KR20240009940A - 이산화탄소 포획 및 회수를 위한 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
투입 가스 스트림(예: 연소 공정의 연도 가스)에서 이산화탄소(CO2)를 포집하기 위한 방법 및 시스템이 개시된다. 특히, 시스템에는 과포화 CO2 공정수를 CO2 회수 공정으로 보내는 CO2 흡수 모듈이 포함되어 있다. CO2 회수 공정에는 살포 밀봉 용기, 그 다음으로 교반기, 그 다음으로 스트리퍼 장치, 그 다음으로 탈기 탱크, 마지막으로 막 분리기가 포함되어, 과포화 공정수에서 CO2를 배출하고 기체 CO2를 CO2 수집 헤더로 보내도록 구성된다.
Description
본 출원은 2021년 4월 13일에 출원된 미국 가출원 번호 63/174,313의 우선권을 주장하며, 이 출원의 전체 내용은 본 명세서에 참조로 포함된다.
본 발명의 실시예는 일반적으로 이산화탄소(CO2) 포집 및 회수에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 공정 유체(예를 들어, 물)를 통해 투입 가스(예를 들어, 연소 공정의 연도 가스)로부터 CO2를 추출하고 과포화 공정 유체 용액으로부터 CO2를 탈기하기 위한 조립체, 시스템 및 방법을 설명한다.
이산화탄소(CO2)는 중요한 온실가스이며, 대기와 해양의 농도 증가는 각각 지구 온난화와 해양 산성화를 초래하고 있다. CO2는 발전소, 산업 공정, 자동차 배기가스 등 다양한 배출원에서 발생한다. CO2 포집 및 격리 기술은 특정 배출원에서 발생하는 CO2 배출을 크게 줄일 수 있다. 포집된 CO2는 화학 산업(예: 요소, 메탄올, 금속 탄산염) 및 탄산음료에서의 전구체, 휴대용 압력 도구(예: 용접 및 공기총)의 압축 가스 등 다양한 용도로 사용된다. 현재의 CO2 포집 및 격리 방법에는 특정한 한계와 단점이 있다. 다양한 CO2 포집 방법 및 시스템이 PCT 출원 공개 번호 WO 2015/024014 및 WO2018100430에 설명되어 있다.
CO2 포집을 위한 대체 방법이 필요하다.
본 개시의 관점에 따르면, 투입 가스(input gas)를 수용하도록 구성된 흡입구(intake); 상기 흡입구에 결합된 열 교환기; 상기 열 교환기에 결합된 포깅 어레이(fogging array)로서, 상기 포깅 어레이는 액적을 통해 공정 유체를 분무하여 상기 투입 가스로부터 CO2를 포획하도록 구성된 포깅 어레이; 상기 포깅 어레이에 연결된 패킹 섹션(packing section); 상기 패킹 섹션에 연결된 미스트 제거기(mist eliminator); 상기 미스트 제거기에 결합되고, 배기 가스를 방출하도록 구성된 배기 장치(exhaust);를 포함하는 CO2 흡수기 모듈(absorber module): 상기 포깅 어레이, 상기 패킹 섹션 및 상기 미스트 제거기에 유동적으로 결합된 살포 밀봉 용기(sparging seal vessel); 상기 살포 밀봉 용기에 유동적으로 결합된 교반기; 상기 교반기에 유동적으로 결합된 스트리퍼 유닛(stripper unit); 상기 스트리퍼 유닛에 유동적으로 결합되고 상기 열 교환기의 적어도 일부에 열적으로 연결되는 탈기 탱크(outgassing tank); 상기 탈기 탱크 및 상기 배기 장치에 유동적으로 결합된 막 분리기(membrane separator); 및 상기 살포 밀봉 용기, 상기 교반기, 상기 스트리퍼 유닛, 상기 탈기 탱크 및 막 분리기에 연결된 CO2 헤더(CO2 header)를 포함하는 시스템이 제공된다.
일부 실시예에서, 투입 가스는 연소 공정으로부터 나오는 연도 가스(flue gas)이다.
일부 실시예에서, 배기 가스는 투입 가스보다 적은 CO2를 포함한다.
일부 실시예에서, CO2 흡수기 모듈은 흐름 제어 댐퍼(flow control damper)를 추가로 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 흐름 제어 댐퍼는 상기 흡입구와 상기 열 교환기 사이에 결합된다.
일부 실시예에서, 상기 CO2 흡수기 모듈은 상기 흡입구에 결합된 팬(fan)을 추가로 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 CO2 흡수기 모듈은 압력 제어 댐퍼(pressure control damper)를 추가로 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 압력 제어 댐퍼는 상기 미스트 제거기와 상기 배기 장치 사이에 결합된다.
일부 실시예에서, 상기 열 교환기는 탈기 탱크에 열적으로 결합된다.
일부 실시예에서, 상기 공정 유체는 물이다.
일부 실시예에서, 상기 물에는 실질적으로 아민이 없다.
일부 실시예에서, 상기 액적은 약 50 미크론 미만의 사우터(Sauter) 평균 직경을 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 배기 가스의 적어도 일부는 막 분리기로 향한다.
일부 실시예에서, 상기 CO2 헤더는 응축물을 상기 탈기 탱크로 보내도록 구성된 응축수 트랩(condensate trap)을 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 CO2 헤더는 팬을 포함하여 음압을 생성하고 상기 살포 밀봉 용기, 상기 교반기, 상기 스트리퍼 유닛, 상기 탈기 탱크 및 막 분리기 중 하나 이상으로부터 CO2를 배출한다.
일부 실시예에서, 상기 시스템은 상기 교반기와 스트리퍼 유닛 사이에 제1 전달 펌프(first transfer pump)를 추가로 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 시스템은 상기 스트리퍼 유닛과 탈기 탱크 사이에 제2 전달 펌프(second transfer pump)를 추가로 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 시스템은 가스 제거 탱크와 막 분리기 사이에 제3 전달 펌프(third transfer pump)를 추가로 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 공정 유체는 CO2 흡수 모듈로부터 상기 살포 밀봉 용기로 수동적으로 향하게 된다.
일부 실시예에서, 상기 공정 유체는 상기 살포 밀봉 용기로부터 교반기로 수동적으로 향하게 된다.
일부 실시예에서, 상기 스트리퍼 유닛은 상기 탈기 탱크로부터 방출된 CO2를 상기 스트리퍼 유닛의 공정 유체를 통해 안내하도록 구성된 송풍기(blower)를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 공정 유체는 상기 살포 밀봉 용기에서 CO2로 과포화된다.
일부 실시예에서, 상기 교반기 내의 공정 유체는 상기 살포 밀봉 용기 내의 공정 유체보다 적은 CO2를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 스트리퍼 유닛의 공정 유체는 상기 교반기의 공정 유체보다 적은 CO2를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 탈기 탱크의 공정 유체는 상기 스트리퍼 유닛의 공정 유체보다 적은 CO2를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 막 분리기의 공정 유체는 탈기 탱크의 공정 유체보다 적은 CO2를 포함한다.
