KR100988048B1 - 바이오가스 정제 및 에너지 회수 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바이오가스 에너지 회수 장치에 관한 것으로, 바이오가스를 내부 저장하는 바이오가스 저장조; 상기 바이오가스 저장조로부터 공급되는 상기 바이오가스를 연소시켜 고열을 발생시키는 연소로; 상기 연소로에서의 연소에 따라 발생되는 배기가스를 이송하여 배출하는 배기가스 배출관; 및 상기 배기가스 배출관의 도중에 구비되어 통과되는 상기 배출가스 중에 함유된 이산화탄소와 같은 탄소류를 내부 수용된 수산화칼슘 성분의 강알칼리수에 접촉시켜 제거하는 제거 반응조를 포함하는 바이오가스 에너지 회수 장치를 제안한다.
따라서, 유기성 폐기물을 발효시켜 생성되는 바이오가스 중에 함유된 이산화탄소를 완벽하게 제거하여 함유된 메탄가스의 순도를 최대한 높일 수 있음으로써 고품질의 바이오가스를 생산할 수 있고, 또한 바이오가스를 에너지로 전환하기 위해 연소 시에 발생되는 배기가스 중에 함유된 이산화탄소와 같은 탄소류를 효율적으로 제거할 수 있음으로써 이산화탄소에 의한 대기 환경 오염을 방지할 수 있는 효과가 있다.
Figure R1020080092518
바이오가스, 정제, 메탄가스, 이산화탄소, 에너지, 생석회, 수산화칼슘, 탄산칼슘, 강알칼리수

Description

바이오가스 정제 및 에너지 회수 장치{SYSTEM FOR BIO GAS PURIFICATION AND ENERGY RECOVERY}
본 발명은 바이오가스 정제 및 에너지 회수 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유기성 폐기물을 발효시켜 생성되는 바이오가스 중에 함유된 이산화탄소 성분을 완벽하게 제거하여 메탄가스로만 이루어진 고품질의 바이오가스를 생산할 수 있으며, 또한 바이오가스를 에너지로 전환하기 위해 연소 시에 발생되는 배기가스 중에 함유된 이산화탄소와 같은 탄소류를 완벽하게 제거할 수 있어 대기 환경 오염도 방지할 수 있는 바이오가스 에너지 회수 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 현재 화석연료의 대체연료로서 가장 기대를 받고 있는 것 중의 하나가 바이오가스(bio gas)이며, 바이오가스는 천연가스와 더불어 가까운 장래에 충분히 실용화가 가능한 것으로 기대되고 있다.
바이오가스는 축산 분뇨, 음식물 쓰레기, 하수처리장 슬러지(sludge)와 같이 바이오매스(biomass : 유기물)의 함량이 높은 유기성 폐기물을 발효시키면 자동으 로 얻어지는 것으로, 원료물질인 유기성 폐기물은 인간 활동과 각종 산업 활동을 통해 끊임없이 발생되므로 충분하다 할 수 있다.
상세하게, 바이오가스는 다량의 유기물질을 함유하는 유기성 폐기물을 산소가 존재하지 않는 언에어로빅(anaerobic) 상태 하에서 혐기성 소화 처리하면 유기물질이 분해되어 생성되는 것으로, 주로 메탄(CH4：약 60~70%)과 이산화탄소(CO2：약 30~40%)로 구성된다.
여기서, 혐기성 소화 처리는 혐기성 미생물의 부착성질을 이용하여 혐기성 소화조 내에 담체(擔體)를 설치하는 혐기성 필터(anaerobic filter) 공법과, 미생물의 자기 고정화(self immobilization)에 따른 입상화(granulation)를 이용하는 UASB(Upflow Anaerobolic Sludge Blanket) 공법이 통상 적용되고 있다.
바이오가스는 메탄가스를 약 60~70% 정도 다량 함유하므로, 통상 연소시켜 전기 및 열 에너지를 얻는다.
그러나, 그 연소 시에 약 30~40% 정도 많은 양 함유되어 있는 이산화탄소가 산화 작용을 방해함으로써 연소에 따른 발열량이 낮고, 그에 따라 전기 및 열 에너지로의 전환율이 낮다는 문제점이 있다.
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해 많은 노력이 있어 왔다.
그 대표적인 일 예로서, 대한민국의 대우건설이 개발한 "대우 이상 혐기성 소화 공정(Daewoo Two Phase Anaerobolic Bio-Gas System : 통상, 'DBS'로 칭함)"이 있으며, 해당 DBS 공정에서는 바이오가스 중에 함유된 이산화탄소를 조금 분리 시켜 공기 중으로 배출시킴으로써 함유된 메탄가스의 함량을 75~80% 정도로 높이고 이산화탄소의 함량은 약 20% 정도로 낮추는 것이다.
그러나, 이 방식은 그 이상의 이산화탄소를 제거할 수 없다는 한계성의 문제점이 있다.
따라서, 현 시점에서는 바이오가스 중에 함유된 이산화탄소의 양을 보다 완벽하게 저감시켜 메탄가스의 순도를 최대한 높일 수 있는 기술이 필요되고 있다.
