KR101147982B1 - 바이오가스 생산설비의 전처리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바이오가스 생산설비의 전처리 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 구조가 간결, 단순하면서도 바이오가스 중에 포함된 불순물질을 효과적으로 제거할 수 있고, 전처리 시스템으로 유입되는 유기성 폐기물의 농도나 투입량 등의 외부 조건 변화를 적절히 대응하면서 바이오가스를 효과적으로 정제할 수 있으며, 작은 점유공간으로도 전처리 시스템을 구현할 수 있도록 함으로써 시설투자비의 절감과 유지보수비용을 절감할 수 있는 바이오가스 생산설비의 전처리 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 바이오가스 생산설비의 전처리 시스템은 바이오가스 생산설비의 전처리 시스템에 있어서, 유기성 폐기물을 혐기성 처리를 통해 생성된 바이오가스가 유입구를 통해 유입되어 불순물의 제거과정을 거친 후 배출구를 통해 배출되도록 구성된 스크러버장치; 상기 배출구와 접속된 유입측 연결라인이 접속되는 접속구가 사이클론몸체의 측방에 형성되고 상부에 연결배기구가 형성된 유입측 사이클론, 상기 유입측 사이클론과 동일하게 사이클론몸체에 접속구와 연결배기구가 형성된 구조로 형성되어 상기 유입측 사이클론의 상부에 다층 구조로 배치되고, 하측에 위치하는 사이클론몸체의 연결배기구와 상측에 위치하는 사이클론몸체의 접속구가 상기 사이클론 연결라인에 의해 접속되는 형태로 배치되는 복수의 배기측 사이클론, 상기 유입측 사이클론 및 상기 배기측 사이클론이 내장되는 흡수탑본체를 구비한 다단 사이클론장치; 상기 유입측 연결라인 및 상기 사이클론 연결라인에 접속되어 바이오가스를 압송시키는 압송장치; 및 상기 사이클론몸체 내부로 흡수액을 공급하기 위해 설치되는 흡수액혼합장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

바이오가스 생산설비의 전처리 시스템{SYSTEM FOR PREPROCESSING OF BIO-GAS}
본 발명은 바이오가스 생산설비의 전처리 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 구조가 간결, 단순하면서도 바이오가스 중에 포함된 불순물질을 효과적으로 제거할 수 있고, 전처리 시스템으로 유입되는 유기성 폐기물의 농도나 투입량 등의 외부 조건 변화를 적절히 대응하면서 바이오가스를 효과적으로 정제할 수 있으며, 작은 점유공간으로도 전처리 시스템을 구현할 수 있도록 함으로써 시설투자비의 절감과 유지보수비용을 절감할 수 있는 바이오가스 생산설비의 전처리 시스템에 관한 것이다.
사회가 고도화됨에 따라 에너지의 수요가 급속하게 증가되어 석유, 천연가스 및 석탄과 같은 화석 연료는 국제가격이 급등하고 있고 고갈로 인해 향후 전기에너지원으로 지속적인 이용이 불투명한 실정에 있다.
이에 따라, 최근에는 대체 에너지 발전시설로서 태양광발전, 풍력발전, 조력발전, 등 다양한 발전시설에 대한 투자와 개발이 급속하게 진행되고 있다.
하지만, 전술한 대체 에너지는 생산되는 전력에 비해 지나치게 많은 시설 투자비가 요구되는 등 여러가지 문제점을 수반하고 있다. 예컨대, 태양광발전은 대규모의 토지가 필요하고, 풍력발전은 양질의 풍속을 제공할 수 있는 지역이 제한적이며, 조력발전은 방파제 설치에 따른 생태계 파괴의 문제점이 있는 등 각각의 대체 에너지 발전시설은 저마다 독특한 단점과 한계점을 가지고 있다.
이러한 문제점으로 인해 근래에는 비교적 소규모의 투자를 통해 에너지를 생산할 수 있는 동시에 환경오염을 저감할 수 있는 방안으로 폐기물을 분해하여 바이오가스를 생산하는 바이오가스 생산설비가 폭넓게 개발되고 있다.
바이오가스 생산설비는 가축분뇨, 음식물 쓰레기, 하수 슬러지 등의 고농도 유기성 폐기물을 혐기성 처리를 통해 분해하게 되면 가연성 물질로서 발생되는 메탄을 수집, 정재하여 생산하는 시설이다.
이러한 바이오가스 생산설비는 가연성 물질인 메탄 외에 이산화탄소, 황화수소, 암모니아, 실록산, 휘발성유기화합물 등의 다양한 불순물을 포함하고 있으므로 메탄 이외의 불순물을 제거하기 위한 전처리 시스템을 갖추고 있다.
