KR101101185B1 - 고형연료 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고형연료에 관한 것으로, 특히 가연성 폐기물을 분쇄한 후, 특정 형상으로 압축 성형하여 제조되는 고형연료에 산화마그네슘에 오일 성분을 흡유 또는 코팅시켜 제조된 오일-산화마그네슘 겔을 첨가함으로써 고형연료의 열량을 개선하여 연소성을 향상시킬 수 있고, 연소 중 발생되는 회분 스케일 침적에 의한 연소보일러의 화실, 연통의 막힘 현상을 개선할 수 있으며, 연소가스 중 산성성분을 산화마그네슘이 중화하여 대기오염을 방지할 수 있는 고형연료에 관한 것이다.

고형연료, 폐플라스틱, 산화마그네슘, 오일 성분, 스케일

Description

고형연료 {Solid Fuel}

본 발명은 고형연료에 관한 것으로, 특히 가연성 폐기물을 분쇄한 후, 특정 형상으로 압축 성형하여 제조되는 고형연료에 산화마그네슘에 오일 성분을 흡유 또는 코팅시켜 제조된 오일-산화마그네슘 겔을 첨가하여 제조한 고형연료에 관한 것이다.

일반적으로, 폐종이, 폐목재, 폐합성수지, 폐합성피혁, 폐섬유, 음식물쓰레기 등의 형태로 배출되는 가연성 폐기물은 매년 기하급수적으로 증가되고 있으며, 이를 효과적으로 처리하기 위하여 쓰레기 분리수거 하여 재활용함으로써 자원의 낭비와 자연환경의 오염을 방지하고자 하는 다양한 방법들이 연구, 개발되어지고 있다. 즉, 폐종이, 폐비닐 또는 이물질을 함유되는 폐합성수지 용기 등을 수거하여 재활용할 수 있도록 세척한 후 재가공하여 사용할 경우, 재활용 단가가 수입 단가보다 고가이기 때문에 추가 비용이 더 소요되는 문제점을 갖게 되며, 이로 인해 원자재를 소각하거나 지정된 매립지에 매설하여 폐기 처분함으로써 귀중한 자원을 낭비하게 되는 문제점을 갖는다.

상기와 같이, 막대한 양으로 배출되는 폐기물을 에너지원으로서 재활용할 수 있는 방법 중, 에너지의 효율적인 이용과 경제적인 측면을 고려할 때 현실적으로 가장 바람직한 방법은 가연성 폐기물을 분쇄한 후, 특정 형상으로 압축 성형하여 고체연료로 재사용하는 폐기물 고형연료(RDF; refused derived fuel 또는 RPF; refused plastic fuel)로서 이용하는 것이다. 상술한 고형연료는 일반적인 가연성 고체 폐기물 중에서 발열량이 4500ka/kcal인 것으로 폐합성수지, 폐종이, 폐목재로 제조되며, 대체에너지로 이용이 가능하다. 일반적인 소각방법에 비해 제작방법과 저장성이 우수하여 소각 시설의 가동에 따라 발생되는 문제점을 해결할 수 있으며, 많은 설비비용이 요구되는 액체 또는 기체연료화 기술에 비해 상대적으로 경제성이 높다.

현재 널리 사용되고 있는 화석 연료로부터의 에너지 전환의 일환으로 폐기물로부터 가공 성형한 고체 연료의 필수적인 조건으로는 고발열량일 것, 저함수율일 것, 성분이 균일할 것, 대기 오염 성분이 낮을 것, 기존의 고체 연료 사용 로(爐)에서도 사용이 가능할 것 등인데, 여기서 해결하기 가장 어려운 과제가 플라스틱 및 유해성 성분의 다량 혼합에 의한 대기 오염의 급증을 방지하는 것이다.

그러나, 고형연료들은 열량이 부족하여 연료 발열량 규격 6,000㎉ 이상에 미달되는 경우도 많아 고형 연료의 환경부 제시 규격에 애로가 있다. 또한 각종 회분들을 함유하여 연소 후 보일러 화실이나 연통 및 연교환부 영역에 고온에서 무기산화물 스케일을 형성하여 열전도율을 저해하고 설비의 효율을 급격히 낮추는 현상이 있다.

