[영국] 하수처리장에서 바이오 메탄 사용 극대화

 

혐기성소화(Anaerobic digestion, AD) 기술은 지난 15년 동안 계속되어 왔으며, 많은 독창적인 하ㆍ폐수 혐기성소화(AD) 시설은 현재 전기생산에서 바이오 메탄으로 전환하려는 노력이 계속 시도되고 있다.

잘 설계된 바이오 메탄 시스템이 AD공정에서 생산되는 열의 40%를 회수하여 활용할 수 있다는 주장을 하고 있다.

영국에서는 하ㆍ폐수처리 부문에서 수년 동안 호기성 및 혐기성 처리법을 모두 사용했다. 그러므로 ‘신재생에너지 사용 의무화(Renewables Obligation, RO)’가 2002년 4월(북아일랜드에서 2005년 4 월)에 도입되었을 때, 하수슬러지 혐기성소화(AD) 플랜트가 이 시스템으로 인가된 최초의 시설들 사이에 잘 배치되었다는 것은 놀라운 일이 아니다.
 

RO(신재생에너지 사용 의무화)는 2017년 3월 31일에 새로운 발전 용량에 모두 폐쇄되었지만 덜 널리 인정되는 것은 이러한 제1발전기의 경우 20년의 기본 인증기간이 대부분의 하수슬러지 혐기성소화(AD) 시설이 ROCs(재생에너지 사용의무 증서)에 대한 적격성을 상실했다는 것을 의미한다. 실제로 RO 자체는 2037년까지 계속될 것이지만, 실제로는 10년 동안 계속된 보조금이 남아 있다.

 

또한, 혐기성소화(AD) 기술은 지난 15년 동안 변동이 많았다. 새로운 용량이 증가하는 동안 하수도 바이오 가스 플랜트의 수는 2004년 49개에서 2017년 지금까지 159개로 증가했으며, 원래의 하·폐수처리 시설의 많은 부분이 현재 업그레이드를 찾고 있으며, 종종 재생 가능 에너지를 활용하기 위해 전기를 생산하는 것을 바이오 메탄으로 전환하고 있다.

바이오 메탄으로 이동
2016년 12월 ADBA(Anaerobic Digestion and Bio-resources Association) 컨퍼런스에서 ADBA의 시장분석가 Ollie More는 발표에서 “많은 하수도 바이오 가스 플랜트 사업자가 바이오 메탄 생산으로 옮겨가고 있음을 확인했다”면서 "이 발전소들은 전기를 생산하고 있으며 현재는 바이오 메탄 업그레이드 기술을 추가하고 있다. 이러한 추세가 계속될 것으로 기대한다 "고 설명했다.

 

바이오 메탄 업그레이드 기술을 추가하는 하수처리 플랜트의 추세가 증가하고 있다.

2010년과 2015년 사이에 하수슬러지의 혐기성소화 시설 설치 용량이 216MWe로 12% 증가했지만 실제로 폐수 발전소는 25 % 이상의 전력을 생산했습니다. 열 회수는 효율성을 향상시키는 가장 쉬운 방법 중 하나이며 열 교환기가 이를 수행하는 가장 좋은 방법이다. 그것들은 이미 확립된 기술이지만, 식품 제조 및 화학 분야와 같은 산업 분야에서 광범위하게 사용되고 있음에도 불구하고 종종 혐기성소화(AD) 플랜트에서는 미숙한 기술이다.
 
열은 혐기성소화(AD) 공정 자체에서 활용 될 수 있다. 예를 들어, 가스 생산 효율을 향상시키기 위해 공급 원료 또는 소화기를 예열하거나, 열이 요구되는 곳이면 어디든지 열을 사용할 수 있다. 저온 살균 및 농축 과정에서 사무실 등 건물 난방 및 청소를 위해 온수를 제공해준다.
 
이러한 방식으로 잉여 열을 사용하는 것은 추가 연료를 구입할 필요가 없으며, 모든 적용은 적절한 열 교환기를 사용하여 수행 할 수 있다. 이러한 접근법은 저온 살균을 위해 종종 사용되는 탱크 가열 시스템과 같은 다른 기술에 비해 추가적인 이점을 제공 할 수도 있다. 잘 설계된 시스템은 발전소에서 생산되는 열의 40%를 회수하여 활용할 수 있다.

