KR20010013857A - 바이오가스를 수득하는 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 H2S를 사실상 제거하는 발효 반응기(2)에서 바이오가스를 형성시키는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명에 있어서, 발효 반응기내의 사실상 총 양의 함유물이, 전자 수용체, 특히 공기, 산소 함유 기체 또는 산소 함유 기체 혼합물을 함유하는 매질이 작용하는 영역(5)을 통과한다. 상기 영역(5)에서의 전자 수용체 함유 매질과 발효 매질의 접촉 시간은, 발효 매질중의 H2S의 형성이 사실상 바이오가스중에 H2S가 검출되지 않을 정도의 양으로 억제되도록 조절된다. 따라서, 영역(5)은 발효 반응기내의 중앙에 수직으로 배치된 가이드 튜브로서 고안된다. 바람직하게는, 바이오가스(6)는 추진제로서 작용하며, 가이드 튜브로 재공급되어 상기 가이드 튜브내의 발효 반응기의 함유물을 순환시킨다.

Description

바이오가스를 수득하는 방법 및 장치 {METHOD AND DEVICE FOR OBTAINING BIO-GAS}
본 발명은 발효 반응기에서 발효 매질의 생물학적 처리에 의해 바이오가스를 수득하는 방법으로서, 산소 함유 가스 또는 가스 혼합물과 같은 전자 수용체 함유 매질, 예를 들어, 공기 및/또는 질산염 및/또는 아질산염을 발효 매질에 공급하여, 원하지 않는 황화수소(H2S)의 형성을 억제하는 방법 및 이를 수행하기 위한 장치에 관한 것이다.
바이오가스를 수득하기 위해, 유기 물질 예를 들어, 하수물, 액체 비료 또는 습한 쓰레기를 함유하는 기질이 유지되며, 적합하게는, 공기가 사실상 배제된 콘테이너내에서 순환된다. 이 동안, 기질내에 함유된 미생물은 유기 물질을 부분적으로 가스 물질로 전환시킨다. 이러한 과정은 분해로서 언급되며, 일반적으로 분해 콘테이너로서 설계된 바이오반응기에서 수행되며, 이는 또한, 발효 반응기로서 언급된다. 기질 및 바이오반응기 작동 특성에 따라, 바이오가스의 근소하게 상이한 조성이 유도된다. 바이오가스는 전형적으로, 약 70 부피%의 CH4및 약 30 부피%의 CO2를 함유한다. 또한, 기질이 하수물 및 습한 쓰레기에서 일반적으로 발생하는 황 화합물을 함유한다면, 이는 미생물에 의해 분해되어 황화수소(H2S)를 제공하며, 이는 최종적으로 바이오가스중에 1 부피% 이하의 농도로 존재한다. 황화수소가 유독성이며, 부식을 초래하기 때문에, 바이오가스중의 황화수소 함량은 환경 오염을 방지하고, 부수적인 시스템, 예를 들어, 라인 및 가스 엔진을 손상시키는 것을 방지하기 위해 감소되어야 한다.
당해분야에서, 바이오반응기의 정제 단계 다운스트림에서 바이오가스의 황화수소 함량은 적당하게 감소되며, 상기 단계는 예를 들어, 세정기, 흡착 유닛 또는 생물학적 탈황 시스템으로써 설계될 수 있다. 추가적인 정제 단계의 필요는 많은 자본을 초래하며, 완전한 바이오가스 시스템에 필요한 공간을 증가시킨다. 또한, 가스상에서의 후속 정제는 일반적으로, 폐 생성물, 예를 들어, Fe 황화물, 황화, 황산 등을 초래하며, 이는 처리되어야 한다.
