KR20130090297A - 배기가스에 함유된 이산화탄소를 해저심층에 격리하는 방법 - Google Patents

배기가스에 함유된 이산화탄소를 해저심층에 격리하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배기가스에 함유된 이산화탄소를 해저심층에 격리하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 화력발전소 굴뚝에서 배출되는 배기가스, 제철공장 굴뚝에서 배출되는 배기가스, 시멘트공장의 굴뚝에서 배출되는 배기가스, 산업공장 보일러 굴뚝에서 배출되는 배기가스와 같이 이산화탄소를 함유한 배기가스 중에 함유된 이산화탄소를 해수에 용해하여 해저심층에 격리하는 방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 이산화탄소(CO2)를 함유한 배기가스에서 이산화탄소를 해저심층에 격리하는 방법에 있어서, 상기 배기가스를 배기가스이송송풍기(1)로 냉각공정으로 보내어 냉각된 배기가스로 냉각하는 냉각단계와, 상기 냉각된 배기가스에 함유한 이산화탄소를 해수에 용해하여 CO2하이드레이트(CO2 hydrate)가 생성될 수 있거나. 또는 이산화탄소의 임계점(Critical point) 이하의 온도와 이상의 압력이 유지되는 해저심층에 격리하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

Description

배기가스에 함유된 이산화탄소를 해저심층에 격리하는 방법{Method for isolating carbon dioxide contained in exhaust gases into the bottom of the sea depths}
본 발명은 배기가스에 함유된 이산화탄소를 해저심층에 격리하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 화력발전소 굴뚝에서 배출되는 배기가스, 제철공장 굴뚝에서 배출되는 배기가스, 시멘트공장의 굴뚝에서 배출되는 배기가스, 산업공장 보일러 굴뚝에서 배출되는 배기가스와 같이 이산화탄소를 함유한 배기가스 중에 함유된 이산화탄소를 해수에 용해하여 해저심층에 격리하는 방법에 관한 것이다.
산업의 발전에 따라서 이산화탄소의 배출량은 증가하고 있으며, 대기 중에 이산화탄소 농도는 산업혁명 이전에는 대략 280ppm 정도이던 것이 산업의 발전에 따라서 이산화탄소의 배출량이 증가하면서 현재에는 380ppm을 웃돌고 있다.
이산화탄소는 적외선의 2.5∼3μm, 4∼5μm의 파장대역(波長帶域)에 강한 흡수대(吸收帶)를 가지기 때문에, 지상으로부터의 열이 우주로 확산하는 것을 막는, 이른바 온실효과(溫室效果) 가스로서 작용하며, 또한, 해수 중에의 용존량(溶存量)이 증가하는 것에 의해서 해수가 산성화하여 생태계에 악영향을 주는 해양의 산성화도 염려되고 있는 등의 문제를 야기하고 있다.
그래서 교토의정서(京都議定書)에 의해서 이산화탄소를 함유한 배출량의 삭감 목표가 각국에 제시되어, 각국은 배출되는 이산화탄소를 삭감할 것을 합의하였기 때문에 이산화탄소처리에 대한 구체적인 방법이 강구되어야 하는 실정에 이르렀다.
이산화탄소는 물에 용해하기 때문에, 특허문헌 1 일본특허공개번호 제2011-31154호에서는, 이산화탄소를 가압장치에서 가압한 것을 지하수(地下水), 해수(海水) 또는 함수(鹹水)가 존재하는 지중 수압 5∼50기압의 대수층(帶水層)에 공급하여 이산화탄소를 저류(貯留, 저장)하는 방법이 제시되어 있으나, 이산화탄소를 가압장치에서 가압하여야 하기 때문에 막대한 전력비가 소모되는 문제가 있다.
특허문헌 2 일본특허공개번호 제2009-119463호에서는, 이산화탄소 하이드레이트(CO2 hydrate)를 생성할 수 있는 바다 속에 마련한 CO2 하이드레이트 생성장치에 이산화탄소를 함유한 배기가스를 압축기(Compressor)로 공급하여 이산화탄소와 해수를 접촉시켜, 해수압(海水壓)을 이용하여 CO2 하이드레이트를 생성시킨 후, 생성한 CO2 하이드레이트를 해저에 침강시켜 해저에 저장하는 방법이 제시되어 있으나, 이산화탄소를 함유한 배기가스를 CO2 하이드레이트 생성장치에 압축하여 공급해야하므로 동력비가 높은 문제가 있다.
