KR101304943B1 - 이산화탄소 탄산염 고정 및 전환 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이산화탄소 탄산염 고정 및 전환 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 철강슬래그 또는 자연광물을 이용하여 이산화탄소를 광물상인 탄산염으로 안정되게 고정 및 전환시킬 수 있도록 한 이산화탄소 탄산염 고정 및 전환 장치에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 알칼리 금속 성분을 추출하기 위한 추출반응기와, 추출된 알칼리금속 성분과 이산화탄소를 반응시켜 탄산염 침전물을 형성하는 탄산화 반응기와, 탄산화 반응 후 침전물과 용액을 분리하는 여과장치를 포함하는 구성을 기반으로, 철강슬래그 또는 자연광물을 이용하여 이산화탄소를 광물상인 탄산염으로 안정되게 고정 및 전환시킬 수 있도록 한 이산화탄소 탄산염 고정 및 전환 장치를 제공하고자 한 것이다.

Description

이산화탄소 탄산염 고정 및 전환 장치{Device for carbon dioxide solidification}

본 발명은 이산화탄소 탄산염 고정 및 전환 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 철강슬래그 또는 자연광물을 이용하여 이산화탄소를 광물상인 탄산염으로 안정되게 고정 및 전환시킬 수 있도록 한 이산화탄소 탄산염 고정 및 전환 장치에 관한 것이다.

각종 산업현장 등에는 이산화탄소를 포함하는 배기가스가 배출되는 점을 감안하여 이산화탄소를 포함하는 배기가스의 처리 공정이 필수적으로 포함되어 있지만, 이산화탄소만을 별도로 분리하는 공정은 필수적이지 않고, 이산화탄소를 포함하는 배기가스의 처리공정은 일례로서 분리회수 공정과 고정화 공정으로 나누어 볼 수 있다.

또한, 이산화탄소의 탄산염 고정화 기술은 분리/회수된 이산화탄소를 처리하는 방법으로서, 지중, 심해층 저장의 대안 기술로 대두되고 있다.

이산화탄소의 고정화에 대한 기술은 이산화탄소의 변환을 통해 탄소성분을 생성해내고, 생성된 탄소성분을 연료 및 산업공정에 필요한 기초화합물로 전환하는데 궁극적인 목적이 있다.

즉, 이산화탄소를 탄산염과 같은 물질로 전환시킴으로써, 지구 온난화의 원인이 되는 이산화탄소를 제거하여 친환경적인 장점을 제공하는 동시에 이산화탄소를 산업 기초소재의 원료로 응용할 수 있다.

종래에는 알칼리 성분 추출과 탄산화 반응이 함께 일어나는 단일 반응기를 사용하였는 바, 이러한 종래의 방법에서는 알칼리 성분 추출과 탄산화 반응이 분리되지 않아, 추출된 알칼리 성분이 탄산화 반응을 일으켜 생성된 침전물이 원료인 슬래그 표면에 쌓이게 되어, 결국 알칼리 성분의 추출을 저해하여 탄산염 전환을 위한 반응시간이 오래 걸리고, 탄산염 전환율이 낮은 단점이 있다.

또한, 종래의 방법에서는 원료 슬래그, 탄산염 침전물, 잔류 공정수가 혼재되어 있어 공정수 및 추출에 이용된 아세트산과 같은 화학용매를 재이용하기 어려운 단점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 알칼리 금속 성분을 추출하기 위한 추출반응기와, 추출된 알칼리금속 성분과 이산화탄소를 반응시켜 탄산염 침전물을 형성하는 탄산화 반응기와, 탄산화 반응 후 침전물과 용액을 분리하는 여과장치를 포함하는 구성을 기반으로, 철강슬래그 또는 자연광물을 이용하여 이산화탄소를 광물상인 탄산염으로 안정되게 고정 및 전환시킬 수 있도록 한 이산화탄소 탄산염 고정 및 전환 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 원료 슬래그로부터 알칼리 금속 성분을 추출하기 위한 알카리 성분 추출반응기와; 추출된 알칼리금속 성분 용액에 이산화탄소를 주입하여 탄산염 침전물로 전환시키는 반응을 하는 탄산화 반응기와; 알카리 성분 추출반응기의 출구 및 탄산화 반응기의 입구 사이에 연결되어, 알칼리 성분이 추출된 후처리 슬래그와 알칼리금속 성분 용액을 분리하는 제1여과장치와; 알카리 성분 추출반응기의 입구 및 탄산화 반응기의 출구 사이에 연결되어, 탄산화 반응 후 침전물과 용액을 분리하는 제2여과장치; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 탄산염 고정 및 전환 장치를 제공한다.

