KR880002600B1 - 액체연료의 개질방법 - Google Patents

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내용 없음.

Description

액체연료의 개질방법

제1도는 탄화수소의 반자화율 곡선도이며, 제2도는 자화후 고분자로부터 저분자로 이동하는 상태를 보인 그래프이다.

본 발명은 액체연료의 개질방법에 관한 것으로 특히 자계(磁界)처리에 의한 액체연료의 개질방법에 관한 것이다.

고체나 액체 또는 기체의 조성입자인 원소는 각기 특유성이 있고 플러스, 마이너스의 전하(電荷)나 스핀 혹은 자기(磁氣) 모멘트를 갖고 있으나, 원소를 구성하는 원자핵의 주위를 돌고 있는 전자도 궤도각(軌道角) 운동량이나 여기에 따른 자기 모멘트를 갖고 일정한 자연법칙에 따라 존재하며, 운동하고 있음은 공지된 사실이다.

상기와 같은 결과 각 입자는 자연현상으로 상호작용 혹은 교환작용을 하며, 활성을 일으키고, (입자는 항상 운동량이나 에너지를 갖고 있으나, 활성화에너지는 통상 20-50Kcal/mol이다.)

때로는 주위의 불순물 혹은 혼합물등의 저항이나 바깥힘과 조우하며, 예를들면, 특유의 활성바란스가 무너지는 것이다.

따라서 입자는 화학에너지의 강도인자라 불리는 화학포텐셜(질량×화학포텐셜=화학에너지라고 하는 관계에 있는 양) 혹은 화학 역학의 기본법칙의 하나인 각 입자의 일정 엔터피(자연현상의 방향, 속도, 크기, 힘)을 갖고 있는 것이지만, 상술한 바와같이, 바깥힘과 조우하여, 그 특유성의 바란스가 무너짐과 동시에 활성바란스가 무너지기 때문에 친화력 혹은 응결력이 일어나 결합분자가 증대하는 것임을 알 수가 있다.

이와같은 것이 액체 연료속에서 "졸" 혹은 "겔"화되고, 스럿지로 되며, 기체중에서는 유해가스나 분진의 발생원인이 된다.

현재까지 이런것을 처리하는 방법으로서 화학처리 이외에 "바이브레이션"이나 전기적 충격을 주어 입자의 활성을 일으켜 단순히 그 활성 에너지에 의한 처리 방법이 연구되고 있으나, 과제로서도 적당치 아니하며, 그 효과도 기대할 수 없는 것이 현실이다.

전술한 방법은 입자에 자극을 줌으로서 효과를 얻고자 하는 것을 목적으로 하고 있으나, 자극만으로는 입자의 안정화가 이루어질 수 없는 것이며, 오히려 활성이 교란되어 각 입자가 갖고 있는 특유의 활성 밸런스를 조정할 수 없게 된다.

분자사이에 활동하는 "환델월스력"혹은 결합의 이온성등에도 작용하여 이온결합, 분자결합등이 결합력을 약화시키는 것이다.

예를들면, 전자대의 공유에 의한 분자 또는 기(基)이온이 형성되지만 원자간의 공유결의 결합은 lev(23 Kal/mol-115Cal/mol)이며, 또 분자결합은 분자 상호간 결합하고 있는 "환델월스력"과 전자의 상호작용에 토대를 둔 전자 역학적인 결합력이 약해져서 결합은 특히 끊어지기 쉬운 것이다.

한편, 원자를 구성할때의 바깥쪽 궤도상의 전자에는 불안정한 것이 많고 이것은 특히 영향을 받기 쉬운 것이다.

또 원자핵과 전자의 전하 중심(重心)거리는 시간적으로 변동하고 있으나, 이러한 중심거리의 평균을 취하면 전연 일치하지 않는 원자나 분자(극성)가 있으며, 이와같은 불안정 전자나 중심거리가 일치하지 않는 분자에 대해서도 영향을 주는 것이다.

