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문제 정의
- 기존 아민열교환기 Remodeling을 통하여 Rich Amine과 Hot Lean Amine의 온도차 (ΔT)가 15°C에서 10°C로 줄어들도록 성능개선을 하고자 하였다.
- 흡수제 개발뿐 아니라 공정 개선에 따른 에너지효율을 극대화시켜 재생에너지를 낮추는 연구가 필수적이다. 따라서, 에너지저감효과를 보일 수 있는 공정개선안들을 도출하고 이를 Test Bed 기본공정에 적용하여 공정을 개선하고, 운전결과를 확인함으로서 개선공정들의 효과를 검증하고자 한다.
- 포집에 가장 적합하다고 알려진 MEA를 사용할 경우 에너지 사용량이 매우 높아 기존 석탄화력발전소의 효율이 약 10% 정도 감소될 것으로 전망되고 있어 신흡수제 개발과 공정개선 연구가 필수적이다. 본 연구에서는 공정개선에 집중하여, 에너지 저감에 효과가 있다고 보고되는 개선안들을 검토하고 이 중 가능성이 높은 개선안 후보를 도출하였다. 시뮬레이션을 통하여 효과를 확인한 공정개선안들 중 실제 Test Bed에 적용이 가능한 4건의 개선안 흡수탑 충진물 변경, 흡수탑 Intecooling, Rich Amine Heater와 Amines Heat Exchanger Remodeling에 대해 기기 제작 및 설치를 수행하였다.
- 6과 같이 총 12개의 유효데이터를 확보하였다. 이는 개선 공정상에서의 흡수제 1의 최적 운전조건 도출과 충진물 변경전 Random Packing으로 시행한 운전결과와 비교하고자 같은 흡수제와 같은 운전조건의 시나리오로 실험을 수행한 것이다.
- 이에 흡수제 2 운전기간 동안 Rich Amine Heater 컨트롤을 통하여 탈거탑으로 유입되는 Rich Amine의 온도를 조절하여 영향을 확인하고자 하였다. 그 결과 Fig.
- 흡수탑 충진물 변경은 흡수탑 최고 유효높이 도출과 Structured packing 적용에 따른 차압 감소 효과 확인을 위해 수행하였다.
제안 방법
- 시뮬레이션을 통하여 효과를 확인한 공정개선안들 중 실제 Test Bed에 적용이 가능한 4건의 개선안 흡수탑 충진물 변경, 흡수탑 Intecooling, Rich Amine Heater와 Amines Heat Exchanger Remodeling에 대해 기기 제작 및 설치를 수행하였다. 4건의 공정개선 완료 후, 흡수제를 변경하며 3차례 운전을 통하여 개선안별 에너지사용량 저감효과를 검증하였다.
- Amines Heat Exchanger Remodeling은 기존 열교환기의 온도차를 줄여서 Rich Amine 온도 상승을 꾀하여 이에 따른 Steam 사용량을 절감효과를 검증하기 위함으로, 기존 아민열교환기(Amines Heat Exchanger, HE-202)의 Rich Amine과 Hot Lean Amine의 온도차(ΔT)가 15°C에서 10°C로 줄어들도록 Remodeling하여 Rich Amine의 주입온도를 높였다 (Fig 5).
- 7 m). Collector tray는 흡수탑 내 흡수제를 Intercooler로 이송하기에 적절한 수위를 유지할 수 있도록 하였으며, 필요시 Intercooling System을 가동 및 정지할 수 있도록 배관을 구성하였다. 또한, 펌프 후단에는 유량을 측정할 수 있도록 유량계를 설치하였으며, 열교환기 전후단 Amine/냉각수에는 온도계를 설치하여 온도를 제어 및 측정할 수 있도록 하였다
- L/G비와 탈거탑 운전조건을 변화시켜 도출한, 변경충진물 Structured Packing에서의 최적점인 L/G 비 2.17 (아민 순환량 706 L/h)에서 탈거탑 운전압력을 0.2-1.1 kg/cm2 변화시키며, 탈거탑 운전압력에 따른 에너지사용량을 도출하고, 이를 Random Packing 운전결과와 비교하였다.
- MEA와 흡수제 2에 대하여 7일 연속 운전을 하였다. Fig.
- Aux. Steam이 재열기에서 응축되어 배출되는 Steam condensate의 폐열을 이용하도록 구성하였으며 형식은 Plate type으로 Heat duty는 13,500 kcal/hr이다.
