[논문]해수를 이용한 석탄 화력발전소의 이산화탄소 포집 연구

한상준; 김대경; 이제희; 박상혁; 위정호

doi:10.4491/ksee.2013.35.5.340

해수를 이용한 석탄 화력발전소의 이산화탄소 포집 연구
Capture of Carbon Dioxide Emitted from Coal-Fired Power Plant Using Seawater 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.35 no.5, 2013년, pp.340 - 349

한상준 (가톨릭대학교 환경공학과) , 김대경 (가톨릭대학교 환경공학과) , 이제희 (가톨릭대학교 환경공학과) , 박상혁 (가톨릭대학교 환경공학과) , 위정호 (가톨릭대학교 환경공학과)

초록
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본 연구에서는 해수를 이용하여 석탄 화력발전소에서 발생하는 $CO_2$를 포집하기 위해 발전소에서 수급이 용이한 비산재, NaOH, $Ca(OH)_2$를 해수에 첨가하여 제조된 흡수제의 $CO_2$ 포집 성능을 고찰하였다. 비산재가 첨가된 해수의 $CO_2$ 포집성능은 순 해수에 비해 높아 비산재의 $CO_2$ 포집 효과는 유효하다. 그러나 해수 내 다양한 이온들에 의해 증류수에서 보다 비산재 내 유효 성분들의 침출량과 침출속도가 제한적이다. NaOH가 첨가된 해수는 $OH^-$ 손실이 일어나 증류수에 비해 $CO_2$ 포집량이 낮았고 다양한 이온의 상호 작용에 의해 포집 속도가 낮았다. $Ca(OH)_2$를 첨가한 경우, 해수에서의 $CO_2$ 포집 성능은 증류수 보다 높았는데 이는 해수 내 이미 존재하고 있던 $Ca^{2+}$ 중 일부가 탄산화 반응에 참여했기 때문으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The present paper investigates the availability of seawater as the absorbents to capture carbon dioxide ($CO_2$) emitted from the coal fired power plant (CFPP). For the purpose of the study, readily obtainable alkali materials in CFPP such as coal fly ash (FA), NaOH and $Ca(OH)_2$ are added to seawater to prepare the absorbents and their $CO_2$ capture performances are discussed. FA can be effectively used the additives to increase $CO_2$ capture capacity of seawater to a some extent. This is ascribed that some alkali components in FA are leached into seawater and they contribute to $CO_2$ capture in the solution. However, their leaching amount and rate are restricted by the various ions in seawater. The performance of NaOH added seawater is even lower than that of NaOH added water because $OH^-$ is substantially consumed on $Ma(OH)_2$ production prior to carbonation. $CO_2$ absorption capacity of $Ca(OH)_2$ added seawater is slightly larger than that of $Ca(OH)_2$ added water. This is because that $Ca^{2+}$ which originally present in raw seawater can participate in carbonation reaction.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 서해안 영흥도에 소재하고 있는 CFPP에서 발생하는 CO₂를 포집하기 위한 목적으로 근처 장경리 해수를 이용하고 본 CFPP 전기집진기에서 발생하는 비산재와 Ca(OH)₂ NaOH 시약 등을 해수에 첨가하여 CO₂흡수액을 제조하였다. 가스 조성은 CFPP에서 배출되는 배기가스와 유사한 혼합 가스를 이용하였으며, 각 흡수제의 CO₂ 포집 성능, 속도, 효율 등을 검토하였다.
본 연구에서는 해수를 이용하여 석탄 화력발전소(CFPP)에서 발생하는 CO₂를 포집하기 위한 연구를 수행하였다. CFPP 에서 배출되는 연소 가스와 동일한 조성의 혼합 가스를 순해수와 여기에 CFPP에서 수급이 용이한 비산재, NaOH, Ca(OH)₂를 첨가하여 제조된 흡수제에 주입하여 각 흡수제의 포집 성능 및 특성을 고찰하였다.
이와 같이 탄산염 광물화가 가능한 유효한 물질을 해수에 첨가하여 기존 해수에 녹아 있는 성분들과 상승효과를 일으켜 CO₂를 포집할 수 있는 효율적인 기술 연구는 중요한 의미를 갖는다. 이러한 기술에 있어 가장 중요한 문제는 다른 CCS 기술과 같이 에너지 소비가 최소화되어야 한다.

