KR101301400B1

KR101301400B1 - 석탄 사용량과 유해가스 저감을 위한 연료 첨가제 조성물

Info

Publication number: KR101301400B1
Application number: KR1020120011141A
Authority: KR
Inventors: 김현수; 강호민
Original assignee: (주)영신산업
Priority date: 2012-02-03
Filing date: 2012-02-03
Publication date: 2013-09-10
Also published as: KR20130090078A

Abstract

본 발명은 연료 첨가제 조성물에 관한 것으로 나트륨 실리케이트 수용성 용제 20 내지 75 중량부와; 수산화나트륨 또는 수산화칼륨 중에서 선택된 1종의 화합물 또는 2종의 혼합물 10 내지 40 중량부와; 과산화수소 0.01 내지 7 중량부와; 붕사 1 내지 15 중량부와; 포도당 또는 구연산나트륨 중에서 선택된 1종의 화합물 또는 2종의 혼합물 1 내지 25 중량부와; 글리셀린 0.01 내지 10 중량부와;고형 파라핀 0.5~3중량부와; 유화제 1~5 중량부로 구성된다.
본 발명의 연료 첨가제 조성물은 클링커를 제거하고 미연 탄소분을 연소시켜 석탄의 사용량을 감소시킬 뿐만 아니라 석탄 연소에 따른 유해 배출가스를 획기적으로저감시킬 수 있다.

Description

석탄 사용량과 유해가스 저감을 위한 연료 첨가제 조성물{Fuel Additives Compositions For Reducing Coal Use And Harmful Gas}

본 발명은 클링커를 제거하고 미연 탄소분을 연소시켜 석탄의 사용량을 감소시킬 뿐만 아니라 석탄 연소에 따른 유해 배출가스를 저감시킬 수 있는 연료 첨가제 조성물에 관한 것이다.

석탄은 소량의 휘발성 물질과 많은 양의 고정 탄소와 실리카, 알루미나, 티타니아 등의 회분을 함유하고 있어, 연소성이 낮고 연소시 많은 양의 연료의 재가 발생된다.

보일러나 각종 가열로의 벽이나 바닥에는 상당량의 연료의 재인 회분이 침적되기 쉬워 운전상의 많은 문제점에 노출되어 있고, 완전연소가 어려워 연소 중에 인체에 해로운 유독가스가 배출되고 대기 오염원인 미세먼지 등이 배출되는 등 각종 부작용이 증대되고 있는 실정이다. 특히, 석탄 연소시, 연료의 재인 클링커(clinker)가 보일러나 연소로 내에서 엉켜서 굳게되는 슬래깅(slgging)현상을 억제하지 못해 스케일이 장기간 퇴적되는 문제를 유발하고 있다. 다량의 회분을 형성하는 석탄의 경우에는 광물유에 비해 다량의 클링커(clinker)가 발생된다.

즉, 석탄과 같은 회분 함량이 많은 재료를 연소할 경우, 보일러나 각종 가열로의 벽이나 바닥에는 상당량의 연료의 재인 회분이 침적되기 쉬어 운전상의 많은 문제점에 노출되어 있고, 완전연소가 어려워 연소 중에 인체에 해로운 유독가스가 배출

되고 대기 오염원인 미세먼지 등이 배출되는 각종 부작용이 증대되고 있는 실정이다.

석탄류나 광유를 연소하는 연소로나 보일러등에서 연소를 촉진하고, 로 내의 표면의 불완전 연소에 의해 고착되는 슈트, 슬럿지와 같은 스케일등이 형성되어 열효율이 열악하여 지는 단점을 개선함으로써, 연소효율을 증진시키기 위한 다양한 수단들이 연구되어 왔다.

예를들어, 광물유의 경우에는 유기금속이나 계면활성제, 각종 유기용매의 혼합물을 연료에 혼합, 첨가하여 단순히 연소 효율 만을 증대시키는 기술이 공지되어 왔다.하지만, 이러한 연료 첨가제로는 연소시, 연료의 재인 클링커(clinker)가 보일러나 연소로 내에서 엉켜서 굳게되는 슬래깅(slgging)현상을 억제하지 못해 스케일이 장기간 퇴적되어 또 다른 공해상의 문제를 유발하고 있다.

