KR101261345B1 - 바이오 가스 전처리 장치 및 이를 이용한 바이오 가스에 함유된 수분을 제거하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바이오 가스 전처리 장치에 관한 것으로, 수집된 바이오 가스를 수용하여 일시적으로 저장하는 드럼으로서, 상기 드럼 내에서 포화되어 응축된 수분을 제거하는 녹아웃 드럼; 상기 녹아웃 드럼을 통해 수분이 제거된 바이오 가스를 통과시켜 불순물을 제거하는 제1 필터; 상기 제1 필터를 통과한 바이오 가스를 발전에 적합한 압력으로 압축시켜 송출하는 부스터; 상기 부스터에 의해 압축된 바이오 가스를 냉각시킴으로써, 상기 바이오 가스를 발전에 적합한 온도를 갖는 바이오 가스로 냉각시키고, 상기 바이오 가스에 포함된 수분을 응축시켜 응축수로 변환시키는 냉각기; 상기 냉각기를 통해 냉각된 바이오 가스 및 변환된 응축수를 함께 회전시켜, 상기 바이오 가스와 상기 응축수를 원심력에 의해 분리시키는 동시에, 상기 바이오 가스에 존재하는 수용성 불순물을 제거하는 분리기; 및 상기 분리기를 통해 분리된 바이오 가스를 통과시켜 불순물을 제거하는 제2 필터;를 포함한다.

Description

바이오 가스 전처리 장치 및 이를 이용한 바이오 가스에 함유된 수분을 제거하는 방법 {PRE-TREATMENT EQUIPMENT FOR BIO GAS AND METHOD FOR REMOVING WATER OUT OF BIO GAS BY USING THE SAME}

본 발명은 바이오 가스 전처리 장치 및 이를 이용한 바이오 가스에 함유된 수분을 제거하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 바이오 가스에 함유된 수분 및 불순물을 효율적이고 친환경적으로 제거할 수 있는 바이오 가스 전처리 장치 및 이를 이용한 바이오 가스에 함유된 수분을 제거하는 방법에 관한 것이다.

교토의정서가 발효되면서 세계 각국은 온실가스를 줄이기 위한 다방면의 노력을 기울이고 있다. 일례로, 음식물쓰레기, 축산폐수, 그리고 도시폐수 등의 유기물이 다량 함유된 폐기물을 소각시키지 않고, 매립, 해양투기 또는 공공처리 등을 통해 처리되고 있다.

보다 구체적으로 예를 들면, 하루에 약 5,500톤 정도의 음폐수와, 약 7,000톤 정도의 가축분뇨와, 약9,500톤 정도의 하수/폐수가, 즉 전체적으로 하루에 약 22,000톤 정도의 엄청난 양의 유기성 폐기물이 해양투기를 통해 처리되고 있다.

그러나, 런던협약으로 인해 해양투기가 금지되고 환경적인 이유로 매립 또한 점점 힘들어질 것으로 예측되기 때문에, 앞으로는 많은 양의 폐기물을 공공처리를 통해 처리할 수밖에 없는 실정이며, 이를 처리하기 위한 장치, 기기들이 많이 개발되고 있는 추세에 있으며, 나아가 바이오 가스를 처리하여 다양하게 이용할 수 있도록 처리하는 장치, 기기들도 계속하여 개발되고 있는 추세에 있다.

일반적으로, 이러한 장치, 기기들에 있어서 가장 중요한 문제는, 매립시 발생되는 바이오 가스에 함유되어 있는 불순물 및 상기 불순물과 혼합될 수 있는 수분을 어떻게 제거하느냐이다.

즉, 메탄이 50% 이상 함유된 바이오 가스는 바로 발전을 통해 에너지로 활용될 수도 있지만, 바이오 가스에 들어 있는 수분과 황화수소, 암모니아, 실록산 등의 불순물이 제거되지 않는 경우, 이를 처리하는 장치, 기기들의 효율저하, 부식으로 인한 손상 및 운전정지 등이 야기될 수 있으므로 바람직하지 않으며, 특히 바이오 가스의 적용성을 확대하기 위해서는 상기와 같이 언급된 불순물들을 잘 제거하는 것이 매우 중요하다고 할 수 있다.

따라서, 바이오 가스를 이용시키기에 적합한 상태로 변경시키는 종래의 바이오 가스 전처리 장치에는, 불순물을 제거하기 위한 별도의 장치(예를 들면, 황화수소 흡착장치, 수분 제거장치 등)가 추가적으로 결합되어 있다.

즉, 도 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 대표적으로 바이오 가스와 혐기성 소화가스를 포함하는 바이오 가스를 다양한 용도로 사용하기 위하여 불순물을 제거하기 위한 전처리공정은 모든 공정에 있어서 전제가 되고 있으며, 이러한 전처리 공정을 처리하기 위하여 별도의 바이오 가스 전처리 장치가 추가적으로 결합되어 있다.

그러나, 종래에는 추가적으로 결합되는 불순물을 제거하기 위한 별도의 장치 각각의 효율을 높이기 위한 방법만이 주로 개발되어 왔는바, 바이오 가스를 발전에 이용하는데 있어서 적합한 상태, 즉 가스엔진이나 스팀터빈으로 공급할 수 있을 정도의 상태로 변경시키는 바이오 가스 전처리 장치 전체로 볼 때에 그다지 효율적인 방법은 아직 개발되지는 못하고 있는 실정이다.

또한, 이러한 종래의 추가적으로 결합되는 불순물을 제거하기 위한 별도의 장치의 경우에, 그 효율을 높이는 과정에서 환경 오염물질이 많이 배출되는 경우가 많아 새로운 환경문제를 야기하는 경우가 종종 발생되고 있는 실정이다.

