KR101391410B1

KR101391410B1 - 혐기성 소화공정에서 발생되는 실록산 및 악취물질을 포함한 바이오 가스의 전처리 시스템

Info

Publication number: KR101391410B1
Application number: KR1020120108850A
Authority: KR
Inventors: 정창훈; 박두열; 황철원; 송현복
Original assignee: 주식회사 코아 에프앤티
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2014-09-01
Also published as: KR20140042287A

Abstract

본 발명은 혐기성 소화공정에서 발생되는 실록산 및 악취물질을 포함한 바이오 가스의 전처리 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하수 슬러지를 처리하는 혐기성 소화공정에서 발생되는 바이오가스(소화가스)에서 황화수소, 메르캅탄 등의 악취물질과 실록산을 제거하는, 바이오 가스의 전처리 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 혐기성 소화공정에서 발생되는 실록산 및 악취물질을 포함한 바이오 가스의 전처리 시스템에 있어서, 세라믹 촉매가 충진되어, 염소 함유 수용액을 세라믹 촉매 작용에 의해 발생기 산소(O)와 OH 라디칼을 발생시키는 세라믹 촉매탑(20); 하부의 유입관을 통해 바이오가스가 유입되고, 상부의 유출구를 통해 바이오가스가 유출되되, 바이오가스 중 악취물질과 실록산의 용해도를 높이기 위해 하단은 저온으로 냉각된 촉매산화수가 분사되고, 실록산의 분해를 촉진하기 위해 상단은 고온의 촉매산화수가 분사되는 2단 구조를 지니며, 각 단에는 바이오 가스와 촉매산화수와의 접촉면적을 넓히기 위한 플라스틱 충진재가 삽입되는 충진탑(30); 상기 충진탑에서 유출된 바이오가스 내의 수분을 제거하는 칠러(50); 상기 칠러의 고온의 냉매를 이용하여 고온 상태를 유지하는 고온용 축열기(60); 상기 칠러를 통과한 저온의 바이오가스를 이용하여 저온 상태를 유지하는 저온용 축열기(62); 상기 고온용 축열기의 용매와의 열교환을 통해 충진탑에 고온의 촉매산화수를 공급하기 위한 고온용 열교환기(70); 상기 저온용 축열기의 용매와의 열교환을 통해 충진탑에 저온의 촉매산화수를 공급하기 위한 저온용 열교환기(72); 상기 칠러를 통과한 바이오 가스 중 잔여 실록산을 흡착하는 활성탄이 충진된 흡착탑(80);을 포함한다.

Description

혐기성 소화공정에서 발생되는 실록산 및 악취물질을 포함한 바이오 가스의 전처리 시스템{REFINERY SYSTEM FOR BIO GAS COMTAINING MALODOROUS SUBSTANCE AND SILOXANE GAS}

본 발명은 혐기성 소화공정에서 발생되는 실록산 및 악취물질을 포함한 바이오 가스의 전처리 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하수 슬러지를 처리하는 혐기성 소화공정에서 발생되는 바이오가스(소화가스)에서 황화수소, 메르캅탄 등의 악취물질과 실록산을 제거하는, 바이오 가스의 전처리 시스템에 관한 것이다.

정부는 하수처리시설이 많은 에너지를 소비함에 비해 에너지 자립율은 낮은 에너지 다소비 시설이라는 인식을 에너지 재생산 시설로의 인식 전환과 저탄소 녹색성장 및 기후변화에 대비한 에너지 자립화 및 온실가스 감축을 위해 하수처리시설 에너지자립화 기본계획을 내놓았다. 이 계획에 의하면 2030년까지 하수처리시설의 에너지 자립율을 50% 목표로 하고 있으며, 50% 중 하수슬러지를 이용한 소화가스를 소화조가온, 열병합발전, 냉난방 연료, 차량연료판매 등을 통해서 16.4% 달성 계획이다. 하수슬러지는 생활하수를 처리하는 과정에서 발생하므로 질적, 양적으로 안정적이며 별도로 수집을 위한 에너지가 필요 없는 에너지 집약형 유기성 자원이다.

한편, 2012년부터 런던협약에 따른 가축분뇨 및 하수 슬러지 등의 해양배출 에 대한 환경규제가 심해짐에 따라, 바이오매스(가축분뇨, 하수 슬러지, 분뇨, 음폐수)를 활용한 바이오가스 회수 및 에너지화에 대한 관심이 급증하고 있다.