제안 방법

를 포집하기 위한 연구를 수행하였다. CFPP 에서 배출되는 연소 가스와 동일한 조성의 혼합 가스를 순해수와 여기에 CFPP에서 수급이 용이한 비산재, NaOH, Ca(OH)₂를 첨가하여 제조된 흡수제에 주입하여 각 흡수제의 포집 성능 및 특성을 고찰하였다. 해수의 상대적인 성능 비교를 위해 증류수를 바탕으로 하는 흡수제에 동일한 연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
포집을 위해 500 mL 용액을 넣은 파이렉스 반응기를 25℃로 유지되도록 설치하였다. CO₂가 포함된 혼합 가스를 반응기로 주입하기 전에 반응기를 포함한 전 실험 장치 배관을 N₂로 세정하고, 혼합 가스는 반응기를 우회시켜 가스 조성을 조정한 뒤 CO₂가 포함된 혼합 가스를 반응기에 주입하였다. 이때 혼합 가스는 실제 CFPP의 건기준 기체 조성인 N2 79 mol%, CO₂ 15 mol%, O₂ 6 mol%를 맞추기 위해 유량 조절계(TN280，Mykrolis)를 이용하여 N2, CO₂ 및 O₂유속을 각각 2,370, 450와 180 mL/min로 조절하였고 이들의 혼합을 위해 기체 혼합기를 설치하였다.
흡수액을 제조하였다. 가스 조성은 CFPP에서 배출되는 배기가스와 유사한 혼합 가스를 이용하였으며, 각 흡수제의 CO₂ 포집 성능, 속도, 효율 등을 검토하였다. 또한 해수 대신 증류수를 이용하여 같은 실험을 통해 해수 및 첨가제를 이용한 CO₂ 포집에 대한 효과를 비교 분석하였다.
같은 방법으로 본 연구에서 얻어진 증류수 및 해수의 CO₂ 포집량을 이용하여, CO₂ 포집 후의 해수 및 증류수에서 세 성분의 농도와 몰 조성을 계산하여 Table 1에 표시하였다. 따라서 분압이 0.
가스 조성은 CFPP에서 배출되는 배기가스와 유사한 혼합 가스를 이용하였으며, 각 흡수제의 CO₂ 포집 성능, 속도, 효율 등을 검토하였다. 또한 해수 대신 증류수를 이용하여 같은 실험을 통해 해수 및 첨가제를 이용한 CO₂ 포집에 대한 효과를 비교 분석하였다.
따라서 CO₂가 증류수와 순 해수에 포집되는 경우, 세 가지 성분의 조성은 상당히 다르다. 본 논문에서는 순수한 증류수 및 순해수에 흡수되는 CO₂ 흡수량을 각각 0.23 g과 0.22 g으로 설정하였고 이 값을 두 용액에서의 물리 흡수 및 포집량으로 간주하였다.
세 가지 성분을 제외하고 본 연구에서 사용된 해수 내 주요 성분들은 ICP-AES (138 Ultrace, Jobin Yvon, 기초과학공동기기원)를 이용하여 분석하였으며 Table 2와 같다.
CO₂가 포함된 혼합 가스를 반응기로 주입하기 전에 반응기를 포함한 전 실험 장치 배관을 N₂로 세정하고, 혼합 가스는 반응기를 우회시켜 가스 조성을 조정한 뒤 CO₂가 포함된 혼합 가스를 반응기에 주입하였다. 이때 혼합 가스는 실제 CFPP의 건기준 기체 조성인 N2 79 mol%, CO₂ 15 mol%, O₂ 6 mol%를 맞추기 위해 유량 조절계(TN280，Mykrolis)를 이용하여 N2, CO₂ 및 O₂유속을 각각 2,370, 450와 180 mL/min로 조절하였고 이들의 혼합을 위해 기체 혼합기를 설치하였다.
이를 바탕으로 해수 내 탄산염 광물화가 가능한 유효 양이온 성분의 농도를 증가시키기 위해 해수에 첨가물을 투입한 후, 탄산화 실험에 대한 결과를 다음에 설명하였다.
정확한 첨가제의 포집 성능을 계산하기 위해 용액의 총 CO₂ 포집량에서 순 용액의 CO₂ 흡수량을 제외하고 첨가제 투입량으로 나누어 주었으며, 용액의 부피도 고려해주었다. Fig.
포집 전과 후 및 반응 중인 용액의 pH와 전기전도도(Electrical Donductivity, EC)는 pH/EC meter (Orion 4 Star pH/EC meter, Thermo Scientific)를 이용하여 실시간으로 측정하였으며 가스 분석기(maMos-200, Madur eletctronics)를 이용하여 매초마다 CO₂농도를 분석하여 CO₂ 포집량을 계산하였다.²⁰⁾

