KR20200036416A - 화력발전소 폐가스 에너지를 이용한 이산화탄소 포집 및 담수 생산 방법 - Google Patents

화력발전소 폐가스 에너지를 이용한 이산화탄소 포집 및 담수 생산 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발전소 온배수를 이용하여 정삼투에 사용된 유도용액으로부터 담수를 회수하는 것과, 발전소 배가스를 유도용액 형성에 재활용하는 것을 포함하는 정삼투 담수화 방법 및 시스템에 관한 것이다.

Description

화력발전소 폐가스 에너지를 이용한 이산화탄소 포집 및 담수 생산 방법 {Process of collecting carbon dioxide and desalination using energy of waste gas from thermal power plant}
본 발명은 화력발전소 폐가스 에너지를 이용한 이산화탄소 포집 및 담수 생산 방법에 관한 것이다.
화력발전소는 화석연료를 연소시켜 고온, 고압의 증기를 발생시키고, 이 증기를 이용하여 증기 터빈을 돌림으로써 발전한다. 화력발전소는 다른 발전소에 비해 입지 조건이 까다롭지 않아 대도시, 산업단지 근처에 입지할 수 있으며, 발전소 건설 기간이 짧고 건설 비용이 저렴한 것이 장점이다. 그러나, 화력발전소는 화석연료를 사용하여 대량의 이산화탄소를 발생시키며, 투입한 화석연료의 열량의 약 60%는 폐열로 발생하게 된다. 또한, 화력발전에 사용된 온배수의 직접 해양 배출은 해수의 온도를 상승시켜 생태계를 변화시키고 지구 온난화를 유발하는 문제점이 있다.
해수담수화는 지구상에 존재하는 물의 약 98%를 차지하는 해수로부터 염분을 포함하는 용질을 제거하여 식수, 생활용수, 공업용수로 얻는 기술을 의미한다. 해수담수화의 대표적인 기술로는 증발법, 삼투법이 있다. 이 중에서, 증발법은 다단플래쉬법 (MSF), 다중효용법 (MED) 등이 있으며, 해수를 증발시켜 증기를 만든 후에 응축시켜 담수를 생산한다. 삼투법에는 역삼투 및 정삼투법이 있으며, 정삼투법은 반투막으로 해수와, 해수보다 높은 농도의 유도용질이 용해된 유도용액을 구분하여, 삼투현상에 의해 해수로부터 물을 유도용액 쪽으로 투과시켜 회수한다. 그러나, 정삼투법은 희석된 유도용액으로부터 담수를 회수하는 과정이 필요한데, 이때 열 에너지를 사용하게 되는 경우 전체 공정의 경제성이 확보되지 않는 문제점이 있어 역삼투법에 비해 활용도가 낮은 것으로 취급되어 왔다.
종래 특허문헌 1에서는 해수담수화 기술 중 증발법에서 해수를 증발시키는 데에 대량의 에너지가 필요하고, 화력발전소에서는 대량의 폐열이 발생하는 점에 착안하여, 화력발전소에서 발생한 폐열을 이용하여 해수를 증발시켰다. 스팀 터빈 발전시 배출되는 스팀 폐열을 이용하여 해수를 증발시키고, 다공성막을 통해 수증기를 선택적으로 추출하여 담수화시켰다. 또한, 특허문헌 2에서는 해양선박에서 발생하는 폐열을 이용하여 해수를 증발시키는 등, 산업 폐열을 증발법 중 막 증류법 (membrane distillation)에 이용하여 담수화하는 방법이 연구되어 왔다.
그러나, 화력발전소 폐열이나 배가스를 정삼투에 이용하는 방법에 관해서는 연구가 더 필요한 실정이다.
