KR20110091658A - 기체 액체 접촉기 및 유출물 정화 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기체 액체 접촉기와 유출물 정화 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 기체로부터의 분열을 최소화하도록 형성된 균일하게 이격된 플랫 액체 제트를 생성하도록 구성된 노즐 어레이에 관한 것이다. 본 발명의 실시예는, 액체 입구 및 출구와 기체 입구 및 출구를 포함하는 기체 액체 접촉기 모듈로 안내된다. 노즐 어레이는 액체 입구 및 기체 입구와 연통한다. 노즐 어레이는 액체를 급속히 보충하면서 기체 유동으로부터의 분열을 최소화하고 기체 유동 및 액체 유동 상호작용을 최대화하도록 형성된 균일하게 이격된 플랫 액체 제트를 생성하도록 구성된다.

Description

기체 액체 접촉기 및 유출물 정화 시스템 및 방법{GAS LIQUID CONTACTOR AND EFFLUENT CLEANING SYSTEM AND METHOD}

현재 특허 번호 제7,379,487호로 등록된 2005년 2월 14일자로 출원된 발명의 명칭이 "2상 반응기(Two phase reactor)"인 미국 특허 출원 제11/057,539호의 연속인, 2008년 2월 4일자로 출원된 발명의 명칭이 "2상 반응기(Two phase reactor)"인 출원 번호 제12/012,568호의 연속 출원인 본 출원은 2008년 9월 26일자로 출원된 발명의 명칭이 "(System for Gaseous Pollutant Removal)"인 미국 가출원 제61/100,564호와, 2008년 9월 26일자로 출원된 발명의 명칭이 "기체-액체 접촉기 시스템 및 방법(Liquid Gas Contactor System and Method)"인 미국 가출원 제61/100,606호와, 2008년 9월 26일자로 출원된 발명의 명칭이 "기체-액체 접촉기 및 유출물 정화 시스템 및 방법(Liquid Gas Contactor and Effluent Cleaning System and Method)"인 미국 가출원 번호 제61/100,591호에 대한 우선권을 주장하며, 이들 문헌들 모두는 그 전체가 본 명세서에 기재되어 있는 것처럼 본 명세서에 참조로 통합되어 있다.

발명의 분야

본 발명은 기체-액체 접촉기 및 유출물 정화 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기체 유동의 방해를 최소화하고 액체의 신속한 보충과 동시에 기체 유동과 액체 유동의 상호 작용을 최대화하도록 형상화된 균일하게 이격된 플랫 액체 제트를 생성하도록 구성된 노즐 어레이에 관한 것이다.

액체 내로의 기체의 흡수는 다양한 기체 액체 접촉 시스템에서 핵심 처리 단계이다. 기체 액체 반응기라고도 알려져 있는 기체 액체 접촉기는 2개 상들 사이의 계면 표면적이 액체 표면에 생성되게 되는 표면 반응기와, 계면 표면적이 벌크 액체 내에 생성되게 되는 부피 반응기로 분류될 수 있다. 회전 디스크 및 액체 제트 접촉기 같은 표면 기체 액체 접촉기의 다수의 예들이 존재한다. 회전 디스크 생성기는 액체 내에 부분적으로 침지되면서 기체의 스트림에 노출되어 있는 디스크(로터)이다. 액체 용액의 얇은 막이 로터 표면 상에 형성되고, 병류 유동적 시약 기체 스트림(co-current reagent gas stream)과 접촉한다. 디스크는 기체와의 액체 시약 접촉을 갱신시키도록 회전된다. 부피 기체 액체 반응기에서, 기체 상은 작은 기포로서 벌크 액체 내에 분산된다. 기체 기포는 구형 또는 불규칙 형상일 수 있으며, 기체 살포기에 의해 액체 내로 도입된다. 기포는 질량 전달을 증가시키기 위해 기계적으로 교반될 수 있다.

다수의 기체 액체 접촉 시스템에서, 액체 상으로의 기체 전달율은 액체 상 질량 전달 계수(k), 계면 표면적(A) 및 벌크 액체와 기체 액체 계면 사이의 농도 구배(△C)에 의해 제어된다. 액체로의 기체 흡수율을 위한 실용적 형태는 이하와 같다.

Φ = φα = k _G α(p- p _i ) = K _L α(C ^* _L - C _L )

여기서, 변수 Φ는 반응기의 단위 부피당 기체 흡수율[mole/(cm³)]이고, φ는 단위 계면 면적당 평균 흡수율[mole/(cm²)]이고, α는 단위 부피당 기체 액체 계면 면적(cm²/cm³, 또는 cm^-1)이고, p 및 p_i는 각각 벌크 기체 내의, 그리고, 계면에서의 시약 기체의 분압(bar)이며, C_L ^*는 기존 기체 상 분압(p_i)과 평형이 되는 액체측 농도(mole/cm³)이고, C_L(mole/cm³)은 벌크 액체 내의 용존 기체의 평균 농도이며, k_G 및 k_L은 각각 기체측 및 액체측 질량 전달 계수(cm/s)이다.

관련 기술에서, 기체 접촉기 시스템 내의 질량 전달 및 비표면적(specific surface area)을 최대화하기 위해 다수의 접근법이 존재한다. 원론적 접근법은 기체 살포기, 습식 벽 제트 및 분무(spray) 또는 무화(atomization)를 포함한다. 기체 액체 접촉기의 선택은 기체/액체 유동, 질량 전달 및 화학 반응의 특성을 포함하는 반응 조건들에 의존한다. 표 1은 일부 관련 기술 기체 액체 반응기의 다양한 질량 전달 성능 특징을 요약한다. 기체 흡수율을 최적화하기 위해, 파라미터 k_L, α 및 (C_L ^* - C_L)가 최대화되어야 한다. 다수의 기체 액체 반응 시스템에서, C_L ^*의 용해도는 매우 낮고, 따라서, 농도 구배의 제어가 제한되어 있다. 따라서, 효율적 기체 액체 유동 반응기를 설계할 때 고려되는 주된 파라미터는 질량 전달 및 비표면적이라고도 알려져 있는 반응기 부피에 대한 계면 표면적의 비율이다.

종래의 기체 액체 반응기 성능의 비교

반응기 유형	β (%, 기체 액체 부피 유량비)	kG (mole/cm2s atm) x 104	kL (cm2/s) x 102	α (cm-1)	klα (s-1) x 102
패킹된 컬럼 (역류)	2- 25	0.03 - 2	0.4 - 2	0.1 - 3.5	0.04 - 7.0
기포 반응기	60 - 98	0.5 - 2	1 - 4	0.5 - 6	0.54 - 24
분무 컬럼	2 - 20	0.5 - 2	0.7 - 1.5	0.1 - 1	0.07 - 1.5
플레이트 컬럼(은 플레이트)	10 - 95	0.5 - 6	1 - 20	1 - 2	1.0 - 40

그 성능이 계면 접촉 면적에 의존하는 다양한 기체 액체 접촉 반응기가 존재한다. 예로서, 화학 산소 요오드 레이저(COIL)는 염소 기체(Cl₂) 및 염기성 과산화수소(BHP)로 구성되는 화학 연료로부터 레이저 에너지를 생성한다. 이 반응의 생성물은 단일항 델타 산소이며, 이는 COIL에 파워를 제공한다. 현용의 기술은 단일항 델타 산소를 생성하기 위해 Cl₂와 혼합된 액체 BHP의 원형 제트를 사용한다. 통상적 발생기에서, 제트는 직경이 350 ㎛ 이하 정도이다. 제트를 생성하기 위해, 액체 BHP는 고 밀도의 구멍을 포함하는 노즐 플레이트를 통해 압력하에 추진된다. 이는 Cl₂ 기체와의 접촉을 위한 높은 계면 표면적을 생성한다. 표면적이 높으면 높을수록, 발생기가 더 작아지고, 레이저 공동에 전달될 수 있는 여기 산소의 산출량이 더 높아진다. 더 작고 더 높은 밀도로 패킹된 제트는 비표면적을 증가시키지만, 폐색 및 파괴 가능성이 높아진다. 폐색은 심각한 문제이며, 그 이유는 염소와 염기성 과산화수소 사이의 반응이 염기성 과산화수소를 형성하기 위해 사용되는 알칼리 금속 하이드록사이드의 염소 염을 생성하기 때문이다. 또한, 폐색은 염기성 과산화수소의 몰 농도 범위를 제한하고, 이는 단일항 산소 산출량 및 레이저 출력을 감소시킨다. COIL 시스템의 가장 무거운 원소는 이 화학 연료이다. 연료 생성시 고유한 문제점은 중량 증가 및 전체적 COIL 레이저의 효율의 감소이다. 따라서, 현용의 디자인보다 증가된 효율 및 더 낮은 중량을 갖는 COIL 레이저가 필요하다.

다른 예에서, 기체 액체 접촉기는 호기성 발효 공정에도 사용된다. 산소는 호기성 발효의 가장 중요한 시약 중 하나이다. 수성 용액 내에서의 그 용해도가 낮지만, 배양 성장을 유지하기 위한 그 수요는 높다. 상업적 발효기(>10,000L)는 부피 질량 전달 계수(k_{L α})를 향상시키기 위해 교반식 기포 분산을 사용한다. 교반은 용존 산소를 벌크 유체를 통해 이동시키고, 기포 유착을 파괴하고, 기포를 둘러싸는 경계 층을 감소시키는 것을 돕는다. 반응기 내의 기포의 수를 증가시키고 기포 직경의 크기를 감소시킴으로서 이들 시스템의 계면 면적이 증가된다. 그러나, 미생물로의 산소 질량 전달은 여전히 기포의 비교적 작은 계면 표면적과 짧은 기포 체류 시간에 의해 제약을 받는다. 현용의 살포기 시스템(기포 분산)은 비교적 작은 부피 질량 전달 계수(k_{L α})(약 0.2/s)를 나타내며, 따라서, 이들 질량 전달 한계를 극복하기 위해서는 최대 계면 표면적을 위한 새로운 접근법이 필요하다.

산업적 용례들을 위한 시스템의 설계시, 비용 및 효율 양자 모두에 대한 고려가 이루어져야 한다. 종래의 상식에서는 일반적으로 이들 양자가 동시에 최적으로 얻어지는 경우를 배제하고 있다. 기체 액체 접촉기의 경우에, 종래의 상식은 일반적으로 화학 처리, 산업적 생물학적 용례, 오염 제어 또는 동적 유동 시스템에서의 액체 상과 기체 상 화학제의 반응 또는 용해를 필요로 하는 유사한 공정 같은 산업적 용례들에서 유지되고 있다.

오염 제어의 예에서, 습식 공정으로 목표 화합물 또는 화합물들을 제거하는 표준 방법은 180°반대 방향으로 유동하는 기체 상을 통해 낙하하는 액체 상의 미세 액적을 사용하는 역류 유동 시스템이다. 일반적으로, 컬럼 또는 타워의 베이스에서 액체 상을 포획 섬프로 견인하기 위해 중력을 이용한다. 기체 상은 동일 컬럼 또는 타워를 통해 상향 유동한다. 이 기체 상은 그후 추가 처리를 위해 포획되거나 대기로 방출된다.

대규모 화학 공정을 수용하기 위해, 컬럼 또는 타워는 길이 또는 직경 각각의 측면에서 원하는 공정의 크기에 따라 규모 설정되어야 한다. 현용의 논리적 방법은 단일 유닛 공정의 규모를 증가시키는 것이며, 그 이유는 단일 유닛 공정의 자본 비용이 일반적으로 크기에 따라 선형적으로 커지지는 않기 때문이다.

표준 역류, 중력 또는 에어로졸/액적 기체 액체 접촉기의 다른 단점은 중력의 효과가 액적의 부력보다 커지도록 기체 유동이 충분히 낮은 속도를 가져야 한다는 것이다. 여하튼, 접촉 시간이 길기 때문에 액체 시약의 상당한 증발이 발생하는 것이 일반적이어서 2차 처리 또는 방출 이전에 이러한 증기의 상당한 포획이 필요하다.

따라서, 본 발명은 기체 액체 접촉기 및 유출물 정화 시스템과, 관련 기술의 한계 및 단점으로 인한 하나 이상의 문제점을 사실상 제거하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 이점은 상기 시스템에 걸쳐 최소 펌핑 성능이 요구되는 대용량 질량 전달 계수 및 최종 소형 크기의 저압 흡수제 작용을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 이점은 관련 기술에 비해 저감된 시스템 점유공간을 갖는 기체 액체 접촉기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 이점은 모듈 설계의 기체 액체 접촉기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 이점은 기체 액체 접촉기의 성능을 개선시키기 위해 플랫 제트(예로써, 얇은 플랫 액체 제트)의 개선된 비표면적을 사용하는 기체 액체 접촉기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 이점은 작은 크기, 점유 면적, 공장 설립 및 높은 접촉면적으로 인해, 동일한 반응 또는 스크러빙(scrubbing) 성능을 위해 종래 시스템에 비해 작은 비용 및 위치 충돌 및 유닛 대 유닛 일관성 및 잠재적으로 높은 품질을 갖는 모듈형 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 추가적인 특징 및 이점은 이하의 발명의 상세한 설명에서 설명하며, 일부는 발명의 상세한 설명으로부터 명백해지거나 또는 본 발명의 실시에 의해 습득될 수 있다. 본 발명의 목적 및 다른 단점은 기재된 설명 및 청구범위 그리고 첨부 도면에서 특별히 지적한 구조에 의해 실현되고 얻어질 수 있다.

본 발명의 실시예는 기체 액체 접촉기 모듈에 관한 것이다. 기체 액체 접촉기 모듈은 액체 입구, 기체 입구 및 기체 출구를 포함한다. 접촉기 모듈은 액체 입구 및 기체 입구와 연통하는 노즐의 어레이도 포함한다. 노즐의 어레이는 기체로부터 차단되는 것을 최소화하는 형상의 균일하게 이격된 플랫 액체 제트를 생성하도록 구성된다. 기체 액체 분리기는 사실상 기체가 통과하는 것을 방지하면서 액체의 통과를 허용할 수 있다. 액체 출구는 기체 액체 분리기와 유체 연통한다.

본 발명의 다른 실시예는 기체 액체 접촉기를 갖는 기체 상(gas phase) 분자를 처리하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 복수의 본질적으로 평행한 액체 제트를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 액체 제트 각각은 액체의 평면형 시트를 포함하고, 복수의 액체 제트는 사실상 평행한 평면에 배치된다. 또한, 상기 방법은 적어도 하나의 반응성 또는 용융성 기체 상의 분자를 제공하는 단계와, 기체 상 분자와 액체 제트 사이의 질량 전달 상호작용에 의해 기체 상의 적어도 일부를 제거하거나 또는 반응시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예는 기체 액체 접촉 시스템에 관한 것이다. 기체 액체 접촉기 시스템은 반응 챔버, 기체 입구, 기체 출구 및 반응 챔버에 결합된 액체 플리넘을 포함한다. 노즐 어레이는 액체 플리넘에 결합되고, 노즐 어레이는 본질적인 평면형 액체 제트를 제공하도록 구성되고, 상기 액체 제트들 각각은 액체의 평면형 시트를 포함하고, 상기 복수의 액체 제트는 사실상 평행한 평면에 배치된다. 또한, 상기 시스템은 반응 챔버에 결합된 기체 액체 분리기를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예는 기체 액체 접촉기에 관한 것이다. 기체 액체 접촉기는 액체 플리넘과 연통하는 접촉 챔버 및 접촉 액체를 제공하도록 구성되고, 액체 플리넘으로부터 접촉 액체를 수용하도록 구성된 액체 플리넘을 포함한다. 기체 입구 및 출구는 접촉 챔버에 연통된다. 기체 액체 접촉기 시스템은 약 5 sec^-1 내지 약 250 sec^-1 범위의 용량 질량 전달 계수를 갖는 질량 전달 상호작용을 제공하도록 구성된다.

본 발명의 또 다른 실시예는 기체 상 분자 처리 시스템에 관한 것이다. 기체 상 분자 처리 시스템은 기체 상 분자 처리에 필요한 크기가 되도록 병렬 또는 직렬로 배치되게 구성된 복수의 모듈형 기체 액체 접촉기를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예는 기체 액체 유동 반응기의 성능을 개선시키기 위해 플랫 제트(예로써, 박형 플랫 제트)의 강화된 특정 표면적을 사용하는 기체 액체 접촉 시스템에 관한 것이다. 본 실시예에서는 매우 박형 플랫 제트를 생성하는 복수의 오리피스를 함유한 강성 노즐 플레이트가 사용된다. 플랫 제트 오리피스는 하나의 구성예에서 액체 시약의 소스에 부착된 V형 챔버를 갖는다. 플랫 제트 오리피스는 V형 챔버의 정점에 부착된 한 쌍의 대향 평면형 벽을 가질 수 있다. 상기 플랫 제트 노즐은 V형 챔버로써 대향 평면형 벽의 대향 단부에 부착된 원추형 노즐을 가질 수 있다. 다른 구성에서, 제트 오리피스는 액체 소스 챔버에 부착된 원형 오리피스를 가질 수 있다. 플랫 제트 노즐은 타원형 오리피스를 생성하도록 원형 오리피스를 가로지르는 V형 홈을 가질 수 있다. 플랫 제트 오리피스는 기체의 입구 소스에 수직으로 지향되거나 대향되거나 평행할 수 있다. 플랫 제트 노즐의 가장 작은 통로는 약 250 ㎛ 보다 클 수 있다. 노즐은 적어도 10배의 두께인 폭을 갖는 액체 플랫 제트를 생성한다. 플랫 제트는 약 10 ㎛ 이하만큼 얇을 수 있고, 약 20 cm^-1의 큰 비표면적 및 높은 패킹 제트 농도(β=0.01)을 생성하도록 1 mm 보다 크거나 또는 작게 이격될 수 있다. 이것은 표1에 기재된 비표면적값 이상의 약 5 내지 10배 중요한 개선점이다. 얇은 제트는 많은 액체가 종래의 접촉기보다 유닛 액체 질량 흐름 당 높은 반응 산출량을 생성하는 기체 흐름에 노출되게 한다.

본 발명은 다른 실시예는, 횡단 유동, 병류 유동, 역류 유동 및 병행류 유동 기체 처리 흐름 내에서 작동되고 염분 장애 및 차단물이 없는 오리피스를 갖고, 액체 제트의 기체 유동 차단을 최소화하도록 공기역학적 형상으로 이루어지고, 균일한 제트 속도를 갖고 높은 비표면적을 갖는 밀접하고 균일하게 이격되는 복수의 박형 플랫 제트 흐름을 생성하는 기체 액체 접촉기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 실시예는 개선된 COIL에 관한 것이다. COIL은 BHP의 소스용 플랫 제트 노즐 및 염소 소스용 입구를 갖는 여기(excited) 산소 발생 챔버를 포함한다. 노즐은 길이에서 약 600 ㎛ 보다 큰 최소 치수를 갖고 높은 비표면적의 박형 플랫 제트를 생성하는 복수의 오리피스를 갖는다. 광자 생성 챔버는 요오드용 입구 및 여기 산소 생성 챔버에 결합된 통로를 갖는다. BHP 오리피스는 두께가 적어도 10배인 폭을 갖는 염기 과산화수소의 플랫 제트를 생성할 수 있다. 과산화수소의 소스는 단일 염기 또는 염기의 혼합물을 사용하는 염기성 과산화수소일 수 있다. 단일 염기는 수산화칼륨일 수 있거나 또는 임의의 알칼리 수산화물일 수 있다. 노즐은 원추형 노즐에 부착된 제2 단부를 갖는 한 쌍의 평행 대향 플레이트를 가질 수 있다. 노즐은 한 쌍의 평행 대향 플레이트의 제1 단부에 결합된 한 쌍의 V형 플레이트일 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예는 알칼리(Li, Na, K) 및 알칼라인 토금속류(Mg, Ca) 차아염소산염의 소스용 플랫 제트 노즐 및 과산화수소 소스용 입구를 갖는 여기 산소 생성 챔버를 포함하는 개선된 COIL에 관한 것이다. 본 실시예에서, 과산화수소는 기체이다. 노즐은 길이에서 약 600 ㎛보다 큰 최소 치수를 갖고 높은 비표면적의 플랫 제트를 생성하는 복수의 오리피스를 갖는다. 광자 생성 챔버는 여기 산소 생성 챔버에 결합된 통로 및 요오드용 입구를 갖는다.

본 발명에 또 다른 실시예는 산소, CO₂, 또는 몇몇 다른 영양소 또는 공급 기체의 입구 소스와, 발효 매체의 플랫 제트를 생성하기 위한 복수의 오리피스를 함유하는 노즐을 포함하는 개선된 발효 반응기에 관한 것이다.

본 발명의 또 다른 실시예는 암모니아, 이산화탄소, 탄산기체, 황화수소 또는 이산화황과 같은 기체가 액체 접촉에 의해 기체로부터 분리되는 기체 스크러빙 처리에 사용하기 위한 큰 표면적 플랫 제트 생성기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 실시예는 기체 액체 제트 연소 엔진에 사용하기 위한 큰 표면적 인젝터를 제공하는 것이다.

또 다른 실시예는 고성능 기체 액체 접촉기에 관한 것이다. 기체 액체 접촉기는 액체와의 접촉을 위한 유체 플리넘을 포함한다. 기체 액체 접촉기는 유체 플리넘과 연통 상태이고 유체 플리넘으로부터 접촉 액체를 수용하는 접촉 챔버도 포함한다. 기체 액체 접촉기는 기체를 제공하기 위한 접촉 챔버와 연통하는 기체 입구과, 기체를 멀리 이송하도록 접촉 챔버와 연통하는 기체 출구도 포함한다. 또한, 기체 액체 접촉기는 약 1cm^{- 1}와 약 50 cm^-1 사이의 범위의 비표면적과, 약 5 토르보다 낮은 기체압 하강을 특징으로 한다.

다른 특징은 약 10 cm^-1 내지 약 20 cm^-1 사이의 범위인 비표면적이라는 점을 포함하는 것이다. 본 실시예의 기체 액체 접촉기를 통한 기체 압력 하강은 약 5 토르 내지 약 10 토르 사이의 범위이다. 본 실시예 중 하나의 특징은, 석탄 화력 발전소용 반응기 기체 유동 용량은 100 min^{- 1}와 1000 min^-1 사이의 범위의 반응 챔버 용량비에 대한 기체 유량 또는 약 15 입방 피트보다 작은 반응기 용량을 통한 발전소 출력의 분자량(MW) 당 분당 약 2500 실제 입방 피트보다 클 수 있다는 점을 포함한다. 다른 특징은, 접촉 액체를 접촉 챔버로 이동시키기 위한 액체 구동압이 낮은 압력, 예로써 제곱 인치(psi) 당 50 파운드 미만이라는 점을 포함한다. 다른 특징은 액체 구동압이 제곱 인치(psi) 당 약 20 파운드 미만이라는 점을 포함한다. 또 다른 특징은 액체 동반물의 약 99%가 제거된다는 점을 포함한다. 또 다른 특징은, 접촉 액체가 플랫 액체의 제트를 생성하는 복수의 노즐을 통해 이동되고, 복수의 노즐은 제트가 복수의 제트의 평행 열을 형성하도록 배치된다는 점을 포함한다. 또 다른 특징은, 접촉 챔버의 기체 유동이 제트의 열에 평행하다는 점을 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예는 기체를 액체와 접촉시키는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 접촉 액체를 제공하기 위한 유체 플리넘을 구비하는 기체 액체 접촉기를 제공하는 단계와, 상기 유체 플리넘과 연통하고 유체 플리넘으로부터 접촉 액체를 수용하는 접촉 챔버를 제공하는 단계를 포함한다. 접촉 챔버는 기체를 제공하기 위한 접촉 챔버와 연통하는 기체 입구와, 기체를 멀리 이송하기 위해 접촉 챔버와 연통하는 기체 출구를 포함한다. 기체 액체 접촉기는 약 1 cm^{- 1}와 약 50 cm^-1 사이의 비표면적을 특징으로 한다. 상기 기체는 접촉기의 기체 유동 리니얼 피트(lineal feet) 당 약 0.05 psi 미만의 압력 강하를 야기한다.

다른 특징은 비표면적이 약 10 cm^{- 1}와 약 20 cm^-1의 범위이라는 점을 포함한다. 또 다른 특징은 제곱 인치 당 약 20 파운드 미만의 압력에서 접촉 액체를 접촉 챔버로 유도하기 위한 방법에 관한 것이다. 다른 특징은 액체 탑재물의 약 99%가 제거된다는 점을 포함한다. 다른 특징은 접촉 액체가 플랫 액체의 제트를 생성하는 복수의 노즐을 통해 이동되고, 상기 복수의 노즐은 노즐이 복수의 제트의 평행한 열을 형성하도록 배치된다는 점을 포함한다. 다른 특징은 기체는 제트의 시트에 평행한 접촉 챔버에서 유동한다는 점을 포함한다.

본 발명의 다른 실시예는 복수의 본질적으로 평면의 액체 제트를 구비하는 기체 액체 접촉기에 관한 것으로, 상기 액체 제트들 각각은 액체의 평면형 시트를 포함하고, 상기 복수의 액체 제트는 평행면에 놓여진다. 접촉 챔버는 평면형 액체 제트를 수용하고, 접촉 챔버는 기체의 유동을 한정하는 입력부 및 출력부를 갖는다. 하나의 특징은 평면형 시트가 약 10 ㎛ 내지 약 1000 ㎛의 범위의 두께를 갖는다는 점을 포함한다. 다른 특징은 상기 두께가 약 10 ㎛ 내지 약 100 ㎛의 범위이라는 점을 포함한다. 다른 특징은 상기 두께가 약 10 ㎛ 내지 약 50 ㎛의 범위이라는 점을 포함한다. 다른 실시예는 액체의 평면형 시트들 각각이 노즐의 인접 열들에서 약 2 cm 미만 단일 열에서 약 10 ㎛ 초과의 거리만큼 인접 평면형 시트로부터 이격된다는 점을 포함한다. 다른 특징으로는, 기체 액체 접촉기가 복수의 액체 제트를 생성하는 복수의 노즐을 포함하지만, 다른 기하학적 형상이 사용될 수 있다는 점이다. 다른 특징으로는, 복수의 노즐들 각각이 대략 타원의 출구를 갖는다는 점을 포함한다. 다른 특징은 복수의 노즐이 플레이트 상에 배치된다는 점을 포함한다. 다른 특징은 기체 유동이 플랫 액체의 제트의 플랫면에 평행하도록 복수의 노즐이 플레이트 상에 배치된다는 점을 포함한다. 다른 특징은 복수의 노즐이 노즐 및 액체 제트의 어레이를 형성하는 복수의 열로 배치된다는 점을 포함한다. 다른 특징은, 기체 액체 접촉기 모듈이 안티-스플래쉬 그리드를 포함한다는 점이다. 다른 특징은 안티-스플래쉬 그리드의 복수의 부재가 접촉 챔버를 통해 이동한 후 액체의 유동에 조력하도록 경사진다는 점을 포함한다. 다른 특징은 기체 액체 접촉기 모듈이 제습기(mist eliminator)를 포함한다는 점이다.

본 발명의 또 다른 실시예는, 플랫 액체 제트를 생성하기 위한 노즐에 관한 것으로, 상기 노즐은 노즐을 수용하기 위한 플레이트를 포함한다. 또한, 상기 실시예는 단면이 V형상을 갖는 노즐의 유체 진입 개구와, 단면에서 원추형 출구를 갖는 노즐의 유체 출구 개구를 포함한다. 하나의 특징은 유체 진입 개구 중 최협소 개구는 노즐 최협소 개구를 형성하도록 유체 출구 개구 중 최협소 개구에 맞는다는 점이다. 다른 특징은 노즐 최협소 개구가 약 600 ㎛보다 크다는 점이다. 다른 특징은 유체 출구 개구의 베이스가 대략 타원형이라는 점이다.

본 발명의 또 다른 실시예는 복수의 노즐용 유체 진입 개구를 형성하는 대략 V형인 채널을 구비하는 얇은 플랫 액체 제트를 생성하기 위한 복수의 노즐에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 채널에 복수의 유체 출구 개구를 포함하고, 상기 유체 출구 개구는 원추형 단면을 갖는다. 다른 특징은 복수의 유체 출구 개구가 타원형상을 갖는다는 점이다. 하나의 특징은 원추형 단면의 최협소 개구 및 복수의 노즐이 약 600 ㎛보다 크다는 점이다.

본 발명의 또 다른 실시예는 용제를 분사하기 위한 복수의 노즐 플레이트를 포함하는 유출물 처리 시스템에 관한 것이다. 복수의 노즐 플레이트들 각각은 복수의 노즐을 갖는다. 또한, 본 발명은 배연 기체를 정화하고 복수의 노즐을 수용하는 스크러버 유닛(scrubber unit)을 포함한다. 하나의 특징은 복수의 노즐이 플랫 액체 제트의 어레이를 생성한다는 점이다. 다른 특징은 복수의 플랫 액체 제트가 배연 기체의 유동에 평행하다는 점이다. 다른 특징은 복수의 플랫 액체 제트가 열로 배치된다는 점이다. 다른 특징은 상기 시스템이 배연 기체 쿨러를 포함한다는 점이다. 다른 특징은 상기 시스템이 배연 기체 히터를 포함한다는 점이다. 다른 특징은 상기 시스템이 제2 스크러버 유닛을 포함한다는 점이다. 다른 특징은 상기 스크러버 유닛이 기체 액체 유체 분리기를 포함한다는 점이다. 다른 특징은 상시 시스템이 용제를 스크러버 유닛으로 펌핑하기 위한 용제 펌프 및 복수의 노즐을 포함한다는 점이다. 다른 특징은 상기 시스템이 스크러버 유닛을 통과하는 용제를 수집하기 위한 용제 포획 탱크를 포함한다는 점이다. 다른 실시예는 복수의 노즐 플레이트가 스크러버 유닛으로부터 제거 가능하다는 점이다.

본 발명의 다른 실시예는 용제를 분사하기 위한 복수의 노즐을 포함하는 유출물 처리 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 실시예는 배연 기체를 정화하고 복수의 노즐을 수용하기 위한 스크러버 유닛을 포함한다. 하나의 특징은 복수의 노즐이 복수의 플랫 액체 제트를 생성한다는 점이다. 다른 특징은 복수의 플랫 액체 제트가 기체 유동과 평행하다는 점이다. 다른 특징은 복수의 플랫 액체 제트가 열로 배치된다는 점이다.

본 발명의 또 다른 실시예는 액체를 기체에 접촉시키는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 액체 진입 지점을 갖는 접촉 챔버를 제공하는 단계와, 접촉 챔버에 복수의 액체 챔버를 생성하는 단계와, 복수의 플랫 액체 제트에 평행한 기체의 유동을 제공하는 단계를 포함한다. 하나의 특징은 액체 진입 지점이 복수의 노즐을 수용하기 위한 플레이트를 포함하는 점이다. 다른 특징은 복수의 노즐이 단면이 U형상인 유체 진입 개구와, 단면에 원추형 출구를 갖는 노즐의 유체 출구 개구를 갖는다는 점이다. 다른 특징은 상기 방법이 복수의 열의 복수의 액체 제트를 배치하는 단계를 더 포함한다는 점이다.

본 발명의 또 다른 실시예는 접촉 액체를 제공하기 위한 유체 플리넘과, 상기 유체 플리넘으로부터 접촉 액체를 수용하기 위해 유체 플리넘과 연통하는 기체 입구와, 기체를 제공하기 위해 접촉 챔버에 연통하는 기체 입구와, 기체를 멀리 이송시키기 위해 접촉 챔버와 연통하는 기체 출구를 포함하는 기체 액체 접촉기에 관한 것이다. 접촉 챔버용 비표면적은 약 10 cm^-1 내지 약 20 cm^-1 사이의 범위이고, 접촉 챔버용 액체측 질량 전달 계수는 약 0.02 cm/s보다 크다. 하나의 특징은 액체측 질량 전달 계수가 약 0.1 cm/s보다 크다는 점일 수 있다. 다른 특징은 액체측 질량 전달 계수가 약 1 cm/s보다 크다는 점일 수 있다. 다른 특징은 액체측 질량 전달 계수가 약 10 cm/s보다 크다는 점일 수 있다. 다른 특징은 액체측 질량 전달 계수가 약 25 cm/s보다 크다는 점일 수 있다. 다른 특징은 액체측 질량 전달 계수가 약 50 cm/s 이하이라는 점일 수 있다.

다른 실시예는 접촉 액체를 제공하기 위한 유체 플리넘과, 상기 유체 플리넘과 연통하고 유체 플리넘으로부터 접촉 액체를 수용하기 위한 접촉 챔버와, 기체를 제공하기 위해 접촉 챔버와 연통하는 기체 입구와, 기체를 멀리 이송시키기 위해 접촉 챔버와 연통하는 기체 출구를 포함하는 기체 액체 접촉기에 관한 것이다. 비표면적은 약 10 cm^-1 내지 약 20 cm^-1의 범위이고, 용량 전달 계수는 약 0.2 sec^-1보다 크다. 하나의 특징은 용량 전달 계수가 약 1 sec^-1보다 크다는 점일 수 있다. 다른 특징은 용량 전달 계수가 약 10 sec^-1보다 크다는 점일 수 있다. 다른 특징은 용량 전달 계수가 100 sec^-1보다 크다는 점일 수 있다. 다른 특징은 용량 전달 계수가 1000 sec^-1보다 크다는 점일 수 있다. 다른 특징은 용량 전달 계수가 2500 sec^-1보다 크다는 점일 수 있다.

또 다른 실시예는 접촉 액체를 제공하기 위한 유체 플리넘을 포함하는 기체 액체 접촉기에 관한 것이다. 또한, 접촉기는 복수의 플랫 액체 제트를 생성하는 유체 플리넘과 유체 연통하는 복수의 노즐도 포함한다. 접촉기는 유체 플리넘과 연통하고 복수의 노즐을 통해 유체 플리넘으로부터 접촉 액체를 수용하는 챔버를 포함한다. 기체 입구는 기체를 제공하는 접촉 챔버와 연통하고, 기체 출구는 기체를 멀리 이송하기 위해 접촉 챔버와 연통한다. 하나의 특징은 제트 폭에 대한 제트 길이 비가 약 10:1일 수 있다는 점이다. 다른 특징은 제트 폭에 대한 제트 길이의 비가 약 8:1보다 크고 약 12:1보다 작다는 점이다. 또 다른 특징은 제트 폭에 대한 제트 길이의 비가 약 10:1이라는 점이다. 다른 특징은 복수의 플랫 액체 제트들 각각은 약 10 ㎛ 내지 약 100 ㎛의 두께를 갖는다는 점이다. 또 다른 특징은 복수의 플랫 액체 제트들 각각의 제트 길이는 일반적으로 약 5 cm보다 크고 약 30 cm보다 작다는 점이다. 또 다른 특징은 복수의 플랫 액체 제트의 제트 속도는 약 10 m/s 이라는 점이다.

또 다른 실시예는 고성능 기체 액체 접촉기에 관한 것이다. 기체 액체 접촉기는 접촉 액체를 제공하기 위한 유체 플리넘을 포함한다. 접촉기는 유체 플리넘에 연통하여 유체 플리넘으로부터 접촉 액체를 수용하는 접촉 챔버를 포함한다. 기체 입구는 기체를 제공하기 위한 접촉 챔버와 연통하고, 기체 출구는 기체를 멀리 이송시키기 위해 접촉 챔버와 연통한다. 기체 접촉기는 개선된 비표면적이 약 1 cm^-1 내지 약 50 cm^-1 사이의 범위이고, 매우 낮은 기체 압력 하강은 약 5 토르 또는 약 1 psig보다 작은 것을 특징으로 한다. 다른 특징은 매우 낮은 기체 압력 하강은 리니어 기체 액체 접촉기 접촉 거리 당 약 0.05 psi보다 작은 점이다. 다른 특징은 매우 낮은 기체 압력 하강이 기체 히터, 기체 칠러 및 디미스터(demister)를 구비한 전체 기체 액체 접촉 시스템에 대해 약 1 psi보다 작은 점이다. 다른 특징은 액체가 복수의 노즐을 통해 유동할 때 플랫 액체의 제트를 생성하는 복수의 노즐을 통해 접촉 액체가 이동되고, 복수의 노즐은 제트가 복수의 제트의 평행 열을 생성하도록 배치되는 점이다. 다른 특징은 기체가 제트의 열에 평행한 접촉 챔버 내에서 유동한다는 점이다.

