WO2023140440A1 - 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템 - Google Patents

시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a carbon dioxide capture and carbon resource recovery system for a cement manufacturing facility, and more particularly, to a carbon dioxide capture and carbon resource recovery system for a cement manufacturing facility that can remove carbon dioxide from a cement manufacturing facility 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.
  • Cement which is essential for manufacturing concrete used in most buildings, is produced in excess of 4 billion tonnes annually on a global basis. Cement undergoes a process of heating limestone raw materials in the manufacturing process, and at this time, a large amount of carbon dioxide (CO 2 ), a representative greenhouse gas, is emitted.
  • CO 2 carbon dioxide
  • limestone (CaCO 3 ) which is the main raw material of cement, is preheated by a preheater, and then calcined in a calcination furnace and a cyclone at the bottom of the preheater, and then fired in a rotary kiln, which is a sintering furnace.
  • Cement clinker is manufactured by firing in a high-temperature atmosphere of about 1450 ° C.
  • the present invention has been devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a system for reducing carbon dioxide in exhaust gas generated in a cement manufacturing process.
  • another object of the present invention is to provide a carbon dioxide and carbon resource recycling system for a cement manufacturing facility 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.
  • another object of the present invention is to capture carbon dioxide using a basic alkali mixed solution that solves the disadvantages of an alkanolamine aqueous solution, which is a carbon dioxide absorbent widely used in the prior art, thereby securing economic feasibility compared to conventional technologies.
  • another object of the present invention is to provide a system for capturing carbon dioxide and converting carbon dioxide for a cement manufacturing facility, which captures and converts carbon dioxide from exhaust gas generated in the cement manufacturing process into carbon resources, and then stores and operates the converted carbon resources in the ground, so that carbon resources, which are carbon dioxide capture reactants, can be stored more stably and efficiently than conventional carbon dioxide storage devices, while reducing manufacturing and operating costs, as well as allowing the stored carbon resources to be used later when necessary.
  • a carbon dioxide capture and carbon resource recovery system for a cement manufacturing facility for achieving the above object has a plurality of cyclones arranged in series in a vertical direction, and includes a preheater for receiving and preheating cement raw materials; A calciner for calcining the cement raw material preheated by the preheater; a calcination furnace for calcining the cement raw material calcined in the calcination furnace; an exhaust line connected to the cyclone of the preheater and discharging exhaust gas discharged from each of the calcining furnace and the calcining furnace to the outside; And a reactor disposed on the exhaust line to receive the exhaust gas and react with the basic alkali mixture to capture carbon dioxide in the exhaust gas, collect a reactant including the captured carbon dioxide, and separate the carbon dioxide reactant and the waste solution from the reactant. It includes.
  • the reactor includes 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; and a carbon resource storage for storing the separated carbon dioxide reactant for recycling.
  • the mixer is characterized in that the basic alkali solution supplied from the basic alkali solution storage tank and the water supplied from the water supply source are mixed to generate a basic alkali mixed solution.
  • the average pH of the basic alkali mixture is characterized in that pH 12 to pH 13.5.
  • 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 ), potassium hydroxide (KOH), and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ).
  • 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,
  • the mixer is controlled through a valve to introduce the basic alkali mixture, and when the water level of the basic alkali mixture reaches 100%, the introduction is stopped, and at the same time, the basic alkali solution and water are mixed until the pH of the basic alkali mixture is 12 to 13.5.
  • the bubbler is characterized by forming exhaust gas microbubbles using the exhaust gas.
  • the absorption tower includes a tubular body, a motor, a rotating shaft rotated by the motor, and a rotating blade operatively connected by the rotating shaft, the rotating shaft and the rotating blade are located inside the main body, and the rotating blade has a plurality of nozzles through which the basic alkali mixed solution can be sprayed in the form of bubbles at regular intervals in a longitudinal direction, the basic alkali mixed solution supplied from the mixer flows into the rotating shaft, and the introduced basic alkali mixed solution flows through the plurality of nozzles. It is characterized in that it is sprayed into the inside of the tubular body.
  • the absorption tower may further include a baffle formed with a plurality of slits or holes so that the exhaust gas flows in with a uniform velocity distribution.
  • the plurality of cyclones are characterized in that an uppermost cyclone to which the cement fuel is supplied and a lowermost cyclone to which the calcination furnace and the exhaust gas discharged from each of the sintering furnaces are supplied are formed in two stages in series in the vertical direction.
  • the carbon dioxide reactant is characterized in that it includes sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) or sodium hydrogen carbonate (NaHCO 3 ).
  • the separator a centrifugal separator for separating the carbon dioxide reactant and waste solution containing sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) or sodium hydrogen carbonate (NaHCO 3 ) in the reactant; and a vibration isolation membrane formed to correspond to the inner circumference of the discharge pipe for discharging only sodium hydrogen carbonate out of the carbon dioxide reactant to the outside, and having fine pores formed on the surface thereof to allow permeation of the sodium hydrogen carbonate.
  • the reactor may include 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 resource reservoir may include a geologic reservoir for accommodating the carbon dioxide reactant; an inlet unit for loading the carbon dioxide reactant into the underground reservoir; a discharge unit connected to the underground reservoir to unload the carbon dioxide reactant in the underground reservoir; a control unit controlling the intake unit and the discharge unit when loading/unloading the carbon dioxide reactant contained in the underground reservoir; and a filter for filtering impurities other than the carbon dioxide reactant when loading/unloading the carbon dioxide reactant.
  • the carbon dioxide reactant is characterized in that it comprises bicarbonate in a liquid or gel state.
  • the inlet unit may include: an inlet valve opening and closing a flow path for the carbon dioxide reactant loaded into the underground reservoir to control the flow rate of the loaded carbon dioxide reactant; and an inlet line connected to the underground reservoir to load the carbon dioxide reactant.
