KR101653362B1 - 막 분리와 엔진 연소기술을 이용한 바이오메탄 및 전기 동시 생산 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 막 분리와 엔진 연소기술을 이용한 바이오메탄 및 전기 동시 생산 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 축산폐수기물, 음식물 폐기물 등의 혐기소화 과정에서 발생하는 바이오가스(Bio-gas) 혹은 쓰레기 매립지에서 유기성 폐기물로부터 발생하는 매립가스(Landfill gas) 등 메탄을 다량 함유한 가스를 막분리형 정제부에서 고순도의 메탄으로 1차 정제한 후 남는 저 메탄농도 가스는 엔진 발전장치로 공급하여 전기에너지를 생산하는 막분리형 정제부와 엔진 발전장치의 통합 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일실시 예에 따른 신재생 가스연료에 포함된 메탄함량을 조절할 수 있는 정제부와 발전장치의 통합장치는 바이오가스 혹은 매립가스를 가스연료로서 사용할 수 있도록 그 안에 포함되어 있는 황화수소성분(H2S)을 제거하는 탈황장치, 압축장치, 냉각장치를 포함하여 구성되어 가스연료에 함유된 불순물을 제거하는 전처리부; 전처리부를 거친 가스연료에 함유된 불순물을 분리막을 통하여 제거하고 메탄가스를 분리하는 분리막부; 분리막부에서 분리된 고순도 메탄가스가 저장되는 메탄가스 저장부; 분리막부에서 공급된 가스의 양을 조절하는 연료조절밸브; 연료조절밸브로부터 공급된 바이오가스 혹은 매립가스를 원료로 하여 작동되는 엔진 발전장치; 엔진 발전장치로 공급되는 공기의 양을 조절하며 연료조절밸브의 개폐정도에 따라 개폐 제어 가능한 쓰로틀밸브; 엔진 발전장치에서 배출되는 연소가스 내의 공기과잉률을 람다센서에서 측정하여 공기과잉률이 1 이상인 경우에 쓰로틀밸브가 닫히도록 하고 상기 연료조절밸브가 열리도록 하며 분리막부의 압력을 높이거나 또는 막면적을 늘려 엔진 발전장치로 공급되는 정제 후 남는 가스연료 내의 메탄함량을 올리도록 하여 메탄함량이 기준치 메탄농도에 도달할 때까지 연료조절밸브, 쓰로틀밸브, 분리막부의 압력 혹은 막면적 중에 적어도 어느 하나 이상을 반복적으로 제어하는 제어부;를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 바이오가스 혹은 매립가스에 포함된 메탄함량을 조절할 수 있는 가스정제부와 발전장치의 통합 장치는 고순도 메탄가스를 분리하여 도시가스 등으로 사용할 수 있도록 하고, 고순도 메탄가스가 분리된 이후에 나오는 저농도 메탄가스를 발전장치에 이용할 수 있고, 발전장치에 공급되는 가스의 메탄함량을 연료조절밸브 제어, 쓰로틀밸브 제어, 분리막부의 압력 및 막면적 제어를 통하여 조절할 수 있는 장점을 가져 보다 효율적인 시스템을 구비할 수 있다.

Description

막 분리와 엔진 연소기술을 이용한 바이오메탄 및 전기 동시 생산 장치 {Biomethane and Power Generation Unit by integrating membrane separation process and internal combustion engine}

본 발명은 막 분리와 엔진 연소기술을 이용한 바이오메탄 및 전기 동시 생산 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 축산폐수기물, 음식물 폐기물 등의 혐기소화 과정에서 발생하는 바이오가스(Bio-gas) 혹은 쓰레기 매립지에서 유기성 폐기물로부터 발생하는 매립가스(Landfill gas) 등 메탄을 다량 함유한 가스를 막분리형 정제부에서 고순도의 바이오메탄으로 1차 정제한 후 남는 저 메탄농도 가스는 엔진 발전장치로 공급하여 전기에너지를 생산하는 막 분리와 엔진 연소기술을 이용한 바이오메탄 및 전기 동시 생산 장치에 관한 것이다.

일반적으로 산업사회의 발달로 각종 폐수나 폐기물의 발생량은 점차 증가하고 있는 실정이다.

이러한 폐수나 폐기물 중에서 유기성 폐수 및 폐기물은 오염 부하량이 매우 높아서 이것을 처리하기 위한 적절한 대책이 절실히 요구되고 있다.

