KR100221102B1

KR100221102B1 - 에멀젼 연료

Info

Publication number: KR100221102B1
Application number: KR1019980018291A
Authority: KR
Inventors: 성주흥; 이공석
Original assignee: 성주흥; 이공석
Priority date: 1997-05-30
Filing date: 1998-05-21
Publication date: 1999-09-15
Also published as: KR19980043029A

Abstract

본 발명은 에멀젼 연료에 관한 것이다.

본 발명은 물 100중량부에 대해 음이온 계면 활성제 0.01 내지 1.0중량부, 폴리에틸렌 옥사이드 0.01 내지 0.5중량부 및 메도칠 0.001 내지 0.2중량부를 함유한 혼합물을 10 내지 50중량비율로 통상의 연소가능한 오일에 혼합시킨 것을 특징으로 하는 에멀젼 연료이다.

이와 같은 에멀젼 연료는 연소를 최적화시켜 질소 산화물 등의 공해 물질 배출량을 감소시키고, 연소 효율이 크기 때문에 에너지 절감효과가 있고, 연료유/물의 혼합 비율을 일정하게 유지하도록 하는 조절 장치의 필요없이 간단히 소,중,대형 보일러에 이용된다.

Description

에멀젼 연료

본 발명은 에멀젼 연료에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 연료의 연소를 최적화시키기 위해 연소가능한 통상의 오일에 특별한 성분들을 함유한 물을 혼합하여 이루어진 에멀젼 연료에 관한 것이다.

지금까지 국내의 산업체에서 주로 사용되고 있던 연료의 대부분은 벙커유와 화석 연료 등이 주류를 이루어 왔으나, 이러한 연료를 연소시킬 경우에는 질소 산화물(NOx), 황산화물(SOx), 일산화탄소(CO), 분진 등과 같은 공해 물질이 배출되어 쾌적한 환경을 오염시키는 주원인이 되어 왔다.

이에 정부에서는 도심권 등의 대기공해 물질의 저감을 위하여 가스, 등유, 경유 등과 같은 고급 연료의 사용을 제안하고 있으며, 법령에 의하여 강제화시키고 있는 실정에 있을 뿐만 아니라, 대기환경의 오염물질을 감소시키기 위한 다각적인 연구와 더불어 대체연료나 장치에 대한 개발사업 등이 활발하게 이루어지게 되었다.

그러나, 이와 같은 고급 연료의 사용은 가격이 비쌀뿐 아니라 공해 물질의 배출량의 감소가 충분하지 않고, 에너지 절약에 크게 이바지 한다고 할 수 없다.

최근에 와서는 대기 공해방지 대책의 일환으로 연료유에 물을 혼합한 에멀젼 연료의 사용에 관한 많은 연구가 수행되고 있으며, 에멀젼 연료가 에너지의 효율 향상과 공해방지에 상당한 효과가 있는 것으로 밝혀졌다.

에멀젼 연료의 연소 측면에서 이점은 다음과 같다. 연료유에 물을 혼합한 에멀젼 연료는 오일 중에 미세한 물방울을 함유하고 있는 유중수적형과 수중에 미세한 유적을 함유한 수중유적형의 두가지 종류가 있으며, 연소용으로 사용되는 에멀젼은 일반적으로 유중수적형이 사용된다. 이와 같은 유중수적형 에멀젼 연료는 연소시 수증기가 오일을 작게 부수어 오일의 표면적을 높이고, 이에 따라 오일과 공기와의 접촉면적을 증대시켜 완전 연소를 하는 이점을 갖는다.

그러나, 상기와 같은 효과를 얻기 위해서 에멀젼 연료는 최적의 연료유/물 비율을 유지하여 에멀젼을 안정한 상태로 유지시켜야 한다. 특히 보일러 등의 연소부하가 변동될 시에는 연료유/물의 혼합비율에 대한 최적 상태의 조정이 요구되기 때문에 연료유/물 혼합 조절 장치가 필요하다는 문제점을 갖는다.

