KR20200075947A - 산성이온수를 이용한 유화연료유 및 그 제조방법 - Google Patents

산성이온수를 이용한 유화연료유 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 중질유에 포화 수소용존량이 20℃ 1기압에서 0.8 내지 1.1ppm인 산성이온 수소수 및 유화제를 첨가하여 제조되되 고도로 균질하게 분산되어 형성됨으로써, 기존의 유화연료유 대비 점도는 낮추고 발열량은 높여, 환경오염방지, 원유사용절감 및 에너지효율증가 효과가 있도록 한 산성이온수를 이용한 유화연료유 및 그 제조방법을 제공한다.

Description

산성이온수를 이용한 유화연료유 및 그 제조방법{Emulsified fuel-oil using acidic ion water and manufacturing method the same}
본 발명은 산성이온수를 이용한 유화연료유 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 중질유에 포화 수소용존량이 20℃ 1기압에서 0.8 내지 1.1ppm인 산성이온 수소수 및 유화제를 첨가하고 고도로 균질하게 분산시켜 형성되며, 기존의 유화연료유 대비 낮은 점도와 높은 발열량을 가지도록 하고, 환경오염 방지, 원유사용량 절감 및 에너지효율 증가 효과가 있도록 한 산성이온수를 이용한 유화연료유 및 그 제조방법에 관한 것이다.
정유공장의 상압증류탑에서 전처리된 원유는 끓는점의 차이에 따라 증류를 하면 가벼운 경질유분부터 차례로 증기가 되고, 마지막에는 증류탑 하단에 비점이 높은 중질유분이 원유대비 약 40 내지 50부피% 남게 된다.
이렇게 증류를 거친 잔사유에는 소량의 경질유분과 함께 물, 침전물 및 황 등의 불순물이 포함되어 있는데, 벙커-C층에서 경질유분을 한번 더 증류시키고 흙 등의 불순물을 제거함으로써 최종적으로 소비자에게 공급되는 제품의 품질을 높임과 동시에 벙커C유를 사용하는 장치를 보호하게 된다.
이때, 벙커C유와 같은 중질유는 발열량이 높고 가격이 저렴하여 경제적이라는 장점이 있지만 점도가 높고 상온에서도 유동성이 좋지 않은 성질이 있어서 연료의 공급 및 취급이 어려운 단점이 있다. 따라서, 주로 산업체의 대형보일러에 사용하며, 수송 및 사용 과정에서 약 50℃로 예열하여 연료가 잘 흐를 수 있도록 할 필요가 있다.
이에 중질유의 점도를 낮추고 상온에서의 유동성을 좋게 하며 대기오염 물질을 줄일 수 있는 방안으로 유화연료유가 제시된다. 유화연료유란 정제유 또는 중질연료에 물과 유화제 등을 혼합하여 유화시킨 연료로서 중질연료의 연소성을 개선하여 대기오염의 주범이 되는 먼지(Dust), 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx), 매연 및 기타 대기오염물질을 감소시킨 연료이다. 그러나, 종래의 유화연료유는, 발열량이 벙커C유를 기준으로 할 때 70%에 미치지 못하기 때문에 에너지효율이 높지 않은 문제를 가진다.
국내등록특허공보 제10-1076631호 국내공개특허공보 제10-2009-0078027호
본 발명은 위와 같은 종래의 문제점을 고려하여 안출된 것으로서, 기존의 유화연료유 대비 점도를 낮춰 상온에서의 유동성을 개선하고 발열량은 높아지도록 하여, 원유사용량을 절감하면서도 에너지효율 및 환경오염 방지효과를 향상시킬 수 있는 산성이온수를 이용한 유화연료유 및 그 제조방법을 제공하는데 그 주된 목적이 있다.
본 발명의 일 측면은, 중질유; 음이온에 둘러싸여 포화 수소용존량이 20℃ 1기압에서 0.8 내지 1.1ppm인 산성이온 수소수; 및 유화제; 를 포함하고, 고도로 균질하게 분산되어 형성되는 산성이온수를 이용한 유화연료유를 제공한다.
