Aqueous ammonia was investigated as a new absorbent of the chemical absorption process for $CO_2$ capture from combustion flue gas. The $CO_2$ solubility, the aqueous ammonia concentration and $CO_2$ loading was calculated using Pitzer model considering the precipitation. The precipitate in $CO_2$ loaded solution is analyzed qualitatively by NMR, and most of solid precipitates were ammonium bicarbonates. The $CO_2$ loading at equilibrium and the possibility of the precipitation was calculated with the different aqueous ammonia concentration. According to the results of calculation it is suggested that the absorption process using aqueous ammonia has best performance when it would be operated in the $CO_2$ loading region below 0.5 with over 5 m aqueous ammonia.
The characteristics of $CO_2$ absorption into aqueous ammonia in a semi-batch were studied in terms of temperature and ammonia concentration. The effects of the temperature and concentration of aqueous ammonia on $CO_2$ absorption in a semi-batch reactor were studied by interpreting breakthrough curves. The appropriate temperature and concentration of aqueous ammonia for the $CO_2$ absorption process were around $26^\circ C$ and 13 wt%, respectively. Raman spectroscopy analysis of $CO_2$ loaded aqueous ammonia provided concentration changes of bicarbonate, carbonate, and carbamate as well as $CO_2$ sorption capacity at given time during the absorption with 13 wt% aqueous ammonia at $25^\circ C$. It was observed that carbamate formation was dominating at the early stage of absorption. Then, the bicarbonate formation took over the domination at the later stage while the carbonate remained unchanged.
The comprehensive experiments on the performance of structured packing in $CO_2$ absorption application using ammonia solution were achieved. The volumetric overall mass transfer coefficient ( $K_Ga_v$ ) was investigated with an absorption column packed with high-efficiency gauze packing. The $K_Ga_v$ was evaluated over ranges of main operating variables; gas rate, liquid rate, $CO_2$ partial pressure, and aqueous ammonia concentration with different lean $CO_2$ loaded solutions. It was shown that ammonia process had the better performance than amine process and there was the optimum operation gas/liquid flow rate ratio which had the highest overall mass transfer coefficient value.
The continuous absorption/desorption process for 1 $Nm^3$ /hr simulated mixed gas with 10 vol% $CO_2$ was carried out with varying operating parameters. The absorption test in continuous process results indicated that $CO_2$ absorption rate into ammonia water decreases drastically as $CO_2$ loading increases. Thus, regeneration rate is the most important factor that influences the performance of the continuous $CO_2$ recovery process using ammonia water. Adoption of the internal circulating system for washing water and the condensing absorber enabled preventing ammonia loss and achieving pure $CO_2$ recovery. The ratio of gas to liquid, V/L, was a very important factor to decide liquid flow rate for given gas flow rate. For example, V/L should be around 220 if one desire to have 90% of $CO_2$ recovery rate and 0.045 g- $CO_2$ /g-solution of transfer capacity from the system used in this study. The experimental results indicated that the optimum temperature for $CO_2$ absorption was in the range of 15 to $20\circ C$. It depends on the equipment configuration and packing material. Through this study, the feasibility of continuous ammonia water process for $CO_2$ removal was clearly confirmed. The bench scale pilot-plant test for the $CO_2$ absorption process from 20 - 47 $Nm^3$ /hr flue gas with 13 vol% $CO_2$ using aqueous ammonia was carried out. Depending on the operating conditions the 89% $CO_2$ recovery from flue gas and 0.047 g- $CO_2$ /g-solution working capacity could be obtained.
연소 배가스에서 이산화탄소를 제거하는 화학적 흡수공정의 새로운 흡수제로써 암모니아 수용액을 사용한 연구가 수행되었다. Pitzer 모델을 이용하여 암모니아 수용액 내 이산화탄소의 용해도와 암모니아 수용액의 농도, 이산화탄소 loading 값을 계산하였다. 과량의 이산화탄소가 녹아 들어간 암모니아 수용액에서 생기는 침전물을 NMR으로 분석하여 대부분의 액상 침전물이 암모니움 바이카보네이트임을 확인하였다. 각각 다른 농도를 가지는 암모니아 수용액에 대하여 평형상태일 경우 이산화탄소 loading 값과 액상 침전물 양을 계산하고 이 결과를 통하여, 이산화탄소 흡수 공정에서 5 m 이상의 농도를 가지는 암모니아 수용액을 이용하여 loading 값이 0.5 이하가 되도록 운전하였을 경우 가장 좋은 성능을 보일 수 있음을 열역학적 계산을 통해 알 수 있었다.
