KR100866019B1 - 디메틸에테르-액화석유가스의 혼합 연료 조성물 및 이의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디메틸에테르-액화석유가스의 혼합 연료 조성물 및 이의 공급방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 디메틸에테르 1∼99중량% 및 액화석유가스 1∼99중량%을 포함하는 혼합연료 및 상기 혼합연료를 기존에 설치된 액화석유가스 충진소 또는 액화석유가스 용기를 이용하여 제공하는 디메틸에테르-액화석유가스의 혼합연료의 공급방법에 관한 것이다. 본 발명은 기존의 LPG 차량에서 배출되는 오염 물질(CO, HC, NOx, PM, SOx 등)을 줄이는 환경을 개선하는 장점이 있고, 또한 DME를 배합한 LPG를 압축 착화 방식 엔진에 적용함으로써 기존 LPG 연료의 단점으로 지적되고 있는 낮은 연비 문제를 해결하여 궁극적으로는 LPG의 온실가스 배출을 줄일 수 있다. 아울러, LPG 연료중 부탄은 수요 증가 대비 공급 물량이 부족한 제품으로 DME를 배합함으로써 공급물량 부족 문제를 해소할 수 있으며, 특히 LPG중 프로판 제품에 DME를 배합함으로써 프로판을 압축 착화 엔진 차량의 연료로 사용하게 되어 프로판의 공급 과잉 문제를 해결할 수 있다.

연료, 디메틸에테르, 액화석유가스, 충진소, 디젤차량, 부탄, 프로판

Description

디메틸에테르-액화석유가스의 혼합 연료 조성물 및 이의 제조방법 {Dimethyl Ether-Liquefied Petroleum Gas mixed fuel composition and method for preparing the same}

본 발명은 디메틸에테르(Dimethyl Ether)-액화석유가스(LPG: Liquefied Petroleum Gas (C3 & C4))의 혼합 연료 조성물 및 이의 공급방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 디메틸에테르와 액화석유가스로 이루어진 혼합 연료 조성물 및 이를 기존의 LPG 충전 시설을 이용하여 용이하게 공급하는 방법에 관한 것이다.

한정된 에너지자원의 효율적인 이용은, 특히 에너지의 대부분을 수입에 의존하고 있는 우리나라로서는 아주 중요한 과제이며, 지구환경보전과도 직결된다. 철강, 석유화학공업 등 각종 산업체에서 발생되는 부생가스나, 최근 크게 문제시되고 있는 도시폐기물 또는 폐플라스틱 등으로부터 합성가스를 제조한 후, 필요로 하는 분야에서 사용할 수 있도록 네트워크화할 필요도 있다.

역사적으로 볼 때, 1970년대의 석유위기 이후 석유 의존도를 줄이기 위해서 석탄계 합성가스를 원료로 한 C1 화학기술이 크게 대두된 바 있으며, 최근에도 공정개선을 위한 노력이 꾸준히 이어져, 관련 논문이나 특허만 해도 아주 방대한 양 에 이르고 있다.

합성가스는 중요한 C1 화학원료로서, 천연가스, 석탄뿐 아니라 바이오매스, 도시폐기물 등의 가연성 에너지원을 개질 또는 기화하여 얻을 수 있고, 각종 산업의 부생가스로도 만들 수 있다. 또한 이를 이용한 C1 화학의 주요 합성 대상물로서 디메틸에테르(dimethyl ether, 이하 DME)는 메탄올과 함께 오래 전부터 연구되어 왔으나, 최근에는 휘발유나 경유를 대체할 수 있는 새로운 자동차용 연료로서, 그리고 LPG에 대신할 가정용 연료 또는 발전용 연료로서 주목을 받고 있다.

DME는 올레핀 생산, MTG(methanol to gasolin) 가솔린, 스프레이의 분사추진체, 메틸아세테이트 합성 등의 용도가 지금까지의 주된 용도였다. 그러나, 현재 DME는 스프레이, 냉매용 뿐만 아니라, 디젤기관용 청정 연료나, 액화석유가스(LPG)를 대신한 가정용 연료, 발전용 연료로서 주목을 받고 있는 화합물로서 메틸에테르라고도 한다. DME는 메탄올과 황산을 가열하면 생기는데, 공업적으로는 촉매로 인산알루미늄 등을 사용하여 메탄올을 탈수하여 제조한다.