한편, 바이오가스를 전기와 같은 다른 에너지로 전환하기 위해 연소로(燃燒爐)에서 연소시키면, 바이오가스 중에 함유된 메탄가스가 산소와 반응하여 다음과 같은 메커니즘에 의해 다량의 이산화탄소가 발생되어 배기가스 중에 함유된다.
"CH4 + 2O2 → 2H2O↑ + CO2↑"
관련하여, 이산화탄소는 전체 온실가스의 약 60%를 차지하여 지구 온난화 현상의 주범으로, 일찍이 기후 변화에 관한 국제 협약을 통해 그 배출 감축에 대한 노력과 규제가 이루어지고 있다.
따라서, 바이오가스를 연소시켜 에너지를 생성함에 있어서도 배기가스 중에 함유되어 발생되는 이산화탄소를 적극적으로 감축시켜야 하나, 아직까지 효율성, 경제성 및 현장 적용성 면 등에서 만족할 만큼 획기적인 감축 기술이 개발되지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 유기성 폐기물을 발효시켜 생성되는 바이오가스 중에 함유된 이산화탄소 성분을 보다 완벽하게 제거하여 함유된 메탄가스의 순도를 최대한 높일 수 있음으로써, 연소 시의 에너지 전환율이 우수한 고품질의 바이오가스를 생산할 수 있는 바이오가스 정제 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 바이오가스를 에너지로 전환하기 위해 연소 시에 발생되는 배기가스 중에 함유된 이산화탄소와 같은 탄소류를 효율적으로 제거하여 대기 환경 오염을 방지할 수 있는 바이오가스 에너지 회수 장치를 제공하는데 있다.
그리고, 본 발명의 또 다른 목적은, 유기성 폐기물로부터 생성되는 바이오가스 중의 이산화탄소 성분을 제거하여 정제할 수 있음과 아울러, 정제된 바이오가스를 연소시켜 에너지를 생산 시에 발생되는 배기가스 중의 이산화탄소도 제거하여 정화할 수 있는 바이오가스 정제 및 에너지 회수 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 상기 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 본 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바이오가스 정제 장치는, 유기성 폐 기물을 발효시켜 바이오가스를 생성하는 바이오가스 생성부; 상기 바이오가스 생성부에서 생성되어 공급되는 상기 바이오가스를 이송하는 바이오가스 이송관; 상기 바이오가스 이송관의 도중에 구비되어 통과되는 상기 바이오가스 중에 함유된 이산화탄소를 내부 수용된 강알칼리수에 접촉, 제거시켜 함유된 메탄가스의 함량을 증가시키는 정제조; 및 상기 정제조를 통과한 정제된 상기 바이오가스를 내부 저장하는 바이오가스 저장조; 를 포함한다.
바람직하게, 상기 정제조에서의 제거 반응에 따라 생성되는 슬러지를 공급받아 저장하는 슬러지 저장조; 를 더 포함할 수 있다.
또한 바람직하게, 상기 강알칼리수는, 생석회와 물의 접촉 반응에 따라 생성되는 수산화칼슘 성분이고, 상기 슬러지는, 상기 수산화칼슘과 상기 이산화탄소의 접촉 반응에 따라 생성되는 탄산칼슘 성분일 수 있다.
또한 바람직하게, 슬래그 또는 석탄재 폐기물을 투입받아 수용된 물과 접촉 반응시켜 수산화칼슘 성분의 상기 강알칼리수를 생성하여 상기 정제조로 공급하는 폐기물 수침조; 를 더 포함할 수 있다.
한편, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바이오가스 에너지 회수 장치는, 바이오가스를 내부 저장하는 바이오가스 저장조; 상기 바이오가스 저장조로부터 공급되는 상기 바이오가스를 연소시켜 고열을 발생시키는 연소로; 상기 연소로에서의 연소에 따라 발생되는 배기가스를 이송하여 배출하는 배기가스 배출관; 및 상기 배기가스 배출관의 도중에 구비되어 통과되는 상기 배출가스 중에 함유된 이산화탄소와 같은 탄소류를 내부 수용된 수산화칼슘 성분의 강알칼리수에 접촉시켜 제거하는 제거 반응조; 를 포함한다.
바람직하게, 슬래그 또는 석탄재 폐기물을 투입받아 수용된 물과 접촉 반응시켜 수산화칼슘 성분의 상기 강알칼리수를 생성하여 상기 제거 반응조로 공급하는 폐기물 수침조; 를 더 포함할 수 있다.
또한 바람직하게, 상기 제거 반응조에서의 제거 반응에 따라 생성되는 탄산칼슘 슬러지를 공급받아 저장하는 슬러지 저장조; 및 상기 슬러지 저장조로부터 공급되는 상기 탄산칼슘을 상기 연소로에서 발생되는 고열을 이용하여 분해시켜 수산화칼슘 성분의 상기 강알칼리수를 생성하는데 필요한 원료물질인 생석회를 생성하는 분해조; 를 더 포함할 수 있다.
또한 바람직하게, 상기 분해조로부터 상기 생석회를 공급받아 저장한 후 상기 제거 반응조 또는 상기 폐기물 수침조로 공급하는 생석회 저장조; 및 상기 분해조에서의 분해 반응에 따라 생성되는 이산화탄소를 공급받아 저장하는 이산화탄소 수집조; 를 더 포함할 수 있다.
