단일 노즐을 이용하는 $CO_2$ 포집용 분무탑의 기본적 특성을 실험적으로 구하였다. 다양한 조건 - 주입 기체 유량 및 농도, 주입 흡수제 유량 및 농도 등 - 에서 얻어진 포집성능을 포집효율 뿐만 아니라 재생에너지의 주요 결정요인인 $CO_2$ 포화도 측면에서 검토하였다. 다양한 조건들에서의 포집효율 변화는 흡수제($NH_3$)와 $CO_2$의 상대적 유량비만의 단조증가함수로 잘 표현되었다. 포집후의 흡수제의 $CO_2$ 포화도 또한 $NH_3/CO_2$ 유량비만의 함수로 잘 정리가 되었으나, 포집효율과는 다르게 단조감소함수를 보였으며, 특히 $CO_2$ 포화도와 포집효율과의 상관관계를 보면 기존의 모든 연구들에서 포집효율이 증가할수록 $CO_2$ 포화도가 감소하였다. $CO_2$ 포화도는 낮은 포집효율 조건에서 최대 20-25% 수준이었으나, 90% 이상의 고효율에서는 10% 미만으로 매우 낮았다. 이는 높은 포집효율을 위해 사용되는 흡수제의 양이 과도하며, 다시 재생에너지가 과도하게 필요함을 의미한다.
단일 노즐을 이용하는 $CO_2$ 포집용 분무탑의 기본적 특성을 실험적으로 구하였다. 다양한 조건 - 주입 기체 유량 및 농도, 주입 흡수제 유량 및 농도 등 - 에서 얻어진 포집성능을 포집효율 뿐만 아니라 재생에너지의 주요 결정요인인 $CO_2$ 포화도 측면에서 검토하였다. 다양한 조건들에서의 포집효율 변화는 흡수제($NH_3$)와 $CO_2$의 상대적 유량비만의 단조증가함수로 잘 표현되었다. 포집후의 흡수제의 $CO_2$ 포화도 또한 $NH_3/CO_2$ 유량비만의 함수로 잘 정리가 되었으나, 포집효율과는 다르게 단조감소함수를 보였으며, 특히 $CO_2$ 포화도와 포집효율과의 상관관계를 보면 기존의 모든 연구들에서 포집효율이 증가할수록 $CO_2$ 포화도가 감소하였다. $CO_2$ 포화도는 낮은 포집효율 조건에서 최대 20-25% 수준이었으나, 90% 이상의 고효율에서는 10% 미만으로 매우 낮았다. 이는 높은 포집효율을 위해 사용되는 흡수제의 양이 과도하며, 다시 재생에너지가 과도하게 필요함을 의미한다.
Experiments were conducted to identify basic characteristics of $CO_2$ capture using a spray tower with a single nozzle. Results were evaluated in terms of $CO_2$ saturation which is the main determining factor of regeneration energy, and capture efficiency under various operat...
Experiments were conducted to identify basic characteristics of $CO_2$ capture using a spray tower with a single nozzle. Results were evaluated in terms of $CO_2$ saturation which is the main determining factor of regeneration energy, and capture efficiency under various operating conditions. Changes in the capture efficiency under various conditions are well expressed as a monotone increasing function of the relative solvent $(NH_3):CO_2$ flow rate. Although changes in $CO_2$ saturation are also well described as a function of the $NH_3/CO_2$ flow rate ratio, these are expressed as a monotone decreasing function, in contrast with the increasing function of $CO_2$ efficiency. In recent research on the relationship between $CO_2$ saturation and capture efficiency, $CO_2$ saturation was found to decrease when capture efficiency increased. In conclusion, the results show that the amount of solvent used for achieving high capture efficiencies is excessive, as is the amount of regeneration energy needed.
