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문제 정의
- 본 연구는 발전소, 시멘트 킬른, 가열로, 철강생산 공장 등 대규모의 이산화탄소 고정발생원으로부터 회수된 배기가스에서 이산화탄소를 제거하는 것이 일차적인 목적이다. 보통 배기가스 중에는 이산화탄소가 4~20% 조성으로 포함되어 있는데 이를 90% 이상 제거한 후 분리하고 이를 압축 수송하여 안전하게 저장하는 기술이 바로 이산화탄소 포집 및 저장기술 (Carbon Capture and Storage : CCS)이다[2,3].
제안 방법
- 본 연구에서는 이를 바탕으로 Figure 6과 같이 30 wt%의 MEA를 이용한 상전이 실험 결과를 전산모사에 적용하였다. 실험 결과 흡수탑 하부에서의 Rich amine의 Mole loading은 0.
- 9% 이상 회수하도록 설정하였다. 또한 공정 내에서 열로 인하여 물이 손실되어 MEA의 wt%가 달라지는 것을 방지하기 위하여 PRO/II 내의 Stream calculator 기능을 이용하여 Make-up 과정을 추가하였다. Figure 4에 전산모사 관련 화면을 나타내었으며 주요 Stream 결과는 Table 2와 3에 나타내었다.
- 일반적인 이산화탄소 포집공정에 대한 전산모사와 마찬가지로 흡수탑의 단수를 12단으로 설정하고 재생탑의 단수는 Condenser와 Reboiler를 포함하여 18단으로 설정하였다. 또한 재생탑의 Specification 같은 경우에도 일반적 공정과 동일하게 Boilup ratio를 0.22로 재생탑 상부의 온도를 45 ℃로 조절하였으며, 흡수탑으로 재순환되는 Lean amine의 유량을 하부에서의 이산화탄소가 원료 대비 99.9% 이상 회수되도록 설정하였다. Figure 8에 상전이를 포함한 전산모사 관련 화면을 나타내었으며 주요 Stream 결과는 Table 5와 6에 나타내었다.
- 본 연구에서는 상전이 실험을 통한 실험 결과를 이산화탄소 포집공정에 적용하여 재생에너지를 절감하는 방안에 대하여 전산모사를 통해 구현하였다. 그 결과 상전이 실험 결과를 반영한 장치를 추가하는 것이 일반적인 이산화탄소 포집공정에 비해 재생에너지를 1305.
- 본 연구에서는 이를 바탕으로 Figure 6과 같이 30 wt%의 MEA를 이용한 상전이 실험 결과를 전산모사에 적용하였다. 실험 결과 흡수탑 하부에서의 Rich amine의 Mole loading은 0.
- 상전이 현상을 적용한 이산화탄소 포집공정과의 비교를 위하여 우선적으로 Figure 1의 일반적인 이산화탄소 포집공정에 대한 개요도에 따라 전산모사를 수행하였다. 배기가스의 경우에는 미량 존재하는 액상을 Flash drum을 통하여 제거하고 기상만을 흡수탑으로 유입하였다.
- 에너지기술연구원에서 제공한 배기가스의 조성을 이용하였으며 배기가스 내의 이산화탄소의 조성은 8.3 mole%로 이를 90% 이상 제거하는 전산모사를 수행하였다.
- 용매 흡수법은 대상가스를 흡수제와 접촉시킴으로써 용해되거나 물리적, 화학적으로 반응하는 성질을 이용하여 분리하는 기술로서 신뢰성이 높고 가장 널리 상업화 되어 있는 공정이다. 용매 흡수법은 공정에 따라 물리적 흡수제와 화학적 흡수제를 사용할 수 있는데 본 연구에서는 화학적 흡수제인 30 wt%의 Monoethanol Amine (MEA)을 이용한 용매 흡수법을 채택하였다. 화학적 흡수제의 경우에는 이산화탄소의 부분압에 상대적으로 덜 민감하기 때문에 이산화탄소 성분을 ppm 레벨까지 낮출 수 있는 장점이 있다.
