KR20120083220A - Methane recovering method and methane recovering apparatus - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method and apparatus for recovering methane are provided to control oxygen under predetermined content and collect methane from biogas. CONSTITUTION: A method for recovering methane comprises the following steps: absorbing siloxane among the biogas and removing thereof(S1); reacting hydrogen sulfide among the biogas with metal oxide and removing as metal sulfide(S2); reacting oxygen among the biogas with copper-zinc and capturing as cupric oxide(S3); and separating carbon dioxide among the biogas and concentrating methane using a pressure swing absorbing method(S4).

Description

메탄 회수방법 및 메탄 회수장치{METHANE RECOVERING METHOD AND METHANE RECOVERING APPARATUS}Methane Recovery Method and Methane Recovery System {METHANE RECOVERING METHOD AND METHANE RECOVERING APPARATUS}

본 발명은 바이오가스에 포함된 메탄을 회수하는 메탄 회수방법으로서, 특히 바이오가스로부터 불순물을 제거해서 높은 회수율로 메탄을 회수하는 메탄 회수방법 및 메탄 회수장치에 관한 것이다.The present invention relates to a methane recovery method for recovering methane contained in the biogas, and more particularly, to a methane recovery method and a methane recovery apparatus for recovering methane at a high recovery rate by removing impurities from the biogas.

바이오가스는 유기성 자원의 혐기성 발효 등에 의해 생성되고, 그 조성은 일반적으로 메탄을 주성분으로 하고, 탄산가스와, 그 외 미량의 산소, 질소, 황화수소, 실록산 등을 포함하고, 황화수소, 실록산 등의 유해한 불순물을 제거하여 보일러의 열원이나 발전기의 연료 등에 이용되고 있다.Biogas is produced by anaerobic fermentation of organic resources and the like, and its composition is generally composed of methane and contains carbon dioxide and other traces of oxygen, nitrogen, hydrogen sulfide, siloxane, and the like, and is harmful to hydrogen sulfide, siloxane, and the like. It removes impurities and is used for heat sources of boilers and fuels of generators.

종래, 바이오가스에 함유되는 불순물은 고압수 흡수법에 의해 CO2, 유황계 불순물을 물 속에 용해시키거나(예를 들면 일본 특허공개 2006-95512호 공보 참조), 흡착제에 흡착시키거나(예를 들면 일본 특허공개 2002-60767호 공보 참조), 반응생성물로서 제거하거나(예를 들면 일본 특허공개 2003-277779호 공보 참조), 다단의 분리막에 의해 분리하는(예를 들면 일본 특허공개 2009-242773호 공보 참조) 등의 제거방법에 의해 제거된다.Conventionally, impurities contained in biogas are dissolved by dissolving CO 2 and sulfur-based impurities in water by high pressure water absorption (for example, see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-95512), or by adsorbing on an adsorbent (e.g., For example, see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-60767), remove it as a reaction product (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-277779), or separate by a multistage separation membrane (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-242773). Removal method).

또한, 일본 특허공개 2006-16439호 공보에 기재된 바와 같이, Li 및 Ca 등을 교환 양이온으로 한 X형 제올라이트를 이산화탄소 흡착제로서 흡착탑에 충전하고, 압력 스윙 흡착법에 의해 이산화탄소 및 물을 제거하여 메탄을 농축하고 있다.Further, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-16439, an X-type zeolite using Li and Ca as an exchange cation was charged into a adsorption tower as a carbon dioxide adsorbent, and carbon dioxide and water were removed by pressure swing adsorption to concentrate methane. Doing.

메탄 등의 가연성 가스를 주성분으로 하는 가스는 연소 용도로 사용되기 때문에 바이오가스로부터 얻어지는 가스에는 황화수소 등의 유해물질이 포함되어 있지 않으면 좋고, 산소를 포함하고 있어도 아무 문제가 없다. 그 때문에, 종래는 메탄을 주성분으로 하는 바이오가스에 포함되는 산소는 제거의 대상이 되지 않았다.Gases mainly composed of combustible gases such as methane are used for combustion purposes, so the gas obtained from the biogas may not contain harmful substances such as hydrogen sulfide, and there is no problem even if it contains oxygen. Therefore, conventionally, oxygen contained in biogas containing methane as a main component has not been subjected to removal.

만일, 어떠한 이유에 의해 바이오가스 중의 산소 함유량의 저감을 시도했다고 하면 산소와 메탄을 촉매를 사용해서 반응시키는 것이 고려되지만, 촉매를 사용한 메탄과 산소의 반응은 약 380℃ 이상이 아니면 충분히 일어나지 않기 때문에 가스를 가열하는데에 엄청난 에너지가 필요하게 된다.If the oxygen content in the biogas is attempted for some reason, the reaction of oxygen and methane using a catalyst is considered, but the reaction between methane and oxygen using the catalyst does not occur sufficiently unless it is about 380 ° C or higher. Enormous energy is required to heat the gas.

또한, 바이오가스를 정제하여 탄산가스 등을 제거함으로써 메탄을 주성분으로 하는 가스로 하고, 자동차 및 가정용 발전기 등의 연료 전지용 연료가스로서 이용하는 것이 제안되어 있다. 바이오가스의 유효 이용의 관점에서는 정제된 바이오가스를 주로 천연가스로 이루어진 도시가스와 혼합시키는 것이 바람직하다.Further, it has been proposed to purify biogas to remove carbon dioxide and to use methane as a main component and to use it as fuel gas for fuel cells such as automobiles and household generators. In view of the effective use of biogas, it is preferable to mix the purified biogas with city gas mainly composed of natural gas.

그러나, 연료 전지용 연료가스로서 이용할 경우, 산소는 천연가스를 수증기 개질하는 촉매의 열화를 촉진하기 때문에 가정용 발전기의 연료로서 이용되는 도시가스의 산소 함유량을 제한시키는 것이 필요하게 된다. 그 때문에, 정제된 바이오가스를 도시가스와 혼합할 경우 연료가스의 품질 확보를 위해서 바이오가스의 산소함유율을 1O몰ppm 미만으로 저감시키는 것이 필요하게 된다.However, when used as a fuel gas for a fuel cell, since oxygen promotes deterioration of the catalyst for steam reforming natural gas, it is necessary to limit the oxygen content of the city gas used as fuel for domestic generators. Therefore, when the purified biogas is mixed with the city gas, it is necessary to reduce the oxygen content of the biogas to less than 100 mol ppm in order to secure the quality of the fuel gas.

여기서, 산소는 고압에서도 물로의 용해도가 작기 때문에 일본 특허공개 2006-95512호 공보와 같은 고압수 흡수법으로는 메탄과의 분리가 원리적으로 곤란하다. 또한, 일본 특허공개 2002-60767호 공보, 일본 특허공개 2003-277779호 공보, 일본 특허공개 2009-242773호 공보, 및 일본 특허공개 2006-16439호 공보와 같은 분리 기술에 의해서 산소를 분리할 경우는 메탄의 회수율이 낮아진다.Since oxygen has a low solubility in water even at high pressures, separation with methane is difficult in principle by a high pressure water absorption method such as Japanese Patent Laid-Open No. 2006-95512. In addition, when oxygen is separated by separation techniques such as Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-60767, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-277779, Japanese Patent Publication No. 2009-242773, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-16439 The recovery of methane is lowered.

본 발명의 목적은 산소를 소정 함유량 이하로 억제함과 아울러 높은 회수율로 바이오가스로부터 메탄을 회수할 수 있는 메탄 회수방법 및 메탄 회수장치를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a methane recovery method and a methane recovery apparatus capable of restraining oxygen below a predetermined content and recovering methane from biogas at a high recovery rate.

본 발명은 메탄을 주성분으로 하고, 적어도 산소를 불순물로서 함유하는 바이오가스로부터 메탄을 회수하는 메탄 회수방법으로서,The present invention relates to a methane recovery method for recovering methane from a biogas containing methane as a main component and at least oxygen as an impurity.

바이오가스 중의 실록산을 흡착제에 흡착시켜서 제거하는 흡착 제거 공정과, 바이오가스 중의 황화수소를 금속 산화물과 반응시켜서 금속 황화물로서 제거하는 반응 제거 공정과, An adsorption removal step of adsorbing and removing the siloxane in the biogas by adsorbent, a reaction removal step of removing hydrogen sulfide in the biogas with a metal oxide to remove it as a metal sulfide,

바이오가스 중의 산소를 구리-산화아연과 반응시켜서 산화구리로서 포착하는 포착 공정과, A capture step of capturing oxygen in the biogas with copper-zinc oxide to capture copper oxide;

압력 스윙 흡착법에 의해서 바이오가스 중의 이산화탄소를 분리하여 메탄을 농축하는 농축 공정을 갖고, 흡착 제거 공정, 반응 제거 공정, 포착 공정 및 농축 공정을 행함으로써 바이오가스로부터 메탄을 회수하는 것을 특징으로 하는 메탄 회수방법이다.Methane recovery, characterized in that the methane is recovered from the biogas by separating the carbon dioxide in the biogas by the pressure swing adsorption method and concentrating the methane, and performing the adsorption removal step, the reaction removal step, the capture step, and the concentration step. It is a way.

