KR101086971B1 - Method and Apparatus of Refining Bio-Methane Gas - Google Patents
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Abstract
본 발명은 보다 상세하게는 하수 슬러지, 축산분뇨, 매립쓰레기, 음식물 쓰레기등 유기성 폐기물의 혐기성 소화에 의해 발생하는 바이오 가스로부터 바이오 메탄을 정제하는 바이오 메탄 정제 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 바이오 메탄 정제 방법은 몸체를 이루는 타워(11)와, 상기 타워(11)의 상단에 연결되어 물을 공급하는 물 공급관(12a) 및 상기 타워(11)의 하단에 연결되어 물을 배출하는 물 배출관(12b)과, 상기 타워(11)의 하단에 연결되어 정제되지 않은 바이오 가스를 공급하는 가스 공급관(13a) 및 상기 타워(11)의 상단에 연결되어 정제된 바이오 가스를 배출하는 가스 배출관(13b)과, 상기 타워(11)의 통로 상에 다단으로 설치되는 다공성의 구조체(14)를 포함하는 흡수탑을 이용하며, 상기 물 공급관을 통하여 흡수액인 물을 공급하고, 가스 공급관을 통하여 메탄 및 이산화탄소가 주성분인 바이오 가스를 공급하면, 상기 물에 이산화탄소가 흡수되어 메탄이 주성분으로 정제된다. More specifically, the present invention relates to a biomethane purification method for purifying biomethane from biogas generated by anaerobic digestion of organic waste such as sewage sludge, livestock waste, landfill waste, food waste, etc. The purification method includes a tower 11 constituting a body, a water supply pipe 12a connected to an upper end of the tower 11 to supply water, and a water discharge pipe 12b connected to a lower end of the tower 11 to discharge water; ), A gas supply pipe 13a connected to the lower end of the tower 11 to supply unrefined biogas, and a gas discharge pipe 13b connected to an upper end of the tower 11 to discharge purified biogas; , Using an absorption tower including a porous structure 14 installed in multiple stages on a passage of the tower 11, supplying water as an absorption liquid through the water supply pipe, and supplying a gas supply pipe. Through when methane and carbon dioxide is supplied to the main components of biogas, is the absorption of carbon dioxide in the water are purified by the main component methane.
바이오 가스, 정제, 메탄, 이산화탄소, 흡수탑, 흡수액 Biogas, Purification, Methane, Carbon Dioxide, Absorption Tower, Absorbent
Description
본 발명은 바이오 메탄 정제 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하수 슬러지, 축산분뇨, 매립쓰레기, 음식물 쓰레기등 유기성 폐기물의 혐기성 소화에 의해 발생하는 바이오 가스로부터 바이오 메탄을 정제하는 바이오 메탄 정제 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a biomethane purification method, and more particularly, to a biomethane purification method for purifying biomethane from biogas generated by anaerobic digestion of organic waste such as sewage sludge, livestock waste, landfill waste, and food waste. will be.
일반적으로 매립지 또는 혐기성 소화조에서는 폐기물 중에 함유되어 있는 유기물질이 분해됨에 따라 메탄가스와 이산화탄소 및 미량의 유해물질을 포함한 악취성분이 발생한다. In general, in landfills or anaerobic digesters, organic substances contained in waste are decomposed, resulting in odorous components including methane gas, carbon dioxide and traces of harmful substances.
이 중 메탄가스는 적절한 분리 및 정화과정을 통하여 연료자원으로 활용될 수 있음에도 불구하고 대기 중으로 확산되어 대기환경을 오염시키고, 대기 중으로 휘산되는 도중 폭발이나 화재를 일으킬 뿐만 아니라, 토양 내 산소의 고갈로 인한 식물의 고사를 야기하는 등 환경적으로 위해한 물질로 작용하고 있다. Although methane gas can be used as a fuel resource through proper separation and purification process, it can diffuse into the atmosphere, pollute the atmosphere, and cause explosion or fire during volatilization to the atmosphere. It acts as an environmentally harmful substance, causing death of plants.
