KR20010045345A

KR20010045345A - 에멀젼 연료 및 이를 제조하기 위한 촉매 혼합물

Info

Publication number: KR20010045345A
Application number: KR1019990048606A
Authority: KR
Inventors: 김호균
Original assignee: 김호균
Priority date: 1999-11-04
Filing date: 1999-11-04
Publication date: 2001-06-05
Also published as: KR100336092B1

Abstract

본 발명에 따른 에멀젼 연료는 벙커C유나 석유와 같은 중유 55∼90중량와 물 45∼10중량을 혼합하고, 상기 혼합물내에서 0.3∼0.8중량가 되도록 촉매를 가하여 에멀젼화함으로써 제조된다. 상기 촉매는 가성소오다와 염화캄슘을 무게비로 1 : 1로 혼합한 혼합물이며, 상기 염화칼슘의 일부 대신에 황산칼슘이 사용될 수도 있다.

Description

에멀젼 연료 및 이를 제조하기 위한 촉매 혼합물{Emulsion Fuel and Catalyst Mixture for Preparing the Emulsion Fuel}

발명의 분야

본 발명은 벙커C유나 석유와 같은 일반 중유(重油)에 물을 첨가하여 제조되는 에멀젼 연료에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 일반 중유에 물을 첨가한 후 여기에 촉매를 가하여 에멀젼화함으로써 대체 에너지 연료로 사용할 수 있는 에멀젼 연료에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 에멀젼 연료를 제조하기 위한 촉매 혼합물에 관한 것도 포함한다.

발명의 배경

전세계적으로 에너지 절약과 공해문제로 인한 연료정책의 일환으로 연료의 황함량을 줄여나가는 저황유의 보급과 고체연료로부터 액체 또는 기체 연료로의 전환에 많은 노력과 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 특히 석유연료로 인한 대기오염은 생태계에 대한 피해라는 기존의 관점에서 WTO체제 출범과 OECD 및 그린라운드(GR)라는 새로운 무역장벽으로 대체에너지 및 무공해 연료개발 연구에 힘쓰고 있으나 마땅한 대체 연료개발이 미흡한 실정이다.

연료유에 물을 첨가한 에멀젼 연료의 연구는 1950년부터 유럽에서 연구가 시작되어 보일러·가열로 등에 사용하여 중질연료의 연소효율을 높여 연료절약과 연소성을 개선하는 실험이 시작되었다. 최근에는 미국과 일본에서 에멀젼 연료에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

2차대전시에는 항공기용 가솔린에 물을 첨가하여 출력을 증가하는데 사용하면서 에멀젼 연료에 대한 연구와 실험으로 연료절감 및 매연감소와 연소효율이 높아져 미국 에너지성(D.O.E)에서는 주요 연구과제로 채택하여 대기오염방지와 에너지 절약에 기여할 수 있다는 연구 보고가 있다.

본 발명의 목적은 연료용 냉난방 산업용 보일러와 가열로 등에서 사용되는 일반 연료유(중유: 重油)에 물을 25∼50정도 첨가하여 에멀젼화하여 연료절약은 물론 산업분야의 에너지 절감과 공해방지에 매우 효율적인 새로운 에멀젼 연료를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 벙커C유와 같은 중유중에 함유된 슬러지를 미세하게 분해시키며 동시에 첨가된 물이 초미립화되어 에멀젼화한 연료유를 버너에 의해 연소하여 물이 수성가스 반응과 미세폭발 반응으로 완전 연소를 촉진시켜 공해방지와 연료절약 등 경제적 이익을 얻을 수 있는 에멀젼 연료를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 매연, 분진, 일산화탄소, 탄화수소 등의 발생을 방지하고 과잉공기비 감소로 SO₂의 SO₃에의 전환율을 저하시키고 연소화염이 백열화되고 복사열이 증가하여 공해 방지 및 연료절약에 기여할 수 있는 에멀젼 연료를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 에멀젼 연료를 제조하기 위하여 사용되는 촉매혼합물을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.

이하 본 발명의 내용을 하기에 상세히 설명한다.

에멀젼 연료의 기술에 관한 발상은 과거 우리나라 농촌에서 겨울철 연료로 사용되었던 청솔가비(靑松葉)에서 비롯되었다 할 수 있다. 청솔가비는 수분이 약 90이고 나머지 10가 송유(松油) 및 기타 연소유기물로 구성되어 있다. 청솔가비는 연소조건에 놓여 있을 때 매우 활성적인 연소작용이 행해지고 또한 열효율도 매우 높아 온돌 난방에 적합한 연료로 사용되어 왔다.

