KR101356067B1

KR101356067B1 - 이산화탄소 고정방법 및 장치

Info

Publication number: KR101356067B1
Application number: KR20120091439A
Authority: KR
Inventors: 이승문; 이동조; 정종헌; 김기현; 김성만
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2012-08-21
Filing date: 2012-08-21
Publication date: 2014-01-28
Also published as: WO2014030811A1; CN104364195A; CN104364195B

Abstract

본 발명은 이산화탄소 고정방법 및 그 장치에 관한 것으로, 제철폐기물을 제공하는 단계; 상기 제철폐기물을 농축시키는 단계; 상기 농축된 제철폐기물을 탈수처리하는 단계; 상기 탈수처리된 제철폐기물과 강산을 혼합 및 교반하여 형성되는 수소와 침전물을 분리하는 단계; 상기 분리된 침전물에 알칼리 폐수와 이산화탄소를 포함하는 배가스를 주입하여 탄산염을 제조한 후 상기 탄산염과 상기 침전물과의 치환 반응에 의해 금속탄산염(FeCO₃)을 제조하는 단계; 및 상기 금속탄산염(FeCO₃)을 건조시키는 단계를 포함하는 이산화탄소 고정방법 및 이산화탄소 고정장치가 개시된다.

Description

이산화탄소 고정방법 및 장치{METHOD FOR FIXING CARBON DIOXIDE AND APPARATUS FOR THD SAME}

본 발명은 이산화탄소 고정방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제철폐기물을 강산과 반응시켜 금속이온을 형성한 후 이를 이산화탄소와 함께 알칼리 폐수와 반응시켜 이산화탄소를 고정함과 동시에 금속탄산염을 제조하는 방법에 관한 것이다.

제철소에서 발생되는 이산화탄소는 많은 비중을 차지하고 있는데, 특히 제선부야에서 전체 일관제철공정 중 약 90%이상의 이산화탄소가 발생되어 이산화탄소를 처리하기 위해 많은 연구가 이루어지고 있다.

먼저, 종래의 CCS(carbon dioxide capture and storage)는 이산화탄소를 포집하고 포집된 이산화탄소를 저장하기 위해 해양저장 또는 지중저장 등 저장공간을 확보해야 하는 문제점을 가지고 있었다.

제절소에서는 철강제품을 생산시 부가적으로 제철 슬러지 및 제철 더스트(dust)가 발생되며 이를 처리하기 위해 많은 예산이 소요되고 있다.

일반적으로 이산화탄소의 배출억제는 화석연료의 사용을 절감하는 방법과 이산화탄소를 분리, 회수하여 고정화하는 방법이 있다.

특히, 후자의 방법은 이산화탄소를 분리, 회수하여 메탄올 합성의 원료로서 이용하는 방법 또는 이산화탄소의 분리, 회수 후에 해양 투기하거나 탄산염으로서 고정화하는 방법이다.

한편, 제철소의 제강 공정에서 발생되는 슬래그는 용선예비처리 슬래그, 전로슬래그, 스테인레스 슬래그, 전기로 슬래그 등이 있는데 이들 제강슬래그는 시멘트, 도로 및 토목 공사시 채움용 골재로 일부 활용되고 있으나, 나머지는 대부분 매립되고 있는 실정이다. 그러나, 매립지 확보가 점차 어려워지고 지금까지의 활용 방법으로는 한계가 있어 버려지는 슬래그를 활용하기 위한 다양한 방안들이 제시되고 있다.

그러나, 제철공정에서 발생하는 슬러지나 더스트 등의 제철폐기물을 이용한다면 버려지는 제철폐기물의 양을 줄일 수 있어 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 이를 이용하여 이산화탄소를 고정시킨다면 환경오염을 방지할 수도 있으므로 이에 대한 연구가 필요한 실정이다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명은 알칼리 폐수에 이산화탄소를 반응시켜 탄산염을 형성하고, 탄산염에 금속염을 치환하여 이산화탄소를 고정함과 동시에 금속탄산염을 제조하는 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 제철폐기물을 제공하는 단계; 상기 제철폐기물을 농축시키는 단계; 상기 농축된 제철폐기물을 탈수처리하는 단계; 상기 탈수처리된 제철폐기물과 강산을 혼합 및 교반하여 형성되는 수소와 침전물을 분리하는 단계; 상기 분리된 침전물에 알칼리 폐수와 이산화탄소를 포함하는 배가스를 주입하여 탄산염을 제조한 후 상기 탄산염과 상기 침전물과의 치환 반응에 의해 금속탄산염(FeCO₃)을 제조하는 단계; 및상기 금속탄산염(FeCO₃)을 건조시키는 단계를 포함하는 이산화탄소 고정방법이 제공될 수 있다.

