ren에 대한 바이오가스 업그레이드 성능 향상

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크레딧: Tao SUN, Wenlong LI, Jiandong WEI, Long JI, Qingyao HE, Shuiping YAN

바이오가스는 일반적으로 가축분뇨, 짚배설물 등 유기성 폐기물을 혐기성 소화하여 생산되는데, 이는 대표적인 녹색재생에너지로 발전 및 열생산의 연료로 활용될 수 있다. 중국은 연간 바이오가스 생산량이 약 150억m3에 달하는 대규모 바이오가스 생산을 보유하고 있으며, 바이오가스 개발 및 활용은 에너지 위기에 대처하기 위한 새로운 선택을 제공합니다. 실제로 바이오가스는 약 60%의 CH4와 약 40%의 CO2, 그리고 H2S, H2O와 같은 기타 미량 불순물을 포함하고 있습니다. 바이오가스에 CO2가 존재하면 연소 성능이 크게 저하되고, 바이오가스에 포함된 H2S도 파이프라인과 장비의 부식을 유발합니다. 따라서 제품에서 메탄의 비율을 높이려면 이러한 불순물을 제거해야 하며, 이 가스 제거 과정을 바이오가스 업그레이드라고도 합니다. 바이오가스 업그레이드 기술의 출현은 바이오가스 플랜트의 경제적 수입을 증가시킬 뿐만 아니라 온실가스 배출도 줄일 수 있습니다. 이론적으로 바이오가스는 오랫동안 전형적인 탄소 중립 연료로 간주되어 왔기 때문에 바이오가스에서 CO2를 포집, 활용 및 저장하면 음의 탄소 배출을 달성할 것으로 예상됩니다.

현재 많은 성숙한 바이오가스 업그레이드 기술에는 가압수 세정, 압력 변동 흡착, 화학 흡수, 막 분리 및 극저온 기술이 포함됩니다. 그 중 물 세정과 압력 변동 흡착은 바이오가스에서 CO2와 H2S를 동시에 제거할 수 있는 반면, CH4 손실이 높다(2%~20%)는 치명적인 단점이 있습니다. CH4의 온실효과는 CO2의 약 21배라는 것은 잘 알려져 있습니다. 따라서 많은 연구자들은 CH4의 손실이 미미하고 반응 속도가 빠른 화학적 흡수 방법에 중점을 두었습니다. 동시에, 흡수제와 산성 가스 사이의 화학 반응은 안정한 염을 형성할 수 있기 때문에 화학 흡수 공정에서는 높은 시스템 에너지 소비와 CO2 흡수제 손실이라는 문제가 존재합니다.

위의 화학 흡수 방법의 문제점을 해결하기 위해 Shuiping Yan 교수와 그의 팀은 녹색 에너지 공학 원리를 결합한 바이오가스 슬러리(혐기성 소화 부산물)에서 재생 가능한 암모니아 수용성 흡수제를 제안했습니다. CO2가 풍부한 재생 가능한 암모니아 수성 흡수제는 암모늄 질소 비료로 사용되어 농지에 직접 적용할 수 있으므로 기존 화학 흡수제의 문제를 피할 수 있습니다. 또한, 팀원들은 기액막 접촉기에서 재생 가능한 암모니아 수성 용매를 사용하여 바이오가스에서 CO2와 H2S를 효율적으로 동시에 제거하는 데 성공했습니다. 일반적인 물리적 흡수(H2S 제거 효율: 48%)와 비교하여, 0.1 mol·L−1 NH3 재생 암모니아 수성 용매는 바이오가스에서 97% H2S를 제거할 수 있으며, H2S 제거 효율은 이 흡수제의 불순물에 의해 덜 영향을 받습니다. 재생 가능한 암모니아 수용액을 0.5 mol·L-1 NH3로 조정하면 바이오가스를 파이프라인 바이오메탄으로 정제할 수 있다. 또한, 막흡착과정에서 온도, 기액유량 등 다양한 운전변수의 영향을 탐색하여 중공사막 접촉기에서 CO2와 H2S를 동시에 제거하기 위한 최적의 운전조건을 결정하였으며, 이는 일정한 이론적 근거를 제공하였다. 바이오가스 업그레이드 프로세스의 녹색 개발을 위한 기반 및 기술 지원. 이번 연구는 Frontiers of Agricultural Science and Engineering 2023년 10(3)호에 게재되었습니다. DOI: 10.15302/J-FASE-2022473.

농업 과학 및 공학의 개척지

10.15302/J-PHASE-2022473

실험적 연구

해당 없음

멤브레인 접촉기의 재생 가능한 수성 암모니아 용액에 의한 CO2 및 H2S 동시 제거를 통한 바이오가스의 가치화