KR102574042B1 - A composition for oxygen carrier material, oxygen carrier using the same and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 산소전달입자 제조용 원료 조성물, 이를 이용하여 제조된 산소전달입자 및 산소전달입자 제조방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 산소전달입자 제조용 원료 조성물은 니켈하이드록사이드(Ni(OH)2) 58~80 중량%; 보에마이트(boehmite) 12~35 중량%; 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 5~15 중량%; 알루미늄다이하이드러전포스페이트(Al(H2PO4)3) 1~4 중량%; 및 마그네슘하이드러전포스페이트(MgHPO4) 0.5~2 중량%;를 포함한다.The present invention relates to a raw material composition for producing oxygen-transferring particles, oxygen-transferring particles manufactured using the same, and a method for producing oxygen-transferring particles. In one embodiment, the raw material composition for preparing the oxygen delivery particles includes 58 to 80% by weight of nickel hydroxide (Ni(OH) 2 ); 12-35% by weight of boehmite; 5 to 15% by weight of magnesium hydroxide (Mg(OH) 2 ); Aluminum dihydrogen phosphate (Al(H 2 PO 4 ) 3 ) 1 to 4% by weight; and 0.5 to 2% by weight of magnesium hydrolase phosphate (MgHPO 4 ).

Description

산소전달입자 제조용 원료 조성물, 이를 이용하여 제조된 산소전달입자 및 산소전달입자 제조방법 {A COMPOSITION FOR OXYGEN CARRIER MATERIAL, OXYGEN CARRIER USING THE SAME AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}Raw material composition for producing oxygen-transferring particles, oxygen-transferring particles manufactured using the same, and method for producing oxygen-transferring particles

본 발명은 산소전달입자 제조용 원료 조성물, 이를 이용하여 제조된 산소전달입자 및 산소전달입자 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 인을 포함하는 니켈옥사이드 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-transferring particles, oxygen-transferring particles manufactured using the same, and a method for producing oxygen-transferring particles. More specifically, the present invention relates to a raw material composition for preparing phosphorus-containing nickel oxide oxygen transfer particles, oxygen transfer particles manufactured using the same, and a method for preparing oxygen transfer particles.

대기 중의 이산화탄소(CO2) 농도 증가에 따른 온실효과로 인해 지구평균기온이 상승하면서 기후변화의 피해가 증가하고 있다. 석탄과 천연가스를 대량으로 연소하는 화력발전소는 인위적 이산화탄소 배출이 가장 많은 고정배출원이다. 화력발전소와 같은 이산화탄소 대량 고정배출원에서의 배출저감은 이산화탄소 포집 및 저장(Carbon Dioxide Capture and Storage: CCS)을 통해 달성할 수 있다. 하지만 종래의 포집기술을 적용할 경우 큰 폭의 열효율 감소와 이에 따른 비용 상승이 뒤따른다. 이에 따라 열효율 감소를 최소화하고 CO2 포집 비용을 낮추기 위한 새로운 신기술이 요구되고 있다.As the global average temperature rises due to the greenhouse effect caused by the increase in the concentration of carbon dioxide (CO 2 ) in the atmosphere, the damage from climate change is increasing. Thermal power plants, which burn large amounts of coal and natural gas, are the stationary sources of anthropogenic carbon dioxide emissions. Emission reduction from large stationary sources of carbon dioxide, such as thermal power plants, can be achieved through carbon dioxide capture and storage (CCS). However, when the conventional capture technology is applied, a large reduction in thermal efficiency and a corresponding increase in cost follow. Accordingly, a new technology for minimizing the reduction in thermal efficiency and lowering the CO 2 capture cost is required.

케미컬루핑연소(CLC: chemical looping combustion) 기술은 열효율 저하를 줄이면서 CO2를 공정 내부에서 원천 분리할 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 연료연소설비 후단에 별도의 CO2 포집 설비가 필요 없는 장점을 지니고 있다. CLC 공정은 산소전달입자에 함유된 산소가 연료로 전달되면서 산소전달입자는 환원(reduction)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. 따라서 산소전달입자는 유동층 공정 특성에 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 분포, 반응가스의 확산에 유리한 기공구조를 지녀야 한다. 또한 반응성 측면에서 높은 산소전달량(oxygen transfer capacity)을 지니고 있어 연료 연소에 필요한 충분한 산소를 연료가 연료반응기를 통과하는 동안 공급할 수 있어야 한다. Chemical looping combustion (CLC) technology is attracting attention as a technology that can separate CO 2 from the source inside the process while reducing thermal efficiency degradation. In CLC technology, combustion occurs by reacting fuel with oxygen contained in solid particles (oxygen transfer particles) whose main components are metal oxides instead of air, so the exhausted gas contains only water vapor and CO 2 . Therefore, when water vapor is condensed and removed, only CO 2 remains, so there is no need for a separate CO 2 collection facility at the rear of the fuel combustion facility. In the CLC process, oxygen contained in the oxygen transfer particles is transferred to the fuel, and the oxygen transfer particles receive oxygen contained in the fuel reactor and air where the reduction reaction occurs, and the reduced oxygen transfer particles are oxidized again. It consists of a combination of air reactors that are regenerated in a state connected to each other. Both reactors use fluidized bed reactors, and the entire process is a circulating fluidized-bed process. Therefore, the oxygen delivery particles must satisfy various conditions suitable for the characteristics of the fluidized bed process. First of all, it must have physical properties suitable for the fluidized bed process, that is, sufficient strength, shape and packing density suitable for flow, average particle size and particle size distribution, and a pore structure favorable to the diffusion of the reaction gas. In addition, since it has a high oxygen transfer capacity in terms of reactivity, sufficient oxygen required for fuel combustion must be supplied while the fuel passes through the fuel reactor.

유동층 공정에 적합한 물성을 가지며 금속산화물 함량이 높은 산소전달입자를 대량으로 제조하기 위한 방법으로 분무건조법(spray-drying method)이 이용되고 있다. 종래의 기술에 나타난 분무건조법으로 제조된 산소전달입자는 제조된 입자의 상당 부분이 도우넛형 또는 홈이 파인 형태를 보여 이에 대한 개선이 필요하다.A spray-drying method is used as a method for producing a large amount of oxygen transporting particles having properties suitable for a fluidized bed process and having a high metal oxide content. Oxygen-transporting particles manufactured by the spray drying method shown in the prior art show that a significant portion of the manufactured particles have a donut-shaped or grooved shape, which needs improvement.

산소전달입자는 활성물질인 금속산화물과 지지체로 구성된다. 지지체는 금속산화물의 분산도(dispersion)를 높이고, 입자에 강도를 부여하고, 소성 과정 및 고온에서 운전되는 케미컬루핑연소 과정에서 발생할 수 있는 금속산화물의 소결(sintering)현상을 억제하는 역할을 한다. 선택된 지지체의 종류에 따라 최종 제조된 산소전달입자의 반응성과 물성은 큰 차이를 나타낸다.Oxygen transfer particles are composed of a metal oxide as an active material and a support. The support serves to increase the dispersion of the metal oxide, impart strength to the particles, and suppress sintering of the metal oxide that may occur during the firing process and the chemical roofing combustion process operated at high temperatures. Depending on the type of support selected, the reactivity and physical properties of the finally prepared oxygen delivery particle show a great difference.

종래 니켈옥사이드(NiO)계 산소전달입자 제조에서 지지체로 감마알루미나와 알파알루미나가 주로 사용되었다. 감마알루미나는 입자의 소성과정에서 NiO와 결합하여 안정한 화합물인 니켈알루미네이트(NiAl2O4)를 쉽게 형성하여 최종적으로 얻어진 산소전달입자의 산소전달량이 감소하는 문제점이 있다. 알파알루미나는 매우 안정된 구조로 인해 유동층 공정 적용을 위한 충분한 강도(내마모도)를 부여하기 위해서는 1400℃ 이상 온도에서 소성해야 하고 이와 같은 높은 소성온도에서는 NiO와 알파알루미나가 결합하여 안정한 화합물인 니켈알루미네이트(NiAl2O4)가 저온 소성에 비해 더 많이 생성되는 동시에, 활성물질의 소결(sintering) 현상도 커지면서 산소전달성능이 감소한다. 즉 활성물질인 NiO의 이용효율이 감소하게 된다. Conventionally, gamma-alumina and alpha-alumina were mainly used as supports in the manufacture of nickel oxide (NiO)-based oxygen transfer particles. Gamma alumina combines with NiO during the firing process of the particles to easily form nickel aluminate (NiAl 2 O 4 ), which is a stable compound, and thus has a problem in that the oxygen transfer amount of the finally obtained oxygen delivery particles is reduced. Due to its very stable structure, alpha-alumina must be fired at a temperature of 1400 ° C or higher to impart sufficient strength (abrasion resistance) for application in the fluidized bed process. At the same time, more NiAl 2 O 4 ) is produced compared to low-temperature firing, and the oxygen transfer performance decreases as the sintering phenomenon of the active material increases. That is, the utilization efficiency of NiO as an active material is reduced.

한편 산소전달입자의 순환량을 줄이고 연료반응기를 통과하는 동안 연료의 완전 연소에 필요한 충분한 산소를 공급하기 위해서는 활성물질(금속산화물)의 함량이 높을수록 유리하다. NiO계 산소전달입자에 있어, NiO의 함량이 높은 산소전달입자 제조 시 지지체로 알루미나만을 사용하면 산소전달입자의 산화-환원 연속 반응 싸이클 과정 중에 입자간의 응집현상(agglomeration)이 나타나 유동화가 되지 않는 현상이 발생할 수 있다. 이에 따라 NiO계 산소전달입자의 입자간 응집현상(agglomeration)을 억제하기 위해 마그네시아(MgO)를 알파알루미나와 혼합하여 지지체 원료로 사용하거나 마그네슘알루미네이트(MgAl2O4)를 지지체 원료로 사용하여 분무건조법으로 제조한 마그네슘(Mg) 함유 NiO계 산소전달입자가 제시되었다. 하지만 이 경우에도 매우 안정된 조직구조를 지닌 알파알루미나(α-Al2O3), 마그네시아(MgO) 및 마그네슘알루미네이트(MgAl2O4)를 지지체로 사용하였기 때문에 유동층 공정 적용에 필요한 강도를 얻기 위해 분무성형한 입자를 1,400℃ 이상의 고온에서 소성해야 한다. 이에 따라 NiO와 지지체간의 상호작용세기 증가 및 활성물질의 소결로 인해 산소전달성능(산소전달속도와 산소전달량)이 현저히 감소한다.On the other hand, in order to reduce the circulation amount of oxygen delivery particles and supply sufficient oxygen required for complete combustion of fuel while passing through the fuel reactor, the higher the content of the active material (metal oxide) is, the more advantageous it is. In NiO-based oxygen-transferring particles, when only alumina is used as a support when producing oxygen-transferring particles with a high NiO content, agglomeration between particles occurs during the continuous oxidation-reduction reaction cycle of the oxygen-transferring particles, which prevents fluidization. this can happen Accordingly, in order to suppress agglomeration of NiO-based oxygen delivery particles, magnesia (MgO) is mixed with alpha-alumina and used as a support material, or magnesium aluminate (MgAl 2 O 4 ) is used as a support material and sprayed. Magnesium (Mg)-containing NiO-based oxygen delivery particles prepared by a drying method are presented. However, even in this case, alpha-alumina (α-Al 2 O 3 ), magnesia (MgO), and magnesium aluminate (MgAl 2 O 4 ), which have a very stable structure, were used as supports to obtain the strength required for the application of the fluidized bed process. The spray-molded particles must be fired at a high temperature of 1,400°C or higher. Accordingly, the oxygen transfer performance (oxygen transfer rate and oxygen transfer amount) is significantly reduced due to the increase in the interaction strength between NiO and the support and sintering of the active material.

이상의 산소전달입자에 대한 종래의 기술을 요약하면 대량생산에 부적합한 방법으로 제조되었거나, 형상, 강도, 밀도 등의 물성이 유동층 공정에 적용하기에 부적합하거나 개선이 필요하다. 그리고 금속산화물과 지지체간의 결합을 줄이기 위해 안정된 구조를 지닌 지지체 원료를 사용함으로써 공정에서 요구되는 충분한 강도를 얻기 위해 높은 온도에서 소성하여야 한다. 이에 따라 활성물질과 지지체간의 결합 및 활성물질의 소결 현상이 발생하여 산소전달성능이 크게 감소하고 반응 중에 입자간의 응집 현상으로 인해 유동화가 되지 않는 문제점이 발생한다. 한편 금속산화물의 함량을 낮추면 산소전달량이 작아 연료연소효율이 나빠지거나 입자 순환량을 크게 증가시켜야 하는 문제점이 있다.Summarizing the above conventional technologies for oxygen transporting particles, they are manufactured in a method unsuitable for mass production, or physical properties such as shape, strength, and density are unsuitable for application to a fluidized bed process or require improvement. In addition, in order to reduce the bond between the metal oxide and the support, a support raw material having a stable structure is used, and firing at a high temperature is required to obtain sufficient strength required in the process. Accordingly, bonding between the active material and the support and sintering of the active material occur, resulting in a significant decrease in oxygen transfer performance and a problem in that fluidization is not possible due to aggregation between particles during the reaction. On the other hand, when the content of the metal oxide is lowered, there are problems in that the amount of oxygen transfer is small and the fuel combustion efficiency is deteriorated or the amount of particle circulation must be greatly increased.

따라서 매체순환연소기술의 연료연소효율 향상과 기술의 상용화를 위해서는 유동층 공정에 적합한 물성과 충분한 강도를 지니면서, 산화-환원 싸이클 반응 동안 발생할 수 있는 입자간의 응집현상을 억제하고, 고온 소성에서도 산소전달성능의 저하가 적으며, 소성온도를 낮출 수 있는 NiO계 산소전달입자 조성 설계 및 제조 기술이 필요하다.Therefore, in order to improve the fuel combustion efficiency and commercialization of the medium circulation combustion technology, it has physical properties suitable for the fluidized bed process and sufficient strength, suppresses the aggregation between particles that may occur during the oxidation-reduction cycle reaction, and transfers oxygen even at high temperature firing. There is a need for a composition design and manufacturing technology for NiO-based oxygen transport particles capable of lowering the sintering temperature with little degradation in performance.

본 발명과 관련한 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제2018-0112889호(2018.10.15 공개, 발명의 명칭: 자성을 갖는 산소전달입자와 자성분리기를 이용한 루프실 분리기, 그 루프실 분리기를 갖는 매체순환연소기 및 그 작동방법)에 개시되어 있다.Background art related to the present invention is Korean Patent Registration No. 2018-0112889 (published on October 15, 2018, title of the invention: loop seal separator using magnetic oxygen transfer particles and magnetic separator, medium circulation combustor having the loop seal separator) and its operation method).

본 발명의 하나의 목적은 낮은 소성온도 조건에서 충분한 강도 및 산소전달성능을 확보할 수 있는 산소전달입자용 원료 조성물을 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a raw material composition for oxygen transfer particles capable of securing sufficient strength and oxygen transfer performance under low firing temperature conditions.

본 발명의 다른 목적은 산화 환원반응 속도 및 산소 전달량 증가 효과가 우수한 산소전달입자용 원료 조성물을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a raw material composition for oxygen transporting particles that is excellent in the effect of increasing the rate of oxidation-reduction reaction and the amount of oxygen delivered.

본 발명의 또 다른 목적은 산화-환원 싸이클 반응 중 산소전달입자 사이의 응집을 최소화할 수 있는 산소전달입자용 원료 조성물을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a raw material composition for oxygen transfer particles capable of minimizing aggregation between oxygen transfer particles during an oxidation-reduction cycle reaction.

본 발명의 다른 목적은 원료 조성물의 혼합성, 분산성 및 제형 안정성이 우수한 산소전달입자용 원료 조성물을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a raw material composition for oxygen transporting particles having excellent mixability, dispersibility and formulation stability of the raw material composition.

본 발명의 또 다른 목적은 기계적 강도, 생산성 및 경제성이 우수한 산소전달입자용 원료 조성물을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a raw material composition for oxygen transporting particles having excellent mechanical strength, productivity and economy.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 산소전달입자용 원료 조성물을 포함하는 산소전달입자 제조용 슬러리를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a slurry for preparing oxygen transfer particles comprising the raw material composition for oxygen transfer particles.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 산소전달입자용 원료 조성물 또는 슬러리를 이용하여 제조된 산소전달입자를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide oxygen-transferring particles prepared using the raw material composition or slurry for oxygen-transferring particles.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 산소전달입자의 제조방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for preparing the oxygen delivery particles.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 산소전달입자를 이용한 케미컬루핑연소방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a chemical roofing combustion method using the oxygen delivery particles.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 산소전달입자를 이용한 케미컬 루핑연소를 위한 케미컬루핑연소장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a chemical roofing combustion device for chemical roofing combustion using the oxygen transfer particles.

