 수 있다. 이러한 유형의 양태에서, 탈착 단계에 편리한 압력은 약 1 bar(100 kPa) 이하의 압력일 수 있다. 스트림을 약 100 kPa 초과에서 탈착시키려는 시도는, 탈착을 위한 실질적인 추가의 온도 증가를 필요로 할 수 있다. 추가적으로, 주위 압력 역시 흡착 단계에 편리한 압력일 수 있으며, 그 이유는, 흡착을 위한 기체 성분을 함유하는 수많은 스트림이, 저압일 수 있는 "폐기물" 또는 연도 기체 스트림에 해당할 수 있기 때문이다. 몇몇 양태에서, 흡착 단계와 탈착 단계 간의 압력차는 약 1,000 kPa 이하, 또는 약 200 kPa 이하, 또는 약 100 kPa 이하, 또는 약 50 kPa 이하, 또는 약 10 kPa 이하일 수 있다.
온도 변동 흡착(TSA)을 사용하여 기체 유동으로부터 성분을 분리하기 위해 다양한 유형의 고체 흡착제가 이용가능하다. 통상적인 TSA 공정 동안, 기체 유동에서 하나 이상의 성분이 고체 흡착제에 의해 우선적으로 흡착되어, 감소된 농도의 흡착된 성분을 갖는 스트림을 제공할 수 있다. 이어서, 흡착된 성분은 고체 흡착제로부터 탈착 및/또는 대체되어, 임의적으로, 증가된 농도의 흡착된 성분을 갖는 스트림을 형성할 수 있다.
본원에서는, 다양한 위치에서, 기체 공급물로부터 CO2를 흡착하고 후속적으로 실질적으로 순수한 CO2 스트림을 탈착시키는 것이 언급될 수 있다. 이러한 예는 개념을 설명하기 위해 사용된 것이며, 당업자는, 예시된 일반적인 원리가 온도 변동 흡착을 수행하기 위한 기체 성분 및 흡착제의 임의의 편리한 조합에 적용될 수 있음을 이해할 것이다. 이러한 예시적인 예에서, 정유 공정 또는 가스 발전소로부터의 연도 기체는 약 0.1 부피% 내지 약 10 부피%의 CO2 농도를 가질 수 있다. 연도 기체 스트림으로부터 CO2를 흡착하고 이어서 CO2를 탈착하여, 농축된 CO2 스트림, 예컨대 90 부피% 이상, 또는 95 부피% 이상, 또는 98 부피% 이상의 CO2를 갖는 스트림이 형성하는 것이 바람직할 것이다. 흡착/탈착 사이클의 일부로서 흡착되고 이어서 탈착될 수 있는 CO2(또는 다른 기체 성분)의 양이, CO2/기체 성분에 대한 흡착제의 작업 용량으로서 지칭된다.
유형 V 등온 흡착제
흡착제는 제시된 기체 성분에 대해 흡착제가 갖는 흡착 등온선의 유형에 기초하여 특징지어질 수 있다. 흡착제는 일반적으로 흡착 등온선의 1985 IUPAC 분류에 따라 6가지 유형으로 분류할 수 있다. 유형 I 흡착제는, 기체 성분의 단층 흡착에 해당하고 일반적으로 랭뮤어(Langmuir) 흡착 등온선으로 나타내어질 수 있는 흡착 등온선을 갖는다. 유형 I 등온선의 경우, 단층이 용이하게 흡착될 수 있으며, 이때 압력이 증가함에 따라 단층을 넘어서는 추가적 흡착이 거의 없거나 전혀 없다. 유형 II 흡착제는, 다층 흡착에 해당하는 흡착 등온선을 가지며, 이때 중간 압력에서의 안정기(plateau)가 단층 흡착에 해당한다. 유형 III 흡착제는, 단층 흡착에 해당하는 중간 안정기가 없는 다층 흡착을 나타낸다. 유형 IV 및 유형 V 흡착제는 각각 유형 II 및 유형 III 흡착제와 유사하지만, 모세관 응축을 허용할 수 있는 미세공극 및/또는 메조공극을 갖는 흡착제에 해당한다. 이는, 흡착제 거동에 이력현상을 제공할 수 있다. 유형 VI 등온선은, 연속적인 2차원 상 전이가 발생할 수 있는 단계적 흡착 공정을 나타낸다. 몇몇 흡착제가 등온선의 엄격한 정의 하의 흡착에 대한 "등온선"을 갖지 않을 수 있음에 주목한다. 이는, 예를 들어, 온도 변화에 따라 흡착제에서 발생하는 구조적 변화 및/또는 상 변화로 인한 것일 수 있다. 상기 논의에서, 흡착제는, 흡착 동안 흡착제 구조의 변화로 인해 흡착 프로파일의 형태가 진짜 "등온선"을 나타내지 않더라도, 해당 IUPAC 분류에 기초하여 유형 I 내지 유형 VI 흡착제로서 정의된다. 도 1은 유형 I 내지 V의 전형적인 흡착 등온선의 개략적인 묘사를 제공한다.
