KR20210097987A - 다중 분산판을 사용하는 생물학적 메탄화 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중 분산판을 사용하는 생물학적 메탄화 반응기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 메탄화 반응 속도를 향상시키기 위한 다중 분산판을 사용하는 생물학적 메탄화 반응기에 관한 것이다. 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 내부에 배양액이 수용되며, 이산화탄소 및 수소 사이에 생물학적 반응을 유도하여 메탄을 생성하도록 마련된 반응부; 상기 반응부의 하부에 마련되며, 상기 반응부에 이산화탄소 및 수소를 공급하도록 마련된 윈드박스부; 및 상기 반응부의 내부에 마련되어 이산화탄소와 수소가 반응하면서 생성되어 상승하는 기체를 분산시키도록 마련된 분산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 분산판을 사용하는 생물학적 메탄화 반응기를 제공한다.

Description

다중 분산판을 사용하는 생물학적 메탄화 반응기{BIOLOGICAL METHANATION REACTOR USING MULTIPLE DISTRIBUTOR}

본 발명은 다중 분산판을 사용하는 생물학적 메탄화 반응기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 메탄화 반응기 성능을 향상시키기 위한 다중 분산판을 사용하는 생물학적 메탄화 반응기에 관한 것이다.

세계적으로 재생 에너지원의 설비 용량이 크게 늘어나면서 시간과 계절에 따른 에너지 사용의 불균형과 재생 에너지의 출력 변동성에 따른 에너지 생산의 불균일성을 해소할 수 있는 대용량의 장기간 에너지 저장 시스템이 필요하다는 공감대가 확산되고 있다. 현재 대부분의 에너지 저장 시스템은 단기간 및 소규모인 ESS에 집중되어 있으나 계절별 생산 및 수요 변동 등에 적극적으로 대응할 수 있는 형태인 대용량(1 GWh 이상) 장기간(1 개월 이상)의 에너지 저장 시스템 개발이 필요하다.

이러한 대용량 전력의 장기간 저장을 위해서는 재생에너지원의 잉여 전력을 수전해 공정에 공급하여 수소를 생산, 활용하는 것이 가장 효율적인 문제 해결 방식 중 하나가 될 수 있다. 수전해를 통한 수소생산은 전력의 출력 변동성이 심한 경우에도 잘 기능하며 다양한 규모의 시스템이 이미 상용수준으로 활용이 가능하므로 에너지 저장 시스템으로의 융통성이 크다고 할 수 있다.

특히 전력, 가스, 열, 연료 등이 융합된 미래형 에너지 시스템에서 수소에 의한 에너지 저장은 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다.

이러한 수전해 관련 기술뿐만 아니라, 수소의 저장 및 운송 기술, 수소 모니터링 기술, 이를 이용한 기체 및 액체 연료 합성 기술 등 Power-to-Gas/Liquid(P2G/L) 시스템 설계 및 제어 기술 등의 핵심 요소 기술 개발에는 많은 발전의 여지가 있으며 세계적으로 활발한 연구가 이루어지고 있다.

이산화탄소와 수소를 원료로 하여 메탄을 생산하는 방식은 크게 '열화학적 전환 공정'과 '생물학적 전환 공정'으로 구분된다. 대용량 이산화탄소 배출사업 장에는 일반적으로 고온, 고압에서 운전하여 메탄 전환속도가 빠른 '열화학적 전환공정'이 주로 이용된다. 상온에서 운전되어 추가 에너지 공급이 없으나 메탄 전환속도는 상대적으로 낮은 '생물학적 전환공정'은 저용량 이산화탄소 배출사업장에 적용하기에 적합하다.

생물학적 이산화탄소 메탄화 반응기의 성능을 높이기 위해서는 높은 물질전달 속도, 넓은 비표면적, 높은 용해도가 필요하며, 이를 위해서 높은 교반 속도, 미세 기포 생성, 높은 압력이 필요하다.

