[A+ 레포트] 탄소 포집 공정

문서 내 토픽

1. 순산소 연소기술(Oxy-Fuel Combustion)

순산소 연소는 연료를 고순도 산소를 사용하여 연소시킴으로써 고농도의 CO2를 포집하는 방법이며 연소 중 기술이라고도 한다. 공기 연소와 달리 순산소 연소에서는 N2가 존재하지 않아 질소 산화물(NOx)의 생성을 줄일 수 있고 공기 중에 포함된 N2의 가열로 인한 열손실을 줄일 수 있어 에너지 효율 면에서도 유용하다. 순산소 연소에 필요한 대량의 산소를 생산하는 방법은 초저온 공기분리장치(ASU, Air Separation Unit)가 가장 적합한 것으로 알려져 있다.
2. 연소 전 기술(Pre-combustion)

연소 전 기술은 연료를 사전에 처리하여 이산화탄소와 수소로 전환시킨 후 이산화탄소를 분리하거나, 혼합가스를 연소시켜서 이산화탄소를 포집하는 방법이다. 주로 가스화 및 천연가스 발전소에서 사용되고 있으며 비료, 화학, 기체연료 및 전력 생산에 널리 적용할 수 있다. 연소 전 포집기술은 주로 고압에서 운전되어, CO2의 분압이 상대적으로 높기 때문에 물리흡수법을 주로 사용한다.
3. 연소 후 기술(Post-combustion)

연소 후 포집 기술은 흡수법, 흡착법, 막분리법, 심냉법 등으로 나눌 수 있다. 흡수법은 화학적 흡수와 물리적 흡수로 구분되며, 흡착법은 고체상의 흡착제 표면과 흡착되는 흡착질(CO2)간의 상호인력에 의해 목적 성분을 분리하는 방법이다. 막분리법은 분리막을 이용한 기체 분리 기술로 에너지 소모가 적고 공정이 간단하다는 장점이 있다.
4. 화학적 흡수법

화학적 흡수법은 흡수제를 이용해 발전소의 배가스로부터 이산화탄소를 선택적으로 흡수한 후, 고온 조건에서 탈착시켜 순수한 이산화탄소만을 포집하는 기술이다. 대표적인 흡수제로는 MEA(Methyl ethyl amine), MDEA(Methyl diethanol amine), PZ(Piperazine) 등이 사용된다. 흡수탑과 탈거탑으로 구성되며, 흡수탑에서 배가스와 아민 용액이 접촉하여 이산화탄소가 흡수되고, 탈거탑에서 고온에 의해 이산화탄소가 탈착된다.
5. 물리적 흡착법

물리적 흡착법은 고체상의 흡착제 표면과 흡착되는 흡착질(CO2)간의 상호인력에 의해 목적 성분을 분리하는 방법이다. 흡착제와 흡착질의 결합력이 화학적 흡착법에 비해 약해서 흡착제의 재생성이 양호하므로 이산화탄소의 분리공정에서는 대부분 물리적 흡착법을 사용한다. 적합한 흡착제로는 제올라이트, 활성탄, 알루미나, silicate, MOF 등이 있다.
6. 막분리법

막분리법은 분리막을 이용한 기체 분리 기술로 상변화가 수반되지 않으므로 에너지 소모가 적고, 공정의 조작 및 운전이 간단하다는 장점이 있다. 고분자막, 무기막, 액막 등 다양한 종류의 막이 연구되고 있으며, 선택성과 투과성 사이의 균형을 이루는 것이 중요한 과제이다.
7. CLC 공정(Chemical Looping Combustion)

CLC 공정은 고체 산소 운반체로 화석 연료를 연소함으로써 CO2를 포집하는 방법이다. 연소 생성물은 이산화탄소와 수증기이며 수증기를 응축하여 제거하면 고농도 CO2를 쉽게 얻을 수 있다. 산소 운반체의 선택이 CLC 공정에서 매우 중요하며, 전이금속 산화물이 유망한 후보로 알려져 있다.
8. FC 기술(Fuel cell Conversion)

FC 기술은 수소와 산소의 전기화학 반응을 활용하는 효율적이고 친환경적인 에너지 생성 기술이다. 용융 탄산염 연료 전지(MCFC)와 고체 산화물 연료 전지(SOFC)와 같은 고온 FC에서는 CO2를 분리할 수 있다. MCFC에서는 CO32- 전해질을 통한 통과를 통해 원래의 음극 흐름에서 CO2를 분리할 수 있다.
9. DAC 기술(Direct Air Capture)

DAC 기술은 산업용 배가스 흐름에서 CO2를 포집하는 것이 아니라 주변 공기에서 직접 CO2를 포집하는 방법이다. 대기 중 CO2의 농도가 매우 낮기 때문에 강력한 CO2 결합 특성을 가진 흡착제를 사용해야 한다. 최근 탄소 직접 포집용 흡착제로 수산화물, 알칼리 탄산염, 음이온 교환 수지, 금속 유기 프레임워크(MOF) 등이 연구되고 있다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. 순산소 연소기술(Oxy-Fuel Combustion)

순산소 연소기술은 화석연료를 연소할 때 공기 대신 순수 산소를 사용하는 기술입니다. 이 기술은 연소 과정에서 발생하는 이산화탄소 농도를 높여 이산화탄소 포집 및 저장(CCS)이 용이하다는 장점이 있습니다. 또한 연소 과정에서 질소산화물 배출이 감소하는 효과도 있습니다. 그러나 순수 산소를 사용하므로 연소 과정에서 발생하는 열이 매우 높아 기술적 어려움이 있으며, 순수 산소를 생산하는 데 많은 에너지가 소요된다는 단점이 있습니다. 따라서 이 기술의 실용화를 위해서는 연소 과정의 열 관리와 산소 생산 기술 개선이 필요할 것으로 보입니다.
2. 연소 전 기술(Pre-combustion)