상기 제철폐기물은 제철공정에서 발생하는 폐슬러지(sludge) 또는 더스트(dust)를 포함하고, 상기 침전물은 상기 제철폐기물과 염산(HCl)과의 반응에 의해 생성된 FeCl₂와 FeCl₃를 포함한다.

상기 알칼리 폐수는 제철공정에서 발생하는 NH₃, CaO 또는 NaOH 중 하나 이상을 포함할 수 있고, 상기 탄산염은 HCO₃ ^-, CO₃ ² ^- 또는 NH₂CO₂ ^- 중 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 금속탄산염(FeCO₃)은 상기 침전물에 의해 발생된 철이온(Fe²⁺)과 상기 탄산염과의 반응에 의해 형성되며, 상기 제철폐기물은 철 함량(total Fe)이 중량 퍼센트로 40~60%인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 건조하는 단계 이전에 상기 금속탄산염을 농축하는 단계; 농축된 금속탄산염을 탈수처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 금속탄산염은 고로 또는 용융가스화로에 공급되어 노심활성화제로 사용될 수 있고, 상기 고로 또는 용융가스화로에 공급된 금속탄산염은 산화철(FeO)과 이산화탄소로 분해되고, 분해된 이산화탄소는 미분탄과 반응하여 환원가스를 생성하는 것을 특징으로 한다.

상기 금속탄산염은 상기 용융가스화로의 더스트 버너(dust burner)를 통해 취입되거나 풍구를 통해 고로에 취입되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 강산은 pH가 1이하이고, 상기 알칼리 폐수의 pH는 10이상인 것을 특징으로 한다.

상기 이산화탄소를 포함하는 배가스는 제철공정에서 발생된 BFG(blast furnace gas), FOG(FINEX off gas) 또는 COG(Coke Oven Gas) 중 하나 이상이며, 상기 수소는 유동환원로의 환원가스로 사용되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 실시예에서는 제철폐기물을 농축시키는 농축장치; 농축된 제철폐기물을 탈수하는 탈수장치; 탈수된 제철폐기물을 강산과 반응시켜 수소와 금속염을 생성하는 용해장치; 상기 금속염에 이산화탄소를 함유하는 배가스와 알칼리 폐수를 반응시켜 금속탄산염을 제조하는 혼합교반장치; 및 상기 금속탄산염을 건조하는 건조장치를 포함하는 이산화탄소 고정장치가 제공될 수 있다.

상기 혼합교반장치는 상기 혼합교반장치 내에 침지되고, 상기 금속염 및 이산화탄소를 포함하는 배가스를 상기 알칼리 폐수에 공급하는 하나 이상의 매트(mat)를 포함한다.

상기 탈수장치는 필터 프레스(filter press)인 것을 특징으로 하며, 상기 건조장치에는 상기 혼합교반장치 내에 침전된 금속탄산염을 흡입하는 석션장치가 연결되어 상기 침전된 금속탄산염을 상기 건조장치에 금속탄산염을 공급하는 것을 특징으로 한다.

상기 석션장치와 상기 건조장치 사이에는 상기 금속탄산염을 농축하는 농축기 및 상기 농축기와 상기 건조장치의 사이에 형성되어 상기 농축된 금속탄산염을 탈수처리하는 탈수기를 더 포함할 수 있다.

상기 용해장치는, 상기 강산을 저장하는 강산 저장조; 상기 강산과 제철폐기물이 용해되는 용해셀(melt cell); 및 상기 용해셀 내의 용액을 교반시키는 교반기를 포함할 수 있다.

상기 용해장치는 상기 강산의 양을 조절하는 체크밸브를 더 포함할 수 있고, 상기 용해장치는 상기 제철폐기물과 강산의 반응에 의해 생성된 수소를 저장하는 수소 저장조를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면 제철공정에서 발생하는 다량의 이산화탄소를 공정 내의 폐자원을 활용하여 저가로 제거할 수 있다.