이러한 고형연료의 연소성 개선과 PVC 재질 연소에 따른 염소 문제를 개선하기 위하여, 국내 등록특허 제4894485호는 고형연료에 연소성을 개선하기 위하여 열분해 촉매인 제올라이트(zeolite)와 기타 연소 가능한 고형물들을 혼합하여 고형 연료를 제조하는 방법에 대하여 개시하고 있다. 국내 등록특허 제801504호는 하수처리, 공장폐수처리 또는 축산폐수처리 후 발생되는 탈수 슬러지를 출발물질로 하여 유연탄과 유사한 물성을 갖는 고형연료를 제조하는 방법에 대하여 개시하고 있다. 또한, 국내 등록특허 제79102호는 연소장치에서 발생하는 열기를 이용하여 폐타이어, 폐비닐, 페트병과 같은 폐합성수지는 물론 일반 폐기물에서 가연성 폐기물을 용융시켜 RFP 또는 RDF를 제조하기 위한 가연성 폐기물을 이용한 고형연료 제조 장치에 관하여 개시하고 있다.

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 고형연료의 열량을 개선하여 연소성을 향상시킬 수 있고, 연소 중 발생되는 회분 스케일 침적에 의한 연소보일러의 화실, 연통의 막힘 현상을 개선할 수 있는 고형연료를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 연소가스 중 산성성분을 산화마그네슘이 중화하여 대기오염을 방지할 수 있는 고형연료를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명인 고형연료는 가연성 폐기물을 분쇄한 후 특정 형상으로 압축 성형하여, 산화마그네슘에 오일 성분을 흡유 또는 코팅시켜 제조된 오일-산화마그네슘 겔을 배합하여 제조한 고형연료에 있어서, 상기 오일-산화마그네슘 겔은 마그네슘 함량이 0.1 내지 45 중량%으로, 고형연료에 0.1 내지 90 중량%로 포함되는 것을 특징으로 한다.

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본 발명의 고형연료는 고형연료의 열량을 개선하여 연소성을 향상시킬 수 있고, 연 소 중 발생되는 회분 스케일 침적(fouling)에 의한 연소보일러의 화실 바닥의 코킹(coking) 현상 및 연통의 막힘 현상을 개선할 수 있으며, 연소가스 중 산성성분을 산화마그네슘이 중화하여 대기오염을 방지할 수 있다.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다.

이하 본 발명에서 기재하는 가연성 폐기물은 폐관법의 규정에 따라 재활용이 가능한 폐플라스틱, 폐타이어, 폐종이, 폐목재, 폐합성수지, 폐합성피혁, 폐섬유, 음식물쓰레기 등을 통틀어 의미하는 것이다. 또한, 이하에서 설명하는 오일-산화마그네슘 겔은 산화마그네슘에 오일 성분을 흡유시키거나, 코팅 또는 캡슐화시켜 겔(gel)상의 오일 함유 산화마그네슘을 의미하는 것이다.

본 발명자들은 산화마그네슘을 오일 성분에 흡유시키거나, 오일 성분을 이용하여 산화마그네슘을 코팅 또는 캡슐화하여 이를 통상의 가연성 폐기물을 이용하여 제조한 고형연료에 배합한 결과, 압축된 고형연료의 연소 시 마그네슘이 함유된 오일 성분이 용출되어 연소하며, 이 과정에서 고형연료 내부에 공극이 발생하게 되고, 열전도율을 향상시켜 연소촉진에 도움이 됨을 확인하였다. 또한 저급 고형연료 사용 시 발생한 회분들의 소성 현상에 의한 스케일 성장(fouling)을 억제하고, 연소가스의 열교환부의 열효율을 개선하고, 화실 바닥의 코킹(coking) 현상을 개선함을 확인하였다.

