초록 ▼

1.연구목표
- 암모니아수-$CO_2$ 분리공정 기반 확립
- 연소배가스 10 $Nm^3/hr$ 처리 흡수 공정 확립
- 암모니아 $CO_2$ 흡수공정 기본 설계 자료 도출
2. 연구결과
- 열역학 자료 도출, 가능성 검증
- 모사가스 1 $Nm^3/h$ 연속공정 연구:
[모사가스 이용, 99.95 vol% $CO_2$ 회수 연속공정 기반 확립]
[흡수 및 재생시의 흡수액 성상 분석]
[

1.연구목표
- 암모니아수-$CO_2$ 분리공정 기반 확립
- 연소배가스 10 $Nm^3/hr$ 처리 흡수 공정 확립
- 암모니아 $CO_2$ 흡수공정 기본 설계 자료 도출
2. 연구결과
- 열역학 자료 도출, 가능성 검증
- 모사가스 1 $Nm^3/h$ 연속공정 연구:
[모사가스 이용, 99.95 vol% $CO_2$ 회수 연속공정 기반 확립]
[흡수 및 재생시의 흡수액 성상 분석]
[벤취 설비 설계 자료 도출]
- 30 $Nm^3/h$ 공정 연구 (30배 scale-up):
[실제 석탄 화력발전소 배가스 활용]
[배가스 중 $CO_2$를 90% 제거하여 고순도로 회수하는 공정 최적화]
[운전 조건에 따른 공정 성능 분석]
[공정 구성 확립]
[공정 성능: 99.95 vol% 이상의 $CO_2$ 생산, 회수율 90% 이상]
[물진전달계수 도출]
[흡수, 재생 용액 분석으로 반응메카니즘 규명]
[실증설비 기본 설계자료 도출]
3. 연구결과 활용계획
- 상업화를 위한 실증화 연구가 필요
- 향후 화력발전소에 적용 가능한 1,000 $Nm^3/h$ 규모의 이산화탄소 회수공정 실증
- 60만 $Nm^3/h$ 상업화 설계 (600 배 scale-up, Process Design Package 작성)

Abstract ▼

Aqueous ammonia has never been used as absorbent in commercialized process since absorbent loss is expected to be excessive during absorption and desorption cycle. Therefore, for successful development of the process, a method to recover ammonia loss or to utilize ammonia lost for other purpose shou

Aqueous ammonia has never been used as absorbent in commercialized process since absorbent loss is expected to be excessive during absorption and desorption cycle. Therefore, for successful development of the process, a method to recover ammonia loss or to utilize ammonia lost for other purpose should be developed.
The unique characteristics of the process is that water scrub down the lost ammonia from top of the absorber and ammonia free clean gas is released to the atmosphere. The water used for scrubbing ammonia down contains low concentration of ammonia and this water can react with small amount of acid gas such as SOx and NOx in the flue gas to form salts, which can be used as fertilizer. Process units of this technology are aqueous ammonia - $CO_2$ absorption, absorbent regeneration, ammonia recovery tower and acid gas treating tower. Among these processes, ammonia recovery process can be simulated with known conditions such as composition of flue gas and absorption temperature. Also, the performance of acid gas treating process can be predicted by data published in literature. Therefore, these two processes are exclude from our scope of research. In this research, the optimization of $CO_2$ absorption process and desorption process are attempted and main objective is optimization of $CO_2$ capture continuous process using aqueous ammonia.
The objectives of the first year of research were obtaining ammonia -$CO_2$ absorption equilibrium data, absorption reaction rate data, and desorption reaction rate data. Along with the efforts to achieve above objectives, the effects of absorption and desorption operation conditions on performance were investigated in order to optimize the continuous process. Analysis of thermodynamic data, absorption characteristics, and reaction rate on ammonia -$CO_2$ absorption were carried out by collaboration with university research team. KIER research team carried out analysis of absorption/desorption towers and optimization of continuous process.
During the second year of research, additives for enhancing absorbent`s performance were developed and its effects on ammonia -$CO_2$ absorption/desorption characteristics through collaboration with university research team. KIER research team constructed the continuous process which can treat more than 1 $Nm^3/hr$ simulated gas. Through the operation of the continuous process, process experience was obtained. To dates, no results of continuous process using aqueous ammonia has been reported and the KIER`s operation data will be used as very important data for developing process technology using aqueous ammonia. In addition, mass transfer coefficients of aqueous ammonia - $CO_2$ absorption were obtained through absorption tower alone operation.
As described in main body of this report, acqueous ammonia - $CO_2$ absorption is very complicated reaction having various reaction routes. Since regeneration energy is varied widely depending on which reaction route is selected, reliable reaction routes must be identified. Thus KIER research team tried to identify reaction routes of regeneration by measuring ion species in $CO_2$ loaded absorbents.
During the third year of research, the continuous process which can treat more than 30 $Nm^3/hr$ flue gas of real coal fired plant was constructed and operated. The construction and operation of continuous process using real flue gas were expected to be meaningful since chemical absorption process performance are strongly affected by impurities such as SOx, NOx, and particle matters presented in the flue gas. In addition, basic properties of $CO_2$ loaded aqueous ammonia were investigated along with the continuous process.

