KR20120066657A

KR20120066657A - 이산화탄소를 포획하기 위한 단일 흡수기 용기

Info

Publication number: KR20120066657A
Application number: KR1020127009529A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 제이. 무라스킨; 산제이 케이. 듀베; 라메쉬워 에스. 하이웨일; 페터 유. 코스
Original assignee: 알스톰 테크놀러지 리미티드
Priority date: 2009-09-15
Filing date: 2010-09-01
Publication date: 2012-06-22
Also published as: WO2011034726A1; MX2012003174A; IL218596A0; EP2477723A1; AU2010295884B2; BR112012005876A2; IL218595A0; EP2477721B1; CN102596364A; AU2016203360A1; AU2010295885A1; ZA201202698B; JP2013504424A; AU2010295884A1; IN2012DN03067A; BR112012005813A2; WO2011034724A1; US20130028807A1; EP2477722A1; IL218597A0

Abstract

CO₂를 포함하는 연도 가스 스트림으로부터 CO₂를 제거하기 위한 방법 및 시스템이 제공되며, 이 방법은 a) 연도 가스 스트림으로부터 CO₂의 제1 부분을 제거하도록 연도 가스 스트림과 NH₃를 포함하는 제1 이온 용액의 유동을 접촉시키는 단계와, b) 제1 섬프 용기 내에서 a) 단계로부터 사용된 이온 용액을 수집하는 단계와, c) 제1 섬프 용기로부터 단계 a)로 이온 용액을 재순환시키는 단계와, d) 연도 가스 스트림으로부터 CO₂의 제2 부분을 제거하도록 연도 가스 스트림과 NH₃를 포함하는 제2 이온 용액의 유동을 접촉시키는 단계와, e) 제2 섬프 용기 내에서 단계 d)로부터 사용된 이온 용액을 수집하는 단계와, f) 상기 제2 섬프 용기로부터 단계 d)로 이온 용액을 재순환시키는 단계를 포함한다.

Description

이산화탄소를 포획하기 위한 단일 흡수기 용기 {SINGLE ABSORBER VESSEL TO CAPTURE CO2}

본 발명은 다단 흡수기 용기를 사용하여 연도 가스 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

발전소 같은 연소 플랜트에서 석탄, 오일, 이탄, 폐기물 등 같은 연료의 연소시, 성분들 중에서 이산화탄소, CO₂를 포함하는 종종 연도 가스라 지칭되는 고온 처리 가스가 생성된다. 대기로 이산화탄소를 방출하는 부정적인 환경적 영향들은 널리 인식되어 있으며, 상술된 연료들의 연소시 생성되는 고온 처리 가스로부터 이산화탄소를 제거하도록 구성된 처리들 및 시스템들의 개발을 유도하였다.

이미 공지되어 있는 한가지 시스템 및 프로세스는 연소후 연도 가스 스트림으로부터 이산화탄소(CO₂)의 제거를 위한 단일 단계 냉각 암모니아 기반 시스템 및 방법이다. 이런 시스템 및 프로세스는 발명의 명칭이 CO₂의 제거를 포함하는 연소 가스의 초강력 세정인 공개된 미국 특허 출원 제2008/0072762호에서 제안 및 고려되어 있다.

CO₂ 제거를 위한 냉각 암모니아 기반 시스템/방법에서, 이온 용액이 CO₂를 포함하는 연도 가스 스트림과 역방향 흐름 유동으로 접촉되게 되는 흡수기 용기가 제공되어 있다. 이온 용액은 예로서, 물 및 암모늄 이온들, 바이카보네이트 이온들, 카보네이트 이온들 및/또는 카바메이트(carbamate) 이온들로 구성될 수 있다.

흡수기 용기는 예로서, 화석 연료 연소 보일러의 연소 챔버로부터 발생하는 연도 가스 스트림(FG)을 수용하도록 구성된다. 또한, 이는 재생 시스템으로부터 CO₂ 희박 이온 용액 공급물을 수용하도록 구성된다. 희박 이온 용액은 액체 분배 시스템을 통해 용기 내로 도입되고, 또한, 연도 가스 스트림(FG)은 연도 가스 입구를 통해 흡수기 용기에 의해 수용된다.

이온 용액은 그 입구로부터 흡수기 용기의 저부 부분의 입구를 통해 흡수기 용기의 상단 부분의 그 출구로 연도 가스 스트림이 이동하는 경로 내에, 그리고, 흡수기 용기 내에 위치된, 그리고, 물질 전달을 위해 사용되는 기액 접촉 장치(이하, 물질 전달 장치, MTD)를 통해 연도 가스 스트림과 접촉하게 된다. MTD는 예로서, 하나 이상의 일반적으로 알려진 구성의 또는 임의적 팩킹 재료들 또는 그 조합일 수 있다.

이온 용액은 MTD의 상단에서 도입되고, MTD를 통해 아래로 떨어지며, 연도 가스 스트림(FG)과 접촉하게 되고, 이 연도 가스 스트림은 상방으로 상승하며(이온 용액의 방향에 대향한) MTD를 통과한다.

연도 가스 스트림과 접촉하고 나면, 이온 용액은 연도 가스 스트림으로부터 CO₂를 흡수하도록 작용하며, 따라서, CO₂가 "농후한" 이온 용액(농후 용액)을 형성한다. 농후 이온 용액은 물질 전달 장치를 통해 하방으로 계속 유동하며, 그후, 흡수기 용기의 저부에 수집된다. 농후 이온 용액은 그후 연도 가스 스트림으로부터 이온 용액에 의해 흡수된 CO₂를 방출하기 위해 재생기 시스템을 통해 재생된다. 이온 용액으로부터 방출된 CO₂는 그후 저장 또는 다른 사전결정된 용도들/목적들로 출력될 수 있다. CO₂가 이온 용액으로부터 방출되고 나면, 이온 용액은 "희박" 상태라 지칭된다. 희박 이온 용액은 그후 다시 연도 가스 스트림으로부터 CO₂를 흡수할 준비가 되며, 액체 분배 시스템으로 다시 안내될 수 있고, 그에 의해, 이는 다시 흡수기 용기 내로 도입된다.

공개된 미국 특허 출원 제2009/0101012호는 다양한 온도들에서 동작하는 서로 다른 흡수 단계들 및 이온 용액 내의 서로 다른 NH₃ 대 CO₂ 비율들에서, 암모늄 용액 같은 이온 용액에 의한 흡수에 의해 연도 가스로부터 CO₂가 제거되는 흡수기 용기를 포함하는 다단 CO₂ 제거 시스템을 개시한다. 다단 흡수기 용기는 재생기로의 전달을 위해 CO₂ 농후 이온 용액이 수집되는 단일 섬프를 포함한다.

종래 기술의 NH₃ 기반 흡수 시스템들 및 프로세스들과 연계된 잠재적 단점은 NH₃와 CO₂ 사이의 화학 반응들에 의해 형성되는 암모늄 카보네이트 및/또는 바이카보네이트 같은 고형물들은 흡수 컬럼의 막힘을 유발하여, 시스템의 전체 성능의 열화를 초래할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 처리 가스 스트림으로부터 이산화탄소(CO₂)를 포획하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다.

본 발명의 실시예들의 목적은 이온 용액의 재순환을 촉진하는 다단 흡수기 용기를 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예들의 다른 목적은 흡수기 용기 내에 형성된 고형물들의 퇴적 및 막힘과 연계된 문제점들을 감소시키는 다단 흡수기 용기를 제공하는 것이다.

본 발명의 제1 양태에서, 상술한 목적들 및 본 내용을 숙지할 때 숙련자에게 명백한 바와 같은 다른 목적들은 연도 가스 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하기 위한 시스템(본 명세서에서 "CO₂ 포획 시스템"이라고도 지칭됨)의 제공에 의해 달성되며, 이 시스템은

연도 가스 스트림을 수용하도록 구성된 흡수기 용기를 포함하고,

상기 흡수기 용기는

연도 가스 스트림을 수용하고 이를 제1 이온 용액과 접촉시키도록 구성된 제1 흡수 스테이지와,

제1 흡수 스테이지를 통과한 연도 가스를 수용하고 이를 제2 이온 용액과 접촉시키도록 구성된 제2 흡수 스테이지와,

제1 섬프 용기와,

제2 섬프 용기를 포함하며,

상기 제1 흡수 스테이지는 제1 흡수 스테이지로부터 이온 용액을 수집하고 이를 제1 섬프 용기로 전달하도록 배열된 액체 수집 리셉터클을 포함하며, 제2 흡수 스테이지는 제2 흡수 스테이지로부터 이온 용액을 수집하고 이를 제2 섬프 용기로 전달하도록 배열된 액체 수집 리셉터클을 포함한다.

