KR101492724B1 - 가스화 복합발전에서 이산화탄소 포집을 위한 이산화탄소 흡수 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가스화 복합발전에서 이산화탄소 포집을 위한 이산화탄소흡수 조성물에 있어서, 흡수제 및 황-함유 극성 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 따른 이산화탄소 흡수 조성물은 이산화탄소의 흡수속도를 촉진시키고 흡수율을 높이는 등 흡수성능을 향상시킬 수 있어 적은 양의 흡수제를 사용할 수 있어 비용면에서도 경쟁력이 있다.
본 발명에 따른 이산화탄소 흡수 조성물은 이산화탄소의 흡수속도를 촉진시키고 흡수율을 높이는 등 흡수성능을 향상시킬 수 있어 적은 양의 흡수제를 사용할 수 있어 비용면에서도 경쟁력이 있다.
Description
본 발명은 가스화 복합발전에서 이산화탄소 포집을 위한 이산화탄소 흡수 조성물에 관한 것으로, 보다 구체적으로 이산화탄소의 흡수속도, 흡수율과 같은 흡수성능을 향상시킬 수 있는 이산화탄소 흡수 조성물에 관한 것이다.
가스화 복합발전(Integrated Gasfication Combined Cycle)이란 석탄, 중질잔사유 등의 저급연료를 활용한 고효율, 환경친화적 에너지 생산기술로 석탄액화 등 가스화를 통해 CO와 H2가 주성분인 가스를 제조하여 정제한 후 가스-증기 터빈을 구동하여 에너지를 생산하는 기술이다.
상기 가스화 복합발전에서 발생하는 합성가스와 같은 혼합가스 중 산성가스나 이산화탄소를 제거 및 분리하기 위한 기술로서 흡수법이 이용되고 있다. 이러한 흡수법에서는 일반적으로 흡수제를 사용하는데 이산화탄소의 흡수능을 높이기 위해 다량의 흡수제를 사용하여야 하거나, 높이가 높고 직경이 큰 충전탑을 이용해야 한다는 단점이 있다. 또한 흡수제의 열화 및 흡수제 재생에 필요한 별도 에너지원 공급으로 인한 경제적인 문제와 장치의 부식성 문제가 여전히 존재한다.
따라서 이미 설치되어 있는 흡수장치를 변경하지 않으면서, 흡수효율을 향상시키기 위해서 새로운 흡수제의 개발 및 기존 흡수제의 문제점 개선의 필요성이 대두되고 있다.
최근 가스화 복합발전에 이산화탄소 포집공정을 추가하는 것이 화력발전소에 이산화탄소 포집공정을 추가하는 것보다 경제성이 높은 것으로 분석되어 기존 산성가스 제거공정에 이산화탄소 포집 공정을 추가하는 연구가 활발히 진행되고 있다.
상기 문제점을 해결하고자 본 발명의 목적은 가스화 복합발전에서 이산화탄소의 흡수속도를 개선시키고 흡수율을 높여서 흡수성능이 향상된 이산화탄소 흡수 조성물을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 적은 양으로도 우수한 흡수성능을 나타내어 경제적으로 이산화탄소를 포집할 수 있는 이산화탄소 흡수 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명은 가스화 복합발전에서 이산화탄소 포집을 위한 이산화탄소 흡수 조성물에 있어서, 흡수제 및 황-함유 극성 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수 조성물을 제공한다.
본 발명에 따른 이산화탄소 흡수 조성물은 가스화 발전에서 산성가스를 처리하는 흡수제 및 황-함유 극성 화합물을 포함함으로써 이산화탄소 흡수속도 및 흡수율을 증진시켜 향후 가스화 발전 및 합성가스 제조공정에 이산화탄소 포집공정을 추가할 경우에 사용할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수 조성물은 적은 양으로도 최대한의 이산화탄소 흡수속도 및 흡수율을 얻을 수 있어 비용면에서도 경제적이다.
본 발명은 가스화 복합발전에서 이산화탄소 포집을 위한 이산화탄소흡수 조성물에 있어서, 흡수제 및 황-함유 극성 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수 조성물에 관한 것이다.