국내의 경우에도, 바이오가스를 에너지화하는 것이, 장기적으로 온실가스를 감축하는 등 환경문제를 해소하는 방안으로서 부각되고 있다. 이에 따라, 지자체 및 일부 기업을 중심으로 바이오매스 적정처리의 일환으로, 선진국의 바이오가스 플랜트(Biogas plant) 도입 및 성능 검정에 돌입하고 있다.

이러한 바이오가스 에너지화에 이용되는 종래의 혐기성 소화조로는, 한국 등록특허공보 제0922536호(혐기소화바이오가스 시스템의 운전 안정화 방법) 및 한국 등록특허공보 제0911835호(다단계 혐기성 소화조 및 이를 이용한 유기성폐기물의 바이오가스 생산방법) 등에 기재되어 있는 바와 같이, 중온 소화조 또는 고온조를 각각 활용 하는 방안이나, 또는 온도를 변환시킬 수 있는 소화조가 이용되고 있으며, 이를 이용하여 바이오가스를 회수 방법 등이 개발되어 있으나, 이러한 장치들이 무분별하게 도입될 경우 예산을 낭비할 우려가 크다는 문제점을 가지고 있다.

하수 슬러지를 처리하는 혐기성 소화 공정에서 발생되는 바이오 가스는 에너지원으로 사용될 수 있는 약 65%의 메탄과 약 35%의 이산화탄소(CO₂) 이외에 ppm 내지 ppb 단위의 황화수소(H₂S), 암모니아(NH₃), 메틸 메르캅탄 등의 악취물질과 실록산류 등을 포함한다.

바이오 가스 중 특히 실록산류는 엔진이나 터빈의 마모와 손상을 유발함으로 이에 대한 제거기술이 매우 필요하다. 실록산의 발생원으로 화장품류, 세제 등과 같은 거품감소제, 자동차 및 가죽제품 보호용제, 접착제 등에 함유되어 있는데, 상기 실록산은 대기중으로 휘발되어 이산화탄소(CO₂), 이산화규소(SiO₂) 및 물로 분해되기도 하지만, 일부는 하수 등에 미량 잔류하게 되므로 하수 처리장의 소화가스 중에도 잔류하게 된다.

따라서, 바이오가스(소화가스) 중에 잔류하는 실록산은 가스엔진 발전기를 가동시킴에 있어서, 배기밸브와 실린더 헤드간격의 확장 및 폭발행정에서 배기밸브의 완전한 밀폐의 방해 등을 발생시켜 배기밸브 마모를 촉진하여 배기밸브가 마모되면 배기밸브와 실린더 헤드 간의 간격을 확장하여 폭발행정에서 배기밸브의 완전밀폐를 방해하여 엔진출력 저하의 원인이 되고 있다.

또한, 상기 실록산은 터보챠저 블레이드(turbocharger blade) 퇴적층을 형성하여 블레이드 파손을 일으키고, 사일런서 블로킹(Silencer Blocking) 현상을 발생시켜 배기가스 배출에 대한 반발압력이 증가되는 원인이 되며 이러한 Blocking 현상으로 배기가스 배출에 대한 반발압력이 증가하여 엔진출력 저하가 나타나며, 가스엔진 발전기의 연소 과정에서, 상기 실록산이 엔진이나 터빈의 배기가스 경로상에 회백색의 SiO2 결정층(Layer)을 형성하여 발전기의 급격한 기기마모와 손상을 유발한다.

종래의 소화가스의 실록산 처리 기술로서 활성탄을 이용하는 방법, 심냉분리방법, 용매 세정방법이 소개되고 있다.

심냉분리 방법은 처리 효율이 안정적으로 유지된다는 장점은 있으나, 초저온(-70℃)을 이용하기 때문에 전력소모가 높아 유지비가 많이 소요되고, 수분 등의 전처리가 필수적으로 요구되며, 처리용량에 대한 유연성이 낮고, 초기 설치비가 매우 높다는 단점이 있다.

활성탄을 이용하는 방법은 설비가 간단하여 운전이 쉽고, 제거효율이 심냉분리와 같이 고효율이지만 초기설치비가 상대적으로 저렴하다는 장점이 있다. 하지만 실제 현장에 설치하여 운전하게 되면 설치 초기에는 고효율의 제거효율을 보이지만 시간이 지나면서 흡착효율이 크게 낮아져 고효율을 유지하기 위해서는 활성탄의 교체 주기를 짧게 하여야 하기 때문에 유지비용이 많이 소요되며, 처리유량 변화에 대한 유연성이 낮다는 단점이 있다.

