KR20220157671A - Ultra-clean acid gas separation system including absorption and adsorption processes - Google Patents

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Abstract

The present invention provides an absorption tower for absorbing hydrogen sulfide, an acid gas in biogas, using an iron chelate absorbent, and an ultra-clean hydrogen sulfide separation system for highly separating the same. According to the hydrogen sulfide separation system according to an embodiment of the present invention, the hydrogen sulfide removal rate can be significantly increased by using an ultra-clean acid gas separation system including a hybrid process in which absorption and adsorption are linked. The ultra-clean acid gas separation system using an iron chelate absorbent maximizes the removal of hydrogen sulfide, an acid gas in biogas, to improve the efficiency of a clean fuel conversion process of biogas, and can secure advantages such as high efficiency, selective removal, and low operating costs. The ultra-clean acid gas separation system comprises an absorption tower, a regeneration tower, and an adsorption tower.

Description

흡수 및 흡착 공정을 포함하는 초청정 산성가스 분리시스템{ULTRA-CLEAN ACID GAS SEPARATION SYSTEM INCLUDING ABSORPTION AND ADSORPTION PROCESSES}Ultra-clean acid gas separation system including absorption and adsorption process

본 발명은 산성가스 분리에 관한 것으로, 구체적으로 철 킬레이트 흡수제를 사용하여 바이오가스 내 산성가스인 황화수소를 고도 분리하는 초청정 황화수소 분리 시스템 및 분리 방법에 관한 것이다.The present invention relates to acid gas separation, and more specifically, to an ultra-clean hydrogen sulfide separation system and separation method for highly separating hydrogen sulfide, an acid gas in biogas, using an iron chelate absorbent.

현재 인류가 가장 많이 사용하는 에너지인 화석연료는 그 매장량이 제한되어 있고, 연소 시 일산화탄소, 이산화탄소, 황 및 질소 산화물 등의 온실가스 방출로 인해 지구 온난화를 유발시킨다. 따라서 화석연료를 대체할 수 있는 청정에너지원에 대한 연구가 활발히 진행 중이며, 그 중 유기성 폐자원을 활용한 바이오가스가 주목받고 있다.Fossil fuel, which is currently the most used energy by mankind, has limited reserves and causes global warming due to the emission of greenhouse gases such as carbon monoxide, carbon dioxide, sulfur and nitrogen oxides when burned. Therefore, research on clean energy sources that can replace fossil fuels is being actively conducted, and among them, biogas using organic waste resources is attracting attention.

바이오가스를 고부가가치 상품인 합성석유, 전력, 메탄으로 전환하기 위해 고온 고압조건에서 바이오가스와 산소, 스팀을 반응시키는 가스화 반응으로 합성가스 H2와 CO가스를 생산한 후 Fischer-Tropsh 공정 및 가스엔진 등의 다양한 후속공정에 주입하여 전환한다. 그러나 유기성 폐자원을 활용한 바이오가스는 불순물(H2S, NH3, H2O)이 포함되어 있으며, 이 중 황화수소는 리포밍 공정에서 사용되는 Ni 소재 촉매와 F-T공정에서 사용되는 Fe, Co 소재 촉매의 H2S에 의한 피독과 성능저하를 초래한다. 따라서 황화수소에 의한 리포밍 공정 및 F-T 공정 촉매의 피독과 성능저하를 방지하기 위해 H2S 농도가 10ppb 이하 수준으로 유지해야 하며, 바이오가스 내 황화수소의 고도정제 공정의 개발은 필수적이다.Fischer-Tropsh process and gas after producing synthetic gas H 2 and CO gas through a gasification reaction that reacts biogas with oxygen and steam under high-temperature and high-pressure conditions to convert biogas into high value-added products such as synthetic petroleum, electricity, and methane. It is converted by injecting it into various subsequent processes such as engines. However, biogas using organic waste resources contains impurities (H 2 S, NH 3 , H 2 O), among which hydrogen sulfide is a Ni material catalyst used in the reforming process and Fe, Co used in the FT process. It causes poisoning and performance degradation by H 2 S of the material catalyst. Therefore, in order to prevent poisoning and performance degradation of the reforming process and the FT process catalyst by hydrogen sulfide, the H 2 S concentration must be maintained at a level of 10 ppb or less, and the development of a high-level purification process for hydrogen sulfide in biogas is essential.

현재 일반적으로 일반적으로 황화수소를 제거하는 공정은 제오라이트, 산화철 분말, 첨착활성탄 등을 이용한 고체흡착제를 이용하는 방법, 클라우드공정, 아민흡수공정, 암모니아흡수공정, 알카리염 흡수공정, 미생물 및 효소를 이용한 공정, 액상촉매 산화환원법 등으로 분류할 수 있다. 그러나 기존 공정들은 대형화 설비, 흡착 및 흡수능 저하, 긴 제거시간 등의 단점이 있으며, 바이오가스 내 황화수소를 10ppb 이하까지 제거하기 어렵다.Currently, in general, the process of removing hydrogen sulfide is a method using a solid adsorbent using zeolite, iron oxide powder, impregnated activated carbon, etc., a cloud process, an amine absorption process, an ammonia absorption process, an alkali salt absorption process, a process using microorganisms and enzymes, It can be classified as a liquid phase catalytic oxidation-reduction method. However, existing processes have disadvantages such as large-sized equipment, reduced adsorption and absorption capacity, and long removal time, and it is difficult to remove hydrogen sulfide in biogas below 10 ppb.

대한민국 공개특허 2011-0120759호는 황화수소 흡수제에 관한 것으로, 3급 알카놀아민에 반응활성화제로 헥사메틸렌디아민, 디에틸렌트리아민 등을 사용한 황화수소 흡수제를 개시한다. 그러나 이는 종래의 산성가스 흡수제로 사용되는 아민계 흡수제로 흡수제 열화, 장치의 부식 등의 문제점이 있다. 따라서 작은 규모의 장치로 설치가 용이하고 황화수소를 최대로 제거할 수 있는 바이오가스 정제 방법이 필요하다.Korean Patent Publication No. 2011-0120759 relates to a hydrogen sulfide absorbent, and discloses a hydrogen sulfide absorbent using hexamethylenediamine, diethylenetriamine, etc. as a reaction activator for tertiary alkanolamine. However, this is an amine-based absorbent used as a conventional acid gas absorbent, and has problems such as deterioration of the absorbent and corrosion of the device. Therefore, there is a need for a biogas purification method that can be easily installed with a small-scale device and can maximize the removal of hydrogen sulfide.

또한, 기존의 바이오가스 정제는 황화수소 1ppm 이상 제거하는데 그치는 문제점이 있었다. 이에 흡수와 흡착 하이브리드 공정을 이용하여 10ppb까지 제거가 가능하여 후단 촉매 공정에서 황화수소에 의한 촉매독을 방지할 수 있으므로 바이오가스를 이용한 액체연료, 수소 등 고부가가치 청정연료의 생산 기술 확보할 필요성이 요구된다.In addition, conventional biogas purification has a problem of only removing 1 ppm or more of hydrogen sulfide. Therefore, it is possible to remove up to 10 ppb using the absorption and adsorption hybrid process, which can prevent catalyst poisoning by hydrogen sulfide in the subsequent catalyst process, so there is a need to secure production technology for high value-added clean fuels such as liquid fuel and hydrogen using biogas. do.

이에, 본 발명은 바이오가스를 이용한 액체 연료화를 위해 바이오가스 내 산성가스, 특히 황화수소를 철 킬레이트 흡수제를 사용하여 고도로 정제하는 바이오가스 정제 시스템을 제공하고, 흡수와 흡착이 연계된 하이브리드 공정을 포함하는 초청정 산성가스 분리 시스템을 이용하여 황화수소 제거율을 99.9% 이상으로 높이는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention provides a biogas purification system for highly purifying acidic gas in biogas, particularly hydrogen sulfide, using an iron chelate absorbent to turn biogas into liquid fuel, and including a hybrid process in which absorption and adsorption are linked. The purpose is to increase the hydrogen sulfide removal rate to 99.9% or more by using an ultra-clean acid gas separation system.

그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 한정되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the above-mentioned technical problem, and other technical problems not mentioned are clearly understood by those skilled in the art from the description below. It could be.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 측면은, As a technical means for achieving the above-described technical problem, one aspect of the present invention,

황화수소가 포함된 바이오가스가 주입되면 철 킬레이트 흡수제가 황화수소를 흡수하는 흡수탑; 상기 흡수탑 하부에서 배출되는 황화수소를 흡수한 철 킬레이트 흡수제 용액이 주입되고 산소 공급으로 흡수제를 재생하는 재생탑; 및 상기 흡수탑에서 황화수소가 제거된 처리가스 중 불순물을 제거하는 흡착탑;을 포함하는 초청정 산성가스 분리 시스템으로, 상기 철 킬레이트 흡수제는 Fe-EDTA 수용액이며, An absorption tower in which an iron chelate absorbent absorbs hydrogen sulfide when biogas containing hydrogen sulfide is injected; a regeneration tower in which an iron chelate absorbent solution absorbing hydrogen sulfide discharged from the bottom of the absorption tower is injected and the absorbent is regenerated by supplying oxygen; and an adsorption tower for removing impurities from the process gas from which hydrogen sulfide has been removed in the absorption tower, wherein the iron chelate absorbent is Fe-EDTA aqueous solution,

상기 철 킬레이트 흡수제의 EDTA에 대한 철(FE)의 비가 0.2 내지 0.6:1이고, 상기 흡수탑은 흡수제와 가스가 100 내지 500의 속도 비(L/G, cc/L, Liquid flow rate/gas flow rate)로 주입되는, 초청정 산성가스 분리 시스템을 제공한다.The ratio of iron (FE) to EDTA of the iron chelate absorbent is 0.2 to 0.6: 1, and the absorption tower has a rate ratio of 100 to 500 between the absorbent and the gas (L / G, cc / L, Liquid flow rate / gas flow rate), and provides an ultra-clean acid gas separation system.

상기 철 킬레이트 흡수제는 염기성 용액과 EDTA를 혼합한 후 Fe 용액을 혼합하여 제조하는 것일 수 있다.The iron chelate absorbent may be prepared by mixing an Fe solution after mixing a basic solution and EDTA.

상기 철 킬레이트 흡수제의 pH는 8 내지 10일 수 있다.The pH of the iron chelate absorbent may be 8 to 10.

