요 약


제 목 : 하수처리장 바이오가스 연료를 이용한 열병합 발전시스템의 최적운영

본 연구에서는 실제 난지 물재생센터에서 바이오가스를 연료로 사용하여 발전할 때, 가스엔진에서 발생하는 고장사례에 대한 조사와 분석을 통해 바이오 가스 플랜트의 주요 고장원인을 분석하여 그 대책을 제시하고, 난지 물재생센터의 하수처리장에서 발생하는 바이오가스를 이용한 가스엔진 플랜트의 일련의 공정상의 문제점을 확인하고, 각 단계별 문제점을 최소화 하여 실제 운전의 최적화 방안을 마련하였다.

바이오가스를 이용한 발전을 위하여 바이오 가스 플랜트 전처리 설비공정은 수분제거설비, 필터설비, 탈황설비, 실록산 제거 설비와 바이오 가스엔진 발전기 순서로 구성되어 있으며, 바이오 가스엔진에 유입되는 바이오 가스 속의 황화수소와 수분 제거설비의 간헐적인 오작동으로 인한 수분이 바이오 가스엔진의 인터쿨러 부식을 초래하였다. 또한 바이오가스 속의 실록산이 이산화규소와 규산염 화합물을 형성하여 피스톤 표면 및 실린더라이너 내벽의 긁힘과 마모 등의 손상을 유발하였다. 연소실과 배기가스 설비에 부착된 물질들은 황화수소와 다른 불순물질이 결합한 것으로 분석되었다. 이러한 원인으로는 바이오 가스 속의 고함량(50ppm이상)의 황화수소가 탈황설비에 장기간 공급되었고, 탈황 설비내 활성탄의 파과점 도달에 따른 제거 효율 저하 때문에 황화수소가 엔진으로 유입됨으로써 발생한 것으로 사료된다. 또한, 황화수소는 흡착탑의 실록산 제거용 활성탄 기능을 저하시키므로 제거되지 않은 실록산 화홥물이 엔진으로 유입되어 다양한 형태의 엔진고장을 유발한 것으로 판단된다. 따라서, 황화수소와 실록산, 수분은 바이오 가스엔진 고장의 주요 원인으로 볼 수 있으며, 이 중 황화수소는 고장을 일으키는 다른 물질과 반응하며, 전처리 공정에 중대한 영향을 미치는 물질로 볼 수 있다. 결과적으로, H2S 제거방법의 최적화가 안정적인 바이오 가스엔진 운영을 위한 필수적인 대책으로 사료된다.

한국지역난방공사에서는 난지 물재생센터의 하수처리 설비로 부터 발생하는 45,300 m3/일의 바이오가스를 연료로 1,500 kW, 2대 규모의 엔진 발전기를 운영하고 있다. 그러나 바이오가스 발전 플랜트의 실제 운영 경험이 미미하고, 축적된 기술 및 노하우 부족으로 가스엔진의 잦은 고장과 정지로 많은 경제적 손실이 발생하고 있다. 따라서 이 발전 플랜트의 안정적인 운영을 위한 기술적 근본 대책 마련이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 고장정지의 주요 원인인 발생가스의 정제를 위해 현재 사용 중인 활성탄에 대한 성분분석 및 흡착실험을 통해 활성탄의 흡착능력 품질 기준 마련을 위한 여건을 조성하였다. 또한, 불순물을 최소화하기 위한 활성탄의 교체주기의 기준수립, 황화수소 측정주기 강화, 활성탄 국산화, 설비개선 등 바이오플랜트 운영기준 강화 및 개선방안을 적용하여 실제운전에 적용하였다.
그 결과 가스엔진 1호기는 530%, 2호기는 250%의 정상운전 가동시간이 증가되는 운영실적을 보였다. 또한 통풍구의 설비개선을 통해 작업공정을 줄이고, 정상 운전시간과 가동률을 높일 수 있었다. 경제적으로도 77,000천원/년의 매출증대 효과를 나타냈다, 이와 같이 운영기준의 강화 및 개선방안을 적용하여, 바이오가스 플랜트의 고장 정지를 줄이고 가동률을 높여, 안정적인 운영을 하는 것이 현실적인 바이오가스 플랜트의 최적 운영방안으로 판단된다.

주요어 : 하수처리 바이오가스, 가스엔진, 수분, 실록산, 황화수소, 활성탄, 흡착능력, 운영기준, 설비개선

The Korea District Heating Corporation operates a gas engine generator with a capacity of 4500 m3 /day of biogas generated from the sewage treatment plant of the Nanji Water Recycling Center and 1,500 kW. However, the actual operation experience of the biogas power plant is insufficient, and due to lack of accumulated technology and know-how, frequent breakdown and stoppage of the gas engine causes a lot of economic loss. Therefore, it is necessary to prepare technical fundamental measures for stable operation of the power plant.
In part 2 study, we analyzed the causes of major faults in the biogas plant through the case of gas engine failure when cogenerating electricity and heat using biogas as a fuel in the actual sewage treatment plant and suggested countermeasures.
Hydrogen sulfide in the biogas entering the biogas engine and water caused by intermittent malfunction of the water removal system caused intercooler corrosion in the biogas engine. In addition, the siloxane in the biogas forms a silicate compound with silicon dioxide, which causes scratches and wear of the piston surface and the inner wall of the cylinder liner. The substances attached to the combustion chamber and the exhaust system were analyzed to be combined with hydrogen sulfide and other impurities. It is believed that hydrogen sulfide was supplied to the desulfurization plant for a long period of time because of the high content of hydrogen sulfide (more than 50ppm) in the biogas and the hydrogen sulfide was introduced into the engine due to the decrease of the removal efficiency due to the breakthrough point of the activated carbon in the desulfurization plant. In addition, the hydrogen sulfide degrades the function of the activated carbon for siloxane removal of the adsorption column, which is considered to be caused by the introduction of unremoved siloxane waste into the engine, resulting in various types of engine failure. Therefore, hydrogen sulfide, siloxane, and water can be regarded as the main causes of the failure of the biogas engine. Among them, hydrogen sulfide reacts with other materials causing failure and can be regarded as a substance having a great influence on the pretreatment process. As a result, optimization of H2S removal method seems to be an essential measure for stable operation of the biogas engine.

In part 3 study, a series of process problems of the gas engine plant using the biogas generated in the sewage treatment plant of the Nanji Water Recovery Center were identified and the optimization of the actual operation was made by minimizing the problems in each step. In order to purify the gas, which is the main cause of the failure stop, the conditions for establishing the quality standard of the adsorption capacity of the activated carbon were established through the analysis of the components and the adsorption test for the active carbon being used at present. In addition, the system was applied to actual operation by applying standards for replacement cycle of activated carbon to minimize impurities, strengthening measurement period of hydrogen sulfide, localization of activated carbon, and strengthening and improving the operation standards of the plant.
As a result, the operating performance of gas engine # 1 was increased by 530% and the operation of the second engine was increased by 250%. In addition, improvement of vent line equipment has reduced work process and increased normal operation time and operation rate. In terms of economic efficiency, it also showed a sales increase of KRW 77,000 / year. By applying the strengthening and improvement measures of operating standards, it is possible to reduce the stoppage of the biogas plant, increase the utilization rate, It is judged to be an operational plan.

Key words: Biogas, Gas Engine, Siloxane, Hydrogen Sulphate, Wastewater treatment biogas, Activated carbon, Adsorption capacity, Operating standard, Facility improvement