KR20230114028A - 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템 및 그 방법 - Google Patents

선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따르는 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템은, 선박에서 배출되는 배가스를 전달받아 염기성 알칼리 혼합액과 반응시켜 배가스 중 이산화탄소를 포집하고, 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하며, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리하고, 상기 이산화탄소 반응물을 회수하여 저장하며, 상기 포집된 이산화탄소가 제거된 잔여 배가스를 배출하는 제1 반응기; 및 상기 제1 반응기와 연결되어 상기 제1 반응기로부터 상기 이산화탄소 반응물이 주입되는 이산화탄소 반응물 주입구와, 상기 이산화탄소 반응물이 주입되는 방향을 기준으로 대칭적으로 배치된 2개 이상의 해수 주입구들을 구비하는 제2 반응기를 포함하고, 상기 제2 반응기는 수평형 반응기로서, 상기 이산화탄소 반응물이 주입되는 방향을 기준으로 유입된 해수로 인해 형성되는 난류 유동 영역(turbulent flow zone)과 층류 유동 영역(laminar flow zone)이 순차적으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 제1 반응기에서 이산화탄소와 염기성 알칼리 수용액을 반응시켜 선박에 있어서의 이산화탄소를 제거하는 동시에 다른 유용한 물질로 자원화할 수 있다. 또한, 상기 제1 반응기에서 생성된 유용한 물질인 이산화탄소 반응물을 해수와 함께 수평형 광물화 반응기인 제2 반응기에 유입시켜 탄산염 광물을 생성함으로써 선박 상에서 보다 컴팩트한 규모로 선박에서 배출되는 배기가스 내의 이산화탄소의 탄산염 전환율을 증가시킬 수 있다.

Description

선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템{Carbon dioxide capture and carbon resource conversion system for ship}
본 발명은 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 육상에서와 다른 선박의 환경적인 제약 조건을 고려하면서 염기성 알칼리 혼합액을 이용한 배가스 중 이산화탄소를 포집 및 탄소자원으로 변환함으로써, 선박에 있어서 이산화탄소를 제거하는 동시에 다른 유용한 물질로 자원화할 수 있는 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템에 관한 것이다.
국가간 운송수단 중 하나인 선박은, 그 수가 기하급수적으로 증가하면서 선박으로부터 배출되는 기름 및 배기가스에 의한 해양 및 대기 오염이 지구온난화와 해양생태계 파괴를 가속시키고 있는 실정이다.
또한, 국제해사기구(IMO)의 해양환경보호위원회(MEPC)에서는 기후변화협약에 대응하기 위해 각 당사국으로 하여금 교토의정서에 따라 CO2, CH4, N2O, HFC, PFC, SF6 등 6가지 지구 온난화가스에 대한 인덱싱 평가 결과보고서를 제출하도록 하여 국내에서도 관련 연구의 필요성이 한층 부각되고 있는 상황이다.
이에 따라, 기존의 HFO(Heavy Fuel Oil)와 MDO(Marine Diesel Oil)에서 LNG(Liquefied Natural Gas)로 변화하는 추세이지만, LNG를 연료로 사용하면 NOx와 SOx와 관련된 규제는 만족시킬 수 있지만, 추후 강화되는 이산화탄소 배출과 관련된 규제를 만족시키기는 어렵다.
이에 대해, 이산화탄소 배출을 저감하는 방법 중 하나는 연소 가스에서 이산화탄소를 포집하여 해양, 지중 등의 지하장소에 주입하여 저장하는 CCS(Carbon Capture and Storage), 1차 또는 2차 회수 후에도 지하에 남아 있는 석유를 이산화탄소를 주입하여 회수하는 석유회수증진법(EOS, Enhanced Oil Recovery) 등의 이산화탄소 처리 기술이 선박에서도 응용되고 있다.
그러나, 원유 운반선에서 발생한 배기가스 중의 이산화탄소를 처리하기 위해서는 발생한 이산화탄소를 포집하여 외부로 이송해야 하므로 비용이 많이 들고 이산화탄소의 액화공정 등 시스템이 복잡하다는 단점이 있다.
또한, 종래의 선박에 적용된 이산화탄소 제거장치는 이산화탄소 제거 효율이 낮고 처리 비용이 높은 것으로 알려져 있으며, 공간이 한정된 선박에 설치 운용이 어려운 문제점이 있다.
특히, 선상에서 배출되는 이산화탄소를 처리하기 위해서는 육상에서와 달리 선박의 환경적인 제약 조건을 고려해야 한다. 구체적으로, 선박이 해수 상에서 운행 시에는 해수의 흐름에 따라 흔들릴 수밖에 없어 균일한 기액 접촉이 어려울 수 있고 선박에 탑재하여 사용된다는 점을 고려할 때 반응기를 보다 컴팩트한 규모로 설계할 필요가 있다.
따라서, 선박에서의 환경적인 제약 조건을 고려하면서 종래 기술 대비 간단한 시스템 구성으로 선박에서 배출되는 이산화탄소를 효율적으로 저감시키기 위한 방안이 절실하다.
