KR20190014209A

KR20190014209A - 연소배가스를 이용한 중탄산소다 제조장치 및 이를 이용한 중탄산소다 제조방법

Info

Publication number: KR20190014209A
Application number: KR1020170096182A
Authority: KR
Inventors: 이지현; 이동욱; 심재구; 곽노상; 이정현; 류순도
Original assignee: 한국전력공사; 한국동서발전(주)
Priority date: 2017-07-28
Filing date: 2017-07-28
Publication date: 2019-02-12
Also published as: CN109588048A; CN109588048B; WO2019022319A1; KR101951617B1

Abstract

본 발명은 연소배가스를 이용한 중탄산소다 제조장치 및 이를 이용한 중탄산소다 제조방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 연소배가스를 이용한 중탄산소다 제조장치는 상부에서 공급되는 가성소다 용액 및 하부에서 유입되는 연소배가스가 접촉하여 제1 처리가스 및 제1 슬러리를 생성하는 제1 반응탑; 및 하부에 형성되는 제1 반응부, 및 상기 제1 반응부의 상부에 형성되어 제1 반응부와 연통하는 제2 반응부를 포함하며, 상기 제1 처리가스가 제1 가스라인을 통해 상기 제1 반응부 하부 및 제2 반응부 하부로 분기하여 유입되고, 상기 제1 반응부 하부 및 제2 반응부 하부로 유입된 제1 처리가스는, 제2 반응부 상부에서 유입되는 가성소다 용액과 각각 접촉하는 제2 반응탑;을 포함하며, 상기 제1 슬러리 및 미반응 가성소다 용액은, 상기 제1 반응탑의 하부에 체류하여 제1 혼합슬러리를 형성하며, 상기 제1 혼합슬러리는, 상기 제1 반응탑의 하부에 구비된 슬러리 건조부로 이송되어, 중탄산소다를 생성한다.

Description

연소배가스를 이용한 중탄산소다 제조장치 및 이를 이용한 중탄산소다 제조방법 {APPARATUS FOR PRODUCING SODIUM BICARBONATE USING A FLUE GAS AND METHOD FOR PRODUCING SODIUM BICARBONATE USING THE SAME}

본 발명은 연소배가스를 이용한 중탄산소다 제조장치 및 이를 이용한 중탄산소다 제조방법에 관한 것이다.

지구온실가스의 원인인 발전소에서 배출되는 배가스 중 이산화탄소를 제거하기 위한 공정으로는 여러 가지가 연구되고 있는데, 그 중 널리 이용되고 있는 모노에탄올아민(MEA)을 이용한 습식 흡수법으로 이산화탄소를 제거하는 방법은 상압에서의 대규모 처리가 가능하지만 상압 등 가스 기류의 특성에 기인한 처리 설비의 규모가 커서 설치비가 많이 들고 에너지 소비도 많다는 단점이 있다.

최근에는 석탄화력 발전소 등에서 배출되는 연속 배가스를 활용하여 상기 중탄산나트륨 등과 같은 고부가 화합물을 제조하고, 이와 동시에 대표적인 온실가스인 이산화탄소를 저감할 수 있는 연구가 활발히 이루어지고 있다.

본 발명과 관련한 선행기술로는 일본 공개특허공보 제1999-104440호(1999.04.20 공고, 발명의 명칭: 배기 가스 중의 산성 가스 제거 방법 및 장치)가 있다. 상기 문헌에는 하단에 배가스 입구를 가지며, 상단에 배가스 출구를 가지는 수직 반응기와, 상기 수직 반응기에 흡수제 슬러리를 분사하는 수단과, 반응기에서 나온 배가스 중에 포함되는 건조한 고형물을 분리하는 분리 장치, 분리된 고형물의 일부를 반응기에 재순환시키는 재순환로를 구비한 배가스 중의 산성 가스 제거 장치 구성이 개시되고 있다.

본 발명의 하나의 목적은 이산화탄소 제거 효율성 및 친환경성이 우수하며, 고순도 중탄산소다의 제조가 가능한 우수한 연소배가스를 이용한 중탄산소다 제조장치에 관한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 경제성, 생산성 및 친환경성이 우수한 연소배가스를 이용한 중탄산소다 제조장치에 관한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 연소배가스를 이용한 중탄산소다 제조장치를 이용한 중탄산소다 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 하나의 관점은 연소배가스를 이용한 중탄산소다 제조장치에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 연소배가스를 이용한 중탄산소다 제조장치는 상부에서 공급되는 가성소다 용액 및 하부에서 유입되는 연소배가스가 접촉하여 제1 처리가스 및 제1 슬러리를 생성하는 제1 반응탑; 및 하부에 형성되는 제1 반응부, 및 상기 제1 반응부의 상부에 형성되어 제1 반응부와 연통하는 제2 반응부를 포함하며, 상기 제1 처리가스가 제1 가스라인을 통해 상기 제1 반응부 하부 및 제2 반응부 하부로 분기하여 유입되고, 상기 제1 반응부 하부 및 제2 반응부 하부로 유입된 제1 처리가스가, 제2 반응부 상부에서 유입되는 가성소다 용액과 접촉하는 제2 반응탑;을 포함하며, 상기 제1 슬러리 및 미반응 가성소다 용액은, 상기 제1 반응탑의 하부에 체류하여 제1 혼합슬러리를 형성하며, 상기 제1 혼합슬러리는, 상기 제1 반응탑의 하부에 구비된 슬러리 건조부로 이송되어, 중탄산소다를 생성한다.

