KR102122327B1 - Raw material composition for oxygen carrier, oxygen carrier using the same and method of manufacturing the oxygen carrier - Google Patents

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Abstract

본 발명은 구리 산화물; 망간 산화물; 마그네슘 산화물 또는 마그네?? 수산화물; 및 졸 또는 분말형태의 알루미나 산화물;을 포함하는 산소전달입자 제조용 원료 조성물에 관한 것이다. 이러한 본 발명의 산소전달입자 제조용 원료 조성물은 상기 조성(composition), 원료의 배합비(formulation) 및 균질화(homogenizing) 정도를 조절하여 후술하는 산소전달입자 제조 방법에 따라 산소전달입자로 제조된 후, 유동층 또는 고속 유동층 공정에 적합한 형상(shape), 입자 크기(size) 및 입자 분포(sizedistribution) 등의 물리적 특성을 지니고, 종래의 기술에 비해 고가인 니켈계 산화물을 사용하지 않으면서 낮은 소성온도에서 상용급의 산소전달성능과 내구성을 보유한 산소전달입자를 제조할 수 있다.The present invention is a copper oxide; Manganese oxide; Magnesium oxide or magnet?? hydroxide; And alumina oxide in a sol or powder form. The raw material composition for preparing the oxygen transfer particles of the present invention is prepared as oxygen transfer particles according to a method for preparing oxygen transfer particles described below by controlling the composition, the formulation of the raw materials, and the degree of homogenization, followed by a fluidized bed. Or, it has physical properties such as shape, particle size, and particle size distribution suitable for high-speed fluidized bed processes, and is commercial grade at a low firing temperature without using expensive nickel-based oxides compared to the prior art. Oxygen transfer particles having the oxygen transfer performance and durability of can be prepared.

Description

산소전달입자 제조용 원료 조성물, 이를 이용하여 제조된 산소전달입자 및 산소전달입자 제조방법{RAW MATERIAL COMPOSITION FOR OXYGEN CARRIER, OXYGEN CARRIER USING THE SAME AND METHOD OF MANUFACTURING THE OXYGEN CARRIER}Raw material composition for oxygen transport particle production, oxygen transport particle and oxygen transport particle production method using the same{RAW MATERIAL COMPOSITION FOR OXYGEN CARRIER, OXYGEN CARRIER USING THE SAME AND METHOD OF MANUFACTURING THE OXYGEN CARRIER}

본 발명은 산소전달입자 제조용 원료 조성물, 이를 이용하여 제조된 산소전달입자 및 산소전달입자 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a raw material composition for producing oxygen transfer particles, an oxygen transfer particle and a method for producing oxygen transfer particles produced using the same.

대기 중의 이산화탄소(CO2) 농도 증가에 따른 온실효과로 인해 지구의 평균기온이 상승하면서 기후변화의 피해가 지속적으로 나타나고 있다. 화력발전소는 인위적 이산화탄소 배출이 가장 많은 고정배출원이다. 화력발전소에서의 이산화탄소 배출 저감은 이산화탄소 포집 및 저장(Carbon Capture and Storage: CCS)을 통해 달성할 수 있다. 하지만, 종래의 CCS 기술을 발전소에 적용할 경우 큰 폭의 발전효율 감소와 이에 따른 발전원가상승이 뒤따른다. 이에 따라 발전효율 감소를 최소화하고 CO2 포집 비용을 낮추기 위한 새로운 신기술이 요구되고 있다.As the average temperature of the earth rises due to the greenhouse effect caused by an increase in the concentration of carbon dioxide (CO 2 ) in the atmosphere, the damage of climate change continues to appear. Thermal power plants are the largest sources of artificial carbon dioxide emissions. Reduction of carbon dioxide emissions from thermal power plants can be achieved through carbon capture and storage (CCS). However, when the conventional CCS technology is applied to a power plant, a significant reduction in power generation efficiency and an increase in power generation cost follow. Accordingly, new technologies are required to minimize the reduction in power generation efficiency and lower the CO 2 capture cost.

케미컬루핑연소(Chemical Looping Combustion: CLC) 기술은 발전효율 저하를 줄이면서 CO2를 원천분리할 수 있는 기술로 주목받고 있다. CLC 기술은 공기 대신 금속산화물이 주성분인 고체 입자(산소전달입자)에 포함된 산소와 연료가 반응하여 연소가 일어나므로 배출되는 가스에는 수증기와 CO2만 포함되어 있다. 따라서 수증기를 응축 제거하면 CO2만 남게 되므로 CO2 원천분리가 가능하다. CLC 공정은 산소전달입자에 함유된 산소가 연료로 전달되면서 산소전달입자는 환원(reduction)이 되는 반응이 일어나는 연료반응기와 공기에 포함된 산소를 받아 환원된 산소전달입자가 다시 산화(oxidation)되면서 초기상태로 재생되는 공기반응기가 서로 연결된 조합으로 구성된다. 두 반응기는 유동층 반응기를 사용하며 전체 공정은 순환유동층공정(circulating fluidized-bed process)이 된다. Chemical Looping Combustion (CLC) technology is drawing attention as a technology capable of separating CO 2 while reducing power generation efficiency. In the CLC technology, oxygen and fuel contained in solid particles (oxygen transfer particles), which are mainly composed of metal oxide instead of air, react with fuel, so combustion occurs, and thus the exhaust gas contains only water vapor and CO 2 . Therefore, if the water vapor is condensed and removed, only CO 2 remains, so it is possible to separate the CO 2 source. In the CLC process, as the oxygen contained in the oxygen transport particles is delivered to the fuel, the oxygen transport particles receive the oxygen contained in the air and the fuel reactor in which the reaction occurs as a reduction, and the reduced oxygen transport particles are oxidized again. It consists of a combination of air reactors that are regenerated in their initial state. Both reactors use a fluidized bed reactor, and the entire process is a circulating fluidized-bed process.

이러한 CLC 공정에 적용되는 산소전달입자는 유동층 공정특성에 적합한 여러 가지 조건을 만족시켜야 한다. 우선 유동층 공정에 적합한 물성, 즉 충분한 강도, 유동에 적합한 형상과 충진밀도(packing density 또는 tapped density), 평균 입자크기 및 입자크기 분포를 지녀야 한다. 또한, 반응성 측면에서 높은 산소전달량(oxygen transfer capacity)을 지니고 있어 연료의 연소에 필요한 충분한 산소를 연료가 연료반응기를 통과하는 동안 공급할 수 있어야 한다.The oxygen transfer particles applied to the CLC process must satisfy various conditions suitable for fluid bed process characteristics. First of all, it is necessary to have properties suitable for a fluidized bed process, i.e., sufficient strength, shape and packing density (packing density or tapped density), average particle size and particle size distribution suitable for flow. In addition, it has a high oxygen transfer capacity in terms of reactivity, so it must be able to supply sufficient oxygen required for combustion of fuel while the fuel passes through the fuel reactor.

그러나, 종래의 산소전달입자는 대량생산에 부적합한 방법으로 제조되었거나, 형상, 강도, 밀도 등의 물성이 유동층 공정에 적용하기에 부적합하거나 개선이 필요하며, 금속산화물과 지지체 간의 상호작용 세기를 줄이기 위해 안정된 결정구조를 지닌 지지체를 사용함으로써 충분한 강도를 얻기 위한 소성온도 상승으로 산소전달성능이 감소하거나, 반응 중에 입자 간의 응집 현상으로 인해 유동화가 되지 않거나, 금속산화물의 함량이 낮아 산소전달량이 작은 문제점이 있다.However, the conventional oxygen transfer particles are manufactured in a method unsuitable for mass production, or properties such as shape, strength, density, etc. are inadequate or necessary to be applied to the fluidized bed process, and in order to reduce the interaction strength between the metal oxide and the support. By using a support having a stable crystal structure, the oxygen transfer performance decreases due to an increase in the firing temperature to obtain sufficient strength, or it is not fluidized due to aggregation between particles during the reaction, or the content of metal oxides is low, resulting in a small amount of oxygen transfer. have.

특히 종래의 산소전달입자는 우수한 산소전달속도, 산소전달량 및 내구성 때문에 고가의 금속인 NiO계 산소전달입자가 주로 이용 되었다. 따라서 케미컬루핑 기술의 기술적·경제적·환경적 측면의 향상을 위해, NiO를 사용하지 않고 산소전달속도, 산소전달량 및 내마모도가 우수한 저가의 산소전달입자 개발이 요구되고 있다.Particularly, the conventional oxygen transfer particles mainly used NiO-based oxygen transfer particles, which are expensive metals, because of their excellent oxygen transfer rate, oxygen transfer amount, and durability. Therefore, in order to improve the technical, economic, and environmental aspects of the chemical roofing technology, there is a need to develop low-cost oxygen transfer particles having excellent oxygen transfer rate, oxygen transfer amount and wear resistance without using NiO.

따라서, 유동층 공정에 적합한 물성과 충분한 강도를 지니면서, 산화-환원 싸이클 반응 동안 발생할 수 있는 입자 간의 응집현상을 억제하고, 고온 소성에서도 산소전달성능의 저하가 적으며, 소성온도를 낮출 수 있는 산소전달입자의 개발이 요구되고 있다.Therefore, while having adequate properties and sufficient strength for the fluidized bed process, it is possible to suppress the aggregation phenomenon between particles that may occur during the oxidation-reduction cycle reaction, to reduce the oxygen transfer performance even at high temperature firing, and to lower the firing temperature. Development of delivery particles is required.

본 발명의 하나의 목적은 강도를 비롯한 물리적 특성이 유동층 공정에 적합하고, 종래의 기술에 비해 저가이고, 산소전달속도, 산소전달량 및 내마모도가 우수한 산소전달입자 제조용 원료 조성물을 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a raw material composition for the production of oxygen-transfer particles having physical properties including strength, which are suitable for a fluidized bed process, are inexpensive compared to conventional techniques, and have excellent oxygen transfer rate, oxygen transfer amount, and wear resistance.

본 발명의 다른 하나의 목적은 상기 원료 조성물을 사용하여 균질하게 분산된 안정한 유동성 콜로이드 슬러리 (colloidal slurry)를 제조하고 이를 이용하여 케미컬루핑연소 순환유동층 공정에 적합한 입자 형상(shape), 입자 크기(size), 입자 분포(size distribution), 강도(mechanical strength or attrition resistance)를 지니면서, 종래의 기술에 비해 저가이고, 산소전달속도, 산소전달량 및 내마모도가 우수한 산소전달입자 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to prepare a stable fluid colloidal slurry (colloidal slurry) homogeneously dispersed using the raw material composition and use it to form a particle shape (shape), particle size (size) suitable for the chemical looping circulating fluidized bed process ), has a particle distribution (size distribution), strength (mechanical strength or attrition resistance), low cost compared to the prior art, and provides an oxygen transfer rate, oxygen transfer amount and abrasion resistance excellent oxygen transfer particles and a method for manufacturing the same .

본 발명의 또 다른 하나의 목적은 상기 산소전달입자를 사용하여 연료를 효과적으로 연소시키면서 연소에 의해 발생하는 이산화탄소를 원천적으로 분리하여 포집하고, 케미컬루핑연소 공정에서의 입자 충진량 및 장시간 운전 시 발생하는 마모손실에 따른 보충량을 감소시키면서 이산화탄소 포집에 따른 시스템 열효율 저하를 방지하는 케미컬루핑연소 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to effectively capture and collect carbon dioxide generated by combustion while effectively burning fuel using the oxygen-transferring particles, the amount of particle filling in the chemical roofing combustion process, and wear generated during long-term operation It is to provide a chemical roofing combustion method that prevents a decrease in system thermal efficiency due to carbon dioxide capture while reducing the amount of replenishment due to loss.

본 발명의 일 구현예는 구리 산화물 30 중량% 내지 50 중량%; 망간 산화물 20 중량% 내지 40 중량%; 마그네슘 산화물 또는 마그네슘 수산화물 5 중량% 내지 20 중량%; 졸 또는 분말형태의 알루미늄 산화물 또는 알루미늄 수산화물 10 중량% 내지 30 중량%; 를 포함하는 산소전달입자 제조용 원료 조성물에 관한 것이다.An embodiment of the present invention is 30% to 50% by weight of copper oxide; 20% to 40% by weight of manganese oxide; 5 to 20% by weight of magnesium oxide or magnesium hydroxide; 10% to 30% by weight of aluminum oxide or aluminum hydroxide in sol or powder form; It relates to a raw material composition for the production of oxygen transfer particles comprising a.

상기 구리 산화물은 평균입자 크기가 0 초과 내지 5 ㎛이고, 순도가 98% 이상일 수 있다.The copper oxide may have an average particle size of more than 0 to 5 μm, and a purity of 98% or more.

상기 망간 산화물은 평균입자 크기가 0 초과 내지 5 ㎛이고, 순도가 98% 이상일 수 있다.The manganese oxide may have an average particle size of more than 0 to 5 μm, and a purity of 98% or more.

상기 마그네슘 산화물 또는 마그네슘 수산화물은 평균입자 크기가 0 초과 내지 5 ㎛이고, 순도가 98% 이상일 수 있다.The magnesium oxide or magnesium hydroxide may have an average particle size of greater than 0 to 5 μm, and a purity of 98% or more.

상기 졸 또는 분말형태의 알루미늄 산화물 또는 알루미늄 수산화물은 평균입자 크기가 0 초과 내지 5 ㎛이고, 순도가 95% 이상일 수 있다.The sol or powdered aluminum oxide or aluminum hydroxide may have an average particle size of greater than 0 to 5 μm and a purity of 95% or more.

본 발명의 다른 구현예는 전술한 산소전달입자 제조용 원료 조성물로부터 형성되고, 구리 산화물, 망간 산화물, 마그네슘 산화물 및 알루미늄 산화물을 포함하는 산소전달입자에 관한 것이다.Another embodiment of the present invention relates to an oxygen transfer particle formed from the above-described raw material composition for preparing oxygen transfer particles, and comprising copper oxide, manganese oxide, magnesium oxide, and aluminum oxide.

상기 산소전달입자는 니켈 산화물을 포함하지 않는 산화니켈 비함유형 산소전달입자일 수 있다.The oxygen transfer particles may be nickel oxide-free oxygen transfer particles that do not contain nickel oxide.

상기 산소전달입자는 하기 화학식 1의 구조를 갖는 것일 수 있다. The oxygen transfer particles may have a structure of Formula 1 below.

[화학식 1][Formula 1]

CuaMnbMgcAldOx Cu a Mn b Mg c Al d O x

상기 화학식 1에서 a, b, c 및 d는 각각 독립적으로 0.1 내지 2.7이고, a + b + c + d의 합은 3이며, x는 0 내지 4 이다.In Formula 1, a, b, c, and d are each independently 0.1 to 2.7, the sum of a + b + c + d is 3, and x is 0 to 4.

