KR890000067B1 - 석탄-물 슬러리 연료의 고농도화 및 안정화 방법 - Google Patents

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내용 없음.

Description

석탄-물 슬러리 연료의 고농도화 및 안정화 방법

제1도는 a)및 b)도는 각각 본 발명에 있어서의 첨가제의 작용 원리를 설명하는 모식도.

제2도는 유리봉 침투 시험기구.

제3도는 석탄-물 슬러리 연료의 안정성 시험기구.

제4도는 실시예1의 결과도.

제5도는 실시예2의 결과도.

제6도는 실시예3의 결과도.

제7도는 실시예4의 결과도.

본 발명은 석탄-물 슬러리 연료의 고농도화 및 안정화 방법에 관한 것이다.

최근 정부와 산업체는 석유 의존도를 줄이고 에너지원 단위를 줄이기 위하여 값비싼 석유로부터 값싼 석탄으로 대체하기 위한 기술개발이 활발히 추진되고 있다. 그러나, 기존 보일러나 요로에 재래식 연소방법에 의한 석탄으로의 전환은 불가능하다. 따라서, 석탄-물 슬러리 연로는 기존 석유 연소 설비의 일부 개조만으로 그 이용이 가능하며, 액체 상태로 수송, 저장 및 연소가 용이하므로, 그 이용이 확산될 추세에 있다.

석탄-물 슬러리 연료는 석탄 60wt% 이상에 물 40wt%이하, 그리고 소량의 첨가제를 넣어 분쇄, 혼합한 액상 연료이다. 석탄-물 슬러리 연료의 석탄 농도가 낮으면 발열량이 감소하며, 이로 인하여 연소성이 저하, 보일러의 용량 저하, 증발 잠열에 의한 손실열 증가 등으로 불리하게 되므로, 가능한 석탄 농도를 최대한 높여야 된다. 또한, 시간이 경과하여도 석탄 입자는 침전 또는 응집되지 않고, 안정화 분산상태가 유지되어야 한다. 따라서, 석탄-물 슬러리 연료가 최소한 지녀야 할 특성요건은 다음과 같다.

-석탄 농도는 60wt% 이상으로 발열량이 4000Kcal/kg 이상일 것.

-슬러리 점도는 약 2000cp 이하일 것.

-석탄입도는 200메시 통과분이 70Wt% 이상일 것.

-안정성은 2주 이상 유지될 것.

석탄-물 슬러리 연료에 대한 연구는 1960년대에 이미 독일의 슈바르츠(Q.Schwartz)등에 의하여 펌핑특성을 비롯한 수력학적 연구와 실증 연소 실험을 실시한 바 있으나, 이때는 석탄의 고농도화 및 안정화가 시도되지 않았다. 그후, 1970년대에 와서 클랜스(Clancey)등에 의하여 61.3-75.0wt% 고농도의 슬러리 연료가 출현되었다(미국특허 제3,762,887). 1981년에는 풍크(Funk)등이 석탄-물 슬러리의 고농도 제조방법을 제안하였다.(미국특허 제3,762,887). 이 방법에서는 , 고농도화는 석탄 입도 분포 조절을 통하여 다음 구조식의 계면활성제(Lomar D, 알킬 모노나프탈렌 술폰산 나트륨)와 전해질(NaOH)을 첨가함으로써 가능하였으며, 이때 석탄농도 76.1wt%에서 점도 2000cp(Brookfield Vescometer, 60rpm)정도의 연료를 얻었다는 보고가 있었다.

