KR102044792B1 - 이산화탄소 흡수 공정과 연계된 광물탄산화 공정 - Google Patents
이산화탄소 흡수 공정과 연계된 광물탄산화 공정 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 세정수를 유입하여 암모니아 및 이산화탄소를 포집하는 단계; 및 상기 암모니아 및 이산화탄소를 흡수한 세정수에 금속염을 공급하는 단계를 포함하는 광물탄산화 공정에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 이산화탄소 포집 공정과 연계된 광물탄산화 공정을 제공하여 이산화탄소 포집 공정의 효율을 높일 수 있고 이산화탄소 포집 및 자원화를 일련의 공정으로 구성할 수 있다. 또한 본 발명에 따르면 이산화탄소 포집 공정과 광물탄산화 공정을 연계하여 폐수 무방류 시스템을 구현할 수 있다.
Description
본 발명은 광물탄산화 공정에 관한 것으로, 보다 구체적으로 이산화탄소 흡수 공정과 연계된 광물탄산화 공정에 관한 것이다.
온실가스 감축의무를 부과한 교토의정서가 발효됨으로써 향후 온실가스 배출에 따른 범세계적 규제가 강화될 예정이므로 국내에서도 이에 대응하는 범 정부적 조치가 필요한 실정이다. 온실가스의 대표적인 예로써 이산화탄소가 있으며, 이산화탄소를 처리하기 위해서는 분리, 회수를 한 뒤 액화, 운반하여 지하(석유시추공 등)에 매립하는 기술이 알려져 있다. 그러나 우리나라에는 액화된 이산화탄소를 처리할 수 있는 석유 혹은 천연가스를 배태하는 지층이 많지 않기 때문에, 이러한 방법에 의하여 처리할 수 있는 이산화탄소의 양은 매우 한정적이며, 나머지는 해외로 이동시켜 처리해야 하는 등의 문제점이 있다. 또한 국내에서 이산화탄소를 전부 처리하기 위해서는 새로운 처리 부지를 찾기 위해 시추작업 등을 해야 하므로 막대한 비용과 시간이 소요된다.
이산화탄소를 처리하기 위한 다른 대안으로는 광물탄산화 혹은 광물고정화 방법이 있는데, 이는 탄산염을 형성할 수 있는 Ca, Mg와 같은 광물과 이산화탄소를 반응시켜 이산화탄소를 안정하게 고정화 시킬 수 있는 기술로 지중 저장시 발생할 수 있는 이산화탄소 누출 등에 따른 추가적 모니터링이 불필요하고 생산된 탄산염 광물을 유용한 자원으로 재사용할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
도 1은 종래의 광물탄산화 공정의 일예를 나타낸 것이다. 도 1에 나타난 바와 같이, 종래의 광물탄산화 공정은 암모니아수 및 이산화탄소를 각각 주입해주어야 하는 문제점이 있었다. 또한 도 2는 종래의 이산화탄소 흡수 공정의 일예를 나타낸 것이다.
도 1 및 도 2에 나타난 바와 같이, 종래에는 이산화탄소 흡수 공정 및 광물탄산화 공정이 각각 단일 목적을 위해서만 사용되었고, 이산화탄소 흡수 공정과 광물탄산화 공정이 연계되지 않아 흡수한 이산화탄소를 이송 및 재용해시키는 단계가 추가로 구성되어야 하는 등의 공정이 복잡해진다는 문제점이 있었다.
본 발명은 이산화탄소 흡수 공정과 연계된 광물탄산화 공정을 제공하여 흡수한 이산화탄소를 안정적으로 저장함과 동시에 이산화탄소 흡수 공정의 효율을 증가시키고자 한다.
본 발명은 세정수를 유입하여 암모니아 및 이산화탄소를 흡수하는 단계; 및 상기 암모니아 및 이산화탄소를 흡수한 세정수에 금속염을 공급하는 단계를 포함하는 광물탄산화 공정을 제공한다.
상기 암모니아 및 이산화탄소를 흡수하는 단계는 흡수탑의 세정단 또는 재생탑의 세정단에서 수행될 수 있다.
