KR100645982B1 - 폐액을 이용한 유화연료의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐액를 이용한 유화연료의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폐액에 저유황유 및 무기염 조성물을 혼합 후 가열하여 혼합액을 제조하고, 얻어진 혼합액에 초음파 인가하면서 진공 혼합하여 1차 유화처리하고, 고속으로 혼합하여 2차 유화처리하고, 산 수용액을 첨가한 후 여과하는 단계를 거쳐 제조되는 유화연료의 제조방법에 관한 것으로, 각종 산업 현장 및 가정에서 발생하는 폐유 및 폐식용유 등의 폐액을 환경오염을 유발하지 않고 처리하고 대체 에너지의 원료로써 제조가 가능하여 환경오염 방지 및 경제적인 효과를 얻는다.

폐유, 폐식용유, 무기염, 유화연료, 환경오염, 대체 에너지

Description

폐액을 이용한 유화연료의 제조방법{METHOD OF PREPARING EMULSIFIED FUEL FROM WASTE MATERIAL}

본 발명은 각종 산업 현장 및 가정에서 발생하는 폐유 및 폐식용유 등의 폐액을 환경오염을 유발하지 않고 처리하고 대체 에너지의 원료로써 제조가 가능하여 환경오염 방지 및 경제적인 효과를 얻을 수 있는 폐액을 이용한 유화연료의 제조방법에 관한 것이다.

대체에너지란 석탄, 석유, 원자력 및 천연가스가 아닌 태양 에너지, 바이오매스, 풍력, 수력, 연료전지, 석탄의 액화, 가스화, 해양 에너지, 폐기물 에너지 및 기타로 구분되고 있고이외에도 지열, 수소, 석탄에 의한 물질을 혼합한 유동성 연료를 의미한다.

그중 폐기물 에너지란 사업장 또는 가정에서 발생되는 가연성 폐기물 중 에너지 함량이 높은 폐기물을 열분해에 의한 오일화 기술, 성형고체연료의 제조기술, 가스화에 의한 가연성 가스 제조기술 및 소각에 의한열회수 기술 등의 가공ㅇ 처리 방법을 통해 고체연료, 액체 연료, 가스 연료, 폐열 등을 생산하고, 이를 산업 생산 활동에 필요한 에너지로 이용될 수 있도록 한 재생 에너지를 의미한다. 이러한 폐기물 에너지는 비교적 단기간 내에 상용화 가능하며, 폐기물 자원의 적극적인 에너지 자원으로의 활용으로 인류 생존권을 위협하는 폐기물 환경문제의 해소가 가능한 특징이 있다.

폐기물 대체 에너지는 종이, 나무, 플라스틱 등의 가연성 폐기물을 파쇄, 분리, 건조, 성형 등의 공정을 거쳐 제조된 고체연료인 성형고체연료(RDF) 자동차 폐윤활유 등의폐유를 이온정제법, 열분해 정제법, 감압증류법 등의 공정으로 정제하여 생산된 재생유인 폐유정제유 플라스틱, 합성수지, 고무, 타이어 등의 고분자 폐기물을 열분해하여 생산되는 청정 연료유인 플라스틱 열분해 연료유 및 가연성 폐기물 소각열 회수에 의한 스팀생산 및 발전, 시멘트 킬른 및 철광석 소성로 등의 열원으로의 이용하는 폐기물 소각열 등 크게 4가지로 분리된다.

상기 폐기물 대체 에너지 중 하나인 폐유 정제유와 관련하여, 폐유의 발생량은 보통 자동차나 산업분야에 적용하기 위하여 판매되는 신유의 판매량을 기준으로 하여 추정하고 있는데 우리나라에서는 판매량의 70%로 잡고 있다. 이들 폐유는 일반적인 연료유와 달리 소모성물질이 아니므로 유용한 자원으로 활용될 수 있어 일찍부터 이의 효율적인 활용방법에 관하여 연구되어 왔고 현재 상당부분이 재생 정제유 또는 연료유로 재활용되고 있다.

