KR102459333B1 - 바이오가스의 열병합발전을 위한 가스정제 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바이오가스의 열병합발전을 위한 가스정제 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 바이오가스를 탈황 처리 후 수분, 실록산, 이산화탄소 등을 제거하여 정제함으로써 낮은 농도의 바이오가스를 농축하여 발전 효율을 높일 수 있는 바이오가스의 열병합발전을 위한 가스정제 장치에 관한 것이다.
본 발명의 바이오가스의 열병합발전을 위한 가스정제 장치는 가스저장조와 연결되어 가스저장조에 저장된 바이오 가스 중의 황화수소를 제거하기 위한 탈황부와, 탈황부를 통과한 바이오 가스 중의 수분을 제거하기 위한 제습부와, 제습부를 통과한 바이오 가스 중의 실록산을 제거하기 위한 실록산제거부와, 실록산제거부를 통과한 바이오 가스 중의 이산화탄소를 제거하여 메탄의 농도를 높이는 가스농축부를 구비한다.

Description

바이오가스의 열병합발전을 위한 가스정제 장치{desulfurization and refinement apparatus for heat/power generation of biogas}
본 발명은 바이오가스의 열병합발전을 위한 가스정제 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 바이오가스를 탈황 처리 후 수분, 실록산, 이산화탄소 등을 제거하여 정제함으로써 낮은 농도의 바이오가스를 농축하여 발전 효율을 높일 수 있는 바이오가스의 열병합발전을 위한 가스정제 장치에 관한 것이다.
세계적으로 기후온난화와 고유가시대에 접어들면서 탄소배출량 감소와 대체에너지에 대한 요구가 절실히 요구되고 있으며 이에 따라 각국들에 있어서 새로운 탄소감축기술의 개발 및 탄소배출권확보 방안, 신재생에너지 개발, 에너지 효율성 제고 등의 방법이 이슈화되고 있는데, 특히 지구온난화를 막기 위해 2005년 발효된 교토의정서로 인하여 지구 온난화와 환경오염을 예방하기 위한 청정 대체 에너지의 개발은 필연적으로 해결되어야 하는 당면 과제이다.
또한 산업사회의 발달과 더불어 급속한 도시화에 더불어 음식물쓰레기, 주정폐수, 도축장 폐수, 매립장 폐수 등 각종 폐수와 폐기물의 발생이 증가하고 있으며, 그 중 고농도 유기성 폐수와 폐기물은 오염 부하량이 매우 높아서 심각한 사회문제로 대두됨에 따라 이에 대한 처리가 절실하다.
바이오매스 중 하수처리 슬러지, 음식물쓰레기 등 상이한 성상의 유기성 폐기물은 재활용되거나 에너지로 재순환되지 않으면 폐기물로 인하여 주변 수계나 토양을 오염시켜 환경 문제를 일으키기는 하나 직접 또는 변환하여 연료화할 수 있으며 화석 연료와는 달리 대기중의 CO2를 증가시키지 않고 순환되기 때문에 에너지원으로서 많은 장점을 가지고 있어 고유가를 극복할 수 있는 새로운 에너지원이기는 하나 종래 유기성 폐기물의 처리는 대부분 오염 발생원에서 수거하여 각각의 전용 처리장에서 감량화시켜 처리하고 있어 이의 유효 이용이 절실하며, 또한 유기성 폐기물 소화시 발생하는 바이오가스(메탄가스)도 조리용·난방용 등의 바이오 연료로 사용할 수 있으나 이용기술이 불완전하여 에너지 이용효율이 낮고 제2차 환경오염을 초래하게 되는 문제점이 있다.
열병합 발전 시스템은 석유, 석탄, 가스 등의 1차 에너지로부터 열과 전력이라는 두 가지의 유용한 에너지를 생산하여 순차적으로 이용하는 고효율 에너지 이용기술로서 전력 생산공정에서 발생하는 폐열(배열)을 재활용함으로써 에너지 절약 및 비용절감에 기여할 수 있으며 대기오염 저감에 의한 환경보호와 전기와 열수요의 계절적 불균형에 적극 대응할 수 있는 효과가 있어 그 수요가 점차 증가하고 있으나 초기 투자비에 비하여 석유나 천연가스 등의 상대적으로 비싼 연료를 사용하는 문제점이 있었다.
