KR101592769B1 - 이산화탄소 포집용 흡수 조성물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이산화탄소 포집용 흡수 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에틸렌 글리콜 및 탄산염을 포함하는 것을 특징으로 하여, 연소공정으로부터 배출되는 고농도의 이산화탄소를 흡수함에 있어 흡수능 및 흡수율이 향상됨으로써, IGCC 공정의 이산화탄소 포집 공정에서 사용되는 흡수 조성물의 사용량 및 순환량을 감소시키는데 탁월한 효과를 나타냄은 물론 흡수액의 점도를 낮춰 공정의 소요 에너지를 감소시키는데 탁월한 효과를 나타낸다. 기왕의 이산화탄소 포집 공정들은 특정 흡수제를 바탕으로 한 독자적인 공정을 개발 하여 특허권을 확보한 것으로, 새로운 공정의 개발을 위해서는 성능이 우수한 독자적인 흡수제를 확보하고 이를 바탕으로 한 독자적인 공정의 구성과 개발이 가능할 것이므로 본 흡수제의 특허를 통해 이산화탄소 독자 공정의 개발 기반을 확보할 수 있다.
Description
본 발명은 IGCC 공정에서 생산된 합성가스 중에 포함된 이산화탄소를 제거하기 위한 흡수 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이산화탄소를 포집하기 위한 흡수 조성물에 있어서, 이산화탄소와의 결합에너지를 크게 하는 혼합제를 포함하는 것을 특징으로 하여 이산화탄소의 흡수능을 향상시키는데 탁월한 효과를 나타낸다. 또한 상기 조성물은 흡수제의 점도를 떨어뜨려 이산화탄소 포집 공정의 동력비를 절감하는 탁월한 효과를 나타낸다.
본 발명은 가스화복합발전(IGCC; Integrated Gasification Combined Cycle)에서 석탄 등 화석연료를 가스화하여 만들어지는 합성가스 중에 포함된 이산화탄소 포집 공정에 관련된 것으로, 구체적으로는 가스화기에서 생성된 합성가스 중 이산화탄소를 흡수제를 이용하여 흡수 및 탈거하는 공정에 사용되는 흡수제의 성능을 개선하는 것에 관련된 것이다.
가스화복합발전(IGCC)은 석탄과 같은 화석연료를 고온, 고압에서 가스화 시켜 만들어지는 합성가스를 연소시켜 전기를 생산하는 방법으로 기존 보일러를 이용한 화력발전소보다 효율이 높으며, 특히, 이산화탄소의 포집공정을 설치하는 경우에는 기존 미분탄 보일러 발전방식에서 이산화탄소의 포집공정을 추가한 경우 보다 에너지 효율이 높은 등 경제성이 높은 것으로 알려져 있어 향후 발전분야에서 온실가스 저감을 도모하면서 발전을 하는 경우의 현실적 대안으로 알려져 있다.
IGCC 공정에서 이산화탄소의 제거를 위한 포집 공정으로는 제거 효율과 안정성 등의 이유로 습식흡수제를 이용하는 공정이 주로 이용 가능하다. 이중 물리흡수제는 가스화 공정에서 얻어지는 합성가스 중 이산화탄소 분압을 고려할 때 화학흡수제 보다 적합한 것으로 알려져 있다. 물리흡수제를 사용하는 공정으로는 대표적으로 DMPEG(Dimethyl Ether Polyethylen Glycol)을 흡수액으로 사용하는 Selexol 공정, 메탄올을 흡수제로 사용하는 Rectisol 공정, NMP(N-Methyl-2-Pyrrolidone)를 흡수제로 사용하는 Purisol 공정 등이 알려져 있다. 이들 공정의 이산화탄소 포집 효율은 이들 흡수제가 대상가스를 흡수하는 능력의 따라 좌우된다. 종래의 흡수제와 비교하여 흡수능이 큰 흡수제는 적은 흡수제의 사용만으로도 높은 수준의 이산화탄소 포집을 달성할 수 있고 이를 통한 공정의 컴팩트화와 적은 흡수제 순환량에 따른 낮은 에너지 소모량을 나타내어 공정의 운전비용을 낮추는 효과를 가져오므로 이산화탄소 포집공정에 사용되는 흡수제의 흡수능을 향상시키기 위한 흡수제 개발의 연구가 절실한 실정이다. 또한 종래의 흡수제는 점도가 높아 공정의 에너지 비용을 높이는 단점이 있어 점도가 낮은 흡수제 개발에 대한 연구가 절실한 실정이다.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은,
고농도의 이산화탄소에 대한 흡수능이 향상되고 점도가 낮아진 흡수 조성물을 제공하여, IGCC 공정의 이산화탄소 포집공정에서 사용되는 흡수 조성물의 사용량 및 순환량을 감소시켜 공정 운전 비용을 줄임은 물론 점도의 개선으로 공정에 소요되는 에너지 비용을 줄이고, 이를 통해 독자공정 개발을 위한 고유 흡수제를 확보하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 양상은,
하기 화학식 1로 표시되는 에틸렌 글리콜 및 탄산염을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집용 흡수 조성물을 제공하는 것이다.
