KR20150141405A

KR20150141405A - 팜 바이오메스와 바이오가스를 혼합 연소시켜 발전하고 비료를 생산하는 방법

Info

Publication number: KR20150141405A
Application number: KR1020140070086A
Authority: KR
Inventors: 김승우; 박태양; 양권석; 박찬수
Original assignee: (주)이엔쓰리 환경
Priority date: 2014-06-10
Filing date: 2014-06-10
Publication date: 2015-12-18

Abstract

본 발명은 팜오일 생산과정에서 발생하는 팜 바이오메스 및 폐수처리 과정에서 발생하는 바이오가스를 혼합 연소하여 전기를 생산하고 부산물을 이용하여 바이오 비료를 생산하는 팜 바이오메스와 바이오가스를 혼합 연소시켜 발전하고 비료를 생산하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 팜오일 생산과정에서 발생하는 팜 바이오메스와 바이오가스를 혼합 연소시켜 발전하고 비료를 생산하는 방법은, 팜오일 생산과정에서 발생하는 바이오메스 물질을 건조시켜 분쇄하여 파우더로 만드는 공정; 팜오일 생산과정에서 발생하는 POME를 슬러지 케익과 잔류 오일 및 여액 폐수로 분리하는 공정; 상기 여액 폐수를 혐기성조(槽)에 투입하여 혐기성 미생물에 의해 바이오가스로 전환시키는 공정; 상기 바이오가스를 탈황 및 수분을 제거하여 가스저장조에 저장하는 공정; 상기 분쇄된 바이오메스 파우더와 가스저장조에 저장된 바이오가스를 보일러에 공급하여 연소시키는 공정; 상기 보일러의 연소열로 열교환기에서 스팀을 생성하고, 스팀 터빈을 가동시켜 전력을 생산하는 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

팜 바이오메스와 바이오가스를 혼합 연소시켜 발전하고 비료를 생산하는 방법{Generating and bio-fertilizer producing method using palm bio-mass and bio-gas}

본 발명은 팜 바이오메스와 바이오가스를 이용하여 발전 및 비료를 생산하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 팜오일 생산과정에서 발생하는 팜 바이오메스 및 폐수처리 과정에서 발생하는 바이오가스를 혼합 연소하여 전기를 생산하고 부산물을 이용하여 바이오 비료를 생산하는 팜 바이오메스와 바이오가스를 혼합 연소시켜 발전하고 비료를 생산하는 방법에 관한 것이다.

주로 열대 또는 아열대 지역에서 생산되는 팜 열매는 상당량의 오일을 함유하고 있으며 팜 열매로부터 얻어지는 오일, 즉 팜오일(palm oil)은 각종 식품에 널리 사용되고 있고 그 수요도 점점 증가하고 있으나, 오일을 추출하고 난 다음에 발생하는 많은 양의 공정폐수를 효과적으로 처리할 수 없어서 많은 문제가 발생하고 있다. 오일이 제거된 공정폐수는 미세한 섬유질과 다량의 수분으로 이루어져 있으며 각종 영양소도 충분히 함유되어 있어서 가축의 사료 뿐만 아니라 양질의 퇴비로도 손색이 없다. 그러나 이와 같은 팜오일 정제 공정에서 발생되는 폐수는 그 특성상 다량의 수분(98% 정도)과 미세한 섬유질로 이루어져 있기 때문에 사료나 퇴비로 이용될 수 있을 정도로 처리하는 데에는 상당한 어려움이 있다.

특히, 팜오일 추출공정에서 발생하는 팜오일 공정폐수(palm oil mill effluent; POME)는 물, 오일, 슬러지 등으로 이루어진 고농도의 현탁성 폐수로, 일반적인 폐수보다 여과 및 탈수과정이 어렵고 다른 여과물질과 탈수물질의 진행을 방해하여 기기고장을 유발하거나 오물이 범람하는데, 팜유의 생산량이 계속 증가함에 따라 팜유 추출공정 폐수의 발생량 또한 계속 증가하고 있어서 팜오일 폐수의 처리 문제가 심각하다.