용매로 세정하는 방법은 실록산 이외에 황화수소, 암모니아, 악취를 추가적으로 처리할 수 있으며, 처리유량 변화에 대하여 기액비 증가, 충진재 보충 등으로 대응이 가능하다는 장점은 있으나, 일반적으로 용매세정을 이용하여 가스를 제거하는 방식은 황화수소나 암모니아를 제거하기 위한 설비로 사용되고 있으며, 실록산의 경우 처리효율이 약 60% 정도로 낮게 나타나며, 처리수가 발생된다는 단점이 있다.

따라서, 바이오가스(소화가스) 중에서 실록산을 보다 경제적/효율적으로 제거함과 동시에, 바이오 가스 내의 악취물질도 함께 제거할 수 있는 새로운 방식의 전처리 시스템에 관한 연구 및 개발이 필요한 실정이다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 혐기성 소화공정에서 발생되는 바이오 가스를 처리하기 위한 장치를 제공하는 것으로서, 특히 실록산을 효과적으로 처리하기 위한 것으로, 처리 용량에 변화에 대응이 가능하며, 실록산의 처리 효율이 상당히 높으며, 실록산의 처리와 함께 황화수소, 암모니아 등의 악취 물질을 추가적으로 처리할 수 있는, 실록산을 포함하는 바이오가스의 처리 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 활성탄의 교체시기를 확인할 수 있어 활성탄에 의한 처리효율을 효과적으로 관리할 수 있으며, 바이오가스의 흐름 방향을 전체적으로 펼쳐서 활성탄 표면 전체에 골고루 통과하도록 하여 처리효율을 향상시키고, 활성탄의 사용수명을 연장할 수 있는, 실록산을 포함하는 바이오가스의 처리 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위한 것으로서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 혐기성 소화공정에서 발생되는 실록산 및 악취물질을 포함한 바이오 가스의 전처리 시스템에 있어서,

세라믹 촉매가 충진되어, 염소 함유 수용액을 세라믹 촉매 작용에 의해 발생기 산소(O)와 OH 라디칼을 발생시키는 세라믹 촉매탑(20);

하부의 유입관을 통해 바이오가스가 유입되고, 상부의 유출구를 통해 바이오가스가 유출되되, 바이오가스 중 수용성을 가지는 암모니아를 포함한 악취물질, 실록산, 황화수소의 용해도를 높이기 위해 하단은 저온으로 냉각된 촉매산화수가 분사되고, 실록산의 분해를 촉진하기 위해 상단은 고온의 촉매산화수가 분사되는 2단 구조를 지니며, 각 단에는 바이오 가스와 촉매산화수와의 접촉면적을 넓히기 위한 플라스틱 충진재가 삽입되는 충진탑(30);

상기 충진탑에서 유출된 바이오가스 내의 수분을 제거하는 칠러(50);

상기 칠러의 고온의 냉매를 이용하여 고온 상태를 유지하는 고온용 축열기(60);

상기 칠러를 통과한 저온의 바이오가스를 이용하여 저온 상태를 유지하는 저온용 축열기(62);

상기 고온용 축열기의 용매와의 열교환을 통해 충진탑에 고온의 촉매산화수를 공급하기 위한 고온용 열교환기(70);

상기 저온용 축열기의 용매와의 열교환을 통해 충진탑에 저온의 촉매산화수를 공급하기 위한 저온용 열교환기(72);

상기 칠러를 통과한 바이오 가스 중 잔여 실록산을 흡착하는 활성탄이 충진된 흡착탑(80);을 포함한다.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 충진탑의 전단에는 바이오 가스 내의 분진을 제거하기 위한 분진제거필터(10)가 형성된다.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 충진탑으로 바이오가스가 유입되는 유입관(31)은 하부의 순환조 탱크 내부에 설치된다.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 세라믹 촉매탑은 충진탑의 고온부로 촉매산화수를 공급하는 고온의 세라믹 촉매탑과, 충진탑의 저온부로 촉매산화수를 공급하는 저온의 세라믹 촉매탑으로 구분되되, 상기 고온의 세라믹 촉매탑은 염소 함유 수용액을 촉매산화수로 변화시켜 공급하고, 상기 저온의 세라믹 촉매탑은 충진탑 내부의 촉매산화수를 리사이클시켜 공급한다.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 충진탑(30)의 후단과 상기 칠러 사이에는 바이오 가스내의 수분을 포집하기 위한 워트 트랩(40)이 추가적으로 설치된다.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 흡착탑(80)에는 유입되는 바이오 가스를 골고루 퍼지도록 다수개의 통공이 형성된 분지판(82)이 형성된다.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 플라스틱 충진재(pall ring)는 열전도율이 높은 고내열성 폴리아미드계 플라스틱 충진재이며, 보다 바람직하게는 1,4-diaminobutane과 아디프산의 축중합에 의해 생성된 지방족 폴리아미드계 충진재이다.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 염소 함유 수용액은 차아염소산나트륨(NaOCl)가 용해된 수용액이다.