그러나, 석탄 입도 분포 조절은 공업화하는 데 여러가지 어려움이 있고 탄종에 따라서 크게 영향을 미친다. 석탄은 일반적으로 유기질과 무기질의 복합적인 혼합물로 구성되어 있으며, 석탄-물 슬러리 연료에 사용되는 유연탄은 유기질이 약 90%이상이다. 또한, 유기질은 친유성(소수성) 표면을 가지며, 무기질은 친수성 표면을 가진다. 대부분의 유연탄 표면은 친유성을 지니기 때문에, 물과 잘 접촉하지 않고, 고농도화함에 따라 석탄 입자의 친유성 표면끼리 쉽게 접촉하여 응집된다. 이로 인하여 석탄-물 슬러리 연료의 안정한 분산상태는 파괴되고 불균일한 점도를 지닌다. 비록 유동성을 지닌다고 하드라도 입자간 응력으로 인하여 높은 점도를 나타낸다. 석탄-물 슬러리 연료를 고농도화 하는 문제는, 석탄의 종류, 입경, 입도 분포, 입자의 형상, 표면적에 따라 크게 작용되나, 본 발명에서는 계면활성제(유동화제) 및 전해질 첨가에 의한 고농도화 및 안정화 방법을 창안하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 전술한 기술들이 해결하지 못하였던 석탄-물 슬러리 연료의 새로운 고농도화 및 안정화 방법을 제시하고자 함에 그 주목적이 있다.

이러한 본 발명의 목적은 처리하고자 하는 석탄-물 슬러리 연료의 총 중량에 대하여 계면활성제(유동화제)로서 다음 구조식의 나프탈렌 술폰산 포름알데히드 축합물의 나트륨염 0.3-0.4wt%와 전해질로서 수산화나트륨 또는 수산화칼륨 0.1-0.2wt%를 상기 연료에 첨가하는 본 발명의 방법에 의하여 달성된다.

(위 식에서, n은 4-5의 정수이다.)

상기 계면활성제는 음이온성으로서, 나프탈렌 고리와 포름알데히드 가지와의 축합물은 함께 큰 소수성기를 형성하고 있는데, 여기에 효과적인 술폰산나트륨의 강력한 친수성기가 결합되므로, 분산작용을 지니게 된다. 상기 계면활성제와 전해질의 사용량은 여러번의 시험 결과 선택된 양으로서, 상기 사용량 이하 및 이상에서는 본 발명의 소기의 효과가 떨어지게 된다[제4도 및 제5도 참조]는 사실을 알게 되었다.

보편적으로, 분체의 분산 효과는 계면활성제(유동화제)를 첨가하여 얻을 수 있는데, 이것은 그 계면활성제가 친유성기와 친수성기를 동시에 지니고 있는 성질 때문이다. 석탄-물 슬러리 연료에 상기 계면활성제를 소량 첨가하면, 계면활성제의 친유성기가 석탄 입자의 친유성 표면에 흉착되어 석탄입자 표면은 친수성기로 둘러싸여 주위에 수화층을 형성하게 된다. 이때, 수화층으로 인한 분산작용은 고농도화 및 안정화에 영향을 미치며 석탄 입자 표면에 흡착된 계면활성제 분자의 입체적 작용에 의한 것과 정전기층 형성에 인한 것으로 기인된다. 석탄입자 표면에 입자표면에 수화층을 이루고 있는 친수성기는 입체적인 반발이 일어나 입자간의 응집 방지는 물론 거리를 유지시켜 줌으로써 침전이 방지되며, 만약 침전되드라도 "틱소트로피(thixotropic)"한 특성이 유지되어 재분산이 용이하다.

이온성을 지닌 계면활성제는 석탄 입자표면에 전기 이중층을 형성한다. 이때, 입자들 사이에는 반데르발스(Van der waals)인력과 전기 이중층에 의한 반발력이 함께 작용하며, 이 두 힘의 크기에 따라 안정한 분산상태를 이룰 수도 있고 불안정한 상태가 되기도 한다. 입자간의 거리에 따른 전위에너지는 소량의 전해질을 첨가함으로써 조절할 수 있다. 전해질 첨가는 표면전하를 더욱 크게 함으로써 효과적인 분산을 이룰수 있다. 즉, 석탄 입자간의 반발력을 증대시킴으로써 유동성을 증대시킬 수 있다. 석탄-물 슬러리 연료는 상기 계면활성제(유동화제)의 첨가에 의하여 점도가 떨어지게 되고, 이로 인하여 석탄농도를 약 9%(점도 1500cp 기준) 고농도화시킬 수 있다. 또한, 전해질인 수산화나트륨 첨가에 따라 점도가 더욱 떨어져서 석탄 농도를 약 3% 고농도화시킬 수 있다. 결과적으로, 첨가제에 의한 고농도화는 약 12% 정도 상승효과를 가져왔으며 안정성의 면에서도 약 2주 이상 안정한 분산상태를 유지할 수 있다.