특허문헌 3 일본특허공개번호 제2000-70702호에서는, 해수 중에 가스리프트(Gas lift) 장치로서 설치한 역J자 관의 단각관내(短脚管內)에 이 하단부에 저 순도 이산화탄소가스를 공급하여 해수 중에 용해시킨 것을 심해로 보내는 방법이 제시되어 있으나, 역J자 관의 하단부에 저 순도 이산화탄소 가스를 공급하는데 동력비가 높게 소요되는 문제가 있다.
특허문헌 4 일본특허공개번호 평(平) 8-103649호는, 상기 특허문헌 4의 기술과 거의 동일한 기술로, 두 기술 모두 발명자 사이토 타카유키(齋藤 隆之) 씨가 중심이 되어 개발한 기술이며, 미용해 가스의 배기가 되지 않아 용해된 가스(CO2)를 심해로 보내는 것이 어려움이 있으면서 이 역시 동력비가 높게 소요되는 문제가 있다.
그리고 비특허문헌 1에서 비특허문헌 6에서 상기 특허문헌에서 공지된 내용이거나, 이산화탄소를 CO2 해양격리기술개발의 현상, 이산화탄소의 심해 저류, 이산화탄소의 해양고정, 심해에서 CO2의 현상, 심해에 CO2 주입의 영향 등의 특성 및 현상만 제시된 기술들로 종래기술에 지나지 않는다.
일본특허공개번호 제2011-31154호, 이산화탄소의 천대수층저류(二酸化炭素の淺帶水層貯留), (2011년 02월 17일) 일본특허공개번호 제2009-119463호, 가스하이드레이트의 해 중 생성방법 및 가스하이드레이트 생성장치(ガスハイドレ―トの海中生成方法及びガスハイドレ―ト生成裝置), (2009년 06월 04일) 일본특허공개번호 제2000-70702호, 저 순도 이산화탄소가스를 해수 중에 용해하여, 심해로 보내는 방법 및 장치(低純度二酸化炭素ガスを海水中に溶解し、深海へ送りこむ方法及び裝置), (2000년 03월 07일) 일본특허공개번호 평(平) 8-103649호, 기체이산화탄소의 해중격리방법 및 이의 장치(氣體二酸化炭素の海中溶解隔離方法及びその裝置), (1996년 04월 23일)
료우 이유우(綾 威雄), 야마네 켄지(山根 健次), 나카지마 야스하루(中島 康晴), CO2 해양격리기술개발의 현상(CO2海洋隔離技術開發の現狀), 일본마린엔지니어링학회지(日本マリンエンジニアリング學會誌), 제40권2호(2005년 07월) 야마네 켄지(山根 健次), 료우 이유우(綾 威雄), 이산화탄소 심해 저류에 관한 연구(二酸化炭素深海貯留に關する硏究), 일본선박해양공학회지(日本船舶海洋工學會誌) 제58호(2003년 01월) 사이토 타카유키(齋藤 隆之), 이산화탄소의 고효률해양고정기술(二酸化炭素の高效率海洋固定技術), 자원환경기술총합연구소지(資源環境技術總合硏究所誌), 1997년 09월호 Steinberg, M., in Discussions at Deep Sea and CO2 2000, Ship Res. Inst., Tokyo, (2000) Yamane, K., et al, "Two Types of Strength Abnormality of CO2 Hydrate Membrane", Greenhouse Gas Control Technologies, CSIRO, pp. 492-498, (2001) Barry, J.P., K.R. Buck, C.F. Lovera, L.Kuhnz, P.J. Whaling, E.T. Peltzer, P. Walz, and P.G. Brewer, 2004: Effects of direct ocean CO2 injection on deep-sea meiofauna. Journal of Oceanography, 60(4), 759∼766.
본 발명은 종래의 선행기술에서 문제점을 해결하기 위해서, 비료공장, 발전소나 산업공장의 보일러연소공정에서 배출되는 배기가스, 제철공장에서 배출되는 배기가스, 시멘트공장과 같은 산업공장에서 배출되는 배기가스, 각종 발효공정에서 배출되는 배기가스와 같이 이산화탄소를 함유한 배기가스를 압축하지 않고 해수에 용해하여 해저심층에 안전하게 격리처리하는 방법을 제시하는데 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 비료공장, 발전소나 산업공장의 보일러연소공정에서 배출되는 배기가스, 제철공장에서 배출되는 배기가스, 시멘트공장과 같은 산업공장에서 배출되는 배기가스, 각종 발효공정에서 배출되는 이산화탄소(CO2)를 함유한 배기가스에서 이산화탄소를 해저심층에 격리하는 방법에 있어서, 상기 배기가스를 배기가스이송송풍기(1)로 냉각공정으로 보내어 냉각된 배기가스로 냉각하는 냉각단계와, 상기 냉각된 배기가스에 함유한 이산화탄소를 해수에 용해하여 CO2하이드레이트(CO2 hydrate)가 생성될 수 있거나. 또는 이산화탄소의 임계점(Critical point) 이하의 온도와 이상의 압력이 유지되는 해저심층에 격리하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.
