[논문]주류공정 내 흡수시스템 CO2 탈리 효율 평가

박일건; 박형준; 이준형; 김흥래; 이주열

doi:10.12925/jkocs.2020.37.2.173

주류공정 내 흡수시스템 CO2 탈리 효율 평가
Evaluation of CO2 desorption efficiency of scrubber absorption system in Liquor Plant 원문보기

Journal of the Korean Applied Science and Technology = 한국응용과학기술학회지, v.37 no.2, 2020년, pp.173 - 182

박일건 ((주)평화엔지니어링 연구원) , 박형준 ((주)평화엔지니어링 연구원) , 이준형 ((주)평화엔지니어링 연구원) , 김흥래 ((주)평화엔지니어링 연구원) , 이주열 ((주)애니텍 기술연구소)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 주류공장 내 고농도 CO₂ 제거 및 포집을 위해 L-alanine 흡수제를 적용하여 CO₂ 흡수, 탈리 효율을 평가 후 재생 성능을 확인하였다. 탈리공정의 효율적인 처리를 평가하기 위해 실험실 규모에서 Hot plate, Steam 두가지 탈리 방법을 비교하였으며 Hot plate는 약 10%, Steam의 경우 약 60%의 재생효율을 확인하였다. 따라서 주류공장 내 100㎥/min 실증화 규모에 Steam-Tower 탈리공정을 적용하여 최적조건을 평가한 결과 탈리 유량 4L/min 이하, Steam 온도 160℃ 이상, 탈리효율 85.5%로 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, amino acid salt absorbents were applied to remove and capture high concentrations of CO2 in liquor factories and regeneration performance was confirmed. In order to evaluate the effective treatment of the desorption process, two methods(Hot plate and Steam) were compared at the laboratory scale. As a result, hot plate and Steam. Hot plate methods regeneration efficiency was about 10% and Steam methods was about 60%. The Steam-Tower condition was evaluated by installing a 100㎥/min flow rate scrubber absorption system in the liquor factory. As a result, it was established that the absorbent flow rate was below 4L/min and the steam temperature was above 160℃. Finally regeneration performance was confirmed as 85.5%.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. CO₂ Analyzer.
그림 Fig. 2. Molecular structure of L-alanine[10].
그림 Fig. 3. Schematic diagram of Hot plate regeneration system.
그림 Fig. 4. Schematic diagram of Steam regeneration system.
표 Table 1. Regeneration system condition.
그림 Fig. 5. Schematic diagram of Carbon dioxide sorbent recycling system.
그림 Fig. 6. Steam-Tower.
그림 Fig. 7. Water Tank.
표 Table 2. 100m³/min L-alanine CO₂ absorption system condition.
그림 Fig. 8. Mechanism of amino acid salt solution and carbon dioxide[3].
그림 Fig. 9. Comparison of heater and steam regenerate reaction.
그림 Fig. 10. Desorbed CO₂ concentration according to experimental condition.
그림 Fig. 11. Absorption concentration of CO₂.
그림 Fig. 12. Desorption concentration of CO₂.
표 Table 3. Optimal desorption process condition

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 주류공장 내 고농도 CO₂ 제거 및 포집을 위해 L-alanine을 적용하여 CO₂ 흡수 및 탈리 효율을 평가 후 재생 성능을 확인하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
아미노산염 흡수제를 사용하기 위해서는 흡수제의 수명을 파악함과 동시에 재생 시스템 및 재생 비용에 의한 경제성이 확보되어야 한다. 이에 본 연구에서는 재생효율을 평가하기 위해 실제 주류공장에 실증화 시설을 설치/적용하여 실험을 진행하였으며 재생효율, 연속재생시스템 구축을 위한 data 확보 및 탈리공정 최적 조건을 평가하였다.

가설 설정

8%의 재생효율로 나타났다. L-alanine의 최대 흡수량인 0.797mol-(CO₂)/mol-(L-alanine), 현장 내 0.3%의 이산화탄소 농도로 가정하여 운전조건을 결정하면 80 m3/min의 유량으로 흡수시스템을 가동하고 Steam-Tower 조건 160℃, 4L/min의 유량으로 85.8%의 재생효율을 나타내며 연속운전이 가능한 것으로 사료된다.

