KR20170050087A - 고온형 연료전지 발전용 바이오가스 전처리 융합 자원화 공정 시스템 - Google Patents

고온형 연료전지 발전용 바이오가스 전처리 융합 자원화 공정 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 바이오가스에 포함되어 있는 불순물과 이산화탄소 제거 및 분리하여 고온형 연료전지 발전을 위한 고순도 메탄 공급을 위한 바이오가스 전처리 및 이산화탄소 자원화 융합 공정 모듈 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 의한 고온형 연료전지 발전용 바이오가스 전처리 융합 자원화 공정 모듈 시스템은 다양한 바이오가스 조성 및 유량변화에 유연하게 대처할 수 있는 최적화된 바이오가스 전처리 공정에 의해 순차적으로 불순물들이 모두 제거 분리되어 최종적으로 고농도의 메탄을 얻을 수 있는 이점이 있다.

Description

고온형 연료전지 발전용 바이오가스 전처리 융합 자원화 공정 시스템 {INTEGRATED PROCESS SYSTEM OF BIOGAS PRE-TREATMENT FOR HIGH TEMPERATURE FUEL CELL}
본 발명은 고온형 연료전지용 바이오가스 전치리 융합 공정 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바이오가스에 포함되어 있는 불순물과 이산화탄소 제거 및 분리하여 고온형 연료전지 발전을 위한 고순도 메탄 공급을 위한 바이오가스 전처리 및 이산화탄소 자원화 융합 공정 모듈 시스템에 관한 것이다.
바이오가스는 실생활, 공업, 농업, 축업 등 다양한 분야에서 나오는 고농도 유기성폐기물을 처리하는 혐기성소화조와 매립지에서 분해 발생되는 기체로서 메탄과 이산화탄소가 주를 이룬다.
이러한 상기 바이오가스는 가연성 물질인 메탄이 주성분이기 때문에 신재생에너지원으로서 보일러, 열병합발전, 연료전지 발전 등 전기나 열로 생산하는 공정의 연료로 사용할 수 있다.
그런데 상기 바이오가스는 주성분이 메탄(50~70%)과 이산화탄소(30~50%)뿐만 아니라 황화수소, 수분, 실록산 등의 각종 미량 불순물이 포함되어 있어 고온형 연료전지의 연료로 사용하기 위해서는 메탄 이외의 불순물들을 제거해 주어야 한다.
즉, 바이오가스 내 황화수소, 수분은 고온형 연료전지 시스템 내 여러 장치들을 부식시킬 수 있으며, 실록산은 산소와 결합하여 산화규소를 생성하여 개질기 및 연료전지의 스택 등에 부착되어 촉매 피독을 발생시켜 발전효율을 떨어뜨린다.
또한 이산화탄소가 연료전지로 공급되면 이산화탄소에 의한 분압 상승으로 연료전지의 전압이 낮아짐으로써 발전효율이 떨어지게 된다.
또한 바이오가스 조성 및 유량변화에 유연하게 대처할 수 있는 바이오가스 전처리 최적 공정 조합을 구성하여 고온형 연료전지의 안정적인 에너지 생산 효과를 극대화할 수 있어야 한다.
상기 불순물에 의한 문제점을 가지고 있어 바이오가스는 전처리 과정을 거친 후 고온형 연료전지용 연료로서 사용되며, 고온형 연료전지는 가정용, 건물용, 분산발전, 중앙발전 등 여러 분야에서 다용도로 사용이 가능하다.
따라서 이러한 다양한 바이오가스 조성 및 유량변화에 유연하게 대처할 수 있는 바이오가스 전처리 공정을 구성하여 불순물을 모두 제거한 후 이를 사용하여야 하는데, 기존의 공정으로는 바이오가스로부터 이러한 메탄 이외의 물질을 분리하여 고순도 메탄을 고온형 연료전지에 안정적 공급을 하는데 어려움이 있다.