열병합 발전 시스템의 연료로서 하수처리장이나 산업폐수 처리장, 쓰레기 매립지, 음식물 쓰레기 등의 고농도 유기성 폐수처리과정에서 발생하는 슬러지 등의 침전물을 생물학적 방법 등의 혐기성 소화방법으로 분해 처리할 때 발생되는 생성가스로서 배출가스 감소효과가 높고 저렴한 바이오 가스를 열병합 발전시스템용 연료로 채택하여 저가 대체 에너지원으로 활용하게 되면 환경친화적이고 에너지 절약성이 좋은 장점이 있다.
하지만, 바이오가스에는 연료로 사용되는 메탄 외에도 황화수소, 이산화탄소, 수분, 실록산 등의 불순물이 함께 함유되어 있으므로 연소시 발열량이 낮고, 악취를 유발하며 열병합 발전기 등의 기계장치를 부식시키는 등의 문제점이 발생된다.
대한민국 공개특허 제10-2010-0111347호에는 바이오 연료를 이용한 열병합 발전 시스템이 개시되어 있다.
상기 열병합발전 시스템은 탈황장치를 통해 황화수소의 제거는 가능하나 수분, 실록산, 이산화탄소 등이 함유되어 있으서 메탄의 농도가 높지 않아 발전효율이 낮다는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허 제10-2010-0111347호: 바이오 연료를 이용한 열병합 발전 시스템
본 발명은 상기의 문제점을 개선하고자 창출된 것으로서, 음식물 쓰레기, 음폐수, 하수슬러지 및 가축분뇨 등의 유기성 폐기물 자원화 시설에서 발생하는 바이오가스를 열병합발전 시스템의 열에너지와 전력 생산의 연료로 활용할 수 있도록 하기 위함이다.
이를 위해 본 발명은 바이오가스를 탈황 처리 후 수분, 실록산, 이산화탄소 등을 제거하여 정제함으로써 메탄의 농도를 높일 수 있어서 발전 효율을 높일 수 있는 바이오가스의 열병합발전을 위한 가스정제 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바이오가스의 열병합발전을 위한 가스정제 장치는 가스저장조와 연결되어 상기 가스저장조에 저장된 바이오 가스 중의 황화수소를 제거하기 위한 탈황부와; 상기 탈황부를 통과한 바이오 가스 중의 수분을 제거하기 위한 제습부와; 상기 제습부를 통과한 바이오 가스 중의 실록산을 제거하기 위한 실록산제거부와; 상기 실록산제거부를 통과한 바이오 가스 중의 이산화탄소를 제거하여 메탄의 농도를 높이는 가스농축부;를 구비한다.
상기 탈황부는 상기 가스저장조와 연결되어 바이오가스가 유입되는 스크러버와, 액상촉매를 상기 스크러버 내부로 분사하여 상기 바이오가스 중의 황화수소와 액상촉매를 접촉시켜 상기 황화수소를 고체황으로 생성시키는 액상촉매분사수단과, 상기 액상촉매분사수단에 의해 상기 스크러버 내부로 분사된 액상촉매가 상기 고체황과 함께 유입되어 저장되는 순환탱크와, 상기 순환탱크로부터 유입되는 액상촉매 중의 사용된 촉매를 재생시켜 상기 액상촉매분사수단으로 액상촉매를 공급하는 재생수단을 구비한다.
상기 제습부는 상기 탈황부로부터 배출되는 바이오가스가 경유하며 대기 중으로 노출되어 대기 중으로 열을 방출시키는 냉각유닛과, 상기 냉각유닛에 냉각수를 분사하기 위한 냉각수분사유닛과, 상기 냉각수분사유닛에서 분사된 냉각수를 회수하기 위해 상기 냉각유닛의 하부에 설치되는 냉각수회수조를 구비하고, 상기 냉각유닛은 상기 탈황부와 연결되어 상기 탈황부로부터 배출되는 바이오가스가 유입되는 가스유입관과, 상기 가스유입관과 나란하게 설치되어 바이오가스가 배출되는 가스배출관과, 일측은 상기 가스유입관에 연결되고 타측은 상기 가스배출관에 연결되어 상기 가스유입관으로 유입된 바이오가스가 통과하는 다수의 열교환튜브들과, 상기 열교환튜브들을 통과하는 바이오가스의 경로가 길어질 수 있도록 상기 열교환튜브들을 일정한 패턴으로 굴곡지게 지지하는 지지프레임을 구비한다.
