KR101333651B1

KR101333651B1 - 석탄연소 향상제

Info

Publication number: KR101333651B1
Application number: KR1020120116840A
Authority: KR
Inventors: 천강문; 윤석환
Original assignee: 주식회사 하원 이
Priority date: 2012-10-19
Filing date: 2012-10-19
Publication date: 2013-12-13

Abstract

본 발명은 석탄연소 향상제에 관한 것으로, 과산화수소수 10-20 중량%; 붕사 10-15 중량%; 금속산화물 1-5%; 알칼리 또는 알칼리토류 수산화물 12-20 중량%; 글리세린, 디메탄올아민, 디에탄올아민, 트리메탄올아민 및 트리에탄올아민 중 어느 하나가 10-13 중량% 및 잔량의 물로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 본 발명에 따른 석탄연소 향상제를 석탄 등의 연료의 연소 시에 첨가하면, 대기오염물질의 생성을 억제하여 환경오염을 예방하고, 탄소의 완전 연소를 유도하여 재에 남아있는 탄소의 함량을 줄임으로써 에너지 효율을 높일 수 있다. 뿐만 아니라 클링커를 제거하여 열전달 효율을 증대시킬 수 있다.

Description

석탄연소 향상제 {CHEMICALS FOR IMPROVEMENT OF COAL BURNING}

본 발명은 석탄연소 향상제에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 석탄 등의 연소 시에 첨가하여 완전 연소를 유도함으로써 열효율을 극대화시키는 석탄연소 향상제에 관한 것이다.

석탄은 현재에도 많이 이용되고 있으나, 석탄은 다른 화석 연료에 비하여 휘발성 물질이 적으며 SiO₂, Al₂O₃등과 같은 회(灰)성분을 많이 함유하고 있기 때문에, 연소성이 떨어지고 많은 재(Fly ash, Bottom ash) 및 슈트(soot), 클링커(clinker)가 생기는 문제점이 있다. 또한, 연소성이 떨어져 완전 연소가 되지 않으면서 다량의 유독가스 및 대기오염물질인 미세먼지 등을 배출하는 문제점이 있고, 형성된 클링커를 물리적으로 제거하는 과정에서 연소로를 상하게 하는 문제점이 있다. 특히 아역청탄(sub-bituminous coal) 계열의 석탄을 혼합하여 사용하면 슬래깅(slagging) 및 포울링(Fouling) 증가로 인해 열 흡수율이 저하되는 문제점이 있다.

따라서 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 연구들이 많이 진행되고 있다.

종래의 석탄연소 향상제로는 붕사, 염화나트륨, 산화철 등을 혼합하여 만든 것이 있는데, 매연발생 감소와 연소로 내부의 침전물 감소에는 다소 효과적이나, 염소가 대량으로 발생되어 금속 부분이 침식될 우려가 있다.

종래의 다른 석탄연소 향상제는 붕사, 과산화수소수, 산화아연, 이산화망간과 안정제로 아민계 화합물을 사용한 것이 있는데, 매연 및 슬래그의 발생을 어느 정도 억제할 수 있으나, 클링커가 벽면에 딱딱하게 고착되어 제거가 어려운 문제점이 있으며 동절기에 동결되는 문제점이 있다.

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 석탄 등을 연소할 때 대기오염물질의 방출을 억제하고, 탄소의 완전 연소를 유도하여 에너지 효율을 높이며, 클링커의 생성을 억제함으로써 열전달 효율을 증대하는 석탄연소 향상제를 제공하는 데에 있다.

위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 석탄연소 향상제는 과산화수소수 10-20 중량%; 붕사 10-15 중량%; 금속산화물 1-5%; 알칼리 또는 알칼리토류 수산화물 12-20 중량%; 글리세린, 디메탄올아민, 디에탄올아민, 트리메탄올아민 및 트리에탄올아민 중 어느 하나가 10-13 중량% 및 잔량의 물로 이루어지는 것을 기술적 특징으로 한다.

