KR20220068086A - 이산화탄소 분리 공정시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이산화탄소 분리 공정시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이산화탄소 포집 및 액화 공정의 최전 운전시스템 및 그 계산방법에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따르면, 시간의 흐름에 따라 변화하는 이산화탄소 농도에 대해, 계속해서 고농도의 이산화탄소 생산 및 액화 가능한 이산화탄소 분리 공정 시스템을 제공할 수 있으며, 이를 통하여 최종제품으로서의 이산화탄소 순도 향상 및 회수율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
한편, 본 발명은, 창원시청(부처명: 고용노동부) '고용안정 선제 대응 패키지 지원사업(세부사업명: 신성장산업 고용확정형 기술혁신 중점지원사업)'의 일환으로 "수소 생산 공정으로부터 이산화탄소 포집 개발(세부과제번호: 2020-0278, 연구기간: 2020.05.01~2020.12.31)"을 통해 개발된 기술에 관한 것이다.

Description

이산화탄소 분리 공정시스템{PROCESS SYSTEM FOR SEPARATING CARBON DIOXIDE}
본 발명은 이산화탄소 분리 공정시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이산화탄소 포집 및 액화 공정의 최전 운전시스템 및 그 계산방법에 관한 것이다.
한편, 본 발명은, 창원시청(부처명: 고용노동부) '고용안정 선제 대응 패키지 지원사업(세부사업명: 신성장산업 고용확정형 기술혁신 중점지원사업)'의 일환으로 "수소 생산 공정으로부터 이산화탄소 포집 개발(세부과제번호: 2020-0278, 연구기간: 2020.05.01~2020.12.31)"을 통해 개발된 기술에 관한 것이다.
현재 전체 수소 소비량의 48%를 천연가스 스팀 개질을 통해 공급되고 있다. 천연가스 스팀 개질 외 다른 수소 생산 후보기술로서, 바이오매스 및 가연성 폐자원 가스화, 수전해(전기분해, 광분해, 열분해) 등이 논의되고 있으나, 기술성숙도 및 산업화(대량생산) 가능성, 에너지 전화 효율을 고려할 때, 중,단기적으로 천연가스 스팀 개질 방법이 증가하는 수소 수요량을 만족시키기 위한 유일한 대안이 될 것으로 예상된다.
천연가스 스팀 개질을 통해 생산되는 수소는 '그레이 수소'로, 수소 생산 과정에서 많은 양의 이산화탄소가 발생한다. 천연가스 스팀 개질을 통해 생산된 수소가 친환경 에너지원으로 활용되기 위해서는 수소 생산 과정에서 발생한 이산화탄소의 포집이 필수적이다.
이러한 이산화탄소 포집 기술로서, 국내에서는 정부 주도 하에서 지난 10년 동안, 주로 발전소 및 시멘트 공장을 대상으로, 다양한 포집 기술 및 기술 개발 연구를 진행하였으나, 상용화되어 실제 공정에 적용된 사례는 보고되지 않았다.
해외에서는 흡착을 이용한 상용 이산화탄소 포집 공정을 제공하고 있으나, 전체 수소 생산 장치의 비용 증가, 이산화탄소 포집 장치의 납기까지 장기간 소요됨에 따라 시장 상황에 따른 선제 대응이 어려움, 원료가스 조성 변화 등 외부요인에 따라 유동적으로 장치 설계조건을 변화시키기 어려움, 벤더가 해외에 위치함에 따라 장치성능의 문제 발생 시, 해결까지 장시간/고비용이 소비되는 문제점이 존재한다.
한국 등록특허공보 제10-1038764호
본 발명은 시간의 흐름에 따라 변화하는 이산화탄소 농도에 대해, 계속해서 고농도의 이산화톤 생산 및 액화가 가능한 공정 시스템을 제공하는 것을 발명의 목적으로 한다.
