KR102494796B1 - Method for manufacturing biofuel - Google Patents

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Abstract

바이오 연료 제조방법과 관련한 발명이 개시된다. 한 구체예에서 상기 바이오 연료 제조방법은 일산화탄소를 함유하는 배가스가 유입되는 가스 유입라인, 상기 가스 유입라인의 상부에 구비되는 pH 프로브 및 상기 pH 프로브 상부에 구비되어 pH 조절제가 투입되는 제1 투입라인을 포함하며, 내부에 혐기성 미생물을 포함하는 반응배지가 구비된 반응기; 및 상기 반응기 하부의 일측에 구비되는 회전수단;을 포함하는, 바이오 연료 제조장치를 이용한 바이오 연료 제조방법이며, 상기 반응기 내부에 유입된 배가스 및 pH 조절제를 이용하여 상기 반응배지에서 혐기성 미생물을 배양 및 발효하여 혼합발효액을 제조하는 단계; 및 상기 혼합발효액으로부터 에탄올을 정제하는 단계;를 포함하며, 상기 일산화탄소를 함유하는 배가스는 전로가스(LDG)를 포함한다.An invention related to a biofuel manufacturing method is disclosed. In one embodiment, the biofuel production method includes a gas inlet line into which exhaust gas containing carbon monoxide is introduced, a pH probe provided above the gas inlet line, and a first input line provided above the pH probe and into which a pH adjuster is introduced. Including, a reactor equipped with a reaction medium containing anaerobic microorganisms therein; And a rotation means provided at one side of the lower part of the reactor; a biofuel production method using a biofuel production apparatus, comprising culturing anaerobic microorganisms in the reaction medium using exhaust gas and a pH adjuster introduced into the reactor, and fermenting to prepare a mixed fermentation broth; and purifying ethanol from the mixed fermentation broth, and the exhaust gas containing carbon monoxide includes converter gas (LDG).

Description

바이오 연료 제조방법 {METHOD FOR MANUFACTURING BIOFUEL}Bio fuel manufacturing method {METHOD FOR MANUFACTURING BIOFUEL}

본 발명은 바이오 연료 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 바이오 연료 제조장치를 사용한 바이오 연료 생산시, 실시간 가스 조성 분석을 통하여 생산성 및 경제성이 우수한 바이오 연료 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a biofuel production method. More specifically, it relates to a biofuel manufacturing method with excellent productivity and economy through real-time gas composition analysis during biofuel production using a biofuel manufacturing apparatus.

일관제철 공정에서는 코크스오븐가스(COG), 고로가스(BFG) 및 전로가스(LDG) 등의 부생가스가 다량 발생하게 된다. 종래에는 이러한 부생가스를 열풍로, 가열로, 보일러 등의 제철 공정에서 재사용하거나, 발전소로 보내어 전력을 생산하기 위해 활용하였다. 상기 고로가스 및 전로가스는 일산화탄소(CO)가 함유되어 있으며 그 조성이 각각 약 25 부피% 및 55 부피%에 달한다. 상기 일산화탄소는 외부로 배출되는 경우 공해문제가 발생된다. 또한, 상기 일산화탄소를 연료원으로 사용하여 연소된 상태로 배출하는 경우에도, 저품질의 에너지원이 되는 한계점이 있다.In the integrated steelmaking process, a large amount of by-product gases such as coke oven gas (COG), blast furnace gas (BFG), and converter gas (LDG) are generated. Conventionally, such by-product gas was reused in a steel making process such as a hot air furnace, a heating furnace, or a boiler, or sent to a power plant and used to generate electricity. The blast furnace gas and converter gas contain carbon monoxide (CO), and their compositions reach about 25% by volume and 55% by volume, respectively. When the carbon monoxide is discharged to the outside, a pollution problem occurs. In addition, even when the carbon monoxide is used as a fuel source and discharged in a burnt state, there is a limit to being a low-quality energy source.

이에 따라, 상기 일산화탄소를 공정에서 재사용하는 것이 아닌 메탄가스화, 바이오 에탄올 제조 등 여러 기술이 개발되고 있는 실정이다.Accordingly, various technologies such as methane gasification and bioethanol production are being developed rather than reusing the carbon monoxide in the process.

상기 바이오 에탄올 생산 공정은, 제철소에서 발생되는 부생가스 중 CO가 다량 함유된 코크스 오븐가스(LDG)를 활용하여 생산된다. LDG는 가스 처리와 승압을 거쳐 에탄올 생산 반응기로 유입되는데, 여기서 미생물 반응을 통해 에탄올이 생성되며, 생성된 에탄올은 정제 설비를 거쳐 고순도의 에탄올로 제조되어 판매되고 있다. 또한, 바이오 에탄올 생산 공정 중 발생되는 잔여 가스를 활용한 증기 생산 등 부가적 효과를 발생 시킬 수 있다. 여기서 발생된 증기는 공정 중 필요한 에너지로 재활용되어 공정의 효율을 향상시킬 수 있다.The bioethanol production process is produced using coke oven gas (LDG) containing a large amount of CO among by-product gases generated in steel mills. LDG is introduced into an ethanol production reactor through gas treatment and pressure boosting, where ethanol is produced through a microbial reaction, and the produced ethanol is manufactured and sold as high purity ethanol through purification facilities. In addition, additional effects such as steam production using residual gas generated during the bioethanol production process can be generated. The steam generated here can be recycled as energy required during the process to improve the efficiency of the process.

본 발명과 관련한 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제2019-0099416호(2019.08.27. 공개, 발명의 명칭: 바이오 연료를 생산하기 위한 방법 및 장치)에 개시되어 있다.Background art related to the present invention is disclosed in Republic of Korea Patent Publication No. 2019-0099416 (published on August 27, 2019, title of the invention: method and apparatus for producing biofuel).

