KR100557790B1 - 배가스 중 이산화탄소의 제거 방법 - Google Patents

배가스 중 이산화탄소의 제거 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지구 온난화를 유발하는 온실가스의 주요 물질이면서 각종 연소공정에서 다량 발생되는 이산화탄소를 이산화탄소의 흡수와 고순도 이산화탄소로 분리하는 2개의 과정으로 처리하는 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명에서 이산화탄소의 흡수제로서 기존의 흡수제보다 훨씬 탁월하고 저렴한 가성소다를 이용하며, 분리조작은 흡수액에서 이온을 선택적으로 분리하는 능력을 가진 이온 교환막을 이용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 처리과정에서 회수된 가성소다는 다시 흡수제로 재사용하고, 탈기되어 나오는 고순도의 이산화탄소는 포집하여 부가가치가 높은 메탄올을 제조하는데 이용한다.
이산화탄소, 흡수탑, 흡수제, 가성소다, 전기투석, 이온교환

Description

배가스 중 이산화탄소의 제거 방법{Method for removing carbon dioxide from exhaust gas}
도 1은 종래의 아민계열 흡수액을 이용한 이산화탄소 흡수장치의 개념도 이다.
도 2는 본 발명에 따른 이온교환막을 이용한 배가스 중 이산화탄소 흡수장치의 개념도이다.
도 3은 Na+ (양의 나트륨이온) 만을 선택적으로 통과시킬 수 있는 양이온교환막을 가진 전기투석장치 내의 단위 셀에서의 이온의 거동을 나타낸 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
21 : 배가스 22 : 흡수탑
23 : Na2CO3 흡수액 24 : 본 발명의 전기투석장치
25 : 이온교환막 26 : 가성소다
27 : 탄산 28 : 희박용액
29 : 양극 30 : 음극
31 : 직류전원공급장치 32 : 가성소다 공급탱크
33 : 처리액 저장조 34 : 정제 가스
본 발명은 지구 온난화를 유발하는 온실가스의 주요 물질로서 각종 연소공정에서 다량 발생되는 이산화탄소를 배가스에서 분리 및 제거하는 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 이산화탄소를 저렴하고, 흡수능력이 탁월하며 안정성이 높은 가성소다 수용액에 흡수하고, Na+ 만을 선택적으로 통과시킬 수 있는 양이온교환막을 가진 전기투석장치(Electro-dialysis stack)에 통과시켜 이산화탄소를 분리 및 제거하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 분리회수의 방법에는 흡수법, 물리흡착법, 저온증류법 및 막 분리법 등이 있으나 흡수법을 제외하고는 기초실험 등 개발 초기단계에 머무르고 있는 수준이다. 흡수법은 첨부 도면 중 도 1에 나타낸 바와 같이, 배가스(11)에 대해 흡부탑(12) 내에서 아민계 용액을 흡수액으로 사용하는 방법으로서, 타당성 검토 등 연구개발이 많이 진행되었으나, 이 흡수액은 가격이 비싸고, 성상이 유기제제로서 안정성이 상대적으로 낮은 단점을 가지고 있다. 흡수 후 흡수액 재생과 이산화탄소를 탈기하기 위하여 가열기(13)가 내장된 탈기탑(14)이 추가로 필요하며, 에너지도 많이 소모하는 단점이 있다. 도 1에서 부호 15는 이산화탄소를 흡수한 흡수액 이송펌프이고, 부호 16은 탈기된 흡수액 이송펌프이고, 부호 17은 정제 가스이고, 부호 18은 이산화탄소이다.
이에 본 발명은 흡수액 가격 등 상기의 문제점을 안고 있는 아민계 흡수액 대신 흡수능력이 매우 크고, 저가이며 안정성이 높은 무기제제로서 가성소다를 이용하여 배가스 중의 이산화탄소를 흡수하고, 상기 흡수액을 최근 개발된 신기술인 이온교환막(Ion Exchange Membrane, IEM)으로 구성되어 있는 Na+ 만을 선택적으로 통과시킬 수 있는 양이온교환막을 가진 전기투석(Electro-dialysis) 장치에 통과시킴으로써 흡수액 속의 이산화탄소를 분리 및 제거하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 아민계 흡수액으로 이산화탄소를 흡수할 경우 탈기탑(stripper)에서 가온하여 흡수액을 재생 및 분리하는 데 반하여, 본 발명의 공정에서는 이산화탄소를 가성소다에 흡수한 후 이온교환막을 이용함으로써 별도의 탈기탑이 필요하지 않을 뿐 아니라 탈기탑에서 흡수액 재생을 위한 많은 에너지도 필요치 않고 경제적인 이산화탄소의 분리 및 제거방법을 제공하는데 그 목적이 있다
