KR101656005B1

KR101656005B1 - 바이오가스를 이용한 열병합 발전 시스템

Info

Publication number: KR101656005B1
Application number: KR1020140028555A
Authority: KR
Inventors: 탁봉열
Original assignee: 주식회사 디에이치엠플랜트
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2016-09-08
Also published as: KR20150106256A

Abstract

본 발명은 바이오가스를 연료를 이용한 열병합 발전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 축산 분뇨폐기물과 음식 폐기물, 하수처리 슬러지 등의 유기성 폐기물을 혐기 소화조에서 소화시키는 과정에서 발생된 바이오 가스를 열병합발전기의 연료로 사용할 수 있도록 구성하고, 바이오가스를 이용하여 발전기를 가동하는 과정에서 발생되는 고열의 배기가스를 이용하여 온수를 가열시켜 난방 열원으로 사용할 수 있도록 구성하여 열병합발전의 종합적인 에너지 효율을 향상시킬 수 있도록 하고, 환경친화적인 바이오가스를 발전연료로 제공하여 환경오염을 방지할 수 있도록 한 바이오 가스를 이용한 열병합 발전시스템에 관한 것이다.

Description

바이오가스를 이용한 열병합 발전 시스템{Cogeneration System using biogas}

본 발명은 바이오가스를 연료로 이용한 열병합 발전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 축산 및 돈사 분뇨 폐수, 음식 폐기물, 하수처리 슬러지 등의 유기성 폐기물을 소화조에서 혐기성 소화 방법으로 처리하여 고열량의 바이오 가스를 생산하고 생산된 바이오 가스를 열병합 발전기의 연료로 사용하여 전기를 발전하는 동시에 열병합발전기를 가동하면서 발생된 엔진 연소열과 오일열 및 고열의 배기가스를 이용하여 냉각수를 가열시켜 온수 및 온수를 이용한 열원으로 소화조 온도유지 및 건물의 난방 및 농작물 하우스의 난방 열로 사용할 수 있도록 함으로 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 바이오 연료를 이용한 열병합 발전 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 양돈, 축산, 양계 농장에서 발생되는 분뇨 폐기물과 도심지에서 발생하는 음식물 폐기물은 처리 비용이 고가 일뿐만 아니라 유기성 폐기물 처리시설 또한 상당히 부족한 실정이다. 특히 소규모의 영세 축산 농가나, 소규모의 음식점은 폐기물처리장치를 설치할 능력이 없어 일반 생활 쓰레기에 혼입되는 문제점과 분리 폐기를 한다하더라도 수거업체가 다시 이를 전문처리업체로 보내 폐기해야하는 문제점이 있다.

그러나 이와 같은 분뇨 폐기물과 음식물폐기물 등의 유기성 폐기물은 발효에 의한 혐기성 소화방식으로 처리할 수 있는 특성이 있다.

따라서 분뇨 폐기물과 음식물폐기물은 소화과정에서 발생되는 메탄가스를 탈황정제 및 유수분리하면 고 농도의 바이오가스를 생산할 수 있는 특성이 있으므로 이를 잘 이용하면 분뇨 폐기물과 음식물폐기물은 재처리하여 사용할 수 있는 이점이 있다.

현재에도 수도권 매립지에서 발생되는 가스를 이용한 열병합발전소가 가동되고 있다. 수도권 매립 공사에서는 생활쓰레기를 매립하고 나면 매립된 쓰레기가 분해되는 과정에서 침출수와 가스가 발생됨으로 이를 이용하여 열병합발전기의 연료로 공급하고 있다. 이렇게 가스를 연료로 한 열병합발전이 이루어지고 있는 현실에서 축산농장에서 발생되는 축산 분뇨폐기물과 음식 폐기물, 하수처리 슬러지 등의 유기성 폐기물을 균질화시켜 혐기조에서 소화시키는 과정에서 발생되는 메탄가스를 정제시킨 바이오가스를 연료로 사용할 경우 폐기물을 처리하는 효과와 열병합 발전기의 연료로 사용할 수 있게 됨으로 분뇨 폐기물과 음식물폐기물의 처리비용을 절감하는 동시에 새로운 연료를 창출하는 발전 연료 에너지를 대체할 수 있는 효과가 있으나 현재 부분적으로 연구가 진행되고 있으나 범용적으로 널리 사용되지 못하고 있는 실정이다.

이 분야의 선행기술을 살펴보면, 등록특허공보 제0742159호(등록일자:2007년07월18일)의 "바이오매스 가스화에 의한 열병합 발전방법"(이하 "선행기술" 이라함)이 개시되어 있다.

