KR102311399B1 - 바이오 가스 정제 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다수의 열교환기와 분리기를 통해 바이오 가스의 온도를 냉각함과 동시에 불순물을 제거함으로써 순도 높은 천연 가스를 배출하는 바이오 가스 정제 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 의한 바이오가스 정제 시스템은, 바이오가스를 생성 또는 저장하는 바이오가스 저장소(100)와; 상기 바이오가스 저장소(100)로부터 유입된 고온의 바이오가스를 열교환에 의해 냉각시키는 하나 이상의 메인열교환기(200,300)와; 상기 메인열교환기(200,300)와 연결되며, 물을 순환시켜 상기 메인열교환기(200,300)에서 물과 바이오가스가 열교환하도록 하는 물순환장치(400)와; 상기 물순환장치(400)와 연결되며, 냉매를 순환시켜 상기 물순환장치(400)의 물이 냉각되도록 하는 냉동사이클을 가지는 냉매순환장치(500) 등으로 구성된다. 이와 같은 본 발명에 의하면 순도 높은 천연 가스가 생성되는 이점 있다.

Description

바이오 가스 정제 시스템{refining system of biogas}

본 발명은 바이오 가스를 정제하는 시스템에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 다수의 열교환기와 분리기를 통해 바이오 가스의 온도를 냉각함과 동시에 불순물을 제거함으로써 순도 높은 천연 가스를 배출하는 바이오 가스 정제 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 바이오가스는 농업 쓰레기, 일반 쓰레기, 식물 물질, 음식물 쓰레기 등과 같은 유기물을 발효시킴으로써 만들어지는 것으로, 유기물이 분해되면서 생산되는 각종 기체의 혼합물을 말한다.

이와 같은 바이오가스는, 현재 연료 전지, 보일러, 발전 등 전기나 열을 생산하는 다양한 공정의 연료로 사용되거나 전력 소비량이 많은 제지 및 펄프 공장 등에서 이용된다.

한편, 바이오가스는 주로 메테인, 이산화탄소로 이루어지며, 이외에도 적은 양의 황화 수소, 수분, 실록산 등이 포함된다.

이러한 바이오가스를 천연가스로 활용하기 위해서는 상기 바이오가스에 포함되는 이산화탄소를 비롯한 황화 수소, 수분, 실록산 등과 같은 기타 불순물을 제거해야 한다.

상기 불순물을 제거하는 이유는 이러한 물질들이 연료로 활용될 때 기기의 부식이나 마모 유발 등의 문제점이 발생할 수 있기 때문이다.

흔히 이와 같은 불순물을 제거하는 것을 정제(cleaning) 공정이라 한다.

이러한 정제 공정에는 배수나 배액을 처리할 필요없이 가스를 흡착함으로써 불순물을 제거하는 건식탈황 방식과 별도의 액체를 바이오 가스와 접촉시킴으로써 불순물을 제거하는 습식탈황 방식 등이 있다.

상기에서 설명한 방식들은 바이오 가스를 정제하는 가스 정제 시스템에 적용되며, 이 시스템에 의해 천연가스를 다양한 방법으로 배출할 수 있다.

예를 들면, 한국 공개특허 제 10-2012-0084534호와 같은 정제 시스템의 경우, 시스템 내부에 바이오가스가 유입되면 습식탈황 방식에 의해 냉각수를 순환 열교환시킴으로써 바이오가스의 수분이나 불순물을 응축 제거가 가능하다.

그러나, 상기 종래 기술(한국 공개특허 제 10-2012-0084534호)에 따른 가스 정제 시스템은 하나의 냉각 장치만을 구비하여 바이오가스로부터 수분을 제거하기 때문에 순도 높은 천연가스를 배출하기에 효율성이 낮다는 문제점이 있다.

한국 공개특허 제 10-2012-0084534호

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 다수의 냉각 과정을 거쳐 바이오 가스의 냉각 및 불순물을 제거함으로써 순도 높은 천연 가스를 배출하기 위한 바이오 가스 정제 시스템에 관한 것이다.

그리고, 본 발명은 하나의 열교환기와 두 개의 냉각기를 구비함으로써 가스 정제 시스템에 고온으로 공급되어진 바이오가스를 적어도 3번 이상 저온으로 낮추는 단계를 수행하는 것을 목적으로 한다.

그리고, 본 발명은 다수의 냉각기에 각각 가스와 수분을 분리 및 제거하는 수분 분리기를 구비함으로써 종래에 비해 보다 순도 높은 천연가스를 배출하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 두 개의 냉각기와 냉매 장치가 상호 연결됨으로써 냉매 장치에 의해 냉각되어진 액체(물)를 냉각기에 공급하여 고온의 바이오가스를 저온으로 낮춰주는 것을 목적으로 한다.

