KR102091862B1 - 티오바실루스의 생물학적 산화반응에 의해 바이오가스의 황화수소를 재이용 가능한 황원소로 회수하는 탈황 시스템 - Google Patents

티오바실루스의 생물학적 산화반응에 의해 바이오가스의 황화수소를 재이용 가능한 황원소로 회수하는 탈황 시스템 Download PDF

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Abstract

생물학적 산화반응을 이용하여 시설/유지 비용을 경감할 수 있는 동시에 친환경적인 탈황 시스템이 제공된다.
상기 탈황 시스템은 공정수가 바이오가스의 황화 수소를 흡수하는 흡수조; 산소가 공급되어, 황화 수소를 흡수한 공정수와 호기성 미생물의 황 산화 반응이 일어나는 반응조; 호기성 미생물의 황 산화 반응에 의해 생성된 황원소가 침전 분리되는 침강조를 포함하고, 공정수는 상기 흡수조와 상기 반응조를 순환하고, 상기 반응조와 상기 침강조를 순환하는 것을 특징으로 한다.

Description

티오바실루스의 생물학적 산화반응에 의해 바이오가스의 황화수소를 재이용 가능한 황원소로 회수하는 탈황 시스템{DESULFURIZATION SYSTEM FOR RECOVERING HYDROGEN SULFIDE OF BIOGAS AS REUSABLE SULFUR ELEMENT BY BIOLOGICAL OXIDATION REACTION OF THIOBACILLUS}
본 발명은 티오바실루스의 생물학적 산화반응에 의해 바이오가스의 황화수소를 재이용 가능한 황원소로 회수하는 탈황 시스템에 관한 것이다.
바이오가스는 미생물 등을 이용하여 하수나 동물의 분변 등을 분해할 때 생산되어지는 수소, 메탄 등을 포함하는 가스를 의미한다. 지구 상에서 생산되는 바이오가스는 약 1억 8000만톤으로 알려져 있는데, 이것을 적정 과정을 통하여 메탄가스 또는 수소가스로 바꿀 경우 석유 소비의 일부를 보충할 수 있는 대체자원으로 활용이 가능한다.
그러나 바이오가스에는 주성분인 수소와 메탄 외에도 황화수소와 같이 기타 가스상의 물질이 혼합되어 있으므로, 불순물을 효과적으로 제거하는 공정(탈황공정)이 바이오가스의 효용가치를 향상시키기 위한 핵심적인 요소라고 할 수 있다.
종래의 탈황 공정으로서, 일반적으로 산화철 분말과 황화수소의 건식 반응을 통해 황화수소를 제거하는 건식 탈황 공정과, 알칼리 용액에 바이오가스의 습식 반응을 통해 황화수소를 제거하는 습식 탈황 공정이 있다.
그러나 건/습식 탈황 공정은 비용 문제와 폐기물에 의한 2차적인 환경오염 문제가 발생하기 때문에, 근래에, 미생물을 통한 생물학적 산화반응을 이용한 공정이 각광받고 있는 실정이다.
대한민국 등록특허공보 제10-1407559호, 2014년 6월 16일 공고
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 생물학적 산화반응을 이용하여 시설/유지 비용을 경감할 수 있는 동시에 친환경적인 탈황 시스템을 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 면에 따른 탈황 시스템은 공정수가 바이오가스의 황화 수소를 흡수하는 흡수조; 산소가 공급되어, 황화 수소를 흡수한 공정수와 호기성 미생물의 황 산화 반응이 일어나는 반응조; 호기성 미생물의 황 산화 반응에 의해 생성된 황원소가 침전 분리되는 침강조를 포함하고, 공정수는 상기 흡수조와 상기 반응조를 순환하고, 상기 반응조와 상기 침강조를 순환하는 것을 특징으로 할 수 있다.
