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* 아민 세척, 1930년에 특허를 받은 분리 원리
* 노르웨이 해안 Sleipner 프로젝트, 생산된 천연가스에서 CO2 분리, 수중 염으로 형성 공급
* 국제 에너지 기구(IEA), 고농축 배기 가스 비용 포집된 CO2 톤당 약 15~25달러에 불과
* 시멘트, 철강 산업에서 발생하는 연기 가스: 배기 가스에 약 15~30%의 CO2가 포함돼 CO2 톤당 미화 120달러까지 증가할 수 있다.

액체 흡수제를 사용한 CO2 분리

다양한 가스의 혼합물에서 CO2를 어떻게 분리합니까? 

이 질문은 탄소 포집의 핵심이며 온실 가스 분리 비용도 상당 부분 결정한다.

CO2 함량이 높을수록 더 쉽게
CO2를 포집하는 가장 쉬운 방법은 에탄올이나 암모니아를 생산하는 공장과 천연 가스 처리에서이다. 여기에서 가스는 몇 가지 다른 구성 요소와 혼합되고 배기 가스에서 차지하는 비율은 일반적으로 80% 이상이다. 가장 간단한 경우, 물리적 방법으로 CO2를 분리하는 것으로 충분하다. 예를 들어 극저온 증류에 의해 기체가 서로 다른 응축 거동에 따라 "동결"돼 분리된다. 

▲ 바이오매스 또는 화석 연료 발전소에서 배출되는 이산화탄소의 육상 및 지질 격리를 보여주는 개략도. 렌더링(rendering): LeJean Hardin 및 Jamie Payne. 출처 : http://www.ornl.gov/info/ornlreview/v33_2_00/research.htm

석유 및 가스 산업에서 CO2 포집 공정은 1970년대부터 사용돼 왔지만 이것은 기후 보호와는 아무 관련이 없다. 탄소 포집은 여기에서 매우 실용적인 필요이기 때문이다. 한편으로는 전달되기 전에 전달되는 가스의 CO2 함량을 줄여 메탄을 정화하는 역할을 한다. 반면에 지하에 남아 있는 천연 가스를 제거하고 배출하려면 CO2 가스가 필요하다.

아민 세척 – 클래식

이 CO2 분리를 위한 선택 방법은 일반적으로 모노에탄올아민(C2H7NO)을 사용한 아민 스크러빙이다. 이미 1930년에 특허를 받은 이 분리 원리를 사용하면 아민 흡수제의 미세하게 분할된 방울이 분무되는 용기를 통해 세정할 가스가 증가된 압력 하에서 흐른다. CO2는 먼저 물에 용해된 다음 모노에탄올아민과의 화학 반응을 통해 결합된다. 나머지 가스(예: 메탄)는 결과적으로 청소된다.

▲ CO2 분리를 위한 선택 방법은 일반적으로 모노에탄올아민(C2H7NO)을 사용한 아민 스크러빙이다.

두 번째 단계에서는 결합된 CO2가 포함된 아민 용액을 더 낮은 압력에서 가열하고 감압한다. 이것은 CO2가 다시 방출되고 추가 처리 또는 저장될 수 있는 반대 반응을 선호한다. 아민은 또한 전환되어 세척에 다시 사용할 수 있다. 사이클이 닫힌다.

이러한 아민 세정의 도움으로 노르웨이 해안의 Sleipner 프로젝트는 무엇보다도 생산된 천연 가스에서 CO2를 분리하고 이를 수중 염 형성으로 공급한다. 1996년에 시작된 CO2 포집 및 저장(CCS) 프로젝트는 현재 이러한 방식으로 1600만 톤 이상의 CO2를 분리 및 저장했다.

▲ 아민 세정의 도움으로 노르웨이 해안의 Sleipner 프로젝트는 무엇보다도 생산된 천연 가스에서 CO2를 분리하고 이를 수중 염 형성으로 공급한다.

연도 가스(flue)로 인해 더 어렵다.

그러나 문제는 아민 스크러빙이 CO2 수준이 높은 비교적 깨끗한 배기 가스에 매우 적합하다는 것이다. 그러나 대부분의 산업 플랜트 및 발전소의 배기가스는 질소 산화물(NOx)과 황(SOx)을 포함하는 가스를 비교적 많이 포함하기 때문에 이러한 요구 사항을 충족하지 않는다.

이러한 가스와 산소는 아민과 반응해 CO2 결합 효율을 감소시킨다.
흡수 장치는 지속적으로 손실되고 있으며 교체해야 한다. 이를 방지하려면 탄소 포집이 적용되기 전에 배기 가스를 먼저 탈황하고 질소 산화물을 제거해야 한다.

또한, 출발 가스에 포함된 CO2가 적을수록 에너지가 더 많이 소모되고 분리 비용이 더 많이 든다. 국제 에너지 기구(IEA)의 추정에 따르면 천연 가스 처리와 같은 고농축 배기 가스 비용은 포집된 CO2 톤당 약 15~25달러에 불과하다. 시멘트 또는 철강 산업에서 발생하는 연도 가스의 경우 배기 가스에 약 15~30%의 CO2가 포함되어 있기 때문에 CO2 톤당 미화 120달러까지 증가할 수 있다.

발전소에서는 테스트 단계

발전소에서 나오는 고도로 "희석된" 가스 흐름의 경우 모든 것이 훨씬 더 비싸다.
일반적으로 15% 미만의 CO2를 포함한다. 혼합물에서 이 가스를 가능한 한 완전히 분리하려면 선택적 흡수를 크게 증가시켜야 하고 아민 용매에서 CO2를 탈착하는 것도 에너지 집약적이다. 이전 테스트에 따르면 이러한 형태의 탄소 포집은 발전소의 효율성을 최대 15%까지 감소시킨다.

따라서 일상적인 작동에서 CO2를 포집하는 더 큰 상업용 발전소가 전 세계에 단 두 곳뿐이라는 것은 놀라운 일이 아니다. 그 중 하나는 캐나다 Saskachewan에 있는 Boundary Dam 갈탄 발전소로, 2014년에 CCS용 4개 장치 중 하나에 아민 세정 시스템을 추가했다.

연간 최대 백만 톤의 CO2를 포집했다고 알려졌다.
그러나 이 시스템은 고장이 나기 쉽고 수익성이 좋지 않아 운영자는 이제 남은 단위를 같은 방식으로 변환하지 않을 것이라고 발표했다.
독일의 여러 발전소는 약 10년 전에 연소 후 분리를 위한 파일럿 시스템을 실험했다. 

▲ 발전소에서 아민 스크러빙을 사용한 CO2 포집은 더 복잡하다. 라인란트의 Niederaussem 갈탄  발전소에서 몇 년 동안 테스트되었다.  © Oliver Oltmanns / 게티 이미지

이러한 아민 스크러빙 테스트 시설의 대부분은 더 이상 운영되지 않는다. 유일한 예외는 Niederaussem 갈탄 발전소다. 2009년부터 아민 스크러빙을 통해 발전소 블록에서 CO2의 일부를 분리해 왔다. 다양한 아민 용액이 적합성과 효율성에 대해 테스트된다. 일부 변형은 모노에탄올아민을 사용한 기존 아민 스크러빙보다 20% 더 낮은 에너지 소비를 달성했다고 한다. (계속)

[더사이언스플러스]

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