뿐만 아니라, 본 발명은 사이클론(cyclone) 방식에 의해 바이오 가스와 액체(물)가 분리되도록 하는 수분 분리기를 구비하여 이물질과 수분이 효과적으로 제거되도록 하는 바이오 가스 정제 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명에 의한 바이오가스 정제 시스템은, 바이오가스를 생성 또는 저장하는 바이오가스 저장소(100)와; 상기 바이오가스 저장소(100)로부터 유입된 고온의 바이오가스를 열교환에 의해 냉각시키는 하나 이상의 메인열교환기(200,300)와; 상기 메인열교환기(200,300)와 연결되며, 물을 순환시켜 상기 메인열교환기(200,300)에서 물과 바이오가스가 열교환하도록 하는 물순환장치(400)와; 상기 물순환장치(400)와 연결되며, 냉매를 순환시켜 상기 물순환장치(400)의 물이 냉각되도록 하는 냉동사이클을 가지는 냉매순환장치(500);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 메인열교환기(200,300)의 일측에는, 상기 메인열교환기(200,300)로 공급되는 바이오가스와 상기 메인열교환기(200,300)를 경유하여 배출되는 바이오가스가 서로 열교환하도록 하는 보조열교환기(600)가 더 구비됨을 특징으로 한다.

상기 메인열교환기(200,300)는, 상기 보조열교환기(600)를 경유하여 냉각된 바이오가스가 상기 물순환장치(400)의 물과 열교환하여 온도가 하강되도록 하는 제1메인열교환기(200)와, 상기 제1메인열교환기(200)를 경유한 바이오가스가 다시 상기 물순환장치(400)를 순환하는 물과 열교환하여 온도가 더 하강되도록 하는 제2메인열교환기(300)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 물순환장치(400)는, 물을 저장하는 물저장소(410)를 포함하는 구성을 가지며, 상기 냉매순환장치(500)를 구성하는 증발기(540)에서 냉각된 물이 상기 제1메인열교환기(200) 또는 제2메인열교환기(300)를 경유하면서 열교환에 의해 바이오가스를 냉각시키도록 구성됨을 특징으로 한다.

상기 제1메인열교환기(200)와 제2메인열교환기(300)의 일측에는, 제1메인열교환기(200)와 제2메인열교환기(300)로부터 토출되는 바이오가스에 함유된 수분을 분리하여 배출하는 수분 분리기(700,700')가 각각 구비되며; 상기 수분 분리기(700,700')는, 사이클론 방식에 의해 수분과 가스를 분리하도록 구성되고, 내부에는 수분 흡착을 위한 흡착망(730)이 더 구비됨을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 바이오가스로부터 천연가스를 배출하기 위한 바이오가스 정제 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명은 하나의 열교환기와 다수의 냉각기(열교환기)가 구비됨으로써 고온의 바이오가스를 적어도23번 이상의 단계를 거쳐 바이오가스로부터 배출되는 천연가스의 건도를 높일 수 있다는 장점이 있다.

그리고, 본 발명의 가스 정제 시스템에 의해 건도 높은 천연가스를 배출함으로써 전기나 열에너지로 사용되는 발전 및 엔진 등의 수명을 종래에 비해 늘릴 수 있다는 이점이 있다.

또한, 본 발명은 두 개의 냉각기가 냉매 장치와 상호 연결됨으로써 냉매 장치에서 냉각된 액체(물)를 냉각기에 공급하여 열교환을 하여 보다 신속하게 고온의 바이오가스 온도를 저온으로 낮출 수 있어 열교환이 수월하다는 장점이 있다.

그리고, 본 발명은 두 개의 냉각기에 각각 수분 분리기가 하나씩 연결됨으로써 각 냉각기에서 이루어진 열교환에 의해 발생한 수분 및 불순물을 적어도 두 번 이상 제거할 수 있으므로 종래에 비해 더욱 더 순도 높은 천연가스를 배출할 수 있다는 이점이 있다.

또한, 본 발명의 수분 분리기는 사이클론(cyclone) 원리를 적용하여 가벼운 가스는 위로 올라가고 무거운 액체(물)는 아래로 가라앉도록 함으로써 가스와 액체(물)를 수월히 분리할 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 바이오가스 정제 시스템의 바람직한 실시예의 구성을 보인 도면.
도 2는 본 발명 실시예를 구성하는 수분 분리기의 내부 구성을 보인 단면도.
도 3은 도 2에 도시된 수분 분리기의 평면도.

이하 본 발명에 의한 바이오가스 정제 시스템은 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 1은 바이오가스 정제 시스템의 전체 구조를 나타내는 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이 바이오가스 정제 시스템은, 바이오가스를 생성 또는 저장하는 바이오가스 저장소(100)와, 상기 바이오가스 저장소(100)로부터 유입된 고온의 바이오가스를 열교환에 의해 냉각시키는 하나 이상의 메인열교환기(200,300)와, 상기 메인열교환기(200,300)와 연결되어 물을 순환시킴으로써 상기 메인열교환기(200,300)에서 물과 바이오가스가 열교환하도록 하는 물순환장치(400)와, 상기 물순환장치(400)와 연결되며 냉매를 순환시켜 상기 물순환장치(400)의 물이 냉각되도록 하는 냉동사이클을 가지는 냉매순환장치(500) 등으로 구성된다.

상기 바이오가스 저장소(100)는 바이오가스를 생성 또는 저장하는 탱크(tank)이다.

