축산분뇨 발생 메탄가스 포집/회수 및 동시 N2O 처리 실증화 기술 …

글로벌탑환경기술개발사업

축산분뇨 발생 메탄가스 포집/회수 및 동시 N2O 처리

실증화 기술 개발

Development of demonstration technology for methane recovery

and N2O treatment from livestock manure anaerobic digestion gas

(주)세프라텍

환 경 부

과제번호 2013001690001

국가연구개발 보고서원문 성과물 전담기관인 한국과학기술정보연구원에서 가공·서비스 하는 연구보고서는 동의 없이 상업적 및 기타 영리목적으로 사용할 수 없습니다.

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환경기술개발사업 최종보고서(제출서)

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볼 보고서를 “축산분뇨 발생 메탄가스 포집/회수 및 동시 N20 처

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- 2 -

【별지 제8-2호 서식】

요 약 서

사업명 글로벌탑환경기술개발사업 과제번호 2013001690001

단위사업명Non-CO2온실가스

저감기술개발사업단

대분야Non-CO2온실가스

저감기술개발사업단

중분야Non-CO2

온실가스(CH4,N20,HFCs,PFCs,SF6,NF3) 저감기술

과제명 축산분뇨 발생 메탄가스 포집/회수 및 동시 N2O 처리 실증화 기술 개발 기술단계 개발

최종성과 기술 바이오가스 정제용 막접촉기 시스템 참여기업 (주)세프라텍

연구책임자 YEOMCHOONGKYUN

최종연도참여

연구원수 12 명

최종연도연구개발

비

정부:747,000천원민간:249,000천원 계: 996,000천원

총 연구기간 참여

연구원수 15 명

총 연구개발

비

정부:1,384,100천원민간: 461,540천원 계: 1,845,640천원

연락처 이메일 [email protected]

총 연구기간

2013.11.01~2017.10.31

연구기관명 및 소속부서명 (주)세프라텍, 관리

연구기관 유형 중소기업

위탁기관명 위탁책임자

개발 목적

및 필요성

- 우리나라는 온실가스 감축목표를 2020년 온실가스 배출전망치(BAU) 대비

30%로 설정하여 부분별 감축전략을 설정 중.

- 유기성 폐기물의 처리법이 단순 매립에서 혐기성소화 처리로 전환됨에 따라

다량의 바이오가스(메탄, 이산화탄소 주성분) 발생.

- 메탄은 지구온난화지수 21로 6대 주요 온실가스로 분류되며, 자원화를 통해

온실가스 저감과 신재생연료 확보 필요.

- 국내에서 운영 중인 가축분뇨 바이오가스화 시설은 주로 부가가치가 낮은

전력생산. 바이오가스 정제를 통한 연료화를 통해 고부가가치의 바이오메탄

생산 필요

연구개발

결과

연구개발

결과

1. 1차년도

- 막접촉기용 소수/다공성 중공사막 제조용 TIPS 설비를 신규 제작, 설치하고, 중

공사를 제조하였으며, 제조된 중공사는 젖음압(물에 대한 파과압력) 최대 15.1

bar, 세공율 최대 53%를 나타내었음.

- Lab-scale(0.1Nm3/hr) 규모의 막접촉기 시스템을 설계, 제작, 시험운전 하였음.

*******


- 3 -

2. 2차년도

- 막접촉기용 소수/다공성 중공사막의 60% 이상의 높은 세공율과 젖음압(물에 대

한 파과압력) 10 bar 이상의 중공사막을 제조하기 위하여 1차년도 연구결과를

바탕으로 제조 조건을 변화하여 중공사막을 제조하였음. 제조된 중공사 막은 젖

음압 8.7 bar, 세공율 57%를 나타내었음.

- 다양한 흐름 패턴을 갖는 4가지 패턴의 2인치 분리막 모듈을 제작하고 시험하

였으며, 모듈 상부, 하부에서 cross flow에 의한 혼합효과가 큰 패턴 D가 가장

우수한 분리막 모듈 형태임을 확인하였음.

- Lab-scale(0.1Nm3/hr) 규모의 막접촉기 시스템을 이용하여 CH4/CO2 혼합기체를

대상으로 2인치 패턴 D 모듈에 대한 다양한 운전조건에서의 분리성능을 시험하

였으며, 2인치 패턴 D 모듈의 결과를 바탕으로 3인치 패턴 D 모듈을 제작하여,

혼합기체 유량 2,250 sccm, 기체 압력, 2.5 bar, 액체 유량 4 L/min, 액체 압력

3.0 bar에서 잔류측 CO2 농도 3.3% (CH4 96.7%), 시스템 회수율 97%를 달성하였음.

3. 3차년도

- 국내 최대의 모듈 직경 8 inch/막면적 40 m² 막접촉기용 대형 모듈화 기술을

개발

- Lab-scale(0.2Nm³/hr) 규모의 막접촉기 시스템을 이용하여 CH4 / CO2 혼합기체

를 대상으로 최적 모듈 조합을 완성하였고 다양한 운전조건에서의 분리성능을

최적화하여 막접촉기 대형화할 수 있는 데이터(물질전달계수, 기체 투과량 등)를

확보하였음.

- Lab-scale 규모의 시스템에서 흡수액 온도에 따른 성능시험을 수행하였고 황화

수소 / 암모니아를 포함한 모델가스를 적용하여 GC peak 상 황화수소 / 암모니

아 성분이 검출되지 않았음.

- Lab-scale(0.2Nm³/hr) 막접촉기 시스템 테스트결과 혼합기체 유량 2000 sccm, 기

체 압력 7.5 ~ 9.5 bar, 잔류측 CO2 농도 3.7%(CH4 96.3%), 시스템 회수율

98.2%를 달성하였음.

- Demo-scale 메탄가스 포집∙회수용 고효율 막접촉기 시스템 (10 Nm³/hr)을 설계

/제작할 수 있는 제반기술을 확보.

- Demo-scale 메탄가스 포집∙회수용 고효율 막접촉기 시스템 (10 Nm³/hr)을 설계

/제작.

4. 4차년도

- Demo-scale 메탄가스 포집∙회수용 고효율 막접촉기 시스템 최적화 및 신뢰성을

확보하였음.

- 메탄가스 포집∙회수농도 : 97.2%, 회수율 : 98% 이상

- Scale-up(50 Nm³/hr) 메탄가스 포집∙회수용 고효율 막접촉기 시스템 기초설계자

료 작성


- 4 -

공정·제품

사진 및 도면

<Lab-scale(0.1Nm3/hr) 막접촉기 시스템> <3인치 막접촉기 모듈>

<막흡수∙탈기용 대형 중공사막 모듈, 막면적 : 40m2>


- 5 -

<Demo-scale 메탄가스 포집∙회수용 막접촉기 시스템(10 Nm3/hr)>

성능사양 및

기술개발 수준

- Lab-scale(0.1Nm3/hr) 막접촉기 시스템 : 혼합기체(CH4/CO2=43/57) 공급유량

2,250 sccm, 잔류측 CO2 농도 3.3%(CH4 96.7%), 시스템 CH4 회수율 97%

- Demo-scale(10Nm3/hr) 막접촉기 시스템 : 혼합기체(CH4/CO2=43/57) 공급유량

2,250 sccm, 잔류측 CO2 농도 2.0%(CH4 97.2%), 시스템 CH4 회수율 98%

활용계획

- 바이오가스로부터 개발된 메탄 회수 및 전/후처리를 통합한 막접촉기 시스

템을 축산분뇨 바이오가스 자원화 시설에 적용하여 발생되는 메탄을 회수

시스템 사업화

- 국내 적용 사례를 발판으로 해외 바이오가스 플랜트의 메탄 고질화 부분에

개발된 막접촉기 시스템 적용

주요성과

특허출원(국내) 5건 등록(국내) 4건

출원(국외) 1건 등록(국외) 건

논문 SCI급 건 일반 건

인증 신기술인증 건신기술검

증 건

매출 국내매출 198,370,000원 해외수출 313,370,843원

정책활용 제안 건 채택 건

기타

색인어

(각 5개 이상)

(한글) 막접촉기, 메탄, 흡수제, 중공사막

(영문) Membrane contactor, Methane, Absorbent, Hollow fiber membrane


- 6 -

요 약 문

□ 연구개발결과의 보안등급

보안등급 분류 □ 보안과제 ■ 일반과제

결정 사유※ 보안과제인 경우 필히 전문위원과 협의한 후 결정사유에

대해 전문위원이 내용 작성

※ 본문의 내용을 요약하여 작성(최종평가시 평가활용 자료이므로 반드시 작성)

□ 평가의 착안점 및 기준 ※ 협약용 연구개발 계획서 내용을 참고하여 작성

구분 세부내용 평가의 착안점 및 기준

1차년도

소수성 중공사막 고분자소재 선정 및 다공성 중공사막 제조기술 확립

- 표면에너지(SE) 33(103 N/m) 이하, 젖음압(WP) 5 bar 이상, 기공율 50% 이상

Lab-scale 막접촉기(막흡수/막탈기) 시스템 구축

- Lab-scale 막접촉기(막흡수/막탈기) 시스템 구축 여부

2차년도

다공성 중공사막 및 모듈 제조 기술 최적화- 표면에너지(SE) 33(103 N/m) 이하, 젖음압(WP) 10 bar 이상, 기공율 60% 이상

접촉기용 중공사 모듈 설계 최적화 - 접촉기용 중공사 모듈 설계Lab-scale 막접촉기(막흡수/막탈기) 시스템 운전

- Lab-scale 막접촉기(막흡수/막탈기) 시스템 운전 데이터 확보 여부

3차년도

막흡수·탈기용 대형 중공사막 모듈화 기술 개발

- 막면적 25 ㎡ 이상

Demo-scale 막접촉기 시스템 제작 및 운전- 메탄가스 포집·회수 농도 97% 이상, 회수율 90% 이상, 처리용량 10 N㎥/h (633 ton CO2 eq/year)

4차년도

Demo-scale 막접촉기 시스템 제작, 운전 및 최적화

- 메탄가스 포집·회수 농도 97% 이상, 회수율 90% 이상, 처리용량 10 N㎥/h (633 ton CO2 eq/year), 기존 흡수공정 대비 에너지 소비율 90% 이하, 설비 집적율 20% 이상

Demo-scale 막접촉기 운전을 통해 환경신기

술 검증 획득- 환경신기술 인검증

최종평가

막흡수·탈기용 대형 중공사막 모듈화 기술 개발

- 막면적 25 ㎡ 이상

Demo-scale 막접촉기 시스템 최적화- 메탄가스 포집·회수 농도 97% 이상, 회수율 90% 이상

Demo-scale 막접촉기 운전을 통해 환경신기

술 검증 획득- 환경신기술 인검증


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Ⅰ. 연구과제명◦ 주 관 과 제 명 : 축산분뇨 발생 메탄가스 포집/회수 및 동시 N2O 처리 실증화

기술 개발

◦ (세부1)과제명 : 막접촉기 단위기술 및 통합 공정기술 개발

◦ (세부2)과제명 : 막접촉기 전/후처리 기술 개발

◦ (세부3)과제명 : 전기화학을 이용한 N2O의 상온 환원 기술 개발

Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성

- 우리나라 온실가스(CO2, CH4, N2O, PFCs, HFCs, SF6) 배출량은 세계 10위 수준. 교토체제 이

후 강제적 온실가스 감축의무를 지게 될 가능성 매우 크며 배출 규제가 국제적으로 강화.

- 우리나라는 온실가스 감축목표를 2020년 온실가스 배출전망치(BAU) 대비 30%로 설정하여

부분별 감축전략을 설정 중.

- 인간의 생산·소비활동에서 발생되는 폐기물의 일방적인 방출, 매립 및 소각은 환경에 악영향.

- 유기성 폐기물의 처리법이 단순 매립에서 혐기성소화 처리로 전환됨에 따라 다량의 바이오

가스(메탄, 이산화탄소 주성분) 발생.

- 메탄은 지구온난화지수(Global Warming Potential: GWP)가 이산화탄소에 비해 21배 높고 6

대 주요 온실가스로 분류되어 있으며, 자원화를 통해 온실가스 저감과 동시에 신재생연료 확

보를 위한 기술 개발이 진행되고 있음.

- 바이오가스를 연료화 할 경우 기존 천연가스 인프라를 활용할 수 있어 신재생 연료 중 가장

빠른 적용이 가능함.

- 국내에서 운영 중인 가축분뇨 바이오가스화 시설은 부가가치가 낮은 전력생산이 주를 이루

고 있어, 바이오가스 정제를 통한 연료화를 통해 고부가가치의 바이오메탄 생산이 필요함.

Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위

1. 1차년도

- 소수/다공성 중공사막 재료 선정

- 제조 조건에 따른 중공사막 제조 및 평가

- 순수 물 흡수제를 이용한 lab-scale(0.1Nm3/hr) 막흡수/막탈기(막접촉기) 시스템 구축


- 8 -

2. 2차년도

- 막접촉기용 중공사 분리막 제조 조건 최적화

- Lab-scale(0.1Nm3/hr) 막접촉기 시스템 운전

- Lab-scale(0.1Nm3/hr) 막접촉기 시스템 물질전달계수 도출

- 도출된 물질전달 계수를 이용한 전산모사 시뮬레이션을 통해 Pilot-scale 막접촉기 시스템 상

세 설계

3. 3차년도

- 막접촉기용 대형 모듈화 기술 개발

- Demo-scale 막접촉기 시스템 상세설계

- Demo-scale 메탄가스 포집·회수용 고효율 막접촉기 시스템 제작, 운전

4. 4차년도

- Demo-scale 메탄가스 포집·회수용 고효율 막접촉기 시스템 제작, 운전 및 최적화

- Demo-scale 막접촉기 시스템 신뢰성 확보

- 대형시스템(50Nm3/hr 이상) 기초 설계자료 작성

- Demo-scale 막접촉기 시스템 운전을 통해 환경신기술 검증 획득

Ⅳ. 연구개발 결과

1. 1차년도

- 막접촉기용 소수/다공성 중공사막 제조용 TIPS 설비를 신규 제작, 설치하고, 중공사를 제조하였으

며, 제조된 중공사는 젖음압(물에 대한 파과압력) 최대 15.1 bar, 세공율 최대 53%를 나타내었음.

- Lab-scale(0.1Nm3/hr) 규모의 막접촉기 시스템을 설계, 제작, 시험운전 하였음.

2. 2차년도

- 막접촉기용 소수/다공성 중공사막의 60% 이상의 높은 세공율과 젖음압(물에 대한 파과압력) 10

bar 이상의 중공사막을 제조하기 위하여 1차년도 연구결과를 바탕으로 제조 조건을 변화하여 중

공사 막을 제조하였음. 제조된 중공사 막은 젖음압 8.7 bar, 세공율 57%를 나타내었음.


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- 다양한 흐름 패턴을 갖는 4가지 패턴의 2인치 분리막 모듈을 제작하고 시험하였으며, 모듈 상부,

하부에서 cross flow에 의한 혼합효과가 큰 패턴 D가 가장 우수한 분리막 모듈 형태임을 확인하

였음.

- Lab-scale(0.1Nm3/hr) 규모의 막접촉기 시스템을 이용하여 CH4/CO2 혼합기체를 대상으로 2인치

패턴 D 모듈에 대한 다양한 운전조건에서의 분리성능을 시험하였으며, 2인치 패턴 D 모듈의 결

과를 바탕으로 3인치 패턴 D 모듈을 제작하여, 혼합기체 유량 2,250 sccm, 기체 압력, 2.5 bar, 액

체 유량 4 L/min, 액체 압력 3.0 bar에서 잔류측 CO2 농도 3.3%(CH4 96.7%), CH4 회수율 97%를

달성하였음.

3. 3차년도

- 국내 최대의 모듈 직경 8 inch/막면적 40 m² 막접촉기용 대형 모듈화 기술을 개발

- Lab-scale(0.2Nm³/hr) 규모의 막접촉기 시스템을 이용하여 CH4/CO2 혼합기체를 대상으로 최적 모

듈 조합을 완성하였고 다양한 운전조건에서의 분리성능을 최적화하여 막접촉기 대형화할 수 있는

데이터(물질전달계수, 기체 투과량 등)를 확보하였음.

- Lab-scale 규모의 시스템에서 흡수액 온도에 따른 성능시험을 수행하였고 황화수소/암모니아를 포

함한 모델가스를 적용하여 GC peak 상 황화수소/암모니아 성분이 검출되지 않았음.

- Lab-scale(0.2Nm³/hr) 막접촉기 시스템 테스트결과 혼합기체 유량 2000 sccm, 기체 압력 7.5 ~

9.5 bar, 잔류측 CO2 농도 3.7%(CH4 96.3%), 시스템 회수율 98.2%를 달성하였음.

- Demo-scale 메탄가스 포집․회수용 고효율 막접촉기 시스템 (10 Nm³/hr)을 설계/제작할 수 있는

제반기술을 확보.

- Demo-scale 메탄가스 포집․회수용 고효율 막접촉기 시스템 (10 Nm³/hr)을 설계/제작.

4. 4차년도

- Demo-scale 메탄가스 포집․회수용 고효율 막접촉기 시스템 (10 Nm³/hr) 최적화

: 메탄가스 포집∙회수농도 : 97.2%, 회수율 : 98% 이상

G/L 1.5~1.7, 차압 0.3~0.6bar 조건에서 retentate CH4의 농도는 97~99%를 나타냄.

G/L 1.5~1.7, 차압 0.3~0.6bar 조건에서 CH4의 회수율은 98% 이상을 나타냄.

- Scale-up(50 Nm³/hr) 메탄가스 포집∙회수용 고효율 막접촉기 시스템 기초설계자료 작성


- 10 -

Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획(기대효과)

1. 연구개발결과의 활용계획

- 개발된 바이오가스로부터 메탄 회수 및 전/후처리를 통합한 막접촉기 시스템을 축산분뇨 바

이오가스 자원화 시설에 적용하여 발생되는 메탄을 회수하여 시스템 사업화.

- 국내 적용 사례를 발판으로 해외 바이오가스 플랜트의 메탄 고질화 부분에 개발된 막접촉기

시스템 적용.

2. 사업화계획

- 바이오가스 정제용 분리막 접촉기 시스템 기술의 우수성, 고질 연료화의 경제성 등을 중심으

로 현재 국내에 설치, 운영 중인 축산분뇨 이용 바이오가스 생산 시설(9개소)을 우선 대상으

로 개발된 기술이 적용될 수 있도록 적극 홍보.

- 향후 국내에 설치가 확대될 축산분뇨 자원화 시설에 분리막 접촉기 시스템을 이용한 바이오

메탄 생산을 위해 관련 지자체 및 기업(건설사, 환경분야 사업자, 혐기성 소화 사업자 등)에

기술 홍보.

- 국내 적용 사례를 발판으로 해외 바이오가스 플랜트의 메탄 고질화 부분에 개발된 분리막

접촉기 시스템이 적용될 수 있도록 정부출연연구원, 대학과의 협조를 통해 적용 가능한 해외

바이오가스 플랜트 데이터베이스 구축 및 기술 홍보.

- 연구 개발 기간 동안 발생되는 세부 연구결과를 바탕으로, 분리막 접촉기용 중공사 분리막,

분리막 접촉기용 중공사 분리막 모듈, 분리막 접촉기 시스템 등의 판매를 통해 매출 발생 예

상됨.


- 11 -

SUMMARY

(영문요약문)

Ⅰ. Title◦ Total Project Name : Development of demonstration technology for

methane recovery and N2O treatment from livestock

manure anaerobic digestion gas

◦ Unit Research Project 1 : Development of unit/integration process of

membrane contactor

◦ Unit Research Project 2 : Development of pre-treatment and

post-treatment of membrane contactor system

◦ Unit Research Project 3 : Development of electrochemical reduction

method of N2O at room temperature

Ⅱ. The Objective & Necessity of the Research- Emission of greenhouse gases(CO2, CH4, N2O, PFCs, HFCs, SF6) of Korea is ranked at

world top 10. Korea is possible for forced reduction duty of greenhouse gases and

international regulation for greenhouse gas emission has been strengthen.

- Korea established strategy of 30% greenhouse gases reduction based on 2020 BAU

- Organic waste treatment method has been changed from simple landfilling to anaerobic

digestion and much biogas(methane, carbon dioxide) is generated from anaerobic

digestion.

- Methane has 21 of GWP and classified as major greenhouse gas. Recovery of methane

from biogas can reduce greenhouse gas emission and secure renewable fuel.

- Upgraded biogas can use natural gas infra so that it can be applied easily among

renewable fuel.

- Most of plant of anaerobic digestion for livestock manure in Korea use raw biogas for

electricity generation. It is necessary to change to upgrading of biogas because

upgraded biogas can be use as fuel which has high added value.