본 발명에 따른 이산화탄소 분리 공정시스템은 탄화수소를 주성분으로 하는 원료가스로부터 촉매반응을 통해 수소를 추출 후, 수소를 주성분으로 하는 제1생산가스와 이산화탄소 및 질소를 주 성분으로 하는 제1 정제가스를 분리하는 수소추출부; 상기 제1 정제가스내 포함된 수분이 제거된 제2 정제가스를 분리하는 전처리부; 상기 제2 정제가스내 질소를 제거한 이산화탄소를 주성분으로 하는 제3 정제가스를 분리하는 정제부; 및 상기 제3 정제가스를 이산화탄소를 액화시켜 제2 생산가스를 분리하는 액화부를 포함한다.
상기 정제부의 흡착 공정 또는 흡수 공정의 운전조건을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 정제부의 흡착 공정 운전조건을 제어하는 것이며, 상기 흡착 공정은 가압 단계; 흡착 단계; 감압 단계; 및 탈착 단계를 포함할 수 있으며, 상기 제어부는 상기 흡착 공정은 각 단계의 운전시간, 운전압력 및 가스 선속도 중 어느 하나 이상을 제어하는 것일 수 있다.
상기 제어부는 상기 정제부의 흡착 공정 운전조건을 제어하는 것이며, 상기 흡착 공정은 흡수제, 흡수탑 및 재생탑에 의하여 수행하는 것일 수 있으며, 상기 제어부는 상기 흡수 공정은 흡수탑과 재생탑에서의 온도; 흡수탑과 재생탑에서의 압력; 및 흡수제의 유량 중 어느 하나 이상을 제어하는 것일 수 있다.
상기 제어부는 하기 식 1 내지 식 3으로 표시되는 이산화탄소의 회수율; 이산화탄소의 순도; 및 이산화탄소의 단위 부피 또는 단위 질량당 소비에너지의 정보;를 이용하는 것일 수 있다.
[식 1]
이산화탄소의 회수율= (제2생산가스 내 이산화탄소의 유량)/(제1정제가스 내 이산화탄소의 유량)
[식 2]
이산화탄소의 순도= (제2생산가스 내 이산화탄소의 유량)/(제2생산가스의 총유량)
[식 3]
이산화탄소 단위 부피 또는 단위 질량 당 소비에너지 = (정제부+액화부에서의 소비에너지)/(제2생산가스 내 이산화탄소의 유량)
상기 제어부는, 상기 제1 정제가스의 조성 및 유량, 상기 제2 생산가스의 조성 및 유량을 전달받고, 이를 바탕으로 상기 식 1의 이산화탄소의 회수율 및 상기 식 2의 이산화탄소의 순도를 계산하며, 상기 정제부 및 상기 액화부로부터 각각 소비에너지를 전달받아 상기 식 3의이산화탄소 단위 부피 또는 단위 질량 당 소비에너지를 계산하는 것일 수 있다.
상기 제어부는, 하기 식 4로 표시되는 목적함수를 통하여 상기 정제부의 운전조건을 제어하는 것일 수 있다.
[식 4]
Figure pat00001
Figure pat00002
식 4에서 θ는 상기 정제부의 운전조건이며, E300는 상기 정제부에서의 소비에너지이며, E400은 상기 액화부에서의 소비에너지이며, J는 상기 제어부가 최소화하고자 하는 변수로 E300와 E400의 합으로 계산되는 것이며, F(θ)는 작업자에 의해 주어지는 상기 식 1의 이산화탄소의 회수율 및 상기 식 2의 이산화탄소의 순도로 구성된 제약조건으로 F(θ)는 하기 식 5와 같이 표현되는 것임.
