KR100969932B1 - 음식물 쓰레기를 이용한 대체연료의 제조방법 및 그제조장치 - Google Patents
음식물 쓰레기를 이용한 대체연료의 제조방법 및 그제조장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 제1 반응기에 음식물 쓰레기로부터 얻어낸 원료유지를 투입하고 100℃ 내지 140℃의 온도로 가열하는 단계; 상기 가열된 제1 반응기를 50 내지 60℃의 온도로 냉각하고, 원료유지 100 중량부를 기준으로 하여 메탄올 10 내지 50 중량부 및 산촉매 0.5 내지 10 중량부를 투입하고 반응시키는 단계; 상기 반응 이후에 65 내지 75℃로 승온한 후 원료유지 100 중량부를 기준으로 하여 메탄올 10 내지 50 중량부를 첨가하는 단계; 상기 반응 후 잔류 산촉매와 슬러지를 제거하고 생성물을 50 내지 60℃로 냉각하여 제2 반응기에 투입하는 단계; 상기 제2 반응기에 메탄올 10 내지 50 중량부 및 수산화나트륨 8 중량부를 투입하고 혼합하는 단계; 및 상기 제2 반응기의 혼합물로부터 글리세린을 분리하고 에스테르를 수득하는 단계를 포함하는 음식물 쓰레기를 이용한 대체연료의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 의하면, 음식물 쓰레기의 해양투기를 감소시키고 친환경적이면서도 혁신적인 공정을 통하여 순도가 높고 경쟁력이 있는 대체연료를 제공할 수 있다.
대체연료, 바이오디젤, 음식물 쓰레기, 에스테르, 글리세린
Description
본 발명은 음식물 쓰레기를 이용한 대체연료의 제조방법 및 그 제조장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 음식물 쓰레기를 친환경적으로 이용하여 자원화하는 대체연료의 제조방법 및 대체연료를 제조하는 장치에 관한 것이다.
현 사회는 급속한 산업발전과 더불어 국민 소득이 향상됨에 따라 사회 구성원들의 생활은 점점 윤택해져 가고 있다. 이러한 현상에 의해 인간이 생활하는 데 있어서 필수조건이 되는 식생활도 점차 풍족해졌다. 따라서, 풍성해진 식탁에서 불필요하게 남겨져 버려지는 음식물의 양이 증가하고 있는 실정이다.
음식물 쓰레기는 수분이 많고 부패와 악취가 수반되기 때문에 매립, 소각처리에 따른 주변 환경오염, 민원야기, 매립지 확보난 등 많은 문제점을 초래하고 있으며 다각적인 처리방안이 논의되어 왔다.
음식물 쓰레기를 처리하는 방안으로 매립이나 해양투기를 사용하였다. 음식물 쓰레기는 매립시 상당한 침출수가 발생되고, 이로 인해 토양, 지하수를 오염시 킨다. 또한 음식물 쓰레기는 다량의 수분을 함유하고 있기 때문에 수분이 외부로 유출됨에 따라 악취를 발생시키고, 여러 가지 병균에 의한 질환을 전염시키는 해충이나 쥐 등이 서식하게 되어 주변환경의 심각한 오염을 초래하게 된다.
또한 음식물 쓰레기는 폐기물 해양배출업체에 의뢰하여 해양투기의 방법으로 처리된다. 2006년 한 해 동안 대한민국에서는 음식물 쓰레기를 포함한 폐기물을 가득 실은 5톤 트럭 4,828대가 바다에 버려지고 있다. 정부는 매년 100만톤씩 해양투기량을 줄여 2011년까지 500여 만톤으로 해양투기의 규모를 줄인다는 계획을 세워놓고 있지만 500만톤도 상당한 양에 해당된다. 음식물 쓰레기 처리시설에서 해양으로 배출시키는 폐수의 기준을 수분함량 95% 이상이거나 고형물 함량 5% 미만으로 정하고 있지만, 음식물의 침출수 중 음식 찌꺼기 외에 물에 녹아 있는 염분, 칼슘 등 성분만 하더라도 4 ∼ 6% 정도 나오기 때문에 수분의 함량을 95% 이상 유지하는 것은 사실상 어렵다고 할 것이다.
