KR20110015482A

KR20110015482A - 폐유를 재활용한 난방 연료 조성물

Info

Publication number: KR20110015482A
Application number: KR1020090073046A
Authority: KR
Inventors: 정영진; 진의
Original assignee: 강원대학교산학협력단
Priority date: 2009-08-08
Filing date: 2009-08-08
Publication date: 2011-02-16

Abstract

본 발명은 폐유 20~35 중량%, 벙커C유 30~60 중량% 및 경유 20~35 중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 난방 연료 조성물에 관한 것으로, 발열량이 높고, 난방 연료에 적합한 인화점을 갖는 특징이 있으며, 폐유를 사용함으로써 환경문제를 줄이고, 연료비를 절감할 수 있다.

경유, 난방, 벙커C유, 연료, 재생, 폐유, 환경

Description

폐유를 재활용한 난방 연료 조성물{Heating fuel composition using recycled waste oil}

본 발명은 난방 연료 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 페유를 재활용한 난방 연료 조성물에 관한 것이다.

폐유의 자원화 방법에는 전처리하여 보조연료로 이용하거나 소각처리하여 발생하는 열을 이용하는 에너지화 법과 폐유를 재생하는 방법이 있는데, 에너지 수입 의존도가 높은 우리나라의 실정으로는 폐유를 자원화하여 재활용함으로써 경제적 이득을 얻을 수 있다.

한편, 정유공장에서 원유를 분별 증류하면 끓는점이 낮은 순서대로 휘발유가 먼저 추출되고 경유, 등유, 중질유인 벙커C유 순으로 추출된다.

벙커C유는 원유량의 약 40% 정도가 회수되는데, 일종의 폐유로서 자원의 재활용 측면에서 보면 재사용이 무엇보다 중요하다. 재사용을 위해 일부 공장에서는 비등점이 높은 벙커C유를 저분자량의 탄화수소로 변형시키는 열분해 방법을 채택하 고 있지만 열분해 설비는 대단위 투자가 뒷받침되어야 하는 문제가 따른다.

또한, 벙커C유는 연료비가 경유나 등유 등에 비하여 저렴한 장점이 있으나, 착화점이 높고, 높은 황 함량과 질소 함량으로 말미암아 SOx와 NOx를 고농도로 배출하여 대기오염의 문제를 추가적으로 발생시킨다.

한편, 미국특허 제5,997,591호에는 윤활유, 벙커유 등에 물을 첨가하여 만들어진 에멀젼 혼합연료가 기재되어 있으나, 물을 사용함으로써 기름과 물의 불완전 혼합으로 인한 유수 분리 현상이 생기는 단점이 있다.

또한, 미국특허 제7,351,324호에는 중유에 펜탄을 용해하여 혼합한 액체연료가 기재되어 있으나, 펜탄의 낮은 끊는점 성질로 말미암아 빨리 휘발되는 문제점이 있다.

또한, 한국특허 특2003-0058914호에는 석유산업에서 발생되는 부생유와 기계 산업 계통에서 발생되는 폐유를 혼합하여 연료로 이용할 수 있는 재생 혼합 연료유 및 그 제조방법이 기재되어 있으나, 정비공장에서 발생되는 부생유에는 불순물이 많이 함유되어 있어 이를 전처리 해야 하는 문제가 있다.

또한, 한국특허 제10-0804574호에는 벙커C유와 폐유 혼합물에 물 및 오일을 용이하게 이온 결합할 수 있는 산업 보일러용 대체 연료유의 제조장치 및 산업 보일러용 대체 연료유의 제조방법이 기재되어 있으나, 벙커C유와 폐유의 점도가 높아 점도를 조절해야 하는 문제가 있다.

이에 본 발명은 재활용된 폐유에 희석용제로 벙커C유 및 경유를 첨가하고, 선택적으로 물을 첨가하여 조성되는 것을 특징으로 하는 난방 연료 조성물을 개발하여 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은 폐유 20~35 중량%, 벙커C유 30~60 중량% 및 경유 20~35 중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 난방 연료 조성물을 제공한다.

고점도 폐유를 재활용하여 난방 연료로 사용하기 위해서는 폐유의 점도를 낮출 수 있는 용제를 사용하여야 하나 용제 자체가 고가이기 때문에 경제적으로 효율적이지 못하다.

