순환유동층 석탄재를 이용한 탄소광물화 기술의 온실가스 배출 저감량 및 경제성 분석

정은태,김정윤 한국자원리싸이클링학회 2022 資源 리싸이클링 Vol.31 No.3

This study analyzed the amount of carbon dioxide reduction and economic benefits of detailed processes of CO2 6,000 tons plant facilities with mineral carbonation technology using carbon dioxide and coal materials emitted from domestic circulating fluidized bed combustion power plants. Coal ash reacted with carbon dioxide through carbon mineralization facilities is produced as a complex carbonate and used as a construction material, accompanied by a greenhouse gas reduction. In addition, it is possible to generate profits from the sales of complex carbonates and carbon credits produced in the process. The actual carbon dioxide reduction per ton of complex carbonate production was calculated as 45.8 kgCO2eq, and the annual carbon dioxide reduction was calculated as 805.3 tonCO2, and the benefit-cost ratio (B/C Ratio) is 1.04, the internal rate return (IRR) is 10.65 % and the net present value (NPV) is KRW 24,713,465 won, which is considered economical. Carbon mineralization technology is one of the best solutions to reduce carbon dioxide considering future carbon dioxide reduction and economic potential 탄소광물화 기술은 석탄재와 이산화탄소를 반응시켜 건설재료 등으로 활용이 가능한 복합탄산염 등의 부산물을 생산함과 동시에 이산화탄소를 탄산염에 고정화하여 온실가스 감축효과를 얻을 수 있는 기술로, 이산화탄소 감축 및 경제적 잠재력을 고려하면 국가 온실가스 감축 목표를 실현하기 위한 유용한 방안이 될 수 있다. 그러나 아직까지는 해당 기술의 이산화탄소 감축 성능과 환경적인 이점, 경제성등에 대한 자료가 적어서 기술의 상용화 가능성에 대해서는 명확하지 않은 상태이다. 본 연구는 국내 순환유동층 발전소에서 발생되는 이산화탄소와 석탄재를 이용하는 이산화탄소 투입량 기준 6,000 tonCO2/년 규모의 탄소광물화 설비에 대해 이산화탄소 감축량 및 경제성분석을 수행했다. 공정 분석 결과 1톤의 복합탄산염 생산 시 실질적인 이산화탄소 감축량은 약 45.8 kgCO2eq, 연간 약 805.3 tonCO2로 산정되었으며, 경제적 편익 분석 시 비용편익분석비(B/C Ratio)는 1.04, 내부수익률(IRR)은 10.65 %, 순현재가치(NPV)는 24,713,465 원으로 나타나, 탄소광물화 설비가 어느 정도 경제성을 확보하고 있는 것으로 분석되었다.

공정모사기법을 활용한 탄소광물화 최적화 공정방안 연구

박상원,전치완,김광목 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2019 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2019 No.-

국내의 이산화탄소 활용과 관련된 연구들은 활발히 진행이 되어 왔으며, 이의 생성기법과 기작 등에 대한 충분한 연구가 수행이 되었다. 하지만 대부분의 연구들은 실험실 규모의 스케일(scale)로 이루어져 있어 실제 이산화탄소의 대량처리를 통한 탄산염의 생산과 관련된 공정에 대한 연구는 미비한 상태이다. 이산화탄소의 탄산염 전환과 관련된 연구들은 최근 많이 보고가 되고는 있지만, 이를 활용하거나 대량으로 생산을 하는 연구에 대해서는 보고가 미비한 편이라고 할 수 있다. 이산화탄소 흡수전환에 의해 생성되는 탄산염은 2차 투입되는 물질의 종류에 따라 크게 탄산칼슘, 탄산마그네슘, 탄산리튬 등으로 선택적인 생성을 유도할 수 있다는 것이 큰 특징이라고 할 수 있다. 따라서 본 연구는 기존에 수행되었던 탄소광물화와 관련된 연구들을 기반으로 이산화탄소의 대량처리와 탄산염의 생성에 관련된 연속식 공정의 구성방안에 대한 연구를 수행하였다. 이산화탄소의 대량처리는 기존의 이산화탄소 흡수법을 기반으로 수행을 하였다. 최적화 공정을 구성하기 위하여 사용된 프로그램은 AspenTech의 Aspen Plus V.10을 이용하였다. 이산화탄소의 대량 흡수 처리는 아민용액을 비롯하여 기존에 널리 알려진 암모니아계 등을 활용하였으며, 흡수 전환된 이산화탄소의 총량을 실험을 통해 얻어진 경험값을 근거로 비교 분석을 수행하였다.