다양한 양태에서, 본원에서는, 고도의 에너지 효율적 흡착제(예컨대, 유형 V 흡착제)의 포획 특성을 최적화하기 위해 투입 유체 내의 기체 부착물의 농도를 조절하는 방법이 제공된다. 유형 V 등온선의 단계적 성질로 인해, 흡착제(예컨대, mmen Mg2(dobpdc) 및 dmpn-Mg2(dobpdc))의 작업 용량은 총 흡착 용량과 유사할 수 있다(예컨대, 흡착 조건에서 총 용량의 약 80% 이상, 또는 총 용량의 약 90% 이상). 이는, 흡착 조건에서 작업 용량이 약 1 mol/kg 미만이고/이거나 작업 용량이 총 흡착제 용량의 약 50% 미만에 해당하는, 유형 I 등온선을 갖는 다수의 전형적인 흡착제의 작업 용량과 대조적이다. 다시, 하기 설명은, 천연 가스 발전소의 연도 기체로부터 CO2를 제거하는 예시적인 경우에 중점을 두지만, 본원에 기술된 일반적인 공정이 임의의 기체 부착물에 적용될 수 있고, 이때 상기 부착물의 농도는 고 용량 흡착제(예컨대, 유형 V 흡착제)에 대한 흡착을 최대화하면서 또한 우회를 피하도록 조절될 수 있음을 당업자가 이해해야 한다.
도 2는, 유형 1 흡착 등온선을 나타내는 제올라이트 13X에 대한 CO2 흡착 등온선의 예를 도시한다. CO2의 흡착/탈착을 위해 제올라이트 13X을 사용하는 것은, 전형적인 연도 기체 중의 H2O의 존재로 인해 약간의 어려움을 야기할 수 있음에 주목한다. 그러나, 제올라이트 13X는 흡착/탈착 사이클의 개념을 설명하기에 적합하다. 도 2에서는, 4 부피%의 CO2 농도가 CO2의 대표적인 희석 농도(예컨대, 연도 기체에서 발생할 수 있는 CO2의 농도)로서 선택되었다. 도 2에서, 수직 점선은, 4 부피% 또는 100 부피%의 농도에 대응하는 CO2 분압(4 kPa 또는 100 kPa에서)을 나타낸다. 도 2에 도시된 바와 같이, 흡착 등온선은 온도에 따라 변하며, 이때 더 낮은 온도는 제시된 온도에서 더 많은 양의 흡착된 CO2에 해당한다.
작업 용량을 결정하는 한 가지 방법은, 기체 성분/고체 흡착제 조합에 대한 흡착 등온선에 기초한다. 흡착 등온선을 사용하고, 흡착 및 탈착 동안 기체 성분의 예상 농도에 기초하여, 흡착 및 탈착 조건 하에서 기체 성분의 흡착량의 차이로서 작업 용량을 계산할 수 있다. 도 2에 도시된 값은, 27℃의 흡착 온도 및 140℃의 탈착 온도에서 제올라이트 13X에 의한 CO2 흡착에 대한 작업 용량의 결정을 허용할 수 있다. 도 2의 값에 기초하여, 약 100 kPa의 총 압력에서, 흡착제의 작업 용량은, 도 2에서 수평선으로 도시된 바와 같이, 흡착제 kg 당 약 0.5 몰 CO2이다. 4 부피% CO2에 대응하는 수직 점선과 27℃의 등온선의 교차점은, 100 kPa 및 27℃에서의 가상적인 흡착 단계 동안 기체 스트림으로부터의 CO2 흡착을 위한 흡착제의 흡착 용량(이는, 약 3 mol CO2/kg임)을 나타낸다. 유사하게, 100% CO2에 대응하는 수직 점선과 140℃ 등온선의 교차점은, 140℃ 및 100 kPa에서 실질적으로 순수한 CO2 스트림을 탈착하려고 시도할 때 흡착제에 의해 보유되는 CO2의 예상량(이는, 약 2.5 mol CO2/kg임)을 나타낸다. 도 2의 수평선은, 이들 값의 차이(약 0.5 mol CO2/kg의 작업 용량에 해당함)를 예시한다.
