KR101444186B1 - 바이오가스 정제장치 및 정제방법 - Google Patents

바이오가스 정제장치 및 정제방법 Download PDF

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윤태범
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Abstract

본 발명은 바이오가스 정제장치 및 정제방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 바이오가스 정제장치는 공급되는 바이오가스에 포함된 황화수소 및 실록산을 제거하는 정제 유닛; 상기 정제유닛에서 정제된 바이오가스를 공급받아 이산화탄소를 제거하여 바이오메탄을 생산하는 압력스윙흡착 유닛; 및, 상기 압력스윙흡착 유닛으로부터 생산된 바이오메탄의 메탄 농도를 측정하여 설정된 제1기준치보다 작으면 상기 공급라인으로 리턴하도록 제어되는 제1리턴 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 생산된 바이오메탄 중 차량연료 기준치 미달인 경우의 바이오메탄을 회수하여 메탄 회수율을 향상시키고, 공정 중에 배출되는 이산화탄소를 포함하는 잔존가스 및 퍼지가스 중 일부를 선택적으로 회수하여 메탄회수율을 향상시키고, 대기중으로 배출되는 메탄량을 최소화할 수 있는 바이오가스 정제장치가 제공된다.

Description

바이오가스 정제장치 및 정제방법{PURIFICATION DEVICE OF BIOGAS AND PURIFICATION METHOD THEREOF}
본 발명은 바이오가스 정제장치 및 정제방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 압력스윙흡착장치로부터 생산되는 바이오메탄의 농도를 측정하여 일정 기준치 를 만족하지 못하면 해당 바이오가스를 바이오가스 공급라인으로 리턴시키고, 압력스윙흡착장치에서 배출되는 이산화탄소를 포함한 잔존가스 및 퍼지가스를 선택적으로 회수하여 바이오메탄의 회수율을 향상시킬 수 있는 바이오가스 정제장치 및 정제방법에 관한 것이다.
바이오가스는 하수처리장, 축산분뇨, 음식물쓰레기, 도축 잔재물 등과 같은 유기성 폐기물에서 산소가 존재하지 않는 상태인 혐기성(Anaerobic)소화를 통해 발생하며, 메탄(CH4) 45~60%, 이산화탄소(CO2) 25~50%, 질소(N2) 0~10% 및 미량의 황화수소(H2S)와 암모니아(NH3)로 구성되어 있다.
이처럼, 상기 바이오가스의 주성분인 메탄(CH4) 이외에 악취 유발물질인 황화수소(H2S) 등 각종 휘발성 유기화합물(VOC) 및 불순물이 포함되어 있기 때문에 대기 방출시 공기질을 저하시키고, 연료로 활용 시에는 기기의 부식, 마모 등의 문제점으로 인해 이에 대한 적정 처리가 요구되고 있다.
따라서, 바이오가스를 천연가스 자동차, 도시가스, 신재생 에너지 사업, 연료전지 사업 등에 공급되는 천연가스 대체연료로서 사용이 가능하도록 하기 위해서는 바이오가스 내 메탄(CH4) 함량을 95%이상으로 높인 바이오메탄을 생산해야 하며, 이를 위해서는 바이오가스 정제시설을 갖추고, 그에 따른 기술력을 확보해야만 한다.
바이오 메탄 생산 기술로는, 일본 공개특허 제2006-95512호의 바이오가스에 함유되는 불순물을 고압수 흡수법에 의해 CO2와 유황계 불순물을 물속에 용해시키는 기술, 일본 공개특허 제2002-60767호의 CO2와 유황계 불순물을 흡착제에 흡착시키는 기술, 일본 공개특허 제2003-277779호의 CO2와 유황계 불순물을 반응생성물로서 제거하는 기술, 일본 공개특허 제2009-242773호의 다단의 분리막에 의한 CO2와 유황계 불순물을 분리하는 기술, 일본 공개특허 제2006-16439호의 리튬(Li) 및 칼슘(Ca) 등을 교환 양이온으로 한 X형 제올라이트를 이산화탄소 흡착제로서 흡착탑에 충전하고, 압력 스윙 흡착법에 의해 이산화탄소 및 물을 제거하여 메탄을 농축하는 기술 등이 제안되었다.
그러나, 상기와 같은 기술을 적용하여도 바이오메탄 생산시, 메탄의 회수율이 낮아 대기중으로 방출하는 메탄량이 많아져 결과적으로 바이오가스 정제사업의 경제성이 낮아지고, 대기중으로 온실가스를 배출하여 지구온난화를 야기하는 문제점이 있었다.
본 발명의 과제는 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 생산된 바이오메탄 중 메탄 농도가 기준치 이하인 바이오메탄은 바이오가스 공급라인으로 리턴되도록 하여 차량연료 품질기준을 상회하는 바이오메탄을 생산하면서도 회수율을 향상시킬 수 있는 바이오가스 정제장치 및 정제방법을 제공함에 있다.
또한, 생산된 바이오메탄 중 차량연료 품질기준 이하인 바이오메탄은 바이오가스 공급라인으로 리턴되도록 함으로써 생산된 바이오메탄의 손실을 방지할 수 있는 바이오가스 정제장치 및 정제방법을 제공함에 있다.
또한, 공정 중 압력스윙흡착 유닛에서 대기 중으로 방출시켜 폐기하는 이산화탄소를 포함한 잔존가스 또는 퍼지가스의 메탄 농도를 측정하여, 일정 기준치 이상의 메탄 농도를 가지는 잔존가스 및 퍼지가스를 바이오가스 공급라인으로 리턴되도록 함으로써 메탄 회수율을 극대화할 수 있는 바이오가스 정제장치 및 정제방법을 제공함에 있다.
