[보고서]CO2 포집 공정 시뮬레이션 및 공정 최적화

보고서 정보

주관연구기관

서강대학교
Sogang University

보고서유형

1단계보고서

발행국가

대한민국

언어

한국어

발행년월

2014-07

과제시작연도

2013

주관부처

미래창조과학부
Ministry of Science, ICT and Future Planning

등록번호

TRKO201400028289

과제고유번호

1345197646

사업명

기후변화대응기술개발

DB 구축일자

2014-11-22

키워드

CO2 포집.공정 모델링.공정모사.공정개발.경제성평가.CO2 capture.Process modeling.Process simulation.Process development.Economic evaluation.

DOI

https://doi.org/10.23000/TRKO201400028289

표 연구개발의 범위 및 타 기관과의 관계.
표 CO2 포집 공정의 운전 비용 구성 요소.
표 DOE/NETL의 CO2 포집 공정 기술 개발 타임라인[2].
표 CO2 포집 기술 대표 연구 그룹의 TRL[3].
표 Southern Co.의 25 MW 급 파일럿 플랜트.
표 Linde-BASF 의 파일럿 플랜트 공정 모식도.
표 Rochelle 그룹의 0.1 MW 급 파일럿 플랜트.
표 Calcium looping 공정의 개략적인 개념도.
표 TDA research에서 개발 중인 TSA 공정 개념도.
표 한국전력 연구원의 0.1 MW 급 파일럿 플랜트.
표 한국전력 연구원의 0.1 MW 급 파일럿 플랜트.
표 RIST의 0.5 MW 급 파일럿 플랜트.
표 습식 공정 1단계 연차별 연구개발 내용.
표 건식 공정 1단계 연차별 연구개발 내용.
표 배가스의 조성.
표 MEA 용액의 조성.
표 흡수탑에서의 3 가지 공정 변수.
표 (가) 흡수탑 높이에 따른 lean 용액의 변화 (나) 흡수탑 내경에 따른 lean 용액의 변화 (다) Lean 용액 온도에 따른 lean 용액의 변화.
표 탈착탑에서의 3 가지 공정 변수.
표 (가) Rich 용액 온도에 따른 재생에너지 변화 (나) 탈착탑 높이에 따른 재생에너지 변화 (다) 탈착탑 내경에 따른 재생에너지 변화.
표 MEA 공정 base case 공정흐름도.
표 Base case 온도, 압력 및 유량 결과.
표 Base case에서의 CO2의 Inlet/Outlet 유량.
표 (가) L/G 비율에 따른 로딩 변화. (나) L/G 비율에 따른 재생에너지 변화.
표 습식 공정에 대한 기존 개선안 분류[29,34-39].
표 공정 원리에 따른 기존 개선안 분류.
표 네 가지의 공정 개선안이 적용된 습식 공정의 공정흐름도.
표 네 가지의 공정 개선안을 적용한 에너지 계산 결과.
표 반응기 형태별 공정 열통합 방안. (가) 향류 이동층 공정의 1단 단위 공정 열통합 방안, (나) 기포/고속 유동층 공정의 다단 공정 열통합 방안.
표 일정한 배가스 유입속도에 대한 흡수제의 입도와 밀도에 따른 공정 형태. (가) u=10cm/sec, (나) u=50cm/sec.
표 입자 크기와 조건에 따른 기포 유동층 공정의 분류
표 기포 유동층 반응기와 고속 유동층 반응기의 탑 내 반지름 방향으로 영역 차이기포 유동층과 마찬가지로 고속 유동층 또한 K-L 모델을 이용하였다[40.41,45].
표 고속 유동층 반응기 출구의 기하학적 구조와 고체 부피분율 사이의 관계
표 향류 이동층 반응기 흡수탑의 기체/흡수제 흐름.
표 공정 모델링에 대한 입출력 도식도.
표 미세입자와 중간입자 기포 유동층 공정에 대한 전환율 비교
표 고체 순환량 변화에 따른 흡수탑 제열량과 CO2 전환율의 변화