공정수는 상기 흡수조에서 바이오가스의 황화 수소를 흡수하여 염기성을 띄며, 상기 반응조에서 호기성 미생물의 황 산화 반응에 의해 산성을 띄는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 흡수조는, 흡수조 본체; 상기 흡수조 본체로 바이오가스가 유입되는 가스 유입관; 상기 흡수조 본체에서 공정수에 의해 황화 수소가 제거된 바이오가스가 배출되는 가스 배출관; 상기 흡수조 본체로 상기 반응조의 공정수가 유입되는 공정수 유입관; 상기 흡수조 본체에서 상기 반응조로 공정수가 배출되는 공정수 배출관을 포함하고, 상기 가스 유입관을 통해 유입된 바이오가스는 상승하여 상기 가스 배출관을 통해 배출되고, 상기 공정수 유입관을 통해 유입된 공정수는 하강하여 바이오가스와 교차된 다음 상기 공정수 배출관을 통해 배출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 가스 배출관에는 브리드 밸브가 설치되어, 상기 흡수조 본체의 기압이 일정 기압 이상일 때 자동 개방되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 반응조는, 반응조 본체; 상기 반응조 본체로 산소가 공급되는 헤더; 상기 반응조 본체의 공기가 배출되는 배출 포트; 상기 헤더를 통해 공급된 산소가 분사되는 노즐 파이프; 상기 반응조 본체에 노즐 파이프와 구획되어 배치되는 탈기조를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 노즐 파이프에서 일측 단부는 상기 헤더와 연결되고 제1밸브에 의해 개방 및 폐쇄되며, 타측 단부는 상기 반응조 본체의 외부와 연결되고 제2밸브에 의해 개방 및 폐쇄되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 반응조의 작동 시, 상기 제1밸브는 개방되고 상기 제2밸브는 폐쇄되어, 상기 노즐 파이프에서 상기 반응조 본체로 산소가 분사되고, 상기 반응조의 청소 시, 상기 제1밸브는 폐쇄되고 상기 제2밸브는 개방되어, 산소와 공정수가 상기 노즐 파이프를 세척하며 외부로 배출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
호기성 미생물로서, 티오바실루스(Thiobacillus)가 이용되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에서는 호기성 미생물(티오바실루스; Thiobacillus)의 황 산화 반응에 의해, 황화 수소에서 황원소를 생성함으로써, 바이오가스에서 황화 수소 불순물을 제거하는 동시에, 황원소를 재이용할 수 있는 친환경적인 탈황 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명에서는 흡수조에서 황화 수소가 제거된 바이오가스가 배출되는 가스 배출관에 브리드 밸브를 설치함으로써, 일정 기압의 바이오가스가 생성되면 자동적으로 배출되는 탈황 시스템을 제공한다.
나아가 본 발명에서는 반응조의 노즐 파이프에 제1밸브와 제2밸브를 설치함으로써, 청소 시, 간단한 밸브 조작만으로도 산소와 공정수에 의해 노즐 파이프가 세척될 수 있는 탈황 시스템을 제공한다.
도 1은 생물학적 반응을 이용하여 바이오가스의 황화수소를 제거하는 것을 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 탈황 시스템을 나타낸 계통도이다.
도 3은 본 발명의 탈황 시스템의 반응조의 부분 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 탈황 시스템의 노즐 파이프의 작동 상태도이다.
도 5는 본 발명의 탈황 시스템의 변형례의 노즐 파이프의 작동 상태도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 구성요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 비록 "제1", "제2" 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 탈황 시스템(100)을 설명한다. 도 1은 생물학적 반응을 이용하여 바이오가스의 황화수소를 제거하는 것을 나타낸 개념도이고, 도 2는 본 발명의 탈황 시스템을 나타낸 계통도이고, 도 3은 본 발명의 탈황 시스템의 반응조의 부분 분해 사시도이고, 도 4는 본 발명의 탈황 시스템의 노즐 파이프의 작동 상태도이고, 도 5는 본 발명의 탈황 시스템의 변형례의 노즐 파이프의 작동 상태도이다.
본 발명의 탈황 시스템(100)은 호기성 미생물((티오바실루스; Thiobacillus)의 황 산화 반응을 이용하여, 바이오가스의 황화 수소(Sulphide; H2S)를 제거하고 재이용이 가능한 황원소(S0)를 생성할 수 있다.
본 발명의 탈황 시스템(100)은 흡수조(10), 반응조(20) 및 침강조(30)를 포함할 수 있다.
