산성가스 처리를 위한 흡수탑의 설계에 있어 탑 내부로 투입되는 가스의 분산성 향상은 흡수탑에서 산성가스의 제거율 향상 및 탑의 높이를 낮출 수 있으므로 전체 공정의 투자비를 저감할 수 있는 매우 중요한 연구 분야이다. 특히 최근 온실가스 저감의 한 방안으로 국내외에서 활발하게 개발 중인 습식 이산화탄소 포집기술의 경우 대규모 산성가스 처리가 요구됨에 따라 흡수탑 내 가스 분산성을 향상시킬 수 있는 연구의 필요성이 더욱 증대되고 있다. 본 연구에서는 관련하여 현재 한국중부발전 보령화력본부에 설치된 10MW급 연소 후 습식 이산화탄소 포집플랜트 기본설계 자료를 바탕으로 배가스 투입 시 흡수탑 내 가스의 분산성을 향상시킬 수 있는 다양한 방안을 도출하고 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics)을 활용하여 각각의 경우에 있어서 분산성에 대한 효과를 분석하였다. 가스 분산성 향상을 위해 본 연구에서 도출된 3가지 방안(splash plate, 나선형 가스라인 및 U-tube 적용)에 대한 정량적 정성적 분석결과 흡수탑 내부에 계단형 U-tube를 설치하는 경우 탑 내부에 아무런 분산장치가 없는 경우 대비 흡수탑 내 가스의 분산성이 약 30% 증가되는 반면 분산장치 설치에 따른 차압의 증가는 기존 대비 10% 수준으로 크지 않아서 가스 분산성 향상을 위한 우수한 방안으로 평가되었다.
산성가스 처리를 위한 흡수탑의 설계에 있어 탑 내부로 투입되는 가스의 분산성 향상은 흡수탑에서 산성가스의 제거율 향상 및 탑의 높이를 낮출 수 있으므로 전체 공정의 투자비를 저감할 수 있는 매우 중요한 연구 분야이다. 특히 최근 온실가스 저감의 한 방안으로 국내외에서 활발하게 개발 중인 습식 이산화탄소 포집기술의 경우 대규모 산성가스 처리가 요구됨에 따라 흡수탑 내 가스 분산성을 향상시킬 수 있는 연구의 필요성이 더욱 증대되고 있다. 본 연구에서는 관련하여 현재 한국중부발전 보령화력본부에 설치된 10MW급 연소 후 습식 이산화탄소 포집플랜트 기본설계 자료를 바탕으로 배가스 투입 시 흡수탑 내 가스의 분산성을 향상시킬 수 있는 다양한 방안을 도출하고 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics)을 활용하여 각각의 경우에 있어서 분산성에 대한 효과를 분석하였다. 가스 분산성 향상을 위해 본 연구에서 도출된 3가지 방안(splash plate, 나선형 가스라인 및 U-tube 적용)에 대한 정량적 정성적 분석결과 흡수탑 내부에 계단형 U-tube를 설치하는 경우 탑 내부에 아무런 분산장치가 없는 경우 대비 흡수탑 내 가스의 분산성이 약 30% 증가되는 반면 분산장치 설치에 따른 차압의 증가는 기존 대비 10% 수준으로 크지 않아서 가스 분산성 향상을 위한 우수한 방안으로 평가되었다.
Regarding the design of the gas sweetening absorber, the gas distribution analysis for the increase of the sour gas removal and reduction of the tower height is very important research topics. Recently, regarding the $CO_2$ capture technology which is a promising option for the reduction ...
Regarding the design of the gas sweetening absorber, the gas distribution analysis for the increase of the sour gas removal and reduction of the tower height is very important research topics. Recently, regarding the $CO_2$ capture technology which is a promising option for the reduction of the greenhouse gas (GHG), the need for the gas distribution improvement is increased as the gas treating capacity increases. In this paper, we have investigated the sour gas distribution in the absorber using CFD (Computational Fluid Dynamics) based on 10 MW post-combustion $CO_2$ capture plant installed in Boryeong power station, Korea Midland Power company. For this purpose, we suggested the three possible technology options (splash plate, spiral gas line and U-tube) for the gas distribution enhancement and compared the effect of the each cases. The result showed that the U-tube installed in the absorber increase the gas distribution about 30% compared to the base case, while the delta P increasement was about 10%. From these results, it was found that the U-tube installation is an effective technology option for the gas distribution enhancement in the gas sweetening absorber.