27℃ 등온선 및 140℃ 등온선에 기초한 작업 용량의 상기 계산은 작업 용량에 대한 이상적인 값을 나타낸다. 불행하게도, 흡착제의 실제 작업 용량은 전형적으로 사이클의 흡착 기간 동안 흡착제에서의 온도 증가로 인해 이상적인 값보다 더 낮다. 기체 성분이 고체 흡착제에 의해 흡착될 때, 흡착 열에 해당하는 열량이 생성될 수 있다. 이렇게 생성된 열은 전형적으로, 부분적으로는, 흡착제로부터 열을 이동시키기 위한 기체 유동의 제한된 열 용량으로 인해, 흡착제의 온도 증가를 유발한다. 대략적으로 몰/kg에 해당하는 흡착량의 경우, 흡착제의 대응 온도 증가는 대략 수 십℃일 수 있다. 도 2는, 흡착제의 이러한 온도 증가가 작업 용량에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지의 예를 도시한다. 도 2에 도시된 예의 경우, 27℃에서 45℃로의 흡착제 온도의 증가(흡착제에 의한 기체 성분의 흡착에 기초하여 발생할 수 있는 대표적인 온도 증가)는 등온선을 이동시킬 수 있다. 45℃에서, 흡착제의 작업 용량은, 140℃의 탈착 온도를 가정할 때, 예를 들어 약 0 몰/kg까지 훨씬 더 감소될 것이다.
고전적인 유형 I 흡착제의 경우, 온도가 증가함에 따라 등온선의 가파름이 점차 감소하며(도 2에 도시된 바와 같음), 분리를 위한 큰 작업 용량을 달성하기 위해서 높은 탈착 온도를 필요로 한다. 대조적으로, 유형 V 흡착 등온선에서는, 온도의 작은 증가만으로도 큰 작업 용량이 달성될 수 있도록, 등온선 단계의 위치가 온도 증가에 따라 더 높은 압력으로 크게 이동한다. 높은 CO2 회수율(즉, 연도 기체로부터의 높은 CO2 제거율) 및 생성물 스트림 중의 높은 CO2 순도를 갖는 효율적인 탄소 포획 공정을 위해, 목적하는 CO2 회수율을 달성하는데 필요한 연도 기체 중의 CO2의 분압 미만에 배치된(즉, 흡착제의 하한 수준 포획 한계에서) 큰 수직 단계를 갖는 유형 V 흡착제를 생성하는 것이 이상적일 것이다.
유형 V 등온선 흡착제는 높은 작업 용량 흡착제로서 큰 잠재력을 갖지만, 낮은 분압에서는 낮은 포획률로 고생한다. 즉, 4% CO2의 천연 가스 발전소 연도 기체로부터 CO2의 90% 이상을 포획하기 위해 유형 V 흡착 단계를 갖는 흡착제가 문제가 되며, 그 이유는, 상기 흡착제가, 부착된 다이아민이 휘발 또는 분해로 인해 손실되기 시작하는 온도보다 낮은 탈착 온도를 가지면서 CO2를 0.4% 이하까지 포획해야 하기 때문일 것이다. 실제로, 더 낮은 CO2 분압에서의 포획은 높은 탈착 온도와 관련된다. 따라서, 투입 부착물의 분압 및 흡착 동안의 기체 온도가 공정 설계에 중요한 매개 변수가 된다. 온도가 변할 수 있지만, 실온에 근접하는 실온 미만의 온도는 비용이 엄청나게 된다.
도 3은, CO2에 대한 유형 V 흡착제인 물질에 대한 CO2 등온선(실험 모델을 사용하여 계산됨)의 예를 도시한다. 도 3에서 모델링된 물질은 mmen Mg2(dobpdc)이다. 상기 물질은 확장된 MOF 74 구조를 가지며, 이때 mmen은 구조 내의 18.4 옹스트롬 채널의 다이아민 작용기화(functionalization)이다. 상기 물질에 대한 추가적인 세부 사항은 예를 들어, 문헌[mmen-Mg 2 (dobpdc) adsorbent, Thomas M. McDonald, Woo Ram Lee, Jarad A. Mason, Brian M. Wiers, Chang Seop Hong, and Jeffrey R. Long, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 7056-7065]에서 확인할 수 있다. 도 3은, 90%의 목적하는 CO2 감소(즉, 0.4% CO2까지의 감소)를 갖는, 4% CO2를 갖는 공급 스트림의 CO2 흡착 모델이다. 도시된 바와 같이, 상기 CO2 감소 목표는 50℃의 흡착 온도 및 155℃의 탈착 온도에서 달성될 수 있다.