  • the discharge unit may include a discharge line connected to the underground storage reservoir to unload the carbon dioxide reactant to the outside of the underground storage reservoir; a discharge pump provided on the discharge line and forcibly unloading the carbon dioxide reactant stored in the underground reservoir to the outside; a discharge valve opening and closing a flow path toward the discharge pump for the carbon dioxide reactant accommodated in the underground reservoir; and a vacuum pump connected to a discharge line between the underground reservoir and a discharge valve to discharge air in the underground reservoir to the outside to form a vacuum.
  • the filter includes pores having a diameter of 10 to 20 ⁇ m formed to a size that allows the carbon dioxide reactant to pass through, and filters impurities other than the carbon dioxide reactant during loading/unloading of the carbon dioxide reactant.
  • Embodiments of the disclosed technology may have effects including the following advantages. However, this does not mean that the embodiments of the disclosed technology must include all of them, so the scope of rights of the disclosed technology should not be understood as being limited thereby.
  • carbon dioxide can be reduced by capturing carbon dioxide from exhaust gas discharged from a cement manufacturing process, and sodium carbonate or sodium bicarbonate, which is a useful resource, can be produced using the collected carbon dioxide.
  • carbon dioxide is captured using a basic alkali mixed solution that solves the disadvantages of an alkanolamine aqueous solution, which is a carbon dioxide absorbent widely used in the prior art, and the captured carbon dioxide reactant is used in various industrial fields such as food additives, detergents, soap raw materials, high-tech medical industry, wastewater treatment, etc.
  • carbon resources which are carbon dioxide capture reactants
  • carbon resources can be stably and efficiently stored in a wider space than conventional carbon dioxide storage devices, while manufacturing and operating costs can be reduced, and the stored carbon resources can be used later when needed.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a carbon dioxide capture and carbon resource recovery system for a cement manufacturing facility according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a reactor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a diagram schematically showing the configuration of an absorption tower for improving carbon dioxide capture performance of a reactor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a carbon resource storage according to an embodiment of the present invention.
  • 5 is a view showing the distribution of underground temperature according to the depth from the general ground.
  • the present invention relates to a carbon dioxide capture and carbon resource recovery system for a cement manufacturing facility for reducing carbon dioxide in exhaust gas generated in a cement manufacturing process.
  • limestone (CaCO 3 ) which is included as the main raw material of cement raw material, is preheated by a preheater 3, and then calcined in a calciner 7 and a cyclone at the bottom of the preheater 3, and then fired in a high temperature atmosphere of about 1450° C. in the firing furnace 1 to obtain cement clinker.
  • Carbon dioxide can be captured by introducing carbon dioxide generated in the process of manufacturing and manufacturing cement clinker into the reactor 10 through the exhaust line 8.
  • the carbon dioxide capture and carbon resource recovery system for a cement manufacturing facility is a system capable of securing economic feasibility compared to the prior art by capturing carbon dioxide in exhaust gas generated in the cement manufacturing process, generating the captured carbon dioxide as a carbon dioxide reactant including sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) or sodium bicarbonate (NaHCO 3 ), and storing the generated carbon dioxide reactant in an underground storage with little temperature change.
  • the carbon dioxide capture and carbon resource recovery system for the cement manufacturing facility may include a preheater 3, a calciner 7, a firing furnace 1, an exhaust line 8, and a reactor 10, and optionally a main burner 5 and a clinker cooler 6 for cooling the cement clinker after firing may be installed on the right front side of the firing furnace to heat the inside of the firing furnace 1.
  • the preheater 3 serves to heat the cement raw material in advance, and two sets are installed in parallel in the left rear part 2 of the rotary kiln, which is the firing furnace 1.
  • Each preheater 3 is composed of a plurality of stages of cyclones arranged in series in the vertical direction. Specifically, the plurality of cyclones are formed in two stages in a vertical direction, with an uppermost cyclone supplied with the cement fuel and a lowermost cyclone supplied with exhaust gas discharged from each of the calcination furnace and the calcination furnace.
  • the cement fuel After being supplied by the uppermost cyclone of the supply line 4, the cement fuel may be preheated by the high-temperature exhaust gas from the kiln 1 rising from the lower side as the cyclone lowers sequentially falls.
  • the calciner 7 plays a role of calcining the cement fuel preheated by the preheater 3, and the cement fuel preheated by the preheater 3 is extracted from the bottom from the second stage cyclone and sent to the calciner 7. After being heated and calcined by the burner 7a, it is introduced from the lowermost cyclone through the transfer pipe 3a to the kiln tail part 2 of the firing furnace 1.
  • a chemical reaction represented by limestone (CaCO 3 ) ⁇ CaO+CO 2 ⁇ occurs and carbon dioxide is generated.
  • the calcination furnace 1 serves to calcine the cement raw material calcined in the calciner 7, and specifically, the cement raw material calcined in the calciner 7 is transferred from the lowermost cyclone disposed in the preheater 3 to the calcination furnace 1 through the transfer pipe 3a, and the calcination furnace 1 heats the cement raw material calcined in the calciner 7 through the combustion exhaust gas from the main burner 5 at about 1450 ° C. It can be calcined at high temperature to produce cement clinker, which is a cement semi-finished product.
  • exhaust gas containing carbon dioxide may be generated as fossil fuel is burned in the main burner 5 in order to calcine cement fuel calcined at a high temperature in the kiln 1 and maintain a high-temperature atmosphere.
  • an exhaust gas pipe 3b for supplying the exhaust gas discharged from the kiln 1 to the lowermost cyclone is installed in the kiln tail part 2 of the kiln 1, and the exhaust gas sent to the cyclone is sequentially sent to the upper cyclone, preheating the cement raw material, and finally exhausted from the top of the uppermost cyclone through the exhaust line 8 by the exhaust fan 9 to the reactor 10. .
  • the reactor 10 is disposed on the exhaust line 8 to receive the exhaust gas containing the carbon dioxide generated from the calcination furnace 7 and the carbon dioxide generated from the calcination furnace 1 together through the exhaust line 8, and collect the carbon dioxide in the exhaust gas by reacting the exhaust gas containing the delivered carbon dioxide with the basic alkali mixture, collect the reactant containing the captured carbon dioxide, and separate the carbon dioxide reactant and the waste solution from the reactant.
