KR100298469B1

KR100298469B1 - 돈뇨 혼합 에멀젼 연료유 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100298469B1
Application number: KR1019990000327A
Authority: KR
Inventors: 정석이
Original assignee: 정석이
Priority date: 1999-01-09
Filing date: 1999-01-09
Publication date: 2001-09-22
Also published as: AU3079200A; KR20000050443A; WO2000042132A1

Abstract

본 발명은 돈뇨를 벙커 C유에 혼합하여 제조된 보일러 등의 연료유에 관한 것으로서, 축산 원액 수집조에 축산폐뇨 원액을 수집하는 단계, 상기 원액을 침전시키는 단계, 상기 침전물을 여과한 다음 여과액을 50∼60℃에서 36∼48시간 동안 숙성시켜 축산폐수 여과원액 숙성액을 얻는 단계 및 상기 숙성액을 벙커 C유와 500∼1500rpm에서 교반혼합하여 에멀젼 연료를 얻는 단계를 거쳐 제조되며, 폐뇨를 재활용 에너지화하므로써 환경적 측면에서 바람직하며 돈뇨로 인한 수질오염의 근본적 요인을 완전히 방지할 수 있고, 에멀젼유는 일반 벙커 C유에 비하여 열효율이 좋아 연료절감효과가 있을 뿐만 아니라 연소시에 CO, SO_x, NO_x등과 같은 매연 발생이 현격히 감소되어 대기 공해면에서 획기적인 효과 등이 있다.

Description

돈뇨 혼합 에멀젼 연료유 및 그 제조방법{Emulsion oil and manufacturing method}

본 발명은 돈뇨 혼합에멀젼 연료유 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 벙커 C유와 돈뇨를 혼합하여 제조한 에멀젼 연료유와 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

우리 나라는 1960년대 이후 선공업화 정책에 따라 급속히 산업사회로 전환되었고, 고도성장으로 인한 각종 공해, 대기 및 수질 오염 등 증가도 날이 갈수록 심화되어 생태계가 급격히 변화되었고, 이는 일상 생활환경에 이르기까지 심각한 사회적 문제로 대두되었다.

여러 가지 오염 물질 중에서도 축돈, 분, 축산폐뇨 처리에 다양한 시설과 공법(미생물, 화학, 전자파) 등으로 처리하기 위해서 많은 투자를 해 왔으나, 아직까지 만족할 만한 성과를 얻지 못하고 다만 최후의 수단으로 축산폐뇨 등의 배출, 및 오염 농도에 대해 법규제를 강화하여 강제하므로, 농축가의 처리부담만 가중되고 있는 현실이다.

이와같은 축산 배설물로 인해 야기되는 심각한 오염은 비단 국내에서만 문제가 되고 있는 것은 아니다.

특히, 돼지의 축산 배설물은 생물학적 산소요구량 기준으로 매우 심각한 오염물질 배출원이며, 생물학적 산소요구량은 배설물이 독성없는 형태로 분해되는데 필요한 양으로 표현될 수 있다. 돼지의 요폐수는 인간의 하수처리 물보다 70배 이상의 BOD를 필요로 한다. 일반적으로 말하자면 비육돈 1마리의 배설량은 적어도 사람 2.5명이 배설하는 양과 같다.

한편, 연료유와 일반 순수한 물을 혼합한 유중수적형(油中水適形, Water in oil W/O) 에멀젼 연료의 효과에 관하여는 이미 알려진 사실이나 실용적 단계에 이르지는 못하였으며, 근래에 와서 유류절약과 수질 및 대기오염 방지를 목적으로 에멀젼 연료가 선진각국에서 연구의 과제가 되고 있다.

액체연료의 연소시에는 버너가 액체연료를 30∼100/S 크기로 분사시켜 줌으로써 연소공기와 혼합되어 연소된다. 이때, 유적(油滴)이 작을수록 연소상태가 양호해진다. 그러나, 일반 액체원료는 입경이 50∼150μ정도로서, 연소종결이 늦어져 매연의 원인이 된다.

반면, 에멀젼 연료는 물과 기름이 혼합되어 유화(乳化)된 것으로서, 분무시 분무 입자중에 0.5∼5μ의 에멀젼 입자가 분산되며, 착화연소 개시시에 에멀젼 중 물의 가열증발로 인해 급팽창하여 입자가 파열되어 약 6,000배로 체적팽창하면서 미세입자로 되고, 유적표면적이 커져 과잉의 공기 연소를 통해 균일하게 연소가 종결되어 매연 발생을 억제할 수 있는 효과가 있다.

