본 연구에서는 실제 난지 하수처리장에서 바이오가스를 연료로 사용하여 발전할 때, 가스엔진에서 발생하는 고장 사례에 대한 조사와 분석을 통해 바이오가스 플랜트의 주요 고장원인을 분석하고, 그 대책을 제시하였다. 바이오 가스엔진에 유입되는 바이오 가스 속의 황화수소와 수분 제거설비의 간헐적인 오작동으로 인한 수분이 바이오 가스엔진의 인터쿨러 부식을 초래하였다. 또한 바이오가스 속의 실록산이 이산화규소와 규산염 화합물을 형성하여 피스톤 표면 및 실린더라이너 내벽의 긁힘과 마모 등의 손상을 유발하였다. 연소실과 배기가스 설비에 부착된 물질들은 황화수소와 다른 불순물질이 결합한 것으로 분석되었다. 이러한 원인으로는 바이오 가스 속의 고함량(50ppm이상)의 황화수소가 탈황설비에 장기간 공급되었고, 탈황설비내 활성탄의 파과점 도달에 따른 제거효율 저하 때문에 황화수소가 엔진으로 유입됨으로써 발생한 것으로 사료된다. 또한, 황화수소는 흡착탑의 실록산 제거용 활성탄 기능을 저하시킴으로써 제거되지 않은 실록산 화합물이 엔진으로 유입되어 다양한 형태의 엔진고장을 유발한 것으로 판단된다. 따라서, 황화수소와 실록산, 수분은 바이오 가스엔진 고장의 주요 원인으로 볼 수 있으며, 이 중 황화수소는 고장을 일으키는 다른 물질과 반응하며, 전처리 공정에 중대한 영향을 미치는 물질로 볼 수 있다. 결과적으로, $H_2S$ 제거방법의 최적화가 안정적인 바이오 가스엔진 운영을 위한 필수적인 대책으로 사료된다.
본 연구에서는 실제 난지 하수처리장에서 바이오가스를 연료로 사용하여 발전할 때, 가스엔진에서 발생하는 고장 사례에 대한 조사와 분석을 통해 바이오가스 플랜트의 주요 고장원인을 분석하고, 그 대책을 제시하였다. 바이오 가스엔진에 유입되는 바이오 가스 속의 황화수소와 수분 제거설비의 간헐적인 오작동으로 인한 수분이 바이오 가스엔진의 인터쿨러 부식을 초래하였다. 또한 바이오가스 속의 실록산이 이산화규소와 규산염 화합물을 형성하여 피스톤 표면 및 실린더라이너 내벽의 긁힘과 마모 등의 손상을 유발하였다. 연소실과 배기가스 설비에 부착된 물질들은 황화수소와 다른 불순물질이 결합한 것으로 분석되었다. 이러한 원인으로는 바이오 가스 속의 고함량(50ppm이상)의 황화수소가 탈황설비에 장기간 공급되었고, 탈황설비내 활성탄의 파과점 도달에 따른 제거효율 저하 때문에 황화수소가 엔진으로 유입됨으로써 발생한 것으로 사료된다. 또한, 황화수소는 흡착탑의 실록산 제거용 활성탄 기능을 저하시킴으로써 제거되지 않은 실록산 화합물이 엔진으로 유입되어 다양한 형태의 엔진고장을 유발한 것으로 판단된다. 따라서, 황화수소와 실록산, 수분은 바이오 가스엔진 고장의 주요 원인으로 볼 수 있으며, 이 중 황화수소는 고장을 일으키는 다른 물질과 반응하며, 전처리 공정에 중대한 영향을 미치는 물질로 볼 수 있다. 결과적으로, $H_2S$ 제거방법의 최적화가 안정적인 바이오 가스엔진 운영을 위한 필수적인 대책으로 사료된다.
In this study, we analyzed the causes of major faults in the biogas plant through the case of gas engine failure when cogenerating electricity and heat using biogas as a fuel in the actual sewage treatment plant and suggested countermeasures. Hydrogen sulfide in the biogas entering the biogas engine...
