KR20020040693A

KR20020040693A - 폐유 재생방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR20020040693A
Application number: KR1020020009244A
Authority: KR
Inventors: 정문웅; 김병국
Original assignee: 에이비씨 에너지주식회사
Priority date: 2001-02-23
Filing date: 2002-02-21
Publication date: 2002-05-30
Also published as: KR100361106B1

Abstract

본 발명은 폐식용유 및 동물성 유지 등의 폐유를 재생하여 디젤엔진 또는 보일러용 연료로서 사용할 수 있게 하는 폐유 재생방법 및 그 장치에 관한 것으로, 찌꺼기를 제거한 폐유를 50∼80 ℃의 온도에서 흡착제를 첨가하여 초음파의 충격 에너지를 가하면서 20∼40분간 교반시킨 후 산화물, 물, 기타 협착물과 결합된 상기 흡착제를 고성능 원심분리기와 필터로 제거하는 제1단계와, 메탄올에 수산화칼륨을 녹여서 만든 수산화칼륨-메탄올 용액을 상기 제1단계를 거쳐 정제된 폐유에 첨가하고, 50∼80 ℃의 온도에서 30∼65분 교반하여 메틸에스테르화 반응시키는 제2단계와, 상기 제2단계를 거쳐 메틸에스테르화된 반응 용액을 고성능 원심분리기로 무거운 글리세롤을 분리 제거하고 가벼운 기름만을 회수하는 제3단계와, 상기 제3단계를 거쳐 분리 회수된 기름에 소정량의 물을 첨가하여 혼합한 후 소정량의 3N 인산(H₃PO₄) 용액 및 마그네슘 실리케이트를 첨가하여 중화시킨 후 염과 기타 산화생성물질을 고성능 원심분리기와 필터로 제거하는 제4단계 및 상기 제4단계를 거쳐 중화된 기름에 초음파의 충격 에너지를 가하여 공동현상을 통해 상기 기름을 에멀젼화시켜 상분리가 이루어지지 않는 유화상태의 지방산메틸에스테르를 얻는 제5단계로 이루어진 방법이며, 상기 방법을 수행하기 위한 제1,2처리탱크와 처리탱크 내에 설치되는 교반용 임펠러 및 진동자 그리고 원심분리기로 이루어지는 간단한 구조의 폐유 재생장치를 제공한다.

본 발명에 따른 방법 및 장치를 통하여 얻어진 에멀젼화된 지방산메틸에스테르 연료는 상분리가 일어나지 않아 안정한 양질의 연료로 사용할 수 있으며, 에멀젼화된 기름이 연소할 때 기름에 포함된 미량의 물이 미세폭발하면서 연료의 완전연소를 도와주어 매연이 거의 없는 환경 오염방지의 이중효과를 얻게 되고, 간단한 구조의 제조장치 및 제조공정을 통해 폐유의 정제, 분리, 중화 및 에멀젼화시키는 간단한 공정으로 이루어져 폐유 처리비용 및 정화시설 등 투자비용을 절감할 수 있다.

Description

폐유 재생방법 및 그 장치{A method of reproduction of waste oil and an apparatus used therefor}

본 발명은 폐식용유 또는 동물성 유지와 같은 폐유를 재생하는 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 디젤엔진 또는 경유 보일러에 사용할 수 있도록 하기 위하여, 폐식용유 및 동물성 유지를 화학적 처리 및 기계적 반응을 통하여 고점도 성분의 폐유를 개선하여 디젤엔진 또는 경유 보일러에 적합하도록 점도를 낮춤은 물론 환경에 무해하고 연소효율을 향상시키기 위하여 연료입자를 미세화할 수 있도록 하는 폐식용유 또는 동물성 유지와 같은 폐유의 재생방법 및 그 장치에 관한 것이다.

본원 명세서에서 사용되는 "폐유"라는 용어는 일반적으로 사용되는 "산업 폐유"가 아닌, 가정, 식당, 식품가공회사 등에서 사용한 후 배출되는 폐식용유 또는 동물성 유지와 같은 산업용 유류에 비하여 상대적으로 점도가 높은 폐유류 또는 폐유지를 지칭한다.

근래에 들어 식생활이 서구화되면서 튀김식품(potato chip, french fries, friedchicken 등)의 소비가 증가함에 따라 폐식용유의 발생도 증가되고 있다. 상기 폐식용유(식물류, 유지 등으로 발생되는 폐유)는 BOD 요구량이 약 1백만 ppm으로 된장찌개 35,000ppm보다 높으며 물고기가 생존할 수 있는 5ppm에 비하면 20만 배 이상 높으므로 하천오염의 주범이 되고 있다. 상기와 같은 하천오염을 방지하기 위해 폐유지를 재생하여 디젤엔진 또는 보일러용 연료로 재생하는 방법이 제안되고 있다.