그런데, 일반적으로 기름과 물은 용이하게 섞이지 않기 때문에 이 2종류의 액체를 혼합하는 공법으로는 기계적 공법, 초음파에 의한 공법 및 유화제를 사용하는 공법 등이 있다.

이 중 유화제를 사용하는 방법에 있어서, 유화제는 주로 계면활성제로서 기름과 물의 혼합을 용이하게 해 줄 뿐만 아니라 분산된 물입자가 재결합하고 성장하여 종국에는 기름과 물이 분리되는 현상을 억제한다. 일반적으로 분산상의 비율이 커질수록 점도는 증가함으로 일반적으로 물의 비율은 10∼30중량% 범위이다.

에멀젼 연료의 연소 메카니즘은 연료유가 버너에서 분무되면 30∼100μ정도의 방울이 되어 비산하며 연료 유적이 가열되어 표면의 기름이 기화하면서 연소가 일어난다. 이와 동시에 유적 내의 온도가 상승하여 수적이 폭발적으로 기화하여 주위의 유막을 파열시켜 미세화한다. 이것을 후분사 작용이라 하여 이러한 2차 미립화 현상에 의하여 연소효율이 상승하고 공해방지 및 열효율 상승작용을 한다.

에멀젼 연료를 얻기 위하여 각국에서 연구된 각종 유화제가 있으나, 유화된 에멀젼 연료가 시간이 흐름에 따라 다시 유수(油水)가 완전 분리되는 현상이 생기고, 또 유화가 잘 이루어지더라도 수적의 크기가 커서 에멀젼 연료로서의 실효를 거두기 어려운 현상이라는 것이 실험을 통해 입증되었다.

본 출원인은 이를 해결하기 위해 1982년 4월 15일자로 인뇨를 벙커 C유에 혼합하여 제조된 에멀젼 연료류에 대하여 출원하였으며, 기 특허받았다(특허 제17265호).

여기서는 벙커 C유에 인뇨를 5∼30중량% 혼합하여 에멀젼 연료유를 제조하였는 바, 이같은 인뇨를 사용한 경우 유화성 작용력과 활성 작용이 우수하였으나, 인뇨 자체에 함유된 유화성분 함유량에 있어 문제점이 있었다.보다 구체적으로, 인뇨의 경우 다량의 무기물을 함유하는 바, 뇨중의 무기물이 황화물과 반응하여 무기물의 황화물을 형성한다. 이 물질의 화학반응은 연료의 탈황 방법의 하나로 사용되고 있다. 이 무기화합물은 용해도가 극히 작고 비중이 커서 안전성이 크게 저하되어 콜로이드화된 입자의 크기가 성장하게 되고, 이로인해 유해성 침전물을 형성하였다가 분무시 버어너 아래로 떨어지는 위험한 물질로서 작용하게 된다. 이와같은 침전물은 분무식 버어너를 장기간 사용하는 데 있어서 로내의 부식성을 발생시킬 수 있는 불안요소로 작용하였다.

이에, 본 발명자는 인뇨를 벙커 C유와 혼합한 에멀젼 연료유의 이와같은 침전물 발생의 문제점을 해결하기 위해 연구노력하던 중, 돈뇨가 인뇨에 비하여 활성 작용력이 탁월하고 연소 효율이나 유류의 질적 효과가 우수함을 알게되어 본 발명을 완성하게 되었다.따라서, 본 발명의 목적은 침전물의 발생이 없어 열효율을 증가시키면서 버러지는 돈뇨를 합리적으로 처리할 수 있는 에멀젼 연료유를 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 인뇨와 돈뇨의 체내 무기원소 함량 비교표이고,

도 2는 본 발명 돈뇨 혼합 에멀젼 연료유 제조의 개략적 공정도이고,

도 3은 본 발명에 따른 에멀젼 연료유를 사용한 보일러 용량별 열효율 상승과 연료절감율을 나타낸 것이며,

도 4는 본 발명에 따른 에멀젼 연료유를 사용한 보일러 용량별 효율곡선을 나타낸 것이고,

도 5는 벙커 C유의 현미경 사진(×400)이고,

도 6a와 6b는 일반 에멀젼 연료의 현미경 사진(6a:제조직후, 6b:25일 경과후)이며,

도 7a, 7b 및 7c는 본 발명에 따라 벙커 C유에 축산폐뇨 10중량부를 혼합하여 제조한 에멀젼 연료의 현미경 사진(7a:제조직후, 7b: 35일 경과, 7c:넉달 경과)이고,

도 8a, 8b 및 8c는 본 발명에 따라 벙커 C유에 돈뇨 20중량부를 혼합하여 제조한 에멀젼 연료의 현미경 사진(8a:제조직후, 8b:35일 경과, 8c:넉달 경과)이다.

