KR101603432B1

KR101603432B1 - 휘발성 유기 실록산 화합물 제거 시스템

Info

Publication number: KR101603432B1
Application number: KR1020140121076A
Authority: KR
Inventors: 박정극; 김의현; 허광범; 이정근
Original assignee: 한국전력공사; 한국동서발전(주)
Priority date: 2014-09-12
Filing date: 2014-09-12
Publication date: 2016-03-15

Abstract

본 발명의 일 실시예는 휘발성 유기 실록산 화합물 제거 시스템에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 수 있게 하는데 있다.
이를 위해 본 발명의 일 실시예는 바이오 가스에 포함된 수분 및 황화수소를 제거하는 1차 전처리부; 야자계 활성탄이 주입된 제1 흡착탑, 석탄계 활성탄이 주입된 제2 흡착탑, 실리카겔이 주입된 제3 흡착탑을 포함하고, 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑이 상기 1차 전처리부에 3단 직렬로 연결되어, 상기 1차 전처리부를 통과한 바이오 가스의 실록산 화합물을 제거하는 실록산 제거부; 및 상기 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑의 각각의 입출력단을 통과하는 바이오 가스의 농도를 측정하는 실록산 농도 분석부를 포함하는 휘발성 유기 실록산 화합물 제거 시스템을 개시한다.

Description

휘발성 유기 실록산 화합물 제거 시스템{SYSTEM FOR REMOVING VOLATILE ORGANOSILOXANE COMPOUNDS}

본 발명의 일 실시예는 휘발성 유기 실록산 화합물 제거 시스템에 관한 것이다.

매립지 가스를 포함하는 바이오 가스는 유기성 폐기물의 혐기성 소화 공정 중에서 발생되는 기상의 물질로 온실가스 성분인 메탄과 이산화탄소를 주성분으로 한다. 또한, 발열량이 도시가스의 40~70%인 바이오 가스는 대표적 신재생 연료로 정제 후 가스엔진, 가스터빈, 연료전지 등에 적용되어 전력 및 열을 생산하고 바이오 메탄화되어 자동차 연료로 활용될 수 있다.

한편, 이러한 바이오 가스 발전 연료화를 위한 전처리 정제 시스템은 수분, 황화수소, 실록산 화합물을 제거하고 온도 및 압력 조건을 맞춰주는 세부 공정으로 구성된다. 이때, 상기 수분과 황화수소는 부식 환경을 조성한다.

특히, 상기 실록산 화합물은 화장품 등 생활 용품과 석고 보드 등 건축 자재에 포함되어 바이오 가스 내에 존재하게 되는데, 연소 중에 SiO2로 변환되어 가스터빈 블레이드, 열교환기, 촉매 등에 퇴적되어 효율 감소를 유발하고, 가스 엔진에서는 구동부의 손상을 유발하므로 필수적으로 제거되어야 한다.

MW급 바이오 가스터빈의 경우 연료가스 내 실록산 화합물의 농도를 5~10mgSi/Nm³으로 규제하고 있다. 또한, 가스 엔진과 그 외 원동기별로도 실록산 화합물 규체치가 정해져 있어 바이오 가스를 이용한 발전의 경우 이를 제거하기 위한 전처리 시스템을 별도로 설치한다.

이러한 실록산 화합물의 제거 공정에는 건식 흡착 공정, 냉각 공정, 습식 흡수 공정 등이 있는데 건식 흡착 공정이 가장 널리 사용되고 있으며, 냉각 공정은 미국 Pioneer 사에 의해 개발되었으나 상용화 실적은 거의 없는 상황이다. 또한, 습식 흡수 공정은 실록산 화합물이 유기용매 등에 녹는점을 이용한 것으로 아직까지 상용화되지는 않았다. 단, 미국의 한 매립장에 설치된 유기용매를 이용한 황화수소 제거 시스템에서 실록산이 동시 제거되었음이 보고된 바 있다.

현재 가장 널리 사용되고 있는 건식 흡착 공정에는 다양한 흡착제의 적용이 가능하다. 이때, 상기 건식 흡착 공정에 적용 가능한 흡착제로는 활성탄, 실리카겔, 활성 알루미나, 일라이나와 질석 등 광물 기반의 흡착제 등이 있다. 예를 들면, 가격적인 측면과 가용성을 고려할 때 현재 활성탄이 가장 널리 사용되고 있다.

또한, 상기 바이오 가스 내 실록산 화합물 제거 공정에는 건식 흡착 기술이 가장 널리 적용되고 있는데, 각 흡착제별 실록산 화합물 제거 특성, 대상 바이오 가스 내 실록산 화합물 조성, 전체 바이오 가스 전처리 공정 등을 고려한 공정 최적화가 이루어지지 않을 경우 흡착제의 성능이 저하되고, 교체 주기가 짧아짐은 물론 후단 발전 설비에 심각한 악영향을 줄 수 있다.

한편, 상용 흡착제의 경우 실록산 화합물의 제거능은 8~10g/kg-absorbent 수준으로 낮은 편인데, 공정이 최적화되지 않을 경우 제거 성능은 급격히 낮아진다. 또한, 상기 바이오 가스의 이슬점 온도는 흡착 공정의 성능의 큰 영향을 준다. 즉, 이슬점 온도가 높은 경우 흡착 공정 내에서 액상 수분의 발생 빈도가 높아져 흡착 성능을 크게 감소시킨다. 특히, 외기온에 의해 바이오 가스의 온도는 큰 변동을 보이고 겨울철 실록산 화합물 제거 성능이 크게 낮아지므로 이에 대한 보완은 필수적이다.

