KR102104877B1 - 알칼리 금속 카보네이트를 함유하는 니트레이트 염 조성물 및 열 전달 매질 또는 열 저장 매질로서 이의 용도 - Google Patents
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Abstract
본 발명은,
(A) 니트레이트 염 조성물을 기준으로 총 90 내지 99.84 중량%의 알칼리 금속 니트레이트 및 임의적으로 알칼리 금속 니트라이트; 및
(B) 니트레이트 염 조성물을 기준으로 총 0.16 내지 10 중량%의, (B1) 알칼리 금속 옥사이드, (B2) 알칼리 금속 카보네이트, (B3) 250℃ 내지 600℃의 온도에서 알칼리 금속 옥사이드 또는 알칼리 금속 카보네이트로 분해되는 알칼리 금속 화합물, (B4) 알칼리 금속 하이드록사이드 MetOH(이때, Met는 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐 또는 세슘이다), (B5) 알칼리 금속 퍼옥사이드 Met2O2(이때, Met는 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐 또는 세슘이다), 및 (B6) 알칼리 금속 수퍼옥사이드 MetO2(이때, Met는 나트륨, 칼륨, 루비듐 또는 세슘이다)로 이루어진 군으로부터 선택된 알칼리 금속 화합물
을 필수 성분으로서 포함하는, 니트레이트 염 조성물에 관한 것이다.
(A) 니트레이트 염 조성물을 기준으로 총 90 내지 99.84 중량%의 알칼리 금속 니트레이트 및 임의적으로 알칼리 금속 니트라이트; 및
(B) 니트레이트 염 조성물을 기준으로 총 0.16 내지 10 중량%의, (B1) 알칼리 금속 옥사이드, (B2) 알칼리 금속 카보네이트, (B3) 250℃ 내지 600℃의 온도에서 알칼리 금속 옥사이드 또는 알칼리 금속 카보네이트로 분해되는 알칼리 금속 화합물, (B4) 알칼리 금속 하이드록사이드 MetOH(이때, Met는 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐 또는 세슘이다), (B5) 알칼리 금속 퍼옥사이드 Met2O2(이때, Met는 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐 또는 세슘이다), 및 (B6) 알칼리 금속 수퍼옥사이드 MetO2(이때, Met는 나트륨, 칼륨, 루비듐 또는 세슘이다)로 이루어진 군으로부터 선택된 알칼리 금속 화합물
을 필수 성분으로서 포함하는, 니트레이트 염 조성물에 관한 것이다.
Description
본 발명은 특허청구범위에 정의된 바와 같은 니트레이트 염 조성물, 및 또한 특허청구범위에 정의된 바와 같은 열 전달 매질 및/또는 열 저장 매질로서 이의 용도에 관한 것이다.
무기 고체, 특히 염에 기초한 열 전달 매질 또는 열 저장 매질은 화학 기술 및 발전소 공학 둘다에서 알려져 있다. 상기 매질은 일반적으로 고온, 예를 들면, 100℃ 이상에서 사용되고, 따라서 대기압에서 물의 비점을 초과한다.
예를 들면, 염욕 반응기는 다양한 화학물질의 산업적 제조를 위한 화학 공장에서 약 200 내지 500℃의 온도에서 사용된다.
열 전달 매질은 열 공급원, 예를 들면, 태양 열 발전소에서 태양에 의해 가열된 매질이고, 특정한 거리에 걸쳐서 이에 존재하는 열을 수송한다. 이어서, 매질은 이 열을 또다른 매질, 예를 들면, 물 또는 기체로, 바람직하게는 열 교환기를 통해 전달할 수 있고, 이어서 상기 다른 매질은 예를 들면, 터빈을 구동할 수 있다. 그러나, 열 전달 매질은 또한 이에 존재하는 열을 저장 용기에 존재하는 또다른 매질(예를 들면, 염 용융물)로 전달하고, 따라서 저장을 위해 열을 통과할 수 있다. 그러나, 열 전달 매질은 또한 그 자체가 저장 용기내에 공급되어 남겨질 수 있다. 따라서, 매질은 그 자체가 열 전달 매질 및 열 저장 매질 둘다이다.
