WO2019147007A1 - 분리막을 이용한 이산화탄소 포집 공정 설계 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 이산화탄소 포집 공정 설계 방법은, 목표 순도 및 목표 포집율을 설정하는 목표설정단계; 상기 목표 순도, 상기 목표 포집율 및 주입된 기체를 처리해 투과부 흐름과 통과부 흐름으로 배출하는 분리막 모듈의 분리 성능 데이터를 이용하여, 투과부 흐름 사슬을 구성하는 상기 분리막 모듈의 개수인 단수 및 상기 분리막 모듈의 통과부 흐름 사슬을 구성하는 상기 분리막 모듈의 개수인 처리수를 계산하는 계산단계; 및 상기 계산된 단수와 동일한 개수의 상기 분리막 모듈들을 투과부 흐름 사슬에 배치하고, 상기 통과부 흐름 사슬이 주입가스를 주입받아 버림 흐름을 배출하도록 상기 계산된 처리수와 동일한 개수의 상기 분리막 모듈들을 통과부 흐름 사슬에 배치함으로써, 상기 주입가스를 주입받아 최종 이산화탄소 배출 흐름을 배출하는 상기 투과부 흐름 사슬과, 상기 주입가스를 주입받아 버림 흐름을 배출하는 상기 통과부 흐름 사슬을 포함하는 이산화탄소 포집 공정을 형성하는 배치단계;를 포함한다.

Description

분리막을 이용한 이산화탄소 포집 공정 설계 방법
본 발명은 분리막을 이용하는 이산화탄소 포집 공정을 설계하는 방법에 관한 것이다.
발전소에서는 연소반응을 통해 에너지를 얻고 난 뒤, 연소가스가 배출된다. 연소가스는 대량의 이산화탄소를 포함하고 있는데, 이산화탄소는 지구온난화에 막대한 영향을 끼치는 온실가스로 작용할 수 있다. 따라서 연소가스로부터 이산화탄소를 최대한 제거하여 배출하는 기술이 요구되었다.
연소반응을 사용하는 발전소에서 이산화탄소를 포집하여 제거하는 방법은 크게 연소반응이 일어나기 전의 연료로부터 이산화탄소를 제거하는 연소 전(pre-combustion) 기술과, 연소반응이 일어난 후의 연소가스로부터 이산화탄소를 제거하는 연소 후(post-combustion) 기술로 나눌 수 있다. 연소 후 기술에는 화학흡수, 흡착, 분리막 기술 등이 있다.
이 중 분리막 기술은 지속적인 화학물질 사용이 요구되지 않아 비교적 친환경적인 발전설비를 구성하는데 적합한 기술로 각광받고 있다. 다만 분리막과 관련된 많은 연구가, 더 좋은 분리성능을 가질 수 있는 분리막의 소재 및 모듈구조의 개발에 집중되어 있는 반면, 분리막을 배치하여 형성할 수 있는 이산화탄소 분리 공정 구성 및 적용에 대한 연구는 상대적으로 부족하다.
본 발명은 이와 같은 문제들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 목표하는 농도 또는 순도를 달성할 수 있는 이산화탄소 포집 공정을 설계하는 방법을 제공하는것이다.
본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정 설계 방법은, 목표 순도 및 목표 포집율을 설정하는 목표설정단계; 상기 목표 순도, 상기 목표 포집율 및 주입된 기체를 처리해 투과부 흐름과 통과부 흐름으로 배출하는 분리막 모듈의 분리 성능 데이터를 이용하여, 투과부 흐름 사슬을 구성하는 상기 분리막 모듈의 개수인 단수 및 상기 분리막 모듈의 통과부 흐름 사슬을 구성하는 상기 분리막 모듈의 개수인 처리수를 계산하는 계산단계; 및 상기 계산된 단수와 동일한 개수의 상기 분리막 모듈들을 투과부 흐름 사슬에 배치하고, 상기 통과부 흐름 사슬이 주입가스를 주입받아 버림 흐름을 배출하도록 상기 계산된 처리수와 동일한 개수의 상기 분리막 모듈들을 통과부 흐름 사슬에 배치함으로써, 상기 주입가스를 주입받아 최종 이산화탄소 배출 흐름을 배출하는 상기 투과부 흐름 사슬과, 상기 주입가스를 주입받아 버림 흐름을 배출하는 상기 통과부 흐름 사슬을 포함하는 이산화탄소 포집 공정을 형성하는 배치단계;를 포함한다.
