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문제 정의
- 본 논문에서는 C6해양지중저장 처리를 위한 세부 공정 설계 시 상태방정식 계산결과 간의 비교 및 영향 평가를 위하여 순수 단일성분 C6와 순산소 연소석탄화력발전소에서 포집된 CO2 혼합 물의 압축 및 수송거동을 분석하였다. 이를 통해 CO 해양지중저 장처리를 위한 압축 및 수송공정 설계 시 유용한 열역학 상태방 정식을 제안하였다.
가설 설정
- 의 열역학적 조건을 바꾸어가며 압력강하 계산을 수행하였다. 계산 조건은 Table 3에 도시한 바와 같으며, 파이프라인 수송시스 템과 외부와의 열전달은 무시 즉, 단열(Adiabatic) 조건을 가정하였다.
- 압축공정 영향평가를 위한 계산 수행 시 총 5단으로 구성된 압 축스테이션 입구에서 C6의 열역학적 상태는 온도 25℃ 압력 1 bar의 기상을 가정하였으며, 각 압축기는 일반적인 CO압축기의 설계조건인 압축비 (Compression ratio) 3, 효율(Polytropic efficiency) 80%로 가정하였다. 이와 같은 조건 하에서 COj의 유량을 41660 kg/hi부터 208300kg/hr까지 변화시켜가며 계산을 수행하였으며, 압축기 최종단인 5단에서의 압축기에 필요한 일(Work)과 최종 배출온 도를 40 °C로 유지하기 위한 최종단 냉각기의 열량을 Fig.
제안 방법
- (3) 순산소 연소 석탄 화력발전소에서 포집된 C6 혼합물을 대 상으로 열역학 상태방정식의 선정이 압축공정 설계에 미치는 영향 평가를 수행하였다. PR 계열의 PRBM 식과 BWRS 식이 8bar 이 상의 압력, 30 °C 내외의 온도 영역에서 CO2 혼합물을 서로 다른 상태로 예측하는 계산결과를 보였다.
- CO2해양지중저장 처리공정에서 수행되는 압축, 수송과 같은 일련의 공정을 열역학 상태방정식을 이용하여 수치 모델링하고, 이를 이용하여 실제 처리공정에서 일어나는 상황을 묘사함으로서 CO2 의 상태량, 압축 및 수송 운전조건을 설정한다. 따라서 신뢰할 수 있고 안전성이 확보된 CO2해양지중저장 처리 시스템을 구축하기 위해서는 적절한 상태방정식을 선정하여 일련의 세부 공정을 모델링하는 공정설계가 매우 중요하다.
- 7의 압축 스^이션 각 유동 지점에서의 온도、압력, 기상의 분율(Vapor fraction) 그리고 질량유량(Mass flow rate)을 나타내었다. PRBM 식이 각 단에서의 온도, 압력을 적절히 예측함에 반하여 BWRS 식은 압축스 테이션 입구조건인 온도 2UC, 압력 1 bar에서 주어진 CO2 혼합물을 액상으로 예측하였다. 액상의 C6 혼합물이 1단 압축기에서 가압되어 온도가 상승하고 이로 인해 기상으로 바뀌고, 냉각기를 거쳐 온도가 저하됨으로 다시 액상으로 상변화 하였다.
- 대규모 CO2 파이프라인 수송시스템의 설계에 있어 상태방정식이 수송공정에 미치는 영향을 평가하기 위하여 파이프라인 입구 CO2의 열역학적 조건을 바꾸어가며 압력강하 계산을 수행하였다. 계산 조건은 Table 3에 도시한 바와 같으며, 파이프라인 수송시스 템과 외부와의 열전달은 무시 즉, 단열(Adiabatic) 조건을 가정하였다.
- 5와 같이 구성하였다. 또한, C6를 2단 압축기와 냉각기를 통과한 후 60 bar, 15로 유지하였고, 주입공정은 펌프를 이용하여 80-150 bar 의 압력으로 가압하여 수행되었다.
