KR100432351B1 - 에멀젼 연료유 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료유, 물, 유화제(Emulsifier)로 조성된 혼합물 중의 물을 미세한 입자상태로 분산시켜 에멀젼 연료유를 제조하는 장치에 있어서

유화장치가 외연부에 10~20개의 봉상날개를 구비한 회전자와 망목의 크기가 30~50메쉬인 원통형의 망상 스크린을 구비한 회전자를 일체로 맞물려서 구성된 에멀젼 연료유 제조장치에 관한 것이다.

또한 본 발명의 제조장치는 에멀젼 연료유를 간단한 설비로 연속 제조하여 제공할 수 있는 동시에 유화시킨 연료를 즉시 연료로 사용할 수 있도록 하여 주므로서 보관에 따르는 유수분리현상을 막아 줄수 있는 이점을 갖는다.

Description

에멀젼 연료유 제조장치{Device for emulsion fuel oil manufacturing}

본 발명은 에멀젼 연료유의 제조장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 연소보조장치로 이용될 수 있는 에멀젼 연료유의 제조장치에 관한 것이다.

본 발명에서 에멀젼 연료유(emulsion fuel oil)이라 함은 연료유에 일정비율의 물을 혼합 분산시켜 에멀젼 상태로 유지시켜준 연료유를 말한다.

정부에서는 대체 에너지의 개발 및 기존 에너지의 효율개선과 환경오염의 최소화를 위하여 여러 가지 정책을 수행하고 있는데, 환경부에서는 대기오염 방지시설(연소보조장치)의 성능기준 및 검사법(환경부 고시 제2001-35호)에 따라 에멀젼 연료유의 사용을 적극 권장하고 있다.

에멀젼 연료유는, 일반 연료유와는 달리 연소효율이 높아서 에너지효율 및 공해방지성이 매우 큰 연료이나, 이를 연료로서 이용하기 위하여는 운반, 보관과정에서 장기간 방치하는 경우에 유수분리(油水分離)현상이 일어나 이를 연료로서 실용화하기가 매우 어려운 연료이다.

석유의 연소효율을 높여주고 매연, 질소산화물(NOx)등 연소에 따르는 공해물질의 발생량을 억제해주기위한 방법으로서 석유에 물을 섞어 연소시키는 방법이 이미 오래전부터 제안된바 있다.

석유에 물을 혼합하여서도 석유를 연소시킬 수 있고, 이때 석유의 연소효율이 더욱 좋게 된다는 이론적 배경은 다음과 같다.

"물입자 둘레에 기름이 둘러 쌓여 있는 상태에서 기름을 연소시키게 되면 열의 전도에 의하여 물입자는 기화하게 되며, 기화된 수증기는 그 부피가 증대되어(약 5800배 정도) 이 수증기가 기름층을 확산시켜 무화현상(霧化現像)을 일으켜서 기름의 완전한 연소에 도움을 준다.

또한 고온에서 물(H₂O)은 산소(O), 수소(H), 수산기(OH)로 유리되는 다음과같은 연속적인 유리기 반응(Radical reaction)을 일으켜서 조연제 역할을 하는 것으로 알려져 있다.

즉, 고온에서 수증기가 분해하여 수소레디칼(H·)이 생기고 수소레디칼(H·)은 산소분자(O₂)와 화합하여 산소레디칼(·O·)과 물이 된다. ····①식

①식에서 생긴 산소레디칼(·O·)은 ②식에서 수소분자와 화합하여 수산기(水酸基)레디칼(·OH)과 수소레디칼(H·)이 된다. ····②식

③식에서 수산기레디칼은 수소분자와 화합하여 물과 수소레디칼이 된다.

④식에 있어서도 수증기(H₂O)와 수소가 화합하여 물과 수소레디칼을 생성시킨다. 이와 같이 ①→④식의 반응은 복잡한 꼴로 진행되어 연소를 촉진시킨다.

