KR101327338B1 - 바이오메탄 생산 및 이산화탄소 회수를 위한 시스템 및 그 방법 - Google Patents

바이오메탄 생산 및 이산화탄소 회수를 위한 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 각종 유기성폐기물로부터 발생하는 바이오가스로부터 주성분인 메탄과 이산화탄소를 분리,회수하는 바이오메탄 생산 및 이산화탄소 회수를 위한 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 바이오가스로부터 주성분인 메탄과 이산화탄소를 분리하여 회수하는 과정에서 바이오가스의 막분리를 위한 적정 인입온도를 맞추기 위해 바이오가스를 가열하는 온도조절단계를 포함하고 특히, 이산화탄소를 액화회수하는 과정에서 발생하는 메탄을 상기 온도조절부에 공급하여 연소열원으로 재활용될 수 있게 함으로써 소비에너지를 절감시킬 있게 하고 또한, 바이오가스를 막분리를 위한 인입압력으로 승압하는 과정에서 발생된 열 역시 탈황부 및/또는 온도조절부에 전달하여 공정열원으로 재활용될 수 있게 함으로써 탈황부와 온도조절부에서의 에너지 소비를 절감시키는 바이오메탄 생산 및 이산화탄소 회수를 위한 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

Description

바이오메탄 생산 및 이산화탄소 회수를 위한 시스템 및 그 방법{A System and Method thereof for Production of Biomethane and Recovery of Carbon dioxide}
본 발명은 각종 유기성폐기물로부터 발생하는 바이오가스로부터 주성분인 메탄과 이산화탄소를 분리,회수하는 바이오메탄 생산 및 이산화탄소 회수를 위한 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 바이오가스로부터 주성분인 메탄과 이산화탄소를 분리하여 회수하는 과정에서 바이오가스의 막분리를 위한 적정 인입온도를 맞추기 위해 바이오가스를 가열하는 온도조절단계를 포함하고 특히, 이산화탄소를 액화회수하는 과정에서 발생하는 메탄을 상기 온도조절부에 공급하여 연소열원으로 재활용될 수 있게 함으로써 소비에너지를 절감시킬 있게 하고 또한, 바이오가스를 막분리를 위한 인입압력으로 승압하는 과정에서 발생된 열 역시 탈황부 및/또는 온도조절부에 전달하여 공정열원으로 재활용될 수 있게 함으로써 탈황부와 온도조절부에서의 에너지 소비를 절감시키는 바이오메탄 생산 및 이산화탄소 회수를 위한 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
하수처리장, 폐수처리장, 매립장 등에서의 각종 유기성폐기물에서는 부패하면서 침출수와 더불어 악취와 환경오염을 유발하는 바이오가스가 발생하여 주변 지역의 자연 및 생활환경에 커다란 악영향을 미치게 된다.
이러한 바이오가스의 주성분은 메탄(CH4)이 45~60%, 이산화탄소(CO2)가 40~55% 정도를 차지하고 있고, 기타 미량의 성분들이 포함되어 있다. 바이오가스의 주성분인 메탄과 이산화탄소는 지구온난화의 원인물질로 알려져 있고 특히, 메탄이 지구온난화에 미치는 영향은 이산화탄소의 약 20배 정도에 달한다.
이와 같은 바이오가스를 대기 중에 배출하기 이전에 처리하는 처리시설과 그 공법에 대해 다양한 기술들이 개발되어 오고 있다. 아래 (특허 문헌)는 바이오가스로부터 이산화탄소를 회수하는 기술에 관련된 것이다.
(특허 문헌)
등록특허공보 제10-1203986호(2012. 11. 22. 공고) "바이오가스의 정제가스에 포함된 이산화탄소 액화 회수 시스템 및 그 방법"
종래에 공지되어 있는 기술 중 막분리 방법을 통해 바이오가스로부터 메탄과 이산화탄소를 분리시켜 회수하는 방식에서, 종래 이용되어 오고 있는 1단 막분리 공정으로는 바이오가스에 포함된 메탄의 회수율이 약 80% 정도에 지나지 않아 추가적인 메탄 회수공정이 별도로 필요한 정도로 효율이 떨어지는 문제를 안고 있을 뿐만 아니라, 시스템에서 소모되는 에너지 역시 과도하여 시스템의 에너지 효율이 낮은 문제점을 안고 있다.