또한 최근에는 메탄가스와 이산화탄소가 지구온난화에 미치는 영향으로, 중요한 환경과제로 대두되고 있으며, 이러한 가스에 의해 지구온난화를 야기시켜 환 경변화 및 생태계의 구조변화를 일으키는 원인이 되고 있다. In addition, recently, methane and carbon dioxide have been an important environmental issue due to the effects of global warming, and these gases cause global warming, causing environmental changes and structural changes in ecosystems.
한편, 바이오 가스는 하수처리장, 음식물쓰레기처리장 등에서 배출되는 혐기성소화조발생가스(Anaerobic Digestion reactor Gas) 및 매립장발생가스(Landfill Gas, 이하 LFG라 함)로 대별할 수 있으며, 가스성분에서 큰 차이를 보이지 않고 메탄이 약 50 ~ 60v%, 이산화탄소가 약 39 ~ 49v%, 기타 황화합물 및 질소화합물 등의 악취발생 가스로 구성되어 있다. On the other hand, biogas can be classified into anaerobic digestion reactor gas and landfill gas (LFG) discharged from sewage treatment plant, food waste treatment plant, etc., and there is a big difference in gas composition. It is composed of methane (about 50-60v%), carbon dioxide (39-49v%), and other odorous gases such as sulfur and nitrogen compounds.
이러한 악취발생 가스에서 황화합물과 질소화합물을 제거하면 고순도의 메탄과 이산화탄소의 혼합가스를 생산할 수 있으나, 이산화탄소와 메탄을 분리하는 기술이 필요하다. Removing sulfur compounds and nitrogen compounds from the odor generating gas can produce a mixture of high purity methane and carbon dioxide, but a technology for separating carbon dioxide and methane is required.
따라서, 본 발명의 목적은 상술한 종래기술에서 도출되는 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 하수 슬러지, 축산분뇨, 매립쓰레기, 음식물 쓰레기등 유기성 폐기물의 혐기성 소화에 의해 발생하는 바이오 가스로부터 바이오 메탄을 정제하는 바이오 메탄 정제 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다. Accordingly, an object of the present invention is to solve the problems derived from the above-described prior art, and the present invention provides biomethane from biogas generated by anaerobic digestion of organic waste such as sewage sludge, livestock waste, landfill waste, and food waste. It is an object of the present invention to provide a method for purifying biomethane.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 바이오 메탄 정제 방법은 몸체를 이루는 타워(11)와, 상기 타워(11)의 상단에 연결되어 물을 공급하는 물 공급관(12a) 및 상기 타워(11)의 하단에 연결되어 물을 배출하는 물 배출관(12b)과, 상 기 타워(11)의 하단에 연결되어 정제되지 않은 바이오 가스를 공급하는 가스 공급관(13a) 및 상기 타워(11)의 상단에 연결되어 정제된 바이오 가스를 배출하는 가스 배출관(13b)과, 상기 타워(11)의 통로 상에 다단으로 설치되는 다공성의 구조체(14)를 포함하는 흡수탑을 이용하며, 상기 물 공급관을 통하여 흡수액인 물을 공급하고, 가스 공급관을 통하여 메탄 및 이산화탄소가 주성분인 바이오 가스를 공급하면, 상기 물에 이산화탄소가 흡수되어 메탄이 주성분으로 정제된다. Biomethane purification method according to the present invention in order to achieve the above object is a
이때, 상기 물은 수소이온농도(pH)가 6-8이며, 20℃에서 물의 전기전도도는 150 내지 200μS/㎝이며, 흡수탑으로 공급되는 물의 온도는 10 내지 20℃인 것이 바람직하다.At this time, the water has a hydrogen ion concentration (pH) of 6-8, the electrical conductivity of the water at 20 ℃ is 150 to 200μS / ㎝, the temperature of the water supplied to the absorption tower is preferably 10 to 20 ℃.