아울러, 상기 압력스윙흡착 유닛의 구동 시작부터 일정 시간 동안 생산되는 기준치 이하의 바이오메탄을 바이오가스 공급라인으로 리턴되도록 하여 최초 구동시 일정 기준치를 만족시키지 못하는 바이오메탄을 회수할 수 있는 바이오가스 정제장치 및 정제방법을 제공함에 있다.
또한, 최초 구동시부터 일정 시간 동안 생산된 바이오메탄을 회수함으로써 메탄회수율을 극대화하고, 대기 중으로 방출되는 메탄량을 최소화할 수 있는 바이오가스 정제장치 및 정제방법을 제공함에 있다.
상기 과제는 본 발명의 일 실시예에 따라, 바이오가스를 정제하여 바이오메탄을 생산하는 바이오가스 정제장치에 있어서, 공급라인을 통해 공급되는 바이오가스에 포함된 황화수소 및 실록산을 제거하는 정제 유닛; 상기 정제유닛에서 정제된 바이오가스를 공급받아 상기 바이오가스로부터 이산화탄소를 분리하여 바이오메탄으로 생산 배출하고, 분리된 상기 이산화탄소를 포함한 잔존가스는 외부로 배출하는 압력스윙흡착유닛; 및, 상기 압력스윙흡착유닛으로부터 배출되는 바이오메탄의 메탄 농도를 측정하여 설정된 제1기준치보다 작으면 해당 바이오메탄을 상기 공급라인으로 리턴하도록 제어되는 제1리턴유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 정제장치에 의해 달성될 수 있다.
여기서, 상기 제1리턴 유닛은, 일 단은 생산된 바이오메탄을 배출하는 제1배출관과 연결되고, 타 단은 상기 공급라인과 연결되는 제1리턴라인; 상기 제1배출관으로 배출되는 바이오메탄의 메탄 농도를 측정하는 제1센싱부; 및, 상기 제1리턴라인과 상기 제1배출관의 결합된 부분에 설치되며, 상기 제1센싱부의 측정값에 따라 해당 바이오메탄을 상기 공급라인으로 선택적으로 리턴하도록 개폐제어되는 제1개폐밸브;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 과제는 본 발명의 다른 실시예에 따라, 바이오가스를 정제하여 바이오메탄을 생산하는 바이오가스 정제장치에 있어서, 공급라인을 통해 공급되는 바이오가스에 포함된 황화수소 및 실록산을 제거하는 정제 유닛; 상기 정제유닛에서 정제된 바이오가스를 공급받아 상기 바이오가스로부터 이산화탄소를 분리하여 바이오메탄으로 생산 배출하고, 분리된 상기 이산화탄소를 포함한 잔존가스는 외부로 배출하는 압력스윙흡착유닛; 및, 상기 압력스윙흡착유닛으로부터 배출되는 이산화탄소를 포함한 잔존가스 중 메탄 농도를 측정하여 설정된 제2기준치보다 크거나 같으면 상기 공급라인으로 리턴하도록 제어되는 제2리턴유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 정제장치에 의해 달성될 수 있다.
여기서, 상기 제2리턴유닛은, 일 단은 상기 압력스윙흡착 유닛으로부터 상기 이산화탄소를 포함한 잔존가스가 배출되는 제2배출관과 연결되고, 타 단은 상기 공급라인과 연결되는 제2리턴라인; 상기 제2배출관과 연결되어 배출되는 잔존가스의 메탄 농도를 측정하는 제2센싱부; 및, 상기 제2리턴라인과 상기 제2배출관의 결합된 부분에 설치되며, 상기 제2센싱부의 측정값에 따라 해당 잔존가스를 상기 공급라인으로 선택적으로 리턴하도록 개폐제어되는 제2개폐밸브;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 과제는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 바이오가스를 정제하여 바이오메탄을 생산하는 바이오가스 정제장치에 있어서, 공급라인을 통해 공급되는 바이오가스에 포함된 황화수소 및 실록산을 제거하는 정제 유닛; 상기 정제유닛에서 정제된 바이오가스를 공급받아 상기 바이오가스로부터 이산화탄소를 분리하여 바이오메탄으로 생산 배출하고, 분리된 상기 이산화탄소를 포함한 잔존가스는 외부로 배출하는 압력스윙흡착유닛; 및, 상기 압력스윙흡착유닛의 퍼지가스의 메탄 농도를 측정하여 설정된 제3기준치보다 크거나 같으면 상기 공급라인으로 리턴하도록 제어되는 제3리턴유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 정제장치에 의해 달성될 수 있다.
