KR100490116B1

KR100490116B1 - 대체연료 생산방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR100490116B1
Application number: KR20010063202A
Authority: KR
Inventors: 서창석; 김병국
Original assignee: 에이비씨 에너지주식회사
Priority date: 2001-10-13
Filing date: 2001-10-13
Publication date: 2005-05-16
Also published as: KR20010112142A

Abstract

본 발명은 폐식용유 및 폐동식물성유지를 디젤엔진 및 경유 보일러의 연료로서 사용 가능토록 재생하는 대체연료 생산방법 및 그 장치에 관한 것으로, 회수된 폐식용유 및 동식물성유지를 포함한 폐유에서 찌꺼기를 제거한 다음 30∼90 ℃에서 폐조패류 껍질 알갱이인 CaCO₃층을 5∼60분간 통과시켜 물 또는 각종 화합물을 물리적으로 흡착 제거하는 제1단계와, 상기 정제된 폐유에 메틸알콜-수산화나트륨 (MeOH-NaOH)을 넣고 30∼90 ℃에서 5∼60분간 고압과 저압을 반복해서 가하면서 1/2파장의 초음파를 4배로 증폭시켜 강하게 발산함으로서 소멸파에 의한 활발한 분자운동으로 반응을 촉진시켜 메틸 에스테르화된 연료와 글리세린을 얻는 제2단계와, 상기 반응이 끝난 폐유에 중화제(HCl)를 첨가하여 중화한 후 폐조패류 껍질 알갱이로 이루어진 CaCO₃층을 통과시켜 물과 각종 화합물을 흡착 제거하는 제3단계와, 상기 정제된 폐유를 글리세린 분리대를 통과시켜 비중차이에 의해 메틸 에스테르화된 연료와 글리세린, HCl 및 각종 화합물로 분리하는 제4단계 및 상기 분리된 메틸 에스테르화된 연료에 소량의 메탄올, 0.005중량%의 물, 0.005중량%의 유화제를 넣고 용량에 따라 200∼2400W의 초음파를 20∼30KHz로 4배 이상 증폭시켜 진동자 혼을 통해 가함으로서 초음파 공동현상을 이용하여 액상을 초미립화하여 에멀젼화된 대체연료를 얻는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 가정, 식당, 피혁공장 및 식품관련 업체에서 사용 후에 버려지는 폐식용유 및 폐동물성 기름을 이용하여 자동차 디젤엔진 및 경유 보일러의 대체연료로 공급하여 폐자원을 재활용하고, 화석 연료수입으로 인한 외화지출을 절약할 수 있을 뿐더러 환경도 살릴 수 있는 이중 효과가 있다.

또한, 본 발명은 어촌에서 버려지는 폐조패류를 대체연료 생산공정 중의 촉매로 사용함으로써 폐자원을 재활용할 수 있으며, 공정 중에 발생된 CaCO₃유지 및 기타 화합물을 닭 사료로 재활용함으로써 수입에만 의존하고 있는 닭 사료를 일부 대처할 수 있어 외화절약에도 큰 몫을 할 수 있다.

Description

대체연료 생산방법 및 그 장치{A method of production of substitution fuel and an apparatus used therefor}

본 발명은 폐조패류 껍질에 포함된 탄산칼슘(CaCO₃)을 이용하여 폐식용유 및 동식물성유지를 디젤엔진과 경유 보일러의 연료로서 사용 가능한 대체연료로 재생함과 동시에 부산물로 글리세린과 양질의 닭 사료를 추가로 생산함으로써 자원의 재활용도를 높일 수 있도록 하는 대체연료 생산방법 및 그 장치에 관한 것이다.

더욱 상세하게는, 본 발명은 디젤엔진 또는 경유 보일러에 사용할 수 있는 연료로 기계적/화학적 반응을 통해 점도를 낮추고, 세탄지수를 경유 형성에 알맞게 한 다음 반응에서 생긴 소량의 물을 강력한 초음파로 에멀젼화하여 노즐 분사시 열에 의해 미세 폭발하면서 연료를 미립화하여 완전 연소가 되도록 하는 대체연료 생산방법 및 그 장치에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 폐조패류 껍질(CaCO₃)을 1200 ℃ 로 10∼20분간 가열하여 불순물을 제거하여 정제과정에서 사용되고, 칼슘(Ca)과 유지 등이 함유된 고에너지의 닭 사료로 재활용함으로서 친환경적일 뿐만 아니라 경제적 가치를 높일 수 있는 대체연료 생산방법 및 그 장치에 관한 것이다.

본 발명에서 동식물성 폐유, 폐조패류 껍질은 산업 폐기물이 아닌 식당이나 가정, 식품회사 또는 어촌 등지에서 버려지는 폐유지 및 폐조패류 껍질을 지칭한다.

이미 공개된 공개특허공보 제1999-16815호(1999. 03. 15. 공개)의 '폐식용유를 이용한 자동차 연료 공급장치 및 그 연료 제조방법'에 기재된 폐식용유 재생방법은 화석연료와 재생연료를 구분하여 작동하는 공급장치의 구분된 장치를 함으로서 비용이 추가되기 때문에 불편할 뿐만 아니라 메틸 에스테르화 과정에서 방해물질이 있어 100 % 메틸 에스테르(methyl ester)화 되었다고 볼 수 없으며 연료로 사용시 노즐이 막히고 노킹(knocking)현상이 일어날 수 있다.