한편, 원유자원의 고갈 등에 대비하여 콩기름 등의 식물성 기름을 원료로 해서 만든 바이오연료에 대한 연구가 진행되고 있다. 통상 메탄올을 이용해 3가의 지방산에 글리세롤이 결합한 트리글리세리드로부터 글리세롤을 분리한 다음, 지방산 에스테르를 만들어 내는 에스테르 교환방법을 통하여 만든다. 최근 원유가격의 급등으로 인하여 이러한 바이오연료가 많은 관심을 모으고 있지만, 바이오연료를 생산하기 위해서는 식물성 기름의 원료인 유채꽃 등을 재배하기 위한 경작지 및 경작기간이 별도로 필요하다.
대한민국 공개특허공보 제2002-0034712호, 등록특허 제10-0722757호는 유지 자원인 쌀겨에서 얻은 미강유나 산가가 높은 폐식용유를 메탄올로 에스테르화하여 식물성 연료를 얻는 내용을 개시하고 있다. 그러나 상기 특허는 특정한 원료에서 얻은 폐식용유만을 이용하여 대체연료를 제조하는 공정을 개시하고 있어서 일반적인 음식물 쓰레기를 자원화하는 방법을 제시하지 못하고 있다.
본 발명의 과제는 음식물 쓰레기에서 발생하는 문제점을 해소하면서 음식물 쓰레기에 포함된 유지를 이용하여 친환경적이면서도 고순도의 대체연료를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 과제는 상기의 음식물 쓰레기를 활용하여 친환경적이면서도 고순도의 대체연료 제조가 가능한 장치를 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은
제1 반응기에 음식물 쓰레기로부터 얻어낸 원료유지를 투입하고 100℃ 내지 140℃의 온도로 가열하는 단계;
상기 가열된 제1 반응기를 50 내지 60℃의 온도로 냉각하고, 원료유지 100 중량부를 기준으로 하여 메탄올 10 내지 50 중량부 및 산촉매 0.5 내지 10 중량부를 투입하고 반응시키는 단계;
상기 반응 이후에 65 내지 75℃로 승온한 후 원료유지 100 중량부를 기준으로 하여 메탄올 10 내지 50 중량부를 첨가하는 단계;
상기 반응 후 잔류 산촉매와 슬러지를 제거하고 생성물을 50 내지 60℃로 냉각하여 제2 반응기에 투입하는 단계;
상기 제2 반응기에 메탄올 10 내지 50 중량부 및 수산화나트륨 8 중량부를 투입하고 혼합하는 단계; 및
상기 제2 반응기의 혼합물로부터 글리세린을 분리하고 에스테르를 수득하는 단계;를 포함하는 음식물 쓰레기를 이용한 대체연료의 제조방법을 제공한다.
상기 수득한 에스테르를 탈색하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 산촉매는 황산, 질산, 아세트산, 및 포름산 중에서 선택된 하나 이상인 것인 것이 바람직하다.
상기 제1 반응기 및 제2 반응기 중 어느 하나 이상의 반응기로부터 발생되는 메탄올 증기를 회수하여 재사용할 수 있다.
상기의 다른 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은
음식물 쓰레기로부터 얻어진 원료유지, 메탄올 및 산촉매를 공급하는 공급구와 생성물 및 슬러지를 배출하는 배출구가 구비된 제1 반응기;
상기 제1 반응기로부터 형성된 잔류 산촉매 및 슬러지를 분리하는 잔류물 분리기;
상기 제1 반응기로부터 형성된 혼합물을 냉각하는 냉각기;
상기 제1 냉각기로부터 얻어지는 혼합물, 메탄올 및 수산화나트륨를 공급하는 공급구와 생성물을 배출하는 배출구가 구비된 제2 반응기; 및
상기 제2 반응기로부터 배출되는 생성물을 에스테르와 글리세린으로 분리하 는 에스테르 분리기;를 구비하는 음식물 쓰레기를 이용한 대체연료의 제조장치를 제공한다.
