KR100843064B1

KR100843064B1 - 수소/산소가스 혼합 대체연료

Info

Publication number: KR100843064B1
Application number: KR1020070009994A
Authority: KR
Inventors: 임용하
Original assignee: 임용하
Priority date: 2007-01-31
Filing date: 2007-01-31
Publication date: 2008-07-01

Abstract

본 발명은 기존에 사용하는 LNG, SNG용 가스 등 국내외적으로 상용되는 도시가스, 산업용 가스 및 화석연료에, 물을 전기분해하여 발생한 수소와 산소가 2:1 비율로 결합한 수소/산소가스(5~90 부피%)를 혼합하여 공급함으로써 고갈되어가는 화석연료를 대체하는 신재생에너지로써의 이용효율을 높이고, 수소/산소가스를 혼합한 대체연료를 공급하여 연소시킴으로써 수소가스의 특성인 빠른 연소 특성과 넓은 가연한계(4~75)에 의한 연소범위를 넓게 함으로써 NOx, 매연, CO, HC등 유해대기오염물질을 저감시키며, 동시에 연소연료중의 산소함량을 높임으로써 연소의 강도와 속도를 증가하여 충분한 연소와, 점화 온도가 내려가 화염강도의 증가로 발열량을 증대 시켜 에너지절약과 지구 온난화 현상을 방지할 수 있는 발명에 관한 것이다.

LNG(액체천연가스), LPG(액화석유가스), 부생가스, SNG(Substitute Natural Gas)

Description

수소/산소가스 혼합 대체연료{Hydrogen/Oxygen blend substitute Fuel}

본 발명은 LNG, LPG, 부생가스 등 화석연료를 사용하는 도시가스, 산업용가스 및 화석연료에, 물을 전기분해하여 발생한수소/산소가스를 혼합하여 공급함으로써 고갈되어가는 화석연료를 대체하는 신재생에너지로써의 이용효율을 높이고, NOx, 매연, CO, HC등 유해대기오염물질을 저감시키며, 연소 발열량을 증대시켜 경제적인 측면의 에너지절약을 창출하는 수소/산소가스를 혼합한 대체연료에 관한 것이다.

종래의 사용하고 있는 화석연료는 매장된 연료를 채굴하여 유연탄, 원유, 중유, 경유 LNG 등으로 사용하고 있으나, 화석 연료는 매장량의 한계 및 에너지 수입 의존도가 97%인 국내에서는 전력수요 증가율과 함께 항상 불안한 요인으로 상존하고 있다.

더구나 화석연료는 탄산가스, 유황산화물, 질소산화물 배출로 인한 대기오염과 산성비로 인한 산림과 수목들이 죽어가며 지구환경에 악영향을 키치고 있다.

특히 세계 환경보존을 위한 도쿄의정서는 2008년 1월부터 NOx를 50ppm 이하로 환경 규제를 선언하여, 세계는 기존 화석연료를 대체할 태양광, 풍력, 연료전지, 디메틸에테르, 수소에너지, 바이오가스, 석탄화가스 등 신재생에너지 개발에 총력을 기우리고 있다.

태양광에너지는 무공해에너지로 각광을 받고 있지만, 국내 경우 연평균 1일 일사량 ㎡ 당 3,100kal 정도로 태양전지 효율 15~18%(30w/ ㎡)를 감안하면 95만kW급 원자력발전소와 같은 전력을 얻으려면 여의도 면적(87만평)의 11.5배인 1,000 만평이 필요하여, 우리나라와 같이 국토가 협소하고 인구밀도가 높은 경우에는 현실 타당성이 없다.

풍력은 기존의 발전방식과 경쟁력을 갖고 있지만, 대량보급을 위한 기기 가격 경쟁력 확보와 하드웨어 소프트웨어 확보가 관건이다. 순수 국산 기술로 풍력발전기를 설치한 마라도의 풍력발전 시범사업은 풍력발전의 급격한 부하변동, 기기결함과 운용 및 유지보수기술 미흡으로, 실용화를 위해서는 더 많은 기술개발이 필요한 실정이다.

미국의 Cummins Wesport 사는 이미 천연가스+수소(80+20%)를 혼합한 연료를 사용하여 대형버스 엔진에 상용화 하고 있으며, 미국, 일본, 유럽, 국내는 천연가스를 개질한 수소에너지를 이용하여 연료전지 개발에 한창 몰두하고 있다.

