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Study on advanced stripper configuration for reducing thermal energy demand in a CO2 absorption process

  • 배신영 (서강대학교 일반대학원)

초록/요약

Climate change is one of the largest environmental problems in the world. The main cause of climate change is carbon dioxide, which is present in the atmosphere. An enormous amount of carbon dioxide is generated by numerous industrial activities. One of the most promising technologies to reduce carbon dioxide emissions today is Carbon capture and sequestration. In the detailed case of "post combustion CO2 capture (PCC) based on amine solution", the technology has maturity, but it still has a disadvantage that a large energy is required. To reduce energy demand, many studies have been carried out to improve energy by modifying the configuration of the conventional PCC process. However, such studies are lacking in two respects. First, there is no clear identification on the energy inefficiency of the conventional process, and second, unreasonable conditions are included in designing the advanced process. In this study, we select two advanced process, possible to apply the optimal operation strategy, and present the energy improvement and the behavior analysis result in the process. A study on the optimal operation strategy was preceded by Hwang (scheduled for 2019). The key to this optimal operating strategy is to minimize the latent heat from the stripper and to keep the amount of thermal energy exchange in the heat exchanger the same as the conventional process. First, we selected two improvement processes to which the proposed operation strategy can be applied. At this time, the selection of the advanced process is considered so that there is no additional equipment or energy compared to the conventional process. If the optimal operating strategy for both improvement processes is fully feasible, the intended energy improvement value can be achieved. However, according to the simulation results, it is impossible to realize perfectly the optimal operation strategy under the condition that the equipment in the process is restricted. Latent heat can be reduced, but sensible heat demand is increased as the amount of heat exchange is not maintained. However, reduction of the energy requirements can be achieved when the decrease in latent heat is greater than the increase in sensible heat. Therefore, we simulated several parameters in two processes, and observed the latent heat and sensible heat results, and found the optimal energy values in the two processes. By analyzing the behavior of stripper and heat exchanger, the effects of the behaviors on latent heat and sensible heat were confirmed. Finally, we analyzed effects of stripper height and lean loading included in the optimal operation strategy on the energy improvement. Simulations were performed with varying stripper height and lean loading for the advanced processes, and it was confirmed that both factors were important in designing the advanced process

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초록/요약

기후 변화는 전 세계적으로 가장 큰 환경 문제 중 하나이다. 기후 변화의 주요 원인은 대기 중에 존재하는 이산화탄소인데, 막대한 양의 이산화탄소가 수 많은 산업화 활동으로 인해 발생하고 있다. 현재 이산화탄소 방출을 줄일 수 있는 가장 유망한 기술 중 하나는 ‘이산화 탄소 포집 및 저장 (Carbon capture & sequestration)’ 기술이다. 세부 기술인 ‘아민 용액 기반의 PCC(Post combustion CO2 capture)’ 경우, 기술 성숙도가 높다는 장점이 있지만, 여전히 큰 에너지가 요구된다는 단점이 있다. 에너지 수요를 줄이기 위하여, 기존 PCC 공정의 구조를 변형하여 에너지를 개선하려는 연구들이 이전부터 많이 진행되어 왔다. 하지만 그러한 연구들은 크게 두 가지 측면에서 부족한 점을 보인다. 첫 번째, 기존 공정이 가지는 에너지 비효율성에 대한 분명한 규명이 부족하다는 점과 두번째, 개선 공정을 구성함에 있어 비합리적인 조건 설정들이 포함되어 있다는 점이다. 이에 본 연구에서는, 언급된 두 가지를 보완한 최적 운전 전략을 기반으로 공정을 선별하고, 그 공정에서의 에너지 개선 정도 및 거동 분석 결과를 제시 할 것이다. 최적 운전 전략에 관한 연구는 Hwang (준비중) 에 의해 선행되었다. 이 최적 운전 전략의 핵심은 재생탑에서 발생되는 잠열을 최소화하는 것과 열교환기에서의 열교환양을 기존 공정과 같게 유지하는 것이다. 먼저, 제안된 운전 전략이 적용가능한 두 가지 개선 공정을 선별하였다. 이 때, 기존 공정 대비 추가적인 장비나 에너지가 없도록 개선 공정 선별을 고려하였다. 두 개선 공정에 대하여 최적 운전 전략이 완전히 구현 가능하다면 목표하는 에너지 개선 값을 달성할 수 있다. 하지만, 시뮬레이션을 통한 검토 결과, 공정 구성 장비에 대하여 제약을 가한 조건하에서는 최적 운전 전략을 완전히 만족시키는 운전이 불가능하였다. 왜냐하면 잠열은 감소시킬 수 있으나, 열교환양이 유지되지 않아 현열 수요가 증가하기 때문이다. 하지만 잠열의 감소량이 현열의 증가양보다 많을 시, 공정의 에너지 요구량을 줄이는 것이 가능하였다. 따라서 두 공정에서 몇 가지 변수들을 변경하여 시뮬레이션을 진행하였고, 이에 따른 잠열과 현열 결과를 관찰하고, 두 공정에서의 최적 에너지 값을 찾아보았다. 재생탑과 열교환기의 거동을 분석하여 이가 잠열과 현열에 미치는 영향을 확인하였다. 끝으로, 최적 운전 전략에 포함되어 있는 재생탑 높이와 린로딩의 영향에 대한 분석을 진행하였다. 개선 공정에 대하여 재생탑 높이와 린로딩을 변화시켜주며 시뮬레이션을 진행하였고, 두 요소가 개선 공정 설계에 있어 중요하다는 점을 확인하였다.

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