KR102317595B1

KR102317595B1 - 배연 탈황 설비의 스프레이 노즐 제조용 세라믹 복합 재료 조성물

Info

Publication number: KR102317595B1
Application number: KR1020210045431A
Authority: KR
Inventors: 김춘식; 정 류; 서광호; 전효영
Original assignee: 태정인더스트리 주식회사; 한국동서발전(주)
Priority date: 2021-04-07
Filing date: 2021-04-07
Publication date: 2021-10-27

Abstract

본 발명은 배연 탈황 설비의 스프레이 노즐 제조용 세라믹 복합 재료 조성물에 관한 것으로써, 재질의 취약점을 개선하여 물리적, 기계적 물성이 뛰어나고, 수입 제품에 비하여 제조 비용이 40% 이상 저렴하며, 발전설비 및 유사조건 타 설비에도 적용 가능한 배연 탈황 설비의 스프레이 노즐 제조용 세라믹 복합 재료 조성물에 관한 것이다. 본 발명에 따른 스프레이 노즐은 종래의 스프레이 노즐에 비하여 재질의 취약점을 개선하여 물리적, 기계적 물성이 뛰어나고, 수입 제품에 비하여 제조 비용이 40% 이상 저렴하며, 발전설비 및 유사조건 타 설비에도 적용 가능하다.

Description

배연 탈황 설비의 스프레이 노즐 제조용 세라믹 복합 재료 조성물{Ceramic composite spray nozzle composition for flue gas desulfurization}

본 발명은 배연 탈황 설비의 스프레이 노즐 제조용 세라믹 복합 재료 조성물에 관한 것으로써, 재질의 취약점을 개선하여 물리적, 기계적 물성이 뛰어나고, 수입 제품에 비하여 제조 비용이 40% 이상 저렴하며, 발전설비 및 유사조건 타 설비에도 적용 가능한 배연 탈황 설비의 스프레이 노즐 제조용 세라믹 복합 재료 조성물에 관한 것이다.

배연탈황설비(FGD, Flue Gas Desulfurization)는 화석 연료가 연소될 때 발생되는 황산화물을 석회석 슬러리에 흡수반응시켜 황산화물을 90~94% 제거하는 환경오염 방지시설로서, 환경적인 측면에서 중요한 설비 중 하나이다.

도 1은 탈황설비 구성도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이 이러한 탈황설비에서 유입된 배기가스는 아래쪽에서 위로 흐르게 되고, 이때 석회석 슬러리는 스프레이 노즐을 통해 배기 가스에 분사시키고, 배기 가스 중의 석회석과 반응한 황산화물은 석고가 되어 아래쪽으로 떨어지며, 황산화물이 제거된 Clean Gas는 탈황설비 상부로 배출되는 구조이다.

이러한 탈황설비의 구성품 중 황산화물을 제거하는 주요한 역할을 하는 석회석 슬러리를 배기가스에 분사시키는 역할을 하는 것이 스프레이 노즐이다. 이는 기상인 가스 속으로 액상인 미스트를 분산시키는 설비이다.

탈황설비 흡수탑 재순환 펌프 후단에 설치되는 스프레이 노즐은 실리콘 카바이드(Silicone Carbide) 분말을 소결(Sintering) 공정으로 거친 성형물로서, 그동안 국산화 되지 못하고, 전량 일본에서 수입하여 사용되어져 왔다.

수입품인 스프레이 노즐은 재질 특성상, 내마모성에는 우수하지만, 금속재료나 고분자 재료에 비해 파괴인성이 낮아 미소결함에 민감하게 반응하여 극단적인 파괴를 일으키는 취성(Brittleness)이 있어 쉽게 깨지는 취약한 성질을 가지고 있었다. 이러한 특성으로, 그동안 발전 점검시 확인하여 교체하여만 했으며, 스프레이 노즐 가격이 고가(高價)인 점과 잦은 교체비용이 작용하여, 운영비용이 높았다.

또한, 전량 수입품에 의존하고 있어, 긴급 구매시 납품이 늦고, 상시 예비품을 보유해야하는 경제적 부담이 컸으며, 최근 일본의 수출규제에 따르는 사회적,경제적 사유에 따라, 일본 수입품이 아닌 국산화로 발전설비의 안정적인 공급과 비용절감이 필요하게 되었다.

따라서, 이러한 문제점들이 해소되고 저가로 제조할 수 있는 스프레이 노즐의 개발이 필요한 실정이다.