KR 공개번호: 10-2016-0092263 KR 등록번호: 10-1459702
본 발명의 목적은 화력발전소에서 배출되는 온배수 및 배가스를 이용하는 정삼투 담수화 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 발전소 온배수 및 배가스를 이용하는 정삼투 담수화 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명자들은 발전소에서 배출되는 온배수의 폐열을 이용하여 정삼투에 사용된 유도용액으로부터 담수를 회수할 수 있고, 발전소에서 배출되는 배가스는 유도용액에 재활용할 수 있다는 점, 담수화 중에 발생하는 이산화탄소는 포집하여 재활용할 수 있다는 점에 착안하여 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명은 (a) 유도용액으로 해수를 막분리시키고 유도용액을 회수하는 단계, (b) 상기 (a) 단계에서 회수한 유도용액과 발전소 온배수를 열교환시켜 상기 유도용액을 담수 및 유도용질 기체로 분리하는 단계, (c) 상기 (b) 단계의 유도용질 기체를 암모니아 및 이산화탄소로 분리하는 단계, 및 (d) 상기 (b) 단계의 발전소 온배수와, 상기 (c) 단계의 암모니아 및 발전소 배가스로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 혼합하여 유도용액을 형성하는 단계를 포함하는 정삼투 담수화 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 삼투막을 포함하는 정삼투 모듈, 열교환기, 가스 분리기, 유체 순환 이송로, 발전소 배가스 주입 라인 및 유도용액 공급부를 포함하고, 상기 유체 순환 이송로는 유도용액 공급부, 정삼투 모듈, 열교환기 및 가스 분리기를 연결시키는 것이고, 상기 발전소 배가스 주입 라인은 상기 유도용액 공급부에 연결된 것인, 정삼투 담수화 시스템을 제공한다.
본 발명에 따라 발전소 온배수를 이용한 정삼투 담수화 방법이 제공된다. 회수한 담수는 식수, 생활용수, 공업용수로 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 발전소 배가스에 포함된 이산화탄소의 포집이 가능하며, 석탄화력발전소의 경우 배출되는 이산화탄소를 감축시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 포집된 이산화탄소를 정삼투 유도용액 제조, 탄산염 광물화, 미세 조류 배양, 유기산 또는 합성가스 생산에 재활용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구체례를 나타낸 모식도이다.
본 발명은 (a) 유도용액으로 해수를 막분리시키고 유도용액을 회수하는 단계, (b) 상기 (a) 단계에서 회수한 유도용액과 발전소 온배수를 열교환시켜 상기 유도용액을 담수 및 유도용질 기체로 분리하는 단계, (c) 상기 (b) 단계의 유도용질 기체를 암모니아 및 이산화탄소로 분리하는 단계, 및 (d) 상기 (b) 단계의 발전소 온배수와, 상기 (c) 단계의 암모니아 및 발전소 배가스로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 혼합하여 유도용액을 형성하는 단계를 포함하는 정삼투 담수화 방법에 관한 것이다.
(a) 유도용액으로 해수를 막분리시키고 유도용액을 회수하는 단계
본 발명의 정삼투 담수화 방법은 유도용액으로 해수를 막분리시키고 유도용액을 회수하는 것을 포함할 수 있다. 여기서 막분리에 사용되는 막은 삼투막으로서, 해수에 포함된 염분을 여과시킬 수 있는 것이면 소재 및 형태에 무관하게 사용할 수 있다. 유도용액은 해수에 포함된 염분보다 높은 농도의 유도용질을 포함하여 삼투막을 통해 해수로부터 물을 회수하기 위한 매질일 수 있다. 바람직하게는, 유도용액 1kg 중에 40 내지 200g의 유도용질이 용해된 것을 이용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는, 유도용액 1kg 중에 40 내지 100g의 유도용질이 용해된 것을 이용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 유도용액은 암모늄카보네이트, 암모늄바이카보네이트 및 암모늄카바메이트로 이루어진 군에서 선택되는 1 종 이상의 유도용질의 수용액일 수 있다.
(b) 상기 (a) 단계에서 회수한 유도용액과 발전소 온배수를 열교환시켜 상기 유도용액을 담수 및 유도용질 기체로 분리하는 단계
본 발명의 정삼투 담수화 방법은 상기 (a) 단계에서 회수한 유도용액과 발전소 온배수를 열교환시켜 상기 유도용액을 담수 및 유도용질 기체로 분리하는 것을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 열교환은 상기 발전소 온배수를 고온의 유체로 하여 상대적으로 저온의 유체에 해당하는 상기 (a)에서 회수한 유도용액을 가열시키는 것일 수 있다. 담수는 액체, 기체 또는 두 가지 모두의 형태로 회수할 수 있으며, 그 목적에 따라 식수, 생활용수, 공업용수 등에 사용될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 발전소 온배수는 화력발전소, 원자력 발전소 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 발전소로부터 배출되는 것일 수 있다. 화력발전소의 온배수 방류량은 발전소의 전기 출력 10MW당 대략 0.5t/sec일 수 있고, 원자력발전소의 온배수 방류량은 발전소의 전기 출력 10MW당 대략 0.8t/sec일 수 있다. 상기 발전소 온배수는 발전소의 터빈 가동에 사용되는 증기를 냉각수로 응축시킨 후에 배출되는 것이거나, 상기 냉각수로 사용되고 배출되는 것일 수 있다. 온배수는 상기 (a)에서 회수한 유도용액 전체를 기화시키거나, 유도용액의 온도를 높여 유도용액에 포함된 유도용질의 용해도를 감소시켜 기체로 유출시키기에 충분한 온도일 수 있다. 열교환되는 온배수와 유도용액의 유량의 비율은 2:1 내지 5:1일 수 있다.