바이오가스 생산설비에 적용되는 전처리 시스템은 대한민국 등록특허 등록번호 제10-0985911호에 개시된 바와 같은 바이오가스 전처리 시스템과, 대한민국 공개특허 공개번호 제10-2011-0117809호에 개시된 바와 같은 고순도 바이오가스 정제시스템 및 바이오가스 정제방법 등과 같은 기술이 제안되어 있다.
하지만, 전술한 종래 바이오가스 전처리 시스템은 저마다 메탄을 제외한 불순 물질을 제거하고자 하는 기술을 포함하고 있어 어느 정도 바이오가스의 품질을 향상시킬 수 있지만, 여전히 바이오가스 중 다량의 불순물을 포함하고 있어 메탄의 농도가 95% 이상인 고품격 바이오가스의 생산은 어려운 실정에 있다.
그리고, 종래 바이오가스 전처리 시스템은 불순물을 제거하기 위한 단계가 너무 많고 복잡할 뿐만 아니라 처리방법 또한 복잡하므로 실질적인 운영이 어렵고, 유기성 폐기물의 농도나 투입량 등의 강약, 외부 조건 변화에 적절하게 대응할 수 없는 한계점을 가지고 있다.
또한, 종래 바이오가스 전처리 시스템은 처리시설 또한 복잡하여 이를 시설하여 갖추기 위해서는 지나치게 많은 토지를 점유하게 되고, 많은 시공비용이 소요되는 단점이 있다.
본 발명은 상기 내용에 착안하여 제안된 것으로, 구조가 간결, 단순하면서도 바이오가스 중에 포함된 불순물질을 효과적으로 제거할 수 있도록 한 바이오가스 생산설비의 전처리 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은, 전처리 시스템으로 유입되는 유기성 폐기물의 농도나 투입량 등의 외부 조건 변화를 적절히 대응하면서 바이오가스를 효과적으로 정제할 수 있도록 한 바이오가스 생산설비의 전처리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 작은 점유공간으로도 전처리 시스템을 구현할 수 있도록 함으로써 시설투자비의 절감과 유지보수비용을 절감할 수 있도록 한 바이오가스 생산설비의 전처리 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 바이오가스 생산설비의 전처리 시스템은 바이오가스 생산설비의 전처리 시스템에 있어서, 유기성 폐기물을 혐기성 처리를 통해 생성된 바이오가스가 유입구를 통해 유입되어 불순물의 제거과정을 거친 후 배출구를 통해 배출되도록 구성된 스크러버장치; 상기 배출구와 접속된 유입측 연결라인이 접속되는 접속구가 사이클론몸체의 측방에 형성되고 상부에 연결배기구가 형성된 유입측 사이클론, 상기 유입측 사이클론과 동일하게 사이클론몸체에 접속구와 연결배기구가 형성된 구조로 형성되어 상기 유입측 사이클론의 상부에 다층 구조로 배치되고, 하측에 위치하는 사이클론몸체의 연결배기구와 상측에 위치하는 사이클론몸체의 접속구가 상기 사이클론 연결라인에 의해 접속되는 형태로 배치되는 복수의 배기측 사이클론, 상기 유입측 사이클론 및 상기 배기측 사이클론이 내장되는 흡수탑본체를 구비한 다단 사이클론장치; 상기 유입측 연결라인 및 상기 사이클론 연결라인에 접속되어 바이오가스를 압송시키는 압송장치; 및 상기 사이클론몸체 내부로 흡수액을 공급하기 위해 설치되는 흡수액혼합장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 흡수탑본체는 상기 유입측 사이클론 및 상기 배기측 사이클론의 하단 출구로 배출되는 잔류가스가 수용되는 잔류가스 수용공간이 형성되도록 기밀용기로 구성되고, 상기 잔류가스 수용공간의 잔류가스가 상기 유입측 사이클론으로 재투입 되도록 상기 흡수탑본체와 상기 유입측 사이클론의 접속구 앞쪽의 상기 유입측 연결라인과 접속되는 바이패스라인과, 상기 바이패스라인에 접속되어 역류를 방지하는 역류방지밸브를 포함할 수 있다.
