KR101985610B1 - 식물성 폐유를 이용한 바이오디젤, 중유 및 절삭유의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 설렁탕, 족발, 보쌈육, 닭요리 등의 식품조리 과정이나 그 잔여물 처리과정에서 발생한 불순물 함량이 높은 동물성 유지를 정제하여 바이오디젤과 중유 그리고 절삭유를 일괄 추출할 수 있는 동물성 폐유를 이용한 바이오디젤, 중유 및 절삭유의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 식물성 폐유를 이용한 바이오디젤, 중유 및 절삭유의 제조방법은 식물성 폐유를 가열부스 투입하는 단계와, 스팀보일러의 스팀을 이용하여 가열부스에 투입된 폐유를 40℃~50℃의 온도조건에서 20~30분 동안 가열하는 단계와, 가열되어 액화된 식물성 폐유를 침전탱크로 이송하는 단계와, 이송된 폐유를 침전탱크 내 수중 믹서기로 교반시키는 단계와, 폐유정제를 위해 교반된 폐유에 마그네슘 및 가성소다를 일정 비율로 혼입한 후 80℃~90℃의 온도조건에서 3시간 동안 2차 가열하는 단계와, 가열을 통한 폐유 정제후 이물질 분리를 위해 12~14시간 동안 자연 침전목적으로 방치하는 단계와, 자연침전에 의해 계층을 이루는 기름, 물, 이물질을 침전탱크에 각 층별로 장치된 배관을 이용하여 순차적으로분리 추출하는 단계와, 분리 추출된 기름을 고속원심분리하여 정제한 후 보조탱크에 투입하여 10-12시간 안정화 시키는 단계와, 보조탱크에 각 층별로 장치된 배관을 이용하여 순차적으로 바이오디젤, 중유, 절삭유를 추출하는 단계와, 추출된 각각의 바이오디젤, 중유, 절삭유를 저장탱크로 이송 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

식물성 폐유를 이용한 바이오디젤, 중유 및 절삭유의 제조방법{Manufacturing method of biodiesel, heavy oil and cutting oil using vegetable waste oil}

본 발명은 식품회사, 과자생산공장, 라면생산공장, 학교급식소, 치킨집, 돈까스집 등에서 발생한 식물성 폐유를 정제하여 바이오디젤과 중유 그리고 절삭유를 일괄 추출할 수 있는 식물성 폐유를 이용한 바이오디젤, 중유 및 절삭유의 제조방법에 관한 것이다.

석유 에너지 자원의 고갈에 따른 대체에너지 자원개발 및 화석 연료의 과다 사용에 따른 이산화탄소의 발생을 억제하기 위해 재생 가능한 에너지원의 하나로 바이오디젤의 생산 및 보급을 적극 늘려가는 추세에 있다.

바이오디젤은 동물성 유지나 식물성 기름에 메탄올과 같은 지방족 알코올을 반응시켜서 만드는데, 이때 바이오디젤 원료로 사용하는 동물성 유지나 식물성 기름의 성상에 따라 바이오디젤의 수율과 품질이 결정된다. 정제되지 않은 동물성 유지와 식물성 기름을 원료로 하여 생산된 바이오디젤은 합성과정에서의 수율저하와 품질문제 등 많은 문제점을 가지고 있다.

수율과 품질문제를 개선하기 위하여 대다수 바이오디젤 업체들이 식용으로 사용되고 있는 정제된 대두유, 유채유와 같은 원료를 바이오디젤의 원료로 사용하고 있으나 식량자원을 에너지 자원으로 사용하는 것이 대체에너지의 원래 취지와 무관하게 많은 문제를 야기할 뿐 아니라, 식용대두유나 유채유등은 가격이 높아 경제성도 떨어진다.

전 세계적으로 그 양이 풍부한 사용 후 또는 부산물로 발생하는 동식물성 유지는 현재 대부분이 사료첨가용이나 비누원료로 사용하고 있으며, 불순물중 특히 FFA(free fatty acid) 함량이 원료상태에서 2.0%이하인 일부 동식물성 유지를 도 1과 같이 단순분리, 화학적 정제 처리하여 부분적으로 바이오디젤 원료로 사용하고 있다.

바이오디젤 제조 방법은 가장 보편적인 방법으로 동물성 유지 및 식물성 기름을 알칼리 촉매 하에서 지방족 알코올과 반응시켜 에스테르화하는 방법이다. 여러 바이오디젤 제조 방법 중 알칼리 촉매 방법이 가장 많이 사용되며, 알칼리 촉매로는 현재 소디움메톡사이드(NaOCH3)가 널리 사용되고 있으며 가성소다(NaOH), 포타시움 하이드록사이드(KOCH3), 가성칼리(KOH) 등도 사용된다.