열 저장물은 일반적으로 화학 조성물, 예를 들면, 특정 시간 동안 많은 열을 저장할 수 있는 본 발명에 따른 혼합물인 열 저장 매질을 포함한다. 유체, 바람직하게는 액체를 위한 열 저장물인 열 저장 매질은 바람직하게는 열 손실에 대하여 절연된 고정 용기에 의해 일반적으로 형성된다.
열 전달 매질 또는 열 저장 매질에 대한 적용의 여전히 비교적 신규한 분야는 전기 에너지를 생성하기 위한 태양 열 발전소이다. 상기에서, 집중된 태양 복사는 열 교환기를 통해 이의 열을 물에 통과시키는 열 전달 매질을 가열하여 통상적인 전기 발전소에서와 같이 궁극적으로 터빈을 구동시키는 스팀을 생성하고, 전기 에너지를 생성하기 위해 생성기를 구동시킨다.
3가지 유형의 태양 열 발전소, 즉, 구유형(parabolic trough) 발전소, 프레넬형(Fresnel) 발전소 및 타워형(tower) 발전소가 특히 중요하다.
구유형 발전소에서, 태양 복사는 포물선 거울 홈을 통해 거울의 초점 선에 초점을 맞춘다. 거기에, 열 전달 매질로 채워진 튜브가 있다. 열 전달 매질은 태양 복사에 의해 가열되고 증기를 생성하기 위해 상기 기재된 바와 같이 이의 열을 방출하는 열 교환기로 흐른다.
프레넬형 발전소에서, 태양 복사는 일반적으로 평면 거울을 사용하여 초점 선 위에 초점을 맞춘다. 거기에, 열 전달 매질이 관통하여 흐르는 튜브가 있다. 구유형 발전소와는 반대로, 거울 및 튜브는 함께 태양의 위치를 따르지 않지만, 대신에 거울의 설정은 고정된 튜브에 대하여 조정된다. 거울의 설정은 고정된 튜브가 항상 거울의 초점 선에 있도록 태양의 위치를 따른다. 프레넬형 발전소에서도, 용융 염이 열 전달 매질로서 사용될 수 있다. 염 프레넬형 발전소는 현재 대부분 여전히 개발되고 있다. 염 프레넬형 발전소에서 증기의 생성은 구유형 발전소와 유사하게 수행된다.
태양 열 타워형 발전소의 경우, 타워는 타워의 상부에서 중심 수신기 위에 태양 복사의 초점을 맞추는 거울에 의해 둘러싸인다. 수신기에서, 열 전달 매질은 구유형 발전소 또는 프레넬형 발전소와 유사한 방식으로 열 전달 매질을 통해 전기 에너지를 생성하기 위해 가열되어 증기를 생성한다.
현재 "열매체유(thermal oil)"로서도 지칭되는 다이페닐 에터 및 바이페닐로 구성된 유기 열 전달 매질이 구유형 발전소에서 사용된다. 그러나, 이 열 전달 매질은 400℃ 이하에서만 사용될 수 있는데, 이는 이 온도를 초과하는 장기적인 작동 동안 분해될 수 있기 때문이다.
그러나, 400℃를 초과하여 증기 생성기(증기 입구 온도)의 열 교환기에 도착하자마자 열 전달 매질의 온도를 증가시키는 것이 바람직한데, 이는 증기 터빈의 효율이 증가되기 때문이다(400℃의 증기 입구 온도에서, 카르노 효율(Carnot efficiency)은 약 42%이고; 500℃에서, 예를 들면, 효율은 약 50% 이상까지 증가한다).