상기 흡수제는 산성가스 제거에 일반적으로 사용되는 흡수제를 사용할 수 있다. 예를 들어 상기 흡수제는 중량평균분자량이 154-486인 폴리에틸렌 글리콜 에테르(Polyethylene glycol ethers), n-포르밀 모르폴린(n-formyl morpholine), 메탄올, N-Methylpyrrolidone(NMP) 및 N-methyldiethanolamine(MDEA), Diisopropanolamine(DIPA)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하고, 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(Tetraethylene glycol dimethyl ether)를 포함하는 것이 특히 바람직하다.
본 발명의 이산화탄소 흡수 조성물에서 흡수제의 함량은 75 - 94 wt%인 것이 바람직하다. 상기 흡수제의 함량이 상기 범위 내이면 유효한 황-함유 극성 화합물을 일부 첨가해도 효과적인 이산화탄소 포집이 가능하다.
상기 황-함유 극성 화합물은 이산화탄소 흡수 조성물의 표면장력을 증가시킴으로써 이산화탄소의 용해도를 증가시킬 수 있다. 상기 황-함유 극성 화합물로는 화학식 R-SO-R'(R 및 R'는 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환 알킬기, 치환 또는 비치환 알케닐기, 또는 치환 또는 비치환 아릴기이고, 서로 동일하거나 상이해도 된다.)으로 표시되는 술폭시드, 화학식 R-SO2-R'(R 및 R'은 각각 독립적으로 탄소수 1 내지 20의 치환 또는 비치환 알킬기, 치환 또는 비치환 알케닐기, 또는 치환 또는 비치환 아릴기이고, 서로 동일하거나 상이해도 된다.)로 표시되는 술폰, 술포란 등이 있다.
본 발명에 사용되는 술폭시드 화합물의 예로는, 디메틸 술폭시드, 디에틸 술폭시드, 디-n-프로필 술폭시드, 디-n-부틸 술폭시드, 디-n-헥실 술폭시드, 디-n-헵틸 술폭시드, 디(n-옥틸) 술폭시드, 디-n-노닐 술폭시드, 디-n-데실 술폭시드, 디-n-도데실 술폭시드, 디이소프로필 술폭시드, 디이소부틸 술폭시드, 디-sec-부틸 술폭시드, 디-tert-부틸 술폭시드, 메틸 부틸 술폭시드 등이 있으며, 특히 디메틸 술폭시드를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 사용되는 술폰 화합물의 예로는, 디메틸 술폰, 디에틸 술폰, 디-n-프로필술폰, 디-n-부틸 술폰, 디-n-헥실 술폰, 디-n-헵틸 술폰, 디-n-옥틸 술폰, 디-n-노닐 술폰, 디-n-데실 술폰, 디-n-도데실 술폰, 디이소프로필술폰, 디이소부틸술폰, 디-sec-부틸-술폰, 디-tert-부틸 술폰, 메틸 부틸 술폰 등이 있으며, 디메틸 술폰을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 황-함유 극성 화합물의 함량은 1 - 20 wt%인 것이 바람직하다. 함량이 상기 범위 내이면 흡수제와 혼합하여 상온에서도 유효한 이산화탄소 포집 효과를 기대할 수 있으며, 상기 범위를 초과하면 흡수제의 함량이 적어져서 이산화탄소 포집 효과가 저하될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 황-함유 극성 화합물은 이산화탄소와의 결합에너지가 3 - 8 kcal/mol인 것이 바람직하다. 상기 범위 내에서는 흡수탑에서 흡수효율이 효과적이며 특히 증발탑을 사용하지 않고 압력강하에 의해 탈기가 가능하여 에너지 사용을 최소화 할 수 있다.
본 발명의 이산화탄소 흡수 조성물은 이산화탄소 흡수성능에 영향을 주지 않는 범위에서 물, 분산제, 소포제 등의 이산화탄소 흡수에 일반적으로 사용되는 성분을 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 더욱 상세히 설명하지만 본 발명에 이에 제한되는 것은 아니다.