상술한 바와 같은 본 발명은 하수 슬러지, 축산분뇨, 매립쓰레기, 음식물 쓰레기등 유기성 폐기물의 혐기성 소화에 의해 발생하는 바이오 가스로부터 바이오 메탄을 정제하는 바이오 메탄 정제 방법을 제공한다. The present invention as described above provides a biomethane purification method for purifying biomethane from biogas generated by anaerobic digestion of organic waste such as sewage sludge, livestock waste, landfill waste, food waste.
또한, 본 발명의 바이오 메탄 정제 방법에 따르면, 메탄을 50v%이상을 포함하고 있고 이산화탄소를 50v%이하 함유하고 있는 바이오 가스로부터 메탄을 95v%이상을 함유하고 있는 바이오메탄을 얻을 수 있다. In addition, according to the biomethane purification method of the present invention, biomethane containing 95v% or more of methane can be obtained from a biogas containing 50v% or more of methane and 50v% or less of carbon dioxide.
또한, 본 발명의 바이오 메탄 정제 방법에 따르면, 메탄과 이산화탄소를 함유하고 있는 바이오 가스로부터 고순도의 메탄을 함유하고 있는 바이오메탄을 제조함으로서, 유기성 폐기물의 해양투기 및 매립을 방지하여 환경오염을 억제할 뿐만 아니라 유기성 폐기물을 자원화할 수 있다. In addition, according to the biomethane purification method of the present invention, by producing biomethane containing high purity methane from biogas containing methane and carbon dioxide, it is possible to prevent environmental pollution by preventing ocean dumping and landfilling of organic waste. In addition, organic waste can be recycled.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 특징 및 작용들은 첨부도면을 참조하여 이하에서 설명되는 실시예들을 통해 명백하게 드러나게 될 것이다. Other features and operations of the present invention in addition to the above objects will become apparent from the embodiments described below with reference to the accompanying drawings.
첨부된 도면과 연관하여 이하에서 개시되는 상세한 설명은 발명의 바람직한 실시예들을 설명할 의도로서 행해진 것이고, 발명이 실행될 수 있는 형태들만을 나타내는 것은 아니다. 본 발명의 사상이나 범위에 포함된 동일한 또한 등가의 기능들이 다른 실시예들에 의해서도 달성될 수 있음을 주지해야 한다.The detailed description set forth below in connection with the appended drawings is made with the intention of describing preferred embodiments of the invention, and does not represent the only forms in which the invention may be practiced. It should be noted that the same and equivalent functions included in the spirit or scope of the present invention may be achieved by other embodiments.
도면에 개시된 어떤 특징들은 설명의 용이함을 위해 확대한 것이고, 도면 및 그 구성요소들이 반드시 적절한 비율로 도시되어 있지는 않다. 그러나 당업자라면 이러한 상세 사항들을 쉽게 이해할 것이다.Certain features disclosed in the drawings are enlarged for ease of description, and the drawings and their components are not necessarily drawn to scale. However, those skilled in the art will readily understand these details.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 바이오 메탄 정제 방법에 사용되는 흡수탑을 설명하기 위한 개념도이다. 1 is a conceptual diagram illustrating an absorption tower used in the biomethane purification method according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바이오 메탄 정제 방법에 사용되는 흡수탑(10)은 통상의 흡수탑을 이용하며, 그 구조는 몸체를 이루는 타워(11)와, 상기 타워(11)의 상단에 연결되어 물을 공급하는 물 공급관(12a) 및 상기 타워(11)의 하단 에 연결되어 물을 배출하는 물 배출관(12b)과, 상기 타워(11)의 하단에 연결되어 정제되지 않은 바이오 가스를 공급하는 가스 공급관(13a) 및 상기 타워(11)의 상단에 연결되어 정제된 바이오 가스를 배출하는 가스 배출관(13b)과, 상기 타워(11)의 통로 상에 다단으로 설치되는 구조체(14)를 포함한다. Referring to Figure 1, the
이때, 상기 구조체(14)는 원형의 판체에 다수의 홀이 형성된 판재와 같이, 다공성 재질로 이루어지며, 물이 홀을 통과하는 과정에서 이산화탄소와 흡수액인 물의 접촉면적을 최대로 증가하여 바이오 가스 중 이산화탄소가 물에 흡수될 수 있도록 한다. At this time, the
이하, 본 발명의 실시예에 따른 바이오 메탄 정제 장치를 이용한 바이오 메탄 정제 방법을 설명한다. Hereinafter, a biomethane purification method using a biomethane purification device according to an embodiment of the present invention will be described.