제안 방법

(2) 도출된 Steam 탈리공정을 100 m3/min 실증화 규모 이산화탄소 흡수시스템에 적용하여 최적 운전조건을 도출하였다. Steam 온도의 경우 160℃ 이상에서 7 - 26%의 농도로 이산화탄소가 탈리되었고 흡수제 유입유량 3 – 4 L/min에서는 7 - 28% 농도로 이산화탄소가 탈리되었다.
100 m3/min 실증화 규모 흡수시스템의 재생효율을 평가하기 위해 L-alanine 흡수제의 이산화탄소 흡수량을 측정하였다(Fig. 11). 이산화탄소의 흡수, 탈리량을 정확히 계산하기 위해 이산화탄소 흡수가 진행되지 않은 새로운 흡수제로 교체하여 실험하였으며 보다 정확한 값의 도출을 위해 30분의 반응시간으로 재생 성능평가를 진행하였다.
4M 농도의 L-alanine에 CO2를 흡수 임계점 이상으로 파괴 시킨 후 탈리 방법에 따른 성능 비교를 진행하였다.
4)으로 이산화탄소 탈리 성능을 비교하였다. Heater 방법으로 이산화탄소가 흡수되어 파괴된 L-alanine 흡수제를 핫플레이트에서 120℃로 가열하여 탈리되는 이산화탄소 농도를 측정하였고, Steam 방법으로 파괴된 L-alanine흡수제에 Steam으로 분사하여 탈리되는 이산화탄소 농도를 측정하였다. 두 조건의 유량, 온도 등 조건은 동일하게 진행하였으며 자세한 실험조건으로 아래 Table 1과 같다
L-alanine 흡수제의 이산화탄소 최대흡수량을 알아보기 위해 주입 가스의 총 유량은 4L/min으로 고정하고 20,000ppm의 이산화탄소 농도에서 버블링을 통해 이산화탄소 흡수 반응을 진행하였으며, 파괴된 후 흡수 반응을 종료하였다. 총121분의 반응시간 동안 이산화탄소를 흡수하였으며, 흡수제 몰농도에 따른 이산화탄소의 최대 흡수량을 몰수로 변경하면 0.
스크러버에서 흡수된 이산화탄소 농도를 측정하여 흡수량을 도출하였고 흡수제를 Steam-Tower에 공급하여 탈리 공정을 진행하였다. Steam-Tower에서 탈리되는 이산화탄소는 유출구에서 측정하였으며 최종적으로 흡수된 이산화탄소량, 탈리된 이산화탄소량을 도출하여 재생효율을 평가하였다. Steam generator의 조건으로는 온도 150 - 160℃, 유량 3 - 5L/min으로 조건을 변경하여 최적 조건을 도출하였으며 자세한 실험조건으로 아래 Table 2와 같다.
6, 7은 설치되어있는 Steam-Tower의 실제 사진이다. 스크러버에서 흡수된 이산화탄소 농도를 측정하여 흡수량을 도출하였고 흡수제를 Steam-Tower에 공급하여 탈리 공정을 진행하였다. Steam-Tower에서 탈리되는 이산화탄소는 유출구에서 측정하였으며 최종적으로 흡수된 이산화탄소량, 탈리된 이산화탄소량을 도출하여 재생효율을 평가하였다.
11). 이산화탄소의 흡수, 탈리량을 정확히 계산하기 위해 이산화탄소 흡수가 진행되지 않은 새로운 흡수제로 교체하여 실험하였으며 보다 정확한 값의 도출을 위해 30분의 반응시간으로 재생 성능평가를 진행하였다. 주류공장의 현장 내 이산화탄소 농도는 약 0.
측정기로 Testo 350K 제품(Testo AG,Testo 350K, Germany)을 사용하였다. 흡수되는 CO₂의 양을 측정하기 위해 이산화탄소 흡수 스크러버의 유입구, 유출구에 본 제품을 설치하여 CO₂ 농도를 측정하였고, Steam-Tower 유출구에서 탈리되는 이산화탄소를 측정하여 흡수제 재생효율을 평가하였다.

대상 데이터

L-lysine의 이산화탄소 흡수 실험한 결과에 따르면, 거품 발생으로 인한 역류 및 단백질 냄새 등의 문제점이 발생하였고, L-alanine의 경우에는 L-lysine에 비하여 흡수용량은 낮지만 흡수속도가 빠르고, 거품이 발생하지 않으며 특유의 단백질 냄새가 없는 특성을 나타냈다. 따라서, 본 연구에서는 주류 및 식품 공정에 적용하기 위한 친환경 흡수제로 L-alanine을 선정하였다. L-alanine의 분자구조는 Fig.
탈리공정의 최적 조건 도출, 재생효율의 평가를 위해 CO₂ 측정기로 Testo 350K 제품(Testo AG,Testo 350K, Germany)을 사용하였다. 흡수되는 CO₂의 양을 측정하기 위해 이산화탄소 흡수 스크러버의 유입구, 유출구에 본 제품을 설치하여 CO₂ 농도를 측정하였고, Steam-Tower 유출구에서 탈리되는 이산화탄소를 측정하여 흡수제 재생효율을 평가하였다.

