[논문]쓰레기 매립지 MGT 발전 및 유리온실 설계기술개발

허광범; 박정극; 이정빈

doi:10.5855/energy.2011.20.1.013

쓰레기 매립지 MGT 발전 및 유리온실 설계기술개발
Development of Land Fill Gas(LFG)-MGT Power Generation and Green House Design Technology 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.20 no.1 = no.65, 2011년, pp.13 - 20

허광범 (한국전력공사 전력연구원) , 박정극 (한국전력공사 전력연구원) , 이정빈 (한국전력공사 전력연구원)

초록
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마이크로 가스터빈의 높은 연료 다양성은 광범위한 범위의 적용처에 적용할 수 있도록 설계되었다. 최근에는 가스터빈 발전시스템의 연료로서, 유기성폐기물의 소화가스와 쓰레기 매립지로부터 발생되는 바이오 가스에 대한 수요가 증가하고 있다. 우리는 매립지 가스를 이용하여 마이크로 가스터빈 열병합 발전시스템의 성능특성 및 운전 특성에 대한 영향을 연구하고 있다. 메탄과 이산화탄소를 동시에 회수하는 공정을 개발하여 현장 실증 플랜트 규모로 시험을 수행하였으며, 유리온실에 농작물의 이산화탄소 고농도 집적을 목적으로 철-킬레이트 화합물을 기본으로 하는 액상촉매를 이용하여 매립지 가스내에 있는 불순물을 저렴한 비용으로 제거하고자 한다. Fe-EDTA(철-킬레이트)를 이용한 내부순환 다판식 기포탑 반응기에 의하여 농축정제와 이산화탄소 제거가 매립지 가스의 최적화 연료화를 추진하였다. 매립지가스의 유량은 0.207 $m^3$/min이고 5.5 kg/$cm^2$의 압력으로 공급되며 메탄농도 70%, 이산화탄소 27%로 공급되도록 농축반응기를 설계하였고 황화수소 99% 제거를 목표로 한다. 유리온실은 마이크로 가스터빈 배가스와 온수를 이용하여 대기중의 이산화탄소 농도에서 1500 ppm의 농도범위로 공급되도록 설계되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The high fuel flexibility of Micro Gas Turbine(MGT) has boosted their use in a wide variety of applications. Recently, the demand for biogas generated from the digestion of organic wastes and landfill as a fuel for gas turbines has increased. We researched the influence of firing landfill gas(LFG) on the performance and operating characteristics of a micro gas turbine combined heat and power system. $CH_4$ and $CO_2$ simultaneous recovery process has been developed for field plant scale to provide an isothermal, low operating cost method for carrying out the contaminants removal in Land Fill Gas(LFG) by liquid phase catalyst for introduce into the green house for the purpose of $CO_2$ rich cultivation of the plants. Methane purification and carbon dioxide stripping by muti panel autocirculation bubble lift column reactor utilizing Fe-EDTA was conducted for evaluate optimum conditions for land fill gas. Based on inflow rate of LFG as 0.207 $m^3$/min, 5.5 kg/$cm^2$, we designed reactor system for 70% $CH_4$ and 27% $CO_2$ gas introduce into MGT system with $H_2S$ 99% removal efficiency. A green house designed for four different carbon dioxide concentration from ambient air to 1500 ppm by utilizing the exhaust gas and hot water from MGT system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 지구온난화의 주범이자 신재생에너지 연료인 매립지 가스 MGT 발전시스템의 최적적용을 위한 시스템 설계 기술과 MGT 배가스의 이산화탄소를 이용하여 농작물의 성장촉진을 위한 유리온실의 기술개발 연구를 통하여 다음과 같은 결론를 얻었다.
가스터빈의 연료 유연성은 마이크로 가스터빈에도 그대로 적용 되는 바, 본 과제의 핵심이라고 할 수 있는 바이오 가스 중 매립지 가스(Land fill gas)의 적용에 가장 효과적인 동력 시스템이라고 확신할 수 있다. 본 논문에서는, 지구온난화의 주범인 매립지 가스 신재생에너지 연료를 이용한 마이크로 가스터빈 열병합 발전시스템과 배가스내 이산화탄소의 유리온실내 적용을 통하여 최적의 설계기술을 고찰하고자 한다.