본 발명에 의하면, 흡착 제거 공정에서 바이오가스 중의 실록산을 흡착제에 흡착시켜서 제거하고, 반응 제거 공정에서 바이오가스 중의 황화수소를 금속 산화물과 반응시켜서 금속 황화물로서 제거한다. 포착 공정에서는 바이오가스 중의 산소를 구리-산화아연과 반응시켜서 산화구리로서 포착한다. 농축 공정에서는 압력 스윙 흡착법에 의해서 바이오가스 중의 이산화탄소를 분리하여 메탄을 농축한다.According to the present invention, the siloxane in the biogas is removed by adsorbing the adsorbent in the adsorption removal step, and the hydrogen sulfide in the biogas is reacted with the metal oxide in the reaction removal step to remove the metal sulfide. In the capturing step, oxygen in the biogas is reacted with copper-zinc oxide and captured as copper oxide. In the concentration process, carbon dioxide in biogas is separated by pressure swing adsorption to concentrate methane.

이들 각 공정을 행함으로써 산소를 소정 함유량 이하, 예를 들면 1Oppm 이하로 억제함과 아울러 높은 회수율로 바이오가스로부터 메탄을 회수할 수 있다.By performing each of these steps, oxygen can be suppressed to a predetermined content or less, for example, 10 ppm or less, and methane can be recovered from the biogas at a high recovery rate.

또한 본 발명에 있어서, 상기 포착 공정에서는 피처리 가스를 200℃~300℃의 온도 조건 하에서 구리-산화아연과 접촉시키는 것이 바람직하다.Moreover, in this invention, it is preferable to contact a to-be-processed gas with copper- zinc oxide in the said capture process under the temperature conditions of 200 degreeC-300 degreeC.

본 발명에 의하면, 상기 포착 공정에서는 피처리 가스를 200℃~300℃의 온도 조건 하에서 구리-산화아연과 접촉시킨다.According to the present invention, in the capturing step, the gas to be treated is brought into contact with copper-zinc oxide under a temperature condition of 200 ° C to 300 ° C.

이것에 의해, 산소와 메탄을 반응시키는 방법에 비해 낮은 온도에서 바이오가스로부터 산소를 제거할 수 있다.This makes it possible to remove oxygen from the biogas at a lower temperature than the method of reacting oxygen with methane.

또한 본 발명에 있어서, 상기 농축 공정에서는 가압함으로써 흡착제에 바이오가스 중의 이산화탄소를 흡착시키고, 대기압으로 함으로써 흡착제로부터 이산화탄소를 이탈시키는 것이 바람직하다.In the present invention, in the concentration step, it is preferable to adsorb carbon dioxide in the biogas to the adsorbent by pressurizing, and to release the carbon dioxide from the adsorbent by setting it to atmospheric pressure.

본 발명에 의하면, 상기 농축 공정에서는 가압함으로써 흡착제에 바이오가스 중의 이산화탄소를 흡착시키고, 대기압으로 함으로써 흡착제로부터 이산화탄소를 이탈시키므로 효율적으로 이산화탄소를 분리할 수 있다.According to the present invention, in the concentration step, carbon dioxide in biogas is adsorbed to the adsorbent by pressurization, and carbon dioxide is separated from the adsorbent by setting it to atmospheric pressure, so that carbon dioxide can be efficiently separated.

또한 본 발명에 있어서, 상기 포착 공정은 상기 반응 제거 공정 후에 행해지는 것이 바람직하다.Moreover, in this invention, it is preferable that the said capture process is performed after the said reaction removal process.

본 발명에 의하면, 상기 포착 공정에서는 황화수소가 제거된 바이오가스가 도입되므로 황화수소가 구리-산화아연과 반응할 일이 없고, 산소와 구리-산화아연의 반응이 저해될 일이 없다.According to the present invention, since the biosulfide from which hydrogen sulfide has been removed is introduced in the capturing step, hydrogen sulfide does not react with copper-zinc oxide, and the reaction between oxygen and copper-zinc oxide is not inhibited.

또한 본 발명은 메탄을 주성분으로 하고, 적어도 산소를 불순물로서 함유하는 바이오가스로부터 메탄을 회수하는 회수장치로서, Moreover, this invention is a recovery apparatus which collect | recovers methane from the biogas which has methane as a main component and contains oxygen at least as an impurity,

바이오가스 중의 실록산을 흡착제에 흡착시켜서 제거하는 흡착탑과, An adsorption tower for adsorbing and removing siloxane in the biogas by adsorbent,

바이오가스 중의 황화수소를 금속 산화물과 반응시켜서 금속 황화물로서 제거하는 황화수소 반응탑과, A hydrogen sulfide reaction tower for reacting hydrogen sulfide in the biogas with a metal oxide to remove it as a metal sulfide,

바이오가스 중의 산소를 구리-산화아연과 반응시켜서 산화구리로서 포착하는 탈산소 반응탑과, A deoxygenation reaction tower which reacts oxygen in the biogas with copper-zinc oxide and captures it as copper oxide,

압력 스윙 흡착법에 의해서 바이오가스 중의 이산화탄소를 분리하여 메탄을 농축하는 압력 스윙 흡착장치를 갖고, 흡착탑, 황화수소 반응탑, 탈산소 반응탑 및 압력 스윙 흡착장치를 동작시킴으로써 바이오가스로부터 메탄을 회수하는 것을 특징으로 하는 메탄 회수장치이다.It has a pressure swing adsorption system for concentrating methane by separating carbon dioxide in biogas by pressure swing adsorption method, and recovering methane from biogas by operating adsorption tower, hydrogen sulfide reaction tower, deoxygenation reaction tower and pressure swing adsorption system. It is a methane recovery apparatus.

본 발명에 의하면, 흡착탑에서 바이오가스 중의 실록산을 흡착제에 흡착시켜서 제거하고, 황화수소 반응탑에서 바이오가스 중의 황화수소를 금속 산화물과 반응시켜서 금속 황화물로서 제거한다. 탈산소 반응탑에서 바이오가스 중의 산소를 구리-산화아연과 반응시켜서 산화구리로서 포착한다. 압력 스윙 흡착장치에서 압력 스윙 흡착법에 의해서 바이오가스 중의 이산화탄소를 분리하여 메탄을 농축한다.According to the present invention, the siloxane in the biogas is adsorbed and removed in the adsorption column in the adsorption column, and the hydrogen sulfide in the biogas is reacted with the metal oxide in the hydrogen sulfide reaction column to remove the metal sulfide. Oxygen in the biogas is reacted with copper-zinc oxide in the deoxygenation column to capture it as copper oxide. In the pressure swing adsorption system, carbon dioxide in biogas is separated by pressure swing adsorption to concentrate methane.

이들 각 탑 및 장치를 동작시킴으로써 산소를 소정 함유량 이하, 예를 들면 1Oppm 이하로 억제함과 아울러 높은 회수율로 바이오가스로부터 메탄을 회수할 수 있다.By operating each of these towers and devices, oxygen can be suppressed to a predetermined content or less, for example, 10 ppm or less, and methane can be recovered from the biogas at a high recovery rate.

또한 본 발명에 있어서, 탈산소 반응탑 내에 수소를 도입하고, 반응에 의해 생긴 산화구리를 환원시키는 수소 도입장치를 더 갖는 것이 바람직하다.Moreover, in this invention, it is preferable to further have a hydrogen introduction apparatus which introduces hydrogen into a deoxidation reaction tower and reduces the copper oxide produced by reaction.

본 발명에 의하면, 수소 도입장치가 탈산소 반응탑 내에 수소를 도입하고, 반응에 의해 생긴 산화구리를 환원시키므로 산화구리-산화아연을 구리-산화아연으로 재생시킬 수 있다.According to the present invention, since the hydrogen introduction device introduces hydrogen into the deoxygenation reaction column and reduces the copper oxide produced by the reaction, the copper oxide-zinc oxide can be recycled to copper-zinc oxide.

또한 본 발명에 있어서, 상기 탈산소 반응탑에는 미리 상기 황화수소 반응탑에서 황화수소가 제거된 바이오가스가 도입되는 것이 바람직하다. In addition, in the present invention, it is preferable that a biogas from which hydrogen sulfide has been removed from the hydrogen sulfide reaction tower is introduced into the deoxidation reaction tower.

본 발명에 의하면 상기 탈산소 반응탑에는 미리 상기 황화수소 반응탑에서 황화수소가 제거된 바이오가스가 도입되므로 황화수소가 상기 탈산소 반응탑 내의 구리-산화아연과 반응할 일이 없고, 산소와 구리-산화아연의 반응이 저해될 일이 없다.According to the present invention, since the biogas from which hydrogen sulfide has been removed from the hydrogen sulfide reaction tower is introduced into the deoxygenation reaction column, hydrogen sulfide does not react with copper-zinc oxide in the deoxygenation reaction tower, and oxygen and copper-zinc oxide are used. Reaction is not inhibited.

본 발명의 목적, 특색, 및 이점은 하기의 상세한 설명과 도면으로부터 보다 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명의 실시의 일형태인 메탄 회수방법을 나타내는 공정도이다.
도 2는 본 발명의 실시의 일형태인 회수장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 3은 압력 스윙 흡착장치의 일례를 나타내는 개략도이다.
The objects, features, and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description and drawings.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The process chart which shows the methane collection method of one Embodiment of this invention.
2 is a schematic view showing the configuration of a recovery apparatus of one embodiment of the present invention.
3 is a schematic view showing an example of a pressure swing adsorption device.