상대적으로 고가인 소디움 메톡사이드(NaOCH3)가 널리 사용되는 이유는 원료 물질 중에 수분이 존재하는 경우에도 높은 수율을 얻을 수 있기 때문이다.

NaOCH3 + H2O → NaOH + CH3OH

위와 다른 바이오디젤 제조방법으로서, 동물성 유지 및 식물성 기름을 황산과 같은 산을 촉매로 하여 고온, 고압 하에서 지방족 알코올과 반응시키는 방법이 있고, 또 다른 방법으로 동물성 유지 및 식물성 기름을 일차 가수 분해하여 지방산을 만든 후, 이 지방산을 다시 산 촉매 하에서 지방족 알코올과 반응시키는 방법이 있고, 또 다른 방법으로 동물성 유지 및 식물성 기름을 산화 바리움과 같은 불용성 촉매를 사용하여 지방족 알코올과 반응시키는 방법이 있다.

그러나 폐식용유나 정제되지 않은 불순물 함량이 높은 동식물성 유지에 다량 함유된 입자성물질, 검질, 지방산, 비누, 수분 등은 지방산 메칠 에스테르화 과정에서 수율 및 품질을 저하시킨다.

폐식용유나 정제되지 않은 불순물 함량이 높은 동식물성 유지에 함유된 입자성 물질은 바이오디젤 제조시 장치의 장애와 수율 저하 및 바이오디젤 합성 후 글리세린과의 분리불량 및 증류공정의 전열면 오염을 일으켜 부산물인 글리세린의 품질저하를 야기한다.

검질(인지질 포함) 및 금속분 또한 바이오디젤 생산 시 장치의 장애와 수율 저하, 바이오디젤 합성 후 TAG(triAcylGlyceride), DAG(di-Acyl Glyceride), MAG(Mono- Acyl Glyceride)와 FAME(Fatty Acid Methyl Ester) 및 Soap과 Emulsion화 되어 분리 불량 및 증류 공정의 전열면 오염을 일으켜 생산성 저하와 잦은 크리닝이 필요하며 부산물인 글리세린의 품질저하를 야기한다.

일례로 바이오디젤 합성 시 인(P) 함량이 100ppm의 경우 인지질은 약 0.3%에 해당되며 수율이 약 1.5% 저하된다.

수분이 존재하면 동식물성 유지의 가수분해를 일으켜 FFA(유리지방산)과 DAG(di-Acyl Glyceride), MAG(MonoAcyl Glyceride) 및 글리세린을 생성하여 수율 저하를 초래한다.

특히 고온에서 장기간 저장 시 가수분해가 심하게 발생하며 일례로 바이오디젤 합성 시 수분 0.1%는 약 1~2%의 수율 저하를 가져온다.

C3H5O3(OCR)3 + H2O → RCOOH +C3H5O3H(OCR)2 <DAG>

C3H5O3(OCR)3 + 2H2O → 2RCOOH +C3H5O3H(OCR) <MAG>

C3H5O3(OCR)3 + 3H2O → 3RCOOH +C3H8O3 <Glycerol>

특히 FFA(유리지방산)은 바이오디젤 합성 시 촉매인 알칼리와 반응, 비누가 되어 촉매의 손실과 생성된 비누와 유분이 유화되어 분리가 불량하여 수율저하 및 품질 불량을 가져오며 반응 시 생성된 수분은 전술한 수분과 같이 유지의 가수분해를 일으켜 유리지방산과 DAG, MAG 및 글리세린을 생성한다.

상기 반응은 아래와 같이 연쇄적으로 반복되어 수율 저하가 일어나며 일례로 바이오디젤 합성 시 유리지방산 0.1%는 약 1~2%의 수율 저하를 가져온다.

RCOOH +NaOH → RCOONa + H2O

C3H5O3(OCR)3 + 3H2O → 3RCOOH +C3H8O3

원료 중의 비누 또는 바이오디젤 합성시 생성된 비누 성분은 유분과 유화되어 분리가 불량하여 바이오디젤의 수율 저하와 품질 불량 및 부산물인 글리세린의 품질저하가 발생하며 부산물의 후처리 공정을 복잡하게 한다.

또한 지방산이 2% 이하일 경우에는 통상적인 처리방법인 알칼리 반응을 통해 비누로 만들어 제거가 가능하나 2% 이상일 경우에는 알칼리와 반응하여 생성된 다량의 비누와 동식물유가 유화되어 분리 불량으로 인한 수율손실이 다량 발생한다.

