[논문]기기적 증기 재압축 시스템을 적용한 연소 후 이산화탄소 포집공정 개선 연구

정영수; 정재흠; 한종훈

doi:10.7842/kigas.2016.20.1.1

기기적 증기 재압축 시스템을 적용한 연소 후 이산화탄소 포집공정 개선 연구
Improvement of Post-combustion CO2 Capture Process using Mechanical Vapor Recompression 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.20 no.1, 2016년, pp.1 - 6

정영수 (서울대학교 화학생물공학부) , 정재흠 (서울대학교 화학생물공학부) , 한종훈 (서울대학교 화학생물공학부)

초록
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기후변화의 가장 큰 원인 중 하나로 지목되는 이산화탄소의 배출량을 절감하기 위해 제안된 Carbon Capture and Storage (CCS) 전체공정의 에너지 및 비용저감이 시급한 현 시점에서 효율적인 연계공정의 도출이 중요하며 본 연구에서는 연소 후 습식아민 공정을 이용한 포집공정과 압축공정의 간의 연계를 통해 에너지를 저감할 수 있는 방법을 제안한다. 이는 기기적 증기 재압축 시스템 을 적용하여 압축기에 사용되는 전기에너지를 열에너지의 형태로 변환함으로써 포집공정에 필요한 리보일러의 에너지 사용량을 감소시키는 방법이다. 본 공정개선안은 압축기에 필요한 추가적인 투자비용 및 전기에너지를 고려하더라도 고압의 이산화탄소를 생산함과 동시에 전체적인 에너지 사용량을 절감시키는 장점이 있다. 또한 본 연구에서는 실제 Test Bed의 운전 결과를 통한 모델을 활용함으로써 보다 신뢰성 있는 절감 효과를 제안하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to reduce the anthropogenic emission of greenhouse gases, CCS technology has emerged as the most promising and practical solution. Among CCS technology, post-combustion $CO_2$ capture is known as the most mature and effective process to remove $CO_2$ from power plant, but its energy consumption for chemical solvent regeneration still remains as an obstacle for commercialization. In this study, a process alternative integrating $CO_2$ capture with compression process is proposed which not only reduces the amount of thermal energy required for solvent regeneration but also produces $CO_2$ at an elevated pressure.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 기기적 증기 재압축 시스템 (Mechanical Vapor Recompression; MVR)을 적용하여 연소 후 습식아민 CO2 포집공정의 흡수제 재생에너지를 저감하는 공정 개선안을 제안하며 이 개선안의 기술적, 경제적 측면을 고려한 저감효과를 보이고자 한다.

가설 설정

하지만 장치비용에 비해 운전비용 (Operating Expenses: OPEX)의 경우 연간 발생하는 비용을 기준으로 계산되기 때문에 연간등가 (Equivalent Annualized Cost: EAC)를 계산하여 비교하였다. EAC의 계산은 식(1)을 사용하였으며 본 연구에서는 경제적 감가율 (r)을 5%로, 공장의 수명(t)을 30년으로 가정하였다. [12]
끝으로 리보일러와의 최소 온도 접근값 (Minimum Temperature Approach; MTA)은 압축단 사이의 Intercooling 온도를 결정함으로써 MVR 시스템으로 회수 가능한 총 열량을 결정하는 변수이다. 리보일러의 온도는 탈거탑의 운전 압력을 통해 결정되기 때문에 본 연구에서는 5K의 MTA값을 가정하여 압축단 사이의 온도를 결정할 수 있었다.
일반적으로 알려진 수송 및 파이프라인을 이용한 CO2수송의 경우 삼중점 근처인 7 bar, -50°C 혹은 20bar, -20°C 정도의 상태로 이송되며 본 연구에서는 후자의 조건을 가정하였다.

