초록 ▼

이산화탄소의 고부가가치 화합물로의 전환공정 연구

Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성

CCS에서 CCUS로의 패러다임 전환
○ 경제성 확보가 어려운 초기 CCS 시장에서 저장 이외의 CO₂활용 방안 강구
○ 포집한 CO₂ 를 활용하거나 고부가가치의 물질로 전환
"온실가스 감축, 지속적인 탄소원의 활용 및 고부가가치의 화합물을 생성을 통한 부가가치 창출

국가 온실가스 감축안 및 연구개발 정책
○ 국가 온실가스

이산화탄소의 고부가가치 화합물로의 전환공정 연구

Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성

CCS에서 CCUS로의 패러다임 전환
○ 경제성 확보가 어려운 초기 CCS 시장에서 저장 이외의 CO₂활용 방안 강구
○ 포집한 CO₂ 를 활용하거나 고부가가치의 물질로 전환
"온실가스 감축, 지속적인 탄소원의 활용 및 고부가가치의 화합물을 생성을 통한 부가가치 창출

국가 온실가스 감축안 및 연구개발 정책
○ 국가 온실가스 감축안 : 2030년 온실가스 배출량 BAU 대비 31.3% 감축 (4안)
- 포집된 CO₂를 대단위로 전환하는 기술개발의 포집/저장 기술개발과 병행하여 추진되어야 함
○ 미래부의 30대 국가중점과학기술 중 '온실가스 저감 및 이용 기술'의 핵심 기술에 포함된 CO₂ 이용 및 전환' 기술 개발에 적극적으로 대응

CCUS 분야 원천 기술 확보
○ CO₂ 전환 기술은 세계적으로 기술이 확립되지 않아 원천기술 확보를 통한 기술 시장의 선점 및 온실가스 저감 분야 미래 성장 동력 창출 가능


고농도 CO₂ 포집용 공정 기술 개발

Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의

본 연구 개발 성과를 통하여 다음과 같이 활용할 수 있다.

- 고농도 이산화탄소 발생 사업장에 포집 공정으로 활용
- 정부출연에서 개발한 기술을 산업체에 적극적으로 이전할 수 있는 성과
기술이전 형식 1 : 10 MW (40,000 Nm³/h 급) 이하 공정은 KIER가 EPC 기관 역할
기술이전 형식 2 : 10 MW (4,000 Nm³/h 급) 초과 공정에 대해서는 라이선스 공급자 역할
- 다양한 산성가스 처리 기술과 융합한 Spin-off 사업화
- 이산화탄소 감축을 통한 탄소배출권 사업화


이산화탄소 포집 및 무기자원화 단일 공정 개발

Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성

ㅇ 지구온난화 방지를 위한 다양한 대응방안이 수립되어 진행 중에 있으며, 우리나라에서도 2030년까지 BAU 대비 37% 삭감을 포함하는 INDC(Intended Nationally Determined Contribution)를 제출하였음.
ㅇ 지구온난화 방지를 위한 여러 가지 대안 기술 중 이산화탄소 포집 및 저장기술(CCS: CO₂ Capture & Storage)이 약 12%를 차지 할 것으로 국제에너지 기구에서는 예측하고 있으나 공정 설치 및 운영에 따른 CAPEX, OPEX 문제를 해결해야만 함. 또한 포집된 이산화탄소를 처리하기 위한 별도의 저장 공간을 필요로 함.
ㅇ 따라서 온실가스 감축과 동시에 기존 기술 대비 비용을 절감할 수 있거나 경제적 가치를 창출 할 수 있는 기술개발이 요구되고 있음.
ㅇ 본 연구는 이산화탄소 활용 기술 중 이산화탄소 광물화에 대한 연구개발로 CCS 대비 별도의 저장 공간과 이를 위한 수송, 모니터링이 필요 없으며, 유용한 물질 생성을 통하여 부가가치를 창출 할 수 있는 기술로 평가됨.
ㅇ 해당 분야의 국내 연구는 한국지질자원연구원에서 광물 및 산업부산물을 이용 광물화 공정 연구를 환경부 지원을 받아 수행하였으며, KIST에서 전기화학적 방법에 의한 무기탄산 개발에 관한 연구를 미래부 지원을 받아 수행하고 있음. 국외에서는 미국의 Calera사에서 전기화학 이용기술, 핀란드 Abo 대학에서 간접 광물화에 대한 연구를 진행하고 있음.
ㅇ 상기 연구기관 개발 기술은 고온(100~150℃), 고압(30~50 bars) 반응이거나 염수(brine water) 이용 및 별도의 이산화탄소 포집장치에서 포집된 이산화탄소를 광물화에 활용하기 때문에 높은 비용 소모, 생성물의 낮은 품질 등의 문제점이 있음. 이러한 연구들은 이산화탄소 포집과 광물화 반응을 상온, 상압 조건의 일체형 반응시스템에서 달성하고자 하는 본 연구개발 기술과는 차이가 큼.
ㅇ 본 기술은 온실가스를 배출하는 것과 동시에 탄산칼슘을 원료 사용하는 제지, 화학, 약품, 환경분야 등 다양한 산업체에 on-site 활용 공정을 설치할 수 있어 산업체의 온실가스 감축 및 제품 생산에 필요한 원료를 확보할 수 있는 산업지향적인 온실가스 감축기술임.
ㅇ 또한 국내외 연구사례가 없는 원천기술로서 기술 개발 시 거대한 세계 탄소시장 진입을 통한 국부 창출과 이로 인한 국내 산업 활성화와 고용창출을 유발할 수 있음.


