KR100261679B1 - 에멀젼 연료유의 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에멀젼연료유의 제조장치에 관한 것으로, 첨가제 약품 탱크, 약품 탱크의 첨가제를 일정량 펑핌하여 오일교반챔버의 제1 정지형 교반기로 공급하기 위한 정량펌프, 물을 저수하는 물탱크, 가열된 물을 오일교반챔버와 호모지나이저에 각각 공급하기 위한 3개의 배출개구와 물주입을 위한 1개의 주입개구를 갖는 매니홀드, 매니홀드로 물탱크의 물을 주입시키기 위한 브란쟈 펌프, 매니홀드에 주입된 물을 가열시키는 가열기, 다수의 교반 엘레멘트로 이루어지고 주입되는 물과 오일을 교반하기 위한 두 개의 제1 및 제2 정지형 교반기와, 제1 정지형 교반기의 일단에 설치되어 매니홀드에서 가열된 물과 함께 정량펌프를 통해 공급되는 첨가제를 분무함과 동시에 오일을 제1 정지형 교반기의 교반 엘레멘트 내부로 분사시키기 위한 제1 물주입 노즐과, 매니홀드에서 가열된 물을 제2 정지형 교반기의 내부로 주입시키기 위한 제2 물주입 노즐과, 제1 및 제2 정지형 교반기 사이에 형성시킨 오일 체류공간 및 오일 역류파이프로 구성된 오일교반챔버, 오일교반챔버로 부터 유입되는 예비 에멀젼 연료유의 물과 오일 성분을 균일하게 만들기 위해 모터에 축설되어 회전하는 회전식 호모지나이저, 및 매니홀드에서 가열된 물과 오일교반챔버로 부터 유출되는 예비 에멀젼 연료유를 회전식 호모지나이저의 내부로 주입시키기 위한 제3 분사노즐을 구비하여 이루어진다.

Description

에멀젼 연료유의 제조장치(THE APPARATUS FOR PRODUCING EMULSION FUEL)

본 발명은 에멀젼 연료유의 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 예비 교반을 목적으로 오일교반챔버와 주교반기인 회전식 호모지나이저를 구비하여 연료유에 물을 완전한 유화상태로 분산시키는 에멀젼 연료유의 제조장치에 관한 것이다.

일반적으로 연료유(오일)에 물을 분산시킨 에멀젼 연료는 연소시 질소산화물 (이하 NOx라 함)의 발생량이 적으며, 또한 연료유에 분산된 수분 특유의 미크로 폭 발력에 의해 연료유가 미립화되고 연소효율이 높아져 연료가 완전연소가 된다는 사실이 알려져 있으며, 에멀젼 연료가 산업에 널리 이용되고 있어 관련 장치들이 연구, 고안되어 온지 이미 오래다.

종래의 물과 기름(오일)의 유화장치로는 고속 교반기와, 물과 오일의 성분을 균일하게 만들기 위한 호모지나이저(homogenizer), 및 초음파 유화 등 각양의 처리 기술로 균일한 분산유화를 기도하고 있으며, 모두 나름대로의 장점이 있고 미립화 상의 안정된 유화연료를 제조하기 위해 힘쓰고 있는 바, 이 중에서 비교적 널리 보급되어 있는 초음파 유화장치는 그 처리 능력이 소량에 지나지 않아 다량으로 유화처리를 하려면 유화입자가 커져 물의 잠열작용에 의한 화염온도의 저하현상이 일어나 복수개 이상의 장비를 갖추게 하는 등의 문제가 있으며, 이외에도 보다 우량한 에멀젼 연료를 제조하기 위해 여러가지의 무화(霧化) 원리를 적용하여 에멀젼 연료 제조장치를 개발하기 위해 시도하고 있으나, 오랜 세월이 지났음에도 불구하고 아직까지 연구의 대상이 되고 있다.