한편, 상기 유입측 사이클론 및 상기 배기측 사이클론의 내부에 설치되어 바이오가스 중에 포함된 불순물의 농도를 감지하는 가스감지부; 상기 유입측 사이클론 및 상기 배기측 사이클론의 내부에 설치되어 내부 압력을 감지하는 압력감지부; 상기 가스감지부 및 상기 압력감지부로부터 인가되는 신호에 따라 상기 압송장치 및 상기 흡수액혼합장치의 구동을 제어하는 제어부; 및 상기 사이클론 연결라인에 상기 연결배기구와 상기 접속구 사이에 서로 연결되도록 연장, 형성되는 연장 사이클론연결라인; 상기 접속구와 상기 사이클론 연결라인의 접속부위에 상기 연장 사이클론연결라인과 접속되게 설치되고 상기 제어부의 제어하에 개폐되는 쓰리웨이 밸브를 포함할 수 있다.
아울러, 상기 스크러버장치는, 상기 유입구와 상기 배출구가 형성된 스크러버몸체; 상기 유입구의 상부에 해당되는 상기 스크러버몸체의 내부에 배치되고 다수의 폴링(pall ring)이 적층된 폴링층; 상기 폴링층 상부의 상기 스크러버몸체 내부에 배치되고 액상의 흡수제가 분사되는 분사노즐을 구비한 분사수단; 상기 분사수단 상부의 상기 스크러버몸체의 내부에 배치되는 데미스터(demister); 및 상기 분사수단으로 흡수제를 공급하는 분사액 공급장치를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 바이오가스 생산설비의 전처리 시스템에 의하면, 스크러버장치와 다단 사이클론장치로 이루어진 간결, 단순한 구조이면서도 불순물을 제거하는 다양한 제거과정이 수행되므로 바이오가스 중에 포함된 불순물질을 효과적으로 제거할 수 있고, 많은 공간을 점유하지않으므로 바이오가스의 전처리 시스템으로 적용할 경우 시설투자비의 절감과 유지보수비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
특히, 다단 사이클론장치는 유입측 사이클론과 다수의 배기측 사이클론이 기밀용기로 형성된 흡수탑본체에 내장되는 구조이고 쓰리웨이 밸브를 개폐동작을 제어하여 바이오가스의 전처리 경로를 조정할 수 있으므로 바이오가스에 포함된 유기성 폐기물의 농도나 투입량 등의 외부 조건 변화를 적절히 대응하면서 바이오가스를 효과적으로 정제할 수 있는 효과가 있다.
도1은 본 발명에 따른 바이오가스 생산설비의 전처리 시스템의 기술적 사상을 설명하기 위한 구성도,
도2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스 생산설비의 전처리 시스템에 적용되는 스크러버장치를 나타낸 구성도,
도2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스 생산설비의 전처리 시스템에 적용되는 다단 사이클론장치를 나타낸 구성도,
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스 생산설비의 전처리 시스템에 적용되는 흡수액혼합장치를 설명하기 위한 단면도,
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스 생산설비의 전처리 시스템의 변형예를 설명하기 위한 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명한다.
도1은 본 발명에 따른 바이오가스 생산설비의 전처리 시스템의 기술적 사상을 설명하기 위한 구성도, 도2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스 생산설비의 전처리 시스템에 적용되는 스크러버장치를 나타낸 구성도, 도2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스 생산설비의 전처리 시스템에 적용되는 다단 사이클론장치를 나타낸 구성도이고, 도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스 생산설비의 전처리 시스템에 적용되는 흡수액혼합장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스 생산설비의 전처리 시스템은 유기성 폐기물을 혐기성 처리를 통해 바이오가스를 생산하는 바이오가스 생산설비에 적용하여 바이오가스 중에 포함된 가연성 물질인 메탄 외에 이산화탄소, 황화수소, 암모니아, 실록산, 휘발성유기화합물 등의 다양한 불순물을 제거하기 위한 것으로, 스크러버장치(10), 다단 사이클론장치(20), 압송장치(30), 및 흡수액혼합장치(40)를 포함하여 구성된다.
스크러버장치(10)는 도1 및 도2a에 도시된 바와 같이 유기성 폐기물을 혐기성 처리를 통해 생성된 바이오가스가 유입되는 유입구(111)와 불순물의 제거과정을 거친 바이오가스가 배출되는 배출구(112)가 구비된 스크러버몸체(11), 이 스크러버몸체(11)의 내부에 배치되어 불순물의 제거작용을 수행하는 구성으로 폴링층(12), 분사수단(13), 데미스터(14,demister), 및 분사액 공급장치(15)가 구비되어 있다.
스크러버몸체(11)는 내약품성 및 내식성을 갖는 판상부재를 이용하여 대략 원통 형상으로 제작하여 종방향으로 설치한 것으로, 하측 외주면에 유입구(111)가 형성되고 상단부에 배출구(112)가 형성되어 있다.
