KR102196559B1 - 바이오가스의 불순물 제거방법 및 제거시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바이오가스에 포함된 저비점 VOCs, 수분을 동시에 제거하여 흡착제에 의한 황화수소, 실록산 제거효율을 향상시킨 바이오가스의 불순물 제거방법 및 제거시스템에 관한 것이다.
본 발명의 바이오가스의 불순물 제거시스템은 일측의 유입부(111)를 통해 외부로부터 공급된 바이오가스를 약 2~10℃의 온도를 갖도록 냉각시킨 후에 타측의 배출부(112)를 통해 배출시키는 VOCs 제거장치(100)와; VOCs 제거장치(100)에서 배출되는 바이오가스의 상대습도가 약 40~50%가 되도록 가열한 후에 흡착탑(300)으로 제공하는 바이오가스 가열장치(200)와; 바이오가스 가열장치(200)를 통과하면서 상대습도가 낮아진 바이오가스가 유입되면 수산화철계 흡착제로 바이오가스에 포함된 황화수소, 실록산을 흡착시켜 제거하는 흡착탑(300)와; 흡착탑(300)에서 배출된 바이오가스에 포함된 고형입자를 필터링하여 제거한 후 외부로 배출하는 가스필터(400);를 포함한다.

Description

바이오가스의 불순물 제거방법 및 제거시스템{Biogas impurity removal method and removal system}
본 발명은 바이오가스에 포함된 저비점 VOCs(휘발성 유기 화합물류), 수분을 동시에 제거하여 흡착제에 의한 황화수소, 실록산 제거효율을 향상시킨 바이오가스의 불순물 제거방법 및 제거시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 현재 화석연료의 대체연료로서 가장 기대를 받고 있는 것 중의 하나가 바이오가스(biogas)이며, 바이오가스는 천연가스와 더불어 가까운 장래에 충분히 실용화가 가능한 것으로 기대되고 있다. 바이오가스는 축산 분뇨, 음식물 쓰레기, 하수처리장 슬러지(sludge)와 같이 바이오매스(biomass : 유기물)의 함량이 높은 유기성 폐기물을 혐기소화하여 얻어지거나, 매립 후에 얻어지는 매립가스로서, 원료물질인 유기성 폐기물은 인간 활동과 각종 산업 활동을 통해 끊임없이 발생되므로 발생량은 지속적으로 증가하는 추세에 있다.
바이오가스에는 수분, 황화수소, 실록산, VOCs 등의 물질이 포함되어 있으며, 흡착제를 이용하여 황화수소와 실록산 등을 제거하고 있다. 그러나 바이오가스에 포함된 VOCs는 흡착제에 의해 흡착시키면 흡착제에 의한 황화수소, 실록산 등의 흡착효율이 크게 낮아지는 문제가 발생되어 다량의 흡착제를 사용해야 하기 때문에 흡착탑의 크기가 거대해 질 수밖에 없는 문제가 있다. 이로 인하여 바이오가스 정제 공정 및 운용비용이 증가하여 경쟁력을 감소시키는 원인으로 작용하고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 바이오가스에 포함된 저비점 VOCs, 수분을 동시에 제거하여 흡착제에 의한 황화수소, 실록산 제거효율을 향상시킨 바이오가스의 불순물 제거방법 및 제거시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 바이오가스의 불순물 제거방법은 바이오가스 설비에서 생산되는 바이오가스를 제공받는 바이오가스 공급단계(S10)와; 바이오가스 공급단계(S10)를 통해서 공급되는 바이오가스를 냉각시켜 바이오가스에 포함된 저비점 VOCs를 제거하는 저비점 VOCs 제거단계(S20)와; 저비점 VOCs 제거단계(S20)를 거치면서 수분이 제거된 바이오가스를 약 12~25℃의 온도로 가열하여 바이오가스의 상대습도를 감소시키는 상대습도 감소단계(S30)와; 흡착탑(300)으로 2차 가열된 바이오가스를 유입시켜 수산화철계 흡착제로 바이오가스에 포함된 황화수소, 실록산을 흡착시켜 제거하는 흡착제 흡착단계(S40)와; 흡착탑(300)에서 배출되는 바이오가스를 제공받아 가스 필터를 통과시켜 바이오가스에 포함된 소정 크기 이상의 고형입자를 제거하는 고형입자 제거단계(S50);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 저비점 VOCs는 벤젠, 톨루엔, 케톤, 알코올을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 