상기의 자연발생적인 송유 10와 수분 90의 화합과정을 벙커C유와 같은 중유에 적용하여 에멀젼화시킨 것이 바로 에멀젼 연료이다. 가성소오다(NaOH)는 유류를 수용(水溶)할 수 있는 성질이 있으며, 염화칼슘 또는 염화칼슘이 함유된 간수는 유기물 단백질(두부)을 응고시키는 성질이 있다는 것을 이용하여, 본 발명에서도 중유와 물을 혼합하고 이 혼합물을 에멀젼화할 수 있는 방법을 착안하게 된 것이다.

하나의 예로서, 90의 수분중에 10의 송유가 수용(水溶)된 청솔가비는 연소가 잘 되고 열효율도 뛰어나지만, 완전건조된 솔잎에 50의 물을 침윤시켜 이것을 연소시킬 경우 연소는 고사하고 착화도 되지 않는다. 그 이유는 건조된 솔잎에 침윤된 50의 물은 어디까지나 물로서 존재하는 것이며, 상기한 청솔가비에 부존하는 송유와 물의 수용화합물이 아니기 때문이다.

본 발명에 따른 촉매 혼합물을 개입시켜 물 10∼45중량에 벙커C유나 석유와 같은 중유 90∼55중량를 혼합한 혼합물은 불연소 물질인 물이 아님을 알 수 있다. 본 발명에서 제공된 촉매제의 분자구조는 기름과 친화하기 쉬운 알킬기 부분과 이온화하여 물과 친화하기 쉬운 부분으로 되어 있기 때문에, 친유기와 친수기를 모두 포함하고 있다. 따라서 본 발명의 촉매제는 물과 기름에 각각 친화가 용이한 부분을 동시에 가지고 있기 때문에 기름층과 물층 사이에서 친유기 분자는 기름층에 또 친수기의 분자는 물층에 이끌려 배열하게 된다. 이에 따라 물과 기름의 각기 계면(界面) 내지 표면의 성질을 변화시키는 계면활성작용이 추진되어 에멀젼화가 달성되는 것이다.

본 발명의 촉매의 원료로 사용되는 것은 가성소오다와 염화칼슘이며 염화칼슘의 일부 대신에 황산칼륨이 사용될 수도 있다. 가성소오다 50수용액을 염화칼슘 50수용액에 망사천을 통하여 서서히 주입시킨다. 이 때 염화칼슘 수용액에 주입된 가성소오다 수용액은 서로의 급속한 화학작용으로 백색의 호료 형태인 화합물이 석출된다. 이 호료 형태의 화합물을 투수성이 우수한 망사위에서 건조시키면 백색의 무미한 미세 분말 상태가 된다.

본 발명에 따른 에멀젼 연료는 벙커C유나 석유와 같은 중유 55∼90중량와 물 45∼10중량을 혼합하고, 상기 혼합물내에서 0.3∼0.8중량가 되도록 촉매를 가하여 에멀젼화함으로써 제조된다. 에멀젼 연료는 연료유에 10∼45중량의 물과 상기 촉매를 혼합하면 물이 기름중에 10 미크론 이하의 미세한 수적(물방울)으로 변하여 유중수적(油中水滴)의 상태로 된다. 에멀젼 연료는 로내의 분사된 유적중에 함유된 수적이 가열되어 팽창하면서 폭발적으로 기화되어 에멀젼 연료를 사방으로 비산시켜 더욱 미세하게 분산시켜 완전 연소를 촉진시킨다.

일반적으로 물을 분사하여 사용하는 방법과 전혀 다른 현상의 초미립화된 에멀젼 연료는 공기와 접촉면적을 증대하여 과잉공기비를 감소시켜 급속한 완전연소를 하게 한다. 또한 물의 기화잠열에 의한 화염의 냉각작용과 탄소에 대한 물의 작용으로 연소카본의 감소효과를 가져오며, 화학적, 물리적 작용으로 매연과 NO_x및 탄화수소의 함량을 감소시킬 수 있다. 에멀젼 연료는 콜로이드(COLLOID) 상태 즉 교상체(膠狀體=아교질)로써 연료공급과 분사상태를 매우 양호하게 한다.

유포수형(油包水形) 형태의 에멀젼 연료는 버너에 의해 연소할 때 유적중에 함유된 수적이 고온에서 가열되어 급속도로 팽창하면서 폭발하여 기화되고 연쇄적으로 2차 폭발하여 주위의 연료를 사방으로 미세하게 비산하여 연쇄적인 미폭발 반응을 일으켜 완전한 연소를 하게 한다.

에멀젼 연료의 수적은 10미크론 정도로 수분함량은 10∼30를 함유하고 있으며 유적중에 수 미크론의 수적이 다수 함유되어 있다. 즉, 수분 20의 에멀젼 연료 유적 1개의 직경이 50미크론이라면 직경 3미크론의 수적은 900여 개가 함유된다.

