KR20000018557A - 혐기성 폐수처리 및 이를 이용한 발전방법과그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 혐기성 폐수처리 및 이를 이용한 발전방법과 그 장치에 관한 것으로, 특히 기체분리막을 이용하여 혐기성 소화조에서 발생되는 메탄을 정제하고, 정제된 메탄을 재이용하는 것으로, 혐기성 소화조에서 발생하는 메탄을 순도 80％ 이상으로 정제하는 방법과 정제된 메탄을 연료전지의 원료원으로 공급하여 전력을 생산하고, 메탄정제시에 고농도로 회수된 이산화탄소를 압력순환흡착장치를 이용하여 순도 90％ 이상으로 동시에 생산하는 방법과 그 장치에 관한 것으로,

본 발명은 가스저장조(11)와, 완충저장탱크(21)와, 감압조정기(23)와, 전처리 흡착탑(30)과, 기체분리막(40)과, 압력순환흡착장치(50)와, 이산화탄소저장고(51)와, 메탄저장고(41)와, 도시가스용 배관과, 연료전지(60)로 구성된다.

Description

혐기성 폐수처리 및 이를 이용한 발전방법과 그 장치

본 발명은 혐기성 폐수처리 및 이를 이용한 발전방법과 그 장치에 관한 것으로, 특히 기체분리막을 이용하여 혐기성 소화조에서 발생되는 메탄을 정제하고, 정제된 메탄을 재이용하는 것으로, 혐기성 소화조에서 발생하는 메탄을 순도 80％ 이상으로 정제하는 방법과 정제된 메탄을 연료전지의 원료원으로 공급하여 전력을 생산하고, 메탄정제시에 고농도로 회수된 이산화탄소를 압력순환흡착장치를 이용하여 순도 90％ 이상으로 동시에 생산하는 방법과 그 장치에 관한 것이다.

도 1에서 보인 바와 같이 기존의 혐기성 소화조 생물가스의 처리 공정을 보면 혐기성 소화조(10)에서 발생된 기체(메탄가스 및 이산화탄소)는 가스저장조(11)에서 1차 포집된 후 압축기(20)를 통해 1기압 이상으로 압축된 후 수분과 미량의 황화수소는 전처리 흡착탑(30)에서 제거한 후 연소관(70)을 통해 태워 소진되도록 구성된다.

즉, 혐기성 소화조(10)에서는 메탄생성균의 유기물 소화공정을 통해 메탄(50-60％)과 이산화탄소(50-40％)가 발생하는데, 현재 발생하는 메탄은 부분적으로 연료원으로 사용되고 있을 뿐 대부분 연소관(70)을 통해 태워 소진되고 있다.

그러나 소화조(10) 운전조건이나 유입물의 성상에 따라 발생기체 중 메탄의 농도가 가변적이고 연소 자체가 불안정할 수 있다는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 폐수처리를 위한 혐기성 소화공정 중에서 발생되는 메탄을 단순한 연료원으로 사용하지 않고 기체분리막을 이용하여 메탄을 분리 농축하고, 농축된 메탄은 연료전지의 연료원으로 공급하는 혐기성 폐수처리 및 발전공정을 개발하여 혐기성 폐수처리시 필요한 각종 동력원의 전력을 대체하고, 고순도의 이산화탄소를 얻는 방법 및 장치를 제공하는데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 혐기성 폐수처리 장치에 있어서,

혐기성 소화조에서 생산된 생화학적 기체를 1차적으로 저장하는 가스저장조와, 저장된 기체의 분리효율을 증대하기 위해 방폭용 압축기를 통하여 1기압 이상으로 가압하여 저장하되, 압력센서를 이용하여 일정 압력 미만이 되었을 때에만 압축기를 가동하는 완충저장탱크와, 고압으로 저장된 원료기체를 저압으로 조절하여 원료기체의 유량을 일정하게 유지되도록 하는 감압조정기와, 미량의 황화수소와 수분을 제거하는 2개의 탑으로 구성되어 교대로 재생과 흡착을 반복하는 전처리 흡착탑과, 이로부터 유입된 기체를 중공사의 외부로 흐르게 하고 이산화탄소, 미량의 황화수소와 수분 및 메탄을 중공사로 투과하여 유출시키는 중공사 기체분리막과, 투과한 기체인 이산화탄소를 압력순환흡착장치를 이용하여 90％이상으로 정제하여 저장하는 이산화탄소저장고와, 투과하지 않은 원료기체의 메탄 농도보다 농축되어 생성된 메탄을 저장하는 메탄저장고와, 메탄저장고에 저장된 메탄을 가정용 연료원으로 공급하는 도시가스용 배관과, 메탄저장고에 저장된 메탄을 개질기로 유입하여 개질가스를 발생시키고 일산화탄소 전환기를 거쳐 스택으로 보내 발전하도록 한 연료전지로 구성되는 것을 특징으로 하는 혐기성 폐수처리 및 이를 이용한 발전방법 및 그 장치를 제공함으로써 달성된다.

