KR101149601B1 - 용융 슬래그를 이용한 이산화탄소 저감 장치 - Google Patents

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Abstract

고온의 용융 슬래그와 이산화탄소를 함유하는 배가스를 이용한 이산화탄소 저감 장치가 개시된다. 본 발명에 의한 이산화탄소 저감 장치는 용융 슬래그를 분사시켜 슬래그 분체를 형성하는 슬래그 아토마이저, 상기 슬래그 분체와 이산화탄소와의 탄화 반응을 위한 탄화 반응기, 및 상기 탄화 반응기내에 이산화탄소를 포함하는 배가스를 공급하기 위한 배가스 공급 장치를 포함한다. 본 발명은 제선 공정시 발생하는 부산물인 고온의 용융 슬래그와 이산화탄소를 고농도로 함유하는 배가스를 반응시켜 탄산염으로 석출되도록 함으로써 제선 공정에서 발생하는 배가스로부터 이산화탄소 발생을 저감할 수 있다. 또한, 슬래그와 배가스와의 탄화 반응시 발생하는 반응열을 회수하여 이를 활용할 수 있음으로써 제선 공정의 에너지 효율을 높일 수 있다.

Description

용융 슬래그를 이용한 이산화탄소 저감 장치{CARBON DIOIXDE SEQUESTER USING MOLTEN SLAG}
본 발명은 이산화탄소 저감 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제선 공정에서 배출되는 고온의 용융 슬래그와 이산화탄소를 포함하는 배가스를 이용한 이산화탄소 저감 장치에 관한 것이다.
우리나라 총 이산화탄소 발생량 중 철강산업에서 배출되는 양은 20% 이상이며 이중 제선 및 다단의 유동층형 환원로와 용융 가스화로를 이용한 용철 제조공정에서 배출되는 양은 90% 이상이다.
고로 조업 또는 다단의 유동층형 환원로와 용융 가스화를 이용한 용철 제조 공정에서 발생하는 배가스(offgas)를 그대로 대기 중으로 방출하면 환경에 유해할 뿐 아니라 재활용할 수 있는 성분을 폐기하는 것으로서 자원 및 에너지 효율 측면에서도 바람직하지 않다.
또한 제선 공정에서 발생하는 배가스에 포함된 이산화탄소는 기후 변화의 원인으로 지목되고 있으며 이를 회수하여 이산화탄소의 발생을 저감시킬 필요가 있다.
제선 공정에서 발생되는 배가스로부터 이산화탄소를 제거하기 위하여는 부가적인 설비가 필요하며 이는 경제적으로 용철을 제조하는 데 걸림돌이 될 수 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 제선 공정에서 발생하는 고온의 용융 슬래그와 배가스 중에 포함된 이산화탄소를 탄화 반응시켜 이산화탄소를 고농도로 함유하는 제선 공정의 배가스로부터 이산화탄소를 저감시키는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 이산화탄소 저감 장치는 용융 슬래그를 분사시켜 슬래그 분체를 형성하는 슬래그 아토마이저, 상기 슬래그 분체와 이산화탄소와의 탄화 반응을 위한 탄화 반응기, 및 상기 탄화 반응기내에 이산화탄소를 포함하는 배가스를 공급하기 위한 배가스 공급 장치를 포함한다.
상기 이산화탄소 저감 장치는 상기 탄화 반응기 외부에 배치되며 상기 탄화 반응기에서 발생되는 반응열을 회수하는 제 1 배열 회수 장치를 더 포함한다.
또한, 상기 탄화 반응기와 상기 배가스 공급 장치는 이산화탄소 함유 배가스의 공급을 위한 도관에 의해 연결된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배가스 공급 장치는 외부에서 취입되는 배가스를 연소시키기 위한 연소 챔버, 상기 연소 챔버에 산소를 공급하기 위한 산소 취입관, 및 상기 연소 챔버의 외부에 배치되며 상기 연소 챔버에서 발생하는 배열을 회수하기 위한 제 2 배열 회수 장치를 포함한다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의한 이산화탄소 저감 방법은 용융 슬래그를 제공하는 단계, 상기 용융 슬래그를 슬래그 아토마이저에 장입하여 슬래그 분체를 형성하는 단계, 상기 슬래그 분체를 탄화 반응기 내에 취입하는 단계, 및 상기 탄화 반응기 내에 이산화탄소 함유 배가스를 취입하여 탄화 반응을 시키는 단계를 포함한다.
