KR20160022853A - 바이오 가스 정제 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 (d1) 혼합 기체를 압축하는 압축기, (d2) 상기 압축된 혼합 기체를 제1 농축기체(concentrate) 및 제1 투과기체(permeate)로 분리하는 제1 기체 분리부, (d3) 상기 제1 농축기체에서 이산화탄소를 제거 또는 저감시키는 이산화탄소 정제부가 포함된 기체 분리장치에 관한 것이며, 이를 통해 기존의 바이오 가스 정제 설비에 대한 변경 없이 또는 그 변경을 최소화하면서, 메탄 회수율을 높이고 메탄 배출량을 낮출 수 있는 효과를 달성할 수 있다.

Description

바이오 가스 정제 장치{An apparatus of purifying biogas}
본 발명은 바이오 가스 정제 장치에 관한 것이다.
바이오 가스를 정제하여 메탄 등을 회수하는 장치에 있어서, 보통의 경우 바이오 가스의 원료 물질에 따라 또는 발생되는 시기에 따라 회수 장치에 투입되는 피드 기체의 양이 변할 뿐 아니라, 피드 기체 내의 이산화탄소 또는 메탄의 조성이 변하게 된다.
전체 기체 양과 기체 내 조성이 크게 변하는 상태로 회수 장치에 피드 기체로 투입되는 경우, 회수 장치의 운전 안정화에 많은 시간과 비용이 소모되고, 메탄 등의 회수율의 향상도 어렵게 될 뿐만 아니라, 이렇게 회수되지 않고 대기 중에 배출되는 메탄 등은 지구 온난화를 유발하게 되어, 환경적으로도 행정 규제 면에서도 바람직하지 않은 결과를 낳게 된다.
종래 이러한 문제를 해결하기 위하여, 기존 바이오 가스 정제 장치의 설비를 변경함으로써 메탄 회수율을 높이고 메탄 배출량을 낮추기 위한 노력들을 해오고 있으나, 이미 설치되어 있는 바이오 가스 정제 설비를 변경하는 일은 많은 비용과 시간이 소요되는 일이어서 부담이 클 수밖에 없는 문제가 있다.
따라서, 본 발명에서는 기존의 바이오 가스 정제 설비에 대한 변경 없이 또는 그 변경을 최소화하면서, 메탄 회수율을 높이고 메탄 배출량을 낮출 수 있는 바이오 가스 정제 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면은 (d1) 혼합 기체를 압축하는 압축기, (d2) 상기 압축된 혼합 기체를 제1 농축기체(concentrate) 및 제1 투과기체(permeate)로 분리하는 제1 기체 분리부, (d3) 상기 제1 농축기체에서 이산화탄소를 제거 또는 저감시키는 이산화탄소 정제부를 포함하는 기체 분리장치에 관한 것이다.
본 발명의 다른 측면은 (A) 이산화탄소 및 메탄을 포함하는 바이오 가스를 공급하는 바이오 가스 공급부, (B) 상기 바이오 가스 공급부로부터 공급된 바이오 가스 내 수분을 제거하기 위한 제습부, (C) 상기 제습부에서 제습된 바이오 가스 내 실록산을 제거하기 위한 탈실록산부, (D) 상기 탈실록산부에서 배출된 바이오 가스로부터 메탄과 이산화탄소를 분리하는 기체 분리부, (E) 상기 기체 분리부로부터 배출된 메탄 풍부(rich) 기체를 수집하는 메탄 수집부, (F) 상기 기체 분리부로부터 배출된 이산화탄소 풍부 기체를 수집하는 이산화탄소 수집부를 포함하는 바이오 가스 분리장치에 관한 것으로, 이때 상기 (D) 기체 분리부는 본 발명의 여러 구현예에 따른 기체 분리장치를 사용할 수 있다.
본 발명의 여러 구현예에 따르면, 기존의 바이오 가스 정제 설비에 대한 변경 없이 또는 그 변경을 최소화하면서, 메탄 회수율을 높이고 메탄 배출량을 낮출 수 있는 효과를 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 바이오 가스 정제 장치에 관한 개략도이다.