도 1 은 기존의 혐기성 소화조 생물가스의 처리공정

도 2 는 본 발명의 구성도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(10) : 혐기성 소화조 (11) : 가스저장조

(20) : 압축기(송풍기) (21) : 완충저장탱크

(22) : 압력센서 (23) : 감압조정기

(30) : 전처리 흡착탑 (40) : 기체분리막

(41) : 메탄 저장고 (50) : 압력순환흡착장치

(51) : 이산화탄소 저장고 (60) : 연료전지

(61) : 개질기 (62) : 일산화탄소 전환기

(63) : 스택 (70) : 연소관

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2 는 본 발명의 구성도로서, 그 구성은 혐기성 소화조(10)에서 생산된 생화학적 기체를 1차적으로 저장하는 가스저장조(11)와, 저장된 기체의 분리효율을 증대하기 위해 방폭용 압축기(20)를 통하여 1기압 이상으로 가압하여 저장하되, 압력센서(22)를 이용하여 일정 압력 미만이 되었을 때에만 압축기(20)를 가동하는 완충저장탱크(21)와, 고압으로 저장된 원료기체를 저압으로 조절하여 원료기체의 유량을 일정하게 유지되도록 하는 감압조정기(23)와, 미량의 황화수소와 수분을 제거하는 2개의 탑으로 구성되어 교대로 재생과 흡착을 반복하는 전처리 흡착탑(30)과, 이로부터 유입된 기체를 중공사의 외부로 흐르게 하고 이산화탄소, 미량의 황화수소와 수분 및 메탄을 중공사로 투과하여 유출시키는 중공사 기체분리막(40)과, 투과한 기체인 이산화탄소를 압력순환흡착장치(50)를 이용하여 90％이상으로 정제하여 저장하는 이산화탄소저장고(51)와, 투과하지 않은 원료기체의 메탄 농도보다 농축되어 생성된 메탄을 저장하는 메탄저장고(41)와, 메탄저장고(41)에 저장된 메탄을 가정용 연료원으로 공급하는 도시가스용 배관과, 메탄저장고(41)에 저장된 메탄을 개질기(61)로 유입하여 개질가스를 발생시키고 일산화탄소 전환기(62)를 거쳐 스택(63)으로 보내 발전하도록 한 연료전지(60)로 구성된다.

본 발명에서는 혐기성 소화조(10)에서 발생된 기체는 가스저장조(11)에서 1차 포집된 후 압축기(20)를 통해 1기압 이상으로 압축되며 수분과 미량의 황화수소는 전처리 흡착탑(30)에서 제거된다.

전처리된 소화조 생성가스는 기체분리막(40)에 유입시켜 이산화탄소와 미제거된 황화수소 및 수분을 투과시킨다.

이때 투과부의 압력은 1기압 또는 1기압 이하로 유지되도록 대기 중에 노출시키거나 감압펌프를 통해 압력을 낮추게 된다.

투과부의 압력을 낮출수록 정제된 메탄의 생성량과 농도는 증가하게 된다.

투과부에서는 이산화탄소가 농축되므로 압력순환흡착법을 연계하여 순도 90％ 이상의 이산화탄소를 생산하고 배제부 쪽에서는 1기압 이상으로 유지된 메탄이 생성된다.

배제부 쪽의 메탄 농도는 압력을 고정시킨 상태에서는 투과부와 배제부의 유량의 비인 분할비가 1에 가까워지면 기체분리막(40)내에서 원료기체의 체류시간이 증가하여 배제부에서 얻어지는 순도가 높아지나 생산량은 작아지게 된다.

생산성을 고려한 배제부의 메탄 농도는 90-95％가 이상적이다.

