KR100428749B1 - New soot-controlling catalytic fuel-additive compositions - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고농도의 페로센을 함유하고 저온 상안정성이 강화된 연소분진 억제용 액상 조연소 촉매 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 중질 연료유를 연소할 때 발생하는 미연탄소를 포함한 연소 분진을 저감시킬 목적으로 투입되어 사용되는 조연소 촉매 조성물에 있어서, 핵심 산화 촉매로 사용되는 페로센을 고농도로 용해시키되, 용해된 페로센이 저온에서도 안정한 용액상으로 유지될 수 있도록 하기 위해서 기본 용매로서 특정한 방향족 용매를 선택하여 가용화와 안정화를 동시에 도모함으로써 조성물의 완전 용해 안정화 및 연소 분진 억제 기능이 크게 향상된 새로운 액상 조연소 촉매 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a liquid crude combustion catalyst composition for suppressing combustion dust containing high concentration of ferrocene and enhanced low temperature phase stability, and more particularly, to reduce combustion dust including unburned carbon generated when burning heavy fuel oil. In the crude combustion catalyst composition used for the purpose of dissolving ferrocene used as a core oxidation catalyst at a high concentration, a specific aromatic solvent is selected as a basic solvent so that the dissolved ferrocene can be maintained in a stable solution even at low temperatures. The present invention relates to a new liquid phase combustion catalyst composition which greatly improves the complete dissolution stabilization and combustion dust suppression function of the composition by simultaneously solubilizing and stabilizing.

Description

연소분진 억제용 액상 조연소 촉매 조성물{New soot-controlling catalytic fuel-additive compositions}Liquid crude combustion catalyst composition for suppressing combustion dust {New soot-controlling catalytic fuel-additive compositions}

본 발명은 고농도의 페로센을 함유하고 저온 상안정성이 강화된 연소분진 억제용 액상 조연소 촉매 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 중질 연료유를 연소할 때 발생하는 미연탄소를 포함한 연소 분진을 저감시킬 목적으로 투입되어 사용되는 조연소 촉매 조성물에 있어서, 핵심 산화 촉매로 사용되는 페로센을 고농도로 용해시키되, 용해된 페로센이 저온에서도 안정한 용액상으로 유지될 수 있도록 하기 위해서 기본 용매로서 특정한 방향족 용매를 선택하여 가용화와 안정화를 동시에 도모함으로써 조성물의 완전용해 안정화 및 연소 분진 억제 기능이 크게 향상된 새로운 액상 조연소 촉매 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a liquid crude combustion catalyst composition for suppressing combustion dust containing high concentration of ferrocene and enhanced low temperature phase stability, and more particularly, to reduce combustion dust including unburned carbon generated when burning heavy fuel oil. In the crude combustion catalyst composition used for the purpose of dissolving ferrocene used as a core oxidation catalyst at a high concentration, a specific aromatic solvent is selected as a basic solvent so that the dissolved ferrocene can be maintained in a stable solution even at low temperatures. The present invention relates to a new liquid phase combustion catalyst composition in which the solubilization and stabilization of the composition are simultaneously improved, thereby greatly improving the complete dissolution stabilization and combustion dust suppression function.

연료유는 연료유의 제조 원료와 유분(oil) 종류별로 그 연소 특성이 서로 다르며, 이에 따라 연소 공정에서의 효율과 연소 생성물의 종류 및 발생량도 매우 다르다. 이러한 연료유의 연소 특성은 연소 장치에 따라 서로 크게 달라지므로, 일반적으로 내연기관에서의 연소와 보일러용 버너에서의 연소로 구분하여 연소 효율을 평가한다.Fuel oil has different combustion characteristics according to the type of fuel oil and the raw material of the fuel oil. Accordingly, the efficiency and the type and amount of combustion products in the combustion process are very different. Since the combustion characteristics of such fuel oils vary greatly from one combustion apparatus to another, combustion efficiency is generally evaluated by dividing into combustion in an internal combustion engine and combustion in a burner for a boiler.

고비점의 축환 유기화합물이 포함된 중질 연료유(heavy fuel oil)는 연소 특성이 매우 불량하여, 연소 공정에서 많은 양의 미연탄소 또는 수트(soot)를 배기시키게 된다. 수트는 매연의 주요 구성 성분으로서 연소 공정에서 발생하는 환경 오염의 문제를 다룰 때 심각하게 고려되는 부분 중의 하나이며, 미연탄소는 다환 또는 축환 화합물과 같은 연료유 중의 연소 특성이 불량한 물질들의 불완전 연소에 의하여 만들어지는데, 이는 가시불꽃(visible flame) 영역에서 소멸되거나, 외부순환 영역(external circulation zone)에서 이차적으로 연소되어 소멸되지만, 일부가 연소가스에 혼합되어 배출된다.Heavy fuel oils containing high boiling point organic compounds have very poor combustion characteristics, resulting in large amounts of unburned carbon or soot in the combustion process. Soot is one of the main components of soot and is one of the serious considerations when dealing with environmental pollution from combustion processes. Unburned carbon is an important component of incomplete combustion of materials with poor combustion characteristics in fuel oils such as polycyclic or cyclic compounds. It is either extinguished in the visible flame zone or secondary burned and extinguished in the external circulation zone, but part of it is mixed with the combustion gas and discharged.

매연의 저감을 위하여 첨가되는 조연 첨가제는 연소장 내에서 온도 분포를 균일하게 유지함으로써 국부적으로 질소 산화물이 생성되는 온도 영역을 최소화할 수 있기 때문에 질소 산화물(NOx)의 저감에도 약간의 효과가 있다.The supporting additive added to reduce soot has a slight effect on reducing nitrogen oxides (NOx) because the temperature range in which nitrogen oxides are locally produced can be minimized by maintaining a uniform temperature distribution in the combustion field.

또한, 매연 저감을 위한 조연 촉매의 경우, 해당 촉매의 함량에 따라 미연탄소를 포함한 매연의 감소량이 정확하게 정비례하는 것은 아니지만, 전체적인 경향이 비례관계와 유사한 매우 높은 상관관계를 가지게 된다. 매연의 저감 가능량은 연료유의 유적 분무 상태, 매연 입자의 성상과 구조, 그리고 미연탄소의 양에 따라 달라질 수 있으며, 보일러와 같은 연소 공정 전체의 효율과 밀접한 관련이 있다. 또한, 조연 촉매 조성물 제품의 첨가 비율이 연료유의 중량을 기준으로 1/1000 이하로 매우 낮기 때문에, 조연 촉매 조성물 제품에서 촉매의 함량을 높이는 것이 대부분의 경우 뚜렷한 효과를 발휘한다.In addition, in the case of the crude catalyst for reducing soot, the amount of soot including unburned carbon is not directly proportional to the amount of the catalyst, but the overall tendency has a very high correlation similar to the proportional relationship. The amount of soot that can be reduced depends on the oil spray phase of the fuel oil, the properties and structure of the soot particles, and the amount of unburned carbon and is closely related to the efficiency of the entire combustion process, such as a boiler. In addition, since the addition ratio of the crude catalyst composition product is very low, such as 1/1000 or less based on the weight of the fuel oil, increasing the catalyst content in the crude catalyst composition product exhibits a distinct effect in most cases.

일반적으로 사용되는 보일러용 연료유의 조연 조성물에는 이차연소용 촉매, 표면장력 개선제, 슬러지 생성 억제제, 슬러지 분산제, 산소 전달제, 물성 개질제, 부식억제제, 유동 촉진제, 용해 분산제, 그리고 유립 미세 폭발제 등을 비롯한 10여가지 이상의 다양한 기능성 화합물들이 혼합될 수 있다. 이들의 용해 특성을 비롯한 물리화학적 특성들은 매우 다양하며, 종종 상안정성의 문제를 심각하게 야기할 수 있는데, 특히 난용성의 특정 물질이 고농도로 농축되도록 설계할 때에는 이러한 문제가 필수적으로 극복되어야 한다.Commonly used supporting compositions for boiler fuel oils include secondary combustion catalysts, surface tension modifiers, sludge formation inhibitors, sludge dispersants, oxygen transfer agents, physical modifiers, corrosion inhibitors, flow promoters, dispersant agents, and particulate microexplosives. More than 10 different functional compounds can be mixed. Their physicochemical properties, including their dissolution properties, are very diverse and can often cause serious problems of phase stability, which must be overcome in particular when designing high concentrations of particularly poorly soluble materials.

미연탄소는 연료유에 첨가되는 조연제에 여러 종류의 산화 촉매를 첨가함으로써 이차산화 과정에서 완전연소에 가깝게 연소시킬 수 있다. 이러한 촉매 산화에 의한 이차연소를 실현하기 위하여, 여러 가지 전이금속류를 포함하는 촉매를 사용하는 것이 가능하지만, 실제로는 배출되는 산화물 형태의 중금속류에 의한 이차오염의 문제 때문에, 비교적 환경 위해성이 적고 값이 저렴한 철(iron)을 주성분으로 하는 촉매류가 주종을 이룬다. 이때, 상기 철과 연료유와의 혼합성과 상안정성을 좋게 하기 위하여, 연료유와 친화력 및 상용성이 좋은 유기철 화합물이 활용되며, 페로센(ferrocene) 화합물이 그 대표적인 경우이다.Unburned carbon can be burned close to complete combustion in the secondary oxidation process by adding various types of oxidation catalysts to the fuel added to the fuel oil. In order to realize the secondary combustion by the catalytic oxidation, it is possible to use a catalyst including various transition metals, but in practice, due to the problem of secondary pollution by heavy metals in the form of oxides, it is relatively low in environmental risk and low in value. Catalysts based on inexpensive iron dominate. At this time, in order to improve the mixing properties and phase stability of the iron and fuel oil, an organic iron compound having good affinity and compatibility with the fuel oil is utilized, a ferrocene compound (ferrocene) is a typical case.

페로센 또는 페로센 유도체 물질들은 철을 함유하는 유기금속화합물로서, 생물공학제품, 촉매공학제품, 연소공학제품, 군사용 화약추진제 등의 여러 분야에서 광범위하게 활용되는 물질이며, 금속 철분이 응용 환경에 존재하는 유기 분자들의 구조와 높은 친화력을 유지할 수 있도록 설계된 대표적인 유기철 화합물이다. 즉, 페로센은 유전자 관련 연구 개발에 필수적인 물질로도 활용되고 있으며, 다른 메탈로센 계열의 촉매들과 함께 폴리올레핀의 중합 촉매로서도 활용되고, 부틸 고무(butyl rubber)와 같은 고무류와 물리적으로 그리고/또는 화학적으로 배합되어 추진제 및 화약류의 제조용 부품의 성형을 위한 원료로 사용되기도 한다.Ferrocene or ferrocene derivatives are organometallic compounds containing iron, and are widely used in various fields such as biotechnology, catalytic engineering, combustion engineering, military explosives, etc. It is a representative organo iron compound designed to maintain the structure and high affinity of organic molecules. That is, ferrocene is also used as an essential material for gene-related research and development, and is also used as a polymerization catalyst for polyolefins with other metallocene-based catalysts, and physically and / or with rubbers such as butyl rubber. It is chemically formulated and used as a raw material for the molding of propellants and explosives.

특히 조연소 조성물에 첨가하는 경우와 같이, 페로센의 기능성을 촉매공학 또는 연소공학에 활용할 때는 페로센을 함유하는 조성물이 최종 제품으로서 노출되는 사용 기후 환경에서 안정한 상태를 유지하여야 하는데, 이는 해당 사용 공정의 안정적인 조업과 제품 성능의 유지 측면에서 대단히 중요한 기술적 측면이다.When utilizing ferrocene functionality in catalytic or combustion engineering, especially when added to a combustion combustion composition, it is necessary to maintain a stable state in the climatic environment in which the ferrocene-containing composition is exposed as a final product. It is an important technical aspect in terms of stable operation and maintenance of product performance.

