KR101862769B1 - 바이오 가스로부터 고순도 메탄 가스 정제 장치 및 이를 이용한 고순도 메탄 정제 방법 - Google Patents

바이오 가스로부터 고순도 메탄 가스 정제 장치 및 이를 이용한 고순도 메탄 정제 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101862769B1
KR101862769B1 KR1020160019970A KR20160019970A KR101862769B1 KR 101862769 B1 KR101862769 B1 KR 101862769B1 KR 1020160019970 A KR1020160019970 A KR 1020160019970A KR 20160019970 A KR20160019970 A KR 20160019970A KR 101862769 B1 KR101862769 B1 KR 101862769B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
absorbent
hollow fiber
biogas
separation membrane
module
Prior art date
Application number
KR1020160019970A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20170098385A (ko
Inventor
이평수
박유인
남승은
박호식
박아름이
김성중
Original Assignee
한국화학연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국화학연구원 filed Critical 한국화학연구원
Priority to KR1020160019970A priority Critical patent/KR101862769B1/ko
Publication of KR20170098385A publication Critical patent/KR20170098385A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101862769B1 publication Critical patent/KR101862769B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • B01D53/229—Integrated processes (Diffusion and at least one other process, e.g. adsorption, absorption)
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D3/00—Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/14—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by absorption
    • B01D53/1456—Removing acid components
    • B01D53/1475—Removing carbon dioxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • B01D53/228—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion characterised by specific membranes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/02—Hollow fibre modules
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D67/00—Processes specially adapted for manufacturing semi-permeable membranes for separation processes or apparatus
    • B01D67/0002—Organic membrane manufacture
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D69/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/08—Hollow fibre membranes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D71/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/06—Organic material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F11/00—Treatment of sludge; Devices therefor
    • C02F11/02—Biological treatment
    • C02F11/04—Anaerobic treatment; Production of methane by such processes
    • Y02C10/06—
    • Y02C10/10—
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
    • Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/10—Greenhouse gas [GHG] capture, material saving, heat recovery or other energy efficient measures, e.g. motor control, characterised by manufacturing processes, e.g. for rolling metal or metal working
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/20—Sludge processing

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

본 발명은 하우징; 상기 하우징 내에 장착된 중공사 분리막; 및 상기 중공사 분리막을 구성하는 중공사 분리막 외측과 상기 하우징 내측에 의해 정의되는 흡수제 충진 공간;을 포함하는 흡수 모듈; 상기 흡수 모듈의 흡수제 충진 공간으로 흡수제를 공급하기 위한 흡수제 공급부; 상기 흡수 모듈의 중공사 분리막의 중공사 내부로 바이오 가스를 공급하기 위한 바이오 가스 공급부; 및 상기 흡수 모듈 후단에 장착되어 흡수 모듈을 통과한 바이오 가스가 공급되며, 기체 분리막을 포함하는 분리막 모듈;을 포함하는 바이오 가스 정제 장치를 제공한다. 본 발명에 따른 바이오 가스로 정제 장치는 제습을 하기 위한 추가적인 장치 없이 고순도의 메탄을 생산할 수 있으며, 특히 기체 분리막을 포함하는 분리막 모듈을 통하여 불순물인 이산화탄소가 제거되고, 높은 수준으로 수분을 제거할 수 있는 효과를 동시에 얻을 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 정제 장치 및 정제 방법은 추가적인 제습이 필요하지 않기 때문에, 별도로 흡착제 또는 냉각기로 제습을 수행하는 종래 기술보다 에너지 효율이 높아 운영비를 절감시킬 수 있다.

