KR20180076380A - High purity methane gas purification system from bio gas and method of bio gas purification using the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a high-purity methane gas purification system from biogas and a biogas purification method using the same. By using the biogas purification system and purification method according to the present invention, high-purity methane gas can be recovered from biogas with high recovery rate. In particular, the biogas purification system and purification method according to the present invention comprise two steps of degassing processes via pressure distribution, and since the composition of a mixed gas having undergone a first degassing process conducted under a high pressure has a high methane content and a low flow rate of the gas, when the mixed gas is reintroduced in an absorption module, by increasing the methane content of the mixed gas, the recovery rate of methane gas from the biogas can be increased. In addition, by using a high-purity methane recovery process using pressure distribution according to the present invention, the flow rate of the mixed gas flowing in the absorption module is low, and thus it is possible to increase the methane recovery rate without having to increase the working volume of a membrane contactor.

Description

바이오 가스로부터 고순도 메탄 가스 정제 시스템 및 이를 이용한 바이오 가스의 정제 방법{High purity methane gas purification system from bio gas and method of bio gas purification using the same}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a high purity methane gas purification system using biogas and a method for purifying biogas using the same,

본 발명은 바이오 가스로부터 고순도 메탄 가스 정제 시스템 및 이를 이용한 바이오 가스의 정제 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a high purity methane gas purification system from biogas and a method for purifying biogas using the same.

하수 슬러지, 음식물 쓰레기, 가축분뇨 및 도축 폐기물 등의 유기성 물질을 산소가 차단된 상태에서 혐기성 소화과정을 거치면 혐기성 소화가스(Anaerobic Digestion Gas, ADG) 또는 바이오 가스(Biogas)라 불리우는 가스가 발생한다. 이러한 바이오가스는 45 ∼ 70 %의 메탄과 30 ∼ 55 %의 이산화탄소, 수백 ∼ 수천 ppm의 황화수소, 수백 ∼ 수천 ppm의 암모니아, 수분, 실록산 등의 미량성분으로 조성되어 있다. 바이오가스 중에 포함되어 있는 메탄은 지구온난화지수 21로 대표적인 온실가스로 지정되어 있으며, 자체적인 에너지양이 약 5,000 kcal/㎥이므로 바이오가스 중 메탄을 정제, 회수하여 사용하면 지구온난화 방지, 자원재활용, 신재생에너지 확보라는 목적을 달성할 수 있다.Anaerobic digestion gas (ADG) or biogas gas is generated when organic matter such as sewage sludge, food waste, livestock manure and slaughter waste is subjected to anaerobic digestion process with oxygen blocked. These biogas are composed of 45 to 70% of methane, 30 to 55% of carbon dioxide, hundreds to thousands of ppm of hydrogen sulfide, hundreds to thousands of ppm of ammonia, water, and siloxane. Methane contained in biogas is designated as a greenhouse gas with a global warming index of 21, and since its own energy amount is about 5,000 kcal / ㎥, refining and recovering methane from biogas will prevent global warming, recycle resources, It can achieve the goal of securing renewable energy.

바이오 가스를 자원화하는 방법으로는 직접연소에 의한 전력 및 열생산(Combined Heat and Power, CHP), 정제를 거쳐 고순도화하여 도시가스 및 자동차연료로 사용할 수 있으며, 바이오 가스 발생원 주변의 환경과 경제성에 따라 다양한 활용법이 개발되고 있다.As a method of recycling biogas, it can be used as city gas and automobile fuel by making high purity through combined heat and power production (CHP) and refining by direct combustion, Various applications are being developed accordingly.

석유화학 생물산업 반도체 및 환경산업분야 등에서 제품의 다변화 및 고도화로 인하여 에너지 소모가 적고 분리효율이 우수한 분리정제 공정에 대한 필요성이 증대되어 분리막 접촉기(membrane contactor)에 대한 연구가 꾸준히 진행중에 있다.In the field of petrochemical bioscience, semiconductor and environmental industry, the diversification and advancement of products have led to the need for separation and purification processes with low energy consumption and excellent separation efficiency, and research on membrane contactors is underway.

분리막 접촉기는 막의 선택성에 의해 물질분리가 이루어지는 기존 막 분리 공정과 달리 두 상의 접촉을 위한 계면을 제공한다. 두 상의 접촉함에 따라 용해성이 높은 기체는 액체에 빠르게 용해되어 흡수되며 용해도의 차에 의해 혼합가스의 분리가 가능하다.Membrane contactors provide an interface for contact between two phases, unlike conventional membrane separation processes where material separation occurs due to membrane selectivity. Due to the contact of the two phases, the highly soluble gas is rapidly dissolved and absorbed in the liquid, and the mixed gas can be separated by the difference in solubility.

상기와 같은 분리막 접촉기 기술의 일례로써, 특허문헌 1에서는 폴리비닐리덴 디플루오라이드 중공사막 접촉기를 이용한 이산화탄소의 분리방법이 개시된 바 있다. 이와 같은 분리막 접촉기 기술은 물 흡수법과 분리막법의 하이브리드 기술로서, 초기 투자비 및 운영비가 낮고 운전 및 유지관리가 용이하다는 특징이 있다.As an example of the above membrane contactor technique, Patent Document 1 discloses a method of separating carbon dioxide using a polyvinylidene difluoride hollow fiber membrane contactor. Such a membrane contactor technology is a hybrid technology of water absorption method and membrane method, and is characterized by low initial investment and operation cost, and easy operation and maintenance.

이와 같이 막접촉기 기술은 바이오 메탄(CO2/CH4)를 분리하는 분리 공정에 있어서 메탄 가스만을 고순도로 정제할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 하지만, 흡수액을 통해 이산화탄소를 분리하는 과정에서 메탄 가스 역시 흡수제에 일정 수준이 용해되기 때문에 메탄가스의 손실이 필수적으로 수반된다. 통상적으로 막접촉 기술 사용시 유입 메탄 가스 기준 약 1-10%의 메탄 가스 손실이 발생하게 된다.Thus, the membrane contactor technology has the advantage that only the methane gas can be purified with high purity in the separation process for separating biomethane (CO 2 / CH 4 ). However, in the process of separating carbon dioxide through the absorption liquid, the methane gas is also dissolved in the absorbent to a certain level, and therefore, a loss of methane gas is essential. Typically, a methane gas loss of about 1-10% based on the input methane gas is generated when the membrane contact technique is used.

메탄은 발전용 연료 및 화학 산업의 원료 물질로써 사용 가치가 매우 크기 때문에 바이오가스 정제 공정에 있어서 메탄 가스의 손실은 공정의 효율성을 떨어트리게 된다. 또한, 위에서 언급하였듯이 메탄 가스는 이산화탄소보다 지구온난화 지수가 높은 가스이므로 추가 포집 공정 없이 배출할 경우 심각한 환경 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 종래 막접촉기를 사용한 바이오가스 정제 공정에서 손실되는 메탄 가스를 줄일 수 있는 기술이 필요한 실정이다.Methane is very valuable as a feedstock for power generation fuels and the chemical industry, so the loss of methane gas in the biogas refinery process will reduce the efficiency of the process. In addition, as mentioned above, since methane gas has a higher global warming index than carbon dioxide, serious environmental problems may occur when it is discharged without additional collection process. Therefore, there is a need for a technique capable of reducing methane gas lost in a biogas purification process using a conventional membrane contactor.

이에, 본 발명자들은 바이오가스로부터 고순도 메탄가스 회수 기술을 연구하던 중 막접촉기 정제 기술에서 압력 분배를 이용한 탈기 공정을 사용하면 메탄가스의 손실율을 최소화할 수 있다는 점을 발견하고 본 발명을 완성하게 되었다.Accordingly, the inventors of the present invention discovered that when using a degassing process using pressure distribution in the membrane contactor refining technology while studying a high purity methane gas recovery technology from biogas, the loss rate of methane gas can be minimized and the present invention has been completed .

대한민국 공개특허 제10-2001-0046172호Korean Patent Publication No. 10-2001-0046172

본 발명의 목적은 바이오 가스 정제 시스템을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a biogas purification system.

본 발명의 다른 목적은 바이오 가스 정제 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a biogas purification method.

상기 목적을 달성하기 위하여,In order to achieve the above object,

본 발명은 바이오 가스 내 함유된 이산화탄소를 흡수제 내로 제거하기위한 중공사 분리막을 포함하는 흡수 모듈;The present invention relates to an absorption module including a hollow fiber membrane for removing carbon dioxide contained in a biogas into an absorbent;

이산화탄소가 함유된 흡수제를 탈기시키는 탈기부; 및A degassing part for degassing the carbon dioxide-containing absorbent; And

상기 제2탈기조의 잔여 흡수제 내 함유된 이산화탄소를 제거하기 위한 중공사 분리막을 포함하는 탈기 모듈을 포함하되,A deasphalting module including a hollow fiber membrane for removing carbon dioxide contained in the residual absorbent of the second degassing vessel,

상기 탈기부는 제1압력 조건에서 탈기시키는 제1탈기조; 및 상기 제1탈기조의 잔여 흡수제를 제2압력 조건에서 탈기시키는 제2탈기조;를 포함하며,A first degassing vessel for degassing under a first pressure condition; And a second degassing vessel for degassing the residual absorbent of the first degassing vessel under a second pressure condition,

상기 제1압력 조건은 상기 제2압력 조건 이상인 것을 특징으로하는 바이오 가스 정제 시스템을 제공한다.Wherein the first pressure condition is equal to or higher than the second pressure condition.