약 60 중량%의 나트륨 니트레이트(NaNO3) 및 약 40 중량%의 칼륨 니트레이트(KNO3)의 혼합물이 태양 열 타워형 발전소에서 이미 시행되고 있는 바와 같이 유기 열 전달 매질 대신에 열 전달 매질로서 사용되는 경우, 이는 장기적으로 최대 약 565℃까지 가열될 수 있다. 이 온도를 초과하는 경우, 언급된 니트레이트 혼합물은 또한 일반적으로 아산화질소, 통상적으로 일산화질소 및/또는 이산화질소를 방출하면서 경시적으로 분해된다.
약 650℃의 온도로, 예를 들면, 타워형 발전소의 초점에서 태양 열 발전소에서 열 전달 물질을 가열함으로써, 화석 연료형 발전소의 경우와 유사하게, 증기 터빈의 효율을 더 높이는 것이 원칙적으로 기술적으로 상당히 가능할 수 있다.
따라서, 장기간 작동하는 열 전달 매질의 열 안정성을 약 565℃를 초과하여 증가시키는 것이 바람직하다.
그리드의 수요에 대하여 유형과 상관없이 태양 열 발전소에서 전기 에너지의 생성을 부합시키는 것이 매우 바람직하다. 이는 예를 들면, 열이 높은 입사 태양 복사의 시간 동안 저장되고 일몰 후 또는 나쁜 기상 단계에서 필요한 경우 전기 에너지를 생성하기 위해 이용됨으로써 가능하게 된다.
열의 저장은 일반적으로 잘 절연된 저장 탱크에 가열된 열 전달 매질의 저장에 의해 직접적으로, 또는 가열된 열 전달 매질로부터 또다른 매질(열 저장), 예를 들면, 나트륨 니트레이트-칼륨 니트레이트 염 용융물로의 열의 이동에 의해 간접적으로 수행될 수 있다.
간접 방법은 스페인에 위치한 50 MW 안다솔(Andasol) I 발전소에서 실현되었고, 여기서, 약 28,500 메트릭 톤의 나트륨 니트레이트 및 칼륨 니트레이트의 용융물(60:40, 단위: 중량%)이 잘 절연된 탱크에서 열 저장물로서 사용되었다. 입사 태양 복사의 기간 동안, 용융물은 비교적 차가운 탱크(약 290℃)로부터 열매체유-염 열 교환기를 통해 더 뜨거운 탱크로 펌핑되고 공정에서 약 390℃까지 가열된다. 여기에서, 열 에너지는 열매체유(여기서 열 전달 매질로서 작용)로부터 열 교환기를 통해 버려지고 염 용융물(열매체유-염 열 교환기) 내로 도입된다. 낮은 입사 태양 복사의 시간 동안 및 밤에, 발전소는 열 저장이 완전히 충전된 경우, 약 7.5 시간 동안 전체 부하 하에 작동될 수 있다.
그러나, 상응하는 열매체유-염 열 교환기가 이 방식으로 절약될 수 있으므로, 열 저장 매질로서 열 전달 매질도 사용하기에 유리할 수 있다.
게다가, 환원성을 갖는 열매체유와 강산화성 니트레이트 용융물의 가능한 접촉을 이 방식으로 피할 수 있다. 나트륨 니트레이트-칼륨 니트레이트 용융물에 비해 상당히 높은 가격의 열매체유로 인해, 열매체유는 지금까지 열 저장물로서 간주되지 않았다.
본 발명의 목적은 고온, 바람직하게는 565℃ 이상에서 장기간 작동에 사용될 수 있는 열 전단 매질 및/또는 열 저장 매질로서 용이하게 이용가능한 개선된 니트레이트 염 조성물을, 아산화질소, 통상적으로 일산화질소 및/또는 이산화질소의 방출을 감소 또는 억제시키면서 제공하는 것이다.
약 60 중량%의 나트륨 니트레이트(NaNO3) 및 약 40 중량%의 칼륨 니트레이트(KNO3)로 구성된 니트레이트 혼합물은 예를 들면, 코스탈 케미칼 캄파니 엘엘씨(Coastal Chemical Co., L.L.C)에 의해 상표명 하이텍(Hitec: 등록상표) 천일염으로 판매를 위해 제공된다. 이 제품은 열 전달 매질 또는 열 저장 매질로서 사용하기 위해 제공된다. 이는 추가 성분 외에 최대 0.15 중량% 이하의 소량의 나트륨 카보네이트(Na2CO3)를 포함할 수 있다(제품 정보 시트 하이텍(등록상표) 천일염).