폴링층(12)은 유입구의 상부에 해당되는 스크러버몸체(11)의 내부에 배치되고 다수의 폴링(121,pall ring)이 적층되어 형성되는 층으로서 분사수단(13)으로 분사되는 흡수제와 바이오가스와의 접촉면적을 증가시켜 불순물을 제거하는 작용을 수행한다. 이때, 폴링(121)은 메탈 또는 수지재로 형성되고 가급적 표면적이 넓은 것을 선택하여 적용한다.
분사수단(13)은 불순물을 부착 및 응집하여 제거하기 위해 폴링층(12)의 상부에 액상의 흡수제를 분사하는 구성으로, 폴링층(12)의 상부에 해당되는 스크러버몸체(11)의 내부에 설치되고 다수의 분사노즐(132)이 배치된 분사배관(131)으로 구성되어 있다.
데미스터(14,demister)는 분사수단(13)의 상부에 해당되는 스크러버몸체(11)의 내부에 배치되어 배출구(112)로 부상되는 바이오가스 중에 포함된 불순물을 제거하기 위한 구성으로, 다양한 형태의 데미스터가 적용될 수 있지만 본 실시예에서는 스크러버몸체(11)에 고정되는 서포트부재(미도시), 이 서포트부재에 설치되고 섬유조직으로 형성된 다층의 데미스터필터(미도시)로 구성되어 있다.
분사액 공급장치(15)는 분사수단(13)으로 흡수제를 공급하는 장치로서 분사배관(131)에 흡수제를 공급하기 위해 접속되는 공급배관(151), 및 공급배관(151)에 배출부가 접속되어 흡수제를 펑핑하는 공급펌프(152)가 구성되어 있다.
그리고, 공급펌프(152)의 흡입부는 흡입배관(153)을 매개로 스크러버몸체(11)의 하부에 접속되어 흡수제를 반복적으로 재사용할 수 있도록 되어 있고, 공급펌프(152)와 연결되는 공급배관(151)과 흡입배관(153)에는 배관으로 진동이 전달되지 않도록 하기 위한 익스펜션(154,expansion)과 흡수제의 흐름을 단속하기 위한 밸브(155)가 설치되어 있다.
한편, 스크러버장치(10)는 도2a에 도시된 바와 같이 바이오가스 중에 포함된 이물질을 걸러낼 수 있도록 데미스터(14)와 분사수단(13) 사이에 해당되는 스크러버몸체(11)의 내부에 이물질제거필터(16)가 더 구비되어 있고, 스크러버몸체(11)의 하부에는 드레인배관(17), 맨홀(18) 등이 설치되어 있다.
한편, 다단 사이클론장치(20)는 도1 및 도2b에 도시된 바와 같이 스크러버장치(10)의 배출구(112)와 접속된 유입측 연결라인(22)이 접속되는 접속구(211)가 사이클론몸체(21)의 측방에 형성되고 상부에 연결배기구(212)가 형성된 유입측 사이클론(20a)과, 이 유입측 사이클론(21)의 상부에 다층 구조로 배치되는 복수의 배기측 사이클론(20b), 및 유입측 사이클론(20a) 및 배기측 사이클론(20b)이 내장되는 흡수탑본체(20c)를 구비한다.
유입측 사이클론(20a) 및 배기측 사이클론(20b)은 유체의 선회류에 의해서 생기는 원심력을 이용한 분리장치로서, 바이오가스가 유입되는 접속구(211)가 형성된 원통형의 사이클론몸체(21), 이 사이클론몸체(21)의 하부에 원추형으로 연장, 형성되는 콘몸체(213), 및 사이클론몸체(21)의 상부에 내부로 삽입되는 형태로 설치된 연결배기구(212)가 형성되어 있다. 그리고, 사이클론몸체(21)의 내부에는 연결배기구(212)로 배기되는 바이오가스 중에 포함된 불순물이나 액적을 제거하기 위한 데미스터(23)가 설치되어 있다.
또한, 유입측 사이클론(20a) 및 배기측 사이클론(20b)은 하측에 위치하는 사이클론몸체(21)의 연결배기구(212)와 상측에 위치하는 사이클론몸체(21)의 접속구(211)가 사이클론 연결라인(24)에 의해 접속되어 있고, 콘몸체(213)의 하측 출구에는 유입측 사이클론(20a) 및 배기측 사이클론(20b)의 분리작용에 의해 분리된 불순물이 흡수탑본체(20c) 배부로 배기되도록 콘몸체(213)의 하측 출구에 드레인배관(214)이 접속되어 있다.