이와 같이 석유와 물을 혼합하여 연료로 사용할 수 있다는 것이 알려지자 이를 바탕으로 하는 석유의 연소효율 증대 방안에 대한 연구가 전세계적으로 널리 확산되었고 이에 대한 많은 기술적 제안이 있었으나 아직까지 실용화기술은 활발하게 활용되지 못하고 있는 실정에 있다.

그 이유는 석유와 물의 혼합비율이 특정범위 이내이어야 하고 또한 이 혼합물을 연소단계까지 유수분리(油水分離)가 일어나지 않는 안정된 에멀젼 상태로 유지시켜 주어야하고 에멀젼 연료유의 제조장치나 이를 이용하는 설비가 실용적이어야 하는데 이를 기술적으로 해결하지 못하고 있기 때문이다.

그밖에도 연료와 물을 유화(emulsify)시키는데 있어서 연료유는 그 종류에 따라 물과 유화하는데 요구되는 고유의 HLB (Hydrophilic-Lypophilic Balance) 값을 갖고 있어 유화제의 HLB값을 적용하는 연료유 고유의 HLB 값과 정확하게 일치시켜 주어야 장기간 유화상태를 유지하는 유용한 에멀젼 연료유를 제조할수 있는데 종래의 방법에서는 기술적으로 이를 정확하게 맞추어 주지못하고 있었던것도 에멀젼 연료유가 실용화되지 못하고 있는 이유중의 하나이다.

즉, 석유와 물은 짧은 시간동안은 에멀젼 상태로 유지시켜 줄수는 있으나 연료란 운반 보관 단계를 거쳐 실제 사용단계에 까지는 장시간이 소요되게 되는데 석유와 물은 상용성(相容性)이 없어 이 과정에서 유수분리(油水分離)가 일어나게 되며 유수분리된 혼합물로서는 상기의 효과를 기대할 수 없게 된다.

종래 에멀젼 연료유를 제조하는 방법으로서 HLB값 3~4의 계면활성제와 물 및 폴리비닐알콜로 조성한 비이온성 계면활성제와 중질유 및 폐유를 일정비율로 혼합 교반하여 물을 미세입자로 분산시켜 폐유를 원료로 하여 에멀젼 연료를 제조하는 방법이 제안된바 있고(한국 특허공보공고번호 95-1407호 및 공고번호 96-13612호) HLB값 4~5의 계면활성제와 물을 혼합하여 유화첨가제를 만든다음 경유 또는 중유와 물 및 상기 유화첨가제를 일정비율로 혼합한 후 물입자를 0.5~5㎛정도의 미세입자로 파쇄하여 에멀젼 연료유를 제조하는 방법(한국 특허공보공개번호 99-64753호)이 제안된바 있으며, 상기의 방법들은 연료유와 물 및 유화제를 일정비율로 혼합하여 혼합물을 만들어준 다음 특수하게 설계된 교반기가 내장된 탱크내에서 상기 혼합물을 교반시켜 연료유 중에 함유되어 있는 물을 미세입자로 분쇄하여 유화 분산시켜 주고 물이 분산되어 있는 상태에서 연료로 이용하게 하는 방법이다.

상기의 한국 특허공고 95-1407호 및 96-13612호는 하나의 탱크내에서 유화시켜 주는 회분식 방법으로서 연속제조가 않된다는 문제가 있으며,

상기 한국 공개특허 99-64353호는 연속식 방법이기는 하나 약품예열저장조, 물예열저장조, 기름가온조 등의 다수의 탱크설비를 갖추어야 할 뿐아니라 교반조도 일차 교반조에서 상기 혼합물이 혼합되게 하고 2차 교반조에서 물분쇄작업을 하여 3차 교반조에서 물과 연료유 및 유화제를 유화시키는 다단계로 구성되어 있어 과대한 설비투자를 요한다는 문제가 있다.

유화제를 사용하여 물을 연료유 중에 미립자 상태로 분산시켜 준다고 하더라도 상기 방법으로 제조되는 유화 유는 장기간 유화상태를 유지할 수 없는 것이기 때문에 산업에 적용하는데는 한계가 있다.

