[가스신문(2022.04.04)] [2022년 가스기술사 제언-4월] 바이오가스(Biogas)의 생산과 활용기술

(주)바우만 대표 김윤철(대전세종충청지회장)

최근 ESG 등 친환경 기조에 따라 바이오가스 산업 역시 사회적으로 많은 관심을 받고 있다. 여기서는 소화가스가 바이오가스를 거쳐 수소화 전단계인 바이오메탄에 이르는 주요 공정과 함께, 현장 적용 시 고려할 사항 등에 대해 알아보고자 한다. 바이오가스는 대략 60%의 메탄과 40%의 이산화탄소, 황화합물 등으로 이뤄진다. 여기서 정제 전 가스를 소화가스, 정제 후 가스를 바이오가스라 말한다. 그리고, 바이오가스 생산을 위한 정제과정은 크게 두가지 단계로 이뤄진다. 첫 번째가 바이오가스 생산을 위한 제습/탈황 과정인 가스전처리공정(Pretreatment Process)이고, 두 번째가 바이오메탄 생산을 위한 메탄분리 과정인 고질화공정(Upgrading Process)이다.

우선 소화가스에서 바이오메탄에 이르는 정제과정과 주요 활용기술을 단계별로 나열해 보았다.

첫번째로 눈여겨봐야 할 공정은 제습공정이다.
제습공정은 가스전처리공정과 고질화공정에 모두 적용되는데, 설계 시 간과하기 쉽다. 하지만, 제습공정은 ③탈황공정이나 ⑥메탄분리공정 등 대부분의 설비 부하를 결정하기 때문에 매우 중요하다. 또한, ③탈황공정(특히 건식탈황)의 경우, 탈황제의 수분 흡수율이 황화수소 제거율보다 높다. 따라서 수분이 많으면 탈황 촉매의 수명이 단축되고, 결국 운영비용이 증가한다. 아울러, ⑥메탄분리공정에서도 수분이 물리흡착을 방해하여 메탄 분리효율을 크게 저하시키므로 제습공정은 매우 중요한 공정이라 할 수 있다.

가스전처리공정에서 황화수소 제거를 위한 ③건식탈황과 습식탈황은 각각 분명한 장단점이 있다. 건식탈황은 소화가스 중 중저농도(500ppm 이하)의 황화수소를 저농도(10ppm 이하)로 제거하기에 적합하다. 이에 반해, 습식탈황은 고농도(3000ppm 이상)의 황화수소를 중저농도(300ppm 이하)로 처리하기에 적합하다. 물론 고농도의 황화수소를 저농도로 낮추기 위해 건식과 습식 탈황을 함께 사용하는 것이 타당하나, 현장에서는 투자비 축소 및 운영 일관성 확보를 위해 기피하고 있다. 하지만 바이오가스 생산 설비의 안정적 운영을 위해서는 반드시 고려해야 할 사항이라고 생각한다.

아울러, 고질화공정 중 ⑥메탄분리공정을 설계할 때는 압력과 유량을 우선 고려해야 하며, 버려지는 메탄혼합가스를 회수하는 ⑦재생·회수공정에 어떤 공법을 사용할지 잘 결정해야 한다. ⑥메탄분리공정 중 PSA(Pressure Swing Adsoption) 공법은 중압 중 높은 압력에서 사용하는 것이 분리효율에 유리한데, 이 경우 ⑦재생·회수공정으로는 멤브레인 공법을 사용하는 것이 좋다. 이에 반해, ⑥메탄분리공정으로 멤브레인 또는 아민용해공정을 사용할 경우, 상대적으로 중저압에서 운전되므로, ⑦재생·회수공정에는 VSA(Vacuum Swing Adsoption) 공법을 사용하는 것이 유리하다. 물론 재생효율을 높이기 위해 재생·회수공정에서 재가압 후 PSA 또는 멤브레인을 사용할 수도 있지만, 유량이 낮을 경우(600m3/hr 이하) 경제성이 낮아진다. 앞서 설명한 바이오가스 생산설비의 시설 및 기술기준은 도시가스사업법 시행규칙(별표6의4)에 정해져 있으며, 상세한 기술기준은 KGS 코드( FP553)에 명시돼 있다.

마지막으로 바이오가스의 수소화시설에서 간과하기 쉬운 것이 바로 방폭에 대한 부분이다. 대부분 가스 시설의 방폭 전기배관은 전선관(강관)으로 시공하는데, 이때 사용하는 씰링피팅이 바이오가스의 수소화시설에도 적합한지는 의문이 든다. 물론, 방폭 전기설비 규정상 씰링피팅의 적용범위에 있어 명문화된 기준은 없다. 하지만 씰링피팅 시공의 적절성, 즉 씰링콤파운드의 시공이 적절했는지를 어떻게 확인할 수 있겠는가? 물론 다른 인화성가스에 대한 방폭 설비도 마찬가지겠지만, 누설 위험이 크고 점화에너지가 작은 수소의 경우, 씰링피팅이 방폭 성능기준을 만족할 수 있을지 의문이 든다. 따라서, 필자는 수소 시설의 전기방폭 시공에는 IEC 60079-14 10.6.2 설치기준에 따른 방폭형 케이블글랜드(베리어형/압축형)가 적합하다고 생각한다. 시공 후 육안 확인이 가능하고 시공의 적절성을 IEC 60079-17 검사기준에 근거하여 평가할 수 있기 때문이다.

지금까지 바이오가스의 주요 생산공정과 함께 바이오가스의 수소화시설 전기방폭 이슈까지 살펴보았다. 에너지 형태의 패러다임은 과거 고체 및 액체에서 현재 친환경적인 기체로 변화하고 있다. 더불어 국민들의 안전의식은 예방을 넘어 예측을 통한 안전 확보로까지 높아지고 있다. 따라서, 가스기술인 모두 이러한 변화에 부응하기 위해 노력해야 하며, 가스기술의 적합한 활용과 함께 보다 나은 안전을 확보할 수 있도록 최선을 다해야 하겠다.

출처 : 가스신문(http://www.gasnews.com)

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