KR101888684B1 - 이산화탄소 해양저장을 위한 중화 농축반응 시스템 및 이산화탄소의 해양격리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이산화탄소 해양저장을 위한 중화 농축반응 시스템 및 이산화탄소의 해양격리방법에 관한 것으로, 이산화탄소 또는 이산화탄소가 다량 포함된 가스를 해수와 알칼리와 중화 반응시켜 고농도의 중탄산 이온을 함유하는 용출수로 변환한 후, 수온약층보다 깊은 수심에 방류하고 밀도차를 이용하여 심해에 격리 저장하는 이산화탄소 처리시스템과 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 이산화탄소 포집, 격리, 저장을 동시에 달성할 수 있으며, 또한 반응기를 이용한 농축을 통해 심해 직접주입을 피할 수 있어 경제적이다. 본 발명은 이산화탄소의 최대 저장 공간으로 평가되는 해양에 해양산성화 등 환경 악영향을 최소화하면서 저장 가능한 친환경 이산화탄소 처리시스템을 제공한다. 본 발명을 통해 이산화탄소 배출 규제에 적극적으로 대응함과 동시에 향후 탄소 배출권 확보에 따른 경제적 효과 또한 달성될 수 있다.

Description

이산화탄소 해양저장을 위한 중화 농축반응 시스템 및 이산화탄소의 해양격리방법{Neutralization and concentration reaction system for ocean sequestration of carbon dioxide, and method for ocean sequestration of carbon dioxide}

본 발명은 이산화탄소 포집 및 해양저장을 위한 처리시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 알칼리 수용액을 이용하여 이산화탄소의 용해도를 높여 중화반응을 통해 안정된 중탄산 이온상태로 변환 농축시키는 이산화탄소 처리시스템에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 화력발전소, 제철소, 시멘트 제조공장 등과 같은 대량의 이산화탄소 발생원으로부터 포집된 이산화탄소를 해양에 격리하기 위한 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 알칼리와 해수를 이용한 이산화탄소 중화반응을 통하여 일반 해수보다 높은 농도의 중탄산 이온을 함유하는 해수로 변환시킨 후 비교적 얕은 수심에서 방류하고 밀도차를 이용하여 심해에 격리하는 방법에 관한 것이다.

온실가스를 저감시키기 위해서는 온실가스의 대부분을 차지하는 이산화탄소의 배출량을 감축해야 한다. 이를 위해 에너지 절약, 고효율 발전기술, 신재생에너지 기술, 인공 조림 또는 생물학적 처리 기술 등 다양한 기술이 개발되고 있다.

그러나 산업 기반을 유지하고 지속적으로 발전시켜야 하는 현실에서 단기간 내에 많은 양의 이산화탄소 배출을 저감할 수 있는 기술은 이산화탄소 포집 및 저장기술(CCS, Carbon Capture and Storage (Sequestration))이라고 할 수 있다.

CCS기술은 포집 기술과 저장 기술로 구분할 수 있다. 포집 기술은 연소 전 포집기술, 순산소 연소기술, 연소 후 포집 기술로 구분할 수 있다.

연소 전 포집 기술은 탄소가 포함된 연료를 적절한 반응(개질 반응 및 수성가스 전환반응 등)을 이용하여 이산화탄소와 수소 연료로 변환한 후, 이산화탄소를 포집 제거한 다음 연소시킴으로써 반응 생성물로 이산화탄소가 원천적으로 발생하지 않도록 하는 기술이다.

순산소 연소기술은 연료의 산화제로 공기를 사용하지 않고 질소가 제거된 산소만을 이용하는 기술로서, 절대적인 배기가스의 양이 감소되며, 배기가스가 이산화탄소와 물만으로 조성되어 이산화탄소의 분리 제거가 용이하다는 장점이 있다.