표 흡수제 높이에 따른 CO2 전화율의 변화. (가) CO2의 전화율(X)=1, (나) CO2 전화율(X)=0.99, (다) CO2 전화율(X)=0.9.
표 0.5MW 화력 발전소 배가스 조건.
표 후단에서의 수분 제거 및 액화 공정에 대한 공정흐름도.
표 0.5MW 1단 기포 유동층 포집 공정에 대한 설계자료.
표 1단 기포 유동층 포집 공정(0.5MW pilot)의 열 및 물질수지.
표 3단 기포 유동층 포집 공정(0.5MW pilot)의 열 및 물질수지.
표 0.5MW 1단 고속 유동층 포집 공정에 대한 설계자료.
표 1단 고속 유동층 포집 공정(0.5MW pilot)에 대한 열 및 물질수지.
표 3단 고속 유동층 포집 공정(0.5MW pilot)에 대한 열 및 물질 수지.
표 0.5MW 1단 향류 이동층 포집 공정에 대한 설계자료. (직경 210 K2CO3 사용 시.)
표 흡수제 지름 변화에 따른 최소 유동화 속도 변화. (Zone Ⅰ- 향류 이동층 포집 공정 운전지역, Zone Ⅱ- 기포/고속 유동층 포집 공정 운전지역.)
표 흡수제 지름 변화에 따른 흡수탑 지름의 변화. (210 K2CO3의 경우 300cm의 흡수탑 지름 필요.)
표 흡수제 지름 변화에 따른 반응속도 비의 변화. (210 K2CO3의 경우의 반응속도를 1이라고 가정했을 시에 흡수제 지름에 따른 반응속도의 비.)
표 0.5MW 1단 향류 이동층 포집 공정에 대한 설계자료. (직경 700 K2CO3 사용 시.)
표 1단 향류 이동층 포집 공정(0.5MW pilot)에 대한 열 및 물질 수지.
표 0.5MW 포집 공정 운전 주요 성능 비교.
표 전처리된 500 MW 급 발전소의 배가스 조건.
표 MEA 기반 시뮬레이터 도식도.
표 흡수탑 상세 설계 변수.
표 탈착탑 상세 설계 변수.
표 열교환기 상세 설계 변수.
표 Base case 공정의 구성 장치별 장치비 비율.
표 CO2 포집+압축 / CO2 포집+압축+이송+저장 공정의 CO2 avoidance cost 계산 결과.
표 (가) CO2 포집+압축 공정의 비용 분석 (나) CO2 포집+압축+이송+저장 공정의 비용 분석.
표 (가) 흡수탑 높이 변화에 따른 총 장치비, 재생에너지 (나) 흡수탑 높이 변화에 따른 CO2 avoidance cost 변화.
표 (가) 탈착탑 높이 변화에 따른 총 장치비, 재생에너지 (나) 탈착탑 높이 변화에 따른 CO2 avoidance cost 변화.
표 (가) MTA 변화에 따른 총 장치비, 재생열 (나) MTA 변화에 따른 CO2 avoidance cost 변화.
표 흡착탑/탈착탑 재질에 따른 총 장치비 및 CO2 avoidance cost 변화.
표 CAPEX 관점에서 총 포집 비용 감소 공정.
표 LEANOUT의 온도가 흡수능에 미치는 영향.
표 Base case와 CAPEX 감소 공정의 열교환기 장치비 및 증감율.
표 (가) Base case와 CAPEX 감소 공정(New case1)의 총 장치비 (나) CO2 avoidance cost.
표 Membrane-compression 공정.
표 Membrane-compression 공정의 Compressor에 의한 압축 증가에 따른 에너지 감소율 정도.
표 Intercooling + MTA 감소 + Membrane-compression 공정.
표 기존 흡수제와 신규 흡수제의 흡수 용량 및 반응열 비교.
표 MEA와 KHU-4A의 성능 비교.
표 KHU-4A 모델링 진행도.
표 실험을 수행한 물성 리스트.
표 (가) 신규 흡수제의 밀도 추정 결과 (나) 신규 흡수제의 증기압 추정 결과 (다) 신규 흡수제의 점도 추정 결과 (라) 신규 흡수제의 비열 추정 결과.