또한, 본 발명은 중공사막을 포함하는 흡수 모듈 내에서 바이오 가스내 함유된 이산화탄소를 흡수제 내로 제거하는 단계(단계 1);The present invention also relates to a method for removing carbon dioxide contained in a biogas in an absorption module comprising a hollow fiber membrane (step 1);

이산화탄소가 함유된 흡수제를 제1압력조건에서 탈기시키되, 상기 제1압력조건은 제2압력조건 이상인 것을 특징으로하는 단계(단계 2);(Step 2) characterized in that the absorbent containing carbon dioxide is degassed under a first pressure condition, wherein the first pressure condition is at least a second pressure condition;

상기 단계 2에서 탈기된 흡수제를 제2압력조건에서 탈기시키는 단계(단계 3); 및Degassing the degassed absorbent in the second step under the second pressure condition (step 3); And

중공사막을 포함하는 탈기 모듈 내에서 상기 단계 3에서 탈기된 흡수제 내에 함유된 이산화탄소를 제거하는 단계(단계 4)를 포함하는 바이오 가스 정제 방법을 제공한다.(Step 4) of removing carbon dioxide contained in the deasphalted absorbent in step 3 in a deaeration module including a hollow fiber membrane.

본 발명에 따른 바이오 가스 정제 시스템 및 정제 방법을 사용할 경우 바이오 가스로부터 고순도의 메탄을 고회수율로 회수할 수 있다. 구체적으로 본 발명에 따른 바이오 가스 정제 시스템 및 정제 방법은 압력 분배를 통한 두 단계의 탈기 공정을 포함하며, 고압 상태에서 수행되는 1차 탈기를 거친 혼합기체의 조성은 메탄의 함량이 높고 기체의 유량이 적으므로 흡수모듈에 재유입될 시 혼합기체의 메탄 함량을 높임으로써 바이오 가스로부터 메탄의 회수율을 상승시키게 된다. 또한, 본 발명에 따른 압력 분배를 이용한 고순도 메탄 회수 공정을 사용할 경우 흡수 모듈에 유입되는 혼합기체의 유량이 낮아 막접촉기의 처리 용량을 늘리지 않아도 메탄의 회수율을 상승시키는 공정 구성이 가능하다.When the biogas purification system and the purification method according to the present invention are used, highly pure methane can be recovered from the biogas at a high recovery rate. Specifically, the biogas purification system and the purification method according to the present invention include a two-stage degassing process through pressure distribution. The composition of the mixed gas subjected to the first degassing carried out at a high pressure state is such that the methane content is high and the gas flow rate It is possible to increase the methane content of the mixed gas when re-entering the absorption module, thereby increasing the recovery rate of methane from the biogas. Also, when the high-purity methane recovery process using the pressure distribution according to the present invention is used, the flow rate of the mixed gas flowing into the absorption module is low, so that the process of increasing the recovery rate of methane without increasing the treatment capacity of the membrane contactor is possible.

도 1은 본 발명에 따른 바이오 가스 정제 장치의 일례를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2는 실시예 1에 따른 바이오 가스 정제 시스템을 나타낸 모식도이다.
도 3는 실시예 2에 따른 바이오 가스 정제 시스템을 나타낸 모식도이다.
도 4는 실시예 3에 따른 바이오 가스 정제 시스템을 나타낸 모식도이다.
도 5는 실시예 4에 따른 바이오 가스 정제 시스템을 나타낸 모식도이다.
도 6은 기존 바이오 가스 정제 시스템을 나타낸 모식도이다.
도 7은 실시예 1 ~ 실시예 4 및 비교예 1에서 회수된 메탄 가스의 순도 및 메탄 가스 회수율을 나타낸 그래프이다.
도 8은 상기 실시예 1의 바이오 가스 정제 실험에서 제1탈기조의 압력 변화에 따른 유출가스의 가스 유량 및 메탄 가스의 순도를 나타낸 그래프이다.1 is a schematic view schematically showing an example of a biogas purification apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a biogas purification system according to Example 1. FIG.
3 is a schematic diagram showing a biogas purification system according to a second embodiment.
4 is a schematic diagram showing a biogas purification system according to the third embodiment.
5 is a schematic diagram showing a biogas purification system according to Example 4. Fig.
6 is a schematic diagram showing an existing biogas purification system.
7 is a graph showing the purity of methane gas recovered in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 and the recovery rate of methane gas.
FIG. 8 is a graph showing the gas flow rate of the outflow gas and the purity of methane gas according to the pressure change of the first degassing vessel in the biogas purification experiment of Example 1. FIG.

이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 바이오 가스 내 함유된 이산화탄소를 흡수제 내로 제거하기 위한 중공사 분리막을 포함하는 흡수 모듈;The present invention relates to an absorption module including a hollow fiber membrane for removing carbon dioxide contained in a biogas into an absorbent;

이산화탄소가 함유된 흡수제를 탈기시키는 탈기부; 및A degassing part for degassing the carbon dioxide-containing absorbent; And

상기 제2탈기조의 잔여 흡수제 내 함유된 이산화탄소를 제거하기 위한 중공사 분리막을 포함하는 탈기 모듈을 포함하되,A deasphalting module including a hollow fiber membrane for removing carbon dioxide contained in the residual absorbent of the second degassing vessel,

상기 탈기부는 제1압력 조건에서 탈기시키는 제1탈기조; 및 상기 제1탈기조의 잔여 흡수제를 제2압력 조건에서 탈기시키는 제2탈기조;를 포함하며,A first degassing vessel for degassing under a first pressure condition; And a second degassing vessel for degassing the residual absorbent of the first degassing vessel under a second pressure condition,

상기 제1압력 조건은 상기 제2압력 조건 이상인 것을 특징으로하는 바이오 가스 정제 시스템을 제공한다.Wherein the first pressure condition is equal to or higher than the second pressure condition.

본 발명에 따른 상기 바이오 가스 정제 시스템은 상기 제1탈기조와 상기 흡수 모듈을 연결하여 제1탈기조에 탈기된 기체를 흡수 모듈로 재순환시키는 기체 재순환 라인을 더 포함할 수 있으며,The biogas purification system according to the present invention may further include a gas recirculation line for connecting the first degassing vessel and the absorption module to recycle the degassed gas to the absorption module in the first degassing vessel,

상기 제2탈기조와 상기 탈기 모듈을 연결하여 제2탈기조에서 탈기된 기체를 탈기 모듈로 재순환시키는 기체 스윕 라인을 더 포함할 수 있다.And a gas sweep line connecting the second degassing vessel and the degassing module to recirculate the degassed gas to the degassing module in the second degassing vessel.

또한, 본 발명에 따른 바이오 가스 정제 시스템은 제1항에 있어서,Further, the biogas purification system according to the present invention is characterized in that,

상기 시스템은 상기 제1탈기조와 상기 흡수 모듈을 연결하여 제1탈기조에 탈기된 기체를 흡수 모듈로 재순환시키는 기체 재순환 라인; 및The system comprising: a gas recirculation line connecting the first degassing vessel and the absorption module to recycle the deaerated gas to the absorption module in the first degassing vessel; And

상기 제2탈기조와 상기 탈기 모듈을 연결하여 제2탈기조에서 탈기된 기체를 탈기 모듈로 재순환시키는 기체 스윕 라인을 더 포함할 수 있다.And a gas sweep line connecting the second degassing vessel and the degassing module to recirculate the degassed gas to the degassing module in the second degassing vessel.

이때, 상기 기체 재순환 라인은 상기 제1탈기조의 탈기된 기체를 상기 흡수모듈로 공급하기 위한 펌프를 더 포함할 수 있다.At this time, the gas recycle line may further include a pump for supplying the degassed gas of the first degassing vessel to the absorption module.

본 발명에 따른 바이오 가스 정제 시스템에 있어서, 상기 흡수 모듈은 하우징; 상기 하우징 내에 장착된 중공사 분리막; 및 상기 중공사 분리막의 외측과 상기 하우징 내측에 의해 정의되는 흡수제 충진 공간;을 포함할 수 있다.In the biogas purification system according to the present invention, the absorption module includes a housing; A hollow separator mounted in the housing; And an absorbent filling space defined by the outside of the hollow fiber membrane and the inside of the housing.

또한, 상기 흡수 모듈의 흡수제 충진 공간으로 흡수제를 공급하기 위한 흡수제 공급부; 및An absorbent supply part for supplying the absorbent to the absorbent filling space of the absorption module; And

상기 흡수 모듈의 중공사 분리막 내부로 바이오 가스를 공급하기 위한 바이오 가스 공급부;를 더 포함할 수 있으며,And a biogas supply unit for supplying the biogas into the hollow fiber separation membrane of the absorption module.