Description

바이오 가스로부터 고순도 메탄 가스 정제 장치 및 이를 이용한 고순도 메탄 정제 방법{High purity methane gas purification apparatus and method from the biogas}
본 발명은 바이오 가스로부터 고순도 메탄 가스 정제 장치 및 이를 이용한 고순도 메탄 정제 방법에 관한 것이다.
하수 슬러지, 음식물 쓰레기, 가축분뇨 및 도축 폐기물 등의 유기성 물질을 산소가 차단된 상태에서 혐기성 소화과정을 거치면 혐기성 소화가스(Anaerobic Digestion Gas, ADG) 또는 바이오 가스(Biogas)라 불리우는 가스가 발생한다. 바이오가스는 45 ∼ 70 %의 메탄과 30 ∼ 55 %의 이산화탄소, 수백 ∼ 수천 ppm의 황화수소, 수백 ∼ 수천 ppm의 암모니아, 수분, 실록산 등의 미량성분으로 조성되어 있다. 바이오가스 중에 포함되어 있는 메탄은 지구온난화지수 21로 대표적인 온실가스로 지정되어 있으며, 자체적인 에너지양이 약 5,000 kcal/㎥이므로 바이오가스 중 메탄을 정제, 회수하여 사용하면 지구온난화 방지, 자원재활용, 신재생에너지 확보라는 목적을 달성 할 수 있다.
바이오 가스를 자원화하는 방법으로는 직접연소에 의한 전력 및 열 생산(Combined Heat and Power, CHP), 정제를 거쳐 고순도화하여 도시가스 및 자동차연료로 사용할 수 있으며, 바이오 가스 발생원 주변의 환경과 경제성에 따라 다양한 활용법이 개발되고 있다.
석유화학 생물산업 반도체 및 환경산업분야 등에서 제품의 다변화 및 고도화로 인하여 에너지 소모가 적고 분리효율이 우수한 분리정제 공정에 대한 필요성이 증대되어 분리막 접촉기(membrane contactor)에 대한 연구가 꾸준히 진행 중에 있다.
분리막 접촉기(막 접촉기)는 액체-액체, 기체-액체와 같이 두 개의 다른 상 사이에 막이 상계면 혹은 상장벽의 역할을 수행하여 두 상간 용질의 화학 퍼텐셜의 차에 의해 용질을 이동시켜 분리가 이루어지게 하는 장치이다. 구체적으로는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 하우징; 상기 하우징 내에 장착된 중공사 분리막(11); 및 상기 중공사 분리막을 구성하는 중공사 분리막 외측과 상기 하우징 내측에 의해 정의되는 흡수제 충진 공간(12);을 포함하는 흡수 모듈(10);로 구성되어 있으며, 흡수 모듈 외부에 상기 흡수 모듈의 흡수제 충진 공간으로 흡수제를 공급하기 위한 흡수제 공급부(20); 및 상기 흡수 모듈의 중공사 분리막의 중공사 내부(13)로 바이오 가스를 공급하기 위한 바이오 가스 공급부(30);를 더 포함할 수 있다. 추가적으로, 흡수 모듈에서 배출되는 바이오 가스의 습도 및 온도 등의 특성을 측정하기 위한 습도계(미도시)를 더 포함할 수 있다.
분리막 접촉기는 막의 선택성에 의해 물질분리가 이루어지는 기존 막 분리 공정과 달리 두 상의 접촉을 위한 계면을 제공한다. 두 상의 접촉함에 따라 용해성이 높은 기체는 액체에 빠르게 용해되어 흡수되며 용해도의 차에 의해 혼합가스의 분리가 가능하다.
상기와 같은 분리막 접촉기 기술의 일례로써, 대한민국 공개특허 제10-2001-0046172호에는 폴리비닐리덴 디플루오라이드 중공사막 접촉기를 이용한 이산화탄소의 분리방법이 개시된 바 있다. 이와 같은 분리막 접촉기 기술은 물 흡수법과 분리막법의 하이브리드 기술로서, 초기 투자비 및 운영비가 낮고 운전 및 유지관리가 용이한 장점이 있다.
하지만, 기체-액체 계면에서 기체가 액체로 흡수되지만 액체도 계면에서 기화가 일어나서 기체 상으로 확산되게 된다. 액체의 기화로 인해 사용된 흡수제의 손실, 수증기의 응축으로 인한 장치의 막힘 현상 또는 생성물의 성능 저하(메탄 생산의 경우 수증기로 인한 발열량이 감소)가 발생한다. 또한, 정제된 메탄은 높은 수준의 수분을 함유하여 직접적인 사용이 제한되게 된다.
일반적으로, 상기와 같이 정제된 메탄은 높은 수준의 수분을 함유함으로써 제습 공정을 거치게 되는데, 메탄을 제습하는 방법으로는 실리카겔이나 제올라이트등과 같은 흡착제를 이용한 흡착법 또는 냉각기를 이용하여 액화시키는 방법 등이 있다. 그러나 상기의 방법들 중 흡착제를 사용하는 방법은 흡착제의 주기적인 재활성(regeneration)이 필요하여 연속적인 공정이 제한될 뿐만 아니라, 상기 두 방법 모두 높은 에너지가 소모되는 문제점이 있다.
이에, 본 발명자들은 분리막 접촉기 후단에 기체 분리막을 포함하는 분리막 모듈이 장착된 바이오 가스 정제 장치를 개발하였으며, 상기 바이오 가스 정제 장치를 이용하여 바이오 가스를 정제하는 경우, 추가적인 제습 공정을 수행하지 않고도 수분 및 이산화탄소를 추가적으로 제거하여 메탄의 순도를 높이고, 수분함량을 낮추는 효과가 있는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 막 접촉기 후단에 기체 분리막을 포함하는 분리막 모듈을 장착하여 선택적으로 수분 및 불순물로 함유된 이산화탄소를 제거하여 추가적인 제습 공정을 거치지 않고 고순도의 메탄을 생산하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명은
하우징; 상기 하우징 내에 장착된 중공사 분리막; 및 상기 중공사 분리막을 구성하는 중공사 분리막 외측과 상기 하우징 내측에 의해 정의되는 흡수제 충진 공간;을 포함하는 흡수 모듈;
상기 흡수 모듈의 흡수제 충진 공간으로 흡수제를 공급하기 위한 흡수제 공급부;
상기 흡수 모듈의 중공사 분리막의 중공사 내부로 바이오 가스를 공급하기 위한 바이오 가스 공급부; 및
상기 흡수 모듈 후단에 장착되어 흡수 모듈을 통과한 바이오 가스가 공급되며, 기체 분리막을 포함하는 분리막 모듈;을 포함하는 바이오 가스 정제 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은
흡수 모듈의 흡수제 충진 공간으로 흡수제를 공급하는 단계(단계 1);
메탄(CH4) 및 이산화탄소(CO2)를 포함하는 바이오 가스를 중공사(hollow fiber) 분리막의 중공사 내부로 주입하는 단계(단계 2);
상기 흡수 모듈로부터 배출되는 가스를 기체 분리막을 포함하는 분리막 모듈로 공급하는 단계(단계 3); 및
이산화탄소가 용해된 흡수제와 흡수제에 용해되지 않은 메탄을 포함하는 가스를 분리 배출하는 단계(단계 4);를 포함하는 바이오 가스로부터 메탄 가스를 정제하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 바이오 가스로 정제 장치는 제습을 하기 위한 추가적인 장치 없이 고순도의 메탄을 생산할 수 있으며, 특히 기체 분리막을 포함하는 분리막 모듈을 통하여 불순물인 이산화탄소가 제거되고, 높은 수준으로 수분을 제거할 수 있는 효과를 동시에 얻을 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 정제 장치 및 정제 방법은 추가적인 제습이 필요하지 않기 때문에, 별도로 흡착제 또는 냉각기로 제습을 수행하는 종래 기술보다 에너지 효율이 높아 운영비를 절감시킬 수 있다.
