KR100544595B1 - 바이오가스를 수득하는 방법 및 장치 - Google Patents

바이오가스를 수득하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 H2S를 사실상 제거하는 발효 반응기(2)에서 바이오가스를 형성시키는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명에 있어서, 발효 반응기내의 사실상 총 양의 함유물이, 전자 수용체, 특히 공기, 산소 함유 기체 또는 산소 함유 기체 혼합물을 함유하는 매질이 작용하는 영역(5)을 통과한다. 상기 영역(5)에서의 전자 수용체 함유 매질과 발효 매질의 접촉 시간은, 발효 매질중의 H2S의 형성이 사실상 바이오가스중에 H2S가 검출되지 않을 정도의 양으로 억제되도록 조절된다. 따라서, 영역(5)은 발효 반응기내의 중앙에 수직으로 배치된 가이드 튜브로서 고안된다. 바람직하게는, 바이오가스(6)는 추진제로서 작용하며, 가이드 튜브로 재공급되어 상기 가이드 튜브내의 발효 반응기의 함유물을 순환시킨다.

Description

바이오가스를 수득하는 방법 및 장치 {METHOD AND DEVICE FOR OBTAINING BIO-GAS}
본 발명은 발효 반응기에서 발효 매질의 생물학적 처리에 의해 바이오가스를 수득하는 방법 및 이를 수행하기 위한 장치에 관한 것으로서, 상기 방법에서는 전자 수용체 함유 매질, 특히, 공기 및/또는 질산염 및/또는 아질산염과 같은 산소 함유 가스 또는 가스 혼합물을 발효 매질에 공급하여, 원하지 않는 황화수소(H2S)의 형성을 억제시킨다.
바이오가스를 수득하기 위해, 유기 물질 예를 들어, 하수 슬러지, 액체 비료 또는 젖은 쓰레기를 함유하는 기질을 공기가 실질적으로 배제된 용기내에 유지시키고, 적당한 경우, 순환시킨다. 이 동안, 기질내에 함유된 미생물은 유기 물질을 부분적으로 가스 물질로 전환시킨다. 이러한 과정은 분해로서 언급되며, 일반적으로 분해 용기로서 설계된 바이오리액터에서 수행되며, 이는 또한, 발효 반응기로서 언급된다. 기질 및 바이오리액터 작동 특성에 따라, 바이오가스의 조성이 약간 상이해진다. 바이오가스는 전형적으로, 약 70 부피%의 CH4 및 약 30 부피%의 CO2를 함유한다. 또한, 기질이 하수 슬러지 및 젖은 쓰레기에서 일반적으로 발생하는 황 화합물을 함유하는 경우, 이는 미생물에 의해 분해되어 황화수소(H2S)를 생성시키며, 이는 최종적으로 바이오가스중에 1 부피% 이하의 농도로 존재한다. 황화수소는 독성 작용 및 부식 작용을 지니기 때문에, 바이오가스중의 황화수소 함량은 환경 오염을 방지하고, 부수적인 시스템, 예를 들어, 라인 및 가스 엔진을 손상시키는 것을 방지하기 위해 감소되어야 한다.
현재의 기술 수준으로, 바이오가스의 황화수소 함량은 바이오리액터의 다운스트림에 있는 정제 단계에서 적당한 수준으로 감소되며, 상기 단계는 예를 들어, 스크러버, 흡착 유닛 또는 생물학적 탈황 시스템으로써 설계될 수 있다. 추가적인 정제 단계의 요구는 높은 자본 비용을 초래하며, 전체 바이오가스 시스템이 차지하는 공간을 증가시킨다. 또한, 가스상에서의 후속 정제는 일반적으로, 폐생성물, 예를 들어, Fe 황화물 펠레트, 플라우어 오브 설퍼 (flowers of sulphur), 황산 등을 초래하며, 이는 처리되어야 한다.
