바이오가스 자원화는 유기성폐기물의 처리, 에너지활용 및 온실가스 감축을 동시에 충족시킬 수 있는 장점이 있다. 그러나 바이오가스에 다양한 형태로 존재하는 유기규소화합물인 실록산(siloxanes)은 연소 후 이산화규소(SiO2)로 전환되어 바이오가스 자원화효율을 저해하는 주요 원인으로 작용하고 있다. 따라서 효율적인 바이오가스 자원화를 위해서는 연소설비로 유입되는 실록산을 발생원 억제나 ...
바이오가스 자원화는 유기성폐기물의 처리, 에너지활용 및 온실가스 감축을 동시에 충족시킬 수 있는 장점이 있다. 그러나 바이오가스에 다양한 형태로 존재하는 유기규소화합물인 실록산(siloxanes)은 연소 후 이산화규소(SiO2)로 전환되어 바이오가스 자원화효율을 저해하는 주요 원인으로 작용하고 있다. 따라서 효율적인 바이오가스 자원화를 위해서는 연소설비로 유입되는 실록산을 발생원 억제나 전처리를 통하여 제거해야 한다. 국내의 경우 실록산에 대한 인식과 관련연구가 매우 부족하기 때문에 바이오가스에 따른 실록산의 발생특성 및 제거특성 파악에 앞서 실록산이 자원화시설에 미치는 영향과 채취분석에 대한 확인이 필요하다. 이에 본 연구에서는 실록산 침적물이 자원화시설에 미치는 영향 및 그 원인을 검토하고, 실록산의 발생특성 및 흡착에 의한 제거특성 평가로 최적흡착제를 선정하고자 하였다. 수도권매립지 50 MW급 매립가스 자원화시설의 보일러 내에서는 실록산의 연소에 의해 발생한 침적물(SiO2 98%)이 다량 발견되었다. 실록산 침적물은 모스 굳기 7의 높은 경도에 의해 기기 손상과 가동중지 유발 등의 자원화시설에 악영향을 미치는 것으로 평가되었다. 또한 침적물은 이산화규소의 특성에 의해 열전도도가 낮고, 사상형구조로 인하여 열차단 효과가 더욱 심화된다. 보일러 표면에 눈처럼 덮여 있는 침적물은 침적물분리, 기기 가동중지 및 재가열 등에 의해 경제적 손실을 유발하며, 정상가동 중에도 발전설비로의 열전달효율을 저해하는 것으로 평가되었다. 바이오가스 내 실록산을 용매흡수법으로 채취하는 경우 임핀저에 응축되는 바이오가스 중의 수분은 용매(메탄올)의 극성을 증가시켜 비극성의 실록산 채취효율을 저하시키는 것으로 평가되었다. 가스백채취법의 적용가능성을 평가한 결과 테들러백과 알루미늄백의 재질에 의한 실록산의 흡착손실이나 배경농도 증가는 나타나지 않았으며, 표준가스로 검량하였을 때 결정계수가 0.99이상으로 나타나 가스상 시료의 직접 분석도 가능한 것으로 판단하였다. 그러나 가스백채취법은 수 초의 짧은 채취시간으로 인해 조성이 가변적인 바이오가스 시료에 대해서는 대표성이 부족한 것으로 나타났다. 따라서 실제 바이오가스의 채취 시에는 용매흡수법을 기본방법으로 하되, 수분이 포화상태인 가스나 저장조를 포함하여 농도의 변동 폭이 적은 바이오가스에 대해서는 가스백채취법의 적용도 가능할 것으로 판단하였다. 수도권매립지 매립가스 중의 총실록산은 농도가 평균 6.75 mg/m3 (1.85-13.25 mg/m3)으로 발생하는 것으로 나타났다. 현재 매립이 진행 중인 매립지에서의 농도가 매립종료지점에 비하여 높았으며, 매립연령에 따라 실록산 발생량은 감소하였다. 실록산 분자구조별로는 고리형실록산의 발생 빈도와 농도가 90%이상으로 선형실록산보다 높았으며, 성분별로는 D4, D5 및 L2가 높게 발생하는 것으로 나타났다. 다양한 흡착제의 혼합실록산(L2, D4 및 D5)에 대한 흡착평형실험 결과의해 야자계활성탄은 L2제거에 가장 적합하였으며, 석탄계활성탄과 실리카겔은 D4와 D5의 제거에 가장 적합한 흡차제 임을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 Langmuir, Freundlich 및 Temkin 등온흡착식의 상수를 통하여 재확인하였으며, 각각의 흡착능과 흡착친화도를 비교하였다. 바이오가스 중의 실록산 발생특성과 흡착특성을 바탕으로 바이오가스의 효율적인 자원화를 위한 제거 방안을 도출할 수 있었다. 바이오가스 중에 다양한 형태로 존재하는 실록산 가운데 D5와 D4가 대부분을 차지하는 혐기성소화가스의 경우 흡착의 방해요인인 수분제거를 위해 전단에 흡수력이 뛰어난 실리카겔을 배치하고 후단에 석탄계활성탄을 배치함으로서 실록산을 90% 이상 흡착제거가 가능할 것으로 판단된다. 또한 매립가스를 이용하는 엔진 및 터빈 등과 같이 실록산에 민감한 자원화 주요 설비의 경우에는 고리형실록산 제거 후 후단의 흡착탑에 야자계활성탄을 배치하여 L2를 포함한 잔류 실록산의 제거가 가능할 것으로 예측된다. 실록산을 제거효율 증대로 바이오가스 자원화 효율저하를 최소화하기 위해서는 바이오가스 발생 특성에 따라서 흡착 공정 이전의 수분 및 기타 미량물질을 전처리 하는 공정이 안정적으로 운영되어야 할 것으로 예측되었다.