본 발명의 고형연료는 가연성 폐기물을 분쇄한 후, 특정 형상으로 압축 성형하여 제조되는 고형연료에 산화마그네슘에 오일 성분을 흡유 또는 코팅시켜 제조된 오일-산화마그네슘 겔을 배합하여 제조된다.

본 발명에서 사용되는 상기 오일-산화마그네슘 겔은 산화마그네슘을 오일 성분에 침지 또는 분무하여 흡수시키거나, 오일 성분을 산화마그네슘 표면에 코팅하거나, 오일 성분을 이용하여 산화마그네슘을 캡슐화한 것을 의미하는 것으로, 산화마그네슘의 내부나 표면 중 어느 한 부분이나 전체가 오일 성분에 의하여 흡유된 상태이면 그 상태가 제한되는 것은 아니다.

상기 오일-산화마그네슘 겔은 산화마그네슘에 오일 성분과 분산제를 첨가하고 교반하여 겔(gel)상의 산화마그네슘 슬러리를 제조한 후, 숙성하는 단계를 거쳐 제조할 수 있다.

구체적으로, 상기 오일-산화마그네슘 겔은 다음과 같이 제조할 수 있다.

산화마그네슘 준비

상기 산화마그네슘은 통상의 미분 산화마그네슘을 준비한다.

상기 산화마그네슘의 입자크기는 325 메쉬(mesh) 이하인 분체를 사용하는 것이 더 바람직하다. 또한, 상기 산화마그네슘의 비표면적(BET ㎡/g)은 필요에 따라 적절히 선택하여 사용할 수 있으며, 비표면적이 클수록 흡유량이 증가하고, 비표면적이 작을수록 흡유량은 감소한다.

상기 산화마그네슘은 고형분 함량이 30~60%인 것이 바람직하다.

오일 성분 및 분산제 첨가

상기 준비된 산화마그네슘에 오일 성분 및 분산제를 첨가한다.

산화마그네슘에 오일 성분을 첨가하면 점도가 상승하게 되고, 분산제로 인해 분산 안정화가 된다.

상기 오일 성분은 통상의 미네랄 오일, 자연 오일, 합성 오일 등을 의미하는 것으로, 산화마그네슘의 특성에 영향을 주지 않는 것이면 그 종류가 제한되지 않으며, 특히 폐엔진오일, 기어유, 절삭유 등 카센터 및 사업장에서 발생하는 폐유 중 수분, 침전물을 제거하여 수득한 정제유를 사용하는 것이 자원의 재활용 측면이나 환경보호 측면에 있어 더욱 좋다.

상기 오일 성분은 산화마그네슘 함량 대비 0.5 내지 6 중량부로 혼합되는 것이 바람직하다. 그 함량이 상기 범위내일 경우에는 산화마그네슘의 내부 또는 표면에 오일이 최대로 흡유될 수 있어 더욱 좋다.

또한, 상기 분산제는 친수성 또는 친유성 계면활성제를 사용할 수 있으며, 예를 들어 지방산 유도체인 EOA(ethylene oxide additive), SPAN계, TWEEN계 등의 비이온 계면활성제나 설포숙시네이트(sulfosuccinates), 포스페이트(posphates), 설페이트(sulfate), 설포네이트(sulfonate)계 등의 음이온 계면활성제 등이 있다.

상기 분산제는 오일 성분 함량 대비 10 내지 40 중량부로 포함되는 것이 바람직하며, 그 함량이 상기 범위내일 경우 분산안정성에 있어 더욱 좋다.

또한 상기 오일 성분과 분산제 이외에 점도 상승이하 경화 과정을 동반하여 겔상의 산화마그네슘 슬러리를 제조하기 위해 N-메틸피롤리돈 등의 친수 증점제를 더 추가할 수 있다.

혼합

상기와 같이 혼합된 시료들은 이후 교반하여 겔상의 산화마그네슘 슬러리를 수득한 다.

이때 교반기로는 인버터 장착형 AGITATOR 또는 밀링기를 사용할 수 있으며, 상기 밀링기로는 3-롤 밀, 핀 밀, 다이노 밀(dyno mill) 등을 사용할 수 있다.