제안 방법

또한 시스템 내부에 자체적으로 중요한 운전 파라미터들, 예를 들어 각 위치에서의 전기출력, 엔진 축 회전수, 압축기입구 온도 및 터빈출구 온도 등 최소한의 주요 파라미터들이 측정되거나 측정 데이터를 바탕으로 계산되어 CRMS 프로그램(엔진 구동 및 모니터링 프로그램)을 통하여 사용자가 엔진의 현재 구동상태가 어떤지 확인할 수 있도록 표시된다. 각각 1단의 원심 터빈과 1단의 원심 압축기를 엔진 어셈블리 전방에 발전기가 설치되어 압축기로 유입되는 공기를 이용하여 냉각을 하는 구조로 설계되었다. 발전기를 거친 공기는 온도가 어느 정도 상승한 상태로 압축기로 유입되고 압축되어 재생기로 들어간다 [24-26].
(4) MGT 열병합 발전시스템에서 배출된 가스는 이산화탄소 농도를 350 ppm에서 1500 ppm 범위로 주입된다. 따라서 CO₂ 농도를 각각 4개의 재배실에서 농도를 제어 할 수 있도록, 센서에서 감지된 농도를 참고하여 배가스 주입량을 제어하도록 하며 오이, 토마토의 성장률을 특성 평가할 수 있도록 설계 제작하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용한 실험장비는 Capstone사에서 제작한 C30모델 마이크로 가스터빈이다 [19]. 이 엔진은 ISO 조건(15℃, 1 atm)에서 정격출력 30 kW(+0/-2), 발전효율 26%(± 2)로 설계된 것으로 알려져 있다(연료압축기 전력소모 제외).
실험에서 사용된 Capstone C30 마이크로 가스터빈은 재생기를 사용한 마이크로 가스터빈으로 낮은 압력의 연료를 이용할 수 있는 저압터빈 이다.

이론/모형

9% 촉매용액에 흡수가 되고 이온화 반응이 일어나며 반응의 첫단계는 기상의 황화수소와 아황산가스가 액상으로의 흡수이다. 이때 기상의 농도와 액상의 농도는 Henry 법칙에 따른다.

