KR19990045940A

KR19990045940A - 전자빔을이용한이산화탄소의제거방법

Info

Publication number: KR19990045940A
Application number: KR1019990006048A
Authority: KR
Inventors: 이기완
Original assignee: 이기완
Priority date: 1999-02-24
Filing date: 1999-02-24
Publication date: 1999-06-25

Abstract

본 발명은 전자빔을 이용한 이산화탄소의 제거방법에 관한 것으로, 그 목적은 화석연료를 주연료로 사용하는 대형 빌딩이나 산업시설의 보일러 또는 대규모 소각시설로부터 발생되는 배연가스중에 포함된 CO₂가스를 대기로 배출되기 전단계에서 보다 효과적으로 제거함과 동시에 부산물로서 유용한 성분인 요소를 합성시킬 수 있도록 한 것이다.

본 발명은 보일러 또는 소각로로부터 배출된 CO₂가스를 포함하는 배연가스를 스프레이 쿨러(Spray Cooler)내에서 냉각 및 가습시키는 전처리 단계와; 전처리된 배연가스를 중화제인 20∼30%농도의 액상 NH₃와 함께 반응기내로 유입시키는 단계와; 반응기내로 유입된 배연가스에 0.5∼1.5Mev, 5∼20mA 에너지조건의 전자빔을 상온에서 일정 시간동안 조사(照射)하는 단계와; 조사된 전자빔에 의하여 배연가스내에 함유된 N_2,O_2,H₂O 등의 성분이 활성화되면서 라디칼이 생성되고, CO₂가스는 중화제인 NH₃와 반응되어 요소가 합성되는 요소합성단계와; 합성된 요소를 포집하는 단계와; 포집된 요소를 그래뉼레이터(Granulator)로써 사용가능한 비료로 전환시키는 단계로 이루어진다.

본 발명을 적용하면, 재래식 배기가스 처리방법에 비하여 공정이 단순하고, 관리운영 및 조작이 용이하며, 설치면적의 감소로 인하여 경비가 절감된다.

또한, CO₂가스의 처리와 함께 실용자원화 물질인 요소의 생산이 가능하고, CO₂가스의 처리를 위한 별도의 폐수처리시설이 불필요하며, 설비수명이 길고 기타 소모품의 빈번한 교체가 불필요하게 된다.

또한, CO₂가스를 유용한 물질인 요소로 전환시킬 수 있기 때문에 산업경쟁력이 강화되는 것은 물론, CO₂가스 배출권 거래, 청정기술의 이전 및 플랜트수출을 통하여 국가산업발전에 커다란 기여를 할 수 있다.

또한, 이와 같은 본 발명을 적용하면 위에서 언급한 경제적인 효과 이외에도 도시형 연료유로부터 나오는 배기가스로 인한 대기오염문제가 현저하게 개선되기 때문에 삶의 질이 향상되며, 청정기술의 개발에 따라 환경에 대한 일반 대중의 인식도를 앙양시키게 되고, 유류사용 보일러나 소각로 설치에 대한 부정적인 인식을 근본적으로 변화시킬 수 있게 된다.

Description

전자빔을 이용한 이산화탄소의 제거방법{PROCESS FOR REMOVING CARBON DIOXIDE USING ELECTRON BEAM IRRADIATION}

본 발명은 전자빔을 이용한 이산화탄소의 제거방법에 관한 것으로, 특히 필요한 에너지를 얻기 위하여 석탄, 석유, 천연가스 등의 화석연료를 주 연료로 사용하는 대형 건물이나 산업시설의 보일러 또는 소각시설로부터 배출되는 배연가스에 함유된 CO₂가스를 대기로 배출되기 전단계에서 보다 효과적으로 제거함과 동시에 부산물로서 유용한 성분인 요소{(NH₂)₂CO : Urea}를 합성시킬 수 있도록 한 전자빔을 이용한 이산화탄소의 제거방법에 관한 것이다.