상기 철 킬레이트 흡수제의 농도는 0.05 내지 0.09 mol/L일 수 있다.The concentration of the iron chelate absorbent may be 0.05 to 0.09 mol/L.

상기 흡수탑의 입구와 출구 사이의 압력 차이는 0.3 mmH2O 내지 0.7 mmH2O일 수 있다.The pressure difference between the inlet and outlet of the absorption tower may be 0.3 mmH 2 O to 0.7 mmH 2 O.

상기 컬럼 내 충진물은 랜덤 패킹(Random Packing)과 스트럭쳐드 패킹(Structured Packing)이 순차적으로 교차되어 채워진 것일 수 있다.The packing material in the column may be filled by sequentially alternating random packing and structured packing.

상기 컬럼 내 랜덤 패킹된 충진물의 비표면적(Specific Surface Area)은 100 m2/m3이하이고, 상기 스트럭쳐드 패킹된 충진물의 비표면적은 500 m2/m3이상인 것일 수 있다.A specific surface area of the randomly packed packing in the column may be 100 m 2 /m 3 or less, and a specific surface area of the structured packed packing may be 500 m 2 /m 3 or more.

상기 흡수탑은 상기 철 킬레이트 흡수제를 분사시키는 분사 노즐을 포함하고, 상기 분사 노즐은 다중 분출 노즐 형태인 것일 수 있다.The absorption tower may include a spray nozzle for spraying the iron chelate absorbent, and the spray nozzle may have a multi-jet nozzle type.

상기 흡수탑은 상기 분산판을 포함하고, 상기 분산판은 다공성 기공을 가진 것일 수 있다.The absorption tower may include the dispersion plate, and the dispersion plate may have porous pores.

본 발명의 다른 일 측면은,Another aspect of the present invention is,

흡수와 흡착이 연계된 하이브리드 초청정 산성가스 분리 방법으로, 황화수소가 포함된 바이오가스를 흡수탑으로 주입하는 단계: 상기 바이오가스 내 황화수소를 철 킬레이트 흡수제로 흡수하는 단계; 상기 흡수단계에서 배출되는 황화수소를 흡수한 철 킬레이트 흡수제 용액이 주입되고 산소 공급으로 흡수제를 재생하는 재생단계; 및 상기 흡수탑에서 황화수소가 제거된 처리가스 중 불순물을 제거하는 흡착단계;를 포함하고, 상기 철 킬레이트 흡수제는 Fe-EDTA 수용액이며, 상기 철 킬레이트 흡수제의 EDTA에 대한 철(FE)의 비가 0.2 내지 0.6:1이고, 상기 흡수공정은 흡수제와 가스가 100 내지 500의 속도 비(L/G, cc/L, Liquid flow rate/gas flow rate)로 주입되는, 흡수와 흡착이 연계된 하이브리드 초청정 산성가스 분리 방법을 제공한다.As a hybrid ultra-clean acid gas separation method in which absorption and adsorption are linked, injecting biogas containing hydrogen sulfide into an absorption tower: absorbing hydrogen sulfide in the biogas with an iron chelate absorbent; a regeneration step of injecting an iron chelate absorbent solution that has absorbed hydrogen sulfide discharged in the absorption step and regenerating the absorbent by supplying oxygen; and an adsorption step of removing impurities from the treated gas from which hydrogen sulfide has been removed in the absorption tower, wherein the iron chelate absorbent is an Fe-EDTA aqueous solution, and the iron chelate absorbent has a ratio of iron (FE) to EDTA of 0.2 to 0.2 to EDTA. 0.6: 1, and the absorption process is a hybrid superclean acid in which absorption and adsorption are linked, in which the absorbent and gas are injected at a rate ratio of 100 to 500 (L / G, cc / L, Liquid flow rate / gas flow rate) A gas separation method is provided.

상기 흡착단계에서 배출되는 이산화탄소 및 메탄을 개질하고 연료를 생산할 수 있는 리포밍 단계 및 F-T(Fisher-Tropsch) 반응 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.It may further include a reforming step and F-T (Fisher-Tropsch) reaction step capable of reforming carbon dioxide and methane discharged from the adsorption step and producing fuel.

상기 철 킬레이트 흡수제는 염기성 용액과 EDTA를 혼합한 후 Fe 용액을 혼합하여 제조하는 것일 수 있다.The iron chelate absorbent may be prepared by mixing an Fe solution after mixing a basic solution and EDTA.

상기 철 킬레이트 흡수제의 pH는 8 내지 10일 수 있다.The pH of the iron chelate absorbent may be 8 to 10.

상기 철 킬레이트 흡수제는 0.05 mol/L 내지 0.09mol/L 농도일 수 있다.The iron chelate absorbent may have a concentration of 0.05 mol/L to 0.09 mol/L.

본 발명의 일실시예에 의하면 흡수와 흡착이 연계된 하이브리드 공정을 포함하는 초청정 산성가스 분리 시스템을 이용하여 황화수소 제거율을 99.9% 이상으로 높일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the hydrogen sulfide removal rate can be increased to 99.9% or more by using an ultra-clean acid gas separation system including a hybrid process in which absorption and adsorption are linked.

또한, 본 발명의 철 킬레이트 흡수제를 사용한 초청정 산성가스 분리 시스템은 바이오가스 내 산성가스인 황화수소의 제거를 극대화함으로써 바이오가스의 청정 연료화공정의 효율을 향상시키며 높은 효율, 선택적 제거, 낮은 운전비 등의 장점을 확보할 수 있다.In addition, the ultra-clean acid gas separation system using the iron chelate absorbent of the present invention maximizes the removal of hydrogen sulfide, which is an acid gas in biogas, to improve the efficiency of the clean fuel conversion process of biogas, and provides high efficiency, selective removal, low operating cost, etc. advantages can be obtained.

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.The effects of the present invention are not limited to the above effects, and should be understood to include all effects that can be inferred from the detailed description of the present invention or the configuration of the invention described in the claims.

도 1은 바이오가스 정제 공정 관련 PFD 및 P&ID를 나타내는 도면이다.
도 2는 흡수탑을 이용한 황화수소 분리 시운전 실험 결과를 나타낸 도면이다.
도 3은 흡수탑 컬럼 내 channeling 현상을 나타낸 도면이다.
도 4는 정상상태에서 흡수탑을 이용한 황화수소 분리 시운전 결과를 나타낸 도면이다.
도 5는 보완된 바이오가스 정제 미니-파일럿 공정을 나타낸 사진이다.
도 6은 혼합가스를 이용한 Blank run test 결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 Feed Gas 변화에 따른 황화수소 제거 효율을 나타내는 도면이다.
도 8은 흡수제의 pH 변화에 따른 황화수소 제거 효율을 나타내는 그래프이다.
도 9는 Feed gas 변화에 따른 황화수소 제거 효율을 보여주는 그래프이다.
도 10은 기존 대비 황화수소 흡수공정 성능을 비교한 표이다.
도 11은 흡수탑에서의 압력강하 측정 장치 및 그 실험 결과를 나타내는 사진 과 그림이다.
도 12는 미니 파일럿 하이브리드 공정 실험 장치를 나타내는 도면이다.
도 13은 하이브리드 공정을 이용한 황화수소 분리실험 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a diagram showing PFD and P&ID related to a biogas purification process.
2 is a diagram showing the results of a test run test for hydrogen sulfide separation using an absorption tower.
3 is a view showing a channeling phenomenon in an absorption tower column.
4 is a view showing the results of a test run for hydrogen sulfide separation using an absorption tower in a steady state.
5 is a photograph showing a supplemented biogas purification mini-pilot process.
6 is a view showing the results of a blank run test using a mixed gas.
7 is a view showing the hydrogen sulfide removal efficiency according to the feed gas change.
8 is a graph showing the hydrogen sulfide removal efficiency according to the pH change of the absorbent.
9 is a graph showing hydrogen sulfide removal efficiency according to feed gas change.
10 is a table comparing the performance of a hydrogen sulfide absorption process compared to conventional ones.
11 is a photograph and a picture showing a pressure drop measuring device in an absorption tower and its experimental results.
12 is a diagram showing a mini-pilot hybrid process experiment apparatus.
13 is a graph showing the results of hydrogen sulfide separation experiments using a hybrid process.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 의해 본 발명이 한정되지 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 의해 정의될 뿐이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail. However, the present invention can be implemented in many different forms, and the present invention is not limited by the embodiments described herein, and the present invention is only defined by the claims to be described later.

덧붙여, 본 발명에서 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 발명의 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.In addition, terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the entire specification of the present invention, 'include' a certain element means that other elements may be further included without excluding other elements unless otherwise stated.

본 명세서에서 흡수탑이란 기체 중의 특정 성분을 농축 혹은 제거할 목적에서 기체와 액체 또는 현탁액을 접촉시키는 장치를 의미할 수 있고, 충진물이란 각종 산업 공정에서 사용되고 있는 배기가스 처리 설비인 충전탑에서 효율적인 가스 흡수를 위해 탑내 충전하는 구조를 의미할 수 있다. 또한, 킬레이트란 한 개의 리간드가 금속이온과 두 자리 이상에서 배위결합을 하여 생긴 착이온을 의미할 수 있다. In the present specification, an absorption tower may mean a device that contacts a gas with a liquid or suspension for the purpose of concentrating or removing a specific component in the gas, and a packing material is an exhaust gas treatment facility used in various industrial processes. It may refer to a structure filled in a tower for absorption. In addition, the term chelate may refer to a complex ion formed by a coordination bond between one ligand and a metal ion at two or more sites.