 

영국 하수시설에서 HRS 슬러지 저온살균 탱크.

[원문보기]

Maximising biomethane use in sewage plants

Anaerobic digestion (AD) technology has moved on over the last 15 years and many original wastewater AD facilities are now looking to switch from producing electricity to biomethane. This article argues that a well-designed biomethane system could recover and utilize 40% of the heat produced by an AD plant.

In the UK, the wastewater treatment sector has used both aerobic and anaerobic treatment for many years. It is therefore not surprising that when the Renewables Obligation (RO) was introduced in April 2002 (April 2005 in Northern Ireland), sewage sludge anaerobic digestion (AD) plants were well placed to become amongst the first facilities accredited under the system.
 

The RO closed to all new generating capacity on 31 March 2017, but what is less widely appreciated is that, for these first generators, the default accreditation period of 20 years means that the majority of sewage sludge AD plants will lose their eligibility for ROCs in 2027, despite the fact that the RO itself will continue up to 2037. In effect, these plants have just ten years left of continued subsidy.

In addition, anaerobic digestion technology has moved on considerably over the last 15 years. While new capacity has grown, the number of sewage biogas plants has increased from 49 in 2004 to 159 today, many of the original wastewater AD facilities are now looking to upgrade, often switching from producing electricity to biomethane in order to take advantage of the Renewable Heat Incentive, particularly given the positive outcome of last year’s consultation on the scheme.
 
Move to biomethane
Speaking at the ADBA National Conference in December 2016, the Anaerobic Digestion and Bio-resources Association’s Market Analyst, Ollie More, confirmed that a number of sewage biogas plant operators are moving into biomethane production. “These plants were producing electricity and are now adding biomethane upgrading technology as well. We expect this trend to continue,” he explained.
 

Upgrading an existing plant is also an ideal opportunity to improve its overall efficiency and ensure that every bit of heat and power produced is utilized, to maximize both energy production and overall greenhouse gas savings. In fact, the water sector is at the heart of AD efficiency and improvements - while the installed capacity for the anaerobic digestion of sewage sludge rose 12% to 216 MWe between 2010 and 2015, wastewater plants actually generated over 25% more power. Recapturing heat is one of the easiest ways to improve efficiency, and heat exchangers represent the best way of doing this. They are an established technology, but despite their widespread use in industries such as food manufacturing and the chemical sector, they are often under-used in AD plants.
 
Heat can be utilized in the AD process itself, for example to pre-heat feedstock or digesters to improve gas production efficiency, or anywhere else that heat is required;  from water treatment, pasteurisation and concentration processes to office and space heating, or to provide hot water for cleaning.
 

Using surplus heat in this way is also free, without the need to buy additional fuel, and all of these applications can be carried out using a suitable heat exchanger. Such an approach may also provide additional benefits compared to other technologies, such as the tank heating systems often used for pasteurisation. A well-designed system could recover and utilize 40% of the heat produced by the plant.
 

Resolving efficiency challenges
As an example, using heat exchangers for pasteurisation is more efficient than using tanks with heating jackets as they have a much lower heat requirement; up to half of that of some systems. This is because tank systems have lower heat transfer efficiency and usually dump the hot water after use, rather than reclaiming it.
 

Using heat exchangers means that effective pasteurisation of digestate, for example to comply with PAS 110, is possible using surplus heat rather than needing to install an additional heat source such as a biomass boiler, which could add hundreds of thousands of pounds to a project.
 

Using a well-designed heat exchanger system can provide a continuous pasteurisation process which uses less energy than alternative systems, while allowing additional thermal regeneration, or recovery, levels of up to 60%. This saved heat can then be used elsewhere, such as an evaporation plant.

Digestate reduction
Heat can also be used to separate water from digestate by concentrating. This technique can reduce the overall quantity of digestate by as much as 80%, greatly lowering the transport costs associated with the removal of digestate. A well-designed system will include measures to retain the valuable nutrients in the digestate while the evaporated water can be condensed and reused.
 

For example, the captured water can be added back to the feedstock as it enters the digester, making the entire process almost self-sufficient in terms of water use and eliminating liquid discharges from the plant. After concentration, the treated digestate dry solid content can be as much as 20% (often a four-fold improvement), making it much easier to transport and handle.

 

[출처 = Filtration+Separation(www.filtsep.com) / 2017년 5월 9일]