상기 산소전달입자는 마모시험기를 이용하여 ASTM D5757-95에 따라 유량 10.00 l/min (273.15 K, 1 bar)에서 5시간 동안 마모시험한 후, 하기 식 1로 표시되는 마모지수가 20% 이하일 수 있다.The oxygen transfer particles were subjected to abrasion testing for 5 hours at a flow rate of 10.00 l/min (273.15 K, 1 bar) according to ASTM D5757-95 using an abrasion tester, and the abrasion index represented by Equation 1 below may be 20% or less. have.

[식 1] [Equation 1]

AI(%) = [(W2)/(W1)]AI(%) = [(W2)/(W1)]

상기 식 1에서, W1는 시료의 마모시험 전 g 단위 무게이고, W2는 시료의 마모시험이 실시된 5 시간 동안 포집된 미세입자의 g 단위 무게이다.In Equation 1, W1 is the g unit weight before the abrasion test of the sample, and W2 is the g unit weight of the microparticles collected for 5 hours during which the abrasion test of the sample was performed.

상기 산소전달입자는 형상이 비-블로홀(non-blowhole)인 구형이고, 평균 입자크기가 60 ㎛ 내지 150 ㎛이고, 입자크기분포는 30 ㎛ 내지 400 ㎛ 이며, 충진밀도가 1.5 g/mL 내지 4.0 g/mL일 수 있다.The oxygen transport particles have a non-blowhole spherical shape, an average particle size of 60 μm to 150 μm, a particle size distribution of 30 μm to 400 μm, and a packing density of 1.5 g/mL to 4.0. g/mL.

상기 산소전달입자는 산소전달량이 전체 산소전달입자의 무게 중 7 중량% 내지 15 중량%일 수 있다.The oxygen transfer particles may have an oxygen transfer amount of 7 to 15% by weight of the total weight of the oxygen transfer particles.

본 발명의 또 다른 구현예는 (A) 전술한 산소전달입자 제조용 원료 조성물을 용매와 혼합하여 산소전달입자 제조용 슬러리를 제조하는 단계; (B) 상기 슬러리를 교반하여 균질화된 슬러리를 제조하는 단계; (C) 상기 슬러리를 분무 건조하여 고체 입자를 성형하는 단계; 및 (D) 상기 성형된 고체 입자를 건조 및 소성시켜 산소전달입자를 제조하는 단계;를 포함하는 산소전달입자의 제조 방법에 관한 것이다.Another embodiment of the present invention (A) mixing the above-described raw material composition for preparing oxygen transport particles with a solvent to prepare a slurry for preparing oxygen transport particles; (B) preparing a homogenized slurry by stirring the slurry; (C) spray drying the slurry to form solid particles; And (D) drying and calcining the molded solid particles to prepare oxygen transfer particles.

상기 산소전달입자 제조용 슬러리를 제조하는 단계(A)에서 상기 산소전달입자 제조용 원료 조성물과 상기 용매는 15 내지 40 : 60 내지 85의 중량비로 혼합되고, 상기 용매는 물일 수 있다.In the step (A) of preparing the slurry for preparing the oxygen transport particles, the raw material composition for preparing the oxygen transport particles and the solvent are mixed in a weight ratio of 15 to 40:60 to 85, and the solvent may be water.

상기 산소전달입자 제조용 슬러리를 제조하는 단계(A)에서 슬러리는 분산제, 소포제 및 유기결합제 중 1종 이상의 첨가제를 추가로 포함하는 것일 수 있다.In the step (A) of preparing the slurry for preparing the oxygen transport particles, the slurry may further include at least one additive of a dispersant, an antifoaming agent, and an organic binder.

상기 분산제는 음이온계 계면활성제, 양이온계 계면활성제, 양쪽성 계면활성제 및 비이온계 계면활성제 중 1종 이상을 포함할 수 있다.The dispersant may include one or more of anionic surfactants, cationic surfactants, amphoteric surfactants, and nonionic surfactants.

상기 음이온계 계면활성제는 폴리카르복실산염 및 폴리카르복실산아민염 중 1종 이상을 포함할 수 있다.The anionic surfactant may include at least one of polycarboxylate and polycarboxylic acid amine salt.

상기 소포제는 실리콘계 소포제, 금속비누계 소포제, 아마이드계 소포제, 폴리에테르계 소포제, 폴리에스테르계 소포제, 폴리글라이콜계 소포제 및 알코올계 소포제 중 1종 이상을 포함할 수 있다.The antifoaming agent may include at least one of a silicone antifoaming agent, a metal soap antifoaming agent, an amide antifoaming agent, a polyether antifoaming agent, a polyester antifoaming agent, a polyglycol antifoaming agent, and an alcohol antifoaming agent.

상기 유기 결합제는 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌글라이콜 및 메틸셀룰로즈 중 1종 이상을 포함할 수 있다.The organic binder may include one or more of polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, and methyl cellulose.

상기 첨가제는 분산제, 소포제 및 유기결합제를 모두 포함하고, 상기 첨가제는 산소전달입자 제조용 원료조성물 100 중량부에 대하여 분산제 0.01 내지 5.0 중량부, 소포제 0.01 내지 1.0 중량부 및 유기결합제 1.0 내지 5.0 중량부의 함량으로 첨가될 수 있다.The additive includes both a dispersant, an antifoaming agent and an organic binder, and the additive is 0.01 to 5.0 parts by weight of a dispersant, 0.01 to 1.0 parts by weight of an antifoaming agent, and 1.0 to 5.0 parts by weight of an organic binder relative to 100 parts by weight of a raw material composition for preparing oxygen transport particles. Can be added.

상기 슬러리를 교반하여 균질화된 슬러리를 제조하는 단계(B)는 교반 및 분쇄된 슬러리 중의 이물질을 제거하는 것을 더 포함할 수 있다. The step (B) of preparing the homogenized slurry by stirring the slurry may further include removing foreign substances in the stirred and pulverized slurry.

상기 슬러리를 분무 건조하여 고체 입자를 성형하는 단계(C)는 상기 균질화된 슬러리를 분무 건조기에 투입한 후, 입구온도는 260℃ 내지 300℃, 출구온도는 90℃ 내지 150℃를 유지하면서 분무하여 고체 입자로 성형하는 것을 포함할 수 있다. In the step (C) of spray-drying the slurry to form solid particles, the homogenized slurry is introduced into a spray dryer, and then sprayed while maintaining an inlet temperature of 260°C to 300°C and an outlet temperature of 90°C to 150°C. And molding into solid particles.

상기 성형된 고체 입자를 건조 및 소성시켜 산소전달입자를 제조하는 단계(D)는 성형된 고체 입자를 110℃ 내지 150℃로 2 내지 24 시간 동안 건조하고, 고온 소성로에 투입하여 1℃/min 내지 5℃/min 의 속도로 1000℃ 내지 1350℃으로 승온하여 2 내지 10 시간 동안 소성하는 것을 포함할 수 있다.In the step (D) of drying and firing the molded solid particles to prepare oxygen-transferring particles, the molded solid particles are dried at 110°C to 150°C for 2 to 24 hours, and put into a high-temperature firing furnace at 1°C/min to It may include heating at a rate of 5°C/min to 1000°C to 1350°C for 2 to 10 hours.

본 발명의 또 다른 구현예는 전술한 산소전달입자를 연료와 반응시켜 상기 산소전달입자를 환원시키고 연료를 연소시키는 단계, 및 상기 환원된 산소전달입자를 산소와 반응시켜 입자를 재생하는 단계를 포함하는 케미컬루핑연소 방법에 관한 것이다.Another embodiment of the present invention comprises the steps of reacting the aforementioned oxygen transport particles with fuel to reduce the oxygen transport particles and burning the fuel, and reacting the reduced oxygen transport particles with oxygen to regenerate the particles. It relates to a chemical roofing combustion method.

본 발명은 강도를 비롯한 물리적 특성이 유동층 공정에 적합하고, 종래의 기술에 비해 저가이면서도 산소전달속도, 산소전달량 및 내마모도가 우수한 산소전달 입자 제조용 원료 조성물 및 상기 원료 조성물을 사용하여 케미컬루핑연소 순환유동층 공정에 적합한 입자 형상(shape), 입자 크기(size), 입자 분포(size distribution), 강도(mechanical strength or attrition resistance) 지니면서, 우수한 내마모도, 장기 내구성 및 산소전달성능이 우수하여 종래의 기술에 비해 고가인 니켈계 산화물을 대체할 수 있는 산소전달입자 및 이의 제조 방법을 제공할 수 있으며, 이러한 산소전달입자를 사용하여 케미컬루핑연소 공정에서의 입자 충진량 및 장시간 운전 시 발생하는 마모손실에 따른 보충량을 감소시키면서 이산화탄소 포집에 따른 시스템 열효율 저하를 방지할 수 있는 케미컬루핑 연소 방법을 제공할 수 있다. 특히, 저가의 원료로 제조된 산소전달입자는 케미컬루핑연소 공정의 운영비를 절감시킬 수 있으므로 케미컬루핑연소 공정의 경제성을 향상시킬 수 있다.The present invention is suitable for a fluidized bed process, including physical properties, strength, and low cost, compared to the prior art, oxygen transfer rate, oxygen transfer amount and abrasion resistance. Compared to the prior art, it has excellent particle wear, long-term durability, and oxygen transfer performance, while having a suitable particle shape, particle size, particle size distribution, and mechanical strength or attrition resistance. It is possible to provide an oxygen transfer particle that can replace the expensive nickel-based oxide and a method for manufacturing the same, and by using such an oxygen transfer particle, the amount of particle filling in the chemical roofing combustion process and the amount of replenishment due to wear loss occurring during long-time operation It is possible to provide a chemical looping combustion method that can prevent the reduction of the thermal efficiency of the system due to the capture of carbon dioxide. In particular, since the oxygen transfer particles made of low-cost raw materials can reduce the operating cost of the chemical roofing combustion process, it is possible to improve the economic efficiency of the chemical roofing combustion process.

도 1은 본 발명 실시예 1의 산소전달입자의 형상을 산업용 현미경을 이용하여 촬영한 사진이다.
도 2는 본 발명 비교예 1의 산소전달입자의 형상을 산업용 현미경을 이용하여 촬영한 사진이다.
도 3은 본 발명 실시예 2의 산소전달입자의 형상을 산업용 현미경을 이용하여 촬영한 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 산소전달입자 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 산소전달입자 제조방법 중 (A) 및 (B) 단계를 나타낸 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 산소전달입자 제조방법 중 (C) 단계를 나타낸 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 산소전달입자 제조방법 중 (D) 단계를 나타낸 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 케미컬루프 연소 방법의 모식도이다.
1 is a photograph of the shape of the oxygen transfer particles of Example 1 of the present invention using an industrial microscope.
Figure 2 is a photograph of the shape of the oxygen transfer particles of Comparative Example 1 of the present invention using an industrial microscope.
Figure 3 is a photograph of the shape of the oxygen transfer particles of Example 2 of the present invention using an industrial microscope.
4 is a flow chart showing a method of manufacturing oxygen transfer particles according to an embodiment of the present invention.
5 is a flow chart showing the steps (A) and (B) of the method for producing oxygen transfer particles according to an embodiment of the present invention.
6 is a flow chart showing the step (C) of the method for producing oxygen transfer particles according to an embodiment of the present invention.
7 is a flow chart showing the step (D) of the method for producing oxygen transfer particles according to an embodiment of the present invention.
8 is a schematic diagram of a chemical loop combustion method according to an embodiment of the present invention.

<산소전달입자 제조용 원료 조성물><Raw material composition for oxygen delivery particle production>

본 발명의 일 구현예는 구리 산화물; 망간 산화물; 마그네슘 산화물 또는 마그네슘 수산화물; 및 졸 또는 분말형태의 알루미늄 산화물 또는 알루미늄 수산화물;을 포함하는 하기 산소전달입자 제조용 원료 조성물을 포함하는 산소전달입자 제조용 원료 조성물에 관한 것이다.One embodiment of the invention copper oxide; Manganese oxide; Magnesium oxide or magnesium hydroxide; And a sol or powder-form aluminum oxide or aluminum hydroxide; and a raw material composition for preparing oxygen-transmitting particles comprising the following raw material composition for preparing oxygen-transmitting particles.

이러한 본 발명의 산소전달입자 제조용 원료 조성물은 상기 조성(composition), 원료의 배합비(formulation) 및 균질화(homogenizing) 정도를 조절하여 후술하는 산소전달입자 제조 방법에 따라 산소전달입자로 제조된 후, 유동층 또는 고속 유동층 공정에 적합한 형상(shape), 입자 크기(size) 및 입자 분포(sizedistribution) 등의 물리적 특성을 지니고, 종래의 기술에 비해 저가이면서도, 비교적 고가인 니켈계 산화물을 대체할 수 있고, 산소전달속도, 산소전달량 및 내마모도가 우수한 산소전달입자를 제조할 수 있다.The raw material composition for preparing the oxygen transfer particles of the present invention is prepared as oxygen transfer particles according to a method for preparing oxygen transfer particles described below by controlling the composition, the formulation of the raw materials, and the degree of homogenization, followed by a fluidized bed. Alternatively, it has physical properties such as shape, particle size, and particle size distribution suitable for a high-speed fluidized bed process, and can replace nickel-based oxides that are inexpensive and relatively expensive compared to conventional techniques. It is possible to manufacture oxygen transfer particles having excellent transfer rate, oxygen transfer amount, and wear resistance.

상기 산소전달입자 제조용 원료 조성물은 구리 산화물; 망간 산화물; 마그네슘 수산화물; 및 졸 또는 분말형태의 알루미늄 수산화물; 을 포함하는 것일 수 있다.The raw material composition for preparing the oxygen transport particles is copper oxide; Manganese oxide; Magnesium hydroxide; And aluminum hydroxide in the form of sol or powder. It may be to include.

상기 산소전달입자 제조용 원료 조성물은 구리 산화물 30 중량% 내지 50 중량%; 망간 산화물 20 중량% 내지 40 중량%; 마그네슘 산화물 또는 마그네슘 수산화물 5 중량% 내지 20 중량%; 졸 또는 분말형태의 알루미늄 산화물 또는 알루미늄 수산화물 10 중량% 내지 30 중량%; 포함할 수 있다.The oxygen transfer particle production raw material composition is copper oxide 30% to 50% by weight; 20% to 40% by weight of manganese oxide; 5 to 20% by weight of magnesium oxide or magnesium hydroxide; 10% to 30% by weight of aluminum oxide or aluminum hydroxide in sol or powder form; It can contain.