본 발명의 하나의 관점은 산소전달입자용 원료 조성물에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 산소전달입자용 원료 조성물은 니켈옥사이드(NiO)계 산소전달입자용 원료 조성물로서, 니켈하이드록사이드(Ni(OH)2) 58~80 중량%; 보에마이트(boehmite) 12~35 중량%; 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 5~15 중량%; 알루미늄다이하이드러전포스페이트(Al(H2PO4)3) 1~4 중량%; 및 마그네슘하이드러전포스페이트(MgHPO4) 0.5~2 중량%;를 포함한다.One aspect of the present invention relates to a raw material composition for oxygen delivery particles. In one embodiment, the raw material composition for oxygen-transporting particles is a nickel oxide (NiO)-based raw material composition for oxygen-transferring particles, comprising 58 to 80% by weight of nickel hydroxide (Ni(OH) 2 ); 12-35% by weight of boehmite; 5 to 15% by weight of magnesium hydroxide (Mg(OH) 2 ); Aluminum dihydrogen phosphate (Al(H 2 PO 4 ) 3 ) 1 to 4% by weight; and 0.5 to 2% by weight of magnesium hydrolase phosphate (MgHPO 4 ).

한 구체예에서 상기 니켈하이드록사이드는 평균입자크기가 0 초과 10㎛ 이하이고, 순도가 98% 이상일 수 있다.In one embodiment, the nickel hydroxide may have an average particle size greater than 0 and 10 μm or less, and a purity of 98% or more.

한 구체예에서 상기 보에마이트는 평균입자크기가 0 초과 1 ㎛ 이하이고, 순도가 98% 이상일 수 있다.In one embodiment, the boehmite may have an average particle size greater than 0 and less than 1 μm, and a purity of 98% or more.

한 구체예에서 상기 수산화마그네슘은 평균입자크기가 0 초과 10㎛ 이하이고, 순도가 97% 이상일 수 있다.In one embodiment, the magnesium hydroxide may have an average particle size greater than 0 and 10 μm or less, and a purity of 97% or more.

한 구체예에서 상기 알루미늄다이하이드러전포스페이트는 평균입자크기가 0 초과 25㎛ 이하이고, 순도가 97% 이상일 수 있다.In one embodiment, the aluminum dihydrogen phosphate may have an average particle size greater than 0 and 25 μm or less, and a purity of 97% or more.

한 구체예에서 상기 마그네슘하이드러전포스페이트는 평균입자크기가 0 초과 25㎛ 이하이고, 순도가 97% 이상일 수 있다.In one embodiment, the magnesium hydroelectric phosphate may have an average particle size greater than 0 and less than or equal to 25 μm, and a purity of 97% or more.

본 발명의 다른 관점은 상기 산소전달입자용 원료 조성물을 포함하는 산소전달입자 제조용 슬러리를 제공하는 것이다. 한 구체예에서 상기 산소전달입자 제조용 슬러리는 상기 원료 조성물을 포함하는 고체원료; 및 용매;를 포함한다.Another aspect of the present invention is to provide a slurry for preparing oxygen transfer particles comprising the raw material composition for oxygen transfer particles. In one embodiment, the slurry for preparing the oxygen delivery particles includes a solid raw material including the raw material composition; and a solvent;

한 구체예에서 상기 고체원료는 상기 슬러리 전체중량에 대하여 15~40 중량% 포함될 수 있다.In one embodiment, the solid raw material may be included in an amount of 15 to 40% by weight based on the total weight of the slurry.

한 구체예에서 상기 용매는 물을 포함할 수 있다.In one embodiment, the solvent may include water.

한 구체예에서 상기 슬러리는 분산제, 소포제 및 유기결합제 중 하나 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the slurry may further include one or more additives of a dispersing agent, an antifoaming agent, and an organic binder.

한 구체예에서 상기 고체원료 100 중량부에 대하여, 상기 분산제 0.01~5.0 중량부, 유기결합제 1.0~5.0 중량부 및 소포제 0.01~1.0 중량부 포함될 수 있다.In one embodiment, 0.01 to 5.0 parts by weight of the dispersant, 1.0 to 5.0 parts by weight of an organic binder, and 0.01 to 1.0 parts by weight of an antifoaming agent may be included with respect to 100 parts by weight of the solid raw material.

한 구체예에서 상기 분산제는 음이온계 계면활성제, 양이온계 계면활성제, 양쪽성 계면활성제 및 비이온계 계면활성제 중 하나 이상 포함할 수 있다.In one embodiment, the dispersant may include one or more of anionic surfactants, cationic surfactants, amphoteric surfactants, and nonionic surfactants.

한 구체예에서 상기 음이온계 계면활성제는 폴리카르복실산염 및 폴리카르복실산아민염 중 하나 이상 포함할 수 있다.In one embodiment, the anionic surfactant may include at least one of a polycarboxylic acid salt and a polycarboxylic acid amine salt.

한 구체예에서 상기 소포제는 실리콘계 소포제, 금속비누계 소포제, 아마이드계 소포제, 폴리에테르계 소포제, 폴리에스테르계 소포제, 폴리글라이콜계 소포제 및 알코올계 소포제 중 하나 이상 포함할 수 있다.In one embodiment, the antifoaming agent may include at least one of a silicone-based antifoaming agent, a metal soap-based antifoaming agent, an amide-based antifoaming agent, a polyether-based antifoaming agent, a polyester-based antifoaming agent, a polyglycol-based antifoaming agent, and an alcohol-based antifoaming agent.

한 구체예에서 상기 유기 결합제는 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌글라이콜 및 메틸셀룰로오즈 중 하나 이상 포함할 수 있다.In one embodiment, the organic binder may include at least one of polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, and methylcellulose.

본 발명의 또 다른 관점은 상기 산소전달입자 제조방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 산소전달입자 제조방법은 상기 원료 조성물을 용매와 혼합하여 산소전달입자 제조용 슬러리를 제조하는 단계; 상기 슬러리를 교반하여 균질화하는 단계; 상기 균질화된 슬러리를 분무 건조하여 고체 입자를 성형하는 단계; 및 상기 고체 입자를 건조 및 소성하는 단계;를 포함한다.Another aspect of the present invention relates to a method for preparing the oxygen delivery particles. In one embodiment, the method for preparing oxygen-transporting particles includes preparing a slurry for preparing oxygen-transferring particles by mixing the raw material composition with a solvent; Homogenizing the slurry by stirring; spray drying the homogenized slurry to form solid particles; and drying and calcining the solid particles.

한 구체예에서 상기 슬러리를 균질화하는 단계는, 상기 슬러리에 분산제, 소포제 및 유기결합제 중 하나 이상의 첨가제를 투입하고; 그리고 상기 슬러리를 교반 및 분쇄하는 단계;를 포함하여 이루어질 수 있다.Homogenizing the slurry in one embodiment may include adding one or more additives of a dispersant, an antifoaming agent, and an organic binder to the slurry; And stirring and grinding the slurry; may be made including.

한 구체예에서 상기 슬러리를 교반 및 분쇄하는 단계 이후에, 상기 슬러리 중의 이물질을 제거하는 단계;를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, after the step of stirring and grinding the slurry, the step of removing foreign substances in the slurry; may further include.

한 구체예에서 상기 건조는 상기 고체 입자를 110~150℃에서 2 내지 24 시간 동안 수행하는 것일 수 있다.In one embodiment, the drying may be to perform the solid particles at 110 ~ 150 ℃ for 2 to 24 hours.

한 구체예에서 상기 소성은 상기 고체 입자를 1~5℃/min의 승온 속도로 1150~1250℃까지 상승시킨 후, 2 내지 10 시간 동안 유지하여 수행하는 것일 수 있다.In one embodiment, the sintering may be carried out by raising the solid particles to 1150 to 1250 °C at a heating rate of 1 to 5 °C/min, and then maintained for 2 to 10 hours.

한 구체예에서 상기 첨가제는 상기 원료 조성물 100 중량부에 대하여 상기 분산제 0.01~5.0 중량부, 유기결합제 1.0~5.0 중량부 및 소포제 0.01~1.0 중량부 포함될 수 있다.In one embodiment, the additives may include 0.01 to 5.0 parts by weight of the dispersant, 1.0 to 5.0 parts by weight of the organic binder, and 0.01 to 1.0 parts by weight of the antifoaming agent, based on 100 parts by weight of the raw material composition.

본 발명의 또 다른 관점은 상기 산소전달입자 제조방법에 의해 제조된 산소전달입자에 관한 것이다.Another aspect of the present invention relates to oxygen-transferring particles manufactured by the method for producing oxygen-transferring particles.

한 구체예에서 상기 산소전달입자는 하기 식 1로 표시되는 마모지표(Attrition Index: AI)가 10% 이하일 수 있다:In one embodiment, the oxygen delivery particle may have an Attrition Index (AI) of 10% or less represented by Equation 1 below:

[식 1][Equation 1]

AI(%) = [(W2)/(W1)]AI(%) = [(W 2 )/(W 1 )]

(상기 식 1에서, W1는 마모시험 전 산소전달입자 시료의 무게(g)이고, W2는 시료의 마모시험 실시 직후 5 시간 동안 포집된 미세 입자의 무게(g)이다).(In Equation 1, W 1 is the weight (g) of the oxygen delivery particle sample before the abrasion test, and W 2 is the weight (g) of the fine particles collected for 5 hours immediately after the abrasion test of the sample).

한 구체예에서 상기 산소전달입자는 구형이며, 평균 입자크기가 60~150㎛ 이고, 입자크기분포가 30~400㎛ 이고, 그리고 충진밀도는 1.0~3.0 g/mL 일 수 있다.In one embodiment, the oxygen delivery particles may be spherical, have an average particle size of 60 to 150 μm, a particle size distribution of 30 to 400 μm, and a packing density of 1.0 to 3.0 g/mL.

한 구체예에서 상기 산소전달입자는 산소전달량이 8 중량% (8 g Oxygen/100 g Oxygen Carrier) 이상일 수 있다.In one embodiment, the oxygen delivery particle may have an oxygen delivery amount of 8% by weight (8 g Oxygen / 100 g Oxygen Carrier) or more.

본 발명의 또 다른 관점은 상기 산소전달입자를 이용한 케미컬루핑연소 방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 케미컬루핑연소 방법은 상기 산소전달입자를, 연료와 반응시켜 상기 산소전달입자를 환원시키고 연료를 연소시키는 단계; 및 상기 환원된 산소전달입자를 산소와 반응시켜 재생하는 단계;를 포함한다.Another aspect of the present invention relates to a chemical roofing combustion method using the oxygen delivery particles. In one embodiment, the chemical looping combustion method includes reacting the oxygen transfer particles with fuel to reduce the oxygen transfer particles and burn the fuel; and regenerating the reduced oxygen delivery particles by reacting with oxygen.

본 발명의 또 다른 관점은 상기 산소전달입자를 이용한 케미컬 루핑연소를 위한 케미컬루핑연소장치에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 케미컬루핑연소장치는 상기 산소전달입자를 연료와 반응시켜 상기 산소전달입자를 환원시키고 연료를 연소시키는 연료반응기; 및 상기 환원된 산소전달입자가 이송되어 산소와 반응시켜 상기 산소전달입자를 산화시키는 공기반응기;를 포함한다.Another aspect of the present invention relates to a chemical roofing combustion device for chemical roofing combustion using the oxygen delivery particles. In one embodiment, the chemical looping combustion device includes a fuel reactor that reacts the oxygen delivery particles with fuel to reduce the oxygen delivery particles and burns the fuel; and an air reactor in which the reduced oxygen-transferring particles are transported and reacted with oxygen to oxidize the oxygen-transferring particles.

본 발명은 낮은 소성온도 조건에서 충분한 강도 및 산소전달성능(산소전달 속도 및 산소전달량) 확보가 가능하고, 산화 환원반응 속도 및 산소 전달량 증가 효과가 우수하며, 산화-환원 싸이클 반응 중 산소전달입자 사이의 응집을 최소화하며, 원료 조성물의 혼합성, 분산성 및 제형 안정성이 우수하고, 기계적 강도, 생산성 및 경제성이 우수할 수 있다.The present invention can secure sufficient strength and oxygen transfer performance (oxygen transfer rate and oxygen transfer amount) under low firing temperature conditions, has an excellent effect of increasing the oxidation-reduction reaction rate and oxygen transfer amount, and has a high oxygen transfer rate between oxygen transfer particles during the oxidation-reduction cycle reaction. It can minimize aggregation, have excellent mixability, dispersibility and formulation stability of the raw material composition, and have excellent mechanical strength, productivity and economy.

도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 산소전달입자 제조방법을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 슬러리 제조방법을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 고체 입자 성형방법을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 한 구체예에 따른 고체 입자 건조 및 소성을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 한 구체예에 따른 케미컬루핑연소장치를 나타낸 것이다.
도 6은 실시예 산소전달입자를 나타낸 현미경 사진이다.
도 7은 실시예 및 비교예 산소전달입자의 산소전달 성능을 비교한 그래프이다.
1 shows a method for manufacturing oxygen delivery particles according to one embodiment of the present invention.
Figure 2 shows a slurry manufacturing method according to one embodiment of the present invention.
3 shows a solid particle molding method according to one embodiment of the present invention.
Figure 4 shows solid particle drying and firing according to one embodiment of the present invention.
5 shows a chemical looping combustion device according to one embodiment of the present invention.
6 is a photomicrograph showing the oxygen delivery particles of Example.
7 is a graph comparing oxygen transfer performance of oxygen transfer particles of Examples and Comparative Examples.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known technology or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In addition, the terms to be described below are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention or custom of the user or operator, so the definitions should be made based on the content throughout this specification describing the present invention.

산소전달입자용 원료 조성물Raw Material Composition for Oxygen Transfer Particles

본 발명의 하나의 관점은 산소전달입자용 원료 조성물에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 산소전달입자용 원료 조성물은 니켈옥사이드(NiO)계 산소전달입자용 원료 조성물로서, 니켈하이드록사이드(Ni(OH)2) 58~80 중량%; 보에마이트(boehmite) 12~35 중량%; 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 5~15 중량%; 알루미늄다이하이드러전포스페이트(Al(H2PO4)3) 1~4 중량%; 및 마그네슘하이드러전포스페이트(MgHPO4) 0.5~2 중량%;를 포함한다.One aspect of the present invention relates to a raw material composition for oxygen delivery particles. In one embodiment, the raw material composition for oxygen-transporting particles is a nickel oxide (NiO)-based raw material composition for oxygen-transferring particles, comprising 58 to 80% by weight of nickel hydroxide (Ni(OH) 2 ); 12-35% by weight of boehmite; 5 to 15% by weight of magnesium hydroxide (Mg(OH) 2 ); Aluminum dihydrogen phosphate (Al(H 2 PO 4 ) 3 ) 1 to 4% by weight; and 0.5 to 2% by weight of magnesium hydrolase phosphate (MgHPO 4 ).

상기 니켈하이드록사이드(Ni(OH)2)는 활성물질 원료로 작용하며, 소성과정에서 물이 빠져나오면서 니켈옥사이드(NiO)가 형성된다. 상기 NiO는 케미컬루핑연소 반응시 연료로 산소를 전달하여 연료를 효율적으로 연소시키면서, 자신은 환원이 되며, 공기로부터 산소를 다시 받아 재생된다.The nickel hydroxide (Ni(OH) 2 ) acts as a raw material for the active material, and nickel oxide (NiO) is formed as water escapes during the firing process. The NiO transfers oxygen to the fuel during the chemical looping combustion reaction to efficiently burn the fuel, is itself reduced, and is regenerated by receiving oxygen from the air again.

상기 니켈하이드록사이드를 활성물질 원료로 사용시, 니켈옥사이드(NiO)를 적용시에 비해 더 낮은 소성온도에서도 유동층 공정에 사용하기 적합한 충분한 강도를 얻을 수 있고, 산소전달성능을 유지하면서도 마그네슘(Mg) 함량을 높일 수 있어 케미컬루핑연소의 산화 및 환원 싸이클반응 중에 나타날 수 있는 산소전달입자 간의 응집을 방지할 수 있다.When the nickel hydroxide is used as a raw material for the active material, sufficient strength suitable for use in the fluidized bed process can be obtained even at a lower firing temperature than when nickel oxide (NiO) is applied, and magnesium (Mg) is maintained while maintaining oxygen transmission performance. Since the content can be increased, aggregation between oxygen delivery particles that may occur during oxidation and reduction cycle reactions of chemical roofing combustion can be prevented.

한 구체예에서 상기 니켈하이드록사이드는 상기 원료 조성물 전체 중량에 대하여 58~80 중량% 포함된다. 상기 니켈하이드록사이드를 58 중량% 미만으로 포함시, 산소전달입자의 산소전달량(oxygen transfer capacity)이 감소하며, 분무건조 성형된 산소전달입자의 소성과정에서 함께 사용한 지지체와의 상호 작용 세기가 증가하여, 산소전달성능이 저하되고, 80 중량%를 초과하여 포함시, 소성 후 산소전달입자의 내마모도 저하 등 물성이 저하되고, 소성 과정에서 입자 내 니켈옥사이드(NiO) 알갱이(grain) 간의 소결현상이 일어날 우려가 있다. 예를 들면 65~75 중량% 포함될 수 있다. In one embodiment, the nickel hydroxide is included in an amount of 58 to 80% by weight based on the total weight of the raw material composition. When the nickel hydroxide is included in an amount of less than 58% by weight, the oxygen transfer capacity of the oxygen transfer particles decreases, and the interaction strength with the support used together in the firing process of the spray-dried oxygen transfer particles increases. Therefore, the oxygen transfer performance is lowered, and when the content exceeds 80% by weight, the physical properties such as the wear resistance of the oxygen transfer particles are lowered after firing, and the sintering phenomenon between the nickel oxide (NiO) grains in the particles is reduced during the firing process. There is a risk that it will happen. For example, 65 to 75% by weight may be included.

