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소화조 바이오가스 자원화 기술
  • 게시일2021-10-25
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소화조 바이오가스 자원화 기술

 

 

▲ 임현만 환경연구본부 수석연구원

 

소화조 바이오가스 자원화 기술

 

들어가며


신재생에너지원인 바이오가스는 대부분의 유기성 폐기물의 혐기성 소화를 통하여 생산된다. 바이오가스는 높은 잠재력을 가지고 있으며 열 회수 또는 발전설비를 통하여 자원화되고 있다. 바이오가스는 기존 천연가스 성분과 유사하게 대부분 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)로 이루어져 있어 천연가스를 대체할 수 있는 에너지원으로서의 가치가 매우 뛰어나다. 2016년 이후 육상 폐기물의 해양투기가 전면 금지된 상황에서 유기성 폐기물의 처리비용이 급증(3만 원/톤→ 13만 원/톤)하고, 이산화탄소 등 온실가스 대응기술의 필요성이 대두되고 있다. 바이오가스 자원화 기술은 ‘유기성 폐자원’을 ‘폐기물’이 아니라 ‘바이오매스 에너지원’으로 인식하는 사고의 전환이 뒤따르면서, 유기성 폐기물의 처리와 신재생에너지원 확보를 병행할수 있는 장점에 따라 그 필요성이 국내뿐 아니라 전 세계적으로 크게 부각되고 있다. EU, 독일과 일본 등 선진국에서는 국가 차원에서 바이오가스 시설의 유지관리 매뉴얼을 보급하고, 바이오가스 시설에서 생산된 전력과 바이오연료를 의무 구매하는 등 다양한 지원정책(보조금 정책 등)을 펼치고 있다.


바이오가스는 음식물쓰레기, 가축분뇨, 하수 및 산업 슬러지 등 유기성 폐자원으로부터 생산하는 가스로서, 약50~75vol%의 메탄(CH4)과 약 25~50vol%의 이산화탄소(CO2), 소량의 수소, 황화수소, 암모니아 및 기타 미량가스로 구성되어 있다. 주로 무산소 상태에서 유기물을 분해시키는 혐기성 소화방식을 통해 얻는 바이오가스는 이산화탄소 및 황 등을 정제하는 과정을 거쳐 전기, 가스, 열 공급 등에 필요한 연료로 사용된다. 바이오가스 자원화는 고농도의 유기성 폐기물을 경제적으로 처리할 수 있을 뿐만 아니라 신재생에너지를 생산하는 공정으로 기대되고 있다. 특히 음식물쓰레기는 기존의 사료화 또는 퇴비화에 한계가 있어 바이오가스 자원화 이외에는 특별한 대안이 없다. 또한, 가축분뇨의 바이오가스 자원화는 약 3%만 이루어지고 있는데, 기존의 가축분뇨 처리가 액비화 및 종말처리장 중심으로 각각 내구 연한이 도래하는 문제점들이 나타나고 있어 바이오가스화에 대한 관심이 증대되고 있는 실정이다.

 

 

바이오가스 자원화 사업의 문제점


바이오가스 자원화 사업의 문제점으로는 개발된 바이오가스 자원화 기술의 실용화 부족, 운영·관리 미흡으로 인한 에너지 회수효율저조, 관련 부처 및 지자체 간 협조 부족으로 인한 효율성 저하, 바이오가스 시설의 경제적 타당성 악화 등이 지적되고 있다. 이상의 문제를 극복하기 위해서는 개발 기술의 실용성 제고, 운영 및 유지 관리가 용이한 패키지시스템 개발, 개발 기술의 경제성 확보 등이 해결 과제이다. 유기성 폐자원 유래 바이오가스의 고부가 재활용을 촉진하기 위해서는 자체이용 및 미활용을 줄이고, 고도 정제를 통한 고순도의 바이오가스를 확보하여 외부공급을 고급화·다변화하고, 발전 용도의 활용을 제고해야 한다. 특히, 중소규모의 경제성이 낮은 바이오가스 시설의 경우에는 고효율·저비용의 바이오가스 정제기술이 필수적이다. 따라서 하수슬러지, 음식물쓰레기, 음폐수 및 가축분뇨(슬러리상) 등을 유기성 폐자원 통합관리시설에서 처리한 후 바이오가스를 생산하고 에너지자립형 사업에서는 바이오가스의 자체이용을 촉진하며, 에너지산업형 사업에서는 바이오가스를 활용한 발전 및 전력 판매 또는 가스 판매 등을 도모하여 발전, 스팀 생산, 도시가스, 수송용 연료 등 그 활용처를 다양화할 수 있다. 이러한 에너지 산업형 사업을 위해서도 바이오가스 고도 정제 기술의 개발은 필수적이다.

