초록 ▼

기후변화협약에 대응하고 지구온난화를 방지하기 위해 이산화탄소 포집 및 저장 (CCS)의 중요성이 크게 증가하고 있다. 그러나 현재까지 개발된 이산화탄소 포집공정을 석탄화력발전소에 적용할 경우 화력발전소 건설비가 80% 이상 증가하며, 전력가격이 60% 이상 증가하기 때문에 경제적이고 효율적인 이산화탄소 분리기술이 요구되고 있다. 본 연구에서는 지구온난화에 가장 큰 영향을 미치는 이산화탄소를 회수하기 위한 원천 핵심소재 개발 및 저장치비/저에너지소비 대량 CO2 분리포집공정 개발을 위해 “고농도 CO₂ 포집용 파일

기후변화협약에 대응하고 지구온난화를 방지하기 위해 이산화탄소 포집 및 저장 (CCS)의 중요성이 크게 증가하고 있다. 그러나 현재까지 개발된 이산화탄소 포집공정을 석탄화력발전소에 적용할 경우 화력발전소 건설비가 80% 이상 증가하며, 전력가격이 60% 이상 증가하기 때문에 경제적이고 효율적인 이산화탄소 분리기술이 요구되고 있다. 본 연구에서는 지구온난화에 가장 큰 영향을 미치는 이산화탄소를 회수하기 위한 원천 핵심소재 개발 및 저장치비/저에너지소비 대량 CO2 분리포집공정 개발을 위해 “고농도 CO₂ 포집용 파일럿공정 개발”, “CO2 포집용 세공형 고체흡수제 개발”, “연소배가스에서 고압 CO2 포집공정개발 활용한 연소기술 및 배가스 처리기술 개발”, “액상 아미노실란 흡수제를 이용한 연소전 CO2 포집기술개발”, “CO2 포집형 축열식 순산소 환원연소 응용기술개발”, “kWth급 석탄연소 매체순환 연소기술개발”의 6개 분야를 연구하였다.
당해연도 연구수행을 통해, 흡수제의 최적화, 연속 포집 공정의 검증, 파일럿 공정(100Nm3/h) 제작을 위한 초안 설계(1 Nm3/h)를 작성하였고, 이산화탄소 포집용 세공형 고체흡수제로서 cucurbit[6]uril(CB[6]), Natural Cellulose Fiber(NCF) 그리고 Mg-MOF-74 흡착제를 연구하였으며 연소배가스에서 CO₂를 포집하여 고압의 CO₂를 생산하는 공정개발을 개발하기 위하여 결정화 기반 흡수액과 중탄산염 결정화 분리공정을 개발하는 연구를 수행하였다. 또한 액상 아미노실란에 Selexol을 첨가한 비수계 혼합흡수제가 3.65 mol CO₂/mol absorbent의 가장 높은 CO₂ 흡수능을 가지는 것을 확인하였고 초저 과잉산소비 환원연소를 위한 순산소 연소 동특성, 축열/재생 특성 및 연료/산소/RFG-산소/RFG 동시 고온 예열 분사 연소특성에 대한 연구를 수행하고 1.0 MWth급 축열식 순산소 연소 가열시스템을 설계 구축하였으며 열중량분석기와 회분식유동층 반응기를 사용하여 최적 석탄과 산소공여입자를 선정하고 직접연소특성에 미치는 여러 변수들의 영향을 해석하였다.

Abstract ▼

In this study, we have developed CO₂ sorption materials and a low-cost CO₂ capture process. For this, the project consists of 6 subjects and the results are as follows:
1. The optimization of CO₂ absorbent, evaluation of continuous CO₂ capture process a

In this study, we have developed CO₂ sorption materials and a low-cost CO₂ capture process. For this, the project consists of 6 subjects and the results are as follows:
1. The optimization of CO₂ absorbent, evaluation of continuous CO₂ capture process and design of draft (1 Nm3/h) for design pilot process (100 Nm3/h) was accomplished by “Development of pilot process to capture a concentrated CO₂” project in this year.
Especially, it was good result that the basis establishment for construction of pilot process through the confirmation of chemical absorbent composition to capture a concentrated CO₂ was gained in this year.
2. cucurbit[6]uril(CB[6]), Natural Cellulose Fiber(NCF) and Mg-MOF-74 as micro porous adsorbents for CO₂ capture were developed. Those adsorbents were evaluated through adsorbent selection test, adsorption performance test and breakthrough test.
3. We developed precipitating solvent with rate promoters and CO₂ capture and crystallization separation process to produce high pressure CO₂ from combustion flue gas.