이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명의 혐기성 소화공정에서 발생되는 실록산 및 악취물질을 포함한 바이오 가스의 전처리 시스템은 1차적으로 촉매산화수를 이용한 습식 공정으로 처리한 후, 2차적으로 활성탄이 충진된 흡착탑을 이용한 건식 공정으로 처리하여, 바이오 가스 중에 포함된 실록산을 거의 완전히 제거할 수 있을 뿐만아니라, 이외에도 황화수소(H₂S), 암모니아(NH₃), 메틸 메르캅탄 등의 악취물질을 추가적으로 처리할 수 있으며, 기액비 증가, 충진재 보충 등으로 처리유량 변화에 대한 대응이 가능하다는 장점이 있다.

또한, 습식공정에 있어서도 분사되는 촉매산화수의 온도를 각기 달리하는 2단의 분리과정을 거치도록 구성함으로써, 실록산의 촉매산화수에 대한 용해도를 증가시키고, 활성도를 증가시켜 실록산의 분해효율을 증가시킴으로 실록산의 제거효율을 더욱더 향상시키며, 충진재의 재질 또한 열전도성이 있는 재질의 플라스틱을 사용함으로써 실록산 제거효율을 극대화한다는 장점이 있다.

아울러, 활성탄으로 이루어진 흡착탑에 가스 농도 측정기를 설치하여, 각각의 활성탄의 교체시기를 파악하여 활성탄을 적절히 교체할 수 있으며, 분지판에 의해 바이오가스의 흐름 방향을 고르게 분산시킴으로서 활성탄의 사용수명을 연장시켜 주고, 활성탄의 처리효율을 증대시킨다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 바이오 가스의 전처리 시스템의 개략도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조로 하여, 본 발명의 혐기성 소화공정에서 발생되는 실록산 및 악취물질을 포함한 바이오 가스의 전처리 시스템을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 바이오 가스의 전처리 시스템의 개략도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 바이오 가스의 전처리 시스템은 기본적으로 바이오 가스내의 악취물질과 실록산에 대해서 충진탑(30)에서 촉매산화수에 의한 습식 공정의 1차 처리가 이루어지고, 활성탄으로 이루어진 흡착탑(80)에서 건식공정의 2차 처리가 이루어지는 구조를 가진다. 또한, 충진탑(30)에서는 고온부(34)와 저온부(32)로 분리/구분하여, 저온부(32)에서는 바이오 가스 중 수용성 및 용해도가 높은 암모니아를 포함하여 악취물질 및 일부의 실록산을 용해시키고 황화수소는 촉매산화수(PH9~10)로 중화반응 및 산화력으로 제거하며, 고온부(34)에서는 바이오 가스의 활성도를 높여 촉매산화수의 발생기산소(O)와 OH 라디칼의 산화력을 이용하여 실록산를 분해시키고 황화수소를 촉매산화수(PH9~10)로 중화반응 제거 효율을 높이기 위하여 반응을 촉진시키는 2단 구조를 가진다.

바이오 가스의 전처리 과정을 보다 상세히 설명하기로 한다. 도 1에서 바이오 가스의 이동방향을 흰색화살표로 표시하고, 촉매산화수(또는 NaOCl)의 이동방향을 검은색 화살표로 표시하였다.

먼저, 충진탑의 전단에는 바이오 가스 내의 분진을 제거하기 위한 분진제거필터(10)가 형성된다. 바이오 가스 내의 분진은 촉매산화수의 재순환 사용시 세라믹 촉매탑(20)을 지나게 되면 세라믹 촉매의 표면에 붙어 OH라디칼 생성을 저하시키는 블라인드 현상이 일어나게 된다. 따라서, 충진탑에 바이오 가스가 투입되기 전에 1차적으로 분진제거필터(10)를 거치도록 하여 바이오 가스내의 분진을 제거한다.