또한 바람직하게, 상기 연소로는, 보일러, 내연기관, 외연기관, 증기기관, 엔진, 열병합발전 설비, 열교환기 중의 어느 하나에 포함되는 것일 수 있다.
한편, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바이오가스 정제 및 에너지 회수 장치는, 유기성 폐기물을 발효시켜 바이오가스를 생성하는 바이오가스 생성부; 상기 바이오가스 생성부에서 생성되어 공급되는 상기 바이오가스를 이송하는 바이오가스 이송관; 상기 바이오가스 이송관의 도중에 구비되어 통과되는 상기 바이오가스 중에 함유된 이산화탄소를 내부 수용된 강알칼리수에 접촉, 제거시켜 함 유된 메탄가스의 함량을 증가시키는 정제조; 상기 정제조를 통과하여 정제된 상기 바이오가스를 내부 저장하는 바이오가스 저장조; 상기 바이오가스 저장조로부터 공급되는 정제된 상기 바이오가스를 연소시켜 고열을 발생시키는 연소로; 상기 연소로에서의 연소에 따라 발생되는 배기가스를 이송하여 배출하는 배기가스 배출관; 및 상기 배기가스 배출관의 도중에 구비되어 통과되는 상기 배출가스 중에 함유된 이산화탄소와 같은 탄소류를 내부 수용된 강알칼리수에 접촉시켜 제거하는 제거 반응조; 를 포함한다.
바람직하게, 상기 강알칼리수는, 수산화칼슘 성분일 수 있다.
또한 바람직하게, 상기 정제조 및 상기 제거 반응조 내에서의 제거 반응에 따라 생성되는 탄산칼슘 슬러지를 공급받아 저장하는 슬러지 저장조; 상기 슬러지 저장조로부터 공급되는 상기 탄산칼슘을 상기 연소로에서 발생되는 고열을 이용하여 분해시켜 생석회를 생성하는 분해조; 상기 분해조로부터 상기 생석회를 공급받아 저장한 후 상기 정제조/상기 제거 반응조 또는 상기 폐기물 수침조로 공급하는 생석회 저장조; 및 상기 분해조에서의 분해 반응에 따라 생성되는 이산화탄소를 공급받아 저장하는 이산화탄소 수집조; 를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 유기성 폐기물을 발효시켜 생성되는 바이오가스 중에 함유된 이산화탄소를 보다 완벽하게 제거하여 함유된 메탄가스의 순도를 최대한 높일 수 있음으로써, 연소 시의 에너지 전환율이 우수한 고품질의 바이오가스를 생산할 수 있는 효과가 달성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 바이오가스를 에너지로 전환하기 위해 연소 시에 발생되는 배기가스 중에 함유된 이산화탄소와 같은 탄소류를 효율적으로 제거할 수 있음으로써, 이산화탄소에 의한 대기 환경 오염을 방지하고, 점차 강화되는 이산화탄소 배출 규제에 적극 대처할 수 있는 효과가 달성될 수 있다.
그리고, 본 발명에 따르면, 산업 현장에서 폐기물로서 다량 발생되는 슬래그와 석탄재를 이용하므로, 매우 경제적이고, 현장 적용성이 우수하며, 또한 처리 과정에서 또 다른 환경 오염을 전혀 유발하지 않으므로 친환경적인 효과가 달성될 수 있다.
나아가, 본 발명에 따르면, 출발 원료물질인 생석회를 순환 재생하여 이용하므로, 해당 원료물질을 최대한 이용 가능하고, 소량의 원료물질만을 소요할 수 있음으로써, 이 점에서도 경제성 및 활용성이 우수한 효과가 달성될 수 있다.
또한 나아가, 본 발명에 따르면, 유용하게 재활용될 수 있는 탄산칼슘, 고순도의 이산화탄소 및 생석회도 부산물로 제공하므로, 이 점에서도 경제성 및 활용성이 우수한 효과가 달성될 수 있다.
또한 나아가, 슬래그와 석탄재의 폐기물을 무해화 처리할 수 있으므로, 해당 폐기물들의 단순 매립 시 등에 발생되는 환경 오염도 방지할 수 있는 효과가 달성될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 바이오가스 정제 장치를 나타내는 구성도이다.
본 발명에 따른 바이오가스 정제 장치는, 유기성 폐기물을 발효시켜 바이오가스를 생성하는 바이오가스 생성부(110)와, 바이오가스 생성부(110)에서 생성되어 공급되는 바이오가스를 이송하는 바이오가스 이송관(120)과, 바이오가스 이송관(120)의 도중에 구비되어 통과되는 바이오가스 중에 함유된 이산화탄소를 수산화칼슘(Ca(OH)2) 성분의 강알칼리수에 접촉, 제거시켜 함유된 메탄가스의 함량을 증가시키는 정제조(130)와, 정제된 바이오가스를 내부 저장하는 바이오가스 저장조(160)와, 정제조(130)에서의 제거 반응에 따라 생성되는 탄산칼슘(CaCO3) 슬러지를 공급받아 저장하는 슬러지 저장조(150)를 포함한다.
바이오가스 생성부(110)는 축산 분뇨, 음식물 쓰레기, 하수처리장 슬러지와 같은 각종 유기성 폐기물을 발효시켜 메탄가스와 이산화탄소가 주 성분인 바이오가스를 생성한다.