다른 실시예는 고성능 기체 액체 접촉기에 관한 것이다. 기체 액체 접촉기는 접촉 액체를 제공하기 위한 유체 플리넘을 포함한다. 기체 액체 접촉기는 유체 플리넘에 연통하여 유체 플리넘으로부터 접촉 액체를 수용하는 접촉 챔버를 포함한다. 기체 입구는 기체를 제공하기 위해 접촉 챔버에 연통하고, 기체 출구는 기체를 멀리 이송하기 위해 접촉 챔버에 연통한다. 기체 액체 접촉기는 개선된 비표면적이 약 1 cm^-1 내지 약 50 cm^-1의 범위이고, 접촉 챔버로 접촉 액체를 이동시키기 위한 액체 구동압은 약 15 psi보다 작다는 것을 특징으로 한다. 하나의 특징은 접촉 액체를 접촉 챔버로 이동시키기 위한 액체 구동압은 약 10 psi보다 작다는 점이다. 다른 특징은 액체가 복수의 노즐을 통해 유동할 때 플랫 액체의 제트를 생성하는 복수의 노즐을 통해 접촉 액체가 이동하고, 제트가 복수의 제트의 평행 열을 형성하도록 복수의 노즐이 배치된다는 점이다. 다른 특징은 제트의 열에 평행한 접촉 챔버에서 기체가 유동한다는 점이다.

본 발명의 또 다른 실시예는 고성능 기체 액체 접촉기 모듈에 관한 것이다. 모듈은 접촉 액체를 제공하기 위한 유체 플리넘과, 유체 플리넘에 연통하여 유체 플리넘으로부터 접촉 액체를 수용하는 접촉 챔버를 포함한다. 기체 입구는 기체를 제공하기 위한 접촉 챔버와 연통하고, 기체 출구는 기체를 멀리 이송시키기 위해 접촉 챔버와 연통하다. 기체 액체 접촉기는 약 80%보다 큰 오염물 제거율을 특징으로 한다. 하나의 특징은 접촉기 부피가 약 0.5 m³보다 작다는 점이다. 다른 특징은 오염물 제거율이 약 90%보다 크다는 점이다. 다른 특징은 오염물 제거율이 약 95%보다 크다는 점이다. 다른 특징은 오염물 제거율이 약 99% 이상이라는 점이다. 다른 특징은 필요에 따라 크기가 정해지는 응집 시스템을 위해 복수의 모듈형 기체 액체 접촉기는 순서대로 평행하게 배열되도록 설계된다는 점이다. 다른 특징은 복수의 모듈형 기체 액체 접촉기가 수직으로 배치된다는 점이다. 다른 특징은 복수의 모듈형 기체 액체 접촉기가 수평으로 배치된다는 점이다. 다른 특징은 복수의 모듈형 기체 액체 접촉기가 직렬로 배치된다는 점이다. 다른 특징은 시스템 기생 부하(parasitic load)가 약 5%보다 작다는 점이다. 다른 특징은 시스템 기생 부하가 약 1%보다 작다는 점이다. 다른 특징은 SO₂와 같은 오염물에 대한 스크러빙 제거율이 약 90%보다 크다는 점이다. 다른 특징은 SO₂와 같은 오염물에 대한 스크러빙 제거율이 약 95%보다 크다는 점이다. 다른 특징은 SO₂와 같은 오염물에 대한 스크러빙 제거율이 약 99%보다 크다는 점이다.

또 다른 실시예는 다양하게 조합된 특징을 구비하는 기체 액체 접촉기 모듈에 관한 것이다. 모듈은 접촉기 모듈에 반응성 또는 용제 액체를 제공하기 위한 액체 입구를 포함한다. 또한, 반응성 기체 또는 기체 용질 또는 기체 상 시약이 접촉기 모듈을 통과하게 하는 도관을 제공하는 기체 입구 및 출구도 포함한다. 접촉기를 통한 유체의 분산은 유체 입구와 유체 연통하는 노즐 어레이에 의해 제공되고, 노즐의 어레이는 기체의 접촉기를 통한 유동의 차단을 최소화하는 형상의 균일하게 이격된 플랫 액체 제트를 생성하도록 구성된다. 이러한 액체 제트 노즐로부터 접촉기 챔버를 가로지름으로써, 기체 액체 분리기는 기체가 관통하는 것을 사실상 방지하면서 액체가 통과하는 것을 허용할 수 있고, 액체는 액체 출구와 접촉한다.

본 발명의 다른 실시예는 기체 액체 접촉기를 갖는 기체 상 분자 처리 방법에 관한 것이다. 이러한 방법은 복수의 사실상 평면형 액체 제트를 포함하고, 액체 제트들 각각은 액체의 평면형 시트를 포함한다. 복수의 액체 제트는 사실상 평행한 평면으로 배치된다. 또한, 상기 방법은 적어도 하나의 반응성 또는 용융성 기체 상 분자로 기체를 제공한다. 이러한 방법에서, 기체 상 분자 중 적어도 일부는 기체 상 분자와 액체 제트 사이에서 질량 전달 상호작용에 의해 제거된다.

본 발명의 또 다른 실시예는 다양하게 조합된 부시스템을 구비한 기체 액체 접촉 시스템에 관한 것이다. 이들 조합된 부시스템은 반응 챔버, 반응 챔버에 결합된 기체 입구, 반응 챔버에 결합된 기체 출구, 반응 챔버에 결합된 액체 플리넘, 액체 플리넘에 결합된 노즐 어레이, 반응 챔버에 결합된 기체 유체 분리기를 포함한다. 노즐 어레이에 대해, 노즐 어레이는 사실상 평면형 액체 제트를 제공하도록 구성된다. 또한, 각각의 액체 제트는 액체의 평면형 시트를 포함하고, 이들 제트는 사실상 평행면에 본질적으로 놓여진 복수의 액체 제트로 배치된다.

본 발명의 다른 실시예는 기체 액체 접촉기에 관한 것으로, 유체 플리넘은 접촉 액체를 접촉 챔버로 제공하도록 구성된다. 제2 특징은 접촉 챔버가 유체 플리넘에 연통하고, 그 자체가 유체 플리넘으로부터 접촉 액체를 수용하도록 구성된다는 점이다. 세번째로, 접촉기는 접촉 챔버와 연통하는 기체 출구 및 기체 입구를 갖는다. 전체적으로, 기체 액체 접촉기 시스템은 약 5 sec^-1 내지 약 250 sec^-1의 범위의 용량 전달 계수를 갖는 질량 전달 상호작용을 제공하도록 구성된다.

상술한 일반적인 설명 및 이하의 상세한 설명 모두는 전형적이고 설명하기 위한 것이고, 청구하는 만큼 본 발명에 대한 추가의 설명을 제공할 수 있다.

본 발명을 보다 잘 이해하도록 포함되고, 본 명세서에 합체되어 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 원리를 설명하기 위한 설명과 함께 본 발명의 실시예를 도시한다.
도면에서,
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플랫 제트를 생성하기 위한 시스템의 블록 다이아그램이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 여기 산소를 생성하기 위한 시스템의 블록 다이아그램이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 개선된 화학 산소 요오드 레이저의 블록 다이아그램이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플랫 제트 노즐의 상부 우측 사시도이다.
도 5는 도 4의 플랫 제트 노즐의 하부 좌측 사시도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 노즐 뱅크의 전구체의 단면도이다.
도 7은 도 6에 도시한 노즐 뱅크의 전구체의 측면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 노즐 뱅크의 상부도이다.
도 9는 도 8의 노즐 뱅크의 측면도이다.
도 10은 도 9에 도시한 절단선(B)를 따르는 도 8의 노즐 뱅크의 단면도이다.
도 11은 도 9에 도시한 절단선(A)를 따르는 도 8의 노즐 뱅크의 상세도이다.
도 12는 도 8의 노즐 뱅크의 사시도이다.
도 13은 노즐 뱅크가 용접된 플레이트의 사시도이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 노즐 플레이트의 측면도이다.
도 15는 도 14의 노즐 플레이트의 상부도이다.
도 16은 도 14의 노즐 플레이트의 사시도이다.
도 17은 도 15의 절단선(A)를 따르는 도 14의 노즐 플레이트의 상세 확대도이다.
도 18은 도 14의 노즐 플레이트에 의해 생성 플랫 얇은 플랫 액체 제트의 어레이의 사시도이다.
도 19는 도 14의 노즐 플레이트에 의해 생성된 플랫 얇은 플랫 액체 제트의 어레이의 정면도이다.
도 20은 도 14의 노즐 플레이트에 의해 생성된 플랫 얇은 플랫 액체 제트의 어레이의 측면도이다.
도 21은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 노즐 플레이트의 액체측 출구 도면이다.
도 22는 도 21의 노즐 플레이트의 액체 입구측 도면이다.
도 23은 본 발명의 또 다른 실시예의 노즐 플레이트의 액체측 출구 도면이다.
도 24는 도 23의 노즐 플레이트의 액체 입구측 도면이다.
도 25는 노즐 뱅크가 제거된 노즐 플레이트의 액체측 출구 도면이다.
도 26은 도 25의 노즐 플레이트의 액체 입구측 도면이다.
도 27은 노즐 뱅크의 전구체의 상부도이다.
도 28은 도27의 전구체의 측면도이다.
도 29는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 기체 액체 접촉기의 개략 절결도이다.
도 30은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 복수의 기체 액체 접촉기의 개략적인 배치를 도시한다.
도 31은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 복합 오염물 제거 시스템의 개략도이다.
도 32는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 복합 오염물 제거 시스템의 개략도이다.
도 33은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 기체와 액체 사이의 상호 작용을 허용하는 일반적인 기체 액체 접촉기의 개략도이다.
도 34는 NO₂ 제거 시스템의 흡광도 대 실행 시간의 그래프이다.
도 35는 액체 기상 암모니아 제트가 온 및 오프일 때 CO₂ FTIR(푸리에 변환 적외선)의 그래프이다.
도 36은 2MW 프로토타입 시스템의 그림이다.
도 37은 기체 액체 접촉기의 그림이다.
도 38은 도 41의 시스템의 용제 펌프의 그림이다.
도 39는 H₂O, NaOH(0.1 wt%), 0.13 MW 스케일을 사용하는 SO₂ 스크러빙 결과 그래프이다.
도 40은 19 wt% 액체 상 암모니아, 0.13 MW 스케일을 사용하는 CO₂ 스크러빙 테스트 그래프이다.
도 41은 H₂O, NaOH(0.1 wt%), 2MW 스케일을 사용하는 SO₂ 스크러빙 결과 그래프이다.
도 42는 60MW 스크러빙 유닛 및 지지 구조체의 대표도이다.
도 43은 도 47의 스크러버 타워의 2MW 섹션 중 하나의 섹션의 정면도이다.
도 44는 도 47의 스크러버 타워의 2MW 섹션 중 하나의 섹션의 측면도이다.
도 45는 입구 채널 및 제트 팩 영역의 기하학적 형상을 도시한다.
도 46은 제거 가능 노즐 플레이트를 갖는 제트 팩 영역의 대표도이다.
도 47은 도 51의 제트 팩 영역에서의 노즐 플레이트의 구성을 도시한다.
도 48은 도 46의 제트 팩 영역에 대한 밀봉 시스템을 도시한다.
도 49는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 오염물질 제거 시스템의 처리 흐름 다이아그램이다.
도 50은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 오염물질 제거 시스템으로부터 처리 흐름 다이아그램이다.

본 발명은 기체 액체 접촉기, 유출물 정화 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 기체로부터의 차단을 최소화하는 형상을 갖는 균일하게 이격된 플랫 액체 제트를 생성하도록 구성된 노즐의 어레이에 관한 것이다. 또한, 다양한 실시예들이 종래 설계에서의 단점을 극복하기 위해 모듈로 응집된 복수의 작은 단일 유닛 프로세스를 제공한다. 단일 유닛 프로세스를 모듈화하는 것은 편리한 정수(integer)에 의해 간단하게 모듈을 다양화시킴으로써 비례 가능한 작은 시스템이 프로세스의 스케일을 수용하게 허용한다.

또한, 얇은 플랫 액체 제트를 생성할 수 있는 단일 기체 액체 접촉기는 동등한 반응 산출량을 위한 종래의 역류 반응기보다 대폭 극소형 설계로 기체 유량의 범위 내에서 수행하는 모듈 또는 모듈들로 신속하게 다양화되고 응집될 수 있다. 이러한 모듈 또는 모듈들로의 응집은 직렬 또는 병렬로 수행될 수 있다.

직렬의 실시에 모듈은 각각의 모듈을 통해 연속하여 유동하는 기체로 서로 합체된다. 물론, 몇몇 모듈은 우회되거나 또는 재순환 루프를 가질 수 있다. 또한, 모듈들은 동일한 액체 상으로 진행할 수 있거나 또는 기체 모듈 포획 및 순서의 대상 반응의 양호한 선택에 따라 상이한 액체 위상으로 진행할 수 있다.

평행한 실시예에서, 모듈은, 인접 모듈로써 기체 또는 기체 분자의 대략 동등한 양을 처리하는 각각의 모듈을 갖고, 공급되는 동일한 기체의 모든 처리 또는 스크러빙을 위해 서로 옆으로 또는 위아래로 합체된다. 일반적으로, 평행 모듈들은, 각각의 처리가 인접 모듈들과 동시성을 갖기 때문에 서로 동일한 액체 상으로 진행한다.

본 발명의 실시예는, 이러한 단일 모듈에 대한 설계 기준보다 높은 기체 유량 또는 작은 질량 전달 계수를 수용하는 것을 목표로 하며, 모듈 자체는 목표 프로세스를 공식적으로 잉여 시스템으로 분할하지 않으면서, 보다 긴 접촉 시간을 가지는 보다 더 큰 기능적 모듈로 정수 단위로 편리하게 증가될 수 있다. 또한, 이러한 설계 논리는, 단일 기체 유동 메인 플리넘 및 단일 액체 처리 스테이지를 모두 수용하는 액체 포획 시스템 및 액체 분배 시스템과 같은, 화학적 프로세서 내의 다른 하위 모듈로 스케일링될 수 있다. 기체 및/또는 액체 유동 시스템으로부터의 펌프 및 송풍기 등과 같은 고가의 주요 설비는 증분 모듈을 공급하도록 선형으로 확대될 수 있고, 즉, 이들 모듈은, 그들의 고유의 설계에 의해, 매우 소형의 설계 내에서 기능적으로 단일 프로세스를 형성하도록 함께 결합된다.

본 발명의 다른 실시예에서, 모듈은 액체 제트, 예컨대, 박형 플랫 제트를 사용하여 매우 고속으로 액체 상을 가압하도록 설계될 수 있고, 이로 인해, 중력 또는 부력에 대한 의존도를 제거하여 질량 전달을 제공한다. 액체는 매우 고속으로 유동할 수 있고, 기체 상도 또한 동일한 벡터를 따라서 매우 고속으로 횡단하여 유동하거나, 또는 역류 유동으로 유동할 수 있다. 모든 유동이 고속이기 때문에, 유동의 방향은 중력 또는 열 대류의 제한에 의해서 보다는 설계 편의성에 의해 선택될 수 있다. 또한, 질량 전달 계수 및 부피 전달 계수는 매우 높을 수 있고, 또한 접촉 길이는 하중 및 반응 산출량 모두를 수용하도록 모듈식으로 증가될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서, 기체 액체 접촉기는 작은 시스템 부피 내에 한정된 연속적으로 공급되는 액체 내로의 높은 부피 기체 유량으로부터의 기체 반응물의 선택적이며 높은 질량 전달율을 달성할 수 있다. 또한, 본 발명의 다양한 방법으로, 예컨대 박형 플랫 액체 제트인 고속 안정 액체 제트의 큰 밀도로 패킹된 어레이가 고속 기체 유동과 상호작용하도록 구성된다. 제트 형성 오리피스 및 밀도는 점성 및 표면 장력 등과 같은 액체 흡수제 또는 반응물 특성에 기초하여 최적화될 수 있다. 일반적으로, 챔버 크기 또는 전체 처리 스케일에 대한 고려 없이, 액체 점성이 증가하면, 액체 제트 안정성이 증가한다. 그와 같이 노즐 어레이 내의 노즐 밀도가 증가할 수 있고, 노즐 크기가 감소할 수 있다. 그렇지만, 제트 대 제트 간격을 감소시켜서 접촉기의 비표면적을 증가시키고 최적화하기 위해 이러한 것은 필수적은 아니지만 바람직할 수 있다. 반면에, 낮은 표면 에너지는 소정의 조건에서 작은 액적의 형성을 초래하면서 제트를 불안정하게 하는 경향이 있으며, 이는 본 발명에 있어서는 바람직하지 않으며, 현행 기술에서 더욱 일반적이다. 낮은 표면 에너지의 경우에, 소정의 유체에 대한 제트 특성을 최적화하도록, 낮은 액체 압력 및 큰 노즐 크기가 요구될 수 있다.

본 발명의 실시예는 종래의 방법 및 시스템에 비해 기체 반응물 및 액체 반응물에 대한 프로세스의 효율을 현저하게 증가시킨다. 본 방법 및 시스템의 효율은 큰 부피 질량 전달 계수 및 결과로서 생기는 소형 크기, 액체 제트의 낮은 저항으로 인하여 시스템을 가로지르는 최소한의 펌핑 용량을 요구하는 낮은 압력의 흡수제 작동, 및 모듈식이면서 조합 가능한 설계 특성으로부터 달성된다. 그러므로, 본 발명의 실시예의 예상치 못한 결과가 달성되며, 예컨대, 종래 반응기와 관련하여 대략 동등한 성능이 달성되지만, 종래 기체 액체 접촉기보다 적어도 10분의 1 더 소형이며, 적어도 절반보다 적은 자본 비용이라는 성과를 가진다.

본 발명의 실시예는 기체 액체 접촉기 모듈에 관한 것이다. 기체 액체 접촉기 모듈은 액체 입구 및 출구와 기체 입구 및 출구를 포함한다. 또한 상기 모듈은 액체 입구 및 기체 입구와 연통하는 노즐의 어레이를 포함하며, 상기 노즐의 어레이는 기체로부터의 분열을 최소화하도록 형상화된 균일하게 이격된 플랫 액체 제트를 생성시키도록 구성된다. 또한 상기 모듈은 기체가 통과하는 것을 실질적으로 방지하는 한편 액체가 통과하는 것을 허용할 수 있는 기체 액체 분리기를 포함한다. 상기 모듈은 다른 모듈과 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다.

상기 모듈은 예컨대 구리, 니켈, 크롬, 강, 알루미늄, 코팅 금속 및 그 조합인 복수의 상이한 재료로 제조될 수 있다. 또한, 상기 모듈은 플라스틱 재료, 또는 구조 폴리머, 폴리이미드, 합성물 및 그 조합 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

노즐의 어레이는 복수의 상이한 구성, 예컨대, 엇갈림(staggered) 구성으로 형성될 수 있다. 하나의 엇갈림 구성에서, 노즐의 제2열이 노즐의 제1열과 제3열 사이에서 오프셋되고 위치설정되도록 노즐의 제1열, 노즐의 제2열, 및 노즐의 제3열이 배열된다.

또한, 노즐의 어레이는 소정의 치수만큼 이격된 복수의 노즐을 포함할 수 있다. 노즐은 약 0.2 cm 보다 큰 거리만큼 이격된 적어도 2개의 노즐을 포함할 수 있다. 노즐은 소정 수의 열과 컬럼을 포함할 수 있다. 양호한 실시예에서, 적어도 3개의 열의 노즐이 제공되며 균일한 거리만큼 이격된다. 노즐들 사이의 거리는 약 0.1 cm 내지 약 5.0 cm의 범위에 있을 수 있다.

노즐은 다수의 상이한 기하학적 형상, 예컨대, U자 형상 채널, V자 형상 등을 가지는 액체 채널로부터 형성될 수 있다. 채널은 기계가공 또는 다른 금속, 합성물 또는 세라믹 판의 기계 가공 또는 이와 다른 성형을 포함하지만 이에 한정되지는 않는 다양한 방법을 사용하거나, 또는 노즐 오리피스를 튜브 또는 튜브의 일부에 기계가공함으로써 형성될 수 있다. 단일 판을 기계가공할 때, V자 또는 U자 형상 채널은 판의 액체 측으로 기계가공된다. 이후에, 이들 채널은 액체 채널 공간을 관통하는 깊이를 가지는 제2 V자 형상 홈에 의해 판의 프로세스 측 상에서 양분된다. 상기 제2 홈의 깊이에 따라서, 액체 채널 및 프로세스측 채널의 교차에 의해 형성되는 최종 구멍 또는 노즐은 상이한 크기로 될 수 있다.

관통 교차가 높을수록 큰 노즐이 만들어진다. 즉, V자 또는 U자 형상 채널 내로 원뿔의 교차량은 보다 큰 노즐을 만든다. 튜브에 노즐을 형성할 때, 튜브 반지름의 외측 상(프로세스 측)에서 튜브 반지름의 축에 대하여 약 90°로 탄젠셜 절단이 이루어진다. 이 절단의 깊이 및 튜브의 반지름에 따라서, 최종 노즐의 치수(최소 내지 최대 단면) 및 크기가 모두 변경될 수 있으며, 즉, 절단이 깊을수록 큰 노즐이 만들어진다. 노즐을 공급하는 액체 채널은 약 2 mm보다 큰 깊이를 가질 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 채널은 약 2 mm 내지 약 20 mm 범위의 깊이를 가질 수 있다.

다른 실시예에서 노즐의 형상은, 노즐이 0.5 미만의 최소 축 대 최대 축의 비를 포함하도록, 실질적으로 타원 형상으로 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 노즐은 약 0.25 mm² 내지 약 20 mm² 범위의 투영 단면적을 가질 수 있다. 투영 단면적은, 실제 형이 비록 절단의 깊이 및 반지름 및/또는 채널의 곡선의 형상에 따라 3차원이며 복잡하다는 것을 인식하지만, 2차원 표면 상에 투영된 백라이트로 보았을 때의 노즐의 2차원 형상의 평가에 의해 결정된다.

본 발명의 다른 실시예는 기체 액체 접촉기로 기체 상 분자를 처리하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 각각의 액체 제트가 평면형 액체 시트로 형성되는 복수의 본질적인 평면형 액체 제트를 형성하는 단계를 포함한다. 복수의 액체 제트는 실질적으로 평행한 평면들 내에 배열된다. 상기 방법은 또한 기체에 적어도 하나의 반응성 또는 용해도 기체 상 분자를 제공한다.

상기 실시예에서, 기체 상 분자의 적어도 일부는 기체 상 분자와 액체 제트 사이의 질량 전달 상호 작용에 의해 제거된다. 기체 상 분자는 SO_x, NO_x, CO₂, Hg, 및 그 조합을 포함할 수 있는 오염 물질 또는 오염원과 같은, 산업 프로세스, 예컨대, 화력 발전소로부터의 유출물 또는 다른 산업 유출물을 포함할 수 있다. 물론 HCl, HBr, HF, H₂SO₄, 및 HNO₃ 등의 산성 기체, CO, H₂S, 아민(암모니아 포함), 알카놀아민, 요소, 포름아미드, 알코올, 카르복실레이트(아세트산 등), 이들의 조합, 및 다양한 다른 기체 상 분자 등과 같은 다른 기체성 분자도 제거될 수 있다. 본 발명의 한정은 단순히 기체 상 분자 반응물 또는 용질 및 이들이 반응성 또는 용해도를 내부에 각각 가지게 되는 액체상을 제공하는 가능성이다. 본 발명의 명세서 내의 주된 설명은 수성 시스템에 초점이 맞춰져 있지만, 본 기술 분야의 숙련자는 본 기체 액체 접촉기 발명을 비수용성 시스템에도 적용가능하다는 것을 용이하게 알 수 있을 것이다. 약학의 부분 불화 또는 석유 화학 공급물의 염화 등이 당업계에서 알려져 있다.

본 발명의 실시예에서, 액체는 당업계에서 알려진 바와 같이 기체 내의 오염 물질을 제거하기 위해 선택될 수 있다. SO₂ 및 약 0.1M 내지 약 1.0의 NaOH, NH₄HCO₃, Na₂SO₃ 을 함유하는 용액 등과 같은 다른 연도 기체 조성물을 제거하기 위해 수성계 용액이 사용될 수 있다. 당업계에 알려진 바와 같이, 이러한 액체 반응물의 농도는 기체 액체 상호 작용 및 바람직한 산출물의 질량 전달에 따라서 조정될 수 있다.

또한, 액체의 소정 예에는 물, 암모니아, 암모늄염, 아민, 알카놀아민, 알카리염, 알칼리 토금속염, 과산화물, 차아염소산염, 칼슘염, 마그네슘 및 그 조합 중 적어도 하나의 용액이 포함된다. 다른 용액은 해수, 브라인, 및 그 조합 등을 포함할 수 있다.

해수 또는 브라인은 pH 제어 및 다른 공학적 인자에 따라서, SO₂ 또는 CO₂, 또는 양측 모두를 스크러빙하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 이들 액체는 HCl 또는 HF와 같은 다른 산성 기체를 스크러빙하기에 효과적이다.

상기 방법은 적어도 하나의 제트를 형성한다. 제트는 다양한 물리적 치수를 가지도록 구성될 수 있다. 예컨대, 제트는 5 cm 및 20 cm의 범위의 길이, 1 cm내지 15 cm의 제트 폭, 10 ㎛ 내지 1000 ㎛ 사이의 제트 두께를 가질 수 있다. 또한, 제트는 0.3 내지 20의 범위의 길이 대 폭의 비를 가질 수 있다.

본 발명의 다른 실시예는 다수의 복합 하위 시스템을 포함하는 기체 액체 접촉 시스템을 제공한다. 이들 복합 하위시스템은 반응 챔버, 상기 반응 챔버에 결합된 기체 입구, 상기 반응 챔버에 결합된 기체 출구, 상기 반응 챔버에 결합된 액체 플리넘, 상기 액체 플리넘에 결합된 노즐 어레이, 및 상기 반응 챔버에 결합된 기체 액체 분리기를 포함한다. 노즐 어레이와 관련하여, 노즐 어레이는 본질적인 평면형 액체 제트를 제공하도록 구성된다. 또한, 각 액체 제트는 평면형 액체 시트를 포함하고, 복수의 액체 제트는 실질적으로 평행한 평면 상으로 놓이도록 배열된다.

이하에서 본 발명의 실시예에 대하여 보다 상세하게 참조할 것이며, 그 예시들이 첨부 도면에 도시된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라서 플랫 제트를 생성하기 위한 시스템의 블록도이다. 도 1을 참조하면, 시스템(0)은 큰 밀도와 큰 표면적을 가지는 예컨대 박형 플랫 액체 제트인 액체 제트를 생성하기 위한 플랫 제트 오리피스의 어레이를 포함한다. 본 실시예에서, 노즐 어레이의 작은 세그먼트는 단일 판으로부터 기계 가공된다. 이는 V자 형상 액체 채널을 도시하지만, 본 예에서, 프로세스 측 오리피스는 원뿔 형상이 홈에 대향하는 상태로 V자 액체 채널을 교차한다. 그렇지만, 최종 노즐 오리피스는 여전히 타원형이다. 노즐 어레이는 오리피스가 거리를 두고 이격되도록 엇갈림 형상의 오리피스를 포함한다. 상기 거리는 x 방향으로 약 0.1 cm 내지 약 5 cm, y 방향으로 0.1 cm 내지 약 2 mm의 범위를 가질 수 있다. 바람직한 실시예에서, 상기 거리는 x 방향으로 2 cm이고, y 방향으로 2 mm이다. 물론, 오리피스들 사이의 거리는 오리피스 어레이의 전체에 걸쳐서 일정할 필요는 없다.

오리피스는 제트 발달을 위한 V자 형상 진입구(1) 및 원뿔형 진출구(2) 채널을 가진다. 진입구(1)와 진출구(2) 채널의 교차점은 오리피스를 생성한다. 노즐 플레이트(3)의 단면도는 진입구(4) 및 진출구(5) 채널의 외형을 도시한다. 오리피스를 나가는 제트의 대략적인 표현은 도면 부호 7로서 도시된다. 진입구(8) 및 진출구(9) 채널의 단면 확대도가 제공된다. 박형 플랫 액체 제트는 다양한 길이로 형성될 수 있으며, 예컨대 제트 길이 대 제트 폭의 비는 약 10:1이 될 수 있고, 여기서 제트는 약 10 ㎛ 내지 약 100 ㎛ 범위의 두께를 가진다. 제트 길이는 약 5 cm 내지 약 20 cm의 범위 내에 있을 수 있다. 제트 폭은 약 0.5 cm 내지 약 20 cm 범위 내에 있을 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 여기된 산소를 발생시키기 위한 시스템의 블록도이다. 예컨대 염기성 과산화수소인 액체의 큰 비면적(specific area)을 생성할 수 있는 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐 어레이를 사용하기 때문에, 이전의 설계에 비해서 COIL이 보다 효율적이며 무게가 덜 나가고 보다 소형이다. 도 2를 참조하면, COIL은 도면 부호 10으로 표시된다. COIL(10)은 여기된 산소를 발생시키기 위해 사용된다. COIL(10)은 매니폴드(14)에 부착된 예컨대, 염소 기체인 기체 반응물 공급원(12)을 포함한다. 매니폴드(14)는 기체 제트가 여기된 산소 발생 챔버(20)로 진입할 수 있도록 구성된 다수의 개구, 예컨대 구멍(도시 안됨)를 가진다. 또한 COIL(10)은 액체 반응물(22), 예컨대 단일 베이스로 형성된 염기성 과산화수소의 공급원을 가진다. 일 실시예에서, 상기 단일 베이스는 수산화칼륨(KOH)이다. 염기성 과산화수소(22) 공급원은 배관(24)에 의해 복수의 노즐(26)에 결합된다. 노즐(26)은 액체 염기성 과산화수소의 박형 플랫 제트(28)를 생성하도록 구성된다. 과산화수소(22)의 박형 플랫 제트(28)는 염소 기체 제트와 반응하여 여기된 산소(32)를 발생시킨다. COIL(10)은 또한 재사용, 예컨대, 재순환 루프를 위한 염기성 과산화수소를 수집하는 방법을 포함할 수 있다.

액체 제트의 사용은 과산화수소(22)의 비표면적을 증가시키고, 이로 인해, 염소 기체(12)와의 반응 효율을 증가시킨다. 테스트는 박형 플랫 액체 제트의 비표면적이 관련 기술의 원형 제트의 비표면적에 비해서 3배 초과하여 크다는 것을 나타낸다. 과산화수소의 표면적의 증가와 더불어, 플랫 제트는 이전의 노즐에 의해 요구되었던 소형 스로트를 필요로 하지 않는다. 특히, 이전의 노즐은 약 150 ㎛ 내지 약 350 ㎛ 범위의 스로트 크기를 가진다. 노즐(26)은 약 250 ㎛보다 큰 또는 보다 바람직하게는 600 ㎛보다 큰 스로트를 사용할 수 있다. 그러므로, 노즐(26)은 오염 물질, 예컨대, 과산화수소와 염소 기체의 반응에 의해 형성된 염으로 인한 폐색이 발생하지 않을 수 있다. 또한, 이로 인해 시스템(10)이 보다 높은 초기 몰 농도의 염기성 과산화수소 용액을 사용하게 할 수 있으며, 예컨대, 약 10 몰/L만큼 높은 몰 농도가 사용될 수 있다. 이전 시스템은 시스템을 폐색하는 오염 물질, 예컨대 폐색 염의 형성으로 인하여 일반적으로 초기 몰 농도는 5 몰/L로 제한된다. 대부분의 시스템은 과산화수소를 재사용하지만, 일단 몰 농도가 약 2.5 몰/L로 떨어지면, 시스템의 성능은 심각하게 열화된다. 그 결과, 대부분의 이전 시스템은 델타 몰 농도가 약 2.5몰/L 내지 약 5몰/L의 범위로 제한되지만, 본 실시예는 약 2.5몰/L 내지 약 10몰/L의 범위의 델타 몰 농도를 사용할 수 있게 한다. 그러므로, 장치는 이전 시스템의 1/3의 염기성 과산화수소를 운반하거나, 3배의 용량을 가질 수 있다.

다른 실시예에서, COIL은 과산화수소의 공급원을 위한 입구 및 알카리(Li, Na, K) 및 알카리 토류 (Mg, Ca) 차아염소산염의 공급원을 위한 플랫 제트 노즐을 구비한 여기된 산소 발생 챔버를 포함한다. 과산화수소는 기체이다. 노즐은 높은 비표면적의 박형 플랫 제트를 생성할 수 있는 길이가 약 300 ㎛보다 큰 최소 치수를 구비한 다수의 오리피스를 가진다. 양성자 생성 챔버는 여기된 산소 발생 챔버에 결합된 통로와 요오드용 입구를 가진다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 개선된 COIL의 블록도이다. 도 3을 참조하면, 개선된 COIL은 전체적으로 도면 부호 50으로 표현된다. COIL(50)은 여기된 산소 발생 챔버(56)에 다수의 입구를 통해 도관 또는 파이프(54)에 의해 물리적으로 결합된, 기체(52), 예컨대 염소 기체의 공급원을 가진다. 액체 반응물(58), 예컨대, 염기성 과산화수소(58)의 공급원이 파이프(60)에 의해 플랫 제트 노즐(62)의 어레이로 수송된다. 노즐(62)은 액체 염기성 과산화수소(58)가 염소 기체(52)와 혼합될 수 있게 한다. 반응은 싱글렛 델타 산소(singlet delta oxygen)를 포함하는 여기된 산소(64)를 생성한다. 여기된 산소(64)는 양성자 생성 챔버(66)로 수송된다. 요오드(68)의 공급원이 양성자 생성 챔버(66)의 입구(70)에 결합된다. 요오드(68)는 여기된 산소(64)의 붕괴 및 양성자 방출을 초래한다. 양성자 생성 챔버(66)는 여기된 산소의 유동에 수직인 출력을 구비한 레이징(72)을 허용하는 거울을 가진다. 사용된 산소(74)는 양성자 생성 챔버(66)를 빠져나간다. 레이저(50)는 재사용을 위해 염기성 과산화수소를 리사이클하기 위한 시스템을 포함할 수 있다. COIL(50)은 노즐(62)의 어레이를 사용하여 과산화수소의 표면적을 증가시키고 염기성 과산화수소의 보다 높은 초기 몰 농도를 허용한다. 그 결과, COIL(50)은 이전의 시스템보다 작은 크기 및 중량 또는 보다 큰 레이저 발사 용량을 허용하여, 보다 효율적이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플랫 제트 노즐의 일 실시예를 도시한 우상단 사시도이다. 도 4를 참조하면, 노즐(80)은 꼭지점(83)에서 한쌍의 대향 판(86)의 제1 단부(84)에 부착되는 V자 형상 챔버(82)를 가진다. 대향 판(86)의 제2 단부(88)는 원뿔형 노즐(90)에 부착된다. 액체, 예컨대, 염기성 과산화수소는 V자 형상 액체 운반 채널 또는 챔버(82) 내로 유동하고, 대향 판(86) 사이의 통로(92)를 통해 노즐(90)을 밖으로 가압되어 플랫 액체 제트(94)를 생성한다. 노즐 면적, 제트 유동율 및 속도에 따라서, 제트 두께(96)는 약 5 ㎛ 내지 약 100 ㎛ 범위 내에 있을 수 있고, 폭(98)은 1 cm 내지 약 5 cm의 범위에 있을 수 있다.

본 실시예에서, 폭 대 두께 비는 10배 이상 현저하게 크다. 예컨대, 약 10m/s의 제트 속도에 대해서, 플랫 제트 스크림의 길이는 약 15 cm이상이 될 수 있다. 원뿔형 노즐(90)이 대향 평판(86)과 만나는 부분인 가장 좁은 통로(100)는 약 600 ㎛보다 크다. 이 노즐(80)은 액체, 예컨대, 염기성 과산화수소의 큰 표면적을 허용하며, 이는 염기성 과산화수소와 염소 사이의 반응의 효율을 현저하게 증가시킨다. 또한, 큰 제트 표면적과 작은 제트 두께로 인해, 이 노즐(80)은 약 10 cm^-1 내지 약 20 cm^-1 범위의 매우 큰 비표면적을 발생시키며, 이는 레이저 캐비티로 이송된 여기된 산소의 보다 높은 산출량 및 보다 작은 생성기 부피를 가능하게 한다. 또한, 노즐(80)은 염소와 염기성 과산화수소의 반응으로부터 초래된 오염 물질, 예컨대, 염으로 폐색될 가능성이 있는 작은 스로트 또는 통로를 필요로 하지 않으며, 이로 인해 시스템이 염기성 과산화수소에 대한 매우 높은 초기 몰 농도를 가질 수 있다.