페로센은 내연기관용 휘발유에서 노킹 현상을 방지하기 위하여 사용되거나 디이젤유(경유) 또는 중질 연료유의 연소 과정에서 발생하는 수트의 제거를 주된 목적으로 하는 촉매 연소가 일어나도록 사용될 수 있는 등 유기금속 촉매로서 불량한 연소특성을 보이는 여러가지 연료유에 혼합하여 사용되는 조연소 촉매 조성물 제품의 중요한 성분으로 활용될 수 있다.Ferrocene is poor as an organometallic catalyst, such as used for preventing knocking in gasoline for internal combustion engines, or for catalytic combustion with the main purpose of removing soot generated during combustion of diesel oil or diesel fuel. It can be utilized as an important component of the crude combustion catalyst composition product used in mixing with various fuel oils showing combustion characteristics.

페로센이 조연소 촉매 조성물 제품의 성분으로 활용될 경우에는 극성, 비극성, 또는 이온성 유기물들, 드물게는 무기성 물질 또는 다른 유기금속 화합물들과 혼합된 형태의 제품에 응용된다.When ferrocene is utilized as a component of crude combustion catalyst composition products, it is applied to products in the form of mixtures with polar, nonpolar, or ionic organics, rarely inorganic or other organometallic compounds.

페로센과 혼합되는 유기성 물질들은 다양한 지방족, 방향족 물질들을 포함할 수 있으며, 혼합 조성물에서 페로센의 상안정성은 페로센을 용해하는 혼합물의 물리화학적 성질에 크게 의존하게 된다.Organic materials mixed with ferrocene may include various aliphatic and aromatic materials, and the phase stability of ferrocene in the mixed composition is highly dependent on the physicochemical properties of the mixture dissolving ferrocene.

지금까지 페로센은 일반적인 방향족 화합물로 분류되지 않고 있으며, 대부분의 알킬화된 곁가지 페로센 유도체들의 속성상 주로 지방족 용매에 용해되어 활용되어 왔다. 그러나, 페로센이 통상적인 방향족 화합물로 분류되지는 않지만, 페로센의 분자궤도함수 등을 계산하면, 방향족과 유사한 특징을 발견할 수 있다. 즉, 페로센은 파이(π) 결합과 유사한 분자궤도(molecular orbital) 전자구조를 가지고 있으며, 산, 알칼리, 물에 거의 용해되지 않으며, 단일한 단순 유기용매(알코올, 에테르 등)나 드물게는 경유와 같은 석유류에 저농도로 제한적으로 용해되는 특성이 있기 때문에 상기와 같이 저농도로 용해되어 제품에 혼입시키는 것이 일반적인 방법이었다.Until now, ferrocene is not classified as a general aromatic compound, and has been mainly dissolved in an aliphatic solvent due to the nature of most alkylated side branched ferrocene derivatives. However, although ferrocene is not classified as a conventional aromatic compound, similar characteristics of aromatics can be found by calculating the molecular orbital function of ferrocene. In other words, ferrocene has a molecular orbital electronic structure similar to pi (π) bonds, and is hardly soluble in acids, alkalis, and water, and a single simple organic solvent (alcohol, ether, etc.) or rarely, Since there is a characteristic that is limited to a low concentration in the same petroleum, it was a common method to be dissolved in a low concentration as described above and incorporated in the product.

즉, 실용적 측면에서 페로센의 기능성을 극대화하기 위하여, 또는 페로센이 함유된 조성물 제품의 물류 비용을 절감하기 위하여 페로센의 농도 또는 함량이 수% 이상 높이 유지하는 것이 바람직하다.That is, it is preferable to maintain the concentration or content of the ferrocene in a few% or more in order to maximize the functionality of the ferrocene in the practical aspect, or to reduce the logistics cost of the composition product containing ferrocene.

그러나, 페로센은 일반적으로 단일한 유기 용매에 잘 용해되지 않는 것으로 알려져 있고, 용해도 자료도 거의 알려져 있지 않으며, 특히 온도가 낮아져 과포화될 때, 용액 상태로부터 침상의 결정체(orange needle)로 성장하려는 경향이 있어 상의 안정성이 낮아 쉽게 결정으로 석출된다.However, ferrocene is generally known to be poorly soluble in a single organic solvent, little solubility data is known, and especially when the temperature is lowered and supersaturated, it tends to grow from solution to needle needles. It has a low phase stability and easily precipitates as crystals.

상기와 같은 결정 성장과 석출, 그리고 제품의 고온 변질 가능성 때문에, 페로센을 함유하는 제품은 일정 온도 조건 범위 이내에서 유지 보관시켜야 하는 어려움이 상존하게 된다. 특히 액상 조성물의 경우에는 페로센의 결정 석출에 의한 상 불안정성은 매우 심각하여, 조성물의 적용 공정에서 여러 가지 공정 장애를 일으킬 수 있다.Due to the above crystal growth and precipitation, and the possibility of high temperature deterioration of the product, there is a difficulty that the product containing ferrocene must be kept within a certain temperature condition range. In particular, in the case of the liquid composition, the phase instability due to the precipitation of ferrocene is very serious, and may cause various process obstacles in the application process of the composition.

예를 들어, 디젤 유 또는 중질유와 혼합된 페로센 함유 조성물 제품이 동절기에 연료의 공급계에서 경로 폐색(plugging)을 유발하여, 내연기관, 보일러와 같은 연소 공정의 연속운전에 심각한 장애를 유발할 수 있다. 실제로 동절기에 페로센이 첨가되지 않은 디젤 유에서도 연료유 중의 왁스 성분의 침상 결정 석출을 방지 또는 완화하기 위하여 특별한 상 안정제를 첨가하기도 한다.For example, ferrocene-containing composition products mixed with diesel or heavy oils can cause plugging in the fuel supply system during the winter months, which can cause serious impediments in the continuous operation of combustion processes such as internal combustion engines and boilers. . Indeed, even in diesel fuels without ferrocene added in winter, special phase stabilizers may be added to prevent or mitigate the precipitation of acicular crystals in the wax components in fuel oils.

상기한 바와 같이, 액체 조성물 제품의 저온에서의 상안정성은 대단히 엄격한 제품 사용자 규격임에 틀림없으며, 이것은 페로센을 함유하는 액상 조성물 제품에서도 예외가 될 수 없으며, 특히 저온에서의 상안정성에 대한 요구 조건은 페로센의 기능을 항진시키기 위하여 조성물 상의 페로센 농도(또는 함량)를 높이고자 할 때 더욱 심각하게 된다.As mentioned above, the phase stability at low temperatures of liquid composition products must be a very strict product user specification, which is no exception to liquid composition products containing ferrocene, especially the requirements for phase stability at low temperatures. Silver becomes more serious when trying to increase the ferrocene concentration (or content) in the composition in order to enhance the function of ferrocene.

즉, 본 발명의 발명자에 의하여 한국특허등록 제10-0227965호에서 제안된 바와 같이 등유에 저급 알코올과 폴리이소부틸렌, 슬러지 억제제인 폴리프로필렌글리콜 또는 부틸레이티드 하이드록시 톨루엔 및 페로센(ferrocene) 골격을 갖는 유기철 화합물을 첨가하여 제조한 연료유 개질 조연제 조성물이 개발되기도 하였다.That is, the lower alcohol and polyisobutylene in the kerosene, polypropylene glycol or butylated hydroxy toluene and ferrocene (ferrocene) skeleton in kerosene as proposed by the inventor of the present invention 10-0227965 A fuel oil reforming aid composition prepared by adding an organoiron compound having a has been developed.

상기의 방법에 따르면 기본 용매로서 석유류의 일종인 등유를 70 중량% 이상 과량 사용하고 있으며, 올리고머 형태인 폴리부텐과 소량의 부틸레이티드 하이드록시 톨루엔이 첨가되어 있고, 페로센 골격을 가지는 유기철 화합물이 포함되어 있다. 그러나, 상기 발명에 의한 조성물은 10 ℃ 이상의 상온 조건에서는 안정한 액상을 유지하지만, 0 ℃ 근방 또는 그 이하의 저온에서는 첨가된 페로센이 석출되는 문제점이 있었다. 따라서, 동절기와 같은 저온 환경에서 조성물 제품을 연소 공정에 연속적으로 투입하기 위해서는 페로센의 함량을 0.5중량% 이하로 유지하여야 하였다. 즉, 페로센의 함량이 극히 낮았기 때문에 페로센이 갖는 이차 촉매 연소의 기능이 현격히 저하되는 문제점이 해결하여야 할 과제로 남게 되었다.According to the above method, 70% by weight or more of kerosene, which is a kind of petroleum, is used as a basic solvent, and polybutene in oligomer form and a small amount of butylated hydroxy toluene are added, and an organic iron compound having a ferrocene skeleton is included. It is. However, the composition according to the invention maintains a stable liquid phase at room temperature conditions of 10 ℃ or more, but there is a problem that the added ferrocene is precipitated at a low temperature around 0 ℃ or less. Therefore, in order to continuously add the composition product to the combustion process in a low temperature environment, such as winter, the content of ferrocene had to be maintained at 0.5% by weight or less. That is, since the content of ferrocene is extremely low, the problem that the function of the secondary catalytic combustion of ferrocene is significantly reduced remains a problem to be solved.

이에 본 발명의 발명자들은 상기 페로센을 용해시키는 용매로서 특정한 방향족 용매 또는 특정한 조성의 방향족 혼합 용매를 사용하거나, 지방족의 기능성 첨가제를 조성물에 포함시켜야 할 경우에는 지방족 화합물과 친화력이 있는 특정한구조를 가지는 방향족 화합물을 함께 사용하면 페로센을 고농도로 용해시킬 수 있으며, 또한 저온에서 액상을 안정시킬 수 있음을 알게되어 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the inventors of the present invention use an aromatic solvent or an aromatic mixed solvent of a specific composition as a solvent for dissolving the ferrocene, or when an aliphatic functional additive is to be included in the composition, an aromatic having a specific structure having an affinity with an aliphatic compound. The use of the compounds together has been found to be able to dissolve the ferrocene in a high concentration and to stabilize the liquid phase at low temperatures to complete the present invention.

따라서, 본 발명은 기본 용매(primary base solvent)로서 과량의 특정한 방향족 용매 또는 혼합 용매를 사용하여 방향족 화합물과 유사한 물리화학적 특성을 지닌 페로센을 쉽게 가용화시키고 저온에서 특히 안정한 액상을 유지하게 함으로써, 고농도의 페로센을 함유할 수 있으며, 또한 중질 연료유에 적용할 경우, 이차연소 메카니즘을 통한 연소분진 억제 성능이 크게 개선되는 액상 조연소 촉매 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention uses an excess of specific aromatic solvents or mixed solvents as primary base solvents to easily solubilize ferrocene having physicochemical properties similar to aromatic compounds and to maintain a particularly stable liquid phase at low temperatures. It is an object of the present invention to provide a liquid crude combustion catalyst composition which may contain ferrocene and also, when applied to heavy fuel oil, greatly improves combustion dust suppression performance through a secondary combustion mechanism.

도 1은 층류 확산 화염을 이용한 광소멸법에 의한 레이저 광학 연소 시험이 이루어지는 과정을 간단하게 나타낸 것이다.Figure 1 shows a simplified process of the laser optical combustion test by the light extinction method using a laminar diffusion flame.

도 2는 중질 연료유의 층류 확산 화염 제조 버너의 구조를 간단하게 나타낸 것이다.Figure 2 shows a simplified structure of the laminar diffusion flame production burner of heavy fuel oil.

도 3은 난류 혼합 화염을 이용한 광소멸법에 의한 레이저 광학 연소 시험이 이루어지는 과정을 간단하게 나타낸 것이다.Figure 3 shows a simplified process of the laser optical combustion test by the light extinction method using a turbulent mixed flame.

도 4는 중질 연료유의 난류 혼합 화염 제조 버너의 구조를 간단하게 나타낸 것이다.Figure 4 simply shows the structure of the turbulent mixed flame production burner of heavy fuel oil.