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

본원의 제 1 측면은,The first aspect of the present application is,

황화수소가 포함된 바이오가스가 주입되면 철 킬레이트 흡수제가 황화수소를 흡수하는 흡수탑; 상기 흡수탑 하부에서 배출되는 황화수소를 흡수한 철 킬레이트 흡수제 용액이 주입되고 산소 공급으로 흡수제를 재생하는 재생탑; 및 상기 흡수탑에서 황화수소가 제거된 처리가스 중 불순물을 제거하는 흡착탑;을 포함하는 초청정 산성가스 분리 시스템으로, 상기 철 킬레이트 흡수제는 Fe-EDTA 수용액이며, 상기 철 킬레이트 흡수제의 EDTA에 대한 철(FE)의 비가 0.2 내지 0.6:1이고, 상기 흡수탑은 흡수제와 가스가 100 내지 500의 속도 비(L/G, cc/L, Liquid flow rate/gas flow rate)로 주입되는, 초청정 산성가스 분리 시스템을 제공한다.An absorption tower in which an iron chelate absorbent absorbs hydrogen sulfide when biogas containing hydrogen sulfide is injected; a regeneration tower in which an iron chelate absorbent solution absorbing hydrogen sulfide discharged from the bottom of the absorption tower is injected and the absorbent is regenerated by supplying oxygen; And an adsorption tower for removing impurities from the processed gas from which hydrogen sulfide has been removed in the absorption tower. The ratio of FE) is 0.2 to 0.6: 1, and the absorbent and gas are injected at a rate ratio of 100 to 500 (L / G, cc / L, Liquid flow rate / gas flow rate), ultra-clean acid gas Separation system is provided.

이하, 본원의 제 1 측면에 따른 상기 황화수소 흡수용 흡수탑에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the absorption tower for absorbing hydrogen sulfide according to the first aspect of the present application will be described in detail.

본 발명의 흡수탑은 공급된 바이오가스 내의 황화수소를 흡수하는 것으로, 액상 흡수제를 사용하여 흡수할 수 있다. 흡수탑에서는 주입되는 바이오가스 내에 함유된 황화수소를 철 킬레이트 흡수제를 사용하여 화학적으로 흡수하고 메탄 및 이산화탄소를 포함하는 처리가스는 외부로 배출할 수 있다. 상기 흡수탑에서 흡수탑 상부에서 분사하면서 하부로 공급되는 바이오가스 중 황화수소를 흡수할 수 있다. 본 발명의 철 킬레이트 흡수제는 하기 식 (1) 내지 (4)와 같은 화학반응으로 흡수탑으로 공급되는 바이오가스 내의 황화수소를 흡수할 수 있다. 1차적으로 황화수소가 흡수제 용액에 해리되면서 물리적으로 흡수되면, 흡수제 내 존재하는 철 킬레이트에 의하여 산화되고 식(4)와 같이 고체 황을 형성하게 된다. 본 발명의 한 구현예에서 상기 흡수탑은 5℃에서 90℃에서 구동가능하며, 바람직하게 25℃ 내지 45℃의 온도범위에서 구동될 수 있다. 구동온도가 5℃ 이하인 경우에는 흡수제가 어는점에 유사하여 흡수능을 저하시킬 수 있으며, 90℃ 이상에서는 흡수용액의 증발로 인해 흡수 및 재생 공정을 수행하는 것에 어려움이 있다.The absorption tower of the present invention absorbs hydrogen sulfide in the supplied biogas, and can be absorbed using a liquid absorbent. In the absorption tower, hydrogen sulfide contained in the injected biogas is chemically absorbed using an iron chelate absorbent, and processed gas containing methane and carbon dioxide can be discharged to the outside. In the absorption tower, it is possible to absorb hydrogen sulfide in the biogas supplied to the bottom while spraying from the top of the absorption tower. The iron chelate absorbent of the present invention can absorb hydrogen sulfide in biogas supplied to the absorption tower through chemical reactions as shown in Formulas (1) to (4) below. When hydrogen sulfide is first physically absorbed while being dissociated into the absorbent solution, it is oxidized by the iron chelate present in the absorbent and forms solid sulfur as shown in Formula (4). In one embodiment of the present invention, the absorption tower can be driven at 5 ° C to 90 ° C, preferably at a temperature range of 25 ° C to 45 ° C. When the operating temperature is 5° C. or less, the absorption capacity is similar to the freezing point of the absorbent and may decrease the absorption capacity. At 90° C. or higher, it is difficult to perform the absorption and regeneration process due to evaporation of the absorption solution.

H2S(g) + H2O ↔ H2S(aq) (1)H 2 S(g) + H 2 O ↔ H 2 S(aq) (1)

H2S(aq) ↔ H+ + HS- (2)H 2 S(aq) ↔ H + + HS - (2)

HS- ↔ H+ + S2- (3)HS - ↔ H + + S 2- (3)

S2- + 2Fe3+ ↔ S0 + 2Fe2+ (4)S 2- + 2Fe 3+ ↔ S0 + 2Fe 2+ (4)

킬레이트 흡수제chelating absorbent

본 발명의 실시예에 의하면, 상기 철 킬레이트는 흡수제는 바람직하게 Fe-EDTA 수용액일 수 있다. EDTA에 대한 철(FE)의 비가 0.2 내지 0.6:1 일 수 있고, 바람직하게는 0.25 내지 0.4:1, 더 바람직하게는 0.33:1일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the iron chelate absorbent may preferably be Fe-EDTA aqueous solution. The ratio of iron (FE) to EDTA may be 0.2 to 0.6:1, preferably 0.25 to 0.4:1, and more preferably 0.33:1.

상기 철 킬레이트 흡수제는 염기성 용액과 EDTA를 혼합한 후 Fe 용액을 혼합하여 제조하는 것일 수 있고, 바람직하게는 EDTA에 NaOH를 혼합하여 pH를 조절한 후 Fe 용액을 혼합하는 것일 수 있으며, 더 바람직하게는 EDTA에 4M NaOH를 첨가하여 pH를 약 12로 조절한 후 천천히 Fe 용액을 첨가하여 pH를 8 이상으로 조절하는 것일 수 있다. 이러한 철 킬레이트 흡수제의 제조방법을 통해 침전 생성을 방지할 수 있다.The iron chelate absorbent may be prepared by mixing a basic solution and EDTA and then mixing an Fe solution, preferably by mixing EDTA with NaOH to adjust the pH, and then mixing the Fe solution, more preferably The pH may be adjusted to about 12 by adding 4M NaOH to EDTA, and then adjusted to pH 8 or higher by slowly adding Fe solution. Precipitation can be prevented through the preparation method of the iron chelate absorbent.

상기 철 킬레이트 흡수제의 pH는 8 내지 10, 바람직하게는 8.5 내지 9.5, 가장 바람직하게는 9.88인 것일 수 있다.The pH of the iron chelate absorbent may be 8 to 10, preferably 8.5 to 9.5, and most preferably 9.88.

상기 철 킬레이트 흡수제의 농도는 0.05 mol/L 내지 0.09 mol/L 농도, 바람직하게는 0.06 mol/L 내지 0.08 mol/L, 더 바람직하게는 0.07 mol/L인 것일 수 있다. 농도가 0.05 mol/L인 경우 황화수소 흡수가 가능한 분자의 양이 적어 원활한 흡수를 수행할 수 없으며, 0.09 mol/L 이상의 경우 황화수소를 충분히 흡수하고 남는 분자의 양이 있을 수 있어 비경제적이며, 또한 과도한 고체황이 생성되어 연속공정에 방해가 될 수 있다.The iron chelate absorbent may have a concentration of 0.05 mol/L to 0.09 mol/L, preferably 0.06 mol/L to 0.08 mol/L, and more preferably 0.07 mol/L. If the concentration is 0.05 mol/L, the amount of molecules capable of absorbing hydrogen sulfide is small, so that smooth absorption cannot be performed. If the concentration is 0.09 mol/L or more, hydrogen sulfide is sufficiently absorbed and there may be an amount of remaining molecules, which is uneconomical, and excessive Solid sulfur may be produced which may interfere with the continuous process.

철 킬레이트에 의해 흡수된 황화수소는 고체 황이 되고, 동시에 철 킬레이트는 3가에서 2가로 전환된다. 2가로 전환된 철 킬레이트 흡수제는 재사용을 위해 3가로 재생되어야 한다. 본 발명에서는 상기 환원된 철 킬레이트 흡수제 용액을 재생탑으로 공급하여 산화시켜 재생할 수 있다. 상기 흡수탑에서 공급되는 흡수제 용액에는 고체황이 포함되어 있으며, 이는 재생탑으로 공급되는 과정에서 여과된다. 상기 여과는 흡수탑 외부 하단에 위치하는 필터에서 수행될 수 있으며, 바람직하게 흡수탑과 재생탑으로 이동하는 중간 라인에 고체황 제거용 필터에서 수행될 수 있다. 상기 필터는 고체황을 제거하고 흡수제만 통과할 수 있는 필터를 사용하며, 2개 이상의 필터 장착 장치를 설치하여 고체 황이 누적되었을 때 순차적으로 교체하면서 흡수제의 흐름을 원활하게 할 수 있다.The hydrogen sulfide absorbed by the iron chelate becomes solid sulfur, and at the same time the iron chelate is converted from trivalent to divalent. The iron chelate absorbent converted to divalent must be regenerated to trivalent for reuse. In the present invention, the reduced iron chelate absorbent solution may be supplied to a regeneration tower to be oxidized and regenerated. The absorbent solution supplied from the absorption tower contains solid sulfur, which is filtered while being supplied to the regeneration tower. The filtration may be performed in a filter located at the outer bottom of the absorption tower, and preferably may be performed in a filter for removing solid sulfur in an intermediate line moving between the absorption tower and the regeneration tower. The filter removes solid sulfur and uses a filter capable of passing only the absorbent, and by installing two or more filter mounting devices, it is possible to facilitate the flow of the absorbent while sequentially replacing them when solid sulfur accumulates.

철 킬레이트 흡수제의 재생은 하기 식(5) 및 (6)의 반응과 같이 수행된다. 재생탑으로 주입된 흡수제 용액은 재생탑으로 공급되는 산소에 의해 재생된다. 재생탑 내 산소가 흡수제 용액 내로 흡수되고, 흡수된 산소가 철 킬레이트와 반응하게 된다. 이때 2가인 철 킬레이트가 3가로 산화되어 재생된다. 상기 재생탑Regeneration of the iron chelate absorbent is performed according to the reactions of formulas (5) and (6) below. The absorbent solution injected into the regeneration tower is regenerated by oxygen supplied to the regeneration tower. Oxygen in the regeneration tower is absorbed into the absorbent solution, and the absorbed oxygen reacts with the iron chelate. At this time, the divalent iron chelate is oxidized to trivalent and regenerated. the regeneration tower

에서는 재생된 흡수제는 흡수탑으로 재공급되어 황화수소를 재흡수할 수 있어 연속공정이 가능하다.In , the regenerated absorbent is re-supplied to the absorption tower to re-absorb hydrogen sulfide, enabling a continuous process.