도 4a 및 4b는, 공급 스트림 중의 상이한 수준의 CO2에서 CO2를 위한 유형 V 흡착제인 물질에 대한 CO2 등온선의 예를 도시한다. 도 4a 및 4b의 물질은 dmpn Mg2(dobpdc)이다(문헌[Milner, Phillip J., et al., "A Diaminopropane-Appended Metal-Organic Framework Enabling Efficient CO2 Capture from Coal Flue Gas Via a Mixed Adsorption Mechanism", Journal of the American Chemical Society, 2017, 139, 13541-13553] 참조). 도 4a는, 유형 V 흡착제의 작업 용량을 효과적으로 이용하고 흡착제를 통한 CO2의 우회를 피하기 위해 공급물 중의 불충분한 CO2 농도가 존재하는 경우를 예시한다. 등온선 상의 점선은, 약 4%(40 mbar)의 CO2 농도를 갖는 천연 가스 발전소 연도 기체의 흡착을 예시한다. CO2 농도를 90%만큼 감소시키기 위해서는, 점선으로 정의된 약 0.4%(4 mbar)의 CO2 농도에서 등온선이 충분한 흡착을 나타내야 한다. 40℃의 흡착 온도 및 100℃의 탈착 온도를 이용하여, 0.4% CO2에서, 무시할만한 흡착(약 0.08 mol/kg)이 존재함을 알 수 있으며, 이는, 상당량의 CO2가 흡착제를 완전히 우회함을 의미한다. 연도 기체의 온도를 낮추면, 도표 상에서 등온선을 왼쪽으로 이동시킬 수 있지만, 40℃ 미만으로 흡착 온도를 낮추면, 정유소 및 발전소 조건에서 엄청나게 비용이 많이 들게 된다. 본원에 개시된 더 나은 옵션은, 공급 스트림 중의 CO2 분압을 증가시킴으로써(즉, 천연 가스 발전소 연도 기체의 CO2 농도를 증가시킴으로써), 석탄 발전소 연도 기체의 CO2 농도를 더 유사하게 모방하도록 작동 윈도우를 이동시키는 것이다.
도 4b는, 유형 V 흡착 등온선 프로파일을 효과적으로 이용하기 위해 공정에 CO2 농축기를 포함하는 이점을 실제적으로 예시한다. 도 4b에 도시된 등온선은, 40℃의 흡착 온도, 100℃의 탈착 온도 및 약 1.5% 또는 약 15 mbar로의 90% 이상의 CO2 감소 하에, 약 15% 또는 약 150 mbar의 CO2로 농축된 공급 스트림에 관한 것이다. 따라서, 명시된 온도에서 이러한 감소 목표를 달성하기 위해서는, 약 15 mbar 이하에서 단계 변화를 나타내는 흡착제가 필요할 것이며, 도 4b는 이를 명확하게 보여준다(약 10 mbar에서 발생하는 단계 변경 또는 하한 수준 포획 한계). 1.5% CO2 수준에서, CO2는 여전히 약 0.45 mol/kg으로 흡착되고 있다.
따라서, 본원에서는, 부착물 기체의 농도를 고 용량 흡착제의 흡착 특성을 최적화하는 수준으로 증가시키기 위한 기체 농축기가 제공된다. 천연 가스 연도 기체 중의 CO2의 연소후 농도는 당분야에 공지되어 있으며, 다수의 상이한 방식으로 달성될 수 있다. 예를 들어, 선다람(Sundaram)의 미국 특허 출원 공개 제 2017/0087503 호는, 제 1 TSA 흡착 공정이 CO2 농축기로서 사용되어, 제 2 단계 흡착 공정에서 추가로 분리될 CO2-풍부 스트림을 형성하는, 2단계 흡착제 및 공정을 기술하고 있으며, 상기 출원을 본원에 참고로 인용한다. 선다람은, 공정에 사용되는 다수의 흡착제 접촉기(예컨대, 평행 판 접촉기, 흡착제 모놀리스 및 금속 유기 골격구조)를 기술하고 있다. 공개문헌[Merkel, T.C. et al., Selective Exhaust Gas Recycle with Membranes for CO 2 Capture from Natural Gas Combined Cycle Power Plants, 52 Indus. & Eng'g Chem. Res. 1150-59 (2013)]에서, 저자는, 천연 가스 연도 기체가 O2 및 N2보다 CO2에 대해 선택적인 멤브레인과 접촉하여 CO2-농축된 투과물 스트림을 생성하는 배기 기체 재순환 공정을 기술하고 있으며, 상기 문헌을 본원에 참고로 인용한다.
추가적으로 또는 대안적으로, 배기 스트림 중의 CO2 농도는, O2-농축된 산화제를 제공함으로써 연소 이전에 농축될 수 있다. 예를 들어, 연료가 메탄이고 산화제가 공기인 경우, 배기 스트림은 약 4%의 CO2 농도를 갖는다. 공기를 산소로 농축시켜, 배기 CO2 농도를 증가시킬 수 있다.
유형 V 흡착제를 사용하는 작업에서 필요한 또다른 양태는 열 관리이다. 천연 가스 발전소 연도 기체는 전형적으로, 흡착제 층과 접촉하기 이전에 냉각될 필요가있다(연도 기체는 일반적으로 약 120℃에서 열 회수 스팀 생성기를 빠져 나간다). 도 3에 도시된 바와 같이, 유형 V 흡착제는, 부착물 기체에 대한 흡착제로 사용될 때, 온도 증가에 고도로 민감할 수 있다. 공정 제어를 위해, 흡착 공정이 주위 조건과 무관하게 반복가능하고 물 공동-흡착이 더 높은 온도에서 일어나도록(이는, 더 낮은 기생 에너지(parasitic energy)를 유발함), 연도 기체를 주위 온도 초과의 초기 흡착 온도로 냉각시키는 것이 바람직할 수 있다.
