WO2014204131A1 - 바이오 가스의 정제장치 및 그 제어방법 - Google Patents

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이교성
오광석
이근우
윤태범
연승현
민지홍
김기동
오영삼
최경식
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현대건설 주식회사
한국가스공사
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Definitions

  • the present invention relates to a purification apparatus for biogas and a control method thereof, and more particularly, to a biogas purification apparatus capable of actively responding to the temperature and methane concentration of biogas, thereby producing higher quality biomethane, and
  • the control method is related.
  • high concentration organic waste such as biomass waste, energy crops and sewage sludge produces biogas in anaerobic digesters.
  • the biomass waste includes food waste, livestock manure, slaughter waste and Palm Oil Mil Effluent (POME).
  • POME Palm Oil Mil Effluent
  • the main components of the biogas are methane and carbon dioxide, and a small amount of impurities such as ammonia, hydrogen, nitrogen, volatile organic compounds, and siloxane, including hydrogen sulfide (H 2 S).
  • methane (CH 4 ) is a combustible material and can be used as an energy source such as city gas or vehicle fuel. Therefore, there is increasing interest in the purification technology of biogas for removing impurities other than methane contained in the biogas.
  • the biogas purification technology removes impurities such as hydrogen sulfide (H 2 S), siloxane, moisture, and fine particles contained in the biogas, and uses high quality fuel having high methane (CH 4 ) content through CO 2 separation. It is a technology that converts and utilizes it as vehicle fuel and city gas.
  • the conventional biogas purification apparatus sets the reference methane concentration of the source gas, operates the purification apparatus only when the methane concentration is higher than the reference concentration, and does not operate the purification apparatus when the methane concentration is lower than the reference concentration. There is a problem of low productivity because the operation of the device is very limited.
  • the conventional biogas refining technology has a low recovery rate of methane during the production of biomethane, which increases the amount of methane released into the atmosphere. There is a problem.
  • Korean Patent Registration No. 10-0985911 discloses a biogas pretreatment system.
  • An object of the present invention is to improve the productivity and quality of biomethane irrespective of the methane concentration or temperature change of the incoming biogas, and can be recycled according to the concentration of biomethane produced to improve the methane recovery rate To provide a purification apparatus and a control method thereof.
  • the purification apparatus of a biogas includes a blower for supplying biogas from an anaerobic digester, a purifying module for purifying impurities contained in the biogas supplied from the blower, and a pressure from the biogas purified in the purifying module.
  • An adsorption module for separating biomethane using a pressure swing adsorption method, a concentration sensing module for sensing a concentration of at least one of the biogas flowing into the blower and the biomethane separated from the adsorption module;
  • the control module for recovering some or all of the biomethane and recycled to the blower.
  • the control method of the biogas purification apparatus includes a purification step of purifying biogas introduced from an anaerobic digester and an adsorption step of separating methane from the purified biogas using a pressure swing adsorption method. And a concentration measuring step of detecting at least one methane concentration of the biogas introduced from the anaerobic digester and the biomethane separated in the adsorption step, and when the methane concentration detected by the concentration detecting module is less than a predetermined concentration, the bio A control step of recovering some or all of the methane to join the biogas flowing from the anaerobic digester.
  • the biogas purification apparatus controls the operation of the adsorption module according to the methane concentration of the biogas flowing into the blower, and recovers and recycles the biomethane produced when the methane concentration is lower than the final production of the biomethane. Quality can be further improved.
  • the operating range of the purification apparatus can be extended, and thus the production of biomethane can be increased.
  • the quality of biomethane can be further improved.
  • the recovery rate of the biomethane can be improved.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an apparatus for purifying biogas according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a control flow of the biogas purification apparatus shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a graph showing a cycle time change of the adsorption module according to the methane concentration of the biogas in the purification apparatus shown in FIG. 1.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a control method of a biogas purification apparatus according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic configuration diagram of an apparatus for purifying biogas according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a configuration diagram of the dryer shown in FIG. 5.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating a method for purifying biogas according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an apparatus for purifying biogas according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a control flow of the biogas purification apparatus shown in FIG. 1.
  • the biogas purification apparatus according to the first embodiment of the present invention, anaerobic digestion tank 2, blower 10, purification module 20, adsorption module 40, concentration detection
  • the module 61, the temperature sensing module 62, the cooler 30, and the control module 50 are included.
  • the anaerobic digester 2 is a tank used for treating high concentration organic waste such as biomass waste, energy crops and sewage sludge.
  • the anaerobic digester 2 ferments the organic waste to produce biogas containing methane, carbon dioxide, hydrogen sulfide, siloxane and the like.
  • the blower 10 is a device for supplying the gas produced in the anaerobic digester 2 to the purification module 20.
  • the purification module 20 purifies impurities such as water, hydrogen sulfide, and siloxane contained in the biogas supplied by the blower 10.
  • the purification module 20 includes, for example, a desulfurization tower 21, a compressor 22, and a filter 23, but is not limited thereto, and further includes a water remover for removing moisture from the biogas. It may include.
  • the desulfurization tower 21 removes hydrogen sulfide (H 2 S) contained in the biogas.
  • the compressor 22 boosts the biogas from which the hydrogen sulfide component has been removed.
  • the filter 23 may receive the biogas boosted by the compressor 22 and remove impurities such as fine dust included in the biogas.
  • the adsorption module 40 is also called an adsorption tower, and may be composed of a plurality of adsorption towers.
  • the adsorption module 40 is a pressure swing adsorption (PSA) module is used.
  • PSA pressure swing adsorption
  • the pressure swing adsorption module is used to separate or purify a gas by separating or removing a specific component from a gas mixture through pressure fluctuation.
  • CMS carbon molecular sieve
  • the pressure in the adsorption bed is regenerated to remove the adsorbed components. That is, the pressure swing adsorption module performs the pressure, production, pressure reduction and regeneration steps.
  • the carbon dioxide is adsorbed in the adsorption module 40, the biomethane from which carbon dioxide is removed can be produced.
  • FIG. 3 is a graph showing a cycle time change of the adsorption module according to the methane concentration of the biogas in the purification apparatus shown in FIG. 1.
  • the pressure swing adsorption method includes a pressurization step, a production step, a depressurization step, and a regeneration step, and the adsorption module 40 repeats a series of processes including the four steps. Can be obtained continuously.
  • the time taken for one adsorption tower of the adsorption module 40 to go through one of the pressurization step, the production step, the decompression step, and the regeneration step is called swing time. Is completed, and the time taken to go through the four steps is called a cycle time.
  • the control module described later controls the swing time of the adsorption module 40 according to the methane concentration detected by the concentration sensing module 61 described later. If the swing time is adjusted, the cycle time is also adjusted.
  • the concentration detection module 61 is a sensor for measuring the methane concentration of the biogas flowing into the blower 10.
  • the concentration sensing module 61 is installed on a supply flow path connecting the anaerobic digester 2 and the blower 10.
  • the temperature sensing module 62 measures the temperature of the biogas supplied from the anaerobic digester 2.
  • the temperature sensing module 62 is installed on a supply flow path connecting the anaerobic digester 2 and the blower 10.
  • the cooler 30 is provided in the purification module 20 to cool the biogas.
  • the cooler 30 may include a first cooler 31 for cooling the biogas before flowing into the desulfurization tower 21 and a second cooler 32 for cooling the biogas from the compressor 22. Include.
  • the first cooler 31 is a cooler that cools the biogas by exchanging the biogas and a cooling fluid, and the second cooler 32 is a chiller different from the first cooler 31. Is used as an example. Since the compression of the gas is generated while passing through the blower 10 and the compressor 22, and the temperature of the biogas is increased, the cooler 30 is formed at each rear end of the blower 10 and the compressor 22. It is provided.
  • a second cooler 32 provided at the rear end of the compressor 22 is provided at the rear end of the blower 10.
  • the cooling performance is set to be better than that of the first cooler 31 being. Therefore, a chiller is used as the second cooler 32 and a cooler is used as the first cooler 31.
  • control module 50 The control module 50, the adsorption module 40, the first cooler 31 and the second cooler 32 according to the values detected by the concentration detection module 61 and the temperature detection module 62. Control the operation of
  • the control module 50 recovers at least some of the biomethane separated from the adsorption module 40 and recycles it to the blower. In addition, the control module 50 reduces the swing time or cycle time of the adsorption module 40 when the methane concentration sensed by the concentration detection module 61 is less than a predetermined concentration.
  • the set concentration means the concentration of methane in the biogas introduced from the anaerobic digester (2), it will be described as an example of about 40 ⁇ 60 vol%.
  • control module 50 selectively operates at least one of the first cooler 31 and the second cooler 32 according to the temperature sensed by the temperature sensing module 62.
  • the concentration sensing module 61 and the temperature sensing module 62 measure the methane concentration of the biogas and the temperature of the biogas, respectively (S2).
  • Variation in the purification performance of biogas is severe depending on the atmospheric temperature, and in particular, the purification performance is deteriorated in summer. Therefore, by measuring the temperature change of the biogas, it is possible to adjust the operating conditions of the purification apparatus according to the temperature of the biogas.
  • the control module 50 compares the temperature of the biogas with a preset first preset temperature (S3).
  • control module 50 operates both the first cooler 31 and the second cooler 32 (S4).
  • the biogas introduced by the blower 10 is cooled while passing through the first cooler 31.
  • the biogas cooled in the first cooler 31 is supplied to the desulfurization tower 21 to remove hydrogen sulfide components from the desulfurization tower 21.
  • Desulfurization performance is lowered as the temperature of the biogas flowing into the desulfurization tower 21 is higher.
  • the desulfurization performance may be further improved.
  • the biogas from which the hydrogen sulfide component is removed from the desulfurization tower 21 is compressed by the compressor 22.
  • the biogas is compressed while passing through the compressor 22, and the temperature is increased.
  • the biogas compressed by the compressor 22 is cooled while passing through the second cooler 32.
  • the biogas cooled in the second cooler 32 passes through the filter 33, and the remaining impurities are removed. (S8) In the filter 33, if the temperature of the incoming biogas is high, the filter performance may decrease. have. In the present embodiment, since the biogas is cooled in the second cooler 32 and then flows into the filter 33, deterioration of the filter performance can be prevented.
  • control module 50 compares the methane concentration of the biogas detected by the concentration detection module 61 with a predetermined set concentration (S9).
  • FIG. 3A illustrates a cycle time when the methane concentration of the biogas is high
  • FIG. 3B illustrates a cycle time when the methane concentration of the biogas is low.
  • the cycle time of the adsorption module 40 is reduced. Reducing the cycle time corresponds to reducing the swing time corresponding to the pressurization, production, decompression, and regeneration steps, respectively.
  • the time to stay in the carbon molecular adsorbent (CMS) in the adsorption module 40 depends on the size of the molecule. For example, since the size of the molecule is smaller than that of carbon dioxide (CO2) in the case of methane (CH4), the time to pass through the carbon molecular adsorbent is faster than the carbon dioxide.