그러므로, 이러한 실정을 해결할 수 있는 새로운 바이오 가스 전처리 장치에 대한 개발이 이루어지고 있으며, 본 발명도 이러한 개발의 일환으로 발명된 것이다.

특히, 본 발명은 출원인이 오랜 기간 동안 많은 비용을 투자하여 개발한 것으로서, 2013년부터 실시되는 음폐수 및 가축분뇨의 해양투기 금지 규정에 따라 전국적으로 건설되고 있는 음폐수처리장의 음폐수바이오가스에너지사업에 있어서 획기적인 기술이 될 수 있을 것으로 보여지며, 나아가 2014년부터 본격적인 국내 바이오 가스 플랜트에 있어서도 충분히 적용할 수 있을 것으로 보여진다.

본 발명의 기술적 과제는, 바이오 가스에 함유된 수분 및 불순물을 효율적이고 친환경적으로 제거할 수 있는 바이오 가스 전처리 장치 및 이를 이용한 바이오 가스에 함유된 수분을 제거하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제는, 본 발명에 따라, 수집된 바이오 가스를 수용하여 일시적으로 저장하는 드럼으로서, 상기 드럼 내에서 포화되어 응축된 수분을 제거하는 녹아웃 드럼; 상기 녹아웃 드럼을 통해 수분이 제거된 바이오 가스를 통과시켜 불순물을 제거하는 제1 필터; 상기 제1 필터를 통과한 바이오 가스를 발전에 적합한 압력으로 압축시켜 송출하는 부스터; 상기 부스터에 의해 압축된 바이오 가스를 냉각시킴으로써, 상기 바이오 가스를 발전에 적합한 온도를 갖는 바이오 가스로 냉각시키고, 상기 바이오 가스에 포함된 수분을 응축시켜 응축수로 변환시키는 냉각기; 상기 냉각기를 통해 냉각된 바이오 가스 및 변환된 응축수를 함께 회전시켜, 상기 바이오 가스와 상기 응축수를 원심력에 의해 분리시키는 동시에, 상기 바이오 가스에 존재하는 수용성 불순물을 제거하는 분리기; 및 상기 분리기를 통해 분리된 바이오 가스를 통과시켜 불순물을 제거하는 제2 필터;를 포함하는, 바이오 가스 전처리 장치에 의하여 달성될 수 있다.

여기서, 본 발명에 따른 바이오 가스 전처리 장치는, 상기 분리기에서 분리된 바이오 가스의 상태를 측정하여 발전에 적합한 상태가 아니라고 판단될 경우 상기 바이오 가스를 상기 부스터로 재송출시키는 피드백 유닛을 더 포함하여 구성될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 바이오 가스 전처리 장치에 있어서, 상기 냉각기는, 상기 부스터에 의해 압축된 바이오 가스가 상기 부스터로부터 유입되어 상기 분리기로 배출되도록 유동하는 유로관과, 상기 유로관을 따라 유동하는 바이오 가스를 냉각시키기 위하여 상기 유로관을 둘러싸고 상기 유로관 주변으로 냉각액이 흐르도록 마련된 하우징을 포함하여 구성될 수 있으며, 이때 상기 냉각액이 상기 분리기에 인접한 상기 하우징의 일측 하단에서 상기 부스터에 인접한 상기 하우징의 타측 상단으로 흘러, 상기 바이오 가스가 유동하는 방향과 반대방향으로, 상기 유동하는 바이오 가스를 냉각시킬 수 있다.

또한, 상기 분리기는, 상기 냉각기를 통해 냉각된 바이오 가스 및 변환된 응축수를 수용하는 원통형의 탱크와, 상기 탱크의 중심축을 회전축으로 하여 상기 탱크 내부에서 회전하는 로터를 포함하여 구성될 수 있으며, 이때 상기 로터의 회전에 의해 상기 응축수가 상기 탱크의 측벽을 향해 분산됨으로써, 분산되지 않는 상기 바이오 가스와 분산되는 상기 응축수가 서로 분리되는 동시에, 상기 바이오 가스에 존재하는 수용성 불순물 및 수분이 분산되는 상기 응축수에 흡착되어 상기 바이오 가스로부터 분리될 수 있다.

이때, 상기 냉각기를 통해 냉각된 바이오 가스 및 변환된 응축수 중 입자의 크기가 상대적으로 작은 응축수는 상기 로터의 상측으로 유입될 수 있으며, 상기 냉각기를 통해 변환된 응축수 중 상기 로터의 상측으로 유입되지 않은 입자의 크기가 상대적으로 큰 응축수는 상기 로터의 하측으로 유입될 수 있다.

구체적으로, 상기 로터는, 상광하협의 호퍼 형상으로 형성되고, 상단부의 외주면이 상기 탱크의 내주면과 접하여 상기 탱크의 중앙부에 장착될 수 있으며, 상기 로터의 상측으로 유입된 상기 바이오 가스 및 입자의 크기가 상대적으로 작은 응축수는 상기 로터의 내측면에 의해 형성되는 공간 내로 유입되어 함께 회전하여 분리되어, 상기 바이오 가스는 상기 탱크의 상측으로 배출되고, 상기 입자의 크기가 상대적으로 작은 응축수는 상기 탱크의 하측으로 배출될 수 있고, 상기 로터의 하측으로 유입된 입자의 크기가 상대적으로 큰 응축수는 상기 로터의 하측 외측면과 상기 탱크의 내주면 사이를 통과하여, 상기 탱크의 하측으로 배출될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 바이오 가스 전처리 장치에 있어서, 상기 부스터는, 상기 제1 필터를 통과한 바이오 가스의 압력 및 유량에 대응하여 압축 용량을 제어할 수 있도록, 인버터 모터로 구성될 수 있다.