한국공개특허 제10-2017-0050383호 (2017.05.11. 공개)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명은 육상에서와 다른 선박의 환경적인 제약 조건을 고려하면서 염기성 알칼리 혼합액을 이용한 배가스 중 이산화탄소를 포집 및 탄소자원으로 변환함으로써, 선박에 있어서 이산화탄소를 제거하는 동시에 다른 유용한 물질로 자원화할 수 있는 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 제1 반응기에서 이산화탄소와 염기성 알칼리 수용액을 반응시켜 생성된 이산화탄소 반응물을 수평형 광물화 반응기인 제2 반응기에 해수와 함께 유입시켜 탄산염 광물을 생성함으로써 선박 상에서 보다 컴팩트한 규모로 전체 시스템의 내구성을 유지하면서 선박에서 배출되는 배기가스 내의 이산화탄소의 탄산염 전환율을 증가시킬 수 있는 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템은, 선박에서 배출되는 배가스를 전달받아 염기성 알칼리 혼합액과 반응시켜 배가스 중 이산화탄소를 포집하고, 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하며, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리하고, 상기 이산화탄소 반응물을 회수하여 저장하며, 상기 포집된 이산화탄소가 제거된 잔여 배가스를 배출하는 제1 반응기; 및 상기 제1 반응기와 연결되어 상기 제1 반응기로부터 상기 이산화탄소 반응물이 주입되는 이산화탄소 반응물 주입구와, 상기 이산화탄소 반응물이 주입되는 방향을 기준으로 대칭적으로 배치된 2개 이상의 해수 주입구들을 구비하는 제2 반응기를 포함하고, 상기 제2 반응기는 수평형 반응기로서, 상기 이산화탄소 반응물이 주입되는 방향을 기준으로 유입된 해수로 인해 형성되는 난류 유동 영역(turbulent flow zone)과 층류 유동 영역(laminar flow zone)이 순차적으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 반응기 내에 유입되는 해수는 두 방향에서 접선방향으로 유입되어 접선유동을 생성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 난류 유동 영역은 이산화탄소 반응물과 해수가 반응하여 탄산염 광물을 생성하는 영역이고, 상기 층류 유동 영역은 상기 생성된 탄산염 광물의 입자가 성장하는 영역인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 반응기는, 염기성 알칼리 혼합액을 공급하는 믹서; 상기 믹서로부터 공급된 염기성 알칼리 혼합액과 하부에 설치된 버블러를 통과하여 미세 방울이 형성된 배가스를 반응시켜 상기 배가스 중 이산화탄소를 포집하는 흡수탑; 상기 흡수탑에서 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하고, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리하는 분리기; 상기 분리된 이산화탄소 반응물을 자원화하기 위해 저장하는 탄소자원 저장소; 및 상기 흡수탑에서 포집된 이산화탄소가 제거된 잔여 배가스를 배출하는 배출부;를 포함한다.
또한, 상기 믹서는 염기성 알칼리 용액 저장조에서 공급된 염기성 알칼리 용액과 급수원에서 공급된 물을 혼합시켜 염기성 알칼리 혼합액을 생성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 염기성 알칼리 용액과 물은 1:1 내지 1:5의 비율로 혼합하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 염기성 알칼리 혼합액의 평균 pH는 pH12 내지 pH13.5인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 염기성 알칼리 혼합액은, SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, MgO, MnO, CaO, Na2O, K2O 및 P2O3로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 산화물; Li, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Sr, Cd 및 Pb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속; 및, 사붕산나트륨(Na2B4O7·10H2O), 수산화나트륨(NaOH), 규산나트륨(Na2SiO3), 수산화칼륨(KOH) 및 과산화수소(H2O2)로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상의 액상 조성물;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 흡수탑은 상부에 설치된 다수의 노즐을 통해 상기 믹서로부터 염기성 알칼리 혼합액을 공급하는 것을 특징으로 하는 육상용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
또한, 상기 흡수탑 내의 염기성 알칼리 혼합액의 수위가 90% 미만으로 낮아지면 상기 믹서에서 밸브를 통해 조절되어 염기성 알칼리 혼합액이 투입되고 상기 염기성 알칼리 혼합액의 수위가 100%가 될 경우 투입이 중단되고, 그와 동시에 염기성 알칼리 혼합액의 pH가 12 내지 13.5가 될 때까지 염기성 알칼리 용액과 물을 혼합하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 버블러는 상기 배가스를 이용하여 배가스 마이크로버블을 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 흡수탑은, 통형상의 본체, 모터, 상기 모터에 의해 회전되는 회전축, 및 상기 회전축에 의해 동작적으로 연결된 회전날개를 포함하며, 상기 회전축과 상기 회전날개는 상기 본체의 내부에 위치되고, 상기 회전날개는 상기 염기성 알칼리 혼합액이 기포 형태로 분사될 수 있는 다수의 노즐이 길이 방향으로 일정 간격을 두고 형성되며, 상기 회전축으로 상기 믹서로부터 공급된 염기성 알칼리 혼합액이 유입되고, 유입된 염기성 알칼리 혼합액은 상기 다수의 노즐을 통해서 상기 통형상의 본체 내부로 분사되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 흡수탑은, 상기 배가스가 토출되는 복수 개의 배가스 분출구가 형성되고, 상기 배가스 분출구의 직경은 2 내지 50 ㎛인 스파저;를 더 포함한다.
또한, 상기 제1 반응기는, 상기 흡수탑 내의 염기성 알칼리 혼합액의 수위 및 pH를 모니터링하는 모니터링부; 및 상기 모니터링부에 의해 염기성 알칼리 혼합액의 공급량을 조절하는 제어부;를 추가 포함한다.
또한, 상기 이산화탄소 반응물은 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 방법은, 제1 반응기는 선박에서 배출되는 배가스를 전달받아 염기성 알칼리 혼합액과 반응시켜 배가스 중 이산화탄소를 포집하여 이산화탄소 반응물을 생성하는 단계; 및 제2 반응기는 상기 제1 반응로부터 생성된 이산화탄소 반응물 및 해수를 유입시켜 이산화탄소 반응물과 해수를 반응시켜 탄산염 광물을 제공하는 단계를 포함하고, 상기 제2 반응기는 수평형 반응기로서, 상기 이산화탄소 반응물이 주입되는 방향을 기준으로 유입된 해수로 인해 형성되는 난류 유동 영역(turbulent flow zone)과 층류 유동 영역(laminar flow zone)이 순차적으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이산화탄소 반응물은 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 반응기는 선박에서 배출되는 배가스를 전달받아 염기성 알칼리 혼합액과 반응시켜 배가스 중 이산화탄소를 포집하여 이산화탄소 반응물을 생성하는 단계는, 염기성 알칼리 용액 저장조에서 공급된 염기성 알칼리 용액과 급수원에서 공급된 물을 1:1 내지 1:5의 비율로 혼합시켜 생성된 염기성 알칼리 혼합액과, 상기 선박에서 배출되는 배가스를 반응시켜 상기 배가스 중 이산화탄소를 포집하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 염기성 알칼리 혼합액의 평균 pH는 pH12 내지 pH13.5인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 염기성 알칼리 혼합액은, SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, MgO, MnO, CaO, Na2O, K2O 및 P2O3로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 산화물; Li, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Sr, Cd 및 Pb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속; 및, 사붕산나트륨(Na2B4O7·10H2O), 수산화나트륨(NaOH), 규산나트륨(Na2SiO3), 수산화칼륨(KOH) 및 과산화수소(H2O2)로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상의 액상 조성물;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 반응기는, 염기성 알칼리 혼합액을 공급하는 믹서; 상기 믹서로부터 공급된 염기성 알칼리 혼합액과 하부에 설치된 버블러를 통과하여 미세 방울이 형성된 배가스를 반응시켜 상기 배가스 중 이산화탄소를 포집하는 흡수탑; 상기 흡수탑에서 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하고, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리하는 분리기; 상기 분리된 이산화탄소 반응물을 자원화하기 위해 저장하는 탄소자원 저장소; 및 상기 흡수탑에서 포집된 이산화탄소가 제거된 잔여 배가스를 배출하는 배출부;를 포함한다.
