KR20230004621A - 이산화탄소 포집 시스템 및 이러한 시스템을 사용하는 방법 - Google Patents

이산화탄소 포집 시스템 및 이러한 시스템을 사용하는 방법 Download PDF

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크누트 에릭 뵈르세트
헨릭 프레이셰르
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카본 씨씨에스 리미티드
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Abstract

본 발명은 다음과 같은 특징을 포함하는 CO2 포집 시스템이다: - 외부 제1 공급원(6s)으로부터 압축기(2)로의 CO2 농후 배기 가스(6g)를 위한 흡입구(6)와, 매니폴드(8)를 거쳐 벽(11w)을 갖는 연소 챔버(11)의 적어도 일부를 둘러싸는 셸(10)로의 높은 압력(P) 하의 압축된 제1 CO2 농후 가스(6r)를 위한 하나 이상의 출구(5)를 포함하고, - 연소 챔버(11)는 제2 CO2 농후 가스(15r)를 형성하기 위해 각각 연료 라인(14) 및 공기 공급 파이프(15)으로부터 높은 압력(P) 하에서 공급되는 연료(14f) 및 압축 공기(15c)를 연소하도록 배열되는 버너(13)를 포함하며, - 압축된 CO2 농후 가스(6r)가 연소 챔버(11)에서 형성되는 다른 제2 CO2 농후 가스(15r)와 혼합되고 이를 냉각하여 제3 CO2 농후 배기 가스(60r)로 되도록 연소 챔버(11) 내의 벽(11w)에 슬릿(12)이 제공되고; - 높은 압력(P) 하에서 작동되고, 연소 챔버(11)로부터의 제3 고온 CO2 농후 배기 가스(60r)를 주로 높은 압력(P) 하에서 CO2 추출 플랜트(100)로부터 복귀하는 CO2 부족 배기 가스(60L)와 열교환하도록 배열되는 열교환기(16)를 포함하고, - 복귀되어 이제는 가열된 CO2 부족 배기 가스(60L)는 매니폴드(9)를 통해 압축기(2) 및 CO2 추출 플랜트(100)를 구동하는 팽창기(3)로 다시 돌아가고, 출구(7)를 통해 배출되도록 유도된다.

Description

압축기 및 팽창기를 포함하는 이산화탄소 포집 시스템 및 이러한 시스템을 사용하는 방법
본 발명은 CO2 포집 프로세스에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에서, 가스 터빈을 변환함으로써 구현이 용이하다. 본 발명은, 예를 들어, 가스 터빈이 생성하는 사실상 모든 CO2가 무독성 방식으로 추출될 수 있는 동시에 6천만 와트 이상을 생성하는 다른 가스 터빈과 연관되어 포함될 수 있으며, 따라서 이러한 모든 CO2는 저장소에서 압력 하에 저장되거나 오일 생산에서 압력 보조로서 사용되거나 산업 생산을 위한 원료의 일부로서 포함될 수 있다. 본 발명자는 경제적으로 지속 가능한 프로세스에 이르게 되었다.
보다 상세하게는, 본 발명은 다음과 같은 단계를 포함하는 CO2 포집 프로세스이다:
- 압축기(2)를 통해 외부 제1 공급원(6s)으로부터의 CO2 농후 배기 가스(6g)를 압축하여 압축된 제1 CO2 농후 가스(6r)를 형성하고, 추이의 과정을 예측하기 위해, 압축된 CO2 농후 가스(6r)뿐만 아니라 압축기(2)의 하류의 프로세스에서 형성되는 제2 CO2 농후 가스(15r)를 탄소 포집 회로로 보내고, 탄소 포집 회로는 바람직하게는 압축기(2)와 동일한 주 샤프트에 연결되고 이에 의해 CO2 부족 가스(60L)에서 에너지를 회수하는 팽창기(3)로 지금의 CO2 부족 가스(60L)("희박"에 대해 L)를 돌려 보낸다.
본 출원인은 압축기, 후연소 챔버 및 팽창기를 갖는 유사한 구성을 사용하는 WO2019-172772호로서 특허 출원을 공표하였으며, 여기서 후연소 챔버로부터의 연도 가스는 소위 핫 포타슘 카보네이트(Hot Potassium Carbonate)(HPC) 플랜트에서 열 교환 및 CO2 추출을 위해 순환된다.
본 발명은 다음과 같은 단계를 포함하는 장치 및 CO2 포집 프로세스이다:
- 압축기(2)를 통해 [외부의] 제1 공급원(6s)으로부터의 CO2 농후 배기 가스(6g)를 압축하여 압축된 제1 CO2 농후 가스(6r)를 형성하며,
- 연소 챔버(11) 내에서 압축 공기(15c)와 함께 버너(13)를 통해 연료(14f)를 연소시키고, 압력 하에서 제2 CO2 농후 가스(15r)를 형성하며,
- 제1 압축 CO2 농후 가스(6r)는 제2 CO2 농후 가스(15r)에 혼합되어 이를 냉각시키고 결과적으로 제3 압축 CO2 농후 가스(60r)를 형성하며,
- 이 제3 압축 CO2 농후 가스(60r)는 더 따뜻한 제3 CO2 농후 가스(60r)를 CO2 리사이클링 플랜트(100)로부터의 더 차가운 복귀 압축 CO2 부족 가스(60L)와 교환하는 HPHT 열교환기(16)를 통해 배출되고,
- 냉각된 제3 CO2 농후 가스(60r)는 열교환기(16)로부터 파이프(17)를 통해 CO2 추출 플랜트(100)로 통과되고, 결과적으로 더 차가운 CO2 부족 가스(60L)는 라인(18)을 거쳐 HPHT 열교환기(16)로 복귀되어 이를 통해 가열되며,
- 복귀되어 가열된 CO2 부족 가스(60L)는 팽창기(3)를 통해 팽창된다.
본 발명의 장치 및 부수적인 특징은 첨부된 요건 세트에서 규정된다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시되며, 여기서
도 0은 변환된 SGT(300) 가스 터빈을 구비하여 배열된 본 발명의 일 실시예의 개략도를 도시하며, 여기에 도시되지 않은 CO2 추출 플랜트(100)를 제외하고 본 발명의 실시예의 중심 특징의 일부를 도시하고, 그리고 이 도면은 제1 CO2 농후 배기 가스(6g)를 수용하기 위한 변환된 가스 터빈을 도시하며, 본래의 연소 챔버(19)의 상단은 공급된 연료 NG(14f)와 함께 공급된 압축 공기(15c)를 위한 하나 또는 2개의 사일로형(Silo Type) 연소 챔버(11)로의 압축된 제1 CO2 농후 가스(6r)를 위한 매니폴드(8)용 출구로 대체되고, 더 차가운 공급된 CO2 농후 가스(6r)는 버너(13)의 하류의 결과적인 다른 CO2 농후 가스(15r)와 혼합되어 냉각되며, 불필요하게 고온에 도달하지 않는 CO2 농후 가스(60r)를 구성하고, HPHT 열교환기(16)를 통해 CO2 추출 플랜트(100)로부터 제2 매니폴드(9)를 통해 CO2 부족 배기 가스(60L)로서 본래의 연소 챔버의 스템(19)으로 보내지고, 팽창기(3)를 통해 배출된다. 연소 챔버(11)는 압축 공기(15c)와 연료(14f)를 연소시켜, 제3 CO2 농후 배기 가스(60r)를 형성하기 위해 제1 CO2 농후 배기 가스(6c)와 하류에서 혼합되고 냉각되는 균형의 제2 CO2 농후 배기 가스(15r)를 만들어 낸다. 도면 부호 19는 가스 터빈의 케이싱 상의 본래의 연소 챔버이고, 압력 하에서 압축 가스(6g)를 위한 매니폴드(8)로의 출구 및 CO2 부족 가스(60L)를 위한 제2 매니폴드(9)로부터 복귀부를 형성하기 위해 버너가 제거된 것으로 도시된다. 도면 부호 6은 연도 가스(6g)를 위한 흡입구이다. 도면 부호 3은 CO2 부족 연도 가스(60L)를 위한 팽창기를 나타낸다. 도시된 SGT 300 산업용 가스 터빈은 예를 들어 본래 62MW의 출력 전력과 38:1의 압력비를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예를 더욱 상세히 도시하고, 냉각 압축된 CO2 농후 배기 가스(6r)를 위한 슬릿(12)을 갖는 벽(11W)을 구비하는 연소 챔버(11)의 개략도를 제공한다. 제1 공급원(6s)로부터의 CO2 농후 가스(6g)는 압축기(2)에 공급된다. 열교환기(16)는 연소 챔버(11)로부터 부가적인 연소 가스(15r) 및 연도 가스(6r)를 수용하고, CO2 포집 플랜트로부터 파이프(18)를 통해 복귀 가스(60L)와 열교환된다. 도면 부호 1은 변환된 가스 터빈을 나타내며, 여기서 케이싱 상의 연소 챔버는 위에서 설명한 바와 같이 그 연소 헤드가 제거되어 있고, 케이싱으로부터 도면 부호 5에 대한 배출 및 케이싱으로의 복귀는 개시점으로 취하는 가스 터빈(1) 상의 것과 동일하다. 도면 부호 19에서 통상의 연소 챔버는 변환 전에 끝난다. 여기서 환형부(5)는 배기 가스(6r)를 환형 매니폴드(8)로 유도하고, 나아가 연소 챔버(11) 주위의 코트(coat)(10)로 유도한다. 일 실시예에서는 연소 챔버(11)로의 경사 출구가 있다.