한 구체예에서 상기 제1 혼합슬러리의 일부는, 제1 순환라인을 통해 상기 제1 반응탑 상부로 순환 유입될 수 있다.

한 구체예에서 제1항에 있어서, 상기 제2 반응탑은, 상기 제1 반응부와 상기 제2 반응부 사이에 가스분산부가 구비되며, 상기 가스분산부는 내주면에 복수 개의 홀이 형성되고, 상기 제1 처리가스는 상기 복수 개의 홀을 통해 상기 제2 반응부 하부로 유입될 수 있다.

한 구체예에서 상기 제1 반응부 하부 및 제2 반응부 하부로 유입된 제1 처리가스는, 제2 반응부 상부에서 유입되는 가성소다 용액과 각각 접촉하여 제2 처리가스, 제2 슬러리 및 제3 슬러리를 생성하며, 상기 제2 슬러리, 제3 슬러리 및 미반응 가성소다 용액은, 상기 제1 반응부 하부에 체류하여 제2 혼합슬러리를 형성하고, 상기 제2 혼합슬러리의 일부는 상기 제1 반응부 하부에 구비된 제2 순환라인을 통해 상기 제1 반응부 상부로 순환 유입되어, 상기 제1 처리가스와 접촉할 수 있다.

한 구체예에서 상기 제2 혼합슬러리의 일부는 상기 제1 반응부 하부에 구비된 제1 이송라인을 통해 상기 제1 반응탑의 상부로 유입되어, 상기 연소배가스와 접촉할 수 있다.

한 구체예에서 상기 제1 반응탑 하부에서 생성되는 제1 혼합슬러리의 pH는 8.5~9.0일 수 있다.

한 구체예에서, 상기 제1 반응부에서 생성되는 제2 슬러리의 pH는 10~11이며, 상기 제2 반응부에서 생성되는 제3 슬러리의 pH는 11~12일 수 있다.

한 구체예에서 상기 제1 반응탑 및 제2 반응탑의 직경은, 상기 유입되는 연소배가스 및 제1 처리가스의 선속도가 각각 50~80m/hr가 되도록 형성될 수 있다.

한 구체예에서 상기 제1 반응탑 높이(H1) 및 제2 반응탑 높이(H2)는, 각각 80~150cm 일 수 있다.

한 구체예에서 상기 제1 반응탑 높이(H1) 및 제2 반응탑의 높이(H2)는, 상기 제1 반응탑 및 제2 반응탑 직경의 12~15배로 형성될 수 있다.

한 구체예에서 상기 슬러리 건조부는, 상기 이송된 제1 슬러리를 분리막을 통과하여 분체 및 슬러리 여과액으로 분리하는 분리 수단; 상기 분체를 건조하여 중탄산소다를 생성하는 건조 수단; 및 상기 생성된 중탄산소다를 저장하는 중탄산소다 저장부;를 포함하며, 상기 분리막 통과시, 상기 제1 혼합슬러리를 진동 에너지를 이용하여 분체 및 슬러리 여과액으로 분리하며, 상기 분리된 슬러리 여과액은 상기 제1 반응탑 상부로 유입될 수 있다.

한 구체예에서 상기 건조 수단은 상기 분체를 40~70℃로 건조할 수 있다.

본 발명의 다른 관점은 상기 중탄산소다 제조장치를 이용한 중탄산소다 제조방법에 관한 것이다. 예를 들면, 상기 제1 반응탑의 상부에서 공급되는 가성소다 용액 및 하부에서 유입되는 연소배가스가 접촉하여 제1 처리가스 및 제1 슬러리를 생성하는 단계; 및 상기 제1 처리가스가 제1 가스라인을 통해 제2 반응탑의 제1 반응부 하부 및 제2 반응부 하부로 분기하여 유입되어, 상기 제1 반응부 하부 및 제2 반응부 하부로 유입된 제1 처리가스가, 제2 반응부 상부에서 유입되는 가성소다 용액과 접촉하는 단계;를 포함하며, 상기 제1 슬러리 및 미반응 가성소다 용액은, 상기 제1 반응탑의 하부에 체류하여 제1 혼합슬러리를 형성하며, 상기 제1 혼합슬러리는, 상기 제1 반응탑의 하부에 구비된 슬러리 건조부로 이송되어, 중탄산소다를 생성한다.

본 발명의 중탄산소다 제조장치 및 제조방법을 적용시, 이산화탄소 제거 효율성이 우수하여, 소규모 공정 설비와 저비용으로 고순도 중탄산소다의 제조가 가능하여 경제성, 생산성 및 친환경성이 우수할 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 연소배가스를 이용한 중탄산소다 제조장치를 나타낸 것이다.
도 2(a)는 본 발명의 한 구체예에 따른 가스분산부의 단면을 나타낸 것이며, 도 2(b)는 상기 가스분산부를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 슬러리 건조부의 분리수단을 나타낸 것이다.
도 4(a)는 본 발명의 한 구체예에 따라 제조된 중탄산소다를 나타낸 것이며, 도 4(b)는 본 발명의 한 구체예에 따라 제조된 제1 혼합슬러리를 나타낸 것이다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

