KR20230152873A - 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화, 및 수소 생산 시스템 - Google Patents

시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화, 및 수소 생산 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화, 및 수소 생산 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따르면 상하 방향으로 직렬 배치된 복수단의 사이클론을 구비하며, 시멘트 원료를 공급받아 예열하는 예열기; 상기 예열기에 의해 예열된 시멘트 원료를 하소하는 하소로; 상기 하소로에서 하소된 시멘트 원료를 소성하는 소성로; 상기 예열기의 사이클론과 연결되어, 하소로 및 소성로 각각에서 배출된 배가스를 외부로 배출시키는 배기라인; 상기 배기라인 상에 배치되어 상기 배가스를 전달받아 염기성 알칼리 혼합액과 반응시켜 배가스 중 이산화탄소를 포집하고, 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하며, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리하는 반응기; 및 상기 반응기로부터 분리된 이산화탄소 반응물을 공급받아 수소 가스를 생성하는 수소생성기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화, 및 수소 생산 시스템{Carbon dioxide capture and carbon resource conversion, and hydrogen production system for cement production plant}
본 발명은 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화, 및 수소 생산 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 염기성 알칼리 혼합액을 이용한 배가스 중 이산화탄소를 포집 및 탄소자원으로 변환함과 아울러 수소 가스를 생산함으로써, 시멘트 제조 설비에 있어서 이산화탄소를 제거하는 동시에 다른 유용한 물질로 자원화할 수 있는 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화, 및 수소 생산 시스템에 관한 것이다.
최근, 전세계적인 탄소중립 흐름에 따라 산업계 전체가 온실가스 배출 저감 계획을 내놓고 있다. 그 중에서도 특히 온실가스 배출이 많은 시멘트 산업은 탄소중립 관련 산업에서 주목받고 있는 분야 중 하나이다.
특히, 국제에너지기구(IEA)의 2017년 보고서에 따르면 세계 시멘트 생산량은 향후 30년 동안 연간 50억 톤 이상으로 증가할 것으로 예상하고 있다. 저개발 국가들의 경제 발전과 급속한 도시화로 새로운 건물에 대한 수요가 증가할 것이고 필연적으로 콘크리트와 시멘트에 대한 수요 역시 늘어날 것으로 보는 것이다.
대부분의 건축물에 사용되는 콘크리트를 제조하는데 필수적인 시멘트는 전 세계 기준으로 연간 40억 톤 이상 생산된다. 시멘트는 제조공정에서 석회질 원료를 가열하는 과정을 거치는데 이때 대표적인 온실가스인 이산화탄소(CO2)가 다량 배출된다.
구체적으로, 종래의 시멘트 제조 설비는 시멘트 원료의 주원료인 석회석(CaCO3)을 예열기에 의해 예열하고, 계속해서 하소로 및 예열기의 최하단의 사이클론에 있어서 하소한 후에, 소성로인 로터리 킬른 내에 있어서 약 1450℃의 고온 분위기 하에서 소성함으로써 시멘트 클링커를 제조하고 있다.
이 하소로 인해 시멘트 원료인 석회석(CaCO3)→CaO＋CO2↑로 나타내어지는 화학 반응이 발생하여, 높은 농도의 CO2 가스가 발생 되며, 또한 소성로인 로터리 킬른을 상기 고온 분위기하로 유지하기 위해, 주 버너에 있어서 화석 연료가 연소되는 결과, 화석 연료의 연소에 의해서도 높은 농도의 CO2 가스가 발생된다.
반면, 주 버너로부터의 배기가스 중에는, 연소용 공기 중의 N2가스가 많이 포함되어 있으므로 CO2 가스의 농도는 낮은 농도를 가진다.
이와 같이 시멘트 킬른으로부터 배출되는 배기가스 중에는 높은 농도의 CO2 가스와, 낮은 농도의 CO2 가스가 혼재하여 시멘트 킬른에서의 CO2가스의 배출량이 많으므로 CO2 가스를 효율적으로 저감시키기 위한 방안이 절실하다. 이에 따라, 이산화탄소 포집 기술에 대한 개발이 활발히 이뤄지고 있다.
한편, 종래 이산화탄소 포집 기술은 연소 배기가스 중에 포함된 이산화탄소(CO2)를 냉각탑에서 냉각한 다음, 흡수탑에서 모노에탄올아민(Monoethanolamine) 등의 알칸올아민(Alkanolamine) 수용액에 CO2를 흡수하고 나머지 연소 배기가스는 대기로 방출하고, CO2를 흡수한 알칸올아민 수용액은 재생탑으로 보내어 리보일러(Reboiler)에서 가열에 의해 알칸올아민 수용액을 재생하여 흡수탑으로 반송하면서, CO2를 탈리(脫離)하여 회수하는 공정이 알려져 있다. 그러나, 알칸올아민은 CO2흡수반응열이 높으면서 재생공정에서 분해열이 높기 때문에 에너지 소모량이 많아 경제성이 떨어지는 문제점이 있다.
따라서, 종래 기술 대비 경제성을 확보할 수 있음과 동시에, 시멘트 제조 설비에서 배출된 이산화탄소를 효율적으로 포집할 수 있는 방안이 절실하다.
또한, 최근 이산화탄소 포집 기술이 개발됨에 따라 CO2포집물이 발생되고 있으나, 발생된 CO2포집물을 활용 또는 저장할 수 있는 기술 개발이 아직 미비한 상태이므로 이에 대한 기술개발이 요구되고 있다.
