KR102625026B1 - 커피찌꺼기를 이용한 친환경 자연발화억제제 및 이의 사용방법 - Google Patents
커피찌꺼기를 이용한 친환경 자연발화억제제 및 이의 사용방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 커피찌꺼기를 포함하는 친환경 자연발화억제제로서, 친수성 수지 18 내지 22 중량%, 발수제 1 내지 3 중량%, 습윤분산제 0.1 내지 1 중량%, 증점제 0.1 내지 1 중량%, 냉각제 0.5 내지 1.5 중량%, 커피찌꺼기 7 내지 15 중량% 및 잔량의 물을 포함하는 친환경 자연발화억제제에 관한 것이다.
Description
본 발명은 적재된 석탄의 자연발화를 억제하기 위해 건조 시 피막형성이 가능한 친환경 자연발화억제제로서 수성 수지와 커피찌꺼기(1차 커피찌꺼기)에서 추출한 천연 커피추출액(산화방지제)을 포함하는 친환경 자연발화억제제에 관한 것이다.
국제 에너지 기구 발표에 따르면 2020년보다 2021년 석탄발전 증가율이 15%인 것으로 발표하였으며, 대한석탄협회 자료에 따르면, 국내 발전에 사용되는 석탄의 양도 매년 늘어나고 있다.
화력발전에 사용되는 석탄은 약 3개월 정도의 저탄 과정을 거쳐 사용하게 되는데, 저탄과정 중 자연발화로 인해 약 5~6%의 열량이 손실되는 문제를 갖고 있다. 이는, 2018년도 국내 발전용 석탄사용량을 기준으로 연간 450만~550만톤(6000~7300억원)의 손실을 일으키고 있으며, 자연발화에 의한 인근지역의 재 비산문제나 유해가스로 인한 환경문제, 작업장 내의 작업자 건강문제 등을 일으키는 원인으로 시급히 문제를 해결할 필요가 있다.
자연 발화현상은 석탄 표면에 흡착된 산소로 인해 산화반응(연소 반응)이 일어나 열이 발생하게 되는데 발생한 열이 밖으로 빠져나가지 못해 심부에 열이 쌓이게 되면 자연발화가 일어나는 원인이 된다.
대한민국 등록특허 제2064338호는 휘발성 유기화합물의 발생량을 감소시키는 석탄 자연발화 억제제 및 그 제조방법에 관한 것으로, 4차 암모늄염을 포함하는 화합물을 포함하여, 석탄의 인화성 휘발성 유기화합물(volatile organic compound, VOC)의 발생량을 감소시킴으로써, 자연발화를 억제하는 석탄 자연발화 억제제 및 이의 제조방법을 개시하고 있다.
대한민국 등록특허 제1150277호는 야적장에 적재된 입상 내지 분상물질의 비산을 방지하는 2액형 도포제 및 비산방지 방법에 관한 것으로서, (a) 피막형성제로 물 100중량부에 대하여 폴리비닐알코올(PVA) 3~10중량부, 다가알코올 1~2중량부로 조성되는 제1액과, (b) 경화제로 약알칼리성의 붕소화합물 6~12중량% 수용액으로 조성되는 제2액으로 이루어진 2액형 도포제 및 비산방지방법을 개시하고 있다.
상기 연구들은 피막이나 차단막을 형성하여 외부의 날씨의 영향이나 산소거동을 차단하는 목적으로 연구가 진행되었으나, 석탄의 열효율을 떨어뜨리거나 붕소화합물에 의한 독성으로 작업자의 건강이나 환경오염 등의 문제가 해결되지 않고 있다.
따라서, 상기와 같이 문제를 해결할 수 있는 기술에 대한 연구가 필요한 실정이다.