이에 대한민국 특허 제0642146호에는 내한성 향상 및 슬래그 방지와 클링커가 효과적으로 제거되는 연료 첨가제 조성물을 개시하고 있지만, 첨가제에 고용분을 함유하고 있으므로 장시간 보관시에 침전현상이 발생하는 문제가 있다.

또한 우리나라 특허공개공보 2004-22797호에는 글리세린, 아민계열안정제, 과산화수소, 수산화나트륨 및 붕사로 구성되는 슈트, 먼지, 크링크 및 스럿지 등의 물질을 제거하는 제거제가 공지되어 있지만, 부식성이 높은 수산화나트륨 및 아민계열의 안정제를 사용함으로써, 여전히 로의 수명과 연소시 발생하는 질소산화물의 발생을 충분히 억제하기가 어려운 점이 있었고 특히, 연소로 내벽에 발생하는 스케일이나 클링크의 발생을 감소시키는 것에는 여전히 한계가 있다.

등록특허 0642146, 공개특허공보 10-2004-22797

없슴

본 발명은, 보일러나 연소로, 내연기관과 같은 연소장치에 연료로 사용되는 석탄이나 광물유에 첨가되는 연료첨가제를 제공함으로써 연료를 완전 연소시켜 연료의 효율을 높이고 클링커를 제거할 뿐만 아니라 석탄의 불완전연소에 따른 일산화탄소 등 유해 배출가스의 발생량을 저감시킬 수 있는 석탄 첨가제 조성물을 제공하는 것을 해결하고자 하는 주된 과제로 삼는다.

상기한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은

연료 첨가제 조성물 100중량부를 기준으로
나트륨 실리케이트 수용성 용제 20 내지 75 중량부와; 수산화나트륨 또는 수산화칼륨 중에서 선택된 1종의 화합물 또는 2종의 혼합물 10 내지 40 중량부와; 과산화수소 0.01 내지 7 중량부와; 붕사 1 내지 15 중량부와; 포도당 또는 구연산나트륨 중에서 선택된 1종의 화합물 또는 2종의 혼합물 1 내지 25 중량부와; 글리셀린 0.01 내지 10 중량부와;고형 파라핀 0.5~3중량부와; 유화제 1~5 중량부로 구성되는 것을 특징으로 한 연료 첨가제 조성물을 과제 해결을 위한 수단으로 제공한다.

본 발명의 연료 첨가제 조성물은 화석연료의 연소시의 높은 효율 및 환경오염을 감소시키고, 클링커의 제거가 가능하여 유지보수 비용절감 및 연소장치의 수명의 연장에 기여한다.

또한 조성물 자체의 내한성이 우수하고 침전물을 발생시키지 않는다. 그리고, 본 발명의 연료첨가게는 농축하여 사용할 수 있으므로 취급 및 운반이 용이하다.

도 1은 본 발명의 연료 첨가제 조성물을 연료에 분사하는 장면을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 연료 첨가제를 투입하지 않은 보일러 내부를 나타내는 사진이다.
도 3은 본 발명의 연료 첨가제를 투입한 보일러 내부를 나타내는 사진이다.
도 4는 연료첨가제 조성물을 투입하지 않은 노벽의 모습을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 연료첨가제 조성물을 투입한 후 3일째의 노벽의 모습을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 연료 첨가제 조성물을 투입한 후 7일째의 노벽의 모습을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 연료 첨가제 조성물을 투입하지 않은 상태(좌측사진)와 투입한 후(우측사진)의 배기가스가 발생되는 상태를 나타내는 사진이다.

상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 연료 첨가제 조성물 100 중량부를 기준으로 나트륨 실리케이트 수용성 용제 20 내지 75 중량부와; 수산화나트륨 또는 수산화칼륨 중에서 선택된 1종의 화합물 또는 2종의 혼합물 10 내지 40 중량부와; 과산화수소 0.01 내지 7 중량부와; 붕사 1 내지 15 중량부와; 포도당 또는 구연산나트륨 중에서 선택된 1종의 화합물 또는 2종의 혼합물 1 내지 25 중량부와; 글리셀린 0.01 내지 10 중량부와; 고형 파라핀 0.5~3중량부와; 유화제 1~5 중량부를 포함하는 연료첨가제 조성물을 제공한다.