미국과 일본은 LNG를 대체할 SNG(Substitute Natural Gas) 개발하여 도시가스로 산업체와 가정에 공급하고 있다. 일본의 경우는 도시가스를 7 종류로 구분하여 LPG, 나프타, COG(Coke Oven Gas) 등을 사용하여 SNG를 도시가스로 산업체와 소비자에게 공급하고 있다.

예를 들어 일본의 6A 도시가스는 산소를 10~20% 함유한 가스를 공급하고 있으며, 5C 도시가스의 경우는 수소를 52.5% 함유한 도시가스를 공급하고 있다.

미국의 경우는 SNG를 석탄에서 합성 또는 가스화하여 수소를 22.9% 합성한 가스를 공급하고 있으며, 하이드로카본과 순산소를 합성한 가스, 나프타가스를 공기와 합성한 가스, 천연가스를 개질하여 수소 83.8%를 함유한 가스를 SNG로 사용하고 있다.

미국의 도시가스 경우, 천연가스 공급이 어려운 지역은 석탄과 나프타에서 생산된 SNG를 수소 50%, 메탄 20-30% 함유시켜 도시가스로 공급하고 있다.

중국의 보일러 업계는 공기중의 산소함량을 26~30% 높이는 기술로 산업용 보일러에 적용되고 있으며, 효과가 현저하여 경제적 측면이나 환경보호 측면에서 공기오염을 방지하고 에너지절약(약11.9%)을 촉진할 수 있는 에너지신기술로 각광을 받고 있다.

질소함량의 대폭적인 감소로 공기량과 배기량이 현저하게 감소되기 때문에 화염의 온도와 명도는 산소함량의 증가로 현저하게 개선되고 복사전열도 강화시킬 수 있다. 일반적으로 산소함량이 더 높을수록 효율도 증대 되지만 산소를 증가시키는데 소요비용이 대량으로 증대 되는 것이 문제점으로 대두된다.

20톤 보일러에 200N㎥/h 시스템을 설치 시험한 결과, 기존에는 2.7톤/h에 7.38톤/증기 발생량이 개선 후에는 8.29톤/증기가 발생 되었다.

선진국에서도 이 기술을 연구하기 시작했으며, 특히 에너지 자원이 부족하기 때문에 일본도 이 기술을 개발하고 있다.

또한 국내에서도 고온 순산소 연소기술을 산자부 에너지 기술 개발 10년 계획으로 추진하고 있다. 고온순산소 연소기술은 CO2를 가장 효과적으로 저감시키는 방법 중의 하나이다. 도시가스, 경유 등의 화석연료를 연소시키면 반드시 CO2가 생성되므로, 연소기술을 이용하여 CO2를 직접 저감시키는 것이 바람직하다.

고온 순산소 연소기술은 연소에 사용되는 공기대신, 산소를 사용함으로써 약30% 정도의 에너지를 절감할 수 있는 매우 유망한 기술로 대두 되었다. 즉 산소를 사용하기 때문에 배가스 중에 질소분율이 감소하여 배가스에 의한 현열손실을 현저히 줄일 수 있으며, 또한 배가스 현열을 회수하여 산소를 고온으로 예열시켜 에너지를 추가적으로 절감할 수 있다. 한편으로는 고농도의 CO2를 얻을 수 있으므로 CO2 회수 비용을 줄일 수 있다.

온실가스저감과 관련된 R&D 프로그램으로는 IEA의 GHP(Greenhouse Gas Program)가 대표적으로, 이 프로그램에는 16개 나라가 참여하고 있으며, 24개 과제가 공동으로 수행되고 있다. 초기에는 발전 설비의 CO2저감에 초점을 두었으나, 최근에는 산 업용보일러에서 열병합플랜트, 공업용가열로 등으로 적용을 확대하고 있다.

반면에 상기와 같은 여러 가지 방면에서 신재생에너지와 연소기술을 개발하고 있지만, 복잡한 장치와 비용, 발생된 가스의 생산단가, 특히 수소에너지 생산가격과 순산소 생산가격이 문제점으로 대두 되고 있다.

수소/산소가스를 이용한 국내특허는 제20-0226162호, 제10-0367223호, 제20-0263463호등이 있으나, 모두 수소/산소가스 100%를 이용함으로, 수소발열량(3.050 Kcal)이 기존 화석연료 보다 작고, 화염의 직진성 특성상 화염의 끝 부분에 열이 집중 되기 때문에, 화염의 끝 부분에 발열체를 이용하여 발열을 하는 어려움이 상존하여, 소각로, 보일러 ,버너 등의 열원으로 사용시 화석연료 만큼 충분한 발열량 효과를 얻기가 어렵다.

