KR20220005074A - 탄소 포집을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하나 또는 그 이상의 산업적으로 유용한 물질들의 생산과 결합하여 탄소 포집을 위한 시스템들을 제공한다. 본 발명은 또한 산업 프로세스와 결합하여 탄소 포집을 수행하기 위한 방법들을 제공한다. 특히, 탄소 포집은 반응기 내의 소성의 수행, 산업적으로 유용한 생성물들로부터의 이산화탄소가 풍부한 연도 가스들의 분리, 그리고 석유 회수 증진과 같은 다른 용도의 저장을 위한 상기 이산화탄소의 적어도 일부의 포집을 포함한다.

Description

탄소 포집을 위한 시스템 및 방법
본 발명은 탄소 포집을 위한 시스템들 및 방법들과 특히 적어도 이산화탄소의 포집과 함께 제공되는 스트림으로부터의 하나 또는 그 이상의 모이어티들의 선택적인 정제에 관한 것이다.
소성/시멘트 플랜트들로부터 탄소 포집을 가능하게 하는 많은 기술들이 산소-연소 시멘트 프로세스들, 칼슘 루핑(calcium looping) 프로세스들, 멤브레인 분리를 통한 후-연소 포집 및 다른 용매 기반의 분리 프로세스들을 포함하는 다른 그룹들로 발명되었다. 상기 탄소 포집 기술들(소성/시멘트 동작과 같은)과 이를 가능하게 하기 위해 요구되는 동력(소성으로부터의 CO2 포집, 연료 연소 및 전력 소모를 포함)뿐만 아니라 포집되는 CO2 스트림의 정화 사이에 완전한 프로세스 통합을 포함하는 기술들은 알려져 있지 않다. 또한, 킬른 기반의 소성 활동들에 기원하지 않는 탄소 배출의 포집은 통상적으로 병렬 기능으로 칼슘 루핑을 구현하기 위해 카보네이터(carbonator)로 알려진 외부 반응기를 요구한다. 또한, 소성/시멘트 플랜트 연도 가스 및 인접하는 외부 배출들로부터의 NOx/SOx 제거를 위한 프로세스들은 현재의 기술들에는 포함되지 않는다.
석회 및 시멘트 생산과 같은 소성과 연관된 산업 프로세스들은 세계의 대부분의 에너지 및 CO2 집약 산업 생산 프로세스들의 일부이다. 2013년의 보고에서, 시멘트 생산 프로세스로부터의 배출은 전체적인 세계의 인위적인 CO2 배출의 거의 5%를 차지하는 것으로 평가되었다. 동력 발생과는 다르게, CO2는 화석 연료들의 연소로부터 뿐만 아니라, 원료 물질(70wt.%-80wt.%의 CaCO3를 함유함)의 소성으로부터도 생성된다. 이러한 소성은 60% 정도로 상기 프로세스의 CO2 배출의 가장 큰 부분을 생성한다. 화석 연료 연소로부터의 CO2, 전기 및 수송 수단은 상기 시멘트 프로세스에서의 전체 CO2 배출의 40% 정도를 나타낸다. 전체적으로, 1㎏의 시멘트의 생산에서 약 0.6㎏-0.7㎏의 CO2가 방출된다. 현재, 국제 에너지 기구(IEA)는 2050까지 유럽, 북미, 호주 및 동아시아에서 모든 시멘트 플랜트들의 50%에 탄소 포집 및 저장(CCS)을 적용하는 것을 목표로 설정하고 있다.
본 발명은 시멘트, 철강, 생석회 및 발전과 같이 하나 또는 그 이상의 산업적으로 유용한 생산물들을 제공하면서 이산화탄소를 포집하기 위한 시스템들을 제공한다. 본 발명은 또한 이러한 시스템을 활용하는 방법들을 제공한다. 이와 같이, 본 발명에 따르면 상기 생석회 및 다른 산업 생산물들이 대기로 실질적으로 이산화탄소가 방출되지 않거나, 완전히 이산화탄소가 방출되지 않는 방식으로 형성될 수 있는 실질적으로 또는 완전히 "이산화탄소가 없는" 생석회 및 다른 산업 생산물들을 제공하는 것이 가능하다. 상기 생석회 및 다른 산업 생산물들은 환경에 탄소 배출을 추가하지 않고 다양한 산업들(예를 들어, 시멘트, 철강, 발전 등)에서의 용도로 이용될 수 있다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 본 발명은 탄소 포집, 특히 시스템으로부터 생성되는 임의의 이산화탄소의 적어도 일부의 포집도 제공하면서 하나 또는 그 이상의 물질들의 소성을 위해 유용한 시스템들을 제공할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 이러한 시스템들은 탄산칼슘(CaCO3)을 포함하는 물질과 같은 탄산염을 포함하는 원료 물질 및 보다 구체적으로는 석회석의 소성을 위해 특히 유용할 수 있다. 상기 시스템들은, 적어도 고체 및 이산화탄소 가스를 포함하는 분해 스트림을 형성하기 위해 산화제의 존재에서 탄산염을 포함하는 원료 물질을 가열하도록 구성되는 반응기; 상기 분해 스트림을 상기 이산화탄소 가스를 포함하는 가스 스트림 및 고체 스트림으로 분리하도록 구성되는 분리기; 상기 이산화탄소 가스를 포함하는 가스 스트림 및 상기 고체 스트림 중의 하나 또는 모두를 수용하고, 상기 이산화탄소를 포함하는 냉각된 가스 스트림 및 냉각된 고체 스트림을 제공하기 위해 열을 회수하도록 구성되는 열교환 유닛; 그리고 상기 이산화탄소를 포함하는 상기 냉각된 가스 스트림을 CO2가 적은(lean) 스트림 및 CO2가 풍부한(rich) 스트림으로 분리하도록 구성되는 CO2 분리 유닛을 포함할 수 있다. 상기 시스템들은 임의의 순서 또는 숫자로 결합될 수 있는 다음의 사항들의 하나 또는 그 이상과 관련하여 더 정의될 수 있다.
상기 반응기 및 상기 분리기는 단일의 유닛으로 결합될 수 있다. 선택적으로, 상기 반응기 및 상기 분리기는 하나 또는 그 이상의 라인들을 통해 상호 연결되는 개별적인 유닛들이 될 수 있다. 예를 들면, 하나 또는 그 이상의 반응기들의 하나 또는 그 이상의 유출구들이 하나 또는 그 이상의 분리기들의 하나 또는 그 이상의 유입구들과 연통될 수 있다. 마찬가지로, 복수의 반응기들이 반응기 유닛으로 활용될 수 있거나 및/또는 복수의 분리기들이 분리 유닛으로 사용될 수 있다.
상기 시스템들은 상기 반응기로 산소를 제공하도록 구성되는 하나 또는 그 이상의 산소를 형성하는 유닛(들)을 더 포함할 수 있다. 선택적으로나 추가적으로, 산소는 혼합된 가스 스트림의 일부로서 상기 반응기에 제공될 수 있다. 예를 들면, 동력 생성 플랜트로부터의 연도 가스는 상기 반응기 내에 필요한 산화제의 모두 또는 일부를 제공하기 위해 상기 반응기로 향해질 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 시스템들은 산소를 포함하는 가스를 제공하도록 구성되는 동력 플랜트 또는 다른 시스템과 통합될 수 있으며, 상기 시스템은 상기 동력 플랜트 또는 다른 가스를 생성하는 플랜트를 본 발명의 시스템들의 반응기와 상호 연결하는 하나 또는 그 이상의 라인들을 포함할 수 있다.
본 발명의 시스템들은 상기 열교환기로부터 다운스트림(downstream)인 물 분리기를 더 포함할 수 있다. 또한, 복수의 물을 제거하는 구성 요소들이 이용될 수 있으며, 별도로 또는 단일의 유닛으로 제공될 수 있다. 이와 같이, 복수의 물을 제거하는 구성 요소들은 순차적으로 제공될 수 있다.
상기 CO2 분리 유닛은 상기 이산화탄소를 포함하는 상기 냉각된 가스 스트림을 상기 CO2가 적은 스트림 및 상기 CO2가 풍부한 스트림으로 분리하도록 구성되는 적어도 하나의 멤브레인 분리 스테이지를 포함할 수 있다. 또한, 상기 시스템은 상기 적어도 하나의 멤브레인 분리 스테이지로부터 적어도 상기 CO2가 풍부한 스트림을 수용하도록 구성되는 저온 CO2 정화 유닛을 포함할 수 있다. 또한, 상기 시스템은 하나 또는 그 이상의 압축 유닛들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 압축 유닛은 상기 이산화탄소를 포함하는 상기 냉각된 가스 스트림을 압축하도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 압축 유닛은 상기 적어도 하나의 멤브레인 분리 스테이지로부터 업스트림(upstream)에 위치할 수 있다. 원할 경우, 상기 시스템은 마찬가지로 상기 적어도 하나의 멤브레인 분리 스테이지로부터 업스트림에 위치하는 팽창기를 포함할 수 있다.
상기 시스템들은 상기 압축 유닛의 다운스트림이고, 상기 CO2 분리 유닛으로부터 업스트림에 위치하는 이산화탄소 멤브레인 분리기를 더 포함할 수 있다. 상기 이산화탄소 멤브레인 분리기는 정의된 성능 레벨을 나타내도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 이산화탄소 멤브레인 분리기는 유입되는 가스 스트림으로부터 CO2의 적어도 50%의 대량 회수(bulk recovery)를 제공하고, 상기 이산화탄소를 포함하는 침투성 생성물을 산출하도록 구성될 수 있다.
팽창기가 상기 이산화탄소 멤브레인 분리기로부터 다운스트림에 위치할 수 있다. 상기 팽창기는 상기 침투성 생성물을 냉각하는 데 유용할 수 있으며, 극저온 CO2 분리 유닛의 일부로서 활용될 수 있다.
상기 시스템은 상기 열교환기와 통합되는 동력 생성 사이클(power generation cycle)을 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 동력 생성 사이클은 압축된 동작 유체(working fluid)를 상기 열교환기의 유입구로 제공하도록 구성되는 압축기, 열교환기의 유출구로부터 상기 압축된 동작 유체를 수용하도록 구성되는 터빈, 그리고 상기 터빈의 유출구 및 상기 압축 유닛의 유입구 사이에 위치하며 유체 연결되는 냉각기를 포함할 수 있다. 발전기 또는 다른 적합한 동력을 생성하는 구성 요소가, 예를 들면, 전기를 생산하기 위해 상기 동력 생성 사이클 내에 포함될 수 있다.
상기 시스템은 상기 분리기로부터 상기 고체 스트림의 일부를 수용하도록 구성되는 카보네이터(carbonator)를 더 포함할 수 있다. 선택적으로나 추가적으로, 상기 카보네이터는 상기 분리기로부터 상기 이산화탄소를 포함하는 상기 가스 스트림의 적어도 일부를 수용하도록 구성될 수 있다.
상기 카보네이터는 상기 반응기의 유입구와 연통되는 고체 생성물 유출구를 포함할 수 있으며, 상기 반응기로 재생된 원료 물질을 전달하기 위해 구성될 수 있다. 예를 들면, 석회석(CaCO3)이 상기 반응기 내에서 상기 원료 물질로 사용될 때, 생성되는 상기 고체들은 생석회(CaO)를 포함할 수 있다. 상기 카보네이터 내에서, 상기 생석회는 상기 반응기로 다시 재순환될 수 있는 CaCO3를 생성하기 위해 이산화탄소를 함유하는 스트림과 반응될 수 있다. 상기 이산화탄소를 함유하는 스트림은, 예를 들면, 현재의 동력 플랜트, 석회 생산 플랜트, 시멘트 플랜트, 제강 플랜트 및/또는 다른 산업 프로세스로부터 취해질 수 있는 산업 연도 가스가 될 수 있다. 이러한 방식에서, 본 발명의 시스템은 다른 시스템으로부터 취해진 상기 이산화탄소를 포함하는 스트림의 처리를 위한 다른 시스템과 물리적으로 통합될 수 있다.
상기 시스템은 상기 분리기로부터 상기 고체 스트림의 일부를 수용하도록 구성되는 클링커 유닛(clinker unit)을 더 포함할 수 있다. 상기 클링커 유닛은, 예를 들면, 시멘트 클링커의 형성을 위해 구성될 수 있다. 이에 따라, 상기 클링커 유닛은 하나 또는 그 이상의 원료 물질들의 유입을 위해 구성되는 하나 또는 그 이상의 유입구들을 포함할 수 있다. 상기 원료 물질들은 특히 생석회와 결합될 때에 시멘트 클링커의 형성을 위해 적합한 물질들이 될 수 있다.
상기 시스템은 마찬가지로 상기 클링커 유닛으로부터 시멘트 클링커의 스트림을 수용하고, 상기 시멘트 클링커의 스트림을 상기 압축 유닛으로부터의 상기 냉각된 가스 스트림의 일부로 냉각하도록 구성되는 클링커 냉각기 유닛을 더 포함할 수 있다. 시멘트를 형성하기 위해 적합한 시멘트 클링커 생성물이 이에 따라 상기 시스템으로부터 이출될 수 있다.
상기 시스템은, 하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 특히 제강 플랜트(steel making plant)와 통합되도록 구성될 수 있다. 특히, 상기 반응기는 연료 가스 스트림(예를 들어, 코크스 오븐(coke oven) 가스 스트림, 용광로(blast furnace) 가스 스트림 및/또는 염기성 산소로(basic oxygen furnace) 가스 스트림)과 같은 상기 제강 플랜트로부터 하나 또는 그 이상의 스트림들을 수용하도록 구성될 수 있다. 마찬가지로, 상기 시스템은 상기 반응기(또는 상기 분리기)로부터의 고체들이 제강 시스템의 하나 또는 그 이상의 구성 요소들(예를 들어, 용광로 및/또는 염기성 산소로)로 전달되도록 구성될 수 있다. 또한, 산소 소스가 상기 제강 시스템의 하나 또는 그 이상의 구성 요소들 및 본 발명의 반응기 사이에 공유될 수 있다.
상기 시스템은 유사하게 동력 생성 플랜트와 통합될 수 있다. 예를 들면, 라인이 상기 동력 생성 플랜트로부터 연도 가스를 본 발명의 시스템의 반응기로 향하게 하도록 활용될 수 있다. 선택적으로나 추가적으로, 동력 생성 플랜트로부터의 석탄재가 본 발명의 시스템을 통해 처리될 수 있다.
상기 시스템은 특히 재 연소 유닛(ash burning unit)을 더 포함할 수 있다. 상기 재 연소 유닛은 낮은 열작 감량(loss on ignition)을 가지는 열적으로 처리된 재를 제공하기 위한 재연소기(reburner)가 될 수 있다. 이와 같이 처리된 재는 이후에 시멘트, 콘크리트, 플라이 애시(fly ash) 벽돌들, 골재들 및 이들과 유사한 것들과 같은 다른 생성물들의 형성을 위해 전달될 수 있다. 유사하게, 상기 시스템은 그 수분 레벨을 감소시키고, 전술한 바와 같은 다운스트림 용도들을 위해 적합한 재를 제공하기 위하여 높은 수분의 재의 혼합을 위해 생성된 고체들(예를 들어, 생석회)의 일부를 전달하도록 구성될 수 있다. 마찬가지로, 상기 고체들의 일부가 이출될 수 있으며, 선택적으로 재와 혼합될 수 있다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 본 발명은 마찬가지로 탄소 포집, 특히 프로세스들로부터 생성되는 임의의 이산화탄소의 적어도 일부의 포집을 제공하면서 하나 또는 그 이상의 물질들의 소성을 위해 유용한 방법들 또는 프로세스들을 제공할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 이러한 방법들 또는 프로세스들은 특히 탄산칼슘(CaCO3)을 함유하는 물질과 같은 탄산염을 포함하는 원료 물질 및 보다 상세하게는 석회석의 소성을 위해 유용할 수 있다. 특히, 이러한 방법들은, 적어도 고체 및 이산화탄소 가스를 포함하는 분해 스트림을 제공하기 위해 탄산염을 포함하는 원료 물질을 가열된 반응기 내에서 처리하는 단계; 상기 분해 스트림을 분리 유닛 내에서 상기 이산화탄소를 포함하는 가스 스트림 및 고체 스트림으로 분리하는 단계; 상기 이산화탄소를 포함하는 상기 가스 스트림 및 상기 고체 스트림 중의 하나 또는 모두를 열교환기 내에서 냉각하는 단계; 상기 고체 스트림의 적어도 일부를 이출을 위한 생성물로 제공하는 것 및 상기 고체 스트림의 적어도 일부를 이차 생성물을 형성하기 위해 다른 반응기로 전달하는 것 중의 하나 또는 모두를 수행하는 단계; 그리고 이출을 위해 이산화탄소의 실질적으로 순수한 스트림을 제공하도록 상기 이산화탄소를 포함하는 상기 가스 스트림을 정화하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법들은 임의의 순서 또는 숫자로 결합될 수 있는 다음의 사항들 중에서 하나 또는 그 이상과 관련되어 더 정의될 수 있다.
본 발명의 방법들에 따라 생성되는 분해 스트림(decomposition stream)은 특히 원료 물질의 소성으로부터 야기되는 하나 또는 그 이상의 화합물들 또는 물질들을 함유하는 스트림을 나타내며, 여기서 상기 원료 물질은 구성 성분 부분들로 분열될 수 있다. 예를 들면, CaCO3의 소성은 이산화탄소 가스 및 탄산칼슘 고체들을 생성하며, 원료 물질들의 유형들, 특히 다른 탄산염을 포함하는 물질들의 소성은 마찬가지로 고체 구성 요소 및 이산화탄소를 포함하는 가스를 생성할 수 있다.
본 발명의 방법들에서, 상기 반응기는 증가된 압력(즉, 주위 압력보다 큰)에서 동작될 수 있으며, 이러한 압력은 특히 약 1.5bar 내지 약 8bar의 범위가 될 수 있다.
상기 반응기는 마찬가지로 약 850℃ 내지 약 1100℃와 같이 증가된 온도에서 동작될 수 있다.
상기 반응기는 산소와 연료의 상기 반응기 내의 연소를 통해 가열될 수 있다.
상기 산화제는 산소 생산 유닛에 의해 제공되는 실질적으로 순수한 산소를 포함할 수 있다. 선택적으로나 추가적으로, 상기 산화제는 연도 가스와 같은 혼합된 가스 스트림 내에 존재하는 산소를 포함할 수 있다. 예를 들면, 동력 생성 플랜트로부터의 연도 가스가 산소를 포함하는 혼합된 가스 스트림이 될 수 있으며, 상기 연도 가스 내의 이산화탄소는 본 발명의 방법들에서 도입되는 결과로서 포집될 수 있다.
