바이오가스 이용 기술지침 마련을 위한 연구(III) - 기술지침(안) 중심으로 A Study on Establishment of Technical Guideline of the Installation and Operation for the Biogas Utilization of Power generation and Stream - Design and Operation Guideline원문보기
바이오가스 이용 최적화를 위해 탈황 및 제습 전처리시설 가이드라인으로 $H_2S$ 농도는 철염으로 처리가능한 150 ppm으로 설정하고, 제습은 발전기 운전 적정수분 값이며 EU회원국에서 바이오가스 활용 시 적용하는 상대습도 60 %로 설정하였다. 국내 바이오가스 평균 온도인 $31^{\circ}C$에서 상대습도 60 %으로 적용한다면 노점온도$22^{\circ}C$, 절대습도$20.57g/m^3$으로 나타낼 수 있으며, 전처리 설비가 적절히 가동된다면 가이드라인에 만족하여 바이오가스의 이용이 최적화 될 것으로 사료된다. 바이오가스 이용 최적화를 위해 발전기 설비 가이드라인을 설정하고자 하였다. 바이오가스 적정 이용량으로는 전체 가스 발생량의 90 % 이상을 이용해야하며, 발전기 시설의 용량은 여유율을 10~30 %로 설정해야 한다. 발전기에 유입가스의 압력을 균등화하기 위해서는 가스 균등조(buffer tank)를 설치하며, 발전실 평균온도는 $45^{\circ}C$이하로 유지한다. 소화조에서 일정한 메탄농도로 가스가 생성되지 않아 효율이 저하되므로 메탄농도에 변화에 따른 공기연료비 제어시스템을 설치가 요구된다. 본 연구에서는 유기성폐자원의 바이오가스 생산 및 이용을 최적화를 위해 현장시설의 정밀모니터링과 시설별 에너지수지를 분석하고, 현장문제 해결방안에 대해서 조사하여 전처리시설 및 발전기 등의 설계 및 운전 가이드라인을 제시하고자 한다.
바이오가스 이용 최적화를 위해 탈황 및 제습 전처리시설 가이드라인으로 $H_2S$ 농도는 철염으로 처리가능한 150 ppm으로 설정하고, 제습은 발전기 운전 적정수분 값이며 EU회원국에서 바이오가스 활용 시 적용하는 상대습도 60 %로 설정하였다. 국내 바이오가스 평균 온도인 $31^{\circ}C$에서 상대습도 60 %으로 적용한다면 노점온도 $22^{\circ}C$, 절대습도 $20.57g/m^3$으로 나타낼 수 있으며, 전처리 설비가 적절히 가동된다면 가이드라인에 만족하여 바이오가스의 이용이 최적화 될 것으로 사료된다. 바이오가스 이용 최적화를 위해 발전기 설비 가이드라인을 설정하고자 하였다. 바이오가스 적정 이용량으로는 전체 가스 발생량의 90 % 이상을 이용해야하며, 발전기 시설의 용량은 여유율을 10~30 %로 설정해야 한다. 발전기에 유입가스의 압력을 균등화하기 위해서는 가스 균등조(buffer tank)를 설치하며, 발전실 평균온도는 $45^{\circ}C$이하로 유지한다. 소화조에서 일정한 메탄농도로 가스가 생성되지 않아 효율이 저하되므로 메탄농도에 변화에 따른 공기연료비 제어시스템을 설치가 요구된다. 본 연구에서는 유기성폐자원의 바이오가스 생산 및 이용을 최적화를 위해 현장시설의 정밀모니터링과 시설별 에너지수지를 분석하고, 현장문제 해결방안에 대해서 조사하여 전처리시설 및 발전기 등의 설계 및 운전 가이드라인을 제시하고자 한다.
As a guideline for desulfurization and dehumidification pretreatment facility for optimizing utilization of biogas, the $H_2S$ concentration is set at 150 % which can be treated with iron salts, dehumidification is the optimum value for generator operation, and the relative humidity appli...