도 5는 조연소 촉매 조성물을 첨가하지 않은 연료를 기준으로 한 유도시스템 침적법에 의한 정밀 탄화시험에서의 상대적인 탄소 찌꺼기 침적량을 나타낸 그래프이다.FIG. 5 is a graph showing the relative amount of carbon deposits in the precision carbonization test by the induction system deposition method based on fuel without adding the combustion combustion catalyst composition.

본 발명은 페로센을 함유하는 연소분진 억제용 조연소 촉매 조성물에 있어서, 기본용매로서 방향족 용매를 60 ∼ 90 중량% 함유하고 조연소 촉매로서 페로센이 1.0 ∼ 12.0 중량% 함유되어 있는 연소분진 억제용 액상 조연소 촉매 조성물을 특징으로 한다.The present invention relates to a combustion dust suppression combustion combustion catalyst composition containing ferrocene, comprising: 60 to 90% by weight of an aromatic solvent as a basic solvent and 1.0 to 12.0% by weight of ferrocene as a crude combustion catalyst. It is characterized by a crude combustion catalyst composition.

이와 같은 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The present invention will be described in more detail as follows.

본 발명은 중질 연료유를 연소할 때 발생하는 미연탄소를 포함한 연소 분진 저감을 목적으로 투입되는 조연 촉매 조성물에서 핵심 산화 촉매로 사용되는 페로센을 고농도로 용해시킬 수 있고, 상기 용해된 페로센의 저온에서의 상안정성을 향상시킴으로써 연소 분진 억제 기능을 강화시킬 수 있는 액상 조연소 촉매 조성물 제조방법과 그에 따라 제조된 액상 조연소 촉매 조성물에 관한 것이다.The present invention can dissolve a high concentration of ferrocene used as a core oxidation catalyst in the supporting catalyst composition for the purpose of reducing combustion dust including unburned carbon generated when burning heavy fuel oil, at a low temperature of the dissolved ferrocene It relates to a method for producing a liquid crude combustion catalyst composition capable of enhancing the combustion dust suppression function by improving the phase stability of the liquid phase combustion catalyst composition prepared accordingly.

본 발명에 따른 조연소 촉매 조성물은 산화 촉매로 사용되는 페로센을 고농도로 가용화시키기 위하여 특정한 방향족 용매를 기본 용매(primary base solvent)로 다량 사용한 것을 특징으로 한다.The crude combustion catalyst composition according to the present invention is characterized in that a large amount of a specific aromatic solvent is used as a primary base solvent in order to solubilize ferrocene used as an oxidation catalyst at a high concentration.

지방족 화합물들에 비하여 방향족 화합물들은 분자 내에서 화학적으로 안정화되어 있고, 가연성이 좋은 수소의 함량이 상대적으로 부족하기 때문에 연소 특성은 지방족 화합물의 연소 특성에 비하여 일반적으로 열등하다. 그러나, 고려하는 방향족 용매가 페로센을 고농도로 용해시켜 안정화시킬 수 있다면 중질연료유의 조연 첨가 조성물의 기본 매질로 활용될 수 있다.Compared with the aliphatic compounds, the aromatic compounds are chemically stabilized in the molecule, and the combustion characteristics are generally inferior to those of the aliphatic compounds because of the relatively low flammable hydrogen content. However, if the aromatic solvent under consideration can be stabilized by dissolving ferrocene at a high concentration, it can be utilized as a basic medium of the crude addition composition of heavy fuel oil.

즉, 연소 대상물인 중질유의 연소 특성이 대단히 불량하기 때문에 이러한 첨가되는 물질의 조연 기능성이 월등하면, 방향족 용매가 지방족 용매보다 연소특성이 취약하더라도 연소 대상물인 중질유의 전체 연소 과정에서 상쇄되어 극복될 수 있고, 구체적으로 페로센의 투입에 의하여 이차연소 과정에서 방향족 다환체들(POM's)의 완전 연소가 촉진될 수도 있기 때문이다.That is, since the combustion characteristics of the heavy oil, which is a combustion target, are very poor, if the supporting function of these added materials is superior, even if the aromatic solvent has a weaker combustion characteristic than the aliphatic solvent, it may be offset and overcome in the entire combustion process of the heavy oil, which is the combustion target. In particular, the complete combustion of aromatic polycyclic compounds (POM's) in the secondary combustion process may be promoted by the addition of ferrocene.

실질적으로 조연 첨가 조성물로서 투입되는 방향족 화합물의 종류에 따라서 상기 방향족 다환체들의 형성 과정과 연소 과정이 영향을 받아, 목적으로 하는 미연탄소의 완전 산화와 에너지 효율 증진에 역행하는 불리한 방향으로 작용할 소지가 있다. 그러나, 이러한 부작용보다 더 큰 효과를 이차 연소 촉매를 투입함으로써 얻을 수 있는데, 복잡하지만 실험적 검증 과정을 통하여 효율적인 조연 조성물의 규격과 효능을 입증할 수 있다.Substantially, the formation and combustion of the aromatic polycyclic bodies are affected by the type of aromatic compound to be added as a supporting composition, which may act in an adverse direction against the complete oxidation of the target unburned carbon and the improvement of energy efficiency. have. However, more effective than these side effects can be obtained by the addition of a secondary combustion catalyst, it is possible to prove the specification and efficacy of the effective supporting composition through a complex but experimental verification process.

본 발명에서는 위와 같이 상충되는 효과들에 의하여 지배되는 연소 과정을규명할 수 있는 구체적인 정교한 실험적 방법들을 적용하여 중질 연료유의 조연소 조성물로서 효과적인 촉매 조성물을 제조하는 방법을 제안한다.The present invention proposes a method for preparing an effective catalyst composition as a crude combustion composition of heavy fuel oil by applying specific sophisticated experimental methods that can identify the combustion process governed by such conflicting effects.

즉, 상기 기본 용매를 방향족 용매들 중에서 선택함으로써, 페로센이 나타내는 방향족 화합물과 유사한 물리화학적 상호작용으로 쉽게 가용화되고 상이 안정화되도록 한다.That is, by selecting the basic solvent among aromatic solvents, the solubilization and phase stabilization are facilitated by physicochemical interaction similar to the aromatic compound represented by ferrocene.

기존에 사용되었던 페로센을 함유하는 조연소 촉매 조성물에도 방향족 화합물인 부틸레이티드 하이드록시 톨루엔이 사용되었으나, 상기 화합물은 산화 과정에 의한 슬러지 생성을 억제하기 위한 용도로써 소량 첨가되었다.Although an aromatic compound butylated hydroxy toluene was also used in the crude combustion catalyst composition containing ferrocene, the compound was added in a small amount for the purpose of suppressing the sludge generation by the oxidation process.

상기와 같이 소량 사용된 방향족 화합물은 페로센을 고농도로 용해시키는 데 전혀 기여할 수 없었고, 또한 사용된 방향족 화합물 자체가 실온 근방의 온도 조건에서 액체로 존재하지 못하고 고체로 존재하기 때문에 과량 사용되는 기본용매로 활용될 수 없었을 뿐만 아니라, 해당 화합물의 물리화학적 성질을 고려할 때 과량 투입에 따른 역작용이 존재하기 때문에 소량만이 제한적으로 투입되었다.The aromatic compounds used in small amounts as described above could not contribute at all to the high concentration of ferrocene, and since the used aromatic compounds themselves do not exist as a liquid but as a solid at a temperature near the room temperature, they are used as a basic solvent. Not only could it not be utilized, but only a small amount was added because of the adverse effects of overdose, given the physicochemical properties of the compound.

한편, 본 발명에서는 연소 특성에 미치는 역작용을 최소화할 수 있고, 조성물 제품의 사용 환경 온도 범위에서 안정한 액체 상태를 유지할 수 있는 특성을 가지는 방향족 용매를 과량 첨가하므로써 페로센을 가용화시키고 안정화시켰다.On the other hand, in the present invention, solubility and stabilization of ferrocene can be minimized by adding an excessive amount of an aromatic solvent having the property of minimizing adverse effects on the combustion characteristics and maintaining a stable liquid state in the use environment temperature range of the composition product.

즉, 선행 기술에서 제시한 방향족 화합물인 부틸레이티드 하이드록시 톨루엔의 조성 범위가 첨가제로서 최대 15 중량%로 제한되는 반면, 본 발명에서는 엄격하게 선정된 방향족 화합물이 각종 첨가물질의 전달 매체로서 60 ∼ 90 중량%로 과량 사용됨으로써 페로센을 저온에서도 고농도로 안정하게 용해할 수 있도록 하였다.즉, 기본용매를 지방족 혼합용매인 등유(kerosene)로부터 특정의 방향족 용매 또는 혼합 용매로 변경함에 따라 연소 특성이 변화되므로, 해당 용매에 따라 첨가 물질의 상세한 종류와 조성이 조정되어 전체적으로 조연소 성능이 개선된 촉매 조성물들을 제시함이 본 발명의 특징이다.That is, while the composition range of the butylated hydroxy toluene, the aromatic compound proposed in the prior art, is limited to a maximum of 15% by weight as an additive, in the present invention, a strictly selected aromatic compound is 60 to 90 as a delivery medium for various additives. Excessive weight percent of the ferrocene can be used to dissolve the ferrocene stably and at low concentrations, i.e. the combustion characteristics change as the base solvent is changed from kerosene, an aliphatic mixed solvent, to a specific aromatic or mixed solvent. It is a feature of the present invention to present catalyst compositions in which the detailed type and composition of the additive material is adjusted according to the solvent, and the crude combustion performance is improved as a whole.

이때 방향족 용매의 사용량이 60 중량% 미만이면 페로센의 고농도 가용화와 안정화 측면에서 어려운 점이 발생하였고, 90 중량%를 초과하면 기능성 첨가제들의 수용적 측면과 기본 용매 자체의 연소 특성의 과다 발현 측면에서 바람직하지 않은 것으로 관찰되었다.At this time, when the amount of the aromatic solvent is less than 60% by weight, it is difficult in terms of high solubilization and stabilization of ferrocene. When the amount of the aromatic solvent is higher than 90% by weight, it is not preferable in terms of the acceptability of functional additives and overexpression of combustion characteristics of the basic solvent itself. Was observed.

방향족 화합물들은 방향족 화합물끼리 혼합성과 상용 용해성(solubility)이 좋은 반면, 지방족 화합물과는 제한된 한계 용해성(limited marginal solubility)을 나타내기도 한다. 그러나, 방향족 화합물들 중에는 실온 근방 또는 실온 이상에서 어는 점(freezing point)을 가지는 경우가 매우 흔하다.Aromatic compounds have good compatibility and commercial solubility with each other, but also have limited marginal solubility with aliphatic compounds. However, among aromatic compounds, it is very common to have a freezing point near or above room temperature.

따라서, 방향족 화합물을 기본 용매로 하여 페로센 함유 혼합물이 저온을 포함한 넓은 온도 영역에서 안정한 상을 유지하려면, 상기와 같은 빙결 또는 석출의 문제를 반드시 실험적으로 확인하여, 빙결과 석출이 일어날 수 있는 조성 영역을 회피하도록 조성물이 설계되어야 한다.Therefore, if the ferrocene-containing mixture is to maintain a stable phase in a wide temperature range including low temperature by using an aromatic compound as a base solvent, the problem of freezing or precipitation as described above must be experimentally confirmed, and a composition region in which freezing and precipitation can occur. The composition should be designed to avoid this.

물론, 액-액 상평형(liquid-liquid equilibrium)과 고-액 상평형(solid-liquid equilibrium)이 서로 독립적으로 고려되어 안정한 상공간 영역이 확보되어야 하므로 실험적인 확인과정을 거쳐 액-액 상평형과 고-액 상평형의 관점에서 최적화된 페로센이 함유된 기본 조성물 또는 혼합물을 설계할 수 있다.Of course, the liquid-liquid equilibrium and the solid-liquid equilibrium should be considered independently of each other, so that a stable phase space region should be secured. It is possible to design base compositions or mixtures containing ferrocene optimized in terms of hyper-liquid phase equilibrium.