또, 유기용매를 첨가하여 메틸 에스테르화하여 유기층에 녹아있는 알칼리(alkali) 촉매 및 부산물을 물에 여러 차례 헹궈 수(水)층과 유지층을 분리하므로 폐수가 많이 발생되고 다시 정유기에 넣고 끊는 점의 차이를 이용하여 연료를 분리하기 때문에 비용이 많이 들고 시설이 복잡해지는 단점이 있다.

따라서, 상기 대체연료를 쓰고자 하는 목적은 환경을 지키고 재활용을 하여 수입대체효과를 얻을 수 있다고 하는데, 물을 사용한 과다한 세정작업으로 폐수 처리비용이 증가되고 대형 정화시설을 필요로 하기 때문에 비용이 증가되어, 화석원유로부터 정제한 경유에 비해 가격 경쟁력이 떨어진다.

또한, 공개특허공보 제1999-70659호(1999. 09. 15. 공개)에 기재된 '폐유의 연료화 재생방법 및 그 재생장치'는 자석과 함께 설치된 세라믹에 의해 형성된 이온을 폐유분자에 적용시켜 활성화하므로 마이너스 전위를 상승시켜 디젤엔진의 연료로 재생하는 방법과 장치가 간단하나, 아무리 불포화된 지방산이라 하지만 마이너스 전위를 상승시켜 점도가 떨어지는 것은 상식적으로 의문이 제기된다.

설령 점도가 떨어졌다 하더라도 폭발력이 떨어지는 글리세린 등은 어떻게 할 것인지 의문이다.

그리고, 공개특허공보 제1999-79052호(1999. 11. 05. 공개)에 기재된 '폐식용유의 재생처리방법 및 장치'는 필터를 이용하여 불순물을 제거한 후 메탄올 및 촉매로서 알칼리성 물질을 첨가하여 에스테르화시키고 자연 침전으로 알칼리는 찌꺼기로 그리고 글리세린은 상분리 한다고 되어 있으나, 고점도 폐유를 통상의 방법으로 하고 있어 여전히 방해 잔존물이 존재한다고 보여지고, 역시 물에 여러 번 헹궈 알칼리촉매물질을 씻어내게 되어 많은 물 사용비용과 폐수처리비용이 든다는 것은 대체적으로 알려진 사실들이다.

본 발명은 종래의 폐식용 및 동물성유지를 이용한 대체연료 생산방법에서의 여러 가지 문제점을 해소하기 위해 산학공동연구로 창안된 것으로 디젤엔진 및 경유 보일러에 사용할 수 있으며, 사용시 환경오염이 없고 환경 친화적이며 생산과정에서 생성되는 부산물이 부가성이 높게 재활용되어 경제성이 높고 연속 생산공정으로 생산비용을 줄일 수 있는 대체연료 생산방법 및 그 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 자원 재활용 측면에서 강한 알칼리 촉매재를 1/10로 줄이고 폐조패류 껍질인 CaCO₃을 가공 처리하여 CaO로 만들고, 고체촉매로서 백금망 및/또는 니켈망을 이용함으로써 화학약품의 사용을 현저히 줄일 수 있도록 하는 대체연료 생산방법 및 그 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