이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, (d1) 혼합 기체를 압축하는 압축기, (d2) 상기 압축된 혼합 기체를 제1 농축기체(concentrate) 및 제1 투과기체(permeate)로 분리하는 제1 기체 분리부, (d3) 상기 제1 농축기체에서 이산화탄소를 제거 또는 저감시키는 이산화탄소 정제부가 포함된 기체 분리장치가 개시된다.
위 기체 분리장치를 통해서 배출되는 제1 농축기체와 제1 투과기체 중에서, 상기 제1 농축기체는 상기 제1 기체 분리부에 투입되는 혼합 기체에 비해 메탄 농도가 높고, 상기 제1 투과기체는 상기 제1 기체 분리부에 투입되는 혼합 기체에 비해 이산화탄소 농도가 높게 된다.
또한, 상기 제1 기체 분리부는 복수 개의 중공사막 형태 기체 분리막으로 구성되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 있어서 이산화탄소 정제부는 PSA (pressure swing adsorption) 장치, 기체 흡수 장치, 기체 분리장치 또는 이들의 조합 중에서 선택될 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 이산화탄소 정제부는 (d3') 상기 제1 농축기체를 제2 농축기체 및 제2 투과기체로 분리하는 제2 기체 분리부일 수 있으며, 이 경우 상기 제2 기체 분리부에 투입되는 혼합 기체에 비해 상기 제2 농축기체는 메탄 농도가 높고, 상기 제2 기체 분리부에 투입되는 혼합 기체에 비해 상기 제2 투과기체는 이산화탄소 농도가 높게 된다.
본 발명에 있어서, 상기 이산화탄소 정제부가 특히 기체 분리막인 경우 PSA 장치 또는 기체 흡수 장치에 비해 상기 제1 기체 분리부와 상기 이산화탄소 정제부의 운전 조건을 상호 조율할 수 있어 전체적인 운전 편이를 도모할 수 있는 장점을 가져 바람직하다.
또한, 상기 제2 기체 분리부 역시 복수 개의 중공사막 형태 기체 분리막으로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 혼합 기체는 메탄 45-69 몰%, 이산화탄소 30-50 몰%, 기타 기체 0.01-10 몰%, 바람직하게는 메탄 45-65 몰%, 이산화탄소 30-50 몰%, 기타 기체 0.01-10 몰%로 구성될 수 있고, 상기 제1 기체 분리부의 스테이지 컷은 0.05-0.2, 바람직하게는 0.1-0.15으로 운행되는 것이 바람직하다. 이때, 스테이지 컷은 상기 제1 기체 분리부에 투입되는 유량 대비 제1 투과기체의 유량의 비율을 의미한다.
만일 상기 스테이지 컷이 0.05 미만인 경우에는 제거되지 않고 제1 기체 분리부에서 배출되는 이산화탄소 양이 급증하는 등 제1 기체 분리부의 효과가 미비하여 제2 기체 분리부의 이산화탄소 분리 부담이 거의 줄지 않는 문제가 발생하고, 상기 스테이지 컷이 0.2를 초과하는 경우에는 제1 기체 분리부의 메탄 회수율이 급감하고 전체 메탄 회수율의 증가 폭도 크지 않아 미회수 메탄 배출량이 높다는 문제가 생길 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 상기 제1 농축기체의 메탄 회수율은 92-99%이며, 특히 95-99%인 것이 바람직하고, 이때 상기 메탄 회수율은 상기 제1 기체 분리부에 투입되는 혼합 기체 내 메탄의 유량 대비 상기 제1 농축기체 내 메탄의 유량의 비율을 의미한다.