한국 등록번호 제10-1928670호(2018년12월06일)

본 발명자들은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 극복하고 물리적 특성 및 기능성이 개선된 스프레이 노즐을 개발하기 위하여 예의 연구하던 중, 후술하는 바와 같이 고분자 수지와 무기물인 세라믹 강화제를 최적의 비율로 배합할 경우 목적하는 기계적 물성을 갖는 스프레이 노즐의 제공이 가능함을 밝혀내어 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

따라서, 본 발명의 목적은, 재질의 취약점을 개선하여 물리적, 기계적 물성이 뛰어나고, 수입 제품에 비하여 제조 비용이 40% 이상 저렴하며, 발전설비 및 유사조건 타 설비에도 적용 가능한 배연 탈황 설비의 스프레이 노즐 제조용 세라믹 복합 재료 조성물을 제공하는 것에 있다.

위와 같은 본 발명의 목적은 에폭시 수지 17~20 중량%, 알루미늄 옥사이드 57~61 중량%, 실리콘 카바이드 20~22 중량% 및 이산화티타늄 1.5~2.5 중량%를 포함하는 세라믹 복합 재료 조성물에 의해 달성될 수 있다.

본 발명에 따른 스프레이 노즐은 종래의 스프레이 노즐에 비하여 재질의 취약점을 개선하여 물리적, 기계적 물성이 뛰어나고, 수입 제품에 비하여 제조 비용이 40% 이상 저렴하며, 발전설비 및 유사조건 타 설비에도 적용 가능하다.

따라서, 본 발명에 의하여 작업성, 생산성, 경제성을 고려한 재료 선정 기술을 포함하는 제조공정기술 표준을 제공할 수 있으며, 또한, 국내시장에서 국외선진기술 제품이 과점인 현 시장에서, 독자적인 국산기술로 개발함으로써 고가의 국외선진기술 제품대비 대등한 성능과 함께 저렴한 생산 원가로 공급이 가능하여 수입대체 및 생산 판로 및 매출 증대에 도움이 될 것으로 기대된다.

도 1은 탈황설비 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 스프레이 노즐의 시제품 사진이다.
도 3은 시편별 단면 전자현미경 관찰 결과를 나타내는 사진이다.
도 4는 내충격성 시험결과를 나타내는 그라프도이다.
도 5는 다중충격 시험결과를 나타내는 그라프도이다.
도 6은 마찰마모시험 시험결과를 나타내는 그라프도이다.
도 7은 시제품을 TEST BED로 설치한 사진이다.

본 발명은, 일면에 있어서,

에폭시 수지 17~20 중량%, 알루미늄 옥사이드 57~61 중량%, 실리콘 카바이드 20~22 중량% 및 이산화티타늄 1.5~2.5 중량%를 포함하는 세라믹 복합 재료 조성물을 제공한다.

이하, 본 발명에 따른 배연 탈황 설비의 스프레이 노즐 제조용 세라믹 복합 재료 조성물에 대하여 첨부된 도면을 참고로 하여 보다 상세하게 설명한다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있으며, 특정 실시예들은 상세한 설명에서 구체적으로 설명한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해서 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 2는 본 발명에 따른 스프레이 노즐의 시제품 사진이고, 도 3은 시편별 단면 전자현미경 관찰 결과를 나타내는 사진이며, 도 4는 내충격성 시험결과를 나타내는 그라프도이고, 도 5는 다중충격 시험결과를 나타내는 그라프도이며, 도 6은 마찰마모시험 시험결과를 나타내는 그라프도이고, 도 7은 시제품을 TEST BED로 설치한 사진이다.

본 발명에 따른 스프레이 노즐은 세라믹 복합재료를 이용하여 제조되며, 종래 제품의 취성을 개선시키며, 내마모성과 내충격성을 포함한 개선된 기계적 강도를 제공하는 것에 기술적 특징이 있다.

본 발명에 따른 스프레이 노즐 제조용 조성물은 에폭시 수지, 알루미늄 옥사이드, 실리콘 카바이드 및 이산화 티탄을 주성분으로 포함한다.

○ 에폭시 수지

에폭시는 에폭시기가 반응하여 생기는 가교결합을 가진 가교 고분자라고 정의된다. 분자 내에 에폭시기 2개 이상을 갖는 수지상 물질 및 에폭시기의 중합에 의해서 생긴 열경화성 수지이다. 굽힘강도·굳기 등 기계적 성질이 우수하고 경화 시에 휘발성 물질의 발생 및 부피의 수축이 없게 할 수 있다.