표 신규 흡수제의 계산된 물성.
표 실험을 수행한 혼합물 물성 리스트.
표 (가) A1의 혼합물 밀도 추정 결과 (나) M2의 혼합물 물성의 추정 결과 (다) R2의 혼합물 물성의 추정 결과.
표 신규 흡수제 3 종의 5 가지 반응에 대한 평형 상수.
표 A1-물-이산화탄소 / M2-물-이산화탄소 / R2-물-이산화탄소의 VLE 실험값 및 추정값.
표 WWC 도면.
표 Two film theory의 모식도[54].
표 (가) WWC 장치의 사진 (나) WWC 실험의 원리.
표 Overall mass transfer coefficient를 구하는 방법.
표 KHU-4A의 온도, 로딩에 따른 WWC 결과.
표 KHU-4A와 MEA[55] 의 흡수 속도 비교.
표 MEA, 신규 흡수제, HYD의 특성 비교.
표 흡수제의 점도와 흡수 속도에 대한 관계.
표 세 흡수제의 특성으로부터 예측된 재생에너지, 전기에너지 및 주요 장치의 크기 비율.
표 MEA, 신규 흡수제, HYD에 대한 포집+압축 공정 CO2 avoidance cost 및 구성 요소 비율.
표 알콜 기반 흡수제의 종류와 흡수능 및 재생 능력[56].
표 UOP 사의 Selexol 공정 흐름도[58].
표 Lurgi 사의 Rectisol 공정 흐름도[58].
표 Selexol 공정과 Rectisol 공정의 특성 비교[58].
표 선택된 흡수제의 성질 및 운전 온도.
표 중온 흡수제 MgO의 반응 속도와 관련된 파라미터들의 값.
표 고온 흡수제 CaO의 반응 속도와 관련된 파라미터들의 값.
표 Aspen Plus를 이용하여 구축한 범용 시뮬레이터의 flow-sheet.
표 3단 건식 포집 공정에 적용 가능한 유동층 반응기 형태 4가지에 대한 개념도. (가) dense-dense, (나) dense-dilute, (다) dilute-dense, (라) dilute-dilute
표 각 반응기 형태에 대한 가열/제열 열량 및 내부 에너지 교환으로 인한 에너지 감소량.
표 각 반응기 형태에 대한 주요 열 교환량.
표 각 반응기 형태에 대한 공정 평가 결과.
표 고체 스트림 간 직접 열 교환을 위해 제안된 4가지 직접 열 교환 개념도.
표 고체 스트림 간 직접 열 교환을 위해 제안된 4가지 직접 열 교환 개념도.
표 4가지 형태의 고체간 열 교환 방식에 따른 공정 성능 결과.
표 3단 건식 포집 공정의 주요 변수에 변화에 따른 열적에너지 요구량 및 OPEX의 변화. (가) 흡수탑 내 흡수제 전화율 변화시, (나) 고체 간 열 교환기에서 MITA의 변화시.
표 1단 건식 공정에서 HTF를 이용한 고체 간 간접 열 교환 방식의 개념도.
표 선정된 흡수제의 주요 물리적 성질 및 HTF의 종류.
표 Aspen Plus를 이용한 경제성 평가용 3단 건식 포집 공정 모델 개발.
표 저온/중온/고온 영역의 하부 공정 간 내부 열 교환을 고려할 때와 고려하지 않을 때의 열적 가열/냉각 에너지.
표 3단 건식 흡수 공정의 주요 열 교환기의 열 교환량.
표 3단 건식 포집 공정의 운전 비용 기반 경제성 평가 결과. (a유틸리티 식 이용).
표 3단 건식 포집 공정의 각 유틸리티에 대한 비용 추산 결과.
표 Equivalent work 개념을 이용한 습식 흡수 공정과 제안 공정의 성능 평가.
표 3단 건식 포집 공정의 주요 장치부 사이징 결과 (60 Nm3/hr 배가스 대상, 90% CO2 포집 공정 대상)
표 Bench 규모 공정 PFD 도면(한국화학연구원 제공)
표 3단 건식 포집 공정의 PFD에 대한 스트림 데이터. (60 Nm3/hr 배가스 대상 90% CO2 포집 공정 대상)
표 1단 향류 이동층 흡수탑 실험장비의 개략적 개념도 및 사진.