유기성 폐수인 음식물 폐수, 쓰레기 매립지 침출수, 축산 폐수, 산업 폐수나 하수처리장에서 발생되는 슬러지는 주로 혐기 소화 시스템을 통해 감량화시켜 매립하거나, 퇴비로 활용하고 있는 추세이다.

최근에는 위와 같은 혐기 소화 시스템을 이용하여 폐수 또는 폐기물의 효과적인 처리는 물론 이때 발생되는 바이오가스 혹은 매립가스와 같은 신재생 가스연료를 발전설비 등의 에너지원으로 활용하는 방안에 대한 연구와 개발이 적극적으로 추진되고 있다.

현재 이러한 신재생 가스연료를 이용할 수 있는 시설로는 가스보일러 정도가 개발되어 있는데, 신재생 가스연료의 경우 발열량이 낮을 뿐만 아니라 메탄 함유량이 일정하지 않고, 또한 신재생 가스연료에 함유되어 있는 황화합물이 설비의 주요부품들을 부식시키는 특성을 가지고 있기 때문에 신재생 가스연료를 에너지원으로 활용하는 수단들이 보편화되지 않은 상황이다.

한편, 기존에도 신재생 가스연료를 발전설비 등의 에너지원으로 이용하고자 하는 시도가 있어 왔으나, 기계설비의 부식, 메탄발생량의 가변성, 일정하지 않은 가스압력 등으로 정상적인 가동이 이루어지지 않고 있고, 설치 후 사후관리 문제 등으로 방치되고 있는 현실이다. 근래에 와서 유기성 폐기물로부터 발생되는 신재생 가스연료를 연료로 이용하는 발전 설비의 개발이 활발히 이루어지면서 여러 설비나 시스템들이 제공되어 있으나, 대부분 신재생 가스연료 중의 메탄가스의 양을 제어하는데 어려움을 겪으면서 설비를 안정적으로 운전하는데 많은 문제점들을 나타내고 있다. 이러한 상기의 문제점을 해결하기 위하여 등록특허 10-0793107호가 안출되었다.

등록특허 10-0793107호에 의한 메탄가스정화시스템이 구비된 고효율 열병합 발전 시스템은 폐수 또는 쓰레기 매립장 등의 등 침전물을 분해 처리하는 과정에서 발생하는 신재생 가스연료를 정제하여 열병합발전기 등의 열기관에 연료로 공급함에 있어 신재생 가스연료에 포함되어 있는 수분이나 황화수소, 미량유해물질 등을 열병합 발전기 전단에 장착된 탈황장치, 습식 흡수탑(scrubber), 연소 공기 혼합장치, 냉동장치, 건조장치, 2단계 활성탄 흡착장치 등의 정화장치를 순차적으로 경유시켜 고순도로 정제된 저렴하면서 청정한 에너지원으로서 발열량이 높은 신재생 가스연료를 얻을 수 있는 장점이 있으나, 신재생 가스연료에 포함된 메탄 함량을 조절할 수 없고 필요한 전기나 열 등을 생산할 수 없다는 문제점이 있었다.

외국에서는 천연가스의 가격상승이 높아짐에 따라 메탄가스 혼합물을 분리막기술, 흡착기술, 흡수기술 등을 이용하여 도시가스 수준(95%이상)으로 고순도로 정제하여 에너지원으로 활용하고 있다. 하지만 정제공정의 플랜트 비용이 매우 높고 정제 후 메탄 회수율이 낮아 버려져서 소각되어지는 저순도의 메탄의 양이 많아 국내에서 적용하는 데에는 경제적 타당성이 맞지 않는 문제가 있다. 특히 중소규모의 축산농장이나 음식물 쓰레기장, 하수슬러지장, 매립지 등이 위생상의 이유나 환경문제 등의 이유로 도시내에서 멀리 떨어진 오지에 이미 설치되었거나 설치되고 있다. 이러한 폐기물 메탄 혐기성 처리시설내에 전기와 도시가스 및 난방열을 동시에 이용하고 필요에 따라 가변적으로 도시가스와 전기를 생산하는 설비를 설치하는 경우 그 이용효율이 아주 높을 것으로 기대된다. 그러나 현재까지 이러한 도시가스, 전기, 난방열을 동시 생산하여 수요에 따라 적절히 복합적으로 이용하는 설비는 국내외에서 연구되거나 기술개발되거나 실증화 이상으로 시도된 적이 거의 없었다.