본 발명의 일 실시예에 의하면, 일산화탄소 함유 가스의 유량 및 조성 편차를 최소화하는 바이오 연료 제조방법에 관한 것이다.According to one embodiment of the present invention, it relates to a method for producing biofuel that minimizes variation in the flow rate and composition of carbon monoxide-containing gas.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 산소(O2) 유입량을 최소화하는 바이오 연료 제조방법에 관한 것이다.According to one embodiment of the present invention, it relates to a biofuel production method that minimizes the inflow of oxygen (O 2 ).

본 발명의 일 실시예에 의하면, 생산성 및 경제성이 우수한 바이오 연료 제조방법에 관한 것이다.According to one embodiment of the present invention, it relates to a biofuel manufacturing method with excellent productivity and economy.

본 발명의 하나의 관점은 바이오 연료 제조방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 바이오 연료 제조방법은 일산화탄소를 함유하는 배가스가 유입되는 가스 유입라인, 상기 가스 유입라인의 상부에 구비되는 pH 프로브 및 상기 pH 프로브 상부에 구비되어 pH 조절제가 투입되는 제1 투입라인을 포함하며, 내부에 혐기성 미생물을 포함하는 반응배지가 구비된 반응기; 및 상기 반응기 하부의 일측에 구비되는 회전수단;을 포함하는, 바이오 연료 제조장치를 이용한 바이오 연료 제조방법이며, 상기 반응기 내부에 유입된 배가스 및 pH 조절제를 이용하여 상기 반응배지에서 혐기성 미생물을 배양 및 발효하여 혼합발효액을 제조하는 단계; 및 상기 혼합발효액으로부터 에탄올을 정제하는 단계;를 포함하며, 상기 일산화탄소를 함유하는 배가스는 전로가스(LDG)를 포함하고, 상기 가스 유입라인에는 전처리부, 가스 유량계, 산소 측정수단 및 일산화탄소 측정수단이 순차적으로 연결되며, 상기 전처리부는 가스 승압부, 산소 제거부 및 황 제거부를 포함하고, 상기 전처리부, 가스 유량계, 산소 측정수단, 일산화탄소 측정수단, pH 프로브, 제1 투입라인 및 회전수단은 각각 제어부와 전기적으로 연결되어 제어되고, 상기 바이오 연료 제조시 상기 산소 측정수단에서 측정된 배가스 중 산소 농도가 기설정된 수치 범위 초과인 경우, 상기 제어부에서 전처리부를 제어하여 상기 배가스 유량을 감소하거나, 산소 제거량을 증가시키며, 상기 측정된 배가스 중 산소 농도가 기설정된 수치 범위 미만인 경우, 상기 pH 프로브에서 상기 반응기 내부의 pH를 측정하고, 상기 반응기 내부의 pH 값이 기설정된 수치 범위를 벗어난 경우, 상기 제어부에서 제1 투입라인을 제어하여 pH 투입제 투입량을 증가시키거나, 상기 전처리부를 제어하여 배가스 유량을 증가시킨다.One aspect of the present invention relates to a method for producing biofuels. In one embodiment, the biofuel production method includes a gas inlet line into which exhaust gas containing carbon monoxide is introduced, a pH probe provided above the gas inlet line, and a first input line provided above the pH probe and into which a pH adjuster is introduced. Including, a reactor equipped with a reaction medium containing anaerobic microorganisms therein; And a rotation means provided at one side of the lower part of the reactor; a biofuel production method using a biofuel production apparatus, comprising culturing anaerobic microorganisms in the reaction medium using exhaust gas and a pH adjuster introduced into the reactor, and fermenting to prepare a mixed fermentation broth; and purifying ethanol from the mixed fermentation broth, wherein the exhaust gas containing carbon monoxide includes converter gas (LDG), and a preprocessing unit, a gas flowmeter, an oxygen measuring unit and a carbon monoxide measuring unit are installed in the gas inlet line. The preprocessing unit includes a gas boosting unit, an oxygen removal unit, and a sulfur removal unit, and the preprocessing unit, gas flowmeter, oxygen measuring unit, carbon monoxide measuring unit, pH probe, first input line, and rotation unit are each controlled by a control unit. is electrically connected to and controlled, and when the oxygen concentration in the exhaust gas measured by the oxygen measuring means during biofuel production exceeds a predetermined numerical range, the control unit controls the preprocessing unit to reduce the exhaust gas flow rate or to increase the amount of oxygen removal increase, and when the measured oxygen concentration in the exhaust gas is less than a predetermined numerical range, the pH probe measures the pH inside the reactor, and when the pH value inside the reactor is outside the predetermined numerical range, the controller controls 1 The input line is controlled to increase the pH input agent input, or the exhaust gas flow rate is increased by controlling the pretreatment unit.

한 구체예에서 상기 산소 측정수단 및 일산화탄소 측정수단은 각각 파장가변 다이오드 레이저 분석기(Tunable Diode Laser Spectrometer, TDLS)를 포함할 수 있다.In one embodiment, the oxygen measuring means and the carbon monoxide measuring means may each include a tunable diode laser spectrometer (TDLS).

한 구체예에서 상기 기설정된 배가스 중 산소농도는 5~15ppm일 수 있다.In one embodiment, the predetermined oxygen concentration in the exhaust gas may be 5 to 15 ppm.

한 구체예에서 상기 기설정된 pH 수치 범위는 4.5~5.5일 수 있다.In one embodiment, the preset pH range may be 4.5 to 5.5.

한 구체예에서 상기 반응기 내부의 pH 값이 4.5 미만인 경우, 상기 제어부에서 상기 제1 투입라인을 제어하여 pH 투입제 투입량을 증가시키며, 상기 반응기 내부의 pH 값이 5.5 초과인 경우, 상기 제어부에서 상기 전처리부를 제어하여 배가스 유량을 증가시킬 수 있다.In one embodiment, when the pH value inside the reactor is less than 4.5, the control unit controls the first input line to increase the pH input agent input amount, and when the pH value inside the reactor exceeds 5.5, the control unit controls the pH value inside the reactor. The exhaust gas flow rate may be increased by controlling the preprocessing unit.