우선, 흡수탑(10)의 몸체를 이루는 타워(11) 상부의 물 공급관(12a)을 통하여 물을 공급한다. 이때, 상기 물은 이산화탄소(CO2)를 흡수하는 흡수액으로 사용된다. First, water is supplied through the
그런 다음, 상기 타워(11) 하부의 가스 공급관(13a)를 통하여 바이오 가스를 공급한다. 공급된 바이오 가스는 하수 슬러지, 축산분뇨, 매립쓰레기, 음식물 쓰레기등 유기성 폐기물의 혐기성 소화에 의해 발생하는 바이오 가스로 일반적으로 50v% 내지 60v%의 메탄과 40v% 내지 50v%의 이산화탄소를 포함한다. Then, the biogas is supplied through the
바이오 가스가 공급되면, 바이오 가스는 타워(11) 내부의 통로를 통하여 상 부로 이동하게 되며, 상기 구조체(14)의 홀을 통과하며, 물과 접촉하게 된다. 이때, 물이 흡수액으로써, 이산화탄소를 흡수하게 된다. When the biogas is supplied, the biogas moves upward through a passage inside the
상기 구조체(14)가 다단으로 형성되어 있으므로, 바이오 가스는 타워(11) 상부로 이동할수록 이산화탄소가 제거되어 메탄의 함량이 증가하게 된다. Since the
상기 이산화탄소를 흡수한 물은 상기 타워(11) 내부의 통로 상에 다단으로 설치된 구조체(14)를 통하여 하부로 이동하고, 물 배출관(12b)를 통하여 외부로 배출된다. The water absorbing the carbon dioxide moves downward through the
또한, 상기 이산화탄소가 물의 흡수를 통하여 제거된 바이오 가스는 95v% 이상의 메탄을 함유하게 된다. 이렇게 정제된 바이오 가스는 타워(11) 상부로 이동하여 가스 배출관(13b)을 통하여 외부로 배출되며, 도면상에는 도시하지 않았으나, 저장 탱크 등에 저장될 수 있다. In addition, the biogas from which carbon dioxide is removed through absorption of water contains 95 mV or more of methane. The purified biogas is moved to the top of the
한편, 상기 이산화탄소를 흡수하기 위한 흡수액으로 공급되는 물은 수소이온농도(pH)가 6 내지 8인 것이 바람직하다. 이는 상기 물의 수소이온농도(pH)가 8을 초과하는 경우에는 물은 알카성을 나타내어 바이오 가스 중 이산화탄소가 물에 흡수되는 비율이 작아지게 되며, 상기 물의 수소이온농도(pH)가 6 미만인 경우에는 물은 산성의 성격을 띠게 되어 바이오 가스 중 이산화탄소가 물에 흡수되는 비율이 낮아져서 바이오 가스 중 이산화탄소의 제거율이 떨어지게 된다. On the other hand, the water supplied to the absorption liquid for absorbing the carbon dioxide is preferably a hydrogen ion concentration (pH) of 6 to 8. This means that when the hydrogen ion concentration (pH) of the water exceeds 8, the water exhibits an alkaline property, so that the rate of carbon dioxide absorption in the biogas is reduced. When the hydrogen ion concentration (pH) of the water is less than 6, The water has an acidic nature, so that the rate of carbon dioxide absorption in the biogas is lowered, thereby reducing the removal rate of carbon dioxide in the biogas.
