KR100658569B1 - Titanium oxide-based thermal radiation paint - Google Patents
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Abstract
종래에 공업 가열로의 내벽 표면에 도포ㆍ코팅하여, 방사전열(放射傳熱)의 증대를 도모하는 도료ㆍ코팅재로서는, 탄화규소를 기재(基材)로 하는 것과, 크로마이트를 기재로 하는 것이 알려져 있다. 전자는 800℃ 이상의 온도에서 열산화(熱酸化)에 의하여 백화(白化; blushing)되어 효력을 잃고, 후자는 600℃ 이하에서는 효력이 없고, 1000℃ 이상에서는 6가크롬으로 변할 우려가 있다.Conventionally, coating and coating materials for coating and coating the inner wall surfaces of industrial furnaces to increase radiant heat transfer include those based on silicon carbide and those based on chromite. Known. The former is whitened by thermal oxidation at a temperature of 800 ° C. or higher, and the effect is lost. The latter is ineffective at 600 ° C. or lower, and may change to hexavalent chromium at 1000 ° C. or higher.
본 발명은 산화티타늄 및 환원 산화티타늄을 기재로 한다. 산화티타늄(TiO2)은, CO2 또는 H2 분위기의 노 내에서 고온으로 가열되면, 환원 산화티타늄으로 변화한다. 환원 산화티타늄은 근적외선을 잘 흡수하며, 고방사성이다. 가열로의 내벽 표면에 환원 산화티타늄의 도막(塗膜)을 형성하면, 노 내의 방사전열은 비약적으로 증대한다. 환원 산화티타늄은 고온 안정성이 뛰어나며, 산, 염기, 유기용매에 침식되지 않고, 노 내의 여러 종류의 가스성분에 대하여 강한 내식성을 가진다.The present invention is based on titanium oxide and reduced titanium oxide. Titanium oxide (TiO 2 ) changes into reduced titanium oxide when heated to a high temperature in a furnace in a CO 2 or H 2 atmosphere. The reduced titanium oxide absorbs near infrared rays and is highly radioactive. When a coating film of reduced titanium oxide is formed on the inner wall surface of the heating furnace, the radiation heat in the furnace is greatly increased. The reduced titanium oxide is excellent in high temperature stability, does not corrode in acids, bases, and organic solvents, and has strong corrosion resistance to various gas components in the furnace.
산화티타늄, 환원 산화티타늄, 열방사성, 도료, 공업가열로, 피막, 연료절감Titanium oxide, reduced titanium oxide, thermal radiation, paint, industrial heating furnace, coating, fuel saving
Description
본 발명은 공업 가열로의 내벽 표면에 도포 또는 코팅하여 피막을 형성하는 것으로서, 노(爐; furnace) 내의 방사전열(放射傳熱)의 증대에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
종래에 공업 가열로의 내벽 표면에 도포 또는 코팅하여, 노 내의 방사전열을 높이는 도료 및 코팅재로서는, 탄화규소(SiC)를 기재(基材)로 하는 도료ㆍ코팅재와, 크로마이트(Cr2O3)를 기재로 하는 도료ㆍ코팅재가 알려져 있다. 후자는, 일본국 특허 제1480360호로써 특허 취득되어 있다.By coating or coatings on the inner wall surface of the industrial heat in the art, as the coating material and coating material to increase the radiation heat in the furnace, and the coating material and the coating material to the silicon carbide (SiC) as a substrate (基材), chromite (Cr 2 O 3 The coating material and coating material based on) are known. The latter is patented as Japanese Patent No. 1480360.
전자의 탄화규소를 기재로 하는 도료ㆍ코팅재는, 노 내 온도가 800℃까지는 유효하게 작용하지만, 이 온도를 넘는 부근부터, 탄화규소는 열산화(熱酸化)에 의하여 백화(白化; blushing)되고, 방사 에너지의 흡수와 방사율은 급속히 저하되어, 그 효력을 잃는다.The coating and coating materials based on the former silicon carbide effectively work up to a temperature of up to 800 ° C. However, in the vicinity of the temperature exceeding this temperature, the silicon carbide is blushed by thermal oxidation. The absorption and emissivity of the radiant energy are rapidly lowered and lose their effect.
후자의 크로마이트를 기재로 하는 도료ㆍ코팅재는, 노 내 온도가 600℃ 이하에서는 효과가 없다. 또, 크로마이트는, 1000℃를 넘는 고온의 노 내에서는 독성을 가지는 6가크롬 화합물을 생성하는 치명적 결함이 있다.The coating and coating material based on the latter chromite have no effect when the furnace temperature is 600 ° C or lower. In addition, chromite has a fatal defect which produces a hexavalent chromium compound which is toxic in a high temperature furnace over 1000 degreeC.
