KR102313858B1 - 선박용 배기가스 정화장치와 정화방법 및 이를 구비하는 선박 - Google Patents

선박용 배기가스 정화장치와 정화방법 및 이를 구비하는 선박 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선박에서 배출되는 배기가스에 포함된 오염물질을 1가 알칼리 수용액을 이용하여 흡수 및 고형화함으로써 상기 오염물질을 저장이 용이한 고형물로 제조하고, 또한 상기 1가 알칼리 수용액을 재생하여 재사용이 가능한 선박용 배기가스 정화장치와 정화방법 및 이를 구비하는 선박에 관한 것이다.

Description

선박용 배기가스 정화장치와 정화방법 및 이를 구비하는 선박 { Apparatus and Method for purifying exhaust gas and ship using the same }
본 발명은 선박에서 배출되는 배기가스에 포함된 오염물질을 흡수하여 고형화함으로써, 이를 육상으로 이송하기 위한 선박용 배기가스 정화장치와 정화방법 및 이를 구비하는 선박에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 습식스크러버의 반응액으로 1가 알카리 수용액을 사용하여 배기가스에 포함된 이산화탄소와 이산화황 등의 오염물질을 저장이 용이한 고형물로 제조하며, 또한 반응액인 상기 1가 알칼리 수용액을 재생하여 재사용이 가능한 선박용 배기가스 정화장치와 정화방법 및 이를 구비하는 선박에 관한 것이다.
해상 운송은 세계 무역양의 약 80%를 담당하고 있으며, 장거리화물 운송의 가장 경제적이고 보편적인 운송수단이다. 대형 화물선이나 유람선의 엔진은 일반적으로 황 함량이 높은 중유를 사용한다. 상기와 같이 황 함량이 높은 중유를 연료로 사용하게 되면, 배기가스에 이산화탄소(Carbon dioxide, 이하 CO2)과 이산화황(Sulfur dioxide, 이하 SO2) 등을 다량으로 포함하게 된다. 이들 오염물질은 인체에 유해할 뿐만 아니라, 여과처리 없이 그대로 대기 중으로 배출되는 경우에는 환경오염을 유발하는 원인이 된다.
이산화탄소는 지구 온난화 현상을 일으키는 대표적인 온실 가스로 지정되어 있으며, 이산화탄소의 지구 온난화 지수는 다른 온실 가스에 비해 낮은 편이지만, 전체 온실 가스 배출량의 80%를 차지하고 있다.
또한, 국제해사기구(International Maritime Organization, 이하 IMO)의 해양환경보호위원회(Marine Environment Protection Committee) 보고서에 따르면, 선박서 나오는 황산화물의 연간 배출량은 약 4.5 ~ 6.5 mTon 인 것으로 추정되며, 선박에서 발생하는 황산화물 배출량이 운송으로 인해 발생하는 전세계 배출량의 약 60 %를 차지하는 것으로 알려져 있다. 배기가스 중에 함유된 황산화물은 산성비와 스모그의 주요 원인일 뿐만 아니라 대기중에서 초미세먼지를 생성하는 주요 원인물질이므로 배기가스에서 제거한 후 대기로 배출 하여야 한다.
이에 따라, IMO는 2030년까지 선박에서 배출되는 이산화탄소의 배출량을 2008년 대비 40 %, 2050년까지 70 %를 줄이는 목표로 다양한 배기가스 감축방안을 추진하고 있다. 이에 따라 대표적인 배기가스에 포함된 오염물질인 CO2와 SO2의 배출 절감에 대한 해결책이 해운업계와 조선업계에 요구되고 있다.
우리나라에서는 IMO가 제시한 2030년 온실가스 감축목표를 달성하기 위하여 중장기 로드맵을 수립하여 연구 사업을 수행하고 있으며, 선박에서 배출되는 배기가스 감축기술 등을 개발추진하고 있다. 따라서 선박에서 발생되는 온실가스 감축을 위한 적극적인 기술개발로 친환경선박 시장에 대한 선제적인 진입이 필요한 시점이다.
이와 같은 선박의 배기가스에 대한 해운업계의 문제를 해결하기 위해서 현재까지 개발된 방법으로는 저유황 연료유를 사용하는 방법이 있다. 그러나 이 방법을 채택하는 경우 저유황 연료유와 고유황 연료유의 가격 차이가 커서 경제적인 불리함이 있다.
이에 따라, 선박에서 발생되는 배기가스를 흡수처리하고, 상기 배기가스에 포함된 오염물질을 저감하기 위한 다양한 형태의 선박 배기가스의 저감장치가 개발되고 있다.
그러나 CO2와 SO2를 제거하거나 흡수하여 처리하는 장치는 육상에 설치되어 운용하고 있으나, 현재 선박에서는 상용화된 사례가 없다. 따라서 선박에서 배출되는 배기가스 중에 포함된 오염물질을 흡수하여 환경에 영향을 주지 않는 물질로 전환하여 배출하거나 육상으로 이송할 수 있는 기술의 필요성이 제기되고 있다.
한국 등록특허공보 제 10-1804418호 (선박용 습식 스크러버 및 이를 포함하는 선박용 습식 스크러버시스템, 2017. 11.28.) 한국 등록특허공보 제 10-1940604호 (선박용 습식 스크러버 및 이를 포함하는 흡수탑 내부 복합방식 세정수 분사시스템, 2019.01.16.) 한국 등록특허공보 제 10-1941199호 (선박용 습식 스크러버 및 이를 포함하는 배연가스 냉각시스템, 2019.01.16.) 한국 출원특허공보 제 10-2021-0075099호 (선박 배기가스의 정화장치 및 이를 이용한 선박 배기가스의 정화방법, 2021.06.09.) 한국 출원특허공보 제 10-2021-0075106호 (배기가스 정화시스템과 정화방법 및 이를 포함하는 선박, 2021.06.09.)
본 발명은 선박에서 배출되는 배기가스에 포함된 오염물질인 CO2와 SO2를 반응액을 사용하여 포집하고, 상기 오염물질을 흡수하여 환경에 영향을 주지 않는 물질로 전환한 후, 저장하여 육상으로 이송할 수 있는 선박용 배기가스 정화장치와 정화방법 및 이를 구비하는 선박에 관한 것이다.
본 발명에 따른 배기가스 정화장치(100)는, 선박에서 배출되는 배기가스를 처리하기 위한 것으로써, 배기가스 발생장치에서 발생되는 배기가스를 물 및 반응액과 반응시켜 상기 배기가스에 포함된 이산화탄소와 이산화황을 무기염으로 전환하는 습식스크러버(110); 상기 배기가스가 상기 습식스크러버(110)의 내부로 유입되는 유입구(115)와 상기 배기가스가 상기 습식스크러버(110)의 외부로 배출되는 배출구(112); 상기 배기가스와 반응하는 반응액을 제조하고, 이를 상기 습식스크러버(110)로 공급하는 순환탱크(120); 상기 습식스크러버(110)에서 생성된 무기염과 반응액으로부터 고형 부유물을 분리하는 제 1 고액분리장치(181); 상기 습식스크러버(110)로부터 이송된 반응액에 포함된 무기염과 2가 금속산화물 또는 2가 금속수산화물을 반응시켜 탄산염 및 황산염과 재생된 반응액이 혼합된 슬러지를 생성하는 혼합탱크(140); 상기 혼합탱크(140)로 2가 금속산화물 또는 2가 금속수산화물을 공급하는 저장탱크(145); 상기 혼합탱크(140)로부터 이송된 슬러지로부터 탄산염을 분리하는 제 2 고액분리장치(182); 상기 탄산염이 분리된 슬러지를 냉각시키는 열교환기(160); 및 상기 냉각된 탄산염이 분리된 슬러지로부터 황산염을 분리하는 제 3 고액분리장치(183);를 포함하고, 상기 혼합탱크(140)에는 임펠러(135)가 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 배기가스의 정화방법은, ⅰ) 선박에서 배출되는 배기가스에 포함된 이산화탄소와 물이 반응하여 탄산(H2CO3)을 생성하는 제 1 단계(S100); ⅱ) 상기 배기가스에 포함된 이산화황과 물이 반응하여 아황산(H2SO3) 및 황산(H2SO4)을 생성하는 제 2 단계(S200); ⅲ) 상기 제 1 단계(S100)에서 생성된 탄산(H2CO3)과 제 2 단계(S200)에서 생성된 아황산(H2SO3) 및 황산(H2SO4)과 반응액이 반응하여 무기염을 생성하는 제 3 단계(S300); ⅳ) 제 1 고액분리장치(181)를 통해 무기염을 포함하는 반응액으로부터 고형 부유물을 분리하는 제 4 단계(S400); ⅴ) 상기 제 3 단계(S300)에서 생성된 무기염을 포함하는 반응액과 2가 금속산화물 또는 2가 금속수산화물이 반응하여 탄산염 및 황산염을 생성하면서 동시에 반응액을 재생하는 제 5 단계(S500); ⅵ) 제 2 고액분리장치(182)를 통해 재생된 반응액에 포함된 탄산염을 분리하는 제 6 단계(S600); ⅶ) 상기 황산염을 포함하는 반응액을 열교환기(160)를 통해 냉각하는 제 7 단계(S700); 및 ⅷ) 제 3 고액분리장치(183)를 통해 황산염을 분리하는 제 8 단계(S800);를 포함하고, 상기 제 8 단계(S800)를 통해 황산염이 분리된 반응액을 제 3 단계(S300)에서 재사용하며, 상기 제 3 단계(S300)는 상기 반응액인 1가 알카리 수용액을 사용함으로써, pH 12 ~ 12.6 에서 수행되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제 7 단계(S700)는 황산염을 포함하는 반응액을 열교환기(160)에 의해 10 ~ 40 ℃로 냉각하며, 상기 반응액은 수산화리튬(LiOH) 수용액, 수산화나트륨(NaOH) 수용액, 수산화칼륨(KOH) 수용액 또는 암모니아수(NH4OH) 등의 1가 알칼리 수용액이며, 상기 1가 알카리 수용액은 순수 또는 해수를 사용하여 제조하고, 또한 상기 2가 금속산화물은 산화칼슘 또는 산화마그네슘이며, 상기 2가 금속수산화물은 수산화칼슘 또는 수산화마그네슘이며, 상기 상기 2가 금속산화물 또는 2가 금속수산화물은 분말, 수용액 또는 슬러지 형태로 공급되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 배기가스 정화장치에 의하면, 선박에서 배출되는 배기가스에 포함된 오염물질인 CO2와 SO2를 포집하여 고형화함으로써 저장 및 육상으로의 이송이 편리해지는 효과를 갖는다. 또한 상기 오염물질을 흡수하기 위한 습식스크러버에서 사용되는 반응액을 선박에서 자체적으로 재생하여 재사용함으로써, 상기 반응액의 소요량을 감축시킬 수 있어 선박 배기가스의 정화비용을 획기적으로 줄일 수 있다. 그리고 이를 통해 선박에서 배출되는 배기가스에 포함된 오염물질을 흡수함으로써 IMO 배기가스 배출규제를 충족시키고, 해양 환경 오염에 영향을 줄 수 있는 물질의 유출을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 배기가스 정화장치의 개략적인 구성도이고,
도 2는 본 발명에 따른 2가 금속산화물 또는 2가 금속수산화물을 저장 및 공급하는 저장탱크에 대한 구성도이며,
도 3은 본 발명에 따른 습식스크러버(110)의 구성도이며,
도 4는 본 발명에 따른 배기가스 정화방법의 흐름도이다.
