KR101656792B1 - 고속 유동순환식 다단흡수탑을 이용한 저농도 메탄가스의 정제장치 - Google Patents

고속 유동순환식 다단흡수탑을 이용한 저농도 메탄가스의 정제장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고속 유동순환식 다단흡수탑을 이용한 저농도 바이오가스의 정제장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 암모니아(NH3) 가스와 황화수소(H2S) 가스의 제거효율을 향상시키고 제거시간을 단축함으로써 이산화탄소(CO2)와 메탄(CH4) 가스와 같은 유기자원 가스의 품질을 향상시킬 수 있고, 생산원가를 절감할 수 있으며 생산성을 향상시킬 수 있는 고속 유동순환식 다단흡수탑을 이용한 저농도 바이오가스의 정제장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 고속 유동순환식 다단흡수탑을 이용한 저농도 바이오가스의 정제장치는 고속 유동순환식 다단흡수탑을 이용한 저농도 바이오가스의 정제장치에 있어서, 분사노즐을 통해 흡수제로서 물을 분사하여 바이오 가스 중에 포함된 암모니아(NH3) 가스를 제거하도록 적어도 하나 이상으로 구성된 암모니아제거다단흡수탑과, 상기 암모니아제거다단흡수탑의 하부에 배치되고 물이 저장되는 암모니아(NH3) 흡수탱크를 구비한 암모니아(NH3)제거부; 및 분사노즐을 통해 흡수제로서 유기산 철킬레이트(Fe-chelate) 수용액을 분사하여 바이오 가스 중에 포함된 황화수소(H2S) 가스를 제거하도록 적어도 하나 이상으로 구성된 황화수소제거다단흡수탑과, 상기 황화수소제거다단흡수탑의 하부에 배치되고 유기산 철킬레이트(Fe-chelate) 수용액이 저장되는 황화수소(H2S) 흡수탱크를 구비한 황화수소(H2S)제거부를 포함하고, 상기 분사노즐을 통해 분사되는 물 및 유기산 철킬레이트(Fe-chelate) 수용액을 냉각시키는 흡수제냉각수단이 더 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

고속 유동순환식 다단흡수탑을 이용한 저농도 메탄가스의 정제장치{PURIFICATION SYSTEM FOR REFINING BIO-GAS}
본 발명은 고속 유동순환식 다단흡수탑을 이용한 저농도 바이오가스의 정제장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 암모니아(NH3) 가스와 황화수소(H2S) 가스의 제거효율을 향상시키고 제거시간을 단축함으로써 이산화탄소(CO2)와 메탄(CH4) 가스와 같은 유기자원 가스의 품질을 향상시킬 수 있고, 생산원가를 절감할 수 있으며 생산성을 향상시킬 수 있는 고속 유동순환식 다단흡수탑을 이용한 저농도 바이오가스의 정제장치에 관한 것이다.
일반적으로, 음식물쓰레기 공공처리시설의 혐기성 처리공정은 음식물쓰레기 처리장내의 유기물 성분을 메탄에너지로 전환할 수 있고, 산소의 공급도 불필요하여 에너지의 소모가 적고, 발생 슬러지도 호기성 공정의 약 10% 내외여서 유럽 및 미국 등지에서는 경제적인 처리 공정으로 주로 사용되고 있다.
음식물쓰레기의 90%는 자원화 방법을 통하여 처리되고 있으며, 그 중 80% 이상이 퇴비화하지만 퇴비화를 할 경우에는 온실가스를 216kg CO2-eq/ton 배출하는 것으로 알려져 있어서, 근래에는 퇴비화 재활용보다는 바이오매스 에너지원으로 재활용하는 것을 보다 적극적으로 권장하고 있고, 이 분야에 대한 다양한 연구개발 활동이 수행되고 있다.
이에 따라 본 출원인은 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-1427599호로 개시된 바와 같은 '고속 유동순환식 다단흡수탑을 이용한 저농도 메탄가스의 정제방법 및 그 장치'에 관한 기술을 개발하게 되었다.
상기한 고속 유동순환식 다단흡수탑을 이용한 저농도 메탄가스의 정제방법 및 그 장치는 도1에 도시된 바와 같이 고속 유동순환식 다단흡수탑을 이용한 암모니아(NH3) 흡수탱크(6)와 황화수소(H2S) 흡수탱크(7), 그리고 배출수의 재순환 사용을 위한 전기중화 제거장치(10), 촉매 환원 재생탱크(17), 이온 탈취장치(11)들을 포함하여 구성된다.
먼저, 1차적으로 장치 내에 유입된 저농도 바이오 가스 중 암모니아(NH3) 가스는 암모니아(NH3) 흡수탱크(6)에서 물을 흡수제로 사용하여 1단계 다단 흡수탑에서 오리피스 회전에 의한 노즐 분사로 암모니아 가스를 흡수하여 제거한 뒤, 잔류하는 가스를 물을 흡수제로 사용하여 연속적으로 2단계 다단 흡수탑에서 제거 후, 3단계, 4단계 다단 흡수탑을 거치면서 완벽하게 제거한다.
