KR20090087142A - 연소 배기가스로부터 분진과 이산화탄소를 동시에 저감할수 있는 다공성 필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연소 공정에서 배출되는 배기가스의 분진과 이산화탄소를 동시처리하기 위한 흡착 필터 제조에 관한 것으로 알칼리 금속이나 알칼리 토금속 화합물이 포함된 흡착물질을 기존의 다공성 필터에 코팅함으로써 이산화탄소에 대한 흡착제 표면의 친화도를 높여 배가스 조건에서 효율적으로 이산화탄소를 분리·흡착시킬 수 있으며, 흡착물질을 코팅할 때 생성되는 공극을 이용하여 미세 분진을 동시에 포집할 수 있도록 하였다.

상기 흡착 분말 제조 방법으로는 함침법 및 이온교환법을 포함하며, 필터의 코팅 방법은 침적 코팅법을 포함한다.

이산화탄소, 배가스 정화, 흡착필터, 알칼리 금속, 다공성 분진필터

Description

연소 배기가스로부터 분진과 이산화탄소를 동시에 저감할 수 있는 다공성 필터{A porous composite filter for simultaneous treatment of dust-CO2 from flue gas.}

본 발명은 연소 배기가스로부터 분진 및 이산화탄소 동시 처리를 위한 흡착필터 제조이다.

산업 생산 공정의 연소과정에서 발생하는 이산화탄소의 제거·회수처리 기술은 점차 중요성이 강조되고 있다. 온실가스 중 가장 높은 비율을 차지하고 있는 이산화탄소는 98％ 이상이 주로 화력발전, 수송 및 각종 산업에서 발생한다.

이산화탄소를 저감시키는 것과 동시에 고순도의 이산화탄소를 회수하거나 유용한 화학물질로 전환하여 사용할 수 있도록 하는 신개념의 이용기술이 요구된다.

주로 고농도의 이산화탄소 제거, 분리에 아민류를 이용한 흡수법이 사용된다.

그러나 장시간 운전시 흡수액은 SOx와 반응하여 Amine-SOx를 형성하여 기기부식 등의 문제를 일으킨다. 또한 일부 분리용 막소재를 활용하여 이산화탄소를 회수하기도 한다. 분리막을 이용하면 99％ 농도의 이산화탄소를 만들 수 있는 있으 며, 이 중 90％ 이상 회수가 가능하다는 장점이 있다. 그러나 분리막을 이용한 이산화탄소 회수는 소형 이산화탄소 배출원에만 적합하다. 따라서 이러한 기존 이산화탄소 제어 방법들의 단점을 보완하면서 이산화탄소 처리 비용을 줄이고 대용량의 배가스를 처리할 수 있는 이산화탄소 제어 기술 개발이 절실하다. 이산화탄소 제거, 회수 기술 중 흡착제를 이용한 흡착법은 흡수법을 이용한 기술에 비해 공정의 부피가 작고, 폐수처리와 같은 이차 공정을 생략할 수 있는 장점이 있다.

흡착법 적용 시 종래에는 이산화탄소를 흡착하기 위하여 제올라이트 및 비표면적이 큰 활성탄 등의 구형 입상형태의 고체 흡착제를 사용하여 이산화탄소를 분리하였다. 그러나 상기와 같은 흡착제는 흡착제 표면에서의 물리적 흡착을 통해 이산화탄소를 흡착함으로 다른 가스와의 혼합 시 이산화탄소에 대한 선택도가 낮아진다. 또한 상기 흡착제는 상온, 상압에서는 적합한 흡착능을 보이나 온도가 증가함에 따라 흡착능은 급격히 감소하여 고온의 배기가스 적용에 한계가 있으며, 배기가스를 재차 냉각시킬 필요가 있다. 따라서 고온 공정에서도 이산화탄소에 대한 흡착능을 향상시킬 수 있는 적절한 흡착제 선택이 필요하다.

