WO2023128658A1 - 탄소 포집 및 이용 과정에서 반응성이 우수한 광물의 탄산화 방법 - Google Patents

탄소 포집 및 이용 과정에서 반응성이 우수한 광물의 탄산화 방법 Download PDF

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WO2023128658A1
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exhaust gas
metal hydroxide
carbon dioxide
carbonation method
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권성헌
이강우
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(주)선진환경
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    • Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2

Definitions

  • the present invention relates to a carbonation method of a mineral having excellent reactivity in the process of capturing and using carbon by directly reacting carbon dioxide contained in exhaust gas into a low-pressure reactor with a metal hydroxide.
  • Pollutants included in the exhaust gas discharged from ships, factories, boilers, etc. include carbon dioxide (hereinafter referred to as CO 2 ), sulfur dioxide (hereinafter referred to as SO 2 ), and nitrogen dioxides (hereinafter referred to as NO 2 ).
  • CO 2 carbon dioxide
  • insoluble carbonates such as calcium carbonate and magnesium carbonate may be synthesized by reacting carbon dioxide captured in a power plant with metal hydroxide.
  • the main purpose of synthesizing carbonate is to capture and store carbon dioxide, but it has a secondary purpose of recycling it as a raw material for various industries such as civil engineering and construction.
  • this carbonation method has a disadvantage in that investment and operating costs are required because a separate cooling facility such as a heat exchanger is required because the exhaust gas having a high temperature of 120 to 180 ° C. must be cooled in order to match the operating temperature of the blower. In addition, since the reaction temperature must be maintained, there is a disadvantage in that separate steam must be used.
  • An object of the present invention is to provide a carbonation method for minerals capable of improving reactivity in the process of capturing and using carbon.
  • Another object of the present invention is to provide a method for carbonating minerals without the need for a separate heat exchanger and steam.
  • Another object of the present invention is to provide a carbonation method for minerals capable of efficiently collecting pollutants contained in exhaust gas.
  • a method for carbonating minerals using carbon dioxide contained in exhaust gas comprising the steps of: (a) inhaling exhaust gas into a reactor containing metal hydroxide using an exhaust gas suction pipe; (b) generating bubbles while the carbon dioxide contained in the exhaust gas reacts with the metal hydroxide; and (c) forming carbonate inside the reactor, and in step (a), a pressure difference between the inside of the exhaust gas suction pipe and the inside of the reactor may be maintained at 1000 to 9000 mmH 2 O.
  • step (a) the pressure difference between the inside of the exhaust gas suction pipe and the inside of the reactor may be maintained at 2500 to 6000 mmH 2 O.
  • step (a) a reactor containing metal hydroxide and water may be used.
  • step (a) the temperature inside the reactor may be maintained at 40 to 60 °C.
  • the metal hydroxide may include at least one of calcium hydroxide, magnesium hydroxide, and barium hydroxide.
  • exhaust gas that has not reacted with the metal hydroxide may be discharged to the outside of the reactor.
  • carbon dioxide contained in exhaust gas is sucked into a low-pressure reactor and directly reacted with metal hydroxide, thereby having excellent reactivity in the process of capturing and using carbon.
  • the carbonation method of minerals according to the present invention can carbonate without the need for a separate heat exchanger and steam, thereby reducing equipment investment and operating costs.
  • the carbonation method of minerals according to the present invention can efficiently capture and use carbon dioxide contained in exhaust gas.
  • FIG. 1 is a flow chart showing a carbonation method of minerals having excellent reactivity according to the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of the reactor of the present invention.
  • the arrangement of an arbitrary element on the "upper (or lower)" or “upper (or lower)” of a component means that an arbitrary element is placed in contact with the upper (or lower) surface of the component.
  • ком ⁇ онент when a component is described as “connected”, “coupled” or “connected” to another component, the components may be directly connected or connected to each other, but other components may be “interposed” between each component. ", or each component may be “connected”, “coupled” or “connected” through other components.
  • the present invention has developed a carbonation method using high-temperature exhaust gas without a separate heat exchanger, cooling water, or steam treatment.
  • the carbon dioxide contained in the exhaust gas is sucked into the low-pressure reactor and the reactivity can be further improved by increasing the contact area between the gas and the metal hydroxide reaction liquid by using bubbles generated according to the pressure inside the reactor. .