본 개시의 또 다른 관점에 따르면, 흡입구에서 투입 가스를 수용하는 단계; 열 교환기를 통해 상기 투입 가스로부터 열 에너지를 추출하는 단계; 포깅 어레이에서 상기 투입 가스를 통해 공정 유체의 액적을 분사하여 상기 공정 유체의 투입 가스로부터 CO2를 포획하는 단계; 살포 밀봉 용기에서 내부에 CO2가 포집된 공정 유체를 살포하여 포집된 CO2의 제1 부분을 방출하고 제1 부분을 CO2 헤더로 보내는 단계; 살포 후 교반기에서 상기 공정 유체를 교반하여 포집된 CO2의 제2 부분을 방출하고 제2 부분을 CO2 헤더로 보내는 단계; 교반 후, 스트리핑 장치에서 공정 유체를 스트리핑하여 포집된 CO2의 제3 부분을 방출하고 제3 부분을 CO2 헤더로 보내는 단계; 스트리핑 후, 탈기 탱크에서 공정 유체를 혼합 및 가열하여 포집된 CO2의 제4 부분을 방출하고 제4 부분을 CO2 헤더로 보내는 단계로서, 가열은 추출된 열 에너지의 적어도 일부를 사용하여 수행되는 단계; 및 혼합 및 가열 후 막 분리기에서 공정 유체로부터 포집된 CO2를 분리하여 포집된 CO2의 제5 부분을 방출하고 제5 부분을 CO2 헤더로 보내는 단계를 포함하는 공정 유체로부터 CO2를 회수하는 방법이 제공된다.
일부 실시예에서, 포집된 CO2의 방출된 제1 부분, 제2 부분, 제3 부분, 제4 부분, 및 제5 부분은 다운스트림 공정으로 향한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 CO2 흡수 및 회수 시스템의 흐름도를 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 CO2 흡수기 모듈을 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 살포 밀봉 용기를 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 소형 교반기를 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스트리퍼 유닛을 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 최종 탈기 탱크를 도시한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 멤브레인 분리기를 도시한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 공통 CO2 헤더를 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 CO2 흡수기 모듈을 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 살포 밀봉 용기를 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 소형 교반기를 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스트리퍼 유닛을 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 최종 탈기 탱크를 도시한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 멤브레인 분리기를 도시한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 공통 CO2 헤더를 도시한다.
가스 스트림으로부터 오염물질을 감소시키기 위한 방법 및 시스템이 본 명세서에 개시되어 있다. 일부 실시예에서, 방법 및 시스템은 가스 스트림으로부터 CO2를 포착한다. 본 명세서에 설명된 CO2 제거 공정은 효율적이며 공정 유체(예: 물) 내에 용해된 CO2의 상당 부분을 회수한다. 본 명세서에 설명된 CO2 제거 공정은 공정 유체 스트림에서 대량의 CO2 가스를 포착할 수 있다.
정의
편의를 위해 첨부된 명세서, 실시예 및 청구범위에 사용된 특정 용어를 여기에 기재한다.
관사 "a" 및 "an"은 관사의 문법적 대상 중 하나 또는 하나 이상(즉, 적어도 하나)을 지칭하기 위해 본 명세서에서 사용된다. 예를 들어, "요소"는 하나의 요소 또는 하나 이상의 요소를 의미한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 "및/또는"이라는 문구는 결합된 요소 중 "둘 중 하나 또는 둘 다", 즉 어떤 경우에는 결합적으로 존재하고 다른 경우에는 분리적으로 존재하는 요소를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. "및/또는"으로 나열된 여러 요소는 동일한 방식, 즉, "하나 이상의" 요소가 결합된 것으로 해석되어야 한다. "및/또는" 절에 의해 구체적으로 식별된 요소 외에, 구체적으로 식별된 요소와 관련이 있든 없든, 다른 요소가 선택적으로 존재할 수 있다. 따라서, 비제한적인 예로서, "포함하는"과 같은 개방형 언어와 함께 사용될 때 "A 및/또는 B"에 대한 언급은 일 실시예에서는 A에만(선택적으로 B 이외의 요소도 포함); 다른 실시예에서는 B에만(선택적으로 A 이외의 요소를 포함); 또 다른 실시예에서는 A와 B 모두(선택적으로 다.른 요소 포함) 등을 일컫는다.
명세서 및 청구범위에 사용된 "또는"은 위에서 정의한 "및/또는"과 동일한 의미를 갖는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 목록에서 항목을 분리할 때 "또는" 또는 "및/또는"은 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 즉, 구성요소의 수 또는 목록 중 적어도 하나를 포함하지만 둘 이상 및 선택적으로 추가 미등록 항목을 포함하는 것도 포함한다. "~의 단지 하나의" 또는 "~의 정확히 하나의", 또는 청구범위에서 사용되는 경우 "~로 구성된(consisting of)"과 같이 반대로 명확하게 표시된 용어만이 구성요소의 수 또는 목록의 정확히 하나의 구성요소를 포함하는 것을 의미할 것이다. 일반적으로, 본원에 사용된 "또는"이라는 용어는 "둘 중 하나", "~ 중 하나", "~중 하나만" 또는 "정확히 중 하나"와 같은 배타적 용어 앞에 올 경우 배타적인 대안(즉, "둘 중 하나지만 둘 다는 아님")을 나타내는 것으로만 해석되어야 한다. 청구범위에 사용된 "본질적으로 구성되는(Consisting essentially of)"은 특허법 분야에서 사용되는 일반적인 의미를 갖는다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 바와 같이, 하나 이상의 구성요소의 목록과 관련하여 "적어도 하나"라는 문구는 구성요소의 목록 중 구성요소 중 어느 하나 이상에서 선택된 적어도 하나의 구성요소를 의미하는 것으로 이해되어야 하나, 구성요소의 목록 내에 구체적으로 나열된 각 요소 중 적어도 하나를 반드시 포함할 필요는 없으며 구성요소의 목록의 구성요소의 임의의 조합을 제외하지도 않는다. 이 정의는 또한, 구체적으로 식별된 구성요소들과 관련이 있든 없든, "적어도 하나"라는 문구가 참조하는 구성요소들의 목록 내에서 특별히 식별된 구성요소들 외에 구성요소들이 선택적으로 존재할 수 있다는 것을 허용한다. 따라서, 비제한적인 예로서, "A 및 B 중 적어도 하나"(또는 동등하게는 "A 또는 B 중 적어도 하나", 또는 동등하게 "A 및/또는 B 중 적어도 하나")는 다음을 의미할 수 있다. 일 실시예에서, 선택적으로 하나보다 많은 것을 포함하는 적어도 하나, B가 존재하지 않는 A (및 선택적으로 B 이외의 구성요소를 포함함); 다른 실시예에서, A가 존재하지 않는 B (및 선택적으로 A 이외의 구성요소를 포함함); 다른 실시예에서, 선택적으로 하나보다 많은 것을 포함하는 적어도 하나; 또 다른 실시예에서, 선택적으로 하나보다 많은 것을 포함하는 적어도 하나의 A, 선택적으로 하나보다 많은 것을 포함하는 적어도 하나의 B (및 선택적으로 다른 요소를 포함함); 등.
또한, 명확하게 반대로 나타내지 않는 한, 하나 이상의 단계 또는 행위를 포함하는 본원에 청구된 임의의 방법에서, 방법의 단계 또는 행위의 순서는 반드시 방법의 단계 또는 행위가 언급되는 순서로 제한되지는 않는다.
위의 명세서뿐만 아니라 청구범위에서도, "포함하는(comprising)", "포함하는(including)", "가지는(carrying)", "갖는(having)", "함유하는(containing)", "포함하는(involving)", "보유하는(holding)", "구성되는(composed of)" 등과 같은 모든 전이구는 개방형, 즉 포함하지만 이에 국한되지 않는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 미국 특허청 특허 심사 절차 매뉴얼, 섹션 2111.03에 명시된 바와 같이 "구성된(consisting of)" 및 "본질적으로 구성되는(consisting essentially of)"의 전이구만이 각각 폐쇄형 또는 반폐쇄형 전이구가 된다.
