[논문]폴리술폰 중공사막을 이용한 Flaring Gas에서의 이산화탄소 분리 및 전산모사

임주환; 이충섭; 김학은; 배명원; 모용기; 하성용

doi:10.14579/membrane_journal.2015.25.2.99

폴리술폰 중공사막을 이용한 Flaring Gas에서의 이산화탄소 분리 및 전산모사
Separation and Simulation for Carbon Dioxide from Flaring Gas Using Polysulfone Hollow Fiber Membrane 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.25 no.2, 2015년, pp.99 - 106

임주환 ((주)에어레인) , 이충섭 ((주)에어레인) , 김학은 (한국가스기술공사) , 배명원 (한국가스기술공사) , 모용기 (한국가스공사 DME 기술센터) , 하성용 ((주)에어레인)

초록
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Flaring gas에서 $CO_2$ 제거를 위해 폴리술폰 고분자를 이용한 중공사막을 제조하였다. 제조된 중공사막은 1단과 2단 공정의 전산모사와 실제 공정을 통해서 $CH_4$ 농도 99% 이상 $CO_2$ 농도 1% 미만의 운전조건과 성능을 확인하였다. 또한 $25Nm^3/h$ 급 bench scale $CO_2$ 분리막 연속공정에서 100시간의 운전시간 동안 $CO_2$의 농도를 1% 미만으로 안정적으로 운전하였고 이때의 $CH_4$ 회수율은 약 98%였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Polysulfone (PSF) hollow fiber membrane was prepared to separate $CO_2$ from the flaring gas. Fabricated PSF membrane system was fulfilled under 1 stage, 2 stage membrane process and simulation in order to confirm the operating condition for 99% of $CH_4$ and 1% of $CO_2$ concentration. Also, $25Nm^3/h$ bench scale $CO_2$ separation membrane system was operated under 1% of $CO_2$ concentration during 100 hr, and $CH_4$ recovery ratio was 98%.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 모듈화를 통해서 설치비용과 운전비용 및 적은 부지 면적으로 기존 공정에 비해 경제적이고 오염 물질의 배출이 적어 친환경적이라고 할 수가 있다[4,5]. 따라서 본 연구에서는 전산모사를 통한 1단과 2단에서의 운전조건과 실제운전을 통한 데이터 비교 및 pilot 장비의 장기운전 실험을 진행하였다.
본 연구에서는 PSF 중공사막을 제조하여 유휴가스의 불순물인 CO₂분리를 효과적으로 수행하였으며 원하는 CH₄의 농도와 CO₂의 농도를 유지할 수 있는 공정과 운전조건을 연구하였다. 제조된 중공사막은 Hyflon AD 로 코팅되어 복합막을 만들었고 SEM 이미지와 투과 성능을 통해서 결함이 없음을 확인했다.