  • the temperature of the metal hydroxide reaction solution can be increased, and at the same time, the exhaust gas It has a cooling effect.
  • the exhaust gas mentioned in the present invention may contain 10 to 15% by volume of carbon dioxide, and the concentration of carbon dioxide included in the exhaust gas may vary depending on the type and use of facilities such as ships, boilers, factories, and incinerators.
  • FIG. 1 is a flowchart of a method of carbonating minerals using carbon dioxide contained in exhaust gas according to the present invention.
  • a method for carbonating minerals using carbon dioxide contained in exhaust gas includes the step of inhaling exhaust gas into a reactor in which metal hydroxide is accommodated (S110), carbon dioxide included in exhaust gas is a metal It may include generating bubbles while reacting with hydroxide (S120) and forming carbonate inside the reactor (S130).
  • the reaction may be performed while maintaining the pressure difference between the inside of the exhaust gas suction pipe and the inside of the reactor, that is, the vacuum differential pressure of 1000 to 9000 mmH 2 O .
  • the pressure difference between the inside of the exhaust gas suction pipe and the inside of the reactor may be maintained at 1000 to 7000 mmH 2 O, more preferably at 2500 to 6000 mmH 2 O, and 3000 to 5000 mmH 2 O.
  • the pressure difference between the inside of the exhaust gas suction pipe and the inside of the reactor may be 8,332 to 2,332 mmH 2 O, preferably 1000 to 7000 mmH 2 O. .
  • a vacuum pressure gauge that measures only the pressure inside the reactor is used, and a differential pressure gauge can be installed and used if accurate differential pressure between the reactor suction pipe and the inside of the reactor is required.
  • the pressure inside the reactor may vary depending on the liquid level of the metal hydroxide reaction liquid, and the metal hydroxide reaction liquid means a mixture of metal hydroxide and water.
  • the pressure inside the reactor may eventually vary depending on the volume of the metal hydroxide reaction solution.
  • the vacuum differential pressure can be maintained at 1000 to 9000 mmH 2 O.
  • the pressure inside the reactor is the exhaust gas suction pressure, and can be maintained using a suction blower having a lower pressure than a vacuum pump and a large air volume.
  • a suction blower is disposed in the upper direction of the reactor to suck in a portion of the air.
  • the inside of the reactor is maintained at a low pressure, bubbles or bubbles are generated in the metal hydroxide reaction solution, and the carbonation reaction may proceed as the exhaust gas comes into contact with the metal hydroxide reaction solution.
  • the differential pressure means the pressure difference between the inside of the exhaust gas intake pipe and the inside of the reactor.
  • the pressure inside the reactor may have some pressure loss if pipes, valves, etc. are installed, the pressure inside the blower is the lowest, then the pressure at the inlet of the blower is low, and finally the pressure inside the reactor is low. That is, the pressure inside the reactor may be the highest.
  • a reactor containing the metal hydroxide and water may be used.
  • the metal hydroxide is a mineral and may include one or more of calcium hydroxide, magnesium hydroxide, and barium hydroxide.
  • the metal hydroxide may include silicate minerals or/and industrial by-products.
  • Metal hydroxides are solids and have low solubility in water (distilled water, deionized water, etc.). These metal hydroxides may be used as a low-concentration suspension of 8 to 12% in water or an organic solvent, a low-concentration sludge of 8 to 12%, or a low-concentration aqueous solution of 100 to 200 mg/L.
  • a metal hydroxide reaction solution may be prepared by further mixing an organic solvent in addition to water, but is not limited thereto.
  • the metal hydroxide when calcium hydroxide is used, it can be reacted as Ca(OH) 2 + CO 2 ⁇ CaCO 3 + H 2 O.
  • magnesium hydroxide when magnesium hydroxide is used, it can be reacted as Mg(OH) 2 + CO 2 ⁇ MgCO 3 + H 2 O.
  • the metal hydroxide when barium hydroxide is used, it can be reacted as Ba(OH) 2 + CO 2 ⁇ BaCO 3 + H 2 O.
  • the temperature inside the reactor may be maintained at 40 to 60 °C, and the carbonation method may be performed at 40 to 60 °C.
  • the reaction temperature at 40 to 60 °C By maintaining the reaction temperature at 40 to 60 °C, the carbonation reaction can sufficiently proceed.
