KR101313527B1 - 클링커 제거 및 생성방지와 유해가스 저감을 위한 연료 첨가제 조성물 - Google Patents

클링커 제거 및 생성방지와 유해가스 저감을 위한 연료 첨가제 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나트륨 실리케이트 수용성 용제 20 내지 75 중량%: 수산화나트륨 및 수산화칼륨 중에서 선택된 1종의 화합물 또는 2종의 혼합물 10 내지 40 중량%; 과산화수소 0.01 내지 7 중량%; 붕사 1 내지 15 중량%; 포도당 및 구연산나트륨 중에서 선택된 1종의 화합물 또는 2종의 혼합물 1 내지 25 중량%; 및 글리셀린 0.01 내지 10 중량%를 포함하는 연료첨가제 조성물에 대한 것이다. 이러한 조성물은 화석연료의 연소시의 높은 효율 및 환경오염을 감소시키고, 클링커의 제거 및 생성방지가 가능하여 유지보수 비용절감 및 연소장치의 수명이 연장되고, 또한 조성물 자체의 내한성이 우수하고 침전물을 발생시키지 않는다.

Description

클링커 제거 및 생성방지와 유해가스 저감을 위한 연료 첨가제 조성물{Fuel Additives For Prevention And Removal of Clinker And Reducing Harmful Gas}
본 발명은 클링커 제거 및 방지에 따른 화석연료의 연소 효율 증대 및 유해가스 배출 저감에 따른 오염물질 감소를 위한 연료첨가제 조성물에 관한 것이다.
전세계가 지구 온난화 방지 및 지구 환경을 파괴하는 대기오염 물질을 저감 하기 위해 교토의정서를 비준 발효하는 등 향후 이산화탄소 배출권에 대한 금전적 거래를 시작하고 또한 내적으로는 탄소세를 부과하여 강제적으로라도 대기 환경 개선에 총력을 기울이고 있다. 우리나라도 환경 기준치를 매년 강화 함으로써 각 기업은 이에 대한 비용이 날로 증가하는 추세에 있다. 따라서, 화석연료 사용에 따른 각종 대기 오염을 감소시키고 에너지소비 효율을 높이기 위한 기술이 요구된다.
또한 최근에는 천연가스나 석유 생산국의 자원무기화 및 가격의 상승으로 가격이 저렴한 석탄을 연료로 하는 보일러, 각종 가열로의 사용이 증가되고 있다. 그러나, 석탄과 같은 회분 함량이 많은 재료를 연소할 경우, 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.
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.
본 발명은 화석연료의 연소시의 높은 효율 및 환경오염을 감소시키는 연료첨가제의 제공을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 화석연료 연소시 발생되는 보일러 내부 클링커 제거및 생성방지가 가능한 연료첨가제의 제공을 목적으로 한다. 본 발명의 또 다른 목적은 농축이 가능하여 내한성이 우수하고 침전물이 발생하지 않는 연료첨가제의 제공이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 나트륨 실리케이트 수용성 용제 20 내지 75 중량%; 수산화나트륨 및 수산화칼륨 중에서 선택된 1종의 화합물 또는 2종의 혼합물 10 내지 40 중량%; 과산화수소 0.01 내지 7 중량%; 붕사 1 내지 15 중량%; 포도당 및 구연산나트륨 중에서 선택된 1종의 화합물 또는 2종의 혼합물 1 내지 25 중량%; 및 글리셀린 0.01 내지 10 중량%를 포함하는 연료첨가제 조성물을 제공한다. 상기 나트륨 실리케이트 수용성 용제는 나트륨 실리케이트과 물의 비율이 1: 2 내지 1: 100인 것을 사용할 수 있다. 또한 본 발명의 연료첨가제 조성물의 어는점은 -20℃ 이하일 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 산소 발생를 발생시켜 완전연소 유도하고, 내한성의 확보가 가능하게 하며, 보일러 내부관을 코팅하여 클링커 발생 억제 목적을 달성하는 역할을 할 수 있다.
본 발명의 연료첨가제 조성물을 석탄에 배합하여 사용할 경우에, 180℃ 이상의 열이 가해지면 다량의 발생기 산소를 생성시켜 석탄 입자 내부에 침투시켜 직접적인 산소 공급원이 됨으로써 외부에서 공급되는 산소보다 연소를 더 효율적으로 촉진시킨다. 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, 매연 배출을 감소시키며, 분진과 회분(ash)도 감소된다. 석탄에 본 발명의 연료첨가제 조성물을 첨가시키면, 석탄의 분말도가 높아지며 연소면적이 증가되어 연소속도가 향상되어 미연탄소 발생량이 감소한다. 본 발명의 연료첨가제 조성물은 산소를 함유하므로, 연료첨가제 조성물은 다공질의 석탄 내부 및 외부에 침투하여 연소속도를 향상시키는 역할을 할 수 있다.