연소 후 포집 기술은 연소 후 배기가스에 포함된 이산화탄소를 분리하는 기술로서, 기존 발생원에 적용하기에 가장 용이하다는 장점이 있다. 분리방법에 따라 적절한 용매(대표적으로 아민계 흡수제)를 이용하는 방법과 분리막을 이용하는 방법, 그리고 고체입자의 이산화탄소 흡탈착을 이용하는 방법 등으로 구분할 수 있다.

이와 같은 기술을 이용하여 포집된 이산화탄소는 적절한 방법을 이용하여 저장해야 한다. 현재 육상 또는 해저 지중 저장 방법이 주로 검토되고 있다. 이 방법은 이산화탄소를 초임계 상태로 유전, 가스전 또는 염수층 등의 지중 공간에 주입한 후 열적, 수리학적, 역학적, 화학적 거동을 거쳐 격리 저장하는 방법이다. 예를 들어, 대한민국 특허공개 제2010-68088호에는 포집된 기상의 이산화탄소를 가압 및 냉각시켜 고압의 과냉 액상 또는 초임계 상태로 만든 후, 파이프라인이나 선박 등을 이용하여 대규모로 수송하고, 이를 해양퇴적층에 초임계 상태로 저장하는 방법이 개시되어 있다.

그러나 지중 저장이 가능한 공간이 한정되어 있는 문제가 있고, 또한 초임계 상태의 이산화탄소를 저장하기 때문에 높은 압력으로 인한 누출에 의해 대기 또는 해수로의 재방출 가능성이 있다. 해수 중으로 이산화탄소가 누출될 경우, 해양 산성화에 의해 해양생태계에 악영향을 미칠 수 있다.

또 다른 다량의 이산화탄소 격리 저장 방법은 해양 저장이다. 해양 저장방법에는 1,000 m 이상의 깊이에 이산화탄소를 직접 주입하여 해수에 용해시키는 방법, 3,000 m 이상 해저의 고립된 공간에 고밀도의 이산화탄소를 주입하여 주변 해수로의 용해 확산을 지연시키는 방법 등이 있다. 예를 들어 대한민국 특허공개 제1992-628호에는 이산화탄소를 압축 및 탈수하고, 저온의 해수에 통과시켜 액화시킨 후, 심해에 방출하는 이산화탄소 해양폐기방법이 개시되어 있다.

그러나 이산화탄소를 직접 해양에 주입 저장할 경우, 해양산성화에 의해 해양생태계에 악영향을 미치는 문제가 있고, 또한 용해된 이산화탄소가 궁극적으로 대기와 평형을 이룸으로써 대기 중으로 재방출될 가능성이 있기 때문에 영구적인 격리 저장 방법이 아니라는 문제가 제기되고 있다.

또한, 액체 이산화탄소 격리방법은 해양 산성화뿐만 아니라, 액화시키기 위한 설비 및 동력, 액체 이산화탄소를 액체 그대로 운송하기 위한 설비 및 동력이 필요하다는 단점이 있다.

상술한 바와 같이, 이산화탄소 지중 저장 공간의 한계 및 지중 저장 시의 안정성 문제의 해결을 위해 해양 저장의 필요성이 대두되었으나, 이산화탄소를 직접 해수 중에 주입 저장할 경우, 해양산성화에 의한 해양생태계 영향 문제와 용해된 이산화탄소의 대기 중으로의 재방출 문제가 제기되었다.

요컨대, 지구온난화에 대처하기 위한 이산화탄소 저감기술 중 기술적 타당성을 인정받고 있는 것의 하나는 대량 발생원으로부터 이산화탄소를 포집한 후, 육상의 유전과 가스전, 해저의 고갈 유전과 가스전, 대수층 등에 저장하거나, 해양 분사 저류법 등을 통하여 심해에 저장하는 기술이다. 지중저장은 저장 공간의 한계 및 이산탄소 누출 문제가, 해양분사 저류방법은 대기 재방출 가능성, pH 변화에 의한 생태계 영향 및 높은 처리비용과 같은 단점을 가진다.