  • maintaining the reaction temperature at 40 to 60 ° C means that the temperature of the metal hydroxide reaction solution inside the reactor is 40 to 60 ° C.
  • the inside of the reactor is formed in an atmosphere close to vacuum to directly react the exhaust gas with the metal hydroxide reaction solution, so that the high-temperature exhaust gas increases the temperature of the metal hydroxide reaction solution, and the exhaust gas itself is cooled to 40 to 60 ° C. It has a reactive effect.
  • the amount of bubbles produced may vary depending on the pressure inside the reactor.
  • the size of the generated bubbles tends to become finer as the differential pressure increases, and may be 30 to 200 ⁇ m, preferably 30 to 150 ⁇ m, and 30 to 100 ⁇ m.
  • the bubble size satisfies the micrometer size, the carbonation reaction of carbon dioxide can proceed more efficiently.
  • one or more carbonates of CaCO 3 , MgCO 3 , and BaCO 3 may be precipitated.
  • exhaust gas that does not react with the metal hydroxide can be discharged to the outside of the reactor.
  • exhaust gas that has not reacted with the metal hydroxide may be discharged to the outside of the reactor.
  • the carbonate produced in this way may be produced for the purpose of capturing and reducing carbon dioxide, and may be recycled as various industrial raw materials such as civil engineering and construction.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of the reactor of the present invention.
  • the reactor 10 of the present invention may have an exhaust gas suction pipe 20 disposed in a lower direction and a side surface, and a suction blower 30 disposed in an upper direction.
  • the suction blower 30 may have blades rotating inside the reactor and a tubular blower inlet at the top or/or side of the reactor.
  • the suction blower 30 may be operated according to power control of a switching element, and the switching element may supply or cut off power to the suction blower.
  • the carbonation method of the present invention sucks the exhaust gas while maintaining the pressure difference between the inside of the exhaust gas suction pipe and the inside of the reactor in a vacuum state of 1000 to 9000 mmH 2 O, so that the sucked exhaust gas directly enters the metal hydroxide reaction solution. It is possible to contact, and the reaction efficiency can be further increased by increasing the contact area between carbon dioxide and the reaction solution by microbubbling.
  • a boiler exhaust gas pipe was connected to the bottom of the reactor, and a suction blower was installed at the top of the reactor.
  • 1000 L of a 20% concentration calcium hydroxide suspension was introduced into the reactor to fill about 1/3 of the height of the reactor, and the pressure difference between the inside of the exhaust gas suction pipe and the inside of the reactor was maintained at 1000 mmH 2 O .
  • 20 to 21 vol% of carbon dioxide was included in 100 vol% of the exhaust gas, and the exhaust gas temperature was measured as 180°C.
  • the calcium hydroxide suspension inside the reactor started to form bubbles, and as carbon dioxide reacted with the calcium hydroxide suspension, calcium carbonate and water were formed. Thereafter, exhaust gas that did not react with calcium hydroxide was discharged to the outside of the reactor.
  • the reaction was performed under the same conditions as in Example 1, except that the pressure difference between the inside of the exhaust gas suction pipe and the inside of the reactor was 2500 mmH 2 O.
  • the reaction was conducted under the same conditions as in Example 1, except that the pressure difference between the inside of the exhaust gas intake pipe and the inside of the reactor was 4000 mmH 2 O.
  • the reaction was conducted under the same conditions as in Example 1, except that the pressure difference between the inside of the exhaust gas suction pipe and the inside of the reactor was 6000 mmH 2 O.
  • the reaction was performed under the same conditions as in Example 1, except that the pressure difference between the inside of the exhaust gas suction pipe and the inside of the reactor was 200 mmH 2 O.
  • the reaction was conducted under the same conditions as in Example 1, except that the pressure difference between the inside of the exhaust gas suction pipe and the inside of the reactor was 10,000 mmH 2 O.
  • Comparative Example 1 bubbles were not formed inside the reactor, so the average bubble size could not be measured, and in Comparative Example 2, bubbles of too large size were formed, showing low reactivity.
  • the carbonation method of minerals of the present invention has an advantage of excellent reactivity and a fast reaction rate, and thus has an effect of not only reducing CO 2 but also efficiently using CO 2 to convert it into an eco-friendly material for industrial use.

