KR100761065B1 - 연료용 첨가제 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료용 첨가제 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 과산화수소, 규산염(silicate), 붕사(borax), 수산화나트륨(또는 수산화칼륨) 및 물을 포함하는 연료용 첨가제 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 따른 연료용 첨가제 조성물은 석탄, 오일 및 가스 등의 연료에 첨가되어 연료의 연소 촉진 및 완전 연소를 유도하며, 연소기관 내의 크링커(clinker) 및 파울링(fouling)을 방지하여 열 전달을 증가시키고, 특히 석탄에 적용할 경우 전처리 과정에서의 미분(분쇄) 효율이 향상됨에 따라 연료의 연소 효율이 향상되며 대형 연소기관에 적합한 석탄을 보다 용이하게 공급할 수 있는 장점이 있다.
연료, 첨가제, 규산염, 붕사, 분쇄효율

Description

연료용 첨가제 조성물{COMPOSITION OF ADDITIVE FOR FUEL}
[산업상 이용 분야]
본 발명은 석탄, 오일 및 가스 등의 연료에 첨가되는 연료용 첨가제 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료의 연소 촉진 및 완전 연소를 유도하고, 연소기관 내의 크링커(clinker) 및 파울링(fouling)을 방지하며, 특히 석탄에 적용할 경우 전처리 과정에서의 미분(분쇄) 효율을 향상시킬 수 있는 연료용 첨가제 조성물에 관한 것이다.
[종래 기술]
종래에는 노(爐)에 생성된 슈트(soot) 및 크링커(clinker)를 제거하기 위해 주로 물리적인 방법을 사용하였고, 대기오염물질 발생을 저감시키기 위해 주로 배기가스를 후처리하는 방법을 사용하였다.　 또한, 열 효율를 개선시키기 위해 과거에는 주로 기계적인 시스템을 이용하였다.　 그러나 노(爐)의 운전상 또는 연료의 성상에 따라 많은 문제점이 있었다.
특히, 화석연료, 부생연료 및 바이오매스 등을 사용하는 연소기관의 경우에는 연소기관 내에 딱딱한 고체 물질 등의 슬러지가 형성되어 연료의 소모가 증가될 뿐만 아니라, 연소 효율이 저하되는 등의 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 석탄, 오일 및 가스 등의 연료에 첨가하는 연료용 첨가제 조성물을 제공하는 것으로서, 연료의 연소 촉진 및 완전 연소를 유도하며, 연소기관 내의 크링커(clinker) 및 파울링(fouling)을 방지하여 열 전달을 증가시키고, 특히 석탄에 적용할 경우 전처리 과정에서의 미분(분쇄) 효율이 향상됨에 따라 연료의 연소 효율이 향상되며 대형 연소기관에 적합한 석탄을 보다 용이하게 공급할 수 있는 연료용 첨가제 조성물을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
과산화수소 100 중량부에 대하여, 규산염(silicate) 5~120 중량부, 붕사(borax) 10~140 중량부, 수산화나트륨(또는 수산화칼륨) 10~140 중량부 및 물 15~300 중량부를 포함하는 연료용 첨가제 조성물을 제공한다.
본 발명에 따르면, 상기 연료용 첨가제 조성물은 연료 100 중량부에 대해 0.02 내지 0.5 중량부로 첨가하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 조성물은 추가로 수용성 분산제를 포함하며, 그 함량은 상기 조성물 100 중량부에 대하여 0.1 내지 100 중량부가 되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 상기 제조된 연료용 첨가제 조성물의 용도를 제공한다.