도 5는 도 4의 플랫 제트 노즐의 좌하단 사시도이다. 도 5를 참조하면, 플랫 제트 노즐(80)은 대향 평판(86)의 제2 단부(88)에 부착될 수 있는 다수의 원뿔형 노즐을 포함한다. 대향 평판(86)의 제2 단부(88)로부터의 유일한 출구는 원뿔형 노즐을 통하는 것임에 유의해야 한다. 설명이 COIL의 응용에 초점이 맞춰져 있었지만, 이들 실시예는 임의의 2상 반응기 또는 접촉 시스템에도 적용될 수 있음에 유의해야 한다. 2상 반응기 시스템의 사용은 기체 상 반응물과 액체 상 반응물 사이의 상호작용을 현저하게 증가시킨다. 결과적으로, 반응물 이전의 2상 반응기 설계가 허용하는 것에 비해 현저하게 보다 효율적이다.

따라서, 유사한 용량의 이전의 COIL 레이저에 비해 보다 경량이고, 보다 소형이며, 보다 효율적인 COIL이 설명되었다. 이는 레이저가 보다 작은 운송 시스템과 함께 사용될 수 있게 하거나, 현재 운송 시스템의 용량을 증가시킨다.

유출물 접촉 시스템 및 방법

전술된 바와 같이, 시스템(0)은 큰 표면적의 박형, 고밀도 플랫 제트를 생성하기 위한 노즐의 어레이를 제공한다. 시스템(0)을 COIL과 함께 사용하는 것에 관하여 설명한다. 대체 실시예에서, 시스템(0)의 많은 원리가 오염원 경감의 시스템 및 방법에 적용될 수 있다. 일 실시예에서, 오염원 경감의 시스템 및 방법은 기체 액체 접촉기를 포함한다. 기체 액체 접촉기는 복수의 노즐 플레이트를 포함한다. 본 실시예에서, 각 노즐 플레이트는 도 6 내지 도 17에 도시된 복수의 노즐을 포함하며, 노즐(1010)은 노즐의 어레이를 형성한다.

오염원 경감의 시스템 및 방법은, 사용되는 독특하고 혁신적인 노즐(1010), 그리고 노즐 플레이트 및 독특한 노즐의 배열, 그리고 액체 기체 반응기의 구성, 그리고 오염원 경감의 전체 시스템 및 방법의 구성에 우선적으로 집중하고, 이후에 다양한 오염원에 대한 시스템의 구현이 뒤따르는 상향식 관점(bottom up perspective)으로 설명될 것이다. 오염원 경감의 시스템 및 방법의 하위 구성 요소는 이하의 설명에서 명확해지는 바와 같이 오염원 경감의 시스템 및 방법에 관한 것을 넘어서는 많은 응용 분야를 가진다.

노즐

전술된 바와 같이, 시스템(0)에 관련하여, 과산화수소의 플랫 제트를 이송하는 오리피스가 설명된다. 오리피스는 제트 발달을 위한 V자 형상의 진입구(1) 및 원뿔형 진출구(2) 채널을 가진다. 진입구(1) 및 진출구(2) 채널의 교차점이 오리피스를 형성한다. 노즐 플레이트의 단면도는 진입구(3) 및 진출구(4) 채널의 외형을 도시한다. 오리피스를 나오는 제트의 대략적인 표시가 도면 부호 5로서 도시된다. 진입구(6) 및 진출구(7) 채널의 단면 확대도가 제공된다. 제트 길이 대 제트 폭의 비는 약 10:1이며, 두께는 약 10 ㎛ 내지 약 100 ㎛ 범위의 두께를 가진다.

반응물 또는 흡수제의 표면적의 증가와 더불어, 플랫 제트는 관련 기술에서의 노즐에서는 요구되던 작은 스로트를 필요로 하지 않는다. 전술된 바와 같이, 관련 기술의 노즐은 최대 치수에서 약 150 ㎛ 내지 약 350 ㎛ 범위의 스로트 크기를 가진다. 반면에, 본 발명의 실시예는 플랫 제트 노즐이 보다 작은 치수의 노즐에서 약 250 ㎛ 이상인 스로트를 가질 수 있도록 구성된다. 예컨대, 플랫 제트 노즐은 약 250 ㎛ 내지 2000 ㎛ 범위의 스로트를 가질 수 있다. 그러므로, 본 발명의 실시예의 노즐은 액체 흡수제와 기체의 반응에 의해 형성된 오염 물질, 예컨대, 염으로 인해 폐색되지 않을 수 있고, 이로 인해 본 발명의 시스템을 견고하게 만들 수 있다. 또한, 시스템이 보다 높은 초기 몰 농도의 반응물 또는 심지어 미세한 흡수제 슬러리를 사용할 수 있게 한다. 약 10 몰/L 만큼 높은 몰 농도가 사용될 수 있는 한편, 이전의 시스템은 일반적으로 폐색 염 및/또는 고체 부산물 또는 침전물의 형성으로 인하여 약 5 몰/L의 초기 몰 농도로 제한된다. 대부분의 시스템은 액체 흡수제 또는 반응물을 재사용하지만, 일단 몰 농도가 현저하게 떨어지면, 시스템의 성능은 심각하게 열화될 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 농도 간단한 모니터링 및 반응물의 적정을 통해서, 흡수제 또는 반응물 액체는 용이하게 액체 시스템 내로 적절하게 보충된다.

도 8 내지 도 13에 도시된 바와 같이, 노즐(1010)은 전술된 원뿔형 노즐(90)과 유사하다. 예컨대, 최종 노즐 절단은, 비록 원뿔 형상의 기계 공구 비트를 사용하기보다는 상이한 방식으로 제작되었지만, 대략 원뿔 형상과 U자 형상 채널의 교차로서 설명될 수 있다는 것이 유사하다. 노즐(1010)은 액체가 통과하여 유동할 때 플랫 제트를 생성하고, 기체 액체 접촉기 시스템 내의 기체로부터 분열을 최소화하도록 형성된 균일하게 이격된 플랫 액체 제트를 생성하도록 구성될 수 있다. 또한 플러그 유동 특성을 구비한 플랫 제트가 생성될 수 있다. 초기에 생성된 플랫 제트는 매우 낮은 난류 특성을 가지며, 이는 플랫 제트가 상당한 길이까지 그 특성을 유지할 수 있게 한다.

도 6은 노즐 뱅크에 대한 전구체(precursor)의 일 실시예의 단면도이다. 도 7은 도 6에 도시된 노즐 뱅크에 대한 전구체의 측면도이다. 도 6 내지 도 8을 참조하면, 전구체 로드(1012)가 노즐(1010) 및 노즐 뱅크(1011)를 형성하기 위해 사용된다. 로드(1012)는 다양한 치수를 가질 수 있으며, 대체로 편평하게 된 절반의 파이프를 닮았다. 전구체 재료는 타원형, 계란형, 및 반원형 등과 같은 다수의 상이한 기하학적 형상을 취할 수 있다.

로드(1012)는 쉘 로드 두께(1015), 직선 로드 높이(1016) 및 전체 로드 높이(1017)를 가진다. 본 발명의 일 실시예에서, 쉘 로드 두께(1015)는 약 0.015 인치 내지 0.055 인치의 범위일 수 있고, 직선 로드 높이(1016)는 약 0.05 인치 내지 약 0.75 인치의 범위일 수 있고, 전체 로드 높이(1017)는 약 0.25 인치 내지 약 0.95 인치의 범위일 수 있다. 양호한 실시예에서, 로드는 약 0.035인치의 쉘 로드 두께(1015), 약 0.323인치의 최대 측정치의 로드 폭(1014), 약 0.10인치의 직선 로드 높이(1016), 약 0.31 인치의 전체 로드 높이(1017), 및 약 7.470 인치의 로드 길이(1018)를 가진다. 전체 폭(1014)은 약 0.323 인치이고, 도 9에 도시된 바와 같이, 노즐 엣지(1019)는 노즐 뱅크(1011)의 엣지로부터 약 0.035 인치에서 시작한다.

본 실시예에서, 노즐 뱅크(1011)를 생성하기 위한 공정은 이하와 같다. 노즐 뱅크(1011)는 프로그레시브 다이(progressive die)를 사용하여 생성된다. 다이 절단의 제1 단계는 성형될 적절한 크기의 직사각형 금속편을 생성하는 것이다. 다이용으로 사용되는 재료는 단일 금속 또는 합금, 예컨대 스테인레스 강일 수 있다. 또한, 금속 선택은 사용되는 액체의 화학적 성질 및 그 부식성 또는 반응성에 의존할 수 있으며, 따라서, 구리, 니켈, 크롬, 알루미늄, 또는 이들 금속을 포함하는 합금을 포함하는 다른 금속이 선택될 수 있다.

제2 단계에서, 도 6 및 도 7의 로드(1012)의 구체적인 기하학적 형상이 생성된다. 바람직하게, 로드(1012)는 예리한 엣지 또는 코너를 제거하기 위해 디버링(de-burred)된다. 다음에, 노즐(1010)을 로드(1012) 내로 기계 가공함으로써 복수의 노즐(1010)이 형성된다. 양호한 실시예에서, 와이어 전기 방전 가공(EDM) 기계에 의해 노즐(1010)이 형성된다. 예컨대, 로드(1012)는 고정물에 장착되어 생산 EDM 기계 내로 넣어지고, 노즐은 예컨대 도 8 내지 도 11에 도시된 바와 같이 로드(1012)내에 형성된다.

도 12에 도시된 바와 같이, 단부 캡(1023)이 노즐 뱅크(1011)에 용접되고, 노즐 뱅크(1011)는 도 13에 도시된 바와 같이 판 내에 용접된다. 용접은 당업계에 알려진 바와 같이 예컨대, 레이저 용접으로서 수행될 수 있다. 도 8 내지 도 13에서 노즐 열(1011)이 완성된 노즐(1010)과 함께 도시된다. 노즐(1010)은 도 11에서 볼 수 있는 바와 같이 약 90도 각도로 절단된다. 노즐 절단의 깊이는 약 1 mm 내지 약 2.5 mm 범위 내에 있을 수 있다. 양호한 실시예에서, 노즐(1010)은 약 0.058 인치의 노즐 깊이(1020)로 절단된다. 채널의 깊이는 약 2 mm 내지 20 mm의 범위 내에 있을 수 있다.

노즐은 중심(1021)들 사이에 균일하거나 불균일한 거리를 갖도록 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 중심들 사이의 거리는 약 0.1 cm 내지 약 5 cm의 범위일 수 있다. 양호한 실시예에서, 노즐 중심(1021)들 사이의 거리는 약 0.158 인치이다. 또한, 노즐 뱅크(1011) 내에는 임의의 개수의 노즐이 있을 수 있다. 양호한 실시예에서, 45개의 노즐이 노즐 뱅크(1011) 내에 형성된다. 또한, 단부 공간(1022)이 노즐 뱅크(1011)의 양 단부에 형성된다. 양호한 실시예에서, 단부 공간(1022)은 약 0.235 인치로 형성된다. 도 12는 노즐 단부 캡(1023)이 용접된 부분을 도시한다. 도 13은 노즐 뱅크(1011)가 채널 시임(1025)을 따라서 판(1024) 내에 용접되는 방식을 도시한다. 본 실시예의 구성은, 액체의 부피과 비교해서 큰 표면적을 제공할 수 있고, 정상 대기압에서 낮은 부피 용기 내에 다수의 제트를 더 제공할 수 있기 때문에 유익하다. 다른 실시예에서, 또한 채널은 본 명세서에 설명된 바와 같은 용접이 아니라 판 내에 직접적으로 기계 가공될 수 있다. 또한, 노즐은 또한 약 0.5 mm 보다 작은 최소 치수를 갖는 좁은 대략 타원형 슬릿이 생성될 수 있도록 구성될 수 있지만, 약 50 mm보다 큰 길이를 가질 수 있다. 이 노즐은 양호한 실시예와 비교해서 바람직하지 않은 높은 액체 유동 부피를 가질 수 있지만, 이는 큰 표면적의 박형 플랫 액체 시트를 형성한다.

노즐 플레이트

노즐 뱅크(1011) 또는 플레이트(1024) 상의 노즐(1010)의 배열은 노즐에 의해 생성된 액체 제트가 작은 부피 내로 밀집되게 패킹될 수 있게 한다. 유체 유동의 예측가능한 성질은 제트가 간섭 및 난류의 유발 없이 근접하게 패킹될 수 있게 한다. 양호한 실시예에서, 유체 유동은 진입하는 액체가 액체 노즐 공급 채널의 방향에 대해 약 90°로 유동하도록 구성된다. 수성 유체로써 최상의 액체 제트 특성을 만들 수 있다는 것이 알려져 있지만, 액체 공급 채널을 따르거나 또는 이에 평행한 유체 유동은 바람직하지 않은 효과인 유체 유동의 방향으로의 최종 제트의 굴절을 야기할 수 있다. 반면에, 노즐 플레이트(1020)에 의해 생성된 제트의 층류가 인접 열에서 스트림의 교차 없이 밀접하게 패킹된 제트를 발생시킨다. 따라서, 난류가 거의 생성되지 않으며, 유체의 분포가 균일하게 유지된다.

도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 노즐 플레이트의 측면도이다. 도 15는 도 14의 노즐 플레이트의 평면도이다. 도 16은 도 14의 노즐 플레이트의 사시도이다. 도 17은 도 15에 도시된 절단선(A)을 따른 도 14의 노즐 플레이트의 세부 절취도이다.

이제 도 14 내지 도 17을 참조하면, 노즐 플레이트는 전체적으로 도면 부호 1020으로 지시된다. 본 실시예에서 각각의 개별 노즐(1010)은 채널(1015) 내에 노즐의 열을 생성하면서, 성형된 채널(1015) 내로 절단된다. 몇몇 채널이 플레이트(1020) 내에 생성되어 오리피스 플레이트 또는 노즐 제트 어레이를 형성한다. 채널(1015)은 전술된 바와 같이 플레이트 내로 용접된 노즐 뱅크(1011)일 수 있다. 대체예로서, 채널 및 노즐은 기계 가공에 의해 단일 플레이트로부터 형성될 수 있고, 통상적의 결과물은 도 21 내지 도 24에 도시된 바와 같다.

본 실시예에서, 노즐(1010)들은, 제트가 의도된 부피를 차지하지만 서로 교차하지는 않도록, 발생된 제트로 채워지는 부피를 최대화하기 위해 정확하게 이격된다. 지나치게 밀접한 제트의 간격은 응집성 플랫 제트와는 달리 본 실시예의 효과를 감소시키는 바람직하지 않은 결과인 제트 충돌 및 작은 액적으로의 분열을 야기한다. 또한 지나치게 멀리 이격된 제트의 간격은 기체 상 분자와 반응할 수 있는 비면적의 저하를 야기하여 또한 본 실시예의 효과를 감소시킬 수 있다. 최적의 간격은 주로 노즐 설계 및 치수, 반응 효과(또는 질량 전달), 유체 점성, 및 유체 표면 에너지의 조합된 함수이다.

도 18은 도 14의 노즐 플레이트에 의해 발생된 플랫 박형 플랫 액체 제트의 어레이의 사시도이다. 도 19는 도 14의 노즐 플레이트에 의해 발생된 플랫 박형 플랫 액체 제트의 어레이의 정면도이다. 도 20은 도 14의 노즐 플레이트에 의해 발생된 플랫 박형 플랫 액체 제트의 어레이의 측면도이다.

도 18 내지 도 20을 참조하면, 액체가 노즐을 통해 가압될 때 형성된 플랫 제트의 어레이 또는 매트릭스가 도시된다. 본 실시예에서, 각 노즐(1010)은 평탄하고 안정적인 제트(1050)를 생성하도록 구성된다. 바람직한 실시예에서, 제트는 약 2 cm 폭, 약 25 cm 길이, 및 약 0.1 mm 두께로 구성된다. 물론, 다른 치수가 사용될 수도 있다. 노즐(1055)의 각 열은 제트(1060)의 열(row)을 발생시키고, 열들은 플랫 액체 제트(1065)의 매트릭스 또는 어레이를 발생시키도록 정렬된다. 이 플레이트는 제트의 24개 열(1055)을 발생시키도록 구성된다. 물론 열의 수는 증가 또는 감소될 수 있다. 제트의 열의 양호한 수는 기체 액체 접촉기 적용의 크기와 노즐 어레이 또는 제트 플레이트 및 부수적인 유체 처리 하드웨어 제조의 실용적인 측면에 의해 정해질 수 있다. 그렇지만, 상부 측면 상에 근본적인 크기 제한은 없다. 예컨대, 연구 응용 분야를 위한 크기의 매우 소형의 반응기에 대해서, 열의 실용적인 수는 3개이며, 이는 2개의 액체 채널(그리고 반응기 벽인 절반부로 인한 각 엣지 상의 절반의 채널)을 제공하기 위한 것이다. 작동 시에, 기체가 플랫 제트들 사이로 제트의 평탄 측면에 평행하게 유동하도록 구성되고, 이로 인해 충실한 접촉을 위한 매우 넓은 표면적이 생성된다.

도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 노즐 플레이트의 유체측 진출부를 도시한 도면이다. 도 22는 도 21의 노즐 플레이트의 유체 진입측을 도시한 도면이다.

도 21 내지 도 22를 참조하면, 노즐 플레이트는 전체적으로 도면 부호(1101)로 지시된다. 노즐 플레이트(1101)는 오프셋 또는 엇갈림 구성의 노즐(1010)을 포함한다. 일 실시예에서, 도 18에 도시된 바와 같이, 기체는 제트에 의해 생성된 평탄면에 평행하게 유동하도록 구성될 수 있다. 노즐(1010)의 엇갈림 또는 오프셋 구성은 엇갈림 구성이 난류를 유발할 수 있는 기체 횡단 유동 채널을 차단하기 때문에 엇갈림 없는 구성에 비해서 약간 증가된 유동을 허용할 수 있다.

도 23은 본 발명의 다른 실시예의 노즐 플레이트의 유체측 진출구를 도시한 도면이다. 도 24는 도 23의 노즐 플레이트의 유체 진입측을 도시한 도면이다.

도 23 내지 도 24를 참조하면, 노즐 플레이트는 전체적으로 도면 부호 1110으로 지시된다. 도시된 바와 같이 유체는 도 23에 도시된 면을 나가고, 기체는 제트의 평탄면에 평행하게 유동하도록 구성될 수 있다. 도 24는 노즐 플레이트(1110)의 이면을 도시한다. 노즐 플레이트는 복수의 노즐(1010)을 포함하며, 이는 전술된 바와 같이 노즐 어레이(1112)[노즐 뱅크(1011) 참조] 내에 설치된다. 대체예에서, 노즐 어레이(1112)는 제거 가능하게 구성될 수 있다. 노즐 어레이를 제거하는 기능은 노즐 부식 또는 노즐 치수 변경의 요구가 있는 경우(예컨대, 상이한 점성을 가진 상이한 유체를 사용하는 경우)에 어레이를 관리하는 기능을 제공한다.

도 25는 노즐 뱅크가 제거된 상태의 노즐 플레이트의 일 실시예의 유체측 출구를 도시한 도면이다. 도 26은 도 25의 노즐 플레이트의 유체 입구측을 도시한 도면이다. 도 25 내지 도 26을 참조하면, 노즐 열(1113)이 노즐 어레이 조립체(1120)로부터 제거 가능하고 노즐 뱅크(1113)가 제거된 상태를 도시한다. 노즐 뱅크(1113)를 제거할 수 있으므로, 전체 플레이트를 교체할 필요 없이 사용자가 노즐 플레이트(1120)를 세척하거나 파손된 노즐 뱅크(1113)를 교체할 수 있도록 보조할 수 있다. 또한, 접촉기 비면적이 조정될 수 있으므로, 즉, 예컨대, 매우 높은 질량 전달을 가지는 기체 상 분자가 포획 또는 반응 산출량을 만족시키기 위한 양의 비면적을 필요로 하지 않을 수 있으므로, 제거 가능한 노즐 뱅크(1113)는 제조 프로세스에 도움이 될 수 있다. 이와 같이, 노즐 뱅크는 현존하는 시스템에서 전체 액체 유속을 감소시키기 위해 잠재적으로 제거될 수 있다.

예컨대, 일 실시예에서, 도 25 및 도 26에 도시된 노즐 뱅크 또는 열(1113)은 평탄화된 튜브(1130)(도 27 및 도 28에 도시됨)로부터 절단될 수 있다. 튜브(1130)는 적절한 튜브로부터 길이 방향으로 절단되고, 약간 평탄화되거나, 또는 대체예로서, 맨드릴 상에서 평탄 시트로부터 형성된다. 복수의 노즐(1010)이 튜브(1130) 내로 절단된다. 이는 노즐 뱅크 형성의 대체 방법이다. 튜브(1130)는 평탄화되어 도시되고 오리피스 제작을 위해 와이어 EDM 홈이 형성된다. 튜브(1130)가 길이 방향으로 절단되고, 평탄화되지 않은 단부가 제거된 후, 홈 편(1113)은 실질적으로 완료되고 노즐 플레이트(1120) 내로 끼워질 준비 상태가 된다.

기체 액체 접촉기

도 29는 본 발명의 다른 실시예에 따른 기체 액체 접촉기의 개략적인 단면도이다. 기체 액체 접촉기는 효율을 증가시키고 (본 명세서에서 설명된) COIL에 대한 기체 액체 접촉기의 비말 동반(entrainment)을 감소시킨다. 기체 액체 접촉기 내의 노즐은 기체 스트림 내에서 그 형상을 유지하는 액체의 안정적인 평면상의 제트를 생성하도록 구성된다.

이들 노즐은 평면 액체 제트의 밀집 패킹된 평행 매트릭스를 생성하는 어레이 내의 (본 명세서에서 설명된) 노즐 플레이트 내로 제조될 수 있다. 플랫 제트 어레이는 공기역학적으로 형상화되고 상대적으로 높은 기체 유동에서 안정적인 제트 형성을 제공한다. 즉, 노즐의 어레이는 기체로부터의 분열을 최소화하도록 형상화된 균일하게 이격된 플랫 액체 제트를 발생시키도록 구성된다. 또한, 노즐의 어레이는 매우 높은 접촉 면적과 낮은 기체측 압력 저하를 제공하면서 기체 유동과 평행한 액체 시트를 발생시킨다. 기체 유동은 액체 제트를 가로지를 수 있고(횡단 유동), 역류 유동, 또는 병류 유동일 수 있다.

노즐을 이용하여 제트를 생성하는데 필요한 액체 압력 강하는 또한 낮아 결과적으로 액체 및 기체 측 모두에서 낮은 펌핑 비용을 야기한다. 액체 압력은 주요 제한 오리피스(restrictive orifice), 예를 들어 노즐 어레이를 가로질러 강하한다. 예를 들어, 실시예에서 기능하는 액체 압력 범위는 2 psi 내지 50 psi이고, 최상의 액체 압력 범위는 3 psi 내지 15 psi이다. 또한, 2 psi보다 낮은 액체 압력은 여전히 박형 플랫 제트(thin flat jet)[노즐 치수에 의존]를 제공할 수 있지만, 액체 속도가 낮아져서 고속 기체 유동에 의해 상당한 편향을 야기할 수 있다. 이와 유사하게, 50 psi 보다 높은 압력은 뛰어난 박형 플랫 제트를 생성할 수 있지만, 이러한 유압에 제공될 필요가 있는 에너지가 높아지게 되고, 이는 시스템의 기생 에너지 손실에 더해진다.

이러한 장점에 더하여, 노즐은 액체를 무화하지 않기 때문에, 기체에서의 액체 비말 동반은 액체를 무화하는 시스템에 비하여 훨씬 감소된다. 기체 액체 접촉기는 매우 높은 비면적(specific area), 예를 들어 20cm^-1을 갖고, 이는 높은 접촉 효율 및 예를 들어 접촉기 및 보조 펌프에 대하여 100 ft²/MW의 상당량보다 작은 작은 풋프린트(footprint)를 갖는다. 또한, 기체 액체 접촉기의 비면적 및 다른 파라미터가 도 2에 도시된다.

도 29를 참조하면, 기체 액체 접촉기는 전체적으로 도면 부호 1600으로 표시된다. 이 실시예에서는 횡단 유동 구성이 이용되고, 기체는 접촉기(1600)를 통해 좌측에서 우측으로 유동한다. 액체는 입구 플리넘(plenum; 1630)를 통해 접촉기(1600)의 상단(1610)으로 유입되고, 접촉 챔버(1650)의 상단의 노즐 플레이트(1640)를 통해 강제된다. 플랫 액체 제트는 노즐에 의해 형성되고 챔버를 통해 하방으로 유동한다. 기체 유동은 도 29에 도시된 시스템에서 평행한 제트들 사이에서 좌측으로부터 우측으로 유동하는 것으로, 여기에서 질량 전달이 발생하고 이후 저압 강하 먼지 스트립퍼(1660)를 통과하고 출구(1670)로 유동한다. 액체는 접촉기의 저부의 안티 스플래시 그리드(anti splash grid; 1680)를 통해 모아지고, 필요한 만큼 처리되고, 리사이클될 것이다. 안티 스플래시 그리드 서브모듈(1680)은 플랫 제트를 수용하도록 형상화된 개구를 갖춘 그리드이다. 안티 스플래시 가드(guard) 또는 기체 유체 분리기(separator)는 또한 작동시 액체의 백-스플래시(back-splash)를 실질적으로 최소화하도록 구성된다. 안티 스플래시 그리드(1680)의 개구는 액체 포획 출구 플리넘(1620)의 배출구(1700 및/또는 1690)를 향하여 약간 경사져서 유체에 대하여 압력을 가하지 않고 유체의 배출을 돕는다.

다음의 표 2 및 3은 본 발명을 포함하여 몇몇 기체 액체 접촉기의 접촉 효율 및 장단점을 비교한다.

통상의 기체 액체 접촉기의 작동 특성

통상적인 기체 액체 접촉기의 비교

접촉기 타입	장점	단점
패킹 컬럼(packed column)	ㆍ긴 접촉 시간 ㆍ큰 접촉 면적 ㆍ양호한 혼합 ㆍ다중 스테이지 효과에 대한 역류	ㆍ액체 플러딩 ㆍ액체 비말 동반 ㆍ높은 기체 압력 강하 ㆍ패킹 베드에서의 폐색
기포 컬럼(bubble column) (교반)	ㆍ단순한 구성 ㆍ낮은 작동 비용	ㆍ기체 기포 합체 ㆍ액체 상의 역혼합 ㆍ교반에 대한 전력 소비 ㆍ단일 스테이지
멤브레인	ㆍ높은 질량 전달 계수 ㆍ플러딩(flooding) 없음 ㆍ감소된 액체 비말 동반 ㆍ다중 스테이지 효과에 대한 역류 가능 ㆍ다이렉트 스케일-업(direct scale-up)	ㆍ고비용의 구성 ㆍ높은 기체 압력 강하 ㆍ멤브레인 저항 ㆍ멤브레인이 파열되기 쉽다 ㆍ 낮은 기체 유량
분사 컬럼	ㆍ패킹 없음 ㆍ낮은 기체 압력 강하 ㆍ낮은 작동 비용 ㆍ다중 스테이지 효과에 대한 역류 가능	ㆍ낮은 접촉 효율 ㆍ액체 액적 유착 ㆍ높은 압력 강하 및 높은 액체 펌핑율로 인한 높은 액체 펌핑 비용 ㆍ액체 비말 동반 ㆍ노즐이 막힐 수 있다
벤츄리 이젝터(venturi-ejector)	ㆍ단일의 노즐 ㆍ높은 액체 표면적에 대하여 작은 액적 ㆍ난류 혼합	ㆍ높은 기체 압력 강하 ㆍ매우 높은 액체 비말 동반 ㆍ짧은 접촉 시간 ㆍ단일의 스테이지
본 발명(플랫 제트)	ㆍ단순한 구성 ㆍ낮은 액체 압력 강하 ㆍ낮은 기체 압력 강하 ㆍ높은 질량 전달 계수 ㆍ다중 스테이지 효과에 대한 역류 가능	ㆍ큰 액체 펌핑율 ㆍ횡단 유동 구성이 단일의 스테이지 ㆍ역류 구성이 보다 복잡하다

기체 액체 접촉기는 원래 COIL 레이저(COIL laser)에서 화학 반응기용으로 사용되었지만, 그 적용 분야는 이에 한정되지 않는다. 기체 액체 접촉기는 다양한 적용 분야, 예를 들어 고효율, 단일의 스테이지, 낮은 비용, 기체와 액체 사이에서의 작은 풋프린트 접촉이 요구되는 임의의 적용 분야에서 사용될 수 있다. 몇몇의 예들은 기체 냉각과 같이 기체와 액체가 직접 접촉하는 열 전달, 연도 기체 스트림으로부터 오염물을 흡수하는 것과 같은 질량 전달, COIL(COIL) 적용 분야에서와 같은 액체와 기체 사이의 화학 반응, 호기성 소화(aerobic digestion)와 같은 생물학적 반응을 포함한다. 다중 스테이지, 횡단 유동 접촉은 접촉기를 직렬로 연결하고 하류측 접촉기의 출구로부터 다음의 상류측 접촉기의 입구로 액체를 펌핑함으로써 달성될 수 있다. 다르게는, 2개의 상이한 액체 흡수제 또는 반응물은 단일의 트레인 기체 유동에서 분열 없이 2개의 공정 반응을 제공하도록 직렬로 설치된 기체 액체 접촉기에 독립적으로 펌핑될 수 있다. 기체 액체 접촉기의 실시예는 매우 높은 부피 질량 전달 계수, 낮은 기체 압력 강하, 낮은 액체 압력 강하, 상대적으로 작은 크기, 폐색에 대한 저항, 낮은 액체 비말 동반 및 낮은 자본 및 작동 비용의 기체 액체 접촉기를 제조한다. 이는 서로에 대하여 평행하게 근접 패킹되고 기체 유동에 평행한 플랫하고 안정적인 비무화 제트를 생성하는 특정 노즐의 어레이를 갖춘 오리피스 플레이트(본문에 개시된 노즐 플레이트)를 사용하여 달성된다. 단일 스테이지 기체 액체 접촉기에 대한 일 실시예가 이하에 개시된다. 기체 유량 및 제트 열의 수는 이러한 단일 스테이지에 대한 접촉 시간을 결정한다.

이러한 실시예에서, 제트 플레이트는 기체 액체 접촉기(1600)내에 수납된다. 기체는 좌측(1672)으로부터 유입되고, 접촉 챔버(1650)의 플랫 액체 제트를 통하여 진행하고, 먼지 스트립퍼(1660)를 통과하고, 기체 배출구(1670)를 나간다. 액체는 입구 플리넘(1630)으로 유입되고, 노즐 플레이트(1640)의 열을 통과하여 강제로 하강되어 플랫 액체 제트를 형성한 후, 기체 액체 분리기(1680)를 통과하고 접촉기 저부의 액체 수집 챔버(1620) 내로 떨어진다. 그 후, 액체는 출구(1690, 1700)로 진행하여 처리 및/또는 리사이클된다.

도 30은 본 발명의 다른 실시예에 따른 복수의 기체 액체 접촉기의 개략적인 구성을 도시한다. 도 30을 참조하면, 다중 스테이지 횡단 유동 장치 접촉기는 전체적으로 도면 부호 3000으로 표시되고 직렬로 연결된다. 다중 스테이지 횡단 유동 장치 접촉기(3000)는 제1 기체 액체 접촉기(3002), 제2 기체 액체 접촉기(3004) 및 제3 기체 액체 접촉기(3006)를 포함한다. 물론, 기체 액체 접촉기는 3개 초과일 수 있는 것으로, 예를 들어 기체 액체 접촉기의 개수는 적용 범위에 대하여 결정될 수 있다. 즉, 사용되는 접촉기의 개수는 특정 화학 분야에 의해 요구되는 최종적인 포획 또는 반응 산출량(reaction yield)의 함수이다. 순차적인 접촉기는 종래 기술에서 알려진 순차 화학 추출에 대략적으로 비교될 수 있다. 기체는 결국 각각의 접촉기를 통하여 유동하고, 액체는 트레인의 하류측 단부(3008)로부터 상류측 단부(3010)로 횡단 유동을 한다.

각각의 스테이지(도시 안됨) 사이의 액체 펌프는 각각의 접촉기에 액체를 제공한다. 선택적으로는, 단일의 액체 분배 플리넘은 단일의 직렬 액체 분배 플리넘에 또는 단일의 펌프 플리넘으로부터 평행하게 액체를 분배하기 위해 단일의 액체 펌프만을 요구하면서 모두 직렬로 설치된 기체 액체 접촉기 모듈로서 기능할 수 있다.

기체 액체 접촉기는 다양한 재료로 제조될 수 있다. 예를 들어, 접촉기는 스테인레스 스틸로 제조될 수 있다. 이 재료는 액체 및/또는 기체 화학 및 그 부식도 또는 반응도에 기초하여 선택될 수 있는 것으로, 예를 들어 구리, 니켈, 크롬, 알루미늄 및 그 합금일 수 있다. 추가적으로, 도포 성분 또는 배관 자재는 예를 들어 글라스 라이닝되거나 또는 에폭시 또는 파우더 코팅되어 사용될 수 있다. 다르게는, 접촉기의 몇몇 구조적 및/또는 유체 조작부는 플라스틱 또는 폴리머, 섬유 강화 에폭시 또는 폴리머, 구조적 폴리머, 폴리이미드 및 합성물 또는 그 조합으로 제조될 수 있다.

암모니아수 오염 물질 제거

본 명세서에 개시된 본 발명의 실시예는 암모니아의 사용을 통한 유출물에 있어서의 오염 물질 제거에 사용될 수 있다. 오염 물질 제거에 대하여 중요한 비용 유발 요인은 연도 기체에서의 오염물의 낮은 부분 압력 및 느린 기체 흡수율이다. 예를 들어, 반응율은 대체로 반응물 초기 농도의 함수로서, 농도가 높을수록 반응이 빨라진다. 하지만, 초기 농도가 낮으면, 기체 또는 액체 분자를 반응시키거나 또는 제거할 때 질량 전달은 제한된 변수가 된다. 본 발명의 실시예에서, 낮은 질량 전달 계수는 높은 상대 비면적 및 높은 유량에 의해 오프셋된다.

관련 기술에서, 산성비와 공기 오염에 대한 SO₂ 및 SO₃의 기여를 해결하기 위해, 연도 기체 탈황(FGD; Flue Gas Desulphurization) 시스템이 개발되어 발전소에 설치되었다. 대부분의 FGD 시스템은 CaSO₃로 SO₂를 흡수하도록 연도 기체가 습윤 석회석과 접촉하고, 이는 이후에 CaSO₄(석고)로 산화되고 침전되어, 판매되거나 또는 매립지에 배치된다. 석회 또는 석회석 기반 FGD의 단점은 다양한 오염 물질, 예를 들어 NO_x, Hg 또는 CO₂를 해결할 수 없다는 것이다. 다른 단점은 FGD 시스템에 필요한 자본 투자 및 큰 풋프린트, 예를 들어 분사 타워 및 산화 탱크이다.

기체 흡수 및 제거를 위한 바람직한 흡수제는 높은 액체 제트 성능, 높은 기체 로딩 능력, 높은 산화 안정도, 낮은 반응열, 낮은 흡수제 비용, 낮은 부식도 및 판매 가능한 생성물 스트림을 나타내는 시스템이다. 흡수제의 예는 암모니아수가다. 선택적 촉매 환원(SCR) 또는 선택적 비촉매 환원(SNCR)을 통하여 NO_x를 감소시키도록 암모니아, 암모니아염 및 요소가 보일러 또는 연도 기체 내로 주입된다. 암모니아 및 그 염은 SO_x 및 다중 오염 물질을 제어할 수 있다.