여기서, 상기 제3리턴유닛은, 일 단은 상기 압력스윙흡착 유닛의 퍼지가스가 배출되는 제3배출관과 연결되고, 타 단은 상기 공급라인과 연결되는 제3리턴라인; 상기 제3배출관과 연결되어 퍼지가스의 메탄 농도를 측정하는 제3센싱부; 및, 상기 제3리턴라인과 상기 제3배출관의 결합된 부분에 설치되며, 상기 제3센싱부의 측정값에 따라 해당 퍼지가스를 상기 공급라인으로 선택적으로 리턴하도록 개폐제어되는 제3개폐밸브;를 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 압력스윙흡착 유닛은 구동 시작부터 일정 시간 동안 생산된 바이오메탄을 상기 제1리턴라인을 통해 상기 공급라인으로 리턴하도록 제어되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 정제유닛은, 공급되는 바이오가스의 황화수소(H2S)를 제거하는 탈황탑과, 상기 황화수소가 제거된 바이오가스를 공급받아 실록산(siloxane)을 제거하는 실록산 제거탑을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 바이오가스 정제장치를 이용한 바이오가스 정제방법은, 바이오가스를 공급하여 황화수소 및 실록산을 순차적으로 제거하는 제1정제단계; 압력스윙흡착 유닛을 통해 상기 정제단계에서 정제된 바이오가스를 공급받아 이산화탄소를 흡착 분리하여 바이오메탄으로 생산하여 제1배출관을 통해 배출하고, 분리된 상기 이산화탄소를 포함한 잔존가스는 제2배출관을 통해 배출하도록 제어하고, 상기 압력스윙흡착 유닛 내부의 바이오가스 중 일부를 제3배출관을 통해 퍼지가스로 배출하는 제2정제단계; 및, 상기 제1배출관으로 배출되는 바이오메탄의 메탄 농도를 측정하여 설정된 제1기준치보다 작으면 상기 바이오가스를 공급하는 공급라인으로 리턴되도록 하는 제1제어와, 상기 제2배출관으로 배출되는 이산화탄소를 포함한 잔존가스의 메탄 농도를 측정하여 설정된 제2기준치보다 크거나 같으면 상기 이산화탄소를 포함한 잔존가스를 상기 공급라인으로 리턴되도록 하는 제2제어와, 상기 압력스윙흡착유닛으로부터 제3배출관을 통해 배출되는 퍼지가스의 메탄 농도를 측정하여 설정된 제3기준치보다 크거나 같으면 해당 퍼지가스를 상기 공급라인으로 리턴되도록 하는 제3제어를 포함하며, 상기 제1제어와 상기 제2제어와 상기 제3제어 중 적어도 어느 하나를 수행하는 리턴단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 제1제어는, 상기 제1배출관으로 배출되는 바이오메탄의 메탄 농도를 제1센싱부를 통해 측정하고, 측정된 메탄 농도가 설정된 제1기준치보다 작으면 상기 공급라인과 연결된 제1리턴라인을 통해 리턴되도록 제1개폐밸브를 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2제어는, 상기 제2배출관으로 배출되는 상기 이산화탄소를 포함한 잔존가스의 메탄 농도를 제2센싱부를 통해 측정하고, 측정된 메탄 농도가 설정된 제2기준치보다 크거나 같으면 상기 공급라인과 연결된 제2리턴라인을 통해 리턴되도록 제2개폐밸브를 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제3제어는, 상기 제3배출관으로 배출되는 퍼지가스의 메탄 농도를 제3센싱부를 통해 측정하고, 측정된 메탄 농도가 설정된 제3기준치보다 크거나 같으면 상기 공급라인과 연결된 제3리턴라인을 통해 리턴되도록 제3개폐밸브를 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2정제단계에서, 상기 압력스윙흡착 유닛이 구동을 시작하여 일정 시간 동안 생산한 바이오메탄은 상기 제1리턴라인을 통해 상기 공급라인으로 리턴되도록 제1개폐밸브를 제어하는 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 바이오가스 정제장치의 블럭도,
도 2는 도 1의 건조기의 상세도,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 바이오가스 정제방법의 순서도이다.
설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 바이오가스 정제장치에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 바이오가스 정제장치는 공지의 압력스윙흡착 유닛(10, PSA:Pressure Swing Absorption)를 이용하여 바이오메탄을 생산하는 장치이다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 바이오가스 정제장치의 블럭도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 바이오가스 정제장치는 공급조(1), 정제 유닛(A), 압력스윙흡착 유닛(10), 제1리턴유닛(20), 제2리턴 유닛(30), 제3리턴유닛(40) 및 컨트롤러(50)를 포함하여 구성된다.
상기 제1리턴유닛(20)과 제2리턴 유닛(30) 및 제3리턴유닛(40)은 선택적으로 적어도 어느 하나가 설치될 수 있으며, 본 실시예에서는 모두 설치된 것에 대해서 설명한다.
상기 공급조(1)는 바이오가스를 저장하고 있다가 후술하는 정제 유닛으로 공급라인(1a)을 통해 공급하도록 설치된다.
상기 정제유닛(A)은 블로워(2, blower), 탈황탑(3), 저압압축기(4), 건조기(5), 실록산 제거탑(6)을 포함하여 구성되며, 상기 공급라인(1a)를 통해 공급받은 바이오가스는 상기 구성들을 순차적으로 지나면서 각각의 해당공정에 따른 처리가 실행된다.
상기 블로워(2, blower)는 바이오가스가 공정상 요구되는 일정 압력을 가지도록 설치된다.
상기 탈황탑(3)은 황화수소를 제거하는 장치로서, 통상적으로 습식탈황 장치 또는 건식탈황 장치 중 어느 하나일 수 있다.
상기 습식탈황 장치는 바이오가스와 약액을 접촉시켜 중화반응 또는 산화반응과 같은 화학적 반응을 이용하는 것으로 알칼리계 약품인 탄산칼륨, 수산화나트륨 등과 같은 약액에 바이오가스를 접촉시켜 황성분을 화학흡수처리하는 방법과, 폴리에틸렌글리콜, 메탄올, 물 등에 황성분을 물리적 흡수처리하는 방법을 주공정으로 한다.
상기 건식탈황 장치는 고체형태의 흡착제 표면을 화학적 처리로 황성분을 흡착 제거하는 방법으로서, 활성탄, 실리카겔, 제올라이트 등의 흡착제로 황성분을 흡착하여 제거한다.
상기 습식탈황 장치는 대용량가스처리, 저농도 이산화탄소 유지, 빠른 반응속도, 처리효율 조절가능 등의 여러 가지 장점이 있는 반면, 다량의 공정수 소요, 폐수발생에 따른 2차 처리의 필요, 장기 운전시 성능저하 및 약품처리비용의 과다, 화학반응시 새로운 화합물인 황화나트륨(Na2S)의 쉬운 분해로 황화수소로의 환원이 용이, 처리가스의 재가열 등의 단점이 있다.
또한, 상기 건식탈황 장치는 황화수소의 제거 효율이 좋으며, 간단한 운전이 용이하고, 중소 용량의 탈황처리에 유리하며, 폐수발생이 없는 등 여러 가지 장점이 있는 반면에, 황 성분 이외의 타르, 수분 등 이물질 역시 흡착됨으로 흡착제의 수명이 짧고, 흡착제 수명을 연장하기 위해서는 전처리 시설이 반드시 필요할 뿐만 아니라 대용량처리에 어려움이 있으며 흡착반응시 흡착열로 폭발의 위험이 있다. 바이오가스 중 황화수소의 농도가 높으면 상기 건식탈황 장치는 흡착제 교체비용 과다로 유지관리에 어려움이 있다.
