이산화탄소 포집 및 저장기술(Carbon Capture&Storage, CCS)은 대규모 배출원으로부터 이산화탄소를 포집하여 지중의 안전한 지질구조에 수천년 이상 안정적으로 저장하는 기술이다. 포집된 이산화탄소에는 필연적으로 불순물이 포함되어있으며, 특히 연소과정에 투입되는 공기를 구성하는 대표적인 물질들인 질소, 산소, 아르곤 등이 유입될 수 있다. 이러한 불순물들은 포집 이후의 전체 공정에 다양한 영향을 미치게 된다. 본 연구에서는 이산화탄소 혼합물의 관내유동에 다양한 불순물이 미치는 영향을 평가할 수 있는 실험 장치를 설계 및 제작하였으며 특히 이산화탄소 혼합물의 관내유동에 있어 아르곤 불순물이 미치는 영향을 평가하였다. 즉, 이산화탄소-아르곤 혼합물 2상유동의 압력강하와 유동양식을 실험적으로 분석하였으며, 이를 다양한 압력강하 모델 및 상관식과 비교하여 추후 이산화탄소 혼합물 관련 공정 설계 시 참고할 수 있는 기초 데이터를 제시하고자 하였다.
이산화탄소 포집 및 저장기술(Carbon Capture&Storage, CCS)은 대규모 배출원으로부터 이산화탄소를 포집하여 지중의 안전한 지질구조에 수천년 이상 안정적으로 저장하는 기술이다. 포집된 이산화탄소에는 필연적으로 불순물이 포함되어있으며, 특히 연소과정에 투입되는 공기를 구성하는 대표적인 물질들인 질소, 산소, 아르곤 등이 유입될 수 있다. 이러한 불순물들은 포집 이후의 전체 공정에 다양한 영향을 미치게 된다. 본 연구에서는 이산화탄소 혼합물의 관내유동에 다양한 불순물이 미치는 영향을 평가할 수 있는 실험 장치를 설계 및 제작하였으며 특히 이산화탄소 혼합물의 관내유동에 있어 아르곤 불순물이 미치는 영향을 평가하였다. 즉, 이산화탄소-아르곤 혼합물 2상유동의 압력강하와 유동양식을 실험적으로 분석하였으며, 이를 다양한 압력강하 모델 및 상관식과 비교하여 추후 이산화탄소 혼합물 관련 공정 설계 시 참고할 수 있는 기초 데이터를 제시하고자 하였다.
During the carbon-dioxide capture and storage(CCS) process, $CO_2$ is captured from large point source, and then injected and stored in stable geological structure for thousands and more years. Inside the captured $CO_2$ flow, various impurities, such as $N_2$, ...
During the carbon-dioxide capture and storage(CCS) process, $CO_2$ is captured from large point source, and then injected and stored in stable geological structure for thousands and more years. Inside the captured $CO_2$ flow, various impurities, such as $N_2$, $O_2$, argon, etc, are included inevitably. These impurities affect on the CCS process on various aspects. In this study, we designed and built experimental facility to evaluate the various impurity effect on the $CO_2$ pipeline flow, and analyzed the effect of argon ratio and pressure variation on the pressure drop of $CO_2$ flow. By comparing experimental data with 4 kinds of pressure drop model, we figured out and recommended the Cicchitti's model since it showed most accurate result among compared models in this study.
During the carbon-dioxide capture and storage(CCS) process, $CO_2$ is captured from large point source, and then injected and stored in stable geological structure for thousands and more years. Inside the captured $CO_2$ flow, various impurities, such as $N_2$, $O_2$, argon, etc, are included inevitably. These impurities affect on the CCS process on various aspects. In this study, we designed and built experimental facility to evaluate the various impurity effect on the $CO_2$ pipeline flow, and analyzed the effect of argon ratio and pressure variation on the pressure drop of $CO_2$ flow. By comparing experimental data with 4 kinds of pressure drop model, we figured out and recommended the Cicchitti's model since it showed most accurate result among compared models in this study.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
46 ton/hr으로 이는 실험실 규모의 실험에서 구현하기 어려운 조건이다. 따라서 본 연구에서는 질량유량을 연간 백만톤 수송의 조건과 유사하게 맞춤으로써 될 수 있는 한, 실제 조건을 상사하고자 노력하였다. Table.
본 연구에서는 이산화탄소 혼합물 유동의 압력강하에 아르곤 불순물의 조성 및 운전 압력이 미치는 영향을 살펴보고 이를 기존의 다양한 압력강하 상관식과 비교해보고자 하였다.