이와같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 에멀젼 연료유는 벙커 C유 100중량부와 돈뇨 5∼30중량부로 이루어진 것임을 그 특징으로 한다.

이와같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 혼합유 제조에 있어서, '물+유화제' 대신에 사용되는 뇨는 생체에서의 수분 배설 중 대표적인 것이다. 뇨는 유해물이나 대사종 산물로서의 불용물 또는 잉여물질을 함유하고 있으며, 이를 생성하고 배설하는 것은 생체의 중요한 기능이다.

정상적인 돼지 한 마리가 하루에 체외로 배설하는 뇨의 양은 10∼14ℓ, 비중은 1.003∼1.030, 반응은 pH 4.7∼8.0으로 산성에 가깝고, 옅은 노랑 또는 호박색을 띄고 있다. 그러나, 뇨를 방치해 두면 요소(urea)가 암모니아로 변하며 CO₂가 대기중으로 방출되므로 알칼리성이 된다.

인뇨와 돈뇨의 체내 무기원소 함량 비교표는 도 1에 나타낸 바와 같다.한편, 인뇨에 비하여 돈뇨 상대적으로 유수분리 현상이나 유해성 침전물의 발생이 적은 바, 구체적으로 혼합에멀젼 연료유를 제조한 후 이를 분무식 버어너에 장기간 연소실험을 한 결과 분무식 버어너 아래로 침전물의 유해성 유적이 떨어지는 문제가 전혀 없었다. 이는, 돈뇨에서 인뇨로는 미흡한 활성촉매 작용이 있다는 것으로서, 이는 돈뇨에 다량 함유된 단백질 효소, 즉 카탈라제의 역할인 것으로 판단된다.돈뇨에 함유된 카탈라아제는 과산화수소를 물과 산소로 분해시키는 효소로서, 카탈라아제 분자 1개가 1초 사이에 무려 9만개의 과산화수소 분자를 분해하는 것으로 알려져 있다. 이와같은 작용을 하는 카탈라아제를 인뇨의 경우 미량으로 함유하는 바, 그 차이로 인해 돈뇨를 사용한 경우 인뇨에서는 얻을 수 없는 효과를 얻을 수 있다.카탈라아제를 비롯한 단백질 효소는 물과 기름간의 소수성을 해결할 수 있는 것으로서, 복잡한 구조를 갖는 단백질 효소로 인해 기름과 돈뇨간의 결합을 유도하여 소수성으로 인한 유수분리 현상을 방지하도록 하고, 안정된 결합으로 콜로이드 용액상태로 존재하는 에멀젼 연료유를 얻을 수 있도록 한다. 특히, 인뇨에 비하여 축산폐뇨의 단백질은 복잡한 입체구조를 형성하고 있어서 사술의 구조상 변화를 유도하면 소수성인 물질과의 결합을 활성화시키는 작용을 할 수 있다.한편, 생물의 종류가 다르면 그에 함유된 성분도 달라지는 것은 일반적 사실이다. 인뇨와 축산폐뇨의 경우도 이와같은 경우로 볼 것인 바, 인뇨로부터 축산폐뇨로의 전용은 단순한 뇨의 전환이 아니고 유화성이나 열효율 등의 개선을 위해 부단히 노력한 결과의 산물로 볼 것이다.이와같은 돈뇨를 벙커 C유에 첨가하여 에멀젼 연료유를 제조하는 바, 이때 첨가되는 돈뇨의 첨가량은 벙커 C유 100 중량부에 대하여 5∼30중량부인 것이 바람직하다.

본 발명의 에멀젼 연료유 제조에 돈뇨 외에 우뇨 및 마뇨 등 일반 축산폐뇨를 모두 사용할 수 있으나, 가장 바람직한 것은 돈뇨로서, 돈뇨는 축산폐뇨 중에서도 상기한 바와 같은 카탈라아제를 비롯한 단백질 효소의 함량이 가장 많은 것으로서, 이와같은 이유로 본 발명에서 의도하는 효과를 나타내기에 가장 바람직하다.

돈뇨를 첨가하여 에멀젼 연료유를 제조하는 일련의 공정은 도 2에 나타낸 바와 같다.

구체적으로 살펴보면, 축산 원액 수집조에 축산폐뇨 원액을 수집하고, 이를 침전시킨 다음, 여과하여 그 원액을 50∼60℃에서 30∼48 시간 동안 숙성시켜 축산폐수 여과원액 숙성액을 얻는다. 여과 과정에서 발생된 슬러지는 기술적인 숙성발효 작용을 통해 메탄가스를 생산하므로 다목적 난방용으로 사용할 수 있다. 또한, 그 여분의 농축 슬러지는 숙성 발효하여 양질의 유기비료로 제조하여 식물조성에 공급사용할 수도 있으며, 슬러지 농축과정에서 발생되는 폐액은 다시 집수조로 유입하여 에멀젼 연료화하는 데 재활용할 수 있다.