이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 연료용 첨가제 조성물은 일정량의 물에 과산화수소, 규산염, 붕사 및 수산화나트륨(또는 수산화칼륨)을 포함하여 연료의 연소 촉진 및 완전 연소를 유도하며, 연소기관 내의 크링커(clinker) 및 파울링(fouling)을 방지하여 열 전달을 증가시키고, 특히 석탄에 적용할 경우 전처리 과정에서 분쇄 효율을 향상시켜 연소효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
상기 과산화수소는 발생기 산소(라디칼 산소)를 방출하여 연료의 연소를 촉진시키는 역할을 한다.　 발생기 산소란, 원자 상태의 산소로서 매우 불안정하여 아주 짧은 시간 동안 존재하며 화학적으로도 불안정하여 반응성이 매우 큰 특징이 있다.　 본 발명의 조성물에서 과산화수소는 발생기 산소를 발생시킴에 따라 노(爐) 및 연소기관에 유입되는 연료의 연소를 촉진시키고, 산소량이 적을 경우에도 연료를 쉽게 태울 수 있다.　　 또한, 연소기관의 경우 발생기 산소로 인해 NOx(thermal NOx), SOx, CO 등의 발생을 저감시키고, 먼지, 미연분 등의 입자상 물질(particulate matters)의 발생을 억제시킨다.
상기 과산화수소는 상온에서도 발생기 산소 또는 산소 분자를 생성시키기 때문에, 규산염(silicate)을 사용하여 저온에서의 발생기 산소 생성을 억제시킨다.　 그 결과, 약 400 ℃의 일정 온도에서 라디칼의 다량 생성으로 연소시 산소 접촉 능력을 높여 연소 촉진 효과를 얻을 수 있으며, 약 800 ℃ 이상에서는 붕사(borax)의 라디칼 산소로 인해 연소 촉진을 증진시킬 수 있다.
상기 규산염(silicate)으로는 Na2O·SiO2, K2O·SiO2를 포함하는 알카리 규산염으로 이루어진 군에서 1종 이상을 선택하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 물 유리(water glass)를 사용할 수 있다.
더욱이, 상기 규산염를 사용함으로써 상온은 물론 약 180 ℃까지 가열해도 상기 과산화수소의 분해가 지연되도록 한다. 또한, 약 180 ℃ 이상이 되면 발생기 산소를 조금씩 방출하다가 약 400 ℃ 이상에서 대량 방출하여 연료의 연소를 촉진시킴과 동시에, 적은 산소량의 존재 하에서도 연료(탄소)를 빨리 태워 연소를 촉진시킬 수 있다.　 또한, 규산염은 저온 부식을 방지하며 수용액 상에서의 물질 분산성을 높여 물질의 비중차를 높여줄 뿐만 아니라 회분(ash)의 융점을 높여 준다.
상기 붕사(borax)는 사붕산나트륨십수화물(Na2B4O7·10H2O)로서 연소기관 내의 슈트(soot) 및 크링커(clinker)를 제거하여 열 전도율을 높여, 연소기관 표면의 부식을 방지하고 연소기관의 수명을 연장시키는 역할을 한다.
본 발명의 조성물을 석유, 석탄 등의 연료와 혼합 사용함에 따라, 상기 붕사의 일부는 분해되어 라디칼 산소를 방출하고, 미처 분해되지 못한 붕사는 노 및 부속 설비의 표면에 침착되어 피막을 형성하여 고온에서의 부식을 억제한다.　 또한, 상기 붕사는 회분(ash)의 점도를 낮춰줌으로써 슈트, 크링커 및 슬러지 등 입자상 물질의 생성 및 부착을 억제하여 열효율을 증진시키고, 나아가 대기 오염물질(더스트, 스모크, NOx 및 SOx)을 저감시킨다.
즉, 연소기관의 경우 본 발명의 연료용 첨가제 조성물의 라디칼 산소로 인하여 써말(thermal) NOx의 저감을 가져오고, 혼합물에 혼재된 나트륨(Na)으로 인해 망초가 형성되어 하부로 방출되어 대기 중으로 SOx의 생성을 억제한다.
상기 붕사는 분말로 물에 용해시켜 첨가할 수 있으나, 시간이 지남에 따라 침전이 발생할 수 있으므로, 물의 온도를 50 내지 95 ℃로 유지하여 붕사의 물에 대한 용해도를 높이고, 수분산 시 침전을 방지하기 위해 수산화나트륨(또는 수산화칼륨)과 규산염을 사용한다.
전술한 바와 같은 연료용 첨가제 조성물은 과산화수소 100 중량부에 대하여, 규산염(silicate) 5~120 중량부, 붕사(borax) 10~140 중량부, 수산화나트륨(또는 수산화칼륨) 10~140 중량부 및 물 15~300 중량부를 균일하게 분산시켜 제조할 수 있다.