한편, CO2포집물을 저장하기 위해 개발된 종래 이산화탄소 저장장치는 저장의 경제성 문제로 인하여 CO2를 액체상태로 저장하는 것이 일반적이며, 이를 위하여 CO2를 고압 저온의 상태로 유지시켜주는 압력탱크가 필수적이라 제작비용이 증대되고, 압력탱크를 고압 저온 상태로 운영하기 위한 운영비용이 증대되는 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-2162987호 (2020.09.28. 등록) 한국공개특허 제10-2013-0083347호 (2013.07.22. 공개)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명은 시멘트 제조공정 상에서 발생하는 배기가스 중 이산화탄소를 줄이기 위한 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 염기성 알칼리 혼합액을 이용한 배가스 중 이산화탄소를 포집 및 탄소자원으로 변환함으로써, 이산화탄소를 제거하는 동시에 다른 유용한 물질로 자원화할 수 있는 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 및 탄소자원화 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 종래 기술에서 널리 사용되는 이산화탄소 흡수제인 알칸올아민 수용액의 단점을 해소하는 염기성 알칼리 혼합액을 사용하여 이산화탄소를 포집함으로써, 기존 기술 대비 경제성을 확보할 수 있는 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 및 탄소자원화 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 시멘트 제조공정 상에서 발생하는 배기가스 중 이산화탄소를 포집하여 탄소자원으로 변환시킨 후에, 상기 변환된 탄소자원을 지중에 저장 및 운용함으로써, 종래의 이산화탄소 저장장치보다 안정적이고 효율적으로 이산화탄소 포집 반응물인 탄소자원을 저장하는 동시에 제작비용 및 운용비용을 절감할 수 있음은 물론, 상기 저장된 탄소자원의 필요 시 추후에 이용할 수 있도록 하는 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화, 및 수소 생산 시스템을 제공하는 데 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 일 실시예에 따른 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화, 및 수소 생산 시스템은, 상하 방향으로 직렬 배치된 복수단의 사이클론을 구비하며, 시멘트 원료를 공급받아 예열하는 예열기; 상기 예열기에 의해 예열된 시멘트 원료를 하소하는 하소로; 상기 하소로에서 하소된 시멘트 원료를 소성하는 소성로; 상기 예열기의 사이클론과 연결되어, 하소로 및 소성로 각각에서 배출된 배가스를 외부로 배출시키는 배기라인; 상기 배기라인 상에 배치되어 상기 배가스를 전달받아 염기성 알칼리 혼합액과 반응시켜 배가스 중 이산화탄소를 포집하고, 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하며, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리하는 반응기; 및 상기 반응기로부터 분리된 이산화탄소 반응물을 공급받아 수소 가스를 생성하는 수소생성기;를 포함하여 구성된다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 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; 및 상기 분리된 이산화탄소 반응물을 자원화하기 위해 저장하는 탄소자원 저장소를 포함한다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 믹서는 염기성 알칼리 용액 저장조에서 공급된 염기성 알칼리 용액과 급수원에서 공급된 물을 혼합시켜 염기성 알칼리 혼합액을 생성한다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 염기성 알칼리 용액과 물은 1:1 내지 1:5의 비율로 혼합된다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 염기성 알칼리 혼합액의 평균 pH는 pH12 내지 pH13.5이다.
또한 일 실시예에 따라, 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 포함한다.
또한 일 실시예에 따라, 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 혼합한다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 버블러는 상기 배가스를 이용하여 배가스 마이크로버블을 형성한다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 수소생성기는, 상기 반응기로부터 분리된 이산화탄소 반응물인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 전해액으로 사용하여 전기 분해에 의해 수소 가스를 생성하는 수전해셀을 포함한다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 복수의 사이클론은 상기 시멘트 연료가 공급되는 최상단의 사이클론과, 상기 하소로 및 소성로 각각에서 배출된 배가스가 공급되는 최하단의 사이클론이 상하방향으로 직렬로 2단으로 형성된다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 이산화탄소 반응물은 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 포함한다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 분리기는, 상기 반응물에서 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 포함하는 이산화탄소 반응물과, 폐용액을 분리하는 원심분리기; 및 상기 이산화탄소 반응물 중에서 탄산수소나트륨만을 외부로 배출시키기 위한 배출관의 내측 둘레에 대응되게 형성되고, 표면에 상기 탄산수소나트륨의 투과를 허용하는 크기로 미세 구멍이 형성된 탈수기;를 포함한다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 반응기의 출구와 연결되는 배출관; 상기 배출관의 중공에 구비되어 반응기에서 석출된 일정 직경 이하의 탄산염 분말을 포함한 탄산염 용액을 걸러 추출하도록 다수의 필터 구멍을 갖는 분리막; 및 상기 분리막을 통과한 탄산염 용액에 건조 공기를 분사하여 수분을 제거함으로써 탄산염 분말을 수득하는 건조부;를 포함한다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 분리막에는 상시 또는 선택적으로 진동을 가하여 분리막의 필터 구멍에 탄산염 분말이 끼이지 않도록 하거나 필터 구멍에 끼인 탄산염 분말을 떼어내는 것을 특징으로 한다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 소성로에는 시멘트 원료를 소성하여 얻어진 시멘트 클링커(clinker)를 냉각시키기 위한 냉각기로서 클링커 쿨러가 더 설치된다.
또한 일 실시예에 따라, 상기 클링커 쿨러에는 클링커 쿨러에 의해 냉각된 시멘트 반제품인 시멘트 클링커를 분쇄하여 시멘트 분말로 가공하기 위한 분쇄기(Cement mill)가 더 설치된다.
