WO2022255591A1 - 육상용 이산화탄소 및 황산화물 포집, 및 탄소자원화 시스템 - Google Patents

육상용 이산화탄소 및 황산화물 포집, 및 탄소자원화 시스템 Download PDF

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    • Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2

Definitions

  • the present invention relates to a land-based carbon dioxide capture and carbon resource recovery system that can remove carbon dioxide and at the same time convert it into other useful materials by capturing and converting carbon dioxide in exhaust gas using a basic alkali mixture into a carbon resource.
  • Earth's climate change is represented by glacial periods and interglacial periods periodically by changes in the orbital axis, cycles in which the angle of the axis of rotation changes, precession cycles, and solar radiation. is increasing in degrees Celsius.
  • the average temperature has risen by 0.74°C over 100 years, which is 7 times higher than the increase in temperature due to natural phenomena, which can be attributed to artificial phenomena caused by human activities.
  • Global warming is expected to bring about great disasters to mankind by causing disturbances in the global ecosystem, such as sea level rise, famine, outbreaks of diseases such as malaria, and changes in water shortages as the global temperature rises.
  • carbon dioxide is designated as a greenhouse gas that causes global warming, and although the global warming potential of carbon dioxide is lower than that of other greenhouse gases, it accounts for 80% of the total greenhouse gas emissions and the emission can be regulated.
  • IMO International Maritime Organization
  • EEDI Ship Energy Efficiency Design Index
  • CCS carbon dioxide capture and storage
  • Carbon dioxide capture and storage (CCS) technology is a technology that captures, transports, stores, or converts (immobilizes) greenhouse gases emitted from fossil fuel combustion. This technology can effectively reduce CO 2 emissions and is being considered as a realistic alternative that will serve as a bridging technology until the economic feasibility of new and renewable energy is secured.
  • CCS is mainly used to reduce carbon dioxide generated in the process of power generation using coal and gas, but it is also applied to carbon dioxide intensive industries such as cement, steel, petrochemical, and oil and gas production.
  • Storage methods include geologic storage, marine storage or other storage methods such as storage in minerals.
  • marine storage is currently prohibited due to concerns that it will pose a high environmental risk.
  • Storage in minerals is currently the subject of research, but technological developments such as energy use reduction and large-scale reduction technology improvement are still needed.
  • the present invention captures carbon dioxide in exhaust gas using a basic alkali mixture and converts it into carbon resources, thereby removing carbon dioxide and at the same time recycling carbon dioxide into other useful materials.
  • a basic alkali mixture captures carbon dioxide in exhaust gas using a basic alkali mixture and converts it into carbon resources, thereby removing carbon dioxide and at the same time recycling carbon dioxide into other useful materials.
  • the present invention includes a mixer for supplying a basic alkali mixed solution;
  • An absorption tower for collecting carbon dioxide in the exhaust gas by reacting the basic alkali mixture supplied from the mixer with the exhaust gas in which fine droplets are formed passing through a bubbler installed at the bottom;
  • a separator for collecting reactant containing carbon dioxide collected in the absorption tower and separating a carbon dioxide reactant and a waste solution from the reactant;
  • a carbon resource storage for storing the separated carbon dioxide reactant for recycling; and a discharge unit for discharging residual exhaust gas from which the carbon dioxide collected in the absorption tower is removed.
  • the bubbler may form exhaust gas microbubbles using the exhaust gas.
  • the mixer may mix the basic alkali solution supplied from the basic alkali solution storage tank and the water supplied from the water supply source.
  • the basic alkali solution and water may be mixed in a ratio of 1:1 to 1:5.
  • the average pH of the basic alkali mixture may be pH 12 or higher.