도 1은 종래 분리막 접촉기의 일례를 나타낸 모식도이고;
도 2는 본 발명 따른 기체 분리막을 포함하는 분리막 모듈이 장착된 바이오 가스 정제 장치의 일례를 나타낸 모식도이다.
본 발명은
하우징; 상기 하우징 내에 장착된 중공사 분리막; 및 상기 중공사 분리막을 구성하는 중공사 분리막 외측과 상기 하우징 내측에 의해 정의되는 흡수제 충진 공간;을 포함하는 흡수 모듈;
상기 흡수 모듈의 흡수제 충진 공간으로 흡수제를 공급하기 위한 흡수제 공급부;
상기 흡수 모듈의 중공사 분리막의 중공사 내부로 바이오 가스를 공급하기 위한 바이오 가스 공급부; 및
상기 흡수 모듈 후단에 장착되어 흡수 모듈을 통과한 바이오 가스가 공급되며, 기체 분리막을 포함하는 분리막 모듈;을 포함하는 바이오 가스 정제 장치를 제공한다.
이때, 도 2에 본 발명에 따른 바이오 가스 정제 장치의 일례를 모식도를 통해 개략적으로 나타내었으며,
이하, 도 2를 참조하여, 본 발명에 따른 바이오 가스 정제 장치에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에서 '바이오 가스'는 유기성 물질의 혐기성 소화과정에서 발생하는 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)를 주성분으로 하는 혼합기스를 통칭하는 의미로 사용되었다.
본 발명에 따른 바이오 가스 정제 장치(1000)는, 내부 유체의 누출을 방지하고 보호하기 위한 하우징; 상기 하우징 내에 장착된 중공사 분리막(101); 및 상기 중공사 분리막을 구성하는 중공사 분리막 외측과 상기 하우징 내측에 의해 정의되는 흡수제 충진 공간(102);을 포함하는 흡수 모듈(100); 상기 흡수 모듈의 흡수제 충진 공간으로 흡수제를 공급하기 위한 흡수제 공급부(200); 상기 흡수 모듈의 중공사 분리막의 중공사 내부(103)로 바이오 가스를 공급하기 위한 바이오 가스 공급부(300); 및 상기 흡수 모듈 후단에 장착되어 흡수 모듈을 통과한 바이오 가스가 공급되며, 기체 분리막(401)을 포함하는 분리막 모듈(400);을 포함한다.
종래 바이오 가스 분리를 위한 분리막 접촉기 기술의 경우 생산되는 메탄이 높은 수준의 수분을 함유하고 있기 때문에 추가적인 제습 공정이 필요하다. 본 발명에서는 분리막 접촉기 후단에 기체 분리막을 포함하는 분리막 모듈을 장착하여 선택적으로 수분 및 불순물로 함유된 이산화탄소를 제거하여 추가적인 제습 공정을 거치지 않고 고순도의 메탄을 생산할 수 있으며, 추가적인 제습이 필요하지 않기 때문에, 별도로 흡착제 또는 냉각기로 제습을 수행하는 종래 기술보다 에너지 효율이 높아 운영비를 절감시킬 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 바이오 가스 정제 장치(1000)에 있어서, 상기 흡수 모듈(100)은 하우징; 상기 하우징 내에 장착된 중공사 분리막(101); 및 상기 중공사 분리막을 구성하는 중공사 분리막 외측과 상기 하우징 내측에 의해 정의되는 흡수제 충진 공간(102);을 포함한다.
이때, 상기 중공사 분리막(101)의 표면에는 미세 기공이 형성되며, 재질은 소수성(hydrophobic)이고 외부와의 물질 유출입을 차단할 수 있는 분리막의 형태인 것이 바람직하다. 이와 같은 중공사 분리막은 흡수제의 확산은 불가능하고, 바이오 가스는 통과 가능하다.
또한, 상기 중공사 분리막(101)은 흡수제와 접촉하는 형태를 이룰 수 있다. 상기 중공사 분리막이 흡수제와 접촉하는 형태를 이루고 있기 때문에 기체-액체 계면을 넓힐 수 있고 흡수자가 역류하는 것을 방지하여 중공사 분리막의 기공 내로 침투하지 않고 젖음 현상도 방지할 수 있다.
중공사 분리막(101) 내부에 공급되는 바이오 가스 중, 이산화탄소는 고압에서 흡수제인 물 등에 대한 용해도가 높지만, 메탄은 물 등의 흡수제에 대한 용해도가 높지 않다. 따라서 중공사 분리막의 미세 기공을 통해서 미세 기포 형태로 바이오 가스가 배출되고, 흡수제 충진 공간(102)을 흐르는 흡수제에 대한 용해도의 차이에 의해 메탄 가스가 분리된다.
나아가, 상기 중공사 분리막(101)은 폴리이미드(PI), 폴리아미드이미드(PAI), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리클로로트리플루오르에틸렌(PCTFE), 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 폴리프로필렌(PP), 퍼플루오르알콕시 알칸(perfluoroalkoxy alkanes), 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(fluorinated ethylene propylene), 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE), 에틸렌플루오리네이티드에틸렌프로필렌(EFEP) 및 폴리페닐린(polyphenylene) 등의 재질로 이루어진 것일 수 있다.
또한, 상기 중공사 분리막(101)의 평균 기공 크기는 0.001 ㎛ 내지 2 ㎛일 수 있고, 0.001 ㎛ 내지 1 ㎛일 수 있으나, 상기 중공사 분리막을 통해 기체-액체 접촉이 효과적으로 이루어질 수 있는 기공 크기라면 이에 제한하는 것은 아니다.
나아가, 상기 중공사 분리막(101)의 기공율은 10 % 내지 90 %일 수 있고, 20 % 내지 80 % 일 수 있으나, 상기 중공사 분리막을 통해 기체-액체 접촉이 효과적으로 이루어질 수 있는 기공율이라면 이에 제한하는 것은 아니다.
이때, 흡수 모듈(100) 내 압력을 증가시키기 위해서 본 발명에 따른 바이오 가스 정제 장치는 흡수 모듈 압력 조절기(미도시)를 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 흡수 모듈(100)은 상기 중공사 분리막(101)을 구성하는 중공사 분리막 외측과 상기 하우징 내측에 의해 정의되는 흡수제 충진 공간(102)을 포함하며, 상기 흡수 모듈의 상측 또는 하측으로 바이오 가스가 유입될 수 있는 입구 또는 바이오 가스가 배출되는 출구가 구비되는 것이 바람직하고, 상기 흡수 모듈의 상측 또는 하측으로 흡수제가 유입될 수 있는 입구 또는 흡수제가 배출되는 출구가 구비되는 것이 바람직하다.