따라서, 상기 탈황탑(3)은 처리 용량 및 전체 시스템의 크기 및 비용 등의 전체적인 판단에 따라 습식탈황 장치 또는 건식탈황 장치 중 어느 하나를 선택하여 설치할 수 있다.
상기 저압압축기(4)는 왕복동 압축기 및 로터리 베인 압축기 등을 사용하여 바이오가스를 흡수법 또는 흡착법으로 제거하기 위한 운전 압력 조건을 형성하며, 이때 압력은 대략 압력 3 bar ~ 7 bar이다.
상기 왕복동 압축기는 바이오 가스 내 황화수소(H2S) 함량이 10ppm이하인 조건에서 사용되고, 상기 로터리 베인 압축기는 바이오가스 내 황화수소가 10ppm 이상이 조건에서 사용된다.
바이오가스 압축은 바이오가스 성상 및 바이오가스 처리 용량에 따라 압축기를 다양하게 선정할 수 있도록 구성하여 현장 운영 조건에 맞게 운영할 수 있도록 구성된다.
도 2는 도 1의 건조기의 상세도이다. 도 2를 참조하면, 상기 건조기(5)는 흡착제와 혼합가스로 이루어진 계내에서 계내의 압력순환에 의해서 생기는 흡착평형량의 차이를 이용하여 혼합가스 중 특성성분을 선택적으로 분리하는 가스분리기술을 적용하고 있는 건조장치이다.
상기 건조기(5) 내에는 자갈층(61), 제1건조제(62), 제2건조제(63) 및 자갈층(61)이 순차적으로 적층되어 있다.
여기서, 상기 제1건조제(62)는 상대적으로 수분 흡수율이 높은 활성 알루미나(Activated Alumina) 등으로 구성되며, 제2건조제(63)는 상대적으로 수분 흡수율이 낮은 제올라이트 계열 성분을 포함하는 것이 바람직하다.
즉, 저압압축기(4)로부터 유입되는 바이오가스는, 자갈층(61), 제1건조제(62), 제2건조제(63) 및 자갈층(61) 등을 순차적으로 거치면서 제습이 이뤄져 건조되며, 건조공정이 완료된 후에는 후술하는 실록산 제거탑(6)으로 송출하도록 구성된다.
상기 실록산 제거탑(6)은 열교환기의 막힘 현상과 가스 엔진 부품이 마모 등을 유발하는 실록산을 제거하는 장치로서, 상기 건조기(5)로부터 송출받은 바이오가스에 포함된 실록산을 제거한다.
실록산을 제거하는 방법은 통상적으로 아래의 3가지 방법을 이용하여 제거할 수 있다.
첫 번째는 건조기(5)로부터 유입되는 바이오가스를 대략 -25℃로 냉각 응축하여, 바이오가스 중의 실록산이 응축수에 포함되어 제거되는 저온냉각 실록산(Siloxane) 제거 방법과, 두 번째는 바이오가스를 대략 -70℃로 급냉하여 소화가스를 급속하게 응축하는 과정에서 실록산을 제거하는 초저온냉각 실록산 제거방법과, 세 번째는 바이오가스 중의 실록산을 용매인 폴리에틸렌 글리콜(Polyethylene Glycol)에 흡착하여 제거하는 용매세정에 의해 실록산을 제거하는 방법과, 네 번째는 활성탄을 이용하여 흡착하여 제거하는 실록산 제거 방법이다.
상기와 같은 정제유닛(A)을 통해 바이오가스에 포함된 황화수소 및 실록산이 제거된 상태로 후술하는 압력스윙흡착 유닛(10)으로 이송된다.
상기 압력스윙흡착 유닛(10)은 상술한 실록산 제거탑(6)으로부터 송출되는 바이오가스가 유입되도록 설치된다(도 1 참조).
이때, 압력스윙흡착 유닛(10)은 다수의 흡착탑을 포함하며 컨트롤러(50)에 의해 제어된다. 이때, 흡착탑 수는 2탑, 4탑, 8탑 및 그 이상이어도 가능하다.
각 흡착탑에는 다수의 밸브 및 이산화탄소 흡착을 위한 흡착제가 충진되어, 유입되는 바이오가스 중의 이산화탄소가 흡착제에 흡착되어 분리되도록 구성된다.
즉, 공급되는 바이오가스는 흡착제에 의해 이산화탄소가 분리되어 메탄이 전체 가스 중 95%이상인 고순도 바이오메탄으로 생산된다.
생산된 상기 바이오메탄은 제1배출관(11)을 통해 바이오메탄 저장조(7)로 송출하도록 구성된다.
또한, 상기 압력스윙흡착 유닛(10)은 바이오가스를 공급받아 가압하는 가압공정과, 가압된 바이오가스를 통해 이산화탄소를 분리하여 바이오메탄으로 생산하는 생산공정과, 이산화탄소를 포함한 잔존가스를 배기하는 벤트(vent)공정과, 압력스윙흡착 유닛의 전체 프로세스에서 기체를 순환시킬 때 순환류인 바이오가스 중의 불요 성분이 축적하는 것을 방지하기 위해 순환류의 일부를 간헐적 혹은 연속적으로 외부로 방출하는 퍼지공정을 순차적으로 진행하도록 제어된다.
여기서, 벤트공정에서는 상기 흡착제에 흡착된 이산화탄소 등을 포함하는 잔존가스를 제2배출관(12)을 통해 대기중으로 배출하도록 마련된다.
또한, 상기 퍼지공정에서 외부로 방출되는 가스를 퍼지가스라 하며, 이 퍼지가스는 제3배출관(13)을 통해 대기중으로 배출하도록 마련된다.