상기 탈기 모듈은 하우징; 상기 하우징 내에 장착된 중공사 분리막; 상기 중공사 분리막을 구성하는 중공사 분리막 외측과 상기 하우징 내측에 의해 정의되는 흡수제 충진 공간; 및 상기 중공사 분리막의 내측으로 정의되는 기체의 탈기 공간;을 포함할 수 있다.The deaeration module includes a housing; A hollow separator mounted in the housing; An absorbent filling space defined by the outside of the hollow fiber membrane and the inside of the housing which constitute the hollow fiber membrane; And a deaeration space for the gas defined inside the hollow fiber membrane.

나아가 본 발명에 따른 바이오 가스 정제 시스템에 있어서, 상기 제2압력조건은 상압인 것을 특징으로 할 수 있다.Further, in the biogas purification system according to the present invention, the second pressure condition may be atmospheric pressure.

이때, 상압은 통상적인 대기 기압을 의미하며, 보다 구체적으로는 1bar에서 ±10%의 범위일 수 있다.At this time, the atmospheric pressure means a typical atmospheric pressure, more specifically, it may range from 1 bar to 10%.

또한, 본 발명에 따른 바이오 가스 정제 시스템에 있어서 상기 탈기 모듈에 연결되는 감압장치를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 감압장치가 연결됨으로써 탈기 모듈 내부의 압력을 낮춰 흡수제 내의 이산화탄소를 분리하여 흡수제를 재사용할 수 있게 해준다.Further, the biogas purification system according to the present invention may further include a decompression device connected to the deaeration module. At this time, by connecting the decompression device, the pressure inside the degassing module is lowered, so that carbon dioxide in the absorbent can be separated and the absorbent can be reused.

도 1에 본 발명에 따른 바이오 가스 정제 장치의 일례를 모식도를 통해 개략적으로 나타내었으며,FIG. 1 schematically shows an example of a biogas purification apparatus according to the present invention,

이하, 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 바이오 가스 정제 장치에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a biogas purification apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to FIG.

본 발명에서 '바이오 가스'는 유기성 물질의 혐기성 소화과정에서 발생하는 메탄과 이산화탄소를 주성분으로 하는 혼합가스를 통칭하는 의미로 사용되었다.In the present invention, 'biogas' is used to refer to a mixed gas mainly composed of methane and carbon dioxide generated in the anaerobic digestion process of an organic substance.

본 발명에 따른 바이오 가스 정제 시스템(1000)은,In the biogas purification system 1000 according to the present invention,

내부 유체의 누출을 방지하고 보호하기 위한 하우징; 상기 하우징 내에 장착된 중공사 분리막(101); 상기 중공사 분리막의 외측과 상기 하우징 내측에 의해 정의되는 흡수제 충진 공간(102); 및 상기 중공사 분리막의 내부(103);를 포함하는 흡수 모듈(100);A housing for preventing and protecting leakage of internal fluid; A hollow fiber separation membrane (101) mounted in the housing; An absorbent filling space 102 defined by the outside of the hollow fiber membrane and the inside of the housing; And an interior (103) of the hollow fiber membrane;

상기 흡수 모듈의 흡수제 충진 공간으로 흡수제를 공급하기 위한 흡수제 공급부(200);An absorbent supply part (200) for supplying the absorbent into the absorbent filling space of the absorption module;

상기 흡수 모듈의 중공사 분리막의 중공사 내부(103)로 바이오 가스를 공급하기 위한 바이오 가스 공급부(300);바이오 가스 공급부에 포함되어 바이오가스의 흡수 압력까지 가압하는 바이오가스 가압부(301);A biogas supply unit 300 for supplying biogas to the hollow fibers 103 of the hollow fiber separation membrane of the absorption module, a biogas compression unit 301 included in the biogas supply unit to pressurize the biogas up to the absorption pressure of the biogas;

상기 중공사 내부(103)를 통과하는 바이오가스의 압력을 조절하는 밸브를 포함하고 있어 중공사 내부로부터 정제된 바이오가스가 배출되어 회수되는 메탄 가스 배출부(310); A methane gas discharge unit 310 including a valve for regulating the pressure of the biogas passing through the hollow fiber 103 and discharging and recovering the purified biogas from the hollow fiber;

일측은 상기 흡수 모듈의 흡수제 충진 공간(102)에 연결되어 있고, 타측은 제1탈기조에 연결되어 있으며, 관로 중간에 흡수제의 유량 조절 및 흡수제 충진 공간(102)의 압력 조절을 위한 밸브를 포함하고 있어 흡수제 충진 공간(102)로 부터 토출되는 바이오가스가 용해된 흡수제를 제1탈기조(420)로 운송하는 제1흡수제배출관(410);One side of which is connected to the absorber filling space 102 of the absorption module and the other side of which is connected to the first degassing vessel and includes a valve for controlling the flow rate of the absorbent and adjusting the pressure of the absorbent filling space 102 A first absorbent discharge pipe 410 for conveying the absorbent discharged from the absorbent filling space 102 to the first degassing vessel 420;

흡수제 충진 공간(102)으로부터 토출된 흡수제를 내부에 저장하여 흡수제 충진공간(102)의 흡수 압력 이하 제2탈기조(450)의 내부압력 이상의 압력에서 탈기시키는 제1탈기조(420);A first degassing vessel (420) for storing the absorbent discharged from the absorbent filling space (102) therein to degas the absorbent at a pressure equal to or higher than the internal pressure of the second degassing tank (450) below the absorption pressure of the absorbent filling space (102);

일측은 제1탈기조(420) 상부에 연결되어 있고, 타측은 가스 공급부(300)에 연결되어 있으며, 관로 중간에 컴프레셔(431)가 설치되어있고, 혼합 기체의 유량 조절 및 제1탈기조의 압력 조절을 위한 밸브를 포함하고있어, 제1탈기조(420)에서 탈기되어 비용해 상태가 된 기체를 가스 공급부(300)로 공급하는 제1기체배출관(430);One side of which is connected to the upper part of the first degassing vessel 420 and the other side of which is connected to the gas supply part 300 and a compressor 431 is installed in the middle of the piping to control the flow rate of the mixed gas, A first gas exhaust pipe 430 including a valve for controlling the pressure and supplying the gas that has been degassed in the first degassing vessel 420 to the gas supply unit 300;

일측은 제1탈기조(420)의 하부에 연결되어있고, 타측은 제2탈기조(450)에 연결되어있으며, 관로 중간에 흡수제의 유량 조절 및 제1탈기조(420)의 압력 조절을 위한 밸브를 포함하고 있어 제1탈기조(420)의 잔여 흡수제를 제2탈기조(450)으로 운송하는 제2흡수제배출관(440);One side of the first degassing vessel 420 is connected to the lower portion of the first degassing vessel 420 and the other side of the second degassing vessel 450 is connected to the second degassing vessel 450 for controlling the flow rate of the absorbent and the pressure of the first degassing vessel 420 A second absorbent discharge pipe 440 including a valve to convey the residual absorbent of the first degassing tank 420 to the second degassing tank 450;

제1탈기조(420)로부터 배출되는 잔여 흡수제를 내부에 저장하여 상압에서 탈기시키는 제2탈기조(450);A second degassing vessel 450 for storing the residual absorbent discharged from the first degassing vessel 420 and degassing the same at normal pressure;

제2탈기조(450)의 상부에 연결되어 탈기된 기체를 탈기 모듈(500)의 탈기 공간(503)으로 공급하는 제2기체배출관(460);A second gas discharge pipe 460 connected to the upper portion of the second degassing vessel 450 to supply the degassed gas to the degassing space 503 of the degassing module 500;

제2탈기조(450)의 하부에 연결되어 탈기 후 남은 잔여 흡수제를 탈기 모듈(500)의 흡수제 충진 공간(502)로 공급하며 관로중간에 흡수제를 공급하기위한 펌프(471)를 포함하는 제3흡수제배출관(470); 및And a pump 471 connected to a lower portion of the second degassing vessel 450 to supply residual absorbent remaining after the degassing to the absorber filling space 502 of the degassing module 500 and to supply the absorbent in the middle of the pipe, Absorbent discharge pipe 470; And

상기 제1흡수제배출관(410), 제1탈기조(420), 제1기체배출관(430), 제2흡수제배출관(440), 제2탈기조(450), 제2기체배출관(460) 및 제3흡수제배출관(470)을 모두 포함하는 탈기부(400);The first absorber outlet pipe 410, the first degassing vessel 420, the first gas discharge pipe 430, the second absorbent discharge pipe 440, the second degassing vessel 450, the second gas discharge pipe 460, 3 absorber outlet pipe (470);

하우징; 상기 하우징 내에 장착된 중공사 분리막(501); 상기 중공사 분리막을 구성하는 중공사 분리막 외측과 상기 하우징 내측에 의해 정의되는 흡수제 충진공간(502); 및 상기 중공사 분리막의 내측으로 정의되는 기체의 탈기 공간(503);을 포함하는 탈기 모듈(500);housing; A hollow fiber separation membrane (501) mounted in the housing; An absorbent filling space (502) defined by the outside of the hollow fiber membrane and the inside of the housing constituting the hollow fiber membrane; And a deaerating space (503) for the gas defined inside the hollow fiber membrane (503);

상기 탈기공간에 연결되어 탈기 공간 내부의 압력을 낮추는 감압장치(701)를 포함하는 탈기 모듈의 기체 배출부(700);A gas exhaust part 700 of the degassing module including a decompression device 701 connected to the degassing space to lower the pressure inside the degassing space;

일측은 상기 탈기 모듈의 흡수제 충진 공간(502)에 연결되어있고, 타측은 상기 흡수제 공급부(200)에 연결되어있으며 관로 중간 펌프(601)가 설치되어 상기 탈기 모듈의 흡수제 충진 공간의 흡수제를 흡수제 공급부로 공급하는 제4흡수제배출관(600);을 포함한다.One side of which is connected to the absorbent filling space 502 of the degassing module and the other side of which is connected to the absorbent supply part 200 and a pipeline intermediate pump 601 is installed to absorb the absorbent in the absorbent filling space of the degassing module, And a fourth absorber discharge pipe 600 for supplying the fourth absorber.

