KR102308358B1 - 바이오가스 혼합 및 확인 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

바이오가스 혼합 및 에너지 함량 확인 시스템과 방법은, 바이오가스 원료 스트림의 선택적 샘플링과 분석을 통해 바이오가스 원료 스트림 에너지 함량 프로파일의 제어 개선 및 바이오가스 원료 스트림으로 정해진 높은 에너지 함량의 정제된 가스의 제어 주입을 위한 것으로, 최종 사용자 요구 사항들에 부합하도록 미리 설정된 최소값과 동일하거나 미리 설정된 최소값을 초과하는 증가된 에너지 함량 프로파일을 갖는 혼합된 바이오가스를 생산한다.

Description

바이오가스 혼합 및 확인 시스템 및 방법
본 발명은 바이오가스 공급원들을 처리하기 위한 정제 시스템과 함께 사용하기에 적합한 바이오가스 혼합 및 확인 시스템에 관한 것이다. 다단식 정제 시스템과 같은 제1 공급원으로부터의 바이오가스 원료 스트림은 조성 및 연소 에너지 프로파일의 분석을 위해 샘플링된다. 연소 에너지 함량 프로파일이 미리 서정된 최소값 미만으로 떨어지는 것이 검출되면, 제어 유닛은 혼합된 바이오 가스를 생산하도록 바이오가스 원료 스트림으로 정제된 가스를 주입하기 위해, 정재된 가스 스트림 내에 배치된 밸브를 작동시키고, 여기서 정제된 가스가 정해진 에너지 함량을 갖는다. 그리고 혼합된 바이오가스는, 혼합된 바이오가스가 요구 사항들 및/또는 엔진 사양들에 부합하는 미리 결정된 에너지 함량 임계값을 달성하는 지를 확인하도록, 샘플링된다.
바이오 메탄(bio-methane), 스웜프(swamp) 가스, 매립지 가스 및 소화조(digester) 가스라고도 하는 바이오 가스는, 혐기성 소화(anaerobic digestion), 예컨대 주로 메탄과 이산화탄소를 생산하는, 산소 없는 폐기물의 분해의 산물이다. 적절한 순도로 적당한 처리 후에, 포획된 바이오가스는 친환경/재생 가능 연료, 즉 천연 가스-구동 차량들/엔진들을 위한 연료로서 사용 가능하다. 다단식 바이오가스 처리를 위한 하나의 시스템이 바이오가스를 처리하는 시스템을 기재하고 있는 미국 특허 제9,535,045호에 기술되어 있다. 특허의 내용은 본 문서에서 참조로서 통합되고 있다.
바이오가스의 여러 생성 및 수집원들이 광범위한 분야, 예컨대 폐수 처리, 고체 폐기물/매립지 처리 및 관리, 식품 처리 공장들 및 가축 폐기물 처리를 포함하는 농업 산업에 걸쳐 존재한다.
그러나, 연료 공급원으로 효과적으로 사용될 수 있기 전에, 바이오 가스는 처리되어야 한다. 이러한 처리는 바이오 가스 배출 스트림 내에서 발견되는 전형적인 불순물들의 제거 및/또는 최소화를 필요로 한다. 클리닝(cleaning)은 원하는 최종 생성물이 고품질의 가스 스트림, H2S, 유황 종(sulfur species), 실록산(siloxane)들, CO2, 소화 생성 VOC들(휘발성 유기 화학물들) 및 산소를 제공하도록 의도될 때, 미립자 제거로 시작하여, 물의 제거가 이어진다. 요구되는 순도/에너지 함량 기준들에 따라, 결과물인 정화된 가스가 구동 차량들을 위한 압축 천연 가스(Compressed Natural Gas; CNG)로 사용될 수 있다.
천연 가스 차량(Natural Gas Vehicle; NGV) 연료 또는 압축 천연 가스(CNG)와 같이 처리된 바이오가스의 사용을 위한 순도 요구 사항들은 ISO 15404-2006과 같은 표준에 의해 설정되어 있다. 상술된 세정에 더하여, 표준은 고압, 예컨대 6,000 프사이그(psig)로 압축될 가스의 모든 수분 제거를 요구하고 있다. 이러한 처리의 성공은 샘플 테이크오프(takeoff)와 분석을 통해 다시 확인되어야 한다.
특히 압축 천연 가스와 관련하여, 획득된 바이오가스 스트림으로부터 미리 설정된 에너지 함량의 유지를 보장하고, 그 함량이 미리 설정된 최소 연소 에너지 프로파일 임계값 미만으로 떨어지면 바이오가스 스트림과 정제된 가스를 혼합함으로써 증가를 제공하는 시스템 및 방법에 대한 필요성이 있다.
본 발명의 목적은, 미리 설정된 최소 연소 에너지 임계값에서 바이오가스 스트림의 설정된 에너지 함량을 검출, 증가 및 유지하기 위한 시스템과 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 미리 설정된 에너지 함량 임계값을 만족하는 혼합된 바이오가스 배출을 생성하기 위해 바이오가스 원료 스트림으로 정해진 에너지 함량의 정제된 가스를 선택적으로 도입하고 혼합하기 위한 신규 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 정해진 에너지 함량 요구 사항들에 부합하는 혼합된 바이오가스 배출을 생성하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 정제된 제어 가스와 바이오가스 원료 스트림의 유량들 각각을 검출, 모니터링 및 조절에 부분적으로 의존하여, 임계 연소 에너지 프로파일을 달성하도록 혼합된 바이오 가스를 위한 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 처리된 바이오가스의 에너지 함량 레벨을 자동적으로 모니터링하고, 선택 임계값 미만으로 떨어지는 에너지 함량의 검출 시, 정제된 가스의 첨가로 처리된 바이오가스의 에너지 함량 레벨을 증가시키기 위한 가스 혼합 시스템을 제공하는 데 있다.