이에 따라, 설계된 이산화탄소 포집 공정을 이용해 이산화탄소를 목표 순도 및 목표 포집율에 맞추어 포집할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정 설계 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정 설계 방법을 이용해 설계된 이산화탄소 포집 공정이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정에 사용되는 분리막 모듈의 투과부 농도 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정에 사용되는 분리막 모듈의 통과부 농도 그래프이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정(1) 설계 방법을 나타낸 순서도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정(1) 설계 방법을 이용해 설계된 이산화탄소 포집 공정(1)이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정(1) 설계 방법은, 목표설정단계, 계산단계 및 배치단계를 포함한다. 또한 배치단계에서 이어지는 기타 설비 배치단계와 삭제단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 이산화탄소 포집 공정(1)에 사용되는 분리막 모듈은, 이산화탄소를 선택적으로 투과시키는 분리막 소재를 내압용기 및 지지체 등과 결합하여 형성된다. 분리막의 소재는 이산화탄소를 선택적으로 투과시키는 성질을 갖는 물질로, PDMS(Poly Dimethyl Siloxane), PS(Polysulfone), PI(Polyimide) 등의 고분자 분리막, 제올라이트 분리막 및 이들 중 2종 이상이 결합된 분리막 등이 사용될 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
분리막 모듈에 유입되는 주입가스는 이산화탄소를 포함하는 가스이다. 주입가스로 사용되는 분리대상흐름(100)을 형성하는 분리대상혼합물은 발전소에서 화석연료를 포함한 연료를 연소시킨 후 배출된 가스의 적어도 일부이다. 일반적으로 분리대상혼합물의 10% 내지 20%가 이산화탄소이며, 분리대상혼합물은 10%미만의 산소와 70% 이상의 질소를 포함한다.
분리막 모듈은 주입가스를 투과부 흐름과 통과부 흐름으로 분리 배출한다. 투과부 흐름은 주입가스의 이산화탄소를 농축시킨 가스이며, 통과부 흐름은 투과부 흐름을 만든 후 남은 잔여가스이다.
목표설정단계
목표설정단계는 전체 이산화탄소 포집 공정(1)의 목표 순도 및 목표 포집율을 설정하는 단계이다. 순도란 최종적으로 포집되는 최종 포집 이산화탄소 흐름(113)의 이산화탄소 농도를 의미한다. 포집율이란 본 발명의 공정으로 주입되는 분리대상흐름(100) 중에 포함되어 있는 이산화탄소의 양 대비 최종 포집된 이산화탄소 양의 비율을 백분율로 나타낸 것을 의미한다.
목표 순도와 목표 포집율은 작업자가 필요로 하는 순도 및 포집율로 설정된다. 목표 순도는 80% 내지 99.9%의 범위를 갖는 것이 바람직하며, 목표 포집율은 60% 내지 99.9%의 범위를 갖는 것이 바람직하다.
계산단계
계산단계는 분리막 모듈의 배치에 사용되는 단수 및 처리수를 계산하는 단계이다. 이러한 계산을 위해, 계산단계는 전단계에서 설정한 목표 순도, 목표 포집율 및 분리막 모듈의 분리 성능 데이터를 이용한다.
계산단계는 목표 순도 및 목표 포집율을 기초로, 목표 배출 농도를 계산하는 목표 배출 농도 계산단계를 포함할 수 있다. 최종 포집 이산화탄소 흐름(113)의 순도 외에도, 최종적으로 버려지는 버림 흐름(103)의 이산화탄소 농도도 공정의 배출 가스이므로, 제어할 수 있어야 하기 때문이다. 목표 배출 농도(CW)란, 공정을 통해 최종적으로 배출되는 버림 흐름(103)에 포함된 이산화탄소의 농도를 의미한다.
목표 포집율은, 아래 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2019000943-appb-img-000000
여기서 Q P는 최종 포집 이산화탄소 흐름(113)의 유량, C P는 목표 순도, R은 목표 포집율, Q F는 주입가스의 유량, C F는 주입가스의 이산화탄소 농도이다. 목표 순도, 목표 포집율, 주입가스의 유량 및 주입가스의 이산화탄소 농도는 주어져 있으므로, 상기 수학식 1로부터 최종 포집 이산화탄소 흐름(113)의 유량을 결정한다.
본 발명의 이산화탄소 포집 공정(1)의 전체 물질 수지는 아래 수학식 2 및 수학식 3으로 표현 가능하다.
Figure PCTKR2019000943-appb-img-000000
Figure PCTKR2019000943-appb-img-000000
여기서 Q W는 버림 흐름(103)의 유량을 의미한다. 수학식 1 내지 3을 이용하여 목표 배출 농도를 표현하면, 아래 수학식 4와 같다.