제너레이터(G)는 냉각측에 있으며 스타터 모터로서 작용하고, 기동 후 실제로 단지 CO2 포집 프로세스로 에너지를 전달한다.
일반적으로, 본래의 가스 터빈(1)에서 팽창기(3)의 냉각이 필요한데, 이는 그와 같은 저온을 운용하기 때문에 이제는 필요하지는 않다. 도면 부호 4는 지금의 여분의 냉각 라인을 나타낸다.
여기서 연소 챔버(11)에서 1050C 대신에 760C를 취함으로써, 고온 저항 열교환기(HE) 대신에 "기성품(off-the-shelf)" 열교환기를 사용할 수 있기 때문에 열교환기(16)를 설계하고 만드는 것이 더 쉬워진다. 연도 가스(6)로부터 연소되지 않은 산소는 연소 챔버(11)의 상단에서 연료 가스(14)와 압축 공기(15) 사이에 연소가 발생한 후 슬릿(12)을 통해 유입되기 때문에 연소에 관여하지 않으며, 따라서 단지 연소된 가스(15r)를 냉각시킬 뿐이다.
연료 라인(14)은 천연 가스 NG(14f)를 버너(13)에 공급한다.
슬릿(12)은 연소 챔버(11)의 벽(11w)에 형성되며, 코트(10)로부터의 제1 CO2 농후 배기(6r)는 단지 연소 후에 연소 챔버(11) 내로 혼합되어, 제2 CO2 농후 연소 가스(15r)를 희석한다. 압축기로부터의 배기 가스(6r)는 새로운 연소에 관여하지 않으며, 새로운 연소는 신선한 압축 공기(15c) 및 새로운 연료 가스(14f), 바람직하게는 천연 가스(NG)만을 받는다.
연소 챔버(11)의 상단에 있는 압축 공기 라인(15)으로부터 들어오는 압축 공기(15c)는 버너(13)에 공기를 공급하며, 이는 T = 1800C - 1900C로 도면 부호 13으로부터 연소 가스(15r)를 방출하지만, 그 부피는 제1 CO2 농후 연도 가스(6r)의 약 1/5에 불과하다. 따라서 낮은 산소 함량에서 연소하는 버너를 만드는 것을 피하며, 이는 많은 것을 단순화하고, 통상적인 가스 버너를 사용할 수 있다.
코트(10) 내의 압축기(2)로부터의 연도 가스(6r)는 연소 챔버(11) 내의 벽(11w)을 냉각시킨다. 도면 부호 11w은 연소 챔버(11) 내의 벽(11w)을 나타낸다.
팽창기(3)로부터의 배기 가스(7)는 낮은 CO2 함량을 갖는다.
도면은 예를 들어 압축기로부터의 압력에 의존하는 350C - 500C를 나타낸다. 도면 부호 5는 압축기(2)로부터의 압축된 CO2 농후 가스(6r)를 위한 출구(5)이다. T는 압력 P = 13Bar에서 전형적으로 섭씨 350도이다.
이 도면에서, 본 실시예에서의 열교환기(16)는 공기 공급부(15)가 도 4에 도시된 열교환기(16)의 셸(shell)을 냉각시키는 정교함을 가지지 않는다.
그 배열의 중요한 이점은, 크게 감소된 O2 함량을 갖는 압축 배기 가스(6r)를 연소시키도록 설계된 버너를 사용할 필요가 없고, 버너(13)의 상류에 주입되는 압축 공기(15c) 및 가압 연료(14f)를 위한 버너(13)를 사용하면 되기 때문에, 거의 "기성품"인 통상의 버너를 사용하고 공기와 연료 사이의 통상의 혼합 비율을 사용할 수 있으며, 이는 특별한 변경을 할 필요없이 구성 및 계산에 있어서 재정적인 절감과 연료(14f)의 더 깨끗한 연소를 제공한다. 연소 챔버(11)는, 일 실시예에서, 세라믹 타일이 구비되고, 더 차가운 CO2 농후 가스(6r)는 연소 챔버(11)의 벽(11w)을 냉각시킨다. 연소 챔버(11)로부터의 낮은 연도 가스 출구 온도는 부식을 방지하는데 도움이 된다. 또한 이것은 연소 챔버의 온도가 현대의 가스 터빈의 팽창기의 일반적인 초기 온도인 섭씨 1500g 정도였던 경우보다 저렴한 강 품질이 사용될 수 있음을 의미한다.
도 2는 동축 케이싱(19)(즉, 동축 케이싱(19) 중 하나)을 통해 나가는 압축 CO2 농후 가스(6r)를 위한 압축기(2)로부터의 출구(5)와, 팽창기(3)로 복귀할 압력(P) 하에서의 복귀 CO2 부족 가스(60L)을 위한 내부 동축의 케이싱 복귀 흐름을 사시도로 도시한다. 이 경우에, 케이싱은 도 1에 또한 도시된 바와 같이, 변환된 가스 터빈(2, 3)의 샤프트에 대해 비스듬하게 배향된다. 또한, 그 도면은 출구(5)로부터 연소 챔버(11)를 둘러싸는 코트(10)로 더 이어지는 링 매니폴드(8)로의 방사상 유출과, CO2 부족 가스(60L)를 위한 열교환기(16)로부터 팽창기(3)로 다시 이어지는 링 매니폴드(9)로의 복귀 유동을 도시한다. 링 매니폴드들을 갖는 이러한 배열의 중요한 이점은 플랜트에서의 열 응력을 방지하는 케이싱 주위의 균일한 열 팽창이다. 링 매니폴드(9)는 다시 팽창기(3)로 이어진다. 링 매니폴드(8)는 연소 챔버(11)를 둘러싸는 코트(10)로 더 이어지고, 열교환기(16)로부터 링 매니폴드(9)로 다시 돌아가는 CO2 부족 가스(60L)에 대한 복귀 유동은 다시 팽창기(3)로 이어진다. 링 매니폴드들을 갖는 이러한 배열의 상당한 이점은 플랜트에서의 열적 텐션을 방지하는 케이싱 주위의 균일한 열적 팽창이다. 링 매니폴드(9)는 다시 팽창기(3)로 이어진다. 링 매니폴드(8)는 연소 챔버(11)를 둘러싸는 코트(10)로 이어진다.
