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신·재생에너지 기술개발사업 최종(완료)보고서[개인신상정보 삭제]
제출문
요약서
요약문
SUMMARY
CONTENTS
목차
제1장 연구개발과제 개요 22
1절 연구개발 배경 22
1. 국내 축산폐기물 Bio-gas를 이용한 분산형 발전기술 개발 22
2. 바이오가스 전처리 기술 국산화 개발 23
3. 신·재생에너지를 이용한 분산발전 핵심 기술 23
4. 소규모 발전시스템의 병렬운전 최적화 시스템 설계 기술 개발 24
2절 연구 개발 필요성 25
1. 신·재생에너지 관련 정부 정책 방향에 대응책 마련 필요 25
2. 국내외 개발환경 분석 26
3절 연구개발 목표 29
제2장 국내외 기술개발 현황 30
1절 국외 기술개발 현황 30
1. 독일의 바이오 에너지 이용 발전 시스템 개발 환경 30
2. 미국의 바이오 에너지 이용 발전 시스템 개발 환경 35
2절 국내 기술 개발 현황 42
제3장 연구 내용 및 결과 44
1절 바이오가스 이용 마이크로터빈 시스템 기술 분석 44
2절 축산폐수 바이오가스-마이크로터빈 분산발전 시스템 설계 및 제작 52
1. 바이오가스 전처리 시스템의 설계 및 제작 52
2. 배가스 온수 발생기 제작 및 설치 55
3. 바이오가스 품질 모니터링 시스템 구축 56
4. 플랜트 운전 제어 시스템 설치 61
3절 바이오가스 마이크로터빈 분산발전시스템 커미셔닝 및 운전 63
1. 바이오가스 마이크로터빈 분산발전시스템 커미셔닝 63
2. 바이오가스 마이크로터빈 분산발전시스템 운전 67
3. 바이오가스 마이크로터빈 배가스 품질 측정 71
제4장 목표달성도 및 관련분야의 기여도 75
1절 목표 달성도 75
1. 최종년도 개발목표 75
2. 평가 시 착안점 75
2절 관련분야의 기여도 76
1. 기술적 측면 76
2. 사회적 측면 76
3. 경제적 측면 76
제5장 연구개발결과의 활용계획 78
제6장 참고문헌 79
부록. 위탁기관 보고서 81
요약서 82
요약문 83
SUMMARY 87
CONTENTS 91
목차 93
제1장 연구개발과제 개요 96
1절 연구개발 배경 96
2절 연구개발 필요성 97
1. 기술적 측면 97
2. 사회문화적 측면 97
3. 경제적 측면 98
3절 연구개발 목표 99
제2장 국내외 기술개발 현황 100
1절 국외 기술개발 현황 100
2절 국내 기술 개발 현황 101
제3장 연구 내용 및 결과 102
1절 이론적 배경 102
1. 혐기성 분해 102
2절 공주시 축산폐수처리장 유입수의 생분해도 평가 104
1. 실험 방법 104
2. 실험 결과 105
3절 공주시 축산폐수처리장 HYCEM 소화조 운전 현황 조사 108
1. 공주시 축산폐수처리장 유입수의 물리화학적 특성 108
2. 공주시 축산폐수처리장 처리시설 현황 109
3. 가축분뇨 제거효율 및 공정별 수처리 효율 평가 110
4절 공주시 축산폐수처리장 HYCEM 소화조의 Biogas 발생량 증대를 위한 혐기발효 주요 영향인자 평가 115
1. 최대메탄가스발생을 위한 운전조건 도출 115
5절 공주시 축산폐수처리장의 Biogas 정제 시스템 평가 121
1. 공주시 축산폐수처리장 Biogas정제 설비 현황 및 제원 121
2. 바이오가스의 가스터빈 적용 방해/유해 가스 조사 연구 124
3. 바이오가스 정제 설비 도입 전후에 따른 바이오가스 성상 분석 126
4장 목표달성도 및 관련분야의 기여도 128
1절 목표달성도 128
2절 관련분야의 기여도 130
1. 기술적 측면 130
2. 사회적 측면 130
3. 경제적 측면 131
5장 연구개발결과의 활용계획 132
6장 참고문헌 133
Table 1.1. OECD국가의 신·재생에너지 공급 비중('01) 2003 IEA 자료(Renewable Information) 26
Table 1.2. 바이오에너지 시장 규모 전망(Environmental Science and Technology, 1999) 27
Table 1.3. 국내의 음식물쓰레기및 축산폐수의 년도별발생량 27
Table 2.1. 2004년 독일의 전기 및 열 생산 통계 30
Table 2.2. 독일의 바이오매스 및 총 발전량 변화 31
Table 2.3. 미국의 바이오에너지 국가 목표 (Vision for Bioenergy & Biobased Products in the U.S., Biomass Technical Advisory Committee) 35