- 로딩 능력, 낮은 반응열 등 우수한 물성을 가진 흡수제 개발과 함께 흡수제에 적합한 공정 구성 및 최적 공정변수 도출이 필요하다. 따라서 공정변수 실험이 가능하도록 2TPD (ton/day) 습식아민 CO2 포집 Test Bed를 설계하고 이를 실제 보령화력발전소에 설치하여 운전하였다. 이를 통해 MEA와 전력연구원에서 개발한 흡수제 1에 대한 최적조건 (에너지사용량 최소 조건) 도출을 수행하고 1000 시간 이상 연속운전으로 Test Bed의 신뢰성은 확인하였다.
- 포집공정에 효과가 예상되는 개선안 중 실제 운전시 에너지 절감 효과가 상대적으로 미미할 것으로 판단되는 흡수탑과 탈거탑의 Feed 분할안, 열교환 후와 흡수탑 후단 증발탱크 추가안, 탈거탑 Split Flow안은 적용안에서 제외하였다. 또한 실제 공정구조상 적용이 어려운 Matrix 탈거탑안과 고압 운전의 어려움이 있는 Multi-Pressure 탈거탑안을 제외하여, Table 2의 상위 7가지 안에 대하여 Aspen Plus v7.2로 시뮬레이션을 수행하여 검토하였다.
- Collector tray는 흡수탑 내 흡수제를 Intercooler로 이송하기에 적절한 수위를 유지할 수 있도록 하였으며, 필요시 Intercooling System을 가동 및 정지할 수 있도록 배관을 구성하였다. 또한, 펌프 후단에는 유량을 측정할 수 있도록 유량계를 설치하였으며, 열교환기 전후단 Amine/냉각수에는 온도계를 설치하여 온도를 제어 및 측정할 수 있도록 하였다
- 시뮬레이션으로 효과를 확인한 7가지 안 중에서 에너지 절감효과가 높게 예상되나 저용량 기기제작이 불가한 Lean Vapor Compression, 경제성 대비 저감효과가 낮은 열교환 후 감압 증발탱크 설치와, 경제성과 실현가능성이 떨어진 탈거탑 Interheating을 제외한 총 4건의 개선안, 흡수탑 충진물 변경 (Revamping with structured packing), 흡수탑 Intercooling, Rich Amine Heater, Amines Heat Exchanger Remodeling 을 0.1 MW CO2 포집 Test Bed에 적용하고자 개선공사를 시행하였다.
- 본 연구에서는 공정개선에 집중하여, 에너지 저감에 효과가 있다고 보고되는 개선안들을 검토하고 이 중 가능성이 높은 개선안 후보를 도출하였다. 시뮬레이션을 통하여 효과를 확인한 공정개선안들 중 실제 Test Bed에 적용이 가능한 4건의 개선안 흡수탑 충진물 변경, 흡수탑 Intecooling, Rich Amine Heater와 Amines Heat Exchanger Remodeling에 대해 기기 제작 및 설치를 수행하였다. 4건의 공정개선 완료 후, 흡수제를 변경하며 3차례 운전을 통하여 개선안별 에너지사용량 저감효과를 검증하였다.
- 따라서 공정변수 실험이 가능하도록 2TPD (ton/day) 습식아민 CO2 포집 Test Bed를 설계하고 이를 실제 보령화력발전소에 설치하여 운전하였다. 이를 통해 MEA와 전력연구원에서 개발한 흡수제 1에 대한 최적조건 (에너지사용량 최소 조건) 도출을 수행하고 1000 시간 이상 연속운전으로 Test Bed의 신뢰성은 확인하였다.
- 1의 공정개념을 그대로 구현하고, 공정변수 실험과 신흡수제 성능 실험이 가능하도록 설계되어있다 (Table 1). 이와 같이 아민계열의 흡수제를 사용하는 연소 후 포집공정은 기술적 완성도를 갖고 있지만, 흡수제의 재생을 위한 스팀이 다량 필요하여 에너지사용량을 줄이기 위한 공정개선 방안을 검토하여 개선공사를 수행하였다.
- 탈거탑으로 주입되는 Rich Amine의 온도를 상승시켜 Steam 사용량을 절감시키고자 Rich Amine Heater를 Test Bed에 설치하였다. Aux.
- 포집공정 개선안 도출을 위해 국내외 특허, 미국의 DOE 등에서 발표한 정부보고서, 국내외 게재된 논문 및 학술대회 발표자료 등을 검토하여 비교분석평가를 통해 가능성 있는 개선안 후보를 Table 2과 같이 도출하였다.
- 흡수탑 충진물 변경(Revamping) 후 에너지 사용량 절감 효과를 검증하고 흡수제 1의 흡수탑 최고 유효높이를 도출하는 운전을 시행하였다. 에너지 사용량을 도출하기 위한 주요공정 변수는 아민순환량과 탈거탑 압력이며, 서로 다른 20개 조건의 운전을 수행하여 Fig.