본 발명은 상기한 종래 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 이산화탄소 배출원으로부터 직접 또는 포집된 이산화탄소를 해수에 용해시키고 알칼리를 이용하여 중화하는 방법을 통해 고농도의 중탄산 이온 상태로 변환시킨 후 비교적 얕은 수심에서 방류하고 밀도차를 이용하여 심해에 안전하게 격리할 수 있는 이산화탄소 처리시스템 및 처리방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 알칼리 수용액을 이용하여 이산화탄소를 중탄산 이온(HCO₃ ^-)으로 중화시키는 중화반응기를 포함하는 이산화탄소 처리시스템을 제공한다.

본 발명에 따른 중화반응기는 알칼리 성분 공급원과 연결되는 알칼리 성분 유입부; 이산화탄소 공급원과 연결되는 이산화탄소 유입부; 물 공급원과 연결되는 물 유입부; 중탄산 이온을 포함하는 처리수를 중화반응기로부터 배출하는 처리수 배출부; 및 중화반응기 내부에 설치되는 교반기를 구비할 수 있다.

본 발명에서 알칼리 성분은 탄산염 X_m(CO₃)_n, 산화염 X_mO_n, 수산화염 X_m(OH)_n의 형태로서, 이때 X는 주기율표의 1족 또는 2족 원소인 알칼리금속 또는 알칼리 토금속이며, m과 n은 각각 독립적으로 양의 정수로 구성되는 화합물일 수 있고, 물은 해수일 수 있다.

본 발명에서 중화반응기는 회분식 반응기이고, 중탄산 이온이 농축될 수 있다.

본 발명에 따른 중화반응기 중 물 유입부는 적어도 하나의 분무기를 구비할 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따른 이산화탄소 처리시스템은 알칼리 수용액 제조반응기; 및 알칼리 수용액 제조반응기로부터 공급받은 알칼리 수용액을 이용하여 이산화탄소를 중탄산 이온으로 중화시키는 중화반응기를 포함한다.

본 발명에서 알칼리 수용액 제조반응기는 알칼리 성분 공급원과 연결되는 알칼리 성분 유입부; 물 공급원과 연결되는 물 유입부; 및 제조반응기 내부에 설치되는 교반기를 구비할 수 있으며, 중화반응기는 알칼리 수용액 제조반응기와 연결되는 알칼리 수용액 유입부를 구비할 수 있고, 이 알칼리 수용액 유입부는 적어도 하나의 분무기를 구비할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 이산화탄소 처리시스템은 알칼리 수용액을 이용하여 이산화탄소를 중탄산 이온으로 중화시키는 중화반응기; 및 중화반응기 및 해양과 연결되어 중탄산 이온을 포함하는 처리수를 해양으로 배출하는 처리수 배출라인을 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 이산화탄소 처리시스템은 알칼리 수용액을 이용하여 이산화탄소를 중탄산 이온으로 중화시키는 중화반응기; 중화반응기로부터 배출되는 중탄산 이온을 포함하는 처리수를 임시로 저장하는 저장탱크; 저장탱크를 해양으로 운반하는 운반수단; 및 해상에 부유하고 처리수 방류라인을 구비하는 해상구조물을 포함한다.

본 발명에서 처리수 배출라인 또는 처리수 방류라인의 해양 쪽 배출구는 수온약층보다 깊은 수심에 위치할 수 있다.

또한, 본 발명은 알칼리 수용액을 이용하여 이산화탄소를 중탄산 이온으로 중화시키는 중화단계를 포함하는 이산화탄소 처리방법을 제공한다.

본 발명의 처리방법은 중화단계 이전에 알칼리 성분과 물을 이용하여 알칼리 수용액을 제조하는 단계를 포함할 수 있으며, 이때 알칼리 성분은 탄산염 X_m(CO₃)_n, 산화염 X_mO_n, 수산화염 X_m(OH)_n의 형태로서, 이때 X는 주기율표의 1족 또는 2족 원소인 알칼리금속 또는 알칼리 토금속이며, m과 n은 각각 독립적으로 양의 정수로 구성되는 화합물일 수 있고, 물은 해수일 수 있다.