본 발명은 적재된 석탄의 자연발화를 억제할 수 있도록 적재된 석탄의 표면에 도포하여 건조 시 피막형성이 가능한 친환경 자연발화억제제를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 커피 추출 후에 버려지는 커피찌꺼기를 활용하여, 사용 시 인체 독성을 갖지 않으며 환경오염을 유발하지 않는 친환경 자연발화억제제를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 원두로부터 커피를 추출한 후 남은 1차 커피찌꺼기로부터 2차 추출을 통해 얻어진 커피추출액과 추출 후 남은 2차 커피찌꺼기를 활용하여 친환경 자연발화억제제의 산화방지 효과가 우수하면서도, 석탄의 연소 시 에너지 효율을 증대시키고 자원재활용이 가능한 친환경 자연발화억제제를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한, 석탄의 자연발화억제 효과를 가지면서도, 일반 석탄과 유사한 열효율을 보이는 최적의 친환경 자연발화억제제의 성분 비율 조합을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한, 본 발명에 따른 친환경 자연발화억제제를 이용하여 적재된 석탄의 발화를 효과적으로 억제하기 위한 친환경 자연발화억제제의 사용방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 커피찌꺼기를 포함하는 친환경 자연발화억제제는, 친수성 수지 18 내지 22 중량%, 발수제 1 내지 3 중량%, 습윤분산제 0.1 내지 1 중량%, 증점제 0.1 내지 1 중량%, 냉각제 0.5 내지 1.5 중량%, 커피찌꺼기 7 내지 15 중량% 및 잔량의 물을 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 커피찌꺼기는 원두로부터 1차 추출한 후에 얻어진 1차 커피찌꺼기를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 친환경 자연발화억제제는, 커피원두로부터 1차 추출한 후에 얻어진 1차 커피찌꺼기로부터 2차 추출한 커피추출액 18 내지 65 중량%를 더 포함하고, 상기 커피찌꺼기는 상기 1차 커피찌꺼기로부터 커피추출액을 2차 추출한 후에 얻어진 2차 커피찌꺼기를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 친수성 수지는 EVA(ethylene vinyl acetate) 수지, SBR(styrene butadiene rubber), 변성라텍스, 초산비닐수지 및 아크릴 수지로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하고, 상기 발수제는 파라핀 왁스 에멀젼을 포함하고, 상기 습윤분산제는 실리콘계 습윤분산제를 포함하고, 상기 증점제는 폴리아크릴레이트 공중합체 및 변성셀룰로스로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하고, 상기 냉각제는 탄산수소나트륨(NaHCO3) 및 탄산수소칼륨(KHCO3)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 친환경 자연발화억제제의 사용방법은, a) 석탄의 전체 중량을 기준으로 1/5 내지 1/3에 해당하는 양을 적재하는 단계, b) 친환경 자연발화억제제의 전체 중량을 기준으로 1/5 내지 1/3에 해당하는 친환경 자연발화억제제를 적재된 석탄의 표면을 덮도록 도포하는 단계 및 c) 상기 a) 단계와 b) 단계를 순차로 수행하여 3 내지 5회 반복하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 친환경 자연발화억제제는 적재된 석탄의 표면에 도포하여 건조 시 피막을 형성하여 적재된 석탄의 자연발화를 억제하는 효과를 갖는다.
본 발명에 따른 친환경 자연발화억제제는 커피 추출 후에 버려지는 커피찌꺼기를 활용하여, 사용 시 독성을 유발하지 않으며 환경오염을 유발하지 않으면서도 적재된 석탄의 자연발화를 억제할 수 있는 효과를 갖는다.
본 발명에 따른 친환경 자연발화억제제는 원두로부터 커피를 추출한 후 남은 1차 커피찌꺼기로부터 2차 추출을 통해 얻어진 커피추출액과 추출 후 남은 2차 커피찌꺼기를 활용하여 친환경 자연발화억제제의 산화방지 효과가 우수하면서도, 석탄의 연소 시 에너지 효율을 증대시키고 자원재활용이 가능한 효과를 갖는다.
본 발명에 따른 친환경 자연발화억제제는 석탄의 자연발화억제 효과를 가지면서도, 일반 석탄과 유사한 열효율을 갖는다.
본 발명에 따른 친환경 자연발화억제제의 사용방법은 적재된 석탄의 발화를 효과적으로 억제하는 효과를 갖는다.
도 1은 친환경 자연발화억제제를 처리하지 않은 무처리탄과, 다양한 배합의 친환경 자연발화억제제를 처리한 석탄에 대한 시간 경과에 따른 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2는 도 1에 따른 시간 경과에 따른 온도 변화 실험 모델을 나타낸 모식도이다.
도 3은 친환경 자연발화억제제를 처리하지 않은 무처리탄의 TGA 그래프이다.
도 4는 배합 1-2의 친환경 자연발화억제제를 처리한 석탄의 TGA 그래프이다.
도 5는 배합 2-3의 친환경 자연발화억제제를 처리한 석탄의 TGA 그래프이다.
도 2는 도 1에 따른 시간 경과에 따른 온도 변화 실험 모델을 나타낸 모식도이다.
도 3은 친환경 자연발화억제제를 처리하지 않은 무처리탄의 TGA 그래프이다.
도 4는 배합 1-2의 친환경 자연발화억제제를 처리한 석탄의 TGA 그래프이다.
도 5는 배합 2-3의 친환경 자연발화억제제를 처리한 석탄의 TGA 그래프이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 각 구성을 보다 상세히 설명하나, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위가 다음 내용에 의해 제한되지 아니한다.