Figure pat00001
O2 (g) + H2O ↔
Figure pat00002
O2 (aq) (5)
Figure pat00001
O 2 (g) + H 2 O ↔
Figure pat00002
O 2 (aq) (5)

Figure pat00003
O2 (aq) + 2Fe2+ ↔ 2Fe3+ + 2OH (6)
Figure pat00003
O 2 (aq) + 2Fe 2+ ↔ 2Fe 3+ + 2OH (6)

흡착이 연계된 하이브리드 공정Hybrid process with adsorption

상기와 같이 철 킬레이트 흡수제를 활용한 흡수공정을 이용한 경우에도 황화수소 제거율이 99%에 이를 수 있지만, 흡착공정을 더 부가하여 즉, 흡수공정 후 처리된 가스의 측면 흐름을 흡착공정으로 주입하여 흡수와 흡착이 연계된 하이브리드 공정을 통하여 황화수소 제거율을 99.9% 이상까지 높일 수 있다.Even when the absorption process using the iron chelate absorbent is used as described above, the hydrogen sulfide removal rate can reach 99%. The hydrogen sulfide removal rate can be increased to 99.9% or more through a hybrid process linked to adsorption.

압력강하pressure drop

흡수공정에 있어 기체와 액체 접촉 시 발생하는 탑내에서의 높은 압력 강하는 Flooding 등 문제를 발생시킨다. 따라서 낮은 압력 강하는 기액 흐름을 원활하게 하여 공정의 분리효율을 증가시킨다. 본 발명의 상기 흡수탑의 입구와 출구 사이의 압력 차이는 0.3 mmH2O 내지 0.7 mmH2O, 바람직하게는 0.4 mmH2O 내지 0.6 mmH2O 더 바람직하게는 0.5 mmH2O 인 것일 수 있다. 본원의 실험예에서는 5 L/min 일 때 압력강하는 0.5 mmH2O(4.8*10-5 atm)로 매우 낮아 운전 시 문제가 없음을 보이고 있다.In the absorption process, the high pressure drop in the tower that occurs when gas and liquid contact causes problems such as flooding. Therefore, the low pressure drop facilitates gas-liquid flow and increases the separation efficiency of the process. The pressure difference between the inlet and outlet of the absorption tower of the present invention may be 0.3 mmH 2 O to 0.7 mmH 2 O, preferably 0.4 mmH 2 O to 0.6 mmH 2 O, more preferably 0.5 mmH 2 O. In the experimental example of the present application, the pressure drop at 5 L/min is very low as 0.5 mmH 2 O (4.8*10-5 atm), showing no problem during operation.

패킹packing

스트럭쳐드 패킹(Structure packing)이란 흡수탑 및 화학 반응기 등에 사용하기 위해 특별히 설계된 다양한 재료를 의미할 수 있다. 스트럭쳐드 패킹은 일반적으로 유체가 컬럼을 통해 복잡한 경로를 통과하도록 배열된 얇은 주름진 금속판 또는 거즈로 구성되어 서로 다른 상 간에 접촉을 위한 넓은 표면적을 생성할 수 있다. 스트럭쳐드 패킹은 가스 흐름에 대한 저항은 매우 낮은 반면, 상대적으로 높은 표면적을 제공하면서 경사진 흐름 채널을 가질 수 있다. 따라서 높은 표면적을 가짐으로써 액체 확산을 최대화할 수 있고, open area 가 더 넓어 용량이 많고 압력강하도 적게 일어날 수 있다.Structured packing may refer to various materials specially designed for use in absorption towers and chemical reactors. Structured packing typically consists of thin corrugated metal plates or gauze arranged to pass a fluid through a complex path through the column, which can create a large surface area for contact between different phases. Structured packings can have inclined flow channels while providing a relatively high surface area while providing very low resistance to gas flow. Therefore, by having a high surface area, liquid diffusion can be maximized, and the open area is wider, so that a large capacity and a small pressure drop can occur.

반면, 랜덤 패킹(Random packing)은 반응물이 상호작용할 수 있는 표면적을 최적화하고 컬럼 구성의 복잡성을 최소화하기 위해 무작위로 충진된 여과 물질로 컬럼을 패킹하는 방법을 의미할 수 있다. On the other hand, random packing may refer to a method of packing a column with randomly packed filtration materials in order to optimize the surface area on which reactants can interact and to minimize the complexity of the column configuration.

본 발명의 실시예에 의하면, 흡수탑 컬럼 내에 랜덤 패킹에서 부분적으로 스트럭쳐드 패킹을 장착할 수 있다. 일반적으로 기액 접촉을 좌우하는 충진물의 비표면적은, 랜덤 패킹된 충진물의 경우 100 m2/m3이하, 스트럭쳐드 패킹된 충진물의 경우 500 m2/m3 이상인 것으로 분리효율을 증가시킬 수 있다. 따라서 컬럼 충진물을 랜덤과 스트럭쳐드 패킹을 순차적으로 두어 채널링의 방지 및 액체 젖음 효과를 증가시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, structured packing can be partially installed in the random packing in the absorption tower column. In general, the specific surface area of fillers that influence gas-liquid contact is 100 m 2 /m 3 or less in the case of randomly packed fillers and 500 m 2 /m 3 or more in the case of structured packed fillers, which can increase the separation efficiency. Therefore, it is possible to prevent channeling and increase the liquid wetting effect by sequentially placing the column packing material in random and structured packing.

그 외 장치 설계에 있어서, 흡수탑과 재생탑 간의 연속 운전을 위한 제어 시스템 개선, 흡착탑 전에 탈수기를 장착하여 응축된 수분의 재생탑으로 순환, 흡수 및 재생 연속 운전을 위한 고체 황을 제거하기 위한 공정을 개선, 보완하고 컬럼 internal 등을 보완하여 효율을 향상시킬 수 있다.In other device design, improvement of control system for continuous operation between absorption tower and regeneration tower, installation of dehydrator before adsorption tower to circulate condensed water to regeneration tower, process for removing solid sulfur for continuous operation of absorption and regeneration Efficiency can be improved by improving and supplementing column internals, etc.

분사 노즐 및 분산판Spray Nozzles and Dispersion Plates

상기 분사 노즐은 다중 분출 노즐 형태인 것일 수 있다. 수액의 분사 노즐은 다중 분출 노즐 형태로 변화시켜 컬럼 상단에 고르게 분산될 수 있도록 할 수 있다.The spray nozzle may be in the form of a multi-jet nozzle. The injection nozzle of the sap can be changed to a multi-jet nozzle type so that it can be evenly distributed at the top of the column.

또한, 상기 분산판은 다공성 기공을 가진 것일 수 있다. 분산판은 노즐에서 분사한 액체가 컬럼 internal로 주입하기 전에 잘 분산되기 위하여 다공성 기공을 가지면서 노즐에 분사한 액체가 재분산을 용이하게 하기 위하여 입체적으로 설계, 제작 및 장착하였다. 분산판은 컬럼 각 단에 장착하여 액체의 재분산을 용이하게 할 수 있다.In addition, the dispersion plate may have porous pores. The dispersion plate was designed, manufactured, and mounted three-dimensionally to facilitate redispersion of the liquid sprayed from the nozzle while having porous pores in order to disperse the liquid sprayed from the nozzle well before being injected into the column. A dispersion plate can be mounted on each stage of the column to facilitate redistribution of the liquid.

흡착탑, 리포밍 공정탑 및 F-T 반응탑Adsorption tower, reforming tower and F-T reactor

본 발명의 흡수탑에서 철 킬레이트 흡수제에 의해 황화수소가 제거된 바이오 가스는 흡수탑 상부로 배출되며, 이는 금속산화물이 충진된 흡착탑으로 공급될 수 있다. 상기 흡착탑은 흡수탑에서 처리하지 못한 미량의 불순물을 처리할 수 있으며, 바이오가스의 고도 정제를 통하여 가스 개질, 합성 공정에서 사용할 경우 촉매독을 방지할 수 있다. 한 구현예에서 상기 흡착탑을 통과한 가스는 메탄과 이산화탄소를 포함하여, 이는 리포밍 공정과 F-T 공정을 이용하여 청정연료를 생산할 수 있다.In the absorption tower of the present invention, the biogas from which hydrogen sulfide is removed by the iron chelate absorbent is discharged to the top of the absorption tower, and it can be supplied to the adsorption tower filled with metal oxide. The adsorption tower can treat small amounts of impurities that have not been treated in the absorption tower, and can prevent catalyst poison when used in gas reforming and synthesis processes through advanced purification of biogas. In one embodiment, the gas passing through the adsorption tower includes methane and carbon dioxide, which can produce clean fuel using a reforming process and an F-T process.

본 발명의 리포밍 공정부는 메탄 및 이산화탄소를 이용하여 합성가스를 생산할 수 있다. 예를 들면 수증기 개질 방법(Steam reforming of methane, SRM) 및 메탄의 이산화탄소 개질방법(Carbon dioxide reforming of methane, CDR)으로 합성 가스를 제조할 수 있다. 상기 수증기 개질방법은 700-850℃, 1-40atm, 공간속도 3,000-6,000hr-1의 조건에서 메탄과 수증기를 반응시켜 일산화탄소 및 수소를 생성할 수 있다(CH4 + H2O → CO + 3H2, △Ho = 206 kJ/mol). 상기 메탄의 이산화탄소 개질방법은 700-850℃, 1-10atm 조건에서 메탄과 이산화탄소를 반응시켜 일산화탄소 및 수소를 생성할 수 있다(CH4 + CO2 → 2CO + 2H2, △Ho = 247 kJ/mol). 상기 제조된 합성가스는 자체로 사용하거나 F-T(Fisher-Tropsch) 반응 공정부를 통해 고부가가치의 화합물질을 생산할 수 있다. F-T 공정은 합성가스로부터 합성연료를 제조하는 기술로 철 또는 코발트 촉매 하에 200-350℃의 반응 온도와 10-30기 압의 압력에서 하기 4개의 주요 반응으로 이루어 진다. 본 발명의 바이오가스로부터 생성된 메탄 및 이산화탄소는 가스 내에 황화수소를 고도로 정제함으로써 F-T 반응에 사용되는 촉매의 성능저하를 방지할 수 있다.The reforming process unit of the present invention can produce syngas using methane and carbon dioxide. For example, synthesis gas can be produced by steam reforming of methane (SRM) and carbon dioxide reforming of methane (CDR). The steam reforming method may generate carbon monoxide and hydrogen by reacting methane and steam under conditions of 700-850 ° C, 1-40 atm, space velocity 3,000-6,000 hr -1 (CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 , ΔH o = 206 kJ/mol). The carbon dioxide reforming method of methane may generate carbon monoxide and hydrogen by reacting methane and carbon dioxide at 700-850 ° C. and 1-10 atm (CH 4 + CO 2 → 2CO + 2H 2 , △H o = 247 kJ/ mol). The produced syngas can be used by itself or can produce high value-added compounds through the FT (Fisher-Tropsch) reaction process unit. The FT process is a technology for producing synthetic fuel from syngas and consists of the following four main reactions at a reaction temperature of 200-350 ° C. and a pressure of 10-30 atmospheres under an iron or cobalt catalyst. Methane and carbon dioxide generated from the biogas of the present invention can prevent degradation of the catalyst used in the FT reaction by highly purifying hydrogen sulfide in the gas.