<화학식 1>
(n= 2~9)
본 발명에 따른 이산화탄소 포집용 흡수 조성물은 이산화탄소에 대한 흡수능이 향상되고, 점도가 개선됨으로써, IGCC 공정의 이산화탄소 포집 공정에서 사용되는 흡수 조성물의 사용량 및 순환량을 감소시키는데 탁월한 효과를 나타낼 뿐 아니라 공정의 에너지 소요비용을 현저히 줄이는데 탁월한 효과를 나타낸다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
본 발명은 하기 화학식 1로 표시되는 에틸렌 글리콜 및 탄산염을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집용 흡수 조성물을 제공하는 것이다.
<화학식 1>
(n= 2~9)
본 발명에 따른 흡수 조성물은 흡수과정에서의 용제와 이산화탄소 분자간의 결합에너지가 중요하다.
상기 결합에너지 값이 커지면 이산화탄소의 흡수가 용이하고 이로 인해 종국적으로 이산화탄소에 대한 흡수능이 증가하게 된다.
본 발명에서 상기 에틸렌 글리콜은 70~94중량%를 포함하는 것이 바람직하며, 상기 범위를 벗어나면 산성가스를 흡수하는 능력이 현저히 저하되는 문제점을 나타낸다.
상기 에틸렌 글리콜은 70중량% 미만이면 흡수제의 재생 온도가 높아질 수 있고, 94중량%를 초과하면 이산화탄소 흡수력이 저하될 수 있다.
더욱 상세하게는, 상기 에틸렌 글리콜은 상기 화학식 1로 표시되는 에틸렌 글리콜 군에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하며, n은 2~9사이의 각 성분을 혼합하는 양에 따라 분자량이 약 200~500이 될 수 있다.
또한, 본 발명에서 사용되는 상기 에틸렌 글리콜은 이산화탄소의 물리흡수공정 중 하나인 Selexol 공정에서 사용되고 있는 흡수제인 폴리에틸렌 글리콜 디메틸 에테르에서 디메틸 에테르를 제거한 것과 같은 것을 사용할 수도 있다.
Selexol 공정은 물리 흡수법의 대표적인 공정으로 글리콜 계열 용매를 사용한다. Selexol 공정은 헨리의 법칙에 따라 CO2가 용매에 물리 흡수되므로 CO2 분압이 높을수록 CO2 흡수량도 증가하며, 고압, 고농도의 산성가스 제거에 적합하며 다른 물리적 용매인 Rectisol(알콜흡수법) 공정에 비해 운전비용이 경제적이고 화학 흡수제를 사용하는 아민 공정과 비교하여 운전해서도 높은 흡수성능을 나타낸다.
본 발명에서 상기 탄산염은 5~20중량%를 포함하는 것이 바람직하며, 상기 탄산염의 함량이 5중량% 미만일 경우에는 함량에 효과가 미미하고, 20중량%를 초과하는 경우에는 에틸렌 글리콜의 함량이 줄어들게 되어 다른 흡수제의 성상을 가지는 문제점을 나타낸다.