또한, 상기 물은 20℃에서 전기전도도가 150 내지 200μS/㎝이다. 이는 물의 전기전도도가 150μS/㎝ 미만인 경우에는 흡수액인 물을 제조하는 비용이 과다하게 소요되어 경제성이 떨어지며, 물의 전도도가 200μS/㎝를 초과하는 경우에는 물속에 오염물질을 함유하고 있어 바이오 가스 중 이산화탄소를 흡수할 수 있는 비율이 작아지기 때문이다. In addition, the water has an electrical conductivity of 150 to 200μS / cm at 20 ℃. When the electrical conductivity of water is less than 150μS / cm, the cost of producing water as an absorbent solution is excessively expensive, and the economic efficiency is low.When the conductivity of water exceeds 200μS / cm, it contains pollutants in the water, so that carbon dioxide in the biogas It is because the ratio which can absorb the water becomes small.
또한, 상기 물은 온도가 10 내지 20℃로 유지되어야 한다. 이는 물의 온도가 낮을수록 흡수액인 물에 대한 이산화탄소의 용해도가 증가하는 것과 관련된다. 만약 물의 온도가 20℃를 초과하는 경우에는 물에 대한 이산화탄소의 용해도가 감소하여, 물이 이산화탄소를 충분히 흡수할 수 없다. 또한, 물의 온도가 10℃ 미만인 경우에는 물의 온도를 낮추기 위하여 추가적인 냉동설비를 요구하게 되어 바이오메탄 제조설비의 투자비 및 운영비가 증가하게 되어 경제성 측면에서 불리하다. In addition, the water should be maintained at a temperature of 10 to 20 ℃. This is associated with an increase in the solubility of carbon dioxide in water as the absorbent liquid at lower temperatures. If the temperature of the water exceeds 20 ° C, the solubility of carbon dioxide in water decreases, and the water cannot absorb carbon dioxide sufficiently. In addition, when the temperature of the water is less than 10 ℃ requires an additional refrigeration equipment in order to lower the temperature of the water to increase the investment cost and operating cost of the biomethane manufacturing equipment is disadvantageous in terms of economics.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in order to facilitate understanding of the present invention. However, the following examples are provided only for the purpose of easier understanding of the present invention, and the present invention is not limited by the examples.
(실시예 1)(Example 1)
50v%의 메탄과 50v%의 이산화탄소를 함유한 바이오 가스가 구조화된 충진물을 가진 흡수탑 하부로 공급되고 흡수탑 상부에서 분무되는 물의 온도가 20℃이면서 수소이온농도(pH)가 7이고, 전기전도도가 단위센티미터당 150μS/㎝의 조건으로 바이오 가스를 정제하였다. A biogas containing 50v% methane and 50v% carbon dioxide is fed to the bottom of the absorption tower with the structured packing, and the temperature of the water sprayed from the top of the absorption tower is 20 ° C, and the hydrogen ion concentration (pH) is 7. The biogas was purified under the condition of 150 µS / cm per unit centimeter.
(실시예 2)(Example 2)
50v%의 메탄과 50v%의 이산화탄소를 함유한 바이오 가스가 구조화된 충진물을 가진 흡수탑 하부로 공급되고 흡수탑 상부에서 분무되는 물의 온도가 10℃이면서 수소이온농도(pH)가 7이고, 전기전도도가 단위센티미터당 150μS/㎝의 조건으로 바이오 가스를 정제하였다. The biogas containing 50v% methane and 50v% carbon dioxide is fed to the lower part of the absorption tower with the structured packing, and the temperature of water sprayed from the upper part of the absorption tower is 10 ℃ and the hydrogen ion concentration (pH) is 7. The biogas was purified under the condition of 150 µS / cm per unit centimeter.
