KR101534802B1

KR101534802B1 - 아민 흡수유닛을 포함하는 바이오가스 정제 시스템

Info

Publication number: KR101534802B1
Application number: KR1020150044463A
Authority: KR
Inventors: 성현제; 김종일; 심동민; 조윤탁
Original assignee: 한솔이엠이(주)
Priority date: 2015-03-30
Filing date: 2015-03-30
Publication date: 2015-07-07

Abstract

아민 흡수유닛을 포함하는 바이오가스 정제 시스템이 개시된다. 개시된 아민 흡수유닛을 포함하는 바이오가스 정제 시스템은 ⅰ)바이오가스 생산시설에서 발생되는 바이오가스 중의 수분, 황화수소 및 실록산을 포함하는 불순물을 제거하는 바이오가스 전처리유닛과, ⅱ)불순물이 제거된 바이오가스 중의 이산화탄소를 아민 흡수제를 통해 흡수 및 분리하며 바이오메탄을 생산하는 아민 흡수유닛과, ⅲ)아민 흡수유닛에서 배출되는 바이오메탄을 일정 압력으로 승압하는 바이오메탄 승압유닛과, ⅳ)바이오메탄 승압유닛에 의해 승압된 바이오메탄 중의 수분과 아민 흡수제를 제거하는 바이오메탄 제습유닛과, ⅴ)바이오메탄 제습유닛에서 배출되는 바이오메탄의 품질을 분석하여 그 품질에 따라 바이오메탄을 아민 흡수유닛으로 재순환시키는 바이오메탄 품질관리유닛과, ⅵ)아민 흡수유닛에서의 열에너지를 회수하여 온수를 생산하는 열에너지 회수유닛을 포함할 수 있다.

Description

아민 흡수유닛을 포함하는 바이오가스 정제 시스템 {BIO-GAS PURIFICATION SYSTEM}

본 발명의 실시예는 바이오가스 정제 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 바이오가스 중의 이산화탄소와 메탄을 아민 흡수유닛을 통해 분리하고 바이오메탄을 회수할 수 있는 아민 흡수유닛을 포함하는 바이오가스 정제 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 가축분뇨, 음식물 쓰레기, 하수 슬러지 등의 고농도 유기성 폐기물을 처리하는 혐기성 소화조와 매립지에서는 유기 물질이 혐기성 상태에서 분해되면서 바이오가스가 발생된다.

이러한 바이오가스의 주성분은 메탄(40~70%)과 이산화탄소(30~60%)이며, 황화수소를 비롯한 암모니아, 수소, 질소, 휘발성유기화합물, 및 실록산 등의 미량 가스를 포함하고 있다.

여기서, 상기 바이오가스는 메탄이 주성분으로서 에너지원으로 사용이 가능하다. 이러한 이유로 인하여 바이오가스는 신재생 에너지원으로서 보일러, 열병합 발전 등 전기나 열을 생산하는 공정의 연료로서 사용되고 있다.

대부분의 바이오가스 에너지화 시설에서는 바이오가스를 저질 가스 또는 중질 가스의 형태로 전처리 하는데, 저질 가스는 바이오가스 중의 수분 정도 만을 제거하여 보일러 연료로서 사용하는 것이며, 중질 가스는 바이오가스 중의 수분, 황화수소, 실록산 물질 등을 제거하여 전기와 열을 생산하는 열병합 발전기의 연료로서 사용하는 것이다.

상기한 저질 가스 및 중질 가스는 에너지 효율이 낮고, 에너지를 이용하는데 한계가 있어 바이오가스의 에너지 활용성 및 효율성을 높이기 위해 바이오가스 중에 포함되어 있는 메탄 이외의 불순 물질을 모두 제거하여 바이오가스의 고질화가 필요하다. 고질화된 바이오가스는 도시가스와 동일하게 사용할 수 있다.

바이오가스를 고질화하기 위해서는 바이오가스중의 메탄과 이산화탄소를 분리하여 메탄농도가 95% 이상이여야 한다. 국내에서는 바이오가스의 이산화탄소와 메탄을 분리하는 방법으로 흡착기술, 물흡수기술, 막분리기술을 적용하고 있다. 하지만 이러한 분리기술은 바이오가스를 중압(0.1 ~ 1.0MPa)으로 압축하여 분리해 함에 따라 에너지 소비율이 높다. 또한 메탄회수율을 높이기 위하여 여러단계의 분리공정을 설치해야 하는 문제가 있어, 바이오가스 에너지화 사업의 경제성이 저하될 수 있다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 바이오가스의 에너지 효율성과 활용성을 높일 수 있고, 에너지 소비율을 최소화할 수 있으며, 메탄 회수율을 최대화시킬 수 있도록 한 바이오가스 정제 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예에 따른 바이오가스 정제 시스템은, ⅰ)바이오가스 생산시설에서 발생되는 바이오가스 중의 수분, 황화수소 및 실록산을 포함하는 불순물을 제거하는 바이오가스 전처리유닛과, ⅱ)상기 불순물이 제거된 바이오가스 중의 이산화탄소를 아민 흡수제를 통해 흡수 및 분리하며 바이오메탄을 생산하는 아민 흡수유닛과, ⅲ)상기 아민 흡수유닛에서 배출되는 바이오메탄을 일정 압력으로 승압하는 바이오메탄 승압유닛과, ⅳ)상기 바이오메탄 승압유닛에 의해 승압된 바이오메탄 중의 수분과 아민 흡수제를 제거하는 바이오메탄 제습유닛과, ⅴ)상기 바이오메탄 제습유닛에서 배출되는 바이오메탄의 품질을 분석하여 그 품질에 따라 바이오메탄을 상기 아민 흡수유닛으로 재순환시키는 바이오메탄 품질관리유닛과, ⅵ)상기 아민 흡수유닛에서의 열에너지를 회수하여 온수를 생산하는 열에너지 회수유닛을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 바이오가스 정제 시스템에 있어서, 상기 아민 흡수유닛은 아민 흡수제를 통해 바이오가스 중의 이산화탄소를 흡수하고 바이오메탄을 배출하는 흡수탑과, 스팀 보일러로부터 제공되는 스팀의 열에너지를 통해 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제에서 이산화탄소를 분리 배출하며 아민 흡수제를 재생하고 그 재생된 아민 흡수제를 흡수탑으로 공급하는 재생탑을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 바이오가스 정제 시스템에 있어서, 상기 아민 흡수유닛은 상기 흡수탑 및 재생탑에서 배출되는 배출가스 중의 아민 흡수제와 수분을 응축시키며 그 응축수를 흡수탑으로 주입할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 바이오가스 정제 시스템에 있어서, 상기 바이오메탄 승압유닛 및 바이오메탄 제습유닛은 이들에서 발생되는 응축수를 상기 흡수탑으로 주입할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 바이오가스 정제 시스템은, 황화수소, 수분, 실록산, 이산화탄소(30~60%), 메탄(40~70%)을 포함하고 있는 바이오가스로부터 메탄 95% 이상, 이산화탄소 3% 이하, 황화수소 30ppm 이하, 실록산 10mg/m³ 이하, 수분 dew point -30℃ 이하인 바이오메탄을 생산하고 그 바이오메탄을 바이오메탄 사용처에서 요구하는 압력으로 공급할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 바이오가스 정제 시스템에 있어서, 상기 아민 흡수유닛은 0~0.1MPa의 저압에서 바이오가스 중의 이산화탄소를 흡수 및 분리할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 바이오가스 정제 시스템에 있어서, 상기 바이오메탄 승압유닛은 바이오메탄을 0.1~1.0MPa의 중압으로 승압할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 바이오가스 정제 시스템에 있어서, 상기 바이오메탄 제습유닛은 교대로 운전하는 두 개의 흡착탑으로 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 바이오가스 정제 시스템에 있어서, 상기 바이오메탄 제습유닛은 하나의 흡착탑에서 흡착이 이루어지고, 다른 하나의 흡착탑에서 흡착여재를 재생하며, 상기 흡착여재의 재생에 바이오메탄을 사용하고, 그 재생에 사용된 바이오메탄을 상기 바이오가스 전처리유닛으로 순환시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 바이오가스 정제 시스템은, 최종적으로 생산된 바이오메탄을 도시가스 배관망에 주입하기 위해, 상기 열에너지 회수유닛으로부터 열에너지를 제공받아 액체상태의 LPG를 기화시키며 바이오메탄과 LPG를 혼합하는 LPG 혼합유닛과, 상기 바이오메탄과 LPG가 혼합된 도시가스에 10~20mg/m³농도의 부취제를 주입하는 부취제 혼합유닛과, 상기 부취제가 주입된 도시가스의 품질기준을 확인하기 위한 도시가스 품질관리유닛을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 바이오가스 정제 시스템에 있어서, 상기 아민 흡수유닛은 상기 흡수탑의 하부에서 배출되는 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제를 상기 재생탑으로 공급하는 제1 라인 및 상기 재생탑에서 재생된 아민 흡수제를 상기 흡수탑으로 공급하는 제2 라인이 교차하는 지점에 설치되며, 상기 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제와 상기 재생된 아민 흡수제의 열 교환이 이루어지는 제1 열교환기를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 바이오가스 정제 시스템에 있어서, 상기 아민 흡수유닛은 상기 흡수탑의 상부에 연결되며, 상기 흡수탑에서 배출되는 바이오메탄 중의 아민 흡수제와 수분을 응축시키고 그 응축수를 상기 흡수탑의 하부로 주입하는 제1 응축수 주입부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 바이오가스 정제 시스템에 있어서, 상기 아민 흡수유닛은 상기 재생탑의 상부에 연결되며, 상기 재생탑에서 배출되는 배출가스 중의 아민 흡수제와 수분을 응축시키는 냉각부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 바이오가스 정제 시스템에 있어서, 상기 아민 흡수유닛은 상기 냉각부와 연결되며, 상기 냉각부에서 응축된 응축수를 상기 흡수탑의 하부로 주입하는 제2 응축수 주입부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 바이오가스 정제 시스템에 있어서, 상기 제1 응축수 주입부는 제1 응축수 주입라인을 통해 상기 흡수탑의 하부와 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 바이오가스 정제 시스템에 있어서, 상기 제2 응축수 주입부는 제2 응축수 주입라인을 통해 상기 흡수탑의 하부와 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 바이오가스 정제 시스템에 있어서, 상기 아민 흡수유닛은 상기 제1 열교환기의 전단에서 상기 제1 라인에 설치되며, 상기 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제를 상기 재생탑으로 공급하는 제1 흡수제 공급부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 바이오가스 정제 시스템에 있어서, 상기 아민 흡수유닛은 상기 제1 열교환기의 후단에서 상기 제2 라인에 설치되며, 상기 제1 열교환기를 통해 상기 흡수탑으로 공급되는 상기 재생된 아민 흡수제를 냉각하는 제2 열교환기를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 바이오가스 정제 시스템에 있어서, 상기 아민 흡수유닛은 상기 제2 열교환기의 후단에서 상기 제2 라인에 설치되며, 상기 제2 열교환기를 통해 온도가 떨어진 상기 재생된 아민 흡수제를 상기 흡수탑의 상부로 공급하는 제2 흡수제 공급부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 바이오가스 정제 시스템에 있어서, 상기 열에너지 회수유닛은 상기 아민 흡수유닛의 상기 냉각부 및 상기 제2 열교환기에 연결되며, 상기 재생된 아민 흡수제 및 상기 재생탑에서 배출되는 배출가스의 열을 회수하여 온수를 생산할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 바이오가스 정제 시스템에 있어서, 상기 열에너지 회수유닛은 50~100℃의 온수를 혐기성 소화조를 상기 바이오가스 생산시설로 공급할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 바이오가스 정제 시스템에 있어서, 상기 아민 흡수유닛은 상기 재생탑의 상부에 연결되며, 상기 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제의 재생 온도에 따라 상기 재생탑의 압력을 조절하는 압력 조절부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 바이오가스 정제 시스템에 있어서, 상기 아민 흡수유닛은 상기 제1 열교환기의 전단 측에 구성되며, 상기 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제 및 상기 재생된 아민 흡수제의 입자상 이물질을 제거하는 이물질 제거수단을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 바이오가스 정제 시스템에 있어서, 상기 이물질 제거수단은 상기 제1 라인에 설치되며, 상기 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제의 입자상 이물질을 제거하는 제1 필터와, 상기 제2 라인에 설치되며, 상기 재생된 아민 흡수제의 입자상 이물질을 제거하는 제2 필터를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 바이오가스 정제 시스템에 있어서, 상기 아민 흡수유닛은 상기 바이오가스를 0.1MPa 이하의 저압으로 상기 흡수탑의 하부에 공급하는 바이오가스 공급부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 바이오가스 정제 시스템에 있어서, 상기 재생탑은 재기화기로부터 열에너지를 공급받아 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제로부터 이산화탄소를 분리하며 아민 흡수제를 재생할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 바이오가스 정제 시스템에 있어서, 상기 스팀 보일러는 상기 바이오가스 전처리유닛으로부터 제공되는 바이오가스 혹은 상기 바이오메탄을 사용하여 스팀의 열에너지를 상기 재기화기로 공급할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 바이오가스 정제 시스템에 있어서, 상기 재기화기에서 발생되는 응축수는 응축수 공급펌프를 통해 상기 스팀 보일러로 재 순환할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 바이오가스 정제 시스템에 있어서, 상기 바이오메탄 승압유닛은 제1 응축수 회수라인을 통해 상기 아민 흡수유닛과 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 바이오가스 정제 시스템에 있어서, 상기 바이오메탄 제습유닛은 제2 응축수 회수라인을 통해 상기 아민 흡수유닛과 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 바이오가스 정제 시스템에 있어서, 상기 아민 흡수제는 MEA(Monoethnolamine), DEA(Diethanolamine), MDEA(Methyl diethanolamine), TEA(Triethanolamine) 및 AMP(2-Amino-2-methyl-1-propanol)를 포함하는 아민계열 화합물로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 바이오가스 정제 시스템에 있어서, 상기 아민 흡수제는 물을 용매로 하여 10~50wt%의 농도를 만족하고, 상기 흡수탑으로 공급되는 바이오가스와 아민 흡수제의 인입 유량 비율은 그 바이오가스와 아민 흡수제의 부피를 기준으로 할 때 50~100을 만족할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 바이오가스 정제 시스템에 있어서, 상기 흡수탑의 운전압력는 0.1MPa 이하이고, 상기 바이오가스와 아민 흡수제의 흡수탑 인입 온도는 20~60℃이며, 상기 재생탑의 운전압력은 0~0.5MPa이고, 상기 재생탑의 운전온도는 80~150℃를 만족할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 바이오가스의 메탄 회수율을 극대화시킬 수 있고, 바이오가스를 정제하는데 따른 정제효율이 우수하며, 전체적인 에너지 소비율을 최소화시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에서는 아민 흡수유닛을 통해 바이오가스 중의 이산화탄소와 메탄을 분리하는 과정에서 외부로 배출되는 아민 흡수제의 손실을 최소화할 수 있고, 재생탑에서 아민 흡수제 재생에 사용되는 열에너지를 최소화시킬 수 있으며, 아민 흡수제의 이산화탄소 흡수효율을 향상시킬 수 있고, 운전비용을 절감할 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 바이오가스 정제 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 바이오가스 정제 시스템에 적용되는 아민 흡수유닛을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오가스 정제 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