  • the reactor 10 will be described in detail with reference to FIG. 2 below.
  • FIG. 2 is a view showing a reactor according to an embodiment of the present invention.
  • the reactor 10 can reduce carbon dioxide by capturing carbon dioxide from exhaust gas discharged from a cement manufacturing facility, and has a structure capable of converting carbon dioxide into sodium carbonate or sodium bicarbonate using the captured carbon dioxide.
  • the reactor 10 is a reactor for capturing carbon dioxide from exhaust gas discharged from the calcination furnace 7 and the calcination furnace 1 in a cement manufacturing facility using a basic alkali solution, and includes an absorption tower 100, a carbon dioxide collecting unit 11, an exhaust gas emission source 20, a mixer 30, a separator 40, a carbon resource storage tank 41, and a discharge unit 50.
  • the absorption tower 100 may mean a facility, building, or facility for capturing carbon dioxide.
  • the carbon dioxide collecting unit 11 located at the lower end of the absorption tower 110 is a part of the absorption tower 100, and may mean a part that collects carbon dioxide by bubbling exhaust gas.
  • the absorption tower 100 includes a carbon dioxide collecting unit 11 at the lower end where carbon dioxide is collected, and reacts the basic alkali mixture with the exhaust gas (exhaust gas microbubbles) to capture only the carbon dioxide from the exhaust gas discharged from the cement manufacturing facility. 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 100 .
  • a nozzle is installed at the top of the absorption tower 100, and a basic alkali mixture is sprayed from the mixer 30 through the nozzle into the absorption tower 100, and is collected in the carbon dioxide collecting unit 11 at the bottom.
  • the exhaust gas supplied from the exhaust gas emission source 20 passes through the bubbler 13 in the carbon dioxide collecting unit 11 at the bottom of the absorption tower 10, and microbubbles are generated.
  • the exhaust gas is supplied, and the basic alkali mixed liquid and the exhaust gas microbubbles react in the carbon dioxide collecting unit 11 to capture carbon dioxide.
  • the microbubbles are formed while passing through the bubbler 13 having fine holes formed at the outlet of the exhaust gas discharge source 20 when the basic alkali mixed solution reacts with the exhaust gas.
  • the bubbler 13 may form microbubbles in the exhaust gas by passing the exhaust gas supplied from the exhaust gas discharge source 20, and the microbubbles may have a larger reaction area between the exhaust gas and the alkali solution as the size of the bubbles decreases, thereby increasing the carbon dioxide capture capacity.
  • the microbubbles may refer to bubbles present in an aqueous solution having a size of about 50 ⁇ m or less.
  • the absorption tower 10 may include a level indicator 12 therein to detect the level of the solution in the absorption tower 10.
  • 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 30 to supply a basic alkali mixed solution from the mixer 30.
  • the absorption towers 100 may be configured in series, parallel, or a combination of series and parallel arrangements.
  • the absorption towers 100 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 100 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 20 may utilize carbon dioxide, which is exhaust gas introduced from the calcination furnace 7 and the calcination furnace 1 through the exhaust line 8, and may be, for example, the rear end of a cement manufacturing facility.
  • the mixer 30 mixes the basic alkali solution supplied from the basic alkali solution storage tank 31 and the water supplied from the water supply source 532 and supplies them to the nozzle of the absorption tower 10.
  • 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 36 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 may be mixed in a ratio of 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 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 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 ), potassium hydroxide (KOH), and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ).
  • 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 ;
  • the water supply source 32 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 pH13.5, 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 10, and when the pH of the basic alkali mixture in the absorption tower 10 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 33 and 34 and supplied to the mixer 30.
  • the mixer 30 When the water level of the basic alkali mixture in the absorption tower 10 is lowered to less than 90% (measured by a level indicator), the mixer 30 is controlled through the valve 35, and the basic alkali mixture is introduced. When the water level reaches 100%, the input can 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 to 13.5.
  • the net flow may be set to 0 by adjusting the valve 35 (including a by-pass valve if necessary) so that the same amount of the basic alkali mixture as the value of the flow meter installed in the line from the absorption tower 10 to the separator 40 is supplied to the absorption tower 10.
  • the basic alkali mixture reacts with the flue gas introduced from the calcination furnace 7 and the calcination furnace 1 of the cement manufacturing facility, and collects a reaction product including carbon dioxide captured, and the carbon dioxide reactant and the waste solution in the reactant move to the separator 40 through the valve 14 to separate the carbon dioxide reactant and the waste solution from the reactant.
  • the separator 40 may include a centrifugal separator for separating a waste solution from a carbon dioxide reactant containing sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) or sodium hydrogen carbonate (NaHCO 3 ) and a waste solution, and a vibration separator formed to correspond to the inner circumference of a discharge pipe for discharging only sodium bicarbonate out of the carbon dioxide reactant separated from the centrifuge to the outside and having fine pores formed on the surface thereof to allow the permeation of the sodium bicarbonate.
  • a centrifugal separator for separating a waste solution from a carbon dioxide reactant containing sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) or sodium hydrogen carbonate (NaHCO 3 ) and a waste solution
  • a vibration separator formed to correspond to the inner circumference of a discharge pipe for discharging only sodium bicarbonate out of the carbon dioxide reactant separated from the centrifuge to the outside and having fine pores formed on the surface thereof to allow the permeation of the sodium bicarbonate.
  • the micropores formed in the vibration isolation membrane may have a size of 10 to 20 ⁇ m, and may further include a vibration generator to induce vibration of the vibration isolation membrane.
  • the vibration generating unit may be disposed to prevent the micropores from being blocked by sodium bicarbonate.
  • the separated carbon dioxide reactant may be moved to the carbon resource storage 41 and recycled as a resource for other purposes.
  • the carbon dioxide reactant may include sodium carbonate (Na 2 CO 3 ) or sodium hydrogen carbonate (NaHCO 3 ).