도 3은 도 1에 대한 개선예이며, 위에서 본 것을 제외하고 도 4에 대응하며, 도 2의 실시예의 개선예를 구성하는 본 발명의 일 실시예를 도시한다. 도 3은 도면의 상부에서 좌측에 압축기(2) 및 우측에 팽창기(3)에 의해 본 발명에 포함되는 변환된 가스 터빈의 부분적인 원리 스케치이다. 도면 부호 19는 통상적인 버너 상단이 없이 링 매니폴드 (8 및 9)에 연결된 본래의 "버너 케이싱(burner casing)"이다. 제1 CO2 농후 압축 가스(6r)는 압축기(2)로부터, 변환된 버너 케이싱(19)의 섹션 및 외형부로 그리고 제1 복귀 링 매니폴드(8)의 섹션 내로, 더 나아가 버너(11) 내로 그리고 열교환기(16) 내의 냉각부로, 그리고 거기로부터 CO2 부족 가스(66L)가 HTHP 열교환기(16)로 복귀하는 CO2 추출 플랜트(100)로 유동한다. 본 실시예에서 신규한 것은, 압축 공기 라인이 HTHP 열교환기(16)의 상단으로 이어지고 계속해서 파이프(15)로서 압력(P) 하에서 여전히 연소 챔버(16)의 상단으로 이어지지만, 이제는 예열되고 연료(14f)가 주입되어 버너(13)에 의해 점화된다는 점에서 압축 공기 라인이 코트를 냉각시킨다는 것이다. 압축 공기(15)는 별도로 동력을 공급받는 전기 압축기로부터 온다. 이것은 전체 프로세스를 시작하기 전에 가압되어서 전체 시스템을 예열할 수 있다. 전기 모터는 연도 가스(6g)에 대한 공급원(6s)일 수도 있는 석탄 발전 플랜트로부터 전기에 의해 동력을 공급받을 수 있다.
도면 부호 15를 통해 열교환기(16)를 거쳐 들어와서 최종적으로 연소 챔버(15)의 상단으로 공급되는 압축 공기(15c)(개별적으로 구동되는 전기 압축기로부터의 것)는 버너(13)에 공기를 전달한다. 이것은 도면 부호 13으로부터 T = 1800 - 1900으로 연소 가스를 방출하지만, 그 부피는 연도 가스의 약 1/5에 불과하다. 따라서 낮은 산소 함량으로 연소시키는 버너를 만드는 것을 피하며, 이는 많은 것을 단순화한다.
도 4 는 또한 도 1에 대한 개선예이며, 도 3 에 대응되지만 케이싱(10) 내의 연소 챔버(11)뿐만 아니라 링 매니폴드(8 및 9)의 부분 단면도 및 도면이다. 압축 공기 라인(15) 내의 압축 공기(15c)는 열교환기(16) 상의 코트를 냉각시킨다. 연소 챔버로 유도되는 압축 공기(15)는 (최종적으로) 하방으로 진입하여 도면 부호 16의 셸을 냉각하고 도면 부호 15로서 연소 챔버(11)로 계속된다. 이로써, 열교환기(16)의 벽을 냉각시키면서, 연소 챔버(11) 내의 온도를 조절할 수 있다. 압축 공기(15)는 열교환기(16)의 상단에서 섭씨 350도로 유동하고, 대략 섭씨 400도로 가열되어, T = 약 섭씨 400도로 연소 챔버(11)의 상단으로 더 이동한다. 이는 열교환기(16)의 셸이 그러한 낮은 온도를 갖는 것을 도움으로써 더 높은 온도에서 작동시키는 경우보다 더 용이하고 더 얇은 강으로 만들어질 수 있다.
또한, 열교환기(16)의 수직 섹션은 연소 챔버(11)의 상단에서 끝나는 파이프(15) 내의 압축 공기의 경로의 일부를 형성하는 압축 공기 공급을 위한 그 공랭 코트를 갖는 것으로 도시되어 있다.
본 발명에서, 연소 챔버(11)와 열교환기(16) 사이, 및 열교환기(16)와 링 매니폴드(9) 사이에 동축 파이프를 필요로 하지 않는다. 이에 대한 설명으로서 이러한 파이프의 직경이 대략 1 미터이며, 현재 온도에 견딜 수 있는 고품질의 강을 사용할 수 있기 때문에 자체 프로세스에서 필요한 동축 냉각 코트를 피할 수 있다는 것이다. 이 낮은 온도에서, 강의 고온 산화를 피한다.
도 5 는 도 3 및 도 4에 따른 본 발명의 일 실시예이며, 압축기(2) 및 팽창기(3) 축에서 축방향으로 본 단면도 및 부분도이며, 여기서 링 매니폴드와 연소 챔버(11) 및 열교환기(16)의 2개의 가능한 쌍 중 적어도 하나가 도시된다. 이 도면은 대칭일 수 있으며, 여기서 단지 절반만 도시된다. 여기서, 하나의 공통 또는 2개의 분리된 CO2 포집 플랜트에 연결된 2개의 연소 챔버(11) 및 2개의 열교환기(16)가 있을 수 있고, 이 실시예에서 케이싱(19)은 매니폴드 파이프(8 및 9)에 각각 반경 방향으로 배향되고, 열 응력은 매우 낮아진다. 이 도면은 대칭일 수 있으며, 여기서 단지 절반만 도시된다. 2개의 연소 챔버(11) 및 2개의 CO2 포집 플랜트(100)가 있을 수 있다.
여기에는, 연소 챔버(11)에 대한 반경 방향 출구가 있다. 가스 터빈을 위한 구형 연소 챔버의 배치부(19)가 있다. 이러한 변환된 가스 터빈(1)의 목적 중 하나는, 프로세스가 전체적으로 에너지를 방출하더라도, 가스(6)를 압축하며 배출을 위한 에너지를 발생시키지 않는 것이다. 따라서, 기존의 가스 터빈 제너레이터를 취하고, 이것을 효율적이고 수익성있는 프로세스에서 CO2 가스를 정화시키는 압축기를 포함하는 본 발명으로 변환한다. 따라서, 높은 분압 하의 CO2를 높은 압력을 필요로 하는 K2CO3 - "핫 포타슘 카보네이트" - 프로세스에 넣는다. HPC는 무독성, 무해, 환경 친화적인 CO2 포집 프로세스이다. 링 라인/매니폴드(8및 9)가 유리하다. 여기서 반경 방향 파이프가 반경 방향으로 배향되기 때문에 열 응력이 없다.
도 6은 본 발명에서 사용하기 위해 변환될 수 있는 가스 터빈인 SGT A-65 "산업용 트렌트 60(Industrial Trent 60)" 에어 파생 가스 터빈의 사시도이며, 여기서 가스 터빈은 변환 후, 좌측으로 제너레이터(G), CO2 농후 배기 가스(6g)를 위한 흡입구(6), 압축기(2), (본 발명으로 변환되기 위해 제거될) 버너 상단을 갖고 배출 및 복귀를 위한 케이싱(19)으로 변환되는 케이싱('19'), 그리고 우측으로 팽창기(3)를 갖는 것으로 도시된다. 반경 방향 케이싱("19")은 도 3, 4 및 5에 도시된 위치(19)에 대응한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 포함되는 CO2 추출 플랜트(100)의 흐름도이다. 열 회수 유닛(24)은 136C인 물의 입구 온도/94C인 도면 부호 21로부터의 연도 가스 온도를 가지며, 온도차 42C이다.
