KR101403057B1 - 고정상 담체를 이용한 배가스 내 이산화탄소 저감용 생물학적 메탄 전환장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고정상 담체를 이용한 배가스 내 이산화탄소 저감용 생물학적 메탄 전환장치에 관한 것으로서, 상세하게는 생물학적 저감조를 1단으로 설치하거나 또는 2단으로 병렬 설치하여 1차적으로 배가스의 산소를 저감시키고, 2차적으로 산소가 저감된 배가스를 수소와 반응시켜 메탄을 생산함으로써 배가스에 포함된 이산화탄소를 생물학적으로 메탄으로 전환시킬 수 있도록 하고, 이산화탄소의 농도를 측정하여 수소의 주입량을 제어함으로써 과잉의 수소가 주입되는 경우 이산화탄소 저감장치의 pH가 저하되어 운전에 지장이 발생하는 것을 미연에 방지하도록 하는 배가스 내 이산화탄소 저감용 생물학적 메탄 전환장치에 관한 것이다.

Description

고정상 담체를 이용한 배가스 내 이산화탄소 저감용 생물학적 메탄 전환장치{BIOLOGICAL METHAN CONVERSING APPARATUS USING FIXED MEDIA FOR REDUCING CARBON DIOXIDE IN EXHAUST GAS}
본 발명은 고정상 담체를 이용한 배가스 내 이산화탄소 저감용 생물학적 메탄 전환장치에 관한 것으로서, 상세하게는 생물학적 저감조를 1단으로 설치하거나 또는 2단으로 병렬 설치하여 1차적으로 배가스의 산소를 저감시키고, 2차적으로 산소가 저감된 배가스를 수소와 반응시켜 메탄을 생산함으로써 배가스에 포함된 이산화탄소를 생물학적으로 메탄으로 전환시킬 수 있도록 하고, 이산화탄소의 농도를 측정하여 수소의 주입량을 제어함으로써 과잉의 수소가 주입되는 경우 이산화탄소 저감장치의 pH가 저하되어 운전에 지장이 발생하는 것을 미연에 방지하도록 하는 고정상 담체를 이용한 배가스 내 이산화탄소 저감용 생물학적 메탄 전환장치에 관한 것이다.
이산화탄소(CO2)는 최근 교토의정서를 비롯한 많은 법규가 제정되면서 반드시 제거해야 하는 지구온난화가스 중의 하나이다. 또한, 2013년경에는 우리나라도 온실가스 의무 감축국가로 지정될 것으로 확실시 되고 있어서 이산화탄소의 문제는 우리나라의 향후 경제발전에 많은 악영향을 미칠 것으로 판단됨에 따라 효율적이면서 경제적인 이산화탄소 저감기술 확보가 필수적이며, 화석원료 유래 이외의 유용한 에너지 자원을 개발하고, 효율적인 에너지 자원 개발 기술을 확보하는 것 또한 매우 필수적이라 할 수 있다.
현재 이산화탄소를 처리하는 기술로는 물리화학적 분리기술이나 물리화학, 생물학적 전환기술 등이 사용되고 있다. 이 중에서 생물학적 방법을 사용한 이산화탄소의 저감은 광합성미생물 등을 이용한 기술과 혐기성 소화를 이용한 기술로 나눌 수 있다. 이 중에서, 혐기성 미생물의 생리활성을 이용한 혐기성 소화는 유기물로부터 중간 생성물인 수소 및 각종 휘발성 유기산을 거쳐 최종생성물인 메탄 및 이산화탄소로 분해되는 것이 일반적인 반응 경로이다. 이 중에서 특히, 최종생성물인 메탄을 생성하는 메탄생성세균은 크게 두 가지로 분류되는데, 하나는 아세테이트로부터 메탄을 생산하는 초산영양성 메탄생성균(Acetotrophic methanogens)이고, 다른 하나는 수소와 이산화탄소로부터 메탄을 생산하는 수소영양성 메탄생성균 (Hydrogenotrophic methanogens)이다. 이 중에서 초산영양성 메탄생성균은 유기물의 혐기 소화 시 최종생성물로 메탄과 이산화탄소를 생성하는 반면, 수소영양성 메탄생성균은 최종생성물로 메탄만을 생성하는 균주이다. 또한, 혐기성 소화에서 생성되는 메탄의 약 70%는 초산영양성 메탄생성균에 의해 생산되며, 나머지 약 30%는 수소영양성 메탄생성균에 의해 생산된다. 각 기질(아세테이트와 이산화탄소)로부터 메탄이 생성되는 속도는 수소영양성 메탄생성균이 월등히 빠르지만, 약 2배 이상의 메탄이 초산영양성 메탄생성균에 의해 생산되는 이유는 자연계에는 수소영양성 메탄생성균보다 초산영양성 메탄생성균이 다량 존재하기 때문이다. 따라서 수소영양성 메탄생성균만을 고농도로 배양하여 우점종화하고 초산영양성 메탄생성균의 활성을 억제하여 이용한다면 효율적으로 이산화탄소를 저감함과 동시에 유용한 에너지자원인 메탄을 생산할 수 있을 것으로 판단된다.
