이산화탄소 포집 및 저장기술(Carbon Capture and Storage, CCS)은 발전소, 제철소 등의 대량의 배출원으로부터 포집된 이산화탄소를 압축공정, 정제공정, 수송공정을 거친 후, 지중의 안전한 지질구조 내에 수백, 수천년 이상 안정적으로 저장하는 기술이다. CCS 공정 중 이산화탄소에는 이산화탄소를 발생시키는 연소공정이나 포집 경제되는 공정에서 유입되는 불순물이 섞임으로서 혼합물을 이루게 된다. 혼합물의 성분으로는 대표적으로 $SO_2$, $H_2O$, CO, $N_2$, Ar, $O_2$, $H_2$ 등이 있으며 위 공정들에서 이산화탄소 혼합물에 포함된 불순물들은 전 공정에 영향을 미치게 된다. 본연구에서는 이산화탄소 혼합물 내 다양한 불순물이 수송공정에 미치는 영향을 실험적으로 평가할 수 있도록 혼합물이송공정 모의실험장치를 설계 제작하였으며 이산화탄소 혼합물의 이송공정에 질소불순물이 미치는 영향을 실험적으로 평가하였다. 각 실험조건 마다 증가율의 차이는 있으나 $N_2$비율이 증가할수록 $CO_2-N_2$ 혼합물의 질량유량당 압력강하량 및 비체적이 증가하는 경향을 보였다. 120 bar 및 100 bar 실험조건에서는 혼합물의 상태가 단상 초임계상태이었으며 $N_2$ 조성비 증가에 따른 비체적 및 질량유량당 압력강하 기울기가 크게 변하지 않음을 확인하였다. 70 bar 실험조건에서는 액상, 이상, 기상으로 혼합물의 상이 바뀌었으며 각 상에 따라 질량유량당 압력강하 및 비체적의 기울기가 달라짐을 확인하였다.
이산화탄소 포집 및 저장기술(Carbon Capture and Storage, CCS)은 발전소, 제철소 등의 대량의 배출원으로부터 포집된 이산화탄소를 압축공정, 정제공정, 수송공정을 거친 후, 지중의 안전한 지질구조 내에 수백, 수천년 이상 안정적으로 저장하는 기술이다. CCS 공정 중 이산화탄소에는 이산화탄소를 발생시키는 연소공정이나 포집 경제되는 공정에서 유입되는 불순물이 섞임으로서 혼합물을 이루게 된다. 혼합물의 성분으로는 대표적으로 $SO_2$, $H_2O$, CO, $N_2$, Ar, $O_2$, $H_2$ 등이 있으며 위 공정들에서 이산화탄소 혼합물에 포함된 불순물들은 전 공정에 영향을 미치게 된다. 본연구에서는 이산화탄소 혼합물 내 다양한 불순물이 수송공정에 미치는 영향을 실험적으로 평가할 수 있도록 혼합물이송공정 모의실험장치를 설계 제작하였으며 이산화탄소 혼합물의 이송공정에 질소불순물이 미치는 영향을 실험적으로 평가하였다. 각 실험조건 마다 증가율의 차이는 있으나 $N_2$비율이 증가할수록 $CO_2-N_2$ 혼합물의 질량유량당 압력강하량 및 비체적이 증가하는 경향을 보였다. 120 bar 및 100 bar 실험조건에서는 혼합물의 상태가 단상 초임계상태이었으며 $N_2$ 조성비 증가에 따른 비체적 및 질량유량당 압력강하 기울기가 크게 변하지 않음을 확인하였다. 70 bar 실험조건에서는 액상, 이상, 기상으로 혼합물의 상이 바뀌었으며 각 상에 따라 질량유량당 압력강하 및 비체적의 기울기가 달라짐을 확인하였다.
Carbon-dioxide capture and storage (CCS) process is consisted by capturing carbon-dioxide from large point source such as power plant and steel works, transporting and sequestrating captured $CO_2$ in a stable geological structure. During CCS process, it is inevitable of introducing impur...
