KR20170137302A - Apparatus for carbon dioxide in biogas fixing reaction - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for recycling biogas in the entirety thereof, which recovers high-purity methane from biogas, and synthesizes by-product carbon dioxide into calcium carbonate; and to a system for the same. Specifically, the method comprises: a first isolation step for isolating methane from biogas containing methane and carbon dioxide by using a separation film; and a second isolation step for removing carbon dioxide from a methane-carbon gas mixture containing methane that had not been isolated in the first isolation step by using the fixation of carbon dioxide, thereby reisolating methane. By using, as energy sources, the high-purity methane primarily isolated in the first isolation step, and the unreacted methane secondarily isolated in the second isolation step, the method and the system for recycling biogas in the entirety thereof according to the present invention can recover high-purity methane from biogas, and at the same time, can produce calcium carbonate widely utilized as a chemical raw material.

Description

바이오가스 중 이산화탄소 고정 반응장치{Apparatus for carbon dioxide in biogas fixing reaction}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a biogas fixing reaction apparatus,

본 발명은 바이오가스 중 이산화탄소 고정 반응장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for fixing carbon dioxide in biogas.

화석연료의 고갈 및 가격 변동에 의한 위기 극복을 위한 수단으로 바이오가스 이용에 대한 관심이 증폭되고 있다. 현재는 바이오가스 발생 시설에서 생성되는 바이오가스 중 미량 불순물만 제거 한 중질가스를 열원으로 사용하거나 가스엔진으로 전기를 생산하는 실정이다.Interest in using biogas has been amplified as a means to overcome the crisis caused by depletion of fossil fuels and price fluctuations. Currently, biogas generated from a biogas generation facility is used as a heat source, or only a gas is used to generate electricity, by removing heavy impurities from the biogas.

특히 중소규모의 매립장의 경우 경제성이 부족해서 발생하는 바이오가스를 단순소각 하거나 대기로 확산시키는 등 중소규모의 바이오가스 발생시설의 가스를 활용하는 기술이 미흡하다.Especially, in case of small and medium sized landfills, there is not enough technology to utilize gas of biogas generation facilities such as simple incineration of biogas generated due to insufficient economic efficiency or spreading to the atmosphere.

바이오 가스의 경우 함유된 메탄은 지구온난화가스로 조성은 약 50~75% 수준이며 이산화탄소를 분리하여 고농도 메탄을 생산하면 원거리 공급이 가능해져, 발전, 보일러, 사업체연료, 자동차, 도시가스 등으로 적용이 용이하다. 바이오가스 주요 구성성분 중 하나인 이산화탄소 또한 지구온난화의 원인이 되는 물질이며, 70% 이상으로 농축 시 화학제품의 원료로 가치가 높아진다.In the case of biogas, the methane contained in the gas is about 50 ~ 75% of the global warming gas. It is possible to produce high concentration methane by separating the carbon dioxide, and it is possible to supply the distant gas to the power generation, boiler, business fuel, automobile and city gas. This is easy. One of the main components of biogas, carbon dioxide, is also the cause of global warming, and more than 70% of it is concentrated as a raw material for chemical products.

바이오 메탄의 고질화를 위한 상업화 기술로는 흡착법(pressure swing adsorption), 흡수법(water scrubbing, methanol scrubbing, polyethylene glycol scrubbing 등), 막분리법(membrane separation)이 있다. 흡수공정은 주로 물을 이용한 스크러빙 공정(water scrubbing process)이 적용되며 이 공정은 흡수액의 종류, 기액 접촉면적, 가스와 물의 온도에 따라 성능이 좌우된다. 또한, 정제된 메탄가스에는 수분이 포화되어 있어 수분을 제거하는 후처리 공정을 필요로 한다. 흡착공정은 흡착제와 혼합가스의 압력순환에 의해서 생기는 흡착 평형량의 차이를 이용하여 혼합가스 중 특정성분을 선택적으로 분리하는 기술로 주로 고압에서 이산화탄소를 흡착하고 메탄을 정제하며 저압에서 흡착성분을 탈착한다. 흡착공정은 비정상 상태의 운전이기 때문에 운전단계 중에 여러 가지 운전변수의 예측과 설계가 어려우며 흡착제에 따라 수분에 대한 전처리가 필요하다. 이해 비해 분리막 공정은 상변화에 요구되는 에너지가 필요 없기 때문에 막공정에 요구되는 최소한의 구동력만으로 운전이 가능하여 에너지 절약형이고, 상변화가 없으므로 분리 대상물질의 성상변화가 일어나지 않는다. 또한 증발기(Evaporator)나 응축기(Condenser) 등이 없이 대부분 펌프, 배관, 멤브레인(membrane) 및 제어부(control prat)로 구성 되어 설비가 간단(compact)한 이점이 있다.Commercialization techniques for biomethane solidification include pressure swing adsorption, water scrubbing, methanol scrubbing, polyethylene glycol scrubbing, and membrane separation. The absorption process mainly uses a water scrubbing process, which depends on the type of the absorption liquid, the gas-liquid contact area, and the temperature of the gas and the water. In addition, the purified methane gas is saturated with water, requiring a post-treatment process for removing moisture. The adsorption process is a technology for selectively separating specific components of the mixed gas by using the difference in the adsorption equilibrium amount caused by the pressure cycling between the adsorbent and the mixed gas. It primarily adsorbs carbon dioxide at high pressure and purifies methane, do. Since the adsorption process is in abnormal condition, it is difficult to predict and design various operating parameters during the operation stage and it is necessary to pretreat water according to the adsorbent. Compared with the understanding, the separation membrane process is energy-saving because it does not require the energy required for the phase change and can be operated only by the minimum driving force required for the membrane process, and there is no phase change. In addition, there is an advantage that the equipment is compact because it is mostly composed of a pump, a pipe, a membrane, and a control prat without an evaporator or a condenser.

분리막은 기체들의 투과되는 성질은 고분자 분리막인 경우에는 흡수 또는 용해 후, 분리막 내부를 이동하는 속도차에 의한 것과 고분자의 연결 측쇄 간에 존재하는 미세한 틈 사이로 기체 분자가 통과되는 방법들이 있다. 수소나 헬륨은 후자의 경우처럼 고분자 측쇄의 간격에 따라 기체가 투과하며, 수증기나 CO2 등은 흡수 또는 용해되고 분리막 내부를 이동하는 현상으로 투과된다.In the case of a polymer membrane, there is a method in which a gas molecule passes through a minute gap existing between the side chain of a polymer and a side wall of the polymer due to a difference in speed of movement within the membrane after absorption or dissolution. Hydrogen and helium are permeated by the gap between polymer side chains as in the latter case, and water vapor and CO 2 are absorbed or dissolved and transmitted through the inside of the membrane.

