KR20140052401A - 바이오 가스에서의 바이오메탄 고농축 정제장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바이오 가스에서의 바이오메탄 고농축 정제장치로서, 축산분뇨의 처리과정에서 발생한 배출가스를 포집한 바이오 가스가 공급되는 바이오 가스 공급라인; 상기 바이오 가스내의 소정 크기 이상의 입자와 수분을 제거하도록 상기 바 이오 가스 공급라인에 설치되는 필터모듈; 상기 필터모듈을 통과한 상기 바이오 가스가 공급되도록 상기 바이오 가스 공급라인에 접속된 멤브레인유닛; 상기 멤브레인유닛을 통해 분리된 이산화탄소를 배출하는 이산화탄소 배출라인; 및 상기 멤브레인유닛을 통해 농축 정제된 바이오메탄을 배출하는 바이오메탄 가스 배출라인을 포함한다.

Description

바이오 가스에서의 바이오메탄 고농축 정제장치{HIGHLY ENRICHED REFINING APPARATUS OF BIOMETHANE FROM BIO GAS}
본 발명은 축산분뇨의 처리과정에서 발생하는 배출가스를 포집하여, 프리필터 및 미스트필터의 분리막를 이용하여 큰 미세입자와 수분을 제거하고, 다음 레귤레이터로 압력 및 온도를 조절하여 1차 멤브레인모듈을 통과시키고, 이어서 2차 멤브레인모듈을 통과시켜 또 한번 메탄가스를 분리하여 95% 이상의 바이오메탄으로 고농축 정제하는 공정 및 구성으로 탄소절감 효과와 신재생에너지 생산효과를 기대할 수 있는 바이오메탄가스에서의 바이오메탄 고농축 정제장치에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 바이오 가스(bio gas)는 축산 분뇨, 음식물 쓰레기, 하수처리장 슬러지(sludge)와 같이 바이오매스(biomass: 유기물)의 함량이 높은 유기성 폐기물을 혐기소화하여, 즉 산소가 존재하지 않는 혐기(anaerobic) 상태 하에서 소화 처리함으로써 얻어지는 것으로, 주로 메탄(CH4)(60-70%)과 이산화탄소(CO2)(30-40%)로 이루어지고, 소량의 황화수소(H2S), 암모니아(NH3) 등도 포함하며, 그 원료물질인 유기성 폐기물은 인간 활동과 각종 산업 활동을 통해 끊임없이 발생되므로 발생량은 지속적으로 증가하는 추세에 있다.
이와 같이 바이오 가스는 메탄가스를 약 60-70% 정도 다량 함유하므로, 통상 열병합 발전기를 이용하여 연소시켜 전기 및 열 에너지를 얻을 수 있지만, 열병합 발전기는 발전효율이 30-40% 정도로 전기에너지로의 전환율이 낮을 뿐만아니라, 얻어지는 열에너지 역시 외부 수요처에 공급하기에는 어렵다는 문제점이 있다.
이에 따라, 바이오 가스 중에 포함된 메탄가스만을 분리하여 에너지원으로 사용하기 위한 많은 노력이 있어 왔다.
예컨대, 바이오 가스 고질화(upgrading) 기술로서, 기체의 용해도 차이를 이용하여 메탄과 이산화탄소를 분리하는 워터 스크러빙(Water Scrubbing) 법, 기체상 물질의 흡착 특성의 차이를 이용하여 분리하는 PSA(Pressure Swing Adsorption) 법, 기체 분자의 극성 차이를 이용하는 막(Membrane) 분리법 등이 있다.
이들 방법 중 막 분리법을 이용한 바이오메탄 생산 기술은 중소규모가 많은 바이오가스 시설에 적합하고 유지보수가 용이하며 메탄의 순도도 높은 장점이 있다. 이에 생산된 바이오메탄은 고압으로 압축되어 CBM으로 생산됨에 따라, 운송 및 저장이 용이하며, 필요시 열량 조절 등을 거친 후, 자동차 등 수송용 연료로 사용하거나 도시가스 배관망에 주입하는 등 다양한 적용처에 사용 가능하므로, 주요한 신재생에너지원으로 부각되고 있다.
