[논문]흡수율과 재생율을 동시 고려한 천연가스복합발전 공정 연계 이산화탄소 포집 공정의 재생 조건 최적화

최정훈; 주영환

doi:10.9713/kcer.2023.61.3.368

흡수율과 재생율을 동시 고려한 천연가스복합발전 공정 연계 이산화탄소 포집 공정의 재생 조건 최적화
Regenerating Condition Optimization of NGCC Combined Carbon Capture Process Simultaneously Considering Absorption and Regeneration Rates 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.61 no.3, 2023년, pp.368 - 377

최정훈 (한국에너지기술연구원 연구전략본부 계산과학연구실) , 주영환 (한국에너지기술연구원 연구전략본부 계산과학연구실)

초록
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천연가스복합발전 공정은 일반 석탄 화력발전 공정에 비해 이산화탄소 배출량이 낮아 최근에 발전 플랜트로서 많은 관심을 받고 있다. 그럼에도 불구하고 이산화탄소 배출을 완전히 억제하기는 어려우므로 이산화탄소 포집공정이 필요하며 본 연구에서는 천연가스복합발전 플랜트에서 발생하는 배기가스 내 낮은 이산화탄소 농도를 고려해 포집공정을 구성하고 운전조건을 최적화하는 연구를 수행하였다. 최적화 연구를 위해 상용 시뮬레이션 프로그램으로 천연가스복합발전 공정과 습식 이산화탄소 포집공정이 결합된 전체 공정을 모델링 하였으며, 이를 이용해 다양한 조건에서 이산화탄소 흡수율, 흡수제 재생율, 천연가스복합발전 공정 내 전력 손실율을 종합적으로 고려한 최적 운전조건을 도출하였다. 특히 본 연구에서는 기존에 이산화탄소 포집공정에서 포집된 이산화탄소 톤당 에너지 소모량만을 주요 지표로 검토하던 것과 달리, 천연가스복합발전 공정 내 스팀 사용으로 인한 발전효율 저감, 운전조건 변화에 따른 이산화탄소 흡수율 및 흡수제 재생율 변화의 측면도 함께 고려하여 공정 전반의 성능을 종합적으로 고려할 수 있도록 하였다. 결론적으로 재생탑 재비기 온도가 120 ℃가 되었을 때 가장 좋은 결과를 보이는 것으로 나타났으며, 그 원인을 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Natural Gas Combined Cycle(NGCC) recently receives lots of attention as an attractive form of power plants by virtue of its low carbon emission compared with coal-fired power plant. Nevertheless, it also needs carbon capture process since it is difficult to completely suppress carbon emission even for the NGCC. A simulation study has been performed to optimize operating condition of a carbon capture process using MEA considering low partial pressure of carbon dioxide in NGCC emission gas. For accurate optimization, overall process model including both NGCC and the carbon capture process has been built with a simulation software. Then, optimization in which various performance indices such as carbon dioxide absorption rate, solvent regeneration rate and power loss in the NGCC are simultaneously reflected has been done. Especially, it is noticeable that this study focuses on not only the amount of energy consumption but also the absorption and regeneration performance of carbon capture process. The best result considering all the performance indices has been achieved when the reboiler temperature is 120 ℃ and the reason has been analyzed.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Simplified process flow diagram for NGCC [11].
그림 Fig. 2. Overall process scheme for CO₂ capture combined NGCC process.
그림 Fig. 3. Process simulation model for HRSG.
그림 Fig. 4. Process simulation model for MEA-based CO₂ capture process.
그림 Fig. 5. Changes of split flowrate of LP steam and corresponding power reduction in steam turbines.
그림 Fig. 6. Change of power loss in the NGCC process.
그림 Fig. 7. Changes of absorption rate and CO₂ molar flowrate emitted from top of the absorber.
그림 Fig. 8. Changes of lean MEA input molar flowrate to the absorber and MEA output molar flowrate from bottom of the absorber.
그림 Fig. 9. Change of MEA molar flowrate participating in the absorption reaction.
그림 Fig. 10. Changes of MEACOO^-, HCO₃^- and H₂O input molar flowrates to the absorber.
그림 Fig. 11. Change of outlet temperature of the absorber.
그림 Fig. 12. Changes of molar flowrates of CO₂-combined ions and CO₂ emitted from top of the solvent regeneration column.
그림 Fig. 13. Change of solvent regeneration rate.
그림 Fig. 14. Changes of molar flowrates of MEACOO^-, HCO₃^- and CO₃^2- before heat exchanger.
그림 Fig. 15. Changes of molar flowrates of MEACOO^-, HCO₃ ^- and CO₃^2- after heat exchanger.
그림 Fig. 16. Objective function values (black circle) obtained from CO₂ absorption rate (green bar), solvent regeneration rate (red bar) and power loss (blue bar).

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