  • 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 42 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 carbon resource storage 41 is a carbon dioxide reactant storage in consideration of the underground environment, and can stably and efficiently store carbon resources, which are carbon dioxide capture reactants, in a wider space than conventional carbon dioxide storage devices, while reducing manufacturing costs. In addition, the stored carbon resources can be implemented so that they can be utilized later when needed.
  • the carbon resource storage 41 will be described in detail with reference to FIGS. 4 and 5 below.
  • the remaining exhaust gas from which carbon dioxide is removed after capturing carbon dioxide in the carbon dioxide collecting unit 11 is discharged through the discharge unit 50 .
  • the remaining exhaust gas discharged through the discharge unit 50 may include exhaust gas from which carbon dioxide is removed and a small amount of uncaptured CO 2 .
  • the concentration of carbon dioxide cannot exceed the regulatory standard when the residual exhaust gas is discharged, the residual exhaust gas that does not exceed the standard can be discharged based on the concentration of carbon dioxide in the atmosphere where the residual exhaust gas will be discharged (a standard set by the manager after measuring the carbon dioxide concentration in the atmosphere in advance).
  • the reactor 10 includes a monitoring unit 60 for monitoring the water level and pH of the basic alkali mixture in the absorption tower; And a control unit 61 for adjusting the supply amount of the basic alkali mixture by the monitoring unit 60; may further include.
  • the values of the gas meter, pH meter, and flow meter measured in all processes of the reactor 10 are managed by the monitoring unit 60, and the control unit 61 adjusts based on the values indicated by the monitoring unit 60.
  • the valves 14, 33, 34, and 35 may be adjusted in percentage with respect to the value input from the controller 61.
  • the carbon dioxide capture and carbon resource recovery system for a cement manufacturing facility can reduce carbon dioxide by capturing carbon dioxide from exhaust gas generated in the cement manufacturing process, and converting the captured carbon dioxide into sodium carbonate or sodium bicarbonate, thereby converting the captured carbon dioxide into other useful materials.
  • FIG 3 is a diagram schematically showing the configuration of an absorption tower 100 for improving the carbon dioxide capture performance of the reactor 10 according to an embodiment of the present invention.
  • the structure of the absorption tower 100 includes a tubular reaction body, a motor M, a rotating shaft 37 rotated by the motor M, and a rotating blade 38 operatively connected by the rotating shaft 37, the rotating shaft 37 and the rotating blade 38 are located inside the reaction body, and the rotating blade 38 sprays a basic alkali mixture in the form of bubbles.
  • a plurality of nozzles 39 which may be formed, are formed at regular intervals in the longitudinal direction, and the basic alkali mixed solution supplied from the mixer 30 flows into the rotating shaft 37, and the introduced basic alkali mixed solution is characterized in that it is injected into the tubular reaction body through the plurality of nozzles 39.
  • the rotary blade 38 is operatively connected to the rotary shaft 37. That is, as the rotary shaft 37 of the motor M rotates, the rotary blades 38 for agitation also rotate to stir the basic alkali mixture inside the absorption tower 100.
  • the plurality of nozzles 39 formed on the rotary blade 38 are configured to generate fine bubbles (bubbles having a diameter of several hundred micrometers to several micrometers), so that as the rotating shaft 37 rotates, the rotary blade 38 for agitation is also rotated so that the basic alkali mixed solution inside the absorption tower 100 can be sprayed more finely.
  • an inlet pipe may be installed on the exhaust line 8 of FIG. 1 so that the exhaust gas introduced from the calcination furnace 7 and the firing furnace 1 of the cement manufacturing facility is discharged into the absorption tower 100 at the bottom of the absorption tower 100, and additionally, a baffle 608 formed with a plurality of slits or holes may be installed so that the exhaust gas flows into the absorption tower 100 with a uniform velocity distribution.
  • the basic alkali mixed liquid that falls while rotating from the top to the bottom in the absorption tower 100 through a plurality of nozzles 39 formed at regular intervals on the rotary blades 38 operatively connected by the rotating shaft 37 is formed into fine droplets, and the basic alkali mixed liquid formed of the fine droplets and the exhaust gas formed of fine particles pass through the baffle 608 having a plurality of slits or holes in the reactor.
  • the carbon dioxide capture performance of (10) can be improved.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a carbon resource storage according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a diagram showing a ground temperature distribution according to a depth from a general ground level.
  • the carbon resource storage 41 is a carbon dioxide reactant storage in consideration of the underground environment, and can stably and efficiently store carbon resources, which are carbon dioxide capture reactants, in a wider space than conventional carbon dioxide storage devices, reduce manufacturing and operating costs, and can be implemented so that the stored carbon resources can be used later when necessary.
  • the carbon resource storage 41 may include an underground reservoir D, an inlet unit, a discharge unit connected to the underground reservoir to unload the carbon dioxide reactant in the underground reservoir, a control unit, and a filter 50 for filtering impurities other than the carbon dioxide reactant during loading/unloading of the carbon dioxide reactant.
  • the underground reservoir (D) is a place that can be excavated in the natural terrain as a place for receiving the carbon dioxide reactant separated from the reactor 10, and as shown in FIG. 5, for example, 12 to 16 degrees (° C.). For example, it is formed at a deeper depth from the ground than Am, but may be formed at a lower depth from the ground than Bm. This is to prevent a change in state of the carbon dioxide reactant at a temperature exceeding 50 degrees Celsius (° C.) and to store the carbon dioxide reactant in the form of bicarbonate in a liquid or gel state for a long time in a wide area.
  • the inlet unit serves to load the carbon dioxide reactant into the underground reservoir, and includes an inlet valve 44 that opens and closes a flow path for the carbon dioxide reactant loaded into the underground reservoir to control the flow rate of the loaded carbon dioxide reactant; and an inlet line 45 connected to the underground reservoir to load the carbon dioxide reactant.
  • an inlet valve 44 that opens and closes a flow path for the carbon dioxide reactant loaded into the underground reservoir to control the flow rate of the loaded carbon dioxide reactant
  • an inlet line 45 connected to the underground reservoir to load the carbon dioxide reactant.
