KR20110111840A - 연료 첨가제 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

연료 첨가제의 제조방법과 이에 따라서 제조된 연료 첨가제가 개시된다. 일 실시예에 따른 연료 첨가제의 제조방법에 의하면, 먼저 11~13 중량%의 수산화나트륨, 27~31 중량%의 붕사, 12~16 중량%의 과산화수소, 19~21 중량%의 트리에탄올아민, 1~3 중량%의 황산칼륨, 20~23 중량%의 물을 포함하는 제1 수용액을 준비한다. 그리고 탄산칼륨을 물에 섞어서 교반하여 탄산칼륨 수용액을 만든 다음, 이 탄산칼륨 수용액에 과산화수소를 혼합하되, 온도가 50℃ 이하가 되도록 제어하면서 과산화수소를 혼합한다. 계속해서, 과산화수소가 혼합된 탄산칼륨 수용액에 75~80℃의 온도로 가열된 트리에탄올아민을 섞어서 제2 수용액을 준비한 다음, 제1 수용액에 제2 수용액을 약 10~20 중량%의 비율로 혼합하여 연료 첨가제를 완성한다.

Description

연료 첨가제 및 그 제조방법{Additives for fuel and method for manufacturing the same}

본 발명은 조연제에 관한 것으로, 보다 구체적으로 석탄이나 석유 등과 같은 화석 연료의 연소시에 첨가하는 연료 첨가제 및 그 제조방법에 관한 것이다.

석탄이나 석유 등과 같은 화석 연료는 고도의 경제 발전과 인류의 물질 문명 건설에 큰 공헌을 한 반면, 자연 파괴 및 천연 자원의 고갈, 각종 오염 물질의 배출, 온실 효과 등에 따른 지구 온난화 현상과 이에 따른 이상 기후 현상의 초래 등의 문제점을 보이고 있다. 이에 따라서 지구의 환경 문제는 갈수록 심각해지고 있으며, 멀지 않은 장래에 환경 대재앙이 발생할 수도 있다는 우려가 제기되고 있는 실정이다. 환경 오염 등이나 자원 고갈 등의 문제를 해결하기 위하여, 태양력이나 풍력, 조력 등과 같은 친환경 재생 에너지의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 하지만, 대체 에너지는 그 효율이 낮을 뿐만 아니라 기술 개발이 더 필요한 상황이라, 현재 친환경 재생 에너지가 화석 연료를 대체하기는 어렵다.

따라서 현재는 화석 연료의 연소시에 발생하는 환경 오염 가스를 줄여서 환경 오염 등을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 연소 효율의 향상 등을 위해서 연구가 활발히 진행되고 있다. 예를 들어, 휘발유, 등유, 경유, 원유, 중유 및 석유 코크스 등에 연소를 촉진하는 화합물을 첨가하는 방법이 제안되었는데, 대한민국공개특허 제1994-700487호에는 유기화합물 제1 성분으로 유용성 폴리 올레핀 아민과 제2 성분으로 C₂-C₆-모노-올레핀의 중합체를 가솔린 석유 연료용 첨가제로 사용하는 방법이 개시되어 있으며, 대한민국공개특허 제1994-701439호에는 약 1500미만의 분자량을 갖는 C₂-C₆-모노-올레핀의 유용성 중합체 및 질소 함유 화합물이 연료 첨가제로 제안되었다. 그러나 이러한 종래의 연료 첨가제는 단지 밸브 및 엔진의 연소실 내부를 세정하여 연소 효율을 높이고 불완전 연소를 줄이는 효과를 보이기 때문에, 연료의 연소를 직접적으로 촉진시키는 기능은 하지 못하였을 뿐만 아니라 효과가 오래 지속되지 않는 단점이 있다.

그리고 대한민국공개특허 제2006-81654호에는 연소 기관에서의 스케일 방지와 슈트, 크링커 및 슬러지 제거와 화염 조절용 조성물이 개시되어 있다. 상기 조성물은 과산화수소, 아민, 붕사(borax), 수산화나트륨, 및 물을 포함하는데, 상기 조성물을 연료에 섞어서 사용하면, 연료의 연소를 촉진시키고 열 효율을 증가시킬 뿐만 아니라 매연을 방지하며, 특히 연소실 내의 슈트와 크링커를 제거함과 동시에 화염을 조절하여 화염을 조절하여 복사열의 전달 체계를 개선시키는 효능을 발휘한다. 하지만, 위 조성물은 대기오염물질의 저감이나 연료 효율 향상, 연료 절감 등에 어느 정도의 도움은 되지만, 그 효과가 충분하지 않은 것으로 보고 되고 있어서 더 나은 제품의 개발이 절실히 요청되고 있다.