따라서, 이러한 종래 기술의 문제점을 개선하고 시스템 자체에서 소모되는 에너지량을 낮추면서도 메탄과 이산화탄소의 회수율을 높일 수 있는 새로운 방식의 시스템에 대한 필요성이 대두되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로,
본 발명의 목적은 바이오가스로부터 주성분인 메탄과 이산화탄소를 분리하여 회수하는 과정에서 바이오가스의 막분리를 위한 적정 인입온도를 맞추기 위해 바이오가스를 가열하는 온도조절단계를 포함하고 특히, 이산화탄소를 액화회수하는 과정에서 발생하는 메탄(잔류가스에 포함된 메탄)을 상기 온도조절부에 공급하여 연소열원으로 재활용될 수 있게 함으로써 소비에너지를 절감시킬 있는 바이오메탄 생산 및 이산화탄소 회수를 위한 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 바이오가스를 막분리를 위한 인입압력으로 승압하는 과정에서 발생된 열 역시 탈황부 및/또는 온도조절부에 전달하여 공정열원으로 재활용될 수 있게 함으로써 탈황부와 온도조절부에서의 에너지 소비를 절감시키는 바이오메탄 생산 및 이산화탄소 회수를 위한 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 바이오가스로부터 주성분인 메탄과 이산화탄소를 분리하는 막분리 구조를 다단으로 형성하며 특히, 바이오가스를 일차로 막분리시킨 이후 분리된 메탄을 재차 막분리시켜 고순도의 분리된 메탄을 생산할 수 있도록 함과 동시에 일차로 막분리되어 회수된 이산화탄소 역시 재차 막분리시켜 고순도의 이산화탄소를 회수할 수 있도록 하는 바이오메탄 생산 및 이산화탄소 회수를 위한 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 다단의 막분리과정을 거치면서 잔류할 수 있는 미량의 메탄까지도 다시 정제시킬 수 있도록 피드백시킴으로써, 메탄의 생산율을 높일 수 있게 하는 바이오메탄 생산 및 이산화탄소 회수를 위한 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바이오메탄 생산 및 이산화탄소 회수를 위한 시스템 및 그 방법은 다음과 같은 구성을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이오메탄 생산 및 이산화탄소 회수를 위한 시스템은 바이오가스에 포함된 황화합물을 제거하는 탈황부; 바이오가스의 막분리를 위한 인입압력을 맞추기 위한 압축부; 바이오가스에 포함된 수분을 제거하는 제습부; 바이오가스의 막분리를 위한 인입온도를 맞추기 위해 바이오가스를 가열하는 온도조절부; 적정 압력과 온도의 바이오가스를 막분리하여 메탄과 이산화탄소로 분리시키는 정제부; 상기 정제부를 거쳐 분리된 이산화탄소를 액화회수하는 이산화탄소회수부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 시스템에 있어서 상기 이산화탄소회수부는 이산화탄소를 액화회수하는 과정에서 발생하는 메탄을 상기 온도조절부에 공급하여 연소열원으로 재활용될 수 있게 하는 제3피드백라인을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 시스템에 있어서 상기 압축부는 바이오가스를 막분리를 위한 인입압력으로 승압하는 과정에서 발생된 열을 상기 탈황부에 전달하는 제1폐열회수라인과, 발생된 열을 상기 온도조절부에 전달하는 제2폐열회수라인을 포함하여, 상기 탈황부와 온도조절부에서의 에너지 소비를 절감시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 시스템에 있어서 상기 정제부는 바이오가스를 일차로 막분리시키는 제1막분리부와, 상기 제1막분리부를 거치면서 분리된 메탄을 재차 막분리시켜 고순도의 분리된 메탄을 생산할 수 있도록 하는 제2막분리부와, 상기 제1막분리부를 거치면서 회수된 이산화탄소를 재차 막분리시켜 고순도의 이산화탄소를 회수할 수 있도록 하는 제3막분리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 시스템에 있어서 상기 정제부는 상기 제2막분리부를 거치면서 분리되는 이산화탄소에 포함된 미량의 메탄을 다시 정제시킬 수 있도록 상기 압축부 전단으로 피드백시키는 제1피드백라인과, 상기 제3막분리부를 거치면서 분리되는 메탄을 다시 정제시킬 수 있도록 상기 압축부 전단으로 피드백시키는 제2피드백라인을 추가로 포함하여, 메탄의 생산율을 높일 수 있게 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이오메탄 생산 및 이산화탄소 회수를 위한 방법은 바이오가스에 포함된 황화합물을 제거하는 탈황단계; 바이오가스의 압력을 막분리를 위한 압력으로 맞추는 압축단계; 바이오가스에 포함된 수분을 제거하는 제습단계; 바이오가스의 온도를 막분리를 위한 온도로 맞추기 위해 바이오가스를 가열하는 온도조절단계; 적정 압력과 온도의 바이오가스를 막분리하여 메탄과 이산화탄소로 분리시키는 정제단계; 상기 정제단계를 거쳐 분리된 이산화탄소를 액화회수하는 이산화탄소회수단계;를 포함하며, 상기 이산화탄소회수단계는 이산화탄소를 액화회수하는 과정에서 발생하는 메탄을 상기 온도조절단계에 공급하여 연소열원으로 재활용될 수 있게 하는 제3피드백단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 방법에 있어서 상기 정제단계는 바이오가스를 일차로 막분리시키는 제1막분리단계와, 상기 제1막분리단계를 거치면서 분리된 메탄을 재차 막분리시켜 고순도의 분리된 메탄을 생산할 수 있게 하는 제2막분리단계와, 상기 제1막분리단계를 거치면서 회수된 이산화탄소를 재차 막분리시켜 고순도의 이산화탄소를 회수할 수 있도록 하는 제3막분리단계를 포함하는 다단 과정을 통해 고순도의 분리된 메탄과 이산화탄소를 얻을 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 방법에 있어서 상기 제2막분리단계를 거치면서 분리되는 이산화탄소에 포함된 미량의 메탄을 다시 정제시킬 수 있도록 상기 압축단계 전으로 피드백시키는 제1피드백단계와, 상기 제3막분리단계를 거치면서 분리되는 메탄을 다시 정제시킬 수 있도록 상기 압축단계 전으로 피드백시키는 제2피드백단계를 포함하여, 메탄의 생산율을 높일 수 있게 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 앞서 본 실시예와 하기에 설명할 구성과 결합, 사용관계에 의해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 바이오가스로부터 주성분인 메탄과 이산화탄소를 분리하여 회수하는 과정에서 바이오가스의 막분리를 위한 적정 인입온도를 맞추기 위해 바이오가스를 가열하는 온도조절단계를 포함하고 특히, 이산화탄소를 액화회수하는 과정에서 발생하는 메탄(잔류가스에 포함된 메탄)을 상기 온도조절부에 공급하여 연소열원으로 재활용될 수 있게 함으로써 소비에너지를 절감시킬 수 있는 효과를 갖는다.