연료유에 적당량의 물을 첨가하여 에멀젼 연료화하면 가수된 에멀젼 연료가 배출가스의 질소산화물이나 매연, 검댕이 감소할 뿐아니라 공업유로 사용하더라도 연소효율이 매우 높다는 것은 당해 분야에서 다수의 연구결과가 보고된 바 있으며, 그 연구결과에 대해 당해분야에서 인증되어 온지 오래다. 또한, 중유 중에는 아스팔렌이라는 성분이 포함되어 있어, 에멀젼 연료를 만드는 유력한 계면활성제로 작용하므로 특별히 합성한 계면활성제를 사용하지 않아도 무방하다는 일본의 이와마박사의 보고문(열관리와 공해 29, 12, 14, 1997)에도 있듯이, 연료유에 물 또는 수중기만 첨가하여 에멀젼화하더라도 에멀젼 연료의 연소시 공해를 감소시키고 연료 효율을 높일 수 있다는 연구결과는 물론, 연료유를 에멀젼 연료화하는 방법 및 장치들이 수없이 제공되어 있으며, 실제로 공업상의 이용도가 비교적 높은 실정이다. 그럼에도 불구하고, 보다 양질의 에멀젼 연료유를 제조하기 위하여 여러 가지 가수 첨가제가 연구개발되고 있으며, 참고로 첨가제에 관련해서 국내에 특허출원되어 특허공고된 문헌만도 한국특허공보 70-592, 72-622, 78-2262, 80-1872, 80-4359, 80-4774 등으로 상당한 량의 가수 첨가제 관련문헌이 알려져 있다.

그러나, 유화기의 단독기능만으로는 증기압에 의한 부하변동으로 인해 연료의 양이 자동적으로 변화하므로, 유화기의 변동에 대응해서 그때마다 공기량을 시설 O₂계와 관련해서 컴퓨터 프로그램에 의해 자동적으로 맞추려면 실제의 설비제작면에서 어려움이 따르고 유화기 설비비의 가중을 초래한다. 따라서 현재의 기술수준에서 에멀젼 연료의 연소효율의 저하나 매진의 발생 등 대기오염 방지효과에 차질을 면하기 어려운 실정이고, 에멀젼 연료 본래의 우수성에도 불구하고 연료로서 실용화되기 어려운 커다란 과제로 남아 있는 것이다.

또, 물과 기름(Oil)의 분산유화연료인 에멀젼 연료는 공업적인 실용면에 있어서 그 유화수적(水滴)의 크기가 연소현상에 있어서 중요한 원인인 것이 알려져 있었으므로, 그동안 수적의 초미립화라는 관점에서 개발된 에멀젼 연료장치의 고안들은 그 고안자체가 무의미하게 되었으며, 이러한 원리적인 측면에서의 결함 등이 점차 드러남에 따라 이 분야에서는 아직도 해결되어야 할 문제점이 남아 있는 것이 사실이다.

