KR20180007519A - 바이오 가스로부터 메탄 회수율을 향상시킬 수 있는 다단 분리막 시스템 - Google Patents

바이오 가스로부터 메탄 회수율을 향상시킬 수 있는 다단 분리막 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 바이오 가스로부터 고순도 메탄이 회수되는 분리막 시스템을 개시한다.
본 발명은 바이오 가스의 미량 오염물질을 제거할 수 있도록 가스필터(4, 7)와 드라이어(5)와, 흡착탑(6a, 6b), 및 버퍼탱크(8)로 이루어진 전처리수단과, 분리막에서 메탄, 이산화탄소를 분리하기 위한 드라이빙 포스(Driving Force)를 제공해 주는 가스압축수단(9a, 9b, 18a, 18b)과, 상기 압축된 바이오가스를 분리하기 위한 1단 분리막(13a, 13b, 13c)과 2단 분리막(21)으로 구성된 다단 분리막수단으로 구성되며, 2단 압축기 리시브 탱크(18c) 도출구와 연결된 2단 유입 바이오 가스 이송 배관(19)에 압력 조절 밸브(18e)를 설치하고 2단 압축기 압력계(18d) 보다 0.5 kgf/cm2 이상 낮게 설정함으로써 2단 압축기가 연속 운전하여 바이로 가스로부터 메탄 회수율을 향상시킬 수 있다.

Description

바이오 가스로부터 메탄 회수율을 향상시킬 수 있는 다단 분리막 시스템{MULTI-STAGE MEMBRANE SYSTEM WITH IMPROVED METHANE RECOVERY RATE FROM BIO-GAS}
본 발명은 바이오 가스로부터 메탄을 회수할 수 있는 분리막 시스템에 관한 것으로서, 다단 분리막수단으로 구성된 분리막 시스템을 이용하여 고순도 메탄을 생산할 수 있도록 한 것이다.
석유 및 천연가스의 가격상승과 여러 나라에서 신재생에너지 이용목표율 증대에 따라 바이오가스 고질화에 대한 관심이 증폭되고 있다. 현재 바이오가스 발생 시설에서 생성되는 바이오가스는 미량 불순물만 제거 후 연소하여 열원으로 사용하거나 가스엔진으로 전기를 생산하는 등 단순처리 하고 있는 실정이다.
바이오 가스의 경우 함유된 메탄조성은 약 50~75% 수준으로 열량(5,000 kcal/m3 이하)이 작아 운송용 연료나 도시가스로 사용이 어려우며 천연가스와 비슷한 발열량을 맞추기 위해서는 바이오 가스의 메탄함량을 95% 이상으로 향상 시켜야 한다. 바이오 가스에는 많은 가스 성분들이 있지만 대부분은 메탄과 이산화탄소이므로 메탄과 이산화탄소를 분리하여 고농도 메탄을 생산하면 원거리 공급이 가능해져, 발전, 보일러, 사업체연료, 자동차, 도시가스 등으로 적용이 용이하며 이산화탄소의 농축 농도 70%이상 되면 제품이 원료로 활용도가 높아진다.
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 water scrubbing process가 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 Evaporator나 Condenser등이 없이 대부분 펌프, 배관, membrane 및control prat로 구성 되어 설비가 compact한 이점이 있다.
분리막은 기체들의 투과되는 성질은 고분자 분리막인 경우에는 흡수 또는 용해 후, 분리막 내부를 이동하는 속도차에 의한 것과 고분자의 연결 측쇄간에 존재하는 미세한 틈 사이로 기체 분자가 통과되는 방법들이 있다. 수소나 헬륨은 후자의 경우 처럼 고분자 측쇄의 간격에 따라 기체가 투과하며, 수증기나 CO2 등은 흡수 또는 용해되고 분리막 내부를 이동하는 현상으로 투과된다.
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. 그러나 종래의 방법으로는 고순도 메탄을 생산하는데 한계가 있다.
한국 공개특허 10-2006-0065851호(2006.06.14)
상기와 같은 점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 다단 분리막 수단을 적용하여 바이오가스(매립가스, 혐기성 소화가스 등)로부터 메탄 회수율을 향상시킬 수 있는 분리막 시스템을 제공함에 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바이오 가스로부터 메탄을 회수할 수 있는 분리막 시스템은 바이오 가스의 미량 오염물질을 제거하는 전처리수단; 상기 전처리수단을 거친 바이오 가스를 전달받아 메탄과 이산화탄소를 분리하는 적어도 하나의 1단 분리막 및 2단 분리막을 가지는 다단 분리막수단; 및 2단 압축기가 연속 운전하도록하는 압력 조절 밸브;를 포함한다.
이와 같이 본 발명의 바람직한 일 실시예인 바이오 가스로부터 메탄을 회수할 수 있는 분리막 시스템은 바이오가스 발생시설에서 발생되는 가스를 메탄농도 97% 이상 고질가스화 함으로써 도시가스 공급 및 자동차연료로서 활용이 가능한 효과가 있다.
또한 바이오가스의 화석에너지원 소비 감소로 인한 온실가스 배출량을 저감시킨다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 분리막 시스템의 공정도,
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예인 분리막모듈 구성의 공정도,
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예인 병렬 다단 압축기 및 분리막 모듈의 상세 공정도.
