순산소 연소 기술 중 $CO_2$ 회수 비용 절감 효과가 가장 우수한 케미컬루핑연소(chemical looping combustion, CLC) 기술의 핵심인 산소전달입자의 선정을 위해 환원반응 특성 및 물리화학적 특성에 대한 연구를 진행하였다. 세 종류의 산소전달입자(SDN70, N018-R2, N016-R4)를 대상으로 기포유동층 반응기에서 환원반응기체의 농도 및 환원 반응 온도 변화에 따른 산소전달입자의 연료전화율(fuel conversion)과 $CO_2$선택도($CO_2$ selectivity)를 측정 및 비교 분석하였다. 또한 산소전달입자의 마모손실 정도 및 입자의 표면 특성을 분석하기 위해 내마모도(AttritionIndex, AI) 및 BET surface area를 측정하였다. 결과적으로 세 종류의 산소전달입자 모두 케미컬루핑연소 시스템에 활용하기 적합함을 확인하였으며, 가장 우수한 입자는 N016-R4로 판단되었다.
순산소 연소 기술 중 $CO_2$ 회수 비용 절감 효과가 가장 우수한 케미컬루핑연소(chemical looping combustion, CLC) 기술의 핵심인 산소전달입자의 선정을 위해 환원반응 특성 및 물리화학적 특성에 대한 연구를 진행하였다. 세 종류의 산소전달입자(SDN70, N018-R2, N016-R4)를 대상으로 기포유동층 반응기에서 환원반응기체의 농도 및 환원 반응 온도 변화에 따른 산소전달입자의 연료전화율(fuel conversion)과 $CO_2$ 선택도($CO_2$ selectivity)를 측정 및 비교 분석하였다. 또한 산소전달입자의 마모손실 정도 및 입자의 표면 특성을 분석하기 위해 내마모도(Attrition Index, AI) 및 BET surface area를 측정하였다. 결과적으로 세 종류의 산소전달입자 모두 케미컬루핑연소 시스템에 활용하기 적합함을 확인하였으며, 가장 우수한 입자는 N016-R4로 판단되었다.
The reduction reaction characteristics and physicochemical properties were studied for the selection of oxygen carrier, which is the core of the chemical looping combustion (CLC) technology. Fuel conversion and $CO_2$ selectivity of oxygen carrier according to the concentration of reducin...
The reduction reaction characteristics and physicochemical properties were studied for the selection of oxygen carrier, which is the core of the chemical looping combustion (CLC) technology. Fuel conversion and $CO_2$ selectivity of oxygen carrier according to the concentration of reducing gas and the reduction temperature using three kinds of oxygen carrier (SDN70, N018-R2, N016-R4) were measured and compared. In addition, Attrition Index (AI) and BET surface area were measured to analyze the attrition resistance and the surface characteristics of the oxygen carrier. As a result, it was confirmed that all three kinds of oxygen carrier were suitable for use in chemical roofing combustion system, and the best particle was determined to be N016-R4.
The reduction reaction characteristics and physicochemical properties were studied for the selection of oxygen carrier, which is the core of the chemical looping combustion (CLC) technology. Fuel conversion and $CO_2$ selectivity of oxygen carrier according to the concentration of reducing gas and the reduction temperature using three kinds of oxygen carrier (SDN70, N018-R2, N016-R4) were measured and compared. In addition, Attrition Index (AI) and BET surface area were measured to analyze the attrition resistance and the surface characteristics of the oxygen carrier. As a result, it was confirmed that all three kinds of oxygen carrier were suitable for use in chemical roofing combustion system, and the best particle was determined to be N016-R4.
본 연구에서는 기존 연구[8-11]의 후속 연구로서 우수한 산소전달입자 후보군으로 선정된 SDN70, N018-R2 입자 및 새로 제조된 Ni계 산소전달입자(N016-R4)의 연료전화율, CO2 선택도, 온도변화에 따른 환원반응성 변화, 물리화학적 특성 등을 비교하여 최종적으로 가장 우수한 산소전달입자를 선정하고자 하였다.