이렇게 암모니아(NH3) 가스가 1차 제거된 바이오가스는 황화수소(H2S) 흡수탱크에서 유기산 철킬레이트(Fechelate) 수용액을 이용하여 동일한 방법으로 1단계, 2단계, 3단계, 4단계 다단 흡수탑에서 오리피스 회전에 의한 노즐 분사로 황화수소(H2S) 가스를 흡수하여 제거한다.
이때 본 충진 흡수탑에서는 폴링으로 체류 시간을 증가 시키고, 데미스트로 잔류 가스를 제거한 후 배출된다. 처리된 저농도 바이오 가스 중 암모니아(NH3) 가스의 제거 처리 효율이 떨어질 시에는 부착되어 있는 암모니아 이송 펌프(19)를 사용하여 암모니아(NH3) 흡수탱크(6)에 있는 암모니아수를 암모니아 저장탱크(20)로 이송한 후 암모니아(NH3) 중화 제거탱크(16)에 충진되어 있는 보충수를 암모니아(NH3) 흡수탱크(6)로 이송하여, 연속적으로 다단 흡수탑에서 유해가스를 제거한다.
상기한 공정과 동일하게, 처리된 저농도 바이오 가스 중 황화수소(H2S) 가스의 제거 처리 효율이 떨어질 시에는 부착되어 있는 이송 펌프(22)를 사용하여 황화수소(H2S) 흡수탱크(8)에 있는 액상 유기산 철킬레이트(Fechelate)를 촉매 환원 재생탱크(17)로 이송한 후 촉매 환원 재생탱크(17)에 충진되어 있는 이미 사전에 재생 처리된 보충 철킬레이트(Fe-chelate) 촉매를 황화수소(H2S) 흡수탱크(8)로 이송하여, 연속적으로 다단 흡수탑에서 유해가스를 제거한다.
전술한 종래 고속 유동순환식 다단흡수탑을 이용한 저농도 메탄가스의 정제방법 및 그 장치에 따르면, 메탄가스로 정제 처리하는 과정에서 대표적인 불순물 성분인 암모니아(NH3) 가스와 황화수소(H2S) 가스를 다단 흡수탑에서 제거함으로써 메탄 가스의 회수효율을 향상시킬 수 있었다.
하지만, 전술한 처리과정을 거치더라도 메탄 가스에 포함된 암모니아(NH3) 가스와 황화수소(H2S) 가스의 함유량이 여전히 높아 바이오 가스의 품질이 낮은 한계점이 있다.
그리고, 메탄 가스에 포함된 암모니아(NH3) 가스와 황화수소(H2S) 가스의 함량을 줄이기 위해서는 전술한 바와 같이 이송 펌프를 작동시켜 보충수나 철킬레이트를 연속적으로 다단 흡수탑에서 유해가스를 제거하므로 에너지비용의 상승과 생산시간의 증가로 생산성이 낮아지고 생산원가가 높아지는 단점이 있다.
한국등록특허 등록번호 제10-1427599호 '고속 유동순환식 다단흡수탑을 이용한 저농도 메탄가스의 정제방법 및 그 장치' 한국등록특허 등록번호 제10-0951367호 '바이오메탄가스와 혼합된 가스를 압축과 냉각수를 이용하여 가스의 밀도와 비중차에 의해 바이오 메탄가스로 정제하는 정제장치 및 그 정제방법'
본 발명은 상기 내용에 착안하여 제안된 것으로, 암모니아(NH3) 가스와 황화수소(H2S) 가스의 제거효율을 향상시키고 제거시간을 단축함으로써 이산화탄소(CO2)와 메탄(CH4) 가스와 같은 유기자원 가스의 품질을 향상시킬 수 있고, 생산원가를 절감할 수 있으며 생산성을 향상시킬 수 있도록 한 고속 유동순환식 다단흡수탑을 이용한 저농도 바이오가스의 정제장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 고속 유동순환식 다단흡수탑을 이용한 저농도 바이오가스의 정제장치는 고속 유동순환식 다단흡수탑을 이용한 저농도 바이오가스의 정제장치에 있어서, 분사노즐을 통해 흡수제로서 물을 분사하여 바이오 가스 중에 포함된 암모니아(NH3) 가스를 제거하도록 적어도 하나 이상으로 구성된 암모니아제거다단흡수탑과, 상기 암모니아제거다단흡수탑의 하부에 배치되고 물이 저장되는 암모니아(NH3) 흡수탱크를 구비한 암모니아(NH3)제거부; 및 분사노즐을 통해 흡수제로서 유기산 철킬레이트(Fe-chelate) 수용액을 분사하여 바이오 가스 중에 포함된 황화수소(H2S) 가스를 제거하도록 적어도 하나 이상으로 구성된 황화수소제거다단흡수탑과, 상기 황화수소제거다단흡수탑의 하부에 배치되고 유기산 철킬레이트(Fe-chelate) 수용액이 저장되는 황화수소(H2S) 흡수탱크를 구비한 황화수소(H2S)제거부를 포함하고, 상기 분사노즐을 통해 분사되는 물 및 유기산 철킬레이트(Fe-chelate) 수용액을 냉각시키는 흡수제냉각수단이 더 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 암모니아제거다단흡수탑은 통 형상으로 형성된 흡수탑이 벤츄리관(venturi tube)에 의해 상하로 연결, 배치되고, 상기 흡수탑의 하측에 바이오 가스가 유입되는 가스유입관이 접속되는 유입구가 형성되고 상측에 배출구가 형성된 1단계 암모니아제거다단흡수탑과, 상기 1단계 암모니아제거다단흡수탑과 동일구조로 형성되고 암모니아(NH3) 가스를 2차 제거하도록 배치된 2단계 암모니아제거다단흡수탑을 구비할 수 있다.
