KR20100111347A - 바이오 연료를 이용한 열병합 발전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하수처리 슬러지, 음식물쓰레기, 톱밥 등 상이한 성상의 유기성 폐기물을 혼합균질화시켜 고형화시키고, 이렇게 고형화된 혼합 유기성 폐기물을 통합 소화조에서 혐기성 방법으로 처리하여 바이오 가스를 생성하고 탈황장치로 황화수소 등 황화합물을 제거하여 고순도로 정제되어 열병합 발전기 가스 연료 용도 요구 특성을 충족시키는 저공해 저비용 고열량의 바이오 가스를 생산한 다음,

열병합발전기에서 생성된 바이오가스를 이용해 열원으로 회수하여 난방열과 전기를 생산하고 이렇게 생산된 열을 축열조에 저장하고 축열 효율을 올리는 방법으로 난방, 급탕 등에 이용함으로써 경제적이고 환경친화적인 열병합 발전 시스템 구동으로 지구 온난화와 환경오염을 예방하고 열병합 발전 시스템의 종합적인 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 바이오 연료를 이용한 열병합 발전 시스템에 관한 것이다.

열병합발전기, 바이오가스, 폐기물을 혼합균질화, 고형화, 유기성 폐기물

Description

바이오 연료를 이용한 열병합 발전 시스템{Cogeneration system using bio-gas}

본 발명은 바이오 연료를 이용한 열병합 발전 시스템에 관한 것으로서,

더욱 자세히는 하수처리 슬러지, 음식물쓰레기, 톱밥 등 상이한 성상의 유기성 폐기물을 혼합균질화시켜 고형화시키고, 이렇게 고형화된 혼합 유기성 폐기물을 통합 소화조에서 혐기성 방법으로 처리하여 바이오 가스를 생성하고 탈황장치로 황화수소 등 황화합물을 제거하여 고순도로 정제되어 열병합 발전기 가스 연료 용도 요구 특성을 충족시키는 저공해 저비용 고열량의 바이오 가스를 생산한 다음,

열병합발전기에서는 생성된 바이오가스를 이용해 열원으로 회수하여 난방열과 전기를 생산하고 이렇게 생산된 열을 축열조에 저장하고 축열 효율을 올리는 방법으로 난방, 급탕 등에 이용함으로써 경제적이고 환경친화적인 열병합 발전 시스템 구동으로 지구 온난화와 환경오염을 예방하고 열병합 발전 시스템의 종합적인 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 바이오 연료를 이용한 열병합 발전 시스템에 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 동력이라는 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.

상기한 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 소화가스(바이오 가스)를 열병합 발전 시스템용 연료로 채택하여 저가 대체 에너지원으로 활용하게 되면 환경친화적이고 에너지 절약성이 좋은 장점이 있으나,

소화가스에 함유된 황화수소나 염화수소, 황산화물, 질소산화물 등의 산성가스가 완전히 정제되지 않은 상태로 사용되므로서 발열량이 낮게 되고 메탄 함유 량도 일정하지 않게 되며 극미량이더라도 인체에 대한 독성을 가지면서 심한 악취를 유발하고 열병합 발전기 등의 기계장치를 부식시키는 등 소화가스 정제 효율면에서 문제점이 있어 변화하는 환경에 적합한 바이오 연료 열병합 발전 시스템의 개발이 절실히 요구되고 있다

이에 본 발명자는 상기한 문제점을 개선하기 위하여 연구한 결과 바이오 메스(고농도 유기성 폐기물)를 이용하여 열병합 발전 용도에 적합한 바이오 가스를 생성 자원화시키고 이렇게 형성된 바이오 가스를 도시가스 수준 이상의 가스 정제 처리를 요하는 열병합 발전기의 연료로 이용하여 전기와 스팀 에너지를 생산하고 난방이나 급탕 등 에너지부하에 유연하게 대처하여 열병합 발전 시스템의 종합적인 에너지 효율을 향상시킬 수 있게 하는 바이오 연료를 이용한 열병합 발전 시스템을 개발하게 된 것이다.