상기 바이오 가스 내에 포함된 실록산화합물은 10종 이상이며 분자량 및 형태별로 물성이 다르다. 특히, 실록산 제거에 가장 널리 이용되는 건식 흡착 과정 중 선택성의 차이가 발생하게 된다. 예를 들면, 실제로 바이오 가스를 이용한 실록산 온라인 분석 결과에 따르면 일부 실록산의 경우 시간이 지속되면서 흡착탑 출구 농도(약 4,000ppb)가 입구 농도(약 1,000ppb)를 최대 4배나 초과하는 현상이 발견된 바 있다. 즉, 흡착된 저분자량 실록산이 고분자량 실록산과의 흡착 선택성의 차이로 짧은 시간 안에 탈착하게 되는데 이 경우 후단 발전 설비는 심각한 악영향을 받는다.

종래의 오프라인 분석(메탄올 임핀징을 통한 GC-MS 분석)을 통해 간헐적으로 실록산화합물의 분석이 시행될 경우 짧은 시간에 발생하는 저분자량 실록산의 탈착을 검출하는 것은 불가능하다.

결과적으로, 상기 바이오 가스 전처리 비용이 급격히 증가하고 발전 설비로 유입되는 실록산 화합물이 지속적으로 증가하게 되면 바이오 가스 발전 플랜트 전체 경제성이 크게 악화된다는 문제점이 있었다.

공개특허공보 제10-2013-0012728호 '흡착력 향상을 위한 실리카겔의 표면 개질 방법 및 실록산 제거방법 그리고 이를 이용한 투웨이 방식의 실록산 제거장치' 공개특허공보 특1998-071582 '규소 화합물 가스에 함유된 실록산을 제거하는 방법 및 제거장치와, 실록산의 함유량을 분석하는 방법 및 분석장치'

본 발명의 일 실시예는 바이오 가스 내 실록산 화합물의 농도 역전 현상을 방지할 수 있는 휘발성 유기 실록산 화합물 제거 시스템을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 휘발성 유기 실록산 화합물 제거 시스템은 바이오 가스에 포함된 수분 및 황화수소를 제거하는 1차 전처리부; 야자계 활성탄이 주입된 제1 흡착탑, 석탄계 활성탄이 주입된 제2 흡착탑, 실리카겔이 주입된 제3 흡착탑을 포함하고, 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑이 상기 1차 전처리부에 3단 직렬로 연결되어, 상기 1차 전처리부를 통과한 바이오 가스의 실록산 화합물을 제거하는 실록산 제거부; 및 상기 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑의 각각의 입출력단을 통과하는 바이오 가스의 농도를 측정하는 실록산 농도 분석부를 포함할 수 있다.

상기 1차 전처리부는 배관을 통하여 주입된 바이오 가스를 가열하는 가열 수단을 구비할 수 있다.

상기 배관 내의 바이오 가스의 온도는 20 내지 50 ℃로 제한될 수 있다.

상기 실록산 제거부와 상기 실록산 농도 분석부 사이에는 상기 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑의 동작을 제어하는 제1 PLC 내지 제3 PLC를 포함할 수 있다.

상기 실록산 제거부는 상기 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑이 각각 쌍으로 구성될 수 있다.

상기 제2 흡착탑과 제3 흡착탑 사이에는 전동 밸브가 구비되되, 상기 전동 밸브는 상기 제1 흡착탑 및 제2 흡착탑 각각의 입력단 및 출력단에서의 실록산 화합물의 농도값에 기초하여 상기 출력단에서의 실록산 화합물 농도값이 기준 농도값이하인 경우에는 상기 제2 흡착탑을 통과한 바이오 가스를 바이패스시킬 수 있다.

상기 제2 흡착탑의 출력단의 실록산 화합물 농도값이 상기 제2 흡착탑의 입력단의 실록산 화합물 농도값 대비하여 10% 이상인 경우 상기 제3 흡착탑이 가동될 수 있다.

상기 제1 PLC 내지 제3 PLC는 상기 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑이 제1 온도까지 가온되도록 제어할 수 있다.

상기 제1 PLC 내지 제3 PLC는 상기 샘플링 배관이 제2 온도까지 가온되도록 제어할 수 있다.

상기 제1 PLC는 상기 제1 흡착탑의 입력단, 상기 제1 흡착탑의 중간단 두 지점, 상기 제1 흡착탑과 제2 흡착탑의 사이 지점 중 첫번째 중간단의 실록산 화합물의 농도값이 입력단의 실록산 화합물의 농도값의 5% 내지 10%를 초과하는 경우, 두번째 중간단의 실록산 화합물의 농도값을 측정하고, 상기 두번째 중간단의 실록산 화합물의 농도값이 첫번째 중간단의 실록산 화합물의 농도값의 5% 내지 10%를 초과하는 경우, 출력단의 실록산 화합물의 농도값을 측정하고, 상기 출력단의 실록산 화합물의 농도값이 상기 입력단의 실록산 화합물의 농도값의 5% 내지 10%를 초과하는 지 여부를 판단할 수 있다.

상기 제2 PLC는 상기 제2 흡착탑의 중간단 두 지점, 상기 제2 흡착탑과 제3 흡착탑의 사이 지점 중 첫번째 중간단의 실록산 화합물의 농도값이 상기 입력단의 실록산 화합물의 농도값의 5% 내지 10%를 초과하는 경우, 그 다음 두번째 중간단의 실록산 화합물의 농도값을 측정하도록 제어할 수 있다.

