Techno-Economic Assessment and Equation-Oriented Model-based Optimization of Carbon Capture, Utilization, and Storage Processes

국문 초록 (Abstract)

탄소 포집, 활용 및 저장(CCUS) 기술은 온실가스 순배출 제로(Net-Zero)를 달성하기 위한 필수 불가결한 수단으로 간주된다. 특히 단기간 내에 화석 연료 기반 인프라를 완전히 대체하는 것이 기술적, 경제적으로 어렵다는 점을 고려할 때 그 중요성은 더욱 부각된다. 본 학위 논문은 (1) 배연탈황(FGD) 석고를 활용한 이산화탄소 광물 탄산화 공정과 (2) 이산화탄소 포집을 위한 칼슘 루핑(CaL) 시스템이라는 두 가지 대표적인 공정 경로에 대해 상세 공정 설계, 기술-경제성 평가(TEA) 및 최적화를 수행함으로써, CCUS의 실질적인 도입 경로를 제안하고자 한다. 첫째, FGDG, 암모니아, 이산화탄소를 활용하는 광물 탄산화 공정을 설계하고 그 경제적 타당성을 평가한다. 전체 FGDG-NH4OH-CO2 시스템을 모델링한 연간 30만 톤 규모의 상용 플랜트에 대해 경제성을 분석한 결과, 기본 시나리오에서 연간 균등화 순이익(LNP)은 391만 USD/yr로 산출되며, 이는 43 USD/tCO2에 해당한다. 민감도 분석 결과, 수익성은 암모니아 가격의 안정성에 크게 의존하며, 이어 수행된 시나리오 분석 결과는 다음과 같다. (1) FGDG를 무상으로 공급받을 경우 𝐿𝑁𝑃 는 74.8% 증가한다. (2) 암모니아 단가 상승은 부산물인 황산암모늄의 가치 상승으로 이어져 오히려 수익을 증대시키는 결과를 보인다. (3) 2027~2030년의 탄소배출권 가격(KAU 및 EUA)을 적용할 경우, 수익성은 최대 1,330만 USD/yr(144 USD/tCO2)까지 급증하여 기본 시나리오 대비 최대 241%까지 경제성 추가 확보가 가능함이 확인된다. 둘째, 칼슘 루핑(CaL) 시스템의 주요 한계인 순환 안정성 저하 문제를 해결하기 위해, 방정식 기반(Equation-Oriented, EO)의 다중 스케일 모델링 및 최적화 프레임워크를 적용한다. 입자, 유체 역학, 단위 장치 및 공정
스케일을 통합하고, 특히 소성로(calciner)에 대한 정밀 모델링을 포함하여 운전 변수와 형상(geometry) 변수를 동시에 최적화한다. 그 결과, 99.6%의 CO2 포집 효율과 163.3억 USD/yr의 총 연간 비용을 달성하는 최적 해가 도출된다. 이러한 최적화를 통해 기존 연구 대비 열 부하(heat duty)를 약 12.3% 감소시켰으며, 연간 비용은 0.49% 절감한다. 특히, 다중 사이클 운전 시 흡착제 전환율은 기존 문헌 대비 20 사이클에서 148.4%, 100 사이클에서 77.3.% 향상되는 획기적인 개선을 보인다. 민감도 분석 결과, 소성로 온도 (𝑇𝑐𝑎𝑙𝑐 ) 증가 및 형상 변수 (𝐷𝑐𝑎𝑙𝑐 , 𝐷𝑐𝑎𝑟𝑏 ) 조절이 고효율과 경제성을 동시에 달성하는 가장 효과적인 전략임이 입증되었다. 결론적으로, 본 연구는 폐기물 업사이클링 광물 탄산화 공정과 최적화된 CaL 시스템 모두 기술적 성능 확보와 동시에 경제적 타당성을 달성할 수 있음을 입증한다. 이러한 연구 결과는 다양한 시장 및 정책 조건 하에서 CCUS 기술 상용화를 위한 구체적인 가이드라인을 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Carbon Capture, Utilization, and Storage (CCUS) technologies are regarded as indispensable means for achieving Net-Zero greenhouse gas emissions. Their importance is particularly highlighted considering that completely replacing fossil fuel-based infrastructure within a short timeframe remains technically and economically challenging. This study aims to propose practical deployment pathways for CCUS by performing detailed process design, techno-economic assessment (TEA), and optimization for two representative process routes: (1) a CO2 mineral carbonation process utilizing flue gas desulfurization (FGD) gypsum, and (2) a Calcium Looping (CaL) system for CO2 capture. First, a mineral carbonation process utilizing FGD gypsum, ammonia, and CO2 is designed, and its economic feasibility is evaluated. Economic analysis of a commercial-scale plant (300,000 tonne/yr) modeling the entire FGDG-NH4OH-CO2 system is conducted using a rigorous discounted cash flow (DCF) analysis. The results reveal that under the base case scenario, the Annual Levelized Net Profit (LNP) is estimated at 3.91 million USD/yr, corresponding to 43 USD/tCO2. Sensitivity analysis indicates that profitability relies heavily on the stability of ammonia prices. The subsequent scenario analysis yields the following results: (1) Assuming a free supply of FGDG, the LNP increases by 74.8%. (2) An increase in ammonia unit price leads to a higher value of the byproduct, ammonium sulfate, paradoxically resulting in increased profits. (3) Applying projected carbon credit prices (KAU and EUA) for 2027–2030, profitability surges to a maximum of 13.3 million USD/yr (144 USD/tCO2), confirming a potential economic enhancement of up to 241% compared to the base scenario. Second, to address the issue of cyclic stability degradation—a primary limitation of CaL systems—an Equation-Oriented (EO) multi-scale modeling and optimization framework is applied. This approach integrates particle, hydrodynamic, unit, and process scales, and simultaneously optimizes operating and geometry variables, incorporating rigorous modeling of the calciner to overcome the limitations of conventional Sequential Modular (SM) approaches. Consequently, an optimal solution achieving 99.6% CO₂ capture efficiency and a Total Annual Cost of 16.33 billion USD/yr is derived. Through this optimization, the heat duty is reduced by approximately 12.3%, and the annual cost is lowered by 0.49% compared to prior studies. Notably, sorbent conversion during multi-cycle operation demonstrates remarkable improvements of 148.4% at 20 cycles and 77.3% at 100 cycles compared to existing literature. Sensitivity analysis confirms that increasing the calciner temperature (𝑇𝑐𝑎𝑙𝑐) and adjusting geometry variables (𝐷𝑐𝑎𝑙𝑐 , 𝐷𝑐𝑎𝑟𝑏) are the most effective strategies for simultaneously achieving high efficiency and economic viability. In conclusion, this study demonstrates that both the waste-upcycling mineral carbonation process and the optimized CaL system can achieve technical performance while securing economic feasibility. These findings provide specific guidelines for the commercialization of CCUS technologies under diverse market and policy conditions.

