저가 고순도 산소제조용 대용량 PVSA 공정기술개발 - 이산화탄소저감 ...

저가 고순도 산소제조용 대용량 PVSA공정기술개발- 기후변화협약 대응 합동 WORKSHOP -(제주 오리엔탈 호텔)2006. 1. 9대성산업가스㈜ 초저온연구소대성산업가스(주) 초저온연구소 1

순산소 연소의 효과- 일본 NKK 신형전기로 개발 (산소량 1.5배 증가로 전력비 60% 감소)Logo종래전기로 신형전기로 증감(%)전력원단위(kWh/t) 380 150 -60.5산소원단위(m3/t) 33 45 +36.4카본원단위(kg/t) 25 36 +44.0배가스손실원단위 196 82 -58.2전체에너지(kWh/t) 696 581 -16.5- 출처 일본 Gas Review No.566 (2004.12)- 2004년도 일본의 대형 산소 PSA 용도별 분포 (100Nm3/h 이상 )폐기물 소각(37%), 전기로(21%), 유리용융(11%), 비철오존 및 기타(31%)대성산업가스(주) 초저온연구소2

ASU와 PSA 비교 (산소 3,000Nm3/h 기준)LogoASU PSA 비고전력원단위(Kw/Nm3)0.5 전후(가스생산일 경우)0.3 - 0.4 (VSA)0.5 -1.2 (PSA)AirSep PSA는 1.07초기투자비 많이 든다 ASU의 80% 전후NOx 대책설치 불요암모니아 중화장치를별도로 설치PSA의 산소순도가93%일 경우운전 운전이 어렵다 운전이 간단경쟁력 (3,000Nm3/h 이하에서)경쟁력이 떨어진다경쟁력이높다(NOx 처리가 없을때)4,000 - 5,000 사이에서 ASU와 PSA가 경쟁대성산업가스(주) 초저온연구소3

PSA와 VSA 비교LogoPSA(Pressure Swing Adsorption)VSA(Vacuum Swing Adsorption)방식 압축기로 공기를 압축 후 대기압으로 방출 송풍기로 공기를 송풍후 진공펌프로 탈착압력범위 2-6 kg/cm2g 로 가압 0.5-1 kg/cm2g로 송풍후 200 torr로 진공배기장점공기를 압축하기 때문에 장치가 작아져서 제작비가저렴하고 별도의 산소 압축기가 필요 없다공기를 압축하지 않아 운전비가 싸며 대형일 경우 효과가 크다단점공기 중의 질소도 같이 압축되어 운전비가 VSA에 비하 저압이므로 장치 크기가 커져서 초기투자비가 크고,여 많이 든다.별도의 진공펌프롸 산소압축기가 추가된다.적용 소형일때 유리하다. 대형일때 유리하다.대성산업가스(주) 초저온연구소4

연구개발 목표• 산소부화율 상승에 의한 열효율 증가• 연소 공기중의 질소 성분 제거로 인한 생산성 향상과 NOx류 배출 감소• 저렴한 가격의 고순도 산소제조로 기업 경쟁력 강화• 생산량 7톤/일 이상, 산소순도 97% 이상, 질소순도 1% 미만의 실증플랜트를개발하여 가열로에 산소 공급Logo당연구목표PVSA대성산업가스(주) 초저온연구소5

PVSA for Oxygen CombustionLogoPVSAO 2- Energy Saving-CO 2Reduction-No xReduction- Improvement of EfficiencyIs it possible to overcome 97%O 2 in one-unit adsorptionprocess?대성산업가스(주) 초저온연구소6

국내외 고순도 산소 VSA연구개발 현황국외Logo- 1980년 대 중반이후 개발 시작.현재 99.7% 산소 생산 가능- 기술 보유사: 미국의 BOC, Crew TechnologyDivision Amstrong Laboratory, 일본의Sumitomo Seika Co. 등- 일본의 關 東 學 院 大 學 은 ZMS와 CMS를 사용하여의료용 목적의 순도 99.5% 이상 산소 발생에 성공‣ 순도 99.7% O 2 생산국내-1980년대 후반 한국에너지기술연구소와 한국에너지산업㈜에서 70Nm 3 /h규모의 산소VSA 개발 사업- 고순도 산소 생산을 위한 단일 VSA에대한연구는 미미한 상태임‣ 순도: O 2(90 - 94%), N 2(3 - 6%) 생산대성산업가스(주) 초저온연구소7

