MEA 수용액을 이용한 CO₂흡수 설비에 대한 공정모사 및 민감도 분석 연구
A Study of Simulation and Sensitivity Analysis in CO₂Absorption Process by using MEA Solution
- 발행기관 아주대학교 대학원
- 지도교수 김형택
- 발행년도 2005
- 학위수여년월 2005. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지학과
- 본문언어 한국어
초록/요약
본 논문에서는 화력발전소의 연소 배가스로부터 MEA 수용액을 이용한 2톤-CO₂/일 규모 이산화탄소 흡수분리 Pilot Plant 공정의 설계 및 공정변수를 이용하여 ASPEN Plus라는 시뮬레이터로 이산화탄소 흡수 설비에 대한 공정모사 모델을 구축하였다. 이러한 공정 해석 모델을 기반으로 하여 배기가스 유량, 배기가스 온도, 흡수제 유량, 흡수제 온도, 흡수제 농도, 흡수탑 압력 및 흡수탑 단수 등 다양한 공정변수들의 조건범위를 변화시켜 가면서 시뮬레이션을 수행하여 이산화탄소 회수율의 특성을 고찰하였다. 공정 모사결과에서 흡수제의 선정은 이산화탄소 회수율과 가장 연관성이 큰 변수임을 확인하였다. 또한, 이산화탄소 흡수분리 공정의 모사결과가 신뢰성을 갖기 위해 실제 Pilot Plant 운전 실험결과와 공정 모사결과에 대해 비교 분석을 실시하였으며, 두 경우의 이산화탄소 회수율 차이가 허용 가능한 오차범위 이내로 나타나 공정 모사결과의 타당성 및 객관성이 검증되었다. 여러 공정변수 중 이산화탄소 회수율에 가장 영향을 줄 수 있는 배기가스 유량, 배기가스 온도, 흡수제 유량, 흡수제 온도 및 흡수제 농도 5개 공정변수를 선정하여 각각의 조건범위에 대해 조합하여 ASPEN Plus 내의 Sensitivity 기능을 이용하여 모든 경우에 대한 민감도 분석을 실시하였다. 민감도 분석을 통하여 흡수제 MEA 농도 10wt%, 15wt%, 20wt% 각각에 대해 실제 공정에서 요구하는 이산화탄소 회수율 90% 이상을 확보할 수 있는 공정변수별 운전조건을 제시하였다. 본 논문의 연구결과는 향후 현장에서 실제 실험에 앞서 운전자에게 공정조건에 따른 이산화탄소 회수율 결과를 사전에 예측 가능토록 정보를 제공해 줄 수 있을 것이다. 추후 신 흡수제의 Pilot Plant 적용에 앞서 공정모사를 통한 결과 예측으로 바로 실제 공정에 투입하는데 따른 위험성을 최소화할 수 있는 기초자료로도 활용 가능하다. 또한 상업용 플랜트의 개념설계 및 여러 공정에 대한 상호 비교분석에 유용한 자료로 응용될 수 있을 것이다.
more초록/요약
In this study, we constructed the process simulation model of CO₂ absorption facility as the simulator called ASPEN Plus while using the process variables and process design of 2 ton-CO₂/day sized CO₂ absorption separation Pilot Plant using MEA solution from the combustible flue gas firepower plant. Based on this process interpretation model, we reviewed the characteristics of CO₂ recovery ratio while performing simulation as changing the condition range of various process variables such as flue gas flow, flue gas temperature, absorbent circulating rate, absorbent temperature, absorbent concentration, absorber pressure and number of absorber stages. At the result of process simulation, the selection of absorbent confirmed that it was the most associated variable with CO₂ recovery ratio. Also, for the result of process simulation of CO₂ absorption separation to have reliability, we practiced as comparing and analyzing of the real Pilot Plant test result and process simulation result, and the validity and objectivity of process simulation result were verified as the difference between two cases of CO₂ recovery ratio showed to be within the acceptable error range. We practiced sensitivity analysis of all cases using Sensitivity function within ASPEN Plus while combining of each condition range as selecting the 5 process variables of flue gas flow, flue gas temperature, absorbent circulating rate, absorbent temperature, and absorbent concentration that can affect the most to the CO₂ recovery ratio among various process variables. Through the sensitivity analysis, we suggested operation condition according to the process variables that can be satisfied over 90% of CO₂ recovery ratio that is demanded in the real process of each 10wt%, 16wt%, and 20wt% of absorbent MEA concentration through sensitivity analysis. The study result of this paper will be able to provide information that we can predict previously the CO₂ recovery ratio result according to the process condition to the operator before the real experiment at the field in the future. Before the Pilot Plant application of new absorbent in the future, it can also be utilized as the basic data that can minimize the risk according to the insertion into real process right away by the result prediction through process simulation. Also, it will be applicable as the useful data to the mutual comparison and analysis of conceptual design and various process of commercial plant.
