KR101542076B1 - 고체연료의 연소 첨가제 조성물 및 이의 이용방법 - Google Patents

고체연료의 연소 첨가제 조성물 및 이의 이용방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 물 100 중량부에 대하여, 구리전구체 0.1~ 20 중량부, 마그네슘 전구체 10 ~ 300 중량부를 포함하는 고체연료의 연소 첨가제 조성물에 관한 것으로, 본 발명에 의한 조성물은 화력발전소에서 사용될 수 있는 석탄 등의 고체연료의 연소시 발생되는 슬래그와 파울링을 방지할 뿐 아니라 산소가 부족한 조건에서도 산소를 잘 전달하여 연소효율을 증가시킬 수 있는 장점을 갖는다.

Description

고체연료의 연소 첨가제 조성물 및 이의 이용방법{Composite for combusition of solide fuel and methode for using the same}
본 발명은 고체연료의 연소 첨가제 조성물 및 이의 이용방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 화력발전소에서 사용될 수 있는 석탄 등의 고체 연료의 연소시 발생되는 슬래그(slag)와 파울링(fouling)을 방지해 줄 수 있으며, 또한 산소가 부족한 연소조건에서도 산소를 잘 전달해 줄 수 있는 고체 연료의 연소 첨가제 조성물 및 이의 이용 방법에 관한 것이다.
화력발전소 등에서 석탄과 같은 고체연료의 연소를 촉진하고 연소로 또는 배기관내의 불완전 연소 또는 저용융점을 갖는 고체 등에 의해 고착되는 슬래그 및 파울링의 형성으로 열효율이 열악해지는 단점을 개선하기 위한 여러 가지 수단들이 현재까지 지속적으로 연구되어 왔다.
보다 구체적으로, 석탄 등의 고체연료가 연소하는 경우 석탄 내에 있는 무기질이 연소되지 않고 석탄회로 되어 그의 일부 또는 전부가 회융점보다 높은 영역에서 용융된 상태로 가스흐름을 따라 배출되다가 보일러 튜브의 복사 전열면에 응고, 부착되어 슬래그를 형성할 수 있다. 또한 회성분 중 알칼리 및 휘발성 성분이 휘발하여 연소가스중의 비산회와 함께 과열기, 재열기 등의 대류 전열면에 응축 부착하여 파울링을 형성함으로써 전열면을 부식시키고 연소가스의 흐름과 전열면으로의 열전달을 나쁘게 하여 열효율 저하는 물론 최악의 경우에 있어 부착된 석탄회 등이 떨어져 튜브 파열사고를 일으킬 여지가 있어 대응방법이 강구된다.
이러한 연소 첨가제 조성물에 관한 종래기술로서, 공개특허공보 제10-2012-0049000호에서는 Mg, Ca, Mn, Zn, Al 등의 금속과 알카리 금속으로 구성된 복합금속킬레이트화합물을 연소촉매 조성물로 사용한 기술에 관해 기재되어 있고, 또한 등록특허공보 제 10-0761065에 따르면 과산화수소, 규산염, 붕사, 수산화나트륨을 조성물로 사는 연료용 첨가제를 제공하고 있다.
그러나 상기와 같은 선행문헌을 포함하는 종래기술에서는 산소가 부족한 영역에서의 산소방출을 도와줄 수 있는 기능이 없으며, 또한 알카리 금속을 포함하는 단점이 있고, 과산화수소를 이용하는 경우에 이는 낮은 온도에서 쉽게 분해되어 고온의 보일러에서 원하는 곳까지 산소를 제공하는 데 어려움이 있을 것으로 예상된다.
일반적으로 알카리 금속은 탄소의 활성화에 도움이 되기 때문에 연소효율은 증대시킬 수 있으나, 알카리 금속을 포함하는 경우에 이는 연소후 석탄회에 잔존하게 되어 슬래그나 파울링의 문제를 유발할 수 있는 가능성을 여전히 내제하게 된다.
석탄회의 성분은 석탄종류별로 다양하게 존재하며 통상적으로 SiO2, Al2O3, Na2O, Fe2O3, K2O, CaO, MgO, TiO2, SO3 등이 존재한다고 알려져 있다. 이러한 물질중에서 슬래깅과 파울링을 유발하는 물질들은 Fe2O3, KO, NaO, SO3 등으로 알려져 있다. 이들 중 Na2O, K2O, CaO, MgO 등의 성분은 실리카와 알루미나와 결합된 상태로 존재한다고 알려져 있다. 또한 석탄회에 존재하는 산성화합물의 성분 중 황산 성분인 SO3는 석탄회의 염기성 화합물과의 반응성이 매우 높다. 따라서 염기도가 큰 Na2O, K2O와 반응성이 강하여 저융점인 Na2SO4, K2SO4로 쉽게 전환되어 슬래깅이나 파울링의 주 원인이 된다.