상기 가열된 반응기 및 상기 분리 유닛은 통합 유닛이 될 수 있다. 선택적으로, 상기 가열된 반응기 및 상기 분리 유닛은 독립적인 유닛들이 될 수 있다. 마찬가지로, 복수의 반응기들이 반응기 유닛 내에 이용될 수 있거나 및/또는 복수의 분리기들이 분리 유닛 내에 활용될 수 있다.
상기 열교환기는 배열 회수 보일러(heat recovery steam generator)(HRSG), 가스 가열식 개질기(gas heated reformer)(GHR), 또는 환열식 열교환기(recuperative heat exchanger) 중에서 하나 또는 그 이상이 될 수 있다. 마찬가지로, 복수의 개별적인 열교환기들이 결합될 수 있다.
상기 이산화탄소를 포함하는 상기 가스 스트림은 상기 열교환기(들) 내에서 약 20℃ 내지 약 150℃의 온도까지 냉각될 수 있다.
상기 방법은 상기 이산화탄소를 포함하는 건조된 가스 스트림을 제공하기 위해 상기 열교환기를 나가는 상기 이산화탄소를 포함하는 상기 가스 스트림을 하나 또는 그 이상의 물 제거 유닛들로 통과시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 이산화탄소를 포함하는 상기 가스 스트림을 정화하는 단계가 상기 이산화탄소를 포함하는 상기 가스 스트림을 CO2가 적은 스트림 및 CO2가 풍부한 스트림으로 분리하도록 구성되는 적어도 하나의 멤브레인 분리 스테이지로 상기 이산화탄소를 포함하는 상기 가스 스트림을 통과시키는 단계를 포함하도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 적어도 상기 CO2가 풍부한 스트림을 저온 CO2 정화 유닛으로 통과시큰 것이 바람직할 수 있다. 선택적으로, 상기 CO2가 적은 스트림도 상기 저온 CO2 정화 유닛으로 통과될 수 있다.
상기 방법은 상기 이산화탄소를 포함하는 상기 가스 스트림을 상기 적어도 하나의 멤브레인 분리 스테이지로부터 업스트림에서 압축하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이는, 일부 실시예들에서, 상기 이산화탄소를 포함하는 가압된 가스 스트림을 형성하기 위해 상기 이산화탄소를 포함하는 상기 가스 스트림을 약 3bar 내지 약 15bar으로 가압하는 단계를 포함할 수 있다. 가압은 하나 또는 그 이상의 압축 스테이지들을 활용할 수 있다. 다중의 압축 스테이지들이 이용될 때, 상기 가압 스테이지들 중의 하나 또는 그 이상 후에 압축열을 제거하기 위해 중간 냉각을 활용하는 것이 바람직할 수 있다.
가압이 활용될 때, 상기 방법은 상기 적어도 멤브레인 분리 스테이지로부터 다운스트림에서 적어도 상기 CO2가 풍부한 스트림을 팽창시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 원할 경우, 상기 CO2가 적은 스트림도 마찬가지로 팽창될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 적어도 하나의 멤브레인 분리 유닛은 상기 CO2가 풍부한 스트림 내의 상기 이산화탄소를 포함하는 상기 가스 스트림으로부터 CO2의 적어도 50%의 대량 회수를 제공하도록 구성될 수 있다. 바람직하게는, 상기 CO2가 풍부한 스트림은 50% 보다 낮지 않은 CO2 농도를 가진다.
상기 방법은 상기 열교환기와 통합되는 동력 생성 사이클을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 동력 생성 사이클은 압축된 동작 유체를 제공하기 위해 동작 유체를 압축 유닛 내에서 압축하는 단계, 상기 압축된 동작 유체를 상기 열교환기 내에서 가열하는 단계, 동력을 생성하고 팽창된 동작 유체를 형성하기 위해 상기 열교환기를 나가는 상기 압축된 동작 유체를 터빈으로 통과시키는 단계, 그리고 상기 팽창된 동작 유체를 상기 압축 유닛으로 다시 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 발전기 또는 다른 적합한 동력을 생성하는 구성 요소가, 예를 들면, 전기를 생산하기 위해 상기 동력 생성 사이클 내에 포함될 수 있다.
상기 방법은 상기 분리기를 나가는 상기 고체 스트림의 일부를 카보네이터 내에서 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 카보네이터는 재생된 원료 물질을 제공하도록 구성될 수 있으며, 상기 재생된 원료 물질의 적어도 일부는 상기 반응기로 다시 재순환될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 상기 원료 물질은 석회석(CaCO3)이 될 수 있고, 상기 반응기를 나가는 상기 고체 스트림은 생석회(CaO)를 포함할 수 있다. 상기 방법은 마찬가지로 연도 가스로부터 이산화탄소의 적어도 일부가 CaCO3을 형성하기 위해 상기 생석회와 반응되도록 상기 이산화탄소를 포함하는 상기 연도 가스를 상기 카보네이터를 통해 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 석회석은 이후에 상기 반응기로 다시 전송되는 상기 재생된 원료 물질이 될 수 있다.
소성을 위한 원료 물질로서 석회석을 활용하는 방법에서 생성되는 상기 생석회는 이에 따라 탄소 포집 기재로서 상기 방법에서 순환될 수 있다. 이러한 루핑 프로세스들은 알려져 있지만, 이러한 루핑의 활용은 상기 생석회가 탄소 포집을 위한 그 활성을 급격하게 잃어버리기 때문에 해당 기술 분야에서는 문제가 되고 있었다. 본 발명의 방법들에서, 이러한 문제점은 상기 생성된 생석회를 이출 부분(export fraction) 및 탄산화 부분(carbonation fraction)(즉, 전술한 바와 같이 이산화탄소를 포집하기 위해 상기 카보네이터로 전송되는 부분)으로 분리함으로써 극복된다. 상기 방법들은 바람직하게는 이출 대 탄산화 비율 범위가 활용되도록 구성될 수 있다. 이러한 비율을 구현하여, 생석회가 상기 시스템으로부터 지속적으로 제거되며, 상기 CaO를 원하는 활성 레벨 아래로 비활성화시키기 위해 충분한 횟수로 상기 카보네이터 및 상기 소성 반응기를 통해 반복적으로 재순환되는 "동일한" CaO 입자들의 가능성이 통계적으로 제한된다. 일부 실시예들에서, 이는 상기 이출 CaO 대 상기 카보네이터로 들어가는 상기 CaO의 비율이 바람직하게는 약 5:1 내지 약 0.5:1의 범위 이내가 되도록 상기 방법들을 구성하여 이루어진다. 상기 비율은 상기 방법의 다른 파라미터들에 기초하여 좁아질 수 있으며, 보다 유용한 비율 범위는 약 4:1 내지 약 1:1 또는 약 4:1 내지 약 2:1 또는 약 3:1 내지 약 1:1이 될 수 있다.
상기 방법은 상기 분리기를 나가는 상기 고체 스트림의 일부를 클링커 유닛 내에서 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 방법은 상기 고체 스트림으로부터의 고체들이 시멘트 클링커를 형성하는 시멘트 생산에 효과적인 하나 또는 그 이상의 원료 물질들과 반응하도록 시멘트 생산에 효과적인 상기 하나 또는 그 이상의 원료 물질들을 상기 클링커 유닛 내로 추가하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이는 특히 상기 고체 스트림이 생석회를 포함할 때에 유용할 수 있으며, 상기 클링커 유닛 내의 상기 추가된 원료 물질들은 모래, 석탄재 또는 시멘트 생산을 위해 적합한 다른 물질들을 포함할 수 있다. 이와 같이, 상기 클링커 유닛은 종래의 시멘트 생산 플랜트로부터의 클링커 유닛이 될 수 있고, 상기 클링커 유닛은 종래의 시멘트 생산 프로세스에 이용될 수 있었던 경우와 실질적으로 유사한 조건들 하에서 동작될 수 있다.
상기 방법은 상기 시멘트 클링커를 냉각하기 위해 상기 시멘트 클링커를 클링커 냉각기 유닛으로 통과시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 냉각은 상기 이산화탄소를 포함하는 상기 가스 스트림의 냉각된 부분을 이용하여 수행될 수 있다. 이러한 스트림은, 예를 들면, 압축기 유닛 또는 바람직하게는 임의의 물 분리로부터 다운스트림인 다른 지점으로부터 취해질 수 있다.
상기 방법은 상기 탄소 포집을 구비하는 소성을 위한 방법을 제강 프로세스에 통합하는 단계를 더 포함할 수 있다. 특히, 상기 반응기는 연료 가스 스트림(예를 들어, 코크스 오븐 가스 스트림, 용광로 가스 스트림 및/또는 염기성 산소로 가스 스트림)과 같은 상기 제강 플랜트로부터의 하나 또는 그 이상의 스트림들을 수용하도록 구성될 수 있다. 마찬가지로, 상기 방법은 상기 반응기(또는 상기 분리기)로부터의 고체들이 상기 제강 프로세스 내의 하나 또는 그 이상의 구성 요소들(예를 들어, 용광로 및/또는 염기성 산소로)로 전달되도록 구성될 수 있다. 또한, 산소 소스가 상기 제강 프로세스의 하나 또는 그 이상의 구성 요소들 및 본 발명의 방법들의 반응기 사이에 공유될 수 있다.
상기 방법은 석탄재를 상기 반응기 및/또는 별도의 재연소기 내로 투입하는 단계를 더 포함할 수 있다. 마찬가지로. 상기 방법은 상기 반응기 및/또는 재연소기로부터 열처리된 석탄재를 회수하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 열처리된 석탄재의 적어도 일부는 생석회와 혼합될 수 있다. 이와 같이 처리된 재는 이후에 시멘트, 콘크리트, 플라이 애시 벽돌들, 공재들 및 이들과 유사한 것들과 같은 다른 생성물들의 형성을 위해 전달될 수 있다. 유사하게, 상기 방법은 전술한 바와 같이 그 수분 레벨을 감소시키고, 다운스트림 용도들을 위해 적합한 재를 제공하기 위하여 높은 수분의 재의 혼합을 위해 생성된 고체들(예를 들어, 생석회)의 일부를 전달하도록 구성될 수 있다. 마찬가지로, 상기 고체들의 일부가 이출될 수 있으며, 선택적으로 재와 혼합될 수 있다.
상기 가열된 반응기는 특히 사워 가스(sour gas)(즉, H2S와 같은 황종들 및 선택적으로 이산화탄소도 포함하는 천연 가스 또는 다른 가스 스트림)를 포함하는 연료의 연소에 의해 가열될 수 있다. 상기 사워 가스는 석고를 형성하기 위해 상기 반응기 내에서 석회석과 혼합될 수 있으며, 상기 고체 스트림과 함께 제거될 수 있다. 이와 같이, 상기 사워 가스 내의 황종들이 효과적으로 제거될 수 있다.
본 발명의 전술한 특징들 및 다른 특징들, 측면들, 그리고 이점들은 아래에 간략하게 기재되는 첨부된 도면들과 함께 다음의 상세한 설명의 이해로부터 명확해질 것이다. 본 발명은 이러한 특징들이나 요소들이 여기서의 특정한 실시예의 설명에서 명확하게 결합되는 것으로 기재되는 지에 관계없이 상술한 실시예들 중의 둘, 셋, 넷, 또는 그 이상의 임의의 조합들뿐만 아니라 본 발명에서 설시되는 임의의 둘, 셋, 넷, 또는 그 이상의 특징들이나 요소들의 조합들을 포괄한다. 본 발명은 전체적으로 본문에서 명백하게 다르게 기재되지 않는 한은 다양한 측면들과 실시예들 중의 임의의 것에서 본 발명의 임의의 분리 가능한 특징들이나 요소들이 결합될 수 있는 것으로 이해되도록 의도된다.
도 1a 및 도 1b는 하나 또는 그 이상의 산업적으로 유용한 생성물들의 동시 생산과 함께 이산화탄소의 포집에 유용한 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 시스템들의 구성 요소들의 예시를 제공하는 도면들이고,
도 2는 본 발명의 예적인 실시예에 따라 석회석이 동력 생산 및 이산화탄소 포집과 함께 생석회를 제조하기 위해 처리될 수 있는 프로세스를 예시하는 흐름도이며,
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 석회석이 생석회의 일부의 탄산화를 위해 산업 연도 가스를 동시에 처리하면서 동력 생산 및 이산화탄소 포집과 함께 상기 생석회를 제조하기 위해 처리될 수 있는 프로세스를 예시하는 흐름도이고,
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 석회석이 시멘트를 동시에 형성하면서 동력 생산 및 이산화탄소 포집과 함께 생석회를 제조하기 위해 처리될 수 있는 프로세스를 예시하는 흐름도이며,
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 석회석이 동력 생산, 이산화탄소 포집 및 상기 이산화탄소의 적어도 일부의 광물 저장과 함께 생석회를 제조하기 위해 처리될 수 있는 프로세스를 예시하는 흐름도이고,
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 석회석이 강철을 형성하면서 동력 생성 및 이산화탄소 포집과 함께 생석회를 제조하기 위해 처리될 수 있는 프로세스를 예시하는 흐름도이며,
도 7은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 탄소 포집 및 석탄 연소 잔재(CCR) 재순환이 수행될 수 있는 프로세스를 예시하는 흐름도이다.
본 발명의 주제는 그 예시적인 실시예들을 참조하여 다음에 보다 상세하게 설명된다. 이들 예시적인 실시예들은 본 발명이 철저하고 완전해지며, 본 발명의 주제의 범위를 해당 기술 분야의 숙련자에게 완전히 전달하도록 기재된다. 실제로, 본 발명의 주제는 많은 상이한 형태들로 구현될 수 있고, 여기에 설시되는 실시예들에 한정되는 것으로 간주되지 않아야 하며, 오히려 이들 실시예들은 본 발명에 적용될 수 있는 법률적 요구 사항들을 충족시키도록 제공된다. 본문에 사용되는 바에 있어서, "일", "하나", "한" 등의 단수 표현은 본문에 명백하게 달리 기재되지 않는 한 복수의 지시 대상들을 포함한다.
본 발명은 제공되는 스트림(stream)으로부터 적어도 하나의 모이어티(moiety)(예를 들어, CO2)의 직접적인 포집을 위한 시스템들과 방법들에 관한 것이다. 특히, 상기 시스템들과 방법들은 하나 또는 그 이상의 산업 프로세스들과 연관될 수 있다.
석회석 소성(limestone calcination)은 세계의 전체 온실 가스(GHG) 배출의 일부(현재는 7%를 초과)를 담당하고 있다. 탄산칼슘(석회석)을 산화칼슘(생석회(quicklime))으로 전환시키는 데 소모되는 연료가 이러한 할당의 대략 30%를 차지하고, 소성 동안에 방출되는 오프 가스(off gas)(즉, 이산화탄소)가 이러한 할당의 대략 70%를 차지한다. 그렇지만 소성은 시멘트 제조에서 핵심적인 프로세스이고, 폭넓게 다양한 산업들에 대해 중요한 공급 원료를 생성하는 것으로 나타나는 산업화를 위한 필수적인 활동이다. 예를 들면, 석회는 철과 강철(예를 들어, 불순물들을 제거하고, 생산성을 향상시킴); 건축(예를 들어, 경량이고 매우 극히 절연성인 건축 재료들뿐만 아니라 골재들, 충전제들 및 결합제들을 제조함); 토목 공사(예를 들어, 토양의 안정성과 지지 용량을 향상시키고, 아스팔트 내구성을 개선함); 환경 보호(예를 들어, 중금속들을 제거하기 위한 식수 처리, 불순물들을 제거하기 위한 폐수 처리 및 연도 가스(flue gas) 정화); 농업(예를 들어, 비료를 위한 영양소, 동물 영양 공급 및 질병을 방지하기 위한 동물 위생); 화학 공업(예를 들어, 탄화칼슘과 페인트를 위한 충전제, 의약들 및 폴리염화비닐(polyvinylchloride) 제품들을 형성하기 위한 공급 원료); 다른 산업적 용도들(예를 들어, 설탕뿐만 아니라 유리 및 제지 생산에서 불순물들을 제거하는 것); 그리고 수출을 포함하여 시장에서 중요한 물품이다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 본 발명 이산화탄소(또는 다른 모이어티들)가 산업 프로세스로부터 또는 탄산칼슘(예를 들어, 석회석)과 같은 탄산염을 포함하는 물질의 소성을 포함하는 임의의 프로세스로부터 직접 포집될 수 있는 시스템들과 방법들에 관한 것이다. 하나 또는 그 이상의 다른 프로세스들과 이산화탄소 포집의 통합을 수행하기 위해 적합한 시스템들은 원하는 시스템 구성을 구현하기 위해 임의의 숫자로 결합될 수 있는 다양한 구성 요소들을 포함할 수 있다. 상기 시스템들의 예시적인 실시예들을 실시하기 위해 유용한 개별적인 구성 요소들 또는 유닛들은 다음에 상세하게 설명되며, 본 발명을 이해하는 숙련자라면 다음에 보다 상세하게 설명되는 임의의 설시된 실시예들 이외에도 여기에 포괄되는 유용하고 다양한 조합들을 인지할 수 있을 것이다.
