유기질폐기물의 고속 혐기발효 및 메탄가스 정제 이용 기술 Integration of rapid digestion of municipal solid wastes and methane separation from digester gas
보고서 정보
주관연구기관
한국에너지기술연구원 Korea Institute of Energy Research
보고서유형
최종보고서
발행국가
대한민국
언어
한국어
발행년월
2001-01
주관부처
과학기술부 Ministry of Science and Technology
등록번호
TRKO200200052967
DB 구축일자
2013-04-18
초록▼
. 제 목 유기질폐기물의 고속 혐기발효 및 메탄가스 정제 이용 기술 . 연구개발의 목적 및 필요성 온실가스 저감을 위한 국제협약이 Kyoto의정서 이후 선진국의 감축의무 이행 약속, 우리나라를 비롯한OECD국가의 감축의무 부과 움직임 등으로 구체화됨에 따라 가까운 시일내에 유기성 폐기물의 매립이나 해양투기가 전면 금지될 전망이다(환경부).따라서, 음식물 쓰레기를 비롯한 유기성 생활 폐기물과 슬러지 등의 메탄발효 처리 혹은 자원 재 활용형 매립에 의한 메탄가스의 에너지 이용이 더욱 더 구체화되어야할 상황이다. 국내 도시쓰레기의 약30
. 제 목 유기질폐기물의 고속 혐기발효 및 메탄가스 정제 이용 기술 . 연구개발의 목적 및 필요성 온실가스 저감을 위한 국제협약이 Kyoto의정서 이후 선진국의 감축의무 이행 약속, 우리나라를 비롯한OECD국가의 감축의무 부과 움직임 등으로 구체화됨에 따라 가까운 시일내에 유기성 폐기물의 매립이나 해양투기가 전면 금지될 전망이다(환경부).따라서, 음식물 쓰레기를 비롯한 유기성 생활 폐기물과 슬러지 등의 메탄발효 처리 혹은 자원 재 활용형 매립에 의한 메탄가스의 에너지 이용이 더욱 더 구체화되어야할 상황이다. 국내 도시쓰레기의 약30%를 차지하는 주방폐기물은 수분함량이 높고 발열량이 낮아 소각 처리가 부적절하고 매립시 고농도의 침출수가 발생,악취,비위생 상태를 유발한 다.따라서,현재 퇴비화 방안이 추진되고 있으나 하루 습중량24,000톤 가량이 발생하 는 주방폐기물을 모두 저질퇴비화(탄소 과잉,호기성퇴비화중 질소 손실,식염 과잉등의 문제가 있음)할 경우 이의 처분이2차적인 문제가 되어 퇴비화 방안은 부분적 해결책일 수 밖에 없다.따라서 본 연구에서는 유기질 쓰레기를 고속혐기발효시키는 공정을 개발 하여 고형폐기물의 감량화에 의한 매립지 확보난 해소와 혐기소화가스로부터 도시가스 수준의 고순도 메탄가스를 정제하는 흡착분리기술을 확보하여 에너지절약을 도모하고자 한다. 동 연구는 한호 기술협력 양해각서에 따라 유기질 폐기물의 매립지의 조기 안정화와 생산가스이용에 기술축적이 되어있던 호주Queensland대학 연구팀과 음식물 쓰레기를 포 함하는 한국 생활쓰레기의 반응기 내부에서의 메탄화 이용에 기술을 축적하고 있는 한국 에너지기술연구원이 협력하여 양국의 사정에 맞는 최적화된 유기질 폐기물 처리공정의 개발과 생성가스의 정제이용 기술개발이 그 최종 목표이다. . 연구개발의 내용 및 범위 체류시간3주 이내의 유기질폐기물 고속 혐기발효공정 개발과 소화 가스에서 메탄을 고순도로 정제 회수하는 메탄분리공정 개발 연구를 수행하였다. 한국과 호주의 도시쓰레기 성상을 비교하고 상호공정의 특성을 비교.분석하여 국내 주방 폐기물을 호주측 신공정 메탄 발효조에 적용이 가능한지를 분석한 후에 국내 실정 에 적합한 소화공정을 선정하였다.소형 실험실 규모의 소화조 (50Lleachingbed,50L CSTRmethanereactor의 조합)를 구성하여 실험함으로써 공정운전조건 및 조합공정의 기 본개념을 개발한 다음에,혐기성 소화조의 유기물 분해 및 메탄가스 발생 최적화를 위하 여 유기질 폐기물5 8kg/일 처리규모의 단순 침출수 재순환과 외부 메탄발효조 부가 반응기형 소화조 (380Lleachingbed,50LCSTRmethanereactor)를 이용하여 운전조건 에 따른 매립지 조기 안정화 정도(체류일수) 및 메탄가스 발생량을 비교하였다. 혐기성 소화가스에서 고순도 메탄을 정제하는 흡착분리공정 개발을 위하여 여러 가지 흡착제에 대한 메탄,CO2의 평형흡착량 및 흡착 속도를 측정하여 적정 흡착제를 선정하 고,선정된 흡착제를 충진한 흡착탑을 사용하여 메탄/CO2 혼합가스로 파과실험을 수행하 고 흡탈착스텝을 이론적으로 모사하였다.4 10 /min의 혐기성 소화가스를 처리하는 소 형3탑식PSA(pressureswingadsorption) 장치를 설치하여 장치의 성능을 높일 수 있 는 연속공정구성과 운전조건을 도출하였다. . 연구개발결과 1.유기질폐기물 고속 혐기소화공정 1) 한국과 호주의 도시쓰레기 성상 및 공정특성 비교 호주는 분리수거를 실시하지 않으며 따라서 일반 매립지의 조기안정화 기술개발에 치중하였고 한국 측은 재활용품 분리수거로 가연성분의 유기물 및 수분함량이 높아 별도 혐기소화를 존치한 반응기형2상 혐기소화가 불가피 하였음. 2) 국내 주방 폐기물을 호주측 신공정 메탄발효조에의 적용 가능성 타진 50Lleachingbed,50LCSTRmethanereactor의 조합 공정 기본개념이 개발되었으며 침출수의 과잉 공급으로 조기안정화 (10일 이내)가 가능 하였음. 3) BenchScale규모의 혐기성 소화조 공정조건 저해되며 따라서 유기물의 혐기 분해도 촉진될 수 없고,수분 과포화의 경우에 는leaching-bed(고속 매립지)가 조기 산패하여 메탄발효가 저해되므로 외부 메탄발효 조에 의한 유기산의 제거 후 침출수 재순환이 필요 하였다. 단순 침출수 재순환과 외부 메탄 발효조가 부과된 BenchScale 실험장치(380L leachingbed,50LCSTRmethanereactor)를 이용하여Leaching-bed의 수분을75 82% 로 조정하고 외부 메탄발효조를 운전하면 조기감량화가 가능함을 알수 있었다 (90일 지속 운전). 2.