  • the discharge unit serves to unload the carbon dioxide reactant in the underground reservoir, and includes a discharge line 49 connected to the underground reservoir to unload the carbon dioxide reactant to the outside of the underground reservoir; a discharge pump 48 provided on the discharge line 49 and forcibly unloading the carbon dioxide reactant stored in the underground reservoir to the outside; a discharge valve 47 for opening and closing a flow path toward the discharge pump 48 for the carbon dioxide reactant accommodated in the underground reservoir; and a vacuum pump 46 connected to the discharge line 49 between the underground reservoir and the discharge valve 47 to discharge air in the underground reservoir to the outside to form a vacuum.
  • the carbon dioxide reactant can be stably stored in the underground reservoir, and the previously stored reactant can be obtained and used later when necessary.
  • the control unit 51 controls the intake unit and the discharge unit when the carbon dioxide reactant stored in the underground storage is loaded into the underground storage or when the carbon dioxide reactant is unloaded from the underground storage to the outside, so that the carbon dioxide reactant at an appropriate flow rate can be stored in the underground storage or the carbon dioxide reactant previously stored in the underground storage can be discharged to the outside.
  • the filter 50 may be disposed in a path of the inlet line 45 or the outlet line 49, respectively, and may include pores having a diameter of 10 to 20 ⁇ m formed in a size that allows the carbon dioxide reactant to pass through. When loading/unloading the carbon dioxide reactant, impurities other than the carbon dioxide reactant may be filtered out.
  • the filter 50 performs a function of filtering impurities other than the carbon dioxide reactant when the carbon dioxide reactant introduced from the reactor 10 is loaded into the underground storage or when the carbon dioxide reactant is unloaded from the underground storage, so that impurities other than the carbon dioxide reactant are stored in the underground storage without being mixed, or even when the carbon dioxide reactant previously stored in the underground storage is unloaded to the outside, only the carbon dioxide reactant without impurities can be obtained.
  • the carbon dioxide reactant generated in the carbon dioxide capture and carbon resource recovery system for cement manufacturing facilities according to the present invention can be stably and efficiently stored in a wider space, while manufacturing and operating costs can be reduced compared to the conventional carbon dioxide storage device.
  • the stored carbon resources can be used later when necessary.
  • the present invention can provide a carbon dioxide capture and carbon resource recycling system for a cement manufacturing facility that can efficiently reduce carbon dioxide emitted from a cement manufacturing facility and at the same time convert it into other useful materials.
  • a profit generation effect can be expected by producing high purity sodium bicarbonate (NaHCO 3 ) used in various industrial fields such as food additives, detergents, soap raw materials, high-tech medical industry, and wastewater treatment from carbon dioxide captured through the carbon dioxide capture facility.
  • NaHCO 3 high purity sodium bicarbonate
  • the carbon dioxide reactant generated in the carbon dioxide capture and carbon resource recovery system for cement manufacturing facilities according to the present invention can be stably and efficiently stored in a wider space, while manufacturing and operating costs can be reduced compared to the conventional carbon dioxide storage device.
  • the stored carbon resources can be used later if necessary.

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Abstract

본 발명은 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따르는 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 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; 및 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;를 포함할 수 있다.

Description

시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템
본 발명은 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 염기성 알칼리 혼합액을 이용한 배가스 중 이산화탄소를 포집 및 탄소자원으로 변환함으로써, 시멘트 제조 설비에 있어서 이산화탄소를 제거하는 동시에 다른 유용한 물질로 자원화할 수 있는 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 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 원료을 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 분위기하에서 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 발생됨. 여기서, 주 버너로부터의 배기 가스 중에는, 연소용 공기 중의 N2가스가 많이 포함되어 있으므로 CO2 가스의 농도는 낮은 농도를 가진다.
이와 같이 시멘트 킬른으로부터 배출되는 배기 가스 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 탈리하여 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.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명은 시멘트 제조공정 상에서 발생하는 배기가스 중 이산화탄소를 줄이기 위한 시스템을 제공하는데 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 제공하는데 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 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 시멘트 제조공정 상에서 발생하는 배기가스 중 이산화탄소를 포집하여 탄소 자원으로 변환시킨 후에, 상기 변환된 탄소 자원을 지중에 저장 및 운용함으로써, 종래의 이산화탄소 저장장치보다 안정적이고 효율적으로 이산화탄소 포집 반응물인 탄소 자원을 저장하는 동시에 제작비용 및 운용비용을 절감할 수 있음은 물론, 상기 저장된 탄소자원의 필요시 추후에 이용할 수 있도록 하는 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템을 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 일 실시예에 따른 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 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; 및 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;를 포함한다.
또한, 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 포함할 수 있다.
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 혼합되는 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 포함한다.
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, 통 형상의 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 균일한 속도분포로 유입되도록 슬릿(Slit) 또는 구멍(Hole)이 다수 형성된 배플;을 더 포함할 수 있다.
또한, 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 한다.
