[논문]연소전 조건에서 알칼리염계 흡수제의 <tex> $CO_2$</tex> 흡수특성

오명석; 백근호; 차왕석

연소전 조건에서 알칼리염계 흡수제의 $CO_2$ 흡수특성
$CO_2$ absorption of alkaline salt in the pre-combustion condition 원문보기

오명석 (군산대학교 환경공학과) , 백근호 (군산대학교 환경공학과) , 차왕석 (군산대학교 환경공학과)

주요 온실가스인 이산화탄소를 회수 및 저장(Carbon Capture and Storage)하는 기술은 주로 적은 $CO_2$농도를 가지는 연소후 포집공정이 개발 및 적용되었으나, 최근에는 보다 적극적으로 이산화탄소를 분리하기 위하여 연소전 석탄가스화복합발전(IGCC)과 같은 공정에 적용하여 반응공정 중에 생성되는 높은 농도의 $CO_2$를 분리하는 공정이 선진국을 중심으로 활발히 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 고압의 연소전 조건에서 아민계보다 흡수속도는 느리나 생성가스에 유입되는 $O_2$, SOx, NOx에 의한 부반응 현상, 휘발에 의한 손실, 열적 열화현상이 나타나지 않는 알칼리염계 흡수제의 $CO_2$ 흡수특성에 대하여 연구하였다.

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문제 정의

본 연구에서는 알칼리염계 흡수제들 중에서 Na₂CO₃의 이산화탄소 흡수능을 알아보기 위하여 회분식 기-액 흡수평형반응기에서 조사하였으며, 시간에 따른 흡수된 CO₂몰수를 이용하여 초기흡수속도 연구도 수행하였다.

제안 방법

Na계 용액의 농도에 따른 이산화탄소 흡수특성을 알아보기 위하여 각각의 Na₂CO₃ 5%, 10%, 15%, 20%의 농도로 흡수평형실험을 하였다. 그림 2는 40℃에서 Na₂CO₃용액의 농도별 이산화탄소부하에 따른 흡수액의 흡수평형압력으로, (a)는 흡수제로의 이산화탄소 mole만 고려한 경우이며, (b)는 흡수제의 mole당 이산화탄소 mole을 고려한 경우이다.
가스 저장조에서 CO₂를 공급하기 전의 압력과 공급후의 압력차를 이용하여 흡수평형 반응기로 공급된 CO₂의 몰수를 계산하였으며, 흡수반응으로 인한 반응기내의 압력이 일정시간동안 감소하기 않는 기액 평형상태에 도달하면 반응기내의 압력을 이용하여 남아있는 CO₂의 몰수를 계산하였다.

성능/효과

5%, 10%, 15%, 20% Na2CO3수용액의 이산화탄소 흡수능과 흡수속도를 40℃에서 연구하였으며, 그 결과 10%의 농도에서 가장 좋은 흡수능과 흡수속도를 보였다. 흡수평형 실험 후 15%이상의 농도에서는 많은 양의 물질이 석출되었으며 흡수능 및 흡수속도가 급격히 감소하였다.
알칼리염계 흡수제들과 Na₂CO₃의 혼합물의 경우 KHCO₃와 CaCO₃를 혼합 시에는 흡수속도가 감소된 반면, K₂CO₃를 혼합할 경우 다소 증가되었다. Na₂CO₃ 5% 용액의 초기흡수 속도를 개선시키기 위하여 증진제로서 Pz와 PP를 각각 첨가하여 40℃에서 연구한 결과, 초기흡수속도를 증가시킬 수 있었으며, 그 중에서도 PP의 초기흡수속도가 가장 높았다.
그림 2의 (a)를 통하여 10% Na₂CO₃에서 흡수평형압력이 낮게 나타나는 것을 알 수 있다. 그에 반해 15%와 20%의 농도에서는 이산화탄소 부하량이 적은 범위에서부터 평형압력을 보였으며 5%와 10%는 상대적으로 높은 이산화탄소 부하량에서부터 평형압력이 나타났다. 그림 2의 (b)에서 흡수제의 mole을 고려할 경우에는 농도가 가장 낮은 5%의 Na₂CO₃에서 가장 낮은 평형압력을 보였다.
5%, 10%, 15%, 20% Na2CO3수용액의 이산화탄소 흡수능과 흡수속도를 40℃에서 연구하였으며, 그 결과 10%의 농도에서 가장 좋은 흡수능과 흡수속도를 보였다. 흡수평형 실험 후 15%이상의 농도에서는 많은 양의 물질이 석출되었으며 흡수능 및 흡수속도가 급격히 감소하였다. 알칼리염계 흡수제들과 Na₂CO₃의 혼합물의 경우 KHCO₃와 CaCO₃를 혼합 시에는 흡수속도가 감소된 반면, K₂CO₃를 혼합할 경우 다소 증가되었다.

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