또한, 상기 제1 반응기는 선박에서 배출되는 배가스를 전달받아 염기성 알칼리 혼합액과 반응시켜 배가스 중 이산화탄소를 포집하여 이산화탄소 반응물을 생성하는 단계는, 상기 흡수탑 내의 염기성 알칼리 혼합액의 수위가 90% 미만으로 낮아지면 상기 믹서에서 밸브를 통해 조절되어 염기성 알칼리 혼합액이 투입되고 상기 염기성 알칼리 혼합액의 수위가 100%가 될 경우 투입이 중단되고, 그와 동시에 염기성 알칼리 혼합액의 pH가 12 내지 13.5가 될 때까지 염기성 알칼리 용액과 물을 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 반응기는 상기 제1 반응로부터 생성된 이산화탄소 반응물 및 해수를 유입시켜 이산화탄소 반응물과 해수를 반응시켜 탄산염 광물을 제공하는 단계에서, 상기 제2 반응기는 수평으로 배치되고, 상기 제2 반응기 내에 유입되는 해수는 두 방향에서 접선방향으로 유입되어 접선유동을 생성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 난류 유동 영역은 이산화탄소 반응물과 해수가 반응하여 탄산염 광물을 생성하는 영역이고, 상기 층류 유동 영역은 상기 생성된 탄산염 광물의 입자가 성장하는 영역인 것을 특징으로 한다.
개시된 기술의 실시 예들은 다음의 장점들을 포함하는 효과를 가질 수 있다. 다만, 개시된 기술의 실시 예들이 이를 전부 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 육상에서와 다른 선박의 환경적인 제약 조건을 고려하면서 염기성 알칼리 혼합액을 이용한 배가스 중 이산화탄소를 포집 및 탄소자원으로 변환함으로써, 선박에 있어서 이산화탄소를 제거하는 동시에 다른 유용한 물질인 탄산나트륨 또는 탄산수소나트륨을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 제1 반응기에서 이산화탄소와 염기성 알칼리 수용액을 반응시킨 후에, 생성된 이산화탄소 반응물인 탄산나트륨 또는 탄산수소나트륨을 제2 반응기에 해수와 함께 유입시켜 탄산염 광물을 생성함으로써 선박 상에서 보다 컴팩트한 규모로 전체 시스템의 내구성을 유지하면서 선박에서 배출되는 배기가스 내의 이산화탄소의 탄산염 전환율을 증가시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면 온실가스 감축에도 기여하며, 식품 첨가제, 세제, 비누 원료, 첨단 의료산업, 폐수처리 등 다양한 산업 분야에 활용되는 탄산염을 제조함으로 인한 수익 창출 효과도 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 반응기를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 반응기의 이산화탄소 포집 성능을 향상시키기 위한 흡수탑의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 반응기를 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템을 개략적으로 나타낸 개념도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 반응기를 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 반응기의 이산화탄소 포집 성능을 향상시키기 위한 흡수탑의 구성을 개략적으로 도시한 도면이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 반응기를 나타낸 도면이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템을 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템은 선박의 보일러, 소각로, 엔진에서 발생되는 배기가스 내의 이산화탄소를 이용하여 유용한 물질인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 포함하는 이산화탄소 반응물을 생성하고, 상기 생성된 이산화탄소 반응물과 해수와의 반응을 통해서 탄산염 광물의 생성 효율을 높일 수 있는 시스템으로서, 그 구성으로는 제1 반응기(100); 및 제2 반응기(200), 바람직하기로 수평형 광물화 반응기를 포함하고, 선택적으로 고액 분리기(300)를 포함할 수 있다.
상기 제1 반응기(100)는 상기 제1 반응기(100)는 선박에서 배출되는 배가스를 전달받아 염기성 알칼리 혼합액과 반응시켜 배가스 중 이산화탄소를 포집하고, 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하며, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리하고, 상기 이산화탄소 반응물을 회수하여 저장하며, 상기 포집된 이산화탄소가 제거된 잔여 배가스를 배출할 수 있다. 여기서, 이산화탄소 반응물은 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 포함한다.
그 다음, 상기 이산화탄소 반응물은 수평형 광물화 반응기인 제2 반응기(200) 내에 유입되고, 여기에 해수가 유입되어 제2 반응기(200)에서는 해수 내 양이온과 상기 이산화탄소 반응물 간의 반응으로 탄산염 광물을 형성시킬 수 있다.
상기 제2 반응기(200) 내에서 형성된 탄산염 광물은 고액 분리기를 통해서 분리될 수 있다. 여기서, 고액 분리기는 원심분리법을 이용하여 분리하는 것일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 반응기를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 반응기(100)는 선박에서 배출되는 배기가스 중 이산화탄소를 포집함으로써 이산화탄소를 저감시킬 수 있고, 상기 포집된 이산화탄소를 이용하여 탄산나트륨 또는 탄산수소나트륨으로 탄소자원화시킬 수 있는 구조를 갖는다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 반응기(100)는 염기성 알칼리 용액을 이용하여 선박에서 배출되는 배가스 중 이산화탄소를 포집하는 반응기으로서, 흡수탑(110), 이산화탄소 포집부(111), 배가스 배출원(120), 믹서(130), 분리기(140), 탄소자원 저장조(141) 및 배출부(150)를 포함한다.
상기 흡수탑(110)은 이산화탄소를 포집하는 시설, 건물, 설비 등을 의미하는 것일 수 있다. 또한, 상기 흡수탑(110)의 하단에 위치하는 이산화탄소 포집부(111)는 흡수탑(110)의 일부분이며, 배가스를 버블링하여 이산화탄소를 포집하는 부분을 의미하는 것일 수 있다.
