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바이오가스(Biogas)
1. 바이오가스란 가축분뇨나 음식물 쓰레기 등과 같은 바이오매스가 박테리아에 의해 생물학적인 분해과정을 통해 발생되는 가스를 말한다. 바이오가스는 ① 음식물 쓰레기, 가축분뇨, 하수슬러지 등의 유기물이 혐기소화과정에서 발생되는 가스 ② 쓰레기 매립장에서 발생하는 매립지가스(LFG)로 구분된다.
□ 바이오가스의 주성분 • CH4(메탄) : 40~90% • CO2(이산화탄소) : 10~60% • 기타가스 : 1 % 미만의 미량 - 수소, 일산화탄소, 암모니아, 황화수소 등 황화합물 (유기물의 종류, 소화조건에 따라 발생되는 바이오가스 조성에 차이가 있음)
2. 바이오가스의 물리, 화학적인 특성 □ 바이오가스(혼합가스) - 공기보다 가볍다. - 연소성이 있다. - 상온에서 기체상태이다. (액체상태로 만들려면 영하 170℃ 이하로 냉각해야 하며, LPG처럼 액화시켜 사용이 어렵다) - 미량 섞여 있는 암모니아 및 황화합물(H2S, R-SH, SO2) 등으로 인하여 악취가 있고 부식성이 있다. - 정제하지 않은 바이오가스 연소시 부식성 응축수를 발생시킨다. - 발열량이 낮은 편이다. ( 약 6,000 Kcal/㎥ ) 참고 : 프로판 = 24,000 Kcal/㎥, 부탄 = 31,000 Kcal/㎥ □ CH4(메탄가스)의 특성 - 도시가스(천연가스)의 주성분 - 연소범위 5~15% - 공기보다 가볍다. - 액화시키기 어렵다.
□ CO2(이산화탄소)의 특성 - 공기중에 0.3% 포함되어 있다. - 무색, 무미, 무취가스 - 공기보다 무겁고 액화시킬 수 있다.(비점 영하 78℃)
3. 바이오가스의 연소특성 □ 바이오가스 연소범위 바이오가스는 메탄이 주성분이어서 메탄의 연소범위인 5~15% 보다 연소범위가 약간 더 좁다. * 연소범위란 공기중에 가연성가스가 불에 타거나 폭발할 수 있는 범위를 말하는 것으로 메탄가스가 공기중에 5%~15% 섞여 있을 때만 연소되고 5%이하이거나 15%이상 메탄이 섞여 있을 때에는 점화원이 있어도 불에 타지 않는다.
□ 발열량 바이오가스 5,000~7,000 Kcal/㎥ 프로판 : 24,000 Kcal/㎥, 부탄 : 31,000 Kcal/㎥ * 발열량이 다르므로 발열량에 맞는 연소기구 선정이 필요 함.
□ 연소반응식 CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O H2S + 2O2 → H2O + SO2 * 바이오가스 중에 유황(S) 성분을 제거 하지 않으면 강산성 응축수가 발생되어 장치를 심각하게 부식시킬 수 있다.
4. 바이오가스의 저장 □ 소화조 상부에 직접 가스를 저장
- 설비가 간단하다 - 소규모설비에 적용 - 가스 압력변화에 대응할 수 있다.
□ 가스홀더에 저장
① 건식홀더(Gas Bag Type) - 가스유량변화에 대응할 수 있다. - 가스출구압력을 일정하게 유지할 수 있다.
② 습식홀더(수봉형) - 가스유량변화에 대응할 수 있다. - 가스출구압력을 일정하게 유지할 수 있다. - 동절기 수조의 물이 동결방지 조치가 필요하다. - 가스중에 수분함량이 높아 질수 있다.
□ 가스탱크 저장
① 횡형탱크 ② 입형탱크 ③ 원형탱크 - 가스유량에 따라 탱크내 압력변화가 있다. - 설비의 내구성이 크다. - 초기 설비비가 많은 편이다. - 탱크내 부압이 걸리지 않도록 하는 장치가 필요하다. - 가스사용시에는 가스압력 조절장치가 필요하다.