상기 산소전달입자 제조용 원료 조성물에 의해 제조된 산소전달입자는 고체 연료뿐만 아니라 천연가스, shale 가스, 합성가스와 같은 가스 연료에 산소를 전달하고, 다시 공기와 같은 산소를 함유한 가스로부터 산소를 얻어 빠르게 재생되는 특성이 우수하며, 연속적으로 반복하여 사용할 수 있다. 이에 따라, 상기 산소전달입자는 가스 연료 및/또는 고체 연료의 케미컬루핑연소 공정(CLC 공정)에 적용될 경우, 입자 충진량 및 장시간 운전 시 발생하는 마모손실에 따른 보충량을 감소시킬 수 있어 케미컬루핑연소 공정(CLC 공정)을 단순화(compact)하면서도 경제성을 향상시키는 효과가 있다. 특히, 저가의 원료로 제조된 산소전달입자는 케미컬루핑연소 공정의 운영비를 절감시킬 수 있으므로 케미컬루핑연소 공정의 경제성을 향상시킬 수 있다.The oxygen transfer particles produced by the raw material composition for preparing the oxygen transfer particles transmit oxygen to gas fuels such as natural gas, shale gas, and synthetic gas as well as solid fuels, and again obtain oxygen from gases containing oxygen such as air. It has excellent reproducing properties and can be used continuously and repeatedly. Accordingly, when the oxygen transfer particles are applied to a chemical fuel combustion process of gas fuel and/or solid fuel (CLC process), the amount of particle filling and the amount of replenishment due to abrasion loss generated during long-time operation can be reduced. It has the effect of improving economic efficiency while simplifying the process (CLC process). In particular, since the oxygen transfer particles made of low-cost raw materials can reduce the operating cost of the chemical roofing combustion process, it is possible to improve the economic efficiency of the chemical roofing combustion process.

본 발명의 산소전달입자 제조용 원료 조성물은 활성물질 원료로 구리 산화물, 망간 산화물을 포함한다. 구리 산화물과 망간 산화물로 구성된 산소전달입자는 니켈 산화물이 없이도 케미컬 루핑 연소 반응 등에 적용 시 자신은 구리(Cu) 및 망간(Mn)으로 환원되면서 산소를 전달하고, 다시 공기 또는 수증기로부터 산소를 받아 재생되는 역할을 한다.The raw material composition for preparing oxygen transfer particles of the present invention includes copper oxide and manganese oxide as raw materials for active materials. Oxygen transport particles composed of copper oxide and manganese oxide are reduced to copper (Cu) and manganese (Mn) when they are applied to chemical roofing combustion reactions without nickel oxide, and transfer oxygen, and receive oxygen from air or water vapor to regenerate It plays a role.

상기 구리 산화물(CuO, Cu2O 등)은 평균입자크기가 0 초과 내지 5 ㎛인 상업용 구리 산화물일 수 있다. 상기 범위 내에서, 니켈 산화물과 유사하거나 향상된 수준의 산소전달속도 및 산소전달량을 가질 수 있다. The copper oxide (CuO, Cu 2 O, etc.) may be a commercial copper oxide having an average particle size of greater than 0 to 5 μm. Within this range, it is possible to have a similar or improved level of oxygen transfer rate and oxygen transfer amount to that of nickel oxide.

상기 구리 산화물은 98 % 이상의 순도, 예를 들면, 99 % 이상의 순도를 가질 수 있다. 상기 범위 내에서, 산소전달입자속도 및 산소전달량이 더욱 향상될 수 있다.The copper oxide may have a purity of 98% or more, for example, 99% or more. Within the above range, the oxygen transfer particle speed and the oxygen transfer amount can be further improved.

또한, 상기 망간 산화물(MnO, MnO2, Mn2O3, Mn3O4 등)은 평균입자크기가 0 초과 내지 5 ㎛인 상업용 망간 산화물일 수 있다. 상기 범위 내에서, 내열성과 내구성이 우수한 산소전달입자를 제조할 수 있다.Further, the manganese oxide (MnO, MnO 2 , Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4, etc.) may be a commercial manganese oxide having an average particle size of greater than 0 to 5 μm. Within the above range, it is possible to manufacture oxygen-transfer particles having excellent heat resistance and durability.

상기 망간 산화물을 98 % 이상의 순도, 예를 들면, 99 % 이상의 순도를 가질 수 있다. 상기 범위 내에서, 내마모도가 더욱 향상될 수 있다.The manganese oxide may have a purity of 98% or more, for example, 99% or more. Within the above range, wear resistance may be further improved.

본 발명의 산소전달입자 제조용 원료 조성물은 활성물질 원료로 구리 산화물 및 망간 산화물의 혼합만을 사용할 수도 있고, 이외에 다른 금속 산화물을 일부 혼합하여 사용할 수도 있다. The raw material composition for preparing oxygen transport particles of the present invention may use only a mixture of copper oxide and manganese oxide as an active material raw material, or may be used by partially mixing other metal oxides.

상기 구리 산화물 및 망간 산화물과 혼합하여 사용가능한 금속산화물의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 구체적으로는 산화철(FeO, Fe2O3, Fe3O4)등을 포함하는 철계 산화물 및 산화코발트(CaO, Co3O4)등을 포함하는 코발트계 산화물 등을 예시할 수 있다.The type of metal oxide that can be used in combination with the copper oxide and manganese oxide is not particularly limited. Specifically, iron oxides including iron oxides (FeO, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 ) and cobalt oxides including cobalt oxide (CaO, Co 3 O 4 ) and the like can be exemplified.

또한 본 발명의 산소전달입자 제조용 원료 조성물에서는 우수한 산소전달성능을 유지하면서도 마그네슘(Mg) 함량을 높일 수 있어 케미컬루핑연소의 산화 및 환원 싸이클 반응 중에 나타날 수 있는 입자 간의 응집 현상 문제를 해결하는 효과가 있다.In addition, in the raw material composition for preparing oxygen transfer particles of the present invention, it is possible to increase the magnesium (Mg) content while maintaining excellent oxygen transfer performance, and thus has an effect of solving the problem of aggregation between particles that may appear during the oxidation and reduction cycle reaction of chemical roofing combustion. have.

상기 마그네슘 산화물 또는 마그네슘 수산화물(MgO, Mg(OH)2 등)은 평균입자크기가 0 초과 내지 5 ㎛인 상업용 마그네슘 산화물 또는 수산화물일 수 있다. 상기 범위 내에서, 산소전달입자의 응집 현상 문제를 해결할 수 있다.The magnesium oxide or magnesium hydroxide (MgO, Mg(OH) 2, etc.) may be commercial magnesium oxide or hydroxide having an average particle size of greater than 0 to 5 μm. Within the above range, it is possible to solve the problem of the aggregation phenomenon of the oxygen transport particles.

상기 마그네슘 산화물을 또는 수산화물은 98 % 이상의 순도, 예를 들면, 99% 이상의 순도를 가질 수 있다. 상기 범위 내에서, 응집 현상을 더욱 방지할 수 있다.The magnesium oxide or hydroxide may have a purity of 98% or more, for example, 99% or more. Within this range, agglomeration can be further prevented.

본 발명의 산소전달입자 제조용 원료 조성물은 지지체 원료로 알루미늄 산화물 또는 알루미늄 수산화물을 포함한다. 알루미늄 산화물 또는 알루미늄 수산화물은 산소전달입자에서 무기결합제로서 사용되므로 유동층 공정에서 요구하는 충분한 강도를 제공해 줄 수 있다.The raw material composition for preparing oxygen transfer particles of the present invention includes aluminum oxide or aluminum hydroxide as a support raw material. Aluminum oxide or aluminum hydroxide is used as an inorganic binder in the oxygen transport particles, so it can provide sufficient strength required in the fluidized bed process.

또한, 알루미늄 산화물 또는 알루미늄 수산화물은 산소전달입자의 활성성분인 구리 산화물 및 망간 산화물이 산소전달입자 전체에 균일하게 분포되도록 지지하여 활성성분의 활용성을 높이고 산소전달성능을 촉진시킬 수 있다.In addition, the aluminum oxide or aluminum hydroxide supports copper oxides and manganese oxides, which are the active ingredients of the oxygen transport particles, to be uniformly distributed throughout the oxygen transport particles, thereby increasing the utilization of the active ingredients and promoting oxygen transport performance.

상기 알루미늄 산화물 또는 알루미늄 수산화물은 졸 또는 분말형태로 평균입자크기가 0 초과 내지 5 ㎛인 상업용 알루미늄 산화물일 수 있다. 상기 범위 내에서, 산소전달입자에 내구성을 향상시키고 활성물질의 분산 정도를 균일하게 한다.The aluminum oxide or aluminum hydroxide may be a commercial aluminum oxide having an average particle size of greater than 0 to 5 μm in a sol or powder form. Within this range, the durability of the oxygen-transmitting particles is improved and the degree of dispersion of the active material is uniform.

상기 알루미늄 산화물 또는 알루미늄 수산화물은 95 % 이상의 순도, 예를 들면, 99 % 이상의 순도를 가질 수 있다. 상기 범위 내에서, 산소전달입자의 산소전달속도, 산소전달량 및 내마모도를 더욱 향상시킬 수 있다.The aluminum oxide or aluminum hydroxide may have a purity of 95% or more, for example, 99% or more. Within the above range, the oxygen transfer rate, the oxygen transfer amount and the wear resistance of the oxygen transfer particles can be further improved.

일 구체예에서, 본 발명의 산소전달입자 제조용 원료 조성물은 활성물질 원료로 구리 산화물 및 망간 산화물의 활성 성분과 상기 마그네슘 수산화물과 알루미늄 수산화물을 조합하여 사용함으로써, 활성 성분과 마그네슘 산화물 및/또는 알루미늄 산화물을 사용한 경우, 또는 마그네슘 화합물과 알루미늄 화합물 중 어느 하나만을 수산화물로 사용하는 경우에 비해, 산소전달입자의 산소전달량, 강도, 소결 방지 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.In one embodiment, the raw material composition for preparing the oxygen transport particles of the present invention is an active material raw material by using the active ingredient of copper oxide and manganese oxide in combination with the magnesium hydroxide and aluminum hydroxide, the active ingredient and magnesium oxide and / or aluminum oxide When using, or when using only one of the magnesium compound and the aluminum compound as a hydroxide, it is possible to further improve the oxygen transfer amount, strength, and sintering prevention effect of the oxygen transfer particles.

<산소전달입자><Oxygen transport particles>

본 발명의 다른 구현예는 전술한 산소전달입자 제조용 원료 조성물로부터 형성되고, 구리 산화물, 망간 산화물, 마그네슘 산화물 및 알루미늄 산화물을 포함하는 산소전달입자에 관한 것이다.Another embodiment of the present invention relates to an oxygen transfer particle formed from the above-described raw material composition for preparing oxygen transfer particles, and comprising copper oxide, manganese oxide, magnesium oxide, and aluminum oxide.

전술한 원료 조성물을 사용하여 산소전달입자를 제조함으로써 케미컬루핑연소 순환유동층 공정에 적합한 입자 형상(shape), 입자 크기(size), 입자 분포(size distribution), 강도(mechanical strength or attrition resistance) 지니면서, 우수한 내마모도, 장기 내구성 및 산소전달성능이 우수하여 종래의 기술에 비해 고가인 니켈계 산화물을 대체할 수 있는 산소전달입자 및 이의 제조 방법을 제공할 수 있다.By using the above-described raw material composition to prepare the oxygen transfer particles, while having a particle shape (shape), particle size (size), particle distribution (size distribution), strength (mechanical strength or attrition resistance) suitable for the chemical looping combustion circulating fluidized bed process , Excellent abrasion resistance, long-term durability and excellent oxygen transfer performance, it is possible to provide an oxygen transfer particle and a method for manufacturing the same, which can replace the expensive nickel-based oxide compared to the prior art.

상기 산소전달입자는 니켈 산화물을 포함하지 않는 산화니켈 비함유형 산소전달입자일 수 있다.The oxygen transfer particles may be nickel oxide-free oxygen transfer particles that do not contain nickel oxide.

상기 산소전달입자는 하기 화학식 1로 표시되는 구조일 수 있다.The oxygen transfer particles may have a structure represented by Formula 1 below.

[화학식 1][Formula 1]

CuaMnbMgcAldOx Cu a Mn b Mg c Al d O x

상기 화학식 1에서 a, b, c 및 d는 각각 독립적으로 0.1 내지 2.7이고, a + b + c + d의 합은 3이며, x는 0 초과 내지 4 이다.In Formula 1, a, b, c and d are each independently 0.1 to 2.7, the sum of a + b + c + d is 3, and x is greater than 0 to 4.

이를 통해, 본 발명의 산소전달입자는 성분 금속의 조성 및 구조적 특성에 의해 우수한 산소전달속도, 산소전달량 및 내마모도를 구현한다. 또한, 이러한 산소전달입자를 케미컬루핑연소 공정 및 장치에 적용하는 경우, 장시간 운전 시에 요구되는 입자충진량 및 마모손실을 저감할 수 있다. Through this, the oxygen transfer particles of the present invention realize excellent oxygen transfer rate, oxygen transfer amount and wear resistance by the composition and structural properties of the component metal. In addition, when the oxygen transfer particles are applied to a chemical roofing combustion process and apparatus, it is possible to reduce the amount of particle filling and wear loss required during long-time operation.

또한, 가스연료뿐만 아니라 고체 연료의 케미컬루핑연소에 사용하는 것이 가능하며, 연료의 부분 산화 (partially oxidation), 연료의 개질(reforming), 수소생산 등에서도 유효하게 사용될 수 있다.In addition, it can be used not only for gas fuel, but also for chemical roofing of solid fuel, and can be effectively used in partial oxidation of fuel, reforming of fuel, hydrogen production, and the like.

또한, 본 발명의 산소전달입자는 슬러리 상태에서 평균 5㎛ 이하, 예를 들면 평균 1㎛ 이하의 크기로 분쇄된 산소전달입자 고체 원료들이 안정하고 고르게 분산되어 있어, 분무 건조 후 소성된 최종 산소전달입자의 장기적인 내구성이 우수하며, 유동층 공정에 적합한 구형의 형상과 입자크기, 입자크기분포, 충진 밀도, 강도, 낮은 소성온도 및 우수한 산소전달성능을 갖는다.In addition, the oxygen transport particles of the present invention are stable and evenly dispersed in the oxygen transport particle solid raw materials pulverized to a size of 5 µm or less, for example, 1 µm or less in the slurry state, resulting in final oxygen transfer fired after spray drying. It has excellent long-term durability of particles, and has a spherical shape and particle size, particle size distribution, filling density, strength, low calcination temperature, and excellent oxygen transfer performance suitable for fluidized bed processes.