이하 도면을 참고로 해서 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, preferred embodiment of this invention is described in detail with reference to drawings.

본 발명은 바이오가스로부터 메탄을 회수하는 회수방법이다. 바이오가스는 예를 들면, 하수 처리장의 오니(汚泥) 등으로부터 발생하는 가스이며, 주성분으로서 메탄을 약 60몰% 및 탄산가스를 약 40몰% 포함하고, 그 외에 산소, 질소, 황화수소, 실록산 등을 미량 포함한다.The present invention is a recovery method for recovering methane from biogas. Biogas is, for example, a gas generated from sludge or the like in a sewage treatment plant, and contains about 60 mol% of methane and about 40 mol% of carbon dioxide as main components, and in addition, oxygen, nitrogen, hydrogen sulfide, siloxane and the like. Contains trace amounts.

자동차용 또는 도시가스용으로서 바이오가스를 이용할 경우 메탄 농도는 95몰% 이상이 바람직하다. 자동차용으로서 이용할 경우는 압축하여 사용하기 때문에 주된 바이오가스의 불순물인 탄산가스가 압축되어 액화되는 것을 피하지 않으면 안되므로 95몰% 이상이 요구된다. 또한, 도시가스용으로서 이용할 경우는 농도가 낮으면 열량이 낮아지기 때문에 자동차용과 마찬가지로 95몰% 이상이 요구된다.When biogas is used for automobile or city gas, the methane concentration is preferably 95 mol% or more. When used for automobiles, since it is compressed and used, carbonic acid gas, which is an impurity of main biogas, must be avoided by compression and liquefaction, and therefore 95 mol% or more is required. In addition, when used for city gas, the heat content is lowered when the concentration is low, so 95 mol% or more is required as in the case of automobiles.

지금까지, 바이오가스는 연소시키기 위한 연료가스로서 이용되고 있었으므로 산소를 불순물로서 제거할 경우는 없지만, 연료전지로의 이용에 있어서는 바이오가스에 포함되는 산소가 수증기 개질용의 촉매를 열화시켜 버리기 때문에 산소를 제거할 필요가 있다. 본 발명에 의하면 산소를 소정 함유량 이하, 예를 들면 1Oppm 이하로 억제함과 아울러 높은 회수율, 예를 들면 회수율 80% 이상으로 메탄을 회수할 수 있다.Biogas has been used as a fuel gas for combustion until now, but oxygen is not removed as an impurity. However, in the use of a fuel cell, the oxygen contained in the biogas deteriorates the catalyst for steam reforming. It is necessary to remove oxygen. According to the present invention, methane can be recovered at a high recovery rate, for example, a recovery rate of 80% or more, while suppressing oxygen to a predetermined content or less, for example, 10 ppm or less.

도 1은 본 발명의 실시의 일형태인 메탄 회수방법을 나타내는 공정도이다. 본 발명의 메탄 회수방법은 바이오가스로부터 불순물을 제거하고, 높은 회수율로 메탄을 회수하기 위해서 (스텝 S1) 실록산을 제거하는 흡착 제거 공정, (스텝 S2) 황화수소를 제거하는 반응 제거 공정, (스텝 S3) 산소를 포착하는 포착 공정 및 (스텝 S4) 메탄을 농축하는 농축 공정을 갖는다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The process chart which shows the methane collection method of one Embodiment of this invention. In the methane recovery method of the present invention, in order to remove impurities from biogas and recover methane at a high recovery rate, the adsorption removal step of removing siloxane (step S1), the reaction removal step of removing hydrogen sulfide (step S3), and (step S3) ) Is a capture step of trapping oxygen and a concentration step of concentrating methane.

(스텝 S1) 흡착 제거 공정(Step S1) Adsorption Removal Step

흡착 제거 공정에서는 흡착탑에 흡착제를 충전하고, 흡착탑 내에 바이오가스를 도입함으로써 바이오가스에 포함되는 불순물인 실록산을 흡착제에 흡착시켜서 바이오가스 중으로부터 실록산을 제거한다. 흡착제로서는 실록산을 흡착시키기 쉬운 것이며, 메탄을 흡착시키기 어려운 것이면 좋고, 예를 들면 활성탄을 사용한다. 활성탄은 야자 껍질(PALM SHELL) 및 목탄 등의 천연계 활성탄, 피치(Pitch) 및 석유 코크스(Petroleum Coke) 등의 광물계 활성탄 등을 사용할 수 있지만, 활성탄은 재생되지 않고 신제와 교환하므로 될 수 있는 한 저렴한 야자 껍질 활성탄이 바람직하다.In the adsorption removal step, an adsorbent is filled in the adsorption column, and biogas is introduced into the adsorption column to adsorb siloxane, which is an impurity contained in the biogas, to the adsorbent to remove the siloxane from the biogas. The adsorbent may be one that is easy to adsorb siloxane, and one that is difficult to adsorb methane. For example, activated carbon is used. Activated carbon may be natural activated carbon such as palm shell and charcoal, mineral activated carbon such as pitch and petroleum coke, but the activated carbon is not recycled and exchanged with a new agent. Palm husk activated carbon is preferred.

흡착 제거 공정에 의해서 바이오가스 중의 실록산의 함유량을 2mg/Nm3 이하로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1mg/Nm3 이하로 한다.It is preferable to make content of siloxane in biogas into 2 mg / Nm <3> or less by adsorption removal process, More preferably, you may be 1 mg / Nm <3> or less.

(스텝 S2) 반응 제거 공정(Step S2) Reaction Removal Step

반응 제거 공정에서는 반응탑에 금속 산화물을 충전하고, 흡착탑 내에 바이오가스를 도입함으로써 바이오가스에 포함되는 불순물인 황화수소, 메르캅탄 등의 유황계 화합물을 금속 황화물로 해서 반응탑 내에 고정한다. 금속 산화물로서는 산화철, 산화구리, 산화아연 등을 사용할 수 있다. 예를 들면, 이들 금속 산화물과 황화수소가 화학반응하면 각각 황화철, 황화구리, 황화아연 등의 금속 황화물로 된다.In the reaction removal step, a metal oxide is charged into the reaction column, and biogas is introduced into the adsorption column, whereby sulfur-based compounds such as hydrogen sulfide and mercaptan, which are impurities contained in the biogas, are fixed as metal sulfides in the reaction column. Iron oxide, copper oxide, zinc oxide, etc. can be used as a metal oxide. For example, when these metal oxides and hydrogen sulfide chemically react, they form metal sulfides, such as iron sulfide, copper sulfide, and zinc sulfide, respectively.

반응 제거 공정에 의해서 바이오가스 중의 황화수소의 함유량을 3몰ppm 이하로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1몰ppm 이하로 한다.It is preferable to make content of hydrogen sulfide in a biogas into 3 mol ppm or less by reaction removal process, More preferably, it is 1 mol ppm or less.

이상과 같이 흡착 제거 공정 및 반응 제거 공정을 행함으로써 바이오가스 중의 실록산 및 황화수소를 제거할 수 있다.As described above, the siloxane and the hydrogen sulfide in the biogas can be removed by performing the adsorption removal step and the reaction removal step.

또한, 흡착 제거 공정과 반응 제거 공정은 어느 공정을 먼저 행해도 좋고, 특별히 공정 순서는 한정되지 않는다.In addition, an adsorption removal process and a reaction removal process may perform any process first, and a process order in particular is not limited.

또한, 흡착 제거 공정 및 반응 제거 공정보다 전에 바이오가스를 압축하는 압축 공정 및 바이오가스 중의 수분을 제거하는 제습 공정을 행해도 좋다. 제습 공정에서는 예를 들면, 바이오가스를 O℃ 전후로 냉각하여 탈수한다. 또한, 알루미나 볼, 제올라이트(MS-3A) 등으로 수분을 흡착해서 탈수해도 좋고, 흡착탑에 알루미나 볼, 제올라이트 등의 수분 흡착제를 충전하고, 바이오가스를 도입해도 좋다. 또한, 실록산을 흡착 제거하기 위한 흡착탑에 알루미나 볼, 제올라이트 등의 수분 흡착제도 충전시켜서 흡착 제거 공정에서 동시에 제습해도 좋다.Moreover, you may perform the compression process which compresses a biogas, and the dehumidification process which removes the water in biogas before an adsorption removal process and a reaction removal process. In the dehumidification step, for example, the biogas is cooled to around 0 ° C and dewatered. In addition, moisture may be adsorbed and dehydrated with an alumina ball, zeolite (MS-3A), or the like, and a water adsorption agent such as alumina ball or zeolite may be filled in the adsorption column, and biogas may be introduced. The adsorption tower for adsorption removal of the siloxane may also be filled with water adsorption such as alumina balls, zeolites, or the like to dehumidify simultaneously in the adsorption removal step.

(스텝 S3) 포착 공정(Step S3) Capture Process

포착 공정에서는 반응탑에 구리-산화아연의 혼합물을 산소 보충제로서 충전하고, 흡착탑 내에 실록산 및 황화수소가 제거된 바이오가스를 도입함으로써 바이오가스에 포함되는 불순물인 산소를 산화구리로서 포착한다.In the capturing process, a mixture of copper-zinc oxide is charged into the reaction tower as an oxygen supplement, and oxygen, which is an impurity contained in the biogas, is captured as copper oxide by introducing a biogas from which siloxane and hydrogen sulfide have been removed into the adsorption column.