또한, 조연소 촉매 조성물 제품의 기본 용매(base solvent)로서 사용할 수 있는 용매 제품들은 경제적 측면의 속성상 석유화학 또는 석탄화학 공정에서 대량 생산되는 유기 용매 중에서 선정함이 더욱 바람직하다. 바꾸어 말하자면, 제품의 경제성과 가격 경쟁력을 고양하기 위하여, 대량으로 쉽게 생산될 수 있거나, 타 화학제품의 생산 과정에서 대량으로 부생되는 용매 제품들을 활용하는 것이 적합하다.In addition, solvent products that can be used as a base solvent of the crude combustion catalyst composition product are more preferably selected from organic solvents that are mass-produced in petrochemical or coal chemical processes due to economical properties. In other words, it is appropriate to utilize solvent products which can be easily produced in large quantities or by-produced in large quantities in the production process of other chemicals in order to increase the economics and price competitiveness of the product.

석유화학 또는 석탄화학 공정에서 발생하는 대표적인 방향족 화합물 또는 공정에서 유출되는 이들의 혼합물은 BTX 계열의 방향족 화합물들과 이들의 혼합 유분(BTX oil), 혼합 크실렌 유분(mixed xylene oil), 메틸 나프탈렌 유분(methyl naphthalene oil), 안트라센 유분(antharacene oil) 및 C9 방향족 유분(C9+ 유분 포함) 등이 있다. 그러나, 메틸 나프탈렌 유분과 안트라센 유분은 비교적 어는점이 높아 고화되기 쉬우므로, 다른 방향족 혼합유 또는 이들을 구성하는 단일 화합물들에 비하여 저온에서 액상으로 안정한 상태를 유지하는 조성물의 기본 용매로 활용하기 쉽지 않다.Representative aromatic compounds from petrochemical or coal chemical processes, or mixtures thereof, which are discharged from the process, are BTX-based aromatic compounds and their mixed fractions (BTX oil), mixed xylene oil, methyl naphthalene fraction ( methyl naphthalene oil), anthracene oil and C9 aromatics (including C9 + fractions). However, since the methyl naphthalene fraction and anthracene fraction are relatively high in freezing point and are easily solidified, they are not easy to be used as a basic solvent of a composition that maintains a stable state in a liquid state at low temperature compared to other aromatic mixed oils or single compounds constituting them.

따라서, 상기와 같은 메틸 나프탈렌 유분과 안트라센 유분을 제외한 저분자량의 방향족 화합물들이 혼합된 혼합 유분을 직접 또는 가공 처리하여 활용하는 것이 실용적 측면에서 바람직하다.Therefore, in terms of practical use, it is preferable to utilize a mixed fraction of low molecular weight aromatic compounds except for the methyl naphthalene fraction and the anthracene fraction as described above directly or by processing.

또한, 페로센을 함유하는 조연소 촉매 조성물 제품이 기능성 첨가물로서 지방족 화합물을 포함하여야 하는 혼합물인 경우, 알킬벤젠과 같이 알킬화된 방향족 화합물을 함께 사용함으로써 상용성과 상안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있다.상기 알킬화된 방향족 화합물은 선형 사슬(linear chain) 또는 곁가지 사슬(branched chain) 형태의 알킬 그룹을 포함할 수 있으며, 알킬 그룹은 부분적으로 다른 관능기(functional group)로 유도체화된 화합물이 사용될 수 있다.In addition, when the crude combustion catalyst composition product containing ferrocene is a mixture which should include an aliphatic compound as a functional additive, compatibility and phase stability can be significantly improved by using an alkylated aromatic compound such as alkylbenzene together. Alkylated aromatic compounds may include alkyl groups in the form of linear chains or branched chains, and compounds in which the alkyl groups are partially derivatized with other functional groups may be used.

상기와 같은 조건을 만족시키는 여러 가지 사용 가능한 알킬화된 방향족 화합물의 후보 물질들 중에서, 선형 알킬벤젠(linear alkylbenzene)과 곁가지 알킬벤젠(branched alkylbenzene) 또는 이들의 혼합물을 활용할 수 있는데, 사용되는 알킬벤젠은 탄소수 24개 이하의 알킬기가 1개 이상 부착된 것을 사용하는 경우가 더 바람직한 효과를 얻을 수 있다.Among the candidate materials of the various usable alkylated aromatic compounds satisfying the above conditions, linear alkylbenzene and branched alkylbenzene or a mixture thereof may be utilized. The more preferable effect can be acquired when using the thing with one or more alkyl groups of 24 or less carbon atoms.

상기 물질들은 계면활성제 제조 과정에서 대량 생산되어 쉽게 구할 수 있고, 물리화학적으로 매우 안정하며, 지방족 화합물과 방향족 화합물 모두와 실온 근방에서 잘 혼합되는 특성을 가지고 있다. 상기 물질에서 존재하는 측쇄(alkyl chain)에 의하여, 분자 구조상 방향족 화합물의 분자간 겹침에 의한 결정 생성의 경향이 약화되어 결국 저온에서도 고-액 상전이, 또는 침전 분리의 관점에서 더욱 안정화시킬 수 있다.The materials are mass produced during the preparation of surfactants, are readily available, are very chemically stable, and have the property of mixing well with both aliphatic and aromatic compounds near room temperature. The alkyl chains present in the material can weaken the tendency of crystal formation due to the intermolecular overlap of aromatic compounds in the molecular structure, which can be further stabilized in terms of solid-liquid phase transition or precipitation separation even at low temperatures.

상기와 같이 어는점을 강하시키는 목적으로, 분자 구조가 다른 방향족 화합물들을 혼합하여 얻어지는 혼합 용매를 기본 용매로 사용할 경우 혼합물에서의 페로센의 용해도와 페로센의 석출 온도에 대한 양 측면을 동시에 고려하여 혼합 조성이 최적화되어야 한다.For the purpose of lowering the freezing point as described above, when a mixed solvent obtained by mixing aromatic compounds having different molecular structures is used as a basic solvent, the mixed composition is considered in consideration of both aspects of the solubility of ferrocene in the mixture and the precipitation temperature of ferrocene at the same time. Should be optimized

어는점이 낮은 기본 용매 혼합물은 후보 용매 성분들의 조성이 다른 혼합물 시료들을 제조하여 결정한다. 각 조성을 갖는 후보 혼합물 시료를 냉각하고 가열하는 순환 조작을 통하여 승온 및 냉각 속도에 따른 히스테리시스(hysterisis) 효과를 배제하고 어는점들을 측정하여, 목표 온도 이하에서 결빙되는 기본 용매 조성을 결정할 수 있다. 실제적으로는 위 시료들을 원하는 한계 온도에서 장시간 방치하여 결빙이 되지 않는 조성 영역을 확인하여 이를 반복함으로써 최적의 혼합 조성을 확정할 수 있다. 실온 근방에서의 액-액 층분리에 의한 상 불안정성은 각 조성으로 제조된 시료를 방치한 다음 육안으로 층분리 유무를 확인할 수 있으며, 정치된 상태에서 육안으로 확인하기 어려울 만큼 매우 적은 분리된 액층을 포함하는 경우, 격렬히 흔들거나 교반시켜 광학적 탁도(turbidity) 또는 산란 현상을 관찰함으로써 실험적으로 확인할 수 있다.The low freezing base solvent mixture is determined by preparing mixture samples of differing compositions of the candidate solvent components. A circulating operation of cooling and heating the candidate mixture sample having each composition may exclude hysteresis effects with increasing temperature and cooling rate, and freezing points may be determined to determine the basic solvent composition that freezes below the target temperature. In practice, the samples are left at the desired limit temperature for a long time to check the composition area that does not freeze and repeat this to determine the optimum mixed composition. Phase instability due to liquid-liquid layer separation at room temperature can leave the samples prepared with each composition and then visually check for the presence of layer separation. If included, it can be confirmed experimentally by observing optical turbidity or scattering by shaking vigorously or stirring.

예를 들면, 벤젠은 상온에서의 페로센에 대한 용해성이 매우 좋지만, 벤젠의 어는점이 높아, 저온에서 안정한 액상 조성물을 유지할 수 없다. 따라서, 용해력을 일부 희생하더라도, 저온에서 안정한 액상을 유지할 수 있도록 공용매(cosolvent)를 첨가한 다음 이를 페로센의 기본 용매로 활용하는 것이 바람직하다. 경우에 따라서는 고분자 사슬의 분자간 폐쇄장벽 효과(screening effect)를 이용하여 기본 용매의 빙결을 방해하거나, 왁스상 중고분자 물질(oligomers)의 석출을 방지할 수도 있다.For example, benzene has very good solubility in ferrocene at room temperature, but the freezing point of benzene is high, and a stable liquid composition cannot be maintained at low temperatures. Therefore, even at the expense of some dissolving power, it is preferable to add a cosolvent and then use it as a base solvent of ferrocene to maintain a stable liquid phase at low temperature. In some cases, the intermolecular screening effect of the polymer chain may be used to prevent freezing of the base solvent or to prevent precipitation of waxy oligomers.

용해도는 자외선-가시광선 영역에서 흡수 스펙트럼을 얻은 후 스펙트럼 상에 나타나는 특성 피크 파장에서의 흡광도를 측정하여 정량적으로 측정할 수 있는데, 페로센의 경우 유기 용매에 녹여 페로센의 특성 피크 파장인 326 nm와 442 nm에서 흡광도를 측정하여 용해도를 알 수 있다.Solubility can be measured quantitatively by measuring the absorbance at the characteristic peak wavelength appearing in the spectrum after the absorption spectrum in the ultraviolet-visible region. In the case of ferrocene, it is dissolved in an organic solvent and the characteristic peak wavelengths of ferrocene are 326 nm and 442. The solubility can be determined by measuring the absorbance at nm.

일반적으로 흡광도와 농도 사이의 관계는 저농도 영역의 경우 일차 비례의 선형 관계를 얻을 수 있으므로, 페로센이 0.1 ∼ 0.5 중량% 포함된 농도 범위의 용액들에 대한 흡광도에 대한 검량선을 얻어 활용하는 것이 바람직하다. 결정 석출 등의 문제가 발생하는 저온에서의 용해도를 측정하고자 할 경우에는 과량의 페로센 용질을 용매에 투입한 다음 원하는 저온에서 항온 상태로 장시간 방치하여 석출과 침전이 일어나게 한 후, 포화용액으로 생각되는 상등액만을 취하고 이 상등액을 일정 배수의 저농도로 희석하여 흡광도를 측정한 다음 검량선과 희석 배율을 이용하여 정확한 저온 용해도 자료를 얻을 수 있다.In general, since the relationship between absorbance and concentration can be obtained linearly in the first proportion in the case of a low concentration region, it is preferable to obtain and use a calibration curve for absorbance for solutions having a concentration range of 0.1 to 0.5% by weight of ferrocene. . In order to measure the solubility at low temperatures where problems such as crystallization occur, an excess of ferrocene solute is added to a solvent and then left at constant temperature for a long time at a desired low temperature to cause precipitation and precipitation. Take only the supernatant, dilute the supernatant to a constant multiple of low concentrations, measure absorbance, and use the calibration curve and dilution scale to obtain accurate low temperature solubility data.

위와 같은 방법으로 설계된 조연소 촉매 조성물의 조연 성능 특성은 여러 가지 실험적 방법으로 정량화하여 비교할 수 있는데, 최근에는 연소가 일어나는 고온 유동장에 대한 레이저 광학 측정 기술의 발달로 대단히 정교한 연소 실험 자료를 짧은 시간 내에 방대한 양을 얻을 수 있으므로, 획득된 실험자료를 통계적 방법으로 분석하여 정밀한 연소 특성의 변화 및 조연제의 성능을 정량화할 수 있게 되었다.The combustion performance characteristics of the combustion combustion catalyst composition designed by the above method can be quantified and compared by various experimental methods. In recent years, the development of laser optical measurement technology for the high temperature flow field where combustion takes place can produce very sophisticated combustion experiment data within a short time. Because of the large quantities available, the experimental data obtained can be analyzed statistically to quantify the precise change in combustion characteristics and the performance of the coagulant.