본 발명에 따른 상기 알칼리 성분 추출반응기는: 상하부에 입구 및 출구가 형성되고, 내경면에는 복수의 배플이 등간격으로 부착된 반응기와; 반응기의 내부에 교반구동수단에 의하여 회전 가능하게 배치되어 원료인 슬래그와 아세트산이 혼합된 공정수를 교반하는 교반기와; 반응기의 일측면에 장착되는 pH 측정기 및 Ca 농도 측정기; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 탄산화 반응기는: 알칼리금속 성분 용액과 이산화탄소가 반응하기 위한 반응기와; 반응기의 일측부에 이산화탄소를 주입하기 위하여 장착되는 주입관과; 반응기의 타측부에 pH 조정제 주입량을 자동으로 조정하기 위하여 장착되는 pH 측정기 및 pH 조정제 주입량 조절기와; 이산화탄소의 주입량을 결정하기 위하여 Ca의 농도를 측정하는 농도측정기; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제1여과장치는 최대 2기압 이하의 조건에서 알칼리 성분이 추출된 후처리 슬래그를 걸러주는 동시에 알칼리 성분 용액을 탄산화 반응기로 통과시키도록 2 ㎛ 이상의 입도 제거능을 가진 가압형 필터로 채택된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2여과장치는 탄산화 반응이 종료된 후의 탄산염 침전물을 걸러주는 동시에 잔류 용액을 알칼리 성분 추출반응기로 통과시키도록 2 ㎛ 이상의 입도 제거능을 가진 가압형 필터로 채택된 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 철강슬래그 또는 자연광물로부터 알칼리 금속 성분을 추출하기 위한 알카리 성분 추출반응기와, 추출된 알칼리금속 성분 용액에 이산화탄소를 주입하여 탄산염 침전물로 전환시키는 탄산화 반응기를 별도로 분리 배치하여, 알칼리 성분 추출 및 탄산화 반응이 연속적으로 수행되도록 함으로써, 슬래그 등으로부터 90 % 이상의 알칼리 금속 성분을 용이하게 추출할 수 있고, 추출된 알칼리 금속 성분을 이산화탄소와 반응시켜 탄산염 전환율을 크게 높일 수 있다.

또한, 탄산염 침전물과 잔류 용액(탄산화 반응 종료 후 pH가 낮아진 용액)을 분리하여, 잔류 용액을 알칼리 성분 추출반응기로 보내어 재사용할 수 있는 잇점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 이산화탄소 탄산염 고정 및 전환 장치를 나타내는 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 이산화탄소 탄산염 고정 및 전환 장치의 알칼리 성분 추출반응기를 나타내는 개략도,
도 3은 본 발명에 따른 이산화탄소 탄산염 고정 및 전환을 위한 공정도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이, 철강슬래그 또는 자연광물로부터 알칼리금속 성분을 추출하기 위한 알칼리 성분 추출반응기(10)와, 알칼리금속 성분이 추출된 용액에 이산화탄소를 주입하여 탄산화 반응을 수행하는 탄산화 반응기(30)를 별도로 배치하고, 알칼리 성분 추출반응기(10)와 탄산화 반응기(30) 사이에 제1 및 제2여과장치(20,40)를 배치하여, 이산화탄소의 탄산염 전환율을 크게 높일 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

상기 알카리 성분 추출반응기(10)는 철강슬래그를 비롯한 모든 금속 슬래그 또는 자연광물로부터 알칼리 금속 성분을 추출하기 위한 것으로서, 상부 및 하부의 소정 위치에 입구(12) 및 출구(13)가 형성되고, 내경면에는 슬래그와 알카리금속 성분 추출을 위한 용매의 배합을 도와주는 복수의 배플(14)이 원주방향을 따라 등간격으로 부착된 반응기 바디(11)를 포함한다.

또한, 상기 반응기 바디(11)의 내부에는 외부에 설치되는 교반구동수단(15, 예를 들어, 모터)와 연결되는 교반기(16)가 회전 가능하게 배치되어 원료인 슬래그와 용매인 아세트산이 혼합된 공정수를 교반하는 역할을 하게 된다.

또한, 상기 반응기 바디(11)의 일측 소정 위치에는 슬래그 등으로 부터 추출되는 알카리금속 성분의 pH를 측정하기 위한 pH 측정기(17)와, 추출되는 금속 성분중 Ca 추출 농도를 측정하는 Ca 농도 측정기(18)가 장착된다.