- 12 -

Ⅲ. Contents and Scope

1. 1st year

- Selection of polymer material for hydrophobic/porous hollow fiber membrane

- Hollow fiber membrane manufacturing and evaluation

- Lab-scale(0.1Nm3/hr) membrane contactor system construction

2. 2nd year

- Optimization of hollow fiber membrane manufacturing condition

- Operation of lab-scale(0.1Nm3/hr) membrane contactor system

- Mass transfer equation evaluation

- Pilot-scale membrane contactor system design

3. 3rd year

- Development of large modularization technology for membrane contactor(membrane area

: over 40m2)

- Detailed design of demo-scale membrane contactor system

- Production and operation of high efficiency membrane contactor system for demo-scale

methane gas recovery

4. 4th year

- Production, operation and optimization of high efficiency membrane contactor system for

demo-scale methane gas recovery

- Reliability of demo-scale membrane contactor system(10Nm3/hr)

- Basic design preparation of large-scale system(over 50Nm3/hr)

- Acquired environmental new technology verification through operation of demo-scale

membrane contactor system


- 13 -

Ⅳ. Results

1. 1st year

- New TIPS system for manufacturing hydrophobic porous hollow fiber membrane was

constructed and manufactured hollow fiber membrane showed 15.1 of water breakthrough

pressure and 53% of porosity.

- Lab-scale(0.1Nm3/hr) membrane contactor system was constructed and test run was carried

out

2. 2nd year

- Hollow fiber membrane manufacturing condition was tunned based on 1st year results and

they showed 8.7 bar of water breakthrough pressure and 57% of porosity.

- 4 type of 2 inch membrane module was prepared and pattern D module showed best CO2

removal efficiency.

- Lab-scale(0.1Nm3/hr) membrane contactor system was tested with CH4/CO2 mixture and 2 inch

pattern D at various operation condition. 3 inch module was prepared based on results of 2

inch test. 3 inch pattern D module showed 96.7% of CH4 purity and 97% of CH4 recovery at

feed gas flow rate of 2,250 sccm(2.5bar) and liquid flow rate of 4L/min(3.0bar).

3. 3rd year

- Development of large modularization technology for membrane contactor(diameter of 8

inches/membrane area of 40 m² )

- The optimum module combination of CH4/CO2 mixed gas was accomplished using a

lab-scale(0.2 Nm³/hr) membrane contactor system and data that can maximize the

membrane contactor by optimizing the separation performance under various operating

conditions(transmission coefficient, gas permeability, etc.).

- In the lab-scale (0.2 Nm³/hr) membrane contactor system test, the mixed gas flow rate

was 2000 sccm, the gas pressure was 7.5 ~ 9.5 bar, the residual CO2 concentration was

3.7% (CH4 96.3%) and the system recovery rate was 98.2%.

- Design and manufacture of high efficiency membrane contactor system (10 Nm³/hr) for

demo-scale methane gas recovery.


- 14 -

4. 4th year

- Optimization of high efficiency membrane contactor system (10 Nm³/hr) for demo-scale

methane gas recovery (Methane gas recovery concentration: 97.2%, recovery rate: 98%

over).

- Basic design preparation of large-scale system(50Nm3/hr) for high efficiency membrane

contactor system.

Ⅴ. Business Application Based the Outcomes

1. Business application based the outcomes

- Promotion of membrane contactor system for upgrading biogas to biogas plant using

livestock manure(9 plants) which is operating for applying membrane contactor

upgrading system.

- Promotion of membrane contactor system and technology to local government and

related company for applying membrane contactor upgrading system to new anaerobic

digestion plants which will be constructed in the future.

- Establishment of data base and promotion to biogas plant in world wide based on local

applying references.

- Sales of hydrophobic porous hollow fiber membrane, membrane module to customer.


- 15 -

< 목 차 >

1. 연구개발과제의 개요 ········································································· 16 1-1. 연구개발 목적 ·································································································· 16

1-2. 연구개발의 필요성 ·························································································· 16

1-3. 연구개발 범위 ·································································································· 23

2. 국내외 기술개발 현황 ······································································· 25

3. 연구수행내용 및 결과 ······································································· 29 3-1. 연구개발의 내용(범위) 및 최종목표 ······························································ 29

3-2. 연구개발 결과 및 토의 ··················································································· 33

3-3. 연구개발 결과 요약 ······················································································ 100

4. 목표달성도 및 관련분야 기여도(환경적 성과 포함) ···················· 101 4-1. 목표달성도 ······································································································ 101

4-2. 관련분야 기여도 ···························································································· 102

5. 연구결과의 활용계획 등 ································································· 103

6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ······································· 104

7. 연구개발결과의 보안등급 ································································ 104

8. NTIS에 등록한 연구시설·장비현황 ················································· 104

9. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ····· 105

10. 연구개발과제의 대표적 연구실적 ·················································· 105

11. 기타사항 ···························································································· 106

12. 참고문헌 ···························································································· 106

부 록(기타 부록, 지침서, 매뉴얼, 안내서, 핸드북 등)


- 16 -

1. 연구개발과제의 개요

1-1. 연구개발 목적 가. 지구온난화에 따른 국제 환경규제 및 온실가스 감축 의무 가시화

(1) 우리나라 온실가스(CO2, CH4, N2O, PFCs, HFCs, SF6) 배출량은 세계 10위 수준. 교

토체제 이후 강제적 온실가스 감축의무를 지게 될 가능성이 매우 크며 배출 규제가 국

제적으로 강화되고 있다.

(2) 우리나라는 온실가스 감축목표를 2020년 온실가스 배출전망치(BAU) 대비 30%로 설

정하여 부분별 감축전략을 설정하였다.

나. 국제유가 상승 및 화석연료의 무분별한 소비에 따른 새로운 연료 확보

(1) EU, 미국, 영국, 일본 등은 에너지 자립도를 높이기 위한 정책의 일환으로 바이오가스

생산 및 활용기술개발 및 시설 보급화를 위한 정책을 제시하였다.

(2) 에너지의 해외 의존도가 97%인 우리나라도 화석연료를 대체하며 에너지 자립도를 높일

수 있는 자원으로서 바이오가스의 활용에 대한 필요성이 대두되었다.

다. 세계적으로 바이오 메탄 연료화 기술개발 관심 고조

(1) 인간의 생산·소비활동에서 발생되는 폐기물의 일방적인 방출, 매립 및 소각은 환경에

악영향을 끼친다.

(2) 유기성 폐기물의 처리법이 단순 매립에서 혐기성소화 처리로 전환됨에 따라 다량의 바

이오가스(메탄, 이산화탄소 주성분)가 발생한다.

(3) 메탄은 지구온난화지수(Global Warming Potential: GWP)가 이산화탄소에 비해 21배

높고 6대 주요 온실가스로 분류되어 있으며, 자원화를 통해 온실가스 저감과 동시에 신

재생연료 확보를 위한 기술 개발에 박차를 가하고 있다.

(4) 바이오가스를 연료화 할 경우 기존 천연가스 인프라를 활용할 수 있어 신재생 연료 중

가장 빠른 적용이 가능하다.

1-2. 연구개발의 필요성

가. 연구개발의 중요성 및 배경

(1) 지구온난화에 따른 국제 환경규제 및 온실가스 감축 의무 가시화

(가) 우리나라 온실가스(CO2, CH4, N2O, PFCs, HFCs, SF6) 배출량은 세계 10위 수준. 교

토체제 이후 강제적 온실가스 감축의무를 지게 될 가능성 매우 크며 배출 규제가 국제

적으로 강화.

(나) 우리나라는 온실가스 감축목표를 2020년 온실가스 배출전망치(BAU) 대비 30%로 설

정하여 부분별 감축전략을 설정 중.


- 17 -

(2) 국제유가 상승 및 화석연료의 무분별한 소비에 따른 연료 확보 경쟁 심화

(가) EU, 미국, 영국, 일본 등은 에너지 자립도를 높이기 위한 정책의 일환으로 바이오가스

생산 및 활용기술개발 및 시설 보급화를 위한 정책 제시.

(나) 에너지의 해외 의존도가 97%인 우리나라도 화석연료를 대체하며 에너지 자립도를 높

일 수 있는 자원으로서 바이오가스의 활용에 대한 필요성 대두.

(3) 세계적으로 바이오 메탄 연료화 기술개발 관심 고조

(가) 인간의 생산·소비활동에서 발생되는 폐기물의 일방적인 방출, 매립 및 소각은 환경에

악영향.

(나) 유기성 폐기물의 처리법이 단순 매립에서 혐기성소화 처리로 전환됨에 따라 다량의 바

이오가스(메탄, 이산화탄소 주성분) 발생.

(다) 메탄은 지구온난화지수(Global Warming Potential: GWP)가 이산화탄소에 비해 21

배 높고 6대 주요 온실가스로 분류되어 있으며, 자원화를 통해 온실가스 저감과 동시

에 신재생연료 확보를 위한 기술 개발에 박차를 가하고 있음.

(라) 바이오가스를 연료화 할 경우 기존 천연가스 인프라를 활용할 수 있어 신재생 연료 중

가장 빠른 적용이 가능함.

나. 연구개발의 필요성

(1) Non-CO2 온실가스 획기적 저감 기술개발 확보의 필요성

(가) 온실가스의 획기적인 저감 계획 마련이 시급하며, 공정 설계, 시공 단계에서부터

non-CO2(CH4, N2O, PFCs, HFCs, SF6) 온실가스 배출의 원천적 저감 방안과 더불

어 현재 배출시설의 획기적 저감 방안 필요.

(나) Non-CO2 온실가스 중 축산분뇨의 처리과정에서 동시에 발생하는 메탄(CH4)과 아산

화질소(N2O)는 이산화탄소에 비하여 지구온난화지수(GWP)가 각각 21과 310로 매우

높기 때문에 동일한 노력으로 보다 높은 온실가스 저감효과를 얻을 수 있음.

(다) 2013년 5월 현재까지 non-CO2 온실가스의 저감을 위해 외국에서 14건의 기술이 수

입 되었으며, 기술의 외국 의존도가 매우 높음. 지속적인 산업의 발달로 인해 온실 가

스 배출량은 매 해 늘어난다고 예측되기 때문에 국내의 고유한 기술 개발이 없을 경우,

국가 경쟁력 측면에서 큰 손실이 예상됨.

(2) 국내 축산분뇨 처리시설 현황

(가) 국내 축산분뇨에 연간 처리방법별 현황을 2006년을 기준으로 살펴보면, 국내 축산분뇨

처리방법은 퇴비, 액비를 생산하는 자원화가 전체의 83%를 차지하고 있지만, 대부분

허가대상 개별 농가에서 톱밥 등을 이용한 호기성 처리에 의한 퇴비 생산에 집중되어

있으며, 바이오가스와 동시에 액비를 생산하는 시설은 매우 적고 대규모 공공처리시설

에 반입되는 양 또한 전체의 6.4%에 불과하다.


- 18 -

(나) 현재, 가축분뇨공공처리시설은 환경부 관리, 감독하에 지방자치단체가 설치, 운영의 주

체가 되어 운영되고 있으며, 공동자원화사업은 농립수산식품부가 주관하여 주로 퇴비,

액비화 사업을 추진하고 있다. 공동자원화 사업을 통해 2007년부터 2010년 말 기준

전국에 30개소가 준공되어 가동 중이며, 25개소는 공사 중, 인허가 중, 시험가동 중에 있다.

2009 유기성폐자원 에너지 활용시설 현황, 2010. 7. , 환경부

(다) 기존 자원화 기술인 퇴비화 시설, 액비화 시설의 문제점은 다음과 같다.



- 19 -

(라) 이에 따라, 악취 발생이 적고 바이오가스와 액비를 동시에 생산할 수 있는 바이오가스

화 시설에 대한 관심이 높아지고 있으며, 국내에서 2009년 말 설치 운영 중인 가축분

뇨 바이오가스화 시설은 약 9개소인 것으로 조사되었다.


(마) 국내에서 운영 중인 가축분뇨 바이오가스화 시설은 부가가치가 낮은 전력생산이 주를

이루고 있어, 바이오가스 정제를 통한 연료화를 통해 고부가가치의 바이오메탄 생산이

필요하다.


- 20 -


(3) 축산분뇨 발생 메탄(CH4) 및 아산화질소(N2O) 처리에 따른 온실가스 저감 효과

(가) 국내 축산분뇨에서 발생하는 바이오가스로부터 예측되는 메탄과 아산화질소의 온실가

스 효과를 이산화탄소로 환산하면 다음과 같음. 2015년 이후 발생량은 증가 예상 가축

두수7를 바탕으로 계산하였음.


- 21 -

GHGs 2010 2015 2020 2025 2030

CH4 8,753,623 9,060,000 9,377,100 9,705,299 10,044,984

N2O2,442,271

(976,908)**2,527,750

(1,137487)2,616,222

(1,308,111)2,707,790

(1,489,284)2,802,562

(1,681,537)

SUM. 11,195,894 11,587,750 11,993,322 12,413,089 12,847,546

* 단위 : ton CO2 eq./year

** 아산화질소의 경우 발생량은 퇴비화 전, 혐기성 소화과정 발생량 (2010년 총발생량 대비 40%,

연간 증가율 1% 계상)8

1. 하수슬러지 처리현황 및 향후 정책방향, 미래환경, 2012

2. 음식물쓰레기 줄이기, 한국환경공단, 2012

3. 가축분뇨 발생량 및 처리현황, 나라지표, 2012

4. 제주권 환경에너지 종합타운 타당성조사 보고서, 환경부, 2012

5. 수도권매립지관리공사 보고서, 2008

6. 국내의 매립가스를 활용한 발전사업 및 향후전망, 전남대학교, 2002

7. 가축분뇨로부터 아산화질소 배출량 산출, 축산시설환경, 9(1), P.1~8, 2003

8. 2009년 우리나라 농경지 토양에서의 N2O 배출량 평가, 한국토양비료학회지 44권 6호, 1207-1213, 2011

(나) 2015년 예측량을 토대로 축산분뇨 분야에서 발생되는 메탄의 10%를 포집·회수할 경

우, 온실가스 저감효과를 이산화탄소로 환산하면 연간 약 90만톤의 이산화탄소 저감효

과를 나타냄.

(다) 아울러 2015년 퇴비화 전, 혐기성 소화과정에서 발생하는 N2O의 10%를 처리할 경우,

온실가스 저감효과는 연간 약 11만톤의 이산화탄소 저감효과를 나타냄.

(4) 바이오메탄 포집·회수공정을 위한 신기술 개발의 필요성

(가) 바이오가스는 발생원의 원료 종류, 혐기성 소화 방식에 따라 성분과 조성이 달라짐. 일

반적으로 메탄(CH4, 53-70%), 이산화탄소(CO2, 30-47%), 아산화질소(N2O), 황화

수소(H2S), 암모니아(NH3), 수소(H2), 질소(N2), 일산화탄소(CO)를 포함하며, 자동차

연료 또는 천연가스 혼합연료로 활용하기 위해서는 필수적으로 정제과정(메탄함량

97% 이상)이 요구됨.

(나) 상용화된 바이오가스 포집·회수기술로 물 흡수법(water scrubbing), 화학흡수법

(chemical absorption), 압력변동흡착(pressure swing adsorption, PSA)법, 분리막

법(membrane), 심냉법(cryogenics) 등이 사용되고 있음.

- 물 흡수법(water scrubbing) : 고압운전으로 인해 장치비 및 운전에너지 소비가 큼.

장치 규모를 줄이기 위해 효율적인 흡수탑 개발이 요구됨.

- 화학흡수법(chemical scrubbing) : 저압운전 가능하지만 폐수 발생, 흡수제 열화 등

으로 인해 고효율 흡수제 개발 및 공정개발이 요구됨.

- 흡착법(adsorption) : 메탄과 이산화탄소의 선택도가 낮고 불순물에 의한 오염이 심해

고성능 흡착제 및 혼성공정개발이 요구됨.


- 22 -

- 분리막법(membrane) : 고분자 막소재의 황화합물 등에 대한 취약성 및 낮은 투과선

택성 등의 기술적 한계를 극복할 수 있는 분리막 개발이 필요.

- 심냉법(cryogenics) : 메탄과 이산화탄소의 증기압의 차이를 이용하여 분리하는

기술로 장치비 및 에너지 소비가 매우 높음.

(라) 현재 스웨덴, 프랑스, 캐나다 등의 관련 기술 선진국으로부터 많은 기술료를 지불해서

도입되고 있는 흡수 및 흡착공정 기술을 대체할 수 있는 신개념의 고효율 집적형 막접

촉기 기술 개발이 필요함. 바이오가스 포집·회수 관련 국내외 기술수준은 다음과 같음.

항목 세계 최고 수준(국가/회사/기술명)

국내 최고 수준(회사/기술명/기술수입국)

기술개발 목표수준(기술명)

메탄 순도(%)

98(스웨덴/Greenlane/물

흡수법)

97(에코에너지홀딩스/물흡수법/

스웨덴)

97 이상(막접촉기)

메탄 회수율(%)

90 이상(스웨덴/Greenlane/물

흡수법)

90 이상(에코에너지홀딩스/물흡수법/

스웨덴)

90 이상(막접촉기)

(마) 막접촉기는 소수·다공성 중공사막을 경계로 기-액 접촉 즉, 혼합기체와 흡수제인 액

체가 접촉하여 혼합기체로부터 용해도가 높은 가스성분이 선택적으로 흡수제에 흡수

되어 혼합기체를 분리하는 기술임.

(바) 또한, 막접촉기 기술은 물 흡수법의 장점인 다양한 불순물과 이산화탄소의 동시 제거가

가능하므로 흡착법, 분리막 법에 비해 전처리 공정이 매우 단순하며, 소형화, 스케일

up/down 용이성, 낮은 설치비 및 운전비용 등의 장점들을 나타낼 수 있는 고효율 집

적형 분리·정제 기술임.

(사) 혐기성 소화공정 발생 바이오가스(메탄/이산화탄소) 분리기술 중 막접촉기 기술과 기

체 분리막 기술을 현재 기술수준을 토대로 비교하면 다음 표와 같음.

막접촉기 기체분리막

분리 메카니즘 기체성분의 흡수제에 대한 용해도 차

기체성분의 고분자에 대한 용해/확산 속도 차

선택도(CO2/CH4)

100 내외 (물에 대한 Henry 상수 차)

20 내외 (고체 고분자에 대한 용해도 차)

확산도/투과도 1000 GPU 내외 100 GPU 내외

불순물 전처리 불필요 필수 요소 기술

공정 단순 정도 비교적 단순 다양한 전처리로 비교적 복잡

운전 간편성 비교적 쉬움 단위공정 제어 복잡

(아) 중소규모, 다발적으로 산재되어 있는 대부분의 바이오메탄 발생원의 특성상 플랜트의

규모, 운전비용 및 환경친화성 등을 고려할 때 바이오메탄의 포집·회수기술로 매우 적

합한 기술임.

(자) 신개념 고효율 집적형 막접촉기 시스템 기술은 분리막 기술 연구 분야에서 핵심기술이


- 23 -

라 할 수 있는 소수, 다공성 중공사막 제조 기술 등의 주요 인프라가 국내에도 이미 구축

되어 있음에 따라 본 사업 종료와 함께 순수 국내기술로 상용화 및 시장 진입이 가

능한 기술로 판단됨.

(차) 개발된 막접촉 공정의 분리 원리

현재기술

흡수 막공정- 유기아민 등 유기물을 흡수제로 사용(CO2 용해도 증가)

- 부식성이 있을 뿐 아니라 제한적인 막의 안정성 야기

탈기 막공정- 흡수공정에서 용해된 CO2를 흡수제에서 제거하기 위해서

높은 온도 및 에너지 요구

개발기술

흡수 막공정- 물을 흡수제로 사용하는 환경 친화적 공정

- 기체 압력이 증가함에 따라서 기체의 용해도 증가, 분리촉진

탈기 막공정- 기체 압력을 감소시킴에 따라서 흡수제인 물에 녹는 기체의

용해도 감소에 따른 흡수제 물 재생

(5) 아산화질소 저감기술 개발의 필요성

(가) 현재 다양한 산업분야에서 발생하는 아산화질소를 저감하기 위한 기술로는 크게 기상

열저감법이나 매체입자에 의한 접촉촉매와 같은 고온처리와 저감촉매, 선택적 환원촉

매, 비선택적 환원촉매 및 전기화학적 직접저감과 같은 저온처리기술 등이 있음.

- 기상열저감법 : 800oC 이상의 연소로를 이용하여 N2O를 열 저감시키는 방법 보조연

료 사용으로 인한 비용추가와 CO2가 추가 발생하므로 고농도의 N2O 처리 시 외에는

활용도 낮음.

- 매체입자 접촉촉매법 : 알루미나 등의 매체입자를 사용하여 방법으로서 질소산화물이

증가 가능함에 따라 내구성과 N2O, 질소산화물을 모두 처리할 수 있는 매체 개발이

요구됨.