개시된 기술의 실시예들은 다음의 장점들을 포함하는 효과를 가질 수 있다. 다만, 개시된 기술의 실시예들이 이를 전부 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 시멘트 제조공정에서 배출되는 배기가스 중 이산화탄소를 포집함으로써 이산화탄소를 저감시킬 수 있고, 상기 포집된 이산화탄소를 이용하여 유용한 자원인 탄산나트륨 또는 탄산수소나트륨을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 종래 기술에서 널리 사용되는 이산화탄소 흡수제인 알칸올아민 수용액의 단점을 해소하는 염기성 알칼리 혼합액을 사용하여 이산화탄소를 포집하고, 포집된 이산화탄소 반응물을 식품 첨가제, 세제, 비누 원료, 첨단 의료산업, 폐수처리 등 다양한 산업 분야에서 활용할 수 있어 수익 창출까지 가능하므로 기존 기술 대비 경제성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 종래의 이산화탄소 저장장치보다 더 넓은 공간에 안정적이고 효율적으로 이산화탄소 포집 반응물인 탄소자원을 저장하는 동시에 제작비용 및 운용비용을 절감할 수 있음은 물론, 상기 저장된 탄소자원의 필요 시 추후에 이용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화, 및 수소 생산 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반응기를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반응기의 이산화탄소 포집 성능을 향상시키기 위한 흡수탑의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소자원 저장소의 단면도이다.
도 5는 일반적인 지면으로부터의 깊이에 따른 지중온도 분포를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소생성기의 개념도이다.
도 7은 도 6에 도시된 B 부분의 확대도이다.
도 8은 도 6에 도시된 A 부분의 확대도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리기의 세부 구성을 개략적으로 도시한 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.
본 발명은 시멘트 제조공정 상에서 발생하는 배기가스 중 이산화탄소를 줄이기 위한 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화, 및 수소 생산 시스템에 관한 것이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화, 및 수소 생산 시스템을 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화, 및 수소 생산 시스템을 간략히 설명하자면, 우선 시멘트 원료의 주원료로서 포함되는 석회석(CaCO3)을 예열기(3)에 의해 예열하고, 계속해서 하소로(7) 및 예열기(3)의 최하단의 사이클론에 있어서 하소한 후에, 소성로(1) 내에 있어서 약 1450℃의 고온 분위기하에서 소성함으로써 시멘트 클링커를 제조하고, 시멘트 클링커를 제조하는 과정에서 발생된 이산화탄소를 배기라인(8)을 통해 반응기(100)에 도입함으로써, 이산화탄소를 포집할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화, 및 수소 생산 시스템은 시멘트 제조공정 상에서 발생되는 배기가스 내의 이산화탄소를 포집하고, 포집된 이산화탄소를 유용한 물질인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 포함하는 이산화탄소 반응물로 생성하고, 생성된 이산화탄소 반응물을 온도변화가 적은 지중 저장지에 저장함으로써 종래 기술 대비 경제성을 확보할 수 있는 시스템이다.
또는, 본 발명은 상기 반응기(100)에서 생성된 이산화탄소 반응물을 반응기와 연결된 수소생성기(200)로 보내 고가의 수소 가스를 생산함으로써 부수적인 경제적인 효익을 얻을 수 있다.
이를 위해서, 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화, 및 수소 생산 시스템은 예열기(3), 하소로(7), 소성로(1), 배기라인(8), 반응기(100) 및 수소생성기(200)를 포함할 수 있다.
또한, 선택적으로 소성로(1)의 내부를 가열하기 위해서 소성로의 우측 전방에 주버너(5) 및 소성 후의 시멘트 클링커(clinker)를 냉각시키기 위한 냉각기로서 클링커 쿨러(6)가 설치될 수 있다.
또한, 선택적으로 클링커 쿨러(6)에는 상기 클링커 쿨러에 의해 냉각된 시멘트 반제품인 시멘트 클링커(clinker)를 분쇄하여 시멘트 분말로 가공하기 위해 분쇄기(Cement mill)가 설치될 수 있다. 상기 분쇄기에는 클링커와 함께 응결지연제로서 석고를 혼합하여 입자크기 44㎛ 이하의 아주 고운 분말로 분쇄한 후, 이렇게 생산된 시멘트 완제품을 시멘트 저장고인 사일로(Silo)에 저장하게 된다.
상기 예열기(3)는 시멘트 원료를 미리 히팅시키는 역할을 하며, 소성로(1)인 로터리 킬른의 좌측 후미 부분(2)에 2세트가 병렬적으로 설치된다.
각각의 예열기(3)는 상하 방향으로 직렬적으로 배치된 복수단의 사이클론으로 구성되어 있다.
구체적으로, 상기 복수단의 사이클론은 상기 시멘트 연료가 공급되는 최상단의 사이클론과, 상기 하소로 및 소성로 각각에서 배출된 배가스가 공급되는 최하단의 사이클론이 상하방향으로 직렬로 2단으로 형성된다.
상기 시멘트 연료는 공급라인(4)의 최상단 사이클론에 의해 공급된 후에 순차적으로 하방의 사이클론을 거쳐 낙하함에 따라 하방으로부터 상승하는 소성로(1)로부터의 고온의 배기가스에 의해 예열될 수 있다.
상기 하소로(7)는 예열기(3)에 의해 예열된 시멘트 연료를 하소하는 역할을 하며, 상기 예열기(3)에 의해 예열된 시멘트 연료는 하방으로부터 2단째의 사이클론으로부터 뽑아내어져 하소로(7)로 보내진 뒤에 버너(7a)에 의해 가열되어 하소된 후, 최하단의 사이클론으로부터 이송관(3a)을 통해 소성로(1)의 가마 후미 부분(2)으로 도입되도록 구성된다.