이에 본 발명은 연료의 연소시 연소를 최적화시켜 질소 산화물 등의 공해 물질 배출량을 감소시키고, 연소 효율이 크기 때문에 에너지 절감효과가 있으며 , 오일/물의 혼합 비율을 일정하게 유지하도록 하는 특별한 조절 장치의 필요없이 간단히 소,중,대형 보일러에 이용되는 에멀젼 연료를 제공하는 것이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 물 100중량부에 대해 음이온 계면 활성제 0.01 내지 0.10중량부, 폴리에틸렌 옥사이드 0.01 내지 0.5중량부, 및 메도칠 0.001 내지 0.2중량부를 함유한 혼합물을 10 내지 50중량비율로 통상의 연소가능한 오일에 혼합시킨 것을 특징으로 하는 에멀젼 연료로서, 연소를 최적화시켜 질소 산화물 등의 공해 물질 배출량을 감소시키고, 연소효율이 높기 때문에 에너지 절감효과가 있으며, 오일/물의 혼합 비율을 일정하게 유지하도록 특정한 조절 장치의 필요없이 간단히 소,중,대형 보일러에 이용된다.

본 발명의 에멀젼 연료에서, 물의 사용은 연소를 최적화시켜 연소시 질소 산화물 및 분진의 양을 현저히 감소시킨다는 것은 많은 연구를 통해 입증되었다.

상기 에멀젼 연료에서 물의 작용은 다음과 같다. 연료, 예를 들면 경유, 등유, 벙커유 또는 폐유와 같은 오일에 물을 첨가하면 둘 중의 한 액체가 물방울 모양의 형태로 다른 액체에 흩어짐으로써 에멀젼 현상이 일어난다. 적절하게 혼합된 에멀젼은 안정하게 형성되므로 연소가 시작되기 전에 물과 오일이 분리될 염려가 없고, 연소시 물은 100에서 증발하고, 오일은 대략 300에서 증발하므로 수증기가 오일의 입자를 무수히 작게 쪼개는 역할을 하고, 이에 따라 오일 입자의 표면적이 커져 오일과 산소의 산화율을 증대시킨다. 따라서, 연소를 최적화시킬 수 있다.

또한, 상기 에멀젼 연료는 연소의 최적화에 의해 대기오염의 주된 원인인 질소 산화물의 배출량을 감소시킨다. 즉, 일반적으로 연소시 발생되는 주된 질소 산화물은 연소 영역에서 산소의 농도가 적을수록 고온도 영역에서의 연소가스 체류시간이 짧을수록 적어진다. 이 점에서 상기 에멀젼 연료는 연료 중에 수분이 균일하게 미립화되어 함유되어서 화염 전체에 걸쳐 국소고온 영역의 생성을 억제하고 체적비로 20 내지 30의 수분이 증발잠열에 의해 연소온도를 저하시킨다. 따라서, 상기 에멀젼 연료는 국부적 고온을 방지함으로써 질소 산화물의 생성을 억제한다.

또한, 물에 함유되는 성분인 음이온 계면 활성제는 유화용 첨가제로서 물과 첨가되는 화학물질의 분산침투를 높이는 작용을 한다. 이와 같은 효과를 얻기 위해 이들은 0.01 내지 1.0중량부가 사용된다. 이들의 구체적인 예로서는 알킬나프탈렌설포네이트, 디알킬설포숙신에이트, 알킬벤젠설포네이트, 알킬설포아세테이트, 알파올레핀설포네이트, 소디움 N-아실메틸타우레이트, 알킬에테르포스페이트, 알킬포스페이트, 아실펩타이드, 알킬에테르카르복실레이트, N-아실아미노엑시드, 지방알콜설페이트, 알킬에테르설페이트 또는 폴리옥시에틸렌알킬페닐에테르설페이트에서 선택될 수 있다. 음이온 계면 활성제 이외에도 양이온 계면 활성제를 사용하여도 좋다.