본 발명의 바람직한 일 실시예인 분리막 시스템을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 분리막 시스템의 공정도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예인 분리막모듈 구성의 공정도이고, 도 3은 본 발명의 또 다른 실시예인 병렬 다단 압축기 및 분리막 모듈의 상세 공정도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 일 실시예인 바이오 가스로부터 메탄을 회수할 수 있는 분리막 시스템은 바이오 가스를 분리 및 정제 하기 위한 것으로 전처리부와 다단 분리막 수단으로 구성된다. 바이오 가스의 주요 성분인 메탄과 이산화탄소를 분리하여 고순도 메탄을 생산하기 위한 장치로 전체 공정은 크게 가스 이송부, 전처리 수단인 전처리부, 가스압축 수단인 가스 압축부, 다단 병렬 분리막부인 다단 분리막수단으로 구성된다. 본 발명에서는 바이오 가스의 일종인 매립가스를 일예로 들어 설명한다.
가스 이송부를 포함한 전처리수단은 바이오가스 발생 시설(1)에 음압을 형성시켜 분리막 시스템으로 바이오가스 이송하기 위한 블로워(3), 바이오가스 발생 시설과 분리막 시스템을 연결하는 이송배관 그리고 이송배관 중간에 이송과정에서 발생하는 응축수를 모으고 배출하기 위한 응축수 탱크(2a, 2b)로 이루어져 있다.
가스필터(4)는 Separator 내부에 여과도 3 마이크론의 2개 엘리먼트(Element)에 의해 separator로 유입되는 매립가스(=바이오 가스)에 포함되어 있는 불순물 및 수분이 관성 및 충돌작용으로 제거하게 되어 후단에 배치된 드라이어(5)의 과부하 방지는 물론 수분제거 효율을 향상시키게 된다.
드라이어(5)는 매립가스를 저온의 냉매가스에 의하여 강제적으로 냉각하여 가스 중에 포함된 수분을 응축시켜 배출하는 방식이다. 드라이어(5)에 의하여 공급되는 바이오가스의 노점은 부하의 대소에 따라 달라진다. 매립가스의 압력이 높을수록, 온도가 낮을수록, 유량이 작을수록, 또 주위의 공기 온도가 낮을수록 부하가 작아지며, 노점은 낮아지게 된다. 그러나 반대의 경우는 부하가 크고, 노점은 높아지게 된다. 단위 질량당 가스 중에 포함되는 수증기는 온도가 같은 경우, 압력이 높을수록 적어지게 되며, 압력이 같은 경우에는 온도가 낮을수록 적어지게 된다. 또 주위의 공기 온도가 낮으면, 응축기로부터 방열효과가 높아지게 되며, 부하가 감소하는 것과 동일한 효과가 얻어진다.
흡착탑(6a, 6b)은 유입되는 매립가스의 조성에 따라 수분이 많을 때는 흡착탱크 하나씩 단독 운전이 가능한 병렬형태로 배치시키고, 수분의 양이 많을 경우 두 개의 흡착탑을 직렬로 배치가 가능하다.
가스필터인 애프터 필터(7)의 필터 엘리먼트로는 소결금속, 합성수지, 철망 등으로 구성되며, 소결 엘리먼트는 미소한 금속입자를 어떤 틀에 충진하여, 전기로로 가열하여 입자간의 접촉 부분만을 상호 밀착시켜, 많은 미세한 구멍의 여과층을 형성시킨 것으로 직선적으로 유동하지 않고, 꾸불꾸불하게 유동하는 매립가스는 여과 작용이 엘리먼트 표면이 아니라 내부에서도 이루어져 수분 및 입자상 물질을 제거하게 된다. 전처리 수단에서 수분 및 미량 오염물질이 제거된 바이오가스는 버퍼탱크(Buffer Tank)(8)를 거쳐 1단 압축기(9a, 9b)로 공급된다.
즉, 전처리부인 전처리 수단은 여과도 3 마이크론의 2개 엘리먼트(Element)에 의해 내부로 유입되는 바이오 가스에 포함되어 있는 불순물 및 수분이 관성 및 충돌작용으로 제거하기 위한 가스필터(4), 저온의 냉매가스에 의하여 강제적으로 냉각하여 바이오 가스에 포함된 수분을 응축시켜 배출하는 드라이어(5), 흡착 소재를 이용하여 바이오가스에 포함된 수분을 제거하는 흡착탑(6a, 6b), 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)(7)로 구성된다. 전처리 수단에서 수분 및 미량오염물질이 제거된 바이오 가스는 버퍼탱크(8)를 거쳐 1단 압축기(9a, 9b)로 공급된다.
가스압축 수단을 이루는 가스압축기(9a, 9b, 18a, 18b)는 1단 분리막(13a, 13b, 13c)과 2단 분리막(21)에서 메탄/이산화탄소 혼합가스의 분리가 발생할 수 있도록 driving force를 제공하는 장치로, 다단병렬 분리막 시스템에서 중요한 요소 중 하나이다.