상기 제조장치는 제1 반응기 및 제2 반응기 중 어느 하나 이상의 반응기로부터 배출되는 메탄올 증기를 회수하여 재사용하도록 하는 메탄올 회수기를 더 구비할 수 있다.
상기 제조장치는 제1 반응기 및 제2 반응기 중 어느 하나 이상의 반응기와 회수기 사이에 메탄올 냉각기를 구비할 수 있다.
본 발명은 음식물 쓰레기로부터 얻어지는 원료유지를 이용하여 대체연료를 제조하는 방법 및 그 대체연료를 제조하는 장치에 대한 것이고, 본 발명에 따르면 음식물 쓰레기의 해양투기를 감소시켜 친환경적이면서도 혁신적인 공정을 통하여 순도가 높고 경쟁력이 있는 대체연료를 제공할 수 있다.
본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명은 제1 반응기에 음식물 쓰레기로부터 얻어낸 원료유지를 투입하고 100℃ 내지 140℃의 온도로 가열하는 단계; 상기 가열된 제1 반응기를 50 내지 60℃의 온도로 냉각하고, 원료유지 100 중량부를 기준으로 하여 메탄올 10 내지 50 중량부 및 산촉매 0.5 내지 10 중량부를 투입하고 반응시키는 단계; 상기 반응 이후에 65 내지 75℃로 승온한 후 원료유지 100 중량부를 기준으로 하여 메탄올 10 내지 50 중량부를 서서히 첨가하는 단계; 상기 반응 후 잔류 산촉매와 슬러지를 제거하고 생성물을 50 내지 60℃로 냉각하여 제2 반응기에 투입하는 단계; 상기 제2 반응기에 원료유지 100 중량부를 기준으로 하여 메탄올 10 내지 50 중량부 및 수산화나트륨 8 중량부를 투입하고 혼합하는 단계; 및 상기 제2 반응기의 혼합물로부터 글리세린을 분리하고 에스테르를 수득하는 단계;를 포함하는 음식물 쓰레기를 이용한 대체연료의 제조방법을 제공한다.
도 1은 음식물 쓰레기를 이용하여 대체연료를 제조하는 일실시예를 도시하고 있다. 도 1을 참조하면, 원료유지를 제1 반응기(1)에 투입하고 100℃ 이상으로 가열함으로써 적절하게 용해시킨다. 원료유지는 음식물 쓰레기를 삼상분리기 등을 이용하여 분리함으로써 얻을 수 있다. 가열온도는 100℃ 이상이면 가능하나, 바람직하게는 100 내지 140℃로 조절하는 것이 가장 효율적이다. 원료유지가 용해되었으면, 다시 온도를 다음 반응을 고려하여 50 내지 60℃로 냉각한다.
다음으로 메탄올 및 산촉매를 각각 메탄올 공급구(4) 및 산촉매 공급구(3)를 통하여 투입한다. 메탄올의 투입함량은 원료유지 100 중량부를 기준으로 하여 10 중량부 이상이면 제한이 없으나, 효율을 고려하면 10 내지 50 중량부가 바람직하다. 산촉매의 투입함량은 원료유지 100 중량부를 기준으로 하여 0.5 내지 10 중량부가 바람직하다. 0.5 중량부 미만인 경우에는 효과가 미미하여 바람직하지 못하고, 10 중량부를 초과하는 경우에는 반응이 유효하게 진행될 수 없어 바람직하지 못하다.
