칼슘 루핑

Calcium looping

칼슘 루핑(CaL), 즉 재생 칼슘 사이클(RCC)은 2세대 탄소 포획 기술이다. 그것은 가장 발달된 형태의 탄산염 루프인데, 금속(M)이 탄산염 형태(MCO3)와 산화 형태(MO) 사이에서 역반응을 일으켜 발전이나 산업 공장에서 나오는 다른 기체로부터 이산화탄소를 분리한다. 칼슘순환 과정에서 두 종은 탄산칼슘(CaCO3)과 산화칼슘(CaO)이다. 포획된 이산화탄소는 저장소로 운반되어 석유회수 강화에 사용되거나 화학적 공급원료로 사용될 수 있다. 산화칼슘은 종종 흡착제라고 불린다.

칼슘 루핑은 아민 스크러빙과 같은 현재의 결합 후 포획 공정보다 효율적이고 독성이 덜한 대안인 만큼 개발되고 있다.[1] 시멘트 산업과의 통합에도 흥미로운 잠재력이 있다.[2][3]

기본개념

(1)

CaL에는 두 가지 주요 단계가 있다.[4]

  • 계산: 고체 탄산칼슘은 캘리너에 공급되며, 850-950 °C까지 가열되어 기체 이산화탄소와 고체 산화칼슘(CaO)으로 열분해된다. CO의2 거의 정수가 되는 스트림을 제거하고 정제하여 보관이나 사용에 적합하게 한다. 이것은 위의 방정식에서 '앞으로' 반응이다.
  • 탄산화: 고체 CaO는 캘리너에서 제거되어 카보네이터로 공급된다. 약 650 °C까지 냉각되며 CO2 농도가 낮거나 중간 정도인 연도 가스와 접촉한다. CaO와 CO는2 CaCO를3 형성하기 위해 반응하며, 따라서 연도 가스의 CO2 농도를 대기로 방출하기에 적합한 수준으로 감소시킨다. 이것은 위의 방정식에서 '뒤로' 반응이다.

탄산화란 거꾸로 석회화라는 점에 유의한다.

그 과정은 이론적으로 무한히 여러 번 수행될 수 있지만 산화칼슘 흡착제는 순환하면서 분해된다.[4] 이 때문에 시스템에서 일부 흡착제를 제거(청결)하고 신선한 흡착제(탄산염 형태)로 교체할 필요가 있다. 퍼지 스트림의 크기는 사이클을 도는 흡착제의 양과 비교하여 그 과정에 상당한 영향을 미친다.[5]

배경

Ca-looping 공정에서, 일반적으로 석회암에서 파생된 CaO 기반 흡착제는 방정식 (1)에 설명된 가역적 반응을 통해 반응하며 두 혈관 사이에서 반복적으로 순환된다.

앞으로 나아가는 내열 단계는 석회화라고 불리는 반면 뒤로 물러나는 발열 단계는 탄산화라고 불린다.

결합 후 CO2 포획을 위한 일반적인 Ca-looping 프로세스는 그림 1에 나타나 있으며, 그 다음에 더 자세한 설명이 뒤따른다.

CO를2 함유한 연도 가스는 탄산이 발생하는 첫 번째 용기(탄산화기)에 공급된다. 형성된 CaCO는3 다른 혈관(계산기)에 전달된다. 석회화는 이 단계에서 일어나며 재생된 CaO는 카보네이터로 빠르게 전달되어 순수한 CO 흐름을2 남긴다. 이 주기가 계속되면 CaO 흡착제는 지속적으로 신선한 (활성) 흡착제로 대체된다.[6] 캘리너로부터 고도로2 농축된 CO는 격리하기에 적합하며, 사용후 CaO는 시멘트 산업에서 가장 두드러지게 다른 곳에서 사용될 가능성이 있다. 석회화에 필요한 열은 아래 석탄의 옥시연결에 의해 제공될 수 있다.