이 경우, 공정수는 흡수조(10)와 반응조(20)를 순환하며 바이오가스의 황화 수소를 흡수하여 산성을 띄며, 호기성 미생물의 황 산화 반응에 의해 염기성을 띌 수 있다. 즉, 공정수의 흡수조(10)와 반응조(20)의 순환 과정에서 바이오가스의 황화 수소는 제거되고 황원소가 생성될 수 있으며, 공정수는 교번하며 산성과 염기성을 띌 수 있다.
나아가 공정수는 반응조(20)와 침강조(30)를 순환하며, 반응조(20)에서 생성된 황원소는 침강조(30)에서 슬러지 형태로 침전 분리될 수 있다. 한편, 침강조(30)의 슬러지 형태의 황원소는 외부로 배출되어 재이용될 수 있으며, 이 과정에서, 반응조(20)에서 증식된 호기성 미생물 중 일부도 같이 배출될 수 있다(반응조 내의 호기성 미생물의 개체수 조절).
흡수조(10)에서는 공정수가 바이오가스의 황화 수소를 흡수할 수 있다. 흡수조(10)는 흡수조 본체(11), 가스 유입관(12), 가스 배출관(13), 공정수 유입관(14), 공정수 배출관(15), 브리드 밸브(16) 및 폴링(17)을 포함할 수 있다.
흡수조 본체(11)에서는 가스 유입관(12)을 통해 유입된 바이오가스는 상승하여(상향류), 가스 배출관(13)을 통해 배출될 수 있고, 공정수 유입관(14)을 통해 유입된 공정수는 하강하여(하향류), 바이오가스와 교차(Cross over)된 다음 공정수 배출관(15)을 통해 배출될 수 있다.
즉, 가스 유입관(12)은 외부의 바이오가스(황화수소 불순물을 포함)가 유입되는 관일 수 있으며, 가수 배출관(13)은 흡수조 본체(11)에서 공정수에 의해 황화 수소가 제거된 바이오가스가 배출되는 관일 수 있다.
또한, 공정수 유입관(14)은 흡수조 본체(11)로 반응조(20)의 공정수가 유입되는 관일 수 있으며, 공정수 배출관(14)은 흡수조 본체(11)에서 반응조(20)로 황화 수소를 흡수한 공정수가 배출되는 관일 수 있다.
한편, 브리드 밸브(16)는 가스 배출관(13)에 배치되며, 흡수조 본체(11)의 기압이 일정 기압 이상일 때 자동 개방될 수 있다. 따라서 본 발명의 탈황 시스템(100)에서는 기설정된 기압의 정제된 바이오가스가 차면, 자동으로 배출되어 바이오 연로 등으로 이용될 수 있다(시스템의 자동화).
또한, 폴링(17)은 미정제된 바이오가스와 공정수의 교차 지점에 배치되어, 바이오가스와 공정수의 접촉 시간을 늘림으로써, 바이오가스의 흡수 효율을 상승시킬 수 있다.
한편, 흡수조 본체(11)의 폴링(17)의 하부에는 공정수 배출관(14)과 연결된 챔버(11-1)가 형성될 수 있으며, 챔버(18)에서는 황화 수소를 흡수한 산성 공정수가 모여, 공정수 배출관(14)을 통해 반응조(20)로 리턴될 수 있다.
반응조(20)에서는 산소가 공급되며, 호기성 미생물이 증식될 수 있다. 따라서 황화 수소를 흡수한 산성 공정수와 호기성 미생물의 황 산화 반응이 일어나며, 슬러지 형태의 황원소가 생성될 수 있다.
반응조(20)는 반응조 본체(21), 헤더(22), 배출 포트(23), 노즐 파이프(24) 및 탈기조(25)를 포함할 수 있다.
반응조 본체(21)에서는 호기성 미생물이 증식할 수 있으며, 호기성 미생물은 산소와 황화 수소를 포함하는 산성 공정수로부터 황 산화 반응을 진행하며 성장할 수 있다.
헤더(22)는 외부의 산소 발생기(미도시)와 연결되며, 헤더(22)를 통해 반응조 본체(21)로 산소가 공급될 수 있다. 배출 포트(23)는 특정 조건(주기적, 기압에 반응)으로 개방되어, 반응조 본체(21)의 공기를 배출시키는 포트로서, 반응조 본체(21)의 기압을 일정 범위 내로 유지시켜 줄 수 있다.
