KR840000257B1 - 뇨혼합 에멀죤 연료류 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

뇨혼합 에멀죤 연료류

본 발명은 뇨혼합 에멀죤 연료유(B.C 油十尿)에 관한 것이다. 연료유와 물을 혼합한 유중수적형(油中水滴形, water in oil W/O)에멀죤연료의 효과에 관하여는 이미 알려진 사실이나 그 실용적 단계에 이르지 못하였으며 근래에 와서 유류절약과 공해 방지를 목적으로 에멀죤연료가 선진각국에서 연구의 과제로 되고 있다.

액체연료의 연소시에는 버너가 액체연료를 30-100μ크기로 분사시켜 주므로서 연소공기와 혼합되어 연소가 된다. 이때 유적(油滴)이 작을수록 연소상태가 양호해 진다. 에멀죤연료는 물과 기름이 혼합되어 유화(乳化)된 것으로서 기름중에 미세한 수적(水滴)을 함유하고 있고 2-10μ 정도의 수적 주위에 기름이 연속적으로 싸여 있다. 기름과 물은 서로 용이하게 섞이지 않기 때문에 이 2종류의 액체를 혼합하기 위해서는 ① 기계적교반에 의한 방법. ② 초음파에 의한 방법. ③ 유화제를 사용하는 방법 등이 있다.

유화제는 주로 계면활성제로서 기름과 물의 혼합을 용이하게 하여줄 뿐 아니라 분산된 물입자가 재결합하고 성장하여 종극에는 기름과 물이 분리되는 현상을 억제한다. 일반적으로 분산상의 비율이 커질수록 점도는 증가하므로 일반적으로 물의 혼합비율은 10-30wt%의 범위이다. 에멀죤연료의 연소메가니즘은 연료유가 버너에서 분무되면 30-100μ 정도의 방울이 되어 비산하며 연료유적이 가열되어 표면의 기름이 기화하면서 연소가 일어난다.

이와 동시에 유적내의 온도가 상승하여 수적이 폭발적으로 기화하여 주위의 유막을 파열시켜 미세화 한다. 이것을 후분사라 하며, 이러한 2차 미립화 현상에 의하여 연소효율이 상승하고 공해방지의 효과가 생긴다.

에멀죤연료를 얻기 위하여 각국에서 연구된 각종 유화제가 있으나 유화된 에멀죤연료가 시간의 흐름에 따라 다시 유수(油水)가 분리되는 현상이 생기고 또 유화가 잘 이루어지더라도 수적의 크기가 커서 에멀죤연료로서의 실효를 거두기 어려운 현상이다.

본 발명자는 그 유화제로서 뇨를 사용하였던바 그 효과가 지금까지 알려진 어떤 유화제보다 크며 더욱 놀라운 사실은 뇨와방카 C유를 혼합후 시간의 경과에 따라 더욱 유화상태가 좋아진다는 사실을 발견한 것이다.

뇨의 성분은 다음표와 같이 대부분이 물이며, 고형 분은 10%도 안된다. 이 소량의 고형물질중 대부분이 요소를 비롯한 단백질 계통이다. 특히 Enzyme의 양은 요소보다 적지만 우리 체내에서 생성되고 있는 모든 Enzyme이 배출되므로서 그 종류는 무수히 많다.

뇨의 유화성은 이 Enzyme에서 비롯되는 것으로 예상된다. 특히 혼합후 시간경과에 따른 현미경 사진에서 볼수 있는 바와같이 에멀죤의 입자가 시간경과와 더불어 작아짐을 알수 있어 뇨의 유화성의 우수성을 인정할 수 있는 것이다.

뇨의 성분

㎎% : ㎎/100ml

이와같이 에멀죤의 입자가 작을수록 균일하게 연소가 종결되어 매연의 발생이 억제되는 것이다.

본 발명의 뇨혼합 에멀죤연료의 작용과 효과를 상세히 설명하면 다음과 같다.

1. 유화효과 ; 앞의 표와같이 뇨의 주성분은 요소이지만 Enzyme의 성분인 단백질의 함량이 상당히 높다. 뇨 1000ℓ를 pH8.0으로 유지시키면 3-4㎏의 단백질 계통의 침전물이 생기는데 그 주성분이 Enzyme이다. 단백질 계통은 약간 저어주어도 거품이 일어나는 것을 볼수 있는데 이것이 유화성을 간단히 증명하는 것이다. 따라서 뇨의 유화성은 Enzyme의 효과라고 예상되며 또한 계면활성제의 검토결과 뇨의 HLB값은 대략 10이상으로 예상된다.