석탄의 옥시 혼합: 연소에는 공기보다 순수한 산소가 사용되어 연도 가스 흐름에서 많은 양의 질소를 제거한다. 미립자 물질을 제거한 후 연도 가스는 수증기와 이산화탄소만2 더하고 그 외 다른 오염물질은 더 적다. 수증기를 제거하기 위해 연도 가스를 압축하고 대기 오염물질을 추가 제거하면 저장에 적합한 거의 순수한 CO2 흐름이 생성된다.

탄산화기의 작동온도는 탄산화 단계의 발열성 특성으로 인해 낮은 온도에서 더 높은 평형(최대) 포획량과 반응률의 감소 사이의 절충으로서 650~700 °C를 선택한다. 마찬가지로, 석회화기의 850 °C의 온도는 높은 온도에서의 석회화 증가율과 낮은 온도에서의 CaO 흡수제 분해율 감소 사이의 균형을 맞춘다.

공정설명

CaL은 일반적으로 가스 흐름과 흡착제 사이의 충분한 접촉을 보장하기 위해 이중 유동층 시스템을 사용하여 설계된다.[4][7][8][9][10][11][12] 캘리너와 카본레이터는 가스와 고체(예: 사이클론)를 분리하기 위한 관련 프로세스 장비가 있는 유동 침상이다. 석회화는 내열성 과정이며, 따라서 석회관에 열을 가해야 한다. 반대 반응인 탄산화는 발열성이므로 열을 제거해야 한다. 발열 반응은 약 650 °C에서 발생하며 내열 반응은 850-950 °C에서 발생하므로, 카본레이터로부터의 열을 직접 사용하여 계산기를 가열할 수는 없다.

카본레이터 내 고체 베드의 유체는 침대를 통해 연도 가스를 통과시킴으로써 달성된다. 캘리너에서는 회수된 CO2 중 일부가 시스템을 통해 재활용된다.[4] 에너지를 공급하기 위해 캘리너에서 연료를 태울 경우 일부 산소도 원자로를 통과할 수 있다.

캘리너에 에너지 공급

열은 직접 또는 간접적으로 내열 석회화 단계에 제공될 수 있다.

열을 직접 공급하려면 캘리너 자체에서 연료 연소가 필요하다(유체화된 침대 연소). 이는 일반적으로 옥시 연료 조건에서 수행되는 것으로 가정한다. 즉, 질소로 CO가2 희석되지 않도록 연료를 연소하는 데 공기보다 산소를 사용한다. 연소를 위한 산소 공급은 많은 전기를 사용한다; 다른 공기 분리 과정이 개발되고 있다.[13]

계산기에 열을 간접적으로 공급하는 것은 다음 중 하나를 포함한다.

  • 용기 외부 연료 연소 및 용기[14] 내부 에너지 전도
  • 다른 용기의 연료 연소 및 열 전달 매체 사용.[7]

간접적인 방법은 일반적으로 효율성이 떨어지지만 희석 방지를 위해 계산기 내에서 연소를 위한 산소 공급을 필요로 하지 않는다. 간접적 방법에서 연료 연소로 인한 연도 가스는 CaL 발전소가 카본레이터에 부착되어 CO를2 포획하기 위해 통과하는 과정에서 발생하는 연도 가스와 혼합될 수 있다.

카본레이터로부터의 에너지 회수

카본레이터의 열이 캘리너에 사용될 정도로 높은 온도는 아니지만, 관련된 고온(>600 °C)은 전기를 발생시키기 위한 비교적 효율적인 랭킨 사이클이 작동될 수 있음을 의미한다.[15]

업계 최고의 아민 스크러빙 CO2 포획 공정에서 발생하는 폐열은 최대 150 °C에서 방출된다는 점에 유의하십시오.[13] 이 열의 낮은 온도는 그것이 훨씬 적은 엑서지를 포함하고 있고 랭킨이나 유기 랭킨 사이클을 통해 훨씬 적은 전기를 발생시킬 수 있다는 것을 의미한다.

이 전기 발생은 전기가 추가 수익 흐름(또는 비용 절감)이기 때문에 저온 결합 후 포획 공정보다 CaL의 주요 이점 중 하나이다.