Figure PCTKR2019000943-appb-img-000000
계산단계는, 상기 수학식 4를 이용해 계산된 목표 배출 농도를 기초로, 상기 단수 및 상기 처리수를 계산하는 단수 및 처리수 계산단계를 포함할 수 있다. 이는 다시 단수 계산단계와 처리수 계산단계로 나뉠 수 있다.
여기서 단수란, 투과부 흐름 사슬을 구성하는 분리막 모듈(201, 202, 203)의 개수를 의미하고, 처리수란, 분리막 모듈의 통과부 흐름 사슬을 구성하는 분리막 모듈(201, 221, 231)의 개수를 의미한다. 투과부 흐름 사슬이란, 이산화탄소가 농축되어 배출되는 전단계의 투과부 흐름을 주입되는 기체로 사용하는 분리막 모듈들(201, 202, 203)이 형성하는 사슬을 의미한다. 통과부 흐름 사슬이란, 이산화탄소가 분리된 후 남은 전 회차의 잔여기체를 주입되는 기체로 사용하는 분리막 모듈들(201, 221, 231)이 형성하는 사슬을 의미한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정(1)에 사용되는 분리막 모듈의 투과부 농도 그래프이다. 그래프의 가로축(x축)은 주입가스의 이산화탄소 농도를 나타내고, 그래프의 세로축(y축)은 투과부 흐름의 이산화탄소 농도를 나타낸다.
단수 계산단계는, 투과부 흐름 사슬의 단수를 결정한다. 단수는, 분리막 모듈의 투과부 농도 그래프 및 목표 순도에 기초하여 결정된다.
도면을 참조하면, 분리막 모듈에 주입되는 주입가스의 이산화탄소 농도와 해당 분리막 모듈의 투과부 이산화탄소 농도는 일정한 관계를 가져, 도시된 바와 같은 곡선을 형성한다.
복수의 분리막 모듈이 있고, 인접한 분리막 모듈들 중 전단에 위치한 분리막 모듈의 투과부 흐름을 바로 후단에 위치한 분리막 모듈의 주입가스로 사용하도록 투과부 흐름 사슬을 형성할 수 있다. N개의 분리막 모듈을 통과한 후 얻어진 투과부 흐름이 목표 순도를 달성할 수 있다고 할 때, 가능한 자연수 N의 최소값이 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정(1)에서 요구되는 단수가 된다.
따라서, 단수 계산단계는, 도 3의 그래프로부터 총 몇 개의 분리막 모듈을 거쳐야 원하는 목표 순도의 이산화탄소 흐름을 투과부 흐름으로 배출할 수 있을 것인지를 결정할 수 있다.
가장 첫 번째 단으로 주입되는 주입가스의 이산화탄소 농도가 주어질 것이므로, 그래프의 x축상에서 상기 농도에 해당하는 지점으로부터 수직선(831)을 그린다. 해당 수직선(831)과 그래프(81)가 만나는 지점에서의 y축 값이, 가장 첫 번째 단에 위치한 1단 분리막 모듈(201)에서 배출되는 투과부 흐름(111)의 이산화탄소 농도가 된다. 1단 분리막 모듈(201)의 투과부 흐름(111)의 이산화탄소 농도가 목표 순도에 도달하지 못했으므로, 상기 투과부 흐름(111)은 분리막 모듈을 더 통과해야 한다.
따라서 이 농도값은, 1단 분리막 모듈(201)의 다음 단에 위치한 2단 분리막 모듈(202)의 주입가스의 농도가 된다. 1단 분리막 모듈(201)의 투과부 흐름(111)이 2단 분리막 모듈(202)을 통과하는 경우의 농도 변화를 살펴보기 위해, 상기 수직선(831)으로부터 수평선(832)을 그어, 상기 수평선(832)이 y=x 직선(82)와 만나는 지점을 찾고, 해당 지점으로부터 다시 수직선(833)을 그어 그래프(81)와 만나는 지점을 찾는다. 해당 지점에서의 y축 값이 2단 분리막 모듈(202)의 투과부 흐름(112)의 이산화탄소 농도가 된다.
2단 분리막 모듈(202)의 투과부 흐름(112)의 이산화탄소 농도가 목표 순도에 도달하지 못하였으므로, 상기 2단 분리막 모듈(202)의 투과부 흐름(112)은 분리막 모듈을 더 통과해야 한다. 따라서 동일한 방법으로 수평선(834) 및 수직선(835)을 긋고, 그래프(81)와 수직선(835)이 만나는 지점을 찾는다. 해당 지점에서의 y축 값이, 2단 분리막 모듈(202)의 투과부 흐름(112)을 주입가스로 주입받는 3단 분리막 모듈(203)의 투과부 흐름의 이산화탄소 농도가 된다.