DD 226,552 A1에는 바이오가스중의 황화수소 함량을 감소시키는 방법으로서, 수산화철을 부유된 형태로 처리될 슬러지에 첨가하여 혼합시키는 방법이 기재되어 있다. 이것의 목적은 황화 수소의 화학 결합에 있다. 또한, 처리될 발효 매질로 염화철을 미터링 (metering)하는 것은 공지되어 있다. 그러나, 화학품 미터링과 함께 작동하는 이러한 유형의 공정은 화학품을 발효 매질에 첨가해야 하기 때문에 문제가 된다. 예를 들어, 부식성 염화물 이온의 유입은 발효 반응기의 내구성에 악영향을 미칠 수 있다.
EP 0 143 149 B1에는 또한, 바이오리액터 자체에서 황화수소의 형성을 억제하는 방법이 제안되어 있다. 이는 형성된 바이오가스중 잔여 산소 함량이 0.01 내지 3.0 부피%가 되도록 하는 산소량을 신선한 슬러지 또는 물과 함께 바이오리액터내로 도입시키는 것을 수반한다. 이를 위해, 한편으로는 바이오가스중의 황화수소 함량을 충분히 감소시키고, 다른 한편으로는 바이오리액터중의 산소 함량이, 메탄 형성 박테리아에 대한 산소의 독작용이 바이오가스 형성에 지나친 간섭을 초래할 만큼 높지 않도록 하기 위해 정교한 제어가 필요하다.
H2S 생성 미생물총을 억제하므로써 H2S 형성을 억제하기 위한 종래의 해결책은 발효 공급물내로 공기를 미터링하거나, 여러 지점에서 발효 반응기내로 공기를 도입시키는 것을 기초로 하고 있다. 이러한 문제에 대한 플랜트 실행 및 본 발명자들의 자체 연구는 높은 산소 소모율로 인해, 대체로 공급물로의 미터링 또는 여러 지점에서의 미터링은 불충분한데, 그 이유는 산소가 단지 짧은 거리를 지난 후에 생화학적으로 전환되어, 대용량 발효 반응기에서 H2S 형성물질에 대한 간섭이 현저한 효과를 달성하기에 불충분하기 때문이다.
과량의 공기를 미터링하므로써 이를 개선하려는 시도가 이루어졌지만, 이는 안전에 대한 위험성을 증가시키며, 바이오가스중의 불활성 질소의 함량이 높아져서 열량 특성의 저하를 초래한다.
또한, 발효기 기부상의 공기 분배 장치를 적합하게 표면-커버링 (surface-covering)함으로써 전체 반응기로의 공급을 개선시키려는 시도가 행해질 수 있다. 그러나, 높은 건조물 함량을 갖는 쓰레기 및 슬러지 발효 부유물에 대해서는 이러한 분배 장치의 장기간에 걸친 작업 안전성이 불확실하다.
본 발명의 목적은 발효 반응기에서 배출되는 바이오가스가 실질적으로 황화수소를 함유하지 않고, 바이오가스 형성의 장애가 미소한, 현재의 기술의 단점을 피할 수 있는, 개시부에 언급된 유형의 방법 및 이러한 방법을 수행하기 위한 장치를 제공하는데 있다.
이러한 본 발명의 목적은 발효 반응기내에 존재하는 모든 발효 매질이 전자 수용체 함유 매질이 공급되는 영역을 통과하며, 전자 수용체 함유 매질과 발효 매질 사이의 접촉 시간이 적어도 미소한 H2S 함량이 바이오가스에 존재할 정도로 발효 매질내에서의 H2S 형성을 억제하기에 충분하도록 조정되는 본 발명의 방법에 의해 달성된다.
편리하게 사용되는 전자 수용체 함유 매질은 공기, 또 다른 산소 함유 가스 또는 가스 혼합물이다. 또 다른 가능성은 전자 수용체로서 아질산염 또는 질산염을 사용하는 것이다. 다양한 전자 수용체의 배합물이 또한 고려된다.
