최신 탄소 포집 기술 탐색

온실가스(GHG) 배출을 줄이기 위한 전 세계적인 노력에 부응하여 많은 프로세스 제조업체들은 다양한 효율성 향상 및 친환경 전력 이니셔티브를 운영에 통합하고 있습니다. CO₂를 포집하고 저장하는 CO₂ 포집 기술은 유망한 솔루션입니다. 그러나 광범위하게 도입하려면 기술을 발전시키고 필수 기술의 비용을 줄여 실현 가능성을 높여야 합니다.

연소 관련 탄소 포집에는 연소 전과 연소 후의 두 가지 접근법이 있습니다. 연소 전 포집은 가스화와 개질 같은 방법을 통해 연소 전에 CO₂를 포집합니다.

반면 연소 후 포집은 1차 프로세스에서 연료 연소를 한 이후에 발생합니다. 용매나 다른 방법을 사용해 연도 가스에서 직접 이산화탄소를 포집합니다. 이 웹 페이지에서는 연소 후 포집에 초점을 맞추고 있습니다. 개선 가능성과 기술 성숙도 측면에서 유리하지만 연소 전 포집만큼 효율적이지는 않습니다.

아민 가스 처리는 산업 환경에서 가장 널리 사용되는 탄소 포집 방법입니다. 이 연소 후 기술은 이산화탄소와의 결합에 강한 친화력을 보이는 모노에탄올아민 같은 아민 용액의 화학적 특성을 활용합니다. 이 프로세스는 다음과 같이 구성됩니다.

연도 가스는 먼지, 입자상 물질, 황 화합물 및 기타 오염 물질을 제거하기 위해 세척 프로세스를 거칩니다. 이 전처리는 아민 용액과 장비를 파울링과 부식으로부터 보호합니다. 그런 다음 아민 용액이 이산화탄소를 효율적으로 흡수할 수 있도록 뜨거운 연도 가스를 최적의 온도(약 40-60 °C/104-140 °F)로 냉각합니다.

냉각된 연도 가스는 기체-액체 접촉을 향상시키기 위해 충진 물질로 채워진 원통형 용기인 흡수탑의 하단으로 들어갑니다. 흡수탑 상단에는 역류하는 아민 용액 스트립이 유입됩니다. 연도 가스가 흡수탑을 통해 상승하면서 하강하는 아민 용액과 접촉합니다. 그러면 연도 가스의 CO₂가 아민 분자와 가역성 결합을 형성하여 가스 스트림에서 제거됩니다.

이산화탄소 함유 아민 용액 이동: 이산화탄소 함유 아민 용액은 탈착탑 또는 재생탑이라고 하는 또 다른 탑으로 펌핑됩니다. 후속 재생 단계의 효율성을 보장하기 위해 Raman 분광 장비를 사용해 이 스트림을 꼼꼼하게 측정합니다.

탈착탑에서 이산화탄소 함유 아민 용액을 증기 주입을 통해 약 110°C/230°F까지 가열합니다. 이 열은 아민과 이산화탄소 사이의 결합을 끊습니다. 이제 이산화탄소가 고갈된 재생된 아민 용액이 재생탑의 하단으로 흐릅니다.

아민 용액 냉각 및 재순환: 재생된 뜨거운 아민 용액은 열교환기를 통과하여 열의 일부를 이산화탄소 함유 용액으로 전달하고 에너지 효율을 개선합니다. 추가 냉각을 통해 아민 용액을 이산화탄소 흡수를 위한 최적의 온도로 되돌리고, 냉각된 아민 용액을 흡수탑 상단으로 다시 펌핑하여 사이클을 반복합니다.

수송 또는 저장이 용이해지도록 재생탑 상단에서 배출되는 이산화탄소를 압축해 밀도를 높입니다. 종종 TDLAS 계기를 사용해 이 배출 스트림의 순도를 분석합니다. 사용 목적에 따라 오염 물질을 제거하기 위해 이산화탄소가 추가 정제 단계를 거칠 수 있습니다.

아민 가스 처리는 일반적으로 90%를 넘는 CO₂ 포집 효율을 보입니다. 그러나 재생은 특히 에너지 집약적이며 프로세스 전반에 걸쳐 사용된 아민 용액은 시간이 지남에 따라 변성되어 보충이 필요합니다. 연구자들은 산업 프로세스에서 발생하는 폐열을 사용하는 등 더욱 에너지 효율적인 재생 방법을 모색하여 이러한 문제를 해결하기 위해 노력하고 있습니다. 또한 열 안정성과 변성 저항성이 높은 더 강한 아민 용액을 개발하고 있습니다.

멤브레인 기반 탄소 포집은 많이 사용되지는 않는 방법으로 특수 멤브레인의 선택적 투과성을 활용해 연도 가스 스트림에서 이산화탄소를 제거하는 방법입니다. 폴리머 또는 세라믹 소재로 구성된 멤브레인은 분자 게이트키퍼로 작용합니다. 이 멤브레인은 CO₂는 통과시키지만 다른 가스는 차단합니다. 이 방법의 가장 큰 장점은 고온 아민 가스 재생에 비해 에너지 요구량이 낮다는 것입니다.

