KR20120092174A - 이산화탄소 농후 연도 가스로부터 수증기를 응축시키기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

이산화탄소 농후 연도 가스로부터 수증기를 응축시키기 위한 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산소 가스를 함유하는 가스의 존재 하에 연료를 연소시키는 보일러에서 생성되는 이산화탄소 농후 연도 가스로부터 수증기를 제거하도록 작동하는 가스 청정 시스템에 관한 것이다. 가스 청정 시스템은 이산화탄소 농후 연도 가스를 순환 냉각 액체와 접촉시킴으로써 보일러에서 생성되는 이산화탄소 농후 연도 가스의 적어도 일부로부터 물을 응축시켜서, 보일러에서 배출되는 이산화탄소 농후 연도 가스보다 낮은 농도의 수증기를 갖는 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스를 생성시키도록 작동하는 연도 가스 응축기(12)를 포함한다. 가스 청정 시스템은 제 1 온도에서 냉각 액체로부터 열을 흡수하고, 제 1 온도보다 높은 제 2 온도에서 히트싱크(124)로 열을 방출하도록 작동하는 열펌프(100)을 포함한다.

Description

이산화탄소 농후 연도 가스로부터 수증기를 응축시키기 위한 방법 및 시스템 {METHOD AND SYSTEM FOR CONDENSING WATER VAPOUR FROM A CARBON DIOXIDE RICH FLUE GAS}
본 발명은 산소 가스를 함유하는 가스의 존재 하에 연료를 연소시키는 보일러에서 생성되는 이산화탄소 농후 연도 가스로부터 수증기를 제거하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 또한 산소 가스를 함유하는 가스의 존재 하에 연료를 연소시키는 보일러에서 생성되는 이산화탄소 농후 연도 가스로부터 수증기를 제거하기 위해 작동되는 가스 청정 시스템에 관한 것이다.
발전 플랜트와 같은 연소 플랜트에서 석탄, 오일, 이탄, 폐물 등과 같은 연료의 연소에서, 고온 공정 가스가 생성되며, 이러한 공정 가스는 다른 성분들 중에서 이산화탄소 CO2를 함유한다. 환경적 요구가 증가함에 따라, 공정 가스로부터 이산화탄소를 제거하기 위한 다양한 공정이 개발되어 왔다. 이러한 공정 중 하나는 이른바 산소-연료 공정이다. 산소-연료 공정에서, 상기 언급된 연료 중 하나와 같은 연료는 질소 희박 가스의 존재 하에 연소된다. 산소 공급원에 의해 제공되는 산소 가스는 보일러에 공급되어, 산소 가스가 연료를 산화시킨다. 산소-연료 연소 공정에서, 이산화탄소 농후 연도 가스가 생성되며, 이 중 이산화탄소 함유물은 분리 장치에서 압축되고, 이산화탄소의 대기로의 방출을 감소시키기 위해 처리될 수 있다.
산소-연료 보일러의 일례는 US 2007/0243119에 기술되어 있다. US 2007/0243119의 산소-연료 보일러는 연도 가스로서 언급되는 공정 가스를 생성시킨다. 연도 가스는 냉각 액체 시약을 순환시키는 세정 집진기 내에서 처리된다. 냉각 액체 시약은 연도 가스의 냉각을 유발시켜서 연도 가스의 함수량의 일부를 응축시킨다.
발명의 요약
본 발명의 목적은 산소 가스를 함유하는 가스의 존재 하에 연료를 연소시키는 보일러에서 생성되는 이산화탄소 농후 연도 가스로부터 수증기를 응축시키는 방법을 제공하는 데에 있다. 이 방법은 종래의 방법과 비교하여 수증기 응축 효율 및/또는 작동 비용에 대해 더욱 효과적이다.
상기 목적은 산소 가스를 함유하는 가스의 존재 하에 연료를 연소시키는 보일러에서 생성되는 이산화탄소 농후 연도 가스로부터 수증기를 제거하는 방법에 의해 달성되며, 이 방법은 보일러에서 생성되는 이산화탄소 농후 연도 가스의 적어도 일부를 연도 가스 응축기로 전달하는 단계; 상기 연도 가스 응축기에서, 상기 이산화탄소 농후 연도 가스를 순환 냉각 액체와 접촉시켜 상기 이산화탄소 농후 연도 가스로부터 물을 응축시킴으로써 상기 이산화탄소 농후 연도 가스를 냉각시키고, 그에 따라 상기 보일러에서 배출되는 상기 이산화탄소 농후 연도 가스보다 낮은 농도의 수증기를 갖는 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스를 생성시키는 단계, 및 열펌프를 사용하여 제 1 온도에서 냉각 액체로부터 열을 흡수하고, 제 1 온도보다 높은 제 2 온도에서 히트싱크(heat sink)로 열을 방출시키는 단계를 포함한다.
상기 방법의 장점은 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스 중의 수증기의 적합하게 낮은 농도가 연도 가스 응축기에 유입되는 이산화탄소 농후 연도 가스의 변동 조건들 및 히트싱크의 변동 조건들 둘 모두에 대한 변동 조건들에서 달성될 수 있을 정도로, 연도 가스 응축기의 작동을 제어하는 것이 훨씬 더 쉬어진다는 점이다. 더욱이, 연도 가스 응축기에서 낮은 냉각 온도를 얻는 것이 더 쉬어진다.
하나의 실시예에 따라, 연도 가스 응축기에서 배출되는 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스의 수증기 농도에 관한 파라미터가 측정되고, 이 파라미터에 대한 설정값과 비교된다. 상기 파라미터를 측정함으로써, 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스 중의 수증기의 적합하게 낮은 농도가 달성되었는지의 여부를 결정하는 것이 가능하다.
하나의 실시예에 따라, 열펌프의 작동은 연도 가스 응축기에서 배출되는 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스의 수증기 농도에 관한 파라미터의 측정된 값과 이 파라미터에 대한 설정값 사이의 비교에 근거하여 제어된다. 상기 실시예의 장점은 보일러, 연도 가스 응축기, 히트싱크, 또는 연도 가스 응축기에서의 수증기의 응축에 영향을 주는 임의의 다른 디바이스의 작동의 변동들을 보상하도록 제어될 수 있다는 점이다.
하나의 실시예에 따라, 이산화탄소 농후 연도 가스는 연도 가스 응축기에서 냉각 액체와 직접 접촉하게 된다. 예를 들어, 충전탑 또는 분무탑의 형태로 구현될 수 있는 상기 실시예의 장점은 냉각 액체가 이산화탄소 농후 연도 가스를 효과적으로 냉각시키고, 냉각 액체가 또한 가스를 냉각시키는 것과 동시에 이산화탄소 농후 연도 가스로부터 이산화황과 같은 일부 오염물질들을 제거시킨다는 점이다.
하나의 실시예에 따라, 이산화탄소 농후 연도 가스는 연도 가스 응축기에서 냉각 액체에 의해 간접적으로 냉각된다. 관형 냉각기형의 응축기에서 수행될 수 있는 간접 냉각에 의해, 냉각 액체는 이산화탄소 농후 연도 가스의 어떠한 성분들에 의해서도 오염되지 않는다. 이는 응축기 내의 이산화탄소 농후 연도 가스를 냉각시키기에 매우 적합하지만 이산화탄소 농후 연도 가스와 혼합되지 않아야 하는 다양한 탄화수소 함유 냉각 액체들을 포함하는 다양한 유형의 냉각 액체들을 사용하는 것으로 가능하게 한다.
하나의 실시예에 따라, 연도 가스 응축기에서 이산화탄소 농후 연도 가스를 간접적으로 냉각시키는 냉각 액체가 또한 상기 열펌프의 냉각 매체로서 사용된다. 상기 실시예의 장점은 연도 가스 응축기가 이산화탄소 농후 연도 가스를 냉각시키기 위해 그리고 열펌프의 냉각 매체를 증발시키는 증발기로서 둘 모두의 기능을 하기 때문에 더 작은 장비가 필요하다는 점이며, 상기 실시예에서 열펌프의 냉각 매체 및 응축기의 냉각 액체는 하나이고 동일한 물질이다. 추가의 장점은 연도 가스 응축기와 열펌프 사이에 즉각 열전달 루프가 필요 없기 때문에 에너지 효율이 바람직해진다는 점이다.
하나의 실시예에 따라, 냉각 액체는 0~35℃의 온도, 바람직하게는 0~20℃의 온도에서 연도 가스 응축기에 공급된다. 상기 실시예의 장점은 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스의 수증기 농도가 매우 낮아지며, 이는 연도 가스 응축기에서 배출되고 처리를 위해 전달되는 가스가 거의 단지 이산화탄소만을 함유한다는 점이다.