한편, 상기 압력스윙흡착 유닛(10)의 구동 시작부터 일정 시간 동안 제1배출관(11)으로 배출되는 바이오메탄은 후술하는 제1리턴라인(21)을 통해 직접 공급라인(1a)으로 리턴하도록 제1개폐밸브(23)가 제어된다.
이는, 압력스윙흡착 유닛(10)이 구동을 시작하여 전체 시스템이 안정화되기 전까지 메탄 농도가 95%를 상회하는 바이오메탄이 생산되지 않은 것에 기인한다.
따라서, 압력스윙흡착 유닛(10)은 최초 구동을 시작하여 대략 5분 ~ 15분, 바람직하게는 10분 정도의 시간 동안에는 생산한 바이오메탄을 공급라인(1a)으로 리턴하도록 함으로써 메탄회수율을 향상시킬 수 있다.
상기 제1리턴유닛(20)은 제1리턴라인(21)과 제1센싱부(22) 및 제1개폐밸브(23)를 포함하여 구성되며, 상기 제1개폐밸브(23)는 컨트롤러(50)에 의해 개폐제어된다.
상기 제1리턴라인(21)은 일 단은 제1배출관(11)과 연결되고, 타 단은 공급라인(1a)과 연결되도록 설치되며, 상기 제1센싱부(22)는 제1배출관(11)으로 배출되는 바이오메탄의 메탄 농도를 측정하도록 설치된다.
상기 제1개폐밸브(23)는 제1배출관(11)과 상기 제1리턴라인(21)을 연결하는 부분에 설치되는 3-way밸브로서, 제1배출관(11)으로 배출되는 바이오메탄이 제1리턴라인(21)을 통해 선택적으로 공급라인(1a)으로 리턴하도록 개폐제어된다.
상기 컨트롤러(50)는 제1센싱부(22)에서 측정된 값인 메탄 농도를 사전에 설정된 제1기준치와 비교하여 선택적으로 상기 제1개폐밸브(23)를 개폐제어한다.
여기서, 제1기준치는 바이오메탄의 메탄 농도가 95%로서, 생산된 바이오메탄의 메탄 농도가 95%보다 작으면 제1개폐밸브(23)를 개방하여 공급라인(1a)으로 리턴하도록 제어하고, 메탄 농도가 95%보다 크거나 같으면 해당 바이오메탄은 바이오메탄 저장조(7)로 이동하도록 제1개폐밸브(23)를 폐쇄시킨다.
상기 제1리턴유닛(20)을 통해 생산완료된 바이오메탄의 메탄 농도가 품질기준인 메탄 농도 95% 이상인 바이오메탄을 생산해 낼 수 있어, 양품수율이 향상된다.
또한, 제1기준치인 95% 미만의 바이오메탄은 공급라인(1a)으로 리턴되도록 하여 종래 생산기준을 만족시키지 못하는 경우 폐기되는 것과는 달리 메탄의 회수율을 향상시킬 수 있다.
그리고, 상기 컨트롤러(50)는 압력스윙흡착 유닛(10)의 최초 구동시작부터 대략 10분까지는 제1배출관(11)으로 배출되는 바이오메탄을 제1리턴라인(21)을 통해 공급라인(1a)으로 리턴하도록 제1개폐밸브(23)를 제어한다.
즉, 제1배출관(11)을 통해 배출되는 바이오메탄 중 95% 이상의 메탄 농도를 가지는 바이오메탄은 바이오메탄 저장조(7)로 보내져 저장된다.
그리고, 상기 바이오메탄 저장조(7)에 저장된 바이오메탄은 소정의 고압압축기를 통해 압축된 상태로 차량연료로 주입되거나 압력을 낮춰 도시가스 배관망에 공급할 수 있다.
상기 제2리턴 유닛(30)은 제2리턴라인(31)과 제2센싱부(32) 및 제2개폐밸브(33)를 포함하여 구성되며, 상기 제2개페밸브는 컨트롤러(50)에 의해 개폐제어된다.
상기 제2리턴라인(31)은 일 단은 제2배출관(12)과 연결되고, 타 단은 공급라인(1a)과 연결되도록 설치된다. 그리고, 상기 제2센싱부(32)는 제2배출관(12)으로 배출되는 이산화탄소를 포함한 잔존가스의 메탄 농도를 측정하도록 설치된다.
상기 제2개폐밸브(33)는 제1개폐밸브(23)와 같이 3-way밸브로서, 제2배출관(12)으로 배출되는 이산화탄소를 포함한 잔존가스가 제2리턴라인(31)을 통해 선택적으로 공급라인(1a)으로 리턴하도록 컨트롤러(50)에 의해 제어된다.
상기 컨트롤러(50)는 제2센싱부(32)에서 측정된 값인 메탄 농도를 사전에 설정된 제2기준치와 비교하여 선택적으로 상기 제2개폐밸브(33)를 개폐제어한다. 여기서, 제2기준치는 대략 메탄 농도 50%이며, 필요에 따라 변경 가능하다.
즉, 컨트롤러(50)는 제2배출관(12)으로 배출되는 잔존가스의 메탄 농도가 50%보다 크거나 같으면 해당 이산화탄소를 포함한 잔존가스를 제2개폐밸브(33)를 통해 공급라인(1a)으로 리턴하도록 제어하고, 잔존가스의 메탄 농도가 60%보다 작으면 해당 잔존가스는 제2개폐밸브(33)를 통해 대기 중으로 방출하도록 제어한다.
상기와 같은 제2리턴 유닛(30)을 통해 종래에는 분리 제거되는 이산화탄소를 포함한 잔존가스를 대기중으로 방출시 압력스윙흡착 유닛(10) 내부에 존재하는 메탄까지 방출되는 문제점이 있었으나, 상기 이산화탄소를 포함한 잔존가스 중 메탄 농도가 일정 기준치 이상인 가스를 선택적으로 공급라인(1a)으로 리턴되도록 하여 메탄회수율을 향상시킬 수 있다.