구리-산화아연 혼합물과 바이오가스가 접촉하면 바이오가스 중의 산소는 구리와 반응하여 산화구리가 되고, 산화구리-산화아연 혼합물로서 반응탑 내에 포착된다.When the copper-zinc oxide mixture is brought into contact with the biogas, oxygen in the biogas reacts with copper to form copper oxide, which is captured in the reaction column as the copper oxide-zinc oxide mixture.

포착 공정에서는 실록산 및 황화수소가 제거된 피처리 가스를 200℃~300℃의 온도 조건 하에서 구리-산화아연과 접촉시킨다. 이 경우 피처리 가스 중에 이산화탄소가 30~40% 공존하고 있어도 산화구리 생성반응을 일으키는 것이 가능하므로 산소를 메탄과 반응시켜서 산소 함유량을 저감시키는 경우에 비해 피처리 가스를 가열하기 위한 에너지를 저감할 수 있다.In the capture process, the treated gas from which siloxane and hydrogen sulfide are removed is contacted with copper-zinc oxide under a temperature condition of 200 ° C to 300 ° C. In this case, even if 30 to 40% of carbon dioxide coexists in the gas to be treated, it is possible to generate a copper oxide reaction, so that energy for heating the gas to be treated can be reduced as compared with the case where oxygen is reacted with methane to reduce the oxygen content. have.

구리-산화아연 혼합물은 입자화하여 그대로 반응탑에 충전할 수도 있지만, 탑 내에 도입되는 바이오가스와의 접촉 효율을 향상시키기 위해서 알루미나, 규조토 등의 담지체에 미립자 형상의 구리-산화아연 혼합물을 담지시켜서 반응탑에 충전하는 것이 바람직하다.The copper-zinc oxide mixture may be granulated and filled into the reaction column as it is, but in order to improve the contact efficiency with the biogas introduced into the column, a copper-zinc oxide mixture having a particulate shape is supported on a support such as alumina or diatomaceous earth. It is preferable to make it to the reaction tower.

본 발명의 포착 공정에서 사용되는 구리-산화아연 혼합물은 메탄올 수증기 개질 촉매로서 사용되는 것을 불활성 가스에 의해 희석된 수소가스로 환원시킴으로써 얻어지는 산소 보충제이다. 예를 들면, 메탄올 수증기 개질 촉매는 산화구리-산화아연이 알루미나에 담지된 것이 시판되고 있으므로, 이것을 아르곤, 질소 등의 불활성 가스에 의해 1~5%로 희석시킨 수소가스와 230~260℃의 온도 조건 하에서 접촉시킴으로써 산화구리가 환원되어서 구리가 되고, 알루미나에 담지된 구리-산화아연 혼합물로서 얻어진다.The copper-zinc oxide mixture used in the capture process of the present invention is an oxygen supplement obtained by reducing what is used as a methanol steam reforming catalyst with hydrogen gas diluted with an inert gas. For example, since a methanol steam reforming catalyst is commercially available in which a copper oxide-zinc oxide is supported on alumina, a hydrogen gas obtained by diluting it to 1 to 5% by an inert gas such as argon or nitrogen, and a temperature of 230 to 260 ° C. By contacting under conditions, the copper oxide is reduced to become copper, which is obtained as a copper-zinc oxide mixture supported on alumina.

포착 공정에 의해서 바이오가스 중의 산소의 함유량을 1Oppm 이하로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1ppm 이하로 한다.It is preferable to make content of oxygen in a biogas into 10 ppm or less by the capture | acquisition process, More preferably, it is 1 ppm or less.

여기서, 황화수소를 제거하기 위한 반응 제거 공정을 행하는 효과에 대해서 산소를 포착하는 포착 공정과의 관련성을 포함시켜서 설명한다.Here, the effect of performing the reaction removal process for removing hydrogen sulfide will be described including the relationship with the capture process for trapping oxygen.

황화수소 등의 유황계 화합물은 활성탄에 흡착되므로 실록산을 제거하기 위한 흡착 제거 공정에 있어서 흡착제로서 활성탄을 사용했을 경우는 황화수소도 어느 정도 제거할 수 있지만 충분하지는 않다. 황화수소와 금속 산화물의 반응에 의한 반응 제거 공정을 생략했을 경우, 포착 공정에 있어서의 피처리 가스에 황화수소가 포함되게 된다. 구리-산화아연과 황화수소가 접촉하면 황화수소가 환원되어서 유황이 발생하고, 산소와 더욱 반응해서 이산화유황도 발생한다. 또한, 산화아연과 황화수소가 반응하여 황화아연이 생성된다. 이렇게 포착 공정에 있어서의 피처리 가스에 황화수소가 포함되면, 황화수소가 구리-산화아연과 반응해 버리기 때문에 산소와 구리-산화아연의 반응이 저해되어 산소를 충분히 포착할 수 없게 되어 버린다.Since sulfur-based compounds such as hydrogen sulfide are adsorbed on activated carbon, when activated carbon is used as an adsorbent in the adsorption removal step for removing siloxane, hydrogen sulfide can also be removed to some extent, but this is not sufficient. When the reaction removal process by reaction of hydrogen sulfide and a metal oxide is abbreviate | omitted, hydrogen sulfide will be contained in the to-be-processed gas in a capture process. When copper-zinc oxide is in contact with hydrogen sulfide, hydrogen sulfide is reduced to generate sulfur, and further reacts with oxygen to generate sulfur dioxide. In addition, zinc sulfide is produced by reaction between zinc oxide and hydrogen sulfide. When hydrogen sulfide is contained in the gas to be treated in the capturing step as described above, hydrogen sulfide reacts with copper-zinc oxide, and thus the reaction between oxygen and copper-zinc oxide is inhibited and oxygen cannot be sufficiently captured.

포착 공정에서의 산소와 구리-산화아연을 충분히 반응시켜서 산소의 함유량을 1Oppm 이하로 하기 위해서는 흡착 제거 공정에서 황화수소를 흡착 제거하는 것만으로는 불충분하고, 금속 산화물과의 반응에 의한 반응 제거 공정이 필요하다.In order to sufficiently react the oxygen in the trapping process with copper-zinc oxide so that the oxygen content is 10 ppm or less, it is insufficient to adsorb and remove hydrogen sulfide in the adsorption removal step, and a reaction removal step by reaction with a metal oxide is necessary. Do.

(스텝 S4) 농축 공정(Step S4) concentration step

흡착 제거 공정, 반응 제거 공정 및 포착 공정에 의해서 바이오가스 중의 불순물인 실록산, 황화수소 및 산소는 충분히 제거되고, 농축 공정에서 처리되는 피처리 가스는 메탄과 이산화탄소를 포함할 뿐이다. 농축 공정에서는 압력 스윙 흡착법에 의해 이산화탄소를 흡착제에 흡착시켜서, 농축된 고순도의 메탄이 얻어진다.The siloxane, hydrogen sulfide and oxygen which are impurities in the biogas are sufficiently removed by the adsorption removal process, the reaction removal process and the capture process, and the gas to be treated in the concentration process only includes methane and carbon dioxide. In the concentration step, carbon dioxide is adsorbed to the adsorbent by the pressure swing adsorption method to obtain concentrated high-purity methane.

압력 스윙 흡착법에서는, 예를 들면 2종의 물질의 혼합가스로부터 1종의 가스를 농축하여 얻기 위해서 한쪽 물질에 대한 흡착 능력이 높고 다른쪽 물질에 대한 흡착 능력이 낮은 흡착제를 사용하여, 고압 하에서 한쪽 물질을 흡착제에 흡착시킨다. 이어서, 저압 하에서 흡착된 한쪽 물질을 흡착제로부터 이탈시켜서 흡착제를 재생한다.In the pressure swing adsorption method, for example, in order to concentrate and obtain one gas from a mixed gas of two substances, an adsorbent having a high adsorption capacity to one substance and a low adsorption capacity to the other substance is used, The material is adsorbed onto the adsorbent. Subsequently, one of the substances adsorbed under low pressure is released from the adsorbent to regenerate the adsorbent.

농축 공정에서는 이산화탄소를 흡착하는 흡착 능력이 상대적으로 높고, 또한 메탄을 흡착하는 흡착 능력이 상대적으로 낮은 흡착제를 복수 개의 흡착탑에 충전하고, 탑 내의 압력을 변화시킴과 아울러 사용하는 흡착탑을 적당히 스위칭하여 이산화탄소와 메탄을 분리하고, 고순도의 메탄을 회수한다.In the concentration process, a plurality of adsorption towers are adsorbed with a relatively high adsorption capacity for adsorbing carbon dioxide and a relatively low adsorption capacity for methane, and the pressure in the tower is changed, and the adsorption tower used is appropriately switched. And methane are separated and high purity methane is recovered.