제안 방법

MVR 시스템의 최적 운전 조건을 확인하기 위해 경제성 평가를 함께 수행하였다. 시뮬레이션을 통해 계산된 공정의 설비비용 및 공정에서 사용되는 유틸리티 양을 기반으로 계산한 운영비용을 계산하는방법을 채택하였다.
MVR의 효과를 정량적으로 비교하기 위해 포집공정에서 포집된 CO2가 20 bar까지 가압되는 공정과 MVR을 적용하여 20 bar의 CO2를 생산하는 공정을 비교하였다.
44%를 적용하여 총 에너지 사용량을 평가하였다. 또한 탈거탑의 압력을 실제 CO₂ 포집설비에서 실험되었던 최대 탈거탑 운전압력인 1.8 bar로 증가시킨 경우 MVR 공정에 대한 에너지 사용량을 계산하였다. 시뮬레이션을 통한 계산결과를 표 2에 정리하였다.
모델의 검증을 위해서 2개 컬럼의 내부 온도 Profile을 분석하였다. 컬럼 내부의 온도 Profile은 주요 물질 및 열전달 관계식 및 파라미터의 변화를 통해 조절할 수 있기 때문에 실제 운전결과에서 얻은 컬럼의 온도값을 기반으로 하여 근사한 온도 Profile 매칭 결과를 그림 1과 2에 각각 도시하였다.
MVR 시스템의 최적 운전 조건을 확인하기 위해 경제성 평가를 함께 수행하였다. 시뮬레이션을 통해 계산된 공정의 설비비용 및 공정에서 사용되는 유틸리티 양을 기반으로 계산한 운영비용을 계산하는방법을 채택하였다. 먼저 APEA에서 계산된 장치비용 (Capital Expenses: CAPEX)을 표3과 같이 정리하였으며 단위는 미국달러(USD)가 사용되었다.
먼저 APEA에서 계산된 장치비용 (Capital Expenses: CAPEX)을 표3과 같이 정리하였으며 단위는 미국달러(USD)가 사용되었다. 하지만 장치비용에 비해 운전비용 (Operating Expenses: OPEX)의 경우 연간 발생하는 비용을 기준으로 계산되기 때문에 연간등가 (Equivalent Annualized Cost: EAC)를 계산하여 비교하였다. EAC의 계산은 식(1)을 사용하였으며 본 연구에서는 경제적 감가율 (r)을 5%로, 공장의 수명(t)을 30년으로 가정하였다.
MVR이 적용된 공정의 Aspen flowsheet는 아래 그림 4와 같다. 흡수제의 재생에 필요한 스팀의 열에너지와 압축기에 필요한 전기에너지를 정량적인 수준으로 비교하기 위하여 보령화력발전에서 사용되는 터빈의 효율인 46.44%를 적용하여 총 에너지 사용량을 평가하였다. 또한 탈거탑의 압력을 실제 CO₂ 포집설비에서 실험되었던 최대 탈거탑 운전압력인 1.

대상 데이터

모델링을 위해 제공된 데이터는 2011년에 KEPCO E&C 사에서 수행한 보령화력발전 내 0.1 MW CO2 포집설비의 실제 운전 데이터이며 이 설비는 보령화력 7, 8호기에서 발생하는 배가스 중 하루 2톤의 CO2를 90%의 제거율로 회수하는 설비에 해당한다.

이론/모형

또한 Electrolyte Non Random Two Liquids (ELECNRTL) 모델이 기본 열역학방정식 모델로 사용되었다. [7] 반면 포집된 CO₂를 압축시키는 공정모델에는 Soave-RedlichKwong (SRK) 열역학 모델을 사용하였다. [8]
컬럼 내부의 온도 Profile은 주요 물질 및 열전달 관계식 및 파라미터의 변화를 통해 조절할 수 있기 때문에 실제 운전결과에서 얻은 컬럼의 온도값을 기반으로 하여 근사한 온도 Profile 매칭 결과를 그림 1과 2에 각각 도시하였다.[9] 두 컬럼 모두에서 HanleyIMTP 물질전달 관계식과 Chilton-and-Colburn 열전달식을 사용하였으며 흡수탑에서는 Countercurrent, 흡수탑에서는 VPlug flow 모델을 적용하여 보다 정확한 온도 Profile을 얻을 수 있었다.
와 아민흡수제간의 화학반응을 잘 모사하는 것으로 알려져 있기 때문에 많은 선행연구에 사용된 바 있다. 또한 Electrolyte Non Random Two Liquids (ELECNRTL) 모델이 기본 열역학방정식 모델로 사용되었다. [7] 반면 포집된 CO₂를 압축시키는 공정모델에는 Soave-RedlichKwong (SRK) 열역학 모델을 사용하였다.
1 MW CO₂ 포집설비의 실제 운전 데이터이며 이 설비는 보령화력 7, 8호기에서 발생하는 배가스 중 하루 2톤의 CO₂를 90%의 제거율로 회수하는 설비에 해당한다. 포집공정의 모델링은 상용 시뮬레이터인 Aspen Plus (V7.3)을 사용하였으며 경제성 평가는 Aspen Process Economic Analyzer (APEA V7.3)을 사용하여 수행하였다.