1970년대 후반의 오일쇼크 이후, 이러한 종류의 상품이 시장에 상당히 많이 나왔지만, 이러한 상품들은 오늘날 예외없이 자취를 감추게 되었다. 그 이유는, 1000℃ 이상의 고온에서는 효과가 없고, 열산화ㆍ열충격에 견디지 못하고, 불안정하고, 침식되며, 유해하다는 등의 이유에 의한 것이다.Since the oil shock of the late 1970s, this kind of product has appeared on the market quite a lot, but these products are now without exception. The reason is that it is ineffective at a high temperature of 1000 ° C. or higher, and is not able to withstand thermal oxidation and thermal shock, and is unstable, eroded, and harmful.
고온이 가해지는 노재(爐材)에 요구되는 가장 중요한 물성(物性)은,The most important physical property required for the furnace material to which high temperature is applied is
(1) 1000℃ 이상의 고온영역에 있어서, 방사 에너지의 흡수 및 방사율이 높을 것.(1) In the high temperature range of 1000 ℃ or higher, the absorption and emissivity of radiation energy is high.
(2) 열전도율이 낮을 것.(2) Low thermal conductivity.
(3) 물리적, 화학적으로 안정할 것.(3) Be physically and chemically stable.
(4) 노재 표면에 접하는 여러가지 가스성분에 의하여 침식되지 않을 것.(4) It shall not be eroded by various gas components in contact with the surface of the furnace materials.
(5) 무해무독일 것.(5) Harmless and German.
등의 기본적 물성이 요구된다.Basic physical properties such as are required.
그러나, 공업 가열로의 내벽 표면에 도포ㆍ코팅하는 종래의 도료ㆍ코팅재는, 이러한 기본적 물성 중 무언가가 결여되어 있어서, 1000℃ 이상의 고온의 노 내에서는 효과가 없었다.However, the conventional coating / coating material coated and coated on the inner wall surface of an industrial heating furnace lacks any of these basic physical properties and has no effect in a furnace at a high temperature of 1000 ° C. or higher.
본 발명은, 산화티타늄 및 환원 산화티타늄을 도료 및 코팅재의 기재로 한다.This invention makes titanium oxide and reduced titanium oxide the base material of a coating material and a coating material.
본 발명은, 산화티타늄 및 환원 산화티타늄의 물성 및 그 변화를 이용하는 것이다. 이하, 산화티타늄 및 환원 산화티타늄의 성질 및 그 변화에 관하여 상세하게 기술한다.The present invention utilizes the physical properties of titanium oxide and reduced titanium oxide and changes thereof. Hereinafter, the properties of titanium oxide and reduced titanium oxide and changes thereof will be described in detail.
탄소질 연료가 연소 가열중인 노 내는, 노 내 온도가 1000℃ 이상의 고온이 되면, 노 내의 산소분압은 극단적으로 낮아진다. 고온의 노 내에서 산소분압이 낮아지면, 하기 반응식 1과 같이 이산화티타늄(TiO2) 결정 중의 산소원자는 계외(系外)로 이탈하여, 이산화티타늄은 환원 산화티타늄으로 변화한다.In a furnace in which carbonaceous fuel is burned and heated, the oxygen partial pressure in the furnace becomes extremely low when the furnace temperature reaches a high temperature of 1000 ° C or higher. When the oxygen partial pressure decreases in a high temperature furnace, the oxygen atom in the titanium dioxide (TiO 2 ) crystal is released out of the system as shown in
환원 산화티타늄은 TinO2n-1로 표기할 수 있다.The reduced titanium oxide can be expressed as Ti n O 2n-1 .
TiO2의 결정은 Ti4+O2 2-이다. TiO2의 결정에서 산소원자가 이탈하면, Ti4+에서 1전자가 환원된 Ti3+가 생기고, 그 결과, 원래 절연체였던 TiO2는, n형 반도체로 변화한다. 따라서, 환원 산화티타늄은 도전성이다.The crystal of TiO 2 is Ti 4+ O 2 2- . When the oxygen atom is released from the crystal of TiO 2 , Ti 3+ with one electron reduced in Ti 4+ is produced. As a result, TiO 2 , which was originally an insulator, changes into an n-type semiconductor. Therefore, the reduced titanium oxide is conductive.