그리고 본 발명은 생산된 연료에 200∼2400W이상의 초음파를 증폭하여 강한 물리적 힘을 이용하여 미량의 물이 포함된 메틸 에스테르를 에멀젼화된 안정된 대체연료로 생산하는 것으로 생산공정이 단순하고 연속생산이 가능할 뿐만 아니라 폐수발생을 원칙적으로 차단하여 환경오염을 없애고 연료생산과 동시에 나오는 부산물로부터 경제적인 부가가치를 올릴 수 있도록 하는 대체연료 생산방법 및 그 장치를 제공하는 그 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 대체연료 생산방법은, 폐식용유 및 폐동식물성유지를 디젤엔진 및 경유 보일러의 연료로서 사용 가능토록 재생하는 대체연료 생산방법에 있어서, 회수된 폐식용유 및 동식물성유지를 포함한 폐유에서 찌꺼기를 제거한 다음 30∼90 ℃에서 폐조패류 껍질 알갱이인 CaCO₃층을 5∼60분간 통과시켜 물 또는 각종 화합물을 물리적으로 흡착 제거하는 제1단계와, 상기 정제된 폐유에 메틸알콜-수산화나트륨(MeOH-NaOH)을 넣고 30∼90 ℃에서 5∼60분간 고압과 저압을 반복해서 가하면서 1/2파장의 초음파를 4배로 증폭시켜 강하게 발산함으로서 소멸파에 의한 활발한 분자운동으로 반응을 촉진시켜 메틸 에스테르화된 연료와 글리세린을 얻는 제2단계와, 상기 반응이 끝난 폐유에 중화제(HCl)를 첨가하여 중화한 후 폐조패류 껍질 알갱이로 이루어진 CaCO₃층을 통과시켜 물과 각종 화합물을 흡착 제거하는 제3단계와, 상기 정제된 폐유를 글리세린 분리대를 통과시켜 비중차이에 의해 메틸 에스테르화된 연료와 글리세린, HCl 및 각종 화합물로 분리하는 제4단계 및 상기 분리된 메틸 에스테르화된 연료에 소량의 메탄올, 0.005중량%의 물, 0.005중량%의 유화제를 넣고 용량에 따라 200∼2400W의 초음파를 20∼30KHz로 4배 이상 증폭시켜 진동자 혼을 통해 가함으로서 초음파 공동현상을 이용하여 액상을 초미립화하여 에멀젼화된 대체연료를 얻는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 대체연료 생산방법에 있어서, 상기 2단계에서 정제되는 폐유는 백금망 및/또는 니켈망, CaO 등의 고체 촉매에 의해 반응시간이 조절되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 대체연료 생산방법에 있어서, 상기 CaO는 폐조패류 껍질이 50∼100㎛ 입자크기로 가공되어 열 처리되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 대체연료 생산장치(이하, 예시도면 참조)는 폐식용유 및 폐동식물성유지를 디젤엔진 및 경유 보일러의 연료로서 사용 가능토록 재생하는 대체연료 생산장치에 있어서, 내부에는 폐조패류 껍질인 CaCO₃층이 여러 겹으로 적층되어 있으며, 유입구에는 히팅 코일(2)(2a)을 가지는 원유 저장조(1)(1a)가 배치되고 배출구에는 정제된 폐유를 반응기(8)에 공급하기 위한 히팅기(11a)가 배치되어, 30∼90 ℃의 폐유에서 물 또는 각종 화합물을 물리적으로 흡착 제거하는 CaCO₃ 여과로(4)와, 상기 히팅기(11a)와 메틸알콜-수산화나트륨 저장탱크(5), HCl 저장탱크(9)가 상단의 투입밸브(21)(22)(23)에 접속되고 내부에는 히터(26)가 마련되며 저장된 폐유를 순환시키기 위한 배관(30)(31)에는 고체 촉매장치(27)와 초음파 발생장치(29)가 각각 마련되어, 메틸 에스테르화된 연료와 글리세린을 생성하고, 중화하는 반응기(8)와, 내부에는 폐조패류 껍질인 CaCO₃층이 여러 겹으로 적층되어 있으며, 유입구에는 상기 반응기(8)가 접속되고 배출구에는 백 필터(14a)를 매개로 글리세린 분리대(12)가 접속되어, 상기 중화된 폐유에서 물 또는 각종 화합물을 물리적으로 흡착 제거하는 CaCO₃ 여과로(10)와, 상기 CaCO₃ 여과로(10)가 유입구에 연결되고 배출구에는 초음파 발생장치(29a)가 접속되어, 상기 CaCO₃ 여과로(10)에서 유입된 폐유를 비중차이에 의해 메틸 에스테르화된 연료와 글리세린, HCl 및 각종 화합물로 분리하는 글리세린 분리대(12) 및 상기 글리세린 분리대(12)에서 메틸 에스테르화된 연료에 200∼240W의 초음파를 20∼30KHz로 4배 이상 증폭시켜 가함으로서 초음파 공동현상을 이용하여 액상을 초미립화하여 에멀젼화된 대체연료를 만드는 초음파 발생장치(29a)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 대체연료 생산장치에 있어서, 상기 CaCO₃ 여과로(4) 및 CaCO₃ 여과로(10)에는 채워진 CaCO₃는 폐조패류 껍질 알갱이로서 50∼100㎛ 입자크기를 가지는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 대체연료 생산장치에 있어서, 상기 반응기(8)는 폐유와 메틸알콜-수산화나트륨(MeOH-NaOH) 및 HCl의 투입을 개폐하기 위한 투입밸브(21)(22)(23)가 윗면에 형성되고 밑면에 배출구가 형성된 반응탱크(20)의 중간부분에는 히터(26)가 마련되고, 상기 반응탱크(20)의 밑면에서 인출된 배관(30)(32)이 상기 반응탱크

(20)의 중간부분의 내부까지 유입되게 연결되되, 상기 배관(30)(32)에는 폐유에 포함된 폐유의 반응을 촉진시키기 위한 고체 촉매장치(27)와 폐유에 초음파를 발산하기 위한 초음파 발생장치(29) 및 폐유를 강제 순환시키기 위한 순환펌프(31)가 순서대로 마련되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 대체연료 생산장치에 있어서, 상기 순환펌프(31) 전단의 배관(30)의 단면적이 상기 순환펌프(31) 후단의 배관(32)의 단면적보다 4배 정도 큰 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 대체연료 생산장치에 있어서, 상기 고체 촉매장치(27)는 폐유가 유입 및 배출되는 원통형의 실린더(27a) 내에 다수개의 백금망(38) 및/또는 니켈망