전술한 바와 같이 종래의 바이오 연료를 이용한 열병합 발전 시스템은 제반 문제점을 가지고 있는바,

종래 기술에 비하여 바이오 메스(고농도 유기성 폐기물)를 이용한 열병합 발전용 고순도의 바이오 연료를 발열량이 높으면서 생산단가도 저렴하게 생산하고 이렇게 생산된 바이오 연료를 유용하게 활용하여 고순도의 연료원으로서 안정적인 열병합 발전 시스템 운용으로 종합적인 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 열병합 발전 시스템을 개발하여야 하는 기술적 과제가 있다.

본 발명은 전술한 바와 같이 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로,

환경오염을 일으키게 하는 각기 다른 성상의 고농도 유기성 폐기물 즉, 하수처리 슬러지, 음식물쓰레기, 톱밥 등 상이한 물성의 유기성 폐기물을 혼합균질화시켜 고형화시키고, 이렇게 고형화되어 상호 보완적인 물성의 혼합 유기성 폐기물을 통합 소화조에서 혐기성 방법으로 처리하여 바이오 가스를 생성하고 탈황장치로 황화수소 등 황화화물을 제거하여 고순도로 정제되어 열병합 발전기 가스 연료 용도 요구 특성을 충족시키는 저공해 저비용 고열량의 바이오 가스를 생산한 다음,

열병합발전기에서는 생성된 바이오가스를 이용해 열원으로 회수하여 난방열 과 전기를 생산하고 이렇게 생산된 열을 축열조에 저장하고 축열 효율을 올리는 방법으로 난방, 급탕 등에 이용함으로써 경제적이고 환경친화적인 열병합 발전 시스템 구동으로 지구 온난화와 환경오염을 예방하고 열병합 발전 시스템의 종합적인 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 바이오 연료를 이용한 열병합 발전 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

이와 같이 된 본 발명은 종래 기술의 바이오 연료를 이용한 열병합 발전 시스템에 비하여,

저급 연료인 폐기물계 바이오 메스를 이용 유기성 폐기물 발생 현장에서 환경 친화적인 에너지로 전환할 수 있어 종래 기술의 바이오 연료에 비하여 발열성도 우수하고, 생산단가도 매우 저렴하며 제조과정에서의 2차적인 유해 부산물을 생성하지 않아 석유 대체에너지 연료로서의 이용성과 경제성, 환경성을 대폭 향상시킨 저공해 저비용의 고열량의 바이오 연료를 제공할 수 있어 유기성 폐기물의 안전한 처리 및 감량화를 도모할 수 있다.

또한 환경친화적이고 경제적으로 생산된 바이오 연료를 열원으로 열병합 발전기에서 열과 전기를 효율적으로 생산하게 할 수 있어,

폐기물이 월등히 감량됨과 동시에 폐자원 재활용에 따라 에너지 절감에 이바지하며 유해물질 발생을 저감시키므로서 환경친화적인 냉난방장치로서의 기능을 수 행하게 되는 효과가 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명을 첨부 도면에 의하여 상세하게 기술하면 다음과 같으며 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 구성 요소에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

본 발명의 바이오 연료를 이용한 열병합 발전 시스템은,

전처리되어 이송된 하수처리 슬러지, 음식물쓰레기, 톱밥 등 상이한 성상의 유기성 폐기물을 혼합균질화시켜 고형화된 혼합 유기성 폐기물을 혐기성 방법으로 발효처리하여 바이오 가스를 생성하는 소화조(10),