또한, 상기 제2 필터는, 산성가스 제거용 첨착활성탄 흡착제로 구성되어 상기 분리기에서 분리된 바이오 가스에 존재하는 황화합물을 제거하는 활성탄 필터와, 상기 활성탄 필터를 통과한 바이오 가스에 잔존하는 미세먼지를 제거하는 연료 필터를 포함하여 구성될 수 있다.

한편, 상기 기술적 과제는, 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 바이오 가스 전처리 장치를 이용하여 바이오 가스에 함유된 수분을 제거하는 방법에 의하여도 달성될 수 있다. 즉, 상기 기술적 과제는, 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 바이오 가스 전치리 장치를 통해 바이오 가스의 수분을 제거하는 방법으로서, 상기 녹아웃 드럼 내부에 수용된 바이오 가스의 포화수증기량을 초과함으로써 응축되는 응축수를 제거하여 수분을 제거하는 제1 단계; 상기 냉각기에 의해 바이오 가스의 온도가 발전에 적합한 온도로 낮추어질 때 상기 바이오 가스의 이슬점 온도가 낮아짐으로써 응축되는 응축수를 제거하여 수분을 제거하는 제2 단계; 및 상기 분리기에 의해 상기 냉각기를 통해 냉각된 바이오 가스 및 변환된 응축수가 함께 회전될 때 상기 응축수가 상기 바이오 가스에 존재하는 수분을 흡착시킴으로써 상기 수분을 제거하는 제3 단계;를 포함하는, 바이오 가스에 함유된 수분을 제거하는 방법에 의하여도 달성될 수 있다.

본 발명에 따른 바이오 가스 전처리 장치 및 이를 이용한 바이오 가스에 함유된 수분을 제거하는 방법에 의하면, 바이오 가스에 함유된 수분 및 불순물을 효율적이고 친환경적으로 제거할 수 있다는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 바이오 가스 전처리 장치의 일 실시예가 활용되는 공정을 설명하기 위한 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 바이오 가스 전처리 장치의 일 실시예를 바이오 가스의 이동경로에 따라 도시한 개략도이다.
도 3은 도 2에 도시된 일 실시예에 대하여 당업자의 이해를 돕기 위해 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따른 바이오 가스 전처리 장치의 일 실시예에 포함되는 냉각기와 분리기를 도시한 평면도이다.
도 5는 도 2에 도시된 냉각기와 분리기의 정단면도로서, 상기 냉각기와 분리기에서의 바이오 가스의 유동 방향과 냉각액 및 응축수의 흐름 방향을 함께 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

먼저, 도 2 내지 도 5를 참조하여, 본 발명에 따른 바이오 가스 전처리 장치의 일 실시예의 구성을 상세히 설명한다. 여기서, 도 2는 본 발명에 따른 바이오 가스 전처리 장치의 일 실시예를 바이오 가스의 이동경로에 따라 도시한 개략도이고, 도 3은 도 2에 도시된 일 실시예에 대하여 당업자의 이해를 돕기 위해 도시한 순서도이다. 한편, 도 4는 본 발명에 따른 바이오 가스 전처리 장치의 일 실시예에 포함되는 냉각기와 분리기를 도시한 평면도이며, 도 5는 도 2에 도시된 냉각기와 분리기의 정단면도로서, 상기 냉각기와 분리기에서의 바이오 가스의 유동 방향과 냉각액 및 응축수의 흐름 방향을 함께 도시한 도면이다.

도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 바이오 가스 전처리 장치의 일 실시예는, 녹아웃 드럼(100), 제1 필터(200), 부스터(300), 냉각기(400), 분리기(500), 제2 필터(600)를 포함하여 구성될 수 있다.

녹아웃 드럼(knock-out drum, 100)은 수집된 바이오 가스를 수용하여 일시적으로 저장하는 드럼이다.

여기서, 바이오 가스를 수집하는 방법은 제한적이지 않고 다양한 방법이 있을 수 있다. 일례로 매립지에 매설하여 놓은 수집기(미도시)를 통해 바이오 가스의 일종인 매립가스(LFG ; LandFill Gas)를 수집할 수도 있으며, 하수/음폐수/분뇨 처리장에 설치된 밀폐 저장소(미도시)를 통해 바이오 가스의 일종인 혐기성 소화 가스(ADG ; Anaerobic Digestion Gas)를 수집할 수도 있다. 다만, 이후 서술할 바이오 가스와 관련된 수치적인 내용은 혐기성 소화 가스를 전제로 설명한 것으로서, 경우에 따라서 바이오 가스의 종류 및 관련된 수치적인 내용이 달라질 가능성을 배제할 수 없다.

또한, 녹아웃 드럼(100)에 이와 같이 수집된 바이오 가스를 바로 공급할 수도 있지만, 가스 홀더(gas holder ; 도 3 참조, 도면부호 미부여)를 거쳐 녹아웃 드럼(100)에 저장되는 바이오 가스의 유량을 일정 정도 맞출 수 있다. 구체적으로, 이후 서술할 바이오 가스와 관련된 압력/온도 및 출원인이 실시하고자 하는 본 발명에 따른 바이오 가스 전처리 장치의 각 구성의 크기를 고려하여, 약 520[(N)m³/hr]의 유량이 가스홀더를 거쳐 녹아웃 드럼(100)에 저장된다.

한편, 녹아웃 드럼(100)에서 바이오 가스를 저장하는 일시적인 시간은 본 발명에 따른 바이오 가스 전처리 장치의 일 실시예에 의해 전처리되는 바이오 가스의 양에 영향을 받을 것이다. 즉, 많은 양의 발전(generation)이 필요한 경우 전처리해야 되는 바이오 가스의 양도 늘어나게 되고, 그만큼 녹아웃 드럼(100)에서 배출되는 바이오 가스의 양 역시 늘어나야 되므로, 매출가스가 녹아웃 드럼(100)에 저장되는 일시적인 시간은 짧아지게 될 것이다.