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.

또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 바이오가스 정제 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 바이오가스 정제 시스템(100)은 바이오가스에 포함된 메탄 이외의 불순 물질과 이산화탄소를 제거 및 분리하여 고농도의 바이오메탄, 예를 들면 압축바이오메탄(CBM) 또는 액화바이오메탄(LBM)을 생산하기 위한 바이오가스 처리 공정에 적용될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 바이오가스 정제 시스템(100)은 바이오가스에서 분리된 바이오메탄을 도시 가스와 동일한 용도의 에너지원으로 사용하기 위한 바이오가스의 도시 가스화 공정에 적용될 수 있다.

여기서, 상기 바이오가스라 함은 황화수소, 실록산, 수분, 이산화탄소 및 메탄을 포함하고 있는 가스로서, 하수 처리장, 음식물 처리장, 축산폐수 처리장, 주정 공장 등의 고농도 유기성 폐기물을 처리하는 혐기성 소화조에서 발생하는 소화가스와, 매립지에서 유기물질이 혐기성 상태에서 분해되며 발생하는 매립가스를 의미한다.

이와 같은 상기 바이오가스 정제 시스템(100)은 바이오가스 중의 황화수소, 실록산, 수분 등의 불순 물질을 제거하고, 이산화탄소와 메탄을 분리하여 메탄 농도가 95% 이상인 바이오메탄을 생산하기 위한 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 상기 바이오가스 정제 시스템(100)은 황화수소, 수분, 실록산, 이산화탄소(30~60%), 메탄(40~70%)을 포함하고 있는 바이오가스로부터 메탄 95% 이상, 이산화탄소 3% 이하, 황화수소 30ppm 이하, 실록산 10mg/m³ 이하, 수분 dew point -30℃ 이하인 바이오메탄을 생산하고 그 바이오메탄을 바이오메탄 사용처에서 요구하는 압력으로 공급할 수 있는 구성으로 이루어진다.

즉, 본 발명의 실시예에서는 바이오가스로부터 바이오메탄을 생산하기 위한 에너지 소비율을 최소화 할 수 있고, 메탄 회수율을 극대화시킬 수 있는 바이오가스 정제 시스템(100)을 제공한다.

이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 상기 바이오가스 정제 시스템(100)은 기본적으로, 바이오가스 전처리유닛(1), 아민 흡수유닛(2), 바이오메탄 승압유닛(4), 바이오메탄 제습유닛(5), 바이오메탄 품질관리유닛(7) 그리고 열에너지 회수유닛(8)을 포함한다.

본 발명의 실시예에서, 상기 바이오가스 전처리유닛(1)은 혐기성 소화조 등과 같은 바이오가스 생산시설에서 발생되는 바이오가스를 공급받아 그 바이오가스에 포함된 수분, 황화수소 및 실록산 등의 불순 물질을 제거하기 위한 것이다.

상기 바이오가스 전처리유닛(1)은 바이오가스 중의 수분을 제거하는 수분 제거설비, 바이오가스 중의 황화수소를 제거하는 황화수소 제거설비 및 바이오가스 중의 실록산을 제거하는 실록산 제거설비를 포함한다.

상기 바이오가스 전처리유닛(1)에서 수분 제거설비는 예를 들면, 바이오가스를 15℃ 이하로 냉각하여 바이오가스 중의 수분을 제거할 수 있다.

만약, 상기와 같이 수분 제거설비를 통해 바이오가스 중의 수분을 제거하지 않고 후 공정으로 인입시키게 되면, 황화수소 제거설비 및 실록산 제거설비의 여재가 손상될 수 있고, 더 나아가 아민 흡수유닛(2)에서의 아민 흡수제 농도를 변화시켜 이산화탄소 흡수효율을 저하시킬 수 있다.

상기 바이오가스 전처리유닛(1)에서 황화수소 제거설비는 산화철 등의 황화수소 제거 여재 또는 다른 장치를 통해 바이오가스 중의 황화수소를 30ppm 이하로 제거할 수 있다.

그리고, 상기 바이오가스 전처리유닛(1)에서 실록산 제거설비는 바이오가스 중의 실록산을 활성탄에 흡착시켜 그 실록산을 10mg/m³ 이하의 농도로 제거할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 아민 흡수유닛(2)은 바이오가스 전처리유닛(1)에서 수분, 황화수소 및 실록산 등의 불순물이 제거된 바이오가스를 공급받아 그 바이오가스 중의 이산화탄소를 아민 흡수제를 통해 흡수 및 분리하며 바이오메탄을 생산하기 위한 것이다.