그 다음, 얻어진 숙성액을 벙커 C유 원유와 혼합하는 바, 혼합교반시 속도는 500∼1500rpm인 것이 바람직하다. 구체적으로는 우선 낮은 속도에서 혼합한 다음, 파쇄하는 공정을 거쳐 고속으로 벙커 C유 속에 폐뇨가 완전히 혼합되도록 교반하는 것이 바람직하다. 이와같이 교반혼합하면 벙커 C유 속에 폐뇨가 완전 혼합되어 에멀젼의 분리가 일어나지 않게 된다.

이와같이 제조된 에멀젼 연료를 30℃ 정도의 온도에서 보관하여 두었다가 보일러용 연료로 사용하면 된다.

일반적인 벙커 C유와 본 발명에 따른 돈뇨 혼합에멀젼 연료의 물성 분석치는 다음 표 1에 나타낸 바와 같다.

	벙커 C유	뇨혼합에멀젼
인화점(℃)	193	측정불가
수분(%)	0.1이하	14.48
황분(%)	3.56	2.62
회분(%)	0.02	0.23
발열량(kcal/kg)	10060	8900
비중	0.973	0.981
동점도(50℃·cp)	440	760
동점도(60℃·cp)	270	360
동점도(70℃·cp)	180	235
동점도(80℃·cp)	120	150
동점도(90℃·cp)	75	100

돈분뇨 성분은 대·소·미량 원소가 약 400여종 포함되어 있다. 이와같은 미량 원소 중 소량의 고형 물질중 대부분이 요소를 비롯한 효소계통이다. 특히, 효소의 양은 요소보다 적지만 인체 및 동물체 내에서 생성되고 있는 모든 효소가 배출되므로 그 종류는 무수히 많다.

구체적으로는 표 2에 나타낸 바와 같다.

인체 및 축산 동물체 내에서 배출되는 축산분뇨의 유화성은 이 효소에서 비롯되는 것으로서, 대다수의 효소는 물에 녹는데 분자량이 매우 크므로 콜로이드 용액 현상임을 확인하였다. 특히, 혼합 후 시간이 경과함에 따라 에멀젼 입자가 작아져 뇨의 유화성이 우수함을 입증할 수 있다.

돼지의 오줌 및 혈액성분의 비교(평균치)
성분	뇨농도(g/100㎕)	요중배설량(g/일)	혈장농도(g/100㎕)	뇨/혈장
물		3.0
크레아티닌	0.150	4.5	0.0015	100
Na⁺	0.010	0.3	0.315	0.03
K⁺	0.350	10.5	0.018	20
Cl^-	0.230	7.0	0.360	0.6
Ca²⁺	0.009	0.3	0.009	1.0
무기 인	0.034	1.0	0.004	8.5

본 발명의 축산폐뇨 혼합 에멀죤 연료의 작용과 효과를 상세히 설명하면 다음과 같다.

1. 유화효과

상기 표 2에 나타낸 바와 같이 뇨의 주성분은 요소이지만, 효소의 성분인 단백질의 함량이 상당히 높다. 뇨 1000ℓ를 pH8.0으로 유지시키면 3∼4kg의 단백질 계통의 침전물이 생기는데 그 주성분이 효소이다.

단백질 계통은 약간 저어주어도 거품이 일어나는 것을 볼 수 있는데, 이것이 유화성을 간단히 증명하는 것이다. 따라서, 뇨의 유화성은 효소의 효과라고 예상되며 또한 계면활성제의 검토 결과 뇨의 HLB값은 대략 10이상으로 예상된다.

2. 2차 미립화 효과

연료에 물이 혼합되면 연소상태가 불완전하여 미연탄소의 배출량이 증가하고 첨가된 수분의 증발잠열과 현열이 증가되어 연소효과가 감소될 것으로 예측한다. 그러나, 에멀젼 연료에 있어서는 특히 배기량이 적은 소형 엔진에서 미연탄소의 배출량이 증가하는 것을 제외하고는 오히려 연소효과가 상승하게 된다.