나아가, 상기 흡수 모듈(100)은 적어도 1개 이상이 직렬 연결 또는 병렬 연결 또는 직렬 병렬 혼합 연결될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 바이오 가스 정제 장치(1000)에 있어서, 상기 흡수제 공급부(200)는 상기 흡수 모듈(100)의 흡수제 충진 공간(102)으로 흡수제를 공급한다.
상기 흡수제는 물, 프로필렌 카보네이트(PC) 및 폴리에틸렌글리콜 디메틸 에테르(PEGDME) 등을 사용할 수 있고, 바람직하게는 물을 사용할 수 있으나, 이산화탄소를 선택적으로 흡수 가능하고 중공사형 분리막을 통과하지 못하는 유체라면 이에 제한하는 것은 아니다.
또한, 본 발명에 따른 바이오 가스 정제 장치(1000)에 있어서, 상기 바이오 가스 공급부(300)는 상기 흡수 모듈(100)의 중공사 분리막(101)의 중공사 내부(103)로 바이오 가스를 공급한다.
상기 바이오 가스는 메탄(CH4) 및 이산화탄소(CO2)를 포함하는 것이 바람직하며, 20 부피% 내지 80 부피%의 이산화탄소가 포함된 이산화탄소 및 메탄의 혼합가스일 수 있고, 20 부피% 내지 50 부피%의 이산화탄소가 포함된 이산화탄소 및 메탄의 혼합가스일 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 바이오 가스 정제 장치(1000)에 있어서, 상기 분리막 모듈(400)은 상기 흡수 모듈(100) 후단에 장착되어 흡수 모듈을 통과한 바이오 가스가 공급되며, 기체 분리막(401)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 기체 분리막(401)은 이산화탄소를 분리하는 분리막 공정에서 사용되는 소재로 이산화탄소/메탄 선택도가 10 이상인 고분자 소재 또는 무기 소재인 것이 바람직하며, 20 내지 60인 것이 더욱 바람직하다. 일례로써, 무정형 또는 반결정질 중합체인 것이 더욱 바람직하고, 예를 들어, 폴리이미드(PI), 폴리아미드이미드(PAI), 폴리이서설폰, 폴리설폰, 폴리카보네이트, 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리클로로트리플루오르에틸렌(PCTFE), 폴리비닐리덴계, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리페닐렌 옥시드, 폴리실록산, 폴리에틸렌 옥시드, 폴리프로필렌 옥시드 및 이들의 혼합물 등의 고분자 소재일 수 있고, 제올라이트계, MOF(Metal Organic Framework) 및 탄소계 등의 무기 소재일 수 있다.
또한, 상기 장치(1000)에서 분리막 모듈(400)과 연결되어 상기 분리막 모듈 내부의 압력을 조절하기 위한 감압 펌프(500)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 감압 펌프는 분리막 모듈 내부의 감압 조건을 조절할 수 있어 바이오 가스로부터 더욱 고순도의 메탄을 정제할 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 바이오 가스 정제 장치(1000)는, 상기 흡수 모듈(100)과 연결되어, 흡수 모듈로부터 배출되는 흡수제가 통과하는 탈기 모듈;을 더 포함할 수 있으며, 상기 탈기 모듈은, 하우징; 상기 하우징 내에 장착되어, 흡수 모듈로부터 배출되는 흡수제가 중공사 외부로 투입되는 중공사 분리막; 상기 중공사 분리막을 구성하는 중공사 분리막 외측과 상기 하우징 내측에 의해 정의되는 흡수제 충진 공간; 및 상기 중공사 분리막을 구성하는 중공사 분리막 내부인 분리된 기체의 탈기 공간;을 포함할 수 있다.
상기 탈기 모듈은 상기 흡수 모듈(100)과 유사한 중공사 분리막을 사용할 수 있으며, 흡수제는 상기 기술한 바와 같이 순환하며 공급되므로, 상기 흡수 모듈의 흡수제와 동일하다. 다만, 상기 흡수 모듈을 통과한 흡수제는 이산화탄소가 다량 용해되어 있어, 탈기 모듈에서 상기 흡수제에 용해된 이산화탄소를 탈기할 수 있다.
구체적으로, 탈기 모듈의 중공사 분리막 외부에 공급되는 흡수제는 상기 중공사 분리막과 중공사 분리막 내부 이산화탄소 탈기 공간에 존재하는 기체와 접촉하고, 흡수제에 용해된 이산화탄소가 이산화탄소 탈기 공간으로 탈기되어 탈기가 수행된 흡수제와 분리된다.
또한, 상기 탈기 모듈은 적어도 1개 이상이 직렬 연결 또는 병렬 연결 또는 직렬 병렬 혼합 연결될 수 있다.
나아가, 본 발명은
흡수 모듈의 흡수제 충진 공간으로 흡수제를 공급하는 단계(단계 1);
메탄(CH4) 및 이산화탄소(CO2)를 포함하는 바이오 가스를 중공사(hollow fiber) 분리막의 중공사 내부로 주입하는 단계(단계 2);
상기 흡수 모듈로부터 배출되는 가스를 기체 분리막을 포함하는 분리막 모듈로 공급하는 단계(단계 3); 및
이산화탄소가 용해된 흡수제와 흡수제에 용해되지 않은 메탄을 포함하는 가스를 분리 배출하는 단계(단계 4);를 포함하는 바이오 가스로부터 메탄 가스를 정제하는 방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 바이오 가스로부터 메탄 가스를 정제하는 방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.
이때, 본 발명에 따른 바이오 가스로부터 메탄 가스를 정제하는 방법은, 전술한 바이오 가스 정제 장치(1000)를 이용하여 수행될 수 있으며, 이하, 도 2에 나타낸 본 발명에 따른 바이오 가스 정제 장치의 일례를 나타낸 모식도를 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 바이오 가스로부터 메탄 가스를 정제하는 방법은 분리막 접촉기 후단에 기체 분리막을 포함하는 분리막 모듈이 장착된 바이오 가스 정제 장치를 사용함으로써 선택적으로 수분 및 불순물로 함유된 이산화탄소를 제거하여 추가적인 제습 공정을 거치지 않고 고순도의 메탄을 생산하는 방법이다. 즉, 상기 방법은 별도의 제습 공정이 필요 없다.
먼저, 본 발명에 따른 제철 바이오 가스로부터 메탄 가스를 정제하는 방법에 있어서, 단계 1은 흡수 모듈(100)의 흡수제 충진 공간(102)으로 흡수제를 공급하는 단계이다.
상기 단계 1에서는 흡수제를 흡수 모듈(100)의 흡수제 충진 공간(102)으로 공급하여, 바이오 가스와 흡수제가 기체-액체 접촉을 할 수 있도록 한다.
상기 흡수제는 흡수제 공급부(200)로부터 흡수제 충진 공간(102)으로 공급되고, 이때 상기 흡수제가 공급되는 유량은 공급되는 바이오 가스의 유량에 대응하여, 흡수제 공급부 내 펌프를 통해 유량을 변화시키는 것이 바람직하다.
이때, 흡수제가 공급되는 유량은 흡수 모듈이 1 개 구비될 시 100 ㎖/min 내지 1000 ㎖/min 일 수 있고, 200 ㎖/min 내지 800 ㎖/min 일 수 있으나, 바이오 가스와 효과적으로 접촉할 수 있는 유량이라면 이에 제한하는 것은 아니며, 추가적인 흡수 모듈을 더 구비함에 따라 변경될 수 있다.