(특허문헌 1) 한국등록특허 제10-0951367호(2010.4.8 공고)
(특허문헌 2) 한국등록특허 제10-1100321호(2011.12.30 공고)
(특허문헌 3) 일본공개특허 제2010-209036호(/2010.9.24 공개)
따라서 본 발명은 상기한 바를 고려하여 안출된 것으로서, 그 목적은 축산분뇨의 처리과정에서 포집한 배출가스에서 메탄가스를 분리하여 95% 이상의 바이오메탄으로 고농축 정제할 수 있는 바이오 가스에서의 바이오메탄 고농축 정제장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바이오 가스에서의 바이오메탄 고농축 정제장치는 축산분뇨의 처리과정에서 발생한 배출가스를 포집하여 처리한 바이오 가스가 공급되는 바이오 가스 공급라인; 상기 바이오 가스내의 소정 크기 이상의 입자와 수분을 제거하도록 상기 바이오 가스 공급라인에 설치되는 필터모듈; 상기 필터모듈을 통과한 상기 바이오 가스가 공급되도록 상기 바이오 가스 공급라인에 접속된 멤브레인유닛; 상기 멤브레인유닛을 통해 분리된 이산화탄소를 배출하는 이산화탄소 배출라인; 및 상기 멤브레인유닛을 통해 농축 정제된 바이오메탄을 배출하는 바이오메탄 배출라인을 포함한다.
상기 필터모듈은 프리필터 및 미스트필터를 포함할 수 있다.
상기 바이오 가스 공급라인에는 레귤레이터와, 압력 게이지 및 온도 게이지가 순차적으로 설치될 수 있다.
상기 바이오메탄 배출라인에는 압력 게이지, 온도 게이지 및 유량조절계가 순차적으로 설치될 수 있다.
또한, 상기 이산화탄소 배출라인에는 압력 게이지, 진공펌프 및 유량조절계가 순차적으로 설치될 수 있다.
한편, 상기 멤브레인유닛은 제 1 내지 제 3 멤브레인모듈을 포함할 수 있고, 상기 제 1 멤브레인모듈은 상기 바이오 가스 공급라인에 접속되어, 이산화탄소와 바이오메탄을 일차 분리한 후, 상기 바이오메탄은 상기 제 2 멤브레인모듈로 공급하여 농축 정제한 후 상기 바이오메탄 배출라인을 통해 배출하고, 상기 이산화탄소는 상기 제 3 멤브레인모듈로 공급하여 더 분리한 후 상기 이산화탄소 배출라인을 통해 배출할 수 있다.
상기 멤브레인유닛에서 미농축 정제된 바이오메탄과 미분리된 이산화탄소를 상기 바이오 가스와 혼합하도록 상기 멤브레인유닛에 접속되는 회수라인을 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 회수라인에는 압력 게이지 및 유량조절계가 순차적으로 설치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 축산분뇨의 처리과정에서 포집한 배출가스를 처리하여 얻어지는 바이오 가스내의 비교적 큰 미세입자 및 수분을 필터모듈에서 제거한 후, 에서 이산화탄소와 바이오메탄 가스를 각각 한번 더 분리함에 따라 95% 이상의 바이오메탄으로 고농축 정제할 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 가스에서의 바이오메탄 고농축 정제장치를 나타내는 개략 구성도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 가스에서의 바이오메탄 고농축 정제장치의 구성을 나타내고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르는 바이오 가스에서의 바이오메탄 고농축 정제장치(100)는 크게 축산분뇨의 처리과정에서 발생한 배출가스를 포집하여 처리한 바이오 가스내의 비교적 큰 미세입자 및 수분을 제거하는 필터모듈(10)과 필터모듈(10)을 통과하여 미세입자와 수분이 제거된 바이오 가스에서 이산화탄소를 분리하고, 바이오메탄을 농축 정제하는 멤브레인유닛(30)을 포함한다.