종래 폐식용유의 연료화 재생방법으로는, 대한민국 공개특허공보 제99-16815호(공개일자, 1999. 03. 15.)인 "폐식용유를 이용한 자동차 연료 공급장치 및 그 연료 제조방법"에 있어서, 그 연료 제조방법은 필터로 정제한 폐식용유를 유기용매에 용해시켜 물을 포함한 알코올을 첨가하여 에스테르화를 행하는 단계와, 상기 에스테르화를 행해 얻어진 용액을 일정시간 동안 정치하여 유기층인 상부와 수층인 하부를 분리하여 상기 수층인 하부를 제거하는 단계와, 상기 유기층인 상부에 물을 주입하여 잔류하는 수용성 물질을 물에 용해시켜 여러번 헹군 다음 다시 한번 분액하여 수층인 하층을 제거하는 단계와, 얻어진 유기층을 정유기에 넣고 끊는 점 차이에 의하여 핵산을 유거하여 자동차 연료로 사용할 수 있는 모노에스테르를 얻는 단계로 이루어져 있다.

상기 고점도 성분의 폐식용유를 에스테르화 방법에 의해 수용성 물질을 제거하여 연료의 성상을 경유에 가까운 상태로 개선함으로써 폐식용유의 처분에 따른 비용을 줄이면서 오염을 방지하고, 폐식용유로부터 얻어진 원료를 사용하여 수입 대체효과를 얻으며, 매연과 같은 유해성분이 감소되어 환경오염을 방지할 수 있는 효과를 제공하는 것으로 알려져 있다.

그러나, 상기 종래의 폐식용유를 이용한 연료 재생방법에 있어서, 에스테르화를 행하여 얻어진 용액 중 분리된 상층의 유기층에 잔류하는 수용성 물질을 물에 용해시키기 위하여 많은 물을 주입함으로써 과다한 폐수가 발생함은 물론 용수 비용의 증대 및 별도의 정화시설이 필요하다는 단점이 있다. 또한, 상기 물의 주입을 통하여 유기층에 잔류하고 있던 수용성 물질을 다시 분액하여 수층을 제거한 유기층을 바로 연료로 사용할 경우 잔존하고 있는 유기용매 및 수분에 의해 장비의 부식을 초래하므로 상기 수거된 유기층을 정유기에 넣고 끊는점 차이로 핵산을 분리하여 자동차 연료로 사용될 수 있는 모노에스테르를 얻는 과정 및 장치가 복잡하고 고가의 설비가 설치되어야만 한다.

또한, 대한민국 공개특허공보 제99-70659호(공개일자, 1999. 09. 15.)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.

그리고, 대한민국 공개특허공보 제99-79052호(공개일자, 1999. 11. 05.)인 "폐식용유의 재생 처리방법 및 장치"는 필터를 이용하여 불순물을 제거한 후 메탄올 및 촉매로서 알칼리성물질을 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 잔존할 뿐더러 에스테르화와, 메틸에스테르와 글리세린의 분리, 정제공정 등을 자연현상에 의존하고 있어, 처리시간이 길어진다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 폐식용유 및 동물성 유지 등의 폐유를 이용한 연료 재생방법의 여러가지 문제점을 해소하기 위하여 창안된 것으로서, 디젤엔진 및 보일러용 연료로 적합하도록 점도를 낮추고 환경에 무해하고 연소효율을 향상시키도록 연료입자를 미세화할 수 있는 폐유 재생방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

즉, 본 발명은 디젤엔진에 사용할 수 있도록 폐유를 화학적 처리로 메틸에스테르화시켜 분리하고, 수거된 상층 유기층에 중화제를 첨가하여 중화시키고 나서 중화된 염을 제거하여 인산질 비료로 재활용하고 초음파의 충격 에너지를 가하여 분자 운동을 높여 반응속도를 빠르게 하고 마지막으로 에멀젼화하는 것이다.

또한, 본 발명은 폐유의 화학적 처리 및 폐유에 초음파를 직접적으로 가해 폐유의 화학적 및 기계적인 반응속도를 증대시켜 생산공정을 단순화하고 비용을 절감하며 폐수의 발생을 차단하여 환경오염을 줄일 수 있도록 하는 폐유 재생장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도1은 본 발명에 따른 폐유 재생장치를 도시한 종단면도이다.

도2는 본 발명에 따른 폐유 재생장치의 다른 실시예를 도시한 종단면도이다.

도3a,3b는 본 발명에 따른 폐유 재생장치의 초음파 발생용 진동자의 설치상태를 도시한 요부확대 단면도이다.