여기서, 상기 아민 흡수유닛(2)은 이산화탄소가 포함된 바이오가스를 바이오가스 전처리유닛(1)으로부터 공급받아 아민 흡수제를 통해 바이오가스 중의 이산화탄소를 흡수하여 이산화탄소가 제거된 바이오메탄을 배출할 수 있다.

또한, 상기 아민 흡수유닛(2)은 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제로부터 이산화탄소를 분리하여 아민 흡수제를 재생하고 그 재생된 아민 흡수제를 흡수 설비로 재 순환시킬 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시예에 의한 상기 아민 흡수유닛(2)은 중압(0.5~1.0MPa)으로서 비교적 많은 에너지를 소모하면서 바이오가스를 압축하여 메탄/이산화탄소를 분리하는 기존의 물 흡수법, 흡착법 및 막 분리법 등과 달리, 0~0.1MPa의 저압에서 바이오가스 중의 이산화탄소를 아민 흡수제를 통해 흡수 및 분리할 수 있다.

여기서, 아민 흡수유닛에 사용되는 아민 흡수제는 MEA(Monoethnolamine), DEA(Diethanolamine), MDEA(Methyl diethanolamine), TEA(Triethanolamine) 및 AMP(2-Amino-2-methyl-1-propanol)를 포함하는 아민계열 화합물로 이루어질 수 있다. 나아가, 상기 아민 흡수제는 용매로서 물을 사용하며 10~50wt%의 농도를 만족할 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 아민 흡수유닛(2)은 아민 흡수제의 재생에 필요한 열에너지 및 아민 흡수제의 손실을 최소화할 수 있고, 아민 흡수제의 이산화탄소 흡수 효율을 높일 수 있는 구성으로 이루어진다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 바이오가스 정제 시스템에 적용되는 아민 흡수유닛을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 상기 아민 흡수유닛(2)은 기본적으로, 흡수탑(10), 재생탑(30) 그리고 제1 열교환기(70)를 포함하고 있다.

상기 흡수탑(10)은 위에서 언급한 바와 같은 아민 흡수제를 통해 바이오가스 중의 이산화탄소를 흡수하는 설비이다. 상기한 바이오가스 및 아민 흡수제는 20~60℃의 온도 범위로서 흡수탑(10)의 내부로 주입된다. 이는 바이오가스와 아민 흡수제의 온도가 낮을수록 흡수탑(10)에서의 이산화탄소 흡수효율이 증가하므로, 최대한 낮은 온도로서 바이오가스와 아민 흡수제를 흡수탑(10)에 공급하는 것이다.

여기서, 상기 바이오가스는 바이오가스 공급부(20)를 통해 0.1MPa 이하의 저압으로서 흡수탑(10)의 하부로 주입될 수 있다. 즉, 상기 흡수탑(10)의 운전 압력은 0.1MPa 이하이다. 그리고 상기 아민 흡수제는 흡수탑(10)의 상부로 주입되는 바, 흡수탑(10)의 하부로 주입되는 바이오가스와 향류 방향으로 접촉되며, 바이오가스에 포함된 이산화탄소와의 흡수반응(발열반응)을 통해 이산화탄소를 흡수한다.

상기 흡수탑(10)에서 아민 흡수제에 이산화탄소가 흡수된 가스 즉, 바이오가스 중의 이산화탄소가 제거된 바이오메탄은 흡수탑(10)의 상부로 배출된다. 이 때 상기 바이오메탄에는 대략 10% 정도의 수분과 아민 흡수제가 포함될 수 있다. 또한 상기 흡수탑(10)에서 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제는 그 흡수탑(10)의 하부로 배출되는데, 바이오가스 및 아민 흡수제의 주입온도가 60℃인 경우, 대략 80℃ 정도의 온도로서 배출된다.

한편, 상기 흡수탑(10)의 내부에는 바이오가스와 아민 흡수제의 접촉면적 및 접촉시간을 증대시킴으로써 아민 흡수제의 이산화탄소 흡수효율을 높이기 위해 구조물 형태 또는 랜덤(IMPT 등) 형태의 충진물이 적어도 2단 이상으로 충진되어 있다.

또한, 상기 흡수탑(10)으로 인입되는 바이오가스의 인입 유량과 아민 흡수제의 인입 유량 비율(바이오가스 인입량/아민 흡수제 인입량)은 그 바이오가스와 아민 흡수제의 부피를 기준으로 산정할 때 50~100을 만족할 수 있다.

상기 재생탑(30)은 흡수탑(10)에서 이산화탄소를 흡수한 아민 흡수제를 재생하기 위한 것이다. 상기 재생탑(30)은 흡수탑(10)으로부터 배출되는 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제를 공급받아 열에너지를 통해 그 아민 흡수제로부터 이산화탄소를 분리 배출하며 흡수제를 재생하고 그 재생된 흡수제를 흡수탑(10)으로 공급(주입)할 수 있다.

이를 위해 상기 재생탑(30)은 유체라인을 통해 흡수탑(10)과 연결된다. 상기 유체라인으로는 흡수탑(10)의 하부에서 배출되는 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제를 재생탑(30)으로 공급하는 제1 라인(11)과, 재생탑(30)에서 재생된 아민 흡수제를 흡수탑(10)으로 공급하는 제2 라인(31)을 포함한다.

여기서, 상기 제1 라인(11)은 흡수탑(10)의 하부와 재생탑(30)의 상부를 연결하고, 제2 라인(31)은 제1 라인(11)과 상호 교차하며 뒤에서 더욱 설명될 재기화기(50)를 통해 재생탑(30)의 하부와 흡수탑(10)의 상부를 연결한다.

이 경우, 상기 제1 라인(11)에는 흡수탑(10)의 하부에서 배출되는 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제를 재생탑(30)으로 공급하기 위한 제1 흡수제 공급부(15)가 설치된다. 상기 제1 흡수제 공급부(15)는 펌프로서 구비되며, 흡수탑(10)의 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제를 배출하는 배출 측의 제1 라인(11)에 설치된다.

한편, 상기 재생탑(30)은 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제를 재생시키기 위해 그 아민 흡수제의 종류에 따라 80~150℃의 온도로 운전하는데, 이를 위해 재생탑(30)은 재기화기(50)(당 업계에서는 "리보일러" 라고도 한다)와 연결된다. 상기 재생탑(30)은 재기화기(50)를 통해 스팀의 열에너지를 제공받아 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제에서 이산화탄소를 분리 배출하며, 그 아민 흡수제를 재생시킬 수 있다.

예를 들면, 상기 재생탑(30)은 재기화기(50)로부터 스팀의 열에너지를 제공받아 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제의 온도를 100℃ 이상으로 승온시킨 상태에서, 그 아민 흡수제로부터 이산화탄소를 분리 배출하며 아민 흡수제를 재생시킬 수 있다.

그리고, 상기 재생탑(30)은 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제로부터 이산화탄소를 분리하고 그 이산화탄소가 풍부하게 포함된 가스를 상부로 배출하는데, 그 배출가스에는 대략 10% 이하의 수분과 아민 흡수제가 포함될 수 있다.

상기에서 재기화기(50)는 스팀 보일러(3)에서 생산된 스팀을 공급받아 그 스팀의 열에너지를 재생탑(30)으로 제공하는 것으로, 재생탑(30)의 하부와 연결된다.

이러한 재기화기(50)는 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술의 리보일러로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

여기서, 상기 재기화기(50)는 위에서 언급한 바 있는 제2 라인(31)과 연결된다. 이에 재생탑(30)에서 배출되는 재생된 아민 흡수제(80~150℃의 온도)는 재기화기(50)를 거치며 제2 라인(31)을 통해 흡수탑(10)으로 공급될 수 있다.

그리고, 상기 스팀 보일러(3)는 후 공정에서 최종적으로 생산된 바이오메탄 또는 위에서 언급한 바 있는 바이오가스 전처리유닛(1)에서 제공되는 바이오가스를 연료로 하여 스팀을 생산하고, 그 스팀의 열에너지를 재기화기(50)로 공급할 수 있다.

또한, 상기 재기화기(50)에서는 스팀의 열에너지를 재생탑(30)에 공급하면서 스팀 응축수가 발생되는데, 그 스팀 응축수는 응축수 공급펌프(57)를 통해 스팀 보일러(3)로 재 공급(순환)될 수 있다.

다른 한편으로, 본 발명의 실시예에서는 재생탑(30)으로 주입된 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제를 80~150℃의 온도로 승온시키기 위해 재생탑(30)의 상부에 연결되는 압력 조절부(60)를 포함하고 있다.

상기 압력 조절부(60)는 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제의 재생 온도에 따라 재생탑(30)의 압력을 조절하는 것으로, 예를 들어 상기 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제의 온도를 100℃ 이상으로 승온할 경우, 약 0.5MPa 이하까지 압력을 높일 수 있다.

상기 제1 열교환기(70)는 재생탑(30)으로부터 배출되며 흡수탑(10)으로 공급되는 재생된 아민 흡수제(80~150℃의 온도)의 보유 열에너지를 회수하고, 그 열에너지를 흡수탑(10)으로부터 배출되며 재생탑(30)으로 공급되는 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제에 제공하기 위한 것이다.

즉, 상기 제1 열교환기(70)는 재생탑(30)으로부터 제2 라인(31)을 통해 배출되는 재생된 아민 흡수제와, 흡수탑(10)으로부터 제1 라인(11)을 통해 배출되는 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제의 열 교환을 통해 그 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제의 온도를 높여주기 위한 것이다. 이에 상기 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제는 재생된 아민 흡수제의 열을 제공받아 80℃ 이상을 유지한 상태로 제1 라인(11)을 통해 재생탑(30)의 상부로 주입될 수 있다.