본 발명의 추가의 목적은 이산화탄소 농후 연도 가스로부터 수증기를 제거하도록 작동하는 가스 청정 시스템을 제공하는 데에 있으며, 가스 청정 시스템은 종래의 가스 청정 시스템들보다 더욱 효율적이다.
상기 목적은 산소 가스를 함유하는 가스의 존재 하에 연료를 연소시키는 보일러에서 생성되는 이산화탄소 농후 연도 가스로부터 수증기를 제거하도록 작동하는 가스 청정 시스템에 의해 달성되며, 가스 청정 시스템은 이산화탄소 농후 연도 가스를 순환 냉각 액체와 접촉시킴으로써 보일러에서 생성되는 이산화탄소 농후 연도 가스의 적어도 일부로부터 물을 응축시켜서, 보일러에서 배출되는 이산화탄소 농후 연도 가스보다 낮은 농도의 수증기를 갖는 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스를 생성시키도록 작동하는 연도 가스 응축기를 포함하며, 가스 청정 시스템은 제 1 온도에서 냉각 액체로부터 열을 흡수하고, 제 1 온도보다 높은 제 2 온도에서 히트싱크로 열을 방출시키도록 작동하는 열펌프를 추가로 포함한다.
상기 가스 청정 시스템의 하나의 장점은 이것이 이산화탄소 농후 연도 가스들로부터 수증기를 제거하는 데에 매우 효과적이라는 점이다.
하나의 실시예에 따라, 가스 청정 시스템은 추가로 연도 가스 응축기에서 배출되는 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스의 수증기 농도에 관한 파라미터를 측정하도록 작동되는 센서, 및 상기 파라미터의 측정된 값과 상기 파라미터의 설정값의 비교의 관점에서 열펌프의 작동을 제어하도록 작동되는 제어 디바이스를 포함한다. 상기 실시예의 장점은 연도 가스 응축기에서 배출되는 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스가 항상 일정하고 낮은 농도의 수증기를 갖는다는 점이다.
하나의 실시예에 따라, 상기 히트싱크는 냉각탑을 포함한다. 냉각탑의 장점은 많은 열이 주변 공기로 방산될 수 있다는 점이다. 열펌프로 인해, 냉각탑에서 냉각되는 열전달 매체와 주변 공기의 온도 사이의 온도차인 큰 추진력이 또한 따뜻한 여름철에 달성될 수 있다.
하나의 실시예에 따라, 상기 히트싱크는 보일러를 포함한다. 상기 실시예의 장점은 보일러가 임의의 주변 조건들과 무관하게 보일러수의 가열에 대한 일정한 필요성을 갖는다는 점이다. 열펌프로 인해, 연도 가스 응축기에 흡수된 열은 고온에서 보일러수에 전달되어, 보일러수의 가열에 유용한 열을 만들 수 있다. 보일러수를 가열하는 것에 대한 대안으로서, 또는 이와 조합하여, 연도 가스 응축기에 흡수된 열은 또한 연소 공기 및/또는 연소 산소 가스를 가열하기 위해 사용될 수 있다.
하나의 실시예에 따라, 상기 열펌프는 연속으로 배열된 적어도 2개의 열펌프 스테이지들을 포함한다. 상기 실시예의 장점은 열이 120℃ 초과와 같은 매우 높은 온도 수준에서 히트싱크로 전달된다는 점이다. 추가의 장점은 연도 가스 응축기에서 이산화탄소 농후 연도 가스를 냉각시키는 냉각 액체가 5℃ 미만의 온도와 같은 매우 낮은 온도들로 냉각될 수 있다는 점이다.
하나의 실시예에 따라, 상기 열펌프는 암모니아-물 흡수 열펌프들 및 이산화탄소 열펌프들을 포함하는 열펌프들의 군들로부터 선택되는 한 유형의 열펌프이다. 이들 열펌프들의 장점은 이들이 저온으로의 연도 가스 응축기의 냉각 액체의 대규모 냉각 및 고온에서 히트싱크로의 열의 방출에 효과적이라는 점이다.
하나의 실시예에 따라, 연도 가스 응축기는 간접 냉각 응축기이며, 연도 가스 응축기는 열펌프에서 순환되는 냉각 매체가 증발되도록 하는 열펌프 증발기로서 작용하도록 작동된다.
본 발명의 추가의 목적 및 특징은 상세한 설명 및 특허청구범위로부터 명백해질 것이다.
본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여 더 상세히 설명될 것이다:
도 1은 하나의 실시예에 따르는 보일러 시스템의 개략적 측면도이다.
도 2는 연도 가스 응축기의 개략적 측면도이다.
도 3은 도 2의 연도 가스 응축기와 통합된 열펌프를 도시한 개략적 측면도이다.
도 4는 대안적 실시예에 따르는 연도 가스 응축기와 통합된 2-스테이지 열펌프를 도시한 개략적 측면도이다.
바람직한 실시예의 설명
도 1은 측면으로부터 보았을 때의 보일러 시스템의 개략도이다. 보일러 시스템(1)은 주요 부품들로서 상기 실시예에서 산소-연료 보일러인 보일러(2), 도면부호 4로서 개략적으로 나타낸 터빈 전력 발전 시스템, 전기 집진기(6) 형태의 미립자 제거 디바이스, 및 가스 청정 시스템(8)을 포함한다. 가스 청정 시스템(8)은 이의 주요 부품들로서, 세정 집진기(10)의 형태의 제 1 가스 청정 디바이스 및 연도 가스 응축기(12) 형태의 세정 집진기(10)를 포함한다.
석탄, 오일 또는 이탄과 같은 연료는 연료 저장기(14)에 함유되고, 공급관(16)을 통해 보일러(2)에 공급될 수 있다. 산소 가스 공급원(18)은 그 자체로 공지된 방식으로 산소 가스를 제공하도록 작동한다. 산소 가스 공급원(18)은 공기로부터 산소 가스를 분리시키도록 작동하는 공기 분리 플랜트, 산소 분리막, 저장 탱크, 또는 산소 가스를 시스템에 제공하기 위한 임의의 다른 공급원일 수 있다. 공급 덕트(20)는 대표적으로 90~99.9 용적%의 산소, O2를 포함하는 생성된 산소 가스를 보일러(2)에 전달하도록 작동한다. 덕트(22)는 이산화탄소를 함유하는 재순환된 연도 가스를 보일러(2)에 전달하도록 작동한다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 공급 덕트(20)는 산소 가스 및 이산화탄소를 함유하는 재순환된 연도 가스가 보일러(2)의 상류에서 서로 혼합되어 대표적으로 약 20~50 용적%의 산소 가스(나머지는 주로 이산화탄소 및 수증기임)를 함유하는 혼합물을 생성시킬 수 있을 정도로 보일러(2)의 상류에서 덕트(22)와 연결된다. 공기는 거의 보일러(2)에 유입되지 않으므로, 질소 가스는 거의 보일러(2)에 공급되지 않는다. 실제 작동에서, 보일러(2)에 공급되는 가스 부피의 3 용적% 미만이 주로 공기의 누출로서 보일러(2)에 유입되는 공기이다. 보일러(2)는 덕트(22)를 통해 공급되게 되는 이산화탄소를 함유하는 재순환된 연도 가스와 혼합된 산소 가스의 존재 하에, 공급관(16)을 통해 공급되게 되는 연료를 연소시키도록 작동한다. 스팀 파이프(24)는 연소의 결과로서 보일러(2)에서 생성될 스팀을 전력의 형태로 동력을 발생시키도록 작동하는 스팀 터빈 전력 발전 시스템(4)에 전달하도록 작동한다.
덕트(26)는 보일러(2)에서 생성되는 이산화탄소 농후 연도 가스를 전기 집진기(6)에 전달하도록 작동한다. "이산화탄소 농후 연도 가스"는 덕트(26)를 통해 보일러(2)에서 배출되는 연도 가스가 적어도 40 용적%의 이산화탄소, C02를 함유할 것임을 의미한다. 보통, 보일러(2)에서 배출되는 연도 가스의 50 용적% 초과가 이산화탄소일 것이다. "이산화탄소 농후 연도 가스"의 나머지는 약 20~50 용적%의 수증기(H2O), 약간의 산소 과량이 보일러(2)에서 보통 바람직하므로 2~7 용적%의 산소(O2), 및 공기의 일부 누출이 완전히 방지되는 것은 흔하지 않으므로 주로 질소(N2) 및 아르곤(Ar)을 포함하는 전체적으로 약 0~10 용적%의 다른 가스들일 것이다.