만일 상기 메탄 회수율이 95% 미만인 경우에는 전체 메탄 회수율도 떨어져서 미회수 메탄 배출량이 높다는 문제가 발생할 수 있고, 상기 메탄 회수율이 99%를 초과하는 경우에는 제거되지 않고 제1 기체 분리부에서 배출되는 이산화탄소 양이 급증하는 등 제1 기체 분리부의 효과가 미비하여 제2 기체 분리부의 이산화탄소 분리 부담이 거의 줄지 않는 문제가 발생할 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 본 발명에서 사용된 기체 분리막의 이산화탄소 투과도는 100 내지 1,000 GPU이고, 특히 100 내지 300 GPU인 것이 바람직하다. 또한, 상기 혼합 기체의 압력이 0.01-0.5 barg이고, 상기 압축기에 의해 압축된 혼합 기체의 압력은 4.5-9.9 barg이며, 상기 제1 농축기체 및 상기 제2 농축기체의 압력이 4.5-9.9 barg으로 운전하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 투과율이 높은 막을 사용함으로써 최종 메탄 풍부 기체의 유체 흐름을 낮은 압력으로 수득할 수 있고, 이에 따라 고압 용기 사용에 따른 비용 증가 및 관련 행정기관으로부터의 허가 문제를 해소할 수 있는 장점이 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 기체 분리막으로 상기 이산화탄소 대비 메탄의 선택도가 20 내지 50이고, 24 내지 50이 바람직하고, 그 중에서도 특히 24 내지 30인 막을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
만일 선택도가 24 미만인 경우에는 제1 기체 분리부의 메탄 회수율이 급감하고 전체 메탄 회수율도 떨어져서 미회수 메탄 배출량이 높다는 문제가 생길 수 있고, 상기 언급한 투과도를 가지면서 선택도가 50을 초과하는 기체 분리막을 제조하는 것이 사실상 매우 어려운 문제가 있다.
또한, 상기 제1 투과기체 내 이산화탄소의 농도는 100 몰%를 초과하지 않으면서 상기 혼합 기체 내 이산화탄소 농도의 2-3배인 것이 바람직하다.
만일 상기 제1 투과기체 내 이산화탄소의 농도가 상기 혼합 기체 내 이산화탄소 농도의 2배 미만이면 제1 기체 분리부의 메탄 회수율이 급감하고 전체 메탄 회수율도 떨어져서 미회수 메탄 배출량이 높다는 문제가 발생할 수 있고, 3배를 초과하면 제거되지 않고 제1 기체 분리부에서 배출되는 이산화탄소 양이 급증하는 등 제1 기체 분리부의 효과가 미비하여 제2 기체 분리부의 이산화탄소 분리 부담이 거의 줄지 않는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 상기 제1 농축기체 내 메탄 농도는 상기 혼합 기체 내 메탄 농도의 1.05-1.2배이고, 특히 1.05-1.1배인 것이 바람직하다.
만일 상기 제1 농축기체 내 메탄 농도가 상기 혼합 기체 내 메탄 농도의 1.05배 미만이면 제거되지 않고 제1 기체 분리부에서 배출되는 이산화탄소 양이 급증하는 등 제1 기체 분리부의 효과가 미비하여 제2 기체 분리부의 이산화탄소 분리 부담이 거의 줄지 않는 문제가 발생할 수 있고, 1.1배를 초과하면 제1 기체 분리부의 메탄 회수율이 급감하고 전체 메탄 회수율도 떨어져서 미회수 메탄 배출량이 높다는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 상기 제1 농축기체 내 이산화탄소 농도는 상기 혼합 기체 내 이산화탄소 농도의 0.7-0.9배이고, 특히 0.8-0.9배인 것이 바람직하다.