반응기
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 본 발명의 시스템들과 방법은 원료 물질이 산소의 존재에서 가열될 수 있고, 이산화탄소(또는 다른 모이어티)가 형성될 수 있는 적어도 하나의 반응기의 사용을 포괄할 수 있다. 동작의 특정한 모드 및 활용되는 상기 원료 물질에 따라, 상기 반응기는 킬른(kiln) 또는 하소로(calciner)로서 보다 구체적으로 지칭될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 반응기는 광물 성분(예를 들어, 석회석)을 수용하고, 이산화탄소를 방출하기 위한 하소로로 구성될 수 있다. 임의의 많은 수의 구성들이 상기 반응기와 관련하여 활용될 수 있다. 예를 들면, 상기 반응기는 수직 킬른, 수평 킬른, 간접 가열식 킬른, 또는 임의의 다른 적합한 구성으로 구성될 수 있다. 상기 반응기는 독립적인 구성 요소가 될 수 있거나, 반응기 유닛의 세그먼트(segment)나 섹션(section)이 될 수 있다. 일부 실시예들에서, 반응기는 상대적으로 낮지만 주위보다 높은 압력에서 동작될 수 있다. 예를 들면, 동작 압력은 약 1.5bar 내지 약 8bar, 약 2bar 내지 약 5bar, 또는 약 2bar 내지 약 3bar의 범위 이내와 같이 약 10bar까지, 약 8bar까지, 약 5bar까지, 또는 약 4bar까지가 될 수 있다. 특히, 상기 반응기의 동작 압력은 종래의 송풍기 설계로 적정하게 구현될 수 있는 임의의 원하는 값이 될 수 있다. 상기 반응기는 바람직하게는 상기 반응기 환경에서 진행되는 원하는 화학 반응을 보장하도록 산소 소스가 상기 반응기에 제공되는 방식으로 산소가 풍부하게 된다. 일부 실시예들에서, 상기 반응기는 1bar 부근(예를 들어, +/- 10%)인 압력으로 동작될 수 있다
상기 반응기의 가압은 열 생성을 위해 연소되거나 불어진 산화제 및/또는 기체나 증발된 연료 소스를 유입하여 구현될 수 있다. 상기 연소되거나 산화된 연료 소스는 소성 반응기와 같은 상기 시스템의 다른 구성 요소들에 대해 유리한 가열을 제공할 수 있다. 상기 연료 소스는 임의의 적합한 물질이 될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전술한 바와 같이, 기체 연료가 사용될 수 있으며, 제한적이지 않은 예들은 천연 가스, 합성 가스, 사워 가스(sour gas), BOS 가스, 소화제 가스, 연료 오일, 또는 이들과 유사한 것을 포함한다. 일부 실시예들에서, 고체 연료(예를 들어, 미립자화된 석탄, 바이오매스, 갈탄, 또는 이들과 유사한 것)가 사용될 수 있으며, 이러한 실시예들에서, 상기 산화제는 상기 반응기를 위한 가압의 유일한 소스가 될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 연료 분담을 보상하고 원하는 내부 반응기 압력을 증가시키기 위해 상기 송풍기를 증가된 배출 헤드로 동작시키는 것이 바람직할 수 있다. 원할 경우, 액체 연료도 활용될 수 있다. 연료 조성물은 원하는 바에 따라 변화될 수 있으며, 연료 유형들의 혼합물이 사용될 수 있다. 여기에 더 설명되는 바와 같은 일부 실시예들에서, 상기 연료가 적어도 최소한의 탄소 함량을 가지는 것이 유용할 수 있다. 예를 들면, 상기 반응기로 들어가는 연료는 상기 반응기 내로 통과되는 전체 연료 함량에 기초하여 적어도 2몰%, 적어도 5몰%, 적어도 10몰%, 또는 적어도 15몰%의 탄소(상기 연료의 화학적 조성에 의해 본질적으로 제한되는 것으로 이해되는 최대의 탄소 함량으로)가 될 수 있다.
상기 연료와 같이, 가변적인 화학도 상기 산화제 소스와 관련하여 활용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 실질적으로 순수한 산소(예를 들어, 95몰% 이상, 98몰% 이상, 또는 99몰% 이상의 산소)가 사용될 수 있지만, 이러한 순도 레벨들이 요구되지는 않는다. 일부 실시예들에서, 상기 산화제는 본 발명의 시스템과 결합하거나 별도로 동작될 수 있는 산업 프로세스로부터의 연도 가스를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 반응기로 들어가는 산화제 스트림은 투입 연료의 실질적으로 완전한 연소(예를 들어, 적어도 95몰%, 적어도 98몰%, 또는 적어도 99몰%의 연소)를 제공하기 위해 충분한 산소 함량을 가지도록 적용되거나 구성된다. 그렇지 않으면, 공기 분리 유닛(air separation unit)(ASU) 또는 진공 압력 순환 흡착(vacuum pressure swing absorption)(VPSA) 유닛으로부터의 공기 또는 산소가 이러한 요구사상을 보충하기 위해 상기 연도 가스와 혼합될 수 있거나, 변화되지 않는 투입으로 사용될 수 있다. 다음의 표는 다양한 산화제 소스들에 대한 순환 성능들의 예시적인 실시예들을 제공한다. 이러한 경우들은 공기, 초임계 석탄 동력 플랜트로부터의 연도 가스, 결합 사이클 동력 플랜트로부터의 연도 가스 및 직접적인 가스 터빈 배출 가스가 상기 산화제 소스들로 작용하는 구성들을 포함한다. 상기 산화제 소스가 산성 가스 화합물들이나 미립자들이 없는 것을 요구하지는 않는 점에 유의하여야 할 것이다. 여기에 설명되는 바와 같이, 상기 산성 가스들 및 입자들은 광물 생성물, 고체 분리 및/또는 물 분리에 의해 효과적으로 제거될 수 있다. 이는 석탄 화력 발전소와 같은 설비와의 공동 배치에 대해 큰 재정적인 이익이 될 수 있다.
산화제 소스
변수 GT 연도
가스		 CCGT 연도
가스		 SCPC 연도
가스		 공기
연료 투입(MW LHV) 177 107 115 82
CO2 포집 하중(MW) 10.52 16.78 18.75 8.25
CO2 이출 하중(MW) 6.33 5.33 6.45 3.96
생성된 순 동력(MW) -31.5 -0.45 -0.23 0.2
생성된 석회(톤/년) 684,265 491,186 491,186 491,186
생성된 CO2(톤/년) 675,850 569,205 687,618 421,699
상기 반응기는 바람직하게는 탄산염 광물 분해를 위해 적합한 온도에서 소성될 수 있다. 예를 들면, 소성 온도는 약 850℃ 내지 약 1100℃, 약 900℃ 내지 약 1100℃, 또는 약 950℃ 내지 약 1100℃의 범위와 같이 약 850℃ 또는 그 이상, 약 900℃ 또는 그 이상, 약 950℃ 또는 그 이상, 혹은 1000℃ 또는 그 이상(예를 들어, 활용되는 장비의 실제적인 한계까지)이 될 수 있다.
상기 반응기는 상기 반응기와 통합될 수 있거나(예를 들어, 상기 반응기의 유출구에 위치하거나), 반응기 유닛의 구성 요소가 될 수 있거나, 전체적인 시스템의 독립적인 구성 요소가 될 수 있는 고체 분리 구성 요소와 함께 순차적으로 동작될 수 있다. 사이클론 분리기(cyclone separator), 캔들 필터(candle filter) 및/또는 이들 기술들 및 다른 것들의 임의의 다른 조합들과 같은 임의의 적합한 분리 장비가 활용될 수 있다. 상기 고체 분리기의 성능은 상기 나가는 가스가 열회수 장치와 함께 사용을 위해 적절하도록 충분해야 한다. 일부 실시예들에서, 상기 나가는 가스는 고속 터보 기계류(turbomachinery)의 유입구에 직접 공급될 수 있도록 다른 세정을 거칠 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 반응기 및 임의의 선택적인 연관된 구성 요소들은 임의의 고체 미립자들이 실질적으로 없거나(예를 들어, 상기 나가는 가스 스트림의 전체 질량을 기준으로 하여 0.01중량%를 넘지 않는 미립자들), 임의의 고체 미립자들이 완전히 없는 가스 배출 스트림(즉, 연도 가스)을 제공하기 위해 적용되거나 구성될 수 있다. 또한, 이러한 나가는 가스 스트림은 약 700℃보다 크지 않은 특정된 온도에 있도록 구성될 수 있다. 상기 나가는 가스 스트림에 대한 이러한 온도 한계는 바람직하게는 비-니켈계 합금들을 사용할 수 있는 상업적으로 입수 가능한 장비를 통한 다운스트림(downstream) 열 회수가 가능한 데 유리할 수 있다. 전술한 바와 같은 보다 높은 범위의 반응기 온도와 합동으로 약 700℃의 한계를 구현하기 위하여, 상기 반응기 투입 스트림들 중의 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있는 하나 또는 그 이상의 다른 스트림들과 열의 일부를 교환하는 것이 유용할 수 있다. 예를 들면, 수직 킬른에서, 탄산염 광물 공급 원료는 상기 킬른을 나가는 연소 연도 가스 스트림에 대항하는 흐름으로 제공될 수 있다. 상기 킬른 내로의 광물 도입 속도는 상기 킬른으로 들어가는 탄산염을 포함하는 스트림의 온도가 주위로부터 대략 650℃에서 700℃ 부근까지의 범위 이내와 같이 상기 킬른을 나가는 기체 스트림의 온도에 근접하는 온도에 실질적으로 대응될 수 있는 정해진 값까지 가열될 수 있는 이와 같은 방식으로 제어될 수 있다. 동작의 비교되는 모드도 유입되는 산화제 및/또는 연료 스트림과 관련하여 상기 킬른의 바닥 부분에 구현될 수 있다. 특히, 유입되는 산화제 및/또는 연료는 나가는 탄소가 제거된 생성물에 대해 가열될 수 있다. 이는 연료 효율을 개선하는 추가적인 효과를 가질 수 있다.
상기 반응기의 규모는 일부 실시예들에서 주로 동력 발생 시스템의 일부로서 이용을 위해 양립 가능하도록 크기가 조절될 수 있다. 예를 들면, 가스 터빈은 열을 제공하기 위해 그 배출을 상기 반응기 내로 직접 도입시킬 수 있다. 상기 반응기 내의 버너는 상기 가스 터빈 배출 가스 불순물들의 스크러빙(scrubbing)을 위해 충분한 광물 생성물을 생성하기에 충분한 정도인 레벨로 동작할 수 있다. 그렇지 않으면, 보다 많은 연료를 연소시키는 것이 증기 터빈에서 다운스트림 동력 발생을 위해 "덕트(duct)" 연소로서 효과적으로 작용할 수 있다. 상기 반응기의 규모를 조정하는 것은 이에 따라 CO2 이출을 통한 탈수와 관련하여 다음에 설명되는 경우들과 같은 다운스트림 시스템 구성 요소들에 실질적으로 영향을 미치지 않을 수 있다. 이는 통합된 탄소 포집, 미립자 제거 정전기 집진이나 백 필터들 대신에 사이클론 여과 및 벤투리(venturi) 스크러빙의 형태로의 미립자 제거, 그리고 SCR 대신에 건조 스크러빙의 형태로의 NOx 제거를 구비하는 효과적인 결합 사이클이 될 수 있다. 상기 가스 터빈이 제거되어야 하고 석탄이 상기 연료 소스로서 사용되어야 하는 경우, 본 발명의 시스템은 상기 반응기를 통한 연도 가스 탈황(FGD)뿐만 아니라 앞서의 이점들의 모두를 구비하는 석탄 동력 플랜트로 효과적으로 기능할 수 있다.
일부 실시예들에서, 카보네이터(carbonator)가 상기 연도 가스 CO2 포집 속도를 증가시키기 위해 상기 반응기에 부착될 수 있다. 상기 반응기로부터 생성되는 산화칼슘("생석회" 또는 CaO)은 약 900℃ 내지 약 1,000℃의 온도가 될 수 있다. 상기 반응기를 나가는 CaO의 일부는 약 600℃와 같은 보다 낮은 범위로 온도가 감소되도록 냉각될 수 있으며, 이후에 탄산화 반응(CaO＋CO2＝CaCO3)을 통해 산업 연도 가스로부터 CO2를 제거하기 위해 카보네이터로 공급될 수 있다. 상기 카보네이터의 동작 온도는 이에 따라 약 600℃ 내지 약 650℃의 범위가 될 수 있다. 상기 카보네이터를 나가는 CaCO3은 소성을 위해 상기 반응기로 다시 재순환될 수 있다. 냉각되지 않고 상기 카보네이터로 공급되지 않는 CaO는 이출될 수 있다. 이출 CaO 대 상기 카보네이터로 들어가는 CaO의 비율은 바람직하게는 약 4:1 내지 약 1:1, 또는 약 04:1 내지 약 2:1, 또는 약 3:1 내지 약 1:1과 같이 약 5:1 내지 약 0.5:1의 범위 이내가 된다.
이러한 비율을 활용하는 것은 상기 칼슘 루핑이 이산화탄소 포집을 위해 상기 산화칼슘의 불활성화를 가져오지 않는 점을 확보하는 데 중요할 수 있다. 상기 산업 연도 가스는 상기 카보네이터로 들어가기 전에 상기 시스템 내의 뜨거운 스트림에 대해 약 400℃ 내지 약 500℃의 범위의 온도로 예비 가열될 수 있으며, 이러한 점은 상기 카보네이터의 바람직한 동작 온도를 유지하는 데 유용할 수 있다. 상기 카보네이터로부터의 상기 CO2가 적은(lean) 연도 가스는 배기되기 전에 주위 온도에 가깝게 냉각될 수 있다. 회수된 열은 증기 동력 생산에 이용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 새로운 반응기의 제공을 요구하는 대신에 현재의 플랜트들을 위한 장비가 활용될 수 있다. 예를 들면, 시멘트 플랜트 또는 생석회 플랜트 내의 킬른이 상기 시멘트 및/또는 생석회 플랜트로부터 CO2를 포집하기 위해 본 발명에 따른 동작에 대해 부가될 수 있다.
일부 실시예들에서, 높은 탄소/수분 함량의 석탄재가 상기 탄소/수분 함량을 감소시키기 위해 상기 반응기 내로 함께 투입될 수 있다. 상기 석탄재 내의 탄소는 상기 반응기 동작을 위한 연료 소모를 위한 발열량(heating value)을 제공할 수 있다. CaO와 혼합된 열처리된 석탄재가 시멘트, 콘크리트 및 다른 건축 재료들을 제조하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 석탄재 재연소기(reburner)는 상기 반응기의 출구에 배치되는 독립적인 유닛이 될 수 있다. 상기 반응기 연도 가스, 연료 및 산화제는 상기 석탄재 내의 상기 탄소를 연소시키기 위해 상기 석탄재 재연소기로 투입될 수 있다. 상기 열처리된 석탄재는 CaO와 혼합되지 않고 이출될 수 있다.
환열기(heat recuperator)
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 여기에 설명되는 바와 같은 시스템들은 하나 또는 그 이상의 환열기 구성 요소들 및/또는 환열기 유닛들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 단일의 환열기(예를 들어, 환열식 열교환기(recuperative heat exchanger), 배열 회수 보일러(heat recovery steam generator)(HRSG), 가스 가열식 개질기(gas heated reformer)(GHR), 또는 이들과 유사한 것)가 독립적으로 이용될 수 있다. 선택적으로나 추가적으로, 복수의 환열기들(예를 들어, 앞서 언급한 예시적인 실시예들 및 이와 유사한 것들 중에서 복수의 임의의 것들 및/또는 앞서 언급한 환열기들의 다른 유형들의 결합)이 활용될 수 있다. 이에 따라, 상기 반응기 또는 반응기 유닛을 나가는 실질적으로나 완전히 고체들이 없는 가스 스트림(또는 연도 가스)에 적어도 하나의 열 회수 단계가 수행될 수 있다. 이와 같이, 상기 환열기(들)는 가능한 한 많은 나머지의 열을 열전달 동작 유체(working fluid)로 전달하거나 및/또는 추가적인 화학 프로세스를 위한 열 투입을 제공하도록 적용되거나 구성될 수 있다. 일부 예시적인 실시예들에서, HRSG가 동력 발생을 위해 셋의 압력 재가열 증기 터빈 장치에 동력을 제공하도록 상기 연도 가스와 함께 이용될 수 있다. 선택적으로나 추가적으로, 상기 연도 가스는 천연 가스로부터 H2 발생을 위해 GHR을 가열하는 데 이용될 수 있다. 이러한 상황에서, 700℃를 초과하는 온도의 생성이 가능하도록 덕트 재연소기를 상기 연도 가스 스트림 내로 통합할 필요가 있을 수 있다. 이상적으로는, GHR에 대한 열은 대략 1,000℃ 정도의 범위가 될 수 있다. 상기 환열기(들)는 바람직하게는 상당히 감소된 온도로 상기 가스 스트림을 제공하면서 전술한 용도들(또는 다른 용도들)을 충족시키기 위해 충분한 양의 열을 전달하도록 적용되거나 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 환열기(들)를 나가는 가스 스트림이 실질적으로 주위에 가까운 온도에 있는 것이 유용할 수 있다. 예를 들면, 상기 환열기(들) 또는 환열기 유닛을 나가는 스트림의 온도는 약 20℃ 내지 약 150℃, 약 20℃ 내지 약 100℃, 또는 약 30℃ 내지 약 80℃의 범위 이내가 될 수 있다.
건조기/물 분리기
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 여기에 설명되는 바와 같은 시스템들은 상기 가스 스트림으로부터 일반적인 형태로 물이나 수분을 제거하도록 적용되거나 구성되는 구성 요소들을 포함할 수 있는 하나 또는 그 이상의 건조기들 또는 건조 유닛을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 건조/물 분리는 복수의 건조 단계들을 수행하도록 적용되거나 구성되는 단일의 유닛을 활용하여 수행될 수 있거나, 다른 유형들의 건조 동작들을 수행하도록 적용되거나 구성되는 복수의 개별적인 건조 구성 요소들을 활용하여 수행될 수 있다. 제1의 건조 구성 요소는 대략 주위 온도를 초과하는 스트림 내의 임의의 남아있는 열을 제거하도록 적용되거나 구성되는 임의의 요소가 될 수 있다. 이는 대략 주위 온도(예를 들어, +/-10℃ 또는 +/-5℃)까지의 상기 연도 가스를 가져오도록 감지 가능한 열 방출을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 습식 벤투리 스크러버(wet venturi scrubber)가 상기 제1 건조 구성 요소로 이용될 수 있다. 냉각을 제공하는 것 이외에도, 벤투리 스크러버는 산성 가스 화학 물질을 액상으로 용해시키고, 상기 연도 가스 내에 수반되는 임의의 미세한 고체들을 제거하는 것을 보조하는 데 유용할 수 있다. 이러한 스크러버를 위한 적합한 냉각 매체는 건조 냉각 타워 장치를 통해 온도가 제어될 수 있는 응결된 처리수를 포함할 수 있다.
제2의 건조 구성 요소는 하나 또는 그 이상의 건조 구성 요소들을 포함할 수 있다. 이러한 구성은 임의의 남아있는 물의 이슬점이 약 -40℃ 또는 그 이하, 약 -50℃ 또는 그 이하, 혹은 약 -55℃ 또는 그 이하의 범위와 같은 이산화탄소에 대한 액화 온도 부근이거나 아래가 되도록 수증기가 제거될 수 있는 건조 상(desiccation phase)을 제공할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 적합한 건조 구성 요소는 활성화 알루미나 또는 유사한 건조제의 층(bed)을 포함할 수 있다. 건조제 유닛(desiccant unit)은 특히 다음에 상세하게 설명되는 바와 같이 CO2 정화 유닛 내에 사용될 수 있다. 이와 같이, 물 분리는 상기 시스템과 방법의 다른 구성 요소들/단계들에 의해 분리될 수 있는 다중의 단계들에서 일어날 수 있다.