DD 226,552 A1에는 바이오가스중의 황화수소 함량을 감소시키는 방법으로서, 수산화철을 부유된 형태로 처리될 슬러지에 첨가하여 혼합시키는 방법이 기재되어 있다. 이것의 목적은 황화 수소의 화학 결합에 있다. 또한, 처리될 발효 매질로 염화철을 미터링하는 것은 공지되어 있다. 그러나, 화학품 미터링을 포함한 이러한 유형의 작업 공정은 화학품을 발효 매질에 첨가해야 하기 때문에 문제가 된다. 예를 들어, 부식 염화물 이온의 유입은 발효 반응기의 내구성에 악영향을 미칠 수 있다.
EP 0 143 149 B1에는 또한, 반응기 자체에서 황화수소의 형성을 억제하는 방법이 제안되어 있다. 이는 바이오반응기로 신선한 슬러지 또는 물을 도입시켜, 형성된 바이오가스중 잔여 산소 함량이 0.01 내지 3.0 부피%가 되게 한다. 이는 한편으로는, 바이오가스중의 황화수소 함량을 충분히 감소시키고, 다른 한편으로는 바이오반응기중의 산소 함량은 정밀하게 조절되어, 메탄 형성 박테리아에 대한 산소 독성이 바이오가스 형성에 지나친 방해를 초래하지 않을 정도로 높지 않아야 한다.
H2S 생성 마이크로플로라(microflora)를 억제하므로써 H2S 형성을 억제하기 위한 종래 용액은 발효 공급물로 공기를 미터링하거나, 발효 반응기로 지점에서 공기를 도입시키는 것을 기초로 하고 있다. 이러한 문제에 대한 장치 설비 및 본 발명자의 연구는 높은 비율의 산소 소모로 인해, 대체로 공급 물질로 또는 지점에서의 미터링은 불충분한데, 그 이유는 산소가 단지 짧은 거리 후에 생화학적으로 전환되어, 대용량 발효 반응기에서 H2S 형성에 대한 억제가 현저한 효과를 달성하기에 불충분하기 때문이다.
과량의 공기를 미터링하므로써 이를 개선하려는 시도가 이루어졌지만, 이는 안정에 대한 위험성을 증가시키며, 바이오가스중의 불활성 질소의 함량이 높아져서 칼로리 질의 저하를 초래한다.
또한, 발효기 기부상에서 충분히 표면을 덮도록 공기를 분포시키므로써 전체 반응기로의 공급을 개선시키려는 시도가 행해질 수 있다. 그러나, 높은 건조물 함량을 갖는 쓰레기 및 슬러지 발효 부유물에 대한 이러한 분포의 장기간에 걸친 작업의 안정도가 의심스럽다.
본 발명은 발효 반응기에서 배출되는 바이오가스가 사실상 황화수소를 함유하지 않으며, 바이오가스 형성을 방해하지 않으며, 당해 분야의 단점을 피할 수 있는, 초기에 언급된 유형의 공정 및 이러한 공정을 수행하기 위한 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은, 발효 반응기내에 존재하는 사실상 모든 발효 매질이 전자 수용체 함유 매질과 충분히 접촉할 수 있도록 조절된 시간 동안 전자 수용체 함유 매질이 공급되는 영역을 통과하여, 적어도 바이오가스중 H2S의 양이 미량으로 존재하도록 발효 매질중의 H2S 형성을 억제시키는 본 발명의 공정에 의해 달성된다.
편리하게는, 사용되는 전자 수용체 함유 매질은 공기, 다른 산소 함유 가스 또는 가스 혼합물이다. 또 다른 가능성은 전자 수용체로서 아질산염 또는 질산염을 사용하는 것이다. 다양한 전자 수용체의 배합물 또한 고려된다.
본 발명의 본질은 전자 수용체 함유 매질로서 공기를 사용하는 경우 하기와 같은 방식으로 가장 간단히 설명될 수 있다:
언급된 당해 분야의 문제점은 완전한 발효 챔버내의 공기를 사실상 균일하게 분포시키는 것을 시도하지 않는 방식으로 본 발명에 의해 해결되었다; 이와 반대로, 발효 반응기내의 전체 함유물은 산소 함유 영역을 통해 가스와 발효 매질의 적당한 접촉 시간 동안 규정된 방식으로 이송된다. 산업적으로 간단하고 발효 매질중의 H2S 형성 잔여물 비함유 억제는 이러한 방식으로 재현가능하게 달성된다. 본 발명의 따른 공정은 발효 매질에서 H2S 형성을 억제하는 장치 조작에 있어서 작업적으로 안정적이다.
