This paper addresses recent status and trends of carbon dioxide capture technologies using dry sorbents in the flue gas. The advantages of dry sorbent $CO_2$ capture technology are broader operating temperature range, less energy loss, less waste water, less corrosion problem, and natural properties of solid wastes. Recently, U.S.A. and Korea have been developing processes capturing $CO_2$ from real coal flue gas as well as sorbents improving sorption capacity to decrease total $CO_2$ capture cost. New class of dry sorbents have been developed such as chemisorbents with alkali metals of which material cost is low, amines physically adsorbed on silica supports, amines covalently tethered to the silica support, carbon-supported amines, polymer-supported amines, amine-containing solid organic resins and metal-organic framework. The breakthrough is needed in the materials on dry sorbents to decrease capture cost.
As recognized by all scientific and industrial groups, carbon dioxide($CO_2$) capture and storage(CCS) could play an important role in reducing greenhouse gas emissions. Especially carbon capture technology by dry sorbent is considered as a most energy-efficient method among the existing CCS technologies. Patent analysis has been considered to be a necessary step for identifying technological trend and planning technology strategies. This paper is aimed at identifying evolving technology trend and key indicators of dry sorbent from the objective information of patents. And technology map of key patents is also presented. In this study the patents applied in korea, japan, china, canada, US, EU from 1993 to 2013 are analyzed. The result of patent analysis could be used for R&D and policy making of domestic CCS industry.
An interpretation on the solid circulation characteristics in a fluidized-bed process has been carried out as a first step to simulate the dry entrained-bed absorption and bubbling-bed regeneration system for $CO_2$ removal from flue gas. A particle population balance has been developed to determine the solid flow rates and particle size distributions in the process. Effects of principal process parameters have been discussed in a laboratory scale process (absorption column: 25 mm i.d., 6 m in height; regeneration column: 0.1 m i.d., 1.2 m in height). The particle size distributions in absorption and regeneration columns were nearly the same. As gas velocity or static bed height in the absorption column increased, soild circulation rate and feed rate of fresh sorbent increased, however, mean particle diameter decreased in the absorption column. As cut diameter of the cyclone of the absorption column increased, solid circulation rate decreased, whereas feed rate of fresh sorbent and mean particle diameter in the absorption column increased. As attrition coefficient of sorbent particle increased, solid circulation rate and feed rate of fresh sorbent increased but mean particle diameter in the absorption column decreased.
$K_2CO_3$-based dry regenerable sorbents were prepared by spray-drying techniques to improve mass produced $K_2CO_3-Al_2O_3$ sorbents (KEP-CO2P, hereafter), and then tested for their $CO_2$ sorption capacity by a $2,000Nm^3/h$ (0.5 MWe) $CO_2$ capture pilot plant built for Unit 3 of the Hadong thermal power station in 2010. Each of the sample sorbents contained 35 wt.% $K_2CO_3$ as the active materials with various support materials such as $TiO_2$, MgO, Zeolite 13X, $Al_2O_3$, $SiO_2$ and hydrotalcite (HTC). Their physical properties and reactivity were tested to evaluate their applicability to a fluidized-bed or fast transport-bed $CO_2$ capture process. The $CO_2$ sorption capacity and percentage utilization of $K_2CO_3$-MgO based sorbent, Sorb-KM2, was $8.6g-CO_2/100g$-sorbents and 90%, respectively, along with good mechanical strength for fluidized-bed application. Sorbs-KM2 and KT were almost completely regenerated at $140^{\circ}C$. No degradation of Sorb-KM by $SO_2$ added as a pollutant in flue gas was observed during a cycle test.
In this study, the effects of two materials, active alumina and CaO based inorganic binder, which cause the side reaction on the K2CO3-based solid CO2 sorbents was investigated. K2CO3-based solid sorbents called KAM series was prepared by spray drying method and then measured its physical properties and CO2 sorption capacity. Among the KAM series sorbents, KAM(0.5) maintained high CO2 sorption capacity of 7.6 wt% after 3 cycle of sorption/regeneration reaction and showed very low attrition loss as low as 3.1 % which was measured by ASTM D5757-95.
Park, Keun-Woo;Park, Yeong Seong;Park, Young Cheol;Jo, Sung-Ho;Yi, Chang-Keun
Korean Chemical Engineering Research
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v.47
no.3
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pp.349-354
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2009
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.