(a) Chain growth in FT synthesis(a) Chain growth in FT synthesis

CO + 2H2 → -CH2- + H2O △H(227℃) = -165kJ/molCO + 2H 2 → -CH 2- + H 2 O △H(227℃) = -165kJ/mol

(b) Methanation(b) Methanation

CO + 3H2 → CH4 + H2O △H(227℃) = -215kJ/molCO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O △H(227℃) = -215kJ/mol

(c) Water gas shift reaction(c) Water gas shift reaction

CO + H2O ↔ CO2 + H2 △H(227℃) = -40kJ/molCO + H 2 O ↔ CO 2 + H 2 △H(227℃) = -40kJ/mol

(d) Boudouard reaction(d) Boudouard reaction

2CO ↔ C + CO2 △H(227℃) = -134kJ/mol2CO ↔ C + CO 2 △H(227℃) = -134kJ/mol

본원의 제 2 측면은,The second aspect of the present application is,

흡수와 흡착이 연계된 하이브리드 초청정 산성가스 분리 방법으로, 황화수소가 포함된 바이오가스를 흡수탑으로 주입하는 단계: 상기 바이오가스 내 황화수소를 철 킬레이트 흡수제로 흡수하는 단계; 상기 흡수단계에서 배출되는 황화수소를 흡수한 철 킬레이트 흡수제 용액이 주입되고 산소 공급으로 흡수제를 재생하는 재생단계; 및 상기 흡수탑에서 황화수소가 제거된 처리가스 중 불순물을 제거하는 흡착단계;를 포함하고, 상기 철 킬레이트 흡수제는 Fe-EDTA 수용액이며, 상기 철 킬레이트 흡수제의 EDTA에 대한 철(FE)의 비가 0.2 내지 0.6:1이고, 상기 흡수공정은 흡수제와 가스가 100 내지 500의 속도 비(L/G, cc/L, Liquid flow rate/gas flow rate)로 주입되는, 흡수와 흡착이 연계된 하이브리드 초청정 산성가스 분리 방법을 제공한다.As a hybrid ultra-clean acid gas separation method in which absorption and adsorption are linked, injecting biogas containing hydrogen sulfide into an absorption tower: absorbing hydrogen sulfide in the biogas with an iron chelate absorbent; a regeneration step of injecting an iron chelate absorbent solution that has absorbed hydrogen sulfide discharged in the absorption step and regenerating the absorbent by supplying oxygen; and an adsorption step of removing impurities from the treated gas from which hydrogen sulfide has been removed in the absorption tower, wherein the iron chelate absorbent is an Fe-EDTA aqueous solution, and the iron chelate absorbent has a ratio of iron (FE) to EDTA of 0.2 to 0.2 to EDTA. 0.6: 1, and the absorption process is a hybrid superclean acid in which absorption and adsorption are linked, in which the absorbent and gas are injected at a rate ratio of 100 to 500 (L / G, cc / L, Liquid flow rate / gas flow rate) A gas separation method is provided.

본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면에 대해 설명한 내용은 제 2 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.Although detailed descriptions of portions overlapping with those of the first aspect of the present application have been omitted, the contents described for the first aspect of the present application can be equally applied even if the description is omitted from the second aspect.

상기 흡수탑은 하단에 필터를 구비하여 황화수소가 철 킬레이트 흡수제에 의해 산화되어 생성된 고체황이 여과되고, 액체 흡수제는 재생탑으로 주입된다. 재생탑에서는 산소를 주입하여 흡수제를 산화시켜 흡수탑으로 재주입하며, 연속공정이 가능하다.The absorption tower is equipped with a filter at the bottom so that solid sulfur produced by oxidation of hydrogen sulfide by the iron chelate absorbent is filtered, and the liquid absorbent is injected into the regeneration tower. In the regeneration tower, oxygen is injected to oxidize the absorbent and reinjected into the absorption tower, and a continuous process is possible.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 흡착단계에서 배출되는 이산화탄소 및 메탄을 개질하고 연료를 생산할 수 있는 리포밍 단계 및 F-T(Fisher-Tropsch) 반응 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, it may further include a reforming step and F-T (Fisher-Tropsch) reaction step capable of reforming carbon dioxide and methane discharged from the adsorption step and producing fuel.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.

실시예 1: 철 킬레이트 흡수제 제조Example 1: Preparation of an iron chelate absorbent

킬레이트 화합물인 EDTA는 비공유전자쌍이 6개(질소기 2개, 카복실기 4개)가 포함되어 있으며, 이와 같은 비공유전자쌍은 전자주개를 가지어 철 용액과 착화합물인 Fe-EDTA를 형성하여 황화수소를 선택적으로 분리하여 제거할 수 있다EDTA, a chelating compound, contains 6 unshared electron pairs (2 nitrogen groups, 4 carboxyl groups), and these unshared electron pairs have an electron donor to form Fe-EDTA, a complex compound with iron solution, to selectively release hydrogen sulfide. can be separated and removed

황화수소를 분리하기 위해 개선된 철 킬레이트 흡수제 제조하였다. 제조는 EDTA와 Fe를 혼합하여 액상 용액으로 만들었다. 또한 제조된 철 킬레이트 흡수제의 특성을 변화시키기 위하여 용액의 pH를 조절하였다. 제조 방법은 DI water에 EDTA-2Na을 일정량을 주입한 후에 이를 희석하여 900ml 용액으로 제조한다. An improved iron chelate absorbent was prepared to separate hydrogen sulfide. The preparation was made into a liquid solution by mixing EDTA and Fe. In addition, the pH of the solution was adjusted to change the properties of the prepared iron chelate absorbent. In the manufacturing method, after injecting a certain amount of EDTA-2Na into DI water, it is diluted to prepare a 900ml solution.

제조된 용액의 pH를 조절하기 위하여 EDTA 용액(pH 3∼5)에 4M NaOH 용액을 혼합하여 pH 6 이상(약 pH 12)을 만들고 천천히 Fe 용액을 첨가하여 pH 8 이상으로 조절하였다. 또한 액상 Fe 용액을 제조하기 위하여 DI water에 Fe 용액을 제조한 후 Fe와 EDTA의 혼합 비율을 0.33:1로 조절하여 대량 제조하였다. Fe-EDTA 농도는 0.07 mol/L로 낮은 농도를 유지함으로써 산성화되는 것을 방지할 수 있었다. To adjust the pH of the prepared solution, a 4M NaOH solution was mixed with the EDTA solution (pH 3-5) to make the pH 6 or more (about pH 12), and the pH was adjusted to 8 or more by slowly adding Fe solution. In addition, in order to prepare a liquid Fe solution, an Fe solution was prepared in DI water, and the mixing ratio of Fe and EDTA was adjusted to 0.33: 1 to prepare a large amount. Acidification could be prevented by maintaining the Fe-EDTA concentration as low as 0.07 mol/L.

킬레이트 물질인 EDTA에 NaOH를 혼합하여, EDTA 용액을 알칼리 용액으로 만들어 Fe 용액을 혼합할 경우에도 알칼리 상태를 유지함으로써 침전을 방지할 수 있다. 또한 EDTA 용액이 알칼리 특성을 유지함에 따라 Fe 용액을 혼합시 Fe와 EDTA과의 착화합물을 형성을 더 잘 할 수 있는 특성을 가지므로, 낮은 농도에서도 높은 황화수소 제거 효율을 나타내고 있음을 보였다.Precipitation can be prevented by mixing NaOH with EDTA, which is a chelating material, to make the EDTA solution into an alkaline solution, thereby maintaining an alkaline state even when the Fe solution is mixed. In addition, as the EDTA solution maintains its alkaline properties, it has the property of forming a complex compound between Fe and EDTA better when mixing the Fe solution, so it was shown that the hydrogen sulfide removal efficiency is high even at low concentrations.

실험예 1: 철 킬레이트 흡수제를 사용한 황화수소 흡수 연속공정Experimental Example 1: Continuous hydrogen sulfide absorption process using an iron chelate absorbent

1. 미니-파일럿 규모 장치 설계1. Mini-pilot scale device design

초청정 바이오가스 정제를 위한 미니-파이럿 장치 설계를 수행하였다. 공정 설계 기초 자료를 확보하기 위하여 Heat and mass balance 계산 등을 수행한 다음에 PFD(Process Flow Diagram), P&ID(Piping & Instrument Diagram) 등을 수행하였다. 장치는 실증 시 50kg/day 유기성 폐자원을 이용한 바이오가스 생산을 위한 것으로, 생산량은 3.47 L/min임에 따라 이를 기준으로 하여 설계하였다.A mini-pilot device design for ultra-clean biogas purification was performed. In order to secure basic data for process design, heat and mass balance calculations were performed, followed by PFD (Process Flow Diagram) and P&ID (Piping & Instrument Diagram). The device was designed for biogas production using 50kg/day organic waste resources at the time of demonstration, and the production rate was 3.47 L/min, so it was designed based on this.

