55(1)-08(심재구107).fm

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양 봉
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1 Korean Chem. Eng. Res., 55(1), 8692 (2017) PISSN X, EISSN 염수전기분해와연계한이산화탄소의전환공정연구 이동욱 이지현 이정현 곽노상 이수진 * 심재구 한전전력연구원 대전광역시유성구문지로 105 *PSE Korea 대전광역시서구대덕대로 239 (2016 년 8 월 10 일접수, 2016 년 10 월 17 일수정본접수, 2016 년 10 월 31 일채택 ) A Study on a Process for Conversion of Carbon Dioxide through Saline Water Electrolysis Dong Woog Lee, Ji Hyun Lee, Junghyun Lee, NoSang Kwak, Sujin Lee* and JaeGoo Shim KEPCO Research Institute, 105, MunjiRo, Yuseonggu, Daejon, 34056, Korea *PSE Korea, 239, Daedeokdaero, Seogu, Daejeon, 35229, Korea (Received 10 August 2016; Received in revised form 17 October 2016, accepted 31 October 2016) 요 약 석탄화력발전연소배가스에포함된이산화탄소를염수의전기분해를통해얻어진가성소다와반응시켜중탄산나트륨, 염소, 수소등을생산하는공정에대하여실험과전산모사를병행하였다. Bench 규모공정을디자인하여가성소다에의한이산화탄소전환공정에대하여실험하였고같은공정을공정모델링을통해전산모사하였다. 실험결과와전산모사결과의비교를통해모델의신뢰성을확인하였고, 상용급공정에대한모델링을수행하였다. 상용급공정에대한열및물질수지를계산하였고반응기내온도분포와 CO 2 흡수율을도출하였다. 본연구를통해온실가스저감뿐만아니라 CO 2 전환을통한경제성까지갖춘본공정에대한기술신뢰성을확보할수있을것이다. Abstract A process, which converts carbon dioxide contained in the flue gas of coalfired power plants to sodium bicarbonate, was studied experimentally and numerically. In this process, the carbon dioxide reacts with sodium hydroxide which is produced through saline water electrolysis. A bench scale reactor system was prepared for experiments of this process and numerical process modeling was performed for the bench scale reactor system. Comparing the process modeling results with the experimental data, responsibility of the process modeling was confirmed. Using this model, commercial scale process was simulated. Mass and energy balance of this process were calculated. Temperature profile in the reactor and carbon dioxide removal rate were obtained. Key words: CO 2 Capture, CO 2 Utilization, Chemical Absorption, Process Simulation 1. 서론 최근지구온난화로인한기후이변과기상재해가빈번하게발생되고있어어느때보다온실가스배출저감에대한관심이높아지고있다. 특히우리나라에서도 INDC (Intended Nationally Determined Contribution, 국가온실가스감축자발적기여 ) 가설정되고이와관련하여온실가스감축목표가구체적으로정해졌으며따라서실현가능한온실가스감축계획이요구되고있다 [1]. 전력및열생산부문에서연간배출되는이산화탄소는전체온실가스배출량의 42% To whom correspondence should be addressed. jgshim5@kepco.co.kr This is an OpenAccess article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution NonCommercial License ( which permits unrestricted noncommercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 정도로온실가스배출량이가장많은분야이다 [2]. 따라서석탄화력의지속적활용을통한안정적전력공급을위해서는이산화탄소를포집하여이송, 격리하는기술 (CCS, Carbon Capture and Storage) 이필수적이다 [3,4]. CCS 기술은대규모배출원으로부터이산화탄소를포집및저장하는기술이라는측면에서온실가스저감효과가매우큰기술로평가받지만포집된 CO 2 의저장소확보가미진한국내상황에서는실증플랜트의적용에제한이있다. 최근에는 CO 2 를화학적으로전환하여연료등의유용한화합물로전환하는기술 (CCUS, Carbon Capture, Utilization and Sequestration) 이부각되고있다 [5]. CCUS 기술중탄산광물화전환기술은 CO 2 를양이온과반응시켜고정화하는기술로지중저장시발생할수있는유출문제나그에따른모니터링문제등으로부터자유롭기때문에 CO 2 를안정적으로저장할수있는기술로평가받고있다. CO 2 를활용가능한물질 ( 탄산칼슘, 중탄산나트륨등 ) 으로전환하는데도 86