Biomineralization Processes Using Fly Ash for Carbon Sequestration

Roh, Yul,Moon, Ji-Won,Song, Yungoo,Moon, Hi-Soo 한국광물학회 2003 한국광물학회지 Vol.16 No.2

본 연구는 금속이 다량 함유된 석탄회(metal-rich fly ash, MRFA)를 이용, 이산화탄소 및 금속의 격리를 위한 생지화학적 과정을 연구하고자 한다. 이를 위해 다양한 이산화탄소 분압과 중탄산염 이온 농도의 조건 하에서 MRFA를 이용, 미생물에 의한 이산화탄소의 난용성 탄산염 광물로의 전환 실험을 실시하였다. 시험관으로부터 4-L의 배양용기까지의 다양한 규모의 실험을 통해, 금속환원 박테리아와 MRFA를 이용하는 경우, 효과적인 이산화탄소 및 금속의 격리가 이루어지는 것으로 나타났다. MRFA를 이용하는 침전 기작을 통한 이산화탄소 격리는 화석연료를 이용하는 발전소에서 방출되는 이산화탄소의 제거 및 석탄회 폐기물의 안정화의 보완적 방법으로 유용하다. The objective of this study is to investigate biogeochemical processes to sequester CO₂ and metals utilizing metal-rich fly ash (MRFA). Microbial conversion of CO₂ into sparingly soluble carbonate minerals has been studied using MRFA under different pCO₂ and different bicarbonate concentrations. Scaling from test tube to fermentation vessels (up to 4-L) using metal-reducing bacteria and MRFA has proved successful at sequestering carbon dioxide and metals. CO₂ sequestration via precipitation processes using MRFA may complement the process of CO₂ capture from fossil fuel plants while potentially stabilizing fly ash wastes.

2P-645 이산화탄소 유래 탄산칼슘의 결정화 반응에서 결정구조 제어

윤민혜,김영은,박기태,이원희,정순관 한국공업화학회 2017 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2017 No.1

온실가스로 인한 지구 온난화문제가 가속화됨에 따라 이산화탄소 포집-전환-저장 기술에 대한 중요성이 부각되어지고 있다. 이산화탄소 광물화는 다른 전환공정과 달리 전환에 필요한 에너지가 낮고 열역학적으로 안정하며 영구적인 저장이 가능하다는 장점을 갖고 있기에 가장 유망한 전환기술 중 하나로 알려져있다. 본 연구에서는 이산화탄소 광물화 반응을 통해 탄산칼슘을 제조하는 공정에 있어서 여러 변수들이 탄산칼슘 결정성에 미치는 영향에 대하여 알아보고자 한다. 탄산칼슘은 크게 Calcite, Vaterite, Aragonite 3가지 결정구조가 알려져 있으나 이를 선택적으로 제어하는 방법은 한정적이다. 대량의 이산화탄소 전환공정에 있어 탄산칼슘 결정성을 결정하는 공정변수와 메카니즘에 대하여 논의하고자 한다.

