높은 수율과 저비용의 바이오가스 탈탄소 정화 기술 – 쓰촨 홍후 과학기술그룹

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높은 회수율과 저비용을 자랑하는 바이오가스 탈탄소 정제 기술
왕빈, 황자후 (쓰촨홍후과학기술그룹유한공사, 쓰촨성, 청두 610036)
요약: 바이오가스 정제 기술의 현황을 소개하고, 비교 분석을 통해 99%라는 높은 회수율을 가진 압력변화 흡착 탈탄소 기술을 사용하면 바이오가스 정제 비용을 크게 줄일 수 있으며, 생산량과 이익률을 높이고 온실가스 배출을 줄일 수 있다는 점을 설명합니다. 이는 바이오가스를 고부가가치로 활용하기 위한 합리적인 방법입니다.키워드: 바이오가스, 정제, 탈탄소화, 압력변화 흡착, 높은 회수율, 저비용 1. 서론 에너지는 경제와 사회 발전의 중요한 물질적 기반이다.수력에너지를 제외하면, 바이오매스 에너지가 가장 널리 활용되는 재생에너지이며, 바이오가스는 그 중에서도 중점적으로 발전시켜야 할 분야입니다.2020년이 되면 중국의 바이오가스 연간 사용량은 440억 입방미터에 이를 것으로 예상됩니다.경제적, 기술적 요인 등의 한계로 인해 현재 국내에서는 소규모 메탄가스 생산과 저급 용도가 상당한 비중을 차지하고 있습니다. 하지만 메탄가스 생산의 고도화, 즉 대규모 생산과 고부가가치 용도로의 전환은 산업 발전의 필연적인 추세입니다.습지 가스의 성분은 매우 복잡하며, 사용되는 원료와 발효 공정에 따라 가스의 성분도 달라집니다. 주요 성분인 CH4는 전체 부피의 약 50%～70%를 차지하고, CO2는 약 25%～40%를 차지합니다. 그 외의 가스들인 N2, O2, H2S, H2O, CO, H2, NH3, 할로겐화 탄화수소, 실록산 등은 전체의 약 5%를 차지합니다【1】.그중의 불순 가스는 바이오가스 활용 과정에서 다소간 부정적인 영향을 미치므로, 바이오가스는 정화 처리를 거치지 않으면 고부가가치적인 종합 활용이 어렵습니다.CO2가 불순 가스의 대부분을 차지하기 때문에, 탄소 제거 비용이 바이오가스 정화 비용을 결정하는 데 매우 큰 영향을 미칩니다. 여기서는 바이오가스의 탄소 제거 기술에 대해 중점적으로 살펴보겠습니다.2. 저함량 바이오가스 불순물 제거 기술 개요 2.1 탈수된 바이오가스에 포함된 포화 수증기는 응축법, 흡착법 또는 흡수성 물질을 이용하여 제거할 수 있다【2】.2.2 탈황 메탄가스에 포함된 황화물은 위험성이 크며, H2S는 독성이 있고 H2O와 결합하면 장비를 부식시키며, 연소 시 발생하는 SOX는 대기를 오염시킨다.바이오가스 탈황 기술은 현장 탈황과 바이오가스 탈황의 두 가지로 나뉩니다.바이오가스의 양이 많거나 유황 함량이 높을 경우, 습식 거친 탈황 방법을 사용해야 합니다.이 방법은 공정이 복잡하고 운영 비용이 높으며, 일반적으로 유기황을 제거할 수 없다【2】.건식 방식은 바이오가스의 양이 적거나 황 함량이 낮은 경우에 적합하며, 조작이 간단하고 설비 투자 비용도 적습니다. 또한 다양한 유기황 성분을 ppm 수준까지 동시에 제거할 수 있습니다.또한, 막 분리, 변압 흡착, 생물 탈황 등과 같은 새로운 탈황 방법들도 있습니다.2.3 기타 불순물의 제거
기타 불순물의 함량은 비교적 적으므로, 일반적으로 기존의 정화나 순화 장치를 이용하여 제거할 수 있다【2】.일부 산업 분야에서는 특별한 요구사항이 있는데, 예를 들어 가스 터빈에 사용될 경우, 그 안에 포함된 실록산은 탄화수소 혼합 용액을 이용해 흡착시킬 수 있으며, 할로겐화 탄화수소는 특수한 활성탄을 이용한 온도 변화에 따른 흡착 방식으로 제거할 수 있다【3】.3. CO2 제거 기술 개요: 바이오가스 탈탄소화 기술은 주로 화학공업 분야에서 유래했으며, 물리적 흡착, 화학적 흡착, 변압 흡착, 막 분리 등이 포함됩니다.바이오가스 처리량이 적기 때문에 소형화와 에너지 절약에 더욱 신경을 써야 합니다.물리적 흡착은 용액 내에서 산성 가스의 용해도가 CH4보다 크다는 특성을 이용하여 CO2를 제거합니다.용액은 감압, 플래시 증발, 기상 추출 등의 방법으로 재생된다.가장 많이 사용되는 방법은 고압 수세식입니다【2,3】.화학 흡수는 용액 속의 화학 물질과 산성 가스가 가역 반응을 일으키는 원리를 이용하여 CO2를 제거합니다.용액은 저온에서 흡수되고 고온에서 재생되며, 대표적인 방법이 알코올아민법이다【1,2】.바이오가스 생산 과정에서는 부산물로 증기가 발생하지 않으며, 용액 재생을 위해 별도로 증기를 준비해야 하므로 번거롭을 뿐만 아니라 바이오가스도 소모되어 생산량이 감소합니다.