Impact of Sulfur Dioxide Impurity on Process Design of Offshore Geological Storage: Evaluation of Physical Property Models and Optimization of Binary Parameter

Carbon dioxide Capture and Storage(CCS) is regarded as one of the most promising options to response climate change. CCS is a three-stage process consisting of the capture of carbon dioxide($CO_2$), the transport of $CO_2$ to a storage location, and the long term isolation of $CO_2$ from the atmosphere for the purpose of carbon emission mitigation. Up to now, process design for this $CO_2$ marine geological storage has been carried out mainly on pure $CO_2$. Unfortunately the $CO_2$ mixture captured from the power plants and steel making plants contains many impurities such as $N_2$, $O_2$, Ar, $H_2O$, $SO_2$, $H_2S$. A small amount of impurities can change the thermodynamic properties and then significantly affect the compression, purification, transport and injection processes. In order to design a reliable $CO_2$ marine geological storage system, it is necessary to analyze the impact of these impurities on the whole CCS process at initial design stage. The purpose of the present paper is to compare and analyse the relevant physical property models including BWRS, PR, PRBM, RKS and SRK equations of state, and NRTL-RK model which are crucial numerical process simulation tools. To evaluate the predictive accuracy of the equation of the state for $CO_2-SO_2$ mixture, we compared numerical calculation results with reference experimental data. In addition, optimum binary parameter to consider the interaction of $CO_2$ and $SO_2$ molecules was suggested based on the mean absolute percent error. In conclusion, we suggest the most reliable physical property model with optimized binary parameter in designing the $CO_2-SO_2$ mixture marine geological storage process.

이산화황 불순물이 이산화탄소 해양 지중저장 공정설계에 미치는 영향 평가: 상태량 모델의 비교 분석 및 이성분 매개변수 최적화

화석연료를 사용하는 발전소 및 제철소 등 대규모 발생원에서 배출되는 $CO_2$를 포집하고 이를 대수층이나 유가스전과 같은 지질학적 구조에 장기간 저장하는 이산화탄소 포집 및 저장기술(Carbon dioxide Capture and Storage, CCS)이 기후변화 대응기술로서 국내외적으로 주목 받고 있다. 이와 같은 CCS 기술을 구현하기 위해서는 포집된 대용량의 $CO_2$ 혼합물을 파이프라인이나 선박 등을 통해 수송하는 과정이 필요하고, 이러한 공정에 대한 기존의 연구는 주로 순수 $CO_2$를 대상으로 하여 진행되어 왔다. 그러나 일반적으로 발전소 및 제철소 등에서 포집된 $CO_2$ 혼합물에는 $N_2$, $O_2$, Ar, $H_2O$, $SO_2$, $H_2S$ 등과 같은 불순물들을 포함하고 있다. 이러한 $CO_2$ 혼합물 내 불순물들은 처리하고자 하는 $CO_2$ 혼합물의 열역학 상태량 등을 변화시킴으로써 압축, 정제, 수송 및 저장 공정들에 커다란 영향을 미칠 수 있다. 본 논문에서는 이러한 불순물 중 황성분이 함유된 $SO_2$가 포함된 $CO_2$ 혼합물의 수송 및 저장 공정을 설계하는데 있어 매우 중요한 $CO_2$ 혼합물의 열역학 거동을 모사하기 위한 상태량 모델들을 비교 분석하였다. 이를 위해 BWRS EOS, PR EOS, PRBM EOS, RKS EOS, SRK EOS 그리고 NRTL-RK 모델과 같은 총 6가지 물리적 상태량 모델을 이용하여 $CO_2-SO_2$ 혼합물의 VLE 거동을 수치계산하고 이를 실험 데이터와 비교하였다. 또한, $CO_2$, $SO_2$와 같은 서로 다른 분자간의 상호작용 효과를 보완하기 위하여 상태량 모델을 이용한 계산결과와 실험결과와의 차이를 정량화하여 각각의 상태량 모델의 예측능력을 계량화 비교분석하였고 이로부터 $CO_2-SO_2$ 혼합물에 대한 최적의 이성분 매개변수 값들을 도출하였다.