이러한 그리고 다른 목적들의 일부가 가스 혼합 시스템에 의해 충족된다. 상기 가스 혼합 시스템은, 제1 에너지 함량을 갖는 바이오가스 원료 스트림을 제공하는 바이오가스 원료 공급원; 에너지 함량 분석을 위해, 상기 바이오가스 원료 스트림으로부터 샘플 테이크오프(take-off)를 위한 제1 샘플 테이크오프 프로브(probe); 에너지 함량 분석과 그를 나타내는 데이터 신호들을 생성하기 위한 분석기; 상기 에너지 함량 분석 데이터 신호를 수신하고, 그에 대응하는 제어 신호를 전송하기 위한 제어 유닛; 상기 바이오가스 원료 스트림과 선택적으로 유체 연통하고, 상기 제1 샘플 테이크오프 프로브의 다운스트림에 배치되는 정제된 가스 공급원 - 상기 정제된 가스 공급원은 제1 에너지 함량을 초과하는 정해진(known) 에너지 함량을 갖는 정제된 가스를 선택적으로 제공함 - ; 상기 전송된 신호에 응답하기 위해 상기 제어 유닛과 신호 통신하는 밸브 - 상기 밸브는 상기 정제된 가스 공급원으로부터의 정제된 가스 흐름을 제어하고, 상기 밸브는 제1 개방 위치와 제2 폐쇄 위치 사이에서 작동 가능하고, 상기 제1 개방 위치에 있을 때, 상기 밸브는, 미리 설정된 최소값 미만으로 떨어지는 상기 제1 에너지 함량의 검출 시 혼합된 바이오가스 스트림을 생성하도록, 상기 정제된 가스를 상기 바이오가스 원료 스트림에 선택적으로 도입함 - ; 상기 혼합된 바이오가스 스트림으로부터 샘플 테이크오프를 위한 제2 샘플 테이크오프 프로브 - 상기 제2 샘플 테이크오프 프로브는 상기 정제된 가스 입력 공급원의 다운스트림에 배치되고, 상기 혼합된 바이오가스 스트림의 에너지 함량 분석 및 상기 미리 설정된 임계값을 만족하거나 상기 미리 설정된 임계값을 초과할 때의 에너지 함량 확인을 위한 것이고 - ; 및 상기 혼합된 바이오 가스의 배출부를 포함하는 것에 의해 특징지어진다.
본 발명은 상기된 실시예에 대한 추가적인 실시예를 제공하며, 상기 밸브는, 상기 바이오가스 스트림으로 도입되는 정제된 가스의 흐름을 조절하도록 상기 제어 유닛과 전자 신호 통신하는, 전기적으로 작동되는 솔레노이드 밸브인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기된 실시예들에 대한 다른 실시예를 제공하며, 상기 바이오가스 원료 스트림으로부터 상기 샘플 테이크오프는 연속적인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기된 실시예들에 대해 다른 실시예를 제공하며, 상기 바이오가스 원료 스트림으로부터 상기 샘플 테이크오프는 주기적인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기된 실시예들 중 어느 하나에 대해 다른 실시예를 제공하며, 상기 혼합된 바이오가스로부터 상기 샘플 테이크오프는 주기적인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기된 실시예들 중 어느 하나에 대해 다른 실시예를 제공하며, 상기 가스 혼합 시스템은 상기 바이오가스 원료 스트림과 연관된 제1 유량 센서에 의해 더 특징지어지고, 상기 유량 센서는 상기 바이오가스 원료 스트림 유량을 나타내는 신호를 검출 및 생성하기 위한 것이고, 상기 유량 센서는 상기 제어 유닛과 신호 통신한다.
본 발명은 앞서 기재된 실시예에 대해 다른 실시예를 제공하며, 상기 가스 혼합 시스템은 상기 정제된 가스 공급원과 연관된 제 2 유량 센서에 의해 더 특징지어지고, 상기 제 2 유량 센서는 상기 정제된 가스 유량을 나타내는 신호를 검출 및 생성하기 위해 상기 제어 유닛과 신호 통신한다.
본 발명은 상기된 실시예들 중 어느 하나에 대해 다른 실시예를 제공하며, 상기 가스 혼합 시스템은 혼합된 바이오가스의 균일성 향상 촉진을 위한 정제된 가스 충돌 튜브에 의해 더 특징지어진다.
본 발명은 앞서 기재된 실시예에 대해 추가적인 실시예를 제공하며, 상기 충돌 튜브는, 축 방향의 보어(bore) 및 상기 바이오가스 원료 스트림의 실질적인 횡단면을 통한 정제된 가스의 주입을 위해 이격된 반경 방향의 정제된 가스 포트(port)들을 갖는 가늘고 긴 실린더에 의해 특징지어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기된 실시예들 중 어느 하나에 대해 다른 실시예를 제공하며, 상기 분석기는 듀얼 스트림 가스 크로마토그래프(chromatograph)인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기된 실시예들 중 어느 하나에 대해 다른 실시예를 제공하며, 상기 가스 혼합 시스템은 샘플 테이크오프 분배 패널에 의해 더 특징지어진다.
본 발명은 상기된 실시예들 중 어느 하나에 대해 다른 실시예를 제공하며, 상기 혼합된 및 혼합되지 않은 바이오가스 샘플들은, 열 추적 배관을 사용하여, 상기 샘플 테이크오프 프로브들 각각으로부터 상기 분석기로 전달되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기된 실시예들 중 어느 하나에 대해 다른 실시예를 제공하며, 상기 가스 혼합 시스템은 상기 바이오가스 원료 스트림으로부터 추출된 상기 샘플의 기체상(vapor phase) 안정성을 유지하기 위해, 상기 샘플 테이크오프 프로브와 상기 분석기 사이에서 유체 연통하도록 배치되는 제1 샘플 컨디셔너(conditioner)에 의해 더 특징지어진다.