본 발명이 해결하려는 하나의 과제는 화석 연료에 첨가할 경우에 대기 오염 물질의 방출을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 미연소 연료를 최소화하여 연소 효율을 향상시킬 수가 있는 연료 첨가제 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하려는 다른 하나의 과제는 연소를 촉진하고 클린커(clinker) 등과 같은 연소 부산물이 생성되어 연소실 내에 잔류하는 것을 최소화할 수 있는 연료 첨가제 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

전술한 과제를 해결하기 위한 일 실시예에 따른 연료 첨가제의 제조방법은 11~13 중량%의 수산화나트륨, 27~31 중량%의 붕사, 12~16 중량%의 과산화수소, 19~21 중량%의 트리에탄올아민, 1~3 중량%의 황산칼륨, 20~23 중량%의 물을 포함하는 제1 수용액을 준비하는 단계, 탄산칼륨을 물에 섞어서 교반하여 탄산칼륨 수용액을 만드는 단계, 상기 탄산칼륨 수용액에 과산화수소를 혼합하되, 온도가 50℃ 이하가 되도록 제어하면서 상기 과산화수소를 혼합하는 단계, 과산화수소가 혼합된 상기 탄산칼륨 수용액에 75~80℃의 온도로 가열된 트리에탄올아민을 섞어서 제2 수용액을 준비하는 단계, 및 상기 제1 수용액에 상기 제2 수용액을 약 10~20 중량%의 비율로 혼합하는 단계를 포함한다.

상기 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 제2 수용액에 포함되는 물, 탄산칼륨, 과산화수소, 및 트리에탄올아민은 각각 13~15 중량%, 19~22 중량%, 40~42 중량%, 및 20~23 중량%의 비율로 혼합될 수 있다.

전술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 첨가제는 전술한 제조방법을 이용하여 제조된 연료 첨가제이다.

본 발명의 실시예에 따라서 제조된 연료 첨가제를 화석 연료에 함께 사용하면, 오염 물질의 발생을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 미연소로 배출되는 연료의 양을 줄여서 연료의 연소 효율을 향상시킬 수 있다. 그리고 많은 양이 퇴적될 경우에 연소 장치의 가동 중단을 초래할 수 있는 클링커 등의 발생도 감소시킬 수가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 첨가제의 제조 방법을 보여 주는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 연료 첨가제를 유연탄에 투입하기 전과 후에 발생한 대기오염물질의 측정 결과를 보여 주는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 연료 첨가제를 유연탄에 투입하기 전과 후의 비산회 및 바닥회에 함유된 미연소분의 분석 결과를 보여 주는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 사용되는 용어들은 실시예에서의 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 후술하는 실시예들에서 사용된 용어의 의미는, 본 명세서에 구체적으로 정의된 경우에는 그 정의에 따르며, 구체적인 정의가 없는 경우는 당업자들이 일반적으로 인식하는 의미로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 첨가제의 제조 방법을 보여 주는 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 먼저 탈황제, 붕사(Na₂B₄O₇-10H₂O), 과산화수소(H₂O₂), 트리에탄올아민(N(CH₂CH₂OH)₃), 및 황산수소칼륨(KHSO₄)을 포함하는 제1 수용액을 준비한다(110). 보다 구체적으로, 탈황제는 수산화나트륨(NaOH)일 수 있는데, 여기에만 한정되는 것은 아니며 다른 나트륨계 화합물이 사용될 수 있다. 수산화나트륨은 가성소다라고도 불리는 수산화나트륨을 물과 섞어서 수산화나트륨 수용액을 준비한다. 이 때, 수산화나트륨과 물은 약 30~40 중량%와 약 60~70 중량%의 비로 혼합할 수 있다. 그리고 수산화나트륨 수용액에 붕사를 혼합한 다음, 물과 과산화수소가 약 69~75 중량%와 약 25~31 중량%의 비로 혼합된 과산화수소 수용액을 혼합한다. 계속해서 트리에타올아민을 추가로 혼합한 다음, 이 혼합 용액에 황산칼륨을 추가로 혼합하여 상기 제1 수용액을 준비한다. 상기 제1 수용액의 준비 과정에서, 수산화나트륨 수용액, 붕사, 과산화수소 수용액, 트리에탄올아민, 및 황산칼륨은 각각 약 32~35 중량%, 약 27~31 중량%, 약 12~16 중량%, 약 19~21 중량%, 및 약 1~3 중량%의 비율로 혼합될 수 있는데, 이것은 단지 예시적인 것이다.　다만, 위에 기재된 비율로 혼합할 경우에, 최종 생산물은 연료 첨가제의 품질이 가장 우수한 것으로 판명되었는데, 이에 대해서는 후술한다.