그러나, 기포를 깨고(breakage) 물질전달 속도를 높이고자 교반을 강하게 하면 동력손실이 크며(CSTR의 경우), 동력손실을 줄이기 위해 배양액을 순환시키면(TBR의 경우) 처리량이 작아지는 문제가 있다.

따라서 적은 동력 손실로도 물질 전달 속도를 높여 메탄화 반응 속도를 향상시킬 수 있는 기술이 필요하다.

한국등록특허 제10-1377935호

상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 메탄화 반응 속도를 향상시키기 위한 다중 분산판을 사용하는 생물학적 메탄화 반응기를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 내부에 배양액이 수용되며, 이산화탄소 및 수소 사이에 생물학적 반응을 유도하여 메탄을 생성하도록 마련된 반응부; 상기 반응부의 하부에 마련되며, 상기 반응부에 이산화탄소 및 수소를 공급하도록 마련된 윈드박스부; 및 상기 반응부의 내부에 마련되어 이산화탄소와 수소가 반응하면서 생성되어 상승하는 기체를 분산시키도록 마련된 분산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 분산판을 사용하는 생물학적 메탄화 반응기를 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 배양액에는 메탄화 미생물이 포함된 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 반응부는, 상기 분산부에 의해 나뉘어진 복수의 반응층으로 이루어지며, 각각의 상기 반응층은 상기 분산부에 의해 이웃하는 반응층과 서로 반대 방향으로 선회류가 생성되도록 마련된 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 분산부는, 복수의 분산판으로 이루어지며, 각각의 상기 분산판은 상부에 위치한 상기 반응층에 선회류를 생성하도록 하는 송풍구가 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 복수의 분산판은 이웃하는 분산판과 송풍구의 방향이 반대가 되도록 마련된 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 반응부는, 상기 윈드박스부의 상부에 마련되는 제1 반응층; 상기 제1 반응층의 상부에 형성되는 제2 반응층; 상기 제2 반응층의 상부에 형성되는 제3 반응층; 및 상기 제3 반응층의 상부에 형성되며 생성된 메탄을 배출하도록 마련된 메탄화층을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 분산부는, 상기 윈드박스부와 상기 제1 반응층 사이에 마련되는 제1 분산판; 상기 제1 반응층과 상기 제2 반응층 사이에 마련되는 제2 분산판; 및 상기 제2 반응층과 상기 제3 반응층 사이에 마련되는 제3 분산판을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1 분산판 및 상기 제3 분산판은 송풍구가 시계 방향으로 경사면이 형성되도록 마련되고 상기 제2 분산판은 송풍구가 반시계 방향으로 경사면이 형성되도록 마련되거나, 또는, 상기 제1 분산판 및 상기 제3 분산판은 송풍구가 반시계 방향으로 경사면이 형성되도록 마련되고 상기 제2 분산판은 송풍구가 시계 방향으로 경사면이 형성되도록 마련되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 송풍구의 유로 면적은, 하부의 상기 반응층에서 형성된 기포가 상기 송풍구를 통과하면서 기설정된 크기의 미세 기포를 형성할 수 있도록 마련된 것을 특징으로 할 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 다중 분산판을 사용하는 생물학적 메탄화 반응기의 운전방법을 제공한다.

상기와 같은 구성에 따르는 본 발명의 효과는, 다수의 분산판을 이용하여 미세 기포를 생성함으로 비표면적을 증대시킬 수 있으며, 회전류를 발생시켜 물질전달속도를 향상시킴으로 메탄화 반응 성능을 크게 향상시킬 수 있다.

분산판을 이용하여 이웃하는 반응층에 반대 반향의 선회류가 형성되도록 함으로써, 적은 에너지로도 높은 혼합 효과를 얻을 수 있다. 즉 메탄화 반응 속도를 더욱 향상시킬 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 다중 분산판을 사용하는 생물학적 메탄화 반응기의 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 제1 분산판의 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 제2 분산판의 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 제3 분산판의 예시도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 다중 분산판을 사용하는 생물학적 메탄화 반응기의 예시도이다.