상기 이산화탄소 저감 방법은 상기 탄화 반응기 외부에 배열 회수 장치를 배치하여 상기 탄화 반응기에서 발생하는 배열을 회수하는 단계를 더 포함한다.
상기 이산화탄소 함유 배가스는 제선 공정에서 배출되는 배가스에서 이산화탄소를 격리시킨 고농도의 이산화탄소 함유 배가스인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 이산화탄소 저감 장치에 따르면 제선 공정에서 발생하는 부산물인 고온의 용융 슬래그의 현열을 이용하여 슬래그내의 산화칼슘 또는 산화마그네슘 성분과 제선 공정에서 발생하는 이산화탄소와의 탄화 반응을 촉진시켜 이산화탄소를 제거함으로써 이산화탄소를 저감시킬 수 있다.
또한, 슬래그 성분과 이산화탄소와의 탄화 반응시 발생하는 반응열을 회수함으로써 제선 공정의 에너지 효율을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 이산화탄소 저감 장치의 구성을 개략적으로나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 이산화탄소 저감 장치에 대하여 설명하기로 한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명에 의한 이산화탄소 저감 장치의 구성을 개략적으로나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 이산화탄소(CO2)가 농축된 배가스가 배가스 공급 장치(30)내의 연소 챔버(33)에 취입되고 산소 취입관(35)을 통해 산소를 취입하여 배가스 내에 존재하는 타르 또는 탄화수소 화합물을 연소시키게 된다.
용융 슬래그는 슬래그 아토마이저(10)(slag atomizer)에 장입되어 중력에 의해 낙하하면서 미세한 슬릿을 통해 분사되어 슬래그 분체를 형성하고 슬래그 분체는 탄화 반응기(20)내에서 외부에서 취입된 배가스 중의 이산화탄소와 탄화 반응을 일으켜 탄산염으로 변화되게 된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 이산화탄소 저감 장치는 고온의 용융 슬래그를 분사시켜 슬래그 분체를 형성하는 슬래그 아토마이저(10), 상기 슬래그 분체와 이산화탄소와의 탄화 반응을 위한 탄화 반응기(20), 및 상기 탄화 반응기(20)내에 이산화탄소를 포함하는 배가스를 공급하기 위한 배가스 공급 장치(30)를 포함한다.
상기 고온의 용융 슬래그는 제선 공정에서 용철의 제조시 부산물로 배출되는 것을 말하며 산화칼슘 또는 산화마그네슘 등의 성분들을 포함한다.
제선 공정에서 배출되는 고온의 용융 슬래그는 약 1,400℃ 이상의 온도를 가질 수 있다. 상기 제선 공정은 소결광과 코크스를 장입하여 용철을 제조하는 고로 조업 공정을 포함하며 바람직하게는 다단의 유동층형 환원로와 용융 가스화로를 이용하여 용철을 제조하는 파이넥스(FINEX) 공정을 포함한다.
슬래그 아토마이저(10)(atomizer)는 하단으로 갈수록 외경이 작아지는 깔대기 형상을 가지며 용융 슬래그를 장입하여 중력에 의해 하단부에 형성된 ~1mm 크기의 슬릿(slit)을 통해 분무되어(sprayed) 슬래그 분체를 형성하게 된다. 상기 고온의 용융 슬래그가 분무되어 형성되는 슬래그 분체의 온도는 약 600℃~700℃ 범위를 갖는다.
또한, 상기 용융 슬래그 분체를 용이하게 형성하도록 상기 슬래그 아토마이저(10)에 가스 분사 장치를 도입함으로써 슬래그의 분사를 가속화 시킬 수 있다.
상기 탄화 반응기(20)는 상기 슬래그 아토마이저(10) 하단에서 분사되는 슬래그 분체와 외부에서 취입되는 이산화탄소 함유 배가스를 반응시켜 탄산염을 생성함으로써 배가스 내에 포함된 이산화탄소를 제거하게 된다.
보다 상세하게, 상기 슬래그 아토마이저(10)의 하부를 통해 분사되는 슬래그 분체는 상기 탄화 반응기(20) 내에서 중력에 의해 낙하하면서 상기 탄화 반응기(20) 내에 취입되는 배가스에 함유된 이산화탄소와 탄화 반응을 일으키게 된다.
즉, 아토마이저를 통해 분사되는 용융 슬래그는 극미분으로 응고되어 반응 면적이 증가되며 이산화탄소와 반응이 일어나게 된다.