그리고 물에 탄산칼륨을 넣고 교반하여 탄산칼륨 수용액을 준비한다(120). 여기서, 물은 제2 수용액을 제조하기 위한 새로운 물로서, 전술한 단계 110에서의 제1 수용액을 제조하기 위한 물과는 다른 것이다. 물과 탄산칼륨은 약 13~15 중량%와 약 19~22 중량%의 비로 혼합할 수 있다(여기서, 각 조성물의 중량 % 비는 단계 124의 결과로 만들어진 제2 수용액에 대한 상대적인 중량비이다. 이하, 단계 122 및 124에서 동일하다).

그리고 탄산칼륨 수용액에 과산화수소를 투입하여 교반하되, 과산화수소가 교반되는 수용액의 온도가 50℃ 이하가 되도록 제어한다(122). 예를 들어, 탄산칼륨 수용액을 제조하기 위하여 물에 탄산칼륨을 섞어서 교반한 약 1시간 후에, 과산화수소를 서서히 주입함으로써 수용액의 온도가 50℃ 이하가 되도록 조절할 수 있다. 과산화수소는 단계 124의 결과로 완성된 제2 수용액의 중량 대비 약 40~42 중량%의 비율로 혼합될 수 있다.

계속해서, 탄산칼륨과 과산화수소가 혼합된 수용액에 트리에탄올아민을 투입하여 제2 수용액을 준비한다(124). 이 때, 트리에탄올아민은 상온이 아니라 약 80℃의 온도로 가열하여 투입하며, 투입 후에 약 1시간 정도 교반한다. 트리에탄올아민은 본 단계, 즉 단계 124의 결과로 만들어진 제2 수용액의 중량 대비 약 20~23 중량%의 비율로 혼합될 수 있다.

계속해서, 단계 110의 결과로 제조된 제1 수용액과 단계 120 내지 124의 결과로 제조된 제2 수용액을 혼합하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료 첨가제를 완성한다(130). 이 때, 제1 수용액과 제2 수용액은 약 80~90 중량%와 약 10~20 중량%의 비율로 혼합할 수 있는데, 여기에만 한정되는 것은 아니다. 본 실시예에서는 제1 수용액과 제2 수용액을 제조 공정에서 혼합하는 것으로 설명하였지만, 제조 단계에서는 제1 수용액과 제2 수용액을 별도로 제조하고, 사용자가 사용할 때 위에서 설명한 두 가지 용액을 혼합하여 사용할 수도 있다.

제1 수용액에 포함되어 있는 수산화나트륨은 탈황제로 사용되는 물질로서, 여기에만 한정되는 것은 아니며 다른 나트륨계 화합물이 사용될 수 있다. 만일, 제1 수용액에 포함되어 있는 수산화나트륨의 함량이 충분하지 않으면, 화석 연료의 연소시에 발생하는 다량의 황산화물과 탄산가스를 충분히 또는 효율적으로 제거할 수가 없다. 반대로, 제1 수용액에 포함되어 있는 수산화나트륨의 함량이 너무 많으면, 황산화물과 탄산가스가 반응한 후에도 수산화나트륨이 잔류하게 되므로, 불필요한 연소 부산물이 생성되는 원인이 될 수 있다.