Table 2.4. 미국 신재생에너지 생산 자료(2004, IEA 통계자료) 35
Table 2.5. 국내의 음식물쓰레기및 축산폐수의 년도별발생량 43
Table 3.1. 미국의 주요 바이오가스 이용 마이크로터빈 설치 장소 정보 48
Table 3.2. Ingersoll Rand 250kW급 마이크로터빈 세부 모델 적용 범위 48
Table 3.3. 가스 특성에 따른 유해 성분의 종류 49
Table 3.4. 마이크로터빈 연료 조건 요약 53
Table 3.5. 바이오가스 품질 분석을 위한 샘플 포트의 위치 60
Table 3.6. 연료 가스 물성에 따른 fuel index 도출 식 64
Table 3.7. 마이크로터빈 연료의 fuel index 관련 값 65
Table 3.8. 바이오가스 발열량에 따른 입구 압력 65
Table 3.9. 대기온도에 따른 30kW급 마이크로터빈 최대 출력 변화(Capstone 사의 자료 참고) 69
Table 3.10. 30시간 연속 운전 시험 결과 요약 71
Table 3.11. 마이크로터빈 실출력에 따른 배기가스 농도 (바이오가스 내 CH₄ 농도 : 38.1%-42.0%, 대기온도 : 34℃) 73
Table 3.1. A Summary of Ultimate Biodegradability and Organic Fraction of Swine Wastes 107
Table 3.2. Influent Physico-chemical Characteristics of Gongju Swine Wastewater Public Treatment Plant 108
Table 3.3. A Specification of Porous Floating Ceramic Media Used in Gongju Swine Wastewater Public Treatment Plant 110
Table 3.4. BOD, CODMn, SS, TN, TP Removal Efficiency of HYCEM Process 113
Table 3.5. Specification of Activated Carbon used in Biogas Desulfurization System 122
Table 3.6. Change in H₂S Content of Biogas as a Function of Internal Recycle Flow of Nitrification Supernatant 127
Fig. 1.1. 마이크로 가스터빈 연료 전처리 시스템 개요도 23
Fig. 1.2. 국내 음식물쓰레기 및 축산폐수 발생량의 년도별 추이(환경부, 2004) 28
Fig. 2.1. 바이오가스 발전 플랜트 32
Fig. 2.2. 바이오가스 저장 탱크 32
Fig. 2.3. 280kW급 바이오가스 발전 설비 (Hans-Jurgen-Schnell) 33
Fig. 2.4. 바이오가스 플랜트의 기능 요약도 (독일 EISENMANN) 33
Fig. 2.5. 80kW급 바이오가스 발전 시스템(독일 MDE) 34
Fig. 2.6. Calabasas 매립지가스-마이크로터빈 발전 시스템 전경 36
Fig. 2.7. 선택적 헤더 시스템(dedicated Landfill Gas Header(흰색)) 36
Fig. 2.8. Calabasas 매립지 가스 압축 및 전처리 시스템 전경 37
Fig. 2.9. Calabasas 매립지 가스 압축 및 전처리 시스템 개념도 38
Fig. 2.10. Burbank 매립장의 마이크로터빈 발전 시스템 38
Fig. 2.11. Chiquita 수처리 플랜트의 바이오가스 발전 시스템 39
Fig. 3.1. Micro Turbine Generator 내부도 45
Fig. 3.2. MGT와 일반화석발전과의 대기오염물 비교 45
Fig. 3.3. 바이오가스-마이크로터빈 분산발전시스템 개략도 52
Fig. 3.4. 공주축산폐기물 처리장 바이오가스 전처리 시스템 설계 및 실험 결과 54
Fig. 3.5. 가스정제 전처리 시스템의 설치 도식도 55
Fig. 3.6. 혐기성소화조 가온용 열교환기 56
Fig. 3.7. 공주축산폐수처리장 바이오가스 내 CH₄ 함량 변화 (2007-2008) 57
Fig. 3.8. AEMS의 주요 구성품인 FAU와 FSU의 도식도 58
Fig. 3.9. AEMS 시스템의 설치 장면 59
Fig. 3.10. 바이오가스 품질 모니터링 시스템 인터넷 감시 화면 61
Fig. 3.11. 운전 컨트롤 시스템 내부 모습 및 외관 62
Fig. 3.12. 운전 제어 시스템 도식 62
Fig. 3.13. 마이크로터빈 연료 설정 화면 64
