Biomethane 회수를 위한 In-Situ Methane Enrichment System의 최적 운전조건 도출

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Biogas normally contains 35-45 % carbon dioxide (CO2), 55-65 % methane (CH4) and small quantity of hydrogen sulfide by volume. Depending on the ultimate use, different biogas treatment steps are necessary. Especially it is important to upgrade the biogas to meet the standards for the grid injection and the use of vehicle fuel which requires a high energy content and purity in the biomethane. However, upgrading adds to the costs. It is therefore important to optimize the upgrading process with regard to low investment and operational costs, high CH4 content, and low CH4 emission, etc. Several techniques for biogas upgrading have been developed and commercialized; Absorption techniques (Water Scrubbing, Organic Physical Scrubbing, Chemical Scrubbing), Membrane Separation, PSA (Pressure Swing Adsorption), Cryogenic Upgrading, In-situ Methane Enrichment (IME) System, etc.
A simple in-situ biomethane production system was developed to take advantage of the different solubilities of CO2 and CH4. The methane enrichment system consists of thermophilic plug-flow sorghum digester coupled with a leachate recycle loop to an external CO2 stripper.
A concept on the IME system described in this study was based solely on the differential solubilities of CH4 and CO2 under ambient pressure. For water the saturation solubility of CH4 equals 0.16 % of that of CO2 at 55℃ and ambient pressure. The hypothesized process used continuously recycled CO2-rich leachate from the plug flow reactor to an external CO2 stripping column. The stripper was operated using a sweep gas(N2) to decrease the partial pressure of CO2 in the leachate, thus stripping the CO2 in the leachate. The CO2-stripped leachate recycled back to the plug flow reactor where is able to absorb CO2 produced from fermentation of sorghum fed, and eventually upgrade biogas to produce enriched CH4 gas. Quantitative evaluation of the system variables defined the effect of recycle ratio (RR) and digester alkalinity/CO2 ratio (ACR) on offgas CH4 content, biogas productivity and TVS removal efficiency at a fixed sweep gas flow rate. As one of the system variables, the effect of intermittent stripping of CO2 at different sweep gas flow rates was also examined in this study. The objective of this study was to optimize system variables to produce biomethane in a simple in-situ methane enrichment system.
The results showed that the offgas CH4 content reached 95 % at the recycle ratio of approximately 3.2 L/L CO2 with its corresponding ACR of 12.9 g Alk/L CO2 at the digester alkalinity concentration of 4 g/L as CaCO3. At this operational condition the CH4 productivity was 0.92 v/v-d (93 % of the control) and TVS removal efficiency was 86 % which corresponds to 95 % of the control.
It was very interesting to know that the offgas CH4 content over 95 % was obtained at an intermittent stripping ratio of 4 hours stripping (N2 sweep gas 700 ml/min) and 1 hour no-stripping with the recycle ratio of approximately 3.0 L/L CO2 which corresponds to the ACR of 11.9 g Alk/L CO2 for the digester alkalinity concentration of 4 g/L as CaCO3. At this operational condition the CH4 productivity was 1.05 v/v-d (105 % of the control) and TVS removal efficiency was 85 % which corresponds to 94 % of the control. It thus resulted in a 20 % reduction in the total energy and sweep gas consumption.
The Ultimate biodegradability of sorghum used in this study appeared to be 91-92 %. The readily biodegradable fraction of 91 % (S1) of the sorghum BVS(So) degraded within the initial 15 days with k1 of 0.191 day-1, where as the rest 9 % slowly biodegradable fraction(S2) of BVS degraded for more than 65 days with the long term batch reaction rate(k2) of 0.006 day-1. The theoretical hydraulic retention times(HRTs) of anaerobic digesters treating organic wastes are easily determined by the analysis of multiple decay rate coefficients (k1 and k2) and their corresponding biodegradable substrate fractions (S1 and S2).

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 Plug Flow Reactor와 외부 CO2 Stripping Column을 결합한 In-Situ Methane Enrichment System을 운전하여 CH4 함량 95 % 이상을 달성하기 위한 최적 운전조건을 도출하고자 하였으며, 그 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
1. 본 연구의 대상시료인 Sorghum의 최종생분해도는 88~93 % 이었으며, 전체 생분해성 유기물(BVS) 중 빠르게 분해되는 기질분율인 S1은 91 %로 k1(0.191 day-1)의 속도로 15 일 동안 빠르게 분해되었으며, 느리게 분해되는 기질분율인 S2는 9 %로 k2(0.006 day-1)의 속도로 65 일의 긴 시간동안 분해되었다.