본 개시의 목적을 위해, 화학 원소는 원소 주기율표, CAS 버전, Handbook of Chemistry and Physics, 67th Ed., 1986-87, 표지 내부에 따라 식별된다.
본원에 사용된 용어 "NOx"는 산화질소(NO), 이산화질소(NO2), 아산화질소(N2O), 및 오산화이질소(N2O5)와 같은 기타 고급 질소 산화물을 포함하는 질소 산화물 오염물질을 의미한다. 질소산화물은 자동차 배기가스; 석탄, 석유, 디젤 연료, 천연가스(예: 발전소에서 나오는)의 연소; 또는 산업 공정(예: 용접, 전기 도금, 조각 및 다이너마이트 폭파)에서 공기 중으로 방출된다.
본원에서 사용된 용어 "SOx"는 이산화황(SO2), 삼산화황(SO3), 황산 미스트(H2SO4) 및 황산염을 포함하는 황산화물 오염물질을 의미한다. SOx 오염물질의 대부분은 황을 함유한 연료(예: 역청탄 및 잔류 연료유)의 연소로 인한 SO2 형태이다.
본원에 사용된 용어 "아민"은 -NH2 및 이의 치환된 유도체를 의미하며, 여기서 수소 중 하나 또는 둘 모두는 독립적으로 알킬, 할로알킬, 플루오로알킬, 알케닐, 알키닐, 카르보사이클릴, 헤테로사이클릴, 아릴, 아랄킬, 헤테로아릴, 헤테로아랄킬, 알킬카보닐, 할로알킬카보닐, 플루오로알킬카보닐, 알케닐카보닐, 알키닐카보닐, 카보사이클릴카보닐, 헤테로사이클릴카보닐, 아릴카보닐, 아랄킬 카보닐, 헤테로아릴카보닐, 헤테로아랄킬카보닐, 위에 정의된 설포닐 및 설피닐 그룹으로 구성된 군에서 선택된 치환기로 대체되거나, 또는 두 수소가 함께 알킬렌 그룹으로 대체되는 경우(질소를 포함하는 고리를 형성하기 위해)이다. 대표적인 예에는 메틸아미노, 아세틸아미노 및 디메틸아미노가 포함되지만 이에 국한되지는 않는다.
본원에 사용된 용어 "노즐(nozzle)"은 유체 흐름(예를 들어, 액체 또는 가스)이 밀폐된 챔버 또는 파이프를 나가거나 들어갈 때 유체 흐름의 방향 또는 특성(예를 들어, 속도)을 제어하는 장치를 의미한다. 노즐에는 유체를 분배하기 위한 적어도 하나의 오리피스(orifice)가 있다. 노즐은 파이프나 호스 끝에 있는 원통형, 원형 또는 원추형 주둥이일 수 있다.
본원에서 사용된 용어 "헤더(header)"는 하나 이상의 노즐이 장착되는 조립체를 의미한다. 헤더의 노즐 수는 탱크 직경, 체적 유량, 연도 가스 온도, 포집할 CO2 양, 존재하는 다른 헤더 수에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 각 헤더는 적어도 1, 14, 22, 28, 32 또는 33개의 노즐을 포함할 수 있다. 본원에 개시된 헤더에서, 노즐은 서로 특정 거리만큼 이격될 수 있다.
본원에 사용된 용어 "어레이(array)"는 다수의 헤더를 포함하는 어셈블리를 지칭한다. 어레이의 헤더는 서로 다양한 거리로 배치될 수 있다.
본 명세서에 사용된 용어 "평방 인치당 파운드 힘(pound-force per square inch)"(psi)은 1 평방 인치의 면적에 가해지는 1 파운드-힘의 힘으로 인한 압력을 의미한다.
다양한 실시예에서, 본원에서 설명된 조립체, 시스템 및 방법은 과포화 공정 수용액으로부터 공정 사용을 위해 기체 CO2를 회수할 수 있다. 다양한 실시예에서, CO2 포집 조립체(예를 들어, CO2 흡수 모듈(200))의 구현은 미국특허 제9,694,317호 및 미국공개특허 제2020/0147542호에 일반적으로 설명되어 있으며, 이들 각각은 그 전체 내용이 참조로 여기에 포함된다.
다양한 실시예에서, 본원에 설명된 시스템 및 방법은 선행 기술에 설명된 시스템에 비해 여러 이점을 제공한다. 특히, 본원에 설명된 시스템 및 방법은 연속 작동(예: 전달 서지, 탱크 전환 또는 필요한 재생 기간 없음), 상대적으로 낮은 안정화 기간(예: 공정 시상수)으로 빠른 복구 시스템 시작 및 종료 시간, 잘 이해되고 견고한 프로세스 구성 요소 및 단위 작업의 사용, 및 광범위한 배송 속도에 대한 간단한 확장을 제공한다.
다양한 실시예에서, CO2 회수 시스템 및 방법의 개발에 다양한 가정이 사용될 수 있다. 다양한 실시예에서, CO2(용질)의 흡수는 준안정, 과포화 CO2 공정수(용매)를 생성할 수 있다. 다양한 실시예에서, 과포화 상태는 시간에 매우 민감하고 불안정할 수 있다. 다양한 실시예에서, 과포화 공정 유체는 일단 벌크 액체에 수집되면 기체 CO2를 빠르게 방출하기 시작할 수 있다. 다양한 실시예에서, 이 공정수는 기계적 교란, 특히 과포화 조건에서의 전단에 민감할 수 있다.
다양한 실시예에서, 회수된 CO2는 필연적으로 최종 출력 스트림에 수분을 함유할 수 있다. 다양한 실시예에서, 일부 다운스트림 공정(CO2의 최종 사용자)은 이러한 습기를 견딜 수 있지만 다른 것은 그렇지 않을 수 있다. 다양한 실시예에서, 당업계에 공지된 바람직하지 않은 수분을 제거하기 위한 임의의 적합한 방법이 사용될 수 있다(예를 들어, 탈기 유닛의 다양한 구성요소로부터 공통 CO2 헤더로의 진입점에서 미스트 제거기를 사용하는 것 외에). 다양한 실시예에서, 연도 가스 내의 입자상 물질(particulate matter, PM)은 생성된 CO2 공정수에 동반되어 시스템을 통해 이동할 수 있다. 다양한 실시예에서, 해당 분야에 알려진 임의의 적절한 방법이 용해되지 않은 고형물을 처리하는 데 사용될 수 있다.
다양한 실시예에서, 회수 공정의 다양한 구성요소는 공정수 내 CO2 농도에 기초한 적합성에 따라 일치될 수 있다. 다양한 실시예에서, 물의 CO2 비율은 공정의 모든 단계에서 감소할 수 있다. 다양한 실시예에서, 대부분의 가스 방출은 살포 밀봉 용기(300) 및 소형 교반기(400)에서 발생할 수 있는 반면, 스트리퍼 유닛(500) 및 최종 탈기 탱크(600)는 연마 단계로서 역할할 수 있다.
다양한 실시예에서, 시스템의 포획 부분과 회수 부분의 유압식 분리는 본원에 설명된 시스템과 방법을 사용하여 구현될 수 있다. 다양한 실시예에서, 유압식 분리는 다양한 구성요소를 통해 발생하는 의도하지 않은 블로우 스루(blow-through) 및/또는 완화하기 어려운 공정 교란을 생성하는 것을 방지할 수 있다. 다양한 실시예에서, CO2 포집/흡수는 (대기압에 비해) 양압 조건 하에서 수행될 수 있는 반면, 회수 공정에서 CO2 회수는 약간 음압 하에서 수행되도록 의도될 수 있다.