이와 같은 문제를 해결하기 위하여 많은 기술들이 출현했는데, 예를 들면, 공개특허 제2005-83878호에서는 건조된 식물 분쇄 유출물을 이탄(peat)과 혼합하여 팜 폐기물을 처리하는 방법을 개시하였고, 공개특허 제2004-48758호에서는 코코피트와 당밀(CMS), 숯을 이용하여 유기성 폐기물을 발효시켜 퇴비를 만드는 방법을 개시하였으나, 이들은 팜오일 추출공정 폐수의 처리방법에 대한 언급이 없어서 팜 폐기물이 효율적인 처리가 미비하다. 또한, 공개특허 제2009-112471호에서는 팜오일 공정폐수를 미세 공기방울로 처리한 다음, 여과하여 팜유 추출공정 폐수 슬러지를 탈수 케이크 상태로 수득하는 방법을 개시하고 있으나, 이 방법은 공기방울로 팜오일 슬러지를 폐수 표면으로 부유시켜 팜오일 슬러지를 회수하는 방법이기 때문에 부유된 팜오일 슬러지를 회수하는 공정이 별도로 구비되어야 할 뿐만 아니라 폐수 표면으로 부유되지 않은 팜오일 덩어리는 회수가 되지 않아 팜오일 추출공정 폐수 처리가 제대로 이루어지지 않는다는 문제가 있다.

또한, 동남아시아(인도네시아, 말레이시아 등) 지역에서 사용중인 임의/혐기지(임의로 만든 혐기성 연못)를 이용한 폐수처리 방식 중에서 HDPE cover 방식(폐수를 임의/혐기지에 채운 다음, 폐수를 비닐로 덮어서 혐기성 조건에서 발효시켜 처리하는 방식)은 처리하는데 장기간이 소요되고, 폐수를 처리하는 기간 동안 비닐이 찢어지거나 회손되어 폐수 처리시 발생하는 메탄가스가 누출될 뿐만 아니라 메탄회수율도 저조하기 때문에 더 이상 CDM(clean development mechanism; 청정개발체제) 사업이 승인되지 않고 있다.

이와 같은 문제를 해결하기 위하여 본 발명의 출원인은 특허등록 제1167842호 "팜오일 폐수 처리시 발생하는 메탄을 회수하기 위한 혐기성 페수 처리장치 및 방법"을 개발하여 인도네시아 현지에서 가동하고 있는데, 이는 팜오일 생산과정에서 발생하는 폐수처리를 위한 것이기 때문에 폐수처리는 할 수 있지만, 엄청난 양이 발생하는 바이오매스 물질인 PKS(Palm Kernel Shell), EFB(Empted Fruit Bunch), Fiber(열매 섬유)를 처리할 수 없다는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 팜오일 생산과정에서 발생하는 팜 바이오메스(PKS, EFB, Fiber) 및 폐수처리 과정에서 발생하는 바이오가스를 보일러에서 혼합 연소하여 전기를 생산하고, 팜오일 생산 과정에서 발생하는 폐수인 POME(Palm Oil Mill Effluent)를 원심분리시키고 남은 슬러지 케익에 미생물을 투입하여 바이오 비료를 생산하는 팜 바이오메스와 바이오가스를 혼합 연소시켜 발전하고 비료를 생산하는 방법을 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 과제 해결을 위해 본 발명에 따른 팜오일 생산과정에서 발생하는 팜 바이오메스와 바이오가스를 혼합 연소시켜 발전하고 비료를 생산하는 방법은, 팜오일 생산과정에서 발생하는 바이오메스 물질을 건조시켜 분쇄하여 파우더로 만드는 공정; 팜오일 생산과정에서 발생하는 POME를 슬러지 케익과 잔류 오일 및 여액 폐수로 분리하는 공정; 상기 여액 폐수를 혐기성조(槽)에 투입하여 혐기성 미생물에 의해 바이오가스로 전환시키는 공정; 상기 바이오가스를 탈황 및 수분을 제거하여 가스저장조에 저장하는 공정; 상기 분쇄된 바이오메스 파우더와 가스저장조에 저장된 바이오가스를 보일러에 공급하여 연소시키는 공정; 상기 보일러의 연소열로 열교환기에서 스팀을 생성하고, 스팀 터빈을 가동시켜 전력을 생산하는 공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 바이오메스 물질은 PKS(Palm Kernel Shell, 팜커널 껍질), EFB(Empted Fruit Bunch, 빈 열매송이), Fiber(열매 섬유)이며, 상기 바이오메스 물질은 0.5∼1.5㎜ 크기로 분쇄하여 파우더로 만든다.

바람직하게는, 슬러지 케익에 PKS(팜커널 케익)과, EFB(빈 열매송이) 분말과, 보일러에서 회수되어지는 재(ash)를 섞은 다음, 미생물을 혼합 발효시키는 공정을 거쳐 바이오 비료를 생산한다.