또한, 일본 공개특허공보 특개 2003-129072A호(2003. 05. 08)는 수소와 산소의 혼합가스를 프로판가스, 에틸렌가스 또는 천연가스 등의 액화석유가스를 첨가하여 용융절단 및 납땜에 이용하는 발명이나, 이는 용융절단 및 납땜에 국한한 것으로 사용용도가 한정되어 있다.

본 특허 이전 출원된 수소/산소가스 혼합 대체가스10-2005-0052375(2005. 06.17)는 실제 시험된 결과를 기술하지 않아 이해의 모호함이 상존하였으며, 대체연료로의 경제적인 측면과 연소공해물질의 저감에 대한 기술이 부족하였다.

상기와 같은 화석연료의 계속되는 고갈과 가격상승(미국 석유협회는 2025년까지 천연가스 가격이 50%까지 상승할 것으로 전망), 대기유해공해물질로 인한 지구온난화현상의 문제점들을 해결 하기 위하여, 본 발명은 기존의 화석연료에, 물을 전기분해한 수소와 산소가 2:1 비율로 결합하여 수소와 같은 폭발 위험성이 없는 안전한 수소/산소가스를 5~90 부피% 혼합하여 대체연료로 공급함으로써, 점차 고갈 되어가는 화석연료를 대체하는 신재생에너지로써의 이용효율을 높이고, 또한 화석연료의 좁은 가연한계와 점화성능이 나쁘고 느린 연소특성을, 브라운가스의 특성인 빠른 연소와 넓은 가연한계로 연소범위를 넓게 함으로써 NOx, 매연, CO, HC등 유해대기오염 물질을 저감 시키며, 산소효과를 이용한 연소 발열량을 증대시켜 경제적인 측면의 에너지절약을 창출하는 수소/산소가스를 혼합한 대체연료에 관한 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 수소/산소가스 발생 장치에서 물을 전기분해하여 발생한 수소/산소가스를 기존 화석연료 공급 장치에 5~90 부피% 범위에서 필요에 따라 일정량 공급 또는 혼합한다.

기존화석 연료는 조연제로 공기중의 산소만을 사용함으로 공기중에 포함된 질소(78%)로 인하여 연소 배기가스 중에 HC, CO, CO2, NOx 등이 다량 배출되어 대기를 오염시키고 지구 온난화 현상을 초래한다. UN의 “기후변화에 관한 정부 협의체” 보고서에 따르면 산업활동 및 에너지 이용이 현재 추세로 지속될 경우 CO2 배출량은 2000년대 중반까지 연 1.3~2.1% 높아져 2030년경에는 산업혁명 이전의 두배 수준으로 높아질 것으로 전망하며, 이에 따라 전세계의 평균기온은 1.5~4.5℃, 해수면은 약 20cm 상승하고, 2100년이면 기온은 3~6℃ 해수면은 65cm 상승하여, 기상변화는 물론 많은 인구밀집 저지대가 침수되는 등 지구 전체에 극심한 위기를 가져올 것이라고 예측 하였다.

이와 같은 환경문제를 해결하기 위한 국제적인 조약 및 환경감시 기구를 UN에 신설하는데 합의 하였다. 또한 현재 사용되고 있는 화석연료는 개발도상국의 점차적인 사용 증대로 고갈되어 갈뿐만 아니라 수요에 따른 가격도 점차 상승 추세로 이어지고 있다.

따라서 세계 각국은 태양광, 풍력, 조력, 디메틸에테르, 수소에너지, 연료전지 개발에 막대한 자금을 동원하여 신재생에너지 개발에 심혈을 기우리고 있다. 그러나 현재 실용화하기 위해서는 해결해야할 많은 기술적 경제적인 문제점들이 상존하고 있다.

수소에너지와 연료전지는 가장 각광을 받고 있지만, 이 또한 기존의 화석연료인 천연가스를 개질하여 수소를 생산하고 이를 연료전지 스택에서 화학반응을 통해 DC전력과 열을 생산한다. 스택에서 생산된 DC전력은 인버터를 통하여 AC전력으로 변환하여 각종 부하에 공급한다.