발효 반응기내에 존재하는 사실상 모든 발효 매질을 1시간 동안 수회에 걸쳐, 바람직하게는 2회 이상 영역을 통해 이동시키는 것이 사실상 편리하다. 또한, 전자 수용체 함유 매질은 바람직하게는, 발효 매질이 영역을 통과하는 동안 발효 매질내의 H2S 형성을 억제시키기 위해 전자 수용체 함유 매질과의 적당한 접촉을 유지하는 양으로 미터링된다.
본 발명의 바람직한 구체예에서, 전자 수용체 함유 매질과 영역내의 발효 매질 사이의 접촉 시간 및/또는 영역으로 미터링되는 전자 수용체 함유 매질의 양이 조절되어, 바이오가스중의 전자 수용체 함유 매질이 공정을 방해하지 않을 정도로 생화학적으로 분해된다. 전자 수용체 함유 매질로서 공기, 산소 함유 가스 또는 가스 혼합물을 사용하는 경우, 바이오가스중의 산소가 공정을 방해하지 않을 정도의 생화학적 분해가 달성된다. 본 공정의 이러한 처리는 유기 물질의 혐기성 처리 및 발효 반응기에서 바이오가스의 수득에 손상을 끼치지 않는다는 것을 확실하게 해준다.
또한, 전자 수용체 함유 매질로서 공기가 사용되는 경우, 시간당 영역으로 공급되는 공기의 양은 바람직하게는, 공기의 질소 함량으로부터 바이오가스중에 유도된 질소 함량이, 열이용율 면에서, 바이오가스의 질을 저하시키기 않도록 조절된다. 이는 제한 없이 바이오가스, 예를 들어, 연료 가스를 사용하는 것을 가능하게 한다.
본 발명의 특히 바람직한 구체예는 영역을 통해 발효 매질을 수송하기 위해 추진 가스로서 발효 반응기에서 형성된 바이오가스를 사용하는 방법을 제공한다. 영역이 예를 들어, 도관 파이프로서 설계된 경우, 바이오가스는 도관 파이프의 내부로 펌핑된다. 도관 파이프의 혼합물의 밀도 및 가스 부력의 감소 결과로서, 발효 매질은 도관 파이프를 통해 위로 이송된다. 이와 관련하여, 도관 파이프 형태 및 주입된 바이오가스 스트림을 선택하므로써 수압 상태를 조절하여, 발효 반응기의 전체 함유물을 도관 파이프를 통해 1시간 동안 2회 이상 펌핑하는 것이 편리하다.
게다가, 본 발명은 발효 매질을 수용하기 위한 발효 반응기 및 바이오가스용 배출 라인을 갖춘, 바이오가스를 수득하기 위한 장치에 관한 것이다. 이렇게 언급된 목적은 도관이 발효 반응기의 내부에 위치하며, 전자 수용체 함유 매질을 위한 하나 이상의 공급 라인이 도관 또는 도관의 개구 말단 부근에서 말단화되며, 도관을 통해 발효 반응기에 함유된 사실상 모든 발효 매질을 수송하기 위한 수단이 제공된 장치에 의해 달성된다.
따라서, 발효 반응기는 예를 들어, 도관 파이프로서 설계될 수 있는 도관 형태의 내부 루프를 갖는 사실상 루프 반응기 형태를 취한다. 바람직하게는, 도관은 발효 반응기내에 사실상 중앙에 수직으로 배치된 도관 파이프로써 설계된다.
추진 가스로서 바이오가스를 주입하기 위해, 바람직하게는, 바이오가스 배출 라인으로 분기되는 바이오가스 분기 라인은 도관 또는 도관의 개구 말단 부근에서 말단화된다.