또한, 제철공정에서 발생하는 알칼리 폐수에 이산화탄소를 주입함과 동시에 금속이온을 주입함으로써 중화처리한 금속탄산염을 제조할 수 있으며, 금속탄산염을 조연제로 활용함으로써 노심을 활성화시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 실시예의 이산화탄소 고정방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예의 이산화탄소 고정장치의 구성도이다.
도 3은 도 2의 구성 중 용해장치 및 혼합교반장치를 구체적으로 도시한 것이다.
도 4는 일반적인 고로에서의 풍구의 모습을 개략적으로 도시한 것이다.

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.

본 발명에 따른 실시예에서는 제철폐기물인 철(Fe) 성분이 함유되어 있는 폐슬러지와 더스트(dust)를 이용하여 제철공정에서 발생된 이산화탄소를 고정시킴과 동시에 금속탄산염(FeCO₃)을 제조하여 이를 고로 또는 파이넥스(FINEX) 용융가스화로에 공급하여 노심이 활성화되도록 하는 이산화탄소 고정방법 및 장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소를 고정하는 순서를 나타낸 것인데, 이하에서는 도 1을 참조하여 제철폐기물을 이용한 이산화탄소 고정방법에 대하여 설명한다.

먼저, 본 발명에 따른 실시예에서는 제철공정에서 발생하는 제철폐기물인 폐슬러지와 더스트를 제공(S100)하여, 제공된 제철폐기물을 농축장치로 농축(S110)시킨 다음 이를 필터프레스와 같은 탈수장치를 이용하여 탈수처리(S120)를 한다. 이후, 상기 탈수처리된 제철폐기물과 강산을 혼합 및 교반(S130)하여 수소와 침전물을 형성한다.

상기 수소와 침전물을 별도의 용도로 사용하기 위하여 이들을 분리(S140)하는데, 상기 수소는 유동환원로 등에서 환원가스로 사용하고, 상기 침전물은 금속탄산염의 생성에 사용된다.

본 발명에 따른 실시예에서의 폐슬러지는 제선, 제강 공정을 포함한 제철 공정에서 발생되는 모든 슬러지를 포함한다.

이때, 상기 침전물은 철을 함유한 폐슬러지 또는 더스트가 염산(HCl)과 같은 강산과 반응하여 형성한 FeCl₂와 FeCl₃이다.

이후, 상기 침전물이 용해되어 있는 용해장치에서 교반기에 의해 상기 FeCl₂와 FeCl₃는 물에 용해되어 Fe²⁺, Fe³⁺로 존재한다.

즉, 제철폐기물은 염산과 반응시 2가의 철은 Fe²⁺가 되고 삼산화이철(Fe₂O₃) 의 경우에는 Fe³⁺가 된다. 상기 철이온(Fe²⁺, Fe³⁺)과 침전 반응시에 발생한 수소를 분리하고 분리된 침전물을 탄산염과 반응시킨다.

상기 탄산염은 알칼리 폐수와 이산화탄소의 혼합에 의해 이루어지며, 상기 탄산염에 침전물을 주입하여 금속탄산염(FeCO₃)을 제조(S150)한다. 본 발명에 따른 실시예에서는 상기 발생된 금속탄산염을 고로 또는 용융가스화로에 조연제로 활용하기 위하여 상기 금속탄산염(FeCO₃)을 건조(S180)시키는 단계를 거친다.

이때, 상기 금속탄산염을 건조하기 전에 농축 공정(S160) 및 탈수처리 공정(S170)을 거칠 수도 있다.

이하에서는 상기 공정을 보다 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 실시예의 이산화탄소 고정장치의 구성도를 도시한 것인데, 이하에서는 도 2를 참조하여 설명하기로 한다.

일반적으로 제철공정에서 발생된 폐슬러지 또는 더스트와 같은 제철소의 부산물인 제철폐기물은 매립되거나 외부로 반출하여 처리되는데, 이들은 Fe²⁺, Zn²⁺ 또는 Ag²⁺와 같은 금속염을 포함한다. 본 발명에 따른 실시예에서는 상기 Fe²⁺를 탄산염과 반응시켜 금속탄산염인 FeCO₃를 제조한다.

이를 위하여 먼저 철이온(Fe²⁺)의 제조 공정을 거친다.

