KR20090013116A - 연료첨가제 조성물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료첨가제 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 설명하면, 소듐실리케이트(sodium silicate), 알칼리금속수산화물, 붕사(borax) 및 다가알콜로 구성된 석탄용 연료첨가제 조성물에 관한 것이다. 또한, 상기 연료첨가제 조성물은 지방산에스테르 및 유동파라핀을 더 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명의 연료첨가제 조성물은 소성로(燒成爐) 및 보일러의 연료인 석탄의 연소시 완전연소를 유도하고 크링커 제거 및 발생을 억제하며 노(爐, furnace) 내부의 부식방지와 유해가스 방출을 저감시켜 주며, 발열량 향상에 따른 열효율 상승으로 인한 연료 절감, 보일러 수명연장 및 유지보수비의 절약 등의 효과가 있다.

연료첨가제, 붕사, 소듐실리케이트, 크링커

Description

연료첨가제 조성물{Composition of Fuel-additives}

본 발명은 석탄연소시 발생하는 CO와 NOx, SOx 등의 유해물질을 저감시키고, 불완전 연소로 인하여 발생하는 연소기관 내의 크링커 및 불순물을 제거 및 발생을 억제하며, 완전연소를 유도하여 발열량 및 열효율이 향상되어 노(爐,furnace)의 수명연장과 연료의 절감 및 유지보수비를 절약시킬 수 있는 석탄용 연료첨가제 조성물에 관한 것이다.

최근 고유가 시대가 지속되면서 대체에너지 개발과 재래식 연료인 석탄에 대한 관심이 증가되고 있는 가운데 연료비 상승에 따른 에너지 절약이 핵심과제로 떠오르고 있다.

종래기술인 대한민국 등록특허 제642164호에서는 에틸렌글리콜, 산화제, 안정제 등을 사용하여 내한성 향상 및 슬래그 방지와 클링커 제거에 효과가 있는 연료첨가제가 공지되었고, 등록특허 제485193호에서는 과산화수소와 트리에탄올아민, 산화아연, 이산화망간 등을 사용하여 스케일과 크링커 제거 및 생성방지와 대기오 염물질을 저감시키는 연료첨가제가 공지되었으며, 공개번호 제10-2006-0081654호의 명세서에는 아민계 안정제와 붕사, 수산화나트륨, 과산화수소등을 사용하여 연소기관 내에서 스케일 방지와 슈트, 크링커 및 슬러지 제거의 효과를 가지는 화염조절용 조성물이 공지되었다. 그러나, 상기 특허는 석탄과 벙커C유 겸용으로 개발되어 석탄의 특성에 맞지 않게 설계되었으며, 발열량 향상에 크게 영향을 미치지 못하는 문제가 있다.

따라서, 상기와 같은 기존의 연료첨가제 발명들보다 발열량 및 열효율을 증대시킬 수 있는 석탄용 연료첨가제의 발명에 대한 요구가 나날이 증가되고 있다.

이에 본 발명자들은 상기 기존 발명들의 문제점 및 당업계의 요구를 해결하기 위하여 연구, 노력한 결과, 노 내의 불순물, 크링커 제거율 및 열효율이 높고, 노의 수명연장 및 유지보수비를 절약할 수 있으며, 환경오염물질을 적게 발생시킬 수 있는 연료첨가제 조성물을 발명하게 되었다.

본 발명은 연료첨가제 조성물에 관한 것으로서,

소듐실리카케이트 40 ~ 80 중량%, 알칼리금속수산화물 15 ~ 50 중량%, 붕사 2 ~ 15 중량% 및 다가알콜 2 ~ 15 중량%를 포함하고 있는 것을 그 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 연료첨가제 조성물 100 중량부에 대하여 지방산에스테르 5 ~ 100 중량부 및 유동파라핀 5 ~ 50 중량부 더 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

상기와 같이 본 발명에 따른 석탄용 연료첨가제 조성물은 석탄연료의 연소효율과 발열량을 향상시켜 연료를 절감하고, 노 내에서 연료의 분쇄효율을 높여 에너지를 절약할 수 있으며, 분진과 일산화탄소(CO), 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx) 등의 환경오염물질을 감소시키며, 노 내부 벽면의 부식을 방지하고 크링커의 제거 및 발생을 최소화시킴으로써 노의 수명을 연장하고 유지보수비를 절감할 수 있는 효과가 있다.