추가적으로, 흡착 과정 동안 열이 발생한다. 약 3 mol/kg 용량의 흡착제의 CO2 흡착 동안 생성된 열은 흡착제의 온도를 약 50℃ 이상 증가시킬 수 있다. 통상적인 조건 하에, 이는, 낮은 실제 작업 용량 및/또는 예상치 못한 작업 용량을 유발할 수 있다. 유형 V 흡착제, 예컨대 mmen-Mg2(dobpdc)의 경우, 이러한 온도 증가는 CO2 우회를 허용할 것이다. 따라서, 흡착제 층 자체를 냉각시키는 것을 이용하는 것이 유리할 수 있다. 냉각기를 사용하여, 흡착 작업을 하한 수준 포획 한계 초과로 유지하는데 필요한 양보다 흡착제의 온도 증가가 작도록, CO2 흡착 동안 온도 증가를 줄이거나 최소화할 수 있으며, 이러한 온도 증가는 25℃ 이하, 20℃ 이하, 15℃ 이하, 10℃ 이하, 5℃ 이하, 또는 2℃ 이하일 수 있다. 이러한 유형의 감소된 또는 최소화된 온도 증가의 경우, 초기 흡착 온도는 등온선에서 적어도 충분한 단계적 증가의 흡착을 허용하도록 선택될 수 있다.
따라서, 연도 기체의 온도를 감소시키고/시키거나 흡착 사이클 동안 발생하는 고체 흡착제의 온도 증가를 최소화하기 위해 열 관리 시스템이 제공된다. 이러한 온도 증가를 최소화하는 것은 흡착제의 작업 용량을 향상시킬 수 있고/있거나, 통상적인 흡착 방법을 사용해서는 상업적 규모의 흡착에 실용적이지 않은 흡착제(예를 들어 유형 V 흡착제)의 사용을 가능하게 할 수 있다. 열 관리형 흡착제의 예는, 미국 특허 출원 공개 제 2017/0087506 호에 기술된 바와 같은, 트리클 베드 흡착기, 중공 섬유 접촉기, 교번 기체 및 액체 채널을 갖는 병렬 채널 모놀리스(임의적으로, 3D 인쇄됨), 및 흡착제를 갖는 쉘/튜브 열교환기를 포함한다. 이는, 열 전면(thermal front)이 흡착 전면보다 빠르게 이동하는 방식으로 상대적 액체/기체 속도를 사용하는 것과 조합하여 열전달을 허용할 수 있다. 이는, 흡착제의 개선된 열 회복 및/또는 열 관리를 가능하게 할 수 있다. 흡착 열로부터의 흡착 용량의 임의의 손실이 감소되거나 최소화될 수 있으며, 이는, 고 용량 흡착제(예컨대, (비제한적으로) 유형 V 흡착제)의 사용을 더 실용적으로 만들 수 있다. 트리클 베드 흡착기의 경우, 열 제거가 너무 커서, 유입되는 천연 가스 연도 기체를 냉각시킬 필요가 없을 수 있다.
접촉기 구성
다양한 양태에서, 개선된 유형 V 흡착제 접촉기 공정 및 시스템은, 유형 V 흡착제의 흡착 효율을 최대화하고 우회를 최소화하기 위해 공급 스트림 중의 부착물 기체의 분압을 조작하고 있다. 도 5는, 예시적인 유형 V 접촉기 시스템(500)을 예시한다. 도시된 바와 같이, 부착물 기체를 함유하는 공급 스트림(504)(예를 들어, CO2를 함유하는, 천연 가스 발전소로부터의 연도 기체)은, 공급 스트림의 온도가 유형 V 흡착제에서의 흡착에 적절한 흡착 온도가 되도록 냉각기(501)로 유입된다. 적절한 흡착 온도는 바람직하게는, 예를 들어 주위 온도보다 높을 것이다(예를 들어, 20 내지 70℃, 30 내지 60℃, 40 내지 50℃). 냉각된 공급 스트림은 그 다음 농축기(502)로 유입되고, 이는 부착물-풍부 스트림 및 부착물-희박 스트림(505)을 생성한다. 이어서, 부착물-풍부 스트림은 유형 V 흡착제 접촉기(503)로 유입된다. 부착물-희박 스트림은 공급 스트림(504)으로 재순환될 수 있거나, 추가 처리를 위해 다른 정유소 또는 발전소 구성요소로 향할 수 있다. 부착물-풍부 스트림은, 흡착 등온선의 단계적 증가가 유출물 스트림(506) 중의 부착물 기체의 목적하는 분압 미만으로 발생하도록 부착물 기체의 충분한 농도를 가져야 한다. 유출물 스트림(506)은 일반적으로, 부착물-풍부 스트림의 분압(또는 농도)보다 80% 이상, 85% 이상, 90% 이상, 또는 95% 이상 더 적은 부착물 기체의 분압(또는 농도)을 가질 것이다. 이어서, 유형 V 흡착제 접촉기(503)의 온도는 흡착된 기체의 탈착 온도로 상승될 수 있고, 이어서 이는 탈착된 스트림(507)을 생성하고, 이어서 이는 격리(sequestration)로 향할 수 있다. 탈착 온도는 바람직하게는 200℃ 미만, 175℃ 미만, 150℃ 미만, 125℃ 미만, 또는 100℃ 미만이다. 상기 매개변수가 또한, 예를 들어 80 내지 95% 감소 또는 100 내지 200℃의 범위로 언급될 수 있고, 전술된 것들의 모든 조합이 고려됨을 이해해야 한다.