또한, 물에 함유되는 성분인 폴리에틸렌 옥사이드는 수용성 수지로서 연소성 향상 및 슬러지 분산에 효과를 갖는다. 이런 효과를 얻기 위해 이들은 0.01 내지 0.5중량부를 사용하는 것이 바람직하다. 이들은 HO(CH₂CH₂O)nCH₂CH₂OH의 일반식을 갖고, 여기서 n은 300이상인 것을 사용하며, 바람직하게는 300 내지 800, 특히 바람직하게는 400 내지 600인 것이다.

또한, 물에 함유되는 성분인 메도칠(상품명 : Mathothyl, 범우사에서 판매)은 셀룰로스에 가성소다, 염화메틸 및 프로필렌 옥사이드 등을 반응시킨 셀룰로스 에테르인 것으로 에멀젼 연료의 점도를 낮춘다. 점도가 낮아지므로서 연소시 버너로 분사되는 것이 유리해지고, 이에 따라 연소성이 좋아진다.

이상과 같이, 본 발명의 에멀젼 연료는 음이온 계면 활성제, 폴리에틸렌 옥사이드 및 메도칠을 함유한 물을 연료유와 혼합하기 때문에 오일/물의 혼합 비율의 엄격한 조절의 필요없이도 에멀젼을 안정화시키고, 이에 따라 연소를 최적화한다.

이하, 실시예로 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

[실시예 1]

물 1에 음이온 계면 활성제로서 알킬나프탈렌설포네이트 5g을 첨가하고, 이어서 폴리에틸렌 옥사이드(HO(CH₂CH₂O)nCH₂CH₂OH, n=500)를 2.5g, 메도칠 0.8g을 첨가하여 혼합하고, 영상의 온도에서 약 5시간 유지시켰다. 이 혼합된 물을 등유에 23중량로 혼합하여 본 발명의 에멀젼 연료를 제조하였다.

상기에서 얻은 에멀젼 연료를 하기의 표 1에 나타낸 온도에서 연소시켰다. 연소시 발생되는 배기가스의 성분을 BACHARACH MODEL CA300NSX 장치로 측정하였다. 측정되는 것은 산소농도, 이산화탄소농도, 질소 산화물(NO, NO₂및 NO_X)농도 및 일산화탄소(CO) 농도이다. 이 결과를 표 1에 나타내었다.

[실시예 2]

계면 활성제로서 알킬벤젠설포네이트를 사용하는 것만 제외하고, 실시예 1과 같은 방법으로 에멀젼 연료를 제조하고, 표 1에 나타낸 온도에서 연소하였다. 연소시 발생되는 배기가스의 성분을 BACHARACH MODEL CA300NSX 장치로 측정하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.

[실시예 3]

폴리에틸렌 옥사이드(HO(CH₂CH₂O)nCH₂CH₂OH)를 n이 600인 것으로 사용하는 것만 제외하고, 실시예 1과 같은 방법으로 에멀젼 연료를 제조하고, 표 1에 나타낸 온도에서 연소하였다. 연소시 발생되는 배기가스의 성분을 BACHARACH MODEL CA300NSX 장치로 측정하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.

[실시예 4 내지 6]

실시예 1과 같은 방법으로 혼합된 물을 등유에 20중량, 25중량및 30중량가 되게 혼합한 각각의 에멀젼 연료를 표 1에 나타낸 온도에서 연소시켰다. 연소시 발생되는 배기가스의 성분을 BACHARACH MODEL CA300NSX 장치로 측정하였다. 이 결과를 표 1에 나타내었다.

[비교예 1 내지 6]

통상적으로 사용되는 연료인 등유를 하기 표 1에 나타낸 온도에서 연소시켰다. 또한, 연소시 발생되는 배기가스의 성분을 BACHARACH MODEL CA300NSX 장치로 측정하였다. 이 결과를 표 1에 나타내었다.