L.P.G 가스의 경우 연소가스중 수분함량은 19-20로서 에멀젼 연료와 비슷한 수분함량을 갖고 있어 물을 첨가한 에멀젼 연료의 연소는 연료유보다 연소효율이 매우 높다.

물의 반응은 C＋H₂O→CO＋H₂→CO₂＋H₂O 으로 이것이 수성가스의 반응이다. 고온에서 물분자와 고온의 연료유중의 탄소가 물과 반응하여 CO와 H원자를 형성하게 된다. 그러므로 탄소를 감소시키며 연소 효율을 증대한다.

보일러의 연소시 발생하는 질소산화물은 대부분 NO와 NO₂이며 양자를 합하여 NO_x라 한다. 에멀젼 연료는 연료중에 함유된 수분이 균일하게 미립화되어 화염전체에 국소고온역의 생성을 억제하고 체적비로 20-30의 수분이 증발잠열에 의해 연소온도를 저하시킨다. 물입자는 탄입자와 수성가스 반응으로 흡열작용과 국소고온 방지 작용을 함으로써 NO_x의 생성을 억제한다. 이러한 NO_x의 생성연소 감소방식으로 공해를 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 에멀젼 연료는 보일러 및 공업용로에 사용될 때 40∼75의 NO_x생성을 감소시킬 수 있다. 또한 미립화된 유적의 광대해진 표면적에 의하여 공기 접촉이 용이하게 되므로 적은 공기비라도 연소가 가능하고, 보일러의 구조와 연소 상황에 따라 매연 감소율 차이가 있으나 50이상의 매연이 감소된다. 일반적으로 물 50첨가하면 매진농도는 ½ 정도로 감소한다. 본 발명의 에멀젼 연료는 매연발생이 현저히 감소하므로 전열면의 오염이 감소되고 과잉공기비를 내림으로써 약 30의 연료절감이 가능하다.

본 발명의 에멀젼 연료의 가스연소의 화염은 투명한 불휘염으로 연소되며 중유의 화염은 황색으로 빛나는 불투명한 불휘염으로 부유탄소 입자가 존재하는 화염이다. 그러나 에멀젼 연료의 화염은 가스와 같은 휘염으로 가스연소와 같은 화염으로 연소된다.

연료유에 물을 첨가하면 연소가스량의 증가는 물첨가 중량(kg)에 22.4/18(N㎥/kg)를 곱한 수치만큼 증가한다. 등유를 공기비 1.2로 연소시켰을 때 기준으로 해서 물을 30∼50첨가했을 때는 화염온도가 약 100℃ 저하된다. 그러나 연소가스량이 증가되므로 전열효과는 떨어지지 않는다. 액체연료(LPG,LNG)의 연소때 생기는 연소가스 중에는 수분이 약 13있게된다. 여기에 물을 50첨가해 계산하면 수분이 16-17가 된다. 액체연료(LPG,LNG) 연소에서 연소가스중의 수분은 19-20까지 발생되나 부식문제가 없으므로 액체연료와 비슷한 수분 함량인 에멀젼 연료의 문제점은 없다. 첨가한 수분에 의한 약간의 손실이 있으나 오히려 공기비의 감소 및 매연감소와 전열면의 오염완화가 있어 효율이 상승되어 NO_x억제 효과를 얻을 수 있다.

에멀젼 연료는 버너에서 분무가 원활하게 이루어지며 물과 함께 초미립화된 유적은 연소화염이 단염화되어 연소속도가 빨라지고 물의 입자가 고열에 의해 연쇄적으로 미폭발 되면서 연료가 더욱 미립화되어 재분산되므로 완전 미세화된 가스(GAS)연소와 같은 연소화염을 형성하여 완전연소에 이르게 한다.

본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 구체화될 것이며, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 목적으로 기재될 뿐이며 본 발명의 보호범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.

실시예 1

황성분이 0.5이하인 벙커C유 60중량와 물 40중량를 혼합한 후 촉매 혼합물이 전체 조성물에 대하여 0.5중량가 되도록 부가하였다. 이때 사용된 촉매 혼합물은 가성소오다와 탄산칼슘을 1 : 1 무게비로 혼합한 것이다. 상기 혼합물을 유화장치를 이용하여 본 발명에 따른 에멀젼 연료를 제조하였다.

실시예 2

실시예1에서 벙커C유 70중량와 물 30중량를 사용하는 것을 제외하고는 동일한 방법으로 에멀젼 연료를 제조하였다.

비교실시예 1

황성분이 1.0이하인 벙커C유에 대하여 시험하였다.

비교실시예 2

황성분이 0.5이하인 벙커C유에 대하여 시험하였다.