다양한 실시예에서, 양압 환경은 CO2의 용해도를 촉진하는(CO2가 공정 유체에 남아 있도록 허용하는) 반면에, 음압은 회수 시스템 전반에 걸쳐 탈기를 촉진(CO2가 공정 유체에서 빠져나가도록 허용)하는 반대 효과를 갖는다.
도 1은 CO2 흡수 및 회수 시스템(100)의 흐름도를 도시한다. 다양한 실시예에서, CO2 흡수 및 회수 시스템(100)은 CO2 흡수기 모듈(200), 살포 밀봉 용기(300), 소형 교반기(400), 스트리퍼 유닛(500), 탈기 탱크(600), 막 분리기(700), 및 공통 CO2 헤더(800)를 포함한다. 다양한 실시예에서, CO2 흡수 모듈(200)은 흡입구를 통해 투입 가스(예를 들어, 연소 공정으로부터의 연도 가스)를 수용하도록 구성된다. 다양한 실시예에서, 투입 가스는 CO2를 포함하고, CO2 흡수기 모듈(200)은 투입 가스를 처리하여 투입 가스로부터 CO2의 적어도 일부를 제거한다. 처리된 투입 가스(즉, 배기 가스)는 배기 연도(exhaust flue)를 통해 CO2 흡수 모듈(200)로부터 배출된다. 다양한 실시예에서, 배기 연도는 막 분리기(700)(아래에서 더 자세히 설명됨)에 결합될 수 있다.
다양한 실시예에서, CO2 흡수기 모듈(200), 살포 밀봉 용기(300), 소형 교반기(400), 스트리퍼 유닛(500), 탈기 탱크(600), 막 분리기(700) 및 공통 CO2 헤더(800) 각각은 시스템(100)의 원하는 처리량에 기초하여 크기가 정해질 수 있다. 다양한 실시예에서, CO2 흡수기 모듈(200), 살포 밀봉 용기(300), 소형 교반기(400), 스트리퍼 유닛(500), 탈기 탱크(600), 막 분리기(700) 및 공통 CO2 헤더(800) 각각의 크기(예를 들어, 부피)는 유속(들), 이용 가능한 공간, 구성성 및 운송 고려사항에 기초할 수 있다.
다양한 실시예에서, 투입 가스의 적어도 일부는 CO2(예를 들어, 0.04%)를 포함한다. 다양한 실시예에서, 투입 가스는 대기일 수 있다. NASA에 따르면 대기에는 약 78.084%의 질소, 20.946%의 산소, 0.9340%의 아르곤 및 0.04338%의 기타 가스가 포함되어 있다. 다른 가스 중에서 대기에는 약 0.0407%의 이산화탄소가 포함되어 있다. 다양한 실시예에서, 투입 가스는 업스트림 공정(예를 들어, 연소 공정 또는 기타 화학 공정)으로부터의 연도 가스일 수 있다.
다양한 실시예에서, 투입 가스는 이산화탄소를 포함하는 임의의 적합한 가스 또는 가스들의 조합을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 투입 가스 내 이산화탄소의 백분율은 1% 미만일 수 있다. 다양한 실시예에서, 투입 가스 중 이산화탄소의 백분율은 약 1%일 수 있다. 다양한 실시예에서, 투입 가스 중 이산화탄소의 백분율은 약 2%일 수 있다. 다양한 실시예에서, 투입 가스 중 이산화탄소의 백분율은 약 5%일 수 있다. 다양한 실시예에서, 투입 가스 중 이산화탄소의 백분율은 약 10%일 수 있다. 다양한 실시예에서, 투입 가스 중 이산화탄소의 백분율은 약 20%일 수 있다. 다양한 실시예에서, 투입 가스 중 이산화탄소의 백분율은 약 30%일 수 있다. 다양한 실시예에서, 투입 가스 중 이산화탄소의 비율은 약 40%일 수 있다. 다양한 실시예에서, 투입 가스 중 이산화탄소의 백분율은 약 50%일 수 있다. 다양한 실시예에서, 투입 가스 중 이산화탄소의 백분율은 약 60%일 수 있다. 다양한 실시예에서, 투입 가스 중 이산화탄소의 백분율은 약 70%일 수 있다. 다양한 실시예에서, 투입 가스 중 이산화탄소의 백분율은 약 80%일 수 있다. 다양한 실시예에서, 투입 가스 중 이산화탄소의 백분율은 약 90%일 수 있다. 다양한 실시예에서, 투입 가스 중 이산화탄소의 백분율은 100% 미만일 수 있다.
다양한 실시예에서, 공정수는 포깅 어레이에서 액적 형태로 분사된다. 다양한 실시예에서, 수적(water droplets)은 투입 가스로부터 CO2를 포획할 수 있다. 다양한 실시예에서, 공정수는 CO2로 적어도 부분적으로 포화(예를 들어, 과포화)되고, 살포 밀봉 용기(300)로 능동적으로(예를 들어 펌핑) 또는 수동적으로(예를 들어 배수) 향한다. 다양한 실시예에서, 살포 밀봉 용기(300)는 교반기(400)에 능동적으로 결합된다. 본 개시 전체에 걸쳐, 인접 또는 업스트림/다운스트림 구성요소는 별도의 도관(들)을 포함할 수 있는데, 첫 번째는 입력 흐름 전용이고, 두 번째는 출력 흐름 전용이다. 예를 들어, 제1 도관은 살포 용기(300)로부터 공통 CO2 헤더(800)로 양압의 유체를 전달하는 데 사용될 수 있는 반면, 제2 도관은 음압의 유체를 소형 교반기(400)로 전달하는 데 사용될 수 있다.
다양한 실시예에서, 교반기(400)는 교반기 출력에 증가된 압력을 제공하기 위해 그 사이에 개재 전달 펌프(intervening transfer pump)가 배치되어 있는 스트리퍼 유닛(500)에 유동적으로 결합된다. 다양한 실시예에서, 스트리퍼 유닛은 탈기 탱크(600)에 유동적으로 연결되고, 송풍기는 스트리퍼 유닛(500)에서 작동하고 그 내부 체적 내에서 순환을 증가시키도록 제공될 수 있다. 다양한 실시예에서, 탈기 탱크(600)는 개재 펌프가 사이에 배치된 막 분리기(700)에 유동적으로 결합된다. 또한, 열 회수 작업도 수행할 수 있는데, 예를 들어 HEX 순환 펌프를 통해 탈기 탱크(600)를 사용하여 원하는 온도 프로파일을 달성한다.
다양한 실시예에서, 살포 밀봉 용기(300), 교반기(400), 스트리퍼 유닛(500), 탈기 탱크(600) 및/또는 막 분리기(700)는 공통 CO2 헤더에 유동적으로 결합된다. 다양한 실시예에서, 공통 CO2 헤더(800)는 공정수로부터 회수된 CO2(예를 들어 대략 100% CO2)를 수집하고 수집된 CO2를 배출구로 보낸다.