한국 특허공보공고번호 95-1407호 및 공고번호 96-13612호에 기재된 방법은 저장탱크등 과다한 부대설비와 설치 및 보관시설을 위한 큰면적의 용지가 필요하게 되어 실제 산업현장에 적용하는데는 많은 제약이 따르게 되어 본 발명자는 부대설비와 용지를 대폭 경감할 수 있고 에멀젼 연료유를 저장, 보관의 과정없이 직접 연료로 사용할 수 있는 에멀젼 연료유의 제조장치를 개발하게 된 것이다.

본 발명의 목적은 연료유, 물 및 유화제로 구성되는 에멀젼 연료유를 제조하는 장치에 있어서, 비교적 간단한 설비로 연료유 중에 미세한 물입자를 단시간내에 균일하게 분산시켜 줄수 있고 또한 연속적으로 에멀젼 연료유를 제조할 수 있으며저장시에도 장시간 에멀젼 연료유가 유수분리현상을 일으키는 것을 예방할 수 있는 에멀젼 연료유 제조장치를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명 에멀젼 연료유 제조장치의 구성도이다.

도 2는 본 발명 에멀젼 연료유 제조장치의 분해사시도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 모우터 2 : 회전축

3 : 인입파이프 4 : 배출파이프

5 : 스크린 회전자 6 : 봉상 회전자

7 : 봉상날개 8 : 유화통

본 발명은 물과 연료유를 유화시켜서 제조되는 에멀젼 연료유의 제조장치에 관한 것이다. 본 발명에 적용될 수 있는 연료유는 경유(Diesel oil), 중유(重油)등이 있다.

본 발명에서는 에멀젼 연료유 중에 분산되는 물의 입자크기를 30±5㎛로 형성시켜 주는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 장치에서는 연속식으로 제조될 뿐아니라 유화되는 즉시 연소버너로 공급될 수 있도록 함으로서 저장이나 운반시에 시간이 경과함에 따라 발생될 수 있는 유수분리 현상을 우려할 필요가 없게 된다.

연료유를 물과 유화시키는데 있어, 모든 연료유는 물과 유화하는데 요구되는 고유의 HLB를 갖는다. 에멀젼의 형태가 O/W형(oil in water type)일 경우와 W/0형(water in oil type)일 경우 연료유에 요구되는 HLB(requied HLB)는 아래와 같다.

요구되는 HLB
유종	O/W형	W/O형
중질유(medium oil)	9	4.0
중유(heavy oil)	9	4.0
경유(light oil)	10	4.0

에멀젼 연료유는 W/O형의 에멀젼이므로 HLB를 4.0으로 맞추어 주게 되면 중유(Heavy oil)나 중질유(medium oil)가 요구하는 HLB로 맞추어 줄수 있게 된다.

유화제를 구분하는 기준은 각 유화제가 갖는 HLB 값이 있다. HLB값이 낮을수록 오일에 가까와지는 특성을 나타내며(이를 친유성 유화제라 한다) HLB의 값이 높을수록 물에 가까와지는 특성을 나타낸다(이를 친수성 유화제라 한다).

이하 본 발명의 장치로 에멀젼 연료유를 제조하는 방법을 간략하게 설명한다.

W/O형 에멀젼을 형성 시켜주는데 있어서 경유(Diesel oil) 및 벙커 C유를 유화시켜 주는데 사용되는 계면활성제는 친유성 계면활성제와 친수성 계면활성제를 일정비율로 혼합하여 제조할수 있다.

W/O형 유화 연료유 조성에 있어서 중질유, 중유, 경유에 요구되는 고유의 HLB값이 3.7이므로 이 값에 맞추기 위해 친유성 활성제의 HLB값이 반드시 3.7이하의 것을 채택해야 한다. 예를들면 솔비탄트리오레이트.HLB=1.6, 솔비탄세스퀴오레이트.HLB=3.7, 솔비탄트리스테어레이트.HLB=2.4를 선택해야만 한다.