다수의 서로 다른 흡수 스테이지들이 서로 다른 조건들 하에서 동작하는 다단 흡수기 용기는 종종 직렬로 배열된 다수의 단일 단계 흡수기 용기들에 대한 우수한 대안을 구성할 수 있다. 다단 흡수기 용기의 장점들은 예를 들어, 용기들, 팩킹 및 건설을 위한 더 낮은 자본 비용들을 포함한다.

본 발명은 다단 흡수기 용기의 효율 및 능력이 흡수기 용기의 섬프를 본 명세서에서 섬프 용기들이라 지칭되는 둘 이상의 분리된 섹션들로 분할함으로써 현저히 개선될 수 있다는 혁신적 고찰에 기초한다. 섬프 용기들 각각은 하나 이상의 사전결정된 흡수 스테이지들로부터 사용된 이온 용액을 수용하도록 배열된다. 다중 섬프 용기들의 사용은 유사한 조성 및 특성들을 갖는 하나 이상의 흡수 스테이지들로부터의 이온 용액이 제1 섬프 용기 내에 수집될 수 있으며, 제1 섬프 용기 내에 수집된 이온 용액의 조성 및 특성들과는 다른, 유사한 조성 및 특성들을 갖는 하나 이상의 다른 흡수 스테이지들로부터의 이온 용액이 제2 섬프 용기 내에 수집될 수 있기 때문에, 흡수기 용기 내의 사용된 이온 용액의 재순환을 용이하게 한다. 제1 및 제2 섬프 용기들 내에 수집된 이온 용액은 가능하게는 각각의 이온 용액의 조성 및 특성들의 조절 이후 원하는 흡수 단계로 재생될 수 있다. 따라서, 다수의 섬프 용기들의 사용은 예로서, 각 흡수 스테이지의 온도, 이온 용액 조성 및 유량 같은 동작 조건들이 넓은 범위 내에서 변할 수 있게 한다. 예로서, 하나 이상의 흡수 스테이지들은 고형물들의 석출을 초래하는 조건들 하에서 동작될 수 있으며, 하나 이상의 흡수 스테이지들은 고형물들의 석출을 초래하지 않은 조건들 하에서 동작된다.

흡수기 용기는 이온 용액 내의 CO₂의 흡수를 가능하게 하는 조건들 하에서 이온 용액 유동과 연도 가스 스트림을 접촉시킴으로써 연도 가스 스트림으로부터 CO₂의 흡수를 위해 구성된 적어도 제1 및 제2 흡수 스테이지들을 포함한다. 각 흡수 스테이지는 또한 본 명세서에서 "물질 전달 장치(mass transfer device)" 또는 "MTD"라 본 명세서에서 지칭되는 적어도 하나의 기액 접촉 물질 전달 장치를 포함한다.

제1 및 제2 흡수 스테이지들 각각은 각각의 흡수 스테이지에서 사용된 이온 용액을 수집하기 위한 액체 수집 용기를 더 포함한다. 제1 흡수 스테이지는 제1 흡수 스테이지로부터 이온 용액을 수집하고 이를 제1 섬프 용기로 전달하도록 배열된 액체 수집 리셉터클을 포함하고, 제2 흡수 스테이지는 제2 흡수 스테이지로부터 이온 용액을 수집하고 이를 제2 수집 용기로 전달하도록 배열된 액체 수집 리셉터클을 포함한다. 제1 및 제2 흡수 스테이지들 각각의 액체 수집 리셉터클들은 각각의 흡수 스테이지로부터 사용되는 이온 용액의 일부 또는 전부를 수집하도록 구성될 수 있다. 액체 수집 리셉터클들은 예로서, 경사진 수집 트레이 또는 버블 캡 트레이를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 제1 흡수 스테이지는 액체 분배 장치와 제1 섬프 용기로부터 액체 분배 장치로 이온 용액을 전달하도록 구성된 이온 용액 전달 경로를 포함한다.

바람직하게는, 제2 흡수 스테이지는 액체 분배 장치와 제2 흡수 용기로부터 액체 분배 장치로 이온 용액을 전달하도록 구성된 이온 용액 전달 경로를 포함한다.

섬프 용기들은 흡수기 용기로부터 분리된 별개의 용기들의 형태로 또는 흡수기 용기에 통합된 용기들의 형태로 또는 그 조합으로 제공될 수 있다. 각 섬프 용기는 사용된 이온 용액이 각 흡수 스테이지로부터 수집되고 섬프 용기로 안내되도록, 그리고, 섬프 용기로부터의 이온 용액이 흡수 스테이지들 중 하나 이상으로 재순환될 수 있도록 흡수기 용기의 흡수 스테이지들 중 하나 이상과 액체 접촉될 수 있다. 섬프 용기들 중 하나 이상은 바람직하게는 흡수기 용기의 저부 섹션에 의해 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 흡수기 용기는 저부 섹션을 포함하며, 제1 및 제2 섬프 용기는 저부 섹션의 두 개의 서브 섹션들에 의해 형성된다.

연도 가스 스트림으로부터 CO₂의 제거시 CO₂ 포획 시스템의 효율은 1) 흡수기 용기 내로 분무된 이온 용액의 온도(T) 및 2) 이온 용액 내에 포함된 CO₂에 대한 이온 용액 내에 포함된 암모니아의 몰 비율(R)에 크게 의존한다.

일반적으로, 온도가 낮을수록, 그리고, R 값이 낮을수록, 암모니아 기반 CO₂ 포획 시스템은 연도 가스 스트림으로부터의 CO₂의 제거시 덜 효율적이 된다. 이온 용액의 온도는 가열 및/또는 냉동 시스템들을 통해 제어될 수 있다. R 값은 예를 들어 이온 용액 내의 암모니아의 양을 제어함으로써 제어될 수 있다.

바람직하게는, CO₂ 포획 시스템의 흡수 스테이지들 중 적어도 하나는 고형물 암모늄 바이카보네이트가 형성되는 조건들 하에서 동작하도록 구성될 수 있다. 이온 용액 내의 고형물 암모늄 카보네이트 및 바이카보네이트의 형성은 이것이 이온 용액의 CO₂ 보유 용량을 증가시키기 때문에 유리할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 흡수 스테이지는 고형물 암모늄 바이카보네이트가 형성되는 조건들 하에서 동작하도록 구성된다. 고형물 암모늄 카보네이트 및 바이카보네이트의 형성을 촉진하는 적절한 조건들의 예들은 1.2 내지 2.0의 범위 이내 같은, 예로서, 1.4 내지 1.6의 범위의 2.0 보다 낮은 R 값 같은 이온 용액의 낮은 NH₃ 대 CO₂ 몰 비율(R)을 포함한다.

따라서, 일 실시예에서, 시스템은 1.2 내지 2.0의 범위의 제1 섬프 용기 내의 이온 용액의 NH₃ 대 CO₂ 몰 비율(R)을 유지하도록 구성된 제어 시스템을 더 포함한다.

원래 농도의 10% 미만 또는 5% 미만 같은 낮은 잔류 농도까지의 연도 가스로부터의 CO₂ 제거를 달성하기 위해, 적어도 하나의 흡수 스테이지는 높은 CO₂ 흡수 효율을 제공하는 조건들 하에서 동작하도록 구성될 수 있다. 높은 CO₂ 흡수 효율을 촉진하는 적절한 조건들의 예들은 1.8 보다 높은 R 값, 바람직하게는 2.0 내지 4.0의 범위, 예로서, 2.0 내지 2.5의 범위 같은 2.0 보다 높은 R 값 같은 높은 이온 용액의 NH₃ 대 CO₂ 몰 비율(R)을 포함한다.

일 실시예에서, 시스템은 2.0 내지 4.0의 범위, 예로서, 2.0 내지 2.5의 범위의 제2 섬프 용기 내의 이온 용액의 NH₃ 대 CO₂ 몰 비율(R)을 유지하도록 구성된 제어 시스템을 더 포함한다.

일 실시예에서, 제어 시스템은 섬프 용기 내의 이온 용액의 R 보다 높은 NH₃ 대 CO₂ 몰 비율(R)을 갖는 매체 또는 NH₃를 이온 용액 내로 도입하도록 구성된 장치를 포함한다. 예로서, 2.0의 R 값은 2.5 이상의 R 값을 갖는 매체의 도입에 의해 조절될 수 있다. 높은 R 매체는 예를 들어, 이온 용액 재생기로부터 제공될 수 있다. 이런 장치는 예로서, NH₃ 또는 높은 R 이온 용액을 위한 공급 탱크, 제어 값 및 펌프에 대한 유체 연결을 포함할 수 있다.

