KR20070096450A

KR20070096450A - 에멀젼 연소장치

Info

Publication number: KR20070096450A
Application number: KR1020060026937A
Authority: KR
Inventors: 김석현
Original assignee: 김석현
Priority date: 2006-03-24
Filing date: 2006-03-24
Publication date: 2007-10-02

Abstract

본 발명은 물과 기름공급라인을 통하여 물과 기름을 적정비율로 에멀젼믹서기에 공급하고 그 공급을 받은 에멀젼믹서기는 에멀젼유를 만들어 연소수단에 공급함과 동시에 그 연소수단에 수소/산소공급수단을 이용하여 수소와 산소를 공급하여 연소효율을 향상시킴은 물론, 연소되고 발생하는 연소가스를 저 공해 가스로 유도하여 대기오염을 방지할 수 있도록 한 에멀젼 연소장치에 관한 것으로, 그 구성은, 각각의 물 및 기름공급라인(11,21)을 통하여 물 10～50중량% : 기름 50～90중량%의 비율이 되게 에멀젼믹서기에 공급하는 물 및 기름 공급수단(10,20); 상기 물 및 기름 공급수단으로부터 적정비율로 공급되는 물과 기름을 혼합시키는 에멀젼믹서기(30); 상기 에멀젼믹서기로 공급되는 물 과 기름의 공급 비율을 컨트롤하며 에멀젼믹서기의 작동을 제어하는 컨트롤러(40); 상기 에멀젼믹서기와 연결 설치되어 에멀전믹서기에서 공급되는 혼합연료를 매개로 발화되는 연소수단(50); 상기 연소수단의 발화를 촉진하기 위하여 연소수단에 수소 및 산소를 공급하는 수소/산소공급수단(60)로 이루어진다.

에멀젼믹서기, 에멀젼유, 경우, 중유, 폐유

Description

에멀젼 연소장치{Emulsion combustion apparatus}

도1은 본 발명에 따른 에멀젼 연소장치의 계통도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10.20 : 물 및 기름공급수단 11.21 : 물 및 기름공급라인

12.22 : 밸브 13.23 : 압력계

14.24 : 펌프 15.25 : 유량감지센서

16.26 : 물 및 기름탱크 17.27 : 수위감지센서

18.28 : 물 및 기름 주 탱크 30 : 에멀젼믹서기

31 : 에멀젼유 공급라인 32 : 밸브

40 : 컨트롤러 50 : 연소수단

60 : 수소/산소공급수단 61 : 수소공급라인

62 : 산소공급라인

본 발명은 에멀젼 연소장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 물과 기름공급라인을 통하여 물과 기름을 적정비율로 에멀젼믹서기에 공급하고 그 공급을 받은 에멀젼믹서기는 에멀젼유를 만들어 연소수단에 공급함과 동시에 그 연소수단에 수소/산소공급수단을 이용하여 수소와 산소를 공급하여 연소효율을 향상시킴은 물론, 연소되고 발생하는 연소가스를 저공해 가스로 유도하여 대기오염을 방지할 수 있도록 한 것이다.

정부에서는 대체 에너지의 개발 및 기존 에너지의 효율개선과 환경오염의 최소화를 위하여 여러 가지 정책을 수행하고 있는데, 환경부에서는 대기오염 방지시설(연소보조장치)의 성능기준 및 검사법에 따라 에멀젼 연료유의 사용을 적극 권장하고 있다.

에멀젼 연료유는 일반 연료유와는 달리 연소효율이 높아서 에너지효율 및 공해방지성이 매우 큰 연료이나, 이를 연료로서 이용하기 위해서는 운반, 보관과정에서 장기간 방치하는 경우에 유수분리(油水分離)현상이 일어나 이를 연료로서 실용화하기가 매우 어렵다.

등유의 연소효율을 높여주고 매연, 질소산화물(NOx)등 연소에 따르는 공해물질의 발생량을 억제해 주기위한 방법으로서 등유에 물을 섞어 연소시키는 방법이 이미 오래전부터 제안된 바 있다.