액체 연료는 연소시 공기와 접촉을 원활히 하기 위하여 일반적으로 버어너를 사용하여 분사시킨다. 연료가 버어너에서 분무되면 약 30∼100μ정도의 입자로 비산하게 된다. 분사된 에멀젼 연료의 액적은 가열되어 표면의 기름이 연소하게 된다. 그와 동시에 분무적의 내부 온도도 상승하여 외피의 기름이 전부 증발, 연소되기 전에 수적이 폭발적으로 기화하면서 파열을 일으켜 세분화시킨다. 이 2차 미립화 현상을 후분사라고 하며, 스팀제트버너(Steam Jet Burner)의 증기분사와는 그 효과가 전혀 다르다. 여기서 버어너에서 분사된 1차 분사적을 모적(母適), 후분사에 의해 생성된 미립적을 자적(子適)이라고도 한다. 에멀젼 연료의 분무적이 연소 도중에 일으키는 2차 미립화 현상의 과정은 보통 다음의 3단계로 분석되고 있다; ①puffing: 수증기가 비교적 완만하게 분출되는 현상으로 유적을 튀겨 날리 정도는 아니다. ② microexplosion: 수증기와 열수의 돌분(突噴)과 함께 대소무우의 자적을 발산하는 현상. ③disruption: microexplosion 현상이 한층 격렬해지면 모적 전체가 순식간에 무수한 자격으로 분리되는 동시에 모적도 사라져 버리는 현상으로 이를 microexplosion으로 보는 경향도 있다. 에멀젼 연료의 1차 분무시 수적 내의 용적변화를 고려해 보면 20℃의 물을 1로 했을 때 포화수증기에서 약 1,650배, 1000℃의 과열증기로 되면 약 6,000배로 팽창한다. 이러한 기화팽창은 고온연소 화염 내에서 순간적으로 일어나기 때문에 유적 내부에서 폭발현상을 일으켜 연료 유적이 파열되어 산산조각으로 흩어지게 된다. 이 때문에 버어너 노즐로부터 분무된 연료유립(燃料油粒)은 재미립화됨과 동시에 확산되므로 연소용 공기와의 접촉 면적이 증대되고 또 혼합도 촉진되어 저과잉공기에서도 완전연소가 가능하다. 이 결과 열효율이 향상되고 또한 고속으로 비산하는 미립자는 화염고온부를 짧은 시간에 통과하므로 분포연소에 가까워져 열적 NO_x의 배출량도 감소된다.

3. 열효율 상승효과

에멀젼 연료는 물이 첨가되므로 이 첨가부의 증발잠열과 배기가스 온도가지의 현열이 손실된다. 물의 혼합율이 15중량%인 에멀죤 연료를 연소시키면 배기가스의 배출온도를 200℃ 기준할 때 혼합부의 잠열은 연료 사용량의 약 0.1%를 차지한다. 따라서, 에멀젼 연료의 열효율이 상승되기 위해서는 이보다 더 큰 연소효과가 있어야 한다. 에멀젼 연료는 후분사 현상으로 인하여 연소상태의 안전과 완전 연소상태를 얻을 수 있다. 그러나, 이러한 연소효율 상승에 의한 직접적인 열효율 상승은 30%까지 상승할 수 있다. 보다 큰 열효율 상승효과는 후분사 현상에 따른 간접적인 영향이 더 크다. 에멀젼 연료가 보일러 효율을 상승시키는 주요인은 완전연소로 인하여 공기비를 낮출 수 있고, 또한 Soot가 거의 생성되지 않기 때문이다.

①노압상승

에멀젼 연료의 연소시에는 노압을 상승시킬 수 있다. 노내 압력을 50mmAg 증가하면 배기가스 온도가 10℃ 저하된다.

②공기비 감소

에멀젼 연료 연소시에는 공기비를 10∼20% 감소시킬 수 있으므로 열효율이 10%, 30% 이상 향상될 수 있다.

③열전달 효과의 향상

에멀젼 연료 연소시에는 Soot의 발생이 감소되므로 보일러 열전달면에 스케일의 부착현상이 없어지게 된다. 두께가 1mm일 때, 연료 사용량은 약 2.8% 증가하게 되므로 에멀젼 연료의 열효율은 상승하게 된다. 에멀죤 연료의 연소시 보일러 열효율 상승효과의 주요인은 이러한 열전달 효과의 향상 때문이라 예상된다. 에멀젼 연료의 연소시 열전달 효과 상승의 용인을 세분하면 다음과 같다.

가) Soot의 발생 감소와 함께 열전달면 부착율의 감소로 인한 열전도도의 증대

나) 첨가 수분의 증발과 함께 배가스량의 증가로 인한 노내 가스의 Turblent 현상이 미치는 가스측 열전달 계수의 증대

다) 노내의 CO, H₂O 증가에 의한 Emissivity 증대

이러한 열전달 향상으로 인하여 공기비가 감소함에도 불구하고 배가스 온도느 크게 저하하게 된다. 축산 폐뇨 혼합 에멀죤 연료의 효과가 크게 나타나는 보일러의 조건은 다음과 같다; 노후하고 연소상태가 불량한 저효율 보일러, 50톤 미만의 대형 보일러, 저부하 운전 보일러(부하율이 50% 이하에서 에멀젼 연료의 연료절감 효과는 크게 나타나며 부하율이 90이상에서는 축산폐뇨혼합 에멀젼 연료의 효과는 보일러의 형식과는 무관하며 로타리버어너에서 그 효과가 크리라 예상된다.

