KR20120043373A - 슬래그를 이용한 이산화탄소 저감 장치 - Google Patents

슬래그를 이용한 이산화탄소 저감 장치 Download PDF

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Abstract

분말 형태의 슬래그와 이산화탄소를 함유하는 배가스를 이용한 이산화탄소 저감 장치가 개시된다. 본 발명에 의한 이산화탄소 저감 장치는 슬래그로부터 칼슘이온 또는 마그네슘 이온을 추출하기 위한 추출반응기, 상기 추출 반응기와 연결되며 상기 추출 반응기로부터 도입되는 상기 칼슘이온 또는 마그네슘 이온과 탄산 이온을 반응시키기 위한 탄산화 반응기, 및 상기 탄산화 반응기 내에 이산화탄소를 포함하는 배가스를 공급하기 위한 배가스 공급 장치를 포함한다. 본 발명은 제선 공정시 발생하는 부산물인 상온으로 냉각된 슬래그로부터 칼슘 이온 또는 마그네슘 이온 등을 추출한 후 이산화탄소가 탄산 이온 형태로 용존된 수용액에서 탄화 반응시켜 침전물을 형성함으로써 배가스로부터 이산화탄소를 저감할 수 있다.

Description

슬래그를 이용한 이산화탄소 저감 장치{CARBON DIOIXDE SEQUESTER USING SLAG}
본 발명은 이산화탄소 저감 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제선 공정에서 배출되어 냉각된 슬래그와 이산화탄소를 포함하는 배가스를 이용한 이산화탄소 저감 장치에 관한 것이다.
우리나라 총 이산화탄소 발생량 중 철강산업에서 배출되는 양은20% 이상이며 이중 제선 및 다단의 유동층형 환원로와 용융 가스화로를 이용한 용철 제조공정에서 배출되는 양은 90% 이상이다.
고로 조업 또는 다단의 유동층형 환원로와 용융 가스화를 이용한 용철 제조 공정에서 발생하는 배가스(offgas)를 그대로 대기 중으로 방출하면 환경에 유해할 뿐 아니라 재활용할 수 있는 성분을 폐기하는 것으로서 자원 및 에너지 효율 측면에서도 바람직하지 않다.
또한 제선 공정에서 발생하는 배가스에 포함된 이산화탄소는 기후 변화의 원인으로 지목되고 있으며 이를 회수하여 이산화탄소의 발생을 저감시킬 필요가 있다.
제선 공정에서 발생되는 배가스로부터 이산화탄소를 제거하기 위하여는 부가적인 설비가 필요하며 이는 경제적으로 용철을 제조하는 데 걸림돌이 될 수 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 제선 공정에서 발생된 슬래그로부터 칼슘이온 또는 마그네슘 이온을 추출한 후 이를 제선 공정에서 배출된 배가스로부터 이산화탄소를 용존시킨 수용액과 탄화 반응시켜 배가스로부터 이산화탄소를 저감시키는 이산화탄소 저감 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 이산화탄소 저감 장치는 슬래그로부터 칼슘이온 또는 마그네슘 이온을 추출하기 위한 추출반응기, 상기 추출 반응기와 연결되며 상기 추출 반응기로부터 도입되는 상기 칼슘이온 또는 마그네슘 이온과 탄산 이온을 반응시키기 위한 탄산화 반응기, 및 상기 탄산화 반응기 내에 이산화탄소를 포함하는 배가스를 공급하기 위한 배가스 공급 장치를 포함한다.
상기 추출 반응기는 상기 슬래그를 장입하기 위한 슬래그 장입관, 및 상기 슬래그와 물을 교반시키기 위한 교반기를 포함한다.
상기 추출 반응기와 상기 탄산화 반응기는 상기 탄산화 반응기로부터 상기 추출 반응기에 물을 공급하기 위한 제 1 도관 및 상기 추출 반응기로부터 상기 탄산화 반응기에 칼슘이온 또는 마그네슘 이온을 공급하기 위한 제 2 도관으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 탄산화 반응기와 상기 배가스 공급 장치는 배가스 공급관에 의해 연결된 것을 특징으로 한다.
