Post-combustion CO2 capture (PCC) via chemical absorption into amine solvent is evaluated as one of the most industrialized capture methods among various carbon capture technologies, and has been demonstrated with operation on various industrial scales. The PCC process captures CO2 from the flue gas exhausted from a power plant, and the regeneration heat required to regenerate the CO2 rich amine solvent is also supplied from the steam extraction from the power plant. As such, since the PCC process is integrated with the power plant, its operation is significantly affected by the operation of the power plant. On the other hand, the power plant is flexibly operated by changing the power generation load according to seasonally, daily, and hourly changing power demand.
Therefore, the PCC process also must be operated by changing the operating conditions in accordance with the significant changes in power generation load. At the same time, one can consider an economical operation strategy in the PCC process by varying the CO2 capture level and amount of steam extraction, according to the time-varying energy price. In these ways, it is possible to bring great economic profits by operating the PCC process flexibly in consideration of the time-varying energy price, carbon capture and emission cost, etc. For the flexible operation of the PCC process, it is necessary not only to optimize the economic feasibility of the process but also to have a control strategy that can change the operating conditions quickly, stably, and flexibly.
To this end, this study aims to cover the topics required for the flexible operation of PCC processes, from dynamic process modeling, analysis of dynamics, controller design, and integrated control design that considers operation economics. By constructing a dynamic PCC process model, dynamic behavior is analyzed with step response and gap metric analysis. In addition, an advanced control technique, the so-called model predictive control (MPC), is applied for efficient control. Furthermore, an economic model predictive control (EMPC), which considers the real-time changing economic feasibility of the operation, is established and applied to the PCC process. Going beyond the simple linear MPC control technique, this study presents an integrated operation and control strategy that takes into account not only disturbance but also changes in economic factors over time.
In addition to the conventional PCC process, the feasibility of a modular CO2 capture process suitable for small scale CO2 capture is analyzed through process modeling, design, and optimization. The advanced modular process with improved amine solvent and process intensification may point the way to the next-generation CO2 capture process. The modularized CO2 capture process is expected to realize the economy of scale even on a relatively small plant scale, and is also expected to lower entry barriers to CO2 capture technology in various industries other than the conventional PCC field.
아민으로의 화학적 흡수를 통한 연소 후 이산화탄소 포집(Post-combustion CO2 capture, PCC)은 다양한 탄소포집기술 중에서도 가장 산업화에 가까운 기술 중 하나로 평가되며, 여러 산업 규모 운전으로써 실증되고 있다. 이산화탄소 포집 공정은 발전소에서 배출되는 연도가스로부터 이산화탄소를 포집하며, 이산화탄소 포집 후 흡수제 재생을 위해 요구되는 재생열 또한 발전소의 스팀으로부터 공급된다. 이와 같이 포집 공정은 발전소와 연계되어 운전되기 때문에 발전소의 운전조건에 크게 영향을 받는다. 한편, 발전소는 계절별·일별·시간별로 전기 수요에 따라 발전 부하 및 발전량을 변동하며 운전하기 때문에, 그와 연계된 탄소포집공정 또한 큰 폭으로 변화하는 발전 부하에 맞게 운전조건을 바꾸어가며 운전 되어야한다. 동시에 전기 수요에 따른 에너지 가격에 따라 탄소 포집 수준을 변동하는 것으로 경제적인 연계 운전 체계를 구축할 수 있다. 이처럼 시간에 따라 변화하는 에너지 가격, 탄소 포집 및 배출 비용 등을 고려하여 탄소포집공정을 탄력적으로 운전하는 것으로 경제적인 이윤을 가져올 수 있으며, 이를 위해서 시간에 따른 공정의 경제성분석뿐만 아니라, 운전 조건을 빠르고 유연하게 바꿀 수 있는 제어 전략도 함께 필요하다.
이에 본 연구는 포집 공정의 모델링부터 동적 거동 분석, 제어기 설계 및 운전 경제성을 고려한 통합 제어기 설계에 이르기까지 탄력적 운전을 위해 요구되는 주제들을 함께 다루고자 한다. 동적 거동을 나타낼 수 있는 이산화탄소 포집 공정 모델을 구성하여, 동적 거동을 분석하고 발전된 제어 기법인 모델예측제어(Model predictive control, MPC)를 적용한다. 그리고 더 나아가, 실시간으로 변화하는 경제성을 고려한 모델예측제어(Economic model predictive control, EMPC)를 탄소포집공정에 적용하고자 하였다. 기존의 모델예측제어 기법에서 더 나아가 외란 뿐만 아니라 시간에 따른 경제 요소 변화를 고려한 통합된 운전 및 제어 전략을 제시하고자 한다.
아울러 기존 이산화탄소 포집 공정에서 더 나아가, 향상된 아민 흡수제와 공정 강화를 적용한 차세대 포집 공정의 모델링, 디자인 및 최적화를 통해 소규모 포집에 적합한 모듈화된 포집 공정의 가능성을 분석하고자 한다. 이러한 모듈화된 포집 공정은 비교적 작은 규모에서도 규모의 경제를 실현할 수 있을 것으로 기대되며, 연소 후 포집 외도 여러 산업군에서 탄소 포집에 대한 진입장벽을 낮출 수 있을 것으로 기대된다.