도4는 본 발명에 따른 폐유 재생장치에서의 원심분리기를 도시한 종단면도이다.

도5a,5b,5c는 도 4에서의 원심분리기 내의 회전원판을 도시한 사시도이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※

1 : 제1처리탱크 2 : 제2처리탱크

3 : 진동자 4,41 : 임펠러

5,51 : 모터 6,17 : 3방향 밸브

7 : 필터부 9,91 : 발열관

10 : 순환펌프 11,21 : 본체

12 : 교반공간 13 : 투입구

14,24 : 바닥판16 : 원심분리기

15,25 : 덮개 22 : 반응공간

26 : 배출관 31 : 진동부

32 : 초음파 발진부 61 : 본체

62 : 회전축 63 : 가이드홈

64 : 관통공 65a,65b,65c : 회전원판

66 : 유입구 67,68 : 배출구

이하, 본 발명의 폐유의 재생방법에 대하여 설명한다.

먼저, 정제단계에서는 물, 지방산, 알데히드, 산화 생성물 및 식품 부스러기가 함유된 폐유를 수거한 후 필터를 통하여 식품 부스러기 등의 찌꺼기를 제거하고, 상기 찌꺼기가 제거된 폐유를 50∼80 ℃의 온도로 유지시키면서 흡착제를 첨가한 후 초음파와 믹싱장치로 분자운동을 높여 접촉면적을 넓게 한다. 또한, 불순물의 흡착정도를 높이기 위하여 15 KHz∼100 KHz의 초음파의 충격 에너지를 가하면서 20∼40분간 교반시키게 되며, 상기 교반과정에서 상기 흡착제가 다음 공정인 메틸에스테르화 반응에 방해가 되는 물, 유지 지방산, 산화 생성물 및 중화체 등을 물리학적인 결합력에 의하여 흡착하게 되며, 상기 이물질과 결합된 흡착제는 고성능 원심분리기와 필터로 제거하게 된다. 상기 흡착제로 사용되는 물질은 마그네슘 실리케이트, 실리카젤, 실리식산 또는 알루미나 등이 사용되며, 가장 효율적인 흡착제는 마그네슘 실리케이트이다. 상기 폐유를 정제하는 과정은 양질의 재생 연료를 얻기 위한 기초 단계이다.

다음으로 디젤엔진 또는 보일러용 연료로 사용할 수 있도록 메틸에스테르화를 행하는 반응단계는 메탄올에 수산화칼륨을 녹여서 만든 수산화칼륨-메탄올 용액을 상기 정제된 폐유에 첨가하고, 반응이 용이하도록 50∼80 ℃ 온도에서 30∼65분간 초음파 충격 에너지를 가하면서 교반함으로써 이루어진다. 상기 과정에서 폐유의 주성분인 고점도의 트리글리세리드(triglyceride) 중 지방산들이 끊어져 나옴과 동시에 메틸기가 지방산과 화학적으로 결합하여 메틸에스테르로 바뀌게 된다. 이때 분자량이 1/3로 줄어들어 점도가 1/10로 떨어져 비점, 인화점 등도 감소하게 되고, 이렇게 변화된 지방산 메틸에스테르는 C분자의 숫자가 디젤엔진의 연료인 경유와 비슷하게 된다.

이어서, 메틸에스테르화된 반응 용액을 분리하는 단계는 상기 메틸에스테르화된 반응 용액을 고성능 원심분리기에 통과시켜 가벼운 메틸에스테르인 기름층을 얻기 위한 공정으로서, 상기 기름층은 95 %의 지방산메틸에스테르와 5 %의 메탈올이 함께 함유된 부분이며, 무거운 부분인 글리세롤 및 각종 화합물을 제거하여 디젤엔진 또는 보일러의 연료로 사용되는 메틸에스테르인 기름층만을 얻게 된다.

상기 메틸에스테르화된 기름층은 미량의 메탄올 및 수산화칼륨이 함유되어 있으므로 통상의 방법으로는 메탄올을 감압 증발시키고 묽은 산용액을 첨가하여 잔여 수산화칼륨을 중화시키게 되고 상기 중화반응 때 사용하였던 산용액에 의하여 존재하는 수분 및 중화 화합물, 각종 산화물을 제거할 목적으로 수분층의 분리를 위한 다량의 물의 공급 및 건조공정이 필수적이므로 경제적 비용과 다량의 폐수가 발생되어 다시 정화시설을 설치하여야 하는 문제점이 있다. 또한, 상기 분리된 기름층을 연료로 바로 사용할 경우에는 유기용매에 의하여 부품을 부식시킴은 물론이고 물 및 메탄올의 분리가 일어나 엔진이 정지된다. 이에 본 발명에서는 메탄올을 증발시키지 않고 분리된 메틸에스테르인 기름에 미량의 물 5 중량 %에 3N 인산(H₃PO₄)을 첨가하여 믹싱한 후 마그네슘 실리케이트를 섞어 메틸에스테르 기름에 넣고 믹싱하면 중화된 염 및 산화 생성물 등을 완전 흡착시키게 되고, 이를 고성능(RPM 7500) 원심분리기로 간단하게 제거한다.

