벤치급 CO2 포집공정에서 흡수반응기의 내부구조에 따른 K-계열 고체흡수제의 성능평가 Performance Evaluation of K-based Solid Sorbents Depending on the Internal Structure of the Carbonator in the Bench-scale CO2 Capture Process원문보기
본 연구에서는 벤치급 건식 $CO_2$ 포집 성능평가 장치에서 흡수반응기 내부의 구조와 형태에 따른 K-계열 흡수제(KEP-CO2P2, 한국전력공사 전력연구원)의 성능특성을 확인하였다. 흡수반응기 혼합영역(mixing-zone)에 구조와 형태가 다르게 제작된 두 종류의 열교환기가 적용되었으며, 각각 CASE 1과 CASE 2로 나뉘어 동일한 조업조건으로 연속운전을 수행하였다. 연속운전동안 흡수반응 온도는 $75{\sim}80^{\circ}C$, 재생반응 온도는 $190{\sim}200^{\circ}C$, 그리고 반응기체($CO_2$) 농도는 12~14 vol%으로 설정하였다. 특히 흡수제의 흡수능 비교를 위해 흡수반응기 혼합영역의 차압을 400~500 mm$H_2O$로 유지하며 운전하였다. 또한 반응 후 채집한 시료는 반응성 비교를 위해 TGA를 이용하여 물성분석을 하였다. CASE 1 실험에서 $CO_2$ 제거효율과 동적흡수능은 각각 64.3%, 2.40 wt%으로 산출 되었고, CASE 2 실험에서 $CO_2$ 제거효율과 동적흡수능은 각각 81.0%, 4.66 wt%으로 산출되었다. 또한 반응 후 흡수제에 대한 TGA 측정 결과의 무게감량을 이용하여 흡수제의 동적흡수능을 계산한 결과, CASE 1과 CASE 2 실험에서 반응 후 흡수제의 동적흡수능은 각각 2.51 wt%와 4.89 wt%으로 산출되었다. 결론적으로 동일한 조업조건에서 흡수반응기 내부에 삽입되는 열교환기의 구조와 형태에 따라 흡수제의 성능 차이가 있는 것을 확인하였다.
본 연구에서는 벤치급 건식 $CO_2$ 포집 성능평가 장치에서 흡수반응기 내부의 구조와 형태에 따른 K-계열 흡수제(KEP-CO2P2, 한국전력공사 전력연구원)의 성능특성을 확인하였다. 흡수반응기 혼합영역(mixing-zone)에 구조와 형태가 다르게 제작된 두 종류의 열교환기가 적용되었으며, 각각 CASE 1과 CASE 2로 나뉘어 동일한 조업조건으로 연속운전을 수행하였다. 연속운전동안 흡수반응 온도는 $75{\sim}80^{\circ}C$, 재생반응 온도는 $190{\sim}200^{\circ}C$, 그리고 반응기체($CO_2$) 농도는 12~14 vol%으로 설정하였다. 특히 흡수제의 흡수능 비교를 위해 흡수반응기 혼합영역의 차압을 400~500 mm$H_2O$로 유지하며 운전하였다. 또한 반응 후 채집한 시료는 반응성 비교를 위해 TGA를 이용하여 물성분석을 하였다. CASE 1 실험에서 $CO_2$ 제거효율과 동적흡수능은 각각 64.3%, 2.40 wt%으로 산출 되었고, CASE 2 실험에서 $CO_2$ 제거효율과 동적흡수능은 각각 81.0%, 4.66 wt%으로 산출되었다. 또한 반응 후 흡수제에 대한 TGA 측정 결과의 무게감량을 이용하여 흡수제의 동적흡수능을 계산한 결과, CASE 1과 CASE 2 실험에서 반응 후 흡수제의 동적흡수능은 각각 2.51 wt%와 4.89 wt%으로 산출되었다. 결론적으로 동일한 조업조건에서 흡수반응기 내부에 삽입되는 열교환기의 구조와 형태에 따라 흡수제의 성능 차이가 있는 것을 확인하였다.
In this study, the performance characteristics of the K-based sorbents (KEP-CO2P2, KEPCO RI, Korea) has been studied in relation with the heat exchanger structure and shape in a mixing zone of the carbonator in the bench-scale dry $CO_2$ capture process. Two types of heat exchangers (diff...