수소영양성 메탄생성균은 메탄을 생산할 때 이산화탄소보다 4배 많은 환원제를 필요로 한다. 즉, 다음 식과 같이 4몰의 수소와 1몰의 이산화탄소로부터 1몰의 메탄과 2몰의 물을 생산한다.
4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O - 130.4ΔG0(kJ/mol CH4) (1)
참고로 초산영양성 메탄생성균은 다음과 같은 반응을 거쳐 메탄과 이산화탄소를 생산한다.
CH3COO-+ H+→ CH4 + CO2 - 36ΔG0(kJ/mol CH4) (2)
따라서 상기 식과 같이 초산영양성 메탄생성균이 포함되어 있으면 오히려 이산화탄소가 발생되기 때문에, 고효율로 이산화탄소를 저감하기 위해서는 무엇보다도 수소영양성 메탄생성균이 고농도로 우점종화 되어 있어야 하며, 식(1)에서와 같이 다량의 환원제 (특히, 수소)가 원활하게 안정적으로 공급되어야 한다. 이산화탄소의 메탄전환에 사용되는 환원제로는 수소 이외에도 다른 환원제가 이용될 수 있으나, 이산화탄소의 메탄 전환 시 환원능력은 수소가 가장 높다.
또한, 생물학적 방법을 사용하여 이산화탄소를 메탄전환 할 때 가장 큰 문제점은 수소의 용해도가 매우 낮다는 것이다. 따라서 식(1)에서와 같이 이산화탄소의 환원제로서의 역할을 하는 수소의 대량생산기술 및 수소 용해도 증가 기술이 개발되어야만 이산화탄소의 메탄전환에 의한 이산화탄소 저감 기술이 효과적으로 운전될 수 있다.
이러한 생물학적 전환기술로 국내공개특허 10-2010-130460호(전기화학적 폐수처리를 이용한 수소 생산 및 생물학적 이산화탄소 저감 장치)가 게시되었다.
도 1에 도시된 바와 같이 상기 전기화학적 폐수처리를 이용한 수소 생산 및 생물학적 이산화탄소 저감 장치는 전기화학적 폐수처리 및 수소생산 장치(10), 가스분리장치(20), 가스용해장치(30), 및 이산화탄소 저감장치(40)로 이루어지며, 추가적으로 메탄연소장치(50)를 포함할 수 있다.
먼저, 전기화학적 폐수처리 및 수소생산 장치(10)는 폐수처리와 동시에 수소를 생산하기 위해 구성한 장치로서 침전조(14)를 구비한다.
가스분리장치(20)는 상기 전기화학적 폐수처리 및 수소생산 장치(10)에서 발생된 가스를 고농도의 수소와 그 외 가스로 분리하기 위해 사용된 장치이다.
가스용해장치(30)는 이산화탄소 저감장치(40) 내의 수소영양성 메탄생성균이 수소와 이산화탄소를 보다 쉽게 이용할 수 있도록 각 가스의 용해도를 높이고자 구성한 장치이다.
이산화탄소 저감장치(40)는 가스용해장치(30)를 통해 용해된 수소와 이산화탄소를 메탄생성세균(세밀하게는, 수소영양성 메탄생성균)이 유일탄소원 및 에너지원 등으로 이용하여 메탄으로 전환하는 반응을 이용한 이산화탄소 저감장치이다. 이러한 혐기성 미생물의 생리활성을 통해 이산화탄소를 저비용, 고효율로 저감함과 동시에 유용한 에너지 자원인 메탄을 생산할 수 있다. 이산화탄소 저감장치(40)의 내부에는 교반기(41)를 설치할 수 있다.
