KR20230084184A - 정유소 배출물로부터 co2의 막 포집 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 선택된 막을 사용하여 FCC 재생기로부터 CO2를 포집하는 방법에 관한 것이다.

Description

정유소 배출물로부터 CO2의 막 포집
본 발명은 CO2의 막 포집을 통해 유동 접촉 분해장치(Fluid Catalytic Cracker: FCC) 재생기로부터의 CO2 배출 감소에 관한 것이다.
정유소에서 CO2 배출의 가장 큰 점 오염원 중 하나는 FCC(유동 접촉 분해장치) 재생기 오프가스이다. FCC 재생기에서, 코크스를 고온에서 공기와 함께 연소시킴으로써 사용한 촉매를 재생한다. 390톤/일의 코크스를 이용하는 FCC는 20% 과잉 O2 기반의 공기와 함께 연소될 때 0.46 MMTPA(million tonnes/year: 백만톤/년)의 CO2를 배출할 것이다. FCC 재생기로부터의 연도 가스는 뜨겁고, CO2에 희석되고, 저압 상태이므로, CO2의 분리 및 회수를 어렵게 한다. CO2를 포집하는 한 가지 공지 기술 공정은 Fluor Econamine FG, 30 중량% 모노에탄올아민(MEA), 및 미츠비시중공업 주식회사의 KS-1과 같은 용매를 사용하는 아민 흡수를 기반으로 한다. 연도 가스는 먼저 적합한 온도, 예컨대, 50C까지 냉각된 다음, 송풍기에서 압축되어 하류 장비로부터의 압력 강하를 극복한다. 그 다음 기체는, CO2를 제거하기 위한 아민 흡수기(나타내지 않음) 및 용매로부터 CO2를 회수하기 위한 아민 재생기(나타내지 않음)를 포함하는 아민 플랜트를 통과한다. 아민 플랜트는 FCC 장치로부터의 직접적인 CO2 배출량을 0.08 MMTPA로 감소시키지만, 용매를 순환시키고 재생하는 데 전력과 증기가 필요하기 때문에 0.10 MMTPA의 간접 배출량이 발생한다. 따라서 순 저감 CO2 배출량은 0.26 MMTPA이다. 아민 공정의 단점 중 하나는 공정 장비와 설치 공간이 상당하여, 종종 자본 비용이 많이 드는 것으로 해석된다는 것이다. 높은 증기 소비량은 높은 운영 비용과 증기 보일러로부터의 높은 간접적인 CO2 배출로 이어진다.
따라서 높은 증기 소비 없이 CO2를 포집하고 간접적인 CO2를 낮추는 방법이 요구된다.
직교류 및 스위프-기반 막을 연속하여 사용하여 정유소 배기 배출물 또는 연도 가스로부터 CO2를 포집하는 방법이 본 명세서에 개시되어 있다.
추가 실시형태는 선택된 막을 사용하여 FCC 재생기로부터 CO2를 포집하는 데 필요한 에너지 유입을 낮추는 방법이다.
도 1은 FCC 배출의 다이어그램이다.
도 2는 아민 흡수를 기반으로 한 당업계에 공지된 CO2 포집 공정의 다이어그램이다.
도 3 및 도 4는 막 공정이 어떻게 FCC 재생기와 통합될 수 있는지를 나타낸다.
도 5는 FCC 재생기가 20% 과량 O2를 획득하기 위해 더 많은 양의 신선한 공기가 사용되는 동안 더 낮은 스위프 기체 유량이 사용되는 공정의 또 다른 실시형태이다.
도 6은 연마막이 제거된 막 구성의 대안적인 실시형태의 다이어그램이다.
본 명세서에는 막 공정이 FCC 재생기와 통합될 수 있는 FCC로부터의 CO2 포집을 위한 추가 실시형태가 있다(도 3 및 도 4).
본 명세서에 기재된 바와 같은 본 발명의 실시형태는 연소 공정 및 스트림으로부터의 이산화탄소 배출을 제어하기 위해 스위프-기반 막 분리 장치를 포함하는 정유소-기반 연소 시스템 및 연도 가스 처리 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 실시형태는 (1) FCC 재생기 하류 장비에서의 압력 강하를 극복하기 위해 연도 가스를 냉각시키고 압축시키는 단계; (2) 진공 투과물 압력에서 직교류막을 작동시켜 대량의 CO2를 제거한 후, 투과물 측에서 향류 공기 스위프로 작동하는 막으로 CO2 양을 추가로 감소시키는 단계; (3) 진공 펌프를 사용한 직교류막으로부터의 투과물을 2단계 압축시킨 다음 48 bar로 3단계 압축시키는 단계; (4) 바닥에서 CO2를 액화시키고 고압 연마막으로 보내지는 CO2-풍부 증기를 생산하는 CO2 액화 장치를 사용하여 CO2를 액화시키는 단계; (5) 연마막의 투과물을 액화 장치 공급물로 재순환시키는 한편, 잔류물을 직교류막 공급물로 재순환시키는 단계를 포함하는 FCC 재생기 연도 가스로부터 생산되는 CO2를 포집하는 방법이다.