이때, 각 조성의 함량이 상기 범위를 벗어나게 되면, 연소가 늦어져 연료 사용량이 증가되거나 크링커 및 파울링 억제력이 저하되고, 수분산시 침전이 발생하는 등의 문제점이 있어 바람직하지 못하다.
또한, 상기 조성물은 물에 균일하게 분산될 수 있도록 하기 위하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 사용되는 수용성 분산제를 더 포함할 수 있으며, 글리세린 또는 트리에탄올아민을 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 수용성 분산제의 함량은 분산 균일성 향상 효과를 나타내는 범위 및 조성물의 물성 변화에 영향을 주지 않는 범위 내에서 사용할 수 있으며, 바람직하게는 조성물 100 중량부에 대하여 0.1 내지 100 중량부로 첨가할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료용 첨가제 조성물은 사용되는 연료의 종류와 질, 연소기관의 운전조건 및 노후 정도에 따라 조성 비율을 적절히 조절할 수 있으며, 바람직하기로 연료 100 중량부에 대해 0.02 내지 0.5 중량부로 첨가한다.
이러한 본 발명의 연료용 첨가제 조성물의 제조방법은 특별히 제한되지 않으며, 통상적인 혼합에 의해 제조할 수 있다.
다만, 붕사를 50 내지 95 ℃에서 첨가함으로써 상기 붕사의 물에 대한 용해도를 극대화할 수 있으며, 과산화수소를 맨 마지막 공정에 첨가함으로써 발생되는 라디칼 산소의 함량을 적절히 제어할 수 있다.　 이때, 과산화수소를 붕사 및 수산화나트륨과 동시에 혼합하게 되면, 과도한 라디칼 산소의 발생으로 기포가 발생하여 라디칼 산소가 손실될 수 있으나, 혼합 순서가 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 조성물과 함게 사용 가능한 연료는 특별히 한정하지 않으나, 고체 연료, 액체 연료 및 기체 연료가 사용될 수 있다.　 일 예로, 고체 연료로는 석탄, 코크스, 목탄 등이 있으며, 액체 연료로는 가솔린, 등유, 경유, 중유, 콜타르, 오일 샌드, 오일셰일, 메탄올 및 에탄올 등이 있으며, 기체 연료로는 천연 가스, 액화 석유 가스, 수소 및 아세틸렌 등이 있다.
본 발명의 연료용 첨가제 조성물은 상기 연료의 회(ash)가 회융되기 전에 탄소 알갱이(석탄 등)를 태우고, 그로 인해 탄소 알갱이와 회가 엉켜 붙는 것을 동시에 방지하며 붕사의 피막 형성 작용과 회분의 점도를 변화시켜 노 내에 크링커, 슈트 및 슬러지 등이 고착되는 것을 방지하고, 파울링 현상을 방지할 수 있다.
크링커의 생성 억제 능력은 노 내의 환원 분위기에서는 회융점이 강하하는데 있어, 본 발명의 연료용 첨가제 조성물에 의해 환원 분위기에서의 라디칼 산소로 인해 회융점 강하를 억제시킨다.　 이와 더불어, 석탄의 공극 속에 침투된 붕사가 가열되면 붕사의 유리구슬 반응으로 회가 용융될 경우 회가 서로 유착되는 것을 방 해하고, 미처 분해되지 못한 붕사는 노 및 부속 설비의 표면에 침착되어 피막을 형성하여 고온부식억제 및 크링커의 부착을 억제하여 열효율을 증진시킨다.
특히, 본 발명의 연료용 첨가제 조성물은 수분산시켜 미분탄 등의 분쇄도를 증진시키고, 이와 함께 상기 연료용 첨가제 조성물의 발생기 산소에 의한 연소촉진을 시켜 재의 양을 줄이고 석탄재의 재활용 가치를 높일 수 있다.　 이와 더불어 상기 조성물을 석탄, 연탄(구공탄 등), 코크스 또는 숯 바이오 매스 등에 뿌리거나 섞어서 태울 경우 연소 효율이 증진되고 연기 및 유황 냄새 등을 감소시킬 수 있다.