상기 메카니즘을 첨부 도면에 따라 설명하면 다음과 같다.

제1도의 a)는 석탄 표면에 계면활성제가 흡착되어 수화층이 형성되는 상태의 모식도이다. 여기에서, 석탄입자의 주위에 형성되는 수화층은 석탄-물 슬러리 연료의점도를 낮추어주며 안정성에도 크게 기여한다.

또한, 제1도의 b)는 석탄 표면에 이온성을 지닌 계면활성제가 흡착되어, 전기 이중층을 형성하는 모식도이다.

본 발명의 방법에 따라 제조된 석탄-물 슬러리의 고농도화 및 안정도 시험은 브룩필드 점도계(RVT, No.3 Spindle 50rpm)와 제2도 및 제3도에 도시된 기구로 다음과 같이 실시할 수 있다. 고농도화 시험은 연료 제조시에 첨가제를 투입하여 석탄농도에 따른 점도의 변화를 측정하고, 기준점도(1500cp)에서의 농도를 비교하여 고농도화 점도를 구하였다. 제2도에 도시된 유리봉 침투 시험 기구는 저장조내에서 석탄-물 슬러리 연료의 상태변화, 즉 선탄 입자의 침전 및 점도변화를 간접적으로 알아내기 위한 것이다. 이 기구는 유리봉(1), 유리봉 지지대(2) 및 저장조(3)으로 구성되어 있다. 유리봉(1)은 직경 5mm, 무게 20g이고, 유리봉 지지대(2)는 유리봉(1)이 중력에 의하여 저장조(3)내의 석탄-물 슬러리 연료내에 침투하는 동안 유리봉(1)의 낙하 방향을 수직으로 유지시켜 준다. 저장조(3)은 높이가 20cm이며, 시료인 석탄-물 슬러리 연료는 18cm의 높이까지 채워서 유리봉의 낙하 깊이에 따른 침투시간을 측정한다. 유리봉 침투시간이란, 유리봉의 최하단부가 시료 상부 표면에서 저장조의 바닥면까지 침투하는데 걸리는 시간을 의미한다.

제3도는 제2도 기구를 사용한 시험에 의하여 그 성능이 우수하다고 판단되는 첨가제에 한하여 행하는 첨가제의 효능판단을 위한 기구이다. 저장조는 직경 85mm, 높이 850mm의 원통형(실린더형)기구로서 하단부로부터 60mm의 높이에 시료 채취구(4)를 설치하였다. 이 기구를 사용하여 하부에 침강되는 석탄-물 슬러리 연료의 농도를 시간에 따라 측정함으로써 안정도를 판단할 수 있게 된다. 이때, 시료는 저장조의 800mm 높이까지 채우고, 2주간 매일 채취된 시료의 농도를 측정한다. 농도측정은 채취된 시료를 건조 오븐에서 105±5℃의 건조 온도하에 항량으로 될 때까지 건조하여 총 시료량에 대한 건조된 석탄량의 중량 비율로 구하였다. 이들 시험을 통하여 본 발명 방법에 사용된 계면활성제가 전술한 미국특서 제 4,282,006호에서 사용된 Lomar D보다도 고농도화 및 안정성이 우수하다는 사실을 알 수 있었다. 석탄-물 슬러리 연료의 석탄 입도는 약 200메시 통과분이 70wt% 이상이며, 석탄 분쇄는 건식으로 하여 물 및 첨가제를 혼합할 수도 있겠으나, 석탄 분쇄를 습식으로 물 및 첨가제를 동시에 투입하여 분쇄, 혼합하는 방법이 바람직하다.