In this study, the performance characteristics of the K-based sorbents (KEP-CO2P2, KEPCO RI, Korea) has been studied in relation with the heat exchanger structure and shape in a mixing zone of the carbonator in the bench-scale dry $CO_2$ capture process. Two types of heat exchangers (different structure and shape) were used in the carbonator as CASE 1 and CASE 2, in which the experiment has been continuously performed under the same operating conditions. During the continuous operation, working temperature of carbonator was 75 to $80^{\circ}C$, that of regenerator was 190 to $200^{\circ}C$, and $CO_2$ inlet concentration of the feed gas was 12 to 14 vol%. Especially, to compare the dynamic sorption capacity of sorbents, the differential pressure of the mixing zone in the carbonator was maintained around 400 to 500 mm $H_2O$. Also, solid samples from the carbonator and the regenerator were collected and weight variation of those samples was evaluated by TGA. The $CO_2$ removal efficiency and the dynamic sorption capacity were 64.3% and 2.40 wt%, respectively for CASE 1 while they were 81.0% and 4.66 wt%, respectively for CASE 2. Also, the dynamic sorption capacity of the sorbent in CASE 1 and CASE 2 was 2.51 wt% and 4.89 wt%, respectively, based on the weight loss of the TGA measurement results. Therefore, It was concluded that there could be a difference in the performance characteristics of the same sorbents according to the structure and type of heat exchanger inserted in the carbonator under the same operating conditions.
In this study, the performance characteristics of the K-based sorbents (KEP-CO2P2, KEPCO RI, Korea) has been studied in relation with the heat exchanger structure and shape in a mixing zone of the carbonator in the bench-scale dry $CO_2$ capture process. Two types of heat exchangers (different structure and shape) were used in the carbonator as CASE 1 and CASE 2, in which the experiment has been continuously performed under the same operating conditions. During the continuous operation, working temperature of carbonator was 75 to $80^{\circ}C$, that of regenerator was 190 to $200^{\circ}C$, and $CO_2$ inlet concentration of the feed gas was 12 to 14 vol%. Especially, to compare the dynamic sorption capacity of sorbents, the differential pressure of the mixing zone in the carbonator was maintained around 400 to 500 mm $H_2O$. Also, solid samples from the carbonator and the regenerator were collected and weight variation of those samples was evaluated by TGA. The $CO_2$ removal efficiency and the dynamic sorption capacity were 64.3% and 2.40 wt%, respectively for CASE 1 while they were 81.0% and 4.66 wt%, respectively for CASE 2. Also, the dynamic sorption capacity of the sorbent in CASE 1 and CASE 2 was 2.51 wt% and 4.89 wt%, respectively, based on the weight loss of the TGA measurement results. Therefore, It was concluded that there could be a difference in the performance characteristics of the same sorbents according to the structure and type of heat exchanger inserted in the carbonator under the same operating conditions.
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문제 정의
본 연구에서는 벤치급 건식 CO2 포집 성능평가 장치에서 연속운전을 통한 K-계열 건식 고체흡수제의 반응특성을 살펴보았다. 특히, 동일한 조업조건에서 흡수반응기 하부 혼합영역 내부에 구조와 형태가 각각 다르게 제작된 두 종류의 열교환기를 적용하여 실험을 수행하였으며, 이에 따른 건식 흡수제의 성능과 특성을 확인하였다.
본 연구에서는 벤치급 건식 CO2 포집 성능평가 장치에서 흡수반응기 내부의 구조와 형태에 따른 고체흡수제(KEPCO2-P2)의 성능특성을 확인하기 위해 흡수반응기 하부 혼합영역에 두 종류의 열교환기를 사용하여 실험을 수행하였다. 실험 변수로는 흡수반응기의 혼합영역에 구조와 형태가 다르게 제작된 두 종류의 열교환기가 적용되었으며, 각각 CASE 1과 CASE 2로 나뉘어 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 흡수반응기 내부의 열교환기 구조와 형태에 따른 K-계열 건식 흡수제의 성능특성을 살펴보았다. 건식 CO2 포집 성능평가 장치에서 실험을 수행하였으며, 실험 전과 후의 흡수제는 TGA를 이용한 물성분석을 하였다.
제안 방법
또한 흡수제의 성능특성 분석을 위해 연속순환장치에서 흡수반응 후와 재생반응 후의 흡수제를 대표하는 시료(sorbent sample)를 채집하였다.
(1) 동일한 조업조건에서 구조와 형태가 각각 다르게 제작된 두 종류의 열교환기가 적용되었으며, 각 실험에서 흡수제의 CO2 제거 효율, 동적흡수능 그리고 TGA 분석 결과를 통하여 흡수제의 성능특성를 비교하였다.