본 연구에서는 이산화탄소-아르곤 혼합물 2상유동의 압력강하 데이터를 획득하고 이를 바탕으로 기존 문헌의 다양한 압력강하 모델 및 상관식과 비교하여 보았다.
본 연구에서는 이산화탄소-아르곤 혼합물 2상유동의 압력강하 실험데이터를 획득하고 이를 기존의 연구결과와 비고하여 기존 관내 2상유동 압력강하 모델들의 적용성을 분석해보고자 한다.
이상의 연구결과를 바탕으로 추후 보다 다양한 온도·압력 조건에서 실험을 실시하여 유동양식 선도, 기·액 속도비 등의 데이터를 획득함으로써 본 연구를 확장해 나가고자 한다.
가설 설정
본 연구에서는 연 100만톤의 이산화탄소 혼합물이 파이프라인으로 수송될 경우를 가정하여 모의실험을 수행 하였다. 상온의 120 bar 조건의 이산화탄소가 8인치 관내부를 흐를 경우 이때의 레이놀즈 수는 약 1.
제안 방법
전달된 이산화탄소 혼합물은 상기 실험조건에 명시된 온도조건으로 냉각 또는 가열된 후 시험부로 공급되었다. 시험부로 공급되는 혼합물의 조성비는 각 유체가 통과하는 미터링 밸브를 통해 조절되었으며 시험부 압력은 상기 미터링 밸브 및 각 부스터의 토출압을 조절함으로써 실험조건에 맞게 조절하였다. 시험부는 내경 3.
2 kg/hr로 유지하였다. 아르곤 조성비는 질량기준 1.43~16.4%로 조절하였으며 이를 위해 이산화탄소 및 아르곤 주입관의 미터링 밸브를 수동 조작함으로써 조절하였다.
2에 본 실험연구의 대표적 조건인 온도, 유량, 압력, 아르곤 조성비를 나타내었다. 압력은 58~80 bar 사이의 총 4개의 조건에서 실험하였으며 유량은 상기 언급된 질량유속과 시험부 관 내경을 고려하여 17.2 kg/hr로 유지하였다. 아르곤 조성비는 질량기준 1.
대상 데이터
2에 나타내었다. 본 연구에 사용된 작동유체는 이산화탄소 및 아르곤이며 두 유체모두 액체 상태로 개별 압력용기에 담겨 공급되었다. 압력용기 내부의 딥튜브(Deep tube)를 통해 공급되는 개별 유체는 대기온 증발기를 거쳐 기체상태로 가압 부스터(DLE모델, Maximator社)에 수송된다.
시험부는 내경 3.8608 mm, 길이 6 m의 SUS 튜브이며 입구와 출구에 PT100Ω 온도센서와 절대 압력계(요코가와 EJX310) 및 차압계(요코가와 EJX110)가 설치되어 시험부 입·출구의 온도, 압력, 차압을 계측하였다.
실험 시 계측 평균값이 4분 동안 측정값의 1% 이내에서 벗어나지 않을 경우에 정상상태에 도달한 것으로 판단하였다. 실험결과의 데이터 Reduction 시 필요한 물성치는 NIST REFRPOP[12]을 이용하여 획득하였다. 실험에 사용된 계측장치들의 정확도는 Table.
데이터처리
그래프에서 알 수 있듯이 정확도가 가장 높은 모델은 Cicchitti 모델이었으며 그 다음으로 Beattie & Whalley, Owen, Friedel 순이었다. 개별 모델의 정확도를 MAPE(Maximum Absolute Percentage Error)로 검증해 보았으며 식은 아래와 같다.
이론/모형
다음으로 2상유동 압력강하 모델 중, 대표적인 상관식의 하나인 Friedel[16] 모델을 아래와 같이 정리하였다.
성능/효과
(1) 본 연구에서 비교한 다양한 모델들 중 Cicchitti 모델의 정확도가 가장 높았으며, Friedel 상관식의 경우 가장 낮은 정확도를 보였다.
(2) 가시화 결과, 압력이 높을수록 관 하부의 액체층 두께 및 액적 크기가 감소하였으며, 압력이 높을수록 기체-액체 상이 보다 잘 혼합되어 흐르는 모습이 관찰되었다.
(3) 본문에 제시된 압력강하 모델들 중, 균질 유동 기반의 모델이 상대적으로 높은 정확도를 보였으며 균질유동에 가까운 유동양식을 보인 가시화 결과가 이를 뒷받침하는 것으로 사료된다.
MAPE 식을 이용한 검증결과 Cicchitti모델은 6.1 %, Beattie & Whalley 모델은 11.8 %, Owen 모델은 14.2%의 정확도를 보였으며 Friedel 상관식은 47.7 %의 정확도를 보였다.