최종적으로 상기 중화된 메틸에스테르인 기름층에 진동자로부터 발생되는 초음파의 충격에너지를 가하여 공동현상을 통한 기름과 미세한 유화작용으로 연료를 에멀젼화시키면 중화된 기름층인 미량의 물, 에탄올, 메틸에스테르를 유화시켜 상분리가 이루어지지 않는 자동차 연료인 지방산메틸에스테르를 얻는 단계로 이루어진다.

한편으로는, 위와 같이 초음파의 충격 에너지를 기름층에 가해 지방산메틸에스테르를 얻는 과정에서 임펠러에 의한 교반을 동시에 실시함으로써 완벽한 메틸에스테르화와 반응시간의 단축을 도모할 수 있다.

다음은 상기 폐유를 재생할 수 있는 장치에 대하여 설명한다.

첨부된 도1에서와 같이 부호 1은 폐유를 마그네트 실리게이트로 반응 방해물질을 흡착하는 제1처리탱크, 2는 중화 및 메틸에스테르화 및 에멀젼화하는 제2처리탱크, 3은 진동자, 4는 임펠러, 5는 모터, 6,17은 3방향 밸브, 7은 필터부를 나타낸다.

제1처리탱크(1)는, 폐유의 찌꺼기를 거르는 필터부(7)가 본체(11)의 바닥판(14)에 의해 분리된 상측 교반공간(12) 상단 일측에 관으로 연결되고, 상기 본체(11)의 교반공간(12) 상단 타측에는 흡착제 또는 첨가제를 공급하는 투입구(13)가 연결되며, 상기 교반공간(12)의 상부를 밀폐시키는 덮개(15)가 본체(11) 상부에 결합되어 이루어진다. 또 상기 본체(11)의 상부 교반공간(12)의 바닥판(14)에 배치된 교반용 임펠러(4)를 회전시키는 모터(5)가 바닥판(14) 하부공간에 설치되며, 상기 본체(11)의 교반공간(12)에는 온도를 유지시키는 발열판(9)이 배치된다. 또 상기 교반공간(12) 내의 용액을 상기 원심 분리기(16) 및 상기 필터부(7)를 통하여 재순환시켜 이물질을 제거시키는 순환펌프(10)가 상기 교반공간(12)의 바닥판(14)에 결합되어 이루어진다.

이러한 원심분리기(16)의 일 예로서는 도4에서와 같이, 상하가 밀폐된 원통형본체(61)의 중앙에는 미도시된 동력원과 연결된 회전축(62)이 회전가능케 설치되고, 회전축(62)에는 도5a,5b,5c와 같이 가이드홈(63)과 관통공(64)이 형성된 다수개의 회전원판(65a)(65b)(65c)이 결합되어 이루어진다. 그리고, 본체(61)의 상단에는 투입구(66)가 그리고 하단에는 기름과 찌꺼기를 배출하기 위한 배출구(67)(68)가 각각 연결되어 있어, 원심력으로 기름과 찌꺼기를 분리할 수 있다. 특히, 가벼운 기름을 배출하기 위한 배출구(68)는 회전축(62)에 근접되게, 즉 원심력이 가장 적게 가해지는 부분까지 오도록 내설되어 있다.

또한, 상기 제1처리탱크(1)의 바닥판(14) 외측 저면에 진동자(3)의 진동부(31)가 지지구에 의하여 접하도록 고정 배치되며, 상기 진동자(3)는 출력을 제어하는 초음파 발진부(32)와 연결되어 상기 제1처리탱크(2)의 교반공간(12) 내에 채워진 처리 용액에 15 KHz∼100 KHz의 초음파를 발생시켜 용액의 분자운동을 높여 접촉면적을 넓게 하여 불순물의 흡착정도를 높이게 된다.

제2처리탱크(2)는 상기 제 1처리탱크(1)에서 처리되어 디젤엔진 및 보일러용 연료로 재생할 기름인 메틸에스테르화된 용액을 저장하는 반응공간(22)이 본체(21)의 바닥판(24)으로 분할된 상측에 형성되며, 상기 본체(21) 반응공간(22)에는 온도를 유지시키는 발열관(91)이 배치되고, 상기 반응공간(22)을 밀폐시키는 덮개(25)가 본체(21) 상부에 결합되며, 상기 본체(21)의 반응공간(22)의 하부 일측에는 완성된 유화상태의 디젤엔진 및 보일러용 연료인 지방산메틸에스테르를 배출하는 배출관(26) 이 연결되어 이루어진다.