(2) CO2 분석 농도와 고체순환량을 이용하여 흡수제의 CO2 제거 효율과동적흡수능을계산하였다. CASE 1 실험에서 CO2제거효율과 동적흡수능은 각각 64.
(4) 반응후흡수제에 대한 TGA 측정결과의 무게감량을 이용하여 흡수제의 동적흡수능을 계산하였다. CASE 1과 CASE 2 실험에서 반응 후 흡수제의 동적흡수능은 각각 2.
Table 1에는 실험에사용된 흡수제의물성특성을정리하여나타내었다. HITACHI사의 냉각형 전계방사형 주사전자현미경(cold type field emission scanning electron microscope, SEM-4800)을 사용하여 흡수제의 형태 및 표면 구조를 살펴보았다. 흡수제를 유동층 공정 적용에 고려하여 개발했기 때문에 입자의 형상이 구형을 이루고 있고, 입자의 표면은 대체로 고르게 나타났다.
TGA 측정 결과의 무게감량을 이용하여 흡수제의 동적흡수능을 산출하였다. Table 4에 정리한 것처럼, 각 실험에서 흡수제에 흡수된 H2O/CO2 몰 비를 고려하고 흡수제의 전체 무게 감량에서 H2O량를 제외한 CO2량만을 이용하여 흡수제의 동적흡수능을 계산하였다.
TGA 측정 결과의 무게감량을 이용하여 흡수제의 동적흡수능을 산출하였다. Table 4에 정리한 것처럼, 각 실험에서 흡수제에 흡수된 H2O/CO2 몰 비를 고려하고 흡수제의 전체 무게 감량에서 H2O량를 제외한 CO2량만을 이용하여 흡수제의 동적흡수능을 계산하였다. 이에 따라 CASE 1과 CASE 2에서 흡수제의 동적흡수능은 각각 2.
각 반응기 및 가스배관등에 RTD (Resister Temperature Detector)를설치하여 각 지점의 온도를 측정하였으며, 반응기(또는 흡수제)와가스의 온도를 파악하였다. 또한 압력계와 차압계를 설치하여 흡수제의 유동상태 및 기체의 흐름을 파악하였다.
재생 후의 흡수제는 흡수제냉각기에서 온도가 감소한 후 흡수반응기로 재순환된다. 각 반응기에 주입되는 기체는 MFC (Mass flow controller, E5850, Brooks instruments, Japan)를이용하여 반응기체(CO2 + N2)의 농도와 유입유량을 조절하였다. 고체순환량은 재생반응기와 흡수제냉각기의 하부에 설치된 로터리 밸브(rotary valve)를 이용하여 조절하였다.
본 연구에서는 흡수반응기 내부의 열교환기 구조와 형태에 따른 K-계열 건식 흡수제의 성능특성을 살펴보았다. 건식 CO2 포집 성능평가 장치에서 실험을 수행하였으며, 실험 전과 후의 흡수제는 TGA를 이용한 물성분석을 하였다. 실험을 통해 얻어진 결론은 다음과 같다.
각 반응기에 주입되는 기체는 MFC (Mass flow controller, E5850, Brooks instruments, Japan)를이용하여 반응기체(CO2 + N2)의 농도와 유입유량을 조절하였다. 고체순환량은 재생반응기와 흡수제냉각기의 하부에 설치된 로터리 밸브(rotary valve)를 이용하여 조절하였다.
흡수반응기 혼합영역의 차압을 고려하여 고체순환량 변화에 따른 고체순환 여부를 파악하였다. 고체순환이 이루어지는 동안 재생반응기를 재생반응 온도인 200oC까지 승온하여 재생반응기 온도 200oC 이하, 고체순환량 200 kg/h인 조건에서 약 5시간 동안 흡수제를 건조 및 재생하였다.
실시간으로 측정되는 CO2 농도값를 이용하여 흡수제의 제거효율 및 재생율을 산출하였으며, 제거효율과 고체순환량으로 흡수제의 동적흡수능을 산출하였다. 또한 실시간으로 동적흡수능을 산출하여 연속운전 중 조업 조건 변화에 따른 변화를 살펴보았다. 반응실험 종료 전에 메인사이클론 하부에서 흡수반응 후의 흡수제를 채집하였고, 흡수제냉각기 하부에서 재생반응 후의 흡수제를 채집하였다.