레이저 광학을 이용한 연소 과정 진단 방법으로는 광소멸법(extinction), 광산란법(scattering), 라만분광법(Raman spectroscopy), 레이저 유도 형광법(laser induced fluorescence), 엑시플렉스(exciplex) 형광법, 레이저 유도 백열법(laser induced incandescence), 그리고 겹침사광파혼합법(degenerated four-wave mixing) 등이 있다.Combustion process diagnosis using laser optics includes extinction, light scattering, Raman spectroscopy, laser induced fluorescence, exciplex fluorescence and laser incandescent laser induced incandescence, and degenerated four-wave mixing.

상기와 같은 레이저 광학 기술을 연소 유동장에 적용하면, 연소 과정을 정밀하게 추적할 수 있고, 연소 과정에 대한 미세한 변화를 정량적으로 비교, 관찰할 수 있다. 레이저 광학 기술을 적용시킨 방법의 일부인 광소멸법을 좀더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.By applying the above laser optical technology to the combustion flow field, it is possible to precisely track the combustion process and to quantitatively compare and observe minute changes in the combustion process. The light extinction method, which is part of the method using the laser optical technology, will be described in more detail as follows.

광소멸법은 연소 반응장 내에 존재하는 미연탄소 또는 수트의 생성과 소멸 과정을 추적하는 데 효과적이다. 수트는 광학적으로 흑체(black body)에 가까우므로, 입사된 빛을 완벽하게 흡수하게 된다. 따라서, 레이레이 산란(Rayleigh scattering) 한계 범위 내에서 수트의 발생과 소멸을 비교적 간단한 방법으로 정량하는 것이 가능하며, 광경로를 따라 정확하게 적분된 수트의 부피 분율(integrated volume fraction of soot)을 얻을 수 있다.Photodecay is effective in tracking the production and disappearance of unburned carbon or soot present in the combustion reaction field. Since the suit is optically close to the black body, it fully absorbs the incident light. Thus, within the range of Rayleigh scattering limits, it is possible to quantify the generation and disappearance of soot in a relatively simple manner, and to obtain an integrated volume fraction of soot that is accurately integrated along the light path. have.

조사되는 레이저광은 헬륨-네온(He-Ne) 레이저 광원을 이용할 수 있으며, 연소 현상에서 발생하는 강한 빛과 열 등의 신호 잡음(noise)은 입사광을 특정 주파수로 변조시키고, 포토다이오드(photodiode)와 같은 광센서에서 들어오는 광신호 중에서 특정 주파수로 변조된 신호만을 선별 검출하여 제거할 수 있다. 실제적으로는 삼각함수(trigonometric function)의 직교성(orthogonality) 성질을 이용하여 다른 주파수의 잡음을 제거하는 록-인 증폭기(lock-in amplifier)를 활용하여 이러한 정밀한 신호만을 포착할 수 있다.The irradiated laser light may use a helium-neon laser light source, and signal noise, such as heat and heat generated from combustion, modulates incident light at a specific frequency, and photodiode Of the optical signals coming from the optical sensor, such as only the signal modulated at a specific frequency can be detected and removed. In practice, only such precise signals can be captured using a lock-in amplifier that removes noise at other frequencies using the orthogonality of the trigonometric function.

대부분의 버너에서 불꽃(flame)은 축대칭적(axisymmetric) 구조를 가지고 있으므로, 불꽃의 중심축을 통과하는 일차원 스캔으로 가시불꽃(visible flame)과 외부 순환영역(external circulation region)에서의 수트의 생성과 소멸을 추적할 수 있으며, 연소 특성을 조사하기 위한 불꽃은 대칭적인 층류 확산 화염(laminardiffusion flame) 또는 난류 혼합 화염(turbulent mixed flame) 형태로 형성되도록 버너를 설계하여 활용할 수 있다.In most burners, the flame has an axisymmetric structure, so a one-dimensional scan through the central axis of the flame produces soot in the visible flame and external circulation region. The burner can be tracked, and the burner can be designed to utilize a flame to investigate combustion characteristics in the form of a symmetrical laminardiffusion flame or a turbulent mixed flame.

열은 전도, 대류, 그리고 복사 메카니즘들에 의하여 전달되며, 고온일수록 복사에 의한 열전달의 중요성이 더 커진다. 수트는 대형 보일러와 같이 복사 열전달 메카니즘이 대단히 중요한 경우에 복사 열전달 매체로서 효율적이다.Heat is transmitted by conduction, convection, and radiation mechanisms, and the higher the temperature, the greater the importance of heat transfer by radiation. The soot is effective as a radiant heat transfer medium when the radiant heat transfer mechanism is of great importance such as large boilers.

상술한 바와 같이, 수트는 복사열을 방출하는 능력 면에서도 가장 이상적인 흑체에 가까우므로, 경우에 따라 수트가 일정량 이상 생성되어 복사열을 전달시키고 가시불꽃 영역 밖에서는 거의 존재하지 않을 정도로 급격히 소멸하는 것이 복사 현상, 또는 크게 볼 때 열전달 측면에서 바람직하다. 특히 산업용 대형 보일러 내의 노관 구조와 온도 분포를 감안할 때, 버너의 불꽃 내부 일정 영역에서 수트가 일정량 존재하다가 급격히 소멸되는 것이 이상적이다.As described above, the soot is closest to the ideal blackbody in terms of its ability to radiate radiant heat, so in some cases, a certain amount of soot is generated to transmit radiant heat and rapidly extinguish to such an extent that it rarely exists outside the visible flame region. In view of heat transfer, or larger, it is preferable. In particular, given the furnace structure and temperature distribution in large industrial boilers, it is ideal to have a certain amount of soot in the burner's flame and then disappear rapidly.

연료유에 첨가된 조연 촉매 조성물의 수트 억제 효과를 분석하는 또 다른 방법은 정밀한 탄화 시험을 수행하여 탄화 침적 형상을 관찰하고, 탄화 침적된 양을 정량하여 비교하는 것이다.Another method of analyzing the soot inhibition effect of a crude catalyst composition added to fuel oil is to perform a precise carbonization test to observe the carbon deposition shape and to quantify and compare the amount of carbon deposition.

상기 방법은 실제로 유도 시스템 침적법(Induction System Deposit, ISD)으로 수행될 수 있는데, 정밀하게 온도가 제어되는 고온 금속 표면 위에 연료유를 미세 분사하여 흐름 조건에서 장시간 강제로 탄화시키는 방법이다. 이것은 분사 노즐과 같은 화염 영향권 밖의 고온 환경에서 탄화되어 야기되는 찌꺼기 탄소의 누적 효과를 확인하는 데 매우 유용하게 적용될 수 있다.The method can actually be carried out by an Induction System Deposit (ISD) method, which finely injects fuel oil onto a high temperature metal surface with precise temperature control to forcibly carbonize it for a long time under flow conditions. This can be very useful for ascertaining the cumulative effect of waste carbon caused by carbonization in a high temperature environment outside of a flame influence area such as a spray nozzle.

특히, 중질 연료유는 대용량 보일러와 같은 에너지 발생 공정 설비를 통하여연소되며, 이때 주지하는 바와 같이 많은 양의 미연탄소를 포함하는 연소 분진을 발생시킨다.In particular, heavy fuel oil is burned through energy generating process equipment, such as large capacity boilers, where it generates combustion dust containing a large amount of unburned carbon.

본 발명에 의한 조연소 촉매 조성물은 저온에서 안정한 액상을 유지하고 페로센을 고농도로 용해시킬 수 있는 특정한 방향족 화합물 또는 혼합물을 기본용매로 하여, 중질 연료유에 첨가하여 이차 연소를 포함한 조연 특성이 극대화되도록, 첨가 화합물과 그 조성 범위를 세부적으로 결정하였다.The crude combustion catalyst composition according to the present invention has a specific aromatic compound or mixture capable of maintaining a stable liquid phase at a low temperature and dissolving ferrocene at a high concentration as a basic solvent, and is added to heavy fuel oil to maximize the supporting characteristics including secondary combustion. The additive compound and its composition range were determined in detail.

본 발명에 의한 조연소 촉매 조성물은 가시불꽃 전반부 노즐에서 분사 기능을 원활하게 하여 일차 미립화 과정을 용이하게 하고, 미립화된 유립들을 연소과정에서 초미세 유립으로 미세 폭발시키고 함산소 분자를 통하여 산소를 전달함으로써, 생성된 방향족 다환 매체가 신속하게 극미세한 수트로 전환되어 흑체 복사 열전달 메카니즘을 통하여 방열되도록 유도한다.The crude combustion catalyst composition according to the present invention facilitates the first atomization process by smoothly spraying at the first flame nozzle, and finely explodes the atomized particles into ultrafine particles in the combustion process and delivers oxygen through oxygenated molecules. Thus, the resulting aromatic polycyclic medium is quickly converted to a very fine soot, which leads to heat dissipation through the blackbody radiation heat transfer mechanism.

한편 전반부 노즐에서 분해되기 시작한 페로센은 미세 수트 속에 혼입되어 가시불꽃 영역의 중반부 및 후반부에서 수트의 소멸 산화 반응에 전이 금속 촉매로 작용하게 된다. 방향족 용매들에 의한 유립 분사 노즐에서의 탄소 찌꺼기 침착을 방지할 수 있도록 조연 조성물의 규격을 설정하였으며, 혼합된 중질유가 연소전 보관과정에서 공기 중의 산소, 중질유 중의 유황 성분들에 의하여 슬러지를 생성하지 않도록 저장 환경에서 산화 방지 기능이 있는 첨가제가 효능을 발휘할 수 있게 하였다. 선정된 방향족 유기 용매들을 사용하여 조연소 촉매인 페로센을 고농도로 유지시켜 투입함으로써, 방향족 유기 용매들에 의한 연소 과정에서의 역작용들을 극복하고도 남는 중질 연료유에 대한 탁월한 조연소 성능을, 정교하게 구성된광학설비를 이용하여 확인할 수 있었다.On the other hand, ferrocene, which has begun to decompose in the first half nozzle, is incorporated into the fine soot to act as a transition metal catalyst for the extinction oxidation of the soot in the middle and second half of the visible flame region. The specifications of the supporting composition were set to prevent the deposition of carbon residues at the abrasive injection nozzles by aromatic solvents. The mixed heavy oils do not produce sludge by the oxygen components in the air and the sulfur components in the heavy oils during the pre-combustion storage process. The additives with anti-oxidation function can be used in storage environment. The selected aromatic organic solvents are used to maintain the high concentration of ferrocene, the combustion engine catalyst, to provide a superior combustion performance for heavy fuel oils that surpasses the adverse reactions in the combustion process by aromatic organic solvents. It could be confirmed using an optical facility.

이상에서 설명한 방법으로, 페로센을 고농도로 함유하면서도 저온에서 상안정성이 유지되는 액체 조연 촉매 조성물의 규격을 설계하고 해당 조성물의 성능을 정밀 분석하여 고성능의 조연 촉매 조성물의 규격을 도출할 수 있었다.By the above-described method, it was possible to derive the specifications of the high performance support catalyst composition by designing the specification of the liquid support catalyst composition containing ferrocene at a high concentration and maintaining the phase stability at low temperature, and analyzing the performance of the composition precisely.

상기와 같은 본 발명을 실시예를 통하여 더욱 구체적으로 설명하는 바, 다음 실시예에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The present invention as described above will be described in more detail with reference to Examples, but the scope of the present invention is not limited by the following Examples.

