KR20210032233A - 이산화탄소 흡수제 성능평가장치 및 성능평가 방법 - Google Patents

이산화탄소 흡수제 성능평가장치 및 성능평가 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 습식 이산화탄소 흡수제 성능평가장치 및 성능평가 방법에 관한 것으로, 모사 배가스가 공급되는 가스공급부, 상기 가스공급부로부터 배가스를 공급받아 흡수제의 흡수반응 및 재생반응이 이루어지는 반응기를 포함하는 반응부, 상기 반응기의 온도를 조절하는 온도 조절부, 상기 흡수제와 반응한 후 이산화탄소의 농도를 실시간으로 측정하는 이산화탄소 농도 측정부 및 상기 장치를 통하여 측정된 자료를 처리하는 자료처리부를 포함하는 습식 이산화탄소 흡수제 성능평가장치를 제공한다.

Description

이산화탄소 흡수제 성능평가장치 및 성능평가 방법{Apparatus for evaluating performance of Carbon dioxide sorbent and performance evaluation method}
습식 이산화탄소 흡수제의 성능평가장치 및 성능평가 방법에 관한 것이다.
연소 후 이산화탄소 포집기술 중 아민계열 흡수제를 이용한 화학흡수법은 오랜 상업운전을 통해 기술 안정성이 입증되어 왔다. 도 1은 종래의 이산화탄소 포집공정을 나타낸 것으로, 이산화탄소 포집공정은 크게 흡수탑(absorber) 및 재생탑(stripper)으로 구성된다. 발전소에서 배출되는 배가스는 송풍기를 통해 흡수탑 하단으로 투입되고 아민 흡수제는 흡수탑 상단에서 주입된다. 주입된 흡수제는 배가스 중의 이산화탄소와 화학결합을 한 후 재생탑으로 이송된다. 상기 재생탑에서는 하부 또는 별도의 재열기(reboiler)에 투입되는 고온의 열(스팀)에 의해 흡수제와 이산화탄소의 화학결합이 전달되면서 재생된다. 재생된 흡수제는 다시 흡수탑으로 이송되고 재생탑에서 분리된 고순도의 이산화탄소는 이후 압축공정을 거쳐 육상지중 또는 해양지중에 저장된다.
공정상에서 흡수제로 주로 사용되는 아민계열 화합물은 화학구조에 따라 1차, 2차, 3차 아민 등으로 분류할 수 있다. 이때, 흡수성능을 향상시키기 위하여 각각의 특성에 따라 단독 혹은 혼합되어 사용할 수 있다. 이러한 습식 아민공정은 다른 이산화탄소 포집공정과 마찬가지로 공정운영을 위한 전력사용(펌프 및 송풍기 가동, 압축공정 운용 등) 외에도 흡수제 재생을 위한 스팀 사용을 위해 많은 에너지가 소비되는데 해당 에너지는 발전소 보일러에서 발생되는 에너지에서 추출해야 하므로 결국 전체 발전효율이 저하되게 된다. 특히, 흡수제의 재생에너지는 상용 아민의 경우 전체 포집비용의 약 70%를 차지하는 것으로 알려져 있어 흡수제 선정을 위한 성능연구는 매우 중요한 요소이다.
고효율의 흡수제 개발을 위해서는 다양한 아민 또는 아민 조합을 활용하여 제조한 흡수제 후보물질의 성능비교가 필수적이다. 도 2는 일반적인 이산화탄소 흡수제 스크리닝 장치를 나타낸 것으로, 흡수제 후보물질에 이산화탄소를 주입하여 흡수 또는 재생이 최대로 이루어질 때까지 충분한 시간을 반응시킨 후 흡수 또는 재생이 된 이산화탄소의 양을 계산하여 흡수제의 흡수 또는 재생 성능을 평가하게 된다.