The removal characteristics of H$_2$S from IGCC process over the natural manganese ore(NMO) containing several metal oxides($MnO_x$ : 51.85%, $FeO_y$ : 3.86%, CaO : 0.11%) were carried out in a batch type fluidized bed reactor(I.D.=40mm, height=0.8m). The $H_2S$ breakthrough curves were obtained as a function of temperature, initial gas velocity, initial gas concentration, and aspect ratio. The effect of particle size ratio and particle mixing fraction on $H_2S$ removal were investigated with binary system of different particle size. From this study, the adsorption capacity of $H_2S$ increased with temperature but decreased with excess gas velocity. The breakthrough time for $H_2S$ is reduced as the gas velocity is increased which leaded to gas by-passing and gas-solid contacting in a fluidized bed reactor. The results of the binary particle system with different size in batch experimental could predict to improve the behavior of continuous process of $H_2S$ removal efficiency. The natural manganese ore could be considered as potential sorbent in $H_2S$ removal.
석탄가스화복합발전(IGCC: Integrated Gasification Combined Cycle)의 고온 고압 합성가스로부터 $CO_2$를 저비용으로 포집하기 위한 연소전 포집 기술 중 유동층 촉진수성가스전환(SEWGS) 공정이 제안되어 연구개발 중에 있다. 연소전 $CO_2$ 포집을 위한 SEWGS 공정은 동일한 2탑 순환 유동층 반응기에서 고온 고압의 합성가스($H_2$, CO)를 유동층 WGS 촉매를 사용하여 CO를 $CO_2$로 전환하는 동시에 전환반응으로 생성된 $CO_2$를 흡수제를 이용하여 포집하는 기술이다. 본 연구는 $CO_2$ 회수와 WGS 반응이 동시에 이루어지는 공정에 적용 가능한 건식 재생 흡수제 및 유동층 WGS 촉매 개발을 목표로 $CO_2$ 흡수제(P Series) 및 WGS 촉매(PC Series) 조성을 제안하고 분무건조기를 이용하여 6~8kg/batch로 성형 제조하였다. 제조된 $CO_2$ 흡수제 및 촉매의 특성 평가 결과 내마모도(Attrition resistance)를 포함한 물리적 특성이 유동층 공정의 요구조건을 만족하는 결과를 얻을 수 있었다. 또한, 모사 석탄 합성가스를 이용하여 20bar, $200^{\circ}C$ 흡수/$400^{\circ}C$ 재생 조건에서 열중량 분석기(TGA) 및 가압 유동층(Fluidized-bed) 반응기를 통한 흡수제의 $CO_2$ 흡수능 평가를 수행하였다. 그 결과 내마모도(AI) 3% 이하로 기계적 강도가 우수하며, $CO_2$ 흡수능 17.6 wt%(TGA) 및 11wt%(가압 유동층)를 나타냈다. 유동층 WGS 특성 평가 결과 내마모도가 7~35%로 우수하였고, CO 전환율은 $200^{\circ}C$에서 80% 이상으로, 유동층 SEWGS 공정에 적용 가능한 특성을 확인하였다.
Kim, Jae-Young;Lim, Ho;Woo, Je Min;Jo, Sung-Ho;Moon, Jong-Ho;Lee, Seung-Yong;Lee, Hyojin;Yi, Chang-Keun;Lee, Jong-Seop;Min, Byoung-Moo;Park, Young Cheol
Korean Chemical Engineering Research
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v.55
no.3
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pp.419-425
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2017
In this study, the performance characteristics of the K-based sorbents (KEP-CO2P2, KEPCO RI, Korea) has been studied in relation with the heat exchanger structure and shape in a mixing zone of the carbonator in the bench-scale dry $CO_2$ capture process. Two types of heat exchangers (different structure and shape) were used in the carbonator as CASE 1 and CASE 2, in which the experiment has been continuously performed under the same operating conditions. During the continuous operation, working temperature of carbonator was 75 to $80^{\circ}C$, that of regenerator was 190 to $200^{\circ}C$, and $CO_2$ inlet concentration of the feed gas was 12 to 14 vol%. Especially, to compare the dynamic sorption capacity of sorbents, the differential pressure of the mixing zone in the carbonator was maintained around 400 to 500 mm $H_2O$. Also, solid samples from the carbonator and the regenerator were collected and weight variation of those samples was evaluated by TGA. The $CO_2$ removal efficiency and the dynamic sorption capacity were 64.3% and 2.40 wt%, respectively for CASE 1 while they were 81.0% and 4.66 wt%, respectively for CASE 2. Also, the dynamic sorption capacity of the sorbent in CASE 1 and CASE 2 was 2.51 wt% and 4.89 wt%, respectively, based on the weight loss of the TGA measurement results. Therefore, It was concluded that there could be a difference in the performance characteristics of the same sorbents according to the structure and type of heat exchanger inserted in the carbonator under the same operating conditions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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