재생에너지 2 GJ/톤CO₂ 달성을 위한 아민계 상분리 흡수제 및 공정 개발

Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
- 현재 혼합가스로부터 이산화탄소를 포집하는 대표적인 방법은 아민 수용액을 이용한 화학흡수법으로 알려져 있으며, 이러한 기술은 실증 단계에 진입하였으나, 현 기술 수준에서 에너지 소비가 크고, 이로 인해 포집 비용 상승하여 상용화하는데 장애요인으로 작용하고 있음
◦ 에너지 소비량과 포집비용의 주원인은 흡수제를 재생하기 위해 사용되는 에너지 소비량이며, 전체 에너지 소비의 75%를 차지하는 재생에너지 절감을 위한 기술개발이 활발히 이뤄지고 있음
◦ 재생에너지는 (1)흡수제 온도를 흡수온도에서 재생온도까지 높이기 위한 현열, (2)수용액 중 물의 증발로 인한 잠열, (3)흡수제와 CO2의 반응 결합을 깨기 위한 반응열로 구성됨
- 해외에서는 아민, 알칼리염, 암모니아수 등 1세대 포집기술에 대한 실증과 더불어 재생 에너지 절감을 위한 혁신 흡수제 R&D가 지속적으로 진행되고 있음
◦ 미국 NETL은 ‘25년 실증 대상(2세대), ’35년 실증 대상(3세대) 기술로 구분하여 혁신 포집 기술을 개발하고 있으며, 응용기술(2세대 포집기술), 원천기술(3세대 포집기술) 확보를 위한 연구가 수행되고 있음
◦ 최근 아민 이용 CO2 포집 공정을 대체할 수 있는 기술로 상분리(Phase separation) 액상 흡수제를 이용한 흡수 기술이 주목받고 있음
◦ 상분리 흡수제는 3세대 기술로 활발히 연구되고 있으며, IFP(프), 3H Company(미), GE(미), TNO(네), Dortmund Univ.(독) 등에서도 상분리/상전이 흡수제를 연구하여 특허를 확보하고 있음
- 2세대 기술인 개량 아민 혹은 개량 알카리염 수용액 흡수제의 경우, 국외와 기술격차가 거의 존재하지 않음
◦ 해외기술: KS-1(일), Piperazine(미) 등, 재생열 2.2-2.5GJ/톤CO2 ◦ 국내기술: KIERSOL(KIER), KOSOL(한전), 재생열 2.2-2.8GJ/톤CO2
- 반면, 혁신 흡수제의 경우 국외와 기술격차가 커지고 있는 상황임
◦ IFP(프), GE(미), 3H Company(미) 등의 상분리 흡수제 기술수준은 흡수물질 선정이 완료되고, 실험실 규모 이상의 검증을 시도하는 단계임
◦ 국내의 경우, 상분리 흡수제에 대한 연구가 미미한 상황이므로 원천기술 확보 및 상분리 흡수제, 공정설계 관련 기술 확보가 시급함