바이오가스 생성부(110)는 그 구체적인 처리 방식이나 구성이 특별히 제한되지 않으며, 즉 현재 적용 중이거나 이후 개발되어 적용될 수 있는 모든 처리 방식이나 구성을 이용할 수 있다.
일 예로, 바이오가스 생성부(110)는 고액 분리 등으로 적정하게 전처리된 유기성 폐기물을 투입받아 발효 분해시켜 바이오가스를 생성하는 소화조와, 소화조에 서 생성된 바이오가스에 함유된 각종 미량의 유해물질을 제거하는 후처리부를 포함하도록 구성될 수 있다.
정제조(130)는 바이오가스 이송관(120)의 도중에 구비되어 이송되는 바이오가스가 통과되며, 바이오가스 중에 함유된 이산화탄소를 내부 수용된 수산화칼슘 성분의 강알칼리수를 이용하여 제거한다.
즉, 내부 수용된 수산화칼슘 성분의 강알칼리수에 바이오가스를 통과시켜 상호 접촉되도록 함으로써 바이오가스 중에 함유된 이산화탄소를 제거하며, 그때의 제거 반응식은 "Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O"이다.
정제조(130)는 외부로부터 직접 생석회(CaO)와 물을 투입받아 그들 간의 반응에 의해 수산화칼슘 성분의 강알칼리수를 자체적으로 생성할 수 있으며, 이와 다르게, 도 2에 나타낸 바와 같이, 외부로부터 강알칼리수를 공급받을 수도 있다.
정제조(130)가 강알칼리수를 직접 자체 생성하는 경우에는 "CaO + H2O → Ca(OH)2"의 반응식에 따라 pH10 내지 12 이상의 수산화칼슘 성분의 강알칼리수를 생성한다.
반면, 정제조(130)가 외부로부터 강알칼리수를 공급받는 경우에는 강알칼리수를 생성하여 정제조(130)로 공급할 수 있는 별도의 폐기물 수침조(170)가 추가로 구비되며, 해당 폐기물 수침조(170)는 슬래그(slag)나 석탄재(즉, 애쉬(ash))와 같은 산업 폐기물을 투입받아 내부 수용된 물과 반응시켜 수산화칼슘 성분의 강알칼리수를 생성하여 정제조(130)로 공급한다.
관련하여, 철광석을 제강하는 철강 공정에서는 철광석에서 철 성분을 용이하게 빼내기 위해 석회석을 같이 투입하고, 따라서 철강 공정에서 폐기물로서 다량 발생되는 슬래그에는 미반응 상태의 생석회가 포함되어 있으므로, 이 생석회 성분이 물과 반응하여 수산화칼슘을 생성하며, 이 수산화칼슘은 pH10 내지 12 이상의 강알칼리성을 나타낸다.
그리고, 석탄을 연소시켜 열 에너지를 얻는 석탄 화력 발전소에서 연소에 따른 부산물로서 다량 발생되는 석탄재는 연소 후에 잔류되는 무기성 물질로서, 연소로의 하부로 바로 낙진되어 집적되는 바텀 애쉬(bottom ash)와 배기가스와 함께 상부의 연도(煙道)를 통해 배출되는 플라이 애쉬(fly ash)로 구분되며, 이들 바텀 애쉬와 플라이 애쉬에는 기본적으로 생석회 성분을 2~45% 정도 함유되어 있으므로, 이 생석회 성분이 물과 반응하여 수산화칼슘을 생성하며, 이 수산화칼슘은 pH10 내지 12 이상의 강알칼리성을 나타낸다.
폐기물 수침조(170)는 슬래그와 석탄재 폐기물을 구별하지 않고 모두 투입받아 강알칼리수를 생성하도록 하나로 구비될 수도 있고, 이와 다르게 각기 슬래그와 석탄재를 구분 투입받아 강알칼리수를 생성하도록 두개로 구비될 수도 있다.
폐기물 수침조(170)에는 내부 투입된 슬래그, 석탄재에 반복적인 충격을 가함으로써 함유된 생석회 성분이 보다 효과적이면서 최대한 적출되도록 하기 위한 충격부여수단(미도시)이 구비될 수 있다.
해당 충격부여수단은 투입된 슬래그, 석탄재에 충격을 지속적으로 가할 수 있는 것이면 되고, 일 예로 폐기물 수침조(170) 내부에서 회전되어 수용된 폐기물 을 반복적으로 충격할 수 있는 회전통으로 구현될 수 있다.
폐기물 수침조(170)에서 생성된 수산화칼슘 성분의 강알칼리수는 강알칼리수 이송관(180)을 통해 정제조(130)로 공급되며, 이때 강알칼리수 이송관(180) 상에 구비된 펌프와 같은 이송구동수단(미도시)에 의해 이송력을 부여받을 수 있다.
다시, 상기한 정제조(130)는 내부 수용된 수산화칼슘과 유입되는 바이오가스 중에 함유된 이산화탄소 간의 접촉률을 향상시켜 제거 반응이 신속하면서도 효율적으로 이루어지도록 하기 위한 접촉률향상수단(미도시)을 구비할 수 있으며, 해당 접촉률향상수단으로는 수용된 강알칼리수를 회전시키는 회전수단, 강알칼리수를 교반시키는 교반수단, 유입되는 바이오가스를 세분화시켜 분사하는 가스세분수단, 유입되는 바이오가스를 에어레이션(aeration)시켜 분사하는 폭기(曝氣)수단 등으로 구현될 수 있다.