그러나, 이러한 상기 전기화학적 폐수처리를 이용한 수소 생산 및 생물학적 이산화탄소 저감 장치는 외부에서 공급되는 이산화탄소를 수소와 반응시켜 메탄을 생산하기 때문에 별도의 고순도 이산화탄소를 필요로 하기 때문에 배가스를 직접 이용할 수 없고, 수소의 주입량을 조절할 수 없어 과잉의 수소가 주입되는 경우 이산화탄소 저감장치의 pH가 저하되어 운전에 지장을 주는 문제점이 있다.
국내공개특허 10-2010-130460호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 생물학적 저감조를 1단으로 설치하거나 또는 2단으로 병렬 설치하여 1차적으로 배가스의 산소를 저감시키고, 2차적으로 산소가 저감된 배가스를 수소와 반응시켜 메탄을 생산함으로써 배가스에 포함된 이산화탄소를 생물학적으로 메탄으로 전환시킬 수 있도록 하는 고정상 담체를 이용한 배가스 내 이산화탄소 저감용 생물학적 메탄 전환장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 이산화탄소의 농도를 측정하여 수소의 주입량을 제어함으로써 과잉의 수소가 주입되는 경우 이산화탄소 저감장치의 pH가 저하되어 운전에 지장이 발생하는 것을 미연에 방지하도록 하는 고정상 담체를 이용한 배가스 내 이산화탄소 저감용 생물학적 메탄 전환장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,
배가스 라인으로부터 공급되는 배가스와 수소 라인으로부터 유입되는 수소가 각각 공급되어 혼합되는 혼합조와; 수직 원통형의 함체 형태로 형성되고, 내부에 수소영양성 메탄생성균(Hydrogenotrophic Methanogen)와 고정상 담체(Fixed Media)가 구비되고, 상기 혼합조와 이의 하부에 연결된 공급 배관을 통해 배가스와 수소가 각각 투입되어 배가스내의 산소를 저감시키는 생물학적 산소 저감조와; 수직 원통형의 함체 형태로 형성되고, 내부에 수소영양성 메탄생성균(Hydrogenotrophic Methanogen)와 고정상 담체(Fixed Media)가 구비되고, 상기 생물학적 산소 저감조의 상부 이의 하부를 연결하는 연결 배관을 통해 산소가 저감된 배가스를 공급받아 배가스의 이산화탄소를 메탄을 전환시켜 상단의 배출 배관을 통해 배출하는 생물학적 이산화탄소 저감조와; 상기 수소 라인에 설치되어 외부의 제어에 따라 수소의 주입량을 조절하는 전자 제어 밸브와; 상기 배가스 라인에 설치되어 배가스에 포함된 이산화탄소의 농도를 측정하는 이산화탄소 농도 측정기; 및 상기 이산화탄소 농도 측정기를 통해 측정된 이산화탄소의 농도를 측정하여 상기 전자 제어 밸브를 제어하여 일정 비율로 수소의 주입량을 조절하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 생물학적 산소 저감조는 내부 하단에 구비되어 미세 기포를 발생하는 제 1산기관과; 내부 하단에서 상기 제 1산기관의 상부에 설치되고, 내부 상단에 각각 설치되어 상기 고정상 담체를 고정시키고, 기체는 통과시키는 제 1스크린과; 외측 하단에 설치되어 내부에 공정폐수를 공급하는 폐수 주입구; 및 외측 상단에 설치되어 내부의 공정폐수를 배출하는 폐수 배출구를 더 구비한다.
여기에서 또한, 상기 생물학적 이산화탄소 저감조는 내부 하단에 구비되어 가스를 미세하게 분사하는 제 2산기관과; 내부 하단에서 상기 제 2산기관의 상부에 설치되고, 내부 상단에 각각 설치되어 상기 고정상 담체를 고정시키고, 기체는 통과시키는 제 2스크린을 더 구비한다.
여기에서 또, 상기 일정 비율은 수소와 이산화탄소의 혼합 비율이 4:1(mol/mol)이다.
여기에서 또, 상기 생물학적 산소 저감조의 고정상 담체 높이(l)는 l ≥ 8 × Q × π-1 × d-2(여기서, l : 고정상 담체 높이, d : 저감조 직경, π : 원주율, Q : 저감조에 주입되는 시간당 가스 유량)을 만족한다.