그러나 이들 폐유 중에는 자체 기름이 분해 또는 외부의 오염으로 Pb, Cd, Cr, Cu, Zn 등 중금속 화합물, Cl, Br 등 염소 화합물, 유황 화합물 등이 있을 수 있어 적절히 재활용하지 못하거나 자연계에 처리 없이 그대로 노출될 경우 폐유의 산화에 따른 유기산 형성으로 토양의 황폐화, 지하수의 오염 등 생태학적 재난을 초래할 수 있다.

상기 폐유와 더불어 유탕면 공장에서 나오는 최종 슬러지 형태의 폐식용유, 식용유를 제조할 때 나오는 슬러지 형태의 폐식용유, 비누공장에서 배출되는 슬러지 형태의 폐식용유, 각종 튀김이나 튀김닭에서 나오는 슬러지 형태의 폐식용유와 같은 폐식용유의 처리 또한 환경 및 생태학적 면에서 크게 문제시 되고 있다.

대한민국 공개특허공보 제99-70659호(공개일자, 1999년 9월 15일)인 " 폐유의 연료화 재생방법 및 그 재생장치" 는 자석과 함께 설치된 기능성 세라믹에 의해 형성된 이온을 폐유의 분자에 작용시켜 활성화시킴으로써 분자의 마이너스 전위를 상승시켜 디젤연료로 재생하는 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 이는 폐유의 점도를 디젤엔진에 적합하게 낮추는 것에 불과하다. 뿐만 아니라, 점도가 낮아진 폐유를 통상의 필터로 필터링하고 있어, 불완전연소로 인한 환경오염 및 엔진에 손상을 줄 우려가 있다.

대한민국 공개특허공보 제99-79052호(공개일자, 1999년 11월 5일)인 " 폐식용유의 재생 처리방법 및 장치"는 필터를 이용하여 불순물을 제거한 후 메탄올 및 촉매로서 알칼리성 물질을 첨가하여 에스테르화하고, 자연 침전으로 유리 알칼리와 찌꺼기를 제거한 후 물을 섞어 메틸에스테르와 글리세린을 분리시킨다. 그리고, 최종적으로 소정온도로 가열하여 수분을 증발시키고 나서 정제공정을 거쳐 연료를 만든다. 하지만, 고점도의 폐식용유를 통상의 필터로 필터링하고 있어, 불순물이 여전히 잔존할뿐더러 에스테르화와, 메틸에스테르와 글리세린의 분리, 정제공정 등을 자연현상에 의존하고 있어 처리시간이 길어져 생산성이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 각종 산업 현장 및 가정에서 발생하는 폐유 및 폐식용유를 환경오염을 유발하지 않고 처리하고 대체 에너지의 원료인 유화연료를 제조하여 환경오염 방지 및 경제적인 효과를 얻을 수 있는 유화연료의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은

a) 폐액에 저유황유 및 무기염 조성물을 혼합 후 가열하여 혼합액을 제조하고,

b) 얻어진 혼합액에 초음파 인가하면서 진공 혼합하여 1차 유화처리하고,

c) 고속으로 혼합하여 2차 유화처리하고,

d) 산 수용액을 첨가한 후 여과하는 단계를 포함하는 유화연료의 제조방법을 제공한다.

이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 방법은 종래 각종 산업 현장 및 가정에서 발생하는 폐유 및 폐식용유를 처리하는데 있어 환경오염을 유발하지 않고 대체 에너지의 원료인 유화연료를 제조하여 환경오염 방지 및 경제적인 효과를 얻는다. 상기 유화연료는 종래 유화연료의 유수 분리를 방지하기 위해 필수적으로 사용하고 있는 유화제를 사용하지 않아도 우수한 분산 안정성을 가져 장기간 동안 유수 분리가 발생하지 않는다.

이하 본 발명에 따른 유화연료의 제조방법을 각 단계별로 설명한다.

단계 a) 혼합단계

단계 a)에서는 반응기에 처리하고자 하는 폐유 및/또는 폐식용유를 포함하는 폐액과 저유황유 및 무기염 조성물을 일정비로 혼합한 다음, 고온으로 가열한다.