- 저감촉매법 : 촉매 담지체로 알루미나, 실리카, 지르코니아, 제오라이트 등과 촉매로

Rh, Ru, Co, Cu 등을 사용하며 반응성 향상을 위해 흡착산소원자의 반응성 향상과

Gas Solubility in water(g/100g water)

CO2 3.35 x 10-2

H2S 6.95 x 10-2

N2 2.94 x 10-4

CH4 3.97 x 10-4

Gas solubility in water

Gas pressure (P)

CO

2so

lubili

ty in w

ater

(S)

00

A

BAmount of CO2

absorbed into water

Amount of CO2removed from water

Henry's law: P = H S


- 24 -

활성점 수를 높일 필요 있음.

- 선택적 환원촉매법 : 촉매의 활성 저하의 요인이 될 수 있는 수분, NOx, SO2이 있을

경우 프로필렌과 같은 환원제와 Fe 촉매를 이용하여 선택적 저감.

- 비선택적 환원촉매법 : 배가스 중의 대량 존재하는 산소를 소비하기 위해 수소, 천연

가스, 나프타와 같은 환원제를 대량 사용함에 따라 환원제 소비 비용이 매우 높다는

단점을 가짐.

- 전기화학적 직접저감법 : 전기에너지를 이용하여 상온에서 N2O를 처리할 수 있으므로

에너지 소비가 적다는 장점을 가짐.

(나) 따라서 기존의 N2O 저감기술 대비 저비용, 고효율의 새로운 기-액 접촉 전기화학시스

템(spray법, Couette Traylor Voltex 적용) 개발 필요.

1-3. 연구개발 범위

가. 1차년도

(1) 소수/다공성 중공사막 재료 선정

(2) 제조 조건에 따른 중공사막 제조 및 평가

(3) 순수 물 흡수제를 이용한 lab-scale(0.1Nm3/hr) 막흡수/막탈기(막접촉기) 시스템 구축

나. 2차년도

(1) 막접촉기용 중공사 분리막 제조 조건 최적화

(2) Lab-scale(0.1Nm3/hr) 막접촉기 시스템 운전

(3) Lab-scale(0.1Nm3/hr) 막접촉기 시스템 물질전달계수 도출

(4) 도출된 물질전달 계수를 이용한 전산모사 시뮬레이션을 통해 Pilot-scale 막접촉기 시

스템 상세 설계

다. 3차년도

(1) 소수/다공성 중공사막 제조 및 중형 모듈화 기술 개발

(2) 중형 모듈 pilot-scale 막접촉기 시스템 적용

(3) Pilot-scale 메탄가스 포집·회수용 고효율 막접촉기 시스템 제작, 운전

(4) Demo-scale 막접촉기 시스템 상세설계(10Nm3/hr)

라. 4차년도

(1) 소수/다공성 중공사막 제조 및 대형 모듈화 기술 개발(막면적 40m2 이상)

(2) 대형 모듈 demo-scale 막접촉기 시스템 적용

(3) Demo-scale 메탄가스 포집·회수용 고효율 막접촉기 시스템 제작, 운전

(4) 대형시스템(50Nm3/hr 이상) 기초 설계자료 작성


- 25 -

2. 국내외 기술개발 현황

2-1. 국외 기술개발 현황

가. 국외 시장 현황

(1) 세계적으로 바이오메탄가스 발생량은 약 6억 톤으로 512,000 TOE(tones of oil

equivalent)에 해당되며(EPA-430-8-06-004, USEPA, 2006), 바이오가스 발생량

은 매년 증가 추세이다.

(2) 향후 포스트 교토체제가 전 세계적으로 확대되고 온실가스 저감으로 인한 탄소배출권의

거래 가격을 10∼30 $로 추산한다면 현재 수준의 바이오메탄 활용기술 시장은 연간 약

15조∼45조원 수준으로 추정 평가된다.

(3) 2009년 기준 N2O 저감기술 시장의 규모는 전 세계적으로 약 5조 2500억대 규모로 현

재 유럽이 최고 수준의 기술을 보유하고 있어 대부분의 시장을 점유하고 있다.

나. 해외 기술 동향

(1) 하·폐수시설, 매립지, 탈루 배출원, 농·축산분야 등에서 포집, 회수, 정제, 활용기술에

대한 연구가 수행되고 있다.

(2) 독일, 스웨덴, 덴마크 등 유럽국가에서는 매립지, 하수슬러지, 축산분뇨 등 고형 폐기물

의 효율적인 관리 및 생산성을 향상시킬 수 있는 집중식 혐기성 통합소화 공정을 도입

하여 생성되는 바이오가스의 고질화 플랜트 개발 및 천연가스 배관망과 연계하여 바이

오 메탄을 공급하고 있다..

(3) 미국은 DOE 지원 하에 2003년부터 상용화를 목표로 B.P. Amoco Chemical,

Schulz-Chemtech 등의 막 관련 기업에서 투과증발법, 막접촉기, 촉매막 반응기 등을

이용한 메탄 전구체 회수 기술의 활발한 실증연구가 진행 중이다.

(4) 미국 Prometheus Energy, Action Technology에서 심냉법, 스웨덴 Malmberg,

Greenlane, Purac 및 네덜란드 DMT에서 물 흡수법(water scrubbing) 및 아민을 사

용한 화학흡수법, 프랑스 Air Liquid에서 막 분리법, 캐나다 Xebec에서 압력변동흡착

법(pressure swing adsorption, PSA) 등이 개발되어 사용되고 있다.

(5) 유럽, 일본 등에서는 CO 가스를 이용하여 새로운 N2O 환원 메커니즘에 대한 연구와 함

께 효소를 이용하여 생물학적 방법을 통해 N2O의 환원방법이 보고되었다. 또한 TiO2와

같은 광촉매에 금속 나노입자를 형성하여 N2O 환원의 효율이 높이는 연구와 금속 착화

합물을 이용하여 N2O의 용해도를 높여, 환원 반응의 효율을 높이는 방법에 대한 연구

결과가 보고된 바 있다.


- 26 -

2-2. 국내 기술개발 동향

가. 국내 시장 동향

(1) 폐기물 유래 메탄은 우리나라 온실가스의 약 4.6%를 차지하고 있으며, 국내 메탄가스

발생량은 1990년 이후 4.2%의 감소세를 보이지만, 매립지 600여 곳, 하/폐수 처리장

400여 곳, 농축산 폐수 처리장 2,000여 곳, 정화조 등에서 수백만 톤 규모로 배출되고

있는 것으로 추정된다.

(2) 바이오가스 발생량의 60% 이상은 50% 이하의 메탄순도로 발생하며, 포집, 회수, 분리,

정제를 통하여 발전, 자동차연료, 도시가스 등으로 활용 가능하며, 이 경우 2015년 기

술 수준으로는 약 46.3% 온실가스 저감효과가 있는 것으로 분석된다.

(3) 메탄가스 저감기술의 적용을 위하여 필요한 설비시장 규모는 약 1조원 규모이고, 이로

인하여 얻을 수 있는 연간 경제적 이익은 약 3,000억 원으로 계상되며, 온실가스 저감

효과로 인한 시장규모는 2015년 기술 수준으로 연간 약 1,200억 원으로 산출된다.

(4) N2O 저감기술은 LCD, 자동차, 건설기계, 선박, 항공기 및 축산분뇨 분야 등 매우 다양

한 산업분야에 필요한 기술로 국내 시장은 2009년 기준으로 약 2,600억 원대 규모이나

대부분의 유럽, 일본 등의 기술이 점유하고 있다.

나. 국내 기술 동향

(1) Non-CO2 온실가스는 지구온난화지수(GWP)가 이산화탄소에 비해 매우 높아 처리에

따른 온실가스 저감효과가 크며, 기술완성도가 높다는 인식과 함께 정부부처사업으로 산

자부, 환경부 등에서 non-CO2 저감 및 처리 기술 개발 연구들이 진행 중이다.

(2) 출연연(KIER, KRICT) 및 ㈜한솔이엠이 등에서 수도권매립지의 메탄 자원화기술개발

사업을 시범적으로 추진하여 흡착공정 및 막분리 기술 등을 이용한 실증연구 개발이 진

행 중이며, ㈜에코에너지 홀딩스에서는 물 흡수법(water scrubbing)을 스웨덴으로부터

도입하여 차량용 연료로 공급하는 시범 플랜트를 설치하여 적용 운영 중이다.

(3) 한국에너지연구원(KIER), 고등기술원 및 ㈜세이브기술 등에서 350℃ 저온에서 암모니

아를 환원제로 사용하여 N2O/NOz를 동시에 저감할 수 있는 촉매를 개발하여 LCD 제

조공정, 하수처리장 등에 적용 시험을 통해 상용화 하였다.

(4) 상명대학과 포항공대 등에서는 각각 하이드로탈사이트(Co-Rh-Al)와 Fe-ZSM-5 촉

매를 이용하여 N2O 저감 반응 연구를 수행하고 있다.

2-3. 현 기술개발의 기술적 의미 및 위치

가. 선진국에서는 바이오가스 분리회수·정제기술로 물 흡수법, 화학흡수법, 압력변동흡착법

이 주로 사용하고 있는데, 물 흡수법은 바이오가스를 고압으로 가압하여 이산화탄소를

흡수시키므로 장치규모가 큼. 화학흡수법은 물과 유/무기 흡수제의 사용에 따른 폐수가


- 27 -

발생함에 따라 저온, 저압에서 작동되는 고효율 흡수제 개발이 요구됨. 흡착법은 메탄과

이산화탄소의 선택도가 낮고 불순물에 의한 오염이 심하므로 분리효율을 높이기 위한

다양한 전처리 공정이 요구됨. 분리막법은 높은 선택도를 갖는 대형 분리막 모듈의 개발

이 필요하며, 분리막 재질의 특성 상 다양한 전처리 공정이 요구된다.

나. 이러한 관점에서 본 개발 기술은 신개념의 고효율, 집적형 막접촉기 기술로 물 흡수법과

분리막법의 하이브리드 기술로서, 초기 투자비 및 운영비가 낮고 운전 및 유지관리가 용

이한 장점이 있다.

다. 본 개발 막접촉기 기술이 적용된 바이오가스 정제공정의 물질수지는 아래와 같다.

라. 현재의 개발단계에서 신개념의 고효율, 집적형 막접촉기 기술과 흡수법 기술의 물질수

지, 에너지 수지 등을 이용한 직접적인 비교는 어렵지만, 15%의 이산화탄소를 포함하는

연소배가스를 대상으로 시험된 결과를 통해 간접적인 비교가 가능함. 흡수제로 5wt%

MEA 수용액을 사용하고, 이산화탄소 15%/, 질소 85%의 혼합가스에서 이산화탄소 제

거 효율 98% 이상을 목표로 하였을 경우, 흡수액의 유속을 20cc/min으로 설정하면, 막

접촉기 부피가 흡수탑 부피의 약 1/3수준을 나타내며, 이는 같은 부피에서 더 많은 기액

접촉면을 제공할 수 있는 막접촉기의 분리효율이 흡수탑에 비해 1.5~3배 높기 때문이

다.


- 28 -

라. 본 개발 분리막 접촉기 공정은 메탄/이산화탄소 이외의 다양한 불순물 성분(황화수소,

암모니아, 실록산)의 특별한 전처리가 필요 없이 메탄을 고순도 정제할 수 있는 기술이

며, 환경 친화적인 공정 구성을 위해 탈기 가스(이산화탄소, 황화수소, 암모니아, N2O)

의 대기배출을 최소화 할 수 있는 후처리 공정을 포함함. 또한, 온실가스 효과가 큰 N2O

의 상온 환원 동시 처리를 위한 후처리 공정을 갖추고 있어 온실가스 배출 저감에 상당

한 효과가 예상된다.

마. 바이오가스의 발생원이 중소규모로 흩어져 있어 플랜트의 크기에 따른 플랜트 설치비용,

운전비용, 환경친화성 등을 고려했을 때 고효율 집적형 막접촉기 기술이 바이오가스의

포집·정제기술로 유리하다.

바. 특히 신개념의 막접촉기 기술은 기존의 외국기술에 대한 의존성에서 탈피하여 순수 국내

기술만으로 개발이 가능한 기술로 국내의 관련 연구개발 기관 및 기업체에 대한 정부의

적극적인 지원이 이루어질 경우 국내의 바이오가스 분리정제기술 시장뿐만 아니라 국외

시장에도 진입이 가능할 것으로 예상된다.

사. N2O 저감 기술은 유럽 등에 비해 많은 부분이 뒤쳐져 있으므로 저비용 고효율을 가지는

촉매의 개발 및 우수한 효율을 가지는 새로운 공정 개발 요구된다.

아. 전기화학 기반의 N2O 저감 기술은 현재 사용 빈도가 떨어지지만, 저온 공정이 가능하다

는 장점이 있기 때문에 N2O 저감을 위한 새로운 공정으로 적용 가능성이 크다.


- 29 -

3. 연구수행 내용 및 결과

3-1. 연구개발의 내용(범위) 및 최종목표 가. 연구개발 최종목표

축산분뇨 발생 메탄가스 포집·회수를 위한 고효율 집적형 막접촉기/N2O 처리 시스템

실증화 기술 개발

- 처리용량 10 N㎥/h (633 ton CO2 eq/year·system) 이상, 회수율 90% 이상

- 회수가스 조성 : 메탄순도 97% 이상 (Wobbe index 34MJ/Nm3 이상), 황화수소 1.0

mg/㎥ 이하, 실록산 10 mg/㎥ 이하, 수분 32 mg/㎥ 이하

- 대형 시스템 (50N㎥/h 이상) 기초 설계자료 확보

나. 연구개발 내용

구분 연구개발의 목표 연구개발의 내용 비고

1차년도

소수/다공성 중공사막 제조기술 확립

- 소수성 중공사막 고분자소재 선정 및 다공성

중공사막 제조기술 개발

: 표면에너지(SE) 33(103 N/m) 이하, 젖음압

(WP) 5 bar 이상, 기공율 50% 이상

주관

Lab-scale 막접촉기

(막흡수/막탈기) 구축

- Lab-scale (0.1Nm3/hr) 막접촉기 시스템

구축

2차년도

소수/다공성 중공사막 및 모듈 설계

기술 최적화

- 다공성 중공사막 제조 기술 최적화

: 표면에너지(SE) 33(103 N/m) 이하, 젖음압

(WP) 10 bar 이상, 기공율 60% 이상

- 접촉기용 중공사 모듈 설계 최적화

주관

Lab-scale 막접촉기(막흡수/막탈기)

운전

- 다양한 조건(물흡수제 유속, 공급가스 유속,

운전압력) 변화에 따른 막접촉기 운전

- Gassing(흡수)/degassing(탈기) 공정 모델

확립

- 공정모사 및 공정 최적화

- Pilot scale 막접촉기 시스템 설계

3차년도

막접촉기용 대형 모듈화 기술 개발- 막흡수·탈기용 중형 중공사막 모듈화 기술

개발 및 최적화 : 막면적 25 ㎡ 이상주관

Demo-scale 메탄가스 포집·회수용

고효율 막접촉기 시스템 개발

- Demo-scale 막접촉기 시스템 제작 및 운전

: 메탄가스 포집·회수 농도 97% 이상, 회수율

90% 이상, 처리용량 10 N㎥/h (633 ton CO2

eq/year)

주관

4차년도

Demo-scale 메탄가스 포집·회수용

고효율 막접촉기 시스템 최적화

- Demo-scale 막접촉기 시스템 제작, 운전 및

신뢰성 확보

: 메탄가스 포집·회수 농도 97% 이상, 회수율

90% 이상, 처리용량 10 N㎥/h (633 ton CO2

eq/year), 기존 흡수공정 대비 에너지 소비율

90% 이하, 설비 집적율 20% 이상

주관

환경신기술검증- Demo-scale 막접촉기 운전을 통해 환경신

기술 검증 획득

주관/

세부


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다. 연구개발 추진전략 및 방법

(1) 막흡수·탈기용 대형 중공사막 모듈화 기술 개발

○ 본 연구 1차년도에는 막접촉기(막흡수/막탈기)용 분리막 재료를 탐색하고, 다양한 제조

조건에서 중공사 분리막을 제조하여 평가한다. 2차년도에는 1차년도에 평가된 중공사

분리막 중 성능이 우수한 분리막을 대상으로 제조 조건을 최적화하며, 최적화된 중공사

분리막을 이용한 모듈을 제작하여 lab-scale 막접촉기 시스템을 이용한 실험에 사용한

다. 3차년도에는 2차년도에 최적화된 중공사 분리막을 이용하여 막접촉기용 대형 중공

사 모듈을 개발한다. 4차년도에서는 3차년에 개발한 대형 중공사 모듈을 보다 최적화한

다.

(2) 막접촉기 시스템 제작 및 운전

○ 순수한 물 흡수제를 사용하는 lab-scale의 막접촉기 시스템을 제작하고, 2차년도에는

제조된 중공사 모듈을 이용하여 lab-scale 막접촉기를 시험하여 운전 데이터를 확보하

고, 확보된 운전데이터를 시뮬레이션 하여 pilot-scale의 막접촉기 시스템 설계인자를

도출하고 상세 설계 한다. 3차년도에는 pilot-scale의 막접촉기 시스템을 현장의 실제

가스를 이용하여 운전하고 운전 data를 수집하며, 수집된 data를 바탕으로 demo-scale

막접촉기 시스템을 설계한다. 4차년도에는 각 세세부주관과 협력하여 demo-scale의

막접촉기 시스템을 제작, 현장 설치/운전하고 신기술인증을 위한 자료 데이터 축적 및

대형시스템의 설계 자료를 확보한다.

(3) Test-bed 구축

○ 3차년도에 수행될 pilot-scale 막접촉기, 4차년도에 수행될 demo-scale 막접촉기 시

스템은 실제 축산분뇨 유래 바이오가스를 대상으로 운전하여, 기술의 신뢰성을 확보할

예정이며, 이를 위한 제1 test-bed 후보인 논산계룡축협 자연순환농업센터와 접촉하여

본 기술을 소개하였다. 논산계룡축협 자연순환농업센터에서는 긍정적인 답변을 보내왔으

며, 충청남도 보고 후 막접촉기 시스템 설치 및 운전을 위한 부지 및 가스 제공에 관한

협의를 진행할 예정이며, MOU 체결을 통해 본 기술이 우선 적용될 수 있도록 한다. 또

한, 충청남도 청양 바이오가스 플랜트와도 접촉하여 본 기술을 홍보하며, 기술이 적용되

는 제2 test-bed가 될 수 있도록 긴밀한 관계를 유지한다.

(4) IP R&D

○ 1차년도에 IP R&D를 외부 전문 변리사에 의뢰하여 향후 시장 개척방향, 기술개발의

방향성 설정, 특허회피/신규특허 획득전략을 세운다.

(5) 환경신기술 획득

○ 4차년도에 수행될 demo-scale 막접촉기 시스템의 운전을 통해 최적 운전조건을 수립

하고, 이를 토대로 4차년도에 환경신기술검증을 획득한다.


- 31 -

라. 연구개발 추진체계

1차년도(2013년)

소수/다공성 중공사막 제조 기술 개발

Lab-scale 막흡수/막탈기 시스템 구축

2차년도(2014년)

소수/다공성 중공사막 및 모듈 제조기술 최적화

Lab-scale 막 접촉기(막흡수/막탈기)

시스템 운전

3차년도(2015년)

막접촉기용 대형 모듈 제조Demo-scale 막접촉기 시스템

설계/제작

4차년도(2016년)

환경신기술 검증Demo-scale 막접촉기 시스템

최적화

대형시스템 설계 자료 확보


- 32 -

마. 추진 일정

1차년도일련번호

연구내용

월별 추진 일정

비고1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1소수/다공성 중공사막 제

조기술 개발주관

2Lab-scale 막접촉기(막흡

수/막탈기) 구축주관

2차년도

1소수/다공성 중공사막

제조 및 모듈 설계 최적화주관

2Lab-scale 막접촉기 운전

및 공정 모델 확립주관

3

Pilot-scale 메탄가스

포집·회수용 고효율 막접

촉기 시스템 상세 설계

주관

3차년도

1중공사막 대형 모듈화 기

술 개발주관

2

Demo-scale 메탄가스 포

집·회수용 고효율 막접촉

기 시스템 설계

주관

3



기 시스템 제작

주관

4차년도

1



기 시스템 보완/시운전

주관

2



기 시스템 최적화

주관

3대형시스템(50Nm3/hr 이

상) 기초 설계자료 작성주관

4 환경신기술검증 주관


- 33 -

3-2. 연구개발 결과 및 토의

가. 소수/다공성 중공사막 제조기술

(1) 소수성 중공사막 고분자 소재 선정

본 연구에서 막접촉기용 소수/다공성 중공사막은 TIPS(Thermally Induced Phase

Separation)법으로 제조하고자 한다. TIPS법은 고온에서는 고분자에 대한 용매역할을 수행하

고, 저온에서는 비용매 역할을 수행하는 diluent를 고분자 재료와 혼합하여 고온에서 분리막

형상을 완성한 후 저온으로 냉각하여 분리막의 미세구조를 형성시키는 분리막 제조법이다.