이는 단지 예시적인 시스템이며 시스템 구성요소가 병합되거나 다른 순서일 수 있음에 주목해야 한다. 예를 들어, 트리클 베드 흡착기의 경우, 냉각기(501)는 유형 V 흡착제(503) 내에 통합된다. 연소 유출물 중의 더 높은 농도의 CO2를 생성하기 위한 O2-농축된 연소의 경우, 농축기(502)는 냉각기(501) 이전에 존재한다.
실시예: 우회 회피
도 6a 및 6b는, 흡착 온도가 유형 V 등온선 흡착제에 미칠 수 있는 영향을 예시한다. 도 6a에서, 흡착제 층은, 1 g의 석영 칩과 혼합된 209.6 mg의 mmen-Mg2(dobpdc) 흡착제로 구성되어, 흡착열로 인한 온도 증가를 완화시킨다. 상기 층을, 120℃에서 건조 N2 유동에 밤새 노출시킴으로써 활성화시켰다. 공급 스트림은, 잔량의 N2와 함께 10% CO2 농도로 구성되었다. 공급 스트림을 20 sccm(분당 표준 입방 센티미터)의 공급 속도로 상기 층에 도입하였다. 흡착 온도는 40℃이고, 탈착 온도는 120℃였다. 본 도표는 유출물 스트림 중의 CO2 농도 및 온도를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 유출물 스트림 중에는 CO2가 없다(즉, 약 500 초까지 우회가 없으며, 이 시점에서 CO2 농도가 10%로 급등하는 것은, 흡착제 층의 포화 또는 파과를 나타냄). 이어서, 온도를 120℃로 증가시켜 흡착된 CO2를 탈착시켰으며, 탈착은, 약 1400초에서 발생하는 CO2 농도의 스파이크에 의해 입증된다.
도 6b는, 흡착 온도가 75℃로 상승되는 것(이는, 도 3에 도시된 흡착 등온선을 오른쪽으로 이동시키는 것과 동일함)을 제외하고는, 도 6a와 관련하여 바로 직전에 설명된 모든 동일한 파라미터를 도시한다. 이 경우, 100초 내지 200초 사이에 약 1.2%의 CO2 우회가 시작되는 것이 보이기 시작한다. 이는, 75℃의 흡착 온도에서 1.2%의 CO2 농도 미만으로 CO2가 흡착되지 않음을 의미한다. 따라서, 75℃의 흡착 온도에서 12% 미만의 공급 스트림 농도를 갖는 mmen-Mg2(dobpdc) 흡착제를 사용해서는 CO2의 90% 감소를 달성할 수 없다.
이는, 75℃의 흡착 온도에 대한 실험적인 유형 V 흡착 등온선을 나타내는 도 7a 및 7b에 의해 확인된다. 구체적으로, 등온선의 단계적 증가(즉, 하한 수준 포획 한계)는 1.2%의 CO2 농도에서 정확하게 발생하며, 이는, 도 6b에서 우회가 보이는 지점에 해당한다. 따라서, 90%의 CO2 흡착을 달성하기 위해서는, 본원에 기술된 임의의 개수의 농축기를 사용하여 공급 스트림의 CO2 농도를 증가시킴으로써 흡착제 층에서의 우회를 피하게 할 수 있다. 도 7b는, CO2를 15%로 농축하는 것이, 우회 없이 1.5%로 CO2를 90% 감소시키는 것을 허용함을 보여준다.
추가적 실시양태
추가적으로 또는 대안적으로, 본 발명은 하기 실시양태 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
실시양태 1. 제 1 농도의 기체 성분을 포함하는 공급 스트림을 제 1 온도에서 제공하는 단계; 상기 공급 스트림을, 상기 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도로 냉각시키는 단계; 상기 공급 스트림을 농축기에 노출시켜, 상기 기체 성분의 제 1 농도보다 높은 상기 기체 성분의 제 2 농도를 갖는 농축된 공급 스트림을 생성하는 단계; 상기 농축된 공급 스트림을, 유형 V 흡착제를 포함하는 흡착제 입자에 노출시켜, 상기 공급 스트림보다 낮은 농도의 기체 성분을 갖는 흡착제 유출물을 생성하는 단계; 및 상기 기체 성분의 적어도 일부를 상기 제 2 온도보다 높은 탈착 온도에서 상기 흡착제 입자로부터 탈착시키는 단계를 포함하는, 기체 성분의 흡착 방법.