상기 나트륨 실리케이트 수용성 용제는 나트륨 실리케이트와 물의 비율이 1: 2 내지 1: 100인 것을 사용할 수 있다. 또한 본 발명의 연료첨가제 조성물의 어는점은 -20℃ 이하일 수 있다.

상기 유화제는, 일반적으로 고형분의 침전방지와 석탄이나 광물유에 첨가시 양호한 젖음성이나 혼합을 위해 사용되어지며, 양이온성, 음이온성, 양성, 비이온성 계열의 계면활성제인 것을 특징으로 한다.

상기 계면활성제로는 술폰산폴리옥시에틸렌 알킬페닐 에테르 암모늄염, 알킬알킬올 아미드, 라우린산 디메탄올 아미드, 폴리옥시에틸렌 옥타데실 아민, 트리에탄올 아민, 디메틸 알칼 베타인, 알킬글리세린, 아미드베타인, 이미다졸린, 알킬프로필렌디아민 아세트산염으로부터 선택되는 것이 바람직하지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 당업자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 적절히 설계, 변경하여 실시할 수 있다.

본 발명의 연료첨가제 조성물에 사용되는 나트륨 실리케이트 수용성 용제와 수산화나트륨 및 수산화칼륨은 유해 가스 저감 목적으로 사용되고, 보일러 내부 클링커 제거하는 역할을 할 수 있다. 또한, 본 발명의 연료첨가제 조성물에 사용되는 과산화수소, 붕사와 포도당 및 구연산나트륨은 발생기 산소를 발생시키고 파라핀은 미연탄소의 완전연소 유도하여 내한성의 확보가 가능하게 하며, 보일러 내부관을 코팅하여 클링커 발생 억제 목적을 달성할 수 있다.

본 발명의 연료첨가제 조성물을 석탄에 배합하여 사용할 경우에, 보일내 내부 900℃ 이상의 온도에서 다량의 발생기 산소를 생성시킬 수 있는 데, 이렇게 발생된 발생기 산소가 석탄의 연소에 직접적인 산소 공급원으로 작용하면 외부에서 공급되는 산소보다 보일러 내부의 석탄의 연소를 보다 효율적으로 촉진시킬 수 있다.

연료첨가제 조성물에 혼합된 나트륨(Na)은 아황산가스(SO₂)와 결합하여 황산나트륨(Na₂SO₄)을 만든다. 즉 기체상태의 아황산가스를 고체로 유도하여 제거할 수 있다.

본 발명의 연료첨가제 조성물은 또한 완전연소를 이끌어 일산화탄소(CO) 발생을 최소화하고 일반적으로 석탄이 타고 남은 재에 해당되는 bottom-ash를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 화력발전소에서 추출되는 고급 시멘트 원료인 fly-ash는 증가시킨다.

상기한 성분의 조성물은 서로 유기적으로 작용하여 연소효율의 증대, 오염가스의 감소, 클링커 제거, 내한성 및 침전물 생성 방지의 우수한 효과를 가져온다.

본 발명의 연료첨가제 조성물은 수용성의 시럽상태의 용액으로 비 인화성 물질로서 취급이 용이하고, 철이나 구리와 같은 금속과 반응성이 낮아서 안전하다. 비중은 1.53 ± 0.05 정도로 물보다 무겁고, pH 13 ± 0. 5의 알칼리성을 띤다. 상온에서 액체상태이므로 석탄 등의 화석연료에 침투가 용이하고, 연료첨가제 조성물은 -20℃까지 얼지 않으므로 내한성이 우수하다.