산촉매는 특별히 제한은 없으나, 황산, 질산, 아세트산, 및 포름산 중에서 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다. 제1 반응기의 온도를 65 내지 75℃로 승온한 후 원료유지 100 중량부를 기준으로 하여 10 내지 50 중량부의 메탄올을 10 내지 30분간에 걸쳐 서서히 제1 반응기 내부로 첨가한다. 첨가하는 방식은 동함량을 동시간에 걸쳐 투입하는 통상적인 방식이면 무방하고, 특히 적가하거나 분무하는 방식이 바람직하다. 제1 반응기의 온도를 65 내지 75℃로 조절하는 것은 첨가되는 메탄올이 증기상태로 혼합물과 반응되도록 하기 위한 것이다.
이러한 반응 후 잔류물 분리기(10)를 통하여 잔류 산촉매와 슬러지를 제거한다. 잔류물이 분리되고 난 생성물을 냉각기(9)를 통하여 50 내지 60℃로 냉각하여 제2 반응기(2)에 투입한다. 제2 반응기(2)에서는 메탄올과 수산화나트륨을 각각 메탄올 공급구(5) 및 수산화나트륨 공급구(6)를 통하여 투입하고 에스테르와 글리세린을 포함한 혼합물을 형성하기 위한 반응이 일어난다. 메탄올의 투입함량은 원료유지 100 중량부를 기준으로 하여 10 중량부 이상이면 제한이 없으나, 효율을 고려하면 10 내지 50 중량부가 바람직하다. 수산화나트륨의 투입함량은 원료유지 100 중량부를 기준으로 하여 0.5 내지 5 중량부인 것이 바람직하다. 0.5 중량부 미만인 경우에는 효과가 미미하여 바람직하지 못하고, 5 중량부를 초과하는 경우에는 글리세린의 함량이 증대되어 경제성이 없기 때문에 바람직하지 못하다.
메탄올 및 수산화나트륨을 첨가하고 20 내지 30분 정도 교반하고 온도를 65 내지 70℃로 유지한다. 30분 내지 1시간이 경과하면 서서히 층분리가 일어난다. 상층은 에스테르이고, 하층은 글리세린이다. 분리기(13)를 통하여 하층인 글리세린을 분리하고 상층인 에스테르를 수득한다. 대체연료의 사용용도에 따라 탈색공정을 추가할 수 있다.
도 2는 제1 반응기 및 제2 반응기에서 발생한 메탄올을 회수하는 장치를 구비하고 있는 공정을 도시하고 있다. 도 2를 참조하면, 제1 반응기 및 제2 반응기로부터 발생된 메탄올을 회수하여 메탄올 회수기(12)를 구비하고 있다. 도 3은 메탄올 회수기(12)에 회수된 메탄올을 제1 반응기 및 제2 반응기에 재사용하는 공정을 도시하고 있다. 도 3과 같이 회수된 메탄올을 제조공정에 다시 사용함으로써 공정의 가동비용을 절감할 수 있어 대체연료 생산원가를 감소시킬 수 있다. 도 4는 메탄올의 회수율을 향상시키기 위하여 냉각기를 추가적으로 구비한 공정을 도시하고 있다. 즉, 제1 반응기로부터 발생된 메탄올을 회수하기 위한 라인에 제1 냉각기(7)가 구비되어 있고, 제2 반응기로부터 발생된 메탄올을 회수하기 위한 라인에 제2 냉각기(8)가 구비되어 있다.
도 5는 음식물 쓰레기로부터 얻어진 원료유지를 이용하여 에스테르를 생성하는 공정을 나타내는 순서도를 도시하고 있다. 도 5를 참조하면, 원료유지를 제1 반응기에 투입하고, 메탄올 및 산촉매를 투입하고 잔류물을 분리하고 제2 반응기에 메탄올과 수산화나트륨을 투입한 다음 글리세린을 분리하여 에스테르를 얻는 과정을 확인할 수 있다.