바이오가스 자원화는 유기성폐기물의 처리, 에너지활용 및 온실가스 감축을 동시에 충족시킬 수 있는 장점이 있다. 그러나 바이오가스에 다양한 형태로 존재하는 유기규소화합물인 실록산(siloxanes)은 연소 후 이산화규소(SiO2)로 전환되어 바이오가스 자원화효율을 저해하는 주요 원인으로 작용하고 있다. 따라서 효율적인 바이오가스 자원화를 위해서는 연소설비로 유입되는 실록산을 발생원 억제나 전처리를 통하여 제거해야 한다. 국내의 경우 실록산에 대한 인식과 관련연구가 매우 부족하기 때문에 바이오가스에 따른 실록산의 발생특성 및 제거특성 파악에 앞서 실록산이 자원화시설에 미치는 영향과 채취분석에 대한 확인이 필요하다. 이에 본 연구에서는 실록산 침적물이 자원화시설에 미치는 영향 및 그 원인을 검토하고, 실록산의 발생특성 및 흡착에 의한 제거특성 평가로 최적흡착제를 선정하고자 하였다. 수도권매립지 50 MW급 매립가스 자원화시설의 보일러 내에서는 실록산의 연소에 의해 발생한 침적물(SiO2 98%)이 다량 발견되었다. 실록산 침적물은 모스 굳기 7의 높은 경도에 의해 기기 손상과 가동중지 유발 등의 자원화시설에 악영향을 미치는 것으로 평가되었다. 또한 침적물은 이산화규소의 특성에 의해 열전도도가 낮고, 사상형구조로 인하여 열차단 효과가 더욱 심화된다. 보일러 표면에 눈처럼 덮여 있는 침적물은 침적물분리, 기기 가동중지 및 재가열 등에 의해 경제적 손실을 유발하며, 정상가동 중에도 발전설비로의 열전달효율을 저해하는 것으로 평가되었다. 바이오가스 내 실록산을 용매흡수법으로 채취하는 경우 임핀저에 응축되는 바이오가스 중의 수분은 용매(메탄올)의 극성을 증가시켜 비극성의 실록산 채취효율을 저하시키는 것으로 평가되었다. 가스백채취법의 적용가능성을 평가한 결과 테들러백과 알루미늄백의 재질에 의한 실록산의 흡착손실이나 배경농도 증가는 나타나지 않았으며, 표준가스로 검량하였을 때 결정계수가 0.99이상으로 나타나 가스상 시료의 직접 분석도 가능한 것으로 판단하였다. 그러나 가스백채취법은 수 초의 짧은 채취시간으로 인해 조성이 가변적인 바이오가스 시료에 대해서는 대표성이 부족한 것으로 나타났다. 따라서 실제 바이오가스의 채취 시에는 용매흡수법을 기본방법으로 하되, 수분이 포화상태인 가스나 저장조를 포함하여 농도의 변동 폭이 적은 바이오가스에 대해서는 가스백채취법의 적용도 가능할 것으로 판단하였다. 수도권매립지 매립가스 중의 총실록산은 농도가 평균 6.75 mg/m3 (1.85-13.25 mg/m3)으로 발생하는 것으로 나타났다. 현재 매립이 진행 중인 매립지에서의 농도가 매립종료지점에 비하여 높았으며, 매립연령에 따라 실록산 발생량은 감소하였다. 실록산 분자구조별로는 고리형실록산의 발생 빈도와 농도가 90%이상으로 선형실록산보다 높았으며, 성분별로는 D4, D5 및 L2가 높게 발생하는 것으로 나타났다. 다양한 흡착제의 혼합실록산(L2, D4 및 D5)에 대한 흡착평형실험 결과의해 야자계활성탄은 L2제거에 가장 적합하였으며, 석탄계활성탄과 실리카겔은 D4와 D5의 제거에 가장 적합한 흡차제 임을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 Langmuir, Freundlich 및 Temkin 등온흡착식의 상수를 통하여 재확인하였으며, 각각의 흡착능과 흡착친화도를 비교하였다. 바이오가스 중의 실록산 발생특성과 흡착특성을 바탕으로 바이오가스의 효율적인 자원화를 위한 제거 방안을 도출할 수 있었다. 바이오가스 중에 다양한 형태로 존재하는 실록산 가운데 D5와 D4가 대부분을 차지하는 혐기성소화가스의 경우 흡착의 방해요인인 수분제거를 위해 전단에 흡수력이 뛰어난 실리카겔을 배치하고 후단에 석탄계활성탄을 배치함으로서 실록산을 90% 이상 흡착제거가 가능할 것으로 판단된다. 또한 매립가스를 이용하는 엔진 및 터빈 등과 같이 실록산에 민감한 자원화 주요 설비의 경우에는 고리형실록산 제거 후 후단의 흡착탑에 야자계활성탄을 배치하여 L2를 포함한 잔류 실록산의 제거가 가능할 것으로 예측된다. 실록산을 제거효율 증대로 바이오가스 자원화 효율저하를 최소화하기 위해서는 바이오가스 발생 특성에 따라서 흡착 공정 이전의 수분 및 기타 미량물질을 전처리 하는 공정이 안정적으로 운영되어야 할 것으로 예측되었다.
Biogas utilization has advantages of disposing of organic wastes, of performing energy use, and of reducing greenhouse gas. But, siloxanes, which exists in biogas in various types, is converted into SiO2 after burning. That is the main cause of impeding biogas utilization efficiency. Therefore, for ...
Biogas utilization has advantages of disposing of organic wastes, of performing energy use, and of reducing greenhouse gas. But, siloxanes, which exists in biogas in various types, is converted into SiO2 after burning. That is the main cause of impeding biogas utilization efficiency. Therefore, for efficient biogas utilization, it is necessary to control the occurrence of siloxanes or remove siloxanes through pre-processing prior to burning. Studies on perception of siloxanes and any relevant studies have hardly been conducted in Korea. And, it was found that it is needed to investigate how siloxanes affect utility facilities and examine the occurrence of siloxanes in biogas and its adsorptive feature. Therefore, this work was intended to investigate the adverse effects of siloxanes on biogas utility facilities, evaluate the occurrence and adsorption characteristics of siloxanes, and propose the optimal absorbent according to biogas. A massive amount of SiO2 caused by burning of siloxanes was found in a boiler of the 50MW landfill gas (LFG) utility facility