5 조건의 관내 유동을 가시화한 사진이다. 대체적으로 압력이 증가할수록 액적 크기가 감소하고 관 하단부의 액체층 두께 또한 감소하는 경향을 보였다. 다만 80 bar 조건의 경우, 다른 압력조건과 달리 하단부의 액체층 내부에 기포가 관찰되지 않았으며 얇은 액체 환상류가 흐르는 것으로 관찰되었다.
대체적으로 압력이 높을수록 액체층 두께가 감소하는 것은 유동이 보다 잘 혼합되어(Well mixed) 흐르는 것을 나타내는 것으로 판단되며, 따라서 압력이 높아질수록 균질 유동 모델의 정확도가 높아질 것으로 판단된다. 더불어 본 연구의 모든 압력조건에서 관의 상단부에도 액적이 상당수 분포하는 것으로 관찰되는 바, 이 또한 액체상 및 기체상이 혼합되어 흐르는, 즉 균질유동에 가까운 유동양식을 보여주는 것으로 판단된다. 따라서 앞서 언급한 압력강하 모델 정확도 비교 시, 균질유동 모델이 상대적으로 높은 정확도를 나타내는 것을 뒷받침하는 결과가 가시화에서 관측된 것으로 사료된다.
7 %의 정확도를 보였다. 서론에서 언급한 Grauso의 순수 이산화탄소 압력강하 연구결과에서도 Friedel 상관식은 MAPE 기준 47.4 %의 정확도를 보였으며, 본 연구에서 수행한 이산화탄소-아르곤 혼합물 2상유동 압력강하 예측 결과 (MAPE)와 유사한 결과를 보인 것으로 사료된다. 압력조건 변화에 따른 MAPE 정확도 변화를 Fig.
실험 중 계측된 데이터는 NI社의 cDAQ를 통해 PC에 파일로 저장되었다. 실험 시 계측 평균값이 4분 동안 측정값의 1% 이내에서 벗어나지 않을 경우에 정상상태에 도달한 것으로 판단하였다. 실험결과의 데이터 Reduction 시 필요한 물성치는 NIST REFRPOP[12]을 이용하여 획득하였다.
7에 나타내었다. 압력변화 추이와 일치하는 경향성은 보이지 않았으나, Owen 모델 및 Friedel 상관식의 경우 대체적으로 압력이 높을수록 MAPE 값이 증가하는 경향을 보였다.
도시된 바와 같이 압력이 낮을수록 기체상의 비체적이 증가하는 경향이 나타나며 이로 인해, 동일한 질량유속 대비 유체이동 속도가 높아짐에 따라, 압력강하가 커지는 것으로 사료된다. 이를 정량적으로 비교할 경우 80 bar 조건일 때보다 58 bar 조건에서 비체적 값이 39.9 % 높았다. 반면에 액체상 비체적의 경우 최대 3.
후속연구
CCS 공정의 경제성 및 안전성을 향상시키기 위해서는 상기 분석한 상태량 분석 외에도 이산화탄소 혼합물의 수송관 내 유동 예측 정확도 또한 높일 필요가 있다. 기존의 공정 시뮬레이션 해석 도구인 ASPEN HYSYS, OLGA, PIPEsim을 이용한 결과와 관내유동 상관식을 통해 예측한 이산화탄소 혼합물의 압력강하, 유동양식천이 등의 해석 정확도를 실험결과와 비교함으로써, 이러한 해석 도구와 상관식을 이용한 공정설계 결과물의 신뢰성을 확인할 필요가 있다. 이와 관련된 기초 연구로 Petterson은 순수 이산화탄소의 관내유동을 모사하는 실험장치를 제작한 후, 고압의 이산화탄소를 파이프 내부로 주입하고 출구를 대기중으로 개방하였을 때, 내부의 온도 및 압력 변화를 관찰한 바 있다[8].
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CCS는 어떤 세 가지 공정으로 이루어져 있는가?
CCS는 크게 포집(Capture), 수송(Transportation), 저장(Storage) 공정으로 이루어져 있다. 포집공정에서는 대규모 배출원에서 나오는 이산화탄소를 분리·정제하여 이산화탄소를 포집한다.
CCS 기술(이산화탄소 포집 및 저장 기술)은 무엇인가?
지구온난화와 같은 기후변화 현상에 대응하기 위한 기술로 이산화탄소 포집 및 저장(Carbon-dioxide Capture and Storage, 이하 CCS) 기술이 주목받고 있다. CCS는 발전소, 제철소 등 대규모 탄소배출원으로부터 이산화탄소를 포집한 이후, 지중의 안전한 지질구조에 수천 년이상 격리시키는 기술이다. 이러한 CCS 기술은 탄소제로 사회로 전환되기 전까지 석탄, 유·가스 등의 화석연료를 활용하는 다양한 산업을 지속가능케 하는 한편, 이산화탄소를 대규모로 감축할 수 있는 현실적인 기술로 떠오르고 있다.