여기서, 상기 흡수탑(10)으로부터 배출되는 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제는 제1 열교환기(70)의 전방 측에 구비된 제1 흡수제 공급부(15)에 의해 제1 라인(11)을 따라 유동하고, 제1 열교환기(70)에 의해 상기 재생된 아민 흡수제와 열교환하며 승온된 상태로 재생탑(30)의 상부로 공급될 수 있다.

그리고, 상기 재생탑(30)으로부터 배출되는 재생된 아민 흡수제는 제2 라인(31)을 따라 유동하고, 제1 열교환기(70)에 의해 상기 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제와 열교환하며 온도가 떨어진 상태로 흡수탑(10)의 상부로 공급될 수 있다.

상기 제1 열교환기(70)는 흡수탑(10)과 재생탑(30) 사이에서 제1 및 제2 라인(11, 31)이 교차하는 지점에 설치되며, 제1 라인(11)을 따라 유동하는 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제와, 제2 라인(31)을 따라 유동하는 재생된 아민 흡수제의 열 교환이 이루어진다.

이러한 제1 열교환기(70)는 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술의 열교환 장치로서 이루어지므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 아민 흡수유닛(2)은 흡수탑(10)의 상부에서 배출되는 배출가스(이산화탄소가 흡수 제거된 바이오메탄) 중의 아민 흡수제와 수분을 응축시키고 그 응축수를 흡수탑(10)으로 주입하기 위한 제1 응축수 주입부(110)를 포함하고 있다.

즉, 상기 흡수탑(10)에서는 약 10% 정도의 수분과 아민 흡수제가 포함된 배출가스(바이오메탄)가 배출되는데, 제1 응축수 주입부(110)는 대략 80℃ 정도의 배출가스를 바이오가스 및 아민 흡수제의 흡수탑 주입 온도인 60℃ 이하로 냉각하여 응축시키고 그 응축수를 흡수탑(10)의 하부로 주입할 수 있다.

상기 제1 응축수 주입부(110)는 열을 가진 유체를 공랭 또는 수냉식으로 냉각하여 응축시키고 그 응축수를 소정의 펌핑 압력으로 토출하는 구조를 기본으로 하면서, 흡수탑(10)의 상부와 연결되게 설치된다. 이 경우 상기 제1 응축수 주입부(110)는 흡수탑(10)의 상부와 연결되며 이산화탄소가 흡수 제거된 바이오메탄을 배출하는 배출라인에 설치될 수 있다.

여기서, 상기 제1 응축수 주입부(110)는 제1 응축수 주입라인(111)을 통해 흡수탑(10)의 하부와 연결될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 응축수 주입부(110)는 응축수와 그 응축수 이외의 가스(바이오메탄)를 분리하고, 응축수를 소정 펌핑 압력으로 배출하며, 제1 응축수 주입라인(111)을 통해 흡수탑(10)의 하부로 주입할 수 있고, 응축수 이외의 가스(바이오메탄)를 배출할 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에 의한 상기 아민 흡수유닛(2)은 재생탑(30)의 상부에서 배출되는 배출가스(이산화탄소가 풍부한 가스) 중의 아민 흡수제와 수분을 응축시키기 위한 냉각부(130)를 포함하고 있다.

상기 재생탑(30)에서는 수분과 아민 흡수제(약 10% 이하의 농도)가 포함된 이산화탄소가 풍부한 배출가스를 배출하는데, 냉각부(130)는 대략 80℃ 이상의 배출가스를 바이오가스 및 아민 흡수제의 흡수탑 주입 온도인 60℃ 이하로 냉각하며, 그 배출가스에 포함되어 있는 수분과 아민 흡수제를 응축시킬 수 있다.

상기 냉각부(130)는 열을 가진 유체를 공랭 또는 수냉식으로 냉각하여 응축시킬 수 있는 공지 기술의 콘덴서로서, 재생탑(30)의 상부와 연결되게 설치되되, 그 재생탑(30)의 상부와 연결되며 이산화탄소가 풍부한 가스를 배출하는 배출라인에 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 의한 상기 아민 흡수유닛(2)은 냉각부(130)에서 응축된 수분과 아민 흡수제의 응축수를 흡수탑(10)으로 주입하기 위한 제2 응축수 주입부(140)를 포함하고 있다.

상기 제2 응축수 주입부(140)는 냉각부(130)와 연결되며, 그 냉각부(130)에서 응축된 수분과 아민 흡수제의 응축수를 흡수탑(10)으로 주입할 수 있다. 여기서, 상기 제2 응축수 주입부(140)는 제2 응축수 주입라인(141)을 통해 흡수탑(10)의 하부와 연결될 수 있다.

예를 들면, 상기 제2 응축수 주입부(140)는 응축수와 그 응축수 이외의 가스(이산화탄소 가스)를 분리하고, 응축수를 소정 펌핑 압력으로 배출하며 제2 응축수 주입라인(141)을 통해 흡수탑(10)의 하부로 주입할 수 있고, 응축수 이외의 가스를 배출할 수 있다. 이 때 상기 제2 응축수 주입부(140)에서 배출되는 가스(이산화탄소 가스)는 별도의 용기에 액화 상태로 압축 저장될 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에 의한 상기 아민 흡수유닛(2)은 재생탑(30)에서 배출되며 제2 라인(31)을 따라 제1 열교환기(70)를 통해 흡수탑(10)으로 공급되는 재생된 아민 흡수제를 냉각하기 위한 제2 열교환기(150)를 포함하고 있다.

상기 재생탑(30)에서는 재생된 아민 흡수제를 배출하는데, 예를 들면 제2 열교환기(150)는 제1 열교환기(70)를 거치며 대략 80℃ 정도를 유지하는 재생된 아민 흡수제를 바이오가스 및 아민 흡수제의 흡수탑 주입 온도인 60℃ 이하로 냉각할 수 있다.

상기 제2 열교환기(150)는 열을 가진 유체를 공랭 또는 수냉식으로 냉각하는 것으로서, 제1 열교환기(70)의 후단에서 제2 라인(31)에 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 의한 상기 아민 흡수유닛(2)은 제2 열교환기(150)를 통해 60℃ 이하로 온도가 떨어진 재생된 아민 흡수제를 흡수탑(10)의 상부로 공급하기 위한 제2 흡수제 공급부(160)를 포함하고 있다.

상기 제2 흡수제 공급부(160)는 제2 열교환기(150)의 후단에서 제2 라인(31)에 설치되며, 재생된 아민 흡수제를 제2 라인(31)을 통해 흡수탑(10)의 상부로 주입할 수 있는 펌프로 구비된다.

여기서, 상기 제2 흡수제 공급부(160)는 제1 및 제2 열교환기(70, 150)의 후단에 설치된다. 이는 펌프인 제2 흡수제 공급부(160)의 수명과 에너지를 극대화하고, 저가의 펌프를 사용할 수 있기 때문이다.

즉, 본 발명의 실시예에서는 제2 흡수제 공급부(160)를 제1 및 제2 열교환기(70, 150)의 후단에 설치함에 따라, 온도가 낮아진 재생된 아민 흡수제를 흡수탑(10)으로 공급하게 되므로, 저가 재질의 부품들을 채용한 펌프를 사용할 수 있고, 이로 인해 펌프의 설치비를 낮출 수 있다.

만약, 제2 흡수제 공급부(160)를 제1 열교환기(70)의 전단에 설치할 경우에는 비교적 고온인 재생된 아민 흡수제로 인하여 가스켓 등과 같은 펌프의 부품들을 고가의 재질로 대체해야 하므로, 고가의 펌프를 사용할 수밖에 없으며, 이로 인해 펌프의 설치비가 증가할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서와 같이 제2 흡수제 공급부(160)를 제1 및 제2 열교환기(70, 150)의 후단에 설치하게 되면, 재생탑(30)의 운전압력으로 재생된 아민 흡수제를 흡수탑(10)으로 공급할 수 있기 때문에, 펌프의 양정을 감소시킬 수 있고, 펌프의 소요 전력량을 줄일 수 있으며, 전체 아민 흡수유닛(2)의 에너지 소비량을 감소시킬 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시예에 의한 상기 아민 흡수유닛(2)은 재생탑(30)에서 흡수탑(10)으로 공급되는 재생된 아민 흡수제의 열화 상태를 모니터링 할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 의한 상기 아민 흡수유닛(2)은 열화 시 발생되는 아민 흡수제의 열화물질을 제거할 수 있다.

이를 위해 본 발명의 실시예에 의한 상기 아민 흡수유닛(2)은 재생탑(30)에서 흡수탑(10)으로 공급되는 재생된 아민 흡수제의 열화 상태를 모니터링 하는 흡수제 모니터링부(170)를 포함한다. 그리고 본 발명의 실시예에 의한 상기 아민 흡수유닛(2)은 아민 흡수제의 열화현상에 의해 발생하는 입자상 이물질의 열화물질을 제거하기 위한 이물질 제거수단(180)을 포함하고 있다.

일반적으로, 아민 흡수제는 이산화탄소와의 흡수반응 외에 열적으로 안정한 화합물을 형성하는 부가 반응이 일어나면서 재생되지 못하는 열화현상이 발생한다. 이러한 열화현상은 아민 흡수제의 성능을 저하시키고 장치를 부식시키게 된다. 아민 흡수제의 열화 현상 시 주로 발생하는 입자상 이물질은 Carboxylic Acids, Imidazolodone 등이 있다.

이와 같이 흡수제의 열화현상이 발생되면 그 흡수제를 교체해야 한다. 하지만 흡수제의 교체비용이 막대하므로 열화현상이 발생되지 않게 운전을 하거나 흡수제를 처리해야 한다.