도 1에 도시된 것처럼, 다중 분산판을 사용하는 생물학적 메탄화 반응기(100)는 반응부(110), 윈드박스부(120) 및 분산부(130)를 포함한다.

상기 반응부(110)는 내부에 배양액이 수용되며, 이산화탄소 및 수소 사이에 생물학적 반응을 유도하여 메탄을 생성하도록 마련될 수 있다.

여기서, 상기 배양액에는 메탄화 미생물이 포함될 수 있다. 일 예로, 상기 배양액에는 메테인 세균(Methanogen)이 포함될 수 있다.

상기 반응부(110)는, 상기 분산부(130)에 의해 나뉘어진 복수의 반응층으로 이루어지며, 각각의 상기 반응층은 상기 분산부에 의해 이웃하는 반응층과 서로 반대 방향으로 선회류가 생성되도록 마련될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 반응부(110)는, 제1 반응층(111), 제2 반응층(112), 제3 반응층(113) 및 메탄화층(114)을 포함한다.

상기 제1 반응층(111)은 상기 윈드박스부(120)의 상부에 마련되어 상기 윈드박스부(120)에 의해 이산화탄소 및 수소가 공급될 수 있다.

상기 제2 반응층(112)은 상기 제1 반응층(111)의 상부에 형성될 수 있다

상기 제3 반응층(113)은 상기 제2 반응층(112)의 상부에 형성될 수 있다.

상기 메탄화층(114)은 상기 제3 반응층(113)의 상부에 마련되며 상기 제1 반응층(111), 상기 제2 반응층(112) 및 상기 제3 반응층(113)에서 생물학적 반응에 의해 생성된 메탄이 포집되고 포집된 메탄을 외부로 배출하도록 마련될 수 있다.

또한, 배양액은 상기 반응부(110)의 상부에서 유입되어 상기 반응부(110)에 채워지도록 마련될 수 있다.

상기 윈드박스부(120)는 상기 반응부(110)의 하부에 마련되며, 상기 반응부(110)에 이산화탄소 및 수소를 공급하도록 마련될 수 있다.

이때, 상기 윈드박스부(120)는 상기 이산화탄소 및 수소를 공급하는 속도 및 압력을 제어하도록 마련될 수 있다.

상기 분산부(130)는 상기 반응부(110)의 내부에 마련되어 이산화탄소와 수소가 반응하면서 생성되어 상승하는 기체를 분산시키도록 마련될 수 있다.

그리고, 상기 분산부(130)는, 복수의 분산판으로 이루어지며, 각각의 상기 분산판은 상부에 위치한 상기 반응층에 선회류를 생성하도록 하는 송풍구가 형성될 수 있다.

상기 복수의 분산판은 이웃하는 분산판과 송풍구의 방향이 반대가 되도록 마련될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 제1 분산판의 예시도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 제2 분산판의 예시도이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 제3 분산판의 예시도이다.

도 2 내지 도 4를 더 참조하면, 상기 분산부(130)는 제1 분산판(131), 제2 분산판(132) 및 제3 분산판(133)을 포함한다.

상기 제1 분산판(131)은 상기 윈드박스부(120)와 상기 제1 반응층(111) 사이에 마련될 수 있다.

상기 제1 분산판(131)은 상기 윈드박스부(120)에 의해 상기 제1 반응층(111)에 공급되는 상기 이산화탄소와 수소가 송풍구 방향에 따라 일정한 방향으로 공급되도록 함으로써, 상기 제1 반응층(111) 내부 배양액에 선회류가 생성되도록 할 수 있다.

상기 제2 분산판(132)은 상기 제1 반응층(111)과 상기 제2 반응층(112) 사이에 마련될 수 있다.

상기 제2 분산판(132)은 상기 제1 반응층(111)의 배양액 및 기체가 통과하면서 송풍구 방향에 따라 제2 반응층(112)에 제1 반응층(111)과 반대 방향의 선회류가 생성되도록 할 수 있다.