저비점 VOCs 제거단계(S20)는 바이오가스를 2~10℃의 온도로 냉각시켜 수분과 저비점 VOCs를 응축시키는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상대습도 감소단계(S30)는 바이오가스를 12~25℃의 온도로 가열하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 저비점 VOCs 제거단계(S20)를 통해서 바이오가스의 냉각으로 응축된 응축물에서 유분을 분리하는 유분 분리단계(S60)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 바이오가스의 불순물 제거시스템은 일측의 유입부(111)를 통해 외부로부터 공급된 바이오가스를 약 2~10℃의 온도를 갖도록 냉각시킨 후에 타측의 배출부(112)를 통해 배출시키는 VOCs 제거장치(100)와; VOC 제거장치(100)에서 배출되는 바이오가스의 상대습도가 약 40~50%가 되도록 가열한 후에 흡착탑(300)으로 제공하는 바이오가스 가열장치(200)와; 바이오가스 가열장치(200)를 통과하면서 상대습도가 낮아진 바이오가스가 유입되면 수산화철계 흡착제로 바이오가스에 포함된 황화수소, 실록산을 흡착시켜 제거하는 흡착탑(300)와; 흡착탑(300)에서 배출된 바이오가스에 포함된 고형입자를 필터링하여 제거한 후 외부로 배출하는 가스 필터(400);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, VOCs 제거장치(100)는 수평형상으로 일측면에 바이오가스가 유입되는 바이오가스 유입부(111)가 형성되고 타측면에 바이오가스가 배출되는 배출부(112)가 형성되고, 내부에 냉각수가 채워지도록 냉각수를 공급하는 냉각수 유입공(113)와 몸체 내부의 냉각수를 배출하는 냉각수 배출공(114)이 형성되는 몸체(110)와, 몸체(110)의 내부에 위치하며 유입부(111)를 통해 공급되는 바이오가스를 이송하는 다수의 내부관(120)과, 유입부(111)와 배출부(112)를 몸체(110) 내부에 밀폐시키면서 외부에서 유입된 바이오가스를 다수의 내부관(120)들로 분배하는 제1분배부(130)와, 배출부(112)와 몸체(110) 내부를 밀폐시키면서 각각의 내부관(120)들로부터 이송된 바이오가스를 배출부(112)로 배출하는 제2분배부(140)로 이루어진 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 바이오가스 가열장치(200)는 일단이 VOCs 제거장치(100)의 유입부(111)에 연결되고 타단이 흡착탑(300)에 연결되는 이송관(210)과, 이송관(210)의 외부에서 이송관(210)을 가열하는 가열부(220), 이송관(210)으로 바이오가스를 이송시키는 브로워(230)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 흡착탑(300)은 내부가 중공된 본체(310)와, 본체(310)의 내부에 흡착제가 수용되는 흡착제 수용부(320)와, 본체(310)의 하부에 위치하며 바이오가스 가열장치(200)에서 가열된 바이오가스가 유입되는 바이오가스 유입구(340)와 본체(310)의 상부에 위치하며 흡착제에 의해 황화수소, 실록산 등이 제거된 바이오가스가 배출되는 바이오가스 배출구(350)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면 이 해결하고자 하는 과제는 바이오가스에 포함되어 있으면서 흡착제에 흡착되는 실록산과 경쟁관계에 있는 저비점 VOCs를 제거하기 때문에 할 수 있기 때문에 흡착제의 실록산 제거효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 바이오가스의 상대습도를 낮추어 수분에 의한 흡착제 표면의 수막현상을 방지하여 흡착제의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 바이오가스에서 제거되는 저비점 VOCs에서 응축된 응축물에서 고열량을 갖는 유분을 분리하기 때문에 재활용율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 바이오가스의 불순물 제거과정의 플로차트.