노즐 파이프(24)는 복수로 존재할 수 있으며, 헤더(22)로부터 분기되어(헤더를 통해), 공급된 산소가 분사되는 파이프일 수 있다.
한편, 노즐 파이프(24)에서 일측 단부는 헤더(22)와 연결되고 제1밸브(24-1)에 의해 개방 및 폐쇄될 수 있으며, 타측 단부는 반응조 본체(21)의 외부와 연결되고 제2밸브(24-2)에 의해 개방 및 폐쇄될 수 있다.
이에 따라, 반응조(20)의 작동 시, 제1밸브(24-1)는 개방되고 제2밸브(24-2)는 폐쇄되어 노즐 파이프(23)에서 반응조 본체(21)로 산소가 분사될 수 있다. 이와 달리, 반응조(20)의 청소 시, 제1밸브(24-1)는 폐쇄되고 제2밸브(24-2)는 개방되어 산소(노즐 파이프 내의 잔여 산소)와 공정수가 노즐 파이프(24)를 세척하며 외부로 배출될 수 있다(도 4 참조).
따라서 본 발명의 탈황 시스템(100)에서는 관리자가 밸브를 조작하는 간단한 방법으로 반응조(20)의 작동 및 세척을 수행할 수 있다.
이와 달리, 본 발명의 탈황 시스템(100)의 변형례에서는 노즐 파이프(23)의 일측 단부에는 유입구(24-3)가 형성되어 있고 이를 통해 헤더(22)와 연결될 수 있다. 또한, 노즐 파이프(23)의 타측 단부에는 배출구(24-4)가 형성되어 있고, 노즐 파이프(23)의 내부에는 플런저(24-5)와 피스톤 로드(24-6)가 배치될 수 있다.
반응조(20)의 작동 시, 사용자는 피스톤 로드(24-6)를 타측으로 밀어 플런저(24-5)로 배출구(24-4)를 폐쇄함으로써(유입구 개방), 반응조 본체(21)로 산소를 분사시킬 수 있다. 이와 달리, 반응조(20)의 청소 시, 사용자는 피스톤 로드(24-6)를 일측으로 밀어 플런저(24-5)로 유입구(24-3)를 폐쇄함으로써(배출구 개방), 산소와 공정수가 노즐 파이프(24)를 세척하며 외부로 배출될 수 있다(도 5 참조).
한편, 피스톤 로드(24-6)는 리드 스크류 또는 볼 스크류 형태의 액츄에이터(미도시)에 의해 작동될 수 있으며, 이 경우, 플런저(24-5)는 회전하며 이동하기 때문에 그 과정에서 노즐 파이프(23)의 내측면이 마찰에 의해 닦일 수 있다(스케일 형성 방지).
나아가 플런저(24-5)의 전면에는 임펠라 구조(미도시)가 형성될 수도 있으며, 이 경우, 플런저(24-5)는 회전 과정에서 나선 소용돌이를 생성시켜 노즐 파이프(23)의 세정 효과를 상승시킬 수 있다.
탈기조(25)에서는 공정수가 탈기(Dsgassing)될 수 있으며, 이에 따라, 공정수는 탈기조(25) 내에서 안정적인 상태로 반응조(10)와 침강조(30)를 순환할 수 있다.
침강조(30)에서는 호기성 미생물의 황 산화 반응에 의해 생성된 슬러지 형태의 황원소가 침전 분리될 수 있다.