도면에서 3단 분리막 모듈(203)의 투과부 흐름의 이산화탄소 농도가 목표 순도 이상이므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정(1)에 사용되는 분리막 모듈의 단수는 3이 된다. 즉, 분리대상흐름(100)이 1단 분리막 모듈(201)의 주입가스로 주입되고, 1단 분리막 모듈(201)의 투과부 흐름(111)이 2단 분리막 모듈(202)의 주입가스로 주입되며, 2단 분리막 모듈(202)의 투과부 흐름(112)이 3단 분리막 모듈(203)의 주입가스로 주입되어, 최종적으로 3단 분리막 모듈(203)의 투과부 흐름이 최종 포집 이산화탄소 흐름(113)이 되는 투과부 흐름 사슬을 형성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정(1)에 사용되는 분리막 모듈의 통과부 농도 그래프이다. 그래프의 가로축(x축)은 주입가스의 이산화탄소 농도를 나타내고, 그래프의 세로축(y축)은 통과부 흐름의 이산화탄소 농도를 나타낸다.
처리수 계산단계는, 통과부 흐름 사슬의 처리수를 결정한다. 처리수는, 분리막 모듈의 통과부 농도 그래프 및 목표 배출 농도 계산단계에서 계산한 목표 배출 농도에 기초하여 결정된다.
도면을 참조하면, 분리막 모듈에 주입되는 주입가스의 이산화탄소 농도와 해당 분리막 모듈의 통과부 이산화탄소 농도는 일정한 관계를 가져, 도시된 바와 같은 곡선을 형성한다.
복수의 분리막 모듈이 있고, 인접한 분리막 모듈들 중 전 회차에 위치한 분리막 모듈의 통과부 흐름을 바로 후 회차에 위치한 분리막 모듈의 주입가스로 사용하도록 통과부 흐름 사슬을 형성할 수 있다. M개의 분리막 모듈을 통과한 후 얻어진 통과부 흐름이 목표 배출 농도 이하가 될 수 있다고 할 때, 가능한 자연수 M의 최소값이 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정(1)에서 요구되는 처리수가 된다.
따라서, 단수 계산단계는, 도 3의 그래프로부터 총 몇 개의 분리막 모듈을 거쳐야 원하는 목표 순도의 이산화탄소 흐름을 마지막 단의 분리막 모듈의 투과부 흐름인 최종 포집 이산화탄소 흐름(113)으로 배출할 수 있을 것인지를 결정 할 수 있다.
가장 첫 번째 단으로 주입되는 주입가스의 이산화탄소 농도가 주어질 것이므로, 그래프의 x축상에서 상기 농도에 해당하는 지점으로부터 수직선(931)을 그린다. 해당 수직선(931)과 그래프(91)가 만나는 지점에서의 y축 값이, 가장 첫 번째 단이자 가장 첫 번째 회차에 위치한 1단 분리막 모듈(201)(또는 1회 분리막 모듈)에서 배출되는 통과부 흐름(101)의 이산화탄소 농도가 된다. 1단 분리막 모듈(201)의 통과부 흐름(101)의 이산화탄소 농도가 목표 배출 농도를 초과하므로, 상기 통과부 흐름(101)은 분리막 모듈을 더 통과해야 한다.
따라서 이 농도값은, 1단 분리막 모듈(201)의 다음 회차에 위치한 2회 분리막 모듈(221)의 주입가스의 농도가 된다. 1단 분리막 모듈(201)의 통과부 흐름이 2회 분리막 모듈(221)을 통과하는 경우의 농도 변화를 살펴보기 위해, 상기 수직선(931)으로부터 수평선(932)을 그어, 상기 수평선(932)이 y=x 직선(92)와 만나는 지점을 찾고, 해당 지점으로부터 다시 수직선(933)을 그어 그래프(91)와 만나는 지점을 찾는다. 해당 지점에서의 y축 값이 2회 분리막 모듈(221)의 통과부 흐름(102)의 이산화탄소 농도가 된다.
2회 분리막 모듈(221)의 통과부 흐름(102)의 이산화탄소 농도가 목표 배출 농도를 초과하므로, 상기 2회 분리막 모듈(221)의 통과부 흐름(102)은 분리막 모듈을 더 통과해야 한다. 따라서 동일한 방법으로 수평선(934) 및 수직선(935)을 긋고, 그래프(91)와 수직선(935)이 만나는 지점을 찾는다. 해당 지점에서의 y축 값이, 2회 분리막 모듈(221)의 통과부 흐름(102)을 주입가스로 주입받는 3회 분리막 모듈(231)의 투과부 흐름의 이산화탄소 농도가 된다.