Experiments were conducted to identify basic characteristics of $CO_2$ capture using a spray tower with a single nozzle. Results were evaluated in terms of $CO_2$ saturation which is the main determining factor of regeneration energy, and capture efficiency under various operating conditions. Changes in the capture efficiency under various conditions are well expressed as a monotone increasing function of the relative solvent $(NH_3):CO_2$ flow rate. Although changes in $CO_2$ saturation are also well described as a function of the $NH_3/CO_2$ flow rate ratio, these are expressed as a monotone decreasing function, in contrast with the increasing function of $CO_2$ efficiency. In recent research on the relationship between $CO_2$ saturation and capture efficiency, $CO_2$ saturation was found to decrease when capture efficiency increased. In conclusion, the results show that the amount of solvent used for achieving high capture efficiencies is excessive, as is the amount of regeneration energy needed.
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문제 정의
이처럼 흡수제의 포화정도가 경제성에의 가장 직접적인 요소임에도 불구하고 이제까지의 모든 연구들에서는 포집효율만을 제시하고 흡수제의 포화정도에 대한 보고는 거의 없었다. 따라서 본 연구에서는 분무탑의 포집효율과 포화도를 동시에 고려한 성능특성을 파악하고자 하였다. 배가스의 유량 및 CO2 농도, 흡수제의 유량 및 농도 등을 포함한 공정 파라미터의 영향을 나타낼 수 있는 다양한 조건하에서 포집성능이 실험적으로 평가되었다.
따라서 본 연구에서는 분무탑의 포집효율과 포화도를 동시에 고려한 성능특성을 파악하고자 하였다. 배가스의 유량 및 CO2 농도, 흡수제의 유량 및 농도 등을 포함한 공정 파라미터의 영향을 나타낼 수 있는 다양한 조건하에서 포집성능이 실험적으로 평가되었다.
본 연구는 분무탑을 이용한 고농도 CO2 포집의 기본특성을 확인하기 위한 실험적 연구이다. 사용된 흡수제는 암모니아수이며, 분무 생성을 위해 단일 노즐을 사용하였다.
가설 설정
1(b)), 상단에는 데미스터(Demister, polypropylene type)를 설치함으로써(Fig. 1(c)) 분사 액적과 반대방향으로 움직이는 기체 유동에 딸려 나가는 액적을 방지하였다.
제안 방법
CO2 흡수장치의 기본적인 성능지표인 포집효율을 주입 기체와 주입 흡수제의 작동 조건에 따라 실험적으로 측정하였다. Fig.
포화도의 관점에서 확인하였다. 그리고 타 연구와의 비교를 통해 분무탑을 이용한 CO2 포집장치의 기본특성을 고찰하였다.
다양한 작동 조건에서의 흡수탑의 CO2 포집의 기본특성을 파악하기 위해 각 실험 조건에 따른 포집성능을 포집효율 및 흡수제의 CO2 포화도의 관점에서 확인하였다. 그리고 타 연구와의 비교를 통해 분무탑을 이용한 CO2 포집장치의 기본특성을 고찰하였다.
포집용 분무탑의 기본적 특성을 실험적으로 구하였다. 다양한 조건 - 주입 기체 유량 및 농도, 주입 흡수제 유량 및 농도 등 - 에서 얻어진 포집성능을 포집효율 뿐만 아니라 재생에너지의 주요 결정요인인 CO2 포화도 측면에서 검토하였다.
단일 노즐을 이용하는 CO2 포집용 분무탑의 기본적 특성을 실험적으로 구하였다. 다양한 조건 - 주입 기체 유량 및 농도, 주입 흡수제 유량 및 농도 등 - 에서 얻어진 포집성능을 포집효율 뿐만 아니라 재생에너지의 주요 결정요인인 CO2 포화도 측면에서 검토하였다.
분무탑 흡수성능의 평가 지표로는 주입 기체 유량, 주입 흡수제 유량 등의 조작변수 대비 포집효율과 흡수제의 CO2 포화도를 사용하였으며, 포집 효율과 CO2 포화도는 각각 식 (2) 및 식 (3)과 같이 구하였다. 흡수제의 CO2 질량분율은 장치 입출구에서 측정한 배출기체중 CO2 농도로부터 CO2포집양을 계산하고 여기에 흡수제 유량을 고려하여 계산으로 구하였다.