이러한 평가방법의 경우 실제 이산화탄소 포집공정에서와 동일하게 구현하지 않기 때문에 실제 공정에서의 흡수제의 이산화탄소 흡수 부하량(αrich=흡수제 단위 질량 당 이산화탄소 흡수 질량)과 재생 부하량(αlean)을 통한 성능을 정확하게 예측하기 어렵다. 이는 흡수제 성능평가 실험에 있어 실험실의 정적인 조건과 실제 포집공정의 동적인 조건의 차이를 제대로 인식하지 못한 것에 기인한다. 이에, 실제 이산화탄소 포집공정에서 흡수제를 사용하였을 때의 성능을 예측하기 위한 성능평가 방법에 대한 개발을 필요로 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 이산화탄소 흡수제가 이산화탄소의 흡수 또는 재생과정에서 부하량을 실시간으로 산출하는 습식 이산화탄소 흡수제 성능평가장치 및 성능평가 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 이산화탄소 포집을 위한 습식 흡수제의 실시간 성능을 평가하기 위한 장치로서, 모사 배가스가 공급되는 가스공급부, 상기 가스공급부로부터 배가스를 공급받아 흡수제의 흡수반응 및 재생반응이 이루어지는 반응기를 포함하는 반응부, 상기 반응기의 온도를 조절하는 온도 조절부, 상기 습수제와 반응한 후 이산화탄소의 농도를 실시간으로 측정하는 이산화탄소 농도 측정부, 및 상기 장치를 통하여 측정된 자료를 처리하는 자료처리부를 포함하는 습식 이산화탄소 흡수제 성능평가장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 가스공급부는 이산화탄소 저장조, 질소가스 저장조, 기타가스 저장조 및 상기 이산화탄소 저장조, 상기 질소가스 저장조 및 상기 기타가스 저장조로부터 공급된 가스를 혼합하는 가스믹서를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 반응기는 상기 반응기 내의 흡수제의 온도를 측정하기 위한 온도센서, 상기 반응기 내의 흡수제의 pH를 측정하기 위한 pH센서 및 상기 흡수제의 휘발분을 냉각시켜 상기 반응기 내부로 공급하는 냉각콘덴서를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 온도 조절부는 상기 반응기 내부의 온도를 유지하기 위한 자켓 및 상기 자켓으로 일정온도의 용매를 공급하기 위하여 용매를 가열하는 항온수조를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자켓은 상기 반응기의 외부를 둘러싸고 있는 형태인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이산화탄소 농도 측정부는 이산화탄소 분석 전처리장치 및 상기 전처리가 완료된 이산화탄소를 분석하는 이산화탄소 분석기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자료처리부는 성능평가장치 내에서 측정된 pH값 및 이산화탄소농도 값을 기반으로 흡수제의 부하량(α)을 계산하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자료처리부는 상기 계산된 흡수제의 부하량(α)을 기준으로 상기 성능평가장치를 자동으로 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 일 관점에 따르면, 성능평가장치를 이용한 성능평가 방법으로, 모사 배가스를 반응기로 공급하는 모사 배가스 공급단계, 반응기 내에 있는 흡수제로 상기 모사 배가스 내의 이산화탄소를 흡수하는 흡수단계, 상기 흡수단계를 통하여 흡수가 완료된 흡수제를 재생하는 재생단계, 상기 재생단계를 통하여 분리된 이산화탄소를 분석하는 분석단계 및 상기 분석단계를 통하여 측정된 결과를 기반으로 자료를 처리하는 자료처리단계를 포함하는 습식 이산화탄소흡수제 성능평가방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 모사 배가스 공급단계는 이산화탄소, 질소 및 기타 가스를 가스믹서를 이용하여 혼합한 후, 일정유량으로 반응기 내부로 공급할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 흡수단계는 상기 흡수제의 온도를 40℃로 유지하여 상기 이산화탄소를 흡수하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 재생단계는 상기 흡수제의 온도를 70℃ 내지 120℃로 유지하여 상기 이산화탄소를 흡수한 흡수제를 재생하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 흡수의 온도를 유지하기 위하여 항온수조를 통하여 용매를 가열하고, 상기 가열된 용매를 반응기 외부의 자켓으로 공급하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 흡수단계 및 상기 재생단계 시 반응기 내 흡수제의 pH 값 및 온도를 측정하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 분석단계는 상기 재생단계로부터 배출된 이산화탄소를 전처리하는 단계 및 상기 전처리 된 상기 이산화탄소를 분석하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자료처리단계는 상기 흡수제의 pH값 및 이산화탄소농도 값을 기반으로 흡수제의 부하량(α)을 계산하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자료처리단계는 상기 계산된 흡수제의 부하량(α)을 기준으로 상기 성능평가장치를 자동으로 제어하는 것일 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이산화탄소 흡수제가 이산화탄소의 흡수 또는 재생과정에서 부하량을 실시간으로 산출하는 습식 이산화탄소 흡수제 성능평가장치 및 성능평가 방법을 제공하는 효과가 있다.