또한, 상기 제2처리탱크(2)의 바닥판(24) 외측 저면에 진동자(3)의 진동부(31)가지지구에 의하여 접하도록 고정 배치되며, 상기 진동자(3)는 출력을 제어하는 초음파 발진부(32)와 연결되어 상기제 2처리탱크(2)의 반응공간(22) 내에 채워진 처리 용액에 초음파를 발생시켜 미량의 수분을 기름에 에멀젼화시키게 된다.

또한, 상기 제1처리탱크(1)에서 고성능 원심 분리기(16)에 의해 상분리된 용액은 외부로 배수할 수 있고 가벼운 기름층은 제 2처리탱크(2)로 공급할 수 있도록 제1처리탱크(1)와 제2처리탱크(2) 사이에 3방향 밸브(6)가 연결되어 이루어진다.

한편, 상기 제1처리탱크(1) 및 제2처리탱크(2) 그리고 각 부품은 화학약품에 부식이 되지 않는 소재로 제조되는 것이 바람직하며, 상기 제1처리탱크(1) 및 제2처리탱크(2)로 연결되는 각 관 및 투입구(13)들에는 통상의 개폐용 밸브들이 부착되어 이루어진다.

그리고, 상기 제1처리탱크(1)의 교반공간(12) 및 제2처리탱크(2)의 반응공간(22)에 설치된 발열관(9)(91)은 외부로부터 공급되는 열매체유를 통하여 열을 전달하거나 발열선을 내장하여 직접 열을 전달하여 저장된 내용물을 소정의 온도로 가열 및/또는 보온하게 된다.

다른 실시예로서, 도3a에서와 같이 15 KHz∼100 KHz의 초음파를 발생시키는 진동자(3)의 상단 진동부(31)가 제1처리탱크(1)의 교반공간(12)을 이루는 바닥판(14)의 저면이나 제2처리탱크(2)의 반응공간(22)을 이루는 바닥판(24)의 저면으로 관통되어 내부로 돌출되도록 배치되어 진동부(31)로부터 발생되는 초음파의 충격에너지가 용액에 직접 전달되도록 함으로써 진동자(3)로부터 발생된 초음파의 충격에너지가 용액에 직접 가해져 효율을 높일 수 있으며, 진동자(3) 중 진동이 가장 적은 부분에 리데나(33)를 끼워 제1, 2 처리탱크(1)(2)의 바닥판(14)(24)에 고정함으로써 진동자(3)의 진동부(31)에 부하가 걸리지 않을 뿐만 아니라 액상의 기름이 샐 염려가 없으며, 고장이나 수리시 진동자(3)의 교환이 용이하다. 또한, 진동자(3)에서 발생되는 초음파의 손실이 없어 최초 설계된 진동자(3)와 동일한 초음파가 그대로 폐유에 전달될 수 있는 것이다.

또 다른 실시예로서는 도3b에서와 같이, 하나의 진동자를 가지는 진동자에서 벗어나 다수개의 세라믹 진동소자를 가지는 멀티 진동자(3)를 채용함으로써 출력을 3배로 늘릴 수 있다.

뿐만 아니라, 하나의 진동소자를 가지는 진동자(3)의 경우에는 초음파 전달부분의 직경을 45 mm로 하고, 3개의 이상의 멀티 진동소자를 가지는 진동자(3)의 경우에는 초음파 전달부분의 직경을 30 mm로 하여 초음파를 증폭함으로써 별도의 혼(horn)을 사용하지 않고 진동자 자체만으로도 고분자고리를 끊을 수 있는 힘을 얻을 수 있는 것이다. 여기서, 진동자(3)의 진동부(31)의 길이는 진동자(3)에서 발진하는 초음파 파장의 1/4인 것이 바람직하다.

특히, 상기한 진동자(3)의 초음파 충격 에너지를 극대화하기 위해서는 지방산과 글리세린의 초음파 음속이 28 KHz 즉, 1400 m 이고, 초음파 파장의 1/4과 3/4 지점에서 초음파의 힘이 최대가 된다는 점을 감안하여 제1,2처리탱크(1)(2)의 바닥판(14)(24) 즉, 진동자(3)의 초음파 발생부분으로부터 50 mm, 150 mm 되는 지점에 액상의 기름이 존재하도록 제1,2처리탱크(1)(2)의 구조를 설계하는 것이 바람직하다.