상기 산소전달입자 제조용 원료 조성물은 구리 산화물 30 중량% 내지 50 중량%; 망간 산화물 20 중량% 내지 40 중량%; 마그네슘 산화물 또는 마그네슘 수산화물 5 중량% 내지 20 중량%; 졸 또는 분말형태의 알루미늄 산화물 또는 알루미늄 수산화물 10 중량% 내지 30 중량%; 포함할 수 있다.The oxygen transfer particle production raw material composition is copper oxide 30% to 50% by weight; 20% to 40% by weight of manganese oxide; 5 to 20% by weight of magnesium oxide or magnesium hydroxide; 10% to 30% by weight of aluminum oxide or aluminum hydroxide in sol or powder form; It can contain.

상기 산소전달입자 제조용 원료 조성물은 구리 산화물; 망간 산화물; 마그네슘 수산화물; 및 졸 또는 분말형태의 알루미늄 수산화물; 을 포함하는 것일 수 있다.The raw material composition for preparing the oxygen transport particles is copper oxide; Manganese oxide; Magnesium hydroxide; And aluminum hydroxide in the form of sol or powder. It may be to include.

이러한, 고성능의 산소전달입자를 케미컬루핑연소 공정(CLC 공정)에 적용할 경우, 종래의 연소방식에 비해 이산화탄소 포집에 따른 시스템 열효율 저하를 줄이면서 이산화탄소를 원천적으로 분리하여 포집할 수 있다.When the high-performance oxygen transfer particles are applied to the chemical roofing combustion process (CLC process), carbon dioxide can be separated and collected by the source while reducing the system thermal efficiency reduction due to carbon dioxide capture compared to the conventional combustion method.

상기 산소전달입자는 마모시험기를 이용하여 ASTM D5757-95에 따라 유량 10.00 l/min (273.15 K, 1 bar)에서 5시간 동안 마모시험한 후, 하기 식 1로 표시되는 마모지수가 20% 이하일 수 있다.The oxygen transfer particles were subjected to abrasion testing for 5 hours at a flow rate of 10.00 l/min (273.15 K, 1 bar) according to ASTM D5757-95 using an abrasion tester, and the abrasion index represented by Equation 1 below may be 20% or less. have.

[식 1] [Equation 1]

AI(%) = [(W2)/(W1)]AI(%) = [(W2)/(W1)]

상기 식 1에서, W1는 시료의 마모시험 전 g 단위 무게이고, W2는 시료의 마모시험이 실시된 5 시간 동안 포집된 미세입자의 g 단위 무게이다.In Equation 1, W1 is the g unit weight before the abrasion test of the sample, and W2 is the g unit weight of the microparticles collected for 5 hours during which the abrasion test of the sample was performed.

상기 마모지수의 하한은 특별히 제한되지 않으며, 0%에 근접할수록 좋다. 상기 범위 내에서, 산소전달입자를 케미컬루핑연소에 이용하는 경우 마모손실율이 더욱 저감되어, 공정 운전 중 보충해주어야 하는 산소전달입자의 양을 절감할 수 있으며, 공정 중 발생하는 미세분말 등의 생성률을 낮추어 순환유동층 공정 등에 적용하기에 더욱 유리한 특성을 갖는다.The lower limit of the wear index is not particularly limited, and the closer to 0%, the better. Within the above range, when the oxygen transfer particles are used for chemical roofing combustion, the wear loss rate is further reduced, thereby reducing the amount of oxygen transfer particles to be supplemented during the process operation, and lowering the production rate of fine powders generated during the process. It has more advantageous properties for application to a circulating fluidized bed process or the like.

상기 산소전달입자는 형상이 비-블로홀(non-blowhole)인 구형이고, 평균입자크기가 60 ㎛ 내지 150 ㎛이고, 입자크기분포는 30 ㎛ 내지 400 ㎛ 이며, 충진밀도가 1.5 g/mL 내지 4.0 g/mL일 수 있다. 이러한 경우, 산소전달입자를 케미컬루핑연소에 이용하는 경우 마모손실율이 더욱 저감되어, 공정 운전 중 보충해주어야 하는 산소전달입자의 양을 절감할 수 있으며, 공정 중 발생하는 미세분말 등의 생성률을 낮추어 순환유동층 공정 등에 적용하기에 더욱 유리한 특성을 갖는다.The oxygen-transmitting particles have a non-blowhole spherical shape, an average particle size of 60 µm to 150 µm, a particle size distribution of 30 µm to 400 µm, and a filling density of 1.5 g/mL to 4.0. g/mL. In this case, when the oxygen transfer particles are used for chemical roofing combustion, the wear loss rate is further reduced, thereby reducing the amount of oxygen transfer particles to be supplemented during the process operation, and lowering the production rate of fine powders generated during the process to reduce the circulation rate of the circulating fluidized layer. It has more advantageous properties for application to processes and the like.

상기 비-블로홀(non-blowhole)은 딤플형, 중공형 등 블로홀을 포함하는 형상을 제외한 형태의 구형을 의미한다.The non-blowhole (non-blowhole) means a spherical shape of a shape other than a shape including a blowhole, such as a dimple type, a hollow type.

상기 산소전달입자의 평균입자크기 및 입자크기분포는, 구체적으로 입자의 평균 크기는 60㎛ 내지 150㎛, 보다 구체적으로 70㎛ 내지 130㎛일 수 있으며, 입자 크기 분포는 30㎛ 내지 400㎛, 보다 구체적으로 38㎛ 내지 350㎛ 일 수 있다.The average particle size and particle size distribution of the oxygen transfer particles, specifically, the average size of the particles may be 60㎛ to 150㎛, more specifically 70㎛ to 130㎛, the particle size distribution is 30㎛ to 400㎛, more Specifically, it may be 38 μm to 350 μm.

상기 산소전달입자는 산소전달량이 전체 산소전달입자의 무게 중 7 중량% 내지 15 중량%, 구체적으로 9 중량% 내지 12 중량%일 수 있다.The oxygen transfer particles may have an oxygen transfer amount of 7 wt% to 15 wt%, specifically 9 wt% to 12 wt%, of the total weight of the oxygen transport particles.

<산소전달입자의 제조 방법><Method of manufacturing oxygen transfer particles>

본 발명의 다른 구현예는 (A) 전술한 산소전달입자 제조용 원료 조성물을 용매와 혼합하여 산소전달입자 제조용 슬러리를 제조하는 단계; (B) 상기 슬러리를 교반하여 균질화된 슬러리를 제조하는 단계; (C) 상기 슬러리를 분무 건조하여 고체 입자를 성형하는 단계; 및 (D) 상기 성형된 고체 입자를 건조 및 소성시켜 산소전달입자를 제조하는 단계;를 포함하는 산소전달입자의 제조 방법에 관한 것이다. Another embodiment of the present invention (A) mixing the above-described raw material composition for preparing oxygen transport particles with a solvent to prepare a slurry for preparing oxygen transport particles; (B) preparing a homogenized slurry by stirring the slurry; (C) spray drying the slurry to form solid particles; And (D) drying and calcining the molded solid particles to prepare oxygen transfer particles.

상기 산소전달입자 제조용 슬러리는 전술한 산소전달입자 제조용 원료 조성물을 용매에 혼합하여 제조되는 것일 수 있다.The oxygen transport particle production slurry may be prepared by mixing the above-described oxygen transport particle production raw material composition with a solvent.

상기 산소전달입자 제조용 원료 조성물은 구리 산화물 30 중량% 내지 50 중량%; 망간 산화물 20 중량% 내지 40 중량%; 마그네슘 산화물 또는 마그네슘 수산화물 5 중량% 내지 20 중량%; 졸 또는 분말형태의 알루미늄 산화물 또는 수산화물 10 중량% 내지 30 중량%; 포함할 수 있다.The oxygen transfer particle production raw material composition is copper oxide 30% to 50% by weight; 20% to 40% by weight of manganese oxide; 5 to 20% by weight of magnesium oxide or magnesium hydroxide; 10% to 30% by weight of aluminum oxide or hydroxide in sol or powder form; It can contain.

산소전달입자 제조용 슬러리를 제조하는 단계 (A)에서 산소전달입자 제조용 슬러리는 전술한 본 발명의 산소전달입자 제조용 원료 조성물을 용매에 혼합하여 제조한다.In the step (A) of preparing a slurry for preparing oxygen transport particles, the slurry for preparing oxygen transport particles is prepared by mixing the above-described raw material composition for preparing oxygen transport particles of the present invention with a solvent.

상기 산소전달입자 제조용 원료 조성물과 상기 용매는 15 내지 40 : 60 내지 85의 중량비로 혼합될 수 있다. 상기 범위 내에서, 분무건조 시 증발되어야 할 용매의 양과 산소전달입자 제조용 원료 조성물의 고체 함량이 적절한 범위로 유지되어, 점도가 적정범위 내로 유지되어 유동성이 향상되고, 균질화 시 분쇄가 더욱 용이하며, 우수한 제조 효율을 구현할 수 있다. The raw material composition for preparing the oxygen transport particles and the solvent may be mixed in a weight ratio of 15 to 40:60 to 85. Within the above range, the amount of the solvent to be evaporated during spray drying and the solid content of the raw material composition for preparing oxygen transfer particles are maintained in an appropriate range, the viscosity is maintained within an appropriate range to improve fluidity, and grinding is more easily performed when homogenized, Excellent manufacturing efficiency can be achieved.

상기 용매의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 이 분야에서 일반적으로 사용되는 용매를 사용할 수 있다. 구체적으로는 상기 용매로 물을 사용할 수 있다. 이러한 경우, 균질화 및 소성 공정에서의 작업성 및 제조 효율이 더욱 향상될 수 있다.The type of the solvent is not particularly limited, and a solvent generally used in this field may be used. Specifically, water may be used as the solvent. In this case, workability and manufacturing efficiency in the homogenization and firing process can be further improved.

산소전달입자 제조용 슬러리를 제조하는 단계(A)에서 슬러리는 분산제, 소포제 및 유기결합제 중 1종 이상의 첨가제를 추가로 포함할 수 있다.In the step (A) of preparing a slurry for preparing oxygen transport particles, the slurry may further include at least one additive of a dispersant, an antifoaming agent, and an organic binder.

구체적으로, 상기 첨가제는 전술한 용매에 미리 투입된 상태로 산소전달입자 제조용 원료 조성물과 혼합될 수도 있다. 이러한 경우, 산소전달입자 제조용 원료 조성물의 분산성 및 용매와의 혼합성을 더욱 향상시킬 수 있다.Specifically, the additive may be mixed with the raw material composition for the production of oxygen transfer particles in a pre-injected state in the above-described solvent. In this case, it is possible to further improve the dispersibility of the raw material composition for preparing oxygen transfer particles and the mixing property with a solvent.

상기 분산제(dispersant)는 하기에 설명할 슬러리의 분쇄 시 산소전달입자 제조용 원료 조성물에 포함된 성분들이 서로 응집되는 현상을 방지할 수 있다. 또한, 균질화 과정에서 산소전달입자를 구성하는 원료 성분들의 입자 크기를 제어하는 효율이 더욱 향상될 수 있다.The dispersant may prevent the components included in the raw material composition for preparing oxygen transfer particles from agglomerating with each other when the slurry to be described below is crushed. In addition, the efficiency of controlling the particle size of the raw material components constituting the oxygen transport particles in the homogenization process can be further improved.

구체적으로, 분산제는 음이온계 계면활성제, 양이온계 계면활성제 및 비이온계 계면활성제 중 1종 이상을 사용할 수 있다. 상기 음이온계 계면활성제는 예를 들면, 폴리카르복실산암모늄염(Poly carboxylate ammonium salts) 또는 폴리카르복실산아민염(Poly carboxylate amine salts) 등을 일 수 있다. 이러한 경우, 분산제에 의한 입자 표면의 전하 조절, 분산 및 응집을 조절하는 기능을 더욱 향상시키고, 슬러리를 고농도화할 수 있다.Specifically, the dispersant may use one or more of anionic surfactants, cationic surfactants and nonionic surfactants. The anionic surfactant may be, for example, poly carboxylate ammonium salts or poly carboxylate amine salts. In this case, it is possible to further improve the function of controlling the charge control, dispersion and aggregation of the particle surface by the dispersant, and make the slurry highly concentrated.

또한, 분산제는 슬러리를 분무건조 시 생성되는 성형체(산소전달입자 조립체), 즉 생소지제(green body)의 형상이 도우넛형, 딤플형, 블로우형이 아닌 구형으로 제조되는 효율을 향상시킬 수 있다.In addition, the dispersant can improve the efficiency in which the shape of the formed body (oxygen transfer particle assembly), that is, the green body, produced during spray drying of the slurry is spherical rather than donut-shaped, dimple-shaped, or blow-shaped.

상기 분산제의 함량은 산소전달입자 제조용 원료 조성물 100 중량부를 기준으로, 0.01 중량부 내지 5 중량부일 수 있다. 상기 범위 내에서, 산소전달입자들의 분산 효과가 더욱 우수할 수 있다.The content of the dispersing agent may be from 0.01 parts by weight to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the raw material composition for preparing oxygen transfer particles. Within the above range, the dispersion effect of the oxygen transport particles may be more excellent.

상기 소포제(defoamer)는 분산제 및 유기결합제가 적용된 슬러리의 기포를 제거하기 위해 사용될 수 있다. The defoamer may be used to remove air bubbles in the slurry to which the dispersant and the organic binder are applied.

구체적으로, 상기 소포제는 실리콘계 소포제, 금속비누계 소포제, 아마이드계 소포제, 폴리에테르계 소포제, 폴리에스테르계 소포제, 폴리글라이콜계 소포제 및 알코올계 소포제 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 소포제의 상용성이 더욱 우수하다.Specifically, the antifoaming agent may include at least one of a silicone antifoaming agent, a metal soap antifoaming agent, an amide antifoaming agent, a polyether antifoaming agent, a polyester antifoaming agent, a polyglycol antifoaming agent, and an alcohol antifoaming agent. In this case, the compatibility of the antifoaming agent is more excellent.

상기 소포제의 함량은 산소전달입자 제조용 원료 조성물 100 중량부를 기준으로, 0.01 중량부 내지 1.0 중량부일 수 있다. 상기 범위 내에서, 슬러리 제조 과정 중에 기포가 발생하는 것을 저감하고, 분무 건조 시 구형의 산소전달입자를 제조하는 효율이 더욱 향상되며, 소성 후 잔여 회분의 함량을 저감하여 산소전달량을 더욱 향상시킬 수 있다. 소포제의 더욱 구체적인 함량은 기포 발생량에 따라 가감할 수 있다. The content of the antifoaming agent may be from 0.01 parts by weight to 1.0 parts by weight based on 100 parts by weight of the raw material composition for preparing oxygen transfer particles. Within the above range, it is possible to reduce the generation of bubbles during the slurry production process, to further improve the efficiency of producing spherical oxygen transfer particles during spray drying, and to further improve the oxygen transfer amount by reducing the content of residual ash after firing. have. The more specific content of the anti-foaming agent may be adjusted depending on the amount of bubbles generated.

