KR101612894B1 - 질산칼슘의 조해성 (潮解性)을 해소한 고체연료화합물의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 질산칼슘의 조해성(潮解性)을 해소한 고체연료화합물의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 사용되는 물질은 아래와 같다.
Ca(N0₃)₂: 46% , NaNO₃: 24%, Na₂CO₃: 30% 또는
Ca(N0₃)₂: 47%, NaNO₃: 24.34%, CaCO₃: 28.66%
이상의 성분비로 반응시킬 때의 반응식은 아래와 같다.
Ca(N0₃)₂ + NaNO₃ + Na₂CO₃ Ca(N0₃)₂·NaN0₃·Na₂O + CO₂
Ca(N0₃)₂ + NaNO₃ + CaCO₃ Ca(N0₃)₂·NaN0₃·CaO + CO₂
액상의 탄산나트륨과 질산나트륨에 질산칼슘과 탄산칼슘을 반응조에서 온도를 120~150°C로 유지하면서 교반하면 수분은 증발되어 슬러지 상태로 변하면서 온도가 230~250°C로 급상승하다가 서서히 하강하면서 반응이 종료된다. 이때 매우 단단한 결정상태의 고체연료화합물을 얻는다.
본 발명에 의하여 생성된 고체연료화합물은 대기 중에 장기간 노출되어도 습기를 흡수하여 녹는 현상이 없다. 또한 산성이고 중금속을 함유한 다른 발화제나 조연제가 연소 시에 많은 인체에 유해한 가스를 방출하는 것과 달리 칼슘과 나트륨만 함유하고 있고 약알칼리성을 띠고 있어서 인체에 유해성이 없다.
본 발명은 국내에서 생산할 수 있어서 경제성이 높을 뿐만 아니라 초기 발화를 위해 별도의 발화제를 사용하지 않고 숯가루에 혼합하여 고체연료를 만드는데 사용될 수 있다.
본 발명의 조성물은 조해성을 개선하였으므로 소량의 물로 용해한 후 다시 건조하여 고체연료를 성형하였을 경우에도 조해성이 나타나지 않는다.
색인어
고체연료, 칼슘니트레이트, 소디움니트레이트, 조해성.

Description

질산칼슘의 조해성 (潮解性)을 해소한 고체연료화합물의 제조방법 {Process for Annulling Deliquescence of Calcium Nitrate in Solid Fuel Compound}
본 발명은 질산칼슘의 조해성(潮解性)을 해소한 고체연료화합물의 제조방법에 관한 것이다.
고체연료 조성물은 천연 숯이 산림자원의 보호로 공급이 제한되는 상황에서 개발된 대체품이다. 고체연료조성물은 간벌 등으로 폐기되는 잡목이나 야자껍질, 톱밥 등을 탄화시킨 숯 분말을 주재로 하므로 자원재활용과 원가 면에서 유리하다.
고체연료 조성물은 숯가루를 주재로 하고 이에 조연제, 점화제, 바인더, 명반, 벤토나이트, 제오라이트 등이 혼합된다. 점화제는 초석이 널리 사용되고 있으며, 바인더는 호화전분이 일반적이고 나머지 성분들은 연소 시 또는 연소 후 재가 분산 또는 비산되는 것을 저감시키는 역할을 한다.
인조 고체연료 개발의 관건은 점화가 용이하고 연소시간이 충분히 지속되어야 하며 특히, 조연제에서 인체에 해로운 유독가스가 발생하지 않아야 한다는 조건을 충족시켜야 한다. 그간 다양한 고체연료 조성물이 개발되어 왔으나 대부분 실용화되지 못하고 있다. 다만 조연제로 바륨화합물을 사용한 고체 연료조성물 또는 착화탄이 널리 사용되고 있으나 연소 시 발생하는 바륨가스의 유해성 문제가 남는다.
본 발명과 관련된 선행기술로 발명특허 제 583937호인 ‘고체연료 조성물’이 알려진 바 있다. 이 선행발명은 인체에 무해하며 원가가 낮은 조연제를 제공하기 위한 기술로서 조연제인 질산바륨을 질산칼슘으로 대체한 기술이다.