[식 5]
이산화탄소의 순도 - 99.95% ≥ 0
이산화탄소의 회수율 - 75% ≥ 0
또한, 본 발명에 따른 이산화탄소 분리 공정시스템은 상기 정제부 및 상기 액화부의 운전조건을 중심으로 선형화된 모델을 상기 제어부에 제공하는 선형화부를 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 선형화부는 상기 정제부의 운전조건을 독립변수로, 상기 정제부와 상기액화부에서의 소비에너지를 종속변수로 하여 소비에너지 변화 예측 모델을 선형화하고, 상기 선형화된 소비에너지 변화 예측 모델을 상기 제어부에 제공하는 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 시간의 흐름에 따라 변화하는 이산화탄소 농도에 대해, 계속해서 고농도의 이산화탄소 생산 및 액화 가능한 이산화탄소 분리 공정 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 이를 통하여 최종제품으로서의 이산화탄소 순도 향상 및 회수율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 분리 공정시스템을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 분리 공정시스템을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 정제부에서의 가압 단계; 흡착 단계; 감압 단계; 및 탈착 단계로 구성된 흡착 공정의 일례를 도시한 것이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.
또한, '또는'이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or'이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or'를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다'라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.
또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
한편, 본 발명의 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 이산화탄소 분리 공정시스템을 도시한 것으로서, 도 1 및 도 2를 참조하면,
본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 분리 공정시스템은 탄화수소를 주성분으로 하는 원료가스로부터 수소를 주성분으로 하는 제1 생산가스와 제1 정제가스를 분리하는 수소추출부(100); 상기 제1 정제가스내 포함된 수분을 제거하여 제2 정제가스를 분리하는 전처리부(200); 상기 제2 정제가스내 질소를 제거한 후 이산화탄소를 주성분으로 하는 제3 정제가스를 분리하는 정제부(300); 상기 제3 정제가스를 이산화탄소를 액화시켜 제2 생산가스를 분리하는 액화부(400)를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 이산화탄소 분리 공정시스템은 정제부(300)의 운전조건을 제어하는 제어부(500)를 더 포함한다
수소추출부(100)는 탄화수소를 주성분으로 하는 원료가스와 스팀을 이용하여 수소를 생산하는 공정으로서, 상기 원료가스는 메탄, 에탄, 프로판 등의 탄화수소를 주성분으로 하며, 상기 스팀을 고온의 수증기를 포함하는 것일 수 있다.
수소추출부(100)는 개질기(reformer), 수성화반응기(water gas shift reactor), 수소분리공정부를 포함할 수 있으며, 상기의 개질기, 수성화반응기, 수소분리공정부의 구성은 일반적인 상용 추출수소 생산공정의 구성과 동일할 수 있다.
수소추출부(100)는 상기 원료가스로부터 촉매반응을 통해 수소를 수출하는 것이며, 이를 통하여 수소를 주성분으로 하는 제1 생산가스를 분리하며, 동시에, 이산화탄소 및 질소를 주성분으로 하는 제1 정제가스를 분리한다.
수소추출부(100)로부터 배출되는 제1 생산가스는 수소를 주성분으로 하는 것이며, 추출수소 생산공정(100)에서 배출되는 제1 정제가스는 이산화탄소, 질소 및 수분을 포함할 수 있으며, 상기 이산화탄소와 상기 질소의 상대적 부피 비는 10 vol% : 90 vol% 내지 30 vol% : 70 vol%일 수 있으며, 바람직하게 15 vol% : 85 vol%일 수 있다. 수소추출부(100)로부터 배출되는 제1 생산가스는 전처리부(200)로 주입된다.
전처리부(200)는 냉각기 및 기체-액체 분리기(gas-liquid separator)를 포함하는 것일 수 있으며, 이를 통하여 상기 제1 정제가스의 냉각 및 수분의 분리를 수행하는 것일 수 있다. 전처리부(200)에서 수분이 제거된 제2 정제가스는 제2 정제가스 라인을 통해 정제부(300)로 주입된다.
전처리부(200)는 수소추출부(100)로부터 이송 받은 제1 정제가스를 냉각시키는 것이며, 상기 제1 정제가스는 약 200 내지 300℃이며 전처리부(200)에서 상온으로 냉각된다. 이때, 전처리부(200)에서 제1 정제가스가 냉각됨에 따라, 제1 정제가스 내에 포함되어 있던 수분이 응축되어, 제1 폐기가스와 제2 정제가스로 분리된다.