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Abstract

배기가스에 포함된 이산화탄소를 저압의 반응기 내부로 흡입하여 금속수산화물과 직접 반응시킴으로써, 탄소 포집 및 이용 과정에서 반응성이 우수한 광물의 탄산화 방법에 대하여 개시한다. 본 발명에 따른 배기가스에 포함된 이산화탄소를 이용하여 광물을 탄산화하는 방법에 있어서, (a) 배기가스 흡입관을 이용하여, 금속수산화물이 수용된 반응기 내부로 배기가스를 흡입하는 단계; (b) 상기 배기가스에 포함된 이산화탄소가 금속수산화물과 반응하면서 버블을 생성하는 단계; 및 (c) 상기 반응기 내부에 탄산염을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 (a) 단계에서 배기가스 흡입관 내부와 반응기 내부의 압력 차이를 1000 ~ 9000mmH2O 로 유지할 수 있다.

Description

탄소 포집 및 이용 과정에서 반응성이 우수한 광물의 탄산화 방법
본 발명은 배기가스에 포함된 이산화탄소를 저압의 반응기 내부로 흡입하여 금속수산화물과 직접 반응시킴으로써, 탄소 포집 및 이용 과정에서 반응성이 우수한 광물의 탄산화 방법에 관한 것이다.
선박, 공장, 보일러 등에서 배출되는 배기가스에 포함된 오염물질은 이산화탄소(Carbon dioxide, 이하 CO2), 이산화황(Sulfur dioxide, 이하 SO2), 및 이산화질소(Nitrogen dioxides, 이하 NO2) 등이 있다.
이들 오염물질은 인체에 유해할 뿐만 아니라, 여과처리 없이 그대로 대기 중으로 배출되는 경우에는 환경오염을 유발하는 원인이 된다.
특히, 이산화탄소(CO2)가 지구 온난화의 주요 원인 중의 하나로 지목되면서 이산화탄소 배출을 최소화하려고 노력하고 있다.
또한 화석 연료를 사용하는 공장이나 발전소와 같은 설비로부터 나오는 이산화탄소를 효율적으로 포집해 이산화탄소를 분리한 후에 저장하거나 다시 사용하려는 연구 개발이 지속적으로 수행되고 있다.
예를 들어, 발전소 등에서 포집된 이산화탄소를 금속수산화물과 반응시켜 탄산칼슘, 탄산마그네슘과 같은 불용성 탄산염을 합성할 수 있다. 탄산염을 합성하는 것은 이산화탄소를 포집하고 저장하는 것이 주된 목적이지만, 토목, 건축 등 다양한 산업원료로 재활용하는 2차 목적을 가진다.
하지만, 이러한 탄산화 방법은 블로어의 작동 온도에 맞추기 위해, 120 ~ 180℃ 고온의 배기가스를 냉각시켜야 하기 때문에 열교환기 등 별도의 냉각설비가 필요해 투자비와 운영비가 필요한 단점이 있다. 또한 반응 온도를 유지해야 하기 때문에 별도의 스팀을 사용해야 하는 단점이 있다.
따라서 배기가스에 포함된 오염물질을 이용하여 효율적으로 탄산화하는 방법이 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은 탄소 포집 및 이용 과정에서 반응성을 향상시킬 수 있는 광물의 탄산화 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 별도의 열교환기와 스팀이 필요 없이 광물의 탄산화하는 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 배기가스에 포함된 오염물질을 효율적으로 포집할 수 있는 광물의 탄산화 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 배기가스에 포함된 이산화탄소를 이용하여 광물을 탄산화하는 방법에 있어서, (a) 배기가스 흡입관을 이용하여, 금속수산화물이 수용된 반응기 내부로 배기가스를 흡입하는 단계; (b) 상기 배기가스에 포함된 이산화탄소가 금속수산화물과 반응하면서 버블을 생성하는 단계; 및 (c) 상기 반응기 내부에 탄산염을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 (a) 단계에서 배기가스 흡입관 내부와 반응기 내부의 압력 차이를 1000 ~ 9000mmH2O로 유지할 수 있다.
상기 (a) 단계에서 배기가스 흡입관 내부와 반응기 내부의 압력 차이를 2500 ~ 6000mmH2O 로 유지할 수 있다.