침강조(30)는 침강조 본체(31), 공급관(32), 배출관(33) 및 드레인관(34)을 포함할 수 있다. 침강조 본체(31)에서는 공급관(32)을 통해 반응조(20)에서 1차적으로 침전된 슬러지 형태의 황원소와 공정수가 공급될 수 잇으며, 배출관(33)을 통해 침강조 본체(31)에서 침전 분리 과정을 통해 슬러지 형태의 황원소가 분리된 공정수가 반응조(20)로 배출될 수 있다. 한편, 드레인관(34)은 침강조 본체(31)에서 분리된 슬러지 형태의 황원소가 외부로 배출되는 관일 수 있으며, 황원소는 다른 산업 공정에서 재이용될 수 있다. 한편, 침강조(30)를 통해 반응조(20)의 호기성 미생물이 외부로 완전히 배출될 수 있으며, 이에 따라, 반응조(20) 내부의 호기성 미생물의 개체수는 적정 수로 유지될 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (8)

  1. 공정수가 바이오가스의 황화 수소를 흡수하는 흡수조;
    산소가 공급되어, 황화 수소를 흡수한 공정수와 호기성 미생물의 황 산화 반응이 일어나는 반응조; 및
    호기성 미생물의 황 산화 반응에 의해 생성된 황원소가 침전 분리되는 침강조를 포함하고,
    공정수는 상기 흡수조와 상기 반응조를 순환하고, 상기 반응조와 상기 침강조를 순환하며,
    상기 반응조는,
    반응조 본체;
    상기 반응조 본체로 산소가 공급되는 헤더;
    상기 반응조 본체의 공기가 배출되는 배출 포트;
    상기 헤더를 통해 공급된 산소가 분사되는 노즐 파이프; 및
    상기 반응조 본체에 노즐 파이프와 구획되어 배치되는 탈기조를 포함하고,
    상기 노즐 파이프의 일측 단부에는 상기 헤더와 연결되는 유입구가 형성되어 있고, 타측 단부에는 배출구가 형성되어 있고, 내부에는 플런저와 피스톤 로드가 배치되고,
    상기 반응조의 작동 시, 사용자는 상기 피스톤 로드를 타측으로 밀어 상기 플런저로 상기 배출구를 폐쇄하여, 상기 반응조 본체로 산소를 분사하도록 하고,
    상기 반응조의 청소 시, 사용자는 상기 피스톤 로드를 일측으로 밀어 상기 플런저로 유입구를 폐쇄하여, 산소와 공정수가 상기 노즐 파이프를 세척하여 외부로 배출되도록 하고,
    상기 피스톤 로드는 리드 스크류나 볼 스크류 형태의 액츄에이터로 작동되고,
    상기 플런저의 전면에는 임펠라 구조가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 탈황 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    공정수는 상기 흡수조에서 바이오가스의 황화 수소를 흡수하여 염기성을 띄며, 상기 반응조에서 호기성 미생물의 황 산화 반응에 의해 산성을 띄는 것을 특징으로 하는 탈황 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 흡수조는,
    흡수조 본체;
    상기 흡수조 본체로 바이오가스가 유입되는 가스 유입관;
    상기 흡수조 본체에서 공정수에 의해 황화 수소가 제거된 바이오가스가 배출되는 가스 배출관;
    상기 흡수조 본체로 상기 반응조의 공정수가 유입되는 공정수 유입관; 및
    상기 흡수조 본체에서 상기 반응조로 공정수가 배출되는 공정수 배출관을 포함하고,
    상기 가스 유입관을 통해 유입된 바이오가스는 상승하여 상기 가스 배출관을 통해 배출되고,
    상기 공정수 유입관을 통해 유입된 공정수는 하강하여 바이오가스와 교차된 다음 상기 공정수 배출관을 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 탈황 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가스 배출관에는 브리드 밸브가 설치되어, 상기 흡수조 본체의 기압이 일정 기압 이상일 때 자동 개방되는 것을 특징으로 하는 탈황 시스템.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 노즐 파이프에서 일측 단부는 상기 헤더와 연결되고 제1밸브에 의해 개방 및 폐쇄되며, 타측 단부는 상기 반응조 본체의 외부와 연결되고 제2밸브에 의해 개방 및 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 탈황 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 반응조의 작동 시, 상기 제1밸브는 개방되고 상기 제2밸브는 폐쇄되어, 상기 노즐 파이프에서 상기 반응조 본체로 산소가 분사되고,
    상기 반응조의 청소 시, 상기 제1밸브는 폐쇄되고 상기 제2밸브는 개방되어, 산소와 공정수가 상기 노즐 파이프를 세척하며 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 탈황 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    호기성 미생물로서, 티오바실루스(Thiobacillus)가 이용되는 것을 특징으로 하는 탈황 시스템.
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KR102650869B1 (ko) 2023-08-23 2024-03-25 에코바이오홀딩스 주식회사 바이오가스 전처리 장치

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KR101407559B1 (ko) 2013-12-02 2014-06-16 주식회사 바우만 흡수식 제습기를 이용한 건식탈황설비
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