상기 제3 분산판(133)은 상기 제2 반응층(112)과 상기 제3 반응층(113) 사이에 마련될 수 있다.

상기 제3 분산판(133)은 상기 제2 반응층(112)의 배양액 및 기체가 통과하면서 송풍구 방향에 따라 제3 반응층(113)에 제2 반응층(112)과 반대 방향의 선회류가 생성되도록 할 수 있다.

일 예로, 상기 제1 분산판(131) 및 상기 제3 분산판(133)은 송풍구가 시계 방향으로 경사면이 형성되도록 마련되고 상기 제2 분산판(132)은 송풍구가 반시계 방향으로 경사면이 형성되도록 마련될 수 있다.

또는, 상기 제1 분산판(131) 및 상기 제3 분산판(133)은 송풍구가 반시계 방향으로 경사면이 형성되도록 마련되고 상기 제2 분산판(132)은 송풍구가 시계 방향으로 경사면이 형성되도록 마련될 수 있다.

이처럼 상기 분산판들에 의해 이웃하는 반응층간에 선회류가 반대 방향으로 생성됨에 따라 적은 에너지로도 혼합 효과가 극대화될 수 있다.

또한, 상기 송풍구의 유로 면적은, 하부의 상기 반응층에서 형성된 기포가 상기 송풍구를 통과하면서 기설정된 크기의 미세 기포를 형성할 수 있도록 마련될 수 있다.

구체적으로, 상기 제1 반응층(111)의 하측에서 공급된 수소와 이산화탄소, 배양액에 의해 생물학적 반응으로 인해 생성되는 메탄 등의 기체는 기포 형태로 상승하게 된다.

그리고, 생성된 기포는 상부를 향해 이동하면서 점점 크기가 커지게 된다.

이처럼 기포가 상부를 향해 이동하면서 계속 커지게 되면 비표면적이 감소하여 메탄화 속도가 감소하게 된다.

따라서, 상기 분산부(130)는 각각의 분산판에 선회류를 형성하기 위한 송풍구를 형성하되, 이의 송풍구의 유로 면적을 조절하여 미세 기포를 형성하도록 할 수 있다.

즉, 상기 송풍구의 유로 면적은 상승하는 기포가 분산되어 복수의 미세 기포들로 분산되도록 할 수 있도록 마련될 수 있다.

이처럼 마련된 본 발명에 따른 분산부(130)에 의해 다수의 미세기포들이 형성되어 비표면적이 증가하게 되며, 이처럼 비표면적이 증가하게 되면, 배양액과 수소, 이산화탄소의 반응 면적이 증가하여 메탄화 반응 속도가 향상될 수 있다.

또한, 종래에는 이러한 기포를 깨기 위해 교반 속도를 크게 상승시켜야 했고, 이에 따라 많은 에너지를 사용하였지만, 본 발명에 따르면 적은 에너지로도 기포의 크기를 감소시켜 비표면적을 향상시킴으로 에너지 효율이 높아질 수 있다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따르면, 3개의 반응층과 3개의 분산판을 개시하였으나, 이에 한정되지 않으며, 반응층과 분산판의 개수는 상황에 따라 적절히 변경될 수 있다.

또한, 상기 분산부(130)의 각각의 분산판은 송풍구의 경사각을 조절할 수 있도록 마련됨으로 상기 유로 면적을 조절하거나 선회류 형성 방향을 조절할 수 있도록 마련될 수 있다.

전술한 바와 같이 마련된 본 발명은, 다수의 분산판을 이용하여 미세 기포를 생성함으로 비표면적을 증대시킬 수 있으며, 회전류를 발생시켜 물질전달속도를 향상시킴으로 메탄화 반응 성능을 크게 향상시킬 수 있다.