본 발명은 바이오가스를 막분리를 위한 인입압력으로 승압하는 과정에서 발생된 열 역시 탈황부 및/또는 온도조절부에 전달하여 공정열원으로 재활용될 수 있게 함으로써 탈황부와 온도조절부에서의 에너지 소비를 절감시키는 효과를 갖는다.
본 발명은 바이오가스로부터 주성분인 메탄과 이산화탄소를 분리하는 막분리 구조를 다단으로 형성하며 특히, 바이오가스를 일차로 막분리시킨 이후 분리된 메탄을 재차 막분리시켜 고순도의 분리된 메탄을 생산할 수 있도록 함과 동시에 일차로 막분리되어 회수된 이산화탄소 역시 재차 막분리시켜 고순도의 이산화탄소를 회수할 수 있도록 하는 효과를 갖는다.
본 발명은 다단의 막분리과정을 거치면서 잔류할 수 있는 미량의 메탄까지도 다시 정제시킬 수 있도록 피드백시킴으로써, 메탄의 생산율을 높일 수 있게 하는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오메탄 생산 및 이산화탄소 회수를 위한 시스템의 구조를 도시한 블럭도
도 2는 본 발명의 시스템에서 열원이 회수되어 재사용되는 과정을 도시한 참고도
도 3은 제1 및 2막분리부를 거치면서 고순도의 메탄이 생산되는 과정을 도시한 참고도
도 4는 제1 및 3막분리부를 거치면서 고순도의 이산화탄소가 회수되는 과정을 도시한 참고도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오메탄 생산 및 이산화탄소 회수를 위한 방법을 도시한 순서도
이하에서는 본 발명에 따른 바이오메탄 생산 및 이산화탄소 회수를 위한 시스템 및 그 방법의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하도록 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오메탄 생산 및 이산화탄소 회수를 위한 시스템은 바이오가스에 포함된 황화합물을 제거하는 탈황부(10); 바이오가스의 막분리를 위한 인입압력을 맞추기 위해 승압하는 압축부(20); 바이오가스에 포함된 수분을 제거하는 제습부(30); 바이오가스의 막분리를 위한 인입온도를 맞추기 위해 바이오가스를 가열하는 온도조절부(40); 적정 압력과 온도의 바이오가스를 막분리하여 메탄과 이산화탄소로 분리시키는 정제부(50); 상기 정제부(50)를 거쳐 분리된 이산화탄소를 액화회수하는 이산화탄소회수부(60);를 포함할 수 있다.
상기 탈황부(10)는 바이오가스에 포함된 황화합물을 제거하는 구성으로, 다양한 기상 탈황방법을 사용하여 바이오가스에 포함된 황화수소 등의 황화합물을 제거하게 된다. 특히, 상기 탈황부(10)에서는 활성탄 탈황 방법을 사용하여 황화합물을 제거할 수 있는데, 상기 탈황부(10)에서 사용되는 활성탄 탈황 방법은 바이오가스 중의 황화합물(황화수소, 아황산 가스 등)을 활성탄에 흡착시켜 제거하는 방법이다. 아황산 가스와 산소를 포함한 가스를 약 100℃로 유지하여 활성탄 층을 통하면 활성탄에 흡착된 SO2와 O2가 반응하여 SO3가 되며, 가스 중에 수증기가 있으면 황산이 된다. 따라서 활성탄에는 황산으로서 흡착되며, 이 활성탄을 물로 씻으면 황산이 회수되는 방식이다. 본 발명에서는 상기 탈황부(10)의 공정에서 사용되는 열은 후술할 압축부(20)에서 발생된 열을 회수하여 재활용함으로써 소모되는 에너지 효율을 높일 수 있도록 하는데, 이에 대한 구체적 설명은 후술하도록 한다.
상기 압축부(20)는 상기 탈황부(10)를 거친 바이오가스의 압력을 막분리를 위한 인입압력을 맞추기 위해 승압하는 구성으로, 상기 탈황부(10)를 거쳐 인입된 바이오가스에 가압하여 압축 후 압력을 후술할 막분리를 위한 적정 인입압력인 10~20bar로 맞추어 승압시키게 된다. 한편, 본 발명에서는 상기 압축부(20)에서 바이오가스를 막분리를 위한 인입압력으로 승압하는 과정에서 발생된 열을 상기 탈황부(10) 및/또는 후술할 온도조절부(40)에 전달하여 발생된 폐열을 재활용함으로써 시스템에서 소모되는 에너지 소비를 절감할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는데, 이를 위해 상기 압축부(20)에서 승압하는 과정에서 발생된 열을 상기 탈황부(10)에 전달하는 제1폐열회수라인(210)과, 상기 압축부(20)에서 승압하는 과정에서 발생된 열을 후술할 온도조절부(40)에 전달하는 제2폐열회수라인(220)을 포함할 수 있다.
