Flue gas로부터 CO2 고정화 및 회수를 위한 PSA 공정 연구

장영훈, 구기갑, 엄희문*, 정연수**, 송형근**, 나병기**

서강대학교 화학공학과, 전력연구원*,한국과학기술연구원**

Studies on PSA for concentration and recovery of CO2 from Flue Gas

Young-Hoon Jhang, Kee-Kahb Koo, Hee-Moon Eum*, Yonsoo Chung**,                         Hyung Keun Song**, Byung-Ki Na**

Dept.of Chem.Eng, Sogang University, Korea Electric Power Research              Institute*, Korea Institute of Science and Technology**

서론

과다한 화석연료의 소비로 인해 지구온실효과의 주범인 CO2의 대기중 농도가 증가하여 세계각국에서는 지구환경보전을 위한 다각적인 연구방안을 제시하고 있다.  장기적인 차원에서 화석연료를 대체할 에너지의 개발연구가 진행중에 있으나 현재로서는 화석연료의 소비량이 증가추세이므로 대기중으로 방출되는 CO2를 고정화할 기술개발이 필요하다.

본 연구에서는 flue gas(산업체배가스)로부터 CO2의 배출억제 및 회수를 위한 분리공정중 비교적 에너지비용이 적게드는 공정으로 알려진 PSA를 채택하였다.  화석연료의 소비로부터 배출되는 flue gas(산업체배가스)는 CO2 15∼16%, N2 74∼78%, O2 2∼4%, H2O 5∼6% 및 1%미만의 SO2, NOx로 이루어져 있으나[1] 본 연구에서는 flue gas가 CO2 17%, N2 79%, O2 4%로 구성되었다는 가정하에 각각의 기체들에 대한 평형흡착실험과 혼합기체의 파과실험을 통하여 흡착제의 기본적인 흡착특성 및 그 동적특성을 조사하였으며 이를 바탕으로 2-bed 순환공정실험을 수행하였다.

실험 및 결과

가. 평형 흡착 및 파과 실험

본 연구에서는 흡착제로서 국내의 삼천리사에서 제조되는 활성탄이 사용되었고 그 물리적 특성은 Table 1에 나타내었다. 이 흡착제에 대한 CO2, N2, O2의 평형흡착량이 15℃∼55℃의 온도범위에서 정적부피법[2]에 의해 측정되었으며 그중 35℃의 결과를 Fig.2에 나타내었다.  본 실험의 온도범위에서는 N2 및 O2에 비해 CO2의 평형흡착량이 지배적이고 압력이 증가할수록 분리도가 증가함을 알 수 있다.  따라서 flue gas로부터 CO2의 고정화 및 회수를 위한 PSA공정에서는 평형흡착량의 차이에 의한 분리기구가 효과적일 것으로 예측된다.

Table 1. Physical properties of activated carbon횽

bulk density (g/l)	0.4∼0.5
mesh size	4 x 8
BET surface area (□/g)	1100
total pore volume (□/g)	0.5∼0.6
average pore diameter (Å)	14∼18

흡착탑의 물리적 특성은 Table 2에 나타내었다.  파과실험 및 순환공정실험을 위해 제작된 실험장치는 혼합기체의 조성을 조절하여 공급하는 gas cylinder, mass flow controller, mixer로 구성된 공급부와 흡착 및 탈착이 진행되는 흡착탑, 순환공정을 적절히 제어하기 위해 설치된 각각의 valve를 조절하고 탑내의 흡착 및 탈착동특성을 파악하기 위해 탑의 중심부에 설치된 thermocouple 등을 담당하는 자료관리 부분, 그리고 흡착탑의 상부와 하부의 각 부분에서 배출되는 기체의 조성을 연속적으로 분석하기 위해 mass spectrometer가 설치된 분석부분으로 이루어져 있다.

본 연구의 궁극적인 목적이 flue gas로부터 CO2의 배출억제와 회수이므로 각 파과실험의 결과는 CO2의 농도변화에 초점이 맞추어졌다.  각 파과실험시 공급기체중 CO2의 농도를 C0라 나타내고 배출 농도를 C라 하여 유입농도와 배출농도를 비교하였다.

파과실험은 CO2 17%, N2 79%, O2 4%로 구성된 혼합기체에 대하여 1.5atm의 조건에서 유량을 달리하면서 진행되었고 그 결과를 Fig.3에 나타내었다.  유량이 증가할수록 파과시간이 짧아지며 파과곡선의 형태는 본 실험의 유량범위에서는 유량의 변화에 영향을 받지 않음을 확인하였다.