또한, NO가 수중에서 매우 낮은 용해도를 갖기 때문에, 관련 기술에서 수성 흡수제를 사용하는 다중 오염물 제어는 연도 기체에 있어서의 NO_x의 주 성분인 NO가 선택적 촉매 환원(SCR) 또는 선택적 비촉매 환원(SNCR)를 통하여 N₂로 환원되거나 또는 NO₂로 산화되는 것을 필요로 한다. NO₂로 산화되면, 이후에 NO_x는 임의의 염기성 용액 또는 질산에 의해 흡수될 수 있다. 암모니아계 시스템이 사용될 때, 값비싼 부산물이 제조된다. 질산 암모늄 및 황산 암모늄은 비료로 사용될 수 있다. 암모니아는 모노에탄올 아민(MEA) 또는 디에탄올아민(DEA)보다 CO₂를 포획하는데 훨씬 효과적이고, CO₂는 개선된 유전 회수에 사용될 수 있다.

본 발명의 실시에는 산성 기체, 암모니아, VOCs, SO_x, NO_x, CO_2, Hg 및 그 조합과 같은 몇몇 관심있는 오염 물질을 포획할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 또한, 본 발명의 몇몇 실시예는 단일의 작은 풋프린트, 시스템 및 가치있는 부산물을 제조하도록 구성된다. 또한, 실시예들은 슬러리와 접촉하지 않아 관련된 재료 취급의 어려움을 피하게 된다. 슬러리를 사용하지 않으면 암모니아 리사이클기(또는 CO₂ 스트립퍼)에서의 상변화를 완성하는데 요구되는 열을 피하게 된다.

본 발명의 실시예에서, 연도 기체는 백하우스(bag house) 또는 전기 집진기(ESP)에서 비산재를 제거하고, 이후 제1 습식 접촉을 위하여 필요에 따라 냉각된다. 이후, 연도 기체에서의 SO₂ 및 NO는 기체 상 과산화수소로 산화되거나 또는 액체 상 과산화수소에 의해 제1 스크러버(scrubber)에서 산화될 수 있다. 스크러버는 본 명세서에 개시된 바와 같이 높은 효율이고 작은 풋프린트를 차지하는 수평 횡단 유동 기체 액체 접촉기이다. 스크러버는 산성 기체, 예를 들어 SO₂, SO₃, NO₂, HCl, HF를 제거하기 위하여 염기성 수성 황산 암모늄으로 연도 기체를 스크러빙한다. pH를 제어하고 가수분해된 기체에 의해 생성된 수소 이온과 반응하도록 수산화물 이온을 제공하기 위해 메이크-업(make-up) 암모니아가 첨가된다. 이는 기체를 용해도 암모늄염으로 전환시키고, 그들의 증기압을 거의 제로로 감소시킨다. 대략 99% 이상의 SO_x의 흡수율이 달성될 수 있다. 수은은 또한 산화 및/또는 흡수 처리를 통해 제거될 수 있는 것으로, 예를 들어 HgO_x는 원소 Hg보다 훨씬 더 용해도가 된다. 본 발명의 실시예에서의 오염 물질 제거를 위한 소정의 반응 메카니즘은 이하를 포함한다.

산화 황 및 산화 질소가 염(NH₄)NO₃ 및 (NH₄)₂SO₄로서 포획된 후, 접촉 용액은 판매 또는 처분용으로 농축되어 침전될 수 있다. 중금속(Hg) 및 할로겐화물(Cl 및 F)은 pH 조정 공정에서 별도로 침전될 수 있다. 린(lean) 접촉 용액은 스크러버로 리사이클된다.

이러한 처리 후의 연도 기체는 모든 오염 물질에 대하여 대략 95% 이상의 정화도이고, 부분적인 CO₂ 제거가 준비된다. 제2 스크러버는 액체에 대한 암모니아수 및/또는 암모니아염 조합물을 이용한다. CO₂는 흡수되고 탄산 암모늄 및 물과 반응하여 중탄산 암모늄을 형성한다. 낮은 온도 및 높은 pH는 CO₂의 흡수에 도움이 된다. 메이크-업(make-up) 암모니아는 스크러빙 용액에 있어서 자유 암모니아(free ammonia)의 pH 및 레벨을 제어한다. 암모니아의 농도가 높을수록 pH를 증가시키고 CO₂의 흡수 및 CO₂ 로딩을 증가시키지만, 암모니아의 증기압을 또한 증가시킨다. 본 발명의 실시예에 따른 CO₂ 포획을 위한 몇몇의 단순화된 반응 및 메카니즘은 아래를 포함한다.

접촉기로부터의 농한(rich) 액체는 CO₂ 스트립퍼로 보내지고, 거기에서 온도가 상승되어 역반응을 생성시키고 기상 CO₂를 방출하며 탄산 암모늄을 생성한다. 높은 온도 및 낮은 pH는 CO₂의 방출(evolution)에 도움을 준다. 낮은 pH는 암모니아의 흡수에 도움을 주어서 낮은 pH는 CO₂의 방출에 도움을 주지만 암모니아를 용액 상태로 유지시킨다. CO₂는 분리 및 압축되고, 탄산 암모늄은 스크러버로 복귀된다.

종래의 암모니아계 시스템이 갖는 공통적인 문제점은 암모니아 슬립(slip)이며, 흡수성 액체에 용해된 암모니아가 기체 상으로 복귀하고 연도 기체의 스택 상으로 운송된다. 이는 암모니아가 연도 기체의 구성 성분과 반응하여 고상을 침전시킬 경우 가시성 플룸(plume)을 야기시킬 수 있다. 또한, 암모니아 슬립은 시약 비용을 현격하게 증가시킨다.

실시예에서, 도 30에 도시된 바와 같이 복수의 기체 액체 접촉기가 오염 물질 제거에 사용된다. 이러한 실시예에서, 각각의 기체 액체는 상이한 목적을 위하여 구성될 수도 있다. 예를 들어, 기체 액체 접촉기(3006)는 2개의 제1 접촉기(3002, 3004) 각각을 통하여 슬립될 수 있는 임의의 암모니아를 포획하도록 특정하게 설계될 수도 있다. 이러한 실시예에서, 산성 기체(SO_x, NO_x 및 CO₂)를 흡수하는데 최적인 pH는 7보다 크며, 이는 이러한 기체의 증기압이 높은 pH에서 가장 낮지만 암모니아의 증기압은 높은 pH에서 가장 높기 때문이다. 최적인 조건 하에서, 제1 기체 액체 접촉기(3002)는 대략 99% 이상으로 SO₂를 포획할 수 있다. 제3 접촉기(3006)가 암모니아를 포획하는데 최적인 조건하에서 가동되기 때문에, 제3 접촉기(3006)는 제1 기체 액체 접촉기(3002) 및 제2 기체 액체 접촉기(3004)가 높은 암모니아 슬립을 가진 상태로 산성 기체를 흡수하는데 최적인 조건 하에서 작동하게 한다. 이와 같이 포획된 암모니아는 2개의 제1 기체 액체 접촉기로 복귀된다. 기체 액체 접촉기가 효율이 높고 크기가 작다는 것은 제3 기체 액체 접촉기가 알맞고 매우 높은 포획 효율을 허용한다는 것을 의미한다.

본 실시예에 의해 제거 시스템의 에너지 비용 및 비용을 감소시킴으로써 연도 기체로부터 다중의 오염 물질을 제거하는 것에 대한 보다 높은 효용성, 제거 시스템의 크기를 최소화함으로써 연도 기체로부터의 다중의 오염 물질을 제거하는 것에 대한 보다 높은 효용성, 공장 제조될 수 있고 연도 기체 처리 능력에 대하여 필요한 레벨을 제공하는 방식으로 병렬로 조합될 수 있는 모듈 시스템을 생성함으로써 연도 기체로부터의 다중의 오염 물질을 제거하는 것에 대한 보다 높은 효용성, 다양한 설비 크기에 적합하도록 병렬로 조합될 수 있는 모듈 시스템을 생성함으로써 연도 기체로부터의 다중의 오염 물질을 제거하는 것에 대한 보다 높은 효용성, 오염 물질의 선택적 및 순차적인 제거를 위하여 직렬로 조합될 수 있는 매우 낮은 유동 저항(압력 강하)을 갖는 모듈 시스템을 생성함으로써 연도 기체로부터의 다중의 오염 물질을 제거하는 것에 대한 보다 높은 효용성, 잉여성(높은 유용성) 및 보수성(주기적인 보수 또는 유닛 파손의 경우에 선택적인 접근성)을 제공하도록 조합되는 모듈 시스템을 생성함으로써 연도 기체로부터의 다중의 오염 물질을 제거하는 것에 대한 보다 높은 효용성, 조립체 라인 공정에서 대량 생산될 수 있는 모듈 시스템을 생성함으로써 연도 기체로부터의 다중의 오염 물질을 제거하는 것에 대한 보다 높은 효용성 및 다양한 형태 및 크기의 전력 발생 및 화학 처리 설비로부터의 유출물 기체로부터 다중의 오염 물질을 제거하는 것에 대한 보다 높은 효용성을 포함한 복수의 효용성을 생성한다.

또한, 작은 시스템 부피 내에 한정된 연속적으로 보충된 액체 내로 높은 부피 연도 기체 유량으로부터의 연도 기체 오염 물질의 선택적이고 높은 물질 전달율을 달성하기 위한 방법 및 시스템이 본 실시예에 설명될 수 있다. 이러한 방법 및 시스템에서, 고속이고 매우 넓고 얇으며 길고 안정적인 제트의 큰 밀도로 패킹된 어레이는 고속의 연도 기체 유동과 상호작용한다. 제트 형성 오리피스는 점성 및 표면 장력과 같은 액체 흡수제 특성에 기초하여 최적화된다. 횡단 유동 및 역류 유동 설계는 2개의 상이한 실시예로 보여진다.

이러한 방법 및 시스템의 효용성은 큰 부피 질량 전달 및 그 결과에 따른 소형 크기, 최소 펌핑 능력을 요규하는 낮은 압력 흡수제 작동 및 공기 역학적으로 형성된 제트의 낮은 저항 및 설계의 모듈 및 조합 가능 성질로 인한 시스템을 가로지르는 낮은 압력 연도 기체 압력 강하로부터 달성된다. 또한, 표 3 및 표 4 참조하자. 이는 연도 기체 오염 물질 제거를 위한 공정의 효율을 상당히 증가시키고, CO₂,SO_x, NO_x 및 Hg와 같은 오염 물질의 제거를 경제성있게 실현 가능하게 한다.

다른 실시예에서, 작은 스케일 버전이 오염물 제거를 위한 큰 상업 차량의 배출물에 용이하게 맞춰진다. 또 다른 실시예에서, 화학 공장으로부터의 휘발성 유기 화합물이 배출물로부터 제거될 수 있다. 또 다른 실시예에서는 매우 건조한 공기 스트림이 극저온 액체 유동을 이용함으로써 달성될 수 있다. 또 다른 실시예에서는 기체가 가습 또는 제습되고 입자상 물질이 제거된다.

도 31은 다중 오염 물질 제거 시스템의 일 실시예의 개략도이다. 도 31을 참조하면, 다중 오염 물질 제거 시스템은 전반적으로 도면 부호 2100으로 표시된다. 이 시스템(2100)은 SO_x, NO_x , CO_{2 ,} Hg, HCl 및 HF를 포획하도록 구성될 수도 있다. 이러한 실시예에서, 보일러(2110)로부터의 연도 기체(2120)는 입자들, 예를 들어 입자 제거 지점(2130)[예를 들어, 정착 챔버 또는 네트 필터]에서의 비산재에 대해서 먼저 세정되고, 필요에 따라 냉각 스테이션(2140)에서 냉각된다. 이러한 지점(2150)에서, 연도 기체는 대개 N₂, H₂O, CO_{2 ,} SO₂, NO, Hg, HCl 및 HF를 함유한다. 물론, 이는 보일러(2110)의 처리에 달려있다. 이후, 연도 기체는 본 명세서에 개시된 바와 같은 고효율 기체 액체 접촉기(2160) 내에서 암모니아수 및 용해된 암모늄염과 접촉한다. 용해된 암모늄염은 리사이클 스트림(2170) 및 침전 공정(2190)으로부터의 상청액(supernatant; 2210)으로부터 기인되고, 암모늄 아황산염(SO₃), 황산염(SO₄), 질산염(NO₃), 염화물(Cl), 불화물(F) 및 몇몇 경우에 있어서는 소량의 탄산염(CO₃) 및 중탄산염(HCO₃)을 포함한다. 암모늄 탄산염 및 중탄산염은 대략 화학양론적 양의 메이크-업 암모니아를 사용함으로써 최소로 유지될 수 있다.

공정(2165)에서, 본 발명의 실시예에 개시된 기체 액체 접촉기 내에서 액체 상 내에서 산화가 발생한다. 물론, 몇몇 산화제는 더 양호한 흡수를 위해 NO를 NO₂로 전환하는데 사용될 수 있다. SO₃ ^-는 액체 상에서 SO₄ ^{2 -} 로 또한 산화된다. 액체의 블리드 스트림(bleed stream; 2220)은 중금속 및 암모니아염을 제거하도록 침전기로 보내진다. 제1 공정(2230)에서 pH 조정은 Hg와 같은 중금속을 침전시킨다(2210). 제2 공정(2190)에서 액체는 농축되고 암모니아염이 침전된다. 침전 공정으로부터의 중금속 솔리드는 적절하게 처분될 수 있고(2240), 암모늄염 솔리드가 비료로서 판매될 수 있다(2250). 암모늄염이 농축된 액체 형태로 비료(Hg가 제거됨)로서 판매될 수 있다면, 제2 침전은 제거될 수 있다.

다음으로, N₂, H₂O 및 CO₂만을 함유하는 연도 기체(2120)는 본 명세서에 개시된 다른 하나의 고효율 기체 액체 접촉기(2260)내에서 암모니아 및 용해된 암모늄 탄산염/중탄산염과 접촉한다. 다시, 암모니아는 메이크-업 스트림이고, 용해된 염은 리사이클 스트림(2270)으로부터 생산된다. 암모니아는 접촉 액체의 pH를 최적으로 하도록 추가된다. CO₂는 CO₂ 스트립퍼(2280)로 보내지는 액체 내에서 암모늄 중탄산염으로서 흡수된다. 여기서, 역으로 반응을 일으키도록 온도가 상승(및 필요하다면 pH 조정됨)되고, 액체 상(2300)의 탄산 암모늄이 CO₂ 흡수기로 리사이클되게 하면서 CO₂를 기체로서 방출한다(2290). 이후 CO₂는 압축되고(2310), 판매되거나 또는 격리될 수 있다(2320). 격리(sequestration)는 예를 들어 고갈된 천연 기체 우물내로의 주입, 2차 오일 회수 및 본 발명의 범위로부터 벗어나기 때문에 본 명세서에 개시되지 않는 다른 방법들과 관련된다.

CO₂ 흡수 공정 후, 연도 기체는 본 명세서에 개시된 제3 고효율 접촉기(2330) 내의 물과 접촉하여 이전의 접촉기로부터 슬립될 수 있는 임의의 암모니아를 제거한다. 접촉 액체(물)의 pH는 필요에 따라 조정되어 암모니아의 완전 흡수를 보장한다. 블리드 스트림(2340)은 CO₂ 스트립퍼(2300) 또는 SO_x 흡수기로 보내질 수 있다.

마지막으로, 단지 질소, 물, 소정의 산소 및 임의의 흡수되지 않은 CO₂만으로 구성되는 정화된 연도 기체(2350)가 응축을 감소시키도록 가열되고(2360), ID 팬(2370) 및 스택으로 보내진다. 연도 기체 히터(2360) 및 쿨러(2140)는 액체 가열 캐리어와 상호 접속되어 공정을 절약화한다. 냉각 액체는 기체 액체 열 교환기(2140)의 고온의 연도 기체와 접촉한다. 냉각된 연도 기체는 제1 흡수기(2160)로 진행된다. 현재의 고온의 액체는 연도 기체 히터(2360)에 대해 하류로 보내지며, 최종 흡수기(2330)로부터의 냉각 연도 기체(2350)와 접촉한다. 이러한 기체 액체 열 교환기(2360)는 쿨러(2140)로 보내질 액체를 냉각하고, 대기로의 배기를 준비하도록 연도 기체(2350)를 가열한다. 또한, 고온의 액체는 CO₂ 스트립퍼(2300)내에서의 열 입력으로서 이용될 수도 있다.

선택적으로는, 산업 공정으로부터의 폐열은 수분 응축을 피하기 위하여 폐 기체를 재가열하거나 또는 CO₂를 스트리핑하기 위한 열원으로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 발전소에 있어서, 이는 비산재 백하우스로부터 나올 수 있다.

선택적으로는, 이 공정은 필요하다면 CO₂ 포획을 제거하도록 수정될 수 있다. 즉, 이 시스템의 중점 사항은 SO_x, NO_x , Hg, HCl 및 HF를 포획하고, 비료로서 암모늄 질산염 및 황산염을 제조하는 것이다.

도 32는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 오염 물질 제거 시스템의 개략도이다. 도 32를 참조하면, 이 공정은 SO_x, HCl 및 HF만을 포획하도록 단순화될 수 있다. 공정(2400)은 가장 용이하게 흡수되는 산성 기체만을 포획하도록 설계된다. 보일러(2110)로부터의 연도 기체(2120)는 특정 제거 지점(2130)[예를 들어, 침전 챔버 또는 네트 필터)에서 비산재를 먼저 제거하고 필요에 따라 냉각 스테이션(2140)에서 냉각된다. 이 지점(2150)에서 연도 기체는 대개 N₂, H₂O, CO₂, SO₂, NO, Hg, HCl 및 HF를 함유한다.

이후, 연도 기체(2150)는 본 명세서에 개시된 고효율 기체 액체 접촉기(2410) 내에서 리사이클 스트림(2420)으로부터의 나트륨 수산화물 및 황산염 또는 아황산염과 접촉한다. 산화 공정(2430)은 기체 액체 접촉기 내에서 액체 상에서 발생한다. 아황산염(SO₃ ^{2 -})은 공기 또는 연도 기체로부터의 산소를 이용하여 액체 상에서 황산염(SO₄ ^{2 -})으로 산화된다. 액체의 블리드 스트림(2440)은 침전기(2450)로 보내져서 중금속과 황산염을 제거한다. 제1 공정에서, pH 조정(2460)은 Hg와 같은 중금속을 침전시킨다. 제2 공정에서, 수산화칼슘(2470)이 추가되어 황산 칼슘을 침전시키며, 이는 침전기(2480)에서 분리, 건조 및 제거될 수 있다. 이러한 침전기로부터의 상청액(2490)은 리사이클 스트림으로 복귀된다. 침전 공정으로부터의 중금속 솔리드는 적절하게 처분될 수 있고(2510), 황산 칼슘은 석고로서 판매될 수 있다(2520).

마지막으로, 질소, 물, NO_x 및 CO₂만으로 구성되는 정화된 연도 기체(2530)는 응축을 감소시키도록 히터(2360)에서 가열되고, ID 팬 및 스택(2370)으로 보내진다. 연도 기체 히터(2360) 및 쿨러(2140)는 앞서 설명된 바와 같이 공정을 절약화하도록 액체 열 캐리어와 상호연결된다.

SO ₂ 의 제거

SO₂ 포획 능력을 개선하기 위한 다양한 성능 영역은 반응 용기 크기 및 압력 강하를 줄이는 것과, 시장성이 있는 부산물을 갖춘 효과적인 질량 전달 흡수제 시스템을 이용하는 것이다. 이러한 목표 성능을 달성하기 위해서는 높은 SO₂ 흡수 동역학과 가치가 부가된 생성물 스트림을 결합하는 혁신적인 설계 접근을 필요로 한다.

기체 액체 질량 전달 동작은 기체 액체 계면을 가로질러 발생한다. 액체 흡수제 내로의 기체의 흡수율은 액체 상 질량 전달 계수(k_L), 비표면적(부피에 대한 기체 액체 계면 표면적의 비, a) 및 벌크 유체(C_L)와 기체 액체 계면(C_L ^*) 사이의 농도 구배에 의해 제어된다. 많은 기체 액체 반응 시스템에서, C_L ^*의 용해도는 낮고, 농도 구배의 제어는 제한된다. 기체 흡수율을 개선하기 위해, 기체 액체 접촉기 실시예들은 질량 전달 동역학, 기체 액체 혼합 및/또는 부피에 대한 계면 표면적의 비를 증가시킨다.

본 발명의 실시예에서는 효율적으로 SO₂를 포획하기 위하여 접촉기는 석회석/석회(CaCO₃), 탄산 나트륨(Na₂CO₃)/수산화나트륨(NaOH), 수산화암모늄(통상적으로는 암모니아수로 불리고 약자로는 AA), 더블 알칼리[수산화나트륨(NaOH)+석회], 산화 마그네슘(MgO) 및 산화 아연(ZnO)을 함유하지만 이에 한정되지는 않는 다양한 종류의 수성계 흡수제로 이용될 수 있다. 산화제(O_x)를 첨가하면 황산염(SO₄ ^{2 -})의 형성을 용이하게 하는 SO₂의 산화를 개선시킨다. 양호한 실시예에서, O_X제는 과산화수소(H₂O₂)이다. 암모니아수와 과산화수소를 결합하는 것은 황산 암모늄(비료)와 같은 판매 가능한 수익 발생 부산물 스트림이 만들어질 수 있기 때문에 특히 유익하다. 또한, H₂O₂ 분해 생성물(물 및 산소)은 환경 및 설비 친화적이다.

수성 수산화암모늄 및 과산화수소의 존재하에서 SO₂ 산화에 대한 가능성있는 화학 공정은 아래와 같을 것으로 생각된다.

본 발명의 실시예에서 기체 유출물 정화 공정은 고효율로 이산화황의 제거를 가능하게 한다. 본 실시예에서의 시스템은 폭넓은 범위의 유체 및 작동 상태에 적합하도록 재형성되고 유체 조성 공학 설계된 오리피스 플레이트(또는 본 명세서에 개시된 노즐 플레이트)를 갖춘 노즐의 어레이를 포함한다. SO₂의 제거는 앞서 설명된 바와 같이 높은 부피 대 표면적 기체 액체 접촉 유닛을 통해 기체를 통과시킴으로써 행해진다. 기체 유출물은 종래 기술과 비교하여 실질적으로 감소된 접촉기 부피 및 기체 유동 압력 강하를 갖는 기체 액체 접촉기를 통해 수평으로 통과된다(횡단 유동이라 부름). 횡단 유동 기체 유동과 교차하는 것은 수성계 흡수제 및 실질적인 표면적으로 구성되는 복수의 저압 수직 배향 플랫 제트 어레이이다. 플랫 제트 어레이는 안정적인 제트 유동에 상대적으로 높은 기체 속도에서 낮은 액체 입자 비말 동반을 제공하도록 공기역학적으로 형성된다.

양호한 실시예에서, 이산화황 흡수 및 제거를 위한 흡수제는 높은 SO₂ 능력, 높은 산화 안정도, 낮은 반응열, 낮은 흡수제 비용, 낮은 부식성 및 판매 가능한 생성물 스트림을 보여주는 시스템이다. 효과적인 SO₂ 제거를 위한 예시적인 흡수제는 수중의 28 중량% 암모니아이다. 접촉기를 최적화하기 위하여, 유체 및 제트 성능 관점에서 대략 1% 내지 대략 2% 폴리머 또는 서스펜션(suspension)이 접촉기 성능을 개선하도록 암모니아수 용액에 첨가된다. 첨가제의 예는 암모니아수에 대하여 반응성이 없고 질량 전달 공정을 방해하지 않는 것이다. 폴리머 또는 서스펜션은 최소 액체측 압력 강하에서 최대 제트 성능(제트 폭, 길이, 두께, 표면적)을 달성하기 위해 흡수제 성질, 예를 들어 점도를 조정(tailoring) 가능하게 할 수 있다. 예가 되는 폴리머 첨가제는 디에틸렌 글리콜이다. 다른 폴리머 첨가제는 산화 폴리에틸렌 또는 폴리비닐 알코올을 포함한다. 예가 되는 무기질 첨가제는 벤토나이트이다.

추가적인 화합물은 SO₂ 산화율, 이에 따라 질량 전달 동역학에 도움을 준다. 양호한 흡수제 시스템으로의 예가 되는 첨가제는 과산화수소이다. 높은 pH에서의 과도한 과산화수소 분해를 피하기 위하여, 흡수제 혼합물에 안정제가 첨가된다. 높은 pH에서의 예가 되는 과산화수소 안정제는 폴리(α-하이드록시 아크릴산)이다. 과산화수소 산화 능력은 과산화수소 촉매를 첨가함으로써 추가적으로 개선될 수 있다. 예가 되는 과산화수소 촉매는 철(Ⅲ) 테트라-아미도 매크로시클릭 리간드(tetra-amido macrocyclic ligand; TAML)이다.

도 33은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기체 상과 액체 상 사이의 상호작용을 가능하게 하는 일반적인 기체 액체 접촉기 시스템 설계의 개략도이다. 기체 액체 접촉기 시스템은 기체 액체 접촉기(2645)에 기체를 제공하도록 기체 분배 유닛(2605)에 결합된 기체 입구(2600)를 포함한다. 또한, 시스템은 펌프(2615) 및 액체 캐치 탱크(2620)에 결합된 액체 시약 탱크(2610)를 포함한다. 캐치 탱크(2620)는 기체 액체 접촉기(2645)로부터 액체를 수집하도록 기체 액체 접촉기(2645)에 결합된다. 캐치 탱크(260)는 액체 재순환 펌프(2625)에 선택적으로 결합된다. 액체 재순환 펌프(2625)는 액체 리사이클의 메쏘드(method)를 가능하게 한다. 유동 제어 밸브(2630)는 액체 플리넘(2635) 내로의 액체를 제어하기 위하여 액체 플리넘(2635)에 결합된다. 액체 제트를 형성하는 노즐(2640)의 어레이는 액체 플리넘 및 기체 액체 접촉기(2645)에 결합된다. 기체 액체 접촉기(2645)는 액체 기체 제트 접촉 영역을 포함한다. 액체 흡수 제트로부터 기체를 분리하기 위한 기체 액체 분리기(2650)는 기체 액체 접촉기(2645) 내에 배열된다. 출구 기체로부터 작은 기체 액적을 제거할 수 있는 데미스터(2660)는 기체 출구(2655) 근방에 위치 설정된다.

기체 입구는 복수의 다양한 기체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이는 SO_x, NO_x, CO₂, Hg 및 이들의 조합을 포함할 수 있는 오염 물질과 같은 산업상 유출물을 포함할 수 있다. 물론, 다른 기체 분자는 HCl, HBr, HF, H₂SO₄, HNO₃와 같은 산성 기체, CO, H₂S, 아민(암모니아 포함), 알칸올아민, 요소, 포름아미드, 알코올, 카르복실레이트(아세트산 등), 이들의 조합 및 다른 폭넓은 종류의 기체 상 분자 등에 의해 제거될 수 있다. 본 발명의 한계는 단순히 기체 상 분자 반응물 또는 용질 및 반응성 또는 용해도인 액체 상을 각각 제공하는 능력이다. 본 발명의 명세서에서의 주된 기술은 수성 시스템에 초점이 맞춰져 있지만, 본 발명의 당업자는 비수성 시스템에도 본 발명의 기체 액체 접촉기를 용이하게 적용할 수 있다는 것을 인식할 것이다.

본 실시예에서는 SO₂를 함유하는 기체 유출물을 기체 액체 챔버 내로 주입하는 것이 설명된다. 기체 플리넘은 액체 플랫 제트를 균일하게 가로지르는 기체 유동을 배분한다. 노즐 오리피스를 균일하게 가로지르는 흡수제를 분배하는 액체 플리넘 내로 흡수제를 펌핑함으로써 액체 제트가 생성된다. 생성된 제트는 접촉기 챔버 내로 수직 하향으로 유동하고 기체 액체 분리기를 통하여 캐치 탱크로 유동한다. 기체 액체 챔버 내에서 수직으로 유동하는 흡수제는 기체 횡단 유동를 가로지른다. 이산화황은 흡수제 액체 내로 흡수되고 기체 유출물 스트림으로부터 제거된다. 정화된 기체 유출물은 접촉기 챔버의 출구에서 배출된다. 흡수제는 유출물 기체 스트림으로부터 연속적인 SO₂ 제거를 위하여 리사이클된다.

기체 액체 접촉기의 성능은 도 33에 도시된 바와 같은 소형 서브-스케일 테스트 베드 상에 도시된다. 표 4는 예가 되는 기하학적 파라미터를 요약한 것이다.

파라미터	제트 오리피스 갯수	제트 패킹 밀도(jets/cm2)	단일 제트 표면적(cm2)	GLC 채널 폭(cm)	GLC 채널 높이(cm)	채널 길이(cm)	비표면적(cm-1)	접촉기 부피(cm3)
수치	96	4	22	15	25	30	5-10	11,250

기체 액체 접촉기 기하학적 치수

이 예에서 사용된 제트 오리피스 기하 구조는 노즐 플레이트 및 기체 액체 접촉기와 관련하여 위에서 설명된다. 작동 전에 액체 제트 표면적은 제트 오리피스 플레이트로의 펌프 배압을 변경함으로써 제트 길이, 폭 및 두께에 대해 최적화되었다. 제트 표면적(길이 및 폭)에 대한 추가적인 최적화는 흡수제 점도/표면 장력 특성을 향상시키기 위한 첨가물(예를 들면, 디에틸렌 글리콜)을 이용하거나 오리피스 노즐을 개조함으로써 달성될 수 있다.

기체 액체 접촉기 작동 조건 및 성능의 예가 표 5에 제공된다. 약 28wt％ 암모니아수를 함유하는 흡수제 시스템이 시험되었다. 어떠한 점도 또는 산화제 첨가물이 흡수제 혼합물에 첨가되지 않았다. 유출물 기체는 500ppmv로 SO₂와 혼합된 N₂로 구성되었다. 기체 혼합물은 대기 온도 및 압력 조건 하에서 접촉기 내로 주입되어 보정된 질량 유동 제어기를 사용하여 측정되었다. 액체 부피 유동율은 보정된 수용 용기 내로의 액체 제트 배출의 양을 측정 시간 간격에 걸쳐서 기록함으로써 결정되었다. 설명된 시험 조건 하에서 SO₂ 흡수에 대한 시험 결과는 산화 인핸서(즉, H₂O₂) 없이 95％ SO₂ 제거를 나타낸다.

기체 액체 접촉기 작동 조건 및 SO₂ 흡수 결과

흡수제	접촉기 압력 (토르)	전체 기체 유동율 (LPM)	전체 액체 제트 유동율 (LPM)	액체 제트 배압 (psi)	입구 SO2 농도 (ppm)	출구 기체 온도 (K)	입구 액체 온도 (K)	제거된 % SO2
AA (28　wt%)	609	7.5	14	11	500	293	293	>95

NO_x 포획 장치

본 발명의 다른 실시예는 NO_x를 포획하는 데 기체 액체 접촉기를 이용하는 것에 관한 것이다. NO_x는 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO₂)를 주성분으로 하는 주요 오염원이다. 연소 과정에 따라, 90％보다 많은 NO_x가 일산화질소이다. NO_x는 연료 내의 질소의 산화 뿐만 아니라 높은 연소 온도(>2700℉)에서 질소와 산소의 반응으로부터 생성된다. NO_x 포획 능력을 향상시키기 위한 다양한 성능 영역은 반응기 용기 크기를 감소시키는 것, 압력 강하를 감소시키는 것 및 효율적인 질량 전달 흡수제 시스템을 사용하는 것을 포함한다.

기체 액체 질량 전달 작동은 기체 액체 계면에 걸쳐서 일어난다. 액체 흡수제 내로의 기체의 흡수율은 액체 상 질량 전달 계수(k_L), 비표면적(부피에 대한 기체 액체 계면 표면적 비율)(a), 및 벌크 유체(C_L)와 기체 액체 계면(C_L*) 사이의 농도 구배에 의해서 제어된다. 많은 기체 액체 반응 시스템에서 C_L*의 용해도는 낮고 농도 구배의 제어는 제한된다. 기체 흡수율을 향상시키기 위하여, 기체 액체 접촉기 설계는 증가된 질량 전달 동역학, 기체 액체 혼합 및 부피에 대한 계면 표면적 비율을 보여주어야만 한다.

본 발명의 실시예가 (여기서 예컨대, 도 33에 설명된 것과 같은) 높은 성능 기체 액체 접촉기를 포함한다. 시스템은 전체적인 질량 전달 및 접촉기 성능을 개선하는 높은 밀도, 큰 표면적, 공기역학적 형상의 박형 플랫 제트의 어레이에 기초한다. 기체 액체 접촉기는 약 1㎝^-2 내지 약 50㎝^-2의 범위인 향상된 비표면적, 관련 기술의 패킹된 타워의 부피의 약 1/10의 생성기 부피, 5토르/리니얼 피트보다 작은 접촉기를 가로지르는 낮은 기체 압력 강하, 50psi 미만, 보다 바람직하게는 20psi 미만의 액체 제트 구동 압력, 및 기체 유동 내의 최소 액체 비말 동반(entrainment)를 특징으로 한다.

바람직한 실시예에서, 시스템은 10㎝^-1 내지 약 20㎝^-1의 범위인 비표면적, 관련 기술의 패킹된 타워의 부피의 약 1/10의 생성기 부피, 접촉기의 약 1토르/리니얼 피트 미만의 기체 압력 강하 및 약 5 내지 10psi 범위의 제트 구동 압력 및기체 유동 내의 최소 액체 비말 동반을 포함한다.

NO_x를 효율적으로 포획하기 위하여, 기체 액체 접촉기는 수산화암모늄(일반적으로 암모니아수로 불리고 AA로 축약됨), 금속 킬레이트 또는 요소를 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 수성 흡수제와 함께 사용될 수 있다. 산화제(O_x)의 첨가는 NO₂로의 NO 산화를 향상시켜서, 흡수제 흡수율을 증가시킨다. 다양한 O_x제는 아염소산 나트륨(NaClO₂), 하이포아염소산나트륨(NaOCl), 수산화나트륨-과망간산칼륨(KOH-KMnO₄), 및 과산화수소(H₂O₂)를 포함한다. 바람직한 실시예에서, H₂O₂의 분해 생성물(물 및 산소)이 환경적으로 그리고 설비 친화적이고, 즉 구조의 보통의 재료에 대해 부식성이 없고 곡물 비료로서 판매되어 운영 비용을 감소시킬 수도 있는 질산 암모늄이 생성되기 때문에 접촉기는 암모니아수 및 과산화수소를 이용한다.

수산화암모늄 및 과산화수소의 존재 시에 NO 및 NO₂ 산화에 대한 화학적 메카니즘은 다음과 같은 것으로 생각된다.

NH₃ + H₂O → NH₄ ⁺ + OH^- (1)

H₂O₂ + OH^- → HO₂ ^- + H₂O (2)

HO₂ + NO → NO₂ + OH^- (3)

NO₂ + NO₂ → N₂O₄ (4)

N₂O₄ + H₂O → HNO₂ + HNO₃ (5)

HNO₂ + H₂O₂ → HNO₃ + H₂O (6)

HNO₃(수용액) → H⁺ + NO₃ ^- (7)

NH₄ ⁺ + NO₃ ^- → NH₄NO₃ (질산암모늄) (8)

실시예에서, 높은 효율로 질산화물을 제거하기 위한 기체 유출물 정화 공정이 사용된다. 시스템은 노즐의 어레이를 포함한다. 노즐의 어레이는 폭넓은 유체 및 작동 조건에의 적용을 위한 오리피스 플레이트(노즐 플레이트) 개조 및 유체 조성물 엔지니어링을 포함한다. 실시예에 따르면, NO_x의 제거는 여기서 설명된 것과 같이 높은 표면 대 부피(high surface to volume) 기체 액체 접촉기 유닛을 통해 기체를 통과시킴으로써 수행된다. 기체 유출물은 상당히 감소된 접촉기 부피 및 기체 유동 압력 강하를 갖는 기체 액체 접촉기를 통해 수평으로 통과된다(횡단 유동으로 참조됨). 횡단 유동 기체 유동을 교차시키는 것은 수성계 흡수제로 구성되고 상당한 표면적을 갖는 복수의 저압인 수직 배향된 플랫 제트 어레이이다. 노즐의 어레이는 비교적 높은 기체 속도에서 낮은 액체 입자 비말 동반을 갖는 안정한 제트 유동을 제공하도록 공기역학적 형상을 갖는 플랫 제트 어레이를 생성하도록 구성된다.