등유에 물을 혼합하여서도 등유를 연소시킬 수 있고, 이때 등유의 연소효율이 더욱 좋게 된다는 이론적 배경은 다음과 같다.

물 입자 둘레에 기름이 둘러 쌓여 있는 상태에서 기름을 연소시키게 되면 열의 전도에 의하여 물 입자는 기화하게 되고, 기화된 수증기는 그 부피가 증대(약 5800배 정도)되면서 기름 층을 확산시켜 무화현상(霧化現像)을 일으켜서 기름의 완전한 연소에 도움을 준다.

또한 고온에서 물(H₂O)은 산소(O), 수소(H), 수산기(OH)로 유리되는 다음과 같은 연속적인 유리기 반응(Radical reaction)을 일으켜서 조연제 역할을 하는 것으로 알려져 있다.

즉, 고온에서 수증기가 분해하여 수소레디칼(H·)이 생기고 수소레디칼(H·)은 산소분자(O₂ )와 화합하여 산소레디칼(O)과 물이 된다. ····①식

①식에서 생긴 산소레디칼(O)은 ②식에서 수소분자와 화합하여 수산기(水酸基)레디칼(OH)과 수소레디칼(H·)이 된다. ····②식

③식에서 수산기레디칼은 수소분자와 화합하여 물과 수소레디칼이 된다.

④식에 있어서도 수증기(H₂ O)와 수소가 화합하여 물과 수소레디칼을 생성시킨다. 이와 같이 ①→④식의 반응은 복잡한 꼴로 진행되어 연소를 촉진시킨다.

①식...... 2H + O₂ → · O · + H₂O : 연속반응

②식...... H₂ + ·O · → · OH + H : 연속반응

③식...... · OH + H₂ → H₂O + H · : 연속반응

④식...... H₂O + H₂ → H₂O + 2H : 연속반응

이와 같이 등유와 물을 혼합하여 연료로 사용할 수 있다는 것이 알려지자 이를 바탕으로 하는 등유의 연소효율 증대 방안에 대한 연구가 전 세계적으로 널리 확산되었고, 이에 대한 많은 기술적 제안이 있었으나 아직까지 실용화기술은 활발하게 활용되지 못하고 있는 실정에 있다.

그 이유는 등유와 물의 혼합비율이 특정범위 이내이어야 하고 또한 이 혼합물을 연소단계까지 유수분리(油水分離)가 일어나지 않는 안정된 에멀젼 상태로 유지시켜 주어야하고 에멀젼 연료유의 제조장치나 이를 이용하는 설비가 실용적이어야 하는데 이를 기술적으로 해결하지 못하고 있기 때문이다.

그밖에도 연료와 물을 유화(emulsify)시키는데 있어서 연료유는 그 종류에 따라 물과 유화하는데 요구되는 고유의 HLB (Hydrophilic-Lypophilic Balance) 값을 갖고 있어 유화제의 HLB값을 적용하는 연료유 고유의 HLB 값과 정확하게 일치시켜 주어야 장기간 유화상태를 유지하는 유용한 에멀젼 연료유를 제조할 수 있는데, 종래의 방법에서는 기술적으로 이를 정확하게 맞추어 주지 못하고 있었던 것도 에멀젼 연료유가 실용화되지 못하고 있는 이유 중의 하나이다.

즉, 등유와 물은 짧은 시간동안은 에멀젼 상태로 유지시켜 줄 수는 있으나 연료란 운반 보관 단계를 거쳐 실제 사용단계에 까지는 장시간이 소요되게 되는데, 석유와 물은 상용성(相容性)이 없어 이 과정에서 유수분리(油水分離)가 일어나게 되며 유수분리 된 혼합물로서는 상기의 효과를 기대할 수 없게 된다.

