• Korean Chemical Engineering Research
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• 제59권1호
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• pp.60-67
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• 2021

본 연구에서는 CO2 포집을 포함하는 500 MWe 급 전기를 생산하는 순산소 석탄화력발전소에 대한 공정흐름도를 제시하였고, 기술경제성 평가를 수행하였다. 이 석탄화력발전소는 순환 유동층 보일러(CFB), 초초 임계 증기 사이클 증기 터빈, 보일러에서 배출되는 배기가스내 수분과 오염물질을 제거하는 배기가스 정제 장치(FGC), 산소 분리 초저온 공정(ASU), 이산화탄소를 분리하는 극저온 공정(CPU)을 포함한다. 건식 배기가스 재순환(FGR)은 CFB연소기내 온도 제어와 고농도 CO2 배출을 위하여 사용되었다. 이 순산소 석탄화력발전소의 열효율을 증가시키기 위하여 FGR 흐름에 대한 열교환, ASU에서 배출되는 질소 흐름에 대한 열교환, 그리고 CPU 내 기체 압축기의 열 회수를 고려하였다. FGR열교환기의 온도차(ΔT)의 감소는 배기가스의 더 많은 폐열 회수를 의미하며, 전기 및 엑서지 효율을 증가시켰다. FGR열교환기의 ΔT가 10 ℃ 에서 FGR과 FGC 주변의 연간 비용이 최소가 되었다. 이때, 전기 효율은 39%, 총투자비는 1371 M$, 총생산비용은 90 M$, 그리고 투자수익률은 7%/y, 그리고 투자회수기간은 12년으로 예측되었다. 본 연구를 통하여 순산소 석탄화력발전소의 열효율 향상을 위한 열교환망이 제시되었고, FGR 열교환기의 최적 운전 조건이 도출되었다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제48권1호
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• pp.116-120
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• 2010

CCS($CO_2$ capture & storage) 기술의 하나인 순산소 석탄화력발전 시스템에서 시스템의 안정한 운전을 위하여 연소가스 재순환이 적용되게 된다. 연소가스 재순환시 황산화물 및 분진의 농축이 발생되게 되며 일반적인 화력발전 시스템에서 탈황 및 집진과는 다른 형태의 운전조건을 나타내게 되므로 상용 석탄화력 발전소에 적용하기에 앞서 관련 연구가 필요하다. 본 연구에서는 이와 같은 순산소 석탄 연소 시스템에서 황산화물 및 분진의 효과적인 제거를 위하여 석회석을 이용한 로내탈황 및 고온 전기집진에 관한 기초적인 연구를 수행하였다. 석회석을 이용한 로내탈황에서 ash에 의한 탈황효과를 포함하여 60%의 탈황효율을 나타내었고 전기집진의 경우에는 $CO_2$ 비율이 높을수록 분진입자의 크기가 클수록 코로나 전류량의 감소로 인하여 집진효율이 저하하는 것으로 나타났다.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제30권4호
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• pp.347-355
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• 2019

As a solution to the growing concern on the global warming, researches are being actively carried out to apply carbon dioxide capture and storage technology to power generation systems. In this study, the integrated gasification combined cycle (IGCC) adopting oxy-combustion carbon capture was modeled and the effect of replacing the conventional air separation unit (ASU) with the ion transport membrane (ITM) on the net system efficiency was analyzed. The ITM-based system was predicted to consume less net auxiliary power owing to an additional nitrogen expander. Even with a regular pressure ratio which is 21, the ITM-based system would provide a higher net efficiency than the optimized ASU-based system which should be designed with a very high pressure ratio around 90. The optimal net efficiency of the ITM-based system is more than 3% higher than that of the ASU-based system. The influence of the operating pressure and temperature of the ITM on system efficiency was predicted to be marginal.

• 청정기술
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• 제27권4호
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• pp.367-371
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• 2021