도면에서 3회 분리막 모듈(231)의 통과부 흐름의 이산화탄소 농도가 목표 배출농도 이하이므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정(1)에 사용되는 분리막 모듈의 처리수는 3이 된다. 즉, 분리대상흐름(100)이 1단 분리막 모듈(201)의 주입가스로 주입되고, 1단 분리막 모듈(201)의 통과부 흐름(101)이 2회 분리막 모듈(221)의 주입가스로 주입되며, 2회 분리막 모듈(221)의 통과부 흐름(102)이 3회 분리막 모듈(231)의 주입가스로 주입되어, 최종적으로 3회 분리막 모듈(231)의 통과부 흐름이 최종 포집 이산화탄소 흐름(113)이 되는 통과부 흐름 사슬을 형성할 수 있다.
배치단계
배치단계는 투과부 흐름 사슬, 통과부 흐름 사슬을 형성하고 각 사슬에 분리막 모듈이 배치되는 위치를 결정하고, 각 분리막 모듈의 통과부 흐름과 투과부 흐름이 순환되거나 배출되는 위치를 결정하는 단계이다. 따라서 배치단계에서는, 계산된 단수와 동일한 개수의 분리막 모듈들을 투과부 흐름 사슬에 배치하고, 통과부 흐름 사슬이 주입가스를 주입받아 버림 흐름(103)을 배출하도록 계산된 처리수와 동일한 개수의 분리막 모듈들을 통과부 흐름 사슬에 배치한다. 그리하여 배치단계에서는, 주입가스를 주입받아 최종 이산화탄소 배출 흐름을 배출하는 투과부 흐름 사슬과, 주입가스를 주입받아 버림 흐름(103)을 배출하는 통과부 흐름 사슬을 포함하는 하나의 이산화탄소 포집 공정(1)을 형성한다. 따라서 배치단계는, 투과부 흐름 사슬을 형성하는 투과부 흐름 사슬 생성단계와, 통과부 흐름 사슬을 형성하는 통과부 흐름 사슬 생성단계를 포함한다.
투과부 흐름 사슬 생성단계는, 인접한 분리막 모듈들 중 전단에 위치한 분리막 모듈의 투과부 흐름을 후단에 위치한 분리막 모듈에 주입함으로써 투과부 흐름 사슬을 구성하는 단계이다. 즉 단수가 N일 경우, 1단 분리막 모듈(201)부터 N단 분리막 모듈까지를, 전단의 투과부 흐름을 후단의 주입가스로 사용하도록 서로 연결해 투과부 흐름 사슬을 형성한다.
통과부 흐름 사슬 생성단계는, 서로 인접한 분리막 모듈들 중 전회차에 위치한 분리막 모듈의 통과부 흐름을 후회차에 위치한 분리막 모듈에 주입함으로써 통과후 흐름 사슬을 구성하는 단계이다. 즉 처리수가 M일 경우, 1단 분리막모듈(201)부터 M회 분리막 모듈까지를, 전회차의 통과부 흐름을 후회차의 주입가스로 사용하도록 서로 연결해 통과부 흐름 사슬을 형성한다.
배치단계에서 배치되는 분리막 모듈 중 1단 분리막 모듈(201)과 1회 분리막 모듈은 동일한 분리막 모듈이다. 즉 1단 분리막 모듈(201)로부터 투과부 흐름 사슬과 통과부 흐름 사슬이 뻗어나가는 것이다. 따라서 단수가 N이고 처리수가 M인 이산화탄소 포집 공정(1)을 형성할 때 필요한 총 분리막 모듈의 개수는 N+M1이 된다.
배치단계는 재사용 위치 결정단계를 포함할 수 있다. 재사용 위치 결정단계는, 각 사슬이 포함하는 분리막 모듈의 통과부 흐름 또는 투과부 흐름을 재사용하는 위치를 결정하는 단계이다. 구체적으로, 재사용 위치 결정단계는 통과부 흐름 사슬이 포함하는 분리막 모듈들의 투과부 흐름을 투과부 흐름 사슬에 주입하는 위치인 투과부 흐름 재사용 위치를 설정한다. 또한 재사용 위치 결정단계는 투과부 흐름 사슬이 포함하는 분리막 모듈들의 통과부 흐름을 투과부 흐름 사슬에 주입하는 위치인 통과부 흐름 재사용 위치를 설정함으로써, 하나의 이산화탄소 포집 공정(1)을 설계한다.