온도는 포획 시스템 내의 CO₂ 흡수를 위한 중요한 변수이다. 각 흡수 스테이지 내의 이온 용액의 온도는 예를 들어 필요한 CO₂ 제거 효율의 정도 및 고형물 암모늄 바이카보네이트의 형성이 필요한지 여부에 따라 선택될 수 있다. 또한, 암모니아 슬립, 증발되어 연도 가스 스트림 내로 통합되는 암모니아의 양이 허용가능한 수준으로 유지되도록 온도가 선택될 수 있다. 흡수기 용기의 흡수 스테이지들 내에 도입될 때 이온 용액의 온도는 일반적으로 0 내지 25℃의 범위일 수 있지만, 또한, 일부 경우들에서 더 높거나 더 낮을 수도 있다. 일 예로서, 5 내지 20℃의 범위의 온도는 허용가능한 암모니아 증발로 높은 CO₂ 포획 효율을 가능하게 한다.

일 실시예에서, 제1 흡수 스테이지의 이온 용액 전달 경로는 제1 흡수 스테이지의 액체 분배 장치에 전달되는 이온 용액의 온도를 제어하기 위한 열 교환 장치를 포함한다. 바람직하게는, 액체 분배 장치에 전달되는 이온 용액의 온도는 5 내지 20℃의 범위 내에 있도록 제어될 수 있다.

일 실시예에서, 제2 흡수 스테이지의 이온 용액 전달 경로는 제2 흡수 스테이지의 액체 분배 장치로 전달되는 이온 용액의 온도를 제어하기 위한 열 교환 장치를 포함한다. 액체 분배 장치로 전달되는 이온 용액의 온도는 바람직하게는 5 내지 20℃의 범위 내에 있도록 제어될 수 있다.

예로서, 0℃ 내지 20℃의 저온 및 예로서, 1.2 내지 2.0의 낮은 R 값들에서, 고형물 암모늄 바이카보네이트 입자들은 연도 가스 스트림과 접촉한 이후 이온 용액으로부터 석출될 수 있다. 이들 고형물들은 그와 접촉하여 배치되는 이온 용액에 의해 연도 가스 스트림으로부터 제거된 CO₂의 매우 높은 농도들(대략 55중량%)을 포함한다. 따라서, 이들이 높은 CO₂의 농도를 포함하고 이온 용액으로부터 쉽게 분리 및 제거될 수 있기 때문에 고형물들의 석출은 바람직하다.

일 실시예에서, 제1 흡수 스테이지는 고형물 입자들을 포함하는 이온 용액에서 동작하도록 구성된다.

연도 가스 스트림과의 접촉시, 이온 용액은 연도 가스 스트림에 포함될 수 있는 CO₂와 반응한다. 이 반응은 발열성이며, 이 때문에 흡수기 용기의 열의 발생을 초래한다. 이 열은 이온 용액 내에 포함된 암모니아 중 일부가 가스로 변하게 할 수 있다. 그후, 가스상 암모니아는 액체 이온 용액과 함께 하방으로 이동하는 대신, 연도 가스 스트림의 일부로서, 그리고, 그와 함께 흡수기 용기를 통해 상방으로 이동하며, 궁극적으로, 흡수기 용기의 출구를 통해 탈출한다. 시스템으로부터의 이러한 암모니아의 손실(암모니아 슬립)은 이온 용액 내의 암모니아의 몰 농도를 감소시킨다. 암모니아의 몰 농도가 감소하기 때문에, R 값(NH₃ 대 CO₂ 몰 비율)도 그러하다. R 값의 이러한 감소는 연도 가스 스트림으로부터 CO₂의 포획시 이온 용액의 효과의 감소에 대응한다.

암모니아 슬립의 양을 최소화하기 위해, CO₂ 포획 시스템의 최종 흡수 스테이지는 낮은 온도(T), 바람직하게는 예로서, 0℃ 내지 10℃의 온도에서 동작하도록 구성되는 것이 바람직할 수 있다. 이는 예로서, 흡수기 용기에 도입된 이온 용액의 온도를 제어함으로써 달성될 수 있다. 또한, 최종 흡수 스테이지는 바람직하게는 예로서 1.2 내지 2.0의 낮은 암모니아 대 CO₂ 몰 비율(R)을 갖는 제1 섬프 용기로부터의 이온 용액에서 동작하도록 구성될 수 있다. 선택적으로, 일부 실시예들에서, 최종 흡수 스테이지는 하이드로사이클론 같은 액체로부터 고체들을 분리시키기 위한 장치로부터 전달되는 낮은 R 이온 용액으로 동작하도록 구성될 수 있다. 이런 배열은 액체로부터 고형물들을 분리하기 위한 장치로부터 전달되는 낮은 R 이온 용액이 감소된 고형물들을 포함하기 때문에 바람직할 수 있으며, 이는 최종 흡수 스테이지에서 고형물들의 퇴적 및 막힘을 추가로 감소시킬 수 있다.

따라서, 일 실시예에서, 흡수기 용기는 제1 및 제2 흡수 스테이지들을 통과한 연도 가스를 수용하고 이를 이온 용액과 접촉시키도록 구성된 제2 흡수 스테이지를 더 포함한다.

제3 흡수 스테이지는 제1 섬프 용기로부터 액체 분배 장치로의 이온 용액을 전달하도록 구성된 이온 용액 전달 경로와 액체 분배 장치를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 섬프 용기로부터 액체 분배 장치로 이온 용액을 전달하도록 구성된 이온 전달 경로는 이온 용액 내의 고형물들의 양을 감소시키도록 구성된 장치를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 제3 흡수 스테이지의 이온 용액 전달 경로는 제3 흡수 스테이지의 액체 분배 장치에 전달되는 이온 용액의 온도를 제어하기 위한 열 교환 장치를 포함한다. 액체 분배 장치에 전달된 이온 용액의 온도는 바람직하게는 예를 들어, 약 5℃ 같은 10℃ 이하의 범위 내에 있도록 제어되는 것이 바람직할 수 있다.

암모니아 슬립, 즉, 저온 및 낮은 R 값을 최소화하기에 적합한 조건들은 흡수 스테이지 내의 고형물 암모늄 바이카보네이트의 석출을 유발할 수 있다. 따라서, 일 실시예에서, 제3 흡수 스테이지는 고형물 입자들을 포함하는 이온 용액으로 동작하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 다른 양태에서, CO₂를 포함하는 연도 가스 스트림으로부터 CO₂를 제거하기 위한 방법(본 명세서에서 "CO₂ 포획 방법"이라고도 지칭됨)이 제공되며, 이 방법은

a) 연도 가스 스트림으로부터 CO₂의 제1 부분을 제거하도록 연도 가스 스트림과 NH₃를 포함하는 제1 이온 용액의 유동을 접촉시키는 단계와,

b) 제1 섬프 용기 내에서 a) 단계로부터 사용된 이온 용액을 수집하는 단계와,

c) 제1 섬프 용기로부터 단계 a)로 이온 용액을 재순환시키는 단계와,

d) 연도 가스 스트림으로부터 CO₂의 제2 부분을 제거하도록 연도 가스 스트림과 NH₃를 포함하는 제2 이온 용액의 유동을 접촉시키는 단계와,

e) 제2 섬프 용기 내에서 단계 d)로부터 사용된 이온 용액을 수집하는 단계와,

f) 제2 섬프 용기로부터 단계 d)로 이온 용액을 재순환시키는 단계를 포함한다.

제2 양태의 방법은 본 발명의 제1 양태에 관하여 상술된 바와 같은 CO₂ 포획 시스템에서 바람직하게 수행될 수 있다.

개시된 CO₂ 포획 방법은 각 흡수 스테이지의 동작 조건들이 넓은 범위 내에서 변할 수 있게 한다. 예로서, 하나 이상의 흡수 스테이지들은 고형물의 형성을 초래하는 조건들 하에서 동작될 수 있으며, 하나 이상의 흡수 스테이지들은 고형물들의 석출을 초래하지 않은 조건들 하에서 동작된다. 유사한 조성 및 특성들을 갖는 하나 이상의 흡수 단계들로부터의 이온 용액이 제1 섬프 용기에 수집될 수 있으며, 제1 섬프 용기 내에 수집된 이온 용액의 조성 및 특성들과는 다른, 유사한 조성 및 특성들을 갖는 하나 이상의 다른 흡수 단계들로부터의 이온 용액은 제2 섬프 용기 내에서 수집될 수 있기 때문에, 이 방법은 흡수기 용기 내의 사용된 이온 용액의 재순환을 촉진한다. 예로서, 이온 용액 내의 고형물 암모늄 카보네이트 및/또는 바이카보네이트의 형성을 초래하는 흡수 단계들로부터의 이온 용액은 제1 섬프 용기 내에 수집될 수 있고, 이온 용액 내의 고형물 암모늄 카보네이트 및/또는 바이카보네이트의 형성을 초래하지 않는 흡수 단계들로부터의 이온 용액이 제2 섬프 용기 내에 수집될 수 있다.