이와 같은 녹아웃 드럼(100)은 수집된 바이오 가스를 수용하여 단순히 일시적으로 저장하는 역할에 그치지 않고, 바이오 가스에 함유되어 있는 수분을 1차적으로 제거하는 역할도 한다.

즉, 녹아웃 드럼(100)에 바이오 가스를 일정량 이상 저장하게 되면, 저장된 바이오 가스에 함유된 수분에 대한 수증기량은 포화수증기량을 초과하게 되고, 초과한 수증기량에 해당되는 수분은 응축되어 응축수로 변환하게 된다. 이와 같이 변환한 응축수는 중력에 의해 녹아웃 드럼(100)의 하측에 모이게 되는바, 사용자는 녹아웃 드럼(100)의 하측에 모여있는 응축수를 배출(제거)함으로써 결론적으로 녹아웃 드럼(100)에 저장된 바이오 가스의 수분을 제거할 수 있다.

한편, 이와 같이 1차적으로 수분을 제거한 바이오 가스는 녹아웃 드럼(100)에서 부스터(300)로 송출되는데, 그 전에 일정크기의 불순물을 제거하기 위하여 제1 필터(200)를 통과하게 된다.

이때, 제1 필터(200)는, 후술할 제2 필터(600)와 같이 화학적 불순물을 제거하기 위한 목적보다는, 바이오 가스가 이후 유동하는 구성(예를 들면, 후술할 부스터(300), 냉각기(400), 분리기(500) 등)을 보호하기 위한 목적으로, 물리적으로 일정 크기 이상의 불순물을 제거하는 필터라고 할 것이다.

한편, 이와 같은 제1 필터(200)를 통과한 바이오 가스는 발전에 적합한 압력으로 압축되어 송출되어야 하는데, 이러한 역할을 하는 구성이 후술할 부스터(booster, 300)이다. 즉, 부스터(300)는 기체를 압축시켜 송출하는 모터를 일 구성으로 하여, 바이오 가스를 압축시켜 후술할 냉각기(400)로 송출시키는 구성요소이다.

이때, 부스터(300)를 구성하는 모터는 기체를 압축시켜 송출할 수 있다면 그 종류에 대하여는 특별히 제한적이지 않다고 할 것이다. 하지만, 바이오 가스의 압력 및 유량에 대응하여 압축 용량을 제어하기 용이하도록, 부스터(300)를 구성하는 모터를 인버터 모터(inverter motor)로 하는 것이 유리할 수 있다.

또한, 이러한 부스터(300)를 1개만 설치하여도 무방하나, 더 큰 압축 용량을 확보하기 위하여 2개 이상 병렬로 설치할 수도 있다. 참고로, 도 1에서는 병렬로 연결된 2개의 부스터(300)가 도시되어 있으며, 부스터(300)에 개수에 대응하여 전술한 제1 필터(200)도 2개가 설치되어 있음을 확인할 수 있다.

한편, 이와 같이 부스터(300)를 통과한 바이오 가스는 발전에 적합한 고압으로 압축되나, 압축 과정에서 발전에는 적합하지 않은 온도로까지 가열될 수 있다. 즉, 제1 필터(200)에서 부스터(300)로 유입되기 이전에 약 0.025[Kg/cm²]의 압력을 갖는 바이오 가스가 부스터(300)를 통과하면서 약 0.3[Kg/cm²]의 압력을 갖도록 압축되는 동시에, 온도도 약 42℃에서 약 70℃까지 상승되어 발전에는 적합하지 않는 온도를 갖게 될 수 있다.

따라서 발전에 적합한 온도로 바이오 가스를 냉각시켜 주어야 하며, 이를 해결하기 위해 부스터(300)를 통해 송출된 바이오 가스는 냉각기(cooler, 400)로 유입되게 된다.

즉, 냉각기(400)는 부스터(300)에 의해 압축된 바이오 가스를 냉각시키는 역할을 하는 것으로, 이러한 역할을 수행함으로써 냉각기(400)는 바이오 가스를 발전에 적합한 온도를 갖는 바이오 가스로 냉각시키게 된다. 구체적으로, 전술한 바와 같이 약 70℃까지 상승된 바이오 가스의 온도를 압력의 변화없이 약 5℃까지 하강시킬 수 있는 구성요소가 바로 냉각기(400)이다.

그러나 본 발명에 따른 바이오 가스 전처리 장치의 일 실시예에서의 냉각기(400)의 역할은, 바이오 가스의 온도를 하강시키는 것에 그치지 않으며, 이와 동시에 바이오 가스에 포함된 수분을 응축시켜 응축수로 변환시켜 바이오 가스에 함유되어 있는 수분의 양을 줄이는 데에도 있다.

즉, 바이오 가스의 온도가 하강하게 되면 이슬점 온도가 낮추어 지고, 이에 대응하여 바이오 가스에 함유되어 있는 많은 양의 수분이 응축되어 응축수로 변환하게 되면, 이후 바이오 가스에 함유되어 있는 수분의 양은 줄어들게 된다. 구체적으로, 냉각기(400)를 통과하기 전에 바이오 가스에 함유되어 있는 수분의 양이 약 8.3[vol%] 이었다면, 냉각기(400)를 통과한 이후의 바이오 가스에 함유되어 있는 수분의 양은 약 0.66[vol%]가 될 것이다.

이와 같은 역할을 하는 냉각기(400)는 부스터(300)에 의해 압축된 바이오 가스를 냉각시킬 수 있다면 어떠한 구성으로 형성된다고 할지라도 무방할 것이다. 그러나 보다 상세한 설명을 위하여, 도면에 도시된 냉각기(400)를 예를 들어 설명하면 다음과 같다.