연소배가스를 이용한 중탄산소다 제조장치

본 발명의 하나의 관점은 연소배가스를 이용한 중탄산소다 제조장치에 관한 것이다. 도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 연소배가스를 이용한 중탄산소다 제조장치를 나타낸 것이다. 상기 도 1을 참조하면, 연소배가스를 이용한 중탄산소다 제조장치(1000)는 상부에서 공급되는 가성소다 용액 및 하부에서 유입되는 연소배가스가 접촉하여 제1 처리가스 및 제1 슬러리를 생성하는 제1 반응탑(200); 및 하부에 형성되는 제1 반응부(A1) 및 제1 반응부(A1)의 상부에 형성되어. 제1 반응부(A2)와 연통하는 제2 반응부(A2)를 포함하며, 상기 제1 처리가스가 제1 가스라인(20)을 통해 상기 제1 반응부(A1) 하부 및 제2 반응부(A2) 하부로 분기하여 유입되고, 상기 제1 반응부(A1) 하부 및 제2 반응부(A2) 하부로 유입된 제1 처리가스가, 제2 반응부(A2) 상부에서 유입되는 가성소다 용액과 접촉하여, 제2 처리가스, 제3 처리가스, 제2 슬러리 및 제3 슬러리를 각각 생성하는 제2 반응탑(300);을 포함한다.

가성소다(NaOH, Sodium Hydroxide)는 통상의 방법으로 제1 반응탑(200) 상부로 유입될 수 있다. 예를 들면, 제1 반응탑(200)의 상부와, 후술할 가성소다 공급부(400)와 연결된 공급라인(미도시)을 통해 가성소다를 유입할 수 있다.

상기 연소배가스는 석탄 화력발전소, 시멘트 및 석유화학 공장 등에서 화석연료의 연소로 인해 배출되는 것이며, 이산화탄소(CO₂)를 포함하는 가스를 사용할 수 있다. 상기 연소배가스 중 이산화탄소의 농도는 발전소 혹은 시멘트 공장 등에서 사용되는 연료 및 연소방식에 의해 결정될 수 있다. 한 구체예에서 석탄화력 발전소에서 발생되는 연소배가스의 경우 상기 연소배가스 내 이산화탄소는 13~16 부피% 포함될 수 있다. 다른 구체예에서, 제철소 고로 등에서 발생되는 연소배가스의 경우, 이산화탄소는 20~23 부피% 포함될 수 있다. 상기 연소배가스 중의 이산화탄소 농도가 높아지면 동일 반응기 규모에서 처리할 수 있는 이산화탄소의 양이 많아지므로 유리할 수 있다.

도 1을 참조하면, 상기 연소배가스는, 연소배가스 유입라인(10)을 통해 제1 반응탑(200)의 하부로 유입될 수 있다. 한 구체예에서 상기 연소배가스는, 가스냉각부(100)를 거쳐 냉각되어 제1 반응탑(200)의 하부로 유입될 수 있다. 상기 연소배가스의 냉각시, 반응효율성이 증가하여, 제1 처리가스의 이산화탄소 제거 효율이 우수할 수 있다. 연소배가스 유입라인(10)은, 가스 블로워(gas blower) 등을 더 포함하여, 상기 연소배가스를 제1 반응탑(200)으로 유입시킬 수 있다.

상기 가성소다 용액과 연소배가스의 접촉시, 하기 화학식 1 및 2와 같은 탄산화 반응이 발생하여, 연소배가스에 포함된 이산화탄소가 제거된 제1 처리가스 및 제1 슬러리를 생성하게 된다:

[화학식 1]

CO₂(g) + 2NaOH(l) → Na₂CO₃ + H₂O

[화학식 2]

Na₂CO₃ + CO₂(g) + H₂O → 2NaHCO₃

도 1을 참조하면, 제1 반응탑(200) 내부에는 제1 충전물질(210)이 포함될 수 있다. 상기 충전물질은, 통상적인 것을 사용할 수 있다. 예를 들면, 비정형 형태의 충전물질을 사용할 수 있다. 상기 제1 충전물질(210) 포함시, 연소배가스와 가성소다와의 접촉을 위한 체류시간이 증가하여, 반응 효율이 우수하면서 반응탑의 크기를 최소화할 수 있다.

상기 제1 슬러리 및 상기 연소배가스와 미반응 가성소다 용액은, 상기 제1 반응탑(200)의 하부에 체류하여 제1 혼합슬러리(M1)를 형성하며, 제1 반응탑(200) 하부의 제1 혼합슬러리(M1)는 일정 액위를 유지할 수 있다.

한 구체예에서 제1 혼합슬러리(M1)의 일부는, 제1 반응탑(200) 하부에 구비된 제1 순환라인(70)을 통해 제1 반응탑(200) 상부로 순환 유입되어 상기 연소배가스와 접촉할 수 있다. 예를 들면, 제1 순환라인(70)에 구비된 제1 순환펌프(72)를 통해 순환 유입시킬 수 있다. 상기 조건으로 제1 혼합슬러리를 순환시, 상기 제1 혼합슬러리(M1) 순환을 통해서 연소배가스중 이산화탄소와, 가성소다 용액 사이의 탄산화 반응에 필요한 체류시간이 증대되므로 해당 반응기에서 연소배가스 중 이산화탄소와 가성소다간 반응효율이 증가되고 이는 전체 충진탑의 크기(혹은 반응기 부피)를 줄이는데 크게 기여할 수 있다.

도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 가스분산부를 나타낸 것이다. 상기 도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 제1 처리가스는 제1 반응부(A1) 하부 및 상기 제1 반응부(A1) 및 제2 반응부(A2) 사이에 구비된 가스분산부(320)의 가스유입구(321)를 통해 유입될 수 있다. 한 구체예에서 상기 제1 처리가스는 상기 가스분산부(320)의 내주면에 형성된 복수 개의 홀(322)을 통해 상기 제2 반응부로 유입할 수 있다.

