由污水污泥生产生物柴油的方法及设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种由污水污泥生产生物柴油的方法和设备。更具体地，本发明涉及 通过污水处理所产生的初级和次级污水污泥的油组分和脂肪酸的酯交换来生产生物柴油 的方法和设备。
【背景技术】
[0002] 在韩国，污水处理期间产生的污泥总计达约9000吨/天，并逐年增加。然而，当 水含量为85%或更高时，已经禁止污水污泥的直接填埋，并且从2012年起也禁止海洋处置 (主要的处理方法）。因此，迫切需要一种稳定地处理并处置污水污泥的技术方法。同时， 随着能源安全和气候变化的国际意识增强，已经高度重视废物资源（诸如污水）的能源转 化技术。
[0003] 厌氧消化是当前使用的污水污泥的内陆处理技术，它引起了极大兴趣。然而，已知 厌氧消化技术具有以下缺点：由于废物活化污泥（次级污泥）中的长链脂肪酸，消化速率 很差；转化成燃料的污泥干燥中消耗的能量很高；并且产生难闻的气味。同时，特别是在美 国，已经做出了积极尝试，将初级和次级污水污泥的油组分和活性污泥的（作为微生物的 磷脂膜所使用的）脂肪酸转化成生物柴油。当产自诸如污水污泥的有机废物时，生物柴油 相比于沼气在易于贮存和处理的方面上具有优点。进一步地，随着巨大的连锁反应的后续 繁衍，由污水污泥生产生物柴油在可再生能源生产和资源回收的方面上非常有价值。生物 柴油目前被视为传统石化柴油的重要替代。韩国贸易、工业和能源部制定了到2030年国内 分配率达到7%的目标。然而，对于常规生物柴油的生产方法，在生产成本中在于非常高比 例的材料成本。具体地讲，因为韩国的耕地资源有限，所以在韩国生产植物类原料是非常困 难的。由于这些原因，韩国消耗的大多数生物柴油是进口的。于是，使用污水污泥作为新的 生物柴油的原料在能源生产替代能源进口和难以处理的废物资源的回收管理的方面上是 非常重要且有价值的。
[0004] 对由污水污泥生产生物柴油的酯化技术的研宄仍停留在起步阶段，并且大多数研 宄仅限于使用干燥的污水污泥作为材料。
【发明内容】
[0005] 本发明旨在通过使用具有高沸点的疏水性助溶剂的酯交换来由污水污泥生产具 有高含量的脂肪酸甲酯的生物柴油。
[0006] 另外，本发明旨在通过适当的温度控制而从污泥的水中分离出油和脂肪酸并且通 过使油和脂肪酸与甲醇反应来提高由污水污泥生产生物柴油的酯化反应的效率。
[0007] 为了实现上述目的，本发明提供了一种生产生物柴油的方法，包括：
[0008] (a)在反应罐30中将含水的污水污泥、混合溶液以及作为助溶剂的二甲苯或甲苯 加热以诱发酯交换反应，该混合溶液包括体积比为1:0. 01至1:0. 05的甲醇或乙醇和酸催 化剂；
[0009] (b)使步骤（a)中产生的混合蒸汽冷却并冷凝以分离水性甲醇或乙醇溶液和助溶 剂的各层，随后使助溶剂循环至反应罐；
[0010] (C)将甲醇或乙醇进一步添加至反应罐以执行酯交换反应至完成，伴随产生生物 柴油；和
[0011] (d)从水性甲醇或乙醇溶液、助溶剂和残余固体中分离并回收生物柴油。
[0012] 另外，本发明提供了一种生产生物柴油的设备，包括：
[0013] 助溶剂容器10;
[0014] 溶剂容器20;
