KR100554385B1

KR100554385B1 - 폐유를 연료로서 재생하는 장치

Info

Publication number: KR100554385B1
Application number: KR1020030022259A
Authority: KR
Inventors: 서창석; 이정순
Original assignee: 서창석
Priority date: 2003-04-09
Filing date: 2003-04-09
Publication date: 2006-02-22
Also published as: KR20040088156A

Abstract

본 발명은 폐식용유 및 동물성 유지 등의 폐유를 재생하여 디젤엔진 또는 경유보일러용 연료로 사용할 수 있는 폐유를 연료로서 재생하는 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폐유내의 불순물을 연속 원심분리기(4)를 이용하여 제거하고, 상기의 폐유에 수산화칼륨-메탄올 용액을 첨가하여 다단 반응조(10)에서 메틸에스테르화 반응시키고, 상기 반응용액중 글리세린층을 글리세린 분리대(11)에서 비중차를 이용하여 분리시키고, 상기 글리세린층을 분리한후 수거된 유기층에 흡착제와 응집제를 첨가하여 불순물을 제거하고, 상기 유기층에 인산을 첨가하여 다단 중화조(21)에서 중화시키고, 상기 유기층을 냉각기(22)에서 냉각하여 멤브레인 필터(23)와 세라믹 필터(24)를 통과시켜 불순물을 완전히 제거하는 것으로 되어 있다.

폐유재생 대체연료, 디젤엔진, 경유 보일러.

Description

폐유를 연료로서 재생하는 장치 {Apparatus for regenerating waste oil as fuel}

도 1은 본 발명에 따른 폐유재생 장치를 도시하는 전체 개요도,

도 2는 도 1의 유기층내 불순물 제거 장치를 도시하는 상세 개요도.

본 발명은 폐유를 연료로서 재생하는 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 폐식용유 및 동물성 유지와 같은 폐유를 재활용하여 디젤엔진 또는 경유보일러에 사용할 수 있는 연료로서 생산하는 것으로, 물리적, 화학적 반응을 통하여 점도를 낮추고 세탄지수를 경유와 알맞게 한 다음 완전 연소가 되도록 하기 위한 장치에 관한 것이다.

종래의 폐식용유 재생방법이 대한민국 특허공개공보 제99-16818호에 공지되어 있는데 여기에서, 화석연료와 재생연료를 구분하여 작동시키는 공급장치가 폐식용유 재생방법으로 사용됨으로서 비용이 추가될 뿐만 아니라, 에스테르화과정에서 방해물질이 있으므로 100% 메틸에스테르화되었다고 볼 수 없으며, 연료로 사용할 시 노즐이 막히고 비정상적으로 연소되는 노킹현상이 일어나게 된다.

또한, 유기용매를 첨가하여 메틸에스테르화한 후, 유기층에 녹아있는 알칼리촉매 및 부산물을 물에 여러 차례 헹구어 수층과 유기층을 분리하여야 하므로 폐수가 많이 발생되고, 다시 정유기에 넣고 끊는점의 차이를 이용하여 연료를 분리하기 때문에 비용이 많이 들고 시설이 복잡해지는 단점이 있다.

따라서, 대체연료로서 상기의 방법으로 재생된 연료는, 과다한 물세정작업으로 인해 폐수처리비용이 증가되고, 대형 정화시설이 필요하게 되어 가격이 현재 시중 경유보다 훨씬 비싸질 뿐만 아니라, 환경오염의 가능성도 포함하고 있다.

또한, 대한민국 특허공개공보 제99-70659호에 개시된 폐유의 연료화 재생방법 및 그 장치는 자석과 함께 설치된 세라믹에 의해 형성된 이온을 폐유분자에 적용시켜 활성화시키고, 마이너스 전위를 상승시켜 디젤연료로서 재생하는 방법으로서 방법과 장치는 간단하지만, 아무리 불포화된 지방산이라 해도 마이너스전위를 상승시켜 점도가 떨어지는 것은 상식적으로 의문이 제기된다. 또한, 설령 점도가 떨어진다 하더라도 폭발력이 떨어지는 글리세린 등은 어떻게 할 것인지 의문이 제기된다.