상기 도 1을 참조하면, 제1 반응부(A1) 및 제2 반응부(A2) 내부에는 충전물질(310, 312)이 각각 포함될 수 있다. 상기 충전물질은, 통상적인 것을 사용할 수 있다. 예를 들면, 메탈 시트(metal sheet) 또는 격자 (structured packing) 형태의 정형 충전물질을 사용할 수 있다. 상기 충전물질(310, 312)을 포함시, 상기 제1 처리가스와 가성소다와의 접촉을 위한 체류시간이 증가하여, 반응 효율이 우수하면서 반응탑의 크기를 최소화할 수 있다.

한 구체예에서, 제1 반응부(A1)에서 가성소다 용액과 접촉하여 이산화탄소가 제거된 제1 처리가스는, 제1 반응부(A1)과 연통되는 제2 반응부(A2)에서 다시 가성소다 용액과 접촉하게 되며, 제2 반응부(A2)에서 이산화탄소가 제거된 제1 처리가스와 합쳐져, 제2 처리가스를 형성할 수 있다.

상기 도 2를 참조하면, 제2 슬러리, 제3 슬러리 및 상기 제1 처리가스와 미반응 가성소다 용액은, 상기 제1 반응부(A1) 하부에 체류하여 제2 혼합슬러리(M2)를 제1 반응부(A1) 하부의 제2 혼합슬러리(M2)는 일정 액위를 유지할 수 있다.

상기 제2 혼합슬러리(M2)의 일부는 상기 제1 반응부(A1) 하부에 구비된 제2 순환라인(50)을 통해 제1 반응부(A1) 상부로 순환 유입되어, 상기 제1 처리가스와 접촉할 수 있다. 예를 들면, 상기 제2 혼합슬러리는 제2 순환라인(50)에 구비된 제2 순환펌프(52)를 이용하여 제1 반응부(A1) 상부로 순환유입할 수 있다.

상기 제1 및 제2 혼합슬러리의 일부는 상기 제1 반응탑(200) 상부 및 제1 반응부(A1) 상부로 5~30 liter/kg·mol CO₂ 의 조건으로 각각 유입시킬 수 있다. 상기 조건에서 중탄산 소다 생성 효율성이 우수할 수 있다.

상기 도 1을 참조하면, 제2 혼합슬러리(M2)는 상기 제1 반응부(A1) 하부에 구비된 제1 이송라인(60)을 통해 제1 반응탑(200)의 상부로 유입되어, 상기 연소배가스와 접촉할 수 있다.

한 구체예에서 제1 반응탑(200)에서 상부에서 접촉하여 생성되는 제1 슬러리의 pH는 8.5~11.0일 수 있다. 상기 범위에서 반응성이 우수하여, 중탄산소다의 생산성 및 품질이 우수할 수 있다. 또한, 상기 제1 반응탑(200) 하부의 제1 혼합슬러리(M1)의 pH는 8.5~9.0으로 조절될 수 있다. 상기 조건에서 본 발명에 따라 제조되는 중탄산소다의 순도가 최대가 될 수 있다.

상기 제1 반응탑(200) 하단부의 제1 혼합슬러리의 pH가 8.5 미만시, 중탄산소다의 용해도 저하에 따른 침전물이 생성되어, 슬러리 배출라인(80)이 막힐 수 있으며, pH가 9.0을 초과하는 경우, 중탄산소다 생성효율이 저하되어 순도가 떨어지는 반면, 탄산소다(Na₂CO₃)의 생성량이 증가할 수 있다.

한 구체예에서, 제1 반응부(A1)에서 생성되는 제2 슬러리의 pH는 10~11이며, 제2 반응부(A2)에서 생성되는 제3 슬러리의 pH는 11~12일 수 있다. 상기 범위에서 반응성이 우수하여, 중탄산소다의 생산성 및 품질이 우수할 수 있다.

제1 반응부(A1)의 제2 슬러리 pH가 10 미만으로 떨어지면 슬러리 중에 중 탄산소다(Na₂CO₃)의 함량이 증가하면서, 중탄산소다의 용해도 특성에 따른 침전물 생성으로 제1 이송라인(60)이 막히는 현상이 발생하고 상기 제2 슬러리의 pH가 11을 초과하는 경우, 상기 제1 혼합슬러리(M1)의 pH를 8.5~9.0으로 유지하기가 어렵기 때문에 중탄산소다의 순도가 저하될 수 있다.

도 1을 참조하면, 가성소다 저장부(400)에 저장된 가성소다 용액은 가성소다 공급라인(40)을 통해 제2 반응탑(300)의 제1 반응부(A1) 상단으로 이송될 수 있다. 한 구체예에서 상기 가성소다 용액 전체중량중 상기 가성소다는 10~30 중량% 포함될 수 있다. 예를 들면, 15~20 중량%일 수 있다.

상기 가성소다가 10 중량% 미만 포함시, 상기 연소배가스중 이산화탄소와의 반응효율이 낮아지기 때문에 본 발명의 반응탑 구성으로는 원하는 중탄산소다의 순도를 얻을 수 없고 상기 가성소다의 농도가 30 중량%를 초과하는 경우, 반응기의 부식뿐만 아니라 제조된 탄산소다 및 중탄산소다의 용해도 특성에 의해서 낮은 온도에서 이송라인에 침전물이 생길 수 있기 때문에 장기 운전측면에서 많은 어려움이 발생할 수 있다.