각 반응기 및 가스배관등에 RTD (Resister Temperature Detector)를설치하여 각 지점의 온도를 측정하였으며, 반응기(또는 흡수제)와가스의 온도를 파악하였다. 또한 압력계와 차압계를 설치하여 흡수제의 유동상태 및 기체의 흐름을 파악하였다. 흡수반응기 전단과 후단 그리고 재생반응기 후단에는 IR 기체분석기를 설치하여 반응 전과 후의 기체(CO2) 농도를 실시간으로 측정하였다.
흡수반응기 전단에는 기포탑(bubbler)을 설치하여 흡수반응에 필요한 증기를 발생 및 증기량 조절하였다. 또한 예열기(preheater)와 가열기(line heater)를 설치하여 흡수반응기로 유입되는 기체의 온도를 증가시켜 기체중의 수분 응축을 방지하였다. 흡수반응 과정에서 발생하는 열은 온도 조절이 가능한 냉각수 공급장치에서 냉각수를 열교환기에 공급하여 반응 기의 온도를 조절하였다.
반응실험 종료 전에 메인사이클론 하부에서 흡수반응 후의 흡수제를 채집하였고, 흡수제냉각기 하부에서 재생반응 후의 흡수제를 채집하였다. 반응 후 채집한 시료는 반응 전 시료와의 반응성 비교를 위해 TA사의 열중량 분석기(TGA, SDT Q-600)를 이용하여 흡수제의 무게 감소(weight loss)를 살펴보았다. 실험은 N2 분위기로 50oC에서 200oC까지 온도를 50oC씩 증가시켰으며 각 온도구간에서 30분간 유지시켰다.
0 m인 기포유동층 형태이다. 반응기 내부에 설치된 열교환기에 스팀재생기(steamgenerator)에서 발생한 스팀을 주입하는 방식으로 재생반응에 필요한 열을 공급하여 재생반응기를 가열 및 온도를 제어하였다. 재생 반응기의 유동화기체는 N2 (99.
또한 실시간으로 동적흡수능을 산출하여 연속운전 중 조업 조건 변화에 따른 변화를 살펴보았다. 반응실험 종료 전에 메인사이클론 하부에서 흡수반응 후의 흡수제를 채집하였고, 흡수제냉각기 하부에서 재생반응 후의 흡수제를 채집하였다. 반응 후 채집한 시료는 반응 전 시료와의 반응성 비교를 위해 TA사의 열중량 분석기(TGA, SDT Q-600)를 이용하여 흡수제의 무게 감소(weight loss)를 살펴보았다.
반응실험 중 흡수반응기 전단과 후단, 그리고 재생반응기 후단에서 배출되는 기체는 기체분석기로 측정되었다. 실시간으로 측정되는 CO2 농도값를 이용하여 흡수제의 제거효율 및 재생율을 산출하였으며, 제거효율과 고체순환량으로 흡수제의 동적흡수능을 산출하였다.
반응실험 중 흡수반응기 전단과 후단, 그리고 재생반응기 후단에서 배출되는 기체는 기체분석기로 측정되었다. 실시간으로 측정되는 CO2 농도값를 이용하여 흡수제의 제거효율 및 재생율을 산출하였으며, 제거효율과 고체순환량으로 흡수제의 동적흡수능을 산출하였다. 또한 실시간으로 동적흡수능을 산출하여 연속운전 중 조업 조건 변화에 따른 변화를 살펴보았다.
포집 성능평가 장치에서 흡수반응기 내부의 구조와 형태에 따른 고체흡수제(KEPCO2-P2)의 성능특성을 확인하기 위해 흡수반응기 하부 혼합영역에 두 종류의 열교환기를 사용하여 실험을 수행하였다. 실험 변수로는 흡수반응기의 혼합영역에 구조와 형태가 다르게 제작된 두 종류의 열교환기가 적용되었으며, 각각 CASE 1과 CASE 2로 나뉘어 실험을 수행하였다. 또한 흡수제의 성능특성 분석을 위해 연속순환장치에서 흡수반응 후와 재생반응 후의 흡수제를 대표하는 시료(sorbent sample)를 채집하였다.
0 m이고 사각형으로 제작되었다. 실험에서는 열교환기의 구조와 형태가 각각 다르게 제작된 두 종류의 흡수반응기 혼합영역을 사용하였으며, Fig. 2에 설계 도면을 개념적으로 나타내었다. Fig.
반응 후 채집한 시료는 반응 전 시료와의 반응성 비교를 위해 TA사의 열중량 분석기(TGA, SDT Q-600)를 이용하여 흡수제의 무게 감소(weight loss)를 살펴보았다. 실험은 N2 분위기로 50oC에서 200oC까지 온도를 50oC씩 증가시켰으며 각 온도구간에서 30분간 유지시켰다. 최종 온도 200oC까지 승온하면서 나타나는 흡수제의 질량 감소 특성을 확인했다.