또한 상기 금속염은 슬래그, 폐석고, 폐콘크리트, 비산재 및 천연광물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상에 포함된 것일 수 있고, 상기 금속염은 Ca, Mg, Sr, Cu 및 Li로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 금속을 포함할 수 있다.
한편 상기 광물탄산화 공정은 추가적으로 금속염을 공급한 세정수를 제 1 고액분리하여 금속탄산염을 얻는 단계를 포함할 수 있다.
또한 상기 광물탄산화 공정은 추가적으로 상기 제 1 고액분리한 세정수를 농축탑에서 가열하여 상기 금속염과 미반응한 암모니아를 증발시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 가열은 80 내지 120℃에서 수행될 수 있다.
또한 상기 광물탄산화 공정은 추가적으로 상기 농축탑을 통과한 세정수를 제 2 고액분리하여 고상의 암모늄염 및 물을 얻는 단계를 포함할 수 있다. 상기 물은 세정수로 사용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 이산화탄소 흡수 공정과 연계된 광물탄산화 공정을 제공하여 흡수한 이산화탄소를 안정적으로 저장함과 동시에 이산화탄소 흡수 공정의 효율을 증가시킬 수 있다.
도 1은 종래의 광물탄산화 공정의 일예를 나타낸 것이다.
도 2는 종래의 이산화탄소 흡수 공정의 일예를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수 공정과 연계된 광물탄산화 공정의 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수 공정과 연계된 광물탄산화 공정의 일예를 나타낸 것이다.
도 2는 종래의 이산화탄소 흡수 공정의 일예를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수 공정과 연계된 광물탄산화 공정의 흐름도이다.
도 4는 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수 공정과 연계된 광물탄산화 공정의 일예를 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수 공정과 연계된 광물탄산화 공정의 흐름도이고, 도 4는 본 발명에 따른 이산화탄소 흡수 공정과 연계된 광물탄산화 공정의 일예를 나타낸 것이다.
본 발명은 이산화탄소 흡수 공정과 연계된 광물탄산화 공정에 관한 것으로, 보다 구체적으로 세정수를 유입하여 암모니아 및 이산화탄소를 흡수하는 단계(S100); 및 상기 암모니아 및 이산화탄소를 흡수한 세정수에 금속염을 공급하는 단계(S200)를 포함하는 광물탄산화 공정을 제공한다.
이하 본 발명의 이산화탄소 흡수 공정과 연계된 광물탄산화 공정을 도 4를 참조하여 설명한다. 다만 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
도 4에 나타난 바와 같이, 이산화탄소 함유 배가스가 흡수탑 하부에 공급된다. 상기 흡수탑에서는 화학흡수법에 의해 이산화탄소 함유 배가스로부터 이산화탄소를 흡수액으로 흡수하게 되는데, 상기 흡수액은 화학적으로 안정한 암모니아수를 사용할 수 있다. 상기 이산화탄소를 흡수한 암모니아수는 제1 하부 스트림으로서 흡수탑 하부에서 배출되며, 이산화탄소가 제거된 배가스는 제1 상부 스트림으로 흡수탑 상부로 이동하여 배출된다.
한편 상기 흡수탑 상부에는 흡수탑의 일체형 구조로 포함되는 흡수탑 세정단이 구비된다. 상기 흡수탑에서 분리된 제1 상부 스트림인 이산화탄소가 제거된 배가스에는 상기 이산화탄소 제거 단계에서 휘발된 암모니아가 포함될 수 있다. 본 발명은 상기 흡수탑의 세정단으로 세정수를 유입하여, 암모니아 및 흡수탑에서 포집되지 못한 이산화탄소를 포집한다(S100). 세정수를 유입한 후, 휘발된 암모니아와 흡수탑에서 포집되지 못한 이산화탄소가 제거된 배가스는 흡수탑 상부로 배출되며, 상기 암모니아 및 이산화탄소를 포함하는 세정수는 광물탄산화 공정으로 공급된다.
상기 이산화탄소를 흡수한 암모니아수는 제 1 하부 스트림으로 흡수탑 하부에서 배출되며 배출된 이산화탄소를 흡수한 암모니아는 재생탑으로 공급된다.