농축 공정은 압력 스윙 흡착법에 의거하여 흡착 조작과 이탈 조작을 반복하여 행한다. 흡착 조작은 흡착제가 충전된 흡착탑 내의 압력을 상대적으로 이탈 조작시보다 높게 하고, 고압 조건 하에서 실록산, 황화수소 및 산소가 제거된 바이오가스를 도입한다. 고압 조건 하에서는 흡착제에 이산화탄소가 흡착되지만 메탄은 흡착제에 거의 흡착되지 않으므로, 흡착탑에 있어서 이산화탄소와 메탄이 분리되고, 농축된 메탄이 얻어진다. 1개의 흡착탑에 바이오가스를 계속해서 도입하면 흡착제에 흡착되는 이산화탄소가 증가해서 흡착 능력이 저하되므로 이탈 조작에 의해 흡착제를 재생한다.The concentration step is carried out by repeating the adsorption operation and the detachment operation based on the pressure swing adsorption method. The adsorption operation makes the pressure in the adsorption tower packed with the adsorbent relatively higher than during the desorption operation and introduces biogas from which siloxane, hydrogen sulfide and oxygen are removed under high pressure conditions. Under high pressure conditions, carbon dioxide is adsorbed to the adsorbent but methane is hardly adsorbed to the adsorbent, so that carbon dioxide and methane are separated in the adsorption column, and concentrated methane is obtained. The continuous introduction of biogas into one adsorption column increases the carbon dioxide adsorbed on the adsorbent and decreases the adsorption capacity, thereby regenerating the adsorbent by the separation operation.

이탈 조작은 바이오가스의 도입을 정지하고, 흡착탑 내의 압력을 상대적으로 흡착 조작시보다 낮게 하여 흡착제에 흡착된 이산화탄소를 흡착제로부터 이탈시킨다. 이탈한 이산화탄소는 흡착탑 밖으로 배출한다.The removal operation stops the introduction of the biogas and makes the pressure in the adsorption column relatively lower than during the adsorption operation to release carbon dioxide adsorbed on the adsorbent from the adsorbent. The released carbon dioxide is discharged out of the adsorption tower.

흡착탑을 2탑 사용할 경우, 1개의 흡착탑에서 이탈 조작을 행하고 있는 기간에 다른 흡착탑은 흡착 조작을 행하고 있고, 흡착 조작과 이탈 조작을 각각의 탑에서 동시에 행한다. 그리고 소정량 처리한 후, 흡착 조작과 이탈 조작을 스위칭한다. 이것에 의해, 어느 하나의 탑에서 반드시 흡착 조작이 행해지고 있으므로 흡착제를 재생하면서 연속적으로 메탄의 분리 농축을 행할 수 있다.When two adsorption towers are used, the other adsorption tower performs the adsorption operation in the period during which the separation operation is performed in one adsorption tower, and the adsorption operation and the removal operation are simultaneously performed in each tower. After the predetermined amount is processed, the adsorption operation and the detachment operation are switched. Thereby, since the adsorption operation is always performed in either column, it is possible to continuously separate methane while regenerating the adsorbent.

이산화탄소의 흡착 능력이 높고, 메탄의 흡착 능력이 낮은 흡착제로서는 카본계 흡착제를 사용할 수 있고, 바람직하게는 카본 몰레큘러시브(molecular sieve)이다. 또한, 목적의 제품가스 조성에 따라서, 예를 들면 제품가스의 함유 질소농도를 낮게 하고 싶을 경우, 원료 가스의 함유 질소농도가 비교적 높은 경우 등 질소의 제거가 필요한 경우는 카본 몰레큘러시브에 추가해서 제올라이트를 적층해도 좋다.As the adsorbent having a high adsorption capacity of carbon dioxide and a low adsorption capacity of methane, a carbon-based adsorbent can be used, and preferably carbon molecular sieve. In addition, depending on the desired product gas composition, for example, when nitrogen concentration of the product gas is desired to be low, when nitrogen concentration is required, such as when the nitrogen concentration of the source gas is relatively high, it is added to the carbon molecular sieve. The zeolite may be laminated.

흡착 조작에 있어서의 탑 내의 압력 P1으로서는 예를 들면, 대기압 (0.10lMPa)~4.0MPa이다. 이탈 조작에 있어서의 탑 내의 압력 P2로서는 예를 들면, 0.001~0.3MPa(단, P1>P2)이다.As pressure P1 in a column in an adsorption operation, they are atmospheric pressure (0.10 lMPa)-4.0 MPa, for example. As pressure P2 in the column in the detachment operation, it is 0.001-0.3 Mpa (however, P1> P2).

이상과 같이 해서 각 공정을 거쳐서 얻어진 가스는 산소 함유량이 1Oppm이하이며, 메탄의 순도가 예를 들면 98몰% 이상의 메탄 농후 가스(methane enriched gas)로서 얻어진다.The gas obtained through each process as mentioned above has an oxygen content of 10 ppm or less, and the purity of methane is obtained as methane enriched gas of 98 mol% or more, for example.

이어서, 본 발명의 바이오가스로부터 메탄을 회수하는 회수장치에 대해서 설명한다. 본 발명의 회수장치는 상기의 회수방법을 실시가능한 장치이면 어떤 구성이어도 좋다.Next, a recovery apparatus for recovering methane from the biogas of the present invention will be described. The recovery apparatus of the present invention may have any configuration as long as it is an apparatus capable of carrying out the above recovery method.

도 2는 본 발명의 실시의 일형태인 회수장치(100)의 구성을 나타내는 개략도이다. 회수장치(100)는 압축기(1), 제습장치(2), 실록산 흡착탑(3), 황화수소 반응탑(4), 탈산소 반응탑(5) 및 압력 스윙 흡착장치(6)를 구비하고, 가스 공급원(7)으로부터 공급되는 바이오가스를 처리한다. 가스 공급원(7)은 예를 들면 하수 처리장 등 바이오가스가 발생되는 발생원이다.2 is a schematic view showing the configuration of a recovery apparatus 100 which is one embodiment of the present invention. The recovery device 100 includes a compressor 1, a dehumidifier 2, a siloxane adsorption tower 3, a hydrogen sulfide reaction tower 4, a deoxygenation reaction tower 5 and a pressure swing adsorption device 6. The biogas supplied from the source 7 is processed. The gas supply source 7 is a generation source for generating biogas, for example, a sewage treatment plant.

가스 공급원(7)으로부터 공급되는 불순물을 포함하는 바이오가스는 압축기(1)에 의해서 압축되어서 수분을 제거하는 제습장치(2)로 보내진다. 제습장치로서는 예를 들면 냉각식 탈수기, 가압 흡착식 탈수기, 가열 재생식 탈수기 등이 사용되지만, 바이오가스를 0℃ 전후로 냉각해서 탈수하는 냉각식 탈수기가 바람직하다. 또한, 탈수기를 사용하는 대신에 흡착 탈수하기 위해서 제습장치(2)로서 알루미나 볼 또는 제올라이트(MS-3A) 등 수분 흡착제를 충전한 흡착탑을 사용해도 좋다. 또한, 수분량에 따라서는 실록산을 흡착시키기 위한 실록산 흡착탑(3) 이후의 각 탑 내에 알루미나 볼, 제올라이트 등의 수분 흡착제를 적층 충전해도 좋다.The biogas containing impurities supplied from the gas supply source 7 is compressed by the compressor 1 and sent to the dehumidifying apparatus 2 for removing moisture. As a dehumidifier, for example, a cooling dehydrator, a pressure adsorption dehydrator, a heating regeneration dehydrator and the like are used, but a cooling dehydrator for cooling and dehydrating the biogas to around 0 ° C is preferable. In addition, instead of using a dehydrator, an adsorption tower packed with a moisture adsorbent such as alumina balls or zeolite (MS-3A) may be used as the dehumidifier 2. In addition, depending on the amount of water, a water adsorbent such as alumina balls or zeolite may be laminated and filled in each column after the siloxane adsorption tower 3 for adsorbing the siloxane.

실록산을 흡착 제거하는 실록산 흡착탑(3)은 흡착 제거 공정에서 설명한 바와 같이 실록산을 흡착하기 위한 흡착제로서, 예를 들면 활성탄을 흡착탑 내에 충전한다. 황화수소를 반응 제거하는 황화수소 반응탑(4)은 반응 제거 공정에서 설명한 바와 같이 황화수소와 반응해서 금속 황화물을 생성하는 금속 산화물을 반응탑 내에 충전한다.The siloxane adsorption tower 3 which adsorbs and removes the siloxane is an adsorbent for adsorbing the siloxane, as described in the adsorption removal step, and is filled with, for example, activated carbon in the adsorption tower. The hydrogen sulfide reaction tower 4 for reacting and removing hydrogen sulfide fills the reaction column with a metal oxide that reacts with hydrogen sulfide to produce metal sulfides as described in the reaction removal step.

실록산과 황화수소가 제거된 바이오가스는 탈산소 반응탑(5)에 도입된다. 탈산소 반응탑(5)에는 포착 공정에서 설명한 바와 같이, 구리-산화아연 혼합물이 예를 들면 알루미나 등의 담지체에 담지된 형태로 충전된다. 도입된 바이오가스 중에 포함되는 산소는 구리-산화아연 혼합물의 구리와 반응하고, 산화구리로서 포착된다. 이 때, 탈산소 반응탑(5) 내는 도시하지 않은 가열 히터에 의해 200~300℃로 가열된다.Biogas from which siloxane and hydrogen sulfide are removed is introduced into the deoxygenation reaction column (5). As described in the capturing step, the deoxygenation reaction column 5 is filled with a copper-zinc oxide mixture in a form supported on a carrier such as alumina. Oxygen contained in the introduced biogas reacts with copper in the copper-zinc oxide mixture and is captured as copper oxide. At this time, the deoxygenation reaction column 5 is heated to 200-300 degreeC by the heating heater not shown.