그리고, 대한민국 특허공개공보 제99-79052호에 개시된 폐식용유의 재생처리 방법 및 장치는 필터를 이용하여 불순물을 제거한 후, 메탄올 및 촉매로서 알칼리성 물질을 첨가하여 에스테르화시키고, 자연 침전방법으로 알칼리와 찌꺼기를 제거한 후, 물을 섞어 글리세린을 분리하는 방법으로, 고점도 폐유를 통상의 방법으로 처리하고 있어 여전히 방해 잔존물이 존재할 것이 확실하며, 또한 물을 여러 번 헹구어 알칼리 촉매물질을 씻어내게 되어 많은 물사용비용과 폐수처리비용이 든다는 것은 대체적으로 알려진 사실이다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 폐유를 연속 원심분리기를 이용하여 정제하고 메틸에스테르화시켜 글리세린층과 유기층으로 분리한 후, 수거된 상층의 유기층에 중화제를 첨가하여 중화시킨 다음, 필터를 이용하여 중화된 유기층에서 불순물을 제거하는 폐유를 연료로서 재생하는 장치를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 찌꺼기가 포함되어 있는 폐유를 70-90℃의 온도에서 가열하여 점도를 낮추고, 상기 저점도의 폐유에 함유된 찌꺼기를 연속 원심분리기를 이용하여 제거하는 정제과정인 제 1단계; 상기 제 1단계를 거쳐 정제된 폐유에 3N 인산(H₃PO₄)용액을 첨가하고, 다단모터를 이용하여 교반하는 전처리 과정인 제 2단계; 메탄올(CH₃OH)에 수산화칼륨(KOH)를 녹여서 만든 수산화칼륨-메탄올 용액을 상기 제 2단계를 거쳐 전처리된 폐유에 첨가하고, 40-60℃의 온도에서 20-40분간 교반하여 메틸에스테르화 반응시키는 제 3단계; 상기 제 3단계를 거쳐 메틸에스테르화된 반응용액을 비중차에 의해서 유기층과 글리세린층으로 자연분리시킨후, 글리세린 및 각종 화합물을 제거하여 메틸에스테르인 유기층만을 회수하는 제 4단계; 상기 제 4단계를 거쳐 회수된 메틸에스테르인 유기층에 흡착제를 첨가하여 불순물이 흡착되도록 하고, 응집제를 첨가하여 흡착제와 기타 불순물이 응집되도록 한 후, 비중차에 의해 침전된 흡착제와 응집제를 제거하여 유기층만을 회수하는 제 5단계; 상기 제 5단계를 거쳐 회수된 유기층에 3N 인산(H₃PO₄)용액을 첨가하여 중성으로 중화시키는 제 6단계; 상기 제 6단계를 거쳐 중화된 유기층을 3-5℃의 온도로 냉각시키고, 상기 유기층에 포함된 불순물을 멤브레인 필터와 세라믹 필터를 이용하여 이중으로 제거하여 지방산메틸에스테르를 얻는 제 7단계를 포함하는 것으로 되어 있다.

또한, 폐유재생 대체연료를 생산하는 장치는, 폐유를 가열하기 위한 히팅코일을 포함한 원유저장조와, 상기 원유저장조의 유출구쪽에 배치되고, 원심분리기 통해 불순물이 걸러진 폐유에 인산용액을 첨가하여 전처리하는 전처리조와, 상기 전처리조의 유출구쪽에 배치되고, 폐유의 메틸에스테르화 반응시 교반을 위한 다단 모터를 포함하는 다단 반응조와, 상기 다단 반응조의 유출구쪽에 배치되고, 메틸에스테르화된 용액을 자연분리하기 위한 글리세린 분리대와, 상기 글리세린 분리대의 하류쪽에 배치되고, 분리된 글리세린을 보관하는 글리세린 저장조와, 상기 글리세린 분리대의 유출구쪽에 배치되고, 유기층내의 불순물을 흡착하기 위해 유기층에 흡착제를 첨가하는 흡착기와, 상기 흡착기의 유출구쪽에 배치되고, 유기층에 응집제를 넣어 상기 흡착제와 불순물이 응집되도록 하는 응집기와, 상기 응집기의 유출구쪽에 배치되고, 반응용액에 인산을 첨가하여 알칼리성의 반응용액을 중화시키는 다단 중화조와, 상기 다단 중화조의 유출구쪽에 배치되고, 상기 반응용액이 냉각되도록하는 냉각기와, 상기 냉각기의 유출구쪽에 배치되고, 상기 반응용액내의 불순물을 필터링하기 위한 멤브레인 필터와 세라믹 필터와, 상기 멤브레인 필터와 세라믹 필터의 유출구쪽에 배치되고, 글리세린 및 불순물을 완전히 제거하기 위한 침전조와, 상기 침전조의 유출구쪽에 배치되고, 불순물이 제거된 반응용액을 저장하는 에스테르 저장탱크를 포함하는 것으로 되어 있다.

다음은, 본 발명에 따른 폐유재생 방법의 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 설명된다.