성능/효과

MVR 압축기에서 회수 가능한 총 열에너지양은 압축기의 전력사용량과 비례하며 열에너지에 비해 전기에너지의 에너지적인 가치가 높음을 고려하였을 때 1.8 bar에서 MVR을 운전하는 경우 총 에너지 사용량이 약 8.4% 감소함을 확인 할 수 있었다.
포집공정의 흡수제 재생에너지를 저감하는 공정 개선안을 제안하며 이 개선안의 기술적, 경제적 측면을 고려한 저감효과를 보이고자 한다. 기존의 연구에서 사용된 방법론의 경우 시뮬레이션을 기반으로 한 공정개선 효과를 소개하는 경우가 대부분이나 본 연구에서 사용된 포집공정은 실제 CO₂ 포집설비에서 얻은 운전결과를 기반으로 모델링되어 신뢰성을 확보할 수 있었다. [3-6] 본 공정개선안의 경우 포집공정의 개선뿐만 아니라 포집공정과 압축공정을 잇는 CCS 전체의 연계 측면에서 기여할 수 있는 점에서 연구의 가치가 있는 것으로 판단된다.
두 개의 컬럼 모두 Tray 대신 Packing 형태의 충진물을 가지며 흡수탑은 약 17 m, 탈거탑은 약 12 m의 충진물 높이를 가진다. 충진물의 종류는 Random Packing의 일종인 IMTP이다.
본 연구에서 제안하는 MVR 시스템의 경우 이미 선행 연구들에서 제안된 바 있으나 그 효과들이 시뮬레이션을 통해서만 확인되었기 때문에 다소 과장된 경향이 있었다. 또한 선행 연구에서는 CO₂의 포집과 압축의 연계라는 측면에서의 효과 분석결과가 미미하였다.
또한 선행 연구에서는 CO₂의 포집과 압축의 연계라는 측면에서의 효과 분석결과가 미미하였다. 본 연구에서는 실제 CO₂ 포집설비 Test Bed에서 얻은 운전결과를 기반으로 실제 최적 운전조건에 흡사한 모델을 개발하여 그 기본 공정에 MVR 시스템을 적용함으로써 보다 정확한 개선효과를 평가할 수 있었으며 또한 경제성 평가를 통해 최적의 운전조건을 도출할 수 있었다. 현재 MVR 시스템의 경우 보령화력발전에서 운전 중인 10MW급 Pilot Plant 및 향후 150MW급 이상의 상용화 설비에 적용시키기 위해 기술 검토 중에 있으며 적용될 경우 흡수제 재생에너지의 저감 및 발전소 전체의 효율 유지 측면에서 기여할 수 있을 것으로 보인다.
위 결과에서 알 수 있듯이 MVR을 적용하는 경우 탈거탑 리보일러에서 필요한 스팀의 사용량이 각각 18%, 16% 감소함을 확인할 수 있었다. 이는 문헌에서 보고된 유사 MVR 공정에서 보고하는 수치에 비해서는 낮지만 이는 기본 포집공정 모델이 이미 최적화 되어 있기 때문에 MEA흡수제를 사용함에도 불구하고 문헌에서 보고되는 값에 비해 재생에너지가 상대적으로 낮게 계산되기 때문이라고 판단된다.
표에서 볼 수 있듯이 MVR이 적용되는 경우 탈거탑에 원래 포함되는 응축기가 없기 때문에 장치비용이 소폭 감소함을 확인할 수 있다. 또한 1.