예를 들어, US 4,502,872에 그 자체로 공지되어 있는 한 유형일 수 있는 전기 집진기(6)는 이산화탄소 농후 연도 가스로부터 분진의 대부분을 제거한다. 전기 집진기의 대안으로서, 예를 들어, US 4,336,035에 그 자체로 공지되어 있는 섬유질 거르개가 분진을 제거하기 위해 사용될 수 있다. 덕트(28)는 전기 집진기(6)로부터의 이산화탄소 농후 연도 가스를 가스 청정 시스템(8)의 세정 집진기(10)에 전달하도록 작동한다.
세정 집진기(10)는 예를 들어 EP 0 162 536에 그 자체로 공지되어 있는 세정기 유형인 탑 세정기 유형의 세정 집진기이다. 전기 집진기(6)를 통해 보일러(2)로부터 배출되는 이산화탄소 농후 연도 가스의 이산화황 함량의 적어도 일부, 바람직하게는 적어도 80%를 제거하도록 작동하는 세정 집진기(10)는 슬러리 순환 파이프(32)에서 세정 집진기(10)의 바닥으로부터의 석회석 슬러리를 세정 집진기(10)의 상부에 배열된 한 세트의 슬러리 노즐들(34)로 순환시키도록 작동하는 순환 펌프(30)를 포함한다. 슬러리 노즐들(34)은 세정 집진기(10) 내에 석회석 슬러리를 미세하게 분배하도록, 그리고 석회석 슬러리와 덕트(28)를 통해 세정 집진기(10)에 전달되고 세정 집진기(10)의 내측에서 실질적으로 수직으로 상향 유동하는 연도 가스 사이의 우수한 접촉을 달성하도록 작동한다. 새로운 석회석, CaC03은 석회석 저장기(36) 및 공급관(38)을 포함하는 흡수제 공급 디바이스로부터 순환 파이프(32)에 공급된다. 세정 집진기(10)에서, 이산화황, S02은 석회석, CaC03와 반응하여, 아황산칼슘, CaSO3를 생성시키며, 이는 후속적으로 산화되어 석고, CaS04를 생성시킨다. 아황산칼슘의 산화는 바람직하게는 도 1에 도시되지 않은 내부 용기에서 석회석 슬러리를 통해 공기 또는 산소 가스를 버블링시켜서 산화 공기 또는 산소 가스와 이산화탄소 농후 연도 가스의 혼합을 방지함으로써 수행된다. 생성된 석고는 처리 파이프(40)를 통해 세정 집진기(10)로부터 제거되고, 도면부호 42로서 개략적으로 나타낸 석고 탈수 장치로 전달된다. 탈수된 석고는 예를 들어 벽판 생산에 상용될 수 있다.
세정 집진기(10)에 대한 대안으로서, 이산화탄소 농후 연도 가스로부터 이산화황을 제거하기 위해 제 1 가스 청정 디바이스로서 다른 디바이스들이 사용될 수 있다. 하나의 이러한 대안적 디바이스는 예를 들어, US 4,755,366에 그 자체로 공지되어 있는 유형일 수 있으며, 분무 건조기 챔버 및 분진 입자 제거기를 포함하는 분무 건조 흡수기이다. 분무 건조기 챔버 내측에 석회석 슬러리가 살포되어 이산화황과 반응하고, 분무 건조기 챔버의 바닥 및 분진 입자 제거기에서 수집되는 건조 잔여 생성물을 생성시킨다. 세정 집진기에 대한 추가의 대안은 예를 들어, 일례가 WO 2005/007274에 기술되어 있는 버블링층 세정기, 및 일례가 WO 2004/026443에 기술되어 있는 습식 분진형의 세정기이다.
도 1과 관련하여, 부분적으로 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스는 연도 가스를 가스 분배 지점(46)에 전달하는 덕트(44)를 통해 세정 집진기(10)에서 배출된다. 부분적으로 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스의 흐름의 방향에 대해 관찰한 바와 같이 세정 집진기(10)와 연도 가스 응축기(12) 사이에 위치한 가스 분배 지점(46)에서, 부분적으로 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스는 2개의 흐름들, 즉, 덕트(22)를 통해 보일러(2)로 다시 재순환되는 제 1 흐름, 및 덕트(48)를 통해 응축기(12)로 전달되는 제 2 흐름으로 분할된다. 보일러(2)로 다시 재순환되는 제 1 흐름은 대표적으로 세정 집진기(10)에서 배출되는 부분적으로 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스의 총 흐름의 50~90 용적%를 포함한다. 보일러(2)로 재순환되는 부분적으로 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스의 부분은 응축기(12)를 통해 전달되지 않아서, 더 작은 가스 유속에 대한 응축기(12)를 설계하는 것이 가능해진다. 따라서, 대표적으로 세정 집진기(10)에서 배출되는 부분적으로 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스의 총 흐름의 10~50 용적%를 포함하는 제 2 흐름은 덕트(48)를 통해 응축기(12)로 전달된다. 응축기(12)에는 하기에 더 상세히 설명될 방식으로 응축기(12)에서 순환 파이프(52)를 통해 냉각 액체를 순환시키도록 작동하는 순환 펌프(50)가 제공된다.
연도 가스 응축기(12)에서 순환되는 냉각 액체는 부분적으로 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스를 수증기에 대해 이의 포화 온도 미만의 온도로 냉각시키고, 따라서 세정 집진기(10)로부터 전달되는 부분적으로 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스의 수증기 함량의 적어도 일부의 응축을 유발시킨다. 응축수는 처리 파이프(54)를 통해 응축기(12)에서 배출된다. 파이프(54)를 통해 응축기(12)에서 배출되는 응축수의 일부는 보급수로서 파이프(56)를 통해 세정 집진기(10)로 전달된다. 응축수의 추가의 부분은 파이프(58)를 통해, 예를 들어 보일러수로서 공정에 재사용되거나 처리되기 전에 응축수를 처리하는 수처리 장치(60)로 전달된다. 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스는 덕트(62)를 통해 응축기(12)에서 배출되고, 처리를 위해 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스를 압축시키는 가스 처리 장치(64)로 전달된다.
도 2는 연도 가스 응축기(12) 형태의 제 2 가스 청정 디바이스를 더 상세히 도시한 것이다. 응축기(12)는 제 1 가스 청정 디바이스, 즉, 세정 집진기(10)로부터 생성되는 부분적으로 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스와 파이프(52)에서 펌프(50)에 의해 응축기(12)에서 순환되는 냉각 액체 사이의 우수한 접촉을 제공하도록 충전재(68)로 충전되는 탑(66)을 포함한다. 충전재(68)는 Sulzer Chemtech USA Inc, Tulsa, USA로부터 입수할 수 있는 Mellapak Plus가 일례인 이른바 구조적 충전형, 또는 Jaeger Products, Inc, Houston, USA로부터 입수할 수 있는 Jaeger Tri-Pack가 일례인 이른바 랜덤 충전형일 수 있다. 액체 분배기(70)는 냉각 액체를 충전재 위로 분배시키도록 작동한다. 이 경우에, 냉각 액체는 주로 연도 가스와 직접 접촉하게 되는 물을 포함한다. 예를 들어 Jaeger Products, Inc, Houston, USA로부터 입수할 수 있는 Jaeger Model LD3 또는 Model LD4일 수 있는 액체 분배기(70)가 작은 액체 방울들의 과도한 생성을 유발시키지 않으면서 충전재(68) 위로 액체를 고르게 분배시킨다.
부분적으로 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스는 덕트(48)를 통해 탑(66)의 하단에 공급되고, 충전재(68)를 통해 하향으로 흐르는 냉각 액체와 역류 방식으로 직접 접촉하게 되는 탑(66)을 통해 수직으로 상향으로 이동한다. 탑(66)의 상단에는 박무 분리장치(72)가 배열된다. 박무 분리장치(72)는 연도 가스로부터 액체 방울들을 제거하도록 작동한다. 그 다음, 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스는 덕트(62)를 통해 응축기(12)에서 배출된다. 팬(74)은 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스를 도 1과 관련하여 하기에 예시되는 가스 처리 장치(64)에 전달하도록 작동한다.
제 1 열교환기(76)는 도 2에 도시된 바와 같이 파이프(52)에 배열된다. 제 1 열교환기(76)는 파이프(52)에 전달되는 냉각 액체를 냉각시키도록 작동한다. 제 1 열교환기(76)는 도 3과 관련하여 하기에 더 상세히 설명되는 바와 같이 열펌프의 일부를 형성한다.