종래 에멀젼 연료유를 제조하는 방법으로서 HLB값 3~4의 계면활성제와 물 및 폴리비닐알콜로 조성한 비이온성 계면활성제와 중질유 및 폐유를 일정비율로 혼합 교반하여 물을 미세입자로 분산시켜 폐유를 원료로 하여 에멀젼 연료를 제조하는 방법이 제안된 바 있다.(한국 특허공보공고번호 95-1407호 및 공고번호 96-13612호)

또한, HLB값 4~5의 계면활성제와 물을 혼합하여 유화첨가제를 만든 다음 경유 또는 중유와 물 및 상기 유화첨가제를 일정비율로 혼합한 후 물 입자를 0.5~5㎛정도의 미세입자로 파쇄하여 에멀젼 연료유를 제조하는 방법(한국 특허공보공개번호 99-64753호)이 제안된바 있다.

그러나, 상기의 방법들은 연료유와 물 및 유화제를 일정비율로 혼합하여 혼합물을 만들어준 다음 특수하게 설계된 교반기가 내장된 탱크 내에서 상기 혼합물을 교반시켜 연료유 중에 함유되어 있는 물을 미세입자로 분쇄하여 유화 분산시켜 주고 물이 분산되어 있는 상태에서 연료로 이용하게 하는 방법이다.

상기의 한국 특허공고 95-1407호 및 96-13612호는 하나의 탱크내에서 유화시켜 주는 회분식 방법으로서 연속제조가 어렵다는 문제가 있으며, 상기 한국 공개특허 99-64753호는 연속식 방법이기는 하나 약품예열 저장조, 물예열저장조, 기름가온조 등의 다수의 탱크설비를 갖추어야 할 뿐 아니라 교반조도 일차 교반조에서 상기 혼합물이 혼합되게 하고 2차 교반조에서 물분쇄 작업을 하여 3차 교반조에서 물 과 연료유 및 유화제를 유화시키는 다단계로 구성되어 있어 과대한 설비투자를 요한다는 문제가 있다.

유화제를 사용하여 물을 연료유 중에 미립자 상태로 분산시켜 준다고 하더라도 상기 방법으로 제조되는 유화 유는 장기간 유화상태를 유지할 수 없는 것이기 때문에 산업에 적용하는 데는 한계가 있다.

한국 특허공보공고번호 95-1407호 및 공고번호 96-13612호에 기재된 방법은 저장탱크 등 과다한 부대설비와 설치 및 보관시설을 위한 큰면적의 용지가 필요하게 되어 실제 산업현장에 적용하는 데는 많은 제약이 따르게 되어 본 발명자는 부대설비와 용지를 대폭 경감할 수 있고 에멀젼 연료유를 저장, 보관의 과정 없이 직접 연료로 사용할 수 있는 에멀젼 연소장치를 개발하게 된 것이다.

본 발명은 연소수단에서의 완전연소로 인한 연소효율을 극대화시켜 에너지를 절약하고, 또 연소되고 발생하는 연소가스를 저 공해 가스로 유도하여 대기오염을 방지하며, 다양한 종류의 연소수단 즉 산업용 각종 디젤엔지, 산업 및 선박이나 농업용 각종 보일러, 용융 및 연소나 소각로 등에 적용할 수 있도록 한 에멀젼 연소장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징적인 기술적 구성은, 각각의 물 및 기름공급라인(11,21)을 통하여 물 10～50중량% : 기름 50～90중량%의 비율이 되게 에멀젼믹서기에 공급하는 물 및 기름 공급수단(10,20); 상기 물 및 기름 공급수 단으로부터 적정비율로 공급되는 물과 기름을 혼합시키는 에멀젼믹서기(30); 상기 에멀젼믹서기로 공급되는 물 과 기름의 공급 비율을 컨트롤하며 에멀젼믹서기의 작동을 제어하는 컨트롤러(40); 상기 에멀젼믹서기와 연결 설치되어 에멀전믹서기에서 공급되는 혼합연료를 매개로 발화되는 연소수단(50); 상기 연소수단의 발화를 촉진하기 위하여 연소수단에 수소 및 산소를 공급하는 수소/산소공급수단(60)로 이루어진다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 에멀젼 연소장치를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 물 및 기름 공급수단(10,20)은 적정량의 물과 기름을 에멀젼믹서기(30)에 공급하는 장치로서, 상기 에멀젼믹서기(30)에 공급되는 물과 기름은 물 10～50중량% : 기름 50～90중량%의 비율이 되게 함이 바람직하다. 그 이유는, 상기 물의 량이 50중량%를 초과하게 되면 상대적으로 기름의 양이 적어짐으로 연소수단(50)에서의 발화 율이 떨어지고 완전연소가 이루어지지 못해 대기오염을 가중시키는 문제점이 발생한다.