상기 폐액은 각종 산업시설 및 가정에서 배출되는 폐유 및 폐식용유가 사용될 수 있다. 이때 폐유는 각종차량 및 선박에서 배출되는 엔진 폐유, 기어 오일 폐유, 절삭 공구에서 나오는 폐유를 별도로 지칭하나 통상적으로 분리수거가 사실상 불가능하고 또한, 보관 및 운송에 무리가 따르므로 정유공장의 원유슬러지 폐유 등을 포함한다. 상기 폐식용유는 유탕면 공장에서 나오는 최종 슬러지 형태의 폐식용유, 식용유를 제조할 때 나오는 슬러지 형태의 폐식용유, 비누공장에서 배출되는 슬러지 형태의 폐식용유, 각종 튀김이나 튀김닭에서 나오는 슬러지 형태의 폐식용유 등을 포함한다.

상기 폐유 및 폐식용유는 전처리에 의해 불순물을 제거하여 사용하고, 일예로 필터 프레스를 이용하여 불순물을 제거하여 사용한다.

상기 저유황유는 유황이 1% 이하로 포함된 연료가 바람직하다. 저유황유 내 유황은 연소 후 환경오염의 주범인 황산화물로 전환되므로, 가급적이면 유황의 함량이 적게 포함된 연료를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 무기염 조성물은 물 100 중량부에 대하여 NaCO₃ 20 내지 80 중량부, NaHCO₃ 10 내지 20 중량부, CaCl₂ 50 내지 90 중량부, NaCl 10 내지 90 중량부, 및 MgCl₂ 50 내지 80 중량부를 포함한다. 상기 무기염 조성물은 염기성을 가지며 고급 지방산 에스테르가 존재하는 폐유나 폐식용유의 폐액과 혼합시 화학반응에 의해 알칼리 금속염화되어 유화제 역할을 한다. 그 결과 자연스레 물과 폐유(오일 성분)가 에멀젼을 이뤄 유화제를 사용하지 않아도 장시간 동안 유수 분리가 발생하지 않도록 한다.

본 발명에서는 폐액 100 중량부에 대해 저유황유 50 내지 150 중량부, 바람직하기로 80 내지 120 중량부와 무기염 조성물 50 내지 150 중량부, 바람직하기로 80 내지 120 중량부를 혼합한다.

이때 혼합은 70 내지 100 ℃에서 0.5 내지 1 시간 동안 혼합함으로써 균일한 혼합액을 이룰 수 있도록 한다.

단계 b) 초음파 인가 1차 유화처리

단계 b)에서는 폐액, 저유황유 및 무기염 조성물이 포함된 혼합액을 70 내지 100 ℃에서 0.01 내지 0.5 torr의 감압 하에 교반하여 1차 유화처리 공정을 수행한다.

이러한 유화처리를 통해 혼합액의 비중이 낮아져 혼합이 잘 이루어짐과 동시에 혼합액 내 물, 무기염 및 폐액(오일 성분)간의 이온결합이 효과적으로 형성되어 유수 분리 현상이 발생하지 않고 균일한 에멀젼을 얻을 수 있다.

이때 상기 1차 유화처리는 유효한 압력과 회전날개의 적정한 회전속도를 유지하여야 하며, 상기 압력 하에 0.1 내지 2 시간 동안 100 내지 200 rpm의 속도로 강한 교반을 수행하는 것이 바람직하며, 구체적인 조건은 반응기의 크기, 교반기 성능 및 처리하고자 하는 조성의 함량 등의 여러 실험 조건에 따라 바뀔 수 있으며, 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 상기 범위 내에서 제어할 수 있다.

이때 에멀젼화를 증가시키기 위해 10∼40KHz, 100∼3000W의 초음파를 인가한다. 이러한 초음파의 인가에 의해 폐유의 분자 운동이 촉진되어 보다 작은 입자로 분쇄될 뿐만 아니라 무기염과의 이온 결합능이 증가되어 보다 균일한 에멀젼을 이룰 수 있다.