바인더에 해당되는 기재는 에폭시 수지로, 휘발성 유기화합물(VOCs:Volatile Organic Compounds)을 포함하지 않는 100% 고형분으로 무용제 타입(VOCs Free)으로 설계하였다. 무용제 타입의 수지를 선택한 이유는 휘발성 유기화합물(VOCs)은 환경규제 대상물질로 확대되고 있고, 또한, 스프레이 노즐 성형시 체적감소, 수축, 균열 등이 발생할 수 있기 때문이다.

그 중 비스페놀 A 타입 에폭시 수지는 다음의 화확식 1의 구조를 갖는 것을 바람직하게 사용할 수 있고, 알칼리 존재하에서 비스페놀 A와 에피클로로히드린의 반응을 통해 얻어지는데, 일반적인 용도 뿐만 아니라, 저점도, 고순도, 저결정성 등의 다양한 제품들로 개발되어지지고, 토목, 건축, 접착 등의 분야에도 사용된다. 이는 경화제 및 변성제의 종류에 따라 다양한 물성을 얻을 수 있고, 다른 열 경화성수지에 비해 경화수축이 적으며, 강인성 및 고온특성이 우수하고 내약품성 및 내수성이 우수하며, Ether 결합은 회전이 가능하여 가소성을 가지고, 수산기와 탄화수소의 규칙성으로 접착성이 크다는 이점이 있다.

한편, 비스페놀 F 타입 에폭시 수지는 다음의 화학식 2의 구조를 같는 것으로써, Bisphenol A형과 같은 저점도의 액상 에폭시 수지이고, 일반적인 비스페놀 A형 수지에 비하여 저점도이므로, 작업성이나 유동성이 우수하여 반응성 희석제의 첨가량을 감소시킬 수 있다.

상기 비스페놀 A 에폭시와 상기 비스페놀 F 에폭시는 45~55: 20~30 중량부로 혼합하여 사용하는 것이 바람직할 수 있다.

에폭시 수지는 국내 수지제조사인 K사의 에폭시 수지를 바람직하게 사용할 수 있다. 이 수지는 100% 고형분 타입으로 무용제 타입이다. 100% 고형분 타입의 수지는 도료시장에서의 친환경, 작업안전 등이 지속적으로 강화됨에 따라 본 발명에 적합하게 이용될 수 있다.

상기 에폭시 수지는 세라믹 복합 재료용 조성물의 중량을 기준으로 17~20 중량%로 포함되는 것이 바람직할 수 있다.

○ 알루미늄 옥사이드(Al₂O₃, 산화알루미늄 또는 알루미나)

산소와 알루미늄의 화합물로서 알루미나라고도 불리우며, 분자량이 101.94이고, 녹는 점이 2090℃로 녹는 점이 높고 굳은 무색의 결정 가루로서 알루미늄을 만드는 원료이다. 강옥은 천연에서 나는 순수한 알루미나이고 루비·사파이어는 불순물로 인해 붉은색·푸른색을 띤 알루미나이다. 보크사이트의 주성분으로서도 산출된다. 물에 녹지 않고, 양성(兩性) 산화물이지만 세게 열하면 산에도 녹지 않는다. 알루미늄 전해용, 촉매, 촉매 담체, 연마재 외에도 IC 패키지, 세라믹스 배선판에 두루 쓰인다.

본 발명의 세라믹 복합재료 스프레이 노즐의 가장 많은 함유량을 나타내며, 코팅제의 내마모성을 높이는데 역할을 하는 소재이다. 산화 알루미늄은 산업에서 알루미나로 부르며, 세라믹의 재료로 여러가지 산업재 생산에 사용되어 고강도, 내마모성, 절연특성이 우수하다. 또한 순도높은 알루미나를 원료로 하여 특정한 공정을 거치면 산업용 강옥(사파이어)으로 가공할 수 있다.

본 발명에서는 평균입도 1㎛ 분말을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 상기 알루미늄 옥사이드는 본 발명의 세라믹 복합 소재 조성물의 중량을 기준으로 57~61 중량%로 사용되는 것이 바람직할 수 있다.

○ 실리콘 카바이드(SiC, 탄화규소, Silicon Carbide)

다이아몬드 다음으로 단단한 강인한 소재로 순수한 것은 무색 투명한 육각판상(六角板狀) 결정으로, 녹는점 2,700℃ 이상이고, 2,200℃에서 승화한다. 보통은 불순물로 인해서 갈색 또는 흑색 결정이다. 아주 단단하며, 굳기[硬度]는 루비와 다이아몬드의 중간 정도이다. 물·산에 녹지 않는다. 화학적으로 극히 비활성이지만, 공기 중에서 1,750℃로 가열하면 급속히 산화된다.