(c) 상기 (b) 단계의 유도용질 기체를 암모니아 및 이산화탄소로 분리하는 단계
본 발명의 정삼투 담수화 방법은 상기 (b) 단계의 유도용질 기체를 암모니아 및 이산화탄소로 분리하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 유도용질 기체를 분리하는 것은 기체 분리막을 이용하거나, 기체의 확산 속도 차이를 이용하여 유도용질 기체로부터 암모니아 및 이산화탄소를 분리하는 것일 수 있다. 상기 기체 분리막은 다공성 분리막일 수 있으며, 폴리에틸렌, 폴리아미드, 폴리이미드, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리설폰, 폴리디메틸실록산, 폴리스티렌, 폴리비닐 아세테이트, 실리콘 및 세라믹으로 이루어진 군으로부터 1 종 이상 선택되는 재료를 포함할 수 있다. 또한, 상기 기체 분리막은 이산화탄소만 투과 가능하거나, 이산화탄소만 투과 가능하도록 변형된 다공성 분리막일 수 있다.
분리되는 이산화탄소는 액화하여 저장하거나, 압력 용기에 저장하여 사용할 수 있으며, 포집하여 저장한 이산화탄소는 탄산염 광물화, 바이오 디젤 생산, 미세 조류 배양에 사용될 수 있다.
(d) 상기 (b) 단계의 발전소 온배수와, 상기 (c) 단계의 암모니아 및 발전소 배가스로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 혼합하여 유도용액을 형성하는 단계
본 발명의 정삼투 담수화 방법은 상기 (b) 단계의 발전소 온배수와, 상기 (c) 단계의 암모니아 및 발전소 배가스로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 이용하여 유도용액을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 상기 암모니아 및 발전소 배가스로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 유도용질로 하여 담수 또는 발전소 온배수에 용해시키거나, 미리 준비한 유도용액에 추가적으로 용해시켜 유도용액을 형성하는 것일 수 있으며, 여기서 형성되는 유도용액의 유도용질 농도는 해수의 염도보다 높은 것일 수 있다. 바람직하게는, 유도용액 1kg 중에 40 내지 200g의 유도용질이 용해되도록 유도용액을 형성하는 것일 수 있으며, 더욱 바람직하게는, 유도용액 1kg 중에 40 내지 100g의 유도용질이 용해되도록 형성하는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 발전소 배가스는 이산화탄소, 질소, 질소산화물 및 황산화물로 이루어진 군으로부터 1 종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 상기 배가스는 전처리, 또는 후처리를 통해 황산화물을 제거하고, 유도용액 형성에 이용할 수 있다.
또한, 본 발명은 삼투막을 포함하는 정삼투 모듈, 열교환기, 분리막을 포함하는 가스 분리기, 유체 순환 이송로, 발전소 배가스 주입 라인 및 유도용액 공급부를 포함하는 정삼투 담수화 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 정삼투 모듈의 삼투막은 해수에 포함된 염분을 여과시킬 수 있는 것이면 소재 및 형태에 무관한 것일 수 있다. 삼투막의 소재는 예를 들어 폴리아미드, 폴리비닐알콜, 셀룰로오스, 메틸셀룰로오스, 셀룰로오스 아세테이트 또는 폴리설폰일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 삼투막의 형태는 예를 들어 판형, 관형 또는 나선형일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 정삼투 모듈은 해수 및 유도용액의 유입구 및 유출구를 각각 포함하고, 해수를 삼투막을 통해 정삼투시킬 수 있는 것이면 그 형태에 무관하게 이용할 수 있다. 예를 들어, 정삼투 모듈에서 상기 해수 및 유도용액의 각 유입구 및 유출구와 삼투막은 하나 이상일 수 있으며, 정삼투 모듈 내로의 해수와 유도용액의 유입 방향은 동일하거나 서로 반대 방향일 수 있다. 정삼투 모듈은 해수 및 유도용액의 각 유입구 및 유출구와 삼투막을 포함하는 개별 모듈이 다단으로 연결된 구조일 수 있다. 또한, 정삼투 모듈은 이물질 제거를 위한 전처리부를 더 포함하여, 삼투막에 이물질이 축적되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 정삼투 담수화 시스템은 유도용액 공급부를 더 포함할 수 있다. 유도용액 공급부는 미리 제조된 유도용액을 저장하거나, 유도용액 제조 및 저장에 사용되는 것일 수 있다. 유도용액 공급부는 하나 이상의 유입구 및 유출구를 포함할 수 있으며, 유체 순환 이송로를 통해 정삼투 모듈, 열교환기 및 가스 분리기와 연결될 수 있다.
