초록 ▼

연소배가스에서 이산화탄소를 저 에너지 비용으로 회수하기 위해 기존의 흡착분리 공정 최적화와 분리막과 흡착공정을 결합한 공정의 가능성을 실험과 이론을 통하여 검토하고 연소배가스 1000 N㎥/hr처리 규모의 장치 설계 기술을 획득하였다. 기존 흡착공정의 최적화를 통하여 이산화탄소 회수에 필요한 전력소비를 약 50% 줄일 수 있는 기술을 개발하였다 개발된 기술을 적용할 경우 이산화탄소 회수 전력소비가 약 0.37 kWh/CO₂N㎥될 것으로 추정되었다. 또한 개발된 기술은 기존 기술에 비하여 적은 수의 흡착탑이 소요되기 때문에 장치투자비

연소배가스에서 이산화탄소를 저 에너지 비용으로 회수하기 위해 기존의 흡착분리 공정 최적화와 분리막과 흡착공정을 결합한 공정의 가능성을 실험과 이론을 통하여 검토하고 연소배가스 1000 N㎥/hr처리 규모의 장치 설계 기술을 획득하였다. 기존 흡착공정의 최적화를 통하여 이산화탄소 회수에 필요한 전력소비를 약 50% 줄일 수 있는 기술을 개발하였다 개발된 기술을 적용할 경우 이산화탄소 회수 전력소비가 약 0.37 kWh/CO₂N㎥될 것으로 추정되었다. 또한 개발된 기술은 기존 기술에 비하여 적은 수의 흡착탑이 소요되기 때문에 장치투자비 측면에서도 유기한 면이 있다 이산화탄소/질소 기체혼합물 분리에 실용적으로 사용할 수 있는 PES 중공사막을 대량으로 제조할 수 있는 기술을 확립하였다. 제조된 PES 중공사막은 막의 편심이 없고 강도가 우수하였으며 투과도는 25 GPU, 이산화탄소/질소의 선택도는 40 정도로 기존 분리막에 비하여 이산화탄소/질소 기체혼합물에 대한 분리성능이 우수하였다 PES 중공사막을 대창 방사하여 이산화탄소/질소 혼합기체의 분리를 위한 막분리공정시스템용 소형 중공사막 모듈을 제조하였다. 공급 압력 5 atmG이고 투과측 압력이 대기압인 경우, 털 인구에서 제조한 소형 PES 중공사탁 모듈을 이용하면 이산화탄소 농도가 12%인 CO₂/N₂ 혼합가스 0.204 N㎥/hr를 처리하여 투과측으로 이산화판소 농도가 27.3%인 농축가스를 0.008 N㎥/hr의 유량으로 분리해 낼 수 있다. 이 경우의 이산화탄소 회수율은 90%였다. 소형 중공사막 모듈을 이용한 막분리공정의 분리결과를 토대의 이산화탄소/질소 기체혼한물 1000 N㎥/hr을 처리하기 위해서 표면적이 20㎡인 대형 중공사막 모듈이 20 unit가 필요함을 알 수 있었다. Hybrid system 모델의 비교 평가 길과 PSA + PSA 조합이 분리막 + PSA 보다 전력소비가 적은 것으로 분석되었다.

Abstract ▼

In order to recover carbon dioxide from flue gas with lower energy consumption, optimization of the conventional adsorptive separation process was performed and the feasibility of the hybrid system was investigated with experiment and theory.
A technology, which can reduce the specific power cons

In order to recover carbon dioxide from flue gas with lower energy consumption, optimization of the conventional adsorptive separation process was performed and the feasibility of the hybrid system was investigated with experiment and theory.
A technology, which can reduce the specific power consumption of adsorptive separation process by 50%, was developed. It was estimated that the specific power consumption of the process would be 0.57 kWh/N㎥-CO₂ applying the developed technology. In addition, since the developed technology requires less adsorber, capital cost also could be reduced. A technology for the mass production of PES hollow fiber membrane, which can be used for the separation of carbon dioxide/nitrogen, was obtained. The PES hollow fiber membrane had good mechanical strength, and showed excellent separation properties for CO₂/N₂ gas mixture. The permeability and selectivity for CO₂/N₂ gas mixture were avbout 25 GPU and 40, respectively.
Small-scale hollow-fiber membrane modules for membrane-separation system were manufactured using the PES hollow fiber membranes spined in this study. When the pressures for feed side and permeate side were 5 atmG and atmospheric, respectively, and CO₂/N₂ gas mixture with 12% CO₂ concentration was fed at a flow rate of 0.204 N㎥/hr, the concentrated gas with 27.3% CO₂ concentration could be obtained from the permeate side at a flow rate of 0.008 N㎥/hr. In this case about 90% of CO₂ was recovered. Based on the experimental results obtained using the small-scale hollow fiber membrane module, to treat CO₂/N₂ gas mixture with a flow rate of 1000 N㎥/hr, 20 units of large-scale membrane module whose surface area is 20㎡ are needed. The combination of PSA+PSA was better than the hybrid system of membrane+PSA in terms of the specific power consumption.