(40)이 실린더(27a)의 길이방향으로 일정간격을 두고 배치되고, 상기 각 백금망

(38) 및/또는 니켈망(40) 사이에는 CaO(39)가 채워져 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 대체연료 생산장치에 있어서, 상기 초음파 발생장치(29)(29a)는 양단에 유입 및 배출구를 구비한 원통형의 내부 실린더(34) 내에 초음파 진동자(35)가 설치되되, 상기 초음파 진동자(35)는 초음파 진동자(35)에서 발생되는 초음파의 1/4파장 길이만큼 내부 실린더(34) 내부로, 1/4파장 길이만큼 내부 실린더(34) 외부로 돌출되게 설치되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 대체연료 생산장치에 있어서, 상기 글리세린 분리대(12)는 상단 측면에 폐유의 유입 및 배출구가 형성되고 밑면에 글리세린의 배출을 개폐하기 위한 개폐밸브(43)를 구비한 배출구가 형성된 원통형의 분리탱크(42) 내에 다수개의 격판(44)이 폐유의 흐름과 직교되게 일정간격을 두고 형성되되, 상기 다수개의 격판(44) 중 첫 번째 격판은 상기 분리탱크(42)의 윗면과 맞닿게 설치되고, 나머지 격판은 상기 분리탱크(42)의 윗면으로부터 일정거리 이격되게 설치되며, 상기 격판(44)의 하단은 유입구에서 배출구로 갈수록 일정길이 만큼 길어지는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 대체연료 생산장치에 있어서, 상기 글리세린 분리대(12)의 하단부가 투명재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 대체연료 생산장치에 있어서, 상기 CaCO₃ 여과로(4)와 상기 히팅기

(11a) 사이에는 프레스 필터(11)가 더 구비되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 대체연료 생산장치에 있어서, 상기 반응기(8)는 폐유의 용량에 따라 증감되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 대체연료 생산장치에 있어서, 상기 초음파 발생장치(29a)에서 배출되어 대체연료 저장탱크(13)에 저장된 대체연료를 안정화시켜 메틸알콜 저장탱크

(16)에 저장하는 냉각기(15)가 더 구비되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 대체연료 생산장치에 있어서, 상기 초음파 발생장치(29a)에서 배출되어 대체연료 저장탱크(13)에 저장된 대체연료로부터 물을 제거하는 백 필터(14b)와, 상기 백 필터(14b)에서 공급되는 대체연료를 1일 동안 정체시켜 자연 분리로 글리세린을 제거하는 다수개의 저장탱크(17a)(17b)와, 상기 저장탱크(17a)(17b)에서 대체연료를 공급받아 저장하는 저장탱크(17c)가 더 구비되는 것이 바람직하다.

이하에서는, 폐동식물성 유지 또는 동식물성 유지(이하, '폐유'라 한다.)를 대체연료로 재생하기 위한 본 발명에 의한 대체연료 생산장치와 이에 의해 대체연료를 생산하는 과정을 예시도면과 함께 상세히 설명하기로 한다.

도1을 참조하면, 히팅 코일(2)(2a)(heating coil)에 의해 원유 저장조(1)(1a) 내의 폐유(물, 지방산 및 각종 산화물 찌꺼기를 포함하는 것을 말한다.)를 30∼90℃로 가열하면서 밸브(V0∼V4)를 열고 밸브(V5)를 잠근 상태에서 순환펌프(3)(3a)를 구동시키면, 원유 저장조(1)(1a) 내의 폐유는 CaCO₃여과로(4)와 프레스 필터(11)

(press filter)를 5∼60분간 반복적으로 경유하면서 물이나 각종 화합물, 찌꺼기(슬러지) 등이 흡착 제거되어 정제된 폐유로 원유 저장조(1)(1a)에 각각 피드백(feedback)된다.

특히, CaCO₃여과로(4) 내에 100∼500㎛ 정도의 단면적을 가지며 열처리에 의해 불순물이 제거된 조패류 껍질, 즉 CaCO₃가 여러 층으로 채워져 있어, CaCO₃여과로(4)는 구조형성 이온으로 수분과 잘 흡착되는 Ca이온의 특성에 의해 폐유에 포함된 물기와 기타 협착물을 깨끗하게 걸러낸다.

상기 CaCO₃여과로(4)나 프레스 필터(11) 등을 이용한 정제과정의 연속적인 수행은 CaCO₃여과로, 프레스 필터는 그대로 두고 여러 개의 원유 저장조, 순환펌프, 밸브 등을 위와 같은 방법으로 설치한 후 이를 폐유의 용량과 정제시간에 알맞게 운영함으로서 가능하다.

정제과정을 마친 다음, 밸브(V0)(V3)를 잠그고 밸브(V5)를 열면, 더 이상의 피드백과정은 더 이상 이루어지지 않고 원유 저장조(1)(1a)에서 배출된 폐유는 CaCO₃여과로(4)와 프레스 필터(11)를 통해 히팅기(11a)에 의해 30∼90℃로 재차 가열된 후 순환펌프(6)의 펌핑(pumping)작용으로 각 반응기(8)로 보내진다.

이와 동시에 디젤엔진 또는 경유 보일러에 사용하기 위한 메틸 에스테르 연료를 생성하기 위해 각 반응기(8)에는 메틸알콜-수산화나트륨 저장탱크(5)의 메틸알콜-수산화나트륨 용액이 폐유의 0.1∼0.5중량% 공급되고, 이는 폐유와 함께 순환펌프(31)와 히터(26)의 구동으로 30∼90℃에서 순환 및 교반된다.