본 발명의 바람직한 특징에 의하면, 상기 유화연료유는, 상기 중질유 60 내지 90부피%, 상기 산성이온 수소수 9 내지 39부피% 및 상기 유화제 1부피%를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 중질유, 포화 수소용존량이 20℃ 1기압에서 0.8 내지 1.1ppm인 산성이온 수소수 및 유화제를 포함하는 혼합액을 마련하는 단계; 및 상기 혼합액을 고압균질기를 이용하여 균질하게 분산시키는 단계; 를 포함하는 산성이온수를 이용한 유화연료유의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 특징에 의하면, 상기 산성이온 수소수는, 수돗물을 전기해리하여 이온수기에서 이온교환막의 좌우로 양이온과 음이온이 각각 이동되도록 하여 양극에서 음이온이 모인 산성이온수를 마련하는 단계; 및 상기 산성이온수를 전기분해하여 음극에서 발생된 수소기체가 다량의 음이온에 둘러싸여 산성이온 수소수가 되도록 하는 단계; 를 포함하여 제조할 수 있다.
본 발명의 바람직한 특징에 의하면, 상기 혼합액을 상기 고압균질기를 이용하여 균질하게 분산시키는 단계는, 상기 혼합액을 고압으로 펌핑하여 노즐의 좁은 간격을 250m/s 이상의 속도로 통과시키는 단계; 및 노즐의 출구에서 수직으로 충돌시켜 미립화시키면서 팽창 확산시키는 단계; 를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 유화연료유 제조시 사용되는 물로서 산성이온 수소수를 사용하여 중질유와 혼합하고 유화입자를 고도로 균질하게 미세화함으로써, 유화연료유의 점도는 낮추고 열량은 극대화하여 상온에서의 유동성을 개선하고 원유사용량은 절감하면서도 에너지효율은 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 유화연료유를 버너의 분사노즐을 통하여 분무할 때 연료 중의 물 입자가 고열에 의해 1,000 내지 1,800배로 급팽창하면서 미세폭발(micro explosion)을 일으켜 둘러싸고 있는 기름입자를 더욱 미세하게 분사시키게 되므로, 화염 중에서 산소와의 접촉면적이 증대되어 완전연소를 촉진할 수 있고 이에 대기오염물질의 생성을 극소화하여 환경오염을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 유화연료유 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
본 실시예에 따른 유화연료유는, 중질유, 산성이온 수소수 및 유화제를 포함한다. 이때, 상기 유화연료유는, 상기 중질유 60 내지 90부피%, 상기 산성이온 수소수 9 내지 39부피% 및 상기 유화제 1부피%를 포함할 수 있다.
상기 중질유는 원유를 포함하는 벙커A유, 벙커B유 및 벙커C유와 같은 고점도의 중유 및 경유 중 하나일 수 있으며, 바람직하게는 벙커C유일 수 있다. 벙커A유와 벙커B유는 벙커C유의 사용 편의성을 높이기 위해 경질유분을 혼합하여 생산한 연료이다. 벙커A유는 산업용 소형보일러와 중소형 선박에 주로 사용될 수 있고, 벙커B유는 중형 보일러와 중형 선박에 주로 사용될 수 있다.
에너지 기본법 시행규칙의 에너지 열량 환산기준에 의하면 벙커A유의 총 발열량은 9,300kcal/L이고, 벙커B유의 총 발열량은 9,650kcal/L이고, 벙커C유의 총 발열량은 9,900kcal/L로 벙커C유가 가장 높지만, 벙커C유의 경우 취급이 어려운 단점이 있기 때문에 장치의 크기와 특성을 고려하여 적합한 연료를 선택적으로 사용할 필요가 있다.
상기 산성이온 수소수는 수소가 녹아있는 물로서, 포화 수소용존량이 20℃ 1기압에서 0.8 내지 1.1ppm일 수 있다.
본 실시예에서, 중질유는 기름 성분이고 산성이온 수소수는 물 성분이므로 이 둘의 혼합이 제대로 이루어지지 않게 된다. 상기 유화제는 이러한 중질유와 산성이온 수소수가 잘 혼합되도록 하는 역할을 수행할 수 있다.
이때, 상기 유화제는 무기계 유화제 또는 유기계 유화제를 사용할 수 있다. 예컨대, 상기 무기계 유화제는 NaCl(염화나트륨), MgCl(염화마그네슘), CaCl2(염화칼슘) 등의 수용성염, EDTA-4Na 또는 이들의 혼합물로 이루어질 수 있다. 상기 유기계 유화제는 Span 80, NP8 또는 이들의 혼합물로 이루어질 수 있다. 본 발명의 유화연료유는 사용되는 유화제의 특성에 따라 무기계 유화연료유와 유기계 유화연료유로 구분될 수 있다.