TiO2결정에서 산소원자 1개가 계외로 이탈할 때는, 2개의 전자를 결정에 남기고 이탈한다. 남은 전자 2개는, 인접하는 2개의 Ti4+를 Ti3+로 환원시킨다. 환원된 Ti3+는 강하게 분극(分極)하여, 외각전자(outer shell electron)에 큰 변형이 생기기 때문에, 에너지의 흡수가 커진다. 분자ㆍ원자가 에너지를 흡수하면, 반응성이 높아져 활성이 된다.When one oxygen atom leaves the system in the TiO 2 crystal, two electrons leave the crystal. The remaining two electrons reduce two adjacent Ti 4+ to Ti 3+ . The reduced Ti 3+ strongly polarizes and large deformation occurs in the outer shell electrons, so that energy absorption is increased. When molecules and atoms absorb energy, the reactivity becomes high and becomes active.
도 1은 루틸 단결정(TiO2)과 환원 산화티타늄에 있어서의 빛의 흡수와 투과율을 나타낸 것이다.1 shows light absorption and transmittance in rutile single crystal (TiO 2 ) and reduced titanium oxide.
루틸(rutile) 단결정에 있어서는, 0.4∼7㎛까지의 파장의 빛은 대부분 투과하지만, 환원 산화티타늄에 있어서는, 0.78∼3㎛까지의 파장의 빛(근적외선)은 투과율이 10% 이하이며, 나머지 90%는 흡수 또는 반사한다. 본 발명의 기재가 되는 Ti2O3 및 Ti3O5는 청흑색을 띠며, 방사 에너지의 흡수가 뛰어나게 크다.In rutile single crystals, most of light having a wavelength of 0.4 to 7 µm is transmitted. In reduced titanium oxide, light having a wavelength of 0.78 to 3 µm (near infrared) has a transmittance of 10% or less, and the remaining 90 % Absorbs or reflects. Ti 2 O 3 and Ti 3 O 5, which are the substrates of the present invention, have a blue-black color, and are excellent in absorbing radiation energy.
하기 표 1에 환원 산화티타늄의 성질을 나타내었다.Table 1 shows the properties of the reduced titanium oxide.
※ ΔfH0는 표준생성 엔탈피(enthalpy). 마이너스(-)부호는 방열.※ ΔfH 0 is the standard production enthalpy. Negative (-) signs dissipate heat.
이밖에, Ti4O7, Ti5O9 등 삼사정계(三斜晶系)의 청흑색을 띠는 결정도 있는데, 조성범위가 극히 좁아서 의도적, 인공적으로 이것을 만든다는 것은 용이하지 않다. 말하자면, 고온의 노 내에 있어서 우연의 산물이라 하여도 좋다.In addition, there are also crystals having a blue-black color of a triclinic system such as Ti 4 O 7 and Ti 5 O 9 , and the composition range is extremely narrow, making it intentional and artificial. In other words, the product may be a coincidence in a high temperature furnace.
TiO는, Ti와 TiO2를 화학 당량으로 혼합하여, 불활성 가스 중에서 1600℃로 소성(燒成)하면 TiO가 되지만, 노 내에는 금속 Ti가 없으므로 TiO는 생성되지 않는다.TiO becomes TiO when Ti and TiO 2 are mixed in chemical equivalents and calcined at 1600 ° C. in an inert gas. However, TiO is not produced because there is no metal Ti in the furnace.
Ti2O3도 마찬가지로, 노 내의 수소 농도가 높아지면, TiO2는 1300℃ 부근에서 Ti2O3로 환원된다.Similarly for Ti 2 O 3 , when the hydrogen concentration in the furnace becomes high, TiO 2 is reduced to Ti 2 O 3 near 1300 ° C.
TiO2는 CO2 또는 H2 분위기 중에서 800∼1200℃에서 Ti3O5 로 환원된다.TiO 2 is reduced to Ti 3 O 5 at 800 to 1200 ° C. in a CO 2 or H 2 atmosphere.
이들 외에, 고온의 노 내에서는, 이상공존(二相共存; 혼상(混相)이라고도 함)의 조성물, 즉, Ti2O3-Ti3O5, Ti3O5-Ti 4O7, Ti4O7-Ti5O9 등도 출현하지만, 이들 이상공존의 조성물은 가장 검고 불투명하며, 에너지의 흡수ㆍ방사율이 가장 높다.In addition to these, in a high-temperature furnace, a composition of an ideal coexistence (also called a mixed phase), that is, Ti 2 O 3 -Ti 3 O 5 , Ti 3 O 5 -Ti 4 O 7 , Ti 4 Although O 7 -Ti 5 O 9 and the like also appear, the compositions of these abnormal coexistences are the most dark and opaque, and have the highest energy absorption and emissivity.