현재 전 세계적으로 사용 후 또는 부산물 형태로 다량 발생되는 불순물 함유 동식물성 유지는 대부분 사료첨가제나 비누원료로 사용되며 바이오디젤이나 중유로 정제되어 사용되는 비율은 높지 않다.

그 이유는 동물성 폐유와 식물성 폐유가 갖는 기본적인 액상화 조건이나 폐유를 정제시키기 위한 마그네슘 및 가성소다를 적정 비율이 다르기 때문인데, 이러한 동물성 폐유와 식물성 폐유에서 요구되는 최적값을 일반화시키는 것은 기술적으로 매우 곤란하다.

따라서 바이오디젤을 폐유에서 추출함에 있어 동물성유지와 식물성유지를 분리하여 정제처리해야 수율향상에 유리하다.

한편, 폐유로부터 바이오디젤을 만들고 나서 그 부산물을 처리하여 중유를 만들고 이후 절삭유를 제조하게 되는 데, 이 경우 각가의 추가 처리공정이 요구됨에 따른 경제성 저하문제가 나타나고 있다.

본 발명은 위와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 식물성 폐유 만을 이용하여 효율적으로 바이오디젤 등을 제조할 수 있는 식물성 폐유를 이용한 바이오디젤, 중유 및 절삭유의 제조방법을 제공하는 것에 본 발명의 목적을 두고 있다.

본 발명의 다른 목적은 일련의 식물성 폐유 정제 처리과정에서 하나의 챔버에서 바이오디젤과 중유와 절삭유를 일괄 추출할 수 있는 식물성 폐유를 이용한 바이오디젤, 중유 및 절삭유의 제조방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 식물성 폐유를 이용한 바이오디젤, 중유 및 절삭유의 제조방법은 식물성 폐유를 가열부스 투입하는 단계와, 스팀보일러의 스팀을 이용하여 가열부스에 투입된 폐유를 40℃~50℃의 온도조건에서 20~30분 동안 가열하는 단계와, 가열되어 액화된 식물성 폐유를 침전탱크로 이송하는 단계와, 이송된 폐유를 침전탱크 내 수중 믹서기로 교반시키는 단계와, 폐유정제를 위해 교반된 폐유에 마그네슘 및 가성소다를 일정 비율로 혼입한 후 80℃~90℃의 온도조건에서 3시간 동안 2차 가열하는 단계와, 가열을 통한 폐유 정제후 이물질 분리를 위해 12~14시간 동안 자연 침전목적으로 방치하는 단계와, 자연침전에 의해 계층을 이루는 기름, 물, 이물질을 침전탱크에 각 층별로 장치된 배관을 이용하여 순차적으로분리 추출하는 단계와, 분리 추출된 기름을 고속원심분리하여 정제한 후 보조탱크에 투입하여 10-12시간 안정화 시키는 단계와, 보조탱크에 각 층별로 장치된 배관을 이용하여 순차적으로 바이오디젤, 중유, 절삭유를 추출하는 단계와, 추출된 각각의 바이오디젤, 중유, 절삭유를 저장탱크로 이송 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 식물성 폐유를 이용한 바이오디젤, 중유 및 절삭유의 제조방법은 식물성 폐유 만을 이용하게 되므로 폐유의 액상화 조건이나 폐유를 정제시키기 위한 마그네슘 및 가성소다 비율을 특정할 수 있어 효율적으로 바이오디젤 등을 제조할 수 있게 된다.

또한 본 발명은 폐유로부터 바이오디젤을 만들고 나서 그 부산물을 처리하여 중유를 만들고 이후 절삭유를 제조하는 별도의 공정 없이 단일 공정을 통하여 하나의 챔버에서 바이오디젤과 중유와 절삭유를 일괄 추출할 수 있게 되므로 바이오디젤과 중유와 절삭유의 제조원가를 획기적으로 절감 시킬 수 있다.

또한 본 발명은 식물성폐유를 잉용한 바이오디젤 등의 기름을 제조하는 과정에서 생성되는 고형의 이물질은 고단백질 성분을 가지게 되므로 이를 건조하여 가축의 사료로 활용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바이오디젤, 중유, 절삭유 일괄 제조공정을 설명하기 위한 흐름도이다.

첨부한 도면을 참고로하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서 바이오디젤 및 중유의 원료로 사용될 식물성 폐유는 값싸게 수집할 수 있는 음식물성 기름으로 식품회사, 과자생산공장, 라면생산공장, 학교급식소, 치킨집, 돈까스집 등에서 발생하는 폐유를 말한다.