상기 선행기술은 바이오매스의 가스화에 의한 합성가스의 제조공정, 타르 및 목초액을 회수하는 공정, 합성가스의 정제 공정, 그리고 엔진장치에 의한 엔진의 가동공정을 포함하여 이루어지되, 상기 엔진장치가 엔진 본체에 경유 공급부를 거쳐 경유를 공급하고, 별도의 가스공급부를 거쳐 혼합된 합성가스를 공급하되 혼합된 합성가스는 유량조절밸브를 거쳐 외부로부터 공급되는 공기와 터보기구를 거치면서 미리 혼합된 상태의 가스로 상기 가스공급부로 공급하며, 상기 유량조절밸브는 연소가스 배출부에 설치된 센서로부터 감지된 신호에 의하여 산소분석기와 제어기를 거쳐 유량의 제어가 이루어지도록 그 구성이 이루어지는 바이오매스 가스화에 의한 열병합 발전방법이 개시되었다.

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상기 선행기술의 바이오매스 가스화 발전 기술은 상압 부근에서 공기와 반응하여 가스화 반응을 하여 합성가스를 제조하고, 합성가스 중의 타르 성분이나 입자상 물질을 제거한 다음 가스터빈이나 가스엔진의 연소를 통한 전력생산과 부산물로서 목초액을 회수하는 기술이다.

따라서, 이를 범용적으로 이용하기 위해 개발되어야 할 핵심적인 요소기술로는 연료 성상의 다변화에 따른 공정 운전기술, 가스화 장치 설계 기술, 연료주입 및 반응물 혼합기술, 내화재 및 열회수 기술, 타르, 슬래그 등의 미 반응물 처리기술, 발전 및 연계운전기술, 플랜트 최적화 기술 등이 필요하나 이를 구체적으로 실현시키기 위해서는 기술적으로 수행할 수 있는 처리설비의 설치와 이의 처리설비의 수명에 따른 경제성이 있어야하나 상기선행기술의 경우 상용화시키기에는 여러 가지로 미흡한 문제점이 있다.

대한민국 등록특허공보 제0742159호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 축산 분뇨폐기물과 음식 폐기물, 하수처리 슬러지 등의 유기성 폐기물을 혐기 소화조에서 소화시키는 과정에서 발생된 바이오 가스를 열병합발전기의 연료로 사용하는 목적과, 바이오가스를 이용하여 발전기를 가동하는 과정에서 발생되는 배기가스를 이용하여 온수를 가열시켜 난방 열원으로 사용할 수 있도록 함으로 종합적인 에너지 효율을 향상시킬 수 있도록 함을 목적으로 한 바이오 가스를 이용한 열병합 발전시스템을 제공하여 기존의 문제점을 해결하고자 한 것이다.

본 발명은 상기 목적을 해결하기 위한 수단으로서, 별도의 바이오가스 처리장치에서 생산되어 공급되는 바이오가스를 여과하는 가스필터와;

상기 가스필터에서 여과된 가스가 솔레노이드밸브와 화염역류방지기를 거쳐 이송되는 바이오가스를 일정압력으로 감압하여 공급하는 정압기와;

상기 정압기에서 일정압력으로 정압된 바이오가스와 에어필터를 거쳐 유입된 외부공기를 혼합하는 가스믹서기와;

상기 가스 믹서기에서 공기와 혼합된 후 냉각기를 거쳐 흡입구로 유입된 바이오가스를 연료로 사용하여 전기를 생산하는 발전기와;

상기 발전기를 구동시 발생되는 엔진 연소열과 오일을 식혀 순환공급 되도록 하는 라디에이터와;

상기 발전기와 라디에이터 사이에 설치되어 발전기에서 라디에이터로 유입되는 냉각수와 상기 발전기에서 연료로 사용된 후 연소되어 배출되는 배기가스의 열을 회수하는 열교환장치와;

상기 열교환장치와 연결되며 발전기에서 배출되는 고열의 배출가스가 통과하면서 온수배관을 가열시켜 온수를 생성하는 이코노마이저를 포함하는 열병합발전시스템을 구성 한다.

상기 이코노마이저는 배출가스가 배출되는 배기라인과 연결되고 이코노마이저 몸체에는 열교환장치의 배관라인과 연결된 온수배관이 지그재그로 설치된다.

상기 열교환장치는 발전기의 냉각수를 식힐 수 있도록 1차 열교환장치와 발전기에서 연소되어 배출되는 배출가스를 냉각하는 2차 열교환장치로 구성한다.