TiO2에, 금속 미립자 또는 그 산화물을 담지(擔持)하거나, 또는 화학 당량으로 첨가하여 이를 가열하면, 고전하(高電荷)의 금속이온이 발생하여, TiO2 결정 중의 Ti4+를 치환하여 색이 나타나고, 에너지의 흡수가 커진다. 나타나는 색은 금속의 종류에 따라 다르다.When TiO 2 is supported with fine metal particles or oxides thereof, or is added in chemical equivalents and heated, high-charge metal ions are generated to replace Ti 4+ in the TiO 2 crystals. Color appears, and energy absorption increases. The color that appears depends on the type of metal.
일반적으로, 이온성 고체 중에 이가(異價)의 불순물이 가하여지면, 전기적 중성을 유지하기 위하여 격자결함이 생긴다. 혹은 결정으로부터 1개의 원자가 이탈하면, 그 장소에 공공(空孔)이 생겨 격자결함이 된다. 이러한 격자결함은, 격자진동의 주기를 흐트러지게 하기 때문에, 열전도율은 저하하고 내부 에너지는 커진다.In general, when a divalent impurity is added to an ionic solid, lattice defects occur to maintain electrical neutrality. Alternatively, when one atom is separated from the crystal, vacancies are formed in the place, resulting in lattice defects. Since the lattice defects disturb the period of lattice vibration, the thermal conductivity decreases and the internal energy becomes large.
원소 Ti는, 지구 표면에서는 모두 산화된 상태로 존재한다. 현재, 티타늄의 원료로써 실제로 사용되고 있는 것은, 일메나이트광(ilmenite ore)과 루틸광(rutile ore)이고, 아나타아제광(anatase ore)은 주로 TiO2 광촉매의 원료로써 사용되고 있는데, 이들 모두 다른 산화물과 섞여 있으며, 순수한 티타늄으로서 존재하지 않는다.The element Ti exists in the oxidized state at the earth's surface. Currently, actual materials used for titanium are ilmenite ore and rutile ore, and anatase ore is mainly used as a raw material for TiO 2 photocatalysts, all of which have different oxides. It is mixed with and does not exist as pure titanium.
일메나이트는 산지에 따라 차이가 있지만, 그 주성분은 TiO2가 약 50~70%를 차지하며, 나머지는 FeO, FeO3, SiO2, Cr2O3, MnO, Al2O3 등의 산화물이 섞여 있다.Ilmenite varies depending on the region of origin, but its main component is about 50-70% of TiO 2 , and the rest of oxides such as FeO, FeO 3 , SiO 2 , Cr 2 O 3 , MnO, Al 2 O 3 It is mixed.
루틸은 75% 이상의 TiO2를 함유하며, 이외에 FeO, SiO2, Al2O3, MgO, ZrO2 등의 산화물이 섞여 있다.Rutile contains 75% or more of TiO 2 , and other oxides such as FeO, SiO 2 , Al 2 O 3 , MgO, and ZrO 2 are mixed.
일메나이트는 흑색을 띠며, 루틸은 청흑색을 띤다.Ilmenite is black and rutile is bluish black.
이들 원광석은, 그대로 분쇄하여 본 발명의 기재로 사용한다. 또는, H2 분위기의 노 내에서 800∼1200℃로 가열하여, 환원 산화티타늄으로 변화시켜 본 발명의 기재로 사용한다. These ore is pulverized as it is and used for the base material of this invention. Alternatively, the heating of the furnace within a H 2 atmosphere at 800~1200 ℃, by changing the reduction of titanium oxide is used as a base material of the present invention.
루틸사광(砂鑛)도 마찬가지이다.The same is true of rutile projection.
티타늄ㆍ슬래그(titanium slag)는, TiO2의 함유 비율이 낮은 일메나이트에서 철분을 제거하여, TiO2의 함유 비율을 그레이드ㆍ업(grade up)한 것과 용광로의 용광 표면으로부터 취출하는 것이 있으며, 이들은 아무런 과정을 거치지 않고 본 발명의 기재로 사용된다.Titanium and may be taken out from yonggwang surface of the as blast furnace slag (titanium slag) is to remove iron in a low Ilmenite content of the TiO 2, grade and up (grade up) the content of the TiO 2, which It is used as a description of the present invention without any process.