또 무극성 원자나 분자는 표면력의 곳에서 쌍극성 유도에 의해 인력(引力)을 갖고 무극성 결합(공유결합)을 일으키지만 이러한 결합의 친화력 또는 응결력에도 영향을 주는 것이다.

본 발명은 상술한 바와같은 이론에 기초하여 액체연료 탱크에 설치한 "엑세루기"의 작용에 의해 자기(磁氣)에너지가 발생토록 하여 각 입자의 스핀들 회전반경에 변화를 주어 화학 "포텐셜"이나 "엔트로비"를 일정 상태로 바꾸어줌으로서 그 결과는 액체 연료중에서는 "졸" 혹은 "겔"화를 방지하여 스럿지를 완전히 해소하고 또 전위(電位)가 올라가 활성을 일정한 것으로 바꾸며, 표면장력을 낮추어 기름과 물과의 분리작용을 일으키도록 하는 것이다.

또 중유 연소때는 중유의 점도가 낮아져서 입자가 극히 미세하게 분리되어 안정 입자로 되기 때문에 공기와의 혼합이 정상으로 이루어져서 특히 공기비를 감소하면서도 완전연소가 되어 배기 가스중의 CO₂가 감소하여 NO_X나 먼지등도 특히 감소하도록 하며, 공해를 방지하고 이에 따라 연료비의 절감을 꾀하도록 하는 것이 본 발명의 목적이다.

이미 알려진 바와같이 액체연료의 조성은 고분자 탄화수소로 되는 유기질 분자와 부정형 탄소 화합물이 거의를 차지하고 있다.

물론 아주 적은 미량이나마 금속염으로서 철, 니켈; 코발트, 마그네시움, 칼륨, 바나디움, 알미늄, 탄소, 유황등이 함유되어 이들 금속염을 핵으로 하며, 아스팔텐의 미셀로 된 무리들이 유기질 분자속에 산재하고 있는 코로이드 용액이라고 생각된다.

따라서 중유의 안정성을 이러한 코로이드 용액의 안정도에 좌우된다.

즉 "미셀"로 된 무리들은 액체연료속에 분산되어 평형상태를 유지하고 있으나 이러한 상태가 어떤 외부작용으로 파괴되며, "아스팔텐"이 접촉 결합하여 분산되지 아니하고 침강한다.

이것이 소위 스럿지라고 하는 것으로 액체연료의 입자는 "미셀"무리의 입자의 크기로 결정되어 연소시 중요한 문제가 된다는데 기초하여 이를 해결하기 위하여 액체연료에 1000 가우스 이상의 자력을 수시간 동안 발생시킴으로서 상기와 같은 현상을 해결하고, 완전 연소에 의한 공해방지와 연료비 절약을 가져 올 수 있도록 하는 것이다.

특히 1000 가우스 이상의 자력을 가진 토너스상의 영구훼라이트 자석을 탱크 중앙에 설치하여 4시간 이상 72시간 쏘여 "미셀"로 하여금 포화자화(飽和磁化)시켜 줌을 특징으로 하는 것이다.

여기서 자화란 어떤 자석의 단위 체적당 자기모덴트를 뜻하며 물질이 자석사이를 통과하면, 물질중의 반자성체와, 상자성체 및 강자성체가 각각 영향을 받는 것이며, 물이나 액체연료중에도 여러가지 물질이 포함되어 있으서 똑같은 영향을 받는다.

상기한 반자성체란 비자화율이 "0"보다 적은 물질로 자장을 가하면 역 방향으로 자화하여 자장이 약한 방향을 향해 힘을 받아 자석에 반발되는 성질이 있다.

그러나 그러한 힘은 일반적으로 적고, 석묵(石墨)이던가, 비스머스는 약간 큰 비자화율을 갖고 있으므로 강한 자석에는 반발되는 것을 관찰할 수 있으며, 대부분의 기체, 보통의 유기물질이나 많은 금속이 이에 해당된다.