상기 흡수탑(110)은 이산화탄소가 포집되는 이산화탄소 포집부(111)를 하단에 포함하여, 염기성 알칼리 혼합액과 배가스(배가스 마이크로버블)를 반응시켜 선박에서 배출되는 배가스 중 이산화탄소만을 포집한다. 상기 배가스 중 이산화탄소를 포집한 후, 상기 흡수탑(110)에는 이산화탄소가 제거된 배가스가 기체 상태로 남아있는 것일 수 있다.
상기 흡수탑(110)은 상부에 노즐이 설치되어 믹서(130)로부터 상기 노즐을 통해 염기성 알칼리 혼합액이 흡수탑(110) 내에 분사되고, 하단의 이산화탄소 포집부(111)에 모인다. 상기 염기성 알칼리 혼합액이 분사되는 동시에 배가스 배출원(120)으로부터 공급된 배가스가 흡수탑(110) 하부의 이산화탄소 포집부(111) 내의 버블러(113)를 통과하여 마이크로버블(microbubble)이 생성된 배가스가 공급되며, 상기 이산화탄소 포집부(111) 내에서 염기성 알칼리 혼합액과 배가스 마이크로버블이 반응하여 이산화탄소를 포집한다. 상기 마이크로버블은 염기성 알칼리 혼합액에 배기가스를 반응시킬 때 배가스 배출원(120)의 출구에 미세한 구멍이 형성된 버블러(113)를 통과하면서 버블이 형성된다.
상기 버블러(113)는 배가스 배출원(120)으로부터 공급된 배가스를 통과시킴으로써 배가스에 마이크로버블을 형성할 수 있고, 상기 마이크로버블은 버블의 크기가 작을수록 배가스와 알칼리 용액의 반응면적이 넓어져 이산화탄소의 포집 능력이 증가하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 마이크로버블은 약 50 ㎛ 이하의 크기를 가지는 수용액 상에 존재하는 기포를 의미하는 것일 수 있다.
상기 버블러(113) 이외에도 후술하는 도 3애서 도시된 바와 같이 상기 흡수탑(110)은 배가스가 토출되는 복수 개의 배가스 분출구가 형성되고, 상기 배가스 분출구의 직경은 2 내지 50 ㎛인 스파저(122)를 구비할 수 있다.
또한, 상기 흡수탑(110)은 내부에 레벨 인디케이터(level indicator)(112)를 포함하여 흡수탑(110) 내의 용액의 수위를 감지할 수 있다.
상기 노즐은 다수의 노즐을 포함할 수 있고, 1단 이상의 단으로 형성될 수 있다. 상기 노즐은 믹서(130)와 연결되어 믹서(130)로부터 염기성 알칼리 혼합액을 공급할 수 있다.
상기 흡수탑(110)은 직렬, 병렬, 또는 직렬과 병렬 복합 배열로 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 흡수탑(110)은 배기가스의 유속이 빠른 경우 직렬로 배열하는 것일 수 있다. 유속이 빨라 반응이 안된 이산화탄소가 흡수탑에서 배출되는 경우 흡수탑을 직렬로 설치하여 미반응 이산화탄소를 포집할 수 있다.
또한, 예를 들어, 상기 흡수탑(110)은 배기가스의 유량이 많은 경우 병렬로 배열하는 것일 수 있다. 배기가스의 유량이 흡수탑이 포집할 수 있는 양을 초과하는 경우 흡수탑을 병렬로 하여 포집 가능한 이산화탄소의 양을 늘릴 수 있다.
상기 배가스 배출원(120)은 이산화탄소를 배출하는 모든 가스를 활용할 수 있고, 본 발명의 일 실시예에 따르면 선박의 보일러, 소각로, 엔진에서 배출되는 배기가스일 수 있다.
상기 믹서(130)은 염기성 알칼리 용액 저장조(131)에서 공급된 염기성 알칼리 용액과 급수원(132)에서 공급된 물을 혼합하여, 상기 흡수탑(110)의 노즐로 공급한다.
상기 염기성 알칼리 용액과 물이 혼합된 염기성 알칼리 혼합액은 공급량 또는 필요량이 많아질 경우 별도로 연결된 바이패스(by-pass)(136) 라인을 이용하여 공급할 수 있다.
상기 염기성 알칼리 용액과 물은 1:1 내지 1:5의 비율로 혼합하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 염기성 알칼리 용액과 물은 1:1 내지 1:4, 1:1 내지 1:3, 1:1 내지 1:2, 1:2 내지 1:5, 1:2 내지 1:3 또는 1:3 내지 1:5의 비율로 혼합하는 것일 수 있다.
상기 염기성 알칼리 용액과 물은 염기성 알칼리 용액의 혼합비가 증가할수록 이산화탄소 포집률이 증가할 수 있으나, 비용적인 측면을 고려하여 물의 혼합비를 조절할 수 있다.
상기 염기성 알칼리 혼합액은, SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, MgO, MnO, CaO, Na2O, K2O 및 P2O3로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 산화물; Li, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Sr, Cd 및 Pb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속; 및, 사붕산나트륨(Na2B4O7·10H2O), 수산화나트륨(NaOH), 규산나트륨(Na2SiO3), 수산화칼륨(KOH) 및 과산화수소(H2O2)로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상의 액상 조성물;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 급수원(132)은 시스템 설치 장소에서 용이하게 구할 수 있는 모든 용수를 포함할 수 있고, 예를 들어, 해수일 수 있다.
상기 염기성 알칼리 혼합액의 평균 pH는 pH12 이상인 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 pH는 pH12 내지 pH13.5, pH12, pH12,1, pH12,2 또는 pH12.3일 수 있다. 상기 염기성 알칼리 혼합액의 pH는 상기 흡수탑(110) 내의 pH meter로 측정될 수 있으며, 상기 흡수탑(110) 내의 염기성 알칼리 혼합액의 pH가 10.5 미만이 되면 더 이상 이산화탄소 포집을 하지 못하기 때문에, 상기 염기성 알칼리 혼합액의 pH를 맞추기 위해, 상기 염기성 알칼리 용액과 물의 양은 각각의 밸브(133, 134)에서 0 내지 100%까지 조절하여 믹서(130)로 공급될 수 있다.