이러한 식물성 폐유는 15~20리터 철제용기에 담아 수집되게 되며 바이오디젤 등의 생산공장에 입고된 철제용기 내의 원료는 고속 철제 절단기를 이용하여 절단한 후 가열부스에 투입하게 된다.

가열부스에 투입된 폐유는 40℃~50℃의 스팀보일러의 스팀을 이용하여 20~30분간 가열한다.

위 시간은 식물성 폐유 200 리터 단위에서 완전 액상화 시키기 위해 요구되는 최대 시간값이며 이를 초과할 경우 전력낭비만 발생할 뿐 실익은 없다. 또 상기 온도조건 범위를 벗어날 경우 완전 액상화에 이르지 못하거나 액상화를 넘어 불필요한 전력소모를 일으키게 된다. 단지 위 온도조건과 가열시간 값을 초과한다고 하여도 100℃ 이상을 넘지 않는 한 바이오디젤이나 중유 그리고 절삭유의 생산 수율에 미치는 영향은 없다.

이후, 액상화된 폐유를 바이킹 펌프 등을 이용하여 침전탱크로 이송한다.

상기 침전탱크는 탱크내부에 설치된 스팀 이송 배관이 설치되는 구조이며 매우 빠른 열전달 속도와 고효율의 열전달이 이루어지게 제작된다. 또한 내부의 믹서기는 분당 70회전수로 회전하게 제작한다.

침전탱크로 액상화된 폐유가 이송되면 이 침전탱크 내부에 장착된 교반기가 작동되어 투입된 액상폐유 원료를 골고루 믹싱한다.

5분 이상 교반하여 액상화 원료가 충분히 믹싱된 상태에 도달시킨 다음, 80~90℃ 온도조건에서 3시간 동안 가열하는 2차 가열을 실시한다.

이때, 폐유정제용 마그네슘 및 가성소다를 일정 비율로 혼입한다. 상기 마그네슘과 가성소다의 혼입비율은 1000:1이 바람직하다.

마그네슘과 가성소다 혼입 후 실시되는 2차 가열이 완료되면 그 상태에서 12~14시간 동안 방치한다. 이러한 방치조건에 따라 자연 침전이 일어나 이물질이 분리된다.

이때, 침전탱크 내의 자연침전에 의한 계층 분리는 위로부터 기름, 물, 이물질 순이며, 이러한 상태의 침전탱크내 각 층별 기름, 물, 이물질을 분리해 내기 위한 수단으로 상기 침전탱크에는 수직방향으로 나란히 배치되는 배출 배관을 마련하고 있다.

상기 침전탱크의 분리 층별로 배치되는 배관은 침전탱크의 제일 하단부에서부터 수직방향을 따라 일정간격으로 배치되며, 각각 상층부로부터 각각 기름, 물, 이물질을 전용 추출하게 된다.

여기서 각 층별로 분리된 배관은 제작된 침전탱크의 제일 하단부에서부터 일정간격(직경 3m, 높이 3m의 침전 챔버의 경우 약 50cm 간격)으로 3개의 배출 배관으로 만들어진다.

이때 최상단의 배출 배관에서는 기름성분을 추출하고 두 번째 배출 배관에서는 물을 추출하고 세번째 배출 배관에서는 이물질을 추출한다.

최상단의 첫번째 배출배관으로 추출된 기름은 보조탱크로 이송되고 두번째 배출 배관에서 추출된 물 성분은 폐수탱크로 이송 처리되고 세번째 배출배관엣 추출되는 이물질은 튀김가루, 밀가루, 각종 곡물가루 등을 포함하고 있어 15% 이상의 단백질을 함유하고 있으므로 이를 건조처리하여 가축 사료용 원료로 제공한다.

보조탱크로 이송된 기름은 10-12시간 안정화 과정을 거친후 이 보조탱크 내 분리 층별로 배치된 3개의 배관을 통하여 서로 다른 용도로 사용될 3종류의 기름, 즉 바이오디젤, 중유, 절삭유를 추출하게 된다.

이 보조탱크에서 추출된 각각의 바이오디젤, 중유, 절삭유는 고속원심분리기를 거쳐 불순물이 필터링 정제된 후 각각의 저장탱크로 이송된다.

상기 고속원심분리기는 콘타입으로서 이물질은 원심력에 의해서 탱크 하부로 빠르게 모아지게 된다.

도 1은 본 발명의 바이오디젤, 중유, 절삭유 일괄 제조공정을 간명하게 설명하기 위한 흐름도이다.