상기 제1폐열회수라인(210)은 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 압축부(20)에서 승압하는 과정에서 발생된 열을 상기 탈황부(10)에 전달할 수 있도록 상기 압축부(20)와 탈황부(10) 간을 연결하는 라인으로, 상기 압축부(20)에서 바이오가스를 막분리를 위한 적정 인입압력에 맞추어 승압하는 과정에서 발생된 열을 상기 탈황부(10)의 열원으로 재활용할 수 있도록 공급함으로써 상기 탈황부(10)에서 소모되는 에너지를 절감하고 또한 흡착분해성능 향상과 흡착제 수명을 연장할 수 있게 된다.
상기 제2폐열회수라인(220)은 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 압축부(20)에서 승압하는 과정에서 발생된 열을 후술할 온도조절부(40)에 전달할 수 있도록 상기 압축부(20)와 온도조절부(40) 간을 연결시키는 라인으로, 상기 압축부(20)에서 바이오가스를 막분리를 위한 적정 인입압력에 맞추어 승압하는 과정에서 발생된 열을 후술할 온도조절부(40)에서 바이오가스를 가열하는데 사용되는 열원으로 재활용할 수 있도록 공급함으로써 온도조절부(40)에서 소모되는 에너지를 절감할 수 있게 된다.
상기 제습부(30)는 바이오가스에 포함된 수분을 제거하는 구성으로, 다양한 기상 제습방식 중 어느 방식을 사용하여 수분을 제거하게 된다. 특히, 상기 제습부(30)에서는 수냉식 열교환기를 통한 냉각으로 응축수를 제거하는 형태의 제습방식을 사용할 수 있다.
상기 온도조절부(40)는 바이오가스의 막분리를 위한 인입온도를 맞추기 위해 바이오가스를 가열하는 구성으로, 특히 본 발명에서는 후술할 정제부(50)에서의 막분리를 통한 메탄과 이산화탄소의 분리회수 효율을 높일 수 있도록 하기 위해(다른 표현으로는 막에 가해질 위해요소를 제거하기 위해), 상기 압축부(20)를 통한 바이오가스의 압력을 적정 압력으로 승압하는 것 이외에 추가로 온도조절부(40)를 통해 바이오가스의 온도까지 적정 온도(20~30℃)로 가열하는 과정을 거치게 한다. 앞서 설명한 바와 같이 상기 제습부(30)에서의 제습과정에서 냉각(약 4℃ 정도)된 바이오가스의 온도를 상기 온도조절부(40)를 통해 적정 온도(20~30℃)로 승온시킴으로써 수분제거 후 응축수 발생을 방지할 수 있게 된다. 이때, 특히 상기 온도조절부(40)에서의 연소열원으로는 후술할 이산화탄소회수부(60)에서 이산화탄소를 액화회수하는 과정에서 발생하는 메탄(잔류가스 중 메탄)을 재활용할 수 있게 하여 소비에너지를 절감시키는데, 이에 대한 구체적 설명은 후술하도록 한다.
상기 정제부(50)는 상기 압축부(20) 및 온도조절부(40)를 거친 적정 압력과 온도의 바이오가스를 막분리하여 메탄과 이산화탄소로 분리시키는 구성으로, 앞서 종래기술의 문제점으로 지적한 바와 같이, 종래에 사용되던 막분리 방법은 단순히 1단 막분리 구조로 바이오가스에 포함된 메탄의 회수율이 약 80% 정도에 지나지 않아 추가적인 메탄 회수공정이 별도로 필요할 정도로 효율이 떨어지는 문제가 있었던바, 이와 같은 종래의 문제를 구조적으로 개선시킬 수 있도록 본 발명의 상기 정제부(50)에서는 다단 구조를 통한 막분리 과정을 통해 메탄과 이산화탄소의 분리회수율을 높이게 된다. 이를 위해 상기 정제부(50)는 바이오가스를 일차로 막분리시키는 제1막분리부(510)와, 상기 제1막분리부(510)를 거치면서 분리된 메탄을 재차 막분리시켜 고순도의 분리된 메탄을 생산할 수 있도록 하는 제2막분리부(520)와, 상기 제1막분리부(510)를 거치면서 회수된 이산화탄소를 재차 막분리시켜 고순도의 이산화탄소를 회수할 수 있도록 하는 제3막분리부(530)를 포함할 수 있다. 상기 제1막분리부(510) 내지 제3막분리부(530)를 통해 바이오가스가 막분리되는 원리는, 선택적인 기체 투과의 원리에 의해 작동하며, 바이오가스가 상기 제1막분리부(510) 내지 제3막분리부(530)의 분리막(분리막 소재로는 셀룰로스 아세테이트, 폴리술폰 등의 고분자 소재가 주로 이용되고 있으며, 세라믹 소재나 탄소분자체 소재 등이 이용될 수 있다)에 공급될 때 각 기체성분들 중 용해도와 확산도가 높은 특정 성분은 분리막 소재에 용해되고 확산되는 과정을 통해 분리막을 투과해 나가는 반면에 그렇지 않은 성분들은 분리막을 투과하지 못하고 농축되는 원리를 이용하게 된다. 바이오가스에 포함된 성분 중 이산화탄소는 쉽게 분리막을 투과하게 되는 반면에, 메탄은 분리막을 투과하는 속도가 현저히 낮아 투과하지 못하고 농축되게 된다.