여기에서 오레인산에서 유도되어 만들어진 비이온계 계면활성제인 세스퀴오레이트를 친유기로 사용(HLB=3.7), 친수기인 폴리옥시에틸렌과 축합된 솔비탄세스퀴오레이트(HLB=15)을 95:5(중량비)로 혼합하여 계면활성제의 HLB값을 4.0으로 맞추었다.

아래 표 1 은 친유성 계면활성제와 친수성 계면활성제를 일정비율로 혼합하여 정확한 HLB 4.0의 값을 갖는 혼합 계면활성제를 얻을 수 있음을 나타내었다.

친유성 계면활성제(A)	친수성 계면활성제(B)	혼합비율 (A:B)
솔비탄트리오레이트(HLB 1.6) (S-85)	포리옥시에틸렌·솔비탄트리오레이트 (HLB 11, 상품명 Tween 85)	75:25
솔비탄세스퀴오레이트(HLB 3.7) (SQ-81)	포리옥시에틸렌·솔비탄모노오레이트 (HLB 10,상품명 Tween 81)	95:5
솔비탄트리스테어레이트(HLB 2.4) (S-65)	포리옥시에틸렌·솔비탄트리스테이레이트 (HLB 11, 상품명 Tween 65)	81:19

이하 실시예를 들어 본 발명을 구체적으로 설명한다

<실시예>

중질유(medium oil-경유, 중유 포함) 10Kg에 물 1.0Kg를 혼합하고 상기 [표 1]에서 예시한 HLB 값을 4.0으로 정확하게 맞추어준 혼합계면 활성제를 110g을 첨가하여 혼합물을 제조한다. 이때 혼합계면활성제의 첨가량은 경유(또는 중유)와 물을 혼합한 중량의 0.1중량%내외가 적당하다.

상기 혼합물을 도1에 도시한 인입파이프(3)를 통하여 본 발명의 유화장치(Emulsifying Device) 내로 투입시킨다. 본 발명의 유화장치는 연료유중의 물 입자를 분쇄하여 주기 위한 설비를 구비한 것이다. 외연부에 봉상(棒狀)날개를 구비한 회전자(6)와 원형의 망상 스크린을 구비한 회전자(5)로 구성된 것으로, 유화장치(Emusifying Device)는 모터(1)에 의해 회동되는 회전축(2)과, 일측에 인입파이프(3)가 돌출되게 형성되고 타측에 배출파이프(4)가 돌출되게 형성되어 회전축(2)이 내측 중심에 위치되도록 모터(1)의 일측면에 결합되는 통형상의 유화통(8)과, 유화통(8) 내측에서 회전축(2)에 축결합되어 회동되는 원통형인 망상의 스크린회전자(5)와, 다수개의 봉상날개(7)를 갖고 스크린회전자(5)의 외측에서 회전축(2)에 축결합되어 회동되는 봉상회전자(6)를 구비하여서 된다.

중심부가 모우터(1)의 회전축(2)과 결합되어 있는 봉상 회전자(6)는 주연부에 봉상날개(7)를 구비한 것이다. 봉상 날개는 유화기 내면과 대향되는 부분은 유화기 내부곡면과 평행면을 이루도록 곡면으로 되어 있으며 봉상 날개와 날개 사이에는 요(凹)형홈이 형성되도록 된 것이다.

회전자의 봉상 날개의 수는 원형의 망상스크린의 크기에 따라 다르기는 하나 10∼20개정도가 적당하다 중심부가 모우터(1)의 회전축(2)과 결합되어있는 망목을 갖는 스크린 회전자(5)는 원통형으로 되어 있으며 스크린 내부는 도2에 도시한바와 같이 빈공간이다. 망목의 형태는 원형 또는 사각형 또는 여러 가지 형태로 형성시켜 줄 수 있으며 30∼50메쉬 정도의 크기가 적당하다 이와 같이 구성된 유화장치내에 인입파이프(3)를 통하여 인입된 혼합물은 모우터에 의해 회전하고 있는 회전자(5)및(6)과 부딛치게 된다. 이 회전자의 회전속도는 3000∼3500rpm 정도가 적당하다.