상기 흡수탑(110) 내의 염기성 알칼리 혼합액의 수위가 90% 미만(level indicator로 측정)으로 낮아지면 상기 믹서(130)에서 밸브(135)를 통해 조절되어 염기성 알칼리 혼합액이 투입되고 용액의 수위가 100%가 될 경우 투입이 중단될 수 있다. 그와 동시에 염기성 알칼리 혼합액의 pH가 pH12 내지 pH13.5가 될 때까지 염기성 알칼리 용액과 물을 혼합하는 것일 수 있다.
상기 흡수탑(110)으로 공급되는 염기성 알칼리 혼합액의 양과 상기 분리기(140)에서 나가는 용액의 양이 동일해서 지속적으로 이산화탄소 포집 시스템을 유지할 수 있기 때문에, 상기 흡수탑(110)에서 분리기(140)로 가는 라인에 설치된 flow meter 값과 동일한 양의 염기성 알칼리 혼합액이 흡수탑(110)에 공급되도록 밸브(135)(필요시 by-pass 밸브 포함)를 조절하여 net flow를 0로 만드는 것일 수 있다.
상기 흡수탑(110)의 이산화탄소 포집부(111)에서 염기성 알칼리 혼합액과 배가스가 반응하여 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하고, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액은 밸브(114)를 통해 분리기(140)로 이동하여, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리한다. 예를 들어, 상기 분리기(140)는 원심분리법을 이용하여 분리하는 것일 수 있다.
상기 분리된 이산화탄소 반응물은 탄소자원 저장소(141) 및 제2 반응기(200)로 이동되거나, 또는 회수되어 제2 반응기(200)로 바로 이동되어 제2 반응기(200)에서 해수와 반응할 수 있다. 여기서, 상기 이산화탄소 반응물은 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 포함한다.
상기 이산화탄소 반응물은 하기 <반응식 1>에서와 같이, 염기성 알칼리 혼합물과 이산화탄소가 반응하여 생성될 수 있다.
<반응식 1>
2NaOH + CO2 → Na2CO3 + H2O
Na2CO3 + H2O + CO2 → 2NaHCO3
상기 반응물에서 이산화탄소 반응물을 제외한 폐용액은 폐수 처리조(142)로 이동되어 폐기된다. 예를 들어, 상기 폐용액은 촉매 역할을 끝낸 염기성 알칼리 혼합액에 함유되어 있던 일라이트 광물 및 물 등을 포함할 수 있다.
상기 이산화탄소 포집부(111)에서 이산화탄소 포집 후 이산화탄소가 제거된 잔여 배가스는 배출부(150)를 통해 배출된다. 예를 들어, 상기 배출부(150)를 통해 배출되는 잔여 배가스는 배가스에서 이산화탄소가 제거된 배가스와 일부 소량의 포집되지 못한 이산화탄소가 포함될 수 있다.
이때, 상기 잔여 배가스는 배출 시 이산화탄소의 농도가 규제 기준치를 초과할 수 없으므로, 상기 잔여 배가스가 배출될 대기 속 이산화탄소의 농도를 기준으로 하여(관리자가 미리 대기의 이산화탄소 농도의 측정 후 설정한 기준) 기준을 초과하지 않는 잔여 배가스를 배출할 수 있다.
상기 제1 반응기(100)는, 상기 흡수탑 내의 염기성 알칼리 혼합액의 수위 및 pH를 모니터링하는 모니터링부(160); 및 상기 모니터링부(160)에 의해 염기성 알칼리 혼합액의 공급량을 조절하는 제어부(161);를 추가 포함할 수 있다.
상기 제1 반응기(100)의 모든 과정에서 측정되는 gas meter, pH meter, flow meter의 값을 모니터링부(160)에서 관리하며, 모니터링부(160)에서 나타내는 값을 기반으로 기반으로 제어부(161)를 조절한다. 상기 제어부(161)에서 입력되는 값에 대하여 밸브들(114, 133, 134, 135)이 퍼센테이지로 조절될 수 있다.
한편, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 반응기(100)의 이산화탄소 포집 성능을 향상시키기 위한 흡수탑(110)의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 흡수탑(110)의 구성은, 통 형상의 반응 본체, 모터(M), 상기 모터(M)에 의해 회전되는 회전축(137), 및 상기 회전축(137)에 의해 동작적으로 연결된 회전날개(138)를 포함하며, 상기 회전축(137)과 상기 회전날개(138)는 반응 본체의 내부에 위치되고, 상기 회전날개(138)는 염기성 알칼리 혼합액이 기포 형태로 분사될 수 있는 다수의 노즐(139)이 길이 방향으로 일정 간격을 두고 형성되며, 상기 회전축(137)으로 믹서(130)로부터 공급된 염기성 알칼리 혼합액이 유입되고, 이렇게 유입된 염기성 알칼리 혼합액은 상기 다수의 노즐(139)을 통해서 통형상의 반응 본체 내부로 분사되는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 회전날개(138)는 회전축(137)에 동작적으로 연결되어 있다. 즉, 모터(M)의 회전축(137)이 회전함에 따라 교반용 회전날개(138)도 같이 회전되어 흡수탑(110) 내부의 염기성 알칼리 혼합액을 교반시킬 수 있다.
또한, 상기 회전날개(138)에 형성된 다수의 노즐(139)은 미세 버블(직경이 수백 마이크로미터에서 수 마이크로미터인 버블)을 생성하도록 구성되도록 함으로써, 상기 회전축(137)이 회전함에 따라 교반용 회전날개(138)도 같이 회전되어 흡수탑(110) 내부의 염기성 알칼리 혼합액이 더욱 미세하게 분사되도록 할 수 있다.
또한, 흡수탑(110)의 하부에 상기 흡수탑(110) 내로 선박에서 발생된 배가스가 토출되도록 배가스 배출원(120)과 연결된 배가스 인입파이프(121)를 설치하고, 상기 흡수탑(100) 내에 위치하는 배가스 인입파이프(121)의 일단은 스파저(122)가 결합되도록 구성할 수 있다.