위의 반응기(8) 중 첫 번째 반응기의 앞단에 메틸알콜-수산화나트륨 저장탱크(5)가 접속되고 중간에 HCl 저장탱크(9)가 접속된 것으로 도1에 도시하였으나, 실제로는 첫 번째 반응기의 투입밸브에 히팅기(11a)가 접속되고, 중간의 다수의 반응기는 앞단 반응기의 배출구가 뒷단 반응기의 투입밸브에 접속되며, 마지막 반응기의 배출구는 CaCO₃여과로(10)에 접속되어야 한다. 물론, 각 반응기(8)의 또 다른 투입밸브에는 메틸알콜-수산화나트륨 저장탱크(5)와 HCl 저장탱크(9)가 각각 접속되어야 함은 당연하다. 위에서는 반응기의 직렬 연결만을 설명하였으나, 반응기의 병렬 연결도 가능하다.

실제로는 하나 이상의 반응기가 구비되어도 되고, 모든 반응기가 동일한 반응과정을 수행하므로 도1 및 도2에 의해 반응기(8)에서의 반응과정을 상세히 살펴본다.

먼저, 히팅기(11a)에서 가열된 폐유가 열려진 투입밸브(23)를 통해 반응탱크(20)에 투입되고 나서, 메틸알콜-수산화나트륨 저장탱크(5) 내의 메틸알콜-수산화나트륨 용액이 열려진 투입밸브(22)를 통해 반응탱크(20)에 폐유의 0.1∼0.5중량% 정도 투입된다. 이때 반응탱크(20) 내의 액상의 온도는 히터(26)의 구동으로 분자운동이 활발해져 반응을 촉진시킬 수 있는 최적의 온도인 30∼90℃를 유지하게 된다.

반응탱크(20) 내의 폐유 및 메틸알콜-수산화나트륨은 반응성을 높일 수 있도록 순환펌프(31)에 의해 순환 및 60여분간 교반되는 데, 반응탱크(20)의 밑면에 접속된 배관을 통한 폐유가 순환펌프(31)에 펌핑되어 반응탱크(20)의 중앙부분까지 내입된 유체출구(33)를 통해 배출되어 확산되므로 폐유와 메틸알콜-수산화나트륨을 효율적으로 순환 및 교반할 수 있다.

특히, 순환펌프(31) 전단의 배관(30)의 단면적이 후단 단면적의 4배 정도이기 때문에 폐유 순환펌프(31)의 전단에서는 저압 저속으로 흐르나, 순환펌프(31)의 후단에서 배출되는 고압 고속의 폐유가 반응탱크(20)의 중앙에서 배출되어 팽창하므로 교반 및 확산효과가 배가된다.

이때 트리글리사이드(triglyceride) 분자의 연결고리가 느슨해지면서 수산화나트륨

(NaOH)의 촉매작용으로 지방산이 글리세린과 함께 떨어져 나오면서 메틸기가 달라붙게 되어 메틸 에스테르가 생성된다. 물론, 위와 같은 반응공정이 짧아 연속생산이 가능하다.

상기 배관(30)에는 폐유의 반응을 더 빠르게 촉진시키기 위한 고체 촉매장치(27)가 배치되어 있는 데, 상기 고체 촉매장치(27)의 실린더(27a) 내에는 도3에서와 같이 촉매인 백금망(38) 및/또는 니켈망(40)이 실린더(27a)의 길이방향으로 일정간격을 두고 배치되고, 상기 각 백금망(38) 및/또는 니켈망(40) 사이에는 또 다른 촉매인 CaO(39)가 채워진다. 또한, 상기 실린더(27a)의 단면적이 배관(30) 단면적의 10배정도이기 때문에 실린더(27a) 내의 압력이 배관(30)의 압력보다 낮아진다. 여기서, 실린더(27a)에 채워진 Cao는 조패류 껍질을 가공 열처리하여 얻은 것이다.

또한, 반응을 더욱 촉진시키기 위해 상기 고체 촉매장치(27) 후단의 배관(30)에 배치된 초음파 발생장치(29)는 내부 실린더(34)에 유입된 반응중인 폐유에 초음파를 가한다. 즉, 20∼30KHz, 200∼2400W(600W 이상이 적정하다.)까지 용량에 따라 선택되고 4배 이상 증폭된 1/2 파장의 초음파를 진동자(35)로부터 전달받은 진동자 혼(36)은 초음파 최종 발진부위에서 강하게 발산하게 된다(도4,5 참조).

이때 초음파의 충격 에너지에 의해 액상의 폐유는 초당 20000번 이상의 소멸파를 맞기 때문에 분자운동이 활발하게 되어 반응이 촉진된다. 여기서, 분자끼리의 충돌횟수는 수백만에 이를 것으로 추정된다.

이런 반응과정을 반복적으로 할 경우 통상의 믹싱장치나 교반 기계장치에서는 볼 수 없는 화학반응이 순식간에 이루어질 뿐더러 용량에 따라 반응기(8)의 숫자를 늘리기만 하여도 연속생산이 가능하다.

이렇게 반응이 끝나고 나서, 순환펌프(P2)의 구동으로 HCl 저장탱크(9) 내의 HCl이 투입밸브(21)를 통해 반응탱크(20)에 주입되면, HCl에 의해 반응 완료된 폐유와 메틸알콜-수산화나트륨이 중화되게 된다.

여기서, NaOH는 알칼리로서 유지에 녹지 않아 일반적으로 물로 세척해야 하나, 반응과정과 똑같은 방법으로 순환 교반, 강압 반복, 초음파 소멸파를 이용하여 분자운동을 높여주면 HCl과 쉽게 만나게 된다.