TIPS법은 고분자 재료를 용매에 녹인 후 비용매와의 치환을 통해 다공성 분리막을 형성하는

NIPS(Non-solvent Induced Phase Separation)과 달리, 고분자를 녹이는 용매를 필요로 하

지 않기 때문에 다양한 고분자 재료를 이용해 분리막을 제조할 수 있으며, 다양한 기공구조의

제어가 가능하다는 장점을 갖는다.

본 연구에서 막접촉기용 소수/다공성 중공사막 재료로 PP(Polypropylene)를 선정하였다.

PP는 TIPS법에 의한 방사와 미세 기공구조의 제어가 용이한 고분자 재료이며, Table 1에서

볼 수 있듯이 표면에너지가 PVDF와 유사하게 낮아 소수성이 높은 고분자 재료이다.

Table 1. Surface energy data for common polymers

NameSurface free energy (SFE) at 20 °C in

mN/m

Contact angle with water

Polyethylene-linear, PE 35.7 96

Polyethylene-branched, PE 35.3 -

Polypropylene, PP 30.1 102.1

Polystyrene, PS 40.7 -

Polyvinyl fluoride, PVF 36.7 84.5

Polyvinylidene fluoride, PVDF 30.3 89

Polytetrafluoroethylene, PTFE 20 109.2

Polyvinylchloride, PVC 41.5 85.6

Polyvinylacetate, PVA 36.5 60.6

Po l y m e t h y lm e t h a c ry l a t e , PMMA

41.1 70.9

Polyethyleneoxide, PEO 42.9 63

Polyethyleneterephthalate, PET 44.6 72.5

Polycarbonate, PC 34.2 82

Polyetheretherketone, PEEK 42.1 -


- 34 -

상기 표에 의하면 PP의 접촉각은 102.1°로 PTFE와 유사한 값을 나타내는 소수성 고분자

재료이므로, 막접촉기용 고분자 재료로 매우 이상적인 재료이며, 막접촉기용 고분자 분리막의

주요 성능지표인 파과압력(Breakthrough Pressure)는 다음과 같은 Laplace-Young 식으로

얻을 수 있다.

cos (1)

여기서, P는 파과압력, σ는 표면에너지, θ는 접촉각, r은 분리막 세공 직경이다. PP의 파과

압력은 세공직경 0.05㎛에서 150psi로 계산되어 매우 높은 파과압력을 가질 수 있음을 알 수

있다.

(2) 소수/다공성 중공사막 제조기술 개발

(가) TIPS 중공사막 제조 설비 신규 제작, 설치

막접촉기용 PP 중공사 분리막의 제조 조건 별 특성을 연구하고, 기 보유한 TIPS 장비의 단

점을 보완한 TIPS 중공사막 제조 설비를 신규 제작, 설치, 시험가동 하였으며 기존 설비의 운

Fig. 1 신규 TIPS 중공사막 제조 설비


- 35 -

전 시 발생하는 문제점을 보완하기 위하여, 세 개의 반응기 탱크를 도입하여 제조되는 중공사

의 내, 외부 온도 제어를 용이하게 하였으며, 제어 판넬의 크기와 복잡함을 단순화하고 제어상

황을 한눈에 판단할 수 있도록 터치판넬을 이용한 제어반을 구성하여 설치하였다. Fig. 1에 신

규 설치된 TIPS 중공사막 제조 설비의 사진을 나타내었다.

(나) TIPS 중공사막 설비 시험 방사

신규 설치된 TIPS 중공사막 설비를 통해서 PP 중공사방사공정을 개발 및 최적화하였다. 다

공성의 막 구조를 특히 다공성의 외부 표면을 얻기 위해서 diluent 혼합용액 조제, 방사조건

및 응고액 조성 확립이 중요한데 기본 실험을 통해서 일련의 조성의 유기용매의 혼합용액을

diluent과 적당한 비중과 비열을 갖는 응고액 조성을 확립하였고 최적화 방사조건을 확립하였

다. 본 개발에서는 특별히 설계, 제작된 twin-screw extruder는 고온에서 다양한 조성의 PP

도포용액을 효율적으로 제조할 수 있었으며, 도포용액의 조성에 따른 중공사막 구조의 형성을

관찰, 연구를 통해서 다공성 구조의 PP 중공사막을 개발하는데 매우 중요한 역할을 하였다.

TIPS 방사장치를 통한 중공사 방사공정은 다음과 같다.

- diluent 용액과 PP를 정해진 조성으로 extruder에 설치된 각 port를 통해 투입 고온에서

도포용액 제조를 하는데 extruder로 제조할 수 있는 도포용액의 고분자 함량의 범의는 10 ~

100 wt.%이다.

- 제조된 도포용액은 중공사를 형성하는 노즐을 통해 200~250 ℃에서 중공사 형태로 방사하

였으며, 방사된 중공사는 air-gap에 의한 냉각과 응고액에 의한 냉각을 통해 상변화가 일어나

는데 air-gap의 온도 및 응고액의 온도는 상온~70 ℃로 유지하였다.

- 방사된 중공사막은 권취기에 일정속도로 권취하여 PP 중공사막을 연속적으로 생산하였으며

추출 공정을 통해서 다공성의 중공사막을 얻었다.

- Fig. 2는 방사 제조된 PP 중공사막 구조에 대한 전자현미경 사진으로 제조된 중공사막은

외경/내경은 720/450㎛를 갖고 있으며, 중공사막 내부표면에서 막 두께, 막 내부 표면까지 균

일한 구조를 갖는, 즉 symmetric 구조의 다공성 막임이 확인되고 있다. 막접촉기용 소수/다공

성 중공사막 제조용 TIPS 설비를 신규 제작, 설치하고, 중공사를 제조하였으며, 막접촉기용 소수/

다공성 중공사막의 65% 이상의 높은 세공율과 젖음압(물에 대한 파과압력) 10 bar의 중공사막을

제조하였다.

(다) 막접촉기용 PP 중공사막의 성능평가

개발된 막접촉기용 PP 중공사막의 성능평가를 위해 수돗물에 녹아있는 용존 산소를 제거 하는

평가를 실시하였다. 성능 비교를 위해 C사의 PP 중공사막을 사용하였다.

테스트 결과 우리가 개발한 막접촉기용 PP 중공사막이 용존산소 제거율이 우수한 것을 확인하였

다. 즉, 탈기효율이 우수하다는 결과를 얻었다. Fig. 3에 그 결과를 나타내었다.


- 36 -

Fig. 2 Porous PP hollow fiber membrane

Fig. 3 Dissolved oxygen(DO) removal from tap water with permeating time (Vacuum

mode and Combo mode(vacuum + sweep gas))

Pore diameter, mm

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

Fre

qu

ency

0

10

20

30

40

normal distributionreal distribution

Pore size distribution in SepraTek's PP hollow fiber

Outer view Inner view

ID/OD : 450/720mmPore size : ~0.15mmPorosity : 65%

Membrane area 0.53 m2

Water flow rate 1.3 L/minN2 flow rate 2.5 & 5 L/min


- 37 -

나. Lab-scale 막접촉기(막흡수/막탈기) 구축

여러 예비실험들과 공정 설계를 통해서 소형 lab-scale(0.1Nm3/hr) 막접촉기 시스템을 설

계, 제작하였다. Lab-scale 막접촉기 시스템은 이산화탄소 흡수를 위한 흡수 막 모듈, 흡수된

이산화탄소의 1차 탈기를 위한 탈기 탱크, 2차 탈기를 위한 탈기 막 모듈을 기본 구성으로 하

였으며, 정량의 혼합가스 주입과 분리된 가스의 유량을 측정하기 위한 MFC, MFM을 배치하

였다. 공급기체, 생산기체, 탈기 이산화탄소의 농도는 GC를 통해 분석할 수 있도록 분석라인

을 설계하였으며, 탈기 막 모듈의 가동을 위한 진공펌프 시스템을 설계에 포함하였다. 다양한

흐름 패턴을 갖는 4가지 패턴의 2인치 분리막 모듈을 제작하고 시험, 평가하는데 사용하였으며, 막

접촉기 기본공정 연구 및 공정최적화를 위한 기본 data를 얻기 위한 실험장치로 활용하였다. 제작

이 완료된 lab-scale 막접촉기 시스템이 사진을 Fig. 4에 나타내었다.

Fig. 4 Lab-scale 막접촉기 시스템

다. 막접촉기용 모듈 설계 및 시험

(1) 막모듈 설계

분리막 접촉기 모듈의 분리 성능은 모듈 내부 설계에 따라 크게 달라진다. 즉, 기체와 액체

가 향류(counter current) 흐름을 갖으면서, 모듈의 shell side로 흐르는 유체가 중공사 외벽

에 최대한 수직으로 흐르는 cross flow를 최대한 유발시켜 주어야, shell side에서의 혼합효과

가 증가하며, 혼합효과 증가에 따라 shell side bulk 상태의 농도가 빠르게 일정해져 분리막

모듈의 성능이 향상된다.

본 연구에서는 외경 2인치 크기의 4가지 패턴 분리막 모듈을 설계, 제작하여 N2/CO2 혼합

기체를 대상으로 CO2 분리성능을 시험하여 분리성능이 가장 우수한 모듈을 선택하고자 하였


- 38 -

다. 본 연구에 사용된 4가지 패턴 모듈의 개략도와 사진을 Fig. 5~8에 나타내었다. 패턴 A는

A형 내부튜브를 적용하여 모듈의 하부에서 cross flow를 유도하였으며, 패턴 B는 B형 내부튜

브를 이용하여 모듈의 상부와 하부에서 cross flow를 유도하지만 shell side 유속이 1/2로 작

아지도록 하였다. 패턴 C는 일반 모듈과 동일한 흐름을 갖는 기준 모듈로 사용하였으며, 다른

패턴과 중공사 집적도를 동일하게 유지하기 위하여 C형 내부튜브를 적용하였다. 패턴 D형은

D형 내부튜브를 적용하여 모듈의 상부와 하부에서 cross flow를 유도하지만, 패턴 B와는 다

르게 공급되는 유속을 유지시킬 수 있도록 설계하였다.

(a) 패턴 A 흐름도 (b) 패턴 A 사진

Fig. 5 Pattern A module

(a) 패턴 B 흐름도 (b) 패턴 B 사진

Fig. 6 Pattern B module

(a) 패턴 C 흐름도 (b) 패턴 C 사진

Fig. 7 Pattern C module


- 39 -

(a) 패턴 D 흐름도 (b) 패턴 D 사진

Fig. 8 Pattern D module

(2) 각 막모듈 시험

패턴에 따른 CO2 분리 성능을 확인하기 위하여, N2/CO2(50/50) 혼합가스를 이용하여

lab-scale 막접촉기 시험 장치를 이용하여 실험하였다.

(가) 운전 모드에 따른 CO2 분리 성능

(a) Ordinary membrane process (b) Membrane contactor process

Fig. 9 Comparison of ordinary membrane process and membrane contactor process

Fig. 9에 일반적인 기체분리막 공정과 막접촉기 공정을 비교하였다. 일반적인 기체분리막 공

정에서는 분리막 내부의 물질전달속도가 가장 느려 분리막 내부의 물질전달속도가 율속단계가

된다. 막접촉기 공정에서는 다공성 분리막을 사용하기 때문에 기체측 물질전달 속도와 분리막

내부 물질전달 속도가 매우 빠르고, 액체측에서의 물질전달 속도가 가장 느려 액체측에서의 물

질전달속도가 율속단계가 된다. 따라서, 막접촉기 공정에서는 액체측의 물질전달 속도를 높이

는 것이 막접촉기 공정의 효율을 결정하게 된다. 막접촉기 모듈 운전에서는 액체를 모듈의

shell side로 공급하는 방식과 중공사 안쪽인 tube side로 공급하는 방식을 모두 사용할 수

있다. 액체측 물질전달 속도를 높이기 위해 액체측에서의 혼합효과가 큰 방식을 사용하여 혼합

효과를 높여주면 기/액 계면에서 액체측의 기체 농도를 빠르게 낮추게 되어 기체측으로부터

액체측으로 전달되는 성분의 구동력을 증가시킬 수 있다. 액체측에서의 혼합효과를 높이기 위

해서는 일반적으로 일정한 방향과 모양의 흐름을 갖게 되는 tube side로 액체를 공급하는 방

식보다 cross flow를 통해 혼합효과를 증가시킬 수 있는 shell side로 액체를 공급하는 방식


- 40 -

이 유리할 수 있다.

동일 공급유량, 동일 운전압력에서 운전모드에 따른 각 패턴의 이산화탄소 분리 성능을 Fig.

9에 나타내었다. 기체를 shell side로 공급하는 GTS 모드와 액체를 shell side로 공급하는

LTS 모드로 운전하여 분리효율이 높은 운전모드를 확인하였다. 2가지 운전 모드 모두 시간에

따라 이산화탄소 농도는 점차 감소하여 일정한 농도로 수렴되었다. Fig. 10에서 보듯이, GTS

모드 운전보다 LTS 모드 운전이 CO2 분리성능이 더 우수하였다. 이는 액체를 일정한 tube

모양의 공간인 중공사 안쪽의 tube side로 공급할 때보다, shell side로 액체를 공급할 때 모

듈 패턴에 따른 혼합효과로 인하여 bulk 상태의 액체 중 CO2 농도가 더 쉽게 낮아져 더 많은

양의 CO2를 흡수하기 때문이며 LTS 모드 운전이 GTS 모드보다 CO2 분리성능이 우수하므로

추후 실험에서는 LTS 모드로 운전하여 실험결과를 확보하였다.

time(min)

0 20 40 60 80 100 120

CO2 c

once

ntrati

on in

reten

tate(%

)

0

10

20

30

40

50

A, GTSB, GTS

time(min)

0 20 40 60 80 100 120

CO2 c

once

ntrati

on in

reten

tate(%

)

0

10

20

30

40

50

A, LTSB, LTS

(a) GTS mode operation (b) LTS mode operation

Fig. 10 CO2 concentration by operation mode

L : 2.5 L/min(6.0 bar), G : 225 sccm(5.5 bar)

운전압력과 공급유량이 증가하면 GTS 모드 운전 시 shell side로 공급되는 기체가 shell

side 공간 내에서 혼합효과가 증가하므로 추후 운전압력과 공급유량이 증가된 조건에서 GTS

모드와 LTS 모드 운전을 추가적으로 비교하고자 한다.

(나) 모듈 패턴에 따른 CO2 분리 성능

동일 압력, 동일 유량, LTS 모드 운전 조건에서 모듈 패턴에 따른 CO2 분리 성능을 시험하

여 Fig. 11에 나타내었다.

Fig. 11에서 보듯이, 동일한 운전조건에서 패턴 D의 최종 CO2 농도가 가장 낮은 1.4%를

나타내어 가장 분리성능이 우수한 모듈 패턴임을 알 수 있었다. 패턴 A와 B는 모듈 내 shell

side에서 액체의 흐름 패턴이 거의 유사하기 때문에 분리성능의 차이가 미미하였다. 패턴 B의

경우 모듈 상부와 하부에서 cross flow에 의한 혼합효과를 유도하기 때문에 패턴 A, 패턴 C

에 비해 우수하지만, 패턴 D와 비교할 때 액체의 유속이 1/2로 감소하여 패턴 D에 비하여 혼

합효과가 크지 않기 때문에 패턴 D보다 높은 CO2 농도를 나타내는 것으로 생각된다. 패턴 D

는 기체와 액체의 공급유속을 모듈 내에서 유지하며, 모듈 상부와 하부 모두에서 cross flow


- 41 -

에 의한 혼합효과가 크게 나타나기 때문에 가장 분리성능이 우수하게 나타난 것으로 생각된다.

module pattern

A B C D

Final

CO2 co

ncen

tratio

n(%

)

0

1

2

3

4

5

3.8

2.0

3.7

1.4

Fig. 11 Comparison of final CO2 concentration of each module pattern

L : 2.5 L/min(6.0 bar), G : 450 sccm(5.5 bar)

라. Lab-scale 막접촉기 운전 및 공정 연구

N2/CO2 혼합가스를 이용한 사전 시험 결과, CO2 분리성능이 가장 우수한 패턴 D에

CH4/CO2 혼합가스를 공급하고 LTS 모드로 다양한 운전조건에서 시험하여 lab-scale 막접촉

기 운전 자료를 확보하고자 하였다. 다양한 운전조건에서 막접촉기 흡수 모듈을 우선 시험하였

으며, 흡수 모듈에서 대부분의 CO2가 흡수되지만, CO2가 흡수되는 동안 CH4도 일부 흡수되므

로, 흡수된 CH4를 탈기막을 이용하여 탈기 및 배출하기 전에 설치된 1차 탈기탱크에서 탈기되

도록 시스템을 보완하였다. 1차 탈기탱크에서 탈기된 CH4/CO2 혼합가스를 공급측으로 재순환

하여 전체 시스템의 CH4 회수율을 높이고자 하였으며, 1차 탈기탱크에서 탈기되지 않고 물에

남아 있는 CH4와 CO2는 탈기 모듈을 통하여 완전 탈기된다고 가정하였다. 이와 같은 가정을

바탕으로 전체 시스템의 CH4 회수율을 식(2)에 의해 계산하였다. 이와 같은 막접촉기 시스템

의 개략도를 Fig. 12에 나타내었다.

①

①④

(2)


- 42 -

Fig. 12 A schematic diagram for membrane contactor system

(1) 운전 변수 변화에 따른 운전 결과

액체 공급유량을 2.5L/min으로 고정하고, 다양한 CH4/CO2 혼합기체 공급유량과 운전 압력

에서 흡수 모듈을 시험하였으며, 흡수모듈 시험 시 액체의 압력은 기체의 압력보다 0.5bar 높

게 유지하여 CH4/CO2 혼합기체가 액체측으로 빠져 나가지 못하도록 하였다. 실험 결과를 Fig.

13에 나타내었다.

Gas pressure(bar)

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Reten

tate C

O 2 conc

entra

tion(

%)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

feed flow rate : 225 sccm feed flow rate : 383sccm feed flow rate : 526sccm feed flow rate : 676sccm

Gas pressure(bar)

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

CH4 re

cove

ry(%)

20

30

40

50

60

70

80

90

100

feed flow rate : 225sccm feed flow rate : 383sccm feed flow rate : 526sccm feed flow rate : 676sccm

(a) Retentate CO2 concentration (b) CH4 recovery

Fig. 13 Results from various operation condition using pattern D module

(Liquid flow rate : 2.5L/min, ΔP between gas phase and liquid phase : 0.5bar)

Fig. 13 (a)에서 보듯이, 잔류측(막접촉기 생산 흐름)의 CO2 농도는 동일한 압력에서 기체

공급유량이 증가함에 따라 증가하였다. 기체 공급유량이 증가하면 분리막 모듈 내 기체의 체류

시간이 감소하여 공급되는 CO2 중 물에 흡수되는 CO2 양이 감소된다. 이에 따라, 잔류측의


- 43 -

CO2 농도는 증가하게 된다.

일반적으로 주어진 기체 공급 유량에서 기체의 압력이 증가하면 Henry의 법칙에 따라서 기

체성분의 액체 속에 녹아들어가는 용해량이 증가하게 되는데, 특히 용해도가 큰 CO2의 상대적

이 용해가 빨리 진행되어 결과적으로 잔류측의 CO2는 감소하는 것이 일반적인 현상이다. 그러

나 상기 그림에서 관찰되는 바와 같이 기체의 공급유량이 작을 경우 압력에 따른 잔류측의

CO2 농도는 압력 증가에 따라 감소하였다가 증가하는 특이한 현상을 보이고 있는데 기체의

공급유량이 작을수록 이러한 현상이 두드러진다.

이러한 특이한 현상은 다음과 같은 압력변화에 따른 두 가지 효과들, 즉 1) 압력증가에 따

른 레이놀즈 계수(Re)의 감소, 2) 압력증가에 따른 Henry 용해도 증가 등이 CO2 투과분리

거동에 서로 상반되게 작용하기 때문이다. 압력이 증가하게 되면 주어진 부피 내에 부피증가에

상응하게 기체분자 개수가 증가하게 되어 궁극적으로 기체의 점도(η)가 증가하게 되는데, 증

가된 기체의 점도는 다음과 같이 Re에 영향을 끼치게 된다.

∝

(3)

여기서 v는 기체의 흐름속도이다.