본 발명에 사용된 "바람직한" 또는 "바람직하게는"은 특정 조건에서 특정 장점을 갖는 본 발명의 실시예를 나타낸다. 그러나, 다른 실시예 또한 동일 조건 또는 다른 조건에서 바람직할 수 있다. 또한, 하나 이상의 바람직한 실시예는 다른 실시예가 유용하지 않다는 것을 의미하는 것은 아니며, 본 발명의 범위 내에 있는 다른 실시예를 배제하는 것도 아니다.
본 명세서에 사용된 "포함한다"는 용어는 본 발명에 유용한 재료, 조성물, 장치, 및 방법들을 나열할 때 사용되며 그 나열된 예에 제한되는 것은 아니다.
본 발명은 국내에서 연간 90,571톤의 버려지는 1차 커피찌꺼기를 활용하여 환경문제 개선과 더불어 자연발화억제 성능을 높일 뿐 아니라 억제제를 사용했을 때 열효율이 떨어지는 문제를 해결한다.
본 발명에 따른 커피찌꺼기를 포함하는 친환경 자연발화억제제는, 친수성 수지 18 내지 22 중량%, 발수제 1 내지 3 중량%, 습윤분산제 0.1 내지 1 중량%, 증점제 0.1 내지 1 중량%, 냉각제 0.5 내지 1.5 중량%, 커피찌꺼기 7 내지 15 중량% 및 잔량의 물을 포함한다.
각 구성에 관해 보다 상세히 설명한다.
커피원두는 폴리페놀류 항산화물질인 클로로겐산(4.5%), 카페인(1.2%), 기타페놀류(2.0%)등을 총 8.7% 포함하고 있다.
커피원두에서 커피를 추출하고 나온 1차 커피찌꺼기는 최대 5.5%의 항산화물질을 포함하고 있으며, 이를 자연발화 억제제에 사용하는 두 가지 방법은 다음과 같다.
첫 번째 방법은 항산화효과를 높이기 위해 1차 커피찌꺼기에서 커피추출액을 추출하는 과정을 거친다.
커피추출과정은 중량기준 물 500g에 1차 커피찌꺼기 100g을 높은 온도(70℃)에서 5시간 내지 10시간 교반하여 추출하여 400g의 커피추출액을 얻으며, 커피추출액 1 ml당 4.3내지 4.5ml의 클로로겐산(chlorogenic acid)을 포함한 폴리페놀류 항산화 성분이 추출된다.
추출된 클로로겐산은 자유라디칼 상태의 하이드록시기가 산화되면서 공명구조의 안정한 상태를 이룬다. 이 때, 하이드록시기에 비공유전자쌍이 많아 석탄보다 환원성이 크기 때문에 자연발화 현상의 주원인인 석탄과 산소의 산화작용을 억제하는 이점이 있다.
상기 커피추출액은 친수성 수지와 혼합하여 항산화성이 개선되며 커피추출액이 추출되고 남은 찌꺼기, 냉각제, 발수제, 증점제, 습윤분산제 및 물과 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 한다.
두 번째 방법은 경제성을 높이기 위해 1차 커피찌꺼기 자체를 친수성 수지와 함께 사용한다.
상기 친수성 수지도 냉각제, 발수제, 증점제, 습윤분산제 및 물과 혼합하여 사용되며, 1차 커피찌꺼기가 물을 함유한 친수성 수지에 장시간 침적되어 클로로겐산이 추출되어 별도의 추출공정 없이 커피찌꺼기의 사용이 가능하다.
본 발명에 있어서, 상기 커피찌꺼기는 1차 커피찌꺼기 및 2차 커피찌꺼기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 커피찌꺼기로서 2차 커피찌꺼기를 포함하는 경우에는 2차 커피찌꺼기를 형성하는 과정에서 추출된 커피 추출액을 함께 첨가한다.
상기 커피찌꺼기는 친환경 자연발화억제제 전체 중량을 기준으로, 7 내지 15 중량%로 포함될 수 있고, 보다 바람직하게는, 8 내지 12 중량%로 포함될 수 있다.
상기 함량보다 과량으로 첨가되는 경우에는, 연소의 열원으로 사용되어 자연발화 억제효과를 감소시키는 문제가 있고, 상기 함량보다 소량으로 첨가되는 경우에는, 에너지 효율을 효과적으로 높일 수 없는 문제가 있기 때문에 적절한 함량으로 첨가되는 것이 중요하다.
