CHAPTER 04 가스 자원화

CHAPTER 04 가스 자원화

• 매립장

- 폐기물 최종 처분지

-매립된 폐기물 중 생물학적으로 분해가능한 물질이 미생물의 활동에 의해 분해되면서 매립가스가 발생되며, 매립지의 구조와 규모, 관리형태, 매립경 과시간, 매립되는 폐기물의 종류 등에 따라서 매립가스 발생량과 그 성분 변 동

• 매립가스

-매립지가 혐기성 조건으로 유지, 주요성분은 온실가스, 매립지 및 주변의 환경에 영향을 미칠 수 있는 다양한 악취물질과 휘발성 유기화합물 포함 -매립지에 물리․화학적 및 생물학적 정화공법을 최대한 적용, 매립가스 발 생을 극대화하여 대체에너지로써의 활용가능성과 매립가스(LFG, Landfill gas)의 환경적 측면에서의 관심과 중요도 증대

매립가스, LFG(Landfill Gas)

-매립지에 폐기된 유기성 물질이 수분, 온도, pH, 미생물 등의 영향을 받아 단계 적으로 분해되어 발생하는데, 혐기성 조건이 형성되는 시기부터 메탄가스와 산 화탄소가 주성분을 이루는 전형적인 매립가스 형성.

-통상 매립지가 혐기화에 도달하는 기간은 매립완료 후 6개월 ~ 1년 정도로 추 정 -매립가스가 정상적인 상태에서 발생되면 메탄가스 55%(±5%), 이산화탄소 45%(±5%), 기타 1% 미만의 미량유해물질인 황화수소, 메틸머캡탄, VOCs, 각종 탄화수소물질 등으로 구성

-매립가스 악취 : 메탄가스와 이산화탄소가 무색, 무취의 가스이므로 이들 1%

미만의 미량물질들로 인해 악취 유발

• 바이오 가스

-전국적으로 음식물류 폐기물, 가축분뇨 및 하수슬러지 등 다양한 유기성 폐기 물 다량 배출

- 유기성 폐자원의 에너지화를 위해 혐기성 소화공정을 거쳐 바이오가스 발생 -바이오가스 : 혐기성 소화 작용으로 메탄 생성 박테리아가 바이오매스를 분해 할 때 발생하는 대사산물의 하나로서 메탄과 이산화탄소의 혼합 형태인 기체 - 바이오가스 형태 : 퇴비가스, 습지가스 등 자연생성 및 제조되는 가스

-바이오가스 생산시 이용가능 유기성 폐자원 : 음식물 쓰레기, 하수슬러지, 축산 분뇨 등

4.1.1 국내․외 매립가스 동향

○ 국내

- 1970년대 초, 대학과 연구소 중심으로 연구시작

- 1980년대 후반, 매립가스를 이용한 대체에너지 이용기술 관심 - 수도권매립지 매립가스 이용방안이 대두되면서 관심이 높아짐

- 1990년 이후, 매립가스 이용기술, 바이오수소 생산기술이 대체에너지 주요분 야로 추가

- 1990년 초, 매립가스 추출 효율 평가

- 1990년 중반, 쓰레기 매립장 매립가스 포집․정제․활용에 따른 최적화 개발

○ 외국

- 1995년 5대륙에 걸쳐 13개국에서 400여개의 매립가스 회수설비 가동

- 대부분 미국, 독일, 영국에서 전체 75% 이상 차지하며, 전력생산을 주로 채택 - 영국 : 65여개 매립가스 에너지 회수 설비 가동, 82% 전력생산, 나머지 직접 가스 이용

가. 국내 사례

• 난지도 매립지

-1978년 매립 시작, 1993년까지 약 15년간 서울에서 발생한 폐기물의 70% 이 상을 매립

-제1매립지, 제2매립지, 슬러지 매립지로 구분되어 약 9,200만톤의 폐기물이 오 염방지시설을 갖추지 않은 채 비위생 매립됨

-생활폐기물 매립된 제1매립지의 CH₄ 농도 범위는 45~60%, 제2매립지는 25~60%를 보임

-2000년에 기본설계가 완료되어 포집공 106공을 설치하고 이송관로를 연결한 후 송풍기를 이용하여 가스를 뽑아내고 있음

-가스는 보일러 연료로 사용하여 난방열을 만들어 월드컵 경기장과 주변의 아 파트 3,000여 세대에 공급

• 수도권매립지

-국가적으로 가장 관심이 많은 위생매립지로 완전한 포집이 되지 않고, 일부 포집된 것을 소각처리하고 있어 불완전연소로 인한 악취 및 매립가스로 인한 악취 발생