초기 기체분리막 공정은 수소 분리(H2/CO, H2/CH4) 및 회수를 위해 시작 되었으나. 현재는 질소의 발생, 산소 농축공기 제조, 수소 및 휘발성 유기 증기 회수, 이산화탄소의 분리 등 다양한 분야로 확대되어 나가고 있다. Initial gas separation membrane process, but started to separate hydrogen (H 2 / CO, H 2 / CH 4) and recovered. At present, it is expanding to various fields such as generation of nitrogen, production of oxygen enriched air, recovery of hydrogen and volatile organic vapor, and separation of carbon dioxide.

이산화탄소 이용 및 재사용 방식은 생물학적 공정, 무기질화 방식 등이 연구되어 지고 있다. 생물학적 공정의 경우 박테리아를 이용한 이산화탄소 포집 및 이용, 미세조류(Microalgae)를 이용한 각종에너지 및 바이오 기반의 화학제품생산, 인공광합성 등이 연구 중에 있으나, 이러한 방식은 대체적으로 큰 범위의 용지를 필요로 한다는 것이 큰 걸림돌로 작용하고 있다. 이산화탄소 무기질화 방식은 규산염(Silicate)으로 이루어진 바위와 같은 물질과 마그네슘을 이용한 화학 반응에 기초를 둔 것으로 다소 단순한 과정을 거친다는 장점이 있으나, 고순도 이산화탄소를 추출하기 위한 공정이 추가되어야 하는 경제성문제를 해결해야한다.The use of carbon dioxide and its reuse are studied in biological processes and mineralization methods. Biological processes include the capture and use of carbon dioxide using bacteria, the production of various energy and bio-based chemicals using microalgae, and artificial photosynthesis, but this approach generally requires a large range of paper Is a big obstacle. The carbon dioxide mineralization method is based on a chemical reaction using a substance such as rocks made of silicate and magnesium and has a merit that it goes through a simple process. However, it solves the economical problem of adding a process for extracting high purity carbon dioxide Should be.

탄산칼슘 제조법은 탄산화법(Carbonation Process)과 솔베이법(Solvay precess), 라임-소다법(Lime-soda Process)이 있으며, 이 중 탄산화법은 석회 또는 수산화칼슘과 이산화탄소를 합성하여 탄산칼슘을 제조 할 수 있는 기술로 온실가스인 이산화탄소를 활용하여 다양한 산업분야에 활용도가 높은 탄산칼슘을 제조할 수 있는 이점이 있다. The calcium carbonate manufacturing method includes a carbonation process, a Solvay process, and a lime-soda process. Of these, the carbonation process is a process in which calcium carbonate is produced by synthesizing lime or calcium hydroxide with carbon dioxide The advantage of using carbon dioxide, which is a greenhouse gas, is that calcium carbonate can be produced in a wide variety of industrial fields.

그러나 현재 바이오가스 중 메탄을 분리하고 고질화 하는 기술 대부분은 한국등록특허 제10-0908782호(마이크로터빈용 바이오가스의 연료화 장치)에서 개시된 것과 같이 매우 높은 압력이 요구되며, 경쟁 기술에 비해 낮은 압력에서 운전되는 기체분리막 기술 역시 5 Bar 이상의 고압에서 운전이 되기 때문에 고가의 가스압축장치가 요구되어 높은 초기투자비용과 비교적 높은 에너지를 소비하는 단점이 있어 매립가스 전량 자원화 하는데 한계가 있다. 그리고 정제부산물인 이산화탄소는 재활용 보다는 대기 방출하고 있다.However, most of the technologies for separating and solidifying methane from the biogas currently include very high pressures as disclosed in Korean Patent No. 10-0908782 (fueling apparatus for biogas for a microturbine) The gas separation membrane technology that operates in the above-described operation also operates at a high pressure of 5 bar or more. Therefore, an expensive gas compression device is required, which consumes a relatively high initial investment cost and a relatively high energy. And the refining by-product, carbon dioxide, is releasing to the atmosphere rather than recycling.

등록특허공보 제10-0908782호Patent Registration No. 10-0908782

상기와 같은 점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 2Bar 이하의 비교적 낮은 압력으로도 바이오가스(매립가스, 혐기성 소화가스 등)로부터 고순도로 메탄을 분리하고 이산화탄소를 탄산칼슘 형태로 분리할 수 있는 바이오가스 전량 자원화 방법 및 그 시스템을 제공하고자 한다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention, which has been made in view of the above, to provide a method of separating methane from a biogas (landfill gas, anaerobic digestion gas, etc.) with high purity even at a relatively low pressure of 2 Bar or less and separating carbon dioxide into calcium carbonate And to provide a method and system for the whole biogas resource conversion.

본 발명은 분리막을 이용하여 메탄과 이산화탄소를 포함한 바이오가스로부터 메탄을 분리하는 제1 분리단계; 및 이산화탄소 고정 반응을 이용하여 상기 제1 분리단계에서 분리되지 않은 메탄을 포함한 메탄-이산화탄소 혼합가스로부터 이산화탄소를 고정하여 메탄을 재분리하는 제2 분리단계;를 포함하는 바이오가스 전량 자원화 방법을 제공한다.A first separation step of separating methane from biogas including methane and carbon dioxide using a separation membrane; And a second separating step of separating methane from the methane-carbon dioxide mixed gas containing methane not separated in the first separating step by using the carbon dioxide fixing reaction, thereby fixing the carbon dioxide, .

또한 본 발명은 바이오가스 내의 메탄 및 이산화탄소 이외의 물질을 제거하는 전처리 단계를 더 포함하거나 상기 제1 분리단계 이전에 바이오가스를 가압하여 분리막 장치의 효율을 높이는 제1 가압단계; 및 상기 제2 분리단계 이전에 메탄-이산화탄소 혼합가스를 가압하여 이산화탄소 고정 반응의 수율을 높이는 제2 가압단계를 더 포함할 수 있다. Further, the present invention may further comprise a pretreatment step for removing substances other than methane and carbon dioxide in the biogas, or a first pressurization step for increasing the efficiency of the separation membrane apparatus by pressurizing the biogas before the first separation step; And a second pressurization step of pressurizing the methane-carbon dioxide gas mixture to increase the yield of the carbon dioxide fixation reaction before the second separation step.

본 발명은 폴리술폰, 폴리이미드 및 폴리이서술폰으로 구성된 군에서 선택되는 소재의 분리막을 이용하여 메탄과 이산화탄소를 포함한 바이오가스로부터 메탄을 분리하며, 바이오가스 유량에 대한 메탄-이산화탄소 혼합 가스 유량의 비를 조절하여 분리되는 메탄의 유량을 제어하는 방식으로 제어되는 분리막 장치; 및 이산화탄소 고정 반응을 이용하여 상기 제1 분리단계에서 분리되지 않은 메탄을 포함한 메탄-이산화탄소 혼합가스로부터 이산화탄소를 고정하여 메탄을 재분리하며, 생성물의 pH가 7이 되면 반응을 종료시키는 방식으로 제어되는 반응 장치;를 포함하는 바이오가스 전량 자원화 시스템을 제공한다.The present invention separates methane from biogas including methane and carbon dioxide using a separation membrane of a material selected from the group consisting of polysulfone, polyimide, and polyisophosphorus. The ratio of methane-carbon dioxide gas flow rate to biogas flow rate To control the flow rate of separated methane; And the carbon dioxide fixing reaction to remove methane from the methane-carbon dioxide mixed gas containing methane, which has not been separated in the first separation step, by fixing the carbon dioxide, and terminating the reaction when the pH of the product reaches 7 And a reaction device.