2 염수전기분해와연계한이산화탄소의전환공정연구 87 탄산광물화기술이적용될수있다. 본기술은온실가스저감효과뿐만아니라생산물판매를통한수익창출까지가능한기술로평가받고있기때문에관련연구가활발히진행중이다. 가성소다 (NaOH) 등의알칼리용액을이용해 CO 2 를전환하여탄산나트륨등으로전환하는연구는실험실규모에서수행된바있다 [6,7]. 실증급규모의프로젝트가진행중인곳은미국의 Skyonic 사, Calera사, 네덜란드의 Twence 사등이있다. Skyonic사는 SkyMine라는프로젝트명으로 2010년부터연구를수행중이며연간 75,000톤규모의 CO 2 를전환할수있는플랜트를시멘트공장에적용하여운영중에있다 [8]. 또한네덜란드의 Twence 사는 2011년부터폐기물소각발전에서나오는배가스의 CO 2 를중탄산나트륨으로전환하는연구를진행중이며연간 8,000 톤의중탄산나트륨을생산할수있는규모의플랜트를운전중이다 [9]. Calera사또한전기분해공정과연계하여 CO 2 를탄산칼슘등으로전환하는기술을연구중이며 0.1 MW급파일럿플랜트를운전중이다 [10]. 본논문에서는염수의전기분해를통해생산된가성소다를이용해발전소배가스의 CO 2 를중탄산나트륨로전환하고동시에염소, 수소등을생산하는공정에대해논의하고자한다. 본공정은염수전기분해공정 (ChlorAlkali Process) 과탄산화공정 (Carbonation Process) 으로구성되어있다. 탄산화공정에대해실험실규모에서구성한반응시스템을이용해실험을수행하였다. 또한전체공정에대하여상용급플랜트의공정모사를수행하였다. 2. 이론 21. 탄산화반응 CO 2 는대표적인산성가스의하나로가성소다 (NaOH) 와반응하여아래와같이일차적으로탄산나트륨 (Na 2 CO 3 ) 을생산하고최종적으로중탄산나트륨 (NaHCO 3 ) 을생산한다. Reaction 1 2NaOH(aq) + CO 2 (g) Na 2 CO 3 (aq) + H 2 O(l) (1) Reaction 2 Na 2 CO 3 (aq) + H 2 O(l) + CO 2 (g) 2NaHC 3 (aq) (2) Overall reaction 2NaOH(aq) + 2CO 2 (g) 2NaHO 3 (aq) (3) 각반응의엔탈피 (ΔH), 엔트로피 (ΔS), 깁스자유에너지 (ΔG) 는 Table 1에나타나있다. 두반응모두기본적으로발열반응이고깁스자유에너지가모두음의값이기때문에상온에서자발적으로진행된다. 그러나 1번반응에비해 2번반응의깁스자유에너지의절대값이훨씬적고따라서반응동력이매우떨어진다는것을확인할수있다. CO 2 의탄산화반응은 (1) CO 2 가스가물에녹아서탄산 (carbonic Acid, H 2 CO 3 ) 을형성, (2) H 2 CO 3 가수소이온을잃고중탄산이온 (bicarbonate, HCO 3 ) 을형성, (3) HCO 3 가수소이온을잃고탄산이온 (carbonate ion, CO 2 3 ) 을형성하는과정을거친다. Fig. 1. ph vs. mole fraction of carbonate species (Bjerrum Plot). H 2 CO 3 ( ag) HCO 3 ( aq) + H + ( aq) HCO 3 ( aq) CO 2 3 ( aq) + H + ( aq) 식 (5) 와 (6) 의상온에서평형상수는식 (7) 과같이표현할수있다 [12]. [ HCO K 3 ] H + 2 [ ] [ CO = =, K 3 ][ H + ] (7) [ H 2 CO 3 ] 2 = = [ HCO 3 ] 유사정상상태가정을도입하여탄산화이온시스템의전체농도 (C total ) 가일정하다고가정하면 (C total [H 2 CO 3 ]+[HCO 3 ]+[CO 2 3 ] =constant ), ph에따라서각성분의몰분율을 Fig. 1과같이나타낼수있다 [13]. 본연구에서목표로하는중탄산이온 (HCO 3 ) 의농도값을최대로하기위해서는반응기의 ph 값을 8~9로유지하는것이가장중요하다는것을확인할수있다. 22. 염수전기분해공정염수전기분해공정 (chloralkali process, CA process) 은고농도의염수 (brine, NaCl solution) 를전기분해하여염소 (Cl 2 ), 수소 (H 2 ) 그리고가성소다 (NaOH) 를생산하는공정을말한다 [14,15]. 염수전기분해공정은염소와가성소다의산업적활용성이매우높기때문에 1800년대부터개발되어널리적용되고있는공정으로, 크게격막법 (5) (6) CO 2 ( g) + H 2 O H 2 CO 3 ( aq) (4) Table 1. Thermodynamic parameters of each reaction at room temperature [11] ΔH(kJ/mol) ΔS(kJ/mol K) ΔG(kJ/mol) Reaction Reaction Fig. 2. Schematic diagram of chloralkali process.

