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도시가스용 바이오가스 메탄농축공정 최적화
Optimization of Bio-Methane Gas Enrichment Process for City Gas Supply 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.21 no.4, 2017년, pp.76 - 83  

고상욱 (광운대학교 화학공학과) ,  이경진 (광운대학교 화학공학과) ,  문명환 (광운대학교 화학공학과) ,  백주홍 (광운대학교 화학공학과) ,  고재욱 (광운대학교 화학공학과)

초록
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국내의 늘어나는 천연가스의 수요를 충족시키면서 지구온난화에 대한 대안으로 바이오가스를 도시가스로 활용하는 방안이 자연스럽게 주목받고 있다. 도시가스사업법의 개정을 통해 바이오가스의 생산 및 공급의 제도적인 기반을 구축했지만, 바이오가스내의 불순물을 제거하고 이산화탄소를 분리하여 고순도의 메탄을 제조하는 국내 기술이 부족하여 실질적인 활용이 어려운 상황이다. 따라서 본 연구에서는 고순도의 바이오메탄 농축을 위하여 멤브레인(Membrane)법, 물흡수법(Water absorption), 화학흡수법(Chemical absorption), 흡착법 4가지의 공법을 적용하여 각 시스템별 운전시나리오를 작성하고 비교하여 최적공법을 도출하였으며, 시스템별 케이스 연구를 통해 최적의 시스템을 구축할 수 있었다. 이를 이용하여 순도 97%이상의 바이오메탄을 생산하여 도시가스로 이용하기에 충분하였으며, 회수율이 98%를 넘어 그간 경제성이 없어 버려지던 소량의 바이오 가스도 회수하여 활용 할 수 있게 되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Biogas, combine with ever-increasing natural gas demand, has been on the center stage in South Korea for the early part of twenty first century in an effort to reduce the emission of global warming gases. With the passage of legal system of City Gas Business Law in 2014, the biogas has its place of ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 바이오가스를 고순도의 바이오메탄으로 제조하는 메탄 농축기술의 개발이 필요한 시점이이며, 본 연구에서는 바이오가스를 고질화하여 연료 전지, 수송용 및 도시가스용으로 활용할 수 있는 바이오메탄의 농축 시스템을 개발 및 최적화하였다.
  • 2단 농축의 경우 농축 후 이산화탄소 분위기의 배출가스 내의 메탄 함량이 약 9% 수준이어서 농축 후 배출하게 되는 가스를 연소해야 하는 경우가 발생할 수 있으며, 이에 따른 투자비용 증가와 운영비용 증가가 발생될 수 있어 경제적으로나 환경적으로도 3단 농축시스템이 우수함을 알 수 있다. 따라서 본 연구에서는 3단 농축 멤브레인 시스템으로 최적 설계를 진행하였다.
  • 메탄 농축시스템별로 경제성 차이가 많아 적용하고자 하는 프로젝트의 성격에 맞는 시스템 선정이 매우 중요한 것을 알 수 있으며, 본 연구에서는 가장 좋은 경제성을 보여주었던 멤브레인 방식을 이용하여 최적화 설계를 진행하였다.
  • 멤브레인 방식은 투자비가 비교적 적은 2단 농축 방식과 투자비는 높으나 메탄회수율이 높은 3단 농축방식이 있으며, 이 두 가지 방식을 비교하여 최적의 시스템을 구성하고자 한다.
  • 본 연구에서는 메탄 농축공정의 설계 주요인자로서 ①메탄의 순도와 ②순도를 맞추기 위한 메탄의 손실이 얼마인지 확인하기 위한 메탄의 회수율, ③바이오가스를 생산하기 위해 필요한 에너지 소비량을 설계 주요인자로 본다. 그리고 메탄 농축공정 자체의 에너지 사용량뿐만 아니라 시스템 운영을 위한 가열․냉각 열 및 도시가스로 공급하기 위한 가스 압축 에너지 등을 종합적으로 검토하여 정확한 비교평가를 통한 최적의 설계를 수행할 수 있었다.
  • 본 연구에서는 멤브레인(Membrane) 공법이 가장 우수하였고, 최적의 멤브레인 공법 개발을 위한 시스템별 케이스연구를 통해 최적의 시스템을 구축하였다. 개발 시스템은 여러 가지 변수에 대해 97%이상의 높은 메탄순도에서 메탄회수율이 98.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
본 연구에서 고순도의 바이오메탄 농축을 위하여 어떤 공법을 적용하였는가? 도시가스사업법의 개정을 통해 바이오가스의 생산 및 공급의 제도적인 기반을 구축했지만, 바이오가스내의 불순물을 제거하고 이산화탄소를 분리하여 고순도의 메탄을 제조하는 국내 기술이 부족하여 실질적인 활용이 어려운 상황이다. 따라서 본 연구에서는 고순도의 바이오메탄 농축을 위하여 멤브레인(Membrane)법, 물흡수법(Water absorption), 화학흡수법(Chemical absorption), 흡착법 4가지의 공법을 적용하여 각 시스템별 운전시나리오를 작성하고 비교하여 최적공법을 도출하였으며, 시스템별 케이스 연구를 통해 최적의 시스템을 구축할 수 있었다. 이를 이용하여 순도 97%이상의 바이오메탄을 생산하여 도시가스로 이용하기에 충분하였으며, 회수율이 98%를 넘어 그간 경제성이 없어 버려지던 소량의 바이오 가스도 회수하여 활용 할 수 있게 되었다.
정제된 바이오가스의 주성분은 무엇인가? 1에서 표시된 바와 같이 정제된 바이오가스에서 메탄을 농축하는 공정이다. 정제된 바이오가스의 주성분은 메탄과 이산화탄소이며 본 공정에서는 메탄을 97%이상 농축하고 이산화탄소는 분리하여 off-gas로 배출하게 된다.
멤브레인(Membrane) 공법의 장단점은 무엇인가? 멤브레인(Membrane)을 투과하는 투과도의 차이는 멤브레인의 전․후단의 부분압 차이에 의해 결정된다. 이 공법의 장점은 폐수나 폐화학물의 발생이 적다는 점, 압축기 외에 에너지 사용이 없어 동력비가 적다는 점, 초기 압력을 잃지 않고 분리되어 도시가스로 공급하기 위해 별도의 압축이 필요 없다는 점이고, 단점으로는 충분한 부분압 차이를 유지하기 위해서 약 40 bar수준의 높은 운영압력이 필요하다는 것과 멤브레인의 가격이 비싸다는 점이다.
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참고문헌 (14)