이하, 상기 시스템의 각 부분별 특징을 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the features of each part of the system will be described in more detail.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 바이오 가스 정제 시스템(1000)에 있어서,Referring to FIG. 1, in the biogas purification system 1000 according to the present invention,

상기 흡수모듈(100)은 내부 유체의 누출을 방지하고 보호하기 위한 하우징; 상기 하우징 내에 장착된 중공사 분리막(101); 상기 중공사 분리막의 외측과 상기 하우징 내측에 의해 정의되는 흡수제 충진 공간(102); 및 바이오 가스가 통과하는 상기 중공사 분리막(101)의 내부 공간(103);을 포함한다.The absorption module 100 includes a housing for preventing and protecting leakage of internal fluid; A hollow fiber separation membrane (101) mounted in the housing; An absorbent filling space 102 defined by the outside of the hollow fiber membrane and the inside of the housing; And an inner space 103 of the hollow fiber separation membrane 101 through which the biogas passes.

이때, 상기 중공사 분리막(101)의 표면에는 미세 기공이 형성되며, 재질은 소수성(hydrophobic)이고 외부와의 물질 유출입을 차단할 수 있는 분리막의 형태인 것이 바람직하다. 이와 같은 중공사 분리막은 흡수제의 확산은 불가능하고, 바이오 가스는 통과 가능하다.At this time, fine pores are formed on the surface of the hollow fiber separation membrane 101, and the material is hydrophobic and is preferably in the form of a separation membrane capable of blocking the flow of materials to / from the outside. In such a hollow fiber membrane, diffusion of the absorbent is impossible, and biogas can pass through.

또한, 상기 중공사 분리막(101)은 흡수제와 접촉하는 형태를 이룰 수 있다. 상기 중공사 분리막이 흡수제와 접촉하는 형태를 이루고 있기 때문에 기체-액체 계면을 넓힐 수 있고 흡수자가 역류하는 것을 방지하여 중공사 분리막의 기공 내로 침투하지 않고 젖음 현상도 방지할 수 있다.In addition, the hollow fiber separation membrane 101 may be in contact with the absorbent. Since the hollow fiber separator is in contact with the absorbent, the gas-liquid interface can be widened and the absorber can be prevented from flowing backward, thereby preventing wetting without penetrating into the pores of the hollow fiber separator.

중공사 분리막(101) 내부에 공급되는 바이오 가스 중, 이산화탄소는 고압에서 흡수제인 물 등에 대한 용해도가 높지만, 메탄은 물 등의 흡수제에 대한 용해도가 높지 않다. 따라서 중공사 분리막의 미세 기공을 통해서 미세 기포 형태로 바이오 가스가 배출되고, 흡수제 충진 공간(102)을 흐르는 흡수제에 대한 용해도의 차이에 의해 메탄 가스가 분리된다.Of the biogas supplied into the hollow fiber separation membrane 101, carbon dioxide has high solubility in water or the like as an absorbent at high pressure, but methane is not highly soluble in absorbent such as water. Therefore, the biogas is discharged in the form of minute bubbles through the micropores of the hollow fiber membrane, and the methane gas is separated by the difference in solubility with respect to the absorbent flowing in the absorbent filling space 102.

나아가, 상기 중공사 분리막(101)은 폴리이미드(PI), 폴리아마이드(PAI), 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE), 폴리클로로트리플루오르에틸렌(PCTFE), 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 폴리프로필렌(PP), 퍼플루오르알콕시 알칸(perfluoroalkoxy alkanes), 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(fluorinated ethylene propylene), 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE), 에틸렌플루오리네이티드 에틸렌프로필렌(EFEP) 및 폴리페닐린(polyphenylene) 등의 재질로 이루어진 것일 수 있다.Further, the hollow fiber separator 101 may be formed of a material selected from the group consisting of polyimide (PI), polyamide (PAI), polytetrafluoroethylene (PTFE), polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), polyvinylidene fluoride (PP), perfluoroalkoxy alkanes, fluorinated ethylene propylene, ethylene tetrafluoroethylene (ETFE), ethylene fluorinated ethylene propylene (EFEP), polyphenylene, etc. As shown in Fig.

또한, 상기 중공사 분리막(101)의 평균 기공 크기는 0.001㎛ 내지 2㎛일 수 있고, 0.001㎛ 내지 1㎛일 수 있으나, 상기 중공사 분리막을 통해 기체-액체 접촉이 효과적으로 이루어질 수 있는 기공 크기라면 이에 제한되는 것은 아니다.The average pore size of the hollow fiber separator 101 may be 0.001 to 2 μm and may be 0.001 to 1 μm. If the pore size is such that the gas-liquid contact can be effectively performed through the hollow fiber separator, But is not limited thereto.

나아가, 상기 중공사 분리막(101)의 기공율은 10 % 내지 90 %일 수 있고, 20 % 내지 80 % 일 수 있으나, 상기 중공사 분리막을 통해 기체-액체 접촉이 효과적으로 이루어질 수 있는 기공율 이라면 이에 제한되는 것은 아니다.Further, the porosity of the hollow fiber membrane 101 may be 10% to 90%, and may be 20% to 80%. However, if the porosity is such that gas-liquid contact can be effectively performed through the hollow fiber membrane, It is not.

이때, 흡수 모듈(100) 내 압력을 증가시키기 위해서 본 발명에 따른 바이오 가스 정제 시스템은 흡수 모듈 압력 조절기(미도시)를 구비할 수 있다.At this time, in order to increase the pressure in the absorption module 100, the biogas purification system according to the present invention may include an absorption module pressure regulator (not shown).

또한, 상기 흡수 모듈(100)은 상기 중공사 분리막(101)을 구성하는 중공사 분리막 외측과 상기 하우징 내측에 의해 정의되는 흡수제 충진 공간(102)을 포함하며, 상기 흡수 모듈의 상측 또는 하측으로 바이오 가스가 유입될 수 있는 입구 또는 바이오 가스가 배출되는 출구가 구비될 수 있고, 상기 흡수 모듈의 상측 또는 하측으로 흡수제가 유입될 수 있는 입구 또는 흡수제가 배출되는 출구가 구비될 수 있다.The absorption module 100 includes an absorbent filling space 102 defined by the outside of the hollow fiber membrane 101 and the inside of the housing, which constitutes the hollow fiber membrane 101, An inlet through which the gas can be introduced or an outlet through which the biogas is discharged can be provided and an inlet through which the absorbent can be introduced to the upper side or a lower side of the absorption module or an outlet through which the absorbent is discharged can be provided.

나아가, 상기 흡수 모듈(100)은 적어도 1개 이상이 직렬 연결 또는 병렬 연결 또는 직렬 병렬 혼합 연결될 수 있다.Further, at least one of the absorption modules 100 may be connected in series or in parallel or in series and parallel.

또한, 본 발명에 따른 바이오 가스 정제 시스템(1000)에 있어서, 상기 흡수제 공급부(200)는 상기 흡수 모듈(100)의 흡수제 충진 공간(102)으로 흡수제를 공급한다.In the biogas purification system 1000 according to the present invention, the absorbent supply part 200 supplies the absorbent to the absorbent filling space 102 of the absorption module 100.

상기 흡수제는 물, 폴리프로필렌 카보네이트(PC) 및 폴리에틸렌글리콜 디메틸 에테르(PEGDME) 등을 사용할 수 있고, 바람직하게는 물을 사용할 수 있으나, 이산화탄소를 선택적으로 흡수 가능하고 중공사형 분리막을 통과하지 못하는 유체라면 이에 제한하는 것은 아니다.The absorbent may be water, polypropylene carbonate (PC), polyethylene glycol dimethyl ether (PEGDME) or the like. Preferably, water can be used. However, if the fluid can selectively absorb carbon dioxide and can not pass through the hollow fiber- But is not limited thereto.

또한, 본 발명에 따른 바이오 가스 정제 시스템(1000)에 있어서, 상기 바이오 가스 공급부(300)는 상기 흡수 모듈(100)의 중공사 분리막(101)의 중공사 내부(103)로 바이오 가스를 공급한다.In the biogas purification system 1000 according to the present invention, the biogas supply unit 300 supplies biogas to the hollow fiber membrane 103 of the hollow fiber separation membrane 101 of the absorption module 100 .