본 발명의 실시예에 의한 상기 흡수제 모니터링부(170)는 제2 흡수제 공급부(160)의 후단에서 제2 라인(31)에 연결되게 설치된다. 상기 흡수제 모니터링부(170)는 제2 흡수제 공급부(160)에 의하여 제2 라인(31)을 통해 재생탑(30)에서 흡수탑(10)으로 공급되는 재생된 아민 흡수제의 열화 상태를 모니터링 할 수 있다. 이러한 흡수제 모니터링부(170)는 재생된 아민 흡수제의 수소와 수산화 이온을 측정할 수 있는 pH 및 전기전도도 측정장치를 포함할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 흡수제 모니터링부(170)의 모니터링 결과에 따라, 아민 흡수제의 pH가 떨어지면 그 흡수제를 교체하거나 열화물질을 제거하는 공정으로 흡수제를 공급하여 열화물질을 제거할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 의한 상기 이물질 제거수단(180)은 제1 열교환기(70)의 전단 측에 구성되는 것으로, 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제의 입자상 이물질을 제거하기 위한 제1 필터(181)와, 재생된 아민 흡수제의 입자상 이물질을 제거하기 위한 제2 필터(182)를 포함한다.

상기 제1 필터(181)는 제1 흡수제 공급부(15)의 후단에서 제1 라인(11)에 설치된다. 상기 제2 필터(182)는 제1 열교환기(70)의 전단에서 제2 라인(31)에 설치된다. 예를 들면, 상기 제1 및 제2 필터(181, 182)는 아민 흡수제의 입자상 이물질을 필터링 하는 필터 공극이 1.0㎛인 필터로 구비될 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 아민 흡수제의 열화현상에 의해 발생된 열화물질을 이물질 제거수단(180)의 제1 및 제2 필터(181, 182)를 통해 필터링하며 아민 흡수제를 90% 이상 재생시킬 수 있으므로, 아민 흡수제의 손실을 최소화할 수 있으며, 전체 장치의 운전비용을 절감할 수 있다.

한편 본 발명의 실시예에서, 상기 바이오메탄 승압유닛(4)은 아민 흡수유닛(2)의 흡수탑(10)에서 배출되는 바이오메탄을 일정한 압력으로 압축하여 바이오메탄 사용처에서 요구하는 압력으로 승압하기 위한 것이다.

예를 들면, 상기 바이오메탄 승압유닛(4)은 공지 기술의 왕복동 타입 또는 스크류 타입의 압축기를 통하여 바이오메탄을 0.1~1.0MPa의 중압으로 승압할 수 있다.

상기 바이오메탄 승압유닛(4)에서는 바이오메탄을 압축할 때 바이오메탄의 온도가 상승하게 되고, 바이오메탄의 온도를 낮추기 위해 냉각하는 과정을 거치며 응축수가 발생할 수 있다.

여기서, 상기 바이오메탄 승압유닛(4)에서 발생되는 응축수는 아민 흡수유닛(2)의 흡수탑(10) 하부로 주입될 수 있다. 이를 위해 상기 바이오메탄 승압유닛(4)은 제1 응축수 회수라인(4a)을 통해 아민 흡수유닛(2)의 흡수탑(10) 하부와 연결될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 바이오메탄 제습유닛(5)은 바이오메탄 승압유닛(4)에 의해 중압으로 승압된 바이오메탄 중의 수분과 아민 흡수제를 제거하기 위한 것이다.

상기 바이오메탄 제습유닛(5)은 흡착 여재가 충진되어 있는 것으로, 그 흡착 여재를 통해 바이오메탄 중의 수분과 아민 흡수제를 제거하여 바이오메탄 사용처로 공급한다.

이러한 바이오메탄 제습유닛(5)은 예를 들면, 교대로 운전하는 두 개의 흡착탑으로 구성되는 바, 하나의 흡착탑에서는 흡착 여재를 통해 바이오메탄 중의 수분과 아민 흡수제를 흡착하고, 다른 하나의 흡착탑에서는 흡착 여재를 재생한다.

여기서, 상기 바이오메탄 제습유닛(5)은 바이오메탄을 사용하여 흡착 여재의 재생이 이루어지는데, 그 흡착 여재의 재생에 사용된 바이오메탄은 순환라인(5b)을 통해 위에서 언급한 바 있는 바이오가스 전처리유닛(1)으로 순환시키며 재 사용할 수 있다.

또한, 상기 바이오메탄 제습유닛(5)에서는 흡착 여재를 통해 바이오메탄 중의 수분과 아민 흡수제를 제거하는 과정에 응축수가 발생할 수 있다. 이 경우 상기 바이오메탄 제습유닛(5)에서 발생되는 응축수는 아민 흡수유닛(2)의 흡수탑(10) 하부로 주입될 수 있다. 이를 위해 상기 바이오메탄 제습유닛(5)은 제2 응축수 회수라인(5a)을 통해 아민 흡수유닛(2)의 흡수탑(10) 하부와 연결될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 바이오메탄 품질관리유닛(7)은 바이오메탄 제습유닛(5)에서 배출되는 바이오메탄의 품질을 분석하여 그 품질에 따라 바이오메탄을 아민 흡수유닛(2)으로 재순환시키기 위한 것이다.

예를 들면, 상기 바이오메탄 품질관리유닛(7)은 바이오메탄의 품질을 분석하여 요구하는 품질에 적합하지 않을 경우, 순환라인(7a)을 통해 바이오메탄을 아민 흡수유닛(2)으로 순환시킬 수 있다.

더 나아가, 상기 바이오메탄 품질관리유닛(7)을 통해 바이오메탄의 품질이 요구하는 품질에 적합한 경우, 상기 바이오메탄은 바이오메탄 사용처로 공급되고, 그 바이오메탄의 일부는 위에서 언급한 바와 같이 스팀 보일러(3)의 연료로서 사용될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 열에너지 회수유닛(8)은 아민 흡수유닛(2)에서의 열에너지를 회수하여 온수를 생산하고 그 온수를 바이오가스 생산시설로 공급하기 위한 것이다.

상기 열에너지 회수유닛(8)은 아민 흡수유닛(2)의 재생탑(30)에서 재생된 아민 흡수제 및 그 재생탑(30)에서 배출되는 배출가스의 열을 회수하며 온수를 생산할 수 있다.

상기 열에너지 회수유닛(8)은 아민 흡수유닛(2)의 냉각부(130) 및 제2 열교환기(150)에 연결되게 설치된다. 예를 들면, 상기 열에너지 회수유닛(8)은 냉각부(130)에서 재생탑(30)의 배출가스를 냉각하고 데워진 온수와, 제2 열교환기(150)에서 재생된 아민 흡수제를 냉각하고 데워진 온수를 저장하며 그 온수를 바이오가스 생산시설로 공급할 수 있다.

여기서, 상기 열에너지 회수유닛(8)은 재생탑(30)에서 재생된 아민 흡수제 및 그 재생탑(30)에서 배출되는 배출가스의 열을 회수하며 50~100℃(예를 들면 70℃ 이상)의 온수를 저장하고, 그 온수를 바이오가스 생산시설의 혐기성 소화조로 공급할 수 있다. 즉, 이러한 온수는 바이오가스 생산시설의 혐기성 소화조를 가온하는데 필요한 가온 열량으로 사용될 수 있다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 바이오가스 정제 시스템(100)의 작용을 앞서 개시한 도 1 및 도 2를 참조하여 상세하게 설명한다.

우선, 본 발명의 실시예에서는 혐기성 소화조와 같은 바이오가스 생산시설에서 발생되는 바이오가스를 바이오가스 전처리유닛(1)으로 공급한다. 상기 바이오가스에는 황화수소, 실록산, 수분, 이산화탄소 및 메탄을 포함하고 있다. 상기 바이오가스 전처리유닛(1)은 바이오가스에 포함된 황화수소, 실록산 및 수분의 불순 물질을 제거한다.

상기 바이오가스 전처리유닛(1)에서는 수분 제거설비를 통해 바이오가스를 15℃ 이하로 냉각하여 바이오가스 중의 수분을 제거하고, 황화수소 제거설비를 통해 산화철 등의 황화수소 제거 여재로서 황화수소를 30ppm 이하로 제거하며, 실록산 제거설비를 통해 실록산을 활성탄에 흡착시켜 10mg/m³ 이하의 농도로 제거한다.

그 후, 본 발명의 실시예에서는 바이오가스 전처리유닛(1)에서 황화수소, 실록산, 수분 등의 불순 물질이 제거된 바이오가스를 아민 흡수유닛(2)의 흡수탑(10)으로 공급한다. 이 때 상기 아민 흡수유닛(2)의 바이오가스 공급부(20)는 바이오가스를 0.1MPa 이하의 저압으로서 흡수탑(10)의 하부로 주입한다.

여기서, 상기 흡수탑(10)으로 주입되는 바이오가스는 이산화탄소와 메탄을 함유하고 있으며, 20~60℃의 온도 범위로서 흡수탑(10)의 내부로 주입될 수 있다. 이는 바이오가스와 아민 흡수제의 온도가 낮을수록 흡수탑(10)에서의 이산화탄소 흡수효율이 증가하므로, 최대한 낮은 온도로서 바이오가스와 아민 흡수제를 흡수탑(10)에 공급하는 것이다.

이와 동시에, 본 발명의 실시예에서는 흡수탑(10)의 상부로 아민계열의 화합물을 포함하는 아민 흡수제를 주입한다. 이때 아민 흡수제는 물을 용매로 하는 10~50wt%의 농도 및 20~60℃의 온도 범위로 흡수탑(10)에 주입될 수 있다. 그리고 본 발명의 실시예에서는 바이오가스의 인입 유량과 아민 흡수제의 인입 유량 비율을 50~100으로 하여 바이오가스와 아민 흡수제를 흡수탑(10)으로 공급한다. 이때 상기 바이오가스의 인입 유량과 아민 흡수제의 인입 유량 비율은 그 바이오가스와 아민 흡수제의 부피를 기준으로 하여 산정할 수 있다.