가압
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 여기에 설명되는 바와 같은 시스템들은 하나 또는 그 이상의 가압 구성 요소들 또는 가압 유닛을 포함할 수 있다. 이들은 임의의 유형의 압축 장치 또는 압축 유닛(예를 들어, 단일 스테이지의 압축기 또는 원할 경우에 최종 압축 스테이지 이후를 포함하여 압축 스테이지들 중의 하나 또는 그 이상 사이에 중간 냉각이 있을 수 있거나 없을 수 있는 다중 스테이지 압축기) 및/또는 펌프를 포함할 수 있다. 임의의 가압 구성 요소는 바람직하게는 약 3bar 내지 약 15bar, 약 4bar 내지 약 12bar, 또는 약 5bar 내지 약 10bar의 범위가 될 수 있는 배출 압력을 제공하도록 적용되거나 구성될 수 있다. 상기 가압 구성 요소(들) 또는 가압 유닛은 상기 연도 가스가 주위 온도 부근까지 다시 한 번 냉각될 수 있도록 압축의 임의의 잔열 중의 적어도 일부를 제거하기 위해 적용되거나 구성될 수 있는 후-압축 열교환기를 포함할 수 있다. 가압은 선택적이 될 수 있지만, 가압은 특히 가압이 임의의 멤브레인 분리 스테이지의 업스트림(upstream)에서 유용하므로 CO2 제거를 용이하게 하는 데 유용할 수 있으며, 상기 압축된 스트림의 다운스트림 팽창을 통한 냉각을 가능하게 할 수 있다.
산성 가스 분리기
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 여기에 설명되는 바와 같은 시스템들은 하나 또는 그 이상의 산성 가스 분리 구성 요소들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 일부 실시예들에서, CO2 분리 멤브레인 구성 요소 또는 유닛이 활용될 수 있다. 다른 실시예들에서, 워터 스크러버(water scrubber)가 상기 멤브레인 분리 구성 요소 또는 유닛으로부터 업스트림에 제공될 수 있다. 상기 가압 구성 요소(들) 또는 유닛을 떠나는 상기 연도 가스가 바람직하게는 전술한 바와 같은 압력 범위 내에 있기 때문에, 상기 연도 가스 내의 임의의 잔여 SOx 및 NOx는 상기 연도 가스 내의 산소를 통해 말단 산종들에 대해 산화될 것이다. 분리 멤브레인과 같은 상기 산성 가스 분리기는 50% 보다 낮지 않은 CO2 농도를 가지는 침투성 생성물의 일부로서 상기 투입 CO2의 적어도 50%의 대량 회수(bulk recovery)를 제공하도록 적용되거나 구성될 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 상기 반응기에 대해 투입되는 연료는 기체, 고체, 또는 액체가 될 수 있다. 상기 시스템 내에서 발생되는 대량의 CO2가 상기 연료 및 산화제와 함께 상기 반응기 내로 투입되는 상기 탄산염 광물로부터 유래될 수 있기 때문에 상기 연료의 화학은 원하는 바에 따라 변화될 수 있다. 적당한 규모, 성능 및 비용이 되도록 여기서 이용되는 임의의 CO2 멤브레인을 위해, 일부 실시예들에서, 상기 시스템이 상기 연도 가스가 약 30중량% 또는 그 이상, 약 35중량% 또는 그 이상, 혹은 약 40중량% 또는 그 이상의 CO2 농도를 가지게 되도록 연도 가스 CO2 농도(즉, 상기 반응기로부터 직후의 다운스트림에서)를 제공하기 위해 적용되거나 구성되는 것이 바람직할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 킬른을 나가는 상기 연도 가스 내의 CO2 농도는 상기 연도 가스 스트림의 전체 중량을 기준으로 하여 약 30중량% 내지 약 90중량%, 약 35중량% 내지 약 75중량%, 또는 약 40중량% 내지 약 60중량%가 될 수 있다. 이러한 값은 낮아지기 때문에, 상기 산성 가스 제거 구성 요소 또는 유닛 내에 사용되는 상기 멤브레인 분리기에 대한 유입 압력은 증가되어야 하며, 침투 순도가 떨어지기 시작한다. 이에 따라, 상기 연료 화학이 변하는 동안, 일부 실시예들에서, 상기 연료가 이미 앞서 언급한 바와 같이 적어도 최소의 탄소 함량을 포함하는 것이 유리할 수 있다. 상기 탄소 함량이 원하는 범위 아래에 있을 경우, 질소 및 황 오염물들은 기술적 관심이 아니라 경제적 관심을 조정하기 위해 최소로 될 수 있다. 형성되는 NOx 및 SOx 종들은 부분적으로 산화된 광물 생성물에 결합될 것이다. 예를 들면, 생석회(CaO)가 상기 반응기 내에서 석회석으로부터 형성되는 실시예들에서, NOx 및 SOx는 황산칼슘(석고) 및 질산칼슘(노르웨이 초석)을 생성하도록 상기 CaO와 결합할 것이다. 실제로, 이들 화합물들의 형성은 일부 실시예들에서 상기 킬른에 대한 스트림의 추가에 의해 조장될 수 있다. 또한, 고압의 워터 스크러빙 단계에 이르게 되는 임의의 NOx 또는 SOx는 액상의 산으로 용해될 것이다. 경제적 효과는 이에 따라 이들 화합물들을 형성하고 판매하는 것이 바람직한 실시예들에서만 야기될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 본 발명의 시스템들은 이에 따라 일차 생성물로부터 이러한 물질들의 분리에 영향을 미치기 위해 필요한 임의의 구성 요소들을 포함할 수 있다. 이러한 스크러빙 기술을 활용하여 NOx 및 SOx의 제거를 제공하는 능력은 가열 연료유(HFO)(예를 들어, 디젤 #9, "벙커(bunker)" 연료) 및 고유황 페트콕(petcoke)과 같은 상대적으로 낮은 품질의 연료들의 사용을 가능하게 하는 데 유리할 수 있다.
이산화탄소 정화기
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 여기에 설명되는 바와 같은 시스템들은 하나 또는 그 이상의 이산화탄소 정화 구성 요소 또는 유닛을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 상기 정화기는 저온 정화기를 포함할 수 있으며, 선택적으로는 극저온 정화기를 포함할 수 있다. 상기 정화기(들)는 상기 CO2 생성물이 N2 및 O2 함량의 가스 배출을 통해 보다 높은 농도로 더 정제되게 하는 데 유익할 수 있다. 이러한 단계의 최종적인 냉각 요구 사항은 최종 용도를 위한 원하는 CO2 순도에 의해 결정될 것이다. 그렇지만, 상기 멤브레인 분리로부터의 농축물은 터보-팽창기의 활용에 의하는 것과 같이 주위 압력 부근까지 앞서 정의한 바와 같은 압력으로부터 팽창될 수 있다. 생성된 축 동력은 이후에 업스트립 압축에 이용된 에너지를 벌충하는 데 도움이 되도록 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 이산화탄소 정화기 및 상기 가압 구성 요소(들)는 연계될 수 있다. 예를 들면, 상기 터보-팽창기 및 압축기는 공기 분리 유닛들 내에서 산업 가스 생성을 위해 통상적으로 이용되는 경우와 같은 "컴팬더(compander)" 유형의 시스템으로 구성될 수 있다. 상기 터보-팽창기를 나가는 낮은 압력의 농축물은 바람직하게는 약 -40℃ 또는 그 이하, 약 -50℃ 또는 이하, 혹은 약 -55℃ 또는 그 이하의 온도에 있을 수 있다. 이러한 가스는, 예를 들면, 상기 극저온 정화를 위한 보충적인 냉각으로 이용될 수 있다.
상기 이산화탄소 정화기는 상기 스트림이 상기 스트림의 전체 중량을 기준으로 하여 약 90% 또는 그 이상, 약 95% 또는 그 이상, 약 98% 또는 그 이상, 혹은 약 99% 또는 그 이상의 CO2를 포함하는 상태로 CO2 생성물을 제공하도록 적용되거나 구성될 수 있다. 이러한 값에서, 상기 극저온 정화기가 증류 칼럼(distillation column)을 필수적으로 이용하지는 않을 수 있다. 액상으로의 CO2의 응축은 충분할 수 있다. 보다 높은 순도(예를 들어, 약 95%의 농도 이상)가 요구될 경우, 앞서 언급한 바와 같은 칼럼을 포함하는 것이 유리할 수 있다. 또한, 오프 가스 사이클을 구비하는 증류 칼럼도 보다 높은 CO2 회수 속도에 기여할 수 있다. 최종적인 문제로서, 원해지는 CO2 농도에 관계없이, 본 발명의 시스템들은 상기 액체 이산화탄소 생성물이 원하는 압력까지 펌핑될 수 있고, 이출될 수 있도록 임의의 적합한 장비를 포함할 수 있다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 저온 CO₂정화 유닛은 특히 하나 또는 그 이상의 압축기들(예를 들어, 그렇지 않으면 상술한 바와 같은 압축 유닛), 하나 또는 그 이상의 열교환기들, 그리고 하나 또는 그 이상의 분리기들을 포함할 수 있다. 특히, 상기 CO2 정화 유닛은 50% 보다 낮지 않은 CO2 농도를 가지는 CO2가 풍부한(rich) 스트림 내에서 투입 CO2의 적어도 50%의 대량 회수를 제공하는 데 효과적인 적어도 하나의 멤브레인 분리 스테이지를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 건조제 건조기 층이 상기 가스 스트림의 추가적인 건조를 제공하기 위해 상기 압축 단계들의 다운스트림에 제공될 수 있다. 상기 동작의 방법들은 압축되고 건조된 가스 스트림을 냉각하기 위해 그 냉각 에너지를 회수하도록 적어도 하나의 냉각 생성물 스트림을 적어도 하나의 열교환기로 통과시키는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 압축되고 건조된 CO₂스트림을 냉각하기 위한 보충적인 냉각 에너지는 액체 CO₂생성물 스트림의 일부를 증발시킴에 의해 제공될 수 있다. 다른 실시예들에서, 보충적인 냉각이 외부 냉각 루프에 의해 제공될 수 있다.
동작의 예시적인 시스템들과 방법들
여기에 상세하게 설명되는 동작의 방법들의 예시적인 실시예들 중의 임의의 것을 수행하는 과정을 포함하는 본 발명에 따른 유용한 시스템의 예시적인 실시예들은 실질적으로 도 1a 및 도 1b에 도시된 경우들이 될 수 있다. 도면들에서 알 수 있는 바와 같이, 라인(1)은 광물 또는 다른 원료 물질을 상기 반응기(10)(예시적인 실시예에서, 특히 하소로 또는 소성 반응기로 지칭될 수 있음) 내로 제공하도록 적용되거나 구성될 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 상기 광물은 석회석이 될 수 있고, 라인(1)은 상기 석회석(또는 채용되는 특별한 프로세스에 따라 다른 광물)의 공급 스트림 및/또는 구성 스트림을 생석회(CaO)의 형성을 위해 상기 반응기(10)로 전달하도록 적용되거나 구성될 수 있다. 상기 CaO는 라인(11)을 통해 상기 반응기(10)를 나갈 수 있다. 상기 라인(11) 내의 CaO의 적어도 일부는 라인(5)을 통해 이출을 위하여 상기 시스템을 나갈 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 라인(11) 내의 CaO의 적어도 일부는 라인(1') 내에서 상기 하소로로 다시 보내지는 탄산칼슘을 개질하는 탄산화를 위해 라인(12)을 통해 상기 카보네이터(20)로 통과될 수 있다. 정상 동작 동안, 석회석은 외부의 광산/소스로부터 구성되는 바와 같이 제공될 수 있다. 상기 시스템이 상기 반응기(10)에 평행한 선택적인 카보네이터(20)를 구비하여 동작하는 실시예들에서, 상기 카보네이터로부터의 탄산칼슘 생성물도 라인(1')을 통해 상기 소성 반응기로 공급될 수 있다. 두 가지의 상황들에서, 상기 플랜트/시스템을 떠나는 생석회의 이출 유량도 바람직하게는 실질적으로 변화되지 않기 때문에 외부 광산/소스로부터 제공되는 새로운 구성의 투입이 실질적으로 변화되지 않고 남을 수 있는 점에 유의해야 할 것이다. 도 1a에 예시한 바와 같이, 상기 반응기(10)는 반응기 섹션(10a) 및 사이클론 고체 분리기 섹션(10b)을 포함하는 유닛으로 구성된다.
상술한 바와 같이, 상기 카보네이터(20)는 선택적으로 존재할 수 있고, 이에 따라 제외될 수도 있다. 따라서, 상기 카보네이터(20)로 들어가거나 나가는 것으로 설명되는 임의의 라인들도 마찬가지로 선택적이 될 수 있으며, 제외될 수 있다. 일부 실시예들에서, 카보네이터 유닛(20)은 본 발명의 시스템들에 분명하게 활용될 수 있다. 도 1a에서 볼 수 있는 바와 같이, 라인(2)은 라인(4)을 통해 상기 카보네이터로 제공될 수 있는 혼합된 CO2 가스 스트림(예를 들어, 연도 가스) 내의 CO2 함량에 선택적으로 결합될 수 있는 흡착제의 스트림을 제공하도록 적용되거나 구성될 수 있다. 예를 들면, 상기 라인(2) 내의 흡착제는 열 및/또는 스트림의 존재에서 CO2와 결합할 수 있고, 고체의 이출 가능한 생성물을 생성할 수 있는 감람석(olivine)과 같은 광물이 될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 상기 반응기(10) 내에서 발생되는 생석회는 라인(5)을 통해 이출을 위한 생성물로서 실질적으로 완전하게 진행될 수 있고, 라인(12)을 통해 상기 카보네이터(20)로 부분적으로 전환되지 않을 것이다. 마찬가지로, 상기 카보네이터(20)로부터의 생성물은 이러한 실시예들에서 라인(1')을 통해 상기 반응기(10)로 공급되지 않을 수 있다. 상기 카보네이터(20)로부터의 배출 가스는 그로부터 라인(3)으로 통과될 수 있으며, 상기 배출 가스 스트림은 바람직하게는 CO2가 실질적으로 없을 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 카보네이터(20)는 약 600℃ 내지 약 650℃의 온도에서 동작될 수 있으며, 상기 라인(3) 내의 배출 가스는 대기로 방출되기 이전에 상기 라인(3) 내의 배출 가스를 여기에 설명되는 바와 같은 하나 또는 그 이상의 다른 스트림들에 열을 제공할 수 있는 선택적인 열교환기(25)를 통과시킴에 의해 열 회수를 거칠 수 있다.
여기에 달리 기재되는 바와 같이, 연도 가스 스트림은 본 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들에서 이용될 수 있으며, 이러한 연도 가스는 라인(4)을 통해 혼합된 CO2 스트림으로 제공될 수 있다. 상기 연도 가스는 대부분 또는 적어도 부분적으로 이산화탄소를 포함할 수 있고, 동력 플랜트 또는 다양한 다른 방식들로 이용될 수 있는 일부 다른 배출 소스로부터 유래될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 라인(4) 내의 연도 가스는 상기 소성 킬른(10) 내에서 연료의 연소를 구현하기 위해 상기 산화제 소스의 적어도 일부로 활용될 수 있다. 이러한 점은 라인(4')에서 볼 수 있으며, 상기 라인(6) 내의 산화제를 보충하거나 대체할 수 있다. 상기 연도 가스가 충분한 산소 함량을 포함하지 않을 경우, 라인(6) 내의 추가적인 O2로 보충될 수 있다. 상기 라인(6) 내에서 제공되는 산화제는 여기에 달리 설명하는 바와 같이 실질적으로 순수한 산소 및/또는 공기와 같은 임의의 적합한 산소 소스가 될 수 있다. 상기 카보네이터(20)가 활용되는 실시예들에서, 상기 라인(4) 내의 연도 가스는 여전히 상기 소성 반응기(10)를 위한 산소 소스로 이용될 수 있거나, 전혀 그렇지 않을 수 있다. 상기 연도 가스가 이러한 방식으로 이용되지 않을 경우, 모든 산소가 상기 산화제 라인(6)으로부터 유래되어야 한다. 그렇지 않으면, 상기 연도 가스의 모두 또는 일부가 CO2가 세척되도록 상기 카보네이터(20)로 공급될 수 있고, 이후에 배출될 수 있다. 상기 라인(4) 내의 연도 가스의 모두 또는 일부는 상기 열교환기(25) 내에서 상기 라인(3) 내의 배출 가스에 대해 가열될 수 있다. 송풍기(4a) 및/또는 송풍기(6a)가 상기 라인(4) 내의 연도 가스 및/또는 상기 라인(6) 내의 산화제를 각기 가압하기 위해 활용될 수 있다. 상기 송풍기들 중의 하나는 선택적으로 존재할 수 있지만, 상기 송풍기들 중의 적어도 하나는 필요한 가압을 제공하기 위해 전술한 라인 내에 존재하는 점이 이해될 것이다. 연료는 라인(8)을 통해 상기 반응기로 통과될 수 있으며, 이미 앞서 설명한 바와 같이 임의의 물질을 포함할 수 있다.
물과 증기는 상기 환열기(30)로 활용되는 실시예들에서 각기 라인(9)과 라인(8)으로 통과될 수 있다. 도 1a의 실시예에 예시한 바와 같이, 상기 라인(9) 내의 공급수는 상기 환열기(30)를 통해 순환되도록 펌프(9a)로 통과될 수 있고, 여기서 증기를 형성하도록 가열되며, 동력 생산 및 이와 유사한 목적을 위한 다른 프로세스들에 이용되기 위해 회수될 수 있다. 선택적으로, 상기 라인(8) 내의 증기의 일부는 라인(8')을 통해 상기 카보네이터(20)로 향해질 수 있다.