본 발명은 앞서 기재된 실시예에 대해 다른 실시예를 제공하며, 상기 가스 혼합 시스템은 상기 제2 테이크오프 프로브와 연관된 제2 샘플 컨디셔너에 의해 더 특징지어진다.
본 발명은 상기된 실시예들에 대해 다른 실시예를 제공하며, 상기 가스 혼합 시스템은 프로세서, 터치 스크린 및 입력 디바이스를 갖는 시스템 인터페이스에 의해 더 특징지어지고, 상기 시스템 인터페이스는 상기 제어 유닛으로 제어 신호들을 전송하고 상기 제어 유닛으로부터 시스템 데이터를 수신하기 위해 상기 제어 유닛과 신호 통신한다.
본 발명의 상술된 그리고 다른 목적들이 시스템 인터페이스 및 정제된 가스 공급원에 배치되는 작동 가능 밸브와 신호 통신하는 제어 유닛을 포함하는 가스 혼합 시스템을 사용하여, 제1 에너지 함량을 갖는 제1 공급원으로부터의 바이오가스 원료 스트림을 상기 제1 에너지 함량 보다 높은 정해진 에너지 함량을 갖는 제2 정제된 가스 공급원으로부터의 정제된 가스와 혼합하여, 선택 범위 내 제3 에너지 함량을 갖는 혼합된 바이오가스를 제공하는 방법에 의해 충족된다. 상기 방법은, a) 상기 바이오가스 원료 스트림으로부터 샘플을 추출하는 단계; b) 에너지 함량 분석기에 의한 분석을 위해 상기 추출된 샘플을 컨디셔닝하여, 상기 바이오가스 원료 스트림 에너지 함량에 대응하는 데이터를 생성하는 단계; c) 상기 바이오가스 스트림이 미리 설정된 최소값 보다 적은 에너지 함량을 갖는 지의 여부를 판단하는 단계; d) 상기 제1 에너지 함량이 상기 미리 설정된 최소값 미만으로 떨어지는 것이 검출되면, 상기 제어 유닛에 의해 제어 신호를 생성하여, 상기 혼합된 바이오가스를 형성하도록 상기 바이오가스 원료 스트림으로의 정제된 가스의 주입을 위해, 상기 작동 가능 밸브로 상기 제어 신호를 전달하는 단계; e) 상기 혼합된 바이오가스의 샘플을 추출하고 상기 제3 에너지 함량이 상기 미리 설정된 최소값을 초과하는 지를 확인하기 위해 그 에너지 함량을 분석하는 단계 및 상기 혼합된 바이오가스를 출력하는 단계에 의해 특징지어진다.
본 발명은 상기된 실시예에 대해 추가적인 실시예를 제공하며, 상기 방법은, 상기 바이오가스 원료 스트림의 유량 및 상기 바이오가스 원료 스트림에 주입된 상기 정제된 가스의 유량을 감지하는 단계; 및 상기 감지된 유량들 각각을 기반으로 유량 비율을 생성하는 단계에 의해 더 특징지어진다.
본 발명은, 특정 표준의 요구 사항들 및/또는 설정된 압축 천연 가스 엔지 보증 프로토콜들을 만족하는 증가된 에너지 함량을 갖는 혼합된 바이오가스를 생산하기 위해, 제1 공급원으로부터의 바이오가스 원료 스트림의 특징들을 모니터링하고 정제된 가스 공급원으로부터의 정해진 높은 에너지 함량 값을 갖는 정제된 가스, 예컨대 천연 가스나 프로판(propane)의 도입을 제어하기에 적합한 바이오가스 에너지 함량 및 혼합 시스템을 제공한다.
가스 혼합 시스템은 전술된 미국 특허 제9,535,045호에 기술된 바이오가스 원료 스트림을 제공하는 다단식 시스템과 결합하여 용이하게 사용 가능하다. 바이오가스 원료 스트림의 전체 에너지 함량을 증가시키기에 적합한 연소 에너지 프로파일을 갖는 정제된 가스 스트림은 바이오가스 원료 스트림에 선택적으로 도입된다.
예시적인 실시예에서, 가스 혼합 시스템은 가스 혼합 파이프 구간 전후의 위치들에서 바이오가스 원료 및 혼합된 바이오가스 스트림들에 각각 배치된 적어도 하나의 제1 및 제2 샘플 테이크오프 프로브를 포함한다. 제1 샘플 테이크오프 프로브는 적절한 분석기, 예컨대 가스 크로마토그래프(GC)에 직접 전달되는 바이오가스 원료 스트림으로부터 혼합되지 않은 샘플을 추출하는 데 사용된다. 혼합되지 않은 바이오가스의 연소 에너지 레벨이 미리 선택된 최소값 미만으로 떨어지는 것이 검출되면, 제어 유닛으로부터의 신호가 정제된 가스 공급원과 바이오가스 원료 스트림 사이에 배치된 작동 가능 밸브(예컨대, 전자-기계, 솔레노이드 밸브, 등)를 개방하도록 전송된다. 작동 시, 밸브는, 높은 전체 에너지 함량을 갖는 혼합된 바이오가스를 생성하기 위해, 바이오가스 원료 스트림으로 정제된 가스를 도입하도록, 폐쇄 위치로부터 조절된 개방 위치 또는 완전 개방 위치로 전환한다. 다운스트림에 위치되는 제2 샘플 테이크오프 프로브는 조성/에너지 함량 평가를 위한 분석기로 전달되는 정제된 가스 주입으로부터 혼합된 바이오가스 다운스트림의 샘플을 추출한다. 혼합된 바이오가스 샘플로부터 획득된 데이터는, 최종 사용자의 품질 요구 사항들을 만족하도록 에너지 함량의 필요한 증가 달성의 확인을 위해, 분석기로부터 제어 유닛으로 전송된다. 또한, 데이터는, 바이오가스 원료 스트림으로 과량의 정제된 가스를 도입하는 것으로부터 초래되는 폐기물을 최소화하기 위해, 바이오가스 원료 스트림에 주입된 정제된 가스의 유량을 조절하는 데 사용된다.