흡착제 분해

흡착제의 활성도는 실험실, 벤치 규모 및 시험 플랜트 시험에서 상당히 현저하게 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 저하는 아래와 같이 세 가지 주요 메커니즘에 기인한다.[4]

소모

산화칼슘은 잘 부서질 수 있다. 유화 침대의 경우, 산화칼슘 입자는 유화 침대의 다른 입자 또는 유화 침대가 들어 있는 용기의 다른 입자와 충돌할 때 분해될 수 있다.[8][9] 문제는 벤치 규모보다 시범 플랜트 시험에서[16] 더 큰 것으로 보인다.

황화

황화는 탄산화(<10분)에 비해 상대적으로 느린 반응(수시간)이므로 SO가2 CaO보다 CaCO와3 접촉할 가능성이 높다. 단, 두 가지 반응 모두 가능하며, 이하와 같다.

간접 황화: + + 1 + + 1 ->
직접 황화: + 2+ 1 ⟶ 4 + 2 {CaCO3 + + 1/2 ->+

황산칼슘은 CaO나 CaCO보다3 어금니 부피가 크기 때문에 입자 바깥쪽에 황화층이 형성되어 입자 안쪽으로 더 멀리 CaO에 의한 CO2 흡수를 막을 수 있다.[4] 더욱이 황산칼슘이 CaO와 SO와2 분리되는 온도는 상대적으로 높아 CaL에 존재하는 조건에서 황화의 가역성을 배제한다.

기술적 의미

칼슘 루핑 기술은 탄소 포획을 위한 아민 스크러빙에 비해 몇 가지 기술적 이점을 제공한다. 첫째로, 카본레이터와 캘리너 모두 기체 고체 접촉이 좋고 균일한 침대 온도 때문에 유동화된 침대 기술을 사용할 수 있다. 유동층 기술은 이미 대규모(460MWe) 대기압 및 가압 시스템이 존재하며 아민 스크러빙에 사용되는 용매 스크러빙 타워가 있어 집중적인 스케일업 필요성이 없다는 것이 대규모로 입증됐다.[17]

또한, 칼슘 순환 과정은 에너지 효율적이다. CaCO의3 내열 석회화에 필요한 열과 외부 온도에서 신선한 석회석의 온도를 높이는 데 필요한 열은 캘리너 내 연료의 옥시 연소를 통해 제공할 수 있다. O와2 N을2 분리하기 위해 추가 에너지가 필요하지만, 카본레이터 반응이 발열성이고 캘리너로부터의 CO를2 사용하여 증기 사이클을 구동할 수 있기 때문에 에너지 입력의 대부분을 회수할 수 있다. 고체 퍼지 열 교환기는 비활성화된 CaO로부터 에너지를 회수하고 캘리너로부터 석탄 재를 회수하는 데도 사용할 수 있다.[18] 그 결과, 전력 공정에는 비교적 적은 효율 벌금이 부과되는데, 여기서 효율 벌금은 CO2 압축, 공기 분리, 증기 발생에 대한 전력 손실을 말한다.[19] 연소 후 아민 포획으로 인한 9.5-12.5%에 비해 6-8% 포인트로 추정된다.[20]

Ca-looping 기술의 주요 단점은 여러 번의 석회화-탄산 사이클을 통해 CaO의 반응성이 감소한다는 것이다. 이는 탄산화 중 미세한 모공이 파슬파슬하고 영구적으로 닫히는 데 기인할 수 있다.

작은 모공 폐쇄

탄산화 단계는 초기 반응 속도가 갑자기 빨라지고 반응 속도가 느려지는 것이 특징이다(그림 2). 흡착제의 운반 용량은 CaO에서 CaCO로의3 완전한 전환을 위한 반응 정지계측과 관련하여 빠른 반응 속도의 기간에 반응한 CO2 몰의 수로 정의된다. 그림 2에서 볼 수 있듯이, 석회화 후의 질량은 일정하게 유지되지만, 탄산화 시 질량 변화 - 운반 용량은 많은 주기로 감소한다. 석회화에서는 CaCO3(36.9cm3/g) 대신 다공성 CaO(몰라 볼륨 = 16.9cm3/g)가 형성된다. 반면 탄산화에서는 CaO 입자 표면에 형성된 CaCO가3 더 큰 어금니 부피를 차지한다. 그 결과 일단 표면(다공성 CaO의 큰 내부 표면 포함)에 탄산염 층이 형성되면 추가2 CO 포획을 방해한다. 이 제품 층은 모공 위로 자라 밀폐되어 탄산화 작용이 느리고 확산에 의존하는 메커니즘을 따를 수밖에 없다.