이러한 DME는 미개발 천연 가스나 석탄을 저장이 가능하고 운송이 간편한 환경 친화적인 에너지로 전환하는 기술로 일본의 NKK사 등에서 개발되어 있다(미국특허 제5,466,720호, 제5,389,689호, 제5,218,003호 등). DME는 저장 및 운송이 LPG 조건과 유사하여 LNG(Liquefied Natural Gas) 대비 경제성이 있을 것으로 예상하여 미래의 에너지로 생산하는 각종 기술들이 개발되고 있다. DME는 세탄가가 55∼60 수준으로 일반 경유 보다도 높아 디젤 엔진의 연료로 사용하여 환경 오염도 줄이고 고갈되는 석유를 대체할 새로운 에너지로 이용하려는 노력이 진행되고 있다(미국특 허 제6,147,125호).

DME 사용을 위해서 압축 착화식 디젤 차량을 개조하는 여러 가지 노력이 진행되고 있으며 DME를 100% 사용하거나 경유와 병행하여 사용하려는 노력이 진행되고 있다(한국에너지 기술연구소, 1998년). DME는 디젤엔진의 연료로서 ① 세탄가(약 60)가 높기 때문에 디젤사이클 운전이 가능하여, 디젤엔진과 같은 수준의 에너지소비효율과 이산화탄소 배출량을 얻을 수 있고, ② 함산소연료(약 34.8wt%)이기 때문에, PM(입자상물질)의 발생이 극히 적으며, ③ EGR을 적용하여 저NOx 및 저PM의 동시실현이 가능하고, ④ LPG와 마찬가지로 약 5기압정도에서 상온 액화가 가능하기 때문에, 유사한 취급이 가능하여 현행 LPG 차량의 연료용기나 연료공급인프라 등을 대부분 준용할 수 있는 여러 장점이 있으며, 최근에 낮은 가격으로 DME를 제조할 수 있는 직접 합성반응기술이 개발됨에 따라서 앞으로는 DME가 디젤엔진의 대체연료로서 각광을 받을 것을 전망된다.

한편, 디젤엔진은 가솔린엔진보다 에너지 소비효율이 우수하고, 지구 온난화 가스인 이산화탄소의 배출이 적은 장점이 있으나, PM(입자상 물질)과 NOx의 배출량이 많은 단점이 있다. 이에, 디젤엔진의 저공해 대체연료로서 천연가스의 적용이 활발히 추진되고 있으나, 천연가스 전소엔진은 오토싸이클(Otto Cycle)로 운전되기 때문에, 디젤엔진에 비해 에너지 소비효율이 감소하고, 연료자체의 에너지밀도가 낮아서 항속거리가 크게 감소하며, 연료공급인프라를 새로이 구축해야 하는 등 많은 문제점이 있다.

DME를 디젤엔진에 그대로 적용하면, PM은 크게 저하하나, NOx는 거의 비슷한 수준으로 배출된다. 한편, DME엔진의 배출가스에는 다량의 산소가 포함되기 때문에 가솔린엔진에 사용되는 촉매는 사용이 어려우므로, DME 엔진에 적합한 촉매컨버터의 개발도 요망된다. 또한, DME는 연소시에 흑연을 발생하지 않아서 흡배기밸브의 마모증가가 예상되며, 연소생성물에 수분의 함량이 많기 때문에 배기계의 부식도 예상된다, 또한, 실린더라이너나 축베어링의 부식·마모 등 엔진의 신뢰성에 관한 문제가 예상되므로, 이를 향상시킬 수 있는 기술을 확보할 필요가 있다.

또한, DME를 자동차용 연료로서 사용하는 경우에는, 에어졸에서 사용하고 있는 순도 99.9% 보다는 DME의 제조과정에서 발생하는 불순물, 물, 메탄올 등을 정제하지 않고 어느 정도까지 혼입하여 사용하는 방법도 고려할 수 있다. 그러나, 메탄올과 물이 혼입되면, 부식이나 배출가스의 측면에서 영향이 있을 것도 예상된다.

이와 같이, DME를 이용하기 위한 다양한 연구들이 수행되고 있으나, 현재 DME를 사용하는 차량이 없어 DME를 제조하는 설비가 만들어 지지 않고, DME가 공급되지 않아 DME 차량이 만들어 지지 않는 등 사업화 측면에서의 악순환 상태에 놓여 있다. 특히, DME를 공급하기 위한 별도의 설비 인프라(Infra)를 구축하기 위해서는 많은 투자가 요구되며, 도심에 DME 충진 시설을 별도로 건설하기 위해 안전 요건이 충족된 부지 등을 확보하는 일은 안전성 등의 사항을 고려하면 거의 불가능한 상태이다.