최근, 폭발적인 인구의 증가, 자동차산업을 포함한 각종 산업의 발달 및 화석연료를 주연료로 사용하는 제반 인간활동에 의하여 대기중으로 방출되는 CO₂가스의 양이 급증하고 있으며, 이와 같이 대기중으로 배출된 CO₂가스는 수증기 및 기타 인간활동에 의하여 배출되는 CH₄, N₂O, 할로겐화 탄소 등과 함께 대기권 상층부에 정체되면서 온실효과를 유발시키고, 이와 같은 온실효과는 해수의 온도를 상승시켜 예측 불가능한 기후변화를 초래하게 된다.

또한, 석탄, 석유와 같은 화석연료의 연소과정에서 온실효과를 유발시키는 CO₂가스 이외에 상당량의 질소산화물(NO_X) 및 황산화물(SO_X)가 발생되는 데, 이들은 산성비 및 오존과 같은 광화학 스모그 문제를 유발하여 인간 및 자연생태계에 악영향을 초래하고 있다.

이와 같이 기후변화를 유발시키는 가스는 배출경로가 다양한 데, 이중 화석연료의 연소를 통해 배출되는 CO₂가스는 각 연료중의 탄소함량이 다르긴 하나 액체연료를 기준으로 약 90wt%의 탄소성분을 포함하고 있으므로 화석연료의 연소과정에서 발생되는 CO₂가스는 연소반응 양론비를 고려할 때, 사용연료의 3.3배{(44/12)×0.9}에 해당하는 양으로 배출되며, 이 양은 다음 표 1에서 나타난 바와 같이 전체 기후변화 유발 가스량의 58%를 차지한다.

표 1 배출원별 온실가스 배출기여도

배출원	기여도
화석연료(석탄,석유,천연가스 등)	58%
산업(시멘트 등)	4%
농업(신진대사,농경지,목축 등)	18%
임업(벌채,토지이용 변화 등)	17%
폐기물(쓰레기,하수,매립지 등)	3%
합계	100%

(자료: 그린피스, "Fossil Fuels and Climate Protection : Carbon Logic"(1997)

이에 따라서, 기후변화 유발 가스 대책은 화석연료의 연소를 통하여 배출되는 CO₂가스의 저감방안이 중심을 이룬다.

상기한 CO₂를 비롯한 각종 배기가스에 의하여 초래되는 기후의 이상변화가 지구상의 환경문제 중 인류에 미치는 영향범위가 가장 클 것으로 예견되고 있는 주요 사안으로 대두됨에 따라, 최근 기후변화와 관련하여 국제적 인 대처방안이 마련되고 있다.

이와 같은 국제적인 대처방안의 일환으로서, 1992년 6월 리우 UN환경개발회의에서 기후변화협약이 채택된 이래 1997년 12월 교토 제 3차 당사국 회의에서는 2008∼2012년 온실가스배출량을 1990년 대비 유럽연합(EU)8%, 미국 7%, 일본 6% 씩 감축하는 것을 비롯하여 총 38개국이 평균 5.2%를 줄이고, 1백 30여 개발도상국은 자발적으로 감축에 참여할 것을 촉구하는 「교토의정서」를 채택하였으며, 국가간의 배출권 거래 등을 허용하는 유연성 체제가 확립되었다.

한편, 철강, 석유화학 등 에너지 다소비형 산업구조인 우리나라의 경우, 최근 10년간 CO₂가스의 배출량 증가율이 연간 10%로 세계 1위를 보이고 있으며 큰 변화가 없다면 2010년 CO₂가스의 배출량은 1990년 대비 3.3배가 될 것으로 전망되고 있다.

특히, 경제기반이 취약한 동유럽국가들이 의무감축 대상인 점을 감안하면, 비록 1998년 11월 부에노스아이레스의 4차 총회에서 협약가입이 성시되지 않았다고하여도 OECD회원국인 우리나라에서는 곧 국제사회의 압력을 수용하지 않을 수 없는 절박한 상황이다.

