이산화탄소 포집 및 저장 기술 중에서 수송 단계를 위한 전처리 과정인 초임계 압축 및 액화 공정에 대해서 압축 방법에 따른 에너지와 그 때의 비용의 평가가 이루어졌다. 이산화탄소를 초임계상까지 직접 압축하는 경우(공정 1-1), 액화 후 펌프로 초임계상을 만드는 경우(공정 1-2), 이산화탄소의 가압 팽창으로 액화하는 경우(공정 2), 다른 냉매를 사용하면서 그 냉매를 가압, 팽창으로 얻는 경우(공정 3-1), 냉매를 흡수 냉각법으로 얻는 경우(공정 3-2), 캐스케이드 방법을 사용한 경우(공정 4)에 대해서 각각 공정 모사되었으며 그 때의 비용이 평가되었다. 비용은 $4~7/ton으로 추정된다.
이산화탄소 포집 및 저장 기술 중에서 수송 단계를 위한 전처리 과정인 초임계 압축 및 액화 공정에 대해서 압축 방법에 따른 에너지와 그 때의 비용의 평가가 이루어졌다. 이산화탄소를 초임계상까지 직접 압축하는 경우(공정 1-1), 액화 후 펌프로 초임계상을 만드는 경우(공정 1-2), 이산화탄소의 가압 팽창으로 액화하는 경우(공정 2), 다른 냉매를 사용하면서 그 냉매를 가압, 팽창으로 얻는 경우(공정 3-1), 냉매를 흡수 냉각법으로 얻는 경우(공정 3-2), 캐스케이드 방법을 사용한 경우(공정 4)에 대해서 각각 공정 모사되었으며 그 때의 비용이 평가되었다. 비용은 $4~7/ton으로 추정된다.
Energy and cost analysis of the preprocessing for carbon capture and storage transportation such as supercritical compression and liquefaction is done using chemical simulation model. Direct compression to supercritical phase (process 1-1), liquefaction and pumping (process 1-2), carbon dioxide comp...
Energy and cost analysis of the preprocessing for carbon capture and storage transportation such as supercritical compression and liquefaction is done using chemical simulation model. Direct compression to supercritical phase (process 1-1), liquefaction and pumping (process 1-2), carbon dioxide compression and expansion as a refrigerant itself (process 2), usage of other refrigerant with compression and expansion (process 3-1), with absorption chiller (process 3-2), cascade refrigeration (process 3-2) have been simulated and evaluated. The specific cost is about 4 to 7 $/ton.
Energy and cost analysis of the preprocessing for carbon capture and storage transportation such as supercritical compression and liquefaction is done using chemical simulation model. Direct compression to supercritical phase (process 1-1), liquefaction and pumping (process 1-2), carbon dioxide compression and expansion as a refrigerant itself (process 2), usage of other refrigerant with compression and expansion (process 3-1), with absorption chiller (process 3-2), cascade refrigeration (process 3-2) have been simulated and evaluated. The specific cost is about 4 to 7 $/ton.
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문제 정의
보령 화력발전소를 기준으로 사용 가능한 해수의 수온 및 기온의 온도는 Table 3과 같다. 열교환기에서의 MITA를 고려하여 평균온도는 15℃, 최고 온도는 35.6℃를 기준으로 하여 고온기(Worst case scenario)에도 적용 가능한 공정을 만드는 것을 목표로 한다. 최종 생산물에서의 물의 함량은 DYNAMIS 의 기준에 따라 500 ppm 미만[11]으로 했다.
가설 설정
Project year는 20년으로 했다. 그렇게 해서 이산화탄소 액화공정 각각에 대하여 톤 당 가격 및 현재가를 추산하였다(Table 5) 이자율은 12%로 가정되었다.
제안 방법
1-2는 60 bar에서 액화시킨 후 펌프로 110 bar 가압하는 것이다. 1-2와 같이 이산화탄소를 그 자체로 압축 팽창하여 냉매로 사용하는 경우에는 35.6℃는 액화가 불가능하며 초임계 영역에서의 팽창은 그때의 기상의 비율이 높아 액화시키기 어렵기 때문에 15℃에 대해서만 모사하였다. Fig.