또한, 습식 이산화탄소 흡수제 성능평가장치를 통하여 측정된 이산화탄소의 농도 및 흡수제의 고유 pH를 통해 흡수제와 반응할 이산화탄소의 반응량을 조절하여 이산화탄소 흡수부하량(αrich) 과 이산화탄소 재생부하량(αlean)을 실제 포집공정 운영조건과 동일하게 구성할 수 있는 효과가 있다.
또한, 흡수제 성능평가장치를 실제 포집공정조건과 유사하게 운영하여 실험실과 현장의 실험오차를 줄이는 효과가 있다.
또한, 흡수제의 이산화탄소 포집/재생과정을 이산화탄소 부하량(반응 후 배가스 중 이산화탄소 농도로 추정 또는 흡수제의 pH로 추정)에 따라 자동으로 조절하여 흡수제의 이산화탄소에 대한 포집 및 재생특성을 장기간 반복적으로 측정 가능하며, 이에 따라 흡수제 성능평가의 신뢰성을 높이는 효과가 있다.
그러나 이러한 효과는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 종래의 산성가스 포집 제어장치를 나타낸 개략도이다.
도 2는 종래의 이산화탄소 흡수제 스크리닝 장치를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 습식 이산화탄소 흡수제 성능평가장치를 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 습식 이산화탄소 흡수제 성능평가장치를 통한 성능평가방법을 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 부하량과 pH의 상관도(MEA 30wt%)를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 성능평가장치를 이용하여 성능평가 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 지시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는 다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.
또한, 달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 가지며, 상충되는 경우에는, 정의를 포함하는 본 명세서의 기재가 우선할 것이다.
도면에서 제안된 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 그리고, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에서 기술한 "부"란, 특정 기능을 수항하는 하나의 단위 또는 블록을 의미한다.
각 단계들에 있어 식별부호(제1, 제2, 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다.
즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.
이하에서는. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 종래의 습식 이산화탄소 흡수제 스크리닝 장치를 나타낸 개략도이다. 습식 이산화탄소 흡수제의 기초성능은 이산화탄소와 흡수제의 흡수반응 성능과 이산화탄소를 흡수한 흡수제의 재생성능을 각각 측정하여 평가하게 된다. 습식 이산화탄소 흡수제는 액체상태로 실제 포집공정에서 이산화탄소와 흡수제의 흡수반응은 일반적으로 40℃에서 이루어지며, 재생반응은 90℃ 내지 110℃에서 이루어진다.
그러나 도 2의 종래의 이산화탄소 흡수제 스크리닝 장치의 경우, 이산화탄소와 흡수제의 흡수반응을 40℃에서 일정시간(통상적으로 60-90분) 수행한 후 수동으로 이산화탄소 공급밸브를 잠궈 공급을 멈춘다. 그리고 반응기를 70℃로 미리 가열된 항온수조로 옮겨 흡수된 이산화탄소를 흡수제로부터 분리하는 재생반응을 일정시간(통상적으로 30분)동안 수행하게 된다.
이때, 재생온도를 실제 포집공정의 온도가 아닌 70℃로 낮게 운영하는 이유는 실제 포집공정과 달리 평가장치의 경우 실험의 편의성을 위하여 흡수제가 반응기에 머무르고 반응 배가스가 디퓨저를 통하여 버블 형태로 흡수제와 반응하기 때문에 온도를 높일 경우 흡수제가 가스의 기류에 운반되는 양을 감당하기 어렵기 때문이다. 이 경우, 흡수반응 및 재생반응에 따라 반응기를 항온수조로 옮겨야 하는 불편함이 있을 분만 아니라, 이산화탄소와 흡수제의 반응조건을 실제 공정처럼 구현하기 어렵다는 단점이 있다.
또한, 저온의 흡수 공정에서 흡수제 1몰당 이산화탄소 흡수량을 이산화탄소 흡수부하량(αrich), 그리고 흡수된 이산화탄소를 고온의 재생공정에서 분리하고 흡수제에 남아있는 이산화탄소의 양을 재생부하량(αlean) 이라고 하며, 실제 이산화탄소 포집공정에서는 흡수제의 특성에 따라 흡수부하량(αrich)은 0.5 내지 1.0, 재생부하량(αlean)은 0.1 내지 0.3 범위에서 운전하는 것이 일반적이다.
그러나 도 2의 종래의 이산화탄소 흡수제 스크리닝 장치의 경우 흡수제의 성능을 평가하기 위해 일정온도에서 정해진 시간만큼 흡수반응과 재생반응을 수행하게 되므로, 실제 공정에서의 이산화탄소 흡수부하량(αrich) 및 재생부하량(αlean) 값을 구현할 수 없다. 이로 인하여 실험실에서의 흡수제 성능평가 값과 실제 공정에서의 성능평가 값 사이에 차이가 발생하게 되어, 흡수제의 성능평가를 정확하게 할 수 없다는 문제가 발생하게 된다.