 

 

바이오가스 자원화 기술 현황


유기성 폐기물의 혐기성 소화과정에서 발생하는 바이오가스는 천연가스와 달리 메탄(CH4), 이산화탄소 이외에도 수분, 황화수소(H2S), 실록산(siloxane), 먼지, 암모니아(NH3), 할로겐화합물 같은 다양한 미량물질(trace compound)을 포함하고 있으며, 이러한 불순물들은 정제과정을 통해 사전에 제거되어야 한다. 이러한 불순물에 의한 장비의 손상이나 기능 고장으로 인해 유지보수에 어려움이 발생하고 발전효율이 저하됨으로써, 경제적 측면에서 경쟁력을 잃게 되어 바이오가스 자원화사업의 타당성에 의문이 제기되고 있는 상황이다. 황화수소(H2S)는 과량으로 유입되면 후속설비인 발전기 및 보일러 등에 심각한 부식을 유발하고 유기규소화합물인 실록산의 경우, 산화되어 안정화된 이산화규소(SiO2) 입자로 변화하여 바이오가스 이용설비나 부품에 침적될 수 있어 밸브, 노즐, 실린더 벽이나 라이너에 이산화규소가 침적되면 막힘에 의해 다양한 손상의 원인이 된다. 또한 실록산은 윤활유의 교체주기를 단축시키거나 발전설비 배가스 처리시스템의 촉매기능을 저해하며, 발전시설의 운전을 정지시키고 고장을 유발하는 등 높은 수리비용을 발생시키는 것으로 보고되고 있다. 따라서 바이오가스 활용을 위해서는 고도정제가 필요하며 실용화 및 경제성 확보를 위한 고효율·저비용 공정이 요구된다.

 

그림 1 바이오가스 자원화 개요도

 

 

KICT 바이오가스 습식 고도정제 기술


바이오가스 습식 고도정제와 관련한 기존의 기술로 CO2 및 H2S를 흡수액에 흡수하여 처리하는 습식 스크러버 방법이 있다. 습식 스크러버 방법은 가스 내에 함유되어 있는 질소산화물, 황산화물 및 미세먼지를 제거하거나, 다양한 악취물질을 저감하기 위해 사용되고있다. 습식 스크러버의 핵심적 기능은 가스 상태의 오염물질을 용매에 용해시키는 것으로서 일반적으로 습식 스크러버에서는 상부의 노즐에서 흡수제를 분사하고, 흡수제와 배기가스가 접촉하는 과정에서 배기가스 내에 포함되어 있는 수용성 가스가 용해된다. 일부 스크러버에서는 배기가스가 스크러버 내부의 패킹(packing)을 통과하면서 추가적인 기-액 접촉반응에 의해 수용성 물질이 제거되기도 한다. 이 방법은 처리용량 20,000m3/hr 이상의 대용량 바이오가스 처리 시 투자비가 저렴하여 적용되고 있으나 H2S의 1차 정제 및 drying 공정 필요, 흡수액의 손실, 흡수액 2차처리 문제, 알칼리제 등 화학약품 사용, 장기 운전 시 성능저하, 정제가스 내 박테리아 오염과O2/N2 함량 증가 등의 문제점이 지적되고 있다. 따라서 기존 가압탱크형 또는 스크러버형 기체 용해조 활용 시 발생하는 장치구성의 복잡성, 운전 및 유지관리의 어려움, 큰 규모, 고가로써 범용적 적용에 따르는 어려움 등의 문제점 지적에 따라 이를 대체할 수 있는 고효율·저비용의 기체 용해장치를 개발하고자 하였다.


고효율·저비용 KICT 바이오가스 습식 고도정제 시스템은 바이오가스 내 CH4 순도를 높이기 위해 불순물(CO2, H2S, 실록산 등)이 물과 접촉 과정에서 물에 용해됨으로써 제거되어 CH4 농축 및 순도를 높이는 공정이다. 기체 용해조의 핵심 특징으로는 내부에 파형 멀티 유동 채널을 구비하여 물과 기체가 파형 멀티 유동채널을 흘러가면서 용해되기 때문에(co-current 또는 counter-current flow) 별도의 분사장치(노즐 등) 및 접촉장치가 필요 없으며 제조 및 운전비용이 저렴하다. 또한 기체 용해조 내 압력 및 수위 조절이 매우 간단하고 기체가 짧은 시간 내에 용해되므로 기체 용해조의 체류시간 및 용량을 최소화할 수 있어 고효율, 컴팩트화가 가능하고, 내부 패킹(packing)이 없어 구조가 매우 단순하여 폐색 현상과 고장이 없으며, 운전 및 유지관리가 용이하다

 

그림 2 바이오가스 습식 고도정제 Semi-pilot plant 및 시스템 개요도

 

 