이에 본 발명에서는 LPG와 DME가 잘 배합되고 저장 조건이 유사한 성질을 이 용하여 DME가 결합된 LPG 연료를 개발하였고, 상기 혼합연료가 상술한 문제점을 해결할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 기존의 모든 LPG 관련 인프라(Infra)를 그대로 사용하여 DME를 포함하는 혼합연료를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 혼합연료를 소비자에게 보급하고, 후속으로 DME가 혼합된 연료의 높은 세탄가를 이용하는 차량을 개발, 보급할 수 있는 상기 혼합연료의 공급방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 혼합연료는 디메틸에테르 1∼99중량% 및 액화석유가스 1∼99중량%을 포함한다.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 상기 혼합연료의 공급방법은 상기 혼합연료를 기존에 설치된 액화석유가스 충진소 또는 액화석유가스 용기를 이용하여 제공하는 것으로 구성된다.

본 발명은 기존의 LPG 차량에서 배출되는 오염 물질(CO, HC, NOx, PM, SOx 등)을 줄이는 환경을 개선하는 장점이 있고, 또한 DME를 배합한 LPG를 압축 착화 방식 엔진에 적용함으로써 기존 LPG 연료의 단점으로 지적되고 있는 낮은 연비 문제를 해결하여 궁극적으로는 LPG의 온실가스 배출을 줄일 수 있다. 아울러, LPG 제품중 부탄은 수요 증가 대비 공급 물량이 부족한 제품으로 DME를 배합함으로써 물량 부족 문제를 해소할 수 있으며, 특히 LPG 제품중 프로판 제품은 DME를 배합함 으로써 프로판을 압축 착화 엔진 차량의 연료로 새롭게 사용하게 되어 프로판의 공급 과잉 문제를 해결할 수 있다.

이하 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

전술한 바와 같이, DME를 100% 사용하거나 경유를 혼합 사용하려는 시도는 100% DME 공급 시설을 별도로 구축해야 하므로 이에 관한 많은 투자비가 소요되거나 기존의 LPG 공급 능력이 축소되는 결과로 나타나게 된다. 그런, 본 발명에 따른 DME-LPG 혼합 연료(이하 "DME-LPG"라 한다)는 이러한 추가적인 설비 건설이나 LPG 공급 능력의 축소로 나타나지 않는다.

한편, DME는 무색의 기체이며, 분자량 46.07, 녹는점 -141℃, 끓는점 -24.8℃이다. 에테르와 비슷한 향기가 나며 물 ·에테르 ·에탄올에는 잘 녹는다. 냉각제로 주로 사용되며, 인화하기 쉬우므로 주의해야 한다. 또한, 액화석유가스는 LPG 또는 LP가스로 약칭하며, 또 프로판가스 ·부탄가스 등으로도 총칭된다. 이 가스를 소형의 가벼운 압력용기에 충전해서 가정용 ·업무용 ·공업용 연료로 쓰며, 또 자동차용 가솔린 대신으로도 널리 이용하고 있다. 액화석유가스의 이용은 미국에서 습성(濕性) 천연가스나 유정(油井) 가스에서 메탄가스 ·천연 가솔린을 채취할 때 분리되는 프로판 및 부탄 등의 이용에서 비롯되었는데 오늘날에는 석유화학용 에틸렌 제조공정에서 부생(副生)하는 저분자 수소가스에서도 프로판 ·프로필렌 ·부탄 ·부틸렌 등을 분리 ·정제하여 그것을 액화석유가스로서 시판하고 있다.

본 발명에 따르면, DME-LPG 연료의 제조는 DME와 LPG를 단순히 배합비율 대로 혼합하여 제조한다. 본 발명에 따른 DME-LPG 연료는 기존의 LPG 공급 시스템과 이를 이용하는 차량에 문제가 없이 적용될 수 있다. 본 발명에서는 인프라 투자를 최소화하고 무난한 새로운 연료로 사용될 수 있도록 적정 DME 배합 비율을 설정하였다. 즉, DME와 LPG를 각각 1∼99중량%와 1∼99중량%로 혼합한다. 바람직하게는 혼합연료는 DME 5∼95중량% 및 LPG 5∼95중량%을 포함하고, 좀 더 바람직하게 스파크 점화식 차량용으로 DME 5∼55중량% 및 LPG 45∼95중량%를 포함하며, 압축착화식 디젤엔진 차량용으로 DME 45∼95중량% 및 LPG 5∼55중량%를 포함한다. 상기 DME의 사용량이 1중량% 미만이면 기존의 LPG 사용를 사용하는 가정용, 산업용 또는 차량에 세탄가 향상, 배기가스 감축과 같은 DME의 혼합 효과가 거의 없으며, 99중량%를 초과하면 연비개선, 및 적용 차량의 확대 또는 응용분야의 확대와 같은 LPG의 첨가 효과가 거의 없다.