3 88 이동욱 이지현 이정현 곽노상 이수진 심재구 (diaphragm cell process), 수은법 (mercury cell process), 멤브레인법 (membrane cell process) 로분류될수있다. 격막법과수은법은환경적이슈와생산물의순도관련문제등으로인해점점감소하는추세이며 [16,17], 최근에는이온전도성고분자전해질막을이용한멤브레인법을적용한염수전기분해공정의시장점유율이증가하고있다. Fig. 2에멤브레인법을적용한 CA 공정을간략하게나타내었다. 양극에서염소이온이산화되면서염소가스가생산되며 ( 식 (8)), 음극에서는환원반응에의해수소가스와가성소다가생성된다 ( 식 (9)). Anode reaction 2C C e (8) Cathode reaction 2H 2 O+ 2Na+ 2e 2NaOH+ H 2 (9) Overall reaction 2NaCl+ 2H 2 O 2NaOH+ Cl 2 H (10) + 2 음극에서가성소다용액은순환되기때문에별도의농축공정없이도 33% 까지용액의농도를높일수있으며미반응염수는외부로배출되어유입수농도제어에재활용된다. Fig. 4. Experimental results obtained with the base operation conditions. 3. 탄산화공정실험고효율탄산화반응시스템을개발하기위해본연구에서는 2 kgco 2 /day급 BSU (bench scale unit) 을제작하였다. Fig. 3에탄산화반응공정의대략적인구조가나타나있다. 각흡수반응기의내경은 80 mm, 높이는 300~1000 mm 내외이다. 흡수탑의내부는 structured packing (TPT Pacific) 으로구성하였다. 각흡수탑은내부를확인할수있도록투명아크릴재질로하단부에 ph meter (Orion Star A211) 를배치하여서실시간으로반응물의산도를측정할수있도록하였고, 각흡수탑후단에 CO 2 분석기 (KONICS KN2000W) 를배치하여서각반응기에서흡수되는 CO 2 의양을측정하였다. 각반응기에서액체를이송하기위한펌프와액체의반응기내순환을위한펌프를장착하였으며가스는펌프를따로사용하지않고봄베의압력을이용해반응기후단까지밀어주는방법을사용하였다. 일반적으로석탄화력배가스의조성은습분을제외하고 N 2 81%, CO 2 14%, O 2 4.5%, SO 2 30 ppm, ash 15 mg/sm 3 이다. 산소는고려할필요가없으며, SO 2 와 ash 성분은극미량이므로본실험에서는고려하지않았다. 따라서주입가스는 CO 2 14% 에 N 2 86% 의혼합 가스를 5 L/min의속도로 1번반응기로주입해주었고, 가성소다는 15 wt% 의용액을약 8 ml/min의유속으로 3번반응기를통해주입해주었다. 각반응기에서의 CO 2 의흡수율 (g n ) 을식 (11) 과같이계산할수있다. γ n C out, n( 100 C 0 ) = C 0 ( 100 ) C out, n (11) C 0 는주입된혼합가스에서 CO 2 농도 (14%), C out,n 은 n번반응기후단에서배출되는가스에서 CO 2 농도이다. Fig. 4에 BSU 운전결과를나타내었다. 각반응기의 ph는평균 9.0, 10.2, 12.5로나타났다. 1번반응기의경우최종적으로중탄산나트륨이생성되는반응기이기때문에가장 ph가낮게유지되었고, 3번반응기의경우가성소다용액이직접적으로주입되기대문에 ph가가장높게유지되었다. 최종적인 CO 2 흡수율 (g 3 ) 은평균 98% 정도로나타났다. 이는일반적으로 CO 2 포집설비에요구되는흡수율 90% 를충분히만족시키는수치이다. 생산된중탄산나트륨은 XRD 정량분석 ( 카이스트중앙분석센터, 2q scan) 을통해순도를측정하였고순도 97.3% 으로측정되었다. 시판시약중탄산나트륨 (SigmaAldrich) 을같은방법으로정량분석한결과순도가 97.8% 로측정되었음을고려한다면상당히높은순도의중탄산나트륨이생산된것을확인할수있다. 4. 공정모사 Fig. 3. Schematic diagram of the carbonation reactor system. Solid line represents line for liquid transfer and dashed line represents line for gas transfer. 41. 염수전기분해공정의모사전산모사의신뢰성을검증하기위해실험과같은 2 kgco 2 /day 급탄산화반응기부터전산모사를수행하였다. 2 kg의 CO 2 를처리하기위해서는양론적으로약 1.82 kg의가성소다 (NaOH) 가필요하며, 15 wt% 의수용액을통해주입하기위해서는 10.3 kg의물의주입되어야한다. 따라서본전기분해공정모사에서는 15 wt% 의가성소다수용액을 kg/day로생산하기위한공정에대해수행되었다. 염수의농도는주입농도 26 wt% NaCl, 배출농도 24 wt% NaCl로가정하였다. 각공정별투입원료량과생성된가성소다및