여기에서 참고되는 바와 같이, 제1단계에서는 15-20리터 철제용기로 수집된 식물성 폐유가 바이오디젤 등의 생산공장에 입고되면 이 철제용기 내의 원료를 고속 철제 절단기로 절단하여 그 용기 내부의 폐유를 가열부스에 투입시키는 단계를 실시한다.

제2단계에서는 식물성 폐유를 가열부스 투입하는 단계를 실시한다.

제3단계에서는 스팀보일러의 스팀을 이용하여 가열부스에 투입된 폐유를 40℃~50℃의 온도조건에서 20~30분 동안 가열하는 단계를 실시한다.

제4단계에서는 가열되어 액화된 식물성 폐유를 침전탱크로 이송하는 단계를 실시한다.

제5단계에서는 이송된 폐유를 침전탱크 내 수중 믹서기로 교반시키는 단계ㄹ를 실시한다.

제6단계에서는 폐유정제를 위해 교반된 폐유에 마그네슘 및 가성소다를 일정 비율로 혼입한 후 80℃~90℃의 온도조건에서 3시간 동안 2차 가열하는 단계를 실시한다.

제7단계에서는 가열을 통한 폐유 정제후 이물질 분리를 위해 12~14시간 동안 자연 침전목적으로 방치하는 단계와, 자연침전에 의해 계층을 이루는 기름, 물, 이물질을 침전탱크에 각 층별로 장치된 배관을 이용하여 순차적으로분리 추출하는 단계를 실시한다.

제8단계에서는 분리 추출된 기름을 고속원심분리하여 정제한 후 보조탱크에 투입하여 10-12시간 안정화 시키는 단계를 실시한다.

제9단계에서는 보조탱크에 각 층별로 장치된 배관을 이용하여 순차적으로 바이오디젤, 중유, 절삭유를 추출하는 단계와, 추출된 각각의 바이오디젤, 중유, 절삭유를 저장탱크로 이송 저장하는 단계를 실시한다.

Claims (5)

1. 식물성 폐유를 가열부스 투입하는 단계와, 스팀보일러의 스팀을 이용하여 가열부스에 투입된 폐유를 40℃~50℃의 온도조건에서 20~30분 동안 가열하는 단계와, 가열되어 액화된 식물성 폐유를 침전탱크로 이송하는 단계와, 이송된 폐유를 침전탱크 내 수중 믹서기로 교반시키는 단계와, 폐유정제를 위해 교반된 폐유에 마그네슘 및 가성소다를 일정 비율로 혼입한 후 80℃~90℃의 온도조건에서 3시간 동안 2차 가열하는 단계와, 가열을 통한 폐유 정제후 이물질 분리를 위해 12~14시간 동안 자연 침전목적으로 방치하는 단계와, 자연침전에 의해 계층을 이루는 기름, 물, 이물질을 침전탱크에 각 층별로 장치된 배관을 이용하여 순차적으로분리 추출하는 단계와, 분리 추출된 기름을 고속원심분리하여 정제한 후 보조탱크에 투입하여 10-12시간 안정화 시키는 단계와, 보조탱크에 각 층별로 장치된 배관을 이용하여 순차적으로 바이오디젤, 중유, 절삭유를 추출하는 단계와, 추출된 각각의 바이오디젤, 중유, 절삭유를 저장탱크로 이송 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 식물성 폐유를 이용한 바이오디젤, 중유 및 절삭유의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 침전탱크의 층별로 장치된 배관은 침전탱크의 제일 하단부에서부터 수직방향을 따라 일정간격으로 배치된 3개의 배출 배관인 것을 특징으로 하는 식물성 폐유를 이용한 바이오디젤, 중유 및 절삭유의 제조방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 침전탱크 상의 분리 층별로 배치된 3개의 배관은 상층부로부터 각각 기름, 물, 이물질 추출전용 배관인 것을 특징으로 하는 식물성 폐유를 이용한 바이오디젤, 중유 및 절삭유의 제조방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 보조탱크의 층별로 장치된 배관은 보조탱크의 제일 하단부에서부터 수직방향을 따라 일정간격으로 배치된 3개의 배출 배관인 것을 특징으로 하는 식물성 폐유를 이용한 바이오디젤, 중유 및 절삭유의 제조방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 보조탱크 상의 층별로 배치된 3개의 수직배관은 상층부로부터 각각 바이오디젤, 중유, 절삭유 추출전용 배관인 것을 특징으로 하는 식물성 폐유를 이용한 바이오디젤, 중유 및 절삭유의 제조방법.
   

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