점도증가는 Re를 감소시키게 되어 기체혼합물의 혼합효과 감소 및 이로 인한 경계층 두께

증가를 야기해 fast-permeating 성분인 CO2가 액체 층으로 이동하여 용해되는 과정에서의

물질전달 저항이 커져서 CO2 용해공정에 부정적인 영향을 끼친다. 동시에 압력이 증가함에 따

라서 Henry의 법칙에 의해 CO2 용해가 증가함으로써 CO2 용해에 긍정적인 영향을 끼친다.

따라서 압력 증가에 따른 이 두 가지 효과들이 CO2 전달현상에 서로 상반되게 영향을 끼치게

된다. 온도가 일정한 경우 Henry의 법칙은 기체 유량에 무관하며 오직 압력에 의해 영향을 받

게 되므로 일정한 압력 하에서는 Henry 법칙의 영향의 정도는 일정하다고 생각할 수 있다.

이들 상반된 효과들 중에 어느 효과가 더 우세하게 영향을 주는가에 따라 잔류측의 CO2 농

도가 압력 증가에 따라 증가하기도 하고 감소하기도 한다. 일정한 압력에서 기체의 공급유량

(v)이 작은 경우, 상기 Re식에 의하면 v가 작을 경우 결과적으로 Re의 크기가 작아지게 되어

Re의 CO2 물질전달에 대한 부정적인 영향이 Henry 법칙의 영향에 비해 상대적으로 커지게

되고, 반면에 v가 클 경우 Re가 상응하게 커지게 되어 Re의 부정적인 영향이 상대적으로 작

아지게 된다. v가 클수록 Re의 부정적인 영향의 정도가 작아지게 됨으로써 Henry 법칙이

CO2 용해공정을 더욱 더 지배하게 되어, 압력의 증가에 따라 결과적으로 잔류측의 CO2 농도

는 감소하게 되는 것이다.

Fig. 13 (b)에서 보듯이, 동일 압력에서 기체 공급유량이 증가함에 따라 CH4 회수율은 증

가하였다. 동일 압력에서 기체 공급유량이 증가함에 따라 CH4 회수율이 증가하는 것은, 공급

유량의 증가에 따른 모듈 내 CO2 몰수의 증가에 따라 흡수되는 CO2의 절대량이 증가하여 더

많은 CO2가 용해되며, 더 많이 용해된 CO2가 액체 내에 CH4의 증기압을 감소시켜 그 결과

물에서 CH4의 흡수를 방해하게 되고, 결과적으로 CH4의 흡수량이 감소함에 따라 CH4 회수율

은 증가되는 것이다.


- 44 -

본 연구에서 사용하는 기체공급유량의 범위에서 기체혼합물에 포함되어 있는 CO2량은 사용

하는 액체흐름의 액체 속에 허용하는 최대 CO2 용해량, 즉 용해도의 5~30%선으로 매우 낮

아, 공급기체에 포함되어 있는 모든 CO2가 액체 속에 용해된다 하더라도 액체 속에 용해된

CO2 양은 여전히 낮은 수준이다. 이 경우, 일정한 기체공급 유량 하에서 운전압력이 증가하면

압력에 증가에 따른 상응한 CH4의 흡수량이 증가하게 되고 결과적으로 CH4 회수율은 운전압

력의 증가에 따라 감소하게 되는 것이다.

(2) 1차 탈기 탱크 감압에 따른 시스템 회수율 결과

1차 탈기탱크에서 탈기되는 기체의 유량을 증가시키면 시스템 회수율이 증가하므로, 1차 탱크에

진공펌프를 설치하여 1차 탱크 기체측 압력을 감소시켜 시스템 회수율을 관찰하였다.

Gas pressure of strip tank(bar)

-0.2-0.10.00.1

CH4 re

cove

ry(%)

80

82

84

86

88

90

92

feed flow rate : 526sccm

Fig. 14 Comparison of system recovery with various pressure of 1st strip tank

(Liquid flow rate : 2.5L/min, ΔP between gas phase and liquid phase : 0.5bar)

Fig. 14에서 보듯이, 감압을 실시하지 않는 경우, 1차 탱크의 기체측 압력은 0.06 bar로 측정되

었으며, 이때 회수율은 82%로 계산되었다. 1차 탱크에 감압을 실시하면 시스템 회수율이 약 90%

로 상승하였으며, 이는 물에 흡수되어 있던 CO2보다 용해도가 작고 친화력이 작은 CH4가 약간의

감압 하에서도 더 많이 탈기되어 재순환되기 때문이다. 감압을 더 가하더라도 시스템 회수율 변화

는 크지 않게 나타났으며, 따라서, blower를 이용하여 약간만 감압을 하더라도 시스템 회수율을 크

게 증가시킬 수 있음을 확인하였다. 만약 기체가 용해되어 있는 물이 탈기 탱크에 공급될 때 작은

입자로 스프레이 시킨다면 훨씬 더 많이 용해된 CH4를 탈기시킬 수 있을 것이라 사료되며 이러한

장치를 3차년도 장치설계에 반영시킬 예정이다.

(3) Lab-scale(0.1Nm3/hr) 규모 기본 운전 결과

2인치 패턴 D 모듈의 실험결과를 바탕으로 3인치 패턴 D 모듈을 제작하여 lab-scale


- 45 -

(0.1Nm3/hr) 규모로 실험하여 운전결과를 확보하였다. 제작된 3인치 모듈의 사진을 Fig. 15에 나

타내었다.

Fig. 15 3 inch pattern D MC module

Lab-scale(0.1Nm3/hr) 규모 운전에서는 제작된 3인치 모듈 2개를 직렬로 연결하고, 공급기체

유량을 2,250 sccm, 공급기체 운전압력 2.5 bar, 공급액체 운전압력 3.0bar로 고정시킨 후, 공급

액체 유량 변화에 따른 잔류측 CO2 농도를 측정하고 시스템 회수율을 계산하였다.

Liquid flw rate(L/min)

2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5

Reten

tate C

O 2 conc

entra

tion(

%)

1

2

3

4

5

6


Liquid flw rate(L/min)

2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5

CH4 re

cove

ry(%)

92

94

96

98

100

102

104


(a) Retentate CO2 concentration (b) CH4 recovery

Fig. 16 Results from various liquid flow rate using 3 inch pattern D module

(Gas flow rate : 2250sccm, Gas pressure 2.5bar, Liquid pressure 3.0bar

Fig. 16(a)에서 보듯이, 잔류측 CO2 농도는 액체 유량 증가에 따라 감소하였다. 이는 액체 유량

이 증가하면 흡수된 CO2가 shell side 혼합효과에 의해 빠르게 bulk 상태로 이동하며, 이에 따라

기/액 계면에서 액체측 이산화탄소 농도가 작아져 기체 측으로부터 액체 측으로의 CO2 전달 구동

력이 증가하여 더 많은 CO2가 용해되기 때문인 것으로 판단된다.

Fig. 16(b)에서 보듯이, CH4 회수율은 액체 유량 감소에 따라 증가하였다. 이는 액체 유량을 감

소시키면 상대적으로 기체유량을 증가시키는 것과 유사한 효과가 나타나게 되는데, 기체유량 대비

액체유량이 작아지게 되면 액체 속에 녹아들어가는 CO2 농도가 커지게 되고, 그 결과 액체 내 CO2

증기압이 높아지게 되어 상대적으로 CH4의 증기압을 감소시키게 됨으로써 CH4의 용해량이 감소하

게 되며, 낮은 유량으로 인하여 액체흐름의 Re가 작아져 경계층의 두께가 두꺼워지고 경계층 내의


- 46 -

용해된 CO2의 농도가 더 증가하게 되어 CH4의 용해를 더욱 어렵게 만들 수 있다. 그 결과 액체의

유량이 작아짐에 따라 CH4 회수율이 증가되지만 retentate의 CO2 농도는 증가하게 되는데 그 이

유는 이미 Fig. 13(b)에서 설명하였다.

Lab-scale(0.1Nm3/hr) 규모 운전 결과, 기체 유량 2,250 sccm, 기체 압력, 2.5 bar, 액체 유

량 4 L/min, 액체 압력 3.0 bar에서 잔류측 CO2 농도는 3.3%, 시스템 회수율은 1차 탈기탱크 감

압 없이도 97%를 달성하였다. 실험에 사용된 CH4/CO2 혼합가스의 공급농도가 43/57인 것을 감안

하면, 실제 바이오가스에서는 CH4/CO2의 농도비율이 약 65/35로 CO2 농도가 작기 때문에,

lab-scale에서 시험된 조건을 그대로 적용하더라도 잔류측 CO2 농도는 3% 이하가 될 것으로 예

상되며, CH4 회수율도 97% 이상을 나타낼 것으로 생각되며 탈기 tank에서 회수된 CH4를 기체 공

급부 쪽으로 재공급 한다면 99% 이상의 회수율이 가능하다. 실험 장치에서 얻은 막접촉 공정 data

를 활용하여 demo-scale 장치 및 시스템 설계를 진행하였다.

마. Cross-type membrane contactor 모듈 개발 및 Cross-type, 기존 Straight-type

membrane contactor 모듈의 탈기효율 비교

(1) Cross-type membrane contactor 모듈 개발

(가) 모듈제작

구 분 내 용 비고

사용된

분리막

분리막

표면/내면

구조

분리막 외표면 분리막 내표면

Cross-type

중공사막 모듈

특징

l 국내 최초로 Cross-type(막면적 : 10m2) 중공사막

모듈 개발

l 최적 유체흐름을 고려한 모듈설계

l 분리막 성능을 극대화하기 위한 분리막 배열 기술

l 막 흡수 ․ 탈기용 Cross-type 중공사막 모듈 개발


- 47 -

(나) 모듈 사양


Membrane type PP hollow fiber membrane

Module size 4 inch * 23 inch

Membrane area 10 m²

Maximum

operating

pressure

Gas feed pressure 10 bar

Liquid feed pressure 10 bar

ΔP = 0.5 bar

Potting materials Epoxy resin

Operating

temperature 50 ℃

Cross-type

moduling divice

및 모듈 사진

<4 inch Cross-type moduling device >

<Cross-type 4 inch 모듈 >


- 48 -

(2) Straight-type membrane contactor 모듈과 Cross-type membrane contactor 모듈

의 탈기효율 비교

기존 S-type(Straight-type)은 중공사 sheet 중간에 3개의 PET 양면테이프를 붙여줌

으로써, 흡수제의 흐름에 의해 중공사가 흔들리지 않도록 잡아주는 역할을 하도록 하였으며,

sheeting과 rolling 및 potting을 하여 제작 되었다. C-type(Cross-type)은 중공사와 중

공가사 cross되도록 rolling하고 potting하여 제작 되었다. 모듈에 사용된 중공사 막과 유효

<Cross-type 4 inch 모듈 측면>

<4인치 막흡수․탈기용 Cross-type 중공사막 모듈>

8인치용 C-type rolling

4인치용 C-type rolling

<4인치 및 8인치 막흡수․탈기용 Cross-type

중공사막 모듈>

Bundling Looming

Cross-sectional view of potting part

“Straight” type

“Cross” type


- 49 -

막 길이는 동일하며 동일한 막면적을 갖는다. 이렇게 만들어진 2개 type의 모듈의 성능을

비교하기 위해 탈기테스트를 진행하여, 탈기 효율을 비교하였다.

(가) 탈기테스트 조건

5분간 테스트가 진행되며, 흡수제의 유량조건(4 ~ 12 L/min)을 변경하여 총 5회 측정.

(나) 탈기테스트 설비

absorbent tank 및 pump, 4inch module, vacuum pump, DO sensor 및 흡수제

inlet/out pressure sensor로 구성되어 있다.

Fig. 17 탈기테스트장치 diagram

① 설비 운전 방법

1) degassing module을 설치하고 vacuum pump line을 연결

2) absorbent pump를 가동하여 flow rate를 맞추고 DO sensor tank에 bubble이 없질

때까지 absorbent 순환

3) vacuum pump를 가동하여 5분간 30초 간격으로 DO 농도 측정

(다) MC 탈기테스트 결과

① S-type MC module의 flow rate에 따른 O2 농도 변화

S-type의 탈기 테스트 결과 5분간 4 ~ 12 L/min 유량의 변화에 따라 물속의 용존산소량

은 점차 감소하는 경향을 보였으며, 흡수제의 유량이 작을수록 진공에 의해 탈기되는 용존산소

의 양이 많았고, 감소량은 유량에 따라 같은 경향을 보였다.


- 50 -

Fig. 18 S-type 모듈의 용존산소농도

② C-type MC module의 flow rate별 시간에 따른 O2 농도 변화

Fig. 19 C-type 모듈의 용존산소농도

C-type의 탈기 테스트 결과 S-type의 모듈과 같이 5분간 4 ~ 12 L/min 유량의 변화에

따라 물속의 용존산소량은 점차 감소하는 경향을 보였으며, 흡수제의 유량이 작을수록 진공에

의해 탈기되는 용존산소의 양이 많았다. 차이점은 유량이 감소함에 따라 흡수제 내 용존산소량

은 S-type보다 큰 폭으로 감소하는 경향을 보였다.


- 51 -

③ C-type 과 S-type MC module의 flow rate별 시간에 따른 O2 농도 변화 비교

Fig. 20 흡수제 유량 4 L/min 일 때 C-type과 S-type 모듈의 용존산소농도




- 52 -



Fig. 20 ~ 24는 C-type 모듈과 S-type 모듈의 흡수제 유량별 비교 그래프이다. C-type

의 탈기 성능은 테스트 했던 모든 흡수제 유량에서 S-type 보다 2.2% ~ 45.2% 향상된 것

을 볼 수 있었으며, 이는 모듈 내 중공사막의 패턴이 격자 모양이라는 것과 packing density

가 더 높은 것으로 판단된다.


- 53 -

바. 대형 모듈 설계 및 제작

(1) 막흡수․탈기용 대형 중공사막 모듈 개발

(가) 모듈제작


사용된

분리막

분리막

내외경580/780(㎛)

분리막

표면/내면

구조

분리막 외표면 분리막 내표면

모듈 제작 순서

대형 중공사막

특징

l 국내 최초로 막흡수․탈기용 대형(막면적 40m2) 중공사막

모듈 개발

l 최적 유체흐름을 고려한 모듈설계

l 분리막 성능을 극대화하기 위한 분리막 배열 기술

l 막흡수․탈기용 대형 중공사막 모듈 포팅 기술 개발


- 54 -

(나) 모듈 사양


Membrane type PP hollow fiber membrane

Module size 8 inch * 30 inch

Membrane area 40m²

Maximum

operating

pressure

Gas feed pressure 10 bar

Liquid feed pressure 10 bar

ΔP = 0.5 bar

Potting materials Epoxy resin

Operating

temperature 50 ℃

Module concept

figure


- 55 -

완성된

모듈 Element 및

모듈 사진

<8 inch 모듈 Element>

<8 inch 모듈 Element 측면>

<8인치 막흡수․탈기용 대형 중공사막 모듈>


- 56 -

사. 막접촉기 공정 연구

(1) 모듈 구성(Configuration)에 따른 CO2/CH₄혼합가스 테스트

(가) 테스트 조건(고정)

G/L ratio 0.8Δp =

(혼합가스압-흡수제압)0.5 bar

혼합가스 조성 CH₄43 vol%, CO₂57 vol%

흡수모듈H2-01 / I2-01 type

(2inch module, A=0.45m2), 직렬연결

탈기모듈H2 type

(2inch module, A=0.45m2), 직렬연결

(나) MC 테스트 설비

① 설비 구성도

Fig. 25 Schematic diagram and apparatus pictures of MC tester

② 설비 운전 방법

- CO2/CH₄Mixed gas와 absorbent가 gassing module로 공급되어 CO2/CH₄분리가 일어

나고 분리된 gas는 MFC를 통해 외부로 vent된다.

- Gas를 흡수한 absorbent는 pump를 통해 탈기탱크로 이송된다. 여기서 1차 탈기가 일어나

며, 탈기된 gas는 CH₄농도에 따라 재사용이 가능하다(lab-scale 장비에서는 recycle하지

않았으며, 외부로 vent 되었다).


- 57 -

- 1차 탈기가 끝난 absorbent는 다시 pump를 통해 degassing module로 공급되고, vacuum

pump를 이용하여 2차 탈기를 한다. 탈기가 끝난 absorbent는 다시 absorbent tank로 이송된

다. 실험 시 외부로 추가 absorbent 공급은 없으며, 연속순환방식으로 운전되었다.

- Gas inlet, retentate, Degassing tank에 각각 GC pump가 연결되어 2분마다 한번씩 GC

를 통한 성분분석이 가능하다.

(다) 막접촉 공정연구 결과

① 압력 / 공급기체유량에 따른 retentate CO₂농도 변화 및 Degassing tank 내 CH4 농도

변화

Fig. 26 Change of CO₂ concentration in retentate / CH₄ concentration in

Degassing tank according to Feed gas pressure(kg/cm2) / Feed gas flow rate(L/min)

Fig. 26은 각 유량 별 공급기체 압력에 따른 retentate의 CO₂농도와 탈기탱크 내 CH4의

농도 이다. 흡수/탈기 모듈의 개수가 같을 때, retentate측 CO₂농도와 탈기탱크 내 CH4의 농

도는 공급기체 압력 / 유량에 따라 다르게 변한다.

기체 유량이 900sccm 일 때, 압력이 증가 할수록 retentate의 CO₂농도는 지속적으로 증

가한다. 이것은 압력이 증가함에 따른 CO2의 흡수율이 감소함을 보여준다. 압력이 증가함에


- 58 -

따라 물에 대한 CO₂용해도가 증가하지만 결과가 반대로 나온 것은 다음과 같다.

CO2/CH₄혼합기체가 중공사 길이방향으로 흐르면서 중공사의 pore를 통해 물에 흡수되는

데, 압력이 증가함에 따라 CO₂용해도가 증가하면서 CO2가 흡수되는 시간이 빨라진다. 이 때,

많은 양의 CO2가 단시간에 물에 흡수되면 기체 내 CH4의 분압이 증가하여 Henry`s law에

의해 CH4의 용해도가 상대적으로 증가하는 현상이 나타난다.

그로 인해 압력이 증가 할수록 기체 inlet 부근에서 공급되는 CO2의 대부분이 흡수되고,

outlet으로 흘러갈수록 분압이 커진 CH4가 흡수되기 시작한다. 이런 의도치 않은 CH4의 흡수

로 인해 retentate의 CO₂농도가 상대적으로 높아진다.

기체 유량이 1200sccm 일 때, 공급기체 압력 7.5bar까지 CO₂농도가 감소하다가 그 이후

압력에서는 증가하는 것을 볼 수 있다. 이는 CO2의 공급량이 기체유량 900sccm일 때 보다

많아져 상대적으로 CH₄gas가 흡수될 수 있는 기회가 줄어들어 생기는 현상이다. 기체유량이

1500sccm 일 때, 8.5bar까지 CO₂농도가 감소하다가 9.5bar에서 증가하는 것도 같은 이유

이다.

그리하여 공급기체 압력이 6.5bar일 때는 공급기체 유량이 증가 할수록 retentate 측 CO₂

농도가 증가하지만, 9.5bar에서는 반대의 결과가 나타난다. 반면에 탈기탱크 내 CH₄농도는

공급압력에 의한 용해도 증가와 분압에 의한 용해도 증가로 인해 공급압력에 따라 선형적으로

증가하는 모습을 보였다. 하지만 공급기체 유량이 증가할수록 CH₄gas가 용해되는 양이 적어

지기 때문에 CH4의 농도는 공급기체 유량이 증가할수록 감소한다.

② 공급 기체압력 / 유량에 따른 CO2/CH₄흡수율 변화

Fig. 27은 공급 기체압력 / 유량에 따른 CO2와 CH4의 공급대비 흡수율을 나타낸 것이다.

위에서 언급했던 바와 같이 낮은 압력에서는 공급기체유량이 증가할수록 CO2의 흡수율은 감

소한다. 하지만 압력이 증가할수록 CO2가 흡수되는 시간이 빨라지고 CH4의 분압이 증가하여

CH4가 용해되기 시작하기 때문에 적은 유량에서의 CO2의 흡수율이 감소하여 상대적으로 유량

이 높은 1.5L/min에서의 흡수율이 가장 높게 나타났다. CO2의 흡수율과 달리 CH4의 흡수율

은 압력이 증가할수록 증가하며, 유량이 증가할수록 감소하였다.

③ 흡수모듈 개수에 따른 retentate CO₂농도 및 탈기탱크 내 CH₄농도 변화

Fig. 28은 동일한 기체공급유량에서, 공급압력과 흡수모듈 개수에 따른 retentate의 CO₂농

도 및 탈기탱크 내 CH₄농도를 나타낸 것이다. 범례의 G는 Gassing module을 의미하고 D는

Degassing module을 의미한다. 또한 알파벳 뒤의 숫자는 각 모듈의 개수를 의미한다.