상기 황화수소제거다단흡수탑은 상기 1단계 암모니아제거다단흡수탑과 동일구조로 형성되고 황화수소(H2S) 가스를 1차 제거하는 1단계 황화수소제거다단흡수탑, 상기 1단계 황화수소제거다단흡수탑과 동일구조로 형성되고 황화수소(H2S)를 2차 제거하도록 배치된 2단계 황화수소제거다단흡수탑, 및 상기 2단계 황화수소제거다단흡수탑에 연이어 배치되고 통 형상으로 형성된 흡수탑에 상하로 분사노즐이 배치되어 황화수소(H2S)를 3차 제거하도록 배치된 3단계 황화수소제거다단흡수탑을 구비할 수 있다.
한편, 상기 흡수제냉각수단은, 상기 황화수소(H2S) 흡수탱크 및 상기 암모니아(NH3) 흡수탱크에 설치되어 물 및 유기산 철킬레이트(Fe-chelate) 수용액을 냉각시키는 냉각쿨러; 상기 물 및 유기산 철킬레이트(Fe-chelate) 수용액의 온도를 감지하는 흡수제온도감지부; 및 상기 흡수제온도감지부로부터 감지되는 신호에 따라 상기 냉각쿨러의 구동을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 흡수제냉각수단은, 상기 분사노즐로 분사되는 물 및 유기산 철킬레이트(Fe-chelate) 수용액을 냉각시키도록 상기 분사노즐 또는 상기 분사노즐에 근접, 배치되어 냉기를 제공하는 냉각부재; 상기 분사노즐로 공급되는 물 및 유기산 철킬레이트(Fe-chelate) 수용액의 온도를 감지하는 흡수제온도감지부; 및 상기 흡수제온도감지부로부터 감지되는 신호에 따라 상기 냉각부재의 구동을 제어하는 제어부를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 냉각부재는 열전모듈로 구성될 수 있다.
그리고, 상기 흡수제냉각수단은, 상기 분사노즐에 일단이 접속되고 타단이 분사배관에 접속되며 외면에 상기 열전모듈이 설치되는 연결구; 및 상기 열전모듈을 상기 연결구에 고정시키도록 설치되는 고정구가 더 구비될 수 있다.
아울러, 상기 흡수제냉각수단은 상기 제어부에 희망하는 상기 흡수제의 냉각 온도를 입력하는 온도입력부가 구비될 수 있다.
본 발명에 따른 고속 유동순환식 다단흡수탑을 이용한 저농도 바이오가스의 정제장치에 의하면, 암모니아(NH3)제거부 및 황화수소(H2S)제거부에 의한 유해가스 제거과정에서 흡수제냉각수단을 작동시켜 흡수제인 물 및 유기산 철킬레이트(Fe-chelate) 수용액을 냉각시켜 암모니아(NH3) 가스와 황화수소(H2S) 가스의 제거효율을 향상시킬 수 있고 제거시간을 단축할 수 있으므로 이산화탄소(CO2)와 메탄(CH4) 가스와 같은 유기자원 가스의 품질을 향상시킬 수 있고, 생산원가를 절감할 수 있으며 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도1은 종래 고속 유동순환식 다단흡수탑을 이용한 저농도 메탄가스의 정제장치를 설명하기 위한 도면,
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 유동순환식 다단흡수탑을 이용한 저농도 바이오가스의 정제장치의 전체적인 구성을 나타낸 개략적인 구성도,
도3a 및 도3b는 도2를 부분적으로 확대하여 나타낸 구성도,
도3c는 도2의 암모니아제거부 부분을 확대하여 나타낸 구성도,
도3d는 도2의 A부를 확대하여 나타낸 구성도,
도4a 및 도4b는 공지된 암모니아(NH3)가스 및 황화수소(H2S) 가스의 물의 온도 변화 따른 용해도를 나타낸 그래프,
도5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고속 유동순환식 다단흡수탑을 이용한 저농도 바이오가스의 정제장치를 설명하기 위한 도면,
도6a는 도5의 A부를 확대하여 도시한 분리사시도,
도6b는 도5의 A부 조립단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 유동순환식 다단흡수탑을 이용한 저농도 바이오가스의 정제장치의 전체적인 구성을 나타낸 개략적인 구성도, 도3a 및 도3b는 도2를 부분적으로 확대하여 나타낸 구성도, 도3c는 도2의 암모니아제거부 부분을 확대하여 나타낸 구성도, 도3d는 도2의 A부를 확대하여 나타낸 구성도이다.