[실시예 7 내지 11]

물 1에 음이온 계면 활성제로서 알킬나프탈렌설포네이트 7g를 첨가하고, 이어서 폴리에틸렌 옥사이드(HO(CH₂CH₂O)nCH₂CH₂OH, n=500)를 2.2g 및 메도칠 0.8g를 첨가하여 혼합하고, 영상의 온도에서 약 5시간 동안 유지시켰다. 이 혼합물을 등유에 25중량로 혼합하여 본 발명의 에멀젼 연료를 제조하였다.

본 발명에 따른 에멀젼 연료를 하기의 표 2에 나타낸 온도에서 연소시켰다. 연소시 발생되는 배기가스의 성분을 BACHARACH MODEL CA300NSX 장치로 측정하였다. 측정되어지는 것은 산소농도, 이산화탄소농도, 과잉공기농도, 질소 산화물(NO_X)농도 및 일산화탄소(CO)농도이고, 그 결과를 표 2에 나타내었다.

[실시예 12 내지 14]

실시예 7 내지 11에서와 같은 방법으로 혼합된 물을 경유에 23되게 혼합한 에멀젼 연료를 제조하였다. 제조된 에멀젼 연료를 하기의 표 2에 나타낸 온도에서 연소시켰다. 연소시 발생되는 배기가스의 성분을 BACHARACH MODEL CA300NSX장치로 측정하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.

[비교예 7 내지 12]

경유만으로 된 연료를 표 2에 나타난 온도에서 연소시켰다. 연소시 발생되는 배기가스의 성분을 BACHARACH MODEL CA300NSX 장치로 측정하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.

표 1과 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 에멀젼 연료를 사용하여 연소시킨 경우(실시예 1 내지 14)가 등유 또는 경유를 사용하여 연소시킨 경우(비교예 1 내지 12)보다 질소 산화물(NO_X)의 배출량이 현저히 감소되었음을 알 수 있었다. 그러나, 일산화탄소의 배출량은 본 발명의 에멀젼 연료를 사용한 경우와 등유 또는 경유를 사용한 경우가 별 차이없는 것으로 나타났다.

[시험예 1]

실시예 1에서 제조된 에멀젼 연료를 연소시킨 경우와 등유만을 연소시킨 경우(비교예 1)의 연소 성능을 비교하기 위하여 발열량을 분석하였다. 발열량은 보일러의 급수량과 증기 발생량이 평형이 되도록하여 급수량으로부터 계산하였다. 그 결과를 표 3에 나타내었다.

[시험예 2]

실시예 12에서 제조된 에멀젼 연료를 연소시킨 경우와 경유만을 연소시킨 경우(비교예 7)를 통해 시험예 1과 같은 방법으로 발열량을 분석하였다. 그 결과를 표 3에 나타내었다.

* 실시예 1 및 실시예 12의 괄호 속의 값은 에멀젼 연료내에 포함된 물의 양을 고려안한 경우의 증발된 물의 양을 의미한다. 그러나, 실시예 1 및 실시예 12의 에멀젼 연료내에서 23중량물이 함유되어 있기 때문에 동일 등유량으로 환산하여 계산된 값을 증발된 물의 양으로 하였다.

표 3에 나타난 바와 같이, 실시예 1과 비교예 1을 동일 등유량으로 비교하면 실시예 1이 대략 0.58의 물을 더 증발시키므로, 발열량이 높다는 것을 알 수 있고, 마찬가지로 실시예 12와 비교예 7을 동일 경유량으로 비교하면 실시예 12의 경우가 대략 0.53의 물을 더 증발시키므로, 발열량이 더 높았다. 따라서, 본 발명의 에멀젼 연료의 연소성능이 우수함을 알 수 있고, 이에 따라 등유 및 경유를 절감할 수 있다.

[실시예 15]

에멀젼 연료의 연소 성능 시험을 시판되는 벙커유에 대하여 비교측정하기 위하여 증기 발생량(발열량)과 배기 가스 성분을 분석하는 것으로 실시하였다.