등록특허 10-0793107호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 신재생 가스연료로부터 고순도 메탄가스를 분리하여 도시가스 등으로 사용할 수 있도록 하고, 고순도 메탄가스가 분리된 이후에 남은 저메탄농도 가스를 이용하여 발전할 수 있는 메탄가스 정제부와 엔진 발전장치의 통합과 함께, 안정적인 발전이 가능하도록 엔진 발전장치에 공급되는 저메탄농도 가스의 메탄함량을 연료조절 밸브 제어, 분리막부의 압력 및 막면적 제어를 통하여 조절할 수 있는 제어부를 포함하는 메탄가스 정제부와 발전장치의 통합 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시 예에 따른 막분리형 정제부와 발전장치의 통합장치는 바이오가스 혹은 매립가스를 가스연료로서 사용할 수 있도록 그 안에 포함되어 있는 황화수소성분(H2S)을 제거하는 탈황장치, 압축장치, 냉각장치를 포함하여 구성되어 가스연료에 함유된 불순물을 제거하는 전처리부; 전처리부를 거친 가스연료에 함유된 불순물을 분리막을 통하여 제거하고 메탄가스를 분리하는 분리막부; 상기 분리막부에서 분리된 고순도 메탄가스가 저장되는 메탄가스 저장부; 상기 분리막부에서 메탄이 분리된 후 남은 가스를 연료로 작동하는 엔진 발전장치; 상기 분리막부와 엔진 발전장치 사이에서 분리 후 남은 낮은 메탄농도 가스의 공급량을 조절하는 연료조절밸브; 공기/연료 혼합기의 공기과잉률을 이론공연비로 유지하기 위해 상기 연료조절밸브의 개폐 정도에 따라 엔진 발전장치로 공급되는 공기의 양을 조절하는 쓰로틀밸브; 연소 후 배기가스로부터 공기과잉률을 측정하는 람다센서; 상기 람다센서로부터의 공기과잉률 측정결과에 따라 연료조절밸브, 쓰로틀밸브, 분리막부의 압력 혹은 막면적 중에 적어도 어느 하나 이상을 반복적으로 제어하여 엔진 발전장치로 공급되는 정제 후 가스연료량이나 공기량, 혹은 정제 후 남은 가스연료 내의 메탄 농도를 조절하는 제어부;를 포함하여 구성된다.

상술한 과제 해결 수단에 의하면, 본 발명에 따른 막분리형 가스정제부와 발전장치의 통합 장치는 신재생 가스연료로부터 고순도 메탄가스를 분리하여 도시가스 등으로 사용할 수 있도록 하고, 고순도 메탄가스가 분리된 이후에 나오는 저농도 메탄가스를 엔진 발전장치에 공급하여 전기에너지를 생산할 수 있으며, 엔진 발전장치에 공급되는 가스의 메탄함량을 연료조절밸브 제어, 쓰로틀밸브 제어, 분리막부의 압력 및 막면적 제어를 통하여 조절함으로써 안정적인 발전을 할 수 있는 장점을 가져 보다 효율적인 시스템을 구비할 수 있다.

도 1은 본 발명의 전체 시스템 구성을 도시한 장치 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 신재생 가스연료 분리/정제 및 신재생 가스연료 공급 과정을 도시한 개략적인 동작 흐름도,
도 3은 엔진 발전장치로 공급되는 신재생 가스연료의 메탄농도를 조절하는 과정을 나타내는 흐름도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 막 분리와 엔진 연소기술을 이용한 바이오메탄 및 전기 동시 생산 장치를 첨부한 도면을 참조하여 설명하되, 발명의 요지와 무관한 일부 구성은 생략 또는 압축할 것이나, 생략된 구성이라고 하여 반드시 본 발명에서 필요가 없는 구성은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 결합되어 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 전체 시스템 구성을 도시한 장치 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 신재생 가스연료 정제 및 공급 과정을 도시한 개략적인 동작 흐름도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 막 분리형 정제부 및 엔진 발전장치의 통합장치는 바이오가스 혹은 매립가스를 정화하는 전처리부(100), 전처리부(100)를 거친 신재생 가스연료에 함유된 이산화탄소 등 불순물을 분리막을 통하여 제거하는 분리막부(200), 분리막부(200)에서 분리된 고순도 메탄가스가 저장되는 메탄가스 저장부(230), 분리막부(200)를 지나 엔진 발전장치로 공급된 정제 후 남은 낮은 메탄농도를 갖는 신재생 가스연료의 양을 조절하는 연료조절밸브(300), 연료조절밸브(300)로부터 공급된 저메탄농도의 신재생 가스를 연료로 하여 작동되는 엔진 발전장치(400), 엔진 발전장치(400)로 공급되는 공기/연료 혼합기의 공기과잉률을 이론공연비로 맞추기 위해 상기 연료조절밸브(300)의 개폐정도에 따라 개폐되어 공급되는 공기의 양을 조절하는 쓰로틀밸브(700), 남은 신재생 가스연료에 포함된 메탄 함량을 제어하는 제어부(500)를 포함하여 구성된다.