압송장치(30)는 유입측 사이클론(20a) 및 다단의 배기측 사이클론(20b)의 내부에서 바이오가스가 선회류를 형성하면서 유동되도록 하는 압송력을 생성, 인가하는 구성으로 송풍팬과 같은 장치로 구성되어 유입측 연결라인(22) 및 사이클론 연결라인(24)에 접속된다. 이때, 압송장치(30)는 최하측 유입측 사이클론(20a)에서 최상측 배기측 사이클론(20b)으로 갈수록 용량(송풍압력)이 큰 것이 선택, 적용되어 순차적으로 큰 원심력이 작용되도록 함으로써 농도가 높은 불순물에서부터 낮은 불순물까지 효과적으로 제거할 수 있도록 구성되어 있다.
흡수액혼합장치(40)는 사이클론몸체(21) 내부로 흡수액을 공급하기 위한 장치로서 흡수액을 미스트상으로 분사할 수 있다면 스프레이 건을 구비한 분사장치와 같은 다양한 장치로 구성될 수 있지만, 본 실시예에서는 도3에 도시된 바와 같이 별도의 동력 없이 흡수액을 사이클론몸체(21) 내부로 분사할 수 있도록 유입측 연결라인(22) 및 사이클론 연결라인(24)에 접속되는 벤튜리관(venturi tube)으로 구성되어 있다.
이와 같이 흡수액혼합장치(40)가 벤튜리관으로 구성되면 벤튜리관의 대경부(41)에 접속되는 사이클론 연결라인(24)으로 압송장치(30)에 의해 바이오가스가 압송될 경우 그 속도에너지에 의해 소경부(42)에 접속된 흡수액 공급관(43)으로부터 흡수액이 유입됨과 동시에 분사되므로 흡수액을 분사하기 위한 별도로 펌프와 같은 장치를 설치하지 않아도 흡수액을 분사할 수 있다. 그리고, 흡수액 공급관(43)에는 역류를 방지하기 위한 역류방지밸브(44, 약식기호로 도시함)가 구비되는 것이 바람직하다.
한편, 흡수액혼합장치(40)로부터 분사되는 흡수액은 미스트상으로 분사되어 바이오가스에 포함된 불순물을 흡착하거나 불순물을 흡수하는 용액으로서, 바이오가스에 포함되어 있는 이산화탄소, 황화수소, 암모니아, 실록산, 휘발성유기화합물 등을 제거할 수 있는 다양한 흡수액이 선택되어 공급될 수 있다.
이러한, 흡수액은 후술되는 가스감지부(50)에 의해 검출된 유입측 사이클론(20a), 각 배기측 사이클론(20b) 내부의 불순물 농도 및 종류에 따라 적절한 종류의 것을 선택하여 공급할 수 있다. 예컨대, 이산화탄소를 분리 및 회수하고자 하는 경우에는 흡수액으로서 아민 AMP( 2-Amino-2-Methy-1-Propanol)에 피페라진(piperazine)을 혼합한 혼합흡수액을 투입하는 방식으로 불순물의 종류마다 대기환경분야에서 널리 알려진 흡수액 중에서 선택하여 적용할 수 있지만, 환경오염을 유발하지 않도록 식물로부터 추출한 테르펜(terpene) 정유 성분을 포함하는 흡수액을 선택, 적용하는 것이 바람직하다.
상기 흡수탑본체(20c)는 유입측 사이클론(20a) 및 배기측 사이클론(20b)을 내장할 수 있는 정도의 수용공간을 갖는 원통 기둥으로 형성되되, 유입측 사이클론(20a) 및 배기측 사이클론(20b)의 하단 출구로 배출되는 잔류가스가 수용되어 외부로 배출되지 않도록 내부에 잔류가스 수용공간을 갖는 기밀용기로 구성되어 있다.
그리고, 흡수탑본체(20c)는 잔류가스 수용공간에 수용된 잔류가스가 유입측 사이클론(20a)으로 재투입되어 리사이클링 될 수 있도록 함으로써 바이오가스 중에 포함된 불순물의 제거과정이 보다 효과적으로 이루어질 수 있도록 되어 있다. 이를 위해 흡수탑본체(20c)에는 유입측 사이클론(20a)의 접속구(211) 앞쪽의 유입측 연결라인(22)과 접속되는 바이패스라인(25)과, 이 바이패스라인(25)에 접속되어 역류를 방지하는 역류방지밸브(26)가 구비되어 있다.
한편, 본 발명에 따른 바이오가스 생산설비의 전처리 시스템은 스크러버장치(10), 및 다단 사이클론장치(20)를 경유하는 불순물의 제거과정에서 바이오가스 중에 포함된 불순물의 농도를 감지하는 가스감지부(50), 스크러버장치(10), 및 다단 사이클론장치(20)의 내부 압력을 감지하는 압력감지부(60), 및 가스감지부(50) 및 압력감지부(60)로부터 인가되는 신호에 따라 압송장치(30) 및 흡수액혼합장치(40)의 구동을 제어하는 제어부(미도시)가 구비되어 있다.