한 구체예에서 상기 반응기 내부의 pH 값이 4.5 미만인 경우, 상기 제어부에서 회전수단을 제어하여 모터 회전수를 증가하여, 상기 pH 투입제와 배가스의 혼합속도를 증가시킬 수 있다.In one embodiment, when the pH value inside the reactor is less than 4.5, the control unit controls the rotating means to increase the number of rotations of the motor, thereby increasing the mixing speed of the pH input agent and exhaust gas.

한 구체예에서 상기 반응기 상부에는 상기 반응기에서 미반응된 배가스가 배출되는 배출라인이 구비될 수 있다.In one embodiment, a discharge line through which unreacted exhaust gas from the reactor is discharged may be provided at the top of the reactor.

본 발명의 바이오 연료 제조방법을 적용시, 산소(O2) 유입량을 최소화하며, 일산화탄소 함유 가스의 유량 및 조성 편차에 따른 바이오 연료 생산성 저하를 최소화하며, 생산성 및 경제성이 우수할 수 있다.When the biofuel production method of the present invention is applied, the amount of oxygen (O 2 ) inflow is minimized, the decrease in biofuel productivity due to the flow rate and composition variation of carbon monoxide-containing gas is minimized, and productivity and economic efficiency can be excellent.

도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 바이오 연료 제조방법을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 바이오 연료 제조장치를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 바이오 연료 제조장치의 제어로직을 나타낸 것이다.
1 shows a biofuel manufacturing method according to one embodiment of the present invention.
2 shows a biofuel production apparatus according to one embodiment of the present invention.
Figure 3 shows the control logic of the biofuel manufacturing apparatus according to one embodiment of the present invention.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다. 이때, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail. At this time, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known technology or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In addition, the terms to be described below are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention or custom of the user or operator, so the definitions should be made based on the content throughout this specification describing the present invention.

바이오 연료 제조방법Bio fuel manufacturing method

본 발명의 하나의 관점은 바이오 연료 제조방법에 관한 것이다. 도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 바이오 연료 제조방법을 나타낸 것이다. 상기 도 1을 참조하면, 상기 바이오 연료 제조방법은 (S10) 혼합발효액 제조단계; 및 (S20) 에탄올 정제단계;를 포함한다. 보다 구체적으로, 상기 바이오 연료 제조방법은 (S10) 반응기 내부에 유입된 배가스 및 pH 조절제를 이용하여 상기 반응배지에서 혐기성 미생물을 배양 및 발효하여 혼합발효액을 제조하는 단계; 및 (S20) 상기 혼합발효액으로부터 에탄올을 정제하는 단계;를 포함한다. One aspect of the present invention relates to a method for producing biofuels. 1 shows a biofuel manufacturing method according to one embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the biofuel manufacturing method includes (S10) preparing a mixed fermented liquid; and (S20) an ethanol purification step. More specifically, the biofuel production method includes (S10) culturing and fermenting anaerobic microorganisms in the reaction medium using exhaust gas and a pH regulator introduced into the reactor to prepare a mixed fermentation broth; and (S20) purifying ethanol from the mixed fermentation broth.

이하, 본 발명에 따른 바이오 연료 제조방법을 단계별로 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, the biofuel manufacturing method according to the present invention will be described in detail step by step.

(S10) 혼합발효액 제조단계(S10) Mixed fermentation liquid manufacturing step

상기 단계는 반응기 내부에 유입된 배가스 및 pH 조절제를 반응배지에서 배양 및 발효하여 혼합발효액을 제조하는 단계이다.This step is a step of preparing a mixed fermentation broth by culturing and fermenting the flue gas and the pH adjusting agent introduced into the reactor in a reaction medium.

도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 바이오 연료 제조장치를 나타낸 것이다. 상기 도 2를 참조하면, 바이오 연료 제조장치(1000)는 일산화탄소를 함유하는 배가스가 유입되는 가스 유입라인(100), 가스 유입라인(100)의 상부에 구비되는 pH 프로브(110) 및 pH 프로브(110)의 상부에 구비되어 pH 조절제가 투입되는 제1 투입라인(120)을 포함하며, 내부에 혐기성 미생물을 포함하는 반응배지(미도시)가 구비된 반응기(200); 및 반응기(200) 하부의 일측에 구비되는 회전수단(130);을 포함한다. 본 발명의 바이오 연료 제조방법은, 상기 바이오 연료 제조장치를 이용하여 실시된다.2 shows a biofuel production apparatus according to one embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the biofuel production apparatus 1000 includes a gas inlet line 100 into which exhaust gas containing carbon monoxide flows, a pH probe 110 provided on top of the gas inlet line 100, and a pH probe ( 110), including a first input line 120 into which a pH adjusting agent is introduced, and having a reaction medium (not shown) containing anaerobic microorganisms therein (200); and a rotating means 130 provided on one side of the bottom of the reactor 200. The biofuel production method of the present invention is carried out using the biofuel production device.

상기 일산화탄소를 함유하는 배가스는 전로가스(LDG)를 포함한다. 한 구체예에서 상기 전로가스는 일산화탄소(CO) 45~70 부피%, 수소(H2) 0.5~2 부피%를 포함할 수 있다. 상기 전로 가스를 포함시 에탄올 등의 바이오 연료 제조시 생산과 효율성이 우수할 수 있다.The exhaust gas containing carbon monoxide includes converter gas (LDG). In one embodiment, the converter gas may include 45 to 70 vol% of carbon monoxide (CO) and 0.5 to 2 vol% of hydrogen (H 2 ). When the converter gas is included, production and efficiency may be excellent when manufacturing biofuels such as ethanol.