1단 가스압축기(9a, 9b)와 2단 가스압축기(18a, 18b)로 각기 다른 용량으로 각각 2대의 압축기로 구성되어 있다. 각 단계 가스압축수단(9a, 9b, 18a, 18b)에서 압축된 매립가스는 각각의 리시브 탱크(Receive tank)(9c, 18c)에 저장되고, 리시브 탱크에 설치된 압력계(9d, 18d)에 미리 설정된 압력값에 따라 작동과 정지를 반복하도록 구성된다.
1단 압축기(9a, 9b)는 설정 압력과 압축기와 연결된 리시브 탱크 압력이 같아지면 구동을 정지하는데, 2단 압축기(18a, 18b)의 경우 구동이 정지되면 압축기 흡입 라인과 연결된 전단의 분리막 투과부에 차압이 형성되어 분리막 효율을 저하시킨다.
1단 압축기(9a, 9b)는 연결된 1단 압축기 리시브 탱크(9c)와 압력이 같아져 구동이 정지되어도 1단 압축기(9a, 9b)의 흡입 라인과 연결된 전단의 분리막이 존재하지 않아 분리 효율을 저하시킬 염려가 없으나, 2단 압축기(18a, 18b)의 경우 1단 분리막(13a, 13b, 13c)의 투과부와 연결되어 2단 분리막(21) 도입부에 공급 압력을 가압하는 반작용으로 1단 분리막(13a, 13b, 13c)의 투과부에는 흡입 압력이 발생되는데, 이 흡입 압력에 의해 1단 분리막(13a, 13b, 13c)의 분리 효율이 향상되는 효과를 갖는다. 이 때 2단 압축기(18a, 18b)가 연결된 2단 압축기 리시브 탱크(18c)와의 압력이 같아서 구동이 정지된다면 상기 흡입 압력에 의한 1단 분리막(13a, 13b, 13c)의 분리 효율을 저하시키는 문제가 발생한다.
따라서 본 발명의 일실시예에 따른 분리막 시스템은 다단 분리공정 적용 시 분리막, 압축기, 가스탱크의 압력을 제어하여 바이오 가스로부터 메탄 회수율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
따라서 본 발명의 일실시예에 따른 분리막 시스템의 분리 성능 향상 장치는 다단 분리공정 적용 시 분리막, 압축기, 가스탱크의 압력을 제어하여 혼합가스의 분리 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
더욱 구체적으로, 1단 압축기(9a, 9b)는 연결된 1단 압축기 리시브 탱크(9c)의 압력이 설정 압력(3 내지 8 Bar??G(kgf/cm2))이 될 때까지 구동된다. 1단 압축기 리시브 탱크(9c)의 압력이 설정 압력에 도달하게 되면 1단 압축기(9a, 9b)는 구동을 정지하고, 1단 압축기 리시브 탱크(9c)의 압력이 설정 압력에 미달하게 되면 1단 압축기(9a, 9b)는 설정 압력에 도달하기 위하여 구동된다.
2단 압축기(18a, 18b) 역시 연결된 2단 압축기 리시브 탱크(18c)의 압력이 설정 압력(3 내지 8 Bar??G(kgf/cm2))이 될 때까지 구동된다. 이 때, 2단 압축기 리시브 탱크(18c)의 도출구와 연결된 이송 배관(19)에 연결된 압력 조절 밸브(18e)는 2단 압축기 리시브 탱크(18c)의 압력이 상기 설정 압력보다 0.5kgf/cm2 이상 작게 유지되도록 압력을 조절한다. 따라서 단 압축기 리시브 탱크(18c)의 압력이 2단 압축기(18a, 18b)의 설정 압력보다 항상 작게 유지되기 때문에 2단 압축기(18a, 18b)의 구동이 정지되는 것을 방지한다.
즉 2단 압축기(18a, 18b)는 연속 운전을 하게 되므로 1단 분리막(13a, 13b, 13c) 투과부에 흡입 압력이 계속적으로 발생하게 되어 1단 분리막(13a, 13b, 13c)의 분리 성능 향상을 유지시킬 수 있으며, 1단 분리막(13a, 13b, 13c)을 통과한 바이오 가스를 2단 분리막(21)에 일정한 압력(일정한 유량)으로 공급할 수 있다.
중공사막 방식의 멤브레인 드라이어(11)는 수증기만 통과시키고, 바이오가스(=매립가스)분자는 통과시키지 않는 방식이다. 수증기는 큰 극성을 가지기 때문에 고분자에 비해 용해도 상수가 크며, 따라서 투과 상수 또한 매우 크다. 수증기는 상대적으로 기체나 유분보다 빨리 분리된다. 멤브레인 드라이어(11)의 구조는 매우 큰 튜브의 내부에 극히 미세한 튜브들 다발로 만들어져 내부의 튜브 사이의 평형이 깨지게 되고 고압의 내부에서 저압의 외부로 가스가 흐르게 된다. 막을 잘 투과하는 수증기가 외부의 튜브로 이동하고 안과 밖의 평형이 이루어진다. 평형이 이루어지면 공기의 이동이 일어나지 않으므로 진공펌프를 투과측에 배치하여 물을 외부로 배출하게 된다. 이 후 평형은 깨어지고 내부의 튜브에서 건조된 가스를 얻을 수 있다.