그러나 수소는 공기 중의 산소와 반응시 공기 중의 질소성분으로 인하여 HC, NOx 등이 배출됨을 막을 수 없다. 경제적인 측면에서도 천연가스를 개질하는데 소요되는 높은 열원(800~900℃)의 에너지비용과 장치 비용 등을 감안하면 현재 LNG 가 격(470원/N㎥) 보다 상당히 높은 가격이 예상 된다.

상기의 문제점을 해결하고자 본 발명은 물을 전기분해하여 발생하는 순수한 2H+O로 이루어진 수소/산소가스를 기존화석연료를 대체하는 신재생에너지로 사용하여, 기존 화석연료와 혼합하여 대체가스로 사용하고자 하는 것이다.

실증시험 결과 전력 1kWh 당 브라운가스 0.26N㎥가 생산되며, 이는 수소/산소가스 1N㎥ 생산시 소요전력은 약 3.84kWh 임으로, 생산비용은 산업수전단가(55원/kWh)를 적용할 경우 브라운가스 1N㎥당 약 211원의 비용이 소요된다.

만약 심야전력(약30원/kWh)을 사용할 경우에는 1N㎥당 약 115원의 비용이 소요되며, 원자력 심야전력을 사용할 경우에는 더욱 생산단가가 내려가게 된다.

이는 수소/산소가스를 기존의 LNG가격 470원/N㎥ 및 시중 수소가격 1,000원/N㎥, 산소가격 800/N㎥과 비교시 엄청난 부가가치가 창출되는 대체에너지인 것이다.

따라서 본 발명은 물을 전기분해하여 생성되는 저렴한 수소/산소가스를 기존의 LNG, SNG등의 가스 및 화석연료에 필요에 따라 5~90% 범위에서 일정량을 혼소용으로 공급함으로써 도시가스 또는 다방면의 산업용 연료로 사용하는 대체연료인 것이다.

물을 전기분해하여 발생한 수소/산소가스혼합 대체가스의 수소는 170cm/s 의 빠른 화염속도와 4~75 의 넓은 가연한계로 인하여, 화석연료의 느린 연소특성과 좁은 가연한계를 보완하여 불완전연소를 방지하며 연료효율을 높이고 NOx, 매연, CO, HC등 유해대기오염물질을 저감 시킨다. 또한 대체가스의 순산소 효과로 충분한 연소, 화염온도 상승, 복사전도열을 향상시켜 연소가스의 열량을 높일 수 있음으로, 물을 전기분해하여 발생한 수소/산소가스혼합 대체연료는 지구온난화현상을 방지하고, 경제적인 측면의 에너지절약을 창출하는 대체에너지인 것이다.

다음은 LNG와 수소/산소가스의 혼합비율별 이론공기량 및 연소가스양을 연소방정식 에 의하여 계산한 표이다.

LNG 와 수소/산소가스 혼합조성별 이론공기량 및 연소가스량

혼합비율 (LNG : 수소/산소가스)	이론공기량 (Nm³/Nm³)	연소가스량 (Nm³/Nm³)	LNG 100% 대비 비율
100 : 0	10.48	13.64	1/1
90 : 10	9.43	12.28	0.9/0.9
80 : 20	8.38	10.92	0.8/0.8
60 : 40	6.29	8.19	0.6/0.6
10 : 90	1.05	1.36	0.1/0.1

상기와 같이 수소/산소가스를 혼합하여 사용함으로써 이론공기량이 현저하게 감소되어 유해대기오염물질 또한 상당량 감소된다.

물을 전기분해한 수소/산소가스 중 수소의 고위발열량은 3,050Kcal/Nm³ 임으로 기존 화석연료에 비해 발열량이 낮아 100% 수소가스만으로는 기존화석연료의 발열량만큼의 효과를 얻기가 어렵다. 반면에 엔진, 보일러, 도시가스 등에 사용되는 기존의 화석 연료는 연소시 공기중의 산소가 조연제 역할을 하여 연소함으로, 앞의 표와 같이 이론 공기량 및 연소가스양이 현저히 많이 필요하지만 완전연소의 효과를 얻기는 어렵다.

그러나 수소/산소가스는 수소의 빠른 화염속도와 4~75의 넓은 가연한계는 혼소시 화석연료를 완전연소로 유도하며, 산소의 효과로 연소가스의 열량을 상승시킴과 동시에 저공해를 유발한다.