저비용 이산화탄소 포집을 위한 초청정 배가스 전처리 기술 개발

Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성

ㅇ 세계적으로 기후변화 대응에 기술에 대한 관심이 고조되고 있는 가운데 주요 선진국들은 관련 기술 개발을 통해 자국의 온실가스 감축과 동시에 국가 신산업 창출을 위해 노력 중임
ㅇ 최근 IEA(International Energy Agency)에서 보고한 CCS Technology Roadmap에 의하면, 2050년에 온실가스 저감기술로 CCS로 CO₂ 저감 17%를 담당하여야 하며, 이는 CCS 단일 기술로 CO₂ 저감 효과는 타 기술과 비교할 때 매우 높음
ㅇ 국내에서도 2010년 7월에 “국가 CCS 종합 추진계획”을 제8차 녹색성장위원회 상정하여 국가 기술개발 방향을 설정하고 추진하고 있음
ㅇ CCS 기술개발 로드맵에 의거한 세계적 기술개발 방향은 기존 기술을 적용한 상용화 개발과 기존 CCS 기술이 비용이 매우 높기 때문에 이를 극복하기 위한 혁신적 기술개발을 추진함
- 향후 선진 그린 시장 선점을 위하여, CCS 비용을 현재 $60∼90/tCO2에서 $30/tCO2 이하로 달성하기 위하여 혁신적인 기술개발을 추진하여야 함
ㅇ CCS 비용 중에서 75∼85%가 포집 비용이 차지하고 있어, 혁신적인 포집 기술 개발시 CO₂ 포집 비용을 크게 줄여 상용화를 촉진할 것임
ㅇ 연소후 포집 기술은 단기간에 기술 상용화하기에 적합한 공정 성능, 운전경험, 안정성이 확보 된 기술이므로 우선적으로 추진하여야 할 기술임
ㅇ 국내에서는 2014년 10MW급 연소후 포집 장치를 설계, 건설한 후 현재 운전 중이나, 이는 포집 장치 개발에 주력하고 있으며 운전시 많은 문제점을 유발시키는 배가스의 불순물에 대한 처리 기술은 개발되어 있지 않음
ㅇ 습식 포집에서 배가스 불순물((SO₂, O₂)은 재생과정에 있어서 재생탑내에서 순환하는 흡수제를 열화시켜 탑 상단에 암모니아 등 휘발성 물질, 탑 하단에 염(Salt)이 생성되어 이를 제거하기 위한 추가적인 장치가 필요함
- 포집 공정 운전시 흡수제 열화 방지를 위한 고도 탈황장치 설치
- 산소 등 불순물에 의한 열화, 부식 등을 방지하기 위하여 Reclaimer 설치
ㅇ 경제성 있는 CO₂ 포집 공정 개발을 위하여는 공정이 단순하고 처리효율이 높은 전처리 기술 개발 필요하며, 막을 이용한 처리 기술은 이에 부합한 기술임
- 재래식 방법을 이용한 전처리 방법으로 고도 탈황(Deep FGD), 산소 제거를 위한 PSA 방법이 이용되고 있으며, 장치비 및 운전비가 매우 높음
- 막을 이용한 불순물 제거 방법은 처리가스를 동시에 제거할 수 있다는 장점을 가지고 있어 타 기술보다 경제적 운전 가능
ㅇ 따라서 배가스 중 불순물(황산화물, 산소)을 처리할 수 있는 전처리 기술 개발은 매우 필요하며, 이와 같은 기술 개발시 compact 한 전처리 공정을 포함한 CO₂ 포집 통합 시스템 개발이
가능하며 이는 CCS 비용을 혁신적으로 줄일 수 있는 기술을 확보할 수 있는 동시에 이와 같은 기술을 기반으로 거대한 그린 시장의 선점이 가능함
ㅇ 또한 분리막 공정 시스템을 이용한 배가스 중 불순물을 동시 제거하는 기술로써, 세계 최초로 수행하는 것으로써 기존 상용화 및 개발 기술과의 차별성이 있음