본 출원에서 “포함한다”, “가지다” 또는 “구비하다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
아래에서는 본 발명에 따른 선박용 배기가스 정화장치(100)와 정화방법 및 이를 구비하는 선박에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명에 첨부된 도 1은 본 발명에 따른 배기가스 정화장치(100)의 개략적인 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 2가 금속산화물 또는 2가 금속수산화물을 저장 및 공급하는 저장탱크(145)에 대한 구성도이며, 도 3은 본 발명에 따른 습식스크러버(110)의 구성도이고, 도 4는 본 발명에 따른 배기가스 정화방법의 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 배기가스의 정화장치(100)는, 선박에 구비되는 배기가스 발생장치에서 발생되는 배기가스를 물 및 반응액과 반응시켜 상기 배기가스에 포함된 이산화탄소와 이산화황을 무기염으로 전환하는 습식스크러버(110); 상기 배기가스가 상기 습식스크러버(110)의 내부로 유입되는 유입구(115)와 상기 배기가스가 상기 습식스크러버(110)의 외부로 배출되는 배출구(112); 상기 배기가스와 반응하는 반응액을 제조하고, 이를 상기 습식스크러버(110)로 공급하는 순환탱크(120); 상기 습식스크러버(110)에서 생성된 무기염과 반응액으로부터 고형 부유물을 분리하는 제 1 고액분리장치(181); 상기 습식스크러버(110)로부터 이송된 반응액에 포함된 무기염과 2가 금속 산화물 또는 2가 금속수산화물을 반응시켜 탄산염 및 황산염과 재생된 반응액이 혼합된 슬러지를 생성하는 혼합탱크(140); 상기 혼합탱크(140)로 2가 금속산화물 또는 2가 금속수산화물을 공급하는 저장탱크(145); 상기 혼합탱크(140)로부터 이송된 슬러지로부터 탄산염을 분리하는 제 2 고액분리장치(182); 상기 탄산염이 분리된 슬러지를 냉각시키는 열교환기(160); 및 상기 냉각된 탄산염이 분리된 슬러지로부터 황산염을 분리하는 제 3 고액분리장치(183);를 포함하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 배기가스의 정화장치(100)는 선박에 구비될 수 있다. 즉, 선박의 선체에는 상기 배기가스 발생장치가 구비될 수 있고, 상기 배기가스 발생장치는, 예컨대 선박의 메인 엔진이나 발전용 엔진 또는 보일러 등이 될 수 있다. 그러나, 배기가스 발생장치는 특별히 한정되지 않고, 선박에 구비되어 배기가스를 배출하는 것이라면 주지의 어떠한 것이라도 가능하다.
본 발명에 따른 배기가스 정화장치(100)에 대하여 자세히 살펴보면, 상기 배기가스 정화장치(100)에는 각종 선박에 구비되는 배기가스 발생장치에서 발생되는 배기가스를 물 및 반응액과 반응시켜 상기 배기가스에 포함된 CO2와 SO2를 무기염으로 전환하는 습식스크러버(110)를 구비한다. 상기 습식스크러버(110)는 액체를 사용하여 가스 흐름 중에 포함된 오염물질을 제거하는 장치로서, 배기가스와 반응액 등의 액체를 접촉시켜 상기 배기가스에 포함된 수용성 오염물질을 용해함으로써, 상기 오염물질을 제거하는 장치를 가리킨다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 습식스크러버(110)의 상하부 일측에는 배기가스가 유입 또는 배출되는 유입구(115)와 배출구(112)가 구비된다. 상기 유입구(115)는 습식스크러버(110)의 일측에 구비되어 선박에 구비되는 배기가스 발생장치에서 연료가 연소된 후 생성되는 배기가스가 유입된다. 그리고 상기 습식스크러버(110)의 일측에는 유입된 배기가스가 처리된 후에 외부로 배출되는 배출구(112)가 함께 구비된다.
본 발명에 따르면, 상기 습식스크러버(110)는 유입구(115)를 통해 유입된 배기가스와 물 및 반응액을 반응시켜 무기염을 생성하게 된다. 이를 위해 상기 습식스크러버(110)는 배기가스에 포함된 가스상 오염물질 등을 흡수하는 반응액이 분사되는 과정을 순환 반복하면서 습식스크러버(110)의 하부에 오염물질이 슬러지(Sludge) 형태로 침전 또는 침적되게 된다. 상기와 같이 상기 습식스크러버(110)에는 배기가스의 유입과 배출을 위하여 유입구(115) 및 배출구(112)를 구비하는 것이 바람직하다.
상기 습식스크러버(110)에 대하여 살펴보면, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 습식스크러버(110)에서는 내부 상단에서 반응액을 하향분사할 수 있도록 구비되는 반응액 공급라인(117)이 구비되고, 상기 반응액 공급라인(117)에는 다수의 분사노즐(미도시)이 구비되어 상기 반응액을 하부로 분사하게 된다.
이때 상기와 같이 분사노즐로부터 하향분사되는 반응액에 대해 배기가스가 역방향으로 하부에서 상부로 이동하게 된다.
또한, 상기 습식스크러버(110)의 내부에 구비되는 반응액 공급라인(117)의 하부에는 도 3에 도시된 바와 같이 높은 표면적을 갖는 충진부재(119)가 구비된다. 상기 배기가스는 상기 충진부재(119)를 통과함으로서 상기 반응액과의 접촉효율이 증대되고, 이에 따라 배기가스 중에 포함된 오염물질의 제거효율이 증대될 수 있다.
그리고 본 발명에 따르면, 상기 순환탱크(120)는 상기 배기가스 중에 포함된 CO2 및 SO2와 반응하는 반응액을 제조하고, 상기 반응액을 습식스크러버(110)로 공급하게 된다.
이때 상기 순환탱크(120)에서는 재생된 반응액과 용수를 적절하게 혼합하여 CO2 및 SO2와 반응하여 무기염을 생성하는 반응액을 제조하게 된다.
또한 상기 습식스크러버(110)의 하부에는 상기 배기가스에 포함된 CO2 및 SO2와 반응액이 반응하여 형성된 무기염과 반응액을 제 1 고액분리장치(181)로 이송하기 위한 이송펌프(152)를 구비할 수 있다.
상기 제 1 고액분리장치(181)는 통상적으로 필터프레스식 또는 벨트프레스식 고액분리장치가 있고, 상기 제 1 고액분리장치(181)는 여과포 벨트가 다수의 롤러를 통과하도록 설치되어 여과포 사이에 분리대상이 투입 및 이송 되면서 롤러에 의해 가압되어 고형 부유물을 분리하게 된다.
상기 제 1 고액분리장치(181)에서는 상기 습식스크러버(110)에서 배기가스에 포함된 CO2 및 SO2와 상기 반응액이 반응하여 형성된 무기염을 포함하는 반응액으로부터 고형 부유물을 분리하게 된다.
통상적으로 배기가스에는 입자 상태의 오염 물질 즉, 고형 부유물을 포함하고 있고, 상기 입자상태의 오염 물질은 입경이 10 미크론 이하의 것으로 분진, 매연 또는 흄(fume) 등을 가리킨다. 이러한 고형 부유물은 상기 제 1 고액분리장치(181)에 의해 분리되어 부유물 수집호퍼(미도시) 등에 수집된 후에 외부로 배출하게 된다.
본 발명에 따른 상기 혼합탱크(140)는 상기 제 1 고액분리장치(181)로부터 고형 부유물이 분리된 무기염을 포함하는 미반응 반응액과 2가 금속산화물 또는 2가 금속수산화물을 반응시켜 반응액을 재생하고, 또한 이때 생성되는 탄산염 및 황산염을 포함하는 슬러지를 형성하게 된다.
본 발명에 따르면, 상기 무기염과 반응하여 반응액을 재생하고, 이때 생성되는 탄산염과 황산염을 포함하는 슬러지를 형성하는 상기 2가 금속산화물은 산화칼슘(CaO) 또는 산화마그네슘(MgO) 일 수 있고, 또한 상기 2가 금속수산화물은 수산화칼슘(Ca(OH)2) 또는 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 일 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 혼합탱크(140)에는 상기와 같이 생성된 무기염과 2가 금속산화물 또는 2가 금속수산화물의 반응을 용이하게 하기 위하여 도 2에 도시된 바와 같이 모터(M)에 의해 구동되는 임펠러(135)가 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 혼합탱크(140)에서 무기염과 2가 금속산화물 또는 2가 금속수산화물이 반응하여 탄산염과 황산염 등을 포함하는 슬러지를 생성하고 또한 반응액인 1가 알칼리 수용액이 재생되게 된다.
본 발명에 따르면, 상기와 같이 혼합탱크(140)로 2가 금속산화물 또는 2가 금속수산화물을 공급하기 위하여 상기 2가 금속산화물 또는 2가 금속수산화물을 저장하는 저장탱크(145)를 구비하는 것이 바람직하다.
이때 상기 저장탱크(145)로부터 공급되는 2가 금속산화물 또는 2가 금속수산화물은 분말, 수용액 또는 슬러지 형태 등의 적절한 형태로 공급될 수 있다.
본 발명에 따르면 상기 무기염과 반응한 반응액과 상기 2가 금속산화물 또는 2가 금속수산화물이 반응하는 반응시간은 30 ~ 120 분이 바람직하다.
배기가스에 포함된 오염물질인 CO2 및 SO2와 반응한 반응액과 상기 2가 금속산화물 또는 2가 금속수산화물이 반응하여 생성되는 탄산염과 황산염은 재생되는 반응액과 혼합되어 슬러지 상태로 상기 혼합탱크(140)의 하부에 침전된다.
상기 반응시간이 경과한 후에는 상기 혼합탱크(140)의 하부에 구비되는 슬러지펌프(131)을 사용하여 상기 슬러지를 제 2 고액분리장치(182)로 이송한다. 상기 슬러지펌프(131)에 의해 이송된 슬러지는 제 2 고액분리장치(182)에서 결정화된 탄산염과 이를 포함하는 반응액으로부터 분리하게된다.