실시예 1Example 1

석유화학 공정에서 발생하는 C9 방향족 유분(Techsol-100, LG화학) 71.4 중량% 을 기본 용매로 하고 아세톤 10.7 중량% 와 선형 알킬벤젠(LAB, 이수화학) 3.6 중량%을 조용매로 사용하여, 폴리이소부틸렌(대림산업, LPB680) 4.0 중량%, 부틸레이티드 하이드록시 톨루엔 3.1 중량%, 이소프로판올 3.5 중량%, 그리고 페로센 3.7 중량%가 혼합된 조연소 촉매 조성물을 제조하였다.71.4 wt% of C9 aromatics (Techsol-100, LG Chem) generated from petrochemical process were used as the basic solvent, and 10.7 wt% of acetone and 3.6 wt% of linear alkylbenzene (LAB) were used as cosolvents. A crude combustion catalyst composition was prepared in which 4.0% by weight of isobutylene (LPB680, Daelim Industry, LPB680), 3.1% by weight of butylated hydroxy toluene, 3.5% by weight of isopropanol, and 3.7% by weight of ferrocene were prepared.

상기와 같이 제조된 조연소 촉매 조성물은 -15 ℃의 항온 유지 조건에서 24시간 이상 방치하여도 침전이 석출되지 않고 안정한 액상을 유지하였다.The crude combustion catalyst composition prepared as described above maintained a stable liquid phase without precipitation of precipitates even when left for 24 hours at a constant temperature maintaining condition of -15 ° C.

페로센을 제외한 첨가물들의 비율을 위와 같이 유지시킬 때, 페로센이 총 중량을 기준으로 9.8 중량%까지 상안정성을 유지하면서 용해될 수 있는 것으로 확인되었다.When maintaining the ratio of the additives except ferrocene as above, it was confirmed that the ferrocene can be dissolved while maintaining the phase stability up to 9.8% by weight based on the total weight.

실시예 2Example 2

석유화학 공정에서 생산된 벤젠 42.6 중량%를 기본용매로 하고 톨루엔 31.2 중량%와 선형 알킬벤젠(LAB, 이수화학) 7.8 중량%를 조용매로 하여, 폴리이소부틸렌 1.8 중량%, 부틸레이티드 하이드록시 톨루엔 2.5 중량%, 아세톤 3.9 중량%, 이소프로판올 2.7 중량% 및 페로센 7.5 중량%를 함유하는 조연소 촉매 조성물을 제조하였다.1.8 wt% polyisobutylene and butylated hydride were prepared using 42.6 wt% of benzene produced in the petrochemical process as a base solvent and 31.2 wt% of toluene and 7.8 wt% of linear alkylbenzene (LAB). A crude combustion catalyst composition was prepared containing 2.5% by weight of oxy toluene, 3.9% by weight of acetone, 2.7% by weight of isopropanol and 7.5% by weight of ferrocene.

순수한 벤젠은 5.5 ℃에서 결빙(freezing)되기 때문에 결빙을 방지하면서도 조연 첨가제들의 용해력을 높일 수 있는 조용매들을 첨가하는 것이 필수적이다. 본 발명에 의하여 벤젠 : 톨루엔 : 알킬 벤젠의 중량 비율은 5 : 4 : 1 ∼ 6 : 3 : 1 일 경우 안정한 액상을 유지할 수 있는 것으로 결정되었으며, 본 실시예에서는 조용매로서 톨루엔과 알킬벤젠을 벤젠 : 톨루엔 : 알킬벤젠이 중량 비율로 5.4 : 4 : 1 이 되도록 하였다.Since pure benzene freezes at 5.5 ° C., it is essential to add co-solvents that can prevent freezing and increase the dissolving power of the additives. According to the present invention, when the weight ratio of benzene: toluene: alkyl benzene is 5: 4: 1 ~ 6: 3: 1, it was determined that a stable liquid phase can be maintained. In this embodiment, toluene and alkylbenzene are used as cosolvents. : Toluene: alkylbenzene was set to 5.4: 4: 1 by weight ratio.

상기와 같이 제조된 조연소 촉매 조성물은 -15 ℃의 항온 유지 조건에서 24시간 이상 방치하여도 침전이 석출되지 않고 안정한 액상을 유지하였다.The crude combustion catalyst composition prepared as described above maintained a stable liquid phase without precipitation of precipitates even when left for 24 hours at a constant temperature maintaining condition of -15 ° C.

페로센을 제외한 첨가물들의 조성 비율을 위와 같이 유지시킬 때, 페로센이 총중량을 기준으로 12 중량%까지 상안정성을 유지하면서 용해되는 것을 확인하였다.When maintaining the composition ratio of the additives other than ferrocene as above, it was confirmed that the ferrocene is dissolved while maintaining the phase stability up to 12% by weight based on the total weight.

실시예 3Example 3

석유화학 공정에서 생산된 혼합 크실렌 유분(mixed xylene, 대림코퍼레이션) 71.6 중량%를 기본 용매로 하고, 조용매로서 아세톤 10.7 중량% 와 선형알킬벤젠(LAB, 이수화학) 3.6 중량% 를 사용하여, 부틸레이티드 하이드록시 톨루엔 2.1 중량%, 폴리(이소부틸렌숙신이미드) (BASF사 제품) 2.7 중량%, 폴리이소부틸렌(대림산업 제품) 2.4 중량%, 이소프로판올 3.4 중량% 및 페로센 3.5 중량%를 주성분으로 포함하는 중질유용 조연소 촉매 조성물을 제조하였다.71.6% by weight of mixed xylene oil (Daelim Corporation) produced in the petrochemical process was used as a base solvent, and 10.7% by weight of acetone and 3.6% by weight of linear alkylbenzene (LAB) were used as cosolvents. 2.1% by weight of hydroxy toluene, 2.7% by weight of poly (isobutylene succinimide) (manufactured by BASF), 2.4% by weight of polyisobutylene (product of Daelim Industry), 3.4% by weight of isopropanol and 3.5% by weight of ferrocene A crude combustion catalyst composition for heavy oil containing a main component was prepared.

상기와 같이 제조된 조연소 촉매 조성물은 -15℃의 항온 유지 조건에서 24시간 이상 방치하여도 침전이 석출되지 않고 안정한 액상을 유지하였다.The crude combustion catalyst composition prepared as described above maintained a stable liquid phase without precipitation precipitated even if left at least 24 hours under constant temperature maintaining conditions of -15 ° C.

페로센을 제외한 첨가물들의 조성 비율을 위와 같이 유지시키고, 페로센의 첨가량을 증가시켜 페로센을 총 중량의 8.0 중량%까지 고농도로 용해할 수 있었고, 상안정성을 확인할 수 있었다.The composition ratio of the additives except ferrocene was maintained as above, and the amount of ferrocene was increased to dissolve the ferrocene at a high concentration up to 8.0 wt% of the total weight, and the phase stability was confirmed.

실시예 4Example 4

상기 실시예 3 과 동일한 구성을 가지되 혼합 크실렌 유분 대신 순수한 메타-크실렌을 포함하는 중질유용 조연소 촉매 조성물을 제조하였다.A crude combustion catalyst composition for heavy oil having the same structure as in Example 3 but including pure meta-xylene instead of mixed xylene fraction was prepared.

상기와 같이 제조된 조연소 촉매 조성물은 -15℃의 항온 유지 조건에서 24시간 이상 방치시킬 경우 최대 4.3 중량%의 페로센 용해도 범위 내에서 조성물의 상안정성이 확인되었다.The crude combustion catalyst composition prepared as described above was confirmed to have phase stability of the composition within a range of up to 4.3% by weight of ferrocene solubility when left at -15 ° C for 24 hours or more.

비교예 1Comparative Example 1

등유를 기본용매로 하고 페로센을 1% 함유하는 기존의 조연소 촉매 조성물(대한민국특허등록 10-0227965, 실시예 5의 연료유 개질 조연제 조성물 1)을 제조,사용하여 비교하였다.The existing crude combustion catalyst composition (Korean Patent Registration No. 10-0227965, fuel oil reforming assistant composition 1 of Example 5) containing kerosene as a base solvent and 1% ferrocene was prepared and used.

비교예 2Comparative Example 2

조연소 촉매 조성물을 전혀 포함하지 않는 기준 연료유 조성으로서 C9 방향족 유분(Techsol-100, LG화학)과 벙커-C유가 1 : 1 중량비로 포함된 용매를 사용하여 실험예 4에 적용하였다.As a reference fuel oil composition containing no crude combustion catalyst composition, a C9 aromatic fraction (Techsol-100, LG Chem) and a bunker-C oil were used in Experimental Example 4 using a solvent in a 1: 1 weight ratio.

참고예 1Reference Example 1

조연소 촉매 조성물과 벙커-C유가 전여 함유되지 않은 기준 용매로 C9 방향족 유분(Techsol-100, LG화학)을 사용하여 실험예 4에 적용하였다.The crude combustion catalyst composition and bunker-C oil were applied to Experimental Example 4 using a C9 aromatic fraction (Techsol-100, LG Chem) as a reference solvent that was not previously contained.

실험예 1Experimental Example 1

실시예 1 ∼ 4 에 따라 제조된 조연 조성물들을 등유와 중량비 1:1 로 희석된 벙커-C 중질유에 각각 중량으로 연료유의 1/3000 균일 혼합한 연료유를 제조한 다음 층류 확산 화염과 난류 혼합 화염의 가시불꽃 영역들에 대하여 축방향으로 일차원 스캔하면서 광소멸법(extinction method)을 적용하여 수트의 생성과 소멸 과정을 측정, 비교하였으며, 그 결과는 다음 표 1 에 나타내었다.A fuel oil obtained by mixing 1/3000 homogeneous mixtures of fuel oils by weight in bunker-C heavy oil diluted 1: 1 by weight ratio with kerosene was prepared. The extinction method was measured and compared by applying the extinction method while axially scanning the visible flame regions of, and the results are shown in Table 1 below.

구 분division 광경로를 따라 적분된 화염축에서 수트의 체적분율(mm)Volume fraction of the soot in the flame axis integrated along the light path (mm) 실시예1Example 1 실시예2Example 2 실시예3Example 3 실시예4Example 4 비교예1Comparative Example 1 페로센함량(중량%)Ferrocene content (% by weight) 3.73.7 7.57.5 8.08.0 4.34.3 1.01.0 층류확산화염Laminar diffusion oxide 최대값Value 2.487x10-5 2.487x10 -5 2.923x10-5 2.923 x 10 -5 2.890x10-5 2.890 x 10 -5 2.477x10-5 2.477 x 10 -5 2.676x10-5 2.676 x 10 -5 최종값Final value 6.27x10-7 6.27 x 10 -7 4.57x10-7 4.57 x 10 -7 4.43x10-7 4.43 x 10 -7 5.73x10-7 5.73 x 10 -7 15.21x10-7 15.21 x 10 -7 난류혼합화염Turbulent Mixed Flame 최대값Value 1.589x10-6 1.589 x 10 -6 1.641x10-6 1.641 x 10 -6 1.602x10-6 1.602 x 10 -6 1.573x10-6 1.573 x 10 -6 2.331x10-6 2.331 x 10 -6 최종값Final value 5.67x10-7 5.67 x 10 -7 4.84x10-7 4.84 x 10 -7 5.33x10-7 5.33 x 10 -7 5.41x10-7 5.41 x 10 -7 11.72x10-7 11.72 x 10 -7

상기 표 1 에 나타낸 바와 같이, 페로센의 함량에 따른 수트의 생성과 소멸에 대한 영향을 비교한 결과, 동일한 종류의 연료유에 대하여 수트의 배출량은 페로센의 함량에 따라 점근적으로 반비례하는 경향을 나타내었다. 이러한 경향은 사용된 연료유 시료에서 중질유분의 함량의 증가에 따라 더욱 심화되는 것으로 확인되었다.As shown in Table 1 above, as a result of comparing the effects on the generation and disappearance of the soot according to the content of ferrocene, the emission of the soot tended to be inversely proportional to the content of ferrocene for the same type of fuel oil. . This tendency was further aggravated by the increase in the content of heavy oil in the fuel oil samples used.

기본 용매와 조용매, 그리고 최종 조성물의 성분과 조성에 따라 민감하게 수트 함량의 최대값과 최대값이 나타나는 위치가 달라지지만, 가시 불꽃 최외부에서 배출되는 최종 수트의 함량은 조연소 촉매인 페로센의 함량에 민감하게 의존하는 것으로 확인되었다.Depending on the base solvent and cosolvent, and the composition and composition of the final composition, the maximum and maximum values of the soot content vary sensitively, but the final soot content emitted from the outermost part of the visible flame is determined by the ferrocene catalyst It was found to be sensitive to content.