<
실시예
1 - 32 및
비교예
1-5> 이산화탄소 흡수 조성물 제조(중량 %)
흡수제로서 Tetraethylene glycol dimethyl ether 또는 n-formyl morpholine에 표 1, 2, 3, 4 및 5와 같이 서로 다른 첨가제를 첨가하고 수분(잔량)을 혼합하여 이산화탄소 흡수 조성물 1L를 각각 제조하였다.
Tetraethylene glycol dimethyl ether (wt %) | 황-함유 극성 화합물 (wt %) | |
비교예 1 | 100 | 0 |
비교예 2 | 97 | 0 |
비교예 3 | 95 | 0 |
비교예 4 | 93 | 0 |
비교예 5 | 90 | 0 |
Tetraethylene glycol dimethyl ether (wt %) | 디메틸 술폭시드(wt %) | |
실시예 1 | 94.5 | 0.5 |
실시예 2 | 94 | 1 |
실시예 3 | 92 | 3 |
실시예 4 | 90 | 5 |
실시예 5 | 85 | 10 |
실시예 6 | 80 | 15 |
실시예 7 | 75 | 20 |
실시예 8 | 70 | 25 |
Tetraethylene glycol dimethyl ether (wt %) | 디-n-부틸 술폭시드 (wt %) | |
실시예 9 | 94.5 | 0.5 |
실시예 10 | 94 | 1 |
실시예 11 | 92 | 3 |
실시예 12 | 90 | 5 |
실시예 13 | 85 | 10 |
실시예 14 | 80 | 15 |
실시예 15 | 75 | 20 |
실시예 16 | 70 | 25 |
Tetraethylene glycol dimethyl ether (wt %) | 디메틸 술폰 (wt %) | |
실시예 17 | 94.5 | 0.5 |
실시예 18 | 94 | 1 |
실시예 19 | 92 | 3 |
실시예 20 | 90 | 5 |
실시예 21 | 85 | 10 |
실시예 22 | 80 | 15 |
실시예 23 | 75 | 20 |
실시예 24 | 70 | 25 |
n-formyl morpholine (wt %) | 디메틸 술폭시드(wt %) | |
실시예 25 | 94.5 | 0.5 |
실시예 26 | 94 | 1 |
실시예 27 | 92 | 3 |
실시예 28 | 90 | 5 |
실시예 29 | 85 | 10 |
실시예 30 | 80 | 15 |
실시예 31 | 75 | 20 |
실시예 32 | 70 | 25 |
<
시험예
> 이산화탄소 용해도 측정
0.1 Nm3/hr 모사가스(CO2+N2)를 처리 가능한 lab-scale 흡수탑을 제작하였다. 압력 조절은 주입 가스의 압력과 back pressure regulator(TESCOM : EMERSON Process Management)를 이용하였다. 가압 상태에서 저온 흡수 조성물을 주입하기 위하여 chiller 및 가압 펌프를 이용하였다. 모사가스 주입부와 배출부, 흡수제 주입부와 배출부에 각각 T-type 열전대를 설치하여 온도를 측정하였다. 흡수탑 온도가 안정화되는 정상상태에서 MFC를 이용하여 혼합가스의 비율을 원하는 농도로 조절하여 주입하였다. 흡수 조성물의 주입량은 액체유량계와 적산유량계를 이용하여 일정시간 측정 후, L/min으로 환산하였다. 이산화탄소 분석은 GC-PFPD를 이용하였다. 그 결과를 하기 표 6에 나타내었다.