데이터처리

운전조건에 따른 탈리방법의 성능을 평가하기 위해 실험실 규모 장치로 Heater 방법(Fig. 3)과Steam 방법(Fig. 4)으로 이산화탄소 탈리 성능을 비교하였다. Heater 방법으로 이산화탄소가 흡수되어 파괴된 L-alanine 흡수제를 핫플레이트에서 120℃로 가열하여 탈리되는 이산화탄소 농도를 측정하였고, Steam 방법으로 파괴된 L-alanine흡수제에 Steam으로 분사하여 탈리되는 이산화탄소 농도를 측정하였다.

이론/모형

100 m3/min 실증화 규모 흡수시스템에 Steam-Tower 탈리방법을 적용하여 실험을 진행하였다. 아래 Fig.

성능/효과

(1) 탈리 방법을 결정하기 위해 Hot plate,Steam 두 가지 방법을 비교하였으며 Hotplate는 탈리효율 10%, Steam은 60%의 재생효율이 도출되었다. 실험 결과로 Heater(Hot plate) 방법은 끓이는 방식으로서 이산화탄소의 결합이 끊어지며 대기 중으로 날아가는 표면적이 Hot plate 수면 위의 겉표면으로 한정되어있어 효율적인 탈리반응이 일어나지 못하였으나 Steam 방법은 높은 온도의 수증기가 흩뿌려지는 흡수제와 반응하며 넓은 비표면 적에서 탈리반응이 일어나 효율이 높은 것으로 설명할 수 있다.
(3) L-alanine 흡수시스템의 재생효율을 평가하기 위해 흡수된 이산화탄소의 누적량, 탈리된 이산화탄소의 누적량으로 재생효율을 계산하였으며 85.8%의 재생효율로 나타났다.
L-alanine 흡수시스템의 재생효율을 평가하기 위해 흡수된 이산화탄소의 누적량, 탈리된 이산화탄소의 누적량을 아래 식(2)으로 재생효율을 계산하였으며 85.8%의 재생효율로 나타났다. L-alanine의 최대 흡수량인 0.
Shen 등[14], Lim 등[15]의 선행연구에 의하면, L-lysine, L-alanine, L-proline을 친환경 아미노산 흡수제로 이산화탄소 흡수 실험을 통하여 각 흡수제에 대한 특성을 평가하였다. L-lysine은 흡수용량은 크고 흡수속도가 느린 특성을 나타냈고, L-alanine은 흡수용량은 작지만 흡수속도가 빠른 특성을 나타냈다. 다만 L-proline은 흡수용량과 흡수속도는 낮은 것으로 연구되었다.
다만 L-proline은 흡수용량과 흡수속도는 낮은 것으로 연구되었다. L-lysine의 이산화탄소 흡수 실험한 결과에 따르면, 거품 발생으로 인한 역류 및 단백질 냄새 등의 문제점이 발생하였고, L-alanine의 경우에는 L-lysine에 비하여 흡수용량은 낮지만 흡수속도가 빠르고, 거품이 발생하지 않으며 특유의 단백질 냄새가 없는 특성을 나타냈다. 따라서, 본 연구에서는 주류 및 식품 공정에 적용하기 위한 친환경 흡수제로 L-alanine을 선정하였다.
12는 이산화탄소를 흡수하고 난 후 Steam-Tower로 탈리반응을 진행한 그래프이다. Steam-Tower 최적 조건을 적용하여 실험을 진행하였으며 초기 20%의 이산화탄소 농도가 탈리되었고, 최대 39.5%로 나왔으며, 7분 후에는 0%로 이산화탄소가 더 이상 탈리되지 않는 것을 확인하였다. 따라서 반응 7분 안에 모든 이산화탄소가 탈리된 것으로 판단할 수 있으며 누적 이산화탄소량을 계산하면 13.
즉 Steam-Tower 내부에 흡수제가 유입되며 온도를 낮추게 되는데 일정 유량 이상으로 공급하게 되면 내부온도가 급격히 떨어져 재생률이 현저하게 낮아지는 것으로 사료된다. 따라서 실증화 흡수시스템의 재생 최적 조건으로 Steam-Tower의 내부온도는 160℃로 유지하며 Steam 유량 (5L/min) : 흡수제 유입 유량(4L/min 이하) = 1 : 0.8의 비율로 주입하는 것으로 도출하였다(Table 3).
즉 Steam-Tower 내부에 흡수제가 유입되며 온도를 낮추게 되는데일정유량 이상으로 공급하게 되면 내부온도가 급격히 떨어져 재생율이 현저하게 낮아지는 것으로 사료된다. 따라서 실증화 흡수시스템의 재생 최적 조건으로 Steam의 온도는 160℃로 유지하며 Steam 유량 (5L/min) :흡수제 유입 유량(4L/min 이하) = 1 : 0.8의 비율로 주입하는 것으로 도출하였다.