전처리부(100)는 바이오가스나 매립가스 등을 가스연료로서 사용할 수 있도록 가스 내에 포함되어 있는 황화수소성분(H2S)을 제거하는 탈황장치(110), 압축장치(130), 냉각장치(140)를 포함하여 구성된다. 여기에 가스 내에 포함되어 있는 탈실록산(Siloxane) 성분을 제거하는 탈실록산부(120)가 더 포함될 수도 있다.

탈황장치(110)로는 건식 탈황장치(미도시)와 습식 탈황장치(미도시)가 이용될 수 있다.

건식 탈황장치는 수산화철 분말을 주성분으로 하는 탈황제를 탈황탑에 충전하고, 바이오가스를 아래에서부터 통과시켜 탈황한다.

탈황 제거율은 80 ~ 90% 정도로 습식 탈황장치에 비해 경제적이지만 탈황효과는 떨어진다.

습식 탈황장치는 흡수탑과 재생탑으로 이루어져 있으며, 흡수탑에서는 철-킬레이트 수용액 등의 탈황 용액을 가스와 향류(向流)와 접촉시켜 황화수소를 분리한다.

분리액은 용매를 이용해 황을 제거하고 재생탑에서 공기나 산소의 주입을 통해 철킬레이트 수용액을 재생하며, 탈황 효과는 99% 이상이다.

바이오가스나 매립가스에 포함된 황산화물은 탈황장치(110)에서 정제되고, 가스에 포함된 실록산은 활성탄이나 실리카겔이 장착된 탈실록산부(120)에서 정제된다.

탈황장치(110)와 탈실록산부(120)를 거친 신재생 가스연료는 압축장치(130)에서 승압되며, 압축장치(130)에서 승압된 신재생 가스연료는 가스 흡착을 용이하게 하기 위해 냉각장치(140)에 냉각되고, 분리막부(200)으로 공급된다.

신재생 가스연료 내의 다른 성분보다 메탄의 분리막 통과율은 통상 낮기 때문에 분리막부(200)의 분리막을 통과하지 못한 가스는 도시가스나 자동차 연료수준의 95%이상의 농도를 가진 고농도 메탄이 생산되어 저장부(230)에 저장되고, 분리막부(200)를 통과한 저농도(30 ~ 40%이하) 메탄의 경우 저장탱크(220)에 저장된다.

메탄가스 저장부(230)에 저장된 고순도 메탄가스는 도시가스 등으로 사용될 수 있으므로 도시하지 않은 도시가스 공급관을 통하여 도시가스 공급자에게 공급되도록 할 수 있으며, 저장탱크(220)에 저장된 정제 후 남은 저메탄농도 가스는 엔진 발전장치(400)로 공급되게 된다.

고분자분리막, 탄소분리막, 무기분리막, 제올라이트분리막 또는 중공사막으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나의 분리막을 1단 또는 다단형태로 형성하여 이루어지는 분리장치를 사용하여 신재생 가스연료를 농축할 수 있다. 이 때 분리막부(200)로 유입되는 전처리된 신재생 가스연료의 압력이 일정 압력(통상 3 bar) 미만인 경우나 분리막의 면적이 충분하지 않을 경우 막 분리 공정에 따른 고순도 메탄의 순도 및 회수율이 낮아지므로 메탄가스의 순도를 높이기 위해서는 분리막부로 공급되는 신재생 가스연료의 압력을 높여 주거나 분리막의 면적을 높이거나 다단분리막 형태를 도입하도록 한다.