본 발명은 이산화탄소를 함유한 배기가스를 압축기로 압축하지 않고서도 상압(常壓) 상태의 배기가스를 해수에 용해하여 해저심층에 격리하는 방법은 시설비와 운전비용이 저렴한 특징이 있기 때문에 이산화탄소를 격리처리하는데 널리 이용될 것으로 사료된다.
도 1은 배기가스에 함유된 이산화탄소를 해저심층에 격리하는 공정도(이산화탄소용해장치가 해수 중에 설치된 경우)
도 2는 배기가스에 함유된 이산화탄소를 해저심층에 격리하는 공정도(이산화탄소용해장치가 지중에 설치된 경우)
도 3은 배기가스 흡인장치(吸引裝置)의 단면도
도 4는 압력과 온도 변화에 따른 이산화탄소의 해수에 용해도
도 5는 이산화탄소(CO2)-해수(H2O)-이산화탄소 하이드레이트의 상평형도
도 6은 압력-온도에 따른 CO2의 상평형도(Pessure-temperature phase diagram of carbon dioxide)
도 7은 pH와 온도에 따른 해수 중에 CO2의 용해도(Solubility of CO2 in seawater as a function of Temperature and Pressure)
도 8은 해수에서 이산화탄소의 용해형태(CO2 ( aq )-HCO3 --CO3 2 -)와 농도(염분농도 3.5%, 온도 15℃, 압력 1atm)
본 발명은 비료공장, 발전소나 산업공장의 보일러연소공정에서 배출되는 배기가스, 제철공장에서 배출되는 배기가스, 시멘트공장과 같은 산업공장에서 배출되는 배기가스, 각종 발효공정에서 배출되는 배기가스와 같이 이산화탄소(CO2)를 함유한 배기가스를 해수에 용해하여 CO2하이드레이트(CO2 hydrate)가 생성될 수 있거나. 또는, 이산화탄소의 임계점(Critical point) 이하의 온도와 이상의 압력이 유지되는 해저심층에 안전하게 격리처리하는 방법을 제시한다.
현재 연소공정에서 배출되는 배기가스를 처리하는 일반적인 공정은, 탈질처리, 집진처리, 탈황처리를 순차적으로 처리하여 굴뚝으로 배기하고 있으며, 본 발명에서는 탈질처리, 집진처리와 탈황처리가 된 배기가스에 함유된 이산화탄소를 탈CO2 처리를 한 다음 굴뚝으로 배출한다.
먼저, 이산화탄소를 해저심층에 안전하게 격리처리할 수 있는 조건을 검토하면 다음과 같다.
1. 해수 중에 이산화탄소의 용해효율을 높게 하기 위해서는 저온·고압의 상태로 하여야 한다.
이산화탄소의 해수(물)에 용해도는, 도 4 '압력과 온도 변화에 따른 이산화탄소의 해수에 용해도'에서 보는 바와 같이 저온·고압 상태에서 용해효율이 높다.
이산화탄소를 함유한 배기가스를 압축기(Compressor)로 압축한 고압의 배기가스를 용해시스템에 공급하여 고압상태에서 용해하면 용해효율을 높일 수는 있으나, 동력비가 높은 문제점이 있기 때문에, 본 발명에서는 상압(常壓)의 상태로 배출되는 배기가스를 해수와 함께 높은 수두압(水頭壓)이 형성될 수 있는 이산화탄소 용해장치(5)에 공급하여 이산화탄소의 용해효율을 높게 한다. 그리고 사용하는 해수의 온도도 낮을수록 용해효율이 향상되기 때문에 공급되는 이산화탄소를 함유한 배기가스는 냉각공정에서 냉각한 배기가스를 한국의 동해안에서와 같이 저온의 해양 심층수를 용이하게 취수할 수 있는 지역에서는 해양 심층수를 사용하는 것이 좋다.
