KR102438061B1 - 제지 공정에서의 이산화탄소 저장 및 광물화 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 소석회와 수산화나트륨을 혼합하여 소다라임을 제조하여 탄소포집부에 충진하는 단계; 및 제지 공정의 보일러, 석회소성로 및 소각로의 연도가스를 상기 탄소포집부에 이송하여 탄산염을 침전시켜 분리하는 단계;를 포함하는, 제지 공정에서의 이산화탄소 저장방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 이산화탄소를 포집함과 동시에 고순도의 칼슘광물 자원을 수득하는 방법을 제공한다.

Description

제지 공정에서의 이산화탄소 저장 및 광물화 방법{METHODS FOR STORAGE AND MINERALIZATION OF CARBON DIOXIDE IN THE PAPERMAKING PROCESS}
본 발명은 제지 공정에서의 이산화탄소 저장방법 및 광물자원의 제조방법에 관한 것이다.
이산화탄소는 기후변화를 야기하는 온실가스 중에서도 그 영향력이 가장 큰 물질이라 평가받고 있다. 그로 인하여 대다수의 산업영역에서 탄소중립에 대한 요구가 증가하고 있다. 이에 따라 전 세계적으로 이산화탄소 포집 및 활용(Carbon Capture and Utilization, CCU) 또는 저장 기술(Carbon Capture and Storage, CCS)을 개발하는 연구가 활발하게 진행되고 있다.
특히, CCU 기술은 기존의 이산화탄소 포집·저장(CCS) 기술에서 저장(Storage)을 제외하고 활용(Utilization) 기술을 추가한 것으로서, CCS 기술이 대량 배출원으로부터 CO2를 지중으로 격리하여 처리하는 단계라면, CCU 기술은 생물학적 또는 화학적 방법을 이용하여 CO2를 다양한 화학원료, 에너지원, 건축자재 등으로 전환시키는 기술을 의미한다.
이에 따라, CCU 기술은 산업의 투입구조에 변화를 가져와 탄소 선순환 싸이클을 형성하는 기술이 될 것으로 기대되며, 기존의 CCS 기술과는 다르게 이산화탄소를 이용하여 화학제품 또는 에너지를 생산하는 새로운 기술이므로 우리나라 경제에 기존과는 다른 효과를 가져올 것으로 기대되어 많은 연구개발이 이루어지고 있는 분야이다.
한편, 제지공장에서는 목재칩화, 증해, 세정, 표백, 지료분산, 탈수, 건조 등의 공정을 거쳐 종이를 생산한다. 이들 공정에서는 다량의 전기 및 열에너지가 소비되므로, 증해공정에서 발생한 폐액을 이용한 회수보일러, 이를 뒷받침하는 중유보일러와 석탄보일러 등이 사용된다. 또한 크라프트 펄프 공정에서는 약품회수의 목적의 가성화공장에서 사용된 석회 찌꺼기를 생석회로 소성시켜 재사용한다. 이러한 공정에서는 모두 이산화탄소가 발생하고 있다.
그와 더불어 제지공장에서는 다량의 폐수와 슬러지가 발생하는데, 이 중 폐수처리공정에서 발생하는 폐기물을 제지슬러지라 부른다. 2003년 폐기물관리법 시행규칙의 개정에 따라 슬러지의 직매립이 금지된 이후, 제지슬러지를 소각하여 제조한 제지 애쉬를 재활용하려는 시도가 있었으나, 이러한 제지 애쉬의 제조에서도 이산화탄소가 발생하는 문제점이 있다.