폐슬러지 또는 더스트와 같은 제철소(10)의 제철폐기물(20)에는 Fe₂O₃, Fe₃O₄ 또는 FeO와 같은 산화철이 포함되어 있는데, 이들 산화철은 강산 특히, 염산과 반응하여 염화철을 형성한다.

상기 염화철을 형성하기 이전에 농축장치(100)와 탈수처리장치(110)를 이용하여 제철폐기물(20)을 농축 및 탈수처리를 실시한다. 이때, 제철폐기물의 수분을 모두 제거할 필요는 없으며 본 발명에 따른 실시예에서는 탈수처리장치로 필터프레스(filter press)를 사용하였다. 이에 의해 강산과의 반응이 잘 일어날 정도로 수분을 제거한다. 상기 필터프레스는 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 자명한 사항이므로 여기서는 구체적인 설명을 생략하기로 한다.

이때, 상기 염화철의 형성은 하기 반응식에 의해 이루어진다. 이는 제철폐기물에 포함된 Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeO 의 해리반응과 같다. 상기 해리반응을 위해서 본 발명에 따른 실시예에서는 강산인 염산(HCl)을 상기 제철폐기물(20)과 함께 용융장치(200) 내에 첨가한다.

Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂

Fe₂O₃ + 6HCl → 2FeCl₃ + 3H₂O

Fe₂O₃ + Fe + 6HCl → 3 FeCl₂ + 3H₂O

Fe₃O₄ + 8HCl → FeCl₂ + 2FeCl₃ + 3H₂O

FeO + 2HCl → FeCl₂ + H₂O

상기 식에서 염산의 pH는 1 이하이다.

이때, 상기 폐슬러지 또는 더스트와 같은 제철폐기물(20)은 100㎛ 이하의 크기를 갖는 것을 사용한다. 만약, 제철폐기물(20)의 입도가 100㎛ 보다 크다면 상기 산화철의 반응 표면적이 충분하지 않아 해리반응이 잘 이루어지지 않으므로 본 발명에 따른 실시예에서의 제철폐기물(20)의 크기는 100㎛ 이하로 한정한다. 다만, 상기 제철폐기물의 입도는 발생된 환경에 따라 달라질 수 있는데, 파이넥스(FINEX) 용융가스화로에서 발생된 경우에는 30㎛ 이하일 수 있다.

상기 반응식에 의해 형성된 FeCl₂와 FeCl₃는 물에 의해 쉽게 용해되어 Fe²⁺, Fe³⁺로 존재한다. 이때, 상기 반응식에서 알 수 있듯이, 수소 가스가 발생할 수 있는데, 이와 같이 부가적으로 발생한 고순도의 수소 가스는 파이넥스 제선 공정의 유동환원로 등에서 환원가스로 사용될 수 있다.

상기와 같이 염화철을 형성하기 위하여 본 발명에 따른 실시예에서는 제철폐기물 내의 철 함량(total Fe)이 40~60 중량 퍼센트(wt%)인 것을 사용한다. 만약, 철 함량이 40%보다 낮으면, 후술하는 제조되는 조연제의 양보다 버려지는 양이 많아져 조연제의 제조 효율이 저하된다. 또한, 철 함량이 60%를 초과하면 조연제의 수율이 증가하지만 철 함량이 60%를 초과하는 경우라면 제철공정에서 유용하게 사용될 것이므로 본 발명에 따른 실시예에서는 제철폐기물 내의 철 함량을 상기 범위로 한정한다.

상기와 같이 제조된 FeCl₂와 FeCl₃는 물에 용해되어 Fe²⁺, Fe³⁺와 같이 금속이온의 형태로 존재하며 탄산염과 반응하여 금속탄산염(FeCO₃)을 제조한다.

이하에서는 본 발명에 따른 실시예의 탄산염 제조 공정에 대하여 설명한다.

본 발명에 따른 실시예에서의 탄산염의 제조는 제철공정에서 버려지는 알칼리 폐수와 이산화탄소를 반응시킴으로써 이루어진다. 즉, NH₃, CaO 또는 NaOH는 제철공정에서 버려지는 폐수에 포함되어 있는데, 이들 중 하나 이상과 이산화탄소가 반응하여 여러 종류의 탄산염을 형성한다. 이들 각각의 반응식은 하기식과 같다.

