KR100995699B1 - 제철슬래그를 이용한 이산화탄소 고정장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제철슬래그를 이용한 이산화탄소 고정장치에 관한 것으로서, 특히 이산화탄소밸브가 구비된 이산화탄소 유입관과 용수밸브가 구비된 용수유입관이 일측에 설치되어 내부에서 이산화탄소가 용수에 용해되는 이산화탄소 용해조와; 용수유출관에 의하여 상기 이산화탄소 용해조와 연결되고 제철슬래그가 수납되어 내부에서 이산화탄소가 용해된 용수와 제철슬래그가 반응하는 반응조와; 용수배출관에 의하여 상기 반응조와 연결되어 제철슬래그와 반응한 이산화탄소가 용해된 용수가 유입됨으로써 내부에서 칼슘이온(
)과 탄산염이온(
)의 반응에 의하여 탄산칼슘이 생성되고, 생성된 탄산칼슘을 배출하기 위한 탄산칼슘 회수관과 탄산칼슘이 생성된 후 잔류한 용수를 배출하기 위한 침전조 배출관이 설치된 침전조;로 구성되어, 반영구적으로 이산화탄소를 처분할 수 있는 효과가 있다.
이산화탄소, 제철슬래그, 탄산칼슘, 용해조, 반응조, 침전조
Description
본 발명은 이산화탄소 고정장치에 관한 것으로서, 특히 제철공정에서 발생하는 막대한 양의 폐기물인 제철슬래그를 이용하여 이산화탄소를 고정/처리함으로써 비용을 절감할 수 있는 제철슬래그를 이용한 이산화탄소 고정장치에 관한 것이다.
지구 온난화의 주된 원인은 인간 활동, 즉 자동차 매연, 가정의 배출가스 및 공장의 배출가스 등에 포함되어 있는 이산화탄소에 의한 것이라는 점은 주지의 사실이다. 따라서 전 세계적으로 증가하는 지구 온난화 방지에 대한 요구에 부응하기 위하여 여러 가지 이산화탄소 처리기술들이 개발되고 있다.
이러한 이산화탄소의 처리기술은 크게 해양처분, 지중처분, 탄산염광물화 처분으로 구분된다.
해양처분은 기체상태의 이산화탄소를 고압환경의 심부해저에 주입하여 처분하는 방법으로 가장 현실적인 이산화탄소 처리기술이나, 해수의 유동에 따라 용해 된 이산화탄소가 다시 대기로 방출될 수 있어서 처분 가능 기간이 짧으며, 해양 생태계에 영향을 미칠 수 있는 단점이 있다.
지중처분은 석유층, 석탄층, 대수층 등에 이산화탄소를 기체 상태 또는 물에 용해된 상태로 주입하는 처리기술로, 반영구적으로 이산화탄소를 처분할 수 있으나, 처분 대상 지질을 찾기가 어려우며 단층대를 따라 이산화탄소가 다시 지표로 배출될 수 있는 단점이 있다.
탄산염광물화 처분은 이산화탄소와 칼슘 또는 마그네슘을 포함하는 규산염 광물(사문석 등)을 고온고압에서 반응시켜 탄산칼슘, 탄산마그네슘을 생성하여 처분하는 방법으로 반영구적으로 이산화탄소를 처분하고, 생성되는 탄산염광물을 재활용할 수 있는 장점이 있으나, 탄산염광물 생성에 많은 에너지가 소모되어 실질적인 이산화탄소 저감 효과가 없을 뿐만 아니라 탄산염광물화의 처분 원료인 규산염광물을 충분히 확보하는 것이 어려운 단점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 제철공정에서 발생하는 막대한 양의 폐기물인 제철슬래그를 이용하여 이산화탄소를 고정함으로써 탄산염광물화 처분 원료를 다량 확보할 수 있는 제철슬래그를 이용한 이산화탄소 고정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 상온에서 공정을 운영함으로써 추가적인 에너지가 소용되지 않고, 재 활용이 가능한 고순도의 탄산칼슘을 생산할 수 있는 제철슬래그를 이용한 이산화탄소 고정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 제철슬래그를 이용한 이산화탄소 고정장치는 이산화탄소밸브가 구비된 이산화탄소 유입관과 용수밸브가 구비된 용수유입관이 일측에 설치되어 내부에서 이산화탄소가 용수에 용해되는 이산화탄소 용해조와; 용수유출관에 의하여 상기 이산화탄소 용해조와 연결되고 제철슬래그가 수납되어 내부에서 이산화탄소가 용해된 용수와 제철슬래그가 반응하는 반응조와; 용수배출관에 의하여 상기 반응조와 연결되어 제철슬래그와 반응한 이산화탄소가 용해된 용수가 유입됨으로써 내부에서 칼슘이온(
)과 탄산염이온(
)의 반응에 의하여 탄산칼슘이 생성되고, 생성된 탄산칼슘을 배출하기 위한 탄산칼슘 회수관과 탄산칼슘이 생성된 후 잔류한 용수를 배출하기 위한 침전조 배출관이 설치된 침전조;로 구성된다.