상기와 같이 분리된 탄산염은 상기 제 2 고액분리장치(182)의 하부로 배출되고, 상기 탄산염이 배출된 슬러지는 도 1에 도시된 바와 같이 열교환기(160)로 이송된다.
상기 열교환기(160)는 슬러지를 냉각하기 위한 구성으로, 냉매관을 따라 순회하는 냉매가 상기 슬러지와 열교환을 하여 열의 수수(授受)가 이루어지도록 함으로써, 상기 슬러지를 냉각하게 된다. 상기와 같은 열교환기(160)는 통상적으로 냉매관의 외면에 열교환을 위한 다수의 열교환핀이 설치되고, 상기 열교환핀의 일측에는 열교환 과정에서 발생된 성에를 제거하기 위한 제상히터가 설치될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 열교환기(160)를 통해 상기 탄산염이 분리된 슬러지는 10 ~ 40 ℃로 냉각되는 것이 바람직하다. 상기와 같이 탄산염이 분리된 슬러지를 냉각하는 이유는 황산염의 결정화를 용이하게 함으로써 상기 황산염의 분리제거를 용이하게 하기 위함이다.
상기와 같이 열교환기(160)에 의해 냉각된 슬러지는 이후에 제 3 고액분리장치(183)로 이송된다. 상기 제 3 고액분리장치(183)는 이송된 슬러지에 포함된 결정화된 황산염을 상기 슬러지로부터 분리하게 된다.
상기와 같이 분리된 황산염은 상기 제 3 고액분리장치(183)의 하부로 배출되고, 상기 황산염이 배출된 슬러지에는 재생된 반응액 만이 남게 된다.
즉, 상기와 같이 제 1 고액분리장치(181)에 의해 고형 부유물을 분리제거하고, 제 2 고액분리장치(182)에 의해 탄산염을 분리제거하고, 또한 상기 제 3 고액분리장치(183)에 의해 황산염을 분리제거하게 되면, 상기 슬러리에는 재생된 반응액만이 남게 된다.
따라서 상기와 같이 제 3 고액분리장치(183)에 의해 황산염이 분리된 재생된 반응액은 이후에 상기 반응액을 습식스크러버(110)로 공급하는 순환탱크(120)로 이송하게 된다. 상기와 같이 순환탱크(120)로 이송된 반응액은 습식스크러버(110)로 공급하거나 저장하게 된다.
상기와 같이 순환탱크(120)에 저장되는 반응액은 배기가스를 처리하는 습식스크러버(110)에 재공급하여 반응액으로 재사용하게 된다.
또한 상기 제 2 고액분리장치(182)에 의해 분리되는 탄산염과 상기 제 3 고액분리장치(183)에 의해 분리되는 황산염은 공지된 방법을 통해 고형화하여 저장하는 것이 바람직하다. 상기와 같이 고형화되어 저장되는 탄산염과 황산염은 선박이 육상에 도착하게 되면 하선하여 처리하게 된다.
본 발명에 따른 배기가스에 포함된 오염물질인 CO2 및 SO2 등을 처리하기 위한 배기가스 정화방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 배기가스의 정화방법은, 도 4에 도시된 바와 같이, ⅰ) 선박에서 배출되는 배기가스에 포함된 CO2와 물이 반응하여 탄산(H2CO3)을 생성하는 제 1 단계(S100); ⅱ) 상기 배기가스에 포함된 SO2과 물이 반응하여 아황산(H2SO3) 및 황산(H2SO4)을 생성하는 제 2 단계(S200); ⅲ) 상기 제 1 단계(S100)에서 생성된 탄산(H2CO3)과 제 2 단계(S200)에서 생성된 아황산(H2SO3) 및 황산(H2SO4)과 반응액이 반응하여 무기염을 생성하는 제 3 단계(S300); ⅳ) 제 1 고액분리장치(181)를 통해 무기염을 포함하는 반응액으로부터 고형 부유물을 분리하는 제 4 단계(S400); ⅴ) 상기 제 3 단계(S300)에서 생성된 무기염을 포함하는 반응액과 2가 금속산화물 또는 2가 금속수산화물이 반응하여 탄산염 및 황산염을 생성하면서 동시에 반응액을 재생하는 제 5 단계(S500); ⅵ) 제 2 고액분리장치(182)를 통해 재생된 반응액에 포함된 탄산염을 분리하는 제 6 단계(S600); ⅶ) 상기 황산염을 포함하는 반응액을 열교환기(160)를 통해 냉각하는 제 7 단계(S700); 및 ⅷ) 제 3 고액분리장치(183)를 통해 황산염을 분리하는 제 8 단계(S800);를 포함하는 것이 바람직하다.
< 제 1 단계(S100)>
선박의 배기가스에 포함된 CO2의 제거하기 위한 제 1 단계(S100)는 (화학식 1)과 같이 배기가스에 포함된 CO2가 물과 반응하여 탄산(H2CO3)을 형성하게 된다. 이때 상기 CO2와 반응하는 물은 반응액인 1가 알칼리 수용액에 공존하는 물을 이용하는 것이 바람직하다.
(화학식 1) CO2 + H2O → H2CO3
< 제 2 단계(S200)>
선박의 배기가스에 포함된 SO2를 제거하기 위한 제 2 단계(S200)는 (화학식 2) 및 (화학식 3)과 같이 배기가스에 포함된 SO2가 물과 반응하여 아황산(H2SO3) 또는 황산(H2SO4)을 형성하는 단계를 가리킨다. 즉, 상기 SO2가 물과 반응시 산소가 있는 경우에는 (화학식 3)과 같이 반응하여 황산이 생성되고, 산소가 없는 경우에는 물과 반응하여 (화학식 2)와 같이 아황산을 형성하게 된다.
이때 상기 SO2와 반응하는 물 또한 상기 반응액인 1가 알칼리 수용액에 공존하는 물을 이용하는 것이 바람직하다.
(화학식 2) SO2 + H2O → H2SO3
(화학식 3) 2SO2 + O2 + 2H2O → 2H2SO4
< 제 3 단계(S300)>
본 발명에 따른 제 3 단계(S300)는 상기 제 1 단계(S100)에서 생성된 탄산(H2CO3)과 제 2 단계(S200)에서 생성된 아황산(H2SO3) 및 황산(H2SO4)과 반응액이 반응하여 무기염을 생성하는 단계를 가리킨다. 이때 상기 반응액은 1가 알칼리 수용액인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 반응액인 1가 알칼리 수용액은 수산화리튬(LiOH) 수용액, 수산화나트륨(NaOH) 수용액, 수산화칼륨(KOH) 수용액 또는 암모니아수(NH4OH) 일 수 있다.
상기 제 1 단계(S100)에서 생성된 탄산(H2CO3)과 반응액인 1가 알칼리 수용액 즉, 수산화리튬(LiOH) 수용액, 수산화나트륨(NaOH) 수용액, 수산화칼륨(KOH) 수용액 또는 암모니아수(NH4OH)와의 반응을 살펴보면 아래와 같다.
이때, 상기 1가 알칼리 수용액은 순수 또는 해수를 사용하여 제조할 수 있다. 즉, 순수 또는 해수에 상기 수산화리튬(LiOH), 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH) 또는 암모니아(NH3)을 용해하여 CO2및 SO2 와 반응하는 반응액인 1가 알카리 수용액을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 반응액을 상기 제 3 단계(S300)는 반응액인 상기 1가 알카리 수용액을 사용함으로써, 상기 반응액의 산도 즉, 수소이온농도가 pH 12 ~ 12.6 에서 수행되는 것이 바람직하다.
1가 알칼리 수용액인 NaOH 수용액과 탄산과 반응
상기 (화학식 1)과 같이 생성되는 탄산은 이후에 (화학식 4) 및 (화학식 5)와 같이 1가 알칼리 수용액인 수산화나트륨 수용액과 반응하여 무기염인 탄산수소나트륨(NaHCO3) 또는 탄산나트륨(Na2CO3) 및 물을 생성하게 된다.
(화학식 4) NaOH + H2CO3 → NaHCO3 + H2O
(화학식 5) 2NaOH + H2CO3 → Na2CO3 + 2H2O
1가 알칼리 수용액인 KOH 수용액과 탄산과의 반응
상기 (화학식 1)과 같이 생성되는 탄산은 이후에 (화학식 6) 내지 (화학식 7)과 같이 1가 알칼리 수용액인 수산화칼륨 수용액과 반응하여 무기염인 탄산수소칼륨(KHCO3) 또는 탄산칼륨(K2CO3) 및 물을 생성하게 된다.
(화학식 6) KOH + H2CO3 → KHCO3 + H2O
(화학식 7) 2KOH + H2CO3 → K2CO3 + 2H2O
1가 알칼리 수용액인 LiOH 수용액과 탄산과의 반응
상기 (화학식 1)과 같이 생성되는 탄산은 이후에 (화학식 8) 내지 (화학식 9)와 같이 1가 알칼리 수용액인 수산화리튬 수용액과 반응하여 무기염인 탄산수소리튬(LiHCO3) 또는 탄산리튬(Li2CO3) 및 물을 생성하게 된다.
(화학식 8) LiOH + H2CO3 → LiHCO3 + H2O
(화학식 9) 2LiOH + H2CO3 → Li2CO3 + 2H2O
1가 알칼리 수용액인 NH 4 OH와 탄산과의 반응
상기 (화학식 1)과 같이 생성되는 탄산은 이후에 (화학식 10) 내지 (화학식 11)과 같이 암모니아수(NH4OH)와 반응하여 무기염인 탄산수소암모늄(NH4HCO3) 또는 탄산암모늄((NH4)2CO3) 및 물을 생성하게 된다.
(화학식 10) NH4OH + H2CO3 → NH4HCO3 + H2O
(화학식 11) 2NH4OH + H2CO3 → (NH4)2CO3 + 2H2O
또한, 상기 제 2 단계(S200)에서 생성된 아황산(H2SO3) 및 황산(H2SO4)과 반응액인 1가 알칼리 수용액 즉, 수산화리튬(LiOH) 수용액, 수산화나트륨(NaOH) 수용액, 수산화칼륨(KOH) 수용액 또는 암모니아수(NH4OH)와의 반응을 살펴보면 아래와 같다.
1가 알칼리 수용액인 NaOH 수용액과 아황산 및 황산과의 반응
상기 제 2 단계(S200)를 통해 선박 배기가스에 포함된 SO2가 물과 반응하여 형성된 아황산과 황산은 이후에 반응액인 1가 알칼리 수용액으로서 수산화나트륨(NaOH) 수용액과의 반응은 아래의 (화학식 12) 내지 (화학식 15)와 같이 반응하게 된다.