본 발명의 본질은 전자 수용체 함유 매질로서 공기를 사용하는 경우 하기와 같은 방식으로 가장 간단히 설명될 수 있다:
앞서 언급된 현재의 기술의 문제점은 전체 발효 챔버내에 공기를 실질적으로 균일하게 분포시키는 방식이 아닌 본 발명에 의해 해결되며; 대조적으로, 발효 반응기의 전체 함유물은 산소 함유 영역을 통해 가스와 발효 매질의 적당한 접촉 시간을 지니면서 규정된 방식으로 수송된다. 공업적으로 간단하고 잔여물이 없이 발효 매질중의 H2S 형성을 억제하는 것은 이러한 방식으로 재현가능하게 달성된다. 본 발명의 따른 방법은 플랜트 엔지니어링 측면에서 발효 매질에서의 H2S 형성의 작업적으로 안정적인 억제를 보장해준다.
발효 반응기내에 존재하는 모든 발효 매질을 1시간 당 수 회에 걸쳐, 바람직하게는 2회 이상 영역을 통과시키는 것이 편리하다. 또한, 전자 수용체 함유 매질은, 바람직하게는, 발효 매질이 영역을 통과하는 동안 발효 매질내의 H2S 형성을 억제시키기 위해 전자 수용체 함유 매질과의 적당한 접촉을 유지하는 양으로 영역내로 미터링된다.
본 발명의 바람직한 구체예에서, 전자 수용체 함유 매질과 영역내의 발효 매질 사이의 접촉 시간 및/또는 영역내로 미터링되는 전자 수용체 함유 매질의 양은, 공정 장애를 일으키는 양의 전자 수용체 함유 매질이 바이오가스중에 더 이상 존재하지 않을 정도로 생화학적으로 분해되도록 조정된다. 전자 수용체 함유 매질로서 공기, 산소 함유 가스 또는 가스 혼합물을 사용하는 경우, 이는 공정 장애를 일으키는 양의 산소가 바이오가스중에 더 이상 존재하지 않을 정도로 산소를 생화학적으로 분해시킨다. 본 공정의 이러한 조작은 발효 반응기에서의 유기 물질의 혐기적 처리 및 이에 따른 바이오가스의 수득과 관련된 손상이 없음을 보장해준다.
전자 수용체 함유 매질로서 공기가 사용되는 경우, 단위시간 당 영역내로 공급되는 공기의 양은, 바람직하게는 공기의 질소 함량으로부터 유래된 바이오가스중의 질소 함량이, 열량 이용률 면에서 바이오가스의 질을 미소하게 저하시키도록 조정된다. 이는 제한없이 바이오가스를, 예를 들어 연료 가스로서 사용할 수 있게 해준다.
본 발명의 특히 바람직한 구체예는 영역을 통과하도록 발효 매질을 수송시키기 위해 추진 가스로서 발효 반응기에서 형성된 바이오가스를 사용하는 방법을 제공한다. 영역이 예를 들어, 도관 파이프로서 설계된 경우, 바이오가스는 도관 파이프의 내부로 펌핑된다. 도관 파이프내의 혼합물의 밀도 감소 및 가스 부력의 결과로써, 발효 매질은 도관 파이프를 통해 상향 수송된다. 이와 관련하여, 발효 반응기의 전체 함유물이 도관 파이프를 통해 1시간 당 2회 이상 펌핑되도록 도관 파이프 기하학 및 주입된 바이오가스 스트림을 선택하여 수압 조건을 조정하는 것이 편리하다.
또한, 본 발명은 발효 매질을 수용하기 위한 발효 반응기 및 바이오가스용 배출 라인을 갖춘, 바이오가스를 수득하기 위한 장치에 관한 것이다. 상기 언급된 목적은 도관 배열이 발효 반응기의 내부에 배치되고, 전자 수용체 함유 매질을 위한 하나 이상의 공급 라인이 도관 배열 또는 도관 배열의 개방 단부 부근에서 종결되며, 도관 배열을 통해 발효 반응기에 함유된 사실상 모든 발효 매질을 수송시키기 위한 수단이 제공된 장치에 의해 달성된다.
따라서, 발효 반응기는 예를 들어 도관 파이프로서 설계될 수 있는 도관 배열 형태의 내부 루프를 갖는 루프 반응기 형태를 본질적으로 취한다. 바람직하게는, 도관 배열은 발효 반응기내에 본질적으로 중앙에 수직으로 배치된 도관 파이프로써 설계된다.
