창의적인 화학이 재생 에너지를 겨냥하다
처음 보면 매립지, 낙농장, 펄프 및 제지 공장은 공통점이 거의 없어 보입니다. 그러나 폐수 처리 시설과 함께 이러한 다양한 산업은 상당한 양의 유기 폐기물을 관리해야 하는 비용이 많이 드는 환경 문제를 공유하고 있습니다.
이러한 산업에서는 혐기성 미생물을 사용하여 폐기물을 처음 분해하거나 “소화”합니다. 바이오가스는 주로 메탄, 이산화탄소(CO2) 및 황화수소(H2S)로 구성된 혼합물로, 이 과정의 부산물입니다. 바이오가스는 잠재적으로 가치 있는 재생 에너지 원료입니다. 그러나 청정하고 안전한 연료로 사용되기 위해서는 먼저 CO2 및 H2S를 제거해야 합니다.
“정부 보조금 덕분에 더 많은 기업이 바이오가스를 업그레이드하고 있습니다.”라고 New Sky Energy의 CEO Deane Little이 말했습니다. “그리고 가스 흐름에서 H2S를 제거하는 것이 공정의 첫 번째 중요한 단계입니다.”
콜로라도주 볼더에 본사를 둔 New Sky Energy는 농업 및 산업 기업이 가스 배출을 처리하고, 귀중한 화학 물질을 회수하며, 원시 바이오가스를 재생 에너지 스트림으로 전환할 수 있도록 지원하는 혁신적인 화학 솔루션을 개발합니다.
2018년, 이 회사는 획기적인 발견을 통해 SulfurSolve® 공정 – 혁신적인 H2S 포집 시스템을 개발했습니다.
SulfurSolve의 차별점
황화수소는 악취가 나고, 가연성이고, 독성이 강하며, 엄격하게 규제됩니다. 바이오가스 스트림에서 H2S를 제거하기 위해 생산자들은 일반적으로 일회용 H2S 화학 스캐빈저 또는 재생 H2S 제어 기술에 의존해 왔습니다.
“화학 물질을 지속적으로 보충해야 하기 때문에 일회용 스캐빈저 방식은 운영 비용이 매우 많이 듭니다.”라고 Little은 말했습니다. “그리고 결국에는 위험한 황화물 폐기물이 남게 됩니다.”
재생 제어 기술은 생물학적 방법과 화학적 방법의 두 가지 범주로 나뉩니다. 생물학적 방법은 H2S를 자원으로 사용하는 박테리아에 기반합니다.
“하지만 생물학적 방법은 일반적으로 신뢰성이 떨어지며, 오히려 당사의 화학 공정보다 더 많은 화학 물질을 추가해야 하는 경우가 많다는 사실을 발견했습니다.”라고 Little은 말했습니다.
화학적 재생 제어 기술은 일반적으로 H2S를 수용성 철염 용액에 흡수시킵니다. 이 용액은 산화 공정에서 공기에 노출될 때 재생됩니다. 그러나 기존 화학 시스템은 철의 용해도를 높이기 위해 값비싼 유기 킬레이트제를 사용합니다.
“여기서 SulfurSolve의 독특함이 드러납니다.”라고 Little은 설명했습니다. “당사의 혼합 금속 페릭 철 착물은 알칼리성 용액에서 본질적으로 용해됩니다. 철을 용해시키기 위해 킬레이트 화학물질이 필요하지 않습니다.”
파일럿에서 상업적 규모로
Little에 따르면 SulfurSolve 솔루션을 이끈 화학 반응은 예상치 못한 것이었습니다.
“이것은 ‘페니실린의 순간’ 중 하나였습니다.”라고 Little은 설명했습니다. “우리는 제형을 실험하고 있었고, 처음에는 용액을 만들었을 때 뭔가 실수가 있었던 것으로 생각했습니다. 철은 이렇게 높은 pH 수준에서 용해되지 않아야 했으니까요.”
이후 수개월간 실험실에서 벤치 스케일 테스트를 거쳐 결과를 검증했습니다. 그 다음, 회사는 폐수 처리장, 펄프 및 제지 공장, 매립지에서 1년간 파일럿 스키드 테스트를 진행했습니다.
성공적인 파일럿 이후 New Sky Energy는 제조 파트너인 Moore Control Systems와 협력하여 시스템을 상업 규모로 전환했습니다. 엔지니어링, 조달 및 건설(EPC) 회사인 Moore Control Systems는 오일 & 가스 및 기타 산업에 40년 이상의 경험을 보유하고 있으며, 본사는 텍사스주 케이티에 있습니다.
작동 원리
Moore Control Systems는 Allen-Bradley® CompactLogix 컨트롤러, PowerFlex® AC 드라이브, FactoryTalk® View HMI가 적용된 Rockwell 제어 플랫폼을 기반으로 스키드형 SulfurSolve 공장을 설계했습니다. 이 공장은 EtherNet 네트워크에서 운영됩니다.
SulfurSolve 공장에 유입되는 원시 바이오가스는 액적과 고형물을 제거한 후 저압 동류 또는 역류 접촉 컬럼에서 SulfurSolve에 노출됩니다. 알칼리성 SulfurSolve 용액은 H2S를 즉시 포집하고 부분적으로 산화시킵니다. 포집된 H2S가 포함된 부분적으로 사용된 용액은 재생 용기로 펌핑되어, 공기 노출을 통해 포집된 황화물이 원소 황으로 전환되고 SulfurSolve 용액이 재생됩니다. 부유 황은 압력 여과로 회수됩니다. SulfurSolve 용액은 수백 번 재생 및 재사용되어 H2S 처리 비용을 크게 절감합니다.
“우리는 고객이 바이오가스 업그레이드 공정의 첫 단계로 SulfurSolve 스키드를 통합할 수 있도록 지원하고 있습니다.”라고 Moore Control Systems의 영업 및 마케팅 매니저 Jessica Carollo는 말했습니다. “또한 CO2 제거 및 가스 압축 등 재생 천연가스 전환을 완성하는 추가 단계에 대한 전문성도 제공합니다.”
운영 비용 절감. 폐기물 감소.
현장에서 수많은 성공적인 상업적 적용을 통해 SulfurSolve 시스템은 인상적인 결과를 보여주고 있습니다. 유입 가스 H2S의 99.9% 이상을 지속적으로 포집 및 제거하며, SulfurSolve 용액의 거의 100%를 회수해 재사용합니다.
New Sky Energy는 이 시스템이 H2S 제어 프로젝트의 화학물질 구매 및 폐기물 처리 비용을 기존 화학 스캐빈저 시스템 대비 최대 90%까지 절감한다고 추정합니다. 적용 분야에 따라 일반적인 투자 회수 기간(ROI)은 12～24개월입니다.
“또한 부산물인 원소 황은 비료나 기타 용도로 판매 및 활용할 수 있습니다.”라고 Little은 말했습니다.
SulfurSolve는 바이오가스 산업의 H2S 제어에 더욱 지속 가능한 접근을 가능하게 하며, 다른 천연가스 애플리케이션에서도 실용적인 옵션임이 입증되고 있습니다.
“최근 천연가스 처리에서 아민 테일 가스 처리를 위해 SulfurSolve 시스템을 파일럿 테스트했습니다.”라고 Carollo는 말했습니다. “놀라운 성과를 거두었고, SulfurSolve가 이러한 고유량 애플리케이션에도 적용 가능함을 입증했습니다.”
SulfurSolve는 New Sky Energy의 등록 상표입니다.