한 구체예에서 상기 혐기성 미생물은 일산화탄소 영양(carboxydotrophic) 미생물일 수 있다. 구체적으로 상기 혐기성 미생물은 일산화탄소(CO)로부터 에너지 및 탄소를 얻는 미생물일 수 있다. 한 구체예에서 상기 혐기성 미생물은 모렐라(Moorella), 클로스트리디아(Clostridia), 구미노코커스(Ruminococcus), 아세토박테륨(Acetobacterium), 유박테륨(Eubacterium), 부티리박테륨(Butyribacterium), 옥소박터(Oxobacter), 메타노사르시나(Methanosarcina) 및 데술포토마쿨룸(Desulfotomaculum) 속 중 하나 이상 포함할 수 있다.In one embodiment, the anaerobic microorganism may be a carboxydotrophic microorganism. Specifically, the anaerobic microorganisms may be microorganisms that obtain energy and carbon from carbon monoxide (CO). In one embodiment, the anaerobic microorganism is Morella, Clostridia , Ruminococcus , Acetobacterium , Eubacterium , Butyribacterium , Oxobacter ( Oxobacter ), Methanosarcina ( Methanosarcina ) and Desulfotomaculum ( Desulfotomaculum ) may include one or more of the genera.

한 구체예에서 상기 배가스가 반응배지에서 상기 혐기성 미생물과 접촉하여, 배양 및 발효하여 혼합발효액이 제조되며, pH 조절제는 상기 반응배지의 pH를 4.5~5.5 범위로 조절하여 바이오 연료 생산성을 향상시키는 목적으로 포함된다. 예를 들면, 상기 반응배지의 pH를 5.0으로 조절할 수 있다. 예를 들면 상기 pH 조절제는 수산화암모늄(NH4OH)을 포함할 수 있다.In one embodiment, the exhaust gas is contacted with the anaerobic microorganisms in a reaction medium, cultured and fermented to prepare a mixed fermentation broth, and the pH adjuster adjusts the pH of the reaction medium to a range of 4.5 to 5.5 To improve biofuel productivity included in For example, the pH of the reaction medium may be adjusted to 5.0. For example, the pH adjusting agent may include ammonium hydroxide (NH 4 OH).

한 구체에에서 pH 프로브(110)는 상기 반응배지의 pH를 측정할 수 있다. 또한, 본 발명은 pH 프로브(110)의 하부에 구비된, 가스 유입라인에서 유입된 배가스의 진행방향으로 pH 조절제를 투입하기 위해, 상기 도 2와 같이 pH 프로브(110)를 상기 pH 조절제가 투입되는 제1 투입라인(120) 하부에 형성한다.In one embodiment, the pH probe 110 can measure the pH of the reaction medium. In addition, in the present invention, the pH probe 110 is inserted into the pH probe 110 as shown in FIG. It is formed below the first input line 120 to be.

상기 pH 프로브(110)를 제1 투입라인(120)의 하부에 형성시, 상기 배가스의 CO 함량에 따른 pH 변화를 빠르게 파악할 수 있어, 배가스 유량이 일정치 않은 경우에도 내부 반응배지의 pH를 오차 없이 조절하여 에탄올의 생산성이 우수할 수 있다.When the pH probe 110 is formed at the bottom of the first input line 120, it is possible to quickly grasp the pH change according to the CO content of the exhaust gas, so that the pH of the internal reaction medium can be measured as an error even when the exhaust gas flow rate is not constant. The productivity of ethanol can be excellent by controlling without.

상기 반응배지는 당 업계에서 통상적으로 사용되는 첨가제를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 반응기는 혐기성 조건으로 유지되며, 통상적인 조건을 적용하여 배양 및 발효시킬 수 있다.The reaction medium may further include additives commonly used in the art. In addition, the reactor is maintained under anaerobic conditions and can be cultured and fermented under conventional conditions.

본 발명의 반응기는 통상적인 것을 사용할 수 있다. 예를 들면, 혐기성미생물의 배양을 위한 반응배지와 상기 배가스를 접촉시키기에 적합한 타워 형태일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.Conventional reactors of the present invention can be used. For example, it may be a tower type suitable for contacting a reaction medium for culturing anaerobic microorganisms and the exhaust gas, but is not limited thereto.

(S20) 에탄올 정제단계(S20) ethanol purification step

상기 단계는 상기 혼합발효액으로부터 에탄올을 정제하는 단계이다. 한 구체예에서 상기 혼합발효액은, 에탄올 및 아세트산(또는 아세테이트 이온)을 포함할 수 있다. 상기 아세트산의 함량이 증가시, 상기 배양배지의 pH가 감소할 수 있으며, 이 경우 에탄올 수율이 감소하기 때문에, 상기 투입라인을 통해 pH 조절제를 투입하여 반응기 배양배지의 pH를 조절할 수 있다.This step is a step of purifying ethanol from the mixed fermentation broth. In one embodiment, the mixed fermentation broth may include ethanol and acetic acid (or acetate ion). When the acetic acid content increases, the pH of the culture medium may decrease, and in this case, since the ethanol yield decreases, the pH of the reactor culture medium may be adjusted by introducing a pH adjuster through the input line.

상기 혼합발효액에 포함된 에탄올은 통상의 방법으로 정제할 수 있다. 예를 들면 세포 분리기 등을 통해 상기 혼합발효액을 여과하여 혐기성 미생물을 분리하고, 증류장치 또는 흡착필터링 장치 등을 이용하여 에탄올을 정제할 수 있다. Ethanol contained in the mixed fermentation broth can be purified by a conventional method. For example, anaerobic microorganisms may be separated by filtering the mixed fermentation broth through a cell separator, etc., and ethanol may be purified using a distillation device or an adsorption filtering device.

상기 도 2를 참조하면, 반응기(200)의 상부에는, 반응기에서 미반응된 배가스가 배출되는 배출라인(210)이 구비될 수 있다.Referring to FIG. 2, a discharge line 210 through which unreacted exhaust gas is discharged may be provided at the top of the reactor 200.