본 발명의 또 다른 바람직한 구체예에서, 도관의 형태는 발효 매질과 전자 수용체 함유 매질이 발효 매질내의 H2S 형성을 사실상 억제하기에 충분한 시간 동안 접촉되도록 선택된다.
게다가, 도관의 형태, 발효 반응기의 크기 및 바이오가스 분기 라인의 치수는 바람직하게는, 사실상 발효 반응기내에 함유된 모든 발효 매질이 도관을 통해 한시간 동안 2회 이상 이동될 수 있도록 선택된다.
본 발명에 따른 장치의 또 다른 구체예는 가열가능하게 설계된 도관을 제공한다. 이러한 목적을 위해, 도관은 편의상 자켓을 갖는 도관으로써 설계된다. 뜨거운 물을 위한 유입구 및 배출구를 갖춘 자켓이 제공된다. 본 발명의 이러한 구체예에서, 적합한 공정으로 사실상 H2S 비함유 바이오가스를 수득하는 것을 가능하게 하는 여러 효과가 동시에 달성된다:
발효 반응기의 도관 파이프로서 설계된 내부 루프를 통한 발효 매질의 순환은 발효 반응기의 전체 함유물을 균질화시킨다. 전자 수용체 함유 매질, 예를 들어, 공기의 미터링으로 인해, 발효 반응기내의 H2S 형성이 동시에 억제된다. 게다가, 발효 반응기의 함유물은 발효 매질의 생물학적 처리에 최적인 작업 온도에서 도관을 가열시키므로써 유지된다.
또한, 추가적인 효과는 발효 반응기내에 중앙에 수직으로 배치된 도관 파이프에 의해 달성된다:
도관 파이프의 하부 말단에서 흡입된 발효 매질은 바람직하게는, 바이오가스의 주입에 의해 도관 파이브의 상부 말단으로 펌핑되고, 도관 파이프의 상부 말단에서 수직상으로 주변 발효 매질로 배출된다. 따라서, 도관 파이프 위쪽 주위로 유도된 중앙 표면 분출은 발효 반응기내에 부유되어 커버링되는 분포에 의해 달성되며, 이는 공정의 안정도에 유리한 영향을 미친다.
본 발명은 일련의 이점을 제공한다:
당해 분야의 공정과 비교하여, H2S를 억제하기 위한 화학품의 미터링이 요구되지 않는다. 또한, 폐물 처리가 요구되지도 않는다. 본 발명은 특히 산업적으로 단순한 수단으로 공정의 높은 안정도를 달성한다. 현행 바이오가스 장치의 변형이 최소 비용으로 가능하다. 가장 간단한 경우, 발효 반응기에 사용된 도관 파이프 균질 시스템에 공기 미터링기를 장착하기만 하면 된다.
본 발명은 도면에 도해적으로 설명된 구체예에 의해 하기에 상세히 설명될 것이다.
도 1은 H2S가 억제되는 바이오가스 장치에 대한 흐름도이다.
도 2는 발효 챔버에서 공기 미터링을 갖춘 발효 반응기 및 갖추지 않은 발효 반응기의 작업 결과를 비교한 것이다.
도 1에는 습한 쓰레기의 발효를 위한 장치의 예가 도시되어 있다. 습한 쓰레기는 펄프 및 가수분해물을 유도하는 전처리 단계에서 제조된다(미도시됨). 펄프 및 가수분해물은 발효 매질로서 라인(1)을 통해 발효 반응기(2)로 공급된다. 이러한 목적을 위해, 발효 반응기(2)는 혐기성 조건하에서 유지되며, 발효 반응기의 함유물이 순환된다. 발효 펄프 및 가수분해물에 함유된 혐기성 생물은 유기 물질을 부분적으로 CO2및 CH4로 전환시킨다. 생성된 바이오가스는 라인(3)을 통해 발효 반응기(2)로부터 배출된다. 발효된 습한 쓰레기의 액체 및/또는 고체 부분은 라인(4)을 통해 발효 반응기(2)로부터 배출된다.