상기 환열기(30) 내에서 냉각되었던 배출 가스는 도 1b에 도시한 바와 같이 추가적인 처리를 위해 라인(13)으로 통과될 수 있다. 예시한 바와 같이, 상기 라인(13) 내의 배출 가스는 라인(14) 내에 실질적으로 건조한(예를 들어, 0.5% 이하의 물) 배출 가스를 제공하기 위해 물 분리기(40) 및 건조제 건조기(50)로 연속적으로 통과될 수 있다. 상기 건조 배출 가스는 이후에 가압 유닛(60)으로 진행되며, 여기서 라인(15) 내에 가압된 배출 가스를 제공하기 위해 일련의 압축 상태들(62, 64, 66) 및 연관되는 후-냉각기들(63, 65, 67)로 통과된다. 상기 가압된 가스는 라인(16) 내의 적은 CO2 스트림 및 라인(17) 내의 풍부한 CO2 스트림을 제공하기 위해 멤브레인 분리기(70)로 통과된다. 상기 풍부한 CO2 스트림은 예시한 바와 같이 컴팬더(100)를 통해 상기 압축기 유닛(60)에 연결될 수 있는 터보-팽창기(80)를 통해 처리될 수 있고, 상기 팽창되고 풍부한 CO2 스트림은 이후에 상기 라인(16) 내의 적은 CO2 스트림과 함께 저온 CO2 분리기(90)로 통과될 수 있다. 상기 저온 CO2 분리기(90)는 이에 따라 실질적으로 탄소가 없는 공기(예를 들어, 0.1중량% 이하의 탄소), 탄소가 적은 공기 및 이산화탄소 스트림을 제공할 수 있으며, EOR 또는 다른 용도들을 위해 제공되는 바와 같은 탄소 포집 활용 및 저장(CCUS)이 수행될 수 있다. 비록 상기 컴팬더(100), 멤브레인(70) 및 터보-팽창기(80)가 도시되지만, 이들 구성 요소들 중의 하나 또는 그 이상이 일부 실시예들에서 제외될 수 있는 점이 이해될 것이다.
도 1b에서, 예시된 구성 요소들 중의 하나 또는 그 이상은 요구되는 CO2 정화에 영향을 미치도록 원하는 바에 따라 재배열될 수 있다. 예를 들면, 상기 건조제 건조기(50)는 선택적으로 상기 압축 스테이지들(62, 64, 66)의 다운스트림에 위치할 수 있다. 마찬가지로, 상기 압축 스테이지들(62, 64, 66), 상기 컴팬더(100), 상기 팽창기(80), 상기 멤브레인 분리기(70) 및 상기 저온 CO2 분리기(90) 중의 하나 또는 그 이상이 CO2 정화 유닛을 형성하기 위해 결합될 수 있다. 다시 말하면, 여기에 활용되는 바와 같은 CO2 정화 유닛은 적어도 저온 CO2 분리기(90) 및 적어도 하나의 멤브레인 분리 스테이지(70)를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 여기에 활용되는 바와 같은 CO2 정화 유닛은 적어도 저온의 CO2 분리기(90), 적어도 하나의 멤브레인 분리 스테이지(70) 및 적어도 하나 또는 그 이상의 압축기들(예를 들어, 62, 64, 66)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 CO2 정화 유닛은 하나 또는 그 이상의 압축기들 및 적어도 하나의 멤브레인 분리 스테이지(70) 사이에 위치할 수 있는 건조제 건조기(예를 들어, 유닛(50))를 포함한다.
시스템의 동작 실시예들
여기에 설명되는 바와 같은 시스템 구성 요소들은 본 발명의 다양한 동작 실시예들을 구현하기 위해 다양한 방식들로 결합될 수 있다. 이하에서 상기 시스템 구성 요소들이 다른 산업적으로 유용한 생성물들 및/또는 동력 생산과 결합하여 탄소 포집을 위해 활용될 수 있는 방법들의 다중의 예시적인 실시예들이 제공된다. 여기서 설명되는 다양한 실시예들에서, 상기 시스템들은 석회 생산, 시멘트 생산, 제강 및 유사한 산업 프로세스들에 대해 적어도 부분적으로 활용될 수 있다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 상기 시스템은 산소-연소 프로세스에서 대부분이나, 실질적으로나, 완전히 동작될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 상기 반응기(10)로부터의 폐열이 탄소 포집의 동력 소모 및 상기 소성 프로세스로부터의 정화를 감소시키도록 동력 생성을 위해 이용될 수 있다. 상술한 프로세스는 현재의 동력 플랜트 및 석회/시멘트/제강 플랜트들로부터의 연도 가스로부터 후-연소 CO2 포집과 통합될 수 있거나, 상기 프로세스에 탄산화 반응기를 추가함에 의한 직접적인 공기 포집을 위한 부식성 액체 스크러빙 시스템과 통합될 수 있다. 산소가 풍부한 소성 프로세스는 부분적인 산소-연료 연소 또는 완전한 산소-연료 연소가 될 수 있다. 다양한 실시예들에서의 산소 발생은 공기 분리 유닛, 멤브레인 기반의 발생 프로세스, 압력 순환 흡착기(pressure swing absorber)(PSA), 진공 압력 순환 흡착기(vacuum pressure swing absorber)(VPSA), 바이오-반응기 및/또는 다른 프로세스들로부터 유래될 수 있다.
본 발명에서 개시되는 시스템들의 이러한 동작의 예시적인 실시예가 도 2에 도시되며, 여기서 반응기(200)는 탄소 포집을 구비하는 동작을 위해 구성될 수 있다. 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 석회석은 소성 반응을 위해 VPSA 유닛(240)으로부터 라인(241) 내의 산소, 라인(242) 내의 연료 및 라인(236) 내의 재순환되는 CO2 가스와 함께 라인(201) 내에서 반응기(200) 내로 투입될 수 있다. 모든 투입 가스와 고체 스트림들은 열 활용을 증진시키기 위해 상기 반응기 내로 투입되기 전에 상기 연도 가스 및 상기 열교환기 네트워크(210) 내의 상기 반응기(200)로부터의 뜨거운 고체들(CaO)에 의해 예열될 수 있다. 예를 들면, 생석회(CaO)가 될 수 있는 고체 생성물은 고상 가스 분리기(205)(예를 들어, 사이클론 분리기) 내에서 연도 가스로부터 분리될 수 있다. 상기 라인(207) 내의 CaO 및 상기 라인(206) 내의 연도 가스는 냉각된 연도 가스가 라인(211) 내에서 나가고, 이송을 위해 CaO가 라인(212) 내에서 나가도록 상기 열교환기(210)로 통과된다. 상기 반응기(200)는 이러한 실시예들에서 바람직하게는 약 900℃ 내지 약 1000℃의 온도 및 주위 압력 이상의 압력에서 동작될 수 있다. 상기 열교환기 네트워크는, 예를 들면, 적어도 하나의 기체-기체 열교환기 및 기체-고체 교환기가 될 수 있다. 반응기(200) 유입 스트림들은 상기 열교환기 네트워크(210) 내에서 미리 가열될 수 있다. 반응기 배출 스트림들로부터의 추가적인 폐열이 상기 하소로 플랜트 전력 소모를 감소시키거나 완전히 감당하도록 CO2가 없이 전기를 생산하기 위해 폐쇄 루프 동력 사이클(closed loop power cycle)을 동작시키는 데 이용될 수 있다. 증기, 초임계의 CO2 및/또는 다른 동작 유체가 상기 동력 사이클에 대해 이용될 수 있다. 상기 하소로 유입구들을 예열하기 위해 이용되는 폐열 및 상기 폐쇄 루프 동력 사이클을 동작시키기 위해 이용되는 폐열은 가장 낮은 동작 비용(연료 비용 대 전기 비용)을 얻기 위해 조정될 수 있다. 다른 부분은 부산물로서 과잉의 동력을 생성하도록 동력 생성을 위해 상기 폐열의 대부분을 이용하고 있다. 도 2에 예시한 바와 같이, 라인(256) 내의 압축된 동작 스트림은 상기 열교환기(210)로 통과되고, 터빈(245) 내에서 팽창되는 가열된 스트림(213)으로 나간다. 상기 라인(246) 내의 팽창된 스트림은 냉각기(250) 내에서 냉각되며, 상기 열교환기 내에서의 재가열을 위한 상기 동작 유체를 재생하기 위해 압축기 및/또는 펌프 유닛(255) 내에서 다시 압축되도록 라인(251) 내에서 나간다.
상기 열교환기 네트워크를 나가는 라인(212) 내의 저온의 생석회는 판매를 위해 직접적으로 이출될 수 있거나, 수화된 석회를 생성하기 위해 물과 혼합될 수 있거나, 시멘트 플랜트에서 클링커 형성을 위해 이송된다. 상기 열교환기 네트워크를 나가는 라인(211) 내의 연도 가스는 통상적으로 압축 이전에 분리기(215) 내의 가스로부터 제거되는 액상의 물(라인(217) 내에서 나가는 물)로 주위 온도 부근이 될 수 있다. 상기 라인(216) 내의 건조 가스는 상기 압축기 유닛(220) 내에서 상대적으로 높은 압력(예를 들어, 약 10bar 또는 그 이상)까지 압축될 수 있으며, 라인(221) 내에서 워터 스크러버(225)로 보내질 수 있다. 상기 워터 스크러버(225) 내에서, 상기 하소로로부터 발생된 NO 및 잔여 SO2는 고압의 환경 하에서 상기 연도 가스 내의 과잉의 산소에 의해 NO2 및 SO3로 빠르게 산화될 수 있고, 이후에 상기 물 라인 내에 용해되는 H2SO4 및 HNO3을 형성하기 위해 물과 반응할 수 있으며, 라인(227) 내에서 상기 라인(226)을 나가는 CO2 스트림으로부터 제거될 수 있다. 물은 라인(224)을 통해 상기 분리기(225)로 투입될 수 있다. H2O2 및 O3과 같은 일부 강한 산화제들이 SO2/NO 산화를 용이하게 하도록 상기 워터 스크러버 내로 선택적으로 투입될 수 있다. 상기 워터 스크러버로부터의 라인(226) 내의 깨끗한 CO2 스트림은, 예를 들면, EOR 및 다른 산업 화학 프로세스들에서의 이용을 위해 라인(232) 내에 99% 이상의 순도의 CO2를 발생시키기 위해 극저온식 CO2 정제 유닛(230)으로 보내질 수 있다. 깨끗한 CO2의 일부는 연소 온도 제어를 위해 라인(233)을 통해 상기 반응기로 재순환될 수 있다. 상기 라인(233) 내의 깨끗한 CO2는 라인(236) 내에서 상기 반응기(200)로 통과되기 전에 송풍기(235) 내에서 압축될 수 있다. CO2가 실질적으로 없는 가스는 상기 CO2 정화 유닛(230)으로부터 라인(231) 내로 배출될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 도 3에 예시한 바와 같이, 산소-소성이 후-연소 탄소 포집과 통합될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 상기 반응기 시스템(200)은 인접하는 탄산화 반응기(260)와 함께 동작될 수 있다. 상기 반응기(200)의 유출구로부터의 열은, 예를 들면, 연도 가스로부터 CO2를 세정하는 탄산화 반응기(260)를 동작시키는 데 이용될 수 있다. 탄산화가 통상적으로 발열 반응인 것으로 주어지면, 상기 반응기의 열이 회수될 수 있고, 핵심적인 반응기 동작으로 다시 통합될 수 있다. 열을 전후로 이동시키는 이러한 방법은 유리하게 상승된 온도는 아니지만 생성열의 이용을 제공할 수 있다.
도 3의 예시적인 실시예에서 볼 수 있는 바와 같이, 산소-연소 소성 프로세스는 후-연소 산업 탄소 포집 프로세스(CaO＋CO2＝CaCO3)와 통합될 수 있다. 상기 분리기(205)의 출구에서, 라인(207) 내의 약 900℃의 CaO는 두 스트림들로 분열될 수 있다. 라인(207a) 내의 하나의 CaO 스트림은 이출 전에 폐열 회수를 위해 상기 열교환기 네트워크로 보내질 수 있다. 라인(207b) 내의 다른 CaO 스트림은 라인(203)을 통해 약 650℃에서 동작되는 카보네이터 내에 제공되는 산업 연도 가스로부터 CO2를 포집하기 위해 카보네이터로 보내질 수 있다. 상기 산업 연도 가스는 현재의 발전 플랜트, 석회 생산 플랜트, 시멘트 플랜트, 제강 플랜트 및/또는 다른 산업 프로세스로부터 취해질 수 있다. 상기 카보네이터(260)의 출구에서, CaCO3이 연도 가스(라인(262) 내)로부터 분리될 수 있고(라인(261) 내), CaO 재생을 위해 상기 하소로 반응기(200)로 다시 직접 이송될 수 있다. 650℃ 부근의 상기 라인(262) 내의 카보네이터(260)로부터의 CO2가 적은 연도 가스는 라인(266)을 통한 배출 이전에 열교환기(265) 내에서 주위 온도 부근까지 냉각될 수 있다. 고등급의 열(도 3의 요소(267) 참조)이 상기 하소로 반응기(200) 또는 카보네이터(260)의 유입 스트림들을 예열하기 위해서나 동력 발생을 위해서 이용될 수 있다. 도 3의 나머지 구성 요소들은 도 2와 관련하여 설명한 경우와 실질적으로 같은 동작을 위해 구성될 수 있다.
탄소 포집을 위한 비록 칼슘 루핑 기술이 앞서 설명되었지만, 생석회 흡착제 불활성화와 관련하여 고유한 문제로 어려움을 겪고 있는 점은 잘 알려져 있다. 특히, 상기 생석회 흡착제의 활성 부분은 상기 칼슘 루핑 프로세스에 걸친 사이클들의 숫자에 기초하여 상당히 감소되는 것으로 알려져 있다. 흡착제 활성은 약 0.7 내지 약 0.8의 범위 내에서 개시될 수 있는 반면, 이는 겨우 다섯의 사이클들에서 0.4 아래로, 10의 사이클들 내지 15의 사이클들에서 0.2 아래로 빠르게 감소되며, 대략 25의 사이클들 내지 30의 사이클들에서는 단지 0.1에 근접하기 시작한다. 이러한 문제점은 칼슘 루핑 탄소 포집을 제시되는 석회 생산 프로세스와 통합함에 의해 본 발명에서 개시되는 시스템들과 방법들에 따라 해결된다. 이러한 해결 방안은 상기 칼슘 루핑을 위한 CaO 구성 속도가 상당히 증가하기 때문에 구현된다. 또한, 흡열 소성 반응을 위해 이용되는 연소열의 상당한 부분이 약 650℃에서 상기 카보네이터(즉, 상기 발열 탄산화 반응을 통해) 내에 방출되며, 유입 스트림 예열 또는 동력 발생을 위해 상기 열교환기 내에서 회수된다. 이에 따라, 전체적인 사이클 효율이 상당히 개선된다.
다른 예시적인 실시예에서, 도 4에 예시한 바와 같이, 시멘트 생산을 위한 소성은 클링커 통합과 함께 반응기 동작을 통한 탄소 포집을 제공할 수 있다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 시멘트 생산을 위한 소성이 수행될 수 있으며, 여기서 라인(207) 내의 CaO는 라인(243) 내의 연료, 라인(241b) 내의 산화제(라인(241a)을 통해 상기 반응기(200)로 통과되는 산화제와 함께), 그리고 라인(271) 내의 클링커 첨가물들(예를 들어, 모래, 석탄재 등)과 함께 클링커 유닛(clinker unit)(270)으로 보내진다. 상기 클링커 유닛(270)의 동작 온도는 약 1200℃ 내지 약 1500℃ 또는 약 1300℃ 내지 약 1400℃의 범위 이내가 될 수 있다. 시멘트 클링커를 포함하는 고체 스트림은 라인(272)을 통해 상기 클링커 유닛(270)을 나갈 수 있고, 라인(276) 내에서 냉각된 시멘트 클링커로 나가기 전에 상기 클링커 냉각기 유닛(275) 내에서 냉각될 수 있다. 라인(273) 내의 상기 클링커 유닛(270)을 나가는 연도 가스는 상기 산화제 스트림으로의 이용을 위해 상기 반응기(200)로 다시 보내질 수 있다. 이와 같이, 상기 VPSA(240)(또는 다른 산소 소스)로부터의 산소가 라인(273) 내에서 상기 연도 가스와 혼합될 수 있다. 이에 따라, 라인(273)과 라인(241)은 상기 반응기(200) 내로의 유입 이전에 결합될 수 있다. 상기 클링커 유닛(270)은 클링커 냉각기 유닛(275) 내의 상기 압축기(220)로부터의 라인(222) 내의 부분적으로 압축되고 재순환되는 CO2에 의해 냉각될 수 있다. 상기 클링커 냉각기 유닛(275)으로부터의 상기 라인(277) 내의 따뜻한 CO2 가스는 열 회수를 위해 상기 일차적인 열교환기 네트워크(210)로 다시 보내질 수 있으며, 이후에 상기 하소로 연도 가스와 혼합될 수 있고, 라인(211)을 통해 상기 물 분리기(215)로 들어갈 수 있다. 선택적으로, 상기 클링커(270)는 공기 연소 모드로 동작될 수 있고, 상기 클링커 연도 가스로부터의 CO2는 이전의 예시적인 실시예들에서 달리 설명한 바와 같이 카보네이터 내에서 포집될 수 있다. 도 4의 나머지 구성 요소들은 실질적으로 도 2 및/또는 도 3과 관련하여 설명한 바와 같이 동작을 위해 구성될 수 있다.
다른 예시적인 실시예에서, 도 5에 예시한 바와 같이, 킬른 동작은 탄소 포집 및 광물 저장과 함께 수행될 수 있다. 이러한 예시적인 실시예에서, 산소가 농후한 소성 프로세스가 CO2 광물 저장(Mg3Si2O5(OH)4＋3CO2＝3MgCO3＋2SiO2＋2H2O)과 통합된다. 석회석은 ASU(340)로부터의 라인(241) 내의 산소, 라인(341) 내의 공기 및 라인(242) 내의 연료와 함께 라인(201) 내에서 상기 반응기(200)로 통과된다. 상기 라인(202) 내의 반응 배출은 상기 분리기(205)로 통과된다. 라인(207) 내의 분리된 CaO는 라인(212) 내에서 이출되기 전에 열 회수를 위해 열교환기(210)로 보내질 수 있다. 약 900℃인 상기 분리기(205)로부터의 라인(206) 내의 연도 가스는 CO2 광물 저장을 위해 라인(264)으로부터의 규산마그네슘과 반응하는 라인(203) 내의 산업 연도 가스와 함께 카보네이터(260)로 보내질 수 있다. 650℃ 부근의 상기 카보네이터로부터의 라인(263) 내의 CO2가 적은 연도 가스는 상기 물 분리기(215)로 통과되기 전에 상기 열교환기(210) 내에서 주위 온도 부근까지 냉각될 수 있다. 물은 상기 라인(216) 내에서 배출되는 건조 연도 가스와 함께 라인(217)을 나갈 수 있다. 고등급의 열이 상기 하소로 반응기(200) 및/또는 상기 카보네이터(260)의 유입 스트림들을 예열하기 위해서나, 동력 발생을 위해서나, 상기 연도 가스 내에 여전히 존재할 수 있는 잔여 함량의 결과적인 CO2 세정을 위해서 이용될 수 있다.