산화티타늄은, 물리적, 화학적으로 가장 안정한 물질이다. 산화티타늄을 제외한 다른 유사한 반도체 물질, 예컨대, 셀렌화 카드뮴(CdSe), 산화니오브(Nb2O5) 등은, 모두 고에너지를 흡수하면 자기용해를 일으킨다는 것이 알려져 있다. 이 현상은, 산화물 반도체에 공통된 현상으로서, 반도체가 그 띠간격(band gap) 이상의 에너지를 흡수하여, 여기(勵起)반응에 의하여 전자가 빠져나간 후의 정공(正孔; electron hole)(H+)이 자기침식을 일으키기 때문이다. 그런데, 이상하게도 산화티타 늄만은 자기침식이 일어나지 않는다.Titanium oxide is the most stable physically and chemically. It is known that other similar semiconductor materials except titanium oxide, such as cadmium selenide (CdSe), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), etc., all cause self-dissolution upon absorption of high energy. This phenomenon is common to oxide semiconductors, and the semiconductor absorbs energy above the band gap, and electron holes (H + ) after electrons escape by the excitation reaction. ) Causes self-erosion. Incidentally, only titanium oxide does not cause magnetic erosion.
산화티타늄은, 산, 염기, 유기용매에 침식되지 않고, 물에는 잘 젖지만 녹지는 않는다.Titanium oxide is not eroded by acids, bases, and organic solvents, and wets well with water, but does not dissolve.
고온, 그리고 여러가지 가스성분이 충만되어 있는 노 내에서는, 노재는 크거나 작거나 반응의 진행에 따라 그 표면은 침식된다. 산화티타늄은, H2 및 CO2를 잘 흡수한다. 고온의 노 내에서 산화티타늄의 표면에 흡착된 H2 및 CO2는, 환원제(전자공여체)로서 작용하여, TiO2를 환원 산화티타늄으로 변화시킨다. 따라서, 환원 산화티타늄은, 강한 내식성(corrosion registance)을 가진다.In furnaces filled with high temperatures and various gas components, the furnace material is large or small, or its surface erodes as the reaction proceeds. Titanium oxide absorbs H 2 and CO 2 well. H 2 and CO 2 adsorbed on the surface of titanium oxide in a high temperature furnace act as a reducing agent (electron donor) to change TiO 2 to reduced titanium oxide. Thus, the reduced titanium oxide has strong corrosion resistance.
이상의 기술에서, 일메나이트, 루틸 등의 원광석을 분쇄하여 본 발명의 기재로 사용한다고 기술하였지만, 산소분압이 낮은 고온의 노 내에서는, TiO2는 환원 산화티타늄으로 변화하는 것이며, 따라서 본 발명은, 최종적으로는 환원 산화티타늄의 물성을 이용하는 기술이라고 말할 수 있다.In the above description, it has been described that raw ore, such as ilmenite and rutile, is used as the substrate of the present invention. However, in a high-temperature furnace with low oxygen partial pressure, TiO 2 is changed to reduced titanium oxide, and thus the present invention, Finally, it can be said that it is a technique using the physical property of reduced titanium oxide.
본 발명의 키포인트는, 환원 산화티타늄에 의해 공업 가열로의 내벽 표면에 피막이 형성되면, 방사열 에너지가 현저하게 증대한다는 현상의 발견에 있다. 그러나, 고온의 노 내에서, 이 현상이 나타나는 반응기구는 매우 복잡하므로, 이것을 충분히 해명하는 것은 쉬운 일이 아니다.The key point of this invention is the discovery of the phenomenon that radiant heat energy remarkably increases when a film is formed on the inner wall surface of an industrial heating furnace by reduction titanium oxide. However, in a high temperature furnace, the reactor mechanism in which this phenomenon occurs is very complicated, so it is not easy to clarify this sufficiently.
노의 내벽 표면에 환원 산화티타늄에 의한 피막이 형성되었을 때의 방사열 에너지의 증대는,The increase in the radiant heat energy when a film made of reduced titanium oxide is formed on the inner wall surface of the furnace,
(1) 근적외선영역의 에너지 흡수가 이산화티타늄에 비해 현격하게 높다(도 1 참조)(D. C. Cronemeyer, Phys. Rev., 87, 876(1952)).(1) The energy absorption in the near infrared region is significantly higher than that of titanium dioxide (see FIG. 1) (D. C. Cronemeyer, Phys. Rev., 87, 876 (1952)).
(2) 방사율이 높다(노 내 온도가 1050℃일 때, 그 방사율은 96~98%에 달한다(도 2c 참조)).(2) Emissivity is high (when the temperature in the furnace is 1050 ° C, the emissivity reaches 96-98% (see Fig. 2C)).