또한 본 발명은 상기 분리막 장치의 이전 단계에 바이오가스를 2bar 이하로 가압하여 분리막 장치의 효율을 높이는 제1 가압장치; 및 상기 반응 장치의 이전 단계에 메탄-이산화탄소 혼합가스를 2bar 이하로 가압하여 이산화탄소 고정 반응의 수율을 높이는 제2 가압장치;를 더 포함할 수 있다.The present invention also provides a first pressurizing device for increasing the efficiency of the membrane separation device by pressurizing the biogas to 2 bar or less in a previous stage of the separation membrane device; And a second pressurizing device for increasing the yield of the carbon dioxide fixing reaction by pressurizing the methane-carbon dioxide gas mixture to 2 bar or less in the previous step of the reaction device.

본 발명에 따른 바이오가스 전량 자원화 방법 및 그 시스템은 바이오가스 발생시설에서 발생된 바이오가스로부터 비교적 낮은 압력 하에서도 97% 이상의 고순도의 메탄을 분리할 수 있게 함으로써 분리효율을 높일 수 있고 도시가스 공급 및 자동차연료로서 활용이 가능하게 한다.The method and system for recycling biogas in accordance with the present invention can separate methane of high purity of 97% or more from biogas generated in a biogas generating facility to increase separation efficiency, It can be used as an automobile fuel.

또한, 이산화탄소를 대기로 방출시키지 않고 탄산칼슘의 형태로 고정 및 분리 할 수 있어 온실가스 배출량을 저감시키고, 합성반응의 변수 조절로 입도 및 형상제어가 용이하여 제지, 플라스틱, 고무, 도료 등 정밀화학산업은 물론, 식품과 의약품 등의 고부가가치 원료로서 사용이 가능하게 한다.In addition, carbon dioxide can be fixed and separated in the form of calcium carbonate without releasing carbon dioxide into the atmosphere, thereby reducing greenhouse gas emissions and facilitating particle size and shape control by controlling the parameters of the synthesis reaction. Thus, fine chemicals such as paper, It can be used as a high value-added raw material for the food industry and medicine as well as the industry.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 바이오가스 전량 자원화 시스템의 공정도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a process diagram of a biogas whole-volume recycling system according to a preferred embodiment of the present invention.

이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.Before describing the present invention in detail, it is to be understood that the terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to limit the scope of the invention, which is defined solely by the appended claims. shall. All technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art unless otherwise stated.

본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.Throughout this specification and claims, the word "comprise", "comprises", "comprising" means including a stated article, step or group of articles, and steps, , Step, or group of objects, or a group of steps.

한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 및 이에 따른 효과를 설명하기로 한다. On the contrary, the various embodiments of the present invention can be combined with any other embodiments as long as there is no clear counterpoint. Any feature that is specifically or advantageously indicated as being advantageous may be combined with any other feature or feature that is indicated as being preferred or advantageous. Hereinafter, embodiments of the present invention and effects thereof will be described with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 일 실시예인 바이오가스 전량자원화 방법을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.The biogas recycling method, which is an embodiment of the present invention, will be described in more detail as follows.

분리막을 이용하여 메탄과 이산화탄소를 포함한 바이오가스로부터 메탄을 분리하는 제1 분리단계, 이산화탄소 고정 반응을 이용하여 제1 분리단계에서 분리되지 않은 메탄을 포함한 메탄-이산화탄소 혼합가스로부터 이산화탄소를 제거하여 메탄을 재분리하는 제2 분리단계를 포함하는 바이오가스 전량 자원화 방법이다.A first separation step of separating methane from the biogas including methane and carbon dioxide using a separation membrane, a second separation step of separating methane from the methane-carbon dioxide mixture gas including the methane-containing methane in the first separation step by using the carbon dioxide fixing reaction, And a second separation step of re-separating the biogas.

바이오가스는 가축분뇨나 음식물 쓰레기, 하수슬러지 등의 유기물이 혐기 소화과정에서 발생되는 가스 및 쓰레기 매립장에서 발생하는 매립가스(LFG) 등을 포함하며 50 내지 90%의 메탄(CH4), 10 내지 50%의 이산화탄소(CO2)와 기타 1% 미만의 수분, 황화수소(H2S), 실록산(Siloxane) 등의 오염물질로 구성된다.Biogas includes 50 to 90% of methane (CH 4 ), 10 to 20% of methane (CH 4 ) and the like, including organic fuels such as livestock manure, food waste and sewage sludge, It consists of 50% of carbon dioxide (CO 2 ) and other pollutants such as less than 1% water, hydrogen sulfide (H 2 S), and siloxane.

제1 분리단계는 바이오가스 발생시설에서 발생한 바이오가스에 포함된 메탄 및 이산화탄소를 분리막을 이용하여 분리하는 단계로써 분리막은 폴리술폰, 폴리이미드 또는 폴리이서술폰으로 구성된 군에서 선택되는 소재를 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.The first separation step separates the methane and carbon dioxide contained in the biogas generated in the biogas generating facility by using a separation membrane. The separation membrane may be a material selected from the group consisting of polysulfone, polyimide, and polyisophthalon But is not limited thereto.

또한 제1 분리단계는 바이오가스 유량에 대한 메탄-이산화탄소 유량의 비를 조절하여 분리되는 메탄의 유량을 제어하는 방식으로 제어될 수 있다.Also, the first separation step may be controlled by controlling the flow rate of methane separated by adjusting the ratio of the methane-carbon dioxide flow rate to the biogas flow rate.

바이오가스가 제1 분리단계를 거치면 97% 이상의 고순도의 메탄을 1차적으로 얻을 수 있다. 제1 분리단계를 통하여 제거되지 못한 메탄은 바이오가스 내의 이산화탄소와 함께 메탄-이산화탄소 혼합가스 내에 존재하게 되며, 후술할 제2 분리단계에 의하여 재분리가 가능하다. When the biogas is subjected to the first separation step, methane of high purity of 97% or more can be primarily obtained. Methane not removed through the first separation step is present in the methane-carbon dioxide mixture gas together with the carbon dioxide in the biogas, and can be re-separated by the second separation step to be described later.