표 단일 흡/탈착탑 실험 장비의 개념도.
표 고정층 흡착실험 조건.
표 CO2 파과 곡선 그래프.
표 흡착진행에 따른 탑 내부의 온도 변화 (위부터 차례대로 흡착탑 하부, 중간, 출구).
표 탈착탑 내 고온의 흡착제를 흡착탑 투입 시 흡착제의 온도 변화.
표 흡착탑 내부의 온도변화 그래프 (왼쪽 - 냉각장치O, 오른쪽 -냉각장치X).
표 KHU-4A 모델링 진행도.
표 실험을 수행한 KHU-4A-물-이산화탄소 시스템의 물성 리스트.
표 KHU-4A-물-이산화탄소 시스템의 (가) 온도, 로딩에 따른 밀도 추정값 (나) 온도, 로딩에 따른 점도 추정값.
표 추정된 eNRTL 모델 파라미터와 평형 상수 파라미터.
표 온도에 따른 추정된 평형 상수.
표 KHU-4A-물-이산화탄소 시스템의 VLE 실험값 및 추정값
표 (가) A1-물-이산화탄소 시스템의 로딩에 따른 물질 농도 분포 및 NMR 실험 결과와의 비교 (나) M2-물-이산화탄소 시스템의 로딩에 따른 물질 농도 분포 및 NMR 실험 결과와의 비교 (다) R2-물-이산화탄소 시스템의 로딩에 따른 물질 농도 분포 예측 (라) KHU-4A-물-이산화탄소 시스템의 로딩에 따른 물질 농도 분포 예측
표 (가) A1(흡수제1)과 M2(흡수제2)의 반응열 실험값 (나) A1(파랑)과 M2(초록)의 반응열 추정값
표 A1/M2-물-이산화탄소 시스템의 (가) 온도, 로딩에 따른 k
표 WWC 실험값 추정 결과 및 반응 경로별 반응 파라미터 도출.
표 연속 순환장치 및 시뮬레이션 추정 결과.
표 모델로부터 도출된 파라미터.
표 KHU-4A 기본 공정 및 energy balance.
표 흡수탑 상세 설계 변수.
표 탈착탑 상세 설계 변수.
표 KHU-4A (1 atm) / KHU-4A (2atm) / MEA 공정의 경제성 평가 결과 비교.
표 저에너지형 KHU-4A 신 공정 모식도.
표 KHU-4A / 저에너지형 KHU-4A / MEA 공정 성능 비교.
표 MEA / PZ[습22] / HYD 의 흡수제 성능 비교.
표 (가) 온도, 로딩에 따른 HYD의 k
표 HYD 모델링 진행도.
표 순수 HYD 물성의 실험값 및 추정값 비교.
표 추정된 eNRTL 모델 파라미터와 평형 상수 파라미터.
표 온도에 따른 추정된 평형 상수.
표 HYD-물-이산화탄소 시스템의 VLE 실험값 및 추정값.
표 VLE로부터 계산한 HYD의 반응열 및 모델로부터의 추정값.
표 (가) 40 ℃에서의 MEA/KHU-4A/HYD의 로딩에 따른 k
표 40 ℃에서의 HYD과 MEA의 k
표 HYD 평형 공정 및 energy balance.
표 (가) 1 atm (나) 2 atm (다) 5 atm (라) 10 atm에서의 HYD 공정 재생에너지 분석.
표 탈착탑 압력과 로딩에 따른 (가) 탈착탑 하부의 온도 비교 (나) equivalent work 비교.
표 탈착탑과 flash-drum 비교.
표 재생에너지 추정을 위해 필요한 정보 리스트.
표 흡수제별 재생에너지 예측 결과.
표 흡수제별 재생에너지 계산 결과 분석.
표 알콜 기반 흡수제의 공정 모식도 예상.
표 저온/중온/고온 흡수제의 기본 물성치 및 작동 온도 범위
표 사이클 수 (N)에 따른 흡수제의 성능 저하 모델 및 흡수제의 순환도
표 저온/중온/고온 흡수제의 흡수능 감소 파라미터 및 평균 사이클에 대한 고체 전화율
표 고속 유동층 반응기의 주요 모델 파라미터
표 2단 건식 포집 공정의 열 및 물질 전달 수지 결과. (각 스트림의 ⦁/⦁/⦁(온도 K)는 각각 CO2/H2O/N2의 질량 유량 (t/hr)과 해당 스트림의 온도를 나타냄.