  • the methane concentration of the biogas introduced from the anaerobic digester 2 is less than the set concentration, at least some of the generated biomethane is recycled.
  • at least a part of the generated biomethane is circulated to the inlet side of the blower 10.
  • the present invention is not limited thereto, and at least some of the generated biomethane may be circulated between the blower 10 and the purification module 20 or to the suction side of the purification module 10.
  • the incoming biogas and the biomethane may be mixed to improve the methane concentration. Therefore, the quality of biomethane generated after passing through the purification module 20 may be further improved.
  • the methane concentration of the biogas sensed by the concentration detection module 61 is greater than or equal to the set concentration, it operates without changing the cycle time of the adsorption module 40.
  • the biomethane produced by the adsorption module 40 may be discharged and used as city gas or vehicle fuel without circulating. At this time, the final produced biomethane has a methane concentration of about 95% or more.
  • the control module 50 sets the temperature of the biogas to a second set temperature lower than the first set temperature.
  • the control module 50 stops the operation of the first cooler 31 and the second cooler 32. In this case, since the cooling performance of the second cooler 32 is better than that of the first cooler 31, only the second cooler 32 is operated to biogas. Can lower the temperature.
  • the control module 50 determines that it is an appropriate temperature range that can sufficiently secure the purification performance of the biogas. Can be. Therefore, the control module 50 may turn off both the first and second coolers 31 and 32. (S14)
  • the biogas supplied by the blower 10 may be introduced into the adsorption module 40 after desulfurization, compression, and purification without additional cooling.
  • the quality of the final produced biomethane can be further improved.
  • the operating range was very limited to operate the purification apparatus only when the first inflow of methane content was about 50% or more.
  • biomethane when the content of methane first introduced is low, biomethane can be recovered and recycled to produce high-quality biomethane, thereby increasing the operating range of the purification apparatus.
  • the yield of biomethane be increased, but the quality of biomethane can be further improved.
  • the purification performance can be improved to increase the production of biomethane, and the quality of the biomethane can be further improved.
  • Figure 5 is a schematic configuration diagram of a biogas purification apparatus according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a configuration diagram of the dryer shown in FIG. 5.
  • 7 is a flowchart illustrating a method for purifying biogas according to a second embodiment of the present invention.
  • the purification apparatus of the biogas according to the second embodiment of the present invention the supply tank 101, the purification module (A), the adsorption module 110, the first return unit 120, the second The return unit 130, the third return unit 140, the concentration sensing module and the control module 150 are included.
  • At least one of the first return unit 120, the second return unit 130, and the third return unit 140 may be selectively installed. In this embodiment, all of the first return unit 120, the second return unit 130, and the third return unit 140 are installed.
  • the supply tank 101 is a tank for storing biogas and corresponds to an anaerobic digestion tank.
  • the supply tank 101 supplies the biogas stored through the supply line 101a to the refining module A to be described later.
  • the purification module A includes a blower 102, a desulfurization tower 103, a low compressor 104, a dryer 105, and a siloxane removal tower 106.
  • the biogas supplied through the supply line 101a sequentially passes through the blower 102, the desulfurization tower 103, the low compressor 104, the dryer 105, and the siloxane removal tower 106. The processing according to the process is executed.
  • the blower 102 is installed so that the biogas has a certain pressure required in the process.
  • the desulfurization tower 103 is a device for removing hydrogen sulfide, and typically, either a wet desulfurization device or a dry desulfurization device is used.
  • the wet desulfurization apparatus uses a chemical reaction such as a neutralization reaction or an oxidation reaction by contacting a biogas and a chemical liquid, and a method of chemically absorbing sulfur components by contacting the biogas with a chemical liquid such as potassium carbonate or sodium hydroxide, which is an alkaline chemical.
  • the main process is a method of physically absorbing sulfur components in polyethylene glycol, methanol, water and the like.
  • the dry desulfurization apparatus employs a method of adsorbing and removing the sulfur component by chemical treatment of the surface of the solid adsorbent, and removes the sulfur component by adsorbent such as activated carbon, silica gel, and zeolite.
  • the wet desulfurization apparatus has a large amount of gas treatment, low concentration carbon dioxide maintenance, fast reaction speed, adjustable processing efficiency, such as the remaining surface, a large amount of processing required, the need for secondary treatment according to waste water generation, performance degradation and long-term operation and Excessive cost of chemical treatment, easy decomposition of hydrogen sulfide (Na 2 S), a new compound during chemical reaction, easy reduction to hydrogen sulfide, re-heating the treatment gas and the disadvantages.
  • the dry desulfurization apparatus has a good removal efficiency of hydrogen sulfide, easy operation, easy to desulfurization of small and medium capacity, there is no waste water generation, while there are various advantages such as tar, moisture, other than sulfur components
  • the adsorption also shortens the lifetime of the adsorbent, and in order to prolong the lifetime of the adsorbent, pretreatment facilities are not only necessary, but also difficult to treat in large quantities.
  • the dry desulfurization apparatus is difficult to maintain due to excessive replacement cost of the adsorbent when the concentration of hydrogen sulfide in the biogas is high. Therefore, the desulfurization tower 103 may select and install any one of a wet desulfurization apparatus or a dry desulfurization apparatus according to the overall determination of the processing capacity and the size and cost of the entire system.
  • the low pressure compressor 104 uses a reciprocating compressor, a rotary vane compressor, or the like to form operating pressure conditions for removing biogas by absorption or adsorption, wherein the pressure is approximately 3 bar to 7 bar.
  • the reciprocating compressor is used under the condition that the hydrogen sulfide (H 2 S) content in the biogas is 10ppm or less
  • the rotary vane compressor is used under the condition that the hydrogen sulfide in the biogas is 10ppm or more.
  • the biogas compression is configured to be able to variously select the compressor according to the biogas characteristics and biogas processing capacity is configured to operate according to on-site operating conditions.
  • the dryer 105 applies a gas separation technique for selectively separating characteristic components in a mixed gas by using a difference in adsorption equilibrium caused by pressure circulation in the system in a system consisting of an adsorbent and a mixed gas. It is a drying device.
  • the gravel layer 161, the first drying agent 162, the second drying agent 163, and the gravel layer 161 are sequentially stacked in the dryer 105.
  • the first desiccant 162 is composed of activated alumina, etc. having a relatively high moisture absorption rate
  • the second desiccant 163 preferably includes a zeolite-based component having a relatively low moisture absorption rate.
  • the biogas flowing from the low pressure compressor 104 is dried by dehumidifying while sequentially passing through the gravel layer 161, the first desiccant 162, the second desiccant 62, and the gravel layer 161. After the process is completed, it is configured to send to the siloxane removal column 106 to be described later.
  • the siloxane removal tower 106 is a device for removing siloxane (Siloxane) that causes clogging of the heat exchanger and wear of the gas engine parts, and removes the siloxane contained in the biogas sent from the dryer 105. .
  • the method for removing the siloxane generally uses the following three methods.
  • the first method is to cool and condense the biogas flowing from the dryer 105 to about -25 ° C, and to remove the low temperature cooling siloxane in which the siloxane in the biogas is included in the condensed water and the second method to remove the biogas to about -70 ° C Ultra-cold-cooled siloxane removal method for removing siloxane in the rapid cooling and rapid condensation process, and third method for removing siloxane by solvent washing by adsorption of siloxane in the biogas to the solvent polyethylene glycol (Polyethylene Glycol);
  • the fourth method is a siloxane removal method using adsorption with activated carbon.
  • the adsorption module 110 is installed so that the biogas sent from the siloxane removal tower 106 is introduced.
  • the adsorption module 110 includes a plurality of adsorption towers as pressure swing adsorption units and is controlled by the control module 150.
  • the number of the adsorption towers may be two towers, four towers, eight towers or more.
  • Each of the adsorption tower is filled with a plurality of valves and an adsorbent for carbon dioxide adsorption, so that the carbon dioxide in the incoming biogas is adsorbed and separated from the adsorbent. That is, the supplied biogas is separated into carbon dioxide by an adsorbent, and methane is produced as high purity biomethane having 95% or more of the total gas.
  • the produced biomethane is configured to be sent to the biomethane storage tank 107 through the first discharge pipe 111.
  • the adsorption module 110 is a pressurization process for receiving and supplying biogas, a production process for separating carbon dioxide through pressurized biogas to produce biomethane, and a vent for exhausting residual gas including carbon dioxide (VENT).
  • Process and a purge process for releasing part of the circulation flow intermittently or continuously to the outside in order to prevent accumulation of unnecessary components in the circulation gas when circulating the gas in the entire process of the adsorption module 110. To control.
  • the remaining gas including carbon dioxide adsorbed to the adsorbent is discharged into the atmosphere through the second discharge pipe 112.
  • the gas discharged to the outside in the purge process is called a purge gas
  • the purge gas is discharged to the atmosphere through the third discharge pipe (113).
  • the biomethane discharged to the first discharge pipe 111 for a predetermined time from the start of the drive of the adsorption module 110, the first to return to the supply line 101a directly through the first return line 121 to be described later On-off valve 123 is controlled.
  • the adsorption module 110 may improve the methane recovery rate by returning the produced biomethane to the supply line 101a for a period of about 5 to 15 minutes, preferably 10 minutes after the initial operation. Can be.
  • the first return unit 120 includes a first return line 121 and a first open / close valve 123.
  • One end of the first return line 121 is connected to the first discharge pipe 111 and the other end is installed to be connected to the supply line 101a.
  • the first open / close valve 123 is opened and closed by the control module 150.
  • the first opening / closing valve 123 is a 3-way valve installed at a portion connecting the first discharge pipe 111 and the first return line 121, and the biomethane discharged to the first discharge pipe 111.
  • the opening and closing control is performed to selectively return to the supply line 101a through the first return line 121.
  • the control module 150 selectively opens and closes the first opening / closing valve 123 by comparing the methane concentration, which is a value measured by the first sensing unit 122, to be described later with a preset first reference concentration.
  • the first reference concentration is 95% of the methane concentration of biomethane, when the methane concentration of the produced biomethane is less than 95%, open the first opening and closing valve 123 to return to the supply line (101a) If the methane concentration is greater than or equal to 95%, the biomethane closes the first opening / closing valve 123 to move to the biomethane storage tank 107.
  • the control module 150 supplies the biomethane discharged to the first discharge pipe 111 through the first return line 121 through the first return line 121 until approximately 10 minutes when the adsorption module 110 is initially driven.
  • the first opening / closing valve 123 is controlled to return to ().
  • the yield of the product is improved.
  • the biomethane of less than 95% of the first reference concentration is returned to the supply line (101a), it is possible to improve the recovery rate of methane unlike the disposal of biomethane that does not meet the conventional production standards.
