[국가R&D연구보고서]심냉분리법을 이용한 환경 기초시설 발생 부생가스로부터 온실가스(CO2, CH4 등) 회수/저감 기술 Capture and Reduction technology of Greenhouse gas(CO2, CH4 etc) by Flash distillation원문보기
최종목표 본 연구에서 개발하고자 하는 최종 목표는 환경 기초시설에서 발생되는 부생가스로부터 이산화탄소와 메탄 등의 온실가스를 회수하기 위한 Hybrid System 공정(막분리법+가압심냉분리법)을 개발하는 것이다. 특히 하폐수 처리시설, 폐기물 매립지 등의 혐기성 공정에서 발생되는 부생가스 조성에 적합한 특화된 이산화탄소와 메탄 분리 회수 공정을 개발한다. 1) 막분리 공정의 설계 및 막분리 공정의 성능 최적화 2) 저온 냉각분리 기술 개발 및 저온 냉각분리 공정의 설계와 성능의 최적화
연구개발결과
최종목표 본 연구에서 개발하고자 하는 최종 목표는 환경 기초시설에서 발생되는 부생가스로부터 이산화탄소와 메탄 등의 온실가스를 회수하기 위한 Hybrid System 공정(막분리법+가압심냉분리법)을 개발하는 것이다. 특히 하폐수 처리시설, 폐기물 매립지 등의 혐기성 공정에서 발생되는 부생가스 조성에 적합한 특화된 이산화탄소와 메탄 분리 회수 공정을 개발한다. 1) 막분리 공정의 설계 및 막분리 공정의 성능 최적화 2) 저온 냉각분리 기술 개발 및 저온 냉각분리 공정의 설계와 성능의 최적화 3) 막분리 및 저온 냉각분리된 가스상의 CH4과 액상 CO2의 이송 및 저장 기술 개발 4) Hybrid System(막분리법+가압심냉분리법)의 최적화
연구 내용 및 결과 1. 막분리 공정의 개발 : 혐기성 소화가스 중 메탄을 고농도로 분리 회수하기 위한 막분리 공정의 개발 - Lab Scale 막분리 공정의 설계와 제작 - Lab Scale 막분리 공정의 성능 평가 결과 5LPM, 6bar 조건에서 CH4 회사 농도 90% 이상을 나타냄 - Lab Scale 막분리 공정의 성능 평가 결과와 Bench Scale 단위막 성능 평가 결과를 반영하여 2단 막분리 공정의 설계 및 제작 - Bench Scale 2단 막분리 공정을 부산환경공단 남부사업소에 설치하여 성능 평가한 결과, 200LPM의 유량에서 메탄의 회수 농도는 90%이상을 나타냄
2. 저온 냉각분리 공정의 개발 : 혐기성 소화가스 중 이산화탄소를 액상 이산화탄소로 분리 회수하기 위한 저온 냉각분리 공정 개발 - Lab Scale 저온 냉각분리 시스템의 설계와 제작 - Lab scale 저온 냉각분리 공정의 성능 평가 결과 회수된 액상 이산화탄소의 농도는 약 99.5%를 나타냄 - 저온 냉각분리 시스템의 성능향상을 위해 냉동능력을 향상 시켰으며 냉매의 유로변경, 보냉 성능 향상 등의 Bench Scale 저온 냉각분리 시스템을 수정 보완 - 수정 보완된 Bench Scale 저온 냉각분리 시스템의 성능 평가 결과 목표 응축온도인 -35℃에 안정적으로 도달
3. 유체 이송 및 저장시스템의 설계 및 제작
4. Pilot Plant의 설치 및 Hybrid System의 성능 평가 - 부산환경공단 남부사업소 설치에 Bench Scale Hybrid System을 설치 - 최적 운전 조건에서 Bench Scale Hybrid System의 메탄과 이산화탄소의 회수 농도 측정 결과 메탄의 회수 농도는 94.3%를 나타내었으며, 회수된 액상 이산화탄소의 농도는 99.5%를 나타냄 - 메탄과 이산화탄소의 회수율의 경우 각각의 회수율을 높이기 위한 시스템적 고찰을 통해 막분리 공정과 저온 냉각분리 공정의 공정 배출가스를 재순환시키는 방법을 사용하여 메탄과 이산화탄소 각각 99.8%와 90.9%의 회수율을 얻음
개발기술의 특징‧장점 1) 막분리법의 경우 현재 개발된 분리막의 분리성능이 충분하지 않아 고순도의 이산화탄소를 분리하고 정제할 때 공정상에 에너지가 다량으로 소모되며, 이산화탄소의 회수율도 낮다는 단점을 가지고 있다. 또한 기존 심냉분리법의 경우 분리하고자 하는 가스의 냉각에 많은 에너지가 필요하다는 치명적인 단점이 있다. 본 과제에서는 막분리법과 심냉분리법의 단점을 상호 보완할 수 있는 막분리법과 가압심냉분리법을 조합한 Hybrid system을 개발하여 세계 최초로 하수처리장의 혐기성 소화 공정에 적용하였음.