상기 스파저(122)에는 선박에서 발생된 배가스가 토출되는 복수 개의 배가스 분출구가 형성되어 상기 선박에서 발생된 배가스와, 상기 회전날개(138)에 형성된 다수의 노즐(139)을 통해 미세하게 분사된 염기성 알칼리 혼합액이 원활하게 반응하도록 한다. 이러한 스파저(122)는 원통형으로 형성되며, 그 외주연에는 혼합가스가 분출되는 미세한 복수 개의 배가스 분출구가 형성된다. 이 때, 배가스 분출구의 크기는 작을수록 투입되는 배가스가 더 작게 분산되기 때문에 상기 염기성 알칼리 혼합액과의 반응효율은 증가하나, 차압 역시 증가하여 가스 블로어의 동력이 증가되는 문제가 있으므로 가스 유량에 맞는 적절한 스파저를 선택해야 한다. 배가스 분출구의 직경은 2 내지 50 ㎛가 바람직하다. 왜냐하면, 배가스 분출구의 직경이 2㎛ 미만일 경우에는 차압이 크게 증가하게 되며, 50㎛를 초과할 경우에는 혼합가스와 흡수제의 반응효율이 떨어지기 때문이다.
상술한 흡수탑(110)의 구성에 따라, 본 발명에 따른 제1 반응기(100)는 선박에서 배출되는 배기가스 중 이산화탄소를 포집함에 따른 포집 효율을 증대시킬 수 있고, 상기 포집된 이산화탄소를 이용하여 탄산나트륨 또는 탄산수소나트륨의 생산 효율을 증대시킬 수 있다.
한편, 상술한 상기 제1 반응기(100)는 종래 해수의 전기분해 반응기에서의 탄산 또는 중탄산 이온을 생성함에 있어서 발생될 수 있는 단점을 해소할 수 있다. 예컨대, 종래 해수의 전기분해 반응 시, 음극 전극 표면에 발생하는 스케일(Mg(OH)2, Ca(OH)2 등)의 전착 현상으로 인하여, 지속적인 전기분해 반응에서 전극 간에 반응 저항이 증가하고 잔류산화제의 농도를 유지하기 위한 전류의 소모가 증가됨으로써 전기분해조의 정상 작동 수명이 짧아지는 문제점으로 인해 시스템 전체의 내구성에 문제점이 생기는 단점이 있다. 그에 반해, 제1 반응기(100)는 한번 설치하면 교체나 유지보수가 거의 필요 없이 지속적으로 내구성이 유지된 채, 선박에 있어서 이산화탄소를 제거하는 동시에 다른 유용한 물질인 탄산나트륨 또는 탄산수소나트륨을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 반응기(100)로부터 생성된 탄산나트륨 또는 탄산수소나트륨은 수평형 광물화 반응기인 제2 반응기(200) 내에 유입되고, 여기에 해수가 유입되어 제2 반응기(200)에서는 해수 내 양이온과 상기 이산화탄소 반응물 간의 반응으로 탄산염 광물을 형성시킬 수 있다. 이에 대한 자세한 설명을 위해, 제2 반응기(200)에 대해서 도 4에서 설명하고자 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 반응기를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 반응기(200)는 수평형 반응기로서, 상기 제1 반응기(100)와 연결되어 상기 제1 반응기(100)로부터 상기 이산화탄소 반응물이 주입되는 이산화탄소 반응물 주입구와, 상기 이산화탄소 반응물이 주입되는 방향을 기준으로 대칭적으로 배치된 2개 이상의 해수 주입구들을 구비한다.
상기 제2 반응기(200) 내에 상기 제1 반응기(100)로부터 생성된 이산화탄소 반응물이 주입되는 방향을 기준으로 유입된 해수로 인해 형성되는 난류 유동 영역(turbulent flow zone)과 층류 유동 영역(laminar flow zone)이 순차적으로 형성될 수 있다.
상기 제2 반응기(200)의 이산화탄소 반응물 주입구를 통해 탄산나트륨 또는 탄산수소나트륨이 유입되고, 상기 해수 주입구를 통해 해수가 유입되면 하기 <반응식 2>에서와 같이, 상기 탄산나트륨 또는 탄산수소나트륨의 음이온인 탄산 이온또는 중탄산 이온과, 해수 내 이온 형태로 많이 녹아있는 나트륨이온(Na+), 칼슘이온(Ca2+) 등의 금속 양이온이 반응하여 탄산염 광물이 생성된다.
<반응식 2>
HCO3 - + Ca2+ → CaCO3 + H+ 또는 CO3 2- + Ca2+ → CaCO3
HCO3 2- + Na+ → NaCO3 + H+ 또는 CO3 + + Na+ → NaCO3
상기 제2 반응기(200)에서 생성된 탄산염 광물은 탄산칼슘(CaCO3), 탄산나트륨(NaCO3) 등 일 수 있으며, 이들 광물의 혼합물일 수 있다. 상기 생성된 탄산염 광물의 종류는 해수 내에 함유되어 있는 양이온의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 일반적으로 해수를 이용할 경우에 주로 탄산칼슘(CaCO3), 탄산나트륨(NaCO3)을 생성가능하다.
상기 제2 반응기(200) 내에 유입되는 해수는 두 방향에서 접선방향으로 유입되어 접선유동(tangential flow)을 생성할 수 있다. 접선 방향으로 해수를 유입시킴으로써 탄산 또는 중탄산 음이온과 해수 내 금속 양이온 간의 반응 시간을 증가시킬 수 있어 탄산 광물 생성 효율을 높일 수 있다.
또한, 상기 제2 반응기(200) 내 난류 유동 영역은, 유입되는 해수에 의한 접선유동이 생성되어 있는 영역으로서, 탄산 또는 중탄산 음이온과 해수 내 금속 양이온이 반응하여 탄산염 광물을 생성하는 영역이다. 이후 상기 유입되는 해수에 의한 접선유동이 안정화되면서 광물화 반응기 내 입자회수 영역에 인접하여 층류 유동 영역이 형성된다.
바람직하게, 상기 층류 유동 영역은 상기 생성된 탄산염 광물의 입자가 성장하는 영역으로, 안정한 반응물의 유동층이 형성되는 층류 유동 영역 내에서 탄산염 광물의 입자가 보다 균일하고 크게 성장할 수 있다.