이와 같이 된 본 발명은 바이오가스를 이용하여 발전기를 가동시켜 전기를 생산하고, 또한 바이오가스를 발전 연료로 사용한 후 배기되는 배기가스의 열을 이용하여 온수를 생성시켜 난방 연료로 사용할 수 있도록 한 환경친화적인 연료를 공급하는 동시에 열병합발전기를 에너지효율을 높일 수 있도록 한 바이오 가스를 이용한 열병합 발전시스템을 제공할 수 있도록 한 것이다.

이와 같이 된 본 발명은 유기성 폐기물의 소화과정에서 발생하는 바이오가스를 열병합 발전기 연료로 사용함으로 환경오염을 최소한 환경 친화적인 에너지를 제공하는 효과가 있으며,

축산 분뇨폐기물과 음식 폐기물, 하수처리 슬러지 등의 유기성 폐기물을 협기 소화조에서 소화시키는 과정에서 생산된 바이오가스를 열병합발전기의 연료로 사용함으로 폐기물처리 비용을 절감하는 동시에 열병합발전기의 연료비용을 절감하는 경제적인 효과를 가지며,

열병합발전기를 가동하면서 부가적으로 발생된 온수를 난방연료로 사용함으로서 난방을 위한 에너지 소비를 최소화하고 효율은 극대화하는 효과를 갖는다.

도1은 본 발명의 열병합발전장치를 가동하기 위한 전체 흐름을 나타낸 계통도이며,
도2는 본 발명에 따른 열병합발전장치의 엔진 구동에 따른 연료공급 계통도 이며,
도3은 본 발명의 열병합 발전장치의 주요 구성을 나타낸 외형도이며,
도4는 본 발명의 열병합발전장치 일측에 난방온수를 생산하는 이코노마이저를 설치한 상태의 외형도이며,
도5는 본 발명의 이코노마이저에 다수의 온수배관이 설치되어 발전기의 배출가스 열을 이용하여 온수를 생산할 수 있도록 한 배치도이며,
도6은 다수의 온수배관이 설치된 이코노마이저에 방열핀이 설치된 구성도 이다.

이하 본 발명의 실시 예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1은 본 발명의 열병합발전장치를 가동하기 위한 전체 흐름을 나타낸 계통도이고, 도2는 본 발명에 따른 열병합발전장치의 엔진 구동에 따른 연료공급 계통도로서, 별도의 혐기 소화조에서 생산된 바이오가스가 가스공급라인(11)으로 유입되면 가스필터(13)에서 여과한 후 정압기(16)에서 일정한 압력으로 정압된 후 가스믹서기(18)로 공급된다.

상기 가스믹서기(18)로 공급된 바이오가스는 가스믹서기(18)의 일측에 연결된 에어필터(17)를 통하여 공급되는 공기와 가스믹서기(18)에서 균일하게 혼합된다.

이때 가스믹서기(18)에서 바이오가스와 공기가 혼합되는 비율을 발전기를 가동하면서 공기의 혼합량을 조절한다.

상기 에어필터(17)를 거쳐 유입되는 공기의 혼합량은 사전에 발전기(20)의 구동에 가장 적합한 혼합량이 유입되어 바이오가스와 혼합되도록 사전에 설정된다.

상기 가스 공급라인(11)에는 바이오가스를 유입 또는 차단할 수 있도록 수동볼 밸브(12)가 설치되고 수동볼 밸브(12) 일측에는 유입되는 바이오가스를 여과할 수 있도록 가스 필터(13)가 설치되고 상기 가스필터(13) 일측에는 비상시 자동 차단될 수 있도록 솔레노이드 밸브(14)가 설치된다.

상기 솔레노이드 밸브(14) 일측에는 유입되는 바이오가스의 압력을 조절기와 정압기(16)가 설치되어 유입되는 바이오가스의 압력이 균일하고 안정인 압력으로 공급될 수 있도록 한다.

상기 가스믹서기(18)에서 공기와 혼합된 바이오가스는 터보충전기(29)와 라디에이터(19)를 거쳐 발전기(20)의 엔진부(21)의 흡입구(21a)를 통하여 연료로 공급된다.

상기 발전기(20)는 바이오가스 연료 이외에 오일을 공급할 수 있도록 일측에 오일공급 라인(26)이 설치되고 오일공급 라인(26)에는 오일탱크(27)가 구비된다.

상기 오일 공급라인(26)에 설치된 오일탱크(26)의 오일은 발전기(20)의 구동할때 바이오가스와 함께 연료로 사용된다. 또한, 가스 믹서기(18) 측으로 유입되도록 하여 바이오가스와 공기, 오일이 혼합된 상태로 발전기(20) 연료로 사용된다.