또한 기존 바이오가스 전처리 공정으로는 제거 분리된 불순물 중 온실가스인 이산화탄소를 자원화하는데 어려움이 있다.
그리고 기존의 연료전지용 바이오가스 전처리 시스템은 저온형 연료전지에 적용하기 위한 전처리 시스템으로서 고온형 연료전지 발전 시스템에 적용하기에는 어려움이 있다.
한국 등록특허 제10-1509133(2015.03.31): 바이오가스 전량 자원화 방법 및 그 시스템 한국 등록특허 제10-1007647(2011.01.05): 바이오 가스를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지 발전시스템 및 그의 제어방법
이에 본 발명은 상기와 같은 제반 사항을 고려하여 제안된 것으로, 다양한 바이오가스 조성 및 유량에 유연하게 대처할 수 있도록 바이오가스에 포함된 불순물을 모두 제거하여 고순도 메탄을 고온형 연료전지의 연료로 이용하여 연료전지 발전효율을 높이고, 또한 분리된 이산화탄소를 자원화하는 공정을 융합함으로써 경제적이고 친환경적인 바이오가스 기반 고온형 연료전지 발전 모듈 시스템을 구성하는데 그 목적이 있다.
또한 고온형 연료전지 시스템에서 발생되는 양질의 폐열을 회수/활용하여 전체 연료전지 발전 종합효율을 높여 에너지 생산 효과를 극대화하는 바이오가스 기반 고온형 연료전지 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 탈황장치를 통해 공급되는 바이오가스에 포함된 황화수소를 제거하는 황화수소 제거부, 냉각제습장치를 통해 상기 황화수소 제거부를 거친 바이오가스에서 수분을 제거하는 수분 제거부, 분리막을 통해 상기 수분 제거부를 거친 바이오가스를 메탄의 순도가 이상되는 농축 메탄가스와 메탄가스 및 이산화탄소를 포함하는 잔여 메탄가스로 분리하는 메탄 분리부, 상기 잔여 메탄가스에서 이산화탄소를 산화칼슘과 반응시켜 탄산칼슘을 생성하여 잔여 메탄가스에서 메탄가스를 재분리하는 탄산화 합성부와;
활성탄 흡착제거를 통해 상기 농축 메탄가스 및 탄산화 합성부에서 재분리된 메탄가스에서 실록산을 제거하는 흡착부와 상기 흡착부에서 생성된 고순도 메탄가스를 저장하는 메탄 저장부와 상기 메탄 저장부에 저장된 고순도 메탄을 공급받아 수소로 개질하는 내부 및 외부 개질부와 상기 내부 및 외부 개질부로부터 개질된 수소를 공급받아 전력을 생산하는 고온형 연료전지를 포함한다.
여기서 상기 내부 및 외부 개질부는 상기 고온형 연료전지 외측에 위치하며 상기 메탄 저장부로부터 고순도 메탄가스를 공급받아 공급된 고순도 메탄가스 중 전체 100중량 대비 60중량% 이상을 수소로 개질하여 상기 고온형 연료전지로 수소를 공급하는 외부 개질기와; 상기 고온형 연료전지 내측에 위치하며 상기 외부 개질기를 거친 잔여 고순도 메탄가스를 개질하여 상기 고온형 연료전지로 수소를 공급하는 내부 개질기로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 고온형 바이오가스 연료전지 시스템은 상기 고온형 연료전지에서 생성되는 폐열을 상기 외부개질기로 공급하여 상기 외부개질의 반응열로 이용하도록 하는 1차 폐열회수 공급부를 더 포함한다.
그리고 상기 고온형 바이오가스 연료전지 시스템은 상기 고온형 연료전지에서 생성되는 폐열을 상기 흡착부로 공급하여 상기 흡착부의 반응열로 이용하도록 하는 2차 폐열회수 공급부를 더 포함한다.