상기 유기결합제(organic binder)는 슬러리 제조 단계에서 첨가되어 슬러리에 가소성(plasticity)과 유동성을 부여하고 궁극적으로는 분무건조 성형으로 조립된 산소전달입자에 강도를 부여함으로써 예비건조 및 소성 전에 조립체, 즉 생소지체(green body)의 취급을 용이하게 할 수 있다. The organic binder is added in the slurry preparation step to impart plasticity and fluidity to the slurry and ultimately to give strength to the oxygen-transferred particles assembled by spray drying, thereby pre-drying and firing the assembly. It can facilitate handling of the green body.

구체적으로, 유기결합제의 종류는 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌글라이콜 및 메틸셀룰로즈 중 1종 이상을 사용할 수 있다. Specifically, as the type of the organic binder, one or more of polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, and methyl cellulose may be used.

상기 유기결합제의 함량은 산소전달입자 제조용 원료 조성물 100 중량부를 기준으로, 1 중량부 내지 5 중량부일 수 있다. 상기 범위 내에서, 분무건조에 의해 성형된 고체 입자의 결합력이 향상되어, 건조 및 소성 전까지 구형의 형상을 유지하는 특성이 향상될 수 있으며, 소성 후 잔여 회분의 함량을 저감하여 산소전달량을 더욱 향상시킬 수 있다.The content of the organic binder may be 1 part by weight to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the raw material composition for preparing oxygen transfer particles. Within the above range, the bonding strength of the solid particles formed by spray drying is improved, and characteristics of maintaining a spherical shape before drying and firing can be improved, and the amount of residual ash after firing is reduced to further improve the oxygen transfer amount. I can do it.

일 구체예에서, 상기 첨가제는 분산제, 소포제 및 유기결합제를 모두 포함하고, 상기 첨가제는 산소전달입자 제조용 원료조성물 100 중량부에 대하여 분산제 0.01 내지 5.0 중량부, 유기결합제 1.0 내지 5.0 중량부, 소포제 0.01 내지 1.0 중량부로 슬러리 내에 첨가될 수 있다. 이러한 경우, 산소전달입자의 산소전달량을 더욱 향상시키면서도, 산소전달입자의 평균입자크기, 입자크기분포 및 형상을 제어하기에 유리하다.In one embodiment, the additive includes all of a dispersant, an antifoaming agent, and an organic binder, and the additive is 0.01 to 5.0 parts by weight of a dispersant, 1.0 to 5.0 parts by weight of an organic binder, and 0.01 of an antifoaming agent relative to 100 parts by weight of a raw material composition for preparing oxygen transfer particles. To 1.0 part by weight may be added into the slurry. In this case, it is advantageous to control the average particle size, particle size distribution, and shape of the oxygen transfer particles while further improving the oxygen transfer amount of the oxygen transfer particles.

상기 슬러리는 유동성 콜로이드 슬러리일 수 있다. 이러한 경우, 균질화 및 소성 공정에서의 작업성 및 제조 효율이 더욱 향상될 수 있다.The slurry may be a fluid colloidal slurry. In this case, workability and manufacturing efficiency in the homogenization and firing process can be further improved.

슬러리를 교반하여 균질화된 슬러리를 제조하는 단계(B)는 앞서 제조된 슬러리를 교반기를 사용하여 교반 및 분쇄한 후 균질화하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 슬러리의 균질화 특성, 슬러리의 농도, 점도, 안정성, 유동성과 분무건조 후 입자의 강도 및 밀도 등의 제어력이 더욱 향상될 수 있다.The step (B) of preparing a homogenized slurry by stirring the slurry may include homogenizing the slurry prepared above by stirring and pulverizing it using a stirrer. In this case, control properties such as homogenization characteristics of the slurry, concentration of the slurry, viscosity, stability, fluidity, and strength and density of particles after spray drying may be further improved.

상기 교반은 혼합물에 포함되는 성분들을 첨가하는 과정 또는 포함되는 성분 모두가 첨가된 상태에서 이루어질 수 있다. 이 때, 교반은 예를 들면, 교반기를 사용하여 수행될 수 있다.The stirring may be performed in a process of adding components included in the mixture or in a state in which all components included are added. At this time, stirring may be performed using, for example, a stirrer.

구체적으로, 상기 용매 및/또는 첨가제와 산소전달입자 제조용 조성물의 혼합이 완료되어 제조된 슬러리는 교반 후 분쇄기를 사용하여 분쇄함으로써 슬러리 중의 입자크기를 수 마이크론(㎛) 이하로 만들수 있다. 이 과정에서 분쇄된 입자는 슬러리 내에 더욱 균질하게 분산되고, 슬러리 내 입자의 응집이 억제되므로 균질하고 안정한 슬러리가 제조될 수 있다. Specifically, the slurry prepared by mixing the solvent and/or additives with the composition for preparing oxygen-transmitting particles is completed and then pulverized using a grinder to stir the particle size in the slurry to several microns (µm) or less. In this process, the pulverized particles are more homogeneously dispersed in the slurry, and since aggregation of the particles in the slurry is suppressed, a homogeneous and stable slurry can be produced.

필요에 따라 분쇄 과정은 수회 반복할 수 있으며 각 분쇄 과정 사이에 분산제와 소포제가 첨가되면서 슬러리의 유동성을 조절할 수도 있다.If necessary, the grinding process may be repeated several times, and the fluidity of the slurry may be controlled while a dispersant and an antifoaming agent are added between each grinding process.

예를 들면, 분쇄 방법으로 습식 분쇄(Wet milling) 방법을 사용할 수 있다. 이러한 경우, 분쇄효과를 향상시키고, 건식 분쇄 시 발생하는 입자의 날림 등의 문제를 해소할 수 있다. 한편, 원료 조성물 입자의 입경이 수 마이크론 이하인 경우에는 별도의 분쇄과정을 생략할 수도 있다.For example, a wet milling method may be used as a grinding method. In this case, the crushing effect can be improved, and problems such as blowing of particles generated during dry grinding can be solved. On the other hand, if the particle diameter of the raw material composition particles is a few microns or less, a separate grinding process may be omitted.

본 발명에서는 교반 및 분쇄된 슬러리 중의 이물질을 제거하는 것을 추가로 수행할 수 있다. 상기 단계를 통하여, 분무 성형 시 노즐 막힘 등의 원인이 될 수 있는 이물질 또는 덩어리진 원료를 제거할 수 있다. 상기 이물질의 제거는 예를 들면, 체거름을 통해 수행될 수 있다.In the present invention, it is possible to further perform the removal of foreign substances in the stirred and pulverized slurry. Through the above steps, foreign matter or lumped raw materials that may cause clogging of the nozzle during spray molding may be removed. Removal of the foreign material may be performed, for example, through a sieve.

상기 균질화된 슬러리의 유동성에 대한 특별한 제한은 없으며, 펌프로 이송이 가능하다면 어떤 점도도 가능하다.There is no particular limitation on the flowability of the homogenized slurry, and any viscosity is possible if it can be transferred to the pump.

슬러리를 분무 건조하여 고체 입자를 성형하는 단계(C)는 상기 균질화된 슬러리를 분무 건조기에 투입한 후, 입구온도는 260℃ 내지 300℃, 출구온도는 90℃ 내지 150℃를 유지하면서 분무하여 고체 입자로 성형하는 것을 포함할 수 있다.In the step (C) of spray-drying the slurry to form solid particles, the homogenized slurry is introduced into the spray dryer, and then sprayed while maintaining the inlet temperature at 260°C to 300°C and the outlet temperature at 90°C to 150°C. And molding into particles.

상기 슬러리의 성형은 분무건조기를 사용하여 수행할 수 있으며, 구체적으로 균질화된 슬러리를 펌프를 통해 분무건조기로 이송시킨 뒤, 상기 이송된 슬러리 조성물을 분무건조기 내로 분사함으로써 고체 입자를 성형할 수 있다.Molding of the slurry can be carried out using a spray dryer, and specifically, after transferring the homogenized slurry to a spray dryer through a pump, solid particles can be molded by spraying the transferred slurry composition into a spray dryer.

상기 슬러리의 성형은 유기결합제를 첨가하는 경우 분무 건조 시 입자 형상이 구형으로 유지되기에 더욱 유리할 수 있다.Molding of the slurry may be more advantageous in that when the organic binder is added, the particle shape is maintained in a spherical shape during spray drying.

상기 분무건조기에서 산소전달입자를 성형하기 위한 상기 분무건조기의 형태 및 운전조건은 이 분야에서 일반적으로 사용되는 운전조건을 적용할 수 있다. The shape and operating conditions of the spray dryer for forming oxygen-transfer particles in the spray dryer can be applied to the operating conditions generally used in this field.

더욱 구체적으로는 유동성의 균질화된 슬러리를 가압노즐을 사용하여 건조용 공기의 흐름과 반대 방향으로 분사하는 향류식 분무방식으로 분사하여 산소전달입자를 성형할 수 있다. More specifically, the oxygen-transmitting particles may be formed by spraying a homogenized slurry of fluidity using a pressurized nozzle using a countercurrent spraying method in which the flow of drying air is sprayed in the opposite direction.

이때, 분무 건조기의 입구온도는 260℃ 내지 300℃, 출구온도는 90℃ 내지 150℃로 유지될 수 있다. 상기 온도 범위 내에서 구형의 산소전달입자를 제조하는 효율이 더욱 향상될 수 있다.At this time, the inlet temperature of the spray dryer may be maintained at 260 ℃ to 300 ℃, the outlet temperature is 90 ℃ to 150 ℃. The efficiency of producing spherical oxygen-transfer particles within the temperature range may be further improved.

성형된 고체 입자를 건조 및 소성시켜 산소전달입자를 제조하는 단계(D)는 성형된 고체 입자를 110℃ 내지 150℃로 2 내지 24 시간 동안 건조하고, 고온 소성로에 투입하여 1℃/min 내지 5℃/min 의 속도로 1050℃ 내지 1350℃으로 승온하여 2 내지 10 시간 동안 소성하는 것을 포함할 수 있다.In the step (D) of drying and firing the molded solid particles to prepare the oxygen-transfer particles, the molded solid particles are dried at 110°C to 150°C for 2 to 24 hours, and put into a high-temperature firing furnace at 1°C/min to 5 It may include heating at 1050°C to 1350°C at a rate of °C/min and firing for 2 to 10 hours.

상기 온도 및 시간 조건에서 건조를 수행하는 경우, 소성 시 입자 내 수분이 팽창하여 입자에 균열이 발생하는 현상을 방지할 수 있다. 이때, 건조는 공기 분위기에서 이루어질 수 있다.When drying is performed under the above temperature and time conditions, moisture in the particles expands during firing, thereby preventing cracks in the particles. At this time, drying may be performed in an air atmosphere.

상기 건조가 완료되면, 건조된 입자를 고온 소성로에 넣고 1℃/min 내지 5℃/min의 속도로 최종 소성 온도를 1050℃ 내지 1350℃까지 올린 뒤, 2 시간 내지 10 시간 동안 소성시킬 수 있다. 상기 소성 시간 범위 내에서, 입자의 강도가 약해지거나, 소성비용이 과도하게 증가하는 것을 방지할 수 있다. 이러한 경우, 소성에 의해 슬러리의 제조 시 투입된 유기첨가제(분산제, 소포제 및 유기결합제)는 연소되고, 원료물질들 간의 결합이 이루어져 입자의 강도가 향상한다. 또한, 상기 소성 온도 범위 내에서, 소성 온도가 불충분하여 산소전달입자의 강도가 낮아지는 것을 방지하면서도 산소전달량을 충분히 향상시킬 수 있다. When the drying is completed, the dried particles are placed in a high temperature firing furnace, and the final firing temperature is raised to 1050 °C to 1350 °C at a rate of 1 °C/min to 5 °C/min, followed by firing for 2 to 10 hours. Within the firing time range, it is possible to prevent the strength of the particles from becoming weak or excessively increasing the firing cost. In this case, the organic additives (dispersants, antifoaming agents and organic binders) introduced during the preparation of the slurry by firing are burned and bonds between the raw materials are formed to improve the strength of the particles. In addition, within the firing temperature range, it is possible to sufficiently improve the amount of oxygen transfer while preventing the strength of the oxygen transfer particles from being lowered due to insufficient firing temperature.

보다 구체적으로, 상기 소성은 최종 소성 온도에 이르기까지 2 단계 이상의 정체 온도에서 각 30 분 이상의 정체 구간을 부여하는 방법으로 수행될 수 있다. 이러한 경우, 제조되는 산소전달입자 내부의 수분 증발 및 유기첨가제 연소에 따라 발생되는 기체에 의한 입자 형상 파괴를 예방할 수 있다.More specifically, the firing may be performed by a method of imparting a stagnation section of 30 minutes or more at stagnation temperatures of two or more steps up to the final firing temperature. In this case, it is possible to prevent the evaporation of moisture inside the oxygen transfer particles to be produced and the destruction of the particle shape by the gas generated due to combustion of the organic additive.

상기 소성은 박스형로(muffle furnace), 튜브형로(tubularfurnace) 또는 킬른(kiln) 등의 소성로를 사용함으로써 수행될 수 있다. The firing may be performed by using a firing furnace such as a muffle furnace, a tubularfurnace, or a kiln.

이하 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부한 도면을 따라 본 발명에 따르는 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples according to the present invention in accordance with the accompanying drawings so that those skilled in the art to which the present invention pertains can easily practice, but the scope of the present invention is the examples presented below It is not limited by.

도 4는 본 발명에 따른 산소전달입자 원료 조성물을 이용한 산소전달입자의 제조 방법(S100)을 개략적으로 나타낸 공정도이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 산소전달입자는 산소전달입자 제조용 원료 조성물을 용매에 첨가하여 혼합하는 단계(A), 혼합된 슬러리를 분쇄와 분산을 통해 균질화된 슬러리로 제조하는 단계(B), 균질화된 슬러리를 분무 건조시켜 고체 입자로 성형하는 단계(C) 및 성형 제조된 고체 입자(산소전달입자의 생소지체(green body))를 건조 및 소성시켜 최종 산소전달입자를 제조하는 단계(D)를 포함한다.4 is a process diagram schematically showing a method (S100) of manufacturing oxygen transfer particles using the oxygen transfer particle raw material composition according to the present invention. As shown in FIG. 4, the oxygen transfer particles are mixed by adding a raw material composition for preparing oxygen transfer particles to a solvent (A), and preparing the mixed slurry into a homogenized slurry through pulverization and dispersion (B), Spray drying the homogenized slurry to form solid particles (C) and drying and firing the molded solid particles (green body of the oxygen transfer particles) to prepare the final oxygen transfer particles (D) It includes.