그러면, 상기 흡수탑(10)에서는 바이오가스와 아민 흡수제가 향류 방향으로 접촉되고, 바이오가스 중의 이산화탄소와 아민 흡수제의 흡수반응으로서 열을 발생시키며 이산화탄소를 아민 흡수제에 흡수시킨다.

상기 흡수탑(10)에서는 아민 흡수제에 이산화탄소가 흡수된 가스 즉, 바이오메탄이 흡수탑(10)의 상부로 배출되는데, 그 배출가스에는 대략 10% 정도의 수분과 아민 흡수제를 포함하고 있다.

이러는 과정에 본 발명의 실시예에서는 제1 응축수 주입부(110)를 통해 배출가스(바이오메탄) 중의 아민 흡수제와 수분을 응축시키고 그 응축수를 제1 응축수 주입라인(111)을 통해 흡수탑(10)의 하부로 주입한다.

즉, 상기 제1 응축수 주입부(110)는 대략 80℃ 정도의 배출가스를 바이오가스 및 아민 흡수제의 흡수탑 주입 온도인 60℃ 이하로 냉각하여 응축시키고 그 응축수를 흡수탑(10)의 하부로 주입할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 흡수탑(10)에서 배출되는 바이오메탄 중의 아민 흡수제와 수분을 응축시키고 그 응축수를 흡수탑(10)으로 주입함으로써 아민 흡수제와 수분의 손실을 최소화할 수 있고, 아민 흡수유닛(2)의 효율을 향상시킬 수 있다.

만약, 아민 흡수제와 수분을 제거하지 않고 후 공정으로 바이오메탄을 배출하게 되면, 아민 흡수제의 손실을 유발할 수 있고, 아민 흡수제의 농도 변화로 인하여 이산화탄소의 흡수효율이 저하될 수 있다.

한편, 상기 흡수탑(10)에서 이산화탄소를 흡수한 아민 흡수제는 흡수탑(10)의 하부로 배출되는데, 예를 들어 바이오가스 및 아민 흡수제의 주입온도가 60℃인 경우, 대략 80℃ 정도의 온도로 배출되고, 제1 흡수제 공급부(15)에 의해 제1 라인(11)을 따라 유동하며 재생탑(30) 측으로 공급된다.

본 발명의 실시예에서는 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제를 제1 라인(11)을 통해 재생탑(30) 측으로 공급하는 과정에, 그 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제의 입자상 이물질을 제1 필터(181)를 통해 제거할 수 있다.

이러는 과정을 거치는 동안, 재생탑(30)에서는 흡수탑(10)으로부터 배출되는 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제를 뒤에서 더욱 설명될 제1 열교환기(70)를 통해 80℃ 이상의 온도로 공급받고, 재기화기(50)를 통해 스팀의 열에너지를 제공받아 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제를 승온시키며 그 아민 흡수제로부터 이산화탄소를 분리하여 아민 흡수제를 재생시킨다.

상기 아민 흡수제로부터 이산화탄소가 분리되기 위해서는 재생탑(30)에서 그 아민 흡수제를 80~150℃로 가열하여야 한다. 이와 같이 아민 흡수제를 100℃ 이상으로 가열하기 위해 본 발명의 실시예에서는 압력 조절부(60)를 통해 재생탑(30)의 압력을 약 0.5MPa까지 승압한다.

상기에서 재기화기(50)로 공급되는 열에너지는 스팀 보일러(3)를 통해 공급되는데, 스팀 보일러(3)는 후 공정에서 최종적으로 생산된 바이오메탄 또는 바이오가스 전처리유닛(1)에서 제공되는 바이오가스를 연료로 사용할 수 있다.

이 경우 상기 재기화기(50)에서는 스팀의 열에너지를 재생탑(30)에 공급하면서 스팀 응축수가 발생되는데, 그 스팀 응축수는 응축수 공급펌프(57)를 통해 스팀 보일러(3)로 재 공급될 수 있다. 이에 본 발명의 실시예에서는 재기화기(50)에서 발생되는 응축수를 스팀 보일러(3)로 재순환시킴으로써 에너지 손실 및 에너지 소비율을 최소화할 수 있다.

다른 한편, 상기 재생탑(30)에서는 아민 흡수제로부터 이산화탄소를 분리하고 그 이산화탄소가 풍부한 가스를 상부로 배출하는데, 그 배출가스에는 대략 10% 이하 농도의 수분과 아민 흡수제를 포함하고 있다.

이러는 과정에 본 발명의 실시예에서는 배출가스 중의 아민 흡수제와 수분을 냉각부(130)를 통해 응축시키고, 그 응축수를 제2 응축수 주입부(140)를 통해 흡수탑(10)의 하부로 주입한다. 상기 제2 응축수 주입부(140)는 제2 응축수 주입라인(141)을 통해 아민 흡수제와 수분의 응축수를 흡수탑(10)의 하부로 주입할 수 있다.

상기 냉각부(130)에서는 80℃ 이상의 배출가스를 바이오가스 및 아민 흡수제의 주입 온도인 60℃ 이하로 냉각하며, 그 배출가스에 포함되어 있는 수분과 아민 흡수제를 응축시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 재생탑(30)에서 배출되는 배출가스 중의 아민 흡수제와 수분을 응축시키고 그 응축수를 흡수탑(10)으로 주입함으로써 아민 흡수제와 수분의 손실을 최소화할 수 있다.

만약, 재생탑(30)에서 배출되는 배출가스 중의 아민 흡수제와 수분을 응축시키고 그 응축수를 다시 재생탑(30)으로 주입하는 경우에는 비교적 저온의 응축수로 인해 아민 흡수제의 재생을 위한 재생탑(30)의 열에너지 소모가 증가할 수 있다.

그리고, 재생탑(30)에서 배출되는 배출가스 중의 아민 흡수제와 수분을 대기로 배출하게 되면, 아민 흡수제의 농도가 변화하며 손실되므로, 이산화탄소 흡수효율이 저하되고, 운전비가 증가할 수 있다.

그러나, 본 발명의 실시예에서는 재생탑(30)에서 배출되는 배출가스 중의 아민 흡수제와 수분을 응축시키고 그 응축수를 흡수탑(10)으로 주입함에 따라, 재생탑(30)의 열에너지 사용량을 최소화시킬 수 있으며, 아민 흡수제의 농도 변화에 따른 손실을 막고, 이산화탄소 흡수효율을 향상시킬 수 있으며, 운전비를 절감할 수 있다.

한편, 상기 재생탑(30)에서 재생된 아민 흡수제는 80~150℃의 온도로서 재생탑(30)의 하부로 배출되는데, 그 재생탑(30)의 운전압력에 의해 재기화기(50)를 통하여 제2 라인(31)을 따라 유동하며 흡수탑(10) 측으로 공급된다.

이러는 과정에 본 발명의 실시예에서는 제1 라인(11)을 통해 흡수탑(10)으로부터 배출되는 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제와, 제2 라인(31)을 통해 재생탑(30)으로부터 배출되는 재생된 아민 흡수제의 열 교환이 제1 열교환기(70)를 통해 이루어진다.

즉, 상기 제1 열교환기(70)에서는 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제와 재생된 아민 흡수제의 열 교환을 통해 그 재생된 아민 흡수제의 보유 열에너지를 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제에 제공할 수 있다.

이에, 상기 흡수탑(10)으로부터 배출되는 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제는 제1 라인(11)을 따라 유동하고, 제1 열교환기(70)에 의해 상기 재생된 아민 흡수제와 열교환하며 승온된 상태로 재생탑(30)의 상부로 공급될 수 있다.

그리고, 상기 재생탑(30)으로부터 배출되는 재생된 아민 흡수제는 제2 라인(31)을 따라 유동하며, 제1 열교환기(70)에 의해 상기 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제와 열교환하며 온도가 떨어진 상태로 흡수탑(10)의 상부로 공급될 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 재생된 아민 흡수제의 열을 제1 열교환기(70)를 통해 상기 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제에 제공하여 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제의 온도를 높인 상태로 그 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제를 재생탑(30)으로 공급할 수 있으므로, 재생탑(30)에서 아민 흡수제의 재생에 사용되는 열에너지를 최소화시킬 수 있다.

여기서, 본 발명의 실시예에서는 재생탑(30)으로부터 상기 재생된 아민 흡수제를 제2 라인(31)을 통해 흡수탑(10)으로 공급하는 과정에, 그 재생된 아민 흡수제의 입자상 이물질을 제2 필터(182)를 통해 제거할 수 있다.

다른 한편으로, 본 발명의 실시예에서는 제1 열교환기(70)를 거치며 대략 80℃ 정도를 유지하는 재생된 아민 흡수제를 제2 열교환기(150)를 통해 바이오가스 및 아민 흡수제의 주입 온도인 60℃ 이하로 냉각한다.

그리고, 본 발명의 실시예에서는 상기와 같이 제2 열교환기(150)를 거치며 온도가 낮아진 재생된 아민 흡수제를 제2 흡수제 공급부(160)를 통해 흡수탑(10)의 상부로 주입한다.

상기 흡수탑(10)에서는 이산화탄소와 아민 흡수제의 흡수반응이 발열반응이기 때문에 이산화탄소의 농도가 높을수록 아민 흡수제와의 반응열이 증가하게 되어 흡수탑(10)의 온도가 지속적으로 상승할 수 있다. 이렇게 흡수탑(10)의 온도가 상승하면 아민 흡수제의 이산화탄소 흡수효율이 저하될 수 있다.

그러나, 본 발명의 실시예에서는 흡수탑(10)으로 주입되는 재생된 아민 흡수제의 온도를 제2 열교환기(150)를 통해 일정 수준으로 낮출 수 있기 때문에, 흡수탑(10)의 온도를 일정하고 낮게 유지시킴으로써 아민 흡수제의 이산화탄소 흡수효율을 향상시킬 수 있다.