단순성의 이유로, 본 명세서 및 특허청구범위에 정의된 니트레이트 염 조성물, 특히 이의 바람직한 실시양태 및 특히 바람직한 실시양태는 또한 이하에서 "본 발명의 니트레이트 염 조성물"로서 지칭된다.
본 발명의 니트레이트 염 조성물은 알칼리 금속 니트레이트 및 임의적으로 알칼리 금속 니트라이트를 필수 성분 (A)로서 포함한다.
알칼리 금속 니트레이트는 본원에서 니트레이트, 바람직하게는 사실상 물-무함유 니트레이트, 특히 바람직하게는 일반적으로 MetNO3으로서 기재된, 금속 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐 또는 세슘의 결정화의 물-무함유 니트레이트이고, 이때, Met는 상기 기재된 알칼리 금속을 나타내고; 용어 알칼리 금속 니트레이트는 단일 니트레이트 및 상기한 금속의 니트레이트의 혼합물, 예를 들면, 칼륨 니트레이트 + 나트륨 니트레이트 둘다를 포함한다.
알칼리 금속 니트라이트는 본원에서 니트라이트, 바람직하게는 사실상 물-무함유 니트라이트, 특히 바람직하게는 일반적으로 MetNO2로서 기재된, 알칼리 금속 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐 및 세슘의 결정화의 물-무함유 니트라이트이고, 이때, Met는 상기 기재된 알칼리 금속을 나타낸다. 알칼리 금속 니트라이트는 단일 화합물로서 그렇지 않으면 다양한 알칼리 금속 니트라이트의 혼합물로서, 예를 들면, 나트륨 니트라이트 + 칼륨 니트라이트로서 존재할 수 있다.
성분 (A)는 본 발명의 니트레이트 염 조성물을 기준으로 총 90 내지 99.84 중량%, 바람직하게는 95 내지 99.84 중량%, 특히 바람직하게는 95 내지 99.8 중량%, 더욱 특히 바람직하게는 98 내지 99.8 중량%의 양으로 존재한다.
성분 (A)는, 성분 (A)를 기준으로 0 내지 50 중량%, 바람직하게는 1 내지 10 중량%, 특히 바람직하게는 2 내지 5 중량%의 양으로 상기 기재된 바와 같은 알칼리 금속 니트라이트를 포함할 수 있다.
성분 (A)의 적절한 알칼리 금속 니트레이트 구성요소 MetNO3은 예를 들면, 성분 (A)의 알칼리 금속 니트레이트 구성요소 MetNO3을 기준으로 (A1) 20 내지 55 중량%의 칼륨 니트레이트 및 (A2) 45 내지 80 중량%의 나트륨 니트레이트로 구성된다.
성분 (A)의 적절한 알칼리 금속 니트라이트 구성요소 MetNO2는 예를 들면, 성분 (A)의 알칼리 금속 니트라이트 구성요소 MetNO2를 기준으로 (A1) 20 내지 55 중량%의 칼륨 니트라이트 및 (A2) 45 내지 80 중량%의 나트륨 니트라이트로 구성된다.
니트레이트 염 조성물의 추가 실시양태에서, 성분 (A)는 단지 1가지 유형의 알칼리 금속 니트레이트, 예를 들면, 칼륨 니트레이트 또는 나트륨 니트레이트를 포함한다.
