KR102216893B1

KR102216893B1 - 친환경 가연성 물질 연소력 향상제 제조방법

Info

Publication number: KR102216893B1
Application number: KR1020190046607A
Authority: KR
Inventors: 정필진
Original assignee: 정필진
Priority date: 2019-04-22
Filing date: 2019-04-22
Publication date: 2021-02-18
Also published as: KR20200123577A

Abstract

본 발명은 친환경 가연성 물질 연소력 향상제 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가연물을 연소시키는 소각로에 첨가되어 가연물의 연소효율을 높여 연소가 잘 되게 하면서 유해성물질 생성도 억제하고, 연소설비의 산화, 부식을 최소화시켜 사용수명도 연장시킬 수 있도록 개선된 친환경 가연성 물질 연소력 향상제 제조방법에 관한 것이다.

Description

친환경 가연성 물질 연소력 향상제 제조방법{Method for manufacturing environment-friendly flammable substance combustion power improver}

일반적으로, 대부분의 가연성 폐기물, 예를 들어 음식물, 채소류, 종이류, 나무류, 고무류, 피혁류 및 플라스틱류 등의 생활 폐기물은 소각을 통해 처리되고 있다.

소각은 소각로에서 진행되며, 소각로는 고정상, 스토커, 킬른, 다단로 및 유동상 등 크게 5개의 종류로 구분되고 있다.

이들 중에서 국내의 경우에는 스토커 소각로가 가장 많이 사용되고 있으며, 이는 전처리 공정이 거의 필요없고, 소비 전력이 적으며, 운전 및 보수 관리 등에 유리하기 때문이다.

한편, 가연성 폐기물의 연소시에는 CO, SOx 및 NOx 등의 배기 가스와 함께 미연탄소분, 슈트(soot) 및 슬러지 등이 발생된다.

특히, 소각로나 배관의 내벽에는 회(ash) 성분의 침적물로서 클링커(clinker)가 형성되며, 이는 연소효율 및 소각 처리량 등을 저하시킨다.

또한, 완전 연소를 위해서는 충분한 온도, 연소 시간 및 혼합도(난류도) 등이 만족되어야 한다.

그러나, 실제로 폐기물의 종류, 함수율 및 상태 등에 따라 필요한 연소 시간이 다르고, 소각로의 구조 및 운전 방법 등에 따라 혼합도(난류도)가 달라 완전 연소는 매우 어렵고, 소각로 내의 클링커 부착을 방지할 수 없다.

이에, 연소 효율을 향상시키고 완전 연소를 위한 다양한 연구가 진행되어 왔으며, 그 대표적인 예가 연소 촉진제이다.

연소 촉진제의 촉매 작용으로 소각로의 연소 효율이 향상될 수 있다.

이러한 연소 촉진제에 대한 많은 기술들이 제안되어 왔으며, 이는 여러 선행특허문헌들에도 제시되어 있다.

그럼에도 불구하고, 종래 연소 촉진제는 CO, SOx 및 NOx 등의 배기 가스 저감능이 낮다는 한계를 가지고 있으며, 또한 미연탄소분 등의 저감능이 낮아 소각로의 더스트(dust) 발생량이 높고, 연소효율이 현격히 증대되지 못하고 있는 실정이다.

또한, 가연물 특히, 고형연료가 연소될 때 고농도의 알카리 염화물, 이를 테면 KCl 성분이 퇴적물을 형성하게 되고, 이 퇴적물내 KCl은 연소시킬 때 연소설비 자체에 부식을 가속화시켜 설비의 수명을 단축시키는 문제를 야기한다.