또한 분리막부(200)에서 농축된 95% 이상의 고순도 메탄가스를 유지하고 동시에 분리막을 통과한 정제 후 저순도 메탄의 농도가 발전을 할 수 있는 최소농도(30-40% 이상)를 유지할 수 있으면 분리막시스템을 1단으로 하고, 분리막을 통과된 정제 후 저순도 메탄가스의 농도가 30% 이하여서 최소 연소조건이 안되는 경우 분리막의 면적을 늘리거나 압력을 높이거나 추가적인 분리막을 부여하는 2단 시스템으로 하여 최소농도인 30-40%이상을 유지시키는 것이 바람직하다.

분리막부(200)에는 저진공 진공펌프(210)가 설치되어 신재생 가스연료의 정제효율을 높일 수 있다.

저장탱크(220)에 저장된 분리 후 남은 저메탄농도의 신재생 가스연료는 연료조절밸브(300)를 거쳐 엔진 발전장치(400)에 공급된다. 이때 쓰로틀밸브(700)를 거친 공기가 신재생 가스연료와 함께 엔진 발전장치(400)에 공급된다.

엔진 발전장치(400)에 공급되는 신재생 가스연료의 활용률을 최대로 하기 위해서는 엔진 발전장치내의 내연기관에서 실화를 방지해야 하며 이를 위해서는 가연 범위 내의 연료를 공급하여야 한다. 따라서 공급되는 연료가 가연범위에 들어가도록 분리 후 남은 저메탄농도 가스에 포함된 메탄농도의 기준치를 사전에 설정하며 이에 맞도록 정제부의 정제효율 역시 미리 설정한다.

제어부(500)는 엔진 발전장치(400)로부터 배출되는 연소가스의 공기과잉률을 람다센서(410)에서 측정한다. 이때 공기과잉률이 1 이상의 희박조건이 되는 경우는 공급되는 신재생 가스연료의 메탄농도가 기준치보다 낮아졌기 때문이며 다시 이론공연비 운전으로 복귀하기 위해 제어부(500)에서는 쓰로틀밸브(700)를 닫아 공기량을 줄이거나 연료조절밸브(300)를 개방하여 공급연료량을 늘리는 제어를 한다. 공기과잉률이 1 이하인 농후조건이 되는 경우 공급되는 연료 내 메탄농도가 기준치보다 높아졌기 때문이며 이론공연비 운전으로 복귀하기 위해 제어부(500)에서는 쓰로틀밸브(700)를 열어 공기량을 늘리거나 연료조절밸브(300)을 닫아 연료 공급량을 줄이는 제어를 한다.

결국 엔진 발전장치로 공급되는 가스연료 내 메탄농도의 변화는 제어부(500)에서의 이론공연비 운전 제어를 통해 쓰로틀밸브(700)의 개도나 연료조절밸브(300)의 개도 변화로 나타나게 된다. 따라서 제어부(500)에서는 쓰로틀밸브(700)의 개도가 초기 설정치보다 닫혀있거나 연료조절밸브(300)의 개도가 초기 설정치보다 개방되어 있으면 가스연료 내 메탄농도가 발전의 연소에 필요한 최소기준치농도(30-40%)보다 낮은 것으로 판단하며 분리막부(200)로 공급되는 신재생 가스연료의 압력 증가 또는 막면적 증가를 통해 정제수율을 낮춤으로써 발전장치(400)로 공급되는 정제 후 남은 가스연료 내의 메탄함량이 기준치 메탄농도로 높아질 때까지 제어하게 된다. 제어부(500)에서는 또한 쓰로틀밸브(700)의 개도가 개방되어 있거나 연료조절밸브(300)가 닫혀 있으면 가스연료 내 메탄농도가 기준치보다 높은 것으로 판단하며 분리막부(200)로 공급되는 신재생 가스연료의 압력 감소 또는 막면적 감소를 통해 정제수율을 높임으로써 엔진 발전장치(400)로 공급되는 정제 후 남은 가스연료 내의 메탄함량이 기준치 메탄농도로 낮아질 때까지 제어하게 된다. 결국 제어부(500)에서는 연료조절밸브(300), 쓰로틀밸브(700), 압력장치(130), 분리막부(200) 막면적 중에 적어도 어느 하나 이상을 반복적으로 제어하여 정제 후 남은 가스연료 내 메탄농도를 제어하도록 구성되어 있다.