다른 예시적인 실시예에서, 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 시스템들과 방법들은 하나 또는 그 이상의 제강 동작들과 통합될 수 있다. 이에 따라, 여기에 설명되는 바와 같은 시스템이 제강 플랜트 내에 통합될 수 있거나 및/또는 여기에 설명되는 바와 같은 방법이 제강 프로세스 내로 통합될 수 있다. 도시한 바와 같이, 제강 프로세스들은 흔히 이산화탄소 함량이 풍부할 수 있는 복수의 상이한 연도 가스 스트림들을 발생시킬 수 있다. 동력 플랜트 연도 가스 스트림들의 경우와 마찬가지로, 다양한 제강 연도 가스들은 산소 함량을 가질 수 있으며, 이에 따라 산화제로서의 이용을 위해 본 발명의 반응기로 제공될 수 있다. 또한, 일부 제강 연도 가스들은 연료 함량을 가질 수 있으며, 이에 따라 선택적인 연료 소스로서 본 발명의 반응기에 추가될 수 있다. 염기성 산소로(basic oxygen furnace)로부터 유입되는 것들과 같은 오프 가스 스트림들이 상기 반응기의 연료 주입을 보충하는 데 이용될 수 있다.
도 6에서 도시한 바와 같이, 탄산칼슘(석회석)은 로 밀(raw mill)을 통해 분쇄될 수 있으며, 선택적으로는 여기에 설명되는 바와 같은 하소로 반응기에 투입되기 전에 실질적으로 균일한 입자 크기로 여과될 수 있다. 상기 하소로 반응기에 대한 추가적인 투입물들은 연료 라인 내의 연료, 산화제(예를 들어, 산소 플랜트 또는 다른 산소 소스로부터의 산소) 및 하나 또는 그 이상의 가스 스트림들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 코크스 오븐(coke oven) 가스는 용광로(blast furnace)에 투입되는 코크스를 형성하기 위해 석탄을 연소시키도록 구성되는 코크스 오븐으로부터 라인으로 통과될 수 있으며, 마찬가지로, 용광로 가스는 용광로로부터의 라인을 통해 상기 하소로 반응기로 통과될 수 있다. 유사하게, 염기성 산소로로부터의 염기성 산소로 가스는 라인을 통해 상기 하소로 반응기로 통과될 수 있다. 상기 하소로 반응기를 나가는 것은 가스 라인 내의 CO2가 풍부한 연도 가스 및 하나 또는 그 이상의 고체 라인(들)을 통해 제공될 수 있는 고체들(예를 들어, 산화칼슘) 중에서 하나 또는 그 이상이 될 수 있다. 예를 들면, 생석회가 이출을 위해 제공될 수 있다. 선택적으로나 추가적으로, 생석회는 상기 용광로 및 상기 염기성 산소로 중에서 하나 또는 모두에 제공될 수 있다. 상기 가스 라인은 증기 사이클 또는 동력 생산(예를 들어, 전기)을 위해 활용될 수 있는 다른 동력 사이클로 진행될 수 있다. 상기 동력 사이클을 나가는 가스는 CCUS를 위한 실질적으로 순수한 이산화탄소를 제공하며, 선택적으로는 질소, 산소 및 아르곤과 같은 하나 또는 그 이상의 다른 가스들을 제공하기 위해 여기에 설명되는 바와 같은 하나 또는 그 이상의 다른 유닛들(예를 들어, 분리 멤브레인 또는 극저온 분리 유닛(cryogenic separation unit))을 통해 처리될 수 있다. 본 발명의 시스템들과 방법들은 특히 전술한 바와 같은 다양한 스트림들의 상호 이용과 관련하여 상기 제강 시스템/방법과 직접 통합된다. 상기 제강 프로세스에서, 철광석이 선철(pig iron)을 형성하기 위해 용광로를 통해 처리될 수 있는 철 펠릿들을 제공하는 소결 플랜트로 투입될 수 있다. 상기 선철은 용융 강철을 제공하기 위해 염기성 산소로를 통해 처리될 수 있으며, 이후에 강철 제품(들)을 제공하기 위해 캐스터 및 롤러 유닛을 통해 처리될 수 있다. 이러한 통합된 시스템들/프로세스들에서, 상기 제강 시스템으로부터의 하나 또는 그 이상의 유닛들은 본 발명의 반응기로 투입될 수 있는 하나 또는 그 이상의 스트림들을 제공할 수 있다. 마찬가지로, 본 발명의 반응기는 상기 제강 시스템의 하나 또는 그 이상의 유닛들 내로의 하나 또는 그 이상의 투입물들로서 이용될 수 있는 하나 또는 그 이상의 스트림들을 산출할 수 있다. 이러한 방식으로, 이산화탄소가 페널티 없이 포집될 수 있다.
도 1a 내지 도 5와 관련하여 예시된 구성 요소들 중의 임의의 것이 도 6과 관련하여 예시된 시스템들 및 방법들 내에 포함될 수 있는 점이 이해될 것이다. 예를 들면, 비록 하소로가 도 6에 도시되지만, 상기 하소로가 여기에 설명되는 바와 같은 반응기가 활용될 수 있고, 복수의 반응기들을 포함할 수 있는 것을 나타내는 점이 이해될 것이다. 또한, 연도 가스 및 고체 스트림들 모두가 상기 하소로를 나가는 것으로 예시되기 때문에, 예시된 하소로가 적어도 하나의 분리 구성 요소가 상기 고체들로부터 상기 가스들의 분리를 위해 통합되는 것을 나타내는 점이 이해될 것이다. 마찬가지로, 상기 반응기(들) 및 상기 분리기(들)가 통합된 유닛이 될 수 있거나, 분리 유닛들이 될 수 있는 점이 이해될 것이다. 또한, 도 6에 예시한 "증기 사이클(steam cycle)"이 전기를 생산하기 위해 활용되는 복수의 구성 요소들을 나타내는 점이 이해될 것이다. 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 도 6의 증기 사이클은 물 스트림(9)을 가열하고, 적합한 발전기들을 활용하는 전기의 생산을 위해 적합한 터빈들을 통해 순환될 수 있는 증기 스트림(8)을 생성하는 데 이용될 수 있는 HRSG(30)를 포함할 수 있다. 도 2를 참조하면, 도 6의 증기 사이클은 열교환기(210), 터빈(245)(및 임의의 필요한 발전기들), 냉각기(250), 압축기/펌프 유닛(255), 그리고 동작 유체의 순환을 위한 라인들(256, 213)을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 이러한 실시예들에서, 상기 동작 유체가 반드시 물/증기가 될 필요는 없으며, "증기 사이클"이라는 표현이 단순히 동작 유체의 순환을 통한 동력 생성을 나타내는 점이 이해될 것이다.
다른 예시적인 실시예에서, 반응기 동작은 알칼리 용매 기반의 직접 공기 포집 시스템과 통합되어 수행될 수 있다. 이러한 시스템들과 방법들은 공기 및/또는 공기 연소 프로세스로부터의 연도 가스와 같은 기체 혼합물들로부터 CO2(또는 다른 모이어티들)를 포집하기 위해, 예를 들면, KOH, NaOH, 또는 다른 알칼리 액체계의 용매들을 사용할 수 있다. 하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 이러한 포집은 다음의 반응을 통해 야기될 수 있다.
2KH＋CO2＝H2O＋K2CO3 ..........................(1)
KOH는 칼슘 루핑 사이클 또는 다음에 나타내는 바와 같은 사이클을 통해 재생될 수 있다.
K2CO3＋Ca(OH)2＝2KOH＋CaCO3 ...................(2)
CaCO3＝CaO＋CO2 ..............................(3)
CaO＋H2O＝Ca(OH)2 ............................(4)
직접 공기 포집 시스템들은 공기 포집 반응기, CO2 압축기들 및 다른 장비를 가동시키기 위해 전류를 요구할 수 있다. 이러한 시스템들은 또한 CaO/H2O 반응을 위해 증기 발생을 위한 저등급의 열 및 CaCO3 분해 반응을 위한 고등급의 열(예를 들어, 적어도 900℃ 부근)을 요구한다. 상기 공기 포집 시스템을 위한 전기와 열은 제시되는 탄소 포집 킬른 시스템에 의해 생성될 수 있다. 이러한 통합은 상기 CO2 포집 효율을 향상시키고, 상기 시스템 비용을 감소시키는데 유용할 수 있다. 본 발명에 활용될 수 있는 동력 생산 시스템들과 방법들의 예들은 미국 특허 제8,596,075호, 미국 특허 제8,776,532호, 미국 특허 제8,869,889호, 미국 특허 제8,959,887호, 미국 특허 제 제8,986,002호, 미국 특허 제9,062,608호, 미국 특허 제9,068,743호, 미국 특허 제9,410,481호, 미국 특허 제9,416,728호, 미국 특허 제9,546,815호, 미국 특허 제10,018,115호 및 미국 공개 특허 제2012/0067054호에 제공되어 있으며, 이들 문헌들의 개시 사항들은 여기에 참조로 포함된다. 이러한 시스템들은 특히 완전한 탄소 포집과 함께 동력과 열을 생성하기 위해 상기 동작 유체로서 CO2를 이용할 수 있다.
상기 칼슘 루핑 사이클 내로부터의 CaCO3은 새로운 CaCO3 공급 원료에 추가될 수 있고, 약 900℃ 내지 약 1100℃의 온도에서 동작되는 반응기 내에서 CaO 및 CO2로 분해될 수 있다.
상기 하소로 반응기로부터의 연도 가스(예를 들어, CO2, H2O 및 다른 미소한 오염물들을 포함함)는 물 및 CO2 분리를 위해 대략 주위 온도까지 하향 냉각될 수 있다. 상기 하소로 연도 가스 내의 열은 CaCO3이 상기 하소로 내로 투입되기 전에 CaCO3을 약 600℃ 내지 약 700℃까지 가열하는 데 이용될 수 있으며, 상기 열은 또한 상기 폐쇄 루프 동력 사이클 동작 유체를 상기 터빈 유입 온도까지 가열하기 위해 이용될 수 있다. 여기서, 상기 동작 유체는 증기, CO2, 초임계의 CO2, 또는 다른 물질들이 될 수 있다. 물 분리 후, CO2는 고압으로 압축될 수 있고, CO2 멤브레인 및 극저온계 CO2 정화 유닛에 의해 고순도로 정화될 수 있다.
상기 하소로로부터의 연도 가스는 CaCO3 예비 가열을 위해 약 300℃ 내지 약 500℃의 범위까지 부분적으로 냉각될 수 있으며, 이후에 폐쇄 루프 동력 발생 사이클을 위하여 약 650℃ 내지 약 700℃까지로 온도를 상승시키기 위해 내부에 증기/CO2 튜빙을 구비하는 단일 또는 이중 스테이지의 산소-연소 가스 재가열기(reheater)로 보재질 수 있다. 상기 이출 CO2는 EOR, 화학 생산, 저장 및/또는 다른 용도들을 위해 이용될 수 있다.
상기 하소로 내의 약 900℃의 CaO는 분리 유닛을 거쳐 가스 생성물로부터 분리될 수 있고, 저온의 증기, 산화제, 또는 CO2 중에서 하나 또는 그 결합에 대해 약 600℃ 내지 약 700℃까지 하향 냉각될 수 있으며, 뜨거운 CaO도 저온의 재순환되는 CaO와의 혼합에 의해 냉각될 수 있다. 약 600℃ 내지 약 700℃의 온도의 CaO는 Ca(OH)2의 스트림을 발생시키기 위해 증기 소화기(steam slaker)로 보내질 수 있다. 상기 CaO의 일부는 상기 시스템으로부터 부산물로서 이출될 수 있다. 예를 들면, 상기 CaO의 일부는 생석회 또는 물 소화에 의해 수화된 석회로서 판매될 수 있다. 상기 CaO의 나머지 부분은 상기 화학 루핑 사이클 내에서 재순환될 수 있다.
CaO는 증기와 반응시켜 Ca(OH)2를 형성하도록 증기 소화기로 보내질 수 있다. 상기 증기 소화기 내의 반응에 의해 방출되는 열은 CaCO3 슬러리를 직접적으로 예열하거나 및/또는 증기 또는 CO2와 같은 상기 폐쇄 루프 동력 사이클 동작 유체를 간접적으로 가열하는 데 이용될 수 있다. 상기 증기 소화기는, 예를 들면, 약 150℃ 내지 약 500℃의 온도에서 동작될 수 있다.
상기 증기 소화기를 나가는 고온의 CaO는 상기 주위 온도로 냉각될 수 있고, CaO 물 슬러리를 형성할 수 있다. 상기 고온의 CaO로부터 회수되는 열은 상기 폐쇄 루프 동력 사이클 동작 유체를 예비 가열하는 데 이용될 수 있다.
CaO 물 슬러리는 CaCO3과 KOH 또는 NaOH를 형성하기 위해 K2CO3 또는 Na2CO3과 반응시키는 것과 같이 CO2 용매 재생을 위해 반응기로 보내질 수 있다. K2CO3과의 반응을 아래에 나타낸다.
K2CO3＋Ca(OH)2＝2KOH＋CaCO3 .....................(5)
액상 KOH 또는 NaOH는 상기 액상 용매를, 예를 들면, 공기 접촉기(air contactor) 내의 공기와 접촉하도록 분사하여 기체 샘플(예를 들어, 공기 또는 연도 가스)로부터 CO2를 포집하기 위해 이용될 수 있다. KOH와의 후속되는 반응을 아래에 나타낸다.
2KOH＋CO2＝H2O＋K2CO3 ............................(6)
공기는 약 130℃ 내지 약 150℃의 온도에서 작동되는 고체 상태의 CO2 흡수제를 이용하여 부분적인 CO2 제거를 위해 예열될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 프로세스를 위해 저등급의 열이 상기 터빈 배출 스트림 또는 상기 산소-연소 동력 사이클로부터의 ASU 열로부터 취해질 수 있다.
상기 공기 접촉기로부터의 K2CO3 및/또는 Na2CO3은 KOH/NaOH 재생을 위해 상기 CaO 슬러리 반응기로 보내질 수 있다. 상기 CaO 슬러리 반응기로부터의 CaCO3은 예열을 위해 증기 소화기로 보내질 수 있으며, 이후에 CaO 재생을 위해 상기 산소-연소 하소로로 보내질 수 있다.
상기 폐쇄 루프 동력 사이클은 상기 시스템의 일부 또는 실질적으로 전체 시스템을 위한 동력을 자가 공급하도록 상기 동력 생성을 위해 이용될 수 있다. 상기 폐쇄 루프 동력 사이클을 위한 열은, 예를 들면, 상기 하소로 및/또는 상기 증기 소화기로부터 유래될 수 있다. 상기 동작 유체는 스팀, CO2, 또는 다른 물질들을 포함할 수 있다.
스팀, 공기, 또는 하소로 연도 가스 CO2는 온도 조절기 및 유동화 매체(fluidization medium)로서 상기 하소로 반응기로 다시 재순환될 수 있다.
상기 하소로 반응기 및/또는 증기 소화기는 순환 유동층(circulating fluidized bed) 반응기, 이송 반응기, 또는 기포층(bubbling bed) 반응기, 수평이나 수직 킬른, 또는 간접 가열식 킬른이 될 수 있다.
상기 CaO 슬러리 펠릿 반응기는 유동층 반응기(다른 직접 공기 포집 사이클들에 이용됨) 또는 지속 교반 반응기와 같은 임의의 반응기가 될 수 있다.
CO2와 같은 모이어티의 직접적인 대기 포집을 위한 시스템은 수많은 구성 요소들, 유닛들 및 다른 요소들을 포함할 수 있다. 상기 통합 동력 생성 시스템은, 예를 들면, 적어도 하나의 열원(예를 들어, 연소기, 태양열 가열기, 증기 스트림으로부터의 열전달), 적어도 하나의 동력을 생성하는 터빈, 적어도 하나의 발전기, 적어도 하나의 열교환기, 적어도 하나의 분리기, 적어도 하나의 압축기 및/또는 펌프, 그리고 상기 구성 요소들, 유닛들, 또는 요소들 사이에서 다양한 스트림들의 통과를 위해 유용한 임의의 숫자의 라인들을 포함할 수 있다.
상기 직접 대기 포집 시스템은, 예를 들면, 적어도 하나의 공기 접촉기 유닛, 적어도 하나의 펌프/압축기, 적어도 하나의 반응기, 적어도 하나의 석회를 소화하는 유닛(예를 들어, 증기 소화기), 적어도 하나의 하소로, 하나 또는 그 이상의 혼합 탱크들, 하나 또는 그 이상의 열교환기들, 하나 또는 그 이상의 냉각기들, 그리고 상기 구성 요소들, 유닛들, 또는 요소들 사이에서 다양한 스트림들의 통과를 위해 유용한 임의의 숫자의 라인들을 포함할 수 있다. 또한, 공기 분리 유닛은 결합된 시스템 내에 포함될 수 있다.
상기 알칼리 액상 용매 기반의 직접 대기 포집 시스템이 상기 CaO 동시 생성 및/또는 하나 또는 그 이상의 라인들을 통과하는 하나 또는 그 이상의 스트림들이 전술한 시스템들 중에서 적어도 둘 내에 통합될 수 있는 통합 동력 생성 시스템과 결합될 수 있는 점이 이해될 것이다. 이러한 방식에서, 예를 들면, 하나의 시스템 내에서 생성된 열이 다른 시스템 내에서의 이용을 위해 전달될 수 있다. 마찬가지로, 통합 동력 생성 시스템에서 발생된 전기가 상기 직접 대기 포집 시스템에 의해 직접적으로 활용될 수 있다. 본 발명의 시스템들과 방법들은 이에 따라 하나 또는 그 이상의 산출물들(예를 들어, CaO, Ca(OH)2 및 이들과 유사한 것)이 직접 공기 포집과 연관된 비용을 상쇄하도록 상품들로서 유용한 이점이 있다. 또한, 본 발명의 시스템들과 방법들은 전체적인 탄소 중화 설비를 생성하기 위해 현재의 CaO 생산 시스템들과 결합될 수 있다. 더욱이, 상기 폐쇄 루프 동력 생성 사이클을 위한 가열의 적어도 일부를 제공하도록 상기 칼슘 루핑 프로세스 내에서 발생된 열을 활용하는 능력은 특히 상기 동력 생성 시스템 및/또는 상기 CaO 발생 프로세스로부터의 CO2 포집에 대한 요구를 실질적으로 또는 완전히 소거하는 능력의 관점에서 높은 효율을 제공할 수 있다.