또한 석탄에 염소(Cl)성분의 함량이 높을수록 슬래깅과 파울링 현상이 많이 발생할 수 있는데, 상기 염소 성분은 석탄 연소시 염산으로 변환가능하게 되고 이는 열교환기의 철 성분과 반응하여 표면이 염화철로 전환된다. 한편, 연소용 산소에 의해서 상기 염화철은 산화철로 전환되어서 산화철 피막이 형성된다.
이때 앞서 언급된 Na2SO4, K2SO4 물질들이 산화철 피막에 도달하게 되면서 Na3Fe(SO4)3, K3Fe(SO4)3가 형성가능하다. 이 물질들은 융점이 낮기 때문에 보일러 튜브 표면에서 점성이 큰 액체로 존재하며, 열기가 닿지 않는 보일러 하부로 흘러내리면서 점차 식어 고체로 진행되는 과정에서 매우 큰 덩어리 형태의 바텀애쉬 문제를 야기하기도 한다. 따라서 상기 알카리 금속의 황산염들인 Na2SO4, K2SO4 발생을 최소화시키는 것이 중요한 요소이다.
또한 석탄회에 존재하는 알카리 산화물은 주로 장석형태 M2Al2Si6O16 (M=Na, K)로 존재하할 수 있다. 이들은 순수한 형태로 존재하면 파울링 문제는 발생하지 않지만, 이때 강산성인 SO3가 많이 존재할수록 알카리산화물은 따로 떨어져서 알카리 금속염의 황산염 형태로 전환될 가능성이 증가한다.
따라서 상기 알카리 금속의 황산염 성분의 생성을 억제하기 위해 우수한 탈황성능을 갖는 연소 첨가제 조성물이 필요되고 있다.
한편, 석탄과 같은 고체연료의 연소시 고체연료의 내부에서는 국부적으로 산소가 풍부한 영역과 부족한 영역을 구분될 수 있다.
이 경우에 산소가 풍부한 영역에서는 산소를 흡수하고, 부족한 영역에서는 산소를 방출하는 기능의 촉매계가 필요하다. 이러한 개념의 연소 보조 촉매계로는 CuO-Fe2O3 [Baowon Wang, et. al., Procedia Engineering 16 (2011) 48-53], NiO/Al2O3 [Laihong Shen, et, al., Coumbustion and Flame 156 (2009) 1377-1385] 등이 알려져 있으며 상기 연소 보조제의 퇴화로 인한 문제점이 보고되고 있다.
한편, 앞서 설명한 바와 같이 알카리 금속은 탄소의 활성화에 도움이 되기 때문에 연소 효율은 증대시킬 수 있으나, 연소 후 석탄회에 잔존하게 되어서 슬래그나 파울링의 문제를 유발하는 인자가 될 수 있다. 예를 들면 무기물에 부착되지 않는 Na2O는 실리카와 쉽게 반응하여 융점이 낮은 물유리로 전환된다. 또한 아황산가스와 반응하여 저융점 화합물인 Na2SO4와 같은 저융점 화합물이 쉽게 만들어지기 때문에 슬래그와 파울링의 주요원인이 될 가능성을 내재하고 있다.
또한, 석탄에 있는 무기물 성분이 연소하면서 생성된 석탄회인 K2O는 K2SO4 혹은 K3Fe(SO4)3와 같은 저융점 화합물이 쉽게 만들어진다. 상기 저융점 화합물은 슬래깅과 파울링을 발생시키는 주요인자 물질이다.
상기의 저융점 화합물로 인하여 회용융점이 낮아지게 되면 생성된 석탄회가 녹아 연소로에 붙으면서 연소 효율이 떨어지고 심하면 크랭커가 되어서 연소로 주변의 배관을 폐쇄하여 연소를 방해하게 되고 수리, 청소 등의 관리 비용을 더 많이 유발시키는 등 석탄 연소로의 운용에 큰 문제점을 가져온다.
따라서, 회용융점의 온도를 높여서 슬래그와 파울링을 방지할 수 있으며 또한 산소의 흡수와 방출을 용이하게 하는 금속촉매제를 선택하여 온도가 낮은 1000℃ 이하에서 산소를 쉽게 방출하는 기능을 가질 수 있으며, 우수한 탈황성능을 가지는 고체연료의 연소 첨가제 조성물의 제조에 관한 연구의 필요성이 지속적으로 요구되고 있다.