물론 봉상 회전자(6)의 회전속도와 스크린 회전자(5)의 회전 속도는 같다.

또한 인입파이프(3)를 통하여 유황통(8) 내부로 인입된 혼합물은 봉상 회전자(6)와 스크린회전자(5)를 통하여 배출파이프(4)를 거쳐 유화통(8) 외부로 배출되도록 구성 시킨다.

봉상 회전자(6)에 부딛친 혼합물은 재차 스크린 회전자와 부딛치게 된다. 봉상 회전자(6)에 의해서 분쇄된 물입자는 흐르는 속도에 의하여 스크린회전자의 원통형 내부로 이송되게 된다. 그리고 스크린회전자의 스크린에 의해 재차 분쇄되게된다.

이때 스크린회전자의 원통내부로 이송된 혼합물은 회전하고 있는 스크린 회전자의 원심력에 의해 스크린을 통하여 내부로부터 외부로 배출되어지고 이러한 과정에서 스크린의 망목에 의해서 물입자는 균일하게 분쇄 되게 된다.

이러한 분쇄 과정을 5~10초 하여 주게 되면 물입자의 크기가 30±5㎛로 분쇄되면서 경유(또는 중유)중에서 유화상태를 유지 하면서 분산되게 된다.

본 발명의 에멀젼 연료유 제조장치는 설비가 간단하여 연소보조장치로서 연소장치와 연결하여 사용할 수 있다. 즉, 연료탱크와 연소장치 사이에 연결하는 인라인 방식(inline type)으로 사용하게 되면 연료유가 유화되는 즉시 연소기로 공급되게 되므로 장시간 방치하는데 따르는 유수분리 현상을 막아 줄수 있고 기존 연소설비의 교체나 보완없이 사용가능하며 저장설비, 교반설비 등의 부대 설비도 필요없게 된다.

종래 기름과 물의 유화작용으로 생성된 유화 연료유의 저장 또는 수송도중 유수분리를 막기 위해 친수성 계면활성제, 친유성 계면활성제를 60:40 비로 하여 H,L,B를 12값으로 맞추어 주고 w/o/w 형으로 유화시켜 저장 안정제로서 펙틴(Pectin) 또는 P.V.A 미량을 사용했고 교반조 역시 단속식(Batch type)였기에 저장에는 걸맞으나, 연소장치와 직접 연결하여 사용할 수가 없었으나 본 발명은 연속적 공급과 연속적 수요에 부응되도록 설계되어 시설 변경이나 개수 없이 버너에 투입되기 직전에서 유화시켜 바로 버너로 투입되게 하였고 물의 극소미립자 크기를 30±5㎛로 하여 유화유 속에 균일한 크기로 골고루 내포되어 있을때 가장 큰 효율을 발생시키는 것을 확인했다. 즉, 교반 수단이 회분식에서 연속성 교반방식(Inline mixing type)이 현실성이 있고, 또한 물의 극소 미립자를 30±5㎛로 형성시켜 주는 것이 핵심 사항의 하나이다.

중유는 역시 탄소수가 20개 이상 구성되어 있고 연소과정에서 메탄(CH₄), 에탄(C₂H₆), 프로판(C₃H₈), 부탄(C₄H₁₀) 등으로 분해되어 기체화 되면서 연소된다. 이와 같은 물질 등이 분해 도중에모양의 탄소가 떨어져 나가게 된다.

이것들은 대단히 불안정하고 불안정한 물질끼리 응집현상이 일어나 싸이크로헥산(Cyclo Hexan) 또는 벤젠(C₆H₆) 등으로 탈바꿈을 한다. 이 벤젠이 10개 모여서 그으름(Black dust, soots)의 원체라 할 수 있는 오바렌(Ovalene)을 형성하게 되고 이 오바렌이 수백만개의 단위로 집합했을 때 비로소 눈에 보이는 그으름이 관찰되게 된다. 그러나 유화 연료유(Emulsion Fuel oil)가 연소시에 물의 미립자가가 되어 분해 유리된 2H가 불안정한 싸이클로헥산과 결합하여 오바렌의 생성을 막아주게 된다. 참고로 오바렌의 결합구조는 다음과 같다.