여기서, 상기 용해조와 침전조 사이에는 이산화탄소 배출관이 설치되어 용해조에서 용해되지 않은 이산화탄소가 침전조로 유입된다.
그리고, 상기 이산화탄소 유입관은 그 끝단에 제1기포발생장치가 구비되어 이산화탄소 용해조 내부에서 기포상태로 이산화탄소가 용수에 용존되고, 상기 이산화탄소 배출관은 그 끝단에 제2기포발생장치가 구비되어 침전조 내부에서 기포상태로 이산화탄소가 용수에 용존된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 제철슬래그를 이용한 이산화탄소 고정장치는 폐기물인 제철슬래그를 이용하여 이산화탄소를 탄산칼슘이라는 고체로 고정시킴으로써 반영구적으로 이산화탄소를 처분할 수 있고, 이렇게 회수된 탄산칼슘은 재활용이 가능하여 경제성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
이하, 본 발명에 의한 제철슬래그를 이용한 이산화탄소 고정장치의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 제철슬래그를 이용한 이산화탄소 고정장치의 개략적인 구성을 보인 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 제철슬래그를 이용한 이산화탄소 고정장치의 단면도이다.
또한, 도 3은 제철슬래그 2g과 증류수의 반응 결과 칼슘이온의 농도변화를 보인 그래프이고, 도 4는 제철슬래그 2g과 증류수의 반응결과 pH 변화를 보인 그래프이다.
그리고, 도 5는 제철슬래그와 24시간 반응한 용액에 용해되는 이산화탄소의 양에 따라 침전 가능한 탄산칼슘의 양과 pH 변화를 예측한 그래프이고, 도 6은 제철슬래그와 384시간 반응한 용액에 용해되는 이산화탄소의 양에 따라 침전 가능한 탄산칼슘의 양과 pH 변화를 예측한 그래프이다.
본 발명에 의한 제철슬래그를 이용한 이산화탄소 고정장치는 이산화탄소 용해조(10)와, 상기 이산화탄소 용해조(10)에 연계되어 설치되는 반응조(20)와, 상기 반응조(20)와 연계되어 설치되는 침전조(30)로 구성된다.
상기 이산화탄소 용해조(10)는 용해 본체부(11)와, 상기 용해 본체부(11)의 상단에 일체로 형성된 헤드부(12)로 구성된다.
상기 용해 본체부(11)는 원통형상으로 하측에 이산화탄소 유입관(13)과 용수유입관(14)이 연결된다. 이러한 이산화탄소 유입관(13)과 용수유입관(14)을 통하여 용해 본체부(11) 내부로 이산화탄소와 용수가 유입되는데, 이산화탄소가 용수에 용해되어야 한다는 점을 감안할 때 용수 일정량이 먼저 용해 본체부(11) 내부로 유입되고 그 이후에 이산화탄소가 공급되어 상기 이산화탄소가 용수 속에서 분출되도록 한다. 그리고, 상기 용해 본체부(11)는 상측에 상기 반응조(20)와 연결되는 용수유출관(15)이 설치된다.
상기 이산화탄소 유입관(13)은 그 관로상에 이산화탄소 밸브(13a)가 구비되어 있고, 상기 용수유입관(14)은 그 관로상에 용수밸브(14a)가 구비된다.
상기 헤드부(12)는 상기 용해 본체부(11) 내부에서 용수에 용해되지 않은 이산화탄소를 포집하기 위하여 고깔형태로 구성한다. 이러한 헤드부(12)의 상단에는 이산화탄소 배출관(16)이 설치되는데, 상기 이산화탄소 배출관(16)은 상기 침전조(30)와 연결되어 헤드부(12)에서 포집된 이산화탄소를 침전조(30)로 이송시킨다.