상기 배가스 공급 장치는 외부에서 취입되는 배가스를 연소시키기위한 연소 챔버, 상기 연소 챔버에 산소를 공급하기 위한 산소 취입관, 및 상기 연소 챔버의 외부에 배치되며 상기 연소 챔버에서 발생하는 배열을 회수하기 위한 배열 회수 장치를 포함한다.
상기 이산화탄소를 포함하는 배가스의 압력은 1.1 기압 내지 1.2 기압인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의한 제선 공정 배가스로부터 이산화탄소 저감 방법은 슬래그 분말을 제공하는 단계, 상기 슬래그 분말과 물을 교반시켜 칼슘 이온 또는 마그네슘 이온을 추출하는 단계, 이산화탄소가 함유된 고압의 배가스를 물에 통과시켜 이산화탄소를 용존시켜 탄산 이온을 형성하는 단계, 및 상기 칼슘 이온 또는 마그네슘 이온과 상기 탄산 이온을 반응시켜 탄산 칼슘 또는 탄산 마그네슘을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 이산화탄소가 농축된 고압의 배가스는 압력이 1.1 내지 1.2 인 것을 특징으로 한다.
상기 이산화탄소가 농축된 고압의 배가스는 제선 공정에서 배출되는 배가스에 이산화탄소를 격리시킨 고농도의 이산화탄소 함유 배가스인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 이산화탄소 저감 장치에 따르면 제선 공정에서 발생하는 부산물인 슬래그로부터 칼슘이온 또는 마그네슘 이온을 추출한 후 이를 제선 공정에서 배출되는 이산화탄소가 농축된 배가스 중의 이산화탄소를 용존시킨 수용액에서 탄화 반응시킴으로써 배가스 중의 이산화탄소를 저감시킬 수 있다.
또한, 배가스 중에 포함된 탄소 함유물을 연소시켜 발생하는 배열을 회수하여 제선 공정에서 에너지 이용율을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 이산화탄소 저감 장치의 구성을 개략적으로나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 이산화탄소 저감 장치에 대하여 설명하기로 한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명에 의한 이산화탄소 저감 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 이산화탄소(CO2)가 농축된 배가스가 배가스 공급 장치(30) 내의 연소 챔버(33)에 취입되고 산소 취입관(35)을 통해 산소를 취입하여 배가스 내에 존재하는 타르(tar) 또는 탄화수소 화합물을 연소시키게 된다.
슬래그는 슬래그 장입관(13)에 의해 추출 반응기(10) 내에 장입되며 추출 반응기(10)내에서 교반기(15)에 의해 물과 함께 교반되어 칼슘 이온(Ca2 +) 또는 마그네슘 이온(Mg2 +)을 추출하게 된다. 추출 반응기(10)에서 추출된 칼슘 이온 또는 마그네슘 이온은 제 2 도관(45)을 통하여 탄산화 반응기(20) 내에 장입된다.
상기 이산화탄소가 농축된 배가스는 탄산화 반응기(20) 내에 취입된 후 이산화탄소는 물속에 탄산 이온으로 용존되게 된다. 상기 칼슘 이온 또는 마그네슘 이온과 상기 탄산 이온이 탄화 반응을 하여 탄산 칼슘(CaCO3) 또는 탄산 마그네슘(MgCO3)을 형성 후 침전되게 된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 이산화탄소 저감 장치는 슬래그로부터 칼슘이온 또는 마그네슘 이온을 추출하기 위한 추출 반응기(10), 상기 추출 반응기(10)와 연결되며 상기 추출 반응기(10)로부터 도입되는 상기 칼슘이온 또는 마그네슘 이온과 탄산 이온을 반응시키기 위한 탄산화 반응기(20), 및 상기 탄산화 반응기(20) 내에 이산화탄소를 포함하는 배가스를 공급하기 위한 배가스 공급 장치(30)를 포함한다.
상기 슬래그는 제선 공정에서 용철의 제조시 부산물로 배출되는 것을 말하며 산화 칼슘 또는 산화 마그네슘 등의 성분들을 포함한다.
제선 공정에서 배출되는 슬래그는 약 1,400℃ 이상의 온도를 가지나 본원발명의 슬래그는 고온의 용융 슬래그를 상온으로 냉각시킨 슬래그를 말한다.