따라서, 이러한 문제점을 해소하기 위하여 흡수제의 흡수부하량(αrich) 및 재생부하량(αlean)을 실시간으로 관측하여 그에 따른 흡수반응과 재생반응을 제어할 필요가 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 습식 이산화탄소 흡수제 성능평가장치를 나타낸 개략도이다.
도 3(a)를 참고하면, 본 발명에 따른 습식 이산화탄소 흡수제 성능평가장치(100)는 가스공급부(200), 반응부(300), 온도조절부(400), 농도측정부(500) 및 자료처리부(600)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
가스공급부(200)는 모사 배가스를 반응부(300)로 공급하는 것으로 이산화탄소 저장조(210), 질소가스 저장조(220) 및 기타가스 저장조(230)를 포함한다. 또한, 상기 가스공급부(200)는 상기 이산화탄소 저장조(210), 상기 질소가스 저장조(220) 및 상기 기타가스 저장조(230)의 외부에 질량유량계를 포함하며, 상기 저장조로부터 공급된 가스를 혼합하는 가스믹서(240)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 각 저장조의 외부에 상기 질량유량계를 부착함으로써 목적하는 모사 배가스의 농도를 제어할 수 있으며, 상기 가스믹서(240)를 통하여 혼합하여 반응부(300)로 공급할 수 있다.
반응부(300)는 상기 가스공급부(200)로부터 모사 배가스를 공급받아 흡수제의 흡수반응 및 재생반응이 이루어지는 것으로, 반응기(310)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 반응기(310)는 pH센서(320), 온도센서(330) 및 냉각콘덴서(340)를 더 포함할 수 있다.
먼저, 상기 pH센서는 상기 반응기(310) 내의 흡수제의 pH를 측정하는 것을 특징으로 한다. 상세하게는, 상기 반응기(310)내의 흡수제의 pH를 측정함으로써 pH의 변화에 따라 상기 반응기 내의 흡수제의 흡수부하량(αrich) 및 재생부하량(αlean)을 실시간으로 예측할 수 있다.
일 예로, 이산화탄소의 로딩에 따른 pH의 상관관계는 흡수제의 구성, 특히 단일 흡수제가 아닌 경우 그 이론적 산식이 매우 복잡해진다. 또한, 이산화탄소와 흡수제가 흡수반응을 하는 동안 반응정도 및 생성되는 반응생성물에 따라 흡수제의 pH에 영향을 주게 된다.
이에, 실시간으로 흡수제의 흡수부하량(αrich) 및 재생부하량(αlean)을 예측하기 위하여 이산화탄소의 로딩에 따른 pH의 상관관계를 실험적으로 사전에 측정하는 것이 바람직하다. 즉, 반응기(310)내의 흡수제의 pH를 측정하여 pH의 변화에 따라 사전에 측정 된 값과 비교하여 상기 반응기 내의 흡수제의 흡수부하량(αrich) 및 재생부하량(αlean)을 실시간으로 예측이 가능해 진다.
상기 온도센서(330)는 상기 반응기(310) 내의 흡수제의 온도를 측정하는 것을 특징으로 한다. 상세하게는, 상기 반응기(310) 내의 흡수제의 온도를 측정함으로써 흡수반응 및 재생반응 시 요구되는 반응온도를 유지할 수 있도록 한다.
상기 냉각콘덴서(340)는 흡수제의 휘발분을 냉각시켜 상기 내부로 공급하는 것을 특징으로 하는 것으로, 상기 냉각콘덴서(340)는 저온의 항온수조를 더 포함할 수 있다. 상세하게는, 흡수반응 및 재생반응의 반응온도에 의하여 휘발하는 흡수제를 휘발하는 흡수제를 냉각콘덴서(340)를 이용하여 저온에서 냉각시켜 다시 반응기(310) 내부로 공급하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 냉각콘덴서(340)는 저온의 항온수조로부터 저온의 용액을 공급받아 휘발하는 흡수제를 냉각시키는 것이 바람직하다.