[0015] 反应罐30,在反应罐的上部位置设置有溶剂供给单元90和污泥供给单元80,溶剂 供给单元用于分别从助溶剂容器和溶剂容器中引入助溶剂和溶剂，在下部位置设置有用于 从反应罐排出残余污泥的污泥排出单元120,在中间位置设置有生物柴油排出单元110,并 且在顶部位置设置有水蒸汽排出单元100 ;
[0016] 冷凝器40,冷凝器连接至水蒸汽排出单元；
[0017] 液相分离器50,液相分离器用于从冷凝器中放出的冷凝的水性甲醇或乙醇的溶液 进行分离；
[0018] 溶剂回收单元41，溶剂回收单元用于回收从冷凝器中排出的冷凝的溶剂；
[0019] 溶剂回收罐60,溶剂回收罐用于贮存由溶剂回收单元41回收的溶剂；和
[0020] 溶剂循环泵70。
[0021] 有益效果
[0022] 以使用高沸点的二甲苯或甲苯作为助溶剂为特征，由污水污泥生产生物柴油的方 法使得酯交换在没有水抑制的情况下进行，从而带来以下优点：降低待使用的甲醇量，并且 提高由脂质或脂肪酸转化脂肪酸甲酯的转化率，以高产率地生产具有高含量的脂肪酸甲酯 的生物柴油。
【附图说明】
[0023] 图1是根据本发明的示例性实施方式生产生物柴油的设备的示意图。
[0024] (10 :助溶剂容器，20 :溶剂容器，30 :反应罐，40 :冷凝器，41 :溶剂回收单元，50 : 液相分离器，51 :输送机，52 :碳酸钾供给泵，53 :甲醇或乙醇回收单元，54 :水排出单元，60 : 溶剂回收罐，70 :溶剂循环泵，80 :污泥供给单元，90 :溶剂供给单元，100 :水蒸汽排出单元， 110 :生物柴油排出单元，120 :污泥排出单元）。
[0025] 图2是使助溶剂与甲醇或乙醇分离的冷凝器的示意图。
[0026] 图3是使甲醇或乙醇与水分离的液相分离器的示意图。
[0027] 图4是示出实施例1的脂肪酸甲酯的质谱。
[0028] 图5是示出比较例1的脂肪酸甲酯的质谱。
【具体实施方式】
[0029] 下面，将给出本发明的详细描述。
[0030] 本发明提出了一种由污水污泥生产生物柴油的方法。该方法包括：
[0031] (a)在反应罐中将含水的污水污泥、混合溶液以及作为助溶剂的二甲苯或甲苯加 热以诱发酯交换反应，该混合溶液包括体积比为1:0.0 l至1:0. 05的甲醇或乙醇和酸催化 剂；
[0032] (b)使步骤（a)中产生的混合蒸汽冷却并冷凝以分离水性甲醇或乙醇溶液和助溶 剂的各层，随后使助溶剂循环至反应罐；
[0033] (c)将甲醇或乙醇进一步添加至反应罐以执行酯交换反应至完成，伴随产生生物 柴油；和
[0034] (d)从水性甲醇或乙醇溶液、助溶剂和残余固体中分离并回收生物柴油。
[0035] 污水污泥可以是初级或次级污水污泥，或可以是在干燥过程已经被执行之前的污 水污泥。污水污泥的水含量可以优选为约0至85重量％，或者更优选为约80至85重量％。
[0036] 甲醇或乙醇可被用作酯交换的溶剂。将酸催化剂添加至溶剂以提高初始反应速 率。优选地，甲醇或乙醇与酸催化剂的体积比的范围为1:0. 01至1:0. 05。在该范围内，可 以以高产率进行生产生物柴油。
[0037] 此外，酸催化剂可以选自由以下物质组成的组，但不限于：硫酸、盐酸、磺酸以及它 们的组合，且最优选硫酸。
[0038] 二甲苯或甲苯可被用作助溶剂。因为这两种助溶剂的沸点分别为138. 5°C和 lire，所以可以在酯交换反应中分离出水。也就是说，在加热时，污