본 발명에 따른 석탄연소 향상제를 석탄 등의 연소 시에 첨가하면, 대기오염물질의 생성을 억제하여 환경오염을 예방하고, 탄소의 완전 연소를 유도하여 재에 남아있는 탄소의 함량을 줄임으로써 에너지 효율을 높일 수 있다. 뿐만 아니라 클링커를 제거하여 열전달 효율을 증대시킬 수 있다.

아래에서는 본 발명에 따른 석탄연소 향상제를 더욱 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 석탄연소 향상제는 석탄의 연소를 활성화시키는 연소촉진제, 탈황 및 용해도 증가를 위한 탈황제, 석탄연소 향상제의 안정성 확보를 위한 안정제 등을 포함한다. 여기에 슬래그 등의 유동성을 향상시키는 성분이 더 포함될 수도 있다.

연소촉진제는 연소를 촉진시키고 초기 착화를 용이하게 하기 위해 사용되는 물질로서, 붕산, 규산나트륨, 수산화칼슘 등이 사용될 수 있다. 본 발명에서는 이를 위해 과산화수소수 10-20 중량%, 붕사(붕산을 수산화나트륨으로 중화시켜서 만든 염) 10-15 중량%를 사용하며, 과산화수소수의 반응성을 높이기 위한 금속산화물을 포함한다. 포함되는 금속산화물은 산화망간 1-5 중량%로 하는 것이 바람직하다.

탈황제는 붕사의 용매(물)에 대한 용해도를 높이고 탈황효과를 주기 위해 사용되는 물질로서, 알카리 및 알카리토류 수산화물(알카리 수산화물 및 알카리토류 수산화물)이 사용될 수 있다. 본 발명에서는 그 효과를 극대화하기 위해서 수산화나트륨이 사용된다. 이때 사용되는 수산화나트륨의 양은 중량비로 12-20 중량%(석탄이 함유하고 있는 황 성분 1몰 당 약 2-4몰 정도의 비율이 되는 양) 정도가 적당하다.

안정제는 석탄연소 향상제의 안정도를 높이고 각 물질간의 비중의 차이를 감소시키기 위해 사용되는 물질로서, 글리세린을 비롯한 아민계열의 안정제(디메탄올아민, 디에탄올아민, 트리메탄올아민 및 트리에탄올아민)가 사용된다. 본 발명에서는 트리에탄올아민을 사용하며 그 양은 10-13 중량% 정도가 바람직하다.

상기 연소촉진제는 석탄이 함유하고 있는 무기질 중 산성 성분이 많은 경우에 특히 효과가 있으며, 염기성 성분이 많아 슬래그의 유동성이 증가되어 있는 경우에는 다공질의 산화알루미늄탄산칼륨, 산화마그네슘 또는 하이드로탈사이트를 5-10 중량% 첨가한다.

상기 석탄연소 향상제를 겨울에 사용하면 낮은 외부 온도로 인해 분사가 제대로 되지 않아 효과를 얻기 힘들 수도 있는데, 이를 방지하기 위해 에틸렌글리콜과 같은 동결방지제를 2-10 중량% 첨가할 수 있다.

따라서 본 발명은 하절기와 동절기로 나누어 사용할 수 있으며, 석탄에 포함되어 있는 무기질의 함량에 따라 연소 촉진제에 포함되는 각 성분의 조성비를 달리하여 적용할 수 있다.

석탄연소 향상제의 나머지 성분은 물이 된다.

석탄연소 향상제를 제조하기 위해서는 과산화수소수를 첨가할 때 온도를 45-50 ℃정도로 유지하여야 하며, 트리에탄올아민을 첨가할 경우에는 혼합도를 높이기 위해 70-80 ℃정도로 유지하는 것이 바람직하다.