제2 분리단계는 이산화탄소 고정 반응을 이용하여 제1 분리단계에서 분리되지 않은 메탄을 포함한 메탄-이산화탄소 혼합가스로부터 이산화탄소를 고정하여 메탄을 재분리하는 단계로써, 이산화탄소 고정 반응은 메탄-이산화탄소 혼합 가스에 산화칼슘(CaO) 및 물(H2O)을 반응시키거나 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 반응시켜 이산화탄소를 탄산칼슘(CaCO3)의 형태로 제거하는 반응이 이용될 수 있다. 이산화탄소 고정 반응은 하기 [반응식 1]의 반응에 의하여 이산화탄소를 탄산칼슘 형태로 고정시킬 수 있다. The second separation step is a step of separating methane from the methane-carbon dioxide mixed gas containing methane which has not been separated in the first separation step by using the carbon dioxide fixing reaction. The carbon dioxide fixing reaction is a step of separating the methane- A reaction in which calcium oxide (CaO) and water (H 2 O) are reacted or calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ) is reacted to remove carbon dioxide in the form of calcium carbonate (CaCO 3 ) may be used. The carbon dioxide fixing reaction can fix the carbon dioxide in the form of calcium carbonate by the reaction of the following [Reaction Scheme 1].

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

또한 제2 분리단계는 생성물의 pH가 7이 되면 반응을 종료시키는 방식으로 제어될 수 있다.And the second separation step can be controlled in such a manner that the reaction is terminated when the pH of the product is 7.

제2 분리단계를 거치면 메탄-이산화탄소 혼합 가스 내의 이산화탄소를 침전성 물질인 탄산칼슘으로 고정시키고 제1 분리단계에서 분리되지 못하고 제2 분리단계의 이산화탄소 고정 반응에 참여하지 않는 메탄을 2차적으로 분리할 수 있다. In the second separation step, carbon dioxide in the methane-carbon dioxide gas mixture is fixed with calcium carbonate as the precipitating substance, and the methane that can not be separated in the first separation step and does not participate in the carbon dioxide fixing reaction in the second separation step is secondarily separated .

제1 분리단계 및 제2 분리단계를 거쳐 얻은 메탄은 도시가스 공급 및 자동차연료로서 활용이 가능하고, 이산화탄소를 대기 중으로 배출하지 않고 탄산칼슘의 형태로 분리할 수 있어 온실가스 배출량을 저감시키고, 제지, 플라스틱, 고무, 도료 등 정밀화학산업은 물론, 식품과 의약품 등의 고부가가치 원료로서 사용이 가능하다.The methane obtained through the first separation step and the second separation step can be utilized as a city gas supply and an automobile fuel and can be separated into calcium carbonate form without discharging carbon dioxide into the atmosphere to reduce greenhouse gas emissions, , Plastics, rubber, paints, etc., as well as high-value raw materials such as foods and pharmaceuticals.

본 발명의 또 다른 일실시예로서 바이오가스 전량 자원화 방법은 바이오가스 내의 메탄 및 이산화탄소 이외의 물질을 제거하는 전처리 단계를 더 포함할 수 있다.As another embodiment of the present invention, the biogas recycling method may further include a pretreatment step of removing substances other than methane and carbon dioxide in the biogas.

전처리 단계를 거치지 않은 바이오가스는 50 내지 90%의 메탄(CH4), 10 내지 50%의 이산화탄소(CO2)와 기타 1% 미만의 수분, 황화수소(H2S), 실록산(Siloxane) 등의 오염물질을 포함하고 있는데, 전처리 단계를 통하여 오염물질을 제거함으로써 이후에 분리되는 메탄 및 이산화탄소(탄산칼슘의 형태)의 순도를 높일 수 있으며, 오염물질 중 황(S) 성분은 장치의 부식 및 악취의 원인이 되므로, 이를 제거함으로써 장치의 내구성을 높일 수 있다. The biogas that has not undergone the preprocessing step contains 50 to 90% of methane (CH 4 ), 10 to 50% of carbon dioxide (CO 2 ) and other less than 1% of water, hydrogen sulfide (H 2 S), siloxane It is possible to increase the purity of the separated methane and carbon dioxide (in the form of calcium carbonate) by removing contaminants through the pretreatment step, and sulfur (S) It is possible to improve the durability of the apparatus.

본 발명의 또 다른 일실시예로서 바이오가스 전량 자원화 방법은 제1 분리단계 이전에 바이오가스를 가압하여 분리막 장치의 효율을 높이는 제1 가압단계를 더 포함할 수 있다. 제1 가압단계를 통하여 분리막에 공급되는 바이오가스에 공급 추진력(Driving force)을 제공하여 분리막에서의 분리 효율을 높일 수 있다. As another embodiment of the present invention, the biogas full-volume recycling method may further include a first pressurization step for increasing the efficiency of the separation membrane apparatus by pressurizing the biogas before the first separation step. A driving force may be applied to the biogas supplied to the separation membrane through the first pressurization step to increase the separation efficiency in the separation membrane.

제1 가압단계에 사용되는 가압장치로는 원심식 고압 송풍기를 사용하는 것이 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 사용되는 모든 가압장치가 사용될 수 있다.It is preferable to use a centrifugal high pressure blower as the pressurizing device used in the first pressurizing step, but not limited thereto, all the pressurizing devices commonly used in the technical field of the present invention can be used.

본 발명의 또 다른 일실시예로서 바이오가스 전량 자원화 방법은 제2 분리단계 이전에 메탄-이산화탄소 혼합가스를 가압하여 이산화탄소 고정 반응의 수율을 높이는 제2 가압단계를 더 포함할 수 있다. 제2 가압단계를 통하여 제1 분리단계의 분리막에는 흡입압력을 제공하여 분리 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 메탄-이산화탄소 혼합가스를 가압하여 분사시킴으로써 이산화탄소의 용해속도를 높여 이산화탄소 고정 반응의 수율을 높일 수 있다. As another embodiment of the present invention, the biogas recycling method may further include a second pressurization step for pressurizing the methane-carbon dioxide gas mixture before the second separation step to increase the yield of the carbon dioxide fixation reaction. Through the second pressurization step, the separation membrane of the first separation step is provided with a suction pressure to increase the separation efficiency. In addition, the methane-carbon dioxide gas mixture is injected under pressure to increase the rate of dissolution of carbon dioxide to increase the yield of the carbon dioxide fixing reaction .

제2 가압단계에 사용되는 가압장치로는 왕복동식으로 실린더 내에서 피스톤의 왕복으로 용적의 증감에 의하여 압력을 가하는 장치를 사용하는 것이 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 사용되는 모든 가압장치가 사용될 수 있다.As the pressurizing device used in the second pressurizing step, it is preferable to use a device for applying pressure by increasing or decreasing the volume by reciprocating the piston in the reciprocating cylinder in the reciprocating cylinder. However, the present invention is not limited thereto, May be used.

제1 가압단계 또는 제2 가압단계의 압력은 2bar 이하로 가압될 수 있다. 분리막을 이용하여 바이오가스로부터 메탄을 분리하는 데에는 통상적으로 5bar 이상의 압력이 요구되는데, 본 발명의 일 실시예인 제1 분리단계 및 제2 분리단계를 통해 메탄을 재분리 함으로써 상대적으로 낮은 압력으로도 97% 이상의 고순도의 메탄을 분리할 수 있으므로 운전효율을 높일 수 있다.The pressure in the first pressurization step or the second pressurization step can be pressurized to 2 bar or less. Separation of methane from the biogas using a separation membrane is usually required to have a pressure of 5 bar or more. By separating the methane through the first separation step and the second separation step, which are one embodiment of the present invention, % Or more of methane can be separated, so that the operation efficiency can be improved.