본 발명의 처리방법은 중화단계 도중에 또는 중화단계 이후에 중탄산 이온을 농축하는 단계를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 해수 중의 중탄산 이온 농도보다 50배 이상이 되도록 농축한다.

본 발명의 다른 실시형태에 따른 이산화탄소 처리방법은 농축된 처리수를 파이프라인을 통해 직접 해양에 배출하여 자유 침강시키는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 이산화탄소 처리방법은 농축된 처리수를 저장탱크에 임시로 저장하는 단계; 저장탱크를 해양으로 운반하는 단계; 및 농축된 처리수를 해양에 배출하여 자유 침강시키는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 처리방법에서 농축된 처리수를 수온약층보다 깊은 수심에 배출하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 이산화탄소 해양저장을 위한 중화 농축 반응 시스템 및 이산화탄소 해양격리방법을 이용함으로써 주요 온실가스인 이산화탄소를 효과적으로 그리고 친환경적으로 포집, 격리, 저장할 수 있다. 특히 본 발명은 이산화탄소의 포집, 격리, 저장을 동시에 달성할 수 있다는 장점을 갖고 있다.

본 발명은 이산화탄소의 최대 저장 공간으로 인식되는 해양에 대기로의 재방출, 해양산성화 등의 단점을 최소화하면서 저장이 가능한 친환경 이산화탄소 저장방법을 제공할 수 있다.

본 발명에 따라 고농도의 이산화탄소를 해수에 통과시킨 후 알칼리를 이용한 중화반응을 통해 농축된 용출수는 일반 해수에 비해 밀도가 높기 때문에, 해수의 온도가 급변하지 않는 수온약층보다 깊은 수심에 방류하는 방법에 의해, 3,000 m 이상의 수심에 달하는 심해에 직접 주입하는 방법을 피할 수 있어 보다 경제적이라 할 수 있다.

본 발명을 통해 이산화탄소 배출 규제에 적극적으로 대응함과 동시에 향후 탄소배출권 확보에 따른 경제적 효과 또한 달성될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 이산화탄소 해양저장을 위한 중화 농축 반응 시스템 및 중탄산이온 농축수의 해양저장을 표현한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 이산화탄소 해양저장을 위한 중화 농축 반응 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 이산화탄소 해양저장을 위한 중화 농축 반응 시스템을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 이산화탄소 해양격리방법을 나타낸 개략도이다.
도 5는 pH에 따른 이산화탄소 용해에 의한 탄산 화학종의 농도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 수온약층을 도시하기 위해 계절, 위도 및 수심에 따른 해양의 일반적인 온도변화를 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명예에 따른 이산화탄소 해양저장을 위한 중화 농축 반응 시스템 및 중탄산이온 농축수의 해양저장을 개념적으로 나타낸 도면이다.

[반응식 1]

CO₂ + H₂O + CaCO₃ → Ca^{2 +} + 2HCO₃ ^-

2CO₂ + H₂O + CaO → Ca^{2 +} + 2HCO₃ ^-

상기 반응식의 반응은 석회함 풍화작용이라 불리는 자연 상태에서의 이산화탄소 대순환 중의 일부이다. 그러나 자연 상태에서는 상기 반응이 수 천년 또는 수 만년의 매우 오랜 시간에 걸쳐 일어나기 때문에, 급격하게 증가하는 이산화탄소로 인한 기후변화를 막기에는 부족하다. 따라서 본 발명에서는 상기 반응의 반응속도를 높여 실용화를 모색하였다.

한편, 상기 반응을 통해 생성되는 중탄산이온은 수용액 상태에서 완충용액으로 작용하여 pH 변화를 최소화할 수 있다.

또한, 현재 자연상태에서 해수 중에 존재하는 중탄산이온 농도의 50배 이상 농축할 경우, 고농도의 중탄산 이온 함유 해수는 자연 해수보다 밀도가 높기 때문에, 비교적 얕은 해수에 주입하면 별도의 에너지 소비 없이 밀도차에 의한 자유 침강을 통해 경제적으로 심해에 저장할 수 있다.