본 발명에 의한 고온형 연료전지 발전용 바이오가스 전처리 융합 자원화 공정 모듈 시스템은 다양한 바이오가스 조성 및 유량변화에 유연하게 대처할 수 있는 최적화된 바이오가스 전처리 공정에 의해 순차적으로 불순물들이 모두 제거 분리되어 최종적으로 고농도의 메탄을 얻을 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명은 바이오가스 정제과정에서 분리된 이산화탄소는 탄산화법을 통해 탄산칼슘을 생산함으로써 대기로 방출되는 온난화가스를 최소화할 수 있어 경제적이면서 친환경적인 효과가 있다.
또한 본 발명은 바이오가스 전처리 공정을 통해 고질화된 메탄을 외부 및 내부 2단 개질을 통해 개질해줌으로써 고온형 연료전지의 발전효율을 증대시키는 효과가 있다.
그리고 본 발명은 연료전지 시스템에서 발생하는 양질의 폐열을 폐열회수장치를 통해 회수하여 외부개질기와 전처리 공정에 공급해줌으로써 전체 발전 시스템의 종합효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고온형 연료전지 발전용 바이오가스 전처리 융합 자원화 공정 모듈 시스템의 구성도이다.
본 발명에 따른 실시예에 대하여 구체적으로 설명하기 전에, 본 발명은 이하의 상세한 설명 또는 첨부 도면에 도시된 구성에 한정되지 않으며 다양한 방식으로 사용되거나 수행될 수 있다.
또한, 본 명세서에 사용되는 표현이나 용어는, 단지 설명을 위한 것이며, 한정을 위한 것으로 간주되어서는 안 된다는 것을 알아야 한다.
즉, 본 명세서에 사용되는, "장착된", "설치된", "접속된", "연결된", "지지된", "결합된" 등의 표현은, 다른 것을 나타내는 것으로 지시하거나 한정하고 있는 않는 한, 직접적인 그리고 간접적인 장착, 설치, 접속, 연결, 지지, 및 결합을 모두 포함하는 광범위한 표현으로 사용되고 있다. "접속된", "연결된", "결합된"이라고 하는 표현은, 물리적인 또는 기계적인 접속, 연결 또는 결합에 한정되지 않는다.
그리고 본 명세서에서, 상부, 하부, 하향, 상향, 후방, 바닥, 전방, 후부 등과 같이 방향을 나타내는 용어는 도면을 설명하기 위해 사용되고 있지만, 이러한 용어는, 편의를 위해 도면에 대해 상대적인 방향(정상적으로 봤을 때)을 나타내는 것이다. 이러한 방향을 나타내는 용어는, 어떠한 형태로든 본 발명을 그 문자대로 한정하거나 제한하는 것으로 받아들여져서는 안 된다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 "제1", "제2", "제3" 등의 용어는, 단지 설명을 위한 것이며, 상대적인 중요도를 의미하는 것으로 고려되어서는 안 된다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조로 하여 자세히 설명하기로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고온형 연료전지 발전용 바이오가스 전처리 융합 자원화 공정 모듈 시스템(이하 "연료전지용 융합 공정 시스템"으로 칭한다)은 크게 바이오가스에 포함된 불순물을 일련의 정제공정 과정을 통해 고순도의 메탄을 생성하고, 분리된 이산화탄소를 탄산칼슘으로 자원화하는 바이오가스 전처리부 및 상기 고질화된 메탄을 개질한 후 이를 고온형 연료전지 시스템을 통해 에너지를 생성하는 에너지 생성부로 크게 나뉜다.