한국 동해의 해양 심층수는 일본열도가 가로 막혀 있어 해저심층에서 조류의 흐름이 느려 다른 지역(일본 동쪽의 태평양 연안, 미국 하와이, 유럽의 대서양 지역 등)에 비해서 수온이 낮은 특징이 있다. 일본 토야마현(富山縣) 해안의 앞바다, 미국 하와이 코나(Kona) 해안의 앞바다의 경우는 해수면에서 200m보다 깊은 곳에 존재하는 해양 심층수는 8∼10℃로 존재하는데, 한국 동해안의 고성이나 울릉도 앞바다의 경우는 해수면에서 200m 깊이에 있는 해양 심층수는 2℃ 전후로 연간 일정하게 저온으로 존재하는 특징이 있다. 따라서 한국의 동해안 있는 발전소, 시멘트공장, 제철소, 석유화학공장 등에서 배출되는 이산화탄소를 함유한 배기가스는 해양 심층수를 용수로 사용하여, CO2를 용해하여 해저심층에 CO2하이드레이트(CO2 hydrate) 상태로 격리처리하는 것이 다른 처리방법에 비해서 가장 경제적이면서 안전하게 처리할 수 있다.
2. 이산화탄소가 해수(물) 중에서 CO2하이드레이트(CO2 hydrate)가 생성되는 조건을 검토하면 다음과 같다.
도 5 '이산화탄소(CO2)-해수(H2O)-이산화탄소 하이드레이트의 상평형도'에서 보는 바와 같이 고체상태의 클라스레이트화합물(Clathrate compound, 包接水和物)인 CO2 하이드레이트(CO2-hydrate)는, 압력이 4.468MPa 이상, 온도는 10.5℃ 이하인 조건에서 생성된다. 이와 같이 물·액체CO2·기체CO2·CO2하이드레이트의 4상(相)을 공존하는 점을 4중점(四重點, Quadruple Point)이라 한다, CO2 하이드레이트의 생성 반응은 다음과 같다.
CO2 + nH2O ⇔ CO2·nH2O (CO2-hydrate)……………………①
상기 반응식 ①에서 수화수(水和數) n는 5∼8로 밝혀져 있으며, CO2 하이드레이트의 비중은, 해수의 비중 1.023(24℃)보다 큰 1.1 전후로 해수 중에서 해저바닥에 침전하게 된다. 수온이 10.5℃ 이상인 해수 중에서는 CO2 하이드레이트의 생성이 어렵다.
그래서 본 발명에서는 10.5℃ 이하인 해양 심층수를 취수하여 배기가스 중의 CO2를 이산화탄소 용해장치(5)에서 CO2 하이드레이트로 전환하여 해저심층에 안정적으로 격리하기 위해서는, 이산화탄소 용해장치(5)에서는 수두압(水頭壓)이 45mH2O이상이 되게 하며, 생성된 CO2 하이드레이트는, 항상 수온이 10.5℃ 이하인 해수면에서 수심 45m보다 깊은 곳에 격리처리하여야 한다.
실제 한국의 동해 해저심층에는 수온이 2℃ 전후로 메테인 하이드레이트(Methane hydrate)와 CO2 하이드레이트(CO2 hydrate)가 상당량 존재하는 것으로 확인되었다.
3. 수온이 10.5℃ 이상이 되어 CO2 하이드레이트 생성이 되지 않는 해저지점에 격리하는 경우
수온이 10.5℃ 이상이 되면 CO2 하이드레이트 생성이 어렵기 때문에 해수에 용해된 상태나, 액체 탄산(Liquid carbon dioxide) 상태로 격리해야 한다.
심층해저에서 10.5℃ 이하 저온의 해양 심층수가 존재하지 않는 해저심층에서는 CO2 하이드레이트가 존재하지 않고, 이산화탄소가 수중에 용해된 상태나, 액체 탄산 상태로 존재한다.
오키나와현(沖繩縣) 요나구니섬(與那國島) 수심 1380m 해저에서는 액체 탄산 풀(Liquid carbon dioxide pool)이 존재하는 것이 확인되었다.
수온이 10.5℃ 이상으로, CO2 하이드레이트 상태로는 격리할 수 없는 경우는, 온도는 이산화탄소의 임계온도(Critical temperature)인 31.1℃ 이하, 압력은 임계압력(Critical pressure)인 7.382MPa보다 높은 수두압이 되는 지점에 격리처리하여야 한다.
이산화탄소의 임계점(Critical point)은 도 6 '압력-온도에 따른 CO2의 상평형도(Pessure-temperature phase diagram of carbon dioxide)'에서 보는 바와 같이 31.1℃, 7.382MPa이다. 수온이 이산화탄소의 임계온도 31.1℃ 이상 되는 지점에서는 이산화탄소를 격리처리하여서는 안 된다.
4. 이산화탄소의 물에 용해도는 pH가 4 이하에서는 거의 용해하지 않기 때문에 CO2를 용해하는 pH는 5 이상에서 운전하여야 한다.