본 발명은 바이오가스를 탈황 처리 후 수분, 실록산, 이산화탄소 등을 제거하여 정제함으로써 발전 효율을 높일 수 있으며, 저농도의 메탄을 농축하여 고농도화시키므로 발전효율을 증대시킬 수 있다.
본 발명은 안정적인 신재생 에너지원 확보 및 지구온난화 방지를 위해 바이오가스를 연료로 열병합발전 시스템에 적용하여 친환경적이면서 에너지 활용효율을 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 예에 따른 바이오가스의 열병합발전을 위한 가스정제 장치의 구성을 나타낸 블록도이고,
도 2는 도 1에 적용된 탈황부를 나타낸 구성도이고,
도 3은 도 1에 적용된 제습부를 나타낸 구성도이고,
도 4는 도 3의 요부를 발췌한 사시도이고,
도 5는 도 1에 적용된 실록산제거부를 나타낸 구성도이고,
도 6은 도 1에 적용된 가스농축부의 구성도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 바이오가스의 열병합발전을 위한 가스정제 장치에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 바이오가스의 열병합발전을 위한 가스정제 장치는 가스저장조(1)와 연결되어 가스저장조(1)에 저장된 바이오 가스 중의 황화수소를 제거하기 위한 탈황부(10)와, 탈황부(10)를 통과한 바이오 가스 중의 수분을 제거하기 위한 제습부(40)와, 제습부(40)를 통과한 바이오 가스 중의 실록산을 제거하기 위한 실록산제거부(60)와, 실록산제거부(60)를 통과한 바이오 가스 중의 이산화탄소를 제거하여 메탄의 농도를 높이는 가스농축부(80)를 구비한다.
가스저장조(1)에는 일정량의 바이오 가스가 저장된다. 바이오 가스는 음식물, 가축분뇨, 하수슬러지 등 유기성폐기물을 혐기성 소화시 발생한다. 가스저장조(1)에 저장된 바이오 가스에는 메탄 외에도 황화수소, 수분, 실록산, 이산화탄소 등의 불순물이 함께 함유되어 있다. 가스저장조(1)에 저장된 바이오 가스는 탈황부(10), 제습부(40), 실록산제거부(60), 가스농축부(80)를 순차적으로 거치면서 황화수소, 수분, 실록산, 이산화탄소가 차례로 제거된다.
탈황부(10)는 가스저장조(1)와 연결되어 가스저장조(1)에 저장된 바이오 가스 중의 황화수소를 제거하는 역할을 한다.
도시된 탈황부(10)는 가스저장조(1)와 연결되어 바이오가스가 유입되는 스크러버(11)와, 액상촉매를 스크러버(11) 내부로 분사하여 바이오가스 중의 황화수소와 액상촉매를 접촉시켜 황화수소를 고체황으로 생성시키는 액상촉매분사수단과, 액상촉매분사수단에 의해 스크러버(11) 내부로 분사된 액상촉매가 고체황과 함께 유입되어 저장되는 순환탱크(15)와, 순환탱크(15)로부터 유입되는 액상촉매 중의 사용된 촉매를 재생시켜 액상촉매분사수단으로 액상촉매를 공급하는 재생수단을 구비한다.
스크러버(11)는 하부에 바이오가스가 유입되는 유입구(12)가 형성되고, 상부에 바이오가스가 배출되는 배출구(13)가 형성된다. 유입구(12)는 가스저장조(1)와 연결되어 바이오가스가 유입된다. 유입구(12)를 통해 스크러버(11) 내부로 유입된 바이오가스는 스크러버(11) 내부에서 상부로 이동하여 배출구(13)를 통해 외부로 배출된다. 스크러버(11)의 내부에는 외부로 배출되는 바이오가스 중의 수분을 제거하기 위한 데미스터(Demister)(14)가 설치될 수 있다.