-매립가스 포집시설이 설계에 반영되어 매립 제방 주위에 가스 이송관이 있고 수평 포집관 설치되어 현재 약 300~350m³/min 정도의 매립가스 포집

-전력생산으로 연간 약 2.5만 toe의 대체에너지를 공급

• 부산 생곡 매립가스 발전소

- 2001년 7월 하루 6MW의 전력생산 설비를 갖추어 가동중 - 매립장에서 발생하는 메탄가스를 주원료로 가동

-가스 포집, 정제, 기관 엔진(발전), 한국전력 송전 및 변압 등의 과정으로 이루 어짐 -매립장에서 가스를 채취한 뒤 수분과 황 등을 함유한 질이 떨어지는 가스는 정제 과정을 거쳐서 필터를 통과하여 불순물을 제거하고 생산된 전력은 한전 선로를 통해 kW 단위로 사용됨

나. 국외 사례

• 미국

- 매립지 발생가스를 오염물질로 규정하여 매립가스 발생 기준 제안

-도시고형 폐기물의 매립지 발생가스를 포집, 제어하는 시스템을 도입하여 에너지화하는 장소가 꾸준히 증가하고 있으며, 이러한 매립지에서 이익 창 출 중

- 매립가스 에너지 회수 시스템 중 78% 전력 생산하여 지역 시설에 제공 - 전력생산에서는 내부연소 엔진, 가스 엔진 및 스팀 터빈 등 사용

- 직접적인 가스 이용으로 디젤 엔료 생산, 보일러 연료로 사용

• Rolling Hill Estates 시 매립지(메탄가스 회수․이용 최초 매립지) - 1980년 매립완료시까지 2,000만톤 폐기물 투입

-악취 대책으로 가스 흡입정 설치, 연소시켰으나, 석유 파동이후 메탄가스 회수이용 공장을 설계

-가스 포집시스템, 가압시스템, 수분제거시스템, 탄화수소 제거시스템, CO₂ 제거시스템 등으로 구성

-정제가스는 14kg/cm2로 가압되어 South California 회사의 천연가스 pipe line에 송입

4.1.2 매립가스 영향인자

• 폐기물 특성, 매립지내 온도, 수분, pH, 산소, 영양분 등

• 매립된 폐기물 조성 : 가장 중요한 인자로 다음과 같은 성분 포함 - 분해용이 성분 : 음식, 잡초류

- 중위급 분해 성분 : 종이와 목재, 섬유류 - 난분해성 성분 : 플라스틱, 고무류 등

• 폐기물 중 지방분이나 단백질 또는 탄수화물을 함유하고 있는 주방용쓰레 기가 많이 포함되면 분해용이 성분 함유율이 높아지기 때문에 매립 초기(매 립 후 2년내) 분해가스 발생량 많아지고 이러한 쓰레기의 반감기는 대개 1 년 정도

• 중위급 분해 성분의 분해 반감기는 대체로 2년, 난분해성 성분은 20년 정 도로 총 가스 발생 추산량의 99%를 분해시키는데 소요되는 기간은 분해용 이 성분의 경우 3년 반, 중위급 분해 성분은 최고 6년, 난분해성 성분은 60 년 걸림

• 종이류, 섬유질 등 중위급 분해 성분 많이 함유하고 있는 쓰레기의 경우 실 제 매립 후 3~4년의 반감기를 갖게 되는 것이 보통, 발생 매립가스 조성은 CH₄ 51%, CO₂ 49% 정도

가. 매립지내 온도

• 미생물 활동은 온도에 따라 달라지며, 활동하는 주된 종이 달라질 수도 있으 며, 이에 따라 가스발생 특성도 달라짐

• 매립지 내 초기온도는 일반적으로 호기성 박테리아의 활성도에 따라 지배되 며 매립 후 45일 이내 최고온도에 도달

• 매립지내 심층부는 무산소 상태에 가까워 혐기성 분해가 일어나기 때문에 온 도의 상승을 일으키지 않음

• 혐기성 분위기에 도달하면 매립지 온도가 내려가게 되며 혐기성 분해 박테리 아인 중온성 미생물은 20~40℃의 온도범위에서 가장 잘 성장하고 호기성 분 해 박테리아인 고온성 미생물은 45~55℃에서 가장 잘 성장