도2 내지 도3d를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 유동순환식 다단흡수탑을 이용한 저농도 바이오가스의 정제장치는 분사노즐을 통해 흡수제로서 물을 분사하여 바이오 가스 중에 포함된 암모니아(NH3) 가스를 제거하는 암모니아(NH3)제거부(1), 분사노즐을 통해 유기산 철킬레이트(Fe-chelate) 수용액을 분사하여 바이오 가스 중에 포함된 황화수소(H2S) 가스를 제거하는 황화수소(H2S)제거부(2), 분사노즐을 통해 분사되는 물 및 유기산 철킬레이트(Fe-chelate) 수용액을 냉각시키는 흡수제냉각수단(3)이 구비되어 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 유동순환식 다단흡수탑을 이용한 저농도 바이오가스의 정제장치는 본 출원인에 의해 출원되어 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-1427599호로 등록된 '고속 유동순환식 다단흡수탑을 이용한 저농도 메탄가스의 정제방법 및 그 장치'에 개시된 배출수의 재순환 사용을 위한 전기중화제거장치(81), 촉매환원재생탱크(82), 이온탈취장치(83), 여과탱크(85,86), 암모니아중화제거탱크(87), PH조절양품탱크(88), 촉매보충탱크(88) 및 각 탱크의 유체를 이송하기 위해 배치되는 다수의 펌프 등이 동일하게 구성되어 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 유동순환식 다단흡수탑을 이용한 저농도 바이오가스의 정제장치를 구체적으로 설명하되, 전술한 배경기술에 나타난 동일 구성요소에 대하여는 상세한 설명을 생략하고, 새롭게 제안된 구성요소를 중심으로 설명한다.
먼저, 암모니아(NH3)제거부는 분사노즐을 통해 흡수제로서 물을 분사하여 바이오 가스 중에 포함된 암모니아(NH3) 가스를 1차 제거하는 1단계 암모니아제거다단흡수탑(11), 연이어 암모니아(NH3) 가스를 2차 제거하도록 배치된 2단계 암모니아제거다단흡수탑(12), 상기한 1단계 및 2단계 암모니아제거다단흡수탑(11,12)의 하부에 배치되고 물이 저장되는 암모니아(NH3) 흡수탱크(13)가 구비되어 있다.
황화수소(H2S)제거부(2)는 분사노즐을 통해 유기산 철킬레이트(Fe-chelate) 수용액을 분사하여 바이오 가스 중에 포함된 황화수소(H2S) 가스를 1차 제거하는 1단계 황화수소제거다단흡수탑(21), 연이어 황화수소(H2S)를 제거하도록 배치된 2단계 황화수소제거다단흡수탑(22), 2단계 황화수소제거다단흡수탑(22)에 인접하여 황화수소(H2S)를 제거하도록 배치된 3단계 황화수소제거다단흡수탑(23), 1단계 내지 3단계 황화수소제거다단흡수탑(23)의 하부에 배치되고 유기산 철킬레이트(Fe-chelate) 수용액이 저장되는 황화수소(H2S) 흡수탱크(24)가 구비되어 있다.
1단계 및 2단계 암모니아제거다단흡수탑(11,12)과, 1단계 및 2단계 황화수소제거다단흡수탑(21,22)은 도3a에 도시된 바와 같이 통 형상으로 형성된 2개의 흡수탑(a,b)이 벤츄리관(c,venturi tube)에 의해 연결된 구조로서, 하측 흡수탑(a)에 메탄과 같은 바이오 가스가 유입되는 유입구가 형성되고, 상측 흡수탑(b)의 상부에 배출구가 형성된 구조로 되어 있다.
한편, 암모니아(NH3)제거부(1) 및 황화수소(H2S)제거부(2)에는 불순물인 유해가스를 부착 및 응집하여 제거하기 위해 후술되는 폴링층(f)의 상부에 액상의 흡수제를 분사하는 분사수단(p)이 구성되어 있다. 이 분사수단(p)은 폴링층(f)의 상부에 설치되고 다수의 분사노즐(p1)이 배치된 분사배관(p2)과 이 분사배관으로 흡수제를 압송하는 펌프(p3)로 구성되어 있다.