중화과정을 마친 폐유를 폐조패류 껍질 알갱이가 채워진 CaCO₃ 여과로(10)의 CaCO₃ 층을 통과시키면, 중화반응에서 생긴 각종 이물질이나 NaCl, 물, 기타 불필요한 화합물이 여과되어 깨끗한 액상의 폐유를 얻을 수 있다.

특히, 폐조패류 껍질 알갱이는 폐유의 흐름을 방해하지 않으면서도 중화과정에서 생긴 각종 이물질이나 NaCl, 물, 기타 불필요한 화합물을 거르기에 충분한 50∼100㎛의 입자크기를 갖는다. 여과된 액상의 폐유는 백 필터(14a:또는 프레스 필터)를 통과하면서 다시 한번 여과되어 더욱 깨끗한 액상이 된다.

이렇게 CaCO₃ 여과로(10)와 백 필터(14a)에 의해 여과된 액상에는 메틸 에스테르, 글리세린, 메탄올 그리고 미량의 물이 포함되어 있는 데, 상기 메틸 에스테르의 비중은 0.89이고, 글리세린의 비중은 1.2이며, 물의 비중은 1로서 서로 다르기 때문에 비중차이를 이용해서 액상의 분리가 가능하다.

즉, 백 필터(14a)에서 일정 압력으로 배출된 액상은 용량이 큰 글리세린 분리대(12), 즉 분리탱크(42)를 통과하면서 압력이 갑자기 떨어지기 때문에 유속 흐름이 떨어지게 된다.

이에 따라 도6에서와 같이 비중이 작은(가벼운) 메틸 에스테르는 위쪽으로 올라가 분리탱크(42)의 윗면과 격판(44) 사이의 공간을 통해 배출구 쪽으로 이동하고, 비중이 큰(무거운) 물, 글리세린 등은 분리탱크(42)의 바닥에 가라앉는다.

바람직하게는 분리탱크(42)의 하단부를 투명재질로 구성함으로써 분리탱크(42)의 바닥에 가라앉은 비중이 큰 물이나 글리세린 등의 양을 수시로 확인할 수 있을 뿐더러 액상의 유입량에 맞게 개폐밸브(43)를 열어 바닥에 고인 물이나 글리세린을 제거할 수 있다.

상기 글리세린 분리대(12)에서 초음파 발생장치(29)로 유입되는 메틸 에스테르에는 극소량의 물이 포함되어 있는 데, 이는 디젤엔진의 연료로 사용될 경우 노킹현상을 유발시켜 엔진에 좋지 않은 영향을 준다.

초음파 발생장치(29a)에서도 위에서 설명된 반응기(8) 내의 초음파 발생장치(29)와 마찬가지로 내부 실린더에 유입된 메틸 에스테르에 초음파를 발산하나, 다만 진동자의 용량을 반응기(8)에서 보다 2배 정도의 초음파를 발산할 수 있는 것을 사용하는 것이 바람직하다.

즉, 0.005중량%의 물을 함유하고 있는 메틸 에스테르에 0.005중량% 무공해 유화제를 섞어서 강한 초음파를 발산되면, 초음파 소멸파에 의한 기포의 공동현상으로 메틸 에스테르가 에멀젼화되어 완전히 유화상태가 된다.

이렇게 얻어진 유화상태의 액상은 대체연료 저장탱크(13)에서 기체와 액체로 상분리 된다. 특히, 순환펌프(P4)의 구동으로 인한 대체연료의 순환으로 대체연료의 상분리가 가속화된다.

상기 대체연료 저장탱크(13) 내의 대체연료는 냉각기(15)를 통해 액체상태로 안정화시켜 메틸알콜 저장탱크(16)에 저장하였다가 사용할 수 있을뿐더러 백 필터(14b)에 의해 재차 여과한 후 각 저장탱크(17a)(17b)에서 1일 정도 정체시켜 미량의 물을 자연 분리하고, 최종적으로 저장탱크(17c)에 저장할 수 있다.

이렇게 얻어진 유화상태의 액상은 상분리가 일어나지 않고, 디젤엔진 또는 경유 보일러 버너노즐에서 분사시 내부의 뜨거운 온도차에 의해 물이 폭발하면서 연료를 미립화하기 때문에 매연이 거의 없는 연료가 되는 것이다.

위와 같은 공정을 통해 얻어진 메틸 에스테르는 대체연료로 생산되고, CaCO₃여과로(4)(10)에서 얻어지는 CaCO₃유지와 각종 화합물은 닭 사료로서 유용하다. 특히, CaCO₃유지 및 각종 화합물에는 약간의 소금기가 들어있기 때문에 CaCO₃유지 및 각종 화합물은 계란을 생산하는 양계장의 닭 사료로서 적합하다.

도면에서 설명되지 않은 24는 압력계, 25는 온도계, P1∼P9는 순환펌프, V1∼V11은 개폐밸브이다.

특히, 상기 생산된 대체연료는 연료자체에 황, 인 등의 환경 오염물질이 거의 없기 때문에 연소 후에도 대기오염이 거의 없는 천연대체연료로 각광받을 것으로 보여진다. 또한, 상기와 같은 방법으로 대체연료를 생산하였을 때 소요되는 생산원가가 리터당 50원 미만으로서 이는 부산물 중 전체량의 8%인 글리세린과 닭 사료로부터 얻을 수 있는 경제적인 가치보다도 매우 낮기 때문에 무시하여도 무방할 정도이다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체적인 실시예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

도1은 본 발명에 따른 대체연료 생산장치를 나타낸 전체 개요도이다.