그리고 제1 수용액 및 제2 수용액에 포함되어 있는 과산화수소의 함량이 충분하지 않으면, 과산화수소에 의한 위험성은 낮아지나 연소 촉진제로서의 효율이 낮아지는 문제가 있다. 대신, 제1 및 제2 수용액에 포함되어 있는 과산화수소의 함량이 필요 이상으로 많으면, 과산화수소의 과열 및 독성으로 인하여 취급상의 어려움이 발생할 수가 있다. 제2 수용액의 제조시에 용액의 온도를 50℃ 이하로 유지시키는 것도 이러한 과산화수소의 민감한 반응성을 고려한 것이다. 그리고 붕사도 오일의 연소를 촉진시키는 촉진제 역할을 한다. 또한, 트리에탄올아민과 황산칼륨, 탄산칼륨은 80℃ 이상의 온도에서 자체 함유하고 있는 산소를 방출하여 연소 효율을 향상시키는데 기여한다.

이러한 본 발명의 실시예에 따라 제조된 연료 첨가제를 투입하면, 화석 연료의 연소시에 발생하는 황산화물(SO_x), 질소산화물(NO_x), 일산화탄소(CO) 등과 같은 대기오염물질을 줄일 수가 있다. 그리고 연소 후에 부산물에 포함되어 있는 미연소분의 함량을 감소시켜서, 연료의 연소 효율을 향상시킬 수가 있다. 뿐만 아니라, 전술한 연료 첨가제는 완전 연소를 촉진하여 클린커 등과 같은 잔류하는 부산물을 감소시키는 효과가 있는데, 이하 구체적인 실험예를 이용하여 이를 구체적으로 설명한다.

후술하는 실험예는 본 발명의 실시예에 따라서 제조된 연료 첨가제를 유연탄을 현재 사용 중인 열병합 발전 보일러에 투입하여 투입 전과 투입 후의 대기오염물질, 연소재의 미연소분, 및 연소 후 보일러의 내벽에 잔류하는 클린커(clinker)의 양을 측정하였다. 사용된 보일러는 120톤/시간(ton/h)의 열병합 발전 보일러이며, 연료 사용량은 최대 13.6톤/시간(ton/h)이다. 테스트는 약 2개월간 수행되었으며, 사용된 연료 첨가제에 포함되어 있는 성분은 본 출원인외에는 알지 못하는 상태로 진행되었다.

테스트는 수용성 액체인 본 발명의 실시예에 따라서 제조된 연료 첨가제를 석탄 무게대비 약 1000:1로 물에 희석하여 주입 장치에 의해 보일러의 석탄 주입기(COAL FEEDER)내 콘베이어 벨트 위의 괴탄(50m/m 이하)위에 분무하였으며, 이 괴탄은 미분탄기에서 200 메쉬(mesh) 이하로 분쇄한 다음 석탄 버너를 통하여 연소시겼다. 대기오염물질의 측정은 측정대행업체를 통하여 1~3일 간격으로 먼지, SO_x, NO_x, 및 CO를 측정하였다. 그리고 연소재의 미연분을 측정하기 위하여 비산회(fly ash)와 바닥회(bottom ash)를 3~7일 주기로 채취하여 분석하였다. 또한, 보일러의 내벽에 잔류하는 클린커의 양은 바닥회에 섞여 있는 양으로 추정하였다.

표 1은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 연료 첨가제를 유연탄에 투입하기 전과 후에 발생한 대기오염물질의 측정 결과를 보여 준다. 그리고 도 2는 표 1의 데이터의 일부를 그래프로 표시한 것이다. 표 1에서 경과일은 상기 연료 첨가제를 최초로 투입하기 시작한 날로부터의 경과된 일수이다.

표 1 및 도 2를 참조하면, 연료 첨가제를 투입하기 후에는 투입하기 전에 비하여, 먼지(dust), SO_x, NO_x, 및 CO가 각각 28.9%, 8.9%, 11.3%, 및 19.2% 감소했다는 것을 알 수 있으며, 특히 효과 단계(연료 첨가제를 투입하기 시작한 이후로서, 연료 첨가제에 의한 연소 공정의 효과가 안정적으로 나타나는 기간)와 비교할 경우에는 투입하기 전에 비하여, 먼지(dust), SO_x, NO_x, 및 CO가 각각 46.9%, 10.2%, 13.0%, 및 27.0% 감소했다는 것을 알 수 있다. 특히, 먼지의 경우에 사용전 평균 19.4mg/sm³에서 10.3mg/sm³으로 약 47%나 감소하였다. 다만, 연료 첨가제를 사용 후 초기에는 먼지의 농도가 사용전보다 오히려 증가되었는데, 이것은 보일러 내부 및 전기 집진기 내에 부착된 스케일 등이 연료 첨가제의 영향으로 탈락되었기 때문으로 추정된다.