보다 구체적으로 전처리부(200)에서 제1 정제가스를 상온으로 냉각하면 제1 정제가스 내에 포함되어 있는 수분이 액체상태로 응축되며, 제1 폐기가스가 배출 라인을 따라 배출된다. 한편, 제1 정제가스 내에 포함되어 있는 이산화탄소 및 질소는 전처리부(200)에서 냉각되어도 대부분이 기체 상태로 존재함에 따라 제2 정제가스의 분리가 가능하며, 분리된 제2 정제가스는 배송라인을 따라 정제부(300)로 이동된다.
정제부(300)는 제2 정제가스의 흡착 공정 또는 흡수 공정을 통하여, 질소를 주성분으로 하는 제2 폐기가스와 이산화탄소를 주성분으로 하는 제3 정제가스로 분리되며, 제3 정제가스는 액화부(400)로 주입된다.
정제부(300)에서 흡착 공정을 통하여 제2 정제가스를 분리하는 경우에, 정제부(300)는 가압 단계; 흡착 단계; 감압 단계; 및 탈착 단계를 포함하는 흡착 공정을 수행하는 것일 수 있으며, 상기 탈착 단계 이후 압력균등화 단계를 추가로 더 포함하는 흡착 공정을 수행하는 것일 수 있다. 정제부(300)는 상기 흡착 공정의 각 단계의 운전시간, 운전압력 및 가스 선속도를 중 어느 하나 이상을 제어하는 것일 수 있으며 이를 통하여 이산화탄소 분리 성능을 조절할 수 있다. 보다 구체적으로 정제부(300)는 상기 가압 단계에서의 운전시간, 운전압력 및 가스 선속도 중 어느 하나 이상을 제어하거나, 상기 흡착 단계에서의 운전시간, 운전압력 및 가스 선속도 중 어느 하나 이상을 제어하거나, 상기 감압 단계에서의 운전시간, 운전압력 및 가스 선속도 중 어느 하나 이상을 제어하거나, 상기 탈착 단계에서의 운전시간, 운전압력 및 가스 선속도 중 어느 하나 이상을 제어하거나, 상기 압력균등화 단계에서의 운전시간, 운전압력 및 가스 선속도 중 어느 하나 이상을 제어하는 것일 수 있으며, 이들을 조합하여 2 이상의 단계에서 2 이상의 운전조건을 동시에 제어하는 것일 수 있다.
정제부(300)에서의 상술한 가압 단계; 흡착 단계; 감압 단계; 및 탈착 단계로 구성되는 흡착 공정 또는 압력균등화 단계를 더 포함하는 흡착 공정의 각각의 단계에서의 운전시간; 운전압력; 및 가스 선속도;는 제어부(500)에 의해 조절되는 것일 수 있다.
도 3은 정제부(300)에서의 가압 단계; 흡착 단계; 감압 단계; 및 탈착 단계로 구성된 흡착 공정의 일 예시로서, 도 3을 참조하면, 가압(PR) 단계, 흡착(AD) 단계, 감압(BL) 단계, 탈착(PU) 단계로 구성된 정제부의 1 사이클 동안의 운전 압력 변화를 보인다. 가압 단계의 10 초 동안, 흡착베드의 압력은 10 kPa에서 140 kPa까지 상승되며, 흡착단계의 30 초 동안, 흡착베드의 압력은 140 kPa로 유지된다. 감압 단계의 10 초 동안, 흡착베드의 압력은 140 kPa에서 10 kPa로 하강되며, 탈착 단계의 30 초 동안, 흡착베드의 압력은 10 kPa로 유지된다. 이때, 가압 단계, 흡착 단계, 감압 단계, 탈착 단계 각각의 운전시간인 10 초, 30 초, 10 초, 30 초는 각각 그 시간이 조절될 수 있으며, 이와 유사하게, 가압 단계, 흡착 단계, 감압 단계, 탈착 단계의 운전압력도 각각 그 크기가 조절될 수 있으며, 추가적 일 례로서, 가압 단계의 운전압력은 20 kPa에서 130 kPa까지 상승되며, 흡착 단계의 운전압력은 130 kPa로 유지되며, 감압 단계의 운전압력은 130 kPa에서 20 kPa로 하강되며, 탈착 단계의 운전압력은 20 kPa로 유지되는 것으로 조절될 수 있다.
