초록 ▼

본 연구는 연소배가스 중의 이산화탄소 회수 비용을 줄이기 위해 회수비용 중의 큰 부분을 차지하는 에너지 소비를 줄이고자 하였다. 기존의 고정층 흡착 탑에 비해 탑 내 압력강하가 적은 모노리스 흡착제를 적용함으로써 대용량 처리에 적합한 흡착공정을 개발하고자 하였으며, 흡착제로는 기존의 상용화된 제올라이트 Na-X를 이용하여 모노리스 흡착제를 제작하였다. 제조된 모노리스는 제올라이트 함침량이 약 60%에 달했으며, 연소배가스의 조건(13%, 100 mmHg)에서 79.5mg/g의 흡착성능을 보였다.
제조된 모노리스 흡착제를 이용하

본 연구는 연소배가스 중의 이산화탄소 회수 비용을 줄이기 위해 회수비용 중의 큰 부분을 차지하는 에너지 소비를 줄이고자 하였다. 기존의 고정층 흡착 탑에 비해 탑 내 압력강하가 적은 모노리스 흡착제를 적용함으로써 대용량 처리에 적합한 흡착공정을 개발하고자 하였으며, 흡착제로는 기존의 상용화된 제올라이트 Na-X를 이용하여 모노리스 흡착제를 제작하였다. 제조된 모노리스는 제올라이트 함침량이 약 60%에 달했으며, 연소배가스의 조건(13%, 100 mmHg)에서 79.5mg/g의 흡착성능을 보였다.
제조된 모노리스 흡착제를 이용하여 회전식 연속공정을 수행한 결과 흡착과 탈착존을 구분하는 막사이로의 가스 유출입, 모노리스 자체가 가지고 있는 기밀상의 문제로 인해 고농도의 이산화탄소를 얻기가 쉽지 않았다.
회전식 연속공정의 대안으로 모노리스 흡착제의 낮은 압력강하 특징을 이용하기 위하여 고정층 연속공정 운전을 수행하였다. 11.5% 농도의 이산화탄소를 포함하는 연소배가스에 적용할 경우 탈착 온도를 $120^{\circ}C$로 운전하면 탈착 배가스 중의 이산화탄소 농도를 40%이상 얻을 수 있음을 알 수 있었다. 이 때 회수율은 TSA 공정에서 12%정도 얻을 수 있었으며, 전체공정의 이산화탄소 회수율은 약 6% 정도였다. PSA 공정의 최적화가 이루어진다면 10%이상의 회수율을 얻을 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼

The scope of this project is to develop a process which can produce high concentration of $CO_2$ from flue gas by employing monolithic adsorbent. The monolithic adsorbent is substituted for the first stage VSA process and the used monolithic adsorbent is regenerated by waste heat of flue

The scope of this project is to develop a process which can produce high concentration of $CO_2$ from flue gas by employing monolithic adsorbent. The monolithic adsorbent is substituted for the first stage VSA process and the used monolithic adsorbent is regenerated by waste heat of flue gas.
Commercial adsorbents like activated carbon, zeolite, silica gel and synthetic mesoporous silica are modified by grafting amine functional group to improve the adsorption and desorption performance. The best adsorbent is selected in view of adsorption capacity and regenerability with temperature. After selection of the best adsorbent, monolithic adsorbent is prepared using the selected adsorbent and the preparation methods is optimized varying support and amount of the adsorbent loading. With this monolithic adsorbent, a continuous rotating adsorption unit is integrated to the $CO_2$ recovery system and the performance of the $CO_2$ recovery system is optimized varying the rotating speed, adsorption and desorption time etc. Another goal is to give an information about the feasibility of TSA operation with the waste heat of flue gas.