도 5는 원료 조성물 및 물의 혼합물을 슬러리로 제조하는 예시적인 과정을 나타낸 공정도이다. 도 5에 표시된 바와 같이, 슬러리의 제조는 첨가제를 물에 첨가하는 단계(S11), 고체원료를 물에 혼합하는 단계(S12), 유기첨가제를 혼합물에 첨가하는 단계(S21) 및 혼합된 슬러리를 분쇄 및 분산시켜 균질화하고 분산된 슬러리를 제조하는 단계(S22)를 포함하고, 슬러리에 포함된 이물질을 제거하는 단계(S23)를 더 포함할 수 있다.5 is a process chart showing an exemplary process for preparing a mixture of a raw material composition and water as a slurry. As shown in FIG. 5, the preparation of the slurry comprises adding an additive to water (S11), mixing a solid raw material into water (S12), adding an organic additive to the mixture (S21) and the mixed slurry. It may include a step (S22) of homogenizing and dispersing the slurry by grinding and dispersing, and may further include a step (S23) of removing foreign substances contained in the slurry.

도 6은 슬러리를 분무건조하여 산소전달입자를 성형하는 예시적인 과정을 나타낸 공정도이다. 도 6에 표시된 바와 같이, 슬러리를 분무건조하여 산소전달입자를 성형하는 단계(S30)는 슬러리를 분무 건조기로 이송하는 단계(S31) 및 이송된슬러리를 분무 건조기 내로 분사하여 산소전달입자를 성형하는 단계(S32)를 포함할 수 있다.6 is a process diagram showing an exemplary process for forming the oxygen transport particles by spray drying the slurry. As shown in FIG. 6, the step of spray drying the slurry to form the oxygen transfer particles (S30) is the step of transferring the slurry to the spray dryer (S31) and spraying the transferred slurry into the spray dryer to form the oxygen transfer particles. Step S32 may be included.

도 7은 분무건조법으로 성형된 산소전달입자 생소지체를 건조 소성시켜 최종 산소전달입자로 제조하는 예시적인 과정을 나타낸 공정도이다. 도 7에 표시된 바와 같이, 성형된 산소전달입자 생소지체는 예비 건조과정(S41)을 거친 후, 소성과정(S42)을 통해 최종 산소전달입자로 제조될 수 있다.7 is a process chart showing an exemplary process for preparing a final oxygen delivery particle by drying and firing the oxygen carrier particle formed by the spray drying method. As shown in FIG. 7, the formed oxygen carrier particle biomaterial may be prepared as a final oxygen carrier particle through a preliminary drying process (S41), followed by a firing process (S42).

<케미컬루핑연소 방법><Chemical roofing combustion method>

본 발명의 또 다른 구현예는 전술한 산소전달입자를 연료와 반응시켜, 연료를 연소시키고 상기 산소전달입자를 환원하는 것 및 환원된 산소전달입자를 산소와 반응시켜 재생하는 것을 포함하는 케미컬루핑연소 방법에 관한 것이다.Another embodiment of the present invention is a chemical roofing combustion comprising reacting the aforementioned oxygen transport particles with a fuel, burning fuel and reducing the oxygen transport particles, and reacting the reduced oxygen transport particles with oxygen to regenerate them. It's about how.

여기서 연료는 특별히 제한되지 않으며 고체상, 액체상, 기체상 모두 사용 가능하며 바람직하게는 기체연료일 수 있다. 본 발명에서 사용되는 기체연료는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 수소, 일산화탄소, 알칸(alkane, CnH2n+2), 천연가스(LNG) 및 합성가스(syngas)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.Here, the fuel is not particularly limited, and a solid phase, a liquid phase, and a gas phase may be used. Preferably, the fuel may be a gaseous fuel. Gas fuel used in the present invention is not particularly limited, for example, hydrogen, carbon monoxide, alkanes (alkane, C n H 2n + 2 ), natural gas (LNG) and one selected from the group consisting of syngas (syngas) It may be abnormal.

이러한 본 발명의 케미컬루핑연소 방법에 대한 모식도를 첨부된 도 8에 나타내었다.8 is a schematic diagram of the chemical roofing combustion method of the present invention.

산소전달입자를 연료와 반응시키면, 산소전달입자는 산소를 연료로 전달하면서 환원이 되고, 이산화탄소와 물을 발생시킨다. 상기 환원된 산소전달입자를 산소와 반응시키면 산화되어 다시 재생된다. 본 발명의 케미컬루핑연소 방법에서는 상기와 같은 과정을 반복하게 된다. 또한, 환원된 산소전달입자로의 산소의 제공은 공기와 산소전달입자의 접촉을 통해 이루어질 수 있다.When the oxygen transport particles react with the fuel, the oxygen transport particles are reduced while delivering oxygen to the fuel and generate carbon dioxide and water. When the reduced oxygen transfer particles react with oxygen, they are oxidized and regenerated. In the chemical roofing combustion method of the present invention, the above process is repeated. In addition, the supply of oxygen to the reduced oxygen transport particles may be achieved through contact of air and oxygen transport particles.

본 발명의 산소전달입자를 케미컬루핑연소 공정(CLC 공정)에 적용할 경우, 종래의 연소방식에 비해 이산화탄소 포집에 따른 시스템 열효율 저하를 줄이면서 이산화탄소를 원천적으로 분리하여 포집할 수 있다. 이와 더불어 케미컬루핑연소공정의 특성상 용액을 사용하여 이산화탄소를 포집하지 않기 때문에 물 사용량이 적고 폐수 발생이 거의 없다는 장점이 있다.When the oxygen transfer particles of the present invention are applied to a chemical roofing combustion process (CLC process), carbon dioxide can be separated and collected by source while reducing the system thermal efficiency reduction due to carbon dioxide capture compared to a conventional combustion method. In addition, because of the nature of the chemical roofing combustion process, since the solution does not capture carbon dioxide, there is an advantage of low water consumption and little waste water generation.

또한, 이러한 케미컬루핑연소 방법(CLC 공정)은 산소전달입자를 연료와 반응시켜 상기 산소전달입자를 환원시키고 연료를 연소시키는 연료반응기; 및 상기 환원된 산소전달입자를 산소와 반응시켜 산화시키는 공기반응기;를 포함하는 케미컬루핑연소장치를 통해 수행될 수 있다.In addition, such a chemical roofing combustion method (CLC process) includes a fuel reactor for reacting oxygen transfer particles with fuel to reduce the oxygen transfer particles and burn fuel; And an air reactor that reacts and oxidizes the reduced oxygen-transfer particles with oxygen.

구체적으로, 연료반응기에서 산소전달입자 내의 금속 산화물(MxOy)은 연료와 반응하여 환원상태의 금속 산화물(MxOy-1)이 된다. 이때, 연료는 연소되어 환원된다. 환원된 산소전달입자는 공기반응기로 이동함으로써 공기 중의 산소와 반응하여 다시 산화된다. 상기 산화된 산소전달입자는 연료반응기로 순환되어 위의 과정을 반복하게 된다.Specifically, in the fuel reactor, the metal oxide (M x O y ) in the oxygen transport particles reacts with the fuel to become a reduced metal oxide (M x O y -1 ). At this time, the fuel is burned and reduced. The reduced oxygen transfer particles are oxidized again by reacting with oxygen in the air by moving to the air reactor. The oxidized oxygen transport particles are circulated to the fuel reactor to repeat the above process.

상기 연료반응기 및 공기반응기 내에서의 반응을 하기 반응식 1 및 2 로나타내었다. 하기 반응식 1은 연료반응기 내에서의 반응이며, 반응식 2는 공기반응기 내에서 일어나는 반응을 나타낸 것이다.The reactions in the fuel reactor and the air reactor are shown in the following reaction formulas 1 and 2. The following Reaction Scheme 1 is a reaction in a fuel reactor, and Reaction Scheme 2 shows a reaction occurring in an air reactor.

<반응식 1><Scheme 1>

4MxOy + CH4 → 4MxOy-1 + 2H2O + CO2 4M x O y + CH 4 → 4M x O y-1 + 2H 2 O + CO 2

<반응식 2><Reaction Scheme 2>

MxOy-1 + 0.5O2 → MxOy M x O y-1 + 0.5O 2 → M x O y

상기, 반응식 1 및 2에서, M은 금속을 나타내며, X 및 Y는 금속 산화물 분자 내의 각 원자가 차지하는 비율을 의미한다.In the above reaction schemes 1 and 2, M represents a metal, and X and Y represent a ratio occupied by each atom in the metal oxide molecule.

반응식 1 및 2에서는 금속산화물 한 분자에서 산소원자(O) 한 개가 전달되는 예를 나타내었으나 한 개 이하 또는 한 개 이상 전달될 수도 있으며 이 경우 반응식 1 및 2는 전달되는 산소의 개수에 맞추어 변경될 수 있다.Schemes 1 and 2 show an example in which one oxygen atom (O) is transferred from one molecule of metal oxide, but one or more or more may be delivered. Can be.

실시예 및 비교예Examples and comparative examples

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 예시 중 일부로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in more detail through preferred embodiments of the present invention. However, this is presented as a part of the examples of the present invention and cannot be interpreted as limiting the present invention by any means.

여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.The contents not described here will be sufficiently technically inferred by those skilled in the art, and thus the description thereof will be omitted.

하기 실시예는 산소전달입자의 활성성분인 구리 산화물을 제공하기 위한 산화구리(CuO); 또 다른 활성성분인 망간 산화물을 제공하기 위한 산화망간(MnO); 산소전달입자의 응집현상을 방지하기 위한 마그네슘 산화물을 제공하기 위한 수산화마그네슘(Mg(OH)2); 활성물질의 분산(dispersion) 및 강도를 부여와 산소전달반응 증진을 위한 지지체 원료로 졸 형태의 보에마이트(AlOOH);을 원료 조성물로 사용하는 산소전달입자 제조에 관한 예이다.The following examples are copper oxide (CuO) for providing copper oxide which is the active ingredient of the oxygen transfer particles; Manganese oxide (MnO) to provide another active ingredient, manganese oxide; Magnesium hydroxide (Mg(OH) 2 ) to provide magnesium oxide to prevent aggregation of oxygen transfer particles; It is an example of the production of oxygen transfer particles using sol-form boehmite (AlOOH) as a raw material composition as a support raw material for imparting dispersion and strength of an active substance and enhancing an oxygen transfer reaction.

상기 원료 조성물 중 수산화마그네슘(Mg(OH)2)는 고온에서 소성하면 물(H2O)이 배출되면서 산화마그네슘이 된다. In the raw material composition, magnesium hydroxide (Mg(OH) 2 ) becomes magnesium oxide while water (H 2 O) is discharged when calcined at a high temperature.

상기 원료 조성물 중 졸 형태의 보에마이트(AlOOH)는 고온에서 소성하면 물(H2O)이 배출되면서 산화알루미늄이 된다. Among the raw material compositions, sol-form boehmite (AlOOH) becomes aluminum oxide when water (H 2 O) is discharged when fired at a high temperature.

보다 구체적으로, 실시예 1~2 및 비교예 1의 산소전달입자는 하기와 같은 방법으로 제조되었다. More specifically, the oxygen transfer particles of Examples 1 to 2 and Comparative Example 1 were prepared by the following method.

실시예 1Example 1

산소전달입자를 제조하기 위해 공업용 CuO(순도 98 % 이상, 평균입자크기 0 초과 5㎛ 이하의 분말 형태), MnO(평균입자크기 0 초과 5㎛ 이하의 분말 형태, 순도 98 % 이상), Mg(OH)2(분말 형태, 평균입경 4.5 ㎛, 순도 98. % 이상), AlOOH (졸 형태, 용매가 물인 졸 형태의 AlOOH는 졸 중의 Al00H 함량이 졸을 건조 및 소성 했을 때 알루미나(Al2O3) 형태로 20 중량부, 분말 형태의 AlOOH는 순도 99% 이상, 용매에 분산된 상태에서의 입자 평균 크기가 1 ㎛이하)를 준비하였다. Industrial CuO (purity 98% or more, average particle size 0 to 5㎛ or less in powder form), MnO (average particle size 0 to 5㎛ or less in powder form, purity 98% or more), Mg( OH) 2 (powder form, average particle size 4.5 µm, purity 98.% or more), AlOOH (sol form, sol form AlOOH in a sol form in which the solvent is water, alumina (Al 2 O 3 when the sol is dried and calcined) ) 20 parts by weight of the form, AlOOH in the form of a powder was prepared with a purity of 99% or more and an average particle size of 1 μm or less in a state dispersed in a solvent).

상기 각 물질을 고온 소성 후 CuO, MnO, MgO, Al2O3 기준으로 각각 40.5 중량부, 36.2 중량부, 10.3 중량부, 13 중량부가 되도록 CuO, MnO, Mg(OH)2, AlOOH를 2.43 kg, 2.17 kg, 0.89 kg, 3.90 kg을 계량하고, 물 9 리터에 분산제(음이온계 계면활성제) 및 소포제(금속비누계)를 첨가하여 고체 원료 조성물을 교반기로 혼합하였다. 유기첨가제가 혼합된 물에 상기 고체 원료 조성물을 투입 후 교반기로 교반하면서 첨가하여 혼합 슬러리를 제조하였다.After calcining each material at high temperature, CuO, MnO, Mg(OH) 2 and AlOOH are 2.43 kg so that 40.5 parts by weight, 36.2 parts by weight, 10.3 parts by weight, and 13 parts by weight based on CuO, MnO, MgO, and Al 2 O 3 , respectively. , 2.17 kg, 0.89 kg, 3.90 kg were weighed, and a dispersant (anionic surfactant) and an antifoaming agent (metal soap system) were added to 9 liters of water to mix the solid raw material composition with a stirrer. The organic raw material was added to the mixed raw material composition while stirring with a stirrer to prepare a mixed slurry.