종래 다수의 화석연료용 연료첨가제가 존재하고 있으나, 이들은 고체 또는 액체 화석연료용 연료첨가제로서, 고체 화석연료인 석탄에 사용하는 경우, 연료첨가제로서의 효과가 떨어지는 문제가 있었다. 이에 본 발명자들은 고체 화석연료인 석탄에 적합한 연료첨가제 조성물을 발명하게 되었으며, 본 발명은 이하에서 자세하게 설명하겠다.

본 발명은 소듐실리케이트, 알칼리금속수산화물, 붕사(borax) 및 다가알콜을 일정 조성비율 포함하고 있는 연료첨가제 조성물에 관한 것이다.

또한, 상기 연료첨가제 조성물에 지방산에스테르, 유동파라핀을 더 포함하는 연료첨가제 조성물에 관한 것이다.

상기에서 설명한 연료첨가제 조성물을 더욱 구체적으로 설명을 하면 아래와 같다.

우선, 본 발명의 연료첨가제 조성물은

소듐실리카케이트 40 ~ 80 중량%, 알칼리금속수산화물 15 ~ 50 중량%, 붕사 2 ~ 15 중량% 및 다가알콜 2 ~ 15 중량%로 이루어진 혼합물을 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

또한, 본 발명은

상기 혼합물 100 중량부에 대하여 지방산에스테르 5 ~ 100 중량부 및 유동파라핀 5 ~ 50 중량부 더 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

상기에서 설명한 본 발명의 조성성분 등에 대하여 이하에서 구체적으로 설명하겠다.

본 발명의 조성성분인 소듐실리케이트는 자체 수분함량이 35% 이상이므로 알카리화합물 및 알콜계 유기화합물을 녹일 수 있으며, 열분해에 의해 물유리성분으로 변화되어 크링커의 발생을 감소 및 억제시키는 역할을 한다. 상기 소듐실리케이트는 상기 혼합물 전체 중량에 대하여 40 ~ 80 중량%, 더욱 바람직하게는 50 ~ 70 중량%를 사용할 수 있는데, 40 중량% 미만이면 크링커 제거가 미미한 문제가 있고, 80 중량% 초과시 소듐실리케이트 내의 규산염 및 물 성분에 의해 연소가 방해받는 문제가 발생한다.

본 발명의 조성성분인 알칼리금속수산화물은 고온에서 산소를 발생시켜 노 내벽에 붙은 스케일의 2차 연소를 유도하며, 노 내의 부족한 산소를 보충하여 완전연소를 유도하고, 부가적으로 생성된 알칼리 이온(Na⁺, K⁺)은 유해가스 등과 결합하여 대기오염물질을 저감시키고 또한 황산으로 인한 노 내의 부식을 방지시키는 역할을 한다. 상기 알칼리금속수산화물은 수산화나트륨 및 수산화칼륨 중에서 선택된 1 종 이상을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 여기서, 상기 알칼리금속수산화물은 상기 혼합물 전체 중량에 대하여 15 ~ 50 중량%, 더욱 바람직하게는 25 ~ 40 중량%를 사용할 수 있는데, 상기 알칼리금속수산화물이 15중량% 미만이면 연소 촉진에 기여하지 못하고, 50 중량%를 초과시 연료의 융점이 낮아져 크링커 발생이 증가하는 문제가 발생한다.