지금까지 팜오일을 생산하면서 팜유를 제외한 나머지 엄청난 양의 부산물은 폐기물로 처리했었으나, 본 발명에 따른 팜 바이오메스와 바이오가스를 혼합 연소시켜 발전하고 비료를 생산하는 방법은, 팜오일 생산과정에서 발생하는 팜 바이오메스(PKS, EFB, Fiber)와 폐수처리 과정에서 발생하는 바이오가스를 보일러에서 혼합 연소시켜서 발전기를 돌려 전기를 생산하고, 팜오일 생산과정에서 발생하는 폐수인 POME(Palm Oil Mill Effluent)를 원심분리시키고 남은 슬러지 케익에 미생물 등을 투입하여 바이오 비료를 생산함으로써, 폐수의 안정적 처리는 물론 버려지는 자원을 재활용할 수 있어서 엄청난 양의 산업폐기물을 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 팜 바이오메스와 바이오가스 생산공정을 블럭도로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 팜 바이오메스와 바이오가스를 혼합 연소시켜 전력을 생산하는 공정을 설명하기 위한 플로우챠트이다.

본 발명에 따른 팜 바이오메스와 바이오가스를 혼합 연소시켜 발전하고 비료를 생산하는 방법의 가장 큰 기술적 특징은, 팜오일을 생산하면서 팜유를 제외한 나머지 엄청난 양의 부산물은 폐기물로 처리하지 않고, 팜 바이오메스와 폐수처리 과정에서 발생하는 바이오가스를 혼합 연소시켜서 전기와 바이오비료를 생산하여 자원을 재활용함은 물론 엄청난 양의 산업폐기물을 줄일 수 있게 했다는 점이다.

팜오일공장(palm oil mill plant)에서는 반입된 신선한 팜열매 송이(FFB; Fresh Fruit Bunch)를 가공하여 정제되기 전의 팜유(CPO; Crude Palm Oil, 미정제 팜유)와, Kernel(팜열매 종자)와, 바이오메스 및 POME 폐수로 분리하게 된다.

본 발명에 따른 팜오일 생산과정에서 발생하는 팜 바이오메스와 바이오가스를 혼합 연소시켜 발전하는 방법을 간략히 설명하면, 바이오메스 물질을 건조시켜 분쇄하여 파우더로 만드는 공정(S1)과, POME(Palm oil mill effluent, 팜공장폐수)를 슬러지 케익과 잔류 오일 및 여액 폐수로 분리하는 공정(S2)과, 여액 폐수를 혐기성조(槽)에 투입하여 혐기성 미생물에 의해 바이오가스로 전환시키는 공정(S3)과, 바이오가스를 탈황 및 수분을 제거하여 가스저장조에 저장하는 공정(S4)과, 바이오메스 파우더와 바이오가스를 보일러에 공급하여 연소시키는 공정(S5)과, 연소열로 열교환기에서 스팀을 생성하고 터빈을 가동시켜 전력을 생산하는 공정(S6)을 거치게 된다.

바이오메스 물질을 건조시켜 분쇄하여 파우더로 만드는 공정(S1)에서는 파쇄기를 이용하여 바이오메스 물질을 0.5∼1.5㎜ 크기로 분쇄하여 파우더로 만드는데, 크기는 1mm 정도가 적절하다. 1mm 정도의 파우더는 연소후에 재(ash)의 발생량이 7% 정도이다. 만일 파우더 입자가 클 경우에는 바이오 비료를 생산하기 위해 슬러지 케익에 투입되는 재(ash)의 투입량이 많아져야 한다.

팜오일 생산과정에서 발생하는 바이오메스 물질은 PKS(Palm Kernel Shell, 팜커널 껍질), EFB(Empted Fruit Bunch, 빈 열매송이), Fiber(열매 섬유)인데, PKS와 Fiber는 수분 함량이 15% 정도이나 EFB는 수분 함량이 70% 정도이므로 파쇄기를 사용하여 파쇄한 후에 탈수를 위해 다시 압축하여 파쇄하여 파우더로 만드는 것이 바람직하다.

POME(Palm oil mill effluent, 팜공장폐수) 폐수 처리공정(S2)에서는, 팜오일 생산과정에서 발생하는 POME를 고액(固液)분리 데칸트(decanter)와 가압부상조 및 삼상(3 phase)분리 데칸트를 거쳐 슬러지 케익과 잔류 오일 및 여액 폐수로 분리하는데, 분리되어진 여액 폐수는 가압부상조를 거쳐 부유물질(SS, suspended solid) 농도를 900∼1,000ppm으로 조절한다.