여기서 선택한 질산칼슘(Calcium nitrate)는 융점이 50℃로서 함수율이 높아 고체연료의 조연제로 사용하기가 부적합하므로 이를 미세하게 분말화한 후 저온에서 건조시킨 후 함수율이 충분히 낮아진 상태에서 다른 소재들과 혼합하는 방법을 택하고 있다. 하지만 고체연료를 제조하는 경우 포장을 완벽하게 밀봉하기가 어려우므로 유통과정이 길어지거나 장기 보관하는 경우 질산칼슘의 조해성으로 인하여 발화 및 연소기능이 현저히 감소될 뿐만 아니라 그 형태조차 유지할 수 없는 상태가 되는 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 문제점에 착안하여 조연제인 질산칼슘의 조해성을 개선하여 유통과정에서 발화성과 연소성이 유지되면서 장기간 성형상태를 온전히 유지할 수 있는 고체연료화합물을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 조연제인 질산칼슘의 점화성 및 연소성을 유지하면서도 조해성을 해소하는 물질과 반응시키며, 투입되는 물질의 최적 조성비와 반응시간을 찾아내는데 주안을 두고 있다.
본 발명에 사용되는 물질과 분자식은 아래와 같다.
Calcium Nitrate. Ca(N0₃)₂
Sodium Nitrate. NaN0₃
Sodium Carbonate. Na₂CO₃ 또는 Calcium Carbonate. CaCO₃
이상의 물질을 적정 성분비로 혼합하여 반응조에서 가열 및 교반하면 고열의 화합반응을 거쳐 단단한 고체로 응결된다. 이를 미세하게 분쇄하고 숯가루와 소량의 물을 혼합한 다음 성형하면 고체연료가 완성된다.
본 발명에 의하여 생성된 고체연료화합물은 대기 중에 장기간 노출되어도 습기를 흡수하여 녹는 현상이 없다. 또한 산성이고 중금속을 함유한 다른 발화제나 조연제가 연소 시에 많은 인체에 유해한 가스를 방출하는 것과 달리 칼슘과 나트륨만 함유하고 있고 약알칼리성을 띠고 있어서 인체에 유해성이 없다.
본 발명은 국내에서 생산할 수 있어서 경제성이 높을 뿐만 아니라 초기 발화를 위해 별도의 발화제를 사용하지 않고 숯가루에 혼합하여 고체연료를 만드는데 사용될 수 있다.
본 발명의 조성물은 조해성을 개선하였으므로 소량의 물로 용해한 후 다시 건조하여 고체연료를 성형하였을 경우에도 조해성이 나타나지 않는다.
본 발명에 사용되는 물질은 질산칼슘, 질산나트륨 그리고 탄산나트륨 또는 탄산칼슘 중의 하나이다.
질산칼슘은 인체에 무해하며 우수한 조연제로 사용된다. 질산나트륨은 가연성 물질이 가해지면 폭발하는 성질을 가지는데 고체연료에 불을 붙였을 때 즉시 착화되는 발화제로 사용된다. 질산칼슘은 조해성이 있지만 한편으로는 바인더 역할을 하므로 화합물의 응결을 촉진시켜주는 작용도 한다.
탄산나트륨과 탄산칼슘은 반응을 촉진할 뿐만 아니라 발화 및 연소를 촉진해준다. 탄산나트륨은 탄산칼슘 보다 가격이 1/3 정도로 저렴하고, 탄산칼슘은 연소 시 고열을 발생시킨다.
본 발명의 원료 중 하나인 질산칼슘(Calcium Nitrate)은 솔루션인 경우 SG 1.45~1.50, 4수염[Ca(N0₃)₂·4H₂O], 무수염[Ca(N0₃)₂] 중 어느 것도 가능하나 무수염이 가장 조해성을 해소하는데 유리하다.
이상의 물질을 반응시킬 때 적정한 성분비는 아래와 같다. 다만, 성분비는 중량% 이며, 순수 Ca(N0₃)₂ 상태로 계산한 것이다.
Ca(N0₃)₂: 46% , NaNO₃: 24%, Na₂CO₃: 30% 또는
Ca(N0₃)₂: 47%, NaNO₃: 24.34%, CaCO₃: 28.66%
이상의 성분비로 반응시킬 때의 반응식은 아래와 같다.
Ca(N0₃)₂+ NaNO₃+ Na₂CO₃→ Ca(N0₃)₂·NaN0₃·Na₂O + CO₂↑
Ca(N0₃)₂+ NaNO₃+ CaCO₃→ Ca(N0₃)₂·NaN0₃·CaO + CO₂↑
위 반응식에서 알 수 있는 바와 같이 탄산 칼슘과 탄산나트륨은 산에 용해되어서 CO₂를 발생시킨다. 여기서 관찰하게 되는 것은 화합물에서 Ca의 함량이 높아지면 열량이 증가함과 동시에 조해성도 높아진다는 것이다.