구체적으로, 통과부 흐름 사슬이 포함하는 분리막 모듈들은 서로 통과부 흐름을 통해 연결되어 있다. 따라서 1단 분리막 모듈(201)을 제외한, 통과부 흐름 사슬을 구성하는 각 분리막 모듈(221, 231)의 투과부 흐름(104, 105)이 배출되거나 유입될 위치가 필요하다. 통과부 흐름 사슬을 구성하는 각 분리막 모듈의 투과부 흐름(104, 105)은, 1단 분리막 모듈(201) 또는 2단 분리막 모듈(202)에 주입될 수 있다. 따라서, 1단 분리막 모듈(201)을 제외한, 통과부 흐름 사슬을 구성하는 분리막 모듈(221, 231)의 개수가 M-1이므로, 통과부 흐름 사슬의 투과부 흐름(104, 105)을 재사용하는 투과부 흐름 재사용 위치는 총 2 (M-1)개 존재한다.
또한 투과부 흐름 사슬이 포함하는 분리막 모듈들은 서로 투과부 흐름을 통해 연결되어 있다. 따라서 1단 분리막 모듈(201)을 제외한, 투과부 흐름 사슬을 구성하는 각 분리막 모듈(202, 203)의 통과부 흐름(114, 115)이 배출되거나 유입될 위치가 필요하다. 투과부 흐름 사슬을 구성하는 각 분리막 모듈의 통과부 흐름(114, 115)은, 해당 분리막 모듈보다 전단에 위치한 분리막 모듈에 주입될 수 있다. 예를 들어 n단 분리막 모듈의 통과부 흐름은, 1단 분리막 모듈(201)부터 n-1 단 분리막 모듈(201) 중 어느 하나의 주입가스로 사용될 수 있다. 따라서, 1단 분리막 모듈(201)을 제외한, 투과부 흐름 사슬을 구성하는 분리막 모듈(201, 202, 203)의 개수가 N-1이므로, 투과부 흐름 사슬의 통과부 흐름을 재사용하는 통과부 흐름 재사용 위치는 총 (N-1)!개 존재한다.
이를 종합하면, 투과부 흐름 재사용 위치와 통과부 흐름 재사용 위치의 가능한 배열후보군은 총 2 (M-1) (N-1)!개 존재한다. 이 배열후보군 중 임의의 한 배열을 선택하여, 하나의 이산화탄소 포집 공정(1)을 결정한다.
판단단계
본 발명의 이산화탄소 포집 공정(1) 설계 방법은, 판단단계를 더 포함할 수 있다. 판단단계는 배치단계에서 설계된 하나의 이산화탄소 포집 공정(1)이, 목표 순도 및 목표 포집율을 만족하는지 여부를 판단하는 단계이다.
판단단계는, 만일 하나의 이산화탄소 포집 공정(1)이 목표 순도 및 목표 포집율을 만족하지 못할 때, 삭제단계로 이어질 수 있다. 삭제단계는 결정되었던 하나의 이산화탄소 포집 공정(1)을 삭제하고, 배치단계 중 재사용 위치 결정단계로 돌아가는 단계이다. 즉 본 발명의 이산화탄소 포집 공정(1)의 설계조건에 부합하지 못하는 이산화탄소 포집 공정(1)이므로, 배치단계가 포함하는 재사용 위치 결정단계는, 삭제단계에 의해 하나의 이산화탄소 포집 공정(1)이 삭제된 후 배치단계로 돌아왔을 때, 배열후보군 중 다른 하나의 배열을 선택함으로써, 다른 이산화탄소 포집 공정(1)을 설계한다.
판단단계는, 만일 하나의 이산화탄소 포집 공정(1)이 목표 순도 및 목표 포집율을 만족할 때, 해당 이산화탄소 포집 공정(1)을 선택할 수 있다. 판단단계는 이러한 조건이 만족될 때, 기타 설비 배치단계로 넘어간다.
기타 설비 배치단계
기타 설비 배치단계는, 상기 배치단계에서 설계된 상기 하나의 이산화탄소 포집 공정(1)에, 각종 기타 설비를 배치하는 단계이다.
분리대상흐름(100)은 이산화탄소, 산소, 질소 외에도 황산화물, 질소 산합물, 수분, 먼지 등을 포함할 수 있는데, 이러한 기타 구성요소는 분리막 설비의 성능 저하 요인이 되므로, 경우에 따라 제거할 필요가 있다.
또한 분리막 모듈 외에 흐름을 형성하기 위한 진공 펌프, 압축기(31, 32, 33), 열교환기(41, 42, 43, 44, 45)의 배치가 필요하다. 또한 에너지 효율 향상 및 공정의 안정적 운영을 위해 확장기가 이산화탄소 포집 공정(1)에 배치될 수 있다.