먼저, 상기 바이오가스 전처리부는 외부로부터 공급되는 바이오가스를 정제하는 바이오가스 저장부(100), 그리고 상기 바이오가스 저장부(100)로부터 공급되는 바이오가스에 포함된 황화수소를 탈황설비에서 NaOH 세정법을 통해 제거하는 황화수소 제거부(200), 상기 황화수소 제거부(200)를 거친 바이오가스에서 냉각제습장치를 통해 수분을 제거하는 수분 제거부(300), 상기 수분이 제거된 바이오가스를 가압기를 통해 승압하는 가압부(310), 상기 가압부(310)를 거쳐 승압된 바이오가스를 다단 분리막을 통해 메탄의 순도가 97% 이상 되는 농축 메탄과 잔여 메탄을 포함하는 이산화탄소로 분리하는 메탄 분리부(400), 상기 잔여 메탄이 포함된 이산화탄소를 산화칼슘과 탄산화법으로 반응시켜 탄산칼슘을 생성하여 잔여 메탄을 이산화탄소로부터 재분리하는 탄산화 합성부(700), 및 상기 농축 메탄 및 탄산화 합성부에서 재분리된 메탄에서 활성탄 흡착을 통해 실록산을 제거하는 흡착부(500)로 이루어진다.
이와 같은 각각의 바이오가스 전처리부에 대하여 자세히 설명하면, 바이오가스 저장부(100)는 외부로부터 공급되는 바이오가스를 저장하는 탱크로서 외부로부터 바이오가스를 공급받기 위한 파이프라인 및 저장되어 있는 바이오가스를 황하수소 제거부(200)로 공급하기 위한 파이프라인을 가진다.
바이오가스는 가축분뇨나 음식물 쓰레기, 하수슬러지 등의 유기물이 혐기 소화과정에서 발생되는 가스 및 쓰레기 매립장에서 발생하는 매립가스 등을 포함하며, 일반적으로 50 내지 70%의 메탄(CH4), 30 내지 50%의 이산화탄소(CO2)와 기타 1% 미만의 황화수소(H2S), 수분, 실록산(Siloxane) 등의 불순물로 구성되어 있다.
이에 바이오가스로부터 황화수소를 제거하기 위해 황화수소 제거부(200)가 구비되는데 황화수소 제거부(200)는 NaOH 세정법으로 황화수소를 제거한다.
다음으로 수분 제거부(300)는 황화수소가 제거된 바이오가스에서 수분을 제거하기 위한 장치로 열교환기 냉각 응축을 통하여 바이오가스 내에 포함되어 있는 수분을 제거한다.
다음으로 수분 제거부(300)을 통해 수분이 제거된 바이오가스는 가압장치를 통해 승압된다.
다음으로 승압된 바이오가스는 메탄 분리부(400)에서 메탄과 이산화탄소를 분리하게 된다. 메탄 분리부(400)는 분리막 장치를 이용한 메탄 분리장치로서 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상적으로 사용되는 분리막 장치는 모두 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 분리막 장치는 1단 분리막 모듈과 2단 분리막 모듈의 막면적을 2:1로 배치하고 바이오가스를 1단 분리막 유입 헤더를 통해 1단 분리막 모듈로 공급하고 1단 분리막에서 농축된 메탄은 1단 분리막 배제부 헤더에 연결한 1단 분리막 배제부 가스 배관으로 회수하여 연료로 활용할 수 있다.
1단 분리막 모듈에 공급된 바이오가스 중 분리막을 투과한 기체는 1단 분리막 투과부 헤더로 배출되고 2단 압축기에서 압축하여 2단 분리막 유입 헤더를 통해 2단 분리막 모듈로 공급한다.
2단 분리막 모듈에서 농축된 메탄은 2단 분리막 배제부 헤더에 연결한 2단 분리막 배제부 가스배관으로 이송되고 2단 분리막 배제부 가스 배관을 1단 분리막 배제부 가스 배관에 연결하여 농축 메탄 회수량을 극대화 할 수 있다.
1단 분리막 모듈과 2단 분리막 모듈에서 농축된 고순도 메탄은 메탄 저장탱크(600)에 가압 저장된다.
