10MW급 연소후 습식아민 CO₂ 포집기술 개발현황

곽노상(No-Sang Kwak),고현신(Hyun-Shin Ko),이지현(Ji Hyun Lee),이정현(Junghyun Lee),이동욱(Dong Woog Lee),심재구(Jae-Goo Shim) 한국에너지기후변화학회 2016 한국에너지기후변화학회 학술대회 Vol.2016 No.5

이산화탄소 흡수제의 화학구조별 반응열량 특성 연구

곽노상 ( No Sang Kwak ),이지현 ( Ji Hyun Lee ),엄용석 ( Yong Seok Eom ),김준한 ( Jun Han Kim ),이인영 ( In Young Lee ),장경룡 ( Kyung Ryoung Jang ),심재구 ( Jae Goo Shim ) 한국화학공학회 2012 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.50 No.1

반응열량계를 사용하여 1, 2, 3차 아민 수용액과 이산화탄소의 반응열을 각각 측정하였다. 이를 통해 MEA(monoethanolamine, 1차 아민), EAE(2-(ethylamino) ethanol, 2차 아민), MDEA (N-methyldiethanolamine, 3차 아민) 30 wt% 수용액이 40 oC에서 이산화탄소와 반응시 발생하는 반응열을 측정하고 이를 CO2의 loading ratio에 따라 어떻게 변화하는지 평가하였다. 또한, 입체장애 구조를 가지는 AMP(2-amino-2-methyl-1-propanol, 1차 아민), DEA(diethanolamine, 2차 아민), TEA(triethanolamine, 3차 아민) 30 wt% 수용액의 반응열을 각각 측정하여 입체장애 구조가 반응열에 미치는 영향을 살펴보았다. 그 결과, 흡수제의 입체장애 유무와 관계없이 1차 > 2차 > 3차 아민 순으로 반응열이 증가함을 확인하였다. 그리고 입체장애 아민이 동일 차수의 비 입체장애 아민보다 상대적으로 반응열이 낮지만 그 차이는 크지 않음을 확인하였다.

신 흡수제(KoSol-4)를 적용한 10MW급 CO₂ 포집 Pilot Plant 성능시험

곽노상(No-Sang Kwak),이동욱(Dong Woog Lee),이지현(Ji Hyun Lee),이인영(In Young Lee),장경룡(Kyung Ryoung Jang),심재구(Jae-Goo Shim) 한국에너지기후변화학회 2015 에너지기후변화학회지 Vol.10 No.1

KEPCO 전력연구원에서 개발한 고효율 아민계 습식 CO₂ 흡수제(KoSol-4)를 적용하여 Pilot Plant 성능시험을 수행하였다. 500MW급 석탄화력발전소에서 발생되는 연소 배가스의 1/50을 적용하여 하루 200톤의 CO₂를 처리할 수 있는 연소후 CO₂ 포집기술의 성능을 확인하였으며 또한 국내에서는 유일하게 재생에너지 소비량을 실험적으로 측정함으로써 KoSol-4 흡수제의 성능에 대한 신뢰성 있는 데이터를 제시하고자 하였다. 그리고 흡수탑 인터쿨링 및 린-리치아민 열교환기 효율 향상에 따른 에너지 저감 효과를 테스트하였다. 흡수탑에서의 CO₂ 제거율은 국제에너지기구 산하 온실가스 프로그램(IEA-GHG)에서 제시하는 CO₂ 포집기술 성능평가 기준치(CO₂ 제거율: 90%)를 안정적으로 유지하였다. 또한 흡수제(KoSol-4)의 재생을 위한 스팀 사용량(재생에너지)은 2.8 GJ/tonCO₂이 소비되는 것으로 산출되었는데 이는 기존 상용 흡수제(MEA, Monoethanolamine)의 평균 재생에너지 수준(약 4.0 GJ/tonCO₂) 대비 약 30% 이상 저감된 수치이다. 본 연구를 통해 KEPCO 전력연구원에서 개발한 KoSol-4 흡수제 및 CO₂ 포집 공정의 우수한 CO₂ 포집 성능을 확인할 수 있었고, 향후 본 연구에서 성능이 확인된 고효율 흡수제(KoSol-4)를 실증급 CO₂ 포집플랜트에 적용 할 경우 CO₂ 포집비용을 크게 낮출 수 있을 것으로 기대되었다.