상기와 같이 (화학식 2)와 같이 SO2와 물이 반응하여 생성된 아황산은 (화학식 12)와 같이 수산화나트륨과 반응하여 무기염인 아황산수소나트륨(NaHSO3)과 물을 생성하거나, 또는 (화학식 13)과 같이 수산화나트륨과 반응하여 무기염인 아황산나트륨(Na2SO3)과 물을 생성하게 된다.
또한 (화학식 3)과 같이 생성된 황산은 (화학식 14)와 같이 수산화나트륨과 반응하여 무기염인 황산수소나트륨(NaHSO4)과 물을 생성하거나, 또는 (화학식 15)와 같이 수산화나트륨과 반응하여 무기물인 아황산나트륨(Na2SO3)과 물을 생성하게 된다.
(화학식 12) NaOH + H2SO3 → NaHSO3 + H2O
(화학식 13) 2NaOH + H2SO3 → Na2SO3 + 2H2O
(화학식 14) NaOH + H2SO4 → NaHSO4 + H2O
(화학식 15) 2NaOH + H2SO4 → Na2SO4 + 2H2O
1가 알칼리 수용액인 KOH 수용액과 아황산 및 황산과의 반응
상기 (화학식 2) 및 (화학식 3)과 같이 생성된 아황산과 황산은 1가 알칼리 수용액인 수산화칼륨(KOH) 수용액과 (화학식 16) 내지 (화학식 19)과 같이 반응하게 된다.
(화학식 16) KOH + H2SO3 → KHSO3 + H2O
(화학식 17) 2KOH + H2SO3 → K2SO3 + 2H2O
(화학식 18) KOH + H2SO4 → KHSO4 + H2O
(화학식 19) 2KOH + H2SO4 → K2SO4 + 2H2O
즉, 아황산은 (화학식 16) 및 (화학식 17)과 같이 수산화칼륨과 반응하여 무기염인 중아황산칼륨(KHSO3) 또는 아황산칼륨(K2SO3)과 물을 생성하게 된다.
또한 황산은 (화학식 18) 및 (화학식 19)와 같이 수산화칼륨과 반응하여 무기염인 황산수소칼륨(KHSO4) 또는 황산칼륨(K2SO4)과 물을 생성하게 된다.
1가 알칼리 수용액인 LiOH 수용액과 아황산 및 황산과의 반응
상기 (화학식 2) 및 (화학식 3)과 같이 생성된 아황산과 황산은 반응액인 1가 알칼리 수용액으로서 수산화리튬 수용액과 아래와 같이 반응하게 된다.
즉, SO2와 물이 반응하여 생성된 상기 아황산과 황산은 수산화리튬과 (화학식 20) 내지 (화학식 23)과 같이 반응하게 된다.
(화학식 20) LiOH + H2SO3 → LiHSO3 + H2O
(화학식 21) 2LiOH + H2SO3 → Li2SO3 + 2H2O
(화학식 22) LiOH + H2SO4 → LiHSO4 + H2O
(화학식 23) 2LiOH + H2SO4 → Li2SO4 + 2H2O
상기와 같이 SO2와 물이 반응하여 생성된 아황산은 (화학식 20)과 같이 수산화리튬과 반응하여 무기염인 아황산수소리튬(LiHSO3)과 물을 생성하거나, 또는 (화학식 21)과 같이 수산화리튬 수용액과 반응하여 무기염인 아황산리튬(Li2SO3)과 물을 생성하게 된다.
또한 (화학식 22)와 같이 생성된 황산은 수산화리튬 수용액과 반응하여 무기염인 황산수소리튬(LiHSO4)과 물을 생성하거나 또는 (화학식 23)과 같이 무기염인 황산리튬(Li2SO4)과 물을 생성하게 된다.
1가 알칼리 수용액인 NH 4 OH 수용액과 아황산 및 황산과의 반응
상기 (화학식 2) 및 (화학식 3)과 생성된 아황산과 황산은 아래의 (화학식 24) 내지 (화학식 27)과 같이 암모니아수와 반응하여 무기염인 아황산수소암모늄(NH4HSO3) 또는 아황산암모늄((NH4)2SO3) 또는 암모늄바이설페이트(NH4HSO4)와 물을 생성하게 된다.
(화학식 24) NH4OH + H2SO3 → NH4HSO3 + H2O
(화학식 25) 2NH4OH + H2SO3 → (NH4)2SO3 + 2H2O
(화학식 26) NH4OH + H2SO4 → NH4HSO4 + H2O
(화학식 27) 2NH4OH + H2SO4 → (NH4)2SO4 + 2H2O
상기 배기가스에 포함된 오염물질인 CO2 및 SO2는 위에서 살핀 바와 같이 1가 알칼리 수용액인 수산화나트륨(NaOH) 수용액, 수산화칼륨(KOH) 수용액, 수산화리튬(LiOH) 수용액 또는 암모니아수(NH4OH) 등과 반응하여 무기염과 물을 생성하게 된다.
< 제 4 단계(S400)>
위에서 살핀 바와 같이, 배기가스에 포함된 CO2 및 SO2가 물 및 반응액인 1가 알칼리 수용액 즉, 수산화나트륨(NaOH) 수용액, 수산화칼륨(KOH) 수용액, 수산화리튬(LiOH) 수용액 또는 암모니아수(NH4OH) 등과 반응하여 무기염과 물을 생성한 후에는 상기 혼합탱크(140)에는 상기 무기염과 반응액이 혼합되어 존재하게 된다.
따라서, 상기 제 4 단계(S400)에서는 상기 무기염을 포함하는 반응액을 제 1 고액분리장치(181)로 이송하여 상기 무기염을 포함하는 반응액에 존재하는 고형 부유물을 제거하게 된다. 위에서 살핀 바와 같이, 상기 고형 부유물은 입자상태의 오염 물질로서 입경이 10 미크론 이하의 것으로 분진, 매연 또는 흄(fume) 등을 가리킨다.
< 제 5 단계(S500)>
본 발명에 따른 상기 제 5 단계(S500)는 상기 제 3 단계(S300)에서 생성된 무기염을 포함하는 반응액이 2가 금속산화물 또는 2가 금속수산화물과 반응하여 탄산염 및 황산염을 생성하면서 동시에 반응액을 재생하는 단계를 가리킨다.
상기 제 5 단계(S500)에서 전술한 배기가스 정화장치(100)에서 상기 배기가스에 포함된 CO2 및 SO2를 흡수하는 반응액으로 사용하는 1가 알카리 수용액 즉, 수산화나트륨(NaOH) 수용액, 수산화칼륨(KOH) 수용액, 수산화리튬(LiOH) 수용액 또는 암모니아수(NH4OH) 등을 재사용할 수 있도록 재생처리하는 방법을 구체적으로 상술하면 아래와 같다.
즉, 상기 1가 알칼리 수용액과 CO2 및 SO2가 반응하여 생성된 무기염을 2가 금속산화물 또는 2가 금속수산화물과 반응시킴으로써, 탄산염과 황산염을 생성하면서 상기 반응액인 1가 알칼리 수용액을 재생하는 반응은 아래와 같다.
이때 상기 2가 금속산화물은 산화칼슘 또는 산화마그네슘이고, 2가 금속수산화물은 수산화칼슘 또는 수산화마그네슘인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 상기 1가 알칼리 수용액과 SO2가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속산화물 또는 2가 금속수산물과 반응하여 상기 1가 알칼리 수용액을 재생하는 방법을 살펴보면, 아래와 같다.
SO 2 가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속산화물인 산화칼슘과의 반응
먼저 NaOH와 SO2가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속산화물인 산화칼슘과의 반응을 통해 상기 NaOH를 재생하는 방법은 아래의 (화학식 28) 내지 (화학식 31)과 같다.
즉, 배기가스에 포함된 SO2와 물이 반응하여 생성되는 황산과 아황산은 위 (화학식 12) 내지 (화학식 15)에서 살핀 바와 같이 수산화나트륨 수용액과 반응하여 무기염인 NaHSO3, Na2SO3, NaHSO4 및 Na2SO4 를 생성한다.
상기와 같이 생성된 무기염 NaHSO3, Na2SO3, NaHSO4 및 Na2SO4 는 아래의 (화학식 28) 내지 (화학식 31)과 같이 산화칼슘과 반응하여 수산화나트륨을 재생하면서 황산염인 CaSO3 또는 CaSO4를 생성한다.
(화학식 28) NaHSO3 + CaO → NaOH + CaSO3
(화학식 29) Na2SO3 + CaO + H2O → 2NaOH + CaSO3
(화학식 30) NaHSO4 + CaO → NaOH + CaSO4
(화학식 31) Na2SO4 + CaO + H2O → 2NaOH + CaSO4
그리고, KOH와 SO2가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속산화물인 산화칼슘과의 반응을 통해 상기 KOH를 재생하는 방법은 아래의 (화학식 32) 내지 (화학식 35)와 같다.
즉, 배기가스에 포함된 SO2와 물이 반응하여 생성되는 황산과 아황산은 위 (화학식 16) 내지 (화학식 19)에서 살핀 바와 같이 수산화칼륨 수용액과 반응하여 무기염인 KHSO3, K2SO3, KHSO4 및 K2SO4 를 생성한다.
(화학식 32) KHSO3 + CaO → KOH + CaSO3
(화학식 33) K2SO3 + CaO + H2O → 2KOH + CaSO3
(화학식 34) KHSO4 + CaO→ KOH + CaSO4
(화학식 35) K2SO4 + CaO + H2O → 2KOH + CaSO4
이때 생성되는 무기염인 KHSO3, K2SO3, KHSO4 및 K2SO4 는 상기 (화학식 32) 내지 (화학식 35)와 같이 산화칼슘과 반응하여 수산화칼륨을 재생하면서 황산염인 CaSO3 또는 CaSO4를 생성한다.
그리고, LiOH와 SO2가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속산화물인 산화칼슘과의 반응을 통해 상기 LiOH를 재생하는 방법은 아래의 (화학식 36) 내지 (화학식 38)과 같다.
즉, 배기가스에 포함된 SO2와 물이 반응하여 생성되는 황산과 아황산은 위 (화학식 20) 내지 (화학식 23)에서 살핀 바와 같이 수산화리튬 수용액과 반응하여 무기염인 LiHSO3, Li2SO3, 및 LiHSO4 를 생성한다.