온도조절부(400)는 반응기(310)의 온도를 조절하는 것으로, 상기 온도조절부(400)는 상기 반응기(310) 내부의 온도를 유지하기 위한 자켓(410) 및 상기 자켓으로 일정온도의 용매를 공급하기 위하여 용매를 가열하는 항온수조(420, 430)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상세하게는, 상기 반응기(310) 내의 흡수제의 온도를 조절하는 것으로, 흡수반응 및 재생반응에 따라 요구되는 온도를 유지하기 위하여, 상기 항온수조(420, 430)를 이용하여 용매를 가열하고, 가열된 용매를 자켓(410)으로 공급하는 것을 특징으로 한다.
농도측정부(500)는 상기 흡수제와 반응한 후 이산화탄소의 농도를 실시간으로 측정하는 것으로, 상기 농도측정부(500)는 전처리장치(510) 및 이산화탄소 분석기(520)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상세하게는, 상기 농도측정부(500)는 상기 흡수제가 상기 반응기(310) 내의 이산화탄소를 흡수 한뒤, 재생반응을 통해 분리된 이산화탄소의 농도를 측정하는 것으로 상기 전처리장치(510)를 이용하여 분리된 이산화탄소를 전처리 한 후, 상기 이산화탄소 분석기(520)를 이용하여 상기 전처리가 완료된 이산화탄소의 농도값을 측정하게 된다.
도 3(b)는 자료처리부(600)로 정보가 전달되고, 자동으로 제어 되는 것을 점선으로 연결한 도면이다. 이를 참고로 하여 자료처리부(600)에 대하여 설명하도록 한다.
자료처리부(600)는 상기 이산화탄소 성능평가장치(100)를 통하여 측정된 자료를 저장차고 처리하는 것을 특징으로 한다. 상세하게는 상기 이산화탄소 성능평가장치(100) 내에서 측정된 pH값 및 이산화탄소의 농도값을 저장하고, 이를 기반으로 흡수제의 부하량(α)을 계산하게 된다.
또한, 상기 자료처리부(600)는 상기 계산된 흡수제의 부하량(α)을 기준으로 상기 이산화탄소 성능평가장치(100)를 자동으로 제어하는 것을 특징으로 한다.
상세하게는, 계산된 흡수제의 부하량(α)을 기준으로 장치내의 질량 유량계 및 체크벨브를 제어할 수 있으며, 온도조절부(400)로부터 반응부(300)로의 용매의 공급을 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 습식 이산화탄소 흡수제 성능평가장치를 통한 성능평가방법을 나타낸 순서도이다.
도 4를 참고하면, 습식 이산화탄소 흡수제 성능평가장치를 통한 성능평가방법(S100)은 모사 배가스 공급단계(S110), 이산화탄소 흡수단계(S120), 이산화탄소 흡수제 재생단계(S130), 이산화탄소 분석단계(S140) 및 자료처리단계(S150)를 포함한다.
모사 배가스 공급단계(S110)는 가스 공급부(200)로부터 모사 배가스를 반응기(310)로 공급하는 단계로, 상기 이산화탄소, 질소 및 기타가스를 가스믹서(240)를 이용하여 혼합한 후 일정유량으로 반응기(310) 내부로 공급하는 것을 특징으로 한다.
상세하게는, 상기 모사 배가스는 질량유량계를 이용하여 혼합배율을 제어하고, 상기 가스믹서(240)를 이용하여 혼합한 뒤 가스믹서(240)와 반응기(310) 사이에 있는 질량유량계 및 밸브를 제어하여 일정유량으로 반응기(310) 내부로 모사 배가스를 공급할 수 있다.
또한, 상기 모사 배가스를 공급하기 전 반응기(310) 내부를 질소로 퍼지(purge)하는 것을 특징으로 한다. 이를 통하여, 흡수제가 이산화탄소와 사전에 반응하는 것을 방지 할 수 있다.
이산화탄소 흡수단계(S120)는 상기 반응기(310) 내에 있는 흡수제로 상기 모사 배가스 내의 이산화탄소를 흡수하는 것으로, 상세하게는 상기 배가스 공급단계(S110)부터 이산화탄소를 포함하는 모사 배가스가 반응기(310) 내부로 공급되면, 상기 반응기(310) 내부의 온도를 일정온도로 유지하여 흡수반응을 함으로써 상기 반응기(310)내의 흡수제가 흡수반응을 통하여 모사 배가스 내의 이산화탄소를 흡수하는 것을 특징으로 한다.