다단 분리막 수단은 2단 분리막(21)의 박 면적이 1단 분리막(13a, 13b, 13c) 면적의 30 내지 60% 이내로 구성하고, 전처리 후 1단 압축기(9a, 9b)에서 압축한 바이오 가스를 1단 분리막 유입 헤더(12)를 통해 1단 분리막(13a, 13b, 13c) 모듈로 공급하고 1단 분리막에서 농축된 메탄 가스는 1단 분리막 배제부 헤더(14)에 연결한 1단 분리막 배제부 가스 배관(15)으로 회수하여 연료로 활용할 수 있다. 1단 분리막(13a, 13b, 13c) 모듈에 공급된 바이오 가스 중 분리막을 투과한 기체는 1단 분리막 투과부 헤더(16)로 배출되고 1단 분리막 투과부 가스 배관(17)을 지나 2단 압축기(18a, 18b)에서 압축하여 2단 분리막 유입 헤더(20)를 통해 2단 분리막(21) 모듈로 공급한다. 2단 분리막(21) 모듈에서 농축된 메탄 가스는 2단 분리막 배제부 헤더(22)에 연결한 2단 분리막 배제부 가스 배관(23)으로 이송되고 2단 분리막 배제부 가스 배관(23)을 1단 분리막 배제부 가스 배관(15)에 연결하여 농축 메탄 회수량을 극대화 할 수 있다.
1단 분리막(13a, 13b, 13c) 모듈과 2단 분리막(21) 모듈에서 농축한 고순도 메탄은 메탄 저장탱크(26)에 가압 저장허가나 잉여 가스 연소 장치(27)로 보내져 연소하게 된다.
실시예
본 발명은 기체분리막 시스템을 매립시설 현장 적용하여 다단병렬 분리막 시스템 성능평가를 위해 실험을 수행하였다.
매립가스는 포집공에서 블로워(3)에 의해 음압을 형성시켜 다단병렬 분리막 시스템으로 이송된다. 이때, 이송배관 중간에 이송과정에서 발생하는 응축수를 모으고 배출하기 위한 응축수 탱크(2a, 2b)로 이루어진 매립가스를 포집하게 된다.
다단병렬 분리막 시스템에 이송된 매립가스는 가스필터(4)에서 과성 및 충돌작용에 의해 입자상 물질 및 수분을 제거하게 되고 냉동식 드라이어(5)로 이송된다.
냉동식 드라이어(5)에서는 매립가스를 저온의 냉매가스에 의하여 강제적으로 냉각하여 압축 공기 중에 포함된 수분을 응축시켜 배출하는 하게 된다.
냉동식 드라이어(5)를 거쳐 냉각된 매립가스 흡착탑(6a, 6b)에 유입되어 불순물 및 수분을 제거한다.
애프터 필터(7)에서는 엘리먼트 표면, 내부에서 여과작용이 이루어져 수분 및 입자상 물질을 제거하게 된다.
가스 이송부 및 전처리수단에서 수분 및 입자상물질을 제거한 -제거 과정에서 황하수소와 암모니아는 수분 응축 제거 과정에서 동시에 제거되며, 미량 오염 물질이 제거된 매립가스는 버퍼 탱크(8)를 거쳐- 1단 압축기(9a, 9b)로 이송하고 압축하여 다단 분리막 수단에서 CH4/CO2혼합가스의(매립가스의 주요 구성성분인 CH4/CO2) 분리가 이루어 질 수 있도록 드라이빙 포스를 제공받게 된다.
압축된 매립가스는 1단 유입 바이오가스 유량계(10a)에서 유량을 측정하고 멤브레인 드라이어(11)로 보내 수증기만 투과부로 배출하고, 매립가스는 통과시키지 않는 원리를 이용하여 수증기를 제거하고 분리막으로 공급한다. 즉, 멤브레인 드라이어(11)에서 투과부에 설치된 멤브레인 드라이어 투과부 진공펌프(11a)를 이용하여 수증기만 시스템 외부로 제거하고 건조된 매립가스는 1단 분리막 유입 헤더(12)로 공급한다.
멤브레인 드라이어(11)를 통과한 매립가스의 CH4, CO2 농도는 약56~57%, 43~44%이다.
분리막 공정 제어는 1단 분리막(13a, 13b, 13c) 모듈 성능 평가를 위해 일정한 압력에서 분리막 배제부(Retentate) 유량을 조절하여 도입부 유량에 대한 투과부 유량의 비를(Stage-cut) 제어하는 방식으로 한다. 분리막 배제부 헤더 후단에 설치된 배제부 가스 유량계의 유량을 조절하면서 배제부의 가스 조성과 투과부의 가스조성 유량 데이터를 얻는다. 분리막 배제부 및 투과부에 설치한 가스 온도계 및 압력계의 지시값은 분리 공정의 이상 여부를 판단하는 목적으로 사용한다.