공개특허공보 제10-2012-0049000호(2012.05.16) 등록특허공보 제 10-0761065(2007.10.04)
Baowen Wang, et. al., Procedia Engineering 16 (2011) 48-53. Laihong Shen, et, al., Coumbustion and Flame 156 (2009) 1377-1385.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 산소의 흡수와 방출을 용이하게 하여 산소가 부족한 영역에서는 산소를 방출하는 기능을 가질 수 있으며 용융점의 온도를 높여서 슬래그와 파울링을 방지하고 우수한 탈황성능을 갖는 고체연료의 연소 첨가제 조성물 및 이를 이용한 고체 연료의 연소방법을 제공하고자 한다.
삭제
본 발명은 물 100 중량부에 대하여, 구리전구체 0.1~ 20 중량부, 수산화마그네슘을 포함하는 마그네슘 전구체 10 ~ 300 중량부를 포함하되, 상기 마그네슘 전구체는 수산화마그네슘의 표면에 수산화구리가 코팅되어 있는 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체연료의 연소 첨가제 조성물을 제공한다.
일 실시예로서, 상기 수산화마그네슘의 함량은 물 100 중량부에 대하여, 10~ 100 중량부로 포함할 수 있다.
삭제
일 실시예로서, 상기 마그네슘 전구체는 수산화마그네슘이외에 추가적으로 질산마그네슘을 포함할 수 있고, 상기 추가적으로 포함되는 마그네슘 전구체는 물 100 중량부에 1 내지 100 중량부일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 구리전구체는 질산구리, 황산구리, 염화구리로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
일 실시예로서, 상기 연소 첨가제 조성물은 물 100 중량부에 대하여, 점도조절제가 0.5 중량부 이하로 포함될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 연소 첨가제 조성물은 고체 연료 100 중량부에 0.0001 내지 2 중량부 첨가될 수 있다.
본 발명은 또한 물 100 중량부에 대하여, 비표면적이 5 내지 80 m2/g의 수산화마그네슘 분말 10 내지 100 중량부, 구리전구체 0.1~20 중량부, 질산마그네슘 10~100 중량부를 포함하는 고체연료의 연소 첨가제 조성물을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 기재된 연소 첨가제 조성물을 고체 연료 100 중량부에 0.0001 내지 2 중량부 첨가하여 고체 연료에 분사한 후에 상기 연소 첨가제 조성물이 분사된 고체 연료를 연소시키는 것을 특징으로 하는 고체 연료의 연소방법을 제공한다.
본 발명에서 얻어지는 고체연료의 연소 첨가제 조성물은 석탄 등의 고체연료의 연소시 연소로 또는 보일러의 내부 또는 배관에 형성될 수 있는 슬래그와 파울링을 방지할 수 있고, 우수한 탈황 성능을 가지며, 또한 산소가 부족한 영역에서는 산소를 방출하는 기능을 가질 수 있어 연소효율을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에서의 산화구리의 효과를 보여주는 TGA 분석 결과를 나타낸 그림이다.
도 2a)는 본 발명의 실시예에 의해 얻어지는 조성물을 건조하여 분석한 SEM 분석결과이고 도 2b)는 상기 조성물의 EDX 분석결과이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 기술자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 발명의 구성을 상세히 설명한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 원리를 상세하게 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명은 물 100 중량부에 대하여 구리전구체 0.1~20 중량부, 마그네슘전구체 10~300 중량부를 포함하는 고체연료의 연소 첨가제 조성물을 제공한다.
본 발명에서 상기 고체연료의 연소 첨가제 조성물의 제1 성분으로서 구리전구체는 고체연료의 연소 조건인 고온상태에서의 공기를 포함하는 산화조건에서 공기내에 포함된 산소와 결합하여 산화구리를 형성할 수 있는 것이면 그 종류에 제한을 두지 않는다.
상기 구리 성분의 산소 방출 효과와 관련하여, 종래의 연소촉매제로 알려진 물질인 CuO, Fe2O3, V2O5를 선택하여 TGA 분석을 통하여 1000℃ 이하에서 산소를 자유롭게 방출하는 물질은 비교 물질 중에서 CuO가 가장 유용한 물질임을 확인할 수 있었다. 따라서 연소조건에서 산소를 쉽게 방출할 수 있는 물질은 CuO임을 쉽게 이해할 수 있다.
도 1에서는 상기 TGA 분석 결과를 도시하였다.
또한, 연소촉매제로 알려진 물질인 CuO-Fe2O3 [Baowen Wang, et. al., Procedia Engineering 16]에 대해서 두 물질을 섞어서 산소방출 정도를 관찰한 결과 산화철의 효과를 입증하기 어려웠다. 따라서 환원조건하에서 산소를 쉽게 방출할 수 있는 물질은 CuO임을 쉽게 이해할 수 있다.