도 6은 제1 반응기 및 제2 반응기로부터 메탄올을 회수되는 것을 도시하고 있다. 도 7은 제1 반응기 및 제2 반응기로부터 회수된 메탄올을 제1 반응기 및 제2 반응기에 재사용하는 공정을 도시하고 있다. 도 8은 제2 반응기로부터 분리된 에스테르를 탈색하는 공정을 추가한 순서도를 도시하고 있다.
원유자원의 고갈 등으로 인하여 대체연료에 대한 관심이 증대되고 있는 실정 이다. 음식물 쓰레기는 일상 생활에서 배출되고 있으며 심각한 환경오염 문제로 인하여 그 처리방안이 문제 시 되었으나, 본 발명의 제조방법 및 제조장치를 이용함으로써 투기되는 음식물 쓰레기의 양을 획기적으로 경감시킬 뿐만 아니라 대체연료를 생산할 수 있으므로 친환경적이면서도 혁신적인 발명이라 할 것이다.
이하 본 발명을 실시예를 들어 상세히 설명한다.
실시예
실시예 1
3상 분리기를 이용하여 음식물 쓰레기로부터 원료유지 300g을 분리하였다. 분리된 원료유지 300g을 제1 반응기(1)에 투입하고 110℃로 가열하였다. 이후 제1 반응기의 온도를 60℃로 냉각하였다. 이어서, 메탄올 90g 및 황산 6g을 제1 반응기(1)에 투입하였다. 상기 제1 반응기(1)의 온도를 70℃로 승온한 후 메탄올을 30분간에 걸쳐 서서히 제1 반응기(1) 내부로 분무하였다. 잔류황산과 슬러지를 제거한 뒤 생성물을 55℃로 냉각하고 이를 제2 반응기(2)에 투입하였다. 제2 반응기(2)에서는 메탄올 75g 및 수산화나트륨 24g을 투입하였다. 제2 반응기(2)를 30분 교반하고 온도를 70℃로 유지하였다. 1시간이 경과하면서 서서히 층분리가 일어났으며, 상층에는 에스테르, 하층에는 글리세린이 형성되었다. 분리기(13)를 통하여 글리세린을 분리하고 에스테르를 수득하였다.
실시예 2
수득한 에스테르에 백토를 가하는 탈색공정 장치를 더 구비한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
실시예 3
제1 반응기(1) 및 제2 반응기(2)에서 발생되는 메탄올 증기를 회수한 다음 이를 재사용하기 위한 장치를 더 구비한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
시험결과
실시예 1 내지 실시예 3에서 얻어진 에스테르를 한국석유품질관리원에 의뢰하여 시험한 결과 다음 표 1과 같은 결과를 얻었다.
| 시험항목 | 품질기준 | 시험결과 | 시험방법 |
| 지방산메틸에스테르 함량 (무게%) |
96.5 이상 | 94.3 | KS M 2413-2004 |
| 인화점(℃) | 120 이상 | 154 | KS M 2010-2004 |
| 밀도(15℃, kg/m3) | 860 - 900 | 886.7 | KS M 2002-2001 |
| 동판부식(50℃, 3h) | 1 이하 | 1 | KS M 2018-2002 |
| 잔류탄소분(무게%) | 0.1 이하 | 0.04 | KS MISO 10370-2001 |
| 회분(무게%) | 0.01 이하 | 0.001 미만 | KS MISO 6245-2003 |
| 동점도(40℃, mm2/S) | 1.9 - 5.0 | 4.193 | KS M 2014-2004 |
| 황분(mg/kg) | 10 이하 | 2 | KS M 2027-2002 |
| 수분 및 침전물(부피%) | 0.05 이하 | 0.005 미만 | KS M 2115-1996 |
| 전산가(mg KOH/g) | 0.50 이하 | 0.3 | KS M ISO 2003 |
| 총글리세린(무게%) | 0.24 이하 | 0.256 | KS M 2412-2004 |
| 산화안정도(110℃, 1h) | 6 이상 | 3 | EN 14112-2003 |
| 메탄올 | 0.2 이하 | 0.01 미만 | EN 14110-2003 |
| 알칼리금속(mg/kg), Na+Mg | 5 이하 | 1 미만 | EN14108, 14109-2003 |
| 알칼리금속(mg/kg), Ca+Mg | 5 이하 | 11 | PrEN14539-2002 |
| 인(mg/kg) | 10 이하 | 1 미만 | EN14107 |
본 발명의 제조방법 및 제조장치를 이용함으로써 음식물 쓰레기를 친환경적으로 처리할 수 있으며, 제1 반응기(1) 및 제2 반응기(2)로부터 발생된 메탄올을 회수하여 재사용하는 경우에는 대체연료의 생산비용을 절감할 수 있다.