다양한 실시예에서, 공정수 처리의 각 단계(예를 들어, 살포 밀봉 용기(300), 교반기(400), 스트리퍼 유닛(500), 탈기 탱크(600) 및/또는 막 분리기(700))에서, 공정수 내 총 CO2 양은 각 단계에서 CO2가 회수됨에 따라 감소할 수 있다. 다양한 실시예에서, 공정수를 처리하여 CO2를 회수하는 다양한 단계는 시스템(100)의 회수 섹션으로 지칭될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 CO2 흡수 모듈(200)을 도시한다. 특히, CO2 흡수 모듈(200)의 특징을 더 잘 도시하기 위해, 도 2a는 흡입구에서 시작하는 CO2 흡수 모듈(200)의 전면 부분(예를 들어, 전면 절반)을 도시하고, 도 2b는 폐가스 스트림(예를 들어, 처리된 투입 가스)의 배출로 끝나는 CO2 흡수 모듈(200)의 후면 부분(예를 들어, 후면 절반)을 도시한다. 다양한 실시예에서, CO2 흡수 모듈(200)의 흡기 및/또는 배기는 사람에게 안전한 밀봉 댐퍼를 포함하여 시스템의 거의 완전한 격리(예를 들어, 100% 격리)를 제공할 수 있다. 다양한 실시예에서, 인간 안전 밀봉 댐퍼는 유지보수를 위해 작업자가 접근할 수 있다.
다양한 실시예에서, 강제 통풍(forced draft, FD) 팬(1), 흐름 제어 댐퍼(2) 및 압력 제어 댐퍼(3)의 세 가지 주요 구성요소를 사용하여 CO2 흡수 모듈 내에서 양압 조건이 생성되고 유지될 수 있다. 다양한 실시예에서, 팬(1)은 CO2 흡수 모듈(200)로 투입 가스(예를 들어, 연소 소스로부터의 연도 가스)를 흡입한다.
다양한 실시예에서, 투입 가스가 통과하는 흐름 제어 댐퍼(2)는 도 2b에 도시된 바와 같이 흡수기 모듈의 입구에 근접한 업스트림에 위치될 수 있다. 다양한 실시예에서, 흐름 제어 댐퍼(2)는 포깅 어레이 내로 원하는 연도 가스 속도를 생성한다. 다양한 실시예에서, 이는 FD 팬 모터의 가변 주파수 드라이브를 사용하여 달성될 수도 있다.
다양한 실시예에서, CO2 흡수 모듈(200)은 압력 제어 댐퍼(3)를 포함한다. 다양한 실시예에서, 케이싱 압력은 용기 후방의 압력 제어 댐퍼(3)를 사용하여 제어될 수 있다. 또한, 압력 제어 댐퍼(3)는 CO2 흡수기의 다운스트림에 위치할 수 있다.
다양한 실시예에서, CO2 흡수 모듈(200)은 흡입구에 유체적으로 결합된 열교환기(4)를 포함한다. 다양한 실시예에서, 전용 열 회수 열 교환기(4)는 포깅 어레이 전 또는 업스트림에서 CO2 흡수 모듈(200)에 장착될 수 있다. 열 교환기는 냉각 매체 역할을 하는 다양한 유체를 사용하여 평행 또는 역류 열 전달을 위해 구성될 수 있다. 또한, 열 교환기는 투입 가스 흐름의 중간에 위치할 수 있다(즉, 최대 속도를 나타내는 "완전히 발달된" 흐름인 경우).
다양한 실시예에서, CO2 흡수 모듈(200)은 포깅 어레이를 포함한다. 예시적인 포깅 어레이는 미국공개특허 제2020/0147542호에 더 자세히 설명되어 있으며, 이는 그 전체 내용이 참조로 여기에 포함된다. 다양한 실시예에서, 포깅 어레이는 투입 가스를 통해 공정 유체의 액적을 분사하도록 구성된 복수의 노즐을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 액적은 50 마이크론 이하의 자우터 평균 직경(Sauter mean diameter)을 가질 수 있다. 다양한 실시예에서, 포깅 어레이는 포깅 스키드 유닛(fogging skid unit)을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 포깅 스키드 유닛은 흡수 모듈의 서브시스템일 수 있다. 다양한 실시예에서, 포깅 스키드 유닛은 CO2 흡수에 사용되는 수적을 생성하도록 구성될 수 있다. 다양한 실시예에서, 포깅 스키드 유닛은 하나 이상의 고압 펌프, 하나 이상의 필터, 및/또는 다양한 내부 스키드 구성요소와 포깅 스키드 유닛을 CO2 흡수 모듈(200)에 연결하는 배관을 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, CO2 흡수 모듈(200)은 패킹 섹션(packing section)을 포함한다. 다양한 실시예에서, 패킹 섹션은 선택적이다. 다양한 실시예에서, 패킹 섹션은 CO2 흡수 모듈(200) 내 상대적으로 작은 부피로 큰 습윤 표면적을 제공하는 데 사용될 수 있다. 다양한 실시예에서, 패킹 섹션은 CO2를 함유한 수적이 벌크 액체로 수집되는 것을 촉진한 다음, 이월을 최소화하면서 가스 배출 공정으로 이동할 수 있다. 다양한 실시예에서, 패킹 섹션은 원하는 표면 특성(예를 들어, 특정 부피에 대한 표면적 최대화)을 제공하는 특별히 설계된 기하학적 형태를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에서, CO2 흡수 모듈(200)은 미스트 제거기를 포함한다. 다양한 실시예에서, 미스트 제거기는 배기 장치의 출구에 배치될 수 있다. 다양한 실시예에서, 미스트 제거기는 내부에 CO2가 용해된 임의의 추가 공정 유체를 포착할 수 있다. 다양한 실시예에서, 미스트 제거기는 패킹 섹션을 지나 흐르는 물 에어로졸 캐리오버(water aerosol carryover)를 포착할 수 있다. 다양한 실시예에서, 미스트 제거기는 추가 가스 배출을 위해 가스 배출 공정에 제공될 벌크 물로서 물 에어로졸 캐리오버를 수집할 수 있다. 다양한 실시예에서, 미스트 제거기의 사용은 에어로졸(미스트)이 흡수된 CO2를 포함하는 경우 바람직할 수 있으며, 그렇지 않으면 포집 공정에서 빠져나올 수 있다. 미스트 제거기는 CO2 흡수 모듈의 전체 너비에 걸쳐 확장될 수 있다.