정제부(300)에서 흡수 공정을 통하여 제2 정제가스를 분리하는 경우에, 정제부(300)는 흡수제, 흡수탑 및 재생탑을 구비하여 흡수 공정을 수행하는 것일 수 있다. 정제부(300)는 상기 흡수 공정의 흡수탑과 재생탑 온도; 흡수탑과 재생탑 압력; 및 흡수제의 유량 중 어느 하나를 제어하는 것일 수 있으며 이를 통하여 이산화탄소 분리 성능을 조절할 수 있다. 보다 구체적으로 정제부(300)는 상기 흡수탑과 재생탑 온도를 제어하거나, 상기 흡수탑과 재생탑 압력을 제어하거나, 상기 흡수제의 유량을 제어하는 것일 수 있으며, 이들을 조합하여 2 이상의 운전조건을 동시에 제어하는 것일 수 있다.
정제부(300)에서의 상술한 흡수탑 및 재생탑 온도; 흡수탑 및 재생탑 압력; 및 흡수제의 유량은 제어부(500)에 의해 조절되는 것일 수 있다.
액화부(400)는 제3 정제가스를 액화시키며, 흡착 또는 흡수를 통하여 제3 폐기가스와 제2 생산가스를 분리한다.
액화부(400)는 정제부(300)로부터 이산화탄소를 주성분으로 하는 제3 정제가스를 전달받아서, 이송이 편리하도록 고압으로 압축하여 액화시킨다. 액화부(400)는 이산화탄소의 액화를 위해 압축기, 열교환기 및 기체-액체 분리기를 포함할 수 있으며, 진공펌프를 더 포함한다. 액화부(400)에서 이산화탄소가 액화될 때, 질소와 같은 비응축성 기체는 액체 이산화탄소로부터 분리되어 제3 폐기가스로 배출되며, 최종적으로 액화된 고순도 이산화탄소는 제2 생산가스 라인을 통해 배출된다.
제어부(500)는 상술한 정제부(300)에서 흡착 공정 또는 흡수 공정에서의 운전조건을 제어하는 것일 수 있다. 제어부(500)는 정제부(300)와 연동되어 정제부(300)의 운전조건을 제어하는 것에 관여할 수 있다.
보다 구체적으로, 정제부(300)에서 흡착 공정을 통하여 제2 정제가스를 분리하는 경우에, 제어부(500)는 정제부(300)의 흡착 공정이 가압 단계; 흡착 단계; 탈착 단계; 감압 단계; 및 압력균등화 단계로 구성되며, 상기 흡착 공정의 각 단계의 운전시간, 운전압력 및 가스 선속도 중 어느 하나 이상을 제어하는 것일 수 있으며 이를 통하여 질소 분리 성능을 조절할 수 있다.
또한, 보다 구체적으로 정제부(300)에서 흡수 공정을 통하여 제2 정제가스를 분리하는 경우에 제어부(500)는 정제부(300)의 흡수탑과 재생탑 온도; 흡수탑과 재생탑 압력; 및 흡수제의 유량 중 어느 하나 이상을 조절하여 정제부(300)의 성능을 제어하는 것일 수 있다.