한편, 상기 이산화탄소 용해조(10)의 용해 본체부(11) 내부 상측에는 상기 이산화탄소 밸브(13a) 및 용수밸브(14a)와 전기적으로 연결되고 상기 용수유출관(15)이 연결된 용해 본체부(11) 지점과 동일한 높이에 제1수위감지센서(S1)가 설치된다. 따라서, 상기 헤드부(12)에 포집된 이산화탄소의 압력이 높아져서 용해 본체부(11) 내부의 용수 수위가 용수유출관(15)이 연결된 지점보다 낮아지면 제1수위감지센서(S1)가 이를 감지하여 이산화탄소 밸브(13a)를 차단함으로써 더 이상 이산화탄소가 용해 본체부(11) 내부로 유입되지 않도록 한다.
그리고, 상기 이산화탄소 유입관(13)은 그 끝단에 제1기포발생장치(B1)가 구비되고, 상기 제1기포발생장치(B1)는 이산화탄소 유입관(13)을 통하여 유입된 이산화탄소를 기포상태로 분출시킴으로써, 상기 이산화탄소 용해조(10) 내부에서 이산화탄소가 용수에 좀 더 많이 용해될 수 있도록 한다.
이렇게 이산화탄소가 용수에 용해되는 과정을 화학식으로 간단히 나타내면 다음과 같다.
즉, 이산화탄소는 물과 반응하여 탄산을 형성하고, 탄산 중 일부가 해리하여 수소이온을 내어놓음으로써 pH가 낮아진다.
상기 반응조(20)는 상기 용수유출관(15)에 의하여 상기 이산화탄소 용해조(10)와 연결되고, 그 내부에는 제철슬래그가 수납된다. 따라서, 이산화탄소가 용해된 용수는 용수유출관(15)을 통하여 반응조(20) 내부로 유입되고, 이 용수는 제철슬래그와 반응하게 된다.
제철슬래그는 일반적으로 여러 가지 원소가 다량 함유되어 있고, 그 여러 가지 함유원소 중에서 산화칼슘(CaO)이 상기 용수유출관(15)을 통하여 유입된 이산화탄소가 용해된 용수와 반응한다.
이렇게 이산화탄소가 용해된 용수가 산화칼슘과 반응하는 과정을 화학식으로 간단히 나타내면 다음과 같다.
CaO + 
= 
+ 
즉, 이산화탄소가 용해된 물이 반응조(20)에 이르면 상기 반응조(20)에서는 제철슬래그에 다량 함유되어 있는 산화칼슘(CaO)과 용수가 반응하여 칼슘이온(
)과 수산화이온(
)을 내어놓는다.
제철슬래그 2g과 물 40ml를 25℃에서 반응시켰을 때의 칼슘이온(
) 함량변화를 나타낸 도 3을 참조로 하여 위 반응을 살펴보면 칼슘이온(
)은 최대 236mg/l까지 증가한다.
그리고, 제철슬래그 2g과 물 40ml를 25℃에서 반응시켰을 때의 pH 변화를 나타낸 도 4를 참조로 하여 위 반응을 살펴보면 pH는 최대 12.08까지 증가한다. 대체로 24시간까지 칼슘이온(
)과 pH는 급격히 증가한 후 대체로 일정하게 유지되는 양상을 나타낸다.
상기 침전조(30)는 용수배출관(21)에 의하여 상기 반응조(20)와 연결되고, 제철슬래그와 반응한 이산화탄소가 용해된 용수가 유입됨으로써 내부에서 칼슘이 온(
)과 탄산염이온(
)의 반응에 의하여 탄산칼슘이 생성된다.
이러한 침전조(30)는 상기 이산화탄소 배출관(16)과 연결되는 원통형상의 침전 본체부(31)와, 상기 침전 본체부(31)의 하단에 일체로 형성되고 탄산칼슘 회수관(34)이 하단에 연결된 고깔형태의 바닥부(32)로 구성된다.