아울러, 대기중으로 방출하는 잔존가스를 종래에 비해 현저하게 감소되어 대기 중으로 방출되는 오염물질을 최소화시킬 수 있다.
상기 제3리턴 유닛(40)은 제3리턴라인(41)과 제3센싱부(42) 및 제3개폐밸브(43)를 포함하여 구성되며, 상기 제3개페밸브(43)는 컨트롤러(50)에 의해 개폐제어된다.
상기 제3리턴라인(41)은 일 단은 제3배출관(13)과 연결되고, 타 단은 공급라인(1a)과 연결되도록 설치된다. 그리고, 상기 제3센싱부(42)는 제3배출관(13)으로 배출되는 퍼지가스의 메탄 농도를 측정하도록 설치된다.
상기 제3개폐밸브(43)는 제1개폐밸브(23) 및 제2개폐밸브(33)와 같이 3-way밸브로서, 제3배출관(13)으로 배출되는 퍼지가스가 제3리턴라인(41)을 통해 선택적으로 공급라인(1a)으로 리턴하도록 컨트롤러(50)에 의해 제어된다.
상기 컨트롤러(50)는 제3센싱부(42)에서 측정된 값인 메탄 농도를 사전에 설정된 제3기준치와 비교하여 선택적으로 상기 제3개폐밸브(43)를 개폐제어한다. 여기서, 제3기준치는 제1기준치 및 제2기준치에서와 같이 사전에 설정되어 있을 수 있다.
즉, 컨트롤러(50)는 제3배출관(13)으로 배출되는 퍼지가스의 메탄 농도가 제3기준치보다 크거나 같으면 해당 퍼지가스를 제3개폐밸브(43)를 통해 공급라인(1a)으로 리턴하도록 제어하고, 퍼지가스의 메탄 농도가 제3기준치보다 작으면 해당 퍼지가스는 제3개폐밸브(43)를 통해 대기 중으로 방출하도록 제어한다.
상기와 같은 제3리턴 유닛(40)을 통해 압력스윙흡착유닛(10)에서 배출되는 퍼지가스의 메탄 농도를 측정하여 공급라인으로 선택적으로 회수되도록 함으로써 메탄의 회수율을 향상시킬 수 있다.
아울러, 대기중으로 방출하는 퍼지가스를 종래에 비해 현저하게 감소되어 대기 중으로 방출되는 오염물질을 최소화시킬 수 있다.
다음으로, 상술한 바이오가스 정제장치를 이용한 정제방법에 대해 설명한다. 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 바이오가스 정제방법의 순서도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 바이오가스 정제방법은 제1정제단계와 제2정제단계 및 리턴단계를 포함하여 구성된다.
먼저, 제1정제단계로서, 바이오가스를 공급조(1)로부터 공급라인(1a)을 통해 블로워(2)로 공급하고(S10), 블로워(2)는 공급되는 바이오가스를 사전에 설정된 공정상 요구 압력을 가지도록 하고, 일정 압력을 가지는 바이오가스는 정제유닛(A)으로 이동시킨다.
이동된 바이오가스는 정제유닛(A)의 탈황탑(3), 저압압축기(4), 건조기(5) 및 실록산 제거탑(6)을 순차적으로 거치면서 바이오가스의 황화수소 및 실록산이 제거되고(S20), 압력스윙흡착 유닛(10)으로 송출한다.
상기 압력스윙흡착 유닛(10)에서는 상기 정제유닛(A)으로부터 바이오가스를 공급받아 가압하는 가압공정과, 가압된 바이오가스를 통해 이산화탄소를 분리하여 바이오메탄으로 생산하는 생산공정과, 이산화탄소를 포함한 잔존가스를 배기하는 벤트(vent)공정과, 압력스윙흡착 유닛의 전체 프로세스에서 기체를 순환시킬 때 순환류인 바이오가스 중의 불요 성분이 축적하는 것을 방지하기 위해 순환류의 일부를 간헐적 혹은 연속적으로 외부로 방출하는 퍼지공정을 순차적으로 진행한다.
이 같은 공정을 연속적으로 진행하는 압력스윙흡착 유닛(10)을 이용하여 제2정제단계로서, 상기 생산공정에서는 공급되는 바이오가스 중 이산화탄소를 흡착 분리하여 차량연료용으로 적합한 95%이상인 고순도 바이오메탄을 생산하고(S30), 생산된 바이오메탄은 제1배출관(11)으로 배출한다(S40).
또한, 상기 벤트공정에서는 상기 흡착제에 흡착된 이산화탄소 등을 포함하는 잔존가스를 제2배출관(12)으로 배출하며(S50), 상기 퍼지공정에서 외부로 방출되는 가스를 퍼지가스라 하며, 이 퍼지가스는 제3배출관(13)을 통해 배출한다(S60).
이어, 각 배출관으로 배출되는 가스를 선택적으로 공급라인으로 리턴하거나 대기중으로 방출되도록 하는 리턴단계로서, 먼저, 제1리턴유닛(20)에서는 제1배출관(11)으로 배출되는 바이오메탄의 메탄 농도를 사전에 설정된 제1기준치인 95%보다 작으면 공급라인(1a)으로 해당 바이오메탄을 리턴하도록 제어하고, 95%보다 크면 바이오메탄 저장조(7)로 이동되도록 제어한다(S41).
바이오메탄 저장조(7)로 이동되는 바이오메탄은 95% 이상의 메탄을 포함하여 소정의 고압압축기를 통해 압축된 상태로 차량주입용 연료로 제공된다.
상술한 제1리턴유닛(20)에 의해 실행되는 메탄 회수 공정은 생산된 바이오메탄이 그 대상이므로, 제품으로 출하되는 직전의 상태 즉, 실질적으로 제품상태에서 메탄을 회수하는 방법이다.