Carbon-dioxide capture and storage (CCS) process is consisted by capturing carbon-dioxide from large point source such as power plant and steel works, transporting and sequestrating captured $CO_2$ in a stable geological structure. During CCS process, it is inevitable of introducing impurities from combustion, capture and purification process into $CO_2$ stream. Impurities such as $SO_2$, $H_2O$, CO, $N_2$, Ar, $O_2$, $H_2$, can influence on process efficiency, capital expenditure, operation expense of CCS process. In this study, experimental apparatus is built to simulate the behavior of $CO_2$ transport under various impurity composition and process pressure condition. With this apparatus, $N_2$ impurity effect on $CO_2$ mixture transportation was experimentally evaluated. The result showed that as $N_2$ ratio increased pressure drop per mass flow and specific volume of $CO_2-N_2$ mixture also increased. In 120 and 100 bar condition the mixture was in single phase supercritical condition, and as $N_2$ ratio increased gradient of specific volume change and pressure drop per mass flow did not change largely compared to low pressure condition. In 70 bar condition the mixture phase changed from single phase liquid to single phase vapor through liquid-vapor two phase region, and it showed that the gradient of specific volume change and pressure drop per mass flow varied in each phase.
Carbon-dioxide capture and storage (CCS) process is consisted by capturing carbon-dioxide from large point source such as power plant and steel works, transporting and sequestrating captured $CO_2$ in a stable geological structure. During CCS process, it is inevitable of introducing impurities from combustion, capture and purification process into $CO_2$ stream. Impurities such as $SO_2$, $H_2O$, CO, $N_2$, Ar, $O_2$, $H_2$, can influence on process efficiency, capital expenditure, operation expense of CCS process. In this study, experimental apparatus is built to simulate the behavior of $CO_2$ transport under various impurity composition and process pressure condition. With this apparatus, $N_2$ impurity effect on $CO_2$ mixture transportation was experimentally evaluated. The result showed that as $N_2$ ratio increased pressure drop per mass flow and specific volume of $CO_2-N_2$ mixture also increased. In 120 and 100 bar condition the mixture was in single phase supercritical condition, and as $N_2$ ratio increased gradient of specific volume change and pressure drop per mass flow did not change largely compared to low pressure condition. In 70 bar condition the mixture phase changed from single phase liquid to single phase vapor through liquid-vapor two phase region, and it showed that the gradient of specific volume change and pressure drop per mass flow varied in each phase.
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문제 정의
먼저 압축공기 유량은 전자식 유량조절장치를 이용하여 조절하였으며, 부스터 토출압력의 맥동은 압력 댐퍼의 역할을 하는 내용적 4리터의 가스탱크를 토출구에 장착함으로써 감소시키고자 하였다. 더불어 압력댐퍼의 후단에는 압력레귤레이터를 장착하여 부스터 토출압력 변화가 압력레귤레이터 후단의 2차측 압력에 미치는 영향을 최소화 하고자 하였다. 이산화탄소용 가스부스터는 DLE30(Maximator) 모델을 이용하였으며 전자식 유량조절장치는 EA200(Kitz) 제품의 비례제어 모델을 이용하였다.
본 연구에서는 다양한 불순물이 이송공정에 미치는 영향을 실험적으로 평가하고자 하였으며 이를 위해 실험장치를 가압부, 액화부, 혼합부, 시험부로 모듈화하여 설계·하였다.
본 연구에서는 연간 1백만톤 규모의 이산화탄소를 파이프라인을 통해 이송할 경우에 대한 모의실험을 수행하였다. 파이프라인 이송공정의 수송조건을 압력 120 Bar와 상온으로 가정하고 이산화탄소를 내경 8인치 관으로 수송한다고 가정했을 때의 레이놀즈수는 1,387,130이고 질량유속은 405 kg/m2sec이다.
본 실험장치는 추후 액화나 압축, 주입공정에 불순물이 미치는 영향을 평가할 수 있도록 확장성을 갖추고 있으며 다양한 불순물 가스를 가압하여 조절·공급가능하도록 설계되었다. 본 연구에서는 위 실험장치를 통해 이산화탄소 혼합물의 이송공정에 질소불순물이 미치는 영향을 실험적으로 평가한 결과를 제시하고자 한다.
본 연구에서는 질소불순물이 이산화탄소 혼합물 관내 이송공정에 미치는 영향을 평가할 수 있는 실험장치를 설계·제작한 후, 질소불순물 조성이 이산화탄소 혼합물 유동에 미치는 영향을 실험적으로 평가하였다.
