KR20020045824A

KR20020045824A - 대체연료 에너지 조성물 및 그의 제조방법

Info

Publication number: KR20020045824A
Application number: KR1020000075228A
Authority: KR
Inventors: 차오 쿤 후앙
Original assignee: 차오 쿤 후앙; 김명순; 에프텍월드 주식회사
Priority date: 2000-12-11
Filing date: 2000-12-11
Publication date: 2002-06-20

Abstract

본 발명은 휘발성 및 발화성이 낮아 안정하고 비등점이 높은 에너지원으로서의 신규한 조성물 특히, 휘발유, 디젤, 등유, 가스, 태양열, 중유 등 종래의 에너지원을 이용하는 보일러 등의 기구에 상기의 에너지 대신 사용할 수 있는 안정하고 우수한 대체연료 에너지를 제공하기 위한 조성물 및 그의 제조방법에 관계하는 것으로서, (1) 분자식 C₁₀H₈로 표시되는 나프타 성분에 대해 전체 부피를 기준하여 5 내지 15%의 COCH₃성분을 첨가하는 단계; (2) 분자식 C₈H₁₈으로된 솔벤트의 분자구조를 활성화 시키고 또한 오일에 대한 용해성을 증가시키기 위해 여기에 1 내지 10부피%의 COCH₃를 첨가하는 단계; (3) COCH₃에 의해 활성화된 상기 단계(1)의 생성물질에 상기 단계(2)의 C₈H₁₈을 5 내지 15부피%의 양으로 첨가하여 생성물을 얻고 한편 이 때의 부산물로서 CH₃COCH₃가 생성되는 단계; (4) 시트르산(C₆H₈O₇)과 COCH₃을 같은 부피의 양으로 혼합하여 활성화된 분자구조를 가지는 또다른 화합물을 얻는 단계; 및 (5) 상기 단계(3)에서 나온 화합물에 상기 단계(4)의 활성화된 시트르산 성분을 1 내지 10부피%로 혼합하여 최종 생성물을 수득하는 단계로서 이루어진 것을 특징으로 하는 대체연료 에너지 조성물 및 그의 제조방법.

Description

대체연료 에너지 조성물 및 그의 제조방법 {REPLACEABLE FUEL ENERGY COMPOSITION AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}

본 발명은 저휘발성 및 저발화성이고 또한 고비등점을 갖는 에너지 조성물을 제공하는 것에 관계한다. 특히, 휘발유, 디젤, 등유, 가스, 태양열, 중유 등 종래의 에너지원을 이용하는 보일러 등의 기구에 상기의 에너지 대신 사용할 수 있는 신규한 대체연료 에너지(이하 NF 에너지라 함)를 제공할 조성물에 관계한다.

세계적인 산업 발전에 따라 에너지의 소모는 점점 증가하고 있으나 현재 산업용으로 널리 사용되는 에너지는 대부분 석유에서 정제된 산물을 직접 이용하거나 이것을 연소시켜 에너지를 얻는 것이었다. 휘발유(가솔린), 경유(디젤), 파라핀 등은 화학반응시 완전히 활성화 되지 않기 때문에 에너지 이용율이 70 ~ 80%에 불과하며 따라서 막대한 에너지가 사용되지 못하고 낭비되고 있다.

공지의 기술 중에는 차량 등의 내연엔진에 사용되는 가솔린 연료를 대체하기 위한 목적으로, 연료로 사용가능한 등급의 알콜 및 액화 탄화수소 성분을 혼합하고 여기에 공용의 용매를 첨가하여 제조한 대체연료(한국 특허공개 제2000-10915호), 기존의 연료에 함유된 CO, SOx 및 NOx 등의 생성을 감소시키기 위한 개선된 메탄올함유 연료조성물(한국 특허공개 제1999-74500호), 및 내연엔진에 물과 탄소질연료 및 알코올과 기타 비이온성 에멀젼화제 등을 함유하여 된 수성 대체연료의 제조방법(한국 특허 201,204호) 등이 이미 발표된 바 있다. 또한 나프타 물질에 관련하여 탄화수소 물질의 업그레이드를 위하여 나프타분해로 나온 벤젠, 톨루엔 및 크실렌(BTX) 등의 석유화학 원료물질로부터 황이나 질소 불순물을 제거하는 방법(한국 특허공개 제1999-12759호)도 공지되었다.

종래적으로, 연료용도의 저발화성 및 저휘발성 조성물은 다수 발표된 바가 있다. 현재, 천연가스(LNG) 혹은 액화석유가스(LPG)가 공업, 교통 및 민간부문에서 널리 사용되고 있으나 생산량 및 물류비용이 크고 해마다 가격이 오르는 등 비산유국에게는 큰 부담이 되고 있다.