액상촉매분사수단은 액상촉매가 저장된 촉매저장조(21)와, 촉매저장조(21)와 연결되어 순환펌프(23)에 의해 액상촉매가 이동하는 촉매공급관(22)과, 스크러버(11)의 내부에 상하로 이격되어 설치되며 촉매공급관(22)을 통해 공급되는 액상촉매를 스크러버(11)의 내부로 분사하는 다수의 분사노즐(23)과, 촉매저장조(23)로 액상촉매를 공급하가 위한 촉매보충탱크(25)를 구비한다.
촉매저장조(21)에는 일정량의 액상촉매가 저장된다. 액상촉매는 기체의 용해성과 촉매의 산화환원 반응을 이용하여 가스성분을 제거하고, 촉매가 재생되어 순환되므로 폐수가 발생하지 않는다.
액상촉매는 통상 산화작용을 촉진하기 위해서는 금속촉매를 사용하며, 사용되는 이들 금속이온은 친화력과 산화환원작용이 있어야 한다. 이러한 금속이온으로 Fe2+, Fe3+, V4+, V5+, Cu2+, Cu3+, As2+, As3+등이 있다. 이와 같은 금속이온들은 수용액에서 황이온을 산화시키고 자신은 환원되며, 산소에 의해 다시 산화하는 산화-환원반응에 의한 촉매작용을 한다.
특히, 액상촉매로서 철금속을 이용한 철킬레이트는 황화물 기체의 물에 대한 용해도와 철킬레이트 화합물의 산화환원 원리를 이용한 방법으로 상온상압 운전이 가능하며, 폐수 및 2차 오염이 없고, 운전 및 설비 비용 저렴하여 최근에 다양한 산업분야에서 응용되고 있다.
바람직하게 액상촉매는 촉매 금속으로 철을 사용한다. 철(Fe)은 수용액에서 황을 산화시키고 자신은 환원되며, 산소에 의해 다시 산화하는 산화-환원반응에 의한 촉매작용을 한다. 이러한 철은 독성이 없고 환경에 무해하다는 장점을 갖는다.
이러한 액상촉매의 일예로 물에 용해되어 철(Fe) 이온을 발생시키는 철염과, 철 이온과 결합하는 킬레이트제를 포함한다.
철염으로 물에 용해되어 철 이온을 형성할 수 있는 물질이라면 종류에 제한이 없다. 일 예로 철염으로 Fe(NO3)3, FeCl, FeSO4 중에서 선택된 어느 하나를 이용할 수 있다.
킬레이트제로 니트릴로트리아세테이트(Nitrilotriacetate; NTA), 에틸렌디아민테트라아세테이트(ethylenediaminetetraacetate; EDTA), 히드록시이미노디숙신산(hydroxyiminodisuccinic acid; HIDS) 중에서 선택된 어느 하나를 이용할 수 있다. 킬레이트제는 철 이온과 안정한 철킬레이트 화합물(Fe-EDTA, Fe-NTA, Fe-HIDS)을 형성한다.
촉매저장조(21)에 저장된 액상촉매는 순환펌프(33)에 의해 펌핑되어 분사노즐(23)로 공급된다. 분사노즐(23)을 통해 스크러버(11) 내부로 분사되는 액상촉매는 바이오가스와 접촉하고, 이 과정에서 바이오가스에 함유된 황화수소가 제거된다.
순환탱크(15)는 스크러버(11)의 하부에 설치된다. 스크러버(11)의 내부로 분사되어 바이오가스와 접촉된 액상촉매는 아래로 흘러 순환탱크(15)로 유입되어 저장된다.
순환탱크(15)로 유입되는 액상촉매에는 황화수소의 제거과정에서 생성된 고체황이 포함되어 있다. 순환탱크(15)에 저장된 액상촉매는 촉매저장조(21)로 이동다. 그리고 순환탱크(15)의 고체황은 일부의 액상촉매와 함께 중간저장조(17)로 배출된다.
재생수단은 순환탱크(15)로부터 촉매저장조(21)로 유입된 액상촉매를 재생시킨다.
재생수단은 블로워(31)와, 블로워(31)와 연결되어 촉매저장조(21)에 설치되는 산기관(33)으로 이루어진다.
블로워(31)의 작동에 의해 산기관(33)을 통해 액상촉매 중으로 공기가 폭기된다. 폭기되는 공기는 액상촉매 중의 철을 산화시켜 액상촉매를 재생시킨다.
중간저장조(17)에 저장된 액상촉매 중의 황입자를 제거하기 위해 여과기(35)를 더 구비한다.