이들 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. 1100 ℃ 이상에서는 분말형태로 변화되어 연소 후에는 다른 물질과 박리되어 석화를 방지한다. 180℃ 이상에서 다량의 산소를 발생시킨다.
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 우수한다.
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 10000: 5의 중량비에 해당하는 양을 사용할 수 있다.
이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
이하 실시예에서 자세히 설명되는 바와 같다.
이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명은 연료첨가제 조성물에 관한 것으로서, 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 연소로의 노벽에 부착된 클링커의 사진이다.
도 2는 하기 시험예 1의 연소후 3일째의 연소로의 노벽에 부착된 클링커의 사진이다.
도 3은 하기 시험예 1의 연소후 7일째의 연소로의 노벽의 사진이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예 등을 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예들에 한정되는 것으로 해석되서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
실시예 1. 연료첨가제 조성물의 제조
먼저, 나트륨 실리케이트(40% 수용액) 40g과 수산화나트륨 25g을 교반기를 사용해 나트륨 실리케이트 수용성 용제를 준비하였다.
과산화수소 5g, 붕사 10g, 구연산나트륨 18g 및 글리셀린 2g을 상기 제조된 나트륨 실리케이트 수용성 용제에 첨가하여 균일하게 혼합하여 연료첨가제 조성물을 제조하였다.
시험예 1. 오염물질 저감율 확인
상기 실시예 1에서의 비율로 제조된 연료첨가제를 물을 사용해 40배 희석 시켜 사용하였다. 연료첨가제 희석액을 석탄 투입량 대비 100: 1의 비율로 석탄 이송 컨베이어 벨트 위에서 분사하여, 석탄과 연료첨가제 조성물을 고르게 섞어 연소로에 투입하였다.
연소시의 배기가스를 수집하여, 연료첨가제 조성물을 적용하기 전의 배기가스와 비교하여 오염물질의 저감율을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
오염물질 저감율(%)
매연 32
분진 31
아황산가스 24
CO 42
시험예 2. 클링크 감소 확인
상기 실시예 1에서 제조된 연료첨가제 조성물을 자동분사장치로 석탄 이송 컨베이어 벨트 위에서 분사하여, 석탄과 연료첨가제 조성물을 4000: 1의 비율로 고르게 섞어 연소로에 투입하였다.
연소로에 부착된 클링커를 상기 연료첨가제 조성물이 배합된 석탄을 7일간에 걸쳐서 연소시켜 노벽의 클링커의 부착상태를 관찰하여 도 1 내지 도 3에 나타내었다.
도 1은 연료첨가제 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.
도 2는 연료첨가제 조성물이 적용된 석탄을 투입하여 연소시킨 후의 3일째의 노벽의 모습으로 노벽의 일부분에서 클링커가 분리되어 제거되었음을 알 수 있다.
마지막으로, 도 3은 연료첨가제 조성물이 적용된 석탄을 투입하여 연소시킨 후의 7일째의 노벽의 모습으로 노벽에서 클링커가 완전히 제거되었음을 알 수 있다.
시험예 3. 연소효율 증대 확인
상기 실시예 1에서 제조된 연료첨가제 조성물을 자동분사장치로 석탄 이송 컨베이어 벨트 위에서 분사하여, 석탄과 연료첨가제 조성물을 4000: 1의 비율로 고르게 섞어 연소로에 투입하였다.
동일한 열량을 발생시키는 필요한 석탄의 량을 측정한 결과, 상기 연료첨가제 조성물을 첨가한 경우가 첨가하지 아니한 경우보다 석탄의 소비량이 5% 더 적은 것을 알 수 있었다.

Claims (3)

  1. 나트륨 실리케이트 수용성 용제 20 내지 75 중량%;
    수산화나트륨 및 수산화칼륨 중에서 선택된 1종의 화합물 또는 2종의 혼합물 10 내지 40 중량%;
    과산화수소 0.01 내지 7 중량%;
    붕사 1 내지 15 중량%;
    구연산나트륨 1 내지 25 중량%; 및
    글리셀린 0.01 내지 10 중량%를 포함하는 연료첨가제 조성물.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연료첨가제 조성물은 연료첨가제 조성물 중량 대비 20 내지 80배 중량의 물로 희석되는 것을 특징으로 하는 연료 첨가제 조성물.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 연료첨가제 조성물의 어는점은 -20℃ 이하인 것을 특징으로 하는 연료 첨가제 조성물.
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