제안 방법

1단 공정에서의 실험조건은 25°C, 일정압력에서 stage cut별로 product gas 유량, 농도, 회수율 등을 측정하여 데이터를 확보하였다.
25 Nm³/h 급 bench scale의 100시간 연속운전을 진행하였다. 실험은 2단으로 진행하였으며 Table 4와 같이 feed gas의 CH₄과 CO₂의 농도를 변화하였다.
실험은 2단으로 진행하였으며 Table 4와 같이 feed gas의 CH₄과 CO₂의 농도를 변화하였다. 공급가스의 CO₂ 5% CH₄ balance 조성은 1단의 stage cut 0.177, 공급가스의 CO₂ 10% CH₄ balance 조성은 1단의 stage cut 0.26, 공급가스의 CO₂ 15% CH₄ balance 조성은 1 stage의 stage cut 0.39에서 연속운전으로 진행하였다. 공급가스의 CO2 5~15%의 일정한 농도를 유입하였을 때, stage cut을 조절하여 원하는 retentate 가스의 CO₂의 농도 1%를 일정하게 얻을 수 있도록 연속 운전을 진행하였다.
39에서 연속운전으로 진행하였다. 공급가스의 CO2 5~15%의 일정한 농도를 유입하였을 때, stage cut을 조절하여 원하는 retentate 가스의 CO₂의 농도 1%를 일정하게 얻을 수 있도록 연속 운전을 진행하였다. Fig.
공급부의 농도는 유휴 배출가스의 조건인 CO₂ 5, 10, 15%, CH₄ balance로 분리실험을 수행하였다. 이때 반환구(product gas) 가스유량은 MFC으로 조절하였으며, 가스의 농도는 NDIR타입 분석기(Geotech, B 5000)를 이용하여 분석하였다.
중공사막 분리 공정 전산모사 실험은 Table 3과 같은 조성으로 진행하였다. 본 연구에서는 중공사막 공정 모사를 위해 사용된 parameter들을 이용하여 유휴 배출가스에 적용할 실제 유량과 운전 조건을 적용하여 CO₂99%를 제거하기 위해 필요한 중공사막 구조를 결정하고 중공사막의 막 면적과 합성가스 성분의 회수율을 도출하였다.
이때 유량은 bubble flow meter로 측정하였으며, 가스의 농도는 가스크로마토그래피(도남인스트루먼트 IGC 7200)와 TCD를 이용하여 분석하였다. 실제 1단 공정에서의 실험 결과값과 공정모사에서 얻은 데이터를 비교해보았다.
/h 급 bench scale의 100시간 연속운전을 진행하였다. 실험은 2단으로 진행하였으며 Table 4와 같이 feed gas의 CH₄과 CO₂의 농도를 변화하였다. 공급가스의 CO₂ 5% CH₄ balance 조성은 1단의 stage cut 0.
방사되어 권취된 중공사막은 흐르는 물에 48시간 세정 후 건조하였다. 이 후 Hyflon AD로 코팅하여 복합막을 제조하였다. 제조된 중공사막은 주사전자현미경(SEM) JEOL JSM-6380LV(Japan)으로 관찰하였다.
balance로 분리실험을 수행하였다. 이때 반환구(product gas) 가스유량은 MFC으로 조절하였으며, 가스의 농도는 NDIR타입 분석기(Geotech, B 5000)를 이용하여 분석하였다.
1단 공정에서의 실험조건은 25°C, 일정압력에서 stage cut별로 product gas 유량, 농도, 회수율 등을 측정하여 데이터를 확보하였다. 이때 유량은 bubble flow meter로 측정하였으며, 가스의 농도는 가스크로마토그래피(도남인스트루먼트 IGC 7200)와 TCD를 이용하여 분석하였다. 실제 1단 공정에서의 실험 결과값과 공정모사에서 얻은 데이터를 비교해보았다.
공정모사를 하는 순서는 우선 중공사막의 성능 실험을 통한 기본적인 투과도와 선택도 등의 자료를 수집하고 전산모사를 위한 단위선정 및 원료의 성분과 자료 등을 입력하였다. 이후 전산모사 순서도를 작성하고 공급부와 중공사막의 정보를 입력하여 전산모사를 실행하고 결과값을 도출하였다.
제조된 중공사막은 Hyflon AD 로 코팅되어 복합막을 만들었고 SEM 이미지와 투과 성능을 통해서 결함이 없음을 확인했다. 전산모사를 이용하여 2.5 MPa에서 원하는 CH₄의 농도와 CO₂의 stage cut과 요구 성능과 운전조건을 조사했고 실제 1 stage와 2 stage 실험을 수행하여 데이터를 비교하였다. 최종적으로는 bench scale의 실험을 통해서 100시간 동안 CH₄의 회수율 98%, CO₂의 농도 1% 이하를 안정적으로 유지하였다.
8의 C와 D에서 product gas에서의 CO₂농도와 제거율을 각각 나타내었다. 제거율은 정상상태의 공급가스에 포함된 CO₂ 총량과 exhaust 가스로 제거된 CO₂총량을 비율로 나타내었으며 stage cut에 따라 측정하였다. 실험결과 stage cut 증가에 따라 CO₂ 제거율은 증가하는 경향을 확인할 수 있었으며, 실험값에서 product gas의 CO₂ 농도를 1%로 얻을 수 있는 stage cut 0.
이 후 Hyflon AD로 코팅하여 복합막을 제조하였다. 제조된 중공사막은 주사전자현미경(SEM) JEOL JSM-6380LV(Japan)으로 관찰하였다.

대상 데이터

즉, system 안에서 recycle 가스는 정상상태의 공급가스와 합쳐져 stage 1에 공급되며 CH₄ product가 생성되고 남은 가스는 stage 2로 공급되어 recycle 가스와 CO₂exhaust 가스로 분리된다. 2단 분리막 운전조건에 따라 product 가스의 유량, CH₄농도, CH₄회수율, CO₂ 제거율, recycle 가스의 유량, CH₄농도 등의 데이터를 확보하였다.
CO₂의 분리도는 분리막의 CO₂ 투과도(각 성분에 대한 투과상수), 온도, 압력차(P_CO2,_res - P_CO2,surf)에 의해 결정된다. 본 연구에서는 분리막의 분리특성을 정확히 해석하기 위하여 상용성 전산모사기 PRO/II PROVISION Ver. 9.1에 내장되어 있는 분리막 모듈을 사용하였다. PRO/II 전산모사기에 내장되어 있는 분리막에서의 투과속도를 계산하기 위한 식은 식 (1)과 같다.
5와 같이 장비를 제작하였다. 연속운전 실험에 사용된 가스는 천연가스와 CO₂를 원료로 공급부 가스 부스터를 이용하여 공급가스를 20 barg로 승압하여 실험하였고 이때 사용된 모듈의 유효막 면적은 18 m²이다.
제조된 중공사막은 7 barg의 압력에서 성능평가가 이뤄졌고 실험에 사용한 모듈은 직경 1 inch, 길이 8 inch 로 이때의 중공사막 유효면적은 1077.02 cm²이다. 순수 가스의 측정은 Fig.
폴리술폰 중공사막을 제조하기 위하여 Solvay사의 UDEL P-3500을 사용하였다. 24시간 이상 교반시켜 4 성분계의 폴리술폰 도프용액을 제조하여 50°C에서 24시간 이상 탈기하여 도프 내에 잔기포를 제거하였다.