여과기(35)로 필터프레스, 벨트프레스, 원심분리기, 탈수기, 섬유상 여과기 등 다양한 종류의 고액분리장치를 이용할 수 있다. 여과기(35)에서 걸러진 황 입자는 수거되고, 여과기(35)를 통과한 여액은 촉매저장조(21)로 다시 유입된다.
상술한 탈황부(10)를 통과한 바이오 가스는 제습부(40)를 통과하면서 수분이 제거된다. 한편, 상술한 탈황부는 액상촉매에 의해 바이오 가스 중의 황화수소를 제거하는 것으로 기재되어 있으나 이와 달리 황화수소를 제거할 수 있는 다양한 종류의 약품이나 약제 등을 사용할 수 있음은 물론이다. 또한, 액상촉매나 약품, 약제가 함유된 공정수를 사용할 수 있음은 물론이다.
제습부는 스크러버(11)로부터 배출되는 바이오가스가 경유하며 대기 중으로 노출되어 대기 중으로 열을 방출시키는 냉각유닛(41)과, 냉각유닛(41)에 냉각수를 분사하기 위한 냉각수분사유닛과, 냉각수분사유닛에서 분사된 냉각수를 회수하기 위해 냉각유닛(41)의 하부에 설치되는 냉각수회수조(51)를 구비한다.
냉각유닛(41)은 스크러버(11)의 배출구(13)와 연결되어 바이오가스가 유입되는 가스유입관(43)과, 가스유입관(43)과 나란하게 설치되어 바이오가스가 배출되는 가스배출관(45)과, 일측은 가스유입관(43)에 연결되고 타측은 가스배출관(45)에 연결되어 가스유입관(43)으로 유입된 바이오가스가 통과하는 다수의 열교환튜브들(47)과, 열교환튜브들(47)을 통과하는 바이오가스의 경로가 길어질 수 있도록 열교환튜브들(47)을 일정한 패턴으로 굴곡지게 지지하는 지지프레임(49)을 구비한다.
가스유입관(43)은 제 1연결관(42)에 의해 스크러버(11)의 배출구(13)와 연결된다. 가스유입관(43)에는 응축수가 배출될 수 있도록 응축수배출관(44)이 마련된다.
가스배출관(45)은 제 2연결관(59)에 의해 실록산제거부(60)와 연결된다. 가스배출관(45)에는 응축수가 배출될 수 있도록 응축수배출관(미도시)이 마련된다.
가스유입관(43)과 가스배출관(45)은 냉각수 회수조(51)의 내측에 설치된다.
열교환튜브(47)는 외기의 공기와 접촉면적을 넓힐 수 있도록 플렉시블한 금속 주름관 형태로 이루어진다. 열교환튜브(47)는 다수가 설치된다. 각 열교환튜브(47)의 일측은 가스유입관(43)에 연결되고 타측은 가스배출관(45)에 연결된다.
열교환튜브(47)는 지지프레임(49)에 의해 공중에 매달린 구조로 설치된다. 따라서 열교환튜브(47)를 경유하는 바이오가스는 외기와 열교환하면서 냉각된다.
지지프레임(49)은 일정한 높이로 세워지는 다수의 지주(49a)와, 지주들(49a)을 가로 방향으로 연결하는 다수의 가로파이프들(49b)로 이루어진다.
열교환튜브(47)는 가로파이프들(49b)에 걸쳐져 지그재그 형태로 굽어지도록 설치된다. 따라서 열교환튜브들(47)을 통과하는 바이오가스의 경로가 길어져 냉각효율을 높일 수 있다.
냉각수분사유닛은 냉각수회수조(51)에 저장된 냉각수를 펌핑하는 펌프(53)와, 펌프(53)와 연결되어 냉각유닛(41)의 상방에서 냉각수를 분사하는 냉각수분사노즐(55)을 구비한다.
펌프(53)가 작동하면 냉각수분사노즐(55)을 통해 냉각수가 하방으로 분사된다. 하방으로 분사된 냉각수는 열교환튜브(47)와 접촉하면서 열교환이 이루어진다. 그리고 열교환튜브(47)와 접촉한 냉각수는 하방으로 낙하하여 냉각수회수조(51)로 유입된다.