본 연구의 결과로 나타나는 압력강하는 질량유량과 밀접한 관련이 있으며(Collier & Thome[1994]) 앞서 언급한 실험 시 발생한 질량유량의 오차가 압력강하에 미치는 영향을 상쇄하고자 본 연구에서는 실험결과 값을 제시함에 있어 압력강하 값을 개별 실험 포인트의 총 질량유량 값으로 나눈 질량유량당 압력강하로 나타내었다.
장치를 부분별로 설계·제작한 이유는 본 실험장치가 본 논문에서 언급된 파이프라인 수송공정의 모사실험 뿐 아니라 압축 및 액화공정에 미치는 불순물의 영향과 비정상상태 거동 및 유동가시화, 기타 불순물이 미치는 영향 등도 실험적으로 평가하고 파악할수 있도록 하기 위해서이다.
질량유속은 다상유동 천이거동이 발생할 경우 유동양식을 구분 짓는 중요한 지표 중의 하나(Collier&Thome[1994])이며 본 연구의 결과에서도 다수의 이상유동을 관찰한 바, 본 연구에서는 질량유속(mass flux)를 연간 백만톤 조건과 유사하게 맞춤으로써 가급적 실제 상황을 상사하고자 노력하였다.
가설 설정
본 연구에서는 연간 1백만톤 규모의 이산화탄소를 파이프라인을 통해 이송할 경우에 대한 모의실험을 수행하였다. 파이프라인 이송공정의 수송조건을 압력 120 Bar와 상온으로 가정하고 이산화탄소를 내경 8인치 관으로 수송한다고 가정했을 때의 레이놀즈수는 1,387,130이고 질량유속은 405 kg/m2sec이다. 실제 상황에 대한 상사조건을 맞추기 위한 레이놀즈수는 위 언급한 1,387,130이다.
제안 방법
먼저 직접적인 가압을 담당하는 왕복동식 가스부스터를 설치하였으며 이 부스터에 동력을 전달하는 스크류 공기압축기의 압축공기 공급라인을 부스터에 연결하였다. 또한 싸이폰 봄베에서 나오는 이산화탄소를 기화시키기 위한 기화기(Evaporator)를 설치하였으며 본 기화기의 토출 라인을 부스터에 연결하였다. 부스터 토출 압력의 맥동을 줄이고 시험부의 압력을 가능한 한 일정하게 유지시키기 위해 부스터를 구동시키는데 필요한 압축공기의 유량 및 부스터에서 토출되는 압력을 제어하는 것이 필요하다.
이산화탄소 혼합물의 상태량을 정확히 예측하여 공정의 설계비용 및 운용비용을 절감하고 안전성을 향상시키기 위한 연구는 허철[2008]이 수행한바 있으며 BWRS, PR, PRBM, SRK 등의 상태방정식을 대상으로 비교분석하고 각 상태방적식의 CCS 공정설계에의 사용적정성 여부를 기술한 바 있다. 또한 질소 불순물 및 이산화황 불순물이 포함된 이산화탄소 혼합물의 기-액평형(VLE)거동을 수치 계산하여 공정설계에 미치는 영향을 평가하고 상태방정식 내부의 이성분 매개변수를 분석하여 최적화를 시도하였다(허철[2009, 2010]).
부스터 토출 압력의 맥동을 줄이고 시험부의 압력을 가능한 한 일정하게 유지시키기 위해 부스터를 구동시키는데 필요한 압축공기의 유량 및 부스터에서 토출되는 압력을 제어하는 것이 필요하다. 먼저 압축공기 유량은 전자식 유량조절장치를 이용하여 조절하였으며, 부스터 토출압력의 맥동은 압력 댐퍼의 역할을 하는 내용적 4리터의 가스탱크를 토출구에 장착함으로써 감소시키고자 하였다. 더불어 압력댐퍼의 후단에는 압력레귤레이터를 장착하여 부스터 토출압력 변화가 압력레귤레이터 후단의 2차측 압력에 미치는 영향을 최소화 하고자 하였다.
이를 위한 가압부의 구성은 다음과 같다. 먼저 직접적인 가압을 담당하는 왕복동식 가스부스터를 설치하였으며 이 부스터에 동력을 전달하는 스크류 공기압축기의 압축공기 공급라인을 부스터에 연결하였다. 또한 싸이폰 봄베에서 나오는 이산화탄소를 기화시키기 위한 기화기(Evaporator)를 설치하였으며 본 기화기의 토출 라인을 부스터에 연결하였다.