그러나, 방류된 위치에서 온도 변화 등에 의해 반응식 2와 같이, 반응식 1의 역반응이 일어나면, 이산화탄소가 대기 중으로 재방출될 수 있으므로, 해수의 온도변화가 일정하게 되는 수온약층보다 깊은 수심에서 방류하는 방법으로 이러한 문제점을 해결할 수 있다.

[반응식 2]

Ca^{2 +} + 2HCO₃ ^- → CO₂(g) + H₂O + CaCO₃(s)

도 1을 참조하면, 알칼리 성분(석회석, 생석회 등), 물(해수 등), 이산화탄소의 중화 농축 반응을 통해 생성된 중탄산이온 농축수를 선박 등 적절한 운송 수단을 이용하여 깊이 1,000 m 이내의 비교적 얕은 해수에 주입한 후 밀도차를 이용하여 자유 침강시켜 심해에 저장할 수 있다. 또한 중탄산이온 농축수를 반응기 입지 조건에 따라 운송수단을 이용하지 않고 직접 파이프라인을 이용하여 해수 중으로 직접 주입할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 이산화탄소 해양저장을 위한 중화 농축 반응 시스템을 도시한 것으로, 석회석(또는 생석회), 물(해수), 이산화탄소의 중화 농축반응이 일어나는 중화반응기를 도시한 것이다.

이 실시형태에 따른 중화반응기(100)는 알칼리 성분 유입부(110), 물 유입부(120), 교반기(130), 이산화탄소 유입부(140), 처리수 배출부(150) 등을 구비한다.

알칼리 성분 유입부(110)는 알칼리 성분 공급원(미도시)과 연결되어 알칼리 성분이 중화반응기(100)로 유입되는 부분으로, 중화반응기(100)의 상단 또는 측면에 설치될 수 있다.

알칼리 성분으로는 특별히 제한되지 않지만, 바람직하게는 탄산염 X_m(CO₃)_n, 산화염 X_mO_n, 수산화염 X_m(OH)_n 등을 사용할 수 있는데, 여기서 X는 주기율표의 1족 또는 2족 원소인 알칼리금속 또는 알칼리 토금속이고, m과 n은 각각 독립적으로 양의 정수이다.

특히, 이산화탄소의 용해도를 높이기 위해, 자연상태에서 풍부하게 존재하는 Ca계 알칼리 성분을 사용하는 것이 바람직하다. 칼슘계 알칼리로는 대표적으로 탄산칼슘(CaCO₃), 산화칼슘(CaO), 수산화칼슘(Ca(OH)₂) 등이 사용될 수 있는데, 이러한 성분들을 포함하는 제강 슬래그, 석탄회, 제지 제조 폐기물(paper mill waste) 등을 사용할 수도 있다.

물 유입부(120)는 물 공급원(미도시)과 연결되어 물이 중화반응기(100)로 유입되는 부분으로, 중화반응기(100)의 상단 또는 측면에 설치될 수 있다.

물 유입부(120)는 중화반응기(100) 내 미반응 이산화탄소 기체를 추가적으로 용해시켜 반응에 참여할 수 있도록 구성되는 것이 바람직한데, 구체적으로 도 2에 도시한 바와 같이 수면보다 위에 설치하되 말단에 적어도 하나의 분무기를 설치함으로써, 물이 수면 상으로 골고루 분사될 수 있는 형태로 제작되는 것이 바람직하다.

물로는 특별히 제한되지 않지만, 비용 절감을 고려하고 최종 처리장소가 해양임을 감안하면, 해수를 사용하는 것이 바람직하다. 해수로는 비용 절감을 위해 발전수, 온배수 등을 활용할 수 있다.

교반기(130)는 원활한 중화반응을 유도하기 위해 중화반응기(100) 내부에 설치되어 반응물, 즉 이산화탄소, 알칼리 성분 및 물을 균일하게 혼합하는 역할을 한다.

