KR101440549B1 - 배가스를 이용한 일산화탄소의 제조방법 및 이의 활용 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배가스를 이용한 일산화탄소의 제조방법 및 이의 활용 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이산화탄소를 포함하는 고온의 배가스와 탄소원을 반응시켜 하기 식(1)과 같은 부다반응(Boudouard reaction)을 이용하여 일산화탄소를 획득하는 단계를 포함하는 배가스를 이용한 일산화탄소의 제조방법, 및 이로부터 획득된 일산화탄소를 가열 공정의 연료로 사용하는 단계를 포함하는 배가스로부터 획득한 일산화탄소의 활용 방법이 제공된다.
C + CO₂ -> 2CO △H(227 ℃) = -134 kJ/mol ...... 식(1)
본 발명에 의하면, 고온의 배가스, 특히 유리 용해로의 배가스 내 이산화탄소를 이용함으로써 일산화탄소 제조 시의 열에너지의 절감이 가능하며, 부다 반응 결과 고온의 배가스 온도가 낮아짐으로써 후 공정의 열부하 경감이 가능하고, 고온의 배가스를 냉각하기 위한 공기 냉각 시스템과 같은 추가의 장치가 불필요하게 되어, 에너지 절감과 설비비 및 운전비의 감소 효과가 획득될 수 있다.

Description

배가스를 이용한 일산화탄소의 제조방법 및 이의 활용 방법{Method for preparing CO using exhaust gas and method for utilizing the same}

본 발명은 배가스를 이용한 일산화탄소의 제조방법 및 이의 활용 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부다 반응(Boudouard reaction)을 이용하여 배가스 내에 포함된 고온의 이산화탄소로부터 일산화탄소를 제조하는 방법 및 이로부터 획득된 일산화탄소의 활용 방법에 관한 것이다.

이산화탄소는 온실효과(Greenhouse effect)를 유발하는 주요 물질 중 하나로 화석 연료의 지속적인 증가에 따라 대기로 배출되는 양도 증가하고 있어서 지구 온난화에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.

따라서, 이산화탄소의 배출을 제어하지 않으면 지구 온난화에 따른 문제를 극복할 수 없다. 화석 연료의 연소로 발생된 배가스에서 이산화탄소를 제거하는 방법으로는 습식 화학 세정(Wet chemical absorption), 흡착(Absorption), 막분리(Membranes), 저온 냉각 분리 등 다양한 방법이 있다. 그러나, 이러한 방법들은 회수 비용이 높거나 또는 발전소나 대규모 산업체에 적용하기 어렵다는 문제점이 있다. 이와 같은 이산화탄소는 산업 공정 중 배출되는 다양한 배가스에 포함되어 있다.

예를 들어, 고온으로 유리를 제조하는 공정과 관련하여, 유리를 제조하는 공정은 크게 유리 원료를 녹이는 용해 공정, 성형(forming) 공정 등을 포함하여 구성된다. 특히, 유리를 생산하기 위한 용해기(premelter)에서는 여러 원료 물질에 의해서 다량의 배가스가 배출되며, 그 대부분은 이산화탄소로 구성되어 있다.

종래에는 고온의 배가스를 대기로 방출하기 위하여 블럭 쿨링 팬(block cooling fan) 등을 이용하여 유리 용해로 가스의 온도를 낮추고, 집진 등의 설비를 거쳐 배가스를 배출하였다. 도 1에 일반적인 유리 용해로 공정을 도시하였다.

상기 유리 용해 공정에서는 고온의 열을 지니며, 대부분의 가스가 이산화탄소(CO₂)로 구성된 배가스가 다량 배출된다. 보다 상세하게, 유리 제조를 위한 원료로써 모래(sand), 장석(feldspar), 백운석(dolomite), 석회석(limestone), 소다회(soda ash) 등이 사용되며, 가열 공정을 거쳐 여러 가지 상(phase)으로 존재하는 SiO₂, Al₂O₃, MgO, CaO, Na₂O 등과 같은 산화물과 함께 이산화탄소가 용해로 상부로 배출된다.

이 때 용해로 상부로는 고온의 열을 지닌 배가스가 지속적으로 배출됨에 따라, 고온의 열에 의한 배가스 덕트의 파괴, 집진 공정 등과 같은 후 공정의 열부하 경감 등을 위해서 공기 등을 이용한 냉각이 필수적으로 수행되어야 한다.