4. The non-aqueous liquid aminosilanes containing Selexol has the highest CO₂ absorption of 3.65 mol CO₂/mol absorbent. Thus we found that the aminosilanes sorbent could be useful as a CO₂ absorbent in the industry dealing the high pressure process or exhaust gas.
5. Experimental works on combustion dynamics, regeneration characteristics and fuel/oxygen/RFG-oxygen/RFG jets combustion characteristics were carried out for the development of a near stoichiometric regenerative fuel preheating oxy-fuel burner and 1.0MWth class regenerative oxy-fuel combustion system.
6. In the "Development of kWth range Coal-fired Chemical Looping Combustion technology" project, we selected the best coal and oxygen carrier based on the results from TGA and batch fluidized reactor. Moreover, effects of operation conditions on direct combustion of coal were examined.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 3
• 요약문 ... 5
• SUMMARY ... 13
• CONTENTS ... 23
• 목차 ... 32
• 그림목차 ... 40
• 표목차 ... 53
• Ⅰ. 고농도 CO2 포집용 파일럿 공정 개발 ... 57
• 제 1 장 서 론 ... 59
• 제 1 절 연구의 필요성 ... 59
• 제 2 절 연구의 개요 ... 61
• 제 2 장 화학적 흡수법 ... 66
• 제 1 절 화학적 흡수법 개론 ... 66
• 제 2 절 화학적 흡수 반응 메커니즘 ... 68
• 1. 아민 수용액 ... 68
• 가. 1차, 2차 아민 ... 68
• 나. 3차 아민 ... 70
• 다. 입체장애 아민 ... 71
• 2. 탄산칼륨 수용액 ... 72
• 3. 촉진 탄산칼륨 수용액 ... 73
• 제 3 장 고농도 CO2 포집용 흡수제 최적화 ... 74
• 제 1 절 흡수제 선별 ... 74
• 1. 실험장치 및 방법 ... 74
• 2. 흡수량 계산법 ... 75
• 3. 겉보기 흡수속도 계산법 ... 78
• 4. 결과 및 고찰 ... 79
• 가. 증진제 수용액 ... 79
• 나. 탄산칼륨 + 증진제 혼합 수용액 ... 87
• 제 2 절 이산화탄소 흡수능과 흡수열 ... 95
• 1. 실험장치 및 방법 ... 95
• 2. 흡수량 계산법 ... 96
• 3. 흡수열 계산법 ... 97
• 가. 열전달 계수 (UA) 결정 ... 97
• 나. 흡수열 계산 ... 99
• 4. 결과 및 고찰 ... 100
• 가. 이산화탄소 흡수능 ... 101
• 나. 이산화탄소 흡수열 ... 104
• 제 3 절 이산화탄소 흡수 속도 ... 107
• 1. 실험장치 및 방법 ... 107
• 2. 흡수속도 계산법 ... 109
• 3. 결과 및 고찰 ... 111
• 제 4 절 이산화탄소 포집을 위한 연속 공정 테스트 ... 114
• 1. 실험장치 및 방법 ... 114
• 2. 결과 및 고찰 ... 115
• 제 4 장 파일럿 공정 설계를 위한 초안 설계 ... 116
• 제 5 장 결 론 ... 124
• 참 고 문 헌 ... 125
• Ⅱ. CO2 포집용 세공형 고체 흡수제 개발 ... 129
• 제 1 장 서 론 ... 131
• 제 1 절 연구배경 ... 131
• 제 2 절 연구의 개요 ... 132
• 1. 기체흡착 기술개요 ... 132
• 2. 이산화탄소포집 흡착공정 기술개발 현황 ... 134
• 3. 물리흡착과 화학흡착 ... 136
• 4. 흡착제의 선정 ... 136
• 제 3 절 연구의 목적 ... 139
• 제 2 장 실험방법 및 이론적 고찰 ... 140
• 제 1 절 실험 방법 ... 140
• 1. 흡착 평형 및 속도 측정 방법 ... 140
• 2. 흡착 파과 실험 ... 142
