Reducing carbon dioxide emission has become an important social issue due to global warming. Therefore, developing technologies about carbon capture and storage has become an active research area. Various carbon capture technologies have been suggested to capture carbon dioxide such as post-combustion, pre-combustion and oxy-fuel combustion carbon capture system. Among various candidates for $CO_2$ capture, physical absorption based carbon capture system is relatively mature technology. Especial-ly, $Selexol^{TM}$ process, one of the pre-combustion carbon capture technology, has been commercialized and already adopted to some industries. Dimethyl Ethers of Polyethylene Glycol (DEPG) is used as physical ab-sorbent in this system. Extra cost for constructing and operating of carbon capture process is a main problem for applying it to real industries widely. In this study, employing novel additives to the Selexol process are suggested to reduce the economic loss of the Selexol process. Mixing additive with DEPG is expected to lead lower solvent purchasing cost compared to the Selexol process with pure DEPG while amount of captured $CO_2$ are same.
In this work, the compounds are found that have similar $CO_2$ solubility with DEPG as well as cheaper than DEPG. The $CO_2$ solubility is can be represented as solvation energy of $CO_2$ in the additive materials. The additive candidates are selected by comparing solvation energies. Three compounds, dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), and triacetin (TAT), are chosen as the candidate additives. To estimate their economic feasibility, the Selexol processes with the three candidate additives are simulated using Aspen Plus®.
The 1-stage Selexol process is developed instead of typical 2-stage Selexol process because only $CO_2$ capture is considered in this research. The feed gas stream for the 1-stage Selexol process is chosen from syn-gas generated by Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC) power plant. Perturbed Chain Statistical Association Fluid Theory equation of state (PC-SAFT EOS) model is used for thermodynamics in the simula-tions. To obtain the amount of $CO_2$ capture using the additives in the simulation, the binary parameters be-tween $CO_2$ and the additives are needed. The parameters are obtained by regression tool in simulator using $CO_2$ solubility experimental data. Operating cost of the Selexol process with additives and pure DEPG are calculated. Then, equipment costs of the one candidate process which shows best economic performance among the additives and the Selexol process with DEPG are compared. Finally, optimal lean solvent tempera-tures that minimize the operating cost are found at various carbon capture rate.
This thesis is written based on the published article “Economic assessment and optimization of the Selexol process with novel additives”
본 학위논문에서는 연소 후 이산화탄소 포집 기술로 분류되며 물리흡수를 기반으로 하는 Selexol 공정에 대한 효율을 높이고자 하였다. Selexol 공정은 Dimethyl Ethers of Polyethylene Glycol (DEPG) (n=2~9) 인 물리 흡수제를 통해서 이산화탄소를 포집한다. Selexol 공정은 감압을 통해 흡수제로부터 이산화탄소를 쉽게 분리할 수 있는 장점을 갖고 있으며 상용화가 가능한 기술로 평가되지만, 다른 이산화탄소 포집 공정들과 마찬가지로 추가 건설 및 운전 비용으로 발전소의 전력비용 상승을 일으킨다. 따라서 첨가제 사용을 통해 Selexol 공정의 건설 및 운전 비용의 감소를 꾀하였고 이를 시뮬레이션을 통해서 평가하였다.
첨가제의 선택은 산업파트너와의 협업을 통해서 이루어졌다. Dimethyl carbonate(DMC), Dieth-yl carbonate(DEC), Triacetin(TAT) 세가지 물질이 양자 계산을 통해 선정되었다. 평가를 위한 시뮬레이터로 Aspen Plus가 사용되었다. 시뮬레이션 상에서 이산화탄소 포집 정도를 표현하기 위해서 각 첨가제에 이산화탄소 용해 실험 데이터를 산업파트너로부터 제공받아 시뮬레이션에 반영하였다. 정확한 공정 모사를 위해서 적절한 열역학 모델로 알려진 PC-SAFT 상태방정식을 선정하여 시뮬레이션 하였다.
첨가제의 사용은 최대 15wt%로 한정하였고, 운전 비용 및 설치투자비용을 계산하여 공정을 평가하였다. 기본 Selexol 공정과 첨가제를 사용한 공정의 비교는 90% 이산화탄소 포집을 기준으로 하였다. DMC와 DEC를 첨가한 경우는 기존 Selexol 공정보다 좋은 결과를 얻을 수 없었다. 그러나TAT를 15wt% 첨가한 경우 운전 비용과 기기장치비용 모두 기존 Selexol 공정과 비교하여 낮았다. 기기장치비용의 경우, 낮은 흡수제 구입 비용으로 기존 보다 ~2.3% 감소한 값을 얻을 수 있었다. 따라서, TAT를 15wt% 첨가한 경우 기존 공정과 비교하여 경쟁력 있는 공정으로 평가되었다.
본 연구는 Selexol공정의 효율을 높이는 것이므로 공정 비용을 추가로 절감시키고자 최적화를 진행하였다. 흡수제의 온도는 이산화탄소 흡수 정도와 관련된 중요한 요소이며 공정비용에 영향을 미치므로 최적화 조건으로 선정되었다. 첫 번째 년도 감가상각 비용과 운전비용을 합해 이산화탄소 포집 비용을 계산하였을 때, 이를 최소화하기 위해서는 흡수제의 온도를 낮게 하는 것이 유리한 것으로 평가되었다.