안정 상태 시각 유발 전위를 이용한 착용형 로봇 제어

곽노상(No-Sang Kwak),이성환(Seong-Whan Lee) 한국정보과학회 2014 한국정보과학회 학술발표논문집 Vol.2014 No.6

심층 신경망을 이용한 TBM 데이터 기반의 굴착 지반 예측 연구

김태환,곽노상,김택곤,정사범,고태영,Kim, Tae-Hwan,Kwak, No-Sang,Kim, Taek Kon,Jung, Sabum,Ko, Tae Young 한국터널지하공간학회 2021 한국터널지하공간학회논문집 Vol.23 No.1

암반 및 연약지반을 포함한 다양한 지반 조건에서 TBM (Tunnel Boring Machine) 터널링이 활용되고 있다. 굴착 성능을 높이기 위해서 지반 조건에 따라 최적으로 장비를 운영해야 하며, 이를 통해 공기단축을 통한 비용 절감 효과를 기대할 수 있다. 하지만 시추 조사를 통해 획득한 지반 정보는 시추공 사이 불확실성이 존재하므로, 실시간 최적 운전에 부족함이 있다. 본 연구에서는 지반의 불확실성 문제를 해결하고자 5초마다 기록된 TBM 데이터를 활용하여 굴착 지반 예측시스템을 구축하고자 한다. 싱가포르 현장에서 획득한 화강암의 풍화도를 고려하여 암반, 토사, 복합지반 세 가지로 지질로 재분류하였고, 실시간으로 도출되는 기계 데이터로 이를 예측하고자 한다. 현장에서 획득한 TBM 데이터에 대해 이상치 제거, 정규화, 특성 추출 등의 전처리 방법을 적용하였고, 지질을 분류하기 위해 6개의 은닉층을 가진 심층 신경망(Deep Neural Network, DNN)을 활용하였다. 10겹 교차검증을 통해 분류 시스템을 평가한 결과, 평균 75.4%의 정확도를 확인하였다(총 데이터 388,639개). 본 연구를 통해 지질 불확실성을 감소시키고, 지반 조건에 따른 실시간 최적 운전에 도움이 될 것으로 판단된다. Tunnel boring machine (TBM) is widely used for tunnel excavation in hard rock and soft ground. In the perspective of TBM-based tunneling, one of the main challenges is to drive the machine optimally according to varying geological conditions, which could significantly lead to saving highly expensive costs by reducing the total operation time. Generally, drilling investigations are conducted to survey the geological ground before the TBM tunneling. However, it is difficult to provide the precise ground information over the whole tunnel path to operators because it acquires insufficient samples around the path sparsely and irregularly. To overcome this issue, in this study, we proposed a geological type classification system using the TBM operating data recorded in a 5 s sampling rate. We first categorized the various geological conditions (here, we limit to granite) as three geological types (i.e., rock, soil, and mixed type). Then, we applied the preprocessing methods including outlier rejection, normalization, and extracting input features, etc. We adopted a deep neural network (DNN), which has 6 hidden layers, to classify the geological types based on TBM operating data. We evaluated the classification system using the 10-fold cross-validation. Average classification accuracy presents the 75.4% (here, the total number of data were 388,639 samples). Our experimental results still need to improve accuracy but show that geology information classification technique based on TBM operating data could be utilized in the real environment to complement the sparse ground information.