먼저, NH₃에 대한 반응식은 아래와 같다. 하기 반응식에 의해 HCO₃ ^-, CO₃ ² ^-, NH₂CO₂ ^-와 같은 탄산염이 발생한다.

NH₃ + CO₂ + H₂O ↔ NH₄ ⁺ + HCO₃ ^-

NH₃ + HCO₃ ^-↔ CO₃ ² ^- + 2NH₄ ⁺

NH₃ + HCO₃ ^-↔ NH₂CO₂ ^- + H₂O

알칼리 폐수 중 CaO의 반응식은 아래와 같고, 이때 발생되는 탄산염은 HCO₃ ^- 및 CO₃ ² ^-이다.

CaO(s) + H₂O→ Ca(OH)₂

Ca(OH)₂(s) → Ca² ⁺(aq) + 2OH^-(aq)

CO₂(aq) + OH^-(aq) → HCO₃ ^-(aq)

HCO₃ ^-(aq) + OH^-(aq) → H₂O + CO₃ ² ^-(aq)

또한, NaOH의 경우는 다음과 같은 반응에 의해 CO₃ ² ^- 이온이 발생한다.

NaOH(s) + H₂O(l) → Na(aq) + OH^-(aq) + H₂O(l)

OH^- + CO₂ → CO₃ ² ^- + H₂O

상기 알칼리 폐수와 이산화탄소의 반응은 기체/액체 계면에서 매우 급격히 일어나면서 이산화탄소가 포집된다. 본 발명에 따른 실시예에서의 이산화탄소를 포함하는 배가스는 제철공정에서 발생된 BFG(blast furnace gas), FOG(FINEX off gas) 또는 COG(Coke Oven Gas) 중 하나 이상을 포함한다.

상기의 알칼리 폐수의 pH는 10 이상이면 된다. 만약, 10 미만인 경우에는 이산화탄소를 고정시키는 능력이 저하된다. 즉, 산성 가스인 이산화탄소의 중화 능력이 저하되므로 본 발명에 따른 실시예에서는 알칼리 폐수의 pH를 10 이상으로 한정한다.

예를 들면, 알칼리 폐수의 pH가 11인 경우 산성 가스인 CO₂와 반응하여 알칼리 폐수의 pH는 7~8정도로 중화된다. 즉, 알칼리 폐수의 pH가 높을수록 그만큼 CO₂와의 반응이 활발히 진행될 수 있는 기회가 더 커진다. 따라서, 본 발명에 따른 실시예에서는 알칼리 폐수의 pH를 10 이상으로 한정한다.

상기와 같은 반응에 의해 형성된 탄산염(HCO₃ ^-, CO₃ ² ^-,NH₂CO₂ ^-)은 혼합교반장치(300)에서 Fe² ⁺과 반응하여 금속탄산염을 형성한다.

즉, 도 2에서와 같이 제철소(10)의 제철 공정의 부산물인 이산화탄소와 알칼리 폐수를 공급받아 이들의 반응으로부터 탄산염을 제조하고, 제조된 탄산염과 철이온이 반응하여 금속탄산염( FeCO₃)이 형성된다.

이때, 반응식은 하기 식에서와 같다.

Fe² ⁺ + 2HCO₃ ^- ↔ CO₂ + FeCO₃ + H₂O

Fe² ⁺ + CO₃ ² ^- ↔ FeCO₃

Fe²⁺ + NH₂CO₂ ^- + H₂O ↔ FeCO₃ + NH₄ ⁺

상기 반응식에서와 같이 계면으로부터 탄산염을 전달받아 열역학적으로 안정한 금속염(FeCO₃)이 침전되고, CO₂ 가 고정된다.

이후, 상기 금속탄산염은 혼합교반장치(300) 내에 침전된다. 본 발명에 따른 실시예에서는 상기 금속탄산염을 조연제로 활용하기 위하여 상기 금속탄산염을 건조장치(400)를 이용하여 건조하는데, 본 발명에 따른 실시예에서는 건조 전에 농축기(370)와 탈수기(390)를 이용하여 농축 및 탈수 공정을 거쳐 건조가 용이하게 이루어지도록 할 수 있다.