한 구체예에서 상기 니켈하이드록사이드는 평균입자크기가 0 초과 10㎛ 이하일 수 있다. 상기 평균크기는 상기 니켈하이드록사이드, 보에마이트, 수산화마그네슘, 알루미늄다이하이드러전포스페이트 및 마그네슘하이드러전포스페이트의 “최대 길이” 또는 “직경”을 의미할 수 있다. 상기 니켈하이드록사이드의 평균입자크기 조건에서 상기 원료 조성물의 혼합성 및 분산성이 우수하며, 산소전달입자의 내구성 및 기계적 강도가 우수할 수 있다. 예를 들면 상기 니켈하이드록사이드는 순도가 98% 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment, the nickel hydroxide may have an average particle size greater than 0 and less than 10 μm. The average size may mean "maximum length" or "diameter" of the nickel hydroxide, boehmite, magnesium hydroxide, aluminum dihydrogen phosphate, and magnesium hydraulic phosphate. Under the condition of the average particle size of the nickel hydroxide, the raw material composition may have excellent mixability and dispersibility, and the oxygen delivery particles may have excellent durability and mechanical strength. For example, the nickel hydroxide may have a purity of 98% or more, but is not limited thereto.

본 발명의 NiO계 산소전달입자에서 지지체 원료로는 보에마이트 및 수산화마그네슘을 포함할 수 있다. 상기 보에마이트는 활성성분인 NiO를 입자 전체에 고루 분포되도록 지지하여 활성성분의 활용성을 높이고, 반응가스의 확산에 필요한 기공 구조를 제공하며, 무기결합제로서의 역할도 동시에 수행함으로써 소성 후 산소전달입자에 유동층 공정에서 요구하는 충분한 강도를 제공해 줄 수 있다.In the NiO-based oxygen transporting particle of the present invention, boehmite and magnesium hydroxide may be included as support materials. The boehmite supports the active ingredient NiO to be evenly distributed throughout the particles to increase the utilization of the active ingredient, provides a pore structure necessary for diffusion of the reaction gas, and simultaneously serves as an inorganic binder to transfer oxygen after firing. Sufficient strength required in the fluidized bed process can be provided to the particles.

즉, 상기 보에마이트는 활성물질인 금속산화물, 즉 니켈옥사이드(NiO)를 지지하는 기능과, 소성 시 서로 결합하면서 산소전달입자에 강도를 주는 무기결합제로서의 역할을 동시에 할 수 있다. 또한, 고온에서 금속이 산화 환원 사이클을 반복하는 동안 서로 응집하는 현상과 활성물질(NiO)의 소결 현상을 억제하며, 반응 전후의 가스가 입자 외부와 활성물질 사이에서 입출입(확산)이 원활하도록 통로를 만들어주는 역할을 할 수 있다.That is, the boehmite can simultaneously serve as a function of supporting metal oxide, that is, nickel oxide (NiO), which is an active material, and as an inorganic binder that bonds with each other during firing and gives strength to oxygen transfer particles. In addition, it suppresses the phenomenon of aggregation of metals and sintering of the active material (NiO) while repeating redox cycles at high temperatures, and the passage for smooth entry (diffusion) of gases before and after the reaction between the outside of the particles and the active material. can play a role in creating

상기 보에마이트는 감마알루미나 및 알파알루미나에 비해 구조적으로 불안정하며 소성온도 증가에 따라 물(H2O)이 배출되면서 감마 알루미나나 알파알루미나로 변형되지만, 이 과정에서 기공을 형성하며 서로 결합하므로 상대적으로 낮은 소성온도에서 입자에 더 강한 강도와 더 높은 기공도를 부여할 수 있는 이점이 있다.The boehmite is structurally unstable compared to gamma alumina and alpha alumina, and is transformed into gamma alumina or alpha alumina as water (H 2 O) is discharged as the firing temperature increases. This has the advantage of imparting stronger strength and higher porosity to the particles at a lower firing temperature.

한 구체예에서 상기 보에마이트는 상기 원료 조성물 전체 중량에 대하여 12~35 중량% 포함된다. 상기 보에마이트를 12 중량% 미만으로 포함시, 기공도 감소 등 물성이 저하되고, 산소전달입자 내 활성물질간의 소결현상이 일어날 우려가 있으며, 35 중량%를 초과하면, 산소전달입자의 산소전달량이 작아지고, 활성물질과의 상호 작용 세기가 증가하여 산소전달성능이 저하될 우려가 있다. 예를 들면 15~25 중량% 포함될 수 있다.In one embodiment, the boehmite is included in an amount of 12 to 35% by weight based on the total weight of the raw material composition. When the boehmite is included in an amount of less than 12% by weight, physical properties such as a decrease in porosity are deteriorated, and sintering between active materials in the oxygen transfer particles may occur. If the content exceeds 35 wt%, the oxygen transfer amount of the oxygen transfer particles becomes small, and the interaction strength with the active material increases, so there is a concern that the oxygen transfer performance may be deteriorated. For example, 15 to 25% by weight may be included.

본 발명에서 상기 지지체 원료인 보에마이트는 공급되는 형태에 제한을 받지 않는다. 예를 들면 상기 보에마이트는 용매에 졸(sol) 상태로 혼합되어 있는 보에마이트 또는 고체 분말상태로 공급되는 보에마이트를 사용할 수도 있다.In the present invention, boehmite, which is a raw material for the support, is not limited in the form in which it is supplied. For example, boehmite mixed in a solvent in a sol state or boehmite supplied in a solid powder state may be used as the boehmite.

한 구체예에서 상기 보에마이트는 평균입자크기가 0 초과 1 ㎛ 이하일 수 있다. 상기 평균입자크기 조건에서 상기 원료 조성물의 혼합성 및 분산성이 우수하며, 산소전달입자의 산소전달성능, 내구성 및 기계적 강도가 우수할 수 있다. 예를 들면 용매에 희석되어 분산된 보에마이트는 평균입자크기가 0 초과 1 ㎛ 이하일 수 있다. 예를 들면, 상기 보에마이트는 순도가 98% 이상일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.In one embodiment, the average particle size of the boehmite may be greater than 0 and less than or equal to 1 μm. Under the average particle size condition, the mixing and dispersibility of the raw material composition may be excellent, and the oxygen transporting particles may have excellent oxygen transporting performance, durability and mechanical strength. For example, boehmite diluted and dispersed in a solvent may have an average particle size of greater than 0 and less than or equal to 1 μm. For example, the boehmite may have a purity of 98% or more, but is not limited thereto.

상기 수산화마그네슘(Mg(OH)2)은 소성 과정에서 자기끼리 결합하거나 함께 사용된 지지체 원료인 보에마이트와도 결합하면서 산소전달입자에 기공 및 강도를 부여하는 역할을 할 수 있다. 상기 수산화마그네슘(Mg(OH)2)은 소성온도 증가에 따라 물이 빠져나오고 마그네시아(MgO)로 변형되면서 서로 결합하거나 지지체로 함께 사용된 보에마이트와 결합한다.The magnesium hydroxide (Mg(OH) 2 ) may serve to impart pores and strength to the oxygen delivery particles while combining with each other or with boehmite, which is a raw material for the support used together, during the firing process. The magnesium hydroxide (Mg(OH) 2 ) is combined with each other or with boehmite used as a support while water escapes and is transformed into magnesia (MgO) as the firing temperature increases.

이에 따라, 알파알루미나나 마그네슘알루미네이트를 이용하여 마그네슘 성분을 포함하는 산소전달입자를 제조하던 종래 기술에 비해, 더욱 낮은 소성온도에서 산소전달입자를 제조시에도 유동층 공정에서 요구되는 충분한 강도를 얻을 수 있게 한다. 상기 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 첨가에 의해 산소전달입자에 마그네슘(Mg) 성분을 부가하면, 니켈옥사이드(NiO)계 산소전달입자를 이용한 케미컬루핑연소의 산화 및 환원 싸이클 반응 중에 나타날 수 있는 입자 간의 응집현상 문제를 억제하는 효과를 얻을 수 있다.Accordingly, compared to the prior art of manufacturing oxygen-transferring particles containing magnesium using alpha-alumina or magnesium aluminate, sufficient strength required in the fluidized bed process can be obtained even when oxygen-transferring particles are manufactured at a lower firing temperature. let it be When a magnesium (Mg) component is added to the oxygen delivery particles by the addition of magnesium hydroxide (Mg(OH) 2 ), oxidation and reduction cycle reactions of chemical roofing combustion using nickel oxide (NiO)-based oxygen delivery particles may occur. It is possible to obtain the effect of suppressing the problem of aggregation between particles.

한 구체예에서 상기 수산화마그네슘은 상기 원료 조성물 전체중량에 대하여 5~15 중량%를 포함된다. 상기 수산화 마그네슘은 건조 및 고온 소성시 물이 빠져나가며 마그네슘옥사이드(MgO)가 될 수 있다. 상기 수산화마그네슘을 5 중량% 미만으로 포함시, 산소전달입자의 기공도 감소 등 물성이 저하되고, 케미컬루핑 연소 싸이클 반응 중에 입자간의 응집현상 발생과 활성물질간의 소결현상이 일어날 우려가 있으며, 15 중량%를 초과하여 포함시, 산소전달입자의 강도를 얻기 위한 소성온도의 증가로 활성물질 간의 소결현상이 일어나 산소전달량이 작아지고 산소전달속도가 느려지며 공기로부터 산소를 얻어 입자가 재생되는 산화반응에서 초기상태로 재생되지 않는 등 산소전달성능이 저하될 우려가 있다. 예를 들면 5~8 중량% 포함될 수 있다.In one embodiment, the magnesium hydroxide is included in an amount of 5 to 15% by weight based on the total weight of the raw material composition. When the magnesium hydroxide is dried and calcined at a high temperature, water escapes and may become magnesium oxide (MgO). When the magnesium hydroxide is included in an amount of less than 5% by weight, physical properties such as a decrease in porosity of oxygen delivery particles are deteriorated, and aggregation between particles and sintering between active materials may occur during the chemical roofing combustion cycle reaction, and 15 weight When it is contained in excess of %, sintering between active materials occurs due to an increase in firing temperature to obtain the strength of oxygen transfer particles, resulting in a small amount of oxygen transfer and a slow oxygen transfer rate. There is a possibility that the oxygen transfer performance may deteriorate, such as not being regenerated to an initial state. For example, it may be included in 5 to 8% by weight.

한 구체예에서 상기 수산화마그네슘은 평균입자크기가 0 초과 10㎛ 이하일 수 있다. 상기 평균입자크기 조건에서 상기 원료 조성물의 혼합성 및 분산성이 우수하며, 산소전달입자의 산소전달성능, 내구성 및 기계적 강도가 우수할 수 있다. 예를 들면 상기 수산화마그네슘은 순도가 97% 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment, the magnesium hydroxide may have an average particle size greater than 0 and less than 10 μm. Under the average particle size condition, the mixing and dispersibility of the raw material composition may be excellent, and the oxygen transporting particles may have excellent oxygen transporting performance, durability and mechanical strength. For example, the magnesium hydroxide may have a purity of 97% or more, but is not limited thereto.

상기 원료 조성물에 포함되는 무기결합제는 상기 산소전달입자에 강도를 부여하며, 마모에 의한 입자 손실을 줄여주어 산소전달입자를 장기간 사용할 수 있게 하는 물질이다. 본 발명에서 상기 무기결합제는 알루미늄다이하이드러전포스페이트(Al(H2PO4)3) 및 마그네슘하이드러전포스페이트(MgHPO4)의 혼합물을 사용할 수 있다.The inorganic binder included in the raw material composition is a material that imparts strength to the oxygen transfer particles and reduces particle loss due to abrasion so that the oxygen transfer particles can be used for a long period of time. In the present invention, the inorganic binder may be a mixture of aluminum dihydrogen phosphate (Al(H 2 PO 4 ) 3 ) and magnesium hydraulic phosphate (MgHPO 4 ).

상기 무기결합제의 함량을 증가시키면 활성물질 또는 지지체의 함량이 낮아져 산소전달량 감소 및 활성물질의 분산도 저하로 활성물질의 소결현상 증가 등의 문제가 발생할 수 있으므로, 상기 원료 조성물 전체중량에 대하여 1.5~6 중량%로 함량을 제한하여 사용한다.When the content of the inorganic binder is increased, the content of the active material or support is lowered, and problems such as increased sintering of the active material due to a decrease in oxygen delivery amount and a decrease in dispersion of the active material may occur. It is used by limiting the content to 6% by weight.

한 구체예에서 상기 알루미늄다이하이드러전포스페이트(Al(H2PO4)3)는 상기 원료 조성물 전체중량에 대하여 1~4 중량% 포함된다. 상기 알루미늄다이하이드러전포스페이를 1 중량% 미만으로 포함시 상기 산소전달입자의 강도 및 내마모성이 저하되며, 4 중량%를 초과하여 포함시 상기 원료 조성물의 혼합성 및 분산성이 저하되며, 산소전달량 감소 및 활성물질의 분산도 저하로 활성물질 소결현상이 발생할 수 있다. 예를 들면 2~3.5 중량% 포함될 수 있다.In one embodiment, the aluminum dihydrogen phosphate (Al(H 2 PO 4 ) 3 ) is included in an amount of 1 to 4% by weight based on the total weight of the raw material composition. When the aluminum dihydrogen phosphate is included in an amount of less than 1% by weight, the strength and wear resistance of the oxygen delivery particles are lowered, and when it is included in an amount exceeding 4% by weight, the mixing and dispersibility of the raw material composition is reduced, and the amount of oxygen delivery is reduced. Sintering of the active material may occur due to the decrease and the decrease in dispersion of the active material. For example, it may be included in 2 to 3.5% by weight.

한 구체예에서 상기 알루미늄다이하이드러전포스페이트는 평균입자크기가 0 초과 25㎛ 이하일 수 있다. 상기 평균입자크기 조건에서 상기 원료 조성물의 혼합성 및 분산성이 우수하며, 산소전달입자의 산소전달성능, 강도, 내마모성 및 기계적 강도가 우수할 수 있다. 예를 들면 상기 알루미늄다이하이드러전포스페이트는 순도가 97% 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment, the aluminum dihydrogen phosphate may have an average particle size greater than 0 and less than or equal to 25 μm. Under the average particle size condition, the mixing and dispersibility of the raw material composition may be excellent, and the oxygen transporting particles may have excellent oxygen transporting performance, strength, abrasion resistance and mechanical strength. For example, the aluminum dihydrogen phosphate may have a purity of 97% or more, but is not limited thereto.

한 구체예에서 상기 마그네슘하이드러전포스페이트(MgHPO4)는 상기 원료 조성물 전체 중량에 대하여 0.5~2 중량% 포함된다. 상기 마그네슘하이드러전포스페이트를 0.5 중량% 미만으로 포함시 상기 산소전달입자의 강도 및 내마모성이 저하되며, 2 중량%를 초과하여 포함시 상기 원료 조성물의 혼합성 및 분산성이 저하되며, 산소전달량 감소 및 활성물질의 분산도 저하로 활성물질 소결현상이 발생할 수 있다. 예를 들면 1~2 중량% 포함될 수 있다.In one embodiment, the magnesium hydrolase phosphate (MgHPO 4 ) is included in an amount of 0.5 to 2% by weight based on the total weight of the raw material composition. When the magnesium hydrophobic phosphate is included in an amount of less than 0.5% by weight, strength and abrasion resistance of the oxygen delivery particles are reduced, and when included in an amount exceeding 2% by weight, the mixability and dispersibility of the raw material composition are deteriorated and the amount of oxygen delivery is reduced. And active material sintering may occur due to a decrease in dispersion of the active material. For example, it may be included in 1 to 2% by weight.

한 구체예에서 상기 마그네슘하이드러전포스페이트는 평균입자크기가 0 초과 25㎛ 이하일 수 있다. 상기 평균입자크기 조건에서 상기 원료 조성물의 혼합성 및 분산성이 우수하며, 산소전달입자의 산소전달성능, 강도, 내마모성 및 기계적 강도가 우수할 수 있다. 예를 들면 상기 마그네슘하이드러전포스페이트는 순도가 97% 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In one embodiment, the magnesium hydrogel phosphate may have an average particle size greater than 0 and less than or equal to 25 μm. Under the average particle size condition, the mixing and dispersibility of the raw material composition may be excellent, and the oxygen transporting particles may have excellent oxygen transporting performance, strength, abrasion resistance and mechanical strength. For example, the magnesium hydrolysis phosphate may have a purity of 97% or more, but is not limited thereto.