한편, 압력스윙흡착 유닛(10)의 최초 구동부터 시스템 안정화되기 전까지는 생산되는 바이오메탄이 양품 수준인 95%를 만족시키지 못하는 메탄 농도를 가지는 바이오메탄이 생산된다.
따라서, 압력스윙흡착 유닛(10)의 최초 구동 시작부터 전체 시스템의 안정화되기까지인 시간 동안(대략 10분)은 생산되는 바이오가스를 상기 공급라인(1a)으로 리턴하도록 제어하여, 메탄 회수율을 향상시킬 수 있다.
그리고, 제2리턴 유닛(30)에서는 제2배출관(12)으로 배출되는 이산화탄소를 포함한 잔존가스의 메탄 농도를 제2센싱부(32)를 통해 측정하고, 제2개폐밸브(33)를 통해 측정값이 사전에 설정된 제2기준치보다 크거나 같으면 공급라인(1a)으로 리턴되도록 하고, 측정값이 제2기준치보다 작으면 대기중으로 방출하도록 제어한다(S51).
상기 제2리턴 유닛(30)에 의해 실행하는 메탄 회수 공정은 각 흡착탑에서 흡착 분리되는 이산화탄소를 포함한 잔존가스가 대상이므로, 다수의 흡착탑이 순차적으로 작동중에 실행되어 메탄을 회수하는 공정이다.
또한, 제3리턴 유닛(40)에서는 제3배출관(13)으로 배출되는 퍼지가스의 메탄 농도를 제3센싱부(43)를 통해 측정하고, 제3개폐밸브(43)를 통해 측정값이 사전에 설정된 제3기준치보다 크거나 같으면 공급라인(1a)으로 리턴되도록 하고, 측정값이 제3기준치보다 작으면 대기중으로 방출하도록 제어한다(S61).
상기 제3리턴 유닛(40)도 상술한 제2리턴 유닛(30)과 같이 다수의 흡착탑이 순차적으로 작동중에 실행되어 메탄을 회수하는 공정이다.
상기와 같은 방법을 이용하면, 제1리턴유닛(20)을 통해 압력스윙흡착 유닛(10)으로부터 생산되는 바이오메탄 중 품질기준에 미달되는 바이오메탄을 회수함으로써 메탄회수율을 향상되어, 생산한 바이오메탄의 품질을 담보할 수 있다.
아울러, 압력스윙흡착유닛이 운전 중인 상태에서 방출되는 이산화탄소를 포함하는 잔존가스 및 퍼지가스의 일부를 선택적으로 회수함으로써 메탄회수율 향상 및 대기중 오염물질 방출을 최소화할 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※
1 : 공급조 1a : 공급라인
2 : 블로워 A : 정제유닛
3 : 탈황탑 4 : 저압압축기
5 : 건조기 6 : 실록산 제거탑
61 : 자갈층 62 : 제1건조제
63 : 제2건조제 7 : 바이오메탄 저장조
10 : 압력스윙흡착 유닛 11 : 제1배출관
12 : 제2배출관 20 : 제1리턴 유닛
21 : 제1리턴라인 22 : 제1센싱부
23 : 제1개폐밸브 30 : 제2리턴 유닛
31 : 제2리턴라인 32 : 제2센싱부
33 : 제2개폐밸브 40 : 제3리턴 유닛
41 : 제3리턴라인 42 : 제3센싱부
43 : 제3개폐밸브 50 : 컨트롤러

Claims (13)

  1. 바이오가스를 정제하여 바이오메탄을 생산하는 바이오가스 정제장치에 있어서,
    공급라인을 통해 공급되는 바이오가스에 포함된 황화수소 및 실록산을 제거하는 정제 유닛;
    상기 정제유닛에서 정제된 바이오가스를 공급받아 상기 바이오가스로부터 이산화탄소를 분리하여 바이오메탄으로 생산 배출하고, 분리된 상기 이산화탄소를 포함한 잔존가스는 외부로 배출하는 압력스윙흡착유닛;
    상기 압력스윙흡착유닛으로부터 배출되는 바이오메탄의 메탄 농도를 측정하여 설정된 제1기준치보다 작으면 해당 바이오메탄을 상기 공급라인으로 리턴하도록 제어되는 제1리턴유닛;
    상기 압력스윙흡착유닛으로부터 배출되는 이산화탄소를 포함한 잔존가스 중 메탄 농도를 측정하여 설정된 제2기준치보다 크거나 같으면 상기 공급라인으로 리턴하도록 제어되는 제2리턴유닛; 및,
    상기 압력스윙흡착유닛의 퍼지가스의 메탄 농도를 측정하여 설정된 제3기준치보다 크거나 같으면 상기 공급라인으로 리턴하도록 제어되는 제3리턴유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 정제장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1리턴 유닛은,
    일 단은 생산된 바이오메탄을 배출하는 제1배출관과 연결되고, 타 단은 상기 공급라인과 연결되는 제1리턴라인;
    상기 제1배출관으로 배출되는 바이오메탄의 메탄 농도를 측정하는 제1센싱부; 및,
    상기 제1리턴라인과 상기 제1배출관의 결합된 부분에 설치되며, 상기 제1센싱부의 측정값에 따라 해당 바이오메탄을 상기 공급라인으로 선택적으로 리턴하도록 개폐제어되는 제1개폐밸브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 정제장치.
  3. 바이오가스를 정제하여 바이오메탄을 생산하는 바이오가스 정제장치에 있어서,
    공급라인을 통해 공급되는 바이오가스에 포함된 황화수소 및 실록산을 제거하는 정제 유닛;
    상기 정제유닛에서 정제된 바이오가스를 공급받아 상기 바이오가스로부터 이산화탄소를 분리하여 바이오메탄으로 생산 배출하고, 분리된 상기 이산화탄소를 포함한 잔존가스는 외부로 배출하는 압력스윙흡착유닛; 및,
    상기 압력스윙흡착유닛으로부터 배출되는 이산화탄소를 포함한 잔존가스 중 메탄 농도를 측정하여 설정된 제2기준치보다 크거나 같으면 상기 공급라인으로 리턴하도록 제어되는 제2리턴유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 정제장치.