도 4 및 도 5에 구체적으로 도시된 바와 같이, 냉각기(400)는 냉각액이 흐르는 하우징(housing, 410)과, 하우징(410)을 가로질러 바이오 가스가 유동하는 유로관(420)을 포함하여 구성될 수 있다.

구체적으로, 하우징(410)은 유로관(420)을 따라 유동하는 바이오 가스를 냉각시키기 위해 유로관(420)을 둘러싸고 유로관(420) 주변으로 냉각액이 흐르도록 마련된 구성요소이다.

이때, 냉각액은, 냉각 효율을 높이기 위하여, 분리기(500)에 인접한 하우징(410)의 일측 하단에 마련된 유입구(412)를 통해 유입되고, 부스터(300)에 인접한 하우징(410)의 타측 상단에 마련된 배출구(414)를 통해 배출될 수 있도록 할 수 있다.

여기서, 유입구(412)와 배출구(414)는 냉각액 공급부(chiller, 도 3 참조, 도면부호 미부여)와 연결되도록 구성될 수 있으며, 이때 7.3[m³/hr]의 유량을 갖는 냉각액을 -5℃의 유입온도로 유입시키고, 0℃의 배출온도로 배출되도록 할 수 있다.

한편, 냉각액을 바이오 가스가 유동하는 방향과 반대방향으로 흐르게 함으로써, 바이오 가스가 유동하는 방향과 동일한 방향으로 냉각액을 유동시킬 때보다 상호 온도차를 크게 하여, 열교환되는 양을 늘려 냉각 효율을 높일 수 있다. 또한, 냉각액을 하우징(410)의 하측에서 상측으로 흐르게 함으로써, 온도에 따른 비중의 차이에 의한 냉각액의 자연스런 흐름에 역행시켜, 열교환되는 양을 늘려 냉각 효율을 높일 수도 있다.

이러한 냉각액의 흐름을 고려해볼 때, 하우징(410)은 후술할 분리기(500)와는 반대로 높이보다 폭이 더 길게 형성될 것이고, 이를 지지하는 받침대(416)도 후술할 분리기(500)보다 많은 수로 형성될 수 있다. 또한, 냉각기(400)와 후술할 분리기(500)가 연결되는 부분을 고려하여, 하우징(410)을 지지하는 받침대(416)는 후술할 분리기(500)를 지지하는 받침대(516)보다 더 높게 형성될 수 있다.

한편, 유로관(420)은 하우징(410)의 내부에 장착되어 부스터(300)에 의해 압축된 바이오 가스가 부스터(300)로부터 유입되어 분리기(500)로 배출되도록 형성된 구성요소이다.

이러한 유로관(420)은, 냉각 효율을 높이기 위해, 냉각액와 접촉하는 면적을 늘릴 수 있도록 다수의 관으로 나누어져 형성될 수 있다.

즉, 하우징(410)의 일측에 인접한 곳에 마련된 하나의 유입구(422)를 통해 유입된 바이오 가스가, 다수의 관으로 형성된 유로관(420)으로 각각 나누어져 유동하면서 냉각되고 응축수로 변환된 이후에, 하우징(410)의 타측에 인접한 곳에 마련된 수렴부를 통해 냉각된 바이오 가스와 변환된 응축수가 모여진 다음 배출구(424, 426)로 배출되도록, 유로관(420)이 구성될 수 있다.

이와 같이 구성된 냉각기(400)를 통해, 부스터(300)에 의해 압축된 고온의 바이오 가스는 발전에 적합한 온도를 갖게 될 것이며, 온도 변화에 따른 이슬점 온도의 변화로 바이오 가스에 함유된 수분이 응축되어 응축수로 변환될 수 있을 것이다. 그리고 이하 설명될 분리기(500)에 의해 분리됨으로써 녹아웃 드럼(100)에 의한 수분 제거 이후 2차적으로 바이오 가스에 함유된 수분이 제거될 수 있을 것이다.

분리기(separator, 500)는 냉각기(400)를 통해 냉각된 바이오 가스 및 변환된 응축수를 분리시키는 역할을 하는 구성요소로서, 냉각된 바이오 가스와 변환된 응축수를 분리하는 방법은 다양할 수 있지만, 바이오 가스에 존재하는 수용성 불순물(예를 들면, 황화수소)을 동시에 제가하기 위하여 원심력에 의한 방법을 이용할 수 있다.

즉, 분리기(500)는 냉각된 바이오 가스 및 변환된 응축수를 함께 회전시킴으로써, 상(phase)이 다른 바이오 가스(기체)와 응축수(액체)를 원심력으로 서로 분리시키는 동시에, 응축수가 원심력에 의해 이동하면서 바이오 가스에 존재하는 수용성 불순물을 흡착하여 제거할 수 있도록 다양하게 구성될 수 있다.

일례로서, 분리기(500)는 냉각기(400)를 통해 냉각된 바이오 가스 및 변환된 응축수를 수용하는 원통형의 탱크(tank, 510)와, 탱크(510)의 중심축을 회전축으로 하여 탱크(510) 내부에서 회전하는 로터(rotor, 520)를 포함하여 구성될 수 있다.

이와 같이 분리기(500)가 구성되는 경우, 로터(520)의 회전에 의해 응축수가 탱크(510)의 내측벽을 향해 마치 스프레이(spray) 방식으로 분산됨으로써, 분산되지 않는 바이오 가스와 서로 분리될 수 있다. 또한, 이와 동시에 바이오 가스에 존재하는 수용성 불순물은 분산되는 응축수에 흡착되면서 녹게 되어 바이오 가스로부터 분리될 수 있으며, 나아가 바이오 가스에 함유된 미세한 크기의 수분도 물이 갖는 극성으로 인해 응축수에 흡착되면서 결합 되어 바이오 가스로부터 분리될 수 있다.