여기서, 상기 하소로(2)가 상기 예열된 시멘트 연료를 하소하는 과정에 있어서, 석회석(CaCO3)→CaO＋CO2↑로 나타내어지는 화학 반응이 발생하여 이산화탄소가 발생된다.
상기 소성로(1)는 상기 하소로(7)에서 하소된 시멘트 원료를 소성하는 역할을 하며, 구체적으로 상기 하소로(7)에서 하소된 시멘트 원료는 상기 예열기(3)에 배치된 최하단의 사이클론으로부터 이송관(3a)을 통해 소성로(1)에 전달되고, 소성로(1)는 주버너(5)로부터의 연소 배기가스를 통해 상기 하소로(7)에서 하소된 시멘트 원료를 약 1450℃의 고온에서 소성시켜 시멘트 반제품인 시멘트 클링커를 생성시킬 수 있다.
여기서, 소성로(1)가 고온에서 하소된 시멘트 연료를 소성시키고 고온의 분위기를 유지하기 위해 주버너(5)에 있어서 화석 연료가 연소됨에 따라 이산화탄소가 포함된 배가스가 발생될 수 있다.
한편, 소성로(1)의 가마 후미 부분(2)에는, 상기 소성로(1)로부터 배출된 배가스를 최하단의 사이클론으로 공급하는 배기가스관(3b)이 설치되어 있고, 상기 사이클론으로 보내진 배가스는 순차 상방의 사이클론으로 보내져, 상기 시멘트 원료를 예열하는 동시에, 최종적으로 최상단의 사이클론의 상부로부터, 배기팬(9)에 의해 배기라인(8)을 통해 배기되어 반응기(100)에 공급되도록 구성될 수 있다.
이 결과, 상기 반응기(100)는 상기 배기라인(8) 상에 배치되어 상기 하소로(7)에서 발생된 이산화탄소와 상기 소성로(1)에서 발생된 이산화탄소가 포함된 배가스를 함께 상기 배기 라인(8)을 통해서 전달받고, 상기 전달된 이산화탄소를 포함하는 배가스와 염기성 알칼리 혼합액을 반응시켜 배가스 중 이산화탄소를 포집하며, 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하고, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리할 수 있다. 상기 반응기(100)에 대해서는 이하 도 2를 참조하여 자세히 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반응기를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반응기(100)는 시멘트 제조 설비에서 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 반응기(100)는 염기성 알칼리 용액을 이용하여 시멘트 제조 설비에서 하소로(7) 및 소성로(1)에서 배출되는 배가스 중 이산화탄소를 포집하는 반응기로서, 흡수탑(110), 이산화탄소 포집부(111), 배가스 배출원(120), 믹서(130), 분리기(140), 탄소자원 저장소(150) 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, 배가스 배출원(120)으로부터 공급되는 배가스를 버블링하여 이산화탄소를 포집하는 부분을 의미하는 것일 수 있다.
여기서, 상기 배가스 배출원(120)은 소성로(1) 또는 하소로(7)와 연결되어 이산화탄소를 포함한 배가스를 배출하는 배기라인(8) 또는 상기 배기라인(8)의 일부일 수 있다.
상기 흡수탑(110)은 이산화탄소가 포집되는 이산화탄소 포집부(111)를 하단에 포함하여, 염기성 알칼리 혼합액과 배가스(배가스 마이크로버블)를 반응시켜 시멘트 제조 설비에서 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 노즐(139, 도 3 참조)이 설치되어 믹서(130)로부터 상기 노즐(139, 도 3 참조)을 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.
또한, 상기 흡수탑(110)은 내부에 레벨 인디케이터(level indicator)(112)를 포함하여 흡수탑(110) 내의 용액의 수위를 감지할 수 있다.
상기 노즐(139, 도 3 참조)은 다수의 노즐을 포함할 수 있고, 1단 이상의 단으로 형성될 수 있다. 상기 노즐(139, 도 3 참조)은 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 CO2가 흡수탑에서 배출되는 경우 흡수탑을 직렬로 설치하여 미반응 CO2를 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 하소로(7) 및 소성로(1)로부터 배기라인(8)을 통해서 유입된 배가스인 이산화탄소를 활용할 수 있고, 예를 들어, 시멘트 제조 설비의 후단일 수 있다.
상기 믹서(130)는 염기성 알칼리 용액 저장조(131)에서 공급된 염기성 알칼리 용액과 급수원(132)에서 공급된 물을 혼합하여, 상기 흡수탑(110)의 노즐(139, 도 3 참조)로 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 1종 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 12 내지 13.5가 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(10)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 시멘트 제조 설비의 하소로(7) 및 소성로(1)로부터 유입된 배가스가 반응하여 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하고, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액은 밸브(14)를 통해 분리기(140)로 이동하여, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리한다.
상기 분리기(140)에 의해 분리된 이산화탄소 반응물은 탄소자원 저장소(150)로 이동하여 다른 용도로 자원화하여 재활용할 수 있다. 예를 들어, 상기 이산화탄소 반응물은 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 포함하는 것일 수 있다.
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 탄소자원 저장소(150)는 지중 환경이 고려된 이산화탄소 반응물 저장소로서, 종래의 이산화탄소 저장장치보다 더 넓은 공간에 안정적이고 효율적으로 이산화탄소 포집 반응물인 탄소자원을 저장하는 동시에 제작비용을 저감할 수 있음은 물론, 상기 저장된 탄소자원의 필요 시 추후에 활용될 수 있도록 구현될 수 있다.
상기 탄소자원 저장소(150)에 대해서는 후술하는 도 4 및 도 5를 참조하여 자세히 설명하고자 한다.
