Study of CO₂ Carbonation-Regeneration Characteristics of Potassium-Based Dry Sorbents According to Water Vapor Contents of Inlet Gas and Regeneration Temperature in the Cycle Experiments of Bubbling Fluidized-Bed Reactor

회분식 기포유동층 반응기에서 K-계열 건식흡수제의 주입수분농도 및 재생반응온도에 따른 CO₂ 흡수-재생 반응특성 연구

In this study, a bubbling fluidized-bed reactor was used to study $CO_2$ capture from flue gas using a potassium-based dry sorbent. A dry sorbent, manufactured by the Korea Electric Power Research Institute, consists of 35% of $K_2CO_3$ for $CO_2$ absorption and 65% of supporters for mechanical strength. $H_2O$, a reactant of the carbonation reaction, was supplied in the reactor as a form of saturated water vapor at a given temperature. The experiment of the regeneration reaction was performed by raising up to a given temperature using $N_2$ as a fluidization gas. It was indicated that sorption capacity and regenerability of dry sorbents showed high-efficiency at $1.97\;mol\;H_2O/mol\;CO_2$ and $400^{\circ}C$, respectively. The regenerated sorbent samples were analyzed by TGA to confirm the extent of the reaction. When the regeneration temperature was $150^{\circ}C$, the regenerability of dry sorbents was about 60%, which was capable of applying those sorbents to a two-interconnected fluidized-bed reactor system with continuous solid circulation. The results obtained in this study can be used as basic data for designing and operating a large scale $CO_2$ capture process with two fluidized-bed reactors.

본 연구에서는 전력연구원으로부터 공급받은 K-계열 건식흡수제를 이용하여 회분식 기포유동층 반응기에서 흡수-재생 반복실험을 통한 $H_2O$ 주입농도 및 재생온도에 따른 반응 특성을 살펴보았다. K-계열 건식흡수제는 $CO_2$ 흡수를 위한 탄산칼륨과 내마모성과 기계적 강도를 위한 지지체로 구성되어 있다. 흡수반응과 재생반응 특성을 살펴보기 위해 처음 한 시간 동안 흡수반응을 수행하고 다음 한 시간 동안 재생반응을 수행하는 과정을 3차례 반복하여 실험하였다. $H_2O$ 농도의 영향을 파악하기 위해서 흡수반응은 $70^{\circ}C$에서 $H_2O$ 농도를 7.3, 12.2, 19.7, 30.8%로 변화하여 실험을 수행하였으며 재생반응은 $N_2$ 기체를 유동화기체로 사용하여 $150^{\circ}C$에서 수행하였다. 재생온도의 영향을 파악하기 위해서는 흡수반응에서의 $H_2O$ 농도를 12.2%에 고정한 상태에서 재생온도를 150, 200, 300, $400^{\circ}C$로 변화하여 실험을 수행하였다. 수분 함량이 $1.97\;mol\;H_2O/mol\;CO_2$인 경우 흡수반응에서 흡수율이 가장 우수함을 확인하였다. 또한 재생온도가 $400^{\circ}C$에서 가장 높은 재생율을 보이는 것을 확인하였다. 재생온도가 $150^{\circ}C$에서 재생율은 대략 60% 정도였으며 실제 두개의 유동층 반응기를 가진 연속장치의 경우 부분적인 재생을 유지하면서 운전이 수행되기 때문에 재생온도는 $150^{\circ}C$ 이상이면 적절하다고 판단된다. 실제 연속운전에서는 적절한 고체순환량을 결정하는 고체이용율과 재생에너지를 결정하는 재생온도 사이에 절충점이 존재하며 본 실험에서 얻은 데이터가 연속장치의 설계와 운전에 중요한 기초자료가 될 것이다.