본 발명의 또 다른 실시형태(도 3에 도시된 바와 같음)는 FCC 재생기 하류 장비에서의 압력 강하를 극복하기 위해 연도 가스를 냉각시키고 압축시키는 것이다. 아민 공정과의 차이점은 두 가지인데, (1) 증기 유입이 필요하지 않고, (2) FCC에 대한 연소 공기의 일부분이 CO2가 풍부하고, 산소가 고갈된 공기 스위프로 대체된다는 점이다. 공기 스위프 유량은 제어되지 않은 FCC와 동일한 과량 산소 %를 보장하도록 조정된다. 막 공정의 직접적인 배출량은 0.08 MMTPA이다. 23 MW의 전력 유입으로 인한 간접적인 배출량은 0.08 MMTPA이며, 이는 0.46 - 0.08 - 0.08 = 0.30 MMTPA의 저감을 초래하고, 아민의 경우보다 15% 더 우수하다. 도 4는 막 플로시트를 배열하는 방법을 더 상세히 나타낸다.
연도 가스로부터 CO2를 제거하기 위한 이전의 노력은 2개의 단계에서 연속적인 제거를 포함하며, 중공 섬유 막을 사용하는 것과 비교하여 본질적으로 패킹 효율성이 더 낮고 따라서 정유 작업에서 필연적으로 더 많을 공간을 차지하게 되는 나권형 막에만 전적으로 기반을 둘 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시형태는 진공 투과물 압력, 즉 0.1 내지 0.2 bar에서 작동하는 직교류막을 사용하여, 대량의 CO2를 제거한 후, 투과물 측에서 향류 공기 스위프로 작동하는 중공 섬유 모듈로 CO2 양을 추가로 감소시킨다. 직교류막으로부터의 투과물은 진공 펌프를 사용하여 2단계 압축된 다음 48 bar로 3단계 압축된다. 7C에서 작동하는 CO2 액화 장치는 바닥에서 CO2를 액화시키고 고압 연마막으로 보내지는 CO2-풍부 증기를 생산한다. 연마막의 투과물은 액화 장치 공급물로 재순환되는 한편, 잔류물은 직교류막 공급물로 재순환된다. 스위프 스트림은 CO2가 풍부하지만 약간 고갈된 O2는 FCC 재생기에서 연소 공기와 결합된다.
막 구성의 실시형태는 연마막의 제거이다(도 6). CO2 응축기의 오버헤드는 직교류막의 공급물로 다시 재순환된다. 직교류막은 도 4의 공정과 비교하여 훨씬 더 많은 CO2%를 처리하기 때문에, 전체 CO2 회수율은 더 낮고 투과물 압축 필요량은 더 많다.
투과도는 막의 두께와 직접적인 관련이 있으며, 막을 통과한 기체 수송을 특성화할 것이다. 투과도는 혼합 기체에 대한 막의 분리 적합성을 비교할 때 중요한 매개변수이다. 종종 사용되는 실제 단위는 기체 투과 단위(GPU)이다. 직교류, 공기 스위프, 및 연마 단계를 위한 막은 모두 바람직하게는 CO2 투과도가 1000 GPU 초과이고 CO2/N2 선택성이 25 내지 50이고 O2/N2 선택성이 5 내지 10인, 폴리머 중공 섬유 막이다. 폴리머 재료는 습윤 연도 가스 조건 및 고압 연마 조건 모두에서 이러한 분리 성능을 달성할 수 있다면, 당업계에 공지된 임의의 것일 수 있다. 예를 들어, 직교류막은 CO2에 대한 높은 GPU 및 선택성을 가질 수 있는 한편, 스위프 막은 CO2에 대한 높은 GPU 및 선택성을 가지고, 낮은 O2/N2 선택성을 가지며, 연마막은 45 bar 및 7C에서 작동하고, CO2/N2 선택성에 대해서는 낮거나 보통이지만 CO2 투과도가 높고 내구성이 높다.
중공 섬유 막은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 다이플루오라이드, 폴리설폰, PEBAX, PDMS, 폴리이미드, 탄소 분자체, 그래핀 옥사이드, 혼합 매트릭스(제올라이트 및/또는 금속 유기 프레임워크 및 폴리에터이미드 기반 막을 포함함)로 이루어진 군으로부터 선택되는 당업자에게 공지된 것으로부터 선택될 수 있다.
FCC 연소기는 다른 연소 공급원과 비교할 때 온도, 압력 및 과량의 O2와 관련하여 상이한 작동 매개변수를 가질 것이다. 이에 따라, CO2를 포함하는 FCC로부터의 연도 가스가 스위프 막으로의 공급을 위해 직교류막에 공급되거나 CO2 압축, 응축 및 연마막으로의 공급이 있는 진공 펌프로 공급되는 도 4에 도시된 본 발명의 바람직한 실시형태는 최대량의 CO2 배출량 저감을 초래한다.
표 1은 다양한 실시형태의 비교를 요약한다. 저감된 CO2 배출량이 가장 높은 공정은 도 4이며, 이는 높은 공기 스위프와 연마막을 이용한다. 전력 요건이 가장 낮은 공정은 도 5이며, 이는 낮은 공기 스위프와 연마막을 이용한다.
Figure pct00001