As a guideline for desulfurization and dehumidification pretreatment facility for optimizing utilization of biogas, the $H_2S$ concentration is set at 150 % which can be treated with iron salts, dehumidification is the optimum value for generator operation, and the relative humidity applied at the utilization of biogas in EU is set at 60 %. We have set up the generator facility guidelines to optimize utilization of biogas. The appropriate amount of biogas should be at least 90 % of the total gas generation, and the capacity of generator facility should be set at 20~30 %. In order to equalize the pressure of the incoming gas the generator, a gas equalization tank should be installed and the generator room average temperature should be kept at $45^{\circ}C$ or less. Since the gas is not produced at a certain methane concentration in the digester, the efficiency is lowered. Therefore, it is required to install an air fuel ratio control system according to the change in methane concentration. Therefore, it is necessary to compensate for the disadvantages of biogasification facilities of organic waste resources and optimize utilization of biogas and improve operation of facilities. This study was conducted to optimize biogas utilization of type of organic waste(containing sewage sludge and food waste, animal manure), investigate the facilities problem and propose design, operation guidelines such as pre-treatment facilities and generators.
As a guideline for desulfurization and dehumidification pretreatment facility for optimizing utilization of biogas, the $H_2S$ concentration is set at 150 % which can be treated with iron salts, dehumidification is the optimum value for generator operation, and the relative humidity applied at the utilization of biogas in EU is set at 60 %. We have set up the generator facility guidelines to optimize utilization of biogas. The appropriate amount of biogas should be at least 90 % of the total gas generation, and the capacity of generator facility should be set at 20~30 %. In order to equalize the pressure of the incoming gas the generator, a gas equalization tank should be installed and the generator room average temperature should be kept at $45^{\circ}C$ or less. Since the gas is not produced at a certain methane concentration in the digester, the efficiency is lowered. Therefore, it is required to install an air fuel ratio control system according to the change in methane concentration. Therefore, it is necessary to compensate for the disadvantages of biogasification facilities of organic waste resources and optimize utilization of biogas and improve operation of facilities. This study was conducted to optimize biogas utilization of type of organic waste(containing sewage sludge and food waste, animal manure), investigate the facilities problem and propose design, operation guidelines such as pre-treatment facilities and generators.
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문제 정의
5. 바이오가스 이용최적화를 위해 탈황 및 제습 전처리시설 가이드라인을 설정하고자 하였다. 전처리 전후 바이오가스 성상을 분석한 결과 철염 및 탈황(건식, 습식)을 이용하여 전체 시설의 H2S 평균은 560 ppm으로 측정되었으며, 저감효율이 90% 이상인 경우 약 40 ppm 까지 감소할 수 있는 것을 확인하였다.
6. 바이오가스 이용최적화를 위해 발전기 설비 가이드라인을 설정하고자 하였다. 바이오가스 적정이용량으로는 전체 가스 발생량의 90 %이상을 이용해야하며, 발전기 시설의 용량은 여유율을 10~30 %로 설정해야 한다.
본 연구에서는 유기성폐자원(음식물/음폐수, 가축분뇨, 하수슬러지) 바이오가스화 시설에 대한 현장 조사 및 정밀모니터링 결과를 기반으로 바이오가스 이용을 위한 시설 설계 및 운전 인자에 대한 기술지침(안)을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 유기성폐자원인 음식물/음폐수, 가축분뇨, 하수슬러지 폐기물로 바이오가스 생산 및 이용에 최적화 방안을 마련하고자 현장조사, 정밀모니터링, 미생물분석과 시설 별 에너지수지 분석을 수행하였다. 현장의 문제점과 생산되는 바이오가스 성상 분석 및 소화조 전후 성상 분석 결과를 바탕으로 바이오가스 시설의 전처리 및 발전기시설에 대한 설계 및 운영 기술지침(안)을 제안하고자 한다.
본 연구에서는 유기성폐자원인 음식물/음폐수, 가축분뇨, 하수슬러지 폐기물로 바이오가스 생산 및 이용에 최적화 방안을 마련하고자 현장조사, 정밀모니터링, 미생물분석과 시설 별 에너지수지 분석을 수행하였다. 현장의 문제점과 생산되는 바이오가스 성상 분석 및 소화조 전후 성상 분석 결과를 바탕으로 바이오가스 시설의 전처리 및 발전기시설에 대한 설계 및 운영 기술지침(안)을 제안하고자 한다.
