입상활성탄과 molecular sieve를 이용한 LFG 전처리에 관한 연구

편준범, 신호철, 박진원

연세대학교 화학공학과

Pre-treatment of Landfill Gas by Granular Activated Carbon and Molecular sieve

Pyun Joon Bum, Shin Ho Chul, Park Jin Won

Dept. of Chem. Eng., Yonsei Univ.

서론

우리 나라는 1970년대부터 급속한 경제 발전과 더불어 생활 수준의 향상에 따른 소비 성향의 변화 및 인구의 도시 집중화 현상 등으로, 도시 쓰레기의 배출에 있어서 양적인 증가와 질적인 변화가 뚜렷하게 나타나고 있다. 이러한 상황에서 대체 에너지 수요 및 환경 오염의 방지를 위해 매립지 가스(LFG)를 회수 이용하는 기술에 대한 연구가 이루어지고 있다.1)  도시 고형 폐기물 매립지에서 발생하는 LFG에는 CH4, CO2, N2, O2 등의 주요 성분 외에도 포화상태의 수분과 VOCs류의 여러 미량 유해 성분이 검출되었다. 본 연구에서는 LFG의 회수, 이용을 위해 매립지 현장에 설치된 pilot plant의 운전에 대한 기초실험으로 실험실 규모의 benzene에 대한 입상활성탄의 흡착 및 재생실험 그리고 molecular sieve의 수분 및 미량유해성분 제거에 관한 실험을 행하였다.

실험장치 및 방법

1. 매립지 현장의 pilot plant 실험장치

pilot plant는 아래와 같은 공정을 거친다.

① 매립가스 발생 추출정

② 물리적인 수분제거공정 - Packing type dehydrator

③ 매립가스 압축 - Compressor(7.5 HP)

④ molecular sieve를 이용한 수분 제거공정

⑤ 활성탄을 이용한 미량유해성분 제거공정

⑥ 매립가스 저장 - Gas holder

molecular sieve탑에 도입되는 가스의 상대습도는 약 30∼50%이며 활성탄 흡착탑에는 약 1∼2%의 건조 가스가 흐르게 된다. 각 탑의 직경은 0.2569m이고 길이는 0.8375m이다.

2. 가스 분석 방법

본 연구에서는 분석 대상으로 LFG 중 미량 유해성분으로 benzene, toluene, ethylbenzene, xylene(BTEX)와 LFG의 이용에 중요한 영향을 끼치는 수분을 선정하였다. 미량 유해성분은 FID가 장착된 G.C.를 이용하여 분석하였으며 수분은 humidity sensor에 의한 측정법을 사용하였다.

3. 실험실 규모 실험 장치

(1)benzene의 입상활성탄 흡착 및 재생실험

단일 성분인 benzene의 활성탄 흡착실험은 위해서는 액상 benzene이 충진된 impinger에 건조공기를 bubbling시켜 상온에서 600ppmV의 농도와 2L/min(선속도는 3.29cm/sec)의 유량조건으로 실험하였다. 흡착탑은 SUS pipe를 사용하여 제작하였으며, i.d. 1/2inch, length 10cm이다. 150℃에서 24시간 이상 전처리한 활성탄 2g을 탑내에 충진하고 잉여 부분은 ceramic ball로 충진하였다. 탈착장치는 Figure 1에 나타내었으며 150℃로 가열된 건조공기를 0.2L/min의 유량으로 흘려주면서 실험하였다.

사용한 활성탄은 Union Carbon에서 제조한 국산 bulk 입상 활성탄으로 그 특성값들은 Table 1에 나타내었다.

1. Gas holder

2. Gas regulator

3. Mass flow meter

4. CaCl2

5. Heater

6. Thermal indicator

7. Three way valve

8. Adsorption tower

9. Sampling port

Figure 1. Schematic diagram of thermal regeneration system

Table 1. Characteristics of activated carbon

Property	particle size (4×8 mesh)	hardness	packed density	moisture	iodine no.	benzene (1/10 N)	specific surface area
Value	97 %	98 %	0.43 g/ml	1.0%	1,140 mg/g	35 %	950∼1200 m2/g

(2)수분의 molecular sieve 흡착 및 재생실험

수분제거 실험에서는 300℃에서 6시간 이상 전처리한 molecular sieve 6g을 (1)실험에서와 같은 탑에 충진하여 상대습도 40%와 60% 두 가지로 유량은 0.5L/min에서 실험하였다. 이는 물이 담긴 impinger에 공기를 bubbling시켜 얻었다. 재생은 300℃, 0.2L/min의 공기로 4시간동안 행하였다.

(3)미량성분의 molecular sieve 흡착

LFG의 molecular sieve 흡착 실험을 수행하기 위해서는 현장 매립지에서 50 kgf/cm2의 압력으로 채워진 gas holder를 사용하였다.

실험실 조건에서의 흡착 실험을 위한 전체 장치 흐름도를 Figure 2에 나타내었다. gas holder에서 regulator에 의해 일정 압력으로 배출된 LFG는 수분의 제거를 위해 CaCl2가 충진된 impinger를 통과하게 된다. 이후 MFC를 통해 1L/min의 유량으로 흡착탑을 통과하여 미량 유해 성분들이 제거된다. molecular sieve는 6g의 양을 탑내에 충진하여 실험했다.