그리고 물의 양을 10중량%미만 사용하게 되면 상대적으로 기름의 양을 많이 사용해야 함으로 그에 따른 에너지 낭비의 원인이 된다. 따라서 상기 에멀젼믹서기(30)로의 물과 기름의 공급비율은 물 10～50중량% : 기름 50～90중량%로 함이 바람직하다.

한편 상기 에멀젼믹서기(30)로 공급되는 기름은 경유, 중유, 폐유 중 어느 하나인바, 상기 경유의 경우에는 물과 경유의 혼합비가 경유 80～90중량% : 물 10 ～20중량%이고, 상기 중유의 경우에는 물과 중유의 혼합비가 중유 60～80중량% : 물 20～40중량%이고, 폐유의 경우에는 물과 폐유의 혼합비가 폐유 40～50중량% : 물 50～60중량%로 한다.

상기 경유의 경우에 물과 경유의 혼합비를 경유 80～90중량% : 물 10～20중량%로 하는 이유는, 경유는 그 기름의 특성상 점성이 약하기 때문에 물과의 혼합이 용이하게 이루어지도록 함과 동시에 사용용도를 발화 율이 좋아야 하는 산업용 엔진 등에 사용하기 위함이다. 단 상기 물과 경유의 혼합비가 경유 80～90중량% : 물 10～20중량%로 된 에멀젼유의 경우 그 사용용도는 산업용 엔진에 한정하지 않고 산업용 보일러 및 각종 로 등에도 사용할 수 있다.

또, 상기 중유의 경우에 물과 중유의 혼합비를 중유 60～80중량% : 물 20～40중량%로 하는 이유는, 경유는 그 기름의 특성상 경유보다는 점성이 좋기 때문에 물과의 혼합이 잘되어 중유의 사용량을 경유보다 적게 사용하는 것이며 사용용도를 주로 산업용보일러 등에 사용한다. 단 상기 물과 중유의 혼합비가 중유 60～80중량% : 물 20～40중량%로 된 에멀젼유의 경우 그 사용용도는 산업용 보일러에 한정하지 않고 산업용엔진 또는 각종 로 등에도 사용할 수도 있다.

또, 상기 폐유의 경우에 물과 폐유의 혼합비를 폐유 40～50중량% : 물 50～60중량%로 하는 이유는, 폐유는 그 기름의 특성상 경유나 중유보다그 점성이 좋기 때문에 물과의 혼합이 잘되어 폐유의 사용량을 경유나 중유보다 적게 사용하는 것이며, 그 사용용도는 주로 소각로나 탄화로 등에 사용한다.

한편 상기 기름과 물의 혼합 상태는 미세한 물 입자(10마이크론 이하의 크기 를 갖는 입자)의 표면에 기름이 도포(코팅)된 상태를 말하는 것으로, 이를 에멀젼유라 칭한다.

또한 상기 에멀젼믹서기(30)로 물과 기름을 공급하는 물 및 기름 공급수단(10,20)은 각 해당라인 즉 물을 공급하는 물 공급라인(11)과 기름을 공급하는 기름공급라인(21)에 각각의 밸브(12,22)와, 펌프(13,23) 및 압력계(14,24)와 유량감지센서(15,25)가 설치되는데, 상기 밸브(12,22)는 물 및 기름공급라인(11,21)의 개도를 조절하는 것이고, 펌프(13,23)는 물과 기름을 에멀젼믹서기(30)로 공급하는 것이며, 압력계(14,24)는 물 및 기름 공급라인(11,21)으로 진행하는 물 및 기름의 압력을 게이지를 통하여 알려주는 것이며, 유량감지센서(15,25)는 물 및 기름 공급라인(11,21)을 통하여 에멀젼믹서기(30)로 공급되는 물 및 기름의 양을 측정하는 것이다.