C2 31.4 wt%, C3 68.6 wt%의 냉매를 사용하여 26 bar, 35.6℃에서 액화되어 액상 암모니아로 냉각된 후 1 bar, −67℃까지 팽창되어 이산화탄소를 액화하는 공정을 모사하였다.
초임계 압축, 이산화탄소 사용 액화, 외부 냉매 사용 액화, 케스케이드 공정을 이용한 액화 크게 네 가지로 나누었다. 또한 초임계 압축을 기상에서의 가압(공정 1-1)와 액상으로부터의 가열(공정 1-2)로 나누고, 암모니아 냉매를 사용할 때에 압축 암모니아를 사용한 것(공정 3-1), 흡수식 냉각기를 사용한 것(공정 3-2)으로 나누어 세부적으로 총 6가지 케이스에 대하여 인터쿨링 온도 각각 두 가지씩 대하여 모사되었다.
여기서는 가장 흔하게 쓰이는 냉매중의 하나인 암모니아를 가지고 모사하였다. 액화 암모니아를 얻는 방법으로는 두 가지가 사용되었다.
초임계 압축, 이산화탄소 사용 액화, 외부 냉매 사용 액화, 케스케이드 공정을 이용한 액화 크게 네 가지로 나누었다. 또한 초임계 압축을 기상에서의 가압(공정 1-1)와 액상으로부터의 가열(공정 1-2)로 나누고, 암모니아 냉매를 사용할 때에 압축 암모니아를 사용한 것(공정 3-1), 흡수식 냉각기를 사용한 것(공정 3-2)으로 나누어 세부적으로 총 6가지 케이스에 대하여 인터쿨링 온도 각각 두 가지씩 대하여 모사되었다.
유연탄 사용 대형 화력발전소에서의 2010년 이산화탄소 배출량은 Table 1에 나타나있다. 한국전력거래소에서 발표한 5차 전력수급계획상 2020년까지 증설 예정인 석탄화력발전소를 참고하여[5] 최종적인 BAU 배출량을 추정하였다.
대상 데이터
11에 나타내었다. 고압에서 액화가 35.6℃ 이상에서 일어나고 저압에서 이산화탄소의 액화온도인 영하 51.2℃ 이하가 되는 냉매를 찾기 위하여 C2(Normal BP=184.6 K)와 C3(Normal BP=231 K)의 혼합 냉매를 사용하였다. C2 31.
1은 CCS의 수송 체인을 나타낸다. 이 논문의 연구범위는 배가스로부터 포집된 이산화탄소를 저장지로 수송하기 위하여 필요한 압축 및 액화 공정이다.
이론/모형
이 논문에 사용된 공정의 경우 초임계 압축의 몇 스트림만을 제외하면 대부분의 공정조건에서 아임계상이다. 따라서 시뮬레이션 계산 상에 유리한 3차 상태방정식을 적용하였다. Aspeund et al.
상태방정식은 Peng-Robinson을 사용하였다. 이 논문에 사용된 공정의 경우 초임계 압축의 몇 스트림만을 제외하면 대부분의 공정조건에서 아임계상이다.
이산화탄소의 수송을 위한 압축 및 액화공정이 방법론에 따라 비용이 평가되었다. 수송 수단이 파이프인지 선박인지 결정되고 이산화탄소의 발생 및 포집원에서 사용 가능한 냉각 온도가 결정되면 비용으로 압축 방법을 정할 수 있을 것이다.
최종 생산물에서의 물의 함량은 DYNAMIS 의 기준에 따라 500 ppm 미만[11]으로 했다.
성능/효과
증발기를 통과한 암모니아는 다시 아까의 린워터와 합쳐져서 사이클로 순환한다. 리보일러에서 스팀의 열에너지와 전기에너지 사이의 효율을 40%로 가정할 때 인터쿨링 온도에 상관없이 93 kWh/ton 정도의 에너지가 추가되는 것으로 계산되었다.