도 2와 관련하여, pH-센서(78)는 파이프(52)에서 전달되는 냉각 액체의 pH를 측정하도록 작동한다. 제어 장치(80)는 pH-센서(78)로부터의 신호를 수신하도록 작동한다. 제어 장치(80)는 알칼리 성분 저장기(82)로부터의 알칼리 성분의 공급을 제어하도록 작동한다. 따라서, 제어 장치(80)는 pH 센서(78)에 의해 측정된 바와 같은 pH를 pH 설정값과 비교하도록 작동한다. pH 센서(78)에 의해 측정된 pH가 pH 설정값 미만인 경우, 제어 장치(80)는 신호를 펌프(84)의 형태의 알칼리 공급 디바이스에 전송하여, 냉각 액체의 pH를 증가시키기 위해 알칼리 성분을 저장기(82)로부터 파이프(86)를 통해 파이프(52)로 펌핑되도록 한다. 파이프(52)의 액체의 pH는 대표적으로 pH 4.5~6.0으로 조절되어 이산화탄소를 또한 제거하지 않으면서 이산화황을 포함하는 산 오염물질 가스들의 효과적인 제거를 달성한다. 저장기(82)에 저장되고 응축기(12)에서 순환하는 냉각 액체의 pH를 조절하기 위해 사용되는 알칼리 성분은 바람직하게는 높은 수용성, 바람직하게는 적어도 50 g/ℓ의 20℃의 온도에서의 수용성, 더욱 바람직하게는 적어도 100 g/ℓ의 20℃에서의 용해성을 갖는다. 적합한 알칼리 성분들의 예는 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 탄산나트륨(Na2CO3), 및 중탄산나트륨(NaHC03)을 포함한다. 보통, 가장 바람직한 알칼리 성분은 수산화나트륨(NaOH)이다. 고용해성 알칼리 성분은 하기에 더 상세히 기술되는 바와 같이, 냉각 액체의 온도가 제 1 열교환기(76)에서 감소될 경우에 생성되는 외피형성의 위험을 감소시키는 장점을 갖는다. 응축기(12)에서 펌프(50)에 의해 순환되는 냉각 액체는 바람직하게는 맑은 액체이며, 이는 단지 소량의 고체들이 순환 액체에 함유됨을 의미한다. 바람직하게는, 응축기(12)에서 순환하는 냉각 액체 중의 고체들의 양은 10 g/ℓ 미만, 바람직하게는 5 g/ℓ 미만이다. 비교상, 도 1과 관련하여 상기 기술된 세정 집진기(10)에서 순환하는 슬러리는 대표적으로 150-300 g/ℓ의 고체들을 함유할 수 있다. 응축기(12)에서 순환하는 액체 중의 고체들의 낮은 농도를 갖는 장점은 파이프(54)를 통해 응축기(12)에서 배출되는 응축수의 재사용 및 청정이 고농도의 고체 입자들과 혼합되는 응축수와 비교하여 더 쉬어진다는 점이다.
임의적으로, 가스-가스 열교환기(88)가 제공될 수 있다. 도 2에서 파선으로 도시된 덕트(90)는 부분적으로 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스의 흐름의 적어도 일부를 덕트(48)로부터 열교환기(88)로 전달한 후에 다시 역으로 전달하도록 작동한다. 도 2에 파선으로 도시된 덕트(92)는 덕트(62)의 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스의 흐름의 적어도 일부를 열교환기(88)로 전달한 후에 다시 덕트(62)로 전달하도록 작동한다. 가스-가스 열교환기(88)는 응축기(12)에서 배출되는 가스의 약간의 재가열을 유발시키도록 작동하며, 이러한 재가열은 응축기(12)에서 배출되고, 도 1에 도시된 가스 처리 장치(64)로 전달되는 액체 방울들의 양을 감소시킨다.
도 3은 가스 청정 시스템(8)에 포함되는 열펌프(100)를 도시한다. 열펌프(100)는 도 2와 관련하여 상기 설명된 제 1 열교환기(76)의 형태로 열펌프 증발기ㅍ를 포함한다. 제 1 열교환기(76)는 연도 가스 응축기(12)의 펌프(50)에 의해 파이프(52)에 의해 순환되는 냉각 액체를 냉각시키도록 작동한다. 열펌프(100)는 추가로 제 2 열교환기(102)의 형태로 열펌프 응축기를 포함한다. 열펌프(100)는 도 3과 관련하여 설명된 예에서, 냉각 매체로서 암모니아와 물의 혼합물과 작용하는 암모니아-물 열펌프이며, 따라서 가스-액체 혼합물과 작용한다. 따라서, 열펌프(100)는 추가로 액체로부터 가스를 분리시키도록 작동하는 가스-액체 분리기(104), 가스를 압축시키도록 작동하는 압축기(106), 및 액체를 펌핑시키도록 작동하는 액체 펌프(108)를 포함한다. 더욱이, 열펌프(100)는 스로틀 밸브(110)를 포함한다. 일반적 유형의 열펌프들은 예를 들어, US 5,582,020에 그 자체로 공지되어 있다.
파이프(112)는 제 1 열교환기(76), 즉, 열펌프 증발기로부터 암모니아와 물의 가스/액체 혼합물을 포함하는 열펌프 냉각 매체를 가스-액체 분리기(104)에 전달하도록 작동한다. 가스-액체 분리기(104)는 냉각 매체를 가스 부분 및 액체 부분으로 분리시킨다. 압축기(106)는 가스를 적합한 압력으로 압축시키면서, 가스관(114)을 통해, 가스 부분을 가스-액체 분리기(104)로부터 제 2 열교환기(102), 즉, 열펌프 응축기로 운반한다. 액체 펌프(108)는 액체의 압력을 적합한 압력으로 상승시키면서, 액체 파이프(16)을 통해, 액체 부분을 가스-액체 분리기(104)로부터 제 2 열교환기(102)로 운반한다.
열펌프 응축기, 즉, 제 2 열교환기(102)에서 냉각 매체, 즉, 압축 가스 및 액체는 상승된 압력에서, 파이프(118)에서 순환되는 열전달 매체로 열을 전달한다. 이에 의해 냉각된 열펌프 냉각 매체는 파이프(120)에서, 냉각 매체를 팽창시켜서 감소된 압력을 발생시키는 스로틀 밸브(110)로 전달된다. 이에 의해 팽창된 열펌프 냉각 매체는 다시 파이프(122)를 통해 제 1 열교환기(76)에 전달되어 더 많은 열을 수용한다.
대표적으로 물일 수 있는 열전달 매체는 파이프(118)에서 냉각탑(124)의 형태의 히트싱크로 순환되어, 열전달 매체가 도 3에서 A로 나타낸 주변 공기와 접촉하게 됨으로써 냉각된다.
온도 센서(126)는 제 1 열교환기(76)의 하류에서 파이프(52)에 제공된다. 온도 센서(126)는 냉각 액체가 응축기(12)에 도입되기 직전에 냉각 액체의 온도를 측정한다. 제어 디바이스(128)는 온도 센서(26)으로부터 신호를 수신하도록 작동하며, 신호는 액체의 온도를 나타낸다. 제어 디바이스(128)는 더욱이, 온도 센서(126)에 의해 측정한 바와 같은 온도를 온도 설정값과 비교하도록 작동한다. 상기 비교에 근거하여, 제어 디바이스(128)는 압축기(106) 및 액체 펌프(108)의 작동을 제어하도록 작동한다. 따라서, 예를 들어, 온도 센서(126)에 의해 측정한 바와 같은 온도가 온도 설정값보다 높은 경우, 제어 디바이스(128)는 압축기(106) 및/또는 액체 펌프(108)에 각각 가스 및 액체 내로 가해지는 전력을 증가시킬 것을 명령한다. 따라서, 예를 들어, 압축기(106)는 가스를 압축시키는 정도를 증가시킬 수 있고/있거나, 액체 펌프(108)는 액체 중의 압력을 증가시키는 정도를 증가시킬 수 있다. 압축기(106) 및/또는 액체 펌프(108)의 이러한 제어의 효과는 파이프(52) 내의 냉각 액체로부터 파이프(18) 내의 열전달 매체로의 열펌프(100)에 의해 전달되는 열의 양이 증가되어, 파이프(52)를 통해 응축기(12)로 전달되는 냉각 액체의 온도가 감소된다는 점이다. 따라서, 제어 디바이스(128)는 파이프(52)를 통해 응축기(12)에 공급되는 냉각 액체가 일정하고 충분히 낮은 온도를 갖게 되는 방식으로, 냉각 액체로부터 흡수되고 히트싱크(124)로 방출되는 열의 양을 제어하는 방식으로 열펌프(100)를 제어하도록 작동할 수 있다. 센서(126)에 의해 측정한 바와 같이 파이프(52)에서 순환되는 냉각 액체의 온도는 연도 가스 응축기(12)에서 배출되는 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스의 수증기 농도에 관한 파라미터이다. 따라서, 파이프(52)에서 순환되는 냉각 액체의 온도를 제어하는 것은 응축기(12)에서 배출되는 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스의 온도 및 수증기 농도를 제어하는 것을 의미한다.