농축된 메탄은 가정용 도시가스의 원료로 사용되도록 배관망을 연결하거나, 연료전지의 발전원으로 사용된다.

본 발명에서는 메탄 개질기(61)와 일산화탄소 전환기(62) 그리고 전력을 생산하는 스택(63)으로 이루어진 연료전지(60) 시스템을 통해 발전하게 된다.

80％이상으로 농축된 메탄은 메탄 개질기(61)에서 반응을 통하여 탄소와 수소의 측쇄가 절단되면서 약 70％의 수소와 27％의 이산화탄소 그리고 3％정도의 미반응 메탄과 일산화탄소가 생성된다.

일산화탄소는 스택(63)에 치명적 결함을 일으키므로 일산화탄소 전환기(62)를 통해 이산화탄소로 전환된다.

수소의 함량이 클수록 발전 효율을 높일 수 있으므로 전지의 종류에 따라 압력순환흡착공정이나 기체분리막공정 등을 적용하여 수소의 함량을 90％ 이상으로 증가시켜 연료전지(60)의 스택(63)에 공급하면 전기분해의 역반응이 일어나면서 전력을 생산하게 된다.

스택(63)에서 수소와 산소가 반응하여 수증기가 생성되므로 외부로 환경오염물질이 배출되지 않는 청정 발전이 가능한 시스템이다.

본 발명을 첨부된 도 2 에 의거하여 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

혐기성 소화조(10)에서 생산된 생화학적 기체는 1차적으로 가스저장조(11)에 저장된다.

저장된 기체는 분리효율을 증대하기 위해 방폭용 압축기(20)를 통하여 1기압 이상으로 가압된 후 완충저장탱크(21)에 저장시킨다.

완충저장탱크(21)는 1기압 이상에서 일정한 압력으로 원료기체를 저장한다.

완충저장탱크(21)에는 압력센서(22)가 장착되어 일정 압력 미만이 되었을 때에만 압축기(20)를 가동하도록 조작한다.

이는 압축기(20)의 연속운전으로 인한 내구성 저하를 막기 위한 것이다.

고압으로 저장된 원료기체는 감압조정기(23)를 거쳐 저압으로 조절되며 원료기체의 유량을 일정하게 유지되도록 한다.

미량의 황화수소와 수분을 제거하기 위해 전처리 흡착탑(30)으로 유입시킨다.

전처리 흡착탑(30)은 2개의 탑으로 구성되어 있으며 교대로 재생과 흡착을 반복하게 된다.

수분과 황화수소가 제거된 원료기체는 중공사 기체분리막(40)에 유입시킨다.

유입된 기체는 중공사의 외부로 흐르게 되고 이산화탄소, 미량의 황화수소와 수분 및 메탄은 중공사로 투과되어 유출된다.

투과한 기체는 대부분 이산화탄소이며 압력순환흡착장치(50)를 이용하여 90％이상으로 정제되어 이산화탄소저장고(51)에 저장시킨다.

투과하지 않은 메탄은 원료기체의 메탄 농도보다 농축되어 생성물로 얻어지고 메탄저장고(41)에 저장시킨다.

저장된 메탄은 도시가스용 배관에 연결하여 가정용 연료원으로 공급하는 방법과 연료전지(60)의 개질기(61)로 유입하여 개질가스를 발생시키고 일산화탄소 전환기(62)를 거쳐 스택(63)으로 보내진다.

개질가스 중 수소는 음극(연료극)에 전자(e^-)를 주고 자신은 이온(H⁺)으로 되어 전해액 중에서 양극(산소극)으로 이동한다.

외부회로를 통한 전자와 전해액 중의 수소이온은 양극에서 공기 중의 산소와 반응하여 물이 되며 외부회로에 전자의 흐름이 형성되어 전류가 흐르게 된다.

본 발명은 기존의 폐수처리를 위한 혐기성 소화공정 중에서 발생되는 메탄을 단순한 연료원으로 사용하지 않고 기체분리막을 이용하여 메탄을 분리 농축하고, 농축된 메탄은 연료전지의 연료원으로 공급하여 혐기성 소화공정의 새로운 개념인 혐기성 폐수처리 및 발전공정을 발명하였으며 이 공정을 기존의 혐기성 소화공정에 적용하면 혐기성 폐수처리시 필요한 각종 동력원의 전력을 대체할 수 있으므로 폐수처리 비용을 절감할 수 있다.