가스감지부(50)는 스크러버몸체(10), 유입측 사이클론(20a) 및 배기측 사이클론(20b)의 내부에 설치되는 것으로, 인터디지탈변환기(IDT; Inter Digital Transducer) 패턴으로 형성된 센서전극, 이 센서전극 위에 형성되는 감지막, 감지막의 저항 변화에 따른 센서전극의 감지신호를 출력하는 감지단자를 포함하는 반도체 가스센서를 설치봉에 장착하여 설치한다.
압력감지부(60)는 환경분야나 도시가스설비분야 등에서 적용되고 있는 통상으로 압력감지센서를 설치봉에 장착하여 스크러버몸체(10), 유입측 사이클론(20a) 및 배기측 사이클론(20b)의 내부에 설치하여 구성한다.
한편, 다단 사이클론장치(20)를 경유한 바이오가스는 이송배관(28)을 통해 후처리 공정이나 최종적인 바이오가스 정제 및 압축시스템(미도시)이나 바이오가스 저장조로 공급되도록 되어 있다. 예컨대, 바이오가스는 다단 사이클론장치(20)의 마지막 배기측 사이클론(20b)의 배출측에 접속되는 이송배관(28)을 통해 제습유닛(미도시)으로 공급되어 바이오가스 중에 포함된 수분이 제거될 수 있다. 이때, 제습유닛(미도시)은 열교환기 및 흡습식 냉동기로 구성된 통상적인 제습장치로 구성될 수 있다.
첨부도면, 도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스 생산설비의 전처리 시스템의 변형예를 설명하기 위한 구성도이다.
도4를 참조하면, 변형예에 따른 바이오가스 생산설비의 전처리 시스템은 스크러버장치(10), 다단 사이클론장치(20), 압송장치(30), 및 흡수액혼합장치(40)를 포함하되, 바이오가스 중에 포함된 불순물의 농도에 따라 다단 사이클론장치(20)에서의 처리과정 및 순서를 조정할 수 있도록 구성되어 있다.
이를 위해, 복수의 배기측 사이클론(20b)은 사이클론 연결라인(24)에 연결배기구(212)와 접속구(211) 사이를 서로 연결하는 연장 사이클론연결라인(24a)이 추가로 연장, 구성되고, 각 사이클론몸체(21)의 접속구(211)와 사이클론 연결라인(24)의 접속부위에 연장 사이클론연결라인(24a)과 접속되게 설치되고 제어부의 제어하에 개폐되는 쓰리웨이 밸브(70)가 구성되어 있다.
한편, 다단 사이클론장치(20)는 전술한 바와 같이 유입측 사이클론(20a)의 상부에 2개의 배기측 사이클론(20b)이 배치된 구조로 되어 있으나 배기측 사이클론(20b)은 배치수량을 더 추가하여 구성할 있고, 바이오가스에 포함된 불순물의 농도에 따라 다단 사이클론장치 전체를 직렬구조로 더 배치하여 구성할 수도 있다.
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스 생산설비의 전처리 시스템의 작용을 설명한다.
먼저, 하수처리장, 음식물쓰레기 처리장, 축산폐수 처리장, 주정 공장 등과 같은 시설에서 배출되는 고농도 유기성 폐기물이 혐기성 소화조에서 혐기성 분해되면 메탄을 주성분으로 하고 이산화탄소, 황화수소, 암모니아, 실록산, 휘발성유기화합물 등의 다양한 불순물을 포함하는 바이오가스가 생성된다. 이와 같이 생성된 바이오가스는 직접 배관을 통해 스크러버장치(10)의 유입구(111)로 공급되거나 저장조 일시 저장된 후 배관을 통해 스크러버장치(10)의 유입구(111)로 유입된다.
이와 같이 스크러버몸체(11) 내부로 유입된 바이오가스는 하방에서 상방으로 이동되고, 이와 동시에 분사액 공급장치(15)가 작동되어 분사수단(13)의 노즐(132)을 통해 분사액(흡수제)이 분사된다. 분사되는 흡수제는 폴링층(12)으로 낙하하여 수많은 폴링(121) 표면에서 확산되면서 바이오가스와의 접촉면적이 극대화되므로 불순물의 흡착, 응집작용이 이루어져 불순물을 제거하게 된다.
폴링층(12)을 통과하여 상부로 유동되는 바이오가스는 다시 낙하하는 흡수제와 접촉되므로 불순물의 흡착, 응집작용을 수행하면서 2차적으로 불순물의 흡착, 제거작용이 수행된다.