나. 수분의 영향

• 매립지 내 수분은 미생물 성장에 필요한 영양분을 용해, 이동시켜 미생물 이 이동가능한 형태로 만들어 주기 때문에 가스 생산량에 큰 영향을 미침

• 혐기성 분해 반응은 다습한 분위기에서 일어나므로 매립층 내 수분함량은 메탄가스 생성에 매우 큰 영향을 주는 중요 인자

• 수분 함량 : 지하수 유입, 우수침투, 쓰레기 분해에 의한 수분 생성 등 요인 에 따라 변화

• 매립층 내 수분은 쓰레기의 성분을 균일하게 하고 영향분 및 분해 가능 유 기물의 농도변화를 감소시켜 미생물을 성장시키며 쓰레기 전체를 박테리 아가 분해시켜 가스 발생량 극대화

• 매립지 쓰레기 함수율은 43~53% 정도이나 미생물로 분해되는 유기체 성 분을 완전히 변환시키는데 최적 습기량은 약 50~60%

다. pH의 영향

• 폐기물 혐기성 분해 : 일반적으로 pH 6.6~7.6 범위에서 이루어지고 메탄생 성을 위한 최적 pH는 7.0~7.2

• pH 6.2 이하일 때 미생물이 유기물을 유기산으로 분해시켜주며, 이 때 생성 된 CO₂의 용해로 인하여 산도가 증가하고 메탄생성 박테리아의 활성을 저 하시켜 메탄가스 생성이급격히 감소

라. 산소의 영향

• 매립층 내부에 산소가 없으면 혐기성 박테리아의 성장과 유기물질 분해에 좋은 조건이 되어 탄소화합물이 빠르게 반응

• 메탄형성박테리아 : 혐기성 미생물로 매립지 내부에 산소가 있으면 증식 불 가능

마. 영양분

• 매립지에서 박테리아가 성장하기 위해서는 여러 가지 영양소가 필요

• 탄소, 수소, 산소, 질소, 인은 충분히 존재하여야 하며, 그 외에도 소량이지만 나트륨, 칼륨, 황, 칼슘, 마그네슘도 필요

• 메탄가스 생성은 C/N비가 30일 때 최상의 값을 나타내는 것으로 알려져 있 음 • C/N비가 크면 CO₂ 생성증가로 인해 LFG의 조성이 변함

• 4.1.3 매립가스의조성 및 특성

매립가스의 조성은 매립 쓰레기 종류와 생물학적 분해 단계에 따라 다르며 매 립지에서 발생되는 가스의 주성분은 메탄(CH₄), 이산화탄소(CO₂), 산소(O₂), 질 소(N₂) 등

• 유해 악취 성분 : 암모니아(NH₃), 일산화탄소(CO), 황화수소(H₂S)와 미량성분 인 휘발성 유기물질(VOCs) 등

Ingredient Unit Component

CH₄ vol. % 55~60

CO₂ vol. % 35~40

N₂ vol. % < 5

O₂ vol. % < 2

Sulphur, Inorganic mg/m³ 0~100

Mercaptans mg/m³ 0~10

Halogenated hydrocarbon

s mg/m³ 0~150

Water - saturated

표 4.1 매립장 gas의 성분 구성비

• 메탄, 이산화탄소 : 도시폐기물 생분해성 유기물질의 혐기성 분해에서 발생되는 주요가스

• 황화수소, 아민류, 기타 자극성 있는 기체물질 : 매립 폐기물의 혐기성 분해과정 에서 주로 발생

• 매립가스 내 악취 성분 : 주로 황화수소를 포함한 메르캅탄류와 아민류가 주종

• 매립가스 중 미량성분 : 다수가 휘발성유기화합물(VOCs)로 나타남

-매립가스 중 VOCs의 농도가 크게 나타난 매립장은 VOCs를 함유한 산업․상업 폐 기물이 반입된 후나 오랜 시간이 경과한 매립지의 경우이며, 유해 폐기물의 처분 이 금지된 신규 매립지에서는 매립가스의 VOCs의 농도가 극히 낮음