열펌프(100)의 작동은 비제한적 실시예와 관련하여 설명될 것이다. 연도 가스 응축기(12)에 대한 요건은 대표적으로, 도 2에 도시된 바와 같이 덕트(62)를 통해 연도 가스 응축기(12)에서 배출되는 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스가 0.5~8 용적%의 수중기 농도, 바람직하게는 0.5~3 용적%의 수증기 농도를 가져야 한다는 점이다. 이러한 낮은 수증기 농도를 달성하기 위해, 부분적으로 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스는 응축기(12)에서 부분적으로 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스의 포화 온도 미만의 온도로 냉각되어, 물이 응축기(12) 내측에서 응축되게 된다. 도 1에 도시된 바와 같이 세정 집진기(10)에서 배출되는 부분적으로 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스는 대표적으로 60~80℃의 온도 및 25-55 용적%의 수증기 농도를 가질 수 있다. 결국, 제 1 가스 청정 디바이스는 상기 설명된 바와 같이 분무 건조 흡수기 또는 습식 분진형의 세정기이며, 이러한 제 1 가스 청정 디바이스에서 배출되는 부분적으로 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스는 대표적으로 90~120℃의 온도 및 23~54 용적%의 수증기 농도를 가질 수 있다. 응축기(12)에 유입되는 부분적으로 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스는 대표적으로, 사용되는 제 1 가스 청정 디바이스의 유형에 의존하여 60~120℃의 온도, 및 대표적으로 23~55 용적%의 수증기 농도를 가질 것이다. 상기 높은 수증기 농도를 0,5~8 용적%의 수증기 농도로 감소시킬 수 있도록, 부분적으로 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스는 수증기의 충분한 응축을 달성하기 위해 3~40℃의 온도로 냉각되어야 한다. 이러한 낮은 온도들로의 냉각을 달성하기 위해, 연도 가스 응축기(12)에서 순환하는 냉각 액체는 연도 가스 응축기(12)에 대한 유입구에서 0~35℃의 온도를 가져야 한다. 수증기 농도를 0,5~3 용적%로 감소시킬 수 있도록, 부분적으로 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스는 약 3~22℃의 온도로 냉각되어야 하고, 연도 가스 응축기(12)에서 순환하는 냉각 액체는 연도 가스 응축기(12)에 대한 유입구에서 0~20℃의 온도를 가져야 한다.
상기 실시예에서, 세정 집진기(10)에서 배출되는 부분적으로 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스는 76℃의 온도 및 40 용적%의 수증기 농도를 갖는다. 상기 가스는 덕트(48)를 통해 응축기(12)에 유입되고, 10℃의 온도로 냉각되어, 덕트(62)를 통해 연도 응축기(12)에서 배출되는 청정된 이산화탄소 농후 가스에서 수증기 농도가 40 용적%로부터 1.3 용적%의 수증기 농도로 감소된다. 이러한 냉각을 달성하기 위해, 제어 디바이스(128)는 파이프(52)를 통해 응축기(12)에 유입되는 냉각 액체의 온도를 7℃의 온도로 제어하도록 설정되었다. 응축기(12)에서 배출되는 냉각 액체는 대표적으로, 상기 조건들 하에 40℃의 온도를 갖는다. 따라서, 제어 디바이스(128)는 열펌프(100)의 압축기(106) 및 펌프(108)를 제어하여, 파이프(52)에서 순환되는 냉각 액체를 제 1 열교환기(76)에 대한 유입구에서의 40℃의 온도로부터 제 1 열교환기(76)에 대한 유출구에서의 7℃의 온도로 냉각시키는 것이 필요하다. 제 1 열교환기(76)에서의 이러한 냉각은 대표적으로, 열펌프 응축기, 즉, 제 2 열교환기(102)가 파이프(118)에서 순환하는 열전달 매체를 예를 들어 제 2 열교환기(102)에 대한 유입구에서의 15℃로부터 예를 들어 제 2 열교환기(102)에 대한 유출구에서의 50℃의 온도로 가열하게 되는 것을 발생시킨다. 따라서, 냉각탑(124)의 형태의 히트싱크는 파이프(118)에서 순환하는 열전달 매체를 예를 들어 10℃의 온도를 갖는 주변 공기 A와 열전달 매체를 접촉시킴으로써 약 50℃로부터 약 15℃로 냉각시키게 된다.
상기 실시예로부터, 열펌프(100)가 단지 40℃의 온도에서 응축기(12)에서 배출되는 냉각 액체의 열을 이용하여 파이프(118)에서 순환하는 열전달 매체를 15℃로부터 50℃로 가열함이 인지될 것이다. 따라서, 열펌프(100)는 제 1 온도에서 냉각 액체로부터 열을 흡수하고, 제 1 온도보다 높은 제 2 온도에서 냉각탑(124)의 형태의 히트싱크로 열을 방출시킨다. 결과는 50℃의 초기 온도를 갖는 열전달 매체가 10℃의 온도를 갖는 주변 공기에 의해 냉각되므로, 냉각탑(124)에서 냉각을 위한 추진력이 매우 높아진다는 점이다. 이는 냉각탑(124)에서의 냉각이 매우 효과적이 되게 한다. 더욱이, 열펌프(100)는 주변 온도가 사실상 7℃보다 높다 하더라도, 파이프(52)에서 순환하는 냉각 액체를 약 40℃로부터 약 7℃로 냉각시키는 것을 가능하게 한다.
여름철에 일어날 수 있는 바와 같이, 주변 공기 온도가 예를 들어 30℃의 주변 공기 온도로 증가하는 경우, 냉각탑(124)에서의 냉각을 위한 추진력은 훨씬 더 높아진다. 더욱이, 제어 디바이스(128)는 30℃의 주변 공기 온도의 경우에 있을 수 있으며, 필요한 경우, 파이프(18)에서 순환하는 열전달 매체가 예를 들어 80℃까지 가열될 정도로, 자동적으로 압축기(106) 및/또는 펌프(108)에 각각 가스의 압축을 증가시키고/시키거나 액체의 압력을 증가시키도록 명령하여, 냉각탑(124)에서의 냉각을 위한 추진력을 추가로 증가시킬 수 있다. 파이프(118)에서 순환하는 열전달 매체는 냉각탑(124)에서 예를 들어 80℃로부터 약 35℃로 냉각되게 된다. 상기 제시된 바와 같이, 열펌프(100)가 가스 및/또는 액체의 증가된 압축으로 작동함에 따라, 열펌프(100)는 또한 여전히 30℃의 주변 온도에서 파이프(52)에서 순환하는 냉각 액체를 예를 들어 40℃의 온도로부터 예를 들어 7℃의 온도로 냉각시킬 수 있게 된다. 따라서, 열펌프(100)는 냉각탑(124)에서 열전달 매체의 냉각을 위한 개선되고 제어할 수 있는 추진력을 제공하도록 작동하며, 이에 의해, 덕트(62)를 통해 응축기(12)에서 배출되는 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스가 우세한 주변 조건과 무관하게 바람직한 온도, 예를 들어 10℃로 냉각될 수 있을 정도로, 파이프(52)에서 순환하는 냉각 액체의 효과적이고 제어할 수 있는 냉각을 보장한다.