주요 단계는 다음과 같습니다.

1. 연도 가스 전처리: 연도 가스는 멤브레인 시스템으로 들어가기 전에 여과와 스크러빙 같은 세척 프로세스를 거칩니다. 이 단계에서는 섬세한 멤브레인 기공을 막거나 손상시킬 수 있는 먼지, 입자상 물질 및 기타 불순물을 제거합니다. 연도 가스는 냉각되고 습도는 사용 중인 멤브레인 소재에 맞게 최적의 수준으로 조정됩니다. 이를 통해 효율적인 이산화탄소 분리를 보장하고 멤브레인 시스템 내에 응축물이 쌓이는 것을 방지합니다.
2. 멤브레인 분리: 전처리된 연도 가스는 선택적 차단막으로 작용하는 멤브레인을 통과합니다. 분자 크기, 구조, 멤브레인 소재와의 친화성의 차이로 인해 이산화탄소 분자는 질소와 같은 다른 기체보다 빠르게 멤브레인을 통과하며, 그 결과로 두 가지 생성 가스 스트림, 즉 투과액과 농축액이 생성됩니다. 이산화탄소가 함유된 투과액은 멤브레인을 통과한 후 추가 처리를 위해 수거됩니다. 이산화탄소가 제거된 농축액은 남은 가스를 함유하고 있습니다. 이 가스는 대기 중으로 방출되거나 1차 산업 프로세스로 다시 이동합니다.
3. 이산화탄소 압축 및 컨디셔닝: 수송 또는 저장이 용이해지도록 이산화탄소 함유 투과액 스트림을 압축해 밀도를 높입니다. 사용 목적에 따라 오염 물질을 제거하기 위해 이산화탄소가 추가 정제 단계를 거칠 수 있습니다.

멤브레인 시스템은 에너지 요구량이 낮을 뿐만 아니라 설치 공간이 작기 때문에 공간이 제한된 환경에 설치하기에 이상적입니다. 그러나 멤브레인 기반 포집은 아민 처리보다 효율성이 떨어지고, 가스 스트림 조성, 압력 및 온도의 미세한 변화가 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

아민 처리와 멤브레인 기반 기술은 현재 대규모로 사용되고 있는 유일한 연소 후 탄소 포집 방법이지만, 연구자들은 다른 접근법도 모색하고 있습니다.

그 중 첫 번째는 직접 공기 포집(DAC)으로, 주변 공기에서 직접 이산화탄소를 포집하는 방식입니다. 이 방법은 이산화탄소와 화학적으로 결합하는 고체 아민이나 수산화물 용액 같은 특수한 흡착제를 통해 공기를 흡입하는 고성능 팬을 사용합니다. 흡착제가 포화되면 가열하여 포집된 이산화탄소를 방출한 다음 활용 또는 저장을 위해 수거합니다.

DAC는 자동차 및 기타 배출원에서 배출되는 이산화탄소를 포집할 수 있는 잠재적인 방법을 제공합니다. 그러나 흡착제 부서짐, 점원 포집 기술에 비해 높은 에너지 요구량과 비용, 의미 있는 탄소 포집을 달성하기 위한 대규모 구축의 필요성 등 높은 도입 장벽에 직면해 있습니다.

바이오매스를 연료원으로 사용하는 연구도 진행되고 있습니다. 나무와 같은 바이오매스는 성장하면서 대기 중의 이산화탄소를 흡수합니다. 나중에 연소 중에 방출되는 이산화탄소를 포집하면 효과적으로 네거티브 배출을 달성할 수 있습니다. 그러나 바이오매스를 재배하려면 넓은 면적과 수자원이 필요하며 지속 가능한 조달 관행에 대한 진지한 고려가 필요합니다.

연소 후 탄소 포집의 광범위한 도입은 포집뿐만 아니라 활용 및 저장과 관련된 기술적, 경제적 장애물을 극복하는 데 달려 있습니다. 아민 가스 처리는 매우 효율적이지만, 상당한 에너지 투입과 사용되는 용매의 정기적인 유지관리가 필요합니다. 반면 멤브레인 기반 포집은 에너지 요구량은 낮지만 효율성이 떨어집니다. 또한 두 프로세스 모두 비용이 많이 듭니다.

산업계가 탄소중립 목표 달성을 위해 노력하는 가운데 전략적 다각화가 필수 요소가 되고 있습니다. 이러한 목표를 달성하려면 프로세스 최적화, 전반적인 에너지 효율성 개선, 재생 가능 자원의 채택, 탄소 포집을 위한 노력이 종합적으로 필요합니다. 각 전략의 환경적, 기술적, 경제적 절충점을 모색하는 것은 향후 전반적인 산업 지속 가능성을 향상시키는 데 매우 중요합니다.