상기 혼합 슬러리를 고에너지볼밀(High Energy Ball Mill)로 1차 분쇄하였다. 분쇄를 원활히 진행하기 위하여 1차 분쇄 후 물과 분산제를 추가로 투입하였다. 2차 분쇄 후 폴리에틸렌글라이콜을 첨가하고 3차 분쇄를 진행하여 안정되고 균질한 유동성 콜로이드 슬러리(colloidal slurry)를 제조하였다. 분쇄를 마친 슬러리를 체거름을 통해 이물질을 제거하고 최종 슬러리 내 고체농도를 측정하였다. 총 투입된 첨가제의 양과 측정된 최종 슬러리 내 고체농도는 표 1에 나타낸 바와 같다.The mixed slurry was first crushed with a High Energy Ball Mill. Water and a dispersing agent were additionally added after the first pulverization in order to facilitate the pulverization. After the second pulverization, polyethylene glycol was added and the third pulverization was performed to prepare a stable and homogeneous fluid colloidal slurry. The crushed slurry was removed by sieving and the solid concentration in the final slurry was measured. Table 1 shows the total amount of additives added and the solid concentration in the final slurry measured.

상기 제조된 콜로이드 슬러리를 펌프로 분무건조기로 이송하고 분무건조하여 산소전달입자를 성형하였다. 이렇게 성형 제조된 산소전달입자 조립체, 즉 생소지체(green body)를 120℃의 공기분위기 환류 건조기에서 12시간 동안 예비 건조하고, 소성로에서 1100℃에서 5시간 소성시켜 산소전달입자를 제조하였다. 소성 온도에 도달하기 전 200℃, 300℃, 400℃, 500℃, 650℃, 800℃, 950℃에서 1시간 정도 체류하였고, 승온 속도는 약 5℃/min이었다.The prepared colloidal slurry was transferred to a spray dryer by a pump and spray dried to form oxygen-transfer particles. The thus prepared oxygen-transferred particle assembly, that is, the green body, was pre-dried for 12 hours in an air atmosphere reflux dryer at 120° C., and calcined at 1100° C. for 5 hours in a kiln to prepare oxygen-transferred particles. Before reaching the firing temperature, it stayed at 200° C., 300° C., 400° C., 500° C., 650° C., 800° C. and 950° C. for about 1 hour, and the rate of temperature increase was about 5° C./min.

비교예 1Comparative Example 1

비교예 1도 실시예 1과 같은 방법으로 산소전달입자를 제조하였다. 실시예 1과 제조 방법상의 주요 차이점은 다음과 같다. 원료 물질을 고온 소성 후 CuO, MnO, MgO, Al2O3 기준으로 각각 35.9 중량부, 32.0 중량부, 9.1 중량부, 23 중량부가 되도록 CuO, MnO, Mg(OH)2, AlOOH를 2.15 kg, 1.92 kg, 0.79 kg, 6.90 kg을 계량하고, 물은 12 리터를 투입하여 제조하였다. 총 투입된 첨가제의 양과 측정된 최종 슬러리 내 고체농도는 표 1에 나타낸 바와 같다.Comparative Example 1 also prepared oxygen-transfer particles in the same manner as in Example 1. The main differences in Example 1 and the manufacturing method are as follows. After calcining the raw material at high temperature, CuO, MnO, Mg(OH) 2 and AlOOH are 2.15 kg, so that 35.9 parts by weight, 32.0 parts by weight, 9.1 parts by weight, and 23 parts by weight based on CuO, MnO, MgO, and Al 2 O 3 , respectively. 1.92 kg, 0.79 kg, and 6.90 kg were weighed and water was prepared by adding 12 liters. Table 1 shows the total amount of additives added and the solid concentration in the final slurry measured.

실시예 2Example 2

실시예 2도 실시예 1과 같은 방법으로 산소전달입자를 제조하였다. 실시예 1과 제조 방법상의 주요 차이점은 다음과 같다. 원료 물질을 고온 소성 후 CuO, MnO, MgO, Al2O3 기준으로 각각 45.7 중량부, 27.1 중량부, 7.7 중량부, 19.5 중량부가 되도록 CuO, MnO, Mg(OH)2, AlOOH를 2.74 kg, 1.63 kg, 0.67 kg, 5.85 kg을 계량하고, 물은 10 리터를 투입하여 제조하였다. 총 투입된 첨가제의 양과 측정된 최종 슬러리 내 고체농도는 표 1에 나타낸 바와 같다.In Example 2, oxygen transfer particles were prepared in the same manner as in Example 1. The main differences in Example 1 and the manufacturing method are as follows. After calcining the raw material at high temperature, CuO, MnO, Mg(OH) 2 and AlOOH are 2.74 kg, such that 45.7 parts by weight, 27.1 parts by weight, 7.7 parts by weight, and 19.5 parts by weight based on CuO, MnO, MgO, and Al 2 O 3 , respectively. 1.63 kg, 0.67 kg, and 5.85 kg were weighed and water was prepared by adding 10 liters. Table 1 shows the total amount of additives added and the solid concentration in the final slurry measured.

산소전달입자 구성성분
(단위, 중량부, 고체 시료 기준)
Oxygen transport particle composition
(Unit, parts by weight, based on solid samples)
실시예 1Example 1 비교예 1Comparative Example 1 실시예 2Example 2
CuOCuO 40.540.5 35.935.9 45.745.7 MnOMnO 36.236.2 32.032.0 27.127.1 Mg(OH)2 Mg(OH) 2 10.310.3 9.19.1 7.77.7 MgOMgO 00 00 00 AlOOHAlOOH 13.013.0 23.023.0 19.519.5 Al2O3 Al 2 O 3 00 00 00 총 고체 함량Total solid content 100100 100100 100100 분산제Dispersant 1.01.0 1.01.0 1.01.0 소포제Antifoam 0.030.03 0.030.03 0.030.03 유기결합제Organic binder 3.03.0 3.03.0 3.03.0 슬러리 고체 농도Slurry solid concentration 33.333.3 27.327.3 29.629.6

<물성평가><Physical property evaluation>

(1) 산소전달입자의 형상 측정(1) Measurement of shape of oxygen transfer particles

실시예 및 비교예에서 제조된 산소전달입자의 형상은 산업용 현미경을 이용하여 측정하고, 결과를 도 1(실시예 1), 도 2(비교예 1) 도 3(실시예 2)에 나타내었다.The shape of the oxygen transfer particles prepared in Examples and Comparative Examples was measured using an industrial microscope, and the results are shown in FIG. 1 (Example 1) and FIG. 2 (Comparative Example 1) and FIG. 3 (Example 2).

(2) 평균 입자 크기 및 입자 크기 분포의 측정(2) Measurement of average particle size and particle size distribution

산소전달입자의 평균 입자 크기 및 입자 크기 분포는 미국재료시험협회(ASTM; American Society for Testing Materials)의 ASTM E-11에 기초하여 MEINZER-ⅡShaker와 표준체를 사용하여 10 g의 시료를 30분 동안 분류하여 계산하였다. 결과는 하기 표 2에 나타내었다.The average particle size and particle size distribution of the oxygen-transmitting particles were classified using MEINZER-IIShaker and a standard body for 10 minutes using MEINZER-IIShaker and a standard body based on ASTM E-11 of the American Society for Testing Materials (ASTM). Was calculated. The results are shown in Table 2 below.

(3) 충진 밀도 측정(3) Fill density measurement

산소전달입자의 충진 밀도는 ASTM D 4164-88에 준한 AutoTap(Quantachrome) 충진밀도측정기를 사용하여 측정하였다. 결과는 하기 표 2에 나타내었다.The filling density of the oxygen transport particles was measured using an AutoTap (Quantachrome) filling density meter according to ASTM D 4164-88. The results are shown in Table 2 below.

(4) 내마모도 측정(4) Wear resistance measurement

산소전달입자의 내마모도는 ASTM D 5757-95에 따라 마모 시험기로 측정하였다. 마모지수(AI)는 상기 ASTM 방법에 기재된 대로 5시간에 걸쳐 10 stdL/분 (분당 표준부피)에서 결정하였으며, 상기 마모지수는 5시간에 걸쳐발생된 미세분말(fine)의 비율을 나타낸다. 마모지수(AI)가 낮을수록 입자의 강도는 강하다는 것을 의미한다. 비교를 위해 동일 방법으로 측정한 정유회사에서 사용되고 있는 AkzoFCC (Fluid Catalytic Cracking) 촉매의 마모지수(AI)는 각각 22.5 %였다. 결과는 하기 표 2에 나타내었다.The wear resistance of the oxygen transfer particles was measured by an abrasion tester according to ASTM D 5757-95. The abrasion index (AI) was determined at 10 stdL/min (standard volume per minute) over 5 hours as described in the ASTM method above, and the abrasion index represents the ratio of fines generated over 5 hours. The lower the wear index (AI), the stronger the strength of the particles. For comparison, the abrasion index (AI) of the AkzoFCC (Fluid Catalytic Cracking) catalyst used by the refinery measured by the same method was 22.5%, respectively. The results are shown in Table 2 below.

(5) 산소전달성능 측정(5) Measurement of oxygen transfer performance

실시예 및 비교예에서 제조된 산소전달입자의 산소전달성능은 열중량 분석법(thermogravimetric analysis, TGA)를 이용하여 평가하였다. 실시예 및 비교예에서 산소전달입자의 환원반응에 사용한 반응가스의 조성은 15 vol% CH4를 85 vol% CO2와 혼합하여 사용하였고 환원된 산소전달입자를 산화시키기 위한 반응가스는 공기를 사용하였다. 산화반응과 환원반응 사이에는 100% 질소를 공급하여 연료와 공기가 반응기 내에서 직접 접촉하지 않도록 하였다. 실험에 사용한 산소전달입자 샘플량은 약 30 mg이었다. 각 반응 가스의 유량은 300 ml/분(273.5K, 1bar 기준)이었고, 산소전달입자의 산화/환원 반응을 950 ℃에서 최소 10회 이상 반복 실시하였다. 산화 환원 무게 차이로부터 산소전달량을 계산하였다. 산소전달량은 산소전달입자가 연료로 전달한 산소의 양으로, 산소전달입자의 완전산화상태 무게를 기준으로 산소전달입자의 환원반응이 종료되었을 때 측정된 산소전달입자 무게를 감하여 얻은 무게변화량을 산소전달입자의 완전산화상태 무게로 나누어 무게 백분율로 표시한 값이다. 결과는 하기 표 2에 나타내었다.The oxygen transfer performance of the oxygen transfer particles prepared in Examples and Comparative Examples was evaluated using thermogravimetric analysis (TGA). In Examples and Comparative Examples, the composition of the reaction gas used for the reduction reaction of the oxygen transfer particles was used by mixing 15 vol% CH 4 with 85 vol% CO 2 and the reaction gas for oxidizing the reduced oxygen transfer particles using air. Did. Between the oxidation and reduction reactions, 100% nitrogen was supplied to prevent direct contact between the fuel and air in the reactor. The sample amount of oxygen transfer particles used in the experiment was about 30 mg. The flow rate of each reaction gas was 300 ml/min (273.5 K, based on 1 bar), and the oxidation/reduction reaction of the oxygen transport particles was repeated at least 10 times at 950°C. The amount of oxygen delivered was calculated from the difference in redox weight. The amount of oxygen delivered is the amount of oxygen delivered to the fuel by the oxygen transfer particles, and the weight change amount obtained by subtracting the weight of the oxygen transfer particles measured when the reduction reaction of the oxygen transfer particles is completed based on the weight of the fully oxidized state of the oxygen transfer particles is oxygen transfer. It is the value expressed by the weight percentage divided by the weight of the fully oxidized state of the particles. The results are shown in Table 2 below.

소성온도
(℃)
Firing temperature
(℃)
평균 입자 크기 (㎛)Average particle size (㎛) 입자크기분포
(㎛)
Particle size distribution
(㎛)
충진밀도 (g/ml)Fill density (g/ml) 마모지수 Al (%)Wear Index Al (%) 산소전달량 (wt%)Oxygen transfer amount (wt%)
실시예 1Example 1 11001100 9797 37∼302.537~302.5 2.52.5 2.42.4 11.811.8 비교예 1Comparative Example 1 11001100 8282 37∼19637-196 2.02.0 15.215.2 9.59.5 실시예 2Example 2 11001100 9898 37∼302.537~302.5 2.442.44 2.22.2 10.910.9

실시예 1~2 및 비교예 1의 산소전달입자는 활성물질 원료로 CuO, MnO, 지지체 원료로 AlOOH, 첨가제 원료로 Mg(OH)2를 사용하여 제조되었다. 상기 표 2에서 보는 바와 같이, 본 실시예에 의한 조성물로 제조된 산소전달입자는 소성온도 1100℃에서 마모지수 3% 이하의 고강도 특성과 상용 유동층 촉매 기준(22.5 %)보다 우수한 15.2%의 특성을 보유하고 있어 상업용 유동층 공정에 적합한 물성을 갖추고 있음을 알 수 있다.The oxygen transfer particles of Examples 1 to 2 and Comparative Example 1 were prepared using CuO, MnO as the active material, AlOOH as the support material, and Mg(OH) 2 as the additive material. As shown in Table 2, the oxygen transfer particles prepared by the composition according to the present embodiment had a high strength property of a wear index of 3% or less at a firing temperature of 1100°C and a property of 15.2% superior to a commercial fluid bed catalyst standard (22.5%). It can be seen that it possesses properties suitable for commercial fluidized bed processes.

또한, 산소전달입자의 형상은 구형이며, 평균 입자크기가 82 내지 98 ㎛이고, 입자크기 분포는 37 ~ 302.5 ㎛ 범위 이내이며, 충진밀도는 약 2.5 g/ml이고, 마모지수는 5 % 이하이다. 도 1 내지 3에 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 산소전달입자의 산업용 현미경 사진을 제시하였다. In addition, the shape of the oxygen transfer particles is spherical, the average particle size is 82 to 98 μm, the particle size distribution is within the range of 37 to 302.5 μm, the filling density is about 2.5 g/ml, and the wear index is 5% or less. . 1 to 3 are presented industrial micrographs of oxygen transfer particles according to Examples and Comparative Examples of the present invention.

또한, 첨부된 도 1 내지 3에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 및 비교예에 의해 제조된 산소전달입자는 구형의 형상을 지닌다. 실시예 1~2 및 비교예 1에서 제조된 산소전달입자의 산소전달량은 9.5 내지 11.8 중량부로 높게 나타났다.In addition, as can be seen in the attached Figures 1 to 3, the oxygen transfer particles prepared by Examples and Comparative Examples have a spherical shape. The oxygen transfer amount of the oxygen transfer particles prepared in Examples 1 to 2 and Comparative Example 1 was high in 9.5 to 11.8 parts by weight.