- 국내 최대인 수도권 매립지에서 매립가스 내 대표적인 미량성분(BTEX) : 톨루엔

• 메탄

- 무색, 무취, 무미의 부식성이 없는 가연성 가스이며, 공기보다 가벼워 천연가스의 주요한 성분으로 독성이 거의 없음

- 공기 중 메탄 확산에 의한 폭발성이 높아 특별한 주의 필요

• 이산화탄소

- 무색, 무취 및 비가연성의 약산성 가스로서 공기보다 약간 무거움

-공기보다 무겁기 때문에 공기 중으로 잘 확산되지 않으므로 한정된 지역에 농축 되는 경우가 있으며, 고농도 이산화탄소는 호흡기관에 장애를 일으키고 호흡 속도 증가 -공기 중 이산화탄소의 일반적인 농도는 약 0.03%이나 12~15%의 농도로 존재하 는 경우곧 의식을 잃게 되고, 25%의 이산화탄소 노출시 수시간 내 사망

4.1.4 매립가스의 발생원리

• 매립가스는 미생물에 의한 생물학적 반응의 산물로 매립되어 있는 폐기물의 양, 종류, 물리 화학적 성상과, 수분함량, 매립지의 온도, 복토량, 수소이온농 도 및 물리 화학적반응 등과 같은 내부적 요인이 복합적으로 작용하여 발생

• 매립지의 유기성폐기물이 미생물에 의해 혐기성 분해와 같이 산 형성 단계 를 거쳐 메탄 형성 단계로 진행되며, 분해 과정을 여러 단계로 구분하여 메 탄 생성을 특정지음

① 제1단계

-폐기물 매립시에 혼입한 공기로 인해 호기성 상태가 유지되어 호기성 미생 물이 O₂를 소비하므로 거의 같은 몰의 CO₂가 생성.

-호기성 단계로써 폐기물 매립 후 몇 일 또는 몇 개월 가량 지속되는데 폐기 물 내에 수분이 많은 경우 반응이 가속화하여 용존산소가 쉽게 고갈되어 다 음 단계의 반응에 빨리 도달하게 됨, 주된 조성은 N₂, O₂ 및 CO₂로 N₂와 O₂는 급격하게 감소하는 반면 CO₂는 서서히 증가

② 제2단계

- 호기성 상태에서 혐기성 상태로의 전환단계

- 산생성 박테리아에 의해 SO₄^-와 NO₃^-가 환원되는 단계

-혐기성 미생물은 가수분해에 의해 복잡한 유기물을 발효시켜 지방산, 알코 올, CO₂, NH₃, H₂ 등을 생성, H₂와 CO₂가 증가되는 동시에 O₂는 거의 없어지 고, N₂도 계속 감소, 매립지가 혐기성 상태로 전환함을 의미하여 아직 CH₄의 발생이 일어나지 않으며, 수분이 충분한 경우 혐기성 상태로의 전환이 빨라짐

그림 4.1 매립지 내에서의 LFG 가스조성 변화

③ 제3단계

- O₂가 완전히 고갈되며 CH₄ 발생이 최대치를 보임

- H₂는 CH₄ 생성 박테리아가 소비하므로 이 단계의 초기에 소실

-가스 내 CH₄ 함량이 증가함에 따라 온도가 약 55℃까지 증가하며, N₂와 H₂

의 소실은 매립지가 혐기성 상태에 도달했음을 의미 -일반적으로 매립후 최소 6개월 경과후 시작

④ 제4단계

- 가스 생성과 분해과정이 정상상태에 이르는 CH₄의 정상 생성기 - CH₄와 CO₂ 농도 거의 일정

- CH₄ 가스는 50~70%, CO₂ 30~50% 정도 발생 -대개 매립후 1~2년 경과 후 나타남

⑤ 제5단계

- CH₄ 발효의 종말기

-매립층 내의 내압 저하, 기압 상승이나 확산 등에 의해 공기가 매립층 내부 에 혼입해 CO₂나 CH₄ 가스의 농도가 저하되고 N₂와 O₂의 비율이 상대적으 로 증가됨

4.1.5 매립가스의 발생량과 발생속도

• 매립 폐기물로부터 발생되는 가스가 언제까지, 최종적으로 얼마만큼 발생 할 것인가의 예측은 매립지 환경대책을 강구하는데 필요

• 가스 추출관 관경, 길이, 적정한 배치밀도 결정을 위해 가스발생량 필요

• 매립지 사후 토지이용을 고려하기 위한 지반 안정화 정도는 발생가스의 조 성이나 발생 속도로부터 어느 정도 판단할 수 있음

• 매립 폐기물 중 모든 유기물이 분해되어 매립지로부터 소실된다고는 할 수 없기 때문에 실제 매립지에서 가스 발생량과 가스화율을 측정한다는 것은 매우 어려움

