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반응표면분석을 이용한 바이오가스 고질화공정을 통한 바이오메탄
Optimization of biomethane production by biogas upgrading process using response surface mothodolgy 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.23 no.2, 2014년, pp.62 - 73  

박성범 (한솔신텍(주) 기술본부) ,  성현제 (한솔이엠이(주) 연구소) ,  심동민 (한솔이엠이(주) 연구소) ,  김낙주 (서울과학기술대학교 정밀화학과)

초록
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본 연구는 혐기성소화조에서 발생된 바이오가스로부터 바이오메탄을 생산하기 위한 고질화 공정의 운전조건을 최적화하기 위하여 반응표면 분석모델을 적용하였다. 반응표면 분석법의 하나인 Box-Behnken 설계법을 이용하였으며 바이오가스 고질화 공정의 메탄농도와 메탄회수율을 극대화하기 위한 수학적인 최적운전조건을 도출하였다. 도출된 반응표면모델의 적합성을 검증한 결과 각 모델의 p Value가 0.05 이하로서 유의성이 매우 높게 나타났으며, 결정계수($R^2$)는 각각 0.9788, 0.9710 이었다. 그리고 이산화탄소/메탄분리공정에서 메탄농도에 대해 운전압력이 가장 크게 영향을 미치고 다음으로 바이오메탄 생산량, PSA 회전밸브 속도의 순이다. 메탄회수율에 대해서는 PSA 회전밸브 속도가 가장 크게 영향을 미치고 있으며, 바이오메탄 생산량, 운전압력의 순으로 나타났다. 액체바이오 메탄 생산량이 $100Nm^3/hr$일 때의 최적 운전조건을 도출한 결과, 운전압력이 8.0bar 그리고 PSA 회전 밸브 속도가 31.55RPM일 때 바이오메탄의 메탄농도와 메탄회수율을 최대화할 수 있었고, 이때의 바이오메탄의 메탄농도는 97.13%이고, 메탄회수율은 75.89%이었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This research was focused to apply response surface methodology for optimization of bio-methane production by biogas upgrading process. Methane concentration(Y1) and methane efficiency(Y2) on biogas upgrading process were mathematically described as being modeled by the use of the Box-Behnken design...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구는 혐기성소화조에서 발생되는 바이오가스 를 이산화탄소 메탄 분리공정을 통해 바이오메탄을 / 생산하기 위하여 통계적 실험방법인 Box-Behnken 설계법을 적용하여 반응표면모델식을 도출하고 이산 화탄소 메탄 분리공정의 효율에 영향을 미치는 인자 / 들의 특성을 분석하였으며 바이오메탄의 메탄농도와 , 회수율을 최대화할 수 있는 최적 운전조건을 도출하였다.

가설 설정

  • 흡착제에 흡착될 수 있는 흡착량이 증가하여 이산화 탄소와 메탄 분리효율이 증가되어 고순도의 메탄을 생산할 수 있는 것이다. 19) PSA 하지만 회전밸브 속 도의 변화에 따른 메탄농도는 거의 변화하지 않는다. 운전인자가 메탄농도에 미치는 영향을 보면 회 PSA 전밸브 속도보다는 운전압력이 크게 영향을 미치고 있고 분산분석결과 운전압력과 회전밸브 속도에 대한 교호항의 p Value가 1.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
바이오메탄을 생산하는데 있어 핵심적인 공정은 무엇인가? 바이오메탄을 생산하는데 있어 핵심적인 공정은 메탄과 이산화탄소를 분리하는 공정으로서 흡착법, 흡수법 멤브레인법 등이 있다 흡착법은 흡착제에 이 , . 산화탄소를 흡착시키고 메탄은 배출되면서 이산화탄 소가 분리되는 방법이다 흡수법은 크게 물을 이용한 .
흡착법의 장점은? / 사용되는 있는 방법은 흡착법이다. 7) 흡착법은 다른 공정에 비해 설비가 간단하고 소요면적이 작으며 에 , , 너지소비량이 적고 운전 시 차 오염물질을 발생하 , 2 지 않는다. 6) 현재까지 흡착법에 대한 연구는 대부분 흡착제에 대한 연구가 대부분이며 최적 운전조건 도 출에 대한 연구는 미진한 상황이다 공정의 최적화를 .
일반적으로 공정의 최적 운전조건을 도출하기 위한 방법의 한계점은? 공정의 최적 운전조건을 도출하기 위한 방법은 모 든 운전조건은 고정하고 하나의 운전조건만을 변화시 키며 최적화를 진행하는 것이 일반적이다 그러나 이 . 러한 방법은 각 운전인자 간의 상호관계를 고려되지 않을 때 결과물의 신뢰성에 한계를 나태내고 있으며, 이러한 문제를 해결하기 위하여 다양한 통계학적인 실험방법들이 도입되고 있다. 11, 12) 다양한 통계학적 인 실험방법 중 반응표면분석 (Response Surface Methodology) , 은 화학공정 식품생산공정 등의 최적 운전조건을 도출하는 연구에 많이 적용되고 있으며, 환경분야에는 현재까지는 적용이 미비한 상황이지만 최근 활발히 적용되고 있다.
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참고문헌 (19)

  1. 에너지경제연구원, "주요국 신재생에너지 정책동향 및 그린에너지 산업, 기술개발 전략분석의 시사점", (2010). 