2. 2차미립화 효과 ; 연료에 물이 혼합되면 연소상태가 불완전하여 미연탄소의 배출량이 증가하고 첨가된 수분의 증발잠열과 현열이 증가하여 연소효과가 감소되리라 예상된다. 그러나 에멀죤 연료에 있어서는 특히 배기량이 적은 소형엔진에서 미연탄소의 배출량이 증가하는 것을 제외하고는 오히려 연소효과가 상승하게 된다. 액체 연료는 연소시 공기와 접촉을 원활히 시키기 위하여 일반적으로 버어너를 사용하여 분사시킨다. 연료가 버어너에서 분무되면 약 30-100μ 정도의 입자로 비산하게 된다. 분사된 에멀죤 연료의 액적은 가열되어 표면의 기름이 연소하게 된다. 그와 동시에 분무적의 내부온도로 상승하여 외피의 기름이 전부 증발. 연소되기 전에 수적이 폭발적으로 기화하면서 파열을 일으켜 세분화 시킨다. 이 2차미립화 현상을 후분사라고 하며 스팀제트버너(Steam Jet Burner)의 증기분사와는 그 효과가 전혀 다르다. 여기서 버어너에서 분사된 1차 분사적을 모적(母滴), 후분사에 의해 생성된 미립적을 자적(子滴)이라고도 한다. 에멀죤연료의 분무적이 연소도중에 일으키는 2차 미립화 현상의 과정은 보통 다음의 3단계로 분석되고 있다. ① puffing : 수증기가 비교적 완만하게 분출되는 현상으로 유적을 튀겨 날릴 정도는 아니다. ② microexplosion :수증기와 열수(熱水)의 돌분(突噴)과 함께 대소무우의 자적을 발산하는 현상. ③disruption : mircroexplosion현상이 한층 격렬해지면 모적 전체가 순식간에 무수한 자적으로 분리되는 동시에 모적도 사라져버리는 현상으로 이를 mircroexplosion으로 보는 경향도 있다. 에멀죤 연료의 1차 분무시 수적내의 용적변화를 고려해 보면 20℃의 물을 1로 했을때 포화수증기에서 약 1,650배, 1000℃의 과열증기로 되면 약 6,000배로 팽창한다. 이러한 기화팽창은 고온연소화염내에서 순간적으로 일어나기 때문에 유적내부에서 폭발현상을 일으켜 연료 유적이 파열되어 산산조각으로 흩어지게 된다. 이 때문에 버어너 노즐로 부터 분무된 연료유립(燃料油粒)은 재미립화됨과 동시에 확산되므로 연소용 공기와의 접촉 면적이 증대되고 또 혼합도 촉진되어 저과잉공기에서도 완전연소가 가능하다. 이 결과 열효율이 향상되고 또한 고속으로 비산화는 미립자는 화염고온부(火

高油部)를 짧은 시간에 통과하므로 분포연소(分布燃燒)에 가까워져 Thermal NO_x의 배출량도 감소한다.

3. 열효율 상승효과 에멀죤연료는 물이 첨가되므로 이 첨가부의 증발잠열과 배가스온도까지의 현열이 손실된다. 물의 혼합율이 15wt%인 에멀죤연료를 연소시키면 배가스의 배출온도를 200℃기준할때 혼합부의 잠열은 연료 사용량의 약 1.1%를 차지한다. 따라서 에멀죤연료의 열효율이 상승하기 위해서는 이보다 더 큰 연소효과가 있어야 한다. 에멀죤연료는 후분사 현상으로 인하여 연소상태의 안전과 완전 연소상태를 얻을수 있다. 그러나 이러한 연소효율 상승에 의한 직접적인 열효율 상승은 약 1%에 불과하다. 보다 큰 열효율 상승효과는 후분사 현상에 따른 간접적인 영향이 더 크다. 에멀죤연료가 보일러 효율을 상승시키는 주요인은 완전연소로 인하여 공기비를 낮출수 있고, 또한 Soot가 거의 생성되지 않기 때문이다.

① 노압상승

에멀죤연료의 연소시에는 노압을 상승시킬 수 있다. 노내압력을 50㎜Ag 증가하면 배가스온도가 10℃ 저하된다.

② 공기비 감소

에멀죤연료 연소시에는 공기비를 10-20% 감소시킬수 있으므로 열효율이 0.5-2.5%, 일반적으로 1.2%이상 향상될 수 있다.

③ 열전달효과의 향상

에멀죤연료의 연소시에는 Soot의 발생이 감소되므로 보일러 열전달면에 스케일의 부착현상이 없어지게 된다. 두께가 1㎜일때 연료사용량은 약 2.8% 증가하게 되므로 에멀죤연료의 열효율은 상승하게 된다. 에멀죤연료의 연소시 보일러 열효율 상승효과의 주요인은 이러한 열전달 효과의 향상때문이라 예상된다. 에멀죤연료의 연소시 열전달효과 상승의 요인을 세분하면 다음과 같다.