연소 전 기술은 화석연료를 연소하기 전에 이산화탄소를 분리하는 기술입니다. 주로 석탄 가스화 공정이나 천연가스 개질 공정에 적용되며, 이산화탄소 포집이 상대적으로 용이하다는 장점이 있습니다. 또한 수소 생산이 가능하여 수소 경제 실현에도 기여할 수 있습니다. 그러나 공정이 복잡하고 에너지 효율이 낮다는 단점이 있습니다. 따라서 연소 전 기술의 실용화를 위해서는 공정 단순화와 에너지 효율 향상을 위한 기술 개발이 필요할 것으로 보입니다.
3. 연소 후 기술(Post-combustion)

연소 후 기술은 화석연료 연소 후 배출되는 연소 가스에서 이산화탄소를 분리하는 기술입니다. 기존 화력발전소 등에 적용이 가능하여 기존 인프라를 활용할 수 있다는 장점이 있습니다. 또한 다양한 흡수제와 분리 기술을 활용할 수 있어 기술 선택의 폭이 넓습니다. 그러나 연소 가스 내 이산화탄소 농도가 낮아 분리 효율이 낮고, 에너지 소모가 크다는 단점이 있습니다. 따라서 연소 후 기술의 실용화를 위해서는 흡수제 개선과 에너지 효율 향상을 위한 기술 개발이 필요할 것으로 보입니다.
4. 화학적 흡수법

화학적 흡수법은 이산화탄소를 화학적으로 흡수하여 분리하는 기술입니다. 주로 아민 용액을 흡수제로 사용하며, 이산화탄소 포집 효율이 높고 기술적 성숙도가 높다는 장점이 있습니다. 그러나 흡수제 재생에 많은 에너지가 소요되고, 부식성이 높아 설비 관리가 어렵다는 단점이 있습니다. 따라서 화학적 흡수법의 실용화를 위해서는 에너지 효율 향상과 부식 문제 해결을 위한 기술 개발이 필요할 것으로 보입니다.
5. 물리적 흡착법

물리적 흡착법은 이산화탄소를 물리적으로 흡착하여 분리하는 기술입니다. 주로 다공성 고체 흡착제를 사용하며, 화학적 흡수법에 비해 에너지 소모가 적다는 장점이 있습니다. 또한 흡착제 재생이 용이하고 부식 문제가 적다는 장점도 있습니다. 그러나 이산화탄소 포집 효율이 상대적으로 낮고, 흡착제 개발이 어렵다는 단점이 있습니다. 따라서 물리적 흡착법의 실용화를 위해서는 흡착제 성능 향상과 공정 최적화를 위한 기술 개발이 필요할 것으로 보입니다.
6. 막분리법

막분리법은 이산화탄소를 선택적으로 투과시켜 분리하는 기술입니다. 에너지 소모가 적고 공정이 단순하다는 장점이 있습니다. 또한 다른 기술과 결합하여 활용할 수 있어 융합 기술 개발의 가능성이 있습니다. 그러나 현재 막 소재와 모듈 개발이 미흡하여 이산화탄소 분리 효율이 낮다는 단점이 있습니다. 따라서 막분리법의 실용화를 위해서는 고성능 막 소재와 모듈 개발이 필요할 것으로 보입니다.
7. CLC 공정(Chemical Looping Combustion)

CLC 공정은 산화제와 연료를 직접 접촉시키지 않고 산화물 전달체를 통해 간접적으로 연소시키는 기술입니다. 이를 통해 연소 과정에서 이산화탄소와 질소산화물 배출을 줄일 수 있다는 장점이 있습니다. 또한 연소 과정에서 발생하는 열을 효율적으로 활용할 수 있어 에너지 효율이 높습니다. 그러나 아직 기술 개발 초기 단계이며, 전달체 개발과 공정 최적화가 필요한 상황입니다. 따라서 CLC 공정의 실용화를 위해서는 지속적인 연구개발과 실증 테스트가 필요할 것으로 보입니다.
8. FC 기술(Fuel cell Conversion)

FC 기술은 연료전지를 활용하여 화석연료의 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시키는 기술입니다. 이를 통해 연소 과정에서 발생하는 이산화탄소 배출을 줄일 수 있습니다. 또한 높은 에너지 효율과 낮은 오염물질 배출이라는 장점이 있습니다. 그러나 아직 연료전지 기술의 비용과 내구성 문제가 해결되지 않아 실용화에 어려움이 있습니다. 따라서 FC 기술의 실용화를 위해서는 연료전지 기술 개선과 더불어 인프라 구축 및 정책적 지원이 필요할 것으로 보입니다.
9. DAC 기술(Direct Air Capture)

DAC 기술은 대기 중의 이산화탄소를 직접 포집하는 기술입니다. 이를 통해 배출원에 관계없이 이산화탄소를 제거할 수 있다는 장점이 있습니다. 또한 포집된 이산화탄소를 활용하거나 저장할 수 있어 탄소 중립 실현에 기여할 수 있습니다. 그러나 아직 기술 개발 초기 단계이며, 에너지 소모가 크고 비용이 높다는 단점이 있습니다. 따라서 DAC 기술의 실용화를 위해서는 에너지 효율 향상과 비용 절감을 위한 지속적인 연구개발이 필요할 것으로 보입니다.

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