  • the biomethane stored in the biomethane storage tank 107 may be injected into a vehicle fuel in a compressed state through a predetermined high pressure compressor or may be supplied to the city gas pipe network by lowering the pressure.
  • the second return unit 130 includes a second return line 131 and a second open / close valve 133.
  • the second return line 131 is one end is connected to the second discharge pipe 112, the other end is installed to be connected to the supply line (101a).
  • the second open / close valve 133 is controlled to be opened and closed by the control module 150.
  • the second opening / closing valve 133 is a 3-way valve same as the first opening / closing valve 123, and the remaining gas including carbon dioxide discharged to the second discharge pipe 112 is connected to the second return line 131. Controlled by the control module 150 to selectively return to the supply line (101a) through.
  • the control module 150 compares the methane concentration, which is a value measured by the second sensing unit 132, to be described later with a preset second reference concentration, and selectively opens and closes the second opening / closing valve 133.
  • the second reference concentration is approximately 50% methane concentration, and can be changed as necessary. If the methane concentration of the remaining gas discharged to the second discharge pipe 112 is greater than or equal to 50%, the control module 150 supplies the remaining gas including the corresponding carbon dioxide through the second opening / closing valve 133 through the supply line ( 101a), and if the methane concentration of the residual gas is less than 50%, the residual gas is controlled to be discharged into the atmosphere through the second opening / closing valve 133.
  • the third return unit 140 includes a third return line 141 and a third open / close valve 143.
  • One end of the third return line 141 is connected to the third discharge pipe 113, and the other end is connected to the supply line 101a.
  • the third open / close valve 143 is opened and closed by the control module 150.
  • the third open / close valve 143 is a 3-way valve such as the first and second open / close valves 123 and 133, and the purge gas discharged to the third discharge pipe 113 receives the third return line 141. Control by the control module 150 to return to the supply line (101a) optionally.
  • the control module 150 selectively opens and controls the third open / close valve 143 by comparing the methane concentration, which is a value measured by the third sensing unit 142, to be set in advance with a third reference concentration.
  • the third reference concentration is set in advance like the first and second reference concentrations.
  • the control module 150 may supply the purge gas through the third opening / closing valve 143 when the methane concentration of the purge gas discharged to the third discharge pipe 113 is greater than or equal to the third reference concentration. 101a), and if the methane concentration of the purge gas is less than the third reference concentration, the purge gas is controlled to be discharged to the atmosphere through the third opening / closing valve 143.
  • the recovery rate of methane can be improved.
  • the purge gas discharged into the atmosphere is significantly reduced compared to the conventional, it is possible to minimize the pollutants released into the atmosphere.
  • the concentration sensing module includes a first sensing unit 122, a second sensing unit 132, and a third sensing unit.
  • the first sensing unit 122 is installed to measure the methane concentration of biomethane discharged to the first discharge pipe 111.
  • the second sensing unit 132 is installed to measure the methane concentration of the remaining gas including carbon dioxide discharged to the second discharge pipe 112.
  • the third sensing unit 142 is installed to measure the methane concentration of the purge gas discharged to the third discharge pipe 113.
  • the biogas purification method according to the second embodiment of the present invention includes a purification step, an adsorption step, and a return step.
  • the biogas is supplied from the supply tank 101 to the blower 102 through the supply line 101a (S110), and the blower 102 sets a biogas to be supplied in advance.
  • the biogas having a predetermined pressure is transferred to the purification module (A).
  • the moved biogas passes through the desulfurization tower 103, the low pressure compressor 104, the dryer 104, and the siloxane removal tower 106 of the purification module A in order to remove hydrogen sulfide and siloxane of the biogas ( S120), and sent to the adsorption module 110.
  • the adsorption step may include a pressurization step of receiving and pressurizing the biogas supplied from the purification module A in the adsorption module 110, a production process of separating carbon dioxide through pressurized biogas to produce biomethane, and carbon dioxide. Venting step of exhausting the remaining gas, and a portion of the circulation flow intermittently or continuously to the outside to prevent the accumulation of unnecessary components of the biogas, which is the circulation flow when the gas is circulated in the entire process of the adsorption module 110 The purge process is discharged sequentially.
  • the remaining gas including carbon dioxide adsorbed on the adsorbent is discharged to the second discharge pipe 112.
  • the gas discharged to the outside in the purge process is called a purge gas, and the purge gas is discharged through the third discharge pipe 113.
  • the returning step allows the gas discharged to each of the discharge pipes to be selectively returned to the supply line 101a or discharged to the atmosphere.
  • the first return unit 120 returns the biomethane to the supply line 101a when the methane concentration of the biomethane discharged to the first discharge pipe 111 is smaller than 95% of the first reference concentration previously set. If it is greater than 95% and controls to move to the biomethane storage tank 107. (S141)
  • the biomethane transferred to the biomethane storage tank 107 includes 95% or more of methane and is provided as fuel for vehicle injection in a compressed state through a predetermined high pressure compressor.
  • the methane recovery process by the first return unit 120 is a method of recovering methane in a state immediately before being shipped as a product, that is, substantially in a product state because the produced biomethane is a target.
  • the biomethane produced from the first operation of the adsorption module 110 until the system is stabilized is produced biomethane having a methane concentration that does not satisfy the good level of 95%. Therefore, by controlling the return of the biogas produced during the time (approximately 10 minutes) from the initial driving start of the adsorption module 110 to the stabilization of the entire system to the supply line 101a, the methane recovery rate can be improved. have.
  • the second return unit 130 measures the methane concentration of the residual gas including carbon dioxide discharged to the second discharge pipe 112 through the second sensing unit 132, and measures the second opening / closing valve 133. If the measured value is greater than or equal to the preset second reference concentration, it is returned to the supply line 101a, and if the measured value is less than the second reference concentration, it is controlled to be discharged to the atmosphere (S151).
  • the methane recovery process by the second return unit 130 is a residual gas including carbon dioxide separated by adsorption in each adsorption column, a plurality of adsorption towers are sequentially executed during operation to recover methane.
  • the methane concentration of the purge gas discharged to the third discharge pipe 113 is measured through the third sensing unit 143 and measured through the third open / close valve 143. If the third reference concentration is greater than or equal to the preset reference concentration to return to the supply line (101a), and if the measured value is less than the third reference concentration is controlled to discharge to the atmosphere (S161)
  • the third return unit 140 As shown in the second return unit 130, a plurality of adsorption towers are sequentially executed during operation to recover methane.
  • the methane recovery rate is improved, high-quality biomethane Can secure production.

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Abstract

본 발명에 따른 바이오가스의 정제장치는, 블로워로 유입되는 바이오 가스의 메탄 농도에 따라 흡착모듈의 작동을 제어하고, 메탄 농도 미달시 생성된 바이오 메탄을 회수하여 재순환시킴으로써, 최종 생산된 바이오 메탄의 품질이 보다 향상될 수 있다. 또한, 블로워로 유입되는 바이오 가스의 온도에 따라 냉각기의 작동을 제어함으로써, 대기 온도나 바이오 가스의 온도 변화에 따른 정제 성능의 저하가 방지될 수 있으므로, 정제 성능이 향상되어 바이오 메탄의 생산량이 증가될 수 있고, 바이오 메탄의 품질도 보다 향상될 수 있다. 또한, 생산된 바이오 메탄의 메탄 농도에 따라 바이오 메탄을 회수하여 재순환시킴으로써, 바이오 메탄의 회수율이 향상될 수 있다. 또한, 흡착모듈에서 대기중으로 방출시켜 폐기하는 잔존 가스 또는 퍼지 가스의 메탄 농도를 측정하여, 메탄 농도에 따라 잔존 가스 또는 퍼지 가스를 회수하여 재순환시킴으로써, 메탄 회수율을 극대화시킬 수 있다.

Description

바이오 가스의 정제장치 및 그 제어방법
본 발명은 바이오 가스의 정제장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 바이오 가스의 온도 및 메탄 농도에 능동적으로 대응이 가능하여, 보다 고품질의 바이오 메탄을 생산할 수 있는 바이오 가스의 정제장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 바이오매스 폐기물, 에너지 작물 및 하수 슬러지 등의 고농도 유기성 폐기물은 혐기성 소화조 등에서 바이오 가스를 생산한다. 상기 바이오매스 폐기물은 음식물 쓰레기, 가축분뇨, 도축 폐기물 및 POME(Palm Oil Mil Effluent) 등을 포함한다. 상기 바이오 가스의 주성분은 메탄과 이산화탄소이며, 황화수소(H2S)를 비롯한 암모니아, 수소, 질소, 휘발성 유기화합물 및 실록산 등의 불순물이 미량 포함되어 있다. 상기 바이오 가스 중에서 메탄(CH4)은 가연성 물질로 도시가스나 차량 연료 등의 에너지원으로 사용이 가능하다. 따라서, 상기 바이오 가스 중에 포함된 메탄 이외의 불순 물질을 제거하기 위한 바이오 가스의 정제기술에 대한 관심이 증가되고 있다. 상기 바이오 가스의 정제기술은, 상기 바이오 가스에 함유된 황화수소(H2S), 실록산, 수분, 미세입자 등 불순물을 제거하고, CO2분리를 통해 메탄(CH4)함량이 높은 고품질의 연료로 전환하여 차량 연료 및 도시가스로 활용하는 기술이다.
그러나, 종래의 바이오가스 정제장치는, 원료가스의 기준 메탄 농도를 설정하고, 메탄농도가 기준 농도 이상일 경우에만 정제장치를 운전하고, 메탄농도가 기준 농도 미만일 경우 정제장치를 가동하지 않기 때문에, 정제장치의 운전이 매우 제한적이기 때문에 생산성이 낮은 문제점이 있다.
또한, 대기 온도에 따라 바이오 가스의 정제성능의 변동이 심한 문제점이 있다. 특히, 하절기에는 정제 성능이 매우 저하되어, 생산성이 저하되고 바이오 메탄의 품질기준을 만족하지 못하는 문제점이 있다.
또한, 종래의 바이오가스 정제기술은 바이오 메탄 생산시 메탄의 회수율이 낮아 대기중으로 방출하는 메탄량이 많아지고, 결과적으로 바이오가스 정제사업의 경제성이 낮아지고 대기중으로 온실가스를 배출하여 지구 온난화를 야기하는 문제점이 있다.
한국등록특허 10-0985911호에서는 바이오가스 전처리 시스템에 대해 개시하고 있다.