Regarding the design of the gas sweetening absorber, the gas distribution analysis for the increase of the sour gas removal and reduction of the tower height is very important research topics. Recently, regarding the $CO_2$ capture technology which is a promising option for the reduction of the greenhouse gas (GHG), the need for the gas distribution improvement is increased as the gas treating capacity increases. In this paper, we have investigated the sour gas distribution in the absorber using CFD (Computational Fluid Dynamics) based on 10 MW post-combustion $CO_2$ capture plant installed in Boryeong power station, Korea Midland Power company. For this purpose, we suggested the three possible technology options (splash plate, spiral gas line and U-tube) for the gas distribution enhancement and compared the effect of the each cases. The result showed that the U-tube installed in the absorber increase the gas distribution about 30% compared to the base case, while the delta P increasement was about 10%. From these results, it was found that the U-tube installation is an effective technology option for the gas distribution enhancement in the gas sweetening absorber.
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문제 정의
포집플랜트는 Pilot 단계(노르웨이, 미국 및 한국 등)에서 실증 규모(캐나다)까지 진행이 되고 있는 상황이다. 또한 Pilot plant 규모의 성능시험 진행에 맞추어 향후 수백 MW급 실증 플랜트로의 격상을 위한 연구도 동시에 진행 중인데 그 중 하나가 공정 격상에 따른 흡수탑 내 투입되는 가스분산성 향상과 관련한 연구이다.
특히 최근 온실가스 저감의 한 방안으로 국내외에서 활발하게 개발 중인 습식 이산화탄소 포집기술의 경우 대규모 산성가스 처리가 요구됨에 따라 흡수탑 내 가스 분산성을 향상시킬 수 있는 연구의 필요성이 더욱 증대되고 있다. 본 연구에서는 관련하여 전산유체역학을 활용하여 대용량 배가스 처리를 위한 흡수탑의 가스분산성을 향상시킬 수 있는 다양한 방안을 제시하고 각 경우에 다양한 유동 분석을 통해서 최적의 방안을 제시하였다. 흡수탑 내 가스 분산성 향상을 위한 다양한 방안(splash plate, 내부 나선형 형태의 가스라인 및 계단형 U-tube)에 대하여 CFD를 활용한 유동 분석 결과 계단형 U-tube 설치 시 가스 분산성이 내부에 아무런 분산판이 없는 경우와 비교하여 약 30% 증가되는 반면 차압의 증가는 10% 수준으로 크지 않아서 가스 분산성 향상을 위한 우수한 방안으로 평가되었다.
포집 플랜트 기본 설계자료에 제시된 배가스(보령화력본부 8호기 탈황공정 출구 배가스 중 일부가 분기되어 흡수탑 하단으로 투입)의 주요 운전조건 및 플랜트 설비 용량 자료는 Table 1과 같다. 본 연구에서는 상기 운전조건 및 용량자료를 바탕으로 하여 다양한 조건하에서의 유동분석을 수행하였다.
본 연구에서는 흡수탑 내부로 투입되는 배가스의 분산성 분석과 관련하여 총 4가지의 경우에 대하여 분석을 수행하였다.
그 중 전산유체 역학(Computational Fluid Dynamics)을 활용한 분석 방법은 설비 설치 전 다양한 설계 옵션에 따른 효과를 정량적·정성적으로 예측할 수 있으므로 많은 연구 분야에서 활용이 되고 있다[7,8]. 이와 관련하여 본 연구에서는 한국중부발전 보령화력본부에 설치된 10 MW급 연소후 습식 이산화탄소 포집플랜트의 기본설계 자료를 바탕으로 흡수탑 내 가스분산성을 향상시킬 수 있는 다양한 방안을 도출하고 전산유체역학을 활용하여 각 경우별 효과를 정량적으로 비교함으로써 산성가스 처리용 흡수탑 내 가스분산성 향상을 위한 최적의 방안을 도출하고자 하였다.
가설 설정
가) 반응 무시 : 반응이 유동에 미치는 영향은 제외함.
상기 계산에 있어서 source term은 없는 것으로 가정하였으며, compressibility의 영향은 미미하므로 기타 model constant는 다음과 같이 설정하였다.
제안 방법
또한 흡수탑의 격자 생성(Meshing) 작업은 Ansys Meshing을 활용하였다. Ansys Meshing을 통해 최종 생성된 격자(Mesh)는 30만개 수준으로 만들어 격자의 치밀도에 따른 오차를 최소화 하였다. 내부 유동은 투입되는 가스의 속도가 충분히 높은 상태로, 난류(Turbulent flow)의 간단한 판단 기준이 되는 레이놀즈 넘버가 수 만 이상의 난류 영역에 속하기 때문에 전체 계산은 적합한 난류 모델을 적용하여 계산하였다.