이때, 냉각기(400)에서 응축된 모든 응축수가 로터(520)를 통해 회전하게 되면, 경우에 따라서는 바이오 가스가 응축수 중 입자의 크기가 상대적으로 작은 응축수를 흡수하여 수분이 제거되지 않고 오히려 증가하게 되는 역효과가 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 역효과를 방지하기 위하여, 냉각기(400)를 통해 변환된 응축수 중 입자의 크기가 상대적으로 큰 응축수는 로터(520)의 하측으로 유입시켜 회전하는 구간을 짧게 하는 반면, 변환된 응축수 중 입자의 크기가 상대적으로 작은 응축수 및 바이오 가스는 로터(520)의 상측으로 유입시켜 회전하는 구간을 길게 할 수 있다.

이러한 역효과를 방지하기 위한 구성을 더욱 구체적으로 구성하여 보면, 로터(520)를 상광하협의 호퍼(hopper) 형상으로 형성하고, 로터(520)의 상단부의 외주면이 탱크(510)의 내주면과 접하여 탱크(510)의 중앙부에 장착되도록 구성할 수 있다.

이와 같이 구성한 로터(520)에 의하면, 로터(520)의 상측으로 유입된 바이오 가스 및 입자의 크기가 상대적으로 작은 응축수는 로터(520)의 내측면에 의해 형성되는 공간 내로 유입되어 함께 회전하여 분리되어, 바이오 가스는 탱크(510)의 상측으로 배출되고, 입자의 크기가 상대적으로 작은 응축수는 탱크의 하측으로 배출되는 반면, 로터(520)의 하측으로 유입된 입자의 크기가 상대적으로 큰 응축수는 로터(520)의 하측 외측면과 탱크(510)의 내주면 사이를 통과하여, 중력에 의해 탱크(510)의 하측으로 배출된다. 이와 같이 응축수의 입자 크기에 따라 분리기(500)에서 분리되는 방식을 로터(520)를 이용하여 다르게 함으로써, 전술한 바와 같은 역효과를 완전 배제할 수 있을 것이다.

정리하면, 이러한 구성을 갖는 분리기(500)에 의해, 냉각기(400)에서 냉각된 바이오 가스 및 변환된 응축수를 분리시키는 동시에, 별도의 스프레이용 물을 공급하지 않고도 분리되는 응축수를 이용함으로써 황화수소와 같은 수용성 불순물 및 수분을 바이오 가스로부터 제거하여 친환경적인 효과를 가져올 수 있을 것이다.

실질적으로, 전술한 바와 같은 압력과 온도 등의 수치적 조건을 갖는 바이오 가스에 대하여, 분리기(500)를 거치기 전에는 약 2000[ppm]의 황화수소가 함유되어 있지만, 분리기(500)를 거치고 나면, 약 923[ppm]로서 2배 이하로 감소하게 될 것이다.

뿐만 아니라, 이러한 구성을 갖는 분리기(500)에 의해, 후술할 제2 필터(600)에 포함된 활성탄 필터(610)를 구성하는 첨착활성탄의 소모 비용을 줄일 수 있다는 점에서 경제적 효과도 가져올 수 있을 것이다.

한편, 분리기(500)에서 배출된 바이오 가스를 곧바로 발전에 이용하여도 무방하지만, 비수용성 불순물 또는 분리기(500)에서 제거되지 못한 일부 수용성 불순물을 제거하지 않을 경우 발생될 수 있는 문제점이 있을 수 있으므로, 본 발명에 따른 바이오 가스 전처리 장치의 일 실시예는 제2 필터(600)를 포함한다.

이러한 이유로 설치되는 제2 필터(600)는 비수용성 불순물 또는 분리기(500)에서 제거되지 못한 일부 수용성 불순물을 제거할 수 있다면, 어떠한 구성을 갖더라도 무방하다.

일례로, 도 1에 도시된 바와 같이, 제2 필터(600)를 활성탄 필터(A/C[Activated Carbon] filter, 610)와, 연료 필터(fuel filter, 620)로 구성할 수 있다.

여기서, 활성탄 필터(610)는 산성가스 제거용 첨착활성탄 흡착제로 구성한 필터로서 바이오 가스에 존재하는 황화합물을 제거하는 필터로서, 구체적으로 활성탄 필터(610)를 통과한 바이오 가스의 황화수소 함유량은 전술한 약 923[ppm]에서 약 20[ppm]으로 낮추어지게 된다.

또한, 연료 필터(620)는 발전을 위한 엔진(미도시)에 유입되는 바이오 가스 중 최종적으로 혼입 우려가 있는 바이오 가스에 잔존하는 미세먼지를 제거하는 필터이다. 이때, 연료 필터(620)는 카트리지 타입(cartridge type)으로 구성하여, 미세먼지가 수집된 구성요소 일부를 손쉽게 교환할 수 있도록 할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 바이오 가스 전처리 장치의 일 실시예는 피드백 유닛(feedback unit, 700)을 더 포함하여 구성함으로써, 발전에 적합한 상태가 된 바이오 가스만을 발전을 위한 엔진(미도시)에 공급할 수 있다. 여기서, 발전에 적합한 바이오 가스의 상태란 바이오 가스의 압력, 온도, 불순물의 함유 정도 등에 있어서 사용자가 가장 적합하다고 판단되는 상태를 의미한다.

이러한 피드백 유닛(700)은 분리기(500)에서 분리된 바이오 가스의 상태를 측정하는 센서(미도시)와 센서(미도시)에 의해 측정된 상태에 따라 바이오 가스가 송출되는 유로를 선택적으로 개방하거나 폐쇄하는 밸브(미도시)로 구성될 수 있으나, 이러한 구성은 하나의 예시적인 것에 불과하고, 다양한 형태로 구성될 수 있다.