상기 도 2를 참조하면, 바이오 연료 제조장치의 가스 유입라인(100)에는 전처리부(10), 가스 유량계, 산소 측정수단 및 일산화탄소 측정수단이 순차적으로 연결된다.Referring to FIG. 2, the preprocessing unit 10, the gas flowmeter, the oxygen measuring unit and the carbon monoxide measuring unit are sequentially connected to the gas inlet line 100 of the biofuel production device.

상기 도 2에는 도시되지 않았으나, 전처리부(10)는 가스 승압부, 산소 제거부 및 황 제거부를 포함한다. 예를 들면, 상기 가스 승압부, 산소 제거부 및 황 제거부는 순차적으로 연결될 수 있다.Although not shown in FIG. 2, the preprocessing unit 10 includes a gas boosting unit, an oxygen removing unit, and a sulfur removing unit. For example, the gas boosting unit, the oxygen removing unit, and the sulfur removing unit may be sequentially connected.

한 구체예에서 전처리부(10), 가스 유량계(20), 산소 측정수단(30), 일산화탄소 측정수단(40), pH 프로브(110), 제1 투입라인(120) 및 회전수단(130)은 각각 제어부(300)와 전기적으로 연결되어 제어된다.In one embodiment, the preprocessing unit 10, the gas flow meter 20, the oxygen measuring means 30, the carbon monoxide measuring means 40, the pH probe 110, the first input line 120 and the rotating means 130 are Each control unit 300 is electrically connected and controlled.

상기 가스 승압부, 산소 제거부 및 황 제거부는, 상기 가스 유입라인에 유입된 배가스의 진행방향을 기준으로 순차적으로 형성될 수 있다.The gas boosting unit, the oxygen removing unit, and the sulfur removing unit may be sequentially formed based on the traveling direction of the exhaust gas introduced into the gas inlet line.

도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 바이오 연료 제조장치의 제어로직을 나타낸 것이다. 상기 도 3을 참조하면, 상기 바이오연료 제조시, 산소 측정수단에서 측정된 배가스 중 산소 농도가 기설정된 수치 범위 초과인 경우, 상기 제어부에서 전처리부를 제어하여 상기 배가스 유량을 감소하거나, 산소 제거량을 증가시키며, 상기 측정된 배가스 중 산소 농도가 기설정된 수치 범위 이하인 경우, 상기 pH 프로브에서 상기 반응기 내부의 pH를 측정하고, 상기 반응기 내부의 pH 값이 기설정된 수치 범위를 벗어난 경우, 상기 제어부에서 제1 투입라인을 제어하여 pH 투입제 투입량을 증가시키거나, 상기 전처리부를 제어하여 배가스 유량을 증가시킨다.Figure 3 shows the control logic of the biofuel manufacturing apparatus according to one embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, when the oxygen concentration in the exhaust gas measured by the oxygen measuring unit exceeds a predetermined numerical range during biofuel production, the control unit controls the preprocessing unit to reduce the exhaust gas flow rate or increase the oxygen removal amount. When the measured oxygen concentration in the exhaust gas is less than a predetermined numerical range, the pH probe measures the pH inside the reactor, and when the pH value inside the reactor is outside the predetermined numerical range, the control unit first The input line is controlled to increase the pH input agent input, or the exhaust gas flow rate is increased by controlling the pretreatment unit.

한 구체예에서 상기 산소 측정수단(30) 및 일산화탄소 측정수단(40)은 각각 파장가변 다이오드 레이저 분석기(Tunable Diode Laser Spectrometer, TDLS)를 포함할 수 있다. 상기 파장가변 다이오드 레이저 분석기는, 레이저 발광부 및 레이저 수신부를 포함하며, 상기 가스 유입라인에 유입된 배가스의 산소 농도 및 일산화탄소 농도를 실시간으로 분석할 수 있어 공정 자동화 효율성이 우수할 수 있다.In one embodiment, the oxygen measuring means 30 and the carbon monoxide measuring means 40 may each include a tunable diode laser spectrometer (TDLS). The tunable diode laser analyzer includes a laser emitting unit and a laser receiving unit, and can analyze in real time the oxygen concentration and carbon monoxide concentration of the exhaust gas introduced into the gas inlet line, so that process automation efficiency can be excellent.

한 구체예에서 상기 배가스 중 산소 농도가 기설정된 수치 범위 초과인 경우 상기 제어부에서 전처리부의 가스 승압부를 제어하여 상기 배가스 유량을 감소하거나, 산소 제거부를 제어하여 산소 제거량을 증가시킬 수 있다.In one embodiment, when the oxygen concentration in the exhaust gas exceeds a predetermined numerical range, the control unit may control the gas boosting unit of the preprocessing unit to decrease the exhaust gas flow rate or increase the oxygen removal amount by controlling the oxygen removal unit.

한 구체예에서 상기 배가스 중 산소 농도가 기설정된 수치 범위 이하인 경우, 반응기 내부의 반응 배지의 pH 값을 제어한다. In one embodiment, when the oxygen concentration in the exhaust gas is below a predetermined range, the pH value of the reaction medium inside the reactor is controlled.