가설 설정
1) C시설의 메탄 이용은 MWh/년 단위임.
주1) C시설의 메탄 이용은 MWh/년 단위임.
제안 방법
2. 바이오가스화 탈황 및 제습 전처리 시설 별 바이오가스 성상을 분석하였다. 현재 탈황처리과정으로 소화조 내에 철염을 투입하는 DM, JJ, JE, SN시설의 경우 소화조 후단에서 H2S의 농도가 평균 2,000 ~2,500 ppm 이상일 때 반입되는 유기성폐자원의 종류와 상관없이 약 55~195ppm으로 낮게 측정되었다.
3. 전국 11개소 유기성폐자원 바이오가스화 시설을 대상으로 정밀모니터링을 실시하였다. 사계절 평균으로 정밀모니터링 결과를 정리하였을 때, 유기성폐자원 별 효율성 분석에서 유기성 분해율은 VS기준 음식물/음폐수는 68.
4. 유기성폐자원의 시설 별 유입에너지와 유출에너지의 메탄생산 및 이용현황을 에너지수지 분석하였다. 바이오가스 전환율은 음식물/음폐수시설은 80.
6 g/m3이며, 상대습도는 35 %로 측정되었다. 따라서 바이오가스 이용 최적화를 위해 탈황 및 제습 전처리시설 가이드라인로 H2S 농도는 철염으로 처리가능 한 150 ppm으로 설정하고, 제습은 발전기 운전 적정수분 값이며 EU회원국에서 바이오가스 활용 시 적용하는 상대습도 60 %로 설정하였다. 국내 바이오가스 평균 온도인 31 ℃에서 상대습도 60 %으로 적용한다면 노점온도 22℃ 절대습도 20.
전국 유기성폐자원 바이오가스화 시설을 조사하여 에너지수지를 분석하였고, 유입 폐기물은 음폐수, 음식물, 가축분뇨, 하수슬러지로 분류하였고 시설별 특성은 Table 15와 같다.
대상 데이터
1. 전국 12개소 유기성폐자원 바이오가스화 시설을 대상으로 현장조사를 실시하였다. 생산된 바이오가스를 이용하기 위한 가스 전처리 시설인 탈황설비는 바이오가스 내 황화수소(H2S)가수분(H2O)과 결합하여 황산(H2SO4)을 생산하게 되고, 이는 발전기 내부부품을 마모 및 부식시켜 가동중단을 유발하므로 주요관리가 요구된다.
성능/효과
2) 바이오가스화 시설의 소비전력 구분 불가(Not estimated).
유기성폐자원의 시설 별 유입에너지와 유출에너지의 메탄생산 및 이용현황을 에너지수지 분석하였다. 바이오가스 전환율은 음식물/음폐수시설은 80.1 %이며, 가축분뇨 시설은 86.5 %, 하수슬러지 시설은 22.8~57.7 %로 가장 낮게 분석되었다. 유입원료의 생산효율로는 음식물/음폐수 시설이 72.
전국 11개소 유기성폐자원 바이오가스화 시설을 대상으로 정밀모니터링을 실시하였다. 사계절 평균으로 정밀모니터링 결과를 정리하였을 때, 유기성폐자원 별 효율성 분석에서 유기성 분해율은 VS기준 음식물/음폐수는 68.2 %(DM 제외 76.8 %), 가축분뇨는 66.8 %, 하수슬러지의경우 46.2 %로 전체 평균 58.8 %이며, CODcr기준 음식물/음폐수는 59.5 %, 가축분뇨는 51.0%, 하수슬러지의 경우 6.33 %로 분석되었다. 유기성폐기물 별 유입물의 VS농도는 음식물/음폐수가 9.
7로 나타났다. 시설의 안정성 분석에서 혐기소화조 유출의 VFAs는 기기분석 결과 음식물/음폐수 수분석 3,798 mg/L,기기분석 2,418 mg/L이며, 가축분뇨 수분석 3,911mg/L, 기기분석 3,641 mg/L이고, 하수슬러지의 수분석 637 mg/L, 기기분석 297 mg/L로 분석되어 기기분석 값이 더 낮게 분석되었다.