상기 바이오 가스는 메탄(CH4) 및 이산화탄소(CO2)를 포함하는 것이 바람직하며, 20 부피% 내지 80 부피%의 이산화탄소가 포함된 이산화탄소 및 메탄의 혼합가스일 수 있고, 20 부피% 내지 50 부피%의 이산화탄소가 포함된 이산화탄소 및 메탄의 혼합가스일 수 있다.The biogas preferably includes methane (CH 4 ) and carbon dioxide (CO 2 ), and may be a mixed gas of carbon dioxide and methane containing 20% by volume to 80% by volume of carbon dioxide, and 20% by volume to 50% % Carbon dioxide and a mixed gas of methane.

나아가, 본 발명에 따른 바이오 가스 정제 시스템(1000)에 있어서, 상기 탈기부(400)는 제1흡수제배출관(410), 제1탈기조(420), 제1기체배출관(430), 제2흡수제배출관(440), 제2탈기조(450), 제2기체배출관(460) 및 제3흡수제배출관(470)을 모두 포함한다.In the biogas purification system 1000 according to the present invention, the deaerator 400 includes a first absorbent discharge pipe 410, a first degassing vessel 420, a first gas discharge pipe 430, The second degassing vessel 450, the second gas discharge tube 460, and the third absorbent discharge tube 470, as shown in FIG.

이하, 본 발명에 따른 상기 탈기부(400)를 각 구성별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the deaerator 400 according to the present invention will be described in detail for each configuration.

먼저, 상기 제1흡수제배출관(410)은 일측이 상기 흡수 모듈(100)의 흡수제 충진 공간(102)에 연결되어 있고, 타측은 제1탈기조(420)에 연결되어 있으며, 관로 중간에 흡수제의 유량 조절 및 제1탈기조(420)의 압력 조절을 위한 밸브를 포함하고 있어 흡수제 충진 공간(102)로부터 토출되는 이산화탄소 함량이 높은 흡수제를 제1탈기조(420)로 운송하는 역할을 한다.First, the first absorbent discharge pipe 410 is connected to the absorbent filling space 102 of the absorption module 100 at one side, the first deaeration tank 420 is connected at the other side, And a valve for controlling the pressure of the first degassing vessel 420. The second degassing vessel 420 serves to transport the absorbent having a high carbon dioxide content discharged from the absorber filling space 102 to the first degassing vessel 420.

이때, 흡수 모듈(100)의 흡수제 충진 공간(102)으로부터 흡수제가 배출될 때의 배출압력은 2bar 내지 10bar일 수 있으며, 2bar 내지 8bar일 수 있고, 2bar 내지 6bar일 수 있다.At this time, the discharge pressure when the absorbent is discharged from the absorbent filling space 102 of the absorption module 100 may be 2 to 10 bar, may be 2 to 8 bar, and may be 2 to 6 bar.

제1흡수제배출관(410)의 관로 중간에 장착되는 밸브는 흡수 모듈(100)의 흡수제 충진 공간(102)으로부터 토출되는 흡수제의 유량을 조절함으로써 제1탈기조(420)의 내부 압력을 조절하는 역할을 한다. 이때 사용될 수 있는 밸브의 종류로는 글로브 밸브, 게이트 밸브, 볼 밸브, 버터플라이 밸브, 체크 밸브, 플러그 밸브, 다이어프램 밸브, 후드 밸브, 볼탑 밸브 등이 있으며, 해당 분야에서 통상적으로 사용되는 밸브라면 이에 한정되지 않고 모두 사용할 수 있다.The valve mounted in the pipe line of the first absorbent discharge pipe 410 regulates the internal pressure of the first degassing vessel 420 by controlling the flow rate of the absorbent discharged from the absorbent filling space 102 of the absorption module 100 . There are various kinds of valves that can be used at this time, such as globe valves, gate valves, ball valves, butterfly valves, check valves, plug valves, diaphragm valves, hood valves, But can be used without limitation.

다음으로, 상기 제1탈기조(420)는 흡수제 충진 공간(102)으로부터 토출된 흡수제를 내부에 저장하여 흡수제 충진공간(102)의 배출 압력 이하 제2탈기조(450)의 내부압력 이상의 압력에서 흡수제를 탈기시키는 역할을 한다.Next, the first degassing vessel 420 stores the absorbent discharged from the absorber filling space 102 and pressurizes the absorbent at a pressure equal to or higher than the internal pressure of the second degassing vessel 450 below the discharge pressure of the absorber filling space 102 And serves to degas the absorbent.

이때, 제1탈기조(420)의 압력을 제2탈기조(450)의 압력보다 상대적으로 고압으로 유지함으로써 흡수제 내에 용해되어 있는 이산화탄소의 기화율을 낮출 수 있게되고, 탈기되는 혼합기체의 조성은 메탄의 함량이 높아지게 된다. 또한, 고압상태를 유지함으로써, 흡수제로부터 탈기되어 흡수 모듈(100)의 흡수제 충진 공간(102)으로 재유입되는 혼합기체의 유량이 낮아지므로 막접촉기 시스템의 처리용량을 낮출 수 있게 된다. 이에 따라, 혼합기체의 메탄 함량이 높아짐으로 인해 최종적으로 회수되는 메탄가스의 순도가 높아지게 되고, 바이오가스에 포함되어있던 메탄가스에 대한 최종 메탄 가스 회수율이 높아지게 된다. 나아가, 유량 감소를 통한 막접촉기 시스템의 처리용량을 낮춤으로써, 막접촉기 재생 빈도를 높여 공정 비용 절감을 이끌어낼 수 있다.At this time, by maintaining the pressure of the first degassing vessel 420 at a relatively higher pressure than the pressure of the second degassing vessel 450, it is possible to lower the vaporization rate of the carbon dioxide dissolved in the absorbent, and the composition of the gas mixture to be degassed The content of methane is increased. Further, by maintaining the high pressure state, the flow rate of the mixed gas that is deaerated from the absorbent and re-introduced into the absorbent filling space 102 of the absorption module 100 is lowered, so that the processing capacity of the membrane contactor system can be lowered. As a result, the methane content of the mixed gas is increased to increase the purity of the finally recovered methane gas, and the final methane gas recovery rate for the methane gas contained in the biogas is increased. Furthermore, by lowering the throughput of the membrane contactor system by reducing the flow rate, it is possible to increase the frequency of regenerating the membrane contactor, thereby reducing the process cost.

제1탈기조(420)의 내부 압력이 높아질수록 탈기 되어 흡수제 충진 공간(102)으로 재유입되는 혼합기체의 유속은 느려지게되고, 최종적으로 생산되는 메탄 가스의 순도는 높아지게 된다.(실험예 2참조)As the internal pressure of the first degassing vessel 420 increases, the flow rate of the gas mixture that is deaerated and re-introduced into the adsorbent filling space 102 becomes slower, and the purity of the finally produced methane gas becomes higher. Reference)

나아가, 제2탈기조(450)는 제1탈기조(420)로부터 토출된 흡수제를 내부에 저장하여 상압에서 흡수제를 탈기시키는 역할을 한다. 이때 탈기된 기체는 이산화탄소의 함량이 높은 기체로써, 제2기체배출관(460)을 통해 탈기 모듈(500)의 탈기 공간(503)으로 공급되고 이렇게 공급된 기체가 중공사막의 분리막을 스윕하며 흡수제에 함유되어있는 이산화탄소를 제거하게 된다.Further, the second degassing vessel 450 stores the absorbent discharged from the first degassing vessel 420 to degas the absorbent at normal pressure. At this time, the degassed gas is a gas having a high content of carbon dioxide and is supplied to the degassing space 503 of the degassing module 500 through the second gas exhaust pipe 460, and the gas thus supplied sweeps the membrane of the hollow fiber membrane, Thereby removing the carbon dioxide contained therein.

따라서, 본 발명에 따른 상기 바이오 가스 정제 시스템을 사용할 경우 바이오 가스로부터 고순도의 메탄을 고회수율로 회수할 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 바이오 가스 정제 시스템은 압력 분배를 통한 두 단계의 탈기 공정을 포함하며, 고압 상태에서 수행되는 1차 탈기를 거친 혼합기체의 조성은 메탄의 함량이 높고 기체의 유량이 적으므로 흡수모듈에 재유입될 시 혼합기체의 메탄 함량을 높임으로써 바이오 가스로부터 메탄의 회수율을 상승시키게 된다. 또한, 본 발명에 따른 압력 분배를 이용한 고순도 메탄 회수 공정을 사용할 경우 흡수 모듈에 유입되는 혼합기체의 유량이 낮아지므로 막접촉기의 처리 용량을 늘리지 않아도 메탄의 회수율을 상승시키는 공정 구성이 가능하므로 바이오 가스로부터 메탄 가스의 정제 공정에 유용하게 사용될 수 있다.Therefore, when the biogas purification system according to the present invention is used, high purity methane can be recovered from the biogas at a high recovery rate. Specifically, the biogas purification system according to the present invention includes two stages of degassing through pressure distribution. The composition of the mixed gas subjected to the primary degassing performed at a high pressure is such that the methane content is high and the gas flow rate is low Therefore, when the gas is re-introduced into the absorption module, the recovery rate of methane from the biogas is increased by increasing the methane content of the gas mixture. Further, when the high-purity methane recovery process using the pressure distribution according to the present invention is used, the flow rate of the mixed gas flowing into the absorption module is lowered, so that it is possible to increase the recovery rate of methane without increasing the treatment capacity of the membrane contactor. Which can be advantageously used in the purification process of methane gas.