목차 (Table of Contents)

• Abstact i
• Table of Contents iv
• List of Tables vii
• List of Figures ix
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Background 1
• 1.2. Mineral carbonation process using FGD gypsum 2
• 1.3. Calcium looping system for CO2 capture 7
• Chapter 2. Design and economic evaluation of MC process using FGDG 13
• 2.1. Process description 13
• 2.1.1. System configuration 13
• 2.1.2. Reaction mechanism 15
• 2.1.3. Process and equipment design calculations 18
• 2.1.4. Mineral carbonation reactor 29
• 2.1.5. Ammonia scrubber 29
• 2.1.6. Crystallizer 30
• 2.2. Techno-economic analysis 31
• 2.2.1. Capital cost 31
• 2.2.2. Operating cost 36
• 2.2.3. Raw materials and products 44
• 2.3. Results and discussion 48
• 2.3.1. Economic performance 48
• 2.3.2. Case 1. Impact of free vs paid supply of FGDG 56
• 2.3.3. Case 2. Impact of anhydrous ammonia price variation 58
• 2.3.4. Case 3. Application of various carbon credit scenarios 62
• 2.3.5. Sensitivity analysis 65
• Chapter 3. Equation-oriented modeling and optimization of CaL system 68
• 3.1. Process description 68
• 3.1.1. Carbonation 70
• 3.1.2. Calcination 71
• 3.2. Multi-scale modeling framework 72
• 3.2.1. Particle scale 76
• 3.2.2. Hydrodynamic scale 81
• 3.2.3. Unit scale 84
• 3.2.4. Process scale 89
• 3.3. Equation-oriented optimization framework 90
• 3.3.1. Capital cost 90
• 3.3.2. Operating and maintenance cost 93
• 3.3.3. Optimization formulation 94
• 3.3.4. Multi-cycle performance evaluation 98
• 3.4. Results and discussion 99
• 3.4.1. Simulation results 99
• 3.4.2. Optimization results 105
• 3.4.3. Sensitivity analysis 109
• Chapter 4. Conclusion 116
• Reference. 118
• 국문초록 135