또한, 제어부(500)는 액화부(400)와 연동되어 정제부(300)의 운전조건을 제어함에 있어 필요로 하는 매개변수(독립변수 또는 종속변수)를 수집할 수 있으며, 이때 수집되는 매개변수는 상술한 정제부(300)의 소비에너지와 후술되는 액화부(400)에서의 소비에너지의 총 합일 수 있다. 상기 정제부(300)의 소비에너지는 정제부(300)에 포함된 압축기의 소비에너지 또는 진공펌프의 소비에너지일 수 있으며 압축기 및 진공펌프의 소비에너지 총 합일 수 있다. 상기 액화부(400)의 소비에너지는 액화부(400)에 포함된 압축기에서의 소비에너지일 수 있다.
제어부(500)는 하기 식 1 내지 식 3으로 표시되는 이산화탄소의 회수율, 이산화탄소의 순도 및 이산화탄소의 단위 부피 또는 단위 질량당 소비에너지의 정보를 이용하는 것일 수 있다.
상기 서술한 본 발명의 실시예에서, "이산화탄소의 회수율"은 하기 식 1에서와 같이 계산될 수 있다.
[식 1]
이산화탄소의 회수율= (제2생산가스 내 이산화탄소의 유량)/(제1정제가스 내 이산화탄소의 유량)
또한, "이산화탄소의 순도"는 하기 식 2에서와 같이 계산될 수 있다.
[식 2]
이산화탄소의 순도= (제2생산가스 내 이산화탄소의 유량)/(제2생산가스의 총유량)
한편, "이산화탄소 단위 부피 또는 단위 질량 당 소비에너지"는 하기 식 3에서와 같이 계산될 수 있다.
[식 3]
이산화탄소 단위 부피 또는 단위 질량 당 소비에너지 = (정제부(300)에서의 소비에너지+액화부(400)에서의 소비에너지)/(제2 생산가스 내 이산화탄소의 유량)
상기 식 3에서 상기 정제부(300)에서의 소비에너지는 정제부(300)에 포함된 압축기의 소비에너지 또는 진공펌프의 소비에너지일 수 있으며 압축기 및 진공펌프의 소비에너지 총 합일 수 있다. 상기 액화부(400)에서의 소비에너지는 액화부(400)에 포함된 압축기에서의 소비에너지일 수 있다.
제어부(500)는 전처리부(200)에 주입되는 제1 정제가스의 조성과 유량을 전달받을 수 있으며, 액화부(400)에서 배출되는 제2 생산가스의 조성과 유량을 전달받을 수 있다. 상기 제1 정제가스가 주입되는 전처리부(200) 전단에 제1 조성측정부(710) 및 제1 유량측정부(720)가 구비될 수 있으며, 상기 제2 생산가스가 배출되는 액화부(400)의 후단에 제2 조성측정부(730) 및 제2 유량측정부(740)가 구비되는 것일 수 있다. 이에 따라서, 상기 제1 정제가스의 조성은 제1 조성측정부(710)로부터 측정되는 것이며, 상기 제1 정제가스의 유량은 제1 유량측정부(720)로부터 측정되는 것일 수 있다. 상기 제2 생산가스의 조성은 제2 조성측정부(730)로부터 측정되는 것일 수 있으며, 상기 제2 생산가스의 유량은 제2 유량측정부(740)로부터 측정되는 것일 수 있다.
제어부(500)는 상기 제1 정제가스의 조성 및 유량, 상기 제2생산가스의 조성 및 유량을 전달받고, 이를 바탕으로 분리성능의 척도인 "이산화탄소의 회수율" 및 "이산화탄소의 순도"를 계산하며, 정제부(300) 및 액화부(400)로부터 각각 소비에너지를 전달받아 "이산화탄소 단위 부피 또는 단위 질량 당 소비에너지"를 계산한다. 이를 바탕으로, 제어부(500)는 하기 식 4에서와 같은 목적함수를 이용하여, 정제부(300)의 운전조건을 최적화활 수 있다.