또한, 상기 이산화탄소 반응물은 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 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 진동분리막;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 반응기는, 상기 흡수탑 내의 염기성 알칼리 혼합액의 수위 및 pH를 모니터링하는 모니터링부; 및 상기 모니터링부에 의해 염기성 알칼리 혼합액의 공급량을 조절하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 탄소자원 저장소는, 상기 이산화탄소 반응물을 수용하는 지중 저장지; 상기 이산화탄소 반응물을 상기 지중 저장지로 로딩(loading)하는 인입 유닛; 상기 지중 저장지와 연결되어 상기 지중 저장지 내의 상기 이산화탄소 반응물을 언로딩(unloading)하는 배출 유닛; 상기 지중 저장지에 수용된 상기 이산화탄소 반응물을 로딩/언로딩시에 상기 인입 유닛 및 상기 배출 유닛을 제어하는 제어 유닛; 및 상기 이산화탄소 반응물을 로딩/언로딩시에 상기 이산화탄소 반응물 이외의 불순물을 여과하는 필터;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 이산화탄소 반응물은 액체 또는 겔 상태의 중탄산염을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인입 유닛은, 상기 지중 저장지의 내부로 로딩되는 이산화탄소 반응물에 대한 유로를 개폐하여 상기 로딩되는 이산화탄소 반응물의 유량을 조절하는 인입밸브; 및 상기 이산화탄소 반응물을 로딩하도록 상기 지중 저장지와 연결되는 인입라인;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배출 유닛은, 상기 지중 저장지와 연결되어 상기 이산화탄소 반응물을 상기 지중 저장지의 외부로 언로딩하는 배출라인; 상기 배출라인 상에 구비되어 상기 지중 저장지에 수용된 이산화탄소 반응물을 외부로 강제 언로딩하는 배출펌프; 상기 지중 저장지에 수용된 상기 이산화탄소 반응물에 대한 상기 배출펌프측으로의 유로를 개폐하는 배출밸브; 및 상기 지중 저장지와 배출밸브 사이의 배출라인과 연결되어 상기 지중 저장지 내의 공기를 외부로 배출시켜 진공으로 형성하는 진공펌프;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 필터는, 상기 이산화탄소 반응물의 투과를 허용하는 크기로 형성된 직경 10~20㎛의 기공을 포함하여 상기 이산화탄소 반응물을 로딩/언로딩시에 상기 이산화탄소 반응물 이외의 불순물을 여과하는 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, 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 실시 예에 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 실시 예에 따르면, 종래의 이산화탄소 저장장치보다 더 넓은 공간에 안정적이고 효율적으로 이산화탄소 포집 반응물인 탄소 자원를 저장하는 동시에 제작비용 및 운용비용을 절감할 수 있음은 물론, 상기 저장된 탄소자원의 필요시 추후에 이용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 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.
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 시스템에 관한 것이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템을 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 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(10)에 도입함으로써, 이산화탄소를 포집할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 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.
이를 위해서, 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템은 예열기(3), 하소로(7), 소성로(1), 배기라인(8) 및 반응기(10)를 포함할 수 있으며, 선택적으로 소성로(1)의 내부를 가열하기 위해서 소성로의 우측 전방에 주버너(5) 및 소성 후의 시멘트 클링커(clinker)를 냉각시키기 위한 클링커 쿨러(6)가 설치될 수 있다.
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 순차 하방의 사이클론의 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 배기 가스를 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(10)에 가도록 구성될 수 있다.
이 결과, 상기 반응기(10)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(10)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(10)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(10)는 염기성 알칼리 용액을 이용하여 시멘트 제조 설비에서 하소로(7) 및 소성로(1)에서 배출되는 배가스 중 이산화탄소를 포집하는 반응기로서, 흡수탑(100), 이산화탄소 포집부(11), 배가스 배출원(20), 믹서(30), 분리기(40), 탄소자원 저장조(41) 및 배출부(50)를 포함한다.
상기 흡수탑(100)은 이산화탄소를 포집하는 시설, 건물, 설비 등을 의미하는 것일 수 있다. 또한, 상기 흡수탑(110)의 하단에 위치하는 이산화탄소 포집부(11)는 흡수탑(100)의 일부분이며, 배가스를 버블링하여 이산화탄소를 포집하는 부분을 의미하는 것일 수 있다.
상기 흡수탑(100)은 이산화탄소가 포집되는 이산화탄소 포집부(11)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(100)에는 이산화탄소가 제거된 배가스가 기체 상태로 남아있는 것일 수 있다.
상기 흡수탑(100)은 상부에 노즐이 설치되어 믹서(30)로부터 상기 노즐을 통해 염기성 알칼리 혼합액이 흡수탑(100) 내에 분사되고, 하단의 이산화탄소 포집부(11)에 모인다. 상기 염기성 알칼리 혼합액이 분사되는 동시에 배가스 배출원(20)으로부터 공급된 배가스가 흡수탑(10) 하부의 이산화탄소 포집부(11) 내의 버블러(13)를 통과하여 마이크로버블(microbubble)이 생성된 배가스가 공급되며, 상기 이산화탄소 포집부(11) 내에서 염기성 알칼리 혼합액과 배가스 마이크로버블이 반응하여 이산화탄소를 포집한다. 상기 마이크로버블은 염기성 알칼리 혼합액에 배기가스를 반응시킬 때 배가스 배출원(20)의 출구에 미세한 구멍이 형성된 버블러(13)를 통과하면서 버블이 형성된다.
상기 버블러(13)는 배가스 배출원(20)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(10)은 내부에 레벨 인디케이터(level indicator)(12)를 포함하여 흡수탑(10) 내의 용액의 수위를 감지할 수 있다.
상기 노즐은 다수의 노즐을 포함할 수 있고, 1단 이상의 단으로 형성될 수 있다. 상기 노즐은 믹서(30)와 연결되어 믹서(30)로부터 염기성 알칼리 혼합액을 공급할 수 있다.
상기 흡수탑(100)은 직렬, 병렬, 또는 직렬과 병렬 복합 배열로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 흡수탑(100)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(100)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(20)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(30)는 염기성 알칼리 용액 저장조(31)에서 공급된 염기성 알칼리 용액과 급수원(532)에서 공급된 물을 혼합하여, 상기 흡수탑(10)의 노즐로 공급한다.
상기 염기성 알칼리 용액과 물이 혼합된 염기성 알칼리 혼합액은 공급량 또는 필요량이 많아질 경우 별도로 연결된 바이패스(by-pass)(36) 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(32)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(10) 내의 pH meter로 측정될 수 있으며, 상기 흡수탑(10) 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(33, 34)에서 0 내지 100%까지 조절하여 믹서(30)로 공급될 수 있다.
상기 흡수탑(10) 내의 염기성 알칼리 혼합액의 수위가 90% 미만(level indicator로 측정)으로 낮아지면 상기 믹서(30)에서 밸브(35)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(10)으로 공급되는 염기성 알칼리 혼합액의 양과 상기 분리기(40)에서 나가는 용액의 양이 동일해서 지속적으로 이산화탄소 포집 시스템을 유지할 수 있기 때문에, 상기 흡수탑(10)에서 분리기(40)로 가는 라인에 설치된 flow meter 값과 동일한 양의 염기성 알칼리 혼합액이 흡수탑(10)에 공급되도록 밸브(35)(필요시 by-pass 밸브 포함)를 조절하여 net flow를 0로 만드는 것일 수 있다.