본 실시예에는 전체적으로 정제단계, 전처리단계, 메틸에스테르화 반응단계, 에스테르 분리단계, 흡착 및 응집단계, 중화단계 및 필터링 단계를 포함하고 있다.

먼저, 정제 단계에서는 식용유 및 동물성 유지 등의 폐유를 원유저장조(1)에서 히팅코일(2)로 70∼90℃의 온도에서 가열하여 폐유의 점도가 낮아지도록 만든 후, 순환펌프(3)로 상기 원유저장조(1)의 폐유를 다음 공정으로 보낸다. 그리고, 연속 원심분리기(4)를 이용하여 폐유에 함유된 물, 지방산 및 각종 산화물 찌꺼기 및 식품 찌꺼기를 1차로 제거한다.

다음, 전처리 단계에서는 메틸에스테르화 반응에서 유리지방산의 제거가 용이하도록 산가를 높여주기 위해서, 상기 폐유에 인산(H₃PO₄)용액(6)을 첨가한다. 이때, 상기 폐유에 일정한 양의 인산용액(6)을 첨가하기 위해, 정량펌프(5)를 이용하여 상기 폐유와 상기 인산용액(6)의 양을 제어한다. 전처리조(7)에서 상기 폐유와 상기 인산용액(6)의 교반시, 효율과 반응성을 높이기 위해서 다단모터(8)를 이용하여 회전속도를 변동시키면서 교반한다. 이러한 다단모터(8)는 본 공정 전반의 교반 에 이용된다.

다음, 상기 폐유를 메틸에스테르와 글리세린으로 분리하기 위해서 메틸에스테르화 반응단계를 거친다. 상기 정제된 폐유에 메탄올(CH₃OH)에 수산화칼륨(KOH)을 녹여서 만든 수산화칼륨-메탄올 용액(9)을 정량펌프(5)를 이용하여 일정량 첨가하고, 반응이 용이하도록 40∼60℃의 온도에서 다단모터(8)를 이용하여 교반시키면서 반응의 완성도를 높이기 위해 다단 반응조(10)를 통과시킨다.

이 과정에서, 트리글리사이드 분자의 연결고리가 느슨해지면서 KOH의 촉매작용과 함께 지방산이 글리세린에서 떨어져나와 메틸기가 달라붙게 되어 메틸에스테르가 이루어지는 것이다. 이때, 분자량이 1/3로 줄어들고 점도가 1/10로 떨어져 비점, 인화점 등이 감소하게 되어 지방산 메틸에스테르는 C분자의 숫자가 디젤엔진의 연료인 경유와 유사하게 된다.

상기와 같이, 메틸에스테르화된 반응용액은 글리세린 분리대(11)에서 정치되는 동안 비중차에 의해 비중 0.89의 유기층과 비중 1.2인 글리세린층으로 자연분리되어 가벼운 유기층은 분리대에 남게 되고 무거운 글리세린층은 글리세린 저장조(12)에 보관된다. 이때, 정치시간을 더 늘리기 위해서 복수개의 글리세린 분리대(11)를 설치하여 글리세린의 분리효율을 높인다. 이때, 위쪽의 유기층은 95%의 지방산메틸에스테르와 5%의 메탄올이 함유된 부분이다.

여기서 글리세린 저장조(12)에 저장된 글리세린은 화장품 원료 등으로 재활용이 가능하다.

다음, 유기중의 불순물을 제거하기 위해서 흡착 및 응집처리과정을 거친다. 불순물을 함유하고 있는 유지를 순환펌프(3)를 이용하여 흡착 및 응집공정으로 보낸다. 이때, 유량 제어를 위해서 밸브(27)를 설치한다. 메틸에스테르화된 반응용액에 흡착제인 마그네슘 실리케이트(13)와 소석회(14)를 정량펌프(5)를 이용하여 일정량을 첨가하여, 미세한 불순물들이 흡착되도록 흡착기(15)에서 10∼20분 동안 교반프로펠러(28)를 다단모터(8)로 변속하면서 교반한 후, 흡착제와 기타 불순물이 응집되도록 응집제(16)를 정량펌프(5)를 이용하여 일정량을 첨가하여 응집기(17)에서 10∼20분 동안 교반시킨다. 그리고, 침전조(18)에서 정치시키면서 흡착제, 응집제를 비중차에 의해 침전시켜 분리한다. 상기 침전된 흡착제와 응집제는 분리조(19)로 수거된다.

상기 메틸에스테르화된 반응용액은 반응과정에서 첨가된 수산화칼륨으로 인하여 알칼리성을 가지기 때문에 연소과정에서 기관의 부식을 유발할 수 있다. 따라서, 인산(H₃PO₄)용액(20)을 정량펌프(5)를 이용하여 일정량을 첨가하고, 교반시키면서 다단중화조(21)를 통과시켜 pH 7의 중성용액으로 만든다.