상기 바이오가스 저장소(100)에는 음식물 쓰레기, 농업 쓰레기, 식물 물질 등과 같은 유기물이 포함될 수 있으며, 이러한 유기물은 발효 등의 방법에 의해 바이오가스를 생성하게 된다.

상기 바이오가스 저장소(100)에서 생성된 바이오가스 등은 보조열교환기(600)로 공급된다. 즉, 상기 바이오가스 저장소(100)에 저장되어 있는 바이오가스 등은 가스공급관(102)을 통해 보조열교환기(600)로 공급된다.

상기 보조열교환기(600)는, 상기 메인열교환기(200,300)로 공급되는 바이오가스와 상기 메인열교환기(200,300)를 경유하여 배출되는 바이오가스가 서로 열교환하도록 한다.

구체적으로 살펴보면, 상기 바이오가스 저장소(100)에는 저장된 가스는 고온을 유지하고 있으며, 이러한 고온의 가스는 상기 메인열교환기(200,300)로 들어가기 전에 미리 메인열교환기(200,300)를 통과하면서 지나치게 저온으로 된 가스와의 열교환을 하게 되는데, 이러한 열교환이 일어나는 장소가 상기 보조열교환기(600)이다.

상기 메인열교환기(200,300)는, 상기 보조열교환기(600)를 경유하여 냉각된 바이오가스가 상기 물순환장치(400)의 물과 열교환하여 온도가 하강되도록 하는 제1메인열교환기(200)와, 상기 제1메인열교환기(200)를 경유한 바이오가스가 다시 상기 물순환장치(400)를 순환하는 물과 열교환하여 온도가 더 하강되도록 하는 제2메인열교환기(300) 등으로 이루어진다.

상기 메인열교환기(200,300)의 일측에는 메인열교환기(200,300)를 통과한 바이오가스에 함유된 수분이나 이물질을 걸러내는 수분 분리기(700,700')가 각각 설치된다.

상기 수분 분리기(700,700')는 2개 이상이 구비될 수 있으며, 본 발명에서는 아래에서 설명할 제1메인열교환기(200)의 일측에 구비되는 제1분리기(700)와 제2메인열교환기(300)의 일측에 구비되는 제2분리기(700')를 예로 들어 설명한다.

이와 같이 본 발명에서는 상기 메인열교환기(200,300)가 2개로 이루어져 바이오가스가 이중으로 물에 의해 냉각되는 구조를 예로 들어 설명한다. 물론, 이러한 메인열교환기(200,300)가 하나만 구비될 수도 있으며, 3개 이상이 구비되도록 하여 냉각할 수도 있을 것이다.

상기 물순환장치(400)는, 물을 저장하는 물저장소(410)를 포함하는 구성을 가지며, 상기 냉매순환장치(500)를 구성하는 증발기(540)에서 냉각된 물이 상기 제1메인열교환기(200) 또는 제2메인열교환기(300)를 경유하면서 열교환에 의해 바이오가스를 냉각시키도록 구성된다.

한편, 상기 저장소(100)와 보조열교환기(600) 사이에는 가스공급관(102)이 연결되어 바이오가스의 공급을 안내하게 되고, 이러한 가스공급관(102)에는 이물질을 걸러내는 필터(110)와 가스의 공급을 강제하는 블로어(120) 등이 더 구비된다.

상기 보조열교환기(600)와 제1메인열교환기(200) 사이에는 제1공급관(202)이 연결되어 가스의 이동을 안내하게 된다.

상기 제1메인열교환기(200)에는 상기 제1공급관(202) 외에도 상기 물순환장치(400)의 물이 이동하는 제1물공급관(412)과 물회수관(414)이 각각 연결되어, 물과 바이오가스가 서로 열교환하도록 한다.

상기 제1메인열교환기(200)와 제2메인열교환기(300) 사이에는 제1분리기(700)가 더 구비된다.

상기 제1분리기(700)는 제1메인열교환기(200)로부터 토출되는 바이오가스에 함유된 수분을 분리하여 배출하는 수분분리기로, 사이클론 방식에 의해 수분과 가스를 분리하도록 구성됨이 바람직하다.

물론, 이러한 제1분리기(700)는 바이오가스 내부에 함유된 수분 외에 다른 이물질의 분리도 가능할 것이며, 이러한 제1분리기(700)의 상세 구성은 아래에서 설명한다.

상기 제1메인열교환기(200)와 제1분리기(700)는 제1토출관(204)에 의해 연결되며, 상기 제1분리기(700)와 제2메인열교환기(300) 사이에는 제2공급관(302)이 연결되어 바이오가스의 이동을 안내한다.

상기 제2메인열교환기(300)는 상기 보조열교환기(600)와 연결되며, 제2메인열교환기(300)와 보조열교환기(600) 사이에는 제2분리기(700')가 더 구비된다.

상기 제2분리기(700')도 상기 제1분리기(700)와 동일한 구조로 이루어져 동일한 기능을 하는 것이 바람직하다.