분리막은 폴리술폰, 폴리이미드 또는 폴리이서술폰으로 구성된 군에서 선택되는 소재를 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
바이오가스가 메탄 분리부(400)를 거치면 97% 이상의 고순도 메탄을 1차적으로 얻을 수 있다. 메탄 분리부(400)를 통하여 제거되지 못한 일부 메탄은 바이오가스 내의 이산화탄소와 함께 메탄-이산화탄소 혼합가스 내에 존재하게 되며, 후술하는 탄산화 합성부(700)에 의하여 재분리가 가능하다.
탄산화 합성부(700)는 이산화탄소 고정화 반응을 이용하여 메탄 분리부(400)에서 분리되지 않은 메탄을 포함한 메탄-이산화탄소 혼합가스로부터 이산화탄소를 탄산화법으로 탄산염 형태로 고정화하고 메탄을 재분리하는 장치로써, 반응장치 하단으로 공급된 메탄-이산화탄소 혼합가스에 산화칼슘(CaO) 또는 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 첨가하여 반응시켜 이산화탄소를 탄산칼슘(CaCO3)으로 고정화하고, 메탄은 분리된다.
다음으로 메탄 분리부(400)에서 고순도 메탄과 탄산화 합성부(700)에서 분리되어 나온 메탄은 흡착부(500)에서 나머지 불순물인 실록산을 최종적으로 제거한 후, 고질화된 메탄은 메탄 저장탱크(600)에 저장된다.
이와 같이 바이오가스 전처리부에서 고질화된 메탄은 고온형 연료전지의 연료로 이용되어 에너지 생성부를 통해 에너지로 생성된다.
즉, 메탄 저장부(600)에 저장된 고질화 메탄은 외부 개질부(800)에 유입되어개질기를 통하여 화학식 "CH4 + H2O = CO + 3H2 (수증기개질반응)", "CO + H2O = CO2 + H2 (수성가스화반응)"에 의해 일부 개질수소연료 (H2 > 60%)로 전환되고, 일부 메탄은 고온형 연료전지(900)의 연료극 내부에서 내부개질반응을 통해 개질수소연료로 전환하여 안정적으로 공급된다.
상기 고온형 연료전지(900)에 공급된 외부 또는 내부 개질수소는 전극의 양극에 공급하고, 전극의 음극에는 공기 즉 산소를 공급하여 연료전지를 발전하여 전력을 생산한다.
즉 고온형 연료전지 전극표면에 존재하는 전기화학 촉매로 하여 전극인 양극에 공급되는 수소와 음극에 공급되는 산소가 반응하여 전기를 발생하게 된다.
이때 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지용 융합 공정 시스템은 일반 연료전지 시스템이 아니라 고온형 연료전지 시스템에 적용되기 때문에 외부 개질기를 통하여 일부 메탄을 개질한 후 고온형 연료전지에 개질 수소를 공급하며 개질되지 않은 메탄은 고온형 연료전지(900) 내부에서 내부개질을 통해 개질수소로 개질된 후 고온형 연료전지(900)에 연료극에 공급된다.
이는 외부 및 내부개질을 통해 개질기에서의 부하를 최소화하고 내부개질에서 전극표면의 탄소침적을 최소화함으로써 최종적으로 고온형 연료전지의 안정적인 출력 및 높은 발전 효율을 얻을 수 있기 때문이다.
그리고 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지용 융합 공정 시스템은 고온형 연료전지(900)에서 생성된 폐열을 방출하지 않고 외부 개질기(800) 및 흡착부(500)로 보내 폐열을 재이용하게 함으로써 에너지 효율을 극대화 한다.
즉, 도 1에 도시된 바와 같이 고온형 연료전지(900)에서 전기를 생성하면서 발생되는 열을 외부로 배출하지 않고 흡착부(500)로 폐열을 보내서 흡착부(500)에서불순물인 실록산을 제거하는데 이용하도록 한다.