이와 같은 국제사회의 압력에 의하여 협약에 가입하는 경우에, 1990년 배출수준으로 CO₂가스배출 감출목표가 설정된다면, 2010년 기준 CO₂가스 배출량의 약 70% 감축이 이루어져야 하므로 장기적인 적절한 대응책이 준비되지 못할 경우IMF체제 이상으로 심각한 경제위기에 직면하게 될 것으로 전망된다.

한편, CO₂가스의 배출을 저감시킬 수 있는 기술은 크게 CO₂가스배출억제기술과 CO₂가스 처리기술로 구분되는 데, CO₂가스 배출억제는 에너지 대체기술에 해당되며, CO₂가스 처리기술은 분리회수 실용화기술과 실용자원화 기술로 세분화된다.

CO₂가스의 배출을 억제하는 적극적인 방법은 태양에너지, 조력, 수력, 지열, 바이오매스, 핵분열 및 핵융합기술을 이용하여 화석연료를 연소시키지 않고도 대체 에너지원을 개발하는 것이며, 소극적인 방법은 에너지 효율을 개선하고, 발전효율을 증대시키며, CO₂가스를 분리·회수·변환하는 기술을 개발하는 것이다.

한편, 배출된 CO₂가스를 흡착, 흡수, 막분리하는 기술은 현재의 기술 수준으로 보아 규모와 경제적인 측면에서 부정적인 견해가 많으며, 배출된 CO₂가스를 임야 및 해양플랑크톤, 심해흡수 등과 같이 자연계 내에서 고정화 시키는 기술은 제 2의 환경파괴를 초래할 우려가 높고, 화학적 촉매, 생물학적 고정화, 전기화학적 고정화, 광화학적 고정화, 광촉매 등을 이용하여 배출된 CO₂가스를 인공적으로 고정화시키는 기술은 완벽한 기술 구현이 확립되지 않고 있는 실정이다.

디모토 토시타케(Dmoto Toshitake)에 따르면, CO₂가스의 회수 및 심해 저장기술, 회수 및 화학적 유효 이용기술, 회수 및 생물학적 유효이용기술, 대규모 녹화기술은 세계적인 중심기술로 평가되고 있다.

우리나라의 경우, 배출된 CO₂가스를 분리시키기 위하여 흡수법, 흡착법, 막분리기술 등이 연구되고 있고, 촉매환원법, 화학적 전환기술들을 중심으로 기초연구가 수행되고 있으며, 광촉매를 이용하여 처리하는 기술은 최근에 점진적으로 연구되고 있으나, 아직 전자빔을 이용하는 방식은 개발되어 있지 않은 실정이다.

CO₂가스를 고정화시켜 처리하는 방식도 알려져 있는 바, 고정화 기술은 크게 생물학적 처리와 화학적인 처리방법으로 진행되고 있다.

CO₂가스를 전기분해하거나 촉매를 이용하여 메탄, 메탄올 등을 만드는 방식은 실제 배가스를 처리할 때 CO₂의 순도를 유지하기 위하여 부가적인 분리, 회수공정이 필요하다. 따라서 실제공정에 사용하기에는 부적합하다는 문제가 있다.

또한, CO₂가스를 생물학적으로 처리하는 공정은 반응속도가 매우 느리고 해수의 온도상승 등 또 다른 환경문제를 일으킬 가능성이 크다는 문제가 있으며, 게다가 이러한 방식들은 아직 실험실 규모의 공정으로서 대형 빌딩이나 산업시설의 보일러, 대규모의 소각설비 등과 같은 대단위 공정에서 배출되는 CO₂가스를 처리하기에는 부적합하다는 문제가 있다.