이하 실시예를 통해 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명할 것이나, 하기 실시예는 본 발명의 일 예시일 뿐 본 발명이 이러한 실시예에 의해 한정되는 것은 아니며, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
실시예 1
연료용 첨가 조성물을 제조하기 위해 물 50 kg에 붕사 15 kg 및 수산화나트륨 20 kg을 70 ℃에서 용해시킨 후, 규산염(물유리) 20 kg, 과산화수소 20 kg를 첨가하였다.　 상기 제조된 연료용 첨가 조성물은 시간이 지나도 붕사의 침전 또는 석출 등이 발생하지 않으며, 안정한 수용액을 제조하였다.
비교예 1
상기 온도를 40 ℃에서 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 연료용 첨가 조성물을 제조하였다.　 상기 제조된 조성물은 시간이 지남에 따라 바닥에 침전물이 발생함을 확인하였다.
실시예 2: 석탄의 분쇄 효율 평가
석탄 주입기(coal feeder)를 통과하는 괴탄에 첨가제 조성물(실시예 1):물:석탄=1:10:1000의 중량비로 분무하여 미분기에서의 분쇄 효율을 평가하였다.　 이때 사용된 괴탄의 성분 및 물성, 미분기의 운전 조건은 하기 표 1 및 2에 나타내었으며, 평가 결과는 하기 표 3에 나타내었다.
<사용된 괴탄의 성분 및 물성>
구 분 수 치 구　 분 수 치
탄소 함량 57.36 % 건조 회분 함량 32.90 %
수소 함량 2.77 % 건조 유황분 함량 0.37 %
산소 함량 4.86 % 건조 휘발분 함량 11.66 %
질소 함량 0.94 % 무회분 건조 휘발분 함량 17.68 %
전수분 함량 4.20 % 발열량 5260 kcal/kg
건조 수분 함량 1.17 % 분쇄도 (HGI) 145
<미분기의 운전 조건>
구　 분 수　 치
괴탄 투입속도 100 r/min
미분기 출력 198 kg/h
통풍량 1475 ㎥/h
미분기 입구 온도 258 ℃
미분기 내부 온도 358 ℃
미분기 출구 온도 135 ℃
미분기 내외 압력차 1183 Pa
미분 속도 33 r/min
미분건조용 선풍기 속도 8 r/min
비교예 2
석탄 주입기를 통과하는 괴탄에 조성물을 분무하지 않은 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 분쇄 효율을 평가하였으며, 그 결과는 하기 표 3에 나타내었다.
구　 분 실시예 2 비교예 2
R90 초과입자 분포율(90 mesh 잔여물, %) 9.90 % 11.72 %
R200 초과입자 분포율(200 mesh 잔여물, %) 0.66 % 1.12%
입자 균일도( 100 mesh 통과물 %) 0.971 0.962
상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 연료용 첨가 조성물을 사용한 경우(실시예 2)에는 그렇지 않은 경우(비교예 2)에 비하여 R90 초과입자 분포율이 15.53 % 감소하였고, R200 초과입자 분포율이 41.07 % 감소하였으며, 입자 균일도가 향상됨에 따라 대형 연소기관에 적합한 입자크기를 갖는 석탄을 보다 용이하게 제공할 수 있음을 알 수 있다.
실시예 3
실시예 2에서 미분한 석탄을 버너를 통해 과잉공기율(excess air factor)=3.5의 조건에서 연소시키면서 대기오염물질 발생 정도, 연료 절감 효과, 크링커 및 파울링 억제 효과를 평가하였다.　 이때 상기 버너는 크기(㎥)= (폭×넓이×높이)=(1.62×1.86×5.22), 시간당 연소용량 200 kg/hr(1,328,600 kcal/hr), 면적당 연소량 84,624 kcal/hr·㎥, 노 내부온도 1,249 ℃, 배기가스온도 150 ℃인 것을 사용하였으며, 그 결과는 하기 표 4에 나타내었다.