정제조(130)에서 강알칼리수를 이용하여 바이오가스 중에 함유된 이산화탄소를 제거함에 있어, 그 제거 효율을 보다 제고시키기 위해, 폐기물 수침조(170)로부터 공급되는 강알칼리수나 정제조(130) 내의 강알칼리수를 정제조(130) 전방의 바이오가스 이송관(120)으로 인출, 공급하여 전방의 바이오가스 이송관(120) 내부에서 먼저 바이오가스와 강알칼리수가 접촉되어 1차 제거 반응이 이루어진 다음, 이후 정제조(130)에서 본격적으로 2차 제거 반응이 이루어지도록 할 수 있다.
이를 위해, 폐기물 수침조(170)로부터 공급되는 강알칼리수나 정제조(130) 내의 강알칼리수를 정제조(130) 전방의 바이오가스 이송관(120)으로 이송하여 공급하기 위한 인출관(135)이 구비되고, 해당 인출관(135)의 끝단에는 바이오가스 이송 관(120) 내로 강알칼리수를 세분화시켜 분사하는 분사노즐(미도시)이 구비되며, 인출관(135)을 통한 강알칼리수의 이송을 위해 펌프와 같은 이송구동수단(미도시)이 구비될 수 있다.
정제조(130)에서의 제거 반응에 따라 그 내부에는 반응 부산물로서 탄산칼슘 슬러지가 생성되어 침적되며, 침적된 탄산칼슘 슬러지는 슬러지 이송관(140)을 통해 이송되어 슬러지 저장조(150) 내에 저장되며, 이때 슬러지 이송관(140) 내에는 나사식 회전체와 같은 이송수단(미도시)이 구비되어 슬러지를 이송시킬 수 있다.
바이오가스 저장조(160)는 정제조(130)를 통과하면서 함유된 이산화탄소가 제거되어 정제된 바이오가스를 공급받아 내부 저장한다.
슬러지 저장조(150)는 정제조(130) 내에서의 제거 반응에 따라 반응 부산물로서 생성된 후 공급되는 탄산칼슘 슬러지를 내부 저장하며, 이와 같이 저장된 탄산칼슘은 필요 시 외부 인출되어 철강, 시멘트 및 비료 제조를 위한 원재료 등으로 적절히 재활용될 수 있다.
한편, 도 3은 본 발명에 따른 바이오가스 에너지 회수 장치를 나타내는 구성도이다.
본 발명에 따른 바이오가스 에너지 회수 장치는 상술한 바이오가스 정제 장치를 통해 정제된 바이오가스를 연소시켜 에너지를 생산한다.
그 구성은, 정제된 바이오가스를 내부 저장하였다가 공급하는 바이오가스 저장조(160)와, 바이오가스 저장조(160)로부터 공급되는 정제된 바이오가스를 연소시켜 고열을 발생시키는 연소로(200)와, 연소로(200)에서의 연소에 따라 발생되는 배 기가스를 이송하여 배출하는 배기가스 배출관(210)과, 배기가스 배출관(210)의 도중에 구비되어 통과되는 배출가스 중에 함유된 이산화탄소와 같은 탄소류를 수산화칼슘 성분의 강알칼리수에 접촉시켜 제거하는 제거 반응조(220)와, 제거 반응조(220)에서의 제거 반응에 따라 생성되는 탄산칼슘 슬러지를 공급받아 저장하는 슬러지 저장조(240)와, 슬러지 저장조(240)로부터 공급되는 탄산칼슘을 연소로(200)에서 발생되는 고열을 이용하여 분해시켜 원료물질인 생석회를 생성하는 분해조(280)를 포함한다.
바이오가스 저장조(160)에 저장된 정제된 바이오가스는 정제 바이오가스 이송관(190)을 통해 연소로(200)로 이송, 공급된다.
연소로(200)는 정제된 바이오가스를 연소시켜 고열을 발생시키며, 그에 따라 발생된 고열은 온수, 고온 수증기를 생성하거나 기계적 움직임, 전기와 같은 다른 형태의 에너지를 생성하는데 이용된다.
따라서, 연소로(200)는 구체적으로 보일러, 내연기관, 외연기관, 증기기관, 엔진, 열병합발전 설비, 열교환기 등에 포함되는 것일 수 있다.
연소로(200)에서 메탄가스가 주성분인 바이오가스를 연소시키면 다음과 같은 반응식에 따라 다량의 이산화탄소가 발생되어 배기가스 중에 함유된다.
"CH4 + 2O2 → 2H2O↑ + CO2↑"
배기가스 배출관(210)은 연소로(200)에서의 연소에 따라 발생되는 배기가스를 내부 이송하여 배출한다.
제거 반응조(220)는 배기가스 배출관(210)의 도중에 구비되어 이송되는 배기가스가 통과되며, 배기가스 중에 함유된 이산화탄소와 같은 탄소류를 내부 수용된 수산화칼슘 성분의 강알칼리수에 접촉시켜 제거한다.