바이오가스 원료 스트림으로 정제된 가스의 도입이 연속적일 필요는 없다. 제1 테이크오프로부터의 혼합되지 않은 바이오가스 원료 샘플의 조성/에너지 함량이 충분하다고 판단되면, 바이오가스 원료 스트림의 에너지 프로파일을 증가시킬 필요가 없다. 이러한 경우에, 제어 유닛은 작동 가능 밸브를 폐쇄 위치에서 유지시키고, 정제된 가스 혼합 없이, 바이오가스 원료 스트림이 시스템 배출부로 전달되게 한다.
또한, 본 발명의 가스 혼합 방법 및 시스템은 혼합되지 않은 바이오가스 원료 스트림의 흐름과 제어 유닛으로 신호 전송을 제공하는 정제된 가스 스트림의 흐름을 검출 및 측정하기 위한 흐름 센서들을 포함할 수 있다. 결과적인 유량 판단들이 각각의 바이오가스 스트림과 정제된 가스 입력의 에너지 함량 분석의 결정을 보완하기 위한 추가적인 데이터를 제공한다. 이러한 유량 측정은, 적절한 혼합이 획득되었음을 확인하는 예비 대체 측정으로서 향상된 정확도를 제공할 수 있으며, 바이오가스 원료 스트림으로 주입되는 정제된 가스의 양을 증가시키거나 감소시킬 필요성을 나타내는 신호를 전송할 수 있다. 처리된 유량 데이터가 정제된 가스 유량을 증가시키거나 감소시킬 필요성을 나타내면, 제어 유닛은 밸브를 통해 정제된 가스 흐름을 조절할 필요성을 나타내는 신호를 송신한다.
또한, 본 발명의 가스 혼합 방법 및 시스템은 바이오가스 원료 스트림으로 정제된 가스의 횡단면으로 보다 균일한 도입을 촉진하기 위해, 주입 위치에 정제된 가스 충돌 튜브 부속물(adjunct)을 포함할 수 있다.
본 문서에서 사용되는 용어는 특정한 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 문서에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태 “a”, “an” 및 “the”는 문맥 상 다르게 지시하지 않는 한 복수 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 문서에 사용되는 용어 “포함한다” 및/또는 “구비한다”는 명시된 특징, 단계, 동작, 구성 요소 및/또는 구성 요소의 존재를 나타내지만, 적어도 하나의 다른 특징, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 및/또는 이들의 조합의 존재 또는 부존재를 배제하지 않는다는 것은 자명하다.
본 문서에서 사용되는 “특징으로 하는”, “포함한다”, “포함하는”, “구비하다”, “구비하는”, “가지고 있다”, “가지고 있는” 또는 임의의 다른 병형은 비 배타적인 포함을 포함한다. 예를 들면, 특징들의 리스트를 포함하는 프로세스, 방법, 아티클 또는 장치는 반드시 그러한 특징들에만 한정되는 것이 아니라 명시적으로 리스트되지 않거나 그러한 프로세스, 방법, 물품 또는 장치에 내재된 다른 특징들을 포함할 수 있다.
정의의 목적을 위해 본 문서에서 사용되는 “연결된”은 물리적으로 직접적인 또는 간적접인 부착 또는 조절 가능한 장착을 포함한다. 따라서, 명시되지 않는 한, “연결된”은 어떤 동작 가능한 기능적 연결로 의도된다.
이러한 상세한 설명에서, “실시예”, “일 실시예”, 또는 “실시예들”에 대한 언급들은 언급되는 특징이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함됨을 의미한다. 또한, “실시예”, “일 실시예”, 또는 “실시예들”에 대한 별도의 언급은 동일한 실시예를 지칭하지 않으나, 언급되지 않는 한, 그리고 통상의 지식을 가진 자에 의해 쉽게 명백한 것을 제외하고는, 그러한 실시예들은 상호 배타적이지 않다. 따라서, 본 발명은 본 문서에서 기술되는 실시예들의 임의의 다양한 조합들 및/또는 결합들을 포함할 수 있다.
본 문서에서 사용되는 바와 같이, 달리 명시되지 않는 한, “또는”은 배타적인 또는 포괄적인 것을 나타내지 않는다. 예를 들면, 조건 A 또는 B는 다음 중 어느 하나에 의해 만족된다: A는 참(또는 존재)이고 B는 거짓(또는 부재), A는 거짓(또는 부재) 또는 B는 참(또는 존재), 및 A와 B 모두 참(또는 존재).
본 문서에서 사용되는 바와 같이, “실질적으로”, “일반적으로 및 정도의 다른 단어들은 수정된 특성으로부터 허용 가능한 편차를 나타내기 위한 상대적인 수식어이다. 절대 값 또는 특성을 수정하는 것이 아니라 그 반대의 것 보다 더 많은 물리적 또는 기능적 특성을 갖는 것으로 제한되도록 의도되지는 않으며, 이러한 물리적 또는 기능적 특성에 접근하거나 근사시키는 것이 바람직하다.