한 구체예에서 상기 알루미늄다이하이드러전포스페이트 및 마그네슘하이드러전포스페이트의 합과, 수산화마그네슘은 1:1~1:3 중량비로 포함될 수 있다. 상기 중량비 범위로 포함시 상기 원료 조성물의 혼합성 및 분산성이 우수하며, 산소전달입자의 산소전달성능, 강도, 내마모성 및 기계적 강도가 우수할 수 있다. 예를 들면 1:1~1:1.5 중량비로 포함될 수 있다.In one embodiment, the sum of the aluminum dihydrogen phosphate and the magnesium hydroelectric phosphate and magnesium hydroxide may be included in a weight ratio of 1:1 to 1:3. When included in the weight ratio range, the mixing and dispersibility of the raw material composition may be excellent, and the oxygen delivery performance, strength, abrasion resistance and mechanical strength of the oxygen delivery particles may be excellent. For example, it may be included in a weight ratio of 1:1 to 1:1.5.

산소전달입자용 원료 조성물을 포함하는 산소전달입자 제조용 슬러리Slurry for preparing oxygen transfer particles comprising a raw material composition for oxygen transfer particles

본 발명의 다른 관점은 상기 산소전달입자용 원료 조성물을 포함하는 산소전달입자 제조용 슬러리를 제공하는 것이다. 한 구체예에서 상기 산소전달입자 제조용 슬러리는 상기 원료 조성물을 포함하는 고체원료; 및 용매;를 포함한다.Another aspect of the present invention is to provide a slurry for preparing oxygen transfer particles comprising the raw material composition for oxygen transfer particles. In one embodiment, the slurry for preparing the oxygen delivery particles includes a solid raw material including the raw material composition; and a solvent;

한 구체예에서 상기 고체원료는 상기 슬러리 전체중량에 대하여 15~40 중량% 포함될 수 있다. 상기 고체원료의 함량이 15 중량% 미만이면, 산소전달입자 제조를 위한 슬러리의 양이 증가하고 분무건조 과정에서 증발되어야 할 슬러리 중 용매의 양이 증가하여 궁극적으로 제조 효율이 저하될 우려가 있으며, 40 중량%를 초과하면, 슬러리의 농도 증가에 따른 슬러리의 점도 증가로 분쇄가 어려워지고 유동성이 저하되어 분무건조의 수행이 어려워질 우려가 있다. In one embodiment, the solid raw material may be included in an amount of 15 to 40% by weight based on the total weight of the slurry. If the content of the solid raw material is less than 15% by weight, the amount of slurry for producing oxygen delivery particles increases and the amount of solvent in the slurry to be evaporated in the spray drying process increases, ultimately reducing production efficiency. If it exceeds 40% by weight, the viscosity of the slurry increases as the concentration of the slurry increases, making it difficult to pulverize and lowering the fluidity, so that spray drying may become difficult.

상기 용매의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 이 분야에서 일반적으로 사용되는 용매를 사용할 수 있다. 구체적으로는 상기 용매로 물을 포함할 수 있다.The type of the solvent is not particularly limited, and solvents commonly used in this field may be used. Specifically, water may be included as the solvent.

한 구체예에서 상기 슬러리는 분산제, 소포제 및 유기결합제 중 하나 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 고체원료를 이용하여 유동성 콜로이드 슬러리로 제조하는 과정 중에서 상기 고체원료의 균질화, 슬러리의 농도, 점도, 안정성, 유동성과 분무건조 후 입자의 강도 및 밀도 등의 제어를 위하여, 분산제, 소포제 및 유기 결합제로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 첨가제를 추가로 포함할 수 있다. 고체 원료 자체만을 물과 혼합하는 경우 원료를 분산시키기가 어려워 혼합 및 콜로이드 슬러리를 제조하기 어려운 문제점이 발생할 수 있는데 유기첨가제를 더 포하하여 이를 해소할 수 있다. 예를 들면 상기 슬러리는 분산제, 소포제 및 유기결합제를 첨가제로 포함할 수 있다.In one embodiment, the slurry may further include one or more additives of a dispersing agent, an antifoaming agent, and an organic binder. Specifically, in the process of preparing a fluid colloidal slurry using the solid raw material, for homogenization of the solid raw material, concentration, viscosity, stability, flowability of the solid raw material, and control of the strength and density of the particles after spray drying, a dispersing agent and an antifoaming agent and one or more additives selected from the group consisting of organic binders. When mixing only the solid raw material itself with water, it is difficult to disperse the raw material, which may cause problems in mixing and preparing a colloidal slurry. This problem can be solved by further incorporating an organic additive. For example, the slurry may include a dispersing agent, an antifoaming agent, and an organic binder as additives.

한 구체예에서 상기 슬러리는 고체원료 100 중량부에 대하여, 상기 분산제 0.01~5.0 중량부, 유기결합제 1.0~5.0 중량부 및 소포제 0.01~1.0 중량부 포함될 수 있다.In one embodiment, the slurry may include 0.01 to 5.0 parts by weight of the dispersant, 1.0 to 5.0 parts by weight of an organic binder, and 0.01 to 1.0 parts by weight of an antifoaming agent, based on 100 parts by weight of the solid raw material.

상기 분산제(dispersant)는 하기에 설명할 분쇄 과정에서 원료 입자끼리 응집되는 현상을 방지하기 위해 사용된다. 즉, 산소전달입자를 구성하는 원료 성분들의 입자크기를 제어하기 위한 분쇄 과정에서, 분쇄된 미세 분말 입자들의 응집에 의한 분쇄 효율의 저하를 방지하기 위해 상기 분산제를 사용할 수 있다.The dispersant is used to prevent agglomeration of the raw material particles during the grinding process to be described below. That is, in the grinding process for controlling the particle size of the raw material components constituting the oxygen delivery particles, the dispersing agent may be used to prevent reduction in grinding efficiency due to aggregation of the fine powder particles.

한 구체예에서 상기 분산제는 음이온계 계면활성제, 양이온계 계면활성제 및 비이온계 계면활성제 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 한 구체예에서 상기 음이온계 계면활성제는 폴리카르복실산염 및 폴리카르복실산아민염 중 하나 이상 포함할 수 있다. 예를 들면 상기 분산제는 음이온계 계면활성제로서 폴리카르복실산암모늄염(Poly carboxylate ammonium salts) 또는 폴리카르복실산아민염(Poly carboxylate amine salts) 등을 사용할 수 있다. 본 발명에 사용되는 분산제는 입자 표면의 전하 조절, 분산 및 응집을 조절하는 기능이 있어 슬러리를 고농도화한다. 분산이 잘 안된 슬러리를 분무건조하면 산소전달입자 조립체, 즉 생소지제(green body)의 형상이 도우넛, 딤플 등 구형을 벗어나 최종 제품에 나쁜 영향을 미친다.In one embodiment, the dispersant may include one or more of anionic surfactants, cationic surfactants, and nonionic surfactants. In one embodiment, the anionic surfactant may include at least one of a polycarboxylic acid salt and a polycarboxylic acid amine salt. For example, as the dispersant, poly carboxylate ammonium salts or poly carboxylate amine salts may be used as an anionic surfactant. The dispersant used in the present invention has a function of controlling charge control, dispersion, and aggregation of the particle surface, so that the slurry is highly concentrated. When the slurry with poor dispersion is spray-dried, the shape of the oxygen delivery particle assembly, that is, the green body, deviates from a spherical shape such as a donut or dimple, and adversely affects the final product.

한 구체예에서 상기 분산제는 고체원료 100 중량부에 대하여 0.01~5.0 중량부 포함될 수 있다. 상기 범위에서, 상기 고체원료 성분 입자들의 분산 효과가 우수할 수 있다.In one embodiment, the dispersant may be included in an amount of 0.01 to 5.0 parts by weight based on 100 parts by weight of the solid raw material. Within this range, the dispersing effect of the particles of the solid raw material may be excellent.

상기 유기 결합제(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. 한 구체예에서 상기 유기 결합제는 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌글라이콜 및 메틸셀룰로오즈 중 하나 이상 포함할 수 있다.The organic binder is added in the slurry preparation step to impart plasticity and fluidity to the slurry and ultimately impart strength to the oxygen-transporting particles assembled by spray-drying molding, thereby forming an assembly before pre-drying and firing, that is, Handling of green bodies can be facilitated. In one embodiment, the organic binder may include at least one of polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, and methylcellulose.

한 구체예에서 상기 유기결합제는 상기 고체원료 100 중량부에 대하여 1.0~5.0 중량부 포함될 수 있다. 상기 조건에서 분무건조 시 성형된 고체 입자의 결합력 저하를 방지하여, 건조 및 소성 전까지 구형의 형상을 용이하게 유지 가능하며, 소성 후 잔여 회분에 의해 최종물질의 성능이 저하됨을 방지할 수 있다.In one embodiment, the organic binder may be included in an amount of 1.0 to 5.0 parts by weight based on 100 parts by weight of the solid raw material. It is possible to easily maintain a spherical shape until drying and firing by preventing deterioration of the bonding force of the molded solid particles during spray drying under the above conditions, and preventing the performance of the final material from deteriorating due to residual ash after firing.

상기 소포제(defoamer)는 분산제 및 유기결합제가 적용된 슬러리의 기포를 제거하기 위해 사용될 수 있다. 한 구체예에서 상기 소포제는 실리콘계 소포제, 금속비누계 소포제, 아마이드계 소포제, 폴리에테르계 소포제, 폴리에스테르계 소포제, 폴리글라이콜계 소포제 및 알코올계 소포제 중 하나 이상 포함할 수 있다.The defoamer may be used to remove bubbles of the slurry to which the dispersant and the organic binder are applied. In one embodiment, the antifoaming agent may include at least one of a silicone-based antifoaming agent, a metal soap-based antifoaming agent, an amide-based antifoaming agent, a polyether-based antifoaming agent, a polyester-based antifoaming agent, a polyglycol-based antifoaming agent, and an alcohol-based antifoaming agent.

한 구체예에서 상기 소포제는 상기 고체원료 100 중량부에 대하여 0.01~1.0 중량부 포함될 수 있다. 상기 소포제의 양이 너무 적으면, 슬러리 제조 과정 중에 기포가 발생하여 분무 건조 시 구형의 형상을 얻지 못할 우려가 있으며, 소포제 함량이 너무 많으면 소성 후 잔여 회분에 의해 최종물질의 성능이 저하될 우려가 있다. 상기 소포제의 함량은 슬러리 제조시 기포 발생량에 따라 조절할 수 있다.In one embodiment, the antifoaming agent may be included in an amount of 0.01 to 1.0 parts by weight based on 100 parts by weight of the solid raw material. If the amount of the antifoaming agent is too small, bubbles may be generated during the slurry manufacturing process and a spherical shape may not be obtained during spray drying, and if the amount of the antifoaming agent is too large, the performance of the final material may be deteriorated due to residual ash after firing there is. The content of the antifoaming agent may be adjusted according to the amount of bubbles generated during slurry preparation.

산소전달입자 제조방법Oxygen delivery particle manufacturing method

본 발명의 또 다른 관점은 상기 산소전달입자 제조방법에 관한 것이다. 도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 산소전달입자 제조방법을 나타낸 것이다. 상기 도 1을 참조하면 상기 산소전달입자 제조방법은 (S10) 슬러리 제조단계; (S20) 슬러리 균질화 단계; (S30) 고체 입자 성형단계; 및 (S40) 고체 입자 소성단계;를 포함한다. 보다 구체적으로 상기 산소전달입자 제조방법은 (S10) 상기 원료 조성물을 용매와 혼합하여 산소전달입자 제조용 슬러리를 제조하는 단계; (S20) 상기 슬러리를 교반하여 균질화하는 단계; (S30) 상기 균질화된 슬러리를 분무 건조하여 고체 입자를 성형하는 단계; 및 (S40) 상기 고체 입자를 건조 및 소성하는 단계;를 포함한다.Another aspect of the present invention relates to a method for preparing the oxygen delivery particles. 1 shows a method for manufacturing oxygen delivery particles according to one embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the method for preparing the oxygen delivery particles includes (S10) a slurry manufacturing step; (S20) slurry homogenization step; (S30) forming solid particles; and (S40) a solid particle firing step. More specifically, the method for preparing the oxygen delivery particles includes (S10) preparing a slurry for preparing the oxygen delivery particles by mixing the raw material composition with a solvent; (S20) homogenizing the slurry by stirring; (S30) forming solid particles by spray drying the homogenized slurry; and (S40) drying and calcining the solid particles.

(S10) 슬러리 제조단계(S10) Slurry manufacturing step

상기 단계에서 상기 산소전달입자 제조용 슬러리는 본 발명에 따른 NiO계 산소전달입자 제조용 원료 조성물(고체원료)을 용매에 혼합하여 제조할 수 있다. 상기 원료 조성물은, 전술한 바와 동일한 것을 사용할 수 있다. 이때 원료 조성물이 서로 덩어리지는 것을 억제하고 원만한 혼합을 위하여 분산제 및 소포제를 고체 원료 투입 전에 용매에 첨가하여 혼합할 수 있다.In the above step, the slurry for preparing the oxygen-transporting particles may be prepared by mixing the raw material composition (solid raw material) for preparing the NiO-based oxygen-transporting particles according to the present invention in a solvent. As the raw material composition, the same ones as described above can be used. At this time, in order to prevent the raw material composition from clumping together and mix smoothly, a dispersant and an antifoaming agent may be added to the solvent before inputting the solid raw material and mixed.

(S20) 슬러리 균질화 단계(S20) Slurry homogenization step

상기 단계는 상기 슬러리를 교반하여 슬러리를 균질화 하는 단계이다. 도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 슬러리 제조방법을 나타낸 것이다. 상기 도 2를 참조하면 슬러리의 제조는 첨가제(예: 유기첨가제)를 용매(물)에 첨가하는 단계(S11); 원료 조성물(고체 원료)을 상기 용매(물)에 혼합하는 단계(S12); 첨가제를 상기 용매(물)과 원료 조성물을 포함하는 혼합물에 첨가하여 슬러리를 제조하는 단계(S13); 상기 슬러리를 분쇄, 교반 및 분산시켜 균질하고 분산된 슬러리를 제조하는 단계(S21); 및 상기 슬러리에 포함된 이물질을 제거하는 단계(S22);를 포함할 수 있다.This step is a step of homogenizing the slurry by stirring the slurry. Figure 2 shows a slurry manufacturing method according to one embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the preparation of the slurry includes adding an additive (eg, an organic additive) to a solvent (water) (S11); mixing a raw material composition (solid raw material) with the solvent (water) (S12); preparing a slurry by adding an additive to a mixture containing the solvent (water) and the raw material composition (S13); Grinding, stirring, and dispersing the slurry to prepare a homogeneous and dispersed slurry (S21); and removing foreign substances included in the slurry (S22).

상기 첨가제를 용매에 첨가하는 단계(S11) 및 첨가제를 상기 용매(물)과 원료 조성물을 포함하는 혼합물에 첨가하여 슬러리를 제조하는 단계(S13)에서 상기 첨가제로는 분산제, 소포제 및 유기결합제로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 바람직하게는 모두 사용할 수 있다. 그 함량은 첨가제를 혼합물에 첨가하는 단계(S11, S13)에서 투입한 첨가제의 양을 함께 고려하여 전술한 함량 범위 내에서 사용할 수 있다. In the step of adding the additive to the solvent (S11) and the step of preparing a slurry by adding the additive to a mixture containing the solvent (water) and the raw material composition (S13), the additive is composed of a dispersant, an antifoaming agent and an organic binder One or more selected from the group may be used. Preferably, all of them can be used. The content may be used within the above-described content range in consideration of the amount of the additive added in the steps of adding the additive to the mixture (S11 and S13).

다른 예를 들면, 상기 슬러리를 균질화하는 단계는, 상기 슬러리에 분산제, 소포제 및 유기결합제 중 하나 이상의 첨가제를 투입하고; 그리고 상기 슬러리를 교반 및 분쇄하는 단계;를 포함하여 이루어질 수 있다.For another example, the homogenizing of the slurry may include adding one or more additives of a dispersant, an antifoaming agent, and an organic binder to the slurry; And stirring and grinding the slurry; may be made including.

상기 첨가제는 분산제, 소포제 및 유기결합제 중 하나 이상 포함할 수 있다. 바람직하게는 상기를 모두 사용할 수 있다. 상기 분산제, 소포제 및 유기결합제는 전술한 바와 동일한 것을 사용할 수 있다.The additive may include at least one of a dispersing agent, an antifoaming agent and an organic binder. Preferably, all of the above can be used. The dispersing agent, antifoaming agent and organic binder may be the same as those described above.

한 구체예에서 상기 첨가제는 상기 원료 조성물 100 중량부에 대하여 상기 분산제 0.01~5.0 중량부, 유기결합제 1.0~5.0 중량부 및 소포제 0.01~1.0 중량부 포함될 수 있다.In one embodiment, the additives may include 0.01 to 5.0 parts by weight of the dispersant, 1.0 to 5.0 parts by weight of the organic binder, and 0.01 to 1.0 parts by weight of the antifoaming agent, based on 100 parts by weight of the raw material composition.

상기 교반은 슬러리에 포함되는 구성 성분들을 첨가하는 과정 또는/및 모두 첨가된 상태에서 이루어질 수 있다. 이 때, 교반은 교반기를 사용하여 수행할 수 있다. The stirring may be performed in the process of adding the components included in the slurry or/and in a state in which all are added. At this time, stirring may be performed using a stirrer.