대안적 실시예에 따라, 추가의 열교환기(130)가 도 3에 도시된 바와 같이 파이프(52)에서 순환하는 냉각 액체를 냉각시키기 위해 배열될 수 있다. 물일 수 있는 추가의 열전달 매체는 열교환기(130)와 추가의 냉각탑(134) 사이의 파이프(132)에서 순환되어, 열전달 매체가 A로 나타낸 주변 공기와 접촉하게 됨으로써 냉각된다. 추가의 열교환기(130)는 파이프(52)에서의 냉각 액체의 흐름의 방향에 대해 관찰하여 제 1 열교환기(76)의 상류에 배열되고, 파이프(52)에서 순환하는 냉각 액체를 예를 들어 40℃의 온도로부터 예를 들어 20℃의 온도로 냉각시키도록 작동하는 예냉기로서 작동한다. 따라서, 추가의 냉각탑(134)은 추가의 히트싱크로서 작용한다. 추가의 열교환기(130) 및 추가의 히트싱크(134)는 순환 파이프(52)에서 순환하는 냉각 액체를 냉각시키기 위해 열펌프(100)와 일렬로 제공된다. 결과는 파이프(52)에서 순환하는 냉각 액체가 열펌프(100)의 제 1 열교환기(76)에 도달할 때에 20℃와 같은 상당히 낮은 온도를 가질 것이라는 점이다. 따라서, 냉각 액체는 단지 열교환기(76)에서 20℃로부터 약간 냉각되어 예를 들어 7℃의 바람직한 온도가 되는 것이 필요하다. 이는 열펌프(100)에 대한 부하를 감소시키며, 심지어는, 주변 공기 온도가 파이프(52)에서 순환하는 냉각 액체를 추가의 열교환기(130) 만을 사용하여 예를 들어 7℃까지 냉각시키기에 충분할 수 있는 예를 들어 -10℃ 만큼 낮을 수 있는 겨울철과 같은 한랭기 동안 열펌프(100)를 잠정적으로 중단시킬 수 있게 한다. 따라서, 추가의 열교환기(130)는 열펌프(100)에 대한 에너지 소비 및 마모를 감소시킬 수 있다. 추가의 선택으로서, 파이프(132)에서 순환하는 열전달 매체는 열펌프(100)의 냉각탑(124)으로 직행하여, 추가의 냉각탑(134)에 대한 필요성을 생략할 수 있다.
도 4는 관형 냉각기형인 응축기(212)에 연결되는 대안적 열펌프(200)를 개략적 방식으로 도시한다. 도 2의 상응하는 세부 사항과 동일한 기능을 갖는 도 4에 도시된 세부 사항은 동일한 참조부호가 제공되었다. 응축기(212)는 탑(266)을 갖는다. 복수의 튜브들(268)이 탑(266)에 배열된다. 부분적으로 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스는 덕트(48)를 통해 탑(266)의 상단에 공급되고, 탑(266)을 통해 그리고 튜브들(268)의 내측에서 수직으로 하향 이동한다. 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스는 덕트(62)를 통해 탑(266)의 하단에서 배출된다.
도 4에 도시된 열펌프(200)는 원칙적으로 서로 일렬로 배열된 2개의 열펌프들을 갖는 2-스테이지 열펌프이다. 열펌프(200)의 제 1 스테이지는 열펌프 증발기로서, 따라서 제 1 열교환기로서 응축기(212) 자체를 이용한다. 열펌프(200)의 제 1 스테이지는 추가로 제 2 열교환기(202)의 형태의 열펌프 응축기, 압축기(206), 및 스로틀 밸브(210)를 포함한다. 2-스테이지 열펌프(200)의 제 2 스테이지는 열펌프 증발기로서 제 2 열교환기(202)를 이용한다. 열펌프(200)의 제 2 스테이지는 추가로 제 3 열교환기(214)의 형태의 열펌프 응축기, 압축기(216), 및 스로틀 밸브(218)를 포함한다. 제 3 열교환기(214)는 파이프(220)에 연결된다. 파이프(220)는 스팀 터빈 전력 발전 시스템(4)으로부터 생성되는 소비된 보일러수를 제 3 열교환기(214)를 통해 운반하여, 소비된 보일러수가 보일러(2)로 돌아가기 전에 재가열된다, 따라서, 보일러수는 응축기(212)와 보일러(2) 사이에 열을 전달하는 열전달 매체로서 작용하며, 보일러(2) 자체는 상기 시스템에서 히트싱크다.
열펌프(200)에서 열펌프의 제 1 스테이지의 냉각 매체는 또한 응축기(212)에서 부분적으로 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스를 냉각시키는 냉각 액체로서 작용한다. 따라서, 연도 가스 응축기(212)의 냉각 액체 및 열펌프(200)의 제 1 스테이지의 냉각 매체는 하나의 그리고 동일한 매체이다. 열펌프(200)의 제 1 스테이지의 압축기(206)는 열펌프 증발기, 즉, 연도 가스 응축기(212)와 제 2 열교환기(202)의 형태의 열펌프 응축기 사이로 열펌프(200)의 제 1 스테이지의 냉각 매체를 운반한다. 냉각 매체, 즉, 냉각 액체는 탑(266)의 내측에서 튜브들(268)의 외측으로 운반된다. 그렇지만, 냉각 매체가 열펌프(200)의 제 1 스테이지의 작동 조건에 의존하여 증기의 형태로, 증기와 액체의 혼합물의 형태로 또는 액체만으로서 튜브들(268)의 외측에 존재함이 인지될 것이다. 따라서, 응축기(212)에서의 냉각은 간접 냉각 공정이며, 튜브들(268)의 내측에 전달되는 연도 가스는 냉각 매체와 간접 접촉함으로써 간접적으로 냉각되며, 냉각 매체는 튜브들(268)의 외측과 접촉하게 되는 증기 및/또는 액체 상태로 존재한다. 배플들(270)이 탑(266)에 배열되어, 냉각 매체와 튜브들(268)의 외부 표면들 사이의 접촉을 개선시킨다.
제 2 열교환기(202)에서, 열은 열펌프(200)의 제 1 스테이지로부터 열펌프(200)의 제 2 스테이지로 전달된다. 열펌프(200)의 제 2 스테이지의 압축기(216)는 열펌프 증발기, 즉, 제 2 열교환기(202)와 제 3 열교환기(214)의 형태의 열펌프 응축기 사이로 열펌프(200)의 제 2 스테이지의 냉각 매체를 운반한다. 열펌프(200)의 제 1 및 제 2 스테이지는 암모니아-물과 같은 동일한 유형의 냉각 매체, 또는 2가지 상이한 냉각 매체를 이용한다.
열펌프(200)가 히트싱크, 즉, 보일러수로 열을 방출시키기 전에 2개의 스테이지들에서 응축기(212)에 흡수되는 열의 온도를 증가시키는 2-스테이지 열펌프라는 사실로 인해, 제 3 열교환기(214)에서 소비된 보일러수를 제 3 열교환기(214)의 유입구에서의 예를 들어 25℃의 보일러수 온도로부터 제 3 열교환기(214)의 유출구에서의 예를 들어 150℃의 보일러수 온도로 가열하는 것이 가능하다. 따라서, 수증기의 응축으로 인해 응축기(212)에서 생성되는 열은 보일러(2)로 전달되어, 보일러 시스템(1)의 에너지 경제를 개선시킨다.
도 4와 관련하여 본원에 기술된 2-스테이지 열펌프(200)에 대한 대안으로서, 보일러수의 온도의 적합한 증가를 달성하기 위해 열펌프들의 다른 유형들 및 조합물을 이용하는 것이 또한 가능해진다. 이 점에서 유용할 수 있는 열펌프의 하나의 유형은 그 자체로 공지된 이산화탄소 흡수 열펌프이며, 이의 일례는 US 6,374,630에 예시되어 있다.
온도 센서(226)는 응축기(212)의 하류에서 덕트(62) 내에 제공된다. 온도 센서(226)는 응축기(212)에서 배출되는 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스의 온도를 측정한다. 제어 디바이스(228)는 온도 센서(226)로부터의 온도 신호를 수신하기 위해 제공된다. 제어 디바이스(228)는 온도 센서(226)에 측정되는 바와 같은 온도를 온도 설정값과 비교하도록 작동한다. 이러한 온도 설정값은 예를 들어, 10℃의 가스 온도일 수 있으며, 이는 응축기(212)에서 배출되는 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스 중의 1.3 용적%의 수증기 농도에 상응한다. 상기 비교에 근거하여, 제어 디바이스(228)는 열펌프(200)의 압축기(206) 및/또는 압축기(216)의 작동을 제어하도록 작동한다. 따라서, 예를 들어, 온도 센서(226)에 의해 측정되는 온도가 온도 설정값보다 높은 12℃인 경우, 제어 디바이스(228)는 압축기들(206, 216) 중 하나 또는 둘 모두에 가스 내로 가해지는 전력을 증가시키도록 명령한다. 압축기(206) 및/또는 압축기(216)의 이러한 제어의 효과는 열펌프(200)에 의해 응축기(212)로부터 파이프(220) 내의 열전달 매체로 전달되는 열의 양이 증가되어, 응축기(212) 내의 이산화탄소 농후 연도 가스의 증가된 냉각을 발생시킨다는 점이다. 따라서, 제어 디바이스(228)는 덕트(62)를 통해 응축기(212)에서 배출되는 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스가 일정하고 낮은 수증기 함량을 갖는 방식으로 열펌프(200)를 제어하도록 작동한다.