상기 (a) 단계에서 금속수산화물과 물이 수용된 반응기를 사용할 수 있다.
상기 (a) 단계에서 반응기 내부의 온도를 40 ~ 60℃로 유지할 수 있다.
상기 금속수산화물은 수산화칼슘, 수산화마그네슘 및 수산화바륨 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 (c) 단계와 동시에 또는/및 상기 (c) 단계 이후에, 금속수산화물과 반응하지 않은 배기가스를 반응기 외부로 배출할 수 있다.
본 발명에 따른 광물의 탄산화 방법은 배기가스에 포함된 이산화탄소를 저압의 반응기 내부로 흡입하여 금속수산화물과 직접 반응시킴으로써, 탄소 포집 및 이용 과정에서 반응성이 우수한 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 광물의 탄산화 방법은 별도의 열교환기와 스팀이 필요 없이 탄산화할 수 있어 설비 투자비와 운영비를 감축시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따른 광물의 탄산화 방법은 배기가스에 포함된 이산화탄소를 을 효율적으로 포집 및 이용할 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명에 따른 반응성이 우수한 광물의 탄산화 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 반응기 개략도이다.
[부호의 설명]
10 : 반응기
20 : 배기가스 흡입관
30 : 흡입식 블로워
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
이하에서는, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 탄소 포집 및 이용 과정에서 반응성이 우수한 광물의 탄산화 방법을 설명하도록 한다.
종래에는 배기가스에 포함된 이산화탄소를 처리하기 위해, 배기가스를 반응기 내부로 흡입하여 압축한 후 고압 블로어로 블로윙(blowing)하여 탄산화를 진행하였다. 하지만, 배기가스가 120 ~ 180℃의 고온이라서 일반적으로 40℃ 이하에서 작동하는 고압 블로어를 사용하기가 어려웠다. 고압 블로어를 사용하기 위해서는 배기가스를 냉각시키기 위한 열교환기가 필요하며, 가스는 열전달 효율이 낮기 때문에 부피가 큰 열교환기가 필요한 단점이 있다. 또한 냉각수 등의 매체가 필요하기 때문에 투자비와 운영비가 많이 소요되는 단점이 있다. 또한 탄산화 반응 시 반응 온도를 유지해야 하기 때문에 별도의 스팀 처리가 필요한 단점이 있다.
본 발명에서는 이러한 문제점들을 해결하기 위해, 별도의 열교환기나, 냉각수, 스팀 처리 없이도 고온의 배기가스를 이용하여 탄산화하는 방법을 개발하였다.
본 발명에서는 배기가스에 포함된 이산화탄소를 저압의 반응기 내부로 흡입하고 반응기 내부 압력에 따라 생성되는 버블을 이용함으로써, 가스와 금속수산화물 반응액의 접촉면적을 증가시킴에 따라 반응성을 더욱 향상시킬 수 있다.
특히, 배기가스 흡입관 내부와 반응기 내부의 압력 차이를 1000 ~ 9000mmH2O 으로 유지한 상태에서 고온의 배기가스가 반응기 내부로 흡입됨에 따라, 금속수산화물 반응액의 온도를 높일 수 있고 이와 동시에 배기가스가 냉각되는 효과가 있다.
본 발명에서 언급한 배기가스에는 이산화탄소가 10 ~ 15부피% 포함될 수 있으며, 선박, 보일러, 공장, 소각로 등의 설비 종류 및 용도에 따라 배기가스에 포함된 이산화탄소의 농도가 달라질 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 배기가스에 포함된 이산화탄소를 이용하여 광물을 탄산화하는 방법에 대한 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 배기가스에 포함된 이산화탄소를 이용하여 광물을 탄산화하는 방법은 금속수산화물이 수용된 반응기 내부로 배기가스를 흡입하는 단계(S110), 배기가스에 포함된 이산화탄소가 금속수산화물과 반응하면서 버블을 생성하는 단계(S120) 및 반응기 내부에 탄산염을 형성하는 단계(S130)를 포함할 수 있다.