한편, 상기 친환경 자연발화억제제는 1차 커피찌꺼기로부터 2차 추출한 커피추출액 18 내지 65 중량%를 더 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는, 25 내지 60 중량%, 가장 바람직하게는, 35 내지 45 중량%로 포함될 수 있다.
상기 함량보다 과량으로 첨가되면, 추가 첨가량 대비 항산화 효과의 개선 정도가 미미한 문제가 있고, 상기 함량보다 소량으로 첨가되는 경우에는, 항산화 효과가 미미하여 첨가가 무용해지는 문제가 있다.
상기 친환경 자연발화억제제가 상기 커피추출액을 포함하는 경우에는, 상기 커피찌꺼기에 2차 커피찌꺼기가 포함될 수 있다. 이는 커피추출액을 추출한 후에 남은 커피찌꺼기를 버리지 않고 효율적으로 활용하기 위함이다.
상기 친수성 수지는 EVA(ethylene vinyl acetate), SBR(styrene butadiene rubber), 변성라텍스, 초산비닐수지, 아크릴수지 등이 사용될 수 있으며 피막체인 석탄의 표면에 젖어 들어 건조 시 피막을 형성할 수 있으며, 자연발화의 가장 큰 원인인 수분 유동에 의한 산소거동을 막는데 목적이 있다.
상기 친수성 수지는, 상기 친환경 자연발화억제제 전체 중량을 기준으로, 18 내지 22 중량%로 포함될 수 있다. 바람직하게는, 19 내지 21 중량%로 포함될 수 있으며, 상기 함량보다 과량으로 첨가되는 경우에는, 자연발화억제제에서 커피찌꺼기 대비 물의 함량은 낮아지고 수지의 함량이 높아져 커피찌꺼기에서 항산화 성분의 추출 효율을 떨어뜨려 항산화효과를 저해하는 문제가 있고, 상기 함량보다 소량으로 첨가되는 경우에는, 석탄 더미 상부에 자연발화 억제제가 충분히 결착되지 않아 산소 유입을 효과적으로 차단하지 못하는 문제가 있다.
사용되는 냉각제의 원료로는 열분해시 흡열반응 및 이산화탄소와 수증기에 의한 질식효과를 기대할 수 있는 탄산수소나트륨(NaHCO3), 탄산수소칼륨(KHCO3)을 포함할 수 있다.
상기 냉각제는 상기 친환경 자연발화억제제 전체 중량을 기준으로 0.5 내지 1.5 중량%로 포함될 수 있다. 상기 함량보다 과량으로 첨가되는 경우에는, 석탄의 열효율을 떨어뜨리는 문제가 있고, 상기 함량보다 소량으로 첨가되는 경우에는, 이산화탄소 발생량이 충분하지 않아 질식효과를 기대할 수 없는 문제가 있다.
발수제는 코팅 이후 비, 습기 등의 수분에 의한 영향을 줄이는데 도움을 줄 수 있는 발수성이 뛰어난 파라핀 왁스 에멀젼 등을 포함할 수 있다. 상기 발수제는 상기 친환경 자연발화억제제 전체 중량을 기준으로 1 내지 3 중량%로 포함될 수 있다.
상기 함량보다 과량으로 첨가되는 경우에는, 자연발화억제제의 상 안정성을 저해하거나 자연발화 억제 물성을 떨어뜨리는 문제가 있고, 상기 함량보다 소량으로 첨가되는 경우에는, 산화의 원인이 되는 수분을 효과적으로 차단하지 못하는 문제가 있다.
습윤분산제는 자연발화억제제의 발림성을 높여 고르게 피막을 형성할 수 있게 도움을 줄 수 있는 실리콘계 습윤분산제인 폴리에테르 변성폴리디메틸실록산, 폴리에테르 변성폴리메틸알킬실록산 등을 포함할 수 있다.
상기 습윤분산제는 상기 친환경 자연발화억제제 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 1 중량%로 포함될 수 있다. 상기 함량보다 과량으로 첨가되는 경우에는, 자연발화억제제의 상 안정성을 저해하거나 도포면에 크레이터가 형성되는 등 도포면을 고르게 형성하는 것을 저해하는 문제가 있고, 상기 함량보다 소량으로 첨가되는 경우에도, 습윤분산효과가 적어 도포면을 고르게 코팅하지 못하는 문제가 있기 때문에 적절한 함량으로 첨가하는 것이 중요하다.
증점제는 자연발화억제제의 점도를 높여 약제가 쉽게 흘러내리지 않게 도움을 줄 수 있는 수성 증점제인 폴리아크릴레이트 공중합체, 변성셀룰로오스 등을 포함할 수 있다.