2. 바이오메탄의 품질기준인 CH4 함량 95 % 이상을 달성하기 위한 조건은 OLR 2 kg VS/m3-d, 연속포기 조건에서 Recycle Ratio는 3.2 L/L CO2 이었고, ACR은 12.9 g Alk/L CO2 이었다. 이 때 CH4 발생량은 0.92 v/v-d 이었으며 Control (1.0 v/v-d) 대비 93 %의 발생량을 보였다. TVS 제거효율은 86 %를 나타내 Control 대비 95 %의 결과를 나타내었다.
3. 간헐포기 시 바이오메탄 품질기준인 CH4 함량 95 % 이상을 달성할 수 있는 운전조건은 포기/비포기 시간비율 4:1 이상이었다. 이 결과를 통해 바이오메탄 회수를 위한 총 유지전력 및 Sweep Gas 소비량을 20 % 감소시켜 운전할 수 있음을 알 수 있다. 이 조건에서 TVS 제거효율은 85 %를 보였으며 Control 대비 94 % 이었고, CH4 발생량은 1.05 v/v-d를 나타내었다. 이 때 Recycle Ratio는 3.0 L/L CO2 이었고 ACR은 11.9 g Alk/L CO2 이었다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서 론 1
• II. 이론적 배경 4
• 1. 혐기성소화공정 4
• 1.1. 혐기성소화의 정의 4
• 1.2. 혐기성소화의 반응경로 6
• 1.3. 혐기성소화 미생물 11
• 1.4. 반응온도 14
• 1.5. 영양물질과 미량원소 15
• 2. 바이오가스 고질화(Biogas Upgrading) 18
• 2.1. 고질화의 정의 및 필요성 18
• 2.2. 바이오메탄의 품질기준 20
• 2.3. 바이오가스의 고질화 기술 22
• 2.4. In-Situ Methane Enrichment System 26
• III. 실험 및 재료 28
• 1. 시료의 준비 및 초기운전 28
• 2. 용해도 평가(Solubilization Test) 29
• 3. Sorghum의 최종생분해도 측정 30
• 3.1. 최종생분해도 측정 방법 30
• 3.1.1. BMP Test에 의한 최종생분해도 측정 31
• 3.1.2. Graphical Statistic Analysis 방법에 의한 최종생분해도 측정 32
• 3.1.3. 다중분해속도(Multi k Analysis) 평가 33
• 3.1.3.1. Multiple Reaction Rates Analysis 33
• 3.1.3.2. Multiple First Order Decay Rate 36
• 4. 소화조 운전 38
• 4.1. Control Reactor 제작 및 운전 38
• 4.2. 바이오메탄 회수를 위한 고온(55)소화 In-Situ Methane Enrichment System 40
• 5. 분석방법 44
• 5.1. 바이오가스 함량 및 발생량 평가 44
• 5.2. TVS(Total Volatile Solids) 제거효율 계산 48
• 5.3. 물리화학적 특성 평가 50
• IV. 연구결과 51
• 1. Sorghum의 특성 51
• 1.1. Sorghum의 물리화학적 특성 51
• 1.2. 용해도 평가(Solubilization Test) 53
• 1.3. 최종생분해도(Ultimate Biodegradability) 평가 55
• 2. Biomethane 회수를 위한 In-Situ Methane Enrichment System 평가 59
• 2.1. 연속 CO2 Stripping을 이용한 Biomethane 회수공정 평가 59
• 2.1.1. 연속포기 조건에서 Recycle Ratio와 ACR에 따른 CH4 함량 평가 60
• 2.1.2. 연속포기 조건에서 Recycle Ratio와 ACR에 따른 바이오가스 발생량과 CH4 발생량 평가 64
• 2.1.3. 연속포기 조건에서 Recycle Ratio와 ACR에 따른 TVS 제거효율 평가 70
• 2.1.4. 연속포기 조건에서 Recycle Ratio와 ACR에 따른 pH 변화 평가 73
• 2.2. 간헐 CO2 Stripping을 이용한 Biomethane 회수공정 평가 76
• 2.2.1. 간헐포기 조건에서 Recycle Ratio와 ACR에 따른 CH4 함량 평가 77
• 2.2.2. 간헐포기 조건에서 Recycle Ratio와 ACR에 따른 바이오가스 발생량과 CH4 발생량 평가 79
• 2.2.3. 간헐포기 조건에서 Recycle Ratio와 ACR에 따른 TVS 제거효율 평가 83
• 2.2.4. 간헐포기 조건에서 Recycle Ratio와 ACR에 따른 pH 변화 평가 85
• V. 결 론 88
• 참고문헌 89
• ABSTRACT 97