본 발명의 발명자들은 이러한 견지에서 다량의 이산화탄소가 발생하는 제지 공정에서 이산화탄소를 저장 및 광물탄산화하여 활용하는 기술을 개발하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 전술한 문제점들을 해결하기 위하여 도출된 것으로, 제지 공정에서의 공정 변화를 최소화하며 이산화탄소를 포집하는 방법을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
본 발명은 이산화탄소를 포집함과 동시에 고순도의 칼슘광물 자원을 수득하는 것을 다른 일 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면은 (a) 소다라임을 탄소포집부에 충진하는 단계; 및 (b) 제지 공정의 보일러, 석회소성로, 건조로 및 소각로의 연도가스를 상기 탄소포집부에 이송하여 탄산염을 침전시켜 분리하는 단계;를 포함하는, 제지 공정에서의 이산화탄소 저장방법을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 (a) 단계의 소다라임 중 적어도 일부는 수산화나트륨 수용액과 소석회를 혼합하여 제조될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수산화나트륨 중 적어도 일부는 상기 (b) 단계에서 연도가스 및 소다라임의 반응에 의해 재생된 것일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 (a) 단계의 소다라임 중 적어도 일부는 수산화나트륨 수용액에 탄산칼슘염을 투입 후 가열하여 제조된 것일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수산화나트륨 중 적어도 일부는 상기 (b) 단계에서 연도가스 및 소다라임의 반응에 의해 재생된 것일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 수산화나트륨 수용액 및 탄산칼슘염의 반응에 의해 생성된 이산화탄소를 탄산칼슘염 및 물의 혼합물로 이송시켜 용해시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 수산화나트륨 수용액 및 탄산칼슘염의 반응에 의해 생성된 이산화탄소를 소각로에서 수득한 제지 애시에 흡수시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 (b) 단계 이후에, (c) 분리된 탄산염을 세척하여 고순도의 광물자원을 수득하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 제지 공정에서의 이산화탄소 저장방법은 이산화탄소를 과량 발생시키는 제지 공정에서 종래 공정 변화를 최소화하면서 이산화탄소 방출을 최소화할 수 있다.
본 발명의 저장방법을 이용하면 고순도의 칼슘광물을 간단하게 수득할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구 범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 제지 공정에서의 이산화탄소 저장방법 및 광물자원의 제조방법에 대하여 보다 구체적으로 살펴보도록 한다. 단, 하기 기재사항들은 본 발명의 예시를 통해 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하는 것일 뿐으로 본 발명이 하기 기재사항들에 의하여 한정되는 것은 아니다.
제지 공정에서의 이산화탄소 저장방법
제지 공정은 전형적인 장치산업의 일종으로, 목재칩화, 증해, 세정, 표백, 지료분산, 탈수, 건조 등의 공정을 포함한다고 알려져 있다. 이러한 각 공정에서는 전기 및 열에너지를 필요로 하여 회수보일러, 중유보일러, 석탄보일러 등의 보일러로를 이용하여 열에너지를 생성하여 사용할 수 있다.
또한 건조를 위한 킬른, 폐기물 처리를 위한 소각로 등을 포함하는데 이러한 시설물에서는 전부 이산화탄소를 배출하여 이들을 저감할 필요성이 있다.
제지 공정은 목재칩을 증해(cooking)하여 섬유질과 이를 결속시키를 리그닌을 약화시키는 공정을 포함한다. 이러한 증해 공정에서 발생한 폐액을 연료로 사용하는 회수보일러에서 스멜트라 불리는 용융탄산염을 수득할 수 있다. 이를 용해시킨 녹액을 생석회와 혼합하여 증해 약품, 즉 백액을 재생하는 가성화 공정이 수행될 수 있다. 이러한 가성화 공정에서 수득한 석회니는 석회소성로에서 가열을 통해 생석회로 재생될 수 있다.
또한 제지의 충전제로 석회를 일반적으로 사용하므로, 제지 공정에서 소석회는 풍부한 원료에 해당할 수 있다. 따라서 소석회를 제지 공정에서의 이산화탄소 저장 수단으로 이용하면 기존 공정과 사용 원료의 변화를 최소화하며 이산화탄소 배출량을 저감할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 제지 공정에서의 이산화탄소 저장방법은 (a) 소다라임을 탄소포집부에 충진하는 단계; 및 (b) 제지 공정의 보일러, 석회소성로, 건조로 및 소각로의 연도가스를 상기 탄소포집부에 이송하여 탄산염을 침전시켜 분리하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 (a) 단계는 종래 공정에 단일 설비의 탄소포집부만을 추가하여 전술한 이산화탄소가 배출되는 공정의 연도가스 배출부와 연결함으로써 수행될 수 있다.