이에 본 발명에서는 폐유의 점도를 낮추고자 용제로 벙커C 및 경유를 첨가하여 폐유 20~35 중량%, 벙커C유 30~60 중량% 및 경우 20~35 중량%로 조성되는 난방 연료 조성물을 제공하는데, 이 비율에서 균일한 상태의 용액을 얻을 수 있고, 원활한 분사가 가능한 점도를 얻을 수 있으며, 난방 연료로 사용하기에 적합한 인화점을 얻을 수 있다.

한편, 본 발명에서 사용한 폐유는 바람직하게 우레탄 제조 후 회수되는 잔류물을 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 난방 연료 조성물은 바람직하게 폐유, 벙커C유 및 경유를 혼합하고, 70~80℃에서 0.5~30분 동안 3000~3600rpm으로 교반하여 제조되는 것이 좋다.

한편, 본 발명의 난방 연료 조성물은 바람직하게 유화제를 추가로 포함하는 것이 좋은데 층분리 현상이 나타나지 않아 안정성이 좋은 난방 연료 조성물을 제조할 수 있기 때문이다.

한편, 본 발명의 난방 연료 조성물은 바람직하게 물을 추가로 포함할 수 있는데, 물을 첨가함으로써 발열량을 높일 수 있기 때문이다. 이때, 물은 가장 바람직하게 난방 연료 조성물에 8~12 중량% 포함되는 것이 좋다.

상기에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 난방 연료 조성물은 발열량이 높으며, 난방 연료에 적합한 인화점을 갖고, 폐유를 사용함으로써 환경문제를 줄일 수 있으며, 연료비를 절감할 수 있다.

또한, 에너지 수입의존도가 높은 우리나라의 실정으로 폐유를 자원화하여 재활용함으로써 경제적으로 효율적이다.

이하, 본 발명의 구성 및 작용에 대해 하기 실시예에서 더욱 상세히 설명하지만, 본 발명의 권리범위가 하기 실시예에만 한정되는 것은 아니고, 이와 등가의 기술적 사상의 변형까지를 포함한다.

하기 실험예에서 사용한 재료 중 경유는 GS 칼텍스사에서 생산된 제품을, 벙커C유는 SK사에서 생산된 제품을 구입하여 그대로 사용하였고, 폐유는 우레탄 제조 후 회수되는 잔재물로서 세호테크(주)에서 공급받아 사용하였다.

실시예 1: 폐유/벙커C유/경유로 조성된 난방 연료 조성물 제조

본 실시예에서는 폐유, 벙커C유, 경유의 조성비를 차이를 두어 균일한 상태의 용액을 얻을 수 있는 적정 조성비를 조사하였다.

폐유(Waste oil) : 벙커C유(Buncker C oil) : 경유(Light oil) (중량비)	가라앉는 폐유(Sunken waste oil) (vol%)
20 : 60 : 20	5.9
30 : 60 : 10	6.8
20 : 50 : 30	11.8
30 : 50 : 20	23.5
40 : 50 : 10	62.5
20 : 40 : 40	11.4
30 : 40 : 30	24.4
40 : 40 : 20	37.5
33.3 : 33.3 : 33.3	11
20 : 30 : 50	15.3
30 : 30 : 40	23.5
40 : 30 : 30	35.3

측정결과(표 1), 세 성분의 농도를 변화시킨 결과 가라앉는 폐유가 관찰되었는데, 그 중 폐유, 벙커C유, 경유 비율이 2 : 6 : 2, 2 : 5 : 3, 2 : 4 : 4, 3 : 6 : 1, 1 : 1 : 1 일 때, 가장 균일한 용액을 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다. 가라앉는 폐유는 제거과정을 거친 후 사용하였다.

실시예 2: 폐유/벙커C유/경유/물 난방 연료 조성물 제조

본 실시예에서는 폐유/벙커C유/경유로 조성된 난방 연료 조성물의 발열량을 높여주면서 에멀젼 연료를 제조하기 위해 물을 첨가하여 난방 연료 조성물로 제조하고, 그에 대한 분리현상을 측정하였다.