본 발명은 다음과 같은 특징을 포함하는 CO2 포집 시스템이다:
- 외부 제1 공급원(6s)으로부터 압축기(2)로의 CO2 농후 배기 가스(6g)를 위한 입구(6), 및 매니폴드(8)를 거쳐 벽(11w)을 갖는 연소 챔버(11)의 적어도 일부를 둘러싸는 셸(10)로 압력(P) 하의 압축된 제1 CO2 농후 가스(6r)를 위한 하나 이상의 출구(5)를 포함하고,
- 연소 챔버(11)는 연소 가스로서 제2 CO2 농후 가스(15r)를 형성하기 위해 각각 연료 라인(14) 및 공기 공급 파이프(15)로부터 압력(P) 하에서 공급되는 연료(14f) 및 압축 공기(15c)를 연소시키도록 배열된 버너(13)를 포함하며, 압축된 CO2 농후 가스(6r)가 연소 챔버(11)에서 형성되는 연소된 CO2 농후 가스(15r)와 혼합되고 이를 냉각시켜 CO2 농후 배기 가스(60r)로 되게 하기 위해 연소 챔버(11) 내의 벽(11w)에 슬릿(12)이 배치되며(압축된 CO2 농후 가스(6r)는 본질적으로 연료(14f) 및 압축 공기(15c)의 연소에 관여하지 않으며; 그것은 연소를 위해 하류에 들어가게 되고 다른 CO2 농후 가스(15r)를 희석시킨다는 것에 유의한다);
- 열교환기(16), 바람직하게는 HPHT 열교환기가 바람직하게는 12Bar 초과인 압력(P) 하에서 작동하고, 연소 챔버(11)로부터의 고온 CO2 농후 배기 가스(60r)를 실질적으로 동일한 압력(P) 하에서 CO2 추출 플랜트(100)로부터 복귀되는 CO2 부족 배기 가스(60L)와 열교환하도록 배열되고,
- 여기서, 복귀되어 이제 가열된 CO2 부족 배기 가스(60L)는 매니폴드(9)를 거쳐 압축기(2) 및 CO2 추출 플랜트(100)를 구동하는 팽창기(3)로 다시 유도되고, 출구(7)를 통해 배출된다.
본 발명에 따르면, 압축 공기(15c)는 버너(13)에서 연료(14f)의 연소로만 유도되고 제2 CO2 농후 가스(15r)를 형성하며, 압축기(2)로부터의 배기 가스(6r)와 혼합은 다른 CO2 농후 가스(15r)의 형성의 하류에서 먼저 발생한다. 이것은 본 발명의 본질적인 양태이다: 따라서, 압축 공기(15c)는 압축기(2)로부터의 산소 부족 압축 연도 가스(6r)와 혼합됨 없이도 버너(13)로만 유도되어 연료(14f)와 함께 연소될 수 있다. 이것은 통상의 버너(13)를 사용하여 낮은 산소 농도에서 연료를 연소시키는 것을 피할 수 있다는 것을 의미하며, 이는 플랜트를 단순화하고, 더 빠르고 더 용이한 연소를 제공하며 결과적으로 CO2 농후 연도 가스(60r)의 그에 따른 온도를 낮춘다.
본 발명은 CO2 포집 프로세스이다. 더 상세하게는, 본 발명은 다음과 같은 단계를 포함하는 CO2 포집 프로세스이다:
- 압축기(2)를 통해 외부 제1 공급원(6s)으로부터의 CO2 농후 배기 가스(6g)를 압축하여 압축된 제1 CO2 농후 가스(6r)를 형성하고, 추이의 과정을 예측하기 위해, CO2 농후 가스(60r)를 함께 형성하는, 압축된 CO2 농후 가스(6r)와 압축기(2)의 하류의 프로세스에서 형성되는 제2 CO2 농후 가스(15r)를 탄소 포집 회로(100)로 보내고, 탄소 포집 회로(100)는 바람직하게는 압축기(2)와 동일한 주 샤프트에 연결되며 이에 의해 CO2 부족 가스(60L)에서 에너지를 회수하는 팽창기(3)로 지금의 CO2 부족 가스(60L)("희박(Lean)"에 대해 L)를 돌려 보낸다.
몇 가지 사항에 유의한다:
a) 이는, 즉 본 발명은, 가스 터빈이 아니라, 가스 터빈처럼 혼동되게 보인다. 그러나 차이점은 절대적으로 본질적이다. 본 발명은 가스 터빈인 개시점 자체에 비교적 작은 변경을 갖는 변환된 가스 터빈을 유리하게 사용하며, 터빈 축에 대하여 경사형 가스 버너를 갖는 "SGT-300 산업용 가스 터빈"(도 0 참조), 또는 터빈 축에 대해 반경 방향 가스 버너를 갖는 "SGT-A65 (Industrial Trent 60) 에어 파생 가스 터빈"(도 6 참조)과 같은 기존의 '기성품' 가스 터빈을 사용할 수 있으며, 여기서 압축기(2) 및 팽창기(3)는 또한 서로에 대해서도 본래의 설계대로 사용되고, 그리고 양 케이스 모두에서 버너의 상단을 해체하고, 연소 챔버의 부품을 통해 유동하는 압축 가스 스트림과 팽창기로 돌아가는 간접적인 복귀 가스 스트림을 단절시킨다.
b) 언급된 가스 터빈과 본 발명의 중요한 차이는, 가스 터빈이 냉각 측 상의 샤프트에 연결된 그 전기 제너레이터를 통해 배출용 에너지를 생성하지만, 본 발명에서는 압축된 CO2 농후 가스(6r)에서의 에너지 및 본 발명을 위해 변경/조정된 연소 챔버(11)에서 발전된 추가적인 에너지가 그 자체로 자체적으로 에너지를 필요로 하는 CO2 회수 플랜트를 포함하는 압력(P) 하의 CO2 포집 프로세스를 구동하기 위해 그리고 압축 공기 및 연료를 연소 프로세스에 전달하는 제2 압축기를 구동하기 위해 사용된다는 것이다.
c) 소정량의 CO2가 CO2 추출 플랜트를 통해 추출된다. 압축기(2) 및 팽창기(3) 사이에서 추출되는 이러한 CO2 가스양을 보상하기 위해, 연료 및 압축 공기는 프로세스 중에 연소 챔버 내의 버너로 공급된다. 공급된 공기 및 연료의 양(CO2의 "손실(lost)" 분을 위해 조정됨)은, 우리의 용도에 맞게 변환할 수 있는 축방향 베어링을 업그레이드하지 않고도 "표준의(standard)" 가스 터빈으로부터 압축기(2) 및 팽창기(3)를 사용할 수 있도록, 팽창기(3)를 통해 이동하는 양의 밸런스를 이루게 하는 CO2 부족 가스(15L)의 양을 형성한다. 즉, 본 시스템은 연도 가스를 가압된 CO2 포집을 위한 플랜트로 공급하는 효율적인 압축기에 대해 제너레이터를 구동할 수 있도록 다르게 설계된 실질적으로 변환된 가스 터빈이며, 여기서 전체 추출 CO2에 대한 보상 가스 체적은 압축기를 통한 양을 팽창기를 통한 양과 밸런스를 이루도록 하기 위해 공기 및 연료를 연소함으로써 형성된다.
d) 본 발명의 프로세스는 가스 터빈으로부터 에너지를 빼앗지 않으며, 그 가스 터빈은 그 배기 가스(6g)를 그 자체에 전달 가능하고, 그 자체의 프로세스에서 공급된 연료(14)에서 에너지를 소비한다. 이러한 연료(14)는 본질적으로 프로세스를 운영하는 경비이고 그것이 하는 것에 대해 분명히 비용을 들게 하지만, 사람들은 보급된 조건 하에서 CO2 회수 플랜트에서 포집된 CO2에 대한 비용을 치룰 것인데, 왜냐하면 US 당국이 증가된 오일 생산에 대해 CO2를 사용함으로써 오일 생산자가 지불하는 것에 추가하여 포집된 CO2 각 톤당 세금 공제, 이른바 EOR(Enhanced Oil Recovery)를 제공하기 때문이다. 본 발명의 중요한 이점 중 하나는 사람들이 현재의 프로세스에서 소비하는 것보다 포집된 CO2 톤당 많은(또는 훨씬 더 많은) 보상을 얻을 수 있다는 것이다.
e) 본 발명은 연도 가스 내의 압력(p)을 적어도 8 및 바람직하게는 12Bar 초과, 또는 16Bar 초과, 또는 보다 바람직하게는 19Bar 초과로 크게 증가시키고, 따라서 CO2 포집 플랜트의 부피 및 열 수요를 매우 큰 정도로 감소시키면서, 동시에 본 발명의 일 실시예에서 제안된 CO2 추출 플랜트(100)에서 가압 포집 프로세스를 가능하게 하는 것을 달성한다.