또한, 분산판을 이용하여 이웃하는 반응층에 반대 반향의 선회류가 형성되도록 함으로써, 적은 에너지로도 높은 혼합 효과를 얻을 수 있다. 즉 본 발명은 메탄화 반응 속도를 더욱 향상시킬 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 다중 분산판을 사용하는 생물학적 메탄화 반응기
110: 반응부
111: 제1 반응층
112: 제2 반응층
113: 제3 반응층
114: 메탄화층
120: 윈드박스부
130: 분산부
131: 제1 분산판
132: 제2 분산판
133: 제3 분산판

Claims (10)

1. 내부에 배양액이 수용되며, 이산화탄소 및 수소 사이에 생물학적 반응을 유도하여 메탄을 생성하도록 마련된 반응부;
   상기 반응부의 하부에 마련되며, 상기 반응부에 이산화탄소 및 수소를 공급하도록 마련된 윈드박스부; 및
   상기 반응부의 내부에 마련되어 이산화탄소와 수소가 반응하면서 생성되어 상승하는 기체를 분산시키도록 마련된 분산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 분산판을 사용하는 생물학적 메탄화 반응기.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 배양액에는 메탄화 미생물이 포함된 것을 특징으로 하는 다중 분산판을 사용하는 생물학적 메탄화 반응기.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 반응부는,
   상기 분산부에 의해 나뉘어진 복수의 반응층으로 이루어지며,
   각각의 상기 반응층은 상기 분산부에 의해 이웃하는 반응층과 서로 반대 방향으로 선회류가 생성되도록 마련된 것을 특징으로 하는 다중 분산판을 사용하는 생물학적 메탄화 반응기.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 분산부는,
   복수의 분산판으로 이루어지며,
   각각의 상기 분산판은 상부에 위치한 상기 반응층에 선회류를 생성하도록 하는 송풍구가 형성된 것을 특징으로 하는 다중 분산판을 사용하는 생물학적 메탄화 반응기.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 복수의 분산판은 이웃하는 분산판과 송풍구의 방향이 반대가 되도록 마련된 것을 특징으로 하는 다중 분산판을 사용하는 생물학적 메탄화 반응기.
   
6. 제 3 항에 있어서,
   상기 반응부는,
   상기 윈드박스부의 상부에 마련되는 제1 반응층;
   상기 제1 반응층의 상부에 형성되는 제2 반응층;
   상기 제2 반응층의 상부에 형성되는 제3 반응층; 및
   상기 제3 반응층의 상부에 형성되며 생성된 메탄을 배출하도록 마련된 메탄화층을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 분산판을 사용하는 생물학적 메탄화 반응기.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 분산부는,
   상기 윈드박스부와 상기 제1 반응층 사이에 마련되는 제1 분산판;
   상기 제1 반응층과 상기 제2 반응층 사이에 마련되는 제2 분산판; 및
   상기 제2 반응층과 상기 제3 반응층 사이에 마련되는 제3 분산판을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 분산판을 사용하는 생물학적 메탄화 반응기.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 제1 분산판 및 상기 제3 분산판은 송풍구가 시계 방향으로 경사면이 형성되도록 마련되고 상기 제2 분산판은 송풍구가 반시계 방향으로 경사면이 형성되도록 마련되거나,
   또는, 상기 제1 분산판 및 상기 제3 분산판은 송풍구가 반시계 방향으로 경사면이 형성되도록 마련되고 상기 제2 분산판은 송풍구가 시계 방향으로 경사면이 형성되도록 마련되는 것을 특징으로 하는 다중 분산판을 사용하는 생물학적 메탄화 반응기.
   
9. 제 4 항에 있어서,
   상기 송풍구의 유로 면적은,
   하부의 상기 반응층에서 형성된 기포가 상기 송풍구를 통과하면서 기설정된 크기의 미세 기포를 형성할 수 있도록 마련된 것을 특징으로 하는 다중 분산판을 사용하는 생물학적 메탄화 반응기.
   
10. 제 1 항에 따른 다중 분산판을 사용하는 생물학적 메탄화 반응기의 운전방법.

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