본 발명의 목적은 화석연료를 주연료로 사용하는 대형 빌딩이나 산업시설의 보일러 또는 대규모 소각시설로부터 발생되는 배연가스중에 포함된 CO₂가스를 대기로 배출되기 전단계에서 보다 효과적으로 제거함과 동시에 부산물로서 유용한 성분인 요소를 합성시킬 수 있도록 한 전자빔을 이용한 이산화탄소의 제거방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 전자빔을 이용한 이산화탄소의 제거공정의 개략 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 이산화탄소의 제거방법을 단계적으로 나타내는 플로우챠트이다.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

10 : 스프레이 쿨러 20 : 반응기

30 : 전자빔 발생기 40 : 부산물 포집기

50 : 그래뉼레이터 G : 배연가스

P : 부산물.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 보일러 또는 소각로로부터 배출된 CO₂가스를 포함하는 배연가스를 스프레이 쿨러(Spray Cooler)내에서 냉각 및 가습시키는 전처리 단계와; 전처리된 배연가스를 중화제인 20∼30%농도의 액상 NH₃와 함께 반응기내로 유입시키는 단계와; 반응기내로 유입된 배연가스에 0.5∼1.5Mev, 5∼20mA 에너지조건의 전자빔을 상온에서 일정 시간동안 조사(照射)하는 단계와; 조사된 전자빔에 의하여 배연가스내에 함유된 N_2,O_2,H₂O 등의 성분이 활성화되면서 라디칼이 생성되고, CO₂가스는 중화제인 NH₃와 반응되어 요소가 합성되는 요소합성단계와; 합성된 요소를 포집하는 단계와; 포집된 요소를 그래뉼레이터(Granulator)로써 사용가능한 비료로 전환시키는 단계를 포함한다.

이하, 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 전자빔을 이용한 이산화탄소의 제거공정의 개략 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 이산화탄소의 제거방법을 단계적으로 나타내는 플로우챠트이다.

이를 참조하면, 보일러 또는 소각시설(1)로부터 배출된 CO₂가스를 포함하는 배연가스(G)는 정해진 경로를 따라 스프레이 쿨러(10)내로 유입되며, 스프레이 쿨러(10)의 상부에 설치된 노즐(12)을 통하여 미립자 상태로 분사되는 공정수에 의하여 전자빔 조사에 적합한 상태로 냉각 및 가습된다(S1).

보일러나 소각시설(1)로부터 배출되는 배연가스(G)는 대략 130∼150℃로 상대적으로 높은 온도를 유지하며, 8vol%의 습도로 건조한 상태를 유지하는 데, 스프레이 쿨러(10)를 통과하는 과정에서 상기와 같은 전처리공정이 수행되면, 배연가스(G)의 온도는 약 60∼70℃의 온도로 냉각되고, 습도는 12∼18vol% 로 가습된 상태가 된다.

이와 같은 전처리 과정에서 스프레이 쿨러(10)내의 노즐(12)을 통하여 분사되는 액적(液滴)의 크기는 대략 평균 50㎛이며, 고온의 배연가스(G)와 접촉되는 순간에 열교환되면서 완전 증발되어 스프레이 쿨러(10)의 하부에는 수분이 존재하지 않는 상태가 된다.

전처리된 배연가스(G)는 반응기(20)의 내부로 유입되는 데, 이 때 중화제가 함께 반응기(20)내로 유입된다(S2).

상기 배연가스와 함께 반응기(20)내로 유입되는 중화제로는 반응성이 상대적으로 우수하고, 배연가스중의 CO₂가스와 반응하여 요소 미립자를 생산할 수 있기 때문에 20∼30%농도의 액상 NH₃가 사용된다.

중화제인 NH₃는 스프레이 쿨러(10)의 출구와 반응기(20)의 입구사이에서 반응기 쪽으로 흐르도록 주입하는 것이 바람직하며, 그 주입량은 양론비(量論比)를 1로 하여 CO₂의 농도에 따라 결정한다.

반응기(20)의 상부에는 전자빔 발생기(30)가 설치되며, 배연가스와 NH₃용액이 반응기(20)의 내부를 통하여 흐를 때, 상기 전자빔 발생기(30)에서 발생되어 적어도 1기 이상의 가속기를 거치면서 가속전압 0.5∼1.5Mev와 전류 5∼20mA의 에너지 조건을 갖게 되는 전자빔이 상온에서 일정 시간동안 조사(照射)된다(S3).