더욱 상세하게는, 상기 탄산염은 디에틸 카보네이트 및 디메틸 카보네이트 중에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다.
따라서, 상기 탄산염은 이산화탄소 분자와의 결합에너지가 20~30kcal/mol인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 27.43kcal/mol 이상이다.
이는 메탄올의 이산화탄소분자와의 결합에너지 12.50kcal/mol과 비교하여 약 2배 이상의 큰 값을 나타내 이산화탄소를 흡수하는데 탁월한 효과를 나타내며, 에틸렌 글리콜의 이산화탄소분자와의 결합에너지 26.7kcal/mol 보다 커서 흡수능 개선효과가 있다.
상기 산성가스 제거용 흡수 조성물은 소포제 1~5중량%를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 소포제는 흡수 조성물 내의 유해한 기포를 제거하는 역할을 하며, 더욱 상세하게는, 상기 소포제는 올레일 알코올, 아미노 실리콘, 디메틸 실리콘 및 폴리디메틸실록산 중에서 선택된 1종 이상인 것이 바람직하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명에 따른 이산화탄소 포집용 흡수 조성물의 물성을 설명한다.
<실시예 1~8>
에틸렌 글리콜에 디에틸 카보네이트 또는 트리아세틴을 첨가한 후, 전체 흡수 조성물의 부피가 1L가 되도록 증류수를 첨가하고 혼합하여 산성가스 제거용 흡수 조성물을 제조하였으며, 각 성분의 함량은 아래 표 1에 나타내었다.
<비교예 1~4>
실시예 1~8과 동일하게 실시하되, 각 성분의 함량은 아래 표 1에 나타낸 바와 같으며, 디에틸 카보네이트를 첨가하지 않고 흡수 조성물을 제조하였다.
구분 | Polyethylene glycol의 분자량 | Polyethylene glycol(중량%) | DiethylCarbonate(중량%) | Triacetin (중량%) |
실시예1 | 250 | 90 | 5 | - |
실시예2 | 250 | 85 | 10 | - |
실시예3 | 250 | 80 | 15 | - |
실시예4 | 250 | 75 | 20 | - |
실시예5 | 280 | 90 | 5 | - |
실시예6 | 350 | 90 | 5 | - |
실시예7 | 400 | 90 | 5 | - |
실시예8 | 250 | 85 | - | 10 |
비교예1 | 250 | 100 | - | - |
비교예2 | 250 | 95 | - | - |
비교예3 | 250 | 90 | - | - |
비교예4 | 250 | 85 | - | - |
<실험예>
실시예 1~8 및 비교예 1~4를 통해 제조된 흡수 조성물의 이산화탄소 용해도를 측정하기 위하여, 1ℓ/min의 모사가스(CO2+N2)를 처리할 수 있는 흡수장치를 제작하고 30bar에서의 이산화탄소 용해도를 측정하였으며, 그 결과를 아래 표 2에 나타내었다.
흡수장치 내의 압력은 장치후단에 Back pressure regulator를 설치하여 조절하였으며, 이산화탄소를 포함하는 모사가스는 chiller와 가압장치를 이용하여 일정한 온도와 압력으로 일정량의 흡수 조성물이 담긴 흡수장치 내로 공급되며, 해당 온도와 압력에서 이산화탄소의 흡수가 일어나게 된다. 또한, 흡수가 일어나고 배출되는 가스 중의 이산화탄소의 농도는 이산화탄소 농도분석기를 이용하여 측정하였으며, 이산화탄소 흡수로 일어나는 유량의 변화는 흡수장치에 공급된 유량 및 이산화탄소 농도와 후단에서 측정된 이산화탄소 농도 값으로 계산하였다. 또한, 전술한 흡수장치에서 흡수 조성물에 흡수된 이산화탄소의 양은 흡수장치 후단의 이산화탄소의 농도 값과 유량의 곱으로 구해진 배출 이산화탄소의 총량을 흡수장치에 공급된 이산화탄소의 총량에서 빼고 계산하였다.