상기 소화조에서 혐기성 방법으로 처리한 바이오 가스 중의 황화수소 등 황화합물을 제거하여 고순도로 정제하는 탈황장치(20),

탈황장치(20)에서 정제된 바이오 가스를 압축 저장하고 저장된 가스를 열병합반전기(40)로 이송하는 가스저장탱크(30),

고순도로 정제된 바이오가스를 이용해 난방열과 전기를 생산하는 열병합 발전기(40),

열병합 발전기(40)에서 생성된 열을 열매체와 열교환하여 온수저장탱크(50)로 공급하는 열교환기(50),

상기 열교환기(50)에서 공급되는 열을 저장하고 난방, 급탕 등에 이용하는 온수저장탱크(50)로 구성되어,

혼합 고상 폐기물을 이용하여 소화조(10)에서 바이오 가스를 생산하고 탈황장치(20)에서 황화수소를 제거한 다음 이렇게 생산된 바이오 가스를 가지고 열병합 발전기(40)에서 전기와 열을 생성하여 전기는 수요처에 공급하고 생성된 열은 열교환기(50)로 열교환하고 축열 기능의 온수 저장탱크(60)에 저장하여 열에너지 부하에 유연하게 대처하는 난방과 급탕을 수행하여 환경친화적이고 에너지 절약적인 바이오 연료를 이용한 열병합 발전 시스템이다.

이하 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명은 전술한 바와 같이 하수처리 슬러지, 음식물쓰레기, 톱밥 등 상이한 성상의 유기성 폐기물을 혼합균질화시켜 고형화시키고, 이렇게 고형화된 혼합 유기성 폐기물을 통합 소화조에서 혐기성 방법으로 처리하여 바이오 가스를 생성하고 탈황장치로 황화수소 등 황화합물을 제거하여 고순도로 정제되어 열병합 발전기 가스 연료 용도 요구 특성을 충족시키는 저공해 저비용 고열량의 바이오 가스를 생산하여 공급하게 된다.

본 발명에 있어서 유기성 폐기물을 유용자원으로 사용하기 위하여 소화조 소화 공정 이전의 하수 슬러지, 음식물쓰레기 등의 전처리 공정에서는 통상의 스크리닝(고액 분리), 파쇄, 탈수, 건조(탈수), 혼합 균질화 등 물리적 방법으로 유기성 폐기물을 고형물 농도가 조절된 상태로 처리하고 유기성 폐기물 고형화 처리장치로 유기성 폐기물을 고형화시키는 공정을 수행하게 되는데,

하수 슬러지, 음식물쓰레기 등 유기성 폐기물에다 임업 폐기물인 톱밥 등을 공급하여 퇴비 생산에 필요한 슬러지 자체의 탄소원과 열량부족을 보충하게 되며,

혼합된 유기성 폐기물에 함유된 수분과 반응하여 고형화시키게 하는 생석회, 소석회 등 고형화제를 혼합하여 중금속과 같은 유해물질 용출을 최소화시켜 퇴비화법에 의한 혼합 고상 폐기물로 구성된 양질의 퇴비를 생산하게 되는데 고형화 반응시 발생하게 되는 반응열은 혼합 폐기물의 증발 건조를 촉진시키게 하는 부수적 기능도 수행한다.

소화조(10)는 고형화된 혼합 유기성 폐기물을 소화조 내부온도 30-40℃ 온도 구간에서 혐기성 방법으로 발효처리하여 바이오 가스를 생성하게 되는데,

상기 소화조에서 혐기 발효 과정을 거쳐 가스발생후 배출되는 유기성 혼합물은 일정 숙성하여 퇴비화 한다.

이어서 탈황장치(20)는 상기 소화조(10)에서 혐기성 방법으로 처리된 바이오 가스 중의 황화수소 등 황화합물을 제거하여 고순도로 정제하여 가스 저장 탱크에 압축 저장하게 되는데,

오염 부하가 높은 소화가스의 보다 효율적인 고도 정화처리를 수행하기 위 하여 탈황장치에 산성가스를 세정하는 습식 탈황장치(scrubber)를 추가로 설치하게 되면 소화가스 정화능력이 보강되어 발열량이 높은 고순도의 소화가스를 공급할 수 있으며 유황을 포함하지 않은 바이오매스 이용으로 대기오염도 방지된다.

가스저장탱크(30)는 탈황장치에서 정제된 바이오 가스를 압축 저장하고 저장된 가스를 열병합반전기로 이송하게 된다.