시험은 산업기술시험원에서 실시하였다. 시험방법은 노통연관식 보일러(정격 증발량: 3 TON/HR)가 90이상 부하율에서 연속운전되는 상태에서 에멀젼화 연료유 분석, 대기오염물질 분석, 급유유량, 배기가스온도 등을 측정하였다. 상기 실시예 1-2 및 비교실시예 1-2에 대한 분석결과를 하기 표 1에 나타내었으며, 성능시험 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

표 1

구 분 분석 항목	단위	실시예	비교실시예
구 분 분석 항목	단위	1	2	1	2
고위발열량	kcal/kg	8,940	9,720	10,300	10,520
수분	vol.	12.0	7.0	3.2	0.05이하
동점도	40℃,cSt	385	308	308	287
잔류탄소분	wt,	3.94	5.11	7.21	6.53
비중	15/4℃	0.9559	0.9496	0.9541	0.9453
회분	wt,	0.29	0.21	0.013	0.002
황분	wt,	0.41	0.42	0.77	0.49
금속 분	카드뮴(Cd)	ppm	불검출	불검출	불검출	불검출
	납(Pb)	ppm	불검출	불검출	불검출	불검출
	크롬(Cr)	ppm	불검출	불검출	1이하	불검출
	비소(As)	ppm	불검출	불검출	불검출	불검출
	칼슘(Ca)	ppm	20	49	2	불검출
	마그네슘(Mg)	ppm	26	12	1이하	1이하
	인(P)	ppm	불검출	불검출	불검출	불검출
	아연(Zn)	ppm	1	1	1	1

표 2

구 분 시험 항목	단위	실시예	비교실시예
구 분 시험 항목	단위	1	2	1	2
연료소모량	L/Hr	260	259	247	249
급유온도	℃	89	89	89	89
연료유 비중	15/4℃	0.9559	0.9496	0.9453	0.9541
환산 연료 소모량	Kg/Hr	236	233	222	226
급수량	L/Hr	2,982	3,074	3,134	2,880
급수온도	℃	17	20	19	20
급수비중	Kg/㎥	998.7	998.2	998.4	998.2
환산 증발량	Kg/Hr	2.978	3.068	3.129	2.875
증기압력	Kg/㎠	3.2	3.2	3.3	3.2
보일러출구온도	℃	244	252	244	240
배 기가 스(멀티싸이크론출구)	Gas온도	℃	228	238	217	220
	O₂		2.82	2.14	2.69	2.85
	정압	mmH₂O	-1.5	-1.5	-1.0	-1.3
	동압	mmH₂O	5.3	5.1	5.2	5.2
	가스밀도	Kg/㎥	0.708	0.695	0.721	0.720
	가스유속	m/sec	10.18	10.08	10.02	10.00
	덕트단면적	㎡	0.16	0.16	0.16	0.16
	가스유량	㎥/Hr	5,860	5,810	5,770	5,760
	가스유량	N㎥/Hr	3,190	3,100	3,210	3,190

본 발명은 연료용 냉난방 산업용 보일러와 가열로 등에서 사용되는 일반 연료유(중유: 重油)에 물을 25∼50정도 첨가하여 에멀젼화하여 연료절약은 물론 산업분야의 에너지 절감과 공해방지에 매우 효율적이고, 벙커C유와 같은 중유중에 함유된 슬러지를 미세하게 분해시키며 동시에 첨가된 물이 초미립화되어 에멀젼화한 연료유를 버너에 의해 연소하여 물이 수성가스 반응과 미세폭발 반응으로 완전 연소를 촉진시켜 공해방지와 연료절약 등 경제적 이익을 얻을 수 있는 에멀젼 연료를 제공하는 발명의 효과를 갖는다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

Claims

벙커C유나 석유와 같은 중유 55∼90중량와 물 45∼10중량을 혼합하고, 상기 혼합물내에서 0.3∼0.8중량가 되도록 촉매를 가하여 에멀젼화함으로써 제조되는 것을 특징으로 하는 에멀젼 연료
제1항에 있어서, 상기 촉매는 가성소오다와 염화칼슘을 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 하는 에멀젼 연료
제2항에 있어서, 상기 촉매는 가성소오다와 염화칼슘이 무게비가 1 : 1이 되도록 혼합하는 것을 특징으로 하는 에멀젼 연료
제2항에 있어서, 상기 염화칼슘이 일부 대신에 황산칼슘이 사용되는 것을 특징으로 하는 에멀젼 연료
가성소오다와 염화칼슘이 무게비로 1 : 1로 혼합하여 제조되고 중유와 물의 혼합물을 유화시켜 에멀젼 연료를 제조하기 위한 촉매 혼합물
제5항에 있어서, 상기 염화칼슘의 일부 대신에 황산칼슘이 사용되는 것을 특징으로 하는 에멀젼 연료 촉매 혼합물