f) 중요한 차이점은 본 발명은 가스 터빈 가스 버너 케이싱 및 그 동축 복귀 파이프를 유리하게 이용할 수 있고, 이들의 상단은 제거되고, 압축 배기 가스(6c)를 위한 출구 매니폴드(8), 및 팽창기로 돌아오는 CO2 부족 복귀 가스(6L, 15L)를 위한 복귀 매니폴드(9)로의 전환에 알맞다는 것이다. 개략적으로 말해서, 출구 매니폴드(8) 상에 대형 사일로 타입(Silo Type) 연소 챔버(11)를 연결하고, 여기서 연소 챔버(11)는 열교환기(16) 및 CO2 포집 시스템(100)에 연결되고, 그리고 여기서 열교환기(16)를 통한 복귀는 복귀 매니폴드(9)로 다시 돌아가서 팽창기(3)로 이어진다.
g) 우리 자체의 프로세스와의 중요한 차이점은 연소 챔버(11)가 후연소 챔버가 아니라 연소 챔버라는 것이다. 그 차이는 중요하다. 본 발명에서, 중요한 후연소는 없지만, 도면 부호 15c, 14f의 연소 챔버(11)에서 형성된 이러한 매우 고온의 CO2 농후 연소 부산물(15r)이 더 차가운 배기와 혼합하기 전에, 압축 배기 가스(6c)의 혼합물은 연소 챔버의 일부분에서 연소되는 압축 공기(15c) 및 연료(14f)에 의해 형성되는 CO2 농후 연소 가스(15r)를 희석하고 냉각시킨다. 본 발명의 매우 중요한 이점은 이러한 새로운 방식으로 연소 챔버 및 열교환기의 출구 부분에서 더 높은 온도가 발생하지 않아서, 고압 열교환기일 수 있는 열교환기(16)에서 통상적인 유형의 강철 등급이 사용될 수 있고, 따라서 매우 고가의 강철 등급을 피할 수 있고, 또 다르게는 (본 발명에서 피해지는) 완전한 후연소를 견뎌내는 또 다르게는 특별히 높은 온도에서 발전된 고압-고온 열교환기에서 고온 부식(산화)를 피할 수 있다.
CO2 추출 플랜트에서 압력(P)의 손실은 미미하며 0.4Bar 범위 내에 있다.
조정 시스템
본 발명의 일 실시예에서, 본 시스템은 팽창기(3)에서 소진되는 가스양(60L)이 압축기(2)를 통해 유입되는 가스양(6g)에 대응되도록 CO2 추출 플랜트에서 추출된 CO2 양과 실질적으로 동일한 압축 공기(15c) 및 연료(14f)의 공급량을 조정하도록 배열된 조정 시스템(9)을 구비한다.
압력 조건
본 발명의 일 실시예에서, 압축기(2)로부터의 출구, 매니폴드(8, 9), 연소 챔버(11), (HPHT) 열교환기(16), 추출 플랜트(100), 및 팽창기(3)의 입구를 포함하는 CO2 포집 시스템에서의 압력은 따라서 CO2 농후 가스(6r, 15r, 60r) 및 결과적으로 생성된 CO2 부족 가스(60L)가 12Bar 초과, 바람직하게는 16Bar 초과, 더 바람직하게는 19Bar 초과이도록 조정된다.
K2CO3에 기초한 CO2 추출
본 발명의 일 실시예에서, CO2 추출 플랜트(100)는 소위 핫 포타슘 카보네이트(Hot Potassium Carbonate) K2CO3 플랜트이며, 여기서 추출 플랜트(100)는 압력(P) 하에서 물과 탄산칼륨 K2CO3의 혼합물을 포함하는 흡수 매체로 작동하는 흡수 칼럼(21)을 포함하며, 여기서 흡수 칼럼(21) 내에서의 반응은 이하와 같다;
CO2 + K2CO3 + H2O = 2KHCO3
전기 제너레이터 및 스타터 모터
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기 제너레이터/스타터 모터(G)는 압축기(2) 및 팽창기(3)에 연결되고, 압축기(2) 및 팽창기(3)는 또 다르게는 바람직하게 공통 샤프트 상에, 바람직하게는 입구(6)의 냉각측에 장착되며, 여기서 제너레이터(G)는 압축기(2), CO2 추출 플랜트(100) 및 시스템 전반에서의 프로세스를 구동하기 위해 팽창기(3)에서 회수되는 에너지를 발생시킨다.
또 다른 실시예에서, 전기 제너레이터/스타터 모터(G)는 압축기(2)에 연결되어 기동 전에 시스템을 가압하도록 배열되며, 여기서 전기 모터(G)에 대한 에너지는 외부로부터, 제1 CO2 농후 가스(6s)를 또한 생성하는 화력 발전 플랜트 내의 본관으로부터 또는 바람직하게는 제너레이터로부터 취해진다.
본 발명의 일 실시예에서, 연소 챔버(11)는 사일로형(silo-type) 연소 챔버(11)이다.
링 매니폴드
본 발명의 일 실시예에서, 제1 및 제2 매니폴드(8 및 9)는 케이싱(19)의 주위에 배열되고 압축기(2)로부터의 출구(5) 및 팽창기(3)로의 복귀부에 연결되는 링 매니폴드로서 배열되며, 여기서 케이싱(19)은 변환된 가스 터빈에서 또 다르게는 버너(19')를 구성하는 것이지만 여기에서 버너 상단은 제거되었다.
본 발명의 일 실시예에서, 압축기(2)로부터의 출구(5)는 가스 터빈에서 또 다르게는 버너(19')들 중 하나를 위해 사용되는 압축기(2)와 팽창기(3) 사이의 케이싱으로부터의 변경된 복귀부(19) 주위의 동축 출구(5)이다.
압축 공기의 예열
본 발명의 일 실시예에 따르면, 압축 공기 라인(15)은 연소 챔버(11)의 상단에서 주입되기 전에 압축 공기(15c)를 예열함과 함께 조합된 열교환기(16)의 압력 셸을 냉각시키기 위해 배열된 HPHT 열교환기(16) 상의 냉각 코트를 통해 이어진다(도 4 참조).
본 발명의 일 실시예에서, 셸(10) 내의 연소 챔버(11)의 하부는 버너(13)에서 연료(14f)와 압축 공기(15c)의 연소 프로세스로부터의 복사열을 차폐하기 위해 세라믹 타일(10f)로 내측에서 피복된다.
본 발명의 방법
위에서 CO2 포집을 위한 시스템을 설명하였다. 여기에, 다음과 같은 단계를 포함하는 CO2 포집 프로세스인 본 발명의 방법에 대한 해당 설명이 따른다.
- 압축기(2)를 통해 외부 제1 공급원(6s)으로부터 CO2 농후 배기 가스(6g)를 압축하고, 압축된 제1 CO2 농후 가스(6r)를 형성하며,
- 연소 챔버(11) 내에서 압축 공기(15c)와 함께 연료(14f)를 버너(13)를 통해 연소시키고, 압력(P) 하에 있는 제2 CO2 농후 가스(15r)를 형성하며,
- 제1 압축 CO2 농후 가스(6r)는 제2 CO2 농후 가스(15r)와 혼합되고 냉각하여 결과적으로 생성된 제3 압축 CO2 농후 가스(60r)를 형성하며,
- 이러한 제3 압축 CO2 농후 가스(60r)는, 더 따뜻한 제3 CO2 농후 가스(60r)를 CO2 추출 플랜트(100)로부터의 더 차가운 복귀 압축 CO2 부족 가스(60L)와 열교환하는 열교환기(16), 바람직하게는 고압 고온 열교환기를 통해 배출되며,
- 여기서, 냉각된 제3 CO2 농후 가스(60r)는 열교환기(16)로부터 파이프(17)를 통해 CO2 추출 플랜트(100)로 통과하고, 여기서, 결과적으로 생성된 더 차가운 CO2 부족 가스(60L)는 라인(18)을 통해 복귀되어 열교환기(16)을 통해 가열되며,
- 여기서, 복귀되어 가열된 CO2 부족 가스(60L)는 팽창기(3)를 통해 팽창된다.