이하의 설명에서, 본 발명이 실시될 수 있는 특정한 실시예들을 설명하기 위해 첨부된 도면을 참조한다. 후술되는 실시예들은 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 실시할 수 있도록 충분히 상세하게 설명된다. 다른 실시예들이 이용될 수 있고, 현재 공지된 구조적 및/또는 기능적 등가물에 기초한 구조적 변경이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 이루어질 수 있음을 이해해야 한다.
도 1은 종래 기술의 다단식 바이오가스 정제 시스템 흐름도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오가스 혼합 및 확인 시스템을 위한 프로세스 흐름도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오가스 혼합 및 확인 시스템을 위한 프로세스 흐름도를 도시한다.
도 1은 종래 기술의 네 개의 다른 처리 레벨들을 갖는 다단식 바이오가스 정제 시스템(10)을 도시한다. 개시된 다단식 정제 시스템(10)은 미국 특허 제9,535,045호의 내용을 포함하는 유형이며, 그 내용은 그 전체가 본 문서에서 참조로서 통합된다.
도 2는 본 발명의 초점인 가스 혼합 시스템(20)을 도시한다. 가스 혼합 시스템(20)은 다단식 정제 시스템(10)의 전제된 바이오가스 배출 레벨(22)에 연결된다. 대략 900-950 BTU의 값을 갖는 세정된 바이오가스는 다단식 정제 시스템(10)으로부터 제거되고, 바이오가스 원료 스트림은 바이오가스 원료 도관(conduit)(22)을 통해 전달되어, 혼합되지 않은 바이오가스 원료 스트림이 샘플링되는 제1 샘플 테이크오프 프로브(24)를 통과한다. 바이오가스 원료 샘플은 제1 가스 샘플 컨디셔닝 유닛(28)으로 전달되어, 테이크오프로부터의 샘플을 비손상 압력에서 분석기로 통과시키는 데 필요한 압력 강하 동안 적절한 압력과 온도를 보장한다. 이러한 컨디셔닝 유닛의 일 예로, 미국 특허 제7,484,404호에 기술되고 개시되어 있는 무스탕 모델 2(Mustang Model 2) 샘플 컨디션 시스템 등이 있으며, 그 내용은 그 전체가 본 문서에서 참조로 포함된다.
컨디셔너로부터 원격으로 이격된 분석기(30)를 갖는 실시예들에서, 컨디셔닝된 바이오가스 샘플은 샘플 컨디셔닝 유닛(28)으로부터 샘플 분석 어레이 내의 분석기(30)로 열적으로 안정된 추적 배관(26)을 통해 전달된다. 이러한 유형의 열 추적 파워 공급은 미국 특허 제7,162,933호에 기술되어 있으며, 그 내용은 그 전체가 본 문서에서 참조로 포함된다. 바람직하게는, 분석기(30)는, 다수의 가스 샘플 스트림들의 BTU 값을 측정할 수 있는 에머슨(Emerson)으로부터 이용 가능한 로즈마운트(ROSEMOUNT) 570 크로마토그래프와 같은 다중 입력 성능을 갖는다.
분석기(30)에 의한 샘플 분석 후에, 데이터는 도시된 실시예들 내에서 WATLOW 제어기인 PLC/PID 제어기와 같은 제어 유닛(32)으로 전달되고, 프로세서, 터치 스크린 및 입력 디바이스를 갖는 시스템 인터페이스(34)를 사용하여 표시된다. 바람직하게는, 시스템 인터페이스(34)는 랩탑(laptop)이나 그에 결합된 다른 디스플레이와 연관된다. 제어 유닛(32)에 의해 처리된 데이터 및 최종 사용자의 에너지 함량 요구 사항들에 기반하여, 정제된 가스 도관(38) 내의 솔레노이드 밸브와 같은 작동 가능 밸브(36)가 바이오가스 원료 도관(22) 내 바이오가스 스트림으로 정해진 에너지 함량을 갖는 정제된 가스 공급원(40)으로부터의 정제된 가스의 부피의 혼합을 용이하게 하기 위해, 제어 유닛(32)에 의해 개방된다. 바람직하게는, 정제된 가스 공급원(40)은, 프로판 또는 높은, 정해진 에너지 함량 레벨을 갖는 높게 정제된 천연 가스와 같은 공급원이며, 그것은 바이오가스 원료 스트림과 혼합될 때 바이오가스 원료 스트림 내에서 바이오가스의 전체 에너지 함량을 증가시킬 것이다.
밸브(36)는 제어 유닛(32)과 신호 통신, 예컨대 무선 또는 전자 통신하며, 정제된 가스 도관(38)을 통해 정제된가스의 흐름을 조절하는 데 협력한다. 바이오가스 스트림 샘플로부터의 데이터가 샘플의 혼합되지 않은 상태에서 기존의 조성 특징들이 원하는 품질 요구 사항들을 만족하기에 충분하도록 설정되어 있으면, 바이오가스 원료 스트림으로 정제된 가스를 도입할 필요가 없다. 이러한 경우, 제어 유닛(32)은 작동 가능 밸브(36)가 폐쇄 위치로 작동/폐쇄 위치에서 유지되는 것을 보장하고, 이로 인해 혼합되지 않은 바이오가스가 보관 전달 또는 다른 사용을 위한 다운스트림으로 흐르도록 허용한다. 그러나, 보다 일반적으로, 바이오가스 원료 스트림은 미리 정해진 최소 임계값 아래의 에너지 함량 레벨을 가질 것이다. 이러한 경우, 에너지 함량 증가가 필요하다.
