A carbon dioxide capture process provides an alternative option that avoids $CO_2$ emission while consuming fossil fuels. The major obstacle for application of this $CO_2$ capture process in industry comes from high $CO_2$ capture cost, and it is essential to estimate capture cost for each stationary flue gases. A well-constructed shortcut model allows to estimate the capture cost for the $CO_2$ capture process without time-consuming rigorous process simulation. This thesis dissertation proposes a methodological framework to construct a shortcut model for a specific $CO_2$ capture process. As examples, shortcut models for monoethanolamine (MEA) and piperazine (PZ) based $CO_2$ capture process are constructed. The procedure for shortcut model construction includes process model validation, rigorous process simulation with optimization, and techno-economic evaluation. Dataset that represents wide range of flue gases and corresponding optimized $CO_2$ capture process models are generated and fitted to construct the shortcut models. Hopefully, not only can the methodology be applied to amine scrubbing with various amines and their blends, but also other $CO_2$ capture technologies such as membrane separation and adsorptions. In addition, the constructed shortcut models can be incorporated into a carbon-capture-utilization-sequestration (CCUS) superstructure network. Then, the superstructure network are optimized and optimal CCUS pathway is identified by means of more accurate non-linear programming.
이산화탄소 포집은 화석 연료를 사용하면서 이산화탄소 배출을 저지할 수 있는 대안을 제공한다. 이산화탄소 포집을 산업에 응용하는데 높은 포집 비용이 장벽이기 때문에, 각 고정 배기가스마다 포집 비용을 추산하는 것은 필수적이다. 잘 만들어진 단순화 모델 (shortcut model)은 많은 시간을 소모하는 공정 모사를 하지 않고 포집 비용을 추산하는 것을 가능하게 한다. 본 학위논문은 특정한 이산화탄소 포집 공정에 대한 단순화 모델을 구축하는 방법론을 제시한다. 예시로, monoethanolamine (MEA)와 piperazine (PZ) 기반 아민 포집 공정에 대한 단순화 모델이 구축되었다. 단순화 모델 구축 과정은 공정 모델 검증, 엄격한 공정 모사 및 최적화, 그리고 기술경제성 평가를 포함한다. 넓은 범위의 배기가스들과 그에 수반되는 최적의 이산화탄소 포집 공정을 대표할 수 있는 데이터셋이 생성되고 맟추어져 단순화된 모델이 완성되었다. 희망하는 바로, 본 연구에서 고안한 방법론이 다양한 아민들과 혼합 아민들 뿐만 아니라 분리막 및 흡착과 같은 기술에도 적용될 수 있을 것이다. 여기에, 구축된 단순화 모델은 탄소 포집-활용-저장 (CCUS) 초구조 (superstructure) 네트워크 에 통합되어 해당 초구조 네트워크가 비선형 프로그래밍을 통해 더욱 정확하게 최적화되고 최적의 CCUS 초구조 경로를 찾을 수 있을 것이다.