다양한 실시예에서, CO2 흡수 모듈(200)은 CO2 처리수를 시스템의 회수 섹션으로 향하게 하기 위해(예를 들어, 수동적으로) 양압을 제공하도록 구성된 가압 케이싱 유닛을 포함한다. 다양한 실시예에서, 양압 케이싱은 공동화를 방지하기 위해 필요할 수 있는 2상 펌프에 대한 필요성을 제거할 수 있다. 다양한 실시예에서, 거의 즉각적으로 CO2를 방출하는 과포화 공정수의 자연적인 경향을 고려할 때, 임의의 기체 CO2는 CO2 흡수 모듈(200)에서 회수 공정으로 연속적으로 (예를 들어, 활성 공정을 통해) 밀려날 수 있다. 다양한 실시예에서, CO2 흡수 모듈(200)과 살포 밀봉 용기(300) 사이의 배관에서 2상 흐름이 발생할 수 있다. 다양한 실시예에서, 2상 흐름은 양압 방식을 사용하여 완화될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 살포 밀봉 용기(300)를 도시한다. 다양한 실시예에서, 살포 밀봉 용기(300)는 시스템(100)의 원하는 처리량에 기초하여 크기가 정해질 수 있다. 다양한 실시예에서, 살포 밀봉 용기(300)의 크기(예를 들어, 부피)는 유속(들), 이용 가능한 공간, 구성성 및 운송 고려사항에 기초할 수 있다. 다양한 실시예에서, 2개 이상의 살포 밀봉 용기는 시스템(100) 내에서 병렬로 기능할 수 있다. 다양한 실시예에서, 과포화 CO2 공정수는 수동(예를 들어, 중력) 공급에 의해 살포 밀봉 용기(300)로 수용된다. 다양한 실시예에서, 살포 밀봉 용기(300)는 밀봉 포트 역할을 하며 양압 하에서 작동하는 시스템의 구성요소/섹션(즉, 살포 용기(300)의 업스트림 구성요소)과 음압 하에서 작동하는 시스템의 구성요소/섹션(즉, 살포 용기 다운스트림 구성요소) 사이의 수압 분리를 제공한다. 다양한 실시예에서, 양압 및/또는 음압은 각각 CO2 흡수 모듈(200) 및 공통 CO2 헤더(800)의 FD 팬(들) 및/또는 ID 팬(들)에 의해 생성될 수 있다. 다양한 실시예에서, 양압과 음압은 살포 밀봉 용기(300)의 물 밀봉(water seal)으로 수력학적으로 분리될 수 있다. 다양한 실시예에서, CO2 흡수 모듈(200)로부터의 공정수는 중력, CO2 흡수 모듈(200)로부터의 양압(FD 팬 1, 흐름 제어 댐퍼 2 및/또는 압력 제어 댐퍼 3에 의해 생성됨) 및 CO2 수집 헤더(800)의 유도 음압(ID 팬 12에 의해 생성됨)에 의해 용기 내로 살포된다. 다양한 실시예에서, 다운커머(downcomer) 하단의 특수 컷아웃은 일시적인 차압 교란 기간 동안 용기의 레벨을 자체 조절하는 데 도움이 된다. 다양한 실시예에서, 진동을 완화하기 위해 스파저 내의 내부 배플이 제공될 수 있다. 다양한 실시예에서, 내부 배플은 살포 밀봉 용기(300) 내의 유체의 적절한 댐핑을 제공하기 위해 임의의 적합한 구조(예를 들어, 수평 선반) 또는 특징(예를 들어, 천공 또는 홀)을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 공정수로부터 CO2의 즉각적인 가스 방출은 CO2 헤더로 향할 수 있다. 다양한 실시예에서, 내부 위어(weir)는 배출 수위(discharge water level)를 설정하도록 설계될 수 있다. 다양한 실시예에서, 공정수는 액체 위의 미리 결정된 양의 가스 헤드스페이스를 유지하는 배출 파이프를 통해 소형 교반기(400)로 향할 수 있다. 다양한 실시예에서, 배출 파이프는 도시된 바와 같이 크기가 너무 크고 서지 방지 릴리프(anti-surge reliefs) 위에 위치할 수 있다. 다양한 실시예에서, 방출 파이프의 크기는 시스템(100)의 처리량에 기초하여 크기가 정해질 수 있다. 다양한 실시예에서, 특대형 여수로(spillway)는 살포 밀봉 용기(300) 내의 수밀 밀봉을 방해할 수 있는 살포 밀봉 용기(300) 밖으로 공정수가 사이포닝(siphoning)하는 것을 최소화(예를 들어, 방지)하도록 구성될 수 있다. 다양한 실시예에서, 살포 밀봉 용기(300)에 사용된 특정 기하학적 구조는 살포 밀봉 용기(300)로부터의 물 배출 위에 적절한 헤드스페이스를 허용할 수 있다. 다양한 실시예에서, 미리 결정된 양(예를 들어, 높이, 부피 등)의 가스 헤드스페이스는 레벨 안정성을 유지하고 용기 내에서 사이포닝이나 서징(surging)을 방지하는 데 사용된다. 다양한 실시예에서, 살포 밀봉 용기(300)를 이탈하는 CO2의 농도는 흡수 모듈(200)에서 생성된 포집 효율 및 농도의 영향을 받을 수 있다. 다양한 실시예에서, CO2 농도는 과포화 상태일 수 있다.
다양한 실시예에서, 간헐적 블로우다운은 살포 밀봉 용기(300)로부터 공정수의 의도적이고 주기적인 배수로 정의될 수 있다. 다양한 실시예에서, 간헐적 블로우다운의 기능은 공정수 내에 혼입된 먼지, 스케일, 슬러지, 재 및/또는 기타 입자상 물질을 제거하는 것이다. 다양한 실시예에서, 이들 고체는 바람직하지 않으며 살포 밀봉 용기(300)에 수집될 수 있다.
다양한 실시예에서, 살포 밀봉 용기(300)의 서지 방지 릴리프는 살포 밀봉 용기(300) 다운커머의 임의의 레벨 업셋을 완화하는 간단한 자가 교정 방법으로 사용될 수 있다.
다양한 실시예에서, 슬로시 방지 배플(anti-slosh baffles)은 CO2 흡수 모듈(200), 다운스트림 가스 배출 작업, 공통 CO2 헤더(800) 및/또는 CO2 가스 최종 사용자의 압력 변동으로 인한 진동을 신속하게 완화하기 위해 주로 사용되는 정적 구조물일 수 있다. 도 3B에 도시된 예시적인 실시예에서, 배플은 수평으로 정렬되지만, 대안적인(예를 들어, 엇갈린 또는 오프셋된) 구성이 채용될 수 있다. 다양한 실시예에서, 보일러 퍼니스 압력 제어 문제, 팬 고장 및 다운스트림 CO2 공정 트립에 이르는 여러 시나리오에 의해 압력 편위(pressure excursions)가 발생할 수 있다. 다양한 실시예에서, 당업계에 알려진 다른 특징이 이러한 시나리오를 추가로 다루기 위해 공정 제어 안전 시스템에 설계될 수 있다. 다양한 실시예에서, 슬로싱(sloshing)은 추가 가스 방출을 촉진하는 데 도움이 될 수 있지만, 슬로싱은 살포 밀봉 용기(300)의 안정성에 부정적인 영향을 미칠 수 있으므로 바람직하지 않을 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 소형 교반기(400)를 도시한다. 다양한 실시예에서, 소형 교반기(400)로 향하는 공정수는 과포화 CO2 공정수일 수 있다. 다양한 실시예에서, 공정수는 살포 밀봉 용기(300)로부터 소형 교반기 유닛(400)으로의 수동(예를 들어, 중력) 공급에 의해 수용될 수 있다. 다양한 실시예에서, 소형 교반기(400)는 피치형 블레이드를 갖는 상대적으로 고속의 모터 구동 교반기 샤프트를 포함한다. 다양한 실시예에서, 소형 교반기(400)는 탱크 벽에 고정된 하나 이상의 고정된 고정자 블레이드(stator blades)를 포함한다. 다양한 실시예에서, 블레이드는 고정자 블레이드 사이에서 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전할 수 있으며, 일부 실시예에서는 두 방향 사이에서 상호 교환 가능하게 회전할 수 있다. 다양한 실시예에서, 교반기(400)는 고정자 블레이드 사이에서 피치형 블레이드(pitched blades)가 회전함에 따라 유체에 기계적 전단을 유도할 수 있다. 다양한 실시예에서, 교반기 블레이드는 공정수에 상승을 제공하도록 경사질 수 있다. 다양한 실시예에서, 교반기의 회전 속도 및/또는 특정 형상은 시스템(100)의 요구 사항에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 회전 속도는 가스 방출을 촉진하도록 최적화될 수 있다. 다른 실시예에서, 교반기의 부피는 시스템(100)의 유속 또는 처리 속도에 기초하여 최적화될 수 있다. 다양한 실시예에서, 소형 교반기의 배플(고정자)은 교반기(400) 내의 공정수 내에서 높은 전단력을 생성하도록 구성될 수 있다. 다양한 실시예에서, 교반기(400)는 피치형 블레이드를 갖는 단일 샤프트를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 교반기는 2개 이상의 샤프트를 포함할 수 있으며, 각 샤프트는 피치형 블레이드를 포함한다.