그리고, 1단계 및 2단계 암모니아제거다단흡수탑(11,12)과, 1단계 및 2단계 황화수소제거다단흡수탑(21,22)은 도3a에 도시된 바와 같이 각 흡수탑(a,b)의 내부에 폴링층(f)이 형성되어 있다. 이 폴링층(f)은 흡수탑(a,b)의 내부에 배치되고 다수의 폴링(미도시,pall ring)이 적층되어 형성되는 층으로서 분사노즐(p1)로부터 분사되는 흡수제와 바이오가스와의 접촉면적을 증가시켜 불순물을 제거하는 작용을 수행한다. 이때, 폴링은 메탈 또는 수지재로 형성되고 가급적 표면적이 넓은 것을 선택하여 적용한다.
또한, 1단계 암모니아제거다단흡수탑(11)은 유입구에 유기성 폐기물의 혐기성 소화공정에서 발생하는 저농도 메탄가스와 같은 바이오가스가 유입되는 가스유입관(L1)이 접속되고, 배출구에 2단계 암모니아제거다단흡수탑(12)의 유입구에 접속되는 연결관(L2)이 접속되어 있다. 또한 2단계 암모니아제거다단흡수탑(12)의 배출구와 1단계 황화수소제거다단흡수탑(21)의 유입구 사이, 1단계 황화수소제거다단흡수탑(21)의 배출구와 2단계 황화수소제거다단흡수탑(22)의 유입구 사이, 2단계 황화수소제거다단흡수탑(22)의 배출구와 3단계 황화수소제거다단흡수탑(23)의 유입구 사이에는 연결관(L3,L4,L5)이 접속되어 있다.
또한, 3단계 황화수소제거다단흡수탑(23)은 2단계 황화수소제거다단흡수탑(22)에 연이어 황화수소(H2S)를 3차 제거하도록 배치된 것으로 통 형상으로 형성된 흡수탑에 상하로 분사노즐이 배치된 것으로 통상 스크러버장치로 호칭되는 장치와 유사한 구조로 형성되어 있다.
3단계 황화수소제거다단흡수탑(23)은 도3a에 도시된 바와 같이 바이오가스가 유입되는 유입구와 유해가스의 제거과정을 거친 바이오가스가 배출되는 배출구가 구비된 스크러버몸체(231), 이 스크러버몸체(231)의 내부에 배치되어 불순물의 제거작용을 수행하는 구성으로 폴링층(232), 분사수단(P), 데미스터(233,demister) 등이 구비되어 있다.
스크러버몸체(231)는 내약품성 및 내식성을 갖는 판상부재를 이용하여 대략 원통 형상으로 제작하여 종방향으로 설치한 것으로, 하측 외주면에 유입구가 형성되고 상단부에 배출구가 형성되어 있다.
폴링층(232)은 유입구의 상부에 해당되는 스크러버몸체(231)의 내부에 배치되고 다수의 폴링(pall ring,미도시)이 적층되어 형성되는 층으로서 분사수단(p)으로 분사되는 흡수제와 바이오가스와의 접촉면적을 증가시켜 불순물을 제거하는 작용을 수행한다.
데미스터(233,demister)는 분사노즐의 상부에 해당되는 스크러버몸체(231)의 내부에 배치되어 배출구로 부상되는 바이오가스 중에 포함된 불순물을 제거하기 위한 구성으로, 스크러버몸체(231)에 고정되는 서포트부재(미도시), 이 서포트부재에 설치되고 섬유조직으로 형성된 다층의 데미스터필터(미도시)로 구성되어 있다.
한편, 흡수제냉각수단(3)은 암모니아(NH3)가스 및 황화수소(H2S) 가스와 같은 유해가스가 저온에서 물 및 유기산 철킬레이트(Fe-chelate) 수용액에 쉽게 용해되는 특징을 갖는다는 점에 착안하여 도출된 구성요소로서, 분사노즐(p1)을 통해 분사되는 흡수제(물 및 유기산 철킬레이트(Fe-chelate) 수용액)를 냉각시킴으로써 유해가스가 보다 쉽게 흡수제에 용해, 제거되도록 하는 기능을 수행한다.
보다 구체적으로 설명하면, 흡수제냉각수단(3)은 황화수소(H2S)흡수탱크(13) 및 암모니아(NH3)흡수탱크(24)에 각각 설치되어 물 및 유기산 철킬레이트(Fe-chelate) 수용액을 냉각시키는 냉각쿨러(31), 물 및 유기산 철킬레이트(Fe-chelate) 수용액의 온도를 감지하는 흡수제온도감지부(32), 및 흡수제온도감지부로부터 감지되는 신호에 따라 냉각쿨러(31)의 구동을 제어하는 제어부(33)가 구비되어 있다.
그리고, 흡수제냉각수단(3)은 제어부에 희망하는 흡수제의 온도를 입력할 수 있도록 버튼이나 터치패널 등으로 구성되는 온도입력부(미도시)가 구비되어 있다.