도 1은 본 발명에 따른 DME-LPG 연료를 소비자에게 공급하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면으로, DME-LPG는 기존의 스파크 점화식 LPG 차량이나 가정/업소용 프로판 연료로는 별도의 첨가제 없이 그대로 사용하며 압축 착화식 디젤 엔진이 적용된 차량에는 엔진 보호를 위한 윤활성 향상제 및 세탄가 향상제를 충전소에서 적정량을 배합하여 사용한다. 상기 세탄가 향상제 또는 윤활성 향상제는 시판되는 제품이면 특별히 제한받지 않고 사용 가능하며, 그 사용량은 전체 혼합물에 대하여 0.05∼5중량%인 것이 성능 및 경제성 면에서 바람직하다.

한편, DME-LPG 연료를 사용하는 스파크 점화식 LPG 차량은 종래의 LPG를 원료로 사용하는 경우 보다 DME에 포함된 산소 성분에 의한 연소 성능 개선 작용으로 환경 오염 배출 물질이 줄어든다. 기존의 LPG는 세탄가가 매우 낮아 압축 착화식 디젤 엔진의 연료로 사용되기 곤란하였으나 세탄가가 높은 DME를 배합함으로써 LPG의 압축 착화 디젤 엔진의 연료로 사용할 수 있게 되었다. DME-LPG를 사용하는 압축 착화 디젤 엔진은 적절한 엔진 튜닝(Tuning) 및 분사 노즐 등이 적절하게 설치되어야 한다.

한편, DME는 낮은 윤활성(Lubricity)으로 인하여 압축 펌프 및 분사 노즐 등이 마모를 유발하는 문제점을 지니고 있으나 LPG가 배합됨으로써 윤활성이 개선되어 엔진의 내마모성이 개선되거나 연료에 첨가해야 할 윤활성(Lubricity) 개선제의 양이 감축된다. 압축 착화 디젤 엔진에 사용될 DME-LPG 연료는 세탄가를 30 이상 유지하는 것이 엔진의 성능이 제대로 발휘되도록 하므로 DME의 함량을 높이기 위한 충전소 내의 배합 시설을 구축하거나 세탄가 향상을 위한 다른 성분을 배합할 수 있다.

DME-LPG를 사용하는 디젤 엔진의 배출 물질은 경유를 사용하는 디젤의 오염 배출 물질 특히 PM(Particulate Matter)의 배출량이 적어 도심을 운행하는 차량 등에 사용하기 적합하며 높은 출력을 얻을 수 있어 대형 버스, 트럭, 중장비 등에 사용이 적합하다. DME-LPG를 사용하는 디젤 엔진은 LPG를 사용하는 스파크 착화 엔진에 비하여 연료 소모량이 35% 수준이 절감되어 영업용 택시등에 적용이 적합하다. 또한, DME-LPG 연료 사용 디젤 엔진은 경유 사용 디젤 엔진에 비하여 소음이 감소하여 도심을 운행하는 차량에 적용이 적합하다.

DME-LPG 연료는 LPG 연료의 낮은 연비와 낮은 출력 문제 및 불완전 연소에 의한 배출 가스 오염 문제를 DME의 연소 개선 특성, 높은 세탄가의 특성을 이용하여 해결함으로써 환경 오염의 감소, 연비의 증가, 출력 증강, 지구 온난화 가스 배출의 감소를 가능하게 할 수 있다.