그리고 배기가스 흡입관 내부와 반응기 내부의 압력 차이, 즉 진공 차압을 1000 ~ 9000mmH2O 로 유지한 상태에서 반응을 수행할 수 있다. 바람직하게는 배기가스 흡입관 내부와 반응기 내부의 압력 차이를 1000 ~ 7000mmH2O 로 유지할 수 있고, 보다 바람직하게는 2500 ~ 6000mmH2O, 3000 ~ 5000mmH2O 로 유지할 수 있다.
즉, 대기압이 10,332mmH2O 이고, 반응기 내부의 압력이 2,000 ~ 8000mmH2O 일 때, 배기가스 흡입관 내부와 반응기 내부의 압력 차이는 8,332 ~ 2,332 mmH2O 일 수 있고, 바람직하게는 1000 ~ 7000 mmH2O 일 수 있다.
관용적으로 현장에서는 반응기 내부의 압력만 측정하는 진공압력계를 사용하고, 반응기 흡입관과 반응기 내부의 정확한 차압이 필요하면 차압계를 설치하여 사용할 수 있다. 반응기 내부의 압력은 금속수산화물 반응액의 액위에 따라서 달라질 수 있으며, 여기서 금속수산화물 반응액은 금속수산화물과 물을 혼합한 것을 의미한다.
금속수산화물 반응액의 액위, 즉, 반응액의 높이는 반응기 부피와 형태에 따라 달라지므로, 결국 반응기 내부의 압력은 금속수산화물 반응액의 부피에 따라 달라질 수 있다. 금속수산화물 반응액 1000L에 대하여, 진공 차압을 1000 ~ 9000mmH2O 로 유지할 수 있다.
반응기 내부의 압력은 배기가스 흡입 압력으로, 진공펌프 보다는 압력이 낮고, 풍량이 많은 흡입식 블로어를 사용하여 유지될 수 있다.
반응기에 일부 높이만큼 금속수산화물 반응액을 저장하고, 다른 일부 높이만큼 공기가 채워진 상태에서, 흡입식 블로어는 반응기 상부방향에 배치되어 공기 부분을 흡입하게 된다. 이때 반응기 내부가 저압으로 유지됨에 따라 금속수산화물 반응액에 기포 또는 버블이 발생하게 되고, 배기가스가 금속수산화물 반응액과 접촉하게 되면서 탄산화 반응이 진행될 수 있다.
반응기 내부의 압력이 너무 높을 경우, 금속수산화물 반응액에서 버블이 생성되지 않을 수 있고, 반응기 내부의 압력이 너무 높아 차압이 낮아지기 때문에 미세버블이 생성되는 정도가 적을 수 있다. 여기서 차압은 배기가스 흡입관 내부와 반응기 내부의 압력 차이를 의미한다. 반응기 내부의 압력은 배관, 밸브 등이 설치되면 압력 손실이 약간 있을 수 있으며, 블로어 내부의 압력이 가장 낮고, 그 다음 블로어 입구의 압력이 낮고, 마지막으로 반응기 내부 압력이 낮다. 즉, 반응기 내부 압력이 가장 높을 수 있다.
반대로 반응기 내부의 압력이 너무 낮을 경우, 흡입식 블로어의 동력(KW)이 높아지면서 전기 사용량이 지나치게 증가하게 된다. 또한 반응기 내부의 상부 쪽에 비말이 많이 동반되어 블로어 수명에 악영향을 미치게 된다.
금속수산화물이 수용된 반응기 내부로 배기가스를 흡입하는 단계에서, 금속수산화물과 물이 수용된 반응기를 사용할 수 있다.
금속수산화물은 광물로서, 수산화칼슘, 수산화마그네슘 및 수산화바륨 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게, 금속수산화물은 규산염 광물 또는/및 산업 부산물을 포함할 수 있다.
금속수산화물은 고체이며 물(증류수, 탈이온수 등)에 대한 용해도가 낮다. 이러한 금속수산화물은 물이나 유기용매에 8 ~ 12% 저농도의 현탁액 또는 8 ~ 12% 저농도의 슬러지로 사용되거나, 100 ~ 200mg/L 저농도의 수용액으로 사용될 수 있다.
또한 물 이외에 유기용매를 더 혼합하여 금속수산화물 반응액을 마련할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
금속수산화물로서, 수산화칼슘을 이용하는 경우, Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O 로 반응될 수 있다.
금속수산화물로서, 수산화마그네슘을 이용하는 경우, Mg(OH)2 + CO2 → MgCO3 + H2O 로 반응될 수 있다.