이산화탄소 유입부(140)는 이산화탄소 공급원(미도시)과 연결되어 이산화탄소가 중화반응기(100)로 유입되는 부분으로, 중화반응기(100)의 하단 또는 측면에 설치될 수 있다.

이산화탄소 유입부(140)로는 발전소 보일러 등과 같은 배출원에서 배출되는 이산화탄소를 다량으로 함유하는 배기가스가 직접 유입될 수 있고, 또한 포집설비를 통해 포집된 순수 이산화탄소만이 유입될 수도 있다.

처리수 배출부(150)는 중화반응기(100)의 하단 또는 측면에 설치되어 중탄산 이온을 포함하는 처리수가 중화반응기(100)로부터 배출되는 부분으로, 특히 반응이 종료된 후 중탄산이온 농축수를 배출할 수 있다.

중화반응기(100)는 회분식 반응기인 것이 바람직하고, 이에 따라 생성물인 중탄산 이온이 지속적으로 생성되어 중화반응기(100)에 축적됨으로써 농축될 수 있다. 해수 중에 존재하는 중탄산이온 농도를 기준으로 50배 이상 고농도로 농축되면, 처리수 배출부(150)를 개방하여 농축수를 배출한다.

도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 이산화탄소 해양저장을 위한 중화 농축 반응 시스템을 도시한 것으로, 도 2와는 달리 알칼리 성분 유입부(220)와 물 유입부(230)를 중화반응기(100)로부터 분리하여 별도의 알칼리 수용액 제조반응기(200)를 설치한 경우이다.

도 3을 참조하면, 도 2와 마찬가지로 이산화탄소 유입부(140)를 중화반응기(100) 하단에 설치하여 이산화탄소를 공급하고, 중화반응기(100) 내부에서 원활한 중화반응을 유도하기 위해 반응물을 균일하게 혼합하는 교반기(130)를 설치하며, 또한 반응이 종료된 후 중탄산이온 농축수를 배출할 수 있도록 처리수 배출부(150)를 설치한다.

그러나, 도 2와 달리, 또 다른 반응물인 알칼리 성분과 물을 혼합하여 알칼리 수용액을 제조하기 위한 알칼리 수용액 제조반응기(200)를 중화반응기(100)와 분리 설치한다.

알칼리 수용액 제조반응기(200)의 상단에는 알칼리 성분 유입부(220)와 물 유입부(230)가 구비되며, 제조반응기(200) 내부에는 균일한 혼합을 위해 교반기(240)가 설치된다.

또한, 중화반응기(100)의 상단과 알칼리 수용액 제조반응기(200)를 연결하는 알칼리 수용액 유입부(210)가 설치되어, 알칼리 수용액 제조반응기(200)에서 제조된 알칼리 수용액이 중화반응기(100) 상단에 공급된다.

알칼리 수용액 유입부(210)는 도 2의 물 유입부(120)와 마찬가지로, 중화반응기(100) 내 미반응 이산화탄소 기체를 추가적으로 용해시켜 반응에 참여할 수 있도록, 중화반응기(100)의 수면보다 위에 설치하되 중화반응기(100) 쪽 말단에 적어도 하나의 분무기를 설치함으로써, 알칼리 수용액이 수면 상으로 골고루 분사될 수 있는 형태로 제작되는 것이 바람직하다.

이러한 반응 시스템을 이용하여 생성된 중탄산 이온을 안정적으로 오랜 기간 동안 해양에 저장하기 위해서는 직접 해저에 주입해야 한다. 그러나 생성물인 중탄산이온을 해저에 직접 주입하기 위해서는 높은 비용이 수반된다. 따라서 중화반응 시 반응도를 높여, 자연 상태에서의 해수 내 중탄산 이온 농도(1.8 mM)보다 50배 이상의 높은 농도로 농축한 후, 해수와의 밀도차를 이용하여 적당한 깊이에서 주입하고 자유 침강시키는 방법을 이용하는 것이 경제적이다.