POME 폐수에 포함된 부유물질의 농도가 약 18,000∼45,000ppm(㎎/ℓ)이므로 응집제 같은 화학약품을 사용하지 않고 부유물질을 제거하기가 매우 어렵다. 하지만, 삼상 분리 데칸트를 이용하여 1㎛ 이상의 입자들을 제거하고, 가압부상조에서 응집제 같은 화학약품을 사용하지 않고, 마이크로버블을 이용하여 부유물질과 폐수 속에 분산되어 있는 잔류 유분 등을 동시에 부상시켜 제거하여 부유물질의 농도를 낮출수 있다.

부유물질을 1,000ppm 이하로 조절하는 이유는, 혐기성 소화 기술인 UASB(Up-Flow Anaerobic Sludge Blanket, 상향식 혐기성 슬러지블랭킷)을 적용하기 위해서는 혐기성 미생물의 응결체인 그래뉼 형성이 관건인데, 반응조하부에 용존성 유기물이 유입되는 경우에는 그래뉼이 비교적 쉽게 생성되지만 유입수의 부유물질이 높으면 그래뉼 생성이 저해(방해)를 받고, 그래뉼이 부유물질 성분을 분해할 수 없기 때문이다. 혐기성 소화 기술인 USAB 공법은 유입수의 부유물질의 농도가 약 3,000ppm 이하 까지는 문제가 없다고 알려져 있으나, 유입되는 폐수의 부유물질의 농도가 낮으면 낮을수록 좋다. 그러므로 본 발명에서는 부유물질에 의한 그래뉼 성장 저해를 방지하기 위하여 900∼1,000ppm으로 조절한다.

여액 폐수를 바이오가스로 전환시키는 공정(S3)에서는, POME에서 분리된 여액 폐수를 혐기성조(槽)에 투입하여 혐기성 미생물에 의해 99% 이상 바이오가스로 전환시키는 공정이다. 이와 같이 생성된 바이오가스는 탈황 및 수분을 제거하여 가스저장조에 저장하는 공정(S4)을 거치게 된다.

바이오가스를 탈황시킬 때는 바이오가스 속에 포함된 황화수소(H₂S)를 제거하는데, 황화수소를 제거하지 않으면 전력을 생산하기 위한 발전기 등 부대시설을 부식시키는 원인이 되기 때문이다. 또한, 수분 함량이 높은 경우에는 보일러에서 연소할 때 발열량이 낮아질 수 있수 있으므로 수분을 제거하여야 한다.

바이오메스 파우더와 바이오가스를 연소시키는 공정(S5)에서는, 가스저장조에 저장된 바이오가스를 브로워를 통해 일정한 압력으로 보일러에 공급하면, 보일러에 설치된 버너를 통해서 먼저 점화가 이루어지고, 보일러 내부 온도가 일정온도 이상이 되면 분쇄된 바이오메스 파우더를 버너로 이송하여 바이오가스와 바이오메스를 동시에 연소시킨다.

전력을 생산하는 공정(S6)에서는, 바이오가스와 바이오메스를 동시에 연소시켜 뜨거워진 열을 열교환기에서 스팀으로 생성하여, 발생된 스팀으로 스팀 터빈을 돌려 전력을 생산하게 된다.

한편, POME 처리 과정중 삼상 분리 데칸트에서 분리된 슬러지 케익에 PKC(Palm Kernel Cake, 팜커널 케익)과, EFB(빈 열매송이) 분말과, 보일러에서 회수되어지는 재(ash)를 섞은 다음, 미생물을 혼합 발효시키는 공정을 거쳐 바이오 비료를 생산하게 되는데, PKC는 바이오비료의 칼륨(K) 농도를 조절해 주는 기능을 하며, PKC 대신 살겨를 더 섞을 수도 있다.

미생물은 박테리아와 효모 및 곰팡이이다. 박테리아는, 만난아제를 생성하는 바실러스 서브틸리스(Bacillus substilis)와 바실러스 메가테리움(Bacillus megaterium), 토양을 개선하는 바실러스 리케니포오미스(Bacillus licheniformis), 항생작용을 하는 패니바실러스 폴리믹사(Paenibacillus polymaxa) , 셀룰라아제(셀룰로오스 분해 효소)를 생성하는 바실러스 아밀로리퀘파시엔스(Bacillus amyloliquefaciens)이다.

