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(Waterabsorption), 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.
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.
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 ...
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 production and distribution to consumers. However, it has a room for its technological improvements in terms of enrichment, by separating carbon dioxide and removing impurities efficiently. For these improvements, four different methane enrichment processes were tested in this study; membrane separation, water absorption, Chemical Absorption and Adsorption. A variety of operation scenarios were applied to the processes and the best practices were drawn out. The optimum process was selected based on case study results. Methane produced in this study showed 97% purity and 98% recovery rate, which meets the requirements of the City Gas quality standards.
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 production and distribution to consumers. However, it has a room for its technological improvements in terms of enrichment, by separating carbon dioxide and removing impurities efficiently. For these improvements, four different methane enrichment processes were tested in this study; membrane separation, water absorption, Chemical Absorption and Adsorption. A variety of operation scenarios were applied to the processes and the best practices were drawn out. The optimum process was selected based on case study results. Methane produced in this study showed 97% purity and 98% recovery rate, which meets the requirements of the City Gas quality standards.
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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.
제안 방법
메탄 농축공정의 운전 시나리오는 약 200 mmAq 의 바이오가스를 받아서 바이오가스 농축시스템별 각각의 회수율로 메탄 농도97%이상의 바이오메탄을 생산해 내고 이를 8 bar로 운영되는 도시가스 배관에 공급하는 시나리오를 적용하였다. 시나리오를 바탕으로 농축과정에 필요한 에너지 소모량과 시스템 운영에 필요한 에너지 소모량, 각 시스템 별 가압에 필요한 에너지를 고려한 총 필요에너지를 산출하였다.
메탄 농축시스템의 개발을 위하여 기존의 상용화된 메탄 농축시스템을 조사하여 멤브레인(Membrane) 법, 물흡수법(Water absorption), 화학흡수법(Chemical absorption), 흡착법 4가지 공법을 대상으로 선정하고 각각의 시스템별 운전시나리오를 작성하여 주요 비교 데이터를 산출하였고 비교평가를 통해 최적공법을 도출하였다. 이후 시스템 적용을 통하여 최적단수 설정 후 실제 운전결과와의 비교를 통한 검증을 완료하였으며, Amount of input bio gas, Methane purity at input biogas, Amount of product gas, Methane purity at product gas, Recovery rate, Methane loss 항목들에서 예측 값과 운전결과가±0.
메탄농축 기술로는 멤브레인, 흡착, 흡수 및 심냉법이 있으며, 본장에서는 각각의 특성을 조사하였다.
메탄 농축공정의 운전 시나리오는 약 200 mmAq 의 바이오가스를 받아서 바이오가스 농축시스템별 각각의 회수율로 메탄 농도97%이상의 바이오메탄을 생산해 내고 이를 8 bar로 운영되는 도시가스 배관에 공급하는 시나리오를 적용하였다. 시나리오를 바탕으로 농축과정에 필요한 에너지 소모량과 시스템 운영에 필요한 에너지 소모량, 각 시스템 별 가압에 필요한 에너지를 고려한 총 필요에너지를 산출하였다.
운전 예측 데이터는 멤브레인에 공급되는 압력과 바이오가스의 품질 두 가지 변수를 가지고 산출하였다. 이에 따른 운영 값과 운전 모드 별로 예측한 결과 데이터와 개발된 플랜트의 운전 모드별 예상 운전 결과는 다음과 같다.
이론/모형
실제 투자를 결정하기 위해서 수입과 지출을 비교하게 되지만 수입과 지출이 발생하는 시기가 달라 현금의 미래가치를 현재의 가치로 환산하여 계산하는 것을 고려하였고, 이를 위해 본 연구에서는 정확한 분석을 위해 할인현금수지 분석법(DCF, discount cash flow)를 사용하였다.
성능/효과
Table 4 는 바이오가스를 농축할 때의 각 공법별 소요에너지와 최대 수율, 최대 순도를 나타내고 있다. 각 공법별 순도에 따른 회수율은 화학흡수법이 98% 에서 90% 회수율, 물흡수법이 98%순도에서 94%회수율, 흡착법은 98% 회수율에서 91%회수율을 보이고 있으며, 과거 멤브레인 공법은 89.5%순도에서 78%의 수율을 보이고 있다.[14]
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 98.8%이상이었고 실제 운전결과에서도 비슷한 결과를 나타내었다.
이는 실제 운전 시 가스성분의 분석 시점과 유량발생 시기의 차이와 분석용 바이오가스 사용 등의 영향으로 분석된다. 그러나 그 차이는 매우 미미하며 순도 97%이상의 바이오메탄을 98.5%의 회수율로 생산해내고 있어 이제까지 상용화된 바이오가스 메탄 농축시스템에 비해 가장 높은 수준의 성능을 보이고 있고 최적의 설계가 완료되었음을 잘 보여주고 있다.
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.
상기 결과에서 보면 물 흡수법이 투자비가 가장 적었으나 비용편익은 회수율이 높은 멤브레인(Membrane)이 가장 우수한 것으로 나타났다. 이는 투자비뿐만 아니라 메탄의 회수율이 중요한 변수임을 알려 주는 결과이다.
이후 시스템 적용을 통하여 최적단수 설정 후 실제 운전결과와의 비교를 통한 검증을 완료하였으며, Amount of input bio gas, Methane purity at input biogas, Amount of product gas, Methane purity at product gas, Recovery rate, Methane loss 항목들에서 예측 값과 운전결과가±0.5%의 오차를 보여주었다.
이는 투자비뿐만 아니라 메탄의 회수율이 중요한 변수임을 알려 주는 결과이다. 화학흡수법(Chemical absorption) 은 높은 회수율에도 불구하고 화학약품 재생에 에너지 소모가 크고 투자비도 커서 사업성이 좋지 않은 것으로 나타났다. 흡착법의 경우 투자비가 비교적 높고 회수율이 낮아 비교적 경제성이 좋지 않았다.
후속연구
개발이 완료된 시스템은 실제 사례에서도 도시가스로 이용하기에 충분한 순도 97%이상의 바이오메탄을 안정적으로 생산하고 있고, 이러한 고순도의 메탄을 생산하면서도 회수율이 98%를 넘어 고효율의 제품개발로 그간 경제성이 없어 버려지던 소량의 바이오가스도 회수하여 활용할 수 있게 되었으며 향후, 도시가스뿐만 아니라 수송용, 연료전지, 화학공정 등에 광범위하게 활용되기를 기대한다.
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.
참고문헌 (14)
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Persson M., Wellinger A., Rebnlund R., Rabm L., "Report on technological applicability of existing biogas upgrading processes", (2007)
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