Design and optimization of membrane process for CO2 capture from post-combustion power plant flue gas

Abstract

전 지구적인 기후 변화의 영향을 주는 가장 큰 요인으로 이산화탄소가 가장 큰 원인으로 손꼽히고 있다. 이산화탄소를 배출하는 화석 연료 발전소 연소와 매우 다양한 산업적 공정 배출시설이 있다. 특히, 석탄, 석유 그리고 천연가스를 연소하는 화력발전소는 전 세계 인류에 의해 배출되는 온실가스(특히 이산화탄소)의 42 %를 차지하고 있다. 발전소로부터 다량으로 배출되는 이산화탄소를 효율적으로 포집하기 위한 다양한 기술들이 연구되고 있는데, 그 중 분리막 공정은 빠른 막 소재의 개발, 적은 부지 용량, 다양한 산업 현장에 손쉽게 설치가 가능한 것과, 최근의 실증 공정의 긍정적인 결과와 함께 새로운 대체 기술로 주목을 받고 있다. 그러나 압축장치(압축기와 진공펌프)를 운영하기 위해 많은 전기가 소모되는 점과, 현재 표준 분리막 공정이 없는 점은 연소 후 발전소 분야에 분리막 공정이 상업화되는데 어려운 점으로 지적되고 있다. 그러므로, 이 학위논문에서는 수학적 분리막 모델 개발, 다단 분리막 공정의 초구조적 모델 개발, 그리고 발전소 배가스로부터 이산화탄소를 효율적으로 포집하기 위한 신 분리막 공정 제안을 다루고 있다. 첫 번째로, 직렬 탱크 모델을 기반 한 분리막 모델링 체계는 중공사막 분리막을 체계적으로 모사할 수 있는 수학 모델을 기반으로 개발하였다. 혼합기체 (이산화탄소/산소/질소 그리고 이산화탄소/질소 혼합물) 분리 실험이 다양한 공정 운전 조건에서 수행되었으며, 이 실험 데이터들은 분리막 성능을 체계적으로 모사할 수 있는 데이터로 활용되었다. 데이터 검증으로 조율된 탱크의 수를 적용하여 개발된 분리막 모델은 두 개의 분리막 실험 결과를 매우 잘 예측할 수 있었다. 또한, 낮은 이산화탄소 농도를 갖는 발전소 배가스로부터 고농도로 이산화탄소를 제거하기 위해서는 다단 분리막 공정 설계가 필수적이다. 이 체계 구축을 위해 초구조적 접근법을 활용하는데, 다단 분리막의 가용한 모든 구조와 압력 장치 배치가 고려되었다. 가장 효율적인 운전 조건과 구조는 전체론적인 방법을 이용하여 결정하도록 설계했다. 주요 장치와 운전비용을 고려한 목적함수는 최적 조건을 찾기 위해 활용하게 되고, 최적화 방법으로 유전적 알고리즘을 사용하였다. 사례 연구로써, 소개된 분리막 설계 체계는 600 MWe 석탄 화력 발전소 (10 ~ 14 % 이산화탄소 농도)로부터 이산화탄소를 포집하는 것에 적용하였다. 상업적 분리막 성능과 로버슨 상한선을 이용한 분리막 성능까지 고려된 최적 구조를 제안하였고, 다양한 장치비용(분리막, 압축기, 그리고 진공펌프)과 운전비용(전기료)의 민감도 분석결과를 제시하였다. 다른 한편으로, 상온이하에서 분리막의 이산화탄소/질소 선택도가 향상되는 것은 에너지와 장치비용을 절감한 새로운 이산화탄소 포집 분리막 공정 설계를 가능하게 하였다. 혁신적인 저온 분리막 공정은 석탄 화력 발전소에서 이산화탄소를 분리하기 위한 사례에 적용 되었다. 높은 선택도 분리막을 운용하기 위한 저온 조건은 간단한 외부 냉각 사이클의 이용하여 구축하였다. 주요 장치와 운전비용이 고려된 목적함수를 이용하여, 최적의 저온 분리막 공정은 전통적인 상온 다단 분리막 공정보다 13 % 이산화탄소 포집 비용 절감과 16 % 전기 사용량을 절감한 공정을 제안하였다. 석탄 화력 발전소 배가스뿐만 아니라, 저온 분리막 공정을 전형적으로 3 ~ 4 % 매우 낮은 이산화탄소 농도를 갖는 천연가스 발전소에도 적용한 연구를 수행하였다. 우선, 외부냉각 사이클은 전반적인 이산화탄소 포집 가격을 향상시키기 위하여, 액화천연가스가 발전소로 공급되는 과정에서 발생하는 재기화 냉열로 대체하였다. 또한, 배가스의 낮은 이산화탄소 농도를 향상시키기 위하여, 배가스 재순환과 선택적인 배가스 재순환을 공정에 각각/모두 적용하였는데, 경제성 분석 비교결과, 장치비와 운전비 모두 혁신적으로 절감하는 효과가 나타났다. 특히, 위 두 기법을 모두 적용한 최적 분리막 공정은 기존 외부 냉각 사이클을 이용한 저온 분리막 공정보다 55.1% 이산화탄소 포집 비용과 70.1 % 전기 절감 효과가 나타났다.|It is widely accepted that CO2 component is a critical and influential cause for the worldwide global warming. There are a number of stationary sources having emitted CO2 through the fossil fuel combustion and the industrial production processes. In particular, the power plants burning coal, oil and natural gas have accounted for 42% of the global anthropogenic greenhouse gases (especially CO2). A lot of technologies to efficiently capture CO2 from power plant flue gas have been studied. The membrane process has been regarded as an emerging technology because of fast material development, small foot print, easy installation available, and positive consequences of the recent pilot plant tests. However, the requirement of large power consumption to operate pressure controllers (compressors and vacuum pump), and currently no standard membrane process have been pointed out as a challenge of commercialization. Hence, this thesis covers the development of mathematical membrane model, the superstructure approach of multi-stage membrane structure, and novel membrane process for CO2 removal from power plant flue gases in order to propose energy-efficient and cost-efficient membrane process design. At