상기 증점제는 상기 친환경 자연발화억제제 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 1 중량%로 포함될 수 있다. 상기 함량보다 과량으로 첨가되는 경우에는, 노즐로 약제의 분사가 어렵고, 점도가 너무 높을 시 약제가 덩어리로 분사되어 고르게 도포하기 어려운 문제가 있고, 상기 함량보다 소량으로 첨가되는 경우에는, 점도가 낮아 석탄 더미 상부에 모포처럼 약제가 도포되지 못하고 석탄 아래로 흘러내려 산소 유입을 차단해야하는 석탄 더미 상부에 코팅막을 형성하지 못하여 산소 유입을 효과적으로 막지 못하는 문제가 있다.
본 발명에 따른 상기 친환경 자연발화억제제는 잔량의 물을 포함한다. 물을 포함함으로써, 친환경 자연발화억제제의 각 구성성분이 하나의 액상 제형으로 형성될 수 있도록 하는 용매와 분산제로서 역할을 한다.
상기 물은 용매와 분산제로 사용될 수 있는 것으로서, 본 발명의 목적을 해치지 않는 범위 내에서 특별한 제한없이 어떤 것이든 사용이 가능하며, 필요에 따라 각 필요에 적합한 물을 사용할 수 있다. 예를 들면, 취수가 용이하도록 수돗물을 사용하는 것 또한 가능하다.
한편, 상술한 바와 같이, 커피추출액을 더 포함하는 경우에는, 물의 함량이 다소 적게 포함되나, 커피추출액이 물을 추출 용매로 하여 추출됨에 따라, 잔량의 물 중 일부를 대체하여 구성될 수 있다.
상기 자연발화억제제는 적재된 석탄에 2차 커피찌꺼기와 함께 도포 및 코팅되어 산소의 유입이나 날씨의 영향 등 외부요인을 차단하여 산화에 의한 축열을 방지, 초기 발열단계에서 항산화 및 소화의 효과로 온도의 상승을 지연하여 적재기간 동안 자연발화를 억제하며 석탄과 비슷한 발열량을 갖는 커피찌꺼기의 사용으로(커피찌꺼기 5,648.71 kcal/kg, 석탄 5,000~7,000 kcal/kg) 열함량을 높여 원료로 사용할 때 열효율을 개선하는 것을 목적으로 한다.
상기 자연발화억제제의 도포방법은 다음과 같다.
사용되는 자연발화억제제는 1액형으로 석탄의 적재 도중 3회 내지 5회 분할하여 모포처럼 도포하는 것을 특징으로 한다.
적재된 석탄에서 보통 자연 발화는 석탄의 최심부까지 산소가 유입되지 않기 때문에 경사면 안쪽에서 자연발화가 일어난다.
일반적으로 외부의 산소유입을 막기 위해 석탄 더미 전체를 모포처럼 감싸는 도포방법을 사용하나, 바닥면으로의 산소유입은 막기 힘들고 내부에서 발화가 일어나면 열이 빠져나가지 못하는 문제가 있다.
상기 분할 도포 방법을 활용하면 바닥면으로부터의 산소유입도 효과적으로 차단할 수 있으며, 석탄내부에 약제가 도포되어 항산화, 냉각효과를 효과적으로 받을 수 있는 이점이 있다.
이하에서는, 본 발명의 내용을 실시예에 기초하여 보다 상세히 설명한다.
1) 자연발화억제제의 제조
커피 분말로부터 커피를 추출한 후에 남은 1차 커피찌꺼기에서 커피추출액을 추출하는 과정을 거친다.
커피추출과정은 교반기에 중량 기준 물 2.5kg에 1차 커피찌꺼기 0.5kg을 준비하여 교반하며 가온한다.
온도가 70℃에 도달하면 5시간 내지 10시간 교반하여 6 ㎛(마이크로미터) 규격의 필터페이퍼로 여과하여 커피추출액을 얻는다.
상온에서 교반기에 EVA수지, 파라핀왁스에멀젼, 실리콘습윤분산제, 수돗물, 탄산수소나트륨, 셀룰로스 증점제, 커피액을 순서대로 투입하며 교반한다.
각 원료는 5분 투입 후 15분 교반하는 과정을 거치되, 셀룰로스 증점제는 5분 투입 후 30분간 교반한다.