예로서, 0℃ 내지 20℃의 낮은 온도들 및 예로서 1.2 내지 2.0의 낮은 R 값들에서, 고형물 암모늄 바이카보네이트 입자들은 이온 용액이 연도 가스 스트림과 접촉한 이후 이온 용액으로부터 석출된다. 이들 고형물들은 그와 접촉하여 배치된 이온 용액에 의해 연도 가스 스트림으로부터 제거된 매우 높은 농도의 CO₂(대략 55중량%)를 포함한다. 따라서, 고형물들의 석출이 바람직하며, 그 이유는 이들이 높은 CO₂의 농도들을 포함하며, 이온 용액으로부터 쉽게 분리 및 제거될 수 있기 때문이다.

따라서, 일 실시예에서, 이 방법의 단계 a)는 고형물 암모늄 바이카보네이트가 형성되도록 하는 조건들 하에서 수행된다.

일 실시예에서, 제1 이온 용액은 1.2 내지 2.0의 범위의 NH₃ 대 CO₂ 몰 비율(R)을 갖는다.

일 실시예에서, 이 방법은 또한 제1 섬프 용기 내의 이온 용액의 NH₃ 대 CO₂ 몰 비율(R)이 1.2 내지 2.0이 되도록 조절하는 단계를 더 포함한다.

일 실시예에서, NH₃ 대 CO₂ 몰 비율(R)의 조절은 섬프 용기 내의 이온 용액의 R 보다 높은 NH₃ 대 CO₂ 몰 비율(R)을 갖는 매체 또는 NH₃를 이온 용액으로 도입함으로써 달성된다. 일 실시예에서, 매체는 제2 섬프 용기로부터의 이온 용액일 수 있다.

일 실시예에서, 이 방법의 단계 d)는 실질적으로 어떠한 고형물 암모늄 바이카보네이트가 형성되도록 하는 조건들 하에서 수행된다.

연도 가스로부터 원래 농도의 10% 미만 또는 5% 미만 같은 낮은 잔류 농도까지 하강하도록 CO₂의 제거를 달성하기 위해, 적어도 하나의 흡수 스테이지는 높은 CO₂ 흡수 효율을 제공하는 조건들 하에서 동작하도록 구성될 수 있다. 높은 CO₂ 흡수 효율을 촉진하는 적절한 조건들의 예들은 1.8보다 높은, 바람직하게는 2.0 내지 4.0의 범위, 예로서, 2.0 내지 2.5의 범위 같은 2.0보다 높은 R값 같은 이온 용액의 높은 NH₃ 대 CO₂ 몰 비율(R)을 포함한다.

따라서, 일 실시예에서, 제2 이온 용액은 2.0 내지 4.0의 범위의 NH₃ 대 CO₂ 몰 비율(R)을 갖는다.

일 실시예에서, 이 방법은 제2 섬프 용기 내의 이온 용액의 NH₃ 대 CO₂ 몰 비율(R)을 2.0 내지 4.0의 범위 내에 있도록 조절하는 단계를 더 포함한다.

일 실시예에서, NH₃ 대 CO₂ 몰 비율(R)의 조절은 섬프 용기 내의 이온 용액의 R보다 높은 NH₃ 대 CO₂ 몰 비율(R)을 갖는 매체 또는 NH₃를 이온 용액 내로 도입함으로써 달성된다.

일 실시예에서, 단계 a) 내의 제1 이온 용액의 온도는 5 내지 20℃의 범위 내에 있도록 제어된다.

일 실시예에서, 단계 d) 내의 제2 이온 용액의 온도는 5 내지 20℃의 범위 내에 있도록 제어된다.

암모니아 슬립의 양을 최소화하기 위해, CO₂ 포획 시스템의 최종 흡수 스테이지는 바람직하게는 낮은 온도(T), 예로서, 0℃ 내지 10℃로 동작하도록 구성될 수 있다. 또한, 최종 흡수 스테이지는 바람직하게는 예로서 1.2 내지 2.0의 낮은 NH₃ 대 CO₂ 몰 비율(R)을 갖는 제1 섬프 용기로부터의 이온 용액으로 동작하도록 구성될 수 있다.

일 실시예에서, 이 방법은 연도 가스 스트림으로부터의 CO₂의 제3 부분을 제거하도록 연도 가스 스트림과 1.2 내지 2.0의 범위의 NH₃ 대 CO₂ 몰 비율(R)을 갖는, NH₃를 포함하는 제3 이온 용액의 유동을 접촉시키는 단계를 더 포함한다. 바람직하게는, 제3 이온 용액의 온도는 10℃ 이하의 범위 내에 있도록 제어될 수 있다.

도 1은 두 개의 섬프 용기들을 갖는 다단 흡수기 용기를 포함하는 CO₂ 포획 시스템의 일 실시예를 개괄적으로 도시하는 도면이다.

제시된 발명의 일 실시예가 도 1에 개괄적으로 도시되어 있다. 본 실시예에서, 세 개의(3) 흡수 스테이지들을 포함하는 CO₂ 포획 시스템이 제공된다. 그러나, 본 발명의 개념 또는 정신으로부터 벗어나지 않고 포획 시스템의 더 많거나 더 적은 수의 흡수 스테이지들을 포함하는 것이 가능하다.

도 1을 참조하면, 단일 흡수기 용기(101)가 제공된다. 흡수기 용기(101)는 용기(101)의 저부 부근에 위치된 입구(102)를 통해 연도 가스 스트림(FG)을 수용하도록, 그리고, 용기(101)의 상단 부근에 위치된 출구(103)를 통해 배출되도록 흡수기 용기(101)를 통해 상방으로 연도 가스 스트림(FG)이 통과할 수 있게 하도록 구성된다.

흡수기 용기(101)에 진입하는 연도 가스 스트림(FG)은 통상적으로 1% 미만의 습도와 낮은 농도의 SO₂, SO₃, HCl 및 미립자 물질(PM)을 통상적으로 포함하며, 이들은 통상적으로 CO₂ 포획 시스템으로부터 상류의 공기 오염 제어 시스템들(미도시)을 통해 제거된다. 예로서, 연도 가스 스트림은 통상적으로 50 ppmv 미만의 SO₂, 5 ppmv 미만의 SO₃, 1 ppmv 미만의 HCl 및/또는 100 mg/nm³ 미만의 PM을 포함한다.

흡수기 용기(101)는 이온 용액을 사용하여 연도 가스 스트림 내에 포함될 수 있는 CO₂를 흡수하도록 구성된다. 양호한 실시예에서, 이온 용액은 예로서, 물 및 암모늄 이온들, 바이카보네이트 이온들, 카보네이트 이온들 및/또는 카바메이트 이온들로 구성될 수 있다.

CO₂ 포획 시스템은 세 개의 흡수 스테이지들(104, 105, 106)을 포함하고, 제1 흡수 스테이지(104) 및 제3 흡수 스테이지(106)는 제1 섬프 용기(107)에 연결되며, 제2 흡수 스테이지(105)들은 이하에 상세히 설명된 방식으로 제2 섬프 용기(108)에 연결되어 있다.

CO₂ 포획 시스템은 제1 섬프 용기(107) 및 제2 섬프 용기(108)로서 본 명세서에서 지칭되는 두 개의 별개의 이온 용액 섬프 용기들(107, 108)을 포함한다. 용어 "별개"는 일반적으로 제1 섬프 용기 내의 이온 용액이 제2 섬프 용기 내의 이온 용액과 연속적으로 액체 접촉하지 않는다는 것을 의미한다. 비록 제1 및 제2 섬프 용기들은 연속적으로 액체 접촉하지 않지만, 시스템은 또한 제2 섬프 용기(108)로부터 제1 섬프 용기(107)로 이온 용액을 전달하기 위한 도관(109)을 더 포함할 수 있다.