또 다른 실시예로서는, 상기 제2처리탱크(2)의 반응공간(22)에 교반용 임펠러(41)를 배치하고, 상기 임펠러(41)를 회전시키는 모터(51)가 바닥판(24) 하부공간에 추가 설치되어 교반과 상기 진동자(3)의 초음파의 충격 에너지가 동시에 가해지도록 하여 화학반응 및 에멀젼화하는 시간을 단축할 수 있다.

또 연속적인 공정의 흐름으로 대량 생산이 가능하게 제2처리탱크에 상기 제1처리탱크(1) 순환펌프, 원심분리 및 필터부를 추가 설치하여 제1처리탱크(1)에서는 정제 및 상분리 공정을 제 2처리탱크에서는 중화 및 에멀젼화하는 단계로 분리시킬 수도 있다.

다음은 상기 폐유의 재생방법 및 그 장치를 통하여 연료를 재생하는 실시예를 설명한다.

먼저, 필터부(7)를 통하여 찌꺼기를 제거한 폐유 100 Kg을 제1처리탱크(1)의 교반공간(12)으로 공급하고, 교반공간(12)을 발열관(9)에서 발생되는 열로서 50∼80 ℃의 온도로 가열 및/또는 보온시키면서 흡착제인 마그네슘 실리케이트 0.5 중량% 를 투입구(13)를 통해 폐유에 첨가하여 15 KHz∼100 KHz의 초음파를 증폭시킨 충격 에너지를 가하면서 20∼40분간 모터(5)의 구동으로 임펠러(4)를 회전시켜 교반시킨 후 이물질과 결합된 상기 흡착제인 마그네슘 실리케이트를 고성능(RPM 7500) 원심분리기(16)와 필터로 제거하기 위하여 순환펌프(10)를 가동시켜 상부의 필터부(7)를 통하여 순환시켜 정제하게 된다.

상기 정제된 폐유는 고분자물질인 트리글리세리드이므로 이를 메틸에스테르화시키기 위하여 투입구(13)를 통하여 순도 99 % 메탄올 21.9 kg에 수산화칼륨 1 kg을 녹여서 만든 수산화칼륨-메탄올 용액을 상기 정제된 폐유에 첨가하고, 발열관(9)을 통해 50∼80 ℃의 온도를 유지시키면서 임펠러(41)로 30∼65분 교반함과 동시에 초음파 충격 에너지를 가한다. 상기 과정에서 트리글리세리드에서 지방산이 끊어져 나오면서 동시에 메틸기가 지방산에 화학적으로 결합하여 메틸에스테르로 바뀌게 된다.

상기 메틸에스테르화된 폐유의 반응용액을 고성능 원심 분리기(16)의 RPM을 조절하여 글리세롤을 분리한다. 상기 분리된 글리세롤은 연료로 사용할 수 없으므로 3방향 밸브(17)를 통하여 외부로 배출하여 화장품 등의 원료를 만드는데 재활용하게 된다. 제1처리탱크(1)에는 메틸에스테르인 약 90 %의 기름이 잔류한다.

다음, 제1처리탱크(1) 내에 남은 메틸에스테르 기름에 5 중량%의 물을 첨가하고 임펠러(41)를 돌리면, 기름이 1차 교반된다. 이어서, 상기 1차 교반된 기름에 0.05 중량%(V/W)의 3N 인산(H₃PO₄)과 마그네슘 실리케이트 0.5 중량%을 섞어 넣고 다시 20분간 임펠러(41)를 돌리면, 기름이 2차 교반된다. 그리하면, 3N 인산(H₃PO₄)과 마그네슘 실리케이트에 의해 기름이 중화되면서 인산질비료로 재활용할 수 있는 염(K₃PO₄)과 산화생성물 등의 불순물이 생성된다.

또한, 비중의 차이를 이용하여 상기 불순물을 도4 및 도5a,5b,5c의 고성능(RPM 7500) 원심분리기(16)로 간단하게 제거한다. 이 과정은 반드시 제1처리탱크(1)에서 이루어질 필요는 없으며 제 2처리탱크에 순환펌프, 원심분리기 및 필터부를 추가할 경우 제2처리탱크로 이동하여 작업을 실행할 수도 있다.