석탄연소 향상제에 포함된 과산화수소수와 붕사는 고온에서 산소를 발생시켜 연소로 내벽에 붙어있는 물질들을 2차 연소시켜 부착되어 있는 물질을 다공질화되게 하여 약간의 충격이나 화염에도 쉽게 부서지게 함으로서 클링커를 제거할 수 있으며, 재에 포함되어 있는 미연탄소분의 연소를 도와 완전 연소를 가능하게 한다. 과산화수소수는 상온에서도 산소 라디칼을 발생하는데, 이를 방지하고 400℃ 이상에서 산소 라디칼을 안정적으로 발생시키기 위해 아민계 안정화제를 사용하고 있다. 한편 붕사는 온도에 높아짐에 따라 다음과 같이 반응한다.

Na₂B₄O₇ ·10H₂O → Na₂B₄O₇ +10H₂O ↑

Na₂B₄O₇ → Na₂B₄O₇(fused borax, borax) → 2B₂O₃+ Na₂O

붕사의 일부는 분해되어 산소 라디칼을 발생하지만 분해되지 못하고 발생된 B₂O₃에 의해 주변의 염기도를 높여 용융물의 유동성을 원활하게 하여 통기성을 향상시킨다. 또한 붕사는 연소로 및 부속 설비의 표면에 점착되어 피막을 형성함으로써 고온에서의 부식을 억제하는 효과를 발생시킨다.

석탄 연소 시 발생되는 황산화물과 탄산가스의 제거를 위해 알카리류(예를 들면, Na, K) 산화물과 알카리토류(예들 들면, Mg, Ca) 산화물을 사용할 수 있으나, 이 물질들은 반응성이 큰 강산화제로 연료와 직접 혼합하여 사용하는 것이 바람직하지 않다. 따라서 알카리 또는 알카리토류 염화물과 알카리류 산화물, 알카리토류 산화물을 수용액 중에 혼합하여 알카리 수산화물 또는 알카리토류 수산화물로 만들어 사용하는 바람직하다. 알카리 수산화물 혹은 알카리토류 수산화물 중에서도 수산화나트륨이 바람직하다. 탈황제로 사용되는 수산화나트륨(NaOH)은 고온에서 Na₂O와 활성이 강한 Na₂O₂가 생성되어 석탄 연소 시 생성되는 황산화물(대부분 SO₂)과 이산화탄소를 제거한다.

Na₂O₂+SO₂ → Na₂SO₄

Na₂O₂+CO₂ → Na₂CO₃+O

NaOH는 강력한 반응성을 가지므로 석탄에 존재하는 유기구조를 붕괴시켜{지방족 탄화수소가 붕괴되어 석탄을 구성하는 물질의 방향족성(aromaticity)이 증가하며, 지방족 에테르 역시 상당수 붕괴한다. 그리고 방향족화합물은 석탄을 구성하는 유기 물질의 대부분을 차지하며, 석탄의 반응성을 비교하는 중요 요소이다}, 유기 물질의 표면이 부서진다. 이로부터 방향성(이방성)이 낮아지게 되고, 이러한 물리적 디펙트(defect)가 연소 과정에서 활성 부위(active site) 역할을 하여 연소 반응성을 증가시키는 결과를 가져온다.

만일 수산화나트륨의 양이 충분하지 못하면 황산화물과 탄산가스를 충분히 제거하지 못하며, 과량이 첨가될 경우에는 융점이 낮은 Na₂SiO₃와 같은 물질이 생성되어 클링커의 생성을 증가시키는 역효과를 낼 수 있다. 따라서 첨가되는 양을 잘 조절하여, 클링커 방지 및 황산화물과 탄산가스의 충분한 제거를 위한 적절한 양이 되어야 한다.