성능/효과

(2) 저발열량 연료용 매립지가스 30 kW급 마이크로 가스터빈 열병합 발전시스템의 구성은 매립지 가스내 불순물인 황화수소, 실록산, 수분을 적절히 제거하는 전처리시스템이 필수적이며 생산된 전력은 380 V 저압선로에 연계되어 최적 운전되고 있다.
(4) MGT 열병합 발전시스템에서 배출된 가스는 이산화탄소 농도를 350 ppm에서 1500 ppm 범위로 주입된다. 따라서 CO₂ 농도를 각각 4개의 재배실에서 농도를 제어 할 수 있도록, 센서에서 감지된 농도를 참고하여 배가스 주입량을 제어하도록 하며 오이, 토마토의 성장률을 특성 평가할 수 있도록 설계 제작하였다.
더욱이 마이크로 가스터빈은 초고속운전, 열성능 향상을 위한 부가적인 구성요소의 탑재 및 효과적 발전을 위한 독특한 제어시스템 채택 등으로 인하여 여타 산업 분야에도 응용 가능한 다양한 진보적 기술요소를 포함하고 있다. 가스터빈의 연료 유연성은 마이크로 가스터빈에도 그대로 적용 되는 바, 본 과제의 핵심이라고 할 수 있는 바이오 가스 중 매립지 가스(Land fill gas)의 적용에 가장 효과적인 동력 시스템이라고 확신할 수 있다. 본 논문에서는, 지구온난화의 주범인 매립지 가스 신재생에너지 연료를 이용한 마이크로 가스터빈 열병합 발전시스템과 배가스내 이산화탄소의 유리온실내 적용을 통하여 최적의 설계기술을 고찰하고자 한다.
1에 각 바이오매스별로 생성 가능한 에너지원과 적용가능 분야를 [3] 도시하였다. 대부분의 바이오매스를 통하여 메탄가스 및 바이오 가스를 생산하는 것이 가능하고, 이러한 가스 연료들은 대부분 발열량이 낮은 중, 저급 가스(Low BTU gas)이므로 화력발전에 적용할 경우 연료에 대한 대응성이 뛰어난 가스터빈을 이용하는 것이 가장 바람직하다고 판단된다.
본 논문에서 다루는 매립지 가스터빈 발전의 경우, 지구상에서 1년 동안 생성되는 바이오매스의 양은 현재 지구상에 존재하는 석유의 전체 매장량과 맞먹을 정도로 많다고 알려져 있으며, 연료를 생성하는 과정에서 다양한 폐기물들을 처리할 수 있다는 장점도 존재한다. 대표적인 실증사례로는 남미에서 사탕수수와 카사바 등을 이용하여 알코올을 추출하여 자동차 연료로 사용하는 것과, 북미에서 케르프라는 거대 다시마로 메탄을 생성하는 것을 들 수 있으며, 우리나라에서도 유채꽃에서 연료를 추출하는 등 다양한 연구가 진행되고 있다.
엔진 어셈블리 전방에 발전기가 설치되어 압축기로 유입되는 공기를 이용하여 냉각을 하는 구조를 가지고 있는 것을 확인할 수 있다. 발전기를 거친 공기는 온도가 어느 정도 상승한 상태로 압축기로 유입되고 압축되어 재생기로 들어간다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소형 전원 중 유망한 기술은?	최근 전력이송으로 인한 손실을 최소화하고 분산된 에너지 수요에 대응성이 높은 분산발전 시스템(distributed generation system)에 대한 관심이 높아지면서 기존의 중대형 발전시스템에 비하여 상대적으로 소형이면서 운전성능과 신뢰성이 우수한 발전시스템에 대한 관심이 고조되고 있다. 다양한 소형 전원 중에서도 경제성과 단기간에 적용 가능한 기술 성숙도로 볼 때 소형 가스터빈으로 분류되는 마이크로 가스터빈(Micro gas turbine)이 매우 유망하다. 이에 따라 현재 선진국을 중심으로 마이크로 가스터빈의 개발 열기가 고조되고 있으며 [1,2], 일부 제품들은 상용화되어 보급되고 있는 실정이다.
	소형 시스템의 동력원 중 마이크로 가스터빈의 장점은 무엇인가?	특히 마이크로 가스터빈은 가스터빈의 장점을 모두 지니면서 다른 소형 전원장치에 비하여 월등히 높은 비출력(크기당 출력), 친환경성으로 인하여 경쟁력이 매우 높다. 더욱이 마이크로 가스터빈은 초고속운전, 열성능 향상을 위한 부가적인 구성요소의 탑재 및 효과적 발전을 위한 독특한 제어시스템 채택 등으로 인하여 여타 산업 분야에도 응용 가능한 다양한 진보적 기술요소를 포함하고 있다. 가스터빈의 연료 유연성은 마이크로 가스터빈에도 그대로 적용 되는 바, 본 과제의 핵심이라고 할 수 있는 바이오 가스 중 매립지 가스(Land fill gas)의 적용에 가장 효과적인 동력 시스템이라고 확신할 수 있다.
	분산 발전 시스템은 어떤 시스템인가?	특히 최근 미국 등 선진국에서 일어났던 몇 차례의 대규모 정전 사태 등에서 나타났듯이 중앙집중식 전력생산 및 관리 시스템의 단점이 부각되고, 첨단 정보통신 기술의 발전에 의한 소규모 전력 사용처의 증가로 전력 사용이 분산되면서 분산발전 시스템에 대한 기대가 커지고 있는 실정이며. 분산 발전 시스템은 전기 뿐 아니라 on-site에서 필요한 열에너지도 공급 가능하므로 소규모의 분산에너지 시스템(distributed energy system)을 이룰 수 있으므로 한정된 에너지원의 효과적 사용이라는 측면에서 이상적인 시스템이다. 이러한 소형 시스템의 동력원으로는 재생 에너지(풍력, 태양열 등)를 포함한 다양한 방법들을 고려할 수 있으나, 환경친화성과 함께 경제적으로 구현 가능한 축적된 기술 등을 고려할 때 소형 가스터빈인 마이크로 가스터빈이 매우 유망한 동력원이라 할 수 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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