4. SO_x중화작용

뇨의 고형분을 다시 검토하면 주성분인 축산폐뇨에 함유된 요소와 단백질 등의 질소물과 인, 칼슘, 칼륨, 염소, 나트륨 등 각종 무기물로 구분할 수 있다. 뇨의 질소물은 대기중에 나오면 쉽게 NH₃를 발생시키기 않으므로 독특한 냄새를 풍기지 않는 것이 특징이다. NH₃는 연료 중 유화물의 연소물인 SO_x와 쉽게 반응하여 (NH₄)₂SO₄등을 형성한다. 이 중화반응식은 다음과 같다.

따라서, 보일러의 저온 부식을 방지하기 위하여 연도에 NH₃가스를 투입하는방법은 오래전부터 사용되어 왔다. 그러나, 연소시에 NH₃또는 중화생성물인 (NH₄)₂SO₄가 연소될 수 있으며 (NH₄)₂SO₄는 다음과 같이 분해될 수 있다.

상기 반응식에 의하면 NO_x의 발생량이 증가하게 될 것이나 실험결과 SOx와 NO_x가 함께 감소하는 효과가 나타났으므로 위의 분해반응은 일어나지 않는 것으로 판단된다. 또 다른 반응으로는 에멀젼 상태에서 뇨 중의 무기물이 황화물과 반응하여 무기물의 황화물을 형성하는 것이다. 이 반응은 연료의 탈황 방법의 하나로 사용되고 있으며, 이들 무기황화물은 용해도가 작고 비중이 커서 침전물을 형성하였다가 분무시 버어너 아래로 떨어진다고 가정할 수가 있으나 완전 연소작용으로 그러한 현상은 발생하지 않는다.

5. NO_x의 발생 억제

탄화수소 연료의 연소시에는 연소공기 중의 질소와 연료 중의 질소가 산화하여 공해물질인 NOx(NO, NO₂, NO₃, N₂O, N₂O₃, N₂O₄, N₂O₅) 등이 발생한다. 에멀젼 연료가 연소할 때는 연료 중의 물이 급속히 증발할 때 주위로부터 잠열을 빼앗아 화염 온도를 저하시켜 화염의 고온 유지시간을 단축시켜 NO_x의 발생을 감소시키고 후분사 효과로 공기와 연료의 혼합상태를 양호하게 만드므로 공기비가 감소하여도 양호한 연소상태를 얻을 수 있고, 공기비가 감소하면 산소의 농도가 함께 감소하게 되므로NOx의 발생이 감소하게 되며 첨가수에 의한 NO_x의 중화로 NO_x가 감소되는 것이다.

6. 매연의 감소

연료가 버어너에서 분사될 때 큰 분무적은 미쳐 연소하기 전에 분해되어 잔사를 형성하고 또한 연소열에 의해 축합되어 미연탄소를 형성하여 매연을 발생하게 되나 에멀젼 연료의 연소시에는 후분사 현상에 의하여 액적이 대단히 작아지고 연소 온도가 낮아지게 되므로 매연의 발생이 감소하게 된다.

한편, 본 발명에 따라 제조된 뇨 에멀젼유의 보일러 연소실험을 실시하였는 바, 이를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

국내 보일러의 설치, 사용 현황의 통계에 의하면 5∼15톤 이내로 대량 사용용으로 되어 있으며, 에멀젼 연료의 연소특성을 종합하여 전북, 대구지역의 산업용 보일러 5대를 시험 보일러로 선정하여 벙커 C유에 축산폐뇨 20중량부를 혼합한 연료에 대하여 연소비교실험을 약 4개월간 주야로 실시하였다.

그 결과는 도 3 및 4에 나타낸 바와 같다.

3∼8톤 범위에서 최대 연료 절감 효과가 나타나고, 그보다 용량이 커지거나 감소하면 에멀젼 연료의 효과는 감소된다.

일반적으로 대형 보일러에서는 저공기비에서도 거의 완전연소시킬 수 있으므로 보일러 용량이 증가하게 되면, 공기비 감소효과가 작아지므로 에멀젼 효과도 함께 감소하게 되며, 보일러 용량이 너무 작아지면 열전달 면적의 부족으로 충분한 열전달이 일어나지 못하기 때문에 연소효과가 크게 향상되지 못하는 것으로 해석된다.