Table 2. Characteristics of adsorbent bed

bed diameter (□)	4.12
bed height (□)	900
adsorbent amount (□)	0.57
particle diameter (□)	3∼4
bed bulk density (g/□)	0.47

Fig.4와 Fig.5는 흡착탑에 등간격으로 설치된 각각의 thermocouple로부터 얻은 온도변화와 CO2의 파과곡선을 비교한 것이다. TC1이 탑입구부분에 해당되며 TC4는 탑출구에 해당된다.  Fig.4의 경우 공급기체의 조성은 Fig.3의 파과실험과 같은 조건이며 Fig.5는 CO2 17%, He 83%로 이루어진 혼합기체에 대한 실험결과이다.

본 실험에서 검토된 유량범위에서는 Fig.4에서 보여지는바와 같이 입구부분에서의 온도변화가 가장 심하며 기체의 진행방향의 순서대로 온도변화를 갖는다. 기체분자가 고체표면에 흡착되면 발열현상을 수반하므로 발열량이 클수록 흡착량이 많다는 것을 의미한다.[2]  따라서 공급기체의 입구부분에서의 흡착이 타영역에 비해 지배적이며 출구부분으로 가까워질수록 흡착량이 감소함을 알 수 있다.  그러나 공급기체의 조성이 CO2 17%, He 83%로 이루어진 Fig.5에서는 탑출구를 제외한 나머지영역에서의 온도변화량이 동일하고 초기흡착시 흡착탑 전체영역에 걸쳐 발생하는 온도증감현상이 발견되지 않는다.  따라서 Fig.4에서 나타나는 초기흡착순간의 온도증감현상 및 탑출구부분으로 갈수록 온도변화량이 줄어드는 원인은 N2의 흡착으로 인한 것이라 볼 수 있다.  혼합기체가 탑내로 유입되면 활성탄의 흡착선택도에 의해 탑입구에서는 CO2의 흡착이 지배적이고 이때 흡착되지 않은 N2는 탑입구를 통과하여 나머지영역에서 흡착하게 된다.  흡착이 진행됨에 따라 탑입구부분은 CO2로 포화되어 주흡착영역이 탑출구쪽으로 이동된다.  그런데 출구부분에 가까워질수록 흡착된 N2의 양이 많아지므로 CO2흡착량은 점점 줄어들게 되며 온도변화량 역시 감소하게 된다.

나. 순환 공정 실험

본 순환공정실험의 운전조건은 흡착압력이 1.5atm이고 탈착압력이 0.05atm이며 공급기체의 유량은 4.7SLPM이다.  파과실험을 통해 얻은 흡착탑내 CO2의 농도분포로부터 2-bed 순환공정단계에 병류감압단계[3]가 첨가되야함을 알 수 있다.  그런데 감압단계에서 탈착되어 배출되는 기체의 농도를 분석해본결과  약 0.6∼0.7atm의 압력까지는 N2가 95%이상을 차지하므로 병류감압을 통한 대기압으로의 감압보다는 압력균일용 병류감압단계[3]의 첨가가 더 효과적임을 확인할 수 있었다.  적절한 단계시간의 조절에 의해 탈착단계에서 CO2의 순도가 73.6%이고 회수율이 약 85%인 공정을 확보하였으며 그 개략적인 흐름도를 Fig.1과 Table 3에 나타내었다.  유량의 변화와 4-bed 순환공정실험을 통해 공정성능을 증가시키기 위한 연구가 현재 진행중이다.

Fig. 1  Process discription

Table 3.

PR.	AD.	P.E.	Vacuum		P.E.
Vacuum		P.E.	PR.	AD.	P.E.

(PR.:가압단계,  AD.:흡착단계,  P.E.:압력균등화단계,  Vacuum:감압탈착단계)

감사의 글

본 연구는 전력연구원의 지원으로 수행되었으며 이에 감사드립니다.

참고 문헌

1. 김종남,김권일,유윤종,조순행, □PSA공정을 이용한 CO2분리회수기술□, 화학공업     과 기술, 제10권 제 5호, 1992, 16

2. R.T. Yang, "Gas Separation by Adsorption Processes" Butterworth, 1987

3. D.M. Ruthven., S. Faroog and K.S. Knaebel, "Pressure swing Adsorption",     VCH, 1994