또한 천연가스는 우수한 에너지원이나 발화성이 커서 수송관이 새거나 작은 불꽃으로도 순간적으로 폭발할 위험이 크며 중독성도 있다.

따라서 이러한 기존의 에너지의 장점을 취하고 단점은 해소할 수 있는 새로운 대체 에너지원을 개발하는 것은 세계 각국의 큰 관심사로서 공동의 목표이다.

중국, 독일, 호주, 뉴질랜드 등 해외 각국에서는 과거 10년전부터 이러한 목적을 위해 개발된 NF 에너지를 가정용 및 공업용으로 사용하고 있으나 기초원료 및 기화현상 등의 기술상의 문제로 아직까지 보완할 부분이 많아 널리 보급되지 못한 실정이다. 대만의 경우 3년전부터 이 NF 에너지의 개발에 지속적인 투자를 하고 있으나 이역시 원료배합 및 기화기술 상의 문제를 극복하지 못한 탓에 시판에는 아직 적합치 않다. 즉, 실제의 응용에서는 현실화되지 못한 것이다.

본 발명의 조성물은 공기 흐름에 의한 촉매작용이 없을 경우 자연상태 즉, 상온 및 대기압하에서 액체이며 기화되지 않는다. 다시말해서, 공기흐름에 의한 촉매작용이 없을 경우 쉽게 연소되지 않기 때문에 사용중 불꽃에 의해 연료가 직접 점화하는 경우를 제외하고 용기의 뚜껑을 열어도, 즉 공기중에 노출되어도 폭발이나 발화의 위험이 없고 또한 저휘발성으로서 점화시에도 휘발유나 가스와 같이 공기중의 연쇄적 반응을 일으키기 않기 때문에 화재의 확산을 우려할 염려가 없이 안전하고 우수한 NF 에너지를 제공한다.

본 발명은 종래의 천연가스 및 액화석유가스의 장점을 가지면서도 폭발성 혹은 중독성과 같은 유해한 성질이 없는 에너지원을 연구한 결과, 열효율 및 반응효율이 우수하고 저휘발성 및 저발화성의 특징을 갖는 안전한 NF에너지 조성물을 발표하게 되었다.

본 발명의 NF 에너지 조성물은 실질적으로 지방족 탄화수소 및 메탄계 탄화수소로 구성된다. 좀더 구체적으로, 본 발명의 조성물은 기본적으로 나프타와 유기용제로서 아세틸기 함유 화합물 및 파라핀계 탄화수소, 소량의 유기산을 함유한 연료용도의 조성물이다.

본 발명 조성물은 원유의 증류분해 과정에서 나온 말단생성물 중 하나로서 비활성물질인 나프타를 주성분으로 하고, 여기에 파라핀계 탄화수소(C₈H₁₈) 성분 및유기용제로서 아세틸기(CH₃CO)함유 화합물을 적정비율로 첨가하여 나프타의 분자구조를 좀더 활발한 반응성을 갖는 분자구조로 전환시켜서 된 것을 특징으로 한다.

이렇게 제조된 NF에너지 조성물은 종래의 화석연료와 달리 반응성이 우수하여 불완전연소에 따른 불순물에 의한 공기오염 등을 감소시킬 수 있으며 또한 나프타연료의 효용성을 높일 수 있다.

통상적으로, 나프타는 원류의 증류시 35 ~ 220℃의 비등점 범위에서 유출되는 탄화수소 혼합체로 중질(重質) 가솔린이라고도 한다. 일반적으로 내연기관의 연료 이외의 용도 특히 석유화학 원료 등으로 사용할 때 나프타라고 하나 광의로는 원유를 증류할 때 및 석탄 등을 건류할 때 생기는 광물성 휘발유를 뜻한다.

나프타는 분해(cracking)를 거쳐 에틸렌, 프로필렌, 부탄, 방향족 물질 등이 되고 이들을 석유화학적 반응에 따라 합성수지, 합성고무, 합성섬유 등으로 제조한다.

또한 나프타는 수증기 접촉개질(接觸改質: 방향족 전환)에 의해 수소, 일산화탄소, 메탄 등을 대량 함유하는 가스로 전환시켜 도시가스 등으로 공급하기도 한다.

본 발명에서는 상기와 같이 나프타 분해반응을 거쳐 얻어진 것으로써 C₁₀H₈의 분자식으로 표시되는 화합물을 이용한다.

또한, 본 발명에서 이용되는 또다른 구성분으로, 파라핀계 탄화수소(C₈H₁₈) 솔벤트(solvent)를 이용한다.