본 발명의 니트레이트 염 조성물은 니트레이트 염 조성물을 기준으로 총 0.16 내지 10 중량%, 바람직하게는 0.16 내지 5 중량%, 특히 바람직하게는 0.2 내지 5 중량%, 더욱 특히 바람직하게는 0.2 내지 2 중량%의, (B1) 알칼리 금속 옥사이드 Met2O, (B2) 알칼리 금속 카보네이트, (B3) 250℃ 내지 600℃의 온도에서 알칼리 금속 옥사이드 또는 알칼리 금속 카보네이트로 분해되는 알칼리 금속 화합물, (B4) 알칼리 금속 하이드록사이드 MetOH(이때, Met는 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐 또는 세슘, 바람직하게는 나트륨 및/또는 칼륨이다), (B5) 알칼리 금속 퍼옥사이드 Met2O2(이때, Met는 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐 또는 세슘, 바람직하게는 나트륨 및/또는 칼륨이다), 및 (B6) 알칼리 금속 수퍼옥사이드 MetO2(이때, Met는 나트륨, 칼륨, 루비듐 또는 세슘, 바람직하게는 나트륨 및/또는 칼륨이다)로 이루어진 군에서 선택된 알칼리 금속 화합물을 필수 성분 (B)로서 추가로 포함한다.
태양 열 발전소에서 상응하는 산화 조건하에 니트레이트 염 용융물의 전형적인 높은 작동 온도, 즉, 250℃ 내지 600℃, 바람직하게는 300℃ 내지 500℃에서 알칼리 금속 옥사이드, 바람직하게는 나트륨 옥사이드로, 또는 알칼리 금속 카보네이트, 바람직하게는 나트륨 카보네이트로 분해되는 알칼리 금속 화합물(B3)이 선호된다. 상기 알칼리 금속 화합물의 예는 알칼리 금속 염, 예컨대, 카복실산, 예컨대, 포름산, 아세트산, 옥살산의 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐 또는 세슘 염, 예를 들면, 나트륨 포름에이트, 나트륨 아세테이트, 칼륨 옥살레이트이다.
본 발명의 니트레이트 염 조성물은 니트레이트 염 조성물을 기준으로 총 0.16 내지 10 중량%, 바람직하게는 0.16 내지 5 중량%, 특히 바람직하게는 0.2 내지 5 중량%, 더욱 특히 바람직하게는 0.2 내지 2 중량%의 알칼리 금속 카보네이트를 바람직한 필수 성분 (B)로서 포함한다.
알칼리 금속 카보네이트는 일반적으로 Met2CO3으로서 기재된 알칼리 금속 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐 및 세슘의 카보네이트, 바람직하게는 사실상 물-무함유 카보네이트이고, 상기 Met는 상기 기재된 알칼리 금속을 나타낸다. 알칼리 금속 카보네이트는 단일 화합물로서 그렇지 않으면 다양한 알칼리 금속 카보네이트의 혼합물로서, 예를 들면, 나트륨 카보네이트 + 칼륨 카보네이트로서 존재할 수 있다.
니트레이트 염 조성물의 적절한 실시양태에서, 성분 (B)는 알칼리 금속 카보네이트 Met2CO3, 바람직하게는 나트륨 카보네이트 Na2CO3 단독으로 또는 리튬 카보네이트 Li2CO3, 칼륨 카보네이트 K2CO3, 루비듐 카보네이트 Rb2CO3, 세슘 카보네이트 Cs2CO3, 바람직하게는 리튬 카보네이트 Li2CO3 및/또는 칼륨 카보네이트 K2CO3으로 이루어진 군으로부터 선택된 추가 알칼리 금속 카보네이트와 함께 사실상 배타적으로 형성된다.
본 발명의 니트레이트 염 조성물에 존재하는 성분 (B), 바람직하게는 알칼리 금속 카보네이트, 특히 나트륨 카보네이트의 양은 본 기술의 상태에 따라, 0.16 중량% 이상, 바람직하게는 0.2 중량%이어야 하고, 그렇지 않으면 성분 (B), 바람직하게는 알칼리 금속 카보네이트의 안정화 효과를 손실시킨다.