본 발명의 배가스 중의 이산화탄소의 제거 방법은 배가스를 흡수탑 내의 가성소다 수용액과 반응시켜 이산화탄소를 흡수하는 단계; 상기 이산화탄소를 흡수한 처리액을 Na+ 만을 선택적으로 통과시킬 수 있는 양이온교환막을 가진 전기투석장치에서 이온교환막에 의해 고농도 탄산과 가성소다로 분리하는 단계; 및 상기 농축된 가성소다는 상기 흡수탑에서 재사용하고, 농축된 탄산은 메탄올을 제조하는데 이용하여서 되는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명을 첨부한 도면에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
첨부 도면 중 도 2는 본 발명에 따른 배가스 중의 이산화탄소의 분리 및 제 거장치의 개념도를 나타낸 것이다.
도 2에 의하면, 본 발명의 장치는 크게 분류해서 배가스(21)가 유입되어 가성소다 수용액과 반응하게 되는 흡수탑(22), 흡수액과 이산화탄소가 반응하여 생성된 Na+, CO3 2-을 분리하기 위한 Na+ 만을 선택적으로 통과시킬 수 있는 양이온교환막을 가진 전기투석장치(23)로 구성되어 있다.
상기 흡수탑(22)에서는 가성소다 수용액과 배기가스(21)가 다음의 반응식(I)과 같이 산-염기 중화반응으로 이산화탄소가 흡수된다.
2NaOH + CO2 → Na2CO3 + H2O ------------------------- (I)
도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 흡수탑(22)으로부터 이산화탄소를 포함한 흡수액(23)은 Na+ 만을 선택적으로 통과시킬 수 있는 양이온교환막을 가진 전기투석장치(24)로 이송되게 된다. 첨부 도면 중 도 3은 Na+ 만을 선택적으로 통과시킬 수 있는 양이온교환막을 가진 전기투석장치 내에서의 분리 및 제거 매카니즘을 나타내기 위한 단위 셀에서의 이온 거동을 나타낸 도면으로서, 가성소다 수용액과 이산화탄소가 반응하여 생성된 Na2CO3 흡수액(23)은 해리도가 높아 용액 중에 Na+, CO3 2- 이온상태로 존재한다. 이 용액(23)은 Na+ 만을 선택적으로 통과시킬 수 있는 양이온교환막을 가진 전기투석장치(24)에서 Na+ 이온이 선택적으로 잘 통과하는 양이온교환막(25)을 통과하면서 이온막을 경계로 다음 반응식(II)과 같이 한 쪽은 가성소다(26), 다른 한쪽은 탄산(27)으로 농축된다. 도 3에서 부호 28은 희박용액이고, 부호 29는 양극이고, 부호 30은 음극으로서, 상기 양극(29)과 음극(30)은 도 2에 나타낸 바와 같이 직류 전원 공급장치(31)에 각각 연결되어 있어 각각의 양극과 음극에 직류전원을 공급하게 된다.
Na2CO3 + H2O →2NaOH + CO2↑--------------------- (II)
이와 같이 선별 농축된 가성소다(26)는 가성소다 공급탱크(32)를 통해서 흡수탑(22)으로 다시 보내져서 재사용되고, 농축된 탄산(27)은 처리액 저장조(33)에서 이산화탄소로 탈기되고, 별도의 장치를 통해 수집되어 메탄올 등의 부가가치가 높은 물질로 변화되게 된다. 첨부 도면 중 도 2에서 부호 34는 정제 가스이다.
이와 같은 본 발명과 종래 기술을 대비하여 보면 다음과 같다.
본 발명은 흡수 반응력이 우수하여 반응기 규모가 작아도 되고, 흡수액 재생에 에너지 소모가 적으며, 가열 탈기탑이 불필요하여 설비구성이 단순한 반면에 종래 기술은 흡수액 재생시 에너지가 많이 소요되고, 흡수액의 가격이 고가이며, 공정이 다소 복잡한 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 종래 아민 계열 흡수액을 이용한 이산화탄소의 분리에 비교하여 저가의 공업용 가성소다 수용액을 흡수액으로 사용함으로써 운영비용을 절감할 수 있고, 흡수액의 재생을 위한 추가적인 에너지 소모가 없어 경제적인 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 배가스로부터 이산화탄소를 흡수에 의해 분리하고 흡수제는 반복해서 재사용하며, 분리한 이산화탄소는 탄산으로 농축하여 메탄올을 제조하는데 사용하여서 되는 배가스 중의 이산화탄소의 제거방법에 있어서,
    상기 배가스를 흡수탑 내에서 가성소다 수용액과 반응시켜 이산화탄소를 흡수하고, 이 흡수액을 양의 나트륨 이온(Na+)만을 선택적으로 통과시킬 수 있는 양이온교환막(25)을 가진 전기투석장치(24)에서 고농도의 탄산과 가성소다로 분리하여서 이루어지는 것을 특징으로 하는 배가스 중의 이산화탄소의 제거방법.
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