막 분리는 각 기체 성분이 고분자 중합체 내에서의 용해 및 확산 속도가 다르다는 특성을 이용하여, 막 양쪽의 부분 압력 차에 의해 성분들이 섬유 막벽을 통과하는 속도가 달라지게 함으로써 그들을 분리하는 방식입니다【2】.막 분리법에는 고압 기상 분리법과 저압 기-액상 흡착 막 분리법이 두 가지 있습니다.변압흡착은 흡착제 표면이 메탄가스의 각 성분을 다르게 흡착하는 특성을 이용하여 CO2를 제거합니다.이 방법은 자동화 수준이 높고, 작동이 안정적이며, 장비의 수명도 길고, 정화에 드는 비용도 낮습니다【1,2,4】.하지만 기존의 변압 흡착 장치는 CH4 손실이 큽니다.CH4 농도가 90%～95%일 때, 회수율은 최대 90%에 불과하며【8,10,11】, 낮은 경우에는 60% 미만에 그친다【9】.이 단점은 메탄가스 정화 분야에서의 변압 흡착 적용을 제한합니다.CH4 회수율을 높이는 핵심은 고효율 흡착제에 있으며, 그 목적은 CH4/CO2 혼합기의 분리 계수를 높이고 CO2의 흡착 용량을 증가시키는 것입니다.국내외의 최신 기술을 참고하여【6,7】, 홍호테크놀로지가 개발한 메탄가스 정제용 흡착제를 사용하면 CH4 회수율을 99%까지 높일 수 있으며, 배기가스 내의 CH4 함량은 1% 미만이 됩니다. 또한, 생성되는 가스의 순도는 97%~99%까지 조절할 수 있습니다.이 흡착제는 흡착 용량이 크고 분리 계수가 높아, 장치의 규모를 효과적으로 줄이고 총 투자 비용을 감소시키며 운영 비용도 낮춥니다.4. 습지가스 탈탄소 정화 기술 비교 4.1 원료가스 지표 표 1에 명시된 지표를 가진 습지가스를 각종 기술 비교의 원료가스로 사용한다.표 1 원료가스의 지표 항목 유량(Nm3/d) 압력(kPaG) 온도(℃) CH4(V%) CO2(V%) 기타 성분(V%) 지표 20000 5 40 57 41 2 4.2 투자비용 홍호테크놀로지의 메탄가스 탈탄소 정제 장치의 투자비용은 전통적인 변압흡착법보다 낮으며, MDEA나 막분리 방식보다도 낮습니다. 다만 고압수세척법보다는 약간 높은 수준입니다【1,2,3,4,5,8,9】.4.3 메탄 회수율 file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.png 홍호과학기술의 바이오가스 탈탄 정제 장치의 메탄 회수율은 99%에 달하며, 이는 다른 정제 장치들보다 높은 수치입니다【1,2,3,4,5,8,9】.4.4 운영 비용 file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.png 참고: 제품 가스의 배출 압력은 일괄적으로 0.8MPa로 간주됩니다.홍호테크놀로지의 메탄가스 탈탄소 정제 장치의 운영 비용은 다른 기술들에 비해 현저히 낮습니다【1】.5. 결론 쓰촨홍후과학기술그룹유한공사가 개발한 변압흡착 방식의 메탄가스 탈탄 정제 기술은 자동화 수준이 높고 조작이 간편하며 안전하고 환경친화적이라는 장점 외에도, 투자 비용이 적고 운영 비용도 낮으며, CH4 회수율이 99%로 국내외 수준을 상회한다는 뛰어난 장점을 가지고 있습니다. 참고문헌: 하오웨이. 바이오가스를 천연가스(CNG)로 전환하는 공정 기술 및 경제성. 장하오 외. 바이오가스를 정화하여 생물메탄을 생산하는 기술과 그 응용. 중국바이오가스, 2012.30(2): 6-11. 송찬휘 외. 바이오가스 정화 기술의 현황. 중국바이오가스, 2007.25(4): 23-27. 진펑 외. 바이오가스의 고부가가치 활용 및 정화 기술. 환경과학기술, 2012.11: 103-108. 리동 외. 중국의 바이오가스 자원 현황 및 응용 전망. 현대화공, 2009.4: 1-5. 유신장 외. 템플릿법을 이용한 다공성 탄소의 제조 및 CH4/N2/CO2 흡착 분리 기술. 석유화학, 2016.2: 221-226. 리통 외. 활성탄의 개질 및 CO2/CH4 흡착 성능에 관한 연구. 석탄학보, 2011.12: 2012-2017. 천샹 외. 바이오가스를 정화하여 생물메탄을 생산하는 기술의 발전 현황. 농업공학, 2012.7: 30-34. 리승 외. 바이오가스를 정화하여 고순도 생물메탄을 생산하는 기술의 발전. 현대화공, 2014.11: 19-23. 쓰촨야렌과학기술유한회사. 바이오가스에서 메탄을 추출하는 방법. 중국특허: CN200910060286, 2010-9-1. 쓰촨야렌고과학기술유한회사. 쓰레기 매립지에서 메탄을 회수하는 방법. 중국특허: CN200810045223, 2008-7-16.