상기 산화구리성분은 석탄 연소시 환원영역에서 제2산화구리는 제1산화구리로 전환되면서 산소를 방출하며 산소가 부족한 물질에 산소를 공급해 주는 역할을 하게 된다. 또한 황산가스가 존재할 경우 표면에 CuSO4가 먼저 만들어지게 되는데 이 물질은 560'C에서 쉽게 분해된다. 분해된 물질은 산화구리와 SO3로 전환되며 SO3는 후술하는 추가의 성분인 마그네슘 성분중 산화마그네슘(MgO)과 반응하여 황산마그네슘(MgSO4)으로 전환된다. 이러한 반응을 한 경우에는 역반응이 진행되지 않고 산화마그네슘(MgO)는 소모되는 특징이 있다. 또한 산화구리는 아황산가스와 반응하여 황산가스로 쉽게 전환시키는 성질이 있으므로 연소로 내에서 탈황 기능을 가지고 있어서 건식탈황제로 사용하기에 적합하다.
본 발명에서 고체 연료에 촉매로서 실질적으로 작용할 수 있는 부분은 산화구리일 수 있으나, 상기 산화구리(CuO)는 물에 대한 용해도가 상당히 떨어지기 때문에 고체 연료에 분산성이 떨어지게 되어 이들 액체 성분에 대한 용해도가 높은 물질을 전구체로 사용할 필요가 있다.
상기 구리전구체는 구리를 포함하는 구리 염 화합물을 예로 들 수 있으며, 바람직하게는 질산구리, 황산구리, 염화구리로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 구리전구체는 석탄 등의 고체연료에 물과 함께 분사시킴으로써, 상기 구리 전구체를 포함하는 고체연료는 연소 조건하에서 산화구리로 변환이 가능하며, 상기 산화구리는 산소의 흡수와 방출을 용이하게 할 수 있는 기능을 한다.
예컨대, 화력발전소내 연소실내에서 1000℃정도의 온도에서 연소는 산소가 부족한 경우가 많이 있으며, 고체연료를 연소하는 동안에 국부적으로 산소가 부족한 영역과 풍부한 영역이 공존하게 된다. 이때, 산소가 부족한 영역에서는 불완전한 연소가 이루어지기 때문에 효율적인 산소공급이 필요한데 본 발명의 연소 첨가제의 경우 환원영역에서 산화구리(II)가 산화구리(I)으로 되면서 산소를 방출하기에 효과적으로 연소를 할 수 있으며, 또한 황산가스가 존재할 경우 표면에 CuSO4가 먼저 만들어지게 되는데 이 물질은 560'C에서 쉽게 분해된다.
상기 분해된 물질은 산화구리와 SO3로 전환되며 SO3는 MgO와 반응하여 MgSO4로 전환된다. 이렇게 반응을 한 경우에는 역반응이 진행되지 않고 MgO는 소모되는 특징이 있다. 또한 산화구리는 아황산가스와 반응하여 황산가스로 쉽게 전환시키는 성질이 있으므로 연소로 내에서 탈황 기능을 가지고 있어서 건식탈황제로 사용하기에 적합하다.
이러한 목적을 달성하기 위해서는 구리 전구체의 함량의 조성비는 물 100 중량부에 대하여, 0.1~20 중량부 범위내가 바람직하다.
그리고 Westmoreland와 Harrion의 탈황실험(Westmoreland, P. R. and Harrison, D. P. : "Evaluation of Candidate Solids for High-Temperature Desulfurization of Low-Btu Gases", Environmental Science & Technology, 10, 659 (1976))에 의하면 400~1200℃의 온도 범위에서 유용한 10가지 원소를 발표하였는데 그 중의 구리가 포함되어 있다. 이로 인하여 본 발명에서 사용된 상기 구리 전구체는 산소를 방출하는 역할을 하는 동시에 탈황성능도 갖추고 있다.
본 발명에서 바람직하게는, 상기 구리 전구체 중 특히 질산구리(Cu(NO3)2)가 바람직하게 사용될 수 있다.
한편, 상기 질산구리 이외에 황산구리, 또는 염화구리를 사용하게 되는 경우에는 상기 황산구리는 알카리금속과 반응성이 있어 슬래그와 파울링을 유발할 가능성이 존재하며, 염화구리는 연소후에 염소이온 또는 염소가스가 포함될 수 있고, 이는 배관내의 철 성분과 반응하여 표면이 염화철로 전환 될 수 있어 연소용 공기내 산소에 의해서 산화철로 전환되어 산화철 피막이 형성될 수 있는 문제점이 있으나, 이는 연소로의 연소 조건에 따라 문제시되지 않을 수도 있다.