또 상자성체는 비자화율이 "0"보다 큰 자성체로 자장의 방향으로 자화되는 것으로 기체에서는 O₂, NO, 고체에서는 백금속의 각 원소가 있으며, 강자성체란 자석에 강하게 흡입되는 물질은 모두 강자성체이다.

비자화율은 프라스측에서 대단히 크며, 보통 1보다 큰 값을 가지며, 대표적인 물질로는 Fe, Co, Ni 혹은 Mn을 함유하는 종류의 합금이 강자성체이다.

그런데 본 바명에서 개질하고자 하는 액체연료중 석유의 조성을 분석하면 대략 다음과 같다.

탄소 79-88% 유황 0-4%

수소 9.5-14% 질소 0.1-1.1%

산소 0-3.3% 기타(불순물)이다.

또 석유를 형성하고 있는 탄화수소의 종류는 여러가지가 있으나, 대표적인 탄화수소 CnH₂n, CnH₂n₂무리들은 반 자성체이기 때문에 자석을 가까이하면, N극에 대해 N극, S극에 대해 S극을 보이며, 자장속에서 반발하는 성질을 갖고 있다.

한편, 스럿지의 원인인 미셀들은 각종 금속염을 핵으로 하고 있으므로 특히, 철, 코발트, 니켈등의 금속염은 자석을 가까이하면 흡인된다.

즉 자력선의 방향에 대해 반자성체의 탄화수소는 직각으로 정열하고 "미셀"들은 평행으로 나란히 되어 각각 소분자로 분리하기 쉽게 되고, 또 아스팔텐의 미셀들도 분자간의 결합력이 극히 약하기 때문에 분리하여 각각의 자성에 따라 자계중에서 정열을 위한 대 혼란을 일으켜 일종의 교반작용을 받은 것과 같은 상태로 된다.

또한 자화시간이 경과되면 분자사이의 상호 마찰에 의해 고분자는 절단되고, 소분자가 되어 미립화한다.

따라서 본 발명에 의하여 액체연료속에 분산된 미셀들은 통상 100-300 미크론의 스럿지로 된 것이나 이와같은 스럿지도 미립화되어 25-30 미크론으로 되는 것을 확인할 수가 있었다.

상기한 액체연료의 입자는 연소시 미립자일수록 좋으며, 전체로서 균일화된 입자의 크기를 갖고 있는 것이 양호한 연소를 시키는데 필요하다.

더욱 특히한 일은 본 발명에 의거 고분자 탄화수소의 일부가 저분자 탄화수소를 분해된다는 사실이다.

예를들면, CnH_2n+2와 같은 탄화수소들속에서 탄소수에 의해 다음과 같이된다.

상기식에서 n=1-4일때 가스상태이며, n=51-5일때 엑상, n=16이상일때 고체상이어서 탄소수가 많은데 따라 비등점, 융점 및 비중과 굴절율이 증가하지만 자장의 영향을 받는만큼 자화율도 증가해감은 제1도에 도시한 바와같다.

여기서 탄화수소는 반자성체이므로 반자화율을(-)로 표시했다.

즉 고분자 탄화수소로 되는 만큼 반자화율이 높아지므로 자기모덴트도 높고, 분자운동이 활발하게 되어 저분자로 이동한다는 사실이다.

이와같은 사실은 고분자 탄화수소로부터 저분자탄화수소로 이동하는 모양을 제2도에 되시하는 바와같은 가스 그로마토그라피에 의한 분석결과를 도시했다.

이경우 실험대상의 액체연료로는 등유를 사용했으며, 1000가우스 이상의 영구훼라이트자석의 자계로 60분간 처리한 결과이며, CnH_2n+2의 비자화시와 자화시의 각 탄소수에 따른 몰(mol)수의 변화비를 나타낸 것이다.

여기서 액체연료중에 미량 함유된 고체상의 C₁₆에서는 이동의 변화를 전혀 확인할 수 없었으나 C_11-15까지의 액상고분자 탄화수소로부터 C_8-10의 저분자 탄화수소로의 이동이 확인됐다.

