The amount of greenhouse gas emission reduction based on INDCs (Intended Nationally Determined Contributions) submitted to UN by each party is not sufficient to achieve the Paris Agreement's aim to "hold the increase in the global average temperature to well below $2^{\circ}C$ above pre-industrial levels and to pursue efforts to limit the temperature increase to $1.5^{\circ}C$" which was determined in the $21^{st}$ Conference of the Parties to the UNFCCC (COP 21). Accordingly, the emission reduction target of each party will be revised for the $2^{\circ}C$ goal. Among the several options to reduce the carbon emission, CCS (Carbon Capture and Storage) is a key option to curb $CO_2$ emissions from large emission sources such as fossil-based power plants, cement plants, and steel production plants. A large scale CCS demonstration projects utilizing $1^{st}$ generation $CO_2$ capture technologies are under way around the world. It is anticipated, however, that the deployment of those $1^{st}$ generation $CO_2$ capture technologies in great numbers without government support will be difficult due to the high capture cost and considerable increase of cost of electricity. To reduce the carbon capture cost, $2^{nd}$ and $3^{rd}$ generation technologies are under development in a pilot or a bench scale. In this paper, current status of large scale CCS demonstration projects and the $2^{nd}$ and $3^{rd}$ generation capture technologies are summarized. Novel capture technologies on wet scrubbing, dry sorbent, and oxygen combustion are explained in detail for all capture areas: post-combustion capture, pre-combustion capture, and new combustion technologies.
Two coals which have a quite different properties were selected to compare the combustion characteristics in a cyclone combustor. The capacity of the combustion test rig is about 75kW and total volume is 5.7 liters. The pulverized sample coals are well burned from fuel rich(air ratio 0.4) to fuel lean(airs ratio 1.6). Two different property coals show quite different patterns of ash collection in slag pot, dust separator and combustion chamber. Combustion temperature of subbituminous coal is about $100^{\circ}C$ lower than bituminous coal at the entire region, and in case of bituminous coal, hot spot appeared at the lower part and axial line of the combustion chamber.
Lee, Hyun Ju;Kim, Soo Min;Lee, Eun Kyung;Lee, Ju Dong;Kim, Yang Do
한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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2010.06a
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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.
In this study, performance and economic analysis of 500 MWe coal-fired power plant with $CO_{2}$ capture process was performed. For this purpose, chemical absorption method which is commercially available and most suitable for thermal power plant was studied and a criteria for technical and economic assessment of power plants suggested by IEA Greenhouse Gas R&D Programme was used. And we performed the sensitivity analysis focused on regeneration energy which exceed half of the total capture energy. Based on MEA(Monoethanoleamine) as a main chemical solvent and 3.31 GJ/ton$CO_{2}$ regeneration energy in the stripper, net power efficiency was reduced from 41.0% (no capture) to 31.6%(with capture) and the cost of $CO_{2}$ avoided was estimated 43.3 $/ton$CO_{2}$. And in case of 2.0 GJ/ton$CO_{2}$ regeneration energy, the cost of $CO_{2}$ avoided was calculated as 36.7 $/ton$CO_{2}$.
Jang, Won Jin;Yoon, Yeo Il;Park, Sang Do;Rhee, Young Woo;Baek, Il Hyun
Applied Chemistry for Engineering
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v.19
no.6
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pp.645-651
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2008
In this study, the new solubility data at high pressure condition applicable to pre-combustion $CO_2$ capture system were found. Experiments were conducted within the temperature range of $40{\sim}80^{\circ}C$ while increasing the pressure from 0 to 50 bar. The effect of MDEA (N-methyldiethanolamine) concentration was studied by varying the concentration from 30 to 50 wt%. In order to improve the absorption rate of MDEA, piperazine was added in ranging of 5~10 wt% into the MDEA solution as a activator. From this experiment, the equilibrium partial pressure was increased with increasing MDEA concentration in absorbent and reaction temperature. Also absorption rate was increased with increasing the reaction temperature. It was noted that the mixture of piperazine and MDEA aqueous solution showed faster absorption rate by 2.5 times than only the MDEA aqueous solution with 40 wt% cencentration at initial reaction stage and also increased absorption capacity by 16%.
Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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v.30
no.9
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pp.961-972
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2008
In 2004, total emissions of Greenhouse Gases(GHGs) in Korea was estimated to be about 590 million metric tons, which is the world's 10th largest emissions. Considering the much amount of nation's GHG emissions and growing nation's position in the world, GHG emissions in Korea should be reduced in near future. The CO$_2$ emissions from two sub-sections of energy sector in Korea, such as thermal power plant and industry section(including manufacturing and construction industries), was about 300 million metric tons in 2004 and this is 53.3% of total GHG emissions in Korea. So, the mitigation of CO$_2$ emissions in these two section is more important and more effective to reduce the nation's total GHGs than any other fields. In addition, these two section have high potential to qualitatively and effectively apply the CCS(Carbon Capture and Storage) technologies due to the nature of their process. There are several CCS technologies applied to these two section. In short term, the chemical absorption technology using amine as a absorbent could be the most effectively used. In middle or long term, pre-combustion technology equipped with ATR(Autothermal reforming), or MSR-$H_2$(Methane steam reformer with hydrogen separation membrane reactor) unit and oxyfuel combustion such as SOFC+GT(Solid oxide fuel cell-Gas turbine) process would be the promising technologies to reduce the CO$_2$ emissions in two areas. It is expected that these advanced CCS technologies can reduce the CO$_2$ avoidance cost to $US 8.5-43.5/tCO$_2$. Using the CCS technologies, if the CO$_2$ emissions from two sub-sections of energy sector could be reduced to even 10% of total emissions, the amount of 30 million metric tons of CO$_2$ could be mitigated.
Park, Sungmin;Lee, Seungmin;Lee, Youngjun;Kim, Bomhui;Seo, Yongwon
한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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2011.11a
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pp.121.2-121.2
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2011
석탄가스화복합발전과 연계하여 사용할 수 있는 $CO_2$분리법으로 연소 전 탈탄소화는 연료가 연소되기 전에 $CO_2$를 회수하는 방법으로 현재 여러가지 분리법이 사용되고 있다. 본 연구에서는 가스 하이드레이트의 다양한 응용 분야 중 이산화탄소 격리분야에서 합성가스로부터 $CO_2$롤 효과적으로 분리/회수하기 위하여 가스 고형화법에 관한 연구를 진행하였다. 가스 하이드레이트 형성과정에서의 반응 특성을 살펴보기 위하여 순수계와 촉진제 첨가계(TBAB, TBAF, THF)에 대하여 반응시간에 따른 가스소모량 및 기상의 $CO_2$ 조성 변화를 측정하였다. 그 결과 하이드레이트 상에 고농도의 $CO_2$가 포집되는 것을 확인 할 수 있었다. 순수계와 THF 첨가계의 경우 가스 소모량이 다른 계에 비하여 높게 나타났다. 이는 순수계의 경우 구조-I의 큰 동공과 작은 동공에 모두 기체가 점유되기 때문이며, THF 첨가계의 경우 구조-II의 큰 동공에만 기체가 점유되지만 THF의 첨가로 인해 전환율이 증가되기 때문이다. 반면, TBAF와 TBAB 첨가계의 경우에는 상재적으로 낮은 가스 소모량을 보였다. 기체 소모량이 큰 경우 최종 기상의 $CO_2$ 조성이 낮게 나타났다. 그리고 모든 실험조건에서 1시간 이내에 하이드레이트 형성반응이 종결되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 촉진제 첨가에 의한 하이드레이트의 구조적인 변화를 확인하기 위하여 Raman 분광법과 $^1H$-NMR을 이용하여 혼합가스 하이드레이트를 분석하였다. 본 실험으로 얻어진 결과는 가스 고형화법을 이용한 합성가스 분리 공정 설계 및 개발에 중요한 기초자료가 될 것으로 사료된다.
In this paper, two types of integrated gasification combined cycle (IGCC) plants using either an air separation unit (ASU) or an ion transport membrane (ITM), which provide the oxygen required in the gasification process, were simulated and their thermodynamic performance was compared. Also, the influence of adopting a pre-combustion $CO_2$ capture in the downstream of the gasification process on the performance of the two systems was examined. The system using the ITM exhibits greater net power output than the system using the ASU. However, its net plant efficiency is slightly lower because of the additional fuel consumption required to operate the ITM at an appropriate operating temperature. This efficiency comparison is based on the assumption of a moderately high purity (95%) of the oxygen generated from the ASU. However, if the oxygen purity of the ASU is to be comparable to that of the ITM, which is over 99%, the ASU based IGCC system would exhibit a lower net efficiency than the ITM based system.