(화학식 36) LiHSO3 + CaO → LiOH + CaSO3
(화학식 37) Li2SO3 + CaO + H2O → 2LiOH + CaSO3
(화학식 38) LiHSO4+ CaO → LiOH + CaSO4
이때 생성되는 무기염인 LiHSO3, Li2SO3, 및 LiHSO4 은 상기 (화학식 36) 내지 (화학식 38)과 같이 산화칼슘과 반응하여 수산화리튬을 재생하면서 황산염인 CaSO3 또는 CaSO4를 생성한다
또한 NH4OH와 SO2가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속산화물인 산화칼슘과의 반응을 통해 상기 NH4OH를 재생하는 방법은 아래의 (화학식 39) 내지 (화학식 41)과 같다.
즉, 배기가스에 포함된 SO2와 물이 반응하여 생성되는 황산과 아황산은 위 (화학식 24) 내지 (화학식 27)에서 살핀 바와 같이 암모니아수와 반응하여 무기염인 NH4HSO3, (NH4)2SO3, 및 NH4HSO4 를 생성한다.
(화학식 39) NH4HSO3 + CaO → NH4OH + CaSO3
(화학식 40) (NH4)2SO3 + CaO + H2O → 2NH4OH + CaSO3
(화학식 41) NH4HSO4 + CaO → NH4OH + CaSO4
이때 생성되는 무기염인 NH4HSO3, (NH4)2SO3, 및 NH4HSO4 은 상기 (화학식 39) 내지 (화학식 41)과 같이 산화칼슘과 반응하여 암모니아수를 재생하면서 황산염인 CaSO3 또는 CaSO4를 생성한다
SO 2 가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속수산화물인 수산화칼슘과의 반응
먼저 NaOH와 SO2가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속수산화물인 수산화칼슘과의 반응을 통해 상기 NaOH를 재생하는 방법은 아래의 (화학식 42) 내지 (화학식 45)와 같다.
즉, 배기가스에 포함된 SO2와 물이 반응하여 생성되는 황산과 아황산은 위 (화학식 12) 내지 (화학식 15)에서 살핀 바와 같이 수산화나트륨 수용액과 반응하여 무기염인 NaHSO3, Na2SO3, NaHSO4 및 Na2SO4 를 생성한다.
(화학식 42) NaHSO3 + Ca(OH)2 → NaOH + CaSO3 + H2O
(화학식 43) Na2SO3 + Ca(OH)2→ 2NaOH + CaSO3
(화학식 44) NaHSO4 + Ca(OH)2→ NaOH + CaSO4 + H2O
(화학식 45) Na2SO4 + Ca(OH)2→ 2NaOH + CaSO4
이때 생성되는 무기염인 NaHSO3, Na2SO3, NaHSO4 및 Na2SO4 는 상기 (화학식 42) 내지 (화학식 45)과 같이 수산화칼슘과 반응하여 수산화나트륨을 재생하면서 황산염인 CaSO3 또는 CaSO4와 물을 생성한다.
그리고, KOH와 SO2가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속수산화물인 수산화칼슘과의 반응을 통해 상기 KOH를 재생하는 방법은 아래의 (화학식 46) 내지 (화학식 49)와 같다.
즉, 배기가스에 포함된 SO2와 물이 반응하여 생성되는 황산과 아황산은 위 (화학식 16) 내지 (화학식 19)에서 살핀 바와 같이 수산화칼륨 수용액과 반응하여 무기염인 KHSO3, K2SO3, KHSO4 및 K2SO4 를 생성한다.
(화학식 46) KHSO3 + Ca(OH)2 → KOH + CaSO3 + H2O
(화학식 47) K2SO3 + Ca(OH)2 → 2KOH + CaSO3
(화학식 48) KHSO4 + Ca(OH)2 → KOH + CaSO4 + H2O
(화학식 49) K2SO4 + Ca(OH)2 → 2KOH + CaSO4
이때 생성되는 무기염인 KHSO3, K2SO3, KHSO4 및 K2SO4 는 상기 (화학식 46) 내지 (화학식 49)와 같이 수산화칼슘과 반응하여 수산화칼륨을 재생하면서 황산염인 CaSO3 또는 CaSO4와 물을 생성한다.
그리고, LiOH와 SO2가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속수산화물인 수산화칼슘과의 반응을 통해 상기 LiOH를 재생하는 방법은 아래의 (화학식 50) 내지 (화학식 52)와 같다.
즉, 배기가스에 포함된 SO2와 물이 반응하여 생성되는 황산과 아황산은 위 (화학식 20) 내지 (화학식 23)에서 살핀 바와 같이 수산화리튬 수용액과 반응하여 무기염인 LiHSO3, Li2SO3, 및 LiHSO4 를 생성한다.
(화학식 50) LiHSO3 + Ca(OH)2 → LiOH + CaSO4
(화학식 51) Li2SO3 + Ca(OH)2 + H2O → 2LiOH + CaSO3
(화학식 52) LiHSO4+ Ca(OH)2 → LiOH + CaSO4 + H2O
이때 생성되는 무기염인 LiHSO3, Li2SO3, 및 LiHSO4 은 상기 (화학식 50) 내지 (화학식 52)와 같이 수산화칼슘과 반응하여 수산화리튬을 재생하면서 황산염인 CaSO3 또는 CaSO4와 물을 생성한다
또한 NH4OH와 SO2가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속산화물인 수산화칼슘과의 반응을 통해 상기 NH4OH를 재생하는 방법은 아래의 (화학식 53) 내지 (화학식 55)와 같다.
즉, 배기가스에 포함된 SO2와 물이 반응하여 생성되는 황산과 아황산은 위 (화학식 24) 내지 (화학식 27)에서 살핀 바와 같이 암모니아수와 반응하여 무기염인 NH4HSO3, (NH4)2SO3, 및 NH4HSO4 를 생성한다.
(화학식 53) NH4HSO3 + Ca(OH)2 → NH4OH + CaSO3 + H2O
(화학식 54) (NH4)2SO3 + Ca(OH)2 → 2NH4OH + CaSO3
(화학식 55) NH4HSO4 + Ca(OH)2 → 2NH4OH + CaSO4 + H2O
이때 생성되는 무기염인 NH4HSO3, (NH4)2SO3, 및 NH4HSO4 은 상기 (화학식 53) 내지 (화학식 55)와 같이 수산화칼슘과 반응하여 암모니아수를 재생하면서 황산염인 CaSO3 또는 CaSO4 및 물을 생성한다.
SO 2 가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속산화물인 산화마그네슘과의 반응
또한, 1가 알칼리 수용액과 SO2가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속산화물인 산화마그네슘과 반응하여 상기 1가 알칼리 수용액을 재생하는 방법을 살펴보면, 아래와 같다.
먼저 NaOH와 SO2가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속산화물인 산화마그네슘과의 반응을 통해 상기 NaOH를 재생하는 방법은 아래의 (화학식 56) 내지 (화학식 59)와 같다.
즉, 배기가스에 포함된 SO2와 물이 반응하여 생성되는 황산과 아황산은 위 (화학식 12) 내지 (화학식 15)에서 살핀 바와 같이 수산화나트륨 수용액과 반응하여 무기염인 NaHSO3, Na2SO3, NaHSO4 및 Na2SO4 를 생성한다.
(화학식 56) NaHSO3 + MgO → NaOH + MgSO3
(화학식 57) Na2SO3 + MgO + H2O → 2NaOH + MgSO3
(화학식 58) NaHSO4 + MgO → NaOH + MgSO4
(화학식 59) Na2SO4 + MgO + H2O → 2NaOH + MgSO4
이때 생성되는 무기염인 NaHSO3, Na2SO3, NaHSO4 및 Na2SO4 는 상기 (화학식 56) 내지 (화학식 59)와 같이 산화마그네슘과 반응하여 수산화나트륨을 재생하면서 황산염인 MgSO3 또는 MgSO4를 생성한다.
그리고, KOH와 SO2가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속산화물인 산화마그네슘과의 반응을 통해 상기 KOH를 재생하는 방법은 아래의 (화학식 60) 내지 (화학식 63)과 같다.
즉, 배기가스에 포함된 SO2와 물이 반응하여 생성되는 황산과 아황산은 위 (화학식 16) 내지 (화학식 19)에서 살핀 바와 같이 수산화칼륨 수용액과 반응하여 무기염인 KHSO3, K2SO3, KHSO4 및 K2SO4 를 생성한다.
(화학식 60) KHSO3 + MgO → KOH + MgSO3
(화학식 61) K2SO3 + MgO + H2O → 2KOH + MgSO3
(화학식 62) KHSO4 + MgO→ KOH + MgSO4
(화학식 63) K2SO4 + MgO + H2O → 2KOH + MgSO4
이때 생성되는 무기염인 KHSO3, K2SO3, KHSO4 및 K2SO4 는 상기 (화학식 60) 내지 (화학식 63)과 같이 산화마그네슘과 반응하여 수산화칼륨을 재생하면서 황산염인 MgSO3 또는 MgSO4를 생성한다.
그리고, LiOH와 SO2가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속산화물인 산화마그네슘과의 반응을 통해 상기 LiOH를 재생하는 방법은 아래의 (화학식 64) 내지 (화학식 65)와 같다.
즉, 배기가스에 포함된 SO2와 물이 반응하여 생성되는 황산과 아황산은 위 (화학식 20) 내지 (화학식 23)에서 살핀 바와 같이 수산화리튬 수용액과 반응하여 무기염인 LiHSO3, Li2SO3, 및 LiHSO4 를 생성한다.
(화학식 64) LiHSO3 + MgO → LiOH + MgSO3
(화학식 65) Li2SO3 + MgO + H2O → 2LiOH + MgSO3
(화학식 66) LiHSO4+ MgO → LiOH + MgSO4
이때 생성되는 무기염인 LiHSO3, Li2SO3, 및 LiHSO4 은 상기 (화학식 64) 내지 (화학식 66)과 같이 산화마그네슘과 반응하여 수산화리튬을 재생하면서 황산염인 MgSO3 또는 MgSO4를 생성한다
또한 NH4OH와 SO2가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속산화물인 산화마그네슘과의 반응을 통해 상기 NH4OH를 재생하는 방법은 아래의 (화학식 67) 내지 (화학식 69)와 같다.
즉, 배기가스에 포함된 SO2와 물이 반응하여 생성되는 황산과 아황산은 위 (화학식 24) 내지 (화학식 27)에서 살핀 바와 같이 암모니아수와 반응하여 무기염인 NH4HSO3, (NH4)2SO3, 및 NH4HSO4 를 생성한다.