본 발명의 실시예에서, 질산화물 흡수 및 제거용 흡수제는 높은 NO_x 용량, 높은 산화 안정성, 낮은 반응열, 낮은 흡수제 비용, 낮은 부식성 및 판매 가능한 생성물 스트림을 나타내는 이들 시스템을 포함할 수도 있다. 바람직한 실시예에서, 효과적인 NO_x 제거를 위한 예시적인 흡수제가 물 내의 약 28wt％ 암모니아이다. (여기서 개시된) 노즐 플레이트는 접촉기 성능을 향상시키기 위하여 암모니아 수용액에 약 1％ 내지 약 2％ 폴리머 또는 서스펜션을 첨가함으로써 유체 및 제트 성능 견지로부터 최적화될 수도 있다. 바람직한 첨가물은 암모니아수에 대해 반응성이 아니고 질량 전달 공정을 방해하지도 않는 것이다. 최소 액체측 압력 강하에서 최대 제트 성능(제트 폭, 길이, 두께, 표면적)을 달성하기 위하여 흡수제 특성(예컨대, 점성)을 조정하는 것을 허용하는 폴리머 또는 서스펜션이 사용될 수도 있다. 예시적인 폴리머 첨가물은 디에틸렌 글리콜이다. 다른 폴리머 첨가물은 산화 폴리에틸렌 또는 폴리비닐 알코올을 포함한다. 예시적인 무기 첨가물은 벤토나이트이다. 추가적인 화학적 화합물은 NO 산화율 및 따라서 질량 전달 동역학을 돕는 것이 바람직하다. 바람직한 흡수제 시스템에 대한 예시적인 첨가물은 과산화수소이다. 높은 pH에서 과도한 과산화수소 분해를 회피하기 위하여, 안정제가 흡수제 혼합물에 첨가된다. 높은 pH에서 예시적인 과산화수소 안정제는 폴리(α-히드록시 아크릴산)이다. 과산화수소 산화 능력은 과산화수소 촉매의 첨가에 의해서 더욱 향상될 수도 있다. 예시적인 과산화수소 촉매는 철(Ⅲ) 테트라-아미도 매크로시클릭 리간드(TAML)이다.

도 33에 관해 설명된 바와 같이, 시스템은 NO_x 포획을 위해 이용될 수 있다. 공정은 기체 액체 챔버(2645) 내로 NO_x를 함유하는 기체 유출물의 주입에 의해 설명된다. 기체 플리넘(2605)은 액체 플랫 제트에 걸쳐서 기체 유동을 균일하게 분배한다. 액체 제트는 제트 오리피스에 걸쳐서 흡수제를 균일하게 분배하는 액체 플리넘(2635) 내로 흡수제를 펌핑함에 의해서 생성된다. 생성된 제트 유동은 접촉기 챔버 내로 그리고 기체 액체 분리기를 통해 캐치 탱크(2620) 내로 수직 방향 아래로 유동한다. 기체 액체 챔버(2645) 내에서 수직방향 유동하는 흡수제는 기체 횡단 유동과 교차한다. 질소 산화물은 흡수제 액체 내로 흡수되어 기체 유출물 스트림으로부터 제거된다. 정화된 기체 유출물(2655)이 접촉기 챔버의 출구에서 배출된다. 흡수제는 유출물 기체 스트림으로부터 연속적인 NO_x 제거를 위해 리사이클된다. 기체 액체 접촉기의 성능은 도 33에서 예시된 바와 같은 소형, 서브-스케일 시험 베드에서 증명되었다. 표 6은 예를 위한 기하학적 파라미터를 요약한다.

기체 액체 접촉기 기하학적 치수

파라미터	No.제트 오리피스	제트 패킹 밀도 (제트/㎠)	단일 제트 표면적 (㎠)	GLC 채널 폭 (㎝)	GLC 채널 높이 (㎝)	GLC 채널 길이 (㎝)	비표면적 (㎠)	접촉기 부피 (㎤)
값	96	4	22	25	25	30	5-10	11,250

이 예에서 사용되는 제트 오리피스 기하 구조가 상술된다. 작동 전에 액체 제트 표면적은 제트 오리피스 플레이트에 대한 펌프 배압을 변경함으로써 제트 길이, 폭 및 두께에 대해 최적화되었다. 제트 표면적(길이 및 폭)에 대한 추가적인 최적화가 흡수제 점도/표면 장력 특성을 향상시키기 위한 첨가물(예를 들면, 디에틸렌 글리콜)을 사용하거나 오리피스 노즐을 개조함으로써 얻어질 수 있다.

기체 액체 접촉기 작동 조건 및 성능의 예가 표 7에 제공된다. 약 28wt％ 암모니아수를 함유하는 흡수제 시스템이 표 2에 주어진 작동 조건 하에서 시험되었다. 흡수제는 NO₂의 제거를 향상시키기 위한 점도 첨가물 또는 산화제(O_x)를 함유하지 않았다. 유출물 기체는 500ppmv에서 NO₂와 혼합된 질소(N₂)로 이루어졌다. 기체 혼합물이 대기 온도 및 압력 조건 하에서 접촉기 내로 주입되고 보정된 질량 유동 제어기를 사용하여 측정되었다. 액체 부피 유동율은 보정된 수용 용기 내로의 액체 제트 배출의 양을 측정 시간 간격에 걸쳐서 기록함으로써 결정되었다. 접촉기를 떠나는 NO₂ 농도의 감소는 400㎚에서 NO₂의 광학적 흡수를 측정함으로써 결정되었다. 백그라운드 NO₂ 농도는 각각의 작동 전에 기록되었다. NO₂/N₂의 안정적 유동이 우선 생성되었고 제트 유동 없이 흡광도가 기록되었다(A_off). 그런 후 제트 유동(28wt％ AA)이 반응기 챔버 내로 주입되었고 흡광도가 기록되었다. 감소된(흡수된) NO₂의 양이 다음 식을 사용하여 백분율로 표현된다.

％ NO₂ 감소 = 100x(Aoff-Aon)/Aoff (1)

도 34는 NO₂ 제거 시스템에 대한 흡광도 대 작동 시간의 그래프이다. 도 34를 참조하면, 액체 암모니아수 제트 온 및 오프 상태의 대표적인 NO₂ 흡수 스펙트럼이 도시된다. y-축은 400㎚에서의 흡광도를 나타내고 x-축은 시간(초)을 나타낸다. 이 예에 도시된 바와 같이, 제트 유동의 개시 직후에 짧게 존재하는 흡광도 스파이크는 챔버 내의 유동 변화에 기인한다. 4회의 시험 작동의 평균이 각 시험 결과에 대해 수행되었다. 설명된 시험 조건 하에서의 NO₂ 흡수에 대한 시험 결과는 산화 인핸서(즉, H₂O₂)가 없는 경우에도 적절한 NO₂ 제거(-35％)를 보인다.

Hg 포획 장치

본 발명의 다른 실시예는 Hg를 포획하는 데 기체 액체 접촉기를 이용하는 것에 관한 것이다. 기체 액체 질량 전달 작동은 기체 액체 계면에 걸쳐서 일어난다. 액체 흡수제 내로의 기체의 흡수율은 액체 상 질량 전달 계수(k_L), 비표면적(부피에 대한 기체 액체 계면 표면적 비율)(a) 및 벌크 유체(C_L)와 기체 액체 계면(C_L*) 사이의 농도 구배에 의해 제어된다. 많은 기체 액체 반응 시스템에서, C_L*의 용해도는 낮고 농도 구배의 제어는 제한된다. 따라서 기체 흡수율을 개선하기 위해서, 질량 전달 동역학 및 부피에 대한 계면 표면적 비율의 향상이 요구된다.

본 발명의 실시예는 (여기서, 예컨대 도 33에서 설명된 것과 같은) 높은 성능 기체 액체 접촉기를 포함한다. 시스템은 전체적인 질량 전달 및 접촉기 성능을 개선하는 높은 밀도, 큰 표면적, 공기역학적 형상의 박형 플랫 제트의 어레이에 기초한다. 기체 액체 접촉기는 약 1 내지 약 50㎝^-2의 범위인 향상된 비표면적, 관련 기술의 패킹된 타워의 부피의 약 1/10의 생성기 부피, 약 5토르/리니얼 피트보다 작은 접촉기를 가로지르는 낮은 기체 압력 강하, 약 50psi 미만, 보다 바람직하게는 약 20psi 미만의 액체 제트 구동 압력 및 기체 유동 내의 최소 액체 비말 동반을 특징으로 한다.

바람직한 실시예에서, 시스템은 10㎝^-1 내지 약 20㎝^-1의 범위인 비표면적, 관련 기술의 패킹된 타워의 부피의 약 1/10의 생성기 부피, 약 1토르 미만의 기체 압력 강하 및 약 5psi의 제트 구동 압력 및 기체 유동 중의 최소 액체 비말 동반을 포함한다.

기체 액체 접촉기는 원소 수은(Hg⁰)을 Hg(Ⅱ)로 산화시키는 다양한 수성 흡수제와 함께 사용될 수 있다. 일단 Hg(Ⅱ) 상태에서, 수은은 수용액 내에 용해될 수 있고 Hg(Ⅱ)는 연도 기체 스트림으로부터 원소 수은(Hg⁰)을 촉매적으로 제거할 수 있다. 산화제(O_X)는 하이포아염소산나트륨(NaOCl) 및 과산화수소(H₂O₂)를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 접촉기에 사용될 바람직한 산화제는 Hg⁰ 산화율을 향상시키기 위한 촉매(Cat) 첨가물과 함께 과산화수소(H₂O₂)이다. 예시적인 첨가물은 HgCl₂, TAML(철(Ⅲ) 테트라아미도 매크로시클릭 리간드), 카탈라아제 또는 페록시다아제이다.

수성 과산화수소의 존재 시에 Hg 산화에 대한 예상되는 화학적 메카니즘은 다음과 같을 것으로 생각된다.

H₂O₂ + Hg⁰ → Hg(Ⅱ) + 생성물 (1)

H₂O₂ + Cat + Hg⁰ → Hg(Ⅱ) + 생성물 (2)

이 실시예에서, 높은 효율로 수은을 제거하기 위한 기체 유출물 정화 공정이 높은 효율 기체 액체 접촉기를 이용한다. 시스템은 노즐의 어레이, 예를 들면 폭넓은 유체 및 작동 조건에의 적용을 위한 오리피스 플레이트(노즐 플레이트에 관해 위에서 설명한 바와 같음) 개조 및 유체 조성물 엔지니어링을 포함한다. Hg의 제거는 여기에 참고로 포함된 미국특허 제7,379,487호에 기재된 것과 같은 부피에 대한 높은 표면 기체 액체 접촉기 유닛을 통해 기체를 통과시킴으로써 수행된다. 기체 유출물은 상당히 감소된 접촉기 부피 및 기체 유동 압력 강하를 갖는 기체 액체 접촉기를 통해 수평으로 통과된다(횡단 유동으로 참조됨). 횡단 유동 기체 유동을 교차시키는 것은 수성계 흡수제로 구성되고 상당한 표면적을 갖는 복수의 저압인 수직 배향된 플랫 제트 어레이이다. 플랫 제트 어레이는 비교적 높은 기체 속도에서 낮은 액체 입자 비말 동반을 갖는 안정한 제트 유동을 제공하도록 공기역학적 형상을 갖는다.

바람직한 실시예에서, 수은 흡수 및 제거용 흡수제는 높은 Hg 용량, 높은 산화 안정성, 낮은 반응열, 낮은 흡수제 비용, 낮은 부식성 및 판매 가능한 생성물 스트림을 나타내는 이들 시스템이다. 예시적인 흡수제는 원소 Hg⁰의 Hg(Ⅱ)로의 산화를 향상시키기 위하여 약 0.1wt％의 촉매를 갖는 약 10wt％의 과산화수소를 갖는 수용액이다. 노즐 플레이트 구성은 접촉기 성능을 향상시키기 위하여 과산화수소 수용액에 약 1％ 내지 약 2％ 서스펜션을 첨가함으로써 최적화될 수도 있다. 첨가물은 수성 과산화수소에 대해 반응성이 아니고 질량 전달 공정을 방해하지도 않도록 설계될 수도 있다. 첨가물은 최소 액체측 압력 강하에서 최대 제트 성능(제트 폭, 길이, 두께, 표면적)을 달성하기 위하여 흡수제 특성(예컨대, 점성)을 조정하는 것을 허용할 수도 있다. 예시적인 첨가물은 벤토나이트이다.

추가적인 화학적 화합물은 Hg 산화율 및 따라서 질량 전달 동역학을 돕는 것이 바람직하다. 바람직한 흡수제 시스템에 대한 예시적인 첨가물은 과산화수소이다. 높은 pH에서 과도한 과산화수소 분해를 회피하기 위하여, 안정제가 흡수제 혼합물에 첨가된다. 높은 pH에서 예시적인 과산화수소 안정제가 폴리(α-히드록시 아크릴산)이다. 과산화수소 산화 능력은 과산화수소 촉매의 첨가에 의해서 더욱 향상될 수도 있다. 예시적인 과산화수소 촉매는 철(Ⅲ) 테트라-아미도 매크로시클릭 리간드(TAML)이다.

도 33에 관해 설명된 바와 같이, 시스템은 Hg 포획을 위해 이용될 수 있다. 공정은 기체 액체 챔버(2645) 내로 Hg를 함유하는 기체 유출물의 주입에 의해 설명된다. 기체 플리넘(2605)은 액체 플랫 제트에 걸쳐서 기체 유동을 균일하게 분배한다. 액체 제트는 제트 오리피스에 걸쳐서 흡수제를 균일하게 분배하는 액체 플리넘(2635) 내로 흡수제를 펌핑함에 의해서 생성된다. 생성된 제트 유동은 접촉기 챔버 내로 그리고 기체 액체 분리기를 통해 캐치 탱크(2620) 내로 수직 방향 아래로 유동한다. 기체 액체 챔버(2645) 내에서 수직방향 유동하는 흡수제는 기체 횡단 유동과 교차한다. 수은은 흡수제 액체 내로 흡수되어 기체 유출물 스트림으로부터 제거된다. 정화된 기체 유출물(2655)이 접촉기 챔버의 출구에서 배출된다. 흡수제는 유출물 기체 스트림으로부터 연속적인 Hg 제거를 위해 리사이클된다.

H ₂ S 포획 장치

본 발명의 다른 실시예는 H₂S를 포획하는 데 기체 액체 접촉기를 이용하는 것에 관한 것이다. 황화수소는 높은 독성이고, 가연성이고, 나쁜 냄새를 갖는 기체이다. 이는 광범위한 범위의 독으로 간주되지만, 중추 신경 시스템이 주로 영향을 받는다. 인공적인 황화수소에 대한 공급원은 천연 기체 및 높은 황 함유 원유를 처리하는 것으로부터 주로 생긴다. 천연 기체는 약 28％까지의 H₂S의 농도를 함유할 수 있다. 인공 배출물은 전세계적 H₂S 배출의 약 10％에 상당한다. 석유 정유는 수소화 탈황 공정을 통한 공업적인 H₂S 배출의 가장 큰 부분에 원인이 된다. H₂S의 다른 공업적 공급원은 코크스로, 제지 공장, 무두질 공장을 포함한다.

정유공장 H₂S 배출 및 높은 황 함유 연료 제품(가솔린 및 디젤유)에 대한 환경적인 우려는 엄격한 정부 규제에 이르렀다. 이들 규제는 천연 기체 및 정유공장 운영에 대한 현저한 비용 증가를 초래했다. H₂S를 제거하기 위한 다수의 기술이 입증되었다.

가장 일반적인 접근법은 기술 분야에 공지된 것과 같은 클라우스 공정이며, 그 공정은 산소 연소를 통해 H₂S를 원소 황으로 변환한다. 클라우스 공정에 따른 일 문제점은 공급 원료에 존재하는 CO₂가 H₂S와 반응하여 황화카르보닐 및 이황화탄소를 형성하는 것이다. 다른 문제점은 평형 고려에 기인하여 일부 미반응 H₂S가 원소 황 생성물 내에 비말 동반된다는 점이다. H₂S 제거를 위한 다른 공정은 알칸올아민(모노에탄올아민, 디에탄올아민 및 메틸디에탄올아민), 산화철/탄산나트륨, 티오사르세네이트(thiosarsenate), 퀴닌 및 바나듐 금속 공정과의 반응을 포함한다. 그러나, 연도 기체 유출물로부터 H₂S를 제거하기 위한 높은 능력 및 비용 효율성을 증명한 상업적인 접근법은 하나도 없다. H₂S 포획을 위한 현저한 비용 요인(인건비 및 건설 장비 제외)은 시약 비용, 취급 및 처분 처리, 하드웨어(흡수기 용기, 연도 기체 취급 및 덕트 작업) 및 설치 공간 제약이다.

효율적이고 비용 효과적인 황화수소 제거 능력을 달성하는 것이 주요한 기술적 과제이다. H₂S 포획 능력을 향상시키기 위한 다양한 성능 영역은, 반응기 용기 크기를 감소시키는 것, 압력 강하를 감소시키는 것 및 판매 가능한 부산물을 갖는 효율적인 질량 전달 흡수제 시스템을 사용하는 것을 포함한다. 본 발명의 실시예는 높은 H₂S 흡수 동역학과 가치가 부가된 생성물 스트림을 결합한 혁신적인 설계 접근법으로 이들 목표 성능을 달성하는 것에 관한 것이다.

플랫 제트 스프레이 접촉기

기체 액체 질량 전달 작동은 기체 액체 계면에 걸쳐서 일어난다. 기체의 액체 흡수제 내로의 흡수율은 액체 상 질량 전달 계수(k_L), 비표면적(부피에 대한 기체 액체 계면 표면적 비율)(a), 및 벌크 유체(C_L)와 기체 액체 계면(C_L*) 사이의 농도 구배에 의해서 제어된다. 많은 기체 액체 반응 시스템에서 C_L*의 용해도는 낮고 농도 구배의 제어는 제한된다. 따라서 기체 흡수율을 향상시키기 위하여, 질량 전달 동역학 및 부피에 대한 계면 표면적 비율의 향상이 요구된다.

본 발명의 실시예가 (여기서 예컨대, 도 33에 설명된 것과 같은) 높은 성능 기체 액체 접촉기를 포함한다. 시스템은 전체적인 질량 전달 및 접촉기 성능을 개선하는 높은 밀도, 큰 표면적, 공기역학적 형상의 박형 플랫 제트의 어레이에 기초한다. 기체 액체 접촉기는 약 1㎝^-2 내지 약 50㎝^-2의 범위인 향상된 비표면적, 관련 기술의 패킹된 타워의 부피의 약 1/10의 생성기 부피, 5토르/리니얼 피트보다 작은 접촉기를 가로지르는 낮은 기체 압력 강하, 50psi 미만, 보다 바람직하게는 20psi 미만의 액체 제트 구동 압력 및 기체 유동 내의 최소 액체 비말 동반을 특징으로 한다.

바람직한 실시예에서, 시스템은 10㎝^-1 내지 약 20㎝^-1의 범위인 비표면적, 관련 기술의 패킹된 타워의 부피의 약 1/10의 생성기 부피, 약 1토르 미만의 기체 압력 강하, 약 5psi의 제트 구동 압력 및 기체 유동 내로의 최소 액체 비말 동반을 포함한다.

접촉기는 H₂S 및 다른 황계(sulfur based) 화합물을 산화시키는 다양한 통상적인 액체(수성계) 흡수제와 함께 사용될 수 있다. 산화제(O_X)는 암모니아수, 알칸올아민(모노에탄올아민, 디에탄올아민 및 메틸디에탄올아민), 산화철/탄산나트륨, 티오사르세네이트(thiosarsenate), 퀴닌, 바나듐 금속 공정, 하이포아염소산나트륨(NaOCl) 및 과산화수소(H₂O₂)를 포함하지만 이에 한정되지 않는다. 접촉기에 사용될 바람직한 산화제는 산화율을 향상시키기 위한 촉매(Cat) 첨가물 및 과산화수소 분해를 제어하는 안정제를 갖는 염기성(pH>7) 과산화수소(H₂O₂) 용액이다. 예시적인 촉매 첨가물은 TAML(철(Ⅲ) 테트라아미도 매크로시클릭 리간드)이다. 예시적인 안정제는 폴리 알파 히드록시아크릴산, 규산나트륨 또는 디메틸렌 트리아민펜타아세트산이다.

수성 염기성 과산화수소의 존재 시에 H₂S 산화에 대한 예상 화학적 메카니즘은 다음과 같을 것으로 생각된다.

H₂S + OH^- → HS^- + H₂O (1)

4H₂O₂ + HS^- → SO₄ ^{2 -} + H⁺ + 4H₂O (2)

H ₂ S 제거를 위한 공정

이 실시예는 높은 효율로 황화수소를 제거하기 위한 기체 유출물 정화 공정에 관한 것이다. 시스템은, 폭넓은 범위의 유체 및 작동 조건에의 적용을 위한 노즐 오리피스 플레이트(위의 노즐 플레이트의 설명 참조) 개조 및 유체 조성물 엔지니어링을 포함하는, 노즐의 어레이를 포함한다. H₂S의 제거는 위에서 설명된 것과 같은 높은 표면 대 부피 기체 액체 접촉기 유닛을 통해 기체를 통과시킴으로써 수행된다. 기체 유출물은 상당히 감소된 접촉기 부피 및 기체 유동 압력 강하를 갖는 기체 액체 접촉기를 통해 수평으로 통과된다(횡단 유동으로 참조됨). 횡단 유동 기체 유동을 교차시키는 것은 수성계 흡수제로 구성되고 상당한 표면적을 갖는 복수의 저압인 수직 배향된 플랫 제트 어레이이다.

플랫 제트 어레이는 비교적 높은 기체 속도에서 낮은 액체 입자 비말 동반을 갖는 안정한 제트 유동을 제공하도록 공기역학적 형상을 갖는다. 황화수소 흡수 및 제거용 흡수제는 높은 H₂S 용량, 높은 산화 안정성, 낮은 반응열, 낮은 흡수제 비용, 낮은 부식성 및 판매 가능한 생성물 스트림을 나타내는 것들이다. 예시적인 흡수제는 H₂S의 산화를 향상시키기 위하여 약 0.1wt％의 촉매를 갖는, 약 10wt％의 과산화수소를 갖는 수용액이다. 접촉기를 최적화하기 위하여, 접촉기 성능을 향상시키도록 약 1％ 내지 약 2％ 서스펜션이 과산화수소 수용액에 첨가될 수도 있다. 첨가물의 예는 수성 과산화수소에 대해 반응성이 아니고 질량 전달 공정을 방해하지도 않는 것이다. 첨가물의 예가 최소 액체측 압력 강하에서 최대 제트 성능(제트 폭, 길이, 두께, 표면적)을 달성하기 위하여 흡수제 특성(예컨대, 점성)을 조정하는 것을 허용한다. 예시적인 첨가물은 벤토나이트이다.

바람직한 실시예에서, H₂S 산화율 및 따라서 질량 전달 동역학을 돕기 위해 추가적인 화학적 화합물이 사용된다. 바람직한 흡수제 시스템에 대한 예시적인 첨가물은 과산화수소이다. 높은 pH에서 과도한 과산화수소 분해를 회피하기 위하여, 안정제가 흡수제 혼합물에 첨가될 수도 있다. 높은 pH에서의 예시적인 과산화수소 안정제는 폴리(α-히드록시아크릴산)이다. 과산화수소 산화 능력은 과산화수소 촉매의 첨가에 의해서 더욱 향상될 수도 있다. 예시적인 과산화수소 촉매는 철(Ⅲ) 테트라-아미도 매크로시클릭 리간드(TAML)이다.

도 33에 관해 설명된 바와 같이, 시스템은 H₂S 제거를 위해 이용될 수 있다. 공정은 기체 액체 챔버(2645) 내로 H₂S를 함유하는 기체 유출물의 주입에 의해 설명된다. 기체 플리넘(2605)은 액체 플랫 제트에 걸쳐서 기체 유동을 균일하게 분배한다. 액체 제트는 제트 오리피스에 걸쳐서 흡수제를 균일하게 분배하는 액체 플리넘(2635) 내로 흡수제를 펌핑함에 의해서 생성된다. 생성된 제트 유동은 접촉기 챔버 내로 그리고 기체 액체 분리기를 통해 캐치 탱크(2620) 내로 수직 방향 아래로 유동한다. 기체 액체 챔버(2645) 내에서 수직 유동하는 흡수제는 기체 횡단 유동과 교차한다. 황화수소는 흡수제 액체 내로 흡수되어 기체 유출물 스트림으로부터 제거된다. 정화된 기체 유출물(2655)이 접촉기 챔버의 출구에서 배출된다. 흡수제는 유출물 기체 스트림으로부터 연속적인 H₂S 제거를 위해 리사이클된다.

CO ₂ 포획 장치 플랫 제트 스프레이 접촉기

다른 실시예는 CO₂를 포획하는 데 기체 액체 접촉기를 이용하는 것에 관한 것이다. 기체 액체 질량 전달 작동은 기체 액체 계면에 걸쳐서 일어난다. 기체의 액체 흡수제 내로의 흡수율은 액체 상 질량 전달 계수(k_L), 비표면적(부피에 대한 기체 액체 계면 표면적 비율)(a), 및 벌크 유체(CL)와 기체 액체 계면(CL*) 사이의 농도 구배에 의해서 제어된다. 많은 기체 액체 반응 시스템에서 CL*의 용해도는 낮고 농도 구배의 제어는 제한된다. 기체 흡수 비율을 향상시키기 위하여, 기체 액체 접촉기 설계는 증가된 질량 전달 동역학, 기체 액체 혼합 및 부피에 대한 계면 표면적 비율을 실증해야만 한다.

본 발명의 실시예가 위에서 설명된 것과 같은 높은 성능 기체 액체 접촉기에 관한 것이고 전체적인 질량 전달 및 접촉기 성능을 개선하는 높은 밀도, 큰 표면적, 공기역학적 형상의 박형 플랫 제트의 어레이에 기초한다.

본 발명의 실시예가 (여기서 예컨대, 도 33에 설명된 것과 같은) 높은 성능 기체 액체 접촉기를 포함한다. 시스템은 전체적인 질량 전달 및 접촉기 성능을 개선하는 높은 밀도, 큰 표면적, 공기역학적 형상의 박형 플랫 제트의 어레이에 기초한다. 기체 액체 접촉기는 약 1 내지 약 50㎝^-2의 범위인 향상된 비표면적, 관련 기술의 패킹된 타워의 부피의 약 1/10의 생성기 부피, 약 5토르/리니얼 피트 미만의 접촉기를 가로지르는 낮은 기체 압력 강하, 약 50psi 미만, 보다 바람직하게는 약 20psi 미만의 액체 제트 구동 압력 및 기체 유동 내의 최소 액체 비말 동반을 특징으로 한다.

바람직한 실시예에서, 시스템은 약 10㎝^-1 내지 약 20㎝^-1의 범위인 비표면적, 관련 기술의 패킹된 타워의 부피의 약 1/10의 생성기 부피, 약 1토르 미만의 기체 압력 강하 및 약 5psi의 제트 구동 압력 및 기체 유동 내로의 최소의 액체 비말 동반을 포함한다.

효율적으로 CO₂를 포획하기 위하여, 접촉기는 모노에탄올아민(MEA), 메틸아미노프로판올(AMP) 및 피페라진(PZ)과 같은 힌더드 아민, 탄산칼륨(K₂CO₃) 및 수산화암모늄(일반적으로 암모니아수로 불리고 AA로 축약됨)을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 수성 흡수제와 함께 사용될 수 있다. 요소(비료)로 변환되거나 화학적 공급 원료로서 판매되어 운영 비용을 감소시킬 수 있는 탄산수소 암모늄이 생성되기 때문에, 접촉기를 암모니아수와 함께 사용하는 것이 특히 유리하다. 암모니아수 중에서 CO₂ 포획 및 부산품 발생에 대한 예상 화학적 메카니즘은 다음과 같을 것으로 생각된다.

2NH₃ + H₂O + CO₂ → (NH₄)₂CO₃ (탄산 암모늄) (1)

(NH₄)₂CO₃ + CO₂ + H₂O → 2NH₄HCO₃ (탄산수소 암모늄) (2)

NH₄HCO₃ + 열, 압력 → (NH₂)₂CO (요소) (3)

CO ₂ 제거를 위한 공정

이 실시예는 본 발명의 실시예의 기체 액체 접촉기를 통해 높은 효율로 이산화탄소를 제거하기 위한 기체 유출물 정화 공정이다. 시스템은, 폭넓은 유체 및 작동 조건에의 적용을 위한 노즐 오리피스 플레이트(위에서 설명된 것과 같은 노즐 플레이트) 개조 및 유체 조성물 엔지니어링을 포함하는 노즐의 어레이를 포함한다. CO₂의 제거는 위에서 설명된 것과 같은 부피에 대한 높은 표면 기체 액체 접촉기 유닛을 통해 기체를 통과시킴으로써 수행된다. 기체 유출물은 상당히 감소된 접촉기 부피 및 기체 유동 압력 강하를 갖는 기체 액체 접촉기를 통해 수평으로 통과된다(횡단 유동으로 참조됨). 횡단 유동 기체 유동을 교차시키는 것은 수성계 흡수제로 구성되고 상당한 표면적을 갖는 복수의 저압, 수직 배향된 플랫 제트 어레이이다. 플랫 제트 어레이는 비교적 높은 기체 속도에서 낮은 액체 입자 비말 동반을 갖는 안정한 제트 유동을 제공하도록 공기역학적 형상을 갖는다. 이산화탄소 흡수 및 제거용 흡수제는 높은 이산화탄소 용량, 높은 산화 안정성, 낮은 반응열, 낮은 흡수제 비용, 낮은 부식성 및 판매 가능한 생성물 스트림을 나타내는 것들일 수도 있다. 효과적인 CO₂ 제거를 위한 예시적인 흡수제는 물 속에 약 28wt％ 아암모니아이다. 기체 액체 접촉기를 최적화하기 위하여, 접촉기 성능을 향상시키도록 약 1％ 내지 약 2％ 폴리머 또는 서스펜션이 과산화수소 수용액에 첨가된다.

첨가물의 예는 암모니아수에 대해 반응성이 아니고 질량 전달 공정을 방해하지도 않는 것이다. 바람직한 폴리머 또는 서스펜션은 최소 액체측 압력 강하에서 최대 제트 성능(제트 폭, 길이, 두께, 표면적)을 달성하기 위하여 흡수제 특성(예컨대, 점성)을 조정하는 것을 허용한다. 예시적인 폴리머 첨가물은 디에틸렌 글리콜이다. 다른 폴리머 첨가물은 폴리에틸렌 옥사이드 또는 폴리비닐 알코올을 포함한다. 예시적인 무기 첨가물은 벤토나이트이다.

도 33에 관해 설명된 바와 같이, 시스템은 CO₂ 제거를 위해 이용될 수 있다. 공정은 기체 액체 챔버(2645) 내로 CO₂를 함유하는 기체 유출물의 주입에 의해 설명된다. 기체 플리넘(2605)은 액체 플랫 제트에 걸쳐서 기체 유동을 균일하게 분배한다. 액체 제트는 제트 오리피스에 걸쳐서 흡수제를 균일하게 분배하는 액체 플리넘(2635) 내로 흡수제를 펌핑함에 의해서 생성된다. 생성된 제트 유동은 접촉기 챔버 내로 그리고 기체 액체 분리기를 통해 캐치 탱크(2620) 내로 수직 방향 아래로 유동한다. 기체 액체 챔버(2645) 내에서 수직 유동하는 흡수제는 기체 횡단 유동과 교차한다. 이산화탄소는 흡수제 액체 내로 흡수되어 기체 유출물 스트림으로부터 제거된다. 정화된 기체 유출물(2655)이 접촉기 챔버의 출구에서 배출된다. 흡수제는 유출물 기체 스트림으로부터 연속적인 CO₂ 제거를 위해 리사이클된다.

기체 액체 접촉기의 성능은 도 33에 예시된 바와 같이 소형, 서브-스케일 시험 베드에서 실증되었다. 표 7은 예에 대한 기하학적 파라미터를 요약한다.

기체 액체 접촉기 기하학적 치수

파라미터	No.제트 오리피스	제트 패킹 밀도 (제트/㎠)	단일 제트 표면적 (㎠)	채널 폭 (㎝)	채널 높이 (㎝)	채널 길이 (㎝)	비표면적 (㎠)	접촉기 부피 (㎤)
값	96	4	22	15	25	30	5-10	11,250

이 예에서 사용된 제트 오리피스 기하 구조가 위에서 설명된다. 작동 전에, 액체 제트 표면적은 제트 오리피스 플레이트로의 펌프 배압을 변경함으로써 제트 길이, 폭 및 두께에 대해 최적화되었다. 제트 표면적(길이 및 폭)에 대한 추가적인 최적화는 흡수제 점도/표면 장력 특성을 향상시키기 위한 첨가물(예를 들면, 디에틸렌 글리콜 또는 벤토나이트)을 이용하거나 오리피스 노즐을 개조함으로써 달성될 수 있다.

기체 액체 접촉기 작동 조건 및 성능의 예가 표 8에 제공된다. 2개의 흡수제 시스템, 암모니아수 및 MEA가 주어진 작동 조건 하에서 시험되었다. 어떠한 점도 첨가물이 흡수제 혼합물에 첨가되지 않았다. 유출물 기체는 1:9의 전형적인 CO₂:공기 희석 비율로 CO₂와 혼합된 공기로 이루어졌다. 기체 혼합물은 대기 온도 및 압력 조건 하에서 접촉기 내로 주입되어 보정된 질량 유동 제어기를 사용하여 측정되었다. 액체 부피 유동 비율은 측정 시간 간격에 걸쳐서 보정된 수용 용기 내로의 액체 제트 배출의 양을 기록함으로써 결정되었다. 감소된(흡수된) CO₂의 양이 다음 식을 이용하여 백분율로 표현된다.

％ CO₂ 감소 = 100 x (C_in-C_out)/C_in (1)

여기서, C_in 및 C_out은 각각 접촉기에 유입하고 접촉기로부터 유출되는 CO₂의 농도이다. 접촉기에 유입 및 유출하는 CO₂의 상대적인 양은 푸리에 변환 적외선(FTIR) 분광 분석법으로 4.2㎛ 근방의 CO₂의 기본적인 흡수 밴드를 적분함으로써 결정되었다.

도 35는 액체 암모니아수 제트 온 및 오프에 따른 CO₂ FTIR(푸리에 변환 적외선) 흡수 스펙트럼의 그래프이다. 도 35에 따르면, 각각의 테스트 결과에 대해 네 번의 시운전의 평균이 수행된다. 백그라운드 CO₂ 농도는 각각의 운전 이전에 기록된다. 상수한 테스트 조건 하에서의 CO₂ 흡수에 대한 테스트 결과는 90% 초과의 CO₂ 제거를 나타낸다. 그래프는 2400cm^{- 1} 부터 2250cm^{- 1} 까지의 기본적인 광 흡수 구역의 광학 범위에서의 CO₂ 분자의 빛 흡광도를 나타낸다. 그래프는 효율적인 제거를 나타내는, 이러한 기본적인 CO₂ 영역에서의 종의 흡수의 감소를 명백히 도시한다. 이러한 스펙트럼에 대해 표준 수학적 분석을 수행하는 것은 흡광도의 레벨을 규정하는 농도를 제공하고, 이후 제거율을 결정하는 비율로 검토된다.

기체 오염 물질 제거 플랫 제트 스프레이 접촉기용 시스템

본 발명의 실시예에서, 오염 물질은 기체 액체 접촉기에 의해, 기체 스트림 내에서 제거될 수 있다. 시스템은 하나의 상(기체)에서 다른 상(액체)로 질량을 이송한다. 이러한 프로세스에서, 기체 스트림은 액체 스프레이나 풀(pool)의 형태로 흡수제를 관통하거나 또는 흡수제와 접촉된다. 기체 오염 물질이 흡수제 내에 용해될 수 있기 때문에, 액체 흡수제 내로 용해되거나 흡수되고 기체 스트림으로부터 제거된다. 흡수 프로세스의 정도는 기체 및 액체 확산, 용해도 및 화학 반응성을 포함하는 질량 전달 작동에 의해 결정된다.