제선 조업 및 유동로와 용융가스화로를 이용한 파이넥스(FINEX) 조업이 고압에서 진행되고 또한 배출되는 슬래그의 비중은 대략 3 내외이므로 특별한 가압장치 없이 공정의 고압과 슬래그의 하중을 이용해 ~1mm의 슬릿을 통해 슬래그를 분사할 수 있다.
이 경우, 슬릿을 통해 슬래그가 분사될 때 슬래그의 표면장력이 ~0.4N/m로 매우 높으므로 널리 알려진 유체의 불안정성(Instability) 현상 중의 하나인 Plateau-Rayleigh Instability에 의해 입도가 광범위한 10㎛~1mm의 슬래그 분말 형성이 가능하다.
상기 배가스는 제선 공정에서 발생되는 배가스 중 이산화탄소를 분리시켜 이산화탄소가 고농도로 농축되어 있는 배가스를 말한다.
상기 탄산염은 상기 탄화 반응기(20) 하부를 통해서 외부로 배출되게 된다.
상기 탄화 반응기(20) 내에서 슬래그 분체인 산화칼슘과 산화마그네슘의 탄화 반응은 아래 식 (1) 및 (2)과 같다.
CaO + CO2 → CaCO3 (반응열: 179kJ/mol) --- (1)
MgO + CO2 → MgCO3 (반응열: 117kJ/mol) ---(2)
제 1 배열 회수 장치(40)는 상기 탄화 반응기(20) 외부에 배치되며 상기 탄화 반응기(20)에서 발생되는 반응열을 회수할 수 있다.
상기 제 1 배열 회수 장치(40)는 반응열을 회수할 뿐만 아니라 상기 탄화 반응기(20) 내의 반응 온도를 500℃~700℃ 범위로 적정하게 유지하는 역할을 한다.
상기 탄화 반응기(20)와 상기 배가스 공급 장치(30)는 이산화탄소 함유 배가스의 공급을 위한 도관에 의해 연결될 수 있다.
상기 배가스 공급 장치(30)는 제선 공정에서 배출되는 이산화탄소가 고농도로 농축된 배가스가 외부로부터 취입되며 취입된 배가스를 연소시키기 위한 연소 챔버(33), 상기 연소 챔버(33)에 산소를 공급하기 위한 산소 취입관(35), 및 상기 연소 챔버(33)의 외부에 배치되며 상기 연소 챔버(33)에서 발생하는 배열을 회수하기 위한 제 2 배열 회수 장치(37)를 포함한다.
상기 배열 회수 장치(37, 40)는 동(copper)이나 스테인레스 400 계열의 소재를 이용한 관으로 이루어질 수 있으며 관 내부에는 물을 흘려 탄화 반응기(20) 또는 연소 챔버(33)에서 발생하는 배열을 회수할 수 있다.
본 발명에서 말하는 배가스는 제선 공정, 특히 다단의 유동로와 용융 가스화로를 이용하여 용철을 제조하는 공정에서 배출되는 배가스 중 이산화탄소 제거 장치(미도시)에 의해 분리된 이산화탄소를 고농도로 함유하는 배가스를 의미한다.
제선 공정에서 배출되는 배가스 중 이산화탄소 만을 분리함으로써이산화탄소가 고농도로 포함된 배가스를 이산화탄소 테일 가스(CO2 tail-gas)라고도 한다.
상기 이산화탄소 제거 장치에 의해 이산화탄소를 고농도로 함유한 배가스에도 타르(tar) 또는 탄화수소 화합물이 미량으로 함유되어 있으므로 산소를 취입하여 상기 타르 또는 탄화수소 화합물을 탄화시켜 이산화탄소를 더욱 농축시킬 수 있다.
상기 연소 챔버(33)에서 일어나는 탄소의 연소 반응은 아래식 (3)과 같다.
C + O2 → CO2 (반응열: 396kJ/mol) ----(3)
상기 배가스 공급 장치(30)는 연소 챔버(33)에서 발생하는 배열을 회수하기 위한 제2 배열 회수 장치(37)를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 이산화탄소 저감 방법은 용융 슬래그를 제공하는 단계, 상기 용융 슬래그를 슬래그 아토마이저(10)에 장입하여 슬래그 분체를 형성하는 단계, 상기 슬래그 분체를 탄화 반응기(20) 내에 취입하는 단계, 및 상기 탄화 반응기(20) 내에 이산화탄소 함유 배가스를 취입하여 탄화 반응을 시키는 단계를 포함한다.