배가스에서 이산화탄소를 효과적으로 제거하는 방법으로는 건식 CO₂ 포집 기술(Dry CO₂ capture technology)이 있다. 이 방법은 습식 화학 세정에서 사용하는 액체 용매 대신에 고체를 흡수제로 사용하는 기술이다. 즉, 고체 흡수제에 있는 활성 성분과 이산화탄소가 흡수 반응기에서 화학 반응에 의해 탄산염 또는 중탄산염을 생성하여 배가스에 포함된 이산화탄소를 포집하고, 이산화탄소를 흡수한 흡수제는 재생 반응기에서 추가의 열에 의해 재생되어 다시 반복적으로 사용할 수 있는 기술이다.

건식 재생 흡수 기술의 특징은 소재가 저가이며, 재생하여 반복 사용이 가능하다. 또한, 설계 유연성(Design flexibility), 친환경성, 저에너지 재생 가능성, 고효율의 이산화탄소 흡수력 등 여러 측면에서 다른 기술에 비해 지속적으로 성장이 가능한 분야이다.

그러나, 배가스에서 포집된 이산화탄소를 재활용할 수 있다면, 관련 분야에서 유용하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

이에 본 발명의 한 측면은 배가스를 이용한 일산화탄소의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 측면은 배가스를 이용하여 제조된 일산화탄소의 활용 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 견지에 의하면, 이산화탄소를 포함하는 고온의 배가스와 탄소원을 반응시켜 하기 식(1)과 같은 부다반응(Boudouard reaction)을 이용하여 일산화탄소를 획득하는 단계를 포함하는 배가스를 이용한 일산화탄소의 제조방법을 제공하는 것이다.

C + CO₂ -> 2CO △H(227 ℃) = -134 kJ/mol ...... 식(1)

상기 배가스는 유리 용해 공정, 시멘트 제조 공정 또는 마그네슘 제련 공정으로부터 획득되는 배가스인 것이 바람직하다.

상기 배가스는 800℃ 내지 1500℃의 온도인 것이 바람직하다.

상기 탄소원은 미분탄인 것이 바람직하다.

상기 미분탄은 평균 입경이 1 mm 이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 견지에 의하면, 상기와 같은 방법에 의해 획득된 일산화탄소를 가열 공정의 연료로 사용하는 단계를 포함하는 배가스로부터 획득한 일산화탄소의 활용 방법이 제공된다.

상기 가열 공정은 유리 용해로의 가열 공정인 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 고온의 배가스, 특히 유리 용해로의 배가스 내 이산화탄소를 이용함으로써 일산화탄소 제조 시의 열에너지의 절감이 가능하며, 부다 반응 결과 고온의 배가스 온도가 낮아짐으로써 후 공정의 열부하 경감이 가능하고, 고온의 배가스를 냉각하기 위한 공기 냉각 시스템과 같은 추가의 장치가 불필요하게 되어, 에너지 절감과 설비비 및 운전비의 감소 효과가 획득될 수 있다.

도 1은 종래 유리 용해로의 예시적인 물질 흐름을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 의한 유리 용해로의 예시적인 물질 흐름을 나타낸 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 배가스로 배출되는 이산화탄소를 이용한 일산화탄소의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게 본 발명은 이산화탄소를 포함하는 고온의 배가스와 탄소원을 반응시켜 하기 식(1)과 같은 부다 반응(Boudouard reaction)을 이용하여 일산화탄소를 획득하는 단계를 포함하는 배가스를 이용한 일산화탄소의 제조방법에 관한 것이다.

C + CO₂ -> 2CO △H(227 ℃) = -134 kJ/mol...... 식(1)

상기와 같은 부다 반응(Boudouard reaction)은 흡열 반응이므로, 반응 결과 고온의 배가스의 온도가 낮아짐으로써 후 공정의 열부하 경감이 가능하며, 배가스에 포함된 이산화탄소는 상기와 같은 반응 결과 일산화탄소로 변환되어 획득된다.

도 2는 본 발명에 의한 예시적인 물질의 흐름을 도시한 것이다. 유리 용해로에 산화제 및 연료로써 CO가 투입되면 용해된 유리가 획득되고, 이와 함께 이산화탄소가 포함된 배가스가 상부로 배출된다.

본 발명에 의하면 이러한 배가스와 탄소원을 반응시킴으로써 용해로 배가스 중 이산화탄소 성분은 선택적으로 미분탄과 같은 탄소원과 반응하여 배가스의 온도를 냉각시키는 동시에 다량의 일산화탄소를 발생시킨다. 이렇게 획득된 일산화탄소는 원료(batch 혹은 cullet)와 함께 재투입되어 유리 용해로의 연료로써 재활용될 수 있다. 상기 배치(batch)는 혼합된 원료 물질을 의미하며, 상기 컬렛(cullet)은 최종 제품 짜투리 등의 모음을 의미한다.