이러는 과정에 본 발명의 실시예에서는 제2 흡수제 공급부(160)에 의하여 제2 라인(31)을 통해 재생탑(30)에서 흡수탑(10)으로 공급되는 재생된 아민 흡수제의 열화상태를 흡수제 모니터링부(170)를 통해 모니터링 할 수 있다.

이 때, 상기 흡수제 모니터링부(170)는 pH 및 전기전도도 측정장치를 통해 상기 재생된 아민 흡수제의 수소와 수산화 이온을 측정하며, 아민 흡수제의 열화 상태를 모니터링 할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 상기 흡수제 모니터링부(170)를 통해 아민 흡수제의 pH 및 전기 전도도를 측정하여 아민 흡수제의 열화 상태를 모니터링 함으로써, 예를 들어 정상상태의 아민 흡수제는 pH 10 정도를 나타내지만, 열화현상 등 아민 흡수제의 상태가 좋지 않게 되면 pH가 떨어지는 현상이 발생함을 알 수 있다.

또 다른 한편으로, 본 발명의 실시예에서는 상기한 바와 같은 냉각부(130)를 통해 재생탑(30)의 배출가스를 냉각하고, 제2 열교환기(150)를 통해 상기 재생된 아민 흡수제를 냉각하는 과정에, 열에너지 회수유닛(8)을 통하여 70℃ 이상의 온수를 생산할 수 있다.

이렇게 생산된 온수는 바이오가스 생산시설의 혐기성 소화조로 공급되며, 바이오가스 생산시설의 혐기성 소화조를 가온하는데 필요한 가온 열량으로 사용될 수 있다. 이는 혐기성 소화조의 가온을 위해 사용되는 바이오가스량을 감소시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 열에너지 회수유닛(8)을 통해 아민 흡수유닛(2)에서 소요되는 열에너지를 회수할 수 있으며, 이로 인해 아민 흡수유닛(2)의 전체적인 에너지 소비율을 최소화하며 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.

이에 본 발명의 실시예에 의한 아민 흡수유닛(2)은 상기한 일련의 과정을 통해 메탄농도가 95% 이상, 이산화탄소 제거율이 97% 이상, 메탄 회수율이 99% 이상으로 바이오가스 중의 이산화탄소를 분리하여 바이오메탄을 생산할 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에서는 상기한 바와 같은 아민 흡수유닛(2)을 구비함에 따라, 외부로 배출되는 아민 흡수제의 손실을 최소화할 수 있고, 재생탑(30)에서 아민 흡수제 재생에 사용되는 열에너지를 최소화시킬 수 있으며, 아민 흡수제의 이산화탄소 흡수효율을 향상시킬 수 있고, 전체 장치의 운전비용을 절감할 수 있다.

나아가, 본 발명의 실시예에서는 아민 흡수유닛(2)을 통해 바이오가스 중의 이산화탄소를 저압(0~0.1MPa)에서 분리할 수 있기 때문에, 기존의 이산화탄소 분리기술에 비해 에너지의 소모량이 적고, 메탄 회수율 및 이산화탄소 분리효율이 향상될 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시예에 의한 아민 흡수유닛(2)의 메탄 회수율과 에너지 소비율은 아래 표 1에서와 같이 다른 메탄/이산화탄소 분리기술에 비해 메탄 회수율이 높고, 에너지 소비율이 낮다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 상기 아민 흡수유닛(2)을 통해 보다 효과적이며 경제적으로 바이오가스를 정제하여 바이오메탄을 생산할 수 있다.

메탄/이산화탄소 분리장치	본 발명의 실시예에 따른 아민흡수유닛	물 흡수장치	흡착장치	막분리장치
메탄 회슈율(%)	99 이상	95 이상	97 이상	95 이상
에너지 소비율(kW/Nm³ biogas)	0.15	0.27	0.25	0.20

지금까지 설명한 바와 같은 아민 흡수유닛(2)을 통해 바이오메탄을 생산하고, 이 후 본 발명의 실시예에서는 아민 흡수유닛(2)의 흡수탑(10)에서 배출되는 바이오메탄을 바이오메탄 승압유닛(4)을 통해 바이오메탄 사용처에서 요구하는 압력으로 압축한다. 예를 들면, 상기 바이오메탄 승압유닛(4)은 바이오메탄을 0.1~1.0MPa의 중압으로 승압한다.

이 과정에 상기 바이오메탄 승압유닛(4)에서는 응축수가 발생하는데, 본 발명의 실시예에서는 그 응축수를 제1 응축수 회수라인(4a)을 통해 아민 흡수유닛(2)의 흡수탑(10) 하부로 주입한다.

그리고 나서, 본 발명의 실시예에서는 바이오메탄 승압유닛(4)에서 승압된 바이오메탄을 바이오메탄 제습유닛(5)으로 공급한다. 그러면 상기 바이오메탄 제습유닛(5)에서는 흡착 여재 방식으로 바이오메탄 중의 수분과 아민 흡수제를 제거할 수 있다.

여기서, 상기 바이오메탄 제습유닛(5)에서는 바이오메탄을 사용하여 흡착 여재의 재생이 이루어지는데, 그 흡착 여재의 재생에 사용된 바이오메탄은 순환라인(5b)을 통해 바이오가스 전처리유닛(1)으로 순환시키며 재 사용할 수 있다.

또한, 상기 바이오메탄 제습유닛(5)에서는 흡착 여재를 통해 바이오메탄 중의 수분과 아민 흡수제를 제거하는 과정에 응축수가 발생하는데, 본 발명의 실시예에서는 그 응축수를 제2 응축수 회수라인(5a)을 통해 아민 흡수유닛(2)의 흡수탑(10) 하부로 주입한다.

상기와 같이 최종적으로 바이오메탄 제습유닛(5)을 통해 바이오메탄 중의 수분과 아민 흡수제까지 제거하면, 본 발명의 실시예에서는 메탄농도 95% 이상, 이산화탄소 3% 이하, 황화수소 30ppm 이하, 실록산 10mg/m³ 이하, 수분 dew point -30℃ 이하인 바이오메탄을 생산할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 바이오가스 정제 시스템(100)에서는 바이오가스를 정제하여 바이오메탄을 생산하는 경우, 메탄 회수율이 99% 이상이고, 메탄 농도가 95% 이상으로서 다른 바이오가스 정제시스템 대비 바이오가스 정제효율이 우수하고 전체적인 에너지소비량도 약 10% 이상 감소시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에서는 이와 같이 생산된 바이오메탄의 품질을 바이오메탄 품질관리유닛(7)으로 분석하고, 바이오메탄의 품질이 요구하는 품질에 적합한 경우, 바이오메탄을 바이오메탄 사용처로 공급할 수 있다. 이 때 일부의 바이오메탄은 위에서 언급한 바 있는 스팀 보일러(3)의 연료로 사용될 수 있다.

만약, 상기 바이오메탄 품질관리유닛(7)을 통해 바이오메탄의 품질이 요구하는 품질에 적합하지 않은 경우, 본 발명의 실시예에서는 순환라인(7a)을 통해 바이오메탄을 아민 흡수유닛(2)으로 순환시킨다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오가스 정제 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오가스 정제 시스템(200)은 전기 실시예의 구성을 기본으로 하면서, 바이오메탄 제습유닛(5)까지 거치며 최종적으로 생산된 바이오메탄을 도시 가스화 하는 구조로 이루어진다.

이에, 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오가스 정제 시스템(200)은 최종적으로 생산된 바이오메탄을 도시가스 배관망(201)으로 주입하기 위해 도시가스 품질기준에 적합하게 바이오메탄을 처리할 수 있도록, LPG 혼합유닛(211), 부취제 혼합유닛(213) 및 도시가스 품질관리유닛(215)을 포함하고 있다.

일반적으로, 바이오메탄의 발열량은 약 9,000~9,500kcal/m³으로서, 바이오메탄을 도시가스 배관망(201)에 주입하기 위해서는 최소 9,800kcal/m³ 이상으로 발열량을 높여야하고, 보편적으로는 10,200~10,300kcal/m³로 발열량을 높여야 한다.

상기 LPG 혼합유닛(211)은 바이오메탄의 발열량을 높이기 위해 바이오메탄과 LPG를 혼합하는 것이다. 여기서 상기 LPG 혼합유닛(211)은 열에너지 회수유닛(8)에서 생산되는 온수를 공급받아 액체상태의 LPG를 기화시켜 바이오메탄과 혼합하며 바이오메탄의 발열량을 높일 수 있다. 이 때 상기 열에너지 회수유닛(8)에서 생산되는 온수는 온수 공급라인(212)을 통해 LPG 혼합유닛(211)으로 공급될 수 있다.

상기에서와 같이 본 발명의 실시예에서는 바이오메탄의 발열량을 높일 수 있도록 LPG 혼합유닛(211)을 통해 바이오메탄과 LPG를 혼합하는 과정에, 열에너지 회수유닛(8)으로부터 열에너지를 제공받아 액체상태의 LPG를 기화시킬 수 있으므로, 전체적인 에너지 소모량을 감소시킬 수 있다.

상기 부취제 혼합유닛(213)은 LPG가 혼합된 바이오메탄이 누출되었을 때 이를 확인하기 위한 부취제를 혼합하는 것으로, 바이오메탄과 LPG가 혼합된 도시가스에 10~20mg/m³농도의 부취제를 주입할 수 있다.

그리고, 상기 도시가스 품질관리유닛(215)은 부취제가 주입된 도시가스의 품질기준을 확인하기 위한 것이다. 이에 본 발명의 실시예에서는 도시가스 품질관리유닛(215)을 통해 바이오메탄이 도시가스 품질기준에 적합하게 처리가 되었는지를 확인하고, 도시가스를 도시가스 배관망(201)에 주입할 수 있다.

따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오가스 정제 시스템(200)에서는 바이오가스에서 바이오메탄을 생산하고 그 바이오메탄을 도시 가스화 할 수 있으므로, 에너지 효율성 및 경제성 면에서 유리하고, 바이오가스의 에너지 효율성 및 활용성을 높일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오가스 정제 시스템(200)의 나머지 구성 및 작용 효과는 전기 실시예에서와 같으므로 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.