first, a membrane modeling framework based on tank-in-series model is developed for hollow fiber membranes which can be adjusted systematically to accurately predict the performance of a given membrane. Mixed-gas (CO2/O2/N2 and CO2/N2) separation experiments are carried out over a range of different feed conditions to evaluate membrane performance and to provide reliable measurements of gas permeance. The membrane model can well predict the two experimental results with utilizations of the interpolation of measured permeance and the tuned number of tanks. In addition, the systematic optimization framework is necessary to design the multi-stage membrane processes for CO2 removal from power plant flue gas. This framework utilizes a superstructure approach to determine the optimal configuration of membrane cascades and identify the most appropriate operating conditions in a holistic manner. The objective function considering main capital expenditures and operating expenditures is utilized to identify optimal conditions employed with Genetic Algorithm (GA). As part of a case study, the introduced membrane design framework is applied for the CO2 capture from 600 MWe coal-fired power plant (10~14% CO2 concentration). The optimal designs are proposed with consideration of the commercial membrane performance, as well as the Robeson upper bound, and the sensitivity analysis in cases of different capital cost (membrane, compressor, and vacuum pump) and operating cost (electricity) is conducted. On the other hand, a substantial increase in CO2/N2 selectivity of membrane under sub-ambient temperature allows the design of CO2 capture processes in an energy-efficient and cost-effective manner. An innovative sub-ambient temperature membrane process is proposed in a case of CO2 removal from coal-fired power plant flue gas. The low temperature environment for a high selectivity of the membrane is produced with the aid of a simplified external refrigeration cycle. The optimal sub-ambient temperature membrane system using Genetic Algorithm (GA) through the objective function considering main capital and operating costs is proposed with decrease in 13% of the CO2 capture cost and the parasitic load reduction in 16% compared to the conventional multi-stage membrane process under the ambient temperature. In addition to the coal-fired power plant flue gas, the sub-ambient temperature membrane process is capable of applying to the natural gas combined cycle(NGCC) flue gas, typically 3~4% CO2 concentration. First, in order to improve the overall CO2 capture cost, the external refrigeration cycle is replaced by the cold energy of LNG regasification, which can be produced through LNG supply to power plant facility. Also, for enhancing the CO2 concentration of feed flue gas, the applications of the exhaust gas recirculation(EGR) and/or the selective exhaust gas recirculation(S-EGR) are systematically applied for the novel membrane process. As a result, innovative reductions in both capital investment and operating cost are investigated. In particular, the optimal membrane design with both EGR and S-EGR is shown to be 55.1 % reduction in CO2 capture cost and 70.1 % reduction in the parasitic load, compared to the existing sub-ambient membrane process with the external refrigeration system.