혼합 에멀젼 연료의 연소효과는 물론 보일러 상태의 영향이 크지만, 위와 같은 이유로 인해 보일러 용량과도 큰 관계가 있다.

보일러 용량별 연료절감곡선은 도 3 및 4에 나타내었는 바, 연료절감 효과를 구하면 3∼8톤 범위의 보일러에서 평균 약 10∼17%가 된다.

여기서, 도 3은 보일러 용량별 열효율 상승과 연료 절감율을 나타낸 것이고, 도 4는 보일러 용량별 효율 곡선을 나타낸 것이다.

도 4에서 Standard Eff는 보일러 형식승인 시험의 용량별 기준 효율치를 표시한 것이다.

도 4에서 벙커 C유 현장시험 효율이 형식승인 기준 효율보다 낮게 나타난다는 것은 형식승인 시험의 효율은 최대효율을 가리키지만 현장시험 효율은 평균효율을 채택하였기 때문이다.

도 3에서 벙커 C유에 대한 에멀젼 연료의 효율 상승폭은 용량이 작아질수록 커질 것으로 예상되고 있으나, 시험결과에서 얻은 효율상승 폭을 용량별로 표시하면 도 4와 같이 4차식으로 나타나게 되며, 증가폭은 15∼16% 정도이며, 평균연료절감율은 10∼17%에 달하고 있다.

시험보일러의 효율과 연료절감율은 다음 표 3에 나타낸 바와 같다.

표 3효율증가율을 분석한 결과, 벙커 C유와 축산폐뇨 혼합에멀젼 연료의 보일러 성능을 수개월 동안 현장 산업보일러를 통해 시험한 결과는 저부화율이 40∼70% 범위에서 열효율 상승효과가 크게 나타나고 있으며, 용량별 연료 절감율은 5∼10톤 범위에서 가장 크게 상승하였다.

평균 열효율의 상승효과는 10∼10.5%이며, 연료 절감율은 평균 약 10∼17%로 나타났다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 뇨혼합 연료유는 그 유화성 때문에 연소 효과가 향상되어 유류 절약을 기할 수 있을 뿐만 아니라 공해 방지에도 탁월한 효과가 있음을 알게 되었다.

그리고, 축산폐뇨 혼합 에멀젼 연료의 특수성과 공해방지 효과에 관하여 측정하여 본 결과를 다음 표 4에 나타내었다.

시험결과 스모크, 먼지, CO 등 배출량은 다음 표 6과 같이 거의 반으로 감소되었으며, NO_x와 SO_x도 50이상 감소효과가 나타났다. SO_x의 감소 효과는 뇨의 분해물인 NH₃의 중화작용의 결과로 예상되며 축산폐뇨혼합 에멀젼의 특성이라 할 수 있다.

환경오염물질의 배출량 측정결과
측정항목	구분	배출허용기준	측정치	측정지점	검사방법	검사기기명
	황산화물	540ppm	219.3	측정공	환경오염 공정시험법	가스메타 외
	먼지	150(4)mg/㎥	75.0
	매연	2도 이하	1eh
	질소산화물	250ppm	22.2
	일산화탄소	350ppm	8

상기 표에서 알 수 있듯이 스모크, 먼지, CO 등은 거의 절반 수준으로 감소되었으며, SOx와 NOx도 10% 이상 감소됨을 알 수 있다. SOx는 축산폐뇨의 분해 생성물인 NH₃의 중화효과로 사료된다.

스모크, 먼지, CO 등의 배출량은 거의 60∼70% 감소되었으며, NO_x, SO_x도 50∼60% 이상 감소되는 효과를 얻었다.

SO_x감소효과는 축산폐뇨의 성분(NH)의 산화중화작용의 결과로 확인되었으며, 축산폐뇨 혼합에멀젼의 특성이라 할 수 있다.

또한, 일반 에멀젼 연료(순수한 물 혼합)와 비교한 실험결과, 물혼합 에멀젼은 실효성이 없다는 것을 확인하였으며, 축산폐뇨 혼합에멀젼 연료의 특성은 물리화학적 축산폐뇨 혼합으로서, 조성된 에멀젼의 혼합유화성은 축산폐뇨 혼합에멀젼 연료의 탁월한 특성으로서, 그것은 즉, '뇨'중의 효소를 비롯한 단백질 계통의 성분 중에 있는 유화적 성분을 고도한 기술 공법으로 물리 화학적으로 생성작용시킴으로써 일반 화학제품 유화제나 또한 물리적인 강력한 작용력을 가하지 않고 자연적인 물리적 원리를 이용하여 유화작용이 가능하도록 할 뿐만 아니라 제조 직후 유화상태가 우수함을 과학적으로 실험을 통하여 입증하였다.