본 발명의 목적은, 유입되는 바이오 가스의 메탄 농도나 온도 변화에 관계없이 바이오 메탄의 생산성 및 품질을 향상시킬 수 있고, 생산된 바이오 메탄의 농도에 따라 재순환시켜 메탄 회수율을 향상시킬 수 있는 바이오 가스의 정제장치 및 그 제어방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 바이오 가스의 정제장치는, 혐기성 소화조로부터 바이오 가스를 공급하는 블로워와, 상기 블로워로부터 공급된 바이오 가스에 포함된 불순물을 정제하는 정제모듈과, 상기 정제모듈에서 정제된 바이오 가스로부터 압력변동흡착(Pressure Swing Adsorption)방식을 이용해 바이오 메탄을 분리하는 흡착모듈과, 상기 블로워로 유입되는 바이오 가스와 상기 흡착모듈에서 분리된 바이오 메탄 중 적어도 하나의 메탄 농도를 감지하는 농도 감지모듈과, 상기 농도 감지모듈에서 감지된 메탄 농도가 설정농도 미만인 경우, 상기 바이오 메탄 중 일부 또는 전체를 회수하여 상기 블로워로 재순환시키는 제어모듈을 포함한다.
본 발명에 따른 바이오 가스의 정제장치의 제어방법은, 혐기성 소화조로부터 유입되는 바이오 가스를 정제하는 정제단계와, 정제된 바이오 가스로부터 압력변동흡착(Pressure Swing Adsorption)방식을 이용해 메탄을 분리하는 흡착단계와, 상기 혐기성 소화조로부터 유입되는 바이오 가스와 상기 흡착단계에서 분리된 바이오 메탄 중 적어도 하나의 메탄 농도를 감지하는 농도측정단계와, 상기 농도 감지모듈에서 감지된 메탄 농도가 설정농도 미만인 경우, 상기 바이오 메탄 중 일부 또는 전체를 회수하여 상기 혐기성 소화조로부터 유입되는 바이오 가스에 합류시키는 제어단계를 포함한다.
본 발명에 따른 바이오가스의 정제장치는, 블로워로 유입되는 바이오 가스의 메탄 농도에 따라 흡착모듈의 작동을 제어하고, 메탄 농도 미달시 생성된 바이오 메탄을 회수하여 재순환시킴으로써, 최종 생산된 바이오 메탄의 품질이 보다 향상될 수 있다.
또한, 최초 유입되는 메탄 함유량이 낮은 경우, 바이오 메탄을 회수하여 재순환시켜 고품질의 바이오 메탄의 생산이 가능하기 때문에, 정제장치의 운전 범위가 확대될 수 있으므로, 바이오 메탄의 생산량이 증가될 수 있을 뿐만 아니라 바이오 메탄의 품질도 보다 향상될 수 있다.
또한, 블로워로 유입되는 바이오 가스의 온도에 따라 냉각기의 작동을 제어함으로써, 대기 온도나 바이오 가스의 온도 변화에 따른 정제 성능의 저하가 방지될 수 있으므로, 정제 성능이 향상되어 바이오 메탄의 생산량이 증가될 수 있고, 바이오 메탄의 품질도 보다 향상될 수 있다.
또한, 생산된 바이오 메탄의 메탄 농도에 따라 바이오 메탄을 회수하여 재순환시킴으로써, 바이오 메탄의 회수율이 향상될 수 있다.
또한, 흡착모듈에서 대기중으로 방출시켜 폐기하는 잔존 가스 또는 퍼지 가스의 메탄 농도를 측정하여, 메탄 농도에 따라 잔존 가스 또는 퍼지 가스를 회수하여 재순환시킴으로써, 메탄 회수율을 극대화시킬 수 있다.
또한, 흡착모듈의 구동 시작부터 일정시간동안 생산되는 기준치 이하의 바이오 메탄을 리턴시킴으로써, 최초 구동시 일정 기준을 만족하지 못하는 바이오 메탄을 회수하여, 고품질의 바이오 메탄을 생산할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 바이오 가스의 정제장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 바이오 가스의 정제장치의 제어흐름이 도시된 블록도이다.
도 3은 도 1에 도시된 정제장치에서, 바이오 가스의 메탄 농도에 따른 흡착모듈의 사이클 타임 변화가 도시된 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 바이오 가스의 정제장치의 제어방법이 도시된 순서도이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 바이오 가스의 정제장치의 개략적인 구성도이다.
도 6은 도 5에 도시된 건조기의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 바이오 가스의 정제방법의 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 바이오 가스의 정제장치에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 바이오 가스의 정제장치의 개략적인 구성도이다. 도 2는 도 1에 도시된 바이오 가스의 정제장치의 제어흐름이 도시된 블록도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 바이오 가스의 정제장치는, 혐기성 소화조(2), 블로워(10), 정제모듈(20), 흡착모듈(40), 농도 감지모듈(61), 온도 감지모듈(62), 냉각기(30) 및 제어모듈(50)을 포함한다.
상기 혐기성 소화조(2)는, 바이오매스 폐기물, 에너지 작물 및 하수 슬러지 등의 고농도 유기성 폐기물을 처리하는 데 사용되는 탱크이다. 상기 혐기성 소화조(2)는, 상기 유기성 폐기물을 발효시켜 메탄, 이산화탄소, 황화수소 및 실록산 등을 포함하는 바이오 가스(Bio gas)를 생산한다.
상기 블로워(10)는, 상기 혐기성 소화조(2)에서 생산된 가스를 상기 정제모듈(20)로 공급하는 장치이다.
상기 정제모듈(20)은, 상기 블로워(10)에 의해 공급된 바이오 가스에 포함된 수분, 황화수소 및 실록산 등의 불순물을 정제한다. 상기 정제모듈(20)은, 탈황탑(21), 압축기(22) 및 필터(23)를 포함하는 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고 상기 바이오 가스의 수분을 제거하는 수분 제거기 등을 더 포함할 수 있다.
상기 탈황탑(21)은, 상기 바이오 가스에 포함된 황화수소(H2S)를 제거한다.
상기 압축기(22)는, 황화수소 성분이 제거된 바이오 가스를 승압시킨다.
상기 필터(23)는, 상기 압축기(22)에서 승압된 바이오 가스를 공급받아, 상기 바이오 가스에 포함된 미세 분진 등 불순물을 제거할 수 있다.
상기 흡착모듈(40)은 흡착탑이라고도 하며, 복수의 흡착탑들로 구성될 수 있다. 상기 흡착모듈(40)은, 압력변동흡착(PSA,Pressure Swing Absorption)모듈이 사용된다. 상기 압력변동흡착모듈은, 압력변동을 통해 기체 혼합물로부터 특정 성분을 분리하거나 혹은 제거시켜 기체를 분리, 정제하는 데 사용되는 방법이 이용된다. 탄소분자흡착체(CMS, Carbon Molecular Sieve)로 채워진 흡착베드를 혼합기체가 고압상태로 통과하면서 선택도가 높은 성분들이 우선 흡착하게 되고, 나머지 성분들은 흡착베드 밖으로 배출된다. 흡착된 성분들을 제거하기 위해 흡착베드내의 압력을 떨어뜨려 재생하게 된다. 즉, 상기 압력변동흡착모듈은 가압, 생산, 감압 및 재생 단계를 수행하게 된다. 본 실시예에서는, 상기 흡착모듈(40)에서 이산화탄소가 흡착되어, 이산화탄소가 제거된 바이오 메탄이 생산될 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 정제장치에서, 바이오 가스의 메탄 농도에 따른 흡착모듈의 사이클 타임 변화가 도시된 그래프이다.
도 3을 참조하면, 상기 압력변동흡착방법은, 가압 단계, 생산 단계, 감압 단계 및 재생 단계를 포함하고, 상기 흡착모듈(40)은 상기 4개의 단계를 포함하는 일련의 공정을 반복하면서 생성물을 연속적으로 얻을 수 있다. 상기 흡착모듈(40) 중 1개의 흡착탑이 상기 가압 단계, 생산 단계, 감압 단계 및 재생 단계 중 하나의 단계를 거치는 데 걸리는 시간을 스윙 타임(Swing time)이라고 하며, 상기 4개의 단계를 거치면 1사이클이 완료되고, 상기 4개의 단계를 거치는 데 걸리는 시간을 사이클 타임(Cycle time)이라고 한다. 후술하는 제어모듈은, 후술하는 농도 감지모듈(61)에서 감지된 메탄 농도에 따라 상기 흡착모듈(40)의 스윙 타임을 조절한다. 상기 스윙 타임이 조절되면 상기 사이클 타임도 조절된다.
상기 농도 감지모듈(61)은, 상기 블로워(10)로 유입되는 상기 바이오 가스의 메탄 농도를 측정하는 센서이다. 상기 농도 감지모듈(61)은, 상기 혐기성 소화조(2)와 상기 블로워(10)를 연결하는 공급유로상에 설치된다.
상기 온도 감지모듈(62)은, 상기 혐기성 소화조(2)에서 공급되는 상기 바이오 가스의 온도를 측정한다. 상기 온도 감지모듈(62)은, 상기 혐기성 소화조(2)와 상기 블로워(10)를 연결하는 공급유로상에 설치된다.
상기 냉각기(30)는, 상기 정제모듈(20)에 구비되어 상기 바이오 가스를 냉각시킨다. 상기 냉각기(30)는, 상기 탈황탑(21)로 유입되기 이전의 바이오 가스를 냉각하는 제1냉각기(31)와, 상기 압축기(22)에서 나온 바이오 가스를 냉각하는 제2냉각기(32)를 포함한다. 상기 제1냉각기(31)는 상기 바이오 가스와 냉각용 유체를 열교환시켜 상기 바이오 가스를 냉각시키는 쿨러(cooler)이고, 상기 제2냉각기(32)는 상기 제1냉각기(31)와 다른 칠러(chiller)가 사용되는 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 블로워(10)와 상기 압축기(22)를 통과하면서 기체의 압축이 발생되어, 바이오 가스의 온도가 상승하게 되므로, 상기 블로워(10)와 상기 압축기(22)의 각 후단에 상기 냉각기(30)를 구비한다. 상기 압축기(22)에서 발생되는 열이 상기 블로워(10)에서 발생되는 열보다 더 크므로, 상기 압축기(22)의 후단에 구비되는 제2냉각기(32)가 상기 블로워(10)의 후단에 구비되는 제1냉각기(31)보다 냉각 성능이 더 좋은 것으로 설정된다. 따라서, 상기 제2냉각기(32)로는 칠러가 사용되고, 상기 제1냉각기(31)로는 쿨러가 사용되는 것으로 예를 들어 설명한다.
상기 제어모듈(50)은, 상기 농도 감지모듈(61)과 상기 온도 감지모듈(62)에서 감지된 값에 따라 상기 흡착모듈(40), 상기 제1냉각기(31) 및 상기 제2냉각기(32)의 작동을 제어한다.
상기 제어모듈(50)은, 상기 농도 감지모듈(61)에서 감지된 메탄 농도가 설정 농도 미만인 경우, 상기 흡착모듈(40)에서 분리된 바이오 메탄 중 적어도 일부를 회수하여 상기 블로워로 재순환시킨다. 또한, 상기 제어모듈(50)은, 상기 농도 감지모듈(61)에서 감지된 메탄 농도가 설정 농도 미만인 경우, 상기 흡착모듈(40)의 스윙 타임 또는 사이클 타임을 감소시킨다. 여기서, 상기 설정 농도는 상기 혐기성 소화조(2)로부터 유입된 바이오 가스 중 메탄의 농도를 의미하며, 약 40~60 vol%인 것으로 예를 들어 설명한다.