- 매립은 단계적으로 진행

- 포집가스는 신규 매립층으로 부터의 혼합가스

-발생가스가 수평으로 확산하여 매립지 외로 유출해 버리거나 최종복토를 통해 대기로 확산하는 양도 적지 않음

• 미국의 경우 실제 매립지에서 발생하는 가스량은 화학 양론적으로 구한 양 의 약 1/2정도로 추산하고 있으며, 회수 가능한 가스량도 대기로의 발산량 을 뺀 이론량의 약 1/4정도로 추산

• 가스 발생량

-폐기물 원소분석으로부터 폐기물의 화학식을 만들고 모두 혐기성 분해를 받는다고 가정하여 화학 양론적으로 산출하는 방법

-폐기물 모두가 생물 분해되지 않고 그 일부만 생물 분해가 가능하다고 가 정하여 산출하는 방법으로 폐기물 중의 총 유기탄소 함유량으로부터 구분 하여 산출 가능

• 발생속도

- 가스 발생량의 시간 의존성을 나타내는 양

• 매립가스 발생량과 발생속도

-매립 전체 면적과 매립층의 평균 깊이, 쓰레기의 조성, 매립 쓰레기 층의 총무게, 수분함량 등을 기초로 다음과 같은 이론식들로 계산

가. stegmann 이론식

-매립쓰레기 톤당 유기물(함량이 200kg)이 분해되어 약 60~180Nm³의 가 스 발생

- kg당 0.3~0.9m³ 가스 발생

나. Tabasaran 이론식

-단위 쓰레기당 가스 발생량을 산정하는 식과 매립 경과 년도별 가스 발생량 을 추정하는 식으로 구분

G

T

G

G

G

T

G

G

-매립경과 년도별 발생가능한 가스량을 비율화한 식

F

F

4.1.6 매립가스의 이동특성

• 매립가스의 이동 : 대류와 확산에 영향을 받음

• 대류 : 시스템 내의 가스의 전압(total pressure)이 일정하지 않을 때 발생, 가스는전압이 높은 지점에서 낮은 지점으로 흐름

• 확산 : 시스템 내에서의 가스 농도가 일정하지 않을 때 발생하며, 가스의 분 압이 서로 다를 때는 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐름

-매립지에서 메탄가스 이동에 관여하는 중요 인자로, 매립지 내 압력이 고 압상태거나, 기류를 불어내는 장치 등에 의해 매립지 내 압력 구배가 증가될 경우 비중이 작아짐

• 인위적, 강제적 압력 구배가 생기는 경우 대류에 의한 흐름이 매립지 내의 매립가스 이동특성를 결정하는 주요 메커니즘이 됨

• 가스 생성량과 이동의 예측에 수학적 모델을 이용할 수 있지만 매립지 내 에서 메탄가스 생성과 이동은 여러 가지 예측 불가능한 인자들에 의해 크 게 변화할 수 있으므로 여러가지 모델에서 제시한 방법들을 종합적으로 검 토하는 것이 중요

4.1.7 매립가스 추출 및 처리공정

• 매립가스 추출공정 : 매립가스 회수이용 시 가장 중요

-적절한 추출공정이 선정되지 않으면 충분한 가스의 양을 얻을 수 없고, 초기투 자비 회수 어려워짐

• 매립가스 흡입 포집하기 위해 추출정에 음압을 걸어야 함.

-음압의 정도는 매립가스 양과 질, 추출정 깊이, 복토재 특성, 폐기물의 질(매립 기간, 수분, 밀도 폐기물 종류), 최종 복토와도 밀접한 관련이 있음

• 음압을 너무 심하게 걸면

· 매립가스에 공기가 유입되고 이에 따라 매립가스 발열량 저하, 매립가스에 포 함된 공기 중 산소로 인해 송급 파이프 라인, 처리설비 폭발가능성

․ 공기 주입으로 혐기성 조건 형성이 제약되어 매립가스 발생 자체가 감소

․ 과다한 음압 적용에 따른 외부 공기 유입으로 인한 문제점 발생

• 가스 추출정

-수직정(Vertical Well)과 수평정(Horizontal Well)이 있으며, 일반적으로 수직정 많이 사용

- 수평정 : 깊이가 깊은 매립지 또는 현재 매립이 진행 중인 매립지에 더 적합 -가스 추출정은 서로 연결되어 주 포집기로 가스를 이송, 저장하게 만들어져 있 으며, 모니터링과 가스량 조절이 가능하도록 설계하여야 함