도2는 도1에서 폐유의 반응이 이루어지는 각 반응기를 나타낸 종단면도이다.

도3은 도2에서의 고체 촉매장치를 나타낸 종단면도이다.

도4는 도1 및 도2에서의 초음파 발생장치를 나타낸 종단면도이다.

도5는 도1 및 도2에서의 초음파 발생장치와 이로부터 발생된 초음파의 증폭지점과 관계를 나타낸 그래프이다.

도6은 도1에서 반응액상을 분리하는 글리세린 분리대를 나타낸 종단면도이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※

1,1a : 원유 저장조 2,2a : 히팅코일

3,6,7,31 : 순환펌프 4,10 : CaCO₃ 여과로

5 : 메틸알콜-수산화나트륨(MeOH-NaOH) 저장탱크

8 : 반응기 9 : HCl 저장탱크

11 : 프레스 필터 11a : 히팅기

12 : 글리세린 분리대 12a : 글리세린 저장탱크

13 : 대체연료 저장탱크 14a,14b : 백 필터

15 : 냉각기 16 : 메틸알콜 저장탱크

17a,17b,17c,20 : 저장탱크 21,22,23 : 투입밸브

21a,22a,23a : 투입구 24 : 압력계

25 : 온도계 26 : 히터

27 : 고체 촉매장치 29 : 초음파 발생장치

30,32 : 배관 33 : 유체출구

34 : 내부 실린더 35 : 초음파 진동자

36 : 초음파 혼 37 : 유입구

38 : 백금망 39 : CaO

40 : 니켈망

Claims

폐식용유 및 폐동식물성유지를 디젤엔진 및 경유 보일러의 연료로서 사용 가능토록 재생하는 대체연료 생산방법에 있어서,

회수된 폐식용유 및 동식물성유지를 포함한 폐유에서 찌꺼기를 제거한 다음 30∼90 ℃에서 폐조패류 껍질 알갱이인 CaCO₃층을 5∼60분간 통과시켜 물 또는 각종 화합물을 물리적으로 흡착 제거하는 제1단계;

상기 정제된 폐유에 메틸알콜-수산화나트륨(MeOH-NaOH)을 넣고 30∼90 ℃에서 5∼60분간 고압과 저압을 반복해서 가하면서 1/2파장의 초음파를 4배로 증폭시켜 강하게 발산함으로서 소멸파에 의한 활발한 분자운동으로 반응을 촉진시켜 메틸 에스테르화된 연료와 글리세린을 얻는 제 2단계;

상기 반응이 끝난 폐유에 중화제(HCl)를 첨가하여 중화한 후 폐조패류 껍질 알갱이로 이루어진 CaCO₃층을 통과시켜 물과 각종 화합물을 흡착 제거하는 제3단계;

상기 정제된 폐유를 글리세린 분리대를 통과시켜 비중차이에 의해 메틸 에스테르화된 연료와 글리세린, HCl 및 각종 화합물로 분리하는 제4단계; 및

상기 분리된 메틸 에스테르화된 연료에 소량의 메탄올, 0.005중량%의 물, 0.005중량%의 유화제를 넣고 용량에 따라 200∼2400W의 초음파를 20∼30KHz로 4배 이상 증폭시켜 진동자 혼을 통해 가함으로서 초음파 공동현상을 이용하여 액상을 초미립화하여 에멀젼화된 대체연료를 얻는 제5단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 대체연료 생산방법.
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폐식용유 및 폐동식물성유지를 디젤엔진 및 경유 보일러의 연료로서 사용 가능토록 재생하는 대체연료 생산장치에 있어서,

내부에는 폐조패류 껍질인 CaCO₃층이 여러 겹으로 적층되어 있으며, 유입구에는 히팅 코일(2)(2a)을 가지는 원유 저장조(1)(1a)가 배치되고 배출구에는 정제된 폐유를 반응기(8)에 공급하기 위한 히팅기(11a)가 배치되어, 30∼90 ℃의 폐유에서 물 또는 각종 화합물을 물리적으로 흡착 제거하는 CaCO₃ 여과로(4);

상기 히팅기(11a)와 메틸알콜-수산화나트륨 저장탱크(5), HCl 저장탱크(9)가 상단의 투입밸브(21)(22)(23)에 접속되고 내부에는 히터(26)가 마련되며 저장된 폐유를 순환시키기 위한 배관(30)(32)에는 고체 촉매장치(27)와 초음파 발생장치(29)가 각각 마련되어, 메틸 에스테르화된 연료와 글리세린을 생성하고, 중화하는 반응기(8);

내부에는 폐조패류 껍질인 CaCO₃층이 여러 겹으로 적층되어 있으며, 유입구에는 상기 반응기(8)가 접속되고 배출구에는 백 필터(14a)를 매개로 글리세린 분리대(12)가 접속되어, 상기 중화된 폐유에서 물 또는 각종 화합물을 물리적으로 흡착 제거하는 CaCO₃ 여과로(10);