CO₂ 배출량 저감을 위한 CO₂광물화

방준환,이승우,채수천,유영석,전치완,박상원,송경선 한국공업화학회 2016 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2016 No.1

CO₂광물화는 CO₂가 금속이온과의 화학적 반응에 의해 탄산염광물로 전환되면서 저장되는 방법이다. 기체인 CO₂는 고체의 광물로 전환되어 CO₂ 배출을 감소시킬 수 있다. 기체의 이산화탄소는 취급이 용이한 고체상으로 전환되며, 생성광물의 순도, 결정상, 입도 등의 형상적 특징에 따라 활용성을 높일 수 있다. 국가전략 프로젝트(2016.8.10)에 의해서도 CO₂광물화 기술의 유용성이 확인되고 있으나, 기술가치 향상을 위한 요소기술 개발이 더 필요한 실정이다. 한국지질자원연구원 CO₂ 처분연구실은 2009년부터 CO₂광물화의 기술가치 향상을 위한 연구를 수행하고 있다. 이산화탄소와 반응하기 위한 금속이온 공급물질의 다양화, CO₂광물화 반응 효율 향상, 생성물인 탄산염광물의 순도를 비롯한 입자특성 제어를 비롯하여 기술 상용화를 위한 파일럿 플랜트운영 등에 관한 연구가 진행 중이다. 본 발표를 통해 CO₂광물화 기술과 해당 연구실에서 수행중인 연구 내용의 일부를 소개하며, 향후 CO₂광물화의 기술개발방향을 토론하고자 한다.

탄소광물화법을 활용한 석면 함유 폐기물의 안정화 연구

박상원,전치완,송경선,조환주 한국폐기물자원순환학회 2018 한국폐기물자원순환학회 학술대회 Vol.2018 No.05

1급 발암물질로 지정된 석면은 과거 단열 및 건축자재로 활용이 되었다. 최근 석면이 함유된 건설 폐기물 등을 철거 및 처분하는 방법들이 많이 보고가 되고 있으나, 이를 처리하기 위한 방법들은 비교적 고온을 필요로 하는 에너지 다소비 공정이라는 단점이 존재한다. 산을 활용한 석면함유물질의 처리방법은 환경적인 부분의 2차 문제를 발생시킬 수 있다는 단점이 존재하며, 고온을 활용한 방법에 비교하여 완전 무해화에 대한 효율이 현저히 낮다는 단점이 존재한다. 석면 함유 폐기물의 다른 처리방법으로는 매립이 대표적이라고 할 수 있으나, 철거된 석면 물질들이 매립을 위해 이송되는 과정에서 비산될 수 있다는 단점이 있다. 따라서 본 연구는 앞서 언급한 석면처리 기술의 단점들을 보완할 수 있는 저에너지 소비 형태의 석면처리 방법을 연구하였다. 연구방법으로는 최근 화두가 되고 있는 이산화탄소 저장 및 활용(CCUS) 기법을 적용하여 석면을 포함한 폐기물의 표면을 탄산염의 형태로 전환하여, 석면의 이송과정에서 2차 비산을 막고 저에너지 소비 형태의 공정을 적용함으로써 경제성을 극복하고자 하였다. 연구결과 석면에 포함된 다양한 금속양이온은 상온, 상압의 조건에서 탄산염으로 형성이 되는 것을 확인하였으며, 형성된 탄산염은 석면폐기물의 표면에서 결정이 성장하여 석면을 코팅하는 효과가 있음을 나타내었다. 하지만 폐기물내 존재하는 금속양이온은 농도가 낮기 때문에 표면의 완전코팅을 위한 방편으로 건설폐기물의 침출수를 가정한 높은 pH의 칼슘함유 폐수를 투입하는 연구를 수행하였다. 2차 실험의 결과 칼슘이온은 이산화탄소와 반응하여 탄산칼슘의 형태로 전환이 되었으며, 투입된 폐수의 pH는 약 8.7의 값을 나타내어 폐수와 석면을 동시에 처리할 수 있는 가능성을 보였다. 생성된 탄산칼슘은 폐기물의 표면에서 결정이 성장하여 폐기물의 표면이 완전 코팅이 되었음을 알 수 있었다. 그러므로 본 연구에서 적용한 탄소광물화기법을 활용한 석면폐기물의 처분방법은 저비용으로 석면 함유 폐기물을 안정적으로 처리할 수 있는 가능성을 보여주었으며, pH가 높은 폐수를 중화하여 배출할 수 있는 추가적인 경제성을 지니는 결과를 보였다고 사료된다. 따라서 본 연구는 새로운 기법의 석면처리방법을 제시함으로써 추가적인 연구수행을 통하여 국내 석면 폐기물과 폐수, 이산화탄소를 동시에 처리할 수 있는 새로운 방향을 제시한다는 것에 의의가 있음을 알 수 있다.