바이오가스 전량 자원화 방법에 의하여 비교적 낮은 압력을 이용하고도 97% 이상의 고순도의 메탄을 얻을 수 있으며 이는 도시가스 공급 및 자동차 연료로서 활용될 수 있으며, 생성되는 탄산칼슘은 제지, 플라스틱, 고무, 도료 등 정밀화학산업은 물론, 식품과 의약품 등의 고부가가치 원료로서 활용될 수 있다.  It is possible to obtain high purity methane of 97% or more even by using relatively low pressure by the biogas recycling method. It can be used as city gas supply and automobile fuel, and the produced calcium carbonate can be used as paper, plastic, rubber, paint It can be used as a high value-added raw material for food and medicine as well as fine chemical industry.

본 발명의 또 다른 일측면으로서 바이오가스 전량 자원화 시스템을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.As another aspect of the present invention, a biogas whole volume resource conversion system will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 1에 나타난 바이오가스 전량 자원화 시스템의 공정도에 나타나는 바와 같이, 메탄과 이산화탄소를 포함한 바이오가스로부터 메탄을 분리하며, 바이오가스 유량에 대한 메탄-이산화탄소 혼합 가스 유량의 비를 조절하여 분리되는 메탄의 유량을 제어하는 방식으로 제어되는 분리막 장치(30), 및 이산화탄소 고정 반응을 이용하여 제1 분리단계에서 분리되지 않은 메탄을 포함한 메탄-이산화탄소 혼합가스로부터 이산화탄소를 고정하여 메탄을 재분리하며, 생성물의 pH가 7이 되면 반응을 종료시키는 방식으로 제어되는 반응 장치(50)를 포함하는 바이오가스 전량 자원화 시스템이다.As shown in the flow chart of the biogas recycling system shown in FIG. 1, methane is separated from biogas including methane and carbon dioxide, and the ratio of the methane-carbon dioxide gas mixture flow rate to the biogas flow rate is controlled, And a second separation step of separating the methane from the methane-carbon dioxide gas mixture containing methane by the carbon dioxide fixing reaction, thereby separating the methane from the methane- Is 7, the reaction is controlled in such a manner that the reaction is terminated.

분리막 장치(30)는 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상적으로 사용되는 분리막 장치는 모두 사용될 수 있다. 바람직하게는 다단 분리막 장치를 이용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 다단 분리막 장치는 1단 분리막 모듈과 2단 분리막 모듈의 막면적을 2:1로 배치하고 바이오 가스를 1단 분리막 유입 헤더를 통해 1단 분리막 모듈로 공급하고 1단 분리막에서 농축된 메탄 가스는 1단 분리막 배제부 헤더에 연결한 1단 분리막 배제부 가스 배관으로 회수하여 연료로 활용할 수 있다. 1단 분리막 모듈에 공급된 바이오 가스 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 가스 배관으로 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 농축한 고순도 메탄은 메탄 저장탱크(60)에 가압 저장 된다.The separation membrane device 30 may be any separation membrane device commonly used in the art to which the present invention pertains. Preferably, a multi-stage separation membrane apparatus can be used, but the present invention is not limited thereto. In the multistage membrane module, the membrane area of the first membrane module and the second membrane module is 2: 1, the biogas is supplied to the first membrane module through the first membrane membrane inlet header, and the methane gas concentrated in the first membrane membrane is 1 However, it can be recovered as a fuel and recovered by a single-stage separation membrane gas pipe connected to the header of the separation membrane exclusion section. The gas permeated through the separation membrane of the biogas supplied to the first separation membrane module is discharged to the first separation membrane permeation header, compressed by the second separation compressor, and supplied to the second separation membrane module through the second separation membrane inlet header. Concentrated methane in the two-stage membrane module was transferred to the two-stage membrane exclusion gas piping connected to the two-stage membrane exclusion header, and the two-stage membrane exclusion gas piping was connected to the one- Can be maximized. The high purity methane concentrated in the first stage separation membrane module and the second stage separation membrane module is pressurized and stored in the methane storage tank (60).

분리막은 폴리술폰, 폴리이미드 또는 폴리이서술폰으로 구성된 군에서 선택되는 소재를 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.The separation membrane may be selected from the group consisting of polysulfone, polyimide, and polyisapharm, but is not limited thereto.

또한 분리막 장치(30)는 바이오가스 유량에 대한 메탄-이산화탄소 유량의 비를 조절하여 분리되는 메탄의 유량을 제어하는 방식으로 제어될 수 있다.Also, the separation membrane device 30 may be controlled by controlling the flow rate of methane separated by adjusting the ratio of the methane-carbon dioxide flow rate to the biogas flow rate.

바이오가스가 분리막 장치(30)를 거치면 97% 이상의 고순도의 메탄을 1차적으로 얻을 수 있다. 분리막 장치(30)를 통하여 제거되지 못한 메탄은 바이오가스 내의 이산화탄소와 함께 메탄-이산화탄소 혼합가스 내에 존재하게 되며, 후술할 반응 장치(50)에 의하여 재분리가 가능하다. When the biogas passes through the separation membrane device 30, methane having a purity of 97% or more can be primarily obtained. The methane that can not be removed through the separator 30 is present in the methane-carbon dioxide mixed gas together with the carbon dioxide in the biogas, and can be separated again by the reactor 50 to be described later.

반응 장치(50)는 이산화탄소 고정 반응을 이용하여 분리막 장치(30)에서 분리되지 않은 메탄을 포함한 메탄-이산화탄소 혼합가스로부터 이산화탄소를 고정하여 메탄을 재분리하는 장치로써, 반응 장치 하단으로 공급된 메탄-이산화탄소 혼합 가스에 산화칼슘(CaO) 및 물(H2O)을 첨가하거나 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 첨가하여 이산화탄소를 탄산칼슘(CaCO3)의 형태로 제거하는 반응이 일어난다. The reaction apparatus 50 is a device for re-separating methane from carbon dioxide-containing methane-carbon dioxide mixed gas containing methane that has not been separated in the separation membrane apparatus 30 by using a carbon dioxide fixation reaction. A reaction occurs in which calcium oxide (CaO) and water (H 2 O) are added to a carbon dioxide gas mixture or calcium carbonate (Ca (OH) 2 ) is added to remove carbon dioxide in the form of calcium carbonate (CaCO 3 ).

또한 반응 장치(50)는 생성물의 pH가 7이 되면 반응을 종료시키는 방식으로 제어될 수 있다.Also, the reaction apparatus 50 can be controlled in such a manner that the reaction is terminated when the pH of the product is 7.

반응 장치(50)를 거치면 메탄-이산화탄소 혼합 가스 내의 이산화탄소를 침전성 물질인 탄산칼슘으로 고정시키고 분리막 장치에서 분리되지 못하고 반응 장치(50) 내에서의 이산화탄소 고정 반응에 참여하지 않는 메탄을 2차적으로 분리할 수 있다. The carbon dioxide in the methane-carbon dioxide mixed gas is fixed by the calcium carbonate, which is a precipitating substance, and the methane which can not be separated in the separation membrane device and does not participate in the carbon dioxide fixing reaction in the reaction device 50 is secondarily Can be separated.