다음으로, 바이오 가스는 충진재(35)로 충진된 충진탑(30)으로 유입되어, 촉매산화수에 의한 습식처리공정이 진행된다.

촉매산화수는 세라믹 촉매가 충진된 세라믹 촉매탑(20)에서 생성되는 데, 상기 세라믹 촉매탑(20)은 염소 함유 수용액(NaOCl 수용액)에서 세라믹 촉매 작용에 의해 발생기 산소(O)와 OH 라디칼을 발생시킨다.

차아염소산나트륨 탱크(90)의 NaOCl를 용수에 의해 희석한 염소 함유 수용액은 펌프를 통해 세라믹 촉매탑(20)으로 유입된다. 염소 함유 수용액은 차아염소산나트륨(NaOCl)가 용해된 수용액이다.

차아염소산나트륨(NaOCI)를 물에 용해시키면, 하기의 반응식과 같이 차아염소산나트륨(NaOCI)은 수산화 나트륨(NaOH)과 차아염소산(HOCI)으로 분해된 차아염소산나트륨(NaOCI) 수용액이 만들어지고, 차아염소산(HOCI)이 분해하고 발생기 산소(O)와 OH 라디칼(radical)이 생성된다.

NaOCI ＋ H₂O → NaOH ＋ HOCI

HOCI → HCI ＋ O (발생기 산소)

HOCI ＜-----＞ H+ ＋ OCI- 또는 CI- ＋ OH(radical).

다시말해, 세라믹 촉매를 세라믹 촉매탑(20) 내부에 충전한 후, 차아염소산나트륨 탱크(90)의 NaOCl를 용수와 혼합하여 농도 100ppm으로 희석시킨 염소 함유 수용액을 촉매탑(10)에 통과 및 접촉시키면, 세라믹촉매의 촉매작용에 의하여 염소(NaOCI 또는 CI₂)를 함유한 수용액은 촉매산화수로 변환되게 된다. 촉매 산화수 중의 발생기 산소와 OH 라디칼은 강력한 산화작용을 실행하게 되는 데, 상기 촉매 산화수는 일반적인 염소계보다 수백배 이상의 산화력을 지닌다. 따라서, 촉매산화수의 발생기 산소와 OH 라디칼은 악취물질 및 실록산 등의 난분해성 고분자물질의 구조를 깨트리게 된다.

촉매탑에 충진된 세라믹 촉매는 페라이트계에 자성체나 철, 티타늄 등의 금속산화물을 일정 비율로 조합하여 소결시켜 제조된다.

염소 함유 수용액은 세라믹 촉매탑에서 세라믹 촉매에 의해서 강력한 산화력을 지니는 발생기 산소와 OH 라디칼을 지니는 촉매 산화수로 변화되어, 바이오 가스 중의 악취물질과 실록산을 분해 제거하게 된다.

특히, 주목할 점은 바이오 가스 중 가스엔진 발전기를 마모시키는 실록산을 분해 제거할 수 있다는 점이다. 앞서 설명한 바와 같이 실록산은 바이오 가스를 에너지원으로 사용하고자 할 경우에 발전기를 마모시킴으로 반드시 제거되어야 할 성분이다.

실록산은 실리콘, 산소, 메틸기가 결합된 유기 화합물로서 여러 종류가 있다. 예컨데, 실록산의 종류로 Hexamethylcyclotrisiloxane (C12H18O3Si3), Octamethylcyclotetrasiloxane (C8H24O4Si4), Decamethylcyclopentasiloxane (C10H30O5Si5), Dodecamethylcyclohexasiloxane (C12H36O6Si6), Hexamethyldisiloxane (C6H18Si2O), Octamethyltrisiloxane (C8H24Si3O2), Decamethyltetrasiloxane (C10H30Si4O3), Dodecamethylpentasiloxane (C12H36Si5O4) 등이다.

본 발명에서는 세라믹 촉매탑에서 염소 함유 수용액을 강력한 산화력을 지니는 발생기 산소와 OH 라디칼을 지니는 촉매 산화수로 변화시켜, 실록산을 분해 제거할 수 있게 되는 것이다.