본 발명의 시스템들과 방법들은 이로부터 하나 또는 그 이상의 모이어티들의 직접적인 공기 포집을 수행하는 데 실질적으로 탄소가 없는 동력을 활용하는 능력 때문에 적어도 부분적으로 유리하다. 동력 생성과 연관된 배출을 소거함에 의해, 동력 플랜트 배출들을 처리하기 위해 추가적인 비용이 들지 않으므로 실제 자본 비용 투자에 비해 구현되는 공기 포집의 유효량을 증가시키는 것이 가능하다. 또한, 상기 공기 포집 시스템 및 상기 동력 플랜트 사이에 가능한 열 통합은 보다 많은 전기가 생산될 수 있기 때문에 탄소 포집의 유닛 당 에너지 사용의 순 증가를 가져온다. 이러한 동반 상승효과는 부식성의 포집제의 사용이 아니라 주어진 상기 CaO의 재생의 열 회수의 통합에 기초한다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 본 발명은 동시 동력 생산 및 CaO 생성 중의 하나 또는 모두와 함께 하나 또는 그 이상의 모이어티들(예를 들어, CO2)의 알칼리 액체 용매를 기반으로 하는 직접 공기 포집을 위해 구성되는 시스템과 관련될 수 있다. 이러한 시스템들은, 예를 들면,공기 포집 플랜트; 하소로; 적어도 하나의 열회수 유닛; 및 폐쇄 루프 동력 생성 유닛을 포함할 수 있다. 상기 공기 포집 플랜트는 앞서 나타낸 반응 (1)에 따르는 바와 같이 공기 스트림 내의 하나 또는 그 이상의 모이어티들과의 반응하기 위한 가성제(caustic agent)를 활용하기 위해 구성될 수 있다. 상기 하소로는 상술한 바와 같은 칼슘 루핑 사이클에 따르는 바와 같이 상기 가성제의 재생을 위해 구성될 수 있다. 상기 적어도 하나의 열회수 유닛은 상기 하소로로부터 회수되는 고체들 및 가스들의 냉각을 위해 구성되는 하나 또는 그 이상의 구성 요소들을 포함할 수 있으며, 예를 들면, 증기 소화기를 포함할 수 있다. 상기 폐쇄 루프 동력 발생 유닛은 여기에 달리 설명되는 바와 같은 구성 요소들을 포함할 수 있고, 적어도 하나 또는 그 이상의 열회수 터빈들을 최소한으로 포함할 수 있으며, 선택적으로는 하나 또는 그 이상의 열교환기들, 압축기들 및/또는 추가적인 열원들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 본 발명은 동시 동력 생성 및 CaO 발생 중에서 하나 똔느 모두와 함께 하나 또는 그 이상의 성분들(예를 들어, CO2)의 알칼리 액상 용매 기반의 직접 공기 포집을 위한 방법과 관련될 수 있다. 동시의 CaO 생산과 함께 직접 공기 포집은 증기를 야기하고 필요한 동력을 생성하는 것과 같이 다른 프로세스를 위해 상기 프로세스들에서 발생되는 열을 활용하는 능력 때문에 유리할 수 있다. 상기 프로세스에서 열원들은 상기 하소로로부터의 연도 가스, 상기 증기 소화기 내에서 발생되는 열, ASU로부터의 열 및/또는 상기 폐쇄 루프 동력 사이클 내의 터빈 배출로부터의 열을 포함할 수 있다. 상기 방법은, 예를 들면, 공기(또는 다른 기체 스트림)를 공기 또는 다른 기체 스트림 내의 적어도 하나의 모이어티(예를 들어, CO2)와 반응하는 데 효과적이며, 이에 따라 상기 공기 또는 다른 기체 스트림으로부터 상기 적어도 하나의 모이어티의 적어도 일부를 제거하는 가성제와 접촉시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 이후에 적어도 CaO 및 상기 적어도 하나의 모이어티를 포함하는 적어도 하나의 스트림을 형성하기 위해 상기 가성제를 재생하는 단계를 포함할 수 있으므로, 상기 재생하는 단계는 열 생성을 포함한다. 또한, 상기 방법은 상기 재생하는 단계에서 생성된 열의 적어도 일부를 회수하는 단계 및 상기 회수된 열을 상기 폐쇄 루프 동력 생성 사이클에 인가하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 이에 따라 상기 공기 또는 다른 기체 스트림으로부터 제거되는 상기 적어도 하나의 포집뿐만 아니라 상기 CaO와 같이 적어도 상품의 생산을 가져올 수 있다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에서, 본 발명은 석탄 연소 잔여물(CCR) 재순환과 함께 탄소 포집을 제공할 수 있다. 보다 상세하게는, 본 발명은 산화칼슘 발생 프로세스, 이산화탄소 포집 및 정화, 그리고 CCR 처리 사이의 통합할 뿐만 아니라 최종 생성물의 유익한 이용을 제공하는 시스템들과 방법들을 제공할 수 있다. 이러한 시스템들과 방법들의 다양한 실시예들을 예시하는 흐름도가 도 7에 도시된다.
도 7을 참조하면, 산화칼슘(CaO) 생산을 위한 상업적으로 입수 가능한 반응기가 상기 하소로 반응기로 이용될 수 있다. 산화제 스트림은 연료(예를 들어, 석탄, 천연 가스 또는 여기에 설명되는 바와 같은 다른 연료)를 연소시키는 연소 구역 내로 투입되기 전에 상기 반응기 내의 이출되는 뜨거운 CaO 입자들에 대해 예비 가열될 수 있다. 상기 산화제 스트림은 상기 반응기의 재연소기에서 안정한 연소(O2 몰 분율을 증가)를 구현하기 위해 동일하거나 상이한 라인을 통해 제공될 수 있는 순수한 산소로 보충될 수 있는 동력 플랜트 연도 가스의 형태로 라인을 통과할 수 있다. 상기 산소는 ASU, VPSA, 또는 다른 산소 소스로부터 얻어질 수 있다. 상기 반응기는 약 900℃의 온도(또는 여기에 설명되는 바와 같은 다른 적합한 온도)에서 동작될 수 있다. 상기 반응기의 유출구에서, 사이클론이 가스 및 고체 분리를 위해 이용될 수 있다.
상기 반응기로부터 생성된 CaO의 일부는 물에 젖은 CCR을 안정화시키고 건조시키기 위해 이용될 수 있다. 예시한 바와 같이, 상기 CaO는 석탄재의 건조에 영향을 끼치기 위해 석탄재 폰드(pond) 내의 석탄재와 결합된다. 건조된 젖은 CCR은 낮은 열작 감량("LOI")을 가지는 CCR로부터 높은 열작 감량을 가지는 CCR을 분리하기 위해 선별 시스템(예를 들어, 거품 부유 선별(froth floatation))으로 보내질 수 있다. 상기 반응기로부터 생성된 CaO와 결합되는 낮은 LOI를 가지는(예를 들어, 3%-4% 보다 적은 LOI를 가지는) CCR은 시멘트/콘크리트/플라이 애시 생산을 위해 이용될 수 있다. 높은 LOI를 가지는 CCR은 상기 CCR 내의 탄소 함량을 감소시키는 열처리를 위해 CCR 재연소기(또는 재 재연소기)로 보내질 수 있다. 상기 CCR 재연소기 내의 산화제 스트림은 상기 재연소기 내에서 안정한 연소를 구현하기 위해 순수한 산소로 보충되는 고온의 반응기 배출 가스가 될 수 있다. 상기 CCR 내의 탄소가 안정한 연소를 위해 불충분한 경우에 연료가 선택적으로 상기 재연소기 내로 투입될 수 있다. 상기 CCR 재연소기는, 예를 들면, 큰 입자 크기를 가지는 CRR을 처리하기 위한 유동층 연소기, 또는 플라이 애시와 같은 작은 입자 크기를 가지는 CCR을 처리하기 위한 사이클론 로 형태의 연소기로 설계될 수 있다. CCR 내의 암모니아는 상기 재연소기로부터 제거될 수 있다.
상기 사이클론을 나가는 CCR 재연소기 연도 가스는 바람직하게는 동력 생성을 위한 증기를 발생시키기 위해 가능한 한 많은 나머지 열을 전달하도록 열회수 단계로 들어갈 수 있다. 상기 환열기 내에서 생성되는 스트림은 동력 출력을 증가시키거나, 상기 동력 플랜트의 연료 투입을 감소시키기 위해 동력 플랜트 증기 사이클로 보내질 수 있다. 이는 함께 위치하는 동력 플랜트로부터의 동력 출력의 감소 없이 연도 가스 탄소 포집 및 CCR 처리를 가능하게 하는 순 효과를 가질 수 있다. 이러한 유형의 처리는 마찬가지로 상기 제강 프로세스와 관련하여 도 6에 예시한 통합된 시스템/방법에 채용될 수 있다.
상기 CCR 연도 가스가 최대한의 열회수를 위해 주위 온도에 가깝게 냉각되면, 액상의 물을 제거하기 위해 물 분리기로 들어갈 수 있다. 한 가지 예시적인 구성은 추가적인 냉각을 제공할 수 있으며, 산성 가스 화학 물질들을 액상으로 용해시키고 상기 연도 가스 내에 여전히 수반되는 임의의 미세한 고체들을 제거하는 데 기여할 수 있는 습식 벤투리 스크러버를 포함할 수 있다. 상기 스크러버를 위한 냉각 매체는 건조 냉각 타워 장치를 통해 온도가 제어될 수 있는 응축된 처리수가 될 수 있다. 물 분리에 이어서, 상기 냉각된 가스는 압축기로 들어갈 수 있다. 상기 기계에 대한 배출 압력은 약 5bar 내지 약 15bar의 범위가 될 수 있다.
상기 압축기를 나감에 따라, 상기 연도 가스는 주위 온도 부근까지 다시 냉각될 수 있다. 상기 킬른 연도 가스 내의 SOx 및 NOx의 양에 따라, 상기 연도 가스는 선택적으로 H2SO4 및 HNO3의 형태로 잔여 SOx 및 NOx 종들을 제거하기 위해 물 스트림에 의해 세척될 수 있다. 이는 가압 산화 환경 하에서 가압 산화 동작 유체로부터의 이들 종들의 제거를 위해 개발되었고, 효과적인 것으로 입증된 통상적으로 "연실(lead chamber)" 산성 프로세스로 지칭되는 촉매 산화 프로세스를 통해 이루어질 수 있다.
상기 깨끗한 연도 가스는 이후에 99% 이상의 순도를 가지는 깨끗한 포집된 CO2를 제공하기 위해 상업적으로 입수 가능한 멤브레인 보조 극저온식 CO2 정화 유닛(CPU)으로 보내질 수 있다. 상기 멤브레인 설계는 50% 보다 적지 않은 CO2 농도를 가지는 침투성 생성물의 일부로서 상기 투입된 CO2의 적어도 90%의 대량 회수를 제공할 수 있다. 다음에, 상기 침투성 흐름은 오염된 CO₂스트림(침투성 스트림)이 극저온 분리 프로세스를 통해 다운스트림 적용의 원하는 레벨까지 정화될 수 있는 이산화탄소 정화 유닛(CPU)으로 들어갈 수 있다. 일 예로서, 상기 CPU 유닛은 이산화탄소의 액화를 향상시키도록 처리되는 CO2 스트림의 압력을 상승시키기 위한 공급 압축기를 포함할 수 있다. 도 6 및/또는 도 7과 관련하여 예시한 상기 멤브레인 유닛 및/또는 상기 CPU는 산성 가스 분리, 특히 이산화탄소 분리와 관련하여 여기에 달리 설명하는 바와 같게 될 수 있다.
본 발명의 시스템들과 방법들은 약 90%의 CO2 포집을 제공하도록 적용되거나 구성될 수 있으며, 상기 CO2는, 예를 들면, 발전 플랜트, 석회석 소성 프로세스, 연료 및/또는 CCR 연소로부터 유래될 수 있다. 정화된 CO2는 45Q와 같이 수익을 증가시키고 CO2 세액 공제를 요구하도록 저장, EOR 및/또는 화학 생산을 위해 이출될 수 있다. 열처리된 CCR은 열처리된 CCR 및 CaO 사이의 혼합 비율을 조정하여 시멘트, 콘크리트, 플라이 애시 벽돌 및 다른 물질들을 제조하기 위해 상기 하소로로부터 생성되는 CaO와 결합될 수 있다. 또한, 본 발명의 시스템들과 방법들로부터 포집된 CO2는 동일한 시스템에서 함께 생성되는 콘크리트와 플라이 애시 벽돌을 양생시키고, 양생 시간을 감소시키며, 현장의 CO2 광물 저장을 구현하는 데 이용될 수 있다.
상술한 시스템들과 방법들은 여러 가지 이점들 및 유익한 용도들을 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 시스템들과 방법들은 석탄 동력 플랜트들로부터의 다양한 폐기물들을 관리하는 통합적인 해결 방안을 제공할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 시스템들로부터 생성되는 CaO는 습식 폰드 건조 및 안정화를 위해 이용될 수 있으며, 시멘트, 콘크리트, 플라이 애시 벽돌들 및 다른 것들을 포함하여 판매 가능한 부산물들을 생성하기 위해 열처리된 CCR과 결합될 수 있다. 동력 플랜트들 및 본 발명의 시스템들로부터 생성되는 CO2는 내부적으로 포집될 수 있으며, 콘크리트 및 플라이 애시 벽돌들을 양생시키는 CO2를 통해 저장되는 현장의 광물이 될 수 있다. 상기 CCR의 열처리는, 일부 실시예들에서, 상기 CaO가 생성되는 동일한 반응기 내에서 일어날 수 있다. 이와 같은 상황에서, 상기 CCR 내의 작열 감량 탄소 함량은 반응 용기 내로의 연료 투입을 벌충하는 데 기여할 수 있다. 마찬가지로, 상기 CCR은 건조된 고체 배출 혼합물이 시멘트와 비교될 수 있는 생성물을 구현할 수 있도록 형성되는 상기 CaO와의 비율로 상기 반응기로 공급될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 시스템들과 방법들은 현장에서의 SOx, NOx, 미립자들 및 가용성 산 제거와 석탄재 처리를 제공할 수 있다. 예를 들면, SOx, NOx, NH3 및 미세한 미립자들과 가용성 산과 같은 천연 가스 또는 석탄 연소 동력 플랜트들로부터의 불순물들로부터 유래되는 CCR과 연료가 본 발명의 시스템들 내에서 동시에 제거될 수 있다. 황산칼슘 및 질산칼슘과 같은 화합물들이 냉각되는 이출 CaO와 접촉하게 되면서 상기 SOx 및 NOx로부터 형성될 수 있다. 상기 킬른 및 남은 CCR 재연소기 연도 가스 내의 미량의 미세한 입자들, SOx, NOx 그리고 염소 및 암모니아와 같은 가용성 산은 다운스트림의 물 분리기 내에서 제거될 수 있다. 또한, 생성된 생석회의 또 다른 이용은 상기 프로세스의 후단에서 시멘트 클링커를 첨가함에 의해 현장에서 시멘트를 생성하기 위해 현재의 석탄 플랜트들로부터의 석탄재와 결합될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 시스템들과 방법들은 현재의 연도 가스 스트림들과의 유연한 통합을 제공한다. 예를 들면, 상술한 바와 같이, 다른 오염물들이 본 발명의 시스템들에서 제거될 수 있고, CO2 흡착제는 상기 연도 가스 화학 물질에 민감하지 않을 수 있다. 상기 시스템들은 약간의 변경이나 변경이 없이 유연하게 연도 가스 스트림들과 통합될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 시스템들과 방법들로 들어가는 석탄 연도 가스는 선택적 촉매 제거(SCR) 유닛 또는 FGD 유닛들 이전에 또는 이후에 있을 수 있으며, 상기 시스템 통합이 상대적으로 간단하고 위험성이 낮아지게 한다.
일부 실시예들에서, 상기 시스템들과 방법들은 최소한의 기생 부하(parasitic load)로 CO2 포집을 제공할 수 있다. 예를 들면, 상기 킬른 및 CCR 재연소기 배출 열은 본 발명의 시스템들과 연관되는 임의의 기생 부하는 상쇄하는 동력을 발생시키기 위해 증기 터빈을 구동시킬 수 있는 증기를 생성하는 데 이용될 수 있다. 본 발명의 시스템들의 상세한 아스펜 모델링(Aspen modeling)에 의해 입증되는 바와 같이, 최소한의 순 전기적 요구가 이러한 시스템들과 연관된다. 상기 킬른 및 CCR 재연소기 열로부터 발생되는 전기는 후-연소 포집, CaO 부산물 발생 및 CO2 세정과 정제의 기생 부하의 대부분을 담당할 수 있으며, 정확한 양은 목표로 하는 포집 속도에 의해 영향을 받을 수 있다. 또한, CCR 내의 탄소는 전기를 발생시키고, 포집된 CO2 산출을 증가시키기 위해 상기 시스템 내에서 연료로 이용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 시스템들과 방법들은 부산물 생석회(CaO), 열처리된 고품질의 CCR, 시멘트, 콘크리트, 플라이 애시 벽돌들 및 CO2의 생산을 통해 향상된 경제성을 제공할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 시스템은 특히 저탄소 생석회 생성 프로세스들, 높은 LOI로의 CCR의 열처리 및 동력 플랜트 후-연소 탄소 포집 프로세스들 사이의 통합으로부터 야기될 수 있다. 셋의 다른 프로세스들 사이의 상승효과가 상기 탄소 포집 시스템의 경제성을 개선하고, 순 포집 비용을 상당히 감소시키기 위해 완전히 활용될 수 있다. 본 발명의 시스템들로부터 발생되는 다양한 부산물들로부터의 수익은 원가 부문으로부터 이익 부문까지의 CCR 정화가 될 수 있다.
일부 실시예들에서, CCR 재연소기와 킬른은 하나의 반응기가 될 수 있다. 높은 LOI의 CCR과 석회석은 이에 따라 연소 및 소성을 위해 결합된 반응기 내로 공동으로 투입될 수 있다. CCR과 석회석의 질량비는 상이한 최종 용도들을 위한 처리된 CCR 내의 상기 CaO 함량을 정의하도록 동조 파라미터(tuning parameter)로 활용될 수 있다.