또한 발전기(20) 일측에는 비상시 사용할 수 있도록 예비오일탱크(28)가 설치되어 발전기 연료로 공급될 수 있도록 준비된다.

상기 발전기(20)는 구동시 발생되는 열을 식힐 수 있도록 냉각수 순환라인(25)이 형성되고 냉각수 순환라인(25)은 라디에이터(19)를 거쳐 순환되도록 함으로 냉각수를 라디에이터(19)에서 열교환으로 냉각시켜 발전기 냉각수로 공급될 수 있도록 구성된다.

또한, 상기 발전기와 라디에이터 사이의 냉각수순환라인(25) 일측에 설치되어 발전기에서 라디에이터(19)로 유입되는 냉각수와 상기 발전기(20)에서 바이오가스를 연료로 사용된 후 배출되는 배기가스의 열을 식혀 줄 수 있도록 열교환장치(30)가 설치된다.

상기 열교환장치(30)는 발전기(20)의 냉각수순환라인(25)의 냉각수를 1차 식혀 라디에이터(19)로 보내지도록 1차 열교환장치(31)가 구성되고, 또한 발전기(20)에서 연소되어 배출되는 배기라인(24)의 배출가스를 냉각하는 2차 열교환장치(32)로 구성된다. 상기 열교환장치(30)의 1차 열교환장치(31)와 2차 열교환장치(32)는 하나의 순환라인에 형성되어 냉각수와 배기가스의 열을 냉각할 수 있도록 구성된다.

도2는 본 발명에 따른 열병합발전기의 엔진 구동에 따른 연료공급 계통도로서, 본 발명의 열병합 발전기가 4 행정으로 흡입, 압축, 폭팔, 배기의 싸이클로 이루어지는 과정에서 가스공급라인(11)을 통하여 공급되는 바이오가스가 에어공급라인을 통하여 공급되는 공기와 가스믹서기(18)에서 혼합된 후 터보충전기(29)를 거쳐 엔진 연료로 공급된다.

도3은 본 발명의 열병합 발전기의 주요 구성을 나타낸 외형도로서, 열병합발전장치(10)의 발전기(20) 엔진부(21)와 엔진을 구동시키는 제너레이터(22), 열교환장치(30)가 구성되고 일측이 발전기의 동작을 제어할 수 있도록 콘트롤부(23)가 구비된다.

도4는 본 발명의 열병합발전장치 일측에 난방온수를 생산하는 이코노마이저를 설치한 상태의 외형도이고, 도5는 본 발명의 이코노마이저에 다수의 온수배관이 설치되어 발전기의 배출가스 열을 이용하여 온수를 생산할 수 있도록 한 배치도이며,도6은 다수의 온수배관이 설치된 이코노마이저에 방열핀(42)이 설치된 구성도 이다.

본 발명의 열병합발전장치(10)는 발전기(20)가 발전하는 과정에서 발생된 배기가스 토출부 측과 이코노마이저(40)와 연결되어 배기가스가 배출된다.

상기 이코노마이저(40)은 통상적으로 보일러에서 배기가스와 남은 열을 이용하여 급수를 가열하는 장치로서 본 발명에서는 발전기가 전기를 생산하면서 발생된 고열의 배기가스가 이코노마이저(40)를 통하여 배출되도록 한 것이다.

상기와 같이 이코노마이저(40)를 통하여 고열의 배기가스가 토출되는 과정에서 열교환장치에서 사용하고난 냉각수를 재가열시켜 급탕온수 또는 난방온수로 사용할 수 있도록 한 것이다.

이와 같이 열병합발전기에서 이용된 냉각수와 배기가스를 이코노마이저(40)에서 재가열하기 위해서는 도4 내지 도6과 같이 열병합발전기의 배기가스가 배출되도록 안내하는 배기라인(24)의 단부와 이코노마이저(40)의 인입관(40a)와 연결되어 고열의 배기가스가 토출관(40b)를 통하여 방출되거나 또는 제3의 처리장치로 보내진다.

이때, 이코노마이저(40)의 몸체에는 열교환장치(30)의 배관라인은 온수배관(41)과 연결되며 온수배관은 열교환되도록 지그재그 설치된다.

상기 이코노마이저(40)는 발전기(20)의 냉각수를 식힐 수 있도록 1차 열교환장치(31)와 발전기(20)에서 연소되어 배출되는 배출가스를 냉각하는 2차 열교환장치(32)로 구성된 배관라인의 인입관(40a) 및 토출관(40b)과 이코노마이저(40)의 몸체에 지그재그 설치된 온수배관(41)과 연결되어 물이 순환되면서 이코노마이저(40)에서 열교환이 이루어져 뜨거운 온수로 생성되고 이의 온수는 별도의 라인을 통하여 급탕 또는 난방 온수 및 난방의 열원으로 사용될 수 있도록 연결된다.