가속전자빔의 조사 기술상 단일방향 조사, 양방향 조사 및 다중 방향 조사 기술이 있으며, 대상물질과 조사 목적에 따라 선형 조사(Linear scanning), 양면 조사(Two side scanning), 크리스마스트리형 조사(Christmas tree type double scanning), 다면 조사(Multi-side scanning), 원형 조사(Circular scanning), wns 원형 조사(Quasi- cicular scanning), 집중 조사(Concentrated beam scanning) 등의 조사 시스템을 선택할 수 있다.

본 발명에서는 가속전압 0.5∼1.5Mev의 범위에 속하는 선형 조사방식의 전자빔 가속기가 적용되었다.

이와 같은 적어도 1기 이상의 전자빔 가속기에 의하여 가속된 전자빔이 반응기(20)내를 통하여 흐르는 배연가스에 조사되면, 그 배연가스에 함유된 N_2,O_2,H₂O 등의 성분이 활성화되면서 산화력이 강한 OH, O_X,HO₂등의 라디칼(Radical)이 생성되고, CO₂가스는 다음의 반응식에서와 같이 NH₃와의 반응을 통하여 사용가능한 요소{(NH₂)₂CO}로 합성된다(S4).

CO₂+ 2NH₃→ NH₄CO₂NH₂(중간체 : 카르밤산암모늄)

NH₄CO₂NH₂→ H₂NCONH₂(Urea) + H₂O

이와 같은 본 발명에서 부산물(P)인 요소는 중화반응과 균일 기상화학반응(Homogeneous Chemical Vapor Deposition)의 두 반응을 통하여 생성된다.

즉, 부산물(P)은 먼저 기체상태의 중화반응을 통해 생성되는 데 부산물의 농도가 높아짐에 따라 과포화도(Supersaturation)도 같이 증가하며, 기체상태의 부산물은 과포화도가 일정치를 초과하면 핵생성과정을 통한 후 고체입자로 전환되는 것이다.

반응기(20)의 출구 외측에는 상기와 같은 전자빔 조사과정에서 생성되는 부산물(P)을 포집하는 부산물포집기(By-product collector : 40)가 설치되어 반응기(20)를 통과한 부산물이 포집된다(S5).

상기 부산물 포집기(40)는 백하우스(Baghouse)가 이용되며, 반응기(20)에서 고상의 미립자 형태로 생성되는 요소는 이 백하우스에 포집된다.

이와 같이 포집된 유용한 부산물인 요소는 별도로 모아진 후 그래뉼레이터(Granulator : 50)에 의하여 사용가능한 비료로 전환된다(S6).

이와 같은 본 발명을 적용하면, 재래식 배기가스 처리방법에 비하여 공정이 단순하고, 관리운영 및 조작이 용이하며, 설치면적의 감소로 인하여 경비가 절감된다.

Claims

보일러 또는 소각로로부터 배출된, CO₂가스를 포함하는 배연가스를 스프레이 쿨러내에서 냉각 및 가습시키는 전처리 단계와;

전처리된 배연가스를 중화제인 20∼30%농도의 액상 NH₃와 함께 반응기내로 유입시키는 단계와;

반응기내로 유입된 배연가스에 적어도 1기 이상의 가속기를 거치면서 가속전압 0.5∼1.5Mev, 전류 5∼20mA의 에너지조건을 갖는 전자빔을 상온에서 일정 시간동안 조사(照射)하는 단계와;

조사된 전자빔에 의하여 배연가스내에 함유된 N_2,O_2,H₂O 등의 성분이 활성화되면서 라디칼이 생성되고, CO₂가스는 중화제인 NH₃와 반응되어 요소가 합성되는 요소합성단계와;

합성된 요소를 포집하는 단계와;

포집된 요소를 그래뉼레이터로써 사용가능한 비료로 전환시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자빔을 이용한 이산화탄소의 제거방법.