실시양태 2. 실시양태 1에 있어서, 상기 기체 성분의 제 2 농도가 유형 V 흡착제의 하한 포획 한계에 기초하여 선택되는, 방법.
실시양태 3. 실시양태 1 또는 2에 있어서, 상기 기체 성분이 CO2를 포함하는, 방법.
실시양태 4. 실시양태 1 내지 3 중 어느 하나에 있어서, 상기 공급 스트림이 연소 연도 기체인, 방법.
실시양태 5. 실시양태 1 내지 3 중 어느 하나에 있어서, 상기 공급 스트림이 천연 가스 연소 연도 기체인, 방법.
실시양태 6. 실시양태 1 내지 3 중 어느 하나에 있어서, 상기 공급 스트림이 천연 가스인, 방법.
실시양태 7. 실시양태 1 내지 6 중 어느 하나에 있어서, 상기 기체 성분의 제 1 농도가 약 1 내지 10 부피%인, 방법.
실시양태 8. 실시양태 1 내지 7 중 어느 하나에 있어서, 상기 기체 성분의 제 2 농도가 약 10 내지 25 부피%인, 방법.
실시양태 9. 실시양태 1 내지 8 중 어느 하나에 있어서, 상기 탈착 이후 상기 흡착제 입자 중의 흡착된 기체 성분의 적재량이, 상기 노출 종결시의 상기 흡착제 입자 중의 상기 기체 성분의 적재량의 50% 미만인, 방법.
실시양태 10. 실시양태 1 내지 9 중 어느 하나에 있어서, 탈착 온도가 상기 제 2 온도보다 적어도 약 20℃만큼 높은, 방법.
실시양태 11. 실시양태 1 내지 10 중 어느 하나에 있어서, 상기 공급 스트림을 냉각시키는 단계가, 상기 농축기의 상류에서 상기 공급 스트림을 냉각시키는 것을 포함하는, 방법.
실시양태 12. 실시양태 1 내지 11 중 어느 하나에 있어서, 상기 공급 스트림을 냉각시키는 단계가, 상기 농축된 공급 스트림을 상기 흡착제 입자에 노출시키는 것과 동시에 상기 공급 스트림을 냉각시키는 것을 포함하는, 방법.
실시양태 13. 실시양태 12에 있어서, 상기 냉각이, 트리클 베드 접촉기, 중공 섬유 접촉기, 교번 기체 및 액체 채널을 갖는 병렬 채널 모놀리스, 쉘/튜브 열교환기 또는 이들의 조합을 통해 달성되는, 방법.
실시양태 14. 실시양태 1 내지 13 중 어느 하나에 있어서, 상기 농축기가 멤브레인, 금속 유기 골격구조 또는 이들의 조합을 포함하는, 방법.
실시양태 15. 실시양태 1 내지 14 중 어느 하나에 있어서, 상기 공급 스트림이 연소후 공급 스트림이고, 상기 공급 스트림을 농축기에 노출시키는 단계가, 연소전 공급 스트림을 O2로 농축시키고, 상기 연소전 공급 스트림을 연소시켜, CO2-농축된 연소후 공급 스트림을 생성하는 것을 포함하는, 방법.
실시양태 16. 실시양태 1 내지 15 중 어느 하나에 있어서, 투입 유체를 상기 흡착제 입자에 노출시키는 단계가, 상기 투입 유체를 슬러리 접촉기, 유동층 접촉기, 트리클 베드 접촉기, 중공 섬유 접촉기, 교번 기체 및 액체 채널을 갖는 병렬 채널 모놀리스, 쉘/튜브 열교환기 또는 이들의 조합 내에서 상기 흡착제 입자에 노출시키는 것을 포함하는, 방법.
실시양태 17. 실시양태 1 내지 16 중 어느 하나에 있어서, 상기 흡착제 입자가, 아민-부착된 금속 유기 골격구조를 포함하는, 방법.
실시양태 18. 실시양태 17에 있어서, 상기 아민-부착된 금속 유기 골격구조가 mmen-Mg2(dobpdc) 및 dmpn-Mg2(dobpdc) 중 하나를 포함하는, 방법.
실시양태 19. 유형 V 흡착제를 포함하고 흡착제 kg 당 약 1.0 몰 이상의 CO2의 흡착제 적재량을 갖는 흡착제 입자의 층을 포함하는 접촉기; CO2를 포함하는 투입 유체를 수용하기 위해 상기 접촉기의 상류에 위치하거나 상기 접촉기와 통합된 냉각 부재; 및 상기 접촉기의 상류에 위치하고 상기 접촉기 및 상기 냉각 부재와 유체 연결된 CO2 농축기를 포함하는, 기체 유동으로부터 CO2를 분리하기 위한 시스템.