흡수모듈의 개수가 증가함은 막 면적의 증가를 의미하며, 막면적이 증가할수록 CO2의 흡수

율이 증가하여 retentate의 CO₂농도는 감소하였다. 또한 흡수 모듈이 1개일 때와 달리, 흡수

모듈이 2, 3개일 때엔 압력증가에 따라 reteantate 측 CO₂농도가 감소하는 것을 볼 수 있다.

모듈개수가 1에서 2로 증가할 땐 급격한 CO₂감소를 보이나, 2에서 3으로 증가할 때엔 상대

적으로 CO₂농도 감소가 작아졌다.

탈기탱크 내 CH₄농도 역시 흡수모듈의 막 면적이 증가함에 따라 증가하였고, 공급기체 압력

이 증가함에 따라 증가하였다.


- 59 -

Fig. 27 Change of CO₂/ CH₄absorptance according to Feed gas pressure(kg/cm2)/Feed gas flow rate(L/min)

Fig. 28 Change of CO₂concentration in retentate / CH₄concentration in Degassing tank according to Feed gas pressure(kg/cm2) / Gassing module configuration


- 60 -

④ 흡수모듈 개수에 따른 CO2/CH4 흡수율 변화

Fig. 29 Change of CO₂/ CH₄absorptance

according to Feed gas pressure(kg/cm2)/Gassing module configuration

Fig. 29는 공급압력 / 흡수모듈 개수에 따른 CO₂및 CH4의 흡수율을 나타낸 것이다.

CO2의 흡수율은 흡수모듈이 1개일 때를 제외하고는 공급압력이 증가함에 따라 증가함을 보인

다. 흡수모듈이 1개일 때 압력이 증가함에 따라 CO2의 흡수가 빨라져 CH4의 분압 상승으로

인해 CO₂흡수에 부정적인 영향을 주어 7.5bar이후로는 오히려 흡수율이 떨어졌지만, 흡수모

듈이 2, 3개일 때 분압을 무시할 만큼 막 면적이 커져 압력증가에 따라 흡수율이 증가하였다.

공급압력이 일정할 때, 흡수모듈 개수가 증가할수록 즉, 막 면적이 증가할수록 CO2의 흡수

율은 증가한다. 반면 CH4의 흡수율은 압력이 증가할수록, 막 면적이 증가할수록 일정하게 증

가한다.

⑤ 탈기모듈 개수에 따른 retentate의 CO₂농도 및 탈기탱크 내 CH₄농도 변화

Fig. 30은 공급압력 / 탈기모듈 개수에 따른 retentate의 CO₂농도와 탈기탱크 내 CH₄농

도를 나타낸 것이다.


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Fig. 30 Change of CO₂concentration in retentate / CH₄concentration in Degassing

tank according to Feed gas pressure(kg/cm2) / Degassing module configuration

흡수-탈기 모듈의 개수가 같을 때, 압력증가에 따른 retentate의 CO₂농도는 감소하였으며

같은 압력조건에서, 탈기모듈 개수가 증가할수록 CO₂농도는 감소하는 경향을 보였다. 탈기모

듈의 개수가 증가할수록 absorbent 내 용존 기체에 대한 원활한 탈기가 가능해져 흡수모듈에

더 순수한 물 공급이 가능해진다. 그에 따라 더 많은 양의 CO2의 흡수가 가능해지고

retentate 측의 CO₂농도가 감소하였다.

CH4도 마찬가지로 압력이 증가함에 따라 용해도가 높아진 결과로 탈기탱크 내 CH4의 농도

가 증가하였고, 탈기모듈의 개수가 증가할수록 증가하였다.

⑥ 탈기모듈 개수에 따른 CO₂/ CH₄흡수율 변화

Fig. 31은 공급 기체압력 / 탈기모듈 개수에 따른 CO₂및 CH4의 흡수율을 나타낸 것이다.

CO2와 CH₄모두 압력이 증가할수록, 탈기모듈개수가 증가할수록 흡수율이 증가하였다.


- 62 -

Fig. 31 Change of CO₂/ CH₄absorptance according to Feed gas pressure

(kg/cm2) / Degassing module configuration

⑦ 공급기체유량 / 흡수-탈기 모듈개수에 따른 retentate의 CO₂농도 및 탈기탱크 내 CH₄

농도 변화

Fig. 32는 공급기체유량 / 흡수-탈기모듈개수에 따른 retentate의 CO₂농도 및 탈기탱크

내 CH₄농도 변화를 나타낸 것이다. 같은 유량일 때, 흡수모듈 또는 탈기모듈이 증가하면

retentate의 CO₂농도가 감소하였으며, 흡수모듈이 증가하는 것 보다 탈기모듈의 증가하였을

때 CO2의 농도가 더 많이 감소하였다.

흡수모듈과 탈기모듈의 개수가 같을 경우, 공급기체유량이 증가할수록 retentate의 CO₂농

도는 증가하지만, 그리 큰 변화는 보이지 않았다. G3D2의 경우 기체 유량이 1.2L/min에서

2.0L/min으로 증가하였을 때 ΔC=0.92% 정도였다. G2D4의 경우, ΔC=1.36% 증가하였다.

탈기탱크 내 CH₄농도의 경우 공급기체유량이 같을 때, 탈기 또는 흡수 모듈이 증가함에 따

라 CH4의 농도가 증가하였다. 막면적이 증가함에 따라 흡수되는 CH4가 흡수되는 양이 증가하

였기 때문이다. 반면 흡수모듈과 탈기모듈의 개수가 같을 경우, 공급기체유량이 증가함에 따라


- 63 -

Fig. 32 Change of CO₂ concentration in retentate / CH₄ concentration in Degassing

tank according to Feed flow rate(L/min) / Degassing module configuration

탈기탱크 내 CH₄농도는 감소하였다. 이것은 absorbent가 흡수모듈로 공급되어 CO₂흡수 및

CH₄흡수가 일어나고 탈기탱크에서 탈기되는 과정에서 더 순수한 absorbent일수록 탈기탱크

내에서 CO2의 탈기가 줄어든 채 탈기모듈로 이송되기 때문이다.

CH4는 물에 대한 용해도가 극히 작기 때문에 흡수모듈에서 녹은 대부분의 CH4가 탈기되므

로 CO2의 탈기가 적게 일어날수록 상대적으로 탈기탱크 내 CH4의 농도가 증가하는 것이다.

⑧ 공급기체유량 / 흡수-탈기 모듈개수에 따른 CO2/CH₄흡수율 변화

Fig. 33은 공급기체유량 / 흡수-탈기모듈 개수에 따른 CO₂및 CH₄흡수율 변화이다.

같은 흡수-탈기 모듈개수 조건에서는 공급기체유량이 증가할수록 CO2와 CH₄모두 흡수율이

감소하였다. 기체유량이 1200sccm에서 2000sccm으로 증가할 때, CO2의 흡수율은 99%에서

98%로 1% 감소하는 반면에 CH4는 약 14% 감소하여 CO₂보다 CH4의 흡수율이 더 많이 감

소하였다. 이는 공급되는 혼합기체유량이 증가할수록 더 많은 막 면적에서 CO₂흡수가 일어나


- 64 -

고 CH₄분압 증가에 의한 CH₄흡수가 줄어들기 때문이다.

또한 흡수모듈이 증가하면 CH4의 흡수율이 약 14% 증가하는 반면에 탈기모듈의 증가는

CH₄흡수율에 큰 영향이 없었다. 이 결과로 볼 때, CO2의 흡수율을 증가시키면서, 비의도적인

CH₄흡수를 줄이기 위해선 흡수모듈 보다 탈기모듈의 증가가 더 효과적이다.

Fig. 33 Change of CO₂/ CH₄absorptance according to Feed flow rate(L/min) /

Gassing-Degassing module configuration

⑨ Membrane Contactor 공정 조건에 따른 공정 내 CH₄손실률

Fig. 34는 공정조건에 따른 membrane 공정 내 CH4의 손실률이다.

손실률은 다음과 같이 정의 된다.

손실률 공급된 유량흡수된유량 탈기탱크 내 탈기된유량

×


- 65 -

Fig. 34 Change of loss factor(%) in MC process According to MC

process condition (1)

손실률은 흡수량이 증가할수록, 탈기탱크에서 탈기되는 양이 감소할수록 증가한다. 탈기탱크

에서 탈기되는 CH4의 유량은 압력에 따른 용해도의 변화에 의해 결정되므로 일정하다. 결국

손실률은 흡수된 CH4의 유량에 비례하며, 공급된 CH₄유량에 반비례한다.

- 모듈개수가 G1D2일 경우

동일압력에서 공급기체유량이 증가함에 따라 손실률이 감소하였다. 위에서 언급했듯이 공급

기체유량과 손실률은 반비례관계이며, 또한 공급기체유량이 증가할수록 흡수되는 CH4의 양도

줄어들기 때문이다.

- 탈기모듈의 개수가 고정된 채 흡수모듈의 개수가 증가하는 경우

동일압력에서 흡수모듈의 개수가 증가할수록 CH₄손실률이 증가하였다. 흡수모듈이 증가함

에 따라 흡수되는 CH4의 양이 증가하기 때문이다. 또한 공급기체 압력이 증가할수록 CH4의

용해도 증가로 인해 손실률이 증가하였다.


- 66 -

- 흡수모듈이 고정된 채 탈기모듈의 개수가 증가하는 경우

동일압력에서 탈기모듈의 개수가 증가할수록 손실률이 증가하였으나, 흡수모듈의 개수증가에

따른 증가보다는 적게 증가하였다.

Fig. 35 change of loss factor(%) in MC process According to

MC process condition (2)

Fig. 35는 공급기체유량 / 흡수-탈기 모듈 개수에 따른 MC공정 내 CH₄손실률을 나타낸

것이다.

동일유량일 경우, 흡수 또는 탈기모듈의 개수가 증가하게 되면 흡수모듈을 통해 더 많은 양

의 CH₄흡수가 일어나기 때문에 손실률이 증가하였다. 하지만 흡수모듈과 탈기모듈의 개수가

동일할 경우, 공급기체유량이 증가함에 따라 CH₄손실률이 감소하였다. 이는 공급기체유량의

증가로 인해 흡수되는 CO2의 양이 늘어나게 되고 그만큼 흡수되는 CH4의 양이 줄어들기 때문

이다. 흡수모듈이 증가할 때가 탈기모듈이 증가할 때 보다 더 많은 손실률을 보였다.


- 67 -

⑩ Absorbent 온도에 따른 retentate CO₂농도 및 탈기탱크 내 CH₄농도 변화

Fig. 36 Change of CO₂concentration in retentate / CH₄concentration in Degassing

tank according to Absorbent Temperature

Fig. 36은 absorbent 온도에 따른 retentate의 CO₂농도 및 탈기탱크 내 CH₄농도의 변화

를 나타낸 것이다. 그래프에서 보는 것과 같이 온도가 높아질수록 CO2의 용해도 감소로 인해

retentate의 CO₂농도가 증가하였다. 또한 온도가 증가함에 따라 탈기탱크 내에서 탈기되는

CO2의 양이 증가하기 때문에 CH4의 농도가 상대적으로 감소하였다.

Fig. 37은 absorbent의 온도에 따른 흡수모듈에서의 CO₂및 CH4의 흡수율을 나타낸 것이

다. Absorbent의 온도가 증가함에 따라 CO2와 CH₄흡수율 모두 감소하는 경향을 나타내었

다.

⑪ 흡수공정을 통한 NH3 / H2S gas의 제거

Fig. 38은 0.05% NH3와 0.08% H2S를 포함한 CH4/CO₂혼합가스의 GC peak 사진이다.

그와 동시에 NH3와 H2S의 제거를 보여주는 GC peak 사진이다. (a)는 공급혼합가스이며 (b)

는 CO₂및 NH3, H2S가 흡수-제거된 retentate의 가스이다. retentate에서는 NH3와 H2S가

완벽히 제거되어 검출되지 않았다.


- 68 -

Fig. 37 Change of CO₂/ CH₄absorptance according to Absorbent Temperature

Fig. 38 GC Peaks of Mixed gas (a)Feed gas (b)Retentate gas


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(라) 공정 모델 확립 및 물질전달계수 계산

① Membrane contactor 공정 모델

VG1, VG2 : Gas flow rate at inlet and outlet, respectively [L/min]

Ccb, Cmb : Bulk concentration of CO2 and CH₄in gas phase [mol/L]

Cci, Cmi : Concentration of CO₂ and CH₄at membrane surface

in gas phase [mol/L]

Lcb, Lmb : Bulk concentration of CO₂ and CH₄in liquid phase [mol/L]

Lci, Lmi : Concentration of CO₂ and CH₄at membrane surface

in liquid phase [mol/L]

F : Permeation rate through membrane [mol/min]

P : Pressure [atm]

상기 그림을 분리막 접촉기 공정을 도식적으로 표현한 공정 모델에 대한 diagram이며 공정

모델에서 기체성분의 이동에 따른 물질전달 거동을 효과적으로 설명하기 위해서 다음과 같은

가정을 적용하였다.

- 기체의 확산속도는 매우 빠르다.

- CO2의 물에 대한 용해속도는 매우 빠르게 일어난다.

이런 경우 액체측 분리막 계면에서의 CO₂농도는 다음과 같이 표현할 수 있으며

≅


- 70 -

≅

액체측 분리막 계면에서의 CH₄ 농도의 계산은 다음과 같이 표현할 수 있다.

≅

여기서, Hc : Henry's constant of CO₂[L․atm/mol], Hm : Henry's constant of CH₄[L․atm/mol]이다. 한편, 분리막을 통한 CO2와 CH4의 투과속도는 다음과 같이 정의된다.

따라서, 막면적을 포함하는 CO2와 CH4의 물질전달계수는 다음과 같은 식에 의해 실험적으로

계산할 수 있다.

여기서,

A : Effective membrane area [㎡]

kc : Mass transfer coefficient of CO₂[L/㎡․min]

km : Mass transfer coefficient of CH₄[L/㎡․min]

- 이론적인 최대 메탄 농도의 계산


- 71 -

CO2가 매우 빠르게 물에 용해되므로 기체측 경계층에는 CH4가 농축되며, 결국 CO2와 CH4

의 투과속도가 같아지는 평형 점에 도달하게 된다. 결국, 평형 점에서 액체측 경계면에서의

CO₂농도와 CH₄농도는 같게 되므로,

따라서,

또한,

결과적으로 위 식으로부터 다음과 같이 이론적으로 25℃에서 최대값의 CH4와 CO2의 몰분율

을 다음과 같이 계산할 수 있다.

위식의 각 파라메타의 수치, 즉 CH4와 CO2의 Henry 상수는 문헌으로부터 다음과 같이 얻을

수 있다.

[L․atm/mol]

[L․atm/mol]

따라서, 25℃에서 이론적인 최대값의 CH4와 CO2의 몰분율은 Cmi = 0.9723, Cci = 0.0277

이다.


- 72 -

② MC 물질전달 계수 결정

- 테스트 조건

흡수모듈- 2inch* 2 ea(H2-PVC-03,04)

- 모듈 막면적 : 1.06 m²(2inch* 2 ea)혼합가스

조성 CH4 : 43 vol%, CO2 : 57 vol%

테스트

가정 조건

- 기체의 확산속도는 매우 빠름

- 물속에 CO2가 용해되는 속도는 매우 빠름

- 벌크 상태의 기체 농도는 모듈 길이 전체에서 일정한 값을 가짐

- 흡수모듈 inlet 물 속에 CH₄농도 0%

모듈사진

측정을 위한

장치 측정

구성도


- 73 -

- 계산 결과

• 압력에 따른 Kc(Mass transfer coefficient of CO2) 변화

Fig. 39 Mass transfer Coefficient of carbon dioxide according to the feed gas

pressure at the different feed gas flow rate(800 ~ 1600 sccm) and G/L(0.7 ~ 0.9)

ratio respectively.

압력 상승 시 Kc 작아지는 경향이지만 동일 압력에서는 feed gas 유량이 증가함에 따라 증

가한다. 왜냐하면 상대적으로 유량이 작고 압력이 높을 경우 CO2가 매우 빠르게 용해되지만

경계층에서 CH4가 농축되기 때문에 결국 Kc 값은 작아지게 된다. 또한 동일 압력 및 동일 유

량에서 G/L값이 크게 되면 Kc 값이 커지게 되는데 이는 경계층에서 CH4가 농축될 시간을 주

지 않고 CO2가 투과되기 때문이다.

• 유량에 따른 Kc(Mass transfer coefficient of CO2) 변화

기체유량이 증가할수록 Kc 값이 커지게 되는 것은 기체유량이 증가할수록 막 면적당 기체

분자수가 많기 때문에 경계층에서 CO₂뿐만 아니라 CH4의 투과량은 많게 된다는 의미로 해

석될 수 있다. 또한 동일 유량 및 동일 G/L 값에서는 압력이 클수록 Kc 값은 작아지는 것은

역시 위에서 설명한 것처럼 상대적으로 압력이 높을 경우 경계층에서 CO₂용해가 빠르게 일

어나 순간적으로 경계층에서 CH4의 농도가 높아져 CO2의 투과가 낮다는 의미이다.


- 74 -

Fig. 40 Mass transfer coefficient of carbon dioxide according to the feed gas flow

rate at the different G/L ratio(0.7~0.9)

• 압력에 따른 Km(Mass transfer coefficient of CH4) 변화

Fig. 41 Mass transfer coefficient of methane according to the feed gas pressure at

the different feed gas flow rate (800~1,600 sccm) and G/L ratio(0.7~0.9)

Km은 압력이 증가할수록 크고, 동일압력 및 동일 유량에서는 G/L가 작을수록 커진다. 또한

동일압력 및 동일 G/L에서는 유량이 클수록 Km이 큰 값을 나타낸다. 이는 앞에서 설명한 것

과 유사하게 압력이 커지게 될 경우 그리고 동일압력 및 동일 G/L에서는 유량이 큰 경우 CO2

용해도가 빠르지만 경계층에서 CH₄농도도 높아져 Km도 크다는 의미로 해석될 수 있다.


- 75 -

• 유량에 따른 Km(Mass transfer coefficient of CH4) 변화

Fig. 42 Mass transfer coefficient of methane according to the feed gas flow

기체유량이 증가할수록 Km이 커지게 되는 것은 기체유량이 증가할수록 막 면적당 CO₂뿐

만 아니라 CH4 기체분자수도 많아지기 때문에 CH4의 투과량은 많게 된다는 의미로 해석될 수

있다. 또한 동일 유량 및 동일 G/L 값에서는 압력이 클수록 Km이 큰 것은 상대적으로 압력이

높을 경우 경계층에서 CO₂용해가 빠르게 일어나 순간적으로 CH4의 농도가 높아져 CH4의 투

과속도가 크다는 의미로 해석된다.

(마) 고효율 MC 공정 개발

① 공정 인자에 따른 MC 성능

Fig 43은 CO2/CH₄혼합기체가 중공사 길이방향으로 흐르면서 중공사의 pore를 통해 물에

흡수되는데, 기체의 유량이 감소하거나, 기체의 압력이 증가함에 따라 CO₂용해도가 증가하면

서 CO2가 흡수되는 시간이 빨라진다. 이 때, 많은 양의 CO2가 단시간에 물에 흡수되면 기체

내 CH4의 분압이 증가하여 Henry`s law에 의해 흡수제인 물에 CH4의 용해도가 상대적으로

증가하는 현상이 나타나면서 CH4의 회수율이 감소하게 된다.

CH4의 회수율을 높이려면 처리된 CH4의 순도가 낮아지는 현상이 발생하여 CH4의 회수율

및 순도를 동시에 높일 수 있는 막접촉기 공정을 개발하였다. Fig. 44는 CH4의 회수율을 높이

기 위한 MC 공정이다. 그림에서 보듯, 고압의 흡수 막모듈을 통과한 흡수제인 물에는 CH4과

CO2가 용해되어 먼저 1차 감압 tank로 들어가게 된다. 이때 1차 감압 tank의 액체압력이 고

압에서 상압으로 줄어들면서 물에 대한 용해도가 낮은 CH4이 가장 활발히 탈기가 되며 결과

적으로 CH4의 농도가 상대적으로 높아져 유입 bio-gas 쪽으로 회수가 가능해져 CH4의 회수

율은 증가된다. 이와 동시에 처리된 CH4의 순도도 증가하게 된다.

이 결과를 바탕으로 Demo-scale 메탄가스 포집•회수용 고효율 막접촉기 시스템을 제작하


- 76 -

였다(10Nm3/hr).