본 발명의 에멀젼믹서기(30)는 상기 물 및 기름 공급수단(10,20)으로부터 적정비율로 공급되는 물과 기름을 혼합시키는 장치로서, 고속 회전되는 에멀젼믹서기(30)에 물과 기름이 공급되면 기름은 물 입자의 표면에 코팅되는 상태로 혼합되어 에멀젼유를 만드는 장치이다. 한편 어멀젼유는 상기에서 설명한 바와 같이 미세한 물 입자(10마이크론 이하의 크기를 갖는 입자)의 표면에 기름이 도포(코팅)된 상태이다.

본 발명의 컨트롤러(40)는 상기 물과 기름공급라인(11,21)을 통하여 물과 기름이 에멀젼믹서기(30)로 공급될 때에 그 공급되는 물 과 기름의 공급 비율을 컨트롤하며 에멀젼믹서기(30)의 작동을 제어하는 장치로서, 상기 컨트롤러(40)는 물 및 기름 탱크(16,26))의 수위를 감지하여 물 및 기름의 수위가 일정량 이하이면 물 및 기름을 보충하도록 한다.

한편 상기 물 및 기름 탱크(16,26))에는 각각의 수위감지센서(17,27)가 연결 설치되어 물 및 기름의 수위가 수위감지센서(17,27) 이하에 위치하면 그 시그날을 컨트롤러(40)에서 인지하여 상기 물 및 기름 탱크(16,26))와 연결 설치되는 각각의 주 탱크(18,28)로부터 물 및 기름을 보충 받게 되는 것이다.

그리고 본 발명의 컨트롤러(40)는 각각의 밸브(12,22) 및 유량감지센서(15,25)와 연결 설치되어 각 밸브(12,22)를 온/오프 함과 동시에 유량감지센서(15,25)를 통하여 공급되는 물과 기름의 공급량을 감지하고 조절하는데, 상기 각 유량감지센서(15,25)에서 감지되는 물 및 기름의 공급량이 적정량 이하이거나 이상일 경우에는 그를 상기 컨트롤러(40)가 각 밸브(12,22)의 개도를 조절하여 물 및 기름의 공급 양을 컨트롤한다.

또 본 발명의 컨트롤러(40)는 에멀젼믹서기(30)의 RPM을 조절함은 물론, 가동 및 정지를 지시하는 것으로서, 에멀젼믹서기(30)에 어느 기름의 종류(경유, 중유, 폐유)가 공급되느냐에 따라 상기 에멀젼믹서기(30)의 RPM을 조절하고, 또 연소수단(50)으로 에멀젼유를 공급 또는 차단하는 것을 결정한다.

상기와 같이하여 에멀젼믹서기(30)에서 물과 기름이 혼합된 에멀젼유가 연소수단(50)에 공급되면 그 연소수단(50)에서는 발화가 이루어져 목적하는 일을 수행하게 되는데, 이때 상기 연소수단(50)에는 수소/산소공급수단(60)으로부터 수소와 산소가 공급되어 발화를 하게 된다.

상기 연소수단(50)이라 함은, 산업용 각종 디젤엔지, 산업 및 선박이나 농업용 각종 보일러, 용융 및 연소나 소각로를 의미하는 것이다. 또, 상기 수소/산소공급수단(60)이라 함은 수소/산소가스발생기를 말하는 것으로, 이는 물(H₂O)을 분해하여 수소(H)와 산소(O₂)를 만드는 장치인바, 이는 이미 널리 알려진 장치로서 각 산업 현장에 많이 보급되어 사용되고 있는 것으로 그에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

한편 상기 수소/산소공급수단(60)에서 연소수단(50)으로 공급되는 수소와 산소의 비율은 수소 2 : 산소 1의 비율이 되게 하는데, 그 이유는, 수소 1몰에 대하여 산소 0.5몰의 비율로 공급되어야 폭발력이 가장 좋아 연소수단에서 에멀젼유와 함께 연소될 때에 화염이 최고치가 되기 때문이다.