시네터

또한 CaO는 가열 중 모공 모양, 수축, 곡물 성장 등의 변화를 일으키기 쉽다.[21] CaO와 같은 이온성분들은 부피확산이나 격자확산 역학 때문에 대부분 시너지를 낸다. 소결 이론으로 설명했듯이,[22] 온도에 민감한 결함에 의해 발생하는 빈 공간은 큰 기공의 관찰된 성장과 순환 석회암에서 작은 기공의 수축에 대해 설명하면서 작은 기공 부위의 크기를 작은 기공에서 작은 기공 부위로 유도한다.[23] CaO의 소결은 높은 온도와 긴 석회화 시간에서 증가하는 반면, 탄산화 시간은 입자 소결 시간에 미치는 영향은 미미하다는 것이 밝혀졌다. 1173K 이상의 온도에서 입자의 소결량이 급격히 증가하여 반응 표면적이 감소하고 그에 상응하는 반응성이 감소한다.[24]

솔루션: 흡착제 비활성화를 줄이기 위한 몇 가지 옵션이 현재 연구되고 있다. 이상적인 흡착제는 기계적으로 강하고, 반복적인 사이클을 통해 반응성 표면을 유지하며, 합리적으로 저렴할 것이다. 열전활성화된 입자를 사용하거나 사용후 흡착제를 수화작용을 통해 재활성화하는 것은 두 가지 유망한 선택사항이다. 열적으로 사전 활성화된 입자가 최대 1,000 사이클 동안 활동을 유지하는 것으로 밝혀졌다. 마찬가지로 수화 작용에 의해 재활성화된 입자는 장기(~20주기 이후) 변환이 개선된 것을 보여준다.[25]

폐흡착제 처리

폐흡착제의 특성

여러 번 사이클링하고 칼슘 루프에서 제거된 후, 폐 흡착제는 흡착되고 황화되며 사용된 연료의 재와 혼합될 것이다. 폐흡착제 내 재의 양은 제거되는 흡착제의 분율과 연료의 재와 열량 함량에 따라 달라진다. 흡착제의 크기 분율은 원래 크기 분율뿐만 아니라 사용되는 주기 수와 사용되는 석회석의 종류에 따라 달라진다.[26]

폐기경로

폐기물 흡수제의 폐기 경로에는 다음이 포함된다.

  • 매립지;
  • 바다에서의 처리;
  • 시멘트 제조에 사용;
  • 연도 가스 탈황(FGD)에 사용한다.

CaL을 사용한 발전용 라이프사이클 CO2 배출량과 최초 3가지 폐기 기법이 계산되었다.[27] CaL로 CaO 석탄 전력을 처분하기 전에 아민 스크러빙과 유사한 수준의 라이프사이클 배출이 발생하지만, CaO CaL의 CO 흡수2 속성은 오염이 현저히 감소한다. 해양처분이 최선인 것으로 밝혀졌지만, 현재 바다에 쓰레기를 버리는 것과 관련된 법률은 이를 막고 있다. 그 다음으로 가장 좋은 것은 시멘트 제조에 사용되었고, 채굴되지 않은 석탄 발전소에 대한 배출량을 93%까지 줄였다.

시멘트 제조에 사용

포틀랜드 시멘트는 질량 기준으로 약 2/3의 산화칼슘으로, 제조사가 전 세계 CO2 배출량의 약 8%를 담당하고 있다. 이 CO의2 60%는 이 글의 앞부분과 같이 탄산칼슘의 석회화로부터, 나머지 40%는 화석연료 연소에서 발생한다. 공장 안으로 들어가는 탄산칼슘의 일부 또는 전부를 폐산화칼슘으로 대체함으로써 석회화로 인한 CO는2 물론 화석연료 연소로 인한 CO의2 일부를 피할 수 있다.

