Journal of the Korean Institute of Gas (한국가스학회지)

The Korean Institute of GAS (한국가스학회)
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Exergy Analysis of Cryogenic Air Separation Unit for Oxy-fuel Combustion

순산소 연소를 위한 초저온 공기분리장치의 엑서지 분석

  • Choi, Hyeung-chul (Daesung Cryogenic Research Institute, Daesung Industrial Gases Co., Ltd.) ;
  • Moon, Hung-man (Daesung Cryogenic Research Institute, Daesung Industrial Gases Co., Ltd.) ;
  • Cho, Jung-ho (Dept. of Chemical Engineering, University of Kongju)
  • 최형철 (대성산업가스(주) 초저온연구소) ;
  • 문흥만 (대성산업가스(주) 초저온연구소) ;
  • 조정호 (공주대학교 화학공학부)
  • Received : 2018.08.09
  • Accepted : 2019.01.19
  • Published : 2019.02.28
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Abstract

In order to solve the global warming and reduce greenhouse gas emissions, $CO_2$ capture technology was developed by applying oxy-fuel combustion. But there has been such a problem that its economic efficiency is low due to the high price of oxygen gases. ASU is known to be most suitable method to produce large quantity of oxygen, to reduce the oxygen production cost, the efficiency of ASU need to be improved. To improve the efficiency of ASU, exergy analysis can be used. The exergy analysis provides the information of used energy in the process, the location and size of exergy destruction. In this study, the exergy analysis was used for process developing and optimization of large scale ASU. The process simulation of ASU was conducted, the results were used to calculate the exergy. As a result, to reduce the exergy loss in the cold box of ASU, a lower operating pressure process was suggested. It was confirmed the importance of heat leak and heat loss reduction of cold box. Also, the unit process of ASU which requires thermal integration was confirmed.

지구 온난화 문제 해결과 온실가스 감축을 위해 순산소 연소를 통한 $CO_2$ 포집기술이 개발되었으나, 산소 생산비용이 높아 경제성이 떨어지는 문제를 가지고 있다. 순산소 연소에 필요한 대량의 산소 생산은 초저온 공기분리장치(ASU: Air Separation Unit)가 가장 적합한 방법으로 산소 생산 비용 절감을 위해 ASU의 효율을 높이는 것이 필요하다. ASU의 효율 향상을 위해서는 현재 공정의 효율 평가 및 에너지 소비 형태를 확인해야 하며, 이를 위해 엑서지 분석이 사용될 수 있다. 엑서지 분석은 공정에서 사용된 에너지의 정보, 에너지 손실의 위치, 크기 등을 확인 시켜주며, 에너지 손실을 최소화 할 수 있는 공정 최적화를 가능하게 해준다. 본 연구에서는 초대형 규모의 ASU 공정개발 및 최적화를 위해 엑서지 분석을 이용하였다. ASU의 공정모사를 수행하고 그 결과를 바탕으로 엑서지 값을 계산하였다. 그 결과 ASU의 cold box에서 엑서지 손실을 줄이기 위해 운전압력을 낮추는 방법을 제안하였고, cold box의 열침입 및 열손실 감소의 필요성을 확인하였다. 또한 ASU의 단위 공정 중 다른 공정과 열통합이 필요한 위치를 확인 하였다.

Keywords

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Fig. 1. Material and energy balance of cold box.

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Fig. 2. double column type O2 ASU.

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Fig. 3. dual condenser type O2 ASU.

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Fig. 4. Distribution of exergy destruction for ASU cold box.

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Fig. 5. Exergy destruction according to feed air pressure on cold box.

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Fig. 6. Exergy loss according to LMTD of MHE on cold box.

Table 1. Simulation condition for O2 ASU

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Table 2. Comparison of simulation results for O2 ASU process

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Table 3. The exergy calculation conditions of O2 ASU

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Table 4. The exergy calculation results of O2 ASU

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Table 5. Comparison between the exergy destruction of double column and dual condenser ASU cold box

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Table 6. Total exergy destruction about the unit process of the ASU

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