본 발명에 있어서, 열교환기는 상기 정삼투 모듈로부터 유출된 유도용액을 발전소 온배수와 열교환시켜 담수와 유도용질 기체로 분리시키는 것일 수 있다. 열교환기는 유도용액 유입구, 담수 유출구, 유도용질 기체 유출구, 및 발전소 온배수의 유입구 및 유출구를 각각 포함하고, 유도용액의 유입구는 상기 정삼투 모듈의 유도용액 유출구와 유체 순환 이송로를 통해 연결된 것일 수 있다. 유도용액 유입 방향과 온배수 유입 방향은 서로 반대일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
본 발명에 있어서, 상기 가스 분리기는 상기 유도용질 기체를 암모니아와 이산화탄소로 분리시키는 것일 수 있다. 상기 가스 분리기는 기체 분리막을 이용하거나, 기체의 확산 속도 차이를 이용하여 유도용질 기체로부터 암모니아 및 이산화탄소를 분리시키는 것일 수 있다. 여기서 기체 분리막은 다공성 분리막일 수 있으며, 폴리에틸렌, 폴리아미드, 폴리이미드, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리설폰, 폴리디메틸실록산, 폴리스티렌, 폴리비닐 아세테이트, 실리콘 및 세라믹으로 이루어진 군으로부터 1 종 이상 선택되는 재료를 포함할 수 있다. 또한, 상기 기체 분리막은 이산화탄소만 투과 가능하거나, 이산화탄소만 투과 가능하도록 변형된 다공성 분리막일 수 있다.
본 발명에 있어서, 유체 순환 이송로는 상기 유도용액 공급부, 정삼투 모듈, 열교환기 및 가스 분리기를 서로 연결하여 순환 루프를 형성하는 것일 수 있다. 예를 들어, 유체 순환 이송로는 유도용액 공급부의 유출부와 정삼투 모듈의 유도용액 유입부, 정삼투 모듈의 유도용액 유출부와 열교환기의 유도용액 유입구, 열교환기의 유도용질 기체 유출부와 가스 분리기의 유입구, 가스분리기의 유출구와 유도용액 공급부의 유입부를 연결하는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서, 발전소 배가스 주입 라인은 상기 유도용액 공급부에 연결될 수 있다. 상기 발전소 배가스는 화력발전소, 원자력 발전소 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 발전소로부터 배출되는 것일 수 있으며, 이산화탄소, 질소, 질소산화물 및 황산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 종 이상을 포함할 수 있다. 발전소 배가스 주입 라인은 유도용액 공급부에 연결되어 배가스를 공급하고, 이는 발전소 온배수와 혼합되어 유도용액을 형성할 수 있다. 또한, 상기 배가스와 발전소 온배수에 상기 가스 분리기를 통해 공급되는 암모니아를 더 혼합하여 유도용액을 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 정삼투 담수화 방법 및 이를 이용하는 시스템에 관한 일 구체례를 나타낸 것이다. 도 1의 정삼투 방법 (1)은 본 발명에 따른 정삼투 담수화 방법의 (a) 단계로서, 삼투막을 포함하는 정삼투 모듈에서 유도용액을 이용하여 해수를 정삼투시키는 것을 나타낸다. 유도용질로는 암모늄바이카보네이트를 사용하였으며, 상기 유도용액의 암모늄바이카보네이트 농도는 해수의 염도보다 더 높은 것이다. 정삼투 이후에 회수된 해수는 염분이 농축된 형태로 회수하며, 유도용액은 이송로를 통해 열교환기로 이송시킨다. 열교환기에서 상기 유도용액과 화력발전소로부터 배출된 온배수를 열교환시키는 것 (2)은 본 발명에 따른 정삼투 담수화 방법의 (b) 단계로서, 암모늄바이카보네이트를 포함하는 유도용액을 암모니아, 이산화탄소 및 수증기의 형태로 분리시킨다. 수증기는 담수로 회수하고, 암모니아 및 이산화탄소는 이송로를 통해 가스 분리기로 이송시킨다. 상기 기체의 혼합물을 가스 분리기에서 분리시키는 것 (3)은 본 발명에 따른 정삼투 담수화 방법의 (c) 단계로서, 이산화탄소만 투과시킬 수 있을 정도의 크기의 다공성 구조를 갖도록 변형된 폴리이미드 막인 기체 분리막을 이용하여 상기 기체 혼합물로부터 암모니아와 이산화탄소를 분리시킨다. 포집한 이산화탄소는 (4) 액화하여 저장하거나, 압력 용기에 저장하여 활용한다. 회수한 암모니아는 유도용액 공급부로 이송 및 용해시켜 재활용한다. 이때, 화력발전소로부터 배출된 배가스를 유도용액 공급부에 공급하여 유도용액을 형성시키고, 형성된 유도용액을 정삼투 모듈에 공급하여 정삼투 방법 (1)에 이용한다.