CFD를 활용한 흡수탑 내부 가스분산성 향상연구를 위한 절차는 다음과 같다(Fig. 2) 먼저 대상이 되는 공정(한국중부발전 보령화력본부 10 MW급 CO2 포집 플랜트)의 기본 설계자료 검토를 통해 유동 분석을 위한 분석범위를 결정하고 운전조건을 입수하였다. 이를 바탕으로 CFD 분석을 위한 격자 생성(Meshing) 작업을 실시하고 기본 공정하에서 유동 분포 분석을 수행하였다.
이를 바탕으로 CFD 분석을 위한 격자 생성(Meshing) 작업을 실시하고 기본 공정하에서 유동 분포 분석을 수행하였다. 기본 공정하에서 확인된 가스 분산성의 문제점을 바탕으로 분산성 향상을 위한 복수의 개선안을 도출한 후, 도출된 의견을 반영하여 개선안 적용에 따른 흡수탑 내부의 가스 분산성을 분석하고 기본 공정 결과와 상호 비교하여 개선안의 성능을 정량적으로 분석하고자 하였다.
상기 제시된 모델을 계산한 후 분석대상인 흡수탑의 단면을 여러방향에서 잘라 각각의 유동 pattern을 velocity component(속도 크기, 축방향 속도, 접선방향 속도)로 구별하여 분석하였다. 또한 x/y/z 단면에 대하여 streamline과 velocity contour를 plot하여 각각의 경우에 대해 흡수탑 내부 유동 및 상대 속도 등의 정량적인 비교가 가능하도록 하였다.
5를 기반으로 하였다 [9]. 본 논문에서 관심 있는 해석 영역은 불규칙하게 충진된 비정형 충진물 계산의 한계를 고려하여 흡수탑 바닥에서 충진물 설치위치 바로 직전까지로 한정하여 분석하였다(Fig. 3). 또한 흡수탑의 격자 생성(Meshing) 작업은 Ansys Meshing을 활용하였다.
상기 제시된 모델을 계산한 후 분석대상인 흡수탑의 단면을 여러방향에서 잘라 각각의 유동 pattern을 velocity component(속도 크기, 축방향 속도, 접선방향 속도)로 구별하여 분석하였다. 또한 x/y/z 단면에 대하여 streamline과 velocity contour를 plot하여 각각의 경우에 대해 흡수탑 내부 유동 및 상대 속도 등의 정량적인 비교가 가능하도록 하였다.
2) 먼저 대상이 되는 공정(한국중부발전 보령화력본부 10 MW급 CO2 포집 플랜트)의 기본 설계자료 검토를 통해 유동 분석을 위한 분석범위를 결정하고 운전조건을 입수하였다. 이를 바탕으로 CFD 분석을 위한 격자 생성(Meshing) 작업을 실시하고 기본 공정하에서 유동 분포 분석을 수행하였다. 기본 공정하에서 확인된 가스 분산성의 문제점을 바탕으로 분산성 향상을 위한 복수의 개선안을 도출한 후, 도출된 의견을 반영하여 개선안 적용에 따른 흡수탑 내부의 가스 분산성을 분석하고 기본 공정 결과와 상호 비교하여 개선안의 성능을 정량적으로 분석하고자 하였다.
흡수탑 내부에서 가스의 분산성은 각 위치에서의 속도 크기(velocity magnitude)에 의존하게 된다. 이에 가스 분산성 향상을 위한 다양한 경우에 대해 그 효과를 정량적으로 비교하기 위하여 Fig. 3에서 제시된 흡수탑 가스 출구 단면(실제로는 흡수탑 최하단 충진층으로 투입되는 단면)에서의 속도크기 편차를 다음의 식 (9)와 같이 계산하고, 이를 바탕으로 기존 대비 가스 분산성 향상도를 평가하였다.
5(b)와 같이 Plate 등과의 직접 접촉을 통한 분산방식 적용 시 발생될 수 있는 차압 증가 우려를 고려하여 나선형 형태의 가스라인을 흡수탑 내부에 구성하여 가스의 분산성을 향상시키는 것을 특징으로 한다. 흡수탑 내부에 설치된 나선형 형태의 가스라인을 설치하여 투입되는 가스가 흡수탑 내부로 나선형 형태로 투입되도록 유도하여 탑 내부에서 가스의 분산성 향상 및 체류시간 증가를 유도하였다.