- 압축스테이션 각 압축단의 필요일량을 낮추기 위해 중간냉각기(Inter-cooler)를 이용하여 각 단 흡입부(Suction)의 온도를 30로 냉각시키고 있다. 또한, 수분으로 인한 부식문제를 억 제하기 위하여 각 압죽단의 중간에 수분분리기 (Separator)를 설치 하였다. 압죽공정의 최종 유동 구간(Stream 4 in Fig.
- 즉, 적절한 상태방정식을 이용하여 CO2해양 지중저장 처리를 위한 압축 및 수송공정 등을 설계하고, 상태방정 식이 관련 공정에 미치는 영향을 정확히 파악하는 것은 신뢰성이 확보된 CO2 해양지중저장 처리 시스템을 설계하는데 필수적이다. 본 논문에서는 선행 연구결과인 허철과 강성길[2008]에서 비교 분석한 상태방정식 5개(이상기체 상태방정식, BWRS 식, PR 식, PRBM 식 그리고 SRK 식)에 대한 결과를 이용하여 열역학 상태 방정식이 압축 및 수송공정의 설계에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위하여 순수 단일성분 co와 순산소 연소 석탄 화력발전소에서 포집된 CO2 혼합물의 압축 및 수송거동을 분석하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
- 본 논문의 선행 연구결과로 허철과 강성길[2008]에 기술한 바와 같이 수치계산을 이용하여 상태방정식을 비교 분석하였고, 이를 통해 C6 해양지중저장 공정 설계 시 유용한 열역학 상태방정식을 제안하였다. 즉, 이상기체 상태방정식을 포함하여 비리얼 상태방정 식 중 Benedict-Webb-Rubin-Starling 상태방정식 (Benedict et al.
- 비응축가스의 영향을 분석하기 위하여 Table 1의 case 2와 같이 비응축가스의 구성비를 낮추어 계산을 수행하였다. 즉, Case 2에서 비응축가스의 조성을 각각 0.
- 즉, 이상기체 상태방정식을 포함하여 비리얼 상태방정 식 중 Benedict-Webb-Rubin-Starling 상태방정식 (Benedict et al. [1940], 이하, BWRS 식, 으로 약칭), 3차의 상태방정식 중 Peng- Robinson 상태방정식(Peng and Robinson[1976], 이하 'PR 식 '으로 약칭), Peng-Robinson-Boston-Mathias 상태방정식(Boston and Mathias[1980], 이하 TRBM 식 '으로 약칭), Soave-Redlich-Kwong 상태방정식(Redlich and Kwong[1949], Soave[1972], 이하, SRK 식, 으로 약칭) 등 총 5개의 상태방정식을 대상으로 C6해양지중 저장 공정설계를 위하여 CO?상태량(Properties)에 대한 비교 분석 을 수행하였다. 이를 통해 31.
- 순수 CO2가 아닌 불순물이 혼합된 경우의 압축공정 영향평가를 위하여 순산소 연소시스템에서 포집된 CQ 혼합물을 대상으로 열역학 상태방정식의 선절이 압축공정 설계에 미치는 영향 평가를 수행하였다. 이를 위해 Table 1에 도시한 바와 같이 IPCC 특별보고세2005]에 제시된 순산소 연소 석탄 회력발전소에서 포집된 CO2 혼합물의 조성 (Composition)을 이용하여 Case 1을 계산하였다.
- 본 논문에서는 선행 연구결과인 허철과 강성길[2008]에서 비교 분석한 상태방정식 5개(이상기체 상태방정식, BWRS 식, PR 식, PRBM 식 그리고 SRK 식)에 대한 결과를 이용하여 열역학 상태 방정식이 압축 및 수송공정의 설계에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위하여 순수 단일성분 co와 순산소 연소 석탄 화력발전소에서 포집된 CO2 혼합물의 압축 및 수송거동을 분석하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
- 순수 CO2가 아닌 불순물이 혼합된 경우의 압축공정 영향평가를 위하여 순산소 연소시스템에서 포집된 CQ 혼합물을 대상으로 열역학 상태방정식의 선절이 압축공정 설계에 미치는 영향 평가를 수행하였다. 이를 위해 Table 1에 도시한 바와 같이 IPCC 특별보고세2005]에 제시된 순산소 연소 석탄 회력발전소에서 포집된 CO2 혼합물의 조성 (Composition)을 이용하여 Case 1을 계산하였다.
