소화가스 포집설비

왜 배우는가: 소화가스 포집설비는 혐기성 소화조에서 생성된 메탄 함유 가스를 안전하게 모으고 이용하는 설비로, 하수처리장 에너지 자립과 악취·안전 관리의 핵심이다. 가스 누출과 폭발 위험을 줄이면서 열·전기 이용률을 높이는 원리를 이해해야 하므로 시험에서 반복해 출제된다.

출제 이력: 제132회 4교시 1번, 제118회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

소화가스 포집설비는 혐기성소화조에서 발생한 소화가스를 밀폐된 경로로 모아 저장·이송하고, 이용 설비로 안전하게 공급하는 설비 일체이다.

• 소화가스(digester gas)
• 혐기성소화조(anaerobic digester)
• 가스 홀더(gas holder)
• 가스 이송 설비(gas handling system)
• 탈황 설비(desulfurization)
• 안전 장치(flare, 가스 차단 밸브)
• 메탄 함량(methane content)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 소화조 안에서 생기는 가스를 새지 않게 모아서 쓸 수 있는 곳까지 보내는 설비다. 소화조 위 덮개 아래에 모인 가스를 빼내어 저장하고, 보일러나 발전기 같은 이용 설비로 공급한다.

정식 정의는 혐기성 소화 과정에서 유기물이 미생물에 의해 분해되어 발생한 소화가스를 포집, 탈황, 저장, 이송, 이용 또는 연소 처리하는 일련의 설비다. 소화가스는 메탄이 대부분이고 이산화탄소가 나머지를 이루며, 황화수소 같은 불순물을 포함한다.

포집은 소화조 상부에서 가스를 모으는 것이다. 저장은 가스 홀더에서 가스 발생량과 사용량의 시간차를 흡수하는 것이다. 이송은 배관과 송풍기로 가스를 이용 설비까지 보내는 것이다. 연소 처리는 잉여 가스를 플레어로 태워 없애는 것이다.

포집설비의 목적은 세 가지다. 첫째, 메탄을 에너지로 회수한다. 둘째, 가스 누출로 인한 폭발과 악취를 막는다. 셋째, 메탄이 대기로 배출되어 온실가스 영향을 키우는 것을 줄인다.

3. 등장 배경과 필요성

하수처리장은 소화조에서 발생하는 가스를 연료로 쓰면 보일러 연료나 발전용 에너지를 얻을 수 있다. 과거에는 가스를 방치하거나 태워 버리는 경우가 많았다. 최근에는 에너지 자립과 온실가스 감축 요구가 커지면서 가스 회수 설비의 중요성이 높아졌다.

메탄은 이산화탄소보다 온실효과가 강하므로 미회수 가스가 대기로 빠져나가는 것을 막아야 한다. 또 소화가스에는 황화수소가 포함되어 있어 가스 엔진과 보일러의 부식을 일으킨다. 따라서 포집 단계에서 응축수 제거와 탈황을 함께 고려해야 한다.

가스 누출은 폭발 위험이 크다. 메탄 농도가 폭발 하한 범위에 들면 점화원에 의해 폭발할 수 있다. 그러므로 가스 저장과 이송 설비는 누설 방지, 역화 방지, 과압 방지 장치를 갖추어야 한다.

메탄 60~70% 수준의 가스는 가스 이용 가치가 높아 회수 설비가 경제성을 확보하기 쉽다. 하수처리장의 소화가스 조성은 원수 성상과 운전 조건에 따라 달라지므로 설계 시 실측값을 기준으로 삼는다.

4. 구성요소·원리·절차

소화가스 포집설비는 혐기성소화조 상부에 모인 소화가스를 모으고 이송하여 이용설비에 공급하는 설비 묶음이다. 소화조는 가스를 만드는 장치이고, 포집설비는 그 가스를 잃지 않고 안전하게 쓰도록 돕는 장치다. 구성은 포집부, 이송부, 정제부, 저장부, 안전·연소부로 나눈다.

소화가스는 메탄과 이산화탄소가 주성분이고 황화수소와 수증기를 포함한다. 가스는 소화조 상부 덮개 아래에 모인다. 배관으로 이동하는 동안 온도가 내려가면 수증기가 응축하므로 경사 배관과 드레인으로 수분을 뺀다. 포집관 끝의 부압 유지 장치인 가스 펌프나 블로워가 덮개 아래를 약한 부압으로 유지해 가스를 끌어낸다. 부압이 과하면 덮개가 손상되고 공기가 들어가 메탄 농도와 폭발 안전성이 떨어지므로 압력을 일정 범위로 제어한다.

가스 발생량은 분해된 휘발성 고형물량에 가스 발생계수를 곱해 추정한다.

$Q_g = Y_g \cdot \Delta VS$

Q_g는 소화가스 발생량(㎥/d), Y_g는 가스 발생계수(㎥/kg VS), \Delta VS는 소화조에서 분해된 휘발성 고형물량(kg VS/d)이다. 발생량이 정해지면 저장 용량과 이용설비 용량을 함께 정한다. 이 값이 맞지 않으면 가스홀더가 넘치거나 플레어로 낭비되는 가스가 늘어난다.

소화가스 포집설비의 처리 절차는 다음과 같다.

• 소화조 내부에서 유기물이 분해되어 소화가스가 생성되고 덮개 아래에 집적된다.
• 포집관과 펌프 또는 블로워가 가스를 부압으로 끌어낸다.
• 경사 배관과 드레인에서 응축수를 제거한다.
• 탈황설비에서 황화수소를 제거한다.
• 가스홀더에 저장하여 발생과 사용의 차이를 완충한다.
• 유량계와 압력조절기를 거쳐 발전기나 보일러 등 이용설비에 공급한다.
• 이용설비가 정지하거나 잉여가스가 생기면 플레어에서 연소시킨다.

소화가스 포집설비는 생성, 포집, 정제, 저장, 이용, 안전 처리를 한 계통으로 설계한다.

5. 관련 법령·기준·표준

소화가스 포집설비는 「하수도법」과 하수도 시설기준에 따라 시설을 설계하고 유지한다. 가스를 취급하는 설비는 「산업안전보건법」상 안전 기준과 전기설비의 방폭 구역 기준을 함께 적용한다. 전기설비 기준은 한국전기설비규정(KEC)을 따른다. 소화가스의 조성과 소화조 운전 조건은 설계 기준과 함께 다음 값을 기준으로 쓴다.

바이오가스의 저위발열량은 가스 조성에 따라 달라지는 값으로 보고된다. 이 값은 가스 조성에 따라 달라지므로 이용설비 용량을 정할 때 실측 조성을 기준으로 삼는다. 설비 설계 시 메탄 함량이 낮아지면 발열량이 떨어져 발전 효율과 보일러 연소 안정성이 함께 떨어진다. 가스 조성은 설계 조건과 운전 실적으로 계속 점검한다.

가스 취급 설비의 기밀 시험, 역화 방지, 방폭 구역 설정 기준은 설비별 설계 기준에 따른다. 법령과 기준은 제정 후 개정될 수 있으므로 설계 시점의 현행 기준을 사용한다。

6. 유형과 비교

소화가스 포집설비는 소화조의 운전 방식, 덮개 형식, 가스 저장 방식에 따라 여러 형태로 나뉜다. 하수처리시설에서는 습식 혐기성 소화조의 고정식 덮개와 부상식 가스홀더 조합이 가장 널리 쓰인다. 유형별 특징을 먼저 비교해 두면 답안에서 설비 선택 이유를 설명하기 쉽다.