상기와 같이 본 발명에 이용되는 배가스는 그 성분이 대부분 이산화탄소인 것이 바람직하다. 즉, 일반적인 공기 연소 시 배가스는 질소, 이산화탄소, 일산화탄소 등을 포함하나, 순수한 산소 연소 공정의 경우에는 대부분이 이산화탄소로 구성된 배가스를 획득할 수 있다.

이와 관련하여, 특히 고품질의 유리 제품을 생산하기 위한 공정에서는 순수한 산소 연소를 용해 공정에 이용하므로, 이 경우에는 이산화탄소가 거의 대부분을 차지한다. 따라서, 본 발명에 이용될 수 있는 상기 배가스는 유리 용해 공정으로부터 획득되는 배가스인 것이 바람직하다.

한편, 유리 용해 공정 외에 시멘트 제조 공정 중 클린커(clinker) 생산 공정인 소성과정에서는 1300℃ 내지 1500℃ 정도의 온도를 갖는 고농도의 이산화탄소 고온의 현열과 함께 배출되므로, 이러한 공정에서 획득되는 배가스도 적용이 가능하다.

또한, 마그네슘(Mg) 제련 공정의 소성로(rotary kiln)에서 약 1300℃의 온도로 배출되는 배가스도 고농도의 이산화탄소 및 고온의 현열을 포함하고 있으므로 본 발명에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

상기와 같은 배가스는 800℃ 이상의 고온인 것이 바람직하며, 1500℃ 온도 이하인 것이 바람직하다. 상기 배가스의 온도가 800℃ 미만인 경우 부다반응의 속도가 느려져 전환율이 낮아지는 문제가 있으며, 1500℃를 초과하는 경우에는 내화재 손상 등의 문제가 있다.

상기 부다 반응 시 적용될 수 있는 탄소원은 미분탄 및 분코크스로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하나, 보다 바람직하게는 미분탄인 것이다.

상기 미분탄은 평균 입경이 1mm 이하인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.5mm 이하인 것이다. 상기 미분탄의 평균 입경이 1 mm를 초과하는 경우에는 물질 전달이 느려져 일산화탄소로의 변환이 불충분해지는 문제가 있다.

한편, 본 발명에 의하면 상술한 방법에 의해 획득된 일산화탄소를 가열 공정의 연료로 사용하는 단계를 포함하는 배가스로부터 획득한 일산화탄소의 활용 방법이 제공된다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일산화탄소의 제조방법에 의해 획득된 일산화탄소는 가열 공정의 연로로써 재활용될 수 있다.

특히, 상기 가열 공정은 유리 용해로의 가열 공정인 것이 바람직하다.

즉, 본 발명에 의하면 고온의 유리 용해 공정의 배가스와 미분탄(pulverized coal)을 이용하여 환원성 가스인 일산화탄소를 제조하고, 이렇게 제조된 일산화탄소를 유리 용해로 가열 공정의 연료로 재활용함으로써 유리 제조 공정의 이산화탄소를 포함하는 배가스를 재자원화 할 수 있다. 나아가, 이렇게 생산된 CO는 연료로 활용하는 방안 이외에도 상업적으로 판매가 가능하다.

Claims (7)

1. (a) 유리 용해 공정으로부터 획득되며, 이산화탄소를 포함하는 고온의 배가스를 탄소원과 반응시켜 하기 식(1)과 같은 부다반응(Boudouard reaction)을 통해 일산화탄소를 획득하는 단계; 및
   (b) 상기 (a)단계에서 획득된 일산화탄소를 유리 용해로의 가열공정의 연료로 사용하는 단계를 포함하는 배가스로부터 획득한 일산화탄소의 활용 방법.
   
   C + CO₂ -> 2CO △H(227 ℃) = -134 kJ/mol ...... 식(1)
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 (a) 및 (b)단계는 유리제조 공정 내에서 반복적으로 순환되는 배가스로부터 획득한 일산화탄소의 활용 방법.
   
3. 제 1 항에 있어서, 상기 배가스는 800℃ 내지 1500℃의 온도인 배가스로부터 획득한 일산화탄소의 활용 방법.
   
4. 제 1 항에 있어서, 상기 탄소원은 미분탄인 배가스로부터 획득한 일산화탄소의 활용 방법.
   
5. 제 4 항에 있어서, 상기 미분탄은 평균 입경이 1 mm 이하인 배가스로부터 획득한 일산화탄소의 활용 방법.
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7. 삭제

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