또한, 축산폐뇨 혼합에멀젼이 형성된 후에도 재분리 현상을 발견할 수 없으며, 오히려 저장기간이 경과함에 따라 유화상태가 더욱 숙성작용되어 간다는 것을 과학적 실험에서 관찰할 수 있었다.

구체적으로는, 벙커 C유와 시판되고 있는 일반 에멀젼유, 및 벙커 C유에 축산폐뇨를 각각 10중량부 및 20중량부 혼합교반하여 제조된 혼합 에멀젼 연료유에 대하여 현미경 촬영(×400)으로 분석한 결과를 각각 도 5, 6a, 6b, 7a, 7b, 8a, 8b, 8c에 각각 나타내었다.

도 5는 벙커 C유의 현미경 사진이고, 도 6a, b는 일반 에멀젼 연료의 현미경 사진(도6a: 제조직후, 도6b: 25일 경과후), 도 7a, b 및 c는 본 발명에 따라 축산폐뇨 10중량부를 혼합한 에멀젼 연료의 현미경 사진(도7a: 제조직후, 도7b:35일 경과후, 도7c:넉달 경과후), 그리고 도 8a, b 및 c는 본 발명에 따라 축산폐뇨 20중량부를 혼합한 에멀젼 연료의 현미경 사진(도8a: 제조직후, 도8b:35일 경과, 도8c: 넉달 경과후)이다.

도7 및 8의 결과로부터, 본 발명에 따른 축산폐뇨 혼합에멀젼 연료유의 경우 유중뇨적형으로 볼 수 있는 에멀젼이 형성되며, 이때 분산된 뇨 입자의 크기는 2∼3μ으로 에멀젼 연료의 유화성 측면에서 볼 때 대단히 우수함을 알 수 있다.

또한, 종래의 '물+유화제' 첨가의 에멀젼 연료에서는 저장기간이 길어짐에 따라 수입자가 성장되는데 반하여, 본 발명에 따른 축산폐뇨 혼합유는 저장기간이 길어져도 수입자가 미세화됨을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 축산폐뇨 혼합유는 저장기간이 경과함에 따라 더욱 안정화되는 것으로 판단된다.

부가하여 축산폐뇨 혼합 에멀젼 연료는 축산폐뇨의 독특한 냄새가 발생될 것이 우려되었으나, 축산폐뇨의 냄새는 전혀 느낄 수가 없었다.

그밖에 본 발명의 축산폐뇨 혼합 에멀젼 연료의 특수 효과는 다음과 같다.

열효율 증가와 연료절감 효과가 우수하고, 연소과정에서 집진기가 필요없으며, 축산폐뇨 혼합유, 연소장치에 있어서 종래 보일러의 추가적인 부대시설이 필요없고, 연소과정에 있어 보일러에 어떠한 유해성과 기능에 대한 손색이 전혀 발생하지 않으며, 축산폐수 등을 합리적으로 전처리하여 재활용 에너지화하므로써 수질오염의 방지와 대기공해를 감소시킬 수 있다. 그리고, 환경 공해 방지 연료로 수출이 가능하다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 돈뇨 혼합 에멀젼 연료유는 인뇨를 사용한 것에 비하여 열효율을 증가시키면서도 비용을 절감시킬 수 있으며, 축산폐뇨 등을 합리적으로 처리할 수 있으므로 환경 오염을 줄일 수 있고, 축산농가의 비용부담을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 보일러 유로 사용시 열효율이 좋아 연료절감 효과를 얻을 수 있고 연소시에 CO, SO_x, NO_x등 매연 발생을 현격히 감소시킬 수 있는 등의 효과를 발휘할 수 있다.

Claims

벙커 C유 100 중량부와 돈뇨 5∼30중량부로 이루어진 축산 폐뇨 혼합 에멀젼 연료유.
축산 원액 수집조에 돈뇨폐수 원액을 수집하는 단계,

상기 원액을 침전시키는 단계,

상기 침전물을 여과한 다음 여과액을 50∼60℃에서 30∼48 시간 동안 숙성시켜 축산폐수 여과원액 숙성액을 얻는 단계, 및

상기 숙성액을 벙커 C유와 500∼1500rpm으로 교반혼합하여 에멀젼 연료를 얻는 단계로 이루어진 돈뇨 혼합 에멀젼유의 제조방법.
제 4 항에 있어서, 벙커 C유와 숙성액과의 교반혼합은 500∼600rpm으로 교반하고, 분쇄한 다음, 1400∼1500rpm으로 재차 교반하여 수행되는 것을 특징으로 하는 돈뇨 혼합 에멀젼유의 제조방법.