5는 반응 전과 후의 흡수제에 대한 TGA 측정 결과를 비교하여 나타낸 것이다. 실험은 연속공정에서 재생온도와 일치하는 온도범위(200oC)까지의 무게감량을 측정하였으며, 50, 150, 200oC의 온도범위로 승온하면서 나타나는 반응후흡수제의 질량감소특성을 확인하였다. Fig.
연속순환 장치에서의 실험은 ① 흡수제 장입, ② 고체순환 및 흡수제 건조, ③반응 실험순으로 진행하였다. 흡수제는 유동화 가스가 유입된 상태의 재생반응기로 장입하였으며, 재생반응기와 흡수제 냉각기에 장입된 흡수제량은 총 200 kg이다.
포집 성능평가 장치에서 연속운전을 통한 K-계열 건식 고체흡수제의 반응특성을 살펴보았다. 특히, 동일한 조업조건에서 흡수반응기 하부 혼합영역 내부에 구조와 형태가 각각 다르게 제작된 두 종류의 열교환기를 적용하여 실험을 수행하였으며, 이에 따른 건식 흡수제의 성능과 특성을 확인하였다. 이를 통해 동일한 흡수제, 동일한 운전조건에서도 반응기 내부의 구조와 형태에 따라 CO2 포집성능의 차이가 생길 수 있음을 규명하였다.
또한 예열기(preheater)와 가열기(line heater)를 설치하여 흡수반응기로 유입되는 기체의 온도를 증가시켜 기체중의 수분 응축을 방지하였다. 흡수반응 과정에서 발생하는 열은 온도 조절이 가능한 냉각수 공급장치에서 냉각수를 열교환기에 공급하여 반응 기의 온도를 조절하였다.
흡수반응기 내부의 열교환기 형태에 따른 흡수제의 성능특성을 살펴보기 위해 동일한 용적으로 구조와 형태가 각각 다르게 제작된 두 종류의 열교환기가 적용되었다. Table 3는 동일한 흡수반응기의 혼합영역 차압에서 나타난 연속운전 결과이다.
또한 압력계와 차압계를 설치하여 흡수제의 유동상태 및 기체의 흐름을 파악하였다. 흡수반응기 전단과 후단 그리고 재생반응기 후단에는 IR 기체분석기를 설치하여 반응 전과 후의 기체(CO2) 농도를 실시간으로 측정하였다. 전체 공정에 설치된 계측기(온도계, 차압계, 분석기 등)의 측정값은 PLC를 통하여 수집되어 PC에 저장되었다.
0 mm의 구멍이 사각피치로 81개 뚫려있는 다공판(perforated plate) 형태로 탈·부착이 가능하도록 설치하였다. 흡수반응기 전단에는 기포탑(bubbler)을 설치하여 흡수반응에 필요한 증기를 발생 및 증기량 조절하였다. 또한 예열기(preheater)와 가열기(line heater)를 설치하여 흡수반응기로 유입되는 기체의 온도를 증가시켜 기체중의 수분 응축을 방지하였다.
흡수제를 장입한 후 흡수반응기 유입 유량이 40 Nm3/hr인 조건에서 고체순환을 실시하였다. 흡수반응기 혼합영역의 차압을 고려하여 고체순환량 변화에 따른 고체순환 여부를 파악하였다. 고체순환이 이루어지는 동안 재생반응기를 재생반응 온도인 200oC까지 승온하여 재생반응기 온도 200oC 이하, 고체순환량 200 kg/h인 조건에서 약 5시간 동안 흡수제를 건조 및 재생하였다.
O 그리고 Air를 혼합한 모사가스를 주입하였다. 흡수반응기 혼합영역의 차압을 고려하여 반응기체유량 및 고체순환량을 조절하였다. 반응실험의 조업조건으로 흡수반응기의 온도는 75~80oC, 재생반응기의 온도는 190~200oC, 그리고 흡수제냉각기의 온도는 60~65oC에서 운전되었다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 벤치급 건식 CO2 포집 성능평가 장치의 개략도를 Fig. 1에 나타내었다. 전체 공정은 CO2 흡수를 위한 고속유동층(riser) 타입의 흡수반응기(carbonator), 흡수제의 재생을 위한 재생반응기(regenerator), 재생후의 흡수제를 흡수반응기로 재순환하기 전에 입자를 냉각하기 위한 흡수제냉각기(sorbent cooler), 기체와 고체 분리를 위한 사이클론(cyclone), 고체 순환량을 조절하기 위한 Rotary valve, 흡수제 및 반응기 열교환에 사용되는 스팀발생기(steamgenerator)와 냉각수 공급 장치(auto chiller, HYUNDAI ENG CO.