목차 Contents

• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 33
• 제 1 절 연구개요 ... 33
• 제 2 절 연구목표 ... 34
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 36
• 제 1 절 암모니아수를 이용한 $CO_2$ 분리공정의 장점 ... 36
• 제 2 절 암모니아수 공정 경제성 분석 ... 38
• 1. NETL 분석 (2005년 2월) ... 38
• 2. Powerspan-NETL 분석 (2007.2, Emerging Technologies Summit) ... 39
• 3. Chilled Ammonia Process (ALSTOM-EPRI) ... 40
• 제 3 절 기술개발의 현황 ... 42
• 1. 선진국의 연구개발 동향 ... 42
• 2. 암모니아수를 이용한 $CO_2$ 분리공정 연구 현황 ... 44
• 제 4 절 향후 기술개발 전망 ... 47
• 제 3 장 연구개발 수행 내용 및 결과 ... 48
• 제 1 절 $CO_2$ 함유 암모니아수 흡수제의 분석을 통한 $CO_2$와 암모니아수의 반응 고찰 ... 48
• 1. 이론적 배경 ... 48
• 2. 실험 장치 및 방법 ... 49
• 3. IR 정성 분석 결과 ... 52
• 4. $^{13}C$ NMR 정량 분석 결과 ... 58
• 5. 고상 침전물 분석 결과 ... 65
• 제 2 절 암모니아수 흡수제의 기본 물성 ... 69
• 1. $CO_2/NH_3/H_2O$ 계 기액 상평형 데이터 ... 69
• 2. 암모니아 흡수제에서 $CO_2$ 흡수 반응속도 상수 ... 78
• 제 3 절 암모니아 증발 억제를 위한 첨가제 ... 88
• 1. 실험 장치 및 실험방법 ... 88
• 2. 암모니아 증발에 의한 흡수제 손실 ... 91
• 3. 첨가제 선정 및 조건 제시 ... 92
• 4. 실험 결과 및 고찰 ... 92
• 제 4 절 Semi-batch 반응기를 이용한 $CO_2$ 흡수 실험 ... 100
• 1. 실험 장치 및 실험 방법 ... 100
• 2. Raman 분석 ... 103
• 3. 용액 내 이온 분석 실험 ... 105
• 4. 실험 결과 및 고찰 ... 105
• 5. 결론 ... 117
• 제 5 절 물질전달 계수 측정 ... 119
• 1. 이론적 배경 ... 119
• 2. 실험장치 ... 121
• 3. 실험결과 및 고찰 ... 123
• 제 6 절 연구실 규모의 $CO_2$ 흡수/탈거 연속순환공정 ... 130
• 1. 이론적 배경 ... 130
• 2. 실험 ... 133
• 3. 결과 및 고찰 ... 137
• 제 7 절 실제배가스를 이용한 30 $Nm^3/hr$ 급 파일롯 플랜트 운전 ... 149
• 1. 배가스 실증시험설비 ... 149
• 2. 배가스 조건 ... 150
• 3. 파일롯 플랜트 사양 ... 150
• 4. 공정구성 ... 155
• 5. 결과 및 고찰 ... 158
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야 기여도 ... 164
• 제 1 절 연구목표 달성도 ... 164
• 1. 1차년도 (2005) ... 164
• 2. 2차년도 (2006) ... 165
• 3. 3차년도 (2007) ... 167
• 제 2 절 관련분야 기여도 ... 169
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ... 170
• 제 1 절 추가 연구개발의 필요성과 기대효과 ... 170
• 1. 추가연구의 필요성 ... 170
• 2. 추가 연구결과로 인한 기대효과 ... 170
• 제 2 절 연구결과 활용방안 ... 172
• 제 6 장 참고 문헌 ... 173