도 7 'pH와 온도에 따른 해수 중에 CO2의 용해도(Solubility of CO2 in seawater as a function of Temperature and Pressure)'에서 보는 바와 같이 수중에 CO2의 농도가 높아 지면 pH는 떨어진다. 이는 다음 반응식 ②에서와 같이 수소 이온(H+)이 생성되기 때문이다.
CO2 + H2O → H+ + HCO3 - → 2H+ + CO3 2 - …………………②
그리고 수용액의 pH가 4 이하가 되면 도 8 '해수에서 이산화탄소의 용해형태(CO2( aq )-HCO3 --CO3 2 -)와 농도(염분농도 3.5%, 온도 15℃, 압력 1atm)'에서 보는 바와 같이 H2CO3[=CO2( aq] 수용액이 존재하면서 CO2의 용해는 거의 일어 나지 않기 때문에 해수의 주입량을 조정하여 pH는 5 이상이 되게 운전해야 한다.
이하 본 발명을 상기한 이산화탄소(CO2)와 해수(H2O)의 계(系)에서 특성을 이용하여 배기가스에 함유된 이산화탄소를 안정되게 격리(隔離)할 수 있는 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
Ⅰ. 냉각단계
비료공장, 발전소나 산업공장의 보일러연소공정에서 배출되는 배기가스, 제철공장에서 배출되는 배기가스, 시멘트공장과 같은 산업공장에서 배출되는 배기가스, 각종 발효공정에서 배출되는 배기가스와 같이 이산화탄소(CO2)를 함유한 배기가스는 대체로 온도가 높기 때문에 배기가스이송송풍기(1)로 냉각공정에 보내어 배기가스의 온도를 30℃ 이하로 냉각한다. 이때 냉각된 온도는 낮을수록 좋기 때문에 특별히 하안의 온도는 특별히 제한하지는 않는다.
냉각공장의 냉각기는 투관식 열교환기(Tube and shell heat exchanger type) 또는 기·액 접촉식 열교환기를 사용한다.
그리고 냉각용수는 온도가 낮은 용수를 사용하는 것이 바람직하며, 가능한 저온의 해양 심층수를 이용하는 것이 좋다.
Ⅱ. 이산화탄소를 용해하여 해저심층에 격리하는 단계
상기 이산화탄소(CO2)를 함유한 배기가스는 냉각하여 온도를 떨어뜨린 배기가스를 해수와 함께 이산화탄소용해장치(5)에 공급하여 이산화탄소를 해수에 용해하여 CO2하이드레이트(CO2 hydrate)가 생성될 수 있거나. 또는 이산화탄소의 임계점(Critical point) 이하의 온도와 이상의 압력이 유지되는 해저심층에 격리처리한다.
저온의 해양 심층수를 용이하게 취수할 수 있는 장소에서는 사용하는 해수를 수온이 10.5℃ 이하가 되는 깊이(H3)에 존재하는 해양 심층수를 사용하는 것이 좋다.
해수 취수조(4)는 상부 수위(水位)가 해수면보다 3∼4m 낮게 설치하여, 해수를 사이펀(Siphon) 원리에 의해서 항상 일정한 수위가 형성되도록 취수한다. 그리고 해수 취수조(4)를 설치하지 않고 해수이송펌프(3)를 해수취수배관(8)에 직결하여 취수하여도 된다. 이때 해수이송펌프(3)는 해수면보다 3∼4m 낮은 위치에 설치하여 초기 가동시 프라이밍(Priming)이 용이하도록 하는 것이 바람직하다.
수온이 10.5℃ 이하가 되는 해양 심층수를 취수할 수 없는 해안가에서는 이산화탄소의 임계온도(Critical temperature) 31.1℃ 이하의 표층해수를 사용하여야하며, 이때도 수온은 낮을수록 좋다.
이산화탄소용해장치(5)는, 해안가의 경사가 해수면에서 30∼50m까지 45°이상으로 급격히 깊어지는 경우는, 도 1 '배기가스에 함유된 이산화탄소를 해저심층에 격리하는 공정도(이산화탄소용해장치가 해수 중에 설치된 경우)'에서와 같이 이산화탄소용해장치(5)를 해수 중에 설치하고, 해안가의 경사가 해수면에서 30∼50m까지 30°이하로 완만하게 깊어지는 경우는 이산화탄소용해장치(5)를 해수 중에 설치하는 것은 어렵기 때문에, 도 2 '배기가스에 함유된 이산화탄소를 해저심층에 격리하는 공정도(이산화탄소용해장치가 지중에 설치된 경우)'에서와 같이 이산화탄소용해장치(5)를 지중(地中)에 설치를 한다.