만일 상기 제1 농축기체 내 이산화탄소 농도가 상기 혼합 기체 내 이산화탄소 농도의 0.8배 미만이면 제1 기체 분리부의 메탄 회수율이 급감하고 전체 메탄 회수율도 떨어져서 미회수 메탄 배출량이 높다는 문제가 발생할 수 있고, 0.9배를 초과하면 제거되지 않고 제1 기체 분리부에서 배출되는 이산화탄소 양이 급증하는 등 제1 기체 분리부의 효과가 미비하여 제2 기체 분리부의 이산화탄소 분리 부담이 거의 줄지 않는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 (A) 이산화탄소 및 메탄을 포함하는 바이오 가스를 공급하는 바이오 가스 공급부, (B) 상기 바이오 가스 공급부로부터 공급된 바이오 가스 내 수분을 제거하기 위한 제습부, (C) 상기 제습부에서 제습된 바이오 가스 내 실록산을 제거하기 위한 탈실록산부, (D) 상기 탈실록산부에서 배출된 바이오 가스로부터 메탄과 이산화탄소를 분리하는 기체 분리부, (E) 상기 기체 분리부로부터 배출된 메탄 풍부(rich) 기체를 수집하는 메탄 수집부, (F) 상기 기체 분리부로부터 배출된 이산화탄소 풍부 기체를 수집하는 이산화탄소 수집부를 포함하는 바이오 가스 분리장치에 관한 것으로, 이때 상기 (D) 기체 분리부는 본 발명의 여러 구현예에 따른 기체 분리장치를 사용할 수 있다. 이때, 상기 혼합 기체는 상기 탈실록부에서 배출된 바이오 가스가 될 수 있다.
이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백하다.
실시예
실시예 1
도 1과 같이 장치를 구성하고 공정을 운전하되, 기체 분리막의 이산화탄소 투과도는 220 GPU이고, 이산화탄소 대비 메탄의 선택도는 28인 기체 분리막을 사용하였다. 이때 공급 가스의 압력은 5 barg, 유량은 100 Nm3/hr이고, 메탄과 이산화탄소의 농도는 각각 60 몰%와 40 몰%이고, 나머지 성분은 무시 가능한 수준이었다. 또한 스테이지 컷은 0.1로 설정하여 운전하였다.
그 결과, 제1 농축 기체는 유량이 90 Nm3/hr,메탄 농도가 65 몰%이었고, 제1 투과 기체는 유량이 10 Nm3/hr,메탄 농도가 15 몰%이었으며, 제1 기체 분리부에서 메탄 회수율은 97.5%로 확인되었다.
또한, 제2 농축 기체는 유량이 57 Nm3/hr,메탄 농도가 97 몰%이었고, 제2 투과 기체의 유량은 33 Nm3/hr,메탄 농도는 9.7 몰%이었으며, 제2 기체 분리부에서의 메탄 회수율은 94.5%로 확인되었다.
또한, 전체 공정에서의 메탄 회수율은 92.2%로서, 후속 공정이 없는 조건에서는 7.8%의 메탄만이 회수되지 않고 대기 중에 배출되는 것으로 볼 수 있는 결과이다.
실시예 2
실시예 1과 동일하게 공정을 운전하되, 다만 스테이지 컷이 0.03으로 설정하여 운전하였다.
그 결과, 제1 농축 기체이 유량은 97 Nm3/hr,메탄 농도는 61 몰%로서, 제1 기체 분리부의 메탄 회수율은 98.6%로 향상되었다.
다만, 제1 기체 분리부의 기체 분리 효과가 크지 않았고, 이는 제2 기체 분리부의 기체 분리 부담 증가로 이어져, 그 결과 제2 투과 기체는 유량이 45 Nm3/hr,메탄 농도가 19.4 몰% 정도로 높아져 제2 기체 분리부의 분리 효과가 크게 저하됨을 확인하였다.
실시예 3
실시예 1과 동일하게 공정을 운전하되, 다만 스테이지 컷이 0.24로 설정하여 운전하였다.
그 결과, 제1 기체 분리부의 메탄 회수율이 92.5%로 떨어지고, 전체 공정의 메탄 회수율 역시 88.9%로 급감하여, 미회수 메탄 배출량이 급증함을 확인하였다.
실시예 4 및 5
실시예 4에서는 실시예 1과 동일하게 공정을 운전하되, 다만 이산화탄소 투과도가 80 GPU인 기체 분리막을 사용하여 운전하였다. 제2 농축기체의 유량이 20.7 Nm3/hr로 급감하여 동일한 시간 처리 용량이 크게 저하됨을 확인하였다.