상기 제선 공정은 소결광과 코크스를 장입하여 용철을 제조하는 고로 조업 공정을 포함하며 바람직하게는 다단의 유동층형 환원로와 용융 가스화로를 이용하여 용철을 제조하는 파이넥스(FINEX) 공정을 포함한다.
냉각된 슬래그는 슬래그 장입관(13)을 통하여 상기 추출 반응기(10) 내에 분말 형태로 장입된다. 상기 추출 반응기(10)는 내부에 용매로 물을 포함하며 교반기(15)에 의해 상기 슬래그 분말과 물을 교반시켜 슬래그로부터 칼슘 이온(Ca2 +) 또는 마그네슘 이온(Mg2 +)을 추출하게 된다.
칼슘 이온 또는 마그네슘 이온의 추출 반응은 아래와 같다.
CaO + H2O → Ca2 + + 2OH- ???(1)
MgO + H2O → Mg2 + + 2OH- ???(2)
상기 추출 반응은 용매인 물에 슬래그 분말을 장입한 후 교반기로 교반하는 것 만으로 칼슘 이온 또는 마그네슘 이온들이 추출할 수 있다.
상기 칼슘 이온 또는 마그네슘 이온은 상기 추출 반응기(10)와 제 2 도관(45)에 의해 연결된 탄산화 반응기(20)에 장입되어 상기 탄산화 반응기(20) 내에서 탄화 반응이 일어나게 된다.
상기 탄산화 반응기(20)는 용매로 물을 포함하고 있으며 외부로부터 이산화탄소가 농축된 배가스를 고압으로 취입함으로써 탄산화 반응기(20) 내부의 압력이 상승하여 물속에 이산화탄소가 다량 용존된 탄산 이온 수용액을 형성하게 된다.
또한, 고농도 고압의 이산화탄소를 사용하므로 이산화탄소가 물에 녹는 속도가 증가될 수 있어 탄산 칼슘 또는 탄산 마그네슘의 석출이 빠르게 이루어질 수 있다.
상기 배가스는 제선 공정에서 발생되는 배가스 중 이산화탄소를 분리시켜 이산화탄소가 고농도로 농축되어 있는 배가스를 말한다.
상기 탄산화 반응기(20) 내에서 상기 칼슘 이온 또는 마그네슘 이온은 탄산 이온과 아래와 같이 반응하여 탄산 칼슘 또는 탄산 마그네슘을 형성한 후 침전되게 된다.
Ca2 + + CO3 2 - → CaCO3 (침전)???(3)
Mg2 + + CO3 2 - → MgCO3 (침전)???(4)
반응기 내로 압력이 1.1기압 내지 1.2기압, 온도는 25℃ 내지 100℃인 이산화탄소(CO2)가스가 들어가기 때문에 반응기 내부 압력과 온도는 각각 1.1기압 내지 1.2기압, 25℃ 내지 100℃로 유지되어 상기 탄화반응이 반응기 내에서 효과적으로 진행될 수 있다.
본 발명의 경우, 이산화탄소가 농축된 배가스는 제선 공정중 바람직하게는 다단의 유동층형 환원로와 용융가스화로를 포함하는 파이넥스 공정에서 발생되는 배가스가 사용될 수 있다.
상기 파이넥스 공정은 압력이 1.1 기압 내지 1.2 기압 범위에서 이루어지므로 제선 과정 중에 배출되는 배가스의 압력이 높아 배가스 내에 함유된 이산화탄소를 물에 다량으로 용존시킬 수 있다.
상기 압력이 1.1 미만인 경우에는 배가스의 이송이 효과적으로 이루어지기 어려우며 1.2 초과인 경우는 공정상의 압력보다 높게 유지하기 위해 별도의 컴프레서 등이 요구되므로 바람직한 압력 범위는 1.1 기압 내지 1.2 기압인 것이 바람직하다.