또한, 상기 제어모듈(50)은, 상기 온도 감지모듈(62)에서 감지한 온도에 따라 상기 제1냉각기(31)와 상기 제2냉각기(32) 중 적어도 하나를 선택적으로 작동시킨다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 제1실시예에 따른 바이오 가스의 정제장치의 제어방법을 설명하면, 다음과 같다.
도 4를 참조하면, 먼저 상기 블로워(10)가 작동되면, 상기 혐기성 소화조(2)로부터 바이오 가스가 유입된다. (S1)
상기 바이오 가스가 유입되면, 상기 농도 감지모듈(61)과 상기 온도 감지모듈(62)에서는 각각 유입되는 바이오 가스의 메탄 농도와 바이오 가스의 온도를 측정한다.(S2)
대기 온도에 따라 바이오 가스의 정제 성능의 변동이 심하고, 특히 하절기에는 정제 성능이 저하된다. 따라서, 바이오 가스의 온도 변화를 측정하여, 상기 바이오 가스의 온도에 따른 정제장치의 운전 조건을 조절할 수 있다.
상기 제어모듈(50)은, 상기 바이오 가스의 온도를 미리 설정된 제1설정온도와 비교한다.(S3)
상기 바이오 가스의 온도가 상기 제1설정 온도 이상이면, 상기 제어모듈(50)은 상기 제1냉각기(31)와 상기 제2냉각기(32)를 모두 작동시킨다.(S4)
상기 제1냉각기(31)가 작동되면, 상기 블로워(10)에 의해 유입된 바이오 가스는 상기 제1냉각기(31)를 통과하면서 냉각된다.
상기 제1냉각기(31)에서 냉각된 바이오 가스는 상기 탈황탑(21)으로 공급되어, 상기 탈황탑(21)에서 황화수소 성분이 제거된다. 상기 탈황탑(21)으로 유입되는 바이오 가스의 온도가 높을수록 탈황성능이 저하된다. 본 실시예에서는, 상기 제1냉각기(31)에서 바이오 가스가 냉각된 후 상기 탈황탑(21)으로 공급되기 때문에, 탈황성능이 보다 향상될 수 있다.
상기 탈황탑(21)에서 황화수소 성분이 제거된 바이오 가스는 상기 압축기(22)에서 압축된다.(S6) 상기 압축기(22)를 통과하면서 바이오 가스는 압축되어, 온도가 상승하게 된다. 상기 압축기(22)에서 압축되어 나온 바이오 가스는 상기 제2냉각기(32)를 통과하면서 냉각된다. (S7)
상기 제2냉각기(32)에서 냉각된 바이오 가스는 상기 필터(33)를 통과하면서 나머지 불순물들이 제거된다.(S8) 상기 필터(33)에서는 유입되는 바이오 가스의 온도가 높으면 필터 성능이 저하될 수 있다. 본 실시예에서는, 상기 제2냉각기(32)에서 바이오 가스가 냉각된 이후 상기 필터(33)로 유입되므로, 필터 성능의 저하가 방지될 수 있다.
한편, 상기 제어모듈(50)은, 상기 농도 감지모듈(61)에서 감지된 바이오 가스의 메탄 농도와 미리 설정된 설정 농도를 비교한다.(S9)
도 3a는 바이오 가스의 메탄 농도가 높은 경우 사이클 타임을 나타낸 도면이고, 도 3b는 바이오 가스의 메탄 농도가 낮은 경우 사이클 타임을 나타낸 도면이다.
상기 농도 감지모듈(61)에서 감지된 바이오 가스의 메탄 농도가 상기 설정 농도 미만이면, 상기 흡착모듈(40)의 사이클 타임을 감소시킨다. (S10) 상기 사이클 타임을 감소시키는 것은, 상기 가압, 생산, 감압, 재생 단계에 해당하는 스윙 타임을 각각 감소시키는 것에 해당한다. 상기 흡착모듈(40)에서 상기 탄소분자흡착체(CMS)에 머무는 시간은 분자의 크기에 따라 달라진다. 예를 들어, 메탄(CH4)의 경우 이산화탄소(CO2)보다 분자의 크기가 작기 때문에, 상기 이산화탄소보다 상기 탄소분자흡착체를 통과하는 시간이 빠르다. 한편, 메탄의 농도가 상기 설정 농도 미만이라고 판단되면, 상기 메탄의 분자의 양이 기존보다 적은 상태이므로 기존의 메탄이 통과하도록 설정된 시간에 이산화탄소가 통과하는 경우가 발생된다. 따라서, 상기 스윙 타임을 단축시켜 이산화탄소의 통과를 방지할 수 있다. 상기 스윙 타임을 단축시킴으로써 메탄의 회수율이 감소될 수 있으나, 본 발명에서는 메탄을 재순환시키기 때문에 메탄의 회수율이 감소되지 않고 메탄 함량이 높은 고품질의 바이오 메탄의 생산이 가능해질 수 있다.
상기 흡착모듈(40)에서는 바이오 가스내에 포함된 이산화탄소가 흡착되어, 메탄 가스가 생성된다. (S11)
상기 혐기성 소화조(2)로부터 유입된 바이오 가스의 메탄 농도가 상기 설정 농도 미만이기 때문에, 생성된 바이오 메탄 중 적어도 일부는 재순환시킨다. 본 실시예에서는, 생성된 바이오 메탄 중 적어도 일부를 상기 블로워(10)의 입구측으로 순환시키는 것으로 예를 들어 설명한다. 다만, 이에 한정되지 않고, 생성된 바이오 메탄 중 적어도 일부를 상기 블로워(10)와 상기 정제모듈(20) 사이 또는 상기 정제모듈(10)의 흡입측으로 순환시키는 것도 물론 가능하다.
상기 바이오 메탄을 상기 블로워(10)의 입구측으로 재순환시키면, 유입되는 바이오 가스와 상기 바이오 메탄이 혼합되어 메탄 농도가 향상될 수 있다. 따라서, 상기 정제모듈(20)을 거친 후 생성되는 바이오 메탄의 품질이 보다 향상될 수 있다.
한편, 상기 농도 감지모듈(61)에서 감지된 바이오 가스의 메탄 농도가 상기 설정 농도 이상이면, 상기 흡착모듈(40)의 사이클 타임을 변화시키지 않고 작동시킨다. 상기 흡착모듈(40)에서 생산된 바이오 메탄은 순환시키지 않고, 배출하여 도시가스나 차량 연료 등으로 사용될 수 있다. 이 때, 최종 생산된 바이오 메탄은 메탄 농도가 약 95%이상이다.
한편, 상기 온도 감지모듈(62)에서 감지된 바이오 가스의 온도가 상기 제1설정온도 미만인 경우, 상기 제어모듈(50)은 상기 바이오 가스의 온도를 상기 제1설정온도보다 낮은 제2설정온도와 비교한다.(S12)
즉, 상기 바이오 가스의 온도가 상기 제1설정온도 미만이고, 상기 제2설정온도 이상이면, 상기 제어모듈(50)은 상기 제1냉각기(31)의 작동은 정지하고, 상기 제2냉각기(32)만을 작동시킬 수 있다.(S13) 이 때, 상기 제2냉각기(32)의 냉각 성능이 상기 제1냉각기(31)의 냉각 성능보다 좋으므로, 상기 제2냉각기(32)만을 작동시켜 바이오 가스의 온도를 낮출 수 있다.
한편, 상기 온도 감지모듈(62)에서 감지된 바이오 가스의 온도가 상기 제2설정온도보다 낮으면, 상기 제어모듈(50)은 바이오 가스의 정제 성능을 충분히 확보할 수 있는 적정 온도 범위라고 판단할 수 있다. 따라서, 상기 제어모듈(50)은 상기 제1,2냉각기(31)(32) 모두를 오프시킬 수 있다. (S14)
따라서, 상기 블로워(10)에 의해 공급된 바이오 가스는 별도의 냉각 없이, 탈황, 압축, 정제된 후 상기 흡착모듈(40)로 유입될 수 있다.
상기와 같이, 바이오 가스의 메탄 함유량에 따라 상기 흡착모듈(30)의 작동을 제어하고, 메탄 농도 미달시 생성된 바이오 메탄을 회수하여 재순환시킴으로써, 최종 생산된 바이오 메탄의 품질이 보다 향상될 수 있다.
한편, 종래에는 최초 유입되는 메탄 함유량이 약 50%이상인 경우에만 상기 정제장치의 운전하도록 운전 범위가 매우 제한적이었다. 그러나, 본 발명에서는 최초 유입되는 메탄 함유량이 낮은 경우 바이오 메탄을 회수하여 재순환시켜 고품질의 바이오 메탄의 생산이 가능하기 때문에, 상기 정제장치의 운전 범위가 확대될 수 있다. 따라서, 바이오 메탄의 생산량이 증가될 수 있을 뿐만 아니라 바이오 메탄의 품질도 보다 향상될 수 있다.
또한, 대기 온도나 바이오 가스의 온도 변화에 따른 정제 성능의 저하가 방지될 수 있으므로, 정제 성능이 향상되어 바이오 메탄의 생산량이 증가될 수 있고, 바이오 메탄의 품질도 보다 향상될 수 있다.
한편, 도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 바이오 가스의 정제장치의 개략적인 구성도이다. 도 6은 도 5에 도시된 건조기의 구성도이다. 도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 바이오 가스의 정제방법의 순서도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 바이오가스의 정제장치는, 공급조(101), 정제모듈(A), 흡착모듈(110), 제1리턴유닛(120), 제2리턴유닛(130), 제3리턴유닛(140), 농도감지모듈 및 제어모듈(150)을 포함한다.
상기 제1리턴유닛(120), 상기 제2리턴유닛(130) 및 상기 제3리턴유닛(140)은 선택적으로 적어도 하나가 설치될 수 있으며, 본 실시예에서는 모두 설치된 것으로 예를 들어 설명한다.
상기 공급조(101)는, 바이오 가스를 저장하는 탱크로 혐기성 소화조에 해당한다. 상기 공급조(101)는 후술하는 정제모듈(A)로 공급라인(101a)을 통해 저장된 바이오 가스를 공급한다.
상기 정제모듈(A)은, 블로워(102,blower), 탈황탑(103), 저압압축기(104), 건조기(105), 실록산 제거탑(106)을 포함한다. 상기 공급라인(101a)을 통해 공급받은 바이오가스는 상기 블로워(102), 탈황탑(103), 저압압축기(104), 건조기(105), 실록산 제거탑(106)을 순차적으로 지나가면서 각각의 해당공정에 따른 처리가 실행된다.