상술한 제습부(40)는 공냉식과 수냉식이 결합된 하이브리드 방식으로 바이오가스를 냉각하므로 제습효과가 우수하다.
제습부(40)를 통과한 바이오가스는 실록산제거부(60)에서 실록산이 제거된다.
실록산제거부(60)는 실리카겔이 충진된 실리카겔층(65) 및 활성탄이 충진된 활성탄층(66)이 내부에 설치된 제 1 및 제 2반응탑(61)(63)과, 제습부(40)와 연결되어 제습부(40)로부터 배출되는 바이오가스를 제 1 및 제 2반응탑(61)(63) 중 어느 하나에 선택적으로 유입시켜 실리카겔층(65)과 활성탄층(66)을 순차적으로 통과시키는 가스유입수단과, 실리카겔 및 활성탄의 표면에 흡착된 실록산을 탈리시키기 위해 제 1 및 제 2반응탑(61)(63)과 연결되어 제 1 및 제 2반응탑(61)(63) 중 어느 하나에 선택적으로 열풍을 유입시키되 바이오가스가 유입되는 반응탑을 제외한 다른 반응탑에 열풍을 유입시키는 재생수단을 구비한다.
가스유입수단은 제습부(40)의 제 2연결관(59)과 연결되어 바이오가스를 송풍시키는 송풍기(67)와, 송풍기(67)의 토출측에 연결되어 송풍기(67)에서 송풍되는 바이오가스가 이송되는 메인가스공급관(68)과, 메인가스공급관(68)에서 분기되어 제 1반응탑(61)의 하부와 연결되며 제 1반응탑(61)의 실리카겔층(65)으로 바이오가스를 유입시키는 제1서브가스공급관(69)과, 메인가스공급관(68)에서 분기되어 제 2반응탑(63)의 하부와 연결되며 제 2반응탑(63)의 실리카겔층(65)으로 바이오가스를 유입시키는 제 2서브가스공급관(71)과, 제 1 및 제 2서브가스공급관(69)(71)에 각각 설치되는 제 1 및 제 2밸브(72)(73)를 구비한다.
그리고 재생수단은 열풍을 발생시키는 열풍기(74)와, 열풍기(74)에서 연장되어 열풍기(74)에서 발생된 열풍이 이송되는 메인열풍공급관(75)과, 메인열풍공급관(75)에서 분기되어 제 1반응탑(61)과 연결되며 제 1반응탑(61)의 실리카겔층(65)과 활성탄층(64)의 이격된 틈으로 열풍을 유입시키는 제1서브열풍공급관(76)과, 메인열풍공급관(75)에서 분기되어 제 2반응탑(63)과 연결되며 제 2반응탑(63)의 실리카겔층(65)과 활성탄층(66)의 이격된 틈으로 열풍을 유입시키는 제 2서브열풍공급관(77)과, 제 1 및 제 2서브열풍공급관(76)(77)에 각각 설치되는 제 1 및 제 2밸브(78)(79)를 구비한다.
상술한 실록산제거부(60)의 구성은 대한민국 등록특허 제10-1356127호와 동일하므로 구체적인 설명을 생략한다.
실록산제거부(60)를 통과한 바이오가스는 가스농축부(80)에서 이산화탄소가 제거되어 메탄의 농도가 높아진다.
가스농축부(80)는 일정 높이로 형성된 사각통상의 반응기본체(81)와, 반응기본체(81)의 내측 상부에서 반응기본체(91)의 저면을 형성하는 하부판(82)과 일정 거리를 두고 장착되어 제1 반응조(81)와 제2 반응조(82) 및 제3 반응조(83)와 제4 반응조(84)를 구획하는 제1 격벽(87)과, 제1 반응조(81)와 제2 반응조(92)를 반응기본체(81)의 하부에서 상단과 일정 거리를 두고 구획하는 제2 격벽(88)과, 제3 반응조(83)와 제4 반응조(84)를 반응기본체(81)의 하부에서 상단과 일정거리를 두고 구획하는 제3 격벽(89)과, 제2 격벽(88)의 하단과 제3 격벽(89)의 하단을 연결하고 하부판(82)과 일정 거리로 이격되어 순환로(91)를 형성하는 연결판(92)과, 1 반응조(83) 내지 제4 반응조(86)에 충진되는 액상 철킬레이트 촉매와, 제1 반응조(83)의 하부에 충진된 액상 철 킬레이트 촉매와 접촉되도록 실록산제거부(60)로부터 배출되는 바이오가스가 유입되는 가스주입구(93)와, 가스주입구(93)를 통해 주입된 바이오가스에서 메탄을 포집하기 위해 제1 반응조(83) 및 제2 반응조(84)의 상부에 형성된 메탄 포집구(94)와, 제3 반응조(85)의 하부에 공기를 투입하기 위한 공기주입구(95)와, 제3 반응조(85) 및 제4 반응조(86)의 상부에 공기에 의해 탈기된 이산화탄소를 포집하기 위한 이산화탄소 포집구(96)를 포함한다.