표 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 연료 첨가제를 유연탄에 투입하기 전과 후의 비산회 및 바닥회에 함유된 미연소분의 분석 결과를 보여 준다. 그리고 도 3은 표 2의 데이터의 일부를 그래프로 표시한 것이다. 표 2에서도 경과일은 상기 연료 첨가제를 최초로 투입하기 시작한 날로부터 경과된 일수를 가리킨다.

표 2 및 도 3을 참조하면, 연료 첨가제를 투입하기 후에는 투입하기 전에 비하여, 미연소분이 비산회에서는 투입 전 평균 26.2%에서 투입 후 평균 24.2%로 약 7.6%, 바닥회에서는 투입 전 평균 54.6%에서 투입 후 48.4%로 약 11.4% 감소한다는 것을 알 수 있다. 이것은 유연탄의 회성분이 10% 전후임을 고려할 때, 연료 절감의 측면에서 소정의 효과가 있는 것으로 추정할 수 있다.

또한, 상기 연료 첨가제를 투입한 후에는 보일러의 벽 내부에 부착되어 있던 클린커마저 탈락되는 효과가 나타났다. 보다 구체적으로 연료 첨가제를 투입한 초기 단계에서는 바닥회에 클린커가 다소 섞여 있는 것이 사진에 포착되었지만, 이들이 모두 배출된 이후에는 바닥회에 섞여 있는 클링커가 아주 미량인 것으로 판명되었다. 이것은 연료 첨가제가 클린커의 노내벽 부착 예방 효과가 있는 것으로 추정할 수 있는 자료이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라서 제조된 연료 첨가제를 화석 연료에 함께 사용하면, 오염 물질의 발생을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 미연소로 배출되는 연료의 양을 줄여서 연료의 연소 효율을 향상시킬 수 있다. 그리고 많은 양이 퇴적될 경우에 연소 장치의 가동 중단을 초래할 수 있는 클링커 등의 발생도 감소시킬 수가 있다.

이상의 설명은 본 발명의 실시예에 불과할 뿐, 이 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 기술 사상은 특허청구범위에 기재된 발명에 의해서만 특정되어야 한다. 따라서 본 발명의 기술 사상을 벗어나지 않는 범위에서 전술한 실시예는 다양한 형태로 변형되어 구현될 수 있다는 것은 당업자에게 자명하다.

110 : 제1 수용액의 준비 단계
120, 122, 124 : 제2 수용액의 준비 단계

Claims (3)

11~13 중량%의 수산화나트륨, 27~31 중량%의 붕사, 12~16 중량%의 과산화수소, 19~21 중량%의 트리에탄올아민, 1~3 중량%의 황산칼륨, 20~23 중량%의 물을 포함하는 제1 수용액을 준비하는 단계;
탄산칼륨을 물에 섞어서 교반하여 탄산칼륨 수용액을 만드는 단계;
상기 탄산칼륨 수용액에 과산화수소를 혼합하되, 온도가 50℃ 이하가 되도록 제어하면서 상기 과산화수소를 혼합하는 단계;
과산화수소가 혼합된 상기 탄산칼륨 수용액에 75~80℃의 온도로 가열된 트리에탄올아민을 섞어서 제2 수용액을 준비하는 단계; 및
상기 제1 수용액에 상기 제2 수용액을 약 10~20 중량%의 비율로 혼합하는 단계를 포함하는 연료 첨가제의 제조방법.

제1항에 있어서,
상기 제2 수용액에 포함되는 물, 탄산칼륨, 과산화수소, 및 트리에탄올아민은 각각 13~15 중량%, 19~22 중량%, 40~42 중량%, 및 20~23 중량%의 비율로 혼합되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 첨가제의 제조방법.

제1항 또는 제2항의 제조방법을 이용하여 제조된 연료 첨가제.

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