금속수산화물로서, 수산화바륨을 이용하는 경우, Ba(OH)2 + CO2 → BaCO3 + H2O 로 반응될 수 있다.
본 발명에서는 반응기 내부의 온도를 40 ~ 60℃로 유지할 수 있고, 40 ~ 60℃에서 탄산화 방법이 수행될 수 있다. 반응 온도를 40 ~ 60℃로 유지함으로써, 탄산화 반응이 충분히 진행될 수 있다. 여기서 반응 온도를 40 ~ 60℃로 유지한다는 것은 반응기 내부의 금속수산화물 반응액의 온도가 40 ~ 60℃인 것을 의미한다.
또한 특수한 결정구조를 얻기 위한 탄산염 반응의 경우 60℃ 보다 높은 온도에서 반응할 수 있다.
종래에는 반응액의 온도를 40 ~ 60℃로 유지하기 위해 별도의 스팀을 사용하였다.
하지만 본 발명에서는 반응기 내부를 진공에 가까운 분위기로 형성하여 배기가스를 금속수산화물 반응액에 직접 반응시킴으로써, 고온의 배기가스가 금속수산화물 반응액의 온도를 높이고, 배기가스 자체는 40 ~ 60℃로 냉각되면서 반응되는 효과가 있다.
배기가스에 포함된 이산화탄소가 금속수산화물과 반응하면서, 반응기 내부의 저압에 의해 마이크로 크기의 버블을 생성할 수 있다. 버블은 배기가스 흡입관 내부와 반응기 내부의 압력 차이에 의해 형성되며, 금속수산화물 반응액 내에서 버블이 생성됨에 따라 배기가스 중 이산화탄소가 반응액에 접촉되는 면적이 커지기 때문에 배기가스의 탄산화 반응이 더욱 향상되는 효과가 있다.
버블이 생성되는 양은 반응기 내부의 압력에 따라 달라질 수 있다. 생성되는 버블의 크기는 차압이 클수록 미세해지는 경향을 보이며, 30 ~ 200 ㎛일 수 있고, 바람직하게는 30 ~ 150㎛, 30 ~ 100㎛일 수 있다. 버블의 크기가 마이크로미터 크기를 만족함으로써, 이산화탄소의 탄산화 반응이 더욱 효율적으로 진행될 수 있다.
반응기 내부에 탄산염을 형성하는 단계에서, CaCO3, MgCO3, BaCO3 중 1종 이상의 탄산염이 침전될 수 있다.
그리고 반응기 내부에 탄산염을 형성함과 동시에 금속수산화물과 반응하지 않은 배기가스를 반응기 외부로 배출할 수 있다. 또는/및 반응기 내부에 탄산염을 형성한 이후에 금속수산화물과 반응하지 않은 배기가스를 반응기 외부로 배출할 수 있다.
이렇게 생성된 탄산염은 이산화탄소를 포집하고 저감시키는 목적으로 생성될 수 있으며, 토목, 건축 등 다양한 산업적 원료로 재활용될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 반응기 개략도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 반응기(10)는 하부 방향 및 측면에 배기가스 흡입관(20)이 배치되고, 상부 방향에 흡입식 블로워(30)가 배치될 수 있다.
흡입식 블로워(30)는 반응기 내부의 압력을 조절하기 위해, 반응기 내부에서 회전하는 날개와, 반응기 상부 또는/및 측면에 관 형상의 블로워 입구가 배치될 수 있다.
흡입식 블로워(30)는 스위칭 소자의 전원 제어에 따라 동작될 수 있고, 스위칭 소자는 흡입식 블로워에 전원을 공급하거나 차단할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 탄산화 방법은 배기가스 흡입관 내부와 반응기 내부의 압력 차이를 1000 ~ 9000mmH2O의 진공 상태로 유지하면서 배기가스를 흡입함으로써, 흡입된 배기가스가 금속수산화물 반응액에 직접 접촉할 수 있고, 미세버블링에 의해 이산화탄소와 반응액의 접촉면적을 높여 반응 효율을 더욱 높일 수 있다.
이와 같이 탄소 포집 및 이용 과정에서 반응성이 우수한 광물의 탄산화 방법에 대하여 그 구체적인 실시예를 살펴보면 다음과 같다.