도 3은 발전장치로 공급되는 신재생 가스연료의 메탄농도를 조절하는 과정을 나타내는 흐름도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 공기과잉률이 1 이상인 경우에 쓰로틀밸브(700)가 닫히거나 연료조절밸브(300)가 열리며, 분리막부(200)로 공급되는 신재생 가스연료의 압력을 높이거나 막면적을 늘려 엔진 발전장치(400)로 공급되는 정제 후 남은 가스연료 내의 메탄농도를 올리게 된다.

메탄농도가 입력된 기준값과 일치하면 쓰로틀밸브(700) 개폐 제어, 연료조절밸브(300)제어, 분리막부(200)로 공급되는 신재생 가스연료의 압력 혹은 분리막 면적 제어는 종료되고, 메탄농도가 입력된 기준값과 일치하지 않으면 쓰로틀밸브(700) 개폐 제어, 연료조절밸브(300)제어, 분리막부(200) 압력 혹은 분리막 면적 제어 중 어느 하나 이상을 메탄농도가 입력된 기준값과 일치할 때까지 반복적으로 제어가 이루어진다.

또한 공기과잉률이 1 이하인 경우에는 쓰로틀밸브(700)가 열리거나 연료조절밸브(300)가 닫히며, 분리막부(200)로 공급되는 신재생 가스연료의 압력을 낮추거나 막면적을 줄여 엔진 발전장치(400)로 공급되는 가스연료내의 메탄농도를 감소시키게 된다. 더불어 상기 쓰로틀밸브(700)와 연료조절밸브(300)는 상호 연동되어 개폐가 조절될 수 있도록 제어될 수 있다. 즉, 쓰로틀밸브(700)의 이상적인 개폐 정도를 맵핑(mapping)값으로 미리 입력하되, 쓰로틀밸브(700)의 개폐 정도가 상기 맵핑(mapping)값에 도달하지 않은 경우는 상기 쓰로틀밸브(700)와 연료조절밸브(300)가 서로 연동되어 조절되다가 상기 쓰로틀밸브(700)가 미리 입력된 맵핑값에 도달하게 되면 쓰로틀밸브의 개폐는 더 이상 이루어지지 않고 해당 맵핑값을 유지하면서 연료조절밸브(300)만을 개폐 조절하여 전체적인 메탄농도 값을 조절할 수 있다.

한편, 전처리부(100)와 발전장치(400)를 연결하는데 있어 안전을 위해 바이패스 라인(600)과 버너(610)를 설치하여 갑작스러운 신재생 가스연료 공급량 변화에 대응할 수 있도록 한다. 즉 과도한 가스가 공급되게 되면 상기 바이패스 라인(600)으로 일정량의 가스를 바이패스 시켜 상기 버너(610)로 해당 가스를 연소시킴으로 인해 안전에 대비하도록 한다.

전처리부(100)에서 정화된 신재생 가스연료는 각각 밸브(미도시)가 설치된 수개의 공급관(미도시)을 통하여 수개의 분리막으로 공급된다. 이 때, 하나의 공급관에 하나의 분리막이 설치되어, 각각의 분리막은 병렬식으로 연결되며 공급관에 설치된 밸브의 개폐에 따라 분리막의 막면적을 제어할 수 있으며, 공급관에 설치된 상기 밸브는 자동 또는 수동으로 개폐하여 분리막의 막면적을 제어할 수도 있다.

이와 같이 하나의 공급관에 하나의 분리막이 설치되므로 공급관에 설치된 밸브를 닫게 되면 공급관에 설치된 분리막에는 신재생 가스연료가 공급되지 않으므로 분리막의 막면적이 줄어들게 된다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 신재생 가스연료에 포함된 메탄함량을 조절할 수 있는 막 분리와 엔진 연소기술을 이용한 바이오메탄 및 전기 동시 생산을 실시하기 위한 하나의 실시 예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

100 : 전처리부 110 : 탈황장치
120 : 탈실록산부 130 : 압축장치
140 : 냉각장치 200 : 분리막부
210 : 저진공 진공펌프 220 : 저장탱크
230 : 메탄가스 저장부 300 : 연료조절밸브
400 : 발전장치 410 : 람다센서
500 : 제어부 600 : 바이패스 라인
610 : 버너 700 : 쓰로틀밸브

Claims (13)