추진 가스로서 바이오가스를 주입하기 위해, 바람직하게는, 바이오가스 배출 라인에서 분기되는 바이오가스 분기 라인이 도관 배열 또는 도관 배열의 개방 단부 부근에서 종결된다.
본 발명의 또 다른 바람직한 구체예에서, 도관 배열의 기하학은 발효 매질내에서의 H2S 형성을 억제하기 위해 발효 매질과 전자 수용체 함유 매질 간의 적당한 접촉 시간이 보장되도록 선택된다.
또한, 도관 배열의 기하학, 발효 반응기의 크기 및 바이오가스 분기 라인의 치수는, 바람직하게는, 발효 반응기내에 함유된 모든 발효 매질이 1시간 당 2회 이상 도관 배열을 통과할 수 있도록 선택된다.
본 발명에 따른 장치의 또 다른 구체예는 가열될 수 있도록 설계된 도관 배열을 제공한다. 이를 위해, 도관 배열은 편의상 자켓을 지닌 도관 파이프로서 설계된다. 뜨거운 물을 위한 유입구 및 배출구를 갖춘 자켓이 제공된다. 본 발명의 이러한 구체예에서, 안정한 공정으로 본질적으로 H2S를 함유하지 않는 바이오가스를 수득할 수 있게 해주는 다수의 효과가 동시에 달성된다:
도관 파이프로서 설계된 발효 반응기의 내부 루프를 통한 발효 매질의 순환은 발효 반응기의 전체 함유물을 균질화시킨다. 전자 수용체 함유 매질, 예를 들어, 공기의 미터링으로 인해, 발효 반응기내의 H2S 형성이 동시에 억제된다. 또한, 발효 반응기의 함유물은 발효 매질의 생물학적 처리에 최적인 작업 온도에서 도관 파이프를 가열시키므로써 유지된다.
또한, 추가적인 효과는 도관 파이프가 발효 반응기내에 중앙에 수직으로 정렬됨으로써 달성된다:
도관 파이프의 하부 단부에서 흡입된 발효 매질은, 바람직하게는, 바이오가스의 주입에 의해 도관 파이브의 상부 단부로 펌핑되고, 도관 파이프의 상부 단부에서 수직으로 주변 발효 매질로 배출된다. 따라서, 이렇게 도관 파이프의 상부에 유도된 중앙 표면 분출은 발효 반응기내에서의 부유성 커버링을 파괴시키며, 이는 공정의 안정도에 유리한 영향을 미친다.
본 발명은 하기의 일련의 모든 이점을 제공한다:
현재의 기술에 따른 공정과 대조적으로, H2S를 억제하기 위한 화학품의 미터링이 요구되지 않는다. 또한, 폐생성물의 처리가 요구되지 않는다. 본 발명은 특히 공업적으로 간단한 수단으로 공정의 높은 안정도를 달성한다. 기존의 바이오가스 플랜트의 변형이 최소 비용으로 가능하다. 가장 간단한 경우, 발효 반응기에 사용되는 도관 파이프 균질화 시스템에 공기 미터링을 설비하기만 하면 된다.
본 발명은 도면에 도해적으로 설명된 예에 의해 하기에 상세히 설명될 것이다.
도 1은 통합된 H2S 억제가 이루어지는 바이오가스 플랜트에 대한 흐름도이다.
도 2는 발효 챔버내에 공기 미터링을 갖춘 발효 반응기 및 갖추지 않은 발효 반응기의 작업 결과를 비교한 것이다.
도 1에는 예로서 젖은 쓰레기의 발효를 위한 플랜트가 도시되어 있다. 젖은 쓰레기는 전처리 단계에서 준비되어 (미도시됨), 펄프 및 가수분해물을 생성시킨다. 펄프 및 가수분해물은 발효 매질로서 라인(1)을 통해 발효 반응기(2)로 공급된다. 펄프 및 가수분해물의 메탄화가 발효 반응기(2)에서 수행된다. 이를 위해, 발효 반응기(2)는 혐기성 조건하에서 유지되며, 발효 반응기의 함유물이 순환된다. 발효중인 펄프 및 가수분해물에 함유된 혐기성 바이오매스는 유기 물질을 부분적으로 CO2 및 CH4로 전환시킨다. 생성된 바이오가스는 라인(3)을 통해 발효 반응기(2)로부터 배출된다. 발효된 젖은 쓰레기의 액체 및/또는 고체 부분은 라인(4)을 통해 발효 반응기(2)로부터 배출된다.