상기 배가스의 유량과 일산화탄소 농도를 실시간으로 분석하여 상기 배가스의 유량과 일산화탄소 농도가 증가하면, 반응배지에서의 반응 속도가 증가하여 아세트산의 농도가 증가할 수 있다. 이때 적정 pH에서 pH가 저하되면, 수산화암모늄 등의 pH 조절제를 투입하여 조절할 수 있다. 이 경우 수산화 암모늄이 빠르게 혼합 되지 않을 경우 과량이 투입되어 pH가 지나치게 증가하여 오히려 미생물 생장을 방해할 수 있다. 상기 pH 조절제의 혼합속도 증가를 위해서는 상기 pH 프로브의 위치가 중요하다. 즉, 상기 pH 프로브의 위치를 배가스 유체 방향을 고려하여 상기 제1 투입라인 이전에 설치 하여 완전 혼합의 상태를 판단 한다. 또한 pH가 떨어져서 수산화 나트륨 투입량이 증가시 모터의 회전수를 증가하여 혼합속도를 증가시켜 pH를 조절할 수 있다. When the flow rate and carbon monoxide concentration of the exhaust gas are analyzed in real time and the flow rate and carbon monoxide concentration of the exhaust gas increase, the reaction rate in the reaction medium may increase and the concentration of acetic acid may increase. At this time, when the pH is lowered from the proper pH, it can be adjusted by introducing a pH adjusting agent such as ammonium hydroxide. In this case, if ammonium hydroxide is not mixed quickly, an excessive amount is added and the pH increases excessively, which may rather hinder the growth of microorganisms. The position of the pH probe is important to increase the mixing speed of the pH adjusting agent. That is, the position of the pH probe is installed before the first input line in consideration of the direction of the exhaust gas fluid to determine the complete mixing state. In addition, when the amount of sodium hydroxide is increased due to a drop in pH, the rotation speed of the motor is increased to increase the mixing speed to adjust the pH.

예를 들면 상기 측정된 배가스 중 산소 농도가 기설정된 수치 범위 이하인 경우, 상기 pH 프로브에서 상기 반응기 내부의 pH를 측정하고, 상기 반응기 내부의 pH 값이 기설정된 수치 범위를 벗어난 경우, 상기 제어부에서 제1 투입라인을 제어하여 pH 투입제 투입량을 증가시키거나, 상기 전처리부를 제어하여 배가스 유량을 증가시킨다.For example, when the measured oxygen concentration in the exhaust gas is less than a predetermined numerical range, the pH probe measures the pH inside the reactor, and when the pH value inside the reactor is out of a predetermined numerical range, the controller controls 1 The input line is controlled to increase the pH input agent input, or the exhaust gas flow rate is increased by controlling the pretreatment unit.

상기 배가스의 유량 편차가 심한 경우, 상기 산소 제거부의 산소 제거 효율성이 저하되어 반응기 내부의 산소 함량이 증가할 수 있다. 그러나 상기와 같이 실시간으로 측정된 산소농도와 기설정된 수치 범위를 비교하여 제어부를 통해 제어하는 경우, 반응기 내부의 혐기성 미생물에 악영향을 미칠 수 있는 산소량을 최소화할 수 있어 바이오 연료의 생산성이 우수할 수 있다.When the flow rate of the flue gas fluctuates greatly, the oxygen removal efficiency of the oxygen removal unit may decrease, and thus the oxygen content in the reactor may increase. However, when the control unit compares the oxygen concentration measured in real time with a preset numerical range as described above, the amount of oxygen that can adversely affect anaerobic microorganisms inside the reactor can be minimized, resulting in excellent biofuel productivity. there is.

한 구체예에서 상기 기설정된 배가스 중 산소농도는 5~15ppm일 수 있다. 상기 조건으로 제어시, 반응기 내부의 혐기성 미생물에 악영향을 미칠 수 있는 산소량을 최소화할 수 있어 바이오 연료의 생산성이 우수할 수 있다. 예를 들면 상기 기설정된 배가스 중 산소농도는 10ppm일 수 있다.In one embodiment, the predetermined oxygen concentration in the exhaust gas may be 5 to 15 ppm. When the above conditions are controlled, the amount of oxygen that can adversely affect anaerobic microorganisms inside the reactor can be minimized, so that biofuel productivity can be improved. For example, the predetermined oxygen concentration in exhaust gas may be 10 ppm.

한 구체예에서 상기 기설정된 pH 수치 범위는 4.5~5.5 일 수 있다. 한 구체예에서 상기 반응기 내부의 pH 값이 4.5 미만인 경우, 상기 제어부에서 상기 제1 투입라인을 제어하여 pH 투입제 투입량을 증가시키며, 상기 반응기 내부의 pH 값이 5.5 초과인 경우, 상기 제어부에서 상기 전처리부를 제어하여 배가스 유량을 증가시킬 수 있다.In one embodiment, the preset pH range may be 4.5 to 5.5. In one embodiment, when the pH value inside the reactor is less than 4.5, the control unit controls the first input line to increase the pH input agent input amount, and when the pH value inside the reactor exceeds 5.5, the control unit controls the pH value inside the reactor. The exhaust gas flow rate may be increased by controlling the preprocessing unit.

한 구체예에서 상기 반응기 내부의 pH 값이 4.5 미만인 경우, 상기 제어부에서 회전수단을 제어하여 모터 회전수를 증가하여, 상기 pH 투입제와 배가스의 혼합속도를 증가시킬 수 있다. 상기와 같이 혼합속도 증가시 미생물 생장이 저하되는 현상을 방지하여 바이오 연료 생산성이 우수할 수 있다.In one embodiment, when the pH value inside the reactor is less than 4.5, the control unit controls the rotating means to increase the number of rotations of the motor, thereby increasing the mixing speed of the pH input agent and exhaust gas. As described above, when the mixing speed is increased, the growth of microorganisms may be prevented, and thus biofuel productivity may be excellent.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in more detail through preferred embodiments of the present invention. However, this is presented as a preferred example of the present invention and cannot be construed as limiting the present invention by this in any sense.