CCS 기술(이산화탄소 포집 및 저장 기술)을 사용한 대표적인 해외의 프로젝트는 무엇이 있는가?
이러한 CCS 기술은 탄소제로 사회로 전환되기 전까지 석탄, 유·가스 등의 화석연료를 활용하는 다양한 산업을 지속가능케 하는 한편, 이산화탄소를 대규모로 감축할 수 있는 현실적인 기술로 떠오르고 있다. 이에 각국은 막대한 예산을 투자하여 기술개발에 매진하고 있으며, 유럽의 Sleipner[1], 북미의 Saskatchewan[2] 및 RCSP[3], 일본의 토마쿠마이[4] 등이 대표적인 대규모 CCS 프로젝트이다.
참고문헌 (16)
O. Eiken, P. Ringrose, C. Hermanrud, B. Nazarian, T. Torp, L. Hoier, "Lessons Learned from 14 years of CCS operation", Energy Procedia, pp. 5541-5548, Vol. 4, 2011. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.egypro.2011.02.541
M. Mitrovic, A. Malone, "Carbon Capture and Storage Demonstration Projects in Canada", Energy Procedia, pp. 5685-5691, Vol. 4, 2011. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.egypro.2011.02.562
B. Dressel, D. Deel, T. Rodosta, S. Plasynski, J. Litynski, L. Myer, "CCS Activities Being Performed by the US DOE", International J. Environment Research & Public Health. pp. 300-320, Vol. 8, 2011. DOI: http://dx.doi.org/10.3390/ijerph8020300
H. Suzuki, A. Sahzabi, Y. Sugai, H. Yousefi, K. Sasaki, "Economical Considerations on CCS System for geoligical Uncertainty and Injection Failure", International J. Energy Economics and Policy. pp. 772-784, Vol. 4, 2014.
Greenhouse Gas Inventory & Research Center of Korea. 2009 National Greenhouse Gas Report. 2011. Available From: http://www.gir.go.kr
B. Metz, O. Davidson, H. Coninck, M. Loos, L. Meyer, Special Report on Carbon dioxide Capture and Storage. IPCC, Cambridge Univ Press, 2005.
C. Huh, S. G. Kang, M. I. Cho, "Impact of Sulfur Dioxide Impurity on Process Desighn of CO2 Offshore Geological Storage: Evaluation of Physical Property Models and Optimization of Binary Parameter", J. Korean Society for Marine Environmental Engineering. pp. 187-197, Vol. 13, 2010.
J. Pettersen, G. Koeijer, A. Hafner, "Construction of a CO2 Pipeline test rig for R&D and Operator training", Greenhouse Gas Technology-8. 2006.
S. Munkejord, J. Jakobsen, J. Austegard, M. Molnvik, "Thermo-and Fluid-dynamical Modelling of two Phase Multi-Component Carbon Dioxide Mixtures", International Journal of Greenhouse Gas Control. pp. 589-596, Vol. 4, 2010. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.ijggc.2010.02.003
L. Cheng, G. Ribatski, J. Quiben, J. Thome, "New Prediction Method for CO2 Evaporation inside Tubes", International Journal of Heat and Mass Transfer. pp. 111-124, Vol. 51, 2008. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2007.04.002
S. Grauso, R. Mastrullo, A. Mauro, G. Vanoli, "Two-phase adiabatic Pressure Gradients for R410a and CO2 in a Macro Channel", Experimental Thermal and Fluid Science. pp. 79-87, Vol. 52, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2013.08.024
NIST, NIST Reference Fluide Thermodynamic and Transport Properties-REFPROP 9.0, 2010.
W. Owens, "Two-phase Pressure Gradient", International Development in Heat Transfer, Part II ASME, New York, 1961.
A. Cicchitti, C. Lombardi, M. Silvestri, G. Solddaini, R. Zavalluilli, "Two-phase Cooling Experiments-Pressure Drop, Heat Transfer, and Burnout Measurement", Energia Nuclear. pp. 407-425, Vol. 7, 1960.
D. Beattie, P. Whalley, "A Simple Two-phase Flow Frictional Pressure Drop Calculation Method", International Journal of Multiphase Flow. pp. 83-87, Vol. 8, 1982. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/0301-9322(82)90009-X
L. Friedel, "Improved Friction Drop Correlations for Horizontal and Vertical Two Phase Pipe Flow", European Two-phase Flow Group Meeting, Paper E2, 1979.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.