[식 4]
Figure pat00003
Figure pat00004
여기서, θ는 정제부(300)의 운전조건으로서, 상술한 본 발명의 실시예에 나열된 정제부(300)의 모든 운전조건을 포함한다. J는 제어부(500)가 최소화하고자 하는 변수이며, E300와 E400의 합으로 계산된다. E300와 E400은 각각 정제부(300)와 액화부(400)에서의 소비에너지를 나타낸다. F(θ)는 작업자에 의해 주어지는 "이산화탄소의 회수율"(식 1) 및 "이산화탄소의 순도"(식 2)로 구성된 제약조건을 나타내며, 예를 들어, 이산화탄소의 순도가 99.95% 이상, 이산화탄소의 회수율이 75% 이상이라는 제약조건을 만족시켜야 하는 경우, F(θ)는 하기 식 5와 같이 표현될 수 있다. 제어부(500)는 J를 최소화하도록 정제부(300)의 운전조건 θ를 결정한다.
[식 5]
이산화탄소의 순도 - 99.95% ≥ 0
이산화탄소의 회수율 - 75% ≥ 0
본 발명의 실시예에 따른 제어부(500)의 목적함수는 SQP(Sequential Quadratic Programming) 방법 또는 GA(Genetic Algorithm) 등과 같은 최적화 알고리즘에 의해 계산 가능할 수 있다.
한편, 제어부(500)에서 상술한 최적화 문제를 풀 때, 운전조건 θ의 변화에 따른 정제부(300)와 액화부(400)에서의 각각의 소비에너지 변화를 예측하고자, 정제부(300)의 운전조건 변화에 따른 정제부(300) 및 액화부(400)의 각각의 소비에너지 변화 예측 모델을 포함한다. 이러한 소비에너지 변화 예측 모델은 물질수지식과 에너지수지식으로 구성된 비선형 방정식으로써, 최적화 문제를 푸는 과정에서 많은 계산량을 초래하는 원인으로 작용할 수 있다.
이에 따라서,
본 발명에 따른 이산화탄소 분리 공정시스템은 정제부(300) 및 액화부(400)의 운전조건을 중심으로 선형화된 모델을 제어부(500)에 제공하는 선형화부(600)를 더 포함한다.
선형화부(600)는 정제부(300)의 운전조건을 독립변수로, 정제부(300)와 액화부(400)에서의 소비에너지를 종속변수로, 소비에너지 변화 예측 모델을 선형화하고, 선형화된 소비에너지 변화 예측 모델을 제어부(500)에 제공함으로써, 제어부(500)가 해결하고자 하는 최적화 문제를 선형화시킴으로써 계산량을 대폭 감소시키는 것을 특징으로 하며, 일반적으로, 선형 최적화 문제는 비선형 최적화 문제에 비해 그 계산량이 50% 이상이 절감된다.
정제부(300) 및 액화부(400)는 운전조건에 따라 그 운전특성(소비에너지 및 분리성능)이 변화하는 비선형 공정일 수 있다. 이로 인해, 선형화부(600)로부터, 어느 한 운전조건을 중심으로 선형화된 모델을 제공받아 계속해서 제어부(500)의 운전조건 최적화에 사용할 경우, 모델오차로 인해 소비에너지 예측 정확도가 저하될 수 있다.