상기 재생탑은 일측에 재비기를 포함할 수 있으며, 상기 재비기에 의해 재생탑에 열에너지가 공급되어 상기 암모니아 및 이산화탄소를 포함하는 제 1하부 스트림으로부터 이산화탄소를 기상으로 배출하게 된다. 이산화탄소 가스는 제2 상부 스트림으로서 재생탑 상부로 배출되며, 재생된 암모니아수는 제2 하부 스트림으로 분리되어 재생탑 하단에서 상기 흡수탑으로 이송되어 흡수액으로 재사용된다.
상기 재생탑 상부에는 재생탑에 일체형 구조로 포함되는 재생탑 세정단이 구비된다. 상기 재생탑에서 분리된 제2 상부 스트림의 이산화탄소 가스에는 상기 세정수에서 휘발된 암모니아 가스가 포함될 수 있다. 따라서 본 발명은 상기 재생탑의 세정단으로 세정수를 유입하여, 암모니아 및 이산화탄소를 흡수한다(S100). 암모니아가 제거된 이산화탄소 가스는 상기 재생탑 상부에서 배출되고, 상기 암모니아 및 이산화탄소를 포함하는 세정수는 탄산화 반응기로 공급된다.
도 1에 나타난 바와 같이, 종래의 광물탄산화 공정은 암모니아수 및 이산화탄소를 각각 주입해야 하는 문제점이 있었다. 다만 본 발명은 세정수를 유입하여 암모니아 및 이산화탄소를 흡수하고, 이산화탄소 흡수 공정에서 상기 암모니아 및 이산화탄소를 흡수한 세정수를 탄산화 반응기에 공급함으로써, 암모니아 및 이산화탄소를 일원적으로 공급할 수 있는 장점이 있다.
상기 세정수는 H2O로, 액체 상태로 유입된다. 상기 암모니아는 세정수에 용해되어 염기성을 나타내고, 상기 이산화탄소는 산성가스로, 암모니아가 용해된 세정수에 용해된다. 상기 반응은 암모니아 및 이산화탄소의 산 염기 중화반응에 의함이고, 보다 구체적으로, 상기 암모니아 및 이산화탄소를 흡수하는 단계(S100)에서의 세정수, 암모니아 및 이산화탄소의 반응식을 하기 식 (1) 내지 (3)과 같다.
식 (1) 2NH3 + CO2 → NH2COONH4
식 (2) NH3 + CO2 + H2O → NH4HCO3
식 (3) 2NH3 + CO2 + H2O → (NH4)2CO3
상기 암모니아 및 이산화탄소를 흡수하는 단계(S100)는 앞서 언급한 바와 같이, 흡수탑의 세정단 또는 재생탑의 세정단에서 수행될 수 있다.
다음으로, 상기 암모니아 및 이산화탄소를 흡수한 세정수에 금속염을 공급(S200)한다. 금속염을 공급함으로써, 이산화탄소와 반응하여 금속탄산염을 얻을 수 있고, 이러한 반응은 탄산화 반응기에서 수행될 수 있다. 상기 암모니아 및 이산화탄소를 흡수한 세정수와 금속염의 반응은 하기 식 (4)에 의해 수행된다.
식 (4) MX + 2NH3 + CO2 + H2O → MCO3 + (NH4)2X
단 M은 금속(Ca, Mg, Sr, Cu, Li 등)
X는 NO3, SO4, Cl2, O, (OH)2 등
상기 금속염은 슬래그, 폐석고, 폐콘크리트, 비산재 및 천연광물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상에 포함된 것일 수 있다. 즉, 제철소에서 발생한 부산물인 슬래그, 발전소 등의 탈황설비에서 발생한 폐석고와 건축 시공 등에서 발생한 부산물인 폐콘크리트, 소각장 등에서 발생한 비산재, 천연광물로써 사문석 등을 금속염으로 재활용할 수 있다.
또한 상기 금속염은 이산화탄소와 반응하여 금속탄산염을 생성할 수 있는 것이라면 특별히 한정하지 않으나, Ca, Mg, Sr, Cu 및 Li로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 금속을 포함할 수 있다.