본 발명의 충진탑(30)에서는 상부의 고온부(34)와 하부의 저온부(32)로 분리/구분하여, 저온부(32)에서는 바이오 가스 중 수용성 및 용해도가 높은 암모니아를 포함하여 악취물질 및 일부의 실론산을 용해시키고, 황화수소는 촉매산화수(PH 9~10)로 중화반응 및 산화력으로 제거하고, 고온부(34)에서는 바이오 가스의 온도를 약 40℃ 이상으로 올려 바이오 가스의 활성도를 높여 촉매산화수의 발생기산소(O)와 OH 라디칼의 산화력을 이용하여 실록산를 분해시키고 황화수소를 촉매산화수(PH 9~10)로 중화 반응 제거효율을 높이기 위해서 반응을 촉진시키는 2단 구조를 가진다. 이처럼 충진탑이 고온부와 저온부의 2단 구조를 가지는 이유는 1차적으로 용해도가 높은 성분은 촉매산화수로 용해/처리하고, 2차적으로 잔여 성분에 대해서 촉매산화수의 산화력을 이용하여 분해촉진시키기 위해서이다.

충진탑(30)으로 바이오가스가 유입되는 유입관(31)은 하부의 순환조 탱크 내부에 설치되어 버블이 형성되는 데, 이는 황화수소, 암모니아, 악취물질, 실록산 등이 염소를 함유한 수용액과의 물리적/화학적 반응성을 높여주기 위함이다.

충진탑(30)의 고온부(34) 및 저온부(34)의 각 단에는 바이오 가스와 촉매산화수와의 접촉면적을 넓히기 위한 플라스틱 충진재(pall ring, 35)가 삽입된다. 바람직하게는 상기 플라스틱 충진재(pall ring, 35)는 열전도율이 높은 고내열성 폴리아미드계 플라스틱 충진재이 사용되는 데, 보다 바람직하게는 상기 플라스틱 충진재는 1,4-diaminobutane과 아디프산의 축중합에 의해 생성된 지방족 폴리아미드계이 사용된다. 플라스틱 충진재는 열전도율이 낮아 분위기 온도 조절이 쉽지 않다. 이에 본 발명에서는 금속에 비하여 열전도율이 낮으나 다른 종류의 플라스틱에 비하여 열전도율이 우수한 고내열성 폴리아미드계 충진재를 사용하여 최종적으로 대상가스의 흡수율 내지 처리율을 높일 수 있다.

한편, 도면을 참조하면, 세라믹 촉매탑(20)은 충진탑의 고온부로 촉매산화수를 공급하는 고온의 세라믹 촉매탑과, 충진탑의 저온부로 촉매산화수를 공급하는 저온의 세라믹 촉매탑으로 구분된다. 고온의 세라믹 촉매탑은 염소 함유 수용액을 촉매산화수로 변화시켜 공급하고, 상기 저온의 세라믹 촉매탑은 충진탑 내부의 촉매산화수를 리사이클시켜 공급한다.

충진탑(30)의 고온부(34) 및 저온부(32)를 통과한 바이오 가스는 암모니아, 황화수소, 실록산은 약 90%까지 제거된 상태로 유출관을 통해 충진탑 외부로 배출된다.

충진탑에서 1차적으로 습식 처리 공정을 거친 바이오 가스는 워트 트랩(40, water trap)에서 1차적으로 수분이 제거된 후, 칠러(50)로 유입된다.

칠러(50, chiller, refrigeration dehumidifier)는 바이오 가스 중의 수분을 제거하기 위한 장치이다. 바이오 가스는 상대습도 약 100%로 존재하기 때문에 이를 제거하여야 하는데 수분을 제거하는 이유는 첫째, 바이오가스의 정제 후 내연기관 및 엔진에 연료로 사용키 위해서는 내구성에 영향을 미칠 수 있는 수분을 제거하여야 하며, 둘째, 수분이 다음의 건식 공정인 활성탄 흡착탑에서의 처리 효율을 높이기 위해서이다. 즉, 바이오 가스의 수분이 제거되지 않고 흡착탑으로 유입될 경우 활성탄에 흡착 비표면적을 좁혀주기 때문에 처리 효율은 상당히 떨어지게 되는 데, 흡착탑에서의 처리 효율을 높이고, 흡착탑의 수명을 높이기 위해서 칠러를 통해 바이오 가스 중의 수분을 제거하게 된다.