본 실험장치는 추후 액화나 압축, 주입공정에 불순물이 미치는 영향을 평가할 수 있도록 확장성을 갖추고 있으며 다양한 불순물 가스를 가압하여 조절·공급가능하도록 설계되었다.
본 연구의 실험결과를 바탕으로 각 실험 시 계측한 온도, 압력, 및 CO2-N2 혼합물의 조성비에 해당하는 혼합물의 비체적을 NIST의 물성치 데이터베이스인 REFPROP(NIST[2010])과 연동한 엑셀파일에 입력 함으로써 계산하였다.
8608 mm의 단관 SUS 튜브이다. 시험부 입구의 압력은 요코가와의 EJX310A 절대압력계로 측정하였고 입출구 사이의 차압은 동사의 EJX110A 차압계로 측정하였다. 입구와 출구의 온도는 모두 4선식 PT100O 측온저항체를 이용하여 측정하였다.
실험은 온도 21 °C, 압력 70, 85, 100, 120 bar, 질량유속 408.2 kg/m2sec, 관내경 3.8608 mm의 조건에서 수행하였다.
혼합부는 유량센서와 각 작동유체용 유량조절밸브, 혼합존 및 프리히터로 구성되어있다. 유량센서는 이산화탄소 및 질소불순물 모두 레오닉의 질량유량계를 이용하여 계측하였으며 각 작동유체의 유량조절은 Swagelok의 고압용 미터링 밸브를 이용하여 조절하였다. 유량센서와 유량조절밸브를 통과한 이산화탄소와 질소는 혼합존에서 섞이게 된다.
장치를 부분별로 설계·제작한 이유는 본 실험장치가 본 논문에서 언급된 파이프라인 수송공정의 모사실험 뿐 아니라 압축 및 액화공정에 미치는 불순물의 영향과 비정상상태 거동 및 유동가시화, 기타 불순물이 미치는 영향 등도 실험적으로 평가하고 파악할 수 있도록 하기 위해서이다. 이러한 이유로 상온 상압의 CO2를 이용하여 가압하고, 액화한 후, 불순물과 혼합하고 수송공정을 모사할 수 있도록 실험 장치를 설계하였다. 실험장치 네부분의 각각에 대한 설명을 아래와 같이 기술하고자 한다.
시험부 입구의 압력은 요코가와의 EJX310A 절대압력계로 측정하였고 입출구 사이의 차압은 동사의 EJX110A 차압계로 측정하였다. 입구와 출구의 온도는 모두 4선식 PT100O 측온저항체를 이용하여 측정하였다. 시험부의 외벽은 두께 80 mm의 고무발포보온재로 단열하였으며 단열재의 열전도율은 0.
CO2-N2 혼합물이 시험부를 통과할 때 걸리는 압력강하량은 전체 실험 포인트에서 20 kPa 미만이었으며, 시험부 후단의 미터링밸브를 통과하는 이산화탄소 혼합물은 밸브를 통과하는 과정에서 시험부의 압력보다 20~90 bar 가량 낮아진 후 내부용량 10L의 저압저장조에 저장된다. 저압저장조 내부 압력은 실험 시 30~50 bar 사이의 일정한 값으로 유지되었으며 이를 위해 배압조절기를 저압저장조 후단에 설치하였다. 저압저장조의 설치 이유는 시험부 및 시험부 후단의 미터링밸브를 지난 이산화탄소 혼합물이 대기 중으로 배출될 경우, CO2의 삼중점 압력(5.
프리히터는 1마력 항온조와 항온조의 냉각수에 침지된 외경 1/4인치, 길이 24미터의 SUS튜브로 이루어져다. 침지된 튜브는 열교환기 역할을 하며 내부를 흐르는 이산화탄소 혼합물과 관외부의 냉각수 사이에서 열교환이 이루어지게 함으로써 시험부로 공급되는 이산화탄소 혼합물의 온도를 조절하였다.