또한, 본 발명은 중공사막을 포함하는 흡수 모듈 내에서 바이오 가스내 함유된 이산화탄소를 흡수제 내로 제거하는 단계(단계 1);The present invention also relates to a method for removing carbon dioxide contained in a biogas in an absorption module comprising a hollow fiber membrane (step 1);

이산화탄소가 함유된 흡수제를 제1압력조건에서 탈기시키되, 상기 제1압력조건은 제2압력조건 이상인 것을 특징으로하는 단계(단계 2);(Step 2) characterized in that the absorbent containing carbon dioxide is degassed under a first pressure condition, wherein the first pressure condition is at least a second pressure condition;

상기 단계 2에서 탈기된 흡수제를 제2압력조건에서 탈기시키는 단계(단계 3); 및Degassing the degassed absorbent in the second step under the second pressure condition (step 3); And

중공사막을 포함하는 탈기 모듈 내에서 상기 단계 3에서 탈기된 흡수제 내에 함유된 이산화탄소를 제거하는 단계(단계 4)를 포함하는 바이오 가스 정제 방법을 제공한다.(Step 4) of removing carbon dioxide contained in the deasphalted absorbent in step 3 in a deaeration module including a hollow fiber membrane.

이때, 상기 중공사막, 흡수 모듈, 바이오 가스, 제2압력조건 및 탈기 모듈은 상술한 바와 같다.At this time, the hollow fiber membrane, the absorption module, the biogas, the second pressure condition, and the degassing module are as described above.

또한, 본 발명에 따른 상기 바이오 가스 정제 방법에 있어서,Further, in the biogas purification method according to the present invention,

상기 단계 2에서 탈기 후 생성된 기체를 상기 흡수 모듈로 재공급하는 단계(단계 5);를 더 포함할 수 있으며,(Step 5) of re-supplying the gas generated after the degassing to the absorption module in the step 2,

상기 단계 3에서 탈기 후 생성된 기체를 상기 탈기 모듈로 재공급하는 단계(단계 6);를 더 포함할 수 있고,(Step 6) of re-supplying the gas generated after the degassing to the deaeration module in the step 3,

상기 단계 2에서 탈기 후 생성된 기체를 상기 흡수 모듈로 재공급하는 단계(단계 5); 및The step of re-supplying the gas generated after the degassing to the absorption module in the step 2 (step 5); And

상기 단계 3에서 탈기 후 생성된 기체를 상기 탈기 모듈로 재공급하는 단계(단계 6);를 더 포함할 수 있다.And the step of re-supplying the gas generated after the degassing to the deaeration module in the step 3 (step 6).

이때, 본 발명에 따른 상기 재공급 단계를 추가함으로써 바이오 가스 정제공정에 있어서 메탄의 회수율 및 메탄 순도를 높일 수 있다.At this time, the recovery rate and methane purity of methane in the biogas purification process can be increased by adding the re-supplying step according to the present invention.

따라서, 본 발명에 따른 상기 바이오 가스 정제 방법을 사용할 경우 바이오 가스로부터 고순도의 메탄을 고회수율로 회수할 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 바이오 가스 정제 방법은 압력 분배를 통한 두 단계의 탈기 단계을 포함하며, 고압 상태에서 수행되는 1차 탈기를 거친 혼합기체의 조성은 메탄의 함량이 높고 기체의 유량이 적으므로 흡수모듈에 재유입될 시 혼합기체의 메탄 함량을 높임으로써 바이오 가스로부터 메탄의 회수율을 상승시키게 된다. 또한, 본 발명에 따른 압력 분배를 이용한 고순도 메탄 회수 방법을 사용할 경우 흡수 모듈에 유입되는 혼합기체의 유량이 낮아지므로 막접촉기의 처리 용량을 늘리지 않아도 메탄의 회수율을 상승시키는 공정 구성이 가능하므로 바이오 가스로부터 메탄 가스의 정제 공정에 유용하게 사용될 수 있다.Therefore, when the biogas purification method according to the present invention is used, high purity methane can be recovered from the biogas at a high recovery rate. Specifically, the biogas purification method according to the present invention includes two stages of degassing through pressure distribution, and the composition of the mixed gas subjected to the primary degassing carried out at a high pressure is high because the methane content is high and the gas flow rate is low When recycled into the absorption module, the methane content of the mixed gas is increased, thereby increasing the recovery rate of methane from the biogas. Further, when the high-purity methane recovery method using the pressure distribution according to the present invention is used, the flow rate of the mixed gas introduced into the absorption module is lowered, so that it is possible to increase the recovery rate of methane without increasing the treatment capacity of the membrane contactor. Which can be advantageously used in the purification process of methane gas.

이하, 하기 실시예 및 실험예에 의하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the following examples and experimental examples.

단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 발명의 범위가 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.It should be noted, however, that the following examples and experimental examples are illustrative of the present invention, but the scope of the invention is not limited by the examples and the experimental examples.

<< 실시예Example 1> 본 발명에 따른 바이오 가스 정제 시스템을 사용한 바이오가스의 정제 1 1> Purification of biogas using the biogas purification system according to the present invention 1

본 발명에 따른 바이오 가스 정제 시스템을 사용한 바이오 가스의 정제를 실시하였다.The biogas was purified using the biogas purification system according to the present invention.

도 2는 실시예 1에 따른 바이오 가스 정제 시스템을 나타낸 모식도이다.FIG. 2 is a schematic diagram showing a biogas purification system according to Example 1. FIG.

도 2에서 나타난 바와 같은 바이오 가스 정제 시스템을 통해 바이오 가스를 정제하여 메탄 가스를 회수하였으며, 다음과 같은 실험 조건 및 실험 방법으로 바이오 가스로부터 메탄 가스를 회수하였다.The biogas was purified through a biogas purification system as shown in FIG. 2 to recover methane gas. The methane gas was recovered from the biogas under the following experimental conditions and experimental conditions.

먼저, 흡착 모듈은 다공성 폴리 프로필렌 중공사막 모듈을 사용하였으며, 흡수제로는 물을 사용하였다.First, a porous polypropylene hollow fiber membrane module was used as the adsorption module, and water was used as the absorption agent.

또한, 공급된 바이오 가스는 이산화탄소(50%), 메탄 가스(50%) 조성의 혼합 기체를 사용하였다.The supplied biogas was a mixed gas of carbon dioxide (50%) and methane gas (50%).

유입가스를 흡수 모듈의 중공사막 내부로 흘려주고 흡수제인 물을 흡수 모듈의 흡수제 충진부로 흘려주면서 막 접촉기를 포함한 흡수 모듈을 운용하였다.The absorption module including the membrane contactor was operated while flowing the inflowing gas into the hollow fiber membrane of the absorption module and allowing water, which is an absorbent, to flow into the absorbent filling part of the absorption module.

이때, 공급된 바이오 가스의 압력은 2.5 bar, 가스 유량은 100-300 ml/min, 흡수제의 압력은 3.0bar, 흡수제의 유량은 500ml/min, 제1탈기조의 압력은 2bar, 제탈기조의 압력은 상압, 탈기 모듈에서의 진공도는 150Torr로 유지하였으며, 운전온도는 19℃ 내지 25℃로 설정하였다.The pressure of the supplied biogas is 2.5 bar, the gas flow rate is 100-300 ml / min, the pressure of the absorbent is 3.0 bar, the flow rate of the absorbent is 500 ml / min, the pressure of the first degassing vessel is 2 bar, The vacuum degree in the degassing module was maintained at 150 Torr, and the operating temperature was set at 19 to 25 ° C.

<< 실시예Example 2> 본 발명에 따른 바이오 가스 정제 시스템을 사용한 바이오가스의 정제 2 2> Purification of biogas using the biogas purification system according to the present invention 2

본 발명에 따른 바이오 가스 정제 시스템을 사용한 바이오 가스의 정제를 실시하였다.The biogas was purified using the biogas purification system according to the present invention.

도 3는 실시예 2에 따른 바이오 가스 정제 시스템을 나타낸 모식도이다.3 is a schematic diagram showing a biogas purification system according to a second embodiment.

도 3에서 나타난 바와 같은 바이오 가스 정제 시스템을 통해 바이오 가스를 정제하여 메탄 가스를 회수하였으며, 실험 조건 및 실험 방법은 상기 실시예 1에서 기술한 바와 동일하다.The biogas was purified through a biogas purification system as shown in FIG. 3 to recover methane gas. Experimental conditions and experimental procedures were the same as those described in Example 1 above.

<< 실시예Example 3> 본 발명에 따른 바이오 가스 정제 시스템을 사용한 바이오가스의 정제 3 3> Purification of biogas using the biogas purification system according to the present invention 3

본 발명에 따른 바이오 가스 정제 시스템을 사용한 바이오 가스의 정제를 실시하였다.The biogas was purified using the biogas purification system according to the present invention.

도 4는 실시예 3에 따른 바이오 가스 정제 시스템을 나타낸 모식도이다.4 is a schematic diagram showing a biogas purification system according to the third embodiment.