기체 액체 질량 전달 작동은 기체 액체 계면을 가로질러 발생한다. 액체 흡수제로의 기체의 흡수율은 액체 상 질량 전달 계수(k_L), 비표면적(부피비에 대한 기체 액체 계면 표면적)(a), 벌크 유체(C_L)와 기체 액체 계면(C_L ^*) 사이의 농도 구배에 의해 제어된다. 많은 기체 액체 반응 시스템에서, C_L ^*의 용해도는 낮고, 농도 구배의 제어는 한정된다. 기체 흡수율을 향상시키기 위해, 기체 액체 접촉기의 디자인은 증가된 질량 전달 동역학, 기체 액체 혼합 및 부피비에 대한 계면 표면적 을 입증해야 한다.

본 발명의 실시예는 (본 명세서에 개시된 바와 같은) 고성능 기체 액체 접촉기를 포함한다. 시스템은 고밀도, 넓은 표면적, 및 전체적인 질량 전달 및 접촉기 성능을 개선하는 공기 역학적 형상의 박형 플랫 제트의 어레이를 기초로 한다. 기체 액체 접촉기는 약 1 부터 약 50cm^{- 2} 까지 범위의 향상된 비표면적, 관련 분야의 패킹된 타워 부피의 약 10분의 1의 생성기 부피, 약 5 토르/리니얼 피트 미만의 접촉기를 가로지르는 낮은 기체 압력 강하, 약 50 psi 미만, 더 바람직하게는 약 20 psi 미만의 액체 제트 구동 압력, 및 기체 유동 내의 최소 액체 비말 동반(entrainment)에 의해 특징지어 진다.

바람직한 실시예에서, 시스템은 약 10cm^{- 1} 부터 약 20cm^{- 1} 까지 범위의 비표면적을 포함하고, 관련 분야의 패킹된 타워 부피의 약 10분의 1의 생성기 부피, 약 1 토르 미만의 기체 압력 강하, 약 5 psi의 제트 구동 압력 및 기체 유동 내의 최소 액체 비말 동반을 포함한다.

기체 오염 물질의 유효 포획은 제트 표면적을 증진시키기 위해 첨가되는 폴리머와 함께 광범위한 종류의 수성계 흡수제를 사용하여 획득된다. H₂S 및 CO₂와 같은 산성 기체는 전형적으로 알칸올아민, 모노에탄올아민(MEA) 및 디에탄올아민(DEA)으로 제거된다. 베이스라인(SO₂ 및 NO_X) 흡수제는 각각 칼슘 카보네이트 혼합물(석회석/석회) 및 암모늄 하이드로옥사이드(암모니아수)를 포함한다. 올인원(all in one) 오염 물질 포획 시스템을 가능하게 하도록 흡수제를 주문 제작하는 것은 오염 물질 제어 접촉기의 크기를 감소시키고 단순화하기 때문에 바람직하다. 이러한 올인원 시스템은 직렬 또는 병렬로 구성될 수 있다. 또한, 올인원 시스템은 본 명세서에 기재된 바와 같이 기체 액체 접촉기를 사용한다.

바람직한 실시예에서, 제트 표면적을 증진시키기 위한 첨가제는 폴리비닐 알콜, 폴리비닐 옥사이드, 에틸렌 글리콜 또는 디에틸렌 글리콜이다. 벤토나이트와 같은 무기물 서스펜션도 제트 표면적을 증진시키는 처리로서 바람직하다. 암모니아수는 CO₂, SO₂, NO_X 및 H₂S를 제거하는 성능을 갖기 때문에 바람직한 흡수제이다. 과산화수소와 같은 산화제의 추가는 수용액에 흡수되기 어려운 NO 및 Hg의 산화를 돕는다. 높은 pH에서 작동하기 위한 과산화수소 활성 촉매는 철(Ⅲ) 테트라-아미도 매크로시클릭 리간드(TAML)이다. 높은 pH에서의 바람직한 과산화수소 안정제는 폴리(α-하이드록시 아크릴 산)이다. 탄화수소암모늄, 질산암모늄 및 황산암모늄은 암모니아수와 함께 반응하는 NO_x 및 SO₂의 부산물이기 때문에, 암모니아수는 특히 바람직한 흡수제이다. 이러한 생성물은 플랜트 작동 비용을 절감하기 위해 비료로서 판매될 수 있다. 올인원 오염 물질 포획 및 부산물 생성 시스템에 대한 기초 화학식은 다음과 같다.

H₂S 포획:

H₂S + H₂0 --> HS^- + H₃O⁺

HS^- + NH₃ + H₂O --> NH₄HS + OH^-

기체 오염 물질 제거용 시스템 프로세스

본 발명의 실시예는 기체 오염 물질 제거용 노즐 어레이를 포함하는 시스템에 관한 것이다. 노즐 어레이는 넓은 범위의 유체 및 작동 조건에 적용하기 위한 유체 조성의 엔지니어링 및 노즐 오리피스 플레이트의 개조를 포함한다. 오염 물질 기체의 제거는 상술한 바와 같이 높은 표면 대 부피 기체 액체 접촉기 유닛으로 기체를 통과시킴으로써 실행된다. 기체 유출물은 실질적으로 기체 유동 압력 강하가 감소되고 접촉기 부피가 감소된 기체 액체 접촉기를 수평으로(이후 횡단 유동이라 칭함) 통과한다. 횡단 유동 기체 유동의 교차는 수성계 흡수제로 구성되고 상당한 표면적을 갖는 복수의 저압인 수직 배향 플랫 제트 어레이이다. 플랫 제트 어레이는 상대적으로 높은 기체 속도에서 낮은 액체 입자 비말 동반인 상태로 안정된 제트 유동을 제공하도록 공기 역학적으로 형성된다.

바람직한 실시예에서, 기체 흡수 및 제거를 위한 바람직한 흡수제는 높은 액체 제트 성능, 높은 기체 로딩량, 높은 산화 안정성, 낮은 열반응성, 낮은 흡수제 가격, 낮은 부식성 및 판매할 수 있는 제품 스트림을 입증하는 그러한 시스템이다. (상술한 바와 같은) 제트 노즐 플레이트 구성은 접촉기 성능을 향상시키기 위해 흡수제 용액에 첨가되는 약 12%의 폴리머 또는 서스펜션을 포함하는 일 실시예로 최적화될 수 있다.

바람직한 첨가제는 흡수제와 반응하지 않고 질량 전달 프로세스와 간섭하지 않는 첨가제이다. 바람직한 폴리머 또는 서스펜션은 최소 액체측 압력 강하에서의 최대의 제트 성능(제트 폭, 길이, 두께, 표면적)을 달성하기 위해 흡수제 성능(예를 들어, 점성)을 조정하는 것을 허용한다. 예시적인 흡수제는 최소 구동 압력에서 최적의 제트 폭, 길이 및 두께에 대해 액체 점성를 향상시키는 폴리머 첨가제 또는 서스펜션을 구비한 약 28 중량%의 암모니아수이다. 예시적인 폴리머 첨가제는 디에틸렌 글리콜이다. 예시적인 무기물 서스펜션은 벤토나이트이다.

다른 첨가제는 오염 물질 산화율 및 그에 따르는 질량 전달 동역학을 보조하기 위해 사용된다. Hg⁰ 및 SO₂로 한정되진 않지만 이를 포함하는 오염 물질 분자의 산화를 향상시키기 위한 예시적인 첨가제는 과산화수소이다. 높은 pH에서 과도한 과산화수소 분해를 회피하기 위해, 안정제가 흡수제 혼합물에 추가된다. 높은 pH에서의 예시적인 과산화수소 안정제는 폴리(α-히드록시 아크릴산)이다. 과산화수소 산화 용량은 과산화수소 촉매제의 추가에 의해 더욱 향상된다. 예시적인 과산화수소 촉매제는 철(Ⅲ) 테트라-아미도 매크로시클릭 리간드(TAML)이다.

일 실시예에서, 도 33에 도시된 바와 같은 기체 액체 접촉기가 기체 오염 물질 제거에 사용될 수 있다. 프로세스는 기체 액체 챔버(2645)로의 기체 유출물(2600)의 주입에 의해 설명된다. 기체 플리넘(2605)은 기체 유동을 액체 플랫 제트를 가로질러 균등하게 분배시킨다. 흡수제를 제트 오리피스를 가로질러 균등하게 분배시키는 액체 플리넘(2635)으로 흡수제를 펌핑함으로써 액체 제트가 생성된다. 생성된 제트는 접촉기 챔버(2645)로 그리고 기체 액체 분리기(2650)를 통해 캐치 탱크(2620)로 수직 하향으로 유동한다. 기체 액체 챔버(2645)에서, 수직으로 유동하는 흡수제는 기체 횡단 유동과 교차한다. 기체 오염 물질은 흡수제 액체로 흡수되고 기체 유출물 스트림으로부터 제거된다. 정화된 기체 유출물(2655)은 접촉기 챔버의 출구에서 배출된다. 흡수제는 유출물 기체 스트림으로부터의 연속적인 오염 물질 제거를 위해 리사이클된다. 표 9는 이러한 실시예에 대한 기하학적 파라미터의 바람직한 실시예를 요약한다.

작동에 앞서 액체 제트 표면적은 제트 오리피스 플레이트에 대한 펌프 백킹 압력을 변화시킴으로써 제트 길이, 폭 및 두께에 대해 최적화된다. 제트 표면적(길이 및 폭)에 대한 추가적인 최적화는 흡수제 점성/표면 장력을 개선하기 위해 바람직한 첨가제를 사용하거나 또는 오리피스 노즐을 개조함으로써 획득될 수 있다. 그러나, 이들 테스트에서는 어떠한 중합체 첨가제도 액체 흡수제에 추가되지 않는다.

기체 액체 접촉기 작동 조건 및 성능의 예는 표 10에 표시된다. 두 개의 흡수제 시스템, 암모니아수 및 MEA는 소정의 작동 조건 하에서 테스트된다. 흡수제 혼합물에 점성 또는 산화 첨가제가 전혀 첨가되지 않는다. 유출물 기체는 전형적인 CO₂ 기체에서 1:9의 공기 희석비로 CO₂와 혼합된 공기로 구성된다. 기체 혼합물은 대기 온도 및 압력 조건 하에서 접촉기에 주입되고 교정된 질량 유동 제어기를 사용하여 측정된다. 액체 부피 유량은 교정된 수용 베셀로의 액체 제트 배출량을 측정 시간 간격에 걸쳐 기록함으로써 결정된다. 감소(흡수)된 CO₂의 양은 다음 식을 사용하여 백분율로 표시된다.

여기서, C_in과 C_out은 각각 접촉기로 들어가고 접촉기를 나오는 CO₂의 농도이다. 접촉기로 들어가고 접촉기를 나가는 상대적인 CO₂량은 푸리어 변환 적외선(FTIR) 분광 측정법을 사용하여 4.2㎛ 부근의 CO₂의 기본 흡수 밴드를 통합하여 결정된다. 액체 암모니아수의 얇은 플랫 액체 제트 온 및 오프에 따르는 대표적인 CO₂ FTIR 흡수 스펙트럼이 도 39에 도시된다. 네 번의 시운전의 평균이 각각의 테스트 결과에 대해 수행된다. 백그라운드 CO₂ 농도가 각각의 운전 이전에 기록된다. 전술된 테스트 조건 하에서의 CO₂ 흡수에 대한 테스트 결과는 90% 초과의 CO₂ 제거를 나타낸다.

석탄 화력 발전소에서의 파일럿 테스트

본 실험예에서, 석탄 화력 발전소에서의 파일럿 테스트를 위해 2MW 유닛(10,000 ACFM 기체 유동) 탑재 트레일러가 설계되고 제조된다. 장치 시스템은 기체 플리넘, 연도 기체 블로워, 열 교환기 서브 모듈, 액체 포획 및 안티-스플래시 서브 모듈을 포함하는 기체 액체 접촉기 모듈, 데미스터 서브 모듈, 노즐 어레이 어셈블리, 흡수제 펌프, 액체 취급 서브 모듈, 진단 및 다른 보조 구성 요소로 구성된다. 시스템은 폐쇄 루프 안정 상태 또는 배치(batch) 구조에서 운전되고 발전소 우선 오염 물질수 배출 필요 조건을 충족시키도록 설계된다. 초기 파일럿 테스트는 개발 시간 및 위험을 감소시키기 위해 슬립스트림 상에서 0.13MW 스케일(명목상 650 ACFM 연도 기체)에서 수행된다. 650 ACFM 슬립스트림은 두 개의 6인치 강관을 사용하는 스크러버로 전환된다. 접촉기에서의 연도 기체 속도는 0.2ft² 의 입구 채널 면적을 사용하는 발전소 유출물 덕트 속도(56ft/s, 17m/s)와 정합된다. 접촉기에서의 기체 잔류 시간은 약 0.04초이다. 시스템은 5 psi 액체측 압력 강하로 작동되고 대략 0.1 psi의 최소 연도 기체 압력 강하가 관측된다. SO₂, N_O, NO₂, CO 및 CO₂ 에 대한 연도 기체 방출은 환경 보호국(EPA) 성능 검증 연도 기체 분석기를 사용하여 측정된다. 슬립스트림은 각각 150F의 온도 및 11.2 psiA의 압력에서 유닛에 진입한다. 0.1 중량 %의 NaOH 용액은 SO₂를 스크러빙하여 시스템을 통해 순환된다.

도 36은 2MW 프로토타입 시스템의 사진이다. 도 37은 기체 액체 접촉기의 사진이다. 도 38은 도 36의 시스템의 용매 펌프의 사진이다.

도 36에 따르면, 기체 액체 접촉기(3210)는 본 명세서에 개시된 플랫 액체 제트 접촉 시스템을 포함한다. 용매 이송 플리넘(3220)은 접촉기(3210)에 접촉하도록 용매를 공급한다. 도 37에서, 연도 기체는 연도 기체 진입 지점(3230)에서 진입하고, 접촉기(3210)로 진행한다. 연도 기체는 연도 기체 방출 지점(3250)에서 방출된다. 도 38에서, 용매 펌프(3260)가 도시된다. 도 39 및 40은 X 축의 시간에 대해 관련된 기체 액체 접촉기를 구비하지 않거나 구비한 경우, Y 축의 석탄 화력 발전소로부터의 연도 기체 내의 목표 오염 물질 농도를 도시하는 그래프이다. TESTO 335 전기 화학 분석기가 세 개의 모든 분석 측정에 사용된다. 도 39는 0.13MW의 등가 연도 기체 드로우에서 접촉기를 사용하는 제1 소형 스케일 테스트에서의 SO₂ 농도를 도시한다. 연도 기체가 온 될 때, SO₂의 농도는 200 ppm 가까이에서 대략 안정 상태에 도달한다. 접촉기 시스템을 결합하면 즉각적으로 기기 검출 한계에 가깝게 SO₂ 방출 레벨이 감소되어, 다시 안정 상태에 도달한다. 접촉기가 결합 해제될 때 TESTO 기구는 시스템을 여전히 샘플링하는 상태이고 최초 오염 물질 레벨을 향해 SO₂ 농도에서의 즉각적인 상승을 나타낸다. 도 40은 다른 흡수제를 사용하는 동일한 기계 시스템에서의 CO₂를 표시하는 도면이다. TESTO 분석기는 4분 동안 CO₂ 레벨의 감소를 나타내고 그 레벨에서 안정 상태에 도달한다.

또한, CO₂ 오염 물질의 효율적인 제거를 위해 연도 기체를 사전 처리하고 배출 필요 조건을 충족시키기 위해 높은 SO₂ 제거 효율(>99%)이 요구될 수 있다. 도 39에 도시된 바와 같이 0.13MW 스크러버를 사용하여, 평균 약 99%이며 약 99.5%인 SO₂ 제거 효율이 달성된다. 또한, 약 19 중량%의 암모니아수를 사용하여 다중 오염 물질 제거를 위한 스코핑 테스트가 도 40에 도시된 바와 같이 수행된다. 시스템이 CO₂ 흡수에 대해 (짧은 잔류 시간만큼 낮게) 최적화되지 않았더라도, 유닛은 이러한 조건 하에서 슬립스트림 CO₂의 50% 초과를 흡수한다. 또한, 99.5% 초과의 SO₂ 및 80% 초과의 NO_x는 동시에 암모니아수로 제거된다. 제트 및 용매의 최적화를 통해 90%의 CO₂ 제거 효율을 달성하기 위해 단지 두 개의 유닛만 필요하다고 예측된다.

결과는 신속하게 스케일링되고, 계속해서 동일한 발전소에서의 평행 기체 액체 접촉기 모듈을 포함하는 약 2MW(8400ACFM) 모듈러 파일럿 스크러버의 작동을 입증하도록 사용된다. 기체 액체 접촉기 입구 채절 면적은 약 3.9ft²이고, 약 58ft/s(18m/s)의 발전소 유출물에 대한 정합 유속 및 약 0.07초의 잔류 시간을 제공한다. 용매 유량은 2800GPM이고, 약 330GPM/1000ACFM의 L/G를 부여한다. 제트를 가로지르는 액체 압력 강하는 약 6psi이다. 미스트 스트립퍼 서브 모듈 및 제트 팩 서브 모듈을 포함하는 전체 약 2MW 접촉기 스테이지에 대한 전체 기체측 압력 강하는 0.4psi이고, 여기서 제트 팩의 약 3.3ft를 가로지르는 기체 압력 강하는 약 0.1psi이다(0.03psi/ft). 입력 및 출력 연도 기체 온도는 각각 약 250°F 및 약 115°F이다. 정상 상태에서(용매 배출과 함께) 24시간 작동된 테스트는 99% 초과의 평균 SO₂ 스크러빙 효율을 수행한다.

도 41은 대형 접촉기를 관통하는 대략 2MW의 등가 연도 기체 유동을 갖는 SO₂ 포획에 대한 대규모 테스트의 도면을 도시한다. 복수의 온/오프 사이클은 작동 일관성을 확인하기 위해 실행된다. H₂O, NaOH(0.1 중량%), 2MW 스케일을 사용한 SO₂ 스크러빙 결과의 그래프가 도 41에 도시된다. 그래프에서 X축은 시간 단위의 시간이고 Y축의 ppm 단위의 농도이다. 도시된 바와 같이, 연도 기체는 오염 물질 분자로서 SO₂를 350ppm 초과하여 방출된다. 기체 액체 접촉기 모듈의 작동으로 실질적으로 모든 SO₂가 제거된다. 더 구체적으로, 이러한 점이 반복가능한 지 여부를 테스트하기 위해, 접촉기 액체 제트가 차단되어, 도 41에 도시된 바와 같이 SO₂ 농도는 다시 350ppm 위로 상승한다. 액체 제트 모듈을 결합하는 것은 SO₂ 농도를 거의 기준선까지 감소시킨다. 이러한 반복은 도 41에 도시된 바와 같이 일관되게 동일한 결과를 생성한다. 또한, 최근 후속 테스트에서도 SO₂ 제거 효율이 확인된다. 추가로, 소모한 용매를 사용하는 모의 폐수 처리 실험이 황산 칼슘의 침전을 입증하기 위해 실험실에서 실행되고 있다.

본 발명의 실시예는 광범위한 연도 기체 조건에 걸쳐 복수의 연도 기체 오염 물질(SO_x, NO_x, CO₂ 및 입자)을 제거하기 위한 포스트 연소 기술을 포함하는 기체 액체 접촉기 또는 모듈러 기체 액체 접촉기에 관한 것이다. 습식 스크러버 시스템은 기계적 또는 방출 준수 실패로 인한 가동 폐쇄에 민감하다. 기체 액체 접촉기 스크러버 시스템은 성능, 융통성, 서비스 용해도 및 신뢰성을 구비한 연속적인 온라인 작동을 충족시키는 소형 풋프린트 패키지로서 설계된다.

실제 성능 측정 지표(예를 들어, SO₂의 제거)는 전통적인 방법 및 설비 설계와 곧바로 비교될 수 있음에도, 그러한 프로세스를 등가적으로 제공하는 본 발명에서 제공되는 설계, 방법 및 시스템은, 이러한 결과를 생성하는 크기 및 비용이 각각 종래 시스템의 자본 비용의 절반에서 10배 초과하여 작게 할 수 있다는 점에서, 매우 대단한 것이다.

모듈러 설계 접근은 모듈러 기체 액체 접촉기 스크러버 유닛의 규모 및 제조에 대해 사용된다. 스크러버 모듈은 필요한 오염 물질 제거 성능을 달성하기 위해 병렬 또는 직렬로 추가된다. 이것은 예를 들어 약 0.4psi 압력 강하의 낮은 압력 강하 및 예를 들어 스테이지당 약 0.8% 미만의 낮은 기생 발전 필요 조건에 의해 가능하게 된다. 이러한 접근은, 사이트 필요 조건당 스크러버 유닛의 맞춤화를 허용하는 제조 방법을 표준화한다. 모듈러 기체 액체 접촉기는 어셈블리 라인 생산 프로세스에 탑재된 팩토리이다.

기체 액체 접촉기 모듈

도 42는 60MW 스크러빙 유닛 및 지지 구조물의 대표도이다. 도 43은 도 42의 스크러버 타워의 2MW 섹션의 한 섹션의 정면도이다. 도 44는 도 42의 스크러버 타워의 2MW 섹션의 한 섹션의 측면도이다. 도 45는 입구 채널 및 제트 팩 영역의 형상을 도시한다. 본 실시예에서, 시스템은 약 600lbs 미만이도록 구성되고, 약 5ft×10ft×10ft의 치수를 갖는다. 또한 이러한 유닛은 연도 기체 유동의 약 85,000cfm 초과를 취급할 수 있고, 필요에 따라 규모가 증가 또는 감소될 수 있다.

이러한 유닛은 병렬로 적층되거나 발전소용으로 요구되는 크기로 설계될 수 있다. 하나의 병렬 구성예에서, 모듈은 서로에 대해 위로 또는 옆으로(나란히) 위치할 수 있다. 유입 기체 스트림은 각각 동일한 처리를 제공하는 병렬 모듈들 사이에서 예를 들어 동일하게 분할된다. 일 실시예에서, 20MW 복합 모듈은 10개의 2MW 기본 모듈을 수직으로 적층하여 생성된다(85,000cfm). 이후 세 개의 20MW 모듈은, 60MW 시스템을 포함하는 세 개의 20MW 모듈들 사이에서 유입 기체 스트림을 동일하게 분할한 채 60MW 시스템을 생성하도록 수평으로 결합된다.

본 실시예에서, 도 42에 도시된 바와 같이, 흡수제는 흡수제 저장 탱크(3315)로부터 용매 이송 플리넘(3305)의 스크러빙 시스템으로 공급되고, 노즐 어레이로 구성된 복수의 노즐을 통해 펌핑된다. 노즐 어레이는 기본적으로 평면형 액체 제트를 제공하도록 구성되고, 상기 액체 제트의 각각은 액체의 평면형 시트를 포함하고, 상기 복수의 액체 제트는 실질적으로 평행한 평면에 놓인다. 플랫 액체 제트가 스크러버 타워(3345) 내에 형성되고, 기체의 유동(3320)은 제트의 플랫 표면에 평행하게 통과한다. 흡수제가 타워의 저부로 떨어진 이후, 열 교환기(3340)는 접촉 프로세스에서 흡수제에 의해 흡수된 열을 포획한다. 이후, 흡수제는 펌프 하우스(3330)로 도관(3335) 내를 유동하고, 이어서 수처리 시스템(3325)으로 펌핑된다.

액체의 2차 또는 4차 처리에 따라서 접촉기 시스템의 세그먼트(3325)가 소형화 또는 대형화될 수 있다는 점에서, 도면 부호 3325로 도시된 수처리 시스템은 단지 개략적인 참고이다. 예를 들어, 소형 시스템은 포획된 기체상 분자의 용해를 위해 단지 열 교환기만 포함할 수 있고, 도 42에 도시된 "박스"에 끼워 맞춰질 수 있다. 대형 시스템은 화학 반응 및 사용되는 용도에 따라 대형화될 수 있는 고체 가압 서브 시스템 및 침전물 탱크, 침전 탱크를 포함할 수 있다.

도면 부호 3330으로 도시된 펌프 하우스는 관련 분야에 공지된 바와 같이 액체의 적정 부피를 접촉기 시스템으로 운송할 수 있는 적절한 크기의 액체 펌프이다. 도면 부호 3330으로 도시된 블록은 선택적이지만, 사이트(site) 환경, 펌프의 선택 그리고 선택된 펌프가 비 또는 눈으로부터 보호될 필요 여부에 따라 의존된다.

스프레이 팩 기본 유닛의 형상을 도시하는 도 43 내지 도 45를 참조한다. 본 실시예에서 기본 유닛 또는 기본 모듈은 스프레이 팩 내의 전체 3400 노즐(85 노즐의 40 줄)에 대략 5 스프레이/cm²를 포함하는 약 1.7m²의 스프레이 면적 및 약 25cm × 130cm의 입구 채널로 구성된다. 도 43은 유출물 입구(3360), 유출물 출구(3350) 및 제트 팩 영역(3355)을 도시한다. 제트 팩 영역(3355)은 액체 제트 및 기체 분자가 서로 접촉하는 실제적인 접촉기 부피이다. 도 45에서, 제트 스크러빙 팩(3365)은, 유출물 스트림으로부터 혼입된 유체를 제거하는 스프레이 또는 미스트 스트립퍼(3370)가 뒤따르는 측면 컷어웨이(cutaway)로 도시된다. 액체 제트의 속도가 빠름에도, 몇몇 액체는 특히 기체 속도가 빨라질수록 기체 유동 내에 혼입된다. 이러한 혼입은 예를 들어 에어로졸 또는 미스트의 소형 액적을 포함한다. 미스트 스트립퍼는, 소형 미스트 액적이 도 29에서 도면 부호 1660으로 표시되는 구성 요소와 함께 특정 영역을 통해 이동하고, 이러한 구성 요소의 표면에 농축되고 액체 섬프(sump) 시스템으로 다시 유동하는 소형 영역을 제공한다. 특정 실시예에서, 이러한 구성 요소는 수직 로드이지만, 작은 압력 강하를 제공하고 난류 기체 유동이 응결/유착 표면과 결합하도록 하는 임의의 디자인이 고안될 수 있고, 메쉬, 열교환기 구성 요소 또는 공기 역학적 플레이트나 배플을 포함하지만 이로 한정되지는 않는다.

도 46은 본 발명의 다른 실시예에 따르는 제거 가능식 노즐 플레이트를 갖는 제트 팩 영역의 도면을 도시한다. 도 47은 도 46의 제트 팩 영역 내의 노즐 플레이트의 구조를 도시한다. 도 48은 도 46의 제트 팩 영역에 대한 밀봉 시스템을 도시한다. 도시된 바와 같이, 모듈러 기체 액체 접촉기는 서비스 용해도, 접근성 및 신뢰성에 대해 설계된다. 시스템, 예를 들어 기체 액체 접촉기 또는 스크러빙 유닛은 마모되거나 막힌 오리피스가 작동을 멈추지 않고 교체될 수 있도록, 오리피스 플레이트를 포함하는 노즐 어레이에 대한 스냅 핏(snap-fit) 디자인 접근을 사용할 수 있다. 또한, 시스템은 기계적인 설비 및 지원 시스템에 중복되도록 설계될 수도 있다. 예를 들어, 대형 기계 장치는 필요한 경우 평행 유닛이 플랜트 작동을 방해하지 않고 점검될 수 있도록 약 20%의 여유 공간을 포함한다.

도 46에 따르면, 제거 가능식 플레이트(3410)가 부분적으로 제거된 위치에 도시된다. 제거 가능식 플레이트(3410)는 복수의 평행 플랫 액체 제트를 생성하기 위한 복수의 노즐 열을 갖는 복수의 노즐 플레이트를 포함한다. 도 47은 제거 가능식 플레이트(3410)의 전체 단면을 도시한다. 제거 가능식 플레이트(3415)는 정해진 위치에 도시되고, 제거 가능식 플레이트(3410)는 제거된 채로 도시된다. 도 48은 제트 플레이트(3425)를 탄성 중합체 밀봉부(3430)를 사용하여 밀봉면(3435)에 밀봉하도록 설계된 밀봉 기구(3440)를 도시한다. 즉, 제트 플레이트(3425) 에지의 소형 섹션의 측면도에서 봤을 때, 표준 제트 플레이트, 예를 들어, 도면 부호 3410 또는 3415의 에지의 작은 배율이다. 본 실시예에서, 제트 플레이트는 도면 부호 3415로 설치되고, 도면 부호 3415의 에지는 프레임(3435)에 부착된 핀(3440)이 그루브(3445)로 끼워 맞춤되는 작은 각이 형성된 일련의 그루브를 갖는다. 그루브(3445)의 각도는 밀봉 방향으로 인가된 토크가 핀(3440)에 대향하여 그루브의 각도가 캠으로서 작동하게 하여, 탄성 중합체 밀봉부(3430)를 가압한다. 하나의 특정 실시예임에도, 기계적 시스템 및 유압 표면 밀봉의 관련 분야 숙련자는 동일하게 작용할 수 있는 대체예를 고안할 수 있다.

SO_x, NO_x용 모듈러 기체 액체 접촉기 및 입자 프로세스

다른 실시예는 개선된 페수 및 생성물 스트림 처리와 함께 소형, 고성능, 저가격, 낮은 물 사용량 및 높은 에너지 효율의 기체 액체 접촉기 시스템 또는 스크러버 시스템을 통합한 Na/Ca 이중 알칼리 프로세스를 사용하여 높은 연도 기체 SO₂ 제거를 위해 분석되어온 설계에 관한 것이다. 이러한 프로세스에 대한 설계 필요 조건은 표 11에 제공된다.

연도 기체 조절 시스템

연도 기체가 본 발명의 실시예를 사용하여 처리되는 분야에 있어서, 채용되는 방법론은 일반적인 용어로 설명될 수 있다. 이러한 보편성은 사이트 및 분야의 필요 조건에 따라서 선택될 수 있지만, 대략 네 개의 섹션으로 분류될 수 있다. 도 49는 오염 물질 제거 시스템에 대한 프로세스 흐름도이다. 도 49에 따르면, 기체 액체 접촉기 시스템에 대한 기본 프로세스 흐름도는 주요 시스템 구성 요소 및 주요 스트림 지점을 도시한다. 네 개의 섹션은 섹션 1. 연도 기체 또는 프로세스 기체 섹션, 섹션 2. 스크러버 또는 반응기 섹션, 섹션 3. 흡수제 또는 반응 물질 입구, 섹션 4. 반응 생성물 처리 및 흡수제 순환(또는 방출)을 포함한다. 그럼에도, 본 실시예의 목적을 위해, 이러한 네 개의 섹션은 연도 기체 탈황 분야의 일 예의 적용에 대해 보다 구체적으로 설명될 수 있다. 관련 분야의 숙련자는 높은 효율의 기체 액체 접촉 시스템으로부터 유익을 얻을 수 있도록 많은 수의 다양한 프로세스를 처리하기 위해 이러한 프로세스가 추가로 수정될 수 있음을 알 수 있다.

섹션 1에 따르면, 연도 기체(5402)는 산업 프로세스, 예를 들어 석탄 화력 플랜트로부터 생성되어 방출된다. 연도 기체는 프로세스 지점 1(PP1)에서 섹션 2로 진입하고, 기체는 유동하여 PP2를 지나 섹션 2에서 처리되고, 기체는 이후 선택적인 연도 기체 히터(5404)(필요한 경우)에서 가열되고, 이후 PP3에서 팬 또는 블로워로 유동하여, 방출을 위해 PP4에서 연도 기체를 연도 기체 스택(5406)으로 가압한다. 연도 기체는 연료 공급원 및 연소 효율에 따라서 다수의 오염 물질을 함유할 수 있다. 본 실시예에서, 단지 SO_x, NO_x, H₂O, CO₂, HCl 및 HF만이 도 49에 도시된 보일러 이송 반응기 시스템 내에 형성된다고 가정된다. 연도 기체(5402)의 생성과 방출 사이에서, 연도 기체 스트림(일부 또는 전부)의 슬립스트림은 오염 물질 감소기 또는 스크러버 시스템, 예를 들어 섹션 2 내지 4로 다시 보내진다.

섹션 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따르는 스크러버 또는 반응기로서 수행하는 기체 액체 접촉기 모듈러 어셈블리(5408)를 포함한다. 이 섹션은 도 49에 도시된 화학 반응을 사용하는 경우, 연도 기체로부터 SO₂, HCl, HF 및 약간의 NO₂를 제거한다. 도 49에 도시된 화학 반응 및 이러한 연도 기체 스트림으로부터 CO₂ 제거 효율은 낮을 수 있고, 사용되는 화학 반응 및 흡수제의 pH에 따라 극적으로 개선될 수 있으나, 본 실시예에 대해서는, CO₂는 대량 포획되지 않는다고 여겨진다. 접촉기(5408)는 SO₂, HCl 및 HF를 포획한다. 액체 제트의 액체를 포함하는 유체는 수용액이다. 기체가 혼입된 이러한 용액은 캐치 탱크(5410)에 포획된다. 섹션 2에서, 포획 유체는 재순환 펌프를 사용하여 PP6을 통해 리사이클된다. 이러한 리사이클된 유체의 슬립스트림은 섹션 4에서 제2 처리를 위해 프로세스 밸브(5418)를 통해 배출된다.

섹션 3은 흡수제 및, 화학 작용, 액체 pH, 또는 보충 반응물질을 조절하도록 구성된 용매 보충 유체 섹션이다. 증발을 통한 일정 액체 손실은 로컬 물 공급원(5412)에 의해 PP7을 통해 보충된다. 액체는 상대적으로 높은 pH(7 초과)로 설정되고, NaOH 공급원(5414)에 의해 PP8을 통해 해당 레벨로 유지되거나, 또는 용해도 아황산염의 농도가 더욱 안정 상태에 도달하는 경우 pH는 섹션 4에서 라임(5416)의 추가에 의해 유지된다.

섹션 4는 용해되거나 반응된 기체 상 분자가 화학적으로 변환되거나, 예를 들어 CaSO₄의 고체 생성물, 예를 들어 CaSO₃의 고체 처분물, 또는 예를 들어 비료/NH₄SO₄ 나 NH₄NO₃의 다른 유용한 생성물로 광물화되는 제2 처리 섹션이다. 액체 프로세스는 PP12를 통해 섹션 2로부터 침전물 탱크(5420)에 얻어지고, 여기서 pH를 증가시키고 S_O3 ^{2 -}(또는 완전 산화 모드에서, SO₄ ^{2 -})와의 반응/침전을 위해 Ca^{2 +}를 제공하도록 PP15에서 석회/Ca(OH)₂(5416)이 추가된다. CaSO₃의 최종 혼합물은 PP16을 통해 침전 탱크(5422)로 유동하고 침전 후 슬러리 보유 탱크(5424) 내에 저장된다. 충분한 양의 CaSO₃가 포획된 경우, 액체를 제거하기 위해 필터 프레스(5426)로 이동되고, PP29를 통해 브라인 보유 지지 탱크(5428)로 이동된다. 필터 프레스(5426)로부터의 고체(5430)는 쓰레기 매립되거나 또는 제3 프로세스 예를 들어, 석고/시트록(sheetrock)용 CaSO₄로 판매되어 처리된다. 브라인 탱크(5428)로부터의 액체는 연화 단계(5432)에서 리사이클 및 재생을 위해 PP26을 통해 이동되어 소다 애쉬(Na₂CO₃)(5434)의 추가를 통해 초과의 Ca^{2 +}를 제거하고 및 Na⁺를 보충한다. 재생된 흡수제는 이후 PP33을 통해 제2 프로세스 밸브(5436)를 거쳐 섹션 2로 보내진다.

도 49에 도시된 특정 실시예에서, 20MW 시스템은 140MW 석탄 화력 발전소로부터 연도 기체의 일부를 취한다. 연도 기체는 저황탄, 예를 들어 파우더 리버 바신(와이오밍주)으로부터의 석탄의 연소에 의해 생성된다. 본 실시예에서 고려되는 특정 속성은 표 12에 도시된다. 석탄 연소는 연도 기체 중, 본 시스템 예에서 제거를 위한 주요 목표가 되는 오염 물질인 SO₂의 대략 350 내지 약 400ppm를 생성한다. 다른 오염 물질은 HCl, HF, NO_x 및 일부 Hg를 포함한다. 이것은, 프로세스 포인트 1(PP1)에 도시된 바와 같이 대략 84,000 ACFM에서 슬립스트림 내의 기체 유량을 갖는 섹션 1의 정면측이다. PP1에서 유입되는 연도 기체의 온도는 약 250°F 내지 약 300°F의 범위이고, 발전소 비산재 백하우스로부터 유발된다. 비산재 백하우스는 석탄 연소에 의해 생성된 비산재의 벌크를 제거하고 또한 언급된 바와 같이 온도를 일정 범위로 감소시키는 역할을 한다. 이러한 연도 기체 내의 물의 농도는 질량으로 약 6% 내지 약 7%의 범위이다.