대상 데이터
혼합부를 통과한 이산화탄소 혼합물은 시험부에 도달하게 된다. Fig. 2는 시험부의 실제 모습을 촬영한 사진이며 시험부는 길이 6 m, 내경 3.8608 mm의 단관 SUS 튜브이다. 시험부 입구의 압력은 요코가와의 EJX310A 절대압력계로 측정하였고 입출구 사이의 차압은 동사의 EJX110A 차압계로 측정하였다.
1은 본 연구의 실험장치의 개략도 이다. 그림에 표시되어 있듯이 본 연구를 위한 실험장치는 크게 네 부분으로 나뉘어 있으며 각각의 명칭은 가압부, 액화부, 혼합부 그리고 시험부(Fig. 2 참조) 이다. 장치를 부분별로 설계·제작한 이유는 본 실험장치가 본 논문에서 언급된 파이프라인 수송공정의 모사실험 뿐 아니라 압축 및 액화공정에 미치는 불순물의 영향과 비정상상태 거동 및 유동가시화, 기타 불순물이 미치는 영향 등도 실험적으로 평가하고 파악할 수 있도록 하기 위해서이다.
실제 상황에 대한 상사조건을 맞추기 위한 레이놀즈수는 위 언급한 1,387,130이다. 만약 본 연구에 사용된 1/4인치 SUS관(내경 3.8608 mm)을 사용하여 레이놀즈수를 맞출 경우, 유량은 연간 12,800 ton이다. 이는 연 1만톤급의 CCS 파일럿 실증 플랜트에 해당하는 규모이며 시간당 유량은 1,461 kg/hr로써 소규모 실험장치 스케일에서 구현하기는 매우 어려운 범위이다.
본 연구의 주된 작동유체인 이산화탄소 압력용기에 담겨있으며 상온에서의 압력은 통상적으로 30~60 Bar정도이다. 이는 실험조건인 70~125 Bar 보다 낮으므로 실험조건을 달성하기 위해 가압하였다.
파이프라인 이송공정의 수송조건을 압력 120 Bar와 상온으로 가정하고 이산화탄소를 내경 8인치 관으로 수송한다고 가정했을 때의 레이놀즈수는 1,387,130이고 질량유속은 405 kg/m2sec이다. 실제 상황에 대한 상사조건을 맞추기 위한 레이놀즈수는 위 언급한 1,387,130이다. 만약 본 연구에 사용된 1/4인치 SUS관(내경 3.
위 Table 2에 본 실험을 위한 입구압력, 온도, 유량, 질소불순물의 조성비 범위 등의 실험 조건을 나타내었다. 실험시 CO2-N2 혼합물의 총 질량유량은 17.2 kg/hr이며 70 bar와 120 bar 사이의 4포인트 압력조건에서 실험을 실시하였다. 불순물로 포함된 N2의 조성비는 0~9.
더불어 압력댐퍼의 후단에는 압력레귤레이터를 장착하여 부스터 토출압력 변화가 압력레귤레이터 후단의 2차측 압력에 미치는 영향을 최소화 하고자 하였다. 이산화탄소용 가스부스터는 DLE30(Maximator) 모델을 이용하였으며 전자식 유량조절장치는 EA200(Kitz) 제품의 비례제어 모델을 이용하였다. 본 연구에서 불순물로 공급되는 질소가스 또한 별도의 가압부에서 이산화탄소와 동일한 과정을 거쳐 가압되었다.
이론/모형
표시된 등압선은 각 실험 포인트가 초임계 상태인지 여부를 판단하는데 사용된다. 포화선도와 임계압력은 NIST의 물성치 데이터베이스 REFPROP을 이용하여 구하였다.
성능/효과
Fig. 6(a)에 나타나듯이 100 bar 조건의 실험결과와 유사하게 실험한 N2 조성비 전체 구간에 걸쳐 비슷한 압력강하 기울기 값을 보이며 조성비 증가에 따라 압력강하 값이 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있다. Fig.
이는 Fig. 3(a)의 70 bar 조건의 실험결과에서 포화상태 구간이 기체상태 구간보다 압력강하 기울기가 컸던 경향과는 반대의 결과이다. Fig.