또 본 발명 자계처리된 액체연료는 연소전에 20-25 미크론의 균일한 미립자가 되는 것을 일차 미립화라 한다면, 액체연료가 버어너에서 분무된 순간 공기와 접촉할때 공기중의 산소(O₂)는 상자성체, 질소(N)는 반자성체이며, 스럿지들은 상자성체이기 때문에 접촉 혼합의 과정에서 서로 반발하여 분무된 액체연료의 입자는 다시 미립화된다.

이것을 2차 미립화라할때 지금까지 알려져 있는 급유파이프등에 붙이는 마그넷트장치는 순간적인 자화에 의해 2차 미립화현상을 이용하려는 것으로 본 발명의 1, 2차 미립화와는 상이하며, 종래의 2차 미립화만으로는 커다란 효과를 기대할 수가 없다.

한편, 연소란 연료와 산소와의 화학적 반응이며, 이와같은 반응결과로 열이 발생하지만, 이론상 연소를 완료시키기 위해서는 연료의 조성인 탄소와 수소, 유황등 연소에 필요한 최소한의 산소가 있어야 한다.

그러나 실제상에 있어서는 연료의 종류와 연소방법에 의해 연료와 산소(공기)와의 접촉 혼합비가 달라짐은 물론이다.

예를들면, 기체연료나 액체연료는 연료와 공기와의 혼합접촉이 급속하게 이루어지기 때문에 비교적 적은 과잉공기로 거의 완전연소가 되지만 괴 상의 고체연료를 완전히 연소기키기 위해서는 많은 과잉의 공기가 필요하다.

그러함에도 불구하고 필요이상의 과잉공기는 연소결과로 얻어진 열원(熱源)을 저하시키는 열 로스의 원인이 된다.

즉 열 로스란 연료가 갖고 있는 잠재열과 증기, 탕, 열풍등 열출력의 1차로 나타내지만 가장 중요하며, 또한 변동적인 로스열로된 연소가스가 굴뜩으로 빠져 나가는 경우의 배기가스 손실이다.

즉 1) 건조한 연소가스(O₂, CO₂, N 및 SO₃)가 굴뚝으로 배출되믄 열로스, 2) 수분 및 수소가 굴뚝으로 배출되는 열 로스, 3) 보일러, 로등 표면 방사열, 4) 보일러(스팀보일러의 경우) 브로우 다운에 의한 로스, 5) 미연소 탄소에 의한 로스, 6) 미연소가스(CO)에 의한 로스등을 들 수 있으나 본 발명에 의하여, 상기 1), 2), 3), 4), 5), 6)에 예시한 로스를 해결할 수가 있는바, 이는 본 발명에 의해 자계 처리된 개질된 각종 역체연료는 전술한 바와같은 특징을 갖는 것이므로 공기와의, 접촉면적이 크게 되어 개질하기 이전의 액체연료보다 가스화가 쉽게 되어 짧은 시간에 연소가 완결되는 것이며, 과잉공기를 적게할 수 있으므로 적은 산소로 운전이 가능하게 되는 것이다.

따라서 낮은 산소(저 공기화) 운전이란 연소에 필요한 최소한의 공기량으로 안정된 연소상태를 유지할 수가 있어 아까운 열의 일부를 허비해 버리는 일이 없다.

에너지 절약이나 공해방지의 입장에서 볼때 이러한 공기비를 어떻게 다운시킬 것인가에 대한 연구노력이 여러가지로 실시되고 있으나, 현재업계에서 적응치로 추천되고 있는 공기비는 산업 보일러의 경우 m=1.08∼1.15이다.

즉 이론 공기량보다 8-15% 과잉공기를 공급하면 좋다는 결론이 나온다. 또 이와같은 공기중에서는 산소가 21%(용적) 있으며, 완전연소를 위해서는 공기와 연료를 어떻게 혼합 접촉시킬것인가도 중요한 문제로 된다.

그러나 배기가스 손실을 절감시키는 것과 완전연소와는 양립하여 어려운 문제이긴 하지만 이를 해결하지 않으면 에너지절약이 되지 않으므로 신중해야 할 필요가 있다.