따라서, 상기 제2분리기(700')는, 제2메인열교환기(300)로부터 토출되는 바이오가스에 함유된 수분이나 기타 이물질을 분리하여 배출하도록 구성된다.

상기 제2메인열교환기(300)와 제2분리기(700') 사이에는 제2토출관(304)이 연결되고, 상기 제2분리기(700')와 보조열교환기(600) 사이에는 보조공급관(602)이 연결되어 바이오가스의 이동을 안내하게 된다.

상기 보조열교환기(600)에는 보조토출관(604)이 더 구비되어, 상기 보조열교환기(600)에서 열교환으로 열을 흡수한 최종적인 바이오가스가 보조열교환기(600)의 우측으로 배출되도록 안내하게 된다.

한편, 상기 물순환장치(400)는 물을 저장하는 물저장소(410)를 포함하는 구성을 가지며, 상기 냉매순환장치(500)를 구성하는 증발기(540)에서 냉각된 물이 상기 제1메인열교환기(200) 또는 제2메인열교환기(300)를 경유하면서 열교환에 의해 바이오가스를 냉각시키도록 구성된다.

구체적으로 살펴보면, 상기 물저장소(410)는 물을 저장하는 탱크나 수조 등으로 이루어져 소정 부피의 물을 저장하게 되며, 필요에 따라 물이 외부로부터 보충될 수 있다.

상기 물저장소(410)에는 저장물공급관(412)과 물회수관(414)이 각각 연결되며, 도시된 바와 같이 상기 저장물공급관(412)은 상기 물저장소(410)의 하단에 연결되는 배관으로 물저장소(410)의 물이 외부로 공급되도록 안내하게 된다.

상기 물회수관(414)은 도시된 바와 같이 외부의 물이 상기 물저장소(410)로 다시 복귀하도록 안내하는 것으로, 상기 물저장소(410)의 상단에 연결되어 자연 낙하에 의해 상기 물저장소(410)로 떨어지도록 구성됨이 바람직하다.

상기 물순환장치(400)는 상기 물저장소(410)의 물이 아래에서 설명할 증발기(540)와 제1메인열교환기(200) 및 제2메인열교환기(300)를 차례로 거쳐 다시 물저장소(410)로 복귀하도록 하나의 사이클을 형성하게 된다.

따라서, 이러한 물순환장치(400)에는 상기 물저장소(410)의 물을 순환시키기 위한 펌프(415)가 더 구비된다. 즉, 도시된 바와 같이, 상기 물저장소(410)의 하단 우측에는 펌프(415)가 구비되어 물저장소(410)의 물이 증발기(540)로 공급되도록 강제하게 된다.

상기 물저장소(410)는 저장물공급관(412)에 의해 증발기(540)와 연결되며, 증발기(540)는 물토출관(420)과 제1물공급관(412)에 의해 상기 제1메인열교환기(200)에 연결된다.

그리고, 상기 물토출관(420)은 상기 제1메인열교환기(200)로 물이 공급되도록 안내하는 제1물공급관(422) 및 제2메인열교환기(300)로 물이 공급되도록 안내하는 제2물공급관(424)으로 분리된다.

상기 제1메인열교환기(200) 및 제2메인열교환기(300)에는 물회수관(414)이 연결되어, 열교환이 이루어진 물이 다시 상기 물저장소(410)로 회수되도록 안내하게 된다.

상기 물순환장치(400)를 순환하는 물은 상기 냉매순환장치(500)에 의해 냉각된다.

상기 냉매순환장치(500)는 냉장고나 에어컨에서와 같은 일반적인 냉매사이클과 같은 기능을 하는 것으로, 압축기(510)와 응축기(520) 및 팽창밸브(530), 증발기(540) 등이 냉매배관(550)에 의해 서로 연결되도록 구성된다.

구체적으로는 냉매를 압축하는 압축기(510)의 전후에는 어큐뮬레이터(502)와 오일분리기(512) 등이 더 구비되며, 이러한 어큐뮬레이터(502)와 오일분리기(512)는 에어컨 등과 같은 냉매사이클이 구비되는 장치에 사용되는 것과 동일한 기능을 하므로 여기서는 더 이상의 상세 설명은 생략한다.

상기 압축기(510)에서 압축된 냉매는 상기 응축기(520)를 통과하여 리시버(522)를 경유한 다음 팽창밸브(530)를 거치면서 팽창하여 증발기(540)에서 열을 흡수하게 된다.

상기 증발기(540)에서는 냉매배관(550)을 통해 순환하는 냉매가 상기 물순환장치(400)의 물과 열교환하게 되며, 이때 저온의 냉매는 고온의 물로부터 열을 흡수하여 증발하게 되므로 상기 물순환장치(400)를 순환하는 물은 냉각된다.

이하에서는 이러한 구성과 바이오가스의 흐름에 대해 보다 구체적으로 살펴본다.

도면에 도시된 바와 같이 상기 가스공급관(102)에는 필터(110)가 구비된다. 상기 필터(110)는, 상기 가스공급관(102)을 통해 공급되는 가스 중의 이물질을 제거하기 위한 것이다.