펄프 및 가수분해물이 또한 황화합물을 함유하기 때문에, 추가의 측정없이도 H2S가 또한 형성될 것이며, 이는 바이오가스중에서 발견될 것이다. 바이오가스중의 원하지 않는 H2S 함량을 최소화하기 위해, 전체 발효 챔버내에서 공기를 실질적으로 균일하게 분포시키는 현재의 기술과 대조적으로, 본 발명에서는 발효 반응기의 전체 함유물이 규정된 방식으로 산소 함유 영역(5)을 통해 산소 함유 가스와 발효 매질의 충분한 접촉 시간에 걸쳐 수송된다. 이를 위해, 발효 반응기(2)는 루프 반응기의 형태이며, 이는 중앙에 수직으로 배치되어 산소 함유 영역으로서 작용하는 도관 파이프(5) 형태의 내부 루프를 갖추고 있다. 더욱이, 도관 파이프 내부의 하부로 펌핑되고, 바이오가스 분기 라인(6)을 통해 바이오가스 배출 라인(2)으로부터 분기되는 바이오가스는 추진 가스로서 작용한다. 도관 파이프(5)내의 혼합물의 밀도의 감소 및 가스 부력의 결과로써, 발효 매질은 도관 파이프(5)를 통해 상향으로 수송된다. 이러한 경우, 수압 조건은, 발효 반응기의 전체 함유물이 도관 파이프(5)를 통해 1시간 당 2회 이상 펌핑되도록 하는 방식으로 도관 파이프 기하학 및 주입되는 바이오가스 스트림을 선택함으로써 조정된다. 대사 작용에서 H2S 형성을 요구되는 방식으로 제한하기 위해 발효 매질이 도관 파이프(5)를 통과하면서 산소와 적합하게 접촉하도록 하는 양의 비로 공기는 공기 공급 라인(7)에 의해 도관 파이프(5)의 내부 상향흐름내로 미터링된다. 동시에, 산소는 공정 장애를 일으키는 양의 산소가 바이오가스중에 더 이상 존재하지 않을 정도로 생화학적으로 분해된다. 이를 위해 필요한 공기는 최소화될 수 있어서, 바이오가스중의 질소가 추가적인 열량 이용률을 위해 가스의 질을 저하시키지 않는다.
발효 매질의 생물학적 처리에 최적인 작업 온도를 유지하기 위해, 도관 파이프(5)는 가열될 수 있도록 설계된다. 이를 위해, 도관 파이프(5)에는 열수 (hot water)용 유입구(8) 및 배출구(9)가 있는 이중벽 자켓이 제공된다. 또한, 발효 반응기의 함유물의 온도는 열수가 통과하는 열교환기(19)에 의해 조절될 수 있다.
발효 반응기(2)내에서 산소 함유 영역으로서 중앙에 수직으로 배치된 도관 파이프(5)를 사용하는 것은 동시에 여러 효과를 달성한다:
한편으로는, 도관 파이프(5)에서의 공기 미터링으로 인해 신뢰할 만한 H2S 억제가 달성된다. 다른 한편으로는, 발효 반응기의 함유물은 발효 반응기(2)의 내부 루프를 통한 순환에 의해 균질화된다. 또한, 발효 반응기의 온도는 도관 파이프의 자켓을 통해 펌핑되는 열수에 의해 조절된다. 최종적으로, 도관 파이프(5)의 상부 단부로부터의 발효 매질의 출현으로 인해, 중심 표면 분출이 도관 파이프(5)의 상부에서 생성되며, 이는 발효 반응기(2)내의 부유성 커버링의 파괴를 초래한다.
