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Design of a Water Wash column in CO2 capture process using polyamine-based water-lean solvent

  • 발행기관 서강대학교 일반대학원
  • 지도교수 이광순
  • 발행년도 2020
  • 학위수여년월 2020. 2
  • 학위명 석사
  • 학과 및 전공 일반대학원 화공생명공학과
  • UCI I804:11029-000000064743
  • 본문언어 한국어
  • 저작권 서강대학교 논문은 저작권보호를 받습니다.

초록/요약

전 세계적으로 다양한 산업분야에서 이산화탄소가 막대한 양으로 배출되고 있으며 기후 변화의 주요 요인이 되는 이산화탄소 배출을 줄일 수 있는 연구가 진행되고 있다. 이러한 노력의 일환으로 이산화탄소 포집 기술 중 습식 아민 흡수제를 기반으로 한 이산화탄소 흡수 공정이 가장 많이 연구되어 왔다. 기존의 수계 흡수제는 많은 에너지를 필요로 한며 흡수제의 안정성면에서 많은 문제들이 제기되어왔다. 이러한 단점들을 극복하기 위해 Polyamine을 기반으로 한 water-lean 흡수제를 개발하여 에너지 수요를 줄이고 흡수제의 안정성을 확보하여 기존의 공정보다 효율적인 공정을 개발하려는 노력이 진행되고 있다. 하지만 water-lean 흡수제의 경우 아민의 증발 손실에 취약하며 적은 물 함량으로 인해 흡수 탑 내부 흡수제의 물 균형을 맞추는데 어려움을 겪고 있다. 이는 환경오염과 공정의 전체적인 효율성을 낮추는 결과를 가져오게 된다. 이에 본 연구에서는, 언급된 두 가지를 약점을 보완하기 위한 워터워시 컬럼을 설계하고자 하였고 설계된 공정 속에서 흡수 탑 내부의 물 균형을 맞추고자 하였다. 이를 통해 흡수 탑 상단에서 방출되는 아민의 양을 줄이며 환경 규제를 만족하고자 하였고 동시에 최적 운전 조건을 설정하여 공정이 안정적으로 운전될 수 있는 방안을 탐구하였다. 기존에 제시된 wetted wall column 실험을 통하여 워터워시 컬럼 설계에 필요한 아민 증기와 물 사이의 총괄 물질 전달 계수를 측정하였으며 이중 경막 이론을 기반으로 하여 계산되었다. 총괄 물질전달 계수 측정을 통해 625MWe의 상용 이산화 탄소 포집 공정에 요구되는 워터 워시 컬럼을 설계하고자 하였다. 측정된 값을 Aspen plus 시뮬레이터에 반영하여 이론적으로 아민의 환경규제를 맞추기 위해 필요한 컬럼 높이를 계산하였다. 설계된 컬럼 속에서 최소한의 물을 이용해 방출되는 아민을 흡수하여 흡수탑 내부 돌려보냄과 동시에 흡수탑 속의 물 밸런스를 맞추는 방안을 제시하였다. 결과적으로 이 연구를 통해 환경적 문제를 야기할 수 있는 아민의 방출량을 줄이며 아민의 Make-up 비용을 감소시킬 수 있었다. 더불어 흡수탑 내부의 물 밸런스를 유지함으로써 공정이 안정적이고 효율적으로 운전될 수 있는 운전 방안 가이드를 확보하였다.

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초록/요약

There are enormous emissions of carbon dioxide that cause global warming in various industries. Research is conducted to reduce the carbon dioxide emissions. As part of this effort, carbon dioxide absorption process based on aqueous amine solvents have been studied the most among CO2 capture technologies such as solid-sorbent adsorption and membrane technology. Conventional aqueous amine solvents such as MEA 30wt% require a lot of energy and many problems have been raised in terms of stability of the solvent. A polyamine-based water-lean solvent is considered to be an energy efficiency method for large scale CO2 capture due to low thermal energy demand and high stability of the solvent. However, water-lean solvent is vulnerable to vaporization losses of amines and has a low water content which makes it difficult to maintain water balance in the absorption column. This results in environmental pollution and lowers the efficiency of the overall process. Herein, we proposed a new design method of a water wash column for post combustion CO2 capture process based on rationally designed wetted wall column apparatus by incorporating the overall mass transfer coefficient concept of the two-film theory. Through this, we tried to reduce the amount of amine emitted from the top of the absorption column and satisfy environmental regulations, and at the same time, investigate the ways to operate process stably by determining the optimum operating conditions. The wetted wall column experiments were performed to determine the overall mass transfer coefficient between amine vapor and the liquid water for the water wash column design and were calculated based on the two-film theory. The water wash column was designed for 625MWe scale commercial CO2 capture process. The measured overall mass transfer coefficient is inserted to ASPEN PLUS simulator to calculate theoretically the height of water wash column needed to meet environmental regulations of amines. The designed water wash column was used to determine the minimum amount of water to reduce the amount of released amine, and then we propose a method for maintain water balance by returning the water to the absorption column. As a result, this study has helped to reduce the emitted amines that can cause environmental problems and reduce the make-up cost of amine. In addition, by maintain the water balance inside the absorption column, we acquire and operation guide for water wash column that allows the process to operate stably and efficiently.

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