탈산소 반응탑(5)의 탑 내에 수소를 도입하고, 산화구리-산화아연을 환원하여 구리-산화아연을 재생하는 수소 도입장치(5a)를 더 구비하는 것이 바람직하다. 수소 도입장치(5a)는 예를 들면, 탈산소 반응탑(5)의 출구로부터 입구로 돌아가는 순환경로에 의한 질소가스의 로테이션 블로어를 설치하고, 질소가스에 수소를 첨가함으로써 탈산소 반응탑(5) 내에 재생용의 수소가스를 공급할 수 있다. It is preferable to further include a hydrogen introducing apparatus 5a for introducing hydrogen into the tower of the deoxidation reaction column 5 and reducing copper oxide-zinc oxide to regenerate copper-zinc oxide. The hydrogen introduction device 5a includes, for example, a rotation blower for nitrogen gas by a circulation path returning from the outlet of the deoxygenation reaction tower 5 to the inlet, and adding hydrogen to the nitrogen gas to deoxidize the reaction tower 5. ) Hydrogen gas for regeneration can be supplied.

압력 스윙 흡착장치(6)는 공지의 PSA(Pressure Swing Absorption)장치를 사용할 수 있고, 예를 들면 2탑식의 PSA장치를 사용한다.The pressure swing adsorption apparatus 6 can use a well-known PSA (Pressure Swing Absorption) apparatus, for example, uses a two tower PSA apparatus.

도 3은 압력 스윙 흡착장치(6)의 일례를 나타내는 개략도이다. 압력 스윙 흡착장치(6)는 제 1 흡착탑(12) 및 제 2 흡착탑(13)을 갖고, 각 흡착탑(12, 13)에 카본계 흡착제인 카본 몰레큘러시브가 충전된다.3 is a schematic view showing an example of the pressure swing adsorption device 6. The pressure swing adsorption apparatus 6 has the 1st adsorption tower 12 and the 2nd adsorption tower 13, and each of the adsorption towers 12 and 13 is filled with carbon molecular sieve which is a carbon type adsorption agent.

각 흡착탑(12, 13)의 입구(12a, 13a)에는 스위칭 밸브(12b, 13b)를 통해서 원료 배관(13f)이 접속된다. 흡착탑(13)의 입구(12a, 13a) 각각은 스위칭 밸브(12c, 13c) 및 사일렌서(13e)가 접속되서 대기 중에 개방 가능하게 구성된다. 또한, 스위칭 밸브(13d)를 통해서 흡착탑 하부 균압 배관(13g)이 흡착탑(13)의 입구(12a, 13a) 각각에 접속된다.The raw material pipe 13f is connected to the inlet 12a, 13a of each adsorption tower 12, 13 via switching valve 12b, 13b. Each of the inlet 12a, 13a of the adsorption tower 13 is comprised so that switching valve 12c, 13c and the silencer 13e are connected, and can open | release in air | atmosphere. In addition, the suction tower lower equalizing pipe 13g is connected to each of the inlets 12a and 13a of the suction tower 13 through the switching valve 13d.

흡착탑(12, 13)의 출구(12k, 13k) 각각은 스위칭 밸브(12l, 13l)를 통해서 유출 배관(13o)에 접속되고, 스위칭 밸브(12m, 13m)를 통해서 세정 배관(13p)에 접속되어서, 스위칭 밸브(13n)를 통해서 흡착탑 상부 균압 배관(13q)에 접속된다.The outlets 12k and 13k of the adsorption towers 12 and 13 are connected to the outlet pipe 13o through the switching valves 12l and 13l and to the cleaning pipe 13p through the switching valves 12m and 13m. It is connected to the adsorption tower upper equalization piping 13q via the switching valve 13n.

유출 배관(13o)은 역지 밸브(13r)와 수동 밸브(13s)를 통해서 균압조(14)에 접속된다. 균압조(14)는 압력 조절 밸브(14a)를 통해서 제품조(15)에 접속된다. 제품조(15)는 압력 스윙 흡착장치(6)의 출구 배관(15a)에 접속된다. 압력 스윙 흡착장치(6)의 흡착 압력은 압력 조절 밸브(14a)에 의해서 제어된다.The outflow pipe 13o is connected to the equalization tank 14 through the check valve 13r and the manual valve 13s. The pressure equalizing tank 14 is connected to the product tank 15 via the pressure regulating valve 14a. The product tank 15 is connected to the outlet pipe 15a of the pressure swing adsorption device 6. The adsorption pressure of the pressure swing adsorption device 6 is controlled by the pressure regulating valve 14a.

세정 배관(13t)은 유량 제어 밸브(13u), 유량 지시 조절계(13v)를 통해서 세정 배관(13p)과 접속하고, 세정 배관(13p)의 가스 유량을 일정하게 조절함으로써 흡착탑(12, 13)의 충전제가 일정하게 세정된다.The cleaning pipe 13t is connected to the cleaning pipe 13p via the flow control valve 13u and the flow rate indicating controller 13v, and the gas flow rate of the cleaning pipe 13p is adjusted to adjust the flow of the adsorption towers 12 and 13. The filler is constantly washed.

압력 스윙 흡착장치(6)의 제 1 흡착탑(12) 및 제 2 흡착탑(13) 각각에 있어서 흡착 조작, 균압 조작, 이탈 조작, 세정 조작, 균압 조작이 순차 행해진다.In each of the 1st adsorption tower 12 and the 2nd adsorption tower 13 of the pressure swing adsorption apparatus 6, adsorption operation, equalization operation, detachment operation, washing operation, and equalization operation are performed in order.

스위칭 밸브(12b)를 개방하여 공급되는 바이오가스를 제 1 흡착탑(12)에 도입하고, 또한, 제 1 흡착탑(12)에서는 스위칭 밸브(12l)만이 스위칭 밸브(12b)와 동시에 개방된다. 이것에 의해, 제 1 흡착탑(12)에 도입된 바이오가스 중의 적어도 이산화탄소가 흡착제에 흡착됨으로써 흡착 조작이 행해지고, 흡착제에 흡착되지 않은 메탄이 이산화탄소와 분리되어서 제 1 흡착탑(12)으로부터 유출 배관(13o)을 통해서 도출된다. 이때, 유출 배관(13o)에 보내진 메탄의 일부는 세정 배관(13p, 13t), 유량 제어 밸브(13u)를 통해서 제 2 흡착탑(13)에 보내져서 제 2 흡착탑(13)에 있어서 세정 조작이 행해진다.The biogas supplied by opening the switching valve 12b is introduced into the first adsorption tower 12, and in the first adsorption tower 12, only the switching valve 12l is simultaneously opened with the switching valve 12b. As a result, at least carbon dioxide in the biogas introduced into the first adsorption tower 12 is adsorbed to the adsorbent, so that the adsorption operation is performed, and methane not adsorbed to the adsorbent is separated from the carbon dioxide, and the outflow pipe 13o is released from the first adsorption tower 12. Is derived from At this time, a part of the methane sent to the outflow pipe 13o is sent to the second adsorption tower 13 through the cleaning pipes 13p and 13t and the flow control valve 13u to perform the cleaning operation in the second adsorption tower 13. All.

이어서, 스위칭 밸브(12b, 12l)를 폐쇄하고, 스위칭 밸브(13n, 13d)를 개방하여 제 1 흡착탑(12)과 제 2 흡착탑(13)의 탑 내 압력을 균일하게 하는 균압 조작이 행해진다.Subsequently, a pressure equalization operation is performed in which the switching valves 12b and 12l are closed, and the switching valves 13n and 13d are opened to equalize the pressure in the tower of the first adsorption tower 12 and the second adsorption tower 13.

이어서, 스위칭 밸브(13n, 13d)를 폐쇄하고, 스위칭 밸브(12c)를 개방함으로써 제 1 흡착탑(12)의 흡착제로부터 이산화탄소를 포함하는 불순물을 이탈시키는 이탈 조작이 행해지고, 이산화탄소를 포함하는 불순물은 가스와 함께 사일렌서(13e)를 통해서 대기 중에 방출된다.Subsequently, by closing the switching valves 13n and 13d and opening the switching valve 12c, a detachment operation for removing impurities including carbon dioxide from the adsorbent of the first adsorption tower 12 is performed. Together with the silencer 13e.

이때, 스위칭 밸브(13b)를 개방함과 동시에 수동 밸브(13s)를 개방하고, 균압조(14)로부터 유출 배관(13o)을 통해서 이산화탄소의 함유량이 저감된 메탄가스가 제 2 흡착탑(13)에 도입되어서 승압 조작 및 흡착 조작이 행해진다. 그 후의 각 조작은 제 1 흡착탑(12)에 대한 조작과 마찬가지로 행한다.At this time, while opening the switching valve 13b and opening the manual valve 13s, the methane gas whose carbon dioxide content is reduced from the pressure equalizing tank 14 through the outflow pipe 13o is supplied to the second adsorption tower 13. It is introduced and the pressure raising operation and the suction operation are performed. Each subsequent operation is performed in the same manner as the operation for the first adsorption tower 12.