이 때 에멀젼 연료는 실시예 1에서 제조된 혼합된 물을 벙커유에 대해 20중량함유시켜 제조하였다.

배기가스의 성분 측정은 스택에서 BACHARACH MODEL CA300NSX 장치를 사용하여 측정하였으며 발열량 측정은 열손실법에 의해 보일러의 급수량과 증기 발생량이 동일하도록 하여 급수량으로부터 계산하였다. 증기 압력은 대기압 상태에서 하였으며 보일러의 급수는 증기 발생량과 급수량이 동일하여 수면계 수위가 일정하게 유지되도록 급수 밸브를 조정하여 일치시켰다. 연소용 연료 공급량은 1 lot(8 내지 24hr) 사용연료의 총 중량을 측정하여 총 연소시간으로부터 계산하였으며 펌프로 공급되는 연료통을 스케일위에 설치하여 단위 시간당 공급량을 체크하여 연료 사용량을 재확인하였다. 단, 에멀젼 연료는 물이 함유되어 있기 때문에 동절기 결빙방지를 위해 보온처리 등 사용조건 검토가 필요하고 부식되지 않는 펌프를 사용하여야 한다. 그 결과를 표 4 및 5에 나타내었다.

[실시예 16]

벙커유 대신 경유를 사용한다는 것만 제외하고 실시예 15와 동일하게 하였다. 그 결과를 표 4 및 5에 나타내었다.

[실시예 17]

벙커유 대신 등유를 사용한다는 것만 제외하고 실시예 15와 동일하게 하였다. 그 결과를 표 4 및 5에 나타내었다.

*실투입연료량 : 연료중에 포함된 물의 양을 제외한 순수 연료량임.

상기 표 4 에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 벙커유, 경유, 등유를 오일로 사용한 에멀젼 연료의 경우보다 각각의 오일을 단독으로 사용한 경우보다 일산화탄소, 분진, 질소산화물 및 황산화물 발생량이 현저히 감소되었다.

또한, 표 5에 나타난 바와 같이 본 발명에 따른 에멀젼 연료는 벙커유, 경유 및 등유를 단독으로 사용한 경우보다 발열량(수증기 증발량)이 증가하여 결과적으로 연료를 절감할 수 있다.

이와 같은 결과를 통해 알 수 있듯이 본 발명의 에멀젼 연료는 연료의 완전 연소가 가능하기 때문에 대기 오염의 주된 원인인 공해 물질, 특히 질소 산화물의 배출을 현저히 감소시킬 수 있고, 그외에도 분진, 매연, 끄으름 등의 발생을 억제시키는 이점을 갖는다. 끄으름의 발생 억제로 연소실의 전열면에 부착되는 끄으름의 양이 감소되어 전열면의 열전달 효과가 상승되고, 이에 따라 연소 배기 가스의 온도가 저감되어 보일러의 효율이 상승된다. 또한, 연소 효율이 높기 때문에 연료를 절감할 수 있어서 에너지 절약 차원에서도 효과적이라 할 수 있다. 본 발명의 에멀젼 연료는 연소의 최적화를 위해 요구되는 연료유/물의 혼합비율을 조정하기 위한 특별한 장치 없이 손쉽게 소,중,대형 보일러에 이용될 수 있다.

Claims

연소가능한 오일, 물 및 음이온 계면활성제로 이루어진 에멀젼 연료에 있어서, 물 100중량부에 대해 음이온 계면 활성제 0.01 내지 1.0중량부, HO(CH₂CH₂O)nCH₂CH₂OH의 일반식을 갖고, 여기서 n은 300 내지 800인 폴리에틸렌 옥사이드 0.01 내지 0.5중량부 및 셀룰로스에 가성소다, 염화메틸 및 프로필렌 옥사이드를 반응시킨 셀룰로스 에테르 0.001 내지 0.2중량부를 함유한 혼합물을 10 내지 50중량비율로 통상의 연소가능한 오일에 혼합시킨 것을 특징으로 하는 유중수적형 에멀젼 연료.