본 발명은 에멀젼 연료를 완전한 유화상태로 이루게 하기 위해 주 교반기인 회전형 호모지나이저와 예비 교반을 목적으로 오일교반챔버를 구비하고, 이에 주입되는 물을 3개소로 나누어 분급하되 효율적인 유화타임에 따라 주입함으로서 완전한 유화상태의 에멀젼 연료를 제조할 수 있도록 한 에멀젼 연료유 제조장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예의 에멀젼 연료유 제조장치는, 첨가제가 저장되는 약품탱크, 상기 약품탱크의 첨가제를 일정량 펌핑하여 오일교반챔버의 제1 정지형 교반기로 공급하기 위한 정량펌프, 물을 저수하여 볼텝을 이용해 저수량을 조절하게 한 물탱크, 가열된 물을 오일교반챔버와 호모지나이저에 공급하기 위한 3개의 배출개구와 상기 물탱크에 저수된 물을 주입하기 위한 1개의 주입개구를 갖는 매니홀드, 상기 매니홀드로 상기 물탱크에 저수된 물을 주입시키기 위한 브란쟈 펌프, 상기 매니홀드에 주입된 물을 가열시키기 위한 가열기(5-1), 다수의 교반 엘레멘트로 이루어지고 주입되는 물과 오일을 교반하기 위한 두 개의 제1 및 제2 정지형 교반기와, 상기 제1 정지형 교반기의 일단에 설치되어 상기 매니홀드에서 가열된 물과 함께 상기 정량펌프를 통해 공급되는 첨가제를 분무함과 동시에 오일을 상기 제1 정지형 교반기의 교반 엘레멘트 내부로 분사하기 위한 제1 물주입 노즐과, 상기 매니홀드에서 가열된 물을 상기 제2 정지형 교반기의 내부로 주입시키기 위한 제2 물주입 노즐과, 상기 제1 및 제2 정지형 교반기 사이에 형성시킨 오일 체류공간 및 오일 역류파이프로 구성된 오일교반챔버, 상기 오일교반챔버로 부터 유입되는 예비 에멀젼 연료유의 물과 오일 성분을 균일하게 만들기 위해 모터에 축설되어 회전하는 회전식 호모지나이저, 및 상기 매니홀드에서 가열된 물고 상기 오일교반챔버로 부터 유출되는 예비 에멀젼 연료유를 상기 회전식 호모지나이저의 내부로 주입시키기 위한 제3 분사노즐을 구비하여 달성된다.

제1도는 본 발명에 따른 에멀젼 연료유의 제조 장치를 도시한 구성도,

제2도는 제1도의 오일교반챔버의 구성을 상세하게 도시한 구성도이다.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

1 : 오일교반챔버 2 : 약품 탱크

3 : 물탱크 4 : 브란쟈 펌프

5 : 매니홀드 5-1 : 가열기

6 : 정량 펌프 6-1 : 약품주입 파이프라인

7 : 호모지나이저 8 : 모터

9-1,9-2,9-3 : 물주입 파이프라인 10 : 제1 정지형 교반기

11 : 제2 정지형 교반기 12 : 체류공간

13 : 역류파이프 14 : 제3 물주입 노즐

15 : 제1 물주입 노즐 16 : 제2 물주입 노즐

18 : 첨가제 19 : 볼탭

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 에멀젼 연류 제조장치의 바람직한 일 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 구성은 도 1의 오일교반챔버(1)와 호모지나이저(7)가 유화 기구의 중심으로 구성되고 있다. 이것을 중심으로 하여 약품 탱크(2), 물탱크(3), 브란쟈 펌프(4), 매니홀드(5), 가열기(5-1), 정량 펌프(6)가 부수된 간단한 구조로 가급적 고장이 발생할 것을 배려하여 복잡한 기기를 배제한 장치로 구성하였다.

이 기기의 작용을 설명하면 다음과 같다. 약품 탱크(2)에는 연료에 물을 첨가하여 장시간 동안 에멀젼 상태를 유지하고 연소배기 가스중의 유황산화물과 질소 산화물의 농도를 감소시켜 매연이나 검댕이 없고 연소성을 양호하게 하는 통상의 가수 첨가제(18)가 저장되어 있다. 정량 펌프(6)는 상기 연료탱크(2)에 저장된 첨가제의 소요량을 정량화하여 약품주입 파이프라인(6-1)을 통해 오일교반챔버(1)에 주입하도록 한다. 한편, 물이 저장되는 물탱크(3)에는 물이 저수되면 볼텝(19)에 의해 저수량을 조절한다. 물탱크(3)에 저장된 물은 브란쟈 펌프(4)에 의해 3개의 배출개구와 상기 물탱크에 저수된 물을 주입시키기 위한 1개의 주입개구를 갖는 매니홀드(5)에 소요량이 주입되고, 이 매니홀드(5)에 주입된 물은 가열기(5-1)에 의해 가열된다.