  4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 제2리턴유닛은,
    일 단은 상기 압력스윙흡착 유닛으로부터 상기 이산화탄소를 포함한 잔존가스가 배출되는 제2배출관과 연결되고, 타 단은 상기 공급라인과 연결되는 제2리턴라인;
    상기 제2배출관과 연결되어 배출되는 잔존가스의 메탄 농도를 측정하는 제2센싱부; 및,
    상기 제2리턴라인과 상기 제2배출관의 결합된 부분에 설치되며, 상기 제2센싱부의 측정값에 따라 해당 잔존가스를 상기 공급라인으로 선택적으로 리턴하도록 개폐제어되는 제2개폐밸브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 정제장치.
  5. 바이오가스를 정제하여 바이오메탄을 생산하는 바이오가스 정제장치에 있어서,
    공급라인을 통해 공급되는 바이오가스에 포함된 황화수소 및 실록산을 제거하는 정제 유닛;
    상기 정제유닛에서 정제된 바이오가스를 공급받아 상기 바이오가스로부터 이산화탄소를 분리하여 바이오메탄으로 생산 배출하고, 분리된 상기 이산화탄소를 포함한 잔존가스는 외부로 배출하는 압력스윙흡착유닛; 및,
    상기 압력스윙흡착유닛의 퍼지가스의 메탄 농도를 측정하여 설정된 제3기준치보다 크거나 같으면 상기 공급라인으로 리턴하도록 제어되는 제3리턴유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 정제장치.
  6. 제 1항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 제3리턴유닛은,
    일 단은 상기 압력스윙흡착 유닛의 퍼지가스가 배출되는 제3배출관과 연결되고, 타 단은 상기 공급라인과 연결되는 제3리턴라인;
    상기 제3배출관과 연결되어 퍼지가스의 메탄 농도를 측정하는 제3센싱부; 및,
    상기 제3리턴라인과 상기 제3배출관의 결합된 부분에 설치되며, 상기 제3센싱부의 측정값에 따라 해당 퍼지가스를 상기 공급라인으로 선택적으로 리턴하도록 개폐제어되는 제3개폐밸브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 정제장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 압력스윙흡착 유닛은 구동 시작부터 일정 시간 동안 생산된 바이오메탄을 상기 제1리턴라인을 통해 상기 공급라인으로 리턴하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 바이오가스 정제장치.
  8. 제 1항 또는 제 3항 또는 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정제유닛은,
    공급되는 바이오가스의 황화수소(H2S)를 제거하는 탈황탑과, 상기 황화수소가 제거된 바이오가스를 공급받아 실록산(siloxane)을 제거하는 실록산 제거탑을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 정제장치.
  9. 바이오가스 정제방법에 있어서,
    바이오가스를 공급하여 황화수소 및 실록산을 순차적으로 제거하는 제1정제단계;
    압력스윙흡착 유닛을 통해 상기 정제단계에서 정제된 바이오가스를 공급받아 이산화탄소를 흡착 분리하여 바이오메탄으로 생산하여 제1배출관을 통해 배출하고, 분리된 상기 이산화탄소를 포함한 잔존가스는 제2배출관을 통해 배출하도록 제어하고, 상기 압력스윙흡착 유닛 내부의 바이오가스 중 일부를 제3배출관을 통해 퍼지가스로 배출하는 제2정제단계; 및,
    상기 제1배출관으로 배출되는 바이오메탄의 메탄 농도를 측정하여 설정된 제1기준치보다 작으면 상기 바이오가스를 공급하는 공급라인으로 리턴되도록 하는 제1제어와, 상기 제2배출관으로 배출되는 이산화탄소를 포함한 잔존가스의 메탄 농도를 측정하여 설정된 제2기준치보다 크거나 같으면 상기 이산화탄소를 포함한 잔존가스를 상기 공급라인으로 리턴되도록 하는 제2제어와, 상기 압력스윙흡착유닛으로부터 제3배출관을 통해 배출되는 퍼지가스의 메탄 농도를 측정하여 설정된 제3기준치보다 크거나 같으면 해당 퍼지가스를 상기 공급라인으로 리턴되도록 하는 제3제어를 포함하며, 상기 제1제어와 상기 제2제어와 상기 제3제어 중 적어도 어느 하나를 수행하는 리턴단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 정제방법
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제1제어는, 상기 제1배출관으로 배출되는 바이오메탄의 메탄 농도를 제1센싱부를 통해 측정하고, 측정된 메탄 농도가 설정된 제1기준치보다 작으면 상기 공급라인과 연결된 제1리턴라인을 통해 리턴되도록 제1개폐밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 정제방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 제2제어는, 상기 제2배출관으로 배출되는 상기 이산화탄소를 포함한 잔존가스의 메탄 농도를 제2센싱부를 통해 측정하고, 측정된 메탄 농도가 설정된 제2기준치보다 크거나 같으면 상기 공급라인과 연결된 제2리턴라인을 통해 리턴되도록 제2개폐밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 정제방법.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 제3제어는, 상기 제3배출관으로 배출되는 퍼지가스의 메탄 농도를 제3센싱부를 통해 측정하고, 측정된 메탄 농도가 설정된 제3기준치보다 크거나 같으면 상기 공급라인과 연결된 제3리턴라인을 통해 리턴되도록 제3개폐밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 정제방법.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 제2정제단계에서, 상기 압력스윙흡착 유닛이 구동을 시작하여 일정 시간 동안 생산한 바이오메탄은 상기 제1리턴라인을 통해 상기 공급라인으로 리턴되도록 제1개폐밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 정제방법.
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