이후, 바이오가스가 이물질제거필터(16)를 통과하면서 고체상 및 액상의 이물질이 걸러지고, 데미스터(14)를 통과하면서 다시 한번 더 걸러지게 되는데, 데미스터(14)는 섬유조직으로 형성된 다층의 데미스터필터로 구성되어 있으므로 바이오가스에 포함된 수분을 제거하는 기능을 수행하게 된다.
전술한 바와 같이 혐기성 분해된 바이오가스가 스크러버장치(10)를 경유하게 되면, 바이오가스 중에 포함된 불순물 중에서 비교적 조성량이 많은 이산화탄소, 황화수소 등의 농도가 감소되고 이물질이 제거된다. 이후 데미스터(14)를 통과한 바이오가스는 배출구(112)와 연결된 유입측 연결라인(22)을 통해 배기되어 다단 사이클론장치(20)로 유입되는데, 다단 사이클론장치(20)는 바이오가스가 자연스럽게 유동되는 과정에서 불순물을 제거하는 스크러버장치(10)와는 달리 바이오가스를 강제적으로 압송하여 선회류(소용돌이)를 형성하면서 흡수액을 분사함으로써 바이오가스에 포함된 불순물을 더 효과적으로 제거할 수 있다.
이러한, 다단 사이클론장치(20)에 의한 불순물 제거과정을 구체적으로 설명하면, 먼저 유입측 연결라인(22)에 설치된 압송장치(30)에 의해 바이오가스가 압송되면 유입측 사이클론(20a) 내부에서 선회류를 형성하게 된다. 그리고 바이오가스가 압송과정에서 흡수액혼합장치(40)의 소경부(42)를 통과하게 되면 압력차에 의해 흡수액 공급관(43)을 통해 흡수액이 유입된 후 대경부(41)를 통해 확산되어 사이클론몸체(21) 내부에 미스트상으로 분출된다.
이와 같이 투입된 흡수액은 사이클론몸체(21) 내부에 복잡한 소용돌이 현상을 거치게 되므로 바이오가스와의 접촉이 극대화되므로 불순물의 흡착 및 응집작용이 효과적으로 수행된다. 이후 콘몸체(213) 부분의 내부 공간에서 불순물이 제거된 바이오가스는 상측으로 이동되어 데미스터(23)를 경유한 후 연결배기구(212)를 통해 배출되고, 흡착 및 응집된 불순물은 하측 출구를 통해 하방으로 배출된다.
유입측 사이클론(20a)을 경유한 바이오가스는 사이클론 연결라인(24)을 통해 그 상부에 위치한 배기측 사이클론(20b) 내부로 유입되고, 전술한 유입측 사이클론(20a) 내부에서 이루어지는 작용과 유사한 작용을 수행하면서 다시 한 번 더 불순물을 제거하게 된다.
전술한 바와 같이 다단으로 배치된 배기측 사이클론(20b)을 통과하면서 불순물이 제거된 바이오가스는 배출측 연결라인(28)을 통해 배출된 후 제습유닛(미도시)으로 이동되거나 바이오가스 정제 및 압축시스템(미도시) 또는 바이오가스 저장조로 공급된다.
한편, 유입측 사이클론(20a) 및 배기측 사이클론(20b)의 하단 출구로 배출되는 불순물 중에서 비중이 큰 액상은 흡수탑본체의 하부로 낙하되어 수집되고, 잔류가스는 기밀용기로 형성된 흡수탑본체(20c)의 잔류가스 수용공간(29) 내부에 체류하게 되는데, 내부 압력이 일정 수준을 넘게 되면 바이패스라인(25)을 경유하여 유입측 연결라인(22)으로 공급되어 다단 사이클론장치(20)를 통과하면서 다시 한번 더 불순물 제거과정을 거치게 된다. 이때, 바이패스라인(25)에 접속된 역류방지밸브(26)는 스크러버장치(10)로부터 배출되는 바이오가스가 흡수탑본체(20c) 내부로 유입되지 않도록 차단하는 기능을 수행하게 된다.
아울러, 본 발명의 변형예를 적용할 경우에는 바이오가스 중에 포함된 불순물의 농도가 변화하더라도 다단 사이클론장치(20)에서의 처리과정을 가감하거나 순서를 조정함으로써 처리시간 단축을 통해 생산성을 향상시킬 수 있고, 메탄의 농도가 일정한 고품질의 바이오가스를 생산할 수 있다. 예컨대, 가스감지부(50)에 의해 감지되는 불순물의 농도에 따라 유입측 사이클론(20a)을 경유한 바이오가스의 배기측 싸이클론(20b)으로 향하는 배출경로를 쓰리웨이 밸브(70)의 개폐동작을 통해 제어함으로써 다단 싸이클론장치(20)에서 불순물 처리과정의 순서와 횟수를 조정하는 방법으로 시행한다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 바이오가스 생산설비의 전처리 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어나지 않은 범위 내에서 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 있다고 할 것이다.