성능/효과

7의 C와 D에 나타내었다. CO₂ 제거율은 분리막 모듈에 공급된 CO₂ 총량 중에 CO₂ exhaust 가스로 제거된 CO₂ 총량을 비율로 계산한 것으로 stage cut이 커질수록 증가함을 확인할 수 있었고 stage cut 0.4이상에서 90% 이상의 값을 나타내었으며 stage cut 0.35 부근부터 CO₂의 농도가 1% 밑으로 떨어지는 것을 알 수 있었다.
5 Mpa에서 stage cut에 따른 product 가스의 CH₄ 농도와 회수율을 나타낸 것이다. Stage cut 0.2에서 0.5까지 stage cut이 증가할수록 product 유량은 작아졌고 CH₄ 농도는 일정 압력 하에서 stage cut이 증가할수록 높아졌다. 2.
개발된 PSF 중공사막의 단면은 Fig. 6에 있는 것처럼 전체적으로 macrovoid가 안쪽과 바깥쪽에 형성이 되어 있는 것을 볼 수 있었다. 이는 중공사 지지체막을 방사시 응고제와 용매의 빠른 치환으로 인하여 생겨난 것으로 여겨진다.
54%로 감소하는 경향을 나타내었다. 공정 모사 결과에서도 stage cut 0.069에서 0.085로 증가함에 따라 CH₄ 회수율은 97.35에서 96.05%로 공정모사와 실제 실험결과값에 약간의 차이는 있었지만 감소하는 경향을 보였다.
9는 CH₄의 농도와 회수율을 시간에 따라 나타낸 것이다. 그래프와 같이 실험이 진행되는 동안 CH₄의 농도는 99%를 유지하였고 공급가스의 CO₂의 농도를 변화함에 따라 농도는 일정하나 회수율이 감소함을 알 수 있었고 다시 5%의 CO₂로 조건을 변환하였을 때에 원래의 회수율을 얻을 수 있었다. 또한 CO₂의 농도와 제거율을 Fig.
5%의 CO₂제거율을 나타내었다. 반면 공정 모사 값에서는 product 가스의 CO₂농도를 1% 이하로 얻을 수 있는 stage cut 0.085에서 83.33%의 CO₂ 제거율을 얻었다.
총량을 비율로 나타낸 것이다. 실제 실험결과 stage cut 0.086에서 0.114로 증가함에 따라 CH₄ 회수율은 97.44%에서 95.54%로 감소하는 경향을 나타내었다. 공정 모사 결과에서도 stage cut 0.
제거율은 정상상태의 공급가스에 포함된 CO₂ 총량과 exhaust 가스로 제거된 CO₂총량을 비율로 나타내었으며 stage cut에 따라 측정하였다. 실험결과 stage cut 증가에 따라 CO₂ 제거율은 증가하는 경향을 확인할 수 있었으며, 실험값에서 product gas의 CO₂ 농도를 1%로 얻을 수 있는 stage cut 0.086에서는 68.5%의 CO₂제거율을 나타내었다. 반면 공정 모사 값에서는 product 가스의 CO₂농도를 1% 이하로 얻을 수 있는 stage cut 0.
35에서 product 가스의 CO₂ 농도는 1% 이하를 나타냈다. 이 조건에서 CH₄의 농도는 90.2%를 얻을 수 있었고, CH₄ 회수율은 약 68.55%이며 CO₂ 제거 율은 약 88.11%임을 확인할 수 있었다. 위 결과에서와 같이 분리막 1단으로도 CO₂ 1% 이하의 product 가스를 얻을 수는 있으나 CH₄회수율이 낮아 공정효율 향상을 위한 개발이 필요하다[11].
8의 A와 B에 나타내었다. 전산모사와 실제 측정한 데이터를 비교해 보았을 때 stage cut이 증가함에 따라 product gas의 CH₄농도는 약 89.5%로 비슷한 결과값을 나타내었으며 CO₂의 농도가 stage cut 0.085에서 전산모사의 데이터와 실제 측정값이 1% 이하의 값을 유지하는 것을 확인할 수 있었다.
의 농도를 유지할 수 있는 공정과 운전조건을 연구하였다. 제조된 중공사막은 Hyflon AD 로 코팅되어 복합막을 만들었고 SEM 이미지와 투과 성능을 통해서 결함이 없음을 확인했다. 전산모사를 이용하여 2.
5 MPa에서 원하는 CH₄의 농도와 CO₂의 stage cut과 요구 성능과 운전조건을 조사했고 실제 1 stage와 2 stage 실험을 수행하여 데이터를 비교하였다. 최종적으로는 bench scale의 실험을 통해서 100시간 동안 CH₄의 회수율 98%, CO₂의 농도 1% 이하를 안정적으로 유지하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	분리막을 이용한 CO2의 분리방법이 가진 에너지 측면에서의 장점은?	하지만 장비의 규모가 크고 에너지 사용량이 높아 원료가격의 상당 부분을 차지하고 있으며 공정 중에 나오는 환경오염물질과 폐수 등이 문제점으로 지적되고 있다. 이와 달리 분리막을 이용한 CO2의 분리방법은 CO2 분리 시 상변화를 하지 않고 포집 및 농축을 할 수 있어 에너지 측면에서 효율적이다. 또한 모듈화를 통해서 설치비용과 운전비용 및 적은 부지 면적으로 기존 공정에 비해 경제적이고 오염 물질의 배출이 적어 친환경적이라고 할 수가 있다[4,5]. 따라서 본 연구에서는 전산모사를 통한 1단과 2단에서의 운전조건과 실제운전을 통한 데이터 비교 및 pilot 장비의 장기운전 실험을 진행하였다.
	CO2를 제거하기 위한 흡수법, 흡착법, 심냉법의 문제점은 무엇인가?	CO2를 제거하기 위한 기술로는 흡수법(absorption), 흡착법(adsorption), 막분리법(membrane), 심냉법(cryogenics)으로 분류되는데 흡수법과 흡착법 그리고 심냉법은 오랜 기간 사용된 기술로 이미 많은 산업 현장에 적용되고 있다. 하지만 장비의 규모가 크고 에너지 사용량이 높아 원료가격의 상당 부분을 차지하고 있으며 공정 중에 나오는 환경오염물질과 폐수 등이 문제점으로 지적되고 있다. 이와 달리 분리막을 이용한 CO2의 분리방법은 CO2 분리 시 상변화를 하지 않고 포집 및 농축을 할 수 있어 에너지 측면에서 효율적이다.
	DME의 장점은 무엇인가?	그중에서도 DME는 천연가스의 여러 가지 물리화학적인 단점을 대체할 수 있는 차세대 에너지원으로 주목을 받고 있다. DME는 결합된 에테르 형태의 분자구조를 가지고 있어 연소 시 질소와의 결합률이 적어 질소산화물과 같은 환경오염물질의 배출이 적다. 뿐만 아니라 극성이 큰 특징으로 인하여 다른 에테르 물질에 비해 물에 잘 녹으며 공기 중에서도 과산화물 형태로 생성되지 않아 비활성이 크고 부식성이 없는 안정한 물질이다. 또한 세탄가(cetane number)가 높아 디젤 엔진에 사용이 가능한데 이때 NOx의 발생량이 적어 친환경적인 연료라고 할 수 있다[3].