• 매립가스 추출시스템

- 능동적 포집시스템과 수동적 포집시스템, 혼합방식

-능동적 방식 주로 사용 : 가스를 회수할 목적으로 이용할 때는 기류를 불어내 는 장치에 의한 강제적인 압력구배를 이용하여 가스를 추출

가. 수동적 포집시스템(Passive system)

• 폭이 좁고 가스의 양이 많지 않은 매립지에서 인위적인 가스 추출장치를 사용 하지 않고 자연적인 압력구배에 의한 가스를 배출할 때 수동적 포집시스템 유 리 • 기계적 장치가 필요 없기 때문에 동력비나 기계교환비 등의 운전유지비가 필 요 없음

• 지하수위가 낮고 토양의 투과성이 작은, 통제가 불가능하고 변동이 심한 지질 학적 조건에 많은 영향을 받음

• 가스흐름을 효과적으로 제어하기 위해 자연적인 압력구배가 매립층 내에 존 재하여야 함

나. 능동적 포집시스템(Active system)

• 가스 이동을 완전히 제어하려는 경우, 수동적 포집시스템에 의한 가스 조절이 실패하는 경우

• 매립가스 이동 제어에 효과적이고 적용 대상의 범위가 넓으나 복잡하고 운전 유지비가 많이 든다는 단점이 있음

• 가스 흐름을 통제하고 조절하는 데에 적합

• 수동적 포집시스템으로 제어하기에는 너무 넓고 깊이가 깊은 매립지와 주거 단지가 인접해 있는 경우 적용

• 가스의 적절한 제어가 불가능한 경우에 사용되며 가스추출관의 영향 반경은 쓰레기 매립 깊이의 약 1.5배

• 가스 추출관의 길이는 매립된 쓰레기의 깊이에 따라 정해지는 데 일반적으로 쓰레기 매립 깊이의 80% 정도

다. 혼합포집 방식(Hybrid system)

• 수동적 포집시스템을 능동적 포집시스템으로 변경할 경우에 사용

• 수동적 포집시스템으로 운영할 때는 수직관에 송풍기를 설치할 수 있고 가 스를 강제로 추출하는 능동적 포집시스템으로의 전환은 수동적 포집시스템 으로 가스의 생성량이 많아질 경우에 필요하게 됨

• 매립가스 추출설비로 다공관으로 이루어진 추출관을 매립지 내에 수직으로 설치하는 방법으로 공기의 혼입을 방지하기 위해 밀봉하여야 하며, 다공관 주 위를 굵은 자갈과 같이 투과성이 좋은 재료로 채워주어야 함

• 일반적으로 사용되는 수직형 추출관은 보통 0.3~0.9m이며, 강제적인 압력구 배를 형성하기 위해 기류를 불어내는 장치를 가동시켜 매립지 내에 부압 형성

• 수직형 가스추출관 길이는 매립된 쓰레기의 깊이에 따라 정해지는데 일반적 으로 쓰레기 매립 깊이의 80% 정도가 적합하며, 이때 다공관은 가스추출관의 하부로부터 약 2/3 정도의 길이가 적당

• 수직형 추출관의 설치간격은 매립지에서의 추출실험 결과에 의해 나타나는 영향 반경으로부터 산정하는 것이 바람직

4.1.8 매립가스 정제공정

• 메탄가스와 이산화탄소의 정제 기술은 유럽, 미국 등 선진국을 중심으로 개 발 • 매립가스는 메탄을 주성분으로 이산화탄소, 기타 황화수소, 휘발성 유기화합 물 등으로 구성되어 있으며, 메탄 순도를 높이기 위해 이들 가스를 분리․정 제하여 활용

• 정제공정 : 흡수와 흡착, 막분리를 통해 회수하는 방법

-흡수공정 : 물이나 아민, 글리콜에탄과 같은 흡수액을 사용하여 메탄가스 이 외의 이산 화탄소 등을 제거하는 공정으로 스웨덴과 프랑스 등에서 많이 사 용하지만 흡수액 사용에 따른 2차 오염물질 처리 및 비용부담의 단점이 있음 -흡착공정 : 활성탄과 같은 분자제 탄소를 이용하여 메탄가스를 정제하는 공 정으로 화학약품을 사용하지 않고 폐수가 발생하지 않는 장점이 있으나 흡착 제 오염을 최소화하기 위한 전처리 공정이 필요하다는 단점이 있음