installed in the Sudokwon landfill site. It was evaluated that adverse effects of siloxanes on the utility facility, such as damage to machine and stoppage of machine operation, were caused by high hardness of deposits. It was evaluated that, in the case of particles of deposits, thermal conductivity and bulk density lowered due to their filamentous structure, and that the deposits with which the boiler surface was covered impeded thermal conductivity in a steam turbine during the machine's normal operation. When siloxanes in biogas was collected through the absorption method with methanol solvent, it was found that polarity of methanol was increased by moisture in biogas, and that siloxanes collection efficiency decreased. The examination as to whether or not gas bag sampling can be applied revealed that the quality of a gas bag didn't lead to absorption losses of siloxanes or an increase in base density of siloxanes. When the standard gas produced in a gas bag was measured, its coefficient of determination was found to be more than 0.99. As a result, it was possible to analyze gas samples directly. In fact, for biogas sampling, solvent absorption method is the most proper, but for the gas whose moisture is in saturation or the biogas whose density changing range is small because of a storage vessel, it is considered that gas bag sampling could be applicable. As for siloxanes of LFG, the total density of siloxanes was 6.75 mg/m3 (1.85-13.25 mg/m3) on average, and the density of siloxanes in the landfill site where landfilling work was on the progress was higher than that in the landfill area where landfilling work was completed. Regarding occurrence characteristics by the molecular structure of siloxanes, it was found that cyclic siloxane showed the highest occurrence frequency and density, and that D4, D5 and L2 highly occurred. The test about siloxanes adsorption equilibrium with something mixed with L2, D4 and D5, the main siloxanes of biogas, showed that carbon adsorbents (coconut activated carbon, coal activated carbon, impregnated activated carbon ) was better than non-carbon adsorbents (silica gel, activated alumina) in removing mixed siloxanes. Coconut activated carbon adsorption of L2 was 0.123 (g L2/g Adsorbent), and coal activated carbon adsorption of D4 and D5 was 0.090 and 0.169 (g L2/g Adsorbent). Therefore, they were chosen as the optimal adsorbents in removing siloxanes. Regarding silica gel whose adsorption efficiency was similar to carbonic adsorbents' in terms of single component adsorption, its L2 adsorption efficiency was lower than carbonic adsorbents', but its D4 and D5 adsorption efficiency was the next highest to coal activated carbon. On the basis of characteristics of the occurrence and adsorption of siloxane, we can propose a preprocessing plan for efficient biogas utilization. Landfill gas has less moisture than anaerobic digestion gas (ADG), and causes the occurrence of L2 with high density so that coconut activated carbon, which has an excellent L2 adsorption capacity, is proper as an adsorbent. In the case of ADG, D5 and D4 highly occur, and a massive amount of moisture is included in the gas, so that silica gel is proper as an adsorbent. The properties of biogas are changeable by many different variables so that if, of the two-step adsorption tower, the first one uses silica gel and the second one uses coconut based activated carbon, it could be possible to secure safety in terms of moisture and L2.