이러한 증가를 달성하기 위해, 도 2에 개시된 실시예는, 접합부(42)가 바이오가스 원료 도관(22)과 정제된 가스 도관(38)의 교차점에 배치되는 것을 특징으로 한다. 정제된 가스 스트림은 정제된 가스 도관(38)을 통해 흐르고, 혼합 파이프 접합부(42)에서 바이오가스 원료 스트림으로 주입된다.
결과물인 혼합된 바이오가스 스트림은 가스 혼합 파이프 접합부(42)로부터 제2 인라인 샘플 테이크오프 프로브(44)를 지나 배출부로 다운스트림으로 이동한다. 테이크오프 시에, 샘플이 추출되고, 샘플 컨디셔너 유닛(48)을 선택적으로 통과하여, 분석기로 통과된다. 시스템이 제2 분석기(50)를 포함하는 경우, 샘플은 직접적으로 제2 분석기(50)로 통과되거나, 도시된 바와 같이, 혼합된 바이오가스 샘플의 제어된 직렬 분배를 허용하는 매니폴드(manifold) 또는 분석기 분배 패널(45)을 통해 오리지널 바이오가스 원료 스트림의 분석을 위해 사용되는 동일한 분석기(30)로 통과될 수 있다. 분석기(30)로 보내지는 경우, 분석기(30)로 스트림들의 바람직하지 않은 혼합을 방지하고, 다수의 샘플 스트림들의 가스 특성 분석을 위해 분석기(30)로 입력되는 혼합된 및 혼합되지 않은 가스 샘플들의 작도 제어를 제공하도록, 혼합되지 않은 샘플 도관이 격리 밸브(46)를 포함하는 것처럼, 샘플 전달 도관은 제어 유닛에 연결된 솔레노이드 작동 가능 밸브(46)를 포함하여, 테이크오프 프로브(24)로부터 분석기로 통과하는 혼합되지 않은 샘플로부터의 어떤 입력으로부터 그 라인의 격리를 보장한다.
분석기(30)로 샘플 테이크오프의 전달 후에, 그리고 제2 분석기(50)로 혼합된 바이오가스 스트림의 경우에, 에너지 함량 분석 데이터가 제어 유닛(32)으로 전달된다. 혼합되지 않은 바이오가스 원료 스트림의 가스 연소 프로파일이 최종 사용자의 미리 설정된 최소 요구 사항들을 만족하면, 밸브(36)는 폐쇄를 유지한다. 그러나, 최소가 위반되는 경우, 제어 유닛(32)은 밸브(36)를 개방하기 위한 작동 신호를 송신하여, 바이오가스 원료 스트림으로 정제된 가스를 도입하고 혼합된 바이오가스를 생성한다. 혼합된 바이오가스는, 최소 에너지 함량 요구 사항들이 만족되는 것을 보장하는 혼합된 바이오가스의 에너지 함량을 평가하기 위해, 샘플 테이크오프와 주기적 또는 연속적인 분석의 대상이 된다. 충분한 에너지 함량을 갖는 바이오가스 원료 스트림의 검출 시, 제어 유닛(32)은 바이오가스 원료 스트림으로 정제된 가스의 도입을 방지하기 위해, 솔레노이드 밸브의 작동을 멈추게 한다.
프로세서/시스템 인터페이스(34)와 연관되는, SOFTVIEW와 같은, 서비스 프로그램들을 사용하여, 오퍼레이터는 바람직한 바이오가스 연소 프로파일을 제공하기에 적합한 유량 비율을 유지할 수 있다. 실시예들에서, WATLOW 제어기는, GC 유닛으로부터 입력 실패를 검출할 때, 자동으로 흐름 제어로 전환한다. 이로 인해 효율성이 증가하고 가동 중단 시간이 감소되며, 이로 인해 생산성과 수익이 증가한다. 오퍼레이터는 선택적으로 시스템 제어기(32)를 수동 모드로 전환함으로써, 자동 흐름 제어를 중단시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이오가스 혼합 시스템(20)을 도시하고 있으며, 분석기(30)와 제2 분석기(50)가 시스템 인터페이스(34)로 직접적으로 데이터를 전송하고 시스템 인터페이스(34)가 제어 유닛(32)과 신호 통신을 설정하고 있다. 바이오가스 혼합 시스템(20)은West Virginia의 Ravenswood의 무스탕 샘플링(Mustang Sampling)으로부터 이용 가능한 MMADP와 같은 모듈형 분배 패널(45)을 더 포함하여, 분석기(30, 50)들 각각으로 전달되는 혼합된 바이오가스 샘플의 압력을 선택적으로 분리하고 제어한다.
또한, 실시예들은 분석기(들)로부터의 에너지 함량 결과들의 측정값들과 검출기(54)들에 의해 생성되는 유량 데이터에 즉시 접근을 오퍼레이터에 제공하는 시스템 오퍼레이터 제어 룸(52)을 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 제어 룸(52)은 제어 유닛(32)에 연결되고, 시스템 내에서 전기적으로 작동되는 솔레노이드 밸브들 중 일부를 위한 선택적 오퍼레이터 수동 우선 제어들을 제공할 수 있고, 이로 인해 바이오가스 원료 스트림의 출력과 그 내로 정제된 가스 주입을 제어할 수 있다. 또한, 제어 룸(52)은 에너지 감사 문서들의 보관 및 생성을 위한 데이터 기록 기능을 포함할 수 있다.