이와 같이 제조된 석탄연소 향상제와 물과 혼합한 화합물을 투입하여 석탄을 연소한 경우, 석탄의 연소를 위한 활성화 에너지를 감소하여 연소반응이 쉽게 일어나게 하여 연소성을 향상시키며, 미분탄소량을 감소시켜 연소로의 온도를 상승 시킨다. 또한 대기오염물질인 황산화물, 질소산화물 및 탄소산화물의 양을 감소시켜 환경오염을 억제하고, 클링커와 같은 부산물을 감소시킨다. 이때 석탄과 석탄연소 향상제의 혼합 비율(중량 기준)은 석탄의 성분에 따라 1000 : 1에서 3000 : 1까지 변화시켜 사용될 수 있으나 바람직하게는 1000 : 1 이다. 본 실험 결과는 다음 표와 같다.

열 효 율

항 목	고위발열량(kcal/kg)	저위발열량(kcal/kg)	미연탄소율(%)	열 효 율(%)
분 무 전	4,760	4,610	31.15	37.20
분 무 후	4,780	4,637	16.97	47.59

석탄 절감률

검사항목 구분		증기량 (t/h)	석탄량 (t/h)	표준증기 생산량 (m³/h)	표준석탄 사용량 (t/h)	보일러 효 율 (%)	석 탄 절감율 (%)
1 차	투입전	234.2	36.7	9.0	26.2	78.6	11.8
	투입후	228.5	32.2	9.9	23.1	88.3
2 차	투입전	233.3	42.0	8.8	27.1	77.0	10.3
	투입후	238.3	35.1	9.8	24.3	87.5

표1과 표2에서 보는 것처럼 석탄연소 향상제를 투입한 경우 그렇지 않은 경우에 비하여 미연탄소량이 감소하고 열효율이 증가하며 소비되는 석탄의 양도 감소함을 알 수 있다. 이와 같은 현상은 석탄연소 향상제가 첨가됨으로써 석탄의 활성화 에너지를 낮추어 착화가 잘되게 하고, 석탄이 완전 연소되도록 충분한 산소를 공급해 주기 때문이다. 또한 석탄연소 향상제가 투입되면, 연소로 내부 벽에 붙어 있는 클링커가 제거되는 것을 확인할 수 있으며, 제거된 이후에는 클링커가 연소로의 내벽에 부착되는 것을 예방하여 열전달이 잘되므로 열효율이 향상되고 석탄의 소비량을 감소시킬 수 있다.

대기오염물질 감소량

항목	일산화탄소(CO : ppm)	질소산화물(NOx : ppm)	황산화물(SOx : ppm)
분 무 전	8,616	9.41	46.16
분 무 후	4,276	3.96	22.34
감 소 율 (%)	50.37	57.92	51.60

표3에서 보는 것처럼 대기오염물질인 질소산화물과 황산화물이 감소한 것을 확인할 수 있는데, 석탄연소 향상제에 포함되어 있는 물질에 의해 질소산화물과 황산화물과 같은 대기오염물질이 제거되고 있음을 알 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 것과 같이 석탄연소 향상제를 첨가함으로써 클링커 제거는 물론 석탄을 완전 연소시켜서 에너지 효율을 극대화할 수 있으며, 대기오염물질의 배출을 억제함으로써 환경을 보호할 수 있다.

Claims

과산화수소수 10-20 중량%;
붕사 10-15 중량%;
산화망간 1-5%;
수산화나트륨 12-20 중량%;
트리에탄올아민 10-13 중량% 및
잔량의 물로 이루어지며,
상기 과산화수소수를 첨가할 때 그 온도를 45∼50℃로 유지하며, 상기 트리메탄올아민을 첨가할 때 그 온도를 70∼80℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 석탄연소 향상제.지는 것을 특징으로 하는 석탄연소 향상제.
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청구항 1에 있어서,
다공질 물질 또는 하이드로탈사이트 5-10 중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 석탄연소 향상제.
청구항 1에 있어서,
에틸렌글리콜 2-10 중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 석탄연소 향상제.