따라서, 상기 알카리 성분 추출반응기(10)의 반응기 바디(11)내에 원료 슬래그(예를 들어, 고로제철공정, 전기로 제강공정에서 발생하는 모든 슬래그로서, 입도는 8 mm 이하로 별도의 미분화 과정을 거치지 않은 것)를 공급하는 동시에 추출용매로서 약산성의 아세트산을 5 ~ 30 vol.% 포함하는 수용액을 공급하되, 원료 슬래그와 아세트산이 포함된 용매 수용액(공정수)의 비 즉, 고(슬래그)/액 비를 2 ~ 20로 하여 공급한다.

연이어, 상기 교반구동수단(15)의 구동과 함께 원료 슬래그와 아세트산이 포함된 용매 수용액을 교반하기 위한 교반기(16)의 교반 회전이 진행되며, 바람직하게는 1시간 이내의 교반 시간과 속도경사 1,800 s^-1 이하 조건에서 Ca 추출율 90 %의 추출용액을 얻을 때까지 진행된다.

다음으로, 원료 슬래그로부터 추출된 알칼리 금속 성분이 혼합된 용액이 반응기 바디(11)의 출구(13)를 빠져나가 제1여과장치(20)로 보내어진다.

상기 제1여과장치(20)는 최대 2기압 이하의 조건에서 알칼리 성분 추출반응기(10)에서 알칼리 성분이 추출된 후처리 슬래그를 걸러주는 동시에 알칼리 성분 용액은 탄산화 반응기(30)로 통과시키는 역할을 하며, 이에 2 ㎛ 이상의 입도 제거능을 가진 가압형 필터로 채택된다.

따라서, 2 ㎛ 이상의 입도 제거능을 가진 제1여과장치(20) 즉, 가압형 필터를 이용하여 최대 2기압 이하의 조건에서 알칼리 성분이 추출된 후처리 슬래그와 알칼리 금속 성분이 추출된 용액이 상호 분리되고, 이때 알카리 성분이 추출된 용액이 탄산화 반응기(30)로 보내어지는 회수율은 90% 이상이 되도록 한다.

다음으로, 추출된 알칼리금속 성분 용액이 탄산화 반응기(30)로 보내어지면, 알칼리금속 성분 용액에 이산화탄소를 주입하여 탄산염 침전물로 전환시키는 반응과정이 진행된다.

상기 탄산화 반응기(30)는 알칼리금속 성분 용액과 이산화탄소가 반응하기 위한 반응기 바디(31)를 포함하고, 이 반응기(31)의 일측부에는 이산화탄소를 주입하기 위하여 이산화탄소 공급원과 연결되는 주입관(32)이 연결되고, 또한 반응기 바디(31)의 타측부에는 pH 조정제 주입량을 자동으로 조정하기 위한 pH 측정기(33) 및 pH 조정제 주입량 조절기(34)와, 이산화탄소의 주입량을 결정하기 위하여 Ca의 농도를 측정하는 Ca 농도측정기(35)가 장착된다.

상기 탄산화 반응기(30)는 알칼리 성분 추출용액에 이산화탄소를 주입하여 탄산염 침전물로 전환시키는 탄산화 공정을 위한 것으로서, 이산화탄소 주입 전 pH 조정제(NaOH)를 주입하여 pH 10 ~ 12로 증가시키도록 한다.

참고로, 탄산화 반응이 일어나는 pH 조건은 pH 7.5 ~ 12.0으로 잘 알려져 있다.

이에, 탄산화 반응기(30)에 장착된 pH 측정기(33)에서 알칼리 성분 추출용액의 pH를 측정하여, 그 측정 결과값에 따라 제어기(미도시됨)에서 솔레노이드 밸브 타입인 pH 조정제 주입량 조절기(34)를 개폐 작동시킴으로써, 알칼리 성분 추출용액의 pH를 10 ~ 12로 조정할 수 있는 수준의 pH 조정제(NaOH)가 주입된다.

또한, 탄산화 반응기(30)의 반응기 바디(31)내에 주입되는 이산화탄소의 주입량을 결정하기 위하여 Ca 농도측정기(35)에서 알카리금속 성분 추출용액의 Ca의 농도를 측정하게 되며, 바람직하게는 이산화탄소의 주입량은 추출용액 중 Ca의 농도를 측정하여 CO₂ 유량(몰수)/Ca 농도(몰 농도) 비를 1:1 이 되는 수준으로 주입하게 된다.

따라서, 탄산화 반응기(30)내에서 탄산화 반응이 발생됨에 따라 알카리금속 성분 추출용액으로부터 탄산염 침전물이 생성된다.