즉, 상기 저장소(100)의 바이오가스는 유기물이 분해되면서 생산되는 각종 기체의 혼합물로 이루어져 있으며, 음식물 쓰레기, 농업 쓰레기 등과 같은 각종 유기물을 발효함으로써 만들어진다. 이처럼 상기 바이오가스 저장소(100)의 내부에는 이러한 각종 유기물이 발효되어 바이오가스가 생성된다.

따라서, 상기 가스공급관(102)을 따라 공급되는 바이오가스에는 유기물들이 발효되는 과정에서 생성된 각종 기체나 기타 혼합물이 포함되어 있으며, 그 중에 큰 분자들로 구성된 불순물이 존재하여 바이오가스의 자유로운 흐름을 방해할 수 있는데 이를 방지하기 위해 필터(110)가 구비된다.

상기 필터(110)는 메쉬 구조의 그물망으로 이루어지는 것이 바람직하며, 바이오가스가 상기 가스공급관(102)을 따라 자유롭게 유입될 수 있도록 바이오가스에 포함된 큰 분자의 불순물을 걸러준다.

이처럼 상기 필터(110)를 통해 큰 분자의 불순물을 거르고 난 후 바이오가스는 블로어(120)에 유입된다.

상기 블로어(120)는 상기 가스공급관(102)을 통해 가스가 상기 보조열교환기(600) 등으로 강제 공급되도록 하는 것으로, 날개를 고속 회전시켜 바이오가스의 운동량을 증가시키는 송풍기 등으로 이루어질 수 있다.

이때, 상기 블로어(120)를 통과하여 공급되는 바이오가스의 온도는 약 80℃정도의 고온 상태을 유지하게 되며, 상기 가스공급관(102)을 통해 상기 보조열교환기(600)로 공급된다.

상기 블로어(120)는 2개 이상이 구비될 수 있다. 즉, 도시된 바와 같이 상기 블로어(120)는 2개 이상이 병렬로 구비되어, 2개의 블로어(120)가 동시에 작동하거나 2개 중 어느 하나가 작동할 수도 있다.

이러한 다수의 블로어(120) 동시구동 및 순차 구동은 필요에 따라 제어가 가능할 것이다.

상기 블로어(120)를 통과한 가스는 상기 보조열교환기(600)로 공급된다. 즉, 도시된 바와 같이 상기 보조열교환기(600)의 좌측단을 통해 유입되어 우측단으로 토출된다.

그리고, 상기 보조열교환기(600)에서는 상기 제2메인열교환기(300)로부터 토출된 저온의 바이오가스도 경유하게 된다. 즉, 상기 제2메인열교환기(300)로부터 토출된 가스는 상기 보조열교환기(600)의 우측단을 통해 유입되어 좌측단으로 토출된다.

이와 같이, 상기 보조열교환기(600)에서 상기 저장소(100)로부터 공급된 고온의 바이오가스와 상기 제2메인열교환기(300)로부터 토출된 저온의 바이오가스는 서로 다른 방향으로 유동하면서 열교환을 하게 된다.

상기 보조열교환기(600)의 내부 구조는 다양하게 구성될 수 있으며, 이러한 열교환기의 구조는 다양하게 공개되어 있으므로, 여기서는 상기 보조열교환기(600)의 상세한 내부 구조 설명은 생략한다.

상기 바이오가스 저장소(100)로부터 공급되는 고온의 바이오가스는 약 80℃ 정도의 온도를 가지며, 상기 제2메인열교환기(300)를 경유하여 배출되는 바이오가스의 온도는 약 5℃ 정도의 저온 바이오가스이다. 따라서, 이러한 2개의 바이오가스가 서로 열교환을 하게 된다.

여기서, 약 80℃정도의 고온의 바이오가스는 약 5℃정도의 저온 바이오가스에 의해 약 60℃정도로 온도가 하강하게 된다.

이처럼 상기 저장소(100)로부터 공급된 고온의 바이오가스는 상기 보조열교환기(600)를 경유하면서 미리 1차적으로 예냉되어 약 60℃의 온도가 되고, 이렇게 1차적으로 냉각되어 예냉된 가스는 상기 제1메인열교환기(200)로 유입되어 2차적으로 냉각을 하게 된다.

상기 보조열교환기(600)를 통과한 예냉 가스는 온도가 떨어지면서 수분이 발생하여 습한 상태가 되므로 상기 제1메인열교환기(200)로 유입되기 전에 제1분리기(700)를 통과하게 되며, 이러한 제1분리기(700)에서 바이오가스가 함유한 수분과 이물질이 걸러진다. 즉, 수분 및 황화 수소, 실록산 등과 같은 기타 불순물도 분리된다.

상기 제1분리기(700)는 사이클론(cyclone) 원리에 의해 이물질과 기체를 분리하도록 구성된 것으로, 상기 제1메인열교환기(200)에서 약 30℃로 냉각된 바이오가스가 내부로 유입되면, 무거운 수분 및 불순물은 아래로 가라앉고 가벼운 가스는 위로 올라가게 되어 가스와 수분을 수월히 분리할 수 있게 된다.