후속연구
이산화탄소의 수송을 위한 압축 및 액화공정이 방법론에 따라 비용이 평가되었다. 수송 수단이 파이프인지 선박인지 결정되고 이산화탄소의 발생 및 포집원에서 사용 가능한 냉각 온도가 결정되면 비용으로 압축 방법을 정할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
이산화탄소 대량 배출 산업의 종류는?
이산화탄소 대량 배출 산업에는 발전과 철강, 석유화학, 시멘트 산업 등이 있다. 이 중에서 발전 산업은 2010년을 기준으로 국가 전체 이산화탄소 배출량의 29%인 182백만톤을 배출하고 있으며, 이에 따라서 적극적으로 CCS의 도입을고려하고 있다[4].
프레온 가스 및 그 변형인 수소염화불화탄소의 사용이 제한된 이유는?
이산화탄소는 냉각 기술의 초기에 사용되던 냉매 중의 하나이다. 프레온 가스(CFC) 및 그 변형인 수소염화불화탄소(HCFC) 등은 오존층 파괴 때문에 사용이 제한되면서 이산화탄소 등 천연 냉매에 대한 재조명이 이루어지고 있다[14]. Aspelund는 목표인 이산화탄소 자체를 가압 팽창하여 액화시키는 공정을 발표했다[7].
이산화탄소의 압축 과정이 발전소 효율에 미치는 영향은?
이산화탄소의 압축과 액화 기술은 포집 기술에 비하여 적은 수의 선행연구가 진행되었다. 이 압축 과정은 대체로 발전소의 효율을 3~4% 정도 낮추는 것으로 알려져 있다[6]. Aspelund et al.
참고문헌 (17)
Huh, D.-G., Park, Y.-C., Yoo, D.-G. and Hwang, S.-H., $CO_{2}$ "Geological Storage Potential in Korea," Energy Procedia, 4, 4881-4888(2011).
Condor, J., Unatrakarna, D., Asghari, K. and Wilson, M., "Current Status of CCS Initiatives in the Major Emerging Economies," Energy Procedia, 4, 6125-6132(2011).
The 5th Basic Plan for Long-term Electricity Supply and Demand. Ministry of Knowledgy Economy Korea Power Exchange 2010.
G. G., The energetics of carbon dioxide capture in power plants. US Department of Energy 2004.
Aspelund, A. and Jordal, K., "Gas Conditioning-The Interface Between $CO_{2}$ Capture and Transport," International Journal of Greenhouse Gas Control., 1(3), 343-354(2007).
Kinard, G. E. and Gaumer, L. S., "Mixed Refrigerant Cascade Cycles for LNG,"Journal Name: Chem. Eng. Progr., v. 69, no. 1, pp. 56-61; Other Information: Orig. Receipt Date: 30-JUN-74, Medium: X (1973).
Mortazavi, A., Somers, C., Alabdulkarem, A., Hwang, Y. and Radermacher, R., "Enhancement of APCI Cycle Efficiency with Absorption Chillers," Energy, 35(9), 3877-3882(2010).
Romeo, L. M., Bolea, I., Lara, Y. and Escosa, J. M., "Optimization of Intercooling Compression in $CO_{2}$ Capture Systems," Appl. Therm. Eng., 29(8-9), 1744-1751(2009).
de Visser, E., Hendriks, C., Barrio, M., Mølnvik, M. J., de Koeijer, G., Liljemark, S. and Le Gallo, Y., "Dynamis $CO_{2}$ Quality Recommendations," International Journal of Greenhouse Gas Control., 2(4), 478-484(2008).
NIST Standard Reference Database 69: NIST Chemistry Web- Book.
Aspen Plus 7.3 APV73 EOS-LIT.
Lorentzen, G., "Revival of Carbon Dioxide as a Refrigerant," Int. J. Refrig., 17(5), 292-301(1993).
Darwish, N. A., Al-Hashimi, S. H. and Al-Mansoori, A. S., "Performance Analysis and Evaluation of a Commercial Absorptionrefrigeration Water-ammonia (ARWA) System," Int. J. Refrig., 31(7), 1214-1223(2008).
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