In this study, we analyzed the causes of major faults in the biogas plant through the case of gas engine failure when cogenerating electricity and heat using biogas as a fuel in the actual sewage treatment plant and suggested countermeasures. Hydrogen sulfide in the biogas entering the biogas engine and water caused by intermittent malfunction of the water removal system caused intercooler corrosion in the biogas engine. In addition, the siloxane in the biogas forms a silicate compound with silicon dioxide, which causes scratches and wear of the piston surface and the inner wall of the cylinder liner. The substances attached to the combustion chamber and the exhaust system were analyzed to be combined with hydrogen sulfide and other impurities. It is believed that hydrogen sulfide was supplied to the desulfurization plant for a long period of time because of the high content of hydrogen sulfide (more than 50ppm) in the biogas and the hydrogen sulfide was introduced into the engine due to the decrease of the removal efficiency due to the breakthrough point of the activated carbon in the desulfurization plant. In addition, the hydrogen sulfide degrades the function of the activated carbon for siloxane removal of the adsorption column, which is considered to be caused by the introduction of unremoved siloxane waste into the engine, resulting in various types of engine failure. Therefore, hydrogen sulfide, siloxane, and water can be regarded as the main causes of the failure of the biogas engine. Among them, hydrogen sulfide reacts with other materials causing failure and can be regarded as a substance having a great influence on the pretreatment process. As a result, optimization of $H_2S$ removal method seems to be an essential measure for stable operation of the biogas engine.
In this study, we analyzed the causes of major faults in the biogas plant through the case of gas engine failure when cogenerating electricity and heat using biogas as a fuel in the actual sewage treatment plant and suggested countermeasures. Hydrogen sulfide in the biogas entering the biogas engine and water caused by intermittent malfunction of the water removal system caused intercooler corrosion in the biogas engine. In addition, the siloxane in the biogas forms a silicate compound with silicon dioxide, which causes scratches and wear of the piston surface and the inner wall of the cylinder liner. The substances attached to the combustion chamber and the exhaust system were analyzed to be combined with hydrogen sulfide and other impurities. It is believed that hydrogen sulfide was supplied to the desulfurization plant for a long period of time because of the high content of hydrogen sulfide (more than 50ppm) in the biogas and the hydrogen sulfide was introduced into the engine due to the decrease of the removal efficiency due to the breakthrough point of the activated carbon in the desulfurization plant. In addition, the hydrogen sulfide degrades the function of the activated carbon for siloxane removal of the adsorption column, which is considered to be caused by the introduction of unremoved siloxane waste into the engine, resulting in various types of engine failure. Therefore, hydrogen sulfide, siloxane, and water can be regarded as the main causes of the failure of the biogas engine. Among them, hydrogen sulfide reacts with other materials causing failure and can be regarded as a substance having a great influence on the pretreatment process. As a result, optimization of $H_2S$ removal method seems to be an essential measure for stable operation of the biogas engine.
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문제 정의
본 연구에서는 난지 물재생센터의 발전설비를 대상으로 하여 바이오가스를 엔진 발전기의 연료로 사용하는데 있어서 발생하는 고장 발생 현황에 대한 실제 운영자료 및 사례를 통하여 고장원인을 분석하고 주요 원인을 도출하고자 한다.
본 연구에서는 바이오가스를 연료로 사용하는 바이오 가스엔진에서 발생하는 고장사례에 대한 분석을 통해 바이오 가스 플랜트의 고장원인을 분석하고 주요원인을 도출하였다. 바이오 가스엔진의 실제 운영 자료 및 고장사례 조사를 수행하여 잦은 트러블과 고장의 원인을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
[Fig. 3]은 SCR(Selective Catalytic Reduction)설비의 전단과 후단의 차압이 설계기준인 15mmH2O 이상이 되어 가스엔진을 정지하고 요소수 교체와 촉매 카트리지 청소를 시행한 후 재가동한 경우와 가스엔진 후단의 배압이 설계기준인 50mmH2O 이상이 되어 가스엔진을 정지하고 배기가스 열교환기를 청소한 사례를 보여주는 것으로 이에 대한 원인을 분석하기 위해 배기가스 이물질에 대한 성분을 분석하였다.
난지 물재생센터에서 바이오가스 플랜트로 공급하는 바이오가스 시료를 탈황탑 전단(인입단), 탈황탑 후단, 실록산탑 후단에서 채취[Fig. 6]하여 용매흡수법 및 GC/MS로 분석하였다.
황화수소를 함유한 바이오가스가 엔진에 공급되어 인터쿨러의 핀 부식을 초래하는 현상이 나타났다. 또한 실록산이 포함된 바이오가스가 이산화규소와 규산염 화합물을 피스톤 및 실린더라이너에 긁힘을 유발하였다.