펄프 및 가수분해물 또한, 황 화합물을 함유하기 때문에, H2S가 지나치게 형성되며, 이는 바이오가스중에 검출될 것이다. 바이오가스중의 원하지 않는 H2S의 함량을 최소화하기 위해, 전체 발효 챔버내의 공기를 사실상 균일하게 분포시키는 당해 분야와 비교하여, 본 발명에서는 발효 반응기의 전체 함유물이 규정된 방식으로 산소 함유 영역(5)을 통해 산소 함유 가스와 발효 매질의 충분한 접촉 시간 동안 수송된다. 이러한 목적을 위해, 발효 반응기(2)는, 중앙에 수직으로 배치되어 있으며, 산소 함유 영역으로서 작용하는 도관 파이프(5) 형태의 내부 루프를 갖춘 루프 반응기의 형태이다. 게다가, 도관 파이프 내부의 하부로 펌핑되고, 바이오가스 분기 라인(6)을 통해 바이오가스 배출 라인(2)으로부터 분기되는 바이오가스는 추진 가스로서 작용한다. 도관 파이프(5)의 혼합물의 밀도 및 가스 부력의 감소 결과, 발효 매질은 도관 파이프(5)를 통해 위쪽으로 수송된다. 이러한 경우, 수력 상태는, 발효 반응기의 전체 함유물이 도관 파이프(5)를 통해 한시간 동안 2회 이상 펌핑되도록 선택된 도관 파이프 형태 및 주입되는 바이오가스 스트림에 의해 조절된다. 요구되는 방식의 대사 공정으로 H2S 형성을 제한하기 위해 공기는 공기 공급 라인(7)에 의해, 발효 매질이 도관 파이프(5)를 통해 이동하면서 산소와 적합하게 접촉할 수 있게 하는 양으로 도관 파이프(5)의 내부 상류로 미터링된다. 동시에, 바이오가스중의 산소는 공정을 방해하지 않을 정도로 생화학적으로 분해된다. 이를 위해 요구되는 공기는 최소화될 수 있어서, 바이오가스중의 질소는 추가적인 칼로리 이용을 위한 가스의 질을 저하시키지 않는다.
발효 매질의 생물학적 처리에 최적인 작업 온도를 유지하기 위해, 도관 파이프(5)는 가열가능하게 설계된다. 이러한 목적을 위해, 도관 파이프(5)에는 뜨거운 물을 위한 유입구(8) 및 배출구(9)가 있는 이중벽 자켓이 제공된다. 게다가, 발효 반응기의 함유물의 온도는 뜨거운 물이 흐르는 열교환기(19)에 의해 조절될 수 있다.
산소 함유 영역으로서 발효 반응기(2)내에 중앙에 수직으로 배치된 도관 파이프(5)의 사용은 동시에 여러 효과를 달성한다:
한편으로는, 도관 파이프(5)에서 공기 미터링으로 인해 확실한 H2S 억제가 달성된다. 다른 한편으로는, 발효 반응기의 함유물은 발효 반응기(2)의 내부 루프를 통한 순환에 의해 균질화된다. 게다가, 발효 반응기의 온도는 도관 파이프의 자켓을 통해 펌핑되는 뜨거운 물에 의해 조절된다. 최종적으로, 도관 파이프(5)의 상부 말단으로부터의 발효 매질의 분출로 인해, 중심 표면 분출이 도관 파이프(5) 위로 유도되며, 발효 반응기(2)내에서 부유되며 커버링되는 분포가 유도된다.
발효 매질의 설명된 순환은 요구되는 방식으로 전체 발효 챔버에서 H2S 전구체를 확실하게 손상시키기에 충분하다. 이는 도 2에 설명된 측정에 의해 입증된 바와 같이, 발효 반응으로부터 메탄 형성을 방해하는 것과 관련되지 않는다.