실험이 진행되는 동안, 기체의 입구와 출구에서 적외선 CO2 분석기(IR600, Hitech Instruments)를 이용하여 기체 중 CO2 농도를 측정하였다. 적외선 CO2 분석기의 측정 오차는 2%이고, 각 실험마다 결과의 재현성을 검증하기 위해 동일한 실험을 3회 이상 진행하였다.
포화도는 동일한 포집효율일 경우 이 값에 의해 흡수제의 사용량이 결정되기 때문에 포집과정 뿐만 아니라 재생과정에서의 에너지 비용에도 직접적인 영향을 미치는 지표이다. 주입 기체와 주입 흡수제의 작동 조건에 따른 흡수제의 CO2 포화도의 변화를 실험적으로 측정하였다. Fig.
포화도는 각각 식 (2) 및 식 (3)과 같이 구하였다. 흡수제의 CO2 질량분율은 장치 입출구에서 측정한 배출기체중 CO2 농도로부터 CO2포집양을 계산하고 여기에 흡수제 유량을 고려하여 계산으로 구하였다.
1(a))에서 수행되었다. 흡수탑은 분사되는 흡수제 액적의 직관적인 관찰을 위해 아크릴재질로 제작하였으며, 공기와 CO2의 혼합기체는 흡수탑의 하단으로 주입시키고, 흡수제인 암모니아수는 상단에서 노즐을 이용하여 분무시켜 두 유동이 대향류를 형성하도록 하였다. 흡수제 분사에 사용되는 노즐은 압력식 스월 분무기(TGO.
대상 데이터
포집의 기본특성을 확인하기 위한 실험적 연구이다. 사용된 흡수제는 암모니아수이며, 분무 생성을 위해 단일 노즐을 사용하였다. 암모니아수를 이용한 CO2 포집반응은 여러 가지 중간 반응과 중간산물 들이 연결된 복잡한 반응구조이지만, 최종적으로는 식 (1)과 같이 중탄산암모늄(Ammonium bicarbonate, NH4HCO3) 이 생성된다.
성능/효과
이러한 경향은 분무탑을 이용한 타 연구에서도 동일한 결과를 보였으며, 분무탑 뿐만 아니라 충진탑에서도 비슷한 경향을 보이는 것을 알 수 있다(Fig 6(b)).(20) 현재의 기술 수준으로는 포집효율이 비교적 높게 얻어지는 충진탑의 경우도 현재 작동 조건에서 최고 약 25%의 CO2 포화도를 보이는 것을 알 수 있다. 이와 같은 결과는 기존의 흡수탑에서 여러가지 제약 조건들에 의해 포집효율을 증가시키기 위해 CO2 포화도는 떨어지더라도 흡수제의 사용량을 늘리거나 CO2 처리용량을 줄이는 방식을 채택했기 때문이다.
포화도가 감소하였다. CO2 포화도는 낮은 포집효율 조건에서 최대 20-25% 수준이었으나, 90% 이상의 고효율에서는 10% 미만으로 매우 낮았다. 이는 높은 포집효율을 위해 사용되는 흡수제의 양이 과도하며, 다시 재생에너지가 과도하게 필요함을 의미한다.
5와 같다. 결과에서 알 수 있듯이 CO2의 포화도 또한 모든 작동 조건에서 암모니아와 이산화탄소의 질량비에 따라 비슷한 값을 가지며, 그 값이 증가할수록 CO2의 포화도는 감소하는 경향을 보이는데 이는 포집효율과는 반대의 경향이다. 현재 해당 실험의 작동조건에서 흡수제의 CO2 포화도는 이론적인 최대흡수 가능량의 20%를 넘지 못하는 것을 알 수 있으며, 이러한 결과는 다시 현재의 분무탑을 이용한 CO2 포집이 흡수제를 효율적으로 사용하지 못하고 있음을 의미한다.