따라서, 기타 설비 배치단계에서는 선행단계들을 통해 설계된 이산화탄소 포집 공정(1)의 적절한 위치에 진공 펌프, 압축기(31, 32, 33), 열교환기(41, 42, 43, 44, 45)를 배치하고, 필요에 따라 탈황설비(52), 탈수설비(51), 탈질설비 또는 먼지제거 설비(61) 중 적어도 하나를 배치할 수 있다. 또한 확장기를 이산화탄소 포집 공정(1)에 배치할 수 있다.
이밖에도, 기타 설비 배치단계에서는 분리대상흐름(100)이 포함하는 혼합물의 조성, 각 설비의 투자비, 운영비, 분리막의 소재 특성 등을 판단하여 배치되는 설비들의 위치와 종류를 결정할 수 있다.
도 2를 다시 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 포집 공정(1) 설계 방법으로 설계된 이산화탄소 포집 공정(1)과 그 구성요소에 대해 설명한다.
도면을 참조하면, 분리대상흐름(100)은 1단 분리막 모듈(201)로 주입된다. 즉 분리대상흐름(100)이 1단 분리막 모듈(201)의 주입가스가 된다. 1단 분리막 모듈(201)은 투과부 흐름(111)을 2단 분리막 모듈(202)에 주입하고, 통과부 흐름(101)을 2회 분리막 모듈(221)에 주입한다.
2단 분리막 모듈(202)의 투과부 흐름(112)은 3단 분리막 모듈(203)에 주입되고, 2단 분리막 모듈(202)의 통과부 흐름(114)은 1단 분리막 모듈(201)에 다시 주입된다.
3단 분리막 모듈(203)의 투과부 흐름은 최종 포집 이산화탄소 흐름(113)이 된다. 3단 분리막 모듈(203)의 통과부 흐름(115)은 1단 분리막 모듈(201)에 다시 주입된다.
2회 분리막 모듈(221)의 통과부 흐름(102)은 3회 분리막 모듈(231)에 주입되고, 2회 분리막 모듈(221)의 투과부 흐름(104)은 2단 분리막 모듈(202)에 주입된다.
3회 분리막 모듈(231)의 통과부 흐름은 최종 버림 흐름(103)이 된다. 3회 분리막 모듈(231)의 투과부 흐름(105)은 1단 분리막 모듈(201)에 주입된다.
이와 같은 각 사슬을 통하여, 최종 포집 이산화탄소 흐름(113)과 버림 흐름(103)이 생성된다. 최종 포집 이산화탄소 흐름(113)은 목표 순도를 만족하고, 버림 흐름(103)은 목표 배출 농도를 만족한다. 따라서 전체 공정이 목표 포집율을 만족한다.
분리막 모듈에는 분리대상흐름(100)이 주입가스로 주입되어 투과부 흐름과 통과부 흐름으로 배출된다. 따라서 분리막 모듈로 주입가스를 가압하여 보내는 압축기(31, 32, 33)가 배치될 수 있다. 압축기(31, 32, 33)로는 블로어나 팬이 사용될 수도 있다. 또한 이러한 흐름을 만들기 위해 진공 펌프가 배치될 수 있다. 진공 펌프는 분리막 모듈의 투과부 흐름에 배치될 수 있다.
또한 버림 흐름(103)의 압축에너지를 회수하기 위해 확장기가 설치될 수 있다. 확장기는 버림 흐름(103)으로부터 압축에너지를 회수하여, 공정에서 소비되는 에너지 소모량을 절감할 수 있다.
열교환기(41, 42, 43, 44, 45)는 가압과정에서 생기는 압축열을 제거한다. 따라서 진공 펌프 후단 또는 압축기(31, 32, 33) 후단에 설치되어, 가압후 가열되었던 유체를 식히는 역할을 한다.