분리막 장치(30) 및 반응 장치(50)를 거쳐 얻은 메탄은 도시가스 공급 및 자동차연료로서 활용이 가능하고, 이산화탄소를 대기 중으로 배출하지 않고 탄산칼슘의 형태로 분리할 수 있어 온실가스 배출량을 저감시키고, 제지, 플라스틱, 고무, 도료 등 정밀화학산업은 물론, 식품과 의약품 등의 고부가가치 원료로서 사용이 가능하다. The methane obtained through the separation membrane device 30 and the reaction device 50 can be used as a city gas supply and an automobile fuel and can be separated into calcium carbonate without discharging carbon dioxide into the atmosphere to reduce greenhouse gas emissions , Paper, plastics, rubber, and paints, as well as food and pharmaceuticals.

본 발명의 바이오가스 전량 자원화 시스템은 분리막 장치(30)의 이전 단계에 바이오가스를 2bar 이하로 가압하여 분리막 장치의 효율을 높이는 제1 가압장치(20) 및 반응 장치의 이전 단계에 메탄-이산화탄소 혼합가스를 2bar 이하로 가압하여 이산화탄소 고정 반응의 수율을 높이는 제2 가압장치(40)를 더 포함할 수 있다.The total amount of biogas recycling system of the present invention includes a first pressurizing device 20 for increasing the efficiency of the separator device by pressurizing the biogas to 2 bar or less in the previous stage of the separator device 30 and a methane- And a second pressurizing device 40 for pressurizing the gas to 2 bar or less to increase the yield of the carbon dioxide fixing reaction.

제1 가압장치(20)를 통하여 분리막 장치에 공급되는 바이오가스에 공급 추진력(Driving force)을 제공하여 분리막 장치에서의 분리 효율을 높일 수 있다. A driving force may be applied to the biogas supplied to the separation membrane device through the first biasing device 20 to increase the separation efficiency in the separation membrane device.

제1 가압장치(20)로는 원심식 고압 송풍기를 사용하는 것이 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 사용되는 모든 가압장치가 사용될 수 있다.As the first pressurizing device 20, it is preferable to use a centrifugal high-pressure blower, but not limited thereto, all the pressurizing devices commonly used in the technical field of the present invention can be used.

제2 가압장치(40)를 통하여 분리막 장치에 흡입압력을 제공하여 분리 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 메탄-이산화탄소 혼합가스를 가압하여 반응 장치 하단으로 분사시킴으로써 이산화탄소의 용해속도를 높여 이산화탄소 고정 반응의 수율을 높일 수 있다. In addition to increasing the separation efficiency by providing suction pressure to the membrane separation device through the second pressure device 40, the methane-carbon dioxide gas mixture is pressurized and injected into the lower part of the reaction device to increase the dissolution rate of carbon dioxide, The yield can be increased.

제2 가압장치(40)에 사용되는 가압장치로는 왕복동식으로 실린더 내에서 피스톤의 왕복으로 용적의 증감에 의하여 압력을 가하는 장치를 사용하는 것이 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 사용되는 모든 가압장치가 사용될 수 있다. As the pressurizing device used in the second pressurizing device 40, it is preferable to use a device for applying pressure by reciprocation of the piston by reciprocation of the piston by increasing or decreasing the volume of the piston. However, the present invention is not limited thereto, Any pressure device commonly used in the field may be used.

제1 가압장치(20) 및 제2 가압장치(40)는 최대 2bar의 토출압력을 갖는다. 분리막 장치을 이용하여 바이오가스로부터 메탄을 분리하는 데에는 통상적으로 5bar 이상의 압력이 요구되는데, 본 발명의 일 실시예인 분리막 장치(30) 및 반응 장치(50)를 통해 메탄을 재분리 함으로써 상대적으로 낮은 압력으로도 97% 이상의 고순도의 메탄을 분리할 수 있으므로 운전효율을 높일 수 있다. The first pressurizing device (20) and the second pressurizing device (40) have discharge pressures of up to 2 bar. Separation of methane from the biogas using a membrane separation apparatus typically requires a pressure of 5 bar or more. By re-separating the methane through the separation membrane apparatus 30 and the reaction apparatus 50, which are one embodiment of the present invention, Methane of high purity of 97% or more can be separated, so that the operation efficiency can be improved.

바이오가스 전량 자원화 시스템에 의하여 비교적 낮은 압력을 이용하고도 97% 이상의 고순도의 메탄을 얻을 수 있으며 이는 도시가스 공급 및 자동차 연료로서 활용될 수 있으며, 생성되는 탄산칼슘은 제지, 플라스틱, 고무, 도료 등 정밀화학산업은 물론, 식품과 의약품 등의 고부가가치 원료로서 활용될 수 있다.  It is possible to obtain methane with high purity of 97% or more even if relatively low pressure is used by the whole biogas recycling system. It can be used as city gas supply and automobile fuel, and the produced calcium carbonate can be used as paper, plastic, It can be used as a high value-added raw material for food and medicine as well as fine chemical industry.

본 발명의 일실시예로서 바이오가스 전량 자원화 시스템은 바이오가스 내의 메탄 및 이산화탄소 이외의 물질을 제거하는 전처리 장치(10)를 더 포함할 수 있다.As an embodiment of the present invention, the biogas full volume recycling system may further include a pretreatment apparatus 10 for removing substances other than methane and carbon dioxide in the biogas.

전처리 장치(10)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 사용되는 모든 전처리 장치가 사용될 수 있다. 바람직하게는 여과도 3 마이크론의 2개 엘리먼트(Element)에 의해 내부로 유입되는 바이오 가스에 포함되어 있는 불순물 및 수분을 관성 및 충돌작용으로 제거하기 위한 가스필터, 저온의 냉매가스에 의하여 강제적으로 냉각하여 바이오 가스에 포함된 수분을 응축시켜 배출하는 드라이어, 흡착 소재를 이용하여 바이오가스에 포함된 수분을 제거하는 흡착탑, 그리고 많은 미세한 구멍의 여과층을 형성시켜 유입된 바이오 가스가 직선적으로 유동하지 않고, 꾸불꾸불하게 유동하는 바이오가스는 여과 작용이 엘리먼트 표면이 아니라 내부에서도 이루어져 수분 및 입자상 물질을 제거하는 애프터 필터(After filter)로 구성되는 전처리 장치를 이용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.The preprocessing apparatus 10 may be any preprocessing apparatus commonly used in the technical field of the present invention. Preferably a gas filter for removing impurities and moisture contained in the biogas introduced into the interior by two elements having a filtration degree of 3 micron by inertia and impact action, A dryer that condenses the moisture contained in the biogas and discharges it, an adsorption tower that removes water contained in the biogas by using an adsorbent material, and a filtration layer with many fine holes to form a biogas, , The serpentine flowing biogas may be, but is not limited to, a pretreatment device comprising an after filter that removes moisture and particulate matter from the inside of the element rather than from the surface of the element.