본 발명의 조성성분인 붕사는 연소 온도 상승시 분해되어 산소를 방출하므로 불완전 연소되는 유기물이 완전 연소가 되도록 유도하며, 노 내에서 발생하는 SO₂로 인해 황산(H₂SO₄)이 생성되어 노 내를 부식시키는데, 연소시 붕사에서 발생되는 알칼리 이온(Na⁺)이 황산(H₂SO₄)와 결합하여 Na₂SO₄로 치환됨으로써, 그 효과로 결국 황산으로 인한 노 내의 부식을 방지해준다. 또한 고온에서 분해된 붕사는 소듐실리케이트와 함께 노 내벽에 물유리를 형성하여 크링커 생성을 억제하고, 노 내벽을 코팅하여 부식을 방지하여 열전도율을 높이고, 또한 노의 수명을 연장시켜 주며, 별도의 세정작업의 소요를 줄여주고, 연소시 발생하는 SO₂, NOx를 저감시킨다. 상기 붕사는 상기 혼합물 전체 중량에 대하여 2 ~ 15 중량%, 더욱 바람직하게는 5 ~ 10 중량%를 사용할 수 있다. 여기서, 상기 붕사가 2 중량% 미만이면 부식 방지 역할이 미약하고, 15 중량% 초과시 연료의 융점이 낮아져 크링커 발생이 증가 하는 문제가 발생하기 때문이다.

본 발명의 조성성분인 다가알콜은 글리세롤(glycerol), 에틸렌글리콜(ethylene glycol), 디에틸렌글리콜 중에서 선택된 1 종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 글리세롤(Glycerol, C₃H₈O₃)은 연소효과를 증대시키고 붕사의 용해를 도우며, 에틸렌글리콜(ethylene glycol)은 슬러지 분산 및 유동성 향상과 빙점을 낮추어 계절적 한계를 극복하는데 도움을 준다. 상기 다가알콜은 상기 혼합물 전체 중량에 대하여 2 ~ 40 중량%, 더욱 바람직하게는 10 ~ 30 중량%를 사용할 수 있는데, 상기 다가알콜이 2 중량% 미만이면 알칼리금속수산화물의 용해가 잘 되지 않는 문제가 발생하고, 40 중량% 초과시 침전물이 발생하기 때문이다.

또한 본 발명은 상기 혼합물 100 중량부에 대하여 지방산에스테르 5 ~ 100 중량부 및 유동파라핀 5 ~ 50 중량부 더 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

상기 본 발명의 연료첨가제에 추가로 포함되는 지방산에스테르 및 유동파라핀은 연료의 착화온도를 낮추어 초기착화를 도우며, 연료의 분쇄 효과 향상, 발열량 향상, 구성 성분과 연료의 반응 안정화 및 노 내에서의 연소 상태를 안정화하는 역할을 한다.

여기서, 상기 지방산에스테르는 대두유, 유채유, 팜유, 해바라기유 또는 옥 수수유 중에서 선택되는 식물성 오일의 메틸에스테르를 사용할 수 잇다. 또한 상기 식물성 오일의 메틸에스테르는 상기 식물성 오일을 이용한 바이오디젤유의 생산과정에서 발생하는 피치유를 포함할 수 있는데, 피치유를 사용하면 경제적으로 유리하기 때문이다. 상기 지방산에스테르는 상기 혼합물 100 중량부에 대하여 5 ~ 100, 더욱 바람직하게는 15 ~ 90 중량부를 사용할 수 있는데, 100 중량부 초과시 석탄을 분쇄하는 밀(mill) 내에서 화재 위험이 존재한다.

본 발명의 또 다른 조성성분인 유동파라핀은 상기 혼합물에 100 중량부에 대하여 5 ~ 50 중량부, 더욱 바람직하게는 15 ~ 40 중량부를 사용할 수 있다. 상기 유동파라핀이 50 중량부를 초과하면 발열량을 떨어뜨리는 문제가 발생하기 때문이다.

하기에서 실시예에 의거하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하겠으나, 하기의 실시예에 의해서 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

소듐실리카케이트 600g을 반응기에 투입한 후, 알칼리금속수산화물인 수산화나트륨(NaOH) 150g 및 수산화칼륨(KOH) 150g을 첨가 및 교반시켜서 혼합한다. 그 후 붕사 50g을 첨가하여 혼합용액을 제조하고, 반응열에 의해 온도가 상승한 상기 혼합용액의 온도를 40℃로 내린 후, 다가알콜인 글리세롤 50g을 첨가하고 혼합하여 연료첨가제 조성물을 제조하였다.

