폴리술폰산 소재의 중공사 막을 이용하여 생산된 고순도 바이오메탄이 최소 98% 이상의 CH4 농도를 충족하면서 최대의 CH4 회수율과 생산가스량을 확보할 수 있는 막 모듈 조합을 찾기 위해 파일럿 실험과 상용화 플랜트 실험을 수행하였다.
파일럿 실험에서 얻어진 결과를 바탕으로 시설용량 7,500 N㎥/일 규모의 상용화 플랜트에 적용하여 총 290일간 연속 운전한 결과, 다단 모듈 조합으로 생산가스 CH4 농도 98% 이상을 만족하여 막 정제로 도시가스용 연료로 제조가능함을 확인하였다. 4단 분지형(막 면적비 2:4:4:2)과 3단 직렬형(막 면적비 2:4:4)에서 유입가스 CH4 농도 평균 60.1~61.6%, 운전 압력 0.83~0.85MPa에서 생산가스 CH4 농도는 98.9%(98.2~99.5%)였고, CH4 회수율은 4단 분지형이 88.1%로 3단 직렬형 79.4% 보다 높았으나 단위 막 면적당 생산가스량은 3단 직렬형이 4단 분지형 보다 많았다.

파일럿 실험에서 CH4(60%), CO2(40%)의 모사가스를 공급하면서 단일 모듈과 2단 직렬 모듈에서 실험한 결과, 운전 압력이 증가할수록 생산가스의 CH4 농도는 증가하나 회수율은 낮아졌다. 이는 운전 압력이 높을수록 공급가스 주입부와 투과부의 압력 차이가 커져 투과가스로 CO2 분리효율이 증가하여 생산가스의 CH4 농도는 높아지나 투과가스로 CH4도 일부 배출되므로 회수율은 낮아졌다. 2단 직렬 모듈에서 1단과 2단의 막 면적비가 1:2로 높으면 1:1일 때 보다 2단에서 CH4 투과량이 많아져 CO2의 제거율이 높아지고 회수율도 약 8~9% 정도 높아진다는 것을 알 수 있었다
다단 모듈에 소화가스를 공급하면서 3단 직렬형, 3단 분지형, 4단 분지형 모듈 조합에서 실험한 결과, 모든 조합에서 생산가스의 CH4 농도는 98.2~99.0%로, 분리막 정제를 통해 98% 이상의 도시가스 연료용 바이오메탄을 생산할 수 있음을 확인하였다. CH4 회수율은 4단 분지형(1:1:1:1)이 95.7%로 가장 높았고 3단 직렬형은 80.6~87.2%, 3단 분지형은 85.2~95.2% 이었다. 재순환율이 높을수록 CH4가 추가로 회수됨에 따라 회수율이 높아졌고, 재순환율은 3단 직렬형 28.9~32.6%, 3단 분지형 41.8~50.6%, 4단 분지형 51.8% 이었다. 단위 막 면적당 생산가스량은 3단 직렬형 3.67~4.10 L/m2/min, 3단 분지형 1.61~2.41 L/m2/min, 4단 분지형 2.47 L/m2/min로 3단 직렬형(1:2:1)이 가장 높게 나타났다.

상용화 플랜트 실험은 파일럿 실험에서 회수율이 가장 높은 4단 분지형과 단위 막 면적당 생산성이 가장 높은 3단 직렬형에 대해 총 290일간 수행하였다. 3단 직렬형(2:4:4)으로 105일간, 4단 분지형(2:4:4:2)으로 185일간 운전하였다. 실험 결과, 3단 직렬형(2:4:4)과 4단 분지형(2:4:4:2) 모두 생산가스의 CH4 목표 농도를 초과한 98.9%의 바이오메탄을 생산할 수 있었다.
재순환율은 4단 분지형이 3단 직렬형에 비해 약 2.09배 정도 높게 나타났으며, 회수율은 4단 분지형 88.1%, 3단 직렬형 79.4%로 파일럿 실험 결과에서와 같이 재순환율이 높을수록 회수율이 높게 나타났다.
3단 직렬형과 4단 분지형 모두 유입 가스량이 증가하면 생산가스량이 증가하나, 4단 분지형은 재순환율이 56.6%로 높아 유입 소화가스량 증가에 따른 바이오메탄 가스 생산량 증가에는 한계가 있었다. 그러나 3단 직렬형은 재순환율이 낮아 바이오메탄의 생산량이 유입 소화가스량에 비례하여 늘어나므로 경제성 측면에서 더 유리한 모듈 조합임을 알 수 있었다.