다음, 상기 메틸에스테르화된 반응용액은 물, 유리 지방산, 산화 생성물 및 중화제 등의 불순물을 함유하고 있기 때문에, 멤브레인 필터(23)와 세라믹 필터(24)를 이용하여 이중으로 필터링하여 불순물을 제거한다. 이때, 액체가 냉각되면 입자사이의 응집으로 인해 불순물의 입자크기가 크게 만들어져 필터링 효율을 극대화 시킬 수 있으므로, 상기 메틸에스테르화된 반응용액을 급속냉각기(22)에서 냉각장치(29)를 이용하여 3-5℃의 온도로 냉각시켜 냉각응집이 이루어지게 한다. 여기에서, 상기 멤브레인 필터(23)는 0.1∼1㎛의 흡착물질을 제거하고, 상기 세라믹 필터(24)는 유리화된 수분을 제거하는 기능을 한다.

끝으로, 제품의 품질향상을 위해서, 침전조(25)를 설치하여 장시간 정치함으로서 자연분리를 유도하여, 연소과정에 불필요한 글리세린 및 불순물을 완전하게 제거한다.

최종 단계를 거친 메틸에스테르화 반응용액은 에스테르 저장탱크(26)에 저장된다.

이상과 같은 본 발명에 의하면, 가정, 식당, 피혁공장 및 식품관련 업체 등에서 사용후 버려지는 폐식용유 및 폐동물성 기름을 이용하여 자동차 디젤연료 및 경유보일러의 대체연료를 공급하므로, 폐자원을 재활용하고, 화석연료 수입으로 인한 외화지출을 절약할 수 있으며, 환경오염도 줄일 수 있다.

또한, 본 발명에 의해 생산된 대체연료는 식물성 유지를 주원료로하여 생산되었고, 한국 석유품질검사 결과, 연료자체에 황, 인 등의 환경오염 물질이 거의 없기 때문에 연소시 매연이 발생하는 광물질과는 달리, 연소 후에도 대기오염이 거의 없는 천연대체연료로 사용될 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 폐유의 정제, 분리, 중화 및 정유 과정이 한 라인에서 처리되므로, 비교적 간단한 구조의 제조장치 및 제조공정을 통해 폐유처리 비용 및 정화시설 비용 등을 절감할 수 있다.

Claims

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폐유를 연료로서 재생하는 장치에 있어서,

폐유를 가열하기 위한 히팅코일(2)을 포함한 원유저장조(1)와,

상기 원유저장조(1)의 유출구쪽에 배치되고, 원심분리기(4)를 통해 불순물이 걸러진 폐유에 인산용액을 첨가하여 전처리하는 전처리조(7)와,

상기 전처리조(7)의 유출구쪽에 배치되고, 폐유의 메틸에스테르화 반응시 교반을 위한 다단 모터(8)를 포함하는 다단 반응조(10)와,

상기 다단 반응조(10)의 유출구쪽에 배치되고, 메틸에스테르화된 용액을 자연분리하기 위한 글리세린 분리대(11)와,

상기 글리세린 분리대(11)의 하류쪽에 배치되고, 분리된 글리세린을 보관하는 글리세린 저장조(12)와,

상기 글리세린 분리대(11)의 유출구쪽에 배치되고, 유기층내의 불순물을 흡착하기 위해 유기층에 흡착제를 첨가하는 흡착기(15)와,

상기 흡착기(15)의 유출구쪽에 배치되고, 유기층에 응집제를 넣어 상기 흡착제와 불순물이 응집되도록 하는 응집기(17)와,

상기 응집기(17)의 유출구쪽에 배치되고, 반응용액에 인산(H₃PO₄)을 첨가하여 알칼리성의 반응용액을 중화시키는 다단 중화조(21)와,

상기 다단 중화조(21)의 유출구쪽에 배치되고, 상기 반응용액이 냉각되도록하는 냉각기(22)와,

상기 냉각기(22)의 유출구쪽에 배치되고, 상기 반응용액내의 불순물을 필터링하기 위한 멤브레인 필터(23)와 세라믹 필터(24)와,

상기 멤브레인 필터(23)와 세라믹 필터(24)의 유출구쪽에 배치되고, 글리세린 및 불순물을 완전히 제거하기 위한 침전조(25)와,

상기 침전조(25)의 유출구쪽에 배치되고, 불순물이 제거된 반응용액을 저장하는 에스테르 저장탱크(26)를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐유를 연료로서 재생하는 장치.