혼합비율(Mixing ratio, 중량비)	현상(Phenomenon)
폐유(Waste oil) : 경유(light oil) 물(water) (80: 10 : 10)	10.3% 층 분리 (10.3% layer separation)
폐유(Waste oil) : 벙커C유(buncker C oil) : 경유(light oil) (30 : 60 : 10)	층 분리 없음, 고 점도 (No layer separation, high viscosity)
폐유(Waste oil) : 벙커C유(buncker C oil) : 물(water) (30 : 60 : 10)	유화제보다 믹싱이 좋음, 층 분리 없음 (Mixing better than with emulsifier, no layer separation)
폐유(Waste oil) : 벙커C유(buncker C oil) : 경유(light oil) : 물(water) (25 : 55 : 10 : 10)	유화제보다 낮은 점도, 층 분리 없음 (Low viscosity than with emulsifier, no layer separation)
폐유(Waste oil) : 벙커C유(buncker C oil) : 물(water) : S83/T80 (30 : 60 : 10 : 2)	유화제 미사용보다 점도 낮음, 11.8% 층 분리 (Low viscosity than without emulsifier, 11.8% layere separation)
폐유(Waste oil) : 벙커C유(buncker C oil) : 경유(light oil) : 물(water) : S83/T80 (25 : 55 : 10 : 10 : 2)	10.6% 층 분리 (10.6% layer separation)

측정 결과(표 2), 폐유, 벙커C유 및 경유로 이루어진 본 발명의 난방 연료 조성물은 층 분리 현상이 나타나지 않았고, 여기에 물을 첨가함으로써 점도가 낮은 난방 연료 조성물을 제조할 수 있었다. 유화제 없이 물만 첨가한 경우에도 균일한 에멀젼 연료를 얻을 수 있었다.

실험예 1: 폐유만의 특성 조사

공인 시험 기관인 한국기기유화시험연구원에 분석 의뢰하여 인화점, 잔류탄소량, 동점도, 발열량 등을 측정하였다. 인화점은 KS M 2010[KS M 2010, 원유 및 석유제품 인화점 시험방법 (2004)], 동점도는 KS M 2014[원유 및 석유제품의 동점도 시험방법 및 석유제품 점도지수 계산방법 (2004)]로 측정하였다. 잔류 탄소분은 KS M 2017[석유제품-잔류탄소분 시험방법 (2006)]로 측정하였으며 발열량은 KS M 2057[원유 및 연료유의 발열량 시험방법 (2006)]로 측정하였다.

동점도는 유체의 점도를 밀도로 나눈 값으로 특히 보일러 연소로의 노즐분사에 영향을 주며 원활한 분사와 분사연료의 완전연소를 위해서는 어느 정도의 동점도 확보가 필요하다.

한편, 잔류 탄소분은 얻어진 난방 연료에 다량 함유된 타르와 같은 고분자 물질의 농도를 측정하는 인자로 분석하였다.

한편, 인화점은 연료의 기체에 불꽃을 가까이했을 때 순간적으로 섬광을 내면서 연소하는 최저 온도로서 연료의 저장, 운반시 안전성과 관련이 있는데, 본 실험에서는 인화점을 난방유 사용에 적합하도록 40℃ 이상이 되는 시료를 선별하였다.

한편, 비교예로 폐유만의 고유 특성으로, 원소분석, 잔류탄소분, 동점도, 발열량을 측정하였으며, 표 3에 기본적인 성질을 나타내었다.

C(%)	H(%)	N(%)	S(%)	동점도 (Dynamic viscosity at 40℃) (mm²/s)	잔류탄소분 (Carbon residue) (wt%)	발열량 (Heating value) (kcal/L)
46.95	8.15	0.00	0.04	522.6	1.42	6,406

원소분석 결과(표 3), 질소와 황 함량이 소량으로 나타나, 연소 시 발생하는 대기오염 물질을 줄일 수 있어 친환경 연료로 사용하는 것이 가능한 것으로 나타났다.

한편, 동점도 측정으로 고점도 물질임을 알 수 있으며, 폐유 자체로는 난방유로 사용하기에 발열량이 낮은 결과를 확인할 수 있었다.(6406 kcal/L)

한편, 폐유에 벙커C유의 첨가량을 변화시키면서 발열량을 측정하였는데, 측정결과(도 1), 벙커C유의 농도가 높아질수록 발열량이 증가함을 알 수 있었다.

실험예 2: 폐유/벙커C유/경유/물의 비율을 변화시켜 제조한 본 발명 난방 연료의 특성 조사

실험예 2는 폐유/벙커C유/경유/물의 비율을 변화시킨 난방 연료의 특성을 측정하였는데, 그 방법은 상기 실험예 1과 동일하게 수행하였다.