1. 신재생 가스연료의 불순물을 제거하는 전처리부;
   상기 전처리부에서 공급된 신재생 가스연료로부터 바이오메탄을 분리하는 분리막부;
   상기 분리막부에서 분리된 고순도 메탄가스를 저장하는 메탄가스 저장부;
   상기 분리막부로부터 공급되는 정제 후 남은 저메탄농도 가스의 양을 조절하는 연료조절밸브;
   상기 연료조절밸브로부터 공급된 정제 후 남은 가스를 연료로 하여 작동되는 엔진 발전장치;
   상기 엔진 발전장치로부터 배출되는 연소 후 배기가스에서 측정된 공기과잉률에 따라 상기 발전장치로 공급되는 저메탄농도 가스 내 메탄 함량을 조절하기 위한 제어부 및
   상기 공기과잉률을 이론공연비로 맞추기 위해 상기 연료조절밸브의 개폐정도에 따라 개폐되어 공급되는 공기의 양을 조절하는 쓰로틀밸브를 포함하고,
   상기 제어부는 정제 후 저메탄가스의 농도가 30% 이하인 경우, 상기 분리막부로 공급되는 신재생 가스연료의 압력 증가 또는 상기 분리막부의 막면적 증가를 통해 정제수율을 낮춤으로써 상기 엔진 발전장치로 공급되는 저메탄농도 가스 내 메탄 함량이 기준치 메탄농도로 높아질 때까지 제어하면서, 공기과잉률이 1 이상인 경우 상기 쓰로틀밸브가 닫히거나 상기 연료조절밸브가 열리도록 제어하는 막 분리와 엔진 연소기술을 이용한 바이오메탄 및 전기 동시 생산 장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 전처리부는 탈황장치, 탈실록산부, 압축장치 및 냉각장치 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 막 분리와 엔진 연소기술을 이용한 바이오메탄 및 전기 동시 생산 장치.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 분리막부의 분리막은 1단 또는 다단으로 형성된 것을 특징으로 하는 막 분리와 엔진 연소기술을 이용한 바이오메탄 및 전기 동시 생산 장치.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 분리막부(200)에 저진공 진공펌프가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 막 분리와 엔진 연소기술을 이용한 바이오메탄 및 전기 동시 생산 장치.
   
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서,
   상기 쓰로틀밸브는 상기 연료조절밸브와 상호 연동되어 작동되는 것을 특징으로 하는 막 분리와 엔진 연소기술을 이용한 바이오메탄 및 전기 동시 생산 장치.
   
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 제 1항에 있어서,
    상기 분리막부와 발전장치 사이에는 신재생 가스연료 공급량 변화에 대응할 수 있도록 바이패스 라인과 버너를 설치한 것을 특징으로 하는 막 분리와 엔진 연소기술을 이용한 바이오메탄 및 전기 동시 생산 장치.
    
11. 신재생 가스연료의 불순물을 제거하는 전처리 과정으로 이루어지는 제 1 단계;
    상기 전처리 과정에서 공급되는 신재생 가스연료로부터 메탄을 분리하는 제 2 단계;
    상기 제2 단계로부터 분리된 메탄이 제외되고 남은 저메탄농도 가스연료를 엔진 발전장치에 공급하는 제 3 단계;
    상기 엔진 발전장치로부터 배출되는 연소 후 배기가스로부터 공기과잉률을 측정하는 제 4 단계;
    상기 제 4 단계 결과에 따라 정제 후 저메탄가스의 농도가 30% 이하인 경우, 분리막부로 공급되는 신재생 가스연료의 압력 증가 또는 상기 분리막부의 막면적 증가를 통해 정제수율을 낮춤으로써 상기 엔진 발전장치로 공급되는 저메탄농도 가스 내 메탄 함량이 기준치 메탄농도로 높아질 때까지 제어하면서, 공기과잉률이 1 이상인 경우 쓰로틀밸브가 닫히거나 연료조절밸브가 열리도록 제어부가 제어하여 상기 엔진 발전장치에 공급되는 저메탄농도 가스의 메탄 함량을 조절하는 것을 특징으로 하는 막 분리형 정제부와 엔진 발전장치의 통합제어 방법.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 연료조절밸브는 쓰로틀밸브와 연동되어 제어되는 것을 특징으로 하는 막 분리형 정제부와 엔진 발전장치의 통합제어 방법.
    
13. 제11항에 있어서,
    상기 쓰로틀밸브의 개폐 정도가 일정 값에 도달하면 상기 쓰로틀밸브는 더 이상 연료조절밸브와 연동되지 않고 일정 개폐를 유지하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 막 분리형 정제부와 엔진 발전장치의 통합제어 방법.

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