전처리 장치(10)를 거치지 않은 바이오가스는 50 내지 90%의 메탄(CH4), 10 내지 50%의 이산화탄소(CO2)와 기타 1% 미만의 수분, 황화수소(H2S), 실록산(Siloxane) 등의 오염물질을 포함하고 있는데, 전처리 장치(10)를 통하여 오염물질을 제거함으로써 이후에 분리되는 메탄 및 이산화탄소(탄산칼슘의 형태)의 순도를 높일 수 있으며, 오염물질 중 황(S) 성분은 장치의 부식 및 악취의 원인이 되므로, 이를 제거함으로써 본 발명의 바이오가스 전량 자원화 시스템을 이루는 장치의 내구성을 높일 수 있다. The biogas not having passed through the pretreatment apparatus 10 contains 50 to 90% of methane (CH 4 ), 10 to 50% of carbon dioxide (CO 2 ) and other less than 1% of water, hydrogen sulfide (H 2 S), siloxane ). By removing contaminants through the pretreatment device 10, the purity of methane and carbon dioxide (in the form of calcium carbonate) separated thereafter can be increased, and the sulfur (S) component Can cause corrosion and odor of the device. Therefore, the durability of the device constituting the biogas whole-volume recycling system of the present invention can be improved by removing it.

시험예 - 분리 효율 평가Test Example - Evaluation of Separation Efficiency

본 발명에 의한 제1 가압단계 및 제2 가압단계가 더 포함된 바이오가스 전량 자원화 방법을 매립시설 현장에 적용하여 제1 분리단계의 분리 효율 평가를 위한 시험을 수행하였다. 바이오가스 전량 자원화 방법매립시설에서 발생한 매립가스를 전처리 단계를 통해 미량 오염물질을 제거한 후 매립가스의 CH4, CO2 농도는 약 56~57%, 43~44%였다.The biogas recycling method including the first pressurization step and the second pressurization step according to the present invention was applied to the landfill site to perform the separation efficiency evaluation at the first separation step. The amount of CH 4 and CO 2 in the landfill gas was about 56 ~ 57% and 43 ~ 44% after the removal of trace pollutants through the pretreatment step.

측정방법은 하기 표 1에서 나타나는 바와 같이 제1 분리단계에서 분리된 메탄 및 이산화탄소의 성분을 측정하였고, 제2 가압단계에 의해 분리막 장치에 작용하는 흡입압력을 측정하였다. stage-cut은 분리되는 메탄-이산화탄소 혼합 가스의 유량을 공급되는 바이오가스 유량으로 나누어 계산되었다. 통과부는 제1 분리단계를 통해 분리되는 다량의 메탄이 얻어지는 부분을 의미하며, 투과부는 제1 분리단계를 통해 분리된 메탄-이산화탄소 혼합 가스가 얻어지는 부분을 의미한다. As shown in Table 1 below, the components of methane and carbon dioxide separated in the first separation step were measured, and the suction pressure acting on the separation membrane device was measured by the second pressurization step. The stage-cut was calculated by dividing the flow rate of the separated methane-carbon dioxide mixture gas by the flow rate of the biogas supplied. The passing portion means a portion where a large amount of methane separated through the first separating step is obtained and the transmitting portion means a portion where the methane-carbon dioxide mixed gas separated through the first separating step is obtained.

표 2는 본 발명에 의한 제1 가압단계 제2 가압단계가 포함된 바이오가스 전량 자원화 방법의 분리 효율을 비교하기 위하여 제1 가압단계의 공급압력만으로 분리한 성능 실험으로서 측정되었다.Table 2 shows the separation efficiency of the biogas all-encompassing method including the first pressurization step and the second pressurization step according to the present invention as a performance test in which only the supply pressure of the first pressurization step is separated.

구분division stage-cutstage-cut Permeate
pressure
(bar)
Permeate
pressure
(bar)
통과부Pass portion 투과부Transmission portion
CH4농도
(%)
CH 4 concentration
(%)
CO2농도
(%)
CO 2 concentration
(%)
유량
(LPM)
flux
(LPM)
CH4농도
(%)
CH 4 concentration
(%)
CO2농도
(%)
CO 2 concentration
(%)
유량
(LPM)
flux
(LPM)
1One 0.3060.306 -0.27-0.27 74.974.9 25.125.1 1010 21.621.6 78.478.4 4.44.4 22 0.3500.350 -0.28-0.28 76.876.8 23.223.2 88 22.722.7 77.377.3 4.34.3 33 0.4170.417 -0.29-0.29 79.679.6 20.420.4 66 23.723.7 76.376.3 4.34.3 44 0.5120.512 -0.33-0.33 84.184.1 15.915.9 44 25.325.3 74.774.7 4.24.2 55 0.6550.655 -0.35-0.35 92.292.2 7.87.8 22 31.631.6 68.468.4 3.83.8 66 0.6880.688 -0.38-0.38 9797 3.03.0 1One 37.037.0 63.063.0 2.22.2

구분division stage-cutstage-cut 통과부Pass portion 투과부Transmission portion CH4농도
(%)
CH 4 concentration
(%)
CO2농도
(%)
CO 2 concentration
(%)
유량
(LPM)
flux
(LPM)
CH4농도
(%)
CH 4 concentration
(%)
CO2농도
(%)
CO 2 concentration
(%)
유량
(LPM)
flux
(LPM)
1One 0.1600.160 69.869.8 30.230.2 1010 27.027.0 73.073.0 2.52.5 22 0.1900.190 71.571.5 28.528.5 88 27.327.3 72.772.7 2.52.5 33 0.2380.238 73.673.6 26.426.4 66 28.028.0 72.072.0 2.42.4 44 0.3170.317 77.377.3 22.722.7 44 30.330.3 69.769.7 2.32.3 55 0.5130.513 84.784.7 15.315.3 22 35.035.0 65.065.0 1.91.9 66 0.7140.714 90.190.1 9.99.9 1One 38.038.0 62.062.0 1.81.8

표 1에서 나타나듯이 stage-cut이 증가할수록, 흡입압력이 높아질수록 통과부의 메탄의 농도가 높아지는 것을 알 수 있다. 그러나 투과부에서의 메탄의 농도 역시 높아지는 것을 알 수 있는데, 이는 표 2와 비교하였을 때, 본 발명에 의한 제2 분리단계를 통하여 매탄을 재분리 함으로써 분리 효율을 높일 수 있음을 보여준다.As shown in Table 1, as the stage-cut increases, the higher the suction pressure, the higher the concentration of methane in the pass. However, it can be seen that the concentration of methane in the permeate portion also increases. This shows that the separation efficiency can be improved by re-separating the methane through the second separation step according to the present invention, when compared with Table 2.

stage-cut에 따른 분리 효율을 제1 가압단계만을 포함한 바이오가스 전량 자원화 방법과 제1 가압단계 및 제2 가압단계를 포함한 바이오가스 전량 자원화 방법을 비교하여 도 2에 나타내었다. The separation efficiency according to the stage-cut is shown in FIG. 2 in comparison with the biogas total recycling method including only the first pressurization step and the biogas recycling method including the first pressurization step and the second pressurization step.