중화반응기로부터 용출되는 고농도의 중탄산 이온을 함유하는 해수는 pH가 자연해수에 가까운 상태이며, 자연해수보다 밀도가 높아 그 밀도차를 이용하여 심해로 투입하되 수온약층보다 깊은 수심에서 방류할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 이산화탄소 해양격리를 위한 개념도를 도시한 것으로, 발전소 보일러와 같은 이산화탄소 대량 배출원으로부터 배출되는 배기가스 또는 포집된 이산화탄소(10)를 알칼리와 해수를 이용한 중화 농축반응이 일어나는 중화반응기(20)로 투입한 후, 이산화탄소 또는 이산화탄소가 다량으로 함유된 배기가스(20)를 해수와 알칼리와 반응시켜 중탄산 이온이 고농도로 농축된 고밀도의 해수로 변환한다.

일 예로, 해수로 채워진 중화반응기(20)에 배기가스(10)를 기포기, 교반장치 또는 에어워셔 등을 이용하여 효과적으로 접촉시키면, 다음과 같은 반응이 일어나며 pH가 낮아진다.

[반응식 3]

CO₂ + H₂O → H⁺ + HCO₃ ^-

이렇게 생성된 약산성 용액에 탄산칼슘(CaCO₃)을 용해시키면, 다음과 같은 반응이 일어나면서 H⁺가 제거되어 pH가 원래대로 회복된다.

[반응식 4]

H⁺ + HCO₃ ^- + CaCO₃ → Ca^{2 +} + 2HCO₃ ^-

배기가스(10)의 이산화탄소 농도가 15%인 경우, 자연 해수보다 최소 40배 이상의 고농도 중탄산이온을 함유하는 농축수(30)를 생성물로 용출하게 된다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 중화반응기(20)를 거쳐 생성된 고농도의 중탄산 이온을 함유하는 처리수(30)를 중화반응기(20)로부터 근해의 방류 위치까지 연결된 처리수 배출라인(50)을 통해 직접 바다에, 바람직하게는 중탄산 이온이 안정적으로 존재하는 수온약층(90) 아래의 수심에 방류할 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따라 선박 등의 운반수단(60)을 이용하여 방류하는 경우, 저장탱크(40)를 중화반응기(20) 부근에 설치하여 처리수(30)가 선적될 때까지 임시로 저장하였다가, 부근의 부두에서 수송선(60)에 저장탱크(40)를 선적한 후 방류위치까지 수송한 후, 수온약층(90) 아래의 수심까지 연장되는 파이프 등을 이용하여 선박(60)에서 직접 방류할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 선박에서 직접 방류하지 않고, 저장탱크(40)에 저장된 처리수(30)를 해상에 부유하는 해상구조물(70)로 옮긴 후, 해상구조물(70)에 설치된 처리수 방류라인(80)을 통해 수온약층(90) 아래의 비교적 얕은 수심에서 방류할 수 있다.

방류된 농축 해수는 주변 해수의 온도와 pH 등이 안정적인 조건 하에서 주변 해수와의 밀도차를 이용하여 중탄산 이온의 형태로 안정적으로 심해에 자유 침강하여 격리 저장된다.

도 5는 pH에 따른 용해 탄산염종의 농도비를 나타낸 그래프이다. 탄산염종의 농도비에 영향을 미치는 주요 요소는 pH이나, 전체 해수의 pH는 7.6 내지 8.2 범위에 존재하고 이 범위 내에서는 HCO₃ ^- 이온이 총 탄산염종 농도의 95% 이상을 차지하므로, 해수 중에 방류하는 경우에도 안정하다고 할 수 있다. 따라서 해수 표면에서 대기-해수의 접촉에 의한 이산화탄소 재방출을 고려하기 위해서는 밀도, 즉 해수의 온도에 영향을 더 많이 받는다고 할 수 있다(참고문헌: R. E. Zeebe and D.W-.Gladrow, CO₂ in seawater).