그 밖에도 본 발명의 조성물은 유기용제로서 아세틸기(COCH₃) 함유 성분을 더 포함한다.

본 발명의 조성물을 제조하는 방법을 다음과 같이 구체적으로 설명한다;

(1) 나프타의 분해반응을 거쳐 수득된 것으로써, C₁₀H₈의 분자식을 갖는 물질을 출발물질로 사용한다. 이때의 C는 H보다 크고 결합상태가 안정하므로 쉽게 분리되지 않는다. 그러나 여기에 COCH₃성분을 첨가할 경우 'O'에 의해 나프타의 분자구조가 활성화된다. COCH₃성분의 첨가량은 부피를 기준하여 5 내지 15% 정도이다.

(2) 비교적 분자량이 큰 솔벤트(solvent) C₈H₁₈에 또다시 COCH₃를 첨가하여 (1)과 마찬가지로 분자구조를 활성화시킨다. 이때 상기 솔벤트는 수소가 18개이므로 높은 열량을 방출할 수 있으며 COCH₃첨가시 오일에 대한 용해성이 커지게 된다. 첨가되는 COCH₃의 양은 부피를 기준으로 하여 1 내지 10% 의 범위이다.

(3) 상기 (1)의 단계에서 COCH₃에 의해 활성화된 물질에 상기 (2)의 단계에서 나온 C₈H₁₈을 넣으면 격렬하게 반응하며 열을 발생한다. 이는 H₁₈의 분자발열량이 크기 때문으로 약 14,000kcal/kg 정도의 열을 발생하며 부산물로서 CH₃COCH₃가 생성된다. 첨가되는 C₈H₁₈용매의 양은 부피를 기준으로 하여 5 내지 15%의 범위이다.

위와 같은 반응에 의해 출발물질인 나프타는 최초의 덩어리 형태의 분자구조로부터 벗어나게 되고 그 분자식은 다음과 같다.

C₁₀H₈+ C₈H₁₈→ 생성물 + CH₃COCH₃

(4) 한편 시트르산 즉 구연산(혹은 레몬산; 분자식 C₆H₈O₇)에 같은 양의 COCH₃을 혼합하면 활성화된다.

(5) 상기 (3)의 단계에서 나온 화합물에 상기 (4)의 활성화된 시트르산 성분을 부피를기준하여 약 1 내지 10%로 혼합하여 최종 생성물을 얻는다.

상기와 같이 제조된 본 발명의 NF 에너지 조성물의 성분을 종래의 에너지 공급연료와 대비하여 분석한 결과를 하기의 표1과 같이 나타내었다.

항목	본 발명의 조성물	타업체 액상가스	LPG	LNG
원료	6종의 유기용제 사용. 용융가압, 정제추출하여 최상의 안정성 및 무독성.	7-13종이상의 유기용제 혼합. 어떠한 정제공정도 거치지 않아 안정성 부족 및 기화현상 발생위험이 크다.	산소부족으로 중독위험이 있음.	산소부족으로 중독위험이 있음.
상태	맑고 투명. 독성없음	투명. 용제냄새 없음.	고농도 가스냄새	고농도 가스냄새
탄소	81.2%	83%
수소	14.6%	15% 이상
황	무	< 4% (m)
비등점	25 ~ 220℃	26 ~ 48℃
발화점	<-20℃	<-25℃
밀도	0.51 ~ 0.55/gm	0.6 ~ 0.65/gm
열량(cal/kg)	13,000 ~ 15,000	10,000 ~ 12,000	9,000 ~ 12,000	9,000 ~ 10,000
온도	1200℃ 이상	900 ~ 1000℃	800℃	800 ~ 900℃
황산화물 SO₂	65ppm	68ppm
질산화물 NO₂	47ppm	50ppm
일산화탄소 CO	4.7ppm	8ppm	800ppm	300ppm
소각로 고정오염원	폐기 배출 표준 참조SO2 NO2 CO180ppm 180ppm 220ppm500ppm 150ppm 2000ppm

또한 본 발명의 NF연료 에너지 조성물에 대한 1시간 연속연소시의 성능 측정 결과를 LPG 연료와 대조하여 다음의 표2와 같이 나타낸다.