Fig. 3.14. Fuel fault 6012와 함께 cooldown 되는 경우 MGT 제어 화면의 모습 66
Fig. 3.15. MGT 기동 후 정격부하까지 운전한 경우의 MGT 제어 화면 모습 (부하 증가 : 10kW-＞ 20kW-＞30kW) 66
Fig. 3.16. 마이크로터빈 기동 시 운전 특성 곡선 68
Fig. 3.17. 마이크로 가스터빈 운전 감시화면 68
Fig. 3.18. 마이크로터빈 정지 시 운전 특성 곡선 69
Fig. 3.19. 대기 온도에 따른 정격 출력 대비 실제 출력 차이(2008년 8월 4일, 대기 온도: 최대 43℃, 최소: 31℃) 70
Fig. 3.20. C6O 부분부하별 NOx 배출 특성 분석(운전조건: 대기온도 : 33.1℃, 상대습도 : 48%) 72
Fig. 3.21. C6O 부분부하별 CO 배출 특성 분석 (운전조건 : 대기온도 : 33.1℃, 상대습도 : 48%) 72
Fig. 3.22. 배가스 농도 측정 당시의 바이오가스 농도 변화 추이 73
Fig. 3.23. 마이크로터빈 전기 출력 변동량 (입력 출력 : 20kW) 74
Fig. 3.24. 마이크로터빈 전기 출력 변동 추이 (입력 출력 : 25kW) 74
Fig 3.1. Anaerobic Degradation Pathway for Organic Conpounds 103
Fig 3.2. Graphical Illustration of Ultimate Biodegradability of Swine Wastes (S/I Ratio 0.5) 105
Fig 3.3. Graphical Illustration of Ultimate Biodegradability of Swine Wastes (S/I Ratio 1.0) 105
Fig 3.4. Graphical Illustration of Anaerobic Batch Reaction Rate Coefficient of Swine Wastes(S/I=0.5) 106
Fig 3.5. Graphical Illustration of Anaerobic Batch Reaction Rate Coefficient of Swine Wastes(S/I=1.0) 106
Fig 3.6. A Flow Diagram of Gongju Swine Wastewater Public Treatment Plant 109
Fig 3.7. Mass Balance of Major Pollutants at Each Process in Gongju Swine Wastewater Public Treatment Plant 111
Fig 3.8. Removal Mechanisms for Organic Carbon and Nitrogen of HYCEM System 112
Fig 3.9/3.7. Biogas Production Rate as a Function of OLR in HYCEM Anaerobic Filter(HAF) 116
Fig 3.10/3.8. Methane Production Rate as a Function of OLR in HYCEM Anaerobic Filter(HAF) 116
Fig 3.11/3.9. Change in Biogas Productivity of HAF as a Function of Internal Recycle Flow of Nitrification 118
Fig 3.12/3.10. Change in Methane Productivity of HAF as a Function of Internal Recycle Flow of Nitrification 118
Fig 3.13/3.11. Change in Methane Content of HAF as a Function of Internal Recycle Flow of Nitrification 119
Fig 3.14/3.12. Change in CO₂ Content of HAF as a Function of Internal Recycle Flow of Nitrification 120
Fig 3.15/3.13. A Schematic Diagram of Biogas Purification System 123
Fig 3.16/3.14. Change in H₂S Content of Biogas as a Function of Internal Recycle Flow of Nitrification Supernatant 126
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