본 발명의 다른 특징은,
배가스 라인으로부터 공급되는 배가스와 수소 라인으로부터 유입되는 수소가 각각 공급되어 혼합되는 혼합조와; 수직 원통형의 함체 형태로 형성되고, 내부에 수소영양성 메탄생성균(Hydrogenotrophic Methanogen)와 고정상 담체가 구비되고, 상기 혼합조와 이의 하부에 연결된 공급 배관을 통해 배가스와 수소가 각각 투입되어 배가스내의 산소를 저감시키고, 배가스의 이산화탄소를 메탄을 전환시켜 상단의 배출 배관을 통해 배출하는 생물학적 산소 및 이산화탄소 저감조와; 상기 수소 라인에 설치되어 외부의 제어에 따라 수소의 주입량을 조절하는 전자 제어 밸브와; 상기 배가스 라인에 설치되어 배가스에 포함된 이산화탄소의 농도를 측정하는 이산화탄소 농도 측정기; 및 상기 이산화탄소 농도 측정기를 통해 측정된 이산화탄소의 농도를 측정하여 상기 전자 제어 밸브를 제어하여 일정 비율로 수소의 주입량을 조절하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 생물학적 산소 및 이산화탄소 저감조는 내부 하단에 구비되어 미세 기포를 발생하는 산기관과; 내부 하단에서 상기 산기관의 상부에 설치되어 하부의 고정상 담체를 고정시키고, 기체는 통과시키는 제 1스크린과; 내부 중단에서 하부의 고정상 담체를 고정시키고, 기체는 통과시키는 제 2스크린과; 상기 제 2스크린의 상단에서 이격되어 설치되어 상부의 고정상 담체를 고정시키고, 기체는 통과시키는 제 3스크린과; 내부 상단에서 상부의 고정상 담체를 고정시키고, 기체는 통과시키는 제 4스크린과; 외측 하단에 설치되어 내부에 공정폐수를 공급하는 폐수 주입구; 및 외측 중단인 상기 제 2스크린의 하단에 설치되어 내부의 공정폐수를 배출하는 폐수 배출구를 더 구비한다.
여기에서 또한, 상기 일정 비율은 수소와 이산화탄소의 혼합 비율이 4:1(mol/mol)이다.
여기에서 또, 상기 생물학적 산소 및 이산화탄소 저감조의 하부 고정상 담체 높이(l)는 l ≥ 8 × Q × π-1 × d-2(여기서, l : 고정상 담체 높이, d : 저감조 직경, π : 원주율, Q : 저감조에 주입되는 시간당 가스 유량)을 만족한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명인 고정상 담체를 이용한 배가스 내 이산화탄소 저감용 생물학적 메탄 전환장치에 따르면, 생물학적 저감조를 1단으로 설치하거나 또는 2단으로 병렬 설치하여 1차적으로 배가스의 산소를 저감시키고, 2차적으로 산소가 저감된 배가스를 수소와 반응시켜 메탄을 생산함으로써 배가스에 포함된 이산화탄소를 생물학적으로 메탄으로 전환시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 이산화탄소의 농도를 측정하여 수소의 주입량을 제어함으로써 과잉의 수소가 주입되는 경우 이산화탄소 저감장치의 pH가 저하되어 운전에 지장이 발생하는 것을 미연에 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 전기화학적 폐수처리를 이용한 수소 생산 및 생물학적 이산화탄소 저감 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 배가스 내 이산화탄소 저감용 생물학적 메탄 전환장치의 구성을 나타낸 계통도이다.
도 3은 본 발명의 제 2실시예에 따른 배가스 내 이산화탄소 저감용 생물학적 메탄 전환장치의 구성을 나타낸 계통도이다.
도 4는 본 발명에 따른 배가스 내 이산화탄소 저감용 생물학적 메탄 전환장치의 생물학적 산소 저감조의 높이에 따른 산소농도 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 배가스 내 이산화탄소 저감용 생물학적 메탄 전환장치의 생물학적 이산화탄소 저감조에서 반응 후 가스 성상을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명에 따른 배가스 내 이산화탄소 저감용 생물학적 메탄 전환장치의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 배가스 내 이산화탄소 저감용 생물학적 메탄 전환장치의 구성을 나타낸 계통도이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 배가스 내 이산화탄소 저감용 생물학적 메탄 전환장치의 구성을 나타낸 계통도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 배가스 내 이산화탄소 저감용 생물학적 메탄 전환장치(100)는 혼합조(110), 생물학적 산소 저감조(120), 생물학적 이산화탄소 저감조(130), 전자 제어 밸브(140), 이산화탄소 농도 측정기(150) 및 컨트롤러(160)를 포함한다.