실시예 1
보일러 배기가스 관을 반응기 하부에 연결하고, 흡입식 블로워를 반응기 상부에 설치하였다. 20% 농도의 수산화칼슘 현탁액 1000L를 반응기에 투입하여 반응기 높이의 1/3 정도를 채웠으며, 배기가스 흡입관 내부와 반응기 내부의 압력 차이를 1000mmH2O 으로 유지하였다. 배기가스 100부피%에 이산화탄소 20 ~ 21부피%가 포함되어 있었고, 배기가스 온도가 180℃로 측정되었다. 배기가스를 반응기 내부로 흡입하면서 반응기 내부에 있는 수산화칼슘 현탁액은 기포가 형성되기 시작하였고, 이산화탄소가 수산화칼슘 현탁액과 반응하면서 탄산칼슘과 물이 형성되었다. 이후, 수산화칼슘과 반응하지 않은 배기가스를 반응기 외부로 배출시켰다.
실시예 2
배기가스 흡입관 내부와 반응기 내부의 압력 차이를 2500mmH2O 으로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 반응시켰다.
실시예 3
배기가스 흡입관 내부와 반응기 내부의 압력 차이를 4000mmH2O 으로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 반응시켰다.
실시예 4
배기가스 흡입관 내부와 반응기 내부의 압력 차이를 6000mmH2O 으로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 반응시켰다.
비교예 1
배기가스 흡입관 내부와 반응기 내부의 압력 차이를 200mmH2O 으로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 반응시켰다.
비교예 2
배기가스 흡입관 내부와 반응기 내부의 압력 차이를 10,000mmH2O 으로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 반응시켰다.
2. 물성 평가 방법 및 그 결과
1.말번 파날리티칼(Malvern Panalytical)의 Malvern NanoSight 제품군 중 입도분석기 NS300을 사용하여, 생성된 버블의 평균크기를 측정하여 표 1에 기재하였다.
2. 반응기에 수용된 수산화칼슘 양 대비, 80% 이상 반응하면 반응성 "우수"로 표기하였고, 수산화칼슘의 양 대비 79% 이하로 반응하면 "나쁨"으로 표기하였다,
[표 1]
Figure PCTKR2022021614-appb-img-000001
표 1을 참조하면, 실시예 1 내지 4는 반응기 내부를 저압으로 유지하였기 때문에, 마이크로버블이 충분히 형성되었고, 이산화탄소의 반응성이 우수하였다.
반면 비교예 1은 반응기 내부에 버블이 형성되지 않아 버블 평균크기를 측정할 수 없었고, 비교예 2는 오히려 크기가 너무 큰 버블이 형성되어, 반응성이 낮은 것을 보여준다.
이처럼 본 발명의 광물의 탄산화 방법은 반응성이 우수하며 반응속도도 빠른 이점이 있어 CO2 저감뿐만 아니라 CO2를 효율적으로 이용하여 산업용 친환경소재로 전환시키는 효과가 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims (6)

  1. 배기가스에 포함된 이산화탄소를 이용하여 광물을 탄산화하는 방법에 있어서,
    (a) 배기가스 흡입관을 이용하여, 금속수산화물이 수용된 반응기 내부로 배기가스를 흡입하는 단계;
    (b) 상기 배기가스에 포함된 이산화탄소가 금속수산화물과 반응하면서 버블을 생성하는 단계; 및
    (c) 상기 반응기 내부에 탄산염을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 (a) 단계에서 배기가스 흡입관 내부와 반응기 내부의 압력 차이를 1000 ~ 9000mmH2O 로 유지하는, 광물의 탄산화 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 배기가스 흡입관 내부와 반응기 내부의 압력 차이를 2500 ~ 6000mmH2O 로 유지하는 광물의 탄산화 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 금속수산화물과 물이 수용된 반응기를 사용하는 광물의 탄산화 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 반응기 내부의 온도를 40 ~ 60℃로 유지하는 광물의 탄산화 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속수산화물은 수산화칼슘, 수산화마그네슘 및 수산화바륨 중 1종 이상을 포함하는 광물의 탄산화 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계와 동시에 또는/및 상기 (c) 단계 이후에, 금속수산화물과 반응하지 않은 배기가스를 반응기 외부로 배출하는 광물의 탄산화 방법.
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