오일교반챔버(1)는 다수의 교반 엘레멘트로 이루어지고 주입되는 물과 오일을 교반하기 위한 두 개의 제1 및 제2 정지형 교반기(10, 11)와, 상기 제1 정지형 교반기(10)의 일단에 설치되어 상기 매니홀드(5)에서 가열된 물과 함께 상기 정량 펌프(6)를 통해 공급되는 첨가제를 분무함과 동시에 오일을 상기 제1 정지형 교반기(10)의 교반 엘레멘트 내부로 분사하기 위한 제1 물주입 노즐(15)과, 상기 매니 홀드(5)에서 가열된 물을 상기 제2 정지형 교반기(11)의 내부로 주입시키기 위한 제2 물주입 노즐(16)과, 상기 제1 및 제2 정지형 교반기(10, 11) 사이에 형성시킨 오일 체류공간(12) 및 오일 역류파이프(13)로 구성된다.

호모지나이저(7)는 모터(8)에 축설되어 회전하는 회전식 호모지나이저로서, 상기 오일교반챔버(1)로 부터 유입되는 예비 에멀젼 연료유의 물과 오일 성분을 균일하게 만들기 위한 장치이다. 상기 회전식 호모지나이저(7)에는 상기 매니홀드(5)에서 가열된 물과 상기 오일교반챔버(1)로 부터 유출되는 예비 에멀젼 연료유를 상기 회전식 호모지나이저(7)의 내부로 주입시키기 위한 제3 분사노즐(14)을 구비되어 있다.

상기 매니홀드(5)에서 압송된 물은 3개의 물공급 파이프라인(9-1,9-2,9-3)을 통해 같은 균일한 압력으로 오일 파이프라인에 분할 공급하게 된다. 매니홀드(5)에서는 가열기(5-1)에 의해 액온을 80℃ 가량으로 가열하여 공급하는데, 이것은 유화성능에 크게 영향을 주므로 에멀젼 연료유 제조장치에서 필수설비의 하나라고 하겠다. 3개의 파이프라인을 구성한 것은 전술한 바의 유화 타임(time)을 참작하여 가급적 소량의 물주입으로서 에멀젼 유화를 효율적으로 달성하기 위해 세분해서 물을 분급할 수 있게 착안한 것이다.

본 발명의 특징 중에서 주요 부분인 오일 챔버(1)에는 2개의 제1,제2 정지형 교반기(10,11)가 내설되고, 오일 체류공간(12)이 부설된 점이다. 도 1에서 보는 바와 같이, 제1 물주입 노즐(15)에서 기름과 더불어 제1 정지형 교반기(10)를 통해 오일교반챔버(1) 안으로 물이 유입된다. 이 제1 물주입 노즐(15)에는 통상의 체크 밸브와 분무노즐이 장착되며, 기름의 역류를 막고 동시에 주입되는 물의 무화를 꾀하게 하여 유화에 일조하게 하였다. 제1, 제2 정지형 교반기(10,11)는 여러 형태가 개발되어 있으므로 어느 것을 사용해도 무방하나 교반 엘레멘트가 8개 이상인 교반기를 사용하는 것이 바람직하다.

제1 정지형 교반기(10)에서 예비교반된 에멀젼 연료유는 불안전한 혼합 상태를 이루게 되며, 역류파이프(13)를 따라 혼합액을 역행시키고 오일 체류공간(12)에서 와류를 이루다가 제2 정지형 교반기(11)를 통해 오일 교반챔버(1)에서 분출해나가게 하였다. 이때, 제2 물주입 노즐(16)에서는 파이프라인(9-3)을 따라 공급되는 가열된 물이 분할 주입되게 하였다. 이 두 개의 제1 및 제2 정지형 교반기(10,11)와 오일 체류공간(12)은 기름의 급속한 흐름에도 불구하고 유효하게 예비 에멀젼 연료유를 형성시킬 수 있게 하는 것으로, 이 오일교반챔버(1)가 없이 호머지나이저(7)만으로 유화장치를 가동하게 될 때에는 유수 분리현상이 발생하게 되므로 이 오일교반챔버(1)의 효과는 명확하게 파악될 수 있었다.