상기 조연제는 고로(600)와 용융가스화로(500)의 미분탄 취입 랜스(PCI)에 공급되어 연소대에서 완전 연소를 촉진하고 미연 탄소분의 발생을 방지하는 역할을 한다. 상기 조연제는 노심활성화제로써 노심부의 활성화 조업을 위하여 사용될 수 있는데, 특히 노벽 보수 후 조기에 조업도 상승을 위하여 노심부의 조기 승열을 위해 사용될 수 있다.

일반적으로 고로조업은 고가의 코크스의 사용량을 줄이고 그 줄어든 코크스 공간에 철광석을 더 채워줌으로써 고출선 조업을 가능하게 하기 위해 PCI를 고로 풍구를 통하여 주입하고 있다. 이때 노하부의 열적 안정을 위해 제철 폐자원인 고로 슬러지 및 제철 더스트 중 금속염을 CO₂고정화시킨 FeCO₃를 같이 첨가하여 주입하는데, 400~550℃에서 FeCO₃는 FeO와 CO₂로 분해(decomposition)된다.

이때, 분해 과정에서 1015kJ/kg 정도의 에너지가 소요되는데, PCI(pulverized coal injection)가 고로에 주입되는 풍구 연소영역의 온도는 약 1250℃이며 열풍에 의해 에너지가 공급되어 아래의 분해 반응이 일어나며, 생성된 FeO는 직접 환원에 의해 Fe로 환원하게 된다.

FeCO₃ ↔ FeO + CO₂

FeO + C → Fe + CO

이때 생성된 CO₂는 연소대(raceway)부근에서 미분탄(pulverized coal)과 반응하여 다음과 같은 반응을 하게 된다. 이 때의 온도는 950℃~2200℃ 정도이며 반응식은 하기와 같다.

CO₂+ C ↔ 2CO △H= +173kJ/mole

따라서 연소영역에서 FeCO₃를 첨가하여 사용하게 되면 충분한 CO가 생성되고 생성된 일산화탄소가 노(shaft) 위로 상승하며 노상으로 하강하는 장입물을 환원시키게 된다.

또한, FeCO₃는 용융가스화로 상부에 있는 더스트 버너(dust burner)를 통해 용융가스화로로 취입함으로써 재이용이 가능하다. 상기 더스트 버너는 용융가스화로 내의 온도 저하를 방지하기 위하여 더스트 연소에 필요한 산소 이외에 추가 산소를 공급한다. 추가적인 산소를 공급함으로써 용융가스화로의 돔부에 형성되는 환원 가스 일부를 연소시켜서 온도 저하를 방지한다.

이하에서는 본 발명에 따른 실시예의 이산화탄소 고정 공정에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 실시예에서의 이산화탄소 고정장치를 도시한 것으로 용해장치, 혼합교반장치를 포함한다.

도 3을 참조하면, 제철공정에서 발생되는 부산물인 폐슬러지 또는 더스트와 같은 제철폐기물을 농축장치(100)에 의해 농축하고, 농축된 제철폐기물을 탈수처리장치(110)에 의해 탈수처리하여 제철폐기물의 수분을 제거한다.

상기 탈수처리된 제철폐기물은 용해장치(200)의 용해셀(230)에 이송되어 강산 저장조(210)에 저장되어 있던 강산 용액이 체크밸브(220)의 조절에 의하여 용해셀(230)로 이동되어 교반기(240)로 혼합 교반시키면 금속염이 발생하게 된다.

상기 금속염은 FeCl₂와 FeCl₃인데, 상기 금속염은 물에 용해되어 Fe²⁺, Fe³⁺의 상태로 존재하여 침전물(235)을 형성한다. 이때, 금속염의 형성과 동시에 수소가 발생하기도 하는데, 상기 수소는 고순도이므로 이를 수소 저장조(250)에 보관하여 수소 가스에 의해 철광석을 환원하는 공정 등에 사용한다.

상기 금속염은 금속이온 주입관(310)을 통하여 혼합교반장치(300)로 주입되고 특히, Fe²⁺는 탄산염과 반응하여 금속탄산염(337)을 형성한다. 상기 탄산염은 외부의 이산화탄소 주입관(320)으로부터 주입되는 이산화탄소를 포함하는 배가스와 폐수 저장조(335) 내에 저장된 알칼리 폐수(330)의 반응에 의해 형성되는데, 상기 배가스와 알칼리 폐수(330)는 상기 혼합교반장치(300) 내에서 반응이 이루어진다.