이와 같이 이루어진 본 실시예의 산성이온수를 이용한 유화연료유를 제조하기 위해서는, 중질유, 포화 수소용존량이 20℃ 1기압에서 0.8 내지 1.1ppm인 산성이온 수소수 및 유화제를 포함하는 혼합액을 마련한다(S3).
상기 산성이온 수소수는 수돗물 또는 지하수 등에 수소를 직접 분사(sparging), 자화 처리 및 초음파 처리, 광석 처리, 미네랄 처리, 마그네슘과 물이 반응하면 수산화 마그네슘과 수소가 생성되는 원리를 이용한 마그네슘 스틱법 또는 전기분해 등의 다양한 방법에 의해 제조될 수 있다.
이때, 원수로서 수돗물 또는 지하수를 사용하는 이유는 물 속에 녹아있는 용존 양이온과 음이온의 양이 다른 물에 비해 상대적으로 많아 제조된 수소수의 포화 수소용존량을 최대한으로 확보하기 위함이다.
본 실시예는 상기 수소수 제조방법 중에서 바람직하게 전기분해법으로 제조되는 전해 수소수를 유화연료유의 재료로 사용하는 것을 예로 들어 설명한다.
상기 전기분해법은, 먼저 수돗물 또는 지하수를 전기해리하여 이온수기에서 이온교환막의 좌우로 양이온과 음이온이 각각 이동되도록 하여 (+)극 쪽에 음이온이 많이 모이는 산성이온수를 마련하는 단계를 수행한다(S1). 이때, 상기 음이온은 탄산이온(CO3 2), 중탄산이온(HCO3 -), 인산이온(PO4 3-), 질산이온(NO3 -) 규산이온(SiO4 4-), 황화이온(S2-) 및 플로루화 이온(F-) 중 적어도 하나 이상일 수 있다.
다음으로, 상기 물과 다량의 음이온을 포함하는 산성이온수를 전기분해 하는 단계를 수행하여, 물분자 2H2O를 O2기체와 2H2기체로 분리하고 (-)극에서 발생하는 수소기체가 음극에서 발생하여 다량의 상기 음이온에 둘러싸이도록 함으로써, 포화 용존수소량이 증가되고 수소기체가 안정화되어 용존기간이 늘어난 산성이온 수소수를 제조할 수 있다(S2).
상기 산성이온 수소수는, 포화 수소용존량이 20℃ 1기압에서 0.8 내지 1.1ppm까지 증가될 수 있다. 참고로, 일반적인 수소수의 포화 수소용존량은 동일 조건에서 0.02 내지 0.08ppm 수준임에 비추어 포화도가 매우 향상됨을 알 수 있다.
유화연료유의 완전 연소화 원리인 미세폭발(Microexplosion) 이론은 미세한 에멀젼 상태의 물이 오일의 연소시 발생하는 열로 인하여 급속히 가열되어 미세폭발(Microexplosion)을 일으키고, 미연소의 오일을 더욱 더 작은 크기로 분산시키는 것이다.
즉, 공기와의 접촉효율을 향상시키는 방법으로 오일의 전체 연소효율을 향상시키는 것을 원리로 하는 것으로서, 미세폭발(Microexplosion) 이론에 의할 때 유화 연료유의 연소성능 또는 연소효율을 향상시키기 위해서는 에멀젼 상태로 존재하는 액적의 크기가 보다 작은 것이 유리하다. 이를 위해 위와 같이 마련된 혼합물을 고압균질기를 이용하여 균질하게 분산시키는 과정을 더 진행할 수 있다.
여기서, 고압균질기는 거칠은 유상액을 미세입자로 분해시켜 안정된 유화상태의 품질로 만들어 주는 균질화(homogenization)의 역할을 효과적으로 수행하는 장치로서, 플런져 펌프, 밸브 및 균질화블록을 포함하고, 상기 균질화블록은 호모 노즐 및 임팩트 링을 포함할 수 있다.