  2. International Energy Agency, "World energy outlook 2010", (2010). 

  3. International Energy Agency, "Energy technology perspectives 2010", (2010). 

  4. Magali, A.D. and Maria, J. M-S.: "U. S. state policies for renewable energy : context an effectiveness", Energy Policy, 39, 2273-2,288 (2011). 

  5. Lund, P.D.: "Effects of energy policies on industry expansion in renewable energy", Renewable Energy, 34, 53-64 (2009). 

  6. Ryckebosch, E. Drouilon, M. and Vervaeren, H.: "Techniques for transformation of biogas to biomethane", Biomass and Bioenergy, 35, 1,633-1,645 (2011). 

  7. Petersson, A. and Wellinger, A.: "Biogas upgrading technologies - developments and innovtions", IEA Bioenergy, (2009). 

  8. Alonso-Vicario, A. Ochoa-Gomez, J.R. Gil-Rio, S. Gomez-Jimerez-Aberasturi, O. Ramirez-Lopez, J. Torrecilla-Soria, C.A. and Dominguez, A.: "Purification and upgradng of biogas by pressure swing adsorption on synthetic and natural zeolites", Microporous and Mesoporous Materials, 134, 100-107, (2010). 

  9. Montanari, T. Finocchio, E. Salvatore, E. Garuti, G. Giordano, A. Pistarino, C. and Busca, G.: "CO2 separation and landfill biogas upgrading : A comparion of 4A and 13X zeolite adsorbents", Energy, 36, 314-319 (2011). 

  10. Liu, X. Zhou, L. Fu, X. Sun, Y. Su, W. and Zhou, Y.: "Adsorption and regeneration study of the mesoporous adsorbent SBA-15 adapted to the capture/separation of CO2 and CH4", Chemical Engineering Science, 62, 1101-1110 (2007). 

  11. Jeong G. T. Kim D. H. and Park D.H.: "Response surface methodological approach for optimization of free fatty acid removal in feedstock", Applied Biochemistry and Biotechnology, 137, 583-593 (2007). 

  12. Jeong G.T. and Park D.H.: "Response surface methodological approach for optimization of enzymatic synthesis of sorbitan methacrylate", Enzyme and Microbial Technology, 39, 381-386 (2006) 

  13. Molinuevo-Salces, B. Garcia-Gonzalez, M.C. Gonzalez-Fernandez, C. Cuetos, M.J. Moran, A. and Gomez, X.: "Anaerobic co-digestion of livestock wastes with vegetable processing wastes : A statistical analysis", Bioresource Technology, 101, 9479-9485 (2010) 

  14. Mohammed, J.K. Bashir, H.A.A., Mohd, S.Y., and Mohd, N.A.: "Application of response surface methodology (RSM) for optimization of ammoniacal nitrogen removal from semi-aerobic landfill leachate using ion exchange resin", Desalination, 254, 154-161 (2010). 

  15. Mua, Y. Zheng, X.J. and Yu, H.Q.: "Determining optimum conditions for hydrogen production from glucose by an anaerobic culture using response surface methodology (RSM)", International journal of hydrogen energy, 34, 7959-7963 (2009). 

  16. Cho, I.M. Park, J.H. Kim, Y.G. and Lee, H.K.: "Optimization of photocatalytic degradation condition for dying wastewater using response surface method", Journal of Korean Society on Water Quality, 19, 257-270 (2003). 

  17. Song W.Y. and Chang, S. W.: "The study of statistical optimization of NDMA treatment using UV-process", Journal of Korean Society on Water Quality, 25, 96-101 (2009). 

  18. Arslan-Alaton, I. Turelia, G. and Olmez-Hancia, T.: "Treatment of azo dye production wastewaters using Photo-Fenton-like advanced oxidation processes: Optimization by response surface methodology" Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 202, 142-153, (2009). 

  19. Belmabkhout, Y. and Sayari, A.: "Adsorption of CO2 from dry gases on MCM-41 silica at ambient temperature and high pressure. 2: A dsorption of CO2/N2, CO2/CH4 and CO2/H2 binary mixtures", Chemical Engineering Science, 64, 3729-3735 (2009). 

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