도 6은 해양의 수심에 따른 온도변화를 나타낸 그래프이다. 계절별 그리고 위도별로 해수의 온도는 달라지나, 일반적으로 수온약층(해수의 수온이 급격하게 변화하는 구간)의 최저수심은 대략 500 m 정도이고, 염분이 급격하게 변화하지 않는 이상 해수의 밀도는 500 m보다 깊은 수심에서는 거의 일정하다. 따라서 500 m보다 깊은 수심에서 농축된 고밀도의 용출수를 방류할 경우, 주변의 해수보다 용출수의 밀도가 높기 때문에 심해 해저 쪽으로 가라앉게 된다(참고문헌: F. J. Millero, Chemical Oceanography, 2nd edition).

이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시형태를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

10: 배기가스/이산화탄소
20, 100: 중화반응기
30: 처리수/농축수
40: 저장탱크
50: 처리수 배출라인
60: 운반수단
70: 해상구조물
80: 처리수 방류라인
90: 수온약층
110, 220: 알칼리 성분 유입부
120, 230: 물 유입부
130, 240: 교반기
140: 이산화탄소 유입부
150: 처리수 배출부
200: 알칼리 수용액 제조반응기
210: 알칼리 수용액 유입부

Claims (23)

1. 알칼리 수용액 제조반응기;
   알칼리 수용액 제조반응기로부터 공급받은 알칼리 수용액을 이용하여 하기 반응식 1에 따라 이산화탄소를 중탄산 이온(HCO₃ ^-)으로 중화시키는 중화반응기;
   중화반응기로부터 배출되는 중탄산 이온을 포함하는 처리수를 임시로 저장하는 저장탱크;
   저장탱크를 해양으로 운반하는 운반수단; 및
   해상에 부유하고 처리수 방류라인을 구비하는 해상구조물을 포함하며,
   알칼리 수용액 제조반응기는 알칼리 성분 공급원과 연결되는 알칼리 성분 유입부; 물 공급원과 연결되는 물 유입부; 및 제조반응기 내부에 설치되는 교반기를 구비하고,
   중화반응기는 알칼리 수용액 제조반응기와 연결되는 알칼리 수용액 유입부; 알칼리 수용액 유입부에 설치되는 적어도 하나의 분무기; 이산화탄소 공급원과 연결되는 이산화탄소 유입부; 중탄산 이온을 포함하는 처리수를 중화반응기로부터 배출하는 처리수 배출부; 및 중화반응기 내부에 설치되는 교반기를 구비하며,
   알칼리 성분은 탄산칼슘 및 산화칼슘 중에서 선택되는 1종 이상이고,
   물은 해수이며,
   중화반응기는 회분식 반응기이고,
   중탄산 이온은 해수 중의 중탄산 이온 농도보다 50배 이상이 되도록 농축되며,
   처리수 방류라인의 해양 쪽 배출구는 수온약층보다 깊은 수심에 위치하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 처리시스템.
   [반응식 1]
   CO₂ + H₂O + CaCO₃ → Ca²⁺ + 2HCO₃ ^-
   2CO₂ + H₂O + CaO → Ca²⁺ + 2HCO₃ ^-
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15. 제1항에 따른 이산화탄소 처리시스템을 이용하고,
    알칼리 성분과 물을 이용하여 알칼리 수용액을 제조하는 단계;
    알칼리 수용액을 이용하여 이산화탄소를 중탄산 이온으로 중화시키는 중화단계;
    중화단계 도중에 또는 중화단계 이후에 중탄산 이온을 농축하는 단계;
    농축된 처리수를 저장탱크에 임시로 저장하는 단계;
    저장탱크를 해양으로 운반하는 단계; 및
    농축된 처리수를 해양에 배출하여 자유 침강시키는 단계를 포함하며,
    해수 중의 중탄산 이온 농도보다 50배 이상이 되도록 농축하고,
    농축된 처리수를 수온약층보다 깊은 수심에 배출하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 처리방법.
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