제1 섬프 용기(107)는 액체 수집 리셉터클(110)을 통해 제1 흡수 스테이지(104)로부터, 그리고, 액체 수집 리셉터클(112)을 통해 제3 흡수 스테이지(106)로부터 사용된 이온 용액을 수용하도록 배열된다. 제2 섬프 용기(108)는 액체 수집 리셉터클(111)을 통해 제2 흡수 스테이지(105)로부터 사용된 이온 용액을 수용하도록 배열된다. 제1 섬프 용기는 용액 전달 경로(113) 및 액체 분배 장치(114)를 통해 제1 흡수 스테이지에, 그리고, 용액 전달 경로(117) 및 액체 분배 장치(118)를 통해 제3 흡수 스테이지에 이온 용액을 공급하도록 배열된다. 제2 섬프 용기는 용액 전달 경로(115)와 액체 분배 장치(116)를 통해 제2 흡수 스테이지에 이온 용액을 공급하도록 배열된다. 제1 및/또는 제2 섬프 용기들은 재생기(미도시)로부터 CO₂ 희박 이온 용액을 수용하고 및/또는 NH₃를 구성하도록 추가로 구성된다.

도 1에 도시된 실시예에서, 제1 섬프 용기(107) 및 제2 섬프 용기(108)는 제1 흡수 스테이지 아래의 흡수기 용기의 저부 부분(119)의 2개 서브 섹션들에 의해 형성된다.

CO₂ 포획 시스템은 제1 및 제2 섬프 용기 내의 NH₃ 대 CO₂ 몰 비율(R)을 원하는 범위 이내가 되도록 제어하기 위한 제어 시스템을 더 포함할 수 있다. 제어 시스템은 예를 들어, pH 값, 암모니아 농도 및/또는 CO₂ 농도 같은 관련 파라미터들의 자동 또는 수동 측정을 위한 센서들 및 예를 들어, NH₃의 구성 및/또는 CO₂의 제거의 추가에 의해 이런 파라미터들을 조절하기 위해 구성된 액체 연결부들, 밸브들 및 펌프들 같은 장치들을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 시스템은 자동 제어기(134)를 포함할 수 있으며, 이에 의해, NH₃ 대 CO₂ 몰 비율(R)이 제1 및 제2 섬프 용기 내에서 원하는 값으로 유지된다. 예로서, 자동 제어기(134)는 제1 및 제2 섬프 용기들(107, 108)의 센서들(135, 136)로부터 R 값을 나타내는 입력 신호들을 수신하는 범용 목적 컴퓨터, 용도 특정 연산 장치 또는 다른 프로그램가능한 제어기일 수 있다. 자동 제어기(134)는 제1 섬프 용기(107) 내의 R을 원하는 범위 이내로 유지하기 위해 펌프(137), 제어 밸브 또는 다른 유체 유동 조절 장치에 제어 신호들을 제공할 수 있으며, 그리고, 제2 섬프 용기(108) 내의 R을 원하는 범위로 유지하기 위해 재생기로부터 NH₃ 구성 공급물 및/또는 희박 용액 공급물에 제어 신호를 제공할 수 있다. 일 실시예에서, 제1 섬프 용기 내의 R 값은 도관(109)을 통해 제2 섬프 용기로부터 높은 R 이온 용액으로 고형물 암모늄 바이카보네이트를 포함하는 이온 용액의 일부를 대체함으로써 1.2 내지 2.0의 범위 이내로 유지되며, 제2 섬프 용기 내의 R 값은 제1 섬프 용기에 전달되는 이온 용액의 일부를 재생기 및/또는 구성 NH₃로부터 CO₂ 희박 이온 용액으로 대체함으로써 2.0 내지 4.0의 범위 이내로 유지된다.

각 흡수 스테이지(104, 105, 106)는 하나 이상의 적절한 기액 물질 전달 장치들(MTD)(120, 121 및 122), 액체 분배 장치(114, 116, 118) 및 용액 전달 경로(SDP)(113, 115, 117)를 포함하도록 구성된다.

각 질량 전달 장치(120, 121, 122)는 CO₂가 흡수되게 되는 예로서, 용해된 및/또는 현탁된 암모늄 이온들, 카보네이트 이온들, 암모늄 바이카보네이트 및/또는 카바메이트 이온들의 혼합물을 포함하는 이온 용액에 역방향 흐름으로 연도 가스가 흡수기 용기(101)를 통해 상향 유동할 때 이온 용액을 연도 가스 스트림(FG)과 접촉시키도록 구성된다. 물질 전달 장치들(MTD)(120, 121, 122)은 예로서, 구조화된 또는 랜덤 팩킹 재료들일 수 있다.

액체 분배 장치(들)(114, 116, 118)은 흡수 용기(101) 내로 이온 용액을 도입하도록 구성된다. 각 액체 분배 장치는 예로서, 하나 이상의 스프레이 헤드 노즐들 및/또는 천공부들, 구멍들 및/또는 슬롯들을 갖는 도관 또는 그 조합으로서 구성될 수 있다.

각 SDP(113, 115, 117)는 액체 분배 장치(114, 116, 118, 각각)를 통해 각각의 흡수 스테이지에 이온 용액의 유동(이온 용액 유동)을 전달하도록 구성된다. 각 SDP는 바람직하게는 SDP를 통해 펌핑되는 이온 용액을 냉각하기 위해 예로서, 열 교환 장치 같은 하나 이상의 냉각 시스템들을 포함한다. 또한, 바람직하게는 제어 시스템은 이온 용액의 유동을 제어하고 사전결정된 레벨로 또는 사전결정된 온도 범위 이내로 이온 용액 온도를 유지하기 위해 제공된다. 제어 시스템은 하나 이상의 온도 센서로부터 입력 신호들을 수신하고 이온 용액의 가열 또는 냉각을 실행하기 위해 열 교환 장치에 제어 신호들을 제공하는 제어기, 예로서, 범용 목적 컴퓨터, 용도 특정 연산 장치 또는 다른 프로그램가능한 제어기를 포함할 수 있다. 제어 시스템은 바람직하게는 이온 용액의 R 값을 제어하기 위해 상술한 제어 시스템과 통합될 수 있으며, 제어기, 예를 들어 연산 장치는 바람직하게는 동일할 수 있다. 도 1을 참조로, 제1 흡수 스테이지(104)는 열 교환기(124)와 펌프(123)를 통해 액체 분배 장치(114)와 제1 섬프 용기(107)를 연결하는 도관/배관으로 구성된 SDP(113)를 포함한다. 제2 흡수 스테이지(105)는 열 교환기(126) 및 펌프(125)를 통해 액체 분배 장치(116)에 제2 섬프 용기(108)를 연결하는 도관/배관으로 구성된 SDP(115)를 포함한다. 제3 흡수 스테이지(106)는 펌프(123), 열 교환기(124) 및 열 교환기(127)를 통해 액체 분배 장치(118)와 제1 섬프 용기(107)와 연결하는 도관/배관으로 구성된 SDP(117)를 포함한다.

각 흡수 스테이지(104, 105, 106)는 각 MTD(120, 121, 122)를 통과한 이온 용액을 수집하기 위한 장치를 포함할 수 있다. 각각의 이런 액체 수집 리셉터클(110, 111, 112)은 각각의 MTD를 통과한 액체의 일부 또는 모두를 수집하도록 구성될 수 있다. 각 액체 수집 리셉터클은 예로서 각각의 MTD를 통과한 이온 용액의 실질적 모두, 즉, 98% 또는 그 이상 같은 약 95% 또는 그 이상을 수집하도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 각 MTD를 통과한 이온 용액의 대부분, 예로서, 70% 초과 또는 90% 초과 같이 50%를 초과한 이온 용액이 수집될 수 있다. 바람직하게는, 액체 수집 리셉터클들은 흡수기 용기(101)를 통해 상승하는 연도 가스가 액체 수집 리셉터클들을 통해 또는 그와 나란히 통과할 수 있도록 배열 또는 구성될 수 있다. 액체 수집 리셉터클들은 예로서 경사진 수집 트레이 또는 버블 캡 트레이를 포함할 수 있다. 액체 수집 리셉터클들은 또한 액체 수집 리셉터클들에 의해 수집된 액체의 제거를 위해 구성된 하나 이상의 액체 출구들을 포함할 수 있다. 제1 흡수 스테이지의 액체 수집 리셉터클(110)은 제1 섬프 용기에 안내되는 액체 수집 리셉터클에 의해 수집된 사용된 이온 용액이 재생될 수 있게 하는 도관(129)을 통해 제1 섬프 용기(107)에 연결된다. 제2 흡수 스테이지의 액체 수집 리셉터클(111)은 제2 섬프 용기로 안내되는 액체 수집 용기에 의해 수집된 사용된 이온 용액이 재순환될 수 있게 하는 도관(130)을 통해 제2 섬프 용기(108)에 연결된다. 제3 흡수 스테이지의 액체 수집 리셉터클(112)은 제1 섬프 용기에 안내될 액체 수집 리셉터클에 의해 수집된 사용된 이온 용액이 재순환될 수 있게 하는 도관(131)을 통해 제1 섬프 용기(107)에 연결된다.