이 산화칼슘은 발전소와 같은 CO의2 다른 지점에서 공급될 수 있지만, 대부분의 노력은 칼슘 루핑을 포틀랜드 시멘트 제조와 통합하는 데 집중되어 왔다. 시멘트 공장의 캘리너를 칼슘 순환식물로 교체함으로써 상대적으로 저렴하게 CO2 90% 이상을 포획할 수 있어야 한다. 칼슘 순환 플랜트를 예열기 부분에 배치하여 플랜트를 최대한 효율적으로 만드는 등의 대체 설정이 있다.

칼슘 루핑이 생산되는 포틀랜드 시멘트의 품질에 영향을 미치는지에 대한 일부 연구가 진행되었지만, 지금까지의 결과는 알라이트와 같은 강인증 단계의 생산이 칼슘 루핑 시멘트와 비칼슘 루핑 시멘트의 경우와 유사하다는 것을 시사하는 것으로 보인다.[28]

경제적 의미

칼슘 루핑은 몇 가지 경제적 이점이 있다.

CO2 캡처 메트릭 톤당 비용

첫째, Ca-looping은 기존의 아민 스크럽 기술보다 더 큰 비용 이점을 제공한다. Ca-looping을 통해 캡처된 CO의2 비용/금속 톤은 $23.70인 반면, 아민 스크러빙을 통해 캡처된2 CO의 비용/금속 톤은 $35–$96이다.[29] 이는 MEA에 비해 CaO 흡착제(석회석석으로부터 파생된)의 높은 가용성과 낮은 비용에 기인할 수 있다. 또한 섹션 2에서 논의한 바와 같이 Ca-looping은 아민 스크러빙보다 낮은 에너지 페널티를 부과하여 에너지 비용을 낮춘다. 아민 스크러빙 프로세스는 에너지 집약적이며, 운영 비용의 약 67%가 용제 재생에 필요한 증기 요건에 들어간다. Ca-Looping과 아민 스크러빙의 보다 자세한 비교는 아래와 같다.

Ca-Looping과 Amine 스크러빙의 비교
아민 스크러빙 카루핑
비용/CO2 절감 ~ 35-96달러/ton 톤당 ~23.70달러
원재료비[30] MEA당 1,250달러 톤당 25달러 CaCO3
효율성 페널티 6-12% 6-8%

Ca-looping을 통해 방지된 CO2 배출 비용

또한 Ca-looping을 통해 피한 CO2 배출원가는 옥시연료 연소과정을 통해 피한 배출원가(약 23.8/t)보다 낮다. 이는 Ca-Looping용 카본레이터를 건설하는 데 드는 자본비용에도 불구하고 CO는2 옥시화연소뿐만 아니라 (카본레이터 이전) 주연소에서도 포획된다는 사실로 설명할 수 있다. 계산기에 필요한 산소는 옥시 연료 공정에 필요한 산소의 1/3에 불과해 공기 분리 단위 자본 비용과 운영 비용을 낮춘다.[17] 민감도 분석: 그림 3은 8개의 서로 다른 매개변수가 Ca-luping을 통해 포착된 CO2 비용/금속 톤에 얼마나 영향을 미치는지 보여준다. 비용에 영향을 미치는 지배적 변수는 흡착제 사용, Ca/C 비율 및 CaO 비활성화 비율과 관련이 있음은 분명하다. 필요한 많은 흡수제 양이 포획 과정의 경제성을 지배하기 때문이다.

따라서 이러한 변수는 Ca-looping 프로세스에서 추가 비용 절감을 달성하기 위해 고려해야 한다. 석회석 비용은 시장의 힘에 의해 주로 추진되며, 공장의 통제 밖에 있다. 현재 카본레이터는 효과적인 CO2 포획을 위해 Ca/C 비율이 4가 필요하다. 단, Ca/C 비율이나 CaO 비활성화(즉, 흡착제를 더 효율적으로 작업할 수 있도록 할 수 있다)가 감소한다면, 재료 소비량 및 폐기물의 감소는 공급 원료 수요와 운영 비용을 낮출 수 있다.