한 구체예에서 상기 혼합이 완료된 슬러리를 분쇄기를 사용하여 분쇄함으로써 슬러리 중의 입자크기를 수 마이크론(㎛) 이하로 만들 수 있다. 상기 과정에서 분쇄된 입자는 슬러리 내에 더욱 균질하게 분산되고, 이미 첨가한 분산제에 의해 슬러리 내 입자의 응집이 억제되므로 균질하고 안정한 슬러리가 제조된다. 필요에 따라 분쇄 과정은 수 회 반복할 수 있으며 각 분쇄 과정 사이에 분산제와 소포제를 첨가하여 슬러리의 유동성을 조절한다. 그리고 유기결합제를 첨가하여 분무 건조 시 입자 형상을 유지하도록 한다.In one embodiment, by pulverizing the mixed slurry using a grinder, the particle size in the slurry can be reduced to several microns (μm) or less. The particles pulverized in the above process are more homogeneously dispersed in the slurry, and the aggregation of the particles in the slurry is suppressed by the already added dispersant, thereby preparing a homogeneous and stable slurry. The grinding process can be repeated several times as needed, and the fluidity of the slurry is controlled by adding a dispersant and an antifoaming agent between each grinding process. In addition, an organic binder is added to maintain the particle shape during spray drying.

한 구체예에서 분쇄 효과를 향상시키고, 건식 분쇄 시 발생하는 입자의 날림 등의 문제를 해결하기 위하여 습식 분쇄(Wet milling) 방법을 사용할 수 있다. 상기 분쇄가 완료된 슬러리에 분산제, 소포제 또는 추가의 용매를 더 사용하여 슬러리의 농도 및 점도 등의 특징을 조절할 수 있다. In one embodiment, a wet milling method may be used to improve the grinding effect and solve problems such as scattering of particles that occur during dry grinding. Characteristics such as concentration and viscosity of the slurry may be adjusted by further using a dispersing agent, an antifoaming agent, or an additional solvent in the slurry after the pulverization is complete.

한편, 슬러리 중 고체원료 입자의 입경이 수 마이크로미터 이하이면, 분쇄과정을 생략할 수도 있다.On the other hand, if the particle diameter of the solid raw material particles in the slurry is less than several micrometers, the grinding process may be omitted.

한 구체예에서 상기 슬러리를 교반 및 분쇄하는 단계 이후 상기 교반 및 분쇄된 슬러리 중의 이물질을 제거하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 상기 단계를 통하여, 분무 성형 시 노즐 막힘 등의 원인이 될 수 있는 이물질 또는 덩어리진 원료 성분을 제거할 수 있다. 상기 이물질의 제거는 체거름을 통해 수행될 수 있다.In one embodiment, after the step of stirring and pulverizing the slurry, the step of removing foreign substances in the stirred and pulverized slurry; may be further included. Through the above steps, it is possible to remove foreign substances or lumpy raw material components that may cause nozzle clogging during spray molding. Removal of the foreign matter may be performed through sieve.

본 발명에 의해 제조된 최종 슬러리의 유동성에 대한 특별한 제한은 없으며, 펌프로 이송이 가능하다면 어떤 점도도 가능하다.There is no particular limitation on the fluidity of the final slurry prepared by the present invention, and any viscosity is possible as long as it can be pumped.

(S30) 고체 입자 성형단계(S30) solid particle forming step

상기 단계는 슬러리를 분무 건조하여 고체 입자(산소전달입자 생소지체(green body))로 성형하는 단계이다. 도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 고체 입자 성형방법을 나타낸 것이다. 상기 도 3을 참조하면, 상기 고체 입자 성형단계는 (S31) 고체입자를 분무건조기로 이송하는 단계; 및 (S32) 상기 이송된 고체입자를 분무건조기로 분사하여 분무 건조하는 단계;를 포함할 수 있다.This step is a step of spray-drying the slurry and forming it into solid particles (green bodies of oxygen-transporting particles). 3 shows a solid particle molding method according to one embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, the step of shaping the solid particles may include (S31) transferring the solid particles to a spray dryer; and (S32) spray-drying the transferred solid particles by spraying them with a spray dryer.

상기 슬러리의 성형은 분무건조기를 사용하여 수행할 수 있다. 예를 들면 상기 단계는 펌프로 슬러리를 분무건조기로 이송시킨 뒤, 상기 이송된 슬러리를 분무건조기 내로 분사함으로써, 고체 입자를 성형할 수 있다. Molding of the slurry may be performed using a spray dryer. For example, in the above step, solid particles may be formed by transferring the slurry to the spray dryer using a pump and then spraying the transferred slurry into the spray dryer.

상기 분무 건조기 내에서 산소전달입자를 성형하기 위해서는 적합한 분무 건조기의 운전조건이 필요하다. 본 발명의 분무건조기에서 산소전달입자를 성형하기 위한 상기 분무건조기의 운전조건은 이 분야에서 일반적으로 사용되는 운전조건을 적용할 수 있다. 예를 들면 유동성의 슬러리를 가압노즐을 사용하여 건조용 공기의 흐름과 반대 방향으로 분사하는 향류식 분무방식으로 분사하여 산소전달입자를 성형하게 되며, 분무 건조기 입구온도는 260~300℃ 및 출구온도 90~150℃를 유지하는 것이 바람직하다.In order to mold the oxygen delivery particles in the spray dryer, suitable operating conditions of the spray dryer are required. In the spray dryer of the present invention, operating conditions generally used in this field can be applied to the operating conditions of the spray dryer for forming oxygen delivery particles. For example, a flowable slurry is sprayed in a countercurrent spray method in which a pressurized nozzle is sprayed in the opposite direction to the flow of drying air to form oxygen delivery particles, and the inlet temperature of the spray dryer is 260 to 300 ° C and the outlet temperature It is preferable to maintain 90-150 degreeC.

(S40) 고체 입자 소성단계(S40) solid particle firing step

상기 단계는 상기 고체 입자를 건조 및 소성하는 단계이다. 상기 단계에서 상기 성형된 고체 입자를 건조한 후, 소성시켜 산소전달입자를 제조할 수 있다.This step is a step of drying and calcining the solid particles. In the above step, the molded solid particles may be dried and then calcined to prepare oxygen delivery particles.

도 4는 본 발명의 한 구체예에 따른 고체 입자 건조 및 소성을 나타낸 것이다. 상기 도 4를 참조하면, 상기 고체입자의 건조 및 소성은 상기 분무건조법으로 성형된 산소전달입자 생소지체(green body)를 건조 소성시켜 최종 산소전달입자로 제조할 수 있다. 예를 들면, 고체 입자(성형된 산소전달입자 생소지체)를 건조하는 단계(예비 건조)(S41); 및 고체 입자를 소성하는 단계(S42);를 통해 최종 산소전달입자로 제조될 수 있다.Figure 4 shows solid particle drying and firing according to one embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4 , the drying and firing of the solid particles may be performed by drying and firing the green body of the oxygen delivery particle formed by the spray drying method to manufacture the final oxygen delivery particle. For example, a step of drying the solid particles (shaped oxygen delivery particle green body) (pre-drying) (S41); and calcining the solid particles (S42); through which final oxygen delivery particles may be produced.

한 구체예에서 상기 건조는 상기 고체 입자를 110~150℃에서 2 내지 24 시간 동안 수행하는 것일 수 있다. 상기 온도 및 시간 조건에서 건조를 수행함으로써, 고체 입자의 소성 시 입자 내 수분이 팽창하여 입자에 균열이 발생하는 현상을 방지할 수 있다. 이 때, 건조는 공기 분위기에서 이루어진다.In one embodiment, the drying may be to perform the solid particles at 110 ~ 150 ℃ for 2 to 24 hours. By performing the drying under the above temperature and time conditions, it is possible to prevent cracks in the particles due to expansion of moisture in the particles during firing of the solid particles. At this time, drying is performed in an air atmosphere.

한 구체예에서 상기 소성은 상기 고체 입자를 소성로에 투입하고 1~5℃/min의 승온 속도로 1150~1250℃까지 상승시킨 후, 2 내지 10 시간 동안 유지하여 수행하는 것일 수 있다. 상기 소성시 상기 상승된 온도를 2시간 미만으로 유지하는 경우 입자의 강도가 약해질 우려가 있으며, 10 시간을 초과하면 소성 비용이 증가할 우려가 있다. 본 발명에서는 최종 소성 온도에 이르기까지 2 단계 이상의 정체 온도에서 각 30 분 이상의 정체 구간을 부여한 뒤 소성될 수 있다. In one embodiment, the firing may be carried out by introducing the solid particles into a firing furnace, raising the temperature to 1150 to 1250 ° C at a temperature rising rate of 1 to 5 ° C / min, and maintaining it for 2 to 10 hours. When the elevated temperature is maintained for less than 2 hours during the firing, the strength of the particles may be weakened, and when the firing time exceeds 10 hours, the firing cost may increase. In the present invention, it may be fired after giving a stagnation section of 30 minutes or more each at two or more stages of stagnation temperature until the final firing temperature.

본 발명에서 소성은 박스형로(muffle furnace), 튜브형로(tubular furnace) 또는 킬른(kiln) 등의 소성로를 사용할 수 있다.In the present invention, firing may use a firing furnace such as a muffle furnace, a tubular furnace, or a kiln.

본 발명에서는 상기 소성에 의해, 슬러리 제조 시 투입된 유기첨가제(분산제, 소포제 및 유기결합제)는 연소되고, 원료 조성물 사이의 결합이 이루어져 입자의 강도가 향상하게 된다.In the present invention, organic additives (dispersing agent, antifoaming agent, and organic binder) introduced during slurry preparation are burned by the firing, and the strength of the particles is improved by bonding between the raw material compositions.

산소전달입자 제조방법에 의해 제조된 산소전달입자Oxygen-transferring particles manufactured by the method for producing oxygen-transferring particles

본 발명의 또 다른 관점은 상기 산소전달입자 제조방법에 의해 제조된 산소전달입자에 관한 것이다.Another aspect of the present invention relates to oxygen-transferring particles manufactured by the method for producing oxygen-transferring particles.

한 구체예에서 상기 산소전달입자는 블로운 홀(blow-holes)이 없는 구 형태일 수 있다. 상기 형태가 구형이 아닌 도우넛 형 또는 홈이 파인 형태일 경우, 산소전달입자의 마모손실이 커질 수 있다.In one embodiment, the oxygen delivery particle may have a spherical shape without blow-holes. When the shape is not spherical, but a donut shape or grooved shape, wear loss of the oxygen delivery particles may increase.

한 구체예에서 상기 산소전달입자는 평균 입자크기가 60~150㎛ 이고, 입자크기분포가 30~400㎛ 이고, 그리고 충진밀도는 1.0~3.0 g/mL 일 수 있다. 예를 들면, 산소전달입자의 평균 크기는 80~120 ㎛이며, 산소전달입자 크기 분포는 30~400 ㎛, 좀 더 구체적으로 38~350 ㎛일 수 있다.In one embodiment, the oxygen delivery particles may have an average particle size of 60 to 150 μm, a particle size distribution of 30 to 400 μm, and a packing density of 1.0 to 3.0 g/mL. For example, the average size of the oxygen delivery particles may be 80 to 120 μm, and the size distribution of the oxygen delivery particles may be 30 to 400 μm, more specifically 38 to 350 μm.

한 구체예에서 상기 산소전달입자는 하기 식 1로 표시되는 마모지표(Attrition Index: AI)가 10% 이하일 수 있다:In one embodiment, the oxygen delivery particle may have an Attrition Index (AI) of 10% or less represented by Equation 1 below:

[식 1][Equation 1]

AI(%) = [(W2)/(W1)]AI(%) = [(W 2 )/(W 1 )]

(상기 식 1에서, W1는 마모시험 전 산소전달입자 시료의 무게(g)이고, W2는 시료의 마모시험 실시 직후 5 시간 동안 포집된 미세 입자의 무게(g)이다).(In Equation 1, W 1 is the weight (g) of the oxygen delivery particle sample before the abrasion test, and W 2 is the weight (g) of the fine particles collected for 5 hours immediately after the abrasion test of the sample).

상기 내마모도는 마모지표(AI)로 표현되며 상기 마모지표가 낮을수록 산소전달입자의 내마모도가 우수한 것을 의미한다. 한 구체예에서 상기 내마모도는 마모 시험기로 측정할 수 있다. 예를 들면, ASTM D5757-95에 의거하여 마모 시험기로 측정할 수 있다. 예를 들면 산소전달입자 50g을 유량 10.00 L/min (273.15 K, 1 bar 기준)으로 5시간 동안 측정하여 발생한 미세분말의 양을 측정한 다음, 상기 식 1을 통해 계산하여 얻을 수 있다. The abrasion resistance is expressed as an abrasion index (AI), and the lower the abrasion index, the better the abrasion resistance of the oxygen delivery particles. In one embodiment, the abrasion resistance may be measured with an abrasion tester. For example, it can be measured with an abrasion tester according to ASTM D5757-95. For example, it can be obtained by measuring 50 g of oxygen delivery particles at a flow rate of 10.00 L/min (273.15 K, 1 bar standard) for 5 hours to measure the amount of fine powder generated, and then calculating it through Equation 1 above.

본 발명에서는 상기 산소전달입자의 마모지표가 10% 이하일 수 있다. 상기 마모지표가 10%를 초과하면, 마모손실율이 증가하여 공정 운전 중 보충해주어야 하는 산소전달입자의 양이 증가하여 운전 비용이 상승할 수 있으며, 미세분말 등이 많이 발생하면 순환유동층 공정에 막힘현상이 발생하여 공정운전이 어려워질 수 있다. 본 발명에서 상기 마모지표의 하한은 특별히 제한되지 않으며, 0%에 근접할수록 좋다. 예를 들면 9% 이하일 수 있다. 다른 예를 들면 7% 이하일 수 있다.In the present invention, the wear index of the oxygen delivery particles may be 10% or less. If the abrasion index exceeds 10%, the abrasion loss rate increases and the amount of oxygen transfer particles to be supplemented during process operation increases, which may increase operating cost. This may cause process operation to be difficult. In the present invention, the lower limit of the wear index is not particularly limited, and the closer to 0%, the better. For example, it may be 9% or less. For another example, it may be 7% or less.

본 발명에서 산소전달입자(Oxygen carrier)의 산소전달량(oxygen transfer capacity)은 특별히 제한되지 않고 높을수록 좋다. 한 구체예에서 상기 산소전달입자는 산소전달량이 8 중량% (8 g Oxygen/100 g Oxygen Carrier) 이상일 수 있다. 예를 들면 상기 산소전달입자는 산소전달량이 10 중량% 이상일 수 있다. 다른 예를 들면 상기 산소전달입자는 산소전달량이 12.5 중량% 이상일 수 있다.In the present invention, the oxygen transfer capacity of the oxygen carrier is not particularly limited, and the higher the better. In one embodiment, the oxygen delivery particle may have an oxygen delivery amount of 8% by weight (8 g Oxygen / 100 g Oxygen Carrier) or more. For example, the oxygen transfer amount of the oxygen transfer particles may be 10% by weight or more. For another example, the oxygen delivery particle may have an oxygen delivery amount of 12.5% by weight or more.

산소전달입자를 이용한 케미컬루핑연소 방법Chemical roofing combustion method using oxygen transfer particles

본 발명의 또 다른 관점은 상기 산소전달입자를 이용한 케미컬루핑연소 방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 케미컬루핑연소 방법은 상기 산소전달입자를, 연료와 반응시켜 상기 산소전달입자를 환원시키고 연료를 연소시키는 단계; 및 상기 환원된 산소전달입자를 산소와 반응시켜 재생하는 단계;를 포함한다.Another aspect of the present invention relates to a chemical roofing combustion method using the oxygen delivery particles. In one embodiment, the chemical looping combustion method includes reacting the oxygen transfer particles with fuel to reduce the oxygen transfer particles and burn the fuel; and regenerating the reduced oxygen delivery particles by reacting with oxygen.

여기서 연료는 특별히 제한되지 않으며 고체상, 액체상, 기체상 모두 사용 가능하며 바람직하게는 기체상 연료일 수 있다. 본 발명에서 사용되는 기체상 연료는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 메탄, 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 all solid, liquid, and gaseous fuels may be used, and preferably gaseous fuels. The gaseous fuel used in the present invention is not particularly limited, and for example, a group consisting of methane, hydrogen, carbon monoxide, alkanes (alkanes, C n H 2n + 2 ), natural gas (LNG) and syngas (syngas) It may be one or more selected from.

상기 산소전달입자를 연료와 반응시키면, 산소전달입자 중의 금속산화물은 산소를 연료로 전달하면서 환원이 되고, 이산화탄소와 물을 발생시킨다. 상기 환원된 산소전달입자를 산소와 반응시키면 산화되어 다시 금속산화물로 재생된다. 환원된 산소전달입자로의 산소의 제공은 공기를 통해 이루어 질 수 있다. 본 발명의 케미컬루핑연소 방법에서는 상기와 같은 과정을 반복하게 된다.When the oxygen-transferring particles react with the fuel, the metal oxides in the oxygen-transferring particles are reduced while transferring oxygen to the fuel, and carbon dioxide and water are generated. When the reduced oxygen delivery particle reacts with oxygen, it is oxidized and regenerated into a metal oxide. Oxygen may be provided to the reduced oxygen transfer particles through air. In the chemical looping combustion method of the present invention, the above process is repeated.