상기 실록산 제거부와 실록산 농도 분석부 사이에는 각각 온도 지시기 및 압력 지시기가 구비되고, 상기 온도 지시기 및 압력 지시기는 상기 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑의 입력단 및 출력단의 온도 및 압력차를 측정하여 상기 실록산 농도 분석부로 전송할 수 있다.

상기 실록산 농도 분석부는 상기 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑의 입력단, 중간단 및 출력단에 다수의 샘플링 배관을 통하여 연결되고, 각각의 샘플링 배관으로부터 추출된 바이오 가스의 실록산 화합물 농도값을 분석할 수 있다.

상기 제1 PLC 내지 제3 PLC는 상기 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑에서 각각의 입력단과 출력단의 바이오 가스 온도차를 5 ℃ 이하로 유지되도록 제어할 수 있다.

상기 실록산 농도 분석부는 FTIR, GC-MSD, GC-FID 중 어느 하나의 방식을 적용하여 바이오 가스의 농도를 측정 및 분석할 수 있다.

상기 실록산 농도 분석부는 바이오 가스 내의 CO 농도값을 모니터링하고, 상기 바이오 가스 내의 CO 농도값이 200ppm 이상일 경우 상기 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑 중 어느 하나의 내부 화재 경보를 표시하며, CO 농도값이 500ppm 이상일 경우 상기 제1 PLC 내지 제3 PLC를 통하여 상기 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑의 구동을 정지시킬 수 있다.

상기 실록산 농도 분석부는 분석 알고리즘을 이용하여 상기 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑의 중간단에서의 바이오 가스의 성분을 분석하되, 유입된 실록산 화합물의 농도값, 흡착제의 특성, 상기 바이오 가스의 유량 및 포화 시간 데이터를 산출하여 상기 흡착제의 교체 시점을 예측할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 휘발성 유기 실록산 화합물 제거 시스템은 바이오 가스 내 실록산 화합물을 건식 흡착 방식을 이용하여 제거함에 있어 흡착 공정을 2단 및 이중화하고 실록산 화합물 제거 환경이 일정하게 유지되도록 함으로써, 실록산 화합물의 제거 성능 및 흡착제 수명을 최적화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 휘발성 유기 실록산 화합물 제거 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 휘발성 유기 실록산 화합물 제거 시스템에서의 주제어 공정을 나타내는 순서도이다.
도 3은 도 2의 주제어 공정 순서에서 흡착탑 및 배관 가온 순서를 나타내는 순서도이다.
도 4는 도 2의 주제어 공정 순서에서 흡착제 교체 주기 계산 및 알림 순서를 나타내는 순서도이다.
도 5a 내지 5c는 개별 흡착탑 충진제 선정을 위한 흡착제별 실록산 화합물을 제거하는 실험 결과를 나타내는 그래프이다.

본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 휘발성 유기 실록산 화합물 제거 시스템을 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 휘발성 유기 실록산 화합물 제거 시스템에서의 주제어 공정을 나타내는 순서도이며, 도 3은 도 2의 주제어 공정 순서에서 흡착탑 및 배관 가온 순서를 나타내는 순서도이고, 도 4는 도 2의 주제어 공정 순서에서 흡착제 교체 주기 계산 및 알림 순서를 나타내는 순서도이며, 도 5a 내지 5c는 개별 흡착탑 충진제 선정을 위한 흡착제별 실록산 화합물을 제거하는 실험 결과를 나타내는 그래프이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 휘발성 유기 실록산 화합물 제거 시스템은 1차 전처리부(1), 실록산 제거부(10), PLC부(900) 및 실록산 농도 분석부(1000)를 포함한다.

상기 1차 전처리부(1)는 바이오 가스에 포함된 수분 및 황화수소를 제거한다. 또한, 상기 1차 전처리부(1)는 배관(800)을 통하여 주입된 바이오 가스를 가열하는 가열 수단을 구비한다. 상기 배관(800) 내의 바이오 가스의 온도는 20 내지 50 ℃로 제한될 수 있다.

상기 실록산 제거부(10)는 야자계 활성탄이 주입된 제1 흡착탑(010), 석탄계 활성탄이 주입된 제2 흡착탑(020), 실리카겔이 주입된 제3 흡착탑(030)을 포함하고, 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑(010, 020, 030)이 1차 전처리부(1)에 3단 직렬로 연결되어, 1차 전처리부(1)를 통과한 바이오 가스의 실록산 화합물을 제거한다.

상기 제2 흡착탑(020)과 제3 흡착탑(030) 사이에는 전동 밸브(331, 332, 333)가 구비된다. 상기 전동 밸브(331, 332, 333)는 제1 흡착탑(010) 및 제2 흡착탑(020) 각각의 입력단 및 출력단에서의 실록산 화합물의 농도값에 기초하여 출력단에서의 실록산 화합물 농도값이 기준 농도값이하인 경우에는 제2 흡착탑(020)을 통과한 바이오 가스를 바이패스시킬 수 있다.

상기 제2 흡착탑(020)의 출력단의 실록산 화합물 농도값이 상기 제2 흡착탑(020)의 입력단의 실록산 화합물 농도값 대비하여 10% 이상인 경우 제3 흡착탑(030)이 가동될 수 있다.