상기 블로워(102)는 바이오 가스가 공정상 요구되는 일정 압력을 가지도록 설치된다.
상기 탈황탑(103)은 황화수소를 제거하는 장치로서, 통상적으로 습식 탈황장치 또는 건식 탈황장치 중 어느 하나가 사용된다. 상기 습식 탈황장치는 바이오 가스와 약액을 접촉시켜 중화반응 또는 산화반응과 같은 화학적 반응을 이용하는 것으로 알칼리계 약품인 탄산칼륨, 수산화나트륨 등과 같은 약액에 바이오 가스를 접촉시켜 황성분을 화학 흡수처리하는 방법과, 폴리에틸렌글리콜, 메탄올, 물 등에 황성분을 물리적 흡수처리하는 방법을 주공정으로 한다. 상기 건식 탈황장치는 고체 형태의 흡착제 표면을 화학적 처리로 황 성분을 흡착 제거하는 방법을 사용하고, 활성탄, 실리카겔, 제올라이트 등의 흡착제로 황성분을 흡착하여 제거한다. 상기 습식 탈황장치는 대용량 가스처리, 저농도 이산화탄소 유지, 빠른 반응속도, 처리효율 조절가능 등의 여러가지 장점이 있는 잔면, 다량의 공정 소요, 폐수 발생에 따른 2차 처리의 필요, 장기 운전시 성능 저하 및 약품 처리비용의 과다, 화학반응시 새로운 화합물인 황화나트륨(Na2S)의 쉬운 분해로 황화수소로의 환원이 용이, 처리가스의 재가열 등의 단점이 있다. 또한, 상기 건식 탈황장치는 황화수소의 제거 효율이 좋으며, 간단한 운전이 용이하고, 중소 용량의 탈황처리에 유리하며, 폐수발생이 없는 등 여러가지 장점이 있는 반면에, 황 성분 이외의 타르, 수분 등 이물질 역시 흡착됨으로 흡착제의 수명이 짧고, 흡착제의 수명을 연장하기 위해서는 전처리 시설이 반드시 필요할 뿐만 아니라 대용량 처리에도 어려움이 있으며, 흡착반응시 흡착열로 폭발의 위험이 있다. 또한, 상기 건식 탈황장치는 바이오 가스 중 황화수소의 농도가 높으면 흡착제의 교체비용 과다로 유지 관리에 어려움이 있다. 따라서, 상기 탈황탑(103)은 처리 용량 및 전체 시스템의 크기 및 비용 등의 전체적인 판단에 따라 습식 탈황장치 또는 건식 탈황장치 중 어느 하나를 선택하여 설치할 수 있다.
상기 저압 압축기(104)는 왕복동 압축기 및 로터리 베인 압축기 등을 사용하여 바이오 가스를 흡수법 또는 흡착법으로 제거하기 위한 운전 압력 조건을 형성하며, 이 때 압력은 대략 압력 3bar 내지 7bar이다. 상기 왕복동 압축기는 바이오 가스 내 황화수소(H2S) 함량이 10ppm이하인 조건에서 사용되고, 상기 로터리 베인 압축기는 바이오 가스 내 황화수소가 10ppm이상인 조건에서 사용된다. 상기 바이오 가스 압축은 바이오 가스 성상 및 바이오 가스 처리 용량에 따라 압축기를 다양하게 선정할 수 있도록 구성하여 현장 운영 조건에 맞게 운영할 수 있도록 구성된다.
도 5를 참조하면, 상기 건조기(105)는 흡착제와 혼합가스로 이루어진 계내에서 계내의 압력순환에 의해서 생기는 흡착평형량의 차이를 이용하여 혼합가스 중 특성 성분을 선택적으로 분리하는 가스 분리기술을 적용하고 있는 건조장치이다. 상기 건조기(105)내에는 자갈층(161), 제1건조제(162), 제2건조제(163) 및 자갈층(161)이 순차적으로 적층되어 있다.
상기 제1건조제(162)는 상대적으로 수분 흡수율이 높은 활성 알루미나(Activated Alumina) 등으로 구성되며, 상기 제2건조제(163)는 상대적으로 수분 흡수율이 낮은 제올라이트 계열 성분을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 저압 압축기(104)로부터 유입되는 바이오 가스는, 상기 자갈층(161), 제1건조제(162), 제2건조제(62) 및 자갈층(161) 등을 순차적으로 거치면서 제습이 이루어져 건조되며, 건조공정이 완료된 후에는 후술하는 실록산 제거탑(106)으로 송출하도록 구성된다.
상기 실록산 제거탑(106)은 열교환기의 막힘 현상과 가스 엔진 부품의 마모 등을 유발하는 실록산(Siloxane)을 제거하는 장치로서, 상기 건조기(105)로부터 송출받은 바이오가스에 포함된 실록산을 제거한다. 상기 실록산을 제거하는 방법은 통상적으로 아래의 3가지 방법을 이용한다. 첫번째는 상기 건조기(105)로부터 유입되는 바이오 가스를 대략 -25℃로 냉각 응축하여, 바이오 가스 중의 실록산이 응축수에 포함되어 제거되는 저온냉각 실록산 제거방법과, 두번째는 바이오 가스를 대략 -70℃로 급냉하여 급속하게 응축하는 과정에서 실록산을 제거하는 초저온냉각 실록산 제거방법과, 세번째는 바이오 가스 중의 실록산을 용매인 폴리에틸렌 글리콜(Polyethylene Glycol)에 흡착하여 제거하는 용매세정에 의해 실록산을 제거하는 방법과, 네번째는 활성탄을 이용하여 흡착하여 제거하는 실록산 제거방법이다.
상기와 같은 정제모듈(A)을 통해 바이오 가스에 포함된 황화수소 및 실록산이 제거된 상태로 후술하는 흡착모듈(110)로 이송된다.
상기 흡착모듈(110)은 상기 실록산 제거탑(106)으로부터 송출되는 바이오 가스가 유입되도록 설치된다. 상기 흡착모듈(110)은 압력스윙흡착유닛으로 다수의 흡착탑을 포함하며 제어모듈(150)에 의해 제어된다. 상기 흡착탑의 수는 2탑, 4탑, 8탑 및 그 이상이어도 가능하다. 상기 각 흡착탑에는 다수의 밸브 및 이산화탄소 흡착을 위한 흡착제가 충진되어, 유입되는 바이오 가스 중의 이산화탄소가 흡착제에 흡착되어 분리되도록 구성된다. 즉, 공급되는 바이오 가스는 흡착제에 의해 이산화탄소가 분리되어 메탄이 전체 가스 중 95%이상인 고순도의 바이오메탄으로 생산된다. 생산된 바이오 메탄은 상기 제1배출관(111)을 통해 바이오 메탄 저장조(107)로 송출하도록 구성된다.
상기 흡착모듈(110)은, 바이오 가스를 공급받아 가압하는 가압공정과, 가압된 바이오 가스를 통해 이산화탄소를 분리하여 바이오 메탄으로 생산하는 생산공정과, 이산화탄소를 포함한 잔존가스를 배기하는 벤트(VENT) 공정과, 상기 흡착모듈(110)의 전체 프로세스에서 기체를 순환시킬 때 순환류인 바이오 가스 중의 불요 성분이 축적하는 것을 방지하기 위해 순환류의 일부를 간헐적 혹은 연속적으로 외부로 방출하는 퍼지공정을 순차적으로 진행하도록 제어된다.
상기 벤트공정에서는 상기 흡착제에 흡착된 이산화탄소 등을 포함하는 잔존가스를 제2배출관(112)을 통해 대기중으로 배출한다.
또한, 상기 퍼지공정에서 외부로 방출되는 가스를 퍼지가스라고 하며, 상기 퍼지가스는 제3배출관(113)을 통해 대기중으로 배출된다.
한편, 상기 흡착모듈(110)의 구동 시작부터 일정 시간동안 상기 제1배출관(111)으로 배출되는 바이오 메탄은 후술하는 제1리턴라인(121)을 통해 직접 공급라인(101a)으로 리턴하도록 제1개폐밸브(123)가 제어된다. 이는, 상기 흡착모듈(110)이 구동을 시작하여 전체 시스템이 안정화되기 전까지 메탄 농도가 95%를 상회하는 바이오 메탄이 생산되지 않는 것에 기인한다. 따라서, 상기 흡착모듈(110)은 최초 구동을 시작하여 대략 5분 내지 15분, 바람직하게는 10분 정도의 시간 동안에는 생산한 바이오 메탄을 상기 공급라인(101a)으로 리턴하도록 함으로써 메탄 회수율을 향상시킬 수 있다.
상기 제1리턴유닛(120)은, 제1리턴라인(121)과 제1개폐밸브(123)를 포함한다.
상기 제1리턴라인(121)은 일단은 상기 제1배출관(111)과 연결되고, 타단은 상기 공급라인(101a)과 연결되도록 설치된다.
상기 제1개폐밸브(123)는 상기 제어모듈(150)에 의해 개폐제어된다. 상기 제1개폐밸브(123)는 상기 제1배출관(111)과 상기 제1리턴라인(121)을 연결하는 부분에 설치되는 3-way밸브로서, 상기 제1배출관(111)으로 배출되는 바이오 메탄이 상기 제1리턴 라인(121)을 통해 선택적으로 상기 공급라인(101a)으로 리턴하도록 개폐제어된다.
상기 제어모듈(150)은 후술하는 제1센싱부(122)에서 측정된 값인 메탄 농도를 미리 설정된 제1기준 농도와 비교하여 선택적으로 상기 제1개폐밸브(123)를 개폐제어한다. 상기 제1기준 농도는 바이오 메탄의 메탄 농도가 95%로서, 생산된 바이오 메탄의 메탄 농도가 95%보다 작으면, 상기 제1개폐밸브(123)를 개방하여 상기 공급라인(101a)으로 리턴하도록 제어하고, 상기 메탄 농도가 95%보다 크거나 같으면 해당 바이오 메탄은 상기 바이오 메탄 저장조(107)로 이동하도록 상기 제1개폐밸브(123)를 폐쇄한다.
상기 제어모듈(150)은, 상기 흡착모듈(110)의 최초 구동시 대략 10분까지는 상기 제1배출관(111)으로 배출되는 바이오 메탄을 상기 제1리턴 라인(121)을 통해 상기 공급라인(101a)으로 리턴하도록 상기 제1개폐밸브(123)를 제어한다.
따라서, 상기 제1리턴유닛(120)을 통해 메탄 농도 95%이상인 바이오 메탄만을 생산할 수 있으므로, 양품 수율이 향상된다. 또한, 상기 제1기준농도인 95%미만의 바이오 메탄은 상기 공급라인(101a)으로 리턴됨으로써, 종래에 생산 기준을 만족시키지 못하는 바이오 메탄을 폐기하는 것과 달리 메탄의 회수율을 향상시킬 수 있다.