소화가스로부터 메탄정제 공정 1) 메탄분리용 적정 흡착제 선정 PSA공정으로 소화가스로부터 메탄을 정제하는데 적합한 흡착제는 정제되는 메탄의 압력에 따라 달라지는데,흡착압력이 낮은 경우에는 제올라이트X가 적합하고,높은 경 우에는CMS(carbonmolecularsieve)가 적합할 것으로 판단된다. 2) 메탄정제PSA공정과 운전조건 410 /min의 혐기성 소화가스를 처리하는 제올라이트 X가 충진된3탑식 (내경 1 inch,길이1m) 소형PSA장치를 구성하여 메탄을 분리.정제하는 연속공정 실험을 수행 하였다.여러 가지 운전 스텝과 운전조건을 변경하면서 실험한 결과,5-step(흡착-균압 -탈착-균압-축압)으로 구성된 공정으로95%의 메탄을90%회수율로 생산할 수 있었으며, 공정의 성능을 예측할 수 있는 공정 모사기를 개발하였다. . 연구개발결과의 활용계획 본 연구가 좀 더 진행되어 유기질폐기물의 고속혐기발효공정과 소화가스로부터 고순 도 메탄 정제공정의 최적화 설계기술이 개발된다면,고형폐기물의 감량화에 의한 매립지 확보난 해소와 순차매립지를 조기안정화할 수 있으며,혐기소화가스로부터 도시가스 수 준의 고순도 메탄가스를 정제하여 활용함으로써 에너지절약에 기여할 수 있다.
Abstract▼
Title: "Integration of rapid digestion of municipal solid wastes and methane separation from digester gas" Food waste, included 30% by weight in municipal solid waste, is not well incinerated because of high moisture and low caloric value or causes a lot of leachate, bad odor when it is dumped into
Title: "Integration of rapid digestion of municipal solid wastes and methane separation from digester gas" Food waste, included 30% by weight in municipal solid waste, is not well incinerated because of high moisture and low caloric value or causes a lot of leachate, bad odor when it is dumped into landfill. Hence composting of food waste is practiced in several places. However, the quality (nitrogen deficiency, high salt or copper contents etc) as well as the demand of compost has always been problems of composting treatment. Therefore, this study suggest an integrated rapid digestion (high rate methanization) of MSW and biogas enrichment process for energy production from MSW including high proportion of food waste components. A two-stage digestion process consisted of a leaching bed and a CSTR methanization reactor was investigated since the MSW contained very high moisture (>75%) and organics contents readily biodegradable. The laboratory (leaching bed of 50 liters, metahnization reactor 50 liters) and bench (leaching bed with 380 liters) scale experiments showed that the recirculation of leachate treated with a CSTR methanization reactor could greatly enhance the degradation of organics in MSW when the leaching bed is saturated with moisture (82% moisture content) and the methanization reactor is operated. For example, with the lab-scale set up, the ultimate degradation of organics could be achieved in 10 days. The degradation rate in leaching bed is determined with the size ratio of leaching bed and methanization reactor. Bigger methanization reactor could speed up the organic degradation and stabilization of leaching bed significantly. In order to concentrate methane from digester gas, pressure swing adsorption process is studied. After measurement of adsorption isotherms of CO2 and CH4 on several adsorbents, zeolite-X is confirmed a good adsorbent for methane enriching. A small three-beds PSA facility which can treat the digester gas of 4 10 l/min is constructed and operated with process configurations. The 5-step process concentrates methane of 95% with recovery of 90% from the synthesized biogas of 60% CH4 and 40% CO2.
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