제안 방법
CO2 포집을 위한 순산소 연소 기술 중 하나인 케미컬루핑연소 기술을 실증하기 위해서는 고순도의 메탄, 합성가스 또는 혼합가스의 사용이 필요하므로, 다양한 농도의 환원반응기체 주입 시 산소전달입자의 반응 특성을 살펴보았다. 세 종류의 산소전달입자(SDN70, N018-R2, N016-R4)를 대상으로 환원 반응기체(CH4)의 농도를 25, 50, 75, 100% (N2 balance)로 변화시켰을 때 연료전화율과 CO2 선택도의 변화를 Figure 6에 나타내었다.
산소전달입자의 환원반응성을 비교하기 위해 연료전화율(fuel conversion)과 CO2 선택도(CO2 selectivity)를 측정 및 분석하였다. 연료전화율은 주입된 연료기체 중 반응한 연료의 몰수를 의미하며 Equation (3)과 같이 계산하였다.
케미컬루핑연소시스템 실증을 위해 개발된 세 종류의 산소전달입자(SDN70, N018-R2, N016-R4) 중 최적의 산소전달입자 선정을 위해 기포유동층 반응기에서 환원반응특성을 측정 및 비교하였으며 입자의 물리적 특성을 함께 비교하였다. 본 연구에서 얻어진 결론을 요약하면 다음과 같다.
대상 데이터
본 연구에서는 총 3 종의 산소전달입자를 사용하였으며 각 입자의 광학현미경 사진을 Figure 2에 나타내었고, 각 입자의 주요 금속 산화물, 겉보기 밀도, 입도분포를 Table 1에 나타내었다. SDN70, N018-R2 입자는 기존 연구[8-11]에서 우수한 산소전달입자로 선정된 입자이며, N016-R4 입자는 개선된 방법으로 제조된 Ni계 산소전달입자이다. 세 가지 입자 모두 금속 산화물로는 NiO를 함유하고 있으며, 지지체로 알루미나를 사용하였으며, 첨가제의 종류와 함량을 다소 변경시켜가며 제조하였다.
이론/모형
입자의 물리적 특성은 질소 물리 흡착법을 이용하여 분석하였다. 분석 전 입자의 불순물을 제거하기 위해 300 ℃에서 4시간 동안 전처리 후 ASAP 2420 (Micromeritics, USA)를 이용하여 흡착 등온선을 측정하였고, BET (Brunauer-Emmett-Teller) 방법을 이용하여 촉매의 비표면적을 계산하였다.
산소전달입자의 마모손실 정도를 측정하기 위해 ASTM 표준 시험방법인 D5757-95 방법을 사용하였다. ASTM D5757-95 방법에 사용되는 마모시험장치의 사양 및 측정방법은 기존보고[14]에 자세히 나타나있다.
성능/효과
10%에서 100% 사이의 CH4 농도 조건에서 세 종류의 산소전달입자 모두 각각 99.7%, 99% 이상의 높은 연료전화율 및 CO2 선택도를 나타내었으며 입자 간 반응성 차이는 미미하였다. 환원반응온도를 750 ℃에서 900 ℃까지 변화 시켰을시 N016-R4 입자의 연료전화율과 CO2 선택도가 다른 입자의 비해 우수했으며, 특히 낮은 온도에서 CO2 선택도가 월등히 높게 나타내었다.
입자의 물리적 특성을 비교하기 위해 내마모도, BET surface area를 측정하였으며, 세 종류의 산소전달입자 모두 기존에 개발된 산소전달입자 보다 물리적 강도가 우수하여 향후 실증 공정에 적용 시 입자 강도에 대한 우려는 없다고 판단된다. 입자의 비표면적 측정 결과 신규 개발된 N016-R4의 비표면적이 가장 우수하였으며 낮은 온도에서도 높은 CO2 선택도를 보이는 이유라 판단된다. 환원반응기체(CH4) 농도와 환원반응 온도에 대한 산소전달입자의 연료 전화율과 CO2 선택도 등의 반응 특성 및 산소전달입자의 내마모도, BET surface area 등의 물리적 특성을 고려했을 때 N016-R4 입자를 케미컬루핑연소시스템 적용에 가장 적합한 산소전달입자로 선정하였으며, 향후 선정된 입자를 사용한 파일럿 규모 케미컬루핑연소시스템 실증 연구가 진행될 예정이다.