단계 c) 2차 유화처리

단계 c)에서는 상기 1차 유화처리되어 얻어진 혼합액을 고속으로 혼합하여 2차 유화처리하여 액상 연료를 제조한다.

바람직하기로 1,000 내지 3,000 rpm, 더욱 바람직하기로 1,500 내지 2800 rpm으로 혼합하여 연료 내 물 입자 및 폐액(오일 성분)의 입자를 보다 작게 분쇄함으로써 균일한 분산액을 이뤄 장기간 동안 유수 분리가 발생하지 않는 유화연료를 제조한다.

이때 2차 유화처리는 1차 유화처리와 동일한 온도, 또는 70 내지 100 ℃에서 수행한다.

단계 d) 산 수용액 첨가 및 여과

단계 d)에서는 상기 2차 유화처리된 액상 연료에 pH가 3.0 내지 5.5인 산 수용액을 첨가한 후, 흡착제가 충진된 칼럼을 통과시켜 여과하는 단계를 거쳐 본 발명에 따른 유화연료를 제조한다.

유리지방산은 산화ㅇ열화되기 쉽고, 일단 열화가 시작되면 연료의 동점도가 상승하고 과산화물이 생성되어 연료 효율이 저하된다. 이에 본 발명에서는 액상의 연료에 산 수용액을 첨가하여 pH를 조절한 후, 흡착제가 충진된 칼럼을 통과시켜 연료 내 함유된 유리지방산을 제거한다.

상기 산 수용액은 pH가 3.0 내지 5.5를 가지며, 염산, 질산, 황산 및 아세트산으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 산을 이용하여 제조된다. 이때 산 수용액과 액상 연료는 1:0.5 내지 0.5 내지 1의 부피비로 혼합하는 것이 바람직하다.

상기 여과는 통상의 흡착제, 바람직하기로 키토산이 충전된 칼럼이 사용된다. 이때 키토산은 시판되는 것을 구입하여 사용할 수 있으며, 분말, 과립상 또는 펠렛상인 것을 사용한다.

상기 흡착제는 액상 연료 내 함유된 유리지방산을 용이하게 흡착시킬 수 있을 뿐만 아니라 각종 중금속류를 흡착함으로써 보다 고순도의 유화연료를 제조할 수 있다.

전술한 바에 의해 제조된 본 발명에 따른 유화연료는 유화제를 사용하지 않고도 장기간 동안 보관하여도 유수 분리가 발생하지 않고, 이는 종래 유화연료가 유수 안정성을 확보하기 위해 유화제를 필수적으로 사용하고 있는 것과 구별된다. 또한 상기 유화연료는 유리 지방산을 비롯한 중금속이 제거되어 순도가 매우 높으며, 전체 조성물 내 황을 1.0 중량% 미만으로 함유한다. 또한 비중이 0.88 내지 0.97이고, 동점도가 200 내지 350 cp(40 ℃), 발열량이 9,600 내지 12,000 kcal/kg으로, 연소시 밝은 붉은 색의 불꽃을 보여 유화연료로 바람직하게 사용 가능하다.

이와 같이 본 발명에 따른 유화연료는 목욕탕, 열병합 발전소, 화력발전소, 요업제품 제조공장, 시멘트 제조공장, 기타 난방열을 필요로 하는 산업체의 보일러용의 연료유, 유리 온실이나 비닐 하우스 등 시설농가의 난방용 연료유, 가정의 난방용 연료유로서 사용할 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

폐식용유를 여과 장치에 통과시켜 불순물을 제거한 다음, 온도 조절장치 및 교반장치가 달린 혼합기에 10 kg 주입하였다. 여기에 벙커 C유 8 kg, 및 무기염 조성물 6 kg을 주입한 후 80 ℃에서 30 분 동안 100 rpm으로 혼합하여 혼합액을 제조하였다. 이때 무기염 조성물로는 물 1 L에 NaCO₃ 150 g, NaHCO₃ 150 g, CaCl₂ 400 g, NaCl 100 g, 및 MgCl₂ 400 g을 혼합한 것을 사용하였다.