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(3) 반응물-생성물간의 반응에 있어서, 환원 산화티타늄은 촉매로서 작용한다(환원 산화티타늄의 촉매작용 : 1000℃의 노 내에서, TiO2에 흡착된 CO2는 변형될 뿐이지만, Ti2O3, Ti3O5에 흡착된 CO2는 해리된다. 최근의 연구에서는, SMSI(Strong Metal Suport Interaction)이 주목을 받고 있으며, 산소결함을 가지는 환원 산화티타늄에 있어서는, 상호작용이 강해지는 것이 지적되고 있다).(3) In the reaction between the reactant and the product, the reduced titanium oxide acts as a catalyst (catalysis of the reduced titanium oxide: in a furnace at 1000 ° C., CO 2 adsorbed to TiO 2 is only deformed, but Ti 2 O 3 , CO 2 adsorbed on Ti 3 O 5 is dissociated In recent studies, SMSI (Strong Metal Suport Interaction) has attracted attention, and in the case of reduced titanium oxide with oxygen defects, the interaction becomes stronger. Being).
등으로 어느 정도의 설명은 가능하지만, 그 반응기구의 전체상의 해명은, 후일의 연구를 기다릴 수 밖에 없다.Although some explanation is possible, etc., the whole picture of the reactor port has no choice but to wait for further study.
또, 본 발명의 부차적 효과 중 하나는, 가스 배기구의 배기가스 온도가 현저하게 저하한다는 것이다. 이 현상은, 환원 산화티타늄 표면에 흡착하는 CO2(또는 NO 및 NO2)의 금속 Ti로의 전하이동 천이(遷移)(배위자에서 금속으로 전자가 이동하기 때문에, "전하이동 천이"라 불리운다. 산소와 금속의 반응은 일반적으로 산화반응, 다시 말하면, 전자를 빼내는 것인데, 배위자계에 있어서는 전자를 공여한다. 전자를 산화라 하고, 후자를 산소화(oxygenation)라 한다.), 즉, 배위자(配位子)작용에 의하여, CO2의 해리가 일어난다는 것으로 설명할 수 있지만, 이 현상은 바로 CO2의 배출량의 감소를 말하는 것이다. CO2의 배출량의 감소는, 현재로서는 정량적 동정(identification)을 얻기에 이르지는 못하였다.Moreover, one of the side effects of this invention is that the exhaust gas temperature of a gas exhaust port falls remarkably. This phenomenon is called "charge transfer transition" because electrons move from a ligand to a metal of CO 2 (or NO and NO 2 ) adsorbed on the reduced titanium oxide surface. The reaction between and metals is generally an oxidation reaction, that is, the extraction of electrons, which in the coordinating magnetic field donate electrons, which are called oxidization and the latter are called oxygenation. It can be explained that dissociation of CO 2 occurs by the action, but this phenomenon refers to the reduction of the emission of CO 2 . Reductions in CO 2 emissions have not, at present, resulted in quantitative identification.
CO2 배출량의 감소에는 래디칼반응도 관여하고 있다.Radical reactions are also involved in the reduction of CO 2 emissions.
예컨대, 히드록시기(hydroxyl radical)(ㆍOH)는, 전자를 빼냄으로써 CO2를 산화 해리한다. 어쨌든, 이들 반응기구에 관해서 후일의 해명이 기다려진다.For example, a hydroxyl radical (.OH) oxidizes and dissociates CO 2 by drawing electrons. Anyway, future explanations are awaited for these reactors.
도 1은 이산화티타늄(TiO2)과 환원 산화티타늄에 있어서의 빛의 파장과 그 투과율을 나타낸 도면이다.
도 2a는 공업로의 내벽재로 사용되는 내화 연와를 시료(시료 1)로 하고, 실험로의 노 내의 온도를 1050℃로 설정한 경우의 시료의 방사율을 나타낸 도면이다.
도 2b는, 상기의 시료 표면에, 크로마이트(Cr2O3)를 기재로 하는 열방사성 도료(상품명: HRC)를 도포하여 시료(시료 2)로 하고, 동일 온도조건에서의 시료의 방사율을 나타낸 도면이다.
도 2c는 동일 내화 연와의 표면에, 본 발명의 산화티타늄계 열방사성 도료를 도포하여 시료(시료 3)로 하고, 동일 온도조건에서의 시료의 방사율을 나타낸 도면이다.1 is a diagram showing the wavelength and the transmittance of light in the titanium dioxide (TiO 2) and the reduction of titanium oxide.
It is a figure which shows the emissivity of the sample at the time of setting the temperature in the furnace of a test furnace to 1050 degreeC as the sample (sample 1) used as the fireproof lead used as the inner wall material of an industrial furnace.
FIG. 2B is a sample (Sample 2) coated with a chromite (Cr 2 O 3 ) -based thermal radiation coating (trade name: HRC) on the surface of the sample, and the emissivity of the sample under the same temperature conditions. The figure shown.
Fig. 2C is a diagram showing the emissivity of a sample under the same temperature conditions by applying the titanium oxide-based heat-radiating paint of the present invention to the surface of the same refractory lead to obtain a sample (sample 3).