배기 가스중의 O₂%와 연료의 절약%와의 관련은 일반적으로 다음과 같다.

연소장치의 효율 70% 이하 O₂가 1% 떨어지면 절약을 2%

70% " " 1.78%

80% " " 1.19%

80%이상 " " 1 %

여기서

이므로 배기가스중의 O₂혹은 CO₂를 본 발명에 의거 개질된 액체연료의 사용전 후 측정하면 연료 절약율은 근사적으로 계산된다. 예로 배기 가스열에 의한 손실 L(%)은 다음식으로 계산할 수가 있다.

상기식에서 건조 배기가스중의 CO₂의 용적비를 (CO₂)%로 한다. 또 tg는 배기가스 온도, to는 대기온도, n은 중유의 경우 0.59로 한다. 즉 배기가스량이 적어지면 CO₂가 증가하고 L은 저하된다.

또 보일러 효율의 국제기준인 영국기준 공식(British Standard 845)에 의하면,

RL는 3% 방사열 손실(고유로 한다), K₁은 0.712(액체연료), T는 배기가스 온도, K₂는 0.00512(액체연료)

예를들면 대책전O₂..........................................................6% 온도차 300℃

대책후O₂..........................................................2% 온도차 250℃

(1)식에 의해 개선%=15.8%-10.4%=5.4%, (2)식에 의해 개선%=80.6%-75.5%=5.1% 상기(1)식의 경우 5.4%, (2)식의 경우 5.1%로 0.3%가 상이하지만 (1)식은 계산치이며 (2)식은 이론치이기때문에 발생하는 차이다.

어느식이던 O₂의 감소(CO₂의 증가), 배기가스 온도의 저하는 연료효율의 증대를 나타내고 있는 것이다.

이하 본 발명의 실시예에 따라 상술하면 다음과 같다.

[실시예]

석유속에 토너스형 영구훼라이트자석을 중앙에 설치하여 1000 가우스의 자계로 자계 처리하면 석유는 서서히 개질되기 시작하여 자화시간이 경과함에 따라 개질이 진행되었으며, 자화시간 4시간째부터 급속히 자화현상이 진행되고 24시간째에 거의 피크에 달했으며, 이후 72시간 정도에서 포화 자화되었다.

이때 액상 고분자 탄화수소(C₁₁H₂₄-C₁₅H₃₂)는 액상저분자 탄화수소(C₈H₁₅-C₁₀H₂₂)로 이동되는 것을 가스그로마토그라피에 의거 확인할 수 있었으며, 석유속에 매량 함유된 고체상의 C₁₆은 이동의 변화가 없었다.

또 자화되기 이전 석유속에 분산되었던 미셀은 평균 100-300미크론이었으나 자화된 이후의 미셀의 크기가 25-30미크론으로 더욱 균일하게 미세한 미립화현상을 보였으며, 이에 따라 점도와 표면장력이 저하되었다. 따라서 개질되기 이전보다 O₂와의 접촉이 좋았고, 종래 연소되기 어려웠던 미연(未然)탄소 HC, 미연가스(CO)가 완전히 연소됨을 확인할 수 있었다.

또 본 실시예에 의거 개질된 액체연료는 공기량을 줄이더라도 연속 속도가 달라 완전 연소할 수가 있어서 공기량을 줄인 만큼 배기가스 손실을 감소시켜 로내의 온도는 상승했다.

따라서 로내의 온도를 종전의 운전온도가 되도록 액체연료의 공급을 조절함으로서 적어도 5-15%의 절감의 효과가 발생했다.

Claims (1)

1. 액체연료 탱크속에서 토너스형 영구훼라이트 자석으로 1000 가우스 이상의 자계를 액체연료에 4-72시간 포화 자화시켜 고분자 탄화수소를 일부 탄화수소로 이동시키고 미셀을 20-35미크론의 균일한 미립자화시켜 점도와 표면장력을 낮추어 주도록 하는 것을 특징으로 하는 액체연료 개질방법.

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