본 연구는 LNG를 연료로 사용하는 화력발전소 보일러에서 배출되는 1,000 $Nm^3/day$의 연소 배가스에 포함된 $8{sim}10%$의 $CO_2$를 대상으로 순도 99%, 회수율 90%로 회수할 수 있는 실증규모의 다단계 막분리 공정에 관한 운전 결과이다. 이를 위해 본 연구팀에서는 가소화 안정성이 우수한 폴리이서설폰 중공사막을 개발하고 $CO_2/N_2$의 분리특성을 연구한바 있으며[1], 소형 모듈을 이용하여 압력 및 $CO_2$의 조성 변화에 따른 투과 특성을 실험과 향류 방식의 전산 모사를 통하여 확인하여 막분리에 의한 $CO_2$의 회수 가능성을 확인한 바 있다[2-4]. 이러한 선행 연구결과를 바탕으로 pilot 규모의 다단계 막분리 plant를 설계하여 제작, 설치, 운전하였으며 그 운전 결과를 다단계 공정의 수치 모사 결과와 비교하였다. 전체 공정은 크게 배출되는 배가스 내의 수분을 전단에서 제거하기 위한 제습 공정과 후단에 재순환이 가능한 4단계 막분리 공정으로 구성되어 있다. 4단 분리막 공정에서 배출되는 최종 $CO_2$의 농도는 운전 조건에 따라 $95{sim}99%$의 $CO_2$가 $0.15{sim}0.2$ ton/day의 회수율 $70{sim}95%$회수규모로 얻어졌다. 얻어진 실험 결과는 수치 모사 결과와 비교하였을 때 매우 잘 일치 하는 것을 알 수 있었으며 운전 중 전체 공정은 안정적으로 작동하는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구를 통해 다단계 막분리 공정을 통한 배가스에서 $CO_2$를 성공적으로 분리할 수 있었다.
In this study, a multi-staged pilot-scale membrane plant was constructed and operated for the separation of $CO_2$ from LNG-fired boiler flue gas of 1,000 $Nm^3/day$. The target purity and recovery ratio of $CO_2$ required for the pilot plant were 99% and 90%, respectively. For this purpose, we previously developed the asymmetric polyethersulfone hollow fibers and evaluated the effects of operating pressure and feed concentration of $CO_2$ on separation performance[1,2]. The permeation data obtained were also analyzed in relation with the numerical simulation data using counter-current flow model[3,4]. Based on these results, we designed and prepared the demonstration plant consisting of dehumidification process and four-staged membrane process. The operation results using this plant were compared with the numerical simulation results on multi-staged membrane process. The experimental results matched well with the numerical simulation data. The concentration and the recovery ratio of $CO_2$ in the final stage permeate stream were ranged from $95{sim}99%$ and $70{sim}95%$, respectively, depending on the operating conditions. This study demonstrated the applicability of the membrane-based pilot plant for $CO_2$ recovery from flue gas.