- 흡수탑에 Intercooling system 도입하여 운전을 실시하였다. Intercooling 전에는 흡수탑 하부의 흡수제 온도가 46°C이나 Intercooling system 가동 후에는 그 온도를 낮추어 흡수제의 흡수능을 높일 수 있다.
대상 데이터
- 기존의 Random packing에서 Structured packing이다. 교체대상 충진층은 세정층 (최상단)을 제외한 모든 충진층이며, 기존 Column의 구조 변경 없이 Random packing 해체 후 Structured packing을 설치하였다 (Fig 3).
- 흡수탑 충진물 변경(Revamping) 후 에너지 사용량 절감 효과를 검증하고 흡수제 1의 흡수탑 최고 유효높이를 도출하는 운전을 시행하였다. 에너지 사용량을 도출하기 위한 주요공정 변수는 아민순환량과 탈거탑 압력이며, 서로 다른 20개 조건의 운전을 수행하여 Fig. 6과 같이 총 12개의 유효데이터를 확보하였다. 이는 개선 공정상에서의 흡수제 1의 최적 운전조건 도출과 충진물 변경전 Random Packing으로 시행한 운전결과와 비교하고자 같은 흡수제와 같은 운전조건의 시나리오로 실험을 수행한 것이다.
성능/효과
- 15°C정도의 온도차를 보이던 기존 아민열교환기가 개선 공사를 통하여 온도차는 10°C정도까지 낮아진 것을 실험결과 확인하였으며, 이에 따라, 재생에너지 값이 3.19 GJ/tCO2 에서 3.02 GJ/tCO2로 5.33% 저감효과를 보였다.
- MEA 운전시에는 Intercooling System과 동시에 운전을 하여 Rich Amine Heater 만의 영향을 수치적으로 분석하는 실험은 수행하지 못하였지만 Intercooling 미가동시에도 재생에너지가 감소한 것으로 보아 에너지저감에 효과가 있음을 확인하였다.
- MEA기준 최적 아민순환량인 1,000 L/h에서는 탈거탑 압력이 높아질수록 Intercooling 후의 에너지 사용량이 점차 감소하여, 탈거탑 압력이 0.8 kg/cm2, 1.1 kg/cm2 일 때는 Intercooling의 효과로 에너지사용량이 점점 더 감소하는 경향을 보였다 (Fig. 11). 또한 최적 탈거탑압력으로 도출한 1.
- 가장 먼저 공사를 진행한 흡수탑 충진물을 Random Packing에서 Structured Packing으로 교체 결과, 재생에너지 저감에는 가시적인 효과를 보이지 않았는데, 이는 이미 흡수탑 높이가 적정유효높이를 만족한 상태였던 것으로 판단된다. 그러나 흡수탑의 Pressure Drop이 약 39% 줄어들어 압력손실 감소로 전체적으로 에너지(Flue Gas Blower 전력비) 절감 효과가 있다고 판단된다.
- 결론적으로 Rich Amine Heater에 의한 흡수제 가열은 분명 에너지사용량 저감에 효과가 있으나, 온도 상승에 한계가 있어 아민열교환기 개선공사 이후로는 아민열교환기만으로 Rich Amine온도가 상승하여 Heater는 bypass 처리하였다.
- 이에 흡수제 2 운전기간 동안 Rich Amine Heater 컨트롤을 통하여 탈거탑으로 유입되는 Rich Amine의 온도를 조절하여 영향을 확인하고자 하였다. 그 결과 Fig. 12와 같이 Rich Amine Heater를 가동하여 흡수제의 온도를 높일수록 재생에너지가 저감되는 것을 확인하였다. 그러나 이 Rich Amine은 아민열교환기(Amines Heat Exchanger)를 통과하여 Heater로 유입이 되고 Heater에서 더 가열이 되어 탈거탑으로 유입되는데, 이 운전기간은 아민열교환기 Remodeling이 기수행되어, 성능개선이 이루어진 상태였다.
- 그 결과, Fig. 7과 같이 Random Packing의 탈거탑 압력 최적점은 0.35 kg/cm2 였으나, Structured Packing의 최적점은 0.50 kg/cm2로 도출되었다. 탈거탑 압력 0.
- 기존 CO2 흡수탑 하단 부위를 제거하고 Collector tray를 설치하여 흡수탑의 충진층 높이가 기존 4.2 m 대비 1.1 m 감소하였다 (전체 16.8 m→15.7 m).
- 14와 같이 MEA와 흡수제 2는 안정적으로 운전되며, 열화에 의한 성능 저하는 없다. 다만, 운전 중 설비의 이상으로 Intercooling이 가동되지 못하여 재생에너지가 다소 높게 나타났으나 상기의 Intercooling 운전결과에 비추어 안정적으로 운전되었음을 확인할 수 있다.