4 염수전기분해와연계한이산화탄소의전환공정연구 89 Table 2. Mass balance of chloralkali process Scale CO 2 NaCl Cl 2 H 2 NaOH 2 kgco 2 /day 2 kg/day 3.27 kg/day 1.60 kg/day kg/day 1.82 kg/day 5 MW 100 ton/day ton/day 80.7 ton/day 2.3 ton/day 91 ton/day Fig. 5. Processbuilder model for CA process. 수소 / 염소가스의양은 Table 2에정리되어있다. 본연구에서는 gproms ProcessBuilder과열역학적물성및물질전달관련성질들에대해서는 OLI thermodynamic engine (OLI Systems, Inc., Morris Plains, NJ, USA) 를이용하여계산하였다. 본모사에사용된모델은 Fig. 5와같다. NaOH 기준으로 1.82 kg/day를생산하기위해필요한 NaCl의양은본모델의계산결과약 3.27 kg/day이며, 이때발생되는 Cl 2 는 1.6 kg/day, H 2 는 kg/day이다. 각가스에포함된수분함량은각각 0.2 wt%, 6 wt% 이며이는흡수공정을거치며제거되어야한다. 같은방법으로 5 MW(CO 2 처리양기준 100 ton/day) 급설계를위한계산도수행하였다 (Table 2). 42. 탄산화공정의모사본연구에서구성한탄산화공정은 Fig. 3과같이총 3개의반응기로구성이되어있으며반응성향상을위해각반응기에는순환흐름을구성하였다. 전기분해공정에서만들어진가성소다는세번째반응기의상부로공급되며배가스는 1번반응기의하단부로공급되는교차흐름방식으로운전된다. 가성소다유량및순환유량을조절하여각반응기에서의 ph를조절할수있으며이에따라 CO 2 제거율및중탄산소다의순도가결정된다. CO 2 제거율을유지하면서중탄산나트륨의순도를높이는것이주요운전목표이다. 본공정에대해서는 gproms Processbuilder과 Advanced model library for Gas Liquid Contactors (AML:GLC) 에포함되어있는 packedbed reactor model을활용하여상세모델링을수행하였다. AML:GLC는주요물리화학현상 (absorption of CO 2, electrolyte interactions in the liquid phase and impact on solubility of CO 2 ) 들을동시에고려한모델이며이를통해위험성을최소화할수있는반응기설계가가능하다. 본 AML:GCL모델에서고려된주요현상들은다음과같다. 에너지 / 물질수지 StefanMaxwell의적용, 화학반응및전기전위의적용을통한기상과액상간의에너지전달 기액계면상에서의열역학적평형 액상에서화학반응, 전해질의열역학및이온평형 각장비에서의수압열역학적물성및물질전달관련성질들에대해서는 OLI thermodynamic engine (OLI Systems, Inc., Morris Plains, NJ, USA) 를이용하여계산하였다. 본연구에서는기상에서는 H 2 O, CO 2, N 2, O 2, 고상에서는 NaHCO 3, Na 2 CO 3 가각각고려되었으며, 액상에서는이온성분이포함되었다. 배가스에존재할수있는 SOx등의미량성분들은본연구에서는고려되지않았다. 열역학적평형 (Thermodynamic equilibrium) 은각성분간의기액평형및이온평형이모두고려되었다. 흡수된 CO 2 및 OH이온간의반응속도는다음과같이표현되었다. r CO2 = k 1 γ OH [ OH ]γ CO2 [ CO 2 ] (12) r CO2 는 CO 2 소모속도 (mol/l sec), k1은반응속도상수, g i 는성분 i의활동도계수 (activity coefficient) 이다. ph는수소이온의활성도의음의로그값으로계산되며, 수소이온의활성도는수소이온의농도 (moles/kg water) 와활성도계수의곱으로표현된다. 탄산화반응기모델은반응기 size 및 packing 물질의영향이모두고려되었으며다음과같은가정을통해구성되었다. 1) 기상과액상의접촉면인필름에서는액상과기상이모두평형상태이다. 2) 물질전달속도는 MaxwellStefan diffusion 이론에따른다.