상기 침전 본체부(31)는 상기 이산화탄소 용해조(10)의 헤드부(12)에 설치된 이산화탄소 배출관(16)과 연결되고, 일측에 침전조 배출관(33)이 형성되어 탄산칼슘이 생성된 후 침전조(30) 내부에 잔류되는 용수를 상기 침전조 배출관(33)을 통하여 배출한다.
상기 바닥부(32)에 설치된 탄산칼슘 회수관(34)에는 탄산칼슘 회수밸브(34a)를 설치하여 주기적으로 슬러지 형태의 탄산칼슘을 회수할 수 있도록 한다.
상기 침전조(30)에서 탄산칼슘이 형성되는 과정을 화학식으로 간단히 나타내면 다음과 같다.
즉, 수산화이온(
)은 이산화탄소의 용해로 인해 발생된 수소이온(
)과 반응하여 중화되고, 칼슘이온(
)은 탄산염이온(
)과 반응한다.
제철슬래그가 24시간동안 반응한 물에 용해될 수 있는 이산화탄소의 양을 나타낸 도 5를 참조로 하여 위 반응을 살펴보면, 이산화탄소의 주입량이 7mmol인 경우 탄산칼슘의 침전 가능량이 최대가 되는데, 이는 용액의 pH가 10 이상을 유지하기 때문이다. 이때, 침전 가능한 탄산칼슘(
)의 양은 4.0mmol이다. 따라서 제 철슬래그 2g당 이산화탄소 0.3g이 처분될 수 있으며 탄산칼슘은 0.4g 침전될 수 있다.
그리고, 제철슬래그가 384시간(16일)동안 반응한 물에 용해될 수 있는 이산화탄소의 양을 나타낸 도 6을 참조로 하여 위 반응을 살펴보면, 도 5와 마찬가지로 이산화탄소의 주입량이 7mmol인 경우 탄산칼슘의 침전 가능량이 최대가 되는데, 이는 용액의 pH가 10 이상을 유지하기 때문이다. 이때, 침전 가능한 탄산칼슘(
)의 양은 5.1mmol이다. 따라서 제철슬래그 2g당 이산화탄소 0.3g이 처분될 수 있으며 탄산칼슘은 0.5g 침전될 수 있다. 따라서, 이산화탄소가 용해된 물이 제철슬래그와 약 24시간동안 반응하는 것이 이산화탄소의 처분을 최적화할 것으로 예상된다.
한편, 상기 이산화탄소 배출관(16)은 그 끝단에 제2기포발생장치(B2)가 구비되고, 상기 제2기포발생장치(B2)는 이산화탄소 배출관(16)을 통하여 침전조(30) 내부로 유입된 이산화탄소를 기포상태로 분출시킴으로써, 상기 침전조(30) 내부에서 이산화탄소가 용수에 좀 더 많이 용해될 수 있도록 한다.
그리고, 상기 침전조(30)의 침전 본체부(31) 내부 상측에는 상기 이산화탄소 밸브(13a) 및 용수밸브(14a)와 전기적으로 연결되고 상기 침전조 배출관(33)이 연결된 침전 본체부(31) 지점과 동일한 높이에 제2수위감지센서(S2)가 설치된다. 따라서, 상기 침전조(30)에서도 용수에 용해되지 않은 이산화탄소는 침전조(30) 상부에 모아지고, 이렇게 모아진 이산화탄소의 압력이 높아져서 침전조(30) 내부의 수위가 침전조 배출관(33)이 연결된 지점보다 낮아지면 제2수위감지센서(S2)가 이를 감지하여 침전조 배출관(33)으로 유출되는 용수를 차단함과 동시에 이산화탄소 밸브(13a)와 용수밸브(14a)를 조절하여 이산화탄소와 물의 양을 조절하게 된다.
한편, 침전조(30)에서 배출된 탄산칼슘은 슬러지 형태이므로 외부에서 건조시키고, 침전조 배출관(33)을 통하여 배출된 용수는 칼슘 이온과 탄산칼슘이온이 다량 함유되어 있고 pH가 높으므로 바다에 버려지는 것이 바람직하다. 일반적으로 해수는 탄산칼슘이 침전될 수 있는 화학적인 조건을 갖추고 있기 때문에 침전조(30)에서 침전되지 않은 탄산칼슘은 해양 바닥에서 침전하게 된다.
도 1은 본 발명에 의한 제철슬래그를 이용한 이산화탄소 고정장치의 개략적인 구성을 보인 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 제철슬래그를 이용한 이산화탄소 고정장치의 단면도.