액체 수집 리셉터클들은 또한 고형물들의 축적 및 퇴적물 형성을 방지하기 위해 플러시 시스템(flush system)(미도시)을 더 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 흡수 스테이지의 MTD를 통과한 액체는 흡수기 용기의 저부 부분에 직접적으로 수집될 수 있다. 이런 실시예들에서, 제1 흡수 스테이지를 위해 어떠한 더 이상의 액체 수집 리셉터클도 필요하지 않을 수 있다.

제1 흡수 스테이지(104)는 연도 가스 스트림과 SDP(113)을 통해 제1 섬프 용기(107)로부터 수용된 낮은 R 이온 용액을 접촉시키도록 구성된다. 이 이온 용액은 제1 섬프 용기(107)로부터 펌프(123)를 통해 액체 분배 장치(114)로 펌핑되며, 액체 분배 장치는 이온 용액을 하방으로, 그리고, 물질 전달 장치(120) 상으로 분무한다. 이 방식으로, 연도 가스 스트림(FG)은 액체 분배 장치(114)로부터 분무된 이온 용액과 접촉하게 된다. 흡수 스테이지(104)의 이온 용액의 온도는 바람직하게는 5℃ 내지 20℃ 이상의 범위 내에 있도록 제어된다. 흡수 스테이지(104)에서 FG로부터 포획된 CO₂는 암모늄 카보네이트 및 바이카보네이트의 석출과 함께 이온 용액을 형성한다. 이온 용액이 연도 가스 스트림(FG)과 접촉된 이후에, 이는 CO₂가 농후해진다(농후 용액). 이런 CO₂ 농후 용액은 흡수 스테이지(104)로부터 도관(129)을 통해 제1 섬프 용기(107)로 방출된다. 제1 섬프 용기(107) 내에 수집된 고형물들은 분리되어 고형물 수집 탱크(132)에 전달될 수 있다. 제1 섬프 용기(107)의 이온 용액의 일부는 액체의 암모니아 대 CO₂ 몰 비율(R)을 증가시키도록 재생기 시스템(미도시)에 펌핑될 수 있다.

제1 흡수 스테이지의 MTD(120)는 바람직하게는 고형물 입자들에 의한 막힘에 덜 민감해지도록 구성될 수 있다. 예로서, MTD(120)의 팩킹 재료의 유형 및 크기는 고형물 입자들의 막힘 및 퇴적을 향한 민감성의 감소를 위해 선택될 수 있다. 본 기술 분야의 숙련자는 공지된 크기, 형상 및 양의 입자를 포함하는 액체로 동작하도록 적절한 팩킹 재료를 쉽게 선택할 수 있다.

제2 흡수 스테이지(105)는 높은 수준의 CO₂ 포획 효율로 동작하도록 구성된다. 일 실시예에서, 흡수 스테이지(105)는 예로서 연도 가스 스트림(FG) 내에 포함될 수 있는 CO₂의 50 내지 90%를 포획하도록 구성된다. 여기서, 제2 섬프 용기(108)로부터의 높은 R CO₂ 희박 이온 용액은 액체 분배 장치(116)를 통해 MTD(121) 상으로 분무된다. 스프레이 시스템(116)을 통해 분무된 높은 R CO₂ 희박 용액은 연도 가스 스트림이 제2 흡수 스테이지의 MTD(121)를 통해 상방으로 제1 흡수 스테이지(104)로부터 유동할 때 연도 가스 스트림(FG)과 접촉한다.

제2 흡수 스테이지의 MTD(121)는 바람직하게는 CO₂ 포획 효율을 제공하도록 구성될 수 있다. 제2 흡수 스테이지의 MTD(121)의 팩킹 재료의 유형 및 크기는 연도 가스(FG)와 이온 용액 사이의 고 표면 접촉 영역을 제공하도록 선택될 수 있다. 제2 흡수 스테이지의 MTD에 사용하기에 적합한 팩킹 재료는 본 기술 분야의 숙련자들에 의해 쉽게 선택될 수 있다.

흡수기 용기(101)는 이전 흡수 스테이지들로부터의 암모니아 슬립의 감소 및 연도 가스로부터 CO₂의 추가적 제거를 위해 제3 흡수 스테이지(106)를 선택적으로 더 포함할 수 있다.

제2 흡수 스테이지(105)로부터 흡수 용기(101) 내에서 상방으로 상승하는 연도 가스는 낮은 농도의 CO₂(예로서, 10% 미만의 FG 입구에서의 농도) 및 비교적 높은 농도의 NH₃(예로서, 5000 ppm 내지 30000 ppm)를 포함한다. 제2 흡수 스테이지(105)로부터의 연도 가스 내의 높은 농도의 암모니아(암모니아 슬립)는 제2 흡수 스테이지(105) 내의 이온 용액의 높은 R의 결과이다. 제2 흡수 스테이지(105)에서 증발된 암모니아의 대부분은 제3 흡수 스테이지(106)를 통해 이온 용액 내로 다시 재포획될 수 있으며, 제3 흡수 스테이지는 바람직하게 더 낮은 R 값 및 더 낮은 온도에서 동작한다.

제3 흡수 스테이지(106)에서, 낮은 R(예로서, 1.2 내지 2.0의 범위 이내 같은 2.0 미만인) 및 낮은 온도(예로서, 10℃ 미만, 바람직하게는 약 5℃)를 갖는 이온 용액의 비교적 작은 유동이 액체 분배 장치(118)를 통해 MTD(122) 상으로 분무되며, MTD(122)를 통해 상방으로 유동할 때 연도 가스 스트림(FG)과 접촉된다. 제3 흡수 스테이지(106)로부터 방출된 이온 용액은 바람직하게는 도관(131)을 통해 제1 섬프 용기(107) 내에 수집될 수 있다.

바람직하게는, 제3 흡수 스테이지의 MTD(122)는 고형물 입자들에 의한 막힘에 덜 민감하도록 구성될 수 있다. 예로서, MTD(122)의 팩킹 재료의 유형 및 크기는 고형물 입자들의 퇴적 및 막힘을 향한 민감성을 감소시키도록 선택될 수 있다. 본 기술 분야의 숙련자는 공지된 크기, 형상 및 양의 입자들을 포함하는 액체로 동작하기 위한 적절한 팩킹 재료를 쉽게 선택할 수 있다.

흡수기 용기(101)는 제1 섬프 용기(107)의 저부에 수집된 이온 용액의 선택적으로 하이드로사이클론(133)을 통해 고형물 수집 탱크(132)로의 순환을 제공하도록 구성될 수 있다. 하이드로사이클론은 이온 용액이 고형물 수집 탱크(132)로 전송되기 이전에 이온 용액의 고형물 함량을 증가시키도록 사용될 수 있다. 감소된 양의 고형물들을 포함하는 하이드로 사이클론으로부터의 과류물은 제3 흡수 스테이지로 전송될 수 있다.

흡수 스테이지들(104, 105, 106) 각각은 CO₂ 흡수 프로세스의 특정 위상을 수행하도록 구성된다. 예로서, 스테이지(104)는 프로세스의 페이즈 1을 수행하도록 구성되며, 이 페이즈 1에 의해 연도 가스 내에 포함된 CO₂의 일부가 포획된다. 스테이지(105)는 프로세스의 페이즈 2를 수행하도록 구성되며, 이 페이즈 2에 의해 연도 가스 내에 수용된 CO₂의 추가적 부분이 포획된다. 스테이지(106)는 프로세스의 페이즈 3을 수행하도록 구성된다. 페이즈 3에서, 연도 가스 내에 포함된 CO₂의 추가적 부분이 포획된다.

양호한 실시예에서, 연도 가스가 입구(102)에 진입할 때 연도 가스 스트림(FG) 내에 포함된 CO₂의 40%와 90% 사이가 페이즈들 1-3을 겪은 이후에, 그리고, 출구(103)를 벗어나기 이전에 연도 가스 스트림으로부터 제거된다. 각 페이즈는 사전결정된 순서로 수행되거나 수행되지 않을 수 있다.

CO₂ 흡수 프로세스의 페이즈 1에서, 연도 가스 스트림 내에 포함된 CO₂의 일부는 연도 가스 스트림과 제1 섬프 용기(107)로부터의 이온 용액을 접촉시키는 것을 통해 제거된다. 페이즈 1 동안 이온 용액의 온도는 CO₂ 흡수 프로세스의 페이즈 2 또는 페이즈 3에서 이온 용액의 온도보다 높아지도록 제어된다. 예로서, 페이즈 1에서, 이온 용액의 온도는 5℃ 내지 20℃의 범위 내에 있도록 제어된다. 페이즈 1의 이온 용액의 R 값은 예로서 1.2 내지 2.0으로 낮다.