목차 Contents

• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 0
• 제 1 절 연구개발의 목적 및 필요성 ... 0
• 제 2 절 연구개발 내용 ... 0
• 제 2 장 국내 외 기술개발현황 ... 0
• 제 1 절 개요 ... 0
• 제 2 절 흡수분리 ... 0
• 1. 기술의 개요 ... 0
• 2. 국외 현황 ... 0
• 3. 국내 현황 ... 0
• 제 3 절 흡착분리 ... 0
• 1. 기술의 개요 ... 0
• 2. 국외 현황 ... 0
• 3. 국내 현황 ... 0
• 제 4 절 막분리 ... 0
• 1. 기술의 개요 ... 0
• 2. 국외 현황 ... 0
• 3. 국내 현황 ... 0
• 제 5 절 심냉분리 ... 0
• 제 3 장 Monolith형 이산화탄소 흡착제의 제조 및 특성분석 ... 0
• 제 1 절 $CO_2$ 분리용 흡착제 제조 및 성능 분석 ... 0
• 1. 아민기로 표면 개질된 중형다공성 실리카 흡착제 제조 및 $CO_2$ 흡착 성능 ... 0
• 2. 제올라이트 13X의 개조 및 $CO_2$ 흡착 성능 ... 0
• 3. HMS 합성 ... 0
• 제 2 절 Monolith형 이산화탄소 흡착제 제조 ... 0
• 1. 제올라이트 쉬트 제조원료 ... 0
• 2. 제올라이트 쉬트의 제조 ... 0
• 3. Na-X 제올라이트의 이온교환 ... 0
• 4. Monolith형 이산화탄소 흡착제의 성형 ... 0
• 5. Monolith형 이산화탄소 흡착제의 소성 및 표면가공 ... 0
• 제 3 절 제올라이트 쉬트와 모노리스 흡착제의 특성분석 ... 0
• 1. 제올라이트 쉬트의 특성 ... 0
• 2. 이산화탄소 흡착평형특성 ... 0
• 3. 모노리스 흡착제의 이산화탄소 흡착파과특성 ... 0
• 제 4 장 회전식 이산화탄소 흡착제거공정 연구 ... 0
• 제 1 절 회전식 이산화탄소 흡착공정개요 및 pilot 장치 ... 0
• 제 2 절 회전식 흡착장치 운전결과 ... 0
• 제 3 절 결론 ... 0
• 제 5 장 고정식 이산화탄소 흡착제거공정 연구 ... 0
• 제 1 절 실험장치 및 방법 ... 0
• 제 2 절 실험 결과 ... 0
• 1. 제습탑 운전 결과 ... 0
• 2. 3-step 운전 결과 ... 0
• 3. 4-step 운전 결과 ... 0
• 제 3 절 결론 ... 0
• 제 6 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 0
• 제 7 장 연구개발 결과의 활용계획 ... 0
• 참고문헌 ... 0
• [그림 3-1] 아민 그래프팅 홉착제의 $CO_2$ 흡착량 ... 0
• [그림 3-2] TEOS로 처리한 제올라이트 13X(BSSX1)에 대한 질소 흡착량 ... 0
• [그림 3-3] TEOS로 처리한 제올라이트 13X(BSSX1)에 대한 $CO_2$ 흡착량 ... 0
• [그림 3-4] 비드형과 모노리스형 흡착제의 압력손실 비교 ... 0
• [그림 3-5] 모노리스형 이산화탄소 흡착제의 제조공정 ... 0
• [그림 3-6] Na-X 제올라이트의 전자현미경 사진 ($\times$ 10,000) ... 0
• [그림 3-7] Na-X 제올라이트의 기공분포 ... 0
• [그림 3-8] 제올라이트 쉬트 제조에 사용된 세라믹섬유 (1300 Blanket, KCC) ... 0
• [그림 3-9] 표준쉬트 제조장치 ... 0
• [그림 3-10] 제올라이트 쉬트 제조장치 공정도 ... 0
• [그림 3-11] 제올라이트쉬트 Pilot 생산 설비 ... 0
• [그림 3-12] Na-X 제올라이트분말 및 쉬트의 이온교환 ... 0
• [그림 3-13] 제올라이트 쉬트를 사용한 편파성형장치 단면도 ... 0
• [그림 3-14] 제올라이트 쉬트를 사용한 자동 편파성형장치 ... 0
• [그림 3-15] 편파성형체 리와인딩 장치 ... 0
• [그림 3-16] 제올라이트 쉬트를 사용하여 만든 모노리스형 이산화탄소 흡착제 ... 0
• [그림 3-17] 제올라이트 3g(a), 6g(b), 9g(c) 변화에 의한 표준쉬트 표면사진($\times$ 1000) ... 0
• [그림 3-18] Na-X 제올라이트 쉬트 표면 SEM사진($\times$ 1000) ... 0
• [그림 3-19] 제올라이트 쉬트의 TG/DTA curves (heating rate : $5^{\circ}C/min$). ... 0
• [그림 3-20] 바인더 담지 및 열처리 후 Na-X 제올라이트 쉬트 표면 SEM사진(Heat treatment at $650^{\circ}C$ for 3h.) ... 0
• [그림 3-21] Na-X 및 제올라이트 쉬트의 X-ray 회절패턴 ... 0
• [그림 3-22] 바인더담지 및 열처리 후 제올라이트 쉬트의 기공분포 변화 ... 0
• [그림 3-23] 가스 평형흡착량 측정장치(Rubotherm, MSB-30G500P) ... 0
• [그림 3-24] Na-X 제올라이트 쉬트의 이산화탄소 평형흡착량 비교 ($30^{\circ}C$) ... 0