삭제
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 공정도를 도시한 것이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 공정도를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 순서도를 도시한 것이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 순서도를 도시한 것이다.
Claims (7)
- 제1 반응기에 음식물 쓰레기로부터 얻어낸 원료유지를 투입하고 100℃ 내지 140℃의 온도로 가열하는 단계;상기 가열된 제1 반응기를 50 내지 60℃의 온도로 냉각하고, 원료유지 100 중량부를 기준으로 하여 메탄올 10 내지 50 중량부 및 산촉매 0.5 내지 10 중량부를 투입하고 반응시키는 단계;상기 반응 이후에 65 내지 75℃로 승온한 후 원료유지 100 중량부를 기준으로 하여 메탄올 10 내지 50 중량부를 첨가하는 단계;상기 반응 후 잔류 산촉매와 슬러지를 제거하고 생성물을 50 내지 60℃로 냉각하여 제2 반응기에 투입하는 단계;상기 제2 반응기에 원료유지 100 중량부를 기준으로 하여 메탄올 10 내지 50중량부 및 수산화나트륨 8 중량부를 투입하고 혼합하는 단계; 및상기 제2 반응기의 혼합물로부터 글리세린을 분리하고 에스테르를 수득하는 단계;를 포함하는 음식물 쓰레기를 이용한 대체연료의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 수득한 에스테르를 탈색하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 대체연료의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 산촉매는 황산, 질산, 아세트산, 및 포름산 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 대체연료의 제조방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 반응기 및 제2 반응기 중 어느 하나 이상의 반응기로부터 발생되는 메탄올 증기를 회수하여 재사용하는 것을 특징으로 하는 대체연료의 제조방법.
- 음식물 쓰레기로부터 얻어진 원료유지, 메탄올 및 산촉매를 공급하는 공급구와 생성물 및 슬러지를 배출하는 배출구가 구비된 제1 반응기;상기 제1 반응기로부터 형성된 잔류 산촉매 및 슬러지를 분리하는 슬러지 분리기;상기 제1 반응기로부터 형성된 혼합물을 냉각하는 냉각기;상기 제1 냉각기로부터 얻어지는 혼합물, 메탄올 및 수산화나트륨을 공급하는 공급구와 생성물을 배출하는 배출구가 구비된 제2 반응기; 및상기 제2 반응기로부터 배출되는 생성물을 에스테르와 글리세린으로 분리하는 에스테르 분리기;를 구비하는 음식물 쓰레기를 이용한 대체연료의 제조장치.
- 제5항에 있어서, 상기 제1 반응기 및 제2 반응기 중 어느 하나 이상의 반응기로부터 배출되는 메탄올 증기를 회수하여 재사용하는 것을 특징으로 하는 대체연료의 제조장치.
- 제5항에 있어서, 상기 제1 반응기 및 제2 반응기 중 어느 하나 이상의 반응기와 회수기 사이에 메탄올 냉각기를 구비하는 것을 특징으로 하는 대체연료의 제조장치.
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