한편, 본 발명에서는 칠러를 통과하는 저온의 바이오 가스와 고온의 칠러 냉매를 이용하여, 충진탑의 고온부와 저온부의 열원으로 이용함으로써, 충진탑에서의 대상가스에 대한 제거 효율을 높이는 역할로도 사용된다.

이에 대해서 상세히 설명하면, 칠러를 통과한 바이오 가스의 온도는 대략 4℃정도의 저온이며, 칠러의 냉매는 압축기를 통과하면서 고온고압이 상태가 되는 데, 이 때 냉매의 온도는 대략 70∼80℃의 고온의 온도를 지닌다. 고온의 냉매를 고온용 축열기(60)로 통과시킨 후, 고온의 열원을 충진탑에 고온의 촉매산화수를 공급하는 위한 용도로 사용하고, 저온의 바이오 가스를 저온용 축열기(62)로 통과시킨 후, 저온의 열원을 충진탑에 저온의 촉매산화수를 공급하기 위한 용도로 사용한다.

다시말해, 고온용 축열기(60)에서 칠러의 고온상태(약 70∼80℃)의 냉매를 이용하여 용매(부동액+물)을 약 40℃이상의 고온의 상태로 유지시킨 후(축열시킨 후), 고온용 열교환기(70)에서 고온용 축열기(60)의 약 40℃의 용매(부동액+물)와 촉매산화수와의 열교환을 통해, 충진탑에 고온의 촉매산화수를 공급/분무되게 된다. 또한, 저온용 축열기(62, 축냉기)에서 저온상태(약 4℃)의 바이오 가스를 이용하여 용매(부동액+물)을 약 4℃이상의 저온의 상태로 유지시킨 후(축냉시킨 후), 저온용 열교환기(72)에서 저온용 축열기(62)의 약 4℃의 용매(부동액+물)와 촉매산화수와의 열교환을 통해, 충진탑에 저온의 촉매산화수를 공급하게 된다. 따라서, 본 발명에서는 칠러를 통과하는 저온의 바이오 가스와 고온의 칠러 냉매를 충진탑의 고온부와 저온부의 열원으로 다시한번 사용함으로써, 충진탑에서의 대상가스에 대한 제거 효율을 높일 뿐만아니라 경제적으로도 유리하다.

바람직하게는, 상기 고온용 열교환기(70) 및 상기 저온용 열교환기(72)는 촉매산화수와의 열교환 효율을 높이기 위해서 핀앤튜브(fin & tube) 타입의 열교환기가 사용된다.

다음으로, 칠러에서 수분이 제거된 바이오 가스는 활성탄(84)으로 충진된 흡착탑(80)에서 건식 공정에 의한 흡착이 이루어진다. 즉, 바이오 가스 중 잔여 실록산 및 잔류 악취물질이 활성탄에 흡착된다.

기존의 흡착탑은 가스의 동압으로 흡착탑 중앙의 활성탄에만 대상가스가 흡착하는 현상이 발생하여 활성탄의 효율이 떨어지고 교체시 가장자리 부분은 초기의 흡착율을 가지고 있는 활성탄이 존재하게 되어 비효율적인 운전의 양상을 가지고 있었다. 이에 본 발명은 바이오가스의 흐름에 수직으로 세워진 2단의 분지판(82)을 설치된다. 즉, 흡착탑(80)에는 유입되는 바이오 가스를 고르게 퍼지도록 다수개의 통공이 형성된 분지판(82)이 형성된다. 분지판(82)은 흡착탑내의 활성탄(84)에 바이오가스가 균일하게 공급되도록 하여 활성탄의 사용수명을 연장시키고 활성탄의 처리효율을 증대시킬 수 있다.

또한, 활성탄(84)을 흡착탑내에 2중으로 배치하고, 각 활성탄 후단에 가스 농도 측정기(86)를 설치하여, 활성탄의 효율저하시 전체 활성탄을 교체할 필요없이 효율이 저하된 활성탄만을 교체할 수 있도록 제작하여, 효율적인 활성탄의 사용을 도모할 수 있다.

활성탄이 충진된 흡착탑을 통과한 바이오 가스는 암모니아, 황화수소, 실론산이 약 99%까지 제거된 상태로 외부로 유출되게 된다.