상기 흡수탑(10)의 이산화탄소 포집부(11)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(40)로 이동하여, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리한다.
상기 분리기(40)는 반응물에서 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 포함하는 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리하는 원심분리기와, 상기 원심분리기로부터 분리된 이산화탄소 반응물 중에서 탄산수소나트륨만을 외부로 배출시키기 위한 배출관의 내측 둘레에 대응되게 형성되고 표면에 상기 탄산수소나트륨의 투과를 허용하는 크기로 미세 구멍이 형성된 진동분리막을 포함할 수 있다. 이를 통해 고순도의 탄산수소나트륨을 획득하여 바로 판매할 수 있어 수익을 얻을 수 있다.
상기 진동분리막에 형성된 미세 구멍의 크기는 10~20㎛일 수 있으며, 진동분리막의 진동을 유발시키기 위해서 진동발생부를 더 포함할 수 있다. 상기 진동발생부는 탄산수소나트륨에 의해 상기 미세 구멍이 막히는 것을 방지하기 위해 배치될 수 있다.
상기 분리된 이산화탄소 반응물은 탄소자원 저장소(41)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(42)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(41)는 지중 환경이 고려된 이산화탄소 반응물 저장소로서, 종래의 이산화탄소 저장장치보다 더 넓은 공간에 안정적이고 효율적으로 이산화탄소 포집 반응물인 탄소 자원를 저장하는 동시에 제작비용을 저감할 수 있음은 물론, 상기 저장된 탄소자원의 필요시 추후에 활용될 수 있도록 구현될 수 있다. 상기 탄소자원 저장소(41)에 대해서는 이하 도 4 및 도 5를 참조하여 자세히 설명하고자 한다.
한편, 상기 이산화탄소 포집부(11)에서 이산화탄소 포집 후 이산화탄소가 제거된 잔여 배가스는 배출부(50)를 통해 배출된다. 예를 들어, 상기 배출부(50)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(10)는, 상기 흡수탑 내의 염기성 알칼리 혼합액의 수위 및 pH를 모니터링하는 모니터링부(60); 및 상기 모니터링부(60)에 의해 염기성 알칼리 혼합액의 공급량을 조절하는 제어부(61);를 추가 포함할 수 있다.
상기 반응기(10)의 모든 과정에서 측정되는 gas meter, pH meter, flow meter의 값을 모니터링부(60)에서 관리하며, 모니터링부(60)에서 나타내는 값을 기반으로 제어부(61)를 조절한다. 상기 제어부(61)에서 입력되는 값에 대하여 밸브들(14, 33, 34, 35)이 퍼센테이지로 조절될 수 있다.
본 발명에 따른 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 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(100)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(37), 및 상기 회전축(37)에 의해 동작적으로 연결된 회전날개(38)를 포함하며, 상기 회전축(37)과 상기 회전날개(38)는 반응 본체의 내부에 위치되고, 상기 회전날개(38)는 염기성 알칼리 혼합액이 기포 형태로 분사될 수 있는 다수의 노즐(39)이 길이 방향으로 일정 간격을 두고 형성되며, 상기 회전축(37)으로 믹서(30)로부터 공급된 염기성 알칼리 혼합액이 유입되고, 이렇게 유입된 염기성 알칼리 혼합액은 상기 다수의 노즐(39)을 통해서 통형상의 반응 본체 내부로 분사되는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 회전날개(38)는 회전축(37)에 동작적으로 연결되어 있다. 즉, 모터(M)의 회전축(37)이 회전함에 따라 교반용 회전날개(38)도 같이 회전되어 흡수탑(100) 내부의 염기성 알칼리 혼합액을 교반시킬 수 있다.
또한, 상기 회전날개(38)에 형성된 다수의 노즐(39)은 미세 버블(직경이 수백 마이크로미터에서 수 마이크로미터인 버블)을 생성하도록 구성되도록 함으로써, 상기 회전축(37)이 회전함에 따라 교반용 회전날개(38)도 같이 회전되어 흡수탑(100) 내부의 염기성 알칼리 혼합액이 더욱 미세하게 분사되도록 할 수 있다.
또한, 흡수탑(100)의 하부에 상기 흡수탑(100) 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(100) 내에 균일한 속도분포로 유입되도록 슬릿(Slit) 또는 구멍(Hole)이 다수 형성된 배플(608)이 설치될 수 있다.
상술한 흡수탑(100)의 구성에 따라, 상기 회전축(37)에 의해 동작적으로 연결된 회전날개(38)에 일정 간격을 두고 형성된 다수의 노즐(39)을 통해 흡수탑(100) 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(608)을 통과하여 미세 입자로 형성된 배가스가 접촉함에 따라 반응기(10)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(41)는 지중 환경이 고려된 이산화탄소 반응물 저장소로서, 종래의 이산화탄소 저장장치보다 더 넓은 공간에 안정적이고 효율적으로 이산화탄소 포집 반응물인 탄소 자원를 저장하는 동시에 제작비용 및 운용비용을 저감할 수 있음은 물론, 상기 저장된 탄소자원의 필요시 추후에 활용될 수 있도록 구현될 수 있다.
탄소자원 저장소(41)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/언로딩시에 상기 이산화탄소 반응물 이외의 불순물을 여과하는 필터(50);를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 지중 저장지(D)는 상기 반응기(10)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(44); 및 상기 이산화탄소 반응물을 로딩하도록 상기 지중 저장지와 연결되는 인입라인(45);을 포함할 수 있다. 이러한 인입 유닛의 구성을 통해서 상기 반응기(10)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(49); 상기 배출라인(49) 상에 구비되어 상기 지중 저장지에 수용된 이산화탄소 반응물을 외부로 강제 언로딩하는 배출펌프(48); 상기 지중 저장지에 수용된 상기 이산화탄소 반응물에 대한 상기 배출펌프(48)측으로의 유로를 개폐하는 배출밸브(47); 및 상기 지중 저장지와 배출밸브(47) 사이의 배출라인(49)과 연결되어 상기 지중 저장지 내의 공기를 외부로 배출시켜 진공으로 형성하는 진공펌프(46);를 포함할 수 있다. 이러한 배출 유닛의 구성을 통해서 지중 저장지에 안정적으로 이산화탄소 반응물을 저장시키고 기저장된 반응물을 추후 필요시 획득하여 사용할 수 있다.