상술한 가스농축부(80)의 구성은 대한민국 등록특허 제10-0734926호와 동일하므로 구체적인 설명을 생략한다.
가스농축부(80)를 통과하여 메탄이 농축된 바이오가스는 발전기(100)에서 연소되어 전기를 생성한다.
발전기(100)에서 전기를 생산하는 과정에서 폐열이 발생된다. 발전기에서 발생하는 폐열은 열교환기(110)를 통해 물과 열교환시켜 온수를 생산한다.
상술한 본 발명은 바이오가스를 탈황 처리 후 수분, 실록산, 이산화탄소 등을 제거하여 정제함으로써 발전 효율을 높일 수 있으며, 저농도의 메탄을 농축하여 고농도화시키므로 발전효율을 증대시킬 수 있다.
<실험예>
상술한 본 발명의 가스정제장치의 효과를 확인하기 위해 실험을 하였다.
1. 탈황실험
황화수소는 진공흡인상자(COS-100, 켐익코퍼레이션, 한국)를 이용하여 Tedlar재질의 가스백(3L, SUPELCO, bellefonte, PA, USA)에 포집하여 가스크로마토그래피 펄스불꽃광도계(GC/PFPD(YL6100), Gas Chromatography/ Pulsed Flame Photometric Detector)로 분석하였다.
탈황설비의 스크러버 유입구로 유입되는 바이오가스 중의 황화수소 농도와, 스크러버의 배출구로 배출되는 바이오가스 중의 황화수소 농도를 분석하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
시험횟수 유입 황화수소 농도
(ppm)		 배출 황화수소 농도
(ppm)		 탈황효율(%)
1차 920.8 Not detected 100
2차 2259.5 53 97.7
3차 2319.5 46 98.0
4차 2929.2 50.6 98.3
상기 표 1의 결과를 참조하면 본 발명에 적용된 탈황설비를 이용할 경우 탈황효율이 97% 이상으로 나타났다.
2. 제습실험
제습설비로 유입 및 배출되는 바이오가스의 온도와 상대습도를 측정하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
시험횟수 유입가스 배출가스
온도(℃) 상대습도(%) 온도(℃) 상대습도(%)
1차 56.1 78.2 33.7 53.7
2차 56.5 77.8 32 58.4
3차 56.8 77.3 33.2 54.1
상기 표 2의 결과를 참조하면, 온도와 상대습도가 크게 감소됨을 확인할 수 있다.
3. 실록산제거실험
실록산제거설비의 전단과 후단에서 바이오가스 중에 함유된 실록산을 측정하였다. 바이오가스 중의 실록산은 가스크로마토그래피(gas chromatography mass spectrometer)로 분석하였다. 분석결과는 도 7에 나타내었다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 적용된 실록산제거설비의 실록산제거 효율이 100%로 나타나 그 효과가 우수한 것으로 확인되었다.
4. 가스농축실험
가스농축설비로 유입되는 바이오가스 및 가스농축설비로부터 배출(ventⅠ,Ⅱ)되는 바이오가스 중의 이산화탄소와 메탄의 농도를 각각 측정하여 도 8에 나타내었다.
도 8을 참조하면, 이산화탄소가 크게 줄어들어 메탄의 농도가 상대적으로 높아진것을 확인할 수 있다.
5. 발전효율
도 1에 도시된 바와 같이 탈황부, 제습부, 실록산제거부, 가스농축부, 발전기, 열교환기로 구성된 열병합발전 시스템을 구축하여 현장에서 실험하였다.
