CO2 회수 Pilot Plant 공정 모사

백점인, 윤지호, 전병열, 엄희문

한국전력공사 전력연구원 발전연구실

Simulation of CO2 Recovery Pilot Plant

Jeom-In Baek, Ji-Ho Yoon,

Byung-Yul Jeon and Hee-Moon Eum

Korea Electric Power Research Institute, Korea Electric Power Corporation

서론

대기 중의 CO2농도 증가에 의한 지구온난화의 영향으로 기후환경이 변화됨에 따라 인류에게도 심각한 피해가 발생하고 있다. 이에 따라 인간활동에 필요한 에너지를 생산하기 위한 화석연료의 사용으로 발생하는 CO2의 배출을 감소시키고자 하는 연구가 행해지고 있다. 흡수법에 의한 CO2분리기술은 발전소나 제철소 등 대규모 CO2 배출원으로부터 CO2를 분리회수하기에 가장 현실성 있는 기술로 인정되고 있다. 따라서 흡수분리공정 설비의 개선 및 설계를 위하여 여러 가지 모사 기법이 개발되었으며 CO2 분리공정을 모사할 수 있는 시뮬에이터 또한 많이 개발되었다. TSWEET는 정상상태 조건하에서 아민흡수제를 이용한 CO2 연속분리 공정을 모사할 수 있는 대표적인 시뮬레이터이다. 흡수분리 공정은 크게 흡수탑(Absorber), 탈거탑(Stripper), 열교환기(Heat Exchanger)의 세 부분으로 나눌 수 있으며, TSWEET 또한 이들 세 부분의 물질 및 열 수지식을 시행착오 방식으로 허용오차 범위내에 모든 식이 수렴할 때까지 구하는 공정모사 프로그램이다.

본 연구에서는 TSWEET를 이용하여 하루 2ton의 CO2를 처리할 수 있는 용량의 CO2 회수용 Pilot Plant 설계를 위한 모사를 시행하고 같은 규모로 운전되고 있는 Pilot Plant와 결과를 비교하여 보았다.

모사조건

공정의 모사 조건은 다음과 같이 설정하였다.

○ CO2 처리용량 : 2 CO2-ton/day의 처리용량

○ CO2 회수율   : 90%

○ 흡수탑 공급가스조건

·유량 : 21 kmol/hr  (약 440 Nm3/hr)

·압력 : 175 kPa

·온도 : 약 40 ℃

·조성 (Dry Basis, mole %) :  N2 (87.2), O2(2.8), CO2(10.2)

○ 흡수탑 운전 조건

·형태 : packed-bed type

·packing material : 1" berl saddle

·직경 : 0.4 m

·압력 강하 : 10 kPa

·흡수제 : 30 mass % MEA 수용액

·흡수제 유량 : 35 liter/min (70% flooding에 해당하는 유량 선택)

○ 탈거탑 운전 조건

·탑 상부의 압력 : 165 kPa

·압력강하 : 10 kPa

·탈거탑의 직경 : 0.25 m

·탑상부 응축기(condensor)의 온도 : 30 ℃

이러한 조건을 사용하여 공정모사를 수행하였는데, 원하는 목표 설정치를 얻기 위하여 흡수탑의 이상단수, 탈거탑의 이상단수 등 몇가지 변수를 조정해 가면서 프로그램을 코딩하였다.

결과 및 토론

표 1에서 볼 수 있듯이 흡수탑은 7단 이상의 이상단수(ideal tray)에 의해 90% 이상의 CO2 회수율을 보일 수 있었다. 충진탑의 이상단수 1단의 높이는 약 0.9 m이고 (GPSA Data Book)  TSWEET의 tray 효율이 33%이기 때문에 최적 흡수탑의 높이는 약 19-22 m로 예상된다. 일본 관서전력의 Nanko Power Plant에 설치되어 운전중인 2 CO2-ton/day의 처리용량의 Pilot Plant CO2 흡수 분리설비의 경우 내경 0.387m, 높이 22m로 본 모사 결과에서 나온 규모와 비슷하다.

탈거탑의 경우 10단의 이상단수를 보였으며, TSWEET에 설정된 tray 간격0.61 m와 tray 효율 33 %를 고려할 경우 약 18 m의 탈거탑 높이를 얻을 수 있었다.

표 3, 4, 5는 공정모사결과로 얻은 배가스(flue gas), 배출가스(vent gas), 생산가스(product gas)의 조성과 물성을 나타낸 것이다. 표 4에서 볼 수 있듯이 배출가스 중의 CO2 농도가 1 % 이하로 상당히 줄어들었음을 볼 수 있다. 또한 표 5에서 나타나듯이 목표로 설정했던 99.9 %(수분제외)의 CO2 순도를 충분히 달성한 99.93 %(수분제외)의  CO2 순도를 얻을 수 있었다.