한편, 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 CO2가 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 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 반응기(100)의 모든 과정에서 측정되는 gas meter, pH meter, flow meter의 값을 모니터링부(160)에서 관리하며, 모니터링부(160)에서 나타내는 값을 기반으로 제어부(161)를 조절한다. 상기 제어부(161)에서 입력되는 값에 대하여 밸브들(114, 133, 134, 135)이 퍼센테이지로 조절될 수 있다.
본 발명에 따른 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화, 및 수소 생산 시스템은 시멘트 제조공정 상에서 발생하는 배기가스 중 이산화탄소를 포집함으로써 이산화탄소를 저감시킬 수 있고, 상기 포집된 이산화탄소를 이용하여 탄산나트륨 또는 탄산수소나트륨으로 변환시킴으로써 다른 유용한 물질로의 자원화가 가능하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반응기(10)의 이산화탄소 포집 성능을 향상시키기 위한 흡수탑(110)의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 흡수탑(100)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 시멘트 제조 설비의 하소로(7) 및 소성로(1)로부터 유입된 배가스가 토출되도록 도 1의 배기라인(8) 상에 인입파이프가 설치될 수 있으며, 추가적으로 상기 배가스가 흡수탑(110) 내에 균일한 속도분포로 유입되도록 슬릿(Slit) 또는 구멍(Hole)이 다수 형성된 배플(143)이 설치될 수 있다.
상술한 흡수탑(110)의 구성에 따라, 상기 회전축(137)에 의해 동작적으로 연결된 회전날개(138)에 일정 간격을 두고 형성된 다수의 노즐(139)을 통해 흡수탑(110) 내의 상부에서 하부로 회전하면서 떨어지는 염기성 알칼리 혼합액은 미세한 액적으로 형성되고, 상기 미세한 액적으로 형성된 염기성 알칼리 혼합액과, 슬릿(Slit) 또는 구멍(Hole)이 다수 형성된 배플(143)을 통과하여 미세 입자로 형성된 배가스가 접촉함에 따라 반응기(100)의 이산화탄소 포집 성능을 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소자원 저장소의 단면도이고, 도 5는 일반적인 지면으로부터의 깊이에 따른 지중온도 분포를 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소자원 저장소(150)는 지중 환경이 고려된 이산화탄소 반응물 저장소로서, 종래의 이산화탄소 저장장치보다 더 넓은 공간에 안정적이고 효율적으로 이산화탄소 포집 반응물인 탄소자원를 저장하는 동시에 제작비용 및 운용비용을 저감할 수 있음은 물론, 상기 저장된 탄소자원의 필요시 추후에 활용될 수 있도록 구현될 수 있다.
탄소자원 저장소(150)는 지중 저장지(D), 인입 유닛, 상기 지중 저장지와 연결되어 상기 지중 저장지 내의 상기 이산화탄소 반응물을 언로딩(unloading)하는 배출 유닛, 제어 유닛, 및 상기 이산화탄소 반응물을 로딩/언로딩 시에 상기 이산화탄소 반응물 이외의 불순물을 여과하는 필터(152)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 지중 저장지(D)는 상기 반응기(100)로부터 분리된 이산화탄소 반응물을 수용하는 곳으로서 자연 지형에서 발굴될 수 있는 곳이며, 도 5에 도시된 바처럼 일예로 12~16도(℃)의 안정된 온도가 형성된 지중의 깊이에서 차폐없이 형성될 수 있다.
예컨대, Am 보다 지면으로부터 깊은 깊이에 형성되나 Bm보다는 지면으로부터 낮은 깊이에 형성될 수 있다. 이는 이산화탄소 반응물이 섭씨 50도(℃)가 초과된 곳에서 상태 변화가 일어나는 것을 방지하고, 넓은 지역에서 상기 이산화탄소 반응물을 액체 또는 겔 상태의 중탄산염 형태로 오랫동안 저장시키기 위해서이다.
상기 인입 유닛은 상기 이산화탄소 반응물을 상기 지중 저장지로 로딩(loading)하는 역할을 하며, 그 구성으로는 상기 지중 저장지의 내부로 로딩되는 이산화탄소 반응물에 대한 유로를 개폐하여 상기 로딩되는 이산화탄소 반응물의 유량을 조절하는 인입밸브(151); 및 상기 이산화탄소 반응물을 로딩하도록 상기 지중 저장지와 연결되는 인입라인(152);을 포함할 수 있다. 이러한 인입 유닛의 구성을 통해서 상기 반응기(100)로부터 분리된 이산화탄소 반응물을 상기 지중 저장지에 저장시킬 수 있다.
상기 배출 유닛은, 상기 지중 저장지 내의 상기 이산화탄소 반응물을 언로딩(unloading)하는 역할을 하며, 그 구성으로는 상기 지중 저장지와 연결되어 상기 이산화탄소 반응물을 상기 지중 저장지의 외부로 언로딩하는 배출라인(156); 상기 배출라인(156) 상에 구비되어 상기 지중 저장지에 수용된 이산화탄소 반응물을 외부로 강제 언로딩하는 배출펌프(155); 상기 지중 저장지에 수용된 상기 이산화탄소 반응물에 대한 상기 배출펌프(155)측으로의 유로를 개폐하는 배출밸브(154); 및 상기 지중 저장지와 배출밸브(154) 사이의 배출라인(156)과 연결되어 상기 지중 저장지 내의 공기를 외부로 배출시켜 진공으로 형성하는 진공펌프(153);를 포함할 수 있다. 이러한 배출 유닛의 구성을 통해서 지중 저장지에 안정적으로 이산화탄소 반응물을 저장시키고 기저장된 반응물을 추후 필요 시 획득하여 사용할 수 있다.
상기 제어 유닛(158)은 상기 지중 저장지에 수용된 이산화탄소 반응물을 지중 저장지에 로딩하거나 또는 상기 이산화탄소 반응물을 지중 저장지로부터 외부로 언로딩 시에 상기 인입 유닛 및 상기 배출 유닛을 제어함으로써, 필요시에 적당한 유량의 이산화탄소 반응물을 지중 저장지에 저장하거나 또는 지중 저장지에 기저장된 이산화탄소 반응물을 외부로 배출되도록 제어할 수 있다.
상기 필터(157)는 상기 인입라인(152) 또는 상기 배출라인(156)의 경로 내에 각각 배치될 수 있으며, 상기 이산화탄소 반응물의 투과를 허용하는 크기로 형성된 직경 10~20㎛의 기공을 포함하여 상기 이산화탄소 반응물을 로딩/언로딩 시에 상기 이산화탄소 반응물 이외의 불순물을 여과할 수 있다.
이에 따라, 상기 필터(157)는 상기 반응기(100)로부터 유입된 이산화탄소 반응물을 지중 저장지에 로딩하거나 또는 상기 이산화탄소 반응물을 지중 저장지로부터 외부로 언로딩 시에 상기 이산화탄소 반응물 이외의 불순물을 여과하는 기능을 수행함으로써, 상기 이산화탄소 반응물 이외의 불순물이 섞이지 않은 채로 지중 저장지에 저장되도록 할 수 있거나, 또는 상기 지중 저장지에 기저장된 이산화탄소 반응물을 외부로 언로딩하는 경우에도 불순물이 없이 이산화탄소 반응물만 획득하도록 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소생성기의 개념도이고, 도 7는 도 6에 도시된 B 부분의 확대도이며, 도 8는 도 6에 도시된 A 부분의 확대도이다.
도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 수소생성기(200)는 반응기(도 1의 100)로부터 분리된 이산화탄소 반응물인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 공급하기 위한 이산화탄소 반응물 공급 탱크(231)와, 이산화탄소 반응물 공급 탱크(231)로부터 공급된 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 전기 분해의 전해액으로 사용하여 전기 분해를 통해 수소 가스와 산소 가스를 형성하는 수전해셀(240)과, 수전해셀(240)에 전류를 인가하기 위한 전원 인가부(210) 및 인버터(220)를 구비할 수 있다.
이산화탄소 반응물 공급 탱크(231)는 반응기(100)로부터 분리된 이산화탄소 반응물인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 이산화탄소 반응물 유입 유로(222)를 통해 공급받아 전해액으로서 저장하며, 이산화탄소 반응물 공급 탱크(231)에 저장된 이산화탄소 반응물을 수전해셀(240)로 공급하는 전해액 공급 유로(232)와 연결된 이산화탄소 반응물 유입구(224)를 구비할 수 있다.
이산화탄소 반응물 공급 탱크(231)에는 수소생성기(200)의 전기 분해의 전해액인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)의 펌핑을 위한 펌프 등이 마련될 수 있다.
수전해셀(240)은 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 음극(-) 전극판 및 양극(+) 전극판과, 이들 전극판 사이에 배치되는 전해질막인 격막(242)과, 상기 이산화탄소 반응물 공급 탱크(231)로부터 공급받은 이산화탄소 반응물을 수용하고 수소 저장 탱크(285) 및 산소 저장 탱크(290)과 연결되는 한쌍의 분리된 전해조(230)와, 전해조(230)의 이산화탄소 반응물을 전기분해하여 생성된 수소 가스 및 산소 가스를 배출하는 기체 배출부와, 전기분해에 의해 반응이 일어나지 않은 이온 물질을 배출하기 위한 드레인(250)을 구비할 수 있다.
바람직하게는, 이산화탄소 반응물 공급 탱크(231)에 저장된 이산화탄소 반응물이 전극판과 접촉되는 것을 방지하기 위해 비전도체로 형성된 패킹(245)과, 전원 인가부(210)의 전력에 의하여 선택적으로 이산화탄소 반응물 유입 유로(222)의 개폐 여부를 제어할 수 있는 제어부(미도시)를 더 구비할 수 있다.
이러한 수전해셀(240)은 하기 반응식 3에서와 같이, 양쪽의 전극판이 본 발명의 전해액인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 공급받은 상태에서 전원 인가부(210) 및 인버터(220)에 의해 전력 인가에 의해 DC 모선(221)을 통해서 통전됨에 따라 수소(H2) 가스와 산소(O2) 가스를 발생시키게 된다.
<반응식 3>
·환원전극(음극) 반응 :
Na2CO3 + CO2 + 2H2O + 2e- → 2NaOH + 2CO2 + 2OH- + H2
2NaHCO3 + 2e- → 2NaOH + 2CO2 + 2OH- + H2
·산화전극(양극) 반응 :
Na2CO3 + CO2 + H2O - 2e- → 2NaOH + 2CO2 + 2H+ + O2
2NaHCO3 - 2e- → 2NaOH + 2CO2 + 2H+ + O2
즉, 이때 수전해셀(240)에 공급된 전해액인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)은 음극 전극판 표면에서 해리되면서 수소 가스를 배출하고, 산소 이온이 전해질막인 격막을 통해 이동하여 전자를 방출하면서 양극 전극판 상에서는 산소 가스가 배출되는 것이다. 여기서, 상기 반응식 3에서 반응이 일어나지 않은 이온 물질은 드레인(250)을 통해 수소생성기(200)의 슬러지 회수부(300)로 이송될 수 있다.
상술한 과정을 통해서 수전해셀(240)로부터 배출되는 수소 가스는 수소 배출 유로(270)를 통해서 배출되어 필터 및 압축기를 거치면서 고순도의 수소 가스가 수소 저장 탱크(285)로 저장된다.
마찬가지로 수전해셀(240)로부터 배출되는 산소 가스는 산소 배출 유로(275)를 통해서 배출되어 필터 및 압축기를 거치면서 고순도의 산소 가스가 산소 저장 탱크(290)에 저장될 수 있다.
한편, 물을 수전해액으로 사용하는 종래 수전해 기술의 캐소드에서는 환원 과정 중에 반응물로서 OH-라디칼이 생성되며, 상기 OH-라디칼은 애노드에서 산화를 통해 발생되는 산소(O2) 그리고 캐소드에서 환원을 통해 발생되는 수소(H2)와 재결합하기 쉬워 물(H2O)이 생성되기 때문에 결과적으로 수소(H2)의 발생 효율이 저하되는 문제점이 있었다.
그러나, 본 발명은 이산화탄소 반응물인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 전기 분해의 수전해액으로 사용함으로써, 종래 수전해 기술의 반응에서 분해된 OH-라디칼과 수소(H2) 및 산소(O2)의 재결합을 상기 이산화탄소 반응물인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)이 방지하여 결과적으로 수소(H2)의 발생 효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 본 발명에서는 수전해 반응을 통해서 Na+ 이온이 해리되어 있으므로 전기전도도 증가로 인한 수소(H2) 가스의 생성량도 증가될 수 있어 종래 기술의 문제점을 해소할 수 있는 효과를 가진다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리기의 세부 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
상기 분리기(140)는 반응물에서 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 포함하는 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리하는 원심분리기(1410)와, 상기 원심분리기(1410)로부터 분리된 이산화탄소 반응물 중에서 탄산수소나트륨만을 외부로 배출시키기 위한 배출관(1421)의 내측 둘레에 대응되게 형성되고 표면에 상기 탄산수소나트륨의 투과를 허용하는 크기로 미세 구멍이 형성된 탈수기(1420)를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 탈수기(1420)는 반응기(100)에서 생성된 이산화탄소 반응물로부터 물을 제거하여 탄산염 분말을 추출하는 기능을 수행한다.
일 실시예에 따라, 상기 탈수기(1420)의 구성을 살펴보면 먼저 상기 반응기(100)의 출구와 연결되는 배출관(1421)이 구비된다.
또한, 상기 배출관(1421)의 내부 중공에는 일정 크기의 탄산염 입자를 걸러 필터링하기 위한 분리막(1422)이 구비된다.
이때, 상기 분리막(1422)은 반응기(100)에서 석출된 일정 직경 이하의 탄산염 입자를 포함한 탄산염 용액을 걸러 추출하도록 다수의 필터 구멍을 갖는다.
예컨대, 상기 필터 구멍의 직경은 10 내지 20㎛일 수 있으며, 이에 따라 상기 분리막(1422)을 통해 10 내지 20㎛이하의 입경을 갖는 탄산염 입자만이 선별적으로 투과된다.
또한, 상기 분리막(1422)을 지나 배출관(1421)의 하류측 둘레에는 건조부(1423)가 더 구비된다.
상기 건조부(1423)는 분리막(1422)을 통과한 탄산염 용액에 건조 공기를 분사하여 수분을 제거함으로써 탄산염 분말을 수득하는 기능을 수행한다.
일례로, 도 9를 참조하면 상기 건조부(1423)는 배출관(1421)의 둘레에 접합된 사각형의 공기주입관일 수 있으며, 상기 공기주입관과 접합되는 배출관(1421)의 둘레면에는 공기주입관을 통해 배출관(1421) 내부로 건조 공기가 주입될 수 있도록 다수의 통공(1423a)이 형성된다.
따라서, 탈수기(1420)의 배출관(1421) 입구(도 9의 좌측단)를 통해 유입된 탄산염 용액은 분리막(1422)을 거치면서 일정 입경 이하의 탄산염 입자만이 통과하도록 걸러진 후, 이어서 건조부(1423)를 거치면서 수분이 제거되어 탈수기(1420)의 출구(도 9의 우측단)에는 최종적으로 입경이 고른 탄산염 분말이 배출된다.
또한, 상기 분리막(1422)에는 진동발생부(1424)가 더 구비될 수 있다.
상기 진동발생부(1424)는 분리막(1422)에 상시 또는 선택적으로 진동을 가하고, 이에 따라 상기 분리막(1422)의 필터 구멍에 탄산염 분말이 끼이지 않도록 하거나 필터 구멍에 끼인 탄산염 분말을 떼어내는 기능을 수행한다.
이를 통해 고순도의 탄산수소나트륨 분말을 획득하여 바로 판매할 수 있어 부수적인 수익을 얻을 수 있다.
상술한 바에 따라, 본 발명에 따른 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화, 및 수소 생산 시스템에서 발생된 이산화탄소 반응물을 더 넓은 공간에 안정적이고 효율적으로 저장하는 동시에 종래 이산화탄소 저장장치 대비 제작비용 및 운용비용을 절감할 수 있음은 물론, 상기 저장된 탄소자원의 필요시 추후에 이용할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 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 실시예들은 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 실시예에 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 실시예 외에도 본 명세서의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
1: 소성로(rotary Kiln)
2: 소성로 후미부
3: 예열기
3a: 이송관
3b: 배기가스관
4: 공급라인
5: 주버너
6: 클링커 쿨러
7: 하소로
7a: 버너
8: 배기라인
9: 배기팬
100: 반응기
110: 흡수탑
111: 이산화탄소 포집부
112: 레벨 인디케이터
113: 버블러
114, 133, 134, 135 : 밸브
120: 배가스 배출원
130: 믹서
131: 염이성 알칼리 용액 저장조
132: 급수원
136: 바이패스(by-pass)
137: 회전축
138: 회전날개
139: 다수의 노즐
140: 분리기
142: 폐수 처리조
143: 배플(baffle)
150: 탄소자원 저장소
151: 인입밸브
152: 인입라인
153: 진공펌프
154: 배출밸브
155: 배출펌프
156: 배출라인
157: 필터
158: 제어 유닛
200: 수소생성기
210: 전원 인가부
220: 인버터
221: DC 모선
222: 이산화탄소 반응물 유입 유로
223: 슬러지 배출 유로
224: 이산화탄소 반응물 유입구
230: 전해조
231: 이산화탄소 반응물 공급 탱크
232: 전해액 공급 유로
240: 수전해셀
242: 격막
245: 패킹(packing)
250: 드레인(drain)
270: 수소 배출 유로
275: 산소 배출 유로
280: 필터
285: 수소 저장 탱크
290: 산소 저장 탱크
1410: 원심분리기
1420: 탈수기
1421: 배출관
1422: 분리막
1423: 건조부
1424: 진동발생부

Claims (16)

  1. 상하 방향으로 직렬 배치된 복수단의 사이클론을 구비하며, 시멘트 원료를 공급받아 예열하는 예열기;
    상기 예열기에 의해 예열된 시멘트 원료를 하소하는 하소로;
    상기 하소로에서 하소된 시멘트 원료를 소성하는 소성로;
    상기 예열기의 사이클론과 연결되어, 하소로 및 소성로 각각에서 배출된 배가스를 외부로 배출시키는 배기라인;
    상기 배기라인 상에 배치되어 상기 배가스를 전달받아 염기성 알칼리 혼합액과 반응시켜 배가스 중 이산화탄소를 포집하고, 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하며, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리하는 반응기; 및
    상기 반응기로부터 분리된 이산화탄소 반응물을 공급받아 수소 가스를 생성하는 수소생성기;를 포함하는,
    시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화, 및 수소 생산 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 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; 및
    상기 분리된 이산화탄소 반응물을 자원화하기 위해 저장하는 탄소자원 저장소를 포함하는,
    시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화, 및 수소 생산 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 믹서는 염기성 알칼리 용액 저장조에서 공급된 염기성 알칼리 용액과 급수원에서 공급된 물을 혼합시켜 염기성 알칼리 혼합액을 생성하는 것을 특징으로 하는,
    시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화, 및 수소 생산 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 염기성 알칼리 용액과 물은 1:1 내지 1:5의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는,
    시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화, 및 수소 생산 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 염기성 알칼리 혼합액의 평균 pH는 pH12 내지 pH13.5인 것을 특징으로 하는,
    시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화, 및 수소 생산 시스템.
  6. 제 1 항에 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,
    시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화, 및 수소 생산 시스템.
  7. 제 2 항에 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,
    시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화, 및 수소 생산 시스템.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 버블러는 상기 배가스를 이용하여 배가스 마이크로버블을 형성하는 것을 특징으로 하는,
    시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화, 및 수소 생산 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소생성기는,
    상기 반응기로부터 분리된 이산화탄소 반응물인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 전해액으로 사용하여 전기 분해에 의해 수소 가스를 생성하는 수전해셀을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화, 및 수소 생산 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 사이클론은 상기 시멘트 연료가 공급되는 최상단의 사이클론과, 상기 하소로 및 소성로 각각에서 배출된 배가스가 공급되는 최하단의 사이클론이 상하방향으로 직렬로 2단으로 형성된 것을 특징으로 하는,
    시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화, 및 수소 생산 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 반응물은 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화, 수소 양산 시스템.
  12. 제 2 항에 있어서,
    상기 분리기는,
    상기 반응물에서 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 포함하는 이산화탄소 반응물과, 폐용액을 분리하는 원심분리기; 및
    상기 이산화탄소 반응물 중에서 탄산수소나트륨만을 외부로 배출시키기 위한 배출관의 내측 둘레에 대응되게 형성되고, 표면에 상기 탄산수소나트륨의 투과를 허용하는 크기로 미세 구멍이 형성된 탈수기;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화, 및 수소 생산 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 반응기의 출구와 연결되는 배출관;
    상기 배출관의 중공에 구비되어 반응기에서 석출된 일정 직경 이하의 탄산염 분말을 포함한 탄산염 용액을 걸러 추출하도록 다수의 필터 구멍을 갖는 분리막; 및
    상기 분리막을 통과한 탄산염 용액에 건조 공기를 분사하여 수분을 제거함으로써 탄산염 분말을 수득하는 건조부;를 포함하는,
    시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화, 및 수소 생산 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 분리막에는 상시 또는 선택적으로 진동을 가하여 분리막의 필터 구멍에 탄산염 분말이 끼이지 않도록 하거나 필터 구멍에 끼인 탄산염 분말을 떼어내는 것을 특징으로 하는,
    시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화, 및 수소 생산 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 소성로에는 시멘트 원료를 소성하여 얻어진 시멘트 클링커(clinker)를 냉각시키기 위한 냉각기로서 클링커 쿨러가 더 설치되는,
    시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화, 및 수소 생산 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 클링커 쿨러에는 클링커 쿨러에 의해 냉각된 시멘트 반제품인 시멘트 클링커를 분쇄하여 시멘트 분말로 가공하기 위한 분쇄기(Cement mill)가 더 설치되는,
    시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화, 및 수소 생산 시스템.
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