기존의 개발된 흡착제 기술은 순수 이산화탄소를 대상으로 한 최적의 실험 조건에서의 흡착능 평가시험이 대부분이었다. 그러나 실제 연소 배기가스 내에는 분진을 포함한 다양한 종류의 가스가 포함되어 있다. 따라서 실제 조건에서의 흡착성능 향상을 위해서는 다양한 종류의 가스와 혼합되어 있는 이산화탄소에 대한 선택도를 향상시켜야 하며, 동시에 분진처리를 위한 제거 기술도 적용되어야 한다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 일부 보완하기 위한 것으로 기존 담지체 표면에 리튬, 칼륨, 칼슘, 마그네슘 등과 같은 알칼리 금속 혹은 알칼리 토금속을 이용하여 염기도를 추가함으로써 고온 배기가스 상에서 이산화탄소에 대한 흡착선택도와 절대흡착량을 증진시킬 수 있는 흡착물질과 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.

또한 상기의 흡착제를 분말 형태로 제조하여 다공성 지지체 표면에 코팅함으로써 이산화탄소 가스흐름과 흡착제의 접촉 표면적을 증가시켜주고, 코팅 작업 시 형성되는 공극은 분진을 동시에 처리할 수 있는 다공성 필터로서의 역할을 한다. 이때, 기존의 다공성 지지체에 가스 흡착물질을 코팅함에 있어서 일정한 부착 강도를 유지해야하고, 분말입자들은 균질한 두께로 분포되어야 한다.

이에 따라 흡착제 졸을 제조시 적절한 첨가물을 선택하여 배합함으로써 코팅졸의 점도를 적절히 유지해야하며, 열처리시 균질한 세공 분포를 얻기 위한 바인더 및 발포제의 적절한 분산기술이 적용되어야한다. 또한 분진입자와 가스가 동시에 유입되어 포집되는 분진입자들은 필연적으로 필터에 대한 저항으로 작용하는 바, 이러한 유체 저항, 즉 압력강하현상을 최소화시킬 수 있는 코팅공정이 필요하다.

고온 배가스 상에서 이산화탄소를 흡착하기 위한 흡착제는 다음의 조건들을 고려하여 선택되어야 한다. 첫째, 흡착제의 비표면적이 클 것, 둘째, 고온 상태에서 이산화탄소에 대한 높은 선택성과 흡착능을 가질 것, 셋째, 반복되는 흡·탈착 과정 후에도 안정적인 흡착능을 가질 것, 넷째, 고온·고압에서도 흡착제의 기계적 강도가 우수할 것 등이다.

이산화탄소가 산성기체이므로 종래의 흡착제 혹은 담지체에 염기성을 보강하여 이산화탄소에 대한 선택도를 높이고자 하는 것이 본 발명의 기본 개념이다.

첨부 도면 중 도 1은 본 발명에서 제시하는 이산화탄소 흡착 분말의 제조 공정도를 나타낸 것이다. 본 발명에 의한 흡착제는 기존의 흡착제 또는 입자상 담지체를 염기성 수용액 내에서 이온교환시켜 제조한다. 즉, 수용액을 60∼70℃의 온도를 유지하면서 용액 중에 해리되어 있는 알칼리 또는 알칼리 토금속 이온을 담지체에 입자에 이온교환시킨다. 분말과 수용액의 접촉 효과를 향상시켜주기 위하여 매우 낮은 속도로 현탁액을 저어주면서 수용액이 거의 증발할 때까지 보온을 유지한다. 충분히 이온교환된 흡착제 슬러리는 이온교환수 또는 증류수를 부어가며 여과시킴으로써 입자상 물질만을 분리해낸다. 분리한 입자는 120℃에서 12시간 이상 건조시킨 후, 300에서 600℃의 온도로 소성한다. 이때 소성 온도는 알칼리 물질에 따라 물성이 변하지 않는 조건에서 정해진다.

상기 방법으로 사용될 수 있는 염기성 물질은 리튬, 칼륨, 칼슘, 마그네슘 등과 같은 알칼리금속이나 알칼리토금속으로 초산이나 질산 등의 용매에 용해 가능한 염을 들 수 있다.

한편, 흡착 물질의 담지체로 사용될 수 있는 물질은 상업용 제올라이트나 비교적 저가이면서 동시에 높은 비표면적을 갖는 활성탄, 또는 견고한 구조를 유지하는 규산알루미늄 계통의 세라믹 상 물질을 사용할 수 있다.