도 1a의 PFD에서는 철-킬레이트 흡수공정, 수분 제거를 위한 냉각공정 및 흡착공정으로 구성되어 있다. 흡수공정에서는 가스 주입부, 흡수 및 재생 연속 공정, 제어 시스템으로 구성되어 있다. 가스 주입부에서는 실제 유기성 폐자원 유래가스인 주입 유량 측정 장치 및 조절장치로 되어 있다. 또한 재생탑에 가스 공급을 위하여 산소 또는 공기를 주입할 수 있도록 봄베를 설치하였다. 흡수와 재생 연속 공정의 반응탑은 지름이 5cm이며, 탑의 높이가 1m로 제작하였다. 또한 탑을 2단으로 구성하여 공정 운전 시 조업 조건의 변화에 따라 자유로이 탑의 길이를 조절할 수 있도록 하였다. 탑의 내부에는 플라스틱 형태의 패킹을 주입하였다. 또한 탑의 상단과 하단에 액체와 기체의 주입 시 분산이 잘 되게 하기 위하여 분산판(distributer)을 장착하였다. 탑의 하단에는 일정량의 액체 저장조를 두어 흡수탑과 재생탑의 액체의 유량 수위 조절을 원활하게 하였다. 또한 흡수탑과 재생탑 사이에는 정량 펌프를 설치하여 일정하게 철 킬레이트 흡수제를 순환할 수 일정하게 할 수 있도록 하였다. 후단 냉각 장치 및 저농도 황화수소 제거를 위한 고정층 흡착탑을 설치하였다. The PFD of FIG. 1A consists of an iron-chelate absorption process, a cooling process for water removal, and an adsorption process. In the absorption process, it consists of a gas injection unit, a continuous absorption and regeneration process, and a control system. In the gas injection unit, an injection flow rate measuring device and a control device, which are actually organic waste-derived gases, are provided. In addition, a cylinder was installed to inject oxygen or air to supply gas to the regeneration tower. The reactor for the continuous absorption and regeneration process had a diameter of 5 cm and a tower height of 1 m. In addition, the tower is composed of two stages so that the length of the tower can be freely adjusted according to changes in operating conditions during process operation. Plastic packing was injected into the tower. In addition, distributors were installed at the top and bottom of the tower to ensure good dispersion during injection of liquid and gas. A certain amount of liquid storage tank was placed at the bottom of the tower to facilitate the control of the flow rate level of the liquid in the absorption tower and the regeneration tower. In addition, a metering pump was installed between the absorption tower and the regeneration tower so that the iron chelate absorbent could be constantly circulated. A post-cooling device and a fixed bed adsorption tower for low-concentration hydrogen sulfide removal were installed.

도 1b의 P&ID에서는 PFD를 기반으로 한 각각의 장치에 계장을 부착하였다. 본 장치는 향후 상용화 장치로 활용하기 위한 실제 공정 실증 개발로 상용화 장치에서 발생할 수 있는 제반 상황을 고려하여 장치에 각종 제어 장치를 부착하였다. 정제 장치 및 부속 장치에서는 제어할 수 있는 제반 계장과 더불어 각각의 장치의 크기 및 라인의 사이즈 등과 같은 실제 자동 운전이 가능한 장치로 공정을 구성하였다. 또한 각각의 장치가 연계되어 잘 운전 할 수 있도록 제어 시스템의 프로그램을 제작하고 수정하여 실제 운전이 가능할 수 있도록 하였다.In the P&ID of FIG. 1B, instrumentation is attached to each PFD-based device. This device is an actual process demonstration development for use as a commercial device in the future, and various control devices are attached to the device in consideration of various situations that may occur in the commercial device. In the refinery and auxiliary equipment, the process was composed of equipment capable of actual automatic operation, such as the size of each equipment and line size, along with all the controllable instrumentation. In addition, the control system program was produced and modified so that each device can be linked and operated well, so that actual operation is possible.

2. 2. 비교예 1: 미니-파일럿 규모 장치 제작 및 시운전Comparative Example 1: Mini-pilot scale device fabrication and commissioning

설계된 자료를 이용한 제작된 장치를 이용하여 철 킬레이트 흡수공정에 대하여 시운전 실험을 수행하였다. 조업조건으로 흡수액 농도 0.2M, 사용 흡수액 1 L, 흡수액 유량 460 L/min, 모사가스 농도 H2S 100ppm(N2 balance), 가스 유량 속도 0.5∼3.5 L/min, 재생 가스 Air, 재생 가스 유량 1∼2 L/min으로 수행하였다.A test run experiment was conducted for the iron chelate absorption process using the fabricated device using the designed data. As operating conditions, absorbent concentration 0.2M, used absorbent 1 L, absorbent flow rate 460 L/min, simulated gas concentration H 2 S 100ppm (N 2 balance), gas flow rate 0.5 to 3.5 L/min, regeneration gas Air, regeneration gas flow rate It was performed at 1-2 L/min.

흡수공정을 이용한 황화수소 분리 시운전 실험 결과, 도 2에서 볼 수 있듯이, 주입가스 3.5 L/min에서 20%, 0.5 L/min 에서는 30∼60%의 효율을 나타내고 있다. 이와 같은 결과는 도 3의 컬럼 현상에서 보는 것과 같이 흡수탑에서 기체와 액체 접촉 시 액체의 벽면 효과(wall effect)에 의한 채널링(channeling) 현상에 의한 충분한 액체 젖음(wetting)이 이루어지지 않아 효율 저하를 유발하기 때문이다.As a result of the hydrogen sulfide separation test run experiment using the absorption process, as shown in FIG. 2, the efficiency of 20% at 3.5 L/min and 30-60% at 0.5 L/min of the injection gas is shown. As shown in the column phenomenon of FIG. 3, when gas and liquid contact in the absorption tower, sufficient liquid wetting is not achieved due to the channeling phenomenon due to the wall effect of the liquid, resulting in reduced efficiency. because it causes

또한 정상상태에서 흡수탑을 이용한 황화수소 분리 시운전 결과에서도, 도 4에 나타낸 바와 같이 주입가스 0.5∼3.5 L/min에서 10∼50%의 황화수소 제거효율을 보이고 있다. 또한 재생 시 공기 주입 유량이 증가할수록 효율이 증가함을 보이고 있어 최적의 흡수 및 재생의 조업조건이 요구된다. 더불어 비록 정상상태에서 일지라도 황화수소의 분리효율이 낮아 장치의 개선 및 보완이 요구된다.In addition, even in the results of the hydrogen sulfide separation test run using the absorption tower in a steady state, as shown in FIG. In addition, since the efficiency increases as the air injection flow rate increases during regeneration, optimal absorption and regeneration operating conditions are required. In addition, even in a normal state, the separation efficiency of hydrogen sulfide is low, and improvement and supplementation of the device are required.

3. 3. 실시예 2: 보완된 미니-파일럿 규모 장치 제작 Example 2: Complementary Mini-Pilot Scale Device Fabrication

상기와 같이 시운전 실험 결과에 따라 컬럼의 채널링에 의한 황화수소 분리효율의 낮음을 보완하기 위하여, 도 5에 나타낸 바와 같이 바이오가스 정제 미니-파이럿 공정 보완을 수행하였다.As described above, in order to compensate for the low hydrogen sulfide separation efficiency by channeling of the column according to the results of the test run experiment, as shown in FIG. 5, a biogas purification mini-pilot process was supplemented.

이를 위해 컬럼의 기액 접촉 면적을 넓히기 위하여 분사 노즐, 분산판(distributor) 및 컬럼 내 internal을 보완하였다. 흡수액의 분사 노즐은 다중 분출 노즐 형태로 변화시켜 컬럼 상단에 고르게 분산될 수 있도록 하였다. 또한 분산판은 노즐에서 분사한 액체가 컬럼 internal로 주입하기 전에 잘 분산되기 위하여 다공성 기공을 가지면서 노즐에 분사한 액체가 재분산을 용이하게 하기 위하여 입체적으로 설계, 제작 및 장착하였다. 분산판은 컬럼 각 단에 장착하여 액체의 재분산을 용이하게 하였다.To this end, a spray nozzle, a distributor, and an internal inside the column were supplemented in order to widen the gas-liquid contact area of the column. The injection nozzle of the absorption liquid was changed to a multi-jet nozzle type so that it could be evenly distributed over the top of the column. In addition, the dispersion plate was designed, manufactured, and mounted three-dimensionally to facilitate redispersion of the liquid sprayed from the nozzle while having porous pores so that the liquid sprayed from the nozzle could be well dispersed before being injected into the column. A dispersion plate was installed at each stage of the column to facilitate redistribution of the liquid.

또한 컬럼 내에 랜덤 패킹(Random packing)에서 부분적으로 스트럭쳐드 패킹(Structure packing)으로 장착하였다. 일반적으로 기액 접촉을 좌우하는 비표면적(Specific surface area)는 랜덤 패킹은 100 m2/m3, 스트럭쳐드 패킹은 500 m2/m3 이상으로 분리효율을 증가시킬 수 있다. 따라서 컬럼 충진물을 랜덤 패킹과 스트럭쳐드 패킹을 순차적으로 두어 채널링의 방지 및 액체 젖음 효과를 증가시키고자 하였다.Also, in the column, random packing was partially loaded with structured packing. In general, the specific surface area that influences gas-liquid contact is 100 m 2 /m 3 for random packing and 500 m 2 /m 3 for structured packing, which can increase the separation efficiency. Therefore, random packing and structured packing were sequentially placed as column packing materials to prevent channeling and increase the liquid wetting effect.

그 외 장치 설계에 있어서, 흡수탑과 재생탑 간의 연속 운전을 위한 제어 시스템 개선, 흡착탑 전에 탈수기를 장착하였으며 응축된 수분의 재생탑으로 순환, 흡수 및 재생 연속 운전을 위한 고체 황 제거하기 위한 공정을 개선, 보완 실험을 통하여 컬럼 internal 등을 보완하여 효율을 향상하고자 하였다.In other device designs, a control system improvement for continuous operation between the absorption tower and the regeneration tower, a dehydrator was installed before the adsorption tower, and a process for circulating condensed moisture to the regeneration tower and removing solid sulfur for continuous operation of absorption and regeneration. We tried to improve the efficiency by supplementing the column internal through improvement and supplementary experiments.