산소전달입자를 이용한 케미컬 루핑연소를 위한 케미컬루핑연소장치Chemical roofing combustion device for chemical roofing combustion using oxygen transfer particles

본 발명의 또 다른 관점은 상기 산소전달입자를 이용한 케미컬 루핑연소를 위한 케미컬루핑연소장치에 관한 것이다. 도 5는 본 발명의 한 구체예에 따른 케미컬루핑연소장치를 나타낸 것이다. Another aspect of the present invention relates to a chemical roofing combustion device for chemical roofing combustion using the oxygen delivery particles. 5 shows a chemical looping combustion device according to one embodiment of the present invention.

상기 도 5를 참조하면, 상기 케미컬루핑연소장치는 상기 산소전달입자를 연료와 반응시켜 상기 산소전달입자를 환원시키고 연료를 연소시키는 연료반응기; 및 상기 환원된 산소전달입자가 이송되어 산소와 반응시켜 상기 산소전달입자를 산화시키는 공기반응기;를 포함한다. 예를 들면 상기 연료는 메탄올을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 5, the chemical looping combustion device includes a fuel reactor that reacts the oxygen transfer particles with fuel to reduce the oxygen transfer particles and burn the fuel; and an air reactor in which the reduced oxygen-transferring particles are transported and reacted with oxygen to oxidize the oxygen-transferring particles. For example, the fuel may include methanol.

상기 도 5를 참조하면, 상기 연료반응기에서 산소전달입자 내의 금속 산화물(MxOy)은 연료와 반응하여 환원상태의 금속 산화물(MxOy-1)이 된다. 이 때, 연료는 연소된다. 상기 환원된 산소전달입자는 공기반응기로 이동하고, 상기 공기반응기에서 공기 중의 산소와 반응하여 다시 산화된다. 상기 산화된 산소전달입자는 연료반응기로 순환되어 위의 과정을 반복하게 된다.Referring to FIG. 5, in the fuel reactor, the metal oxide (M x O y ) in the oxygen delivery particle reacts with the fuel to become a metal oxide (M x O y-1 ) in a reduced state. At this time, the fuel is burned. The reduced oxygen transfer particle moves to an air reactor, where it reacts with oxygen in the air and is oxidized again. The oxidized oxygen transfer particles are circulated to the fuel reactor and the above process is repeated.

상기 연료반응기 및 공기반응기 내에서의 반응을 하기 반응식 1 및 2로 나타내었다. 하기 반응식 1은 연료반응기 내에서의 반응이며, 반응식 2는 공기반응기 내에서 일어나는 반응을 나타낸 것이다:Reactions in the fuel reactor and the air reactor are shown in Schemes 1 and 2 below. Reaction Equation 1 below is a reaction in a fuel reactor, and Reaction Equation 2 shows a reaction occurring in an air reactor:

[반응식 1][Scheme 1]

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

[반응식 2][Scheme 2]

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

상기 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.In Schemes 1 and 2, one oxygen atom (O) is transferred from one molecule of metal oxide, but less than one or more than one may be transferred. In this case, Schemes 1 and 2 are changed according to the number of oxygen atoms transferred. It can be.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해, 니켈옥사이드(NiO) 함량이 높은 산소전달입자를 분무건조법을 포함하는 제조공정으로 제조함에 있어, 소성온도를 낮추면서도 충분한 강도를 갖도록 하는 산소전달입자 제조용 고체원료 및 이를 포함하는 산소전달입자 원료 조성물을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 상기 산소전달입자 조성물을 이용하여 제조된 산소전달입자를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또, 본 발명은 상기 산소전달입자의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In order to solve the above problems, the present invention is a solid for preparing oxygen delivery particles having sufficient strength while lowering the firing temperature in manufacturing oxygen delivery particles having a high nickel oxide (NiO) content by a manufacturing process including a spray drying method. It is an object of the present invention to provide a raw material and an oxygen delivery particle raw material composition comprising the same. In addition, an object of the present invention is to provide oxygen transfer particles prepared using the oxygen transfer particle composition. Another object of the present invention is to provide a method for producing the oxygen delivery particles.

본 발명에서는 낮은 소성온도에서도 지지체 원료간 결합을 통해 충분한 강도가 얻어질 수 있도록 하이드록사이드 형태의 활성물질 및 지지체 원료를 사용하고 인을 함유하는 화합물을 강도 보강용 원료로 첨가하여 NiO 산소전달입자를 제조하였다. 니켈하이드록사이드(Ni(OH)2), 마그네슘하이드록사이드(Mg(OH)2), 알루미늄옥사이드하이드록사이드(AlOOH), 알루미늄다이하이드러전포스페이트(Al(H2PO4)3) 및 마그네슘하이드러전포스페이트(MgHPO4)를 원료로 사용하여 NiO 산소전달입자를 제조하면 소성과정에서 AlOOH와 Mg(OH)2가 결합하면서 MgAl2O4를 형성하고 Ni(OH)2와 AlOOH의 결합에 의한 NiAl2O4 생성량을 감소시켜 준다. Al(H2PO4)3와 MgHPO4는 사용된 원료들과 결합하면서 산소전달입자의 강도 형성에 기여한다. 또한 상기 원료를 사용하여 NiO 산소전달입자를 제조하면 1200℃의 소성온도에서도 유동층 공정에 적합한 충분한 강도를 확보할 수가 있어, 활성물질인 NiO의 소결로 인한 산소전달성능 저하를 감소시킬 수 있다.In the present invention, a hydroxide-type active material and a support material are used so that sufficient strength can be obtained through bonding between support materials even at a low firing temperature, and a phosphorus-containing compound is added as a strength reinforcing material to obtain NiO oxygen transfer particles. was manufactured. Nickel hydroxide (Ni(OH) 2 ), magnesium hydroxide (Mg(OH) 2 ), aluminum oxide hydroxide (AlOOH), aluminum dihydrogen phosphate (Al(H 2 PO 4 ) 3 ) and When NiO oxygen transfer particles are manufactured using magnesium hydroelectric phosphate (MgHPO 4 ) as a raw material, MgAl 2 O 4 is formed as AlOOH and Mg(OH) 2 are combined during the firing process, and Ni(OH) 2 and AlOOH are combined. It reduces the amount of NiAl 2 O 4 produced by Al(H 2 PO 4 ) 3 and MgHPO 4 contribute to the formation of strength of oxygen delivery particles while being combined with the used raw materials. In addition, when NiO oxygen transfer particles are prepared using the raw material, sufficient strength suitable for the fluidized bed process can be secured even at a firing temperature of 1200 ° C., and thus, oxygen transfer performance degradation due to sintering of NiO as an active material can be reduced.

본 발명에 따른 NiO계 산소전달입자는 활성성분을 제공하기 위한 원료로 니켈옥사이드(NiO) 대신 니켈하이드록사이드(Ni(OH)2)를 사용하고, 지지체 주요 원료로 분말 또는 졸 형태의 보에마이트(ALOOH)를 사용하고, 응집 억제에 필요한 마그네슘 성분 부여를 위한 원료로 수산화마그네슘(Mg(OH)2)을, 강도 보강용 원료로 알루미늄다이하이드러전포스페이트와 마그네슘하이드러전포스페이트를 사용함으로써 종래의 기술에 비해 유동층 공정에 적용가능한 강도를 얻기 위한 소성온도가 낮으면서도 산소전달성능과 내마모도는 개선되었다. 이에 따라 케미컬루핑연소 공정에서의 입자 충진량 및 장시간 운전 시 발생하는 마모손실에 따른 보충량을 감소시킬 수 있어 케미컬루핑연소공정의 단순화(compact)와 경제성을 향상시키는 효과가 있다. The NiO-based oxygen delivery particle according to the present invention uses nickel hydroxide (Ni(OH) 2 ) instead of nickel oxide (NiO) as a raw material for providing an active ingredient, and uses powder or sol-type bore as a main raw material for the support. By using mite (ALOOH), magnesium hydroxide (Mg(OH) 2 ) as a raw material for imparting magnesium components necessary for suppressing aggregation, and aluminum dihydrogen phosphate and magnesium hydrogel phosphate as raw materials for strength reinforcement, Compared to the prior art, the oxygen transfer performance and wear resistance were improved while the firing temperature for obtaining strength applicable to the fluidized bed process was low. Accordingly, it is possible to reduce the filling amount of particles in the chemical roofing combustion process and the amount of replenishment according to wear loss occurring during long-time operation, thereby improving the compactness and economic efficiency of the chemical roofing combustion process.

아울러, 본 발명에 따른 NiO계 산소전달입자 제조용 슬러리에는 평균 1㎛ 이하의 크기로 분쇄된 산소전달입자 고체 원료들이 안정하고 고르게 분산되어 있어 분무건조 후 소성된 최종 산소전달입자의 장기적인 내구성 향상 효과가 있다.In addition, in the slurry for preparing NiO-based oxygen-transporting particles according to the present invention, solid raw materials of oxygen-transferring particles pulverized to an average size of 1 μm or less are stably and evenly dispersed, so that the long-term durability improvement effect of the final oxygen-transferring particles fired after spray drying is achieved. there is.

또한, 본 발명에 따른 NiO계 산소전달입자에 의하면, 유동층 공정에 적합한 구형의 형상과 입자크기, 입자크기분포, 충진 밀도, 강도, 그리고 우수한 산소전달성능을 지닌 산소전달입자를 종래의 기술에 비해 상대적으로 낮은 소성온도에서 제조할 수 있어 대량생산 시 제조비용을 절감할 수 있다.In addition, according to the NiO-based oxygen-transferring particles according to the present invention, oxygen-transferring particles having a spherical shape, particle size, particle size distribution, packing density, strength, and excellent oxygen transfer performance suitable for a fluidized bed process are obtained compared to the prior art. Since it can be manufactured at a relatively low firing temperature, manufacturing costs can be reduced during mass production.

그리고, 본 발명에 따른 NiO계 산소전달입자에 의하면, 고성능 산소전달입자가 필수인 케미컬루핑연소 기술의 완성도를 높임으로써, 기존의 연소방식에 비해 이산화탄소 포집에 따른 시스템 에너지손실을 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 있다In addition, according to the NiO-based oxygen transfer particles according to the present invention, carbon dioxide is fundamentally reduced while reducing system energy loss due to carbon dioxide capture compared to conventional combustion methods by increasing the degree of completion of chemical looping combustion technology in which high-performance oxygen transfer particles are essential. can be separated and collected. In addition, due to the nature of the chemical roofing combustion process, it does not use a solution to capture carbon dioxide, so it has the advantage of using less water and generating almost no wastewater.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.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 preferred example of the present invention and cannot be construed as limiting the present invention by this in any sense. Contents not described herein can be technically inferred by those skilled in the art, so descriptions thereof will be omitted.

실시예 및 비교예Examples and Comparative Examples

본 실시예는 니켈옥사이드(NiO)계 산소전달입자를 제조하기 위한 원료로 활성성분인 NiO를 제공하기 위한 니켈하이드록사이드(Ni(OH)2) 니켈옥사이드(NiO)의 분산(dispersion) 및 강도를 부여하기 위한 지지체 원료로 졸 형태의 보에마이트(AlOOH), 산화/환원 연속 반응 싸이클 동안 입자 응집을 억제하는 마그네슘 성분을 부여하기 위한 지지체 원료로 수산화마그네슘(Mg(OH)2), 입자 강도의 보강을 위한 성분으로 알루미늄다이하이드러전포스페이트(Al(H2PO4)3) 및 마그네슘하이드러전포스페이트(MgHPO4)를 포함하는 원료 조성물을 이용한, NiO계 산소전달입자 제조에 관한 예이다.This embodiment shows the dispersion and strength of nickel hydroxide (Ni(OH) 2 ) nickel oxide (NiO) to provide NiO as an active ingredient as a raw material for producing nickel oxide (NiO)-based oxygen transporting particles. Boehmite (AlOOH) in the form of a sol as a support raw material for imparting , magnesium hydroxide (Mg(OH) 2 ) as a support raw material for imparting a magnesium component that suppresses particle aggregation during continuous oxidation/reduction reaction cycles, and particle strength This is an example of manufacturing NiO-based oxygen delivery particles using a raw material composition containing aluminum dihydrogen phosphate (Al(H 2 PO 4 ) 3 ) and magnesium hydro lasic phosphate (MgHPO 4 ) as components for reinforcement.

상기 니켈하이드록사이드(Ni(OH)2), 보에마이트(AlOOH) 및 수산화 마그네슘(Mg(OH)2)은 고온에서 소성하면 물(H2O)이 배출되면서 각각 니켈옥사이드(NiO), 알루미나(Al2O3) 및 산화마그네슘(MgO)이 된다. 실시예에서는 고온 소성하여 H2O가 배출된 형태의 건조된 원료시료 전체 중량을 기준으로 상기 니켈옥사이드(NiO)가 70 중량%가 되도록 설계하였다.When the nickel hydroxide (Ni(OH) 2 ), boehmite (AlOOH), and magnesium hydroxide (Mg(OH) 2 ) are calcined at a high temperature, water (H 2 O) is discharged, respectively, as nickel oxide (NiO), alumina (Al 2 O 3 ) and magnesium oxide (MgO). In the embodiment, the nickel oxide (NiO) was designed to be 70% by weight based on the total weight of the dried raw material sample in the form of H 2 O discharged by high-temperature firing.

실시예 1Example 1

NiO계 산소전달입자를 제조하기 위해 공업용 니켈하이드록사이드(Ni(OH)2)(순도 98% 이상, 분말형태), 졸 형태의 보에마이트(용매가 물인 졸 형태의 보에마이트, 졸 중의 보에마이트(AlOOH) 함량이 졸을 건조 및 소성했을 때 알루미나(Al2O3) 형태로 20 중량부), Mg(OH)2(분말형태, 평균입경 4.5 ㎛, 순도 98.5% 이상), 알루미늄다이하이드러전포스페이트(Al(H2PO4)3, 분말형태), 마그네슘하이드러전포스페이트(MgHPO4, 분말형태)를 준비하였다.In order to manufacture NiO-based oxygen delivery particles, industrial nickel hydroxide (Ni(OH) 2 ) (purity of 98% or more, powder form), boehmite in sol form (boehmite in sol form in which the solvent is water, Boehmite (AlOOH) content is 20 parts by weight in the form of alumina (Al 2 O 3 ) when the sol is dried and calcined), Mg(OH) 2 (powder form, average particle diameter 4.5 ㎛, purity 98.5% or more), aluminum Dihydrogen phosphate (Al(H 2 PO 4 ) 3 , powder form) and magnesium hydrosulfate (MgHPO 4 , powder form) were prepared.

상기 각 물질을 제조하고자 하는 최종 NiO계 산소전달입자(소성 후 최종 중량 5kg)의 조성비율에 맞게 원료를 계량하였다. 증류수에 분산제(음이온계 계면활성제) 및 소포제(금속비누계)를 첨가하여 교반기로 혼합하였다. 유기첨가제가 혼합된 물에 고체원료를 교반기로 교반하면서 첨가하여 혼합 슬러리를 제조하였다. 상기 혼합 슬러리를 3차례에 걸쳐 고에너지볼밀(High Energy Ball Mill)로 분쇄하였다. 상기 분쇄 과정에서 분쇄를 원활히 진행하기 위하여 1차 분쇄 후 필요한 경우 물 및 전술한 유기첨가제를 추가로 첨가하였다. 2차 분쇄 후 폴리에틸렌글라이콜을 첨가하고 3차 분쇄를 진행하여 안정되고 균질한 유동성 콜로이드 슬러리(colloidal slurry) 혼합물을 제조하였다. 분쇄를 마친 슬러리를 체거름을 통해 이물질을 제거하고 최종 슬러리 내 고체농도를 측정하였다. 총 투입된 첨가제의 양과 측정된 최종 슬러리 내 고체원료의 농도는 표 1에 나타낸 바와 같다. Raw materials were weighed according to the composition ratio of the final NiO-based oxygen transport particles (final weight after firing: 5 kg) to be manufactured. A dispersing agent (anionic surfactant) and an antifoaming agent (metal soap type) were added to distilled water and mixed with a stirrer. A mixed slurry was prepared by adding solid raw materials to water mixed with an organic additive while stirring with a stirrer. The mixed slurry was pulverized with a high energy ball mill three times. In the pulverization process, water and the aforementioned organic additives were additionally added if necessary after the primary pulverization in order to smoothly proceed with the pulverization. After the second grinding, polyethylene glycol was added and the third grinding was performed to prepare a stable and homogeneous flowable colloidal slurry mixture. Foreign substances were removed from the pulverized slurry through a sieve, and the solid concentration in the final slurry was measured. The total amount of added additives and the measured concentration of the solid raw material in the final slurry are shown in Table 1.

상기 제조된 콜로이드 슬러리를 펌프로 분무건조기로 이송하고 분무건조하여 고체입자를 성형하였다. 이렇게 성형 제조된 고체입자(산소전달입자 조립체, 즉 생소지체(green body))를 120℃의 공기분위기 환류 건조기에서 12시간 동안 예비 건조하고, 소성로에서 1200℃에서 5시간 소성시켜 산소전달입자를 제조하였다. 소성 온도에 도달하기 전 200, 300, 400, 500, 650, 800 및 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 solid particles. The molded solid particles (oxygen-transporting particle assembly, ie, green body) were preliminarily dried in an air atmosphere reflux dryer at 120° C. for 12 hours, and then calcined in a firing furnace at 1200° C. for 5 hours to prepare oxygen-transferring particles. did It stayed at 200, 300, 400, 500, 650, 800 and 950 ° C for about 1 hour before reaching the firing temperature, and the temperature increase rate was about 5 ° C / min.