5L 교반기에서 3.5kg 기준배합작업을 진행하였으며, 점도는 1,000~1,500 cps 범위가 바람직하다.
| (함량, 중량%) | 배합1-1 | 배합1-2 | 배합1-3 | 배합2-1 | 배합2-2 | 배합2-3 |
| EVA수지 | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 |
| 파라핀왁스에멀젼 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| 실리콘습윤분산제 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
| 셀룰로스증점제 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
| 탄산수소나트륨 (NaHCO3) |
1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 커피찌꺼기 | 10 | 10 | 10 | 10 | 15 | 20 |
| 커피추출액 | 20 | 40 | 60 | - | - | - |
| 물(수돗물) | 46 | 26 | 6 | 66 | 61 | 56 |
| 합계 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
2) 자연발화억제제가 도포된 적재 석탄 온도변화
<실험 방법>
석탄 100kg을 톤단위의 실제 화력발전소 모델과 유사한 조건을 만들기 위해
체에 거른 석탄을 사용하여 입자를 작게 만들어 석탄의 표면적을 늘린다.
또한 석탄을 100kg 외부의 영향을 받을 수 있는 열린 공간에 적재하였다. 자연발화억제제를 석탄중량의 3%(3kg)을 도포하여 자연발화가 일어나는 석탄 더미 경사면에서 약 30cm 내부에 온도계를 설치하여 온도의 변화를 3개월간 측정하였다(도 2).
| 날짜(일) | 온도(℃) | ||||||
| BLANK | 배합1-1 | 배합1-2 | 배합1-3 | 배합2-1 | 배합2-2 | 배합2-3 | |
| 1 | 27 | 27 | 27 | 27 | 27 | 27 | 27 |
| 3 | 27 | 27 | 27 | 27 | 27 | 27 | 27 |
| 6 | 28 | 27 | 27 | 27 | 28 | 28 | 28 |
| 9 | 29 | 28 | 28 | 28 | 29 | 29 | 28 |
| 12 | 29 | 29 | 28 | 28 | 28 | 29 | 29 |
| 15 | 30 | 30 | 28 | 29 | 29 | 30 | 29 |
| 18 | 31 | 31 | 29 | 30 | 30 | 30 | 30 |
| 21 | 32 | 31 | 29 | 30 | 31 | 30 | 30 |
| 24 | 34 | 32 | 30 | 30 | 33 | 32 | 31 |
| 27 | 36 | 32 | 31 | 31 | 34 | 32 | 33 |
| 30 | 38 | 33 | 31 | 32 | 35 | 33 | 34 |
| 33 | 39 | 34 | 32 | 33 | 36 | 35 | 36 |
| 36 | 41 | 35 | 33 | 34 | 38 | 37 | 37 |
| 39 | 43 | 36 | 34 | 35 | 39 | 39 | 39 |
| 42 | 45 | 37 | 35 | 35 | 41 | 42 | 40 |
| 45 | 48 | 39 | 36 | 36 | 43 | 44 | 42 |
| 48 | 50 | 40 | 38 | 38 | 46 | 46 | 43 |
| 51 | 55 | 42 | 40 | 39 | 48 | 48 | 45 |
| 54 | 59 | 43 | 41 | 41 | 49 | 50 | 48 |
| 57 | 62 | 45 | 43 | 42 | 51 | 52 | 50 |
| 60 | 66 | 46 | 44 | 45 | 53 | 54 | 53 |
| 63 | 67 | 48 | 45 | 46 | 55 | 56 | 55 |
| 66 | 70 | 49 | 46 | 47 | 55 | 57 | 57 |
| 69 | 72 | 51 | 50 | 51 | 58 | 59 | 58 |
| 72 | 76 | 53 | 51 | 52 | 59 | 60 | 59 |
| 75 | 79 | 54 | 52 | 53 | 62 | 62 | 62 |
| 78 | 83 | 56 | 54 | 55 | 64 | 63 | 63 |
| 81 | 85 | 58 | 55 | 56 | 67 | 66 | 66 |
| 84 | 88 | 60 | 57 | 58 | 73 | 71 | 70 |
| 87 | 91 | 61 | 58 | 59 | 77 | 75 | 74 |
<실험 결과>
저탄장에서 살수 등 온도저하 조치가 들어가는 제1 경계온도인 60℃ 이상까지 온도가 상승하는 기간이 무처리탄이 57일 배합 2가 72~75일로 1.26~1.31배, 배합 1이 87일 이상으로 1.52배 이상 증가함을 확인하였다.
또한, 90일 경과 후 무처리탄의 온도가 91℃ 배합 2가 58~61℃로 33.0~36.3%, 배합 1이 74~77℃로 15.4~18.7% 온도 상승을 억제하는 효과가 있음을 확인하였다.
특히, 무처리탄은 48℃, 배합 2는 63~64℃부터 급격한 온도상승을 확인하였으나, 배합 1은 테스트 기간 내 급격한 온도상승 구간을 확인할 수 없었다.