클링커는 연소로 만들어진 재가 덩어리로 된 것으로, 석탄을 연소시키는 공정의 경우에는 석탄에 포함된 회분이 열에 의해 녹아서 굳어 형성된 물질을 의미한다. 이러한 클링커 생성량은 석탄의 회융점이 낮은 석탄을 사용하는 경우에 상대적으로 증가하게 된다. 산소량 부족으로 연소실 내부의 환원성 기류에 의한 영향, 보일러 내부 부하 변동에 의한 연소 불균형, 보일러 구조 및 운전 특성상 문제, 보일러 설계에 적합히지 않는 석탄의 사용 및 균등한 석탄 공급이 되지 않을 때 등의 여러가지 원인에 의해서 클링커가 생성되게 된다. 석탄의 회분이 로(爐)의 내부에서 1500℃ 내외의 온도로 일정시간 이상 노출되는 과정에서 용융하게 될 때에, 상대적으로 온도가 낮은 노벽(爐壁, 600 ℃ 내외)에 클링커가 부착되는데 이때 완전연소 되지 않은 일부 미분연료와 같이 융착되면서 형성되며, 이러한 현상이 반복되면서 클링커의 성장은 계속 진행하게 된다.

본 발명의 연료첨가제 조성물의 클링커 제거원리를 살펴보면, 상기 연료첨가제 조성물이 연소할 때에 일부성분은 분해되지만, 일부성분는 1100℃ 이상에서 고체 성분으로 남게 되고, 회분과 함께 노벽에 부착하면서 회분 및 금속성분과 반응하여 석화되지 않고, 클링커를 노벽으로부터 박리시키는 역할을 한다. 따라서, 클링커는 성장하지 않고 탈락되며, 이미 생성되어 있던 클링커도 상기 연료첨가제 조성물의 사용으로 노벽으로부터 탈락된다. 본 발명의 연료첨가제 조성물은 상온에서는 액체이지만 고온가열(1100℃)하면 분말형태의 입자로 변하게 되는데 이렇게 변한 입자는 금속성분이나 내화 몰타르 석탄의 회분과는 융착하지 않고 박리되는 물질이다.

본 발명의 연료첨가제는 주로 석탄 및 석유의 첨가제로 사용될 수 있다. 또한 기존의 시판 중이거나 또는 선행문헌에 개시된 연료첨가제들에 비하여, 다양한 측면에서 효과가 상대적으로 우수하다.

그리고, 이러한 연료첨가제 조성물을 사용시에는 물을 사용하여 연료첨가제 조성물 중량대비 20 내지 80배로 희석하여 사용할 수 있다. 이러한 연료첨가제의 사용량은 특별히 한정하는 것은 아니지만, 특히 석탄을 연료로 사용하는 경우에는 석탄연료 대비하여 석탄과 연료첨가제의 중량비는 10000: 1 내지 4000: 1의 중량부에 해당하는 양을 사용할 수 있다.

이하 도면과 실시예를 바탕으로 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

[실시예 1. 연료 첨가제 조성물의 제조]

나트륨 실리케이트(40% 수용액) 35g과 수산화나트륨 25g을 혼합하여 교반기에 넣고 교반하여 1시간 가량 정치한 후 과산화수소 5g, 붕사 10g, 구연산나트륨 18g , 글리셀린 2g, 고형 파라핀 1.5g, 아세트산염 3.5g을 상기 제조된 나트륨 실리케이트 수용성 용제에 첨가하여 균일하게 혼합하여 연료첨가제 조성물을 제조하였다.

[실시예 2. 연료 첨가제 조성물의 제조]

실시예 1과 동일하게 실시하되 수산화나트륨 대신 수산화칼륨을 동일한 양만큼 사용하여 연료첨가제 조성물을 제조하였다.

[실시예 3. 연료 첨가제 조성물의 제조]

실시예 1과 동일하게 실시하되 구연산나트륨 대신 포도당을 동일한 양만큼 사용하여 연료첨가제 조성물을 제조하였다.

[실시예 4. 연료 첨가제 조성물의 제조]

실시예 2와 동일하게 실시하되 구연산나트륨 대신 포도당을 동일한 양만큼 사용하여 연료첨가제 조성물을 제조하였다.

[비교예 1. 성분이 상이한 연료 첨가제 제조]

실시예 1과 동일하게 제조하되, 고형 파라핀과 아세트산 염을 넣지 않고 연료 첨가제를 제조하였다.