상기와 같이, 본 발명의 중탄산소다 제조장치에서, 연소배가스의 처리 흐름은 제1 반응탑(200)에서 제2 반응탑(300)으로, 상기 가성소다 용액 및 연소배가스를 접촉하여 형성된 슬러리의 흐름은 제2 반응탑(300)에서 제1 반응탑(100)으로 서로 교차되는데, 상기 조건으로 공정 진행시, 고순도의 중탄산소다 생산을 위한 최적의 pH를 제어할 수 있다.

도 1을 참조하면, 제2 반응탑(300)의 상부에는, 가스 배출라인(30)이 구비되어, 상기 형성된 제2 처리가스를 외부로 배출시킬 수 있다.

한 구체예에서 상기 제1 반응탑 및 제2 반응탑의 직경은, 상기 유입되는 연소배가스 및 제1 처리가스의 선속도가 각각 50~80m/hr가 되도록 형성될 수 있다. 상기 선속도 범위에서, 본 발명의 탄산화 반응 속도 및 공정 효율성이 우수할 수 있다.

한 구체예에서, 제1 반응탑(200) 및 제2 반응탑(300)은, 온도 측정부, pH 측정부 및 전도도 측정부 등이 더 포함되어, 운전 중 다양한 조건변화 분석을 실시할 수 있다.

한 구체예에서 제1 반응탑(200) 및 제2 반응탑(300)에는, 상기 제1 처리가스 및 제2 처리가스의 액적 제거를 위하여 미스트 제거기(230, 330)를 각각 설치함으로써 공정상의 수분 밸런스를 유지할 수 있다.

한 구체예에서 연소배가스 유입라인(10), 제1 가스라인(20) 및 가스 배출라인(30)에는 이산화탄소 측정센서가 각각 구비되어, 반응 공정에 따른 이산화탄소 제거효율(또는 이산화탄소 전환율) 분석을 실시간으로 수행할 수 있다.

한 구체예에서 제1 혼합슬러리(M)는, 제1 반응탑(200)의 하부에 구비된 슬러리 건조부(500)로 이송되어, 중탄산소다를 생성한다. 한 구체예에서 슬러리 건조부(500)는, 상기 이송된 제1 혼합슬러리(M1)를 분리막을 통과하여 분체 및 슬러리 여과액으로 분리하는 분리 수단; 상기 분체를 건조하여 중탄산소다를 생성하는 건조 수단; 및 상기 생성된 중탄산소다를 저장하는 중탄산소다 저장부;를 포함하며, 상기 분리된 슬러리 여과액은 여과액 배출라인을 통해 상기 제1 반응탑 상부로 유입될 수 있다.

한 구체예에서 상기 제1 혼합슬러리의 고형분 입자의 평균 사이즈는 20㎛ 이하일 수 있으며, 제1 혼합슬러리(M1)의 고형분 함량은 10~20 중량% 일 수 있다. 따라서, 상기 슬러리 건조부에서 제1 혼합슬러리(M1)의 탈수 및 건조를 진행하여, 고형의 중탄산소다를 수득할 수 있다.

상기 분리막 통과시, 상기 제1 슬러리를 진동 에너지를 이용하여 분체 및 슬러리 여과액으로 분리한다. 도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 슬러리 건조부(500)의 분리 수단(510)을 나타낸 것이다. 상기 도 3을 참조하면, 분리 수단(510)은 제1 혼합슬러리가(M1)로부터 분체 및 슬러리 여과액을 분리하는 분리막(502), 분리막(502) 하부에 구비된 진동수단(504), 상기 분리막을 통과한 슬러리 여과액이 배출되는 여과액 배출라인(510), 상기 분리막을 통과한 분체가 저장되는 분체저장부(506)을 포함할 수 있다.

상기 진동 에너지를 적용시, 상기 분리막 자체를 고주파수로 진동하여, 분리하고자 하는 제1 혼합슬러리(M1)내 미세 입자가 막 표면에 부착되어 막 분리 효율성이 저하되는 현상을 방지하여, 처리 효율성이 우수할 수 있다.

본 발명의 진동 막 분리 공정을 통해 슬러리상의 수분을 제거하는 방식은 이후 건조 수단의 운전 및 에너지 효율성 측면에서도 우수한 장점이 있다. 구체적으로 분리막을 통해 상기 제1 혼합슬러리 내 잔류 불순물을 포함한 물이 대부분 제거 되므로 분무 건조 시 날려 보내야 하는 수분량도 해당량만큼 감소하여, 에너지 사용량이 대폭 절감된다.

상기 분체저장부(506)에 저장된 분체는, 건조 수단으로 이송되어 건조될 수 있다. 진동형 분리막 공정을 거친 분체의 함수율은 약 10~20 중량% 일 수 있다. 따라서 건조를 통한 잔존 수분 제거가 필요하다. 예를 들면, 상기 건조 수단은 유동층 건조기를 이용할 수 있다. 한 구체예에서 상기 건조 수단은 상기 분체를 40~70℃의 공기를 이용하여 건조할 수 있다. 상기 조건에서 건조 효율성이 우수하며, 중탄산소다의 열분해를 방지할 수 있다.

한 구체예에서 상기 제1 반응탑(A1) 하부와 슬러리 건조부(500) 사이에 슬러리 저장부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 한 구체예에서 제1 반응탑(200) 하부에는 다이아프램 형태의 슬러리 이송 펌프를 더 포함할 수 있다. 상기 슬러리 이송 펌프를 더 포함시, 상기 슬러리 배출 라인(80) 내부에 슬러리 침전에 따른 막힘 없이 슬러리 건조부(500)로 이송될 수 있다.

