CO2 PSA 공정에서 공정 변수들이 에너지 소비에 미치는 영향

박종호, 범희태, 박종기, 김종남, 조순행

한국에너지기술연구소 분리공정연구센터

Effects of operating variables on the power consumption of

CO2 PSA process

J.H. Park, H.T. Beum, J.K. Park, J.N. Kim, S.H. Cho

Korea Institute of Energy Research, separation process research center

서 론

이산화탄소의 회수기술은 요즈음 세계적으로 커다란 문제로 대두되고 있는 기후변화협약에 대응하는 기술의 중요한 부분이다. CO2회수에는 흡수법, 흡착법, 심냉법, 막분리등이 적용될 수 있다. 그 중 흡수법이나 흡착법은 연소배가스에서 CO2를 회수할 목적으로 많이 연구가 되었지만 아직 실제 발전소에 적용된 예는 거의 없는데 그 이유는 CO2의 회수에 소비되는 에너지가 상당하여 회수비용과 폐기비용을 고려할 경우 전력의 단가가 많게는 2배정도 상승하기 때문이다[1]. 앞으로 어떤 기술이든지 단위 이산화탄소 생산에 필요한 에너지 소비가 작아야 실제 적용이 가능할 것이다.

화력발전소 연소배가스와 같이 CO2 농도가 10∼15%인 배가스로부터 99% CO2를 분리.회수하는 흡착분리공정은 [그림 1]에 나타낸 것처럼 배가스를 스크러버로 보내어 분진을 제거한 다음에 전처리공정으로 수분을 제거하고 1단 PSA에서 CO2 농도를 50∼60%로 농축시킨 후에 2단 PSA로 보내어 99%의 CO2를 농축.회수하는 공정으로 구성되어 있다. 그 중에서 에너지 소비가 가장 많은 부분 중의 하나가 연소배가스로부터 이산화탄소를 부분 농축하는 1단 PSA공정이다. 따라서 여기서는 다양한 공정조건들이 1단 PSA 소비전력에 미치는 영향을 살펴보고 이를 이용하여 에너지 소비를 절감할 수 있는 공정의 운전조건 및 공정구성을 도출한다.

수학적 모델

CO2 PSA 공정의 해석에 사용된 수학적 모델은 아래와 같다.

1) 총괄 물질 수지식:

[eqn: □C over □t ~+ □(uC) over □z ~+~ rho_b over□~sum_i ~{□barq-_i} over □t ~=~0]	(1)

2) 각 성분의 물질 수지식:

[eqn: □c_i over □t ~+~ □ over □z (uc-_i ) ~+~ rho_b over □ ~{□barq-_i} over □t ~=~0]	(2)

3) 에너지 수지식:

[eqn: ( epsilon CC_pg + rho_b c_ps ) □T_g over □t ~+~ epsilon CC_pg~ u □T_g over □Z ~+~ 2h_w over{R_i} (T_g -T_w )~# -~rho_b~~sum_i (-△H_i ) {□barq_i} over □t ~=~0]	(3)

4) 물질 전달식; 선형 구동 모델 (linear driving force model)

[eqn: {□barq_i} over □t ~=~k_i (q_i ^* ~-~barq_i )]	(4)

5) 흡착탑 벽면에서의 에너지 수지식:

[eqn: rho _w C_pw (R_o ^2 -R_i ^2 ) { □T_w }over{ □t}=2R_i h_w (T_g - T_w )+2R_o U_a (T_w -T_amb )]	(5)

6) 탑 내 압력 강하는 Ergun 식을 이용하여 계산하였다.

[eqn: - DELTAP over L = 150 {(1-epsilon )^2} over epsilon ^3 mu over { ( PHI_s d_p )^2} u + 1.75 {1- epsilon} over epsilon ^3 rho _g over { PHI_s d_p } u^2]	(6)

위 식에서 [eqn: PHI _s] 는 흡착제의 구형정도 (sphericity)를 나타낸다.

다성분의 흡착 평형 모델로는 이상 흡착상 이론을 적용하였다. 이상 흡착상 이론에서 각 성분의 분산 압력을 (spreading pressure)구하기 위해 Langmuir 평형식을 적용하였다. 이상 흡착상 이론으로부터 각 성분의 흡착량을 구하기 위해서 FastIAS를 사용하였다.