먼저, 도 3을 참조하여 상기 제1막분리부(510)와 제2막분리부(520)의 다단 과정을 거치면서 고순도의 분리된 메탄이 생산,저장되는 과정을 설명하면, 바이오가스가 상기 제1막분리부(510)의 분리막에 공급되게 되면 바이오가스에 포함된 이산화탄소는 제1막분리부(510)의 분리막을 투과(①)하게 되는 반면에, 바이오가스에 포함된 메탄은 제1막분리부(510)의 분리막을 투과하지 못하고 농축(②)되게 된다. 이때, 제1막분리부(510)의 분리막을 투과하지 못하고 농축(②)되는 메탄에는 일정량의 이산화탄소가 포함되어 있어 메탄의 농축률(이는 순도 및 회수율의 의미임)이 상대적으로 낮아지기 때문에, 이러한 메탄을 포함한 잔여가스를 다시 상기 제2막분리부(520)의 분리막에 공급하게 되면 메탄을 포함한 잔여가스에 잔존해 있던 이산화탄소는 재차 제2막분리부(520)의 분리막을 투과(③)하여 나가게 되고, 반면에 메탄은 제2막분리부(520)의 분리막을 역시 투과하지 못하고 재차 농축(④)되어 고순도(99% 이상)의 메탄만이 잔존하게 된다. 이와 같은 고순도(99% 이상)의 메탄만을 별도의 메탄저장탱크(70)에 저장시키게 되면 고순도 메탄 생산이 가능하게 된다.
또한, 도 4를 참조하여 상기 제1막분리부(510)와 제3막분리부(530)의 다단 과정을 거치면서 고순도의 이산화탄소를 회수하는 과정을 설명하면, 앞서 설명한 바와 같이 바이오가스가 상기 제1막분리부(510)에 공급되는 과정에서 바이오가스에 포함된 이산화탄소는 제1막분리부(510)의 분리막을 투과(①)하여 분리되게 되는데, 이때 분리된 이산화탄소에는 일정량의 메탄이 포함되어 있기 때문에, 이를 다시 상기 제3막분리부(530)의 분리막에 공급하게 되면 이산화탄소는 재차 제3막분리부(530)의 분리막을 투과(⑤)하면서 고순도(99% 이상)의 이산화탄소만이 분리되게 되고, 잔존해 있던 메탄은 제3막분리부(530)의 분리막을 투과하지 못하고 농축(⑥)되게 된다. 이와 같은 고순도(99% 이상)의 이산화탄소를 후술할 이산화탄소회수부(60)를 거쳐 액화회수하게 되면 고순도의 이산화탄소 회수가 가능하게 된다.
한편, 본 발명에서는 상기 정제부(50)를 거치는 과정에서 분리회수되지 못한 미량의 메탄까지도 다시 정제시켜 메탄의 생산율을 높일 수 있도록 하는데, 이를 위해 상기 정제부(50)는 도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 상기 제2막분리부(520)를 거치면서 분리되는 이산화탄소에 포함된 미량의 메탄을 다시 정제시킬 수 있도록 상기 압축부(20) 전단으로 피드백시키는 제1피드백라인(540)과, 상기 제3막분리부(530)를 거치면서 분리되는 메탄을 다시 정제시킬 수 있도록 상기 압축부(20) 전단으로 피드백시키는 제2피드백라인(550)을 추가로 포함할 수 있다.
상기 제1피드백라인(540)은 도 3에 도시된 바와 같이, 제1막분리부(510)의 분리막에서 농축(②)되는 메탄에 포함된 일정량의 이산화탄소를 분리시키기 위해 다시 상기 제2막분리부(520)의 분리막에 공급하여 잔존한 이산화탄소가 재차 제2막분리부(520)의 분리막을 투과(③)하여 분리되는 과정에서, 이때 분리된 이산화탄소 내에도 미량의 메탄이 포함되어 있기 때문에 이를 다시 상기 압축부(20) 전단으로 피드백시키는 라인이다. 상기 제1피드백라인(540)을 통해 피드백된 미량의 메탄은 재차 상기 정제부(50)를 거치게 되면서 분리,생산되게 된다.
상기 제2피드백라인(550)은 도 4에 도시된 바와 같이, 제1막분리부(510)를 거치면서 분리된 이산화탄소에 포함된 일정량의 메탄을 분리시키기 위해 다시 상기 제3막분리부(530)의 분리막에 공급하여 잔존해 있던 메탄을 재차 농축(⑥)시키는 과정에서 농축된 메탄을 다시 상기 압축부(20) 전단으로 피드백시키는 라인이다. 상기 제2피드백라인(550)을 통해 피드백된 메탄 역시 재차 상기 정제부(50)를 거치게 되면서 분리,생산되게 된다.