바이오 가스는 대기 중이나 농가, 난방용 온실에서 버려지는 배출가스, 특히 축산분뇨의 처리과정에서 발생한 배출가스를 포집하여 혐기소화, 즉 산소가 존재하지 않는 협기(anaerobic) 상태 하에서 소화 처리함으로써 얻어지며, 이러한 바이오 가스는 바이오 가스 공급라인(20)을 통해 멤브레인유닛(30)으로 공급된다.
바이오 가스 공급라인(20)에는 바이오 가스내의 소정 크기 이상의 비교적 큰 미세입자와 수분을 제거하기 위한 분리막으로서 필터모듈(10)이 설치되며, 이러한 필터모듈(10)은 프리필터(12) 및 미스트필터(14)를 포함할 수 있다.
또한 필터모듈(10)과 멤브레임유닛(30) 사이의 바이오 가스 공급라인(20)에는 레귤레이터(22)와, 압력 게이지(24) 및 온도 게이지(26)가 순차적으로 설치될 수 있다.
바이오 가스는 프리필터(12) 및 미스트필터(14)의 분리막을 이용하여 비교적 큰 미세입자와 수분이 제거한 다음, 레귤레이터(22)로 압력 및 온도를 조절하여 (30)로 공급된다.
한편, 멤브레임유닛(30)은 복수개, 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 제 1 내지 제 3 멤브레인모듈(32)(34)(36)을 포함할 수 있으며, 제 1 멤브레인모듈(32)은 바이오 가스 공급라인(20)과 접속된 제 1 멤브레인모듈(32)에서 바이오메탄과 이산화탄소를 분리한 다음, 바이오메탄은 제 2 멤브레인모듈(34)을 통해 농축 정제되어 배출되고, 이산화탄소는 제 3 멤브레인모듈(36)을 통해 한번 더 분리된 후 배출된다.
이를 위해 제 2 멤브레인모듈(34)은 바이오메탄 배출라인(40)이 접속되며, 제 3 멤브레인모듈(36)은 이산화탄소 배출라인(60)과 접속된다.
한편, 바이오메탄 배출라인(40)에는 압력 게이지(42), 온도 게이지(44) 및 유량조절계(46)가 순차적으로 설치되어 95% 이상으로 농축 정제된 바이오메탄을 배출한다.
또한 이산화탄소 배출라인(60)에는 압력 게이지(62), 진공펌프(64) 및 유량조절계(66)가 순차적으로 설치되어 순도 높은 이산화탄소를 신속하게 배출한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 제 2 및 제 3 멤브레인모듈(34)(36)을 통과하면서도 농축 정제되지 않은 바이오메탄과 분리되지 않은 이산화탄소는 바이오 가스와 혼합하여 다시 멤브레인유닛(30)으로 공급되도록 제 2 및 제 3 멤브레인모듈(34)(36)에는 각각 회수라인(80)이 접속되며, 각각의 회수라인(80)에는 압력 게이지(82) 및 유량조절계(84)가 순차적으로 설치될 수 있다.
이상과 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 가스에서의 바이오메탄 고농축 정제장치는 다음과 같이 작동한다.
먼저, 축산분뇨의 처리과정에서 발생한 배출가스를 포집하여 처리한 바이오 가스는 바이오 가스 공급라인(20)의 필터모듈(10)을 통과하면서, 바이오 가스내의 비교적 큰 미세입자와 수분이 제거되고, 압력과 온도가 조절되어 멤브레인유닛(30)의 제 1 멤브레인모듈(32)에 공급된다.
이어서, 제 1 멤브레인모듈(32)에 공급된 바이오 가스는 제 1 멤브레인모듈(32)에서 바이오메탄과 이산화탄소로 일차 분리되고, 일차 분리된 바이오메탄은 제 2 멤브레임모듈(34)로 공급되어 농축 정제된 후, 바이오메탄 배출라인(40)을 통해 배출된다.
한편, 제 1 멤브레인모듈(32)에서 분리된 이산화탄소는 제 3 멤브레인모듈(36)로 공급되어 한 번 더 분리된 다음, 이산화탄소 배출라인(60)을 통해 배출되어 포집될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 멤브레인유닛(30)은 이산화탄소와 바이오메탄이 복수개의 멤브레인모듈(32-36)을 통해 분리되어 농축 정제됨에 따라, 95% 이상의 바이오메탄이 얻어진다.