소다라임은 수산화칼슘과 수산화나트륨이 혼합 및 반응하여 제조된 성분으로, 석회의 이산화탄소 포집 속도가 느린 것을 보완할 수 있다. 상대적으로 탄소와의 반응이 빠른 가성소다가 탄소를 포획하고, 이를 탄산소다에 전달하는 촉매 작용을 수행함으로써 이산화탄소 포집 속도를 현저히 개선할 수 있다. 또한, 수산화칼슘을 수산화나트륨과 선혼합하여 소다라임을 형성한 후 사용하는 것이 단순히 수산화칼슘과 수산화나트륨을 동시 사용하는 것 대비 속도와 포집량이 현저히 우수하였다. 이는 소다라임을 형성하며 각 성분이 분산됨에 따라 전술한 가성소다의 포획과 탄산소다에의 전달이 용이하게 수행되었기 때문으로 보인다.
상기 소다라임은 비표면적이 높은 다공성의 소석회, 수산화칼슘 내지 탄산칼슘에 수산화나트륨이 담지된 것을 의미할 수 있다. 수산화칼슘과 수산화나트륨만으로 구성된 소다라임 외 수산화나트륨이 담지된 소석회, 수산화나트륨이 담지된 탄산칼슘도 이산화탄소를 포획할 수 있다. 예를 들어, 소석회는 이산화탄소와 결합하여 탄산칼슘염을 형성할 수 있고, 탄산칼슘은 이산화탄소 및 물과 반응하여 탄산수소칼슘의 형태로 용해될 수 있다.
상기 (a) 단계의 소다라임 중 적어도 일부는 수산화나트륨 수용액과 소석회를 혼합하여 제조될 수 있다. 수산화나트륨 수용액과 소석회를 혼합하면 NaOH와 CaO 내지 Ca(OH)2가 혼합된 소다라임이 준비될 수 있다.
상기 (b) 단계는 제지 공정에서 이산화탄소가 발생되는 공정의 연도가스를 소다라임과 반응시켜 포획하는 공정일 수 있다. 종래의 제지 공정에서의 소석회를 이용한 이산화탄소 포집 방법은 고온인 연도가스의 특성 상 이산화탄소 용해도가 감소하여 효율이 극히 낮았으나, 본 발명에 따른 이산화탄소 포집 방법은 수산화나트륨의 촉매작용에 의하여 포집속도의 문제점을 현저히 개선할 수 있다. 이러한 반응의 일 예시는 아래 (1) 내지 (3)과 같이 표현될 수 있다.
(1) CO2(g) + H2O → CO2(aq)
(2) CO2(aq) + NaOH → NaHCO3
(3) NaHCO3 + CaO → CaCO3(s) + NaOH
상기 반응에서 NaOH는 탄소의 포집을 촉진하는 촉매로서 작용하므로, 이를 재사용하여 소다라임을 추가 제조할 수 있다. 즉, 전술한 소다라임 제조에 사용되는 수산화나트륨 중 적어도 일부는 상기 (b) 단계에서 연도가스 및 소다라임의 반응에 의해 재생된 것일 수 있다. 상기 (3) 단계에서 CaCO3는 불용성 염으로서 침전되므로, 나머지 용액으로부터 수산화나트륨을 재생시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 (b) 단계 이후에, (c) 분리된 탄산염을 세척하여 고순도의 광물자원을 수득하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 (b) 단계에서 분리된 탄산염은 이론상으로는 고체 염인 탄산칼슘(CaCO3)으로 구성되나, 실질적으로는 다공성 광물염에 Na+ 등의 이온이 함침된 형태로 존재할 수 있다. 이러한 탄산염은 순도가 낮고, 장기간 보관 시 수산화나트륨 등에 의해 반응할 수 있어 광물자원으로 사용하기 어려울 수 있다. 상기 (c) 단계에서 탄산염을 물로 수세하면 용해성 이온 화합물인 수산화나트륨을 간단히 제거할 수 있고, 그 결과 고순도의 칼슘광물 자원을 수득할 수 있다. 또한, 상기 (c) 단계에서 수세에 사용한 물은 증류 등을 통해 농축시킨 후 후술하는 소다라임 제조에 사용할 수 있다.
상기 (a) 단계의 소다라임 중 적어도 일부는 수산화나트륨 수용액에 탄산칼슘염을 투입 후 가열하여 제조된 것일 수 있다. 정확한 작용기작이 확인된 것은 아니나, 탄산칼슘염 중 일부는 탄산수소칼슘이 되어 물에 용해되고, 일부는 생석회 또는 수산화칼슘의 형태로 전환된 것으로 보인다. 또는 가열에 의하여 탄산칼슘염이 소석회와 이산화탄소로 분해된 것일 수 있다.