도 1에서와 같이 이산화탄소용해장치(5)를 해수 중에 설치하는 경우의 구조는, 이산화탄소용해장치(5)의 내부에 내관(6)이 설치된 이중배관(Double pipe) 구조로 된 것을 해저심층배출배관(9)에 연결한다.
이산화탄소용해장치(5)와 해저심층배출배관(9)을 연결하는 깊이(H2)는, 수온이 10.5℃ 이하인 저온의 해양 심층수를 사용하는 경우는 CO2 하이드레이트(CO2 hydrate)가 생성될 수 있는 수두압이 형성될 수 있는 45m 이상으로 하는 것이 바람직하며, 수온이 10.5℃ 이상 되는 해수를 사용하는 경우는 이산화탄소용해장치(5)와 해저심층배출배관(9)을 연결하는 깊이(H2)는 특별히 제한하지는 않으나, 가능한 깊게 하여 이산화탄소가 해수 중에 용해율을 높게 하는 것이 좋다. 이때 해수의 온도가 이산화탄소의 임계온도 31.1℃ 이상 되는 해수는 사용해서는 안 된다.
다시 말해서 해수의 수온이 10.5℃ 이상 되는 경우는, CO2 하이드레이트 상태로 용해할 수 없기 때문에 가능한 높은 수압으로 하는 것이 좋기 때문에 지역의 여건, 사업비, 운전비 등의 경제성을 고려하여 결정하는 것이 바람직하기 때문에 본 발명에서 이 경우는 이산화탄소용해장치(5)의 수심(H2)은 특별히 제한하지는 않는다.
그리고 해안가의 경사가 해수면에서 30∼50m까지 30°이하로 완만하게 깊어져 이산화탄소용해장치(5)를 해수 중에 설치하기 어려운 경우는, 도 2에서와 같이 이산화탄소용해장치(5)를 지중(地中)에 설치하는 경우, 이산화탄소용해장치(5)의 구조는 필요한 지름으로, 요구되는 깊이까지 오거보링기(Auger Boring Machines)로 굴착(掘鑿)한 다음, 원형의 철근 콘크리트구조(Reinforced concrete structure)로 시공하고, 이산화탄소용해장치(5)의 내부에는 내식성 강관(Steel pipe) 또는 합성수지의 내관(6)을 설치하고, 이산화탄소가 용해된 해수는 해저심층배출배관(9)에 연결한다.
이때도 이산화탄소용해장치(5)의 깊이(H2)는, 수온이 10.5℃ 이하인 저온의 해양 심층수를 사용하는 경우는 CO2 하이드레이트(CO2 hydrate)가 생성될 수 있는 수두압이 형성될 수 있는 45m 이상으로 하는 것이 바람직하며, 수온이 10.5℃ 이상 되는 해수를 사용하는 경우의 수심(H2)은 특별히 제한하지는 않으나, 가능한 깊게 하여 이산화탄소가 해수 중에 용해율을 높게 하는 것이 좋다. 이때도 해수의 온도가 이산화탄소의 임계온도 31.1℃ 이상 되는 해수를 사용해서는 안 된다.
이산화탄소용해장치(5) 상부 수위는 해저심층 배출배관(8)에서 마찰손실 수두(Friction loss head)에 해당하는 수두가 해수 표면보다 높은 높이(H1)로 유지된다.
배기가스 흡인장치(2)는, 도 3 '배기가스 흡인장치(吸引裝置)의 단면도'에서 보는 바와 같이 실험실의 아스피레이터(Aspirator)와 같은 구조로, 해수를 해수이송펌프(3)로 배기가스 흡인장치(2)의 액체 유로(2a)에 공급하여 노즐부(2b)를 통과하면 베르누이 이론(Bernoulli's theory)에 의해서 이산화탄소를 함유한 배기가스가 흡인(吸引)되어 용수와 함께 기·액 혼합유로(2d)를 통과하여 이산화탄소용해장치(5)의 내관(6)을 통과하면서 CO2가 해수에 용해되는 구조로 되어 있다.
해수의 취수는 해수 취수조(4)를 설치하지 않고, 해수이송펌프(3)의 흡입배관을 해수취수배관(8)에 직결하여 해수를 취수하여도 상관은 없다.