앞서 도시한 바 있는 70 bar의 압력강하 그래프와 해당압력의 Fig. 7(a)의 비체적 그래프를 비교하여 보면 단상액체 구간, 이상유동 구간 및 단상 기체구간에 걸쳐 N2 조성변화에 따른 압력강하 기울기 변화와 비체적 기울기 변화가 유사한 경향을 보이는 것을 알 수 있다. 단상액체 구간의 압력강하와 비체적 모두 포화상태 구간보다 기울기가 낮았으며, 또한 단상기체 구간에서도 포화상태 구간보다 압력강하와 비체적의 기울기가 낮았다.
Fig. 7(b) 85 bar의 경우에도 N2 조성비가 낮은 구간에서는 단상 초임계 구간의 압력강하 기울기와 비체적 기울기가 모두 포화상태일 때보다 낮게 나타난 점이 유사하였다. 하지만 그보다 높은 N2 조성비에서 압력강하 기울기는 포화상태 구간보다 단상기체 구간에서 높은 경향을 보였으나 비체적은 포화상태 구간과 기체상태 구간에서의 기울기 차이가 큰 차이를 보이지 않았다.
416%사이의 실험값은 기체-액체 포화상태(Saturated state)이며 초임계상태일 때보다 압력강하 증가 기울기가 높은 것을 알 수 있다. 8.552%에서 8.927%사이의 유동은 기체 상태이며 포화상태의 이상유동 조건일 때보다도 기울기가 더 큰 것을 알 수 있다. 이는 Fig.
반면 70 bar 실험의 경우, N2 조성비가 증가함에 따라 단상 액체, 포화 이상유동, 단상 기체상태로 상(Phase)이 변하는 것을 확인할 수 있었으며 그에 따라 질량유량당 압력강하 및 비체적 기울기가 변함을 알 수 있었다. 85 bar의 경우에도 N2 조성비가 증가함에 따라 상이 바뀌는 것을 확인할 수 있었으며 단상 초임계, 포화 이상유동, 단상 기체로 변하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 만약 이산화탄소 혼합물 이송 시 관내 이상유동을 억제하고 이상유동 천이에 따른 압력강하 및 추가적인 이송비용증가 가능성을 줄이기 위해서는 70 bar 압력 조건에서는 1.
7(a)의 비체적 그래프를 비교하여 보면 단상액체 구간, 이상유동 구간 및 단상 기체구간에 걸쳐 N2 조성변화에 따른 압력강하 기울기 변화와 비체적 기울기 변화가 유사한 경향을 보이는 것을 알 수 있다. 단상액체 구간의 압력강하와 비체적 모두 포화상태 구간보다 기울기가 낮았으며, 또한 단상기체 구간에서도 포화상태 구간보다 압력강하와 비체적의 기울기가 낮았다. Fig.
85 bar의 경우에도 N2 조성비가 증가함에 따라 상이 바뀌는 것을 확인할 수 있었으며 단상 초임계, 포화 이상유동, 단상 기체로 변하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 만약 이산화탄소 혼합물 이송 시 관내 이상유동을 억제하고 이상유동 천이에 따른 압력강하 및 추가적인 이송비용증가 가능성을 줄이기 위해서는 70 bar 압력 조건에서는 1.43%, 85bar 압력 조건에서는 4.7% 미만으로 질소불순물 조성비를 조절하는 것이 필요하다고 판단된다. 본 결과는 본 연구의 목표인 연간 백만톤급 수송 규모에 해당하는 특정 질량유속조건(408.
질소불순물이 이산화탄소 혼합물 유동에 미치는 영향을 살펴보면 단상 초임계 상태인 120 bar 및 100 bar 실험조건에서는 질소불순물이 증가함에 따라 질량유량당 압력강하 및 비체적의 기울기가 크게 변하지 않는 것을 확인하였다. 반면 70 bar 실험의 경우, N2 조성비가 증가함에 따라 단상 액체, 포화 이상유동, 단상 기체상태로 상(Phase)이 변하는 것을 확인할 수 있었으며 그에 따라 질량유량당 압력강하 및 비체적 기울기가 변함을 알 수 있었다. 85 bar의 경우에도 N2 조성비가 증가함에 따라 상이 바뀌는 것을 확인할 수 있었으며 단상 초임계, 포화 이상유동, 단상 기체로 변하는 것을 확인할 수 있었다.