대한민국 등록특허 제10-0538120호, 석탄용 연소촉진제 대한민국 등록특허 제10-0485193호, 스케일과 클링커 제거 및 생성방지, 대기오염물질 저감에효과적인 연소촉진제 대한민국 등록특허 제10-1246879호, 복합 금속착이온화합물을 포함하는 액상 연소촉매 조성물 대한민국 등록특허 제10-1240549호, 석탄용 연소 성능 향상제 대한민국 등록특허 제10-1333651호, 석탄연소 향상제

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 가연물을 연소시키는 소각로에 첨가되어 가연물의 연소효율을 높여 연소가 잘 되게 하면서 유해성물질 생성도 억제하고, 연소설비의 산화, 부식을 최소화시켜 사용수명도 연장시킬 수 있도록 개선된 친환경 가연성 물질 연소력 향상제 제조방법을 제공함에 그 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 친환경 가연성 물질 연소력 향상제를 제조하는 방법에 있어서; 물을 30℃까지 가열하는 제1단계와; 가열된 물에 붕사와 수산화나트륨(가성소다)을 투입한 다음 가열 용해하는 제2단계와; 붕사와 수산화나트륨이 용해되면 7-8시간 동안 교반시키는 제3단계와; 교반이 완료되면 과산화수소와 트리에탄올아민을 투입한 후 25℃까지 냉각시키는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 가연성 물질 연소력 향상제 제조방법을 제공한다.

이때, 상기 제1,2,4단계에서 투입되는 성분들은 상기 물 100ml를 기준으로 붕사 2.5g, 수산화나트륨 2.5g, 과산화수소 2.5g, 트리에탄올 아민 2.5g을 정량적으로 투입하는 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 제3단계에서 물 100ml를 기준으로 황산제1철(FeSO₄.7H₂O)과 나트륨-시트레이트(Na-citrate:Na₃C₆H₅O₇)가 1:3의 중량비로 혼합한 혼합물 15g; 암모니아 황산염 10g; 메탄올 5.0ml를 더 첨가하고; 상기 제4단계에서 적색 산화수은(Ⅱ) 2.5g; EDTA 1.5g을 더 첨가하는 것에도 그 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 가연물을 연소시키는 소각로에 첨가되어 가연물의 연소효율을 높여 연소가 잘 되게 하면서 유해성물질 생성도 억제하고, 연소설비의 산화, 부식을 최소화시켜 사용수명도 연장시키는 효과를 얻을 수 있다.

이하에서는, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.

또한, 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에 따른 친환경 가연성 물질 연소력 향상제 제조방법은 소각로 연소시 분무되는 형태로 사용되는 연소력 향상제를 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 연소력 향상제 제조방법은 물을 30℃까지 가열하는 제1단계와; 가열된 물에 붕사와 수산화나트륨(가성소다)을 투입한 다음 가열 용해하는 제2단계와; 붕사와 수산화나트륨이 용해되면 7-8시간 동안 교반시키는 제3단계와; 교반이 완료되면 과산화수소와 트리에탄올아민을 투입한 후 25℃까지 냉각시키는 제4단계;를 포함한다.

이때, 제1단계에서 물을 30℃까지 가열하는 이유는 연소촉진제인 붕사와 침전방지제인 수산화나트륨이 잘 녹으면서 분산성을 좋게 하기 위한 것이다.

또한, 제3단계에서 7-8시간 동안 교반시키는 이유는 충분하고 완전한 분산성을 유지해야만 균일한 연소 향상 효과를 제공하기 때문이다.

아울러, 제4단계에서 첨가되는 과산화수소는 연소촉진을 위한 촉매이고, 트리에탄올아민은 분산제이다.

여기에서, 상기 물은 100ml를 기준으로 하며, 이 물을 기준으로 붕사는 2.5g, 수산화나트륨 2.5g, 과산화수소 2.5g, 트리에탄올 아민 2.5g을 정량적으로 투입한다.

이렇게 제조된 연소력 향상제는 연소과정에서 분해되면서 산소발생을 촉진하여 연소효율, 즉 연소력을 높일 수 있도록 조력하게 된다.

이에 더하여, 본 발명에서는 연소력 향상제가 연소 향상에 기여할 때 유해가스의 생성을 억제하고, 설비 부식도 방지하면서 녹스(NOx)나 속스(SOx)의 발생을 억제하는데 기여할 수 있도록 특성강화물질을 더 첨가하여 제조할 수 있다.