(실시예 3)(Example 3)
50v%의 메탄과 50v%의 이산화탄소를 함유한 바이오 가스가 구조화된 충진물을 가진 흡수탑 하부로 공급되고 흡수탑 상부에서 분무되는 물의 온도가 10℃이면서 수소이온농도(pH)가 7이고, 전기전도도가 단위센티미터당 200μS/㎝의 조건으로 바이오 가스를 정제하였다. The biogas containing 50v% methane and 50v% carbon dioxide is fed to the lower part of the absorption tower with the structured packing, and the temperature of water sprayed from the upper part of the absorption tower is 10 ℃ and the hydrogen ion concentration (pH) is 7. The biogas was purified under the condition of 200 μS / cm per unit centimeter.
(비교예 1)(Comparative Example 1)
50v%의 메탄과 50v%의 이산화탄소를 함유한 바이오 가스가 구조화된 충진물을 가진 흡수탑 하부로 공급되고 흡수탑 상부에서 분무되는 물의 온도가 30℃이면서 수소이온농도(pH)가 7이고, 전기전도도가 단위센티미터당 150μS/㎝의 조건으로 바이오 가스를 정제하였다. The biogas containing 50v% methane and 50v% carbon dioxide is supplied to the lower part of the absorption tower with the structured packing, and the temperature of the water sprayed from the upper part of the absorption tower is 30 ℃ and the hydrogen ion concentration (pH) is 7. The biogas was purified under the condition of 150 µS / cm per unit centimeter.
(비교예 2)(Comparative Example 2)
50v%의 메탄과 50v%의 이산화탄소를 함유한 바이오 가스가 구조화된 충진물을 가진 흡수탑 하부로 공급되고 흡수탑 상부에서 분무되는 물의 온도가 10℃이면서 수소이온농도(pH)가 7이고, 전기전도도가 단위센티미터당 250μS/㎝의 조건으로 바이오 가스를 정제하였다. The biogas containing 50v% methane and 50v% carbon dioxide is fed to the lower part of the absorption tower with the structured packing, and the temperature of water sprayed from the upper part of the absorption tower is 10 ℃ and the hydrogen ion concentration (pH) is 7. Biogas was purified under the condition of 250 μS / cm per unit centimeter.
(비교예 3)(Comparative Example 3)
50v%의 메탄과 50v%의 이산화탄소를 함유한 바이오 가스가 구조화된 충진물을 가진 흡수탑 하부로 공급되고 흡수탑 상부에서 분무되는 물의 온도가 30℃이면서 수소이온농도(pH)가 9이고, 전기전도도가 단위센티미터당 300μS/㎝의 조건으로 바이오 가스를 정제하였다. A biogas containing 50v% methane and 50v% carbon dioxide is fed to the bottom of the absorption tower with the structured packing and the water sprayed from the top of the absorption tower has a temperature of 30 ° C and a hydrogen ion concentration (pH) of 9; Biogas was purified under the condition of 300 μS / cm per unit centimeter.
하기의 표 1은 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3의 조건에서 바이오 가스를 정제한 경우, 메탄 및 이산화탄소의 함량을 분석한 결과이다. Table 1 below shows the results of analyzing the contents of methane and carbon dioxide when the biogas was purified under the conditions of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3.
(v%)Methane content
(v%)
함량(v%)carbon dioxide
Content (v%)
표 1에 기재된 바와 같이, 실시예 1 내지 3의 조건에서 바이오 가스를 정제하면, 메탄의 함량이 95v% 이상으로 바이오 가스를 정제하여 바이오 메탄 가스를 얻을 수 있음을 알 수 있다. As shown in Table 1, when the biogas is purified under the conditions of Examples 1 to 3, it can be seen that the biomethane can be obtained by purifying the biogas to 95 mV or more.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 바이오 메탄 정제 방법에 사용되는 흡수탑을 설명하기 위한 개념도이다. 1 is a conceptual diagram illustrating an absorption tower used in the biomethane purification method according to an embodiment of the present invention.
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