더욱 상세하게는, 상기 반응기(310) 내부의 온도를 일정온도로 유지하기 위하여 상기 온도조절부(400)의 항온수조(420, 430)를 통하여 용매를 가열하고, 가열한 용매를 일정온도에 도달하고 유지할 수 있도록 반응기(310) 외부의 자켓(310)으로 공급하는 것이 바람직하다. 예를 들어 흡수반응을 위한 반응기(310) 내부의 온도는 40℃로 유지하는 것이 바람직하다.
상기 이산화탄소 흡수제 재생단계(S130)는 흡수단계(S120)를 통하여 흡수가 완료된 흡수제를 재생하는 단계로, 상세하게는 반응기(310) 내부의 온도를 일정온도로 유지하여 재생반응을 함으로써 상기 이산화탄소를 흡수한 흡수제로부터 이산화탄소를 분리하는 것을 특징으로 한다.
더욱 상세하게는, 상기 흡수단계(S120)와 유사하게 상기 반응기(310) 내부의 온도를 일정온도로 유지하기 위하여 상기 온도조절부(400)의 항온수조(420, 430)를 통하여 용매를 가열하고, 가열한 용매를 일정온도에 도달하고 유지할 수 있도록 반응기(310) 외부의 자켓(310)으로 공급하는 것이 바람직하다. 예를 들어 재생반응을 위한 반응기(310) 내부의 온도는 70℃ 내지 120℃ 범위에서 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 흡수단계(S120) 및 상기 재생단계(S130) 시 반응기(310) 내 흡수제의 pH 값 및 온도를 측정하는 것을 특징으로 한다. 상기 pH 값을 측정함으로써 상기 흡수단계(S120) 및 상기 재생단계(S130)가 종료되는 시점을 예측할 수 있다.
상세하게는, 성능을 평가하는 흡수제의 종류에 따라 이산화탄소의 로딩에 따른 pH의 상관관계를 미리 측정하고, 이를 이용하여 흡수부하량(αrich) 및 재생부하량(αlean)을 설정할 수 있다. 이에, 상기 미리 설정한 흡수부하량(αrich) 및 재생부하량(αlean)을 기준으로 흡수단계(S120)를 진행하는 시점 및 종료 시점, 재생단계(S130)를 진행하는 시점 및 종료 시점을 예측할 수 있게 된다.
일 예로, 도 5는 MEA 30wt%일때 이산화탄소 부하량과 pH의 상관도를 나타낸 그래프로, 도 5를 참고하면, 상기 이산화탄소 흡수단계(S120)는 흡수제의 흡수부하량(αrich)이 0.1부터 시작하여 0.4에 도달할 때까지 진행하는 것을 특징으로 한다. 상기 흡수단계(S120)를 진행하는 동안 상기 흡수제의 흡수부하량(αrich)이 0.4에 도달하면 흡수제가 더 이상 이산화탄소를 흡수할 수 없다고 판단하고, 모사 배가스가 공급을 중단한 뒤 이산화탄소 흡수제 재생단계(S130)를 통하여 재생반응을 진행하게 된다.
또한, 상기 이산화탄소 흡수제 재생단계(S130)는 흡수제의 재생부하량(αlean)이 0.4부터 시작하여 0.1에 도달할 때 까지 진행하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 재생단계(S130)를 진행하는 동안 질소가스를 반응기(310)로 공급하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 흡수제의 재생부하량(αlean)이 0.1에 도달하면 재생단계(S130)가 종료되는 것으로 질소가스의 공급을 중단하게 된다.
또한, 재생단계(S130)가 종료되면 상기 가스공급부(200)로부터 다시 모사 배가스를 공급하여 흡수단계(S120)를 통하여 이산화탄소 흡수반응을 다시진행 할 수 있다. 이때, 상기 흡수반응을 다시 진행하기 위하여 흡수반응을 위한 온도인 40℃로 설정된 항온수조(420, 430)로부터 자켓(410)으로 용매를 공급받아 반응기(310)의 온도를 빠르게 하강시키고 흡수반응을 진행하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 습식 이산화탄소 흡수제의 성능평가 방법은 연속적으로 진행할 수 있으며, 목적하는 기간 동안 연속으로 흡수반응 및 재생반응을 진행함으로써, 흡수제 성능평가의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이산화탄소 분석단계(S140)는 상기 재생단계(S130)를 통하여 분리된 이산화탄소를 분석하는 단계로, 상기 전처리장치(510)를 통하여 이산화탄소를 전처리를 한 후 이산화탄소 분석기(520)를 통하여 이산화탄소의 농도를 측정하는 것을 특징으로 한다.