상기 PLC부(900)는 실록산 제거부(10)와 실록산 농도 분석부(1000) 사이에 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑(010, 020, 030)의 동작을 제어하는 제1 PLC 내지 제3 PLC(910, 920, 930)를 포함할 수 있다.

상기 제1 PLC 내지 제3 PLC(910, 920, 930)는 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑(010, 020, 030)이 제1 온도까지 가온되도록 제어할 수 있다. 또한, 상기 제1 PLC 내지 제3 PLC(910, 920, 930)는 샘플링 배관이 제2 온도까지 가온되도록 제어할 수 있다.

상기 제1 PLC 내지 제3 PLC(910, 920, 930)는 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑(010, 020, 030)에서 각각의 입력단과 출력단의 바이오 가스 온도차를 5도 이하로 유지되도록 제어할 수 있다.

상기 제1 PLC(910)는 제1 흡착탑(010)의 입력단, 제1 흡착탑(010)의중간단 두 지점, 제1 흡착탑(010)과 제2흡착탑(020)의 사이 지점에서의 실록산 화합물의 농도값을 측정한다. 이때, 상기 제1 PLC(910)는 중간단의 실록산 화합물의농도값이 입력단의 실록산 화합물의 농도값의 5% 내지 10%를 초과하는 경우, 출력단의 실록산 화합물의 농도값을 측정하고, 출력단의 실록산 화합물의 농도값이 상기 제1 흡착탑(010)의 입력단의 실록산 화합물의 농도값의 5% 내지 10%를 초과하는 지 여부를 판단한다.

상기 제2 PLC(920)는 제2 흡착탑(020)의 중간단 두 지점, 제2 흡착탑(020)과 제3 흡착탑(030)의 사이 지점에서의 실록산 화합물의 농도값을 측정한다. 이때, 상기 제2 PLC(920)는 제2 흡착탑(020)의 첫번째 중간단의 실록산 화합물의 농도값이 입력단의 실록산 화합물의 농도값의 5% 내지 10%를 초과하는 경우, 그 다음 두번째 중간단의 실록산 화합물의 농도값을 측정하도록 제어한다. 이러한 과정을 통하여 순차적으로 제1 흡착탑(010)으로부터 제3 흡착탑(030)까지 작동되게 된다.

한편, 상기 실록산 제거부(10)와 실록산 농도 분석부(1000) 사이에는 각각 온도 지시기(501~504) 및 압력 지시기(601~604)가 구비된다. 상기 온도 지시기(501~504) 및 압력 지시기(601~604)는 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑(010, 020, 030)의 입력단 및 출력단의 온도 및 압력차를 측정하여 실록산 농도 분석부(1000)로 전송한다.

상기 실록산 농도 분석부(1000)는 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑(010, 020, 030)의 각각의 입출력단을 통과하는 바이오 가스의 농도를 측정한다. 이러한 실록산 농도 분석부(1000)는 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑(010, 020, 030)의 입력단, 중간단 및 출력단에 다수의 샘플링 배관(811~814, 821~823, 831~833)을 통하여 연결되고, 각각의 샘플링 배관(811~814, 821~823, 831~833)으로부터 추출된 바이오 가스의 실록산 화합물 농도값을 분석한다.

상기 실록산 농도 분석부(1000)는 FTIR(Fourier transform infrared spectroscopy), GC-MSD(gas chromatography-mass selective detector), GC-FID(gas chromatography-flame ionization detector) 중 어느 하나의 방식을 적용하여 바이오 가스의 농도를 측정 및 분석할 수 있다.

상기 실록산 농도 분석부(1000)는 바이오 가스 내의 CO 농도값을 모니터링하고, 바이오 가스 내의 CO 농도값이 200ppm 이상일 경우 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑(010, 020, 030) 중 어느 하나의 내부 화재 경보를 표시하며, CO 농도값이 500ppm 이상일 경우 제1 PLC 내지 제3 PLC(910, 920, 930)를 통하여 상기 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑(010, 020, 030)의 구동을 정지시킬 수 있다.

또한, 상기 실록산 농도 분석부(1000)는 분석 알고리즘을 이용하여 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑(010, 020, 030)의 중간단에서의 바이오 가스의 성분을 분석하되, 유입된 실록산 화합물의 농도값, 흡착제의 특성, 바이오 가스의 유량 및 포화 시간 데이터를 산출하여 흡착제의 교체 시점을 예측할 수 있다.

이하에서는, 상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 휘발성 유기 실록산 화합물 제거 시스템을 이용한 실록산 제거 공정에 대하여 도 2 내지 도 5c를 참조하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

우선, 본 발명에 적용되는 가변 실록산 제거 공정은 1차 전처리부(1), 실록산 제거용 3단 흡착탑(즉, 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑(010, 020, 030)), GC-FID 또는 FTIR과 같은 가스 분석 시스템(즉, 실록산 농도 분석부(1000)), 그리고 흡착탑 및 각종 배관 가온 시스템(즉, 제1 PLC 내지 제3 PLC(910, 920, 930))으로 구성된다.

상기 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑(010, 020, 030)에는 각기 다른 흡착제가 사용된다. 즉, 상기 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑(010, 020, 030)에는 각각 실리카겔, 석탄계 활성탄, 야자계 활성탄이 순서대로 주입된다. 이때, 상기 제1 흡착탑(010) 및 제2 흡착탑(020)은 상시 가동용이고, 제3 흡착탑(030)은 선행 흡착 공정에서 탈착되는 저분자량 실록산 화합물을 제거하는 가변 가동용 설비이다.