상기 제1분리기(700)에서 분리되어 토출된 기체 상태의 바이오가스는 상기 제2메인열교환기(300)로 유입되고, 이곳에서 3차 열교환이 수행된다.

상기 제2메인열교환기(300)에 유입된 바이오가스는, 상기 물순환장치(400)를 순환하는 물과 다시 열교환함으로써 온도가 더 하강되도록 한다.

즉, 상기 제1분리기(700)에서 배출된 약 30℃정도의 온도를 가지는 바이오가스가 상기 제2메인열교환기(300)로 유입되어 상기 물순환장치(400)를 순환하는 물과 열교환하여 약 5℃의 온도로 더 냉각된다.

상기 제2메인열교환기(300)에서 배출된 바이오가스는 상기 제1메인열교환기(200)를 경유한 경우와 같이, 약 5℃로 온도가 떨어짐으로써 바이오가스는 노점(dew point)으로 인해 어느 정도의 수분이 발생한다.

따라서, 상기 제2메인열교환기(300)로부터 토출되는 바이오가스로부터 수분 및 황화 수소, 실록산 등과 같은 기타 불순물을 분리하기 위해 상기 제2분리기(700')를 경유한다.

상기 제2분리기(700')에서는 상기 제1분리기(700)와 마찬가지로 사이클론(cyclone)원리에 의해 바이오가스로부터 수분 및 기타 불순물을 분리한다. 즉, 상기 제2메인열교환기(300)에서 냉각된 약 5℃의 바이오가스가 상기 제2분리기(700')에서 사이클론(cyclone) 원리에 의해 무거운 수분 및 불순물은 아래로 가라앉고 가벼운 가스는 위로 올라가게 되어 가스와 수분(이물질 포함)이 다시 분리된다.

이와 같이, 두 번의 수분 분리기(700,700')를 거침으로써 수분 및 기타 불순물을 함유하던 바이오가스로부터 순도 높은 천연가스만을 배출할 수 있게 된다.

이때, 본 정제시스템을 통해 배출되는 천연가스는 약 5℃가 되므로, 발전소에서 전력 생산용으로 쓰기에는 너무 낮은 온도이기 때문에 열교환을 통해 온도를 조금 더 상승시킬 필요도 있다.

따라서, 상기 메인열교환기(200,300)에 의해 냉각된 저온의 바이오가스를 상기 보조열교환기(600)를 통과시킴으로써 발전소에 적합한 온도로 상승시킴과 동시에 이 열을 상기 가스 저장소(100)로부터 공급되는 고온의 바이오가스를 냉각시키는 용도로 활용하게 된다.

즉, 상기 보조열교환기(600)에서는 상기 바이오가스 저장소(100)로부터 공급되는 약 80℃의 바이오가스와 상기 제2메인열교환기(300) 및 상기 제2분리기(700')로부터 토출된 약 5℃의 바이오가스가 열교환을 이루게 된다.

이로써, 약 5℃의 바이오가스는 발전소에서 사용 적절한 온도인 약 30℃로 상승하게 되어 보조토출관(604)을 통해 배출되어 발전소 등에 사용된다.

한편, 상기 제1분리기(700) 및 제2분리기(700')의 하측에는 물과 이물질을 배출하는 통로가 되는 제1배출관(702)과 제2배출관(702')이 연결 설치된다.

그리고, 상기 제1배출관(702)과 제2배출관(702')에는 아래에서 설명할 레벨게이지(740)의 측정값에 따라 개폐되어 상기 제1분리기(700) 또는 제2분리기(700') 내부에 고인 물이나 이물질이 외부로 배출되도록 제어하는 드레인밸브(704)가 더 설치된다.

도 2 및 도 3에는 상기 수분 분리기(700,700')의 상세 구성이 도시되어 있다. 즉, 도 2에는 상기 수분 분리기(700,700')의 일례가 측단면도로 도시도어 있으며, 도 3에는 도 2에 도시된 상기 수분 분리기(700,700')의 일례가 평면도로 도시되어 있다.

도면에 도시된 바와 같이, 수분 분리기(700,700')는 내부가 중공된 바디(710)와, 상기 바디(710)의 내부 중앙에 구비되는 분리관(720)과, 상기 분리관(720)의 외면을 감싸는 흡착망(730) 등으로 이루어진다.

상기 바디(710)는 도시된 바와 같이, 하측으로 갈수로고 점차 내경이 감소하는 깔때기 형상을 가지거나 원뿔 형상으로 이루어지며, 내부가 중공된다. 물론, 이러한 바디(710)는 상반부는 원통 형상으로 이루어지고 하반부는 원뿔 형상으로 이루어지도록 구성되는 것도 가능하다.

상기 바디(710)의 내측에는 도시된 바와 같이 원통 형상의 분리관(720)이 상하로 소정 길이를 가지도록 형성된다.

상기 분리관(720)은 상기 바디(710)의 상단으로부터 하측으로 소정 길이를 가지도록 연장 형성되며, 상하의 길이는 상기 바디(710)의 상하 길이보다 작은 크기를 가지는 것이 바람직하다. 즉, 상기 분리관(720)은 도시된 바와 같이 상단은 상기 바디(710)의 내면 상단에 접하도록 설치되며, 하단은 상기 바디(710)의 바닥면으로부터 소정 거리 이격되도록 설치된다.