광물화된 탄소나노튜브 첨가재의 계면 특성화

박찬욱 ( Chanwook Park ),정지원 ( Jiwon Jung ),윤군진 ( Gunjin Yun ) 한국복합재료학회 2018 Composites research Vol.31 No.5

본 연구는 광물화된 탄소나노튜브를 고분자 기지재료의 강화재로 사용할 때, 계면 결합력이 기존 탄소나 노튜브 강화재에 비해 어떤 차이를 보이는지 분자동역학 시뮬레이션을 통해 탐구한다. 최근 탄소나노튜브에 질소를 도핑한 후 표면을 광물화 하는 실험 연구가 보고되고 있다. 하지만 복합재료의 강화제로 첨가되었을 때 보일 수 있는 물성 증가 현상에 대한 연구는 아직 부족하다. 광물질로는 실리카(SiO₂)를 사용했고 고분자 기지재료로는 열 가소성 수지인 poly(methyl metacrylate) (PMMA)를 사용했다. 계면 결합력과 계면 전단 응력을 계산하기 위해 강화재를 기지재료로부터 빼내는 pull-out 시뮬레이션이 진행되었다. 계산 결과, 실리카 광물화된 탄소나노튜브가 고분자 기지재료와 향상된 계면 상호작용을 가지는 것으로 조사되었다. 본 연구진은 향후 광물화된 탄소나노튜브강화재가 첨가된 나노 복합재료의 열 기계적 물성을 분석하여 다양한 분야에서의 활용 가능성을 제시할 계획이다. In this paper, we explore interfacial properties of the mineralized CNTs when they are employed as reinforcing fillers in a polymer nanocomposite using molecular dynamics (MD) simulations. Recently, several studies on mineralizing carbon nanotubes (CNTs) with an aid of nitrogen doping to CNTs have been reported. However, there is a lack of studies on the reinforcing effects of the mineralized CNTs when it is employed as a filler of nanocomposites. Silica (SiO₂) is used as a mineral material and poly (methyl metacrylate) (PMMA) is used as a polymer matrix. Pull-out simulations are conducted to obtain the interfacial energy and the interfacial shear stress. It was found that the silica mineralized CNTs have higher interfacial interaction with the polymer matrix. In the future, by examining various thermomechanical properties of the mineralized-CNT-filler/polymer nanocomposites, we will search for potential applications of the novel reinforcing filler.

탄소광물화법을 활용한 석면 함유 폐기물의 안정화 연구

박상원,전치완,송경선,조환주 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2018 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2018 No.-