표 2단 건식 포집 공정을 500MWe의 화력 발전소 후단에 설치 시 공정 설계 주요 파라미터. (전체 배 가스의 각 온도 별 처리량은: 저온-47.1%, 중온-52.9% 임)
표 2단 건식 포집 공정의 흡수/탈착탑 내에서의 탑 방향에 대한 고체 분포.
표 3단 건식 포집 공정의 열 및 물질 전달 수지 결과
표 다단 포집 공정의 높은 열원을 갖는 기체로부터 현열 회수를 위해 병합된 외부 steam cycle의 계산 예
표 3단 건식 포집 공정을 500MWe의 화력 발전소 후단에 설치 시 공정 설계 주요 파라미터. (전체 배 가스의 각 온도 별 처리량은: 저온-32.2%, 중온-36.2%, 고온-31.6% 임)
표 주요 운전/공정 파라미터 변화에 따른 CO2 회수율 변화(가) 및 CO2 회수율을 85%로 갖는 제한 조건 내에서 플랜트 전력 효율 변화(나).
표 주요 변수의 nominal 값 및 민감도 분석을 통해 찾은 최적 운전 조건.
표 최적 운전 조건에서 다단 건식 포집 공정의 에너지 소비량
표 다단 건식 포집 공정의 각 항목 별 에너지 소비량 분석.
표 에너지 측면에서의 다단 건식 포집 공정과 습식 포집 공정의 성능 비교.
표 다단 건식 포집 공정의 경제성 평가를 위해 반영한 비용 요소.
표 1단 건식 포집 공정과 3단 건식 포집 공정의 경제성 비교.
표 3단 건식 포집 공정의 연간 투자 비용 및 장치비와 전기비의 상세 소요 항목비.
표 다단 건식 포집 공정과 타 공정간의 성능 비교. (a[73]와 B[73,74]는 각각 참고 문헌으로부터 얻은 데이터를 나타냄.)
표 CO2 포집 공정별 CO2 포집에 드는 비용 비교.
표 흡수 속도 변화에 따른 플랜트 전력 효율 및 CO2 포집 비용 변화(가)와 흡수능 변화에 따른 전력 효율 및 CO2 포집 비용 변화(나).
표 흡수제 흡수열 변화에 따른 플랜트 전력 효율 및 CO2 포집 비용 변화(가)와 흡수제 입도 변화에 따른 전력 효율 및 CO2 포집 비용 변화(나).
표 고온 흡수제의 운전 온도 변화에 따른 공정 성능 변화
표 건식 흡수제의 바람직한 개발 방향
표 3단 건식 포집 공정 bench 규모 실험 장비의 개념도
표 기존 모델과 새롭게 구축한 모델의 시뮬레이션 결과 비교. (가) 흡수탑 높이에 따른 CO2 농도의 변화, (나) 흡수탑 높이에 따른 반응기 온도의 변화.
표 가정한 건식 흡수제 A, B, C의 흡수능 및 흡수속도
표 가정한 흡수제들에 대한 흡수제 질량 flux 변화에 따른 공정의 recovery 변화.
표 열 교환기 유무 따른 recovery 변화. (가) 흡수제 A, (나) 흡수제 B, (다) 흡수제 C.
표 흡수제의 질량 flux 변화가 공정에 미치는 영향. (가) Recovery 변화, (나) kinetics가 고려된 cyclic capacity 변화, (다) 압력강하량 변화, (라) 현열 열교환량 변화
표 MgO의 다양한 온도 및 농도에서의 흡수 및 재생 속도 데이터에 대한 반응 모델식 fitting 결과.
표 반응 모델식의 파라미터 추정 값 및 fitting 결과에 따른 R squared 값.
표 Cyclic capacity와 absorption rate에 따른 건식 흡수제와 습식 흡수제의 성능 비교.
표 온도 증가에 따른 물리적 흡착 시와 화학적 흡착 시의 working capacity 감소량 비교.
표 중온 흡수제 MgO의 TGA 실험 결과(가) 및 흡착 평형 데이터(나).
표 실험데이터를 fitting하여 얻은 중온 흡수제 MgO의 흡착 평형 곡선.
표 중온 흡수제 MgO 흡착 평형 모델식의 파라미터 fitting 결과.
표 발명 1의 공정 도면.
표 발명 2의 공정 도면.

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