도 3은 제철슬래그 2g과 증류수의 반응 결과 칼슘이온의 농도변화를 보인 그래프.
도 4는 제철슬래그 2g과 증류수의 반응결과 pH 변화를 보인 그래프.
도 5는 제철슬래그와 24시간 반응한 용액에 용해되는 이산화탄소의 양에 따라 침전 가능한 탄산칼슘의 양과 pH 변화를 예측한 그래프.
도 6은 제철슬래그와 384시간 반응한 용액에 용해되는 이산화탄소의 양에 따라 침전 가능한 탄산칼슘의 양과 pH 변화를 예측한 그래프.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
10: 이산화탄소 용해조 11: 용해 본체부
12: 헤드부 13: 이산화탄소 유입관
14: 용수유입관 15: 용수 유출관
16: 이산화탄소 배출관 20: 반응조
21: 용수배출관 30: 침전조
31: 침전 본체부 32: 바닥부
33: 침전조 배출관 34: 탄산칼슘 회수관
B1: 제1기포발생장치 B2: 제2기포발생장치
S1: 제1수위감지센서 S2: 제2수위감지센서
Claims (6)
- 이산화탄소 밸브(13a)가 구비된 이산화탄소 유입관(13)과 용수밸브(14a)가 구비된 용수유입관(14)이 일측에 설치되어 내부에서 이산화탄소가 용수에 용해되는 이산화탄소 용해조(10)와;용수유출관(15)에 의하여 상기 이산화탄소 용해조(10)와 연결되고 제철슬래그가 수납되어 내부에서 이산화탄소가 용해된 용수와 제철슬래그가 반응하는 반응조(20)와;용수배출관(21)에 의하여 상기 반응조(20)와 연결되어 제철슬래그와 반응한 이산화탄소가 용해된 용수가 유입됨으로써 내부에서 칼슘이온()과 탄산염이온(
)의 반응에 의하여 탄산칼슘이 생성되고, 생성된 탄산칼슘을 배출하기 위한 탄산칼슘 회수관(34)과 탄산칼슘이 생성된 후 잔류한 용수를 배출하기 위한 침전조 배출관(33)이 설치된 침전조(30);를 포함하고,
상기 이산화탄소 용해조(10)와 상기 침전조(30) 사이에는 이산화탄소 배출관(16)이 설치되어, 상기 이산화탄소 용해조(10)에서 용해되지 않은 이산화탄소가 상기 침전조(30)로 유입되는 것을 특징으로 하는 제철슬래그를 이용한 이산화탄소 고정장치. - 삭제
- 청구항 1에 있어서,상기 이산화탄소 용해조(10)는 상기 이산화탄소 유입관(13)과 상기 용수유입관(14)이 연결된 원통형상의 용해 본체부(11)와;상기 용해 본체부(11)의 상단에 일체로 형성되어 용수에 용해되지 않은 이산화탄소를 포집함과 아울러 포집된 이산화탄소를 상기 침전조(30)로 이송하기 위하여 상단에 상기 이산화탄소 배출관(16)이 연결되는 고깔형태의 헤드부(12);로 구성된 것을 특징으로 하는 제철슬래그를 이용한 이산화탄소 고정장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 침전조(30)는 상기 이산화탄소 배출관(16)과 연결되는 원통형상의 침전 본체부(31)와;상기 침전 본체부(31)의 하단에 일체로 형성되고, 상기 탄산칼슘 회수관(34)이 하단에 연결된 고깔형태의 바닥부(32);로 구성된 것을 특징으로 하는 제철슬래그를 이용한 이산화탄소 고정장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 이산화탄소 유입관(13)은 그 끝단에 제1기포발생장치(B1)가 구비되어 이산화탄소 용해조(10) 내부에서 기포상태로 이산화탄소가 용수에 용존되는 것을 특징으로 하는 제철슬래그를 이용한 이산화탄소 고정장치.
- 청구항 1에 있어서,상기 이산화탄소 배출관(16)은 그 끝단에 제2기포발생장치(B2)가 구비되어 침전조(30) 내부에서 기포상태로 이산화탄소가 용수에 용존되는 것을 특징으로 하는 제철슬래그를 이용한 이산화탄소 고정장치.
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