  1. "2011 Reported from Ministry of Environment", 2014 Statistic Korea, (2014) 

  2. Biogas upgrading and utilization, "Task 24-Energy from biological conversion of organic wastes", IEA Bioenergy, (1999) 

  3. Persson M, "Evaluation of upgrading techniques for biogas", Swedish Gas Center, Report SGC 142, (2003) 

  4. J. de Hullu, J.I.W. Maassen, P.A. van Meel, S.Shazad, J.M.P, "Comparing different biogas upgrading techniques", Eindhoven University of Technology, Vaessen, (2008) 

  5. Petersson A., Wellingger A., Biogas upgrading technologies-developments and innovations, (2009) 

  6. Dr. Arthur Wellinger, "Standardiztion of biomethane", Green Gas Grid, (2014) 

  7. "Upgrading plant for producing grid quality gas from landfill gas using Pressure Swing Adsorption", CADDET renewal energy, (2002) 

  8. Saikkonen K. A., "Technical and economic feasibility of upgrading daity manure-derived biogas for natural gas pipeline", Master's thesis, Cornell University, (2006) 

  9. Swanson C., "Process Modeling of a Water Scrubbing System for Upgrading of Biogas to Grid Injection Standards - Model Development and Process Optimization". , Lund University, (2011) 

  10. "Feasibility Study - Biogas upgrading and grid injection" in the Fraser Valley, British Columbia 62Prepared by: Electrigaz Technologies Inc Final Report June, (2008) 

  11. Persson M, Jonsson O, Wellinger A, "Biogas upgrading to vehicle fuel standards and grid injection:, IEA Bioenergy, Task 37-Energy from Biogas and Landfill Gas, (2006) 

  12. Fredric Bauer Christian Hulteberg, Persson T., Tamm D., "Biogas upgrading-Review of commercial technology", Swedich Gas Center, Report SGC 270, (2013) 

  13. Saikkonen K. A., "Technical and economic feasibility of upgrading dairy manure-derived biogas for natural gas pipeline", Master's thesis, Cornell University, (2006) 

  14. Persson M., Wellinger A., Rebnlund R., Rabm L., "Report on technological applicability of existing biogas upgrading processes", (2007) 

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