다시 말하면, LPG는 수요 증가 대비 공급 물량이 부족한 제품으로 DME를 배합함으로써 물량 부족 문제를 해소할 수 있으며, 특히 LPG중 프로판 제품에 DME를 배합함으로써 프로판을 압축 착화 엔진 차량의 연료로 사용하게 되어 프로판 공급 과잉 문제를 해결할 수 있다. 또한, DME-LPG를 압축 점화식 디젤 엔진에 사용하는 경우 연비가 40% 수준으로 향상되어 기존 스파크 점화식 LPG 엔진의 연비 수준 25% 대비 마일리지(Mileage)가 60% 가량 상승한다. DME-LPG는 기존의 경유 대비 차량의 배출가스 오염물질(CO, HC, NOx, PM, SOx)이 적어 환경 오염이 적으면서도 고출력을 요구하는 대형 차량에 사용이 가능하고, DME-LPG는 DME 연료에 비하여 윤활성이 개선되어 엔진의 내마모성이 우수하다. 아울러, DME를 독립적으로 공급하는 경우에는 별도의 충전소를 건설하거나 개조하여야 하나 LPG와 혼합 공급하는 경우는 기존의 충전소를 그대로 이용하게 되므로 경제성이 높다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보지만, 하기 예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

스파크 점화식 LPG 차량의 배출 가스 감축 효과

DME 50중량% 및 LPG(프로판) 50중량%로 이루어진 혼합연료와 기존의 LPG 연료를 소나타 II 엔진(2000 cc/단위 g/mile)에 배기가스 시험 규격인 CVS 75 모드를 적용하여 배출가스의 감축효과를 살펴보았다. 그 결과를 하기 표 1에 기재하였다.

연료	전체 탄화수소(THC)	CO	NOx
LPG	0.20	1.62	0.79
DME-LPG*	0.18	1.02	0.68
감축 효과	10 %	37 %	14 %

상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, DME-LPG 연료에서 배기가스의 감축효과가 나타나는데, 이는 DME에 함유되어 있는 산소에 의해 연소 성능이 개선되었기 때문이다.

실시예 2

압축 착화 엔진 차량의 연비 개선 효과

DME 50중량% 및 LPG(프로판) 50중량%로 이루어진 혼합연료를 이용하여 스파크 점화방식과 압축점화방식의 스포티지 엔진(2000 cc/단위 Km/liter)을 시내주행모드는 CVS 75 모드를 적용하고, 고속주행모드는 EPA 하이웨이(Highway) 모드를 적용한 샤시 동력계를 이용하여 연비를 살펴보았다. 그 결과를 하기 표 2에 기재하였다.

엔진 점화 방식	시내 주행 모드	고속 주행 모드
스파크 점화	9.95	14.84
압축 점화	6.87	9.50
감축 효과	31 %	36 %

상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, DME-LPG 연료를 압축 착화 방식 엔진에 적용이 가능하며 이 경우 연비 개선 효과가 발생하였다. DME-LPG 혼합 연료를 개발함에 따라서 압축착화 디젤엔진에 적용 가능하게 되었고, 기존의 스파크 점화방식 대비 LPG의 에너지 이용효율이 대폭 개선됨을 알 수 있다.

실시예 3

DME-LPG 연료의 배출 가스 개선 효과

DME 50중량% 및 LPG(프로판) 50중량%로 이루어진 혼합연료와 기존의 저유황 경유(500 ppm 황(Sulfur) 함유)를 스포티지 엔진(2000cc 단위 g/Kwh)에 CVS 75 운전모드를 적용하여 배출가스의 감축효과를 살펴보았다. 그 결과를 하기 표 3에 기재하였다.

	THC	CO	NOx	PM
저유황 경유*	1.32	4.8	8.4	0.18
DME-LPG	0.3	2.16	3	0.05

상기 표 3에서 알 수 있는 바와 같이, DME-LPG 연료에서 배기가스의 감축효과가 나타나는데, 이 또한 DME에 함유되어 있는 산소에 의해 연소 성능이 개선되고, PM 형성의 원인물질이 DME-LPG에 함유되어 있지 않기 때문이다.

도 1은 본 발명에 따른 DME-LPG 연료를 소비자에게 공급하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.

Claims (4)

1. 액화석유가스의 연소효율 개선 및 배기가스 감축용 첨가제로서 디메틸에테르와 액화석유가스를 각각 5~50 중량% 및 50~95 중량%로 혼합하여 스파크 점화식 차량용 혼합연료를 제조하는 단계를 포함하는, 스파크 점화식 차량용 혼합연료의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 세탄가 향상제 또는 윤활성 향상제를 추가로 혼합하지 않는 방법.
3. 제1항에 있어서, 액화석유가스가 부탄가스인 방법.
4. 액화석유가스의 연소효율 개선 및 배기가스 감축용 첨가제로서 디메틸에테르 5~50 중량%, 및 액화석유가스 50~95 중량%를 포함하는, 가정 또는 업소용 액화석유가스 연료 조성물.

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