본 발명의 일 실시예에서, 그와 달리 후연소 기술을 사용하게 된 경우에 1050C 대신에, 여기서는 연소 챔버(11)에서 단지 760C만을 취한다는 점에서, 열교환기(16)를 설계하고 구축하는 것이 더 용이해지는데, 왜냐하면 1050C 만큼 높은 온도에 견딜 수 있는 내고온성 열교환기 대신에 "기성품" 열교환기(16)를 사용할 수 있기 때문이다.
본 발명의 본질적인 이점은 가압 연소 및 가압 클리닝을 가진다는 것이다. 우리는 이제 일 실시예에서, 도면 부호 6으로부터 19.5Bar(또는 더 높은 압력)의 연도 가스에 도달하도록 이루어내며, 따라서 CO2 회수 플랜트(100)의 높은 효율성을 얻고 설치 공간을 상당히 줄인다. 이것은 효율성을 향상시키고, 우리 자신들이 개발에 관여한 것을 포함하는 프로세스의 비용을 상당히 절감한다.
밸런스를 이룬 출입량
본 발명의 방법의 일 실시예에 따르면, 압축 공기(15c)와 연료(14f)의 공급량은 CO2 추출 플랜트에서 추출된 CO2 양과 관련하여 실질적으로 동일하게 조정되며, 따라서 팽창기(3)에서 나오는 가스양(60L)은 압축기(2)를 통해 유입되는 가스양(6g)에 대응하고, 즉, (그 CO2 함량에 대해서는 조정된) 연소 챔버에서 연소되는 첨가 가스(15c, 14f)는 추출 플랜트(100)에서 배출되는 CO2의 양에 대응하며, 이로써 본 발명의 실시예를 위한 기초로서 기존의 가스 터빈 구성을 사용할 수 있다. 이는 많은 개발 비용을 절약하고, 본 발명의 실시예의 구성에 있어서 많은 시간을 절약할 수 있게 한다.
압력비
앞서 언급한 바와 같이, 압축기(2)의 배출 및 팽창기(3)로의 유입 사이의 프로세스에서 CO2 농후 가스(6r, 15r, 60r, 60L)에서의 압력은 12Bar 초과, 바람직하게는 16Bar 초과, 더욱 바람직하게는 19Bar 초과이다.
핫 포타슘 카보네이트-프로세스
본 발명에 따른 CO2 포집 프로세스에서, CO2 추출 플랜트(100)에서 소위 핫 포타슘 카보네이트(Hot Potassium Carbonate; HPC) 프로세스가 이용된다. 바람직하게는, CO2 추출 플랜트(100)는, 압축기(2)의, 그리고 연소 챔버(11) 및 열교환기(16)에서, 그리고 더 나아가 팽창기(3)로 되돌아오는 것에 대응하는 가스(60r, 60L)에서의 가스압 하에서 주로 작동된다. 팽창기(3)는 파이프, 열교환기, NOx 흡수 유닛(SCR)(30), 흡수액 가열용 보일러(31) 및 원심 분리기(28)에서 발생하는 약 0.4Bar의 압력 강하의 차감을 갖는 연소 챔버(11) 내에서의 것에 대응하는 압력 하에서 작동된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 물과 탄산칼륨 K2CO3의 혼합물을 포함하는 흡수 매체를 갖는 흡수 칼럼(21)이 추출 플랜트(100)에서 사용되며, 여기서 흡수 칼럼(21)에서의 반응은
CO2 + K2CO3 + H2O = 2KHCO3이다.
이 방정식은 화학량론적으로 균형을 이룬다.
본 발명의 방법의 일 실시예에 따르면, 전기 제너레이터/스타터 모터(G)는 압축기(2) 및 팽창기(3)에, 바람직하게는 공통 샤프트 상에서, 또한 바람직하게는 입구(6)에서 냉각측 상에서 연결되며, 여기서, 제너레이터(G)는 압축기(2), CO2 추출 플랜트(100) 및 시스템 전반에서 프로세스를 구동하기 위해 팽창기(3)에서 회수되는 에너지를 생성한다. 제너레이터의 용량은, 연료 펌핑, 오일 윤활, 공기 압축 등을 위한 그 시스템의 보조 시스템을 커버하며, 그리고 버너(13), CO2 추출 플랜트(100), 연료(14f)의 압력 분사, 공급 공기(15c)의 공급을 위한 압축, 윤활 오일의 순환 등을 개시하기 전에 압축기(2)를 사용하여 전체 시스템이 가압될 수 있도록, 제너레이터는 전체 프로세스의 보조 시스템을 커버하기 위해 스타터 모터로서 작용하도록 전환될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 CO2 농후 배기 가스(6s)는 외부 가스 터빈(6s)으로부터 공급된다. 또 다른 실시예에서, 그 공급원은 CO2 농후 배기 가스(6g)를 공급하는 석탄 화력 플랜트(6s), 또는 시멘트 플랜트, 정제 크래커 또는 폐기물 소각 플랜트이다.
다음으로, 도 7을 참조한다:
변환된 가스 터빈의 기능은 터빈의 보조 시스템을 구동하기 위해 제너레이터기(G)에서 충분한 전력을 생성하는 것뿐만 아니라 외부 공급원으로부터 연도 가스를 압축하는 것으로 주로 제한된다. 제너레이터(G)는 또한 스타터 모터로서의 기능을 갖는다. 상기 흡수기(21)는 12Bar 이상의 압력(P)에서 작동한다. 이는 선택성이 낮은 친환경 흡수제를 탄산칼륨(K2CO3)으로서 사용할 수 있음을 의미한다. 더욱이, 대기압에서의 흡수와 비교하여 흡수기(21)의 비용은 약 1/12로 감소될 것이다. 대기압에서는, 모노에틸렌아민(MonoEthyleneAmine)과 같이 선택성이 높은 흡수제만 사용될 수 있다. MEA에는 변성, 부식, 포밍을 줄이고 안정적인 염을 차단하는 값비싼 화학 물질이 첨가된다. 게다가, 그러한 플랜트에서 대기로의 연도 가스 배출은 Nir - Nitrous Amines와 같은 발암성 화학 물질을 포함하게 된다. 심지어 세제곱미터당 1나노그램 초과의 극도로 낮은 농도라도 건강상의 위험을 초래할 것이다.
본 발명의 일 실시예에서, 연도 가스(60r)는 760C로 선택된 열교환기(16)에서의 입구 온도를 갖는다(또한 도 1 참조). 연도 가스의 온도가 상대적으로 낮은 것은 버너(13)에 공급되는 천연 가스의 양이 감소했기 때문이다. 버너에 단지 공기, 압축 공기(15c)를 공급함으로써 표준 버너가 사용될 수 있다. 열교환기(16)는 작동을 보장하며 구입하기에 충분히 낮은 레벨에서 연도 가스 온도로 작동한다. 또한, 온도가 너무 낮으므로 고온 산화가 방지된다.
본 발명의 일 실시예에서, 섭씨 275도의 온도의 열 연도 가스(60r)는 열교환기(20)로부터 암모니아(NH3)를 공급하는 노즐(27)로 통과된다. 노즐의 하류에서, NH3와 연도 가스는, 선택적 촉매 환원(Selective Catalytic Reduction; SCR) 유닛에서 작동될 수 있는 NOx 포집 유닛(30)의 상류에 "가이드 베인(guide vanes)"을 갖는 튜브에서 혼합된다. 그 유닛은 바람직하게는 섭씨 270도의 최적 온도에서 작동한다. 선택적 촉매 환원(SCR)(30)으로부터 연도 가스는 파이프라인을 거쳐 흡수액을 가열하기 위해 보일러(31)로 유도된다.