상기 제어 유닛(51)은 상기 지중 저장지에 수용된 이산화탄소 반응물을 지중 저장지에 로딩하거나 또는 상기 이산화탄소 반응물을 지중 저장지로부터 외부로 언로딩시에 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(50)는 상기 인입라인(45) 또는 상기 배출라인(49)의 경로 내에 각각 배치될 수 있으며, 상기 이산화탄소 반응물의 투과를 허용하는 크기로 형성된 직경 10~20㎛의 기공을 포함하여 상기 이산화탄소 반응물을 로딩/언로딩시에 상기 이산화탄소 반응물 이외의 불순물을 여과할 수 있다.
이에 따라, 상기 필터(50)는 상기 반응기(10)로부터 유입된 이산화탄소 반응물을 지중 저장지에 로딩하거나 또는 상기 이산화탄소 반응물을 지중 저장지로부터 외부로 언로딩시에 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 언로딩 하는 경우에도 불순물이 없이 이산화탄소 반응물만 획득하도록 할 수 있다.
상술한 바에 따라, 본 발명에 따른 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 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 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 시멘트 제조 설비에서 배출되는 이산화탄소를 효율적으로 저감시킴과 동시에 다른 유용한 물질로 자원화할 수 있는 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명인 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템을 종래의 시멘트 제조 설비 시스템에 쉽게 적용 가능함으로써, 시멘트 제조 설비에서 발생하는 배기가스 중 지구 온난화에 영향을 미치는 대표적인 유해 물질인 이산화탄소를 줄이기 위한 시스템을 제공할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템에서는, 종래의 이산화탄소 포집 시스템의 공정 운전 효율 및 경제성이 떨어지는 문제점을 해소하면서 이산화탄소 포집 설비를 통해 포집된 이산화탄소로부터 식품 첨가제, 세제, 비누 원료, 첨단 의료산업, 폐수처리 등 다양한 산업 분야에 활용되는 고순도 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 제조함으로 인한 수익 창출 효과도 기대할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 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.
이는 온실가스 물질의 주 배출원이라고 인식되는 시멘트 제조사들을 상대로 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템의 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업상 이용가능성이 있다.

Claims (20)

  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; 및
    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;를 포함하는 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 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 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 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 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 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 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 시스템.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 버블러는 상기 배가스를 이용하여 배가스 마이크로버블을 형성하는 것을 특징으로 하는 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 흡수탑은, 통 형상의 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 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 흡수탑은,
    상기 배가스가 균일한 속도분포로 유입되도록 슬릿(Slit) 또는 구멍(Hole)이 다수 형성된 배플;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
  11. 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 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 반응물은 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
  13. 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 진동분리막;을 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
  14. 제 2 항에 있어서,
    상기 반응기는,
    상기 흡수탑 내의 염기성 알칼리 혼합액의 수위 및 pH를 모니터링하는 모니터링부; 및
    상기 모니터링부에 의해 염기성 알칼리 혼합액의 공급량을 조절하는 제어부;를 더 포함하는 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
  15. 제 2 항에 있어서,
    상기 탄소자원 저장소는,
    상기 이산화탄소 반응물을 수용하는 지중 저장지;
    상기 이산화탄소 반응물을 상기 지중 저장지로 로딩(loading)하는 인입 유닛;
    상기 지중 저장지와 연결되어 상기 지중 저장지 내의 상기 이산화탄소 반응물을 언로딩(unloading)하는 배출 유닛;
    상기 지중 저장지에 수용된 상기 이산화탄소 반응물을 로딩/언로딩시에 상기 인입 유닛 및 상기 배출 유닛을 제어하는 제어 유닛; 및
    상기 이산화탄소 반응물을 로딩/언로딩시에 상기 이산화탄소 반응물 이외의 불순물을 여과하는 필터;를 포함하는 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 반응물은 액체 또는 겔 상태의 중탄산염을 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 인입 유닛은,
    상기 지중 저장지의 내부로 로딩되는 이산화탄소 반응물에 대한 유로를 개폐하여 상기 로딩되는 이산화탄소 반응물의 유량을 조절하는 인입밸브; 및
    상기 이산화탄소 반응물을 로딩하도록 상기 지중 저장지와 연결되는 인입라인;을 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 배출 유닛은,
    상기 지중 저장지와 연결되어 상기 이산화탄소 반응물을 상기 지중 저장지의 외부로 언로딩하는 배출라인;
    상기 배출라인 상에 구비되어 상기 지중 저장지에 수용된 이산화탄소 반응물을 외부로 강제 언로딩하는 배출펌프;
    상기 지중 저장지에 수용된 상기 이산화탄소 반응물에 대한 상기 배출펌프측으로의 유로를 개폐하는 배출밸브; 및
    상기 지중 저장지와 배출밸브 사이의 배출라인과 연결되어 상기 지중 저장지 내의 공기를 외부로 배출시켜 진공으로 형성하는 진공펌프;를 포함하는 것을 특징으로 하는 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 필터는,
    상기 이산화탄소 반응물의 투과를 허용하는 크기로 형성된 직경 10~20㎛의 기공을 포함하여 상기 이산화탄소 반응물을 로딩/언로딩시에 상기 이산화탄소 반응물 이외의 불순물을 여과하는 것을 특징으로 하는 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
  20. 제 15 항 또는 제 17 항 또는 제 18항 에 있어서,
    상기 필터는,
    상기 인입라인 또는 상기 배출라인의 경로 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 시멘트 제조 설비용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템.
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