또한 상기 혼합 교반시 온도가 높을수록 경화작용을 촉진하게 되므로, 40℃ 정도로 온도를 유지하도록 한다.

숙성

상기 혼합된 겔상의 산화마그네슘 슬러리는 이후 숙성(aging) 단계를 거치게 된다.

상기 숙성은 50~100℃의 온도에서 4~8시간 동안 이루어지는 것이 좋으며, 특히 70℃에서 5 시간 동안 이루어지는 것이 더욱 좋다.

압출 성형

상기와 같이 숙성단계를 거친 산화마그네슘 슬러리는 재파쇄하거나 특정 성형기로 압출성형하여 크기와 형태를 조절한다.

상기와 같이 제조된 본 발명의 오일-산화마그네슘 겔 중 마그네슘의 함량은 0.1 내지 45 중량%로, 스케일 방지나 열량 등 목적하는 바에 따라 적절히 조절할 수 있다.

상기 오일-산화마그네슘 겔은 이후 플라스틱 사출기나 고형 연료 사출 제조기에 혼합하여 가연성 폐기물과 혼합 성형하여 최종 고형연료를 제조할 수 있다.

상기 고형연료에 배합되는 상기 오일-산화마그네슘 겔은 그 함량이 0.1 내지 90 중량%인 것이 바람직하며, 특히 0.1 내지 40 중량%인 것이 더욱 바람직하다. 그 함량이 상기 범위내일 경우 오일-산화마그네슘 겔을 첨가함으로 얻을 수 있는 최대의 효과를 낼 수 있어 더욱 좋다.

상기와 같이 본 발명에 따라 오일-산화마그네슘 겔이 배합된 고형연료는 기존의 저질 플라스틱 고형연료에서 예상될 수 있는 스케일 침적(fouling) 현상을 개선할 수 있으며, 이를 통해 보일러나 소각로의 열효율 개선을 기대할 수 있다. 또한, 산화마그네슘은 알칼리금속으로서 산성 가스인 아황산가스이나 염산 수증기를 중화시키며, 이에 따라 설비 부식을 개선하고, 대기환경을 보전할 수 있다.

따라서, 본 발명은 저렴한 비용으로 제조된 고형연료의 성능을 개선하여 폐자원 활용성을 극대화하고, 추가적으로 환경오염을 줄이고 효율을 향상시켜 폐기물들의 재활용 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

실시예 1. 오일-산화마그네슘 겔 제조

산화마그네슘 분말 50g에 정제유 25g, 분산제로 솔비탄 모노올레이트(sorbitan monooleate) 6g, 폴리옥시에틸렌 모노올레이트(polyoxyethylene monooleate) 4g 및 디옥틸 설포숙시네이트(dioctyl sulfosuccinate) 10g, 친수성 증점제로 N-메틸피롤리돈 0.5 g 및 물 4g을 첨가하였다. 상기 혼합물을 40℃ 온도의 교반기에서 30분간 교반한 후, 70℃의 온도에서 5시간 동안 숙성시켰다. 이후 상기 소성물을 사출기에 소분하여 넣고 압출 성형하여 오일-산화마그네슘 겔을 제조하였다.

실시예 2. 오일-산화마그네슘 겔 제조

산화마그네슘 분말 33g에 정제유 25g, 분산제로 솔비탄 모노올레이트(sorbitan monooleate) 8g, 폴리옥시에틸렌 모노올레이트(polyoxyethylene monooleate) 2g 및 PEG 모노 올레이트 10g, 친수성 증점제로 N-메틸피롤리돈 0.5 g, 질산마그네슘 7g 및 물 10.5g을 첨가하였다. 상기 혼합물을 40℃ 온도의 교반기에서 30분간 교반한 후, 50℃의 온도에서 5시간 동안 숙성시켰다. 이후 상기 소성물을 사출기에 소분하여 넣고 압출 성형하여 오일-산화마그네슘 겔을 제조하였다.