냉각쿨러(31)는 물 및 유기산 철킬레이트(Fe-chelate) 수용액의 냉각작용을 효과적으로 수행할 수 있다면 특별한 제한 없이 선택하여 적용할 수 있지만, 본 실시예에서는 도3d에 도시된 바와 같이 수냉식쿨러장치로 구성되어 있다. 예컨대 수냉식쿨러장치는 냉각수 이동라인(312)이 배치되어 유입되는 흡수제와의 열교환이 이루어지는 쿨러본체(311), 쿨러본체(311) 내부로 흡수제를 흡입하기 위해 흡수제 이동라인(313)에 설치되는 쿨러펌프(314)가 구비된 구조로 되어 있다.
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 유동순환식 다단흡수탑을 이용한 저농도 바이오가스의 정제장치의 작용을 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고속 유동순환식 다단흡수탑을 이용한 저농도 바이오가스의 정제장치는 위 배경기술에 언급한 본 출원인의 선행기술(대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-1427599호 참조)과 동일한 처리과정을 통해 바이오가스에 포함된 암모니아(NH3) 가스, 황화수소(H2S) 가스와 같은 유해가스를 제거하는 것이므로 간략하게 설명한다.
먼저, 바이오가스 중에 포함된 암모니아 가스를 1단계 암모니아제거다단흡수탑(11)에서 물을 흡수제로 사용하여 하측 흡수탑(a)에서 1단계로 흡수, 제거하고, 잔류하는 가스를 물을 흡수제로 사용하여 연속적으로 상측 흡수탑(b)에서 2단계로 제거 후, 2단계 암모니아제거다단흡수탑(12)의 하측 흡수탑 및 상측 흡수탑을 경유하면서 3단계 및 4단계의 처리과정을 통해 제거한다.
이렇게 암모니아(NH3) 가스가 1차 제거된 바이오가스는 1단계 및 2단계 황화수소제거다단흡수탑(21,22)에서 유기산 철킬레이트(Fechelate) 수용액을 이용하여 동일한 방법으로 1단계, 2단계, 3단계, 4단계의 처리과정을 거치면서 황화수소(H2S) 가스가 흡수, 제거되고, 이후 3단계 황화수소제거다단흡수탑(23)을 통과하면서 다시 한 번 더 황화수소(H2S) 가스의 제거과정이 수행된다. 이때 1단계, 2단계 및 3단계 황화수소제거다단흡수탑(21,22,23)에서는 폴링으로 체류 시간을 증가시키고 데미스트를 이용하여 잔류 가스를 제거한 후 배출된다.
한편, 전술한 바와 같이 암모니아(NH3)제거부(1) 및 황화수소(H2S)제거부(2)에 의한 유해가스 제거과정에서 흡수제냉각수단(3)을 작동시켜 흡수제인 물 및 유기산 철킬레이트(Fe-chelate) 수용액을 냉각시킬 경우보다 효과적으로 유해가스를 제거할 수 있다.
도4a 및 도4b는 공지된 암모니아(NH3)가스 및 황화수소(H2S) 가스의 물의 온도 변화 따른 용해도를 나타낸 그래프로서, 이를 통해 알 수 있는 바와 같이 물의 온도가 저온일 경우 용해도가 높다는 점에 착안하여 흡수제냉각수단(3)를 작동시켜 흡수제의 온도를 낮추면서 배경기술에 언급한 본 출원인의 선행기술(대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-1427599호 참조)과 동일한 처리과정을 수행한 결과 온도가 낮아질수록 점차적으로 유해가스의 제거효율이 높아지는 결과를 얻을 수 있었다
보다 구체적으로 설명하면, 전술한 등록특허 제10-1427599호에 기재된 'Water를 이용한 암모니아가스 제거 실험 조건' 'Fe-chelate촉매를 이용한 탈황실험 조건(촉매농도:500ppm)' 'Fe-chelate촉매를 이용한 탈황실험 조건(촉매농도:1,000ppm)' 'Fe-chelate촉매를 이용한 탈황실험 조건(촉매농도:2,500ppm)' 'Fe-chelate촉매를 이용한 탈황실험 조건(촉매농도:10,000ppm)'과 동일한 조건(선행기술과 동일한 조건이므로 구체적인 기재를 생략함)으로 유해가스 제거과정을 실험한 결과 흡수제의 온도가 20℃ 이하로 냉각될 경우 유해가스의 제거효율이 향상됨을 알 수 있었다.
특히, 흡수제의 온도가 20℃를 기준으로 3℃ 하강될 때마다 평균적으로 제거효율이 0.5 ~ 1% 범위로 향상됨을 알 수 있었다. 하지만, 암모니아(NH3) 흡수탱크(13)와 황화수소(H2S) 흡수탱크(24)에 내부에 수용된 흡수제 전체의 온도를 10℃ 이하로 냉각시킬 경우 흡수제냉각수단(3)의 용량을 증가시켜야 하고 지속적으로 작동시켜야 하므로 전기에너지의 소모가 많아 비경제적인 단점이 있으므로 흡수제의 온도를 10 내지 20℃ 정도로 수행하는 것이 경제적인 운전조건임을 알 수 있었다.