상기 바이오 메탄 저장조(107)에 저장된 바이오 메탄은 소정의 고압 압축기를 통해 압축된 상태로 차량 연료로 주입되거나 압력을 낮춰 도시가스 배관망에 공급할 수 있다.
상기 제2리턴 유닛(130)은, 제2리턴라인(131)과 제2개폐밸브(133)를 포함한다.
상기 제2리턴라인(131)은 일단은 상기 제2배출관(112)과 연결되고, 타단은 상기 공급라인(101a)과 연결되도록 설치된다.
상기 제2개폐밸브(133)는 상기 제어모듈(150)에 의해 개폐제어된다. 상기 제2개폐밸브(133)는 상기 제1개폐밸브(123)와 같은 3-way 밸브로서, 상기 제2배출관(112)으로 배출되는 이산화탄소를 포함한 잔존가스가 상기 제2리턴라인(131)을 통해 선택적으로 상기 공급라인(101a)으로 리턴하도록 상기 제어모듈(150)에 의해 제어된다.
상기 제어모듈(150)은 후술하는 제2센싱부(132)에서 측정된 값인 메탄 농도를 미리 설정된 제2기준농도와 비교하여, 선택적으로 상기 제2개폐밸브(133)를 개폐제어한다. 여기서, 상기 제2기준농도는 대략 메탄 농도 50%이며, 필요에 따라 변경 가능하다. 상기 제어모듈(150)은 상기 제2배출관(112)으로 배출되는 잔존가스의 메탄농도가 50%보다 크거나 같으면 해당 이산화탄소를 포함한 잔존가스를 상기 제2개폐밸브(133)를 통해 상기 공급라인(101a)으로 리턴하도록 제어하고, 잔존가스의 메탄 농도가 50%보다 작으면 해당 잔존가스는 상기 제2개폐밸브(133)를 통해 대기 중으로 방출하도록 제어한다.
종래에는 분리제거되는 이산화탄소를 포함한 잔존가스를 대기중으로 방출시 상기 흡착모듈(110)내부에 존재하는 메탄까지 방출되는 문제점이 있었으나, 상기 제2리턴유닛(130)을 통해 상기 이산화탄소를 포함한 잔존가스 중 메탄 농도가 일정 기준치 이상인 가스를 상기 공급라인(101a)으로 리턴시킬 수 있으므로 메탄 회수율을 향상시킬 수 있다. 또한, 대기중으로 방출하는 잔존가스가 종래에 비해 현저하게 감소되어 대기중으로 방출되는 오염물질을 최소화시킬 수 있다.
상기 제3리턴유닛(140)은 제3리턴라인(141)과 제3개폐밸브(143)를 포함하여 구성된다.
상기 제3리턴라인(141)은 일단은 상기 제3배출관(113)에 연결되고, 타단은 상기 공급라인(101a)과 연결된다.
상기 제3개폐밸브(143)는 상기 제어모듈(150)에 의해 개폐제어된다. 상기 제3개폐밸브(143)는 상기 제1,2개폐밸브(123)(133)와 같은 3-way밸브로서, 상기 제3배출관(113)으로 배출되는 퍼지가스가 상기 제3리턴라인(141)을 통해 선택적으로 상기 공급라인(101a)으로 리턴하도록 상기 제어모듈(150)에 의해 제어된다.
상기 제어모듈(150)은 후술하는 제3센싱부(142)에서 측정된 값인 메탄 농도를 미리 설정된 제3기준농도와 비교하여 선택적으로 상기 제3개폐밸브(143)를 개폐제어한다. 여기서, 상기 제3기준농도는 상기 제1,2기준농도와 같이 미리 설정된다. 상기 제어모듈(150)은 상기 제3배출관(113)으로 배출되는 퍼지가스의 메탄 농도가 상기 제3기준농도보다 크거나 같으면 해당 퍼지가스를 상기 제3개폐밸브(143)를 통해 상기 공급라인(101a)으로 리턴하도록 제어하고, 퍼지가스의 메탄 농도가 상기 제3기준농도보다 작으면 해당 퍼지가스는 제3개폐밸브(143)를 통해 대기중으로 방출하도록 제어한다.
상기 제3리턴유닛(140)을 통해 상기 흡착모듈(110)에서 배출되는 퍼지가스를 메탄 농도에 따라 상기 공급라인(101a)으로 선택적으로 회수되도록 함으로써, 메탄의 회수율을 향상시킬 수 있다. 또한, 대기중으로 방출하는 퍼지가스가 종래에 비해 현저하게 감소되어, 대기중으로 방출되는 오염물질을 최소화시킬 수 있다.
상기 농도감지 모듈은, 제1센싱부(122), 제2센싱부(132) 및 제3센싱부를 포함한다. 상기 제1센싱부(122)는 상기 제1배출관(111)으로 배출되는 바이오 메탄의 메탄 농도를 측정하도록 설치된다. 상기 제2센싱부(132)는 상기 제2배출관(112)으로 배출되는 이산화탄소를 포함한 잔존가스의 메탄 농도를 측정하도록 설치된다. 상기 제3센싱부(142)는 상기 제3배출관(113)으로 배출되는 퍼지가스의 메탄 농도를 측정하도록 설치된다.
이하, 상술한 본 발명의 제2실시예에 따른 바이오 가스 정제장치를 이용한 제어방법에 대해 설명한다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 바이오 가스 정제방법은 정제단계, 흡착단계 및 리턴단계를 포함하여 구성된다.
상기 정제단계는, 바이오 가스를 상기 공급조(101)로부터 상기 공급라인(101a)을 통해 상기 블로워(102)로 공급하고(S110), 상기 블로워(102)는 공급되는 바이오가스를 사전에 설정된 공정상 요구 압력을 가지도록 하고, 일정 압력을 가지는 바이오 가스는 상기 정제모듈(A)로 이동시킨다.
이동된 바이오가스는 상기 정제모듈(A)의 탈황탑(103), 저압 압축기(104), 건조기(104) 및 실록산 제거탑(106)을 순차적으로 거치면서 바이오 가스의 황화수소 및 실록산이 제거되고(S120), 상기 흡착모듈(110)로 송출한다.
상기 흡착단계는, 상기 흡착모듈(110)에서 상기 정제모듈(A)으로부터 바이오 가스를 공급받아 가압하는 가압공정과, 가압된 바이오 가스를 통해 이산화탄소를 분리하여 바이오 메탄을 생산하는 생산공정과, 이산화탄소를 포함한 잔존가스를 배기하는 벤트 공정과, 상기 흡착모듈(110)의 전체 프로세스에서 기체를 순환시킬 때 순환류인 바이오 가스의 불요성분이 축적하는 것을 방지하기 위해 순환류의 일부를 간헐적 혹은 연속적으로 외부로 방출하는 퍼지공정을 순차적으로 진행한다.
상기 생산공정에서는 공급되는 바이오 가스 중 이산화탄소를 흡착 분리하여 차량 연료용으로 적합한 메탄 농도가 95%이상인 고순도 바이오 메탄을 생산한다.(S130) 생산된 바이오 메탄은 상기 제1배출관(111)으로 배출한다.(S140)
상기 벤트공정에서는 상기 흡착제에 흡착된 이산화탄소 등을 포함하는 잔존가스를 상기 제2배출관(112)으로 배출한다.(S150)
상기 퍼지공정에서 외부로 방출되는 가스를 퍼지가스라고 하며, 이 퍼지가스는 상기 제3배출관(113)을 통해 배출한다.(S160)
상기 리턴단계는, 상기 각 배출관으로 배출되는 가스를 선택적으로 상기 공급라인(101a)으로 리턴하거나 대기중으로 방출되도록 한다.
상기 제1리턴유닛(120)에서는 상기 제1배출관(111)으로 배출되는 바이오 메탄의 메탄 농도를 미리 설정된 상기 제1기준농도인 95%보다 작으면 상기 공급라인(101a)으로 해당 바이오 메탄을 리턴하도록 제어하고, 95%보다 크면 상기 바이오 메탄 저장조(107)로 이동되도록 제어한다.(S141)
상기 바이오 메탄 저장조(107)로 이동되는 바이오 메탄은 95%이상의 메탄을 포함하여, 소정의 고압 압축기를 통해 압축된 상태로 차량 주입용 연료로 제공된다.
상기 제1리턴유닛(120)에 의한 메탄 회수 공정은 생산된 바이오 메탄이 그 대상이므로, 제품으로 출하되는 직전의 상태 즉, 실질적으로 제품상태에서 메탄을 회수하는 방법이다.
한편, 상기 흡착모듈(110)의 최초 구동부터 시스템 안정화되기전까지 생산되는 바이오 메탄이 양품 수준인 95%를 만족시키지 못하는 메탄 농도를 가지는 바이오 메탄이 생산된다. 따라서, 상기 흡착모듈(110)의 최초 구동시작부터 전체 시스템의 안정화되기까지인 시간(대략 10분)동안 생산되는 바이오 가스를 상기 공급라인(101a)으로 리턴하도록 제어하여, 메탄 회수율을 향상시킬 수 있다.
상기 제2리턴유닛(130)에서는 상기 제2배출관(112)으로 배출되는 이산화탄소를 포함한 잔존가스의 메탄 농도를 상기 제2센싱부(132)를 통해 측정하고, 상기 제2개폐밸브(133)를 통해 측정값이 미리 설정된 제2기준농도보다 크거나 같으면 상기 공급라인(101a)으로 리턴되도록 하고, 측정값이 상기 제2기준농도보다 작으면 대기중으로 방출하도록 제어한다.(S151)
상기 제2리턴유닛(130)에 의한 메탄 회수 공정은 각 흡착탑에서 흡착 분리되는 이산화탄소를 포함한 잔존가스가 대상이므로, 다수의 흡착탑이 순차적으로 작동중에 실행되어 메탄을 회수하는 공정이다.
상기 제3리턴유닛(140)에서는 상기 제3배출관(113)으로 배출되는 퍼지가스의 메탄농도를 상기 제3센싱부(143)를 통해 측정하고, 상기 제3개폐밸브(143)를 통해 측정값이 미리 설정된 제3기준농도보다 크거나 같으면 상기 공급라인(101a)으로 리턴하도록 하고, 측정값이 제3기준농도보다 작으면 대기중으로 방출하도록 제어한다.(S161) 상기 제3리턴유닛(140)도 상기 제2리턴유닛(130)과 같이 다수의 흡착탑이 순차적으로 작동중에 실행되어 메탄을 회수하는 공정이다.
상기와 같은 방법을 이용하면, 상기 제1리턴유닛(120)을 통해 상기 흡착모듈(110)로부터 생산되는 바이오 메탄 중 품질 기준에 미달되는 바이오 메탄을 회수함으로써 메탄 회수율이 향상되어, 고품질의 바이오 메탄의 생산을 확보할 수 있다.