상기 질산구리는 수용액상에서 잘 용해하며, 이의 수용액을 고온, 산소 분위기 하에서 분사시킬 경우 나노입자화되는 특징이 있어서 CuO의 활성도가 매우 증가하게 된다.
한편, 본 발명에서 사용될 수 있는 질산구리 함량은 사용되는 용매인 물에 대해 0.1~20 중량부의 범위내가 바람직하다.
상기 구리전구체의 함량으로서는 물 100 중량부에 대하여, 구리전구체 0.1~ 20 중량부를 사용할 수 있고, 바람직하게는 0.2 내지 15 중량부를 사용할 수 있다. 상기 구리전구체의 함량이 0.1 중량부보다 낮은 경우에는 구리 전구체로 인한 산소 방출 효과가 미미하며, 또한 상기 구리전구체의 함량이 20 중량부 보다 높은 경우에는 경제성이 떨어지게 되어 상기 범위가 바람직하다.
산화구리는 최종적으로 실리카와 반응하여 실리카구리(copper silicate)로 전환되어서 석탄회내의 점성물질들보다 결정성이 높아지게 된다. 결과적으로 입자들의 점성이 떨어지므로 입자뭉침현상이 줄어들어서 큰 덩어리의 석탄회가 발생하지 않도록 도움을 주는 특징이 있다.
본 발명의 고체연료의 연소 첨가제 조성물의 제2 성분으로 마그네슘 전구체가 사용될 수 있다.
석탄회에 존재하는 황화합물을 보다 효율적으로 제거하기 위해서는 알카리토금속을 첨가하여 사용할 수 있다. 이를 위해 마그네슘, 또는 칼슘이 사용가능하나, 마그네슘 성분으로서 산화마그네슘은 SO3와 쉽게 반응하여 고융점인 MgSO4로 전환되기 때문에 슬래깅이나 파울링을 제어할 수 있다.
또한 상기 마그네슘 산화물이 사용되는 경우 기 생성된 Na2SO4도 MgSO4로 전환될 수 있으므로 표면부식 수준에 머물고, 심각한 슬래깅 문제는 완화될 수 있다.
한편, 또 다른 알카리토금속 성분으로서 칼슘성분은 석고화가 일어날 가능성이 있으므로 또 다른 파울링의 문제를 야기할 수 있어 마그네슘 성분이 바람직하다.
상기 마그네슘 전구체도 고체연료의 연소 조건인 고온상태에서의 공기를 포함하는 산화조건에서 공기내에 포함된 산소와 결합하여 산화마그네슘을 형성할 수 있는 것이면 그 종류에 제한을 두지 않는다.
상기 마그네슘 전구체의 역할은 고체연료의 연소이후에 생성될 수 있는 아산화황과 같은 황화합물을 효과적으로 제거하기 위하여 사용된다.
즉, 앞서 기재된 바와 같이 연소반응에 의해 SO3가 생성되는 경우에 상기 SO3는 마그네슘 성분과 반응하여 황산마그네슘(MgSO4)으로 전환가능하며, 이러한 반응을 한 경우에는 역반응이 진행되지 않고 산화마그네슘(MgO)이 소모되는 특징이 있다.
상기 마그네슘 전구체는 마그네슘을 포함하고 있는 마그네슘 화합물로서, 산화마그네슘, 수산화마그네슘, 질산마그네슘, 황산마그네슘, 탄산마그네슘 등이 사용될 수 있고, 본 발명에서는 이들 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 상기 마그네슘 전구체로서 수산화마그네슘이 사용될 수 있다.
상기 마그네슘 전구체는 구리전구체와 함께 사용하지 않고 단독으로 사용하는 경우에 탈황성능은 어느 정도 발휘되지만 슬래깅과 파울링 및 미연탄과 일산화탄소, 아황산가스, 황산가스의 저감효과를 만족시키지 못할 수 있다.
한편, 본 발명에서 상기 수산화마그네슘은 구리 전구체와 함께 수산화마그네슘만이 사용하되나 또는 상기 수산화마그네슘과 산화마그네슘, 수산화마그네슘, 질산마그네슘, 황산마그네슘, 탄산마그네슘 중 어느 하나의 화합물을 혼합하여 사용할 수 있다.
이 경우에 사용되는 수산화마그네슘은 비표면적이 3~150㎡/g의 범위내에 있는 것을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 5~80㎡/g의 범위에 있는 것을 사용할 수 있다.
상기 수산화마그네슘은 가격적인 면에서 저가이며, 탈황반응에 의해 얻어지는 산물인 황산마그네슘이 수용액상에 용해됨으로써의 배출이 용이하다는 점과 흡수액은 약알칼리성을 가지고 있어서 부식성이 낮아 연소로나 보일러 튜브의 손상을 줄일 수 있다는 장점을 갖고 있다.