상기 흡수제는 흡수 모듈(100)의 하단에서 공급되어 상기 흡수제 충진 공간(102)을 흐른 후 상기 흡수 모듈의 상단으로 배출되는 것이 바람직하나, 상기 흡수 모듈을 수평하게 설계하거나, 흡수 모듈을 통과하는 흡수제가 반대 방향으로 공급 및 배출할 수도 있어, 이에 제한하는 것은 아니다.
이때, 상기 흡수제는 흡수 모듈의 중공사 분리막(101)의 내부로 통과하지 못하며, 단지 중공사 분리막 내부의 기체와 접촉할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 바이오 가스로부터 메탄 가스를 정제하는 방법에 있어서, 단계 2는 메탄(CH4) 및 이산화탄소(CO2)를 포함하는 바이오 가스를 중공사(hollow fiber) 분리막의 중공사 내부로 주입하는 단계이다.
상기 단계 2에서는 중공사 분리막(101)의 중공사 내부로 수소와 이산화탄소를 포함하는 바이오 가스를 공급하여, 상기 단계 1에서 공급한 흡수제와 기체-액체 접촉을 할 수 있도록 한다.
상기 단계 2의 바이오 가스는 바이오 가스 공급부(300)를 통해 공급될 수 있고, 이때 공급되는 유량은 가스 공급부를 통해 조절될 수 있다.
상기 공급되는 바이오 가스의 유량은 50 ㎖/min 내지 1000 ㎖/min 일 수 있고, 바람직하게는 100 ㎖/min 내지 500 ㎖/min 일 수 있으나, 바이오 가스가 흡수제와 효과적으로 접촉할 수 있는 유량이라면 이에 제한하는 것은 아니다.
상기 공급되는 바이오 가스는 가스 공급부(300)를 통해 중공사 분리막(101) 내부(103)로 공급되며, 이렇게 공급된 바이오 가스는 중공사 분리막의 기공으로 확산되며, 흡수제 충진 공간(102)으로 유입되는 흡수제와 접촉하고, 대부분 바이오 가스의 이산화탄소만 선택적으로 용해된다. 용해되지 않은 나머지 가스는 흡수 모듈(100) 외부로 배출된다.
이때, 상기 바이오 가스와 흡수제의 유량비(바이오 가스 유량/흡수제 유량)는 0.01 내지 5인 것이 바람직하고, 1 내지 4인 것이 더욱 바람직하며, 2 내지 3인 것이 가장 바람직하나, 바이오 가스와 흡수제가 효율적으로 접촉할 수 있는 유량비라면 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 단계 2에서 바이오 가스 중 이산화탄소가 선택적으로 흡수제에 용해될 수 있도록 상기 흡수 모듈 내의 압력을 조절할 수 있다.
상기 바이오 가스의 경우, 일반적인 대기압 하에서도 이산화탄소만 선택적으로 흡수제에 용해되는 특성을 보이지만, 흡수 모듈(100) 내의 바이오 가스와 흡수제의 압력을 조절함으로써 더욱 우수한 용해특성을 나타낼 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 바이오 가스로부터 메탄 가스를 정제하는 방법에 있어서, 단계 3은 상기 흡수 모듈로부터 배출되는 가스를 기체 분리막을 포함하는 분리막 모듈로 공급하는 단계이다.
상기 단계 3은 흡수 모듈(100)로부터 배출되는 가스를 기체 분리막(401)을 포함하는 분리막 모듈(400)로 공급하는 단계로서, 흡수 모듈로부터 배출되는 1 차적으로 정제된 메탄을 포함하는 바이오 가스의 수분 제거 및 이산화탄소의 추가 제거를 수행할 수 있다.
이때, 상기 단계 3의 기체 분리막(401)은 이산화탄소를 분리하는 분리막 공정에서 사용되는 소재로 이산화탄소/메탄 선택도가 10 이상인 고분자 소재 또는 무기 소재인 것이 바람직하며, 20 내지 60인 것이 더욱 바람직하다. 일례로써, 무정형 또는 반결정질 중합체인 것이 더욱 바람직하고, 예를 들어, 폴리이미드(PI), 폴리아미드이미드(PAI), 폴리이서설폰, 폴리설폰, 폴리카보네이트, 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리클로로트리플루오르에틸렌(PCTFE), 폴리비닐리덴계, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리페닐렌 옥시드, 폴리실록산, 폴리에틸렌 옥시드, 폴리프로필렌 옥시드 및 이들의 혼합물 등의 고분자 소재일 수 있고, 제올라이트계, MOF(Metal Organic Framework) 및 탄소계 등의 무기 소재일 수 있다.
또한, 상기 단계 3에서 흡수 모듈로부터 배출되는 가스의 압력은 2 bar 내지 10 bar인 것이 바람직하고, 3 bar 내지 5 bar인 것이 더욱 바람직하다. 상기 흡수 모듈로부터 배출되는 가스의 압력이 2 bar 미만인 경우 기체 분리막의 낮은 선택도로 인해 분리막 공정의 상부압력/하부압력 비의 저하에 따른 메탄의 순도 및 회수율이 크게 낮아지는 문제점이 있고, 10 bar를 초과하는 경우에도 분리막 공정에서 이산화탄소에 의한 가소화현상에 따른 선택도의 하락에 따른 최종적인 메탄의 순도 및 회수율이 낮아지거나 분리막이 파손될 수 있는 문제가 있다.
또한, 상기 단계 3에서 분리막 모듈 외부로 감압 펌프를 이용하여 20 Torr 내지 700 Torr로 감압하는 것이 바람직하며, 50 Torr 내지 680 Torr로 감압하는 것이 바람직하고, 70 Torr 내지 660 Torr로 감압하는 것이 바람직하다. 만약, 상기 감압 펌프를 이용하여 분리막 모듈에 형성된 감압 조건이 20 Torr 미만일 경우에는 메탄의 회수율이 크게 낮아지거나, 높은 에너지 소비율의 문제가 있으며, 700 Torr를 초과하는 경우에는 기체 분리막 기공 내부에 수증기가 응축되어 수증기가 제거되지 않는 문제가 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 바이오 가스로부터 메탄 가스를 정제하는 방법에 있어서, 단계 4는 이산화탄소가 용해된 흡수제와 흡수제에 용해되지 않은 메탄을 포함하는 가스를 분리 배출하는 단계이다.
상기 단계 4에서는 흡수제에 용해되지 않고, 메탄이 포함된 가스와 흡수제를 분리 배출하여 용이하게 메탄을 회수할 수 있도록 한다.
또한, 상기 단계 4의 이산화탄소가 용해된 흡수제로부터 이산화탄소를 탈기하는 단계(단계 5);를 더 포함할 수 있다.
상기 단계 4에서 분리된 흡수제는 별도의 흡수제 탈기 탱크로 이송되어 저장될 수 있고, 이때 흡수제 탈기 탱크 내의 압력은 상압 또는 진공일 수 있으나, 흡수제 내 이산화탄소가 탈기될 수 있는 압력이라면 이에 제한하는 것은 아니다.
이때, 일부 흡수제에 용해된 이산화탄소를 탈기시킬 수 있으며 이를 흡수 모듈(100)의 중공사 분리막(101) 내부로 공급할 수 있다.