- 혼합 물의 압축 및 수송거동을 분석하였다. 이를 통해 CO 해양지중저 장처리를 위한 압축 및 수송공정 설계 시 유용한 열역학 상태방 정식을 제안하였다.
- 의 열역학적 상태는 온도 25℃ 압력 1 bar의 기상을 가정하였으며, 각 압축기는 일반적인 CO압축기의 설계조건인 압축비 (Compression ratio) 3, 효율(Polytropic efficiency) 80%로 가정하였다. 이와 같은 조건 하에서 COj의 유량을 41660 kg/hi부터 208300kg/hr까지 변화시켜가며 계산을 수행하였으며, 압축기 최종단인 5단에서의 압축기에 필요한 일(Work)과 최종 배출온 도를 40 °C로 유지하기 위한 최종단 냉각기의 열량을 Fig. 8와 Fig. 9에 각각 도시하였다. 이상기체 상태방정식은 타 상태방정식 보다 압축기일은 높게 냉각기 열량은 적게 계산하였다.
- 비응축가스의 영향을 분석하기 위하여 Table 1의 case 2와 같이 비응축가스의 구성비를 낮추어 계산을 수행하였다. 즉, Case 2에서 비응축가스의 조성을 각각 0.1%로 낮추고 C6의 조성을 95.79% 에서 99.19%로 증가시켜 비응축가스가 압축공정에 미치는 영향을 최소화하여 계신을 수행하였다. Table 2에 도시된 바와 같이 BWRS 식은 압축스테이션 입구조건인 온도 25 ℃, 압력 1 bai에서 변경된 조성의 CQ 혼합물을 기상으로 예측하였다.
- 상태가 상이하다는 것이다. 즉, Sleipner 압축공정에서는 다단 압축기 입구에서 출구까지 C02 를 기상으로 유지하는 반면에, Snohvit 압축공정에서는 압축기에서 가압된 C02를 충분히 저온까지 냉각시킴으로써 높은 밀도를 지니도록 하였다. 이는 Snohvit 프로젝트의 저장지가 압축설비에서 멀 리 떨어져 있는데 반하여 Sleipner 프로젝트의 압축공정은 저장지 바로 상단부에서 이루어지는데 기인한 것이다(허철 등[2008a]).
이론/모형
- 따라서 신뢰할 수 있고 안전성이 확보된 CO2해양지중저장 처리 시스템을 구축하기 위해서는 적절한 상태방정식을 선정하여 일련의 세부 공정을 모델링하는 공정설계가 매우 중요하다. 본 논문에서는 선행 연구결과인 허철과 강성길[2008]에서 선정된 5개의 상태방정식을 이용하여 대규모 C6해양지중저장 처리를 위한 포집 후 압축 및 수송공정 설계에 대한 영향 평가를 Aspen plus 2006을 이용하여 계산하였다.
성능/효과
- (1) 순수 CO2의 압축공정에서 이상기체 상태방정식은 타 상태방 정식보다 압축기일은 높게 냉각기 열량은 적게 계산하였다. 이는 이상기체 상태방정식이 타 상태방정식과 비교하여 밀도와 비열 등 을 적절히 예측하지 못함에 기인한 것이다.
- (2) 유량이 증가할수록 미세한 차이가 있지만 BWRS 식, PR 식, PRBM 식 그리고 SRK 식 모두 순수 CO?의 압축공정에서 유사한 계산결과를 나타내었다. 이로부터 순수 CO의 압축공정에 필요한 일량의 계산에 있어 상태방정식의 선정이 큰 영향을 미치지 못하 는 반면에 압축공정의 주요 변수인 유량, 압축비 등의 적절한 설계 가 매우 중요함을 도출하였다.
- (5) CQ 혼합물의 수송공정 모사에서 25 °C, 100 bar의 BWRS 계 산결과가 압력강하를 가장 높게 평가하고, 25 °C, 100 bar의 PRBM 계산결과가 압력강하를 가장 낮게 평가하였다. 이는 파이프라인 수 송관 내 온도가 임계온도보다 낮은 영역에서 BWRS 식이 CCh 혼합물의 단상에서 이상으로의 천이를 예측하는데 어려움이 있는데 기인한 것이다.