실시예 Example

하기 도 2와 같은 바이오 연료 제조장치를 이용하여 바이오 연료를 제조하였다. 구체적으로, 가스유입라인(100)을 통해 배가스(전로가스(LDG)를 유입하고, 제1 투입라인(120)을 통해 pH 조절제(수산화암모늄)를 반응기(200) 내부로 유입하고, 상기 유입된 배가스 및 pH 조절제를 이용하여 상기 반응배지에서 혐기성 미생물(일산화탄소 영양(carboxydotrophic) 미생물)을 통상의 방법으로 배양 및 발효하여 혼합발효액을 제조하였다. 그 다음에, 상기 혼합발효액으로부터 통상의 방법으로 혐기성 미생물과 아세트산을 분리하여 에탄올을 정제하였다. 이때, 반응기(200) 내부에 미반응된 배가스는, 배출라인(210)을 통해 장치 외부로 배출하였다. Biofuel was produced using a biofuel manufacturing apparatus as shown in FIG. 2 below. Specifically, the exhaust gas (converter gas (LDG) is introduced through the gas inlet line 100, the pH adjuster (ammonium hydroxide) is introduced into the reactor 200 through the first input line 120, and the introduced Anaerobic microorganisms (carboxydotrophic microorganisms) were cultured and fermented in the reaction medium in the reaction medium using flue gas and pH adjusting agent in a conventional manner to prepare a mixed fermentation broth. Peracetic acid was separated to purify ethanol.At this time, unreacted flue gas inside the reactor 200 was discharged to the outside of the device through a discharge line 210.

이때 산소 측정수단(30) 및 일산화탄소 측정수단(40)은 각각 파장가변 다이오드 레이저 분석기(TDLS)를 사용하였다.At this time, the oxygen measuring means 30 and the carbon monoxide measuring means 40 each used a tunable diode laser analyzer (TDLS).

상기 바이오 연료 제조시 산소 측정수단(30)에서 측정된 배가스 중 산소 농도가 10ppm 초과하여, 제어부(300)에서 전처리부(10)의 가스 승압부 또는 산소 제거부를 제어하여 상기 배가스 유량을 감소하거나, 산소 제거량을 증가시켜 상기 배가스 중 산소 농도를 저감하였다. When the oxygen concentration in the exhaust gas measured by the oxygen measuring means 30 exceeds 10 ppm during biofuel production, the control unit 300 controls the gas boosting unit or the oxygen removal unit of the preprocessing unit 10 to reduce the exhaust gas flow rate, The oxygen concentration in the exhaust gas was reduced by increasing the amount of oxygen removal.

그 다음에 산소 측정수단에서 측정된 배가스 중 산소 농도는 10ppm 이하로 측정되었으며, pH 프로브(110)에서 반응기(200) 내부의 pH를 측정한 결과 pH 4.5 미만으로 측정되었으며, 제어부(300)에서 제1 투입라인(120)을 제어하여 pH 투입제 투입량을 증가시켰다. 또한, 제어부(300)에서 회전수단(130)을 제어하여 모터 회전수를 증가하여, 상기 pH 투입제와 배가스의 혼합속도를 증가하여 균일하게 혼합하여, pH를 5.0으로 증가시켰다.Then, the oxygen concentration in the exhaust gas measured by the oxygen measuring means was measured to be 10 ppm or less, and as a result of measuring the pH inside the reactor 200 by the pH probe 110, it was measured to be less than pH 4.5, and the control unit 300 1 The input line 120 was controlled to increase the amount of pH input agent. In addition, the control unit 300 controls the rotating means 130 to increase the number of rotations of the motor, thereby increasing the mixing speed of the pH injection agent and the exhaust gas to uniformly mix them, thereby increasing the pH to 5.0.

하기 표 1은 일관제철 공정에서 발생하는 전로가스(LDG)의 유량 변화를 나타낸 것이며, 표 2는 전로가스의 조성을 나타낸 표이다.Table 1 below shows changes in the flow rate of converter gas (LDG) generated in the integrated steelmaking process, and Table 2 is a table showing the composition of the converter gas.

Figure 112020040435495-pat00001
Figure 112020040435495-pat00001

Figure 112020040435495-pat00002
Figure 112020040435495-pat00002

상기 표 1 및 표 2를 참조하면, 일관제철 공정의 부생가스로 발생하는 배가스(전로가스)의 경우, 유량 편차와 일산화탄소 함량의 편차가 심하여, 배가스 내부의 산소 제거 효율성이 제거되기 어렵고, 바이오 연료 제조시 반응배지의 pH를 조절하기 어려운 문제점이 있었다. 그러나, 본 발명에 따른 바이오 연료 제조방법을 적용시, 배가스 산소 함량과 일산화탄소 함량 및 반응기 내부의 pH를 실시간으로 분석하여, 반응기 내부의 산소 함량 및 pH 조건을 조절하여 미생물 발효 조건을 최적으로 유지하는 효과가 우수함을 알 수 있었다.Referring to Tables 1 and 2, in the case of flue gas (converter gas) generated as a by-product gas of the integrated steelmaking process, the deviation of flow rate and carbon monoxide content is severe, making it difficult to remove oxygen removal efficiency in the flue gas, and biofuel There was a difficult problem in adjusting the pH of the reaction medium during manufacture. However, when the biofuel production method according to the present invention is applied, the oxygen content of the exhaust gas, the carbon monoxide content, and the pH inside the reactor are analyzed in real time, and the oxygen content and pH conditions inside the reactor are adjusted to maintain the optimum microbial fermentation conditions It was found that the effect was excellent.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.Simple modifications or changes of the present invention can be easily performed by those skilled in the art, and all such modifications or changes can be considered to be included in the scope of the present invention.

10: 전처리부 20: 가스 유량계
30: 산소 측정수단 40: 일산화탄소 측정수단
100: 가스 유입라인 110: pH 프로브
120: 제1 투입라인 130: 회전수단
200: 반응기 210: 배출라인
300: 제어부 1000: 바이오 연료 제조장치
10: preprocessing unit 20: gas flow meter
30: oxygen measuring means 40: carbon monoxide measuring means
100: gas inlet line 110: pH probe
120: first input line 130: rotation means
200: reactor 210: discharge line
300: control unit 1000: biofuel manufacturing device

Claims (7)