상기 혼합액을 진공 장치가 구비된 반응기에 이송하여 30 kHz의 초음파를 인가하면서 0.5 torr, 80 ℃에서 10 분간 150 rpm으로 교반하여 1차 유화처리하였다. 이어서, 상압 하에서 동일 온도에서 1500 rpm으로 30 분간 고속 교반을 수행하여 2차 유화처리하여 액상 연료를 얻었다.

다음으로, 상기 액상 연료에 pH가 4.0인 염산 수용액을 1:1의 부피비로 첨가하여 교반한 후, 키토산이 충전된 칼럼을 통과시켜 본 발명에 따른 유화연료를 제조하였다.

실험예 1: 물성 측정

상기 실시예 1에서 제조된 유화연료를 연료로서 사용가능한지 알아보기 위해 물성을 측정하였다. 그 결과 황(S)의 함량이 0.8 중량%이고, 발열량이 99,000 kcal/kg으로, 폐기물 관리법 시행규칙 (환경부 고시 제 97-77호)에서 제시하는 유화연료의 기준에 적합하였다. 또한 비중이 0.92 이고 및 동점도가 287 cp(40 ℃)로 측정되었다.

실험예 2: 저장 안정성 측정

상기 실시예 1에서 제조된 유화연료의 저장안정성을 알아보기 위해, 상기 유화연료를 -10 ℃, 5 ℃ 및 45 ℃ 각각에서 90일간 방치시켜 유수 분리 여부를 육안으로 확인하였으며 얻어진 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

	10일후	60일후	90일후
-10 ℃	◎	◎	○
5 ℃	◎	◎	◎
45 ℃	◎	◎	◎
저장 안정성 ◎: 침전 없음, ○ : 양호 △: 부분 침전 발생 × : 침전 발생

상기 표 1을 참조하면, 본 발명에 따른 유화연료는 90일 동안 유수 분리가 발생하지 않고, 침전물이 발생하지 않았으며, 본 발명에 따른 유화 연료가 유화제를 사용하지 않고도 분산 및 저장 안정성이 매우 우수함을 확인하였다.

따라서 본 발명에 의해 폐액, 저유황유, 무기염 조성물 혼합 후, 1차 및 2차 유화처리하고 정제함으로써 유화제를 사용하지 않고도 장기간 동안 보관하여도 유수 분리가 발생하지 않는 유화연료를 제조하였다. 상기 유화연료는 각종 연료의 대체제로 사용 가능하여 각종 산업 현장 및 가정에서 발생하는 폐유를 환경 오염을 유발하지 않고 대체 에너지의 원료로 사용함에 따라 환경오염을 방지할 뿐만 아니라 및 경제적인 효과를 얻는다.

Claims (14)

1. 삭제
2. a) 폐액에 저유황유 및 무기염 조성물을 혼합 후 가열하여 혼합액을 제조하고,

   b) 얻어진 혼합액에 초음파 인가하면서 진공 혼합하여 1차 유화처리하고,

   c) 고속으로 혼합하여 2차 유화처리하고,

   d) 산 수용액을 첨가한 후 여과하는 단계를 포함하여 유화연료를 제조하되,

   상기 유화연료는 황 함량이 1 중량% 미만이고, 비중이 0.88 내지 0.97이고, 발열량이 9,600 내지 12,000 kcal/kg인 것인 유화연료의 제조방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 유화연료는 동점도가 200 내지 350 cp(40 ℃), 발열량이 9,600 내지 12,000 kcal/kg인 것인 유화연료의 제조방법.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제2항에 있어서,

   상기 저유황유는 유황이 1% 이하로 포함된 것인 유화연료의 제조방법.
8. 삭제
9. 삭제
10. 제2항에 있어서,

    상기 단계 b)는 70 내지 100 ℃에서 0.01 내지 0.5 torr의 감압 하에 수행하는 것인 유화연료의 제조방법.
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13. 삭제
14. 삭제