1. Gas holder

2. CaCl2 impinger

3. MFC

4. Sampling port

5. Three-way valve

6. Adsorption tower

Figure 2. Schematic Diagram of Experimental Adsorption System

실험결과

1. benzene의 입상활성탄 흡착 및 재생실험

150℃의 열풍에 의한 재생실험에서는 benzene에 대한 탈착효율 및 재생효율에 대한 결과를 알아보았으며 결과는 Figure 3에 나타내었다. 총 흡착재생시간을 840분으로 보았을 때 180분 이상에서는 활성탄 탈착효율이 91%를 넘는 것으로 나타났다. 재생효율 평가에서는 95% 탈착효율을 가지는 300분을 기준으로 하여 4차에 걸쳐 재생 및 흡착을 행하였다. 그 결과를  Figure 4에 나타내었다. 첫 번째 흡착량을 기준으로 재생횟수에 따른 흡착량의 변화를 보면 100, 103.65, 87.82, 80.71%로 나타났다.

Regeneration time[min]	840	300	240	180
Efficiency[%]	100	95.4	93	91

Figure 3. The concentration history of       Figure 4. Breakthrough curve of

desorption according to regeneration time.   benzene after fourth regeneration.

2. 수분의 molecular sieve 흡착 및 재생실험

molecular sieve 흡착제에 대한 실험에서는 상대습도 40%, 60% 각각 두 가지 조건에서 실험을 행하였으며 재생을 하여 3회 실시하였다. Figure 5에서 60%의 수분에 대한 결과에 나타냈듯이 molecular sieve는 수분에 대한 흡착에 상당히 안정적인 거동을 보이고 있다. 즉, 수차례의 흡착과 탈착에도 불구하고 그 흡착성능이 거의 떨어지지 않는 결과를 보였다. 이는 활성탄의 benzene 흡착과 비교할 때 molecular sieve 자체의 소실량도 거의 없으며 탈착 효율도 높음을 알 수 있다. 도입 상대습도가 40%, 60%일때 총 수분 흡착량은 각각 1.02∼1.35g, 1.18∼1.22g의 결과가 나타났다.

3.미량성분의 molecular sieve 흡착

gas holder에서 흡착탑으로 도입되는 LFG의 미량성분 조성은 sampling 시점에 따라 약간의 차이를 보인다.  benzene은 4.93∼6.54, toluene은 15.42∼26.50, ethylbenzene은 3.75∼6.86, m,p-xylene은 2.29∼4.20 그리고 o-xylene은 2.26∼4.53ppmV의 도입농도 변화가 일어났다. 이러한 LFG의 특성상 일정한 조성의 도입 흐름을 유지시키는 것은 불가능하다. 따라서 각 성분의 도입 농도는 평균값 C0로 표시하였다. LFG 도입 농도 및 파과 곡선을 benzene, toluene, ethylbenzene, xylene 성분에 대해서 figure 6에 나타내었다. 실선으로 표시한 것이 도입 농도의 C/C0 값이며, 점으로 표시한 것이 파과 곡선이다.

도입 농도의 10% 정도의 배출 농도가 검출될 때 파과가 일어난 것으로 간주하면 benzene은 약 220min, toluene은 약 1020min, ethylbenzene은 약1305min, m,p-xylene은 약 1050min, o-xylene은 약 1080min에서 파과가 일어났다는 것을 알 수 있다. 또한 target component들의 모든 파과 곡선에서 다성분 흡착의 특징적 현상인 roll-up 현상이 일어남을 알 수 있다. 이는 흡착질 간의 경쟁 흡착에 따른 결과로 약흡착종이 강흡착종에 의하여 치환되는 것에 기인한 현상이다.2) 각 성분의 파과 현상을 종합해보면 ethylbenzene > o-xylene > m,p-xylene > toluene > benzene의 순으로 강한 흡착능을 보임을 이들 파과 곡선의 비교를 통해 알 수 있다. ethylbenzene이 본 연구에서 target component로 선정한 흡착종 중에서는 가장 강한 흡착능을 보이기는 하지만, LFG내의 다른 여러 미량 유해 성분들 역시 molecular sieve에 흡착되므로 정도의 차이는 있으나 roll-up 현상이 일어나는 것에는 다름이 없었다.

Figure 5. Molecular sieve adsorption   Figure 6. Breakthrough curve of target

efficiency in relative humidity 60%    components in LFG on molecular sieve

결론

열풍을 이용한 4회의 활성탄 재생 실험 결과에 의하면 실제 매립가스에 대한 활성탄의 처리효율을 80%로 정한다면 활성탄의 교체시기는 4∼5회 재생 후가 될 것이라고 할 수 있다. 반면 molecular sieve는 수분제거 및 재생에 있어서 그 효율이 거의 변하지 않는 것으로 보아 반영구적인 사용이 가능할 것으로 판단된다. 또한 molecular sieve는 수분뿐만 아니라 미량 유해 성분의 제거에도 상당한 효과(활성탄의 약 20%3))가 있는 것으로 나타났으므로 매립지 현장의 pilot plant 운전에 영향을 미칠 것으로 생각된다.

참고문헌

1. 한국과학재단:"매립지가스 추출이용기술개발에 관한 기초연구(Ⅲ)", p4, 1992

2. Y.Takeuchi, A.Shigeta:J. Chem. Eng. Japan, 24, 411

3. 이윤기, 입상활성탄을 이용한 매립가스 중의 미량유해 VOC 제거에 관한 연구, 연세대학교 화학공학과, 1998

감사의 글

이 연구는 산업자원부에서 주관하는 에너지기술개발사업중 위탁 연구 과제의 일부로 지원해 주신 동아건설(주) 기술연구소에 진심으로 감사드립니다.