본 연구에서 사용된 고체 흡수제는 한전전력연구원으로부터 공급 받았으며, 현재 한국남부발전㈜의 하동화력발전소 8 호기에 연계 설치된 10 MWe급 건식 CO2 포집 공정에서 사용하는 흡수제(KEP-CO2P2)와 같은 종류이다. K2CO3가 주성분인 건식 흡수제는 분무건조법에 의해 파우더 형태로 제조되었다.
이 후 반응 실험을 시작하였고, 반응실험에서 흡수반응기 유입기체로는 CO2, H2O 그리고 Air를 혼합한 모사가스를 주입하였다. 흡수반응기 혼합영역의 차압을 고려하여 반응기체유량 및 고체순환량을 조절하였다.
반응기 내부에 설치된 열교환기에 스팀재생기(steamgenerator)에서 발생한 스팀을 주입하는 방식으로 재생반응에 필요한 열을 공급하여 재생반응기를 가열 및 온도를 제어하였다. 재생 반응기의 유동화기체는 N2 (99.99%)를 사용하였으며, 분산판 노즐을 통하여 주입되었다. 유동화기체는 차가운 기체가 반응기로 유입되면서 발생하는 반응기 내부의 부분냉각을 방지하기 위해 예열기를 통과하여 주입시켰으며, 주입기체와 반응기 내부와의 온도 차이를 최소화하였다.
0 m인 고속유동층 형태의 반응기가 3단으로 구성되어있다. 흡수반응기 2단과 3단은 각각 내경 0.09 m, 높이 3.0 m이며 원형으로 제작되었으며, 흡수반응기의 하부인 혼합영역(mixing zone)은 가로 0.1 m, 세로 0.1 m, 높이 2.0 m이고 사각형으로 제작되었다. 실험에서는 열교환기의 구조와 형태가 각각 다르게 제작된 두 종류의 흡수반응기 혼합영역을 사용하였으며, Fig.
0 m인 기포 유동층 형태로 온도가 조절된 냉각수를 반응기 내부에 설치된 열교환기에 공급하는 방식으로 반응기와 흡수제의 온도를 감소 및 제어하였다. 흡수제냉각기의 유동화기체는 N2 (99.99%) 를 사용하였으며 분산판 노즐을 통해 유입되었다.
데이터처리
흡수제를 유동층 공정 적용에 고려하여 개발했기 때문에 입자의 형상이 구형을 이루고 있고, 입자의 표면은 대체로 고르게 나타났다. 메스실린더를 이용하여 흡수제의 충진밀도(bulk density)를 측정하였으며 5회 측정 후 최대값과 최소값을 제외한 측정값의 평균값을 사용하였다. 입도분석기(particle size analyzer, S3500,Microtrac)를 이용하여 흡수제의 평균 입자 크기를 측정하였으며, 3회 측정한 평균값을 사용하였다.
메스실린더를 이용하여 흡수제의 충진밀도(bulk density)를 측정하였으며 5회 측정 후 최대값과 최소값을 제외한 측정값의 평균값을 사용하였다. 입도분석기(particle size analyzer, S3500,Microtrac)를 이용하여 흡수제의 평균 입자 크기를 측정하였으며, 3회 측정한 평균값을 사용하였다. 실험에 사용된 벤치급 건식 CO2 포집 성능평가 장치는 고체순환을 위해 적용되는 고속유동층 공정에 적합한 내마모도를 갖는 고체입자가 요구된다.
이론/모형
포집 공정에서 사용하는 흡수제(KEP-CO2P2)와 같은 종류이다. K2CO3가 주성분인 건식 흡수제는 분무건조법에 의해 파우더 형태로 제조되었다. 흡수제의 물성 특성은 반응성 측면에서 중요하게 작용된다.
성능/효과
(3) B 타입의 열교환기를 이용한 CASE 2 실험에서 1800분 연속 운전동안 흡수반응기 혼합영역의 차압은 1800분 차압은 400~500mmH2O, 온도는 75~80 oC로 안정적으로 유지하였다. 또한 H2O 주입량이 증가할수록 흡수제의 성능이 향상되어 80% 이상의 CO2 제거효율을 나타내었다.