대안적 실시예에서, 수증기 농도 센서(227)가 제공될 수 있으며, 제어 디바이스(228)가 센서(227)에 의해 측정되는 바와 같은 측정된 수증기 농도와 예를 들어 1.3 용적%의 수증기일 수 있는 수증기 농도 설정값의 비교에 근거하여 열펌프(200)의 작동을 제어한다.
부분적으로 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스의 냉각의 결과로서, 연도 가스의 수증기 함량의 일부의 응축이 탑(266)에서 일어날 것이다. 이러한 응축을 통해 생성되는 액체 물 응축물은 튜브들(268)을 통해 하향으로 흐르고, 탑(266)의 하부에서 끝날 것이다. 응축물은 응축물을 예를 들어 보급수로서 세정 집진기(10)로 그리고 도 1과 관련하여 상기 설명된 바와 같이 처리를 위해 운반하는 파이프(54)를 통해 탑(266)에서 배출된다. 튜브들(268)의 내측에서의 물의 응축은 부분적으로 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스의 이산화황 함량의 적어도 일부를 포착할 물 박무의 생성을 발생시킬 것이다. 더욱이, 에어로졸 입자들이 이러한 응축의 효과로서 성장할 수 있다. 따라서, 파이프(54)를 통해 탑(266)에서 배출되는 액체 응축물은 일부 포착된 이산화황, 및 일부 포착된 에어로졸을 함유할 것이다. 임의적으로, 액체 물 응축물의 일부는 재순환되어 튜브들(268)을 통해 한번 더 통과할 수 있다. 이러한 재순환은 도 4에서 점선으로 도시한 파이프(253), 및 도시되지 않은 펌프에 달성될 수 있다. 도 2에 도시된 유형의 pH-제어 디바이스는 또한 재순환된 응축물의 pH-값을 4~6.5의 pH로 제어하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 재순환의 용도는 튜브들(268)을 통해 흐르는 연도 가스를 증가량의 액체와 접촉시킴으로써 이산화황과 같은 오염물질들의 제거를 증가시키는 것이다. 박무 분리장치(272)는 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스가 덕트(62)를 통해 탑(266)에서 배출되기 전에 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스로부터 응축물 방울들을 제거하기 위해 탑(266)의 하부에 배열된다.
대안적 실시예에 따라, 열펌프(200)는 예를 들어 보일러(2)인 제 1 히트싱크 및 상기 제 1 히트싱크(2)로부터 분리되는 제 2 히트싱크(234)에 열을 방출시키도록 작동할 수 있다. 이를 위해, 추가의 열교환기(230)는 도 4에 도시된 바와 같이 열펌프(200)의 제 2 스테이지의 냉각 매체를 냉각시키기 위해 배열될 수 있다. 물일 수 있는 추가의 열전달 매체는 열교환기(230)와 냉각탑(234)의 형태를 갖는 제 2 히트싱크 사이의 파이프(232)에서 순환되어, 열전달 매체가 A에 의해 나타낸 주변 공기와 접촉함으로써 냉각된다. 추가의 열교환기(230)는 열펌프(200)의 제 2 스테이지에서 냉각 매체의 흐름의 방향에 대해 관찰하여 열펌프(200)의 제 3 열교환기(214)의 하류 및 스로틀 밸브(218)의 상류에 배열되며, 제 3 열교환기(214)에서 보일러(2)에 전달될 수 없는 열로 인해 후기 냉각기로서 작동한다. 따라서, 추가의 열교환기(230) 및 냉각탑(234)은 응축기(212)에서 순환하는 냉각 액체의 추가의 냉각을 제공한다.
상기 설명된 실시예들의 많은 변수가 첨부하는 특허청구의 범위 내에서 가능함이 인지될 것이다.
상기에서, 연도 가스 응축기에서 배출되는 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스의 수증기 농도에 관한 파라미터가 도 3에 도시된 온도 센서(126)에 의해 측정하여 연도 가스 응축기에 유입되는 냉각 액체의 온도, 도 4와 관련하여 도시된 온도 센서(226)에 의해 측정하여 연도 가스 응축기(212)에서 배출되는 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스의 온도 또는 도 4와 관련하여 도시된 수증기 농도 센서(227)에 의해 측정하여 연도 가스 응축기(212)에서 배출되는 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스의 실제 수증기 농도일 수 있음이 설명되었다. 또한, 연도 가스 응축기에서 배출되는 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스 중의 수증기의 농도를 직접 또는 간접적으로 측정하기 위해 이용될 수 있는 다른 파라미터들이 있다. 예를 들어, 열펌프(100, 200)에서 순환하는 냉각 매체의 온도, 냉각탑 위의 공기 온도차, 단위 시간당 연도 가스 응축기(12, 212)에서 배출되는 응축수의 양 등을 측정하는 것이 가능해진다. 따라서, 연도 가스 응축기에서 배출되는 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스의 수증기 농도는 다양한 방식으로 직접 및 간접적으로 측정될 수 있다.
상기에서, 제어 디바이스(128, 228)가 압축기(106) 및 펌프(108), 및 압축기들(206, 216)의 작동을 각각 제어함으로써 열펌프(100, 200)의 작동을 제어함이 설명되었다. 제어 디바이스(128, 228)가 냉각 매체 운반 디바이스들 중 단지 하나를 제어하는 것이 가능해진다. 따라서, 제어 디바이스(128)는 압축기(106) 및/또는 펌프(108)를 제어할 수 있고, 제어 디바이스(228)는 압축기(206) 및/또는 압축기(226)를 제어할 수 있다. 더욱이, 제어 디바이스(128, 228)는 예를 들어 각각의 히트싱크의 작동을 제어함으로써 다른 방식으로 열펌프(100, 200)를 각각 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어 디바이스(128)는 냉각탑(124)의 작동을 제어할 수 있다. 따라서, 연도 가스 응축기(12)에서 냉각에 대한 필요성이 증가하는 경우에, 제어 디바이스(128)는 명료함을 위해 냉각탑(124)의 도 3에 도시되지 않은 팬에 이의 속도를 증가시켜서 열펌프(100)의 냉각 매체의 냉각을 증가시키도록 명령할 수 있다.
상기에서, 도 3과 관련하여, 히트싱크가 냉각탑임이 설명되었다. 지역 난방 시스템들, 열전달 매체가 순환되는 호수 및 바다 등을 포함하는 다른 유형의 히트싱크들이 또한 이용될 수 있음이 설명되었다.
상기에서, 도 4와 관련하여, 히트싱크가 보일러(2)의 보일러수임이 설명되었다. 연도 가스 응축기(212) 및 연도 가스 응축기(12)에서 생성되는 열이 또한 공정의 다른 부분들에 이용될 수 있음이 인지될 것이다. 예를 들어, 응축기(12 또는 212)에 의해 생성되고 열펌프(100 또는 200)에 의해 더 높은 온도 수준으로 변환되는 열은 산소 가스 공급원(18)에서 생성되는 산소 가스를 이러한 가스를 보일러(2)에 도입하기 전에 가열하기 위해 이용될 수 있다. 더욱이, 응축기(12 또는 212)에서 생성되는 열은 도 1과 관련하여 상기에 도시된 바와 같이 세정 집진기(10)에서 배출되고 덕트(22)를 통해 보일러(2)에 전달되는 재순환된 부분적으로 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스를 이러한 재순환 가스가 보일러(2)에 도입되기 전에 가열하기 위해 이용될 수 있다. 추가의 가능성은 가스 처리 장치(64) 또는 공기 분리 플랜트(18)로부터의 다양한 배출 가스들을 이러한 배출 가스들을 대기로 방출시키기 전에 재가열할 때에, 응축기(12, 212)에서 생성되고 열펌프(100, 200)에 의해 더 높은 온도 수준으로 변환되는 열을 이용하는 것이다.
상기에서, 열펌프(100)에 대한 히트싱크가 냉각탑(124)이고, 열펌프(200)에 대한 히트싱크가 보일러(2)임이 설명되었다. 하나의 열펌프에 수개의 히트싱크들, 즉 동일한 유형의 히트싱크들 및 상이한 유형의 히트싱크들 둘 모두가 제공될 수 있음이 인지될 것이다. 상이한 유형의 히트싱크들의 일례는 도 4와 관련하여 설명되었으며, 여기에서 열펌프(200)는 보일러(2) 및 냉각탑(234) 둘 모두에 열을 방출시킨다. 히트싱크들의 다른 조합들이 또한 가능하다. 예를 들어, 제 1 히트싱크로서 독특한 가열 시스템 및 제 2 히트싱크로서 냉각탑을 이용하는 열펌프를 제공하는 것이 가능해진다.