상세하게는, 상기 전처리장치(510)의 입자필터, 수분필터 및 펠티어(Pertier) 적용 미세 수분필터의 순서를 거쳐 이산화탄소에 포함되어 있는 수분 및 불순물을 제거하여 이산화탄소를 전처리하는 것이 바람직하다.
이산화탄소 분석단계(S140)를 통하여 이산화탄소 농도 측정이 완료되면 자료처리부(500)로 저장되어 자료처리단계(S150)를 진행하게 된다.
상세하게는 도 5와 같이 미리 측정한 이산화탄소 부하량에 따른 pH값을 기준으로 상기 재생단계(S130)를 진행하는 동안 측정된 pH 및 이산화탄소 분석기(520)로부터 측정된 이산화탄소의 농도를 비교하여 실시간으로 부하량(α)을 계산하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 계산된 흡수제의 부하량(α)을 기준으로 상기 성능평가장치를 자동으로 제어하는 것을 특징으로 한다.
상세하게는, 자료처리부(500)로부터 계산 된 흡수제의 부하량(α)을 기준으로 상기 흡수단계(S120) 또는 상기 재생단계(S130)를 판단하게 된다. 상기, 판단을 기준으로 상기 흡수단계(S120) 또는 상기 재생단계(S130)에 맞게 모사 배가스 공급, 온도조절 등을 위하여 성능평가장치(100)에 포함되어 있는 질량유량계 및 벨브 등 이산화탄소 성능평가장치(100)를 자동으로 제어하게 된다.
즉, 이산화탄소 성능평가장치(100)를 이용하여 성능평가(S100)를 반복적으로 진행함으로써, 흡수제의 시간에 따른 흡수 및 재생특성을 평가할 수 있을 뿐만 아니라, 반응시간에 따른 흡수제의 변성(degradation)을 함께 파악할 수 있어 흡수제의 내구성 또한 비교평가 가능하다는 효과가 있다.
이하 본 발명을 실시예 및 실험예를 통하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 단 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예
본 발명에 따른 성능평가장치를 이용하여 성능평가를 진행하기 위하여 MEA 30wt%일 때, 흡수온도 40℃, 재생온도 110℃에서 성능평가를 실시하였다. 이때, 상기 흡수제의 이산화탄소 포집/재생과정을 이산화탄소 부하량(반응 후 배가스 중 이산화탄소 농도로 추정 또는 흡수제의 pH로 추정)에 따라 성능평가장치를 자동으로 조절하여 흡수제의 이산화탄소에 대한 포집 및 재생특성을 장기간 반복적으로 측정 하였다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 성능평가장치를 이용하여 성능평가 결과를 나타낸 그래프이다. 도 6을 참고하면, 포집 및 재생과정을 12회 동안 반복한 것으로, 흡수제가 포집 및 재생과정이 안정적으로 이루어지는 것을 확인할 수 있는 것으로, 상기 성능평가장치를 이용하여 흡수제의 포집 및 재생성능 평가가 가능하다는 것을 확인 할 수 있다.
또한, 포집 및 재생과정을 반복하는 동안 흡수부하량(αrich)이 0.4에 도달하는 시간을 함께 측정함으로써 흡수제의 변성을 확인 할 수 있다. 즉, 장기간 연속 실험 중 흡수제의 변성이 발생한경우 흡수부하량(αrich)이 0.4에 이르는 시간이 점점 증가하게 되어, 이를 바탕으로 흡수제가 변성되어 내구성이 떨어지는 것을 확인 할 수 있다.