일산화탄소를 함유하는 배가스가 유입되는 가스 유입라인, 상기 가스 유입라인의 상부에 구비되는 pH 프로브 및 상기 pH 프로브 상부에 구비되어 pH 조절제가 투입되는 제1 투입라인을 포함하며, 내부에 혐기성 미생물을 포함하는 반응배지가 구비된 반응기; 및 상기 반응기 하부의 일측에 구비되는 회전수단;을 포함하는, 바이오 연료 제조장치를 이용한 바이오 연료 제조방법이며,
상기 반응기 내부에 유입된 배가스 및 pH 조절제를 이용하여 상기 반응배지에서 혐기성 미생물을 배양 및 발효하여 혼합발효액을 제조하는 단계; 및
상기 혼합발효액으로부터 에탄올을 정제하는 단계;를 포함하며,
상기 일산화탄소를 함유하는 배가스는 전로가스(LDG)를 포함하고,
상기 가스 유입라인에는 전처리부, 가스 유량계, 산소 측정수단 및 일산화탄소 측정수단이 순차적으로 연결되며,
상기 전처리부는 가스 승압부, 산소 제거부 및 황 제거부를 포함하고,
상기 전처리부, 가스 유량계, 산소 측정수단, 일산화탄소 측정수단, pH 프로브, 제1 투입라인 및 회전수단은 각각 제어부와 전기적으로 연결되어 제어되고,
상기 바이오 연료 제조시 상기 산소 측정수단에서 측정된 배가스 중 산소 농도가 기설정된 수치 범위 초과인 경우, 상기 제어부에서 전처리부를 제어하여 상기 배가스 유량을 감소하거나, 산소 제거량을 증가시키며,
상기 측정된 배가스 중 산소 농도가 기설정된 수치 범위 이하인 경우, 상기 pH 프로브에서 상기 반응기 내부의 pH를 측정하고,
상기 반응기 내부의 pH 값이 기설정된 수치 범위를 벗어난 경우, 상기 제어부에서 제1 투입라인을 제어하여 pH 투입제 투입량을 증가시키거나, 상기 전처리부를 제어하여 배가스 유량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 바이오 연료 제조방법.
A gas inlet line into which exhaust gas containing carbon monoxide is introduced, a pH probe provided above the gas inlet line, and a first input line provided above the pH probe and into which a pH adjusting agent is introduced, including anaerobic microorganisms therein A reactor equipped with a reaction medium to; And a rotation means provided on one side of the lower part of the reactor; a biofuel manufacturing method using a biofuel manufacturing apparatus including,
preparing a mixed fermentation broth by culturing and fermenting anaerobic microorganisms in the reaction medium using flue gas and a pH regulator introduced into the reactor; and
Purifying ethanol from the mixed fermentation broth; including,
The exhaust gas containing carbon monoxide includes converter gas (LDG),
A preprocessing unit, a gas flow meter, an oxygen measuring unit and a carbon monoxide measuring unit are sequentially connected to the gas inlet line,
The preprocessing unit includes a gas boosting unit, an oxygen removing unit and a sulfur removing unit,
The preprocessing unit, the gas flowmeter, the oxygen measuring means, the carbon monoxide measuring means, the pH probe, the first input line, and the rotating means are electrically connected to and controlled by the control unit, respectively.
When the oxygen concentration in the exhaust gas measured by the oxygen measuring unit during biofuel production exceeds a predetermined numerical range, the control unit controls the preprocessing unit to reduce the exhaust gas flow rate or increase the oxygen removal amount,
When the measured oxygen concentration in the exhaust gas is less than or equal to a predetermined numerical range, the pH probe measures the internal pH of the reactor,
When the pH value inside the reactor is out of a predetermined numerical range, the control unit controls the first input line to increase the pH input agent input or controls the pretreatment unit to increase the exhaust gas flow rate. manufacturing method.
제1항에 있어서,
상기 산소 측정수단 및 일산화탄소 측정수단은 각각 파장가변 다이오드 레이저 분석기(Tunable Diode Laser Spectrometer, TDLS)를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이오 연료 제조방법.
According to claim 1,
The oxygen measuring means and the carbon monoxide measuring means biofuel manufacturing method, characterized in that each comprises a tunable diode laser spectrometer (Tunable Diode Laser Spectrometer, TDLS).
제1항에 있어서,
상기 기설정된 배가스 중 산소농도는 5~15ppm인 것을 특징으로 하는 바이오 연료 제조방법.
According to claim 1,
Biofuel production method, characterized in that the oxygen concentration in the predetermined exhaust gas is 5 ~ 15ppm.
제1항에 있어서,
상기 기설정된 pH 수치 범위는 4.5~5.5인 것을 특징으로 하는 바이오 연료 제조방법.
According to claim 1,
The predetermined pH value range is a biofuel manufacturing method, characterized in that 4.5 ~ 5.5.
제4항에 있어서,
상기 반응기 내부의 pH 값이 4.5 미만인 경우, 상기 제어부에서 상기 제1 투입라인을 제어하여 pH 투입제 투입량을 증가시키며,
상기 반응기 내부의 pH 값이 5.5 초과인 경우, 상기 제어부에서 상기 전처리부를 제어하여 배가스 유량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 바이오 연료 제조방법.
According to claim 4,
When the pH value inside the reactor is less than 4.5, the control unit controls the first input line to increase the pH input agent input amount,
When the pH value inside the reactor is greater than 5.5, the control unit controls the pre-processing unit to increase the exhaust gas flow rate.
제5항에 있어서,
상기 반응기 내부의 pH 값이 4.5 미만인 경우, 상기 제어부에서 회전수단을 제어하여 모터 회전수를 증가하여, 상기 pH 투입제와 배가스의 혼합속도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 바이오 연료 제조방법.
According to claim 5,
When the pH value inside the reactor is less than 4.5, the control unit controls the rotation means to increase the number of rotations of the motor, thereby increasing the mixing speed of the pH input agent and exhaust gas.
제1항에 있어서,
상기 반응기 상부에는 상기 반응기에서 미반응된 배가스가 배출되는 배출라인이 구비되는 것을 특징으로 하는 바이오 연료 제조방법.
According to claim 1,
Biofuel production method, characterized in that the upper part of the reactor is provided with a discharge line through which unreacted exhaust gas is discharged from the reactor.
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