본 발명에 따른 실시예에서는 상기 Fe²⁺는 상기 이산화탄소를 포함하는 배가스와 함께 상기 혼합교반장치(300)로 주입되고, 주입된 상기 철이온(Fe²⁺)과 배가스는 다수의 가스 확산 호스(gas diffuser hose)를 갖는 하나 이상의 매트(mat)(340)를 통하여 알칼리 폐수(335) 내로 균일하게 공급 분산된다.

상기 매트(340)로부터 균일하게 분산된 이산화탄소는 상기 알칼리 폐수(330) 내에 존재하는 NH₃, CaO또는 NaOH와 반응하여 HCO₃ ^-, CO₃ ² ^-,NH₂CO₂ ^-과 같은 탄산염을 형성한다. 이때, pH전극(350)으로 pH를 체크하여 상기 혼합교반장치(300) 내의 pH를 10 이상으로 유지하도록 한다.

상기 탄산염과 상기 철이온 Fe²⁺가 혼합교반장치(300) 내에서 반응함으로써 금속탄산염(FeCO₃)(337)이 형성된다. 상기 금속탄산염(337)은 시간이 지남에 따라 혼합교반장치(300) 내의 바닥에 가라앉아 침전물로 존재한다.

상기 금속탄산염(337)은 금속탄산염 주입관(420)을 통하여 고로(600) 또는 용융가스화로(500)에서 조연제로 이용될 수 있으므로, 본 발명에 따른 실시예에서는 상기 금속탄산염(337)을 건조시켜야 한다. 상기 금속탄산염(337)을 건조시키기 전 단계로 농축 및 탈수처리 단계를 거칠 수도 있다. 즉, 도 3에서는 건조장치(400)에 금속탄산염(337)을 공급하기 위하여 석션장치(360)를 이용하여 침전된 금속탄산염을 흡입한 후에 금속탄산염 이송관(365)를 통하여 건조장치(400)로 공급하는데, 상기 건조장치(400)로 공급하기 전에 조연제의 제조 효율을 향상시키기 위하여 농축, 탈수처리를 한 다음 건조장치(400)로 공급할 수 있다.

이때의 건조는 완전히 수분을 제거할 정도는 아니고 고로(600) 또는 용융가스화로(500)의 더스트 버너(520)에 공급하여 조연제로 사용될 수 있을 정도면 충분하다.

도 4는 일반적인 고로(600)에서의 풍구(620)의 모습을 개략적으로 도시한 것인데, 고로 노벽(610)을 관통하여 풍구(620)가 형성되어 있으며, 송풍 파이프(blow pipe)(640)를 통하여 산소를 공급함과 동시에 보조적으로 미분탄 취입 랜스(650)(PCI 랜스)를 통하여 미분탄(655) 취입시 상기 금속탄산염을 같이 첨가하여 주입한다.

상기 금속탄산염(337)은 고온의 열풍에 의해 연소대(650) 근처에서 분해 반응을 일으키고, 상기 분해 반응에 의해 생성된 FeO는 직접 환원 방법에 의해 Fe로 환원된다.

Fe로 환원됨과 동시에 일산화탄소가 발생되고, 이는 장입되는 철광석을 환원시킨다.

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 실시예들은 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.