순산소 석탄 화력 발전 시스템은 CO₂ 가스 회수 및 저장 기술(CCS: carbon capture & storage)의 하나로 순산소와 재순환된 연소가스를 이용하여 석탄 연소를 수행하는 기술이다. 이는 이산화탄소와 질소가 혼합된 배출 가스를 생산하는 기존의 공기 연소 시스템과 달리 공기 중의 산소를 먼저 분리하여 생산된 순산소와 재순환된 연소 가스를 이용하여 석탄을 연소하면 이산화탄소와 질소를 분리하는 후처리 공정 없이 이산화탄소만으로 이루어진 배출 가스를 생성하여 이의 저장을 용이하게 하는 기술이다. 본 연구에서는 O₂/CO₂ 혼합 모의 가스를 이용하여 순산소 연소 시 발생되는 대기오염물질인 NO, SO₂의 생성 특성을 살펴보았다. 반응 온도를 900 ℃ ~ 1200 ℃, 산소 분율을 30% ~ 50%로 변화시키면서 실험한 결과 생성 가스 내 NO 및 SO₂의 농도는 반응 온도와 산소 분율이 증가할수록 증가하는 현상을 나타내었으며 CO₂의 분율도 증가하는 현상을 나타내었다. 순산소 연소에서 30% O₂/CO₂를 이용한 연소와 air 조건인 21% O₂/N₂ 연소에서 NO 발생을 비교한 결과 양쪽 모두 반응 온도에 따라서 NO 발생이 증가하게 되며 순산소 연소 조건에서 air 연소에 비하여 약 40 ~ 80 ppm까지 NO 발생이 낮아지는 현상을 나타내었다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2010년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.157-157
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• 2010

우리나라는 기후변화협약에 대응하기 위한 교토의정서를 비준한 국가로서, 아직 온실가스의 의무감축 대상 국가는 아니다. 그러나 2012년부터 시작될 교토의정서 2차 공약기간 중에 브라질, 중국 및 인도와 같이 2차 의무감축대상이 가장 유력시 되는 국가로 지목되고 있으므로, 이러한 변화에 능동적으로 대처할 수 있는 기술적, 사회적, 정책적 방안이 신속히 마련될 필요가 있다. CCS(carbon capture & storage)란 화석연료로 부터 연소시 대기 중으로 배출되는 온실가스($CO_2$)를 포집하여 재생 또는 지중, 해양에 저장하는 기술로서 국가녹색성장 핵심기술중의 하나로 분류되며, 대료적인 $CO_2$ 발생대상인 석탄화력발전소로 부터 $CO_2$ 회수방안, 회수, 처리관련 연구를 포함하여 국내외 적으로 활발한 연구가 이루어 지고 있다. 순산소 연소기술을 통한 $CO_2$ 회수, 처리기술은 연료(천연가스, 석탄, 석유)의 산화제를 공기대신 순도 95% 이상의 고농도 산소를 이용하여 순산소연소를 하며, 이때 발생하는 배가스의 대부분은 $CO_2$와 수증기로 구성되어 있다. 발생된 배가스의 약 70~80%를 다시 연소실로 재순환시켜 연소기의 열적 특성에 적절한 연소가 가능하도록 최적화함과 동시에 배가스의 $CO_2$ 농도를 80% 이상으로 농축시켜 회수를 용이하게 하며, 특히 공해물질은 NOx 발생량을 10ppM 이하로 줄일 수 있다. 천연가스가 생산되는 LNG기지에서 LNG를 기화시키기 위하여 해수식 기화기(ORV : Open Rack Vaporizer와 수중연소식 기화기(SMV ; Submerged Combustion Vaporizer)를 사용하고 있으며, 특히 SMV는 버너를 이용하여 $-162^{\circ}C$ LNG를 $10^{\circ}C$의 LN로 기화시키는 설비로서 이때 연소시 $CO_2$를 상당량 발생시킨다. 본 논문에서는 SMV에서 순산소 연소방식을 적용하여 연료인 천연가스를 연소시키고, 이때 발생되는 $CO_2$와 수분이 주 성분인 배가스를 연소기에 재순환시켜, 연소실내 고온문제를 해결하며, 최종적으로 배가스중 $CO_2$는 $-162^{\circ}C$의 LNG 냉열을 이용하여 고순도의 액체 $CO_2$로 액화시키므로서 $CO_2$의 회수, 처리문제를 해결하는 방식을 소개하고자 한다. 이러한 방식은 천연가스에서 발생되는 $CO_2$ 회수를 LNG 냉열을 활용하므로서 폐열을 활용하는 에너지 효율적인 문제와 사용가능한 고순도 $CO_2$로 회수하므로서 환경적인 문제를 처리하는 기술이라 할 수 있다.

• 대한기계학회논문집B
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• 제34권1호
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• pp.27-34
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• 2010