일 예로, 탄산칼슘염이 열분해된 경우, 수산화나트륨 수용액 및 탄산칼슘염의 반응에 의해 생성된 이산화탄소를 탄산칼슘염 및 물의 혼합물로 이송시켜 용해시킬 수 있다. 탄산칼슘염은 불용성 염이나, 이산화탄소의 존재 하에서 탄산수소칼슘의 형태로 전환되어 물에 용해될 수 있다. 이러한 형태의 탄산 포집 용액은 고체상의 탄산칼슘염 대비 파이프 등을 통한 이송을 용이하게 수행할 수 있다.
다른 일 예로, 탄산칼슘염이 열분해된 경우, 수산화나트륨 수용액 및 탄산칼슘염의 반응에 의해 생성된 이산화탄소를 소각로에서 수득한 제지 애시에 흡수시킬 수 있다.
제지슬러지 소각재, 즉 제지 애시는 약 60~70중량%의 CaO, 15중량% 내외의 SiO2, 10중량% 내외의 Al2O3와 그 외 MgO, SO3, Fe2O3 등의 성분을 포함한다. CaO는 물에 용해되면 Ca2+ 이온으로 해리되어 규산염(SiO2) 내지 알루민산염(Al2O3)과 포졸란 반응하여 칼슘실리케이트 수화물, 칼슘알루미네이트 수화물을 형성함으로써 경화가 되는 특징이 있다.
이러한 포졸란 반응은 고화제 등을 혼합하여 복토재로 활용 시에는 유용하나, 제지 애시의 처리 시에는 고형화에 의해 처리가 어려워지는 문제점이 있다. 따라서 소각에 의해 제지 애시 중에서 이산화탄소가 제거된 소석회 성분을 탄산칼슘염의 형태로 전환함으로써 포졸란 반응을 억제하며 폐기물의 처리용이성을 개선할 수 있다.
전술한 저장방법에 의해 탄산칼슘염 또는 탄산수소칼슘 수용액의 형태로 포집된 이산화탄소는 가열 또는 산처리에 의해 고순도의 이산화탄소로 수집될 수 있다. 이러한 이산화탄소는 봄베 등에 이송되어 용접, 전기용 소화기, 농작물용 탄산가스 발생기, 마취제, 살충제, 탈취제, 냉각제 등으로 사용될 수 있다. 또한 이와 같은 이산화탄소 활용 시 나머지 소석회를 상기의 이산화탄소 저장방법에 재활용할 수 있다.

Claims (8)

  1. (a) 수산화나트륨 수용액과 소석회를 혼합하여 제조된 소다라임을 탄소포집부에 충진하는 단계;
    (b) 제지 공정의 보일러, 석회소성로, 건조로 및 소각로의 연도가스를 상기 탄소포집부에 이송하여, 상기 소다라임과 연도가스에 포함된 이산화탄소를 반응시켜 탄산칼슘염의 형태로 침전시켜 분리하는 단계; 및
    (c) 분리된 탄산칼슘염을 세척하여 고순도의 광물자원을 수득하는 단계;를 포함하는, 제지 공정에서의 이산화탄소 저장 및 광물화 방법에 있어서,
    상기 수산화나트륨 수용액 중 적어도 일부는 상기 (b) 단계에서 연도가스 및 소다라임의 반응에 의해 재생된 것이거나, 상기 (c) 단계에서 세척에 사용된 물을 농축하여 재활용한 것이며,
    상기 (a) 단계의 소다라임 중 적어도 일부는 상기 (b) 단계의 생성물인 탄산칼슘염을 수산화나트륨 수용액에 투입 후 가열하여 제조되고,
    상기 가열 시 열분해되어 생성되는 이산화탄소는, 탄산칼슘염 및 물의 혼합물에 용해되어 이송이 용이한 탄산수소칼슘 수용액 형태로 포집되거나, 소각로에서 수득한 제지 애시의 포졸란 반응을 억제하도록 흡수시키는 것을 특징으로 하는,
    제지 공정에서의 이산화탄소 저장 및 광물화 방법.
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