배기가스에 함유된 이산화탄소를 해수에 용해하여 해저심층에 격리는, 해수 취수조(4)에 취수된 해수를 해수이송펌프(3)로 배기가스흡인장치(2)의 액체 유로(2a)에 공급하여 노즐 부(2b)를 통과하면 베르누이의 원리에 의해 기체 유로(2c)의 압력이 떨어져 상기 냉각단계에서 냉각된 CO2를 함유한 배기가스가 흡인되어 기·액 혼합유로(2d)를 통과하면서 CO2를 함유한 배기가스가 혼합되어 이산화탄소용해장치(8)의 내관(6)을 통과하여 이산화탄소용해장치(8) 하부 심부(深部)에 도달하면서 높은 수두압에 의해서 물에 용해도가 높은 배기가스에 함유된 이산화탄소는 해수에 용해되고, 질소(N2)와 산소(O2)와 같이 해수에 용해도가 낮은 가스는 이산화탄소용해장치(8)의 내관(6)의 외부를 통해 부상하면 굴뚝으로 보내어 대기로 배기한다. 이산화탄소용해장치(8) 하부 심부(深部)에서 이산화탄소를 용해한 해수는 해저심층배출배관(9)으로 보내어 CO2하이드레이트(CO2 hydrate)가 생성될 수 있거나. 또는 이산화탄소의 임계점(Critical point) 이하의 온도와 이상의 압력이 유지되는 해저심층으로 보내어 격리처리한다.
이산화탄소용해장치(5)의 용량은, CO2가스가 물에 용해하는데 소요되는 시간은 기포의 버블 사이즈(Bubble size), 수온, 수압, 용수의 CO2농도 등에 따라서 다소 차이는 있으나, 대체로 300초 전후에 용해함으로 여유를 두어 6∼10분으로 하면 무난하고, 이산화탄소용해장치(5)의 깊이는 용수의 수온에 따라서 결정하는데, 10℃ 이하의 용수를 사용하여 CO2 하이드레이트 상태로 용해하는 경우는 수두압(水頭壓)이 45mH2O 이상이 되도록 50m보다 깊게 하는 것이 바람직하다.
이산화탄소용해장치(5)의 내부에 설치되는 내관(6)의 직경은 기체성분이 부상하거나 정체되지 않도록 유속이 6∼10m/초가 되도록 한다.
이산화탄소용해장치(5)의 재질은 해수 중에 설치하는 경우는 내식성이 우수한 PE(Polyethylene) 또는 PP(Polypropylene)를 사용하고, 지중(地中)에 설치하는 경우는 철근콘크리트(Reinforced concrete) 구조물로 한다. 내부에 설치되는 내관(6)의 재질은 내식성이 우수한 PE(Polyethylene) 또는 PP(Polypropylene)를 사용한다.
배기가스 흡인장치(2)에 해수를 공급하는 해수이송펌프(3)의 용량은 CO2가 용해된 용수의 pH와 농도에 따라서 결정을 하지만, 용수 중 CO2의 농도가 0.2∼0.3wt% 범위가 되게 용수량을 결정하여 펌프용량을 결정하면 무난하며, 배기가스 흡인장치(2)에 공급하는 유량의 10∼20%는 이산화용해장치(5)의 상부로 공급하여 배기가스 흡인장치(2) 상부에 해수가 정체되지 않도록 한다.
해수취수배관(8)은 내염성이 우수한 PE(Polyethylene) 또는 PP(Polypropylene) 배관을 계류삭(Mooring rope)과 연결한 것을 태풍(颱風)에 의한 파도(波濤)나 지진(地震)에 의한 쓰나미(津波) 현상에 의해서 파손되지 않게 닻(Anchor)을 설치하여 해저바닥에 고정하여 취수지점까지 설치한다. 해수 또는 해수취수배관(8)의 말단 (末端)에는 수가대(受架臺: 10)를 배관과 플랜지(Flange)로 연결하여 설치하고, 배관의 끝 부분에는 비중이 가벼운 부대(浮袋: 11)를 설치하여 해저지표면에 퇴적된 개흙(泥質)이 유입되지 않도록 해저지표면에서 10∼20m 떠있게 설치한다.
그리고 해수취수배관(8)이 해산(海山) 또는 해구(海丘) 지역에서 피그 테일(Pig-tail) 형태로 설치되는 경우 배관의 철부(凸部)의 마루부분에 기체가 차게 되면서 취수량 및 배출량이 서서히 감소하게 되며, 나아가서는 베이퍼로크(Vapor-lock) 현상이 야기되어 취수 또는 배출이 되지 않게 되므로, 베이퍼로크(Vapor-lock) 현상이 야기될 수 있는 지점에는 가스배출구(Vapor vent hole)를 설치하여 배관 내에 기체가 차는 베이퍼로크현상이 일어 나지 않도록 하여야 한다.