본 연구에서는 바이오가스를 연료로 사용하는 바이오 가스엔진에서 발생하는 고장사례에 대한 분석을 통해 바이오 가스 플랜트의 고장원인을 분석하고 주요원인을 도출하였다. 바이오 가스엔진의 실제 운영 자료 및 고장사례 조사를 수행하여 잦은 트러블과 고장의 원인을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
배기가스 부문에서 채취한 시료를 EDX로 정성분석 하여 검출된 원소들에 대하여 ICP로 정량분석하였고 C, S 성분은 비분산 적외선 흡수방식으로 분석하였다.
6]에 표시한 측정위치에서 6차례에 거쳐서 실록산과 황화수소를 측정한 결과를 보여준다. 실록산은 D4, D5성분만 검출되었고, 황화수소 성분과 실록산 성분의 함량은 대체로 비례하였다. 탈황설비 인입에 비해 탈황 후단이 실록산 함량이 낮은 것은 탈황설비 활성탄에서 실록산을 일부 제거하고 있음을 보여준다[Table 5].
5]는 2013년부터 2015년까지 발생한 바이오가스 엔진의 고장사례를 보여준다. 엔진의 실린더와 피스톤의 소손과 이로 인해 발생한 진동, 정령불량 등에서 오일펌프 부싱파손, 캠샤프트 파손 등 고장의 범위가 엔진의 다양한 부위에서 발생하여 고장 원인 분석을 위해 가스엔진의 피스톤과 실린더에서 채취한 시료를 분석하였다.[Table.
성능/효과
이 과정에서 슬러지의 부피저감, 무해화 및 메탄과 이산화탄소를 주성분으로 하는 바이오가스의 에너지 부산물을 얻을 수 있는 장점이 있다. (1) 유기성 폐기물의 에너지 생산과정에서 발생되는 이산화탄소는 생물의 생장과정에서 흡수한 것으로 대기 중의 이산화탄소 양을 증가시키지 않는 탄소중립(Carbon neutral)의 특징이 있다. (2) 특히 하수슬러지 및 음식물류폐기물 등의 해양투기가 금지됨에 따라 혐기성소화를 통한 에너지화는 환경규제 대응과 대체에너지 생산이라는 일석이조의 효과를 우리에게 가져다 줄 수 있어 기술개발에 노력을 기울이고 있다.
1) 바이오 가스엔진에 유입되는 바이오 가스 속의 황화수소와 수분제거설비의 간헐적인 오작동으로 인한 수분이 바이오 가스엔진의 인터쿨러 부식을 초래하였다.
2) 바이오가스 속의 실록산이 이산화규소와 규산염 화합물을 형성하여 피스톤 표면 및 실린더라이너 내벽의 긁힘과 마모 등의 손상을 유발하였다.
3) 연소실과 배기가스 설비에 부착된 물질들은 황화수소와 다른 불순물질이 결합한 것으로 분석되었다.
가스엔진 이물질 성분분석결과 칼슘복합원소가 50%, 황복합원소가 40%로 분석되었다[Table 4]. 정수장의 수처리제로 사용되는 PAC(Poly Aluminum Chloride, 무기응집제)가 칼슘성분을 함유하고 있으나 난지 물재생센터는 PAC를 사용하지 않아 일시적인 원인물질유입으로 칼슘성분이 증가한 것으로 판단된다.
난지 물재생센터에서 생산되는 바이오가스의 황화수소 함량을 1일 3회, 15개월 동안 포터블 측정장비를 이용하여 측정한 결과 공급되는 황화수소의 값이 탈황설비의 황화수소 설계기준치를 대부분상회하는 것을 알 수 있다.[Fig.
이러한 원인으로는 바이오 가스 내 기준치이상 (50ppm이상)의 황화수소가 탈황설비에 장기간 공급되었고, 탈황설비 내 활성탄의 파과점 도달에 따른 제거 효율 저하로 인해 황화수소가 엔진으로 유입됨으로써 발생한 것으로 사료된다. 또한, 황화수소는 실록산 제거용 흡착탑의 실록산 제거용 활성탄 기능을 저하시키고, 제거되지 않은 실록산 화홥물이 엔진으로 유입되어 다양한 형태의 엔진고장을 유발한 것으로 판단된다. 이러한 결과로 부터 유추해 볼 때 황화수소와 실록산, 수분은 바이오 가스엔진 고장의 주요 원인으로 볼수 있다.
성분분석 결과 주요원인 물질은 황(S)으로 판명되었으며 [Table 3], 바이오가스 중의 황 성분이 연소 후 황화합물의 형태로 고형화되어 배가스 열교환기 등에 부착되어 배가스의 흐름을 방해하는 것으로 판단된다.