즉, 내부 수용된 수산화칼슘 성분의 강알칼리수에 배기가스를 접촉시키면 배기가스 중에 함유된 이산화탄소가 제거되며, 그때의 제거 반응식은 "Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O"이다.
제거 반응조(220)는 생석회와 물을 직접 투입받아 그들 간의 반응에 따라 수산화칼슘을 자체 생성하거나, 별도의 폐기물 수침조(250)로부터 강알칼리수를 공급받을 수 있다.
폐기물 수침조(250)는 슬래그, 석탄재 폐기물을 투입받아 내부 수용된 물과 반응시켜 수산화칼슘 성분의 강알칼리수를 생성하여 제거 반응조(220)로 공급하며, 이때 강알칼리수는 강알칼리수 이송관(260)을 통해 이송된다.
그리고, 배기가스 중에 함유된 이산화탄소를 보다 효율적으로 제거하기 위해, 폐기물 수침조(250)로부터 공급되는 강알칼리수나 제거 반응조(220) 내의 강알칼리수를 인출관(225)을 통해 제거 반응조(220) 전방의 배기가스 이송관(210)으로 공급하여 전방의 배기가스 이송관(210) 내부에서 먼저 배기가스와 강알칼리수가 접촉되어 1차적으로 제거 반응이 이루어진 다음, 이후 제거 반응조(220)에서 본격적으로 2차 제거 반응이 이루어지도록 할 수 있다.
물론, 제거 반응조(220)를 통과하면서 정화된 배기가스는 이후 제거 반응 조(220) 후방의 배기가스 배출관(210)을 통해 배출되어 최종적으로 대기 방출될 수 있다.
슬러지 저장조(240)는 제거 반응조(220)에서의 제거 반응에 따라 생성된 후 제1 슬러지 이송관(230)을 통해 이송, 공급되는 탄산칼슘 슬러지를 저장하며, 저장된 탄산칼슘은 필요에 따라 외부 인출되어 철강, 시멘트 및 비료 제조를 위한 원재료 등으로 재활용될 수 있다.
그리고, 슬러지 저장조(240)에 저장된 탄산칼슘은 이후 제2 슬러지 이송관(270)을 통해 분해조(280)로 이송, 공급된다.
분해조(280)는 연소로(200)로부터 전열되는 고열을 이용하여 슬러지 저장조(240)로부터 공급되는 탄산칼슘을 하기와 같은 반응식에 의해 분해시켜 원료물질인 생석회와 이산화탄소를 발생시킨다.
"CaCO3 (860℃ 이상 가열) → CaO + CO2↑"
이 반응식에 의하면, 탄산칼슘은 860℃ 이상으로 가열 시에만 생석회와 이산화탄소로 분해되는데, 본 발명에 따른 연소로(200)는 정제된 바이오가스를 연소시킴에 따라 이산화탄소에 의한 산화 방해 작용이 전혀 일어나지 않으므로 충분히 860℃ 이상의 고열을 발생시킬 수 있다.
바람직하게, 분해조(280)는 연소로(200)로부터 고열을 원활히 전달받을 수 있도록 연소로(200)에 인접되게 구비될 수 있다.
나아가, 본 발명의 바이오가스 에너지 회수 장치는, 분해조(280)에서의 분해 반응에 따라 생성되어 공급되는 생석회를 저장한 후 이후 제거 반응조(220)로 공급하여 수산화칼슘의 생성에 이용되도록 하는 생석회 저장조(300)와, 분해조(280)에서의 분해 반응에 따라 생성되는 고순도의 이산화탄소를 공급받아 저장하는 이산화탄소 수집조(330)를 더 포함할 수 있다.
분해조(280)에서 분해 반응에 따라 생성되는 생석회 성분은 제1 이송관(290)을 통해 생석회 저장조(300)로 이송되어 저장되며, 또한 분해 반응에 따라 생성되는 이산화탄소는 제3 이송관(320)을 통해 이산화탄소 수집조(330)로 이송되어 저장된다.
생석회 저장조(300)는 분해조(280)에서의 분해 반응에 따라 생성된 후 공급되는 생석회를 저장하며, 저장된 생석회는 이후 제2 이송관(310)을 통해 제거 반응조(220)나 폐기물 수침조(250)로 이송, 공급되어 수산화칼슘을 생성하는데 이용된다.
물론, 생석회 저장조(300)에 저장된 생석회는 바로 외부 인출되어 산업용이나 에너지용 원료로 재활용될 수도 있다.
이산화탄소 수집조(330)는 분해조(280)에서의 분해 반응에 따라 생성된 후 공급되는 고순도의 이산화탄소를 저장하며, 그 저장 시 보다 많은 양을 저장할 수 있도록 압축 또는 냉각하여 저장할 수 있고, 이와 같이 수집된 이산화탄소는 이후 식물의 광합성 촉진을 위한 식물 재배용이나 산업용 원재료 등으로 재활용될 수 있다.
그리고, 이산화탄소 수집조(330)에 저장된 이산화탄소는 필요에 따라 제거 반응조(220) 전방의 배기가스 배출관(210)으로 이송 공급되어 제거 처리될 수도 있다.