상기 용융 슬래그는 제선 공정의 부산물로 배출되는 것으로 산화칼슘(CaO) 및 산화마그네슘(MgO) 등을 포함하며 온도는 약 1,400℃ 이상일 수 있다.
상기 용융 슬래그를 슬래그 하단으로 갈수록 외경이 작아지는 깔대기 형상을 갖는 아토마이저(atomizer)에 장입하고 중력에 의해 낙하시키되 아토마이저의 하단부에는 ~1mm 이하의 슬릿을 형성하여 용융 슬래그가 아토마이저 하단부에서 분사되어 슬래그 분체가 형성되도록 한다.
상기 슬래그 분체는 탄화 반응기(20) 내에 장입되며 탄화 반응기(20)에는 외부에서 도관을 통해 이산화탄소가 농축된 배가스를 취입함으로써 탄화 반응기(20) 내에서 슬래그와 이산화탄소 사이에 탄화 반응이 일어나게 된다.
또한, 상기 이산화탄소 저감 방법은 상기 탄화 반응기(20) 외부에 제1 배열 회수 장치(40)를 배치하여 상기 탄화 반응기(20)에서 발생하는 배열을 회수하는 단계를 더 포함한다.
또한, 상기 이산화탄소 함유 배가스는 제선 공정에서 배출되는 배가스에서 이산화탄소를 격리시킨 고농도의 이산화탄소 함유 배가스인 것을 특징으로 한다.
이상과 같이, 본 발명에 의한 이산화탄소 저감 장치는 제선 공정시 발생하는 부산물인 고온의 용융 슬래그의 현열을 이용하여 이산화탄소 테일 가스(tail-gas)의 이산화탄소를 격리시킴으로써 제선 공정에서 발생하는 이산화탄소 양을 저감시킬 수 있다.
이는 제선 슬래그의 현열을 이용하여 슬래그 내의 CaO/MgO 성분과 이산화탄소 제거용 테일-가스내에 포함된 이산화탄소와 반응을 촉진시켜 이산화탄소를 격리함과 동시에 격리 반응(탄화 반응)시 발생하는 반응열을 회수하여 제선 공정의 에너지 효율을 증가시킬 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예 들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 슬래그 아토마이저 20 : 탄화 반응기
30 : 배가스 공급 장치 33 : 연소 챔버
35 : 산소 취입관 37 : 제 2 배열 회수 장치
40 : 제 1 배열 회수 장치

Claims (7)

  1. 용융 슬래그를 분사시켜 슬래그 분체를 형성하는 슬래그 아토마이저;
    상기 슬래그 분체와 이산화탄소와의 탄화 반응을 위한 탄화 반응기; 및
    상기 탄화 반응기내에 이산화탄소를 포함하는 배가스를 공급하기 위한 배가스 공급 장치를 포함하는 이산화탄소 저감 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄화 반응기 외부에 배치되어 상기 탄화 반응기에서 발생되는반응열을 회수하는 제 1 배열 회수 장치를 더 포함하는 이산화탄소 저감 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄화 반응기와 상기 배가스 공급 장치는 이산화탄소 함유 배가스의 공급을 위한 도관에 의해 연결된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 저감 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배가스 공급 장치는 외부에서 취입되는 배가스를 연소시키기위한 연소 챔버;
    상기 연소 챔버에 산소를 공급하기 위한 산소 취입관; 및
    상기 연소 챔버의 외부에 배치되며 상기 연소 챔버에서 발생하는 배열을 회수하기 위한 제 2 배열 회수 장치를 포함하는 이산화탄소 저감 장치.
  5. 용융 슬래그를 제공하는 단계;
    상기 용융 슬래그를 슬래그 아토마이저에 장입하여 슬래그 분체를형성하는 단계;
    상기 슬래그 분체를 탄화 반응기 내에 취입하는 단계; 및
    상기 탄화 반응기 내에 이산화탄소 함유 배가스를 취입하여 탄화 반응을 시키는 단계를 포함하는 이산화탄소 저감 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 탄화 반응기 외부에 배열 회수 장치를 배치하여 상기 탄화 반응기에서 발생하는 배열을 회수하는 단계를 더 포함하는 이산화탄소 저감 방법.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에서,
    상기 이산화탄소 함유 배가스는 제선 공정에서 배출되는 배가스에서 이산화탄소를 격리시킨 고농도의 이산화탄소 함유 배가스인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 저감 방법.
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