도 2에는 공기가 미터링되지 않는 통상적인 발효 반응기의 작업 결과(반응기 2)와 비교한, 발효 챔버로 공기가 미터링되는 발효 반응기의 작업 결과(반응기 1)가 도시되어 있다.

Claims (11)

  1. 산소 함유 가스 또는 가스 혼합물과 같은 전자 수용체 함유 매질, 예를 들어, 공기 및/또는 질산염 및/또는 아질산염을 발효 매질에 공급하여, 원하지 않는 황화수소(H2S)의 형성을 억제하는 발효 반응기에서 발효 매질을 생물학적으로 처리하므로써 바이오가스를 수득하는 방법으로서, 발효 반응기(2)내에 함유된 사실상 모든 발효 매질이, 전자 수용체 함유 매질과 충분히 접촉할 수 있도록 조절된 시간 동안 전자 수용체 함유 매질이 공급되는 영역(5)을 통과하여, 적어도 바이오가스중 H2S의 양이 미량으로 존재하도록 발효 매질중의 H2S 형성을 억제시킴을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 발효 반응기(2)내에 함유된 사실상 모든 발효 매질이 1시간 동안 수회, 바람직하게는, 2회 이상 영역(5)을 통과함을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 발효 매질이 전자 수용체 함유 매질과 적합하게 접촉하면서 영역(5)을 통과할 수 있는 양으로 미터링되어, 발효 매질내의 H2S의 형성을 억제시킴을킴을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중의 어느 한 항에 있어서, 영역(5)에서 전자 수용체 함유 매질과 발효 매질 사이의 접촉 시간 및/또는 영역(5)으로 미터링된 전자 수용체 함유 매질의 양이 조절되어, 바이오가스중의 전자 수용체 함유 매질이 공정을 방해하지 않을 정도로 생화학적으로 분해됨을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중의 어느 한 항에 있어서, 공기가 전자 수용체 함유 매질로서 사용될 경우, 단위 시간 당 영역(5)으로 공급된 공기의 양이 조절되어, 공기중의 질소 함량으로부터 바이오가스중에 유도된 질소 함량이, 열 이용율 면에서, 바이오가스의 질을 거의 저하시키지 않음을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항중의 어느 한 항에 있어서, 발효 매질이 바람직하게는 바이오가스로 구성된 추진 가스에 의해 영역(5)을 통과함을 특징으로 하는 방법.
  7. 발효 매질을 수용하기 위한 발효 반응기 및 바이오가스 배출 라인을 갖춘, 바이오가스를 수득하기 위한 장치로서, 도관(5)은 발효 반응기(2)의 내부에 위치하며, 전자 수용체 함유 매질을 위한 하나 이상의 공급 라인(7)이 도관(5) 또는 도관(5)의 개구 말단 부근에서 말단화되며, 도관(5)을 통해 발효 반응기에 함유된 사실상 모든 발효 매질을 수송하기 위한 수단이 제공됨을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 도관(5)이 발효 반응기(2)내에서 사실상 중앙에 수직으로 배치된 도관 파이프로서 설계됨을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 바이오가스 배출 라인(3)으로 분기되는 바이오가스 분기 라인(6)이 도관(5) 또는 도관(5)의 개구 말단 부근에서 종결됨을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항중의 어느 한 항에 있어서, 도관(5)의 형태가 발효 매질과 전자 수용체 함유 매질 사이의 접촉 시간이 충분하여, 발효 매질중의 H2S 형성이 사실상 억제될 수 있도록 선택됨을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 7 항 내지 제 10 항중의 어느 한 항에 있어서, 도관(5)의 형태, 발효 반응기(2)의 크기 및 바이오가스 분기 라인(6)의 치수가, 발효 반응기(2)내에 함유된 사실상 모든 발효 매질이 도관(5)을 통해 1시간 동안 2회 이상 수송될 수 있도록 선택됨을 특징으로 하는 장치.
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