more목차
본문 차례 (List of Text)
그림 차례 (List of Figures) = ⅳ
표 차례 (List of Tables) = ⅵ
사용 약어 (List of Abbreviations) = ⅷ
제 1 장 서론 = 1
제 1 절 연구배경 = 1
제 2 절 연구목적 및 내용 = 6
제 2 장 흡수분리기술 현황 분석 = 8
제 1 절 흡수공정의 설치 현황 = 13
제 2 절 흡수공정의 기술개발 현황 = 14
제 1 항 국내 현황 = 14
제 2 항 국외 현황 = 18
제 3 항 흡수공정의 문제점 = 21
제 3 장 흡수제의 특성 = 23
제 1 절 화학흡수의 기본 원리 = 24
제 2 절 알카놀아민계 흡수제 특성 = 26
제 1 항 알카놀아민계 흡수제의 물리적 성질 = 28
제 2 항 알카놀아민의 흡수메커니즘 = 32
제 4 장 실험장치 및 방법 = 41
제 1 절 시뮬레이터 ASPEN Plus = 41
제 1 항 ASPEN Plus의 특징 = 42
제 2 항 ASPEN Plus의 Process = 44
제 2 절 ASPEN Plus를 이용한 공정모사 = 46
제 1 항 공정해석 = 47
제 2 항 설계변수 도출 = 49
제 3 항 흡수제 유량값에 대한 상관관계 = 51
제 4 항 기준조건에 대한 공정 모사 = 56
제 5 장 결과 및 고찰 = 60
제 1 절 공정변수별 공정 모사 결과 = 60
제 1 항 배기가스 유량 변화에 따른 특성 = 61
제 2 항 흡수제 유량 변화에 따른 특성 = 63
제 3 항 흡수제 유량/배기가스 유량 비율에 따른 특성 = 65
제 4 항 배기가스 온도 변화에 따른 특성 = 67
제 5 항 흡수제 온도 변화에 따른 특성 = 69
제 6 항 흡수제 농도 변화에 따른 특성 = 71
제 7 항 흡수탑 압력 변화에 따른 특성 = 73
제 8 항 흡수탑 단수 변화에 따른 특성 = 75
제 2 절 실험결과와 모사결과 비교분석 = 77
제 1 항 배기가스 유량에 따른 비교 분석 = 78
제 2 항 배기가스 온도에 따른 비교 분석 = 80
제 3 항 흡수제 유량에 따른 비교 분석 = 82
제 4 항 흡수제 온도에 따른 비교 분석 = 84
제 5 항 흡수제 농도에 따른 비교 분석 = 86
제 6 항 결과 고찰 = 88
제 3 절 민감도 분석 = 89
제 1 항 흡수제 농도 10wt%에 대한 민감도 분석 = 91
제 2 항 흡수제 농도 15wt%에 대한 민감도 분석 = 94
제 3 항 흡수제 농도 20wt%에 대한 민감도 분석 = 97
제 4 항 민감도 분석 종합 = 100
제 6 장 결론 = 101
참고문헌 = 104
영문 요약 (Abstract) = 117
부록 A. Pilot Plant 장치구성 및 운전방법 = 119
부록 B. 민감도 분석 결과 = 146
부록 C. 이산화탄소 흡수 공정 전산해석 모델 = 129