PP1에서, 연도 기체 슬립스트림은 섹션 2, 스크러버 섹션으로 진입한다. 연도 기체는 대략 10m/s의 기체 속도로 기체 액체 접촉기(5404)를 통과하여 유동한다. 기체 액체 접촉기는 본 명세서에 개시된다. 사용된 흡수제 액체는 SO₂와의 NaOH의 초기 개시 반응에 의해 형성된 아황산나트륨이다. 중량으로 수산화나트륨액 50%은 초기에 대략 6.5의 pH를 생성하고 유지하기 위해 흡수제 루프 내의 물에 추가된다. NaOH는 연속 작동 중 필요한 경우 pH를 약 6.5로 유지하기 위해 사용될 수 있다. 개시시, 물은 약간의 SO₂를 흡수할 수 있지만, 이것은 pH 및 산성 용액의 감소로 신속히 이어진다. 따라서, NaOH는 pH를 대략 중성으로 유지하고, SO₃ ^{2 -}에 대한 반대 이온으로서 Na⁺를 제공하는 역할을 한다. 아래의 식은 SO₂를 제거하는 본 시스템의 주요 반응을 설명한다.

안정 상태 작동시, SO₂와 효율적으로 반응하는 아황산나트륨 용액은 대략 0.5M 까지의 농도를 생성하고, 물에서 아황산수소나트륨을 형성하도록 반응한다. 전체 반응을 설명하는 화학식은 다음과 같다.

접촉기를 빠져나오는 연도 기체는 약 100℉ 내지 약 125℉ 범위의 온도로 급격히 증발식으로 냉각된다. 접촉기의 하류측이지만 모듈의 내측에 위치하는 미스트 스트립퍼는 과잉수(excess water)를 제거한다. 일단 연도 기체가 SO₂(PP2)로 액적화된 기체 액체 접촉기 영역을 빠져나오면, (이슬점 이상의 온도로 상승시키기 위해) 연도 기체 가열기(5404)에 의해 선택적으로 가열되고, ID 팬(ID Fan)(5440)을 통과하며, 연도 기체 배출 스택(5406)으로 방출된다. 연도 기체 컨티셔닝(conditioning)을 위한 다른 옵션은 기체 대 기체 열 교환기(gas to gas heat exchanger)의 사용, 습윤 스택 구성으로의 변환, 또는 재가열을 위해 파워 플랜트 폐 스팀의 사용을 포함한다. 몇몇 경우에 있어서, 스트립퍼로 이루어지는 열 탈착(thermal desorption) 단계에서의 고온의 탈착된 기체(desorbed gases)를 이용해 연도 기체를 재가열하는 것이 바람직할 수 있으므로, 전체적인 흡수제 처리 시스템으로부터의 폐열이 이용될 수 있다. 기체 액체 접촉기(5408)의 연속적인 조작은 SO₂ 반응 생성물이 제거되지 않는다면 SO₂ 흡착 효율의 저하 및 아황산수소나트륨의 축적을 초래한다. 이와 같이, 섹션 2에서 액체 흡수제 리사이클 시스템의 슬립스트림(PP12)은 지속적으로 2차 화학적 처리 시스템에 회수된다.

섹션 4에 도시된 2차 화학적인 처리 시스템에 있어서, SO₂는 완전히 광물화되어, 아황산칼슘의 고체 생성물(PP16)을 형성한다. 이 후 아황산칼슘이 여과되고(PP18), 과잉수를 제거하며, 예를 들면 랜드필(landfill)에서 적절히 제거된다(PP24). 석회(Ca(OH)₂)는 아황산염을 고체 침전물로 광물화하기 위해 사용되며(PP15), NaOH의 대체물이 흡수제 루프(sorbent loop)내로 첨가될 때 pH를 적절한 레벨로 유지시키는 기능을 한다. 2차 처리에서 수행되는 반응은 아래와 같다.

2Ca(OH)₂ + 4NaHSO₃ → (CaSO₃)₂H₂O + 2Na₂SO₃ + 3H₂O

칼슘 스케일 이슈(calcium scale issues)는 필터 프레스 처리(PP32)로 전환되는 탄산 칼슘(이러한 pH에서 용해되지 않음)을 형성하기 위해 탄산나트륨(물에 용해 가능-PP31)을 활용하는 표준 이온 교환 처리를 사용하는 "연화(softening)" 단계(PP26)에서 과잉 칼슘을 제거함으로써 회피될 수 있다. 동일 단계에서, 아황산염(SO₃ ^{2 -})에서 아황산염(SO₄ ^2-)로의 산화를 방지하기 위해 티오황산나트륨이 첨가될 수 있다(PP34). 또한 프로세스는 1차 SO₂ 포획 시약 Na₂SO₃을 재생성하는데 기여한다.

CaSO₃ + Na₂CO₃ → CaCO₃ + Na₂SO₃

활성 흡수제 화학의 재생 및 연화 이후에는, 메인 접촉기 처리 루프(PP33)로 다시 리사이클된다.

SO ₂ 및 처리 모듈 제거 시스템

기체 액체 접촉기의 스크러버 흡착 시스템의 처리 해석 및 사이징(sizing)은 표 12의 설계 파라미터에 기초한다.

20 MW GLC 흡수제 시스템용 설계 변수

파라미터	값
연도 기체(a)
유량	84,084 ACFM
속도	30-50 ft /s
체류 시간	0.07-0.10 s
온도	250-300℉
압력	-10 인치 w.c.
주위 압력	810 mBar
SOx	400 ppm
이슬점 SO3/H2SO4	179℉
액체 유동
유량	28,000 gpm
온도	107℉
흡수제	SOx : 희석 NaOH / Na 2 SO 3
소금 로드	14.4%( wt ) Na 2 SO 4 (~1.0 M)
pH	6.5
압력 강하
기체측	< 0.03 psi-ft-1
액체측	< 8 psi
배출 제거 요구사항
SOx	> 99%
흡수기 비표면적	> 8㎝-1
L/G	< 330 gal/1000CFM

기체 액체 접촉기(흡수제)는 횡단 유동 구성에서 플랫 제트 스프레이 노즐을 이용해 연속적인 정상 상태 모드에서 작동된다. 흡수제는 물, 반응기 부피, 압력 강하 및 접속 시간의 최소 사용으로 SO₂ 제거 효율를 최대화하는 높은 전체 부피 질량 이송(Kca~64s^-1)을 입증한다.

흡수제는 낮은 전력 소비로 바뀌는 낮은 기체 및 액체측 압력 강하를 나타낸다. 액체 제트 오리피스를 가로질러서의 압력 강하는 약 10psi보다 작아, 조작을 위한 수력 요구사항을 매우 감소시킨다. 용매를 순환시키기 위한 28,000 gpm 액체 펌프는 흡수제 루프에서 대량의 전력 소비를 구성한다. 파워 드로우, P(kW) = [.75×유량(gpm)×△P]/[1714×펌프 효율]은 약 28,000 gpm에서 약 65%의 펌프 효율 및 약 8psi 압력 강하에 대해서 약 150kW (또는 약 20MWe에서의 파워 드로우)이다. 플랫 제트 시스템에서 기체측 압력 강하는 제트 팩의 약 3.3ft를 가로질러 약 0.1psi(2.7 in w.c.)만큼 작다.

비교해 보면, 관련 기술의 패킹화된 타워용 평균 압력 강하는 패킹의 피트 당 약 1.0 인치 H₂O, 또는 일반적인 10 피트 흡수제 배드에 대해서 약 10 인치 H₂O이다. 종래 기술에 비해 기체 액체 접촉기의 전력 소비가 감소되며, 흡수제는 보다 높은 L/G 비율(330 gal/1000 ACFM))로 실행될 수 있어 종래의 흡수제(L/G 90-130)보다 제거 효율이 더 높다.

흡수제 시스템은 연도 기체에서 SO_x, NO_x 및 미립자와 같은 목표 오염물질 뿐만 아니라, 중금속, 염화물, 및 불소를 포획한다. 미립자는 2.5㎛ 이하인 백 하우스로부터 이송되는 대부분 비산재(fly ash)이다. 금속 및 할로겐화물은 석탄으로부터 파생되며 태워진 특정 석탄에 따라 좌우된다. 이 모든 성분은 용매 처리 시스템내의 흡착 루프에서 제거된다. 연도 기체로부터 흡수기 루프 내로의 모든 성분의 몰 유량(molar flow rate)은 용매 처리 시스템의 흡수기 루프를 벗어난 후, 고체 및 브라인(brine) 스트림에 들어가는 오염물질의 몰 유량과 동일하다. 흡수제 루프 내의 모든 성분의 농도는 정상 상태에 도달한다.

또한 기체 용해도, 용매 온도 및 pH는 오염물질 흡착에서 중요한 역활을 한다. 이러한 실시예의 시스템은 기체 용해도를 최적화하고 용매 증발을 최소화하기 위해 비교적 낮은 액체 온도, 예를 들면 100℉ 내지 약 125℉에서 작동한다. 기체 상인 오염물질(p_a)과 액상인 것(C_a) 사이의 평형 용해도(300°K)는 핸리 계수, K_H=C_a/p_a에 의해 지배받는다.

SO₂(g) → H₂SO₃, K_H = 1.4 M/atm (1)

H₂SO₃ → H⁺ + HSO₃ ^-, K₁ = 0.014 M (2)

HSO₃ ^- → H⁺ + SO₃ ^{2 -}, K₂ = 7.1×10-8 M (3)

HSO₃ ^- + ½O₂ → SO₄ ^{2 -} + H⁺, k > 106 M-1s-1 (4)

토론 목적을 위해, S(IV)는 +4 산화 상태인 모든 형태의 유황의 합이며[S(IV)]_tot=[SO₂]+[HSO^{3 -}]+[SO₃ ^{2 -}], S(VI)는 +6 산화 상태인 모든 형태의 유황의 합이다[S(VI)]_tot=[SO₃]+[HSO₄ ^-]+[SO₄ ^{2 -}]. SO₂ 기체가 물에 용해됨에 따라, 용질은 K_H, K₁, 및 K₂에 의해 지배받는 평형에 따라 아황산나트륨(HSO₃ ^-) 및 아황산염(SO₃ ^{2 -}) 생성물로 변형된다. 처리는 H⁺ 생성 공식에서 주어진 pH에 의존된다. 보다 많은 H⁺가 형성됨에 따라(pH가 낮아짐에 따라), 평형은 반응물 형성으로 다시 이동한다. 3.5보다 낮은 pH 값에서는, 상당히 많은 양의 SO₂가 용매로부터 오프 기체(off-gases)된다. SO₂ 제거 효율 및 비용을 최적화하기 위해, 수산화나트륨 또는 다른 화학 기재(chemical base)의 정상 상태 첨가물이 용매 루프 내로 분사되어 시스템의 pH를 약 6-7 근처로 유지시키니다.

SO₂(g) + 1/2O₂(g) + 2NaOH(aq) → Na₂SO₄(aq) + H₂O (1)

아황산염 산화 시스템

아황산염에서 황산염으로의 가압 산화는 분리 탱크 내의 간단한 기체 살포기(14kW 공기 압축기를 사용)에 의해 달성될 수 있다. 비록 살포기가 간단하지만, 기체 액체 접촉 효율이 낮아 공기의 유량은 산화를 완료하는데 필요한 화학량론적인 양의 약 3배로 설정된다. 100% 산화를 가정하면, 아황산염의 약 533 lb/hr이 황산염으로 산화된다. 풀 스케일 시스템(full scale system)에 대해서, 살포기를 대체하는 추가적인 고 효율 기체 액체 접촉기는 비용 효율적(cost effective)일 수 있다.

용매 프로세스 시스템

시스템을 완전히 산화된 모드, 즉 대부분의 유황을 황산염(SO₄ ^{2 -})으로 하는 모드에서 작동시키는 경우, 황산염 침전 및 제거를 위한 설계 기준은 표 13에 나타나 있다. 시스템은 정상 상태 작동의 액체에 있어서 14.4% SO₄ ^{2 -}, 및 <50ppm HSO₃ ^-로 설계된다. 용매 처리 시스템의 유량은 SO_x의 정상 상태 루프 농도에 직접적으로 좌우되며 용매 처리 시스템의 설계를 위한 크기 요구사항을 결정한다.

황산염 제거에 대한 설계 기준

파라미터	값
시약 첨가 속도	233 lb/hr에서 Ca(OH)2
pH	>10
처리되는 SO2 퍼센트	>99%
SO2 처리 속도	3.1 lb-mol/hr
브라인 스트림 유량	<0.7 GPM

고급 설계, 흡수제 및 처리 옵션

대체 흡수제가 표 14에 표시되어 있으며, 수산화나트륨, 암모니아, 탄산나트륨, 수산화마그네슘, 수산화칼슘, 석회석(탄산 칼슘), 및 가능한 비산재를 포함한다. 각각의 흡수제는 특정 흡수제 처리 시스템을 필요로 하고 각각의 발전소는 특정한 고체 및 액체 처리 요구사항을 가질 수 있다.

고급 설계, 흡수제 및 처리 옵션

옵션	접근	이점
설계	- 기체 액체 접촉기로 공기 및/또는 화학적 산화제를 사용해 제 위치에서 아황산염의 산화를 갖는 NH3/Ca 이중 루프	- NOx의 향상된 흡착 가능성 - 비싼 NH3가 리사이클됨 - 침전 단계에서 NH3 및 Ca의 100% 분리 - NH3가 CO2 흡착을 위해 온사이트됨(onsite)
용매	- SOx, NOx 포획을 위한 NH3 - SOx 포획을 위한 CaO/Ca(OH)2	- > 용매 비용에 있어서 3X 절감
처리	- 흡수제를 S(IV) 용해도 한계에 근접해서 조작함 - 황산염용 침전제로서 비산재를 사용 - S(VI) 침전용 이중 루프 접근 이용	- 물 사용량 감소 - 현장에서, 황산염 침전용 저렴한 첨가제 - 물 사용량 감소, 황산염을 침전시키는데 저렴한 CaO 또는 비산재 사용, 석고 생산물 스트림 생성

흡수제/흡수제 처리/처분 시스템의 선택은 성능, 시약 비용 및 사이트 부산물 처분 요구사항에 의해 결정된다. 반응성 및 운영 비용과 관련해 패킹된 타워(packed tower)에서 SO₂ 제거를 위해 가장 일반적으로 사용되는 시약의 비교는 표 15에 나타내져 있다.

반응물 반응성 및 비용의 비교

반응물	반응성	비용
부식성(예, NaOH, KOH)	최고	최고
암모니아(NH3)	최고	최고
소다회(Na2CO3)	매우	보통
수산화마그네슘(MgO)	보통	보통
석회(CaO/Ca(OH)2)	작음	낮음
석회석(CaCO3)	최소	최저

부식성 및 암모니아 기반 시스템은 최고의 반응성 및 깊은 SO₂ 제거 가능성을 제공하지만 비용이 높은 단점이 있다. 이들 반응물의 비용은, 용매가 흡수기로 다시 리사이클되는 이중 루프 작동에 의해 상당히 상쇄될 수 있다. 모든 가능성 중 가장 유망한 것은 NaOH/Ca(OH), NaCO/Ca(OH), NH/Ca(OH) 이중 루프이다. 비산재 옵션은 시약 비용이 제로인 가능성을 나타내지만 가장 높은 위험성을 나타낸다.

Na/Ca 이중 루프가 적절할 수 있지만, NH/Ca 이중 루프가 실행가능한 대안이다. 매우 반응적이며 용해도가 있는 흡수제, 확실히 접촉하는 용액, 및 비교적 비싼 암모니아를 리사이클하는 흡수제 처리 루프의 장점을 유지한다. 나트륨 상의 암모니아의 장점은 침전 단계에서 암모니아를 기체로서 분리하여, 리턴 루프가 흡수기의 크기를 변경할 수 있는 칼슘 또는 다른 오염물질을 함유하지 않는다. 또한, 본 발명의 실시예의 기체 액체 접촉기 시스템이 CO₂ 흡착 시스템과 결합되면, 암모니아가 휘발성이고 추가적인 (작은) 스크러버 유닛이 스택에 대해서 암모니아의 슬립을 방지하는 연도 기체 벤트(vent) 라인에 배치될 수 있기 때문에 암모니아는 이들 모두에 사용될 수 있다.

비산재는 알카리 성질 및 사전 입수가능성으로 인해 FGD 흡수제로서의 가능성을 나타낸다. 표 16은 클래스 C 비산재(아역청탄)의 일반적인 조성을 나타낸다. 그러나 FGD를 비산재 포획과 결합하는 초기의 시도는 본원에 참조로 합체된 콜(Kohl) 등에 의해서 1997년 걸프 프로페셔널 퍼블리싱에서 출간한 기체 정제(Gas Purification) 5판에서 FGD 슬러리의 악취나는 다운스트림 및 취급 특성으로 인해 어려움에 직면했다. 그러나, 기체 액체 접촉기 자체의 내측의 시멘트질의 반응을 회피하기 위해 (예를 들면, 최적화된 SO₂-CaO/MgO 화학량론적인 레벨로) 비산재의 조심스러운 준비는 비산재가 스크러버 작동을 망치지 않는 조건에서 접촉기의 작동을 가능하게 할 수 있다. 달리, Ca/Mg와 함께 동일한 반응이 소망될 수 있으며, 그와 같은 것은 상업적인 제품으로서 흡수제 처리 영역내의 시멘트질의 재료를 생성하는데 사용될 수 있다. 또한, 상업적인 석고가 소망의 부산물인 경우, 용매 처리 시스템 및 석고로부터 비산재를 분리하는 처분 방법이 요구된다.

클래스 C 비산재 조성(ASTM 사양 C 618)

성분	중량%
SO3	0.23-3
CaO	17-32
MgO	4-12.5
SiO2	25-42
Al2O3	14-21
Fe2O3	5-10
입수가능한 알칼리	0-8

시스템 요약

Na/Ca 이중 알칼리 접촉기 처리 및 시스템은 높은 테크노 경제 성과(high techno-economic performance)를 위해 종래의 시스템 이상의 이점을 제공한다. 표 17은 20MW 케이스 및 (MW당) 일반화된 시스템에 대한 본 실시예의 접촉기 시스템용 중요 베이스라인 성능 파라미터를 요약한다.

주요 작동 파라미터 및 값의 요약

파라미터	20MW 접촉기 값	일반적인 접촉기 (MW당)
SOx 제거 효율	99+%	99+%
유입되는 연료 가에서 S(IV) 농도	400ppm	200-4000ppm
용매 루프 pH	6	6
용매 루프 온도	107℉	107℉
용매 루프 유량	28000GPM	1400GPM/MW
스크러버로의 물 입력	12GPM	0.6GPM/MW
스크러버로의 50중량% NaOH 입력	0.07GPM	0.003GPM/MW
	0.66TPD	0.033TPD/MW
침전기로의 Ca(OH)2(고체) 입력	2.80TPD	0.14TPD/MW
폐수 처리 스트림	40GPM	2GPM/MW
스크러버로의 침전물 상청액	39GPM	2GPM/MW
고체 석고(CaSO4·2H2O) 처분물	6.5TPD	0.32TPD/MW
브라인 스트림	<1GPM	<0.05GPM/MW
기생 전력	1.3%	0.8%

깊은 SO₂ 제거는 신속하고 효과적인 질량 전달 동역학을 요구하고 NaOH의 사용에 의해 만족된다. 수산화칼슘/카보네이트 시스템은 저렴한 용매이지만, 이들은 또한 낮은 반응성 용매이다. 반응성을 향상시키기 위해서는 석회/석회석 기반 흡수제가 슬러리(고체)와 함께 실행된다. 그러나, 고체는 (칼슘 아황산염/황산염 형성을 통해서) 흡수제 표면을 스케일링하기 쉬우며 몇몇 경우에서는 심지어 질량 전달을 저해할 수도 있다. 나트륨(NaOH)이 용매 처리 루프내에서 재생되기 때문에 Na/Ca 접근을 이용해 대폭적인 비용 절감이 달성될 수 있다. 이중 루프 시스템에 대한 작동 비용은 단일 루프 석회석 시스템에 대한 작동 비용, 특히 마치 본원에 전체적으로 제시된 바와 같이 본원에 참조로 합체된 콜 등에 의해서 1997년 걸프 프로페셔널 퍼블리싱에서 출간한 기체 정제 5판에서의 고 유황 연료보다 작다. 가장 저렴한 시약은 칼슘(Ca(OH)₂)이며 석고, 상업적인 부산물을 침전시키는데 사용된다. 이중 루프 시스템의 처리 장점은 보다 높은 유황 로드를 취급할 수 있고, 접촉 액체가 부식성이 아니며, 더욱 효과적인 기체 액체 접촉기의 작동을 가능하게 할 수 있다는 것이다. 문제점은 증가된 복잡성 및 2개의 시약에 대한 요구사항이다. 반대로, 단일 루프 습윤 석회석 FGD 처리에 있어서, 필요한 모든 단계는 단일 용기에서 실행되고, 필요한 단계는 석회석을 탄산칼슘으로 용해시키는 것, SO₂를 흡착하기 위한 기체 액체 접촉, 칼슘과의 반응, 산화, 및 침전이다. 이는 단일의 비교적 간단한 시스템을 이룬다. 문제점은 이그조틱(exotic) 노즐 재료를 필요로 하는 슬러리의 부식성/연마성 성질 및 큰 접촉 면적 및 그에 따른 큰 타워를 필요로 하는 스프레이 타워의 효율이 낮다는 것이다.

본원에서 설명된 20MW 및 200MW보다 큰 접촉기 시스템에 대해서 주요 설비의 구성요소에 대한 기생 전력은 표 18에 요약되어 있다. 이러한 실시예에 있어서, 연도 기체 배기 송풍기(ID 팬)가 이미 제 위치에 위치되어 있어 고려되지 않는 것으로 가정한다. 대부분의 파워 드로우(power draws)는 용매 재순환 펌프에 구속된다. 접촉기 시스템은 큰(>10X 종래의 스프레이 노즐) 플랫 제트 오리피스 면적으로 인해 낮은 액체측 유압 및 기계적 전력에서 작동한다. 이러한 실시예에 있어서, 중간 펌프 효율(~65%)로 인해 전술된 20MW 액체 펌프(28,000GPM)는 시스템으로부터 많은 전력을 얻는다. 풀 스케일 작동(>200MW)에서 사용될 수 있는 보다 큰 액체 펌프(>100,000GPM)는 효율이 상당히 높을 수 있어(~85%), (1.7X) 낮은 기생 전력 로드를 고려할 수 있다.

GLC 시스템에 대한 기생 전력 로드

설비 구성요소	기생 전력 20MW 유닛 (MWp/MWe)	기생 전력 >200MW 시스템(MWp/MWe)
액체 펌프	0.012	0.007
용매 공급 펌프	0.0001	0.0001
처분물 처리	0.0003(est.)	0.0003(est.)
브라인 스트림 건조기	0.001	0.001
% 기생 전력	1.3	0.8

CO ₂ 처리를 위한 기체 액체 접촉기

이러한 장점은 CO₂ 제거 효율의 환경 기준(>90%) 및 에너지 비용(<20%)을 만족시키는 소형 저비용, 낮은 압력 강하 및 높은 에너지 효율의 스크러버 시스템을 포함하는 향상된 비용 및 에너지 절감 처리이다. 암모니아 용액을 사용함으로써 가능한 3개의 흡착/재생은 2005년 10월에 예(Yeh) 등에 의해 출판된 연료 처리 기술(Fuel Processing Technology)의 Vol.86, 이슈 14-15, 1533-1546 페이지에 나타나 있으며, 이의 내용은 참조로서 본원에 합체된다.

2NH_{3 ( aq )}+CO_{2 (g)}+H₂O→(NH₄)₂CO_{3 (l)}, delta H_r=-24.1kcal/mole (-986 BTU/lb CO₂) (1)

NH_{3 (l)}+CO_{2 (g)}+H₂O→NH₄HCO_{3 (l)}, delta H_r=-15.3kcal/mole (-622 BTU/lb CO₂) (2)

(NH₄)₂CO_{3 (l)}+CO₂+H₂O→2NH₄HCO_{3 (l)}, delta H_r=-6.4kcal/mole (-262 BTU/lb CO₂) (3)

반응은 흡착에 대해서 작성되었으며 따라서 발열반응이다. CO₂ 포획 및 용매 재생에 대해서 가장 에너지 효율적인 루트는 식 (1)의 탄산염/중탄산염 반응이다. 흡착 반응이 저온에서 바람직하기 때문에 세정기액은 90℉로 냉각되고 세정기액은 스트리퍼액(stripper liquor)은 140℉로 가열되어 1 기압에서 CO₂ 기체를 방출시킨다. 암모니아 탄산염/중탄산염 화학반응은, 재생 에너지가 MEA의 재생 에너지의 1/2보다 작기 때문에 알칸올아민 기반 용매에 비해 상당히 낮은 작동 비용에 대한 가능성을 제공한다.

CO ₂ 에 대한 기체 액체 접촉기 처리 흐름 다이아그램 및 해석

도 50은 다른 실시예에 따른 오염물질 제거 시스템에서의 프로세스 흐름도이다. 우선 연도 기체는 접촉기에 유입되어 오염물질, 예를 들면 SO_x, NO_x 및 입자상 물질을 제거한다. 그 후, 예를 들면 냉각된 탄산암모늄 용액 또는 피페라진과 접촉하는 CO₂ 흡수기에 유입되어 대부분의 CO₂가 탄화수소암모늄 또는 피페라진의 카바메이트로서 각기 포획된다. 다른 아민, 알칸올아민, 및/또는 염기(예를 들면, KOH, NaOH 등)이 이러한 루프에서 이용될 수도 있다. 사용된 화학 시스템이 암모늄 수산화물/암모늄 탄산염 시스템인 경우, 일분 암모니아가 암모니아 슬립으로서 연도 기체에 유입되고, 암모니아 스크러버에 이송되어 제거된다.

청정 연도 기체가 계속해서 응축되어 열교환기가 그의 이슬점 보다 약 40℉ 높으로 온도로 가열된 후 스택을 통해서 빠져나간다. 암모늄 탄산염/중탄산염 흡수제 스트림은 스크러버로 복귀하기 전에 냉각기 및 열 펌프를 통해서 다시 리사이클된다. 흡수제 용액의 사이드 스트림(side stream)이 제거되고, 가열되며, 그리고 포획된 CO₂를 배출하도록 스트립퍼로 보내진다. 린(lean) 용액은 흡수제 루프로 복귀한다. 스트립된 CO₂는, 압축동안 응축형 열 교환기에서 제거된 일부 수증기 및 암모니아를 운반한다. 물 및 암모니아는 흡수기 루프로 복귀된다. 청정 CO₂는 압축기 트레인에 보내지고 격리된다. 중요한 에너지 절감 프로세스 단계는 탄산암모늄 흡수기 용액을 냉각시키기 위해서 및 CO₂를 분리시키기 위해 온도를 상승시키도록 스트립퍼 액체에 대해서 열을 거부하기 위해서 열 펌프를 이용한다. 흡수기 스트림 내의 에너지를 포획하고 이를 스트립퍼 스트림에 운반하기 위해 열 펌프를 이용함으로써 약 10% 기생 전력을 절감한다.

시스템의 크기를 정하고 해석하는 설계 기준이 표 20에 표시되어 있다. 프로세스는 도 50에 도시된 바와 같이 연도 기체 컨티셔닝 시스템인 섹션 1, CO₂ 흡수기 루프인 섹션 2, CO₂ 스트립퍼 루프인 섹션 3, 암모니아 또는 아민 슬립 흡수기인 섹션 4, 냉각기 시스템인 섹션 5, CO₂ 압축기 트레인인 섹션 6를 포함하는 6개의 주요한 프로세스 섹션으로 분할된다. 20MW 데모 시스템에 대해서 모든 유량 및 열 부하가 산출되었다.

20MW CO₂ 기체 액체 접촉기용 설계 기준

파라미터	값
연도 기체
유량	84,084 ACFM
속도	58.8 ft/s
체류 시간	.07s
온도	110F
압력	-10 inches w.c.
주위 압력	810mbar
CO2	10-15%
액체 유동
유량	28,000 gpm
온도	90F
흡수제	3M 탄산 암모늄
고체 로딩(loading)	없음
pH	9
압력 강하
기체측	<.03/ft psi
액체측	<8psi
배출 제거 요구사항
CO2	>90%
흡수기 비표면적	>8cm-1
L/G	330gal/1000CF
기생 전력	<20%
상업적인 부산물	CO2

연도 기체 컨디셔닝 시스템

도 50에 도시된 바와 같은 실시예에 있어서, 연도 기체 컨디셔닝 시스템은 선택적인 열 교환기/냉각기(5004) 내로의 연도 기체의 입구(5002) 및 출구(5006)를 포함한다. 연도 기체 컨디셔닝 시스템은 이미 일부 처리, 예를 들어 SO₂, HCl 등과 같은 산성 기체를 제거하는 처리가 이루어졌을 수도 있는 유입 기체를 수용한다. 열 교환기/냉각기(5004)는 본 기술에 있어서 공지된 바와 같이 유입 기체의 성분 및 흡수기의 화학적 성질에 따라 좌우되므로 선택적이며, 예를 들어 암모니아/암모니아 탄산염은 냉각기를 필요로 할 수 있다. 연도 기체는 예를 들면 본 발명의 실시예에 따른 접촉기 시스템(도시되지 않음)으로부터 SO₂의 스크러빙이 되고 냉각된다. 이러한 실시예에 있어서, 연도 기체(5002)는 CO₂, N₂, H₂O, O₂, 및 다른 미량의 기체와 같은 요염물질을 함유한다.

CO ₂ 흡수기 루프

섹션 2를 참조하면, 흡수기 루프는 기체 액체 접촉기(5008) 및 캐치 탱크(catch tank)(5010)를 포함한다. 섹션 5의 열 교환기/냉각기(5012)는 선택적인 구성요소이다. 다시, 열 교환기/냉각기(5010)는 당업자에 의해 알 수 있는 바와 같이 유입 기체의 성분 및 흡수기의 화학성 성질에 좌우되므로 선택적이다. 이러한 실시예에 있어서, 기체 액체 접촉기는 섹션 1의 출구(5006)에 연결된다. 기체 액체 접촉기(5008)는 재순환 루프의 일부로서 열 교환기/냉각기(5012)(섹션 5) 및 캐치 탱크(5010)에 연결된다.

작동에 있어서, CO₂를 함유하는 연도 기체가 기체 액체 접촉기(5008)의 입구(5014)를 통해서 보내지고 CO₂중 일부가 스트립핑된다. 섹션 2의 CO₂ 흡수기 루프는 다양한 값을 가지며 액체의 적절한 유동 및 리사이클 그리고 본 기술분야에 공지된 바와 같은 작업을 위해 필요에 따라 펌핑한다. 접촉기(5008)내에서 기체와 접촉한 후, 흡수기 용액은 추가적인 CO₂량을 재순환 루프의 일부로서의 캐치 탱크(5010)에 운반한다.

이러한 실시예에 있어서, CO₂ 흡수기 루프의 에너지 요구치는 섹션 5의 열 교환기/냉각기(5012)에 의해 조절된다. 일반적인 시스템에서 나타내지는 연도 기체 온도 아래로 냉각되는 경우, 탄산암모늄, 아민, 또는 알칸올아민을 사용하는 본원에 설명된 일반 화학은 보다 바람직하게 CO₂를 흡착한다. 따라서, 필요한 경우, 섹션 5 열 교환기/냉각기(5012)는 흡수기 용액의 최적의 작동 조건을 유지시키는 냉각 용량을 제공한다.

CO ₂ 스트립퍼 루프

섹션 3을 참조하면 출구(5020)를 갖는 열 교환기/냉각기(5018)에 연결된 입구(5016)를 포함한다. 출구(5020)는 기체 액체 접촉기(5022)에 연결된다. 기체 액체 접촉기(5022)는 재순환 루프를 구비한 캐치 탱크(5023)에 연결된 출구(5024)를 갖는다. 기체 액체 접촉기(5022)는 흡수기 용액으로부터 포획된 CO₂를 제거하도록 구성된다. CO₂ 스트립핑은 압력 스윙(pressure swings), pH 조정을 포함하는 다수의 수단에 의해서, 또는 CO₂/흡수기 용액을 가열함으로써 이루어질 수 있다. 섹션 3의 구성요소는 선택된 방법론에 따라서 매우 좌우된다. 임의의 경우에 있어서, CO₂의 방출 이후에 흡수제를 포획하고 흡수제 용액을 다시 섹션 2의 메인 흡수제 루프로 리사이클시키는 것이 바람직하다. 섹션 3의 출력은 스택(5034)로 보내진다.

NH ₃ / PZ 흡수제 루프

섹션 4의 암모니아 또는 아민 흡수제 루프는, 연도 기체가 CO₂ 흡수제(5008)를 벗어난 후 연도 기체 내의 암모니아 또는 아민 슬립을 포획하도록 설계된다. 이는 흡수제 용액의 온도에 좌우되는 NH₃에 대해서 특별한 이슈일 수 있다(차가우면 슬립이 덜 발생함). NH₃/PZ 흡수제 루프는 입구(5024)에 연결된 기체 액체 접촉기(5026)를 포함한다. 기체 액체 접촉기(5026)는 캐치 탱크(5030)에 연결된 출구(5028), 재순환 루프, 및 출구(5032)를 포함한다. 피페라진 또는 알칸올아민과 같은 아민이 흡수제 용액으로서 사용되는 경우, 섹션 4가 덜 필요하며, 그에 따라 이러한 섹션의 실행은 전체적인 프로세스 요구사항 및 온도의 조사를 통해서 결정될 수 있다. 이러한 섹션 4는 보다 작은 분자량의 아민이 슬립할 수 있을 때에 선택적이고 보다 큰 분자량의 아민이 슬립할 수 없을 동안에 포획하는 것이 바람직할 수 있어, 보다 큰 분자량의 아민은 처리될 필요가 없을 수 있다. 출력(5032)은 연도 기체 스택(5034)로 향하게 될 수 있다.

CO ₂ 압축기 트레인

섹션 6은 흡수제 용액으로부터 CO₂를 스트립핑하기 위한 처리 면적을 설명한다. CO₂ 압축기 트레인의 압축기(5036)는 기체 액체 접촉기(5022)에 연결된다. 이러한 섹션은 기체 액체 접촉기(5022)에 의한 순수 CO₂를 포획 및 가압하도록 구성된다. 즉, 이러한 섹션 이후에, 2차적인 산업적 이용, 오일 회수 증진(Enhanced Oil Recovery:EOR), 또는 격리를 위해 편리한 방법으로 이송될 수 있도록 하기 위해, 2차적인 단계가 요구된다. 이러한 옵션 중 하나는, CO₂가 압축기 트레인에서 응축되고 트럭 또는 파이프라인에 의해 최종 사용처(end application)로 운송될 수 있는 액체 CO₂를 형성하는 초임계 압력으로 격리되는 것을 포함할 수 있다.

CO ₂ 포획을 위한 다른 용매 시스템

도 50의 섹션 2 및 3에서는 CO₂ 포획 및/또는 스트립핑을 위해 다양한 흡수제가 사용될 수 있다. 흡수제는 베이스라인 용매(baseline solvent)로서 선택된 암모니아 카보네이트 기재 용매를 포함할 수 있다. 그러나, 이 시스템은 암모니아, 디에탄올아민(DEA) 및 모노에탄올아민(MEA)과 같은 아민을 포함하는 광범위한 연소 후 습식 스크러빙 용매(post combustion wet scrubbing solvent), 및 촉진된 카보네이트, 피페라진, 3차 및 장애 아민(tertiary and hindered amines)형 메틸디에탄올아민(MDEA) 및 2-아미노메틸프로판올아민(AMP), 금속 유기 구조체(metal organic frameworks) 및 분자 캡슐화(molecular encapsulation)와 같은 향상된 용매 시스템과 함께 작동하도록 설계될 수도 있다.