(화학식 67) NH4HSO3 + MgO → NH4OH + MgSO3
(화학식 68) (NH4)2SO3 + MgO + H2O → 2NH4OH + MgSO3
(화학식 69) NH4HSO4 + MgO → NH4OH + MgSO4
이때 생성되는 무기염인 NH4HSO3, (NH4)2SO3, 및 NH4HSO4 은 상기 (화학식 67) 내지 (화학식 69)와 같이 산화마그네슘과 반응하여 암모니아수를 재생하면서 황산염인 MgSO3 또는 MgSO4 를 생성한다
SO 2 가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속수산화물인 수산화마그네슘과 반응
그리고 1가 알칼리 수용액과 황산 및 아황산이 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속수산화물인 수산화마그네슘과 반응하여 상기 1가 알칼리 수용액을 재생하는 방법을 살펴보면, 아래와 같다.
먼저 NaOH와 황산 및 아황산이 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속수산화물인 수산화마그네슘과의 반응을 통해 상기 NaOH를 재생하는 방법은 아래의 (화학식 70) 내지 (화학식 73)과 같다.
즉, 배기가스에 포함된 SO2와 물이 반응하여 생성되는 황산과 아황산은 위 (화학식 12) 내지 (화학식 15)에서 살핀 바와 같이 수산화나트륨 수용액과 반응하여 무기염인 NaHSO3, Na2SO3, NaHSO4 및 Na2SO4 를 생성한다.
(화학식 70) NaHSO3 + Mg(OH)2 → NaOH + MgSO3 + H2O
(화학식 71) Na2SO3 + Mg(OH)2→ 2NaOH + MgSO3
(화학식 72) NaHSO4 + Mg(OH)2→ NaOH + MgSO4 + H2O
(화학식 73) Na2SO4 + Mg(OH)2→ 2NaOH + MgSO4
이때 생성되는 무기염인 NaHSO3, Na2SO3, NaHSO4 및 Na2SO4 는 상기 (화학식 70) 내지 (화학식 73)과 같이 수산화마그네슘과 반응하여 수산화나트륨을 재생하면서 황산염인 MgSO3 또는 MgSO4 및 물을 생성한다.
그리고, KOH와 황산 및 아황산과 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속수산화물인 수산화마그네슘과의 반응을 통해 상기 KOH를 재생하는 방법은 아래의 (화학식 74) 내지 (화학식 77)과 같다.
즉, 배기가스에 포함된 SO2와 물이 반응하여 생성되는 황산과 아황산은 위 (화학식 16) 내지 (화학식 19)에서 살핀 바와 같이 수산화칼륨 수용액과 반응하여 무기염인 KHSO3, K2SO3, KHSO4 및 K2SO4 를 생성한다.
(화학식 74) KHSO3 + Mg(OH)2 → KOH + MgSO3 + H2O
(화학식 75) K2SO3 + Mg(OH)2 → 2KOH + MgSO3
(화학식 76) KHSO4 + Mg(OH)2 → KOH + MgSO4 + H2O
(화학식 77) K2SO4 + Mg(OH)2 → 2KOH + MgSO4
이때 생성되는 무기염인 KHSO3, K2SO3, KHSO4 및 K2SO4 는 상기 (화학식 74) 내지 (화학식 77)과 같이 수산화마그네슘과 반응하여 수산화칼륨을 재생하면서 황산염인 MgSO3 또는 MgSO4 및 물을 생성한다.
그리고, LiOH와 SO2가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속수산화물인 수산화마그네슘과의 반응을 통해 상기 LiOH를 재생하는 방법은 아래의 (화학식 78) 내지 (화학식 80)과 같다.
즉, 배기가스에 포함된 SO2와 물이 반응하여 생성되는 황산과 아황산은 위 (화학식 20) 내지 (화학식 23)에서 살핀 바와 같이 수산화리튬 수용액과 반응하여 무기염인 LiHSO3, Li2SO3, 및 LiHSO4 를 생성한다.
(화학식 78) LiHSO3 + Mg(OH)2 → LiOH + MgSO4
(화학식 79) Li2SO3 + Mg(OH)2 + H2O → 2LiOH + MgSO3
(화학식 80) LiHSO4+ Mg(OH)2 → LiOH + MgSO4 + H2O
이때 생성되는 무기염인 LiHSO3, Li2SO3, 및 LiHSO4 은 상기 (화학식 78) 내지 (화학식 80)과 같이 수산화마그네슘과 반응하여 수산화리튬을 재생하면서 황산염인 MgSO3 또는 MgSO4 및 물을 생성한다
또한 NH4OH와 SO2가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속수산화물인 수산화마그네슘과의 반응을 통해 상기 NH4OH를 재생하는 방법은 아래의 (화학식 81) 내지 (화학식 84)와 같다.
즉, 배기가스에 포함된 SO2와 물이 반응하여 생성되는 황산과 아황산은 위 (화학식 24) 내지 (화학식 27)에서 살핀 바와 같이 암모니아수와 반응하여 무기염인 NH4HSO3, (NH4)2SO3, NH4HSO4 및 (NH4)2SO4 를 생성한다.
(화학식 81) NH4HSO3 + Mg(OH)2 → NH4OH + MgSO3 + H2O
(화학식 82) (NH4)2SO3 + Mg(OH)2 → 2NH4OH + MgSO3
(화학식 83) NH4HSO4 + Mg(OH)2 → 2NH4OH + MgSO4 + H2O
(화학식 84) (NH4)2SO4 + Mg(OH)2 → 2NH4OH + MgSO4
이때 생성되는 무기염인 NH4HSO3, (NH4)2SO3, NH4HSO4 및 (NH4)2SO4 은 상기 (화학식 81) 내지 (화학식 84)와 같이 수산화마그네슘과 반응하여 암모니아수를 재생하면서 황산염인 MgSO3 또는 MgSO4 및 물을 생성한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 1가 알칼리 수용액과 CO2가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속산화물 또는 2가 금속수산물과 반응하여 상기 1가 알칼리 수용액을 재생하는 방법을 살펴보면, 아래와 같다.
CO 2 가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속산화물인 산화칼슘과의 반응
먼저 NaOH와 CO2가 반응하여 생성된 무기염과 산화칼슘과의 반응을 통해 상기 NaOH를 재생하는 방법은 아래의 (화학식 85) 내지 (화학식 86)과 같다.
즉, 배기가스에 포함된 CO2와 물이 반응하여 생성되는 탄산(H2CO3)은 위 (화학식 4) 내지 (화학식 5)와 같이 수산화나트륨 수용액과 반응하여 무기염인 탄산수소나트륨(NaHCO3) 또는 탄산나트륨(Na2CO3) 을 생성한다.
(화학식 85) NaHCO3 + CaO → NaOH + CaCO3
(화학식 86) Na2CO3 + CaO + H2O → 2NaOH + CaCO3
이때 생성되는 무기염인 탄산수소나트륨(NaHCO3) 또는 탄산나트륨(Na2CO3)은 상기 (화학식 85) 내지 (화학식 86)과 같이 산화칼슘과 반응하여 수산화나트륨을 재생하면서 탄산염인 CaCO3 를 생성한다.
그리고, KOH와 CO2가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속산화물인 산화칼슘과의 반응을 통해 상기 KOH를 재생하는 방법은 아래의 (화학식 87) 내지 (화학식 88)과 같다.
즉, 배기가스에 포함된 CO2와 물이 반응하여 생성되는 탄산(H2CO3)은 위 (화학식 6) 내지 (화학식 7)과 같이 수산화칼륨 수용액과 반응하여 무기염인 KHCO3, 및 K2CO3를 생성한다.
(화학식 87) KHCO3 + CaO → KOH + CaCO3
(화학식 88) K2CO3 + CaO + H2O → 2KOH + CaCO3
이때 생성되는 무기염인 KHCO3 및 K2CO3 는 상기 (화학식 87) 내지 (화학식 88)과 같이 산화칼슘과 반응하여 수산화칼륨을 재생하면서 탄산염인 CaCO3를 생성한다. 이때 상기 (화학식 88)과 같이 물이 필요할 수도 있다.
그리고, LiOH와 CO2가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속산화물인 산화칼슘과의 반응을 통해 상기 LiOH를 재생하는 방법은 아래의 (화학식 89) 내지 (화학식 90)과 같다.
즉, 배기가스에 포함된 CO2와 물이 반응하여 생성되는 탄산(H2CO3)은 위 (화학식 8) 내지 (화학식 9)와 같이 수산화리튬 수용액과 반응하여 무기염인 LiHCO3, 및 Li2CO3를 생성한다.
(화학식 89) LiHCO3 + CaO → LiOH + CaCO3
(화학식 90) Li2CO3 + CaO + H2O → 2LiOH + CaCO3
이때 생성되는 무기염인 LiHCO3 및 Li2CO3 는 상기 (화학식 89) 내지 (화학식 90)과 같이 산화칼슘과 반응하여 수산화리튬을 재생하면서 탄산염인 CaCO3 를 생성한다
또한 NH4OH와 CO2가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속산화물인 산화칼슘과의 반응을 통해 상기 NH4OH를 재생하는 방법은 아래의 (화학식 91) 내지 (화학식 92)와 같다.
즉, 배기가스에 포함된 CO2와 물이 반응하여 생성되는 탄산(H2CO3)은 위 (화학식 10) 내지 (화학식 11)과 같이 암모니아수와 반응하여 무기염인 NH4HCO3 및 (NH4)2CO3를 생성한다.
(화학식 91) NH4HCO3 + CaO → NH4OH + CaCO3
(화학식 92) (NH4)2CO3 + CaO + H2O → 2NH4OH + CaCO3
이때 생성되는 무기염인 NH4HCO3 및 (NH4)2CO3 는 상기 (화학식 91) 내지 (화학식 92)와 같이 산화칼슘과 반응하여 암모니아수를 재생하면서 탄산염인 CaCO3를 생성한다
CO 2 가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속수산화물인 수산화칼슘과의 반응
또한 본 발명에 따른 1가 알칼리 수용액과 CO2가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속수산화물인 수산화칼슘과 반응하여 상기 1가 알칼리 수용액을 재생하는 방법을 살펴보면, 아래와 같다.
먼저 NaOH와 CO2가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속수산화물인 수산화칼슘과의 반응을 통해 상기 NaOH를 재생하는 방법은 아래의 (화학식 93) 내지 (화학식 94)와 같다.
즉, 배기가스에 포함된 CO2와 물이 반응하여 생성되는 탄산(H2CO3)은 위 (화학식 4) 내지 (화학식 5)와 같이 수산화나트륨 수용액과 반응하여 무기염인 탄산수소나트륨(NaHCO3) 및 탄산나트륨(Na2CO3)을 생성한다.