분리막을 이용한 정제시설의 상용화에서 생산가스의 높은 CH4 농도와 회수율에 목표를 두는 경우에는 막 모듈의 수를 늘리고 재순환율을 높이는 4단 분지형이 유리하지만 상업화를 위해서는 경제성이 중요한 요소가 된다. 따라서 사업성을 높이기 위해서는 목표로 하는 CH4 농도를 달성하면서 유입되는 소화가스량을 많이 처리할 수 있고 생산가스량을 최대로 늘릴 수 있는 3단 직렬형의 막 모듈 조합이 유리하였다.

This study carries out both pilot test and commercial scale plant test to identify optimal membrane module arrangement that satisfies high purity bio-methane, which contains CH4 concentration of over 98%, and secure maximum CH4 recovery rate and production amount.

With parameters resulting from the pilot test, 290 days continuous operation of the commercial scale plant that has maximum capacity of 7,500N㎥/day identifies that membrane separation could produce city gas with a multiple module arrangement that satisfies more than 98% of methane. 4 stage branching from(surface ratio 2:4:4:2) and 3 stage in series connection(surface ratio 2:4:4), which receive digestion gas with average methane of 60.1~61.6% under operation pressure between 0.83~0.85MPa, produce a bio-methane with average methane of 98.9%(98.2~99.5%). In terms of methane recovery rate, 4 stage branching form show 88.1%, higher than 79.4% of 3 stage in series connection. 3 stage in series connection, however, demonstrate a higher gas production amount per unit surface area than 4 stage branching form.

The pilot test, which tested single stage membrane and 2 stage membrane in series connection modules with manufactured gas consisting of CH4(60%) and CO2(40%), shows that an increasing operation pressure lead to an increased CH4 concentration while recovery rate decreases. This result from that higher operation pressure lead to pressure difference between feeding and penetration parts, which increase CO2 separation rate and CH4 concentration but on the other hand the recovery rate decrease since part of CH4 is separated with transmitted permeate gas. It is also verified that an higher surface ratio of 1:2 than 1:1 in the 2 stage membrane in series connection increases producing amount of CH4 and improve CO2 removal rate, increasing recovery rate to 8~9% accordingly.

Multiple stage module experiment including 3 stage in series connection, 3 stage branching form, and 4 stage branching forms indicates that all the arrangement shows 98.2~99.0% of CH4 concentration so that the membrane separation could produce bio-methane for city gas of 98% of CH4 concentration. The highest recovery rate of 95.7% is found from 4 stage branching form (surface ratio 1:1:1:1) while 3 stage in series and 3 stage branching from recorded 80.6~87.2% and 85.2~95.2% respectively. A higher recirculation rate that recover additional CH4 increases the recovery rate of the process. The recovery rate of 3 stage in series, 3 stage branching form, and 4 stage branching form were 28.9~32.6%, 41.8~50.6%, and 51.8% respectively. Gas production amount per unit surface area by different module arrangement were 3.67~4.10 L/㎡/min by 3 stage in series connection, 1.61~2.41 L/㎡/min by 3 stage branching form, and 2.47 L/㎡/min by 4 stage branching form, among which the 3 stage in series connection shows the highest productivity per unit surface area.

The commercial scale tested 4 stage branching form that showed the highest recovery rate and 3 stage in series connection that recorded the highest productivity per membrane. Test period was 290 days including 105 days for 3 stage in series connection(surface ratio 2:4:4) and 185 days for 4 stage branching form(surface ratio 2:4:4:2). The tests revealed that both 3 stage in series connection and 4 stage branching form could possibly produce bio-methane that exceed target CH4 concentration of 98.9%.
Recirculation rate of 4 stage branching form is 2.09 times higher than 3 stage in series connection and recovery rate were 88.25% from 4 stage branching form and 79.1% for 3 stage in series connection, implying that a higher recirculation rate result in a higher recovery rate accordingly.

With regards to bio-methane production, increasing amount of feed digestion gas give a rise to bio-methane production amount from both 3 stage in series connection and 4 stage branching form accordingly. The 4 stage branching form, however, has a limit on an increase in bio-methane production from an feed gas increase due to its relatively high recirculation rate of 56.6%, whereas 3 stage in series connection, which has relatively low recirculation rate, experience a proportional increase in bio-methane. This indicates that 3 stage in series connection is a set of module arrangement that is more economically advantageous.

In commercialization of membrane purification process, economic feasibility is an essential factor while a goal of higher CH4 concentration and recovery rate can be secured via an increasing number of modules for higher recovery rate. In this regard, it is required to take into consideration such factors as CH4 concentration, recovery rate, investment cost, and operation cost. It is therefore plausible that a module arrangement should be adopted to promote profitability, which satisfy target CH4 concentration, treat a substantial amount of feed gas, and maximize the bio-methane production.