이상과 같이 본원발명의 바이오메탄 고농축 정제장치는 축사에서 발생하는 배출가스를 처리한 바이오 가스를 프리필터와 미스트필터의 필터모듈로써 내부의 큰 먼지입자와 수분을 제거한 다음, 복수개의 멤브레인모듈로 구성된 멤브레인유닛으로 공급하여 이산화탄소와 바이오메탄으로 분리함으로써, 95% 이상의 고농축 메탄가스를 얻을 수 있다. 그 결과, 이산화탄소의 포집 및 메탄가스만의 분리에 의해, 이동과 저장이 용이한 액화상태로 전환하여 바이오에너지로 사용할 수 있어, 사회적으로 문제가 대두되는 탄소절감 효과와 동시에 신재생에너지의 생산효과를 기대할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 가스에서의 바이오메탄 고농축 정제장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
10 : 필터모듈 12 : 프리필터
14 : 미스트필터 20 : 바이오 가스 공급라인
22 : 레귤레이터 24, 42, 62, 82 : 압력 게이지
26, 44 : 온도 게이지 30 : 멤브레인유닛
32, 34, 36 : 제 1 내지 제 3 멤브레인모듈
40 : 바이오메탄 배출라인 46, 66, 84 : 유량조절계
60 : 이산화탄소 배출라인 80 : 회수라인

Claims (8)

  1. 바이오 가스에서의 바이오메탄 고농축 정제장치로서,
    축산분뇨의 처리과정에서 발생한 배출가스를 포집한 바이오 가스가 공급되는 바이오 가스 공급라인;
    상기 바이오 가스내의 소정 크기 이상의 입자와 수분을 제거하도록 상기 바 이오 가스 공급라인에 설치되는 필터모듈;
    상기 필터모듈을 통과한 상기 바이오 가스가 공급되도록 상기 바이오 가스 공급라인에 접속된 멤브레인유닛;
    상기 멤브레인유닛을 통해 분리된 이산화탄소를 배출하는 이산화탄소 배출라인; 및
    상기 멤브레인유닛을 통해 농축 정제된 바이오메탄을 배출하는 바이오메탄 배출라인을 포함하는
    바이오 가스에서의 바이오메탄 고농축 정제장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터모듈은 프리필터 및 미스트필터를 포함하는
    바이오 가스에서의 바이오메탄 고농축 정제장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이오 가스 공급라인에는 레귤레이터와, 압력 게이지 및 온도 게이지가 순차적으로 설치되는
    바이오 가스에서의 바이오메탄 고농축 정제장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이오메탄 배출라인에는 압력 게이지, 온도 게이지 및 유량조절계가 순차적으로 설치되는
    바이오 가스에서의 바이오메탄 고농축 정제장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 배출라인에는 압력 게이지, 진공펌프 및 유량조절계가 순차적으로 설치되는
    바이오 가스에서의 바이오메탄 고농축 정제장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 멤브레인유닛은 제 1 내지 제 3 멤브레인모듈을 포함하며,
    상기 제 1 멤브레인모듈은 상기 바이오 가스 공급라인에 접속되어, 상기 이산화탄소와 바이오메탄을 일차 분리한 후, 상기 바이오메탄은 상기 제 2 멤브레인모듈로 공급하여 농축 정제한 후 상기 바이오메탄 배출라인을 통해 배출하고, 상기 이산화탄소는 상기 제 3 멤브레인모듈로 공급하여 더 분리한 후 상기 이산화탄소 배출라인을 통해 배출하는
    바이오 가스에서의 바이오메탄 고농축 정제장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 멤브레인유닛에서 미농축 정제된 바이오메탄과 미분리된 이산화탄소를 상기 바이오 가스와 혼합하도록 상기 멤브레인유닛에 접속되는 회수라인을 더 포함하는
    바이오 가스에서의 바이오메탄 고농축 정제장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 회수라인에는 압력 게이지 및 유량조절계가 순차적으로 설치되는
    바이오 가스에서의 바이오메탄 고농축 정제장치.
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