본 발명은 다단 분리막 수단이 병렬로 이루어지는 병렬 다단 분리막 시스템에 관한 것이고, 비교를 위해 단일 분리막 성능 실험과 직렬 분리막 성능 실험 결과를 실시하였습니다. 따라서 병렬 다단 분리막 성능 실험을 위해 구축한 장비를 이용하여 단일 분리막 성능 실험 및 직렬 다단 분리막 성능 실험을 수행하였기 때문에 장치의 이름과 측정 위치의 이름이 다를 수 있습니다.
단일 분리막 모듈 성능 평가 결과
단일 분리막의 공정은 매립가스를 4 kgf/cm2압력으로 1단 분리막(13a, 13b, 13c)로 공급하고 stage-cut을 변화에 따른 1단분리막 배제부(14)(Retentate)와 투과부(16)(permeate)측 가스 농도를 측정하였다.
1단으로 구성된 분리막 모듈의 성능 평가를 위해 1단 압축기(9a, 9b)에서 4 kgf/cm2으로 압축된 매립가스를 1단 분리막(13a, 13b, 13c) 모듈에 공급하고, 1단 분리막 배제부 헤더(14)와 연결한 1단 분리막 배제부 가스 배관(15)에 설치된 1단 배제부 가스 유량계(15a)의 유량을 조절하면서 배제부의 가스 조성과 투과부의 가스조성 및 유량 데이터를 측정한다. 배제부의 가스 조성은 1단 분리막 배제부 가스 분석기(15d) 측정값을 사용한다. 다단모듈 성능 평가를 주 목적으로 구축한 설비이기 때문에 투과부 유량은 2단 분리막 투과부 가스 유량계(25a)를 사용하여 측정하고, 투과부 가스 조성은 2단 분리막 투과부 가스 분석기(25d)를 사용하여 측정한다. 4 kgf/cm2 압력에서 1단 분리막 배제부 가스 유량계(15a)로 조절하는 유량(이하 ; 1st Retentate flow rate) 변화에 따른 배제부 가스 농도(이하 ; 1st Retentate Conc.)와 투과부 가스 농도(이하 ; 1st Permeate Conc.)를 측정하였다.
No. Stage-cut Retentate
flow rate
(LPM)		 Retentate Conc.(%) Permeate Conc.(%) Recovery
rate.(%)
CO2 CH4 CO2 CH4
1 0.493 35 6.0 93.6 62 36 70.2
2 0.500 30 3.9 94.7 60 38 68.5
3 0.537 25 2.7 96.8 55 44 62.7
4 0.565 20 1.1 97.8 50 48 58.1
5 0.622 15 0.0 97.8 44 55 50.6
6 0.667 10 0.0 97.9 35 62 41.1
단일모듈의 경우 Stage-cut이 커질 수 록 배제부측의 메탄 농도 가 높아지고 있으나 회수율은 감소하는 것을 알 수 있다.
즉, 1단 분리막 배제부 가스 유량계(15a)의 유량을 감소시킬수록 1단 분리막 모듈 배제부 가스 분석기(15d)에서 측정되는 메탄 농도는 상승하지만 1단 분리막 모듈(13a, 13b, 13c)에서 메탄 회수율은 감소한다.
연속 운전 분리막 모듈 성능 평가 결과
매립 가스가 4kgf/cm2의 압력으로 1단 분리막으로 공급되고, 1단 분리막을 통과하지 않은 배제부 가스는 굴뚝으로 보내지고, 1단 분리막을 통과한 투과부 가스는 2단 압축기로 보내어졌다.
2단 압축기는 2단 압축기 리시브 탱크의 내부의 가스압력이 5kgf/cm2으로 가압되었을 때 정지하도록 설정하고, 2단 압축기 리시브 탱크의 후단에 연결된 이송 배관에 압력 조절 밸브를 설치하였다. 압력 조절 밸브의 압력을 조절하여 2단 압축기 리시브 탱크의 압력이 4kgf/cm2로 유지할 수 있도록 하여, 2단 압축기가 정지하지 않고 지속적으로 구동될 수 있도록 하여 얻어진 1단 분리막의 배제부와 투과부에서의 가스 농도를 표 2(실시예)에 나타내었다.
또한 상기 매립 가스를 4kgf/cm2의 압력으로 1단 분리막으로 공급하고, 1단 분리막을 통과하지 않은 배제부 가스는 굴뚝으로 보내지고, 1단 분리막을 통과한 투과부 가스는 2단 압축기로 보내어졌다.
2단 압축기는 2단 압축기 리시브 탱크의 내부의 가스압력이 5kgf/cm2으로 가압되었을 때 정지하도록 설정하여, 2단 압축기 리시브 탱크 내부의 가스압력이 5kgf/cm2를 초과하는 경우 2단 압축기는 정지되고, 미만인 경우 구동될 수 있도록 하여 얻어진 1단 분리막의 배제부와 투과부에서의 가스의 농도를 표 2(비교예에 나타내었다.
No. Stage-cut 1st Retentate Conc.(%) 1st Permeate Conc.(%) Recovery
rate.(%)
CO2 CH4 CO2 CH4
실시예 0.3 1.7 97.6 52 47 75.8
비교예 0.3 0.0 98.1 36 60 40.7
상기 표 2에 나타나는 결과와 같이 2단 압축기가 연속 운전을 한 실시예의 경우에 비교예에 비해 메탄 회수 효율이 높은 것을 알 수 있다.