한편 본 발명의 광물탄산화 공정은 추가적으로 금속염을 공급한 세정수를 제 1 고액분리(S300)하여 금속탄산염을 얻는 단계를 포함할 수 있다. 상기 얻어진 금속탄산염은 종이, 타이어의 필러 등으로 사용할 수 있다.
상기 암모니아 및 이산화탄소를 포함하는 세정수를 금속염과 반응시킨 후, 제 1 고액분리(S300)하여 금속탄산염을 얻을 수 있고, 이에 따라 상기 세정수에 포함된 이산화탄소를 금속탄산염 형태로 저장할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 제 1 고액분리(S300)한 세정수는 농축탑으로 이송되고, 상기 농축탑에서는 상기 제 1 고액분리(S300)한 세정수를 가열(S400)하여 상기 제 1 고액분리한 세정수에 포함된 미반응한 암모니아를 증발시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 가열은 재비기를 통해 수행될 수 있고, 80 내지 120℃에서 수행될 수 있다. 80℃ 미만에서 수행될 경우, 온도가 낮아 세정수에 포함된 암모니아가 기체 상태로 충분히 증발되지 않고, 120℃ 초과에서 수행될 경우, 온도가 높아 상기 제 1 고액분리한 세정수에 포함된 물이 과량 증발되는 문제점이 있다.
상기 증발된 암모니아는 회수되어 재생탑에 공급될 수 있다. 이를 통해 상기 증발된 암모니아를 재생탑에서 재활용하여, 암모니아의 손실량을 최소화할 수 있다.
또한 본 발명은 상기 암모니아를 증발시키는 단계에서 상기 농축탑을 통과한 세정수를 열교환한 후 제 2 고액분리(S500)하여 고상의 암모늄염과 물을 얻을 수 있다. 상기 암모늄염은 비료로 사용할 수 있고, 상기 물은 흡수탑의 세정단 또는 재생탑의 세정단에 공급하여 세정수로 사용할 수 있다.
즉 본 발명은 단일 목적을 위해 각각 수행되던 이산화탄소 흡수 공정 및 광물탄산화 공정을 연계함으로써, 이산화탄소 흡수 공정의 효율을 높일 수 있고, 이산화탄소 포집 및 자원화를 일련의 공정으로 구성할 수 있다. 또한 상기 제 2 고액분리(S500)를 통해 얻은 물을 흡수탑의 세정단 또는 재생탑의 세정단에 공급하여 세정수로 사용함에 따라, 폐수 무방류 시스템을 구현할 수 있다.
Claims (10)
- 세정수를 유입하여 암모니아 및 이산화탄소를 흡수하는 단계;
상기 암모니아 및 이산화탄소를 흡수한 세정수에 금속염을 공급하는 단계;
상기 금속염을 공급한 세정수를 제 1 고액분리하여 금속탄산염을 얻는 단계; 및
상기 제 1 고액분리한 세정수를 농축탑에서 가열하여 상기 금속염과 미반응한 암모니아를 증발시키는 단계를 포함하는 광물탄산화 공정. - 제 1항에 있어서, 상기 암모니아 및 이산화탄소를 흡수하는 단계는 흡수탑의 세정단 또는 재생탑의 세정단에서 수행되는 광물탄산화 공정.
- 제 1항에 있어서, 상기 금속염은 슬래그, 폐석고, 폐콘크리트, 비산재 및 천연광물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상에 포함된 것인 광물탄산화 공정.
- 제 3항에 있어서, 상기 금속염은 Ca, Mg, Sr, Cu 및 Li로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 금속을 포함하는 광물탄산화 공정.
- 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서, 상기 가열은 80 내지 120℃에서 수행되는 광물탄산화 공정.
- 제 1항에 있어서, 상기 광물탄산화 공정은 추가적으로 상기 농축탑을 통과한 세정수를 열교환한 후 제 2 고액분리하여 고상의 암모늄염을 얻는 단계를 포함하는 광물탄산화 공정.
- 제 1항에 있어서, 상기 광물탄산화 공정은 추가적으로 상기 농축탑을 통과한 세정수를 열교환한 후 제 2 고액분리하여 물을 얻는 단계를 포함하는 광물탄산화 공정.
- 제 9항에 있어서, 상기 물을 세정수로 재공급하는 단계를 포함하는 광물탄산화 공정.
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