먼저 혼합조(110)는 배가스 라인(L1)으로부터 공급되는 배가스와 수소 라인(L2)으로부터 유입되는 수소가 각각 공급되어 혼합한다. 여기에서 배가스는 발전소, 보일러, 소각로 등에서 발생하는 배가스를 말하고, 수소는 별도의 저장조 또는 수소 발생 장치로부터 공급된다.
그리고 생물학적 산소 저감조(120)는 수직 원통형의 함체 형태로 형성되고, 내부에 수소영양성 메탄생성균(Hydrogenotrophic Methanogen)와 고정상 담체(Fixed Media)(101)가 구비되고, 혼합조(110)와 이의 하부에 연결된 공급 배관(103)을 통해 배가스와 수소가 각각 투입되어 배가스내의 산소를 저감시킨다.
여기에서, 생물학적 산소 저감조(120)는 내부 하단에 구비되어 미세 기포를 발생하는 제 1산기관(121), 내부 하단에서 제 1산기관(121)의 상부에 설치되고, 내부 상단에 각각 설치되어 고정상 담체(101)를 고정시키고, 기체는 통과시키는 제 1스크린(123), 외측 하단에 설치되어 내부에 공정폐수를 공급하는 폐수 주입구(125) 및 외측 상단에 설치되어 내부의 공정폐수를 배출하는 폐수 배출구(127)를 더 구비한다. 이때, 공정폐수는 보일러 및 냉각탑 블로우 다운(blow-down) 유출수, R/O농축수, 이온교환 세정수, 생활용수, 잡배수 등이 포함된 공정폐수외에도 산업 폐수, 생활 폐수, 축사 분뇨 등을 포함할 수 있으며, 고정상 담체(101)로는 폴리스틸렌 볼, 스폰지 필터, 세라믹 담체 등이 적용된다.
여기에서 또한, 생물학적 산소 저감조(120)의 고정상 담체 높이(l)는 l ≥ 8 × Q × π-1 × d-2(여기서, l : 고정상 담체 높이, d : 저감조 직경, π : 원주율, Q : 저감조에 주입되는 시간당 가스 유량)을 만족하는 것이 바람직하다.
그리고 생물학적 이산화탄소 저감조(130)는 수직 원통형의 함체 형태로 형성되고, 내부에 수소영양성 메탄생성균와 고정상 담체(101)가 구비되고, 생물학적 산소 저감조(120)의 상부 이의 하부를 연결하는 연결 배관(105)을 통해 직렬 연결되어 산소가 저감된 배가스를 공급받아 배가스의 이산화탄소를 메탄을 전환시켜 상단의 배출 배관(107)을 통해 배출한다.
여기에서, 생물학적 이산화탄소 저감조(130)는 내부 하단에 구비되어 가스를 미세하게 분사하는 제 2산기관(131), 내부 하단에서 제 2산기관(131)의 상부에 설치되고, 내부 상단에 각각 설치되어 고정상 담체(101)를 고정시키고, 기체는 통과시키는 제 2스크린(133)을 더 구비한다. 이때, 고정상 담체(101)로는 폴리스틸렌 볼 또는 스폰지 필터 등이 적용된다.
또한 전자 제어 밸브(140)는 수소 라인(L2)에 설치되어 하기에서 설명할 컨트롤러(160)의 제어에 따라 수소의 주입량을 조절한다.
또 이산화탄소 농도 측정기(150)는 배가스 라인(L1)에 설치되어 배가스에 포함된 이산화탄소의 농도를 측정한다.
또 컨트롤러(160)는 이산화탄소 농도 측정기(150)를 통해 측정된 이산화탄소의 농도를 통해 전자 제어 밸브(140)의 개폐도를 조절하여 일정 비율로 수소의 주입량을 조절한다. 이때 일정 비율은 수소와 이산화탄소의 혼합 비율이 4:1(mol/mol)인 것이 바람직하다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이 생물학적 산소 저감조(120), 생물학적 이산화탄소 저감조(130)를 수직으로 연속해서 형성할 수도 있다.