실시양태 20. 실시양태 19에 있어서, 상기 유형 V 흡착제가 아민-부착된 금속 유기 골격구조를 포함하는, 시스템.
실시양태 21. 실시양태 20에 있어서, 상기 아민-부착된 금속 유기 골격구조가 mmen-Mg2(dobpdc) 및 dmpn-Mg2(dobpdc) 중 하나를 포함하는, 시스템.

Claims (21)

  1. 제 1 농도의 기체 성분을 포함하는 공급 스트림(feedstream)을 제 1 온도에서 제공하는 단계;
    상기 공급 스트림을, 상기 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도로 냉각시키는 단계;
    상기 공급 스트림을 농축기(concentrator)에 노출시켜, 상기 기체 성분의 제 1 농도보다 높은 상기 기체 성분의 제 2 농도를 갖는 농축된(enriched) 공급 스트림을 생성하는 단계;
    상기 농축된 공급 스트림을, 유형 V 흡착제를 포함하는 흡착제 입자에 노출시켜, 상기 공급 스트림보다 낮은 농도의 기체 성분을 갖는 흡착제 유출물을 생성하는 단계; 및
    상기 기체 성분의 적어도 일부를 상기 제 2 온도보다 높은 탈착 온도에서 상기 흡착제 입자로부터 탈착시키는 단계
    를 포함하는, 기체 성분의 흡착 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기체 성분의 제 2 농도가 상기 유형 V 흡착제의 하한 수준 포획 한계에 기초하여 선택되는, 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 기체 성분이 CO2를 포함하는, 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공급 스트림이 연소 연도 기체(combustion flue gas)인, 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공급 스트림이 천연 가스 연소 연도 기체인, 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공급 스트림이 천연 가스인, 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기체 성분의 제 1 농도가 약 1 내지 10 부피%인, 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기체 성분의 제 2 농도가 약 10 내지 25 부피%인, 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탈착 이후 상기 흡착제 입자 중의 흡착된 기체 성분의 적재량(loading)이, 상기 노출 종결시의 상기 흡착제 입자 중의 상기 기체 성분의 적재량의 50% 미만인, 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    탈착 온도가 상기 제 2 온도보다 적어도 약 20℃만큼 높은, 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공급 스트림을 냉각시키는 단계가, 상기 농축기의 상류에서 상기 공급 스트림을 냉각시키는 것을 포함하는, 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공급 스트림을 냉각시키는 단계가, 상기 농축된 공급 스트림을 상기 흡착제 입자에 노출시키는 것과 동시에 상기 공급 스트림을 냉각시키는 것을 포함하는, 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 냉각이, 트리클 베드(trickle bed) 접촉기, 중공 섬유 접촉기, 교번(alternating) 기체 및 액체 채널을 갖는 병렬 채널 모놀리스(monolith), 쉘/튜브 열교환기 또는 이들의 조합을 통해 달성되는, 방법.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 농축기가 멤브레인, 금속 유기 골격구조(framework) 또는 이들의 조합을 포함하는, 방법.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공급 스트림이 연소후 공급 스트림이고,
    상기 공급 스트림을 농축기에 노출시키는 단계가, 연소전 공급 스트림을 O2로 농축시키고, 상기 연소전 공급 스트림을 연소시켜, CO2-농축된 연소후 공급 스트림을 생성하는 것을 포함하는, 방법.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    투입 유체를 상기 흡착제 입자에 노출시키는 단계가, 상기 투입 유체를 슬러리 접촉기, 유동층 접촉기, 트리클 베드 접촉기, 중공 섬유 접촉기, 교번 기체 및 액체 채널을 갖는 병렬 채널 모놀리스, 쉘/튜브 열교환기 또는 이들의 조합 내에서 상기 흡착제 입자에 노출시키는 것을 포함하는, 방법.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡착제 입자가, 아민-부착된(amine appended) 금속 유기 골격구조를 포함하는, 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 아민-부착된 금속 유기 골격구조가 mmen-Mg2(dobpdc) 및 dmpn-Mg2(dobpdc) 중 하나를 포함하는, 방법.
  19. 유형 V 흡착제를 포함하고 흡착제 kg 당 약 1.0 몰 이상의 CO2의 흡착제 적재량을 갖는 흡착제 입자의 층(bed)을 포함하는 접촉기;
    CO2를 포함하는 투입 유체를 수용하기 위해 상기 접촉기의 상류에 위치하거나 상기 접촉기와 통합된 냉각 부재(cooling element); 및
    상기 접촉기의 상류에 위치하고 상기 접촉기 및 상기 냉각 부재와 유체 연결된 CO2 농축기
    를 포함하는, 기체 유동으로부터 CO2를 분리하기 위한 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 유형 V 흡착제가 아민-부착된 금속 유기 골격구조를 포함하는, 시스템.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 아민-부착된 금속 유기 골격구조가 mmen-Mg2(dobpdc) 및 dmpn-Mg2(dobpdc) 중 하나를 포함하는, 시스템.
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