상기 제2처리탱크(2)의 중화된 메틸에스테르 기름에는 미량의 물과 메탄올이 함유되어 있으므로 이들을 유화시키기 위하여 초음파 발진부(32)의 제어에 의하여 작동되는 진동자(3)의 진동부(31)로부터 발생되는 15 KHz∼100 KHz 초음파의 충격 에너지를 가하여 기포가 집합, 성장, 압괴되는 초음파 공동현상(ultrasonic cavitation)을 통한 기름과 물의 미립화 상태로 연료를 에멀젼화시켜 상분리가 이루어지지 않는 유화상태의 자동차 연료인 지방산메틸에스테르를 얻게 된다. 상기 에멀젼화된 지방산메틸에스테르 연료는 약 5 % 정도의 메탄올과 2 % 수분 등이 함유되어 있는 유화상태로서, 차량 또는 보일러 연소실에 분사할 때 물이 기름에 쌓여 연소시 온도차에 의한 미세폭발(수성반응)로 연료가 완전 연소할 수 있도록 하는 것이다.

또한, 상기 중화시키는 과정 또는 에멀젼시키는 과정에 도2에서와 같이 제2처리탱크(2)에 설치된 모터(51) 및 임펠러(41)를 이용하여 교반시키므로 더욱 반응효과를 높여 생산시간을 단축시킬 수 있으며, 제2처리탱크(2) 내에 배치된 발열관(91)을 통하여 필요한 온도를 유지하게 된다.

또한, 상기 장치에 있어서, 제1처리탱크(1)와 제2처리탱크(2)로 분리한 구성은 대량생산을 위한 것이며, 제1처리탱크(1)에 설치된 필터부(7) 및 순환펌프(10)를 제2처리탱크(2)에 설치하고 3방향 밸브(6)를 제거하여 하나의 처리탱크로서 정제, 상분리, 중화 및 에멀젼화를 일괄 처리하여 원하는 재생 연료인 지방산메틸에스테르를 얻게 된다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도에서 본 발명이 다양하게 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.

본 발명에 따른 방법 및 장치를 통하여 얻어진 에멀젼화된 지방산메틸에스테르 연료는 상분리가 일어나지 않아 안전한 양질의 연료로 사용할 수 있으며, 에멀젼화된 기름이 연소할 때 기름에 포함된 미량의 물이 미세폭발하면서 연료의 완전연소를 도와주어 매연이 거의 없는 환경 오염방지의 이중효과를 얻게 되고, 간단한 구조의 제조장치 및 제조공정을 통해 폐유의 정제, 분리, 중화 및 에멀젼화시키는 간단한 공정으로 이루어져 폐유 처리비용 및 정화시설 등 투자비용을 절감할 수 있다.

뿐만 아니라, 본 발명은 폐유를 중화하는 과정에서 생성되는 찌꺼기, 즉 염(K₃PO₄)을 인산질비료로 재활용함으로써 불필요한 불순물의 생성을 막을 수 있다.

Claims

폐식용유 또는 동물성 유지 등의 폐유를 재생하여 디젤엔진 또는 보일러용 연료로서 사용할 수 있게 하는 폐유 재생방법에 있어서,

찌꺼기를 제거한 폐유를 50∼80 ℃의 온도에서 흡착제를 첨가하여 초음파의 충격 에너지를 폐유에 직접 가하면서 20∼40분간 교반시킨 후 산화물, 물, 기타 협착물과 결합된 상기 흡착제를 고성능 원심분리기와 필터로 제거하는 제1단계;

메탄올에 수산화칼륨을 녹여서 만든 수산화칼륨-메탄올 용액을 상기 제1단계를 거쳐 정제된 폐유에 첨가하고, 50∼80 ℃의 온도에서 30∼65분 교반하여 메틸에스테르화 반응시키는 제2단계;

상기 제2단계를 거쳐 메틸에스테르화된 반응 용액을 고성능 원심 분리기로 글리세롤을 분리 제거하고 가벼운 기름만을 회수하는 제 3단계;

상기 제3단계를 거쳐 분리 회수된 기름에 소정량의 물을 첨가하여 혼합한 후 소정량의 3N 인산(H₃PO₄) 용액 및 마그네슘 실리케이트를 첨가하여 중화시켜 염과 기타 산화생성물질을 고성능 원심분리기와 필터로 제거하는 제4단계; 및

상기 제4단계를 거쳐 중화된 기름에 초음파의 충격 에너지를 직접 가하여 공동현상을 통해 상기 기름의 미립화로 에멀젼화시켜 상분리가 이루어지지 않는 유화상태의 지방산메틸에스테르를 얻는 제5단계;

로 이루어지는 것을 특징으로 하는 폐유 재생방법.
제1항에 있어서,

상기 정제용 흡착제는, 마그네슘 실리케이트, 실리카젤, 실리식산 또는 알루미나 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 상기 폐유 재생방법.
제1항에 있어서,

상기 초음파의 충격 에너지를 이용하여 에멀젼화시키는 단계에서 임펠러에 의한 교반이 동시에 이루어지는 것을 특징으로 하는 상기 폐유 재생방법.
폐식용유 또는 동물성 유지와 같은 폐유를 디젤엔진 또는 보일러용 연료로서 사용할 수 있도록 재생하는 장치에 있어서,