5 90 이동욱 이지현 이정현 곽노상 이수진 심재구 Fig. 6. Processbuilder model for carbonation process. 3) 각 bulk상에서는완전혼합상태를이룬다. 4) 액상및기상에서의조성및온도는 radial 방향으로의분포는없다. 5) 액상및기상의 radial 방향으로의흐름분포도없다. 마지막으로외기의영향은다른변수대비효과가크지않다고가정하였으며, 따라서탄산화반응기는 adiabatic condition에서계산되었다고볼수있다 Bench 규모 (2 kgco 2 /day급) 탄산화공정의모사 Bench 규모탄산화공정은실험과동일하게흡수탑내경은 80 mm, 높이는 300~1000 mm 내외로구성하였고각흡수탑의내부는 structured packing으로구성하였다. CO 2 14 vol% 의가스를 5L/ min (2 kg CO 2 /day 처리기준 ) 의속도로 bicarbonation 반응기로주입해주었고, 가성소다 15 wt% 의용액을약 8ml/min의유속으로주입해주었다. 각반응기는접촉효율을높여주기위해순환흐름을구성해주었으며약 80 ml/min의유속으로운전하였다. 현재실험결과를그대로모사하기위해 Fig. 6와같은모델을 ProcessBuilder에서구성하였다. 실제실험시스템과동일하게 3단반응기로구성하였으며, 모사조건또한실험조건과동일한조건을적용하였다. Table 3에실제실험데이터와모사결과를비교해놓았다. 식 (11) 을통해계산된 CO 2 포집율은실험결과의경우 Fig. 4에서확인한바와같이 98% 이상으로나타났으나본전산모사결과상으로는 91% 정도로나타났다. 생산된중탄산나트륨의순도는전산모사결과는 93.8% 로나타났다. Fig. 7(a) 는각반응기에서의 liquid 및 vapor의온도분포를보여준다. 반응이활발하게일어나는 3번반응기의온도가가장높고 1 번반응기의온도가가장낮음을알수있다. 또한실제반응기내온도는 feed온도대비높게유지됨을알수있다. 또한모든반응기에서공통으로기상의온도가액상의온도보다낮게유지된다. 반응이액상에서일어나고, 이때발생한반응열이기상으로전달되기 Fig. 7. Simulation result for the bench scale unit (2 kgco 2 /day). (a) Temperature distribution in each reactor. (b) Concentration distribution of CO 2 in each reactor. 때문이다. Fig. 7(b) 는각반응기내에서 CO 2 의농도분포를보여준다. 각반응기의하단부로가스가주입되어서 CO 2 가제거되고상단부로빠져나가기때문에위로올라갈수록 CO 2 의농도가감소되는것을 Table 3. Experimental results and simulation results of carbonation process (2 kgco 2 /day) Experimental results Simulation results Reactor 1 Reactor 2 Reactor 3 Reactor 1 Reactor 2 Reactor 3 ph 8.8 ~ ~ ~ CO 2 absorption rate (γ 3 ) > 98 % 91.1 % Purity of NaHCO 3 97 % 93.8 %

6 염수전기분해와연계한이산화탄소의전환공정연구 91 확인할수있다. 또한 NaOH가 CO 2 와활발하게반응하는 3번반응기에서의 CO 2 제거량이가장큰것을볼수있다. 반면에1번반응기의경우 CO 2 를거의흡수하지못하는것으로보인다. 이는실험결과와도일치하는현상으로, 중탄산나트륨이생성되는반응 ( 식 (2)) 이탄산나트륨생성반응 ( 식 (1)) 에비해매우느리기때문이다. 따라서충분한체류시간을보장해주어야하고그에따라 1번반응기의높이가다른반응기보다높게디자인되었다. 본전산모사모델링을통해확립된모델이 2 kgco 2 /day급탄산화공정의실험결과와잘부합한다는사실을확인할수있고따라서본전산모사모델의신뢰성을담보할수있다 상용급 (5 MW급 ) 탄산화공정의모사상용급 (5 MW급 ) 탄산화공정은기본적으로 bench 규모모델을그대로적용하였다. CO 2 처리량은 100 ton/day이며이를처리하기위해서는 15 wt% 의 NaOH 용액이분당 400 L 주입되어야한다. 탄산화공정의 dimension은반응효율과 bench 규모공정의실험및모사결과등을고려하여설정하였다. 