직렬다단분리막 모듈성능 평가 결과
1단 분리막(13a, 13b, 13c) 모듈과 2단 분리막(21) 모듈의 막면적 비는 2:1로유지 한다.
다단 직렬 분리막의 공정은 매립가스를 4kgf/cm2압력으로 1단 분리막(13a, 13b, 13c)로 공급하고 농축부의 가스를 2단 분리막(21)에 공급하는 형태로 2단 분리막의 stage-cut을 변화시켜 농축부와 투과부의 가스 농도를 측정하였다.
즉, 1단 분리막(13a, 13b, 13c) 모듈의 배제부 가스를 2단 분리막(21) 모듈에 다시 공급하는 직렬 다단 분리막 모듈의 성능 평가를 위해 1단 압축기(9a, 9b)에서 4 kgf/cm2으로 압축된 매립가스를 1단 분리막(13a, 13b, 13c) 모듈에 공급하고, 1단 분리막 배제부 헤더(14)를 2단 분리막 유입 헤더(20)에 연결하고 2단 분리막(21) 모듈의 배제부에 연결된 2단 분리막 배제부 가스 배관(23)에 설치된 2단 배제부 가스 유량계(23a)의 유량을 조절하면서 1단 분리막 모듈(13a, 13b, 13c)과 2단 분리막 모듈(21)의 배제부와 투과부의 가스조성 및 유량 데이터를 얻는다.
2단 분리막(21) 모듈의 배제부 가스 조성은 2단 분리막 배제부 가스 분석기(23d)를 사용하여 측정하고 2단 분리막 모듈(21)의 투과부 가스 유량과 조성은 2단 분리막 투과부 가스 유량계(25a)와 2단 분리막 투과부 가스 분석기 (25d)를 사용하여 측정한다. 1단 분리막(13a, 13b, 13c) 모듈의 투과부 가스 조성과 유량은 1단 분리막 배제부 가스 유량계(15a)와 1단 분리막 배제부 가스 분석기(15d)를 사용하여 측정한다. 이때 1단 분리막(13a, 13b, 13c) 모듈의 배제부 가스 유량 및 조성은 2단 분리막 모듈(21)의 배제부과 투과부의 가스 유량과 조성 측정값으로부터 도출한다.
4 kgf/cm2 압력에서 2단 분리막 배제부 가스 유량계(23a)로 조절하는 유량(이하 ; 2nd Retentate flow rate) 변화에 따른 1단 분리막 투과부 가스 농도(이하 ; 1st Permeate Conc.) 그리고 2단 분리막 배제부 가스 농도(이하 ; 2nd Retentate Conc.)와 2단 분리막 투과부 가스 농도(이하 ; 2nd Permeate Conc.)를 측정하였다.
No. Stage-cut Retentate
flow rate
(LPM)		 Retentate Conc.(%) Permeate Conc.(%) Recovery
rate.(%)
CO2 CH4 CO2 CH4
1단
1 0.450 34 24 73 63.6 36.4 -
2 0.480 25 13 91 59.6 40.4 -
3 0.524 20 11 89 55.0 45.0 -
4 0.569 15 11 89 48.5 51.5 -
5 0.630 10 13 87 39.8 60.2 -
2단
1 0.147 25 2.3 97.7 21.5 78.5 61.3
2 0.200 20 1.2 98.8 14.7 85.3 55.9
3 0.200 15 0.0 100.0 8.2 91.8 49.6
4 0.267 10 0.0 100.0 3.1 96.9 39.5
5 0.400 5 0.0 100.0 0.3 99.7 24.0
다단 직렬 분리막의 역시 단일 모듈과 같이 Stage-cut이 커질 수 록 배제부측의 메탄 농도 가 높아지고 있으나 회수율은 감소하는 것을 보이고 있으며, 유사한 stage-cut에서 직렬 분리막이 높은 메탄농도를 보이고 있으나 회수율이 낮게 나타나는 것을 알 수 있다.
즉, 2단 분리막 배제부 가스 유량계(23a)의 유량을 감소시킬수록 2단 분리막 모듈 배제부 가스 분석기(23d)에서 측정되는 메탄 농도는 상승하지만 2단 분리막 (21) 모듈에서 메탄 회수율은 감소하며, 단일분리막 모듈 성능 평가 결과와 비교하면 97% 이상의 메탄 생산량은 25%, 회수율은 3.2% 증가하였다.
병렬 다단분리막 모듈 성능 평가 결과
1 단 분리막(13a, 13b, 13c)과 2단 분리막(21)의 막면적 비는 2:1유지 한다.
다단 병렬 분리막의 공정은 매립가스를 4kgf/cm2압력으로 1단 분리막(13a, 13b)로 공급하고 투과부의 가스를 재압축(압축기(16a, 16b) 이용)하여 2단 분리막(13c)에 공급하는 형태로 1단 2단 분리막의 stage-cut을 각각 제어하여 농축부와 투과부의 가스 농도를 측정하였다.