도 4에서 나타난 바와 같은 바이오 가스 정제 시스템을 통해 바이오 가스를 정제하여 메탄 가스를 회수하였으며, 실험 조건 및 실험 방법은 상기 실시예 1에서 기술한 바와 동일하다.The biogas was purified through a biogas purification system as shown in FIG. 4 to recover methane gas. Experimental conditions and experimental procedures were the same as those described in Example 1. [

<< 실시예Example 4> 본 발명에 따른 바이오 가스 정제 시스템을 사용한 바이오가스의 정제 4 4> Purification of biogas using the biogas purification system according to the present invention 4

본 발명에 따른 바이오 가스 정제 시스템을 사용한 바이오 가스의 정제를 실시하였다.The biogas was purified using the biogas purification system according to the present invention.

도 5는 실시예 4에 따른 바이오 가스 정제 시스템을 나타낸 모식도이다.5 is a schematic diagram showing a biogas purification system according to Example 4. Fig.

도 5에서 나타난 바와 같은 바이오 가스 정제 시스템을 통해 바이오 가스를 정제하여 메탄 가스를 회수하였으며, 실험 조건 및 실험 방법은 상기 실시예 1에서 기술한 바와 동일하다.The biogas was purified through a biogas purification system as shown in FIG. 5 to recover methane gas. Experimental conditions and experimental procedures were the same as those described in Example 1 above.

<< 비교예Comparative Example 1> 기존 바이오 가스 정제 시스템을 사용한 바이오가스의 정제 1> Purification of biogas using existing biogas purification system

기존 바이오 가스 정제 시스템을 사용하여 바이오 가스의 정제를 실시하였다.The existing biogas purification system was used to purify the biogas.

도 6은 기존 바이오 가스 정제 시스템을 나타낸 모식도이다.6 is a schematic diagram showing an existing biogas purification system.

도 6에서 나타난 바와 같은 바이오 가스 정제 시스템을 통해 바이오 가스를 정제하여 메탄 가스를 회수하였으며, 실험 조건 및 실험 방법은 상기 실시예 1에서 기술한 바와 동일하다.The biogas was purified through a biogas purification system as shown in FIG. 6 to recover methane gas. Experimental conditions and experimental procedures were the same as those described in Example 1 above.

<< 실험예Experimental Example 1>  1> 실시예Example 1 ~  1 ~ 실시예Example 4 및  4 and 비교예Comparative Example 1의 메탄 순도 및 회수율 측정 실험 1 methane purity and recovery rate experiment

본 발명에 따른 바이오 가스 정제 시스템의 메탄 가스 회수 효과를 확인하기 위해 실시예 1 ~ 실시예 4 및 비교예 1에서 생산된 메탄 가스의 순도 및 메탄 회수율을 측정하는 실험을 수행하였다In order to confirm the methane gas recovery effect of the biogas purification system according to the present invention, experiments were performed to measure the purity and methane recovery rate of the methane gas produced in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1

실시예 1 ~ 실시예 4 및 비교예 1에서 회수된 메탄 가스의 조성을 가스크로마토그래피(GC)를 사용하여 측정하였고, 이를 통해 회수 가스의 메탄 순도와 공급 된 바이오 가스의 메탄 함유량 대비 회수 가스의 메탄 회수율을 계산하여 하기 표 1에 나타내었다.The composition of the methane gas recovered in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 was measured using gas chromatography (GC), and the methane purity of the recovered gas and the methane content of the recovered gas relative to the methane content of the supplied biogas Recovery rates were calculated and are shown in Table 1 below.

메탄 순도(%)Methane purity (%) 메탄 회수율(%)Methane recovery (%) 비교예 1Comparative Example 1 97.097.0 80.380.3 실시예 1Example 1 96.896.8 83.983.9 실시예 2Example 2 97.197.1 86.786.7 실시예 3Example 3 97.497.4 83.583.5 실시예 4Example 4 97.597.5 90.990.9

도 7은 실시예 1 ~ 실시예 4 및 비교예 1에서 회수된 메탄 가스의 순도 및 메탄 가스 회수율을 나타낸 그래프이다.7 is a graph showing the purity of methane gas recovered in Examples 1 to 4 and Comparative Example 1 and methane gas recovery rate.

상기 표 1 및 도 7에서도 확인할 수 있듯이, 비교예 1과 비교하여 종래 바이오 가스 회수 공정에서 상압 탈기조의 압력 분배를 통해 본 발명에 따른 실시예 1의 바이오 가스 회수 시스템을 사용하였을때, 메탄 가스의 회수율이 증가하는 것을 확인 할 수 있다.As can be seen from Table 1 and FIG. 7, when the biogas recovery system of Example 1 according to the present invention was used through the pressure distribution of the atmospheric pressure degassing vessel in the conventional biogas recovery process as compared with Comparative Example 1, It is possible to confirm that the recovery rate of

또한, 비교예 1과 비교하여 실시예 1의 바이오 가스 정제 시스템에 제1탈기조의 탈기 기체를 회수하는 공정을 추가하였을때 더 높은 메탄 회수율을 보이는 것을 확인할 수 있다.Further, when the process of recovering the degassing gas of the first degassing vessel is added to the biogas purification system of Example 1 as compared with Comparative Example 1, a higher methane recovery rate can be obtained.

나아가, 실시예 1의 바이오 가스 정제 시스템에 제2탈기조의 탈기 기체를 회수하는 공정을 추가하였을 때, 비교예 1과 비교하여 더 높은 메탄 회수율과 메탄 순도를 보이는 것을 확인할 수 있다.Further, when the step of recovering the degassing gas of the second degassing vessel was added to the biogas purification system of Example 1, it can be confirmed that methane recovery rate and methane purity were higher than those of Comparative Example 1.

더 나아가, 실시예 1의 바이오 가스 정제 시스템에 제1탈기조의 탈기 기체를 회수하는 공정과 제2탈기조의 탈기 기체를 회수하는 공정을 모두 추가하였을 때, 비교예 1과 비교하여 현저히 높은 메탄 회수율과 메탄 순도를 보이는 것을 확인할 수 있다.Further, when both the step of recovering the degassing gas of the first degassing vessel and the step of recovering the degassing gas of the second degassing vessel were added to the biogas purification system of Example 1, Recovery rate and methane purity can be confirmed.

따라서, 실험예 1에서도 확인 할 수 있듯이 본 발명에 따른 바이오 가스 정제 시스템을 사용할 경우 종래의 바이오 가스 정제 기술을 사용하였을 때 보다 높은 메탄 순도와 메탄회수율을 얻을 수 있다.Accordingly, as can be seen from Experimental Example 1, when the biogas purification system according to the present invention is used, higher methane purity and methane recovery can be obtained when the conventional biogas purification technology is used.

<< 실험예Experimental Example 2> 본 발명에 따른  2 > 제1탈기조의In the first degassing tank 압력에 따른 유출 기체의 유량 및 메탄 순도 분석 실험 Experiments on flow rate and methane purity of effluent gas under pressure

본 발명에 따른 바이오 가스 정제 시스템에 있어서 압력 분배를 통해 일어나는 메탄 순도의 변화를 확인하기 위해 제1탈기조의 압력 변화에 따른 유출 기체의 유량 및 회수 메탄 가스의 순도를 분석하는 실험을 수행하였다.In order to confirm the change of methane purity caused by the pressure distribution in the biogas purification system according to the present invention, an experiment was conducted to analyze the flow rate of the outflow gas and the purity of recovered methane gas according to the pressure change of the first degassing vessel.

도 8은 상기 실시예 1의 바이오 가스 정제 실험에서 제1탈기조의 압력 변화에 따른 유출가스의 가스 유량 및 메탄 가스의 순도를 나타낸 그래프이다.FIG. 8 is a graph showing the gas flow rate of the outflow gas and the purity of methane gas according to the pressure change of the first degassing vessel in the biogas purification experiment of Example 1. FIG.

도 8에서도 확인할 수 있듯이 제1탈기조의 내부 압력이 높아질 수록 유출가스의 유량은 감소하고 회수되는 메탄가스의 순도는 높아지는 것을 알 수 있다.As can be seen from FIG. 8, the higher the internal pressure of the first degassing vessel, the smaller the flow rate of the outflow gas and the higher the purity of methane gas recovered.

따라서, 본 발명에 따른 압력 분배를 이용한 바이오 가스 정제 시스템을 사용할 경우 흡수 모듈로 재순환 되는 기체의 유량을 감속시킴으로써 흡수 모듈의 필요한 처리용량을 감소시킬 수 있으며, 최종적으로 회수되는 메탄 가스의 순도를 높일 수 있으므로, 종래 바이오 가스 정제 기술보다 경제적이고 효율적인 바이오 가스 정제 공정을 구성할 수 있다.Therefore, when the biogas purification system using the pressure distribution according to the present invention is used, the required processing capacity of the absorption module can be reduced by reducing the flow rate of the gas recirculated to the absorption module, and the purity of the methane gas finally recovered can be increased Therefore, it is possible to construct a biogas purification process that is more economical and efficient than the conventional biogas purification technology.