8608 mm의 조건에서 수행하였다. 본 연구에서 소개한 실험장치는 가압부, 액화부, 혼합부, 시험부로 나뉘며 이러한 모듈화를 통해 본 연구에서 수행한 실험뿐 아니라 가압 및 액화에 불순물이 미치는 영향 및 다양한 불순물이 이산화탄소 혼합물이 비정상상태 유동 등에 미치는 영향 등을 평가할 수 있는 확장성을 갖추고 있다. 질소불순물이 이산화탄소 혼합물 유동에 미치는 영향을 살펴보면 단상 초임계 상태인 120 bar 및 100 bar 실험조건에서는 질소불순물이 증가함에 따라 질량유량당 압력강하 및 비체적의 기울기가 크게 변하지 않는 것을 확인하였다.
35%로 조절하였다. 실험 시 미터링 밸브를 조작하여 이산화탄소 및 질소 혼합물의 총 질량유량을 제어하였으나 CO2와 N2의 비율변화에 따라 전체 유량이 미세하게 변화하였으며 미터링 밸브의 수동조작 및 기계적 오차 때문에 질량유속이 17.2 kg/hr에 해당하는 408.2 kg/m2sec로 유지되지 않고 404.8~409.4 kg/m2sec의 범위에서 유지되었다. 이는 실험조건에 해당하는 값 408.
위의 질소불순물 조성비에 따른 비체적 그래프에서 알 수 있듯이 질소불순물의 조성이 증가할수록 비체적이 높아짐을 알 수 있다. 이는 동일한 질량유량을 수송하기 위해 관내 유동속도가 빨라져야 함을 의미한다.
438%로 이동할수록 포화상태에 근접함을 알 수 있다. 이후 4.547%까지 N2 조성비가 증가할수록 포화상태 내에서 건도가 높아지며 기체상태 비율이 높아짐을 알 수 있다. 실험값 중에서 N2 조성비가 5.
5는 100 bar, 21 조건에서의 CO2-N2 혼합물의 이송실험 결과를 나타낸다. 질소불순물의 비율은 CO2-N2 혼합물 총 질량유량의 0.0에서 9.247%사이 값으로 조절되었다. Fig.
6은 120 bar, 21 조건에서의 CO2-N2 혼합물의 이송실험 결과를 나타낸다. 질소불순물의 비율은 CO2-N2 혼합물의 총 질량유량에서 0.0에서 9.013%사이 값으로 조절되었다. Fig.
본 연구에서 소개한 실험장치는 가압부, 액화부, 혼합부, 시험부로 나뉘며 이러한 모듈화를 통해 본 연구에서 수행한 실험뿐 아니라 가압 및 액화에 불순물이 미치는 영향 및 다양한 불순물이 이산화탄소 혼합물이 비정상상태 유동 등에 미치는 영향 등을 평가할 수 있는 확장성을 갖추고 있다. 질소불순물이 이산화탄소 혼합물 유동에 미치는 영향을 살펴보면 단상 초임계 상태인 120 bar 및 100 bar 실험조건에서는 질소불순물이 증가함에 따라 질량유량당 압력강하 및 비체적의 기울기가 크게 변하지 않는 것을 확인하였다. 반면 70 bar 실험의 경우, N2 조성비가 증가함에 따라 단상 액체, 포화 이상유동, 단상 기체상태로 상(Phase)이 변하는 것을 확인할 수 있었으며 그에 따라 질량유량당 압력강하 및 비체적 기울기가 변함을 알 수 있었다.
7(b) 85 bar의 경우에도 N2 조성비가 낮은 구간에서는 단상 초임계 구간의 압력강하 기울기와 비체적 기울기가 모두 포화상태일 때보다 낮게 나타난 점이 유사하였다. 하지만 그보다 높은 N2 조성비에서 압력강하 기울기는 포화상태 구간보다 단상기체 구간에서 높은 경향을 보였으나 비체적은 포화상태 구간과 기체상태 구간에서의 기울기 차이가 큰 차이를 보이지 않았다. 이는 0.