상기 분리관(720)에는 다수의 분리홀(722)이 관통 형성된다. 상기 분리홀(722)은 상기 분리관(720)의 내외부를 관통하도록 형성되어, 공기(가스)의 흐름을 안내하게 된다.

상기 분리관(720)의 외면에는 흡착망(730)이 구비된다. 상기 흡착망(730)은 망(網) 형태로 이루어져 바이오가스에 함유된 수분이나 이물질이 흡착되도록 하는 것으로, 다양한 재질과 형태를 가질 수 있으나 스테인레스 재질의 메쉬(mesh)로 이루어짐이 바람직하다.

상기 바디(710)의 상면 중앙부는 상하로 관통되어 토출부(712)를 형성하고 있으며, 이러한 토출부(712)는 상기 제2공급관(302) 또는 보조공급관(602)에 연결된다.

상기 바디(710)의 측면에는 유입관(714)이 형성된다. 상기 유입관(714)은 제1토출관(204) 또는 제2토출관(304)이 연결되는 부분이다.

상기 바디(710)의 하단에는 드레인관(716)이 더 형성되며, 이러한 드레인관(716)은 상기 바디(710)의 내부에서 걸러진 수분과 이물질이 하측으로 배출되도록 안내하는 통로이다.

따라서, 상기 드레인관(716)은 상기 제1분리기(700) 및 제2분리기(700')의 하측에 설치되는 물과 이물질을 배출하는 통로가 되는 제1배출관(702)과 제2배출관(702')과 연결된다.

상기 제1배출관(702)과 제2배출관(702')에는 드레인밸브(704)가 각각 더 설치된다. 상기 드레인밸브(704)는 아래에서 설명할 레벨게이지(740)의 측정값에 따라 개폐되어 상기 제1분리기(700) 또는 제2분리기(700') 내부에 고인 물이나 이물질의 배출을 제어하게 된다.

상기 바디(710)의 측방(도 2 및 도 3에서는 좌측)에는 레벨게이지(740)가 더 구비된다. 상기 레벨게이지(740)는 상기 바디(710) 내부에 고인 물이나 이물질의 양을 측정하여 상기 제1배출관(702)과 제2배출관(702')이 개폐되도록 함으로써 상기 바디(710) 내부의 물과 이물질이 선택적으로 외부로 배출되도록 하게 된다.

상기 유입관(714)은 상기 바디(710)의 일측으로 기울어지게 설치됨이 바람직하다. 즉, 도시된 바와 같이, 상기 유입관(714)은 상기 바디(710)의 중심으로부터 전방(도 3에서 볼때)으로 치우치게 설치된다.

따라서, 상기 유입관(714)을 통해 상기 바디(710) 내부로 유입되는 바이오가스는 상기 바디(710)의 내면을 따라 회전하게 된다.

이와 같이 상기 바디(710) 내부로 유입된 바이오가스가 바디(710) 내면을 따라 회전하게 되면, 사이클론(cyclone) 원리에 의해 중앙부에는 상승기류가 형성되어 바이오가스가 상기 토출부(712)를 통해 상부로 배출된다.

구체적으로는, 상기 유입관(714)을 통해 바디(710) 내부로 유입된 바이오가스와 이물질은 선회 흐름이 되어 나선상으로 바디(710) 내면을 따라 회전하면서 하강한다.

이때 동안 하강 기류 속의 입자(이물질이나 수분 등)는 원심력을 받아 바디(710)의 내면에 부딪히거나 상기 분리관(720)을 통과하면서 흡착망(730)에 부딪혀 침착하고, 중력과 아래쪽을 향하는 기류에 의해 분리관(720)과 바디(710)의 내면을 따라 바디(710)의 바닥면으로 내려오게 된다.

한편, 상기 바디(710)의 하단부에는 아래로 내려오는 바이오가스의 기류가 그 방향을 역전시켜 상승 선회 흐름이 되고, 하강 선회 흐름의 중심부를 지나 상기 분리관(720) 내부를 통해 상기 토출부(712) 상측으로 배출된다.

상기 바디(710)의 바닥면으로 내려온 물(수분)과 이물질은 상기 드레인관(716)을 통해 제1배출관(702)과 제2배출관(702')으로 유입되어 외부로 배출된다.

이때 상기 레벨게이지(740)는 상기 바디(710) 내부에 물과 이물질이 일정 높이 이상으로 쌓인 경우에만 상기 제1배출관(702)과 제2배출관(702')이 개방되도록 하고, 상기 바디(710) 내부에 물과 이물질이 일정 높이 이하가 되는 경우에는 상기 제1배출관(702)과 제2배출관(702')이 닫히도록 하게 된다.

상기 레벨게이지(740)는 액체면의 높이를 검출하는 계측기(level meter, level gauge)로 상기 바디(710) 내부의 액체(이물질이 포함된 물) 레벨을 검출하기 위한 것이다.