본 연구에서는 순환방식의 1000 CMH급 전기집진장치 성능평가 시스템 구축하여, 대용량 순산소 연소 장치 없이 순산소 연소가스 모사 조건(고농도 $CO_2$ 조건)에서 엣지-평판형 전기집진장치를 방전극 형상, 집진판 간격, 유입속도, 가스조성 및 분진 입경에 따라 성능을 평가하였다. $CO_2$ 70% 조건에서 3 종 방전극에 대해 성능 비교를 한 결과, 방전극 편 면적이 넓은 방전극이 상대적으로 높은 포집효율을 나타내었다. 또한 유입속도가 감소할수록, 분진 입경이 증가할수록, 집진판 간격이 좁을수록 분진 집진 효율이 증가하였으나, $CO_2$ 농도가 증가할수록 효율이 감소하였다. 그러므로 $CO_2$ 농도가 높을 것으로 예상되는 순산소 연소 등 배기가스 조건에 적용되는 전기집진장치를 설계할 경우, 기존과 동일한 단위 가스 체적 당 코로나 전력 조건에서 집진장치 내부 유속을 줄이거나 집진판 간격을 좁히는 설계변화가 요구되며, 방전극의 경우 방전편 면적이 넓으면서 코로나 전류가 높은 방전극이 적용되야 할 것으로 판단된다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2010년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.215.2-215.2
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• 2010

지구온난화의 주범으로 알려진 $CO_2$의 대기 중 농도는 산업혁명 이전 280ppm에서 산업 혁명 이후 375ppm으로 증가하였다. 정부 간 기후변화패널(IPCC)의 기후변화 시나리오에 의하면, 지금부터 다양한 감축노력을 한다 할지라도 $CO_2$ 증가추세는 계속되어 2100년경에는 대기 중 $CO_2$농도가 600~950ppm에 이를 것으로 예측하고 있다. 현재까지 화력발전부분은 온실가스($CO_2$)의 최대 배출 원으로 알려져 있으며 이 분야의 $CO_2$ 회수기술은 연소 후 포집(Post-combustion), 순산소 연소(Oxy-fuel combustion), 연소 전 탈탄소화(Pre-combustion) 3가지로 크게 구분된다. 이중 석탄가스화복합발전(IGCC)기술과 연계하여 $CO_2$를 회수할 수 있는 방법이 연소 전 탈탄소화 기술이다. 핵심기술은 $CO_2$ 분리공정으로 적용 될 수 있는 기술로서는 흡착 흡수법, 막분리법 그리고 가스 하이드레이트가 있으나 아직까지 우리나라의 가스 하이드레이트 기술은 전무한 형편이다. 본 연구에서는 가스 하이드레이트 형성원리를 이용하여 정온 정압 조건에서 $CO_2/H_2$ 하이드레이트를 제조하였으며 특히, 하이드레이트 형성 촉진제인 TBAB(Tetra-n-butyl ammonium bromide)를 첨가하여 TBAB 농도에 따른 상평형 및 속도론 실험을 수행 하였다. 또한 라만 분석을 통하여 $CO_2$ 회수 분리에 대한 연구도 병행하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2009년도 춘계학술대회 논문집
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• pp.698-698
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• 2009

화력발전이 많은 비중을 차지하는 전력생산 산업은 온실가스($CO_2$)의 최대 배출 원으로 알려져 있으며 증가하는 전력 수요 뿐 만 아니라 다가오는 기후변화협약에 대응하기 위하여 $CO_2$ 회수 및 공정 개선에 관한 연구가 많이 수행되고 있다. 특히 현재 연구되고 있는 전력분야의 대표적인 $CO_2$ 회수기술은 연소 후 포집(Post-combustion capture), 순산소 연소(Oxy-fuel combustion), 연소전 탈탄소화(Pre-combustion) 3가지로 구분된다. 이중 연소전 탈탄소화 기술은 석탄가스화복합발전(IGCC) 기술과 연계하여 $CO_2$를 회수할 수 있는 방법으로 가스화 된 석탄가스에 Water-Gas Shift 반응과, $CO_2$ 분리로 얻어진 탈 탄소 연료를 통해서 전력을 생산한다. 이 기술의 핵심은 생성된 $CO_2/H_2$ 복합가스로부터 $CO_2$를 분리하는 공정으로 차세대 회수 기술로는 Membrance Reactor, SOFC, Oxygen Ion Transfer Membrane(OTM), 그리고 가스 하이드레이트가 있다. 이중 가스 하이드레이트는 $CO_2$의 회수 뿐 만 아니라 처리 기술에도 적용 가능하지만 우리나라에는 이에 관한 기술이 전무한 형편이다. 본 연구에서는 가스 하이드레이트 형성원리를 이용하여 정온 정압 조건에서 $CO_2/H_2$ 하이드레이트를 제조하였으며 특히, 하이드레이트 형성 촉진제인 THF(Tetrahydrofuran)를 첨가하여 THF 농도에 따른 상평형 및 속도론 실험을 수행 하였다. 이러한 연구는 연소전 탄소화 기술에서의 $CO_2$ 회수 분리에 대한 핵심 연구임과 동시에 탄소배출권 규제에 실질적인 기여를 할 수 있을 것으로 사료된다.