- Table 2에 도시된 바와 같이 BWRS 식은 압축스테이션 입구조건인 온도 25 ℃, 압력 1 bai에서 변경된 조성의 CQ 혼합물을 기상으로 예측하였다. 그러나 3단 압축된 24.5 bar의 CO혼합물을 냉각기를 거친 후 액상으로 계산하여 case 1과 유사하게 4단기-액 분리기에서 액상이 기상으로 바뀌지 못하고 하부의 액상 배출구로 모두 배출되는 계산결과를 보였다. 이에 반하여 PRBM 식은 case 1과 마찬가지로 각 단에서의 온도, 압력을 적절히 예측하였다.
- [1940], 이하, BWRS 식, 으로 약칭), 3차의 상태방정식 중 Peng- Robinson 상태방정식(Peng and Robinson[1976], 이하 'PR 식 '으로 약칭), Peng-Robinson-Boston-Mathias 상태방정식(Boston and Mathias[1980], 이하 TRBM 식 '으로 약칭), Soave-Redlich-Kwong 상태방정식(Redlich and Kwong[1949], Soave[1972], 이하, SRK 식, 으로 약칭) 등 총 5개의 상태방정식을 대상으로 C6해양지중 저장 공정설계를 위하여 CO?상태량(Properties)에 대한 비교 분석 을 수행하였다. 이를 통해 31.1 °C 이상의 초임계 상태에서 이상기 체 상태방정식 및 SRK 식의 사용이 적절치 않음을 확인하였으며, C6 해양지중저장기술의 저장지 조건인 고온(31.1 °C 이상)과 고압 (73.9bar 이상)의 초임계 상태(Supercritical state)에서 PR 식, PRBM 식 그리고 BWRS 식이 열역학 상태량을 비교적 잘 예측하므로, 초 임계 조건의 공정 설계 시 이들 상태방정식 사용이 적절함을 예측 하였다. 또한, BWRS 식이 상온 근처인 23.
후속연구
- 본 연구에서는 단열조건을 가정하여 계산을 수행하였으나 실제 파이프라인 수송시스템과 외부와의 열전달이 있는 경우 상변화 (Phase change)에 의한 상태 천이에 대한 보다 면밀한 검토가 이 루어져야 한다. 즉, 동일 압력에서 이송 중 C6로부터 외부로의 열손실에 의한 온도 강하는 기상에서 기 -액 혼합물 또는 초임계 상태에서 액상으로의 상변화를 유발시킬 수 있다.
- 즉 포집된 CO2와 산소, 질소, 아르곤 등의 비응축가스 그리고 수분 등 간의 상호작용에 대한 비교계산과 검증이 필요하다. 이에 대한 상태방정식의 분석, 실험값과의 비교평가 그리고 이것이 CO2 해양 지중저장 처리의 세부 공정에 미치는 영향평가는 추후 별도의 논문을 통하여 발표될 것이다.
- 혼합물에 대한 상태방정식의 정확한 비교 분석 평가를 위해서는 상태방정식 내부에 모델링된 구성 분자간의 이성분 매개변수(Binary parameter) 에 분석이 수행되어야 한다. 즉 포집된 CO2와 산소, 질소, 아르곤 등의 비응축가스 그리고 수분 등 간의 상호작용에 대한 비교계산과 검증이 필요하다. 이에 대한 상태방정식의 분석, 실험값과의 비교평가 그리고 이것이 CO2 해양 지중저장 처리의 세부 공정에 미치는 영향평가는 추후 별도의 논문을 통하여 발표될 것이다.
- 혼합물이 단상에서 이상으로의 천이하는 영 역에서의 상태방정식 거동을 면밀히 검토하여야 한다. 특히, BWRS 식은 순수 CO의 임계온도 근처인 29.85, 임계압력 근처인 60~80bar사이의 영역에서 밀도를 예측하는데 문제점이 있고, NO, Ar 그리고 Ch등 에 대하여 적용 불가능한 영역이 많은 것으로 알 려져 있으므로 이에 대한 면밀한 검증이 필요하다.
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