본 발명의 실시에 있어서는, 제일 먼저 그 기재가 되는 산화티타늄의 선택이 문제가 된다.In the practice of the present invention, the first choice of titanium oxide as the substrate becomes a problem.
본 발명의 기재를 크게 분류하면,If the description of the present invention is broadly classified,
(1) 일메나이트광(ilmenite ore), 루틸광(rutile ore) 등의 천연 광석을 분쇄하여 그대로 사용하는 경우,(1) In the case where natural ore such as ilmenite ore or rutile ore is pulverized and used as it is,
(2) TiO2의 함유 비율이, 95% 이상인 고품위의 산화티타늄을 사용하는 경우,(2) When the content of TiO 2, using a high-quality titanium oxide of 95% or more,
(3) 일메나이트, 루틸 및 아나타아제를 환원시킨 환원 산화티타늄을 사용하는 경우,(3) when using reduced titanium oxide with reduced ilmenite, rutile and anatase,
(4) 티타늄ㆍ슬래그를 사용하는 경우,(4) When using titanium slag
로 나뉘어진다.Divided into
(1)의 경우는, 가장 저비용인 반면, 산지에 따라 함유성분에 차이가 있고, 따라서, 그 성능에도 차이가 난다. 또, TiO2에서 환원 산화티타늄으로 변화할 때까지, 노 내의 H2 농도, CO2 농도에 따라, 환원반응의 속도가 다르고, 이들의 농도가 낮을 때는 TiO2의 환원에 장시간이 걸린다.In the case of (1), while it is the lowest cost, there is a difference in the content of components depending on the place of origin, and therefore also in the performance. Further, the rate of reduction reaction varies depending on the H 2 concentration and the CO 2 concentration in the furnace until the change from TiO 2 to reduced titanium oxide, and when these concentrations are low, the reduction of TiO 2 takes a long time.
(2)의 경우는, 고비용을 면할 수 없다. 그 반면, 산화티타늄에 여러 종류의 금속을 담지하거나, 또는 첨가하여 목적에 맞는 촉매기능을 부여하기 위한 제어가 용이하다. In the case of (2), high cost cannot be avoided. On the other hand, it is easy to control various kinds of metals on titanium oxide, or to add or support various kinds of metals to impart catalytic functions to the purpose.
(3)의 경우는 고비용을 면할 수 없고, (4)의 경우는 저비용이다. 그 중에서도 용광로의 용광 내에서 배출되는 티타늄ㆍ슬래그는 가장 바람직하다.In case of (3), high cost is inevitable, and in case of (4), it is low cost. Among them, titanium slag discharged from the blast furnace is most preferable.
티타늄ㆍ슬래그는, 노에서 꺼낼 때 급냉(急冷)하는 경우와 서냉(徐冷)하는 경우가 있고, 불활성 가스 중에서 급냉하면 산소결함구조의 완전한 환원 산화티타늄이 되지만, 대기 중에서 서냉하면 결정 중에 산소를 받아들여 그 일부는 TiO2로 변화한다.Titanium slag may be quenched or slow cooled when taken out of the furnace, and quenching in an inert gas results in complete reduction titanium oxide of the oxygen-deficient structure. It accepts and part of it changes to TiO 2 .
일메나이트, 루틸 및 아나타아제의 H2에 의한 환원도 마찬가지이다.The same applies to the reduction of ilmenite, rutile and anatase by H 2 .
다음으로는 본 발명의 기재가 되는 산화티타늄의 입경이 문제가 된다. 일반적으로 환원 산화티타늄에 있어서의 적외선 에너지의 흡수, 반사, 투과는, 입경 의존도가 크다. 근적외선 에너지를 최대로 흡수할 수 있는 입경을 선택하는 것이 중요하다.Next, the particle size of the titanium oxide which is the substrate of the present invention becomes a problem. Generally, absorption, reflection, and transmission of infrared energy in reduced titanium oxide have a large particle size dependency. It is important to select a particle size that can absorb near infrared energy to the maximum.
다음에 본 발명의 실시의 일예를 설명한다.Next, an example of implementation of the present invention will be described.
티타늄ㆍ슬래그를 기재로 하며, 그 함유성분은 하기 표 2에 기재한 바와 같다.Titanium slag is used as a base material, and the components thereof are as shown in Table 2 below.