-막분리 공정 : 분리막에서의 특정성분에 대한 선택도 차이를 이용한 분리공 정으로 흡착공정과 마찬가지로 화학약품을 사용하지 않는 건식공정으로 2차 오염물질이 발생하지 않는다는 장점이 있는 반면 분리막 제조에 따른 높은 투자비와 장기운전에 따른 성능 저하 등 단점이 있음

가. 흡수에 의한 분리 회수법

• 이산화탄소에 대한 흡수성이 뛰어난 액상의 흡수제를 선택하여 이산화탄소 를 물리적 또는 화학적으로 흡수한 후 탈거탑에서 온도와 압력을 변화시켜 분리하는 기술

• 이산화탄소와 흡수제간의 화학적 반응의 유무와 탈거 방법에 따라서 물리 흡수법과 화학 흡수법으로 나누어지며 두 방법 모두 상업적으로 공정이 개 발되어 전세계적으로 가동되고 있음

• 물리흡수법

-약산성인 CO₂를 약 염기성 유기용매 프로필렌, 메탄올, 탄산염 등을 이용하 여 CO₂를 물리적으로 용해하여 흡수하는 방법으로 물을 용매로 쓰는 고전적 인 방법 이외에 selexol 같은 기술의 용매제 개발

-용매 재생공정이 필요하며, 높은 CO₂의 부분압과 고온, 고산성도 조건에서

유리하며, 화학 흡수법보다는 에너지 소모가 적다는 장점이 있으나 가격이 매 우 고가임

• 화학흡수법

-CO₂와 H₂S를 포함한 매립가스로부터 산성가스를 흡수에 의해 제거하는 기술로 보통 아민 계통의 흡수액 사용

-흡수제의 종류 : MEA(Mono Ethanol Amine), DEA(Di Ethanol Amine), MDEA(N-Methyl DiEthanol Amine) 등,

이 중 MEA가 이산화탄소와의 반응속도가 빠른 장점을 가지고 있어 가장 널리 사용되어 왔음, 그러나 MEA는 반응열이 크고 재생에 필요한 에너지 나 농도가 높기 때문에 장치 부식 등의 문제를 일으키는 단점이 있어 새로 운 흡수제가 요구되어 왔으며,

대표적인 것이 AMP(2-amino-2-methyl-1-propanol)로 산성가스의 제거에 우수한 용매임. 타흡수제에 비해 흡수속도가 높고 CO₂ 부하능이 높으므로 산성가스를 처리하는 공정에 새로운 용매로 제시

나. 흡착에 의한 분리 회수법

• 흡착법에 의한 이산화탄소의 분리 공정은 건식법으로 운전되므로 부식문제가 없으며 설비의 가동시간이 짧고 조작이 간단하며, 공정의 자동화가 가능

• 그림 4.2는 흡착법의 원리로 CO₂를 활성탄 및 분자체 탄소에 흡착 제거하는 방 법으로 고농도의 정제된 메탄 생산 가능

그림 4.2 흡착법 원리

• 흡수법에 비해 작고 흡착제의 수명이 길며 손실이 없다는 장점이 있어 연소 배가스로부터 이산화탄소를 분리하는데 적합한 공정

• 이산화탄소 농도가 낮은 경우 고농도 농축이 어렵고 흡수법에 비교하여 에 너지 소모가 적기는 하지만 흡착열과 탈착열이 많으며, 대용량의 이산화탄 소를 처리하는 경우의 기술축적이 제대로 되어 있지 못하다는 단점이 있음

• 널리 이용되는 흡착제 : 활성탄이나 다공질체인 제올라이트

• 제올라이트

- 이산화탄소 흡착량은 활성탄에 비해 양호하지만 일반적으로 수분의 영향을 많이 받으므로 이산화탄소의 흡착량이 감소하고 흡착제의 재생성이 저하되 는 문제점

• 활성탄

-소수성의 특성이 있어 제올라이트와 같이 수분의 영향에는 크게 민감하지 않고 내부에 큰 표면적을 가진 미세한 구멍이 있는 탄소로서 기공표면에 VOC 성분 흡착됨

-흡착이 일어나면 가스 속에 기체로 존재하고 있던 용제가 VOC 성분은 액체 로 되어 기공으로 들어가며 기공율만큼 VOC 성분을 흡착할 수 있음

- 농도나 분압이 증가할수록 흡착능이 증가하고 온도가 증가할수록 감소 -분자량이나 비점이 큰 물질이 흡착이 많이 되면 다성분인 경우는 각 성분들 이 경쟁적으로 흡착하려고 하기 때문에 단일성분에 비해 흡착성능을 감소