실시예 5에서는 실시예 4와 동일하게 공정을 운전하되, 다만 공급 가스의 압력을 13.8 barg로 크게 높이고, 필요에 따라 고압용 설비 부품으로 교체한 후에 공정을 운전하였으며, 그 결과 제2 농축 기체의 유량이 실시예 1과 동일한 수준인 57 Nm3/hr로 회복됨을 확인하였다.
실시예 6
실시예 1과 동일하게 공정을 운전하되, 다만 선택도가 20인 기체 분리막을 사용하여 운전하였다.
그 결과, 제1 기체 분리부의 메탄 회수율이 93%로 떨어지고, 전체 공정의 메탄 회수율 역시 87.3%로 급감하여, 미회수 메탄 배출량이 급증함을 확인하였다.
실시예 7
실시예 1과 동일하게 공정을 운전하되, 다만 제1 투과기체 내 이산화탄소 농도가 혼합 기체 내 이산화탄소 농도의 1.81배가 되도록 운전하였다.
그 결과, 제1 기체 분리부의 기체 분리 효과가 크지 않았고, 이는 제2 기체 분리부의 기체 분리 부담 증가로 이어져, 그 결과 제2 투과 기체는 유량이 45 Nm3/hr,메탄 농도가 19.4 몰% 정도로 높아져 제2 기체 분리부의 분리 효과가 크게 저하됨을 확인하였다.
실시예 8
실시예 1과 동일하게 공정을 운전하되, 다만 제1 농축기체 내 메탄 농도가 혼합 기체 내 메탄 농도의 1.22배가 되도록 운전하였다.
그 결과, 제1 기체 분리부의 메탄 회수율이 92.5%로 떨어지고, 전체 공정의 메탄 회수율 역시 88.9%로 급감하여, 미회수 메탄 배출량이 급증함을 확인하였다.
실시예 9
실시예 1과 동일하게 공정을 운전하되, 다만 제1 농축기체 내 메탄 농도가 혼합 기체 내 메탄 농도의 1.02배가 되도록 운전하였다.
그 결과, 제1 기체 분리부의 기체 분리 효과가 크지 않았고, 이는 제2 기체 분리부의 기체 분리 부담 증가로 이어져, 그 결과 제2 투과 기체는 유량이 45 Nm3/hr,메탄 농도가 19.4 몰% 정도로 높아져 제2 기체 분리부의 분리 효과가 크게 저하됨을 확인하였다.
실시예 10
실시예 1과 동일하게 공정을 운전하되, 다만 제1 농축기체 내 이산화탄소 농도가 혼합 기체 내 이산화탄소 농도의 0.675배가 되도록 운전하였다.
그 결과, 제1 기체 분리부의 메탄 회수율이 92.5%로 떨어지고, 전체 공정의 메탄 회수율 역시 88.9%로 급감하여, 미회수 메탄 배출량이 급증함을 확인하였다.
실시예 11
실시예 1과 동일하게 공정을 운전하되, 다만 제1 농축기체 내 이산화탄소 농도가 혼합 기체 내 이산화탄소 농도의 0.975배가 되도록 운전하였다.
그 결과, 제1 기체 분리부의 기체 분리 효과가 크지 않았고, 이는 제2 기체 분리부의 기체 분리 부담 증가로 이어져, 그 결과 제2 투과 기체는 유량이 45 Nm3/hr, 메탄 농도가 19.4 몰% 정도로 높아져 제2 기체 분리부의 분리 효과가 크게 저하됨을 확인하였다.