- 상전이 현상을 적용하여 Figure 6의 개요도와 같이 이산화탄소 포집공정에 대한 전산모사를 수행하였다. 일반적인 이산화탄소 포집공정에 대한 전산모사와 마찬가지로 흡수탑의 단수를 12단으로 설정하고 재생탑의 단수는 Condenser와 Reboiler를 포함하여 18단으로 설정하였다. 또한 재생탑의 Specification 같은 경우에도 일반적 공정과 동일하게 Boilup ratio를 0.
이론/모형
- Amine package는 Amine 수용액을 이용하여 천연가스로부터 황화수소나 이산화탄소를 제거하는 공정을 전산모사기 위하여 특화된 package로 MEA, DGA, DEA, DIPA, MDEA의 Amine 수용액 범위까지 사용 가능한 열역학 모델식이다[6]. Amine package는 Figure 3과 같이 액상과 기상에 대해 Ideal method와 SRKM method가 적용된다.
- Amine을 이용한 산성가스 제거 공정은 Amine의 비이상적인 특성으로 인해 열역학 모델식을 선정할 경우 신중을 기해야 한다. 본 연구에서는 전산모사기로 INVENSYS사의 PRO/II 9.1을 이용하는데 PRO/II 9.1에는 Amine을 이용한 공정을 전산모사하기 위한 Amine package의 열역학 모델식이 포함되어 있다. Amine package는 Amine 수용액을 이용하여 천연가스로부터 황화수소나 이산화탄소를 제거하는 공정을 전산모사기 위하여 특화된 package로 MEA, DGA, DEA, DIPA, MDEA의 Amine 수용액 범위까지 사용 가능한 열역학 모델식이다[6].
성능/효과
- 본 연구에서는 상전이 실험을 통한 실험 결과를 이산화탄소 포집공정에 적용하여 재생에너지를 절감하는 방안에 대하여 전산모사를 통해 구현하였다. 그 결과 상전이 실험 결과를 반영한 장치를 추가하는 것이 일반적인 이산화탄소 포집공정에 비해 재생에너지를 1305.28 kcal/kg CO2에서 947.91 kcal/kg CO2로 약 27% 절감하는 효과를 얻을 수 있었다. 따라서 다양한 용매와 다양한 Mole loading 조성에 대해 상전이 실험을 수행한 후 각 상에 대한 성분 분석을 통하여 이산화탄소 포집공정에 적용한다면 재생에너지를 감소시키는 경제적인 공정을 설계할 수 있다.
- 45 kg/hr였다. 따라서 일반적인 이산화탄소 포집공정의 재생에너지는 1305.28 kcal/kg CO2임을 알 수 있었다.
- 95 kg/hr였다. 따라서 일반적인 이산화탄소 포집공정의 재생에너지는 947.91 kcal/kg CO2임을 알 수 있었다.
- 본 연구에서는 이를 바탕으로 Figure 6과 같이 30 wt%의 MEA를 이용한 상전이 실험 결과를 전산모사에 적용하였다. 실험 결과 흡수탑 하부에서의 Rich amine의 Mole loading은 0.39이며, Rich amine 대비 Lean phase와 Rich phase는 각각 26 wt%와 74 wt%임을 알 수 있다. 또한 Rich phase에서의 이산화탄소의 Mole loading은 0.
- 전산모사 결과 흡수탑에서는 30 wt%의 MEA 수용액 1,273 kg/hr를 이용하여 원료 대비 이산화탄소를 99.97% 회수할 수 있었다. 또한 재생탑의 Reboiler duty는 0.
- 전산모사 결과 흡수탑에서는 30 wt%의 MEA 수용액 1,303 kg/hr를 이용하여 원료 대비 이산화탄소를 99.97% 회수할 수 있었다. 또한 재생탑의 Reboiler duty는 0.
후속연구
- 따라서 다양한 용매와 다양한 Mole loading 조성에 대해 상전이 실험을 수행한 후 각 상에 대한 성분 분석을 통하여 이산화탄소 포집공정에 적용한다면 재생에너지를 감소시키는 경제적인 공정을 설계할 수 있다. 또한 상전이 실험을 통하여 상이 분리되는 시간을 단축시킬 수 있는 용매를 개발한다면 더욱 효율적인 공정을 설계할 수 있을 것으로 생각된다.
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