본 발명의 조성물에서는 크기가 큰 알루미늄 옥사이드의 공극사이에 충진되는 분말로서 마모에 강한 재질이다. 본 발명에서는 평균입도 14㎛의 분말을 사용하는 것이 더욱 바람직할 수 있다.

상기 실리콘 카바이드는 본 발명에 따른 조성물의 전체 중량을 기준으로 20~22 중량%로 사용되는 것이 바람직할 수 있다.

○ 이산화 티타늄(TiO₂, 이산화티탄, Titanium Dioxide)

은폐력이 커서 거의 모든 용매에 녹지 않으며, 굴절률이 매우 큰 이방성을 나타내고 산란성이 크다. 매우 안정적인 물질이어서 은폐력,내후성 및 열이나 빛에 대한 내변색성을 향상시킨다.

본 발명의 조성물에 있어서는 평균 입도 0.36㎛의 분말을 선정하여 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 조성물에서 이산화티타늄은 1.5~2.5 중량%로 사용되는 것이 바람직할 수 있다.

본 발명은 위와 같은 성분 및 조성비을 채택함으로써, 기존의 해외 수입에 의존하던 스프레이 노즐을 국산화함으로서 수입대체 효과, 국내 신시장개척 및 역수출 효과로 대외 경쟁력을 향상시킬 수 있고, 해외 의존 기술인 스프레이 노즐 제조기술을 획득하여 고가의 수입품을 국내 보급과 동시에 본 기술을 바탕으로 다양한 다품종으로 개량하여 고부가가치의 상품을 출시할 수 있는 기술력을 높인 제품으로써, 발전 분야에서 다양하게 변화시켜 효율적으로 이용될 수 있다.

<실시예>

이하, 하기 실시예에 의해 본 발명인 복합소재를 이용한 고기능성 배관용 코팅제 제조방법을 보다 상세하게 설명한다. 다만, 이러한 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

실시예 1: 배합 실험

재료 성질에 따라 아래와 같이 기준 배합비를 설정하고 실험에 임하였고, Mixer의 규격용기 크기와 실험요건을 맞추어 중량을 조절하였다.

여러 가지 배합시험품 중 배합후 재질이 안정된 상태를 유지하는 것을 골라, 샘플 A, B, C, D를 선정하였다(혼합 비율, wt%).

실험군	에폭시 수지	세라믹 강화재			합계	비고
실험군	에폭시 수지	Al ₂ O ₃	SiC	TiO ₂	합계	비고
A	17	61	20	2	100	최종선정
B	20	58	20	2	100
C	18	60	20	2	100
D	19	57	22	2	100

시험예 1: 시험편 단면 전자현미경 관찰

상기 실험군별로 시편을 제작한 다음, 기계 절단하여, 단면을 관찰하고, 그 결과를 도 2에 나타내었다. 그 결과, 각 시료는 공히 조직상이 치밀하게 구현되어 있음을 확인하였다. 원형부위는 Al₂O₃의 Bead가 기계 절단을 하면서 절삭되거나 탈락한 상태를 나타낸다.

시험예 2: 성능평가

상기 실험군의 시편 성능을 평가하기 위해, 해당 규격에 따라 한국화학융합시험연구원(KTR)에 의뢰하여 시험하고, 그 결과를 도 3 내지 6에 나타내었다.

2.1: 내충격성 시험(ASTM D2794)

내충격성을 평가하는 시험으로서 2kg의 추, 높이는 25mm씩 올려서 최대 1000 mm까지 높이를 올려 파손시까지 측정하는 것으로, 도 3은 내충격성 시험결과(ASTM D2794)를 나타내는 그라프도이다..

시험결과 실험군 A, B, C, D의 시료는 모두 19.6 Nm로 최대값에 도달할 정도로 매우 우수하였으며, 성능지표를 만족하였다.

2.2: 다중충격시험(KS M ISO 20567-1(Method B))

스톤칩과 같은 충격을 시뮬레이션하기 위해 시험할 표면에 충돌시켜 평가하는 시험으로서, 도 4는 다중충격 시험결과를 나타내는 그라프도이다. 그 결과, 실험군 A,B,C,D 모두 영향을 받은 영역이 없어, 최고 등급인 0등급을 나타내어 매우 우수하였으며, 성능지표를 만족하였다.