1... 바이오가스 전처리유닛 2... 아민 흡수유닛
3... 스팀 보일러 4... 바이오메탄 승압유닛
4a... 제1 응축수 회수라인 5... 바이오메탄 제습유닛
5a... 제2 응축수 회수라인 7... 바이오메탄 품질관리유닛
7a... 순환라인 8... 열에너지 회수유닛
10... 흡수탑 11... 제1 라인
15... 제1 흡수제 공급부 20... 바이오가스 공급부
30... 재생탑 31... 제2 라인
50... 재기화기 57... 응축수 공급펌프
60... 압력 조절부 70... 제1 열교환기
110... 제1 응축수 주입부 111... 제1 응축수 주입라인
130... 냉각부 140... 제2 응축수 주입부
141... 제2 응축수 주입라인 150... 제2 열교환기
160... 제2 흡수제 공급부 180... 이물질 제거수단
181... 제1 필터 182... 제2 필터
201... 도시가스 배관망 211... LPG 혼합유닛
212... 온수 공급라인 213... 부취제 혼합유닛
215... 도시가스 품질관리유닛

Claims

바이오가스 생산시설에서 발생되는 바이오가스 중의 수분, 황화수소 및 실록산을 포함하는 불순물을 제거하는 바이오가스 전처리유닛;
상기 불순물이 제거된 바이오가스 중의 이산화탄소를 아민 흡수제를 통해 흡수 및 분리하며 바이오메탄을 생산하는 아민 흡수유닛;
상기 아민 흡수유닛에서 배출되는 바이오메탄을 일정 압력으로 승압하는 바이오메탄 승압유닛;
상기 바이오메탄 승압유닛에 의해 승압된 바이오메탄 중의 수분과 아민 흡수제를 제거하는 바이오메탄 제습유닛;
상기 바이오메탄 제습유닛에서 배출되는 바이오메탄의 품질을 분석하여 그 품질에 따라 바이오메탄을 상기 아민 흡수유닛으로 재순환시키는 바이오메탄 품질관리유닛; 및
상기 아민 흡수유닛에서의 열에너지를 회수하여 온수를 생산하는 열에너지 회수유닛;을 포함하며,
상기 아민 흡수유닛은 아민 흡수제를 통해 바이오가스 중의 이산화탄소를 흡수하고 바이오메탄을 배출하는 흡수탑과, 스팀 보일러로부터 제공되는 스팀의 열에너지를 통해 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제에서 이산화탄소를 분리 배출하며 아민 흡수제를 재생하고 그 재생된 아민 흡수제를 흡수탑으로 공급하는 재생탑을 포함하되, 상기 흡수탑 및 재생탑에서 배출되는 배출가스 중의 아민 흡수제와 수분을 응축시키며 그 응축수를 흡수탑으로 주입하고,
상기 바이오메탄 승압유닛 및 바이오메탄 제습유닛은 이들에서 발생되는 응축수를 상기 흡수탑으로 주입하는 바이오가스 정제 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 아민 흡수유닛은 0~0.1MPa의 저압에서 바이오가스 중의 이산화탄소를 흡수 및 분리하고,
상기 바이오메탄 승압유닛은 바이오메탄을 0.1~1.0MPa의 중압으로 승압하며,
상기 바이오메탄 제습유닛은 교대로 운전하는 두 개의 흡착탑으로 구성되되, 하나의 흡착탑에서는 흡착이 이루어지고, 다른 하나의 흡착탑에서는 흡착여재를 재생하며, 상기 흡착여재의 재생에 바이오메탄을 사용하고, 그 재생에 사용된 바이오메탄을 상기 바이오가스 전처리유닛으로 순환시키는 바이오가스 정제 시스템.
제1 항에 있어서,
최종적으로 생산된 바이오메탄을 도시가스 배관망에 주입하기 위해,
상기 열에너지 회수유닛으로부터 열에너지를 제공받아 액체상태의 LPG를 기화시키며 바이오메탄과 LPG를 혼합하는 LPG 혼합유닛과,
상기 바이오메탄과 LPG가 혼합된 도시가스에 10~20mg/m³농도의 부취제를 주입하는 부취제 혼합유닛과,
상기 부취제가 주입된 도시가스의 품질기준을 확인하기 위한 도시가스 품질관리유닛을 더 포함하는 바이오가스 정제 시스템.
제1 항 내지 제3 항 중에서 선택되는 어느 한 항에 있어서,
상기 아민 흡수유닛은,
상기 흡수탑의 하부에서 배출되는 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제를 상기 재생탑으로 공급하는 제1 라인 및 상기 재생탑에서 재생된 아민 흡수제를 상기 흡수탑으로 공급하는 제2 라인이 교차하는 지점에 설치되며, 상기 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제와 상기 재생된 아민 흡수제의 열 교환이 이루어지는 제1 열교환기와,
상기 흡수탑의 상부에 연결되고, 제1 응축수 주입라인을 통해 상기 흡수탑의 하부와 연결되며, 상기 흡수탑에서 배출되는 바이오메탄 중의 아민 흡수제와 수분을 응축시키고 그 응축수를 상기 흡수탑의 하부로 주입하는 제1 응축수 주입부와,
상기 재생탑의 상부에 연결되며, 상기 재생탑에서 배출되는 배출가스 중의 아민 흡수제와 수분을 응축시키는 냉각부와,
상기 냉각부와 연결되고, 제2 응축수 주입라인을 통해 상기 흡수탑의 하부와 연결되며, 상기 냉각부에서 응축된 응축수를 상기 흡수탑의 하부로 주입하는 제2 응축수 주입부와,
상기 재생탑의 상부에 연결되며, 상기 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제의 재생 온도에 따라 상기 재생탑의 압력을 조절하는 압력 조절부
를 포함하는 바이오가스 정제 시스템.
제4 항에 있어서,
상기 아민 흡수유닛은,
상기 제1 열교환기의 전단에서 상기 제1 라인에 설치되며, 상기 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제를 상기 재생탑으로 공급하는 제1 흡수제 공급부와,
상기 제1 열교환기의 후단에서 상기 제2 라인에 설치되며, 상기 제1 열교환기를 통해 상기 흡수탑으로 공급되는 상기 재생된 아민 흡수제를 냉각하는 제2 열교환기와,
상기 제2 열교환기의 후단에서 상기 제2 라인에 설치되며, 상기 제2 열교환기를 통해 온도가 떨어진 상기 재생된 아민 흡수제를 상기 흡수탑의 상부로 공급하는 제2 흡수제 공급부
를 포함하는 바이오가스 정제 시스템.
제5 항에 있어서,
상기 열에너지 회수유닛은,
상기 아민 흡수유닛의 상기 냉각부 및 상기 제2 열교환기에 연결되며, 상기 재생된 아민 흡수제 및 상기 재생탑에서 배출되는 배출가스의 열을 회수하여 온수를 생산하는 바이오가스 정제 시스템.
제6 항에 있어서,
상기 열에너지 회수유닛은 50~100℃의 온수를 혐기성 소화조를 포함하는 상기 바이오가스 생산시설로 공급하는 바이오가스 정제 시스템.
제5 항에 있어서,
상기 아민 흡수유닛은,
상기 제2 흡수제 공급부의 후단에서 상기 제2 라인에 설치되며, 상기 재생된 아민 흡수제의 pH 및 전기 전도도를 측정하여 상기 재생된 아민 흡수제의 열화상태를 모니터링 하는 흡수제 모니터링부와,
상기 제1 열교환기의 전단 측에 구성되며, 상기 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제 및 상기 재생된 아민 흡수제의 입자상 이물질을 제거하는 이물질 제거수단
을 포함하는 바이오가스 정제 시스템.
제8 항에 있어서,
상기 이물질 제거수단은,
상기 제1 라인에 설치되며, 상기 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제의 입자상 이물질을 제거하는 제1 필터와,
상기 제2 라인에 설치되며, 상기 재생된 아민 흡수제의 입자상 이물질을 제거하는 제2 필터
를 포함하는 바이오가스 정제 시스템.
제4 항에 있어서,
상기 재생탑은 재기화기로부터 열에너지를 공급받아 이산화탄소가 흡수된 아민 흡수제로부터 이산화탄소를 분리하며 아민 흡수제를 재생하고,
상기 스팀 보일러는 상기 바이오가스 전처리유닛으로부터 제공되는 바이오가스 혹은 상기 바이오메탄을 사용하여 스팀의 열에너지를 상기 재기화기로 공급하며,
상기 재기화기에서 발생되는 응축수는 응축수 공급펌프를 통해 상기 스팀 보일러로 재 순환하는 바이오가스 정제 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 바이오메탄 승압유닛은 제1 응축수 회수라인을 통해 상기 아민 흡수유닛과 연결되고,
상기 바이오메탄 제습유닛은 제2 응축수 회수라인을 통해 상기 아민 흡수유닛과 연결되는 바이오가스 정제 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 아민 흡수제는 MEA(Monoethnolamine), DEA(Diethanolamine), MDEA(Methyl diethanolamine), TEA(Triethanolamine) 및 AMP(2-Amino-2-methyl-1-propanol)를 포함하는 아민계열 화합물로 이루어지며, 물을 용매로 하여 10~50wt%의 농도를 만족하고,
상기 흡수탑으로 공급되는 바이오가스와 아민 흡수제의 인입 유량 비율은 그 바이오가스와 아민 흡수제의 부피를 기준으로 할 때 50~100을 만족하는 바이오가스 정제 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 흡수탑의 운전압력는 0.1MPa 이하이고,
상기 바이오가스와 아민 흡수제의 흡수탑 인입 온도는 20~60℃이며,
상기 재생탑의 운전압력은 0~0.5MPa이고,
상기 재생탑의 운전온도는 80~150℃인 바이오가스 정제 시스템.