CO₂ 시스템의 실시예는 연소 후 CO₂ 포획에 대해서 여러 강점 및 장점을 나타낸다. 매우 큰 접촉 면적이 작은 접촉기 부피에서 얻어질 수 있다. 이는 2개의 영역에서 경제적인 절감으로 바뀌며, 요구되는 소형 풋프린트는 소형 자본 비용으로 변하고, 낮은 기체 및 액체측 압력 강하는 낮은 작동 비용을 의미한다. 작은 자본 및 작동 비용은 가능한 CO₂ 흡수제의 범위를 증가시킨다. 예를 들어, 비싼 흡수제가 느린 반응속도를 가지며 큰 접촉 면적을 필요로 하는 경우, 해수 또는 깊은 염수 대수층(deep brine aquifer)과 같은 CO₂ 기체 액체 접촉기 시스템에서는 경제적으로 실현 가능한 반면, 기포탑 또는 분무탑과 같은 표준 기체 액체 접촉기에서는 일반적으로 고려될 수 없다.

연도 기체, 알칸올아민 및 암모니아 탄산염/중탄산염(AC/ABC)용 대부분의 머처 CO₂ 포획 시스템(mature CO₂ capture systems)에 있어서, 가장 큰 에너지 소비는 반응열과 관련된다. AC/ABC 반응과 관련된 에너지는 CO₂를 흡착 및 탈착하는데 필요한 전체 에너지의 거의 70%를 소비한다. ABC 용액은 CO₂를 흡착하기 위해서 55℉로 냉각되어야만 하고 이를 스트립퍼에 방출시키기 위해서 265℉로 가열되어야만 한다. 필요한 에너지를 줄이기 위한 옵션은 이중적: CO₂를 흡착 및 탈착하는데 작은 반응열을 갖는 시스템을 찾거나 또는 흡착 반응 동안 방출된 열을 탈착 반응에 전달한다. 암모늄 탄산염/중탄산염은 현재 가장 낮은 에너지 화학 흡수제이다. 물리적 용매는 재생 에너지가 거의 없지만, 고압에서 가장 잘 작동한다. 멤브레인 시스템은 흡착 에너지를 탈착 공정으로 전달하지만, 현재는 소형 시스템에만 적용된다. 아래의 항목들은 연도 기체로부터 CO₂의 포획에 적용될 수 있는 다른 공정의 유형 및 설명을 나타낸다.

교번 CO₂ 흡수 시스템을 탐구함에 있어서, 흡수제는 상기 기술에 부합되어야 한다. 기체 액체 접촉기, 건접촉 시스템 및 멤브레인 접촉 시스템의 3개의 다른 연소 후 흡수 기술이 개발되어 있다. 기체 액체 접촉기 시스템에서는 액체 흡수제를 요구한다. 기체 액체 시스템은 흡수 및 탈착을 다른 압력 및 온도에서 2개의 다른 용기 내에서 2개의 별도의 프로세스 단계로 분리한다. 이러한 시스템은 통상적으로 양 단계에서 에너지 소모, 발열성 흡수를 위한 냉각 및 흡열성 흡수를 위한 가열을 요구한다. 상기 프로세스는 에너지 집약적인 온도 및/또는 압력 스윙을 요구한다. 중탄산나트륨을 사용하는 건 재생 가능 흡수제 시스템은, 흡수제의 상이 고체인 것을 제외하면, 기체 액체 접촉기와 동일하게 작동한다.

그러나 멤브레인 시스템은 근본적으로 상이하다. 멤브레인 시스템에 있어서, 멤브레인은 2개의 스트림을 분리하고 고체 또는 스펀지 상태의 재료로 보유되는 액체가 될 수 있는 매우 얇은 투과성 재료의 벽이다. 멤브레인은 분리될 기체를 선별하도록 설계된다. 멤브레인 재료가 고체든지 또는 액체든지, 멤브레인은 농밀측(concentrated side)에서 CO₂를 흡수하고 CO₂가 탈착되는 희박측(dilute side)으로 전달한다. 구동력은 매우 얇은 멤브레인을 가로지르는 CO₂의 농도 구배이다. 멤브레인 시스템의 장점은, 흡수 및 탈착이 동일한 용기, 동일한 온도, 거의 동일한 압력에서 수행된다는 점이다. 흡수 및 탈착이 매우 얇은 멤브레인에서 서로 수 미크론 내에서 수행되기 때문에, 흡수 에너지는 일정 온도에서 탈착 반응에 전달된다. 따라서, 엔트로피의 변화는 영(zero)이고 필요한 순에너지(net energy)는 영(zero)이다. 멤브레인 내의 액체는 CO₂를 선택적으로 전달하도록 조정될 수 있다. 제조 비용, 멤브레인 수명, 극청정 연도 기체에 대한 요구 및 광대한 접촉 면촉의 요구(완전히 갖춘 상업적 시스템에 대해서는 거의 1백만m²)가 단점이다. 100m²까지의 단면적을 갖는 덕트 내를 이동하는 연도 기체의 수십만 ACFM은 각 섬유가 60nm²의 단면적을 갖는 수십억 개의 섬유로 보내져야 된다.

기체 액체 접촉기에서 연소 후 흡수에 적용 가능한 교번 흡수제 시스템은 화학적이고 물리적이다. 습식 화학적 흡수제는 아민, 탄산염, 촉진제, 하이브리드 및 pH 스윙을 포함한다. 습식 물리적 흡수제는 금속 유기 프레임워크, 이온성 액체, 해수 및 염분 함유 지하수를 포함한다. 글리콜은 고압 시스템이고 연소 전 흡수에 더욱 적합하기 때문에 논의되지 않는다. 셀렉솔(Selexol)은 고압 프로세스인 청정 천연 기체를 정화하는데 현재 사용되는 상용화된 글리콜 시스템의 일례이다. 각각의 습식 흡수제는 CO₂ 기체 액체 접촉기에 적용하면서 이하에 논의된다.

수용성 아민은 이 기술분야의 숙련자에 의해 인식되고 있는 바와 같이 발전소용 CO₂ 포획을 위한 현재의 첨단 기술이다. 아민 흡수제는 암모니아(NH₃), 모노에탄올아민(MEA), 메틸디에탄올아민(MDEA), 2-미노메틸프로판올아민(AMP), PZ 피페라진(PZ) 등을 포함한다. 모두가 아민 카바메이트를 형성하기 위해 처음에 CO₂와 반응한다(CO₂ + RNH₂ ↔ RNH₂COO ↔ RNHCOOH). 또한, 아민과 물이 아민 중탄산염을 생성하기 위해 CO₂와 반응할 수 있다(2RNH₂ + H₂O + CO₂ ↔ RNH₃ ⁺ + HCO₃ ^-). 흡수/탈착은, 중탄산염 ↔ 탄산염의 최저 에너지 반응을 활용할 수 있다. 모든 아민 시스템은 기체 액체 접촉기 및 스트립퍼를 요구한다. 본 명세서에 기재된 시스템의 장점은 매우 효율적인 기체 액체 접촉기이다. 임의의 아민 시스템에서 유용하지만, 암모니아가 덜 비싸고 암모니아에 대한 반응 에너지가 MEA와 같은 알칸올아민보다 작기 때문에 암모늄 탄산염/중탄산염 흡수제가 선택되었다.

알칼리 탄산염은 Na, K 및 Ca, 탄산염/중탄산염을 포함한다. 알칼리 탄산염이 CO₂의 압력 흡수와 대기 온도에 대해 1900년대 초에 널리 사용되었지만, 보다 효율적인 알칸올아민으로 대체되었다. 수용액으로 CO₂의 흡수율은 통상 느리므로, 촉진제(촉매 또는 효소)가 흡수율을 증가시키기 위해 종종 첨가된다.

본 명세서에 참조로 포함되어 있는, 코올(Kohl) 등, 걸프 프로페서널 퍼블리싱, 5 ed.,(1997)의 기체 정화(Gas purification)에 있어서, 촉진제의 예로서는 포름알데히드, MEA, DEA, 글리신 및 탄산무수화효소이다. 본 명세서에 참조로 포함되어 있는, 브리티쉬 콜럼비아주, 벤쿠버, 그린하우스 기체 컨트롤 테크놀로지스의 제7회 국제 회의(GHGT-7), 2004, 엘 바오(L Bao), 에스엘 골드만(SL Goldman), MC Trachtenberg에 기재된 바와 같이, CO₂ 흡수를 위해 입수 가능한 가장 빠른 촉매는 탄산무수화효소이다. 본 명세서에 참조로 포함되어 있는, 2006, 그린하우스 기체 컨트롤 테크놀로지스의 제8회 국제 회의 행사, 자코 반 홀스트(Jacco van Holst), 패트리샤. 피. 폴리티크(Patricia. P. Politiek), 존 피. 엠. 니더러(John P. M. Niederer), 기어트 에프. 베르스티그(Geert F. Versteeg), 아미노산염 용액을 사용하여 연도 기체로부터의 CO₂ 포획(CO₂ capture from flue gas using amino acid salt solutions)에 기재되어 있는 바와 같이, 아미노산은 CO₂ 흡수를 바람직하게 또는 MEA 또는 DEA보다 바람직하게 촉진할 것이다. 효소나 촉매가 반응 에너지 또는 그 평형 포인트를 변화시키지는 않지만, 이들은 활성 에너지를 낮추고 반응 속도를 수십 배로 증가시킬 수 있다. 물에서 CO₂의 가수 분해와 중탄산염으로의 연속 반응은 상당히 느리다. 속도 증가의 효과는 접촉하기 위한 체류 시간을 감소시키고, 이로 인해 요구되는 접촉 면적도 감소한다. 그러나, 생물학적 효소이므로, CA는 온도에 민감하고 높은 탈착 온도를 갖는 온도 스윙 프로세스에는 적용할 수 없다. 이는 압력 스윙 프로세스가 요구된다는 것을 의미한다. 연도 기체에서 CO₂의 분압이 약 0.15atm이므로, 순수 CO₂가 포획된다면 탈착 전체 압력은 실질적으로 0.1atm 미만인 것이 틀림없다. CA에 대한 다른 대안은 접촉 전에 모든 연도 기체를 가압하는 것이다. DEA와 같은 다른 촉진제는 현재 고온 칼륨 탄산염 프로세스에 있어서 높은 온도 및 압력에서 사용된다.

하이브리드 흡수제는 탄산염과 흡수제의 조합에 아민을 더하여 사용한다. 통용되는 예로서는, MEA보다 적은 에너지를 사용할 것으로 기대되는 피레라진(PZ)에 의해 촉진된 칼륨 탄산염 수용액인 K₂CO₃/PZ이다. 이 시스템은 근래 오스틴 소재의 텍사스 대학에서 연구되고 있다. 이들은 CO₂의 로딩(loading)과 흡수율이 MEA에 대해서 보다 K₂CO₃/PZ에 대해 상당히 높다는 것을 발견했다. 또한, 2008년 4월, 유스도(USDOE), 네틀(NETL), 프로젝트 팩츠(Project Facts), 탄소 격리(Carbon Sequestration), 플라신스키 등(Plasynski, et al.), 칼륨 탄산염으로 흡수에 의한 이산화탄소 포획(Carbon Dioxide Capture by Absorption with Potassium Carbonate)에 기재되어 있는 바와 같이, PZ의 손실 및 열화는 MEA에 대해서 보다도 상당히 작다. 이 시스템에 대한 GLC 흡수기(GLC absorber)의 주된 기여는 증가된 접촉 효율, 보다 작은 풋프린트 및 보다 작은 압력 강하로 자본 및 운전 비용을 더욱 낮춘다.

마지막 화학적 흡수/탈착 시스템인 pH 스윙은, 에너지 비용이 매우 높기 때문에 통상적으로는 언급되지 않는다. CO₂는 NaOH와 같은 염기에 의해 흡수되고 HCl과 같은 산에 의해 방출된다. 그 후 얻어진 염은 산과 염기를 재생하기 위해 전해된다. 에너지 입력은 압력 또는 온도 스윙 대신에 전기화학적으로 된다. 요구된 산출 에너지는 다른 프로세스보다 훨씬 높다. 그러나 이 프로세스는 SO₂ 흡수를 위해 상용화되었다. 물리적 흡수제는 글리콜, 금속 유기 프레임워크(MOF), 이온성 액체, 해수 및 염분 함유 지하수를 포함한다. 이들은 흡수제와의 화학적 반응에 의존하지 않고 물리적 흡수에 의존한다. 화학적 반응과 관련된 에너지는 없지만, 탈착 프로세스는 압력의 변화를 요구한다.

글리콜은, 700psi에서 합성 기체의 CO₂의 연소 전 분리를 위해 제안된 셀렉솔 프로세스와 같이, 압력 스윙 프로세스의 고압에서 가장 잘 작동한다. 기체 액체 접촉기 시스템은 고압 흡수 프로세스와 호환되지 않는다.

금속 유기 프레임워크(MOF)는 CO₂ 기체의 미세 기포를 감쌀 수 있는 분자 "바구니"(molecular "cage")이다. MOF는 높은 선택성, 양호한 흡수/탈착률 및 높은 CO₂ 용량을 갖는다. 이는 기체 액체 접촉기와 액체 멤브레인에 적용 가능하다. 위험 요소는 높은 시약 비용과 기체 액체 접촉기에서 나타나지 않는다는 것이다.

이온성 액체는 상온에서 액체인 유기 염이다. 이들은 수용액이 아니다. 이온성 액체는 CO₂ 및 SO₂ 양쪽을 흡수할 수 있어서 연도 기체 정화를 위해 높은 포텐셜을 갖는다. 이들은 기체 액체 접촉기와 액체 멤브레인에 적용 가능하다. MOF와 같이, 이온성 액체는 실험실 규모에서만 합성되어왔고 시약 비용은 매우 높을 수 있다. 이들은 기체 액체 접촉기에서 시험되지는 않았다.

염분 함유 지하수 또는 해수 - 선호되는 CO₂ 격리 방법은 깊은 염분 함유 대수층(saline aquifers)으로의 주입이므로, 포획 및 격리 양쪽에 대한 가능한 방법은 자연적으로 알칼리성 염분 함유 지하수로 CO₂를 흡수하고 용액으로서 이를 재주입하는 것이다. 이것은 기체로서 주입을 위한 CO₂를 제거 및 압축하기 위해 에너지가 요구되는 것을 완전히 회피한다. 지하수의 알칼리성에 따라, 흡수율은 느리고 큰 접촉 면적을 요구할 수 있다. GLC 접촉기의 매우 높은 특정 영역이 완벽한 해답이 된다. 또한, 자연적으로 발생하는 많은 염분 함유 대수층이 Ca 및/또는 Mg가 자연적으로 풍부할지라도, 지하수의 알칼리성은 자본 및 운전 비용 사이의 최적 균형(optimum tradeoff)을 위해 석회에 의해 향상될 수 있다.

이 프로세스는 근본적으로 (물론 위치에 따라) 흡수 및 처리의 무한한 유용성을 활용하는 CO₂ 또는 SO₂의 어느 한쪽/양쪽의 해수 흡수와 유사하다. 또한, 해수는, 탄산염 또는 황산염과 같은 고체 침전물을 빠르게 형성할 수 있는, 자연적으로 풍부한 어느 정도의 Ca 및 Mg를 갖는다. 이러한 또는 다른 원하는 비율은, 질산염, 수산화물, 황산염, 탄산염 또는 할로겐화물을 포함하는 다양한 마그네슘 및/또는 칼슘염을 사용하여 인위적으로 생성될 수도 있다. 이들 염의 용해도는 출발 화합물, pH 및 타깃 용액의 온도에 따라 극적으로 변하고, 이들의 목적과 타깃 화합물이 될 수도 있다는 것에 대해 이 기술의 숙련자에 의해 고려될 필요가 있다.

다음의 표에서는 기체 액체 접촉기에 적용 가능한 다양한 CO₂ 흡수제 시스템의 장점, 단점 및 예상 비용을 비교한다.

흡수제	장점	단점	반응 에너지, BTU/lb CO 2	시약 비용, $/ lbmol	흡수 비용, kWh/Kg CO 2
MEA	원숙, 상업성 기술	고가	탄산염 → MEA + CO2에 대해 +703	$40	0.53 - 0.78
탄산암모늄/중탄산암모늄(AB/ABC)	저개발	NH3는 유해 물질	2NH4HCO3 → CO2 + H2O + (NH4)2CO3에 대해 +262	NH3에 대해 $5	17.3
탄산나트륨/중탄산나트륨	단순 화학	나트륨 리사이클 비용	2NaHCO3 → CO2 + H2O + Na2CO3에 대해 ~+260	NaOH에 대해 $16	0.41 - 1.1
탄산무수화효소	흡수율 증대	불충분한 입수 가능 양, 온도 민감성, 멤브레인에서만 나타남	HCO3 - + H+ → CO2 + H2O에 대해 ~+116	tbd	높음
K2CO3/PZ	높은 흡수율, 높은 로딩, 낮은 열화	고가의 시료(PZ)	2KHCO3 → CO2 + H2O + K2CO3에 대해 +259	K2CO3에 대해 $40, PZ에 대해 $300	< MEA
pH 스윙	단순 화학, 단순 스트립핑, 산과 염기의 재생이 상업화됨	매우 높은 에너지, 산과 염기의 재생은 다른 프로세스 아일랜드를 요구, 나타나지 않음	H2O → H+ + OH-에 대해 +1,083	NaOH에 대해 $16, HCl에 대해 $10	높음
MOF 및 이온성 액체	높은 흡수율, 높은 로딩, 낮은 열화	실험실 규모만, 높은 위험성	Tbd	높음	tbd
염분 함유 지하수 또는 해수	스트립핑 없음, 압축 없음	나타나지 않음, 위치 의존적	n/a	~ 0	잠재적으로 매우 낮음

다양한 수정예 및 변경예가 본 발명의 사상 또는 범위로부터 벗어남 없이 본 발명에 행해질 수 있다는 것은 이 기술분야의 숙련자에게는 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위 및 그 등가물의 범위 내이면 본 발명의 수정예 및 변경예를 포함한다는 것을 의미한다.

Claims (91)

1. 기체 액체 접촉기 모듈이며,
   액체 입구와,
   기체 입구와,
   기체 출구와,
   상기 액체 입구 및 상기 기체 입구와 연통하는 노즐 어레이로서, 기체로부터 분열을 최소화하도록 형성된 균일하게 이격된 플랫 액체 제트를 생성하도록 구성된 노즐 어레이와,
   기체가 통과하는 것을 실질적으로 방지하면서 액체가 통과하는 것을 허용할 수 있는 기체 액체 분리기와,
   상기 기체 액체 분리기와 유체 연통하는 액체 출구를 포함하는, 기체 액체 접촉기 모듈.
2. 제1항에 있어서, 병렬로 연결된 2개 이상의 기체 액체 접촉기 모듈을 더 포함하는, 기체 액체 접촉기 모듈.
3. 제1항에 있어서, 직렬로 연결된 2개 이상의 기체 액체 접촉기 모듈을 더 포함하는, 기체 액체 접촉기 모듈.
4. 제1항에 있어서, 상기 기체 액체 접촉기 모듈은 구리, 니켈, 크롬, 강, 알루미늄, 코팅 금속 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 재료를 포함하는, 기체 액체 접촉기 모듈.
5. 제1항에 있어서, 상기 기체 액체 접촉기 모듈은 플라스틱 재료를 포함하는, 기체 액체 접촉기 모듈.
6. 제1항에 있어서, 상기 기체 액체 접촉기 모듈은 구조적 폴리머, 폴리이미드, 합성물 및 이들의 조합 중 하나 이상을 포함하는, 기체 액체 접촉기 모듈.
7. 제1항에 있어서, 상기 노즐 어레이는 엇갈림 배열의 노즐을 포함하는, 기체 액체 접촉기 모듈.
8. 제1항에 있어서, 상기 기체 액체 접촉기 모듈은 전체 소정 처리 요구의 증분을 처리하기 위한 크기로 되는, 기체 액체 접촉기 모듈.
9. 제1항에 있어서, 상기 노즐 어레이는 횡단 유동 기체 액체 접촉기 모듈을 제공하도록 배향되는, 기체 액체 접촉기 모듈.
10. 제1항에 있어서, 상기 노즐 어레이는 병류 유동 기체 액체 접촉기 모듈을 제공하도록 배향되는, 기체 액체 접촉기 모듈.
11. 제1항에 있어서, 상기 노즐 어레이는 역류 유동 기체 액체 접촉기 모듈을 제공하도록 배향되는, 기체 액체 접촉기 모듈.
12. 제1항에 있어서, 상기 노즐 어레이는 약 0.2cm보다 큰 거리만큼 분리된 2개 이상의 노즐을 포함하는, 기체 액체 접촉기 모듈.
13. 제1항에 있어서, 상기 노즐 어레이는 하나 이상의 열의 노즐을 포함하는, 기체 액체 접촉기 모듈.
14. 제1항에 있어서, 상기 노즐 어레이는 균일한 거리만큼 분리된 3개 이상의 열의 노즐을 포함하는, 기체 액체 접촉기 모듈.
15. 제1항에 있어서, 상기 노즐 어레이는 U자 형상 채널을 포함하는, 기체 액체 접촉기 모듈.
16. 제1항에 있어서, 상기 노즐 어레이는 V자 형상 채널을 포함하는, 기체 액체 접촉기 모듈.
17. 제1항에 있어서, 상기 노즐 어레이는 약 2mm보다 큰 깊이를 갖는 채널을 포함하는, 기체 액체 접촉기 모듈.
18. 제1항에 있어서, 상기 노즐 어레이는 약 2mm 내지 약 20mm 범위의 깊이를 갖는 채널을 포함하는, 기체 액체 접촉기 모듈.
19. 제1항에 있어서, 상기 액체 입구는 노즐 채널에 대해 약 90도의 각도로 상기 노즐 어레이에 액체를 제공하도록 구성되는, 기체 액체 접촉기 모듈.
20. 제1항에 있어서, 상기 노즐 어레이는 제1열 노즐, 제2열 노즐 및 제3열 노즐을 포함하고, 상기 제2열 노즐은 상기 제1열 노즐 및 상기 제3열 노즐 사이에 배열되고, 상기 제2열 노즐은 상기 제1열 노즐 및 상기 제3열 노즐에 대해 오프셋되어 있는, 기체 액체 접촉기 모듈.
21. 제1항에 있어서, 상기 노즐 어레이는 0.5 미만의 단축 대 장축 비율을 갖는 하나 이상의 노즐을 포함하는, 기체 액체 접촉기 모듈.
22. 제1항에 있어서, 상기 노즐 어레이는 약 0.25mm² 내지 약 20mm² 범위 내의 투영 단면적을 갖는 하나 이상의 노즐을 포함하는, 기체 액체 접촉기 모듈.
23. 제1항에 있어서, 상기 기체 유체 분리기는 작동시 액체의 백스플레쉬를 실질적으로 최소화하도록 구성된, 기체 액체 접촉기 모듈.
24. 제1항에 있어서, 상기 기체 유체 분리기는 복수의 구성요소를 포함하는, 기체 액체 접촉기 모듈.
25. 제24항에 있어서, 상기 복수의 구성요소는 서로 이격된 다중 만곡형 베인(multiple curved vanes)을 포함하는, 기체 액체 접촉기 모듈.
26. 제24항에 있어서, 상기 복수의 구성요소는 서로 이격된 다중 각형 베인(multiple angled vanes)을 포함하는, 기체 액체 접촉기 모듈.
27. 제1항에 있어서, 상기 기체 액체 분리기에 인접하게 배열된 액체 드레인 플리넘을 더 포함하는, 기체 액체 접촉기 모듈.
28. 제27항에 있어서, 기체 내의 혼입된 액체의 적어도 일부를 제거하도록 구성된 데미스터를 더 포함하는, 기체 액체 접촉기 모듈.
29. 제28항에 있어서, 상기 데미스터는 복수의 배플을 포함하는, 기체 액체 접촉기 모듈.
30. 제28항에 있어서, 상기 데미스터는 상기 기체 출구에 인접하게 배열되는, 기체 액체 접촉기 모듈.
31. 제1항에 있어서, 상기 액체 플랫 제트는 물, 암모니아, 암모늄염, 아민, 알칸올아민, 알칼리염, 알칼리 토금속염, 과산화물 및 차아염소산염 중 하나 이상을 포함하는, 기체 액체 접촉기 모듈.
32. 제1항에 있어서, 상기 액체 플랫 제트는 칼슘염 수용액 및 마그네슘염 수용액 중 하나 이상을 포함하는, 기체 액체 접촉기 모듈.
33. 제1항에 있어서, 상기 액체 플랫 제트는 해수를 포함하는, 기체 액체 접촉기 모듈.
34. 제1항에 있어서, 상기 액체 입구는 브라인을 포함하는, 기체 액체 접촉기 모듈.
35. 기체 액체 접촉기로 기체 상 분자를 처리하는 방법이며,
    평면형 액체 시트를 각각 포함하고 실질적으로 평행인 평면들 내에 배열되는, 복수의 본질적인 평면형 액체 제트를 형성하는 단계와,
    하나 이상의 반응성 또는 용해도 기체 상 분자를 갖는 기체를 제공하는 단계와,
    상기 기체 상 분자 및 상기 액체 제트 사이의 질량 전달 상호작용에 의해 상기 기체 상 분자의 적어도 일부를 제거하는 단계를 포함하는, 기체 상 분자 처리 방법.
36. 제35항에 있어서, 상기 질량 전달 상호작용은 약 1sec^-1 내지 약 250sec^-1 범위의 부피 질량 전달 계수를 포함하는, 기체 상 분자 처리 방법.
37. 제35항에 있어서, 상기 질량 전달 상호작용은 약 5sec^-1 내지 약 150sec^-1 범위의 부피 질량 전달 계수를 포함하는, 기체 상 분자 처리 방법.
38. 제35항에 있어서, 상기 질량 전달 상호작용은 약 10 내지 100sec^-1 범위의 부피 질량 전달 계수를 포함하는, 기체 상 분자 처리 방법.
39. 제35항에 있어서, 상기 기체를 공급하는 단계는 약 100min^-1 내지 약 1000min^-1 범위의 반응 챔버 부피비에 대한 기체 유동율을 갖는 기체를 제공하는 단계를 포함하는, 기체 상 분자 처리 방법.
40. 제35항에 있어서, 상기 균일하게 이격된 플랫 액체 제트의 어레이를 형성하는 단계는 약 2psig 내지 약 50psig 범위의 액압에서 상기 플랫 액체 제트를 형성하는 단계를 포함하는, 기체 상 분자 처리 방법.
41. 제35항에 있어서, 상기 어레이 내에서 하나 이상의 상기 플랫 액체 제트는 약 1cm보다 넓은 폭을 포함하는, 기체 상 분자 처리 방법.
42. 제35항에 있어서, 상기 어레이 내에서 하나 이상의 상기 플랫 액체 제트는 약 1cm 내지 약 15cm 범위의 폭을 포함하는, 기체 상 분자 처리 방법.
43. 제35항에 있어서, 상기 어레이 내에서 하나 이상의 상기 플랫 액체 제트는 약 10㎛ 내지 약 1000㎛ 범위의 두께를 포함하는, 기체 상 분자 처리 방법.
44. 제35항에 있어서, 상기 어레이 내에서 하나 이상의 상기 플랫 액체 제트는 약 10㎛ 내지 약 250㎛ 범위의 두께를 포함하는, 기체 상 분자 처리 방법.
45. 제35항에 있어서, 상기 어레이 내에서 하나 이상의 상기 플랫 액체 제트는 약 10㎛ 내지 약 100㎛ 범위의 두께를 포함하는, 기체 상 분자 처리 방법.
46. 제35항에 있어서, 상기 어레이 내에서 하나 이상의 상기 플랫 액체 제트는 약 5cm 내지 약 30cm 범위의 길이를 포함하는, 기체 상 분자 처리 방법.
47. 제35항에 있어서, 상기 어레이 내에서 하나 이상의 상기 플랫 액체 제트는 약 5cm 내지 약 20cm 범위의 길이를 포함하는, 기체 상 분자 처리 방법.
48. 제35항에 있어서, 상기 어레이 내에서 하나 이상의 상기 플랫 액체 제트는 15m/sec 미만의 속도를 갖는, 기체 상 분자 처리 방법.
49. 제35항에 있어서, 상기 어레이 내에서 하나 이상의 상기 플랫 액체 제트는 약 5m/sec 내지 약 15m/sec 범위의 속도를 갖는, 기체 상 분자 처리 방법.
50. 제1항의 장치로 기체 상 분자를 제거하는 방법.
51. 제50항에 있어서, 상기 기체 상 분자는 황산화물, 질소산화물, 이산화탄소, 암모니아, 산성 기체, 아민, 할로겐 및 산소 중 하나 이상을 포함하는, 기체 상 분자 제거 방법.
52. 제50항에 있어서, 상기 기체 상 분자는 황산화물을 포함하는, 기체 상 분자 제거 방법.
53. 제50항에 있어서, 상기 기체 상 분자는 이산화탄소를 포함하는, 기체 상 분자 제거 방법.
54. 제50항에 있어서, 상기 기체 상 분자는 질소 산화물을 포함하는, 기체 상 분자 제거 방법.
55. 제50항에 있어서, 상기 기체 상 분자는 아민을 포함하는, 기체 상 분자 제거 방법.
56. 제50항에 있어서, 상기 기체 상 분자는 염소를 포함하는, 기체 상 분자 제거 방법.
57. 제35항에 있어서, 상기 평면형 액체 제트는 물, 암모니아, 암모늄염, 아민, 알칸올아민, 알칼리염, 알칼리 토금속염, 과산화물 및 차아염소산염 중 하나 이상을 포함하는, 기체 상 분자 처리 방법.
58. 제35항에 있어서, 상기 평면형 액체 제트는 칼슘염 수용액 및 마그네슘염 수용액 중 하나 이상을 포함하는, 기체 상 분자 처리 방법.
59. 제35항에 있어서, 상기 평면형 액체 제트는 해수를 포함하는, 기체 상 분자 처리 방법.
60. 제35항에 있어서, 상기 평면형 액체 제트는 브라인을 포함하는, 기체 상 분자 처리 방법.
61. 기체 액체 접촉 시스템이며,
    반응 챔버와,
    상기 반응 챔버에 결합된 기체 입구와,
    상기 반응 챔버에 결합된 기체 출구와,
    상기 반응 챔버에 결합된 액체 플리넘과,
    평면형 액체 시트를 각각 포함하고 실질적으로 평행인 평면들 내에 놓여 있는, 본질적인 평면형 액체 제트를 제공하도록 구성되며, 상기 액체 플리넘에 결합된 노즐 어레이,
    상기 반응 챔버에 결합된 기체 유체 분리기를 포함하는, 기체 액체 접촉 시스템.
62. 제61항에 있어서, 상기 액체 플리넘과 유체 접촉하는 2차 화학적 처리 서브시스템을 더 포함하는, 기체 액체 접촉 시스템.
63. 제61항에 있어서, 상기 기체 액체 접촉 시스템은 흡수된 황산화물을 아황산염 또는 황산염으로 광물화하도록 구성되는, 기체 액체 접촉 시스템.
64. 제61항에 있어서, 상기 기체 액체 접촉 시스템은 흡수된 CO₂를 탄산염으로 광물화하도록 구성되는, 기체 액체 접촉 시스템.
65. 제61항에 있어서, 상기 기체 액체 접촉 시스템은 3차 처리를 위해 순수 CO₂를 방출하도록 구성되는, 기체 액체 접촉 시스템.
66. 제61항에 있어서, 상기 기체 액체 접촉 시스템은 흡수된 질소 산화물을 용해도 질산염에 반응시키는, 기체 액체 접촉 시스템.
67. 제61항에 있어서, 상기 기체 출구에 배열된 데미스터를 더 포함하는, 기체 액체 접촉 시스템.
68. 제67항에 있어서, 상기 기체 출구에 결합된 기체 출구 플리넘을 더 포함하는, 기체 액체 접촉 시스템.
69. 제68항에 있어서, 상기 반응 챔버와 유체 연통하는 캐치 탱크를 더 포함하는, 기체 액체 접촉 시스템.
70. 제61항에 있어서, 상기 노즐 어레이는 엇갈림 구성의 복수의 노즐을 포함하는, 기체 액체 접촉 시스템.
71. 제61항에 있어서, 상기 노즐 어레이는 횡단 유동 기체 액체 접촉 시스템을 제공되도록 배향되는, 기체 액체 접촉 시스템.
72. 제61항에 있어서, 상기 노즐 어레이는 병류 유동 기체 액체 접촉 시스템을 제공하도록 배향되는, 기체 액체 접촉 시스템.
73. 제61항에 있어서, 상기 노즐 어레이는 역류 유동 기체 액체 접촉 시스템을 제공하도록 배향되는, 기체 액체 접촉 시스템.
74. 제61항에 있어서, 상기 노즐 어레이는 하나 이상의 열의 노즐을 포함하는, 기체 액체 접촉 시스템.
75. 제61항에 있어서, 상기 노즐 어레이는 U자 형상 채널을 포함하는, 기체 액체 접촉 시스템.
76. 제61항에 있어서, 상기 노즐 어레이는 V자 형상 채널을 포함하는, 기체 액체 접촉 시스템.
77. 제61항에 있어서, 상기 노즐 어레이는 약 2mm 보다 큰 깊이를 갖는 채널을 포함하는, 기체 액체 접촉 시스템.
78. 제61항에 있어서, 상기 노즐 어레이는 약 2mm 내지 약 20mm 범위의 깊이를 갖는 채널을 포함하는, 기체 액체 접촉 시스템.
79. 제61항에 있어서, 상기 노즐 어레이는 0.5 미만의 단축 대 장축 비율을 갖는 하나 이상의 노즐을 포함하는, 기체 액체 접촉 시스템.
80. 제61항에 있어서, 상기 노즐 어레이는 약 0.25mm² 내지 약 20mm² 범위의 투영 단면적을 갖는 하나 이상의 노즐을 포함하는, 기체 액체 접촉 시스템.
81. 기체 액체 접촉기이며,
    접촉 액체를 공급하도록 구성된 유체 플리넘과,
    상기 유체 플리넘과 연통하고 상기 유체 플리넘으로부터 상기 접촉 액체를 수용하도록 구성된 접촉 챔버와,
    상기 접촉 챔버와 연통하는 기체 입구와,
    상기 접촉 챔버와 연통하는 기체 출구를 포함하고,
    기체 액체 접촉기 시스템은 약 5sec^-1 내지 약 250sec^-1 범위의 부피 질량 전달 계수를 갖는 질량 전달 상호작용을 제공하도록 구성되는, 기체 액체 접촉기.
82. 제81항에 있어서, 노즐 어레이를 더 포함하는, 기체 액체 접촉기.
83. 제81항에 있어서, 상기 노즐 어레이는 하나 이상의 열의 노즐을 포함하는, 기체 액체 접촉기.
84. 제81항에 있어서, 상기 노즐 어레이는 U자 형상 채널을 포함하는, 기체 액체 접촉기.
85. 제81항에 있어서, 상기 노즐 어레이는 V자 형상 채널을 포함하는, 기체 액체 접촉기.
86. 제81항에 있어서, 상기 노즐 어레이는 약 2mm 보다 큰 깊이를 갖는 채널을 포함하는, 기체 액체 접촉기.
87. 제81항에 있어서, 상기 부피 질량 전달 계수는 약 10sec^-1 내지 약 100sec^-1 범위 내에 있는, 기체 액체 접촉기.
88. 제81항에 있어서, 상기 부피 질량 전달 계수는 약 5sec^-1 내지 약 25sec^-1 범위 내에 있는, 기체 액체 접촉기.
89. 기체 상 모듈 처리를 위해 필요로 하는 크기로 되도록 병렬 또는 직렬로 배열되도록 구성된 복수의 모듈형 기체 액체 접촉기를 포함하는, 기체 상 모듈 처리 시스템.
90. 제89항에 있어서, 상기 복수의 모듈형 기체 액체 접촉기는 본질적인 평면형 액체 제트를 공급하도록 구성된 노즐 어레이를 각각 포함하고, 상기 액체 제트는 평면형 액체 시트를 각각 포함하는, 기체 상 모듈 처리 시스템.
91. 제50항에 있어서, 상기 기체 상 분자는 휘발성 유기 화합물을 포함하는, 기체 상 분자 제거 방법.

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