대상 데이터

해수는 부유물을 제거하기 위해 5 µm 여과지로 여과하였다. 모든 용액은 500 mL에서 실험이 진행되었으며, 사용된 비산재는 영흥도 소재 CFPP에서 발생하는 것으로 그 첨가량은 25 g, NaOH (Samchun Chemical Co., 95%)는 15 g이었으며 Ca(OH)₂ (Samchun Chemical Co., 95%)의 경우 500 mL 포화용액을 만들기 위해 증류수 기준의 용해도 값인 0.740 g을 첨가하였다. 모든 용액은 첨가된 시약이 충분히 분산 및 용해 될 수 있도록 시약 첨가 후 밀봉하여 24시간 보관한 뒤에 실험에 사용하였다.
본 연구에 사용된 해수는 경기도 서해 장경리 연안의 표층 해수로 직접 채취하였으며 해수에 대한 비교 실험으로 2차 증류수를 이용하여 동일한 실험을 수행하였다. 해수는 부유물을 제거하기 위해 5 µm 여과지로 여과하였다.

성능/효과

1) 순 해수의 CO₂ 포집량은 증류수에서보다 약간 낮다. 이는 기존 해수에 이미 소량의 HCO₃^-와 CO₃^2-가 존재하며, 동시에 Cl와 SO42- 등의 이온이 HCO₃^-와 CO₃^2-생성을 저해하기 때문이다.
2) 비산재가 첨가된 해수나 증류수 현탁액의 CO₂ 포집 성능은 순 용액들에 비해 높아 비산재의 CO₂ 포집 효과는 유효하다. 하지만 CO₂ 포집이 진행되면서 pH가 낮아져 비산재로부터 다양한 이온이 용출된다.
3) NaOH가 첨가된 해수의 CO₂ 포집량은 증류수에서 보다 작았다. 이는 해수 내 존재하는 Ca²⁺와 Mg²⁺가 투입된 NaOH 중 OH와 결합하여 침전을 형성하면서 OH- 손실이 일어나기 때문이다.
4) Ca(OH)₂를 첨가한 경우, 해수에서의 CO₂ 포집 성능은 증류수 보다 높았고 이론적인 CO₂ 포집량 보다 높았다. 이는 해수 내 이미 존재하고 있던 Ca²⁺ 중 일부가 탄산화 반응에 참여했기 때문으로 해수에 Ca(OH)₂의 첨가는 증류수에 비해 효과적이다.
이는 해수에 용해되어 있던 OH가 공급되는 CO₂에 의해 급격히 소모된 후, 다른 이온들에 의해 Ca(OH)₂의 용해 속도가 감소하여 상대적으로 CO₂ 포집 속도가 느려지기 때문으로 판단된다. 그러나 총 CO₂ 포집량은 증류수에서 0.642 g, 해수에서는 0.678 g으로 Ca(OH)₂의 첨가는 증류수에서 보다 해수의 포집 성능을 약 6.3% 향상시켰다. 따라서 해수에서는 Ca(OH)₂가 매우 서서히 용해되면서 첨가된 Ca²⁺ 외에 해수 내 존재하고 있던 Ca²⁺ 또한 탄산염을 생성하는데 일부 참여한 것으로 예측된다.
포집 후의 해수 및 증류수에서 세 성분의 농도와 몰 조성을 계산하여 Table 1에 표시하였다. 따라서 분압이 0.15 atm인 CO₂를 증류수에 흡수시키면 대부분이 CO_2(aq)로 존재하는 반면 순 해수에 CO₂가 포집되면 CO_2(aq)가 약 67%로 상승하며 약 90%였던 HCO₃^-의 농도가약 33%로 하락하고 CO₃^2-는 약 0.01%로 하락한다. 따라서 CO₂가 증류수와 순 해수에 포집되는 경우, 세 가지 성분의 조성은 상당히 다르다.
마지막으로 Ca(OH)₂ 첨가에 따른 포집 속도는 해수와 증류수에서 큰 차이를 보이지 않았다. Ca(OH)₂의 용해 속도가 다소 차이가 있으나, 해수에서도 거의 용해되었으며 용해된 모든 Ca(OH)₂는 증류수에서와 같은 속도로 반응하였다.

