중공사막을 적용한 이산화탄소 처리설비 최적화에 관한 연구

Abstract

쿄토 의정서 등의 일련의 기후변화협약에 의해 선진국들은 CO₂ 배출 저감의무를 이행하여야만 하므로 향후에는 우리나라를 포함한 개발도상국의 적극적 참여를 유도하면서 CO₂ 배출 저감에 관한 국제적 협상이 이루어 질 것으로 예측된다. 기후변화협약의 기술적 대응수단인 교토 메커니즘 시행이 관련기술을 바탕으로 한 기술시장 원리임을 감안할 때, 기반기술개발에 다소 시간적 여유를 가질 수 있다는 긍정적인 측면이 있으나, 선진국들에 의한 감축의무 부과시기가 앞 당겨질 우려도 있다. 따라서 우리나라도 향후 예상되는 CO₂ 배출 저감 의무 부과에 대비하여야 할 것이며, 특히 대규모 에너지 이용설비에서 배출되는 CO₂를 제거하기 위한 저에너지 흡수설비의 최적화를 획득하여야 한다. 에너지 변환공정 및 화석연료 연소 배기가스 중에 포함된 이산화탄소의 분리, 회수하는 방법은 심냉법 (증류법), 흡착법, 흡수법 및 막분리법 등이 현재 CO₂ 저감을 위한 기술들로 대두되고 있다. 그 중 상대적 에너지 소모량이 최소이며 조작이 간편하여 운전비용이 저렴한 중소규모의 이산화탄소의 처리량에 적합한 막분리법에 의한 이산화탄소의 분리와 회수에 관한 연구 및 실용기술개발은 흡수법이나 흡착법과는 차별화되어 사용될 수 있는 중요기술로 개발의 필요성이 절실하게 요구된다. 따라서 본 연구에서는 이산화탄소 막분리공정에 대한 시스템공정 모델을 구축하고 시뮬레이션하여 막모듈의 운전조건, 복합막의 형태변화에 따른 분리특성, 타 이산화탄소 처리기술과의 Integrated 적용시 공정 영향 등의 공정변수들을 변화시키면서 막분리 공정에서 에너지가 최소화되는 설계변수 및 운전변수를 도출하여 이산화탄소 막분리공정 최적화를 수행할 것이다. 전체 공정에 대한 diagram을 작성하였고 그 중에서 막성능에 영향을 줄 수 있는 수분을 제거하기 위한 공정에 대한 시뮬레이션을 Aspen Plus를 통하여 진행하여 수분을 거의 대부분 제거하여 CO₂/N₂의 유사2성분계로 평가하고 Fortran을 이용하여 막모듈 1단에 대한 시뮬레이션을 진행하고 그 결과를 응용하여 4단의 cascade를 구성하여 시뮬레이션을 진행하였다. 4단 cascade의 경우 recycle이 없는 경우와 recycle이 있는 경우를 구별하여 시뮬레이션을 진행하였다. 이 시뮬레이션을 통하여 공정에 필요한 막면적 및 막모듈갯수를 구하여 실제 공정에 필요한 data를 확보하였다. recycle이 있는 경우에 고농축의 더 많은 CO₂를 얻을 수 있다고 확인되었다. 이 외에도 FORTRAN을 이용하여 막성능의 변화에 따른 공정에서 필요한 막면적 및 막모듈갯수를 파악하고 공정에 필요한 data들을 구하기 위한 시뮬레이션을 진행하여 막성능이 높아질수록 공정에 필요한 막면적 및 막모듈갯수는 현저하게 감소하여 capital cost를 크게 절감할 수 있다는 것을 확인하였다. 마지막으로 공정에 필요한 energy cost를 계산하여 현 공정이 조작이 간편하고 운전비용이 저렴하며 energy cost가 적은 이산화탄소의 처리에 적합하다고 평가하였다.