이러한 배열은 종래의 증기 가열에 비해 비용이 절감된다. 보일러(31)로부터 연도 가스는 원심 분리기(28)로 유도된다. 원심 분리기는 연도 가스에서 물을 분리한다. 이는 흡수기(21)에 대한 물 공급 및 흡수액 오염이 방지되므로 매우 유리하다.
원심 분리기(28)로부터 분리된 물은 셀프 클리닝 필터(26)로 유도된다. 필터(26)로부터 물은 고압 펌프(25)로 유도된다. 그 다음에, 흡수기(21)로부터의 연도 가스의 온도가 열교환기(20)에 들어가기 전에 상승하도록, 가압수는 열 회수 유닛(24)에서 노즐로 유도된다.
따라서, 가스 버너(13)는 클린 에어에서 작동한다.
본 발명의 일 실시예는 가스 터빈 SGT5-2000E - 187MW/50Hz를 기초로 할 수 있다.
연소 챔버('19')에서,
CO2 농후 가스(6r)는 사일로형 연소 챔버(11)의 상단으로 유입되지 않는다. 단지 압축 공기(15c)와 연료(14f)만이 연소 챔버(11) 상단에서 버너(13)에 공급된다.
CO2 농후 가스(6r)는 버너(13)로부터의 연소 가스(15r)를 냉각하고 이에 혼합하도록 연소 챔버에서 벽(11w) 내의 슬릿(12)을 통해 보내진다.
예비 계산:
버너(13)에 공급되는 연료(14f)와 같은 천연 가스: 4Kg/sec
버너(13)에 대한 가압 공기(15c): 111kg/sec
제너레이터(G)에 의해 공급되는 전력: 37MW
연소 챔버(11)로부터의 배기 가스, 제3 CO2 농후 가스(60r) 온도: 섭씨 756도
열교환기(16)로부터 팽창기(3)로의 복귀 가스(60L) 온도: 섭씨 700도
CO2 트랩 양: 103kg/sec.
시스템의 기동:
이하에 대한 정적 주파수 변환기(static frequency converter; SFC)에 공급되는 전력(60Hz):
- 제너레이터/전기 스타터 모터(G)
- 클러치/가스 터빈 제너레이터
전력 소비 장치:
공기 압축기: 43MW / 60Hz 전력 구입.
CO2 배출 압축기(101); 40 MW / 60 Hz 전력 구입.
카타카브(Catacarb) 압축기; 10 MW
부속품 & 유틸리티; 3MW
초과 전력/전력 마진 50Hz: 24MW.
외부 전력 구매 : 4 센트/Kwh의 예정 가격으로 83MW; 3320$/h
도 1을 참조한다: (1)은 본 발명을 만들어 내기 위한 시작점인 변환된 가스 터빈이다. ('4'): 압축기(2)로부터 팽창기(3)까지의 이제는 불필요한 냉각 라인은 팽창기(3)가 오염 물질에 민감하기 때문에 No. 6에서 가스로 대체되지 않는다. 팽창기(3)의 냉각 요건은 일반적으로 압축기(2)에서 전체의 5%가 필요하지만, 이제는 모든 것이 CO2 포집으로 된다. 이것은 5%의 개선을 제공한다.
구성요소 목록:
No 구성요소 설명 및 코멘트
1 (변환된 가스 터빈)
2 압축기 CO2 농후 배기 가스(6g)를 제1 공급원(6s)으로부터 압축된 제1 CO2 농후 가스(6r)로 수용해서 압축
3 팽창기
5 출구(5) 바람직하게는 링 매니폴드(8)로의 압축된 CO2 가스(6r)를 위한 출구(5)
6 공급원(6s)으로부터의 입구 CO2 농후 배기 가스(6g)를 위한 바람직하게는 외부 제1 공급원(6s), 예) 가스 터빈, 시멘트 킬른, 석탄 점화 스테이션 또는 디젤 제너레이터
6s 공급원(6s)
6g 외부 공급원으로부터의 배기 제1 공급원(6s)으로부터의 CO2 농후 배기 가스(6g)
6r 제1 압축 CO2 농후 가스 압축기(2)로부터 압축된 CO 농후 가스(6r)
7 팽창기(3)로부터의 폐기 가스(7) 폐기 가스(7)는 팽창된 복귀 CO2 부족 가스(60L)임
10 코트 연소 챔버(11)를 둘러싸는 세라믹 타일(10)을 갖는 코트
11 연소 챔버 연소 챔버, 바람직하게는 사일로형 연소 챔버(11)
11w 연소 챔버에서의 벽
12 슬릿 압축된 제1 CO2 농후 가스(6r)를 들여보내기 위한 연소 챔버에서의 벽(11w)의 슬릿(12)
13 버너(13) 연소 챔버(11)에서 [상단/일단]압축 공기(15c) 및 연료(14f)를 연소시키는 버너(13)
14f 연료(14f)
14s 연료 공급 라인(14s)
15 압축 공기 파이프(15) 바람직하게는 냉각 및 연소를 위한 압축 공기(15c) 공급용 라인(15)
15c 압축 공기(15)
15r 또 다른 CO2 농후 가스(15r) 연소 챔버(11)의 [상단/일단에서] 압축 공기(15c) 및 연료(14f)를 연소시킴으로써 형성됨
60L 복귀 CO2 부족 가스(60L) 열교환기(16)를 통해 가열된 [더 차가운] 복귀 CO2 부족 가스[가스 일부](60L)
16: 제1 열교환기(16) 제1 열교환기, 바람직하게는 고압, 고온 교환기(16)
17 열교환기로부터의 출구 파이프(16) CO2 회수 설치 사이트(100)로
18 열교환기(16)로의 복귀 파이프
60r 복귀 제3 CO2 농후 가스(압력 하에서) 압축기(2)로부터 더 차가운 제1 CO2 가스(6r)로 희석된 뜨거운 다른 CO2 농후 가스(15r)의 결과적으로 생성된 혼합물(60r)
60L 복귀 CO2 부족 가스(60L) 열교환기 (16)를 통해 다시 가열된 [더 차가운] 복귀 CO2 부족 가스 [가스 일부] (6L, 15L) = (60L)
100 CO2 회수 설비
24 열 회수 유닛
25 펌프
21 흡수기
22 스트리퍼
23 열교환기
26 필터
28 원심 분리기
31 리보일러
30 SCR
101 배출 CO2

Claims (22)

  1. CO2 포집 시스템이며,
    - 제1 공급원(6s)으로부터 압축기(2)로의 CO2 농후 배기 가스(6g)를 위한 흡입구(6)와, 매니폴드(8)를 거쳐 벽(11w)을 갖는 연소 챔버(11)의 적어도 일부를 둘러싸는 셸(10)로의 압력(P) 하의 압축된 제1 CO2 농후 가스(6r)를 위한 하나 이상의 출구(5)를 포함하고,
    - 연소 챔버(11)는 제2 CO2 농후 가스(15r)를 형성하기 위해 각각 연료 라인(14) 및 공기 공급 파이프(15)로부터 압력(P) 하에서 공급되는 연료(14f) 및 압축 공기(15c)를 연소하도록 배열되는 버너(13)를 포함하며,
    - 압축된 제1 CO2 농후 가스(6r)가 연소 챔버(11)에서 형성되는 제2 CO2 농후 가스(15r)와 혼합되고 이를 냉각하여 제3 CO2 농후 배기 가스(60r)로 되게 하기 위해 연소 챔버(11) 내의 벽(11w)에 슬릿(12)이 제공되고;
    - 압력(P) 하에서 작동되고, 연소 챔버(11)로부터의 고온 CO2 농후 배기 가스(60r)를 주로 압력(P) 하에서 CO2 추출 플랜트(100)로부터 복귀하는 CO2 부족 배기 가스(60L)와 열교환하도록 배열되는 열교환기(16)를 포함하며,
    - 복귀되어 이제는 가열된 CO2 부족 배기 가스(60L)는 매니폴드(9)를 통해 압축기(2) 및 CO2 추출 플랜트(100)를 구동하는 팽창기(3)로 다시 돌아가고, 출구(7)를 통해 배출되도록 유도되는 CO2 포집 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 팽창기(3)에서 소진되는 가스양(60L)이 압축기(2)를 통해 유입되는 가스양(6g)과 대응하도록, CO2 추출 플랜트에서 추출된 CO2 양과 실질적으로 동일한 압축 공기(15c) 및 연료(14f)의 양의 공급을 조정하도록 배열되는 제어 시스템(9)을 포함하는 CO2 포집 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 압축기, 매니폴드(8, 9), 연소 챔버(11), HPHT 열교환기(16), 추출 플랜트(100) 및 팽창기(3)는 12Bar 초과, 바람직하게는 16Bar 초과, 더욱 바람직하게는 19Bar 초과의 CO2 농후 가스(6r, 15r, 60r) 및 결과적으로 생성된 CO2 부족 가스(60L)에서의 압력(P)에 맞도록 구성되는 CO2 포집 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, CO2 추출 플랜트(100)는 소위 핫 포타슘 카보네이트 K2CO3 플랜트이며, 추출 플랜트(100)는 물과 탄산칼륨(K2CO3)의 혼합물을 포함하는 흡수 매체를 갖고 압력(P) 하에서 작동하는 흡수 칼럼(21)을 포함하며, 흡수 칼럼(21) 내에서의 반응은;