Claims (7)

  1. (d1) 혼합 기체를 압축하는 압축기,
    (d2) 상기 압축된 혼합 기체를 제1 농축기체(concentrate) 및 제1 투과기체(permeate)로 분리하는 제1 기체 분리부,
    (d3) 상기 제1 농축기체에서 이산화탄소를 제거 또는 저감시키는 이산화탄소 정제부,
    상기 제1 기체 분리부에 투입되는 혼합 기체에 비해 상기 제1 농축기체는 메탄 농도가 높고, 상기 제1 기체 분리부에 투입되는 혼합 기체에 비해 상기 제1 투과기체는 이산화탄소 농도가 높으며,
    상기 제1 기체 분리부는 복수 개의 중공사막 형태 기체 분리막으로 구성된 것을 특징으로 하는 기체 분리장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이산화탄소 정제부는 (d3') 상기 제1 농축기체를 제2 농축기체 및 제2 투과기체로 분리하는 제2 기체 분리부이고,
    상기 제2 기체 분리부에 투입되는 혼합 기체에 비해 상기 제2 농축기체는 메탄 농도가 높고, 상기 제2 기체 분리부에 투입되는 혼합 기체에 비해 상기 제2 투과기체는 이산화탄소 농도가 높으며,
    상기 제2 기체 분리부는 복수 개의 중공사막 형태 기체 분리막으로 구성된 것을 특징으로 하는 기체 분리장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 혼합 기체는 메탄 45-69 몰%, 이산화탄소 30-50 몰%, 기타 기체 0.01-10 몰%로 구성되고,
    상기 제1 기체 분리부의 스테이지 컷은 0.05-0.2이며,
    상기 스테이지 컷은 상기 제1 기체 분리부에 투입되는 유량 대비 제1 투과기체의 유량인 것을 특징으로 하는 기체 분리장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 농축기체의 메탄 회수율은 92-99%이고,
    상기 메탄 회수율은 상기 제1 기체 분리부에 투입되는 혼합 기체 내 메탄의 유량 대비 상기 제1 농축기체 내 메탄의 유량인 것을 특징으로 하는 기체 분리장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기체 분리막의 이산화탄소 투과도는 100 내지 1,000 GPU이며,
    상기 혼합 기체의 압력이 0.01-0.5 barg이고, 상기 압축기에 의해 압축된 혼합 기체의 압력은 4.5-9.9 barg이며, 상기 제1 농축기체 및 상기 제2 농축기체의 압력이 4.5-9.9 barg인 것을 특징으로 하는 기체 분리장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기체 분리막은 상기 이산화탄소 대비 메탄의 선택도가 20 내지 50이고,
    상기 제1 투과기체 내 이산화탄소의 농도는 100 몰%를 초과하지 않으면서 상기 혼합 기체 내 이산화탄소 농도의 2-3배이고,
    상기 제1 농축기체 내 메탄 농도는 상기 혼합 기체 내 메탄 농도의 1.05-1.2배이며,
    상기 제1 농축기체 내 이산화탄소 농도는 상기 혼합 기체 내 이산화탄소 농도의 0.7-0.9배인 것을 특징으로 하는 기체 분리장치.
  7. (A) 이산화탄소 및 메탄을 포함하는 바이오 가스를 공급하는 바이오 가스 공급부,
    (B) 상기 바이오 가스 공급부로부터 공급된 바이오 가스 내 수분을 제거하기 위한 제습부,
    (C) 상기 제습부에서 제습된 바이오 가스 내 실록산을 제거하기 위한 탈실록산부,
    (D) 상기 탈실록산부에서 배출된 바이오 가스로부터 메탄과 이산화탄소를 분리하는 기체 분리부,
    (E) 상기 기체 분리부로부터 배출된 메탄 풍부(rich) 기체를 수집하는 메탄 수집부,
    (F) 상기 기체 분리부로부터 배출된 이산화탄소 풍부 기체를 수집하는 이산화탄소 수집부를 포함하는 바이오 가스 분리장치로서;
    상기 (D) 기체 분리부는 제1항 또는 제2항 따른 기체 분리장치이고,
    상기 혼합 기체는 상기 탈실록산부에서 배출된 바이오 가스인 것을 특징으로 하는 바이오 가스 분리장치.
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