다. 막을 이용한 분리회수법

• 막분리 공정은 분리막을 이용한 기체 분리 기술로 상변화가 수반되지 않으므 로 에너지 소모가 적고 공정의 조작 및 운전이 간단

• 분리막 공정을 기존 시설에 부설하여 이산화탄소의 처리량을 조절할 수 있고 분리 대상기체에 대하여 높은 선택성과 투과성을 가진다는 장점이 있어 흡수 법, 흡착법과 더불어 기체 분리에 적합한 공정으로 평가받고 있음

• 그림 4.3은 막분리법의 원리로 혼합가스가 멤브레인을 통과할 때 CO₂를 선택 적으로 제거하는 방법으로 유해물질 배출이나 폐수처리 등의 문제가 없는 환 경친화형 공정으로 에너지 효율이 높고 투과속도 향상과 모듈화에 의해 설비 의 규모를 줄일 수 있음

그림 4.3 막분리법의 원리

• 고분자막에 의한 분리 기술은 어느 정도 실용화되어 기체 분리 공정에 이용 되고 있고 기체의 확산 속도는 고분자의 종류와 분리 기체에 따라 달라짐

• 분리막을 이용한 기체분리시 기체의 압력을 증가시켜 압력차를 발생시켜야 분리됨

• 막분리법은 장치가 간단하고 운전이 용이하며, 유지 보수가 간편하므로 가스 배출구에 직접 연결하여 이산화탄소를 분리할 수 있고 다른 공정과 연결하여 복합공정을 구성함으로써 분리 효율과 경제성을 높일 수 있음

4.1.9 매립가스 전처리

• 분진제거 : 고형물은 기기와 배관의 마모, 막힘의 원인이 됨

• 탈황

-매립지 가스 속에 함유되어 있는 미량성분 중 황화수소는 대기오염의 원인이 될 뿐만 아니라 인체에 유해하므로 도시가스나 자동차용 연료로 공급시 제거 되어야 함

-메탄올 제조나 연료전지에 의한 발전의 경우에는 개질공정에 사용되는 Ni계 촉매가 유황분에 약하기 때문에 탈황 필요

• 이산화탄소 제거

-매립지 가스 중 과잉의 이산화탄소가 포함되기 때문에 일부 제거할 필요가 있 으며, 자동차용 연료로 이용할 경우도 탄산가스의 감압시 동결되어 막힘의 원 인이 되기 때문에 제거할 필요가 있음

• 수분제거

-도시가스 및 자동차용 연료로 매립지 가스를 정제할 경우에는 수송 혹은 저 류시 물의 응축 방지를 위해 건성 가스로 송출할 필요가 있음

• 매립가스 전처리

- 대기오염물질 배출을 최소화하고 메탄성분으로부터 에너지를 회수하는 것

• 매립가스 포집 회수 설비 : 수동적 회수시스템과 능동적 회수시스템으로 구 분 -수동적 회수시스템 : 매립가스의 대기방출을 줄이기 위한 것이 주목적으로 매립가스의 가스압 만을 이용하여 회수하는 방식으로 매립지 표면에 통기구 를 설치하고 폐기물 매립층까지 매립가스의 배출을 유도할 수 있는 배기설비 를 연결 설치하여 매립가스를회수하고 이를 버너로 연소처리하고 있음

-능동적 회수시스템 : 감압 또는 진공펌프를 이용하여 매립가스의 이동을 제 어하고 매립가스의 회수 효율을 높이기 위한 형태

-매립가스 회수과정에서 주위 공기 유입이 불가피하며, 매립가스의 메탄농도 가 저하되므로 포집설비 설계는 매립가스의 사용목적, 발생량, 회수율 등에 따라 결정

• 매립가스 이송설비

-추출정에서 회수된 매립가스를 최종 포집설비로 모으기 위해 기류를 불어내 는 장치를 사용하며, 목적에 따라 정제 등의 전처리 과정을 거쳐 매립가스를 압축하여 에너지 회수설비 등으로 이송함

• 응축수 포집 및 처리

-매립가스에 수분이 포화되어 있으며, 따뜻한 매립가스가 가스 포집시설을 통과하는 과정에서 냉각되어 응축수가 발생함.

-포집가스에서 응축수를 제거하지 않으면 포집관이 막혀 매립가스의 포집이 불가능해지므로 이송관을 경사지게 설치하여 응축수의 이동이 용이하도록 하고 포집된 응축수는 응축수의 특성에 따라 적절히 처리할 수 있도록 함.