(5) 동일한 조업조건에서 흡수반응기 혼합영역에 삽입되는 열교환기의 구조와 형태에 따라 흡수제의 성능 차이가 있는 것으로 확인하였다. 이는 열교환기의 구조와 형태가 흡수제의 유동화 및 반응성에 연관시켜주는 중요한 인자가 되는 것으로 판단된다.
Fig. 3(b)와 (c)에 나타난 바와 같이, 흡수반응기의 고속영역(fast fluidizing zone) 차압과 온도는 연속운전 동안 매우 안정적으로 유지되었다. 또한 흡수반응기 혼합영역의 차압은 400~500 mmH2O, 온도는 75~80 oC로 비교적 안정적으로 유지함을 확인하였다.
제거 효율과동적흡수능을계산하였다. CASE 1 실험에서 CO2제거효율과 동적흡수능은 각각 64.3%, 2.40 wt%, CASE 2 실험에서 CO2 제거 효율과 동적흡수능은 각각 81.0%, 4.66 wt%으로 산출되었다. 동일한 조업조건에서도 열교환기 구조가 다른 CASE 1과 CASE 2 실험을 통해 흡수제의 CO2 제거효율과 동적흡수능의 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
(4) 반응후흡수제에 대한 TGA 측정결과의 무게감량을 이용하여 흡수제의 동적흡수능을 계산하였다. CASE 1과 CASE 2 실험에서 반응 후 흡수제의 동적흡수능은 각각 2.51 wt%와 4.89 wt%으로 산출되었으며, CO2 분석 농도로 산출된 동적흡수능과 유사한 값을 나타내었다.
흡수반응기의 차압은 고체순환량과 흡수반응기 내부 기체의 유속에 의해서 결정되며, 동일한 고체순환량에서도 흡수반응기 내부포집성능 차이로 인해 내부 기체의 유속이 다른 경우 다른 차압 분포를 보이게 된다. CASE 1과 CASE 2의 결과를 보면 내부 열교환기 구조와 형태에 따라 기체와 고체 간의 반응성 차이로 인하여 혼합영역에서의 기체유속 차이가 발생하고, 이로 인하여 흡수반응기 혼합영역에서 동일한 차압 형성을 위해 반응성이 떨어져 내부의 가스 유속이 더 빠른 Case 1에서 더 많은 고체순환량이 필요함을 알 수 있다. 또한 가스 유속은 입자의 체류시간에 연관되는 인자로써, 유속이 감소하면 입자의 체류시간이 증가한다.
66 wt%으로 산출되었다. 동일한 조업조건에서도 열교환기 구조가 다른 CASE 1과 CASE 2 실험을 통해 흡수제의 CO2 제거효율과 동적흡수능의 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 CASE 2 실험에 적용된 열교환기가 흡수제의 유동화 및 반응물질과의 반응성 측면에서 유리한 구조와 형태를 갖는 것으로 판단된다.
Table 3는 동일한 흡수반응기의 혼합영역 차압에서 나타난 연속운전 결과이다. 동일한 흡수반응기의 혼합영역 차압에서 CASE 1보다 CASE 2에서 더 적은 고체순환량으로 운전되었으며, CASE 2에서의 제거효율과 동적흡수능이 더 높은 것으로 나타났다.
C로 안정적으로 유지하였다. 또한 H2O 주입량이 증가할수록 흡수제의 성능이 향상되어 80% 이상의 CO2 제거효율을 나타내었다.
3(b)와 (c)에 나타난 바와 같이, 흡수반응기의 고속영역(fast fluidizing zone) 차압과 온도는 연속운전 동안 매우 안정적으로 유지되었다. 또한 흡수반응기 혼합영역의 차압은 400~500 mmH2O, 온도는 75~80 oC로 비교적 안정적으로 유지함을 확인하였다. Fig.
또한 가스 유속은 입자의 체류시간에 연관되는 인자로써, 유속이 감소하면 입자의 체류시간이 증가한다. 실험 결과에서는 B타입의 열교환기가 적용된 CASE 2 실험에서 입자의 체류시간이 더 많다는 것을 알 수 있다. 이는 B 타입의 열교환기가 흡수제의 유동화 및 반응물질과의 반응성 측면에서 유리한 구조와 형태를 갖는 것으로 판단된다.