그리고 해저심층 배출배관(9)도 상기 해수취수배관(8)과 동일하게 필요한 지점까지 설치한다.
상기 이산화탄소가 용해된 해수는 CO2하이드레이트(CO2 hydrate)가 생성될 수 있거나. 또는 이산화탄소의 임계점(Critical point)인 온도는 31.1℃ 이하, 압력은 7.382MPa 이상의 조건이 유지되는 해저심층에 깊이(H4)에 격리처리한다.
상기 이산화탄소를 수온이 10.5℃ 이하의 해양 심층수를 취수하여 CO2하이드레이트(CO2 hydrate)가 생성된 해수는, CO2하이드레이트(CO2 hydrate)가 생성될 수 있는 수온이 10.5℃ 이하이면서 수두압이 45mH2O 이상 되는 해저심층에 이산화탄소를 격리처리한다. 그러나 조류의 흐름, 태풍(颱風)에 의한 파도(波濤), 지진(地震)에 의한 쓰나미(津波) 현상, 용승(湧昇, Upwelling) 현상 등을 감안하여 수온이 10.5℃ 이하가 되어도 해수면에서 350m보다 깊은 깊이(H4)의 해저심층에 이산화탄소를 격리처리하는 것이 바람직하다.
수온이 10.5℃ 이하의 해양 심층수를 취수할 수 없는 해안가에서는, 수온이 이산화탄소의 임계온도 31.1℃ 이하의 표층해수를 사용하여 배기가스에 함유된 CO2를 용해한 용수의 경우는, 수두압이 74mH2O 이상 되는 해저심층에 격리처리하여야 한다. 이때도 조류의 흐름, 태풍에 의한 파도, 지진에 의한 쓰나미 현상, 용승 현상 등을 감안하여 수온이 31.1℃ 이하가 되어도 해수면에서 350m보다 깊은 깊이(H4)의 해저심층에 이산화탄소를 격리처리하는 것이 바람직하다.
그리고 상기한 본 발명은, 종래 기술인 용제에 흡수법, 막 분리법, PSA(Pressure Swing Adsorption)법, TSA(Temperature Swing Adsorption)법, 산소연소+심냉분리법 등의 기술에 비해서 시설이 간단하여 시설비가 저렴하면서, 압축, 가열과 같은 공정이 없기 때문에 동력비, 가열에 필요한 에너지비용이 필요 없기 때문에 운전비가 저렴한 특징이 있다.
본 발명의 이산화탄소를 저온의 해양 심층수에 용해하여 해저심층에 격리하는 방법은 시설이 간단하면서 비용이 저렴한 특징이 있기 때문에 한국의 동해안에서와 같이 저온의 해양 심층수를 용이하게 취수할 수 있는 지역에서는, 이산화탄소를 해저심층에 격리하는데 널리 이용될 것으로 기대된다.
1: 배기가스이송송풍기 2: 배기가스 흡인장치(吸引裝置)
2a: 액체 유로 2b: 노즐(Nozzle) 부
2c: 기체 유로 2d: 기·액 혼합유로
3: 해수이송펌프 4: 해수 취수조
5: 이산화탄소용해장치 6: 내관
7: 굴뚝 8: 해수취수배관
9: 해저심층 배출배관 G/L: 지면(Ground Level)

Claims (1)

  1. 배기가스에 함유된 이산화탄소를 해저심층에 격리하는 방법에 있어서,
    상기 배기가스를 배기가스이송송풍기(1)로 냉각공정으로 보내어 냉각된 배기가스로 냉각하는 냉각단계와,
    상기 냉각된 배기가스를, 해수 취수조(4)에 취수된 해수를 해수이송펌프(3)로 배기가스흡인장치(2)에 함께 공급하여 이산화탄소용해장치(8)의 내관(6)을 통과하여 이산화탄소용해장치(8) 하부 심부(深部)에 도달하면 해수에 용해도가 낮은 질소(N2)와 산소(O2)는 이산화탄소용해장치(8)의 내관(6)의 외부를 통해 부상하면 굴뚝(7)으로 보내어 대기로 배기하고, 이산화탄소를 용해한 해수는 해저심층배출배관(9)으로 보내어 CO2하이드레이트(CO2 hydrate)가 생성될 수 있거나. 또는, 이산화탄소의 임계점(Critical point) 이하의 온도와 이상의 압력이 유지되는 해저심층으로 보내어 격리하는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 배기가스에 함유된 이산화탄소를 해저심층에 격리하는 방법.
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