냉각수 온도 변화에 따른 이산화탄소 액화공정 최적 디자인 및 운전전략

Abstract

발전소 배출가스 중 포집된 대량의 이산화탄소(Carbon Dioxide:CO2)를 선박으로 수송하기 위해서는 부피를 줄이는 액화공정이 필요하다. CO2액화공정은 아직 체계화된 공정모델이 없을 뿐 아니라 에너지 최소화를 위한 최적 운전조건이 결정되어 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 화학공정 시뮬레이터를 사용하여 CO2액화공정을 디자인하고 운전 에너지로서 압축기 소요동력을 최소화하기 위한 운전 조건을 제시하였다. 500MW급 유연탄 화력발전소의 배출 CO2와 7bar 액체 CO2를 경계조건으로 하여 공정 유닛마다 순차적 시뮬레이션 기반 최적화를 수행하였다. 하이드레이트 생성 억제 조건을 고려하고 압축-냉각-팽창사이클을 기초로 닫힌 액화 사이클과 열린 사이클 구조를 비교하였으며 열린 사이클 구조로 최적 압축단을 구성하였다. 특히 전체 운전 에너지에 결정적 영향을 미치는 마지막 압축단의 최종압력은 해수 온도인 5∼35℃범위에서 결정하였는데, 마지막 압축단 소요 에너지에 대한 줄-톰슨(Joule-Thomson: J-T)팽창으로 얻어지는 냉열의 비를 최대화하였다. 개발된 공정의 CO2액화에너지는 101.1kWh/tonCO2이다. 본 연구는 CO2액화공정 디자인에 대한 체계적인 가이드라인을 제시하고 J-T 팽창 전 최종압력을 결정하는 방법을 해수온도변화에 따라 열린사이클 형태 CO2액화공정에 적용하여 보다 실제적인 운전전략을 제시함으로써 CO2액화공정의 운전 에너지를 감소시켰다.