일반적으로 연료유를 연소시킬 때 그을음(Black dust)나 질소산화물(NOx)이 생성되는 과정은 다음과 같은 것으로 알려져 있다.

공기중의 질소가 연소과정에서 NO, NO₂,N₂O₅등(이들을 모두 포함하여 NOx로 표기함)을 생성 시키게 되나 이들은 모두 1800°K이상의 국부 고온에서 생성되는 것이다. NOx의 생성을 억제 시켜 주는 방법은 최고화염온도를 1800°K 이하로 억제 시켜 주는 것인데 물과 함께 연소 시켜주게되면 물의 증발잠열과 수증기의 현열(Sensible heat) 상승으로 화염열의 온도가 내려가게 되며 이를 이용하여 화염온도를 1800°K 이하로 유지시켜 줄수 있게 되어 NOx의 생성이 억제되는 것이다. 또한 NOx의 생성량이 떨어지게 되면 연소혼합물은 여분의 산소량을 얻을수 있게 되고 이산소로 인하여 그을음이나 미세 탄소입자에 대한 연소성이 개선되게 되므로 NOx의 생성량이 떨어지면 미연소 입상물질의 저감 효과도 함께 얻을수 있게 되는 것이다.

또 하나의 연료중에 내포되어 있는 물의 미립자가(30±5㎛) 연소 초기에 급팽창하여 (미폭현상) 유적을 초미립화하여 공기와의 접촉면적을 넓혀 연소의 극대화인 완전연소를 시킨다고 알고 있으나, 연소과정에서 생기는 탈수소가 오바렌 생성을 억제하는바 탈수소 방지가 무엇보다도 중요함을 말할 수 있겠다. 탄화수소의 연료가 완전연소를 하려면 수소의 촉매 역할이 있어야만 연소 상승은 물론 완전 연소에 이르러 열효율을 극대화시킨다.

또 물의 입도가 30±5㎛일 때 가장 극대의 미폭현상과 완전연소가 일어나는가 하는 점인데, 본인은 1년 6개월 동안 1㎛에서 50㎛까지 단계적으로 실험을 했다.

가장 효율이 높고 연료를 절감할 수 있는 것은 30㎛전후에서 CO(일산화탄소)가 0%가 되며, CO₂는 10ppm 이내였고 연소효율이 85%에서 89%로 상승했다.

물론 공기비의 저감이 4%에서 3.5%~2.0%로 조정되어 연료절감(Energy Save)은 증발비로 환산하여 10%이상이었다.

본 발명의 장치는 연료유, 물 및 유화제로 구성되는 에멀젼 연료유를 양호한 유화상태로 유지시켜 줄수 있으며 일정크기의 물입자를 균일하게 분산시켜 줄수 있어 에멀젼 연료유의 연소시 공해물질배출을 최대한 억제시켜 줄수 있는 이점을 갖는다.

또한 본 발명의 제조장치는 간단한 설비로 유화시킨 연료를 즉시 연료로 사용할 수 있도록 하여 주므로서 보관에 따르는 유수분리현상을 막아 줄수 있는 이점을 갖는다.

Claims (1)

1. 에멀젼 연료유의 제조장치에 있어서,

   유화장치(Emusifying Device)는 모터(1)에 의해 회동되는 회전축(2)과,

   일측에 인입파이프(3)가 돌출되게 형성되고 타측에 배출파이프(4)가 돌출되게 형성되어 회전축(2)이 내측 중심에 위치되도록 모터(1)의 일측면에 결합되는 통형상의 유화통(8)과,

   유화통(8) 내측에서 회전축(2)에 축결합되어 회동되는 원통형인 망상의 스크린회전자(5) 및

   다수개의 봉상날개(7)를 갖고 스크린회전자(5)의 외측에서 회전축(2)에 축결합되어 회동되는 봉상회전자(6)를 구비함을 특징으로 하는 에멀젼 연료유 제조장치.