도 2는 본 발명에 따른 바이오가스의 불순물 제거시스템의 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 VOCs 제거장치의 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 바이오가스 가열장치의 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 흡착탑의 단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 바이오가스의 불순물 제거방법은 바이오가스 공급단계(S10), 저비점 VOCs 제거단계(S20), 상대습도 감소단계(S30), 흡착제 흡착단계(S40), 고형입자 제거단계(S50), 유분 분리단계(S60)를 포함한다.
바이오가스 공급단계(S10)는 바이오가스 설비에서 생산되는 바이오가스를 제공받는다. 바이오가스 설비에서 생상된 바이오가스는 VOCs, 황화수소, 실록산, 입자상물질 등을 포함하고 있으며, 약 25~35℃의 온도에서 100% 내외의 높은 상대습도를 갖는 상태로 공급된다.
저비점 VOCs 제거단계(S20)는 바이오가스 공급단계(S10)를 통해서 공급되는 바이오가스를 냉각시켜 바이오가스에 포함된 저비점 VOCs와 수분을 응축시켜 제거한다. 바이오가스에 포함된 벤젠, 톨루엔, 케톤, 알코올 등의 저비점 VOCs는 바이오가스가 약 2~10℃의 온도로 냉각되면서 유분으로 응축되고 응축된 물과 함께 응축물로 배출되게 된다. 이에 따라 실록산과 함께 흡착제에 흡착되는 저비점 VOCs의 량이 감소되기 때문에 실록산의 흡착효율을 증가시킬 수 있게 된다.
상대습도 감소단계(S30)는 저비점 VOCs 제거단계(S20)를 거치면서 수분이 제거된 바이오가스를 약 12~25℃의 온도로 가열하여 바이오가스의 상대습도를 감소시킨다. 즉, 저비점 VOCs 제거단계(S20)를 거치면서 상대습도가 100%인 바이오가스를 상대습도가 약 40~50%가 되도록 가열하기 때문에 흡착제에 의한 흡착력을 증가시킬 수 있게 된다.
흡착제 흡착단계(S40)는 흡착탑(300)으로 2차 가열된 바이오가스를 유입시켜 수산화철계 흡착제로 바이오가스에 포함된 황화수소, 실록산을 흡착시켜 제거한다. 이러한 흡착제 흡착단계(S40)에 의해서 흡착탑(300)으로 유입된 바이오가스는 상대습도가 낮아 수산화철계 흡착제의 수막현상이 방지되고, 저비점 VOCs의 비율이 낮아 황화수소 및 실록산의 흡착 효율을 증대시킬 수 있게 된다.
고형입자 제거단계(S50)는 흡착탑(300)에서 배출되는 바이오가스를 제공받아 데미스터를 통과시켜 바이오가스에 포함된 소정 크기 이상의 고형입자를 제거한다. 이러한 고형입자 제거단계(S50)를 통해서 바이오가스에 포함된 먼지 등을 제거된 상태로 배출될 있게 된다.
유분 분리단계(S60)는 저비점 VOCs 제거단계(S20)를 통해서 바이오가스의 냉각으로 응축된 응축물에서 유분을 분리한다. 바이오가스의 냉각에 의해 발생된 응축물에는 수분, 케톤, 알코올과 벤젠, 톨루엔 등의 유분이 포함되어 있으며, 유분은 고열량을 가지므로 유수분리기를 이용하여 유분을 분리하여 자원으로 재사용할 수 있 수 있게 된다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 바이오가스의 불순물 제거시스템은 VOCs 제거장치(100), 바이오가스 가열장치(200), 흡착탑(300), 가스필터(400), 유분 분리장치(500)를 포함한다.