시료 1은 폐유:벙커C유:경유= 20:60:20 (중량비),

시료 2는 폐유:벙커C유:경유=20:50:30 (중량비),

시료 3은 폐유:벙커C유:경유=33.3:33.3:33.3 (중량비),

시료 4는 폐유:벙커C유:경유:물=20:40:30:10으로 구성되었다.

Item of Test	단위 (Unit)	실험 값(Experimental Value)
Item of Test	단위 (Unit)	시료 1	시료 2	시료 3	시료 4
동점도 (Dynamic viscosity at 40℃)	mm²/s	100.3	41.11	20.02	19.91
잔류탄소분 (Carbon residue)	wt%	0.76	0.44	0.26	0.24
발열량 (Heating value)	kcal/L	8345	8497	9158	10116
인화점(Flash point)	℃	108	88	78	106

측정결과(표 4), 폐유의 점도(522.6 mm²/s)를 낮추기 위해 벙커C유, 경유, 물을 첨가시킨 결과 폐유의 동점도 보다 최소 81%(시료 1: 100.3 mm²/s), 최대 96%(시료 4: 19.91 mm²/s) 정도 감소시킬 수 있었다.

폐유에 벙커C유/경유를 첨가시킨 비율이 33.3 : 33.3 : 33.3인 시료 3 (20.02 mm²/s)과 벙커C유/경유/물 첨가 비율이 20 : 40 : 30 : 10인 시료 4 (19.91 mm²/s)는 동점도가 비슷한 값으로 나타났다.

동점도가 높다는 것은 에멀젼에서 분산된 상의 액체 방울들 사이에 정전기적 힘과 마찰력이 증가하기 때문인데[C.Y. Lin and K.H. Wang, Fuel , 83, 537 (2004)], 시료 2(41.11 mm²/s)와 시료 4(19.91 mm²/s)를 비교하면 벙커C유가 감소되고 물이 첨가됨으로써 동점도가 52% 감소되어 물이 기름 사이의 정전기적 힘과 마찰력을 감소된 것으로 판단할 수 있었다. 이와 같이 동점도가 차이가 난 것은 기름들 만으로 섞여있을 때와 에멀젼 연료가 되었을 때 구조가 서로 다르기 때문에 발생한 것으로 추측되었다.

한편, 잔류 탄소분을 측정한 결과, 폐유의 잔류 탄소분보다 시료 1 내지 시료 4 모두 감소하였고, 시료 2(0.44 wt%)와 시료 4(0.24 wt%)를 비교하면 45% 감소현상을 나타냈는데, 이는 물이 첨가됨으로써 불완전 연소 부분이 완전연소로 전환되어 발생한 것으로 추측되어 졌다.

한편, 발열량의 측정 결과, 폐유 고유의 발열량보다 시료 1 내지 시료 4 모두 증가하였고,. 난방 연료 조성물에 물을 첨가함으로써 가라앉는 폐유가 관찰되지 않았으며 발열량이 증가함으로써 완전 연소 효율이 증가함을 알 수 있었다.

시료 4는 연소시 기름만으로 이루어진 연료보다 미세폭발이 폭발적으로 더 많이 발생하여 액적 파괴의 정도가 더 커지므로 발열량이 시료 2(8,497 kcal/L) 보다 16%정도 증가한 것으로 추측되었다.

도 1은 벙커C유 첨가량에 따른 발열량의 변화를 나타낸 도이다.

Claims

폐유 20~35 중량%, 벙커C유 30~60 중량% 및 경유 20~35 중량%로 조성되는 것을 특징으로 하는 난방 연료 조성물
제1항에 있어서,

폐유는,

우레탄 제조 후 회수되는 잔류물인 것을 특징으로 하는 난방 연료 조성물
제1항에 있어서,

난방 연료 조성물은,

폐유, 벙커C유 및 경유를 혼합하고, 70~80℃에서 0.5~30분 동안 3000~3600rpm으로 교반하여 제조되는 것을 특징으로 하는 난방 연료 조성물
제1항에 있어서,

난방 연료 조성물은,

유화제를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 난방 연료 조성물
제1항에 있어서,

난방 연료 조성물은,

물을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 난방 연료 조성물
제5항에 있어서,

물은,

난방 연료 조성물에 8~12 중량% 함유되는 것을 특징으로 하는 난방 연료 조성물