상기 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑(010, 020, 030)에서 각 단별 흡착제는 도 5a 내지 5c와 같이 나타나는 실록산 화합물 제거 특성 실험 결과를 바탕으로 선정된다. 도 5a 내지 5c에 도시된 바와 같이, 흡착 평형 실험 시 L2 실록산의 경우 야자계 활성탄(A1)이 가장 우수한 것으로 나타났고, D4/D5의 경우 석탄계 활성탄(A2)와 실리카겔(NCA1)이 가장 높은 제거 성능을 나타내었다.

또한, 상기 제1 흡착탑(010)에 사용되는 흡착제인 실리카겔은 실리카겔의 수분 제거 효과를 통한 제2 흡착탑(020)의 흡착제의 안정적인 실록산 흡착 효과와 흡착제 특성에 대하여 상호 보완이 가능하다. 또한, 야자계 활성탄은 대표적인 저분자량 실록산화합물인 L2의 흡착 제거 성능이 가장 우수하므로 가변 가동용 설비에 적합하다.

상기 실록산 농도 분석부(1000)는 저분자량 실록산화합물의 탈착 현상을 검출하여 가변 가동용 실록산 제거 설비인 제3 흡착탑(030)에 대한 작동 신호를 제3 PLC(930)를 통하여 제공한다. 상기 실록산 농도 분석부(1000)는 열탈착기-가스 크로마토그래피-FID 또는 FTIR이 활용될 수 있다. 즉, 상기 실록산 농도 분석부(1000)는 가스 분석에 의해 신호가 주어지는 경우 제3 흡착탑(030)으로 바이오 가스가 보내지고 순간적으로 탈착되는 저분자량 실록산화합물이 제거되므로, 후단 발전 설비 등으로 실록산 화합물의 유입이 방지된다.

본 발명에서는 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑(010, 020, 030) 각각의 입력단과 출력단의 온도차를 ±5℃이내로 관리하기 위하여, 배관의 경우 25~50mm로 보온하고 흡착탑의 경우 75~100mm로 보온하도록 구성된다. 이러한 구성을 통하여 본 발명은 겨울철 외기온에 대응하기 위하여 최대 50℃까지 가온할 수 있도록 구성하여 공정 내 수분 발생을 최소화하고 흡착 성능이 최대로 발휘될 수 있게 된다.

특히, 상기 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑(010, 020, 030)과 제1 PLC 내지 제3 PLC(910, 920, 930) 사이에 구비된 가스 샘플링 배관(811~814, 821~823, 831~833)은 측정 정확도 향상을 위해 최대 180℃까지 가온되도록 구성된다. 이는 실록산화합물의 경우 샘플링 배관(811~814, 821~823, 831~833) 표면에 붙는 경향을 최소화하기 위함이다. 간이 실험을 통해 확인한 결과 D3+L3, D4, D5의 농도는 가스가 주입된 테들러 백의 온도를 22℃, 60℃, 100℃로 증가하였을 경우 표 1과 같이 변하였다.

[표 1]

또한, 본 발명은 바이오 가스 내 실록산화합물을 건식 흡착 방식에 제거함에 있어 흡착 공정을 2단/이중화하고, 실록산화합물 제거 환경이 일정하게 유지되도록 하여 실록산 화합물의 제거 성능 및 흡착제 수명을 최적화할 수 있다.

이를 위하여, 본 휘발성 유기 실록산 화합물 제거 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 유입되는 바이오 가스를 전처리하는 1차 전처리부(1), 바이오 가스 실록산 화합물을 제거하는 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑(010, 020, 030), 압력계(111~114), 안전 밸브(211, 221, 231), 전동밸브(311~313, 321~323, 331~333), 온도지시기(501~504), 압력지시기(601~604), 솔레노이드 밸브(711~714, 721~723, 731~733), 바이오 가스 배관(800), 가스 샘플링 배관(811~814, 821~823, 831~833), 통합 제어 컴퓨터(900), 솔레노이드 모터 조작반(910, 920, 930), 가스 분석기(1000) 등으로 구성된다.

상기 1차 전처리부(1)는 바이오 가스 내 수분/황화수소 제거를 담당하고 필요할 경우 압축 시스템까지 포함한다. 본 시스템 전체에서의 바이오 가스는 25~50mm 두께로 보온되고 열선 등으로 최대 50℃까지 가온되는 배관(800)을 통해 공급된다.

상기 실록산 농도 분석부(1000)는 FTIR, GC-FID, GC-MS 및 열탈착기 등의 방식이 적용된 온라인 분석 시스템으로 가스 샘플링 배관(811~814, 821~823, 831~833)을 통해 실록산 제거시스템의 입력단, 중간단 및 출력단에서의 실록산의 농도를 분석한다.

상기 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑(010, 020, 030)은 3단 직렬 구성된다. 즉, 상기 제1 흡착탑(010)에는 야자계 활성탄, 제2 흡착탑(020)에는 석탄계 활성탄 그리고 제3 흡착탑(030)에는 실리카겔이 주입된다. 이때, 주입되는 실리카겔의 경우 상대 습도 10%, 20%, 40%, 60%에 대해 각각 4.0~5.5%, 8.0~11.0%, 16.0~19.0%, 23.0~28.0%의 최소 수분 흡수능을 가져야 한다. 또한, 잔류 수분 함량은 최대 6.5% 이하여야 하고 밀도(bulk)는 최소 720kg/m3 이상이어야 한다.