또한 기체분리막을 투과한 이산화탄소는 다시 압력순환흡착공정을 이용하여 90％ 이상으로 농축하여 상품화한다.

본 발명은 메탄을 회수하여 발전원으로 이용하고, 이산화탄소를 회수함으로 자원의 재이용 및 지구온난화를 방지할 수 있는 매우 효과적인 발명이라 할 수 있다.

Claims (2)

1. 혐기성 폐수처리 방법에 있어서,

   혐기성 소화조(10)에서 생산된 생화학적 기체를 1차적으로 저장하는 가스저장조(11)로 구성되는 저장공정과,

   저장된 기체의 분리효율을 증대하기 위해 방폭용 압축기(20)를 통하여 1기압 이상으로 가압하여 저장하되, 압력센서(22)를 이용하여 일정 압력 미만이 되었을 때에만 압축기(20)를 가동하는 완충저장탱크(21)로 구성되는 완충저장공정과,

   고압으로 저장된 원료기체를 저압으로 조절하여 원료기체의 유량을 일정하게 유지되도록 하는 감압조정기(23)로 구성되는 감압공정과,

   미량의 황화수소와 수분을 제거하는 2개의 탑으로 구성되어 교대로 재생과 흡착을 반복하는 전처리 흡착탑(30)으로 구성되는 전처리 흡착공정과,

   이로부터 유입된 기체를 중공사의 외부로 흐르게 하고 이산화탄소, 미량의 황화수소와 수분 및 메탄을 중공사로 투과하여 유출시키는 중공사 기체분리막(40) 으로 구성되는 분리공정과,

   투과한 기체인 이산화탄소를 압력순환흡착장치(50)를 이용하여 90％이상으로 정제하여 저장하는 이산화탄소저장고(51)로 구성되는 정제저장공정과,

   투과하지 않은 원료기체의 메탄 농도보다 농축되어 생성된 메탄을 저장하는 메탄저장고(41)로 구성되는 메탄저장공정과,

   메탄저장고(41)에 저장된 메탄을 가정용 연료원으로 공급하는 도시가스용 배관으로 구성되는 배관공정과,

   메탄저장고(41)에 저장된 메탄을 개질기(61)로 유입하여 개질가스를 발생시키고 일산화탄소 전환기(62)를 거쳐 스택(63)으로 보내 발전하도록 한 연료전지(60)로 구성되는 발전공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 혐기성 폐수처리 및 이를 이용한 발전방법.
2. 혐기성 폐수처리 장치에 있어서,

   혐기성 소화조(10)에서 생산된 생화학적 기체를 1차적으로 저장하는 가스저장조(11)와,

   저장된 기체의 분리효율을 증대하기 위해 방폭용 압축기(20)를 통하여 1기압 이상으로 가압하여 저장하되, 압력센서(22)를 이용하여 일정 압력 미만이 되었을 때에만 압축기(20)를 가동하는 완충저장탱크(21)와,

   고압으로 저장된 원료기체를 저압으로 조절하여 원료기체의 유량을 일정하게 유지되도록 하는 감압조정기(23)와,

   미량의 황화수소와 수분을 제거하는 2개의 탑으로 구성되어 교대로 재생과 흡착을 반복하는 전처리 흡착탑(30)과,

   이로부터 유입된 기체를 중공사의 외부로 흐르게 하고 이산화탄소, 미량의 황화수소와 수분 및 메탄을 중공사로 투과하여 유출시키는 중공사 기체분리막(40)과,

   투과한 기체인 이산화탄소를 압력순환흡착장치(50)를 이용하여 90％이상으로 정제하여 저장하는 이산화탄소저장고(51)와,

   투과하지 않은 원료기체의 메탄 농도보다 농축되어 생성된 메탄을 저장하는 메탄저장고(41)와,

   메탄저장고(41)에 저장된 메탄을 가정용 연료원으로 공급하는 도시가스용 배관과,

   메탄저장고(41)에 저장된 메탄을 개질기(61)로 유입하여 개질가스를 발생시키고 일산화탄소 전환기(62)를 거쳐 스택(63)으로 보내 발전하도록 한 연료전지(60)로 구성되는 것을 특징으로 하는 혐기성 폐수처리 및 이를 이용한 발전장치.