VOCs 제거장치(100)는 일측의 유입부(111)를 통해 외부로부터 공급된 바이오가스를 약 2~10℃의 온도를 갖도록 냉각시킨 후에 타측의 배출부(112)를 통해 배출시킨다. VOCs 제거장치(100)는 수평형상으로 일측면에 바이오가스가 유입되는 바이오가스 유입부(111)가 형성되고 타측면에 바이오가스가 배출되는 배출부(112)가 형성되고, 내부에 냉각수가 채워지도록 냉각수를 공급하는 냉각수 유입공(113)와 몸체 내부의 냉각수를 배출하는 냉각수 배출공(114)이 형성되는 몸체(110)와, 몸체(110)의 내부에 위치하며 유입부(111)를 통해 공급되는 바이오가스를 이송하는 다수의 내부관(120)과, 유입부(111)와 배출부(112)를 몸체(110) 내부에 밀폐시키면서 외부에서 유입된 바이오가스를 다수의 내부관(120)들로 분배하는 제1분배부(130)와, 배출부(112)와 몸체(110) 내부를 밀폐시키면서 각각의 내부관(120)들로부터 이송된 바이오가스를 배출부(112)로 배출하는 제2분배부(140)로 이루어진다. 이러한 VOCs 제거장치(100)에 의해서 외부에서 공급되는 바이오가스는 다수의 내부관(120)을 따라 이동하면서 냉각수에 접하게 되면서 약 25~35℃의 온도에서 약 2~10℃의 온도로 낮아지면서 상대습도 이상의 수분이 물로 응축되면서 벤젠, 톨루엔, 케톤, 알코올 등의 저비점 VOCs도 함께 응축되어 응축물로 분리할 수 있게 된다. 이때, 응축물에는 물에 녹지 않은 물질은 유분으로 상부에 위치하게 된다.
바이오가스 가열장치(200)는 VOCs 제거장치(100)에서 배출되는 바이오가스의 상대습도가 약 40~50%가 되도록 가열한 후에 흡착탑(300)으로 제공한다. 이러한 바이오가스 가열장치(200)는 일단이 VOCs 제거장치(100)의 유입부(111)에 연결되고 타단이 흡착탑(300)에 연결되는 이송관(210)과, 이송관(210)의 외부에서 이송관(210)을 가열하는 가열부(220), 이송관(210)으로 바이오가스를 이송시키는 브로워(230)를 포함한다. 이러한 바이오가스 가열장치(200)를 통과하면서 바이오가스는 약 12~25℃의 온도로 가열되어 상대습도가 100%에서 약 40~50%로 낮아지게 되어 수분에 의한 흡착제 표면의 수막현상을 최소화할 수 있게 된다.
흡착탑(300)은 바이오가스 가열장치(200)를 통과하면서 상대습도가 낮아진 바이오가스가 유입되면 수산화철계 흡착제로 바이오가스에 포함된 황화수소, 실록산을 흡착시켜 제거한다. 이러한 흡착탑(300)은 내부가 중공된 본체(310)와, 본체(310)의 내부에 흡착제(330)가 수용되는 흡착제 수용부(320)와, 본체(310)의 하부에 위치하며 바이오가스 가열장치(200)에서 가열된 바이오가스가 유입되는 바이오가스 유입구(340)와 본체(310)의 상부에 위치하며 흡착제(330)에 의해 황화수소, 실록산 등이 제거된 바이오가스가 배출되는 바이오가스 배출구(350)를 포함한다. 이러한 흡착탑(300)로 유입되는 바이오가스는 저비중 VOCs, 수분의 함량이 낮기 때문에 황화수소, 실록산의 제거효율을 높일 수 있게 된다.
가스필터(400)는 흡착탑(300)에서 배출된 바이오가스에 포함된 고형입자를 필터링하여 제거한 후 외부로 배출한다. 이러한 가스필터(400)를 통해서 바이오가스에 포함된 먼지 등의 고형입자를 제거한 상태로 배출할 수 있게 된다.