CO2 PSA 공정에서 전력의 소비는 1단 및 2단 진공펌프 그리고 연소 배가스 이송용 송풍기 등에서 발생한다. 실제 진공펌프나 송풍기에서 소모되는 에너지는 기체의 이송에 필요한 에너지와 기계적 효율의 함수이나 여기서는 기계적 효율을 100%로 보고 기체의 이송에 필요한 에너지만 고려하기로 한다. 기체 이송에 필요한 에너지는 다음의 식을 이용하여 근사해 볼 수 있다.

[eqn: W= nRT k over k-1 LEFT [ LEFT ( P_2 over P_1 RIGHT )^(k-1)/k -1 RIGHT ]]	(7)

위 식에서 k는 기체의 열 용량 비 (Cp/Cv)이다.

결과 및 고찰

<표 > 1단 PSA 운전방법

시간 (초)	40	280	40	280
Bed A	원료축압	흡착	탈착	저압세정
Bed B	탈착	저압세정	원료축압	흡착

가장 기본적인 흡착-탈착-저압세정-축압으로 구성된 1단 PSA 공정구성을 <표 1>에 나타내었다. 저압세정에 필요한 가스는 흡착 시에 배출되는 가스 중의 일부를 재사용 한다. 이와같은 공정의 공정변수들로는 저압세정의 유량, 탈착압력, 원료가스의 총 도입량 등이 있다.

1단 저압 세정 유량이 전력원단위에 미치는 영향

1단 저압 세정은 탈착스텝 후 탑 내에 잔존하는 이산화탄소를 회수하는데 효과적이지만 정도를 지나쳐서 수행하면 세정되어 나오는 가스중의 이산화탄소 농도가 줄어들기 때문에 단위 전력당 이산화탄소의 생산량이 감소하게된다. 1단 저압 세정량이 공정의 성능에 미치는 영향을 전산모사를 통해서 알아보기 위하여 <표 1>에 나타낸 공정에서 1단 세정 유량에 따른 단위 이산화탄소 생산당 소비 전력을 조사하였으며 그 결과를 [그림 2]에 나타내었다. [그림 2]로부터 세정을 하지 않을 때보다 세정을 할 경우에 전력원단위가 낮아지는 것을 볼 수 있다. 세정 가스의 양을 줄임으로써 얻을 수 있는 다른 효과는 1단 운전에서 얻어지는 이산화탄소의 농도 증가한다는 것이다. 이는 2단 PSA 운전의 효율을 향상시켜서 전체 공정의 성능 향상에 기여할 것이다. 이렇게 세정가스의 양을 작게 하는 것이 모든 점에서 이롭지는 않은데 [그림 2]에 나타난 것처럼 공정의 생산성은 세정가스의 양이 줄어듦에 따라 감소한다. 이는 세정가스의 양이 줄어들면서 흡착제의 재생이 많이 되지 않아 흡착제의 유효 흡착량이 감소하고 결과적으로 회수율이 감소하기 때문이다. 세정가스의 양을 8 L/min에서 0.5 L/min으로 줄이면 전력원단위는 약 5%감소하고 순도도 약 5%정도 증가한다. 반면 공정의 생산성은 약 32% 감소한다. 하지만 1단의 순도가 높은 경우 2단에서 소비전력을 줄일 수 있기 때문에 2단 까지 고려하여 최적의 조건을 정해야 할 것이다.