또한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지용 융합 공정 시스템은 개질기에서의 전극 표면의 탄소침적을 최소화하기 위하여 내외부 개질기 외부에 내외부 개질기로의 수증기 공급을 위한 수증기 공급부를 더 포함한다.
이는 상기 내외부 개질기에 수증기를 공급하여줌으로써 수증기가 내외부 개질기에서 개질 반응시 생성된 탄소가 수증기와 반응하여 내외부 개질기의 전극 표면에서 탄소침적이 발생하는 것을 방지하여 줄 수 있기 때문이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지용 융합 공정 시스템은 이와 같은 내외부 개질기로의 수증기 공급에 있어 고온형 연료전지(900)에서 발생되는 물 및 폐열 일부를 이용하여 수증기를 생성한 후 이를 상기 내외부 개질기로 공급한다.
따라서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지용 융합 공정 시스템은 이와 같이 바이오 가스 자원 재활용 및 고온의 폐열 활용을 극대화함으로써 고온형 연료전지 시스템의 운영을 극대화할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
100: 바이오 가스 저장부 200: 황화수소 제거부 300: 수분제거부
400: 메탄 분리부 500: 흡착부 600: 메탄 저장탱크 700: 탄산화 합성부

Claims (4)

  1. 탈황장치를 통해 공급되는 바이오가스에 포함된 황화수소를 제거하는 황화수소 제거부;
    냉각제습장치를 통해 상기 황화수소 제거부를 거친 바이오가스에서 수분을 제거하는 수분 제거부;
    분리막을 통해 상기 수분 제거부를 거친 바이오가스를 메탄의 순도가 이상되는 농축 메탄가스와 메탄가스 및 이산화탄소를 포함하는 잔여 메탄가스로 분리하는 메탄 분리부;
    상기 잔여 메탄가스에서 이산화탄소를 산화칼슘과 반응시켜 탄산칼슘을 생성하여 잔여 메탄가스에서 메탄가스를 재분리하는 탄산화 합성부와;
    활성탄 흡착제거를 통해 상기 농축 메탄가스 및 탄산화 합성부에서 재분리된 메탄가스에서 실록산을 제거하는 흡착부와;
    상기 흡착부에서 생성된 고순도 메탄가스를 저장하는 메탄 저장부와;
    상기 메탄 저장부에 저장된 고순도 메탄을 공급받아 수소로 개질하는 내부 및 외부 개질부와;
    상기 내부 및 외부 개질부로부터 개질된 수소를 공급받아 전력을 생산하는 고온형 연료전지를 포함하는 고온형 연료전지 발전용 바이오가스 전처리 융합 자원화 공정 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 내부 및 외부 개질부는
    상기 고온형 연료전지 외측에 위치하며 상기 메탄 저장부로부터 고순도 메탄가스를 공급받아 공급된 고순도 메탄가스 중 전체 100중량% 대비 60중량% 이상을 수소로 개질하여 상기 고온형 연료전지로 수소를 공급하는 외부 개질기와;
    상기 고온형 연료전지 내측에 위치하며 상기 외부 개질기를 거친 잔여 고순도 메탄가스를 개질하여 상기 고온형 연료전지로 수소를 공급하는 내부 개질기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고온형 연료전지 발전용 바이오가스 전처리 융합 자원화 공정 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 고온형 바이오가스 연료전지 시스템은 상기 고온형 연료전지에서 생성되는 폐열을 상기 외부개질기로 공급하여 상기 외부개질의 반응열로 이용하도록 하는 1차 폐열회수 공급부를 더 포함하는 고온형 연료전지 발전용 바이오가스 전처리 융합 자원화 공정 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 고온형 바이오가스 연료전지 시스템은 상기 고온형 연료전지에서 생성되는 폐열을 상기 흡착부로 공급하여 상기 흡착부의 반응열로 이용하도록 하는 2차 폐열회수 공급부를 더 포함하는 고온형 연료전지 발전용 바이오가스 전처리 융합 자원화 공정 시스템.
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