상기 결과로부터 본 발명에서 제시하는 산소전달입자 원료조성물 및 이를 사용한 산소전달입자 제조방법을 이용하여 케미컬루핑연소기술에서 연료를 효과적으로 연소시킬 수 있는 유동층 공정에 적합한 형태의 고성능 및 저가의 산소전달입자를 제조할 수 있음을 보여주었다. 이러한 원료 조성물 및 제조 방법에 의한 산소전달입자는 대량제조가 용이하고 입자 성능향상에 따른 입자 사용량 감소와 공정규모 축소로 케미컬루핑연소 공정의 경제성 향상을 가져오므로 경쟁력 있는 기술이 될 수 있다.From the above results, a high-performance and low-cost oxygen transfer particle in a form suitable for a fluidized bed process capable of effectively burning fuel in a chemical roofing combustion technology using the oxygen transfer particle raw material composition proposed in the present invention and a method for manufacturing the oxygen transfer particle using the same. It was shown that it can be prepared. Oxygen transfer particles according to the raw material composition and the manufacturing method can be a competitive technology because mass production is easy and economic efficiency of the chemical roofing combustion process is reduced by reducing particle usage and reducing process size due to improved particle performance.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 구성 및 작용을 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 기초로 설명하였으나, 본 발명은 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 해당분야 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있다.As described above, the configuration and operation of the present invention has been described based on the preferred embodiment according to the present invention, but the present invention is not limited to a specific embodiment, and a person having ordinary knowledge in the field will describe the patent to be described later. Various modifications and changes can be made to the present invention without departing from the spirit and technical scope of the present invention as set forth in the claims.

Claims (23)

구리 산화물 40.5 중량% 내지 50 중량%;
망간 산화물 27.1 중량% 내지 36.2 중량%;
마그네슘 산화물 또는 마그네슘 수산화물 7.7 중량% 내지 10.3 중량%; 및
알루미늄 산화물 또는 알루미늄 수산화물 13 중량% 내지 19.5 중량%;를 포함하는 산소전달입자 제조용 원료 조성물이며,
상기 산소전달입자 제조용 원료 조성물은 니켈 산화물을 포함하지 않는 산화니켈 비함유형이며,
상기 구리 산화물은 평균입자 크기가 0 초과 5 ㎛ 이하이며,
상기 망간 산화물은 평균입자 크기가 0 초과 5 ㎛ 이하이고,
상기 마그네슘 산화물 또는 마그네슘 수산화물은 평균입자 크기가 0 초과 5 ㎛ 이하이며, 그리고
상기 알루미늄 산화물 또는 알루미늄 수산화물은 평균입자 크기가 0 초과 5 ㎛ 이하인, 산소전달입자 제조용 원료 조성물.
Copper oxide 40.5% to 50% by weight;
Manganese oxide 27.1 wt% to 36.2 wt%;
Magnesium oxide or magnesium hydroxide 7.7 wt% to 10.3 wt%; And
It is a raw material composition for the production of oxygen transfer particles containing; aluminum oxide or aluminum hydroxide 13% by weight to 19.5% by weight,
The raw material composition for preparing the oxygen transport particles is a nickel oxide-free type that does not contain nickel oxide,
The copper oxide has an average particle size of more than 0 and less than or equal to 5 μm,
The manganese oxide has an average particle size of more than 0 and less than 5 μm,
The magnesium oxide or magnesium hydroxide has an average particle size of greater than 0 and less than or equal to 5 μm, and
The aluminum oxide or aluminum hydroxide has an average particle size of greater than 0 and less than or equal to 5 μm, a raw material composition for preparing oxygen transfer particles.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 따른 산소전달입자 제조용 원료 조성물로부터 형성되고, 구리 산화물, 망간 산화물, 마그네슘 산화물 및 알루미늄 산화물을 포함하는 산소전달입자이며,
상기 산소전달입자는 니켈 산화물을 포함하지 않는 산화니켈 비함유형이며, 형상이 비-블로홀(non-blowhole)인 구형이고, 평균 입자크기가 60 ㎛ 내지 150 ㎛이고, 입자크기분포는 30 ㎛ 내지 400 ㎛ 이며, 충진밀도가 1.5 g/mL 내지 4.0 g/mL이며,상기 산소전달입자는 하기 화학식 1의 구조를 가지며,
마모시험기를 이용하여 ASTM D5757-95에 따라 유량 10.00 l/min (273.15 K, 1 bar)에서 5시간 동안 마모시험한 후, 하기 식 1로 표시되는 마모지수가 3% 이하인 산소전달입자:
[화학식 1]
CuaMnbMgcAldOx
(상기 화학식 1에서 a, b, c 및 d는 각각 독립적으로 0.1 내지 2.7이고, a + b + c + d의 합은 3이며, x는 0 초과 내지 4 이다)
[식 1]
AI(%) = [(W2)/(W1)]
(상기 식 1에서, W1는 산소전달입자 시료의 마모시험 전 g 단위 무게이고, W2는 상기 시료의 마모시험이 실시된 5 시간 동안 포집된 미세입자의 g 단위 무게이다).
It is formed from a raw material composition for the production of oxygen transfer particles according to claim 1, and is an oxygen transfer particle comprising copper oxide, manganese oxide, magnesium oxide and aluminum oxide,
The oxygen transfer particles are nickel oxide-free, nickel oxide-free, non-blowhole spherical, average particle size of 60 µm to 150 µm, and particle size distribution of 30 µm to 400 Μm, the filling density is 1.5 g/mL to 4.0 g/mL, and the oxygen transfer particles have the structure of Formula 1,
After the abrasion test was conducted for 5 hours at a flow rate of 10.00 l/min (273.15 K, 1 bar) according to ASTM D5757-95 using an abrasion tester, the oxygen transfer particles having an abrasion index of 3% or less represented by the following Equation 1:
[Formula 1]
Cu a Mn b Mg c Al d O x
(In Formula 1, a, b, c, and d are each independently 0.1 to 2.7, the sum of a + b + c + d is 3, and x is greater than 0 to 4)
[Equation 1]
AI(%) = [(W2)/(W1)]
(In Equation 1, W1 is the weight in g of the oxygen transfer particle sample before the abrasion test, and W2 is the weight in g of the microparticles collected for 5 hours during the abrasion test of the sample).
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제6항에 있어서,
상기 산소전달입자는 산소전달량이 전체 산소전달입자의 무게 중 7 중량% 내지 15 중량%인 산소전달입자.
The method of claim 6,
The oxygen transfer particles are oxygen transfer particles having an oxygen transfer amount of 7 to 15% by weight of the total weight of the oxygen transfer particles.
(A) 제1항의 산소전달입자 제조용 원료 조성물을 용매와 혼합하여 산소전달입자 제조용 슬러리를 제조하는 단계;
(B) 상기 슬러리를 교반하여 균질화된 슬러리를 제조하는 단계;
(C) 상기 슬러리를 분무 건조하여 고체 입자를 성형하는 단계; 및
(D) 상기 성형된 고체 입자를 건조 및 소성시켜 산소전달입자를 제조하는 단계;를 포함하는 산소전달입자의 제조 방법이며,
제조된 산소전달입자는 니켈 산화물을 포함하지 않는 산화니켈 비함유형이며, 형상이 비-블로홀(non-blowhole)인 구형이고, 평균 입자크기가 60 ㎛ 내지 150 ㎛이고, 입자크기분포는 30 ㎛ 내지 400 ㎛ 이며, 충진밀도가 1.5 g/mL 내지 4.0 g/mL이며,
마모시험기를 이용하여 ASTM D5757-95에 따라 유량 10.00 l/min (273.15 K, 1 bar)에서 5시간 동안 마모시험한 후, 하기 식 1로 표시되는 마모지수가 3% 이하인 산소전달입자의 제조 방법:
[식 1]
AI(%) = [(W2)/(W1)]
(상기 식 1에서, W1는 산소전달입자 시료의 마모시험 전 g 단위 무게이고, W2는 상기 시료의 마모시험이 실시된 5 시간 동안 포집된 미세입자의 g 단위 무게이다).
(A) mixing the raw material composition for preparing oxygen transfer particles of claim 1 with a solvent to prepare a slurry for preparing oxygen transfer particles;
(B) preparing a homogenized slurry by stirring the slurry;
(C) spray drying the slurry to form solid particles; And
(D) drying and calcining the molded solid particles to prepare oxygen transfer particles;
The prepared oxygen transfer particles are nickel oxide-free, nickel oxide-free, non-blowhole spherical, average particle size of 60 μm to 150 μm, and particle size distribution of 30 μm to 400 μm, and the filling density is 1.5 g/mL to 4.0 g/mL,
Method for producing oxygen transfer particles having an abrasion index of 3% or less as shown in Equation 1 below after abrasion test for 5 hours at a flow rate of 10.00 l/min (273.15 K, 1 bar) according to ASTM D5757-95 using an abrasion tester :
[Equation 1]
AI(%) = [(W2)/(W1)]
(In Equation 1, W1 is the weight in g of the oxygen transfer particle sample before the abrasion test, and W2 is the weight in g of the microparticles collected for 5 hours during the abrasion test of the sample).
제12항에 있어서,
상기 산소전달입자 제조용 슬러리를 제조하는 단계(A)에서 상기 산소전달입자 제조용 원료 조성물과 상기 용매는 15 내지 40 : 60 내지 85의 중량비로 혼합되고, 상기 용매는 물인 산소전달입자의 제조 방법.
The method of claim 12,
In the step (A) of preparing the slurry for preparing the oxygen transfer particles, the raw material composition for preparing the oxygen transfer particles and the solvent are mixed in a weight ratio of 15 to 40:60 to 85, and the solvent is water.
제12항에 있어서,
상기 산소전달입자 제조용 슬러리를 제조하는 단계(A)에서 슬러리는 분산제, 소포제 및 유기결합제 중 1종 이상의 첨가제를 추가로 포함하는 산소전달입자의 제조 방법.
The method of claim 12,
In the step (A) of preparing the slurry for preparing the oxygen transport particles, the slurry further comprises one or more additives among dispersants, antifoaming agents and organic binders.
제14항에 있어서,
상기 분산제는 음이온계 계면활성제, 양이온계 계면활성제, 양쪽성 계면활성제 및 비이온계 계면활성제 중 1종 이상을 포함하는 산소전달입자의 제조 방법.
The method of claim 14,
The dispersing agent is an anionic surfactant, a cationic surfactant, an amphoteric surfactant, and a method for producing oxygen-transporting particles containing at least one of a nonionic surfactant.
제15항에 있어서,
상기 음이온계 계면활성제는 폴리카르복실산염 및 폴리카르복실산아민염 중 1종 이상을 포함하는 산소전달입자의 제조 방법.
The method of claim 15,
The anionic surfactant is a method for producing oxygen-transmitting particles containing at least one of a polycarboxylate and a polycarboxylic acid amine salt.
제14항에 있어서,
상기 소포제는 실리콘계 소포제, 금속비누계 소포제, 아마이드계 소포제, 폴리에테르계 소포제, 폴리에스테르계 소포제, 폴리글라이콜계 소포제 및 알코올계 소포제 중 1종 이상을 포함하는 산소전달입자의 제조 방법.
The method of claim 14,
The antifoaming agent is a silicone antifoaming agent, a metal soap antifoaming agent, an amide antifoaming agent, a polyether antifoaming agent, a polyester antifoaming agent, a polyglycol antifoaming agent and an alcohol antifoaming agent.
제14항에 있어서,
상기 유기 결합제는 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌글라이콜 및 메틸셀룰로즈 중 1종 이상을 포함하는 산소전달입자의 제조 방법.
The method of claim 14,
The organic binder is polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, and a method for producing oxygen-transmitting particles comprising at least one of methyl cellulose.
제14항에 있어서,
상기 첨가제는 분산제, 소포제 및 유기결합제를 모두 포함하고,
상기 첨가제는 산소전달입자 제조용 원료조성물 100 중량부에 대하여 분산제 0.01 내지 5.0 중량부, 소포제 0.01 내지 1.0 중량부 및 유기결합제 1.0 내지 5.0 중량부의 함량으로 첨가되는 산소전달입자의 제조 방법.
The method of claim 14,
The additive includes both a dispersant, an antifoaming agent and an organic binder,
The additive is a method for producing oxygen-transferring particles that are added in an amount of 0.01 to 5.0 parts by weight of a dispersant, 0.01 to 1.0 parts by weight of an antifoaming agent, and 1.0 to 5.0 parts by weight of an organic binder relative to 100 parts by weight of a raw material composition for preparing oxygen-transmitting particles.
제12항에 있어서,
상기 슬러리를 교반하여 균질화된 슬러리를 제조하는 단계(B)는 교반 및 분쇄된 슬러리 중의 이물질을 제거하는 것을 더 포함하는 산소전달입자의 제조 방법.
The method of claim 12,
The step (B) of preparing the homogenized slurry by stirring the slurry further comprises removing foreign substances in the stirred and pulverized slurry.
제12항에 있어서,
상기 슬러리를 분무 건조하여 고체 입자를 성형하는 단계(C)는 상기 균질화된 슬러리를 분무 건조기에 투입한 후, 입구온도는 260℃ 내지 300℃, 출구온도는 90℃ 내지 150℃를 유지하면서 분무하여 고체 입자로 성형하는 것을 포함하는 산소전달입자의 제조 방법.
The method of claim 12,
In the step (C) of spray-drying the slurry to form solid particles, the homogenized slurry is introduced into a spray dryer, and then sprayed while maintaining an inlet temperature of 260°C to 300°C and an outlet temperature of 90°C to 150°C. A method for producing oxygen transfer particles comprising molding into solid particles.
제12항에 있어서,
상기 성형된 고체 입자를 건조 및 소성시켜 산소전달입자를 제조하는 단계(D)는 성형된 고체 입자를 110℃ 내지 150℃로 2 내지 24 시간 동안 건조하고, 고온 소성로에 투입하여 1℃/min 내지 5℃/min 의 속도로 1000℃ 내지 1350℃으로 승온하여 2 내지 10 시간 동안 소성하는 것을 포함하는 산소전달입자의 제조 방법.
The method of claim 12,
In the step (D) of drying and firing the molded solid particles to prepare oxygen-transferring particles, the molded solid particles are dried at 110° C. to 150° C. for 2 to 24 hours, and put into a high-temperature firing furnace at 1° C./min to A method for producing oxygen transfer particles comprising heating at 1000°C to 1350°C at a rate of 5°C/min and calcining for 2 to 10 hours.
제6항에 따른 산소전달입자를 연료와 반응시켜 상기 산소전달입자를 환원시키고 연료를 연소시키는 단계, 및 상기 환원된 산소전달입자를 산소와 반응시켜 입자를 재생하는 단계를 포함하는 케미컬루핑연소 방법.
A chemical roofing combustion method comprising reacting the oxygen transfer particles according to claim 6 with a fuel to reduce the oxygen transfer particles and burning the fuel, and reacting the reduced oxygen transfer particles with oxygen to regenerate the particles. .
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