목차 Contents

• 제 1 장 서 론...29
• 제 1 절 연구개발의 필요성...29
• 제 2 절 연구개발 목표...31
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황...33
• 제 1 절 개요...33
• 제 2 절 흡수분리...34
• 1. 기술의 개요...34
• 2. 국외 현황...34
• 3. 국내 현황...36
• 제 3 절 흡착분리...36
• 1. 기술의 개요...36
• 2. 국외 현황...37
• 3. 국내 현황...38
• 제 4 절 막분리...39
• 1. 기술의 개요...39
• 2. 국외 현황...40
• 3. 국내 현황...42
• 제 5 절 심냉분리...42
• 제 6 절 혼성분리...42
• 1. 기술의 개요...43
• 2. 국외 현황...43
• 3. 국내 현황...43
• 제 3 장 연구개발 수행 내용 및 결과 (흡착 분리)...45
• 제 1 절 전처리 공정 개선 연구...45
• 1. 목적...45
• 2. 실험 장치 및 방법...45
• 3. 결과 및 고찰...49
• 가. 활성알루미나에 대한 이산화탄소와 수분의 흡착 평형...49
• 나. 전처리탑의 흡착 시간에 따른 공정성능의 변화...52
• 다. 세정 가스의 온도에 따른 공정성능의 변화...60
• 4. 결론...62
• 제 2 절 2단 PSA 공정 개선 연구...62
• 1. 목적...62
• 2. 실험 장치 및 방법...63
• 3. 수학적 모델...64
• 4. 결과 및 고찰...71
• 가. 개선된 전처리 공정에 의한 PSA 공정의 성능변화...71
• 나. 1단 저압세정 유량에 따른 공정 성능의 변화...78
• 다. 전산모사를 통한 1단 PSA 공정 성능분석...82
• (1) 저압 세정 유량의 영향...82
• (2) 1단 사이클 주기에 따른 성능 변화...85
• (3) 탈착 압력의 영향...86
• (4) 균압 스텝의 영향...88
• (5) 균압과 세정 공급 스텝의 영향...90
• (6) 제품 세정(rinse) 스텝의 효과...93
• 라. 1단 균압과 2단 균압 스텝을 가진 2단 PSA 공정의 성능...95
• (1) 1단 흡착시간의 영향...96
• (2) 1단 저압 세정 유량의 영향...99
• (3) 2단 탈착 압력의 영향...101
• 사. 균압과 세정공급을 1단에 적용한 공정의 성능...104
• 5. 결론...106
• 제 3 절 1000 N㎥ 처리 규모 장치 설계...107
• 1. 전처리 제습장치...107
• 가. 로터식 제습장치...107
• 나. 충전탑식 제습장치...110
• 2. 2단 PSA 공정 설계...110
• 가. Plant 명칭...110
• 나. 설계 능력...110
• 다. 장치의 구성...111
• 라. 구성 부품 사양 요약...114
• 마. 전력 소비 추정...116
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 (막분리)...119
• 제 1 절 실험...119
• 1. 원료...119
• 2. 비다공성막의 제조...120
• 3. 비대칭 구조의 평막의 제조...120
• 4. 폴리이미드 복합막의 제조...121
• 5. 비대칭 구조의 중공사막의 제조...122
• 6. 실리콘수지 코팅...122
• 7. 비다공성막의 투과도 측정...126
• 8. 비대칭 평막 및 중공사막의 투과특성 평가...126
• 9. 막분리공정시스템...132
• 10. 막의 구조 및 규격의 평가...134
• 제 2 절 결과 및 고찰...134
• 1. 불소계 폴리이미드 평막의 제조와 분리성능...134
• 2. Polyethersulfone(PES) 비대칭 평막의 제조와 분리성능...147
• 3. 중공사막 제조를 위한 예비실험...162
• 4. 중공사막 제조와 성능평가...167
• 5. 막분리공정시스템...178
• 6. 처리량 1000 N㎥/hr 규모의 막분리공정시스템 설계...180
• 제 3 절 결론...187
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 (Hybrid system)...191
• 제 1 절 분리막 공정에 대한 모사...191
• 1. 분리막 공정 이론...191
• 가. 비다공성 고분자 분리막을 통한 투과 이론...191
• 나. 다성분계 투과 이론...193
• (1) 병류 모델링...193
• (2) 향류 모델링...196
• (3) 직교류 모델링...196
• (4) 완전혼합 모델링...199
• 2. 분리막 공정 모사...201
• 가. 분리막 모델링의 가정...201
• 나. 분리막 모델링의 알고리즘...201
• 제 2 절 PSA 공정...202
• 1. PSA 공정 이론...202
• 가. 흡착등온식...202
• 나. 흡착속도식...203
• 2. PSA 공정 모사...203
• 제 3 절 모사 결과...208
• 1. 분리막-PSA 공정...208
• 가. 분리막 공정...208
• 나. 분리막-PSA 공정...209
• 2. PSA-PSA 공정...209
• 제 4 절 혼성공정의 에너지 비교...210
• 1. 혼성 공정의 구성...211
• 가. 분리막-PSA 공정...211
• 나. PSh-PSA 공정...211
• 2. 두 공정의 에너지 비교...211
• 가. PSA-PSA 공정...211
• 나. 분리막-PSA 공정...214
• 다. 두 공정의 비교...215
• 제 4 장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도...217
• 제 1 절 연구개발목표 달성도...217
• 제 2 절 대외 기여도...218
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획...219
• 제 6 장 참고문헌...221