연소배가스를 이용한 중탄산소다 제조장치를 이용한 중탄산소다 제조방법

본 발명의 다른 관점은 상기 연소배가스를 이용한 중탄산소다 제조장치를 이용한 중탄산소다 제조방법에 관한 것이다. 상기 중탄산소다 제조방법은 상기 제1 반응탑의 상부에서 공급되는 가성소다 용액 및 하부에서 유입되는 연소배가스가 접촉하여 제1 처리가스 및 제1 슬러리를 생성하는 단계; 및 상기 제1 처리가스가 제1 가스라인을 통해 제2 반응탑의 제1 반응부 하부 및 제2 반응부 하부로 분기하여 유입되어, 상기 제1 반응부 하부 및 제2 반응부 하부로 유입된 제1 처리가스가, 제2 반응부 상부에서 유입되는 가성소다 용액과 접촉하여, 제2 처리가스, 제3 처리가스, 제2 슬러리 및 제3 슬러리를 각각 생성하는 단계;를 포함하며, 상기 제1 슬러리 및 상기 연소배가스와 미반응 가성소다 용액은, 상기 제1 반응탑의 하부에 체류하여 제1 혼합슬러리를 형성하며, 상기 제1 혼합슬러리는, 제1 반응탑 하부에 구비된 제1 순환라인을 통해 상기 제1 반응탑 상부로 순환 유입되어 상기 연소배가스와 접촉하며, 상기 제1 혼합슬러리는, 상기 제1 반응탑의 하부에 구비된 슬러리 건조부로 이송되어, 중탄산소다를 생성한다. 상기 중탄산장치는, 전술한 것과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.

본 발명은 석탄 화력발전소, 시멘트 및 석유화학 공장 등에서 화석연료의 연소로 인해 배출되는 연소 배가스를 활용하여, 상업적으로 활용가치가 매우 높은 중탄산소다를 생산하고 동시에 대표적인 온실가스인 이산화탄소를 저감할 수 있다.

본 발명에 따라 제조된 중탄산소다는 비누, 세제, 식품첨가제, 배가스 정제 등의 다양한 산업분야에서 활용이 가능한 물질로서 부가가치가 높고 활용성이 우수할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.

실시예 및 비교예

실시예

중탄산소다 제조: 하기 도 1과 같은 중탄산소다 제조장치를 이용한 중탄산소다를 제조하였다. 제1 반응탑의 높이(H1) 및 제2 반응탑의 높이(H2)는 각각 150cm이었으며, 제1 반응탑(200)에서 내부가 비정형 충전물을 포함하는 제1 충전물질(210)로 충전된 제1 반응탑(200)의 상부에서 공급되는 가성소다 용액(가성소다 15 중량% 포함, 분당 45ml의 유속으로 유입)과, 가스 냉각부(100)를 통해 냉각되어, 연소배가스 유입라인(10)을 통해 25liter/min의 유속으로 제1 반응탑(200) 하부에서 유입되며, 이산화탄소가 14~15 부피% 포함된 연소배가스를 접촉하여 제1 처리가스 및 제1 슬러리를 생성하였다.

그 다음, 상기 제1 처리가스를 제1 가스라인(20)을 통해, 제2 반응탑(300)의 제1 반응부(A1) 하부 및 상기 제1 반응부(A1) 및 제2 반응부(A2) 사이에 구비된 가스분산부(320)의 가스유입구(321)로 유입하여, 상기 가스분산부의 내주면에 형성된 복수 개의 홀(322)을 통해 상기 제2 반응부 하부로 유입하였다.

이때 상기 분기되는 제1 처리가스는, 제1 반응부 하부로 50 부피%, 가스분산부를 통해 제2 반응부로 50 부피%가 유입되었다.

상기 제1 반응부 하부 및 제2 반응부 하부로 유입된 제1 처리가스와, 제2 반응부 상부에서 유입되는 가성소다 용액(가성소다 15 중량% 포함, 분당 45Ml의 유속으로 유입)과 접촉하여, 제2 처리가스, 제3 처리가스, 제2 슬러리 및 제3 슬러리를 각각 생성하였다.

상기 제1 슬러리 및 상기 연소배가스와 미반응 가성소다 용액은, 상기 제1 반응탑의 하부에 체류하여 제1 혼합슬러리를 형성하였다. 상기 제1 혼합슬러리의 일부는, 제1 반응탑 하부에 구비된 제1 순환라인을 통해 상기 제1 반응탑 상부로 순환 유입되어 상기 연소배가스와 접촉하였다.

또한, 제2 반응탑(300)에서 상기 제2 슬러리, 제3 슬러리 및 상기 제1 처리가스와 미반응 가성소다 용액은, 상기 제1 반응부(A1) 하부에 체류하여 제2 혼합슬러리를 형성하고, 상기 제2 혼합슬러리는 상기 제1 반응부(A1) 하부에 구비된 제2 순환라인(50)을 통해 상기 제1 반응부 상부로 순환 유입되어, 상기 제1 처리가스와 접촉하였다. 또한, 상기 제2 혼합슬러리의 일부는 상기 제1 반응부(A1) 하부에 구비된 제1 이송라인(60)을 통해 상기 제1 반응탑(200)의 상부로 유입되어, 상기 연소배가스와 접촉하였다.

이때, 순환 유입되는 제1 및 제2 혼합슬러리의 유량은 각각 50 liter/kg·mol CO₂ 조건으로 실시하였다.