상기 표 2에 기재된 티타늄ㆍ슬래그를 분쇄하여, 입경분포 0.8∼3㎛로 조정하고, 여기에 결합재 및 무기 접착제를 배합한 도료ㆍ코팅재 조성물을 만들고, 경우에 따라서는, 소량의 크로마이트(Cr2O3) 및 실리카(SiO2)를 가한다. Al 2O3, SiO2, Cr2O3는, 고온의 노벽 표면에 스피넬(spinel)형 화합물을 형성하여, 결합력 및 밀착성이 강해진다. 단, 결합재인 SiO2는, Al2O3에 비하면 열팽창성이 높기 때문에, 그 배합량은 적정함을 요한다.The titanium slag shown in Table 2 was pulverized, adjusted to a particle size distribution of 0.8 to 3 µm, and a coating and coating material composition containing a binder and an inorganic adhesive was prepared. In some cases, a small amount of chromite (Cr 2) was used. O 3 ) and silica (SiO 2 ) are added. Al 2 O 3 , SiO 2 , and Cr 2 O 3 form a spinel compound on the surface of a high-temperature furnace wall, resulting in a strong bonding force and adhesion. However, the bonding material is SiO 2, as compared to the Al 2 O 3 the high thermal expansion, the amount thereof shall require that the titration.
티타늄ㆍ슬래그, 결합재, 무기 접착제로 이루어지는 도료 조성물을, 마지막으로 수용액 중에 현탁ㆍ분산하여 슬러리(slurry)상태로 하여 도료를 만든다. 수용액과 고형성분의 혼합비율은 50:50(중량비)으로 한다.The coating composition consisting of titanium, slag, binder, and inorganic adhesive is finally suspended and dispersed in an aqueous solution to form a slurry in a slurry state. The mixing ratio of the aqueous solution and the solid component is 50:50 (weight ratio).
노벽 표면의 도막ㆍ코팅막의 막형성작업은, 주로 스프레이건(spray gun)에 의한 스프레이 코팅법에 의해 행하여지지만, 경우에 따라서는 워터 플라즈마 용사법으로 막을 형성할 수도 있다.Although the film-forming operation of the coating film and the coating film on the furnace wall surface is mainly carried out by a spray coating method using a spray gun, in some cases, a film may be formed by a water plasma spraying method.
스프레이건에 의한 스프레이 코팅법으로 도막(塗膜)을 형성한 후에는, 150∼180℃의 열을 가하여 구어 붙인다. 용사법에 의하여 막을 형성을 할 때는, 열을 가하여 굽는 공정은 불필요하다.After forming a coating film by the spray coating method by a spray gun, it heats at 150-180 degreeC, and bakes. When forming a film by a thermal spraying method, the process of applying heat and baking is unnecessary.
본 발명을 공업 가열로의 내벽 표면에 실시하면, 방사열 에너지는 현저하게 증대하고, 그 결과, 연료를 대폭으로 절감할 수 있다. 실제 노에 있어서의 테스트 결과는, 전노(轉爐)에서는, 연료 원단위(原單位)로 8 내지 10%의 절감효과, 에틸렌(ethylene)분해노에서는, 연료 원단위로 3 내지 3.5%의 절감효과가 나타났다. 실제 노에 있어서의 테스트 결과는, 보정절차를 통해 보고ㆍ제출할 것이다.When the present invention is applied to the inner wall surface of an industrial heating furnace, the radiant heat energy is remarkably increased, and as a result, fuel can be greatly reduced. In the actual furnace test results, the savings of 8 to 10% in the fuel raw unit in the whole furnace, and 3 to 3.5% in the fuel raw unit in the ethylene cracking furnace were shown. . Test results in the actual furnace will be reported and submitted through the calibration procedure.
본 발명의 부차적 효과로서, 가열로의 배기구에 있어서의 배기가스 온도의 현저한 저하(약 10%)가 인정되는데, 이 현상은 배위자 작용에 의한 이산화탄소(CO2) 및 질소산화물(NOx)의 해리가 진행된 결과라고 추정할 수 있지만, 현재로서는 정밀분석에 의한 정량적 동정을 얻기에 이르지는 못하였다. As a side effect of the present invention, a significant drop (about 10%) of the exhaust gas temperature at the exhaust port of the furnace is recognized, which is a phenomenon of dissociation of carbon dioxide (CO 2 ) and nitrogen oxides (NO x ) by ligand action. Can be assumed to be an advanced result, but at present it has not been possible to obtain quantitative identification by precise analysis.
이상 기술한 바와 같이, 본 발명은 공업 가열로에 즉시 실시할 수 있는 것으로서, 그 효과는 연료의 현저한 절감효과로서 나타난다. 또, 부차적으로, 공업 가열로에 있어서의 이산화탄소의 배출량을 현저하게 감소시킬 수 있다.As described above, the present invention can be immediately implemented in an industrial heating furnace, and the effect appears as a significant saving of fuel. Incidentally, the emission of carbon dioxide in the industrial heating furnace can be significantly reduced.
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