* 대기오염물질 발생 정도: 배기가스에 대하여 각각 SOx(침전 적정법), NOx(아연화 원나프틸디아민법), CO(비분산 적외선 분석법) 및 먼지(원통 여지법) 농도를 측정
* 연료 절감 효과: 에쉬(ash) 중 미연분 함량(%)으로 평가
* 크링커 및 파울링 억제 효과: 상기 버너의 내부에 시편을 부착하여 육안으로 평가
실시예 4
실시예 2에서 미분한 석탄을 버너를 통해 과잉공기율(excess air factor)=1.3의 조건에서 연소시킨 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 대기오염물질 발생 정도, 연료 절감 효과, 크링커 및 파울링 억제 효과를 평가하였으며, 그 결과는 하기 표 4에 나타내었다.
비교예 3
비교예 2에서 미분한 석탄을 버너를 통해 과잉공기율(excess air factor)=3.5의 조건에서 연소시킨 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 대기오염물질 발생 정도, 연료 절감 효과, 크링커 및 파울링 억제 효과를 평가하였으며, 그 결과는 하기 표 4에 나타내었다.
비교예 4
비교예 2에서 미분한 석탄을 버너를 통해 과잉공기율(excess air factor)=1.3의 조건에서 연소시킨 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 대기오염물질 발생 정도, 연료 절감 효과, 크링커 및 파울링 억제 효과를 평가하였으며, 그 결과는 하기 표 4에 나타내었다.
구 분 실시예 3 비교예 3 실시예 4 비교예 4
SOx (ppm) 211 320 173 261
NOx (ppm) 602.6 858.7 612.8 824.6
CO (ppm) 12.23 27.12 11.74 27.36
먼지 (㎎/㎥) 5 13 12 35
Ash 중 미연분 함량 (%) 15.30 28.70 19.52 32.72
크링커 및 파울링 발생 여부 × × ○ ○
상기 표 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 연료용 첨가 조성물을 사용한 경우(실시예 3)는 그렇지 않은 경우(비교예 3)에 비하여 대기오염발생물질 저감율이 각각 SOx(34.06 %), NOx(29.82 %), CO(54.90 %) 및 먼지(61.54 %)를 나타냈으며, 연료 절감 효과가 46.69 % 향상(Ash 중 미연분 함량 감소)되었고, 크링커 및 파울링의 발생을 억제할 수 있는 우수한 효과를 나타내었다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 연료용 첨가제 조성물은 일정량의 물에 과산화수소, 규산염, 붕사 및 수산화나트륨(또는 수산화칼륨)을 포함함에 따라 연료의 연소 촉진 및 완전 연소를 유도하며, 연소기관 내의 크링커(clinker) 및 파울링(fouling)을 방지하여 열 전달을 증가시키고, 특히 석탄에 적용할 경우 전처리 과정에서의 미분(분쇄) 효율이 향상됨에 따라 연료의 연소 효율이 향상되며 대형 연소기관에 적합한 석탄을 보다 용이하게 공급할 수 있는 장점이 있다.

Claims (6)

  1. 과산화수소 100 중량부에 대하여, 규산염(silicate) 5~120 중량부, 붕사(borax) 10~140 중량부, 수산화나트륨(또는 수산화칼륨) 10~140 중량부 및 물 15~300 중량부를 포함하는 연료용 첨가제 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 규산염은 Na2O·SiO2, K2O·SiO2를 포함하는 알카리 규산염으로 이루어진 군에서 1종 이상을 선택되는 것인 연료용 첨가제 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 조성물은 고체연료, 액체연료 및 기체연료로 이루어진 군에서 1종 이상 선택되는 연료 100 중량부에 대하여 0.02 내지 0.5 중량부로 포함되는 것인 연료용 첨가제 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 조성물은 글리세린 및 트리에탄올아민으로 이루어진 군에서 1종 이상 선택되는 수용성 분산제를 더 포함하는 것인 연료용 첨가제 조성물.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 수용성 분산제의 함량은 조성물 100 중량부에 대하여 0.1 내지 100 중량부로 첨가하는 것인 연료용 첨가제 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 조성물은 50 내지 95 ℃에서 혼합되어 제조되는 것인 연료용 첨가제 조성물.
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