결과적으로 자연발화억제제를 처리함으로써 저온산화기에서 산화억제효과가 있으며, 온도 상승이 촉진되는 제2경계온도에서 온도 상승이 억제되는 것을 확인하였다.
특히, 커피추출액을 사용한 배합1에서 더 효과적임을 확인하였고 일정 농도 이상에서는 그 차이가 크지 않음을 확인하였다.
각 샘플군에서 자연발화 억제효과가 뛰어난 배합 1-2, 배합 2-3 그리고 무처리탄의 TGA의 측정 결과 산화가 시작되는 온도는 무처리탄 50.0℃, 배합 2-3 75.0℃, 배합 1-2 100.0℃로 배합 1-2와 배합 2-3의 초기 발화점 차이는 25.0℃이며, 무처리탄 보다 배합 2-3, 배합 1-2를 처리한 석탄이 25.0℃와 50.0℃ 더 높은 것을 확인하였다.
발열량 측정 결과 배합1-2, 배합2-3을 처리한 석탄은 무처리탄에 비해 고위 발열량은 1.2~1.4%, 저위 발열량은 0.2~1.3%의 작은 차이로 자연발화억제제를 처리했음에도 높은 발열량은 갖는 커피찌꺼기를 함께 처리하여 일반 석탄과 유사한 열효율을 보이는 것을 확인하였다.
결과적으로 배합 1-2의 초기 산화 및 발화온도가 일반석탄 보다 높아 발화를 어렵게 하는 효과가 있으며, 온도 상승 억제효과가 뛰어나다. 특히 자연발화에 가장 중요하다고 판단되는 초기 저온산화기에서 그 효과가 탁월함을 확인하였다. 그리고 자연발화억제제를 도포한 석탄을 에너지원으로 사용하였을 때 그 열효율이 떨어지지 않아 화력발전에 사용되는 석탄의 자연발화억제제로 효과적임을 확인하였다.
3) TGA(Thermogravimetric Analysis, 열중량 분석)
열중량 분석기(SDTQ-600, TA Instruments)를 이용하여 TGA 분석을 진행하고 그 결과를 하기 표 3 및 도 3 내지 5에 나타냈다.
| SAMPLE | TGA 측정 결과(℃) | |||
| 1st | 2nd | 3rd | wt.% at 200℃ | |
| BLANK | 50 | 135 | 350(460) | 70 |
| 배합 1-2 | 100 | 350 | 500 | 75 |
| 배합 2-3 | 75 | 175 | 380 | 70 |
<TGA 분석 결과>
무처리탄과 자연발화억제제가 처리가 되어있는 석탄의 TGA분석을 진행하였다.
TGA그래프에서 중량변화구간에 따라 산화구간, 연소구간, 탈흑연화구간으로 나뉘는데
첫 번째 중량변화 구간의 온도는 무처리탄 50℃, 배합 1-2(커피추출액) 100℃, 배합 2-3(커피찌꺼기) 75℃이며, 두 번째 중량변화 구간의 온도는 무처리탄 135℃, 배합 1-2(커피추출액) 350℃, 배합 2-3(커피찌꺼기) 175℃, 세 번째 중량변화 구간의 온도는 무처리탄 350℃, 배합 1-2(커피추출액) 500℃, 배합 2-3(커피찌꺼기) 380℃임을 확인하였다.
또한 200℃기준 산화 및 연소이후 남아있는 중량은 무처리탄 70%, 배합 2-3(커피찌꺼기) 70%, 배합 1-2(커피추출액) 75% 임을 확인하였다.
결과적으로 적재 석탄 온도변화실험과 마찬가지로 저온산화기에서 부터 산화억제효과가 있으며, 자연발화억제제를 처리함으로 초기발화온도가 높아져 자연발화를 억제하는 효과가 있음을 확인하였다.
4) 에너지효율 분석
봄베열량계(6400 Automatic Isoperibol Calorimeter, parr)를 이용하여 에너지 효율 분석을 진행하고 그 결과를 하기 표 4에 나타냈다.
| 분석항목 | 공업분석(wt%) | 고위발열량 (kcal/kg) |
저위발열량 (kcal/kg) |
|||
| 시료명 | 수분 (M) |
휘발분 (VM) |
회분 (Ash) |
고정탄소 (FC) |
||
| 무처리탄 (인도네시아탄) |
30.14 | 34.51 | 5.63 | 32.86 | 4,854 | 3,826 |
| 배합 1-2 (커피추출액) |
34.26 | 36.45 | 5.02 | 31.98 | 4,786 | 3,775 |
| 배합 2-3 (커피찌꺼기) |
33.95 | 36.92 | 5.13 | 32.03 | 4,795 | 3,817 |
<에너지효율 분석 결과>
배합 1-2의 고위 발열량은 4,786 kcal/kg, 배합 2-3은 4,795 kcal/kg으로 일반석탄의 4,854에 비해 1.2~1.4% 낮으며, 배합1-2의 저위 발열량은 3,775 kcal/kg, 배합2-3은 3,817 kcal/kg으로 일반석탄의 3,826에 비해 0.2~1.3% 낮음을 확인하였다.