[시험예 : 유해 가스절감 효과 확인]

상기 실시예 1~4 ,비교예 1에 의해 제조된 연료 첨가제와 시판 중인 연료 첨가제(제조원; 상명이엔텍(주), 상품명; SOOT FREE-C)각각 50g을 2L의 물에 희석시킨 희석액을 컨베이어로 이송되는 석탄 200kg에 골고루 분사시켜 (도 1참조) 연소로에 투입하여 중국 산서발전소에서 7일간 연소시켰다. 남아있는 석탄, 클링크, bottom-ash 및 fly-ash의 양과 발생되는 배기가스인 CO, NO2, SO2 을 GB/10180-88 (공업용보일러 열공시험규범) GB/T15317-94(공업 보일러 에너지 절약감축 방법)에 의거하여 측정하였다.

또한 상기 연료 첨가제의 내한성을 테스트하기 위하여 KSM 2142 "부동액"의 빙점 시험방법을 통해 빙점을 측정하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

	석탄감소율	클링크제거율	CO저감율	NO2저감율	SO2저감율	빙점
실시예 1	6.3%	100%	35%	40%	15%	-20.6℃
실시예 2	6.2%	100%	33%	39%	14%	-22.4℃
실시예 3	5.8%	100%	36%	38%	15%	-21.2℃
실시예 4	5.5%	100%	34%	41%	16%	-20.5℃
비교예 1	1.3%	98%	25%	24%	15%	-21℃
SOOT FREE-C	0.8%	55%	15%	25%	10%	-21.5℃

상기 표에 제시된 바와 같이 본 발명의 실시예 1~4에 의해 제조된 연료 첨가제가 석탄의 소비효율 및 클링크 제거율이 가장 우수한 것으로 나타났다. 이는 고형 파라핀과 유화제의 첨가에 의해 석탄의 완전연소효과가 비교예 1 및 타 연료 첨가제에 비해 우수하기 때문인 것으로 풀이된다.

도 2는 연료 첨가제를 투입하지 않은 상태에 연소로에서 석탄을 3일간 연소시켰을 때 보일러의 내부 상태를 나타내고 도 3은 본 발명의 연료 첨가제를 투입하여 석탄을 연소시켰을 때 3일 후의 보일러의 내부상태를 나타낸다. 도시된 바와 같이 본 발명의 연료 첨가제를 투입한 도 3의 보일러의 내부상태가 도 2에 비하여 훨씬 화력이 우수함을 알 수 있다.

도 4는 본 발명의 연료 첨가제 조성물이 적용된 석탄을 투입하기 전에, 노벽에 클링커가 부착되어 있는 것을 찍은 사진이다. 노벽에 부착되어 있는 클링커로 인하여 노벽이 많이 좁혀져 있는 상황임을 알 수 있다.이에 비하여 도 5는 본 발명의 연료 첨가제 조성물을 투입하여 석탄을 연소시킨 후의 3일째의 노벽의 모습을 나타내는 사진이고 도 6은 7일째의 노벽의 모습을 나타낸다. 도시된 바와 같이 본 발명의 연료 첨가제를 투입하면 시간이 지남에 따라 석탄의 연소효율인 높아짐을 알 수 있다.

도 7은 본 발명의 연료 첨가제 조성물을 투입하지 않은 상태(좌측사진)와 투입한 후(우측사진)의 배기가스가 발생되는 상태를 나타내는 사진이다. 도시된 바와 같이 본 발명의 연료 첨가제를 투입하면 CO, NO2, SO2 등의 유해 배기가스가 획기적으로 저감됨을 알 수 있었다.

없음

Claims

연료 첨가제 조성물 100 중량부를 기준으로
나트륨 실리케이트 수용성 용제 20 내지 75 중량부와;
수산화나트륨 또는 수산화칼륨 중에서 선택된 1종의 화합물 또는 2종의 혼합물 10 내지 40 중량부와;
과산화수소 0.01 내지 7 중량부와;
붕사 1 내지 15 중량부와;
포도당 또는 구연산나트륨 중에서 선택된 1종의 화합물 또는 2종의 혼합물 1 내지 25 중량부와;
글리셀린 0.01 내지 10 중량부와;
고형 파라핀 0.5~3중량부와;
유화제 1~5 중량부로 구성되는 것을 특징으로 한 연료 첨가제 조성물.
제 1항에 있어서,
상기 연료첨가제 조성물의 어는점은 -20℃ 이하인 것을 특징으로 하는 연료 첨가제 조성물.