본 발명에 따른 정삼투 담수화 시스템에 관한 일 구체례는 정삼투 모듈, 열교환기, 가스 분리기, 유도용액 공급부, 유체 순환 이송로 및 발전소 배가스 주입 라인을 포함한다 (도 1). 유체 순환 이송로는 유도용액 공급부의 유출부와 정삼투 모듈의 유도용액 유입부, 정삼투 모듈의 유도용액 유출부와 열교환기의 유도용액 유입구, 열교환기의 유도용질 기체 유출부와 가스 분리기의 유입구, 가스분리기의 유출구와 유도용액 공급부의 유입부를 연결하여 정삼투 담수화 시스템에서 유도용액을 순환시킨다. 발전소 배가스 주입 라인은 상기 유도용액 공급부에 연결되어 배가스를 유도용액 공급부에 공급한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 다양하게 변형된 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 발명의 설명은 모든 면에 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허등록청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허등록청구범위의 의미 및 범위, 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (6)

  1. (a) 유도용액으로 해수를 막분리시키고 유도용액을 회수하는 단계;
    (b) 상기 (a) 단계에서 회수한 유도용액과 발전소 온배수를 열교환시켜 상기 유도용액을 담수 및 유도용질 기체로 분리하는 단계;
    (c) 상기 (b) 단계의 유도용질 기체를 암모니아 및 이산화탄소로 분리하는 단계; 및
    (d) 상기 (b) 단계의 발전소 온배수와, 상기 (c) 단계의 암모니아 및 발전소 배가스로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 혼합하여 유도용액을 형성하는 단계;
    를 포함하는 정삼투 담수화 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 (a) 단계의 유도용액은 암모늄카보네이트, 암모늄바이카보네이트 및 암모늄카바메이트로 이루어진 군에서 선택되는 1 종 이상의 수용액인, 정삼투 담수화 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 발전소 온배수는 화력발전소, 원자력 발전소 또는 이들의 조합으로부터 선택되는 발전소로부터 배출되는 것인, 정삼투 담수화 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 (c) 단계는 폴리에틸렌, 폴리아미드, 폴리이미드, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리설폰, 폴리디메틸실록산, 폴리스티렌, 폴리비닐 아세테이트, 실리콘 및 세라믹으로 이루어진 군으로부터 1 종 이상 선택되는 재료를 포함하는 기체 분리막을 이용하여 유도용질 기체를 분리하는 것인, 정삼투 담수화 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서 발전소 배가스는 이산화탄소, 질소, 질소산화물 및 황산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 종 이상을 포함하는 것인, 정삼투 담수화 방법.
  6. 삼투막을 포함하는 정삼투 모듈;
    열교환기;
    가스 분리기;
    유체 순환 이송로;
    발전소 배가스 주입 라인; 및
    유도용액 공급부를 포함하고,
    상기 유체 순환 이송로는 유도용액 공급부, 정삼투 모듈, 열교환기 및 가스 분리기를 연결시키는 것이고, 상기 발전소 배가스 주입 라인은 상기 유도용액 공급부에 연결된 것인, 정삼투 담수화 시스템.
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