또한, 상기 수산화마그네슘의 성분 중에서 마그네슘 성분은 무기물의 IDT(회융점)을 높이는 역할을 하며, 이온 상태의 알칼리 금속과 착이온 형태로 결합하여 연소에 사용될 수 있다.
한편, 일반적으로 금속성분의 수산화물 계열의 화합물은 연소시 수산화물이 분해되면서 탄소전화효율을 증가시켜 연소효율을 높이고, 연소시 고체연료내에 알루미나 산화물이 함유된 경우에 이의 녹는점을 낮춰 연소시 생성되는 융착물을 제거하거나 생성을 억제함으로서 슬래그나 파울링을 줄일 수 있는 효과를 줄 수 있다.
본 발명에서 사용될 수 있는 상기 마그네슘 전구체의 함량으로서는 물 100 중량부에 대하여 10 내지 200 중량부를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 15 내지 150 중량부를 사용할 수 있다.
상기 수산화마그네슘의 함량이 너무 낮으면 황산가스와 반응성이 떨어지고 높을수록 유리하지만 단가와 분산에 문제가 있을 수 있다.
한편, 본 발명에서 마그네슘 전구체로서 수산화마그네슘을 수산화마그네슘이외의 마그네슘 전구체와 혼합하여 사용하는 경우에는 수산화마그네슘 이외의 전구체로서, 산화마그네슘, 수산화마그네슘, 질산마그네슘, 황산마그네슘, 탄산마그네슘 중 어느 하나의 화합물이 사용될 수 있다.
상기 수산화마그네슘을 수산화마그네슘이외의 마그네슘 전구체와 혼합하여 사용하는 경우에 각각의 전구체의 사용되는 함량은 물 100 중량부에 대하여 수산화마그네슘 10 내지 100 중량부 및 수산화마그네슘이외의 마그네슘 전구체 10 내지 200 중량부를 사용할 수 있다.
이 경우에 상기 수산화마그네슘이외의 마그네슘 전구체로서 바람직하게는 질산마그네슘이 사용될 수 있다.
한편, 본 발명에서 사용되는 구리전구체 또는 마그네슘 전구체는 수화물형태로 사용할 수 있고, 또는 무수물 형태로 사용될 수 있다. 이 경우에 사용되는 구리전구체 또는 마그네슘 전구체의 함량은 배위된 H2O 분자를 제외한 무수물을 기준으로 함량의 범위를 정한다.
본 발명에서의 연소 첨가제 조성물에 질산 마그네슘이 추가적으로 포함되는 경우 상기 질산마그네슘은 고온에서 분해되어 MgO, NOx 전환되며, MgO는 SO3와 반응하여 고융점인 MgSO4로 전환되고, NOx는 CO와 반응하여 질소와 이산화탄소로 전환될 수 있다. 이때 NO3는 산소제공자 역할을 하게 되므로 일반적인 산화마그네슘만을 사용하는 것보다 미연탄분의 생성을 억제하는데 우수한 효과를 줄 수 있다.
상기 질산마그네슘을 상기 범위 이상으로 사용하게 되면 그 효과는 증대되지만 경제적인 이유로 인해서 단독 사용하는 것은 바람직하지 않다.
한편, 본 발명에서의 고체연료에는 추가적으로 연소 첨가제 조성물 100 중량부를 기준으로 지방산에스테르 3 ~ 50 중량부 및 유동파라핀 5 ~ 30 중량부를 더 포함하도록 하여 연소시킬 수 있다.
상기 고체연료에 추가되는 지방산에스테르 및 유동파라핀은 연료의 착화온도를 낮추어 초기 착화를 도우며, 연료의 발열량 향상, 연료의 반응 안정화 및 연소실 내에서의 연소 상태를 안정화하는 역할을 한다.
여기서, 상기 지방산에스테르는 대두유, 유채유, 팜유, 해바라기유 또는 옥수수유 중에서 선택되는 식물성 오일의 메틸에스테르가 사용가능하다. 또한 상기 식물성 오일의 메틸에스테르는 식물성 오일을 이용한 바이오디젤유의 생산과정에서 발생하는 피치유를 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 지방산에스테르 및 유동파라핀의 함량은 연소 첨가제 조성물 100 중량부를 기준으로지방산에스테르 3 ~ 50 중량부 및 유동파라핀 5 ~ 30 중량부의 범위를 가질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
바람직하게는 상기 연소 첨가제 조성물 100 중량부를 기준으로 고체연료에 지방산에스테르 5 ~ 30 중량부 및 유동파라핀 5 ~ 20 중량부를 포함시킬 수 있다.