이러한 문제를 방지하고자, 선형화부(600)는 일정 주기마다, 지속적으로 소비에너지 변화 예측 모델을 선형화하여 제어부(500)에 제공하는 것을 특징으로 하며, 이때, 선형화 주기가 짧을수록 선형화에 필요한 계산량이 증가하는 반면, 비선형 모델을 지속적으로 선형화하여 기존에 선형화를 통해 얻은 선형모델을 새로운 선형 모델로 대체하는 최적화(update)를 수행할수록 그 정확도가 증가하는 trade-off가 존재하고, 선형화 주기는 작업자에 의해 적절한 값으로 조율 가능할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (11)

  1. 탄화수소를 주성분으로 하는 원료가스로부터 촉매반응을 통해 수소를 추출 후, 수소를 주성분으로 하는 제1생산가스와 이산화탄소 및 질소를 주 성분으로 하는 제1 정제가스를 분리하는 수소추출부;
    상기 제1 정제가스내 포함된 수분이 제거된 제2 정제가스를 분리하는 전처리부;
    상기 제2 정제가스내 질소를 제거한 이산화탄소를 주성분으로 하는 제3 정제가스를 분리하는 정제부;
    상기 제3 정제가스를 이산화탄소를 액화시켜 제2 생산가스를 분리하는 액화부를 포함하는 이산화탄소 분리 공정시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정제부의 흡착 공정 또는 흡수 공정의 운전조건을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 분리 공정시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 정제부의 흡착 공정 운전조건을 제어하는 것이며,
    상기 흡착 공정은 가압 단계; 흡착 단계; 감압 단계; 및 탈착 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 분리 공정 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 흡착 공정은 각 단계의 운전시간, 운전압력 및 가스 선속도 중 어느 하나 이상을 제어하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 분리 공정 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 정제부의 흡착 공정 운전조건을 제어하는 것이며,
    상기 흡착 공정은 흡수제, 흡수탑 및 재생탑에 의하여 수행하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 분리 공정시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 흡수 공정은 흡수탑과 재생탑에서의 온도; 흡수탑과 재생탑에서의 압력; 및 흡수제의 유량 중 어느 하나 이상을 제어하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 분리 공정 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 하기 식 1 내지 식 3으로 표시되는 이산화탄소의 회수율; 이산화탄소의 순도; 및 이산화탄소의 단위 부피 또는 단위 질량당 소비에너지의 정보;를 이용하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 분리 공정시스템.

    [식 1]
    이산화탄소의 회수율= (제2생산가스 내 이산화탄소의 유량)/(제1정제가스 내 이산화탄소의 유량)

    [식 2]
    이산화탄소의 순도= (제2생산가스 내 이산화탄소의 유량)/(제2생산가스의 총유량)

    [식 3]
    이산화탄소 단위 부피 또는 단위 질량 당 소비에너지= (정제부+액화부에서의 소비에너지)/(제2생산가스 내 이산화탄소의 유량)
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 정제가스의 조성 및 유량, 상기 제2 생산가스의 조성 및 유량을 전달받고, 이를 바탕으로 상기 식 1의 이산화탄소의 회수율 및 상기 식 2의 이산화탄소의 순도를 계산하며,
    상기 정제부 및 상기 액화부로부터 각각 소비에너지를 전달받아 상기 식 3의이산화탄소 단위 부피 또는 단위 질량 당 소비에너지를 계산하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 분리 공정시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    하기 식 4로 표시되는 목적함수를 통하여 상기 정제부의 운전조건을 제어하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 분리 공정 시스템.
    [식 4]
    Figure pat00005

    Figure pat00006

    식 4에서 θ는 상기 정제부의 운전조건이며, E300는 상기 정제부에서의 소비에너지이며, E400은 상기 액화부에서의 소비에너지이며, J는 상기 제어부가 최소화하고자 하는 변수로 E300와 E400의 합으로 계산되는 것이며, F(θ)는 작업자에 의해 주어지는 상기 식 1의 이산화탄소의 회수율 및 상기 식 2의 이산화탄소의 순도로 구성된 제약조건으로 F(θ)는 하기 식 5와 같이 표현되는 것임.
    [식 5]
    이산화탄소의 순도 - 99.95% ≥ 0
    이산화탄소의 회수율 - 75% ≥ 0
  10. 제2항에 있어서,
    상기 정제부 및 상기 액화부의 운전조건을 중심으로 선형화된 모델을 상기제어부에 제공하는 선형화부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 분리 공정시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 선형화부는 상기 정제부의 운전조건을 독립변수로, 상기 정제부와 상기액화부에서의 소비에너지를 종속변수로 하여 소비에너지 변화 예측 모델을 선형화하고,
    상기 선형화된 소비에너지 변화 예측 모델을 상기 제어부에 제공하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 분리 공정시스템.
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