다양한 실시예에서, 블레이드는 CO2 공정수에 고도의 난류 전단력을 가하여 공정수로부터 CO2의 최대 방출을 촉진한다. 다양한 실시예에서, 기체 CO2는 교반기 상단에서 배출되어 공통 CO2 수집 헤더로 향한다. 다양한 실시예에서, 난류 교반 후에, 과포화 공정수가 고갈될 수 있다. 다양한 실시예에서, 고갈된 공정수는 여전히 일부 CO2를 함유할 수 있다. 다양한 실시예에서, CO2 농도는 공정수가 가스 방출 시스템을 통해 진행됨에 따라 감소할 수 있다. 다양한 실시예에서, 고갈된 공정수는 교반기(400)의 바닥을 빠져나간다. 다양한 실시예에서, 공정수의 용해된 CO2 함량은 CO2 가스의 공동화가 최소화되고 이송 펌프(7)에 의한 이송이 시스템의 나머지 부분 전체에 걸쳐 실행 가능한 경우 충분히 낮을 수 있다.
도 5는 타워 구조 형태의 스트리퍼 유닛(500)을 도시한다. 다양한 실시예에서, 이제 더 낮아진 CO2 농도의 공정수는 공정수를 스트리퍼 유닛(500)으로 펌핑하는 이송 펌프(7)에 의해 수용된다. 다양한 실시예에서, 스트리퍼 유닛(500)은 액체/가스 분리에 사용되는 종래의 패킹된 타워를 포함할 수 있고 유사한 물질 전달 원리에 따라 기능할 수 있다. 다양한 실시예에서, 공정수는 스프레이 노즐 어레이를 통해 스트리퍼 유닛(500) 타워의 상부로 들어갈 수 있다. 다양한 실시예에서, 공정수는 패킹 섹션 내에서 상향 기체상에 대해 하향 및 역류로 흐를 수 있다. 다양한 실시예에서, 기체상은 최종 탈기 탱크(600)로부터의 CO2 배출가스로부터 수용될 수 있다. 다양한 실시예에서, 기체상은 외부 팬을 사용하는 스트리퍼 유닛을 통해 더욱 농축될 수 있다. 다양한 실시예에서, 팬은 최종 탈기 탱크에 증가된 부분 진공을 유도하고, 이는 결국 추가 가스 배출을 촉진한다. 다양한 실시예에서, 스트리핑된 CO2는 공통 CO2 수집 헤더(800)로 향한다. 다양한 실시예에서, 추가로 고갈된 CO2 공정수는 스트리퍼 유닛(500) 타워의 바닥에서 빠져나와 이송 펌프(7)에 의해 최종 탈기 탱크(600)로 이동된다.
도 6은 최종 탈기 탱크(600)를 도시한다. 다양한 실시예에서, 도 6에 도시된 밸브는 CO2를 CO2 수집 헤더, 스트리퍼 중 하나 및/또는 이 둘의 조합으로 향하는 데 사용될 수 있는 균형 댐퍼(balancing dampers)를 나타낸다. 다양한 실시예에서, 시스템은 임의의 적절한 수의 밸브 및/또는 댐퍼를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, CO2 처리수 농도가 헨리의 법칙 수준 또는 그 근처에 있을 수 있다는 점을 고려하면, 탈기 탱크(600)는 큰 인터페이스 표면적 탱크의 역할을 한다. 다양한 실시예에서, 가벼운 교반은 모터(M)에 회전 가능하게 결합된 블레이드를 통해 제공될 수 있다. 다양한 실시예에서, 가벼운 교반은 공정수의 균일한 농도 및 혼합을 제공하는 역할을 한다. 다양한 실시예에서, 탈기 탱크(600)는 예상치 못한 시나리오에 대해 비상 시스템 물의 원하는 버퍼를 제공하도록 크기가 조정될 수 있다. 다양한 실시예에서, 탈기 탱크(600)에는 가스 배출을 최적화하기 위해 순환 경로를 통해 물을 안내하는 하나 이상의 내부 배플이 장착될 수 있다. 다양한 실시예에서, 공정수로부터 배출된 CO2는 스트리퍼 유닛(500)으로 다시 보내질 수 있다. 다양한 실시예에서, 공정수로부터 배출된 CO2는 선택적으로 또는 추가적으로 공통 CO2 헤더(800)로 직접 전환될 수 있다. 다양한 실시예에서, 사용된 CO2 공정수는 재활용을 위해 이송 펌프(7)를 통해 한외여과 시스템으로 펌핑될 수 있다.
다양한 실시예에서, 탈기 탱크(600)의 CO2 공정 물 농도가 헨리의 법칙 수준 또는 그 근처에 있기 때문에, 가스 방출에 유리하도록 평형을 추진하기 위해 추가 드라이버가 필요할 수 있다. 다양한 실시예에서, 이는 투입 가스로부터 열 에너지를 회수하고 이를 최종 탈기 탱크로 향하게 함으로써 달성될 수 있다. 다양한 실시예에서, 작동 유체는 CO2 흡수기 모듈(200)의 열 교환기를 통해 최종 탈기 탱크(600)에 위치한 다른 열 교환기(10)로 순환된다. 다양한 실시예에서, 열 교환기(10)는 공정수에 용해된 CO2의 온도를 증가시키고 그에 따라 증기압을 증가시켜 가스 배출을 향한 평형의 유리한 이동을 촉진할 수 있다. 다양한 실시예에서, 스트리퍼 유닛(500)의 팬에 의해 제공되는 증가된 부분 진공은 탈기 탱크(600)에서 CO2 가스 생산을 더욱 촉진한다.
도 7은 막 분리기(700)를 도시한다. 다양한 실시예에서, 최종 탈기 탱크(600)로부터의 미량 농도의 CO2는 막 분리기(700)를 사용하여 공정수로부터 제거된다. 다양한 실시예에서, 막 분리기(700)는 임의의 적합한 상업적으로 이용 가능한 막 가스 분리기 유닛을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 공정수는 CO2 흡수기 모듈(200)의 배출 장치로부터의 연도 가스의 후류(slipstream)를 향해 향할 수 있다. 다양한 실시예에서, 이 단계에서 회수된 임의의 CO2는 공통 CO2 수집 헤더(800)로 향할 수 있다.
도 8은 공통 CO2 헤더(800)를 도시한다. 다양한 실시예에서, 모든 각각의 탈기 장치 작업으로부터의 기체 CO2는 공통 CO2 헤더(800)로 향한다. 다양한 실시예에서, 공통 CO2 헤더(800)에서 수증기의 응축은 적절한 워터 트랩으로 보내지고/보내지거나 최종 탈기 탱크(600)로 되돌아가게 된다. 다양한 실시예에서, 수집된 기체 CO2는 출력으로서 다운스트림 공정으로 보내질 수 있다. 다양한 실시예에서, 수집된 기체 CO2는 전용 ID(Induced Draft, 유도 통풍) 팬(12)을 사용하여 유도될 수 있다. 다양한 실시예에서, ID 팬 속도는 특정 압력 설정점으로 제어될 수 있다. 다양한 실시예에서, ID 팬(12)은 시스템 기능을 돕기 위해 모든 CO2 회수 단계에 음압 소스를 제공할 수 있다.
개시된 주제가 특정한 바람직한 실시예의 관점에서 설명되지만, 당업자는 개시된 주제에 대해 그 범위를 벗어나지 않고 다양한 수정 및 개선이 이루어질 수 있음을 인식할 것이다. 더욱이, 개시된 주제의 일 실시예의 개별 특징이 여기서 논의되거나 일 실시예의 도면에 도시될 수 있고 다른 실시예에서는 그렇지 않을 수 있지만, 하나의 실시예의 개별적인 특징은 다른 실시예의 하나 이상의 특징 또는 복수의 실시예로부터의 특징과 결합될 수 있다는 것이 명백해야 한다.