본 발명의 니트레이트 염 조성물에 존재하는 성분 (B), 바람직하게는 알칼리 금속 카보네이트, 특히 나트륨 카보네이트의 양은 10 중량%, 바람직하게는 5 중량%, 특히 바람직하게는 2 중량%를 초과하지 않아야 한다.
성분 (B), 바람직하게는 알칼리 금속 카보네이트의 높은 함량에서, 예를 들면, 본 발명의 니트레이트 염 조성물의 용융물에 너무 많이 용해되고/되거나 용해되지 않은 성분 (B)의 입자, 바람직하게는 알칼리 금속 카보네이트 입자는 태양 열 발전소 또는 화학 공장의 배관, 펌프 및 장치 시스템에서 오작동을 야기할 수 있는 위험이 있다.
본 발명의 니트레이트 염 조성물의 성분 (B)의 함량, 바람직하게는 알칼리 금속 카보네이트 함량에 대한 상한치는 다양한 매개변수, 예를 들면, 본 발명의 니트레이트 염 조성물에 상응하는 용융물의 온도 또는 이의 정확한 조성물에 의해 영향받을 수 있다.
상기한 유의한 성분 외에, 본 발명의 니트레이트 염 조성물은 미량의 불순물, 예를 들면, 나트륨 클로라이드, 나트륨 설페이트, 칼슘 옥사이드, 마그네슘 옥사이드, 규소 다이옥사이드, 알루미늄 옥사이드, 철 옥사이드 또는 물을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 불순물의 합은 일반적으로 본 발명의 니트레이트 염 조성물을 기준으로 총 1 중량%를 초과하지 않는다.
본 발명의 니트레이트 염 조성물의 모든 성분의 합은 100 중량%이다.
본 발명의 니트레이트 염 조성물은 용융 동안 진행되고 통상적으로 니트라이트 함량 및 성분 (A) 및/또는 (B)를 형성하는 양이온의 비에 따라 약 150 내지 300℃ 초과 온도에서 펌핑가능하게 형성된다.
바람직하게는 용융 형태, 예를 들면, 펌핑가능한 액체에서 본 발명의 니트레이트 염 조성물은 바람직하게는 열 및/또는 전기를 생성하기 위한 발전소에서, 화학 공정 공학, 예를 들면, 염욕 반응기에서, 및 금속 경화 공장에서 열 전달 매질 및/또는 열 저장 매질로서 사용된다.
열 및/또는 전기 에너지를 생성하기 위한 발전소의 예는 태양 열 발전소, 예컨대, 구유형 발전소, 프레넬형 발전소, 타워형 발전소이다.
적절한 실시양태에서, 본 발명의 니트레이트 염 조성물은 바람직하게는 용융 상태에서, 예를 들면, 펌핑가능한 액체로서 태양 열 발전소, 예를 들면, 구유형 발전소, 타워형 발전소 또는 프레넬형 발전소에서 열 전달 매질 및 열 저장 매질 둘다로서 사용된다.
추가의 적절한 실시양태에서, 본 발명의 니트레이트 염 조성물은 바람직하게는 용융 상태에서, 예를 들면, 펌핑가능한 액체로서 태양 열 발전소, 예를 들면, 구유형 발전소, 타워형 발전소, 프레넬형 발전소에서 열 전달 매질 또는 열 저장 매질로서 사용된다.
예를 들면, 본 발명의 니트레이트 염 조성물은 바람직하게는 용융 상태에서, 예를 들면, 펌핑가능한 액체로서 타워형 발전소에서 열 전달 매질 및/또는 열 저장 매질, 특히 바람직하게는 열 전달 매질로서 사용된다.
본 발명의 니트레이트 염 조성물이 바람직하게는 용융 상태에서, 예를 들면, 펌핑가능한 액체로서 태양 열 발전소, 예를 들면, 구유형 발전소, 타워형 발전소, 프레넬형 발전소에서 열 전단 매질로서 사용된 경우, 열 전달 매질은 태양 열에 의해 가열된 튜브를 통해 전달된다. 이들은 통상적으로 발전소의 스팀 가열기의 열 저장물 또는 열 교환기에 고온의 열을 전달한다.