Claims

제철폐기물을 제공하는 단계;
상기 제철폐기물을 농축시키는 단계;
상기 농축된 제철폐기물을 탈수처리하는 단계;
상기 탈수처리된 제철폐기물과 강산을 혼합 및 교반하여 형성되는 수소와 침전물을 분리하는 단계;
상기 분리된 침전물에 알칼리 폐수와 이산화탄소를 포함하는 배가스를 주입하여 탄산염을 제조한 후 상기 탄산염과 상기 침전물과의 치환 반응에 의해 금속탄산염(FeCO₃)을 제조하는 단계; 및
상기 금속탄산염(FeCO₃)을 건조시키는 단계를 포함하는 이산화탄소 고정방법.
제1항에 있어서,
상기 제철폐기물은 제철공정에서 발생하는 폐슬러지(sludge) 또는 더스트(dust)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 고정방법.
제1항에 있어서,
상기 강산은 염산(HCl)이며, 상기 침전물은 상기 제철폐기물과 염산(HCl)과의 반응에 의해 생성된 FeCl₂와 FeCl₃를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 고정방법.
제1항에 있어서,
상기 알칼리 폐수는 제철공정에서 발생하는 NH₃, CaO 또는 NaOH 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 고정방법.
제4항에 있어서,
상기 탄산염은 HCO₃ ^-, CO₃ ² ^- 또는 NH₂CO₂ ^- 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 고정방법.
제1항에 있어서,
상기 금속탄산염(FeCO₃)은 상기 침전물에 의해 발생된 철이온(Fe²⁺)과 상기 탄산염과의 반응에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 고정방법.
제1항에 있어서,
상기 제철폐기물은 철 함량(total Fe)이 중량 퍼센트로 40~60%인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 고정방법.
제1항에 있어서,
상기 건조하는 단계 이전에 상기 금속탄산염을 농축하는 단계;
농축된 금속탄산염을 탈수처리하는 단계를 더 포함하는 이산화탄소 고정방법.
제1항에 있어서,
상기 금속탄산염은 고로 또는 용융가스화로에 공급되어 노심활성화제로 사용되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 고정방법.
제9항에 있어서,
상기 고로 또는 용융가스화로에 공급된 금속탄산염은 산화철(FeO)과 이산화탄소로 분해되고, 분해된 이산화탄소는 미분탄과 반응하여 환원가스를 생성하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 고정방법.
제9항에 있어서,
상기 금속탄산염은 상기 용융가스화로의 더스트 버너(dust burner)를 통해 취입되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 고정방법.
제9항에 있어서,
상기 금속탄산염은 풍구를 통해 고로에 취입되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 고정방법.
제1항에 있어서,
상기 강산은 pH가 1이하인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 고정방법.
제1항에 있어서,
상기 알칼리 폐수의 pH는 10이상인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 고정방법.
제1항에 있어서,
상기 이산화탄소를 포함하는 배가스는 제철공정에서 발생된 BFG(blast furnace gas), FOG(FINEX off gas) 또는 COG(Coke Oven Gas) 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 고정방법.
제1항에 있어서,
상기 수소는 유동환원로의 환원가스로 사용되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 고정방법.
제철폐기물을 농축시키는 농축장치;
농축된 제철폐기물을 탈수하는 탈수장치;
탈수된 제철폐기물을 강산과 반응시켜 수소와 금속염을 생성하는 용해장치;
상기 금속염에 이산화탄소를 함유하는 배가스와 알칼리 폐수를 반응시켜 금속탄산염을 제조하는 혼합교반장치; 및
상기 금속탄산염을 건조하는 건조장치를 포함하는 이산화탄소 고정장치.
제17항에 있어서,
상기 혼합교반장치는 상기 혼합교반장치 내에 침지되고, 상기 금속염 및 이산화탄소를 포함하는 배가스를 상기 알칼리 폐수에 공급하는 하나 이상의 매트(mat)를 포함하는 이산화탄소 고정장치.
제17항에 있어서,
상기 탈수장치는 필터 프레스(filter press)인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 고정장치.
제17항에 있어서,
상기 건조장치에는 상기 혼합교반장치 내에 침전된 금속탄산염을 흡입하는 석션장치가 연결되어 상기 침전된 금속탄산염을 상기 건조장치에 금속탄산염을 공급하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 고정장치.
제20항에 있어서,
상기 석션장치와 상기 건조장치 사이에는 상기 금속탄산염을 농축하는 농축기 및 상기 농축기와 상기 건조장치의 사이에 형성되어 상기 농축된 금속탄산염을 탈수처리하는 탈수기를 더 포함하는 이산화탄소 고정장치.
제17항에 있어서,
상기 용해장치는,
상기 강산을 저장하는 강산 저장조;
상기 강산과 제철폐기물이 용해되는 용해셀(melt cell); 및
상기 용해셀 내의 용액을 교반시키는 교반기를 포함하는 이산화탄소 고정장치.
제22항에 있어서,
상기 용해장치는 상기 강산의 양을 조절하는 체크밸브를 더 포함하는 이산화탄소 고정장치.
제17항에 있어서,
상기 용해장치는 상기 제철폐기물과 강산의 반응에 의해 생성된 수소를 저장하는 수소 저장조를 더 포함하는 이산화탄소 고정장치.
제17항 내지 제24항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 강산은 염산(HCl)인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 고정장치.