1단 분리막(13a, 13b, 13c) 모듈의 투과부 가스를 2단 가스압축기(18a, 18b)로 재압축하여 2단 분리막(21) 모듈에 공급하는 병렬 다단 분리막 모듈의 성능 평가를 위해 1단 압축기(9a, 9b)에서 4 kgf/cm2으로 압축된 매립가스를 1단 분리막(13a, 13b, 13c) 모듈에 공급하고, 1단 분리막 배제부 헤더(14)에 연결된 1단 분리막 배제부 가스 배관(15)에 설치된 1단 배제부 가스 유량계(15a)의 유량을 조절하면서 메탄과 이산화탄소를 분리한다. 1단 분리막 투과부 헤더(16) 배출 혼합가스를 1단 분리막 투과부 가스 배관(17)으로 2단 압축기(18a, 18b)에 연결하여 재압축한다. 재압축된 혼합가스는 2단 유입 바이오가스 이송 배관(19)과 연결된 2단 분리막 유입 헤더(20)를 통해 2단 분리막(21) 모듈에 공급하고, 2단 분리막 배제부 헤더(22)에 연결된 2단 분리막 배제부 가스 배관(23)에 설치된 2단 배제부 가스 유량계(23a)의 유량을 조절하면서 메탄과 이산화탄소를 한번 더 분리한다. 상기 과정을 통해 1단 분리막(13a, 13b, 13c) 모듈과 2단 분리막(21) 모듈의 배제부와 투과부의 가스조성 및 유량 데이터를 얻는다.
1단 분리막(13a, 13b, 13c) 모듈의 배제부 가스 조성은 1단 분리막 배제부 가스 분석기(15d)를 사용하여 측정한다. 이때 1단 분리막 배제부 가스 압력계(15b)와 온도계(15c) 지시값으로 1단 분리막(13a, 13b, 13c) 모듈의 성능 이상 여부를 판단한다. 2단 분리막(21) 모듈의 배제부 가스 조성은 2단 분리막 배제부 가스 분석기(23d)를 사용하여 측정하고, 2단 분리막 배제부 가스 압력계(23b)와 온도계(23c) 지시값으로 2단 분리막(21) 모듈의 성능 이상 여부를 판단한다. 2단 분리막(21) 모듈의 투과부 가스 유량 및 조성은 2단 분리막 투과부 가스 유량계(25a) 및 2단 분리막 투과부 가스 분석기(25d)를 사용하여 측정하고, 2단 분리막 투과부 가스 압력계(25b)와 온도계(25c) 지시값으로 2단 분리막(21) 모듈의 성능 이상 여부를 판단한다. 1단 분리막 모듈(13a, 13b, 13c)의 투과부 가스 유량 및 조성은 2단 분리막 모듈(21)의 배제부과 투과부의 가스 유량과 조성 측정값으로부터 도출하며, 1단 분리막 투과부 가스 압력계(15b)와 온도계(15c) 지시값으로 1단 분리막 모듈(13a, 13b, 13c)과 2단 압축기(18a, 18b)의 성능 이상 여부를 판단한다.
4 kgf/cm2 압력에서 1단 분리막 배제부 가스 유량계(15a)로 조절하는 유량(이하 ; 1st Retentate flow rate) 변화에 따른 1단 분리막 배제부 가스 농도(이하 ; 1st Retentate Conc.)와 1단 분리막 투과부 가스 농도(이하 ; 1st Permeate Conc.)를 측정하고 동시에 2단 분리막 배제부 가스 유량계(23a)로 조절하는 유량(이하 ; 2nd Retentate flow rate) 변화에 따른 2단 분리막 배제부 가스 농도(이하 ; 2nd Retentate Conc.)와 2단 분리막 투과부 가스 농도(이하 ; 2nd Permeate Conc.)를 측정하였다.)
No. Stage-cut Retentate
flow rate
(LPM)		 Retentate Conc.(%) Permeate Conc.(%) Recovery
rate.(%)
CO2 CH4 CO2 CH4
1단
1 0.532 33 4.2 95.8 54.3 45.7 -
2 0.513 33 4.2 95.8 55.9 44.1 -
3 0.561 28 2.7 97.3 60.3 39.7 -
4 0.561 28 2.7 97.3 60.3 39.7 -
5 0.583 24 1.3 98.7 48.7 51.3 -
6 0.581 24 8.0 92.0 52.6 47.4 -
2단
1 0.850 6 0.7 99.3 63.8 36.2 73.8
2 0.864 5 0.7 99.3 64.6 35.4 74.7
3 0.844 6 0.7 99.3 71.3 28.7 76.1
4 0.870 5 0.7 99.3 69.2 30.8 74.0
5 0.801 7 1.4 98.6 60.5 39.5 71.1
6 0.857 5 0.6 99.4 61.3 38.7 67.9
다단병렬 분리막 역시 Stage-cut이 커질 수 록 배제부측의 메탄 농도 가 높아지고 있으나 회수율은 감소하는 것을 보이고 있으며, 다단직렬과 비교해 보면 유사한 retentate측 유량 제어시 다단병렬의 stage-cut이 더 높게 유지되어 높은 메탄농도를 관찰할 수 있었고, 단일/다단 직렬에 비해 높은 회수율을 나타내고 있다.