    CO2 + K2CO3 + H2O = 2KHCO3인 CO2 포집 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 전기 제너레이터/스타터 모터(G)는 압축기(2) 및 팽창기(3)에, 바람직하게는 공통 샤프트 상에, 또한 바람직하게는 입구(6)에서 냉각측 상에 연결되며, 제너레이터(G)는 압축기(2), CO2 추출 플랜트(100) 및 시스템 전반에서의 프로세스를 구동하기 위해 팽창기(3)에서 회수되는 에너지를 발생시키도록 배열되는 CO2 포집 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 전기 제너레이터/스타터 모터(G)는 기동 전에 압축기(2)에 연결되고 시스템을 가압하도록 배열되며, 전기 모터(G)의 에너지는 외부로부터, 망으로부터 또는 바람직하게는 제1 CO2 농후 가스(6s)를 또한 생성하는 화력 발전 플랜트에서의 제너레이터로부터 취해지는 CO2 포집 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 연소 챔버(11)는 사일로형 연소 챔버(11)인 CO2 포집 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 제1 및 제2 매니폴드(8 및 9)는 케이싱(19) 주위에 배열되고 압축기(2)로부터의 출구(5) 및 팽창기(3)로의 복귀부에 연결되는 링 매니폴드인 CO2 포집 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 압축기(2)로부터의 출구(5)는 압축기(2) 및 팽창기(3) 사이의 케이싱(19)의 복귀 파이프 주위의 동축 출구(5)인 CO2 포집 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 압축 공기 라인(15)은 연소 챔버(11)의 상단에서 주입되기 전에 압축 공기(15c)를 예열하는 것과 조합되는 열교환기(16)의 압력 셸을 냉각시키도록 배열되는 HPHT 열교환기(16) 상의 냉각 코트를 통해 유도되는 CO2 포집 시스템.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 압축 공기(15c)는 압축기(2)로부터의 공기/연도 가스와 혼합되지 않고 버너(13)로만 유도되는 CO2 포집 시스템.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    - [셸(10) 내의] 연소 챔버(11)의 하부는 버너(13)에서 연료(14f)와 압축 공기(15c)의 연소 프로세스로부터의 복사열을 차폐하기 위한 세라믹 타일(10f)로 내측에서 피복되어 있는 CO2 포집 시스템.
  13. CO2 포집 프로세스이며:
    - 압축기(2)를 통해 제1 공급원(6s)으로부터의 CO2 농후 배기 가스(6g)를 압축하여 압축된 제1 CO2 농후 가스(6r)를 형성하는 단계,
    - 연소 챔버(11)에서 압축 공기(15c)로 버너(13)를 통해 연료(14f)를 연소시키고, 압력(P) 하에 있는 제2 CO2 농후 가스(15r)를 형성하는 단계,
    - 제1 압축 CO2 농후 가스(6r)는 제2 CO2 농후 가스(15r)에 혼합되고 그를 냉각하여 결과적으로 제3 압축 CO2 농후 가스(60r)를 형성하는 단계, 및
    - 이 제3 압축 CO2 농후 가스(60r)는 더 따뜻한 제3 CO2 농후 가스(60r)를 CO2 추출 플랜트(100)로부터의 더 차가운 복귀 압축 CO2 부족 가스(60L)와 열교환하는 HPHT 열교환기(16)를 통해 배출되는 단계를 포함하고,
    - 냉각된 제3 CO2 농후 가스(60r)는 열교환기(16)로부터 파이프(17)를 통해 CO2 추출 플랜트(100)로 통과하고, 결과적으로 생성된 더 차가운 CO2 부족 가스(60L)는 라인(18)을 통해 압력 하의 열교환기(16)로 복귀되어 그를 통해 가열되고,
    - 복귀되어 가열된 CO2 부족 가스(60L)는 팽창기(3)를 통해 팽창되는 CO2 포집 프로세스.
  14. 제13항에 있어서, 압축 공기(15c)와 연료(14f)의 공급량은, 팽창기(3) 상으로 소진되는 가스양(60L)이 압축기(2)를 통해 유입되는 가스양(6g)에 대응하도록, CO2 추출 플랜트에서 추출되는 CO2 양과 관련하여 대개 동일하게 조정되는 CO2 포집 프로세스.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 프로세스에서의 CO2 농후 가스(6r, 15r, 60r, 60L)의 압력은 12Bar 초과, 바람직하게는 16Bar 초과, 더욱 바람직하게는 19Bar 초과인 CO2 포집 프로세스.
  16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 소위 핫 포타슘 카보네이트(Hot Potassium Carbonate; HPC) 프로세스가 CO2 추출 플랜트(100)에서 사용되는 CO2 포집 프로세스.
  17. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, CO2 추출 플랜트(100)는, 압축기(2)의, 연소 챔버(11) 및 열교환기(16) 내의, 및 나아가 팽창기(3)로 되돌아오는 것에 대응하는 가스(60r, 60L)의 가스 압력 하에서 주로 작동하는 CO2 포집 프로세스.
  18. 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 추출 플랜트(100)에서 물과 탄산칼륨(K2CO3)의 혼합물을 포함하는 흡수 매체를 갖는 흡수 칼럼(21)이 사용되며, 흡수 칼럼(21) 내에서의 반응은
    CO2 + K2CO3 + H2O = 2KHCO3인 CO2 포집 프로세스.
  19. 제13항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 전기 제너레이터/스타터 모터(G)는 압축기(2) 및 팽창기(3)에, 바람직하게는 공통 샤프트 상에, 및 바람직하게는 입구(6)에서 냉각측 상에 연결되며, 제너레이터(G)는 압축기(2), CO2 추출 플랜트(100) 및 시스템 전반에서의 프로세스를 구동하기 위해 팽창기(3)에서 회수되는 에너지를 발생시키는 CO2 포집 프로세스.
  20. 제13항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 전기 제너레이터/스타터 모터(G)는 기동 전에 압축기에 연결되어 시스템을 가압하고, 전기 모터(G)의 에너지는 외부로부터, 망으로부터 또는 바람직하게는 제1 CO2 농후 배기 가스(6s)를 또한 생성하는 발전 플랜트로부터 취해지는 CO2 포집 프로세스.
  21. 제13항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 제1 CO2 농후 배기 가스(6s)는 외부 가스 터빈(6s)으로부터 공급되는 CO2 포집 프로세스.
  22. 제10항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 제1 공급원(6s)은 CO2 농후 배기 가스(6g)를 공급하는 석탄 화력 플랜트(6s), 또는 시멘트 플랜트, 정제 크래커, 또는 폐기물 소각 플랜트인 CO2 포집 프로세스.
KR1020227039734A 2020-04-14 2021-04-14 이산화탄소 포집 시스템 및 이러한 시스템을 사용하는 방법 KR20230004621A (ko)

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