국내 포집기술 확보 현황 및 대용량 실증계획

심재구(Jae Goo Shim),곽노상(No-Sang Kwak),이지현(Ji Hyun Lee),이인영(In Young Lee),이동욱(Dong Woog Lee),장경룡(Kyung Ryong Jang) 대한지질학회 2015 대한지질학회 학술대회 Vol.2015 No.10

국내 초임계 석탄화력발전소에 연소 후 CO2 포집공정 설치 시 성능 및 경제성 평가

이지현 ( Ji Hyun Lee ),곽노상 ( No Sang Kwak ),이인영 ( In Young Lee ),장경룡 ( Kyung Ryoung Jang ),심재구 ( Jae Goo Shim ) 한국화학공학회 2012 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.50 No.2

In this study, Economic analysis of supercritical coal-fired power plant with CO2 capture process was performed. For this purpose, chemical absorption method using amine solvent, which is commercially available and most suitable for existing thermal power plant, was studied. For the evaluation of the economic analysis of coal-fired power plant with post-combustion CO2 capture process in Korea, energy penalty after CO2 capture was calculated using the power equivalent factor suggested by Bolland et al. And the overnight cost of power plant (or cost of plant construction) and the operation cost reported by the IEA (International Energy Agency) were used. Based on chemical absorption method using a amine solvent and 3.31 GJ/tonCO2 as a regeneration energy in the stripper, the net power efficiency was reduced from 41.0% (without CO2 capture) to 31.6% (with CO2 capture) and the levelized cost of electricity was increased from 45.5 USD/MWh (Reference case, without CO2 capture) to 73.9 USD/MWh (With CO2 capture) and the cost of CO2 avoided was estimated as 41.3 USD/tonCO2.

CO₂ 포집용 아민 흡수제에서 탄산무수화 효소가 CO₂ 흡수에 미치는 영향

이인영(In-Young Lee),곽노상(No-Sang Kwak) 대한환경공학회 2017 대한환경공학회지 Vol.39 No.11

연소후 아민 CO₂ 포집공정에서 탄산수화 효소의 첨가에 따른 다양한 아민 흡수제의 CO₂ 흡수에 미치는 영향과 반응열을 평가하였다. 30 wt%의 MEA, AMP, DMEA, MDEA 수용액에 소의 적혈구에서 추출한 탄산무수화 효소 250 ㎎/L 첨가한 후 흡수속도를 분석한 결과, 모든 흡수제에서 CO₂ 흡수속도가 증가하였다. 특히, 1차아민인 MEA와 입체장애아민인 AMP보다는 3차아민인 DMEA와 MDEA에서 속도증진 효과가 컸다. 반응열량계를 이용하여 탄산무수화 효소 첨가후 흡수제(MEA, DMEA, MDEA)와 CO₂ 사이의 화학 반응 시 발생하는 반응열을 측정한 결과 효소 촉매의 첨가로 모든 흡수제의 반응열량이 낮아짐을 확인할 수 있었다. 특히, 연소후 아민 흡수제를 이용하는 이산화탄소 포집공정에 탈기 성능이 우수한 3차 아민 계열의 흡수제가 탄산무수화 효소 촉매 적용에 유리한 흡수제이며 이중 MDEA에서 효과가 가장 큼을 알 수 있었다. The effect of carbonic anhydrase on CO₂ absorption rates and the heat of reaction were evaluated in various amine solutions for post combustion CO₂ capture process. The CO₂ absorption rate was analyzed in 30 wt% MEA, AMP, DMEA, MDEA aqueous solutions with and without carbonic anhydrase (250 mg/L) from bovine erythrocyte. CO₂ absorption rates were increased in all solutions with carbonic anhydrase. The effect of carbonic anhydrase on absorption rates was more in tertiary amine (DMEA and MDEA) solutions than in primary amine (MEA) and hindered amine (AMP) solutions. The heat of reaction of MEA, DMEA, MDEA aqueous solutions with and without carbonic anhydrase were measured using reaction calorimeter. Carbonic anhydrase decreased the heat of absorption in all solutions. The results suggested that tertiary amines that have the excellent desorption ability were suitable for applying carbonic anhydrase to the post combustion CO₂ capture process and the effect of carbonic anhydrase was best in MDEA solution.