실험예 2Experimental Example 2

등유를 기본용매로 하고 페로센을 1% 함유하는 비교예 1에 따라 제조된 기존의 조연소 촉매 조성물과 본 발명의 실시예 1 ∼ 4 에 따라 제조된 새로운 조연소 촉매 조성물을 사용하여 상기 실험예 1 의 광소멸법으로 층류 확산 화염과 난류 혼합 화염에 대하여 수트의 발생과 소멸 거동을 비교하되, 등유와 중량비 1:1로 희석된 벙커-C 연료유에 실시예 1 ∼ 4 에 따라 제조된 조연소 촉매 조성물과 비교예 1의 조연소 촉매 조성물을 중량비로 1/1000, 1/3000, 그리고 1/5000 첨가하고 버너를 교체하면서 층류 확산 화염과 난류 혼합 화염에 대하여 실험한 결과를 다음 표 2 에 나타내었다.Experimental Example 1 using the existing crude combustion catalyst composition prepared according to Comparative Example 1 containing kerosene as a basic solvent and containing 1% ferrocene and the new crude combustion catalyst composition prepared according to Examples 1 to 4 of the present invention. Comparison of soot generation and extinction behavior for laminar diffusion flames and turbulent mixed flames by light extinction method, but the crude combustion catalyst prepared according to Examples 1 to 4 in bunker-C fuel oil diluted 1: 1 with kerosene by weight The results of experiments on the laminar diffusion flame and the turbulent mixed flame with the composition and the crude combustion catalyst composition of Comparative Example 1 added in a weight ratio of 1/1000, 1/3000, and 1/5000 and replacing the burners are shown in Table 2 below. .

조성물첨가량Amount of composition 미연탄소발생량*(단위:mm)Unburned Carbon Amount * (Unit: mm) 실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 실시예 4Example 4 비교예 1Comparative Example 1 층류확산화염Laminar diffusion oxide 00 40.18x10-7 40.18 x 10 -7 40.18x10-7 40.18 x 10 -7 40.18x10-7 40.18 x 10 -7 40.18x10-7 40.18 x 10 -7 40.18x10-7 40.18 x 10 -7 1/10001/1000 3.85x10-7 3.85 x 10 -7 4.50x10-7 4.50x10 -7 4.41x10-7 4.41 x 10 -7 3.37x10-7 3.37 x 10 -7 9.42x10-7 9.42 x 10 -7 1/30001/3000 6.27x10-7 6.27 x 10 -7 4.57x10-7 4.57 x 10 -7 4.43x10-7 4.43 x 10 -7 5.73x10-7 5.73 x 10 -7 15.21x10-7 15.21 x 10 -7 1/50001/5000 6.84x10-7 6.84 x 10 -7 4.85x10-7 4.85 x 10 -7 4.47x10-7 4.47 x 10 -7 6.72x10-7 6.72 x 10 -7 23.41x10-7 23.41 x 10 -7 난류 혼합화염Turbulent Mixed Flame 1/30001/3000 5.67x10-7 5.67 x 10 -7 4.84x10-7 4.84 x 10 -7 5.33x10-7 5.33 x 10 -7 5.41x10-7 5.41 x 10 -7 11.72x10-7 11.72 x 10 -7 *가시불꽃에서 광경로로 적분된 미연탄소의 체적분율 최종치 * The final volume fraction of unburned carbon integrated in the optical path in the thornfire

상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 조연 촉매 조성물의 첨가량에 따라 수트의 배출 농도가 민감하게 변화하였으며, 동일한 첨가량에서 본 발명에 의한 고농도 촉매 조성물의 수트 배출 농도가 비교예 1에 비하여 절반 이하로 현저히 낮은 것을 확인하였다.As shown in Table 2, the discharge concentration of the soot was sensitively changed depending on the amount of the supporting catalyst composition, and the soot discharge concentration of the high concentration catalyst composition according to the present invention was significantly lower than half of that of Comparative Example 1 at the same amount. It was confirmed.

실험예 3Experimental Example 3

등유를 기본용매로 하고 페로센을 1% 함유하는 비교예 1에 따라 제조된 기존의 조연소 촉매 조성물 제품과 본 발명의 실시예 1 ∼ 4 에 따라 제조된 새로운 조연소 촉매 조성물을 사용하여 상기 실험예 1 의 광소멸법으로 난류 혼합 화염에 대하여 수트의 발생과 소멸 거동을 비교하되, 등유와 벙커-C 유의 첨가량을 달리하여제조된 연료유에 실시예 1 ∼ 4 에 따라 제조된 조연소 촉매 조성물과 비교예 1의 조연소 촉매 조성물을 중량비로 1/3000 첨가하여 실험한 결과를 다음 표 3 에 나타내었다.Experimental Example Using the existing crude combustion catalyst composition product prepared according to Comparative Example 1 containing kerosene as the basic solvent and containing 1% ferrocene and the new crude combustion catalyst composition prepared according to Examples 1 to 4 of the present invention. Compare the generation and extinction behavior of soot to turbulent mixed flames by light extinction method of 1, but compared to the crude combustion catalyst composition prepared according to Examples 1 to 4 in fuel oils prepared by varying the amounts of kerosene and bunker-C oil. The results of experiments by adding 1/3000 of the crude combustion catalyst composition of Example 1 by weight ratio are shown in Table 3 below.

벙커-C유첨가량(중량%)Bunker-C additive amount (% by weight) 미연탄소발생량*(단위:mm)Unburned Carbon Amount * (Unit: mm) 실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 실시예 4Example 4 비교예 1Comparative Example 1 3030 4.08x10-7 4.08 x 10 -7 3.73x10-7 3.73 x 10 -7 4.21x10-7 4.21 x 10 -7 4.23x10-7 4.23 x 10 -7 6.31x10-7 6.31 x 10 -7 5050 5.67x10-7 5.67 x 10 -7 4.84x10-7 4.84 x 10 -7 5.33x10-7 5.33 x 10 -7 5.41x10-7 5.41 x 10 -7 11.72x10-7 11.72 x 10 -7 7070 8.93x10-7 8.93 x 10 -7 5.62x10-7 5.62 x 10 -7 9.44x10-7 9.44 x 10 -7 9.51x10-7 9.51 x 10 -7 63.35x10-7 63.35 x 10 -7 *가시불꽃에서 광경로로 적분된 미연탄소의 체적분율 최종치 * The final volume fraction of unburned carbon integrated in the optical path in the thornfire

상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 1/3000의 비율로 투입한 난류혼합화염에서, 상기 표 2와 같은 수트의 발생 저감 효과는 연소시험에 사용된 연료유에서 벙커-C 중질유분의 함량이 증가함에 따라 더욱 명확해지는 것으로 관찰되었다.As shown in Table 3, in turbulent mixed flames injected at a ratio of 1/3000, the effect of reducing the generation of soot as shown in Table 2 is due to an increase in the content of bunker-C heavy oil in the fuel oil used in the combustion test. It was observed to become clearer accordingly.

즉, 벙커-C 중질유분이 70 중량% 이상이 되면 실시예 2의 경우 비교예 1에 비하여 10 % 미만으로 수트 억제 성능의 차이가 더욱 현격하여지며, 실시예 1과 실시예 3의 경우에는 비교예 1의 경우와 비교할 때, 15 % 미만으로 수트 배출이 억제되는 것을 확인하였다.In other words, when the bunker-C heavy oil is 70% by weight or more, the difference in soot suppression performance is more markedly less than 10% compared to Comparative Example 1 in Example 2, and Comparative Examples in Examples 1 and 3 As compared with the case 1, it was confirmed that the soot discharge is suppressed to less than 15%.

따라서, 연료유의 연소 특성이 불량해질수록, 본 발명에 의한 조연 촉매 연소 효과가 더욱 현저해짐을 알 수 있었다.Therefore, it was found that the worse the combustion characteristics of the fuel oil, the more prominent the catalytic combustion effect according to the present invention becomes.

실험예 4Experimental Example 4

실시예 1 ∼ 2에 따라 제조된 조연소 촉매조성물을 등유와 벙커-C 유가 중량비 1 : 1 로 혼합된 연료유에 첨가한 시료와 비교예 1의 기존 조연소 촉매 조성물을 등유와 벙커-C 유가 중량비 1 : 1 로 혼합된 연료유에 첨가한 시료 및 조연소 촉매 조성물을 포함하지 않는 등유와 벙커-C 유가 중량비 1 : 1 로 혼합된 연료유를 사용하여 유도시스템침적법(induction system deposition:ISD)에 의한 정밀 탄화 시험을 수행하되, 알루미늄 시험봉의 표면 온도는 300 ℃로 유지하였고, 혼합 연료는 분당 1.0 ml의 유속으로 정량 공급하였으며, 분무 노즐에 공급된 공기의 유량은 50 SLM(standard liter per minute)로 유지하였다. 각 시료에 대하여 2시간 분무하여 탄화시켜 시험봉의 표면 상태를 관찰하고 부착량을 측정하였다.The crude oil and bunker-C oil price weight ratios of the crude combustion catalyst composition prepared according to Examples 1 and 2 were added to the fuel oil mixed with the kerosene and bunker-C oil price weight ratio 1: 1, and the crude oil and bunker-C oil price weight ratio of the existing crude combustion catalyst composition of Comparative Example 1 Samples added to fuel oil mixed with 1: 1 and kerosene and bunker-C oil containing no combustion-combustion catalyst composition and fuel oil mixed at a weight ratio of 1: 1 were used for induction system deposition (ISD). The precision carbonization test was carried out, but the surface temperature of the aluminum test rod was maintained at 300 ° C., the mixed fuel was quantitatively supplied at a flow rate of 1.0 ml per minute, and the flow rate of air supplied to the spray nozzle was 50 standard liter per minute (SLM). Was maintained. Each sample was sprayed and carbonized for 2 hours to observe the surface state of the test rod and to measure the adhesion amount.

각 조연소 촉매 조성물의 함량과 순수 부착량 억제 성향을 분석한 시험 결과를 다음 표 4와 첨부도면 도 5에 나타내었다.The test results analyzing the content of each crude combustion catalyst composition and the propensity to inhibit the net adhesion amount are shown in Table 4 and the accompanying drawings of FIG. 5.

첨가비율종류Addition ratio type 1/30001/3000 1/50001/5000 이론치(mg)Theoretical value (mg) 보정치(mg)Correction value (mg) 상대치( - )Relative value (-) 이론치(mg)Theoretical value (mg) 보정치(mg)Correction value (mg) 상대치( - )Relative value (-) 실시예 1Example 1 5050 4848 0.5330.533 5959 5757 0.6330.633 실시예 2Example 2 4949 4747 0.5220.522 5959 5757 0.6330.633 비교예 1Comparative Example 1 5656 5454 0.6000.600 5656 5454 0.6000.600 비교예 2* Comparative Example 2 * 9292 9090 1One 9292 9090 1One 참고예Reference Example 22 -- -- 22 -- -- *C9 방향족 유분(Techsol-100, LG화학)과 벙커-C유가 1 : 1 중량비로 혼합된 기본 용매를 사용하여 상기 실험예 4에 적용시킨 결과이다. * C9 aromatic fraction (Techsol-100, LG Chem) and bunker-C oil is a result of applying to Experimental Example 4 using a base solvent mixed in a 1: 1 weight ratio.