상기 제1 혼합슬러리는, 슬러리 배출라인(80)을 통해 상기 제1 반응탑의 하부에 구비된 슬러리 건조부로 이송되었다. 상기 제1 혼합슬러리는 분리 수단으로 이송되어, 분리막을 통과하여 분체 및 슬러리 여과액으로 분리하였다. 상기 분리막 통과시, 상기 제1 혼합슬러리를 진동 에너지를 이용하여 분체 및 슬러리 여과액으로 분리하였으며, 상기 분체는 건조 수단으로 이송되어 40℃의 온도로 건조하여 중탄산소다를 생성하였고, 상기 생성된 중탄산소다는 중탄산소다 저장부로 이송되어 저장하였다. 상기 분리된 슬러리 여과액은 여과액 배출라인을 통해 상기 제1 반응탑 상부로 유입하였다.

실시예 2

상기 제2 반응탑의 상부(제2 반응부 상부)에 유입되는 가성소다 용액의 농도를 20 중량%로 적용하고, 분당 투입량을 30 ml로 조절한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.

실시예 3

상기 제2 반응탑의 상부(제2 반응부 상부)에 유입되는 가성소다 용액의 분당 투입량을 30 ml로 조절한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.

실시예 4

상기 제1 반응탑 및 제2 반응탑의 높이를 200cm로 적용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.

비교예 1

제1 처리가스를 분기하지 않고. 제2 반응탑의 제1 반응부 하부에 투입한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 중탄산소다를 제조하였다.

비교예 2

제1 처리가스를 분기하지 않고. 제2 반응탑의 제2 반응부 하부에 투입한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 중탄산소다를 제조하였다.

상기 실시예 1~4에 대하여, 3시간 동안 연속 운전한 운전결과를 표 1에 나타내었다.

도 4(a)는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 중탄산소다를 나타낸 것이며, 도 4(b)는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 제1 혼합슬러리를 나타낸 것이다. 상기 도 4 및 표 1의 결과를 참조하면, 실시예 1의 경우 이산화탄소 포집율(전환율)이 90% 이상 일정하게 유지가 되었으며 이를 통해서 얻어진 분체의 성분 분석결과(XRD, X-ray Diffraction) 순도는 약 98% 수준으로 시판중인 제품의 순도와 큰 차이가 없음을 알 수 있었다.

다음으로 실시예 2 및 실시예 3은 반응기의 높이는 동일하게 하고 가성소다의 투입량 혹은 농도를 바꾸어서 실험한 결과이다. 운전 결과 이산화탄소 평균 포집율은 90% 이상으로 매우 양호하나 2시간 이상 운전시 라인 상에 침전물이 발생되어 자주 막히는 현상이 발생되었다.

또한, 상기 실시예 1 및 비교예 1~2에 대하여, 3시간 동안 연속 운전한 운전결과를 표 1에 나타내었다. 이와 함께 상기 운전결과의 신뢰성을 확보하기 위하여 기 확보된 공정모사 툴(gPROMS, PSE사)을 활용하여 실시예 1 및 비교예 1~2를 각각 모사할 수 있는 탄산화 반응모델을 구성한 후 연속운전과 동일한 조건하에서 이산화탄소 전환율을 분석하였으며, 연속운전 테스트와 비교하여 분석한 결과를 표 2에 제시하였다.

상기 표 2를 참조하면, 비교예 1 및 비교예 2의 경우에는 실시예 1에 비하여 이산화탄소 평균 포집율(전환율)이 낮은 것으로 분석되었다. 이는 본 발명의 상세한 설명에서 언급된 바와 같이 실시예 1의 경우 상대적으로 pH가 높은 영역(제3 슬러리의 pH 범위: 11~12)에서 운전되는 제2 반응탑의 제2 반응부에 제1 반응탑에서 배출되는 배가스의 상당부분을 투입하여 짧은 체류시간 하에서 탄산화 반응이 유도되고, 제2 반응부 보다 pH가 다소 낮은 영역에서 운전되는 제1 반응부(제2 슬러리 pH 범위: 10~11)에서는 제1 반응탑 이후 분기된 제1 처리가스가 2차 반응기 제1 반응부에서 1차 반응한 후, 제2 반응부에서 다시 2차로 반응 함으로써 비교예 1~2에 비해 이산화탄소 전환율이 향상된 것으로 판단된다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

10: 연소배가스 유입라인 20: 제1 가스라인
30: 가스 배출라인 40: 가성소다 공급라인
50: 제2 순환라인 52: 제2 펌프
60: 제1 이송라인 70: 제1 순환라인
72: 제1 펌프 80: 슬러리 배출라인
100: 가스 냉각부 200: 제1 반응탑
210: 제1 충전물질 230: 미스트 제거부
300: 제2 반응탑 310, 312: 제2 충전물질
320: 가스분산부 321: 가스유입구
322: 홀 330: 미스트 제거부
400: 가성소다 저장부 500: 슬러리 건조부
502: 분리막 504: 진동수단
506: 분체 저장부 510: 분리 수단
520: 여과액 배출라인 1000: 중탄산소다 제조장치