상기 호모지나이저(7)는 주속 1600rpm/분 이상이 충족되면 현재 개발된 어떠한 형태의 회전형 믹서기로도 가능하다고 보나, 초미세콜로이드 장치의 사용하면 오히려 역효과가 우려되고 장치비만 고가에 치워져 무의미하다 하겠다.

이 호머지나이저(7) 입구에 제3 물주입 노즐(14)로 매니홀드(5)에서 가열된 물이 분급되어 주입하므로 균일한 상태의 에멀젼 연료유가 제조되는 일련의 구조를 완성하기에 이른 것이다.

이와 같이, 본 발명은 1개 또는 복수의 분무 노즐을 통해 물을 유중에 주입시키고 오일교반챔버 내에 2개의 정지형 교반기와 체류 공간을 내장시킨 예비 교반기를 거쳐서 최종적으로 회전형 호모지나이저를 통해 원하는 바와 유화목적을 달성하도록 구성한 것이다.

물과 기름 같이 상반된 물성을 간는 물질은 물리적인 힘을 가해 유화상태가 완전하게 이루어져야만 연소효과를 높힐 수가 있는 것이다. 또한, 유중에 분산되는 수적(水滴)의 크기는 2~5μm 정도가 적당하며, 수적이 너무 작으면(＜1~2μm) 증발 능력이 유적(油滴)을 충분히 파열시키는데 미달된다는 설이 있듯이 적절한 크기의 수적으로 유중에 물을 분산시키는 요건이 전제되어야 한다. 즉, 적절한 크기 이외의 수분은 결과적으로 유화에 불필요한 수분이 되는 것이다.

실제 조업현장으로 이송되는 중유라인, 즉 저장 탱크로부터 서비스 탱크, 또는 서비스 탱크에서 연소버너 중간에 설치하여 에멀젼 연료를 제조하는데 따른 단점은 전술된 바와 같다. 따라서, 이에 대응하기 위해 본 발명의 에멀젼 연료 제조장치는 저장 탱크에서 서비스 탱크의 중간라인에 설치함으로써, 기존 시설의 자동화 설비에 기계외가 되므로, 이러한 부담으로부터 벗어나게 하였으며 가설에 있어서도 간편을 기하였다. 또, 서비스 탱크의 연료주입은 간헐적으로 작동하는 것이기 때문에 기기의 수명, 소모전력 등의 메인티넌스의 저비용 등을 기할 수 있게 하였다.

저장 탱크에서 서비스 탱크로 이송되는 수단으로 통상 기어 펌프를 사용하고 있는데, 이때 이송되는 기름의 유속은 대체로 1.2m/초로 알려져 있다. 이와 같이 빠른 속도로 흐르는 소정량의 기름을 대상으로 이에 상당되는 물을 첨가하여 유화 시키려면, 더구나 간헐적으로 작동시켜 1~3시간의 사용량을 수분 내에 이송시키게 되는 과정에 있어 그 유화기의 단독의 교반만으로는 불가능하다는 것을 실험적으로 알았다. 또한, 물과 기름이라는 상호 불융합성 물질을 기계적 힘을 이용해 완전한 유화상태로 만들기 위해서는 두 물질의 특성상 유화시간이 반드시 개재하고 있고, 그 량과 회전수(RPM)에 의해 각기 상이한 시간(수초(秒))이 지배적인 요인이 되고 있음을 파악해 냈다. 따라서, 초당 1.2m의 유속에 있어 단 한번의 교반 작용으로는 유화가 불가능하다는 결론을 얻게 되었으며, 콤팩트한 장치 내에서 이 과정을 합리적으로 완전하게 이루게 하기 위해 다방면의 실험결과 예비교반장치인 오일교반챔버를 개발하여 본 발명의 완성을 이루게 된 것이다.