페이즈 1 동안, 고 농도의 CO₂를 포함하는 암모늄 카보네이트 및 바이카보네이트의 고형물들은 이온 용액으로부터 석출될 수 있다.

가능하게는 암모늄 카보네이트 및 바이카보네이트의 고형물들을 포함하는 CO₂ 농후 이온 용액은 액체 수집 리셉터클을 통해 수집되고 제1 섬프 용기(107)에 전달된다.

후속하여, 고형물들은 이온 용액으로부터 분리되고 예로서, 하이드로사이클론을 통해 제거될 수 있다. 고형물들이 이온 용액으로부터 제거되고 나면, 이온 용액은 CO₂가 더욱 희박해지고(즉, 더 적은 CO₂를 포함하고, 연도 가스 스트림으로부터 더 많은 CO₂를 포획하기 위해 사용될 수 있다.

제1 섬프 용기 내의 이온 용액의 NH₃ 대 CO₂ 몰 비율(R)은 예를 들어, 재생기로부터의 CO₂ 희박 이온 용액 같은 NH₃의 용액 또는 순수 NH₃ 형태로 공급될 수 있는 구성 NH₃의 추가에 의해 1.2 내지 2.0의 범위 이내가 되도록 제어된다. 일 실시예에서, 구성 NH₃는 제1 이온 용액보다 높은 R 값을 갖는 제2 이온 용액의 형태로 공급될 수 있다. 제1 섬프 용기 내의 이온 용액의 NH₃ 대 CO₂ 몰 비율은 용기 내에 축적된 고형물 암모늄 카보네이트 및 바이카보네이트의 제거에 의해 추가로 제어될 수 있다. 고형물 암모늄 바이카보네이트는 CO₂가 높고, 그 제거는 제1 이온 용액의 R 값의 증가를 초래한다.

페이즈 2의 이온 용액의 온도는 바람직하게는 5℃ 내지 20℃의 범위 내에 있도록 제어되며, 이온 용액의 R 값은 예로서, 2.0 내지 4.0의 범위, 바람직하게는 2.0 내지 2.5의 범위로 페이즈 1에서보다 높다. 페이즈 2의 이온 용액은 바람직하게는 제 2 섬프 용기로부터 제공된다. 페이즈 2의 이온 용액은 반응성이 높으며 연도 가스의 CO₂ 함량의 대부분을 포획할 수 있다. 그러나, 페이즈 2 내의 반응성 이온 용액은 페이즈 2를 벗어나 CO₂ 흡수 프로세스의 제3 스테이지(106)(페이즈 3)로 흐르는 연도 가스 내의 비교적 높은 암모니아 농도를 초래하는 암모니아의 비교적 높은 증기압을 갖는다.

페이즈 2로부터 CO₂ 농후 제2 이온 용액은 제2 흡수 스테이지의 액체 수집 리셉터클을 통해 수집되고 제2 섬프 용기(108)로 전달된다.

제2 섬프 용기 내의 이온 용액의 NH₃ 대 CO₂ 몰 비율(R)은 예를 들어, 순수 NH₃ 또는 재생기로부터의 CO₂ 희박 이온 용액 같은 NH₃의 용액의 형태로 공급될 수 있는 구성 NH₃의 추가에 의해 2.0 내지 4.0의 범위 이내가 되도록 제어된다.

페이즈 3 동안, 가스 암모니아의 손실은 이온 용액으로부터의 암모니아의 증기 압력을 저하시키도록, 그리고, 따라서, 페이즈 3의 가스 페이즈 내의 암모니아 농도를 감소시키도록 이온 용액의 R 값 및 온도를 제어함으로써 최소화된다. 암모니아 증기 압력을 감소시키고 액체 이온 용액의 일부로서 대부분의 암모니아를 유지함으로써, 시스템으로부터의 암모니아 손실들은 최소화될 것이다. 암모니아 슬립의 이러한 감소는 더 높은 레벨로, 예로서, 1.2 내지 2.0으로 NH₃ 대 CO₂ 몰 비율(R)을 유지하는 것을 돕는다. 결과적으로, 연도 가스 스트림으로부터의 CO₂ 제거의 시스템의 효율성은 보전되거나 다른 방식으로 열화되지 않는다. 페이즈 3에서의 이온 용액의 온도는 예로서, 0℃ 내지 10℃의 범위 내에 있도록 제어된다.

제1 및 제2 섬프 용기 내의 NH₃ 대 CO₂ 몰 비율(R)이 원하는 범위 이내가 되도록 제어하는 것은 예를 들어 pH 값, 암모니아 농도 및/또는 CO₂ 농도 같은 관련 파라미터들의 자동 또는 수동 측정 및 구성 NH₃의 추가 및/또는 CO₂의 제거에 의한 이런 파라미터들의 조절에 의해 달성될 수 있다. 바람직하게는, 시스템은 자동 제어기(134)를 포함할 수 있으며, 이에 의해 NH₃ 대 CO₂ 몰 비율은 제1 및 제2 섬프 용기 내에서 원하는 값들로 유지된다. 일 실시예에서, 제1 섬프 용기 내의 R은 고형물 암모늄 바이카보네이트를 포함하는 이온 용액의 일부를 제2 섬프 용기로부터의 높은 R 이온 용액으로 대체함으로써 1.2 내지 2.0의 범위로 유지되며, 제2 섬프 용기 내의 R은 제1 섬프 용기에 전달되는 이온 용액의 부분을 구성 NH₃ 및/또는 재생기로부터의 CO₂ 희박 이온 용액과 대체함으로써 2.0 내지 4.0의 범위로 유지된다. 예로서, 자동 제어기(134)는 범용 목적 컴퓨터, 용도 특정 연산 장치 또는 다른 프로그램가능한 제어기일 수 있으며, 이는 제1 및 제2 섬프 용기들(107, 108) 내의 센서들(135, 136)로부터의 R 값을 나타내는 입력 신호들을 수신한다. 자동 제어기(134)는 제1 섬프 용기(107) 내의 R을 원하는 범위 이내로 유지하도록 펌프(137), 제어 밸브 또는 다른 유체 유동 조절 장치에 제어 신호들을 제공할 수 있으며, 제2 섬프 용기(108)에서 원하는 범위로 R을 유지하도록 재생기로부터의 희박 용액 공급 및/또는 NH₃ 구성물 공급에 제어 신호들을 제공할 수 있다.

제2 흡수 스테이지(105) 및 제1 흡수 스테이지(104)로부터 배출된 열은 비교적 높은 온도(5℃까지 내지 20℃)로 이루어진다. 이러한 냉각은 주변 조건들이 이를 가능하게 하는 경우 해수 또는 냉각 타워에 의해 달성될 수 있으며, 따라서, 용액을 현저히 냉각시키기 위한 전체 요구를 감소시킨다. 냉각된 물이 사용될 때, 더 높은 온도의 이온 용액을 냉각시키기 위한 파워 소비는 저온 이온 용액을 냉각시키기 위해 필요한 파워보다 매우 낮다.

본 발명의 상술한 실시예들, 특히, 임의의 "양호한" 실시예들은 단지 가능한 구현예들의 예들이며, 본 발명의 원리들의 명확한 이해를 위해 기술된 것이라는 것을 이해하여야 한다. 본 발명의 개념 및 원리들로부터 실질적으로 벗어나지 않고 본 발명의 상술한 실시예(들)에 다수의 변형들 및 변경들이 이루어질 수 있다. 이런 모든 변경들 및 변형들은 본 발명 및 본 내용의 범주 내에서 본 명세서에 포함되고, 이하의 청구범위들에 의해 보호되는 것으로 이해되어야 한다.