이상의 분석 결과로부터 난지 물재생센터에서 공급 되는 바이오가스에 포함된 불순물의 함량이 일정하지 않아 발생량 예측이 어렵다는 것을 알 수 있다[Fig. 7]. 실록산은 D4, D5성분만 검출되었고, [Table 5]황화 수소 성분과 실록산 성분의 함량은 대체로 비례하였다.
유기규소화합물인 실록산(Siloxane)은 메틸기를 포함하고 있는 규소와 산소가 결합한 형태의 화합물을 의미하여, 분자구조상 무기적인 성질과 유기적인 성질을 동시에 갖게 된다. 즉 분자구조상 실록산 결합(Si-O-Si)에 기인하는 무기적 특성으로 내열성, 화학적 안전성, 전기절연성, 내마모성, 광택성 등이 우수하며, 유기적 특성에 의하여 우수한 반응성, 용해성, 작업성을 갖는다. 또한 실록산은 열 및 산화에 대해 강한 화학적 성질로 인해 고온에서도 유용하게 사용될 수 있다.
후속연구
이러한 결과로 부터 유추해 볼 때 황화수소와 실록산, 수분은 바이오 가스엔진 고장의 주요 원인으로 볼수 있다. 결과적으로, 황화수소 제거방법의 최적화가 안정적인 바이오 가스엔진 운영을 위한 필수적인 대책으로 사료된다.
이러한 결과로 부터 유추해 볼 때 황화수소와 실록산, 수분은 바이오 가스엔진 고장의 주요 원인으로 볼수 있다. 결과적으로, 황화수소 제거방법의 최적화가 안정적인 바이오 가스엔진 운영을 위한 필수적인 대책으로 사료된다.
또한 바이오가스의 성분분석결과 바이오가스에 포함된 불순물의 함량이 결정되는 변수가 다양하여 그 발생량을 정량적으로 예측하는 것이 현실적으로 어려움이 상존하므로 바이오가스엔진의 운영 최적화를 목표로 하는 황화수소 처리방법에 대한 실증적인 연구가 수행되어야할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
바이오가스는 어떤 과정에서 발생하는가?
바이오가스는 하수슬러지, 가축분뇨 및 음식물쓰레기 등과 같은 유기성폐기물의 혐기성소화(Anaerobic digestion) 과정에서 발생한다. 유기성 폐기물의 혐기성 소화는 절대적으로 산소가 존재하지 않는 조건하에서 유기물질이 발효되는 과정으로 20세기 초부터 하수 슬러지의 안정화를 위한 방법으로 널리 사용되어져 왔다.
유기성 폐기물의 혐기성 소화는 절대적으로 산소가 존재하지 않는 조건하에서 유기물질이 발효되는 과정으로 20세기 초부터 하수 슬러지의 안정화를 위한 방법으로 널리 사용되어져 왔다. 이 과정에서 슬러지의 부피저감, 무해화 및 메탄과 이산화탄소를 주성분으로 하는 바이오가스의 에너지 부산물을 얻을 수 있는 장점이 있다. (1) 유기성 폐기물의 에너지 생산과정에서 발생되는 이산화탄소는 생물의 생장과정에서 흡수한 것으로 대기 중의 이산화탄소 양을 증가시키지 않는 탄소중립(Carbon neutral)의 특징이 있다.
참고문헌 (29)
Jung, Y. K., 2007, Sludge into biosolids processing, disposal and utilization, Dongwha Technology.
Yoon, J. S., 2010, Analysis of GHG reduction potential and policy effects of energy conversion from waste resources in Korea, Doctor thesis, University of Seoul, Korea.
Kim, Y. J. and Kang, Y. T., 2009, Study on biogas purification technologies, Proceedings of the SAREK 2009 Winter Annual Conference, pp. 694-699.
수도권매립지공사, 2013, Biogas중의 황화합물 및 실록세인 정제를 위한 흡착제의 흡착특성 연구, pp.20-21
Ryckebosch, E., Drouillon, M. and Vervaeren, H., 2011, Techniques for transformation of biogas to biomethane, Journal of Biomass & Bioenergy, Vol. 35, pp. 1633-1645.
Montanari, T., Finocchio, E., Salvatore, E., Garuti, G., Giordano, A., Pistarino, C., Busca, G., 2011, $CO_2$ separation and landfill biogas upgrading: A comparison of 4A and 13X zeolite adsorbents, Energy, Vol. 36, pp. 314-319.