즉, 생물학적 산소 및 이산화탄소 저감조(200)는 수직 원통형의 함체 형태로 형성되고, 내부에 수소영양성 메탄생성균와 고정상 담체(101)가 구비되고, 혼합조(110)와 이의 하부에 연결된 공급 배관(103)을 통해 배가스와 수소가 각각 투입되어 배가스내의 산소를 저감시키고, 배가스의 이산화탄소를 메탄을 전환시켜 상단의 배출 배관(107)을 통해 배출한다.
여기에서, 생물학적 산소 및 이산화탄소 저감조(200)는 내부 하단에 구비되어 미세 기포를 발생하는 산기관(210), 내부 하단에서 산기관(210)의 상부에 설치되어 하부의 고정상 담체(101)를 고정시키고, 기체는 통과시키는 제 1스크린(220), 내부 중단에서 하부의 고정상 담체(101)를 고정시키고, 기체는 통과시키는 제 2스크린(230), 제 2스크린(230)의 상단에서 이격되어 설치되어 상부의 고정상 담체(101)를 고정시키고, 기체는 통과시키는 제 3스크린(240), 내부 상단에서 상부의 고정상 담체(101)를 고정시키고, 기체는 통과시키는 제 4스크린(250), 외측 하단에 설치되어 내부에 공정폐수를 공급하는 폐수 주입구(260) 및 외측 중단인 제 2스크린(230)의 하단에 설치되어 내부의 공정폐수를 배출하는 폐수 배출구(270)를 더 구비한다. 이때, 공정폐수는 보일러 및 냉각탑 블로우 다운(blow-down) 유출수, R/O농축수, 이온교환 세정수, 생활용수, 잡배수 등이 포함된 공정폐수외에도 산업 폐수, 생활 폐수, 축사 분뇨 등을 포함할 수 있으며, 고정상 담체(101)로는 폴리스틸렌 볼, 스폰지 필터, 세라믹 담체 등이 적용된다.
여기에서 또한, 생물학적 산소 및 이산화탄소 저감조(200)의 하부의 고정상 담체 높이(l)는 l ≥ 8 × Q × π-1 × d-2(여기서, l : 하부 고정상 담체 높이, d : 저감조 직경, π : 원주율, Q : 저감조에 주입되는 시간당 가스 유량)을 만족하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 배가스 내 이산화탄소 저감용 생물학적 메탄 전환장치의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저 혼합조(110)에 배가스 라인(L1)으로부터 공급되는 배가스와 수소 라인(L2)으로부터 유입되는 수소가 각각 공급되어 혼합한다.
그리고 혼합조(110)에서 수소가 혼합된 배가스는 공급 배관(103)을 통해 생물학적 산소 저감조(120)에 공급되는 데, 제 1산기관(121)에 의해 배가스와 수소가 미세 기포화되어 내부의 공정폐수 내부로 유입된다.
이와 동시에 컨트롤러(160)는 이산화탄소 농도 측정기(150)를 통해 측정된 이산화탄소의 농도를 확인하고, 농도에 따라 전자 제어 밸브(140)의 개폐도를 조절하여 수소와 이산화탄소가 4:1의 몰 비율로 혼합되도록 수소의 주입량을 조절한다.
한편 생물학적 산소 저감조(120)로 유입된 배가스 내의 잉여 산소는 수소영양성 메탄생성균(Hydrogenotrophic Methanogen)에 의해 저감된다. 이때, 생물학적 산소 저감조(120)는 공정폐수가 일정 수위를 유지하고, 폐수 주입구(125)와 폐수 배출구(127)를 통해 공정폐수가 유입되어 배출되는 데, 산소의 소비와 더불어 공정폐수 내의 유기물을 에너지원으로 이용하게 되므로 폐수처리와 동시에 산소 저감이 가능하고, 폐수의 농도를 높게 할수록 산소의 저감율을 높일 수 있다.
이러한 상태에서 산소가 저감된 배가스는 연결 배관(105)을 통해 직렬 연결된 생물학적 이산화탄소 저감조(130)로 공급되는 데, 이때 제 2산기관(131)에 의해 미세화되어 배출된다.