이상의 반응형성과 조연제로서 함량이 가장 적합한 비율이며 또한 반응성을 용이하게 하기 위해서 원료 중 탄산나트륨, 질산나트륨은 분말상태로도 반응이 가능하나 교반이 잘 이루어지게 하기 위하여 가열하여 용해시켜서 사용하는 것이 바람직하다. 액상의 탄산나트륨과 질산나트륨에 질산칼슘과 탄산칼슘을 반응조에서 온도를 120~150°C로 유지하면서 교반하면 수분은 증발되어 슬러지 상태로 변하면서 온도가 230~250°C로 급상승하다가 서서히 하강하면서 반응이 종료된다. 이때 매우 단단한 결정상태의 고체연료화합물을 얻는다.
반응의 소요시간은 1시간 내지 1시간 20분이며 결정 상태를 325mesh로 분쇄하여 고체연료화합물을 완성한다. 완성된 고체연료화합물 적량을 숯가루에 투입한 후 가수하여 고체연료를 성형한다. 성형된 고체연료를 건조시키면 건조 상태가 오래 지속되고 장기간 대기 중에 노출되어도 조해작용이 일어나지 않는다.
필요에 따라 발화제인 소디움니트레이트를 사용하지 않는 경우도 있는데 이때는 고체연료 생산자가 별도로 발화제를 투여하여 고체연료를 제조한다. 이때 적정한 조성비 중량%는 Calcium Nitrate: 49%, Sodium Carbonate 또는 Calcium Carbonate 51%이다.
실시예 1.
Calcium Nitrate 35중량%, Sodium Nitrate 40중량%, Sodium Carbonate 또는 Calcium Carbonate 25중량%를 반응조에서 120~150°C로 교반하여 1시간 경과 후 결정상태의 고체연료화합물을 얻었다. 이를 숯가루와 함께 가수하여 고체연료를 성형하였다.
대기 중에 20일 간 노출하였더니 조해성은 거의 없었으나 착화가 다소 느렸고, 착화한 후 측정해보니 발열량과 발열시간이 보통의 고체연료보다 3% 감소했다.
실시예 2.
Calcium Nitrate 45중량%, Sodium Nitrate 30중량%, Sodium Carbonate 또는 Calcium Carbonate 25중량%를 반응조에서 120~150°C로 교반하여 1시간 경과 후 결정상태의 고체연료화합물을 얻었다. 이를 숯가루와 함께 가수하여 고체연료를 성형하였다.
대기 중에 20일 간 노출하였더니 착화는 쉽게 이루어졌으나 착화한 후 측정해보니 발열량과 발열시간이 보통의 고체연료보다 4%가 증가했으나 조해성이 기대치를 상회하였다.
실시예 3.
Calcium Nitrate 40~50중량%, Sodium Nitrate 35~22중량%, Sodium Carbonate 또는 Calcium Carbonate 25~28중량%를 성분비의 범위 내에서 다양하게 변화시키면서 반응조에서 120~150°C로 교반하여 1시간 경과 후 결정상태의 고체연료화합물을 얻은 후 숯가루와 함께 가수하여 고체연료를 성형하였다.
대기 중에 20일 간 노출하였더니 조해성이나 착화시간, 발열량, 발열시간이 전체적으로 적정하여 보통의 고체연료와 균등한 정도가 되었다.

Claims (3)

  1. 숯가루를 주재로 하고 조연제와 점화제, 바인더로 이루어지는 고체연료조성물의 제조방법에 있어서, 조연제로 질산칼슘, 발화제로 질산나트륨 그리고 반응촉진제로 탄산나트륨 또는 탄산칼슘을 반응조에서 가열, 교반하여 반응시킨 후 분쇄하고, 숯가루와 물을 혼합하여 성형하는 것을 특징으로 하는 질산칼슘의 조해성을 해소한 고체연료화합물의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    각 물질의 성분비는 질산칼슘 40~50중량%, 질산나트륨 35~22중량% 그리고 탄산나트륨 또는 탄산칼슘 25~28중량%인 질산칼슘의 조해성을 해소한 고체연료화합물의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    질산칼슘과 질산나트륨, 탄산나트륨 또는 탄산칼슘을 반응조에서 110°C로 60~80분 가열, 교반하는 질산칼슘의 조해성을 해소한 고체연료화합물의 제조방법.
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