본 발명에 사용되는 고체연료의 종류는 일반적으로 화력발전소에 사용되는 고체연료로 대상으로 하고 있으며, 특정 종류의 고체연료로 제한을 두지 않는다.
예컨대, 본 발명에서 사용될 수 있는 고체연료의 종류로는 석탄, 코크스 등이 있으며, 이중에서는 석탄이 가장 많이 사용된다. 석탄은 탄화된 정도에 따라 탄소가 많은 무연탄, 휘발성분이 많은 역청탄, 갈탄 등으로 분류된다. 역청탄은 발열량이 무연탄보다 떨어지나 휘발성분이 많기 때문에 발전용으로 효과적인 연료이다.
이들 고체연료의 성분은 주로 탄소 및 수소와 산소, 기타 헤테로원자로서 질소, 황이 포함되며, 그밖에 무기물 등이 추가적으로 포함되어 있다.
상기 황 성분은 연소후에 이산화황 또는 황산가스로 변환될 가능성이 있어 이의 효과적인 억제가 필요하다.
본 발명에서의 연소 첨가제 조성물의 전구체 성분들은 물에 용해되거나 또는 분산되어져 사용될 수 있다.
한편, 본 발명에서의 상기 연소 첨가제 조성물이 연소시 사용될 수 있는 함량으로서, 상기 연소 첨가제 조성물은 고체 연료 100 중량부에 0.0001 내지 2 중량부를 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.0005 내지 1.5 중량부, 더욱 바람직하게는 0.001 내지 1.2 중량부를 사용할 수 있다.
상기 연소 첨가제 조성물이 0.0001 중량부보다 낮게 사용되는 경우 연소시 그 효과가 미미하고 2 중량부 이상을 사용하게 되면 경제적으로 불리하게 되어 상기 범위내의 함량을 가지는 것이 바람직하다.
예시적으로, 본 발명의 연소 첨가제 조성물은 물 100 중량부에 대하여 수산화마그네슘 분말 10 내지 100 중량부, 구리 전구체 0.1 내지 20 중량부, 질산마그네슘 10~100 중량부를 사용하여 고체연료의 연소 첨가제 조성물을 만들 수 있다. 이 경우에 상기 수산화마그네슘의 비표면적은 5 내지 80 m2/g의 범위를 가질 수 있다.
일 실시예로서, 본 발명의 연소첨가제 조성물에 산화구리(CuO) 성분을 도입하기 위해서는 물에 수산화마그네슘을 분산하여 얻어지는 슬러리에 전구체 성분으로서 질산구리(Cu(NO3)2)를 첨가하면 수산화마그네슘 입자에 구리전구체가 흡착하게 된다.
즉, 수산화마그네슘 입자(Mg(OH)2)는 0.0014g/100㎖ 정도로 소량이나마 물에 녹아서 수산화기를 방출하게 된다, 이때 방출된 수산화기는 Cu(NO3)2의 니트로 음이온과 교환반응을 일으키게 된다. 자동적으로 수산화마그네슘 표면에 Cu(OH)2가 코팅되어 구리성분을 흡착시킬 수 있게 된다. 이러한 방식으로 만들어진 산화구리는 산화마그네슘과 함께 구리의 산화촉매, 탈황, 실리카구리 등의 형성 작용에 큰 상승효과를 가져 온다.
이때 추가적으로 질산마그네슘을 투여함으로써 상기와 같은 연소 첨가제 조성물을 제조할 수 있다. 한편, 상기 슬러리는 쉽게 가라앉는 특징이 있어서 점도조절제인 셀룰로오스계와 같은 물질을 0.5중량부 이하로 적용하면 분산안정성을 얻을 수 있다.
한편, 본 발명에서의 연소 첨가제 조성물은 고체 연료에 분사되어 분산된 형태로서 사용될 수 있다.
즉, 석탄과 같은 고체연료에 상기 연소 첨가제 조성물을 분사하여 넓은 면적에 균일하게 분산시킨 후에 이를 연소실내에서 연소시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 연소 첨가제 조성물을 슬러리 형태로 제조한 후에 화력발전소에서 사용되는 석탄 등의 고체연료에 이를 미리 분사하고 상기 분산된 고체연료를 연소로에 넣고 연소할 수 있다. 상기 미리 분사되어 분산된 연소 첨가제 조성물은 고체연료의 표면에 균일하게 분산시킴으로써 고체연료가 연소시 본 발명이 주는 효과를 줄 수 있다.