바이오가스 열병합발전 시스템의 현장평가는 가축분뇨와 음식물 쓰레기를 100톤/일을 처리하는 경남 창녕군 W사에서 진행하였으며, 유기성 폐기물을 고온에서 혐기 발효시켜 액비를 생산하는 과정에서 발생된 바이오가스를 이용하였다. 바이오가스를 차례로 탈황, 제습, 실록산제거, 농축시킨 후 전력 및 온수를 생산하였다.
발전효율은 하기의 계산식으로 계산하였다.
Figure 112020134118060-pat00001
실험결과를 도 9에 나타내었다.
도 9를 참조하면, 현장에서 가동한 바이오가스 열병합발전 시스템의 바이오가스 생산량은 평균 238m3/hr이었으며, 이때 평균 발전량은 472kWh로 계산되어 약 33%의 높은 발전효율을 나타내었다.
이상, 본 발명은 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
10: 탈황부 40: 제습부
60: 실록산제거부 80: 가스농축부
100: 발전기 110: 열교환기

Claims (3)

  1. 가스저장조와 연결되어 상기 가스저장조에 저장된 바이오 가스 중의 황화수소를 제거하기 위한 탈황부와;
    상기 탈황부를 통과한 바이오 가스 중의 수분을 제거하기 위한 제습부와;
    상기 제습부를 통과한 바이오 가스 중의 실록산을 제거하기 위한 실록산제거부와;
    상기 실록산제거부를 통과한 바이오 가스 중의 이산화탄소를 제거하여 메탄의 농도를 높이는 가스농축부;를 구비하며,
    상기 제습부는 상기 탈황부로부터 배출되는 바이오가스가 경유하며 대기 중으로 노출되어 대기 중으로 열을 방출시키는 냉각유닛과, 상기 냉각유닛에 냉각수를 분사하기 위한 냉각수분사유닛과, 상기 냉각수분사유닛에서 분사된 냉각수를 회수하기 위해 상기 냉각유닛의 하부에 설치되는 냉각수회수조를 구비하고,
    상기 냉각유닛은 상기 탈황부와 연결되어 상기 탈황부로부터 배출되는 바이오가스가 유입되며 상기 냉각수회수조의 내측에 설치되는 가스유입관과, 상기 가스유입관과 나란하게 설치되어 바이오가스가 배출되며 상기 냉각수회수조의 내측에 설치되는 가스배출관과, 일측은 상기 가스유입관에 연결되고 타측은 상기 가스배출관에 연결되어 공중에 매달려 설치되며 상기 가스유입관으로 유입된 바이오가스가 통과하는 다수의 열교환튜브들과, 상기 열교환튜브들을 통과하는 바이오가스의 경로가 길어질 수 있도록 상기 열교환튜브들을 일정한 패턴으로 굴곡지게 지지하는 지지프레임을 구비하며,
    상기 열교환튜브는 플렉시블한 금속 주름관 형태로 이루어지고,
    상기 지지프레임은 일정한 높이로 세워지는 다수의 지주들과, 상기 지주들을 가로 방향으로 연결하며 상기 열교환튜브들이 지그재그 형태로 굽어지도록 걸쳐지는 다수의 가로파이프들을 구비하며,
    상기 냉각수분사유닛은 상기 냉각수회수조에 저장된 냉각수를 펌핑하는 펌프와, 상기 펌프와 연결되어 상기 냉각유닛의 상방에서 냉각수를 분사하여 상기 열교환튜브와 냉각수를 접촉시키는 냉각수분사노즐을 구비하는 것을 특징으로 하는 바이오가스의 열병합발전을 위한 가스정제 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 탈황부는 상기 가스저장조와 연결되어 바이오가스가 유입되는 스크러버와, 액상촉매를 상기 스크러버 내부로 분사하여 상기 바이오가스 중의 황화수소와 액상촉매를 접촉시켜 상기 황화수소를 고체황으로 생성시키는 액상촉매분사수단과, 상기 액상촉매분사수단에 의해 상기 스크러버 내부로 분사된 액상촉매가 상기 고체황과 함께 유입되어 저장되는 순환탱크와, 상기 순환탱크로부터 유입되는 액상촉매 중의 사용된 촉매를 재생시켜 상기 액상촉매분사수단으로 액상촉매를 공급하는 재생수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 바이오가스의 열병합발전을 위한 가스정제 장치.
  3. 삭제
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