또한, 상기 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑(010, 020, 030)은 쌍으로 구성되어 이중화될 수도 있다. 이때, 각각의 흡착탑은 75~100mm 두께로 보온되고 흡착탑 자체는 열선 등으로 최대 50℃까지 가온된다.

또한, 압력계(111~114)와 안전 밸브(211, 221, 231)는 현장 안전 점검 및 안전 사고 예방에 필수적인 역할을 수행하고, 온도 지시기(501~504) 및 압력 지시기(601~604)는 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑(010, 020, 030)의 입력단, 출력단의 온도 및 압력차를 측정하여 시스템 운전에 필요한 데이터를 통합 PLC부(900)로 제공한다.

또한, 전동밸브(311~313, 321~323, 331~333)와 솔레노이드 밸브(711~714, 721~723, 731~733)는 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑(010, 020, 030)의 입력단, 출력단의 운전 데이터를 반영한 PLC부(900)의 제어 신호에 따라 동작하여 운전에 투입되는 실록산 제거 흡착탑과 가스 분석을 위한 샘플링 포인트가 최적 구성된다.

또한, 가스 샘플링 배관(811~814, 821~823, 831~833)은 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑(010, 020, 030)의 입력단, 출력단 및 각 흡착탑의 중간단 2지점에서 구성되며, 측정 정확도 향상을 위해 최대 180℃까지 가열된다.

한편, 유기성 폐기물의 혐기성소화 과정 중에 발생된 바이오 가스(100)는 수분 제거 등의 1차 전처리부(1)의 전처리 공정을 거치게 된다. 이때, 바이오 가스 배관(800)을 통한 바이오 가스의 공급 온도는 20~50℃로 제한하도록 구성 및 제어된다.

상기 실록산 농도 분석부(1000), 가스 샘플링 배관 (811, 843), 솔레노이드 밸브(711, 743)에 의해 본 시스템의 입구 및 최종 출구 농도 측정이 이루어진다. 상기 입구의 실록산 화합물의 농도값이 바이오 가스 이용 발전설비에 영향을 전혀 주지 않을 정도로 낮은 경우(통상적으로 0.1~1mg Si/Nm³ 이하), 바이오 가스가 실록산 제거 설비를 통과하지 않도록 바이패스 배관을 구성할 수 있다.

본 휘발성 유기 실록산 화합물 제거 시스템은 제1 흡착탑 및 제2 흡착탑(010, 020)이 직렬로 운영되고, 제3 흡착탑(030)은 바이패스(030) 되도록 전동밸브(331~332)가 제어된다. 이때, 중간 실록산화합물 농도로는 가스 샘플링 배관(812)과 솔레노이드 밸브(712)를 통해 측정된다. 상기 제1 흡착탑(010)의 출력단의실록산화합물 농도값은 가스 샘플링 배관(813)과 솔레노이드 밸브(714)를 통해 측정된다. 이때, 중간 출구(즉, 중간단)의 실록산 화합물의 농도값이 상기 제1 흡착탑(010)의 입력단의 실록산 화합물의 농도값의 5~10%를 초과할 경우 중간단의 실록산 화합물 농도 측정을 위한 가스 샘플링 배관 및 솔레노이드 밸브는 다음의 가스 샘플링 배관 및 솔레노이드 밸브(813, 713)로 전환된다. 이는 출력단의 실록산 화합물의 농도값이 상기 제1 흡착탑(010)의 입력단의 실록산 화합물의 농도값의 5~10%를 초과할 경우 순차적으로 전환된다. 이때, 전환되는 순서는 811/711 → 812/712 → 813/713 → 814/714 → 821/721 → 822/722 → 823/723 → 831/731 → 832/732 → 833/733으로 순차적으로 진행될 수 있다. 또한, 중간단의 농도 측정 지점이 가스 샘플링 배관(822)과 솔레노이드 밸브(722)로 전환되는 경우 흡착탑 전환 및 흡착제 교체 임박을 지시한다.

상기 제1 흡착탑(010)의 출력단의 실록산 화합물 농도값에서 L2, D3등 가벼운 실록산 화합물이 입구 농도값의 5~10%를 초과하는 경우 무거운 실록산화합물의 흡착에 의해 탈착된 L2, D3 등을 제거하기 위해 전동 밸브(331~332) 상태가 변경되고 제3 흡착탑(030)이 가동된다. 상기 제3 흡착탑(030) 가동과 동시에 제1 흡착탑(010)의 출력단의 농도 측정은 중단되고, 제3 흡착탑(030)의 출력단의 농도값이 가스 샘플링 배관(833)과 솔레노이드 밸브(733)를 통해 측정된다. 또한,L2, D3 등에 대한 제2 흡착탑(020)의 출력단의 농도값이 제2흡착탑(020)의 입력단의 농도값의 5%를초과하는 경우, 흡착탑 운영을 보조 설비로 전환하고 흡착제를 교체한다.

또한, 상기 실록산 농도 분석부(1000)는 입력단의 실록산 화합물의 농도값, 각 샘플링 지점별 흡착제 양, 각 지점별 측정 시간을 고려하여 실록산 화합물 제거용 흡착제 예상 교체 시점을 계산할 수 있다. 또한, 상기 실록산 농도 분석부(1000)는 중간 출구 농도값이 최종 출구 농도값보다 낮은 경우 측정 시스템, 샘플링 배관 또는 바이오 가스 배관을 점검하도록 지시한다. 이때, 상기 실록산 농도 분석부(1000)는 입력단의 농도값과 중간단 출구 농도값의 차이가 중간단 출구 농도값과 최종 출구 농도값의 차이보다 작은 경우 샘플링 지점 전환 이상 또는 흡착제 교체 여부 점검을 지시한다.