이하, 본 발명에 따른 다른 실시예를 설명하되, 전술한 일 실시예에 나타난 구성요소와 유사한 구성요소에 대하여는 구체적인 설명을 생략하고 차이점을 갖는 구성요소를 중심으로 설명한다. 그리고, 이하의 다른 실시예에서는 일 실시예에 나타난 구성요소 서로 간에 채용 가능한 구조라면 선택적으로 적용할 수도 있는 것으로 구체적인 설명이나 도면상 도시는 생략한다.
도5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고속 유동순환식 다단흡수탑을 이용한 저농도 바이오가스의 정제장치를 설명하기 위한 도면으로서, 요부만을 확대하여 나타낸 구성도, 도6a는 도5의 A부를 확대하여 도시한 분리사시도, 도6b는 도5의 A부 조립단면도이다.
도5 내지 도6b를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 고속 유동순환식 다단흡수탑을 이용한 저농도 바이오가스의 정제장치는 분사노즐을 통해 흡수제로서 물을 분사하여 바이오 가스 중에 포함된 암모니아(NH3) 가스를 제거하는 암모니아(NH3)제거부(1), 분사노즐을 통해 유기산 철킬레이트(Fe-chelate) 수용액을 분사하여 바이오 가스 중에 포함된 황화수소(H2S) 가스를 제거하는 황화수소(H2S)제거부(2), 분사노즐을 통해 분사되는 물 및 유기산 철킬레이트(Fe-chelate) 수용액을 냉각시키는 흡수제냉각수단(3)이 구비되되, 상기 흡수제냉각수단(3)이 분사노즐(p1) 부위에 배치되어 분사 시점의 흡수제만을 급냉 함으로써 에너지의 절감과 효과적인 운용이 가능하도록 구성한 점에 주요한 특징이 있다.
흡수제냉각수단(3)은 도6a 및 도6b에 도시된 바와 같이 분사노즐(p1)로 분사되는 물 및 유기산 철킬레이트(Fe-chelate) 수용액을 냉각시키도록 분사노즐에 근접, 배치되어 냉기를 제공하는 냉각부재(35), 분사노즐(p1)로 공급되는 물 및 유기산 철킬레이트(Fe-chelate) 수용액의 온도를 감지하는 흡수제온도감지부(36), 흡수제온도감지부(36)로부터 감지되는 신호에 따라 냉각부재(35)의 구동을 제어하는 제어부(37)로 구성되어 있다.
상기 냉각부재(35)는 냉각수배관으로 구성되어 분사노즐 부분에 근접, 배치될 수도 있지만 본 실시예에서는 열전모듈로 구성되어 있다. 이 열전모듈은 직류전류가 통전되면 펠티어(Peltier) 효과에 따라 일측 접합부에서 열을 흡수하고 타측 접합부에서 열을 발산하는 열전소자(351)와, 열전소자(351)의 일면 및 타면에 구비되는 한 쌍의 기판(352,353)으로 구성되어 있다.
그리고, 냉각부재(35)에는 분사노즐(p1)에 일단이 접속되고 타단이 분사배관(p2)에 접속되며 외면에 열전모듈이 설치되는 연결구(38), 및 열전모듈을 연결구(38)에 고정시키는 고정구(39)가 구비되어 있다.
상기 연결구(38)는 원통형 몸체의 일측 내주면에 분사노즐(p1)의 체결부가 체결되는 암나사부(381) 형성되고, 타측 외주면에 분사배관(p2)에 체결되는 수나사부(382)가 형성되며, 외주면에 열전모듈이 안정적으로 안착되도록 안착턱(383)이 형성된 구조로 되어 있다.
고정구(39)는 대략 클립 형태로 형성된 몸체에 방열측 기판(353)이 배치되는 방열홀(391)이 천공되고, 체결부재(393)에 의해 체결되는 체결브라켓(392)이 돌출된 구조로 구성되어 있다. 그리고, 고정구(39)에는 열전소자(351)에 전원을 공급하는 전원선이 인입될 수 있도록 전원선인입구(395)가 형성되어 있다.
흡수재온도감지부(37)는 온도센서를 분사배관(p2)에 설치하는 방법으로 구성하고, 제어부(37)에는 희망하는 흡수제의 냉각 온도를 입력하는 온도입력부(미도시)가 구비되어 있다.
전술한 바와 같은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고속 유동순환식 다단흡수탑을 이용한 저농도 바이오가스의 정제장치는 일 실시예에서와 같이 암모니아(NH3) 흡수탱크(13)와 황화수소(H2S) 흡수탱크(24)에 내부에 수용된 흡수제 전체의 온도를 냉각시키는 것이 아니라 흡수제냉각수단(3)이 분사노즐(p1) 부위에 배치되어 분사시점으로 공급된 흡수제만을 급냉 함으로써 에너지의 절감과 효과적인 운용이 가능한 장점이 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 고속 유동순환식 다단흡수탑을 이용한 저농도 바이오가스의 정제장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어나지 않은 범위 내에서 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 있다고 할 것이다.