상기 실시예 1을 기준으로 산소전달입자 제조과정을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 고온 소성 후 NiO, Al2O3, MgO, Al(H2PO4)3, MgHPO4 기준으로 각각 70 중량부, 22 중량부, 5 중량부, 2 중량부, 1 중량부가 되도록 Ni(OH)2, AlOOH, Mg(OH)2, Al(H2PO4)3, MgHPO4를 각각 4.34 kg, 1.1 kg, 0.36 kg, 0.1 kg 및 0.05kg을 계량하였다. 물 20리터에 분산제(음이온계 계면활성제) 및 소포제(금속비누계)를 첨가하여 교반기로 혼합하였다. 유기첨가제가 혼합된 물에 고체원료를 교반기로 교반하면서 첨가하여 혼합 슬러리를 제조하였다. 상기 혼합 슬러리를 고에너지볼밀(High Energy Ball Mill)로 1차 분쇄하였다. 분쇄를 원활히 진행하기 위하여 1차 분쇄 후 물을 추가로 첨가하였다. 2차 분쇄 후 폴리에틸렌글라이콜을 첨가하고 3차 분쇄를 진행하여 안정되고 균질한 유동성 콜로이드 슬러리(colloidal slurry) 혼합물을 제조하였다. 총 투입된 첨가제의 양은 표 1에 나타난 바와 같다. 분쇄를 마친 슬러리를 체거름을 통해 이물질을 제거하고 측정한 최종 슬러리 중 고체 농도는 20.7 중량%였다.A detailed description of the manufacturing process of the oxygen delivery particles based on Example 1 is as follows. After high-temperature firing, Ni(OH) was added to 70 parts by weight, 22 parts by weight, 5 parts by weight, 2 parts by weight, and 1 part by weight based on NiO, Al 2 O 3 , MgO, Al(H 2 PO 4 ) 3 , and MgHPO 4 , respectively. 2 , AlOOH, Mg(OH) 2 , Al(H 2 PO 4 ) 3 , and MgHPO 4 were weighed at 4.34 kg, 1.1 kg, 0.36 kg, 0.1 kg, and 0.05 kg, respectively. A dispersing agent (anionic surfactant) and an antifoaming agent (metal soap type) were added to 20 liters of water and mixed with a stirrer. A mixed slurry was prepared by adding solid raw materials to water mixed with an organic additive while stirring with a stirrer. The mixed slurry was first pulverized with a high energy ball mill. In order to smoothly proceed with the grinding, water was additionally added after the first grinding. After the second grinding, polyethylene glycol was added and the third grinding was performed to prepare a stable and homogeneous flowable colloidal slurry mixture. The total amount of added additives is as shown in Table 1. The solid concentration in the final slurry measured after removing foreign substances through a sieve after grinding was 20.7% by weight.

상기 제조된 콜로이드 슬러리를 펌프로 분무건조기로 이송하고 분무건조하여 고체 입자를 성형하였다. 이렇게 성형 제조된 고체 입자(green body)를 120℃의 공기분위기 환류 건조기에서 12시간 동안 예비 건조하고, 소성로에서 1200 ℃에서 5시간 소성시켜 산소전달입자를 제조하였다. 소성 온도에 도달하기 전 200, 300, 400, 500, 650, 800 및 950 ℃에서 1시간 정도 체류하였고, 승온 속도는 약 5℃/min이었다.The prepared colloidal slurry was transported by a pump to a spray dryer and spray-dried to form solid particles. The green body thus molded was preliminarily dried in an air atmosphere reflux dryer at 120° C. for 12 hours, and then calcined at 1200° C. for 5 hours in a firing furnace to prepare oxygen delivery particles. 200, 300, 400, 500, 650, 800 and 950 ° C were held for about 1 hour before reaching the firing temperature, and the temperature increase rate was about 5 ° C / min.

실시예 2Example 2

하기 표 1의 성분 및 함량을 적용한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 방법으로 NiO계 산소전달입자를 제조하였다.NiO-based oxygen delivery particles were prepared in the same manner as in Example 1, except that the components and contents in Table 1 below were applied.

상기 실시예 1 및 2의 NiO계 산소전달입자용 원료 조성물 구성 성분의 함량과 슬러리 중 고체 원료 함량을 하기 표 1에 나타내었다.Table 1 below shows the constituent components of the raw material compositions for NiO-based oxygen transporting particles of Examples 1 and 2 and the solid raw material contents in the slurry.

비교예 1~5Comparative Examples 1 to 5

활성물질로 종래 산소전달입자 제조에서 사용되는 니켈옥사이드(NiO)를 사용하였다. 또한, 지지체 원료로서 감마알루미나와 알파알루미나, 마그네시아, 및 마그네슘알루미네이트를 적용하되, 하기 표 2의 성분 및 함량 조건으로 적용한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 산소전달입자를 제조하였다.As an active material, nickel oxide (NiO) used in conventional oxygen delivery particles was used. In addition, oxygen delivery particles were prepared in the same manner as in Example 1, except that gamma alumina, alpha alumina, magnesia, and magnesium aluminate were used as support raw materials, except that the components and contents in Table 2 were applied.

(상기 표 1 및 표 2에서, 분산제, 소포제 및 유기결합제는 원료 조성물 100 중량부에 대한 함량(중량부)이다).(In Tables 1 and 2, the dispersant, antifoaming agent and organic binder are contents (parts by weight) with respect to 100 parts by weight of the raw material composition).

실험예(1)Experimental Example (1)

(1) 산소전달입자의 형상, 평균 입자 크기 및 입자 크기 분포의 측정: 상기 실시예 1~2를 통해 제조된 산소전달입자를 산업용 현미경을 이용해 측정하여 그 결과를 하기 도 6에 나타내었다. 또한, 상기 실시예 및 비교예 산소전달입자의 평균 입자 크기 및 입자 크기 분포를 미국재료시험협회(ASTM; American Society for Testing Materials)의 ASTM E-11에 기초하여 MEINZER-ⅡShaker와 표준체를 사용하여 10g의 시료를 30분 동안 분류하여 측정하였다. (1) Measurement of shape, average particle size and particle size distribution of oxygen delivery particles: The oxygen delivery particles prepared in Examples 1 and 2 were measured using an industrial microscope, and the results are shown in FIG. 6 below. In addition, the average particle size and particle size distribution of the oxygen transfer particles of the above Examples and Comparative Examples were measured by using a MEINZER-II Shaker and a standard sieve based on ASTM E-11 of the American Society for Testing Materials (ASTM) to obtain 10 g. A sample of was measured by sorting for 30 minutes.

(2) 충진 밀도 측정: 실시예 및 비교예 산소전달입자의 충진 밀도를 ASTM D 4164-88에 의거하여 AutoTap(Quantachrome) 충진밀도측정기를 사용하여 측정하였다.(2) Measurement of Packing Density: Examples and Comparative Examples The packing density of the oxygen transporting particles was measured using an AutoTap (Quantachrome) packing density meter according to ASTM D 4164-88.

(3) 내마모도 측정: 실시예 및 비교예 산소전달입자의 내마모도를 ASTM D 5757-95에 의거하여 마모 시험기로 측정하여 하기 식 1에 따른 마모지표를 측정하여 내마모도를 평가하였다. 마모지표(AI)는 상기 ASTM 방법에 기재된 대로 5시간에 걸쳐 10 std L/분 (분당 표준 부피)에서 결정하였으며, 상기 마모지표는 5시간에 걸쳐 발생된 미세분말(fine)의 비율을 나타낸다. 마모지표(AI)가 낮을수록 입자의 강도는 강하다는 것을 의미한다. 비교를 위해 동일 방법으로 측정한 정유회사에서 사용되고 있는 Akzo FCC (Fluid Catalytic Cracking) 촉매의 마모지표(AI)는 22.5%였다. (3) Measurement of abrasion resistance: Examples and Comparative Examples The abrasion resistance of the oxygen delivery particles was measured with an abrasion tester according to ASTM D 5757-95, and the abrasion resistance was evaluated by measuring the abrasion index according to Equation 1 below. The wear index (AI) was determined at 10 std L/min (standard volume per minute) over 5 hours as described in the ASTM method, and the wear index represents the percentage of fines generated over 5 hours. The lower the abrasion index (AI), the stronger the strength of the particles. For comparison, the wear index (AI) of the Akzo FCC (Fluid Catalytic Cracking) catalyst used in oil refineries measured in the same way was 22.5%.

[식 1][Equation 1]

AI(%) = [(W2)/(W1)]AI(%) = [(W 2 )/(W 1 )]

(상기 식 1에서, W1는 마모시험 전 산소전달입자 시료의 무게(g)이고, W2는 시료의 마모시험 실시 직후 5 시간 동안 포집된 미세 입자의 무게(g, 공칭 50g)이다).(In Equation 1, W 1 is the weight (g) of the oxygen delivery particle sample before the abrasion test, and W 2 is the weight (g, nominal 50 g) of the fine particles collected for 5 hours immediately after the abrasion test of the sample).

(4) 산소전달성능 측정: 실시예 및 비교예의 산소전달입자의 산소전달성능을 열중량 분석법(thermogravimetric analysis, TGA)를 이용하여 평가하였다. 실시예 및 비교예 산소전달입자의 환원반응에 사용한 반응가스의 조성은 15 vol% CH4 및 85 vol% CO2 이며, 환원된 산소전달입자를 산화시키기 위한 반응가스로 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 std mL/분이었고, 산소전달입자의 산화/환원 반응을 최소 10회 이상 반복 실시하였다. 산소전달성능은 산소전달량(oxygen transfer capacity)과 산소전달속도(oxygen transfer rate)로 구분하여 비교하였다. 산소전달량은 산소전달입자가 연료로 전달한 산소의 양으로, 산소전달입자가 완전히 산화되었을 때의 산소전달입자 무게에서 주어진 실험조건에서 산소전달입자의 환원반응이 종료되었을 때 측정된 산소전달입자 무게를 감하여 얻은 무게변화량을 산소전달입자가 완전히 산화되었을 때의 산소전달입자 무게로 나누어 무게백분율로 표시한 값이다. 산소전달속도는 산화 및 환원 반응 동안 산소전달입자의 무게 변화가 얼마나 빨리 일어나는지를 상대 비교하였다.(4) Measurement of oxygen transfer performance: The oxygen transfer performance of the oxygen transfer particles of Examples and Comparative Examples was evaluated using thermogravimetric analysis (TGA). Examples and Comparative Examples The composition of the reaction gas used for the reduction reaction of oxygen transfer particles was 15 vol% CH 4 and 85 vol% CO 2 , and air was used as a reaction gas for oxidizing the reduced oxygen transfer particles. Between the oxidation and reduction reactions, 100% nitrogen was supplied to prevent direct contact between fuel and air in the reactor. The sample amount of oxygen delivery particles used in the experiment was about 30 mg. The flow rate of each reaction gas was 300 std mL/min, and the oxidation/reduction reaction of the oxygen delivery particles was repeated at least 10 times. Oxygen transfer performance was compared by dividing into oxygen transfer capacity and oxygen transfer rate. Oxygen transfer amount is the amount of oxygen transferred by oxygen transfer particles to fuel. The weight of the oxygen transfer particles measured when the reduction reaction of the oxygen transfer particles is completed under the given experimental conditions is calculated from the weight of the oxygen transfer particles when the oxygen transfer particles are completely oxidized. It is a value expressed as a weight percentage by dividing the weight change obtained by subtraction by the weight of the oxygen-transferring particle when the oxygen-transferring particle is completely oxidized. Oxygen transfer rates were compared relative to how fast the weight change of oxygen transfer particles occurred during oxidation and reduction reactions.

상기 실시예 및 비교예의 산소전달입자에 대한 물성 및 산소전달량 측정 결과를 하기 표 3에 나타내었고 반응시간이 경과하는 동안 산소전달에 따른 무게변화를 하기 도 7에 나타내었다. 도 7에서 세로축의 무게기준전환율(Mass-based conversion)은 반응이 진행되는 동안의 임의시간에서의 산소전달입자 시료의 무게를 완전 산화상태인 산소전달입자 초기시료의 무게로 나눈 값이다. Table 3 below shows the physical properties and oxygen delivery amount measurement results of the oxygen delivery particles of Examples and Comparative Examples, and the weight change according to oxygen delivery during the elapse of reaction time is shown in FIG. 7 below. In FIG. 7 , the mass-based conversion on the vertical axis is a value obtained by dividing the weight of the oxygen-transferring particle sample at any time during the reaction by the weight of the initial oxygen-transferring particle sample in a completely oxidized state.

상기 표 3을 참조하면, 실시예 1~2의 원료 조성물을 적용한 산소전달입자 제조시, 소성온도 1200℃ 조건에서도 마모지수 10% 이하의 고강도 특성을 나타내고 상업용 유동층 공정에 적합한 물성을 갖추고 있음을 알 수 있다. 실시예 1~2 산소전달입자의 형상은 구형이며, 평균 입자크기가 95~100 ㎛ 범위 이내이고, 입자크기 분포는 49~302.5 ㎛ 범위 이내이며, 충진밀도는 2.1~2.3 g/mL 범위 이내이고, 마모지수는 10% 이하를 만족하는 것을 알 수 있다. Referring to Table 3, it can be seen that when the oxygen delivery particles were prepared using the raw material compositions of Examples 1 and 2, they exhibited high-strength characteristics with an abrasion index of 10% or less even at a firing temperature of 1200 ° C and had physical properties suitable for a commercial fluidized bed process. can Examples 1-2 Oxygen-transporting particles are spherical in shape, have an average particle size within the range of 95-100 μm, a particle size distribution within the range of 49-302.5 μm, and a packing density within the range of 2.1-2.3 g/mL , it can be seen that the wear index satisfies 10% or less.

도 6은 본 발명의 실시예 1~2 산소전달입자의 산업용 현미경 사진을 나타낸다. 상기 도 6을 참조하면, 실시예 1~2 산소전달입자는 모두 구형의 형상을 지닌다.6 shows industrial micrographs of the oxygen delivery particles of Examples 1 and 2 of the present invention. Referring to FIG. 6, the oxygen delivery particles of Examples 1 and 2 all have a spherical shape.

상기 표 3을 참조하면, 종래 기술에서 제시된 물질로 제조한 비교예 1~5의 산소전달입자는 마모지수 10% 이하의 고강도 특성을 얻기 위해 1400℃ 이상으로 소성해야 함을 보이고 있다. 알파 알루미나(α-Al2O3)를 사용한 비교예 1 및 비교예 2의 산소전달입자는 1500℃ 소성온도에서 마모지수 10% 이하의 고강도 특성을 나타내었고, 감마알루미나(γ-Al2O3)를 사용한 비교예 3 및 비교예 4의 산소전달입자는 1400 ℃ 소성온도에서 마모지수 10% 이하의 고강도 특성을 나타내었다. 마그네슘알루미네이트(MgAl2O4)를 지지체로 사용한 비교예 5의 산소전달입자는 소성온도 1500℃에서도 마모지수 20% 이상으로 고강도 입자 제조가 어려움을 알 수 있다.Referring to Table 3, it is shown that the oxygen delivery particles of Comparative Examples 1 to 5 prepared from the material presented in the prior art must be fired at 1400° C. or higher to obtain high strength characteristics with an abrasion index of 10% or less. The oxygen transfer particles of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 using alpha-alumina (α-Al 2 O 3 ) exhibited high strength characteristics with an abrasion index of 10% or less at a firing temperature of 1500 ° C, and gamma alumina (γ-Al 2 O 3 Oxygen transfer particles of Comparative Example 3 and Comparative Example 4 using ) exhibited high strength characteristics with an abrasion index of 10% or less at a firing temperature of 1400 °C. It can be seen that the oxygen delivery particles of Comparative Example 5 using magnesium aluminate (MgAl 2 O 4 ) as a support have a wear index of 20% or more even at a firing temperature of 1500 ° C, making it difficult to manufacture high-strength particles.