가) Soot의 발생감소와 함께 열전달면 부착율의 감소로 인한 열전도도의 증대.

나) 첨가 수분의 증발과 함께 배가스량의 증가로 인한 노내가스의 Turbulent현상이 미치는 가스측 열전달 계수의 증대.

다) 노내의 CO,H₂O증가에 의한 Emissivity증대.

이러한 열전달 향상으로 인하여 공기비가 감소함에도 불구하고 배가스온도는 크게 저하하게 된다. 일반적으로 에멀죤연료의 효과가 크게 나타나는 보일러의 조건은 다음과 같다.

① 노후하고 연소상태가 불량한 저효율 보일러

② 10톤 미만의 소형보일러

③ 저부하 운전 보일러

부하율이 50% 이하에서 에멀죤연료의 연료절감 효과는 크게 나타나며 부하율이 85% 이상에서는 그 효과가 미미하다. 또한 에멀죤연료의 효과는 보일러의 형식과는 무관하며 로타리버어너에서 그 효과가크리라 예상된다.

4. SO_x중화작용

뇨의 고형분을 다시검토하면 주성분인 요소와 단백질등의 질소물과 Ca,K,Cl,Na 등 무기물로 구분할 수 있다. 뇨의 질소물은 대기중에 나오면 쉽게 NH₃를 발생시키므로 뇨의 독특한 냄새를 풍긴다. NH₃는연료중 유화물의 연소물인 SO_x와 쉽게 반응하여 (NH₄)₂SO₄등을 형성한다. 이 중화반응식은 다음과 같다.

2NH₃+SO₃₊H₂O→(NH₄)₂SO₄

따라서 보일러의 저온 부식을 방지하기 위하여 연도에 NH₃가스를 투입하는 방법은 오래전부터 사용하여왔다.그러나 연소시에 NH₃혹은 그 중화생성물인 (NH₄)₂SO₄가 연소될 수 있으며 (NH₄)₂SO₄는 다음과 같이 분해될 수 있다.

위 반응식에 의하면 NO_x의 발생량이 증가하게 될 것이나 실험결과 SO_x와 NO_x가 함께 감소하는 효과가 나타났으므로 위의 분해반응은 일어나지 않는다고 판단된다. 또 다른 반응으로는 에멀죤상태에서 뇨종의 무기물이 황화물과 반응하여 무기물의 황화물을 형성하는 것이다. 이 반응은 연료의 탈황방법의 하나로 사용되고 있으며 이들 무기황화물은 용해도가 작고 비중이 커서 침전물을 형성하였다가 분무시 버어너 아래로 떨어진다고 가정할 수가 있다.

5. NO_x의 발생 억제

탄화수소 연료의 연소시에는 연소공기중의 질소와 연료중의 질소가 산화하여 공해물질인 NO_x(NO,NO₂,NO₃,N₂O,N₂O₃,N₂O₄,N₂O₅등)이 발생한다. 에멀죤연료가 연소할때는 연료중의 물이 급속히 증발할때 주위로부터 잠열을 빼앗아 화염온도를 저하시켜 화염의 고온유지 시간을 단축시켜 NO_x의 발생을 감소시키고 후분사 효과로 공기와 연료의 혼합상태를 양호하게 만드므로 공기비를 감소하여도 양호한 연소상태를 얻을수 있고 공기비가 감소하면 산소의 농도가 함께 감소하게 되므로 NO_x의 발생이 감소하게 되며 첨가수에 의한 NO_x의 중화로 NO_x가 감소되는 것이다.

6. 매연의 감소

연료가 버어너에서 분사될때 큰 분무적은 미처 연소하기 전에 분해하여 잔사를 형성하고 또한 연소열에의해 축합되어 미연탄소를 형성하여 매연을 발생하게 되나 에멀죤연료의 연소시에는 후분사현상에 의하여 액적이 대단히 작아지고 연소온도가 낮아지게 되므로 매연의 발생이 감소하게 된다. 시험결과 Smoke, Dust, CO등 배출량은 다음표와 같이 거의 반으로 감소되었으며 NO_x와 SO_x도 10%이상 감소 효과가 나타났다. SO_x의 감소효과는 뇨의 분해물인 NH₃의 중화작용의 결과로 예상되며 뇨혼합에멀죤의 특성이라 할수 있다.

환경오염물질의 배출량 측정결과

이상에서 살펴본 바와같이 본 발명 뇨혼합 연료유는 그 유화성 때문에 연소효과가 향상되어 유류절약을기할수 있을뿐 아니라 공해방지에도 탁월한 효과가 있음을 알게 된 것이다.

Claims (1)

1. 방카 C유에 5-30wt%의 뇨를 혼합함을 특징으로하는 에말죤 연료유