2) 본 개발기술은 하폐수 처리시설, 폐기물 매립지 등의 혐기성 공정에서 발생되는 부생가스 조성에 적합한 특화된 분리 공정으로 하폐수 처리시설이나 폐기물 매립지에 적용이 가능하며, 혐기성 소화를 적용한 음식물 쓰레기 처리 시설이나 축산폐기물 처리 시설에도 적용이 가능함
3) 본 연구개발에서는 이산화탄소와 메탄이 혼재된 혐기성 소화조 가스를 경제적으로 분리 회수하기 위해서 1차적으로 막분리 시스템을 개발하여 막분리 공정을 통해 90%이상의 고순도 메탄 가스를 분리 회수 하였으며, 기존의 막분리 공정에서는 낮은 메탄 함유량으로 인해 폐기되던 막분리 공정의 투과측 가스를 가압심냉분리 공정으로 유입시켜 막분리 공정을 통해 상대적으로 높은 농도의 이산화탄소를 함유한 유입가스를 가압심냉분리하여 고순도의 액상 이산화탄소(LCO2)를 회수함
기대효과(기술적 및 경제적 효과) 1) 본 연구 개발 기술은 하폐수 처리시설, 폐기물 매립지 등의 혐기성 공정에서 발생되는 부생가스 조성에 적합한 특화된 분리공정으로 하폐수 처리시설이나 폐기물 매립지에 실용화 단계까지 접근시킬 수 있을 것으로 기대
2) 현재 정부에서는 환경 기초시설 에너지 자립화 기본 계획을 수립하여, 그 1단계로 소화가스를 이용하여 에너지 자립율을 16.4% 달성할 계획이며, 본 연구 개발 공정을 적용시 90%이상의 고순도 메탄가스의 이용을 통해 환경 기초시설의 에너지 자립화를 높일 수 있음
3) 혐기성 소화공정에서 발생되는 부생가스에 적합한 CO2와 CH4 회수기술의 개발을 통해 분리 회수된 고순도의 CH4은 연료전지, 자동차용 연료(CNG), 도시가스, 지역난방 등에 이용 가능하며 분리 회수된 고순도의 액화 CO2는 드라이아이스 제조, 용접 공정 등 수요가 있는 산업분야에 판매 가능하며, 지구 온난화의 예방 측면 외에 경제적인 효과도 클 것으로 기대
4) 개발 시스템의 환경성 평가에서 설비 가동으로 회수된 CO2는 설비 가동시 소비전력으로 발생된 CO2에 비해 21배 많으며, 개발 시스템의 경제성 분석에서 회수된 고순도의 CH4와 액화 CO2의 판매를 통해 시설 투자비용을 4년이내에 회수가 가능할 것으로 예상됨
5) 현재 세계적으로 바이오가스는 주로 전력 생산을 위해 사용되고 있으나, 유럽을 중심으로 정체를 통한 자동차 연료나 천연가스 관망으로 주입 이용률이 증가되고 있다. 2000년이후 세계적으로 바이오가스의 정제 플랜트 수가 급증하고 있으며, 현재 국내에 설치된 바이오가스 정제 플랜트는 대부분 외국에서 수입하여 설치하고 있는 실정이다. 바이오가스 정제 플랜트의 투자비용은 공정에 따라 수십에서 수백억원에 이르며, 본 기술 개발로 정제 플랜트의 국산화를 통해 높은 수입대체 효과를 기대할 수 있음
적용분야 1) 하폐수 처리시설의 소화공정에 적용하여 고순도의 CH4과 액상 CO2의 회수
2) LFG 이용 시설이 설치되지 않은 소규모 매립지에 적용하여 매립지 발생 가스의 분리 회수에 활용
3) 본 개발 시스템은 소화조 부생가스 처리뿐만 아니라 혐기성 반응이 일어나는 모든 공정에 적용 가능하며, 특히 음식물쓰레기, 축산분뇨 등과 같은 고농도 유기성 바이오매스 처리 시설에 적용성이 우수
4) 막분리 공정은 단독공정으로 소규모 혐기성 처리공정에서 발생하는 부생가스의 분리 회수에 활용하고, 막분리 공정을 최적화하여 산업공정에서 발생되는 이산화탄소의 분리 회수에 활용이 가능
(출처 : 보고서 초록 3p)
Abstract▼
According to the report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), the global average surface temperature has increased over the 20th century by about 0.6℃. The atmospheric concentration of carbon dioxide has increased by 31% and the atmospheric concentration of methane has
According to the report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), the global average surface temperature has increased over the 20th century by about 0.6℃. The atmospheric concentration of carbon dioxide has increased by 31% and the atmospheric concentration of methane has increased by 151% since 1750. The potential of using the biogas as energy source is widely recognized. Biogas is currently produced mostly by digestion of sewage treatment sludge, with minor contributions from fermentation or gasification of solid waste. It is considered an important future contributor to the energy supply, although upgrading is needed. Without further treatment, it can only be used at the place of production. There is a great need to increase the energy content of the biogas, thus making it transportable over larger distances if economically and energy sensible. Ultimately, the compression and use of gas cylinders or introduction into the gas network are targets. This enrichment and enhanced potential of use, can only be achieved after removing the CO2 and contaminants. The main objective of the present research was CH4 and CO2 recovery from biogas generated in municipal and wastewater treatment plant. The polysulfone hollow fiber membrane was prepared in order to investigate the permeation properties of CH4 and CO2. Hybrid pilot plant (membrane + Cryogenics) for upgrading biogas was constructed and operated at a municipal wastewater treatment plant. The raw biogas contained 66 ~ 68 Vol % CH4, the balance being mainly CO2. The effect of the operating pressure of feed and permeate side and feed flowrate on CH4 recovery concentration and efficiency were investigated with double stage membrane pilot plant. For the optimization of CO2 recovery from permeate stream of 1st membrane by cryogenics, the effect of the pressure of feed flow and flowrate and operating temperature on CO2 recovery concentration and efficiency were investigated. The CH4 concentration in the retentate stream was raised in field tests to 94.3 Vol % CH4 and the CHU recovery efficiency was 99.8%. At the same time, the CO2 recovery concentration and efficiency was 99.5% and 90.9%, respectively.
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