실시예 3. 오일-산화마그네슘 겔 제조

산화마그네슘 분말 60g에 콩기름 25g, 분산제로 솔비탄 모노올레이트(sorbitan monooleate) 4g, 폴리옥시에틸렌 모노올레이트(polyoxyethylene monooleate) 2g 및 PEG 모노 올레이트 3g, 친수성 증점제로 N-메틸피롤리돈 0.1 g 및 물 5.9g을 첨가하였다. 상기 혼합물을 40℃ 온도의 교반기에서 30분간 교반한 후, 50℃의 온도에서 5시간 동안 숙성시켰다. 이후 상기 소성물을 사출기에 소분하여 넣고 압출 성형하여 오일-산화마그네슘 겔을 제조하였다.

실험예

상기 실시예에서 제조한 본 발명의 오일-산화마그네슘 겔의 스케일 침적(fouling) 방지 효과를 실험하기 위해 다음과 같이 실험하였다.

먼저, 하기 표 1과 같이 농촌비닐과 폐타이어를 혼합하여 고형연료를 제조한 후(비교예 1 및 2), 여기에 상기 실시예 1에서 제조한 오일-산화마그네슘 겔을 첨가한 고형연료(실시예 4 및 5)와 첨가하지 않은 고형연료를 이용하여 650℃, 700℃, 800 ℃, 900℃에서 스케일 침적(fouling)을 관찰하고, 그 결과를 도 1 및 2에 나타내었다.

구분		고형연료 중 회분 조성
비교예 1	농촌비닐+폐타이어 혼합 고형연료	Na2SO4 36%, Al2O3 15%, SiO2 23%, K2O 1%, CaO 12%, Fe2O3 10%, ZnO 10%
비교예 2		Na2SO4 58%, Al2O3 8%, SiO2 13%, K2O 1%, CaO 6%, Fe2O3 5%, ZnO 11%
실시예 4	비교예 1+ 오일-산화마그네슘 겔	Na2SO4 36%, Al2O3 15%, SiO2 23%, K2O 1%, CaO 12%, Fe2O3 10%, ZnO 10%
실시예 5	비교예 2+ 오일-산화마그네슘 겔	Na2SO4 58%, Al2O3 8%, SiO2 13%, K2O 1%, CaO 6%, Fe2O3 5%, ZnO 11%

도 1은 650℃, 700℃, 800℃, 900℃의 온도에서 각각 비교예 1~2 및 실시예 4~5의 고형연료를 소성하여 스케일 침적(fouling)을 관찰한 사진으로, 소성 이후 냉각시킨 후 상온에서 방치한 뒤의 스케일 침적을 나타낸 도 2에서와 같이 농촌비닐과 폐타이어를 혼합하여 제조한 비교예 1 및 2의 고형연료의 경우에는 회분이 연소되어 스케일 침적이 발생하였으나, 비교예 1 및 2의 고형연료에 각각 실시예 1에서 제조한 오일-산화마그네슘 겔을 첨가하여 제조한 실시예 4 및 5의 고형연료의 경우에는 스케일 침적이 발생하지 않았음을 확인할 수 있었다.

비록 본 발명이 상기에 언급된 바람직한 실시예로서 설명되었으나, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 또한 첨부된 청구 범위는 본 발명의 요지에 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따라 650℃, 700℃, 800℃, 900℃의 온도에서 비교예들의 고형연료와 실시예들의 고형연료를 소성하는 과정을 나타낸 사진이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 650℃, 700℃, 800℃, 900℃의 온도에서 비교예들의 고형연료와 실시예들의 고형연료를 소성한 후 냉각하여 상온에서 방치한 후의 스케일 침적(fouling) 발생여부를 관찰한 사진이다.

Claims (6)

1. 가연성 폐기물을 분쇄한 후 특정 형상으로 압축 성형하여, 산화마그네슘에 오일 성분을 흡유 또는 코팅시켜 제조된 오일-산화마그네슘 겔을 배합하여 제조한 고형연료에 있어서, 상기 오일-산화마그네슘 겔은 마그네슘 함량이 0.1 내지 45 중량%으로, 고형연료에 0.1 내지 90 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 고형연료.
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