예컨대, 상기 제3단계에서 물 100ml를 기준으로 황산제1철(FeSO₄.7H₂O)과 나트륨-시트레이트(Na-citrate:Na₃C₆H₅O₇)가 1:3의 중량비로 혼합한 혼합물 15g; 암모니아 황산염 10g; 메탄올 5.0ml를 더 첨가하여 교반할 수 있다.

이때, 황산제1철(FeSO₄.7H₂O)은 용해시 pH가 질산염이나 염산염에 비하여 높기 때문에 촉매조성물의 pH를 약염기 영역(7~9)으로 조절하는데 있어서 pH 조절제(Na₂CO₃, K₂HPO₄, KH₂PO₄ 등)의 첨가량을 최소화할 수 있고, 나트륨-시트레이트(Na-citrate:Na₃C₆H₅O₇)는 착체형성을 위해 첨가된다.

그리하여, 철-시트레이트 킬레이트 화합물이 생성되어 연소시 탈황 성능을 강화시켜 잔재물, 찌꺼기 생성을 억제한다.

또한, 본 발명은 연소설비인 소각로에서 황/황산염 첨가를 이용하여 KCl을 부식성이 적은 Alkali Sulphate나 HCl로 변환시켜 연소설비의 부식을 방지하도록 한 것도 하나의 특징을 이룬다.

이것은 황 또는 황산염, 그 중에서도 특히 암모니아 황산염은 연소설비의 특정지점에서 분사됨으로써 연소설비 내부에서 다음과 같은 화학반응을 통해 KCl을 분해하여 HCl로 전환시키게 된다.

(반응식)

Ammonium sulphate(AS): Direct decomposition into SO₃

(NH₄)₂SO₄ → 2NH₃ + SO₃ + H₂O

Sulphur: Oxidation from S to SO₂ and SO₃

SO₂ + ½ O₂ ↔ SO₃

Sulphation of gaseous KCl from SO₃

2KCl + SO₃ + H₂O → K₂SO₄ + 2HCl

아울러, 메탄올(CH₃OH)은 연소가스중에서 다음과 같이 HO₂, OH, H, O 라디칼을 발생시켜 NO 및 NO₂를 제거함으로써 유해가스의 생성도 억제시키기 위해 첨가된다.

CH₃OH + OHㆍ → CH₂OHㆍ + H₂O

CH₂OHㆍ + M → CH₂O + Hㆍ + M

CH₂OHㆍ + O₂ → CH₂O + HO₂ㆍ

Hㆍ + O₂ → OHㆍ + Oㆍ

Oㆍ + H₂O → 2OHㆍ

또한, 기존에 주로 사용되던 환원제인 요소 사용시와 비교하여 환원제 주입온도에 따른 NO 및 NO₂의 제거율에 있어 변화가 있는지를 확인하였다.

뿐만 아니라, 상기 제4단계에서 적색 산화수은(Ⅱ) 2.5g; EDTA(ethylenediaminetetraacetic acid) 1.5g을 더 첨가한 상태로 진행할 수 있다.

이때, 적색 산화수은(Ⅱ)는 연소되면서 수은과 산소로 분해되어 생성된 산소로 하여금 연소를 촉진하는데 기여한다.

다만, 연소에 의해 분해되어 수은을 발생시키므로 킬레이트제인 EDTA를 일정량 함께 첨가하여 연소 반응 후 생성된 수은을 즉각적으로 해리하도록 함이 바람직하다.

이때, EDTA(ethylenediaminetetraacetic acid)는 금속 이온을 중심으로 하는 팔면체의 여섯 꼭짓점에 동시에 배위할 수 있으며, 그 결과 중심 금속은 리간드에 의해 둘러싸여지게 된다. 따라서, EDTA는 특정 금속 이온에 대하여 강한 친화력을 가지며, 백색 결정 또는 분말로 존재하며, 수은을 해리하는데 매우 적합하다.

또한, 본 발명에서는 산소 발생을 촉진하여 연소효율, 즉 연소력을 높일 수 있도록 6-브로모헥산산(6-bromohexanoic acid)(94g)을 클로로벤젠(100ml)에 첨가하고 혼합한 후 질소 분위기에서 110-120℃로 24시간 동안 가열한 다음 상온에서 냉각시키고 에틸아세테이트(50ml)를 첨가하여 얻은 분말 15g을 상기 제3단계에서 물 100ml를 기준으로 더 첨가할 수 있다.