접합부(42)에서 두 스트림들의 향상된 균질 혼합을 촉진하는 향상된 실시예에서, 정제된 가스는, 바이오가스 원료 스트림으로 돌출되는 충돌 튜브를 통해 바이오가스 원료 스트림으로 도입될 수 있다. 반경 방향으로 배향되고, 충돌 튜브의 길이를 따라 미리 결정된 간격으로 축 방향으로 이격된 일련의 홀들을 제공하는 것은, 바이오가스 원료 스트림들과 정제된 가스의 보다 균일한 혼합, 그에 따른 보다 균일한 혼합 생성물을 촉진한다.
본 발명의 사상 및 범위에 속하는 추가적인 변형예에서, 도 2에 도시된 바와 같은 2-스트림 크로마토그래프를 포함하는 시스템은, 유효한 정제된 가스 주입량의 중복 표시를 기반으로 하는 유량 측정값 및/또는 크로파토그래프가 오프라인 상태이거나 유지 보수가 필요한 경우, 오퍼레이터가 계속해서 작동시킬 수 있는 능력을 제공하는 흐름 제어 루프를 포함한다. 루프가 유량 측정에 의존하여, 단독으로 사용될 때 확인을 제공하지 않지만, 흐름 제어 루프의 존재는 오퍼레이터의 재량에 따라 정제된 가스 혼합을 계속할 수 있다. 이러한 실시예는, 제어 유닛(32)과 바이오가스 원료 도관(22) 및 정제된 가스 도관(38) 각각의 사이에 직렬로 배치된, 로즈마운트(ROSEMOUNT) 모델 30515EP 인테그랄 오리피스 트랜스미터(Integral Orifice Transmitter)와 같은 흐름 송신기(54)들을 포함한다. 흐름 송신기(54)들은 바이오가스 원료 스트림 도관(22) 및 작동 시, 정제된 가스 도관(36)의 유량들 각각을 감지한다. 표시되는 유량은 혼합된 출력 스트림의 추정되지만 확인되지 않은 BTU 레벨/에너지 함량을 나타낸다. 크로마토그래프에 의한 분석과 결합될 때, 흐름 송신기(54)들에 의해 검출된 유량들이 작동 가능 밸브(36)를 통해 흐르게 할 조절값들을 계산하는 데 사용될 수 있다.
그것은 다른 변형들 및 본 발명의 실시예들이 전술된 설명 및 관련 도면들에서 개시된 교시의 이점을 갖는 것으로 통상의 지식을 가진 자에 의희 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명은 본 문서에 개시된 특정 실시예들에 한정되지 않고, 본 발명의 많은 수정들 및 다른 실시예들이 본 발명의 범위 내에서 포함되는 것으로 의도된다. 또한, 본 문서에서는 특정 용어가 사용되었으나, 이들은 본 발명의 설명을 제한하려는 목적이 아니라 일반적이고 기술적인 의미로만 사용된다.
본 발명은, 바이오가스 원료 스트림의 에너지 함량이 미리 설정된 최소 임계값 미만으로 떨어질 때, 바이오가스 스트림 배출의 연소 에너지 프로파일이 원료 바이오가스 원료 스트림에 정해진 높은 에너지 함량의 정제된 가스를 혼합함으로써 최종 사용자의 요구 사항들을 충족시키는 데 유용하다.

Claims (17)

  1. 미리 설정된 최소값을 충족하는 에너지 함량을 갖는 혼합된 바이오가스 스트림을 생성하기 위해 상기 미리 설정된 최소값 미만의 에너지 함량을 갖는 바이오가스 스트림으로 정해진(known) 에너지 함량의 정제된 가스의 제어된 도입을 위한 가스 혼합 시스템에 있어서,
    제1 에너지 함량을 갖는 바이오가스 원료 스트림을 제공하는 바이오가스 원료 공급원;
    에너지 함량 분석을 위해, 상기 바이오가스 원료 스트림으로부터 샘플 테이크오프(take-off)를 위한 제1 샘플 테이크오프 프로브(probe);
    에너지 함량 분석과 그를 나타내는 데이터 신호들을 생성하기 위한 분석기;
    상기 에너지 함량 분석 데이터 신호를 수신하고, 그에 대응하는 제어 신호를 전송하기 위한 제어 유닛;
    상기 바이오가스 원료 스트림과 선택적으로 유체 연통하고, 상기 제1 샘플 테이크오프 프로브의 다운스트림에 배치되는 정제된 가스 공급원 - 상기 정제된 가스 공급원은 제1 에너지 함량을 초과하는 정해진 에너지 함량을 갖는 정제된 가스를 선택적으로 제공함 -;
    상기 전송된 신호에 응답하기 위해 상기 제어 유닛과 신호 통신하는 밸브 - 상기 밸브는 상기 정제된 가스 공급원으로부터의 정제된 가스 흐름을 제어하고, 상기 밸브는 제1 개방 위치와 제2 폐쇄 위치 사이에서 작동 가능하고, 상기 제1 개방 위치에 있을 때, 상기 밸브는, 미리 설정된 최소값 미만으로 떨어지는 상기 제1 에너지 함량의 검출 시 혼합된 바이오가스 스트림을 생성하도록, 상기 정제된 가스를 상기 바이오가스 원료 스트림에 선택적으로 도입함 -;
    상기 혼합된 바이오가스 스트림으로부터 샘플 테이크오프를 위한 제2 샘플 테이크오프 프로브 - 상기 제2 샘플 테이크오프 프로브는 상기 정제된 가스 입력 공급원의 다운스트림에 배치되고, 상기 혼합된 바이오가스 스트림의 에너지 함량 분석 및 상기 미리 설정된 임계값을 만족하거나 상기 미리 설정된 임계값을 초과할 때의 에너지 함량 확인을 위한 것이고 -; 및
    상기 혼합된 바이오 가스의 배출부를 포함하는 것에 의해 특징지어지는 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 밸브는, 상기 바이오가스 스트림으로 도입되는 정제된 가스의 흐름을 조절하도록 상기 제어 유닛과 전자 신호 통신하는, 전기적으로 작동되는 솔레노이드 밸브인 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 바이오가스 원료 스트림으로부터 상기 샘플 테이크오프는 연속적인 것을 특징으로 하는시스템.