10:스크러버장치 11:스크러몸체
12:폴링층 13:분사수단
14,23:데미스터 15:분사액 공급장치
20:다단 사이클론장치 20a:유입측 사이클론
20b:배기측 사이클론 20c:흡수탑본체
21:사이클론몸체 211:접속구
212:연결배기구 22:유입측 연결라인
24:사이클론 연결라인 24a:연장 사이클론연결라인
25:바이패스라인 26:역류방지밸브
30:압송장치 40:흡수액혼합장치
41:대경부 42:소경부
43:흡수액 공급관 50:가스감지부
60:압력감지부 70:쓰리웨이 밸브

Claims (4)

  1. 바이오가스 생산설비의 전처리 시스템에 있어서,
    유기성 폐기물을 혐기성 처리를 통해 생성된 바이오가스가 유입구를 통해 유입되어 불순물의 제거과정을 거친 후 배출구를 통해 배출되도록 구성된 스크러버장치;
    상기 배출구와 접속된 유입측 연결라인이 접속되는 접속구가 사이클론몸체의 측방에 형성되고 상부에 연결배기구가 형성된 유입측 사이클론, 상기 유입측 사이클론과 동일하게 사이클론몸체에 접속구와 연결배기구가 형성된 구조로 형성되어 상기 유입측 사이클론의 상부에 다층 구조로 배치되고, 하측에 위치하는 사이클론몸체의 연결배기구와 상측에 위치하는 사이클론몸체의 접속구가 상기 사이클론 연결라인에 의해 접속되는 형태로 배치되는 복수의 배기측 사이클론, 상기 유입측 사이클론 및 상기 배기측 사이클론이 내장되는 흡수탑본체를 구비한 다단 사이클론장치;
    상기 유입측 연결라인 및 상기 사이클론 연결라인에 접속되어 바이오가스를 압송시키는 압송장치; 및
    상기 사이클론몸체 내부로 흡수액을 공급하기 위해 설치되는 흡수액혼합장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산설비의 전처리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 흡수탑본체는 상기 유입측 사이클론 및 상기 배기측 사이클론의 하단 출구로 배출되는 잔류가스가 수용되는 잔류가스 수용공간이 형성되도록 기밀용기로 구성되고,
    상기 잔류가스 수용공간의 잔류가스가 상기 유입측 사이클론으로 재투입 되도록 상기 흡수탑본체와 상기 유입측 사이클론의 접속구 앞쪽의 상기 유입측 연결라인과 접속되는 바이패스라인과, 상기 바이패스라인에 접속되어 역류를 방지하는 역류방지밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산설비의 전처리 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유입측 사이클론 및 상기 배기측 사이클론의 내부에 설치되어 바이오가스 중에 포함된 불순물의 농도를 감지하는 가스감지부;
    상기 유입측 사이클론 및 상기 배기측 사이클론의 내부에 설치되어 내부 압력을 감지하는 압력감지부;
    상기 가스감지부 및 상기 압력감지부로부터 인가되는 신호에 따라 상기 압송장치 및 상기 흡수액혼합장치의 구동을 제어하는 제어부; 및
    상기 사이클론 연결라인에 상기 연결배기구와 상기 접속구 사이에 서로 연결되도록 연장, 형성되는 연장 사이클론연결라인;
    상기 접속구와 상기 사이클론 연결라인의 접속부위에 상기 연장 사이클론연결라인과 접속되게 설치되고 상기 제어부의 제어하에 개폐되는 쓰리웨이 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산설비의 전처리 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스크러버장치는,
    상기 유입구와 상기 배출구가 형성된 스크러버몸체;
    상기 유입구의 상부에 해당되는 상기 스크러버몸체의 내부에 배치되고 다수의 폴링(pall ring)이 적층된 폴링층;
    상기 폴링층 상부의 상기 스크러버몸체 내부에 배치되고 액상의 흡수제가 분사되는 분사노즐을 구비한 분사수단;
    상기 분사수단 상부의 상기 스크러버몸체의 내부에 배치되는 데미스터(demister); 및
    상기 분사수단으로 흡수제를 공급하는 분사액 공급장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 생산설비의 전처리 시스템.
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