나아가, 상기 흡수 모듈(100)에서 분리된 이산화탄소가 용해된 흡수제를 탈기 모듈의 흡수제 충진 공간으로 공급하는 단계(단계 a); 탈기 모듈의 중공사 분리막 내부 기체를 외부로 배출하는 단계(단계 b); 상기 흡수제에 용해된 이산화탄소가 탈기될 수 있도록 상기 탈기 모듈 내의 압력을 조절하는 단계(단계 c); 이산화탄소가 탈기된 흡수제와 탈기된 이산화탄소를 분리 배출하는 단계(단계 d);를 포함하는 탈기 공정을 더 포함할 수 있으나, 상기 탈기 공정이 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 실시예 및 실험예를 통해 더욱 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 바이오 가스 정제 1
도 2에 나타낸 바와 같이 바이오 가스 정제 장치를 구성하였으며, 이때 흡수 모듈(100)에서 중공사 분리막의 유효막 면적은 1.4 m2이며, 소재는 폴리프로필렌을 사용하였다. 또한, 흡수 모듈 후단에 구비된 분리막 모듈에서 기체 분리막은 폴리이미드 막을 사용하였으며, 막 면적은 100 cm2이다. 나아가, 바이오 가스로는 50 %의 메탄과 50 %의 이산화탄소의 조성을 갖는 가스를 사용하였다.
단계 1: 흡수제로 물을 사용하여, 흡수제 충진 공간으로 500 ㎖/min의 유량 및 4.5 bar의 압력으로 공급하였다.
단계 2: 흡수 모듈의 중공사 분리막 내부로 상기 가스(50 %의 메탄 및 50 %의 이산화탄소)를 1500 ㎖/min의 유량으로 공급하여 흡수를 진행하였다.
단계 3: 상기 단계 2를 수행하고 난 후, 흡수 모듈에서 배출되는 기체를 분리막 모듈의 내부로 공급하되, 가스의 압력을 제어하여 4.0 bar의 압력으로 공급하였다.
또한, 기체 분리막을 포함하는 분리막 모듈의 외부에서 감압 펌프를 사용하여 660 Torr로 감압하였다.
단계 4: 분리막 모듈을 통과한 가스인 메탄을 포함하는 가스와 이산화탄소가 용해된 흡수제를 분리 배출하였다.
이때, 탈기 모듈을 통해 탈기 공정을 수행하였으며, 탈기 모듈에 장착된 중공사 분리막의 막 면적은 2.8 m2이고, 탈기 모듈의 감압 조건은 150 Torr로 고정하였다.
<실시예 2> 바이오 가스 정제 2
상기 실시예 1의 단계 3에서 감압 펌프를 사용하여 360 Torr로 감압한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 바이오 가스를 정제하였다.
<실시예 3> 바이오 가스 정제 3
상기 실시예 1의 단계 3에서 감압 펌프를 사용하여 90 Torr로 감압한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 바이오 가스를 정제하였다.
<비교예 1>
도 1에 나타낸 바와 같이 바이오 가스 정제 장치를 구성하였으며, 이때 흡수 모듈(100)에서 중공사 분리막의 유효막 면적은 1.4 m2이며, 소재는 폴리프로필렌을 사용하였다. 또한, 바이오 가스로는 50 %의 메탄과 50 %의 이산화탄소의 조성을 갖는 가스를 사용하였다.
단계 1: 흡수제로 물을 사용하여, 흡수제 충진 공간으로 500 ㎖/min의 유량 및 4.5 bar의 압력으로 공급하였다.
단계 2: 흡수 모듈의 중공사 분리막 내부로 상기 가스(50 %의 메탄 및 50 %의 이산화탄소)를 1500 ㎖/min의 유량으로 공급하여 흡수를 진행하였다.
단계 3: 흡수 모듈을 통과한 가스인 메탄을 포함하는 가스와 이산화탄소가 용해된 흡수제를 분리 배출하였다.
이때, 탈기 모듈을 통해 탈기 공정을 수행하였으며, 탈기 모듈에 장착된 중공사 분리막의 막 면적은 2.8 m2이고, 탈기 모듈의 감압 조건은 150 Torr로 고정하였다.
<비교예 2>
상기 비교예 1을 수행하고 난 후, 배출되는 가스를 300 ml 부피의 냉각기에 투입하고 -10 ℃의 온도로 냉각하여 제습을 진행하여 바이오 가스를 정제하였다.
<비교예 3>
상기 비교예 1을 수행하고 난 후, 배출되는 가스를 300 ml 부피의 냉각기에 투입하고 -15 ℃의 온도로 냉각하여 제습을 진행하여 바이오 가스를 정제하였다.
<실험예 1> 수분 제거 효율, 메탄 농도 및 에너지 소비량 분석
본 발명에 따른 바이오 가스 정제 장치를 이용한 바이오 가스로부터 메탄 가스를 정제함에 있어서 성능을 확인하기 위하여, 상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3에서 정제된 가스의 수분 제거 효율, 메탄 농도를 습도계 및 가스 크로마토그래피로 분석하고, 각 장치에서의 에너지 소비량을 분석하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
수분 제거 효율 (%) 메탄 농도 (%) 에너지 소비량 (W)
실시예 1 77.2 96.7 4.2
실시예 2 80.6 97.0 20.0
실시예 3 91.1 97.8 93.0
비교예 1 0.0 96.1 0
비교예 2 66.1 96.1 160.0
비교예 3 71.1 96.1 172.0
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 바이오 가스 정제 장치를 이용하여 메탄 가스를 얻는 경우, 추가적인 제습 공정을 거치지 않음에도 불구하고, 77.2 % 내지 91.1 %의 수분 제거를 나타낼 수 있었다. 반면, 냉각기를 통해 수분을 제거한 경우인 비교예 2 및 비교예 3의 경우에는 66.1 % 내지 71.1 %의 낮은 수분 제거 효율을 나타낸 것을 확인할 수 있었다.
또한, 메탄 농도의 경우에도, 본 발명에 따른 바이오 가스 정제 장치를 이용하여 메탄 가스를 얻는 경우, 최대 97.8 %의 농도를 나타내어 우수한 정제 효과를 확인할 수 있었다.
특히, 에너지 소비량의 경우 바이오 가스 정제 장치를 이용한 실시예가 4.2~93.0W로 냉각기를 사용한 비교예의 에너지 소비량인 160~172W에 비해 높은 에너지 효율로 수증기를 제거한 것으로 확인할 수 있었다.
이러한 결과를 통해, 본 발명에 따른 바이오 가스로 정제 장치는 제습을 하기 위한 추가적인 장치 없이 고순도의 메탄을 생산할 수 있으며, 특히 기체 분리막을 포함하는 분리막 모듈을 통하여 불순물인 이산화탄소가 제거되고, 높은 수준으로 수분을 제거할 수 있는 효과를 동시에 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 본 발명에 따른 정제 장치 및 정제 방법은 추가적인 제습이 필요하지 않기 때문에, 별도로 흡착제 또는 냉각기로 제습을 수행하는 종래 기술보다 에너지 효율이 높아 운영비를 절감시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
1000 : 바이오 가스 정제 장치
100 : 흡수 모듈 101 : 중공사 분리막
102 : 흡수제 충진 공간 103 : 중공사 분리막 내부
200 : 흡수제 공급부 300 : 바이오 가스 공급부
400 : 분리막 모듈 401 : 기체 분리막
500 : 감압 펌프