본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
100: 이산화탄소 성능평가장치
200: 가스공급부
210: 이산화탄소 저장조
220: 질소가스 저장조
230: 기타가스 저장조
240: 가스믹서
300: 반응부
310: 반응기
320: pH센서
330: 온도센서
340: 냉각콘덴서
400: 온도조절부
410: 자켓
420, 430: 항온수조
500: 농도측정부
510: 전처리장치
520: 이산화탄소 분석기
600: 자료처리부

Claims (17)

  1. 이산화탄소 포집을 위한 습식 흡수제의 실시간 성능을 평가하기 위한 장치로서,
    모사 배가스가 공급되는 가스공급부;
    상기 가스공급부로부터 배가스를 공급받아 흡수제의 흡수반응 및 재생반응이 이루어지는 반응기를 포함하는 반응부;
    상기 반응기의 온도를 조절하는 온도 조절부;
    상기 흡수제와 반응한 후 이산화탄소의 농도를 실시간으로 측정하는 이산화탄소 농도 측정부; 및
    상기 장치를 통하여 측정된 자료를 처리하는 자료처리부;를 포함하는,
    습식 이산화탄소 흡수제 성능평가장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스공급부는 이산화탄소 저장조;
    질소가스 저장조;
    기타가스 저장조; 및
    상기 이산화탄소 저장조, 상기 질소가스 저장조 및 상기 기타가스 저장로부터 공급된 가스를 혼합하는 가스믹서;를 포함하는 것인,
    습식 이산화탄소 흡수제 성능평가장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반응기는 상기 반응기 내의 흡수제의 pH를 측정하기 위한 pH센서;
    상기 반응기 내의 흡수제의 온도를 측정하기 위한 온도센서; 및
    상기 흡수제의 휘발분을 냉각시켜 상기 반응기 내부로 공급하는 냉각콘덴서;를 포함하는 것인,
    습식 이산화탄소 흡수제 성능평가장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 온도 조절부는 상기 반응기 내부의 온도를 유지하기 위한 자켓; 및
    상기 자켓으로 일정온도의 용매를 공급하기 위하여 용매를 가열하는 항온수조;를 포함하는 것인,
    습식 이산화탄소 흡수제 성능평가장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 자켓은 상기 반응기의 외부를 둘러싸고 있는 형태인 것인,
    습식 이산화탄소 흡수제 성능평가장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 이산화탄소 농도 측정부는 이산화탄소 분석 전처리장치; 및
    상기 전처리가 완료된 이산화탄소를 분석하는 이산화탄소 분석기;를 포함하는 것인,
    습식 이산화탄소 흡수제 성능평가장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 자료처리부는 성능평가장치 내에서 측정된 pH값 및 이산화탄소농도 값을 기반으로 흡수제의 부하량(α)을 계산하는 것인,
    흡식 이산화탄소 흡수제 성능평가장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 자료처리부는 상기 계산된 흡수제의 부하량(α)을 기준으로 상기 성능평가장치를 자동으로 제어하는 것인,
    습식 이산화탄소 흡수제 성능평가장치.
  9. 제1항 내지 제8항을 포함하는 성능평가장치를 이용한 성능평가 방법으로,
    모사 배가스를 반응기로 공급하는 모사 배가스 공급단계;
    반응기 내에 있는 흡수제로 상기 모사 배가스 내의 이산화탄소를 흡수하는 흡수단계;
    상기 흡수단계를 통하여 흡수가 완료된 흡수제를 재생하는 재생단계;
    상기 재생단계를 통하여 분리된 이산화탄소를 분석하는 분석단계; 및
    상기 분석단계를 통하여 측정된 결과를 기반으로 자료를 처리하는 자료처리단계;를 포함하는 것인,
    습식 이산화탄소 흡수제 성능평가 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 모사 배가스 공급단계는 이산화탄소, 질소 및 기타 가스를 가스믹서를 이용하여 혼합한 후, 일정유량으로 반응기 내부로 공급하는 것인,
    습식 이산화탄소 흡수제 성능평가 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 흡수단계는 상기 흡수제의 온도를 40℃로 유지하여 상기 이산화탄소를 흡수하는 것인,
    습식 이산화탄소 흡수제 성능평가 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 재생단계는 상기 흡수제의 온도를 70℃ 내지 120℃로 유지하여 상기 이산화탄소를 흡수한 흡수제를 재생하는 것인,
    습식 이산화탄소 흡수제 성능평가 방법.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 흡수의 온도를 유지하기 위하여 항온수조를 통하여 용매를 가열하고,
    상기 가열된 용매를 반응기 외부의 자켓으로 공급하는 것인,
    습식 이산화탄소 흡수제 성능평가 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 흡수단계 및 상기 재생단계 시 반응기 내 흡수제의 pH 값 및 온도를 측정하는 것인,
    습식 이산화탄소 흡수제 성능평가 방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 분석단계는 상기 재생단계로부터 배출된 이산화탄소를 전처리하는 단계; 및
    상기 전처리 된 상기 이산화탄소를 분석하는 단계;를 포함하는 것인,
    습식 이산화탄소 흡수제 성능평가 방법.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 자료처리단계는 상기 흡수제의 pH값 및 이산화탄소농도 값을 기반으로 흡수제의 부하량(α)을 계산하는 것인,
    습식 이산화탄소 흡수제 성능평가 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 자료처리단계는 상기 계산된 흡수제의 부하량(α)을 기준으로 상기 성능평가장치를 자동으로 제어하는 것인,
    습식 이산화탄소 흡수제 성능평가장치.
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