그러나 160℃의 스팀 온도에서는 반응이 빠르게 나타났으며 7-26%의 농도로 이산화탄소가 탈리되는 것을 확인하였다. 또한 Steam-Tower에 유입되는 흡수제의 유량을 3-5L/min으로 변경한 실험에서 3, 4L/min의 유량 이산화탄소의 탈리량은 7-28%로 비슷한 농도로 탈리되는 것을 확인하였고, 5L/min의 유량에서는 0.3-3%로 낮은 탈리 효율을 나타내었다. 즉 Steam-Tower 내부에 흡수제가 유입되며 온도를 낮추게 되는데 일정 유량 이상으로 공급하게 되면 내부온도가 급격히 떨어져 재생률이 현저하게 낮아지는 것으로 사료된다.
본 연구에서 도출된 결과로 CO₂ 흡수/탈리시스템의 흡수 및 탈리공정을 효율적으로 운전이 가능하며 탈리되는 CO₂를 포집하여 에너지 재사용이 가능하다. 따라서 이산화탄소를 포집 및 재사용하는 공정 적용에 매우 유리할 것으로 사료되며, 에너지 절감 효율을 극대화할 수 있을 것으로 판단된다.
(1) 탈리 방법을 결정하기 위해 Hot plate,Steam 두 가지 방법을 비교하였으며 Hotplate는 탈리효율 10%, Steam은 60%의 재생효율이 도출되었다. 실험 결과로 Heater(Hot plate) 방법은 끓이는 방식으로서 이산화탄소의 결합이 끊어지며 대기 중으로 날아가는 표면적이 Hot plate 수면 위의 겉표면으로 한정되어있어 효율적인 탈리반응이 일어나지 못하였으나 Steam 방법은 높은 온도의 수증기가 흩뿌려지는 흡수제와 반응하며 넓은 비표면 적에서 탈리반응이 일어나 효율이 높은 것으로 설명할 수 있다. 따라서 탈리공정에 적합한 방법은 Steam으로 결정할 수 있다.
이 두 가지 방법의 재생효율을 확인해보면 Heater 방법은 누적 재생효율이 약 10%로 나왔으며 Steam의 경우 약 60%의 효율로 도출되어 Steam의 방법이 효율적인 것을 확인할 수 있다. 실험 결과의 이유로 Heater(Hot plate) 방법은 끓이는 방식으로 서 이산화탄소의 결합이 끊어지며 대기 중으로 날아가는 표면적이 Hot plate 수면 위의 겉표면으로한정되어있어 효율적인 탈리반응이 일어나지 못하였으나 Steam 방법은 높은 온도의 수증기가 흩뿌려지는 흡수제와 반응하며 넓은 비표면 적에서 탈리반응이 일어나 효율이 높은 것으로 설명할 수 있다.
온실가스 배출량의 증가는 세계 주요 에너지 사용량의 증가에 따른 에너지 공급과 수송부문의 배출량 급증이 주요 원인으로 이 중 이산화탄소는 지구온난화지수가 낮지만, 규제가 가능한 가스이면서 전체 온실가스 배출량의 약 80% 이상을 차지하여 6대 온실가스 중 가장 중요한 온실가스로 분류되고 있다. 에너지 공급 부분의 전체 배출 온실가스 중연료 사용에 의한 CO₂ 배출이 57% 이상을 차지하고 있으며, 에너지 공급(26%), 산업(19%)부문에서 많이 배출되는 것으로 나타났다[2,3].
그러나 Steam 방법으로 진행한 탈리반응은 약 80분 반응 후부터 이산화탄소가 탈리되었으며 최대5% 농도로 진행된 것을 알 수 있다. 이 두 가지 방법의 재생효율을 확인해보면 Heater 방법은 누적 재생효율이 약 10%로 나왔으며 Steam의 경우 약 60%의 효율로 도출되어 Steam의 방법이 효율적인 것을 확인할 수 있다. 실험 결과의 이유로 Heater(Hot plate) 방법은 끓이는 방식으로 서 이산화탄소의 결합이 끊어지며 대기 중으로 날아가는 표면적이 Hot plate 수면 위의 겉표면으로한정되어있어 효율적인 탈리반응이 일어나지 못하였으나 Steam 방법은 높은 온도의 수증기가 흩뿌려지는 흡수제와 반응하며 넓은 비표면 적에서 탈리반응이 일어나 효율이 높은 것으로 설명할 수 있다.
L-alanine 흡수제의 이산화탄소 최대흡수량을 알아보기 위해 주입 가스의 총 유량은 4L/min으로 고정하고 20,000ppm의 이산화탄소 농도에서 버블링을 통해 이산화탄소 흡수 반응을 진행하였으며, 파괴된 후 흡수 반응을 종료하였다. 총121분의 반응시간 동안 이산화탄소를 흡수하였으며, 흡수제 몰농도에 따른 이산화탄소의 최대 흡수량을 몰수로 변경하면 0.797 mol-(CO₂)/mol-(L-alanine)의 흡수능력을 가지고 있는 것을 알 수 있다.