33 %로 분석되었다. 유기성폐기물 별 유입물의 VS농도는 음식물/음폐수가 9.1%, 가축분뇨가 7.6 %, 하수슬러지가 4.5%로 가장 낮았으며, 원소분석시 평균 C/N비는 음식물/음폐수 유입 10.5, 유출 4.5이고, 가축분뇨 유입 11.2, 유출 8.9이며, 하수슬러지 유입 7.6에서 6.7로 나타났다. 시설의 안정성 분석에서 혐기소화조 유출의 VFAs는 기기분석 결과 음식물/음폐수 수분석 3,798 mg/L,기기분석 2,418 mg/L이며, 가축분뇨 수분석 3,911mg/L, 기기분석 3,641 mg/L이고, 하수슬러지의 수분석 637 mg/L, 기기분석 297 mg/L로 분석되어 기기분석 값이 더 낮게 분석되었다.
7 %로 가장 낮게 분석되었다. 유입원료의 생산효율로는 음식물/음폐수 시설이 72.2 % 이상으로 나타났으며, 일부 유입에너지의 과소평가 및 바이오가스 생산량 과다측정으로 이론적으로 불가능한 수치가 분석되었다. 따라서 에너지수지 분석은 에너지전환 효율과 시설 효율을 평가할 수 있는 중요한 수단이지만 정확한 측정을 위한 유량계 측 표준화 및 설비 별 전력사용량을 확인할 수 있는 전력계측 표준화작업이 요구된다.
유입원료의 에너지잠재량과 소비전력 에너지를 고려한 바이오가스 생산효율은 음식물류 폐기물의 바이오가스화 시설에서 72.2 %이상을 나타냈으며, CJ, SM시설의 바이오가스 생산효율이 105.0 %와 95.2 %로 높게 평가되었다. 특히 GJ시설의 경우 이론적으로 불가능한 109.
유기성폐자원의 조사시설 별 유입에너지와 유출에너지의 바이오메탄 생산 및 이용 현황을 분석한 결과는 Table 19와 같다. 음폐수 및 음식물 바이오가스화 시설은 80.1 % 이상의 바이오가스 전환효율을 나타났고, 가축분뇨 바이오가스화 시설은 86.5 %, 하수슬러지 바이오가스화 시설은 22.8 ~ 57.7 %의 바이오가스 전환효율이 나타났다.
바이오가스 이용최적화를 위해 탈황 및 제습 전처리시설 가이드라인을 설정하고자 하였다. 전처리 전후 바이오가스 성상을 분석한 결과 철염 및 탈황(건식, 습식)을 이용하여 전체 시설의 H2S 평균은 560 ppm으로 측정되었으며, 저감효율이 90% 이상인 경우 약 40 ppm 까지 감소할 수 있는 것을 확인하였다. 특히 소화조내에 철염을 투입하면 처리효율 약 93 %이며, 평균 150 ppm까지 감소하는 것을 확인하였다.
황화수소 전처리를 통해 JJ, SM, NS, SM, AS 시설은 평균 94 %의 효율을 보였으며, GJ, BC, GS 시설은 보일러를 활용한 소각 방식으로 탈황효율이 미흡한 것으로 나타났다. 제습 전처리를 통해 DM, CJ, SM, JE, NS시설은 절대습도 기준 평균 약 47 %의 제습효율을 보였으며, CJ시설의 경우 74.8 %의 제습효율을 보였다.
2 %로 높게 평가되었다. 특히 GJ시설의 경우 이론적으로 불가능한 109.0 %의 전환효율을 보였으며, 이러한 현상은 유입 음식물류 폐기물의 원료성상 변이에 따른 유입에너지량의 과소평가 또는 바이오가스 생산량의 과다측정으로 유량 계측기 오류에서 기인한 것으로 판단된다.
전처리 전후 바이오가스 성상을 분석한 결과 철염 및 탈황(건식, 습식)을 이용하여 전체 시설의 H2S 평균은 560 ppm으로 측정되었으며, 저감효율이 90% 이상인 경우 약 40 ppm 까지 감소할 수 있는 것을 확인하였다. 특히 소화조내에 철염을 투입하면 처리효율 약 93 %이며, 평균 150 ppm까지 감소하는 것을 확인하였다. 제습의 경우 노점온도를 적용한 절대습도와 가스온도에 따른 상대습도를 분석하였으며, 제습설비가 유지보수가 잘되어 가동 중인 시설의 노점온도는 14℃ 절대습도는 12.