시멘트생산

마지막으로 시멘트 생산에서 칼슘 순환 사이클에서 제거된 물질을 사용하면 유리한 경제성을 얻을 수 있다. 시멘트 생산을 위한 원사료는 85 wt%의 석회석을 포함하고 나머지 재료는 점토와 첨가제(예: SiO2, AlO23 등)로 구성된다.[31] 그 과정의 첫 단계는 석회암을 석회암으로 석회암을 만들어 CaO를 만드는 것인데, CaO는 가마에 다른 재료와 혼합하여 클링커를 만든다.

Ca-looping 시스템에서 제거된 재료를 사용하면 시멘트 생산에 드는 원재료 비용을 줄일 수 있다. CaCO3(주성분 시멘트 사료) 대신 폐 CaO와 재를 사용할 수 있다. 또한 재는 첨가제에 의해 달리 공급되는 알루미늄 요구 조건을 충족시킬 수 있다. 시멘트 생산에 사용되는 에너지의 60% 이상이 프리칼시너를 위한 열 입력에 들어가기 때문에, Ca-luping과의 통합과 그에 따른 석회화 단계의 필요성 감소는 상당한 에너지 절약으로 이어질 수 있다(EU, 2001). 그러나 시멘트 제조에 폐기물 CaO를 사용하는 데는 문제가 있다. 이 기술을 대규모로 적용할 경우 폐기물을 최소화할 수 있도록 CaO의 퍼지율을 최적화해야 한다.[32]

정치적 및 환경적 영향

포획 과정으로서 칼슘 루프의 생존 가능성을 충분히 측정하기 위해서는 그 과정의 정치적, 환경적, 건강적 영향도 함께 고려할 필요가 있다.

정치적 함의

최근의 많은 과학 보고서(예: 파칼라와 소콜로의 7웨지 안정화 계획)가 CCS의 긴급한 배치 필요성을 전달하고 있지만,[33] 이러한 긴급성은 주로 CCS의 높은 비용과 에너지 페널티 때문에 정치 조직으로 확산되지는 않았다.칼슘 루프화의 경제학은 그 정치적 생존력에 필수적이다. 경제적, 정치적 이점은 Ca-looping이 새로운 발전소를 건설하도록 요구하기 보다는 기존 발전소로 개조될 수 있는 능력이다. IEA는 발전소를 탄소 포획의 중요한 목표로 보고 있으며, 2040년까지 모든 화석 연료 기반 발전소를 CCS 시스템에 배치하도록 하는 목표를 세웠다.[35] 하지만 발전소는 건설 비용이 많이 들고 오래 살았다. Ca-luping과 같은 결합 후 포획 시스템의 개조는 IEA의 목표를 달성하기 위한 정치적, 경제적 실행 가능한 유일한 방법인 것 같다.

또 다른 정치적 이점은 칼슘 순환과 시멘트 생산 사이의 잠재적인 시너지 효과다. IEA 보고서는 배출량 감축 목표를 달성하기 위해서는 2050년까지 인도와 중국에 450개의 CCS 프로젝트가 있어야 한다고 결론짓는다.[35] 그러나, 이것은 정치적으로 어려울 수 있으며, 특히 이들 국가의 수많은 다른 개발 목표와 함께 더욱 그러하다. 결국, 정치인이 CCS에 돈을 기부하는 것은 일자리 계획이나 농업 보조금으로 돈을 기부하는 것보다 덜 유리할 수 있다. 여기서 칼슘의 순환과 번영, 그리고 (특히 개발 도상국의 인프라 확장과 함께) 활력 있는 시멘트 산업의 통합은 정치 기득권에 강한 것으로 증명될 수 있다.