상기 추출 반응기(10)와 상기 탄산화 반응기(20)는 제 1 도관(43)에 의해 연결되며 제 1 도관(43)을 통하여 상기 탄산화 반응기(20)내의 용매인 물(H2O)이 상기 추출 반응기(10) 내에 장입된다. 상기 용매인 물은 추출과 반응이 분리되어 있기 때문에 순환되어 재사용이 가능하다.
상기 탄산화 반응기(20)와 상기 배가스 공급 장치(30)는 이산화탄소 함유 배가스의 공급을 위한 배가스 공급관(39)에 의해 연결될 수 있다.
상기 배가스 공급 장치(30)는 제선 공정에서 배출되는 이산화탄소가 고농도로 농축된 배가스가 외부로부터 취입되며 취입된 배가스를 연소시키기 위한 연소 챔버(33), 상기 연소 챔버(33)에 산소를 공급하기 위한 산소 취입관(35), 및 상기 연소 챔버(33)의 외부에 배치되며 상기 연소 챔버(33)에서 발생하는 배열을 회수하기 위한 배열 회수 장치를 포함한다.
상기 배열 회수 장치(37)는 동(copper)이나 스테인레스 400계열의 소재를 이용한 관으로 이루어질 수 있으며 관 내부에는 물을 흘려 연소 챔버(33)에서 발생하는 배열을 회수할 수 있다.
본 발명에서 말하는 배가스는 제선 공정, 특히 다단의 유동로와 용융 가스화로를 이용하여 용철을 제조하는 공정에서 배출되는 배가스 중 이산화탄소 제거 장치(미도시)에 의해 분리된 이산화탄소를 고농도로 함유하는 배가스를 의미한다.
제선 공정에서 배출되는 배가스 중 이산화탄소 만을 분리함으로써 이산화탄소가 고농도로 포함된 배가스를 이산화탄소 테일 가스(CO2 tail-gas)라고도 한다.
상기 이산화탄소 제거 장치에 의해 이산화탄소를 고농도로 함유한 배가스에도 타르(tar) 또는 탄화수소 화합물이 미량으로 함유되어 있으므로 산소를 취입하여 상기 타르 또는 탄화수소 화합물을 탄화시켜 이산화탄소를 더욱 농축시킬 수 있다.
상기 연소 챔버(33)에서 일어나는 탄소의 연소 반응은 아래식 (3)과 같다.
C + O2 → CO2 (반응열: 396kj/mol) ----(5)
상기 배가스 공급 장치(30)는 연소 챔버(33)에서 발생하는 배열을 회수하기 위한 배열 회수 장치(37)를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 제선 공정 배가스로부터 이산화탄소를 저감 방법은 슬래그 분말을 제공하는 단계, 상기 슬래그와 물을 교반시켜 칼슘 이온 또는 마그네슘 이온을 추출하는 단계, 이산화탄소가 함유된 고압의 배가스를 물에 통과시켜 이산화탄소를 용존시켜 탄산 이온을 형성하는 단계, 및 상기 칼슘 이온 또는 마그네슘 이온과 상기 탄산 이온을 반응시켜 탄산 칼슘 또는 탄산 마그네슘을 형성하는 단계를 포함한다.
상기 이산화탄소가 농축된 고압의 배가스는 압력이 1.1 기압 내지 1.2 기압인 것을 특징으로 한다.
상기 이산화탄소가 농축된 고압의 배가스는 제선 공정에서 배출되는 배가스에 이산화탄소를 격리시킨 고농도의 이산화탄소 함유 배가스일 수 있다.
상기 슬래그는 제선 공정의 부산물로 배출되는 것으로 산화 칼슘(CaO) 및 산화 마그네슘(MgO) 등을 포함하며 온도가 약 1,400℃ 이상으로부터 배출되어 상온으로 냉각된 것이며 분말 형태로 제공될 수 있다.
상기 분말 상태의 슬래그를 물이 채워진 추출 반응기(10)에 장입한 후 교반기(15)로 교반시킴으로써 슬래그가 용해된 수용액으로부터 칼슘 이온 또는 마그네슘 이온을 추출할 수 있다.