본 발명의 열병합발전장치(10)는 발전기(20)에서 배기되는 배기가스의 온도는 500℃ 정도이며 이는 이코노마이저(40)를 통과하면서 몸체에 코일 형태로 권선 또는 내부를 통과하도록 지그재그 설치된 온수배관(41)을 지나면서 열교환이 이루져 토출관(40b)를 통과한 배기가스는 100℃ 정도로 열회수된 상태로 배출된다.

이와 같이 배기가스가 이코노마이저(40)를 통과하면서 몸체에 관통되도록 지즈재그 설치된 온수배관(41) 내의 물을 가열시키면 물은 90℃의 온도로 만들어지므로 온수배관(41)의 뜨거운 물은 사용용도에 따라서 농작물을 경작하는 하우스 난방장치, 주택의 난방 온수, 산업현장의 난방으로 이용될 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 축산농장에서 발생되는 축산 분뇨폐기물과 음식 폐기물, 하수처리 슬러지 등의 유기성 폐기물을 처리하는 과정에서 발생되는 바이오가스를 이용하여 열병합 발전기의 연료로 사용함으로써, 환경친화적인 바이오가스를 저렴한 가격으로 발전연료로 공급할 수 있는 이점이 있으며,

또한, 발전시 엔진에서 배기되는 배기가스에 열교환기를 설치하여 온수탱크에서 리턴라인으로 통과시켜서 남방온수를 공급함으로써 발전기 효율을 극대화할 수 있다.

10:열병합발전장치 11:가스공급라인
12:수동볼 밸브 13:가스필터
14:솔레노이드 밸브 15:화연역류방지기
16:정압기 17:에어필터
18:가스믹서기 19:라디에이터
20:발전기 21:엔진부
22:제너레이터 23:콘트롤부
24:배기라인 25:냉각순환라인
26:오일공급라인 27:오일탱크
28:예비오일탱크 29:터보처져
30:열교환장치 31:제1 열교환장치
32:제2 열교환장치 40:이코노마이저
41:온수배관

Claims

별도의 바이오가스 처리장치에서 생산되어 공급되는 바이오가스를 여과하는 가스필터(13)와; 상기 가스필터(13)에서 여과된 가스가 솔레노이드밸브(14)와 화염역류방지기(15)를 거쳐 이송되는 바이오가스를 일정압력으로 감압하여 공급하는 정압기(16)와; 유입된 바이오가스를 연료로 사용하여 전기를 생산하는 발전기(20)와; 상기 발전기(20)를 구동시 발생되는 열을 식히는 냉각수와 열교환시켜 공급하는 라디에이터(19)로 이루어지되, 상기 정압기(16)에서 일정압력으로 정압된 바이오가스와 에어필터(17)를 거쳐 유입된 외부공기를 혼합하는 가스믹서기(18)와; 상기 가스믹서기(18)에서 공기와 혼합된 후 냉각기를 거쳐 흡입구(21a)로 유입된 바이오가스를 연료로 사용하여 전기를 생산하는 발전기(20)를 구성하고, 상기 발전기(20)와 라디에이터(19) 사이에 설치되어 발전기(20)에서 라디에이터(19)로 유입되는 냉각수와 상기 발전기(20)에서 연료로 사용된 후 배출되는 배기가스의 열을 회수하는 열교환장치(30)를 형성하고, 상기 열교환장치는 발전기(20)의 냉각수를 식힐 수 있도록 1차 열교환장치(31)와 발전기(20)에서 연소되어 배출되는 배출가스를 냉각하는 2차 열교환장치(32)로 형성한 바이오가스를 이용한 열병합 발전 시스템에 있어서,
상기 열교환장치(30)와 연결되며 발전기(20)에서 배출되는 고열의 배출가스가 통과하면서 온수배관(41)을 가열시켜 온수를 생성하는 이코노마이저(40)는 배출가스가 배출되는 배기라인(24)의 단부와 이코노마이저(40)의 인입관(40a)과 연결되어 고열의 배기가스가 토출관(40b)를 통하여 방출되도록 형성하고,
상기 이코노마이저(40) 몸체에는 열교환장치(30)의 배관라인이 온수배관(41)과 연결되며 온수배관(41)은 열교환되도록 지그재그 설치된 것을 포함하는 바이오가스를 이용한 열병합 발전 시스템.
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