5. 바이오가스의 정제 □ 가스정제의 목적 - 바이오가스는 H2S, SO2, 메르캅탄 등 황화합물과 암모니아(NH3) 등이 미량섞여 있지만 장치의 부식 및 악취의 원인이 되므로 이러한 물질을 제거해야 한다. - 가스의 사용목적에 따라 바이오가스중의 메탄의 순도를 높이고 발열량을 조절이 필요하므로 이산화탄소(CO2)의 제거가 필요하다. □ 황화합물의 제거 - 탈황장치 : 건식, 습식 탈황장치
□ CO2의 제거 ① 물세척법(Water Scrubbing) ② 화학적 흡착법(Polyethylene Glycol Scrubbing) ③ 탄소흡착법(Carbon Molecular Sieves PSA) ④ 막분리법(Membrane Separation)
6. 바이오가스의 이용 □ 열병합발전 ① 열병합발전 이란 ② 열병합발전기의 종류 - 엔진형 발전기 - 터빈형 발전기 - 마이크로가스터빈 발전기(MGT) ③ 폐열의 활용 - 혐기소화조 가온 - 건조열 활용( 조사료 생산, 퇴비생산, 농산물 건조) - 비닐하우스 난방
□ 가스보일러, 가스렌지 - 축사 난방 - 취사용 연료
□ 건조로, 가열로 사용 - 비닐하우스 난방 - 농산물 건조 - 조사료생산 - 퇴비 생산
□ 냉난방기 연료 - 흡수식 냉온수기 - GHP(Gas Engine Heat Pump)
□ 자동차연료 - 메탄가스의 순도가 90% 이상이 되도록 바이오가스 정제가 필요함 - 고압압축(200 bar 이상) - 압축 및 충전설비가 필요
□ 연료전지 - 바이오가스중에서 수소를 분리하여 이용 - 수소 분리막(Membrane) 활용
7. 바이오가스 안전관리 □ 화재, 폭발 ① 누출 - 바이오가스는 주로 메탄가스로서 가연성 가스이므로 누출되거나 공정상에서 공기가 혼입되어 연소, 폭발 할 수 있다. - 누출시 공기보다 가볍고 연소한계가 높아 LPG보다는 안전하지만 일반 도시가스와 비슷하다. - 누출시 가스가 체류되지 않도록 한다.
안전대책 - 가스발생시설과 사용시설 주변에 가스 누설경보기를 설치한다. - 가스발생시설관련 전기 설비는 방폭형을 사용하여야 한다.
② 공기혼입 - 가스저장탱크나 혐기소화조 등 운전조건이 급변하거나 가스사용량이 갑자기 늘어 나면 순간적으로 가스압력이 떨어지면서 대기압이하로 낮아 질 수 있다. 이때 공기가 장치내(바이오가스저장탱크, 가스배관 등)로 혼입되며 공기가 혼입되면 가스의 연소조건을 갖추게 되어 점화원이 있으면 연소, 폭발할 수 있다. - 초기운전시 가스탱크와 가스배관에 공기가 있는 상태에서 가스를 공급하면 대단히 위험하므로 가스가 통하는 모든 설비는 사전에 공기를 제거하는 조치가 필요하다.
③ 질식 - 혐기소화조, 가스저장탱크, 액비저장탱크에 정비작업, 점검 등의 목적으로 설비내부에 들어 갈 때는 산소결핍에 의한 질식사고 또는 유독가스 중독사고에 대한 예방 조치가 필요하다.
- 바이오가스 설비 내부 작업을 위해서는 산소농도 측정 유해가스농도 측정 필요에 따라 공기흡입구 착용 최소한 2인 1조로 작업하며 1명은 설비밖에서 작업의 안전을 도모하도록 한다. |
출처: Biogas, Organic Agriculture 원문보기 글쓴이: 알리