설명된 발효 매질의 순환은 요구되는 방식으로 전체 발효 챔버에서 H2S 형성물질을 신뢰할 만하게 손상시키기에 충분하다. 이는 도 2에 도시된 측정치에 의해 입증된 바와 같이 발효 반응으로부터의 메탄 형성의 장애와 관련이 없다.
도 2는 공기가 미터링되지 않는 통상적인 발효 반응기 (반응기 2)의 작업 결과를 발효 챔버내로 공기가 미터링되는 발효 반응기 (반응기 1)의 작업 결과와 비교한 것이다.

Claims (11)

  1. 전자 수용체 함유 매질을 발효 매질에 공급하여 원하지 않는 황화수소(H2S)의 형성을 억제시키는, 발효 반응기에서 발효 매질을 생물학적으로 처리하여 바이오가스를 수득하는 방법에 있어서,
    전자 수용체 함유 매질이 공기, 질산염 및 아질산염으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 산소 함유 가스 또는 가스 혼합물임을 특징으로 하며,
    발효 반응기(2)내에 함유된 모든 발효 매질이 전자 수용체 함유 매질이 공급되는 영역(5)을 통과하며, 전자 수용체 함유 매질과 발효 매질 사이의 접촉 시간이, 적어도 미소량의 H2S가 바이오가스에 존재할 정도로 발효 매질중의 H2S 형성을 억제시키기에 충분하도록 조정됨을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 발효 반응기(2)내에 함유된 모든 발효 매질이 1시간 당 2회 이상 영역(5)을 통과함을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 발효 매질이 영역(5)을 통과하면서 전자 수용체 함유 매질과의 접촉을 유지하여 발효 매질내에서의 H2S의 형성을 억제시키도록 하는 양의 전자 수용체 함유 매질이 영역(5)내로 미터링됨을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 영역(5)에서의 전자 수용체 함유 매질과 발효 매질 사이의 접촉 시간 및/또는 영역(5)내로 미터링된 전자 수용체 함유 매질의 양이 조정되어, 공정 장애를 일으키는 양의 전자 수용체 함유 매질이 바이오가스에 더 이상 존재하지 않을 정도로 전자 수용체 함유 매질이 생화학적으로 분해됨을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 3 항에 있어서, 공기가 전자 수용체 함유 매질로서 사용되는 경우, 단위 시간 당 영역(5)내로 공급되는 공기의 양이 조정되어, 공기중의 질소 함량으로부터 유래된 바이오가스중의 질소 함량이, 열량 이용률 면에서 바이오가스의 질을 미소하게 저하시킴을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 발효 매질이 바람직하게는 바이오가스로 구성된 추진 가스에 의해 영역(5)을 통과함을 특징으로 하는 방법.
  7. 발효 매질을 수용하기 위한 발효 반응기 및 바이오가스 배출 라인을 갖춘, 바이오가스를 수득하기 위한 장치에 있어서, 도관 배열(5)이 발효 반응기(2)의 내부에 배치되고, 전자 수용체 함유 매질을 위한 하나 이상의 공급 라인(7)이 도관 배열(5) 또는 도관 배열(5)의 개방 단부 부근에서 종결되며, 발효 반응기(2)에 함유된 모든 발효 매질을 도관 배열(5)을 통해 수송시키기 위한 수단이 제공됨을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 도관 배열(5)이 발효 반응기(2)내에 중앙에 수직으로 배치된 도관 파이프로서 설계됨을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 바이오가스 배출 라인(3)에서 분기되는 바이오가스 분기 라인(6)이 도관 배열(5) 또는 도관 배열(5)의 개방 단부 부근에서 종결됨을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 도관 배열(5)의 기하학이, 발효 매질중의 H2S 형성을 억제시키기 위해 발효 매질과 전자 수용체 함유 매질 사이의 충분한 접촉 시간이 보장되도록 선택됨을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 도관 배열(5)의 기하학, 발효 반응기(2)의 크기 및 바이오가스 분기 라인(6)의 치수가, 발효 반응기(2)내에 함유된 모든 발효 매질이 도관 배열(5)을 통해 1시간 당 2회 이상 수송될 수 있도록 선택됨을 특징으로 하는 장치.
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