이하, 실시예에 대하여 설명한다.

[실시예 1]

상술한 제1,2,3,4단계의 제조방법에 따라 친환경 가연성 물질 연소력 향상제를 제조하였다.

[실시예 2]

실시예 1과 동일하게 하되, 상기 제3단계에서 물 100ml를 기준으로 황산제1철(FeSO₄.7H₂O)과 나트륨-시트레이트(Na-citrate:Na₃C₆H₅O₇)가 1:3의 중량비로 혼합한 혼합물 15g; 암모니아 황산염 10g; 메탄올 5.0ml를 더 첨가하였다.

[실시예 3]

실시예 2와 동일하게 하되, 상기 제4단계에서 적색 산화수은(Ⅱ) 2.5g; EDTA(ethylenediaminetetraacetic acid) 1.5g을 더 첨가하였다.

[실시예 4]

실시예 3과 동일하게 하되, 상기 제3단계에서 6-브로모헥산산(6-bromohexanoic acid)(94g)을 클로로벤젠(100ml)에 첨가하고 혼합한 후 질소 분위기에서 110-120℃로 24시간 동안 가열한 다음 상온에서 냉각시키고 에틸아세테이트(50ml)를 첨가하여 얻은 분말 15g을 더 첨가하였다.

그런 다음, 모형 소각로(실제 소각로의 1/10 크기)에서 MTB(생활쓰레기)를 연소시키면서 실시예 1,2,3,4의 연소력 향상제 각각에 대해 장기간 텀을 두고 실험을 실시하였다.

먼저, 실시예 1,2,3,4 사용시 연소효율이 향상되는지를 살펴보았다.

연소력 향상제 제조방법 사용전, 후를 비교할 때 실시예 1,2,3,4을 사용할 때의 연소 온도가 각각 10%, 14.8%, 17.2%, 17.9% 더 높게 측정되었다.

이를 통해, 연소력 향상 효과가 있는 것으로 확인되었다.

또한, KCL의 분해능이 있는지 스펙트럼 분석을 통해 확인한 결과, Fe(CN)₆ ^3-가 형성되었음을 확인하였다. 이를 통해, KCL의 분해능이 있어 저감 효과를 얻을 수 있을 것으로 파악되었다.

뿐만 아니라, 소각로의 초기 스타트업 및 셧 다운시 NOx의 농도를 측정한 결과 농도가 눈에 띄게 줄어듬을 확인하였고, 황연도 발생하지 않았다.

이를 통해, 친환경성을 확보할 수 있는 것으로 확인되었다.

Claims

친환경 가연성 물질 연소력 향상제를 제조하는 방법에 있어서;
물을 30℃까지 가열하는 제1단계와;
가열된 물에 붕사와 수산화나트륨(가성소다)을 투입한 다음 가열 용해하는 제2단계와;
붕사와 수산화나트륨이 용해되면 7-8시간 동안 교반시키는 제3단계와;
교반이 완료되면 과산화수소와 트리에탄올아민을 투입한 후 25℃까지 냉각시키는 제4단계;를 포함하되,
상기 제3단계에서 물 100ml를 기준으로 황산제1철(FeSO₄.7H₂O)과 나트륨-시트레이트(Na-citrate:Na₃C₆H₅O₇)가 1:3의 중량비로 혼합한 혼합물 15g; 암모니아 황산염 10g; 메탄올 5.0ml를 더 첨가하고;
상기 제4단계에서 적색 산화수은(Ⅱ) 2.5g; EDTA 1.5g을 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 친환경 가연성 물질 연소력 향상제 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제1,2,4단계에서 투입되는 성분들은 상기 물 100ml를 기준으로 붕사 2.5g, 수산화나트륨 2.5g, 과산화수소 2.5g, 트리에탄올 아민 2.5g을 정량적으로 투입하는 것을 특징으로 하는 친환경 가연성 물질 연소력 향상제 제조방법.
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