본 발명에서 사용된 석탄은 남아프리카산 유연탄으로서, 그 물성은 다음 표와 같다.

[표 1]

이하, 본 발명을 다음의 실시예에 따라 구체적으로 설명하겠다.ㅣ

[실시예 1]

측정에 사용된 석탄-물 슬러리는 상기 표 1 기재의 미분탄과 물을 적정 비율로 예비 혼합한 후에 교반기를 사용하여 균일하게 혼합시켰다. 이때, 첨가제를 넣지 않고 농도 증가에 따른 점도 변화를 측정하고, 계면활성제인 나프탈렌 술폰산 포름알데히드 축합물 0.3wt%를 넣었을때의 농도 증가에 따른 점도 변화에 전해질인 수산화나트륨 0.1wt%를 첨가하였을 때의 농도 증가에 따른 점도 변화를 측정하였다.

제4도는 그 실험결과를 나타낸 것으로서, 첨가제를 사용하지 않았을 때에 비하여 첨가제를 사용함으로써, 기준점도(1,500cp)에서 농도를 약 12% 정도 높일 수 있다는 것을 보여주고 있다.

[실시예 2]

본 발명의 방법에 의하여 제조된 석탄-물 슬러리 연료(표 1 기재의 유연탄 사용, 농도 65wt%)는 동일한 조건으로 미국특허 제4,282,006호에서 사용하였던 Loma

r D를 사용하여 제조된 석탄-물 슬러리 연료와 첨가제 함량변화가 점도에 미치는 영향을 비교하였다.

제5도는 그 실험결과를 나타낸것으로서, 본 발명에 사용된 계면활성제(나프탈렌 술폰산 포름알데히드 축합물의 나트륨염)가 Lomar D보다 효과가 우수하다는 것을 보여주고 있다.

[실시예 3]

본 발명에 의하여 제조된 석탄-물 슬러리 연료(표 1 기재의 유연탄 사용, 농도 65wt%)는 동일한 방법으로 Lomar D를 사용하였을때의 유리봉 침투시험에 의한 안정성을 비교 시험하였다.

제6도는 그 실험결과를 나타낸 것으로서, 양자의 첨가제가 석탄 입자를 침전시키지 않는 상태로 비슷하게 안정성이 유지 되었으나, 점도는 점차 상승되지만, 다시 석탄-물 슬러리 연료를 교반시켰을때 처음 제조시와 비슷한 점도를 얻을 수 있다는 사실을 보여주고 있다.

[실시예 4]

본 발명 방법에 따른 첨가제인 나프탈렌 술폰산 포름알데히드 축합물의 나트륨염(계면활성제)과 수산화나트륨(전해질)을 첨가하여 제조한 석탄-물 슬러리 연료(표 1 기재 유연탄 사용)의 안정성은 제3도의 안정성 시험기구를 사용하여 측정하였다. 첨가제를 넣지 않고 제조하였을 경우에, 하루 경과한 석탄-물 슬러리는 굳은 침전층이 형성되어 제3도의 채취구(4)를 통하여 시료 채취가 불가능하였으나, 첨가제를 사용하였을 경우에는 제7도와 같이 시간이 경과함에 따라 농도의 변화는 크기 않았고, 약 2주간 비교적 양호한 안정도가 유지되었다.

Claims (1)

1. 석탄-물 슬러리 연료를 제조함에 있어서, 연료의 총 중량에 대하여 계면활성제로서 다음 구조식의 나프탈렌 술폰산 포름알데히드 축합물의 나트륨염 0.3-0.4wt%와 전해질로서 수산화나트륨 또는 수산화칼륨 0.1-0.2wt%를 상기 연료에 첨가하는 것이 특징인 석탄-물 슬러리 연료의 고농도화 및 안정화 방법.

   

   (여기서, n은 4∼5의 정수이다.)

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