폐유의 찌꺼기를 거르는 필터부(7)가 본체(11)의 교반공간(12) 상단 일측에 부착 형성되고, 상기 교반공간(12)의 상단 타측에는 흡착제 또는 첨가제 투입구(13)가 마련되며, 상기 교반공간(12)에 배치된 교반용 임펠러(4)를 회전시키는 모터(5)가 바닥판(14)의 하부 공간에 설치되며, 상기 교반공간(12)에는 온도를 유지시키는 발열관(9)이 배치되고, 상기 교반공간(12)을 밀폐시키는 덮개(15)가 본체(11) 상부 개방부에 결합되어 폐유를 메틸에스테르화시키는 제1처리탱크(1);

상기 교반공간(12) 내의 용액을 순환시켜 원심분리기(16) 및 상기 필터부(7)를 거쳐 불순물을 분리 제거하도록 상기 제1처리탱크(1)의 바닥판(14)에 결합되는 순환펌프(10);

상기 제1처리탱크(1)로부터 공급된 메틸에스테르화된 폐유 용액을 저장하는 반응공간(22)이 본체(11) 내부에 형성되며, 상기 반응공간(22)에는 온도를 유지시키는 발열관(91)이 배치되고, 상기 반응공간(22)을 밀폐시키는 덮개(25)가 본체(21) 상부에 결합되며, 상기 반응공간(22)의 하부 일측에는 처리 완료된 유화상태의 지방산메틸에스테르를 배출하는 배출관(26)이 연결 형성되는 제2처리탱크(2);

상기 제1처리탱크(1)와 제 2처리탱크(2)를 연결하고 외부로 배수가 가능한 3방향 밸브(6)를 포함하여 이루어지며,

상기 제1처리탱크(1)의 바닥판(14) 저면 외측에는 초음파 발진부(32)에 연결되어 상기 교반공간(12) 내에 채워진 용액의 분자운동을 높이고, 상기제2처리탱크(2)의 바닥판(24) 저면 외측에는 초음파 발진부(32)에 연결되어 상기 반응공간(22) 내에 채워진 처리 용액을 미립화시키는 초음파 발생용 진동자(3)의 진동부(31)가 리데나(33)에 의해 고정 설치되는 것을 특징으로 하는 폐유 재생장치.
제4항에 있어서,

상기 진동자(3)의 진동부(31)는, 상기 제1처리탱크(1)의 교반공간(12)을 이루는 바닥판(14)의 저면을 관통하여 제1처리탱크(1) 내부로 돌출 배치되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 상기 폐유 재생장치.
제4항에 있어서,

상기 진동자(3)의 진동부(31)는, 상기 제2처리탱크(2)의 반응공간(22)을 이루는 바닥판(24)의 저면을 관통하여 제2처리탱크(2) 내부로 돌출 배치되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 상기 폐유 재생장치.
제4항에 있어서,

상기 진동자(3)는, 직렬 연결된 3 개 이상의 세라믹 진동소자인 것을 특징으로 하는 상기 폐유 재생장치.
제4항에 있어서,

상기 진동자(3)의 진동부(31)의 길이는, 상기 진동자(3)에서 발진하는 초음파 파장의 1/4인 것을 특징으로 하는 상기 폐유 재생장치.
제4항에 있어서,

상기 제2처리탱크(2)의 반응공간(22)에는 교반용 임펠러(41)가 배치되고, 상기 임펠러(41)를 회전시키는 모터(51)가 바닥판(24) 하부공간에 설치되는 것을 특징으로 하는 상기 폐유 재생장치.
제4항에 있어서,

상기 원심분리기(16)는, 본체(61) 중앙의 회전축(63)에는 소정 간격을 두고 회전원판(65a)(65b)(65c)이 결합되고, 상기 본체(61)의 상단에는 유입구(66)가 그리고 하단에는 기름과 찌꺼기를 선택적으로 배출하기 위한 배출구(66)(67)가 각각 설치되며, 상기 회전원판(65a)(65b)(65c)에는 기름과 찌꺼기를 분리하기 위한 가이드 홈(63)과 관통공(64)이 각각 천공되는 것을 특징으로 하는 상기 폐유 재생장치.
제10항에 있어서,

상기 배출구(68)는, 상기 회전원판(65c) 반경의 1/2 이내의 중심점까지 오도록 설치되는 것을 특징으로 하는 상기 폐유 재생장치.
제4항에 있어서,

제1,2처리탱크는, 상기 진동자(3)의 초음파 파장이 1/4 및 3/4인 지점에서 액상인 기름이 존재하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 상기 폐유 재생장치.