즉, 피드백 유닛(700)에 의해, 발전에 적합한 상태의 바이오 가스는 발전을 위한 엔진(미도시)으로 유동할 것이고, 발전에 적합한 상태가 아닌 바이오 가스는 다시 부스터(300), 냉각기(400), 분리기(500)를 거칠 수 있도록 피드백될 것이다.

한편, 녹아웃 드럼(100) 또는 분리기(500)에서 분리된 응축수는 별도의 저장 탱크(WW Sump ; 도 3 참조, 도면부호 미부여)에 저장될 수 있으며, 별도의 장치 및 공정에 의해 처리된다.

이하에서는, 도 2를 참조하여 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 바이오 가스 전처리 장치의 일 실시예를 이용한 바이오 가스에 함유된 수분을 제거하는 방법의 일 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 물론, 앞서 본 발명에 따른 바이오 가스 전처리 장치의 일 실시예의 설명에 의해 바이오 가스에 함유된 수분을 제거하는 방법에 대하여도 당업자가 충분히 이해할 수 있다고 사료되지만, 다시 한 번 설명하기로 한다.

먼저, 제1 단계로서, 바이오 가스가 녹아웃 드럼(100) 내부에 수용되어 있을 때, 포화수증기량을 초과함으로써 응축되는 응축수를 제거함으로써, 바이오 가스에 함유된 수분을 제거할 수 있다.

즉, 녹아웃 드럼(100) 내부에 수용된 바이오 가스에 있어서 바이오 가스의 양이 일정량 이상인 경우에 있어서는 바이오 가스가 갖는 수증기량이 포화수증기량을 초과하게 될 것이고, 초과된 수증기는 응축되어 녹아웃 드럼(100) 하측으로 모이게 되는바, 이를 제거함으로써 바이오 가스에 함유된 수분을 1차적으로 제거할 수 있다. 물론, 이때 녹아웃 드럼(100) 내부의 온도를 제어하여 포화수증기량 자체를 조절함으로써 바이오 가스에 함유된 수분 중에서 제거하는 양도 조절할 수 있음은 당연하다.

그 이후, 제2 단계로서, 부스터(300)에서 압축된 바이오 가스를 냉각기(400)에 의해 발전에 적합한 온도로 낮출 때, 함께 낮아지는 바이오 가스의 이슬점 온도에 대응하여 응축되는 응축수를 제거함으로써, 바이오 가스에 함유된 수분을 제거할 수 있다.

즉, 냉각기(400)를 통해 바이오 가스를 발전에 적합한 온도로 낮추면, 이슬점 온도에 해당하는 수증기량에 대응하는 만큼 수분이 바이오 가스에 함유하게 되고, 이를 벗어나는 수분은 응축되어 응축수로 변환된다. 이와 같이 변환된 응축수는 분리기(500)에 의해 원심력에 의해 냉각된 바이오 가스와 분리되고, 이로 인해 바이오 가스에 함유된 수분의 양은 현저히 줄어들게 된다.

마지막으로, 제3 단계로서, 분리기(500)에 의해 바이오 가스와 응축수가 함께 회전될 때, 응축수가 바이오 가스에 존재하는 수분을 흡착시킴으로써, 바이오 가스에 함유된 수분을 제거할 수 있다.

이러한 제3 단계는, 제2 단계에서의 바이오 가스와 응축수를 분리하는 과정에서 바이오 가스에 함유된 수분을 제거하는 단계로서, 전술한 바와 같은 구성으로 분리기(500)를 구성할 때, 로터(520)의 회전에 의해 분산되는 응축수를 이용하여 바이오 가스에 존재하는 미세한 수분을 제거하는 단계이다.

이와 같이 제1 단계 내지 제3 단계에 걸쳐 제거되는 바이오 가스에 함유된 수분은 약 90% 이상이 되는바, 종래의 바이오 가스 전처리 장치에 의해 제거되는 것에 비하여 상당히 효율이 좋다고 할 것이다.

한편, 제3 단계에 있어서는 수분뿐만 아니라 수용성 불순물을 분산되는 응축수를 이용하여 제거할 수 있으며, 일례로 이러한 제3 단계를 거칠 때 황화수소는 약 50% 이상 제거될 수 있다.

따라서, 이로 인해 이를 제거하기 위한 별도의 약품을 사용하는 양이 현저히 줄어드는바, 종래의 바이오 가스 전처리 장치에 의해 제거되는 것에 비하여 상당히 친환경적이라고 할 것이다.

이와 같이 효율적이고 친환경적으로 바이오 가스를 전처리함으로써, 전처리에 필요한 동력을 현저히 줄일 수 있으며 불순물을 제거하기 위한 별도의 비용이 낭비되지 않으므로 경제적인 측면에서도 매우 우수하다고 할 것이며, 향후 산업안전보건법상에 마련될 조건도 충분히 만족시킬 수 있다고 할 것이다.

앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

100 : 녹아웃 드럼 200 : 제1 필터
300 : 부스터 400 : 냉각기
410 : 하우징 412 : 냉각액 유입구
414 : 냉각액 배출구 416 : 받침대
420 : 유로관 422 : 바이오 가스 유입구
424 : 바이오 가스 배출구 426 : 응축수 배출구
500 : 분리기 510 : 탱크
512 : 바이오 가스 배출구 514 : 응축수 배출구
516 : 받침대 520 : 로터
600 : 제2 필터 610 : 활성탄 필터
620 : 연료 필터 700 : 피드백 유닛

Claims (9)

1. 수집된 바이오 가스를 수용하여 일시적으로 저장하는 드럼으로서, 상기 드럼 내에서 포화되어 응축된 수분을 제거하는 녹아웃 드럼;
   상기 녹아웃 드럼을 통해 수분이 제거된 바이오 가스를 통과시켜 불순물을 제거하는 제1 필터;
   상기 제1 필터를 통과한 바이오 가스를 발전에 적합한 압력으로 압축시켜 송출하는 부스터;
   상기 부스터에 의해 압축된 바이오 가스를 냉각시킴으로써, 상기 바이오 가스를 발전에 적합한 온도를 갖는 바이오 가스로 냉각시키고, 상기 바이오 가스에 포함된 수분을 응축시켜 응축수로 변환시키는 냉각기;
   상기 냉각기를 통해 냉각된 바이오 가스 및 변환된 응축수를 함께 회전시켜, 상기 바이오 가스와 상기 응축수를 원심력에 의해 분리시키는 동시에, 상기 바이오 가스에 존재하는 수용성 불순물을 제거하는 분리기;
   상기 분리기를 통해 분리된 바이오 가스를 통과시켜 불순물을 제거하는 제2 필터; 및
   상기 분리기에서 분리된 바이오 가스의 상태를 측정하여, 발전에 적합한 상태가 아니라고 판단될 경우 상기 바이오 가스를 상기 부스터로 재송출시키는 피드백 유닛을 포함하는,
   바이오 가스 전처리 장치.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 냉각기는, 상기 부스터에 의해 압축된 바이오 가스가 상기 부스터로부터 유입되어 상기 분리기로 배출되도록 유동하는 유로관과, 상기 유로관을 따라 유동하는 바이오 가스를 냉각시키기 위하여 상기 유로관을 둘러싸고 상기 유로관 주변으로 냉각액이 흐르도록 마련된 하우징을 포함하며,
   상기 냉각액이 상기 분리기에 인접한 상기 하우징의 일측 하단에서 상기 부스터에 인접한 상기 하우징의 타측 상단으로 흘러, 상기 바이오 가스가 유동하는 방향과 반대방향으로, 상기 유동하는 바이오 가스를 냉각시키는 것을 특징으로 하는,
   바이오 가스 전처리 장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 분리기는, 상기 냉각기를 통해 냉각된 바이오 가스 및 변환된 응축수를 수용하는 원통형의 탱크와, 상기 탱크의 중심축을 회전축으로 하여 상기 탱크 내부에서 회전하는 로터를 포함하며,
   상기 로터의 회전에 의해 상기 응축수가 상기 탱크의 측벽을 향해 분산됨으로써, 분산되지 않는 상기 바이오 가스와 분산되는 상기 응축수가 서로 분리되는 동시에, 상기 바이오 가스에 존재하는 수용성 불순물 및 수분이 분산되는 상기 응축수에 흡착되어 상기 바이오 가스로부터 분리되는 것을 특징으로 하는,
   바이오 가스 전처리 장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 냉각기를 통해 냉각된 바이오 가스 및 변환된 응축수 중 입자의 크기가 상대적으로 작은 응축수는 상기 로터의 상측으로 유입되며,
   상기 냉각기를 통해 변환된 응축수 중 상기 로터의 상측으로 유입되지 않은 입자의 크기가 상대적으로 큰 응축수는 상기 로터의 하측으로 유입되는 것을 특징으로 하는,
   바이오 가스 전처리 장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 로터는, 상광하협의 호퍼 형상으로 형성되고, 상단부의 외주면이 상기 탱크의 내주면과 접하여 상기 탱크의 중앙부에 장착되며,
   상기 로터의 상측으로 유입된 상기 바이오 가스 및 입자의 크기가 상대적으로 작은 응축수는 상기 로터의 내측면에 의해 형성되는 공간 내로 유입되어 함께 회전하여 분리되어, 상기 바이오 가스는 상기 탱크의 상측으로 배출되고, 상기 입자의 크기가 상대적으로 작은 응축수는 상기 탱크의 하측으로 배출되며,
   상기 로터의 하측으로 유입된 입자의 크기가 상대적으로 큰 응축수는 상기 로터의 하측 외측면과 상기 탱크의 내주면 사이를 통과하여, 상기 탱크의 하측으로 배출되는 것을 특징으로 하는,
   바이오 가스 전처리 장치.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 부스터는, 상기 제1 필터를 통과한 바이오 가스의 압력 및 유량에 대응하여 압축 용량을 제어할 수 있도록, 인버터 모터로 구성되는 것을 특징으로 하는,
   바이오 가스 전처리 장치.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 제2 필터는, 산성가스 제거용 첨착활성탄 흡착제로 구성되어 상기 분리기에서 분리된 바이오 가스에 존재하는 황화합물을 제거하는 활성탄 필터와, 상기 활성탄 필터를 통과한 바이오 가스에 잔존하는 미세먼지를 제거하는 연료 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는,
   바이오 가스 전처리 장치.
   
9. 제1항 및 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 바이오 가스 전처리 장치를 통해 바이오 가스의 수분을 제거하는 방법으로서,
   상기 녹아웃 드럼 내부에 수용된 바이오 가스의 포화수증기량을 초과함으로써 응축되는 응축수를 제거하여 수분을 제거하는 제1 단계;
   상기 냉각기에 의해 바이오 가스의 온도가 발전에 적합한 온도로 낮추어질 때 상기 바이오 가스의 이슬점 온도가 낮아짐으로써 응축되는 응축수를 제거하여 수분을 제거하는 제2 단계; 및
   상기 분리기에 의해 상기 냉각기를 통해 냉각된 바이오 가스 및 변환된 응축수가 함께 회전될 때 상기 응축수가 상기 바이오 가스에 존재하는 수분을 흡착시킴으로써 상기 수분을 제거하는 제3 단계;를 포함하는,
   바이오 가스에 함유된 수분을 제거하는 방법.
   

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