현재 탈황처리과정으로 소화조 내에 철염을 투입하는 DM, JJ, JE, SN시설의 경우 소화조 후단에서 H2S의 농도가 평균 2,000 ~2,500 ppm 이상일 때 반입되는 유기성폐자원의 종류와 상관없이 약 55~195ppm으로 낮게 측정되었다. 황화수소 전처리를 통해 JJ, SM, NS, SM, AS 시설은 평균 94 %의 효율을 보였으며, GJ, BC, GS 시설은 보일러를 활용한 소각 방식으로 탈황효율이 미흡한 것으로 나타났다. 제습 전처리를 통해 DM, CJ, SM, JE, NS시설은 절대습도 기준 평균 약 47 %의 제습효율을 보였으며, CJ시설의 경우 74.
후속연구
따라서 바이오가스 이용 최적화를 위해 탈황 및 제습 전처리시설 가이드라인로 H2S 농도는 철염으로 처리가능 한 150 ppm으로 설정하고, 제습은 발전기 운전 적정수분 값이며 EU회원국에서 바이오가스 활용 시 적용하는 상대습도 60 %로 설정하였다. 국내 바이오가스 평균 온도인 31 ℃에서 상대습도 60 %으로 적용한다면 노점온도 22℃ 절대습도 20.57 g/m3으로 나타낼 수 있으며, 전처리 설비가 적절히 가동된다면 가이드라인에 만족하여 바이오가스의 이용이 최적화 될 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
바이오가스 이용은 어떤 용도들이 있는가?
바이오가스 이용은 소내 자체 이용, 발전 및 스팀 이용, 고질화 이후에 수송용 및 도시가스 이용 등이 있으며, 특히 하수처리장 내에서 발생한 바이오가스는 하수슬러지를 건조 연료화 및 소각 에너지원 용도로 사용하는 것도 에너지 이용면에서 효율적이라고 하겠다.
바이오가스 유량계는 어떻게 설치되어야 하는가?
바이오가스 유량계는 발생량과 이용량이 측정될 수 있도록 각각 설치해야하며, 소화조에서 바이오가스 발생 직후 및 바이오가스 이용 시설 직전에 바이오가스 유량계를 설치하여야 한다. 이 유량계는 주기적으로 유지보수 및 정도관리가 되어져야 한다.
유기성폐자원 바이오가스화 시설을 대상으로 정밀 모니터링을 실시한 결과 효율성 분석에서 어떤 결과가 나타났는가?
전국 11개소 유기성폐자원 바이오가스화 시설을 대상으로 정밀모니터링을 실시하였다. 사계절 평균으로 정밀모니터링 결과를 정리하였을 때, 유기성폐자원 별 효율성 분석에서 유기성 분해율은 VS기준 음식물/음폐수는 68.2 %(DM 제외 76.8 %), 가축분뇨는 66.8 %, 하수슬러지의경우 46.2 %로 전체 평균 58.8 %이며, CODcr기준 음식물/음폐수는 59.5 %, 가축분뇨는 51.0%, 하수슬러지의 경우 6.33 %로 분석되었다. 유기성폐기물 별 유입물의 VS농도는 음식물/음폐수가 9.1%, 가축분뇨가 7.6 %, 하수슬러지가 4.5%로 가장 낮았으며, 원소분석시 평균 C/N비는 음식물/음폐수 유입 10.5, 유출 4.5이고, 가축분뇨 유입 11.2, 유출 8.9이며, 하수슬러지 유입 7.6에서 6.7로 나타났다. 시설의 안정성 분석에서 혐기소화조 유출의 VFAs는 기기분석 결과 음식물/음폐수 수분석 3,798 mg/L,기기분석 2,418 mg/L이며, 가축분뇨 수분석 3,911mg/L, 기기분석 3,641 mg/L이고, 하수슬러지의 수분석 637 mg/L, 기기분석 297 mg/L로 분석되어 기기분석 값이 더 낮게 분석되었다.
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