이와 같이, 제1 반응기(100)에서 생성된 탄산나트륨 또는 탄산수소나트륨이 제2 반응기(200) 내에 유입되면서 상기 탄산나트륨 또는 탄산수소나트륨의 음이온인 탄산 이온 또는 중탄산 이온과, 해수의 금속 양이온이 반응하면서 제2 반응기(200) 내의 난류 유동 영역과 층류 유동 영역을 통과하므로 선박에서 배출되는 배기가스 내의 이산화탄소의 탄산염 전환율이 증가될 수 있는 장점이 있다.
또한, 제2 반응기(200)는 수평형 배치를 통해 흔들리는 선상의 환경에서도 균일하고 효율적인 교반조건을 형성함으로서 탄산광물 생성 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 선상 내 좁은 공간에도 설치가 가능하고 특히 2개 이상으로 적층이 가능하여 컴팩트한 시설 설비로 구축될 수 있고 모듈화가 가능한 장점을 가진다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 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 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 명세서의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 명세서의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 명세서의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 명세서의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 명세서의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 명세서의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
본 발명은 선박에서의 환경적인 제약 조건을 고려하면서 종래 기술 대비 간단한 시스템 구성으로 선박에서 배출되는 이산화탄소를 효율적으로 저감시킴과 동시에 다른 유용한 물질로 자원화할 수 있는 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템 및 방법을 제공할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 석탄화력발전용 이산화탄소 및 황산화물 포집, 및 탄소자원화 시스템에서는, 제1 반응기에서 이산화탄소와 염기성 알칼리 수용액을 반응시킨 후에, 생성된 이산화탄소 반응물을 해수와 함께 수평형 광물화 반응기인 제2 반응기에 유입시켜 탄산염 광물을 생성함으로써 선박 상에서 보다 컴팩트한 규모로 전체 시스템의 내구성을 유지하면서 선박에서 배출되는 배기가스 내의 이산화탄소의 탄산염 전환율을 증가시킬 수 있다.
이는 육상에서와 달리 환경적인 제약 조건과 강화된 이산화탄소 배출 저감을 동시에 고려하여야 하는 해운회사들을 상대로 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템의 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업상 이용가능성이 있다.
100: 제1 반응기
110: 흡수탑
111: 이산화탄소 포집부
112: 레벨 인디케이터
113: 버블러
114, 133, 134, 135: 밸브
120: 배가스 배출원
121: 배가스 인입파이프
122: 스파저
130: 믹서
131: 염기성 알칼리 용액 저장조
132: 급수원
133: 교반기
136: 바이패스(by-pass)
137: 회전축
138: 회전날개
139: 다수의 노즐
140: 분리기
150: 배출부
160: 모니터링부
161: 제어부
200: 제2 반응기(수평형 반응기)
300: 고액 분리부

Claims (24)

  1. 선박에서 배출되는 배가스를 전달받아 염기성 알칼리 혼합액과 반응시켜 배가스 중 이산화탄소를 포집하고, 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하며, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리하고, 상기 이산화탄소 반응물을 회수하여 저장하며, 상기 포집된 이산화탄소가 제거된 잔여 배가스를 배출하는 제1 반응기; 및
    상기 제1 반응기와 연결되어 상기 제1 반응기로부터 상기 이산화탄소 반응물이 주입되는 이산화탄소 반응물 주입구와, 상기 이산화탄소 반응물이 주입되는 방향을 기준으로 대칭적으로 배치된 2개 이상의 해수 주입구들을 구비하는 제2 반응기를 포함하고,
    상기 제2 반응기는 수평형 반응기로서, 상기 이산화탄소 반응물이 주입되는 방향을 기준으로 유입된 해수로 인해 형성되는 난류 유동 영역(turbulent flow zone)과 층류 유동 영역(laminar flow zone)이 순차적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 반응기 내에 유입되는 해수는 두 방향에서 접선방향으로 유입되어 접선유동을 생성하는 것을 특징으로 하는 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 난류 유동 영역은 이산화탄소 반응물과 해수가 반응하여 탄산염 광물을 생성하는 영역이고, 상기 층류 유동 영역은 상기 생성된 탄산염 광물의 입자가 성장하는 영역인 것을 특징으로 하는 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 반응기는,
    염기성 알칼리 혼합액을 공급하는 믹서;
    상기 믹서로부터 공급된 염기성 알칼리 혼합액과 하부에 설치된 버블러를 통과하여 미세 방울이 형성된 배가스를 반응시켜 상기 배가스 중 이산화탄소를 포집하는 흡수탑;
    상기 흡수탑에서 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하고, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리하는 분리기;
    상기 분리된 이산화탄소 반응물을 자원화하기 위해 저장하는 탄소자원 저장소; 및
    상기 흡수탑에서 포집된 이산화탄소가 제거된 잔여 배가스를 배출하는 배출부;를 포함하는 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 믹서는 염기성 알칼리 용액 저장조에서 공급된 염기성 알칼리 용액과 급수원에서 공급된 물을 혼합시켜 염기성 알칼리 혼합액을 생성하는 것을 특징으로 하는 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 염기성 알칼리 용액과 물은 1:1 내지 1:5의 비율로 혼합하는 것을 특징으로 하는 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 염기성 알칼리 혼합액의 평균 pH는 pH12 내지 pH13.5인 것을 특징으로 하는 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 염기성 알칼리 혼합액은,
    SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, MgO, MnO, CaO, Na2O, K2O 및 P2O3로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 산화물;
    Li, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Sr, Cd 및 Pb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속; 및,