도시가스 수준의 고순도로 정제되어 열병합 발전기 가스 연료 용도 요구 특성을 충족시키는 저공해 저비용 고열량의 바이오가스를 공급받은 열병합 발전기(40)는 바이오가스를 이용해 유기성 폐기물 바이오매스 열병합발전을 수행하여 난방열과 전기를 생산하게 되고,

열병합 발전기(40)에서 생성된 열은 열교환기(50)에서 열매체와 열교환하여 온수저장탱크(50)로 공급하여 열을 축열하게 되는데 도시가스 등의 외부 연료 공급 없이도 연료를 자급자족할 수 있다.

상기 온수저장탱크(50)는 열교환기로 열교환된 열을 일정한 온도를 유지하면서 축열하고 있다가 난방이나 급탕 등 열수요에 유연하게 대처하게 되는데 폐열을 이용하되 피크시간대 에너지 절감이 가능한 효과적인 축열조 운영으로 열병합 발전 시스템의 종합적인 에너지 효율을 향상시킬 수 있게 된다

상기한 바와 같이 본 발명은 고농도 유기성 폐기물의 유해물질을 저감시 켜유기물을 분해 처리하는 과정에서 발생하는 양질의 바이오 가스로 자원화하는 과정에서 신재생에너지를 획득 생산하여 열수요처로 공급함으로서 열병합 발전 설비의 안정적인 운전이 가능하며 기후변화협약과 관련한 온실가스 저감체제 대응하여 유기성 폐기물로 인한 환경오염도 방지하게 되고 폐자원 재활용에 따라 에너지도 절약하게 되는 것이다.

또한 상기한 일련의 공정은 컴퓨터에 의하여 전체적으로 자동 제어하게 되며, 미도시하였으나 배관상의 필요한 요소 위치에는 압력 손실을 예방하는 부스터 펌프나 온수의 순환용 펌프, 용수나 가스의 유로를 개방 또는 폐쇄시켜 유량을 조절하거나 방향을 전환시키며 역류를 차단하는 다수의 밸브장치가 선택적으로 장착되어 열병합 발전 시스템을 안정적으로 가동할 수 있게 한다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변경이 가능하므로 전술한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 바이오 연료를 이용한 열병합 발전 시스템 구성을 도시한 개략적인 시스템 블럭 구성도

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

10:소화조 20:탈황장치

30:가스저장탱크 40:열병합발전기

50:열교환기 60:온수 저장탱크

Claims (1)

1. 전처리되어 이송된 하수처리 슬러지, 음식물쓰레기, 톱밥 등 상이한 성상의 유기성 폐기물을 혼합균질화시켜 고형화된 혼합 유기성 폐기물을 혐기성 방법으로 발효처리하여 바이오 가스를 생성하는 소화조(10), 상기 소화조에서 혐기성 방법으로 처리한 바이오 가스 중의 황화수소 등 황화합물을 제거하여 고순도로 정제하는 탈황장치(20), 탈황장치(20)에서 정제된 바이오 가스를 압축 저장하고 저장된 가스를 열병합반전기(40)로 이송하는 가스저장탱크(30), 고순도로 정제된 바이오가스를 이용해 난방열과 전기를 생산하는 열병합 발전기(40), 열병합 발전기(40)에서 생성된 열을 열매체와 열교환하여 온수저장탱크(50)로 공급하는 열교환기(50), 상기 열교환기(50)에서 공급되는 열을 저장하고 난방, 급탕 등에 이용하는 온수저장탱크(50)로 구성되어,

   혼합 고상 폐기물을 이용하여 소화조(10)에서 바이오 가스를 생산하고 탈황장치(20)에서 황화수소를 제거한 다음 이렇게 생산된 바이오 가스를 가지고 열병합 발전기(40)에서 전기와 열을 생성하여 전기는 수요처에 공급하며 생성된 열은 열교환기(50)로 열교환하여 축열 기능의 온수 저장탱크(60)에 저장하고 열에너지 부하에 유연하게 대처하는 난방과 급탕을 수행함을 특징으로 하는 바이오 연료를 이용한 열병합 발전 시스템

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