1단계 및 2단계 추진체계Logo2002.10.01 2003.07.01 2004.04.01 2005.03.312007Daesung Ind. GasYonsei Univ.Yonsei Univ.-O 2 VSA/PSA ProcessDesign & Operation-Optimization of O 2VSA/PSA ProcessesDaesung Ind.-2-Bed O 2 VSA PilotPlant DesignYonsei Univ.-High Purity O 2 PVSAProcess: Development-High Purity O 2 PVSAProcess: SimulationDaesung Ind.-2-bed O 2 VSA PilotPlant: Operation-High Purity O 2 PVSAProcess Pilot Plant:DesignYonsei Univ.-High Purity O 2 PVSAProcess: Optimization& Design DatabaseDaesung Ind.-High Purity O 2 PVSAPilot Plant Set-up andOperation-O 2 Capacity 7ton/day:Process Validity-Design High PurityO 2 PVSA Plant- Build-up PVSA Plant:7ton O 2 /day- Over 95%O 2 with lessthan 1% N 2 Productfrom Air-Operation of PVSA withCombustion Process-Commercialize & Design1 st Stage2 nd Stage대성산업가스(주) 초저온연구소8

2단계연구추진계획Logo2단계: 저가산소제조장치개발(7톤 산소/일 PVSA 공정 장치 개발:대성산업가스-주관, 연세대-위탁)1단계: 저가고순도산소 제조기술 개발 확보추진 전략3단계: 대규모 저가 산소 제조 장치 설계PVSA 공정 Scale–up 기술 개발(100톤산소/일설계기술확보)향후 Spin-off 기술:1) 고순도 산소 정제 장치 개발(반도체 산소용 산소 정제 PSA 개발)2) 10톤 산소/일 고순도 PSA 공정 장치 개발(최대 50톤 산소/일 scale-up 기술 확보)대성산업가스(주) 초저온연구소9

연구개발 추진전략연구개발 추진전략Logo위탁기관: 연세대학교주관기관: 대성산업가스 ㈜초저온 연구소1차년도13X/CMS 3탑식 PVSA공정운전변수 최적화LiX 제올라이트 흡착평형 및속도 측정 및 평가Unit별 용량산출 및 구매LiX 흡착탑 동특성 해석 및2탑 LiX 산소공정 운전Engineering Database 구축흡착탑 설계 및공정 기본 설계2차년도공정 simulation 기술2탑 LiX 산소공정 최적화고순도 산소 PVSA 공정 설계(7톤 산소/일 규모)3탑식 고순도 산소LiX/CMS PVSA 설계/운전고순도 산소 PVSA 공정제작 및 설치3차년도3탑식 고순도 산소PVSA 공정 최적화실증화 고순도 산소 공정Trouble shooting고순도 산소 PVSA공정 운전 및 최적화저가 고순도 산소 제조 공정운전기술 확보 (7톤/일)대성산업가스(주) 초저온연구소 10

흡착실험 - Equilibrium & Kinetic(연세대)Korean J. Chem. Eng, 21(3), 712-720, (2003)Carbon, 43(1), 95-107, (2004)LogoAmount adsorbed0.250.200.150.100.05N 2O 2ArLangmuir fittingZeolite 10X 293.15 K0.000.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8PressureZeolite 10X : Equilibrium SeparationD/r 2 [sec -1 ]Super-Structural-Langmuir6x10 -3 293K expt. (∆q=16.3%)4x10 -3 303K expt. (∆q=32.1%)2x10 -3 313K expt. (∆q=22.9%)0(a) N 28x10 -2 293K expt. (∆q=9.7%)6x10 -2 303K expt. (∆q=13.4%)313K expt. (∆q=17.1%)4x10 -22x10 -2(b) O 201.6x10 -3 293K expt. (∆q=20.3%)1.2x10 -3 303K expt. (∆q=12.7%)8.0x10 -4 313K expt. (∆q=17.2%)4.0x10 -401 10P [atm](c) ArCMS : Kinetic Separation대성산업가스(주) 초저온연구소 12

공정실험 - 3탑 PVSA 공정(연세대)Logo대성산업가스(주) 초저온연구소 13

공정실험 연구성과 - 3탑 고순도 생산 (연세대)AIChE J. (2004), submittedLogoSteady-State대성산업가스(주) 초저온연구소 14

순도 및 회수율 – Comparison of Processes (연세대)Logo110100908079.3VSAPVSA IPVSA II93.6 97.499.2 64.1 66.9 47.2706058.1504039.43020100P u rity [% ]Recovery [%]Productivity X 10 5[c m 3 /g s e c ]PVSA 1 : Purity 97.4 , Recovery 66.9PVSA 2 : Purity 99.2 , Recovery 47.2대성산업가스(주) 초저온연구소 15