후속연구

따라서 현재 운용되고 있는 CFPP에서 해수를 이용하고 부산물인 비산재나 Ca(OH)₂ 등을 첨가하는 경우 증류수와 동등하거나 다소 높은 CO₂ 포집이 가능하며 해수 내 탄산화가 가능한 유효 물질을 효과적으로 이용하기 위해서는 음이온 등을 제거하고 또한 다른 알칼리성 물질을 주입하는 등의 추가적 연구가 효과적일 수 있으며 향후 이에 대한 연구 수행이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	CO2 포집 및 저장 기술에 대해 많은 연구가 이루어지고 있는 이유는 무엇인가?	현재, 화석 에너지 사용을 유지하면서, 대체 에너지 기술이 경쟁력을 가질 수 있을 때까지 기후변화에 대응하기 위하여 CO2 포집 및 저장(Carbon Dioxide Capture and Storage, CCS) 기술에 대해 많은 연구가 이루어지고 있다.1~5) 2010년 7월 국제에너지기구(IEA)에서는 CCS 기술만으로도 2050년에 배출되는 CO2 총량의 19%까지 감축이 가능할 것으로 보고하였다.
	NEAA의 2012년 보고서에 따르면 2011년 우리나라의 CO2 배출량은 얼마로 추정되고 있는가?	네덜란드 환경영향평가청(Netherlands Environmental Assessment Agency, NEAA)의 2012년 보고서에 따르면 2011년 우리나라의 CO2 배출량은 약 6.1억 톤으로 추정되고 있다.7) 이 중, 화력발전소에서 배출되는 CO2 비율은 약 32%이고, 우리나라의 화력발전별 CO2 발생 비율이 석탄인 경우 84%, 천연가스인 경우 11%, 유류 발전인 경우 5%인 것을 감안한다면8) 현재 약 50 여기의 석탄 화력발전소(Coal Fired Power Plant, CFPP)에서 연간 약 1.
	포집된 CO2를 해양 심층수나 해양 지중 등에 저장하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있는 이유는?	바다는 지구상에서 자연적 및 인위적으로 배출되는 CO2 대부분을 흡수하고 있고, 지구의 탄소 순환을 일으키는 주요 인자이며 최대 38,000 Gton의 지구 표면 탄소를 저장할 수 있어 현재 고려되고 있는 최대 CO2 저장 매체 및 장소이다. 따라서 현재 포집된 CO2를 해양 심층수나 해양 지중 등에 저장하기 위한 다양한 연구들이 진행되고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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