- 11). 또한 최적 탈거탑압력으로 도출한 1.1 kg/cm2 조건에서는 Intercooling System을 가동함에 따라 에너지사용량이 4.57 GJ/tCO2에서 4.05 GJ/tCO2로 줄어 11% 의 저감효과를 확인하였다 (Chiller 가동에 따른 추가소비동력은 고려되지 않음).
- 마지막으로 아민열교환기 Remodeling결과 Hot Rich Amine과 Hot Lean Amine의 온도차를 기존 15°C정도에도 10°C로 낮추어 Rich Amine의 온도를 충분히 올림으로써 에너지소모량 5.33% 저감효과가 나타났다.
- Closed mark는 Intercooling하지 않은 운전결과이고, opend mark는 Intercooling을 한 결과이다. 비교분석 결과, 아민순환량이 적을 때, 탈거탑 압력별로 에너지사용량이 큰 차이를 보이며 Intercooling 후 에너지사용량이 상승하는 경우, 저감하는 경우 모두 나타났으며, Intercooling 여부에 따른 에너지사용량 차이는 아민순환량을 늘릴수록 줄어드는 경향을 보인다.
- 시뮬레이션 검토결과 7가지 개선안은 모두 CO2포집 공정에 효과가 있음을 확인하였고 그 정량적 기대효과는 Table 3와 같다.
- 4가지 개선안의 개별 효과는 본 연구에서 실제 Test Bed 운전을 통해 수치적으로 검증하였으나 (Table 4), 공정개선이 신흡수제 개발이 동시에 진행되어 개선된 공정에 신흡수제로 운전을 수행함으로서, 신흡수제만의 효과와 공정개선안 전체의 효과는 분리하여 평가가 되지 못하였다. 신흡수제와 개선공정의 영향으로 CO2 재생에너지는 MEA를 이용한 기존 Test Bed운전 기준 25%가 저감되었다.
- 실험 결과 25°C로 Intercooling할 경우, 가장 낮은 재생에너지가 사용되는 것을 확인하였다.
- 50 kg/cm2로 도출되었다. 탈거탑 압력 0.35 kg/cm2에서 Random Packing 대비 0.02 GJ/tCO2의 에너지 절감, 탈거탑 압력 0.50 kg/cm2에서는 0.08 GJ/tCO2의 에너지 절감 효과가 있으며, Packing별 최적운전조건에서의 비교시 Revamping결과, 0.03 GJ/tCO2 의 저감효과가 있는 것으로 나타났다.
- 흡수제 2의 최적운전조건 도출 실험을 수행하면서 동시에 각각의 운전별로 Hot Rich Amine과 Hot Lean Amine의 온도차를 모두 확인한 결과 Fig. 13과 같이 ΔT가 작아질수록 재생에너지량이 낮아지는 경향을 보인다.
- 그러나 흡수탑의 Pressure Drop이 약 39% 줄어들어 압력손실 감소로 전체적으로 에너지(Flue Gas Blower 전력비) 절감 효과가 있다고 판단된다. 흡수탑 하부의 온도를 낮추어 흡수제의 CO2 Loading 능력 (흡수능)을 향상시키고자 설치한 흡수탑 Intercooling System은 운전결과 MEA 최적운전조건에서는 최대 11%까지 에너지 저감효과가 있는 것으로 확인하였다. Rich Amine Heater의 경우 탈거탑으로 주입되는 Rich Amine의 온도를 높여 에너지저감효과가 있는 것은 확인하였으나 이후 아민열교환기의 성능개선으로 Heater없이 Rich Amine의 온도가 충분히 상승하였다.
후속연구
- 4가지 개선안의 개별 효과는 본 연구에서 실제 Test Bed 운전을 통해 수치적으로 검증하였으나 (Table 4), 공정개선이 신흡수제 개발이 동시에 진행되어 개선된 공정에 신흡수제로 운전을 수행함으로서, 신흡수제만의 효과와 공정개선안 전체의 효과는 분리하여 평가가 되지 못하였다. 신흡수제와 개선공정의 영향으로 CO2 재생에너지는 MEA를 이용한 기존 Test Bed운전 기준 25%가 저감되었다.
- 이 운전으로 확인한 재생에너지량 기준으로, 재생에너지를 저감하기 위한, CO2 흡수제 개발뿐 아니라 공정 개선에 따른 에너지효율을 극대화시켜 재생에너지를 낮추는 연구가 필수적이다. 따라서, 에너지저감효과를 보일 수 있는 공정개선안들을 도출하고 이를 Test Bed 기본공정에 적용하여 공정을 개선하고, 운전결과를 확인함으로서 개선공정들의 효과를 검증하고자 한다.
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