또한, 상기 연소 첨가제 조성물은 고체연료가 연소가 되는 과정 중에서 연소로 내에서 분사시켜 사용할 수 있다. 이 경우, 연소 첨가제 조성물 중 구리전구체인 질산구리가 고온에서 나노입자가 되는 특성이 있기 때문에 보다 효과적으로 산소를 공급할 수 있는 조건이 된다.
또한, 연소실 후단쪽에서 분사함으로써, 배가스에 포함된 아황산가스를 흡수할 수 있고, 고체 연료에 직접 분사하지 않고 공기 중에서 분사를 하여 고체연료와 접촉시킴으로써 분산되는 경우에는 접촉면이 넓어져서 탈황성능을 높일 수 있다는 장점이 있다.
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 고체연료의 연소 첨가제 조성물의 제조방법을 설명한다.
<실시예 1>
36% 수산화마그네슘 슬러리 (평균입경 2.5 um) 100 중량부에 Mg(NO3)2·6H2O (분자량 256.41) 60 중량부, Cu(NO3)2·4H2O 6 중량부를 첨가하여 24시간 교반하여 조성물을 완성하였다. 이 조성물은 MgO 기준으로 약 20% 함량의 조성을 갖게 되는 슬러리 형태이다. 또한 Cu(OH)2는 Mg(OH)2 입자에 골고루 분산되어 있음을 도 2의 EDX 측정결과로 입증할 수 있다.
<실시예 2>
탄소 74.2%, 산소 3.1%, 질소 1.8%, 황 0.5%, 회분 15.9%, 발열량 6,106kcal 의 특성을 갖고 있는 석탄(Dawson) 1000kg에 실시예 1의 조성물을 312g(실시예 2-1), 1560g(실시예 2-2) 및 3120g(실시예 2-3)을 각각 첨가하여 연소로에 투입한 것과 제조된 연소 첨가제를 투입하지 않은 결과에 대하여 IDT(무기물의 회융점), CO함량 및 SO2 함량에 관해 아래의 표 1에 정리를 하였다.
구분
 IDT(무기물의 회융점) CO(ppm) SO2(ppm)
미첨가 연료(석탄 1000kg)
 1200℃ 102 110
실시예 2-1
(석탄 1000kg+첨가제 312g)		 1320℃ 65 109
실시예 2-2
(석탄 1000kg+첨가제 1560g)		 1410℃ 35 105
실시예 2-3
(석탄 1000kg+첨가제 3120g)		 1420℃ 29 100
상기 표 1의 결과를 통하여 IDT가 증가함에 따라서 연소로의 열교환기에 축척되는 클링커의 생성량이 현저히 감소하였다는 것을 확인할 수 있으며, CO도 상당히 감소하는 경향을 볼 수 있다. 또한 아황산가스의 함량은 첨가량이 증가함에 따라 감소하는 결과를 보여주고 있다.
결과적으로 연소로 내에서 열교환성능이 향상되어 연료절감효과뿐만 아니라 환경문제 해결에도 상당한 도움을 줄 수 있다는 것을 알 수 있다.

Claims (10)

  1. 물 100 중량부에 대하여, 구리전구체 0.1~ 20 중량부, 수산화마그네슘을 포함하는 마그네슘 전구체 10 ~ 300 중량부를 포함하되, 상기 마그네슘 전구체는 수산화마그네슘의 표면에 수산화구리가 코팅되어 있는 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체연료의 연소 첨가제 조성물.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수산화 마그네슘은 물 100 중량부에 대하여, 10 내지 100 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체연료의 연소 첨가제 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 구리전구체는 질산구리, 황산구리, 염화구리로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 고체연료의 연소 첨가제 조성물.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 마그네슘 전구체는 추가적으로 질산마그네슘을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체연료의 연소 첨가제 조성물.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 추가적으로 포함되는 마그네슘 전구체는 물 100 중량부에 1 내지 100 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체연료의 연소 첨가제 조성물.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 연소 첨가제 조성물은 물 100 중량부에 대하여, 점도조절제가 0.5 중량부 이하로 포함되는 것을 특징으로 하는 고체연료의 연소 첨가제 조성물.
  9. 물 100 중량부에 대하여, 비표면적이 5 내지 80 m2/g의 수산화마그네슘 분말 10 내지 100 중량부, 구리전구체 0.1~ 20 중량부, 질산마그네슘 10 ~ 100 중량부를 포함하는 고체연료의 연소 첨가제 조성물.
  10. 제1항, 제3항 내지 제6항, 제8항, 제9항 중 어느 한 항에 기재된 연소 첨가제 조성물을 고체 연료 100 중량부에 0.0001 내지 2 중량부 첨가하여 분사한 후에, 상기 연소 첨가제 조성물이 분사된 고체 연료를 연소시키는 것을 특징으로 하는 고체 연료의 연소 방법.
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