H2O의 경우, 흡수제의 반응 특성을 고려하여 연속운전 중 순차적으로 H2O 주입량을 증가시켰다. 연속운전 초기에는 60~70%의 제거효율을 보였으며, 연속운전 1000분 후부터 제거효율이 점차 증가하여 80%이상의 제거효율을 나타내었다. 이는 1000분 후에 H2O 주입량이 증가함에 따라 흡수제의 반응성이 증가한 것으로 판단된다.
3(b)를 살펴보면, 연속운전 300분 후에 흡수반응기의 혼합영역 차압이 400 mmH2O 이하로 급격히 감소하는 것을 알수 있다. 이를 순차적으로 해석해보면, 첫째 주입되는 H2O가 감소하여 흡수제의 반응성이 감소하였고, 둘째 흡수제의 반응성 감소로 인해 흡수반응기 하부의 CO2 분압이 증가되었다. 즉 흡수반응기 혼합영역의 유속이 증가하여 차압이 400 mmH2O 이하로 감소한 것으로 판단된다.
특히, 동일한 조업조건에서 흡수반응기 하부 혼합영역 내부에 구조와 형태가 각각 다르게 제작된 두 종류의 열교환기를 적용하여 실험을 수행하였으며, 이에 따른 건식 흡수제의 성능과 특성을 확인하였다. 이를 통해 동일한 흡수제, 동일한 운전조건에서도 반응기 내부의 구조와 형태에 따라 CO2 포집성능의 차이가 생길 수 있음을 규명하였다.
실험은 N2 분위기로 50oC에서 200oC까지 온도를 50oC씩 증가시켰으며 각 온도구간에서 30분간 유지시켰다. 최종 온도 200oC까지 승온하면서 나타나는 흡수제의 질량 감소 특성을 확인했다.
4에 나타난바와 같이 H2O 주입량이 증가하여도 흡수제가 흡수한 H2O/CO2 몰 비는 일정한 값에서 유지되는 것을 알 수 있다. 하지만, 입구의 H2O/CO2 몰 비가 증가하면서 CO2 제거효율은 지속적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
전 세계적으로 심각해져가는 기후변화 문제를 해결하려는 노력과 함께 온실가스(greenhouse gases)에 대한 국제적 환경 규제가 강화되면서 이와 관련된 환경기술의 개발 필요성이 강조되고 있다. 이에 기후 변화를 촉진시키는 온실가스의 배출량을 감소시키기 위한 노력에 적극적으로 참여해야 하며 다양한 연구를 통해 국내 온실가스 배출량을 줄이도록 노력해야 한다. 특히 온실가스의 대부분을 차지하는 CO2 배출을 감축시킬 수 있는 기술에 대한 연구가 시급하다[1,2].
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
이산화탄소 포집 및 저장 기술은 어떤 것이며 어떤 특징이 있는가?
최근에는 화력발전소에서 배출되는 CO2를 포집하기 위한 경제적이고 친환경적인 이산화탄소 포집 및 저장 기술(CCS)에 많은 관심이 집중되고 있다. 특히 건식 고체입자를 이용한 CO2 포집기술이 CO2 회수를 위한 혁신적인 개념으로 연구되고 있다.
한전전력연구원은 무엇을 개발하였는가?
한국에너지기술연구원(KIER)과 한국전력연구원(KEPCO RI)은 알칼리 금속 기반의 고체흡수제를 이용한 건식 CO2 포집 기술 개발 및 이와 관련된 연구를 진행하고 있다. 한전전력연구원은 실증 규모의 CCS 설비를 고려한 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산칼륨(K2CO3) 기반의 건식 고체흡수제를 개발하였다[5-10]. 이를 이용하여 한국에너지기술연구원은 실험실 규모의 장치에서 CO2 포집에 대한 연구결과를 지속적으로 보고하였으며, 이를 통해 유동층 형태의 흡수반응기와 재생반응기로 구성된파일럿 규모의건식흡수제를 이용한 CO2포집공정을 개발하였다[11-21].
이산화탄소 포집 및 저장 기술 중 혁신적인 개념으로 연구되고 있는 방식은?
최근에는 화력발전소에서 배출되는 CO2를 포집하기 위한 경제적이고 친환경적인 이산화탄소 포집 및 저장 기술(CCS)에 많은 관심이 집중되고 있다. 특히 건식 고체입자를 이용한 CO2 포집기술이 CO2 회수를 위한 혁신적인 개념으로 연구되고 있다. 한국에너지기술연구원(KIER)과 한국전력연구원(KEPCO RI)은 알칼리 금속 기반의 고체흡수제를 이용한 건식 CO2 포집 기술 개발 및 이와 관련된 연구를 진행하고 있다.
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