이 때의 CO2 생산률은 2.12 CO2-ton/day로 목표치의 106.2 %를 달성할 수 있었는데, 6.2 %의 여유분은 설비보수 등을 위한 예비 목표치로 사용될 수 있다. 그리고 응축기를 거쳐 나온 CO2 가스를 액화시켜 보관하기 위해서는 잔여 수분을 제거하는 장치가 CO2 액화장치 전처리 과정중에 포함되어 있어야 한다는 사실을 표 5를 통하여 알 수 있었다.

그림 1은 흡수탑 높이에 따른 탑내 온도분포와 CO2 회수율을 나타낸 것이다. 그림에서 볼 수 있듯이 고농도의 CO2가 흡수액과 접촉하는 탑저부분에서 탑내온도가 급격히 증가함을 알 수 있다. 이것은 CO2와 MEA와의 반응이 높은 발열반응이라는 사실을 입증하는 결과이며, 탑내부의 온도조절을 통하여 CO2 회수율을 변화시킬 수 있다는 자료를 제공하는 중요한 결과이다.

그림 2는 탈거탑 높이에 따른 탑내 온도분포와 CO2 농도분포를 나타낸 것이다. 탈거탑의 온도는 119 ℃에서 107 ℃의 간격에서 유지되며, CO2 농도는 3 mole %에서 22 mole % 까지 상승하는 것으로 나타났다. 탑 최상부(tray 1)에서의 CO2 농도 22.2 mole %는 다량의 수분을 포함한 농도이며, 이 증기가 condensor에서 응축되었을 경우 97.4 %(수분제거일 경우 99.93%)의 순도높은 CO2 가스를 얻을 수 있다.

표 1. 흡수탑 모사결과

DUTY    TEMP    DIA     PERCENT   YH2S      YCO2    RES TIME

STAGE    MM KJ  DEG C.  METERS    FLOOD    PPM       MOL %     SECS

1      0.000   44.4    0.40      71.2  0.000E+00 0.914       2.50

2      0.000   47.2    0.40      71.3  0.000E+00  1.11       2.50

3      0.000   52.1    0.40      71.8  0.000E+00  1.41       2.50

4      0.000   58.8    0.40      72.9  0.000E+00  1.93       2.50

5      0.000   64.9    0.40      74.5  0.000E+00  2.90       2.50

6      0.000   67.8    0.40      75.8  0.000E+00  4.46       2.50

7      0.000   66.5    0.40      76.1  0.000E+00  6.34       2.50

8      0.000   60.4    0.40      74.9  0.000E+00  8.13       2.50

표 2. 탈거탑 모사결과

DUTY     TEMP    DIA     PERCENT   YH2S      YCO2

STAGE    MM KJ     DEG C.   METER   FLOOD     MOL %     MOL %

COND    -0.322     30.0                    0.000E+00    97.4

1      0.000    107.3    0.53      70.0  0.000E+00    22.2

2      0.000    111.2    0.73      70.0  0.000E+00    20.3

3      0.000    112.7    0.73      70.0  0.000E+00    16.8

4      0.000    113.8    0.74      70.0  0.000E+00    14.2

5      0.000    114.7    0.75      70.0  0.000E+00    12.1

6      0.000    115.5    0.75      70.0  0.000E+00    10.4

7      0.000    116.2    0.76      70.0  0.000E+00    8.90

8      0.000    116.8    0.76      70.0  0.000E+00    7.53

9      0.000    117.5    0.76      70.0  0.000E+00    6.18

10      0.000    118.1    0.76      70.0  0.000E+00    4.74

RBLR     0.530    119.1                    0.000E+00    3.05

표 3. Flue gas 조성

COMPONENTS ARE LISTED IN   MOLE %

H2O              4.262                 CO2              9.765

O2               2.681                 N2               83.29

MEA             0.0000E+00

표 4. Vent gas 조성

PHASE CONDITION OF STREAM: VAPOR

MOLE %       KG-MOLE/HR

H2O                 5.001          1.002

CO2                0.9137         0.1831

O2                  2.933         0.5879

N2                  91.15          18.27

MEA                6.3332E-03     1.2694E-03

표 5. Product gas 조성 및 물성

PHASE CONDITION OF STREAM: VAPOR

MOLE %       KG-MOLE/HR

H2O                 2.567         5.1649E-02

CO2                 97.38          1.959

O2                 3.2810E-03     6.6019E-05

N2                 5.3801E-02     1.0826E-03

MEA                3.0812E-06     6.1999E-08

STREAM PROPERTIES

TEMP DEG C      30.00                  KSCMD           1.144

PRESS KPA       165.0                  ACT LPM        0.0000E+00

FLOW KMOL/HR    2.012                  STD LPM        0.0000E+00

TOTAL KG/HR     87.19                  H KJ/KG         6.206

MOL WEIGHT      43.33                  CP KJ/KG-C     0.8773

KG/CU M         2.862                  VISC CENTIPS   1.5234E-02

Z Factor       0.9911                  WATT/M-DEG C   1.7220E-02

ACT CU M/HR     30.46                  S. TEN DN/CM   0.0000E+00

그림 1. 흡수탑 높이에 따른 탑내온도 분포와 CO2 회수율

그림 2. 탈거탑 높이에 따른 탑내온도 분포와 CO2 농도분포