Biogas utilization has advantages of disposing of organic wastes, of performing energy use, and of reducing greenhouse gas. But, siloxanes, which exists in biogas in various types, is converted into SiO2 after burning. That is the main cause of impeding biogas utilization efficiency. Therefore, for efficient biogas utilization, it is necessary to control the occurrence of siloxanes or remove siloxanes through pre-processing prior to burning. Studies on perception of siloxanes and any relevant studies have hardly been conducted in Korea. And, it was found that it is needed to investigate how siloxanes affect utility facilities and examine the occurrence of siloxanes in biogas and its adsorptive feature. Therefore, this work was intended to investigate the adverse effects of siloxanes on biogas utility facilities, evaluate the occurrence and adsorption characteristics of siloxanes, and propose the optimal absorbent according to biogas. A massive amount of SiO2 caused by burning of siloxanes was found in a boiler of the 50MW landfill gas (LFG) utility facility installed in the Sudokwon landfill site. It was evaluated that adverse effects of siloxanes on the utility facility, such as damage to machine and stoppage of machine operation, were caused by high hardness of deposits. It was evaluated that, in the case of particles of deposits, thermal conductivity and bulk density lowered due to their filamentous structure, and that the deposits with which the boiler surface was covered impeded thermal conductivity in a steam turbine during the machine's normal operation. When siloxanes in biogas was collected through the absorption method with methanol solvent, it was found that polarity of methanol was increased by moisture in biogas, and that siloxanes collection efficiency decreased. The examination as to whether or not gas bag sampling can be applied revealed that the quality of a gas bag didn't lead to absorption losses of siloxanes or an increase in base density of siloxanes. When the standard gas produced in a gas bag was measured, its coefficient of determination was found to be more than 0.99. As a result, it was possible to analyze gas samples directly. In fact, for biogas sampling, solvent absorption method is the most proper, but for the gas whose moisture is in saturation or the biogas whose density changing range is small because of a storage vessel, it is considered that gas bag sampling could be applicable. As for siloxanes of LFG, the total density of siloxanes was 6.75 mg/m3 (1.85-13.25 mg/m3) on average, and the density of siloxanes in the landfill site where landfilling work was on the progress was higher than that in the landfill area where landfilling work was completed. Regarding occurrence characteristics by the molecular structure of siloxanes, it was found that cyclic siloxane showed the highest occurrence frequency and density, and that D4, D5 and L2 highly occurred. The test about siloxanes adsorption equilibrium with something mixed with L2, D4 and D5, the main siloxanes of biogas, showed that carbon adsorbents (coconut activated carbon, coal activated carbon, impregnated activated carbon ) was better than non-carbon adsorbents (silica gel, activated alumina) in removing mixed siloxanes. Coconut activated carbon adsorption of L2 was 0.123 (g L2/g Adsorbent), and coal activated carbon adsorption of D4 and D5 was 0.090 and 0.169 (g L2/g Adsorbent). Therefore, they were chosen as the optimal adsorbents in removing siloxanes. Regarding silica gel whose adsorption efficiency was similar to carbonic adsorbents' in terms of single component adsorption, its L2 adsorption efficiency was lower than carbonic adsorbents', but its D4 and D5 adsorption efficiency was the next highest to coal activated carbon. On the basis of characteristics of the occurrence and adsorption of siloxane, we can propose a preprocessing plan for efficient biogas utilization. Landfill gas has less moisture than anaerobic digestion gas (ADG), and causes the occurrence of L2 with high density so that coconut activated carbon, which has an excellent L2 adsorption capacity, is proper as an adsorbent. In the case of ADG, D5 and D4 highly occur, and a massive amount of moisture is included in the gas, so that silica gel is proper as an adsorbent. The properties of biogas are changeable by many different variables so that if, of the two-step adsorption tower, the first one uses silica gel and the second one uses coconut based activated carbon, it could be possible to secure safety in terms of moisture and L2.
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