2.3: 마찰마모시험(KTR)

상기 시험편에 대하여 한국화학융합시험연구원(KTR)의 보유 장비를 이용하여 극심한 내마모성을 시험하였다. 시험하중 10N으로 일정하게 하고, 시험회전수 60rpm, 10,000회 왕복운동을 하여, 마모량을 측정하였다. 도 6은 마찰마모시험 시험결과를 나타내는 그라프도이다. 시험결과 A군은 0.006%, B군은 0.009%, C군은 0.008%, D군은 0.012%를 나타내어, 전반적으로 매우 우수한 결과를 나타내었으며, 성능지표에도 만족하였다.

상기 도 4 내지 6의 결과로 부터, 본 발명의 실험편의 성능 지표는 외국 제품에 비하여 상당히 우수하였으며, 이를 정리하면 다음의 표 2와 같다.

No.	평가지표	시험규격	개발목표	시험결과
No.	평가지표	시험규격	개발목표	A군	B군	C군	D군
1	내충격성 시험	ASTM D2794	10 Nm 이상	19.6 Nm	19.6 Nm	19.6 Nm	19.6 Nm
2	다중충격 시험	KS M ISO 20567-1 (Method B)	0등급	0등급	0등급	0등급	0등급
3	마찰마모 시험	마찰마모시험기 (KTR 보유장비)	0.1% 이하 (마모율)	0.006%	0.009%	0.008%	0.012%
성능목표 달성여부				달성	달성	달성	달성

실시예 2: 시제품 제작

개발된 소재를 바탕으로 최종 개발품인 세라믹 복합재료 스프레이 노즐형상을 구현하기 위해, 시제품의 크기를 역설계하여 별도의 몰드(mold)를 제작하였으며, 상기 성능시험한 결과에 따라, 가장 우수한 A군 소재로 하여 도 2에 나타낸 바의 스프레이 노즐 시제품을 상기 A군 시료의 조성을 경화시킨 후 복합 재료가 경화되면 몰드를 제거하는 방식으로 제작하였다. 도 2는 본 발명에 따른 스프레이 노즐의 시제품 사진이다.

상기 시제품은 세라믹 함량을 극대화시켜, 마모, 충격에 강하고, 세라믹 복합 재료로 소결 공정과 달리, 상온성형이 가능하고, 성형틀(몰드) 형상에 따라, 다양한 다른 형상의 스프레이 노즐을 제작할 수 있다.

도 7은 시제품을 TEST BED로 설치한 사진이다. 상기 최종 시제품에 대하여 동서발전에서 도 7에 나타낸 바와 같이 TEST BED로 운영하여, 2021년 1월 점검한 결과 본 출원일 시점까지 문제가 발생하기 않았다.

종래 스프레이 노즐 수입품의 경우, 취성을 가지고 있어, 운전 혹은 정비시 언제든지 예비품을 보유해야하는 비용과 함께, 값비싼 수입가격을 치루고 있다. 이를 국산화하여, 국내수급 안정화, 비용절감 및 수입대체효과를 발생 시킬수 있어, 자주적인 국내 전력기술 보급으로 일익을 담당할수 있다.

일본의 한국 백색국가 제외와 악화시 자재조달에 어려움에 따른 발전설비의 안정적 운영을 위해 국산화 개발이 시급하며, 기술개발로 가격경쟁력 확보, 조달기간 단축과 함께 세라믹 복합재료를 활용하여 외자 대비 재질의 취성(Brittleness)을 완화하여 정비시의 파손 최소화로 사용수명 향상시켜야 할 것이다.

부품소재분야는 선진국과의 기술격차를 보이고 있어, 수입품에 의존하는 경향이 크다. 이러한 분야는 국내산업육성에 기간사업으로 볼수 있으며, 앞으로 국외 의존도를 낮추고, 국내기술을 확보하여 양극화 현상을 막아야 할 것이다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims

에폭시 수지 17~20 중량%, 알루미늄 옥사이드 57~61 중량%, 실리콘 카바이드 20~22 중량% 및 이산화티타늄 1.5~2.5 중량%를 포함하고,
상기 실리콘 카바이드는 평균 입도 14㎛의 분말이고, 상기 알루미늄 옥사이드는 평균입도 1㎛의 분말이며, 상기 이산화티타늄은 평균 입도 0.36㎛의 분말이며,
상기 에폭시 수지는 무용제 타입(VOCs Free)이고, 비스페놀 A 에폭시와 비스페놀 F 에폭시가 45~55:20~30 중량부로 혼합된 것이며,
배연탈황 설비의 스프레이 노즐의 제조에 사용되는 것을 특징으로 하는 세라믹 복합 재료 조성물.
삭제
삭제
청구항 1에 따른 조성물을 몰드에 주입하여 경화시켜서 제조된 것을 특징으로 하는 배연탈황 설비의 스프레이 노즐.