Claims (13)

  1. 하우징; 상기 하우징 내에 장착된 중공사 분리막; 및 상기 중공사 분리막을 구성하는 중공사 분리막 외측과 상기 하우징 내측에 의해 정의되는 흡수제 충진 공간;을 포함하는 흡수 모듈;
    상기 흡수 모듈의 흡수제 충진 공간으로 흡수제를 공급하기 위한 흡수제 공급부;
    상기 흡수 모듈의 중공사 분리막의 중공사 내부로 바이오 가스를 공급하기 위한 바이오 가스 공급부; 및
    상기 흡수 모듈 후단에 장착되어, 흡수 모듈의 중공사 내부를 통과하면서 상기 흡수제에 용해되지 않은 메탄을 포함하는 바이오 가스만 공급되고, 수분을 제거하기 위한 기체 분리막을 포함하는 분리막 모듈;을 포함하는 바이오 가스 정제 장치에 있어서,

    상기 흡수 모듈의 흡수제 충진 공간으로 공급된 흡수제는 흡수 모듈로부터 배출되며,

    상기 바이오 가스 정제 장치는 분리막 모듈과 연결되어 상기 분리막 모듈 내부의 압력을 20 Torr 내지 700 Torr로 조절하기 위한 감압 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 가스 정제 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 바이오 가스는 메탄(CH4) 및 이산화탄소(CO2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 정제 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 중공사 분리막은 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리클로로트리플루오르에틸렌(PCTFE), 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 폴리프로필렌(PP), 퍼플루오르알콕시 알칸(perfluoroalkoxy alkanes), 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(fluorinated ethylene propylene), 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE), 에틸렌플루오리네이티드에틸렌프로필렌(EFEP) 및 폴리페닐린(polyphenylene)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 재질인 중공사 분리막인 것을 특징으로 하는 정제 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기체 분리막은 폴리이미드(PI), 폴리아미드이미드(PAI), 폴리이서설폰, 폴리설폰, 폴리카보네이트, 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리클로로트리플루오르에틸렌(PCTFE), 폴리비닐리덴계, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리페닐렌 옥시드, 폴리실록산, 폴리에틸렌 옥시드, 폴리프로필렌 옥시드, 제올라이트계, MOF(Metal Organic Framework) 및 탄소계로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 재질인 것을 특징으로 하는 정제 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 흡수제는 물, 프로필렌 카보네이트(PC) 및 폴리에틸렌글리콜 디메틸 에테르(PEGDME)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 정제 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 장치는,
    상기 흡수 모듈과 연결되어, 흡수 모듈로부터 배출되는 흡수제가 통과하는 탈기 모듈;을 더 포함하고,
    상기 탈기 모듈은,
    하우징; 상기 하우징 내에 장착되어, 흡수 모듈로부터 배출되는 흡수제가 중공사 외부로 투입되는 중공사 분리막; 상기 중공사 분리막을 구성하는 중공사 분리막 외측과 상기 하우징 내측에 의해 정의되는 흡수제 충진 공간; 및 상기 중공사 분리막을 구성하는 중공사 분리막 내부인 분리된 기체의 탈기 공간;을 포함하는 것을 특징으로 하는 정제 장치.
  8. 하우징; 상기 하우징 내에 장착된 중공사 분리막; 및 상기 중공사 분리막을 구성하는 중공사 분리막 외측과 상기 하우징 내측에 의해 정의되는 흡수제 충진 공간;을 포함하는 흡수 모듈의 흡수제 충진 공간으로 흡수제를 공급하는 단계(단계 1);
    메탄(CH4) 및 이산화탄소(CO2)를 포함하는 바이오 가스를 중공사(hollow fiber) 분리막의 중공사 내부로 주입하는 단계(단계 2);
    상기 흡수 모듈의 중공사 내부로부터 배출되며 상기 흡수제에 용해되지 않은 메탄을 포함하는 바이오 가스만을, 수분을 제거하기 위한 기체 분리막을 포함하는 분리막 모듈로 공급하는 단계(단계 3); 및
    흡수제 충진 공간의 이산화탄소가 용해된 흡수제와, 흡수제에 용해되지 않고 상기 기체 분리막을 통과한 메탄을 포함하는 가스를, 각각 흡수 모듈과 분리막 모듈 외부로 분리 배출하는 단계(단계 4);를 포함하는 바이오 가스로부터 메탄 가스를 정제하는 방법에 있어서,