실시예 2

대두유의 메틸에스테르 400g, 대두유를 이용한 바이오디젤의 제조시 부산물로 발생하는 피치유 400g 및 유동파라핀 200g을 반응기에 투입, 혼합물을 제조한 후, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조된 연료첨가제 1000g을 상기의 혼합물과 혼합하여 연료첨가제를 제조하였다.

실험예 1

석탄을 미분탄 보일러에 투입하기 전에 노를 개방하여 노 내의 상태를 확인한 후, 상기 보일러에 각각 실시예 1, 2의 연료첨가제를 투입하여 21일간 사용하면서 오염가스 저감율(일산화탄소, 황산화물, 질산화합물), 보일러유효열량 및 연료절감율을 측정하였으며 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다.

이 때 실시예 1의 경우에는 연료첨가제 1kg : 물 40kg : 석탄 4000kg, 실시예 2의 경우에는 연료첨가제 8kg : 석탄 4000kg 의 비율로 투입하였고, 이를 석탄 4000kg 만 투입한 경우와 비교하였다.

구 분	CO가스발생량(ppm)	SOX발생량 (ppm)	NOX발생량 (ppm)	보일러유효열량(mw)	보일러 소모 표준 석탄량 (Ton/h)	연료절감율 (%)
연료첨가제 미첨가	120	31.4	148	3.41	654
실시예 1	25.5	25.2	116	3.91	633	3.4
실시예 2	26.8	27.5	123	4.3	618	4.5

실시예의 연료첨가제를 첨가하지 아니한 경우에는 보일러 내에 크링커가 다량으로 발생하여 내부에 부착됨을 관찰할 수 있었으나, 실시예의 연료첨가제를 첨가한 경우에는 크링커가 80 ~ 97% 제거되고 노 내부에 부착되지 아니함을 확인하였다. 그리고 실시예의 연료첨가제를 첨가한 때 일산화탄소는 78 ~ 79 %, 황산화물은 12 ~ 20 %, 질소산화물은 17 ~ 22 % 감소함을 확인하였다. 또한 보일러 유효열량은 14 ~ 26 % 증가하고, 3.4 ~ 4.5 % 연료절감의 효과를 나타내었다(연료절감율은 GB/10180-88(공업용보일러 열공시험규범) 및 GB/T15317-94(공업 보일러 에너지 절약감축 방법)에 의거).

실험예 2

시멘트 키른에 석탄 500 kg 및 실시예 1, 2의 연료첨가제 1 kg 을 각각 첨가하여 15 일간 가동하면서 GB/10180-88(공업용보일러 열공시험규범) 및 GB/T15317-94(공업 보일러 에너지 절약감축 방법)에 의거하여 석탄의 연료절감율을 측정하였다. 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

구 분	연료절감율
실시예 1	4.5 %
실시예 2	7.3 %

상기 실험예의 결과를 통해, 본 발명의 연료첨가제는 연료절감, 오염물질저감 및 노(爐)의 내구성 향상면에서 유리한 효과를 가진다는 점을 확인할 수 있었다.

Claims (6)

1. 소듐실리케이트 40 ~ 80 중량%, 알칼리금속수산화물 15 ~ 50 중량%, 붕사 2 ~ 15 중량% 및 다가알콜 2 ~ 15 중량%을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료첨가제 조성물.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 연료첨가제 조성물 100 중량부에 대하여 지방산에스테르 5 ~ 100 중량부 및 유동파라핀 5 ~ 50 중량부 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료첨가제 조성물.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 알칼리금속수산화물은 수산화나트륨 및 수산화칼륨 중에서 선택되는 1 또는 2 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 연료첨가제 조성물.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 다가알콜은 글리세롤, 에틸렌글리콜, 디에틸렌글리콜 중에서 선택되는 1 또는 2 이상의 화합물인 것을 특징으로 하는 연료첨가제 조성물.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 지방산에스테르는 대두유, 유채유, 팜유, 해바라기유 또는 옥수수유 중에서 선택되는 식물성 오일의 메틸에스테르인 것을 특징으로 하는 연료첨가제 조성물.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 식물성 오일의 메틸에스테르는 상기 식물성 오일을 이용한 바이오디젤유의 생산과정에서 발생하는 피치유를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료첨가제 조성물.