각반응기의높이를 14 m, 8 m, 6 m로상정하였으며, 반응기내경은 4 m로설정하였다. 반응기내부에서액상의순환유량은 4,000 L/min으로설정하였다. Table 4에전산모사결과인각반응기의 ph, CO 2 제거율, 생산중탄산나트륨의순도등이나타나있다. 각반응기의 ph가 bench 규모실험결과보다다소낮게나타난것을알수있다. 또한식 (11) 을통해계산한 CO 2 흡수율도 91.5로실험치보다는다소낮게나타났다. 그러나일반적으로 CO 2 포집설비에요구되는포집율 90% 보다는여전히높은수치임을알수있다. 중탄산나트륨순도는실험에서는 97% 내외로높게나온반면전산모사에서는 94.2% 로나타났다. 중탄산나트륨은탄산나트륨과의용해도차이를이용해침전물을분리해내는방법으로얻어진다. 그러나전산모사에서는이러한과정을고려하지않고생산되는모든중탄산나트륨과탄산나트륨의양을이용해순도를측정하였다. 따라서탈수및건조공정을거친다면훨씬높은순도의중탄산나트륨을얻을수있을것으로보여진다. Fig. 8(a) 에각반응기내부의온도분포를나타내었다. NaOH와 CO 2 가가장많이반응하는 3번반응기의온도가가장높은것을확인할수있다. 또한전반적으로 bench 규모탄산화공정에비해반응기가 10배이상높기때문에상대적으로반응기의하단부에서부터온도평형에도달한다. 모든반응기에서가스가주입되는하단부의온도가낮고상부로올라갈수록온도가높아지는양상을보인다. 3번반응기의경우액상의온도가상단부에서낮아지는것을확인할수있는데이는상단부에서상온의 NaOH 용액이주입되기때문이다. Fig. 8(b) 는각반응기내에서 CO 2 의농도분포를보여준다. 위로올라갈수록 CO 2 의농도가감소되는경향은 bench 규모탄산화공정과유사하다. 14% 농도로 1번반응기하단부로주입된배가스가각반응기를거쳐최종적으로약 1% 의농도로 3번반응기상단부 Fig. 8. Simulation result for the commercial scale unit (5 MW, 100 tonco 2 /day). (a) Temperature distribution in each reactor. (b) Concentration distribution of CO 2 in each reactor. 로배출된다. 따라서각반응기의상단부로올라갈수록 CO 2 의농도가낮아지며, 1, 2, 3번반응기순으로 CO 2 농도가낮아진다. Fig. 8(a) 에서확인한바와같이온도는반응기하단부에서급변하여평형에도달하는반면 CO 2 농도는선형적으로고르게변화하는양상을보인다. 이는반응기내부에서 CO 2 흡수반응이고르게일어나고있음을보여주고반응기가효율적으로디자인되었음을의미한다. 5. 결론 본연구를통해 CO 2 전환공정에대하여실험실규모에서실험을수행하고상용급공정에대한전산모사를수행하였다. 전산모사결과중탄산나트륨의순도가실험치보다낮게나온이유는중탄산나트륨과탄산나트륨의용해도차이를이용한분리공정을고려하지않았기때문으로분석된다. 또한소량의불순물도탄산나트륨으로상용으로사용하는데전혀문제가되지않는성분이다. 본연구를통해실험실규모에서개발한공정에대하여전산모사기법을활용해그가능성을입증하였다고볼수있다. Table 4. Experimental results and simulation results of carbonation process (5 MW) Experimental results (2 kgco 2 /day) Simulation results (5 MW, 100 tonco 2 /day) Reactor 1 Reactor 2 Reactor 3 Reactor 1 Reactor 2 Reactor 3 ph 8.8~ ~ ~ CO 2 absorption rate (γ 3 ) > 98% 91.5% Purity of NaHCO 3 97% 94.2%

7 92 이동욱 이지현 이정현 곽노상 이수진 심재구 본공정에대하여경제성평가가이미수행된바있다 [18]. 그결과를간략히요약하면 5 MW급공정의 20년상업운전을가정할경우내부수익률 67.2%, 순현재가치 346,922백만원으로산출되었다. 상용급규모의플랜트운전시본공정은충분히경제성이있는기술로평가가능하다. 따라서실험실규모에서개발된본공정의파일럿급, 상용급으로확대가필요하다. 감 본연구는 ( 주 ) 한국동서발전의지원을받아수행한연구과제입니다. 사 Reference 1. Documents/ Republic of Korea/1/INDC Submission by the Republic of Korea on June 30.pdf. 2. CO 2 Emission from Fuel combustion, IEA(2013). 