항목	LPG	본 발명의 NF 에너지 조성물
측정전 총량	20kg 가스용기중량 42.5kg	NF 에너지 용기중량 29.4kg
온도	적정온도 25℃	적정온도 25℃
측정기구(4조)	40% 열효율0.54 ×4 = 2.16kg/hr	40%, 47% 열효율0.5 ×3 = 1.5 + 0.66 = 2.16kg/hr
공급압력 유량	자연기화	인공기화P = 0.35 kg/cm²L = 9L
출구압력 설정	370mm H₂0(420mm H₂0 밀폐시)	360mm H₂0 밀폐시
전체 측정상황	270mm H₂0	250mm H₂0
소비압력 손실	-150mm H₂0	-110mm H₂0
소비종료시 출구압력	260mm H₂0	240mm H₂0
측정후 중량	40.4kg	28kg
소모량(kg/hr)	2.1	1.4

또한 본 발명의 NF연료 에너지 조성물에 대한 2시간 연속연소시의 성능 측정 결과를 LPG 연료와 대조하여 다음의 표3과 같이 나타낸다:

항목	LPG	본 발명의 NF 에너지 조성물
측정전 총량	가스용기중량 28.5kg	NF 에너지 용기중량 22kg
온도	30℃	30℃
측정기구(4조)	40% 열효율0.5 ×3 = 1.5 + 0.66 = 2.16kg/hr	40%열효율0.54 ×4 = 2.16kg/hr
공급압력 유량	자연기화	인공기화P = 0.35 kg/cm²L = 9L
출구압력 설정	370mm H₂0(420mm H₂0 밀폐시)	360mm H₂0 밀폐시
전체 측정상황	270mm H₂0	250mm H₂0
소비압력 손실	-150mm H₂0	-110mm H₂0
소비종료시 출구압력	250mm H₂0	230mm H₂0
측정후 중량	24.5kg	19.4kg
소모량(kg/hr)	4	2.6

위의 실험결과 및 비교에서 보는 바와 같이, 본 발명의 NF 에너지 조성물은 종래의 LPG, LNG 혹은 타사의 제품보다 안정성 및 연료 소비량 측면에서 훨씬 우수한 것으로 나타났다.

상기와 같이 제조된 본 발명의 대체연료 에너지 조성물은 안전하며, 쉽게 구할 수 있는 원료로 제조되므로 생산원가가 저렴하고 또한 세계 환경보호 기준에 부합하는 장점을 갖는다. 본 발명의 조성물은 광범위한 분야에 이용될 수 있으며 구체적으로 공업적으로 각종 공장을 포함하여 화력을 이용하는 설비와 화력발전소 등에서 사용될 수 있다. 또한 호텔, 식당 및 가정에서의 난방 설비나 차량 등에도 사용될 수 있다.

그 밖에 휘발유, 디젤, 등유, 가스, 중유 등을 대신할 수 있는 우수한 대체에너지원으로도 사용이 가능하다.

Claims

휘발성 및 발화성이 낮고 비등점이 높은 대체연료 에너지 조성물의 제조방법에 있어서,

(1) 분자식 C₁₀H₈로 표시되는 나프타 성분에 대해 전체 부피를 기준하여 5 내지 15%의 COCH₃성분을 첨가하는 단계;

(2) 분자식 C₈H₁₈으로된 솔벤트의 분자구조를 활성화 시키고 또한 오일에 대한 용해성을 증가시키기 위해 여기에 1 내지 10부피%의 COCH₃를 첨가하는 단계;

(3) COCH₃에 의해 활성화된 상기 단계(1)의 생성물질에 상기 단계(2)의 C₈H₁₈을 5 내지 15부피%의 양으로 첨가하여 아래의 분자식에서 나타낸 바와 같이 생성물을 얻고 한편 이 때의 부산물로서 CH₃COCH₃가 생성되는 단계;

C₁₀H₈+ C₈H₁₈→ 생성물 + CH₃COCH₃

(4) 시트르산(C₆H₈O₇)과 COCH₃을 같은 부피의 양으로 혼합하여 활성화된 분자구조를 가지는 또다른 화합물을 얻는 단계; 및

(5) 상기 단계(3)에서 나온 화합물에 상기 단계(4)의 활성화된 시트르산 성분을 1 내지 10부피%로 혼합하여 최종 생성물을 수득하는 단계를 특징으로 하는 대체연료 에너지 조성물의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 단계(1)에서 첨가되는 COCH₃의 양이 10부피%이고, 단계(2)에서 첨가되는 COCH₃의 양이 5부피%이고, 단계(3)의 C₈H₁₈의 첨가량이 10부피%이고 그리고 단계(5)에서 첨가되는 시트르산 성분의 양이 5부피%인 것을 특징으로 하는 대체연료 에너지 조성물의 제조방법.
상온 및 대기압하에서 액체 상태로서 외부의 충격에 의해 발화 혹은 쉽게 기화되지 않는 저발화성 및 저휘발성의 에너지 조성물로서 제1항에 따른 단계적인 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 고비등점의 대체연료 에너지 조성물.