후속연구

현재 MVR 시스템의 경우 보령화력발전에서 운전 중인 10MW급 Pilot Plant 및 향후 150MW급 이상의 상용화 설비에 적용시키기 위해 기술 검토 중에 있으며 적용될 경우 흡수제 재생에너지의 저감 및 발전소 전체의 효율 유지 측면에서 기여할 수 있을 것으로 보인다. 또한 CCS 전체적인 측면으로 볼 때 포집기술과 압축-액화기술을 연계하는 인터페이스 역할을 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 실제 CO₂ 포집설비 Test Bed에서 얻은 운전결과를 기반으로 실제 최적 운전조건에 흡사한 모델을 개발하여 그 기본 공정에 MVR 시스템을 적용함으로써 보다 정확한 개선효과를 평가할 수 있었으며 또한 경제성 평가를 통해 최적의 운전조건을 도출할 수 있었다. 현재 MVR 시스템의 경우 보령화력발전에서 운전 중인 10MW급 Pilot Plant 및 향후 150MW급 이상의 상용화 설비에 적용시키기 위해 기술 검토 중에 있으며 적용될 경우 흡수제 재생에너지의 저감 및 발전소 전체의 효율 유지 측면에서 기여할 수 있을 것으로 보인다. 또한 CCS 전체적인 측면으로 볼 때 포집기술과 압축-액화기술을 연계하는 인터페이스 역할을 수행할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MVR 시스템은 어떤 공정인가?	일반 연소 후 포집공정의 경우 탈거탑 상단에서 발생하는 가스가 응축기를 거쳐 CO2와 환류스트림으로 분리된다. 이때 상대적으로 고온인 상단 가스에서 회수 가능한 열이 버려진다. MVR 시스템은 이 열을 회수하기 위해 가스를 응축기로 보내는 대신 바로 압축기를 거쳐 가압시킨 후 고온의 스트림으로부터 스팀의 현열 및 잠열을 회수하는 공정이다. 회수된 열은 리보일러와의 열교환을 통해 MEA 흡수제의 재생에너지를 크게 감소시킬 뿐만 아니라 MVR을 통해 최종으로 생성되는 CO2는 고압상태이기 때문에 별도의 압축공정 없이 액화 이후 바로 이송 가능한 형태의 CO2를 생산할 수 있다는 장점이 있다.
	연소 후 이산화탄소 포집공정이 가장 상용화에 근접한 기술로 평가받는 이유는?	연소 후 이산화탄소 포집공정은 기술적 완성도가 높고 기존의 화력발전소와의 연계성이 탁월하다는 점에서 가장 상용화에 근접한 기술로 평가받고 있다. 하지만 흡수제의 재생에너지가 발전소의 출력효율에 직접적인 영향을 미치기 때문에 재생에너지의 저감을 위한 연구가 활발히 진행되고 있는 실정이다.
	연소 후 습식아민 공정을 이용한 포집공정과 압축공정의 간의 연계를 통해 에너지를 저감할 수 있는 방법은 어떤 방법인가?	기후변화의 가장 큰 원인 중 하나로 지목되는 이산화탄소의 배출량을 절감하기 위해 제안된 Carbon Capture and Storage (CCS) 전체공정의 에너지 및 비용저감이 시급한 현 시점에서 효율적인 연계공정의 도출이 중요하며 본 연구에서는 연소 후 습식아민 공정을 이용한 포집공정과 압축공정의 간의 연계를 통해 에너지를 저감할 수 있는 방법을 제안한다. 이는 기기적 증기 재압축 시스템 을 적용하여 압축기에 사용되는 전기에너지를 열에너지의 형태로 변환함으로써 포집공정에 필요한 리보일러의 에너지 사용량을 감소시키는 방법이다. 본 공정개선안은 압축기에 필요한 추가적인 투자비용 및 전기에너지를 고려하더라도 고압의 이산화탄소를 생산함과 동시에 전체적인 에너지 사용량을 절감시키는 장점이 있다.

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저자의 다른 논문 :

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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