다른 연구들과 마찬가지로, 포집효율은 기체의 유량과 농도가 증가할수록 감소하고 흡수제의 유량과 농도가 증가할수록 증가하는데, 다양한 조건 들에서의 포집효율 변화는 흡수제(NH3)와 CO2의 상대적 유량비만의 단조증가함수로 잘 표현되었다.
3과 같으며, 결과에서 알 수 있듯이 암모니아와 이산화탄소의 질량비에 따라 포집효율이 다양한 작동조건에서 비슷한 값을 갖는 것을 알 수 있으며, 이는 암모니아와 이산화탄소의 질량비가 다양한 작동조건에서의 대표변수로 이용이 가능함을 보여 준다. 대표변수인 암모니아와 이산화탄소 질량비가 증가할수록 포집효율은 증가하는 것을 알 수 있으며, 그 값이 8 이상일 때는 더 이상의 성능 향상의 효과는 없는 것을 알 수 있다. 특정 값 이상에서 더 이상의 포집효율의 증가가 없는 것은 흡수제의 흡수능과 흡수탑의 기/액 접촉의 구조적 한계 때문으로 보인다.
포화정도가 나타낸다고 볼 수있다. 동일한 기체처리조건 및 포집효율에서 흡수제의 포집후 CO2 포화도가 높으면 흡수제의 사용량을 줄일 수 있고 이는 바로 재생에너지를 줄일 수 있음을 의미하며, 결과적으로 전체적인 경제성이 향상됨을 의미한다.
이와 같은 논리에 따라, 포집효율을 암모니아와 이산화탄소의 질량비의 함수로 나타내 보면 Fig. 3과 같으며, 결과에서 알 수 있듯이 암모니아와 이산화탄소의 질량비에 따라 포집효율이 다양한 작동조건에서 비슷한 값을 갖는 것을 알 수 있으며, 이는 암모니아와 이산화탄소의 질량비가 다양한 작동조건에서의 대표변수로 이용이 가능함을 보여 준다. 대표변수인 암모니아와 이산화탄소 질량비가 증가할수록 포집효율은 증가하는 것을 알 수 있으며, 그 값이 8 이상일 때는 더 이상의 성능 향상의 효과는 없는 것을 알 수 있다.
이산화탄소 포집을 위한 흡수탑의 성능향상을 위해서는 포집효율을 증가시키는 것이 가장 큰 요소라고 할 수 있다. 포집효율을 증가시키기 위해서는 흡수제가 CO2를 최대한 많이 흡수해야 하는데, 위의 실험결과를 포집효율과 포화도의 상관관 계로 재구성해 보면, 포집효율을 증가시키는 작동 조건하에서 CO2 의 포화도가 오히려 감소하는 것을 알 수 있다(Fig. 6(a)).
포집후의 흡수제의 CO2 포화도 또한 NH3/CO2유량비만의 함수로 잘 정리가 되었으나, 포집효율과는 다르게 단조감소함수를 보였으며, 특히 CO2포화도와 포집효율과의 상관관계를 보면 기존의 모든 연구들에서 포집효율이 증가할수록 CO2 포화도가 감소하였다. CO2 포화도는 낮은 포집효율 조건에서 최대 20-25% 수준이었으나, 90% 이상의 고효율에서는 10% 미만으로 매우 낮았다.
결과에서 알 수 있듯이 CO2의 포화도 또한 모든 작동 조건에서 암모니아와 이산화탄소의 질량비에 따라 비슷한 값을 가지며, 그 값이 증가할수록 CO2의 포화도는 감소하는 경향을 보이는데 이는 포집효율과는 반대의 경향이다. 현재 해당 실험의 작동조건에서 흡수제의 CO2 포화도는 이론적인 최대흡수 가능량의 20%를 넘지 못하는 것을 알 수 있으며, 이러한 결과는 다시 현재의 분무탑을 이용한 CO2 포집이 흡수제를 효율적으로 사용하지 못하고 있음을 의미한다.