또한, 상기 흡착모듈(110)의 운전 중인 상태에서 방출되는 이산화탄소를 포함하는 잔존가스 및 퍼지가스의 일부를 선택적으로 회수함으로써, 메탄 회수율 향상 및 대기중 오염물질 방출을 최소화할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
본 발명에 따르면, 고품질의 바이오 메탄을 생산할 수 있는 바이오 가스의 정제장치를 구성할 수 있다.

Claims (22)

  1. 혐기성 소화조로부터 바이오 가스를 공급하는 블로워와;
    상기 블로워로부터 공급된 바이오 가스에 포함된 불순물을 정제하는 정제모듈과;
    상기 정제모듈에서 정제된 바이오 가스로부터 압력변동흡착(Pressure Swing Adsorption)방식을 이용해 바이오 메탄을 분리하는 흡착모듈과;
    상기 블로워로 유입되는 바이오 가스와 상기 흡착모듈에서 분리된 바이오 메탄 중 적어도 하나의 메탄 농도를 감지하는 농도 감지모듈과;
    상기 농도 감지모듈에서 감지된 메탄 농도가 설정농도 미만인 경우, 상기 바이오 메탄 중 일부 또는 전체를 회수하여 상기 블로워로 재순환시키는 제어모듈을 포함하는 바이오 가스의 정제장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 혐기성 소화조에서 공급되는 바이오 가스의 온도를 감지하는 온도 감지모듈과;
    상기 정제모듈에 구비되어 바이오 가스를 냉각시키는 냉각기를 더 포함하는 바이오 가스의 정제장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어 모듈은,
    상기 온도 감지모듈에서 감지한 온도가 설정 온도 이상인 경우, 상기 냉각기를 작동시키는 바이오 가스의 정제장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 정제모듈은, 상기 블로워로부터 공급된 바이오 가스의 황성분을 제거하는 탈황탑과, 상기 탈황탑에서 나온 바이오 가스를 압축시키는 압축기와, 상기 압축기를 통과한 바이오 가스에서 불순물을 정제하는 필터를 포함하고,
    상기 냉각기는, 상기 탈황탑으로 유입되기 이전의 바이오 가스를 냉각하는 제1냉각기와, 상기 압축기에서 나온 바이오 가스를 냉각하는 제2냉각기를 포함하는 바이오 가스의 정제장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어모듈은,
    상기 온도감지모듈에서 감지한 온도에 따라 상기 제1냉각기와 상기 제2냉각기 중 적어도 하나를 선택적으로 작동시키는 바이오 가스의 정제장치.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 농도 감지모듈은 상기 블로워로 유입되는 바이오 가스의 메탄 농도를 감지하고,
    상기 제어모듈은, 상기 농도 감지모듈에서 감지된 메탄 농도가 설정농도 미만인 경우, 상기 흡착 모듈의 사이클 타임을 감소시키는 바이오 가스의 정제장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 흡착모듈은,
    탄소분자흡착체로 채워진 흡착베드 내를 가압하여 바이오 가스를 통과시키는 가압단계와, 상기 흡착베드를 통과한 바이오 메탄을 생산하는 생산단계와, 상기 흡착베드 내를 감압하는 감압단계와, 상기 흡착베드로부터 이산화탄소를 제거하는 재생단계를 포함하고,
    상기 제어모듈은, 상기 농도 감지모듈에서 감지된 메탄 농도가 설정농도 미만인 경우, 상기 가압, 생산, 감압 및 재생 단계를 차례대로 1회 수행하는 데 걸리는 사이클 타임을 감소시키는 바이오 가스의 정제장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 농도감지모듈은 상기 흡착모듈에서 분리된 바이오 메탄의 메탄 농도를 감지하는 제1센싱부를 포함하고,
    상기 정제모듈은, 상기 제1센싱부에서 감지한 메탄 농도가 미리 설정된 제1기준농도보다 작으면, 상기 바이오 메탄을 상기 블로워로 유입되는 바이오 가스의 공급 라인으로 리턴시키는 제1리턴 유닛을 더 포함하는 바이오 가스의 정제장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1리턴 유닛은,
    일단은 상기 흡착모듈에서 분리된 바이오 메탄을 외부로 배출하는 제1배출관과 연결되고, 타단은 상기 공급 라인에 연결되는 제1리턴라인과;
    상기 제1센싱부의 측정값에 따라 상기 흡착모듈에서 분리된 바이오 메탄이 상기 공급라인으로 리턴하도록 상기 제1리턴라인을 선택적으로 개폐하는 제1개폐밸브를 포함하는 바이오 가스의 정제장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어모듈은, 상기 흡착모듈의 구동 시작 이래로 일정시간동안 생산된 바이오 메탄은 상기 제1리턴 라인을 통해 상기 공급라인으로 리턴하도록 제어하는 바이오 가스의 정제장치.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 농도감지모듈은 상기 흡착모듈로부터 배출되는 이산화탄소를 포함한 잔존가스 중 메탄 농도를 감지하는 제2센싱부를 더 포함하고,
    상기 정제모듈은, 상기 제2센싱부에서 감지한 메탄 농도가 미리 설정된 제2기준 농도보다 크거나 같으면, 상기 잔존 가스를 상기 블로워로 유입되는 바이오 가스의 공급 라인으로 리턴시키는 제2리턴 유닛을 더 포함하는 바이오 가스의 정제장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제2리턴 유닛은,
    일단은 상기 흡착모듈로부터 상기 이산화탄소를 포함한 잔존가스가 배출되는 제2배출관과 연결되고, 타단은 상기 공급라인에 연결되는 제2리턴라인과;
    상기 제2센싱부의 측정값에 따라 상기 잔존가스가 선택적으로 상기 공급라인으로 리턴하도록 상기 제2리턴라인을 선택적으로 개폐하는 제2개폐밸브를 포함하는 바이오 가스의 정제장치.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 농도감지모듈은 상기 흡착모듈로부터 배출되는 퍼지가스 중 메탄 농도를 감지하는 제3센싱부를 더 포함하고,
    상기 정제모듈은, 상기 제3센싱부에서 감지된 메탄 농도가 미리 설정된 제3기준 농도보다 크거나 같으면, 상기 퍼지가스를 상기 블로워로 유입되는 바이오 가스의 공급라인으로 리턴시키는 제3리턴 유닛을 더 포함하는 바이오 가스의 정제장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제3리턴 유닛은,
    일단은 상기 흡착모듈로부터 상기 퍼지가스를 배출하는 제3배출관과 연결되고, 타단은 상기 공급라인에 연결되는 제3리턴 라인과;
    상기 제3센싱부의 측정값에 따라 상기 퍼지가스가 선택적으로 상기 공급라인으로 리턴하도록 상기 제3리턴 라인을 선택적으로 개폐하는 제3개폐밸브를 포함하는 바이오 가스의 정제장치.
  15. 혐기성 소화조로부터 유입되는 바이오 가스를 정제하는 정제단계와;
    정제된 바이오 가스로부터 압력변동흡착(Pressure Swing Adsorption)방식을 이용해 메탄을 분리하는 흡착단계와;
    상기 혐기성 소화조로부터 유입되는 바이오 가스와 상기 흡착단계에서 분리된 바이오 메탄 중 적어도 하나의 메탄 농도를 감지하는 농도측정단계와;
    상기 농도 감지모듈에서 감지된 메탄 농도가 설정농도 미만인 경우, 상기 바이오 메탄 중 일부 또는 전체를 회수하여 상기 혐기성 소화조로부터 유입되는 바이오 가스에 합류시키는 제어단계를 포함하는 바이오 가스의 정제장치의 제어방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 혐기성 소화조로부터 유입되는 바이오 가스의 온도를 측정하는 온도측정단계를 더 포함하고,
    상기 온도측정단계에서 측정된 바이오 가스의 온도에 따라 상기 바이오 가스를 냉각하는 바이오 가스의 정제장치의 제어방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 정제단계는,
    상기 혐기성 소화조로부터 유입된 바이오 가스를 냉각시키는 제1냉각과정과,
    상기 바이오 가스로부터 황화수소를 제거하는 탈황 과정과,
    상기 탈황 과정에서 나온 바이오 가스를 압축하는 압축 과정과,
    상기 압축과정에서 나온 바이오 가스를 냉각시키는 제2냉각과정을 포함하고,
    상기 온도측정단계에서 측정된 바이오 가스의 온도가 설정 온도이상이면, 상기 제1냉각과정과 상기 제2냉각과정 중 적어도 하나를 수행하는 바이오 가스의 정제장치의 제어방법.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 농도측정단계는, 상기 혐기성 소화조로부터 유입되는 바이오 가스의 메탄 농도를 측정하고,
    상기 제어단계는, 상기 바이오 가스의 메탄 농도가 설정 기준 미만인 경우, 상기 흡착단계의 사이클 타임을 감소시키는 과정을 포함하는 바이오 가스의 정제장치의 제어방법.
  19. 청구항 15에 있어서,
    상기 농도측정단계는, 상기 흡착모듈에서 분리되어 외부로 배출되는 바이오 메탄의 메탄 농도를 측정하는 제1농도측정과정을 포함하고,
    상기 제어단계는, 상기 제1농도측정과정에서 측정된 메탄 농도가 미리 설정된 제1기준 농도보다 작으면 상기 바이오 메탄을 상기 혐기성 소화조로부터 유입되는 바이오 가스에 합류되도록 리턴시키는 바이오 가스의 정제장치의 제어방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 농도측정단계는, 상기 흡착모듈에서 분리된 이산화탄소를 포함한 잔존 가스의 메탄 농도를 측정하는 제2농도측정과정을 더 포함하고,
    상기 제어단계는, 상기 제2농도측정과정에서 측정된 메탄 농도가 미리 설정된 제2기준 농도보다 크거나 같으면 상기 잔존 가스를 상기 혐기성 소화조로부터 유입되는 바이오 가스에 합류되도록 리턴시키는 바이오 가스의 정제장치의 제어방법.
  21. 청구항 19에 있어서,
    상기 농도측정단계는, 상기 흡착모듈에서 분리된 퍼지가스의 메탄 농도를 측정하는 제3농도측정과정을 더 포함하고,
    상기 제어단계는, 상기 제3농도측정과정에서 측정된 메탄 농도가 미리 설정된 제3기준 농도보다 크거나 같으면, 상기 퍼지가스를 상기 혐기성 소화조로부터 유입되는 바이오 가스에 합류되도록 리턴시키는 바이오 가스의 정제장치의 제어방법.
  22. 청구항 15에 있어서,
    상기 제어단계는, 상기 흡착모듈의 구동 시작 이래로 일정시간동안 생산된 바이오 메탄은 상기 혐기성 소화조로부터 유입되는 바이오 가스에 합류되도록 리턴시키는 바이오 가스의 정제장치의 제어방법.
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