이상과 같이 본 발명의 악취물질과 실론산을 포함하는 바이오 가스 전처리 시스템은 1차적으로 촉매산화수를 이용하여 습식 제거공정과, 2차적으로 활성탄에 의한 건식 제거공정을 거침으로써, 종래의 실록산을 제거하기 위해 사용되는, 활성탄을 이용하는 방법와 용매 세정방법의 문제점을 해결할 수 있으며, 바이오 가스 중에 실록산을 거의 완전히 99%까지 제거할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것도 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 분진제거필터
20: 세라믹 촉매탑
30: 충진탑 31: 유입관
32: 저온부 34: 고온부
35: 충진재(pall ring)
40: 워터 트랩(water trap)
50: 칠러(refrigeration dehumidifier)
60: 고온용 축열기 62: 저온용 축열기(축냉기)
70: 고온용 열교환기 72: 저온용 열교환기
80: 흡착탑
82: 분지판(distributor)
84: 활성탄(active carbon)
86: 가스농도측정기
90: NaOCl 탱크
92: 물탱크

Claims

혐기성 소화공정에서 발생되는 실록산 및 악취물질을 포함한 바이오 가스의 전처리 시스템에 있어서,
세라믹 촉매가 충진되어, 염소 함유 수용액을 세라믹 촉매 작용에 의해 발생기 산소(O)와 OH 라디칼을 발생시키는 세라믹 촉매탑(20);
하부의 유입관을 통해 바이오가스가 유입되고, 상부의 유출구를 통해 바이오가스가 유출되되, 바이오가스 중 악취물질과 실록산의 용해도를 높이기 위해 하단은 저온으로 냉각된 촉매산화수가 분사되고, 실록산의 분해를 촉진하기 위해 상단은 고온의 촉매산화수가 분사되는 2단 구조를 지니며, 각 단에는 바이오 가스와 촉매산화수와의 접촉면적을 넓히기 위한 플라스틱 충진재가 삽입되는 충진탑(30);
상기 충진탑에서 유출된 바이오가스 내의 수분을 제거하는 칠러(50);
상기 칠러의 고온의 냉매를 이용하여 고온 상태를 유지하는 고온용 축열기(60);
상기 칠러를 통과한 저온의 바이오가스를 이용하여 저온 상태를 유지하는 저온용 축열기(62);
상기 고온용 축열기의 용매와의 열교환을 통해 충진탑에 고온의 촉매산화수를 공급하기 위한 고온용 열교환기(70);
상기 저온용 축열기의 용매와의 열교환을 통해 충진탑에 저온의 촉매산화수를 공급하기 위한 저온용 열교환기(72);
상기 칠러를 통과한 바이오 가스 중 잔여 실록산을 흡착하는 활성탄이 충진된 흡착탑(80);을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 가스의 전처리 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 충진탑의 전단에는 바이오 가스 내의 분진을 제거하기 위한 분진제거필터(10)가 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오 가스의 전처리 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 충진탑으로 바이오가스가 유입되는 유입관(31)은 하부의 순환조 탱크 내부에 설치되는 것을 특징으로 하는 바이오 가스의 전처리 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 세라믹 촉매탑은 충진탑의 고온부로 촉매산화수를 공급하는 고온의 세라믹 촉매탑과, 충진탑의 저온부로 촉매산화수를 공급하는 저온의 세라믹 촉매탑으로 구분되되,
상기 고온의 세라믹 촉매탑은 염소 함유 수용액을 촉매산화수로 변화시켜 공급하고,
상기 저온의 세라믹 촉매탑은 충진탑 내부의 촉매산화수를 리사이클시켜 공급하는 것을 특징으로 하는 바이오 가스의 전처리 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 충진탑(30)의 후단과 상기 칠러 사이에는 바이오 가스내의 수분을 포집하기 위한 워트 트랩(40)이 추가적으로 설치되는 것을 특징으로 하는 바이오 가스의 전처리 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 흡착탑(80)에는 유입되는 바이오 가스를 골고루 퍼지도록 다수개의 통공이 형성된 분지판(82)이 형성되는 것을 특징으로 하는 바이오 가스의 전처리 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 플라스틱 충진재(pall ring)는 열전도율이 높은 고내열성 폴리아미드계 플라스틱 충진재인 것을 특징으로 하는 바이오 가스의 전처리 시스템.
제 7항에 있어서,
상기 플라스틱 충진재는 1,4-diaminobutane과 아디프산의 축중합에 의해 생성된 지방족 폴리아미드계인 것을 특징으로 하는 바이오 가스의 전처리 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 염소 함유 수용액은 차아염소산나트륨(NaOCl)가 용해된 수용액인 것을 특징으로 하는 바이오 가스의 전처리 시스템.