액상의 혼합물은, 위와 같이 구성된 약 1,000bar 이상의 고압균질기의 플런져 펌프작용(펌핑)에 의해 밸브에 공급되어 호모 노즐(homo nozzle) 사이의 좁은 간격을 대략 250m/s의 초고속으로 통과하게 되고(S4), 이때 분산된 입자는 전단작용을 받아 분쇄되며 호모 노즐의 출구에서 임팩트 링(impact ring)에 수직으로 충돌하여 충격에 의해 분산된 입자는 균질화게 분산되어 더욱 미세해지는 미립화 작용이 이루어지게 된다(S5). 또한, 고압에서 저압으로 압력이 갑자기 낮아지므로 팽창 및 확산되어 초미립(0.1mm 이하) 입자를 만들 수 있으며, 이러한 초미립 입자의 생성과정을 통해 유화연료유의 연소성능 및 연소효율을 더 향상시킬 수 있게 된다.
실험예
본 발명의 실시예와 비교예에 따른 유화연료유는 다음과 같다.
비교예 1은 100부피%의 벙커C유이고, 비교예 2는 벙커C유 70부피%에 수돗물 29부피%와 유화제 1부피%를 첨가한 것이고, 비교예 3은 벙커C유 70부피%에 일반 수소수(예: 수돗물을 전기분해하여 만든 수소수) 29부피%와 유화제 1부피%를 첨가한 것이다.
이와 달리, 실시예 1에 사용된 수소수는 본 발명에 따른 전기분해방식을 적용하여 제조된 산성이온 수소수이고, 전기분해시 사용된 물은 알칼리 환원수 제조장치를 이용하여 얻은 산성이온수이며, 산성이온 수소수의 포화 수소용존량은 20℃ 1기압에서 1.0 ppm이다.
또한, 비교예 1 내지 3 및 실시예 1의 벙커C유는 모두 현대오일뱅크㈜에서 공급받은 벙커C유를 사용하였고, 비교예 2, 3 및 실시예 1의 유화제는 둘 다 span 80을 사용하였다.
열량을 측정하기 위해, 비교예 1 내지 3 및 실시예 1은 각각 호모믹서를 이용하여 7,500rpm으로 1시간 동안 상온에서 혼합한다. 그리고 한국석유관리원 석유기술연구소에 의뢰하여 시험방법 KS M 2057:2006에 의해 비교예 1 내지 3 및 실시예 1의 열량을 측정하여 아래 표 1에 나타내었다.
벙커C유
%(v/v)		 물
%(v/v)		 Span 80
%(v/v)		 열량
(Kcal/g)		 열량비율
(%)
비교예 1 100 9,928 100
비교예 2 70 수돗물 29 1 6,375 64.2
비교예 3 70 일반 수소수 29 1 6,839 68.9
실시예 1 70 산성이온 수소수 29 1 8,061 81.2
표 1을 참조하면, 벙커C유에 수돗물 29부피%를 첨가한 비교예 2의 경우 벙커C유로만 이루어진 비교예 1에 비해 열량이 64.2%로 현저히 저하되는 것을 확인할 수 있다. 벙커C유에 일반 수소수 29부피%를 첨가한 비교예 3의 경우 벙커C유로만 이루어진 비교예 1에 비해 열량이 68.9%로 약간 저하되는 것을 확인할 수 있다.
반면에, 실시예 1의 경우, 비교예 2 및 3과 벙커C유 및 물의 함량이 동일함에도 불구하고 열량비율은 81.2%로 비교예 2에 비해 17%, 비교예 3에 비해 12.3 %크게 나타나는 것일 뿐만 아니라, 벙커C유 100부피%를 사용하여 9,928 Kcal/g을 얻은 비교예 1에 비하더라도, 벙커C유 70부피%를 사용하여 8,061 Kcal/g을 얻은 실시예 1은 116%의 열량비율을 얻어 열량 효율이 절대적으로 증가한 것을 확인할 수 있다.
따라서, 벙커C유에 물을 혼합하되 본 실시예에서와 같이 산성이온 수소수를 사용하면 물이나 일반 수소수를 혼합함으로써 발생하는 열량 손실을 크게 줄일 수 있고 물이나 일반 수소수가 포함되지 않는 경우보다 열량을 더 발생시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
다음으로, 고압균질기 사용시 열량의 변화를 확인하여 아래 표 2에 나타내었다. 여기서, 비교예 4, 비교예 5, 비교예 6 및 실시예 2는 비교예 1, 비교예 2, 비교예 3 및 실시예 1과 성분 및 함량이 각각 동일하고, 다만 혼합 공정이 완료된 후 고압균질기를 이용하여 300bar의 압력으로 균질하게 분산시키는 공정이 추가된다는 점에서 차이가 있다.