그러면 생물학적 이산화탄소 저감조(130)는 내부에 수소영양성 메탄생성균(Hydrogenotrophic Methanogen)를 이용하여 배가스의 이산화탄소를 메탄을 전환시켜 배출한다. 즉, 이론적으로 1몰의 이산화탄소와 4몰의 H2가 반응하여 1몰의 CH4와 2몰의 물을 생성하기 때문에 이산화탄소를 제거하기 위해서는 에너지원으로써 수소를 이용하여 이산화탄소를 메탄으로 전환시킨다. 이때, 에너지원인 수소는 이산화탄소를 전환시키기 위해서는 적절한 수소의 공급이 중요한 데, 과잉의 수소가 주입시 반응기 내 pH 저하를 주어 운전에 저해가 된다.
한편, 생물학적 산소 및 이산화탄소 저감조(200)에서는 하부의 고정상 담체(101)에서 산소가 제거되고, 상부의 고정상 담체(101)에서 이산화탄소를 메탄으로 전환시킨다.
도 4는 본 발명에 따른 배가스 내 이산화탄소 저감용 생물학적 메탄 전환장치의 생물학적 산소 저감조의 높이에 따른 산소농도 결과를 나타낸 그래프이고, 도 5는 본 발명에 따른 배가스 내 이산화탄소 저감용 생물학적 메탄 전환장치의 생물학적 이산화탄소 저감조에서 반응 후 가스 성상을 나타낸 그래프이다.
도 4에 도시된 바와 같이 생물학적 산소 저감조(120)의 하부에서 가스가 유입되는 업 플로우(Up-flow) 방식에 의해 하부에서는 배가스내 산소의 주입으로 산소가 확인되나, 가스가 수소영양성 메탄생성균를 통과하면서 산소가 소비되는 결과를 확인할 수 있는 데, 생물학적 산소 저감조(120)의 고정상 담체 높이(l) 대비 약 60% 이상에서는 산소의 농도가 거의 없는 것으로 확인되었다.
도 5에 도시된 바와 같이 생물학적 이산화탄소 저감조(130)의 초기(start-up)기간에는 반응이 이루어지지 않아 배가스 내 대부분을 차지(약 80% 이상)하고 있는 질소의 농도가 높게 유지되며, 이후 약 15일까지 순응기간을 지나며 서서히 메탄의 농도가 높아짐을 확인할 수 있고, 15일 이후부터는 안정적인 메탄생산을 나타내며, 배가스 내 이산화탄소의 농도가 거의 없음을 확인할 수 있다.
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
110 : 혼합조 120 : 생물학적 산소 저감조
130 : 생물학적 이산화탄소 저감조 140 : 전자 제어 밸브
150 : 이산화탄소 농도 측정기 160 : 컨트롤러
200 : 생물학적 산소 및 이산화탄소 저감조

Claims (9)

  1. 배가스 라인으로부터 공급되는 배가스와 수소 라인으로부터 유입되는 수소가 각각 공급되어 혼합되는 혼합조와;
    수직 원통형의 함체 형태로 형성되고, 내부에 수소영양성 메탄생성균(Hydrogenotrophic Methanogen)와 고정상 담체(Fixed Media)가 구비되고, 상기 혼합조와 이의 하부에 연결된 공급 배관을 통해 배가스와 수소가 각각 투입되어 배가스내의 산소를 저감시키며, 내부 하단에 구비되어 미세 기포를 발생하는 제 1산기관과, 내부 하단에서 상기 제 1산기관의 상부에 설치되고, 내부 상단에 각각 설치되어 상기 고정상 담체를 고정시키고, 기체는 통과시키는 제 1스크린과, 외측 하단에 설치되어 내부에 공정폐수를 공급하는 폐수 주입구 및 외측 상단에 설치되어 내부의 공정폐수를 배출하는 폐수 배출구를 구비하는 생물학적 산소 저감조와;
    수직 원통형의 함체 형태로 형성되고, 내부에 수소영양성 메탄생성균(Hydrogenotrophic Methanogen)와 고정상 담체(Fixed Media)가 구비되고, 상기 생물학적 산소 저감조의 상부 이의 하부를 연결하는 연결 배관을 통해 산소가 저감된 배가스를 공급받아 배가스의 이산화탄소를 메탄을 전환시켜 상단의 배출 배관을 통해 배출하는 생물학적 이산화탄소 저감조와;
    상기 수소 라인에 설치되어 외부의 제어에 따라 수소의 주입량을 조절하는 전자 제어 밸브와;
    상기 배가스 라인에 설치되어 배가스에 포함된 이산화탄소의 농도를 측정하는 이산화탄소 농도 측정기; 및