효모(teast)는 리파아제(지반분해 효소)를 생성하는 캔디다 트로피칼리스(Candida tropicalis)와, 생리활동을 하는 사카로마이세스 세레비시아(Saccharomyces cerevisiae)이다.

곰팡이는 셀룰라아제(셀룰로오스 분해 효소)를 생성하는 트리코더마 비리데(Trichoderma viride)와, 만난아제를 생성하는 아스펠기우스 오르제(Aspergillus oryzae)이다.

혼합비율은 중량비로 하여, 분리되어진 슬러지 케익 80%, PKC(팜커널 케익) 9%, EFB(빈열매 송이) 분말 9%, 재(ash) 2% 비율로 혼합하면서 대량 배양된 미생물을 분사하여 미생물과 혼합물이 골고루 섞이도록 한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 명세서에 게시된 실시예들은 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술사상 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

팜오일 생산과정에서 발생하는 팜 바이오메스와 바이오가스를 혼합 연소시켜 발전하고 비료를 생산하는 방법에 있어서,
상기 방법은,
팜오일 생산과정에서 발생하는 바이오메스 물질을 건조시켜 분쇄하여 파우더로 만드는 공정;
팜오일 생산과정에서 발생하는 POME(Palm oil mill effluent, 팜공장폐수)를 슬러지 케익과 잔류 오일 및 여액 폐수로 분리하는 공정;
상기 여액 폐수를 혐기성조(槽)에 투입하여 혐기성 미생물에 의해 바이오가스로 전환시키는 공정;
상기 바이오가스를 탈황 및 수분을 제거하여 가스저장조에 저장하는 공정;
상기 분쇄된 바이오메스 파우더와 가스저장조에 저장된 바이오가스를 보일러에 공급하여 연소시키는 공정;
상기 보일러의 연소열로 열교환기에서 스팀을 생성하고, 스팀 터빈을 가동시켜 전력을 생산하는 공정;
을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 팜 바이오메스와 바이오가스를 혼합 연소시켜 발전하고 비료를 생산하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 바이오메스 물질은 PKS(Palm Kernel Shell, 팜커널 껍질), EFB(Empted Fruit Bunch, 빈 열매송이), Fiber(열매 섬유)이며,
상기 바이오메스 물질은 0.5∼1.5㎜ 크기로 분쇄하여 파우더로 만드는 것을 특징으로 하는 팜 바이오메스와 바이오가스를 혼합 연소시켜 발전하고 비료를 생산하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 여액 폐수는, 가압부상조를 거쳐 부유물질(SS, suspended solid) 농도를 900∼1,000ppm으로 조절하는 것을 특징으로 하는 팜 바이오메스와 바이오가스를 혼합 연소시켜 발전하고 비료를 생산하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 슬러지 케익에 PKS(Palm Kernel Cake, 팜커널 케익)과, EFB(빈 열매송이) 분말과, 보일러에서 회수되어지는 재(ash)를 섞은 다음, 미생물을 혼합 발효시키는 공정을 거쳐 바이오 비료를 생산하는 것을 특징으로 하는 팜 바이오메스와 바이오가스를 혼합 연소시켜 발전하고 비료를 생산하는 방법.
제5항에 있어서,
상기 미생물은, 박테리아와 효모 및 곰팡이이며,
상기 박테리아는, 바실러스 서브틸리스(Bacillus substilis)와, 바실러스 메가테리움(Bacillus megaterium)와, 바실러스 리케니포오미스(Bacillus licheniformis)와, 패니바실러스 폴리믹사(Paenibacillus polymaxa)와 , 바실러스 아밀로리퀘파시엔스(Bacillus amyloliquefaciens)이고,
상기 효모는, 캔디다 트로피칼리스(Candida tropicalis)와, 사카로마이세스 세레비시아(Saccharomyces cerevisiae)이며,
상기 곰팡이는, 트리코더마 비리데(Trichoderma viride)와, 아스펠기우스 오르제(Aspergillus oryzae)인 것을 특징으로 하는 팜 바이오메스와 바이오가스를 혼합 연소시켜 발전하고 비료를 생산하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 바이오가스를 탈황시킬 때는 바이오가스 속에 포함된 황화수소(H₂S)를 제거하는 것을 특징으로 하는 팜 바이오메스와 바이오가스를 혼합 연소시켜 발전하고 비료를 생산하는 방법.