Abstract ▼

Development of Process for Capturing a Concentrated CO₂

Ⅳ. Result and Recommendations

This result can be used as follows :

- Application of industry to capture a concentrated CO₂
- A result that we can transfer technology to industry affirmatively

Development of Process for Capturing a Concentrated CO₂

Ⅳ. Result and Recommendations

This result can be used as follows :

- Application of industry to capture a concentrated CO₂
- A result that we can transfer technology to industry affirmatively
Tech. Transfer type 1 : EPC role below 10 MW (40,000 Nm³/h) scale
Tech. Transfer type 2 : licensor role above 10 MW (40,000 Nm³/h) scale
- Spin-off commercialization through a form blended with a various acid gas removal technology
- CERs usage of reduction of greenhouse gases, CO₂

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 3
• 목차 ... 5
• 이산화탄소의 고부가가치 화합물로의 전환공정 연구 ... 7
• 표지 ... 7
• 목차 ... 9
• 2015년도 주요사업 연차평가 보고서 ... 11
• Ⅰ. 일반현황 ... 11
• Ⅱ. 과제의 목표 및 내용 ... 12
• Ⅲ. 추진 전략 ... 14
• Ⅳ. 추진 실적 ... 17
• Ⅴ. 향후 계획 ... 24
• 고농도 CO2 포집용 공정 기술 개발 ... 25
• 표지 ... 25
• 요약문 ... 27
• SUMMARY ... 29
• CONTENTS ... 31
• 목차 ... 33
• 그림목차 ... 35
• 표목차 ... 40
• 제1장 서론 ... 41
• 제1절 연구의 필요성 ... 41
• 제2절 연구의 개요 ... 47
• 제2장 화학적 흡수법 ... 53
• 제1절 화학적 흡수법 개론 ... 53
• 제2절 화학적 흡수 반응 메커니즘 ... 55
• 제3장 실험실 규모 (1 Nm3/h) 공정의 최적화 ... 61
• 제1절 실험 장치 및 방법 ... 61
• 제2절 실험 결과 및 고찰 ... 64
• 제4장 벤치 규모 (50 Nm3/h) 공정의 설계 및 운전 ... 97
• 제1절 흡수제 개량 ... 97
• 제2절 공정 설계 및 제작 ... 117
• 제3절 공정 연속운전 성능 평가 ... 126
• 제5장 동적모사를 통한 HAZOP 연구 (위탁연구) ... 133
• 제6장 결론 ... 147
• 참고문헌 ... 148
• 이산화탄소 포집 및 무기자원화 단일 공정 개발 ... 152
• 표지 ... 170
• 목차 ... 154
• 2015년도 주요사업 연차평가 보고서 ... 156
• Ⅰ. 일반현황 ... 156
• Ⅱ. 과제의 목표 및 내용 ... 157
• Ⅲ. 추진 전략 ... 159
• Ⅳ. 추진 실적 ... 161
• Ⅴ. 향후 계획 ... 169
• 재생에너지 2 GJ/톤CO2 달성을 위한 아민계 상분리 흡수제 및 공정 개발 ... 170
• 표지 ... 170
• 목차 ... 172
• 2015년도 주요사업 연차평가 보고서 ... 174
• Ⅰ. 일반현황 ... 174
• Ⅱ. 과제의 목표 및 내용 ... 175
• Ⅲ. 추진 전략 ... 178
• Ⅳ. 추진 실적 ... 180
• Ⅴ. 향후 계획 ... 204
• 저비용 이산화탄소 포집을 위한 초청정 배가스 전처리 기술 개발 ... 206
• 표지 ... 206
• 목차 ... 208
• 2015년도 주요사업 연차평가 보고서 ... 210
• Ⅰ. 일반현황 ... 210
• Ⅱ. 과제의 목표 및 내용 ... 211
• Ⅲ. 추진 전략 ... 213
• Ⅳ. 추진 실적 ... 215
• Ⅴ. 향후 계획 ... 246
• 끝페이지 ... 247