    사붕산나트륨(Na2B4O7·10H2O), 수산화나트륨(NaOH), 규산나트륨(Na2SiO3), 수산화칼륨(KOH) 및 과산화수소(H2O2)로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상의 액상 조성물;을 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 흡수탑은 상부에 설치된 다수의 노즐을 통해 상기 믹서로부터 염기성 알칼리 혼합액을 공급하는 것을 특징으로 하는 육상용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 흡수탑 내의 염기성 알칼리 혼합액의 수위가 90% 미만으로 낮아지면 상기 믹서에서 밸브를 통해 조절되어 염기성 알칼리 혼합액이 투입되고 상기 염기성 알칼리 혼합액의 수위가 100%가 될 경우 투입이 중단되고, 그와 동시에 염기성 알칼리 혼합액의 pH가 12 내지 13.5가 될 때까지 염기성 알칼리 용액과 물을 혼합하는 것을 특징으로 하는 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 버블러는 상기 배가스를 이용하여 배가스 마이크로버블을 형성하는 것을 특징으로 하는 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
  12. 제4항에 있어서,
    상기 흡수탑은, 통형상의 본체, 모터, 상기 모터에 의해 회전되는 회전축, 및 상기 회전축에 의해 동작적으로 연결된 회전날개를 포함하며,
    상기 회전축과 상기 회전날개는 상기 본체의 내부에 위치되고,
    상기 회전날개는 상기 염기성 알칼리 혼합액이 기포 형태로 분사될 수 있는 다수의 노즐이 길이 방향으로 일정 간격을 두고 형성되며,
    상기 회전축으로 상기 믹서로부터 공급된 염기성 알칼리 혼합액이 유입되고, 유입된 염기성 알칼리 혼합액은 상기 다수의 노즐을 통해서 상기 통형상의 본체 내부로 분사되는 것을 특징으로 하는 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 흡수탑은, 상기 배가스가 토출되는 복수 개의 배가스 분출구가 형성되고, 상기 배가스 분출구의 직경은 2 내지 50 ㎛인 스파저;를 더 포함하는 것을 특징으로 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
  14. 제4항에 있어서,
    상기 제1 반응기는,
    상기 흡수탑 내의 염기성 알칼리 혼합액의 수위 및 pH를 모니터링하는 모니터링부; 및
    상기 모니터링부에 의해 염기성 알칼리 혼합액의 공급량을 조절하는 제어부;를 추가 포함하는 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 이산화탄소 반응물은 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 포함하는 것을 특징으로 하는 석탄화력발전용 이산화탄소 및 황산화물 포집, 및 탄소자원화 시스템.
  16. 제1 반응기는 선박에서 배출되는 배가스를 전달받아 염기성 알칼리 혼합액과 반응시켜 배가스 중 이산화탄소를 포집하여 이산화탄소 반응물을 생성하는 단계; 및
    제2 반응기는 상기 제1 반응로부터 생성된 이산화탄소 반응물 및 해수를 유입시켜 이산화탄소 반응물과 해수를 반응시켜 탄산염 광물을 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 제2 반응기는 수평형 반응기로서, 상기 이산화탄소 반응물이 주입되는 방향을 기준으로 유입된 해수로 인해 형성되는 난류 유동 영역(turbulent flow zone)과 층류 유동 영역(laminar flow zone)이 순차적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 이산화탄소 반응물은 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 포함하는 것을 특징으로 하는 석탄화력발전용 이산화탄소 및 황산화물 포집, 및 탄소자원화 시스템.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 제1 반응기는 선박에서 배출되는 배가스를 전달받아 염기성 알칼리 혼합액과 반응시켜 배가스 중 이산화탄소를 포집하여 이산화탄소 반응물을 생성하는 단계는,
    염기성 알칼리 용액 저장조에서 공급된 염기성 알칼리 용액과 급수원에서 공급된 물을 1:1 내지 1:5의 비율로 혼합시켜 생성된 염기성 알칼리 혼합액과, 상기 선박에서 배출되는 배가스를 반응시켜 상기 배가스 중 이산화탄소를 포집하는 단계를 포함하는 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 염기성 알칼리 혼합액의 평균 pH는 pH12 내지 pH13.5인 것을 특징으로 하는 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 염기성 알칼리 혼합액은,
    SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, MgO, MnO, CaO, Na2O, K2O 및 P2O3로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 산화물;
    Li, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Sr, Cd 및 Pb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속; 및,
    사붕산나트륨(Na2B4O7·10H2O), 수산화나트륨(NaOH), 규산나트륨(Na2SiO3), 수산화칼륨(KOH) 및 과산화수소(H2O2)로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상의 액상 조성물;을 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 방법.
  21. 제16항에 있어서, 상기 제1 반응기는,
    염기성 알칼리 혼합액을 공급하는 믹서;
    상기 믹서로부터 공급된 염기성 알칼리 혼합액과 하부에 설치된 버블러를 통과하여 미세 방울이 형성된 배가스를 반응시켜 상기 배가스 중 이산화탄소를 포집하는 흡수탑;
    상기 흡수탑에서 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하고, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리하는 분리기;
    상기 분리된 이산화탄소 반응물을 자원화하기 위해 저장하는 탄소자원 저장소; 및
    상기 흡수탑에서 포집된 이산화탄소가 제거된 잔여 배가스를 배출하는 배출부;를 포함하는 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 방법.
  22. 제16항에 있어서,
    상기 제1 반응기는 선박에서 배출되는 배가스를 전달받아 염기성 알칼리 혼합액과 반응시켜 배가스 중 이산화탄소를 포집하여 이산화탄소 반응물을 생성하는 단계는,
    상기 흡수탑 내의 염기성 알칼리 혼합액의 수위가 90% 미만으로 낮아지면 믹서에서 밸브를 통해 조절되어 염기성 알칼리 혼합액이 투입되고 상기 염기성 알칼리 혼합액의 수위가 100%가 될 경우 투입이 중단되고, 그와 동시에 염기성 알칼리 혼합액의 pH가 12 내지 13.5가 될 때까지 염기성 알칼리 용액과 물을 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 방법.
  23. 제16항에 있어서,
    상기 제2 반응기는 상기 제1 반응로부터 생성된 이산화탄소 반응물 및 해수를 유입시켜 이산화탄소 반응물과 해수를 반응시켜 탄산염 광물을 제공하는 단계에서,
    상기 제2 반응기는 수평으로 배치되고, 상기 제2 반응기 내에 유입되는 해수는 두 방향에서 접선방향으로 유입되어 접선유동을 생성하는 것을 특징으로 하는 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 방법.
  24. 제16항에 있어서, 상기 난류 유동 영역은 이산화탄소 반응물과 해수가 반응하여 탄산염 광물을 생성하는 영역이고, 상기 층류 유동 영역은 상기 생성된 탄산염 광물의 입자가 성장하는 영역인 것을 특징으로 하는 선박용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 방법.
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