• [그림 3-25] 제올라이트 쉬트와 이온교환된 쉬트의 이산화탄소 평형흡착량 비교($30^{\circ}C$) ... 0
• [그림 3-26] 제올라이트 쉬트와 추가적으로 코팅된 쉬트의 이산화탄소 평형흡착량 비교($30^{\circ}C$) ... 0
• [그림 3-27] 이온교환된 제올라이트 및 쉬트의 질소 및 이산화탄소 흡착특성 ... 0
• [그림 3-28] 허니컴 이용 TSA 공정의 개념도 ... 0
• [그림 3-29] $CO_2$ 흡착소자의 흡, 탈착 동특성 실험장치 ... 0
• [그림 3-30] 모니리스 흡착제의 이산화탄소 흡착파과특성 평가장치 ... 0
• [그림 3-31] 모노리스 이산화탄소 흡착제의 흡착파과특성 ... 0
• [그림 3-32] 모노리스 이산화탄소 흡착제의 열전특성 ... 0
• [그림 3-33] 고온가스 재순환을 이용한 탈착 실험 결과 (순환 유량: 30 l/min) ... 0
• [그림 3-34] 30 L/min으로 가스를 순환할 경우 승온 속도 그래프 ... 0
• [그림 3-35] 고온 탈착 후 질소 냉각 시 탑내 온도 및 농도 변화(질소 유량: 500 ml/min) ... 0
• [그림 3-36] 고온 탈착 후 질소 냉각 시 탑 내 온도 및 농도변화(질소 유량: 1000 ml/min) ... 0
• [그림 3-37] 허니컴 흡착탑 중앙의 온도 변화 ... 0
• [그림 4-1] 회전식 이산화탄소 흡착장치 ... 0
• [그림 4-2] 허니컴 TSA 장치의 P&ID ... 0
• [그림 4-3] 허니컴 TSA 장치 사진 ... 0
• [그림 4-4] 모노리스 이산화탄소 흡착제의 흡착평형량 비교 ... 0
• [그림 4-5] 정지상태에서의 모노리스 이산화탄소 흡착제의 흡착파과특성 ... 0
• [그림 4-6] 회전상태에서의 모노리스 이산화탄소 흡착제의 흡착파과특성 ... 0
• [그림 4-7] 회전상태에서 모노리스 이산화탄소 흡착제의 재생온도변화 ... 0
• [그림 5-1] 고정식 모노리스 흡착탑 적용 PTSA공정 ... 0
• [그림 5-2] 모노리스 흡착제 적용 TSA 흡착탑의 재원 ... 0
• [그림 5-3] TSA 운전을 위해 적용된 모노리스 및 충진형태 ... 0
• [그림 5-4] 모노리스 흡착제를 이용한 PTSA 공정사진 ... 0
• [그림 5-5] 로터식 제습탑의 운전 결과 (재생온도: $120^{\circ}C$) ... 0
• [그림 5-6] 흡착-가열-냉각의 3-step 운전 시 탑 내의 온도변화 (스텝시간 각 10분) ... 0
• [그림 5-7] 흡착-가열-냉각의 3-step 운전 시 이산화탄소의 농도 변화(스텝시간 각 10분) ... 0
• [그림 5-8] 흡착-가열-냉각의 3-step 운전 시 탑 내의 온도변화 (스텝시간 각 20분) ... 0
• [그림 5-9] 흡착-가열-냉각의 3-step 운전 시 이산화탄소의 농도 변화(스텝시간 각 20분) ... 0
• [그림 5-10] 흡착-가열-냉각의 3-step 운전 시 탑 내의 온도변화 (스텝시간 각 30분) ... 0
• [그림 5-11] 흡착-가열-냉각의 3-step 운전 시 이산화탄소의 농도 변화(스텝시간 각 30분) ... 0
• [그림 5-12] 재생온도를 $100^{\circ}C$ 이하에서 탑 내의 온도 분포 (가열유량: $32m^3/h.$) ... 0
• [그림 5-13] 재생온도를 $100^{\circ}C$ 이하에서 탈착가스 중의 이산화탄소 농도 ... 0
• [그림 5-14] 가열 재생 시간에 따른 탈착 가스의 유량 변화 ... 0
• [그림 5-15] 4-step 운전 시 모노리스 흡착탑의 내부 온도 변화 ... 0
• [그럼 5-16] 4-step 운전 시 TSA 운전에서 얻어지는 탈착 배가스의 유량 ... 0
• [그림 5-17] 원료 중의 이산화탄소 농도에 따른 TSA 세정 배가스 중 이산화탄소 농도 변화 a) 7% b) 11.5% ... 0
• [그림 5-18] 2단 PSA에서 얻어지는 이산화탄소의 농도 변화 (원료 $CO_2$: 11.5%) ... 0
• [그림 5-19] 2단 PSA에서 얻어지는 제품의 유량 변화 (원료 $CO_2$: 11.5%) ... 0
• [표 2-1] 다양한 아민부과 흡착제의 연구결과 ... 0
• [표 3-1] TEOS로 처리한 제올라이트 13X (BSSX1)의 물성 ... 0
• [표 3-2] 합성된 HMS의 물성 ... 0
• [표 3-3] Na-X, 이온교환 제올라이트 및 제올라이트 쉬트의 이산화탄소 평형흡착량($30^{\circ}C$) ... 0
• [표 3-4] 모노리스 이산화탄소 흡착제의 특성 ... 0
• [표 4-1] 주요기기 사양 ... 0
• [표 5-1] 모노리스 흡착탑의 3-step 운전 구성 ... 0
• [표 5-2] $CO_2$ PTSA 공정 부품 사양 요약 ... 0
• [표 5-3] 흡착시간별 이산화탄소 탈착량 ... 0
• [표 5-4] 4-step TSA 공정의 운전구성 ... 0
• [표 5-5] 2단 PSA 공정의 운전구성 ... 0