Claims

연도 가스 스트림으로부터 이산화탄소를 제거하기 위한 시스템에 있어서,
연도 가스 스트림을 수용하도록 구성된 흡수기 용기를 포함하고,
상기 흡수기 용기는
상기 연도 가스 스트림을 수용하고 이를 제1 이온 용액과 접촉시키도록 구성된 제1 흡수 스테이지와,
상기 제1 흡수 스테이지를 통과한 연도 가스를 수용하고 이를 제2 이온 용액과 접촉시키도록 구성된 제2 흡수 스테이지와,
제1 섬프 용기 및
제2 섬프 용기를 포함하고,
상기 제1 흡수 스테이지는 상기 제1 흡수 스테이지로부터 이온 용액을 수집하고 이를 상기 제1 섬프 용기로 전달하도록 배열된 액체 수집 리셉터클을 포함하고, 상기 제2 흡수 스테이지는 상기 제2 흡수 스테이지로부터 이온 용액을 수집하고 이를 상기 제2 섬프 용기로 전달하도록 배열된 액체 수집 리셉터클을 포함하는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 흡수기 용기는 제1 및 제2 섬프 용기가 상기 저부 섹션의 두 개의 서브 섹션들에 의해 형성되는 저부 섹션을 포함하는 시스템.
제1항에 있어서, 1.2 내지 2.0의 범위로 상기 제1 섬프 용기 내의 상기 이온 용액의 NH₃ 대 CO₂ 몰 비율(R)을 유지하도록 구성된 제어 시스템을 더 포함하는 시스템.
제3항에 있어서, 2.0 내지 4.0의 범위로 상기 제2 섬프 용기 내의 상기 이온 용액의 NH₃ 대 CO₂ 몰 비율(R)을 유지하도록 구성된 제어 시스템을 더 포함하는 시스템.
제3항에 있어서, 상기 제어 시스템은 상기 섬프 용기 내의 상기 이온 용액의 R보다 높은 NH₃ 대 CO₂ 몰 비율(R)을 갖는 매체 또는 NH₃를 상기 이온 용액 내에 도입하도록 구성된 장치를 포함하는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제1 흡수 스테이지는 액체 분배 장치와,
상기 제1 섬프 용기로부터 상기 액체 분배 장치로 이온 용액을 전달하도록 구성된 이온 용액 전달 경로를 더 포함하는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제2 흡수 스테이지는 액체 분배 장치와,
상기 제2 섬프 용기로부터 상기 액체 분배 장치로 이온 용액을 전달하도록 구성된 이온 용액 전달 경로를 더 포함하는 시스템.
제6항에 있어서, 상기 제1 흡수 스테이지의 상기 이온 용액 전달 경로는 상기 제1 흡수 스테이지의 상기 액체 분배 장치에 전달되는 상기 이온 용액의 온도를 제어하기 위한 열 교환 장치를 포함하는 시스템.
제8항에 있어서, 상기 액체 분배 장치에 전달되는 상기 이온 용액의 온도는 5 내지 20℃의 범위 내에 있도록 제어되는 시스템.
제7항에 있어서, 상기 제2 흡수 스테이지의 상기 이온 용액 전달 경로는 상기 제2 흡수 스테이지의 상기 액체 분배 장치에 전달되는 상기 이온 용액의 온도를 제어하기 위한 열 교환 장치를 포함하는 시스템.
제10항에 있어서, 상기 액체 분배 장치에 전달되는 상기 이온 용액의 온도는 5 내지 20℃의 범위 내에 있도록 제어되는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제1 흡수 스테이지는 고형물 입자들을 포함하는 이온 용액으로 동작하도록 구성되는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 흡수기 용기는 상기 제1 및 제2 흡수 스테이지들을 통과한 연도 가스를 수용하고 이를 이온 용액과 접촉시키도록 구성된 제3 흡수 스테이지를 더 포함하는 시스템.
제13항에 있어서, 상기 제3 흡수 스테이지는 상기 제3 흡수 스테이지로부터 이온 용액을 수집하고 이를 상기 제1 섬프 용기로 전달하도록 배열된 액체 수집 리셉터클을 포함하는 시스템.
제13항에 있어서, 상기 제3 흡수 스테이지는 액체 분배 장치와,
상기 제1 섬프 용기로부터 상기 액체 분배 장치로 이온 용액을 전달하도록 구성된 이온 용액 전달 경로를 포함하는 시스템.
제15항에 있어서, 상기 제3 흡수 스테이지의 상기 이온 용액 전달 경로는 상기 제3 흡수 스테이지의 상기 액체 분배 장치에 전달되는 상기 이온 용액의 온도를 제어하기 위한 열 교환 장치를 포함하는 시스템.
제16항에 있어서, 상기 액체 분배 장치에 전달되는 상기 이온 용액의 온도는 10℃ 이하의 범위 내에 있도록 제어되는 시스템.
제13항에 있어서, 상기 제3 흡수 스테이지는 고형물 입자들을 포함하는 이온 용액으로 동작하도록 구성되는 시스템.
CO₂를 포함하는 연도 가스 스트림으로부터 CO₂를 제거하기 위한 방법에 있어서,
a) 상기 연도 가스 스트림으로부터 CO₂의 제1 부분을 제거하도록 연도 가스 스트림과 NH₃를 포함하는 제1 이온 용액의 유동을 접촉시키는 단계와,
b) 제1 섬프 용기 내에서 a) 단계로부터 사용된 이온 용액을 수집하는 단계와,
c) 상기 제1 섬프 용기로부터 단계 a)로 이온 용액을 재순환시키는 단계와,
d) 상기 연도 가스 스트림으로부터 CO₂의 제2 부분을 제거하도록 상기 연도 가스 스트림과 NH₃를 포함하는 제2 이온 용액의 유동을 접촉시키는 단계와,
e) 제2 섬프 용기 내에서 단계 d)로부터 사용된 이온 용액을 수집하는 단계와,
f) 상기 제2 섬프 용기로부터 단계 d)로 이온 용액을 재순환시키는 단계를 포함하는 CO₂ 제거 방법.
제19항에 있어서, 단계 a)는 고형물 암모늄 바이카보네이트가 형성되는 조건들 하에서 수행되는 CO₂ 제거 방법.
제19항에 있어서, 상기 제1 이온 용액은 1.2 내지 2.0의 범위의 NH₃ 대 CO₂ 몰 비율(R)을 갖는 CO₂ 제거 방법.
제19항에 있어서, 상기 제1 섬프 용기 내의 상기 이온 용액의 NH₃ 대 CO₂ 몰 비율(R)을 1.2 내지 2.0의 범위 이내가 되도록 조절하는 단계를 더 포함하는 CO₂ 제거 방법.
제22항에 있어서, 상기 NH₃ 대 CO₂ 몰 비율(R)의 조절은 상기 제1 섬프 용기 내의 상기 이온 용액의 R보다 높은 NH₃ 대 CO₂ 몰 비율(R)을 갖는 매체 및/또는 NH₃를 상기 제2 섬프 용기 내로 도입함으로써 달성되는 CO₂ 제거 방법.
제23항에 있어서, 상기 매체는 상기 제2 섬프 용기로부터의 이온 용액인 CO₂ 제거 방법.
제19항에 있어서, 단계 d)는 본질적으로 어떠한 고형물 암모늄 바이카보네이트도 형성되지 않는 조건들 하에서 수행되는 CO₂ 제거 방법.
제19항에 있어서, 상기 제2 이온 용액은 2.0 내지 4.0의 범위의 NH₃ 대 CO₂ 몰 비율(R)을 갖는 CO₂ 제거 방법.
제19항에 있어서, 상기 제2 섬프 용기 내의 상기 이온 용액의 NH₃ 대 CO₂ 몰 비율(R)을 2.0 내지 4.0의 범위 내에 있도록 조절하는 단계를 더 포함하는 CO₂ 제거 방법.
제27항에 있어서, 상기 NH₃ 대 CO₂ 몰 비율(R)의 조절은 상기 제2 섬프 용기 내의 상기 이온 용액의 R보다 높은 NH₃ 대 CO₂ 몰 비율(R)을 갖는 매체 및/또는 NH₃를 상기 제2 섬프 용기 내로 도입함으로써 달성되는 CO₂ 제거 방법.
제19항에 있어서, 단계 a)에서의 상기 제1 이온 용액의 온도는 5 내지 20℃의 범위 내에 있도록 제어되는 CO₂ 제거 방법.
제19항에 있어서, 단계 d)에서 상기 제2 이온 용액의 온도는 5 내지 20℃의 범위 내에 있도록 제어되는 CO₂ 제거 방법.
제19항에 있어서, 상기 연도 가스 스트림으로부터 CO₂의 제3 부분을 제거하도록 1.2 내지 2.0의 범위의 NH₃ 대 CO₂ 몰 비율(R)을 갖고 NH₃를 포함하는 제3 이온 용액의 유동을 상기 연도 가스 스트림과 접촉시키는 단계를 더 포함하는 CO₂ 제거 방법.
제31항에 있어서, 상기 제3 이온 용액의 유동은 상기 제1 섬프 용기로부터 전달되는 CO₂ 제거 방법.
제32항에 있어서, 상기 제3 이온 용액의 유동은 상기 이온 용액 내의 고형물들의 양을 감소시키도록 구성된 장치를 통해 전달되는 CO₂ 제거 방법.
제31항에 있어서, 상기 제3 이온 용액의 온도는 10℃ 이하의 범위 내에 있도록 제어되는 CO₂ 제거 방법.