상기한 실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
1:암모니아(NH3)제거부
11:1단계 암모니아제거다단흡수탑
12:2단계 암모니아제거다단흡수탑
13:암모니아(NH3) 흡수탱크
2:황화수소(H2S)제거부
21:1단계 황화수소제거다단흡수탑
22:2단계 황화수소제거다단흡수탑
23:3단계 황화수소제거다단흡수탑
24:황화수소(H2S) 흡수탱크
3:흡수제냉각수단
31:냉각쿨러
32,36:흡수제온도감지부
33,37:제어부
35:냉각부재
38:연결구
39:고정구

Claims (7)

  1. 고속 유동순환식 다단흡수탑을 이용한 저농도 바이오가스의 정제장치에 있어서,
    분사노즐을 통해 흡수제로서 물을 분사하여 바이오 가스 중에 포함된 암모니아(NH3) 가스를 제거하도록 적어도 하나 이상으로 구성된 암모니아제거다단흡수탑과, 상기 암모니아제거다단흡수탑의 하부에 배치되고 물이 저장되는 암모니아(NH3) 흡수탱크를 구비한 암모니아(NH3)제거부; 분사노즐을 통해 흡수제로서 유기산 철킬레이트(Fe-chelate) 수용액을 분사하여 바이오 가스 중에 포함된 황화수소(H2S) 가스를 제거하도록 적어도 하나 이상으로 구성된 황화수소제거다단흡수탑과, 상기 황화수소제거다단흡수탑의 하부에 배치되고 유기산 철킬레이트(Fe-chelate) 수용액이 저장되는 황화수소(H2S) 흡수탱크를 구비한 황화수소(H2S)제거부; 및 상기 분사노즐을 통해 분사되는 물 및 유기산 철킬레이트(Fe-chelate) 수용액을 냉각시키는 흡수제냉각수단를 포함하되,
    상기 흡수제냉각수단은, 상기 분사노즐로 분사되는 물 및 유기산 철킬레이트(Fe-chelate) 수용액을 냉각시키도록 상기 분사노즐 또는 상기 분사노즐에 근접, 배치되어 냉기를 제공하는 냉각부재; 상기 분사노즐로 공급되는 물 및 유기산 철킬레이트(Fe-chelate) 수용액의 온도를 감지하는 흡수제온도감지부; 상기 흡수제온도감지부로부터 감지되는 신호에 따라 상기 냉각부재의 구동을 제어하는 제어부; 및 상기 제어부에 희망하는 상기 흡수제의 냉각 온도를 입력하는 온도입력부를 포함하고,
    상기 냉각부재는 열전모듈로 구성되고,
    상기 분사노즐에 일단이 접속되고 타단이 분사배관에 접속되며 외면에 상기 열전모듈이 안착, 설치되는 안착턱이 형성된 연결구; 및 상기 열전모듈을 상기 연결구에 고정시키도록 설치되고, 클립 형태로 형성된 몸체에 상기 열전모듈의 방열측 기판이 배치되는 방열홀이 천공되고, 체결부재에 의해 체결되는 체결브라켓이 돌출된 고정구가 구비된 것을 특징으로 하는 고속 유동순환식 다단흡수탑을 이용한 저농도 바이오가스의 정제장치.
  2. 제1항에 있어서
    상기 암모니아제거다단흡수탑은 통 형상으로 형성된 흡수탑이 벤츄리관(venturi tube)에 의해 상하로 연결, 배치되고, 상기 흡수탑의 하측에 바이오 가스가 유입되는 가스유입관이 접속되는 유입구가 형성되고 상측에 배출구가 형성된 1단계 암모니아제거다단흡수탑과, 상기 1단계 암모니아제거다단흡수탑과 동일구조로 형성되고 암모니아(NH3) 가스를 2차 제거하도록 배치된 2단계 암모니아제거다단흡수탑을 구비하고,
    상기 황화수소제거다단흡수탑은 상기 1단계 암모니아제거다단흡수탑과 동일구조로 형성되고 황화수소(H2S) 가스를 1차 제거하는 1단계 황화수소제거다단흡수탑, 상기 1단계 황화수소제거다단흡수탑과 동일구조로 형성되고 황화수소(H2S)를 2차 제거하도록 배치된 2단계 황화수소제거다단흡수탑, 및 상기 2단계 황화수소제거다단흡수탑에 연이어 배치되고 통 형상으로 형성된 흡수탑에 상하로 분사노즐이 배치되어 황화수소(H2S)를 3차 제거하도록 배치된 3단계 황화수소제거다단흡수탑을 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 유동순환식 다단흡수탑을 이용한 저농도 바이오가스의 정제장치.
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