Fig. 43 공급 기체압력 및 유량에 따른 처리된 CH4의 순도 및 회수율의 관계

Fig. 44 CH4의 회수율을 높이기 위한 MC 공정 개발

Gas flow: Re µ

항목 phaseRe에 대한

영향Solubility in

water체류시간

(접촉시간)처리

CH4 순도처리

CH4 회수율

흐름 속도v

기체 IncreasingSlightly

increasing DecreasingG/L¯ G/L

액체(흡수제)

Slightly increase(cross flow)

- -

흐름 압력P

기체Decreasing

(compressible)Increasing - P¯

*(최적 압력: 6~8 bar)

P¯액체

(흡수제)Slight

(incompressible)- -

Gas flow, v

liquid flow (cross flow for effective mixing)

Hollow fiber membrane

Decreasing vor increasing P

모듈

내Fe

ed의

CO

2 농

도

모듈 입구 모듈 출구

다공성 PP중공사막

흡수제(물)

CH4/CO2

-Increasing partial pressure of CH4

-Decreasing recovery % of CH4

-Increasing dissolution of CH4 in water

*최적압력 기체 흐름<10 NM3/h, G/L<2

Circulationpump

Circulation pump

Vacuumpump

Blower

흡수 막모듈(고압)

탈기 막모듈1차 감압 tank

(상압)

2차 tank(상압 미만)

Feed Bio-gas (고압)50% CH450% CO2

Retentate98% CH42% CO2 CH4 Loss <2%

CH4 농축 phase

CO2 농축 phase

1차 감압 tank- 액체압력: 고압 à 상압- 물의 용해도가 가장 작은

CH4가 가장 활발히 탈기- CH4 회수율 증가

2차 tank- 압력: 상압 à 상압 미만- 온도: 저온 à 고온- 고압의 흡수 막모듈에서

녹아 있던 CO2가 탈기

Pressurizing pump


- 77 -

아. Demo-scale 메탄가스 포집•회수용 고효율 막접촉기 시스템 제작(10Nm3/hr)

(1)시스템 P & ID

(가) 시스템 사양

구 분 내 용 비고바이오가스

처리량10 Nm3/hr

시스템 구성

Circulation pump 3 ea

Vacuum pump 1 ea

Water buffer tank 1 ea

Gassing membrane assembly 6 ea

Degassing membrane assembly 6 ea

P & ID


- 78 -

주요 부품

<Gassing module assembly> <Degassing module

assembly>

<1차 감압 탈기 tank> <2차 탈기 tank>


- 79 -

10 Nm³/hr

막접촉기 시스템 <Demo-scale Membrane Contactor System>

<Right side> <Left side>


- 80 -

10 Nm³/hr

막접촉기 시스템

- Inlet biogas 조성 : CH4 71.4%, CO2 28.5%, H2S

4.75ppm, NH3 110.14 ppm

- Outlet biogas 조성 : CH4 97.2%, CO2 2.0%, H2S

0.05ppm, NH3 0.065 ppm

- CH4 회수율 : 98% 이상


- 81 -

자. Demo-scale 막접촉기 시스템의 최적화

(1)시운전

Demo-scale 막접촉기 시스템을 정상가동 하기 전 G/L ratio와 바이오가스와 흡수제의 압

력차의 최적조건 및 막의 안정성을 평가하기 위해 시운전 하였다.

Fig. 45 시운전 시 시간별 retentate CH4 농도 변화

Lab scale에서 최적조건이었던 G/L ratio는 0.8이고, 가스 압과 흡수제 압의 차압은 0.5bar

였다. 하지만 스케일 업이 되었고 막 모듈의 안정성 문제로 인해 G/L ratio는 그보다 낮은

0.3 ~ 0.6 으로 시운전 하였다. 또한 차압은 lab scale에서 운전압력의 증가로 인해 CO2 용

해도가 증가하고 retentate의 CO2 농도는 감소하는 경향을 보였으므로, 0.5bar 보다 높은 0.8

~ 1.4 bar로 운전 하였다. 차압 또한 막 모듈에 안정성 문제로 서서히 level up 시키며 운전

하였다. Fig. 45에서 보듯이 시운전에서의 최적조건은 G/L ratio 0.4, 차압 1.0bar조건에서

retentate에서 CH4의 농도가 가장 높았다. 이러한 조건을 바탕으로 demo-scale의 막접촉기

모듈의 안정성을 최대한 고려하여 정상운전을 실시하였다.

(2)정상운전

정상운전 시 시운전 때와는 달리 G/L ratio를 3배가량 올려 실시하였으며 가스 압과 흡수제

압의 차이를 줄여서 운전을 하였다. 정상 운전 시에 G/L ratio를 증가시킴으로 인해 모듈에 가

해지는 피해를 최소화 하기위해 단계별로 유량을 올렸으며, 4번의 정상운전에서 각각 정상상

태에 도달하기까지 30분정도의 시간이 소모되었다. 이후 retentate의 CH4는 97 ~ 99%의 농

도를 유지 하였다.


- 82 -

ᄆ

Fig. 46 정상운전 시 시간별 retentate CH4 농도 변화

(가) 정상운전 시 retentate의 CH4 회수율

Fig. 47 정상운전 시 시간별 discharge CH4 농도 변화

Fig. 47은 정상운전 시 시간별 discharge의 CH4 농도변화를 나타낸 그래프이다. 4개의 모

든 조건에서 운전시간이 지날수록 CH4의 농도가 줄어드는 것을 볼 수 있고, G/L ratio가 1.7,

차압이 0.3bar일 때 가장 낮은 CH4 농도를 보였다. 이 그래프로 흡수 막접촉기 모듈에서 흡수

되는 CO2가 많다는 것과 탈기 막접촉기 모듈에서 탈기가 제대로 일어난다는 것을 볼 수 있다.

Fig. 48의 그래프는 정상운전 시 시간별 회수율 변화를 나타낸 그래프이다. G/L ratio가

1.7, 차압이 0.6bar인 운전조건에서 평균적으로 98%이상의 높은 회수율을 보였으며, 다른 나

머지 조건에서는 회수율이 감소하는 경향을 보였지만 평균적으로 98% 내외의 회수율을 보였

다.


- 83 -

Fig. 48 정상운전 시 시간별 CH4 회수율 변화

(3) Demo-scale 막접촉기 운전 결과

G/L ratio가 1.5 ~ 1.7, 차압이 0.3 ~ 0.6bar 인 조건으로 정상운전 하였을 때, 모든 조건

에서 97%이상의 CH4 순도를 보였으며, 또한 모든 조건에서 98% 이상의 높은 CH4 회수율을

보였다.

(4) Demo-scale 막접촉기 성능시험 성적서

Demo-scale 막접촉기 성능을 평가하기 위해 공인기관에 분석을 의뢰해 아래와 같은 결과

를 얻었다.

처리 가스의 조성

CH4 97.2%, CO2 2.0%, H2S 0.05ppm, NH3 0.065ppm

유입 Bio-gas 조성

CH4 71.4%, CO2 28.2%, H2S 4.75ppm, NH3 110.14ppm

Demo 막접촉기 시스템


- 84 -

차. 대형 시스템 (50N㎥/h 이상) 기초 설계자료 작성

(1) 설계구조 및 특징

(가) 설계 구조

막접촉기를 이용하여 바이오가스를 처리하기 위해서 설계구조는 크게 흡수모듈, 탈기모듈로

구분할 수 있고 흡수와 탈기의 Balance를 맞추기 위해 모듈 수량, 가스/액체 유량비율, 막 면

적을 산정하였다. 모든 데이터는 8인치 모듈을 장착한 시스템에서 테스트한 결과를 반영한 것

으로 상세하게는 다음과 같다.

구 분 내 용

막접촉기 탈기막

설계 개념

Ÿ 탈기공정 개념 : 탈기공정은 바이오가스 즉, CO2/CH₄혼합가스

를 접촉막에 접촉시켜 흡수제에 녹은 이산화탄소 및 CH4를 제거

하는 공정으로 흡수제를 재생하고 CH4를 회수하기 위한 공정이

다.

Ÿ 막접촉기 재질 : 폴리프로필렌

Ÿ 접촉기 재질 특성 : 소수성, 다공성 중공사 분리막

Ÿ 유체흐름 : 중공사 외부의 흡수제와 중공사 내부의 가스가

교차흐름

Ÿ 기체와 액체의 접촉방법(접촉메카니즘) : 중공사 외부 -흡수제,

중공사 내부-진공 (아래 그림 참조)

Ÿ 흡수제 중 가스 탈기 원리 : Henry 상수 차에 의한 혼합기체

분리


- 85 -

Feed 가스 조성

및 전후처리 방법

설계

(바이오가스)

Ÿ 전체 공정 설계 개념 : 접촉막 공정의 안정성 및 메탄순도를

높이기 위한 전체공정 개념도임

Ÿ 막접촉기를 통해 처리할 수 있는 기체 조성

- CO2/CH₄조성비 : 10 ~ 50% / 50 ~ 90%

Ÿ 막접촉기를 통해 흡수전 Feed 전처리 설계

- 혐기성 소화조에서 발생한 가스는 온도 대비 100%의 수분과

다량의 메탄과 소량의 불순물 유해가스와 미량의 유기물질

미스트로 구성되어 있어 수분 및 유기물 미스트율 90% 이상

필요

Ÿ 막접촉기 통과 후 후처리 설계

- 대기 환경 보호를 위해 막접촉기로부터 탈기된 H2S, NH3,

Siloxane 제거


- 86 -

흡수 모듈수량 및

모듈

Configuration

Ÿ 모듈수량 : 8인치 테스트 결과를 토대로 하기와 같이 산정함

Ÿ 8인치 모듈 : 총 30개로 연결하되 15계열로 구분

Ÿ 계열 : 모듈 2개를 직렬로 연결함

Ÿ 흡수제 및 가스 흐름 설계(접촉 효율 극대화)

- 가스가 상부에서 하부로 흐름

- 흡수제인 물이 하부에서 상부로 흐름

Ÿ 설계근거 자료 : 모듈구성 및 CO2 제거율

6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0

Con

cent

ratio

n of

CH

4

in d

egas

sing

tank

, %

20

30

40

50

Feed gas pressure, kg/cm2

Con

cent

ratio

n of

CO

2 in

rete

ntat

e of

gas

sing

pro

cess

, %

0

5

10

15

20

25

G1D2G2D2G3D2

Module configuration

G/L ratio: 0.8Feed gas flow rate: 1.2 L/min


- 87 -

탈기 모듈수량 및

모듈

Configuration

Ÿ 8인치 모듈 : 총 30개로 연결하되 15계열로 구분

Ÿ 계열 : 모듈 2개를 직렬로 연결함

Ÿ 흡수제 및 가스 흐름 설계(접촉 효율 극대화)

- 중공사 내부에 진공을 걸어 흡수제로부터 가스를 탈기시킴

Ÿ 설계근거 자료 : 모듈구성 및 CO2 제거율


- 88 -

막접촉기 모듈

Ÿ 국내 최초로 막흡수․탈기용 대형(막면적 40m²이상) 중공사막

모듈 개발

Ÿ 최적 유체흐름을 고려한 모듈설계

Ÿ 분리막과 분리막 간격이 균일하게 배열되도록 하여 분리막

성능을 극대화시킴

Ÿ 모듈 Element와 모듈 Housing이 분리되는 분리형 접촉기

모듈교체 시 경제적이며 Housing은 그대로 사용 가능함

Ÿ 모듈 내압성 : 사용압력이 10 Bar에서 사용 가능하여 흡수공정

에서 이산화탄소의 흡수를 극대화시킴

흡수공정

Ÿ 모듈설치 구성 : 15계열 * 2모듈/계열로 구성되어 있어 계열별

운전이 가능하고 모듈교체가 용이함

Ÿ 훕수제 : 물을 사용하여 이산화탄소를 흡수/제거한 후 탈기

공정에서 가스를 제거하여 다시 흡수공정에서 재사용하는

친환경공법임

Ÿ 흡수제 및 가스 공급압력 : 최대 10 bar까지 조절가능하며

흡수제압력-가스공급압력 = ΔP를 일정하게 유지할 수 있도록

하여 시스템의 안정을 기함

Ÿ 흡수탱크에 흡수액 부족시 자동 충전 기능

Ÿ 0.05% NH3와 0.08% H2S를 포함한 CH4/CO2 혼합가스가

흡수공정으로 제거 가능


- 89 -

(2) 설계계산서

(가) 설계 기준

① 설계 유입 소화 가스량 : 50N㎥/hr (0.8N㎥/min)

② 소화가스 성상 및 목표 바이오 가스회수 농도

항 목가스 농도 (%)

유입 소화가스 Upgrading BIO 가스 탈기 가스

CH4 (Methane) 65 % 97%

CO2

(Carbon dioxide)35% 90%

H2S

(hydrogen sulfide)0.08%

NH3 (Ammonia) 0.05%

탈기공정

Ÿ 모듈설치 구성 : 15계열 * 2모듈/계열로 구성되어 있어 계열별

운전이 가능하고 모듈교체가 용이함

Ÿ 가스를 흡수한 흡수액(물)을 1차 탱크, 2차 탱크에서 탈기 후

분리막 탈기공정에 도입되도록 하여 탈기 성능을 극대화함

Ÿ 흡수인 물을 재생하여 재사용하는 친환경 공정임

Ÿ 흡수제 및 가스 공급압력 : 최대 10 bar까지 조절가능하며

흡수제압력-가스공급압력 = ΔP를 일정하게 유지할 수 있도록

하여 시스템의 안정을 기함

시스템

편의성/안정성

Ÿ 운전 및 데이터를 PC와 연계하여 데이터 백업 및 원격 조정이

가능함

Ÿ 가스농도를 실시간 측정이 가능하도록 설계함(5 points)

Ÿ Alarm 기능 : 시스템 이상 작동 시

Ÿ MFC 보호를 위해 수분제거 장치 부착


- 90 -

(나) 용량계산서

① 메탄가스 포집/회수용 고효율 막접촉기 시스템

1) 시설개요

축산분뇨의 혐기성 처리 시 발생하는 소화가스중의 바이오 메탄가스 포집/회수용 고효율 막

접촉기(흡수+탈기) 시스템을 이용하여 메탄순도 97% 이상, 회수율 90% 이상의 효율을 가진

막접촉기 시스템이다.

또한 혐기성 소화방식에 따라 성분과 조성이 다르지만 일반적으로 메탄 53∼70%, 이산화탄

소 30∼47%, 아산화질소, 황화수소, 암모니아 및 일산화탄소 등을 함유하며 이중 Non-CO2

물질을 원천적으로 저감함으로써 온실가스 저감효과 및 정제된 메탄가스를 얻을 수 있어 향후

대체 에너지로의 이용이 가능하다.

2) 고효율 막접촉기 시스템 공정 흐름도

소화조 바이오가스 압축기

탈기탱크#1

탈기탱크#2

RICH CO2

(> 90%)

RICH 메탄

(> 97%)흡수 탱크 진공펌프

흡수막

탈기막

(다) 공정 용량계산

① 설계조건

1) 설계 유입 가스량 및 가스농도

유입가스량 50 N㎥/hr

항 목 투입가스흡수공정

Discharge

탈기공정

Discharge비 고

CH4 65% 97%

CO2 35% 90%

H2S 0.08%

NH3 0.05%


- 91 -

2) 흡수공정 설계

- 흡수 분리막의 산정

= 모듈 당 유효 막면적 : 40㎡/module

= CO2 흡수율 : 13∼20 NLCO2/㎡.hr 본 설계는 15NLCO2/㎡.hr 적용

- 필요 막면적 산정식

= 유입가스량(N㎥/hr) × 유입가스중 CO2함량 × 1000 ÷ CO2흡수율

= 필요 막면적 : 50 N㎥/hr × 0.35 × 1000NL/N㎥ ÷ 15NLCO2/㎡.hr = 1167㎡

∴ 필요 모듈수 : 1167㎡ ÷ 40㎡/module = 30 module

- 흡수탱크/흡수펌프 설계

= 순환유량 : 투입가스량의 1.5배로 설계

∴ 순환유량은 50 ㎥/hr × 1.5 = 75 ㎥/hr

= 순환압력 : 8∼10 bar

= 흡수탱크 적정 체류시간 : 5∼7 분

∴ 흡수탱크 용량은 75 ㎥/hr × 1000L/㎥ ÷ 60min/hr × 5∼7min = 6250∼

8750L

흡수탱크 용량은 9000L로 한다.

흡수탱크 사양은 다음과 같다.

- 규격 : Φ1,200mm × H2,200

- Cooling fin : 0.08㎡/fin × 100fin = 8㎡

- 순환펌프 용량은 순환유량 및 순환 압력을 고려하여 75 ㎥/hr × 10 bar

- 펌프의 규격 결정

,

D= 토출구경 (mm), Q=토출유량(㎥/min), V=토출유속(m/sec)

∴

따라서 실제 제품을 고려하여 펌프 구경은 50A로 한다.

- 펌프의 출력 결정

×

×

P=전동기출력(KW), ρ=비중(1.03), Q=0.25㎥/min, H=전양정(mH),


- 92 -

α = 여유율 (1.1), η=전효율 (0.5)

∴ ×

×××

따라서, 펌프의 제작사양을 고려하여 동력은 11kw로 한다.

3) 탈기공정 설계

- 탈기 분리막의 산정

= 모듈 당 유효 막면적 : 40㎡/module

= CO2 탈기율 : 12∼16 NLCO2/㎡.hr 본 설계는 15NLCO2/㎡.hr 적용

- 필요 막면적 산정식

= 유입가스량(N㎥/hr) × 유입가스중 CO2함량 × 1000 ÷ CO2탈기율

= 필요 막면적 : 50 N㎥/hr × 0.35 × 1000NL/N㎥ ÷ 15NLCO2/㎡.hr = 1167㎡

∴ 필요 모듈수 : 1167㎡ ÷ 40㎡/module = 30 module

- 탈기탱크1, 2/흡수펌프 설계

= 순환유량 : 투입 가스량의 1.5배로 설계

∴ 순환유량은 50 ㎥/hr × 1.5 = 75 ㎥/hr

= 순환압력 : Max 1.5 bar

= 탈기탱크#1 적정 체류시간 : 6 분

∴ 탈기탱크#1 용량은 75 ㎥/hr × 1000L/㎥ ÷ 60min/hr × 6min = 7500L

탈기탱크#1 용량은 8000L로 한다.

탈기탱크#1 사양은 다음과 같다.

- 규격 : Φ1,200mm × H2,200

= 탈기탱크#2 적정 체류시간 : 4 분

∴ 탈기탱크#2 용량은 75 ㎥/hr × 1000L/㎥ ÷ 60min/hr × 4min = 5000L

탈기탱크#2 용량은 6000L로 한다.

탈기탱크#2 사양은 다음과 같다.

- 규격 : Φ970mm × H2,200

= 순환펌프 용량은 순환유량 및 순환 압력을 고려하여 75 ㎥/hr × 5 bar


- 93 -

- 펌프의 규격 결정

,

D= 토출구경 (mm), Q=토출유량(㎥/min), V=토출유속(m/sec)

∴

따라서 실제 제품을 고려하여 펌프 구경은 50A로 한다.

- 펌프의 출력 결정

×

×

P=전동기출력(KW), ρ=비중(1.03), Q=0.25㎥/min, H=전양정(mH),

α = 여유율 (1.1), η=전효율 (0.5)

∴ ×

×××

따라서, 펌프의 제작사양을 고려하여 동력은 각각 5.5kw로 한다.

4) 기계설비 리스트

No. 기계설비 형식 및 규격동력

(KW)

수량

(SET)비고

1 가스컴프레샤 Boosting compressor (2단 피스톤) 12.75 1

2 흡수모듈 STMC-8040A - 30

3 탈기모듈 STMC-8040D - 30

4 흡수탱크 φ1200 × H2200, 2000L, STS304 - 1

5 흡수펌프 50A×50㎥/hr×10bar, Vertical 다단 11 1

6 탈기탱크(1) φ1200 × H2200, 2000L, STS304 - 1

7 탈기펌프(1) 50A×50㎥/hr×5bar, Vertical 다단 5.5 1

8 탈기탱크(2) φ970 × H2200, 1000L, STS304 - 1

9 탈기펌프(2) 50A×50㎥/hr×5bar, Vertical 다단 5.5 1

10 진공펌프 Dry screw pump, 7.5 1

11 가스분석기 CH4, CO2, H2S, NH3 5


- 94 -

(3) 설계도면

(가) P&ID Flow-Sheet(물질수지 포함)

구 분 내 용 비고바이오가스

처리량50 Nm3/hr

시스템 구성

Circulation pump 15 eaVacuum pump 3 ea

Water buffer tank 3 eaGassing membrane assembly 30 ea

Degassing membrane assembly 30 ea

P & ID


- 95 -

(나) 물질수지

①

②

③ ④

① ②

Feed Biogas Composition Feed Biogas flow rate

CH4 76.96 % 4.81 kg/hr

CO2 23.04 % 3.97 kg/hr

H2S 0.0002 % 0.00002 kg/hr

NH3 0.0001 % 0.00001 kg/hr

TOTAL 100.0003 % 8.78003 kg/hr

Product Biogas Composition Feed Biogas flow rate

CH4 98.58 % 2.74 kg/hr

CO2 1.42 % 0.11 kg/hr

H2S 0.0003 % 0.00002 kg/hr

NH3 0.0002 % 0.00001 kg/hr

TOTAL 100.0005 % 2.85003 kg/hr

③ ④

Degas Biogas Composition Feed Biogas flow rate

CH4 59.72 % 0.57 kg/hr

CO2 39.09 % 1.02 kg/hr

H2S 0.0001 % 0.000002 kg/hr

NH3 0.0011 % 0.00001 kg/hr

TOTAL 98.8112 % 1.590012 kg/hr

discharge Biogas Composition Feed Biogas flow rate

CH4 0.45 % 0.01 kg/hr

CO2 96.66 % 3.74 kg/hr

H2S 0 % 0 kg/hr

NH3 0.0013 % 0.00002 kg/hr

TOTAL 97.1113 % 3.75002 kg/hr


- 96 -

(다) Lay-Out 및 Plan DWG

Fig. 49 자동화 프로그램 lay-out

(라) 기타 주요설비 Section Drawing 등

Fig. 50 pilot plant 주요설비 및 section drawing

(4)운전 절차서

(가) 전체공정의 운전

본 시설은 MCC 판넬 또는 PLC(Programed Logic Control)등을 이용한 자동운전이 가능

하도록 설계되어 있으며, 흡수 및 탈기 시설은 자동(SEMI AUTO)모드와 수동(MANUAL)모

드로 운전할 수 있다. 자동운전은 최적화된 시스템으로 흡수제의 순환은 흡수 탱크 및 탈기탱

크 수위 레벨센서를 이용하였고, 바이오가스의 유입은 자동밸브를 이용하여 합리적으로 운영함

으로써 정상운전조건에 도달까지 걸리는 시간을 줄이도록 극대화 하였다. 수동운전은 기기의


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운전상태 점검이나 수동조작이 필요하다고 판단될 때 사용하는 운전모드이다.