상술한 바에 따른 단계, 특징, 효과, 장치 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 단계, 특징, 효과, 장치 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. Features, effects, devices, and the like according to the above-described embodiments are included in at least one embodiment of the present invention, and are not necessarily limited to only one embodiment. Further, the steps, features, effects, devices, and the like illustrated in the embodiments may be combined or modified for other embodiments by those skilled in the art to which the embodiments belong. Therefore, it should be understood that the present invention is not limited to these combinations and modifications.

10 : 전처리 장치
20 : 제1 가압장치
30 : 분리막 장치
40 : 제2 가압장치
50 : 반응 장치
60 : 메탄 저장탱크
10: Pretreatment device
20: First pressurizing device
30: Membrane device
40: Second pressurizing device
50: Reactor
60: methane storage tank

Claims (10)

분리막을 이용하여 메탄과 이산화탄소를 포함한 바이오가스로부터 메탄을 분리하는 제1 분리단계; 및
이산화탄소 고정 반응을 이용하여 상기 제1 분리단계에서 분리되지 않은 메탄을 포함한 메탄-이산화탄소 혼합가스로부터 이산화탄소를 고정하여 메탄을 재분리하는 제2 분리단계;를 포함하는 바이오가스 전량 자원화 방법.
A first separation step of separating methane from biogas including methane and carbon dioxide using a separation membrane; And
And a second separation step of separating the methane from the methane-carbon dioxide mixed gas containing methane not separated in the first separation step by fixing the carbon dioxide using the carbon dioxide fixing reaction.
제1항에 있어서,
상기 제1 분리단계의 분리막은 폴리술폰, 폴리이미드 및 폴리이서술폰으로 구성된 군에서 선택되는 소재로 만들어지는 바이오가스 전량 자원화 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the separation membrane in the first separation step is made of a material selected from the group consisting of polysulfone, polyimide, and polyisophthalon.
제1항에 있어서,
상기 제1 분리단계는 바이오가스 유량에 대한 메탄-이산화탄소 혼합 가스 유량의 비를 조절하여 분리되는 메탄의 유량을 제어하는 방식으로 제어되는 바이오가스 전량 자원화 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the first separation step is controlled by controlling the flow rate of methane separated by adjusting the ratio of the flow rate of the methane-carbon dioxide gas mixture to the flow rate of the biogas.
제1항에 있어서,
상기 제2 분리단계의 이산화탄소 고정 반응은 메탄-이산화탄소 혼합 가스에 산화칼슘(CaO) 및 물(H2O)을 반응시키거나 수산화칼슘(Ca(OH)2)을 반응시켜 이산화탄소를 탄산칼슘(CaCO3)의 형태로 고정하는 반응인 바이오가스 전량 자원화 방법.
The method according to claim 1,
Carbon dioxide fixation reaction of the second separation stage is the methane-reacting calcium (CaO) and water (H 2 O) oxidation to carbon dioxide gas mixture, or calcium hydroxide, calcium carbonate, the carbon dioxide by the reaction of (Ca (OH) 2) ( CaCO 3 ). ≪ / RTI >
제1항에 있어서,
상기 제2 분리단계는 생성물의 pH가 7이 되면 반응을 종료시키는 방식으로 제어되는 바이오가스 전량 자원화 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the second separation step is controlled in such a manner that the reaction is terminated when the pH of the product is 7. [
제1항에 있어서,
바이오가스 내의 메탄 및 이산화탄소 이외의 물질을 제거하는 전처리 단계를 더 포함하는 바이오가스 전량 자원화 방법.
The method according to claim 1,
Further comprising a pretreatment step of removing substances other than methane and carbon dioxide in the biogas.
제1항에 있어서,
상기 제1 분리단계 이전에 바이오가스를 가압하여 분리막 장치의 효율을 높이는 제1 가압단계; 및
상기 제2 분리단계 이전에 메탄-이산화탄소 혼합가스를 가압하여 이산화탄소 고정 반응의 수율을 높이는 제2 가압단계를 더 포함하는 바이오가스 전량 자원화 방법.
The method according to claim 1,
A first pressurization step of pressurizing the biogas before the first separation step to increase the efficiency of the separation membrane apparatus; And
Further comprising a second pressurization step for pressurizing the methane-carbon dioxide gas mixture to increase the yield of the carbon dioxide fixation reaction prior to the second separation step.
제7항에 있어서,
상기 제1 가압단계 또는 상기 제2 가압단계의 가압되는 압력은 2bar 이하인 바이오가스 전량 자원화 방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the pressurization pressure of the first pressurization step or the second pressurization step is 2 bar or less.
폴리술폰, 폴리이미드 및 폴리이서술폰으로 구성된 군에서 선택되는 소재의 분리막을 이용하여 메탄과 이산화탄소를 포함한 바이오가스로부터 메탄을 분리하며, 바이오가스 유량에 대한 메탄-이산화탄소 혼합 가스 유량의 비를 조절하여 분리되는 메탄의 유량을 제어하는 방식으로 제어되는 분리막 장치; 및
이산화탄소 고정 반응을 이용하여 상기 제1 분리단계에서 분리되지 않은 메탄을 포함한 메탄-이산화탄소 혼합가스로부터 이산화탄소를 고정하여 메탄을 재분리하며, 생성물의 pH가 7이 되면 반응을 종료시키는 방식으로 제어되는 반응 장치;를 포함하는 바이오가스 전량 자원화 시스템.
The separation of methane from biogas including methane and carbon dioxide is carried out by using a membrane of material selected from the group consisting of polysulfone, polyimide and polyisophthalon, and the ratio of the methane-carbon dioxide gas mixture flow rate to the biogas flow rate is adjusted A separation membrane device controlled in such a manner as to control the flow rate of separated methane; And
The carbon dioxide is fixed from the methane-carbon dioxide mixed gas containing methane, which has not been separated in the first separation step, by using the carbon dioxide fixation reaction, and the reaction is terminated when the pH of the product reaches 7 Wherein the biogas is recovered from the biogas.
제9항에 있어서,
상기 분리막 장치의 이전 단계에 바이오가스를 2bar 이하로 가압하여 분리막 장치의 효율을 높이는 제1 가압장치; 및
상기 반응 장치의 이전 단계에 메탄-이산화탄소 혼합가스를 2bar 이하로 가압하여 이산화탄소 고정 반응의 수율을 높이는 제2 가압장치;를 더 포함하는 바이오가스 전량 자원화 시스템.

10. The method of claim 9,
A first pressurizing device that pressurizes the biogas to 2 bar or less in the previous stage of the separator device to increase the efficiency of the separator device; And
And a second pressurizing device for pressurizing the methane-carbon dioxide mixed gas to 2 bar or less in the previous step of the reaction device to increase the yield of the carbon dioxide fixing reaction.

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