도 7은 실시예 1, 2 및 비교예 1, 3 산소전달입자의 산소전달 성능을 비교한 그래프이다. 도 7은 실시예 1 및 2 산소전달입자의 산소전달성능을 비교예의 산소전달입자 중 산소전달성능이 가장 우수한 비교예 1과 메탄과 반응 완료 후 공기와 접촉시켰을 때 불완전 재생특성을 보이는 비교예 3의 입자 성능과 비교하여 나타낸 것이다. 상기 표 3 및 도 7을 참조하면, 마모지수 10% 이하의 고강도 특성을 나타내는 실시예 1 및 2 산소전달입자의 산소전달량은 12.6 중량% 내지 14.7 중량%로, 비교예 1 산소전달입자의 산소전달량(12.1 중량%)에 비해 최대 20% 증가하였다. 또한 도 7를 참조하면 실시예 1 및 2의 산소전달입자의 산소전달속도는, 비교예 1 및 3의 산소전달입자 대비 산화 환원 반응 모두에서 동등이상으로 나타났다.7 is a graph comparing the oxygen transfer performance of the oxygen transfer particles of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 3; 7 shows the oxygen transfer performance of the oxygen transfer particles of Examples 1 and 2; Comparative Example 1, which had the best oxygen transfer performance among the oxygen transfer particles, and Comparative Example 3, which showed incomplete regeneration characteristics when contacted with air after completion of the reaction with methane. It is shown in comparison with the particle performance of . Referring to Table 3 and FIG. 7, the oxygen transfer amount of the oxygen transfer particles of Examples 1 and 2, which exhibit high strength characteristics with an abrasion index of 10% or less, was 12.6% to 14.7% by weight, and the oxygen transfer amount of the oxygen transfer particle of Comparative Example 1 (12.1% by weight) increased by up to 20%. In addition, referring to FIG. 7 , the oxygen transfer rates of the oxygen transfer particles of Examples 1 and 2 were equal to or higher than those of the oxygen transfer particles of Comparative Examples 1 and 3 in all oxidation-reduction reactions.

비교예 1~5는 종래의 기술에서 사용되던 니켈옥사이드, 알루미나 및 마그네슘 함유 원료물질을 지지체 원료로 사용하여 산소전달입자를 제조하였을 경우 나타나는 성능을 저하를 확인할 수 있었다. 또한, 비교예 1~5에서 적용된 조성물 구성 성분 적용시, 실시예에서와 같이 1250℃ 이하 소성온도에서도 마모지수 10% 이하의 고강도 특성을 지니면서, 우수한 산소전달량과 산소전달속도를 갖는 산소전달입자를 제조할 수 없음을 알 수 있다.In Comparative Examples 1 to 5, it was confirmed that the performance deteriorated when oxygen delivery particles were prepared using nickel oxide, alumina, and magnesium-containing raw materials used in the prior art as support raw materials. In addition, when the components of the composition applied in Comparative Examples 1 to 5 are applied, as in the examples, the oxygen delivery particles have excellent oxygen delivery amount and oxygen delivery rate while having high strength characteristics of 10% or less wear index even at a firing temperature of 1250 ° C or less. It can be seen that it cannot be produced.

이상의 결과로부터 본 발명에서 제시하는 산소전달입자 원료조성물 및 이를 사용한 산소전달입자 제조방법을 이용하여 케미컬루핑연소기술에서 연료를 효과적으로 연소시킬 수 있는 유동층 공정에 적합한 형태의 고강도 NiO계 산소전달입자를 1150 내지 1250℃ 소성 온도에서도 제조할 수 있음을 보여주었다.From the above results, by using the oxygen delivery particle raw material composition and the oxygen delivery particle manufacturing method using the same presented in the present invention, high-strength NiO-based oxygen delivery particles suitable for the fluidized bed process that can effectively burn fuel in the chemical roofing combustion technology were obtained. It was shown that it can be prepared even at a firing temperature of 1250 ° C.

이러한 원료 조성물 및 제조 방법에 의한 산소전달입자는 대량제조가 용이하고 입자 성능향상에 따른 케미컬루핑연소 공정의 경제성 향상을 가져오므로 경쟁력 있는 기술이 될 수 있다. 표 3과 도 7에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 실시예 1과 2의 산소전달입자는 케미컬루핑연소기술의 유동층 공정에 적합한 물성 및 반응성을 지니고 있다. NiO와 다른 지지체 원료를 사용하여 제조한 NiO계 산소전달입자에 비해 더 낮은 소성온도에서도 고강도 특성을 얻을 수 있어 제조비용을 낮출 수 있으며, 내마모도가 우수하여 유동층 공정 내에서 빠른 고체순환에 따른 마모에 의한 입자의 손실이 적게 발생하여 입자 보충량을 줄일 수 있다. 또한, 산소전달성능이 우수하여 입자 사용량을 상대적으로 적게할 수 있어 공정을 단순화(compact)할 수 있으므로 경제적이다.Oxygen delivery particles according to such a raw material composition and manufacturing method can be a competitive technology because mass production is easy and the economic efficiency of the chemical roofing combustion process is improved due to particle performance improvement. As shown in Table 3 and FIG. 7, the oxygen delivery particles of Examples 1 and 2 according to the present invention have physical properties and reactivity suitable for the fluidized bed process of chemical roofing combustion technology. Compared to NiO-based oxygen transporting particles manufactured using NiO and other support materials, high-strength characteristics can be obtained at a lower firing temperature, which can lower manufacturing costs, and excellent wear resistance prevents wear due to rapid solid circulation in the fluidized bed process. Since the loss of particles due to this is small, the amount of replenishment of particles can be reduced. In addition, since the oxygen transfer performance is excellent, the amount of particles used can be relatively reduced, and the process can be simplified (compact), so it is economical.

이제까지 본 발명에 대하여 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.So far, the present invention has been looked at mainly through embodiments. Those skilled in the art to which the present invention pertains will be able to understand that the present invention may be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered from an illustrative rather than a limiting point of view. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the equivalent scope will be construed as being included in the present invention.

Claims (27)

니켈하이드록사이드(Ni(OH)2) 58~80 중량%;
보에마이트(boehmite) 12~35 중량%;
수산화마그네슘(Mg(OH)2) 5~15 중량%;
알루미늄다이하이드러전포스페이트(Al(H2PO4)3) 1~4 중량%; 및
마그네슘하이드러전포스페이트(MgHPO4) 0.5~2 중량%;를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소전달입자용 원료 조성물.
Nickel hydroxide (Ni(OH) 2 ) 58-80% by weight;
12-35% by weight of boehmite;
5 to 15% by weight of magnesium hydroxide (Mg(OH) 2 );
Aluminum dihydrogen phosphate (Al(H 2 PO 4 ) 3 ) 1 to 4% by weight; and
A raw material composition for oxygen delivery particles comprising 0.5 to 2% by weight of magnesium hydrophobic phosphate (MgHPO 4 ).
제1항에 있어서, 상기 니켈하이드록사이드는 평균입자크기가 0 초과 10㎛ 이하이고, 순도가 98% 이상인 것을 특징으로 하는 산소전달입자용 원료 조성물.
The raw material composition for oxygen delivery particles according to claim 1, wherein the nickel hydroxide has an average particle size of greater than 0 and less than 10 μm and a purity of 98% or more.
제1항에 있어서, 상기 보에마이트는 평균입자크기가 0 초과 1 ㎛ 이하이고, 순도가 98% 이상인 것을 특징으로 하는 산소전달입자용 원료 조성물.
The raw material composition for oxygen transfer particles according to claim 1, wherein the boehmite has an average particle size of greater than 0 and less than 1 μm and a purity of 98% or more.
제1항에 있어서, 상기 수산화마그네슘은 평균입자크기가 0 초과 10㎛ 이하이고, 순도가 97% 이상인 것을 특징으로 하는 산소전달입자용 원료 조성물.
The raw material composition for oxygen delivery particles according to claim 1, wherein the magnesium hydroxide has an average particle size of greater than 0 and less than 10 μm and a purity of 97% or more.
제1항에 있어서, 상기 알루미늄다이하이드러전포스페이트는 평균입자크기가 0 초과 25㎛ 이하이고, 순도가 97% 이상인 것을 특징으로 하는 산소전달입자용 원료 조성물.
The raw material composition for oxygen delivery particles according to claim 1, wherein the aluminum dihydrogen phosphate has an average particle size of greater than 0 and less than 25 μm and a purity of 97% or more.
제1항에 있어서, 상기 마그네슘하이드러전포스페이트는 평균입자크기가 0 초과 25㎛ 이하이고, 순도가 97% 이상인 것을 특징으로 하는 산소전달입자용 원료 조성물.
The raw material composition for oxygen delivery particles according to claim 1, wherein the magnesium hydrogel phosphate has an average particle size of greater than 0 and less than 25 μm and a purity of 97% or more.
제1항 내지 제6항중 어느 한 항에 따른 원료 조성물을 포함하는 고체원료; 및
용매;를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소전달입자 제조용 슬러리.
A solid raw material comprising the raw material composition according to any one of claims 1 to 6; and
A slurry for preparing oxygen delivery particles, comprising a solvent.
제7항에 있어서, 상기 고체원료는 상기 슬러리 전체중량에 대하여 15~40 중량% 포함되는 것을 특징으로 하는 산소전달입자 제조용 슬러리.
The slurry for preparing oxygen delivery particles according to claim 7, wherein the solid raw material is contained in an amount of 15 to 40% by weight based on the total weight of the slurry.
제7항에 있어서, 상기 용매는 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 산소전달입자 제조용 슬러리.
[Claim 8] The slurry for preparing oxygen delivery particles according to claim 7, wherein the solvent includes water.
제7항에 있어서, 상기 슬러리는 분산제, 소포제 및 유기결합제 중 하나 이상의 첨가제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산소전달입자 제조용 슬러리.
8. The slurry for preparing oxygen delivery particles according to claim 7, wherein the slurry further comprises at least one additive selected from a dispersing agent, an antifoaming agent and an organic binder.
제10항에 있어서, 상기 고체원료 100 중량부에 대하여, 상기 분산제 0.01~5.0 중량부, 유기결합제 1.0~5.0 중량부 및 소포제 0.01~1.0 중량부 포함되는 것을 특징으로 하는 산소전달입자 제조용 슬러리.
The slurry for preparing oxygen delivery particles according to claim 10, wherein 0.01 to 5.0 parts by weight of the dispersant, 1.0 to 5.0 parts by weight of the organic binder, and 0.01 to 1.0 parts by weight of the antifoaming agent are included with respect to 100 parts by weight of the solid raw material.
제10항에 있어서, 상기 분산제는 음이온계 계면활성제, 양이온계 계면활성제, 양쪽성 계면활성제 및 비이온계 계면활성제 중 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 산소전달입자 제조용 슬러리.
11. The slurry for preparing oxygen delivery particles according to claim 10, wherein the dispersant comprises at least one of an anionic surfactant, a cationic surfactant, an amphoteric surfactant and a nonionic surfactant.
제12항에 있어서, 상기 음이온계 계면활성제는 폴리카르복실산염 및 폴리카르복실산아민염 중 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 산소전달입자 제조용 슬러리.
[Claim 13] The slurry for preparing oxygen delivery particles according to claim 12, wherein the anionic surfactant comprises at least one of a polycarboxylic acid salt and a polycarboxylic acid amine salt.
제10항에 있어서, 상기 소포제는 실리콘계 소포제, 금속비누계 소포제, 아마이드계 소포제, 폴리에테르계 소포제, 폴리에스테르계 소포제, 폴리글라이콜계 소포제 및 알코올계 소포제 중 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 산소전달입자 제조용 슬러리.
11. The method of claim 10, wherein the antifoaming agent comprises at least one of a silicone-based antifoaming agent, a metal soap-based antifoaming agent, an amide-based antifoaming agent, a polyether-based antifoaming agent, a polyester-based antifoaming agent, a polyglycol-based antifoaming agent, and an alcohol-based antifoaming agent. Slurry for preparing delivery particles.
제10항에 있어서, 상기 유기 결합제는 폴리비닐알코올, 폴리에틸렌글라이콜 및 메틸셀룰로오즈 중 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 산소전달입자 제조용 슬러리.
11. The slurry for preparing oxygen delivery particles according to claim 10, wherein the organic binder comprises at least one of polyvinyl alcohol, polyethylene glycol and methyl cellulose.
제1항 내지 제6항중 어느 한 항에 따른 원료 조성물을 용매와 혼합하여 산소전달입자 제조용 슬러리를 제조하는 단계;
상기 슬러리를 교반하여 균질화하는 단계;
상기 균질화된 슬러리를 분무 건조하여 고체 입자를 성형하는 단계; 및
상기 고체 입자를 건조 및 소성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소전달입자 제조방법.
preparing a slurry for preparing oxygen delivery particles by mixing the raw material composition according to any one of claims 1 to 6 with a solvent;
Homogenizing the slurry by stirring;
spray drying the homogenized slurry to form solid particles; and
Drying and calcining the solid particles; Oxygen delivery particle manufacturing method comprising the.
제16항에 있어서, 상기 슬러리를 균질화하는 단계는,
상기 슬러리에 분산제, 소포제 및 유기결합제 중 하나 이상의 첨가제를 투입하고; 그리고
상기 슬러리를 교반 및 분쇄하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 산소전달입자 제조방법.
The method of claim 16, wherein the step of homogenizing the slurry,
adding one or more additives of a dispersant, an antifoaming agent and an organic binder to the slurry; and
Stirring and pulverizing the slurry; Oxygen delivery particle manufacturing method characterized in that it comprises a.
제17항에 있어서, 상기 슬러리를 교반 및 분쇄하는 단계 이후에, 상기 슬러리 중의 이물질을 제거하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산소전달입자 제조방법.
[Claim 18] The method of claim 17, further comprising the step of removing foreign substances in the slurry after the step of stirring and pulverizing the slurry.
제16항에 있어서, 상기 건조는 상기 고체 입자를 110~150℃에서 2 내지 24 시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 산소전달입자 제조방법.
The method of claim 16, wherein the drying is performed for 2 to 24 hours at 110 to 150° C. for the solid particles.
제16항에 있어서, 상기 소성은 상기 고체 입자를 1~5℃/min의 승온 속도로 1150~1250℃까지 상승시킨 후, 2 내지 10 시간 동안 유지하여 수행하는 것을 특징으로 하는 산소전달입자 제조방법.
The method of claim 16, wherein the firing is performed by raising the solid particles to 1150 to 1250° C. at a heating rate of 1 to 5° C./min and then maintaining the temperature for 2 to 10 hours. .
제17항에 있어서, 상기 첨가제는, 상기 원료 조성물 100 중량부에 대하여 상기 분산제 0.01~5.0 중량부, 유기결합제 1.0~5.0 중량부 및 소포제 0.01~1.0 중량부 포함되는 것을 특징으로 하는 산소전달입자 제조방법.
The preparation of oxygen delivery particles according to claim 17, wherein the additive comprises 0.01 to 5.0 parts by weight of the dispersant, 1.0 to 5.0 parts by weight of the organic binder, and 0.01 to 1.0 parts by weight of the antifoaming agent, based on 100 parts by weight of the raw material composition. method.
제16항의 산소전달입자 제조방법에 의해 제조된 산소전달입자.
Oxygen-transporting particles produced by the method of claim 16.
제22항에 있어서, 상기 산소전달입자는 하기 식 1로 표시되는 마모지표(Attrition Index: AI)가 10% 이하인 것을 특징으로 하는 산소전달입자:
[식 1]
AI(%) = [(W2)/(W1)]
(상기 식 1에서, W1는 마모시험 전 산소전달입자 시료의 무게(g)이고, W2는 시료의 마모시험 실시 직후 5 시간 동안 포집된 미세 입자의 무게(g)이다).
23. The oxygen delivery particle according to claim 22, wherein the oxygen delivery particle has an Attrition Index (AI) represented by the following formula 1 of 10% or less:
[Equation 1]
AI(%) = [(W 2 )/(W 1 )]
(In Equation 1, W 1 is the weight (g) of the oxygen delivery particle sample before the abrasion test, and W 2 is the weight (g) of the fine particles collected for 5 hours immediately after the abrasion test of the sample).
제22항에 있어서, 상기 산소전달입자는 구형이며,
평균 입자크기가 60~150㎛ 이고, 입자크기분포가 30~400㎛ 이고, 그리고 충진밀도는 1.0~3.0 g/mL인 것을 특징으로 하는 산소전달입자.
23. The method of claim 22, wherein the oxygen delivery particles are spherical,
Oxygen transporting particles, characterized in that the average particle size is 60 ~ 150㎛, the particle size distribution is 30 ~ 400㎛, and the packing density is 1.0 ~ 3.0 g / mL.
제22항에 있어서, 상기 산소전달입자는 산소전달량이 8 중량% (8 g Oxygen/100 g Oxygen Carrier) 이상인 것을 특징으로 하는 산소전달입자.
23. The oxygen transfer particle according to claim 22, wherein the oxygen transfer amount of the oxygen transfer particle is 8% by weight or more (8 g Oxygen/100 g Oxygen Carrier).
제22항에 따른 산소전달입자를, 연료와 반응시켜 상기 산소전달입자를 환원시키고 연료를 연소시키는 단계; 및
상기 환원된 산소전달입자를 산소와 반응시켜 재생하는 단계;를 포함하는 케미컬루핑연소 방법.
reacting the oxygen transfer particles according to claim 22 with fuel to reduce the oxygen transfer particles and burn the fuel; and
Chemical roofing combustion method comprising a; regenerating the reduced oxygen transfer particles by reacting with oxygen.
제22항에 따른 산소전달입자를 연료와 반응시켜 상기 산소전달입자를 환원시키고 연료를 연소시키는 연료반응기; 및
상기 환원된 산소전달입자가 이송되어 산소와 반응시켜 상기 산소전달입자를 산화시키는 공기반응기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 케미컬루핑연소장치.
a fuel reactor that reacts the oxygen transfer particles according to claim 22 with fuel to reduce the oxygen transfer particles and burn the fuel; and
A chemical looping combustion device comprising: an air reactor in which the reduced oxygen delivery particles are transported and reacted with oxygen to oxidize the oxygen delivery particles.
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