상술한 바의 본 발명에 따른 에멀젼 연료유의 제조장치에 의하여, 미립상의 안정된 에멀젼 연료를 연속적으로 대량 제조를 가능케 할 수 있으며, 전체적으로 균일한 연료 특유의 연소효과를 충분하게 발휘케 하고, 각종 보일러작동에 적지 적응될 수 있는 에멀젼 연료 공급 체제를 갖추어 공업적으로 이용함에 있어 최적의 작동을 기하게 함으로서 날로 엄격해지는 대기오염방지 규제에 대응되고 나아가 고유가시대에 연료를 절감할 수 있는 효과가 있는 것이다.

현재 매진의 발생문제로 중유가 아닌 경질유를 사용하지 않으면 안되는 보일러, 소각로 및 가열로에 있어 에멀젼 연료의 연소로서 같은 정도의 매진 발생량을 중유를 사용하여 실현시킬 수 있다면, 유류가의 가격차가 직접적인 연료비가 절감으로 이어지며, 그 사용량이 많을수록 금액차가 크게 나타날 것으로 보아 공업적 가치가 크다고 하겠다. 본 발명은 완전한 균일 혼합 상태가 양호환 에멀젼 연료 제조가 본 장치로 이루어지므로 환경 오염 방지와 고유가 시대에 대응될 수 있는 제조장치라 할 수 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 에멀젼 연료유의 제조장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

Claims (1)

1. 첨가제가 저장되는 약품 탱크(2)와, 상기 약품탱크의 첨가제를 일정량 펌핑하여 오일교반챔버(1)의 제1 정지형 교반기(10)로 공급하기 위한 정량펌프(6)와, 물을 저수하여 볼텝(19)을 이용해 저수량을 조절하게 한 물탱크(3)와, 가열된 물을 오일교반챔버(1)와 호모지나이저(7)에 공급하기 위한 3개의 배출개구와 상기 물탱크에 저수된 물을 주입하기 위한 1개의 주입개구를 갖는 매니홀드(5)와, 상기 매니홀드(5)로 상기 물탱크에 저수된 물을 주입시키기 위한 브란쟈 펌프(4)와, 상기 매니홀드(5)에 주입된 물을 가열시키기 위한 가열기(5-1)와, 다수의 교반 엘레멘트로 이루어지고 주입되는 물과 오일을 교반하기 위한 두개의 제1 및 제2 정지형 교반기(10, 11)와, 상기 제1 정지형 교반기(10)의 일단에 설치되어 상기 매니홀드(5)에서 가열된 물과 함께 상기 정량펌프(6)를 통해 공급되는 첨가제를 분무함과 동시에 오일을 상기 제1 정지형 교반기(10)의 교반 엘레멘트 내부로 분사하기 위한 제1 물주입 노즐(15)과, 상기 매니홀드(5)에서 가열된 물을 상기 제2 정지형 교반기(11)의 내부로 주입시키기 위한 제2 물주입 노즐(16)과, 상기 제1 및 제2 정지형 교반기(10, 11) 사이에 형성시킨 오일 체류공간(12) 및 오일 역류파이프(13)로 구성된 오일교반챔버(1)와, 상기 오일교반챔버(1)로 부터 유입되는 예비 에멀젼 연료유의 물과 오일 성분을 균일하게 만들기 위해 모터(8)에 축설되어 회전하는 회전식 호모지나이저(7), 및 상기 매니홀드(5)에서 가열된 물과 상기 오일교반챔버(1)로 부터 유출되는 예비 에멀젼 연료유를 상기 회전식 호모지나이저(7)의 내부로 주입시키기 위한 제3 분사노즐(14)을 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 에멀젼 연료유의 제조장치.