시멘트 업계와의 이러한 잠재적 시너지는 또한 루핑 공정의 폐기물 배출량을 줄이고 시멘트 생산을 탈탄소화함으로써 환경적 이익을 제공한다. 시멘트 제조는 에너지와 자원 집약적이며, 생산된 시멘트 톤당 1.5톤의 재료를 소비한다.[36] 개발도상국에서는 경제성장이 인프라 성장을 견인해 시멘트 수요를 증가시킬 것이다. 따라서 시멘트 생산을 위해 폐기물을 배치하는 것은 환경적으로 큰 긍정적인 영향을 미칠 수 있다.

환경적 영향

칼슘 루핑의 시작 재료는 석회암으로 환경적으로 온화하며 널리 이용가능하며 퇴적암의 10%(부피 기준) 이상을 차지한다. 석회암은 이미 채굴되어 값싸게 구할 수 있다. 채굴과정은 어떠한 채굴작업의 피할 수 없는 비타협적인 노력을 넘어 환경적으로 큰 악영향을 끼치지 않는다. 그러나 다음 계산에서 알 수 있듯이 시멘트 산업과의 통합에도 불구하고 Ca-luping에서 나오는 폐기물은 여전히 문제가 될 수 있다.

환경적, 건강적 관점에서 볼 때, Ca-luping은 아민 스크럽에 비해 유리하다. 아민 스크러빙은 아민, 암모니아 등 대기오염물질이 생성돼 발암성 니트로사민(nitrosamin)을 형성할 수 있는 물질로 알려져 있다.[37] 반면에 칼슘은 유해한 오염물질을 배출하지 않는다. 또 CO를2 포획할 뿐만 아니라 연도 가스에서 오염물질 SO를2 제거한다.[38] 이는 대기질이 개선되면서 장단점이기도 하지만, 포획된2 SO는 칼슘의 순환 노폐물에서 발생하는 시멘트에 해로운 영향을 미친다.

장점과 단점

프로세스의 이점

칼슘 루핑은 CO2 포획 에너지 페널티를 줄일 수 있는 잠재적 유망 솔루션으로 꼽힌다.[39] 칼슘 루핑 방법에는 많은 장점이 있다. 먼저 이 방법은 효율성이 낮은 벌칙(5~8%포인트)을, 다른 성숙한 CO포획시스템은2 효율성이 높은 벌칙(8~12.5%)을 산출하는 것으로 입증됐다.[40] 게다가 이 방법은 광범위한 연도 가스에 잘 들어맞는다. 칼슘 루핑은 대규모 순환 유동 침대를 사용하여 구현될 수 있는 반면 아민 스크러빙과 같은 다른 방법은 엄청나게 높은 규모의 용매 스크러빙 타워가 필요하기 때문에 기존 발전소나 기타 고정 산업용 CO2 선원에 대한 신규 빌드 및 개보수에 적용할 수 있다.[41] 또 칼슘 루핑에 쓰이는 부순 석회암은 흡착제로서 천연제품으로 전 세계에 잘 분포되어 있어 위험하지 않고 저렴하다. 석회석 선원에 가까이 위치한 많은 시멘트 제조업체나 발전소는 CO2 포획을 위해 칼슘 루핑을 채택할 가능성이 있다. 이 폐기물 흡착제는 시멘트 제조에 사용될 수 있다.

단점

이러한 장점 외에도 고려해야 할 몇 가지 단점이 있다. Ca-Looping을 통합하는 발전소는 결합 후 칼슘 루프의 높은 화력 때문에 높은 건설 투자가 필요할 수 있다. 탄산화-계산 주기마다 흡착제 용량이 크게 감소하므로 칼슘 루핑 유닛은 일정한 양의 석회석을 필요로 할 것이다. 흡착제의 장기반응도를 높이거나 흡착제를 재활성화하기 위해 열전처리, 화학도핑, 인공흡착제 생산 등 일부 방법을 조사 중이다.[41] 유체형 침대형 원자로의 개념을 적용하는 방법이지만, 공정의 불확실성을 야기하는 몇 가지 문제가 있다. 반복적인 사이클링 중에 석회암 소진이 문제가 될 수 있다.[20]