    상기 이산화탄소 농도 측정기를 통해 측정된 이산화탄소의 농도를 측정하여 상기 전자 제어 밸브를 제어하여 일정 비율로 수소의 주입량을 조절하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 고정상 담체를 이용한 배가스 내 이산화탄소 저감용 생물학적 메탄 전환장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 생물학적 이산화탄소 저감조는,
    내부 하단에 구비되어 가스를 미세하게 분사하는 제 2산기관과;
    내부 하단에서 상기 제 2산기관의 상부에 설치되고, 내부 상단에 각각 설치되어 상기 고정상 담체를 고정시키고, 기체는 통과시키는 제 2스크린을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 고정상 담체를 이용한 배가스 내 이산화탄소 저감용 생물학적 메탄 전환장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 일정 비율은,
    수소와 이산화탄소의 혼합 비율이 4:1(mol/mol)인 것을 특징으로 하는 고정상 담체를 이용한 배가스 내 이산화탄소 저감용 생물학적 메탄 전환장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 생물학적 산소 저감조의 고정상 담체 높이(l)는,
    l ≥ 8 × Q × π-1 × d-2
    (여기서, l : 고정상 담체 높이, d : 저감조 직경, π : 원주율, Q : 저감조에 주입되는 시간당 가스 유량)을 만족하는 것을 고정상 담체를 이용한 배가스 내 이산화탄소 저감용 생물학적 메탄 전환장치.
  6. 배가스 라인으로부터 공급되는 배가스와 수소 라인으로부터 유입되는 수소가 각각 공급되어 혼합되는 혼합조와;
    수직 원통형의 함체 형태로 형성되고, 내부에 수소영양성 메탄생성균와 고정상 담체가 구비되고, 상기 혼합조와 이의 하부에 연결된 공급 배관을 통해 배가스와 수소가 각각 투입되어 배가스내의 산소를 저감시키고, 배가스의 이산화탄소를 메탄을 전환시켜 상단의 배출 배관을 통해 배출하며, 내부 하단에 구비되어 미세 기포를 발생하는 산기관과, 내부 하단에서 상기 산기관의 상부에 설치되어 하부의 고정상 담체를 고정시키고, 기체는 통과시키는 제 1스크린과, 내부 중단에서 하부의 고정상 담체를 고정시키고, 기체는 통과시키는 제 2스크린과, 상기 제 2스크린의 상단에서 이격되어 설치되어 상부의 고정상 담체를 고정시키고, 기체는 통과시키는 제 3스크린과, 내부 상단에서 상부의 고정상 담체를 고정시키고, 기체는 통과시키는 제 4스크린, 외측 하단에 설치되어 내부에 공정폐수를 공급하는 폐수 주입구 및 외측 중단인 상기 제 2스크린의 하단에 설치되어 내부의 공정폐수를 배출하는 폐수 배출구를 구비하는 생물학적 산소 및 이산화탄소 저감조와;
    상기 수소 라인에 설치되어 외부의 제어에 따라 수소의 주입량을 조절하는 전자 제어 밸브와;
    상기 배가스 라인에 설치되어 배가스에 포함된 이산화탄소의 농도를 측정하는 이산화탄소 농도 측정기; 및
    상기 이산화탄소 농도 측정기를 통해 측정된 이산화탄소의 농도를 측정하여 상기 전자 제어 밸브를 제어하여 일정 비율로 수소의 주입량을 조절하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 고정상 담체를 이용한 배가스 내 이산화탄소 저감용 생물학적 메탄 전환장치.
  7. 삭제
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 일정 비율은,
    수소와 이산화탄소의 혼합 비율이 4:1인 것을 특징으로 하는 고정상 담체를 이용한 배가스 내 이산화탄소 저감용 생물학적 메탄 전환장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 생물학적 산소 및 이산화탄소 저감조의 하부의 고정상 담체 높이(l)는,
    l ≥ 8 × Q × π-1 × d-2
    (여기서, l : 고정상 담체 높이, d : 저감조 직경, π : 원주율, Q : 저감조에 주입되는 시간당 가스 유량)을 만족하는 것을 고정상 담체를 이용한 배가스 내 이산화탄소 저감용 생물학적 메탄 전환장치.
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