상기 표 4에 나타낸 바와 같이, 1/5000의 비율로 조연소 촉매 조성물을 첨가할 경우 비교예 1에 비하여 오히려 탄소 찌꺼기 부착량이 증가하는 것으로 확인되는 데, 이것은 조연소 촉매 조성물에 사용된 주된 용매가 비교예 1의 경우에는 연소성이 좋은 지방족 화합물인 반면에 실시예 1과 실시예 2의 경우 연소성이 나쁜 방향족 화합물이기 때문인 것으로 기인된다. 즉, 1/5000의 첨가 비율에서는 연소 과정에 참여하는 조연소 촉매 조성물의 농도가 매우 낮아지므로 이차 연소 기능과 탄소 침착 억제 기능이 약화되어 방향족 용매의 불완전 연소의 역기능이 일부 나타나는 것으로 확인된다.As shown in Table 4, when the crude combustion catalyst composition is added at a ratio of 1/5000, it is confirmed that the carbon residue adhesion amount is increased compared to Comparative Example 1, which indicates that the main solvent used in the crude combustion catalyst composition In the case of the comparative example 1, it is because it is an aliphatic compound with good combustibility, whereas the example 1 and Example 2 are aromatic compounds with poor combustibility. That is, at the addition ratio of 1/5000, since the concentration of the crude combustion catalyst composition participating in the combustion process becomes very low, the secondary combustion function and the carbon deposition inhibiting function are weakened, and it is confirmed that the inverse function of the incomplete combustion of the aromatic solvent appears.

그러나, 조연소 촉매 조성물을 첨가하지 않은 비교예 2에 비하여 시험된 모든 경우가 탄소 찌꺼기의 억제 효능을 발휘함을 알 수 있다.However, it can be seen that all cases tested exhibited the inhibitory effect of carbon residues compared to Comparative Example 2 without the addition of the combustion combustion catalyst composition.

또한, 조연소 촉매 조성물을 1/3000의 비율로 투입하여 투입량을 증가시키면, 비교예 1에 비하여 실시예 1과 실시예 2의 경우에 우수한 탄소 찌꺼기 억제 성능이 두드러지게 나타나는 것을 볼 수 있다. 이는 조연소 촉매 조성물이 실제 적용되는 1/3000의 비율로 투입할 때, 함께 공급되는 방향족 용매의 불완전 연소 경향을 함유된 고농도의 페로센과 탄소 침적 억제제의 효능이 충분히 극복하여 우수한 탄소 찌꺼기의 침적 제어 성능을 발휘하는 것을 나타내는 결과이다.In addition, when the input amount of the crude combustion catalyst composition is increased at a ratio of 1/3000, it can be seen that the carbon debris suppression performance is excellent in Examples 1 and 2 compared to Comparative Example 1. This is because when the crude combustion catalyst composition is applied at a ratio of 1/3000 which is actually applied, the effect of the high concentration of ferrocene and carbon deposition inhibitor containing the incomplete combustion tendency of the supplied aromatic solvent is sufficiently overcome to control the deposition of excellent carbon residue. The result shows that performance is achieved.

또한, 실제로 조연소 촉매 조성물은 1/1000 ∼ 1/3000의 범위에서 중질 연료유와 혼용되는 것이 일반적이기 때문에 상기의 결과와 같이 본 발명에 따라 제조된 조연소 촉매 조성물을 사용할 경우 보다 우수한 탄소 침착 억제 성능을 발휘할 수 있다.In addition, since the actual combustion catalyst composition is generally mixed with heavy fuel oil in the range of 1/1000 to 1/3000, better carbon deposition is achieved when using the combustion engine catalyst composition prepared according to the present invention as described above. Suppression performance can be exhibited.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의하여 새롭게 제시된 기술적 수단을 활용하면 조연 촉매 조성물에 첨가되어 효율적으로 성능을 발휘하는 유기 금속 화합물인 페로센을 고농도로 가용화시킬 수 있으며, 특별히 동절기와 같은 저온 환경에서 상안정성이 유지되도록 하여 연소 공정에서 발생할 수 있는 경로 패색 등의 장애요소를 원천 배제할 수 있고, 연료유와 조연소 촉매 조성물의 혼합성을 좋게 하여 안정한 제품 성능을 발휘하도록 할 수 있다.As described above, by utilizing the technical means newly proposed by the present invention, it is possible to solubilize ferrocene, an organometallic compound which is added to the supporting catalyst composition and performs effectively, at high concentration, and especially in a low temperature environment such as winter season. By maintaining this, it is possible to exclude sources of obstacles such as path clogging that may occur in the combustion process, and to improve the mixability of the fuel oil and the crude combustion catalyst composition so as to exhibit stable product performance.

즉, 페로센을 고농도로 용해할 수 있을 뿐만 아니라, 광범위한 상안정 영역을 가지고 있어서 특히 중질유의 연소 공정에 사용되는 조연소 촉매 조성물의 각종 기능성 첨가제를 안정화시킬 수 있으며, 이러한 방법으로 제조된 본 발명의 조연소 촉매 조성물은, 미연탄소를 효율적으로 이차 산화시킴으로써 악성의 중질 연료유가 연소할 때 발생하는 연소 분진을 효과적으로 저감할 수 있다.That is, not only can ferrocene be dissolved at a high concentration, but also has a wide range of phase stability zones, thereby stabilizing various functional additives of the crude combustion catalyst composition especially used in the combustion process of heavy oil, and The crude combustion catalyst composition can effectively reduce combustion dust generated when malignant heavy fuel oil is burned by efficiently secondary oxidation of unburned carbon.

또한, 본 발명에 따르면 중질 연류유에 적용시킬 경우 대규모 연소 공정에투입할 수 있는 유동성이 좋고 매연저감 성능이 우수하며, 동절기를 비롯한 저온 환경에서도 사용 가능한 액상의 조연 촉매 조성물을 제조할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the present invention, when applied to heavy fuel oil, the fluidity that can be injected into a large-scale combustion process is excellent, and the smoke reduction performance is excellent, and the effect of preparing a liquid catalyst composition for use in a low temperature environment including winter season is effective. have.

Claims (10)

페로센을 함유하는 연소분진 억제용 조연소 촉매 조성물에 있어서, 기본용매로서 방향족 용매를 60 ∼ 90 중량% 함유하고 조연소 촉매로서 페로센이 1.0 ∼ 12.0 중량% 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 연소분진 억제용 액상 조연소 촉매 조성물.In the combustion combustion catalyst composition for inhibiting combustion dust containing ferrocene, the combustion dust suppression agent comprising 60 to 90% by weight of an aromatic solvent as the basic solvent and 1.0 to 12.0% by weight of ferrocene as the crude combustion catalyst. Liquid crude combustion catalyst composition. 제 1 항에 있어서, 상기 기본용매가 석유화학 공정의 C9 방향족 유분 또는 이를 원료로 제조된 방향족 탄화수소 혼합 용매인 것을 특징으로 하는 연소분진 억제용 액상 조연소 촉매 조성물.The liquid crude combustion catalyst composition according to claim 1, wherein the basic solvent is a C9 aromatic fraction of a petrochemical process or an aromatic hydrocarbon mixed solvent prepared from the same. 제 1 항에 있어서, 상기 기본 용매가 에틸 벤젠(ethyl benzene)과 메타-크실렌(meta-xylene)을 포함하는 혼합 크실렌(mixed xylene) 유분인 것을 특징으로 하는 연소분진 억제용 액상 조연소 촉매 조성물.The liquid crude combustion catalyst composition according to claim 1, wherein the basic solvent is a mixed xylene fraction containing ethyl benzene and meta-xylene. 제 1 항에 있어서, 상기 기본 용매가 메타-크실렌(meta-xylene)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소분진 억제용 액상 조연소 촉매 조성물.The liquid crude combustion catalyst composition for inhibiting combustion dust according to claim 1, wherein the basic solvent comprises meta-xylene. 제 1 항에 있어서, 상기 기본 용매가 벤젠을 포함하고, 동시에 톨루엔과 알킬벤젠을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소분진 억제용 액상 조연소 촉매 조성물.The liquid crude combustion catalyst composition according to claim 1, wherein the basic solvent comprises benzene and at the same time comprises toluene and alkylbenzene. 제 5 항에 있어서, 상기 기본 용매가 알킬벤젠을 벤젠 중량의 10 ∼ 25 중량% 포함하고 동시에 톨루엔을 벤젠 중량의 45 ∼ 85 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 연소분진 억제용 액상 조연소 촉매 조성물.6. The liquid crude combustion catalyst composition according to claim 5, wherein the basic solvent contains 10-25 wt% of alkylbenzene and 45-85 wt% of toluene. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조연 촉매 조성물은 용매 성분으로서 지방족 용매와 방향족 용매를 함께 포함하는 것을 특징으로 하는 연소분진 억제용 액상 조연소 촉매 조성물.7. The liquid crude combustion catalyst composition according to any one of claims 1 to 6, wherein the crude catalyst composition comprises an aliphatic solvent and an aromatic solvent together as a solvent component. 제 7 항에 있어서, 상기 조연 촉매 조성물은 탄소수 4개 이하의 저급 알코올과 중량평균 분자량 1000 이하의 폴리이소부틸렌, 부틸레이티드 하이드록시 톨루엔, 탄소수 24개 이하의 알킬기가 1개 이상 부착된 알킬벤젠을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소분진 억제용 액상 조연소 촉매 조성물.The method of claim 7, wherein the supporting catalyst composition is a lower alcohol having 4 or less carbon atoms, polyisobutylene having a weight average molecular weight of 1000 or less, butylated hydroxy toluene, alkyl having at least one alkyl group having 24 or less carbon atoms. Liquid crude combustion catalyst composition for suppressing combustion dust, characterized in that it comprises benzene. 제 8 항에 있어서, 상기 조연 촉매 조성물은 혼합 크실렌 유분을 60 ∼ 80 중량% 포함하고, 탄소수 24개 이하의 알킬기가 1개 이상 부착된 알킬벤젠을 2 ∼ 10 중량% 포함하고, 중량평균 분자량 1000 이하의 폴리이소부틸렌을 2 ∼ 10 중량% 포함하고, 이소프로판올을 1 ∼ 7 중량% 포함하고, 아세톤을 3 ∼ 15 중량% 포함하고, 부틸레이티드 하이드록시 톨루엔을 1 ∼ 5 중량% 포함하고, 중량평균 분자량 1200 이하의 폴리(이소부틸렌숙신이미드)를 0.5 ∼ 5 중량% 포함하고, 페로센을 1 ∼ 12 중량% 함유하는 것을 특징으로 하는 연소분진 억제용 액상 조연소 촉매 조성물.The method of claim 8, wherein the supporting catalyst composition comprises 60 to 80% by weight of mixed xylene fraction, 2 to 10% by weight of alkylbenzene having at least one alkyl group of 24 or less carbon atoms, weight average molecular weight 1000 2 to 10 wt% of the following polyisobutylene, 1 to 7 wt% of isopropanol, 3 to 15 wt% of acetone, 1 to 5 wt% of butylated hydroxy toluene, A liquid crude combustion catalyst composition for suppressing combustion dust, comprising 0.5 to 5% by weight of poly (isobutylene succinimide) having a weight average molecular weight of 1200 or less and 1 to 12% by weight of ferrocene. 제 8 항에 있어서, 상기 조연 촉매 조성물은 벤젠 35 ∼ 50 중량%, 톨루엔 25 ∼ 40 중량%, 탄소수 24개 이하의 알킬기가 1개 이상 부착된 알킬벤젠 3 ∼ 15 중량%, 중량평균 분자량 1000 이하의 폴리이소부틸렌 0.5 ∼ 5 중량%, 이소프로판올 0.5 ∼ 5 중량%, 부틸레이티드 하이드록시 톨루엔 1 ∼ 5 중량%, 아세톤 1 ∼ 5 중량%, 페로센 1 ∼ 12 중량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 연소분진 억제용 액상 조연소 촉매 조성물.According to claim 8, wherein the supporting catalyst composition is 35 to 50% by weight of benzene, 25 to 40% by weight of toluene, 3 to 15% by weight of alkylbenzene having at least one alkyl group of 24 or less carbon atoms, weight average molecular weight of 1000 or less 0.5 to 5% by weight of polyisobutylene, 0.5 to 5% by weight of isopropanol, 1 to 5% by weight of butylated hydroxy toluene, 1 to 5% by weight of acetone, and 1 to 12% by weight of ferrocene. Liquid crude combustion catalyst composition for suppressing combustion dust.
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