구분 |
이산화탄소의 용해도(g/ℓ) | ||
-20℃ | 0℃ | 20℃ | |
실시예1 | 220.3 | 179.6 | 124.1 |
실시예2 | 224.8 | 184.1 | 128.8 |
실시예3 | 230.1 | 189.5 | 134.2 |
실시예4 | 235.2 | 192.5 | 138.6 |
실시예5 | 228.5 | 187.0 | 136.4 |
실시예6 | 230.2 | 189.4 | 137.7 |
실시예7 | 232.5 | 185.5 | 139.1 |
실시예8 | 220.7 | 180.3 | 123.9 |
비교예1 | 241.7 | 195.6 | 132.4 |
비교예2 | 228.5 | 180.8 | 127.4 |
비교예3 | 215.4 | 176.0 | 118.8 |
비교예4 | 204.2 | 167.2 | 110.2 |
표 2를 살펴보면, 실시예 1~7을 통해 제조된 흡수 조성물은 혼합제와 이산화탄소 결합에너지가 높은 디에틸 카보네이트를 첨가함으로써, 트리아세틴을 첨가한 실시예8 및 비교예 1~4에 비하여 이산화탄소의 용해도가 향상된 것을 확인할 수 있다.
구분 |
용액의 점도(Pa*s) | ||
10℃ | 20℃ | 30℃ | |
실시예1 | 0.0070 | 0.0055 | 0.0041 |
실시예2 | 0.0061 | 0.0048 | 0.0038 |
실시예3 | 0.0055 | 0.0043 | 0.0034 |
실시예4 | 0.0051 | 0.0040 | 0.0031 |
실시예5 | 0.0075 | 0.0061 | 0.0045 |
실시예6 | 0.0079 | 0.0066 | 0.0048 |
실시예7 | 0.0083 | 0.0071 | 0.0052 |
실시예8 | 0.0063 | 0.0050 | 0.0040 |
비교예1 | 0.0081 | 0.0063 | 0.0045 |
비교예2 | 0.0073 | 0.0057 | 0.0039 |
비교예3 | 0.0066 | 0.0052 | 0.0036 |
비교예4 | 0.0059 | 0.0048 | 0.0034 |
표 3을 살펴보면, 실시예 1~7을 통해 제조된 흡수 조성물은 점도가 낮은 디에틸 카보네이트를 첨가함으로써, 트리아세틴을 첨가한 실시예 8 및 비교예 1~5에 비하여 점도가 낮아진 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 이산화탄소 포집용 흡수 조성물은 이산화탄소에 대한 흡수능이 향상됨으로써, IGCC 공정의 이산화탄소 포집 공정에서 사용되는 흡수 조성물의 사용량 및 순환량을 감소시키는데 탁월한 효과를 나타냄과 더불어 점도를 낮춤에 따라 에너지 사용량을 줄이는데 탁월한 효과가 있음을 나타낸다.
Claims (8)
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 에틸렌 글리콜은 분자량이 200~500인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집용 흡수 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 탄산염은 흡수 조성물의 5~20중량%인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집용 흡수 조성물.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 탄산염은 이산화탄소와의 결합에너지가 20~30kcal/mol인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집용 흡수 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 흡수 조성물은 소포제 1~5중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집용 흡수 조성물.
- 제7항에 있어서,
상기 소포제는 올레일 알코올, 아미노 실리콘, 디메틸 실리콘 및 폴리디메틸실록산 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 포집용 흡수 조성물.
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KR1020140130292A KR101592769B1 (ko) | 2014-09-29 | 2014-09-29 | 이산화탄소 포집용 흡수 조성물 |
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KR1020140130292A KR101592769B1 (ko) | 2014-09-29 | 2014-09-29 | 이산화탄소 포집용 흡수 조성물 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2018208002A1 (ko) * | 2017-05-12 | 2018-11-15 | 고려대학교 산학협력단 | 이산화탄소 흡수제 및 그 제조방법 |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102151458A (zh) * | 2011-02-28 | 2011-08-17 | 清华大学 | 一种捕集和分离co2的吸收剂及其应用 |
-
2014
- 2014-09-29 KR KR1020140130292A patent/KR101592769B1/ko active IP Right Grant
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