도 1a 내지 도 5와 관련하여 예시된 구성 요소들 중의 임의의 것이 도 7과 관련하여 예시된 시스템들 및 방법들에 포함될 수 있는 점이 이해될 것이다. 예를 들면, 비록 하소로가 도 7에 도시되지만, 상기 하소로는 여기에 설명되는 바와 같은 반응기가 활용될 수 있고, 이는 복수의 반응기들을 포함할 수 있는 것을 나타내는 점이 이해될 것이다. 또한, 연도 가스 및 고체 스트림들 모두가 상기 하소로를 나가는 것으로 예시되기 때문에 예시한 하소로는 적어도 하나의 분리 구성 요소가 상기 고체들로부터의 가스들의 분리를 위해 이와 통합되는 것을 나타내는 점이 이해될 것이다. 마찬가지로, 상기 반응기(들)와 상기 분리기(들)가 통합된 유닛이 될 수 있거나, 별도의 유닛들이 될 수 있는 점이 이해될 것이다. 또한, 도 7에 예시한 "증기 사이클"이 전기를 생산하기 위해 활용되는 복수의 구성 요소들을 나타내는 점이 이해될 것이다. 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 도 7의 증기 사이클은 물 스트림(9)을 가열하고, 적합한 발전기들을 활용하여 전기의 생산을 위해 적합한 터빈들을 통해 순환될 수 있는 증기 스트림(8)을 생성하는 데 이용될 수 있는 HRSG(30)를 포함할 수 있다. 도 2를 참조하면, 도 7의 증기 사이클은 열교환기(210), 터빈(245)(및 임의의 필요한 발전기들), 냉각기(250), 압축기/펌프 유닛(255), 그리고 동작 유체의 순환을 위한 라인들(256, 213)을 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 마찬가지로 상기 동작 유체가 반드시 물/증기가 될 필요는 없으며, "증기 사이클"이라는 표현이 단순하게 동작 유체의 순환을 통한 동력 발생을 나타낼 수 있는 점이 이해될 것이다.
일부 실시예들에서, 상기 시스템들과 방법들은 하나의 시스템 내에서 연도 가스, CCR 및 생석회/시멘트 산업으로부터의 탄소 포집을 제공할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 시스템들과 방법들은 현재의 연도 가스 스트림들로부터 CO2를 포집할 수 있고, 결합된 시스템 내에서 생석회, 플라이 애시 벽돌들, 시멘트 및 정화된 CCR로부터 탄소를 제거할 수 있다. 시멘트 산업으로부터의 전체적인 배출은 세계적인 CO2 배출의 대략 8%를 차지한다. 시멘트로부터의 대부분의 CO2 배출은 프로세스 방출(CaCO3＝CaO＋CO2)과 소성을 위한 화석 연료 연소이다. 본 발명의 시스템들과 방법들은 이에 따라 통합된 시스템 내에서 생석회 생성 및 시멘트 연도 가스로부터 CO2를 포집함에 의해 상기 시멘트 산업으로부터 실질적으로 탄소를 제거하는 데 효과적이다.
일부 실시예들에서, 사워 가스(예를 들어, H2S 및 CO2를 포함하는 천연 가스)가 상기 반응기 내로 투입되는 연료가 될 수 있으며, 석회석이 상기 반응기 내의 황종들을 포집하고 석고를 형성하기(CaCO3＋SO2＝CaSO4＋CO2의 반응을 거쳐) 위해 상기 반응기 내로 투입될 수 있다. 상기 황이 적은 반응기 연도 가스는 사워 가스를 공급 원료로 이용하여 탄소 포집 동력을 생산하기 위해 다운스트림의 환열기, 물 분리기, 그리고 멤브레인 보조 CO2 분리 및 정화 유닛으로 들어갈 수 있다. 석고는 고체 스트림 내에서 분리될 수 있고, 상기 석고는 이출 및/또는 시멘트 생산 프로세스에서 생석회와의 결합을 위해 회수될 수 있다.
여기에 설명되는 바와 같은 시스템들은 생석회 생성을 위한 직접 연소 회전식 킬른 시스템, CCR 재연소를 위한 유동층 연소기 또는 사이클론 로, 증기 발생을 위한 물 환열기 및 다운스트림 CO2 멤브레인 분리기뿐만 아니라 사이클론형 CO2 정화 유닛(CPU)을 포함하여 상업적으로 입수 가능한 장비를 활용할 수 있다. 활용될 수 있는 예시적인 유닛들/구성 요소들은 다음 중의 하나 또는 그 이상을 포함한다(단일 또는 다중으로). 킬른(들)/반응기(들); 공기 송풍기(들); 유동층 연소기(들); 배열 회수 보일러(들)(HRSG); 증기 터빈(들); BFW 펌프(들); 유착 필터(oalescing filter)(들)/건조기(들); 컴팬더(들); 일체형 기어 압축기(들); CO2 분리 멤브레인(들); CO2 정화 유닛(들); 진공 응축기(들); 및/또는 증발 냉각 타워(들).
다른 실시예들에서, 본 발명에 따른 직접 포집 시스템은 KOH/NaOH을 기반으로 하는 알칼리 액상 용매들의 사용을 부분적으로 또는 완전히 배제할 수 있다. 예를 들면, 상기 시스템 내에 존재하는 임의의 석회의 적어도 일부가 기체 스트림으로부터 이산화탄소를 직접적으로 포집하는 제제로서 작용할 수 있다. CaO를 수성 용액에 첨가함에 의해, 상기 용액의 pH는 상승되는 알칼리성으로 인해 증가될 수 있다. 이러한 점은 사실상 산성에 대한 완충 능력을 생성할 수 있다. 이산화탄소를 함유하는 기체 스트림이 알칼리성의 물 혼합물과 접촉되어야 하는 경우, 이러한 점은 액상으로의 이산화탄소의 용해를 증진시킬 것이다. 상기 이산화탄소는 주로 안정한 중탄산염(bicarbonate) 및 탄산염 종들로서 용액 내에 나타날 것이다. 상기 용액은 이후에 적절한 경우에 폐기될 수 있다.
제한적이지 않은 예로서, 석유 회수 증진(EOR) 산업에서, CaO의 생산 동안에 포집되는 이산화탄소는 cEOR 웰(well) 내로 투입될 수 있다. 오일과 생성된 물은 표면에 이르는 반면에 상기 이산화탄소 상기 웰 내에 남으며, 실질적으로 격리된다. 상기 오일과 물은 분리될 수 있으며, 이후에 상기 물은 생성된 CaO와 혼합될 수 있다. 상기 혼합물은 이후에 중탄산염/탄산염으로 포화될 때까지 공기 및/또는 연도 가스를 함유하는 일부 다른 이산화탄소와 접촉될 수 있다. 상기 혼합물은 이후에 폐기 웰 내로 펌핑될 수 있다. 다른 예에서, 상기 CaO는 단순히 해양과 같은 많은 양의 물에 버려질 수 있다.
이러한 유형의 탄소 포집의 이점은 탄소 배출이 없는 장치로 기능할 수 있는 점이다. 생성되는 각각의 몰의 CaO에 대해, 2몰 이하의 CO2가 발생될 것이지만, 상기 수성 용액 내의 CaO는 2몰의 CO2를 포집할 수 있으며, 이에 따라 순(net) CO2 포집을 가져올 수 있다.
여기서 "약" 및 "실질적으로"라는 표현들의 사용은 개시된 정확한 값들을 포괄하면서, 마찬가지로 본 발명이 상기 값들로부터의 약간의 변화도 포괄하는 점을 나타낼 수 있다. 이에 따라, 기재된 양에 대해 "약" 또는 기재된 양에 대해 "실질적으로"로 표현된 값은 기재된 양뿐만 아니라 다른 처리 조건들, 장비 한계들 및/또는 해당 분야에서 알려진 값을 정확하게 측정하기 어려운 점과 관련하여 예상될 수 있는 그 변화들을 포함한다. "약" 및/또는 "실질적으로"라는 표현은 이에 따라 기재된 정확한 값의 +/-5%, +/- 2%, 또는 +/- 1% 정의 변화들을 포괄할 수 있다.
본 발명에 개시되는 주제의 많은 변형들과 다른 실시예들은 이러한 주제가 앞서의 설명들 및 관련된 도면들에서 제시되는 교시들의 이점을 가지는 것으로 해당 기술 분야의 숙련자에게 이해될 것이다. 이에 따라, 본 발명이 여기서 설명되는 특정한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 변형들과 다른 실시예들이 첨부된 특허 청구 범위의 범주 내에 속하도록 의도되는 점이 이해될 것이다. 비록 특정한 용어들이 여기에 사용되지만, 이들은 일반적이고 서술적인 의미로만 사용되며, 제한의 목적을 위해 사용되는 것은 아니다.

Claims (50)

  1. 탄소 포집을 구비하는 소성을 위한 시스템에 있어서,
    적어도 고체 및 이산화탄소 가스를 포함하는 분해 스트림을 형성하기 위해 산화제의 존재에서 탄산염을 포함하는 원료 물질을 가열하도록 구성되는 반응기;
    상기 분해 스트림을 상기 이산화탄소 가스를 포함하는 가스 스트림 및 고체 스트림으로 분리하도록 구성되는 분리기;
    상기 이산화탄소 가스를 포함하는 가스 스트림 및 상기 고체 스트림 중의 하나 또는 모두를 수용하고, 상기 이산화탄소를 포함하는 냉각된 가스 스트림 및 냉각된 고체 스트림을 제공하기 위해 열을 회수하도록 구성되는 열교환 유닛; 및
    상기 이산화탄소를 포함하는 상기 냉각된 가스 스트림을 CO2가 적은(lean) 스트림 및 CO2가 풍부한(rich) 스트림으로 분리하도록 구성되는 CO2 분리 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반응기 및 상기 분리기는 단일의 유닛으로 결합되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 산소를 상기 반응기로 제공하도록 구성되는 산소를 형성하는 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 열교환 유닛으로부터 다운스트림(downstream)인 물 분리기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 CO2 분리 유닛은 상기 이산화탄소를 포함하는 상기 냉각된 가스 스트림을 상기 CO2가 적은 스트림 및 상기 CO2가 풍부한 스트림으로 분리하도록 구성되는 적어도 하나의 멤브레인 분리 스테이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 적어도 하나의 멤브레인 분리 스테이지로부터 적어도 상기 CO2가 풍부한 스트림을 수용하도록 구성되는 저온 CO2 정화 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 이산화탄소를 포함하는 상기 냉각된 가스 스트림을 압축하도록 구성되는 압축 유닛을 더 포함하며, 상기 압축 유닛은 상기 적어도 하나의 멤브레인 분리 스테이지로부터 업스트립(upstream)에 위치하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 적어도 하나의 멤브레인 분리 스테이지로부터 다운스트림에 위치하는 팽창기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 열교환기와 통합되는 동력 생성 사이클을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 동력 생성 사이클은 압축된 동작 유체를 상기 열교환 유닛의 유입구로 제공하도록 구성되는 압축 유닛, 상기 열교환 유닛으로부터 상기 압축된 동작 유체를 수용하도록 구성되는 터빈, 그리고 상기 터빈의 유출구 및 상기 압축 유닛의 유입구 사이에 위치하며 유체 연결되는 냉각기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 분리기로부터 상기 고체 스트림의 일부를 수용하도록 구성되는 카보네이터(carbonator)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 카보네이터는 상기 반응기의 유입구와 연통되며, 상기 반응기로 재생된 원료 물질을 전달하기 위해 구성되는 고체 생성물 유출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 분리기로부터 상기 고체 스트림의 일부를 수용하도록 구성되는 클링커 유닛(clinker unit)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 클링커 유닛은 하나 또는 그 이상의 원료 물질들의 유입을 위해 구성되는 하나 또는 그 이상의 유입구들을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  15. 제13항에 있어서, 상기 클링커 유닛으로부터 시멘트 클링커의 스트림을 수용하고, 상기 시멘트 클링커의 스트림을 상기 냉각된 가스 스트림의 일부로 냉각하도록 구성되는 클링커 냉각기 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  16. 제1항에 있어서, 상기 시스템은 제강 플랜트와 통합되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  17. 제1항에 있어서, 상기 시스템은 동력 생산 플랜트와 통합되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 시스템은 재 연소 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  19. 탄소 포집을 구비하는 소성을 위한 방법에 있어서,
    적어도 고체 및 이산화탄소 가스를 포함하는 분해 스트림을 제공하기 위해 탄산염을 포함하는 원료 물질을 가열된 반응기 내에서 처리하는 단계;
    상기 분해 스트림을 분리 유닛 내에서 상기 이산화탄소를 포함하는 가스 스트림 및 고체 스트림으로 분리하는 단계;
    상기 이산화탄소를 포함하는 상기 가스 스트림 및 상기 고체 스트림 중의 하나 또는 모두를 열교환기 내에서 냉각하는 단계;
    상기 고체 스트림의 적어도 일부를 이출을 위한 생성물로 제공하는 것 및 상기 고체 스트림의 적어도 일부를 이차 생성물을 형성하기 위해 다른 반응기로 전달하는 것 중의 하나 또는 모두를 수행하는 단계; 및
    이출을 위해 이산화탄소의 실질적으로 순수한 스트림을 제공하도록 상기 이산화탄소를 포함하는 상기 가스 스트림을 정화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 반응기는 약 1.5bar 내지 약 8bar의 압력에서 동작되는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제19항에 있어서, 상기 반응기는 약 850℃ 내지 약 1100℃의 온도에서 동작되는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제19항에 있어서, 상기 반응기는 산소와 연료의 상기 반응기 내의 연소를 통해 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 산화제는 산소 생산 유닛에 의해 제공되는 실질적으로 순수한 산소를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제22항에 있어서, 상기 산화제는 연도 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제19항에 있어서, 상기 가열된 반응기 및 상기 분리 유닛은 통합 유닛인 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제19항에 있어서, 상기 열교환기는 배열 회수 보일러(heat recovery steam generator)(HRSG), 가스 가열식 개질기(gas heated reformer)(GHR), 또는 환열식 열교환기(recuperative heat exchanger) 중에서 하나 또는 그 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
  27. 제19항에 있어서, 상기 이산화탄소를 포함하는 상기 가스 스트림은 상기 열교환기 내에서 약 20℃ 내지 약 150℃의 온도까지 냉각되는 것을 특징으로 하는 방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 이산화탄소를 포함하는 건조된 가스 스트림을 제공하기 위해 상기 열교환기를 나가는 상기 이산화탄소를 포함하는 상기 가스 스트림을 하나 또는 그 이상의 물 제거 유닛들로 통과시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  29. 제28항에 있어서, 상기 이산화탄소를 포함하는 상기 가스 스트림을 정화하는 단계는 상기 이산화탄소를 포함하는 상기 가스 스트림을 CO2가 적은 스트림 및 CO2가 풍부한 스트림으로 분리하도록 구성되는 적어도 하나의 멤브레인 분리 스테이지로 상기 이산화탄소를 포함하는 상기 가스 스트림을 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  30. 제29항에 있어서, 적어도 상기 CO2가 풍부한 스트림을 저온 CO2 정화 유닛으로 통과시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  31. 제29항에 있어서, 상기 이산화탄소를 포함하는 상기 가스 스트림을 상기 적어도 하나의 멤브레인 분리 스테이지로부터 업스트림에서 압축하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제31항에 있어서, 상기 적어도 멤브레인 분리 스테이지로부터 다운스트림에서 적어도 상기 CO2가 풍부한 스트림을 팽창시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 제29항에 있어서, 상기 적어도 멤브레인 분리 스테이지는 상기 CO2가 풍부한 스트림 내의 상기 이산화탄소를 포함하는 상기 가스 스트림으로부터 CO2의 적어도 50%의 대량 회수를 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 제33항에 있어서, 상기 CO2가 풍부한 스트림은 50% 보다 낮지 않은 CO2 농도를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 제19항에 있어서, 상기 열교환기와 통합되는 동력 생성 사이클을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  36. 제35항에 있어서, 상기 동력 생성 사이클은 압축된 동작 유체를 제공하기 위해 동작 유체를 압축 유닛 내에서 압축하는 단계, 상기 압축된 동작 유체를 상기 열교환기 내에서 가열하는 단계, 동력을 생성하고 팽창된 동작 유체를 형성하기 위해 상기 열교환기를 나가는 상기 압축된 동작 유체를 터빈으로 통과시키는 단계, 그리고 상기 팽창된 동작 유체를 상기 압축 유닛으로 다시 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  37. 제19항에 있어서, 상기 분리기를 나가는 상기 고체 스트림의 일부를 카보네이터 내에서 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  38. 제37항에 있어서, 상기 카보네이터는 재생된 원료 물질을 제공하도록 구성되며, 상기 재생된 원료 물질의 적어도 일부는 상기 반응기로 다시 재순환되는 것을 특징으로 하는 방법.
  39. 제37항에 있어서, 상기 원료 물질은 석회석(CaCO3)이며, 상기 반응기를 나가는 상기 고체 스트림은 생석회(CaO)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  40. 제39항에 있어서, 연도 가스로부터 이산화탄소의 적어도 일부가 CaCO3을 형성하기 위해 상기 생석회와 반응되도록 상기 이산화탄소를 포함하는 상기 연도 가스를 상기 카보네이터를 통해 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  41. 제19항에 있어서, 상기 분리기를 나가는 상기 고체 스트림의 일부를 클링커 유닛 내에서 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  42. 제41항에 있어서, 상기 고체 스트림으로부터의 고체들이 시멘트 클링커를 형성하는 시멘트 생산에 효과적인 하나 또는 그 이상의 원료 물질들과 반응하도록 시멘트 생산에 효과적인 상기 하나 또는 그 이상의 원료 물질들을 상기 클링커 유닛 내로 추가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  43. 제42항에 있어서, 상기 이산화탄소를 포함하는 상기 가스 스트림의 냉각된 부분을 이용하여 상기 시멘트 클링커를 냉각하기 위해 상기 시멘트 클링커를 클링커 냉각기 유닛으로 통과시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  44. 제43항에 있어서, 상기 클링커 유닛으로부터의 연도 가스의 적어도 일부를 상기 반응기로 다시 재순환시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  45. 제19항에 있어서, 상기 탄소 포집을 구비하는 소성을 위한 방법을 제강 프로세스에 통합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  46. 제19항에 있어서, 석탄재를 상기 반응기 및 별도의 연소기 중의 하나 또는 모두 내로 투입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  47. 제46항에 있어서, 상기 반응기 및 별도의 연소기 중의 하나 또는 모두로부터 열처리된 석탄재를 회수하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  48. 제47항에 있어서, 상기 열처리된 석탄재의 적어도 일부를 생석회와 혼합하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  49. 제19항에 있어서, 상기 가열된 반응기는 사워 가스(sour gas)를 포함하는 연료의 연소에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  50. 제49항에 있어서, 석고를 형성하기 위해 상기 반응기 내에서 상기 사워 가스를 CaCO3과 반응시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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