Characteristics of Water Gas Shift and Membrane Process for Pre-combustion CO2 Capture

Global warming due to greenhouse gas emissions is considered as a major problem worldwide, and many countries are making great efforts to reduce carbon dioxide emissions. Many technologies in post-combustion, pre-combustion and oxy-fuel combustion $CO_2$ capture have been developed. Among them, a hybrid pre-combustion $CO_2$ capture system of a water gas shift (WGS) reactor and a membrane gas separation unit was investigated. The 2 stage WGS reactor integrated high temperature shift (HTS) with a low temperature shift (LTS) was used to obtain a higher CO conversion rate. A Pd/Cu dense metal membrane was used to separate $H_2$ from $CO_2$ selectively. The performance of the hybrid system in terms of CO conversion and $H_2$ separation was evaluated using a 65% CO, 30 % $H_2$ and 5% $CO_2$ gas mixture for applications to pre-combustion $CO_2$ capture. The experiments were carried out over the range of WGS temperatures ($200-400^{\circ}C$), WGS pressures (0-20bar), Steam/Carbon (S/C) ratios (2.5-5) in a feed gas flow rate of 1 L/min. A very high CO conversion rate of 99.5% was achieved with the HTS-LTS 2 stage water gas shift reactor, and 83% $CO_2$ was concentrated in the retentate using the Pd/Cu membrane.

연소전 CO2 포집을 위한 수성가스반응과 분리막 공정 특성

온실가스로 인한 지구 온난화는 전 세계적인 주요 문제로 인식되고 있으며, 많은 나라들은 $CO_2$ 배출 감축을 위한 많은 노력을 하고 있다. 연소 후, 연소 전, 순산소 연소의 다양한 $CO_2$ 포집 기술들이 개발되고 있으며, 그 중 본 연구에서는 연소 전 $CO_2$ 포집 기술로서 수성가스전환반응기와 기체분리막의 융합 시스템을 고찰하였다. CO 전환율을 높이기 위해 고온 수성가스반응과 저온 수성가스반응이 결합된 2단 WGS 반응기를 사용하였고, 비다공성 Pd/Cu 분리막을 이용하여 수소를 선택적으로 분리하여 $CO_2$를 농축하였다. 연소 전 $CO_2$ 포집에서의 활용을 고려하여 65% CO, 30 % $H_2$, 5% $CO_2$의 기체 혼합물에 대한 하이브리드 시스템의 성능을 CO 전환율과 수소 분리의 측면에서 평가하였다. 공급기체유량 1000ml/min에서 수성가스 전환반응의 운전조건으로 온도는 $200-400^{\circ}C$, 압력은 0-20bar, S/C 비는 2.5-5의 영역에서 성능을 평가하였다. 2단 수성가스전환반응기에서 CO의 전환율은 최고 99.5%이었으며, Pd/Cu 분리막을 통하여 $CO_2$를 83%로 농축시켰다.