• 3. 실험 장치 ... 144
• 가. MSB (Magnetic Suspension Balance) 장비 ... 144
• 나. PSA 및 TSA (Pressure and Thermal Swing Adsorption) 장비 ... 144
• 제 2 절 이론적 고찰 및 수학적 모형 ... 148
• 1. 흡착 평형론 ... 148
• 2. 흡착 속도론 ... 149
• 제 3 장 cucurbit[6]uril (CB[6]) 흡착제 ... 151
• 제 1 절 CB[6] 흡착제의 합성 ... 151
• 1. CB[6] powder의 합성 ... 151
• 2. CB[6] pellet의 성형 ... 151
• 제 2 절 CB[6] 흡착제의 물리적 특성 ... 153
• 1. CB[6]의 물리적 특성 ... 153
• 2. CB[6]의 열적 안정성 ... 153
• 제 3 절 CB[6] powder의 CO2, N2, CH4, CO 흡착 평형 ... 157
• 1. CB[6] powder의 CO2, N2, CH4, CO의 흡착 평형 ... 157
• 2. CB[6] powder의 CO2 흡착열 ... 157
• 3. CB[6] powder의 CO2/N2 흡착 선택도 ... 162
• 제 4 절 CB[6] pellet의 CO2/N2 흡착 파과 ... 164
• 1. CB[6] pellet의 CO2/N2 흡착 파과 ... 164
• 제 5 절 결 론 ... 167
• 제 4 장 Natural Cellulose Fiber (NCF) 흡착제 합성 ... 168
• 제 1 절 NCF 합성을 위한 실험 재료 및 방법 ... 168
• 제 2 절 실험 결과 및 고찰 ... 170
• 제 5 장 Mg-MOF-74 흡착제 합성 ... 172
• 제 1 절 Mg-MOF-74 개론 ... 172
• 제 2 절 MOF 합성 방법 및 특성 연구 방법 ... 173
• 1. 실험 방법 ... 173
• 2. MOF 합성 ... 173
• 제 3 절 실험결과 및 토의 ... 174
• 1. Mg-MOF-74 powder의 특성 분석 ... 174
• 2. Mg-MOF-74 powder의 CO2 흡착 특성 ... 176
• 제 6 장 결 론 ... 180
• 참 고 문 헌 ... 182
• Ⅲ. 연소배가스에서 고압 CO2 포집공정개발 ... 185
• 제 1 장 서 론 ... 187
• 제 1 절 연구 목적 ... 187
• 제 2 절 기술의 개요 ... 188
• 1. 고압 CO2 포집공정 ... 188
• 2. 결정화 가능 흡수액 ... 189
• 제 2 장 흡수속도 향상 첨가제 개발 ... 190
• 제 1 절 첨가제 스크리닝 ... 190
• 1. 첨가제 ... 190
• 2. 실험 장치 및 방법 ... 191
• 3. 실험 결과 및 고찰 ... 192
• 제 2 절 흡수속도 측정 ... 193
• 1. 실험 장치 및 방법 ... 193
• 2. 실험 결과 및 고찰 ... 196
• 제 3 장 결정화 기반 분리공정 개발 ... 200
• 제 1 절 용액 물성 ... 200
• 1. 용해도 ... 200
• 2. Metastable Zone ... 202
• 제 2 절 결정화 공정 ... 206
• 1. 회분식 결정화 ... 206
• 2. 연속식 결정화 ... 213
• 제 3 절 반용매 첨가제 ... 215
• 1. 반용매 스크리닝 ... 215
• 2. 농도 분석법 ... 218
• 3. 결정화 용액 농도 분석 ... 221
• 제 4 절 재생 공정 ... 224
• 1. 실험 장치 및 방법 ... 224
• 2. 실험 결과 및 고찰 ... 225
• 제 4 장 결 론 ... 227
• 참고문헌 ... 228
• Ⅳ. 액상 아미노실란 흡수제를 이용한 연소전 CO2 포집기술개발 ... 231
• 제 1 장 서 론 ... 233
• 제 2 장 실험 방법 ... 236
• 제 1 절 계산 화학적 방법 ... 236
• 제 2 절 WWC 실험 ... 236
• 제 3 절 VLE 실험 ... 238
• 제 4 절 사용된 아미노실란 및 상용 흡수제 ... 241
• 제 5 절 CO2 흡수 측정 장치 ... 243
• 제 6 절 점도의 측정 ... 245
• 제 3 장 결과 및 고찰 ... 246
• 제 1 절 계산화학 결과 ... 246
• 1. 물리 흡수제와 CO2의 상호작용에너지 ... 246
• 2. 물리 흡수제와 CO2간의 거리 ... 259
• 3. Mulliken charge ... 261
• 제 2 절 화학 흡수제 실험 결과 ... 270
• 1. 화학 흡수제와 base사이의 관계 ... 270