이산화탄소가 함유된 배가스를 탄산화 반응기(20) 내에 채워진 물에 취입함으로써 이산화탄소를 물에 용해시킬 수 있다. 이 경우, 배가스는 압력이 1.1 기압 내지 1.2 기압 범위에 있으므로 물에 이산화탄소의 용해가 용이하게 이루어질 수 있다. 물에 용해된 이산화탄소는 탄산 이온의 형태로 존재하게 된다.
상기 추출된 칼슘 이온 또는 마그네슘 이온을 상기 탄산 이온이 있는 수용액에 취입함으로써 탄화 반응에 의해 탄산 칼슘 또는 탄산 마그네슘이 생성된 후 탄산화 반응기(20) 하부에 침전되게 된다.
이상과 같이, 본 발명에 의한 이산화탄소 저감 장치는 제선 공정에서 발생하는 부산물인 슬래그를 물에 용해시켜 칼슘 이온 또는 마그네슘 이온을 추출한 후 이산화탄소가 용존된 수용액에서 탄화 반응에 의해 탄산 칼슘 또는 탄산 마그네슘의 침전물을 생성함에 의해 제선 공정의 배가스로부터 이산화탄소를 제거할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예 들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 추출 반응기 13 : 슬래그 장입관
15 : 교반기 20 : 탄산화 반응기
30 : 배가스 공급 장치 33 : 연소 챔버
35 : 산소 취입관 37 : 배열 회수 장치
39 : 배가스 공급관 43 : 제 1 도관
45 : 제 2 도관

Claims (9)

  1. 슬래그로부터 칼슘이온 또는 마그네슘 이온을 추출하기 위한 추출반응기;
    상기 추출 반응기와 연결되며 상기 추출 반응기로부터 도입되는 상기 칼슘이온 또는 마그네슘 이온과 탄산 이온을 반응시키기 위한 탄산화 반응기; 및
    상기 탄산화 반응기내에 이산화탄소를 포함하는 배가스를 공급하기위한 배가스 공급 장치를 포함하는 이산화탄소 저감 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 추출 반응기는 상기 슬래그를 장입하기 위한 슬래그 장입관;및
    상기 슬래그와 물을 교반시키기 위한 교반기를 포함하는 이산화탄소 저감 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 추출 반응기와 상기 탄산화 반응기는 상기 탄산화 반응기로부터 상기 추출 반응기에 물을 공급하기 위한 제 1 도관 및 상기 추출 반응기로부터 상기 탄산화 반응기에 칼슘이온 또는 마그네슘 이온을 공급하기 위한 제 2 도관으로 연결되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 저감 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄산화 반응기와 상기 배가스 공급 장치는 배가스 공급관에 의해 연결된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 저감 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 배가스 공급 장치는 외부에서 취입되는 배가스를 연소시키기 위한 연소 챔버;
    상기 연소 챔버에 산소를 공급하기 위한 산소 취입관; 및
    상기 연소 챔버의 외부에 배치되며 상기 연소 챔버에서 발생하는 배열을 회수하기 위한 배열 회수 장치를 포함하는 이산화탄소 저감 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 이산화탄소를 포함하는 배가스의 압력은 1.1 기압 내지 1.2 기압인 것을 특징으로 하는 이산화탄소 저감 장치.
  7. 슬래그 분말을 제공하는 단계;
    상기 슬래그와 물을 교반시켜 칼슘 이온 또는 마그네슘 이온을 추출하는 단계;
    이산화탄소가 함유된 고압의 배가스를 물에 통과시켜 이산화탄소를용존시켜 탄산 이온을 형성하는 단계; 및
    상기 칼슘 이온 또는 마그네슘 이온과 상기 탄산 이온을 반응시켜탄산 칼슘 또는 탄산 마그네슘을 형성하는 단계를 포함하는 제선 공정 배가스로부터 이산화탄소 저감 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 이산화탄소가 농축된 고압의 배가스는 압력이 1.1 기압 내지 1.2 기압인 것을 특징으로 하는 제선 공정 배가스로부터 이산화탄소 저감 방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 이산화탄소가 농축된 고압의 배가스는 제선 공정에서 배출되는 배가스에 이산화탄소를 격리시킨 고농도의 이산화탄소 함유 배가스인 것을 특징으로 하는 제선 공정 배가스로부터 이산화탄소 저감 방법.



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