벙커C유
%(v/v)		 물
%(v/v)		 Span 80
%(v/v)		 열량
(Kcal/g)		 열량비율
(%)
비교예 4 100 9,952 100
비교예 5 70 수돗물 29 1 6,847 68.8
비교예 6 70 일반 수소수 29 1 7,346 73.8
실시예 2 70 산성이온 수소수 29 1 8,694 87.4
표 2를 참조하면, 고압균질기를 이용하여 균질하게 분산시키는 공정을 더 진행한 결과, 비교예 4 내지 6 및 실시예 2 모두 표 1의 비교예 1 내지 3 및 실시예 1에 비해 열량이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 특히, 실시예 2의 경우 열량비율이 비교예 4 대비 87.4%로서 고압균질기를 이용한 균질 분산 공정을 하지 않는 실시예 1에 비해 6.2%의 열량 증가 효과가 더 있음을 확인할 수 있다. 따라서, 벙커C유에 산성이온 수소수를 혼합하고 고압균질기를 이용하여 고도로 균질하게 분산시키는 공정을 추가로 진행하면 더 높은 열량의 증가 효과를 기대할 수 있다.
결론적으로, 산성이온 수소수를 이용하여 제조된 유화연료유는 일반 물을 사용하는 경우에 비해 열량 품질이 크게 향상되고, 여기에 추가로 고압균질화가 이루어지면 열량이 더 증가하여 유화연료유의 열량 품질을 더욱 향상시킬 수 있는 것이다.
한편, 본 실시예에서는 유화연료유 제조시 물에 전기분해를 통해 수소가 포함된 산성이온 수소수를 사용하고 있지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 본 발명의 유화연료유는 수소를 직접 분사(sparging), 자화 처리 및 초음파 처리, 광석 처리, 미네랄 처리, 마그네슘과 물이 반응하면 수산화 마그네슘과 수소가 생성되는 원리를 이용한 마그네슘 스틱법 등에 의하여 산성이온수에 직접 수소를 포화시키는 방법을 통해 제조할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시예에 의해 한정되는 것이 아니다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
S1: 산성이온수 마련 단계
S2: 산성이온 수소수 마련 단계
S3: 혼합액 마련 단계
S4: 혼합액 노즐 통과 단계
S5: 혼합액 분산 단계

Claims (5)

  1. 중질유;
    음이온에 수소가 둘러싸여 포화 수소용존량이 20℃ 1기압에서 0.8 내지 1.1ppm인 산성이온 수소수; 및
    유화제; 를 포함하고,
    상기 음이온은 탄산이온(CO3 2), 중탄산이온(HCO3 -), 인산이온(PO4 3-), 질산이온(NO3 -) 규산이온(SiO4 4-), 황화이온(S2-) 및 플로루화 이온(F-) 중 적어도 하나 이상인,
    고도로 균질하게 분산되어 형성되는 산성이온수를 이용한 유화연료유.
  2. 제1항에 있어서, 상기 중질유 60 내지 90부피%, 상기 수소수 9 내지 39부피% 및 상기 유화제 1부피%를 포함하는 것을 특징으로 하는 산성이온수를 이용한 유화연료유.
  3. 중질유, 포화 수소용존량이 20℃ 1기압에서 0.8 내지 1.1ppm인 산성이온 수소수 및 유화제를 포함하는 혼합액을 마련하는 단계; 및
    상기 혼합액을 고압균질기를 이용하여 균질하게 분산시키는 단계; 를 포함하는 산성이온수를 이용한 유화연료유의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 산성이온 수소수는,
    수돗물을 전기해리하여 이온수기에서 이온교환막의 좌우로 양이온과 음이온이 각각 이동되도록 하여 양극에서 음이온이 모인 산성이온수를 마련하는 단계; 및
    상기 산성이온수를 전기분해하여 음극에서 발생된 수소기체가 다량의 음이온에 둘러싸여 산성이온 수소수가 되도록 하는 단계; 를 포함하여 제조하는 것을 특징으로 하는 산성이온수를 이용한 유화연료유의 제조방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 혼합액을 상기 고압균질기를 이용하여 균질하게 분산시키는 단계는,
    상기 혼합액을 고압으로 펌핑하여 노즐의 좁은 간격을 250m/s 이상의 속도로 통과시키는 단계; 및
    노즐의 출구에서 수직으로 충돌시켜 미립화시키면서 팽창 확산시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 산성이온수를 이용한 유화연료유의 제조방법.
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