CO2 용해도 [cc.(g)/cc.(l)/atm] | |||
-10℃ | 0℃ | 10℃ | |
비교예1 | 13.2 | 10.7 | 8.3 |
비교예2 | 12.7 | 9.9 | 7.8 |
비교예3 | 13.9 | 11.2 | 9.2 |
비교예4 | 12.1 | 9.7 | 7.4 |
비교예5 | 11.4 | 9.2 | 6.9 |
실시예1 | 13.8 | 11.5 | 9.7 |
실시예2 | 14.3 | 11.5 | 9.9 |
실시예3 | 14.9 | 12.1 | 10.7 |
실시예4 | 15.4 | 12.5 | 11.8 |
실시예5 | 17.6 | 14.7 | 11.3 |
실시예6 | 16.9 | 13 | 10.9 |
실시예7 | 15.9 | 12.4 | 10.2 |
실시예8 | 15.3 | 11.3 | 10.2 |
실시예9 | 14.3 | 11.3 | 9.3 |
실시예10 | 14.5 | 11.9 | 8.3 |
실시예11 | 14.7 | 12.3 | 8.4 |
실시예12 | 15.2 | 12.5 | 8.9 |
실시예13 | 15.5 | 12.5 | 8.8 |
실시예14 | 14.8 | 11.2 | 7.8 |
실시예15 | 14.8 | 11.9 | 7.9 |
실시예16 | 14.5 | 11.6 | 8.0 |
실시예17 | 15.1 | 12.1 | 10.1 |
실시예18 | 15.2 | 12.3 | 10.3 |
실시예19 | 16.7 | 13.5 | 10.7 |
실시예20 | 18.7 | 14.6 | 12.9 |
실시예21 | 17.1 | 14.0 | 11.3 |
실시예22 | 17.4 | 14.4 | 11.5 |
실시예23 | 17.4 | 13.3 | 9.8 |
실시예24 | 17.3 | 13.3 | 8.4 |
실시예25 | 15.4 | 11.1 | 10.2 |
실시예26 | 15.7 | 12.3 | 10.7. |
실시예27 | 15.9 | 12.7 | 11.1 |
실시예28 | 17.1 | 14.3 | 12.1 |
실시예29 | 18.1 | 15.1 | 12.7 |
실시예30 | 17.8 | 14.7 | 12.3 |
실시예31 | 17.7 | 15.1 | 12.3 |
실시예32 | 17.6 | 15.0 | 12.1 |
상기 표 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 이산화탄소 흡수 조성물은 황-함유 극성 화합물을 포함하지 않는 비교예 1 내지 5의 조성물에 비하여 동일 온도에서 CO2 용해도가 높은 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수 조성물은 이산화탄소 흡수속도 및 흡수율을 개선시킬 수 있으므로 이산화탄소 포집에 효과적으로 사용할 수 있다.
Claims (7)
- 가스화 복합발전에서 이산화탄소 포집을 위한 이산화탄소 흡수 조성물에 있어서,
흡수제 및 황-함유 극성 화합물을 포함하고,
상기 흡수제의 함량은 75 - 94 wt%인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수 조성물. - 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 황-함유 극성 화합물의 함량은 1 - 20 wt%인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수 조성물.
- 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 흡수제는 중량평균분자량이 154-486인 폴리에틸렌 글리콜 에테르(Polyethylene glycol ethers) 및 n-포르밀 모르폴린(n-formyl morpholine)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수 조성물.
- 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 황-함유 극성 화합물은 디메틸 술폭시드, 디에틸 술폭시드, 디-n-프로필 술폭시드, 디-n-부틸 술폭시드, 디-n-헥실 술폭시드, 디-n-헵틸 술폭시드, 디(n-옥틸) 술폭시드, 디-n-노닐 술폭시드, 디-n-데실 술폭시드, 디-n-도데실 술폭시드, 디이소프로필 술폭시드, 디이소부틸 술폭시드, 디-sec-부틸 술폭시드, 디-tert-부틸 술폭시드, 메틸 부틸 술폭시드, 디메틸 술폰, 디에틸 술폰, 디-n-프로필술폰, 디-n-부틸 술폰, 디-n-헥실 술폰, 디-n-헵틸 술폰, 디-n-옥틸 술폰, 디-n-노닐 술폰, 디-n-데실 술폰, 디-n-도데실 술폰, 디이소프로필술폰, 디이소부틸술폰, 디-sec-부틸-술폰, 디-tert-부틸 술폰, 메틸 부틸 술폰 및 술포란으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수 조성물.
- 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 황-함유 극성 화합물은 디메틸 술폭시드를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 황-함유 극성 화합물은 이산화탄소와의 결합에너지가 3 - 8 kcal/mol 인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 흡수 조성물.
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