아래에 청구된 특정 실시예에 더하여, 개시된 주제는 또한 아래에 청구된 종속 특징과 위에 개시된 특징의 임의의 다른 가능한 조합을 갖는 다른 실시예에 관한 것이다. 이와 같이, 종속항에 제시되고 위에서 개시된 특정의 특징은 개시된 주제의 범위 내에서 다른 방식으로 서로 조합될 수 있어 개시된 주제는 임의의 다른 가능한 조합을 갖는 다른 실시예에도 구체적으로 관련된 것으로 인식되어야 한다. 따라서, 개시된 주제의 특정 실시예에 대한 전술한 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제시되었다. 이는 개시된 주제를 개시된 실시예로 제한하거나 총망라하려는 의도가 아니다.
개시된 주제의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 개시된 주제의 방법 및 시스템에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 개시된 주제는 첨부된 청구범위 및 그 등가물의 범위 내에 있는 수정 및 변형을 포함하도록 의도된다.
Claims (28)
- 다음을 포함하는 시스템:
투입 가스(input gas)를 수용하도록 구성된 흡입구(intake); 상기 흡입구에 결합된 열 교환기; 상기 열 교환기에 결합된 포깅 어레이(fogging array)로서, 상기 포깅 어레이는 액적을 통해 공정 유체를 분무하여 상기 투입 가스로부터 CO2를 포획하도록 구성된 포깅 어레이; 상기 포깅 어레이에 연결된 패킹 섹션(packing section); 상기 패킹 섹션에 연결된 미스트 제거기(mist eliminator); 상기 미스트 제거기에 결합되고, 배기 가스를 방출하도록 구성된 배기 장치(exhaust);를 포함하는 CO2 흡수기 모듈(absorber module):
상기 포깅 어레이, 상기 패킹 섹션 및 상기 미스트 제거기에 유동적으로 결합된 살포 밀봉 용기(sparging seal vessel);
상기 살포 밀봉 용기에 유동적으로 결합된 교반기;
상기 교반기에 유동적으로 결합된 스트리퍼 유닛(stripper unit);
상기 스트리퍼 유닛에 유동적으로 결합되고 상기 열 교환기의 적어도 일부에 열적으로 연결되는 탈기 탱크(outgassing tank);
상기 탈기 탱크 및 상기 배기 장치에 유동적으로 결합된 막 분리기(membrane separator); 및
상기 살포 밀봉 용기, 상기 교반기, 상기 스트리퍼 유닛, 상기 탈기 탱크 및 막 분리기에 연결된 CO2 헤더(CO2 header).
- 제1항에 있어서, 상기 투입 가스는 연소 공정으로부터의 연도 가스(flue gas)인 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 배기 가스는 투입 가스보다 적은 CO2를 포함하는 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 CO2 흡수기 모듈은 흐름 제어 댐퍼(flow control damper)를 추가로 포함하는 시스템.
- 제4항에 있어서, 상기 흐름 제어 댐퍼는 상기 흡입구와 상기 열 교환기 사이에 결합되는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 CO2 흡수기 모듈은 상기 흡입구에 결합된 팬(fan)을 추가로 포함하는 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 CO2 흡수기 모듈은 압력 제어 댐퍼(pressure control damper)를 추가로 포함하는 시스템.
- 제7항에 있어서, 상기 압력 제어 댐퍼는 상기 미스트 제거기와 상기 배기 장치 사이에 결합되는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 열 교환기는 탈기 탱크에 열적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 공정 유체는 물인 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제10항에 있어서, 상기 물은 실질적으로 아민이 없는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 액적은 약 50 마이크론 미만의 사우터(Sauter) 평균 직경을 포함하는 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 배기 가스의 적어도 일부는 막 분리기로 향하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 CO2 헤더는 응축물을 상기 탈기 탱크로 보내도록 구성된 응축물 트랩(condensate trap)을 포함하는 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 CO2 헤더는 팬을 포함하여 음압을 생성하고 상기 살포 밀봉 용기, 상기 교반기, 상기 스트리퍼 유닛, 상기 탈기 탱크 및 상기 막 분리기 중 하나 이상으로부터 CO2를 배출하는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 교반기와 스트리퍼 유닛 사이에 제1 전달 펌프(first transfer pump)를 추가로 포함하는 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 스트리퍼 유닛과 상기 탈기 탱크 사이에 제2 전달 펌프(second transfer pump)를 추가로 포함하는 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 탈기 탱크와 상기 막 분리기 사이에 제3 전달 펌프(third transfer pump)를 추가로 포함하는 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 공정 유체는 상기 CO2 흡수 모듈로부터 상기 살포 밀봉 용기로 수동적으로 향하게 되는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 공정 유체가 상기 살포 밀봉 용기로부터 교반기로 수동적으로 향하게 되는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 스트리퍼 유닛은 상기 탈기 탱크로부터 방출된 CO2를 상기 스트리퍼 유닛의 공정 유체를 통해 안내하도록 구성된 송풍기(blower)를 포함하는 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 공정 유체는 상기 살포 밀봉 용기에서 CO2로 과포화되는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 교반기 내의 공정 유체는 상기 살포 밀봉 용기 내의 공정 유체보다 적은 CO2를 포함하는 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 스트리퍼 유닛의 공정 유체는 상기 교반기의 공정 유체보다 적은 CO2를 포함하는 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 탈기 탱크의 공정 유체는 상기 스트리퍼 유닛의 공정 유체보다 적은 CO2를 포함하는 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 막 분리기의 공정 유체는 탈기 탱크의 공정 유체보다 적은 CO2를 포함하는 시스템.
- 다음 단계를 포함하는 공정 유체로부터 CO2를 회수하는 방법:
흡입구에서 투입 가스를 수용하는 단계;
열 교환기를 통해 상기 투입 가스로부터 열 에너지를 추출하는 단계;
포깅 어레이에서 상기 투입 가스를 통해 공정 유체의 액적을 분사하여 상기 공정 유체의 투입 가스로부터 CO2를 포획하는 단계;
살포 밀봉 용기에서 내부에 CO2가 포집된 공정 유체를 살포하여 포집된 CO2의 제1 부분을 방출하고 제1 부분을 CO2 헤더로 보내는 단계;
살포 후 교반기에서 상기 공정 유체를 교반하여 포집된 CO2의 제2 부분을 방출하고 제2 부분을 CO2 헤더로 보내는 단계;
교반 후, 스트리핑 장치에서 공정 유체를 스트리핑하여 포집된 CO2의 제3 부분을 방출하고 제3 부분을 CO2 헤더로 보내는 단계;
스트리핑 후, 탈기 탱크에서 공정 유체를 혼합 및 가열하여 포집된 CO2의 제4 부분을 방출하고 제4 부분을 CO2 헤더로 보내는 단계로서, 가열은 추출된 열 에너지의 적어도 일부를 사용하여 수행되는 단계; 및
혼합 및 가열 후 막 분리기에서 공정 유체로부터 포집된 CO2를 분리하여 포집된 CO2의 제5 부분을 방출하고 제5 부분을 CO2 헤더로 보내는 단계.
- 제27항에 있어서, 포집된 CO2의 방출된 제1 부분, 제2 부분, 제3 부분, 제4 부분 및 제5 부분이 다운스트림 공정으로 향하는 것을 특징으로 하는 방법.
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