Claims

상부에서 공급되는 가성소다 용액 및 하부에서 유입되는 연소배가스가 접촉하여 제1 처리가스 및 제1 슬러리를 생성하는 제1 반응탑; 및
하부에 형성되는 제1 반응부, 및 상기 제1 반응부의 상부에 형성되어 제1 반응부와 연통하는 제2 반응부를 포함하며, 상기 제1 처리가스가 제1 가스라인을 통해 상기 제1 반응부 하부 및 제2 반응부 하부로 분기하여 유입되고, 상기 제1 반응부 하부 및 제2 반응부 하부로 유입된 제1 처리가스는, 제2 반응부 상부에서 유입되는 가성소다 용액과 각각 접촉하는 제2 반응탑;을 포함하며,
상기 제1 슬러리 및 미반응 가성소다 용액은, 상기 제1 반응탑의 하부에 체류하여 제1 혼합슬러리를 형성하며,
상기 제1 혼합슬러리는, 상기 제1 반응탑의 하부에 구비된 슬러리 건조부로 이송되어, 중탄산소다를 생성하는 것을 특징으로 하는 연소배가스를 이용한 중탄산소다 제조장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 혼합슬러리의 일부는, 제1 순환라인을 통해 상기 제1 반응탑 상부로 순환 유입되는 것을 특징으로 하는 연소배가스를 이용한 중탄산소다 제조장치.
제1항에 있어서, 상기 제2 반응탑은, 상기 제1 반응부와 상기 제2 반응부 사이에 가스분산부가 구비되며,
상기 가스분산부는 내주면에 복수 개의 홀이 형성되고,
상기 제1 처리가스는 상기 복수 개의 홀을 통해 상기 제2 반응부 하부로 유입하는 것을 특징으로 하는 연소배가스를 이용한 중탄산소다 제조장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 반응탑 하부와 슬러리 건조부 사이에 슬러리 저장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중탄산소다 제조장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 반응부 하부 및 제2 반응부 하부로 유입된 제1 처리가스는, 제2 반응부 상부에서 유입되는 가성소다 용액과 각각 접촉하여 제2 처리가스, 제2 슬러리 및 제3 슬러리를 생성하며,
상기 제2 슬러리, 제3 슬러리 및 미반응 가성소다 용액은, 상기 제1 반응부 하부에 체류하여 제2 혼합슬러리를 형성하고,
상기 제2 혼합슬러리의 일부는 상기 제1 반응부 하부에 구비된 제2 순환라인을 통해 상기 제1 반응부 상부로 순환 유입되어, 상기 제1 처리가스와 접촉하는 것을 특징으로 하는 연소배가스를 이용한 중탄산소다 제조장치.
제5항에 있어서, 상기 제2 혼합슬러리의 일부는 상기 제1 반응부 하부에 구비된 제1 이송라인을 통해 상기 제1 반응탑의 상부로 유입되어, 상기 연소배가스와 접촉하는 것을 특징으로 하는 연소배가스를 이용한 중탄산소다 제조장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 반응탑 하부에 생성되는 제1 슬러리의 pH는 8.5~9.0인 것을 특징으로 하는 연소배가스를 이용한 중탄산소다 제조장치.
제5항에 있어서, 상기 제1 반응부에서 생성되는 제2 슬러리의 pH는 10~11이며,
상기 제2 반응부에서 생성되는 제3 슬러리의 pH는 11~12인 것을 특징으로 하는 연소배가스를 이용한 중탄산소다 제조장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 반응탑 및 제2 반응탑의 직경은, 상기 유입되는 연소배가스 및 제1 처리가스의 선속도가 각각 50~80m/hr가 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연소배가스를 이용한 중탄산소다 제조장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 반응탑 높이(H1) 및 제2 반응탑 높이(H2)는, 각각 80~150cm인 것을 특징으로 하는 연소배가스를 이용한 중탄산소다 제조장치.
제1항에 있어서, 상기 제1 반응탑 높이(H1) 및 제2 반응탑의 높이(H2)는, 상기 제1 반응탑 및 제2 반응탑 직경의 12~15배로 형성되는 것을 특징으로 하는 연소배가스를 이용한 중탄산소다 제조장치.
제1항에 있어서, 상기 슬러리 건조부는, 상기 이송된 제1 혼합슬러리를 분리막을 통과하여 분체 및 슬러리 여과액으로 분리하는 분리 수단;
상기 분체를 건조하여 중탄산소다를 생성하는 건조 수단; 및
상기 생성된 중탄산소다를 저장하는 중탄산소다 저장부;를 포함하며,
상기 분리막 통과시, 상기 제1 혼합슬러리를 진동 에너지를 이용하여 분체 및 슬러리 여과액으로 분리하며,
상기 분리된 슬러리 여과액은 상기 제1 반응탑 상부로 유입되는 것을 특징으로 하는 연소배가스를 이용한 중탄산소다 제조장치.
제11항에 있어서, 상기 건조 수단은 상기 분체를 40~70℃로 건조하는 것을 특징으로 하는 연소배가스를 이용한 중탄산소다 제조장치.
제1항의 중탄산소다 제조장치를 이용한 중탄산소다 제조방법이며,
상기 제1 반응탑의 상부에서 공급되는 가성소다 용액 및 하부에서 유입되는 연소배가스가 접촉하여 제1 처리가스 및 제1 슬러리를 생성하는 단계; 및
상기 제1 처리가스가 제1 가스라인을 통해 제2 반응탑의 제1 반응부 하부 및 제2 반응부 하부로 분기하여 유입되어, 상기 제1 반응부 하부 및 제2 반응부 하부로 유입된 제1 처리가스가, 제2 반응부 상부에서 유입되는 가성소다 용액과 접촉하는 단계;를 포함하며,
상기 제1 슬러리 및 미반응 가성소다 용액은, 상기 제1 반응탑의 하부에 체류하여 제1 혼합슬러리를 형성하며,
상기 제1 혼합슬러리는, 상기 제1 반응탑의 하부에 구비된 슬러리 건조부로 이송되어, 중탄산소다를 생성하는 것을 특징으로 하는 연소배가스를 이용한 중탄산소다 제조방법.