한편, 도 4는 본 발명에 따른 바이오가스 정제 및 에너지 회수 장치를 나타내는 구성도이다.
본 발명에 따른 바이오가스 정제 및 에너지 회수 장치는 기본적으로 상술한 바이오가스 정제 장치와 바이오가스 에너지 회수 장치가 병합된 구성을 갖는다.
그 구성은, 유기성 폐기물을 발효시켜 바이오가스를 생성하는 바이오가스 생성부(110)와, 바이오가스 생성부(110)에서 생성된 바이오가스를 이송하는 바이오가스 이송관(120)과, 바이오가스 이송관(120)의 도중에 구비되어 통과되는 바이오가스 중에 함유된 이산화탄소를 수산화칼슘 성분의 강알칼리수에 접촉, 제거시켜 함유된 메탄가스의 함량을 증가시키는 정제조(130)와, 정제된 바이오가스를 내부 저장한 후 공급하는 바이오가스 저장조(160)와, 바이오가스 저장조(160)로부터 공급되는 정제된 바이오가스를 연소시켜 고열을 발생시키는 연소로(200)와, 연소로(200)에서의 연소에 따라 배출되는 배기가스를 이송하여 배출하는 배기가스 배출관(210)과, 배기가스 배출관(210)의 도중에 구비되어 통과되는 배출가스 중에 함유된 이산화탄소와 같은 탄소류를 수산화칼슘 성분의 강알칼리수에 접촉시켜 제거하는 제거 반응조(220)와, 정제조(130) 및 제거 반응조(220) 내에서의 제거 반응에 따라 생성되는 탄산칼슘 슬러지를 공급받아 저장하는 슬러지 저장조(150)와, 슬러지 저장조(150)로부터 공급되는 탄산칼슘을 연소로(200)에서 발생되는 고열을 이용하여 분해시켜 정제조(130) 및 제거 반응조(220)로 공급될 원료물질인 생석회를 생 성하는 분해조(280)를 포함한다.
그리고, 분해조(280)에서의 분해 반응에 따라 생성되는 생석회를 공급받아 저장한 후 이후 정제조(130) 및 제거 반응조(220)로 공급하는 생석회 저장조(300)와, 분해조(280)에서의 분해 반응에 따라 생성되는 고순도의 이산화탄소를 공급받아 저장하는 이산화탄소 수집조(330)를 더 포함할 수 있다.
*또한, 슬래그, 석탄재 폐기물을 투입받아 내부 수용된 물과 반응시켜 수산화칼슘 성분의 강알칼리수를 생성한 후 정제조(130) 및 제거 반응조(220)로 공급하는 폐기물 수침조(170)를 더 포함할 수 있다.
바이오가스 저장조(160)에 저장된 정제된 바이오가스는 정제 바이오가스 이송관(190)을 통해 연소로(200)로 이송, 공급된다.
폐기물 수침조(170)는 슬래그, 석탄재 폐기물을 물과 반응시켜 수산화칼슘 성분의 강알칼리수를 생성하여 강알칼리수 공급관(180)을 통해 정제조(130) 및 제거 반응조(220)로 공급한다.
정제조(130) 및 제거 반응조(220)에서 강알칼리수를 이용하여 바이오가스 및 배기가스 중에 함유된 이산화탄소를 제거함에 있어, 인출관(135, 225)을 통해 강알칼리수를 전방의 바이오가스 이송관(120) 및 배기가스 이송관(210) 내로 공급하여 1차 제거 반응이 이루어지도록 할 수 있다.
분해조(280)에서의 분해 반응에 따라 생성되는 생석회는 제1 이송관(290)을 통해 생석회 저장조(300)로 이송되어 저장되며, 생석회 저장조(300)에 저장된 생석 회는 제2 이송관(310)을 통해 이송되어 정제조(130) 및 제거 반응조(220)로 공급된다.
그리고, 분해조(280)에서의 분해 반응에 따라 생성되는 이산화탄소는 제3 이송관(320)을 통해 이산화탄소 수집조(330)로 이송되어 저장된다.
또한, 연소로(200)에서 발생되는 고열은 바이오가스 생성부(110) 내의 소화조로 전달되어 소화조를 가온하는데 이용될 수도 있으며, 이와 같이 소화조를 가온하면 바이오가스의 생성을 위한 소화 작용이 보다 신속하면서 효율적으로 이루어질 수 있다.
덧붙여, 상술한 바이오가스 정제 장치, 바이오가스 에너지 회수 장치 및 바이오가스 정제 및 에너지 회수 장치는 자동 운전이 가능하도록 전반적인 작동 제어를 실시하는 제어패널(미도시)을 더 구비할 수 있고, 또한 각 대상물을 이송하는 이송관이나 공급관 상에는 대상물의 이송을 개폐하여 공급량을 조절하고 이송 시점을 제어하는 개폐수단(미도시)과, 대상물의 이송 유량 및 이송 압력을 측정하는 유량계(미도시) 및 유압계(미도시) 등이 구비될 수 있으며, 또한 각 대상물을 생성 및 저장하는 베쓰에는 수소이온 농도를 측정하는 페하(pH)측정수단(미도시)이 적절히 구비될 수 있다.
또한 덧붙여, 이상에서는 원료물질로 생석회 성분을 이용하여 수산화칼슘 성분의 강알칼리수를 생성하고 생성된 수산화칼슘 성분의 강알칼리수를 이용하여 이산화탄소를 제거하는 것을 대표적으로 나타내었으나, 이산화탄소와 같은 탄소류를 제거하기 위한 강알칼리수로는 기타 수산화나트륨, 수산화칼륨을 이용할 수도 있 다.
이로써, 본 발명에 따른 바이오가스 정제 및 에너지 회수 장치에 의하면, 바이오가스 중에 함유된 이산화탄소를 보다 완벽하게 제거하여 메탄가스의 함량을 최대한 높일 수 있음으로써 고품질의 바이오가스를 생산할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 바이오가스를 에너지로 전환하기 위해 바이오가스를 연소 시에 배출되는 배기가스 중에 함유된 이산화탄소와 같은 탄소류를 효율적으로 제거할 수 있으므로, 이산화탄소에 의한 대기 환경 오염(지구 오존층 파괴, 지구 온난화, 도시 온실효과 등)을 방지하고, 점차 강화되는 이산화탄소 배출 규제에 적극 대처할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따르면, 산업 현장에서 폐기물로서 다량 발생되는 슬래그와 석탄재를 이용하므로, 매우 경제적이면서 현장 적용성이 우수하고, 또한 처리 과정에서 또 다른 환경 오염을 전혀 유발하지 않으므로 친환경적인 이점이 있다.
나아가, 본 발명에 따르면, 원료물질인 생석회를 순환 재생하여 이용하므로, 해당 원료물질을 최대한 이용 가능하고, 소량의 원료물질만을 소요할 수 있어, 경제성 및 활용성을 제공할 수 있음과 아울러, 유용하게 재활용될 수 있는 탄산칼슘, 고순도의 이산화탄소 및 생석회도 부산물로 제공하므로, 이 점에서도 경제성 및 활용성이 우수한 이점이 있다.
또한 나아가, 슬래그와 석탄재의 폐기물을 무해화 처리할 수 있으므로, 해당 폐기물들의 단순 매립 시 등에 발생되는 환경 오염도 방지할 수 있다.
이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 일 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정과 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스 정제 장치을 나타내는 구성도,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오가스 정제 장치을 나타내는 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 바이오가스 에너지 회수 장치을 나타내는 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 바이오가스 정제 및 에너지 회수 장치을 나타내는 구성도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110 : 바이오가스 생성부 120 : 바이오가스 이송관
130 : 정제조 135 : 인출관
140 : 슬러지 이송관 150 : 슬러지 저장조
160 : 바이오가스 저장조 170 : 폐기물 수침조
180 : 강알칼리수 이송관 190 : 정제 바이오가스 이송관
200 : 연소로 210 : 배기가스 배출관
220 : 제거 반응조 225 : 인출관
230 : 제1 슬러지 이송관 240 : 슬러지 저장조
250 : 폐기물 수침조 260 : 강알칼리수 이송관
270 : 제2 슬러지 이송관 280 : 분해조
290 : 제1 이송관 300 : 생석회 저장조
310 : 제2 이송관 320 : 이산화탄소 이송관
330 : 이산화탄소 수집조

Claims (5)

  1. 정제된 바이오가스를 내부 저장하는 바이오가스 저장조;
    상기 바이오가스 저장조로부터 공급되는 상기 바이오가스를 연소시켜 고열을 발생시키는 연소로;
    상기 연소로에서의 연소에 따라 발생되는 배기가스를 이송하여 배출하는 배기가스 배출관; 및
    상기 배기가스 배출관의 도중에 구비되어 통과되는 상기 배기가스 중에 함유된 이산화탄소와 같은 탄소류를 내부 수용된 수산화칼슘 성분의 강알칼리수에 접촉시켜 제거하는 제거 반응조를 포함하는 바이오가스 에너지 회수 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    슬래그 또는 석탄재 폐기물을 투입받아 수용된 물과 접촉 반응시켜 수산화칼슘 성분의 상기 강알칼리수를 생성하여 상기 제거 반응조로 공급하는 폐기물 수침조를 더욱 포함하는 바이오가스 에너지 회수 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제거 반응조에서의 제거 반응에 따라 생성되는 탄산칼슘 슬러지를 공급받아 저장하는 슬러지 저장조; 및
    상기 슬러지 저장조로부터 공급되는 상기 탄산칼슘을 상기 연소로에서 발생되는 고열을 이용하여 분해시켜 수산화칼슘 성분의 상기 강알칼리수를 생성하는데 필요한 원료물질인 생석회를 생성하는 분해조를 더욱 포함하는 바이오가스 에너지 회수 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 분해조로부터 상기 생석회를 공급받아 저장한 후 상기 제거 반응조 또는 상기 폐기물 수침조로 공급하는 생석회 저장조; 및
    상기 분해조에서의 분해 반응에 따라 생성되는 이산화탄소를 공급받아 저장하는 이산화탄소 수집조를 더욱 포함하는 바이오가스 에너지 회수 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연소로는, 보일러, 내연기관, 외연기관, 증기기관, 엔진, 열병합발전 설비, 열교환기 중의 어느 하나에 포함되는 것인 것을 특징으로 하는 바이오가스 에너지 회수 장치.
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