    상기 단계 3의 분리막 모듈에서 투과부는 20 Torr 내지 700 Torr의 감압 조건인 것을 특징으로 하는 바이오 가스로부터 메탄 가스를 정제하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 단계 4의 이산화탄소가 용해된 흡수제로부터 이산화탄소를 탈기하는 단계(단계 5);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 가스로부터 메탄 가스를 정제하는 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 방법은 별도의 제습 공정이 필요없는 것을 특징으로 하는 바이오 가스로부터 메탄 가스를 정제하는 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 바이오 가스와 흡수제의 유량비(바이오 가스 유량(㎖/min)/흡수제 유량(㎖/min))는 0.01 내지 10인 것을 특징으로 하는 바이오 가스로부터 메탄 가스를 정제하는 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 흡수 모듈로부터 배출되는 가스의 압력은 2 bar 내지 10 bar인 것을 특징으로 하는 바이오 가스로부터 메탄 가스를 정제하는 방법.
  13. 삭제
KR1020160019970A 2016-02-19 2016-02-19 바이오 가스로부터 고순도 메탄 가스 정제 장치 및 이를 이용한 고순도 메탄 정제 방법 KR101862769B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160019970A KR101862769B1 (ko) 2016-02-19 2016-02-19 바이오 가스로부터 고순도 메탄 가스 정제 장치 및 이를 이용한 고순도 메탄 정제 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160019970A KR101862769B1 (ko) 2016-02-19 2016-02-19 바이오 가스로부터 고순도 메탄 가스 정제 장치 및 이를 이용한 고순도 메탄 정제 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170098385A KR20170098385A (ko) 2017-08-30
KR101862769B1 true KR101862769B1 (ko) 2018-05-31

Family

ID=59760419

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160019970A KR101862769B1 (ko) 2016-02-19 2016-02-19 바이오 가스로부터 고순도 메탄 가스 정제 장치 및 이를 이용한 고순도 메탄 정제 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101862769B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200002222A (ko) 2018-06-29 2020-01-08 주식회사 이케이 바이오가스 고질화 시스템
KR20220110373A (ko) * 2021-01-29 2022-08-08 동국대학교 산학협력단 세라믹 중공사 접촉막 모듈을 가지는 기체 분리 장치

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111313083B (zh) * 2020-03-13 2023-02-28 东华大学 一种复合固态电解质薄膜及其制备和应用
KR102325399B1 (ko) * 2020-04-13 2021-11-10 동국대학교 산학협력단 분리막 모듈의 압력 제어 시스템 및 그의 압력 제어 방법
KR102434052B1 (ko) * 2020-10-23 2022-08-22 한국에너지기술연구원 물 흡수 공정을 통한 바이오가스의 고질화 공정 개발 및 이를 통한 고순도 메탄 정제 방법

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200002222A (ko) 2018-06-29 2020-01-08 주식회사 이케이 바이오가스 고질화 시스템
KR20220110373A (ko) * 2021-01-29 2022-08-08 동국대학교 산학협력단 세라믹 중공사 접촉막 모듈을 가지는 기체 분리 장치
KR102464466B1 (ko) 2021-01-29 2022-11-07 동국대학교 산학협력단 세라믹 중공사 접촉막 모듈을 가지는 기체 분리 장치

Also Published As

Publication number Publication date
KR20170098385A (ko) 2017-08-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101862769B1 (ko) 바이오 가스로부터 고순도 메탄 가스 정제 장치 및 이를 이용한 고순도 메탄 정제 방법
Henares et al. Comparative study of degassing membrane modules for the removal of methane from Expanded Granular Sludge Bed anaerobic reactor effluent
RU2592522C2 (ru) Способ и устройство для разделения газовой смеси
Hedayat et al. Simultaneous separation of H2S and CO2 from natural gas by hollow fiber membrane contactor using mixture of alkanolamines
Sirkar Membranes, Phase Interfaces, and Separations: Novel Techniques and Membranes An Overview
KR101529129B1 (ko) 고순도 메탄가스의 분리를 위한 다단계 막분리 정제공정 및 장치
RU2495706C2 (ru) Способ и система очистки биогаза для извлечения метана
EP2009080A1 (en) Method for separation of methane, methane separator, and methane utilization system
KR101440001B1 (ko) 미세 다공성 중공사막을 이용한 바이오 가스로부터의 메탄 가스 고순도 정제 방법 및 장치
Biernat et al. Review of technology for cleaning biogas to natural gas quality
KR101759101B1 (ko) 제철 부생가스로부터 이산화탄소 포집, 수소 회수 방법 및 장치
CN103619443A (zh) 二氧化碳回收方法中的二氧化碳吸收液的再生方法
Naim et al. Effect of fiber packing density on physical CO2 absorption performance in gas–liquid membrane contactor
Fattah et al. Hollow fiber membrane contactor based carbon dioxide absorption− stripping: a review
EP1647531B1 (en) Method for concentrating methane from sewage sludge and methane storage equipment
Kianfar A review of recent advances in carbon dioxide absorption–stripping by employing a gas–liquid hollow fiber polymeric membrane contactor
KR101529130B1 (ko) 저온 저압의 운전조건을 특징으로 하는 고순도 메탄가스의 분리를 위한 다단계 막분리 정제공정 및 장치
CA2872873A1 (en) Plant and process for treating methane-containing gas from natural sources
KR101571479B1 (ko) 바이오가스 정제용 막 접촉 시스템 및 막 접촉 방법
Cai et al. Improving gas absorption efficiency using a novel dual membrane contactor
KR101658448B1 (ko) 천연가스에 포함된 산성가스 및 수분 제거를 위한 다단계 혼성 장치 및 방법
JP4405474B2 (ja) 気体放散構造及び気液分離装置
KR101604731B1 (ko) 바이오 가스의 정제 시스템 및 그 제어방법
US20120210870A1 (en) Method and device for separating gaseous mixtures by means of permeation
KR102081812B1 (ko) 바이오 가스로부터 고순도 메탄 가스 정제 시스템 및 이를 이용한 바이오 가스의 정제 방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E90F Notification of reason for final refusal
AMND Amendment
AMND Amendment
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant