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순산소 연소를 위한 초저온 공기분리장치의 최적공정 설계 연구
A Study on the Optimal Process Design of Cryogenic Air Separation Unit for Oxy-Fuel Combustion 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.56 no.5, 2018년, pp.647 - 654  

최형철 (대성산업가스(주) 초저온연구소) ,  문흥만 (대성산업가스(주) 초저온연구소) ,  조정호 (공주대학교 화학공학부)

초록
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지구 온난화 문제 해결과 온실가스 감축을 위하여 화력발전소를 중심으로 순산소 연소를 통한 $CO_2$ 포집 기술이 개발되었으나, 산소 생산 비용이 높아 경제성이 떨어지는 문제를 가지고 있다. 순산소 연소에 필요한 대량의 산소(>2,000 tpd)를 생산하는 방법은 초저온 공기분리장치(ASU: Air Separation Unit)가 가장 적합한 것으로 알려져 있으나, 대부분 고순도(>99.5%) 산소 생산에 최적화되어 건설되었다. 이런 초저온 공기분리장치에서 순산소 연소에서 사용이 가능한 낮은 순도(90~97%)의 산소를 생산하고 공정을 최적화할 경우, 공정 효율이 높아져 산소 생산 비용 절감이 가능하다. 본 연구에서는 순산소 연소 발전시스템에 산소를 공급할 수 있는 초대형(>2,000 tpd $O_2$) ASU 개발을 위하여 공정 분석 및 비교 평가를 수행하였다. 상용 프로그램인 AspenHysys를 이용하여 산소 순도에 따른 회수율 및 전력소모량을 계산하고 공정의 효율을 평가하였다. 그 결과 ASU를 통해 순산소 연소에 공급되는 산소는 약 95%가 최적이며, 생산 공정 최적화 시 약 12~18%의 전력소모량 절감이 가능한 것을 확인 할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In order to solve the global warming and reduce greenhouse gas emissions, it has been developed the $CO_2$ capture technology by oxy-fuel combustion. But there is a problem that the economic efficiency is low because the oxygen production cost is high. ASU (Air Separation Unit) is known t...

주제어

표/그림 (17)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 500 MW급의 화력발전소의 경우 약 10,000 tpd의 산소 공급이 필요한 것으로 알려져 있다. 또한 산소 공급 압력은 대기압 근처로 산소 공급을 위한 추가 압축이 필요 없으며, 산소 순도보다는 산소 생산 효율이 중요하여 낮은 순도의 산소 사용이 가능하기 때문에 이에 적합한 공정 구성 및 최적화가 필요하다 본 연구에서는 실증 규모인 100 MW 순산소 화력발전소에 산소를 공급할 수 있는 2,000 tpd (≒ 60,000 Nm3 /h) 규모의 ASU 공정 모사를 수행하였다. 4가지 ASU 공정을 대상으로 산소 순도에 따른 각 공정의 운전조건, 산소 회수율 및 전력소모량을 계산하였다.
  • 본 연구에서는 순산소 연소 발전시스템에 대량의 산소 공급이 가능한 초대형 규모의 ASU 개발을 위하여 ASU 공정모사를 통한 공정 비교 및 공정 최적화를 수행하였다. 일반적으로 ASU에 적용되고 있는 Double Column 방식을 포함하여 저순도 산소 생산에서 효율을 높이기 위한 Dual Condenser, Dual Condenser with BAC 및 Three Column 방식에 대해 산소 순도에 따른 회수율 및 전력소모량을 계산하고 공정의 효율을 평가하였다.
  • 본 연구에서는 순산소 연소에 적합한 최적의 ASU 개발을 위한 설계 기초 자료를 도출하고자 한다. 이를 위해 기존의 Double column 방식을 포함하여 저순도에선 ASU의 효율을 높일 수 있는 공정들을 비교하고 공정 최적화를 통해 ASU 공정 최적화를 통한 최고의 공정효율을 확인하고 효율 차이에 대한 분석을 실시하였다.
  • 그 결과 순산소 연소에 약 95%의 산소 순도가 ASU를 통해 공급되는 산소의 최적 조건인 것을 확인하였으며, 저순도 산소 생산에 효율이 높은 고효율 ASU 공정은 공정 최적화를 통해 95% 산소 생산 시 약 12~18%의 전력소모량 감소가 가능한 것을 확인하였다. 이를 통해 산소 생산 시 소모되는 전력소모량 감소가 중요한 순산소 연소 기술을 위해 ASU 공정의 선택 기준 및 근거를 제시하였다. ASU 공정선택은 전력소모량과 같은 공정 효율과 함께 투자비 및 공정의 안정성 등 여러 가지 요인들이 함께 검토되어야 한다.
  • 이것은 공정 최적화를 통해 개선 가능하지만 전체 공정효율에 미치는 영향이 어느 정도인지는 확인이 필요하다. 이에 본 연구에서는 3가지 고효율 ASU 공정 중 Double column 방식에 비해 최소의 공정 변경으로 투자비 상승이 가장 작은 Dual Condenser 방식을 대상으로 이론 단수, 열교환기 및 팽창터빈의 공정최적화를 통하여 공정효율 개선의 영향을 확인하고자 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
산업가스 분야는 무엇인가? 대기 중의 공기를 분리하여 가스를 생산하는 산업가스 분야는 산업의 발전과 함께 성장해 왔으며, 산소의 경우 반도체, 철강, 화학 및 환경 분야의 고도화에 따라 그 수요가 지속적으로 증가하였다. 최근에는 지구 온난화 문제 해결과 온실가스 감축을 위하여 화력발전소를 중심으로 순산소를 사용하여 CO2를 포집하는 순산소 연소(Oxyfuel Combustion) 발전시스템 기술이 개발되었고, 산업체에서는 연소 효율 향상과 저급 연료 사용을 위해 공기 연소를 산소 부하 연소로 대체하기 위한 장치 개선이 이루어지고 있다.
산소 공급량을 증가하는데 투자비가 상승하는 흡착분리법의 대체방법의 특징은? 흡착분리법은 상대적으로 낮은 순도(90~93%)의 산소를 중소형(1~200 tpd)규모로 공급 시 적합한 방법으로 200 tpd 이상 대량의 산소 공급을 위해서는 용량의 한계 때문에 오히려 투자비가 상승하는 문제가 발생한다. 이에 반해 ASU는 초기 투자비가 높지만 고순도 산소 생산이 가능하고 장치의 대형화가 가능하며 산소 생산 용량이 증가할수록 제조 원가가 감소되기 때문에 대량의 산소 생산 및 공급에적합한 방식이다
지구 온난화 문제 해결과 온실가스 감축을 위하여 어떤 일들을 하고있는가? 대기 중의 공기를 분리하여 가스를 생산하는 산업가스 분야는 산업의 발전과 함께 성장해 왔으며, 산소의 경우 반도체, 철강, 화학 및 환경 분야의 고도화에 따라 그 수요가 지속적으로 증가하였다. 최근에는 지구 온난화 문제 해결과 온실가스 감축을 위하여 화력발전소를 중심으로 순산소를 사용하여 CO2를 포집하는 순산소 연소(Oxyfuel Combustion) 발전시스템 기술이 개발되었고, 산업체에서는 연소 효율 향상과 저급 연료 사용을 위해 공기 연소를 산소 부하 연소로 대체하기 위한 장치 개선이 이루어지고 있다. 또한 IGCC 및 GTL과 같이 에너지 전환 및 효율 향상을 위한 기술에도 대량의 산소가 소비될 것으로 예상되고 있다.
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참고문헌 (13)

  1. Barron, R. F., "Cryogenic systems., 2nd ed.," Monographs on Cryogenics, New York: Oxford University Press(1985). 

  2. Yong, P. S., Moon, H. M., Son, M. R. and Yi, S. Chul., "A Reliability of Equation of State for Nitrogen, Oxygen and Argon," J. of KIGAS 1(1), 41-48(1997). 

  3. Yong, P. S., Moon, H. M. and Yi, S. Chul., "A Study on the Development of a Cryogenic Air Separation Unit to produce High purity Nitrogen," J of KIASC, 3(1), 69-73(2001). 

  4. IEA Report 2005/9, "Oxy Combustion Processes for $CO_2$ Capture from PowerPlant"(2005). 

  5. Harry, C and Williamsville, N. Y., "Side Column Cryogenic Rectification System for Producing Lower Purity Oxygen," U.S Patent, 5,463,871(1995). 

  6. Rakesh, A., Zbigniew, E. and Macungie, T. F., "Three Column Cryogenic Cycle for the Production of Impure Oxygen and Pure Nitrogen," U.S Patent, 5,682,764(1997). 

  7. Allam, R. J., "Improved Oxygen Production Technologies," Energy Procedia, 1(1), 461-470(2009). 

  8. Higginbotham, P., White, V., Fogash, K. and Guvelioglu, G., "Oxygen Supply for Oxycoal $CO_2$ Capture," Energy Procedia, 4, 884-891(2011). 

  9. Fu, C. and Gundersen, T., "Using Exergy Analysis to Reduce Power Consumption in Air Separation Units for Oxy-combustion Processes," Energy, 44(1), 60-68(2012). 

  10. Lee, H. K., Choi, S. M., Moon, H. M., Seo, S. I., "Proposed Process and Design Considerations for Air Separation and $CO_2$ Purification in a 100MWe Oxy-Coal Power Generation System," Energy Technology, 1, 217-225(2013). 

  11. Ebrakimi, A., Meratizaman, M., Reyhani, H. A., Pourali, O. and Amidpour, M., "Energetic, Exergeric and Economic Assessment of Oxygen Production from Two Columns Cryogenic Air Separation Unit," Energy., 90, 1298-1316(2015). 

  12. Aspen Technology, "AspenHysys Thermodynamics V.8.8," (2015). 

  13. Hankinson, R. W., Thomson, G. H. and Brobst, K. R., "An Improved Correlation for densities of Compressed Liquids and Liquid Mixtures," AIChE J., 28(4), 671-676(1982). 

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