상기 공정에서의 바인더는 필터 표면에서의 흡착 물질의 기계적 강도를 유지시켜 줄 뿐만 아니라 소성 후 많은 기공을 제공하는 역할을 한다. 바인더의 경우 벤토나이트, 점토, 유기 알콜, 덱스트린 등 다양한 물질을 사용하며, 약1∼5％ 중량 비율로 혼합하도록 한다. 분산매로는 흡착물질의 물성과 코팅 대상지지체의 특성에 따라 고분자 유지나 알콜류를 사용한다. 흡착 필터를 위한 다공성 지지체는 기존의 섬유상 필터, 금속성 필터, 세라믹 필터를 이용할 수 있으며, 특히 고온, 고압의 적용시 금속성 필터와 세라믹 필터의 적용이 보다 바람직하다고 하겠다.

상기 방법으로 제조된 흡착 필터에 이산화탄소가 함유된 배기가스가 흐르면 Li₂CO₃, K₂CO₃, CaCO₃, MgCO₃와 같은 금속탄산화물이 형성된다. 이러한 입자상 탄산화물은 탄산염의 형태로 존재하며, 필터의 공극을 폐쇄할 수 있고, 궁극적으로 흡착 필터를 가로질러 흐르는 유체의 저항 혹은 압력강하 증가를 유발한다. 따라서 탄산염이 반응에 의해 생성되고, 지속적인 흡착 반응으로부터 염의 결정상이 성장함으로써 유체의 압력손실은 꾸준히 증가한다. 그러므로 배기가스 처리공정상의 압력강하를 측정함으로써 이산화탄소의 반응 효율을 간접적으로 추정할 수 있으며, 흡착제의 소모량을 예측하여 교체 주기를 설정할 수 있다. 이는 고농도의 이산화탄소의 경우 더욱 뚜렷이 나타난 바 연소 과정에 의한 산업 공정에서의 적용이 더욱더 효과적임을 알 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명에 의한 이산화탄소 및 분진 동시 처리용 흡착 필 터는 필터 표면의 흡착 물질이 알칼리 금속 및 알칼리 토금속에 의한 염기자리가 부여됨으로써 이산화탄소에 대한 선택도가 향상될 수 있고, 배가스의 고온 영역에서도 흡착능이 크게 개선될 수 있다. 또한 필터에 의한 분진 포집이 가능하여 효과적인 이산화탄소와 분진의 동시처리가 이루어 질 수 있다.

따라서 본 발명에 의한 흡착 필터는 종래의 기술에 의한 이산화탄소 흡착제에 비해 이산화탄소의 흡착성능이 현저히 개선되어 고정원뿐 아니라 이동원에서 배출되는 배가스에서도 적용이 가능할 것으로 사료된다. 아울러 화학흡착의 장점을 활용하여 흡착 공정의 압력강하를 실시간으로 측정함으로써 공정의 처리효율과 관리 주기의 참고자료로 활용할 수 있다.

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도 1은 본 발명 의한 이산화탄소 흡착 분말 제조 공정도이다.

도 2는 본 발명에 의한 이산화탄소 및 분진 동시 처리용 흡착 필터 제조 공정도이다.

도 3은 본 발명으로부터 제조한 다공성 흡착필터의 표면 모습이다.

Claims (4)

1. 기존의 흡착제 혹은 표면적이 넓은 입자상 담지체 표면에 알칼리 금속 및 알칼리 토금속을 담지시켜 고온 배가스 내 이산화탄소에 대한 선택도를 향상시킨 건식 입자상 흡착제.
2. 제 1항의 흡착제 분말을 다공성 지지체 표면에 코팅함으로써 이산화탄소와 흡착 표면의 접촉 면적을 상승시켜주고, 입자와 입자 사이에 세공을 형성하여 분진과 가스 동시처리를 가능하게 하는 흡착 필터 구조.
3. 흡착제 분말을 유기/무기 첨가물과 혼합하여 코팅졸을 제조한 후, 침적 코팅방법을 적용하여 신속하게 다공질의 지지체에 코팅함으로써 여과용 필터를 제조하는 기술.
4. 흡착 필터 모듈 전후의 압력강하를 측정함으로써 이산화탄소 반응 효율 및 흡착제의 소모량을 예측할 수 있는 동시처리 필터.

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