Claims (4)

  1. FCC 재생기 연도 가스로부터 생산되는 CO2를 포집하는 방법으로서, (1) FCC 재생기 하류 장비에서의 압력 강하를 극복하기 위해 연도 가스를 냉각시키고 압축시키는 단계; (2) 진공 투과물 압력에서 직교류막을 작동시켜 대량의 CO2를 제거한 후, 투과물 측에서 향류 공기 스위프로 작동하는 막으로 CO2 양을 추가로 감소시키는 단계; (3) 진공 펌프를 사용한 직교류막으로부터의 투과물을 2단계 압축시킨 다음 48 bar로 3단계 압축시키는 단계; (4) 바닥에서 CO2를 액화시키고 고압 연마막으로 보내지는 CO2-풍부 증기를 생산하는 CO2 액화 장치를 사용하여 CO2를 액화시키는 단계; (5) 연마막의 투과물을 액화 장치 공급물로 재순환시키는 한편, 잔류물을 직교류막 공급물로 재순환시키는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 직교류막 및 연마막은 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 다이플루오라이드, 폴리설폰, PEBAX, PDMS, 폴리이미드, 탄소 분자체, 그래핀 옥사이드, 혼합 매트릭스, 제올라이트, 금속 유기 프레임워크 및 폴리에터이미드로 이루어진 군으로부터 선택되는 중공 섬유 막인, 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 진공 투과물 압력은 0.1 내지 0.2 bar인, 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 액화 장치는 7℃에서 작동하여 CO2를 액화시키는, 방법.
KR1020237013367A 2020-10-05 2021-10-05 정유소 배출물로부터 co2의 막 포집 KR20230084184A (ko)

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