7%, 99% 이상의 높은 연료전화율 및 CO2 선택도를 나타내었으며 입자 간 반응성 차이는 미미하였다. 환원반응온도를 750 ℃에서 900 ℃까지 변화 시켰을시 N016-R4 입자의 연료전화율과 CO2 선택도가 다른 입자의 비해 우수했으며, 특히 낮은 온도에서 CO2 선택도가 월등히 높게 나타내었다. 입자의 물리적 특성을 비교하기 위해 내마모도, BET surface area를 측정하였으며, 세 종류의 산소전달입자 모두 기존에 개발된 산소전달입자 보다 물리적 강도가 우수하여 향후 실증 공정에 적용 시 입자 강도에 대한 우려는 없다고 판단된다.
후속연구
입자의 비표면적 측정 결과 신규 개발된 N016-R4의 비표면적이 가장 우수하였으며 낮은 온도에서도 높은 CO2 선택도를 보이는 이유라 판단된다. 환원반응기체(CH4) 농도와 환원반응 온도에 대한 산소전달입자의 연료 전화율과 CO2 선택도 등의 반응 특성 및 산소전달입자의 내마모도, BET surface area 등의 물리적 특성을 고려했을 때 N016-R4 입자를 케미컬루핑연소시스템 적용에 가장 적합한 산소전달입자로 선정하였으며, 향후 선정된 입자를 사용한 파일럿 규모 케미컬루핑연소시스템 실증 연구가 진행될 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
케미컬루핑연소 기술이란?
CO2 회수 및 감축 기술은 연소 후(post-combustion), 연소 전(pre-combustion), 연소 중(순산소연소(oxy-combustion) 또는 케미컬루핑연소(chemical looping combustion, CLC) 기술로 구분되며 이 중 케미컬루핑연소 기술의 CO2 회수 비용 절감 효과가 가장 큰 것으로 보고되었다[1]. 케미컬루핑연소 기술은 연료를 연소시키기 위해 공기를 주입하는 기존 연소 기술과는 달리 연소반응기를 공기반응기와 연료반응기로 분리하여 간접적으로 산소를 전달하는 연소 기술이다. 금속 산화물 형태의 산소전달입자(oxygen carrier)가 두 반응기를 순환하면서 연료반응기에 순산소를 공급하게 되며, 그 결과 NOx 발생을 저감시키고 CO2를 원천적으로 분리할 수 있는 장점을 갖고 있다[2].
CO2 회수 및 감축 기술은 어떻게 분류되는가?
지구온난화 문제가 국제 사회의 주요 문제로 대두되면서 기후 변화 대응을 위한 산업 및 발전 분야 이산화탄소 감축 기술 개발 필요성이 높아지고 있다. CO2 회수 및 감축 기술은 연소 후(post-combustion), 연소 전(pre-combustion), 연소 중(순산소연소(oxy-combustion) 또는 케미컬루핑연소(chemical looping combustion, CLC) 기술로 구분되며 이 중 케미컬루핑연소 기술의 CO2 회수 비용 절감 효과가 가장 큰 것으로 보고되었다[1]. 케미컬루핑연소 기술은 연료를 연소시키기 위해 공기를 주입하는 기존 연소 기술과는 달리 연소반응기를 공기반응기와 연료반응기로 분리하여 간접적으로 산소를 전달하는 연소 기술이다.
케미컬루핑연소 기술의 장점은?
케미컬루핑연소 기술은 연료를 연소시키기 위해 공기를 주입하는 기존 연소 기술과는 달리 연소반응기를 공기반응기와 연료반응기로 분리하여 간접적으로 산소를 전달하는 연소 기술이다. 금속 산화물 형태의 산소전달입자(oxygen carrier)가 두 반응기를 순환하면서 연료반응기에 순산소를 공급하게 되며, 그 결과 NOx 발생을 저감시키고 CO2를 원천적으로 분리할 수 있는 장점을 갖고 있다[2]. Figure 1에 케미컬루핑 연소 기술의 개념을 나타내었으며 Equation (1)과 (2)에 공기반응기와 연료반응기에서 일어나는 반응식을 각각 표시하였다.
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