(화학식 93) NaHCO3 + Ca(OH)2 → NaOH + CaCO3 + H2O
(화학식 94) Na2CO3 + Ca(OH)2→ 2NaOH + CaCO3
이때 생성되는 무기염인 탄산수소나트륨(NaHCO3) 및 탄산나트륨(Na2CO3)은 상기 (화학식 93) 내지 (화학식 94)와 같이 수산화칼슘과 반응하여 수산화나트륨을 재생하면서 탄산염인 CaCO3 및 물을 생성한다.
그리고, KOH와 CO2가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속수산화물인 수산화칼슘과의 반응을 통해 상기 KOH를 재생하는 방법은 아래의 (화학식 95) 내지 (화학식 96)과 같다.
즉, 배기가스에 포함된 CO2와 물이 반응하여 생성되는 탄산(H2CO3)은 위 (화학식 6) 내지 (화학식 7)과 같이 수산화칼륨 수용액과 반응하여 무기염인 KHCO3 및 K2CO3 을 생성한다.
(화학식 95) KHCO3 + Ca(OH)2 → KOH + CaCO3 + H2O
(화학식 96) K2CO3 + Ca(OH)2 → 2KOH + CaCO3
이때 생성되는 무기염인 KHCO3 및 K2CO3 는 상기 (화학식 95) 내지 (화학식 96)과 같이 수산화칼슘과 반응하여 수산화칼륨을 재생하면서 탄산염인 CaCO3 및 물을 생성한다.
그리고, LiOH와 CO2가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속산화물인 수산화칼슘과의 반응을 통해 상기 LiOH를 재생하는 방법은 아래의 (화학식 97) 내지 (화학식 98)과 같다.
즉, 배기가스에 포함된 CO2와 물이 반응하여 생성되는 탄산(H2CO3)은 위 (화학식 8) 내지 (화학식 9)와 같이 수산화리튬 수용액과 반응하여 무기염인 LiHCO3 및 Li2CO3 를 생성한다.
(화학식 97) LiHCO3 + Ca(OH)2 → LiOH + CaCO4
(화학식 98) Li2CO3 + Ca(OH)2 + H2O → 2LiOH + CaCO3
이때 생성되는 무기염인 LiHCO3 및 Li2CO3 는 상기 (화학식 97) 내지 (화학식 98)과 같이 수산화칼슘과 반응하여 수산화리튬을 재생하면서 탄산염인 CaCO3 또는 CaCO4 를 생성한다
또한 NH4OH와 CO2가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속수산화물인 수산화칼슘과의 반응을 통해 상기 NH4OH를 재생하는 방법은 아래의 (화학식 99) 내지 (화학식 100)과 같다.
즉, 배기가스에 포함된 CO2와 물이 반응하여 생성되는 탄산(H2CO3)은 위 (화학식 10) 내지 (화학식 11)과 같이 암모니아수와 반응하여 무기염인 NH4HCO3 및 (NH4)2CO3 를 생성한다.
(화학식 99) NH4HCO3 + Ca(OH)2 → NH4OH + CaCO3 + H2O
(화학식 100) (NH4)2CO3 + Ca(OH)2 → 2NH4OH + CaCO3
이때 생성되는 무기염인 NH4HCO3 및 (NH4)2CO3 는 상기 (화학식 99) 내지 (화학식 100)과 같이 수산화칼슘과 반응하여 암모니아수를 재생하면서 탄산염인 CaCO3 및 물을 생성한다.
CO 2 가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속산화물인 산화마그네슘과의 반응
또한, 본 발명에 따르면, 반응액인 NaOH수용액과 CO2가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속산화물인 산화마그네슘과의 반응을 통해 NaOH를 재생하는 반응은 아래의 (화학식 101) 내지 (화학식 102)와 같다.
즉, 배기가스에 포함된 CO2와 물이 반응하여 생성되는 탄산(H2CO3)은 위 (화학식 4) 내지 (화학식 5)와 같이 수산화나트륨 수용액과 반응하여 무기염인 탄산수소나트륨(NaHCO3) 및 탄산나트륨(Na2CO3)을 생성한다.
(화학식 101) NaHCO3 + MgO → NaOH + MgCO3
(화학식 102) Na2CO3 + MgO + H2O → 2NaOH + MgCO3
상기 무기염인 탄산수소나트륨(NaHCO3) 및 탄산나트륨(Na2CO3)은 상기 (화학식 101) 내지 (화학식 102)와 같이 산화마그네슘과 반응하여 수산화나트륨을 재생하면서 탄산염인 MgCO3 를 생성한다.
그리고, 반응액인 KOH수용액과 CO2가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속산화물인 산화마그네슘과의 반응을 통해 KOH를 재생하는 반응은 아래의 (화학식 103) 내지 (화학식 104)와 같다.
즉, 배기가스에 포함된 CO2와 물이 반응하여 생성되는 탄산(H2CO3)은 위 (화학식 6) 내지 (화학식 7)과 같이 수산화칼륨 수용액과 반응하여 무기염인 KHCO3 및 K2CO3 을 생성한다.
(화학식 103) KHCO3 + MgO → KOH + MgCO3
(화학식 104) K2CO3 + MgO + H2O → 2KOH + MgCO3
상기 무기염인 KHCO3 및 K2CO3 는 상기 (화학식 103) 내지 (화학식 104)와 같이 산화마그네슘과 반응하여 수산화칼륨을 재생하면서 탄산염인 MgCO3 를 생성한다. 이때 (화학식 104)와 같이 물이 필요할 수 있다.
그리고, 반응액인 LiOH수용액과 CO2가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속산화물인 산화마그네슘과의 반응을 통해 LiOH를 재생하는 반응은 아래의 (화학식 105) 내지 (화학식 106)과 같다.
즉, 배기가스에 포함된 CO2와 물이 반응하여 생성되는 탄산(H2CO3)은 위 (화학식 8) 내지 (화학식 9)와 같이 수산화리튬 수용액과 반응하여 무기염인 LiHCO3 및 Li2CO3 를 생성한다.
(화학식 105) LiHCO3 + MgO → LiOH + MgCO3
(화학식 106) Li2CO3 + MgO + H2O → 2LiOH + MgCO3
상기 무기염인 LiHCO3 및 Li2CO3 는 상기 (화학식 105) 내지 (화학식 106)과 같이 산화마그네슘과 반응하여 수산화리튬을 재생하면서 탄산염인 MgCO3 를 생성한다
그리고, 반응액인 NH4OH와 CO2가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속산화물인 산화마그네슘과의 반응을 통해 NH4OH를 재생하는 반응은 아래의 (화학식 107) 내지 (화학식 108)과 같다.
즉, 배기가스에 포함된 CO2와 물이 반응하여 생성되는 탄산(H2CO3)은 위 (화학식 10) 내지 (화학식 11)과 같이 암모니아수와 반응하여 무기염인 NH4HCO3 및 (NH4)2CO3 를 생성한다.
(화학식 107) NH4HCO3 + MgO → NH4OH + MgCO3
(화학식 108) (NH4)2CO3 + MgO + H2O → 2NH4OH + MgCO3
상기 무기염인 NH4HCO3 및 (NH4)2CO3 은 상기 (화학식 107) 내지 (화학식 108)과 같이 산화마그네슘과 반응하여 암모니아수를 재생하면서 탄산염인 MgCO3 를 생성한다. 이때 (화학식 108)과 같이 물이 필요할 수 있다.
CO 2 가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속수산화물인 수산화마그네슘과의 반응
또한, 본 발명에 따르면, 반응액인 NaOH수용액과 CO2가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속수산화물인 수산화마그네슘과의 반응을 통해 NaOH를 재생하는 반응은 아래의 (화학식 109) 내지 (화학식 110)과 같다.
즉, 배기가스에 포함된 CO2와 물이 반응하여 생성되는 탄산(H2CO3)은 위 (화학식 4) 내지 (화학식 5)와 같이 수산화나트륨 수용액과 반응하여 무기염인 탄산수소나트륨(NaHCO3) 및 탄산나트륨(Na2CO3)을 생성한다.
(화학식 109) NaHCO3 + Mg(OH)2 → NaOH + MgCO3 + H2O
(화학식 110) Na2CO3 + Mg(OH)2→ 2NaOH + MgCO3
상기 무기염인 NaHCO3 및 Na2CO3 는 상기 (화학식 109) 내지 (화학식 110)과 같이 수산화마그네슘과 반응하여 수산화나트륨을 재생하면서 탄산염인 MgCO3 및 물을 생성한다
또한, 본 발명에 따르면 반응액인 KOH수용액과 CO2가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속수산화물인 수산화마그네슘과의 반응을 통해 KOH를 재생하는 반응은 아래의 (화학식 111) 내지 (화학식 112)과 같다.
즉, 배기가스에 포함된 CO2와 물이 반응하여 생성되는 탄산(H2CO3)은 위 (화학식 6) 내지 (화학식 7)과 같이 수산화칼륨 수용액과 반응하여 무기염인 KHCO3 및 K2CO3 을 생성한다.
(화학식 111) KHCO3 + Mg(OH)2 → KOH + MgCO3 + H2O
(화학식 112) K2CO3 + Mg(OH)2 → 2KOH + MgCO3
상기 무기염인 KHCO3 및 K2CO3 은 상기 (화학식 111) 내지 (화학식 112)와 같이 수산화마그네슘과 반응하여 수산화칼륨을 재생하면서 탄산염인 MgCO3 및 물을 생성한다
또한, 반응액인 LiOH수용액과 CO2가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속수산화물인 수산화마그네슘과의 반응을 통해 LiOH를 재생하는 반응은 아래의 (화학식 113) 내지 (화학식 114)와 같다.
즉, 배기가스에 포함된 CO2와 물이 반응하여 생성되는 탄산(H2CO3)은 위 (화학식 8) 내지 (화학식 9)와 같이 수산화리튬 수용액과 반응하여 무기염인 LiHCO3 및 Li2CO3 를 생성한다.
(화학식 113) LiHCO3 + Mg(OH)2 → LiOH + H2O + MgCO3
(화학식 114) Li2CO3 + Mg(OH)2 + H2O → 2LiOH + MgCO3
상기 무기염인 LiHCO3 및 Li2CO3 는 상기 (화학식 113) 내지 (화학식 114)와 같이 수산화마그네슘과 반응하여 수산화리튬을 재생하면서 탄산염인 MgCO3 를 생성한다. 이때 (화학식 114)와 같이 물이 필요할 수 있다.
반응액인 NH4OH와 CO2가 반응하여 생성된 무기염과 2가 금속수산화물인 수산화마그네슘과의 반응을 통해 NH4OH를 재생하는 반응은 아래의 (화학식 114) 내지 (화학식 115)과 같다.
즉, 배기가스에 포함된 CO2와 물이 반응하여 생성되는 탄산(H2CO3)은 위 (화학식 10) 내지 (화학식 11)과 같이 암모니아수와 반응하여 무기염인 NH4HCO3 및 (NH4)2CO3 를 생성한다.