(1) 미니-파일럿 규모 장치 예비 실험(1) Preliminary experiments on mini-pilot scale devices

현장 실증 전에 2 종류의 모사가스 1(H2S 100ppm, N2 bal.), 모사가스 2(H2S 100ppm, CO2 30%, CH4 70%)를 이용한 예비운전 실험을 수행하였다. 분석기기는 황화수소를 분석할 수 있는 GC-PFPD(Pulsed Frame Photometric Detector)을 이용하였다. 분석 결과, 도 6에 나타나 있듯이 제조한 모사가스와 유사한 분석결과를 얻어 분석기기가 신뢰성이 있음을 알 수 있었다.Before field demonstration, a preliminary operation experiment using two types of simulated gas 1 (H 2 S 100 ppm, N 2 bal.) and simulated gas 2 (H 2 S 100 ppm, CO 2 30%, CH 4 70%) was performed. As an analysis device, a GC-PFPD (Pulsed Frame Photometric Detector) capable of analyzing hydrogen sulfide was used. As a result of the analysis, as shown in FIG. 6, it was found that the analysis device was reliable by obtaining an analysis result similar to the manufactured mock gas.

(2) 유기성 폐자원 유래가스 황화수소 분리 미니-파일럿 규모 조업조건별 공정 운전(2) Hydrogen sulfide separation from organic waste resources Mini-pilot scale process operation by operating conditions

1) 미니-파일럿 규모 장치를 이용한 운전 결과(H1) Driving results using a mini-pilot scale device (H 22 S/NS/N 22 ))

개선 흡수공정을 이용한 H2S 분리실험을 수행하였다. 조업조건으로 H 2 S separation experiments using the improved absorption process were performed. as operating conditions

Feed gas: H2S 100ppm balance N2, Feed gas flow rate: 1∼4 L/min, Absorbent concentration: 0.07 mol/L, Absorbent pH: 9.77, Absorbent volume: 1.3 L, Absorbent flow rate: 460 mL/min, Oxidative gas: Air, Oxidative gas flow rate: 2 L/min로 하였다. 분리효율 정의는 다음과 같다. Feed gas: H 2 S 100ppm balance N 2 , Feed gas flow rate: 1∼4 L/min, Absorbent concentration: 0.07 mol/L, Absorbent pH: 9.77, Absorbent volume: 1.3 L, Absorbent flow rate: 460 mL/min , Oxidative gas: Air, Oxidative gas flow rate: 2 L / min. The separation efficiency definition is as follows.

도 7에서 볼 수 있듯이, Feed gas 변화에 따른 황화수소 제거효율은 전 조업 영역인 L/G[(Liquid flow rate, mL/min)/(Gas flow rate, L/min)]가 460∼115에서 99% 이상의 제거효율(H2S: <1ppm)을 나타내고 있다. 이때 황화수소 흡수 및 재생 시 pH 변화가 없음을 보였다(pH: 9.77). 이는 산화에 의한 흡수제의 재생이 우수하다는 것을 알 수 있다.As can be seen in Figure 7, the hydrogen sulfide removal efficiency according to the change in feed gas is L / G [(Liquid flow rate, mL / min) / (Gas flow rate, L / min)] in the entire operating range from 460 to 115 to 99 % or higher removal efficiency (H 2 S: <1 ppm) is shown. At this time, it was shown that there was no pH change during hydrogen sulfide absorption and regeneration (pH: 9.77). It can be seen that the regeneration of the absorbent by oxidation is excellent.

도8에서는 pH 변화에 따른 황화수소 제거효율로 흡수제의 pH 7 이하에서 95∼99%(조업 영역: L/G 460∼131)로 99% 이하를 나타내고 있다. 그러나 흡수제 pH 9 이상에서는 99%(조업 영역: L/G 460∼131)의 분리효율을 보이고 있다.In FIG. 8, the hydrogen sulfide removal efficiency according to pH change is 95 to 99% (operating area: L / G 460 to 131) at pH 7 or less of the absorbent, which is 99% or less. However, at an absorbent pH of 9 or higher, the separation efficiency is 99% (operating area: L/G 460 to 131).

이와 같이 개선된 흡수공정은 높은 효율을 보이고 있으며, 흡수제의 pH 조절은 분리효율에 많은 영향을 보이고 있음을 알 수 있다.It can be seen that the improved absorption process shows high efficiency, and pH control of the absorbent has a great effect on the separation efficiency.

2) 미니-파일럿 규모 장치를 이용한 운전 결과(H2) Results of operation using a mini-pilot scale device (H 22 S/COS/CO 22 /CH/CH 44 ))

흡수공정을 이용한 H2S 분리실험 조업조건으로 Feed gas: H2S 100ppm CO2 30%, CH4 70%, Feed gas flow rate: 1∼3.5 L/min, Absorbent concentration: 0.07 mol/L, Absorbent pH: 9.77, Absorbent volume: 1.3 L, Absorbent flow rate: 460 mL/min, Oxidative gas: Air, Oxidative gas flow rate: 2 L/min로 하였다.H 2 S separation experiment using absorption process Feed gas: H 2 S 100ppm CO 2 30%, CH 4 70%, Feed gas flow rate: 1∼3.5 L/min, Absorbent concentration: 0.07 mol/L, Absorbent pH: 9.77, Absorbent volume: 1.3 L, Absorbent flow rate: 460 mL/min, Oxidative gas: Air, Oxidative gas flow rate: 2 L/min.

도 9에서는 Feed gas 변화에 따른 황화수소 제거효율은 조업 영역인 L/G가 460∼131에서 99% 이상의 제거효율(H2S: <1ppm)을 나타내고 있다. 이때 황화수소 흡수 및 재생 연속 실험 시 pH 변화가 약간 낮아짐을 보이고 있으나 분리효율은 일정함을 보이고 있다.In FIG. 9, the hydrogen sulfide removal efficiency according to the change in feed gas shows a removal efficiency of 99% or more (H 2 S: <1ppm) in the operating range L / G of 460 to 131. At this time, the pH change is slightly lowered during continuous hydrogen sulfide absorption and regeneration experiments, but the separation efficiency is constant.

기존 발표된 문헌을 기반으로 조업 조건에 따른 황화수소 제거효율을 비교하여 도 10에 나타내었다. 비교는 흡수제 농도, L/G, 바이오가스 성분에 따라 비교하였다. 개발된 흡수제를 이용한 공정 운전 결과, 개발 공정은 L/G 460 이하에서 99% 이상(H2S: <1ppm) 제거효율로 기존보다 우수함을 보이고 있다.Based on the previously published literature, hydrogen sulfide removal efficiency according to operating conditions is compared and shown in FIG. 10. Comparison was made according to absorbent concentration, L/G, and biogas components. As a result of process operation using the developed absorbent, the developed process shows a removal efficiency of 99% or more (H 2 S: <1ppm) at L/G 460 or less, which is superior to the existing ones.

실험예 2: 미니-파일럿 규모 흡수공정의 압력 강하 실험 결과Experimental Example 2: Pressure drop test results of mini-pilot scale absorption process

흡수공정에 있어 기체와 액체 접촉시 발생하는 탑내에서의 높은 압력 강하는 Flooding 등 문제를 발생시킨다. 따라서 낮은 압력 강하는 기액 흐름을 원활하게 하여 공정의 분리효율을 증가시킨다. 본 실험에서는 도 11에서 나타낸 바와 같이 5 L/min 일 때 압력강하는 0.5 mmH2O(4.8 x 10-5 atm)로 매우 낮아 운전 시 문제가 없음을 보이고 있다.In the absorption process, the high pressure drop in the tower that occurs when gas and liquid contact causes problems such as flooding. Therefore, the low pressure drop facilitates gas-liquid flow and increases the separation efficiency of the process. In this experiment, as shown in FIG. 11, the pressure drop at 5 L/min is 0.5 mmH 2 O (4.8 x 10 -5 atm), which is very low, showing no problem during operation.

실험예 3: 미니-파일럿 규모 장치를 이용한 흡수와 흡착 연계 공정 운전 결과(HExperimental Example 3: Operation result of absorption and adsorption linked process using mini-pilot scale device (H 22 S/COS/CO 22 /CH/CH 44 ))

도 12에 나와있는 미니-파일럿 규모 장치를 이용한 흡수와 흡착이 연계된 하이브리드 공정을 이용한 황화수소 분리 실험을 수행하였다. 실험에서는 황화수소의 농도를 100∼300ppm에서 하였다.A hydrogen sulfide separation experiment using a hybrid process in which absorption and adsorption are coupled using a mini-pilot scale device shown in FIG. 12 was performed. In the experiment, the concentration of hydrogen sulfide was set at 100 to 300 ppm.

하이브리드 공정을 이용한 H2S 분리실험에서, 흡수공정의 조업조건으로 Feed gas: H2S 100ppm/300ppm, CO2 30%, CH4 70%, Feed gas flow rate: 3.5 L/min, Absorbent concentration: 0.07 mol/L, Absorbent pH: 9.88, Absorbent volume: 1.3 L, Absorbent flow rate: 460 mL/min, Oxidative gas: Air, Oxidative gas flow rate: 2 L/min로 하였다. 또한 흡수공정 후 처리된 가스의 side steam을 흡착공정으로 주입하여 황화수소 처리 실험을 하였으며, 이때 조업조건으로 Feed gas flow rate: 700 cc/min, Adsorbent amount: 10gr(Bulk density: 0.578g/cm3)으로 GHSV 2,400hr-1에서 수행하였다.In the H 2 S separation experiment using the hybrid process, the operating conditions of the absorption process were Feed gas: H 2 S 100ppm/300ppm, CO 2 30%, CH 4 70%, Feed gas flow rate: 3.5 L/min, Absorbent concentration: 0.07 mol/L, Absorbent pH: 9.88, Absorbent volume: 1.3 L, Absorbent flow rate: 460 mL/min, Oxidative gas: Air, Oxidative gas flow rate: 2 L/min. In addition, after the absorption process, side steam of the treated gas was injected into the adsorption process to conduct hydrogen sulfide treatment experiments. At this time, the operating conditions were Feed gas flow rate: 700 cc/min, Adsorbent amount: 10gr (Bulk density: 0.578g/cm 3 ) was performed at GHSV 2,400 hr -1 .