또한, 상기 수소/산소공급수단(60)으로부터 연소수단(50)으로 수소 및 산소가 공급될 때에는 각각의 라인(61,62)을 통하여 공급되고, 상기 에멀젼믹서기(30)에서 에멀젼유가 연소수단(50)으로 공급될 때에도 공급라인(31)을 통하여 공급되며 그 공급라인에는 밸브(32)가 설치되어 있다.

이상과 같은 본 발명은 물과 기름공급라인(11,21)을 통하여 물과 기름을 적정비율로 에멀젼믹서기(30)에 공급하고 그 공급을 받은 에멀젼믹서기(30)는 에멀젼유를 만들어 연소수단(50)에 공급함과 동시에 수소/산소공급수단(60)으로부터 수소와 산소를 공급함으로 연소수단(50)은 연소효율이 좋아지는 장점이 있는 것이다.

상술한 바와 같은 본 발명은 연소수단의 수소와 산소의 고온 화염분위기에서 유중수액의 에멀전유가 고압분사 되면서 유적속의 물 입자가 폭발적으로 기화되어 유적이 파열 비산됨으로 산소와의 접촉면적을 최대한 넓혀줌으로 그에 따른 완전 연소를 유도함은 물론, 화염 및 연소속도가 빨라지고 고온화염으로 연소효율이 향상되어 대기오염을 방지하고 연료도 절감할 수 있는 효과가 있다.

Claims

각각의 물 및 기름공급라인(11,21)을 통하여 물 10～50중량% : 기름 50～90중량%의 비율이 되게 에멀젼믹서기에 공급하는 물 및 기름 공급수단(10,20);

상기 물 및 기름 공급수단으로부터 적정비율로 공급되는 물과 기름을 혼합시키는 에멀젼믹서기(30);

상기 에멀젼믹서기로 공급되는 물 과 기름의 공급 비율을 컨트롤하며 에멀젼믹서기의 작동을 제어하는 컨트롤러(40);

상기 에멀젼믹서기와 연결 설치되어 에멀전믹서기에서 공급되는 혼합연료를 매개로 발화되는 연소수단(50);

상기 연소수단의 발화를 촉진하기 위하여 연소수단에 수소 및 산소를 공급하는 수소/산소공급수단(60)으로 이루어진 구성을 특징으로 하는 에멀젼 연소장치.
제1항에 있어서, 상기 에멀젼믹서기로 공급되는 기름은 경유, 중유, 폐유 중 어느 하나임을 특징으로 하는 에멀젼 연소장치.
제2항에 있어서, 상기 경유와 물과의 혼합비율은 경유 80～90중량% : 물 10～20중량%임을 특징으로 하는 에멀젼 연소장치.
제2항에 있어서, 상기 중유와 물과의 혼합비율은 중유 60～80중량% : 물 20 ～40중량%임을 특징으로 하는 에멀젼 연소장치.
제2항에 있어서, 상기 폐유와 물과의 혼합비율은 폐유 40～50중량% : 물 50～60중량%임을 특징으로 에멀젼 연소장치.
제1항에 있어서, 상기 물을 공급하는 물 공급라인(11)과 기름을 공급하는 기름공급라인(21)에는 각각의 밸브(12,22)와, 펌프(13,23) 및 압력계(14,24)와 유량감지센서(15,25)가 설치된 것을 특징으로 하는 에멀젼 연소장치.
제1항에 있어서, 상기 수소/산소공급수단에 의해 에멀젼믹서기로 수소 및 산소를 공급하는 비율은 수소 2 : 산소 1의 비율이 되게 함을 특징으로 하는 에멀젼 연소장치