보고서 정보
주관연구기관 |
한국에너지기술연구원 Korea Institute of Energy Research |
보고서유형 | 1단계보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2011-10 |
과제시작연도 |
2010 |
주관부처 |
지식경제부 Ministry of Knowledge Economy |
등록번호 |
TRKO201400028962 |
과제고유번호 |
1415113916 |
사업명 |
에너지자원기술개발지원 |
DB 구축일자 |
2014-11-29
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키워드 |
분리막.이산화탄소.연소전 포집.수성가스전이반응.온실가스.
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초록
▼
2. 개발내용 및 결과
- 기초 실험장치를 이용한 분리막 성능평가 : 연소전 CO2 포집용으로 개발 된 분리막 및 성능 비교평가를 위한 상용 A사 분리막 모듈에 대하여 기초실험을 수행하였으며, 이를 이용하여 포집공정 설계자료로 활용하였음
- 연소전 CO2 포집을 위한 수성가스전이반응 단위공정 개발 : 합성가스를 CO2와 H2로 전환하기 위한 수성가스전이반응(WGS)은 HTS와 LTS로 구성함. 조업조건으로 압력 1-20기압, S/C 비 2.5-
2. 개발내용 및 결과
- 기초 실험장치를 이용한 분리막 성능평가 : 연소전 CO2 포집용으로 개발 된 분리막 및 성능 비교평가를 위한 상용 A사 분리막 모듈에 대하여 기초실험을 수행하였으며, 이를 이용하여 포집공정 설계자료로 활용하였음
- 연소전 CO2 포집을 위한 수성가스전이반응 단위공정 개발 : 합성가스를 CO2와 H2로 전환하기 위한 수성가스전이반응(WGS)은 HTS와 LTS로 구성함. 조업조건으로 압력 1-20기압, S/C 비 2.5-5, HTS 온도는 350-400℃, LTS 온도는 180-230℃ 일 때, LTS 후단의 가스조성은 H2 57-60%, CO2 36-42%, CO는 1% 미만을 얻음
- 실험실규모 연소전 CO2 포집 공정 개발(2L/min) : 석탄가스화 시스템에 연계할 수 있는 WGS와 분리막 공정으로 구성된 시스템을 ASPEN과 Fluent를 이용하여 설계하고 제작 및 시운전하고, 공정 실험은 개발 분리막과 A사 분리막 모듈을 이용하여 운전함. 연소전 포집실험결과, 압력 15기압, 분리막단위면적당 유량이 60cc/min.cm2 조건에서 CO2 포집가스(retentate) 조성은 CO:H2:CO2 = 2.0:7.6:90.4%로 CO2를 90%이상 포집할 수 있음. A사는 10기압, 분리막단위면적당유량이 26cc/min.cm2 조건에서 permeate 조성은 CO:H2:CO2 = 1.0:35.7:63:3%의 성능을 보임
- 벤치규모 연소전 CO2 포집 공정 개발(1Nm3/hr) : 실험실규모 공정실험 결과를 이용하여 벤치규모 공정 설계, 제작 및 시운전 함. WGS와 다층분리막을 연계한 벤치규모 연소전 공정으로, 최적조건에 서 실험결과로 WGS 후단 조성은 CO:H2:CO2 = 0.76:59.45:39.79%, 분리막 공정 조건은 20기압, 400℃에서 CO2 포집가스 조성은 CO:H2:CO2 = 1.2:8.0:90.6%로 CO2를 90%이상 포집할 수 있음
- 석탄가스화 연계 연소전 CO2 포집 격상공정 설계 : 벤치규모 포집공정 실험결과와 공정 해석 툴을 이용하여 1ton-coal/day급 석탄가스화 시스템에 연계한 CO2 포집 격상공정 기본 설계 자료 확보
- 반응분리 동시공정 기반 기술 개발 : 촉매를 이용한 수성가스전이반응과 분리막을 이용한 CO2 포집을 동시에 할 수 있는 반응분리 공정 실험결과, 130% 이상의 CO 전환율을 얻음
Abstract
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The importance of developing CO2 capture and storage(CCS) technologies is increasing rapidly as it is closely related with preventing climate change by global warming. Among various CCS technologies, pre-combustion CO2 capture process using membranes are regarded as a next-gene
The importance of developing CO2 capture and storage(CCS) technologies is increasing rapidly as it is closely related with preventing climate change by global warming. Among various CCS technologies, pre-combustion CO2 capture process using membranes are regarded as a next-generation capture process due to its effectiveness and economic feasibility, and R&D for pre-combustion CO2 capture with membrane is lively on the way in many advanced countries.
In this study, a core process for pre-combustion CO2 capture has been developed using water-gas shift reactors and dense hydrogen transport membranes. For the past three years of this project, tests for membranes, developing lab-scale and bench-scale process, and design for upgrading system have been performed, and test for reaction/separation process is also proceeded.
An efficiency analysis of developed membranes which is used for pre-combustion CO2 capture is performed, and its results are used for the background data of design of overall CO2 capture process. In addition, to set up the development direction, compared evaluation of Pd-Cu membrane and commercial membranes from A company(A membrane) is carried out.
Water-gas shift(WGS) unit process for converting syngas to CO2 and H2 is developed, and it is composed of HTS and LTS. Gas compositions of the rear site of LTS were given by H2=57-60%, CO2=36-42%, and CO=under 1% at operation conditions of pressure=1-20bar, S/C ratio=2.5-5, temperature of HTS=350-400℃, and temperature of LTS=180-230℃.
To develop the lab-scale pre-combustion CO2 capture process(2L/min), WGS and membrane process-combined system for integrating coal gasification process was designed, manufactured using ASPEN and Fluent and operated using Pd-Cu membrane module and A membrane module. Pre-combustion CO2 capture test results showed that the composition of CO2 captured gas(retentate) was CO:H2:CO2 = 2.0:7.6:90.4vol% at conditions of pressure=15bar and flow rate per unit membrane area=60cc/min·cm2, and it achieved over 90% of CO2 concentration. In case of A membrane, it showed the retentate gas composition as CO:H2:CO2 = 1.0:35.7:63.3vol% at condtions of pressure=10bar and flow rate per unit membrane area=26cc/min·cm2.
For the purpose of developing bench scale pre-combustion CO2 capture process(1Nm3/hr), lab-scale experimental results were used for designing, manufacturing and operating of bench-scale process. The optimum results of bench-scale pre-combustion process composed of WGS and multi-layer membrane module showed that the composition of CO2 captured gas(retentate) was CO:H2:CO2 = 1.2:8.8:90.6vol% at operation conditions of pressure=20bar, temperature=200℃, composition of gas stream from WGS as CO:H2:CO2 = 0.8:59.5:39.7vol%. This experimental result also obtained over 90% of CO2 concentration. As using experimental results from bench-scale process and process interpretation tools, fundamental design data of advanced CO2 capture process which is integrated with 1 ton-coal/day scale coal gasification is attained. In addition, after development of consecutive reaction/separation process-based technology that performs WGS reaction through catalysts and CO2 capture using membranes at the same time, over 130% of CO conversion rate is achieved.
In conclusion, in this project, bench-scale pre-combustion CO2 capture process(1Nm3/hr) has been developed, and its performance proved to show over 90% of CO2 recovery at the conditions of temperature=400℃ and pressure=20bar. In the next step of this project, coal gasification system integrated pre-combustion CO2 capture process will be developed.
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