후속연구
이와 같은 결과는 기존의 흡수탑에서 여러가지 제약 조건들에 의해 포집효율을 증가시키기 위해 CO2 포화도는 떨어지더라도 흡수제의 사용량을 늘리거나 CO2 처리용량을 줄이는 방식을 채택했기 때문이다. 이와 같이 비효율적인 흡수제의 사용을 줄이려면 사용하는 분무 액적의 크기 및 분사위치 등의 제어를 통해 단위 액적이 흡수할 수 있는 CO2의 양을 최고로 하여 포화도를 늘리면서, 액적의 크기와 주입 혼합기체 유량에 의해 결정되는 액적와 CO2의 접촉 면적 및 접촉시간을 늘리는 등의 방식으로 효율도 함께 증가시킬 수 있는 최적의 방식을 도출해야 할 것이다.
현재 충진탑이건 분무탑이건 CO2 흡수탑기법에서 실용화기술을 위해 가장 중요한 요소는 재생에너지의 저감이며, 재생에너지는 흡수용액의 사용량에 거의 비례하는 점을 고려한다면, 포집후 흡수제의 CO2 포화도가 동일포집을 위해 필요한 흡수제 사용량에 반비례하므로, 앞으로 재생에너지의 저감을 위해서 포화도의 증가가 가장 핵심적인 지표로 이용될 수 있을 것으로 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
알카놀아민 계열의 흡수제가 가지고 있는 문제점은 무엇인가?
흡수식 CO2 포집에서 포집비용은 흡수기와 재생기에 대한 설치비용과 운전비용으로 구성되는데, 장치의 제작비용과 함께 흡수제의 사용비용, 그리고 재생시에 소모되는 재생에너지가 가장 중요한 요소이다. CO2 흡수를 위해 주로 사용되는 흡수제는 알카놀아민 계열인데, 이러한 흡수제는 높은 재생온도(~140 ºC)와 열화, 부식 그리고 상대적으로 높은 흡수제 비용 및 낮은 CO2 흡수용량 등의 문제점들을 가지고 있다. 최근에는 낮은 재생에너지 비용과 화학적 안정성 및 높은 CO2 흡수용량 등으로 인해 암모니아(Ammonia) 수용액을 사용하기도 한다.
현재 산업 시설의 배가스로부터 CO2를 포집할 수 있는 기술로 무엇이 있는가?
온실가스 중에서 이산화탄소는 질량당 온실효과는 메탄, 염화불화탄소(CFC, 프레온가스) 등 보다 작지만 대기 중에 존재하는 막대한 양 때문에 지구온난화에 60% 정도의 영향을 미친다고 알려져 있다. (1) 현재 산업 시설의 배가스로부터 CO2를 포집할 수 있는 기술들로는 기체 흡수법(absorption), 흡착법(Adsorption), 저온분리법(cryogenic separation), 막분리법(Membrane separation) 등이 있으며, 이중 알카놀아민(alkanolamine) 수용액을 이용한 기체흡 수법이 현재로서는 CO2 포집을 위해 사용할 수 있는 가장 잘 완성된 기술이기는 하지만, (2) 실제적인 적용을 위한 포집비용이 여전히 상당히 비싼 것이 문제이다. (3)
분무탑의 흡수제의 포화정도가 경제성의 가장 직접적인 요소인 근거는 무엇인가?
분무탑의 성능은 일차적으로 CO2 포집효율이 중요하지만, 포집효율은 CO2 대비 흡수제의 유량과 농도를 높이면 항상 증가시킬 수 있는 것이므로, 실질적인 기술의 수준은 가급적 적은 양의 흡수제를 사용하여 높은 포집효율을 얻는 것이며, 이런 측면에서 장치의 실질적 포집성능은 포집후의 흡수제의 CO2 포화정도가 나타낸다고 볼 수있다. 동일한 기체처리조건 및 포집효율에서 흡수제의 포집후 CO2 포화도가 높으면 흡수제의 사용량을 줄일 수 있고 이는 바로 재생에너지를 줄일수 있음을 의미하며, 결과적으로 전체적인 경제성이 향상됨을 의미한다.
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