치환기 특성에 따른 아민흡수제와 CO₂의 반응특성 평가

심재구,이정현,정진규,곽노상,Shim, Jae-Goo,Lee, Junghyun,Jung, Jin-Kyu,Kwak, No-Sang 한국전력공사 2020 KEPCO Journal on electric power and energy Vol.6 No.3

The reaction of carbon dioxide with the amine-based absorbents which have various substituents in the molecule was described. In the case of MEA which is a representative primary amine, the absorption reaction was proceeded very fast while the regeneration reaction was took place slowly due to the strong bond strength between the absorbent and carbon dioxide. The more substituents on N atom of the absorbent, the slower the absorption reaction between carbon dioxide and the absorbent, which in turn causes faster the regeneration rate from the reaction intermediate, carbamate.

신 흡수제(KoSol-5)를 적용한 0.1 MW급 Test Bed CO₂ 포집 성능시험

이정현,김범주,신수현,곽노상,이동욱,이지현,심재구,Lee, Junghyun,Kim, Beom-Ju,Shin, Su Hyun,kwak, No-Sang,Lee, Dong Woog,Lee, Ji Hyun,Shim, Jae-Goo 한국공업화학회 2016 공업화학 Vol.27 No.4

한전 전력연구원에서 개발한 고효율 아민계 습식 $CO_2$ 흡수제(KoSol-5)를 적용하여 0.1 MW급 Test Bed $CO_2$ 포집 성능시험을 수행하였다. 500 MW급 석탄화력발전소에서 발생되는 연소 배가스를 적용하여 하루 2톤의 $CO_2$를 처리할 수 있는 연소 후 $CO_2$ 포집기술의 성능을 확인하였으며 또한 국내에서는 유일하게 재생에너지 소비량을 실험적으로 측정함으로써 KoSol-5 흡수제의 성능에 대한 신뢰성 있는 데이터를 제시하고자 하였다. 그리고 주요 공정변수 운전 및 흡수탑 인터쿨링 효율 향상에 따른 에너지 저감 효과를 테스트하였다. 흡수탑에서의 $CO_2$ 제거율은 국제에너지기구 산하 온실가스 프로그램(IEA-GHG)에서 제시하는 $CO_2$ 포집기술 성능평가 기준치($CO_2$ 제거율: 90%)를 안정적으로 유지하였다. 또한 흡수제(KoSol-5)의 재생을 위한 스팀 사용량(재생에너지)은 $2.95GJ/tonCO_2$가 소비되는 것으로 산출되었는데 이는 기존 상용 흡수제(MEA, Monoethanol amine)의 평균 재생에너지 수준(약 $4.0GJ/tonCO_2$) 대비 약 26% 저감 된 수치이다. 본 연구를 통해 한전 전력연구원에서 개발한 KoSol-5 흡수제 및 $CO_2$ 포집 공정의 우수한 $CO_2$ 포집 성능을 확인할 수 있었고, 향후 본 연구에서 성능이 확인된 고효율 흡수제(KoSol-5)를 실증급 $CO_2$ 포집플랜트에 적용할 경우 $CO_2$ 포집비용을 크게 낮출 수 있을 것으로 기대된다. The absorption efficiency of amine $CO_2$ absorbent (KoSol-5) developed by KEPCO research institute was evaluated using a 0.1 MW test bed. The performance of post-combustion technology to capture two tons of $CO_2$ per day from a slipstream of the flue gas from a 500 MW coal-fired power station was first confirmed in Korea. Also the analysis of the absorbent regeneration energy was conducted to suggest the reliable data for the KoSol-5 absorbent performance. And we tested energy reduction effects by improving the absorption tower inter-cooling system. Overall results showed that the $CO_2$ removal rate met the technical guideline ($CO_2$ removal rate : 90%) suggested by IEA-GHG. Also the regeneration energy of the KoSol-5 showed about $3.05GJ/tonCO_2$ which was about 25% reduction in the regeneration energy compared to that of using the commercial absorbent MEA (Monoethanolamine). Based on current experiments, the KoSol-5 absorbent showed high efficiency for $CO_2$ capture. It is expected that the application of KoSol-5 to commercial scale $CO_2$ capture plants could dramatically reduce $CO_2$ capture costs.