상기 이산화탄소회수부(60)는 상기 정제부(50), 보다 구체적으로는 상기 제1막분리부(510) 및 제3막분리부(530)를 순차적으로 거쳐 분리된 이산화탄소를 액화회수하는 구성이다. 상기 이산화탄소회수부(60)에서는 상기 정제부(50), 보다 구체적으로는 제3막분리부(530)에서 최종 투과된 고순도의 이산화탄소 가스에 대해 별도의 탈황, 제습 등의 불순물 제거와 같은 전처리 과정 이후 가압, 냉각을 통해 이산화탄소의 온도와 압력 조건을 액화조건(일 예로, 온도는 -15~ -20℃ 내외, 압력은 20~ 30bar 내외이며, 이에 한정하는 것은 아님)으로 조절하여 이산화탄소만을 액화시킨 이후 별도의 이산화탄소저장탱크(80)에 저장하여 이산화탄소를 회수하게 된다.
한편, 본 발명에서는 상기 이산화탄소회수부(60)를 통해 이산화탄소를 액화회수하는 과정에서 발생하는 메탄(잔류가스 중 메탄)을 무의미하게 처리하지 않고, 이를 다시 상기 온도조절부(40)에 공급하여 연소열원으로 재활용될 수 있게 함으로써, 에너지 효율성을 높일 수 있게 한다. 이를 위해 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 이산화탄소회수부(60)와 온도조절부(40) 간에 별도의 제3피드백라인(610)을 형성하여, 상기 이산화탄소회수부(60)의 이산화탄소 액화회수 과정에서 발생된 메탄을 상기 제3피드백라인(610)을 통해 상기 온도조절부(40)로 피드백시켜, 상기 온도조절부(40)에서의 승온(가열)과정에서 피드백된 메탄이 가열을 위한 열원으로 재활용될 수 있게 된다.
이하에서는, 도 5를 참조하여 상기 시스템을 이용한 바이오메탄 생산 및 이산화탄소 회수를 위한 방법에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이오메탄 생산 및 이산화탄소 회수를 위한 방법은 바이오가스에 포함된 황화합물을 제거하는 탈황단계(S1); 바이오가스의 압력을 막분리를 위한 압력으로 맞추는 압축단계(S2); 바이오가스에 포함된 수분을 제거하는 제습단계(S3); 바이오가스의 온도를 막분리를 위한 온도로 맞추기 위해 바이오가스를 가열하는 온도조절단계(S4); 적정 압력과 온도의 바이오가스를 막분리하여 메탄과 이산화탄소로 분리시키는 정제단계(S5); 상기 정제단계(S5)를 거쳐 분리된 이산화탄소를 액화회수하는 이산화탄소회수단계(S6); 순으로 진행되게 된다.
상기 탈황단계(S1)는 바이오가스에 포함된 황화합물을 제거하는 과정으로, 상기 탈황부(10)를 통해 다양한 기상 탈황방법을 사용하여 바이오가스에 포함된 황화수소 등의 황화합물을 제거하게 된다. 특히, 상기 탈황단계(S1)에서는 활성탄 탈황 방법을 사용하여 황화합물을 제거할 수 있다.
상기 압축단계(S2)는 상기 탈황단계(S1)를 거친 바이오가스의 압력을 막분리를 위한 인입압력을 맞추기 위해 승압하는 과정으로, 상기 압축부(20)를 통해 인입된 바이오가스에 가압하여 압축 후 압력을 후술할 막분리를 위한 적정 인입압력인 10~20bar로 맞추어 승압시키게 된다. 한편, 본 발명에서는 상기 압축부(20)에서 바이오가스를 막분리를 위한 인입압력으로 승압하는 과정에서 발생된 열을 상기 탈황단계(S1) 및/또는 후술할 온도조절단계(S4)에 전달하여 발생된 폐열을 재활용하도록 함으로써 시스템에서 소모되는 에너지 소비를 절감할 수 있게 한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 제1폐열회수단계(S21)는 상기 압축부(20)에서 승압하는 과정에서 발생된 열을 상기 탈황부(10)에 전달하여 탈황단계(S1)에서의 열원으로 재활용할 수 있도록 하여 탈황부(10)에서 소모되는 에너지를 절감하고 또한 흡착분해성능 향상과 흡착제 수명을 연장할 수 있게 된다. 또한, 제2폐열회수단계(S22)에서는 상기 압축부(20)에서 승압하는 과정에서 발생된 열을 상기 온도조절부(40)에 전달하여 후술할 온도조절단계(S4)에서의 바이오가스를 가열하는데 사용되는 열원으로 재활용할 수 있도록 하여 온도조절부(40)에서 소모되는 에너지를 절감할 수 있게 한다.
상기 제습단계(S3)는 바이오가스에 포함된 수분을 제거하는 과정으로, 특히 상기 제습부(30)를 통해 수냉식 열교환기를 통한 냉각으로 응축수를 제거하는 형태의 제습방식을 사용할 수 있다.
