활성탄을 이용한 CO2 PSA에서 조업변수에 따른 공정성능의 변화

조영태, 구기갑, 엄희문*, 이화웅**, 송형근**, 나병기**

서강대학교 화학공학과, *전력연구원, **한국과학기술연구원

The Effects of Process Variables on CO2 PSA using Activated Carbon

Young-Tae Cho, Kee-Kahb Koo, Hee-Moon Eum*,

Hwaung Lee**, Hyung Keun Song**, Byung-Ki Na**

Dept. of Chemical Engineering, Sogang University,

*Korea Electric Power Research Institute,

**Korea Institute of Science and Technology

서론

본 연구에서는 활성탄을 흡착제로 사용한 PSA 공정을 사용하여 flue gas로부터 고순도의 CO2를 회수하기 위한 순환공정 실험을 수행하였다. 선행연구에서는 지름이 165□, 높이가 900□인 흡착탑 3개를 사용하여 8단계의 순환공정을 구성하였다. 선행연구에서는 순도 99% 이상의 생산기체를 얻는 것이 주목적이었지만 이번 연구에서는 99% 이상의 순도를 유지하면서 회수율을 증가시키는 것을 주목적으로 삼았다.

회수율을 증가시키기 위한 방안으로 세정시간, 세정압력, 공급기체유량 등의 조업변수를 바꾸어 가면서 순환공정실험을 수행하였고 세정단계에서 흡착탑 상부로 배출되는 기체를 공급기체의 흐름으로 재순환시키는 공정을 도입하기도 하였다. 그 결과 순도 99% 이상의 생산기체를 선행연구에서보다 더 향상된 회수율로 얻을 수 있었다.

실험

가. 실험장치

본 연구에서 사용한 흡착제와 흡착탑의 물리적 특성은 Table 1과 Table 2에 나타내었다.

Table 1. Physical properties of activated carbon

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

Table 2. Characteristics of adsorbent bed

bed diameter (□)	165
bed height (□)	900
adsorbent amount (□)	9
particle diameter (□)	3∼4
bed bulk density (g/□)	0.47

나. 순환공정실험

본 연구의 목적이 순도 99% 이상의 생산기체를 보다 높은 회수율로 얻기 위한 것이므로 Fig. 1에 나타낸 flow schedule을 기본으로 하여 순도 및 회수율에 영향을 미치는 세정시간, 세정압력, 공급기체유량 등의 조업변수를 선택하여 이들을 변화시키면서 순환공정실험을 수행하였다. 세정시간을 변화시키는 경우 세정시간과 기체생산시간의 합을 일정하게 유지시키면서 세정시간을 2, 4, 6분으로 조정해주었고 세정압력은 상압, 1.5, 1.8기압으로 조정해주었다. 공급기체유량은 CO2 13∼14%, N2 82∼84%, O2 3∼4%의 조성을 유지하면서 유량을 약 83, 106, 127□/min으로 바꾸어 가며 실험을 수행하였다.

조업변수에 따른 비교실험 외에 세정단계에서 흡착탑 상부로 배출되는 기체(CO2 20% 이상)를 공급기체의 흐름으로 재순환시키는 공정을 도입하여 실험을 수행하였다. 이 재순환 공정의 개념적인 흐름도는 Fig. 2에 나타내었다. 이와 같은 재순환 방법에는 두 가지 방법이 사용되었는데 첫 번째는 세정단계에서 배출되는 기체를 흡착이 진행되고 있는 이웃한 흡착탑으로 바로 재순환시키는 방법이고 두 번째는 세정단계에서 배출되는 기체를 기체저장조에 담아두었다가 세정단계가 끝나고 생산단계가 이어질 때 흡착이 진행되고 있는 다른 흡착탑으로 재순환시키는 방법이다.

결과 및 토론

순환공정실험을 통해 얻은 각각의 조업변수에 따른 공정성능의 변화에 대한 결과는 Fig. 3∼5에 나타내었다.

세정시간을 변화시키면서 수행한 실험의 경우 흡착압력 1.5기압, cycle time이 60분인 공정을 사용했는데 그 결과 세정시간이 길어질수록 생산기체의 순도는 증가했지만 회수율은 감소하는 경향을 보였다. 그 이유는 세정시간이 길어질수록 흡착이 끝난 흡착탑을 세정하는데 더 많은 생산기체가 사용되기 때문이다. 세정시간에 따른 공정성능의 변화는 Fig. 3에 나타내었다.