• 2. MEA와 2-hydroxyethylhdrazine 혼합용액의 흡수능 ... 271
• 3. 겉보기 속도 ... 272
• 4. WWC(Wetted Wall Column)결과 ... 273
• 제 3 절 아미노실란 계열 화합물 ... 274
• 1. 상용 흡수제와 아미노 실란계 흡수제 CO2 흡수능 비교 ... 274
• 2. 수계 최적 혼합 비율 결정 ... 275
• 3. 비수계 예비 실험 ... 279
• 4. 비수계 최적화 ... 284
• 제 4 장 결 론 ... 287
• 제 1 절 물리 흡수제 ... 287
• 제 2 절 화학 흡수제 ... 287
• 제 3 절 수계와 비수계 조건에서의 아미노 실란 CO2 흡수특성 ... 287
• 참고문헌 ... 289
• V. CO2 포집형 축열식 순산소 환원연소 응용기술 개발 ... 291
• 제 1 장 서 론 ... 293
• 제 2 장 순산소 연소기술 현황 ... 295
• 제 1 절 산소연소기술의 특성 ... 295
• 1. 산소연소기술의 개요 ... 295
• 2. 순산소 연소가열시스템의 핵심 요소기술 ... 298
• 3. 순산소 연소기술의 적용 분야 ... 299
• 4. 에너지 절약성 및 경제성 ... 300
• 제 2 절 국내 기술개발 현황 ... 309
• 제 3 절 국외 기술개발 현황 ... 311
• 1. 철강분야 ... 311
• 2. 유리공업 ... 313
• 3. 발전분야 ... 314
• 제 3 장 순산소 연소 특성 ... 320
• 제 1 절 수소 첨가가 메탄-산소 확산화염에 미치는 영향 ... 320
• 1. 연구방법 ... 320
• 2. 연구결과 ... 324
• 제 2 절 일산화탄소 첨가가 메탄-산소 확산화염에 미치는 영향 ... 333
• 1. 연구방법 ... 333
• 2. 연구결과 ... 338
• 제 3 절 이산화탄소 첨가가 메탄-산소 확산화염에 미치는 영향 ... 346
• 1. 연구방법 ... 347
• 2. 연구결과 ... 351
• 제 4 절 결 론 ... 359
• 제 4 장 축열식 순산소 연소시스템 설계 ... 360
• 제 1 절 실험장치 구성 ... 360
• 제 2 절 실험방법 및 조건 ... 365
• 제 3 절 실험결과 및 분석 ... 370
• 1. 배가스 bypass 적용에 따른 축열/재생특성 ... 370
• 2. CO2 재순환 적용에 따른 축열/재생특성 ... 378
• 3. 노즐형상 변경에 따른 연료예열온도 및 배가스 특성 ... 381
• 4. 에너지절감 및 분위기 온도 균일성 ... 387
• 5. CO2 재순환형 축열식 순산소 연소 가열시스템 설계 ... 388
• 제 4 절 결 론 ... 391
• 제 5 장 결 론 ... 392
• 참고문헌 ... 393
• VI. kWth급 석탄연소 매체순환 연소기술 개발 ... 397
• 제 1 장 서 론 ... 399
• 제 1 절 연구배경 ... 399
• 제 2 절 문헌고찰 ... 401
• 제 3 절 연구목적 및 범위 ... 411
• 제 2 장 이론적 배경 ... 414
• 제 1 절 열중량분석기(TGA)에 의한 분석법 ... 414
• 제 2 절 회분식 유동층 반응기를 이용한 분석법 ... 415
• 1. 유동화의 정의 및 특성 ... 415
• 2. 배출기체의 농도분석 ... 417
• 제 3 장 실 험 ... 419
• 제 1 절 산소공여입자 ... 419
• 제 2 절 고체연료 ... 421
• 제 3 절 실험장치 ... 422
• 1. 열중량분석기(thermogravimetric analyzer, TGA) ... 422
• 2. 회분식 유동층 반응기(batch type fluidized bed reactor) ... 423
• 제 4 절 실험조건 및 방법 ... 426
• 1. 열중량분석기를 이용한 석탄의 탈휘발 및 연소실험 ... 426
• 2. 열중량분석기를 이용한 석탄의 직접연소 실험 ... 427
• 3. 열중량분석기에서 산소공여입자의 기체별 환원반응 실험 ... 429
• 4. 회분식 유동층 반응기에서 석탄의 탈휘발 실험 ... 430
• 제 4 장 결과 및 고찰 ... 431
• 제 1 절 열중량분석기를 이용한 석탄의 탈휘발 및 연소특성 ... 431
• 제 2 절 열중량분석기를 이용한 석탄의 직접연소 특성 ... 441
• 제 3 절 열중량분석기에서 산소공여입자의 기체별 환원반응 특성 ... 452
• 제 4 절 회분식 유동층 반응기에서 석탄의 탈휘발 특성 해석 ... 460
• 제 5 장 결 론 ... 467
• 참고문헌 ... 469
• 끝페이지 ... 475