1단 사이클 주기에 따른 성능 변화

이산화탄소는 제올라이트에 강하게 흡착하기 때문에 탈착 및 세정스텝에서 재생이 용이하지 않다. 그 결과 흡착 및 회수 스텝이 끝난 후 이산화탄소의 주 물질전달대는 탑의 중간부분에 존재하게 되고 탑 출구 부분은 저 농도의 이산화탄소로 오염되어 있다. 이와 같은 농도 분포를 가지는 흡착탑을 탈착하면 이산화탄소의 농도도 낮고 전력원단위도 높다. 만약 사이클 주기를 증가하여 흡착스텝 및 회수 스텝 후 이산화탄소의 주 물질전달대가 탑 상부에 존재하게 하면 탈착가스중의 이산화탄소 농도도 높아지고 같은 에너지로 많은 양의 이산화탄소를 생산할 수 있기 때문에 전력원단위도 낮아질 것이다. 위의 사실을 확인하기 위하여 흡착-탈착-저압세정-원료축압의 순으로 운전되는 1단 PSA에서 사이클주기를 변화하면서 공정의 성능을 전산모사를 통하여 구하였으며 그 결과를 [그림 3]에 나타내었다. [그림 3]로부터 사이클 주기가 길어질수록 탈착된 가스 중의 이산화탄소의 농도가 증가하는 것을 관찰할 수 있다. 전력원단위는 사이클주기가 길어지면서 감소하다가 사이클 주기가 더 길어지면 오히려 증가하는 것이 관찰된다.  [그림 3]에 진공펌프의 소비전력을 나타내었는데 이를 보면 이산화탄소의 농도가 증가할수록 계속 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 탈착 및 세정스텝에서 높은 농도의 이산화탄소가 얻어지기 때문에 에너지가 이산화탄소를 탈착 하는데 효율적으로 이용되었음을 의미한다. 진공펌프에서의 에너지 소비가 감소함에도 불구하고 긴 사이클시간에서 전체 공정의 에너지 소비가 증가하는 것은 공정의 회수율 감소로 단위 이산화탄소를 생산하기 위해 더 많은 양의 연소배가스를 주입하여야 하고 이에 따라 송풍기에서 에너지 소비가 증가하기 때문이다.

탈착 및 세정압력의 영향

[그림 4]는 서로 다른 탈착압력에서 1단의 사이클 주기를 변화하면서 1단 PSA의 전력원단위 및 CO2 생산유량의 변화를 구한 결과이다. 즉 고농도의 이산화탄소는 긴 사이클 주기에서 얻어진다. 탈착 압력이 감소하면 흡착제의 유효 흡착량이 감소하기 때문에 [그림 4]에 나타난 것처럼 공정의 생산성이 감소한다. 이는 같은 양의 제품을 주어진 시간에 생산하고자 할 경우 탈착압력이 높으면 흡착탑의 크기가 커지거나 원료 유속을 증가시켜야 함을 뜻한다. 탈착압력에 따른 전력원단위는 특이한 현상을 보인다. 즉 진공펌프만의 소비전력을 고려하면 탈착압력 및 세정압력이 높은 경우가 전력소비가 더 작고 송풍기와 진공펌프를 함께 고려하면 탈착압력이 에너지소비의 감소에 큰 역할을 못하는 것으로 나타난다. [그림 4]로부터 탈착압력이 높아질수록 송풍기에서 소비되는 에너지의 비율이 상대적으로 커지는 것을 알 수 있으며 이는 탈착 압력이 높을 때는 송풍기에서 사용되는 에너지를 줄이는 것만으로도 상당한 에너지를 절약할 수 있음을 나타낸다. [그림 4]에 나타난 결과만으로는 탈착 압력이 높은 것이 좋은지 정확한 판단을 하기 어려운데 이는 탈착되어 나오는 이산화탄소의 농도가 높으면 2단에서 에너지 소비를 줄이는 것이 가능하기 때문이다. 그러므로 이에 대한 종합적인 판단은 2 단 전체 공정에 대한 이해가 필요하다.

결  론

수학적 모델을 이용하여 에너지가 다량으로 소비되는 1단 진공펌프의 에너지 효율을 극대화할 수 있는 조업조건을 알아보기 위하여 1단의 저압 세정유량, 사이클주기, 탈착 압력 등이 전력원단위에 미치는 영향을 조사하였다. 1단에서 적절한 세정은 에너지 효율을 향상시키고 생산되는 CO2의 농도도 높이는데 효과가 있음을 알 수 있었다. 사이클 주기를 증가시키면 생산되는 CO2의 농도도 높아지고 1단 진공펌프에서 소비되는 에너지도 작아지는 효과가 있었지만 공정의 회수율이 감소하기 때문에 생산성은 떨어짐을 알 수 있었다. 탈착 압력이 높아지면 1단 진공펌프에서 소비되는 에너지는 작아지지만 공정의 생산성은 감소하고 생산되는 CO2의 농도도 낮아짐을 알 수 있었다.

참고문헌

1. Dave, N., G. Duffy, J. Edwards, J., and A. Lowe, ACARP Project No C7051 Report (2000)