상기 레벨게이지(740)는 도시된 바와 같이 상단부는 상기 바디(710)의 내부와 연통되고, 하단부는 상기 드레인관(716)과 연통되도록 설치됨이 바람직하다.

그리고, 이러한 레벨게이지(740)로는 마그네틱레벨게이지가 사용됨이 바람직하며, 이러한 레벨게이지(740)는 액체 경계면을 검출하여 바디(710) 내부의 액체(물 등)의 높이를 외부에서 볼 수 있도록 구성됨이 바람직하다.

상기 레벨게이지(740)로 사용되는 마그네틱게이지 등에서는 챔버(chamber) 내부에 플로우트(float)가 구비되어 상기 바디(710) 내부의 액체 높이(레벨)에 따라 상하로 움직이도록 구성되고, 챔버(chamber) 외벽에 위치한 플랩(flap)은 플로우트(float)의 위치에 따라 컬러(color)가 바뀌도록 구성되기도 한다.

이와 같은 레벨게이지(740) 및 마그네틱게이지의 기본적인 구성과 기능은 많이 알려진 것이므로 여기서는 더 이상의 상세 설명은 생략한다.

상기 드레인밸브(704)는 상기 레벨게이지(740)에서 측정된 값에 따라 상기 제1배출관(702)과 제2배출관(702')을 개폐하여 상기 바디(710) 내부에 축적된 액체(물과 이물질 등)가 외부로 배출되도록 하게 된다.

즉, 상기 레벨게이지(740)의 측정 결과 상기 바디(710) 내부의 액체 레벨이 설정된 레벨 하한값 이하이면 상기 제1배출관(702)과 제2배출관(702')을 차페하며, 반대로 상기 레벨게이지(740)의 측정 결과 상기 바디(710) 내부의 액체 레벨이 설정된 레벨 상한값 이상이 되면 상기 제1배출관(702)과 제2배출관(702')을 개방하게 되는 것이다.

그리고, 상기 바디(710)의 하측에는 다수의 다리(750)가 더 구비되어 바디(710)를 지지하게 된다.

이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정되지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당 업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.

100. 바이오가스 저장소 102. 가스공급관
110. 필터 120. 블로어
200. 제1메인열교환기 300. 제2메인열교환기
400. 물순환장치 410. 물저장소
420. 물토출관 500. 냉매순환장치
510. 압축기 520. 응축기
530. 팽창밸브 540. 증발기
600. 보조열교환기 700,700'. 수분 분리기
710. 바디 720. 분리관
722. 분리홀 730. 흡착망
740. 레벨게이지 750. 다리

Claims (5)

1. 바이오가스를 생성 또는 저장하는 바이오가스 저장소(100)와, 상기 바이오가스 저장소(100)로부터 유입된 고온의 바이오가스를 열교환에 의해 냉각시키는 하나 이상의 메인열교환기(200,300)와, 상기 메인열교환기(200,300)와 연결되며 물을 순환시켜 상기 메인열교환기(200,300)에서 물과 바이오가스가 열교환하도록 하는 물순환장치(400)와, 상기 물순환장치(400)와 연결되며 냉매를 순환시켜 상기 물순환장치(400)의 물이 냉각되도록 하는 냉동사이클을 가지는 냉매순환장치(500)를 포함하는 구성을 가지며;
   상기 메인열교환기(200,300)의 일측에는, 상기 메인열교환기(200,300)로 공급되는 바이오가스와 상기 메인열교환기(200,300)를 경유하여 배출되는 바이오가스가 서로 열교환하도록 하는 보조열교환기(600)가 더 구비됨을 특징으로 하는 바이오가스 정제 시스템.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 메인열교환기(200,300)는,
   상기 보조열교환기(600)를 경유하여 냉각된 바이오가스가 상기 물순환장치(400)의 물과 열교환하여 온도가 하강되도록 하는 제1메인열교환기(200)와,
   상기 제1메인열교환기(200)를 경유한 바이오가스가 다시 상기 물순환장치(400)를 순환하는 물과 열교환하여 온도가 더 하강되도록 하는 제2메인열교환기(300)를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오가스 정제 시스템.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 물순환장치(400)는,
   물을 저장하는 물저장소(410)를 포함하는 구성을 가지며,
   상기 냉매순환장치(500)를 구성하는 증발기(540)에서 냉각된 물이 상기 제1메인열교환기(200) 또는 제2메인열교환기(300)를 경유하면서 열교환에 의해 바이오가스를 냉각시키도록 구성됨을 특징으로 하는 바이오가스 정제 시스템.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 제1메인열교환기(200)와 제2메인열교환기(300)의 일측에는,
   제1메인열교환기(200)와 제2메인열교환기(300)로부터 토출되는 바이오가스에 함유된 수분을 분리하여 배출하는 수분 분리기(700,700')가 각각 구비되며;
   상기 수분 분리기(700,700')는, 사이클론 방식에 의해 수분과 가스를 분리하도록 구성되고, 내부에는 수분 흡착을 위한 흡착망(730)이 더 구비됨을 특징으로 하는 바이오가스 정제 시스템.

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