배합 1-2, 2-3을 처리한 석탄은 산화를 억제하는 자연발화억제제를 처리했음에도 높은 발열량은 갖는 커피찌꺼기를 함께 처리하여 일반 석탄과 유사한 열효율을 보이는 것을 확인하였다.
결과적으로 매년 버려지는 커피찌꺼기를 활용한 자연발화억제제를 처리함으로 초기 산화 및 발화온도가 무처리탄 보다 높아 발화를 어렵게 하는 효과가 있으며, 온도 상승 억제효과가 뛰어나다. 특히 자연발화에 가장 중요하다고 판단되는 초기 저온산화기에서 그 효과가 탁월함을 확인하였다. 그리고 자연발화억제제를 도포한 석탄을 에너지원으로 사용하였을 때 그 열효율이 떨어지지 않아 화력발전에 사용되는 석탄의 자연발화억제제로 효과적임을 확인하였다.
Claims (5)
- 커피찌꺼기를 포함하는 1액형 친환경 자연발화억제제로서,
친수성 수지 18 내지 22 중량%, 발수제 1 내지 3 중량%, 습윤분산제 0.1 내지 1 중량%, 증점제 0.1 내지 1 중량%, 냉각제 0.5 내지 1.5 중량%, 커피찌꺼기 7 내지 15 중량% 및 잔량의 물을 포함하고,
상기 친수성 수지는 EVA(ethylene vinyl acetate) 수지, SBR(styrene butadiene rubber), 변성라텍스, 초산비닐수지 및 아크릴 수지로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하고,
상기 발수제는 파라핀 왁스 에멀젼을 포함하고,
상기 습윤분산제는 실리콘계 습윤분산제를 포함하고,
상기 증점제는 폴리아크릴레이트 공중합체 및 변성셀룰로스로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하고,
상기 냉각제는 탄산수소나트륨(NaHCO3) 및 탄산수소칼륨(KHCO3)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하고,
상기 커피찌꺼기는 1차 커피찌꺼기 및 2차 커피찌꺼기로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하고,
상기 1차 커피찌꺼기는 원두로부터 1차 추출한 후에 얻어진 것이고,
상기 2차 커피찌꺼기는 1차 커피찌꺼기로부터 2차 추출한 후에 얻어진 것인, 친환경 자연발화억제제.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 친환경 자연발화억제제는, 커피원두로부터 1차 추출한 후에 얻어진 1차 커피찌꺼기로부터 2차 추출한 커피추출액 18 내지 65 중량%를 더 포함하고,
상기 커피찌꺼기는 상기 1차 커피찌꺼기로부터 커피추출액을 2차 추출한 후에 얻어진 2차 커피찌꺼기를 포함하는 것인, 친환경 자연발화억제제.
- 삭제
- 제1항에 따른 친환경 자연발화억제제의 사용방법으로서,
a) 적재하고자 하는 석탄의 전체 중량을 기준으로 1/5 내지 1/3에 해당하는 양을 먼저 적재하는 단계;
b) 상기 적재하고자 하는 석탄의 전체 중량 기준 3%에 해당되는 친환경 자연발화억제제의 전체 중량을 기준으로 1/5 내지 1/3에 해당하는 친환경 자연발화억제제를 적재된 석탄의 표면을 덮도록 도포하는 단계; 및
c) 상기 a) 단계와 b) 단계를 순차로 수행하여 3 내지 5회 반복하는 단계;
를 포함하는 친환경 자연발화억제제의 사용방법.
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| KR1020230047491A KR102625026B1 (ko) | 2023-04-11 | 2023-04-11 | 커피찌꺼기를 이용한 친환경 자연발화억제제 및 이의 사용방법 |
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| KR101150277B1 (ko) | 2011-10-18 | 2012-06-12 | 주식회사 신승오앤에프 | 야적장에 적재된 입상 내지 분상물질의 비산을 방지하는 2액형 도포제 및 비산방지 방법 |
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-
2023
- 2023-04-11 KR KR1020230047491A patent/KR102625026B1/ko active IP Right Grant
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