다른 온도와 농도를 가지는 암모니아 수용액으로 이산화탄소 흡수 특성을 연구하였다. 반회분식 반응기를 이용하여 각 실험에 대한 파괴곡선을 얻어 이를 해석하여 흡수공정에서 최적의 온도와 농도는 각각 $26^\circ C$ 와 13 wt%임을 알 수 있었다. 이산화탄소를 흡수한 13 wt% $26^\circ C$ 의 암모니아 수용액을 Raman 기기로 분석하여 카보네이트, 바이카보네이트, 카바메이트와 같은 이온들의 농도 변화를 측정하였고, 이를 통해 흡수가 진행되는 동안 이산화탄소 흡수양의 변화를 측정하였다. 카바메이트 이온이 흡수과정 초기에 먼저 생성지만 흡수가 진행됨에 따라 그 양이 일정해지는 반면 바이카보네이트의 농도는 점점 증가하여, 흡수 후반부에서는 바이카보네이트의 농도가 흡수되는 이산화탄소의 양에 큰 영향을 끼치는 것을 확인하였다.
연속공정 실험하기에 앞서 구조적 충전물로 채워진 흡수탑에서의 흡수성능을 알아보는 실험을 수행하였다. 충전물로 고효율의 거즈형이 사용되었고 총괄물질전달계수( $K_Ga_v$ )를 통해 흡수탑 내 흡수성능을 해석하였다. 물질전달계수는 다른 이산화탄소 loading 값을 가지는 암모니아 수용액에 대해 기상유량, 액상유량, 이산화탄소 분압, 온도를 변화시켜가며 수행한 흡수실험을 통해 계산되었다. 문헌에 보고된 아민을 이용한 경우의 물질전달계수 값보다 암모니아를 이용한 경우의 값이 더 큰 것을 알 수 있었다. 이는 구조적 충전물로 채워진 흡수탑에서 이산화탄소가 아민보다 암모니아에 더 빨리 효율적으로 흡수됨을 보여준다. 또한 암모니아를 이용할 경우 온도와 농도에 따라 최적의 기상유량에 대한 액상유량의 비를 가지는 것을 알 수 있었고 이 값들은 이 후 연속공정에서의 공정조건으로 사용될 수 있다.
연속공정은 거즈형 충전물로 채워진 1” 흡수탑에서 10 vol% 이산화탄소를 포함 1 $Nm^3$ /hr 유량의 모사 가스를 이용하여 운전되었다. 흡수성능 테스트에서 이산화탄소 loading 값이 증가함에 따라 흡수양가 급격히 줄어드는 것을 알 수 있었고 이를 통해 재생을 통해 loading 값을 일정 값 아래로 유지하는 것이 중요함을 확인하였다. 암모니아의 기화로 인한 손실을 막기 위해 세정탑과 응축흡수탑을 설치하고 암모니아 수용액의 농도를 유지하기 위한 암모니아 재생탑을 순환식으로 설치하여 암모니아 손실을 최소화하였다. 흡수탑 실험에서 확인한 것과 같이 기상유량과 액상유량의 비, V/L가 주요 공정변수인데 이 값이 220 근처로 운전될 경우 90%이상의 회수율과 0.045 g- $CO_2$ /g-solution 운전 성능을 보였다. 반회분 반응기에서의 실험결과와 같이 최적은 운전온도는 15 ~ $20\circ C$임을 확인할 수 있었다. 이로써 암모니아 수용액을 이용한 이산화탄소 흡수공정의 가능성을 충분히 확인할 수 있었고, 이 공정을 이용하여 13 vol% 이산화탄소를 포함하는 47 $Nm^3$ /hr 연소 배가스에서 이산화탄소 제거하는 실험을 수행하였다. 운전조건에 따라 배가스로부터 89% 이상의 이산화탄소 회수율을 보였고 0.047 g- $CO_2$ /g-solution의 운전 성능을 얻을 수 있음을 확인하였다.