상기 온도조절단계(S4)는 바이오가스의 막분리를 위한 인입온도를 맞추기 위해 바이오가스를 가열하는 과정으로, 특히 본 발명에서는 후술할 정제단계(S5)에서의 막분리를 통한 메탄과 이산화탄소의 분리회수 효율을 높일 수 있도록 하기 위해, 상기 압축단계(S2)를 통한 바이오가스의 압력을 적정 압력으로 승압하는 것 이외에 추가로 온도조절단계(S4)를 통해 바이오가스의 온도까지 적정 온도(20~30℃)로 가열하는 과정을 거치게 한다. 앞서 설명한 바와 같이 상기 제습부(30)에서의 제습과정에서 냉각(약 4℃ 정도)된 바이오가스의 온도를 상기 온도조절부(40)를 통해 적정 온도(20~30℃)로 승온시킴으로써 수분제거 후 응축수 발생을 방지할 수 있게 된다.
상기 정제단계(S5)는 적정 압력과 온도의 바이오가스를 막분리하여 메탄과 이산화탄소로 분리시키는 과정으로, 특히 상기 정제단계(S5)에서는 다단 구조를 통한 막분리 과정을 통해 메탄과 이산화탄소의 분리회수율을 높이게 된다. 구체적으로 도 3 및 도 5를 참조하여 제1막분리단계(S51)와 제2막분리단계(S52)의 다단 과정을 거치면서 고순도의 분리된 메탄이 생산,저장되는 과정을 보면, 바이오가스가 상기 제1막분리부(510)의 분리막에 공급되게 되면 바이오가스에 포함된 이산화탄소는 제1막분리부(510)의 분리막을 투과(①)하게 되는 반면에, 바이오가스에 포함된 메탄은 제1막분리부(510)의 분리막을 투과하지 못하고 농축(②)되게 된다(제1막분리단계(S51)). 이때, 제1막분리부(510)의 분리막을 투과하지 못하고 농축(②)되는 메탄에는 일정량의 이산화탄소가 포함되어 있어 메탄의 농축률이 상대적으로 낮아지기 때문에, 이러한 메탄을 포함한 잔여가스를 다시 상기 제2막분리부(520)의 분리막에 공급하게 되면 메탄을 포함한 잔여가스에 잔존해 있던 이산화탄소는 재차 제2막분리부(520)의 분리막을 투과(③)하여 나가게 되고, 반면에 메탄은 제2막분리부(520)의 분리막을 역시 투과하지 못하고 재차 농축(④)되어 고순도(99% 이상)의 메탄만이 잔존하게 된다(제2막분리단계(S52)). 이와 같은 과정을 거친 고순도(99% 이상)의 메탄만을 별도의 메탄저장탱크(70)에 저장시키게 되면 고순도 메탄 생산이 가능하게 된다. 또한, 도 4 및 도 5를 참조하여 상기 제1막분리단계(S51)와 제3막분리단계(S53)의 다단 과정을 거치면서 고순도의 이산화탄소가 회수하는 과정을 보면, 앞서 설명한 바와 같이 바이오가스가 상기 제1막분리부(510)에 공급되는 과정에서 바이오가스에 포함된 이산화탄소는 제1막분리부(510)의 분리막을 투과(①)하여 분리되게 되는데(제1막분리단계(S51)), 이때 분리된 이산화탄소에는 일정량의 메탄이 포함되어 있기 때문에, 이를 다시 상기 제3막분리부(530)의 분리막에 공급하게 되면 이산화탄소는 재차 제3막분리부(530)의 분리막을 투과(⑤)하면서 고순도(99% 이상)의 이산화탄소만이 분리되게 되고, 잔존해 있던 메탄은 제3막분리부(530)의 분리막을 투과하지 못하고 농축(⑥)되게 된다(제3막분리단계(S53)). 이와 같은 과정을 거친 고순도(99% 이상)의 이산화탄소를 후술할 이산화탄소회수단계(S6)를 거쳐 액화회수하게 되면 고순도의 이산화탄소 회수가 가능하게 된다.
한편, 상기 정제단계(S5)에서는 정제단계(S5)를 거치는 과정에서 분리회수되지 못한 미량의 메탄까지도 다시 정제시켜 메탄의 생산율을 높일 수 있도록 하는데, 이는 도 5에 도시된 바와 같이 제1피드백단계(S54) 및 제2피드백단계(S55)를 거쳐 이루어질 수 있다. 상기 제1피드백단계(S54)는 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 제1막분리부(510)의 분리막에서 농축(②)되는 메탄에 포함된 일정량의 이산화탄소를 분리시키기 위해 다시 상기 제2막분리부(520)의 분리막에 공급하여 잔존한 이산화탄소가 재차 제2막분리부(520)의 분리막을 투과(③)하여 분리되는 과정에서 분리된 이산화탄소 내의 미량의 메탄을 다시 상기 압축부(20) 전단으로 피드백시켜, 피드백된 미량의 메탄이 재차 상기 정제부(50)의 제1막분리부(510) 내지 제3막분리부(530)를 거치게 되면서 분리,생산되도록 하는 과정이다. 또한, 상기 제2피드백단계(S55)는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 제1막분리부(510)를 거치면서 분리된 이산화탄소에 포함된 일정량의 메탄을 분리시키기 위해 다시 상기 제3막분리부(530)의 분리막에 공급하여 잔존해 있던 메탄을 재차 농축(⑥)시키는 과정에서 농축된 메탄을 다시 상기 압축부(20) 전단으로 피드백시켜, 피드백된 메탄 역시 재차 상기 정제부(50)의 제1막분리부(510) 내지 제3막분리부(530)를 거치게 되면서 분리,생산되도록 하는 과정이다.