1000 : 바이오 가스 정제 시스템
100 : 흡수 모듈
101 : 중공사 분리막
102 : 흡수제 충진 공간
103 : 중공사 분리막의 내부
200 : 흡수제 공급부
300 : 바이오 가스 공급부
310 : 메탄 가스 배출부
410 : 제1흡수제배출관
420 : 제1탈기조
430 : 제1기체배출관
440 : 제2흡수제배출관
450 : 제2탈기조
460 : 제2기체배출관
470 : 제3흡수제배출관
471 : 펌프
500 : 탈기 모듈
501 : 중공사 분리막
502 : 흡수제 충진공간
503 : 탈기 공간
600 : 제4흡수제배출관
601 : 펌프
700 : 기체 배출부
701 : 감압장치1000: Biogas purification system
100: Absorption module
101: hollow fiber membrane
102: Absorbent filling space
103: Inside of hollow fiber membrane
200: absorbent supply part
300: Biogas supply part
310: methane gas outlet
410: first absorbent discharge pipe
420: first degassing vessel
430: first gas discharge pipe
440: Second absorbent discharge pipe
450: second degassing tank
460: Second gas discharge pipe
470: third absorbent discharge pipe
471: Pump
500: degassing module
501: hollow fiber membrane
502: Absorbent filling space
503: degassing space
600: fourth absorbent discharge pipe
601: Pump
700:
701: Pressure reducing device

Claims (15)

바이오 가스 내 함유된 이산화탄소를 흡수제 내로 제거하기 위한 중공사 분리막을 포함하는 흡수 모듈;
이산화탄소가 함유된 흡수제를 탈기시키는 탈기부; 및
상기 제2탈기조의 잔여 흡수제 내 함유된 이산화탄소를 제거하기 위한 중공사 분리막을 포함하는 탈기 모듈을 포함하되,
상기 탈기부는 제1압력 조건에서 탈기시키는 제1탈기조; 및 상기 제1탈기조의 잔여 흡수제를 제2압력 조건에서 탈기시키는 제2탈기조;를 포함하며,
상기 제1압력 조건은 상기 제2압력 조건 이상인 것을 특징으로 하는 바이오 가스 정제 시스템.
An absorption module comprising a hollow fiber membrane for removing carbon dioxide contained in the biogas into an absorbent;
A degassing part for degassing the carbon dioxide-containing absorbent; And
A deasphalting module including a hollow fiber membrane for removing carbon dioxide contained in the residual absorbent of the second degassing vessel,
A first degassing vessel for degassing under a first pressure condition; And a second degassing vessel for degassing the residual absorbent of the first degassing vessel under a second pressure condition,
Wherein the first pressure condition is not less than the second pressure condition.
제1항에 있어서,
상기 시스템은 상기 제1탈기조와 상기 흡수 모듈을 연결하여 제1탈기조에 탈기된 기체를 흡수 모듈로 재순환시키는 기체 재순환 라인을 더 포함하는 바이오 가스 정제 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the system further comprises a gas recycle line connecting the first degassing vessel and the absorption module to recycle the degassed gas to the absorption module in the first degassing vessel.
제1항에 있어서,
상기 시스템은 상기 제2탈기조와 상기 탈기 모듈을 연결하여 제2탈기조에서 탈기된 기체를 탈기 모듈로 재순환시키는 기체 스윕 라인을 더 포함하는 바이오 가스 정제 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the system further comprises a gas sweep line connecting the second degassing vessel and the degassing module to recirculate the degassed gas to the degassing module in the second degassing vessel.
제1항에 있어서,
상기 시스템은 상기 제1탈기조와 상기 흡수 모듈을 연결하여 제1탈기조에 탈기된 기체를 흡수 모듈로 재순환시키는 기체 재순환 라인; 및
상기 제2탈기조와 상기 탈기 모듈을 연결하여 제2탈기조에서 탈기된 기체를 탈기 모듈로 재순환시키는 기체 스윕 라인을 더 포함하는 바이오 가스 정제 시스템.
The method according to claim 1,
The system comprising: a gas recirculation line connecting the first degassing vessel and the absorption module to recycle the deaerated gas to the absorption module in the first degassing vessel; And
Further comprising a gas sweep line connecting the second degassing vessel and the degassing module to recirculate the degassed gas to the degassing module in the second degassing vessel.
제2항 또는 제4항에 있어서,
상기 기체 재순환 라인은 상기 제1탈기조의 탈기된 기체를 상기 흡수모듈로 공급하기 위한 펌프를 더 포함하는 바이오 가스 정제 시스템.
The method according to claim 2 or 4,
Wherein the gas recycle line further comprises a pump for supplying the degassed gas of the first degassing vessel to the absorption module.
제1항에 있어서,
상기 흡수 모듈은 하우징; 상기 하우징 내에 장착된 중공사 분리막; 및 상기 중공사 분리막의 외측과 상기 하우징 내측에 의해 정의되는 흡수제 충진 공간;을 포함하는 바이오 가스 정제 시스템.
The method according to claim 1,
The absorption module comprises: a housing; A hollow separator mounted in the housing; And an absorbent filling space defined by the outside of the hollow fiber membrane and the inside of the housing.
제1항에 있어서,
상기 흡수 모듈의 흡수제 충진 공간으로 흡수제를 공급하기 위한 흡수제 공급부; 및
상기 흡수 모듈의 중공사 분리막 내부로 바이오 가스를 공급하기 위한 바이오 가스 공급부;를 더 포함하는 바이오 가스 정제 시스템.
The method according to claim 1,
An absorbent supply part for supplying the absorbent into the absorbent filling space of the absorption module; And
And a biogas supply unit for supplying biogas into the hollow fiber separation membrane of the absorption module.
제1항에 있어서,
상기 제2압력조건은 상압인 것을 특징으로 하는 바이오 가스 정제 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the second pressure condition is atmospheric pressure.
제1항에 있어서,
상기 탈기 모듈은 하우징; 상기 하우징 내에 장착된 중공사 분리막; 상기 중공사 분리막을 구성하는 중공사 분리막 외측과 상기 하우징 내측에 의해 정의되는 흡수제 충진 공간; 및 상기 중공사 분리막의 내측으로 정의되는 기체의 탈기 공간;을 포함하는 바이오 가스 정제 시스템.
The method according to claim 1,
The deaeration module includes a housing; A hollow separator mounted in the housing; An absorbent filling space defined by the outside of the hollow fiber membrane and the inside of the housing which constitute the hollow fiber membrane; And a degassing space of the gas defined inside the hollow fiber separation membrane.
제1항에 있어서,
상기 시스템은 상기 탈기 모듈에 연결되는 감압장치를 더 포함하는 바이오 가스 정제 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the system further comprises a decompression device connected to the deaeration module.
중공사막을 포함하는 흡수 모듈 내에서 바이오 가스내 함유된 이산화탄소를 흡수제 내로 제거하는 단계(단계 1);
이산화탄소가 함유된 흡수제를 제1압력조건에서 탈기시키되, 상기 제1압력조건은 제2압력조건 이상인 것을 특징으로하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 탈기된 흡수제를 제2압력조건에서 탈기시키는 단계(단계 3); 및
중공사막을 포함하는 탈기 모듈 내에서 상기 단계 3에서 탈기된 흡수제 내에 함유된 이산화탄소를 제거하는 단계(단계 4)를 포함하는 바이오 가스 정제 방법.
Removing carbon dioxide contained in the biogas into an absorbent in an absorption module comprising a hollow fiber membrane (step 1);
(Step 2) characterized in that the absorbent containing carbon dioxide is degassed under a first pressure condition, wherein the first pressure condition is at least a second pressure condition;
Degassing the degassed absorbent in the second step under the second pressure condition (step 3); And
And removing carbon dioxide contained in the deasphalted absorbent in the step 3 in the deaeration module including the hollow fiber membrane (step 4).
제11항에 있어서,
상기 단계 2에서 탈기 후 생성된 기체를 상기 흡수 모듈로 재공급하는 단계(단계 a)를 더 포함하는 바이오 가스 정제 방법.
12. The method of claim 11,
Further comprising the step (a) of re-supplying the gas generated after the degassing to the absorption module in the step (2).
제11항에 있어서,
상기 단계 3에서 탈기 후 생성된 기체를 상기 탈기 모듈로 재공급하는 단계(단계 b)를 더 포함하는 바이오 가스 정제 방법.
12. The method of claim 11,
Further comprising the step (b) of re-supplying the gas generated after the degassing to the deaeration module in the step (3).
제11항에 있어서,
상기 단계 2에서 탈기 후 생성된 기체를 상기 흡수 모듈로 재공급하는 단계(단계 a); 및
상기 단계 3에서 탈기 후 생성된 기체를 상기 탈기 모듈로 재공급하는 단계(단계 b);를 더 포함하는 바이오 가스 정제 방법.
12. The method of claim 11,
Supplying the gas generated after the degassing to the absorption module in the step 2 (step a); And
Further comprising the step (b) of re-supplying the gas generated after the degassing to the deaeration module in the step (3).
제11항에 있어서,
상기 제2압력조건은 상압인 것을 특징으로 하는 바이오 가스 정제 방법.12. The method of claim 11,
Wherein the second pressure condition is atmospheric pressure.
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