탈수설비(51)는 수분 배출 흐름(121)을 통해 기체로부터 제거한 수분을 배출하고, 먼지제거 설비(61)는 먼지 배출 흐름(122)을 통해 기체로부터 제거한 먼지를 배출한다. 또한 탈황설비(52)는 기체로부터 제거한 황 산화물을 황 산화물 흐름(123)을 통해 배출한다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 목표 순도 및 목표 포집율을 설정하는 목표설정단계;
    상기 목표 순도, 상기 목표 포집율 및 주입된 기체를 처리해 투과부 흐름과 통과부 흐름으로 배출하는 분리막 모듈의 분리 성능 데이터를 이용하여, 투과부 흐름 사슬을 구성하는 상기 분리막 모듈의 개수인 단수 및 상기 분리막 모듈의 통과부 흐름 사슬을 구성하는 상기 분리막 모듈의 개수인 처리수를 계산하는 계산단계; 및
    상기 계산된 단수와 동일한 개수의 상기 분리막 모듈들을 투과부 흐름 사슬에 배치하고, 상기 통과부 흐름 사슬이 주입가스를 주입받아 버림 흐름을 배출하도록 상기 계산된 처리수와 동일한 개수의 상기 분리막 모듈들을 통과부 흐름 사슬에 배치함으로써, 상기 주입가스를 주입받아 최종 이산화탄소 배출 흐름을 배출하는 상기 투과부 흐름 사슬과, 상기 주입가스를 주입받아 버림 흐름을 배출하는 상기 통과부 흐름 사슬을 포함하는 이산화탄소 포집 공정을 형성하는 배치단계;를 포함하는, 이산화탄소 포집 공정 설계 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 계산단계는,
    상기 목표 순도 및 상기 목표 포집율을 기초로, 목표 배출 농도를 계산하는 목표 배출 농도 계산단계; 및
    상기 단수를 계산하고, 상기 계산된 목표 배출 농도를 기초로 상기 처리수를 계산하는 단수 및 처리수 계산단계를 포함하는, 이산화탄소 포집 공정 설계 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 목표 배출 농도 계산단계는,
    하기 수식으로부터 목표 배출 농도를 계산하는, 이산화탄소 포집 공정 설계 방법.
    Figure PCTKR2019000943-appb-img-000000
    (C W는 목표 배출 농도, C P는 목표 순도, R은 목표 포집율, C F는 상기 주입가스의 이산화탄소 농도)
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배치단계는,
    상기 투과부 흐름 사슬을, 서로 인접한 상기 분리막 모듈들 중 전단에 위치한 분리막 모듈의 투과부 흐름을 후단에 위치한 분리막 모듈에 주입함으로써 구성하는 투과부 흐름 사슬 생성단계; 및
    상기 통과부 흐름 사슬을, 서로 인접한 상기 분리막 모듈들 중 전회차에 위치한 분리막 모듈의 통과부 흐름을 후회차에 위치한 분리막 모듈에 주입함으로써 구성하는 통과부 흐름 사슬 생성단계를 포함하는, 이산화탄소 포집 공정 설계 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 단수 및 처리수 계산단계는,
    상기 단수를, 상기 분리막 모듈의 투과부 농도 그래프 및 상기 목표 순도에 기초하여 결정하는 단수 계산단계; 및
    상기 처리수를, 상기 분리막 모듈의 통과부 농도 그래프 및 상기 목표 배출 농도에 기초하여 결정하는 처리수 계산단계를 포함하는, 이산화탄소 포집 공정 설계 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배치단계는,
    상기 통과부 흐름 사슬이 포함하는 분리막 모듈들의 투과부 흐름을 상기 투과부 흐름 사슬에 주입하는 위치인 투과부 흐름 재사용 위치를 설정하고, 상기 투과부 흐름 사슬이 포함하는 분리막 모듈들의 통과부 흐름을 상기 투과부 흐름 사슬에 주입하는 위치인 통과부 흐름 재사용 위치를 설정함으로써, 하나의 이산화탄소 포집 공정을 설계하는, 재사용 위치 결정단계를 포함하는, 이산화탄소 포집 공정 설계 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 배치단계에서 설계된 상기 하나의 이산화탄소 포집 공정이, 상기 목표
    순도 및 상기 목표 포집율을 만족하지 못할 때, 상기 하나의 이산화탄소 포집 공정을 삭제하고, 상기 재사용 위치 결정단계로 돌아가는 삭제단계를 더 포함하고,
    상기 배치단계는, 상기 하나의 이산화탄소 포집 공정이 삭제된 후 상기 배치단계로 돌아왔을 때, 다른 이산화탄소 포집 공정을 설계하는, 이산화탄소 포집 공정 설계 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 배치단계에서 설계된 상기 하나의 이산화탄소 포집 공정이, 상기 목표 순도 및 상기 목표 포집율을 만족하는 경우,
    상기 하나의 이산화탄소 포집 공정에 사용되는 진공 펌프, 압축기, 열교환기를 상기 하나의 이산화탄소 포집 공정에 배치하고, 탈황설비, 탈수설비, 탈질설비 또는 먼지제거 설비 중 적어도 하나를 상기 하나의 이산화탄소 포집 공정에 배치하는, 기타 설비 배치단계를 더 포함하는, 이산화탄소 포집 공정 설계 방법.
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