1급 발암물질로 지정된 석면은 과거 단열 및 건축자재로 활용이 되었다. 최근 석면이 함유된 건설 폐기물 등을 철거 및 처분하는 방법들이 많이 보고가 되고 있으나, 이를 처리하기 위한 방법들은 비교적 고온을 필요로 하는 에너지 다소비 공정이라는 단점이 존재한다. 산을 활용한 석면함유물질의 처리방법은 환경적인 부분의 2차 문제를 발생시킬 수 있다는 단점이 존재하며, 고온을 활용한 방법에 비교하여 완전 무해화에 대한 효율이 현저히 낮다는 단점이 존재한다. 석면 함유 폐기물의 다른 처리방법으로는 매립이 대표적이라고 할 수 있으나, 철거된 석면 물질들이 매립을 위해 이송되는 과정에서 비산될 수 있다는 단점이 있다. 따라서 본 연구는 앞서 언급한 석면처리 기술의 단점들을 보완할 수 있는 저에너지 소비 형태의 석면처리 방법을 연구하였다. 연구방법으로는 최근 화두가 되고 있는 이산화탄소 저장 및 활용(CCUS) 기법을 적용하여 석면을 포함한 폐기물의 표면을 탄산염의 형태로 전환하여, 석면의 이송과정에서 2차 비산을 막고 저에너지 소비 형태의 공정을 적용함으로써 경제성을 극복하고자 하였다. 연구결과 석면에 포함된 다양한 금속양이온은 상온, 상압의 조건에서 탄산염으로 형성이 되는 것을 확인하였으며, 형성된 탄산염은 석면폐기물의 표면에서 결정이 성장하여 석면을 코팅하는 효과가 있음을 나타내었다. 하지만 폐기물내 존재하는 금속양이온은 농도가 낮기 때문에 표면의 완전코팅을 위한 방편으로 건설폐기물의 침출수를 가정한 높은 pH의 칼슘함유 폐수를 투입하는 연구를 수행하였다. 2차 실험의 결과 칼슘이온은 이산화탄소와 반응하여 탄산칼슘의 형태로 전환이 되었으며, 투입된 폐수의 pH는 약 8.7의 값을 나타내어 폐수와 석면을 동시에 처리할 수 있는 가능성을 보였다. 생성된 탄산칼슘은 폐기물의 표면에서 결정이 성장하여 폐기물의 표면이 완전 코팅이 되었음을 알 수 있었다. 그러므로 본 연구에서 적용한 탄소광물화기법을 활용한 석면폐기물의 처분방법은 저비용으로 석면 함유 폐기물을 안정적으로 처리할 수 있는 가능성을 보여주었으며, pH가 높은 폐수를 중화하여 배출할 수 있는 추가적인 경제성을 지니는 결과를 보였다고 사료된다. 따라서 본 연구는 새로운 기법의 석면처리방법을 제시함으로써 추가적인 연구수행을 통하여 국내 석면 폐기물과 폐수, 이산화탄소를 동시에 처리할 수 있는 새로운 방향을 제시한다는 것에 의의가 있음을 알 수 있다.

제지생산 공정에서 발생하는 폐기물의 감량화 및 탄소광물화 방법을 이용한 재활용

전치완,채수천,이승우,조환주,안지환 한국공업화학회 2018 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2018 No.0

제지 생산과정에서 얻어지는 폐기물인 슬러지는 다량의 수분과 유기물질을 포함하고 있으며, 유독성 미생물과 유해물질을 다량 내포함에 따라 매립이 제한적이며 고비용적폐기물처리가 불가피하다. 산분해에 이은 탄소광물화 과정을 통해 이러한 제지슬러지의 감량화를 통한 비용감소와 더불어 탄산화과정을 통해 얻어진 탄산칼슘의 부가가치 향상에 대하여 논하였다. 산분해 과정을 거쳐 얻어진 제지슬러지 용출액을 pH 조절을 이용한 전처리조작을 거쳐 특정이온의 선별적 분리 및 방해이온이 제거된 최적 탄산화용액으로 만들었다. 탄산화를 통한 탄소광물화 과정은 고온, 고압 또는 아민류 첨가제 유무에 따른 반응 특성을 고려하였으며 최적 반응 조건에서 수득된 탄산칼슘의 고순도화와 더불어 형상변화를 통한 활용도 증가 및 부가가치 향상 등에 대하여 다루었다.

KIER`s Perspectives on Carbon Recycling

김학주,정순관,박기태,윤민혜 한국공업화학회 2016 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2016 No.1

산업혁명 이후 화석연료의 지속적인 사용으로 인하여 배출되는 온실가스로 지구온난화와 기상이변 현상이 발생된 것으로 예측되고 있다. 이러한 환경 문제를 해결하기 위하여 대단위로 온실가스를 배출하는 산업시설에 온실가스의 한 종류인 이산화탄소를 포집하여 저장하는 CCS(Carbon Capture & Storage) 설비를 설치하여 대기 중에서 온실가스 농도가 증대되는 것을 억제시키고자 하는 방안이 제안되고 있다. 최근에는 포집한 이산화탄소를 원료로 활용하여 고부가가치의 화합물로 전환하여 이용하는 CCUS(Carbon Capture Utilization & Storage) 기술로의 패러다임 전환이 모색되고 있다. 본 발표에서는 한국에너지기술연구원에서 진행되고 있는 탄소자원화 기술개발 동향을 개괄적으로 소개하고자 한다.