3. Wee, J. H., Kim, J., Song, I., Song, B. and Choi, K., Reduction of Carbondioxide Emission Applying Carbon Capture and Storage (CCS) Technology to Power Generation and Industry Sectors in Korea, J. KSEE., 30(9), (2008). 4. Lee, J. H., Kwak, N. S., Lee, I. Y., Jang, K. R., Lee, D.W., Jang, S. G. and Shim, J. G., Performance and Economic Analysis of Commercialscale Coalfired Power Plant with Postcombustion CO 2 Capture, Korean J. Chem. Eng., 32(5), (2015). 5. Park, S. E., Chang, J. S. and Lee, K. W., Carbon Dioxide Utilization for Global Sustainability : Proceedings of the 7th International Conference on Carbon Dioxide Utilization, Elsevier(2014). 6. Yoo, M., Han, S. J. and Wee, J. H., Carbon Dioxide Capture Capacity of Sodium Hydroxide Aqueous Solution, J. Env. Man., 114, (2013). 7. Yoo, M., Han, S. J., Shin, J. and Wee, J. H., A Study on Carbon Dioxide Capture Performance of KOH Aqueous Solution Via Chemical Absorption, J. KSEE., 34(1), 5562(2012) Bicarbonate/ producing sodium bicarbonate.docx /process.html. 11. Ebbing, D. D., General Chemistry, Houghton Mifflin Company, Boston(1990). 12. WolfGladrow, D. A., Zeebe, R. E., Klaas, C., Kortzinger, A., and Dickson, A. G., Total Alkalinity: The Explicit Conservative Expression and Its Application to Biogeochemical Processes, Mar. Chem., 106(1), (2007). 13. Andersen, C. B., Understanding Carbonate Equilibria by Measuring Alkalinity in Experimental and Natural Systems, J. Geosci. Edu., 50(4), (2002). 14. Moorhouse, J., Modern chloralkali technology, John Wiley & Sons, New York, NY, 4590(2008). 15. Park, I. K. and Lee, C. H., Chloralkali Membrane Process and its Prospects, Memb. J., 25(3), (2015) bon_leakage.pdf. 17. Lodenius, M. and Esa, T., Environmental Mercury Contamination Around a Chloralkali Plant, Bull. Environ. Contam. Toxicol., 32, (1984). 18. Lee, J. H., Lee, D. W., Jang, S. G., Kwak, N., S., Lee, I. Y., Jang, K. R., Choi, J. S. and Shim, J. G., Economic Evaluations for the Carbon Dioxideinvolved Production of Highvalue Chemicals, Korean Chem. Eng. Res., 52(3), (2014).

10 (10.1) (10.2),,

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