상기에서, 제 2 가스 청정 디바이스가 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스를 냉각 액체와 직접 냉각시키는 충전재(68)를 갖는 응축기(12), 또는 부분적으로 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스를 냉각 액체에 의해 간접적으로 냉각시키는 튜브들(268)을 갖는 응축기(212)임이 설명되었다. 냉각 액체를 살포 노즐들에 의해 살포하고, 후속적으로 부분적으로 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스와 직접 접촉시키는 개방 분무탑을 포함하는 다른 유형의 응축기들이 또한 이용될 수 있음이 인지될 것이다.
요약하면, 가스 청정 시스템(8)은 산소 가스를 함유하는 가스의 존재 하에 연료를 연소시키는 보일러(2)에서 생성되는 이산화탄소 농후 연도 가스로부터 수증기를 제거하도록 작동한다. 청정 시스템(8)은 이산화탄소 농후 연도 가스를 순환 냉각 액체와 접촉시켜서 보일러에서 배출되는 이산화탄소 농후 연도 가스보다 낮은 농도의 수증기를 갖는 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스를 생성시킴으로써 보일러(2)에서 생성되는 이산화탄소 농후 연도 가스의 적어도 일부로부터 물을 응축시키도록 작동한다. 가스 청정 시스템(8)은 제 1 온도에서 냉각 액체로부터 열을 흡수하고 제 1 온도보다 높은 제 2 온도에서 히트싱크(124)로 열을 방출시키도록 작동하는 열펌프(100)를 포함한다.
본 발명이 많은 바람직한 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면서, 다양한 변화가 이루어질 수 있고, 이들의 요소에 대해 등가물이 대체될 수 있음이 당업자들에 의해 이해될 것이다. 또한, 발명의 본질적 범위로부터 벗어나지 않으면서 특정 상황 또는 소재를 발명의 교시에 맞추도록 많은 변형이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 발명을 수행하기 위해 고려되는 최선의 방식으로 기술된 특정 실시예로 제한되지는 않지만, 첨부한 청구항들의 범위 내에 있는 모든 실시예들을 포함할 것으로 의도된다. 더욱이, 용어 제 1, 제 2 등의 사용은 임의의 순서 또는 중요성을 나타내지 않으며, 오히려, 용어 제 1, 제 2 등은 하나의 요소를 또 다른 요소로부터 구별하기 위해 사용된다.
(1) 보일러 시스템 (2) 보일러
(6) 전기 집진기 (8) 가스 청정 시스템
(10) 세정 집진기 (12),(212) 연도 가스 응축기
(64) 가스 처리 장치 (76) 제 1 열교환기
(78) pH-센서 (80) 제어 장치
(88) 열교환기 (100),(200) 열펌프
(102),(202) 제 2 열교환기 (104) 가스-액체 분리기
(106),(206),(216) 압축기 (110),(210),(218) 스로틀 밸브
(108) 액체 펌프 (124),(134) 냉각탑
(126),(226) 온도 센서 (128),(228) 제어 디바이스
(130) 열교환기 (214) 제 3 열교환기
(227) 수증기 농도 센서 (272) 박무 분리장치

Claims (16)

  1. 산소 가스를 함유하는 가스의 존재 하에 연료를 연소시키는 보일러에서 생성되는 이산화탄소 농후 연도 가스로부터 수증기를 제거하는 방법으로서,
    상기 보일러에서 생성되는 이산화탄소 농후 연도 가스의 적어도 일부를 연도 가스 응축기로 전달하는 단계;
    상기 연도 가스 응축기에서, 상기 이산화탄소 농후 연도 가스를 순환 냉각 액체와 접촉시켜 상기 이산화탄소 농후 연도 가스로부터 물을 응축시킴으로써 상기 이산화탄소 농후 연도 가스를 냉각시키고, 그에 따라 상기 보일러에서 배출되는 상기 이산화탄소 농후 연도 가스보다 낮은 농도의 수증기를 갖는 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스를 생성시키는 단계; 및
    제 1 온도에서 냉각 액체로부터 열을 흡수하고 또한 상기 제 1 온도보다 높은 제 2 온도에서 히트싱크(heat sink)로 열을 방출시키기 위해 열펌프를 사용하는 단계를 포함하는, 이산화탄소 농후 연도 가스로부터 수증기를 제거하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 연도 가스 응축기에서 배출되는 상기 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스의 상기 수증기 농도에 관한 파라미터를 측정하고, 상기 파라미터에 대한 설정값과 비교하는, 이산화탄소 농후 연도 가스로부터 수증기를 제거하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 열펌프의 작동은 상기 연도 가스 응축기에서 배출되는 상기 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스의 상기 수증기 농도에 관한 파라미터의 측정된 값과 상기 파라미터에 대한 설정값 사이의 비교에 근거하여 제어되는, 이산화탄소 농후 연도 가스로부터 수증기를 제거하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 이산화탄소 농후 연도 가스는 상기 연도 가스 응축기에서 상기 냉각 액체와 직접 접촉하게 되는, 이산화탄소 농후 연도 가스로부터 수증기를 제거하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 이산화탄소 농후 연도 가스는 상기 냉각 액체에 의해 상기 연도 가스 응축기에서 간접적으로 냉각되는, 이산화탄소 농후 연도 가스로부터 수증기를 제거하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 이산화탄소 농후 연도 가스를 상기 연도 가스 응축기에서 간접적으로 냉각시키는 상기 냉각 액체는 또한 상기 열펌프의 냉각 매체로서 사용되는, 이산화탄소 농후 연도 가스로부터 수증기를 제거하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각 액체는 0~35℃의 온도, 바람직하게는 0~20℃의 온도에서 상기 연도 가스 응축기에 공급되는, 이산화탄소 농후 연도 가스로부터 수증기를 제거하는 방법.
  8. 산소 가스를 함유하는 가스의 존재 하에 연료를 연소시키는 보일러에서 생성되는 이산화탄소 농후 연도 가스로부터 수증기를 제거하도록 작동되는 가스 청정 시스템으로서,
    상기 가스 청정 시스템은 상기 이산화탄소 농후 연도 가스를 순환 냉각 액체와 접촉시킴으로써 상기 보일러에서 생성되는 상기 이산화탄소 농후 연도 가스의 적어도 일부로부터 물을 응축시켜서 상기 보일러에서 배출되는 상기 이산화탄소 농후 연도 가스보다 낮은 농도의 수증기를 갖는 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스를 생성시키도록 작동하는 연도 가스 응축기를 포함하고, 상기 가스 청정 시스템은 제 1 온도에서 상기 냉각 액체로부터 열을 흡수하고, 제 1 온도보다 높은 제 2 온도에서 히트싱크로 열을 방출하도록 작동하는 열펌프를 추가로 포함하는, 가스 청정 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 가스 청정 시스템은 상기 연도 가스 응축기에서 배출되는 상기 청정된 이산화탄소 농후 연도 가스의 수증기 농도에 관한 파라미터를 측정하도록 작동되는 센서, 및 상기 파라미터의 측정된 값과 상기 파라미터의 설정값의 비교의 관점에서 상기 열펌프의 작동을 제어하도록 작동되는 제어 디바이스를 추가로 포함하는, 가스 청정 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 히트싱크는 냉각탑을 포함하는, 가스 청정 시스템.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 히트싱크는 상기 보일러를 포함하는, 가스 청정 시스템.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 순환 냉각 액체를 냉각시키기 위해 상기 열펌프와 연속으로 열교환기 및 히트싱크가 추가로 제공되는, 가스 청정 시스템.
  13. 제 8항에 있어서, 상기 열펌프는 제 1 히트싱크 및 상기 제 1 히트싱크로부터 분리된 제 2 히트싱크에 열을 방출시키도록 작동하는, 가스 청정 시스템
  14. 제 8 항에 있어서, 상기 열펌프는 연속으로 배열된 적어도 2개의 열펌프 스테이지들을 포함하는, 가스 청정 시스템.
  15. 제 8 항에 있어서, 상기 열펌프는 암모니아-물 흡수 열펌프들 및 이산화탄소 열펌프들을 포함하는 열펌프들의 군으로부터 선택되는 유형의 열펌프인, 가스 청정 시스템.
  16. 제 8 항에 있어서, 상기 연도 가스 응축기는 간접 냉각 응축기이며, 상기 연도 가스 응축기는 상기 열펌프에서 순환되는 냉각 매체가 증발되도록 하는 열펌프 증발기로서 작용하도록 작동하는, 가스 청정 시스템.
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