후속연구

따라서 이산화탄소를 포집 및 재사용하는 공정 적용에 매우 유리할 것으로 사료되며, 에너지 절감 효율을 극대화할 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 탈리공정의 연속적인 데이터가 부족하기 때문에 추가적으로 연속실험을 진행하여 신뢰성 데이터를 확보하는 것이 필요하다.
본 연구에서 도출된 결과로 CO₂ 흡수/탈리시스템의 흡수 및 탈리공정을 효율적으로 운전이 가능하며 탈리되는 CO₂를 포집하여 에너지 재사용이 가능하다. 따라서 이산화탄소를 포집 및 재사용하는 공정 적용에 매우 유리할 것으로 사료되며, 에너지 절감 효율을 극대화할 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 탈리공정의 연속적인 데이터가 부족하기 때문에 추가적으로 연속실험을 진행하여 신뢰성 데이터를 확보하는 것이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	온실가스 배출량이 증가하는 주 원인은 무엇인가?	온실가스는 대기 중으로 방출되는 복사열을 흡수하여 지구 기온을 상승시키는 기체로 정의하며 직접 온실가스(CO2, CH4 N2O, HFCs, PFCs, SF6, CFCs, H2O)와 간접온실가스 (NOx, CO, SO2, NMVOC)로 구분되어진다[1]. 온실가스 배출량의 증가는 세계 주요 에너지 사용량의 증가에 따른 에너지 공급과 수송부문의 배출량 급증이 주요 원인으로 이 중 이산화탄소는 지구온난화지수가 낮지만, 규제가 가능한 가스이면서 전체 온실가스 배출량의 약 80% 이상을 차지하여 6대 온실가스 중 가장 중요한 온실가스로 분류되고 있다. 에너지 공급 부분의 전체 배출 온실가스 중연료 사용에 의한 CO2 배출이 57% 이상을 차지하고 있으며, 에너지 공급(26%), 산업(19%)부문에서 많이 배출되는 것으로 나타났다[2,3].
	온실가스는 무엇인가?	급속한 산업의 발전과 동시에 화석연료 사용증가로 대기 중 온실가스 농도가 급격히 증가되어 지구온난화현상이 극대화되고 있다. 온실가스는 대기 중으로 방출되는 복사열을 흡수하여 지구 기온을 상승시키는 기체로 정의하며 직접 온실가스(CO2, CH4 N2O, HFCs, PFCs, SF6, CFCs, H2O)와 간접온실가스 (NOx, CO, SO2, NMVOC)로 구분되어진다[1]. 온실가스 배출량의 증가는 세계 주요 에너지 사용량의 증가에 따른 에너지 공급과 수송부문의 배출량 급증이 주요 원인으로 이 중 이산화탄소는 지구온난화지수가 낮지만, 규제가 가능한 가스이면서 전체 온실가스 배출량의 약 80% 이상을 차지하여 6대 온실가스 중 가장 중요한 온실가스로 분류되고 있다.
	지속적으로 성장 가능한 사회를 구현하기 위해서는 화석연료 사용이 필수적인 요소로 부각되는 이유는 무엇인가?	에너지 사용 잠재량, 사용의 용이성, 에너지 밀도, 에너지 사용량의 증가 등을 고려할 때 화석연료의 사용은 불가피하며, 그 사용량도 급격히 증가할 것으로 예상하고 있다[8]. 따라서 지속적으로 성장 가능한 사회를 구현하기 위해서는 화석연료 사용은 필수적인 요소로 부각되고 있으며, 이에 따라 온실가스 배출량이 증가하는 실정이다[9].

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원문보기 상세보기
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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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