상기 이산화탄소회수단계(S6)는 상기 정제단계(S5), 보다 구체적으로는 상기 제1막분리단계(S51) 및 제3막분리단계(S53)를 순차적으로 거쳐 분리된 이산화탄소를 액화회수하는 과정이다. 구체적으로 상기 제3막분리단계(S53)에서 최종 투과된 고순도의 이산화탄소 가스에 대해 별도의 탈황, 제습 등의 불순물 제거와 같은 전처리 과정 이후 가압, 냉각을 통해 이산화탄소의 온도와 압력 조건을 액화조건으로 조절하여 이산화탄소만을 액화시킨 이후 별도의 이산화탄소저장탱크(80)에 저장하여 이산화탄소를 회수하게 된다. 한편, 본 발명에서는 상기 이산화탄소회수단계(S6)를 통해 이산화탄소를 액화회수하는 과정에서 발생하는 메탄을 무의미하게 처리하지 않고, 이를 다시 도 5에 도시된 바와 같이 제3피드백단계(S61)를 거쳐 상기 이산화탄소회수부(60)의 이산화탄소 액화회수 과정에서 발생된 메탄을 상기 온도조절부(40)로 피드백시켜, 상기 온도조절단계(S4)에서의 승온(가열)과정에서 제3피드백단계(S61)를 통해 피드백된 메탄이 가열을 위한 열원으로 재활용될 수 있게 된다.
이상에서, 출원인은 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명하였지만, 이와 같은 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 일 실시예일 뿐이며 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 한 어떠한 변경예 또는 수정예도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.
10: 탈황부 20: 압축부
210: 제1폐열회수라인 220: 제2폐열회수라인
30: 제습부 40: 온도조절부
50: 정제부 510: 제1막분리부
520: 제2막분리부 530: 제3막분리부
540: 제1피드백라인 550: 제2피드백라인
60: 이산화탄소회수부 610: 제3피드백라인
70: 메탄저장탱크 80: 이산화탄소저장탱크

Claims (8)

  1. 바이오가스에 포함된 황화합물을 제거하는 탈황부;
    바이오가스의 막분리를 위한 인입압력을 맞추기 위한 압축부;
    바이오가스에 포함된 수분을 제거하는 제습부;
    바이오가스의 막분리를 위한 인입온도를 맞추기 위해 바이오가스를 가열하는 온도조절부;
    상기 압축부 및 온도조절부를 거친 바이오가스를 막분리하여 메탄과 이산화탄소로 분리시키는 정제부;
    상기 정제부를 거쳐 분리된 이산화탄소를 액화회수하는 이산화탄소회수부;를 포함하며,
    상기 압축부는 바이오가스를 막분리를 위한 인입압력으로 승압하는 과정에서 발생된 열을 상기 탈황부에 전달하는 제1폐열회수라인과, 발생된 열을 상기 온도조절부에 전달하는 제2폐열회수라인을 포함하여, 상기 탈황부와 온도조절부에서의 에너지 소비를 절감시키고,
    상기 정제부는 바이오가스를 일차로 막분리시키는 제1막분리부와, 상기 제1막분리부를 거치면서 분리된 메탄을 재차 막분리시켜 고순도의 분리된 메탄을 생산할 수 있도록 하는 제2막분리부와, 상기 제1막분리부를 거치면서 회수된 이산화탄소를 재차 막분리시켜 고순도의 이산화탄소를 회수할 수 있도록 하는 제3막분리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오메탄 생산 및 이산화탄소 회수를 위한 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 바이오가스에 포함된 황화합물을 제거하는 탈황단계;
    바이오가스의 압력을 막분리를 위한 압력으로 맞추는 압축단계;
    바이오가스에 포함된 수분을 제거하는 제습단계;
    바이오가스의 온도를 막분리를 위한 온도로 맞추기 위해 바이오가스를 가열하는 온도조절단계;
    상기 압축단계와 온도조절단계를 거친 바이오가스를 막분리하여 메탄과 이산화탄소로 분리시키는 정제단계;
    상기 정제단계를 거쳐 분리된 이산화탄소를 액화회수하는 이산화탄소회수단계;를 포함하며,
    상기 압축단계는 바이오가스를 막분리를 위한 인입압력으로 승압하는 과정에서 발생된 열을 상기 탈황단계에 전달하는 제1폐열회수단계와, 발생된 열을 상기 온도조절단계에 전달하는 제2폐열회수단계를 포함하여, 상기 탈황단계와 온도조절단계에서의 에너지 소비를 절감시키고,
    상기 정제단계는 바이오가스를 일차로 막분리시키는 제1막분리단계와, 상기 제1막분리단계를 거치면서 분리된 메탄을 재차 막분리시켜 고순도의 분리된 메탄을 생산할 수 있게 하는 제2막분리단계와, 상기 제1막분리단계를 거치면서 회수된 이산화탄소를 재차 막분리시켜 고순도의 이산화탄소를 회수할 수 있도록 하는 제3막분리단계를 포함하는 다단 과정을 통해 고순도의 분리된 메탄과 이산화탄소를 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 바이오메탄 생산 및 이산화탄소 회수를 위한 방법.
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  8. 삭제
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