(나) 공정 운전방법

① 흡수제의 순환

흡수탱크에 저류된 흡수제를 유량조정펌프를 통하여 직렬 연결된 2개의 8" MC 흡수모듈

15개 라인에 각각 균등하게 유입 시키고 흡수 모듈에서 나온 흡수제는 1차 탈기탱크를 거쳐

통해 2차 탈기탱크에 유입된다. 유입된 흡수제는 유량조정펌프를 통하여 직렬 연결된 2개의

8"MC 탈기모듈 15개 라인에 각각 균등하게 유입 시키고 탈기 모듈에서 나온 흡수제는 흡수

탱크로 유입되며 순환한다.

② 바이오가스의 유입

바이오 가스는 송풍기를 통하여 전처리 공정에서 수분이 제거되고, 가스압축기에서 고압으로

생성되며, 자동 밸브 컨트롤을 통하여 직렬 연결된 2개의 8" MC 흡수모듈 15개 라인으로 균

등하게 유입된다. 유입된 가스는 흡수제와 접촉 후 후처리 공정에서 황화수소와 암모니아가 제

거된 후 대기 중으로 방출된다.

(다) 공정 운전방법

① 유량조정펌프

흡수 유량조정펌프, 1차 탈기 유량조정펌프, 2차 탈기 유량조정펌프가 설치되었으며, 자동운

전은 흡수탱크, 1,2차 탈기탱크에 설치된 레벨의 조건에 따라 자동 운전한다.

1) 흡수 유량조정펌프

= 가동조건 : 흡수펌프는 자동운전 시 가동되고, DP-101(바이오가스와 흡수제의 압

력차)에 의해서 유량 조절

= 흡수제 보충조건 : 흡수탱크 레벨이 LOW 이하일 때 흡수제 보충

= 정지조건 : 흡수탱크 레벨이 LOWLOW 이하일 때 정지

2) 1차 탈기 유량조정펌프

= 가동조건 : 2차 탈기탱크 레벨이 HIGH 이상일 때 5초간 가동

= 정지조건① : 2차 탈기탱크 레벨이 HIGH 이하일 때 5초간 정지

= 정지조건② : 1차 탈기탱크의 LOW이하일 때 정지

3) 2차 탈기 유량조정펌프

= 가동조건 : 1차 탈기 유량조정펌프의 유량 이하로 상시 가동

= 정지조건 : 2차 탈기탱크의 LOW 이하일 때 정지

② 바이오가스 압축기

= 가동조건 : 가스버퍼탱크 내부 압력이 9.0bar 이하일 때 가동

= 정지조건 : 가스버퍼탱크 내부 압력이 9.5bar 이상일 때 정지

③ 바이오가스 압력조절 및 유량조절

= 가스압력조정기와 니들밸브의 수동조작을 통하여 가스 압력과 유량을 유기적으로 조

절


- 98 -

④ 진공펌프

= 가동조건 : 자동운전 시 상시 가동

= 정지조건 : 진공펌프 온도가 70℃이상일 때 정지

(라) 주의사항

① 8" 막접촉기 모듈의 취급 주의사항

1) 분리막 모듈의 건조

분리막 모듈은 PP재질로써 소수성 막이지만 모듈 내에 장시간 흡수제(물)에 노출될 경우

기공을 통해 중공사막 안쪽으로 물이 응축 될 수 있으므로 운전 후 에는 흡수제를 모두 빼놓

아야 한다.

2) 분리막 모듈의 동결

분리막 모듈은 동결되면 파손될 우려가 있으므로 동결되지 않도록 한다.

3) 분리막 모듈의 수송

분리막 모듈을 떨어뜨리거나 부딪치거나 하여 충격을 주는 경우에는 모듈 및 중공사막 파손

의 원인이 되므로 수송 및 취급에 주의를 요한다.

4) 분리막의 보관

분리막을 보관할 경우 모듈 하우징에 채결하여 햇빛이 들지 않는 곳에 보관한다.

② 운전시 주의사항

1) 시운전

분리막을 설치한 후 최초로 흡수제와 바이오가스를 접촉하는 시점에는 초기 흡수제 유량과

압력을 2.5m3/h, 1.5bar 이하로 운전 시작하고 바이오가스의 압력과 유량을 공정 최적운전조

건으로 맞출 때와 흡수제의 압력차를 1.5bar 이하로 하여 점차 증가 시킨다.

2) 정상운전

초기 정상운전을 시작할 때에는 흡수제와 바이오가스의 유량과 압력을 서서히 올리면서 공

정 최적조건을 잡아 운전하는 것이 분리막의 원활한 운전을 위해서 바람직하다. 정상 운전 시

주의사항을 살펴보면 다음과 같다.

= 외부의 물리적인 충격이 초래되지 않도록 세심한 주의를 필요로 한다.

= 장치 운전 시 흡수제와 바이오가스 압력이 2.0bar 이상의 차압으로 운전하여서는 안

된다.

= 운전 중 기타 기기나 장치의 수리 및 분해 조립을 할 수 없다.

= 수리 및 정비는 장치의 가동정지 후 전원을 OFF한 상태에서 실시한다.

= 흡수 Section의 실내 온도가 되도록 낮은 온도에서 운전한다.

= 탈기 Section의 실내 온도가 되도록 높은 온도에서 운전한다.

= 탈기 모듈 하부에 설치되어 있는 흡수제 reservoir의 수위가 올라가지 않도록 주기

적으로 흡수제를 비워 준다.


- 99 -

3) 모듈의 수명

= 8" 막접촉기 모듈의 수명에 가장 큰 영향을 미치는 것은 흡수제와 바이오가스의

압력 이다. 설계 압력을 상회한 운전은 분리막 수명의 단축을 초래하므로 반드시 설계

압력 이하로 운전 하도록 하여야 한다.

= Control panel 체크리스트

No. check list YES NO 요구되는 사항 / 조치 비고

1 외부 compressure 차단기 on/off

2 cp-101(pump-1), cp-102(pump-2), cp-103(pump-3) 차단기 on/off

3 Vacuum pump 차단기 on/off

4 Main power on/off

5 전력량 확인 창 확인

= absorption section 체크리스트


1 BT-101(absorbent tank) absorbent 수위 확인

수위 충분치 않을 시 AV-101 valve 열어 absorbent 보충

2 흡수막 및 1, 2, 3번 라인 MFC 전단 absorbent 유무 확인 operating 전 all drain

3 소화기동에서 나오는 Main Gas valve open/close 확인

4 Compressure 전원 on/off 및 pressure 확인 Buffer tank 압력 약 9.5bar

= degassing section 체크리스트


1 DGT-101(buffer tank) absorbent 수위 확인

부족 시 BT-101(absorbent tank)에서 보충

2 DGT-102(digasing tank) absorbent 수위 확인

부족 시 BT-101(absorbent tank)에서 보충

3 Vaccum pump 후단 reservoir 수위 확인 Absorbent 있을 시 all drain

4 탈기막 absorbent 유무 확인 operating 전 all drain


- 100 -

3-3. 연구개발 결과 요약

가. 막접촉기용 소수/다공성 중공사막의 60% 이상의 높은 세공율과 젖음압(물에 대한 파과압력)

10 bar 이상의 중공사막을 제조하기 위하여 1차년도 연구결과를 바탕으로 제조 조건을 변화

하여 중공사막을 제조하였다. 제조된 중공사 막은 젖음압 8.7 bar, 세공율 57%를 나타내었으

며, 젖음압과 세공율은 반비례함을 알 수 있었다. 막모듈 설계를 위해서 다양한 흐름 패턴을

갖는 4가지 패턴의 2인치 분리막 모듈을 제작하고 시험하였으며, 모듈 상부, 하부에서 cross

flow에 의한 혼합효과가 큰 패턴 D가 가장 우수한 분리막 모듈 형태임을 확인하였다.

나. Lab-scale(0.1Nm³/hr) 규모의 막접촉기 시스템을 설계 및 제작하였으며, 이를 활용하여

CH4/CO2 혼합기체를 대상으로 2인치 패턴 D 모듈에 대한 다양한 운전조건에서의 분리성능

을 시험하였으며, 2인치 패턴 D 모듈의 결과를 바탕으로 3인치 패턴 D 모듈을 제작하여, 혼

합기체 유량 2,250 sccm, 기체 압력, 2.5 bar, 액체 유량 4 L/min, 액체 압력 3.0 bar에서

잔류측 CO₂ 농도 3.3%(CH₄ 96.7%), 시스템 회수율 97%를 달성하였다. 탈기 tank에 약간

의 감압 (-0.05 ~ -0.1 bar)을 가함으로써 물속에 용해된 대부분의 CH4가 회수됨을 관찰

하였고 이를 재순환 할 경우 CH4 회수율을 99% 이상 달성할 수 있음을 확인하였으며 특히

혼합기체 유량 2000 sccm, 기체 압력 7.5 ~ 9.5 bar, 잔류측 CO2 농도 3.7%(CH4 96.3%),

시스템 회수율 98.2%를 달성하였다. 흡수액 온도에 따른 성능시험을 수행하였고 황화수소 /

암모니아를 포함한 모델가스를 적용하여 GC peak 상 황화수소 / 암모니아 성분이 검출되지

않았다. Lab-scale(0.1Nm³/hr) 규모의 막접촉기 장치에서 얻은 결과를 바탕으로 흡수 모듈

과 탈기 모듈 사이에 기체가 용해되어 있는 물을 작은 입자로 스프레이 할 수 있도록 설계된

1차 탈기탱크 및 감압장치 그리고 탈기된 기체를 재순환하는 장치를 Demo-scale 막접촉기

시스템 설계에 적용하여 메탄의 회수율을 극대화 하고자 하였다. 최적 모듈 조합을 완성하였

고 다양한 운전조건에서의 분리성능을 최적화하여 막접촉기 대형화할 수 있는 데이터(물질전

달계수, 기체 투과량 등)를 확보하였고 고효율 대형 막접촉기 시스템을 설계/제작할 수 있는

제반기술을 확보하여 Demo-scale 메탄가스 포집․회수용 고효율 막접촉기 시스템 (10

Nm3/hr)을 설계/제작하였다. 또한 Lab-scale의 막접촉 장치 가동 결과를 활용하여 대형 모

듈(막면적: 40 m2)을 설계, 제작하였다.

다. 대형 Demo-scale 막접촉기 시스템 최적화를 통해 메탄가스 포집∙회수농도 97.2%, 회수율

98% 이상의 결과를 확인할 수 있었다.

라. Demo-scale 메탄가스 포집․회수용 고효율 막접촉기 시스템 (10Nm3/hr)을 기초로 하여

Scale-up(50Nm3/hr) 메탄가스 포집∙회수용 고효율 막접촉기 시스템 기초 설계 자료를 작

성하였다.


- 101 -

4. 목표달성도 및 관련분야 기여도

4-1. 목표달성도

구분 연구개발의 목표 연구개발의 내용 달성도(%)

비고

1차년도

소수성 중공사막 고분자 소재 선정 및 다공성 중 공사막 제조기술 확립

표면에너지(SE)33(103 N/m)

이하, 젖음압(WP) 5 bar 이

상, 기공율 50% 이상

100

Lab-scale 막접촉기(막

흡수/막탈기) 시스템 구

축

Lab-scale(0.1Nm3/hr) 막접

촉기(막흡수/막탈기)시스템 구

축

100

2차년도

다공성 중공사막 및 모듈

제조 기술 최적화

표면에너지(SE)33(103 N/m)

이하, 젖음압(WP) 10 bar 이

상, 기공율 60% 이상

100

접촉기용 중공사 모듈 설

계 최적화접촉기용 중공사 모듈 설계 100

Lab-scale 막접촉기(막

흡수/막탈기) 시스템 운

전

Lab-scale 막접촉기(막흡수/

막탈기) 시스템 운전 데이터

확보

100

3차년도

막흡수·탈기용 대형 중

공사막 모듈화 기술 개발

막면적 40 m2 이상

(목표 : 25m2) 100

Demo-scale 막접촉기

시스템 제작 및 운전

메탄가스 포집·회수 농도

97% 이상, 회수율 90% 이

상, 처리용량 10 N㎥/h (633

ton CO2 eq/year)

100

4차년도


시스템 제작, 운전 및 최

적화

- 메탄가스 포집·회수 농도

97% 이상, 회수율 90% 이

상, 처리용량 10 N㎥/h (633

ton CO2 eq/year), 기존 흡

수공정 대비 에너지 소비율

90% 이하, 설비 집적율 20%

이상

100


운전을 통해 환경신기술

검증 획득

- 환경신기술 인검증 0


- 102 -

4-2. 관련분야 기여도 가. 기술적 성과

(1) 바이오메탄의 포집·회수기술과 관련된 신기술 실용화를 통해 공정 효율성 증대 및 관련

외국기술을 대체한다.

(2) 산업, 환경, 신재생 에너지 분야 적용 가능한 막접촉기 원천기술 특허 확보를 통해 고효

율 분리정제 관련 기술적 우위 선점한다.

(3) 국내 미개발 신재생 에너지 인프라 활용기술 확보가 가능하다.

(4) 국내 바이오메탄 연료화 공정기술 확보 및 상용화 기반을 구축한다.

나. 환경적 성과

(1) 본 과제 완료 후 2018년 국내 발생 축산분뇨의 혐기성 소화에 본 기술을 적용할 경우,

바이오메탄 포집·회수 및 동시 N2O 저감을 통해 연간 105만 ton CO2 eq. 온실가스

저감 효과가 기대되며 그에 따른 기후변화 대응이 가능하다.

년 도 2015 2018 2020 2025 2030

축산분뇨 혐기소화처리율 (%) - 10 20 30 40

온실가스 저감효과 (만 ton CO2 eq) 0.0633* 105 214 336 468

* 본 사업으로 구축한 시스템 1대의 처리량 기준

(2) 신재생에너지, 환경, 화학, 전자산업 분야 등에서 새로운 환경부하 저감기술로 활용이 가

능하다.

다. 경제적․산업적 성과

(1) 바이오가스 관련 국내기술 개발을 위한 초석을 마련한다.

(2) 온실가스 저감기술 수출 및 국제적 탄소 배출권 거래제에 효율적으로 활용한다.

(3) 전 세계 가스 제조, 정제기술 관련 시장(2009년 기준 약 20조원 규모)에 핵심기술(약

7000억원)로 진입이 가능하다.

(4) 2030년 약 50조원 시장규모로 예상되는 바이오메탄가스 시장에서 기술적 경쟁력 우위

를 통한 선도적 역할이 가능하다.

라. 일자리 창출 성과

(1) 바이오가스 고질화 기술 관련 국내 인력을 양성한다.

(2) 막접촉기 기술 관련 국내 인력을 양성한다.

(3) 막접촉기 시스템 운전에 따른 전문 운전 인력을 양성한다.


- 103 -

5. 연구결과의 활용계획

5-1. 연구결과의 활용계획

가. 개발된 바이오가스로부터 메탄 회수 및 전/후처리를 통합한 막접촉기 시스템을 축산분뇨

바이오가스 자원화 시설에 적용하여 발생되는 메탄을 회수하는 시스템을 사업화 한다.

나. 국내 적용 사례를 발판으로 해외 바이오가스 플랜트의 메탄 고질화 부분에 개발된 막접촉

기 시스템을 적용한다.

다. 바이오가스 정제용 분리막 접촉기 시스템 기술의 우수성, 고질 연료화의 경제성 등을 중

심으로 현재 국내에 설치, 운영 중인 축산분뇨 이용 바이오가스 생산 시설(9개소)을 우

선 대상으로 개발된 기술이 적용될 수 있도록 적극 홍보한다.

라. 향후 국내에 설치가 확대될 축산분뇨 자원화 시설에 분리막 접촉기 시스템을 이용한 바이

오메탄 생산을 위해 관련 지자체 및 기업(건설사, 환경분야 사업자, 혐기성 소화 사업자

등)에 기술을 홍보한다.

마. 국내 적용 사례를 발판으로 해외 바이오가스 플랜트의 메탄 고질화 부분에 개발된 분리막

접촉기 시스템이 적용될 수 있도록 정부출연연구원, 대학과의 협조를 통해 적용 가능한

해외 바이오가스 플랜트 데이터 베이스를 구축하고 기술을 홍보한다.

바. 연구 개발 기간 동안 발생되는 세부 연구결과를 바탕으로, 분리막 접촉기용 중공사 분리

막, 분리막 접촉기용 중공사 분리막 모듈, 분리막 접촉기 시스템 등의 판매를 통해 매출

발생이 예상된다.


- 104 -

5-2. 사업화 계획

구분

사업화 연도 2018년도

개발 종료

후1년

2019년도

개발 종료

후2년

2020년도

개발 종료

후3년

2021년도

개발 종료

후4년

2022년도

개발 종료

후5년

개발계획품목

바이오메탄 회수

막접촉기 시스템 및 막접촉기

모듈



모듈



모듈



모듈



모듈

생산계획

국내

시장점유율(%)

판매량(단위: set)

1 2 4 4 20

판매단가(원)

국내매출액(백만원)

600 1,200 2,400 2,400 12,000

해외

시장점유율(%)

판매량(단위: set)

1 4 5 10 50

판매단가(원)

해외매출액(백만$)

0.6 2.4 3.0 6.0 30

당사 생산능력1) 5set 10set 30set 50set 100set

투자계획

소요인원 2 2 2 3 5

제조시설 1 1 2 5 5

시험시설

6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보

7. 연구개발결과의 보안등급

8. 국가과학기술종합정보시스템(NTIS)에 등록한 연구시설·장비 현황


- 105 -

9. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적

10. 연구개발과제의 대표적 연구실적

구입기관

연구시설/연구장비명

규격(모델명)

수량구입연월일

구입가격(원)

구입처(전화번호)

비고(설치장소)

NTIS장비등록번호

번호

구분

(논

문/

특허

/기

타

논문명/

특허명/기

타

소속

기관명역할

논문게재

지/

특허등록

국가

Impact

Factor

논문게재일

/특허등록일

사사여부

(단독사사

또는

중복사사)

특기사항

(SCI여부/

인용횟수

등)

1 특허막증류-결정화시스템및방법

(주)세프라텍 대한민국 2016.12.27 단독사사 등록

2 특허

바이오가스정제용 막접촉시스템

및막접촉방법


3 특허PTFE분리막의제조방법


4 특허

분리막접촉기용중공사모듈


5 특허

분리막접촉기모듈 및이를이용한

바이오가스정제용 막접촉

시스템 및막 접촉방법

(주)세프라텍 국제(PCT) 2015.03.11 단독사사 출원


- 106 -

11. 기타사항

12. 참고문헌


주 의

1. 이 보고서는 환경부에서 시행한 환경기술개발사업의 연구보고서

입니다.

2. 이 보고서 내용을 발표할 때에는 반드시 환경부에서 시행한

환경기술개발사업의 연구개발 결과임을 밝혀야 합니다.

3. 국가과학기술 기밀유지에 필요한 내용은 대외적으로 발표

또는 공개하여서는 안 됩니다.


축산분뇨 발생 메탄가스 포집/회수 및 동시 N2O 처리 실증화 기술 …

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