KICT 바이오가스 습식 공정 Semi-pilot plant 기초실험 결과


Semi-pilot plant는 0.12m(W)×0.36m(L)×0.72m(H) 규모로 처리용량은 200m3/day이다. 운전조건으로는 HRT 0.5min, 압력 4~6kgf/ 반송률 10~30%, 공기량 100mL/L(water)로 운전하였다. 운전압력 3.2~5.2kgf/㎠일 때 입경 2~10μm의 미세기포가 5.6~5.9kgf/㎠일 때보다 약 50counts/mL 정도 더 많은 것으로 나타났다. 입경 10μm 이상에서는 큰 차이가 없었고 입경 20μm가 넘어가자 운전압력 5.6, 6.1kgf/㎠일 때의 미세기포 발생개수가 큰 것으로 나타났다. 전체 미세기포 발생 개수 중 입경 20~30μm의 미세기포가 가장 많았으며, 입경 20~30μm의 미세기포 수는 운전압력 4.6/5.2/5.9kgf/㎠에서 400counts/mL로 거의 동일하게 관찰되었다.


운전압력 3~6kgf/㎠에서 유입유량은 74.2~69.8L/min의 범위를 유지하였으며 전류는 2.0~2.6kW의 범위를 유지하였다. 운전압력이 증가함에 따라 유입유량은 3~6kgf/㎠의 조건에서 약 74~57L/min의 범위를 유지하였으며, 7kgf/㎠의 조건에서 42~39L/min으로 급감하였다. 3kgf/㎠의 조건에서는 공급된 공기의 용해율이 낮을뿐만 아니라 대기압 조건에서 미세기포의 발생이 원활하지 않았고, 4~5kgf/㎠의 운전압력 조건에서는 평균 7%의 공기가 용존 가능하였으며, 그 비율을 9% 이상으로 올리기 위해서는 6kgf/㎠ 이상의 압력이 필요하였다. 운전압 6kgf/㎠에서 최대 주입량은 5.0L/min(유입유량: 57.6L/min), 7kgf/㎠에서 4.0L/min(유입유량: 40.4L/min)로 분석되었다. 주입된 공기 전량이 용해된 후 후단의 대기압 조건에서 안정적으로 미세기포로전환되었다(BVC(bubble volume concentration)는 각각 8.7%, 9.9%에 해당). 용해효율을 제고하기 위한 미세기포 발생장치의 적정 유입유량은 약 57~68L/min, 공기주입량은 약 4.0~4.5L/min, 운전압력은 4~6kgf/㎠의 범위인 것으로 판단되며 이론적 최대 공기용해율의 160%를 달성하는 것으로 나타났다.

 

 

KICT 바이오가스 습식 정제반응조 유동해석


유동해석을 위한 격자생성 및 해석모델로 ANSYS Meshing R20.0, Fluent R20.0(ANSYS, USA)을 활용하였다. 운전압력은 5~15bar, 운전유량은 500~1,500L/min, 용해수 운전압력은 5~15bar, 용해수 운전유량은 50~150L/min, 바이오가스 구성비는 CH4 50~70%, CO2 50~30%로 구성하여 모의하였다. 유동해석 결과 우수한 기-액 접촉효율의 확보가 가능한 것으로 확인되었으며 수위/압력의 용이한 제어가 가능성을 확인하였다.

 

그림 3 습식 바이오가스 정제반응조 유동해석

 

 

맺음말


KICT 바이오가스 습식 고도정제 시스템은 바이오가스 내 CH4 순도를 높이기 위해 불순물(CO2, H2S, 실록산 등)이 물과 접촉 과정에서 물에 용해됨으로써 제거되어 CH4 농축 및 순도를 높이는 공정이다. 기존 습식공정의 문제점을 개선하기 위하여 물과 기체가 파형 멀티유동 채널을 흘러가면서 용해되는 습식 바이오가스 고도정제시스템을 개발하고자 하였다. 기체가 파형 멀티 유동 채널을 흘러가면서 용해되기 때문에(co-current 또는 counter-current flow) 별도의 분사장치(노즐 등) 및 접촉장치가 필요 없으며, 기체가 짧은 시간내에 용해되므로 기체 용해조의 체류시간 및 용량을 최소화할 수있어 고효율/컴팩트화가 가능하고, 내부 패킹(packing)이 없어 제조 및 운전비용이 저렴한 공정이다. 바이오가스 습식 정제반응조 유동해석을 통하여 우수한 기액접촉효율 및 수위, 압력의 용이한 제어 가능성을 확인하였고 Semi-pilot plant 운전을 통하여 Pilot Plant 설계인자를 도출하였다. 이를 바탕으로 메탄정제 반응조, 기체용해수 저류조, 메탄가스 및 이산화탄소 저장조 등으로 구성되는 처리용량(Q) 1,000N㎥/min의 Pilot Plant를 제작하여 Test-bed를 구축 중에 있으며 향후 Test-bed 운영을 통한 실제 현장에서의 검증을 통해 바이오가스 고도정제 및 사업화에 기여할 수 있을 것으로 예상된다.

 

 

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