2020년까지 대형 CCS (Carbon Capture and Storage) Demo Plant 시장 (100MW 이상) 이 형성될 전망이다. 발전 부문에서 대규모 CCS 실증 프로젝트는 총 44개이며 연소전(41%), 연소후(28%), 순산소(3%) 프로젝트가 계획되어 있다. 순산소 연소 기술은 실증진입단계, 연소후(USC) 기술은 상용화 추진단계, 연소전 (IGCC) 기술은 실증완료 이후 상용화 진입 단계이다. IGCC 발전의 석탄가스화 기술은 타 산업분야에 서 상용화 되어있어 기술신뢰성이 높다. IGCC 단위설비 기술 개발을 통한 성능개선 및 비용절감에 대한 잠재력을 가지고 있기 때문에 미래의 석탄발전기술로 고려되고 있다. IGCC 기술은 가장 상용화에 앞서있지만 아직까지 IGCC+CCS 대형 설비가 운전된 사례가 전 세계적으로 없으며 미국 EPRI 등에서 Feasibility Study 단계이다. 현재 국책과제로 수행중인 300MW급 태안 IGCC 플랜트를 대상으로 향후 CCS 설비를 적용했을 경우에 대해 기술 타당성 검증을 목적으로 IGCC+CCS 모델링을 수행하였다. 모델링은 스크러버 후단의 합성 가스를 대상으로 하였다. Water Gas Shift Reaction (WGSR) 공정 및 Selexol 공정을 구성하여 최종 단에서 수소 연료를 생산할 수 있도록 하였다. WGSR 공정은 Co/Mo 촉매반응기로 구성되었다. WGSR 모델링을 통하여 주입되는 스팀량 (1~2 mol-steam/mol-CO) 및 온도 변화 ($220-550^{\circ}C$)에 따른 CO가스의 전환율을 분석하여 경제적인 설계조건을 선정하였다. Selexol 공정은 $H_2S$ Absorber, $H_2S$ Stripper, $CO_2$ Absorber, $CO_2$ Flash Drum으로 구성된다. Selexol 공정의 $CO_2$와 $H_2S$ 선택도를 분석 하였으며 단위 설비별 설계 조건을 예측하였다. 모델링 결과 59kg/s의 합성가스($137^{\circ}C$, 41bar, 가스 조성은 $CO_2$ 1.2%, CO 57.2%, $H_2$ 23.2%, $H_2S$ 0.02%)가 WGSR Process를 통해 98% CO가 $CO_2$ 로 전환되었다. Selexol 공정을 통해 $H_2S$ 제거율은 99.9%, $CO_2$제거율은 96.4%이었고 14.9kg/s의 $H_2$(86.9%) 연료를 얻었다. 모델링 결과는 신뢰성 검증을 통해 IGCC+CCS 전체 플랜트의 성능예측과 Feasibility Study를 위한 자료로 활용될 예정이다.
Attrition characteristics of $CO_2$ absorbents for pre-combustion $CO_2$ capture were investigated to check attrition loss of those absorbents and to determine solid circulation direction and the better $CO_2$ absorbent. The cumulative attrition losses of two absorbents increased with increasing time. However, attrition loss under a humidified condition was lower than that under a non-humidified condition case. Between two absorbents, attrition loss of PKM1-SU absorbent was higher than that of P4-600 absorbent. The average particle sizes of the attrited particles were less than $2.5{\mu}m$ for two absorbents under a non-humidified condition case, and therefore, we could conclude that the main mechanism of attrition for two absorbents is not fragmentation but abrasion. Based on the results from the test for the effect of humidity on the attrition loss, we selected solid circulation direction from SEWGS reactor to regeneration reactor because the SEWGS reactor contains more water vapor than regeneration reactor. Attrition loss and make-up rate of two absorbents were compared based on the results from $CO_2$ sorption capacity tests and attrition tests. Required make-up rate of P4-600 absorbent was lower than that of PKM1-SU absorbent. However, more detail investigation on the optimum regeneration temperature, manufacturing cost, solid circulation rate, regeneration rate, and long-term sorption capacity should be considered to select the best $CO_2$ absorbent.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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