세정압력을 변화시키면서 실험을 수행한 경우 흡착압력 1.5기압, cycle time이 60분인 공정에서 세정시간을 8분으로 유지하고 세정압력을 변화시켰다. 그 결과 Fig. 4에서 볼 수 있듯이 세정압력이 1.5기압일 때 가장 높은 순도, 회수율로 생산 기체를 얻을 수 있었다. 이와 같은 현상은 다음과 같이 설명될 수 있다. 세정압력을 높여주면 세정단계에서의 흡착탑의 이산화탄소에 대한 평형흡착량이 증가하므로 세정단계에서 흡착탑 내부에 존재하는 이산화탄소의 양과 농도가 증가하지만 세정압력이 너무 높아지면 세정단계에서 흡착탑을 통해 흐르는 세정기체의 유량이 감소하여 흡착탑 내의 이산화탄소의 양과 농도가 감소하는 현상이 일어날 수 있다. 따라서 세정압력의 경우는 순도, 회수율 면에서 최적점을 가지는 경향을 보인다.

공급기체유량의 경우에는 흡착압력 2기압, cycle time이 30.5분인 공정에서 세정시간을 5분으로 고정시키고 공급기체유량을 83, 106, 127□/min로 조정하면서 실험을 수행하였다. 그 결과는 Fig. 5에 나타내었다. Fig. 5에서 보여지듯 공급기체유량이 증가하면 순도는 약간 상승하지만 회수율은 비교적 큰 폭으로 하강하는데 그 이유는 공급기체유량이 증가하면 흡착탑의 파과시간은 감소하여 흡착단계에서 탑 상부로 배출되는 이산화탄소의 양이 증가하기 때문이다.

재순환 공정은 세정단계에서 배출되는, 이산화탄소의 조성이 비교적 높은 기체를 흡착단계로 순환시켜 흡착단계에서 다시 흡착시키기 위해서 도입되었다. 재순환 공정은 흡착압력 2기압, cycle time 30.5분, 공급기체유량 85□/min인 공정에서 세정시간을 5분으로 고정시키고 두 가지 재순환 방법을 사용하여 수행하였다. 재순환이 도입되지 않은 공정을 process 1, 세정단계에서 바로 재순환시키는 공정을 process 2, 세정단계에서 배출된 기체를 기체저장조에 저장해두었다가 생산단계에서 재순환시키는 공정을 process 3이라 할 때, 각각의 공정에 대한 실험 결과를 Fig. 6에 비교해 놓았다. 세 가지 공정을 비교해 볼 때 process 2가  process 1에 비해서 순도, 회수율 면에서 더 좋은 결과를 보였는데 그 이유는 세정단계에서 버려지는 이산화탄소를 재사용할 수 있기 때문에 회수율이 증가하고 재순환으로 인해서 흡착탑으로 공급되는 이산화탄소의 농도가 증가하기 때문에 순도가 증가한 것으로 생각된다. Process 3의 회수율이 process 1의 회수율보다 더 낮은 이유는 process 3의 경우 공정 수행상의 문제점 때문에 세정단계에서 흡착탑 내부가 진공(약 0.5기압)이 되었고 그로 인한 흡착탑의 평형흡착량 감소 때문에 진공탈착단계에서 얻어지는 생산기체의 양이 줄어들었기 때문인 것으로 생각된다.

감사

본 연구는 전력연구원의 지원으로 수행되었으며 이에 감사드립니다.

참고 문헌

1. 김종남, 김권일, 유윤종, 조순행:□PSA공정을 이용한 CO2 분리회수기술□, 화학공업과 기술, 10(5), 16-26(1992).

2. 조영태, 구기갑, 이화웅, 나병기, 송형근:□CO2 PSA에서 세정방법이 공정성능에 미치는 영향□, 화학공학의 이론과 응용, 5(1), 685-688(1999).

3. 장영훈:□3탑, 8단계 PSA 공정을 이용한 연소 배가스로부터 이산화탄소의 분리에 관한 연구□, 석사학위논문, 서강대학교(1997).

4. Ruthven, D.M., Farooq, S. and Knaebel, K.S.:□Pressure Swing Adsorption□, VCH(1994).

Bed 1	PR	AD		CD	RN		PD		EV
Bed 2	RN		PD		EV				PR	AD		CD
Bed 3	EV				PR	AD		CD	RN		PD

(PR : pressurization, AD : adsorption, CD : cocurrent depressurization,

RN : rinse, PD : production, EV : evacuation)

Fig. 1. Flow schedule of CO2 PSA process

Fig. 2. Schematic flow diagram of CO2 PSA process