다음으로, 탄산화 반응이 종료된 후의 알카리금속 성분 추출용액과 탄산염 침전물을 분리시키는 단계가 진행되도록 탄산화 반응이 종료된 후의 알카리금속 성분 추출용액과 탄산염 침전물이 제2여과장치(40)로 보내어진다.

상기 제2여과장치(40)는 알카리 성분 추출반응기(10)의 입구 및 탄산화 반응기(30)의 출구 사이에 연결되는 것으로서, 탄산화 반응이 종료된 후의 탄산염 침전물을 걸러주는 동시에 잔류 용액(탄산화 반응이 종료된 후의 알카리금속 성분 추출용액)을 통과시켜 알칼리 성분 추출반응기(10)로 재순환시키도록 2 ㎛ 이상의 입도 제거능을 가진 가압형 필터로 채택된다.

따라서, 탄산화 반응이 종료된 후의 탄산염 침전물 및 잔류 용액이 제2여과장치(40)를 거치게 되면, 탄산화 반응이 종료된 후의 탄산염 침전물은 별도로 걸러지고, 동시에 잔류 용액(탄산화 반응이 종료된 후의 알카리금속 성분 추출용액)은 알칼리 성분 추출반응기(10)로 재순환되어 알칼리금속 성분 추출공정에 재이용된다.

10 : 알카리 성분 추출반응기 11 : 반응기 바디
12 : 입구 13 : 출구
14 : 배플 15 : 교반구동수단
16 : 교반기 17 : pH 측정기
18 : Ca 농도 측정기 20 : 제1여과장치
30 : 탄산화 반응기 31 : 반응기 바디
32 : 주입관 33 : pH 측정기
34 : pH 조정제 주입량 조절기 35 : Ca 농도측정기
40 : 제2여과장치

Claims (5)

1. 원료 슬래그로부터 알칼리 금속 성분을 추출하기 위한 알카리 성분 추출반응기(10);
   추출된 알칼리금속 성분 용액에 이산화탄소를 주입하여 탄산염 침전물로 전환시키는 반응을 하는 탄산화 반응기(30);
   알카리 성분 추출반응기(10)의 출구 및 탄산화 반응기(30)의 입구 사이에 연결되어, 알칼리 성분이 추출된 후처리 슬래그와 알칼리금속 성분 용액을 분리하는 제1여과장치(20);
   알카리 성분 추출반응기(10)의 입구 및 탄산화 반응기(30)의 출구 사이에 연결되어, 탄산화 반응 후 탄산염 침전물과 용액을 분리하는 제2여과장치(40);
   를 포함하고,
   상기 탄산화 반응기(30)는 알칼리금속 성분 용액과 이산화탄소가 반응하기 위한 반응기 바디(31)와, 반응기 바디(31)의 일측부에 이산화탄소를 주입하기 위하여 장착되는 주입관(32)과, 반응기 바디(31)의 타측부에 pH 조정제 주입량을 자동으로 조정하기 위하여 장착되는 pH 측정기(33) 및 pH 조정제 주입량 조절기(34)와, 이산화탄소의 주입량을 결정하기 위하여 Ca의 농도를 측정하는 Ca 농도측정기(35)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 탄산염 고정 및 전환 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 알칼리 성분 추출반응기(10)는:
   상하부에 입구(12) 및 출구(13)가 형성되고, 내경면에는 복수의 배플(14)이 등간격으로 부착된 반응기 바디(11)와;
   반응기 바디(11)의 내부에 교반구동수단(15)와 연결되며 회전 가능하게 배치되어 원료인 슬래그와 아세트산이 혼합된 공정수를 교반하는 교반기(16)와;
   반응기 바디(11)의 일측면에 장착되는 pH 측정기(17) 및 Ca 농도 측정기(18);
   를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 탄산염 고정 및 전환 장치.
   
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1여과장치(20)는 최대 2기압 이하의 조건에서 알칼리 성분이 추출된 후처리 슬래그를 걸러주는 동시에 알칼리 성분 용액을 탄산화 반응기(30)로 통과시키도록 2 ㎛ 이상의 입도 제거능을 가진 가압형 필터로 채택된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 탄산염 고정 및 전환 장치.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2여과장치(40)는 탄산화 반응이 종료된 후의 탄산염 침전물을 걸러주는 동시에 잔류 용액을 알칼리 성분 추출반응기(10)로 통과시키도록 2 ㎛ 이상의 입도 제거능을 가진 가압형 필터로 채택된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 탄산염 고정 및 전환 장치.

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