후속연구
가압부로부터 고압으로 공급되는 기상(gas phase)의 이산화탄소는 액화부를 거쳐 액상으로 바뀌게 된다. 기상의 이산화탄소를 액화부에서 액상으로 상변화 시킨 후 공급하는 이유는 본 실험장치의 설계 목적이 수송공정 모사실험 뿐 아니라 압축 및 액화공정에 불순물이 미치는 영향 또한 연구하기 위한 측면도 있다는 점과 본 실험에서 쓰이는 질량유량계에서 계측되는 이산화탄소 유량의 계측정확성이 기체상태일 때보다 액체상태로 공급될 때 더 높다는 점, 또한 추후 실험에 필요한 온도조건 변화 및 기상으로의 상편화가 필요할 경우 액상의 이산화탄소를 히터로 가열함으로써 정확하게 조절할 수 있다는 점을 고려한 것이다. 액화부를 구성하는 부품은 Precision사의 원통다관형 고압열교환기와 본 열교환기에 냉각수를 공급하는 3RT급의 항온수조 및 수액기로 구성되어있으며 고압열교환기를 통과하며 액화된 이산화탄소는 수액기에 보관된다.
본 결과는 본 연구의 목표인 연간 백만톤급 수송 규모에 해당하는 특정 질량유속조건(408.2 kg/m2sec) 및 본 연구의 실험조건(21 °C)에서 실험한 결과이므로 추후 다양한 질량유속 및 온도조건에서의 실험을 통해 실험결과의 일반화가 필요할 것으로 사료되며 향후 본 연구를 바탕으로 이산화탄소-질소 혼합물의 압력 강하 예측 상관식을 개발하고 다양한 유량범위 및 불순물 그리고 조성비 조건에서의 추가적인 실험을 수행하여 본 연구의 결과를 발전시켜나갈 예정이다.
Pettersen[2006]은 이산화탄소 수송관 모사 실험장치를 설계하였으며 순수 이산화탄소를 채운 튜브의 종단부를 대기압에 오픈하여 감압실험을 하였다. 이때 발생한 관내 비정상상태 유동의 온도 및 압력을 측정하여 추후 작성될 유동모델의 검증에 활용될 수 있도록 하였다. Koeijer[2009]는 관내 비정상상태 유동을 예측하기 위해 환상류 (annular flow) 상관식과 Friedel 상관식을 적용한 압력강하 수치해석 모델을 제시하였고 실제 순수 이산화탄소의 비정상상태 유동 실험결과와 비교·분석한 바 있다.
질량유속은 다상유동 천이거동이 발생할 경우 유동양식을 구분 짓는 중요한 지표 중의 하나(Collier&Thome[1994])이며 본 연구의 결과에서도 다수의 이상유동을 관찰한 바, 본 연구에서는 질량유속(mass flux)를 연간 백만톤 조건과 유사하게 맞춤으로써 가급적 실제 상황을 상사하고자 노력하였다. 추후 본 연구의 결과는 스케일업 된 파일럿 플랜트에서의 검증을 통해 보다 일반화될 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
우리나라의 2009년 온실가스 배출량은 얼마인가?
우리나라는 2009년 6.1억톤의 온실가스를 배출하였으며 이는 배출량 기준 세계9위에 해당한다. 국가 온실가스 총배출량 중 CO2배출량은 약 89%정도를 차지하고 있으며 배출량 증가속도는 OECD 국가 중에서 가장 높다(온실가스종합정보센터[2011]).
CCS는 무엇인가?
CCS는 발전소, 제철소 등의 대량의 CO2 배출원으로부터 포집된 이산화탄소를 압축, 정제, 수송공정을 거친 후 지중의 안전한 지질구조 내에 수백, 수천년 이상 안정적으로 저장하는 기술이다. CCS를 위해 포집된 이산화탄소에는 연소공정 및 포집공정에서 불가피하게 유입되는 불순물이 반드시 포함되게 된다.
CCS를 위해 포집된 이산화탄소에 포함된 불순물에는 무엇이 있는가?
CCS를 위해 포집된 이산화탄소에는 연소공정 및 포집공정에서 불가피하게 유입되는 불순물이 반드시 포함되게 된다. 각종자료에 따르면 대표적인 불순물은 질소, 산소, 아르곤, 황화수소, 암모니아, 탄화수소 등이 있으며 대표적인 불순물 포함 이산화탄소의 조성비 예를 Table 1에 정리하였다. 이러한 불순물들은 이산화탄소 혼합물의 비체적, 점성 등의 상태량을 변화시켜 압력강하, 유동양식, 열전달 등의 수송공정의 성능에 영향을 미치게 된다.
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