미니 파일럿 하이브리드 공정을 이용한 황화수소 분리실험에서 H2S 농도를 각각 100ppm, 300ppm에서 연속 실험을 240min 동안 수행하였다. 도 13의 실험결과에서 보듯이, 황화수소의 농도 100ppm, 300ppm으로 운전한 후에 제거율은 99.9% 이상을 나타내고 있다. 또한 흡착 실험에서는 일반적인 상용 흡착 공정의 운전조건인 공간시간 20∼50hr-1으로 수행한 반면, 본 실험에서는 가속 실험을 수행하였음에도 불구하고 높은 제거효율을 보이고 있다.In the hydrogen sulfide separation experiment using the mini-pilot hybrid process, the H 2 S concentration was continuously tested at 100 ppm and 300 ppm, respectively, for 240 min. As shown in the experimental results of FIG. 13, the removal rate after operation at concentrations of 100 ppm and 300 ppm of hydrogen sulfide is 99.9% or more. In addition, the adsorption experiment was performed at a space time of 20 to 50 hr -1 , which is the operating condition of a general commercial adsorption process, whereas in this experiment, despite the accelerated experiment, high removal efficiency was shown.

본 실험 결과의 정확한 제거 성능을 파악하기 위하여 240min의 실험 종료 후 3L의 테틀러백(Tedlar bag)를 이용하여 흡수공정 및 흡착공정 후 처리가스를 포집한 후 황분석 검출기가 부착된 GC를 사용하여 추가적인 분석을 수행하였다.In order to understand the accurate removal performance of the results of this experiment, after the end of the 240min experiment, a 3L Tedlar bag was used to collect the processed gas after the absorption and adsorption processes, and then a GC with a sulfur analysis detector was used to perform additional analysis was performed.

분석 결과, Feed gas에서 H2S 농도 100ppm 및 300ppm에서 흡수공정 후에는 각각 306 및 305

Figure pat00004
/
Figure pat00005
(ppb), 흡착 공정 후에는 각각 4.5 및 0.0
Figure pat00006
/
Figure pat00007
(ppb)을 나타내었다.As a result of the analysis, after the absorption process at 100ppm and 300ppm of H 2 S concentration in the feed gas, respectively, 306 and 305
Figure pat00004
/
Figure pat00005
(ppb), after the adsorption process, 4.5 and 0.0 respectively
Figure pat00006
/
Figure pat00007
(ppb).

Claims (14)

황화수소가 포함된 바이오가스가 주입되면 철 킬레이트 흡수제가 황화수소를 흡수하는 흡수탑;
상기 흡수탑 하부에서 배출되는 황화수소를 흡수한 철 킬레이트 흡수제 용액이 주입되고 산소 공급으로 흡수제를 재생하는 재생탑; 및
상기 흡수탑에서 황화수소가 제거된 처리가스 중 불순물을 제거하는 흡착탑;을 포함하는 초청정 산성가스 분리 시스템으로,
상기 철 킬레이트 흡수제는 Fe-EDTA 수용액이며,
상기 철 킬레이트 흡수제의 EDTA에 대한 철(FE)의 비가 0.2 내지 0.6:1이고,
상기 흡수탑은 흡수제와 가스가 100 내지 500의 속도 비(L/G, cc/L, Liquid flow rate/gas flow rate)로 주입되는, 초청정 산성가스 분리 시스템.
An absorption tower in which an iron chelate absorbent absorbs hydrogen sulfide when biogas containing hydrogen sulfide is injected;
a regeneration tower in which an iron chelate absorbent solution absorbing hydrogen sulfide discharged from the bottom of the absorption tower is injected and the absorbent is regenerated by supplying oxygen; and
An ultra-clean acid gas separation system comprising an adsorption tower for removing impurities from the processed gas from which hydrogen sulfide has been removed in the absorption tower,
The iron chelate absorbent is an aqueous solution of Fe-EDTA,
The ratio of iron (FE) to EDTA of the iron chelate absorbent is 0.2 to 0.6: 1,
The absorption tower is an ultra-clean acid gas separation system in which the absorbent and the gas are injected at a rate ratio (L / G, cc / L, Liquid flow rate / gas flow rate) of 100 to 500.
제1항에 있어서,
상기 철 킬레이트 흡수제는 염기성 용액과 EDTA를 혼합한 후 Fe 용액을 혼합하여 제조하는 것인, 초청정 산성가스 분리 시스템.
According to claim 1,
The iron chelate absorbent is prepared by mixing a basic solution and EDTA and then mixing an Fe solution, ultra-clean acid gas separation system.
제1항에 있어서,
상기 철 킬레이트 흡수제의 pH는 8 내지 10인, 초청정 산성가스 분리 시스템.
According to claim 1,
The pH of the iron chelate absorbent is 8 to 10, ultra-clean acid gas separation system.
제1항에 있어서,
상기 철 킬레이트 흡수제의 농도는 0.05 mol/L 내지 0.09mol/L인, 초청정 산성가스 분리 시스템.
According to claim 1,
The concentration of the iron chelate absorbent is 0.05 mol / L to 0.09 mol / L, ultra-clean acid gas separation system.
제1항에 있어서,
상기 흡수탑의 입구와 출구 사이의 압력 차이는 0.3 mmH2O 내지 0.7 mmH2O인, 초청정 산성가스 분리 시스템.
According to claim 1,
The pressure difference between the inlet and outlet of the absorption tower is 0.3 mmH 2 O to 0.7 mmH 2 O, ultra-clean acid gas separation system.
제1항에 있어서,
상기 컬럼 내 충진물은 랜덤 패킹(Random Packing)과 스트럭쳐드 패킹(Structured Packing)이 순차적으로 교차되어 채워진, 초청정 산성가스 분리 시스템.
According to claim 1,
The packing material in the column is an ultra-clean acid gas separation system in which random packing and structured packing are sequentially crossed and filled.
제1항에 있어서,
상기 컬럼 내 랜덤 패킹된 충진물의 비표면적(Specific Surface Area)은 100 m2/m3이하이고,
상기 스트럭쳐드 패킹된 충진물의 비표면적은 500 m2/m3이상인, 초청정 산성가스 분리 시스템.
According to claim 1,
The specific surface area of the randomly packed packing in the column is 100 m 2 /m 3 or less,
The structured packing has a specific surface area of 500 m 2 / m 3 or more, ultra-clean acid gas separation system.
제1항에 있어서,
상기 흡수탑은 상기 철 킬레이트 흡수제를 분사시키는 분사 노즐을 포함하고,
상기 분사 노즐은 다중 분출 노즐 형태인, 초청정 산성가스 분리 시스템.
According to claim 1,
The absorption tower includes a spray nozzle for spraying the iron chelate absorbent,
The spray nozzle is a multi-jet nozzle type, ultra-clean acid gas separation system.
제1항에 있어서,
상기 흡수탑은 상기 분산판을 포함하고,
상기 분산판은 다공성 기공을 가진, 초청정 산성가스 분리 시스템.
According to claim 1,
The absorption tower includes the dispersion plate,
The dispersion plate has porous pores, ultra-clean acid gas separation system.
흡수와 흡착이 연계된 하이브리드 초청정 산성가스 분리 방법으로,
황화수소가 포함된 바이오가스를 흡수탑으로 주입하는 단계:
상기 바이오가스 내 황화수소를 철 킬레이트 흡수제로 흡수하는 단계;
상기 흡수단계에서 배출되는 황화수소를 흡수한 철 킬레이트 흡수제 용액이 주입되고 산소 공급으로 흡수제를 재생하는 재생단계; 및
상기 흡수탑에서 황화수소가 제거된 처리가스 중 불순물을 제거하는 흡착단계;를 포함하고,
상기 철 킬레이트 흡수제는 Fe-EDTA 수용액이며,
상기 철 킬레이트 흡수제의 EDTA에 대한 철(FE)의 비가 0.2 내지 0.6:1이고,
상기 흡수공정은 흡수제와 가스가 100 내지 500의 속도 비(L/G, cc/L, Liquid flow rate/gas flow rate)로 주입되는, 흡수와 흡착이 연계된 하이브리드 초청정 산성가스 분리 방법.
As a hybrid ultra-clean acid gas separation method in which absorption and adsorption are linked,
Injecting biogas containing hydrogen sulfide into the absorption tower:
Absorbing hydrogen sulfide in the biogas with an iron chelate absorbent;
a regeneration step of injecting an iron chelate absorbent solution that has absorbed hydrogen sulfide discharged in the absorption step and regenerating the absorbent by supplying oxygen; and
An adsorption step of removing impurities from the processed gas from which hydrogen sulfide is removed in the absorption tower;
The iron chelate absorbent is an aqueous solution of Fe-EDTA,
The ratio of iron (FE) to EDTA of the iron chelate absorbent is 0.2 to 0.6: 1,
The absorption process is a hybrid ultra-clean acid gas separation method in which absorption and adsorption are linked, in which the absorbent and the gas are injected at a rate ratio (L / G, cc / L, Liquid flow rate / gas flow rate) of 100 to 500.
제10항에 있어서,
상기 흡착단계에서 배출되는 이산화탄소 및 메탄을 개질하고 연료를 생산할 수 있는 리포밍 단계 및 F-T(Fisher-Tropsch) 반응 단계를 더 포함하는, 흡수와 흡착이 연계된 하이브리드 초청정 산성가스 분리 방법.
According to claim 10,
A hybrid ultra-clean acid gas separation method in which absorption and adsorption are linked, further comprising a reforming step capable of reforming carbon dioxide and methane discharged in the adsorption step and producing fuel, and a Fisher-Tropsch (FT) reaction step.
제10항에 있어서,
상기 철 킬레이트 흡수제는 염기성 용액과 EDTA를 혼합한 후 Fe 용액을 혼합하여 제조하는 것인, 흡수와 흡착이 연계된 하이브리드 초청정 산성가스 분리 방법.
According to claim 10,
The iron chelate absorbent is prepared by mixing a basic solution and EDTA and then mixing an Fe solution, a hybrid ultra-clean acid gas separation method in which absorption and adsorption are linked.
제10항에 있어서,
상기 철 킬레이트 흡수제의 pH는 8 내지 10인, 흡수와 흡착이 연계된 하이브리드 초청정 산성가스 분리 방법.
According to claim 10,
The pH of the iron chelate absorbent is 8 to 10, a hybrid ultra-clean acid gas separation method in which absorption and adsorption are linked.
제10항에 있어서,
상기 철 킬레이트 흡수제는 0.05 mol/L 내지 0.09mol/L 농도인, 흡수와 흡착이 연계된 하이브리드 초청정 산성가스 분리 방법.
According to claim 10,
The iron chelate absorbent has a concentration of 0.05 mol / L to 0.09 mol / L, a hybrid ultra-clean acid gas separation method in which absorption and adsorption are linked.
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