2단계 연구과정에서 해결사항 - 실증플랜트(대성)Logo전력원단위 감소최적의 운전조건이 되도록 H/W 및 S/W 개발운전 사이클의 단축실험에서의 200-300sec를 30-60sec로 단축최적 운전 시스템 구축안전 운전을 위하여 세밀한 밸브 조작 방식 개발맥동 없는 산소의 공급가열로 산소 공급에 적당한 연속 생산방식 개발공정의 적정 운전압력 결정산소 공급을 고려한 최적 제품 생산 압력 도출장치의 내구성 및 안전성 검증장기간 운전을 통한 내구성 및 안전성 테스트장치 scale up에 따른 탑 내부의 흐름대용량에따른최적가스distribution 연구대성산업가스(주) 초저온연구소 16

Pilot Plant 공정도 - Air 100 Nm3/h 공급 (대성)Logo대성산업가스(주) 초저온연구소 17

Pilot Plant 테스트 - 2탑및3탑운전(대성)Logo대성산업가스(주) 초저온연구소 18

실증화 Plant Layout - 7톤/일 규모 (대성)Logo기기 배치도기계실 측면도대성산업가스(주) 초저온연구소 19

연구성과 -논문및특허Logo국내SCI비SCI-Effect of Adsorbate Properties on Adsorption Mechanism in a Carbon Molecular Sieve,Korean J. Chem. Eng., 21(3), 712-720, (2003) .-Comparison of the Adsorption Dynamics of Air on Zeolite 5A Bed CMS Bed,Korean J. Chem. Eng., 21(6), 1183-1192, (2004).-고순도 산소 생산을 위한 산소 정제 PSA 공정 개발, J. of the Korean Institute of Gas, 21, 37, (2003).-Comparison of PSA & VSA processes for air separation, Clean Technology., 21, 1183, 2004.논문게제국외SCI-Sorption Kinetics of Eight Pure Gases on a Carbon Molecular Sieve at Elevated Pressure,Carbon, 43(1). 95-107, (2004).- Comparison of Pressure Swing Adsorption Processes Purity Oxygen Using a Carbon Molecular Sieve,Chem. Eng. Sci., 60(3) 869-882, (2005).-Adsorption Dynamics of Air on Zeolite 13X and CMS Beds for Separation and Purification,Adsorption, 11, (2005), in press.- A Parametric Study of the Pressure Swing Adsorption Process to Purify Oxygen Using CarbonMolecular Sieve, Ind. Eng. Chem. Res., (2005), in revision.- Three-bed PVSA Process for High Purity O2 Generation from Ambient Air, AIChE J., 2004, submitted비SCI- High Purity Oxygen Generation PSA Processes by using Carbon Molecular SieveAdsorption Science and Technology, 365-369, (2003).-Air Separation and Purification by PSA and VSA Processes,Frontiers on Separation Science and Technology, 399-404, (2004).특허국내/외- 산소정제방법 및 그 장치: 10-2003-0067797 국내 출원- Apparatus for Producting Oxygen and Method for Controlling the Same특허출원 (미국, 일본, 대한민국)논문 및 학술발표:해외발표-2편, 국내발표-9편대성산업가스(주) 초저온연구소 20

최종 성과 활용 및 확산 방안Logo일반 순도(95%이하) 산소 VSA의적용 범위--폐수처리 분야--의료용 산소--금속 및 비금속의 제련 및 제철 분야--양식장--용접용 산소--바이오 산업(Fermentor)에적용적용 대상연소로 외의 고순도 산소PVSA의적용범위--의료용--용접가스, 절단가스--정밀화학, 소각로--바이오산업등일반순도 산소 VSA 적용 계획--산업용의 경우 10Nm 33 /hr ~3,000Nm 33 /hr의다양한장치 판매--연판매액10억 ~ 30억원기대-O 22 -VSA는 대형 산업용으로적합--현재 O 22 -VSA 시장은 확장시장 규모연소로 외의 고순도 산소 PVSA적용 계획--5L/min ~ 5ton/day 규모의다양한 모델 개발--산소운반이 어려운 지역에용접용, 절단용 가스로on-site 설치/생산--연판매액10억원이상 원 기대--세계 특허 획득으로해외 수출 기대Combustion/InhalationGlass Melting FurnaceCutting/Welding/BrazingPaper/Pulp IndustriesBio-treatment of waste waterMedicineSemicondutor Industries대성산업가스(주) 초저온연구소 21