병렬 다단 분리막 모듈 성능 결과도 단일 분리막 모듈 및 직렬 다단 분리막 모듈 성능 평가 결과와 동일하게 배제부 유량을 감소시킬수록 배제부 메탄 농도가 증가하는 경향을 나타내고 있으나 97% 이상 메탄 생산량이 가장 많으며 동시에 회수율 또한 73.8%로 가장 우수하였다.
1 : 바이오가스 발생 시설 2a, 2b : 응축수 탱크
3 : 블로워 4 : 가스필터
5 : 드라이어 6a, 6b : 흡착탑
7 : After filter 8 : Buffer tank
9a, 9b : 1단 압축기 9c : 1단 압축기 receive tank
9d : 1단 압축기 압력계 10 : 1단 유입 바이오가스 이송 배관
10a : 1단 유입 바이오가스 유량계 11 : 멤브레인 드라이어
12 : 1단 분리막 유입 헤더 13a, 13b, 13c : 1단 분리막
14 : 1단 분리막 배제부 헤더 15 : 1단 분리막 배제부 가스 배관
15a : 1단 분리막 배제부 가스 유량계 15b : 1단 분리막 배제부 가스 압력계
15c : 1단 분리막 배제부 가스 온도계 15d : 1단 분리막 배제부 가스 분석기
16 : 1단 분리막 투과부 헤더 17 : 1단 분리막 투과부 가스 배관
17a : 1단 분리막 투과부 가스 압력계 17b : 1단 분리막 투과부 가스 온도계
18a, 18b : 2단 압축기 18c : 2단 압축기 리시브 탱크
18d : 2단 압축기 압력계 18e : 2단 압축기 리시브 탱크압력 조절 밸브
19 : 2단 유입 바이오가스 이송 배관
20 : 2단 분리막 유입 헤더 21 : 2단 분리막
22 : 2단 분리막 배제부 헤더 23 : 2단 분리막 배제부 가스 배관
23a : 2단 분리막 배제부 가스 유량계 23b : 2단 분리막 배제부 가스 압력계
23c : 2단 분리막 배제부 가스 온도계 23d : 2단 분리막 배제부 가스 분석기
24 : 2단 분리막 투과부 헤더 25 : 2단 분리막 투과부 가스 배관
25a : 2단 분리막 투과부 가스 유량계 25b : 2단 분리막 투과부 가스 압력계
25c : 2단 분리막 투과부 가스 온도계 25d : 2단 분리막 투과부 가스 분석기
26 : 메탄 저장 탱크 27 : 잉여 가스 연소 장치

Claims (6)

  1. 바이오 가스의 미량 오염물질을 제거하는 전처리수단;
    상기 전처리수단을 거친 바이오 가스를 전달받아 메탄과 이산화탄소를 분리하는 적어도 하나의 1단 분리막(13a, 13b, 13c) 및 2단 분리막(21)을 가지는 다단 분리막수단;
    상기 전처리수단을 거친 바이오 가스를 상기 1단 분리막으로 공급하는 1단 압축기(9a, 9b) 및 상기 1단 분리막(13a, 13b, 13c)을 거친 바이오 가스를 상기 2단 분리막(21)으로 공급하는 2단 압축기(18a, 18b)를 포함하는 가스압축수단;
    상기 2단 압축기에서 압출된 바이오 가스가 저장되는 2단 압축기 리시브 탱크(18c); 및
    상기 2단 압축기 리시브 탱크(18c)의 도출구와 연결된 이송 배관에 설치되는 압력 조절 밸브(18e);를 포함하고,
    상기 압력 조절 밸브(18e)의 압력을 상기 2단 압축기(18a, 18b)의 압력보다 0.5kgf/cm2 이상 낮게 설정함으로써 상기 2단 압축기가 연속 운전하여 바이오 가스로부터 메탄 회수율을 향상시킬 수 있는 분리막 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 전처리수단은 가스필터(4, 7)와 드라이어(5)와, 흡착탑(6a, 6b), 및 버퍼탱크(8)를 포함하는 바이오 가스로부터 메탄 회수율을 향상시킬 수 있는 분리막 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 다단 분리막 수단에 사용되는 분리막은 폴리술폰, 폴리이미드 또는 폴리이서술폰 소재로 만들어지는 바이오 가스로부터 메탄 회수율을 향상시킬 수 있는 분리막 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 2단 분리막(21)의 막 면적은 상기 1단 분리막(13a, 13b, 13c)의 분리막 면적의 30~60% 이내로 구성되는 바이오 가스로부터 메탄 회수율을 향상시킬 수 있는 분리막 시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 다단 분리막 수단은,
    상기 1단 분리막 투과부 가스를 재압축하여 상기 2단 분리막에 공급하고, 상기 2단 분리막 배제부 가스는 상기 1단 분리막 배제부 가스와 혼합하여 회수하여 바이오 가스 중 메탄의 회수율을 높이고 부산물 발생량 또한 감소시키는 바이오 가스로부터 메탄 회수율을 향상시킬 수 있는 분리막 시스템.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 분리막 수단의 상기 1단 분리막 또는 상기 2단 분리막이 병렬로 연결되는 바이오 가스로부터 메탄 회수율을 향상시킬 수 있는 분리막 시스템.
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