유분 분리장치(500)는 VOCs 제거장치(100)에서 배출되는 응축물을 제공받아 응축물에 포함된 유분을 제거한다. 즉, 바이오가스의 냉각에 의해 발생된 응축물의 상부에는 물에 녹지 않는 벤젠, 톨루엔 등의 유분이 위치하기 때문에 유수분리기를 이용하여 유분을 분리할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
S10 : 바이오가스 공급단계 S20 : 저비점 VOCs 제거단계
S30 : 상대습도 감소단계 S40 : 흡착제 흡착단계
S50 : 고형입자 제거단계 S60 : 유분 분리단계
100 : VOCs 제거장치 200 : 바이오가스 가열장치
300 : 흡착탑 400 : 가스필터
500 : 유분 분리장치

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 일측의 유입부(111)를 통해 외부로부터 공급된 바이오가스를 2~10℃의 온도를 갖도록 냉각시킨 후에 타측의 배출부(112)를 통해 배출시키는 VOC 제거장치(100)와;
    VOCs 제거장치(100)에서 배출되는 바이오가스의 상대습도가 40~50%가 되도록 가열한 후에 흡착탑(300)으로 제공하는 바이오가스 가열장치(200)와;
    바이오가스 가열장치(200)를 통과하면서 상대습도가 낮아진 바이오가스가 유입되면 수산화철계 흡착제로 바이오가스에 포함된 황화수소, 실록산을 흡착시켜 제거하는 흡착탑(300)와;
    흡착탑(300)에서 배출된 바이오가스에 포함된 고형입자를 필터링하여 제거한 후 외부로 배출하는 더미스터(400);를 포함하되,
    VOCs 제거장치(100)는 수평형상으로 일측면에 바이오가스가 유입되는 바이오가스 유입부(111)가 형성되고 타측면에 바이오가스가 배출되는 배출부(112)가 형성되고, 내부에 냉각수가 채워지도록 냉각수를 공급하는 냉각수 유입공(113)와 몸체 내부의 냉각수를 배출하는 냉각수 배출공(114)이 형성되는 몸체(110)와, 몸체(110)의 내부에 위치하며 유입부(111)를 통해 공급되는 바이오가스를 이송하는 다수의 내부관(120)과, 유입부(111)와 배출부(112)를 몸체(110) 내부에 밀폐시키면서 외부에서 유입된 바이오가스를 다수의 내부관(120)들로 분배하는 제1분배부(130)와, 배출부(112)와 몸체(110) 내부를 밀폐시키면서 각각의 내부관(120)들로부터 이송된 바이오가스를 배출부(112)로 배출하는 제2분배부(140)로 이루어진 것을 특징으로 하는 바이오가스의 불순물 제거시스템.
  7. 삭제
  8. 청구항 6에 있어서, 바이오가스 가열장치(200)는 일단이 VOCs 제거장치(100)의 유입부(111)에 연결되고 타단이 흡착탑(300)에 연결되는 이송관(210)과, 이송관(210)의 외부에서 이송관(210)을 가열하는 가열부(220), 이송관(210)으로 바이오가스를 이송시키는 브로워(230)를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오가스의 불순물 제거시스템.
  9. 청구항 6에 있어서, 흡착탑(300)은 내부가 중공된 본체(310)와, 본체(310)의 내부에 흡착제가 수용되는 흡착제 수용부(320)와, 본체(310)의 하부에 위치하며 바이오가스 가열장치(200)에서 가열된 바이오가스가 유입되는 바이오가스 유입구(340)와 본체(310)의 상부에 위치하며 흡착제에 의해 황화수소, 실록산 등이 제거된 바이오가스가 배출되는 바이오가스 배출구(350)를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오가스의 불순물 제거시스템.
  10. 청구항 6에 있어서, VOCs 제거장치(100)에서 배출되는 응축물을 제공받아 응축물에 포함된 유분을 제거하는 유분 분리장치(500)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오가스의 불순물 제거시스템.
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