  • the basic alkali mixture may include at least one oxide selected from the group consisting of SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 , TiO 2 , MgO, MnO, CaO, Na 2 O, K 2 O and P 2 O 3 ; at least one metal selected from the group consisting of Li, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Sr, Cd, and Pb; And, at least one liquid composition selected from the group consisting of sodium tetraborate (Na 2 B 4 O 7 10H 2 O), sodium hydroxide (NaOH), sodium silicate (Na 2 SiO 3 ) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) It may include;
  • the absorption tower may supply a basic alkali mixed solution from the mixer through a plurality of nozzles installed thereon.
  • the absorption towers may be configured in series, parallel, or a combination of series and parallel arrangements.
  • the onshore carbon dioxide capture and carbon resource recovery system includes a monitoring unit for monitoring the water level and pH of the basic alkali mixture in the absorption tower; and a controller controlling the supply amount of the basic alkali mixture by the monitoring unit.
  • the carbon dioxide reactant may include sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) or sodium hydrogen carbonate (NaHCO 3 ).
  • the land carbon dioxide capture and carbon resource recovery system can reduce carbon dioxide by capturing carbon dioxide from exhaust gas discharged from land such as thermal power plants, LNG, LPG or fuel cell facilities, and using the collected carbon dioxide to reduce sodium carbonate. Alternatively, it can be recycled into other useful materials by recycling carbon as sodium bicarbonate.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a land carbon dioxide capture and carbon resource recovery system according to the present invention.
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first component may be termed a second component, and similarly, a second component may also be termed a first component, without departing from the scope of the present invention.
  • the term "comprises” or “has” is intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.
  • the present invention is a mixer for supplying a basic alkali mixture; an absorption tower for collecting carbon dioxide in the exhaust gas by reacting the basic alkali mixed solution supplied from the mixer with the exhaust gas in which fine droplets are formed passing through a bubbler installed at the bottom; a separator for collecting the reactant containing carbon dioxide collected in the absorption tower and separating the reactant carbon dioxide and the waste solution from the reactant; a carbon resource storage for storing the separated carbon dioxide reactant for recycling; and a discharge unit for discharging residual exhaust gas from which the carbon dioxide collected in the absorption tower is removed.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a land carbon dioxide capture and carbon resource recycling system 100 according to the present invention.
  • the ship capture system 100 is a system for capturing carbon dioxide in exhaust gas discharged from a ship using a basic alkali solution, and includes an absorption tower 110, a carbon dioxide capture unit 111, It includes an exhaust gas discharge source 120, a mixer 130, a separator 140, a carbon resource storage tank 141 and a discharge unit 150.
  • the absorption tower 110 may mean a facility, building, or facility for capturing carbon dioxide.
  • the carbon dioxide collecting unit 111 located at the lower end of the absorption tower 110 is a part of the absorption tower 110, and may mean a part that collects carbon dioxide by bubbling exhaust gas.
  • the absorption tower 110 includes a carbon dioxide collecting unit 111 at the lower end where carbon dioxide is collected, and collects only carbon dioxide in the exhaust gas by reacting the basic alkali mixture with the exhaust gas (exhaust gas microbubbles). After capturing carbon dioxide from the exhaust gas, exhaust gas from which carbon dioxide has been removed may remain in a gaseous state in the absorption tower 110 .
  • a nozzle is installed at the top of the absorption tower 110, and the basic alkali mixture is sprayed from the mixer 130 through the nozzle into the absorption tower 110, and is collected in the carbon dioxide collecting unit 111 at the bottom.
  • the exhaust gas supplied from the exhaust gas discharge source 120 passes through the bubbler 113 in the carbon dioxide collecting unit 111 at the bottom of the absorption tower 110, and microbubbles are generated. supplied, and the basic alkali mixed solution and the exhaust gas microbubbles react in the carbon dioxide collecting unit 111 to capture carbon dioxide.
  • the microbubbles are formed while passing through the bubbler 113 having fine holes formed at the outlet of the exhaust gas discharge source 120 when the basic alkali mixed solution reacts with the exhaust gas.
  • the bubbler 113 can form microbubbles in the exhaust gas by passing the exhaust gas supplied from the exhaust gas discharge source 120, and the microbubbles have a larger reaction area between the exhaust gas and the alkali solution as the size of the bubble increases, resulting in carbon dioxide. It may be that the collection capacity of
  • the microbubbles may refer to bubbles present in an aqueous solution having a size of about 50 ⁇ m or less.
  • the absorption tower 110 may include a level indicator 112 therein to detect the level of the solution in the absorption tower 110.
  • the nozzle may include a plurality of nozzles and may be formed in one or more stages.
  • the nozzle may be connected to the mixer 130 to supply a basic alkali mixture solution from the mixer 130.
  • the absorption towers 110 may be configured in series, parallel, or a combination of series and parallel arrangements.
  • the absorption towers 110 may be arranged in series when the flow rate of the exhaust gas is high.
  • the absorption tower may be installed in series to collect the unreacted CO 2 .
  • the absorption towers 110 may be arranged in parallel when the flow rate of the exhaust gas is high. If the flow rate of the exhaust gas exceeds the amount that can be captured by the absorption tower, the amount of carbon dioxide that can be captured can be increased by paralleling the absorption tower.
  • the exhaust gas emission source 120 may utilize any gas that emits carbon dioxide and sulfur oxides, and may be, for example, the rear end of power plant exhaust gas or the rear end of engine exhaust gas, and in the present invention, thermal power plant, LNG, LPG or fuel cell. It may be an exhaust gas emitted from a facility or the like.
  • the mixer 130 mixes the basic alkali solution supplied from the basic alkali solution storage tank 131 and the water supplied from the water supply source 132 and supplies them to the nozzle of the absorption tower 110.
  • the basic alkali mixed solution in which the basic alkali solution and water are mixed may be supplied using a separately connected by-pass line 136 when the amount supplied or required increases.
  • the basic alkali solution and water may be mixed in a ratio of 1:1 to 1:5.
  • the basic alkali solution and water are 1:1 to 1:4, 1:1 to 1:3, 1:1 to 1:2, 1:2 to 1:5, 1:2 to 1:3 Or it may be mixing in a ratio of 1:3 to 1:5.
  • the carbon dioxide capture rate of the basic alkali solution and water may increase as the mixing ratio of the basic alkali solution increases, but the mixing ratio of water may be adjusted in consideration of cost.
  • the basic alkali mixture may include at least one oxide selected from the group consisting of SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 2 O 3 , TiO 2 , MgO, MnO, CaO, Na 2 O, K 2 O and P 2 O 3 ; at least one metal selected from the group consisting of Li, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Sr, Cd, and Pb; and from the group consisting of sodium tetraborate (Na 2 B 4 O 7 10H 2 O), sodium hydroxide (NaOH), sodium silicate (Na 2 SiO 3 ), potassium hydroxide (KOH) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ). Characterized in that it comprises; selected one or more liquid compositions.
  • the water supply source 132 may include all water that can be easily obtained at the system installation site, and may be, for example, sea water.
  • the average pH of the basic alkali mixture may be pH 12 or higher.
  • the pH may be pH12 to pH12.5, pH12, pH12,1, pH12,2 or pH12.3.
  • the pH of the basic alkali mixture can be measured with a pH meter in the absorption tower 110, and when the pH of the basic alkali mixture in the absorption tower 110 is less than 10.5, carbon dioxide can no longer be captured.
  • the amount of the basic alkali solution and water may be adjusted from 0 to 100% at the valves 133 and 134 and then supplied to the mixer 130.
  • the mixer 130 When the water level of the basic alkali mixture in the absorption tower 110 is lowered to less than 90% (measured by a level indicator), the mixer 130 is controlled through the valve 135, the basic alkali mixture is introduced, and the level of the solution is 100%. %, the input may be stopped. At the same time, the basic alkali solution and water may be mixed until the pH of the basic alkali mixture is 12.
  • the carbon dioxide capture system can be continuously maintained. It may be to make the net flow zero by adjusting the valve 135 (including a by-pass valve if necessary) so that the same amount of basic alkali mixture as the value of the flow meter installed in the thin line is supplied to the absorption tower 110.
  • the basic alkali mixture and the flue gas react to collect reactants including carbon dioxide captured, and the carbon dioxide reactant and the waste solution in the reactant are separated through the valve 114 ( 140) to separate the carbon dioxide reactant and the waste solution from the reactant.
  • the separator 140 may separate using a centrifugal separation method.
  • the separated carbon dioxide reactant may be moved to the carbon resource storage 141 to be recycled for other purposes.
  • the carbon dioxide reactant may include sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) or sodium hydrogen carbonate (NaHCO 3 ).
  • the terrestrial carbon dioxide capture and carbon resource recovery system is a system used on land, and since it is easy to secure a place to store the carbon dioxide reactant, the carbon dioxide reactant may be separated and stored in a carbon resource storage for recycling into other useful materials.
  • the carbon dioxide reactant may be produced by reacting a basic alkali mixture with carbon dioxide.
  • the waste solution excluding the carbon dioxide reactant from the reactants is moved to the wastewater treatment tank 142 and discarded.
  • the waste solution may include illite minerals and water contained in the basic alkali mixed solution that has completed the catalytic role.
  • the remaining exhaust gas from which carbon dioxide is removed is discharged through the discharge unit 150 .
  • the remaining exhaust gas discharged through the discharge unit 150 may include exhaust gas from which carbon dioxide is removed and a small amount of uncaptured CO 2 .
  • the onshore carbon dioxide capture and carbon resource recovery system 100 includes a monitoring unit 160 for monitoring the water level and pH of the basic alkali mixture in the absorption tower; and a control unit 161 controlling the supply amount of the basic alkali mixed solution by the monitoring unit 160.
  • the monitoring unit 160 manages the values of the gas meter, pH meter, and flow meter measured in all processes of the onshore carbon dioxide capture and carbon resource recovery system 100, and the control unit based on the values indicated by the monitoring unit 160 Adjust (161).
  • the valves 114, 133, 134, and 135 may be adjusted in percentage with respect to the value input from the controller 161.
  • the land carbon dioxide capture and carbon resource recovery system can reduce carbon dioxide by capturing carbon dioxide from exhaust gas discharged from land such as thermal power plants, LNG, LPG or fuel cell facilities, and using the collected carbon dioxide to reduce sodium carbonate. Alternatively, it can be recycled into other useful materials by converting it into sodium bicarbonate.
  • the present invention can be widely used in land-use carbon dioxide and sulfur oxides capture and carbon resource recovery systems.

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Abstract

본 발명은 염기성 알칼리 혼합액을 이용한 배가스 중 이산화탄소를 포집 및 탄소자원으로 변환함으로써, 이산화탄소를 제거하는 동시에 다른 유용한 물질로 자원화할 수 있는 육상용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템에 관한 것으로, 상기 육상용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템은 화력발전소, LNG, LPG 또는 연료전지 시설 등 육상에서 배출되는 배기가스 중 이산화탄소를 포집함으로써 이산화탄소를 저감시킬 수 있고, 상기 포집된 이산화탄소를 이용하여 탄산나트륨 또는 탄산수소나트륨으로 변환하여 다른 유용한 물질로의 자원화가 가능하다.

Description

육상용 이산화탄소 및 황산화물 포집, 및 탄소자원화 시스템
본 발명은 염기성 알칼리 혼합액을 이용한 배가스 중 이산화탄소를 포집 및 탄소자원으로 변환함으로써, 이산화탄소를 제거하는 동시에 다른 유용한 물질로 자원화할 수 있는 육상용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템에 관한 것이다.
지구의 기후변화는 공전 궤도의 변화, 자전축의 각도가 변화하는 사이클, 세차 운동의 사이클, 태양 복사량에 의해 주기적으로 빙하기와 간빙기가 나타내고 있으며, 빙하기에서 간빙기로 전환할 때 기온의 상승은 100년 동안 1℃씩 증가하고 있다. 그러나 최근 들어 100 년 동안 평균 0.74℃가 상승해 자연현상에 의한 온도 상승보다 7배가 높으며 이는 인간의 활동에 의한 인위적 현상에 기인됨을 알 수 있다. 지구 온난화는 지구 온도가 상승함에 따라 해수면 상승, 기근, 말라리아와 같은 질병의 발생, 물 부족 현상 등의 변화와 같은 지구 생태계를 교란시키는 결과를 초래하여 인류에 큰 재앙을 불러오게 될 것으로 예상된다.
특히, 이산화탄소는 지구 온난화 현상을 일으키는 온실 가스로 지정되어 있으며, 이산화탄소의 지구 온난화 지수는 다른 온실 가스에 비해 낮은 편이지만, 전체 온실 가스 배출량의 80%를 차지한다는 점과 배출량을 규제할 수 있다는 점에서 중요하다. 이로 인해, IMO(국제 해사 기구)에서 향후 건조되는 신조선에 대해서 선박 에너지 효율 설계 지수(EEDI, Energy Efficiency Design Index) 지표를 도입하기로 최종 결정함에 따라 2025년까지 기존 대비 평균 30%의 온실가스를 감축해야 하는 상황이다.
이에, 지구 온난화 방지를 위한 기후변화협약과 지구온난화를 유발시키는 온실가스 중 대부분을 차지하고 있는 이산화탄소의 배출을 줄이기 위한 대안 중 하나로 이산화탄소 포집 및 저장(CCS) 기술이 활발히 연구되고 있다.
CCS(Carbon dioxide Captureand Storage) 기술은 화석연료 연소에서 배출되는 온실가스를 포집하고, 수송하여 저장하거나 전환처리(고정화)하는 기술이다. 이 기술은 CO2 배출량을 효과적으로 줄일 수 있어 신재생에너지의 경제성을 확보할 때까지 다리 역할(Bridging Technology)을 담당할 현실적인 대안으로 고려되고 있다.
CCS는 석탄과 가스를 이용한 발전 과정에서 발생되는 이산화탄소를 줄이는데 주로 이용되지만 시멘트, 철강, 석유화학, 석유와 가스 생산 등의 이산화탄소 집약 산업에 적용되기도 한다. 저장하는 방식에는 지중 저장, 해양 저장이나 광물 내 저장과 같은 다른 저장법들이 있다. 다만 해양저장은 높은 환경적 위험을 야기할 것으로 우려되어 현재 금지하고 있다. 광물 내 저장은 현재 연구의 주제가 되고 있으나, 에너지이용 저감, 대규모 감축 기술 향상 등 기술적 발전이 아직은 필요한 상황이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 염기성 알칼리 혼합액을 이용한 배가스 중 이산화탄소를 포집 및 탄소자원으로 변환함으로써, 이산화탄소를 제거하는 동시에 다른 유용한 물질로 자원화할 수 있는 육상용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여,
본 발명은 일실시예에서, 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 육상용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템을 제공한다.
상기 버블러는 상기 배가스를 이용하여 배가스 마이크로버블을 형성하는 것일 수 있다.
상기 믹서는 염기성 알칼리 용액 저장조에서 공급된 염기성 알칼리 용액과 급수원에서 공급된 물이 혼합되는 것일 수 있다.
상기 염기성 알칼리 용액과 물은 1:1 내지 1:5의 비율로 혼합하는 것일 수 있다.
상기 염기성 알칼리 혼합액의 평균 pH는 pH12 이상인 것일 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) 및 과산화수소(H2O2)로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상의 액상 조성물;을 포함하는 것일 수 있다.
상기 흡수탑은 상부에 설치된 다수의 노즐을 통해 상기 믹서로부터 염기성 알칼리 혼합액을 공급하는 것일 수 있다.
상기 흡수탑은 직렬, 병렬, 또는 직렬과 병렬 복합 배열로 구성되는 것일 수 있다.
상기 육상용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템은, 상기 흡수탑 내의 염기성 알칼리 혼합액의 수위 및 pH를 모니터링하는 모니터링부; 및 상기 모니터링부에 의해 염기성 알칼리 혼합액의 공급량을 조절하는 제어부;를 추가 포함할 수 있다.
상기 이산화탄소 반응물은 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 육상용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템은 화력발전소, LNG, LPG 또는 연료전지 시설 등 육상에서 배출되는 배기가스 중 이산화탄소를 포집함으로써 이산화탄소를 저감시킬 수 있고, 상기 포집된 이산화탄소를 이용하여 탄산나트륨 또는 탄산수소나트륨으로 탄소자원화하여 다른 유용한 물질로의 자원화가 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 육상용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템을 나타낸 모식도이다.
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.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
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.
이하, 본 발명에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명은 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 육상용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템을 제공한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 육상용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템을 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 육상용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템(100)을 나타낸 모식도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 선박용 포집 시스템(100)은 염기성 알칼리 용액을 이용하여 선박에서 배출되는 배가스 중 이산화탄소를 포집하는 시스템으로서, 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 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.
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 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 이산화탄소와 황산화물을 배출하는 모든 가스를 활용할 수 있고, 예를 들어, 발전소 배기가스 후단 또는 엔진 배기가스 후단일 수 있으며, 본 발명에서는 화력발전소, LNG, LPG 또는 연료전지 시설 등에서 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 pH12.5, 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 12가 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)로 이동하여 다른 용도로 자원화하여 재활용할 수 있다. 예를 들어, 상기 이산화탄소 반응물은 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 포함하는 것일 수 있다.
상기 육상용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템은 육상에서 사용하는 시스템으로, 이산화탄소 반응물을 저장할 장소를 확보하기 용이하기 때문에 이산화탄소 반응물을 다른 유용한 물질로 자원화하기 위해 분리하여 탄소자원 저장소에 저장하는 것일 수 있다.
상기 이산화탄소 반응물은 하기 반응식 1에서와 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 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 육상용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템(100)은, 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 육상용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템(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 육상용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템은 화력발전소, LNG, LPG 또는 연료전지 시설 등 육상에서 배출되는 배기가스 중 이산화탄소를 포집함으로써 이산화탄소를 저감시킬 수 있고, 상기 포집된 이산화탄소를 이용하여 탄산나트륨 또는 탄산수소나트륨으로 변환시킴으로써 다른 유용한 물질로의 자원화가 가능하다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다 할 것이다.
본 발명은 육상용 이산화탄소 및 황산화물 포집, 및 탄소자원화 시스템에 광범위하게 사용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 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 육상용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 버블러는 상기 배가스를 이용하여 배가스 마이크로버블을 형성하는 것을 특징으로 하는 육상용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 믹서는 염기성 알칼리 용액 저장조에서 공급된 염기성 알칼리 용액과 급수원에서 공급된 물이 혼합되는 것을 특징으로 하는 육상용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 염기성 알칼리 용액과 물은 1:1 내지 1:5의 비율로 혼합하는 것을 특징으로 하는 육상용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 염기성 알칼리 혼합액의 평균 pH는 pH12 이상인 것을 특징으로 하는 육상용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 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 육상용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡수탑은 상부에 설치된 다수의 노즐을 통해 상기 믹서로부터 염기성 알칼리 혼합액을 공급하는 것을 특징으로 하는 육상용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡수탑은 직렬, 병렬, 또는 직렬과 병렬 복합 배열로 구성되는 것을 특징으로 하는 육상용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 육상용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템은,
    상기 흡수탑 내의 염기성 알칼리 혼합액의 수위 및 pH를 모니터링하는 모니터링부; 및
    상기 모니터링부에 의해 염기성 알칼리 혼합액의 공급량을 조절하는 제어부;를 추가 포함하는 육상용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 반응물은 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 포함하는 것을 특징으로 하는 육상용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
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