이러한 맥락의 효과로, 미국의 Cummins Westport는 HCNG 연료(일명: Hythane, 천연가스 80%와 수소 20%를 혼합 압축한 가스)를 개발하여 기존 중대형 버스엔진에 사용한 결과, 엔진효율과 Torque 에는 변화가 없이 기존화석연료 대비 NOx 65% 매연 80%를 줄이는 결과를 획득하여 현재 상용중이며,

기존 화석연료와 물을 전기분해하여 발생한 수소/산소가스를 혼소 시험한 결과 다음과 같은 효과를 창출하였다.
[실시 예 1]
디젤발전기 4.5KW(3,600RPM)에 경유 85 부피% + 수소/산소가스 15 부피% 혼소 시험결과, 동일 출력시 경유100% 운전 소비량 보다 혼소경우가 약 10%의 경유가 절감 되었고, 50%의 CO량의 절감효과를 보았으며,
[실시 예 2]
또한, LNG 10 부피% + 수소/산소가스 90 부피% 보일러 혼소 결과 LNG의 완전연소를 유도함으로써 100% LNG 연소불꽃과 유사한 형상의 연소불꽃 실험결과를 얻었다. 이는 수소/산소가스의 직진성 불꽃특징과 상이함으로, 일반적인 연소연료로의 응용이 가능해졌으며,
[실시 예 3]
소형열병합 가스엔진 혼소시험 결과도 기존의 100% 수소/산소가스 엔진시험과 상이하게 기존의 엔진을 개조하지 않고 LNG 40 부피% +수소/산소가스 60 부피% 가스엔진 혼소 시험결과, 60%의 수소/산소가스가 LNG의 완전연소를 유도함으로써 100% LNG 가스엔진과 동일한 실험결과를 얻었다..

삭제

본 발명에 의한 물을 전기분해하여 발생한 수소/산소가스 혼합 대체연료를 사용함으로써 멀지 않아 고갈되어가는 화석연료를 대체하는 신재생에너지로 자원화를 극대화 하고, 도쿄의정서와 같이 지구의환경과 온난화 대책으로 엄격해지는 환경규제에 부응하여 대기환경 개선에 엄청난 효과를 기여할 수 있을 뿐만 아니라,

물을 전기분해하여 발생한 수소/산소가스 혼합 대체연료를 도시가스, 산업용 가스연료 및 자동차엔진, 열병합발전, 가스터빈 등 화석연료를 사용하는 각종엔진에 적용함으로써 에너지를 절감하고 경제적으로 나라를 부강 시키며, 세계의 환경보호에 앞장서는 경제 환경대국으로 발전할 수 있는 발명이며,

가정과 산업체 및 일상생활 환경에 좋은 대기환경을 조성하여 줌으로써, 인간의 건강과 유해가스로 인한 질병예방과 수명연장에도 기여할 수 있는 세계의복지에 기여할 수 있는 아주 유용한 발명이다.

다음은 기존의 화석연료를 수소/산소 가스로 5% 대체할 경우의 경제적인 절감비용 및 대체 효과이다.

수소/산소 가스로 5% 대체할 경우의 절감비용 및 대체 효과

		2004년	단위환산	단가(원)	소계	5% 절감액	수/산소 가스비용	순수 절감액
석 유(백만B)		775.2 (1.5)	123,225 백만리터	경유기준 1,100/리터	1,355,475 억원	67,773 억원	13,000 억원	54,773 억원
L N G(백만톤)		20.7 (11.2)	30 백만M3 (0℃1기압)	열병합기준 410/M3	91,513 억원 (04년도매출액)	4,575 억원	2,354 억원	2,221 억원
석 탄 (백만톤)	무연탄	8.9 (4.6)
	유연탄	74.2 (5.2)
	소계	83.1 (5.1)	83.1 백만톤	유연탄기준 70,600/톤	58,668 억원	2,933 억원
수 력 (10억㎾h)		5.5 (-20.2)
원자력 (10억㎾h)		136.9 (5.6)
기 타(백만TOE)		4.3 (31.1)
합 계(백만 TOE )		224.5
(증가율) %		(4.3)

Claims

기존의 화석연료인 LNG, LPG, SNG, 석탄화가스 및 화석연료 10~95 부피%에 물을 전기분해하여 발생한 수소/산소가스를 5~90 부피%로 조성된 대체연료.
상기 1항의 대체연료를 도시가스, 산업용가스 및 엔진에 사용하는 대체연료.