대상 데이터
본 논문에서 흡수탑 내부 유동 분석을 위한 대상 플랜트는 현재 한국중부발전 보령화력본부에 설치된 10 MW급 습식 CO2 포집플랜트에 설치된 흡수탑의 설계자료를 활용하였다. 상기 플랜트는 2013년에 5월 보령화력본부에 설치된 것으로 하루 200톤의 이산화탄소를 처리할 수 있으며 규모로는 2013년 현재 아시아 최대 규모이다(Fig.
데이터처리
3-1의 속도 분포분석에 이어서 흡수탑 내부의 가스분산성을 정량적으로 분석하기 위하여 흡수탑 가스 출구 단면(실제로는 흡수탑 최하단 충진층으로 투입되는 단면)에서 외부로 배출되는 가스의 속도크기 분포에 대한 편차를 2-3절의 식 9를 활용하여 계산하고 base case와 상대 비교하였다(Table 2).
이론/모형
난류 모델을 풀기위한 방법으로 FLUENT/CFX에서는 standard k-epsilon model, RNG k-e model, Shear stress transport k-w model 등을 포함하는 다양한 방법 등이 지원이 되나 model의 건전성과 계산시간을 고려하여 본 논문에서는 일반적인 난류 모델 solver인 standard k-epsilon model을 사용하였다.
Ansys Meshing을 통해 최종 생성된 격자(Mesh)는 30만개 수준으로 만들어 격자의 치밀도에 따른 오차를 최소화 하였다. 내부 유동은 투입되는 가스의 속도가 충분히 높은 상태로, 난류(Turbulent flow)의 간단한 판단 기준이 되는 레이놀즈 넘버가 수 만 이상의 난류 영역에 속하기 때문에 전체 계산은 적합한 난류 모델을 적용하여 계산하였다. 유동 해석에 있어 계산시간을 단축하고 컴퓨터 메모리 사용량을 최소화하기 위하여 최종결과에 큰 영향을 주지 못하는 인자에 대하여서는 다음과 같은 가정을 설정하였다.
3). 또한 흡수탑의 격자 생성(Meshing) 작업은 Ansys Meshing을 활용하였다. Ansys Meshing을 통해 최종 생성된 격자(Mesh)는 30만개 수준으로 만들어 격자의 치밀도에 따른 오차를 최소화 하였다.
본 논문에서 이산화탄소등의 산성가스 처리용 흡수탑 내부 가스분산성 향상을 위한 CFD 해석은 Fluent 社에서 제공되는 Fluent V 14.5를 기반으로 하였다 [9]. 본 논문에서 관심 있는 해석 영역은 불규칙하게 충진된 비정형 충진물 계산의 한계를 고려하여 흡수탑 바닥에서 충진물 설치위치 바로 직전까지로 한정하여 분석하였다(Fig.
성능/효과
본 논문에서 제시된 분석결과를 바탕으로 한국중부발전 보령화력본부에 설치된 10 MW급 CO2 포집 플랜트에는 계단형 U-tube가 적용되었으며 2014년 2월 현재 성공적으로 운영 중에 있다.
상기 제시된 3가지 case에 대한 다양한 분석결과 흡수탑 내부로 투입되는 가스의 분산성 향상을 위해서 계단형 U-tube를 설치하는 것이 분산성 및 차압 증가 측면에서 매우 효과적이라고 할 수 있다. 본 논문에서 제시된 분석결과를 바탕으로 한국중부발전 보령화력본부에 설치된 10 MW급 CO2 포집 플랜트에는 계단형 U-tube가 적용되었으며 2014년 2월 현재 성공적으로 운영 중에 있다.
94로 다소 개선된 것으로 분석되었다. 이에 비교하여 흡수탑 내부에 계단형 U-tube를 설치한 경우에는 Base case 대비 약 30%가 향상된(0.73) 속도크기 편차를 보여서 분산성이 기존 대비 크게 향상된 것을 확인할 수 있다.
이와 함께 가스 분산성 향상을 위한 분산판 설치에 따른 가스 투입 전후의 차압을 분석한 결과 splash plate 및 내부 나선형 형태의 가스라인을 설치한 경우에는 내부에 아무런 분산판이 없는 base case 대비 각각 45, 73% 이상 차압이 증가하였으나 내부에 U-tube를 설치한 경우에는 기존 base case 대비 약 13% 정도의 낮은 차압증가가 예상되었다.