또한, 온도지시기(501~504) 측정값에 따라 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑(010, 020, 030) 각각의 입력단, 출력단의 온도차가 ±5℃이상 되지 않도록 각 배관과 흡착탑의 가온 구성이 제1 PLC 내지 제3 PLC(910, 920, 930)에 의하여 제어된다. 또한, 압력지시기(601~604) 측정값에 의해서 차압이 설계값의 50% 이상이 될 경우 막힘 현상 점검을 지시한다.

한편, 표 2는 실제 실험에서 관찰된 저분자량 실록산화합물 탈착 시 후단 유입량 계산 결과이다. 즉, 본 발명이 적용되지 않을 경우 흡착제 설계 수명 도래 전에 상당한 양의 실록산 화합물이 유입되어 후단 설비의 손상을 유발시킨다.

[표 2]

종래 방식으로 실록산 화합물을 제거 설비를 설계하고 간헐적인 가스 분석에 의해 운영할 경우 후단에 사용되는 발전 설비는 종류에 무관하게 큰 손상을 입게 된다. 본 발명에 의해 손상 방지가 될 바이오 가스 발전 설비의 종류 및 단위 용량 당 가격은 표 3(U.S. EPA, 2009, LFG Energy Project Development Handbook, U.S. EPA)과 같다.

[표 3]

또한, 본 발명의 적용 시 흡착제의 교체 주기 최대한 유지할 수 있다. 저분자량 실록산화합물과 고분자량 실록산화합물이 약 3:7의 농도를 가지는 표 4와 같은 바이오 가스를 처리하는 시스템에 대해 36시간 경과 후 저분자량 실록산 화합물의 탈착에 의해 흡착제의 파과가 일어났다고 가정하자.

[표 4]

본 발명을 적용하여 3단 흡착탑을 구성하여 2단의 상시 운영부(즉, 제1 흡착탑 및 제2 흡착탑)와 1단의 가변 운영부(제3 흡착탑)를 흡착제 무게비 7:3으로 구성할 경우, 흡착제의 파과 시간을 계산하면 43.2시간으로 예측되어 20% 이상의 흡착제 교체 주기를 연장시킬 수 있다.

또한, 도 5a 내지 5c에 나타난 흡착제별 실록산 흡착 평형 실험 결과에 의하면 대표적인 저분자량 실록산 화합물인 L2에 대한 제거 효율은 흡착제별로 큰 차이를 보인다. 즉, 야자계 활성탄의 평균 제거 효율은 약 96%이나 석탄계 활성탄의 경우 평균 84% 수준이며, 실리카겔의 경우 두 활성탄 대비 동일 무게에 대해 제거율이 20% 이상 낮았다. 따라서, 가변 운영부인 제3 흡착탑에는 야자계 활성탄을 주입할 경우 제거 효율 및 교체 주기를 20% 높게 유지할 수 있다.

한편, 수분은 흡착표면에서 실록산 화합물과 경쟁하기 때문에 포화 상태로 유입되는 바이오 가스에 대해 제1 흡착탑(010)에 흡착제로 실리카겔을 사용할 경우 실록산 제거는 물론 바이오 가스 내 상대 습도를 감소시켜 제2 흡착탑(010)의 석탄계 활성탄의 흡착 성능을 최적으로 유지할 수 있다는 장점을 가진다. 상기 효과는 흡착탑 및 배관을 보온 및 가온하여 전, 후단 온도를 ±5℃로 유지함에 의해서 보다 두드러진다.

또한, 표 1에서 볼 수 있는 바와 같이 테들러백 온도가 낮은 경우 실록산 화합물이 표면에 흡착되어 실제 주입량에 비해 낮은 농도를 가지는 것으로 측정되는 경향을 가진다. 이에 따라 비교적 저분자량 실록 산화합물인 D3와 L3의 경우 실제 주입량 대비 30% 이상 낮은 농도가 검출되었다. 따라서, 본 발명에 휘발성 유기 실록산 화합물 제거 시스템을 적용하여 샘플링 배관을 180℃ 수준으로 가온할 경우 실록산화합물의 측정 정확도를 높게 유지할 수 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 휘발성 유기 실록산 화합물 제거 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

1: 1차 전처리부 10: 실록산 제거부
900: PLC부 1000: 실록산 농도 분석부
010, 020, 030: 제1 흡착탑, 제2 흡착탑, 제3 흡착탑
910, 920, 930: 제1 PLC, 제2 PLC, 제3 PLC