다른 결합 후 포획 공정과 비교하여 칼슘 루핑의 이점

칼슘 루핑은 여러 가지 결합 후 포획 기술에 비해 유리하다. 아민 스크러빙은 시장에서 가장 근접한 포획 기술이며, 칼슘 루핑은 몇 가지 뚜렷한 이점을 가지고 있다. 580 MW 석탄 화력발전소를 모델로 했을 때, 칼슘 루핑은 효율 페널티(모노에탄올아민 9.5%, 냉각 암모니아 9%)가 적을 뿐만 아니라 덜 복잡한 개보강 공정도 경험했다. 두 기술 모두 채택을 위해 발전소를 개조해야 하지만, 칼슘을 순환시키는 개량 공정은 스크러빙 기술의 두 배 순 출력을 발생시킬 것이다.[42] 나아가 극저온 O2 스토리지 시스템과 같은 기술을 도입함으로써 이러한 장점을 보완할 수 있다. 이것은 에너지 밀도를 57.4% 증가시킴으로써 칼슘 순환 기술의 효율성을 높인다. 이미 낮은 에너지 벌칙은 훨씬 덜 문제가 된다.[43]

칼슘 루핑은 이미 아민 스크럽에 비해 에너지 이점이 있지만 아민 스크럽이 시장 대비 기술이 더 많다는 것이 주요 문제다. 그러나 아민 스크러빙을 위한 기반시설에는 대규모 용제 스크러빙 타워가 포함되어 있는데, 산업용으로는 한번도 사용되지 않았다.[20] 칼슘 루프 포획 기술을 위한 기반 시설은 이미 산업 규모로 구현된 유동 침대를 순환시키고 있다. 개별 기술은 현재의 기술 생존능력에 따라 다르지만 아민 스크러빙 시스템을 적절히 구현하는데 필요한 기반시설이 아직 개발되지 않았다는 사실은 생존능력의 관점에서 칼슘 루핑 경쟁력을 유지하고 있다.

샘플평가

가정

  1. 500 MW 발전소에 설치된 Ca-루핑 사이클의 경우 퍼지 속도는 12.6 kg CaO/s이다.[6]
  2. 시멘트 생산 공정의 경우 0.65 kg CaO가 필요/kg 시멘트를 생산한다.[6]
  3. 미국 발전 용량(화석 연료만): 천연가스 = 415GW, 석탄=318GW & 석유 = 51GW
  4. 미국의 시멘트 소비량 = 110,470 × 103 미터 톤 = 1.10470 × 108 미터 톤 = 1.10470 × 1011 kg.[45]

계산

500MW 발전소에 설치된 단일 Ca-루핑 사이클의 경우:

  1. 연간 퍼지로부터의 CaO 양 = 12.6kg CaO/s × 365일/년 × 24시간/일 × 3600s / 시간 = 3.97 × 10kg8 CaO/년
  2. 연간 퍼지로부터 얻을 수 있는 시멘트8=3.97 × 10 kg CaO/년 × 1 kg 시멘트/0.65 kg CaO = 6.11 × 108 kg 시멘트/년
  3. 미국 내 순수 전력 발전: (415 + 318 + 51) GW = 784 GW = 7.84 × 1011 W
  4. 500 MW 발전소 수: 7.84 × 1011 W / 5.00 × 108 W = 1568 발전소
  5. Ca-looping 폐기물로 생산 가능한 시멘트 양: 1568 × 6.11 × 108 kg 시멘트/년 = 9.58 × 1011 kg 시멘트/년
  6. 연간 총 시멘트 소비량의 백분율로 Ca-Looping 폐기물 생산 = [(9.58 × 1011 kg)/(1.10470 × 1011 kg)] × 100 = 870%

따라서 미국 내 모든 화석연료 기반 발전소의 Ca-looping 폐기물로 인한 시멘트 생산량은 순소비량보다 훨씬 많을 것이다. Ca-Looping을 보다 실용적으로 만들려면 폐기물을 최소화해야 한다(즉, 흡수제 분해량 감소). 이상적으로는 현재 수준의 약 1/10 수준으로 폐기물을 최소화해야 한다.

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