(화학식 114) NH4HCO3 + Mg(OH)2 → NH4OH + MgCO3 + H2O
(화학식 115) (NH4)2CO3 + Mg(OH)2 → 2NH4OH + MgCO3
상기 무기염인 NH4HCO3 및 (NH4)2CO3 는 상기 (화학식 114) 내지 (화학식 115)와 같이 수산화마그네슘과 반응하여 암모니아수를 재생하면서 탄산염인 MgCO3 및 물을 생성한다
상기와 같이 2가 금속산화물 또는 2가 금속수산화물을 이용하여 반응액인 수산화나트륨 수용액, 수산화칼륨 수용액, 수산화리튬 수용액 또는 암모니아수를 재생할 수 있다.
< 제 6 단계(S600)>
상기와 같이 제 5 단계(S500)를 통해 생성되는 탄산염 및 황산염은 재생된 반응액과 서로 혼합되어 있는 상태로 존재하게 된다. 상기와 같이 탄산염 및 황산염이 혼합된 재생된 반응액을 재사용하기 위해서는 제 6 단계(S600)를 통해 먼저 상기 탄산염을 분리하게 된다. 이때 상기 탄산염은 제 2 고액분리장치(182)를 통해 분리하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 재생된 반응액에 존재하는 탄산염은 위에서 살핀 바와 같이 CaCO3, CaCO4 , MgCO3 또는 MgCO4 등이 있다. 상기와 같은 탄산염은 반응액인 1가 알칼리 수용액에서 쉽게 결정화될 수 있다. 이에 따라 고체 상태로 결정화된 탄산염은 제 2 고액분리장치(182)를 통해 용이하게 분리할 수 있다
< 제 7 단계(S700)>
상기와 같이 탄산염이 분리된 재생된 반응액은 황산염을 포함하고 있고, 이‹š 제 3 고액분리장치(183)을 통해 상기 황산염의 분리를 용이하게 하기 위하여 열교환기(160)를 통해 상기 황산염이 포함된 재생된 반응액의 온도를 10 ~ 40 ℃로 냉각하는 것이 바람직하다.
즉, 본 발명에 따르면, 상기 반응액은 1가 알칼리 수용액으로써, 상기 1가 알칼리 수용액은 순수 또는 해수를 사용하여 제조할 수 있다. 즉, 순수 또는 해수에 상기 수산화리튬(LiOH), 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH) 또는 암모니아(NH3)을 용해하여 CO2및 SO2 와 반응하는 반응액인 1가 알카리 수용액을 제조할 수 있고, 이때 상기 반응액인 1가 알칼리 수용액은 pH 12 ~ 12.6 인 것이 바람직하다.
그런데 상기와 같은 수소이온농도를 갖는 반응액에서는 황산염 즉, CaSO3, CaSO4 , MgSO3 또는 MgSO4 등의 결정화가 쉽게 이루어지지 않는다. 따라서 상기 반응액 중에서 상기 황산염의 결정화를 촉진하기 위하여 상기 반응액의 온도를 낮추게 된다. 상기와 같이 반응액의 온도를 열교환기(160)를 통해 10 ~ 40 ℃로 냉각하게 되면, 상기 황산염의 용해도가 급격하게 감소함으로써, 쉽게 결정화되어 석출이 가능하게 된다.
상기 열교환기(160)는 통상적으로 공냉식 열교환기와 수냉식 열교환기로 나뉜다. 상기 공냉식 열교환기는 팬(fan)으로 통풍되는 공기로 상기 반응액을 냉각시키는 구조로 다수의 냉각핀(Cooling Fin)과 핀을 관통하는 튜브들로 구성된다. 또한 수냉식 열교환기는 냉각수를 사용하여 유압 유체를 냉각시키는 방식으로 원통다관식(Shell & Tube Type)과 판형(Plate Type) 등이 주로 많이 사용된다.
본 발명에 따른 재생된 반응액을 냉각하여 황산염의 결정화를 촉진하기 위한 열교환기(160)는 상기 공냉식 열교환기와 수냉식 열교환기를 모두 사용할 수 있다.
< 제 8 단계(S800)>
상기와 같이 제 7 단계(S700)를 통해 냉각된 반응액은 이후에 제 8 단계(S800)를 통해 상기 재생된 반응액으로부터 황산염을 분리하게 된다. 이때 상기 황산염은 제 3 고액분리장치(182)를 통해 분리하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 재생된 반응액에 존재하는 황산염은 위에서 살핀 바와 같이 CaSO3, CaSO4 , MgSO3 또는 MgSO4 등이 있다. 상기 재생된 반응액의 온도를 낮추게 되면 상기 황산염의 용해도가 감소하여 쉽게 결정화되고, 상기와 같이 결정화된 황산염은 상기 제 3 고액분리장치(183)에 의해 용이하게 분리될 수 있다.
즉, 상기와 같이 결정화된 황산염을 포함하는 냉각된 반응액은 제 3 고액분리장치(183)로 공급되고, 상기 결정화된 입자형태의 황산염은 용이하게 분리될 수 있다.
상기와 같이 제 8 단계(S800)를 통해 황산염이 분리됨으로써, 상기 반응액의 재생이 완료된다. 상기와 같이 재생이 완료된 반응액은 상기 제 3 단계(S300)로 공급되어 습식스크러버(110)로 공급되어 재사용이 가능하게 된다.
본 발명에 따르면, 상기와 같이 분리된 탄산염 또는 황산염 등은 무해한 물질로서 선박에 고형화하여 저장한 후 육지에 도착한 후 이를 용이하게 처리할 수 있다. 즉, 상기와 같이 분리된 탄산염과 황산염은 분리하여 고형화함으로써 저장 및 육상으로의 이송이 용이하게 되고, 상기 오염물질을 흡수하기 위한 습식스크러버(110)에서 사용되는 반응액을 선박에서 자체적으로 재생하여 재사용함으로써, 상기 반응액의 소요량을 감축시킬 수 있어 선박 배기가스의 정화비용을 획기적으로 줄일 수 있다. 이에 따라 선박에서 배출되는 배기가스에 포함된 오염물질을 흡수함으로써 IMO 배기가스 배출규제를 충족시키고, 해양 환경 오염에 영향을 줄 수 있는 물질의 유출을 최소화할 수 있게 된다.
본 발명은 도면에 도시된 실험예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실험예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 또한 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하고, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
110 : 습식스크러버
100 : 배기가스 정화장치
120 : 순환탱크
130 : 혼합탱크
135 : 임펠러

Claims (8)

  1. 배기가스 발생장치에서 발생되는 배기가스를 물 및 반응액과 반응시켜 상기 배기가스에 포함된 이산화탄소와 이산화황을 무기염으로 전환하는 습식스크러버(110);
    상기 배기가스가 상기 습식스크러버(110)의 내부로 유입되는 유입구(115)와 상기 배기가스가 상기 습식스크러버(110)의 외부로 배출되는 배출구(112);
    상기 배기가스와 반응하는 반응액을 제조하고, 이를 상기 습식스크러버(110)로 공급하는 순환탱크(120);
    상기 습식스크러버(110)에서 생성된 무기염과 반응액으로부터 고형 부유물을 분리하는 제 1 고액분리장치(181);
    상기 습식스크러버(110)로부터 이송된 반응액에 포함된 무기염과 2가 금속산화물 또는 2가 금속수산화물을 반응시켜 탄산염 및 황산염과 재생된 반응액이 혼합된 슬러지를 생성하는 혼합탱크(140);
    상기 혼합탱크(140)로 2가 금속산화물 또는 2가 금속수산화물을 공급하는 저장탱크(145);
    상기 혼합탱크(140)로부터 이송된 슬러지로부터 탄산염을 분리하는 제 2 고액분리장치(182);
    상기 탄산염이 분리된 슬러지를 냉각시키는 열교환기(160); 및
    상기 냉각된 탄산염이 분리된 슬러지로부터 황산염을 분리하는 제 3 고액분리장치(183);를 포함하는 배기가스의 정화장치(100).
  2. 선체; 및
    상기 선체에 구비되는 청구항 1의 배기가스의 정화장치(100)를 포함하는 선박.
  3. ⅰ) 선박에서 배출되는 배기가스에 포함된 이산화탄소와 물이 반응하여 탄산(H2CO3)을 생성하는 제 1 단계(S100);
    ⅱ) 상기 배기가스에 포함된 이산화황과 물이 반응하여 아황산(H2SO3) 및 황산(H2SO4)을 생성하는 제 2 단계(S200);
    ⅲ) 상기 제 1 단계(S100)에서 생성된 탄산(H2CO3)과 제 2 단계(S200)에서 생성된 아황산(H2SO3) 및 황산(H2SO4)과 반응액이 반응하여 무기염을 생성하는 제 3 단계(S300);
    ⅳ) 제 1 고액분리장치(181)를 통해 무기염을 포함하는 반응액으로부터 고형 부유물을 분리하는 제 4 단계(S400);
    ⅴ) 상기 제 3 단계(S300)에서 생성된 무기염을 포함하는 반응액과 2가 금속산화물 또는 2가 금속수산화물이 반응하여 탄산염 및 황산염을 생성하면서 동시에 반응액을 재생하는 제 5 단계(S500);
    ⅵ) 제 2 고액분리장치(182)를 통해 재생된 반응액에 포함된 탄산염을 분리하는 제 6 단계(S600);
    ⅶ) 상기 황산염을 포함하는 반응액을 열교환기(160)를 통해 냉각하는 제 7 단계(S700); 및
    ⅷ) 제 3 고액분리장치(183)를 통해 황산염을 분리하는 제 8 단계(S800);를 포함하는 배기가스의 정화방법
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제 8 단계(S800)를 통해 황산염이 분리된 반응액을 제 3 단계(S300)에서 재사용하는 것을 특징으로 하는 배기가스의 정화방법
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 반응액은 1가 알카리 수용액인 것을 특징으로 하는 배기가스의 정화방법
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 1가 알카리 수용액은 수산화리튬(LiOH) 수용액, 수산화나트륨(NaOH) 수용액, 수산화칼륨(KOH) 수용액 또는 암모니아수(NH4OH) 인 것을 특징으로 하는 배기가스의 정화방법
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 2가 금속산화물은 산화칼슘 또는 산화마그네슘이며, 상기 2가 금속수산화물은 수산화칼슘 또는 수산화마그네슘인 것을 특징으로 하는 배기가스의 정화방법.
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 2가 금속산화물 또는 2가 금속수산화물은 분말, 수용액 또는 슬러지 형태로 공급되는 것을 특징으로 하는 배기가스의 정화방법.

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