  4. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 바이오가스 원료 스트림으로부터 상기 샘플 테이크오프는 주기적인 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 혼합된 바이오가스로부터 상기 샘플 테이크오프는 주기적인 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 바이오가스 원료 스트림과 연관된 제1 유량 센서에 의해 더 특징지어지고,
    상기 유량 센서는 상기 바이오가스 원료 스트림 유량을 나타내는 신호를 검출 및 생성하기 위한 것이고, 상기 유량 센서는 상기 제어 유닛과 신호 통신하는 시스템.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 정제된 가스 공급원과 연관된 제 2 유량 센서에 의해 더 특징지어지고,
    상기 제 2 유량 센서는 상기 정제된 가스 유량을 나타내는 신호를 검출 및 생성하기 위해 상기 제어 유닛과 신호 통신하는 시스템.
  8. 제1 항 또는 제7 항에 있어서,
    혼합된 바이오가스의 균일성 향상 촉진을 위한 정제된 가스 충돌 튜브에 의해 더 특징지어지는 시스템.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 충돌 튜브는, 축 방향의 보어(bore) 및 상기 바이오가스 원료 스트림의 실질적인 횡단면을 통한 정제된 가스의 주입을 위해 이격된 반경 방향의 정제된 가스 포트(port)들을 갖는 가늘고 긴 실린더에 의해 특징지어지는 것을 특징으로 하는 시스템.
  10. 제1 항 또는 제7 항에 있어서,
    상기 분석기는 듀얼 스트림 가스 크로마토그래프(chromatograph)인 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제1 항 또는 제7 항에 있어서,
    샘플 테이크오프 분배 패널에 의해 더 특징지어지는 시스템.
  12. 제1 항 또는 제7 항에 있어서,
    상기 혼합된 및 혼합되지 않은 바이오가스 샘플들은, 열 추적 배관을 사용하여, 상기 샘플 테이크오프 프로브들 각각으로부터 상기 분석기로 전달되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제1 항 또는 제7 항에 있어서,
    상기 바이오가스 원료 스트림으로부터 추출된 상기 샘플의 기체상(vapor phase) 안정성을 유지하기 위해, 상기 샘플 테이크오프 프로브와 상기 분석기 사이에서 유체 연통하도록 배치되는 제1 샘플 컨디셔너(conditioner)에 의해 더 특징지어지는 시스템.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 제2 테이크오프 프로브와 연관된 제2 샘플 컨디셔너에 의해 더 특징지어지는 시스템.
  15. 제1 항 또는 제7 항에 있어서,
    프로세서, 터치 스크린 및 입력 디바이스를 갖는 시스템 인터페이스에 의해 더 특징지어지고,
    상기 시스템 인터페이스는 상기 제어 유닛으로 제어 신호들을 전송하고 상기 제어 유닛으로부터 시스템 데이터를 수신하기 위해 상기 제어 유닛과 신호 통신하는 시스템.
  16. 미리 설정된 최소값을 충족하는 에너지 함량을 갖는 혼합된 바이오가스 스트림을 생성하기 위해 상기 미리 설정된 최소값 미만의 에너지 함량을 갖는 바이오가스 원료 스트림으로 정해진 에너지 함량의 정제된 가스의 제어된 도입을 생성하기 위한 가스 혼합 방법에 있어서, 시스템 인터페이스 및 정제된 가스 공급원에 배치되는 작동 가능 밸브와 신호 통신하는 제어 유닛을 포함하는 가스 혼합 시스템을 사용하여, 제1 에너지 함량을 갖는 제1 공급원으로부터의 바이오가스 원료 스트림이 상기 제1 에너지 함량 보다 높은 정해진 에너지 함량을 갖는 제2 정제된 가스 공급원으로부터의 정제된 가스와 혼합되어, 선택 범위 내 제3 에너지 함량을 갖는 혼합된 바이오가스를 제공하고,
    a) 상기 바이오가스 원료 스트림으로부터 샘플을 추출하는 단계;
    b) 에너지 함량 분석기에 의한 분석을 위해 상기 추출된 샘플을 컨디셔닝하여, 상기 바이오가스 원료 스트림 에너지 함량에 대응하는 데이터를 생성하는 단계;
    c) 상기 바이오가스 스트림이 미리 설정된 최소값 보다 적은 에너지 함량을 갖는 지의 여부를 판단하는 단계;
    d) 상기 제1 에너지 함량이 상기 미리 설정된 최소값 미만으로 떨어지는 것이 검출되면, 상기 제어 유닛에 의해 제어 신호를 생성하여, 상기 혼합된 바이오가스를 형성하도록 상기 바이오가스 원료 스트림으로의 정제된 가스의 주입을 위해, 상기 작동 가능 밸브로 상기 제어 신호를 전달하는 단계;
    e) 상기 혼합된 바이오가스의 샘플을 추출하고 상기 제3 에너지 함량이 상기 미리 설정된 최소값을 초과하는 지를 확인하기 위해 그 에너지 함량을 분석하는 단계 및 상기 혼합된 바이오가스를 출력하는 단계에 의해 특징지어지는 방법.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 바이오가스 원료 스트림의 유량 및 상기 바이오가스 원료 스트림에 주입된 상기 정제된 가스의 유량을 감지하는 단계; 및
    상기 감지된 유량들 각각을 기반으로 유량 비율을 생성하는 단계에 의해 더 특징지어지는 방법.
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