이들 각 조작이 제 1 흡착탑(12), 제 2 흡착탑(13)의 각각에 있어서 순차 반복됨으로써 이산화탄소를 포함하는 불순물의 함유량이 저감된 메탄가스가 얻어진다.Each of these operations is repeated in each of the first adsorption tower 12 and the second adsorption tower 13 to obtain methane gas in which the content of impurities containing carbon dioxide is reduced.

또한, 압력 스윙 흡착장치(6)는 도 3에 나타내는 구성에 한정되지 않고, 탑수는 2개 이외, 예를 들면 3탑이어도 4탑이어도 좋고, 통상은 9탑 이하이다.In addition, the pressure swing adsorption apparatus 6 is not limited to the structure shown in FIG. 3, The number of towers may be three towers or four towers other than two, for example, and usually nine towers or less.

이러한 회수장치(100)에 의하면, 공급되는 바이오가스로부터 물, 실록산 및 황화수소를 제거한 후, 바이오가스 중의 산소를 구리-산화아연과 반응시킴으로써 산화구리로서 포착하고, 최후에 압력 스윙 흡착법에 의해서 이산화탄소를 분리하여 농축된 고순도 메탄을 얻을 수 있다.According to such a recovery apparatus 100, after removing water, siloxane and hydrogen sulfide from the supplied biogas, oxygen in the biogas is reacted with copper-zinc oxide to capture copper oxide, and finally carbon dioxide is captured by a pressure swing adsorption method. Separation can yield concentrated high-purity methane.

본 발명은 상기의 구성에는 한정되지 않고 예를 들면, 압축기(1) 다음에 황화수소 반응탑(4)을 설치해도 좋고, 실록산 흡착탑(3)과 황화수소 반응탑(4)의 배치 순서를 반대로 해서 설치해도 좋고, 탈산소 반응탑(5)과 압력 스윙 흡착장치(6)의 배치 순서를 반대로 해서 설치해도 좋다.This invention is not limited to the said structure, For example, the hydrogen sulfide reaction tower 4 may be provided after the compressor 1, and it arrange | positions reverse the arrangement order of the siloxane adsorption tower 3 and the hydrogen sulfide reaction tower 4. Alternatively, the deoxygenation reaction tower 5 and the pressure swing adsorption device 6 may be arranged in reverse order.

(실시예 1)(Example 1)

하수 처리장의 오니로부터 발생하는 바이오가스를 상정하고, 메탄 60.0몰%, 이산화탄소 38.7몰%, 질소 0.5몰%, 물 0.3몰%, 산소 0.3몰%, 황화수소 0.2몰%, 실록산 50mg/Nm3의 혼합가스를 처리대상 가스로 해서 유량 450NL/hr로 공급했다.Assuming the biogas generated from the sludge at a sewage treatment plant, and 60.0 mol% methane, carbon dioxide, 38.7 mol%, nitrogen 0.5 mol%, a mixture of 0.3 mol% water, oxygen 0.3 mole%, hydrogen sulfide 0.2 mol%, a siloxane 50mg / Nm 3 The gas was supplied at a flow rate of 450 NL / hr as the gas to be treated.

직경이 37mm인 원통 형상의 흡착탑 내부에 탈수제로서 알루미나 볼(SUMITOMO CHEMICAL Co.,Ltd.제 KHD-24) 0.2kg과, 실록산의 흡착제로서 야자 껍질 활성탄(KURARAY CHEMICAL Co.,Ltd.제 GG) 0.5kg이 적층된 실록산 흡착탑(3)에 처리대상 가스를 25℃에서 도입했다. 이어서, 실록산 흡착탑(3)으로부터 도출된 바이오가스를 실록산 흡착탑(3)과 같은 치수의 반응기 내부에 산화아연(HakusuiTech Co.,Ltd 제의 JIS 규격 1종의 조립품(造粒品))을 2.0kg 충전한 황화수소 반응탑(4)에 25℃에서 도입했다.0.2 kg of alumina ball (KHD-24 manufactured by SUMITOMO CHEMICAL Co., Ltd.) as a dehydrating agent inside a cylindrical adsorption column having a diameter of 37 mm, and coconut shell activated carbon (GG manufactured by KURARAY CHEMICAL Co., Ltd.) as an adsorbent of siloxane. The object gas was introduced at 25 ° C into the siloxane adsorption tower 3 in which kg was stacked. Subsequently, the biogas derived from the siloxane adsorption tower 3 was subjected to 2.0 kg of zinc oxide (JIS standard type 1 assembly manufactured by HakusuiTech Co., Ltd.) in a reactor having the same dimensions as the siloxane adsorption tower 3. The hydrogen sulfide reaction tower 4 was charged at 25 ° C.

이어서 실록산 흡착탑(3)과 같은 치수의 탈산소 반응탑(5)에 산화구리-산화아연 촉매(SUD-CHEMIE CATALYSTS JAPAN,Inc.제 MDC-3)를 1.2kg 충전하고, 탈산소 반응탑(5)에 수소 도입장치(5a)에 의해 수소를 도입하여 산화구리-산화아연 촉매를 환원시켜서 구리-산화아연 혼합물로 했다. 탈산소 반응탑(5)의 탑 내 온도를 260℃까지 승온하여 유지하고, 황화수소 반응탑(4)으로부터 도출된 바이오가스를 도입했다.Subsequently, 1.2 kg of a copper oxide-zinc oxide catalyst (MDC-3 manufactured by SUD-CHEMIE CATALYSTS JAPAN, Inc.) was charged into the deoxidation reaction tower 5 having the same dimensions as the siloxane adsorption tower 3, and the deoxygenation reaction tower 5. Hydrogen was introduced by the hydrogen introduction device 5a to reduce the copper oxide-zinc oxide catalyst to obtain a copper-zinc oxide mixture. The inside temperature of the deoxidation reaction tower 5 was heated up to 260 degreeC, and the biogas derived from the hydrogen sulfide reaction tower 4 was introduce | transduced.

이어서 실록산 흡착탑(3)과 같은 치수의 흡착탑 내부에 세공 직경(micropore diameter)이 3Å인 카본 몰레큘러시브(KURARAY CHEMICAL Co.,Ltd.제 GN-UC-H)를 0.6kg 충전한 압력 스윙 흡착장치(6)에 탈산소 반응탑(5)으로부터 도출된 바이오가스를 도입했다. 압력 스윙 흡착장치(6)의 조작은 상기의 조작과 마찬가지로 하고, 흡착 조작에 있어서의 최고압력을 0.8MPa로 하고, 이탈 조작에 있어서의 최저압력을 대기압으로 해서 메탄을 이산화탄소와 분리해서 농축했다.Subsequently, pressure swing adsorption with 0.6 kg of carbon molecular weight (GN-UC-H manufactured by KURARAY CHEMICAL Co., Ltd.) having a micropore diameter of 3 mm was carried out inside the adsorption tower having the same dimensions as the siloxane adsorption tower 3. The biogas derived from the deoxidation reaction column 5 was introduced into the apparatus 6. Operation of the pressure swing adsorption apparatus 6 was carried out similarly to the above operation, methane was separated from carbon dioxide and concentrated by setting the maximum pressure in the adsorption operation to 0.8 MPa and the minimum pressure in the detachment operation to atmospheric pressure.

바이오가스 중의 이산화탄소 및 질소의 농도는 SHIMADZU CORPORATION제 GC-TCD(열 전도성 검출기를 가진 가스크로마토그래피)를 사용해서 측정하고, 수분은 노점계에 의해 측정하고, 산소농도는 DELTA F사 제 미량 산소농도계(형식 DF-150E)에 의해 측정하고, 실록산 농도는 SHIMADZU CORPORATION제GC/MS(가스크로마토그래피 질량 분석계)를 사용해서 측정하고, 황화수소 농도는 SHIMADZU CORPORATION제 GC-FPD(염광 광도 검출기를 가진 가스크로마토그래피)를 사용해서 측정했다.The concentration of carbon dioxide and nitrogen in biogas was measured using GC-TCD (gas chromatography with thermal conductivity detector) manufactured by SHIMADZU CORPORATION, the moisture was measured by a dew point meter, and the oxygen concentration was measured by DELTA F. Measured by (Form DF-150E), the siloxane concentration was measured using GC / MS (Gas Chromatography Mass Spectrometer) made by SHIMADZU CORPORATION, and the hydrogen sulfide concentration was measured by GC-FPD (Gas Chromatograph with SHIMADZU CORPORATION) Graphy).

탈산소 반응탑(5)으로부터 도출된 가스의 조성을 측정한 결과 메탄 62.5몰%, 이산화탄소 37몰%, 질소 0.5몰%, 물과 산소와 황화수소와 실록산은 1몰ppm 미만이었다.The composition of the gas derived from the deoxygenation reaction column 5 was 62.5 mol% of methane, 37 mol% of carbon dioxide, 0.5 mol% of nitrogen, water, oxygen, hydrogen sulfide and siloxane of less than 1 mol ppm.

또한, 압력 스윙 흡착장치(6)로부터 도출된 제품가스의 메탄 농도가 98몰%일 때, 메탄 회수율은 85.1%이며, 제품가스 중의 산소농도는 1몰ppm 미만이었다.Further, when the methane concentration of the product gas derived from the pressure swing adsorption device 6 was 98 mol%, the methane recovery rate was 85.1%, and the oxygen concentration in the product gas was less than 1 mol ppm.