Bae, M. S., Lee, J. Y., Lee. J. G, 2016, Process Technologies of Reforming, Upgrading and Purification of Anaerobic Digestion Gas for Fuel Cells, Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 27, No. 2, pp. 135-143
Beatrice Castellani, Federico Rossi, Mirko Filipponi, Andrea Nicolini, 2014, Hydrate-based removal of carbon dioxide and hydrogen sulphide from biogas mixtures : Experimental investigation and energy evaluationsJournal of Biomass and Bioenergy pp. 330-338
Bae, J. G., 2011, Biogas to energy technologies, Korea Environment Corporation.
Tower, P. and Wetzel, J., 2006, Removing siloxanes from a gas stream using a mineral based adsorption media. Pat. US20060000352 A1.
Bae, J. H., 2010, Wastes to energy : Biogas production and utilization, Dong wha Technology.
Bae, J. K., 2008, Technology of Biomass and Biogasification, A-Jin.
Truong, LVA. and Abatzoglou, N., 2005, A $H_2S$ Reactive Adsorption Process for the Purification of Biogas prior to Its Use as a Bioenergy Vector, Biomass Bioenergy, Vol. 29, No. 2, pp. 142-151.
Lee, J. G., Jun, J. H., Park, K. H., Choi, D. S. and Park, J. Y., 2007, Anaerobic Digester Gas Purification for the Fuel Gas of the Fuel Cell, Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 18, No. 2, pp. 164-170.
Pepply, B. A., 2006, Biomass for fuel cell; A technical and Economic Assessment, Inter. J. Green Energy, Vol. 3, pp. 15-19.
Choi, D. Y., Jang, S. C., Ahn, B. S. and Choi, D. K., 2006, $H_2S$ Adsorption Characteristics of KOH Impregnated Activated Carbons, J. Korean Ind. Eng. Chem., Vol. 17, No. 3, pp. 280-285.
BC Innovation Council, 2008, Feasibility study - Biogas upgrading and grid injection in Fraser Valley, British Columbia.
Steve, M. Z., 2003, Removal of hydrogen sulfide from biogas using cow-manure compost, Master of Science Thesis, Cornell University, USA.
Friedhelm, H., Gunther, W., Matthias, S., Susanne, C., 2010, D14: Report on the optimised CHP use in agricultural biogas plants and increased degree of efficiency, GE Jenbacher.
Seo, D. C., Yun, S. K., Kim, M. J., Oh, I. K., Kwon, S. K., Song, S. S. and Chun, S. K., 2007, Determination of organic silicon compounds(siloxanes) in landfill gas, J. Korea Society of Waste Management, Vol. 24, No. 5, pp. 391-399.
Seo, D. C., Song, S. S. and Won, J. C., 2009, Removal of volatile organic silicon compounds (siloxanes) from landfill gas by adsorbents, J. Korean Society of Environ. Engineers, Vol. 31, No. 9, pp. 793-802.
Song, S. S., 2009, Characterization and adsorptive removal methods of siloxanes in landfill gas, Doctor thesis, Inha University, Korea.
Hayes, H. C., Graening, G. J., Saeed, S. and Kao, S., 2003, A summary of available analytical methods for the determination of siloxanes in biogas, SWANA 26th Annual Landfill Gas Symposium, Tampa, Florida, US.
Schweigkofler, M. and Niessner, R., 1999, Determination of siloxanes and VOC in landfill gas sewage gas by canister sampling and GC-MS/AES analysis, Environ. Sci. & Technol., Vol. 33, No. 20, pp. 3680-3685.
Wheless, E. and Pierce, J., 2004, Siloxanes in landfill and Digester gas update, 27th Annual Landfill Gas Symposium Proceedings, SWANA (Solid Waste Association of North America), San Antonio, Texas, US, pp. 22-25.
Environmental Agency, 2002, Guideline on gas treatment technologies for landfill gas engine, Environmental Agency, Bristol, UK.
Vesterager, N. and Matthiesen, D., 2004, Advanced prediction, monitoring and controlling of anaerobic digestion processes behaviour towards biogas usage in fuel cells, WP 8. 2nd Progress and Assessment Report, Available online.
Hausler, T. and Schreier, W., 2005, Analyse siliziumorganischer verbindungen im deponiegas sowie co-messungen zur brandfruherkennung, Verlag Abfall aktuell-Brand 16-Stillegung und Nachsorge von Deponien, pp. 241-249.
Beese, J., 2007, Betriebsoptimierung der motorischen gasverwertung durch den einsatz von gasreinigungsanlagen; Siloxa Engineering AG, Presentation at Deponiegas 2007 FH Trier Germany.
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