참고문헌 (11)

A. J. Ragauskas, C. K. Williams, B. H. Davison, G. Britovsek, J. Cairney, C. A. Eckert, et al., "The path forward for biofuels and biomaterials", Science, 311, 484-489 (2006).

상세보기
Michael F. Farina, Flare gas reduction recent global trends and policy considerations, GE Energy global strategy and planning (2010).
K. S. Jang, W. J. Cho, and J. W. Go, "Introduction of DME process", Daewoo engineering Journal, 25, 153-162 (2009).
B. Freeman, "Assessment of post-combustion capture technology developments," Electric Power Research Institute, 1-125 (2007).
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H. C. Koh, S. Y. Ha, and S. Y. Nam, "Preparation and properties of hollow fiber membrane for gas separation using CTA", Membr. J., 21, 98 (2010).
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I. Pinnau and B. D. Freeman, "Formation and modification of polymeric membranes", American Chemical Society, Washington DC membr. Sci., 744, 1 (1999).
Muller, Dr. Heinz-Joachim and Floyd, Elizabeth, "Modified membrane", Australian patent office AU 2002214802 B2, 7, 25 (2002).
J. Phattaranawik, R. Jiraratananon, and A. G. Fane, "Effect of pore size distribution and air flux on mass transport in direct contact membrane distillation", J. Membr. Sci., 215, 75 (2003).

상세보기
S. J. Kim, H. E. Kim, W. J. Cho, and S. Y. Ha, "Membrane process development for $CO_2$ separation of flaring gas", Membr. J., 23, 384 (2013).

저자의 다른 논문 :

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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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