상기 CaCO₃ 여과로(10)가 유입구에 연결되고 배출구에는 초음파 발생장치(29a)가 접속되어, 상기 CaCO₃ 여과로(10)에서 유입된 폐유를 비중차이에 의해 메틸 에스테르화된 연료와 글리세린, HCl 및 각종 화합물로 분리하는 글리세린 분리대(12); 및

상기 글리세린 분리대(12)에서 메틸 에스테르화된 연료에 200∼2400W의 초음파를 20∼30KHz로 4배 이상 증폭시켜 가함으로서 초음파 공동현상을 이용하여 액상을 초미립화하여 에멀젼화된 대체연료를 만드는 초음파 발생장치(29a);

를 포함하는 것을 특징으로 하는 대체연료 생산장치.
제4항에 있어서,

상기 CaCO₃ 여과로(4) 및 CaCO₃ 여과로(10)에는 채워진 CaCO₃는, 폐조패류 껍질 알갱이로서 50∼100㎛ 입자크기를 가지는 것을 특징으로 하는 대체연료 생산장치.
제4항에 있어서,

상기 반응기(8)는, 폐유와 메틸알콜-수산화나트륨(MeOH-NaOH) 및 HCl의 투입을 개폐하기 위한 투입밸브(21)(22)(23)가 윗면에 형성되고 밑면에 배출구가 형성된 반응탱크(20)의 중간부분에는 히터(26)가 마련되고, 상기 반응탱크(20)의 밑면에서 인출된 배관(30)(32)이 상기 반응탱크(20)의 중간부분의 내부까지 유입되게 연결되되, 상기 배관(30)(32)에는 폐유에 포함된 폐유의 반응을 촉진시키기 위한 고체 촉매장치(27)와 폐유에 초음파를 발산하기 위한 초음파 발생장치(29) 및 폐유를 강제 순환시키기 위한 순환펌프(31)가 순서대로 마련되는 것을 특징으로 하는 대체연료 생산장치.
제6항에 있어서,

상기 순환펌프(31) 전단의 배관(30)의 단면적이 상기 순환펌프(31) 후단의 배관(32)의 단면적보다 4배 정도 큰 것을 특징으로 하는 대체연료 생산장치.
제6항에 있어서,

상기 고체 촉매장치(27)는, 폐유가 유입 및 배출되는 원통형의 실린더(27a) 내에 다수개의 백금망(38) 및/또는 니켈망(40)이 실린더(27a)의 길이방향으로 일정간격을 두고 배치되고, 상기 각 백금망(38) 및/또는 니켈망(40) 사이에는 CaO(39)가 채워져 이루어지는 것을 특징으로 하는 대체연료 재생장치.
제4항 또는 제6항에 있어서,

상기 초음파 발생장치(29)(29a)는, 양단에 유입 및 배출구를 구비한 원통형의 내부 실린더(34) 내에 초음파 진동자(35)가 설치되되, 상기 초음파 진동자(35)는 초음파 진동자(35)에서 발생되는 초음파의 1/4파장 길이만큼 내부 실린더(34) 내부로, 1/4파장 길이만큼 내부 실린더(34) 외부로 돌출되게 설치되는 것을 특징으로 하는 대체연료 재생장치.
제4항에 있어서,

상기 글리세린 분리대(12)는, 상단 측면에 폐유의 유입 및 배출구가 형성되고 밑면에 글리세린의 배출을 개폐하기 위한 개폐밸브(43)를 구비한 배출구가 형성된 원통형의 분리탱크(42) 내에 다수개의 격판(44)이 폐유의 흐름과 직교되게 일정간격을 두고 형성되되, 상기 다수개의 격판(44) 중 첫 번째 격판은 상기 분리탱크(42)의 윗면과 맞닿게 설치되고, 나머지 격판은 상기 분리탱크(42)의 윗면으로부터 일정거리 이격되게 설치되며, 상기 격판(44)의 하단은 유입구에서 배출구로 갈수록 일정길이 만큼 길어지는 것을 특징으로 하는 대체연료 생산장치.
제4항에 있어서,

상기 글리세린 분리대(12)의 하단부가, 투명재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 대체연료 생산장치.
제4항에 있어서,

상기 대체연료 생산장치는, 상기 CaCO₃ 여과로(4)와 상기 히팅기(11a) 사이에는 프레스 필터(11)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 대체연료 생산장치.
제4항에 있어서,

상기 반응기(8)는, 폐유의 용량에 따라 증감되는 것을 특징으로 하는 대체연료 생산장치.
제4항에 있어서,

상기 대체연료 생산장치는, 상기 초음파 발생장치(29a)에서 배출되어 대체연료 저장탱크(13)에 저장된 대체연료를 안정화시켜 메틸알콜 저장탱크(16)에 저장하는 냉각기(15)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 대체연료 생산장치.
제4항에 있어서,

상기 대체연료 생산장치는, 상기 초음파 발생장치(29a)에서 배출되어 대체연료 저장탱크(13)에 저장된 대체연료로부터 물을 제거하는 백 필터(14b)와, 상기 백 필터(14b)에서 공급되는 대체연료를 1일 동안 정체시켜 자연 분리로 글리세린을 제거하는 다수개의 저장탱크(17a)(17b)와, 상기 저장탱크(17a)(17b)에서 대체연료를 공급받아 저장하는 저장탱크(17c)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 대체연료 생산장치.