(실시예 2)(Example 2)

실록산 흡착탑(3)과 황화수소 반응탑(4)을 교체, 즉 실록산 흡착 공정과 탈황화수소 공정의 순서를 반대로 하는 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 처리대상 가스로부터 메탄을 농축했다.Methane was concentrated from the gas to be treated in the same manner as in Example 1 except that the siloxane adsorption tower 3 and the hydrogen sulfide reaction tower 4 were replaced, that is, the order of the siloxane adsorption process and the desulfurization process was reversed.

압력 스윙 흡착장치(6)로부터 도출된 제품가스의 메탄 농도가 98몰%일 때, 메탄가스 회수율은 84.9%이며, 제품가스 중의 산소농도는 1몰ppm 미만이었다.When the methane concentration of the product gas derived from the pressure swing adsorption device 6 was 98 mol%, the methane gas recovery rate was 84.9%, and the oxygen concentration in the product gas was less than 1 mol ppm.

(비교예 1)(Comparative Example 1)

탈산소 반응탑을 경유하지 않고, 즉 산소의 포착 공정을 행하지 않는 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 처리대상 가스로부터 메탄을 농축했다.Methane was concentrated from the gas to be treated in the same manner as in Example 1 except that the deoxygenation reaction column was not passed through, i.e., no oxygen trapping step was performed.

압력 스윙 흡착장치(6)로부터 도출된 제품가스의 메탄 농도가 98몰%일 때, 메탄가스 회수율은 84.0%이며, 제품가스 중의 산소농도는 90몰ppm이었다.When the methane concentration of the product gas derived from the pressure swing adsorption device 6 was 98 mol%, the methane gas recovery rate was 84.0%, and the oxygen concentration in the product gas was 90 mol ppm.

(비교예 2)(Comparative Example 2)

탈산소 반응탑을 경유하지 않고, 즉 산소의 포착 공정을 행하지 않고 원료유량을 370NL/hr까지 저하시킴으로써 제품가스 중의 산소농도를 1몰ppm으로 한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 처리대상 가스로부터 메탄을 농축했다.Methane was removed from the gas to be treated in the same manner as in Example 1 except that the raw material flow rate was reduced to 370 NL / hr without passing through a deoxygenation reaction column, i.e., no oxygen capturing step was performed. Concentrated.

압력 스윙 흡착장치(6)로부터 도출된 제품가스 중의 산소농도를 1몰ppm으로 했을 때, 제품가스의 메탄 농도가 99몰% 이상이고, 메탄가스의 회수율은 72.4%이었다.When the oxygen concentration in the product gas derived from the pressure swing adsorption apparatus 6 was 1 mol ppm, the methane concentration of the product gas was 99 mol% or more, and the recovery rate of methane gas was 72.4%.

비교예 1과 같이 높은 회수율을 얻고자 하면 제품가스 중의 산소농도를 저감시키지 못하고, 비교예 2와 같이 제품가스 중의 산소농도를 저감시키려고 하면 메탄가스의 회수율은 낮아져 버린다. 이것에 대하여 실시예 1, 2에서는 제품가스 중의 산소농도를 1몰ppm 미만으로 하고, 높은 회수율로 바이오가스로부터 메탄을 회수할 수 있다.If it is desired to obtain a high recovery rate as in Comparative Example 1, the oxygen concentration in the product gas will not be reduced. If the oxygen concentration in the product gas is reduced as in Comparative Example 2, the recovery rate of methane gas will be lowered. On the other hand, in Examples 1 and 2, the oxygen concentration in the product gas is less than 1 mol ppm, and methane can be recovered from the biogas at a high recovery rate.

본 발명은 그 정신 또는 주요한 특징으로부터 일탈하지 않고, 다른 여러가지의 형태로 실시할 수 있다. 따라서, 상술의 실시형태는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않고, 본 발명의 범위는 특허청구 범위에 나타내는 것이며, 명세서 본문에는 조금도 구속되지 않는다. 또한, 특허청구 범위에 속하는 변형이나 변경은 모두 본 발명의 범위 내의 것이다.
This invention can be implemented in other various forms, without deviating from the mind or main character. Therefore, embodiment mentioned above is only a mere illustration at all points, the scope of the present invention is shown by a claim, and is not restrained in the specification body at all. In addition, all the modifications and changes which belong to a claim are within the scope of the present invention.

Claims (7)

메탄을 주성분으로 하고, 적어도 산소를 불순물로서 함유하는 바이오가스로부터 메탄을 회수하는 메탄 회수방법으로서:
상기 바이오가스 중의 실록산을 흡착제에 흡착시켜서 제거하는 흡착 제거 공정과,
상기 바이오가스 중의 황화수소를 금속 산화물과 반응시켜서 금속 황화물로서 제거하는 반응 제거 공정과,
상기 바이오가스 중의 산소를 구리-산화아연과 반응시켜서 산화구리로서 포착하는 포착 공정과,
압력 스윙 흡착법에 의해서 바이오가스 중의 이산화탄소를 분리하여 메탄을 농축하는 농축 공정을 갖고;
상기 흡착 제거 공정, 반응 제거 공정, 포착 공정 및 농축 공정을 행함으로써 바이오가스로부터 메탄을 회수하는 것을 특징으로 하는 메탄 회수방법.
As a methane recovery method for recovering methane from a biogas containing methane as a main component and at least oxygen as an impurity:
An adsorption removal step of adsorbing and removing the siloxane in the biogas by adsorbent,
A reaction removal step of reacting hydrogen sulfide in the biogas with a metal oxide to remove it as a metal sulfide;
A capturing step of reacting oxygen in the biogas with copper-zinc oxide to capture copper oxide;
Having a concentration step of concentrating methane by separating carbon dioxide in biogas by a pressure swing adsorption method;
Methane recovery method from the biogas by performing the adsorption removal step, reaction removal step, capture step and concentration step.
제 1 항에 있어서,
상기 포착 공정에서는 피처리 가스를 200℃~300℃의 온도 조건 하에서 구리-산화아연과 접촉시키는 것을 특징으로 하는 메탄 회수방법.
The method of claim 1,
In the capture step, the gas to be treated is brought into contact with copper-zinc oxide under a temperature condition of 200 ° C to 300 ° C.
제 1 항에 있어서,
상기 농축 공정에서는 가압함으로써 흡착제에 바이오가스 중의 이산화탄소를 흡착시키고, 대기압으로 함으로써 흡착제로부터 이산화탄소를 이탈시키는 것을 특징으로 하는 메탄 회수방법.
The method of claim 1,
In the concentration step, the carbon dioxide in the biogas is adsorbed to the adsorbent by pressurization, and the carbon dioxide is removed from the adsorbent by setting it to atmospheric pressure.
제 1 항에 있어서,
상기 포착 공정은 상기 반응 제거 공정 후에 행해지는 것을 특징으로 하는 메탄 회수방법.
The method of claim 1,
The capture process is carried out after the reaction removal step, methane recovery method.
메탄을 주성분으로 하고, 적어도 산소를 불순물로서 함유하는 바이오가스로부터 메탄을 회수하는 회수장치로서:
상기 바이오가스 중의 실록산을 흡착제에 흡착시켜서 제거하는 흡착탑과,
상기 바이오가스 중의 황화수소를 금속 산화물과 반응시켜서 금속 황화물로서 제거하는 황화수소 반응탑과,
상기 바이오가스 중의 산소를 구리-산화아연과 반응시켜서 산화구리로서 포착하는 탈산소 반응탑과,
압력 스윙 흡착법에 의해서 바이오가스 중의 이산화탄소를 분리해서 메탄을 농축하는 압력 스윙 흡착장치를 갖고;
상기 흡착탑, 황화수소 반응탑, 탈산소 반응탑 및 압력 스윙 흡착장치를 동작시킴으로써 바이오가스로부터 메탄을 회수하는 것을 특징으로 하는 메탄 회수장치.
A recovery apparatus for recovering methane from biogas containing methane as a main component and at least oxygen as an impurity:
An adsorption tower for adsorbing and removing the siloxane in the biogas by adsorbent;
A hydrogen sulfide reaction tower for reacting hydrogen sulfide in the biogas with a metal oxide to remove it as a metal sulfide,
A deoxygenation reaction tower for reacting oxygen in the biogas with copper-zinc oxide to capture copper oxide;
A pressure swing adsorption device for separating carbon dioxide in biogas by pressure swing adsorption and concentrating methane;
Methane recovery apparatus for recovering methane from biogas by operating the adsorption tower, hydrogen sulfide reaction tower, deoxygenation reaction tower and pressure swing adsorption device.
제 5 항에 있어서,
상기 탈산소 반응탑 내에 수소를 도입하고, 반응으로 생긴 산화구리를 환원시키는 수소 도입장치를 더 갖는 것을 특징으로 하는 메탄 회수장치.
The method of claim 5, wherein
Methane recovery apparatus further comprises a hydrogen introduction device for introducing hydrogen into the deoxygenation reaction tower, reducing the copper oxide produced by the reaction.
제 5 항에 있어서,
상기 탈산소 반응탑에는 미리 상기 황화수소 반응탑에서 황화수소가 제거된 바이오가스가 도입되는 것을 특징으로 하는 메탄 회수장치.
The method of claim 5, wherein
The methane recovery apparatus is characterized in that the deoxygenation reaction column is introduced with a biogas from which the hydrogen sulfide is removed from the hydrogen sulfide reaction column in advance.
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