본 연구에서는 관련하여 전산유체역학을 활용하여 대용량 배가스 처리를 위한 흡수탑의 가스분산성을 향상시킬 수 있는 다양한 방안을 제시하고 각 경우에 다양한 유동 분석을 통해서 최적의 방안을 제시하였다. 흡수탑 내 가스 분산성 향상을 위한 다양한 방안(splash plate, 내부 나선형 형태의 가스라인 및 계단형 U-tube)에 대하여 CFD를 활용한 유동 분석 결과 계단형 U-tube 설치 시 가스 분산성이 내부에 아무런 분산판이 없는 경우와 비교하여 약 30% 증가되는 반면 차압의 증가는 10% 수준으로 크지 않아서 가스 분산성 향상을 위한 우수한 방안으로 평가되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CO2 포집기술은 어떻게 분류할 수 있는가?
온실가스 저감을 위한 다양한 방안으로 CCS(Carbon Capture & Sequestration)이 제시되고 있으며 국제적으로 대규모 실증이 계획 중에 있다. CO2 포집기술은 크게 연소후(Post-combustion), 연소전(Pre-combustion) 및 순산소 연소 (Oxyfuel combustion)로 분류할 수 있는데 이중 기존 석탄화력발전소에서 배출되는 배가스 중의 CO2를 포집하는 기술은 연소후 기술에 해당이 된다. 연소후 기술에는 아민화학물 혹은 암모니아 계열의 액상 흡수제를 사용하는 방법, 유동층하에서 고체흡수제를 이용하는 방법 그리고 분리막을 활용한 막분리법등이 포함된다.
온실가스 저감을 위한 다양한 방안으로 무엇이 제시되고 있는가?
온실가스 저감을 위한 다양한 방안으로 CCS(Carbon Capture & Sequestration)이 제시되고 있으며 국제적으로 대규모 실증이 계획 중에 있다. CO2 포집기술은 크게 연소후(Post-combustion), 연소전(Pre-combustion) 및 순산소 연소 (Oxyfuel combustion)로 분류할 수 있는데 이중 기존 석탄화력발전소에서 배출되는 배가스 중의 CO2를 포집하는 기술은 연소후 기술에 해당이 된다.
연소후 CO2 포집기술은 국내외로 Pilot 단계(수 MW~수십 MW 규모)에서 실증 규모(100 MW급 이상)까지 전 세계적으로 활발하게 진행이 되고 있는 이유는?
연소후 기술에는 아민화학물 혹은 암모니아 계열의 액상 흡수제를 사용하는 방법, 유동층하에서 고체흡수제를 이용하는 방법 그리고 분리막을 활용한 막분리법등이 포함된다. 이러한 다양한 CO2 포집 방법 중 아민흡수제를 이용한 화학 흡수법은 발전 배가스와 같이 CO2의 농도가 10~20% 수준인 저농도 가스 처리에 적합하며 상업적으로 이미 오랜 기간 활용되어 기술의 신뢰도가 확보되었을 뿐만 아니라 기존 화력발전소에 적용이 용이하다는 장점이 있기 때문에 향후 화력발전소 적용에 있어 가장 적합한 기술로 평가되고 있다[1].
참고문헌 (9)
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Lee, J. H., Kwak, N.-S., Lee, I. Y., Jang, K. R., Jang, S. G., Lee, K. J., Han, G. S., Oh, D.-H. and Shim, J.-G., "Test Bed Studies with Highly Efficient Amine $CO_2$ Solvent (KoSol-4)," Korean Chem. Eng. Res.(HWAHAK KONGHAK), 51(2), 267-271(2013).
Frank, C., Hermann, K., Ulrich, M., Jan-Erik, R. and Rainer, Q., "Advanced 800+MW Steam Power Plants and Future CCS Options," Coal-Gen Europe, Poland(2009).
Rahimi, M., Kakekhani A. and Alsairafi A. A., "Experimental and Computational Fluid Dynamic (CFD) Studies on Mixing Characteristics of a Modified Helical Ribbon Impeller," Korean J. Chem. Eng., 27(4), 1150-1158(2010).
Rahimi, M. R., Azizi, N. and Hosseini, S. H., "CFD Study of Hydrodynamic Behavior of a Vibrating Fluidzied Bed Using Kinetic-frictional Stress model of Granular Flow," Korean J. Chem. Eng., 30(3), 761-770(2013).
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