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암모니아수 흡수제를 사용하는 분무탑의 이산화탄소 포집 기본특성에 관한 실험적 연구
Experimental Study on the Characteristics of CO2 Capture with Spray Towers Using Ammonia Solution 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.38 no.2 = no.341, 2014년, pp.165 - 172  

임영복 (포항공과대학교 기계공학과) ,  최문경 (포항공과대학교 기계공학과) ,  이진원 (포항공과대학교 기계공학과)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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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참고문헌 (21)

  1. Yamasaki, A., 2003, "An Overview of $CO_{2}$ Mitigation Options for Global Warming - Emphasizing $CO_{2}$ Sequestration Options," J. Chem. Eng. Jpn., Vol. 36, No. 4, pp. 61-375. 

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  20. Qing, Z., Yincheng, G. and Zhenqi, N., 2011, "Experimental Studies on Removal Capacity of Carbon Dioxide by a Packed Reactor and a Spray Column Using Aqueous Ammonia," Energy Procedia, Vol. 4, pp. 519-524. 

  21. ZhenQi, N., YinCheng, G. and WenYi, L., 2010, "Experimental Studies on Removal of Carbon Dioxide by Aqueous Ammonia Fine Spray," Sci. China Tech. Sci., Vol. 53, pp. 117-122. 

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