Claims

바이오 가스에 포함된 수분 및 황화수소를 제거하는 1차 전처리부;
야자계 활성탄이 주입된 제1 흡착탑, 석탄계 활성탄이 주입된 제2 흡착탑, 실리카겔이 주입된 제3 흡착탑을 포함하고, 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑이 상기 1차 전처리부에 3단 직렬로 연결되어, 상기 1차 전처리부를 통과한 바이오 가스의 실록산 화합물을 제거하는 실록산 제거부; 및
상기 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑의 각각의 입출력단을 통과하는 바이오 가스의 농도를 측정하는 실록산 농도 분석부를 포함하고, 상기 제2 흡착탑과 제3 흡착탑 사이에는 전동 밸브가 구비되되, 상기 전동 밸브는 상기 제1 흡착탑 및 제2 흡착탑 각각의 입력단 및 출력단에서의 실록산 화합물의 농도값에 기초하여 상기 출력단에서의 실록산 화합물 농도값이 기준 농도값이하인 경우에는 상기 제2 흡착탑을 통과한 바이오 가스를 바이패스시키는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기 실록산 화합물 제거 시스템.
제1항에 있어서,
상기 1차 전처리부는 배관을 통하여 주입된 바이오 가스를 가열하는 가열 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기 실록산 화합물 제거 시스템.
제2항에 있어서,
상기 배관 내의 바이오 가스의 온도는 20 내지 50 ℃로 제한되는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기 실록산 화합물 제거 시스템.
제1항에 있어서,
상기 실록산 제거부와 상기 실록산 농도 분석부 사이에는 상기 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑의 동작을 제어하는 제1 PLC 내지 제3 PLC를 포함하는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기 실록산 화합물 제거 시스템.
제1항에 있어서,
상기 실록산 제거부는 상기 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑이 각각 쌍으로 구성될 수 있는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기 실록산 화합물 제거 시스템.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제2 흡착탑의 출력단의 실록산 화합물 농도값이 입력단의 실록산 화합물 농도값 대비하여 10% 이상인 경우 상기 제3 흡착탑이 가동되는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기 실록산 화합물 제거 시스템.
제4항에 있어서,
상기 제1 PLC 내지 제3 PLC는 상기 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑이 제1 온도까지 가온되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기 실록산 화합물 제거 시스템.
제4항에 있어서,
상기 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑과 제1 PLC 내지 제3 PLC 사이에 가스 샘플링 배관이 구비되고, 상기 제1 PLC 내지 제3 PLC는 상기 샘플링 배관이 제2 온도까지 가온되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기 실록산 화합물 제거 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1 PLC는 상기 제1 흡착탑의 입력단, 상기 제1 흡착탑의 중간단 두 지점, 상기 제1 흡착탑과 제2 흡착탑의 사이 지점 중 첫번째 중간단의 실록산 화합물의 농도값이 상기 제1흡착탑의 입력단의 실록산 화합물의 농도값의 5% 내지 10%를 초과하는 경우, 두번째 중간단의 실록산 화합물의 농도값을 측정하고, 상기 두번째 중간단의 실록산 화합물의 농도값이 첫번째 중간단의 실록산 화합물의 농도값의 5% 내지 10%를 초과하는 경우, 출력단의 실록산 화합물의 농도값을 측정하고, 상기 출력단의 실록산 화합물의 농도값이 상기 입력단의 실록산 화합물의 농도값의 5% 내지 10%를 초과하는 지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기 실록산 화합물 제거 시스템.
제10항에 있어서,
상기 제2 PLC는 상기 제2 흡착탑의 중간단 두 지점, 상기 제2 흡착탑과 제3 흡착탑의 사이 지점 중 첫번째 중간단의 실록산 화합물의 농도값이 상기 입력단의 실록산 화합물의 농도값의 5% 내지 10%를 초과하는 경우, 그 다음 두번째 중간단의 실록산 화합물의 농도값을 측정하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기 실록산 화합물 제거 시스템.
제1항에 있어서,
상기 실록산 제거부와 실록산 농도 분석부 사이에는 각각 온도 지시기 및 압력 지시기가 구비되고, 상기 온도 지시기 및 압력 지시기는 상기 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑의 입력단 및 출력단의 온도 및 압력차를 측정하여 상기 실록산 농도 분석부로 전송하는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기 실록산 화합물 제거 시스템.
제1항에 있어서,
상기 실록산 농도 분석부는 상기 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑의 입력단, 중간단 및 출력단에 다수의 샘플링 배관을 통하여 연결되고, 각각의 샘플링 배관으로부터 추출된 바이오 가스의 실록산 화합물 농도값을 분석하는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기 실록산 화합물 제거 시스템.
제4항에 있어서,
상기 제1 PLC 내지 제3 PLC는 상기 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑에서 각각의 입력단과 출력단의 바이오 가스 온도차를 5℃ 이하로 유지되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기 실록산 화합물 제거 시스템.
제1항에 있어서,
상기 실록산 농도 분석부는 FTIR, GC-MSD, GC-FID 중 어느 하나의 방식을 적용하여 바이오 가스의 농도를 측정 및 분석하는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기 실록산 화합물 제거 시스템.
제4항에 있어서,
상기 실록산 농도 분석부는 바이오 가스 내의 CO 농도값을 모니터링하고, 상기 바이오 가스 내의 CO 농도값이 200ppm 이상일 경우 상기 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑 중 어느 하나의 내부 화재 경보를 표시하며, CO 농도값이 500ppm 이상일 경우 상기 제1 PLC 내지 제3 PLC를 통하여 상기 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑의 구동을 정지시키는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기 실록산 화합물 제거 시스템.
제1항에 있어서,
상기 실록산 농도 분석부는 분석 알고리즘을 이용하여 상기 제1 흡착탑 내지 제3 흡착탑의 중간단에서의 바이오 가스의 성분을 분석하되, 유입된 실록산 화합물의 농도값, 흡착제의 특성, 상기 바이오 가스의 유량 및 포화 시간 데이터를 산출하여 상기 흡착제의 교체 시점을 예측하는 것을 특징으로 하는 휘발성 유기 실록산 화합물 제거 시스템.