열 저장물은 일반적으로 2개의 큰 용기, 일반적으로 냉 용기 및 열 용기를 포함한다. 본 발명의 니트레이트 염 조성물은 바람직하게는 용융 상태, 예를 들면, 펌핑가능한 액체로서 통상적으로 태양 열 발전소의 냉 용기로부터 취해지고 구유형 발전소 또는 타워 수신기의 태양열 분야에서 가열된다. 이러한 방식으로 가열된 뜨거운 용융 염 혼합물은 통상적으로 열 용기에 전달되고 전기 에너지 생산이 요구될 때까지 저장된다.
이어서, 본 발명의 뜨거운 니트레이트 염 조성물은 통상적으로 용융 상태에서, 예를 들면, 펌핑가능한 액체로서 열 탱크로부터 취해되고 스팀 발전소의 스팀 생성기에 펌핑된다. 스팀이 생성되고 일반적으로 전기 그리드에 전기 에너지를 공급하기 위해 터빈 및 생성기를 구동하는 100 바 초과로 가압된다.
스팀 생성기에서, 본 발명의 니트레이트 염 조성물은 일반적으로 용융 상태에서, 예를 들면, 펌핑가능한 액체로서 약 290℃로 냉각되고, 통상적으로 냉각 탱크에 다시 전달된다. 열을, 태양으로부터의 열에 의해 가열된 튜브로부터 저장물 또는 스팀 생성기로 전도하는 경우, 용융 형태에서 본 발명의 니트레이트 염 조성물은 열 전달 매질로서 작용한다. 열 저장 용기 내로 도입되면, 본 발명의 동일한 니트레이트 염 조성물은 예를 들면, 가능한 전기 에너지의 수요 지향적 생산을 위해 열 저장 매질로서 작용한다.
그러나, 본 발명의 니트레이트 염 조성물은 바람직하게는 용융 형태에서 또한 화학 공정 공학에서, 예를 들면, 일반적으로, 매우 큰 열 흐름이 좁은 변동폭 제한으로 매우 고온에서 전달될 수 있는 화학 제조 공장의 가열 반응 장치를 위해 열 전달 매질 및/또는 열 저장 매질, 바람직하게는 열 전달 매질로서 사용된다. 예는 염욕 반응기이다. 상기한 제조 공장의 예는 아크릴산 공장 또는 멜라민 제조 공장이다.
실시예
실시예
1
천일염(500 g; NaNO3 300 g, KNO3 200 g)을 나트륨 카보네이트(5 g; 0.11 질량%의 탄소에 상응함)와 혼합하고 스테인레스 강 용기에서 300℃로 가열하였다. 이후, 물-무함유 및 이산화탄소-무함유 공기(5 L)와 혼합된 NO(6 g)를 1 시간의 기간에 걸쳐서 용융물 내로 도입하였다. 실험 종료 후 용융물을 분석하여 0.031 질량%의 총 탄소 함량을 수득하였다. 이 실험에서, NO 등가물(2 g)은 카보네이트의 전환에 의해 결합될 수 있었다.
니트레이트/니트라이트 비(단위: 중량%)는 유의하게 변하지 않았고, 이를 상응하는 이온의 습윤 화학 분석으로 확인하였다.
실시예
2
하이텍(등록상표)(500 g; NaNO3 35 g, KNO3 265 g, NaNO2 200 g)을 나트륨 카보네이트(5 g; 0.11 질량%의 탄소에 상응함)와 혼합하고 스테인레스 강 용기에서 300℃로 가열하였다. 이후, 물-무함유 및 이산화탄소-무함유 공기(10 L)와 혼합된 NO(15.2 g)를 2 시간의 기간에 걸쳐서 용융물 내로 도입하였다. 원래 불용성인 나트륨 카보네이트가 실험 후 완전히 용해되었다. 용융물의 분석은 0.02 질량%의 총 탄소 함량을 나타내었다. 이 실험에서, NO 등가물(2.3 g)은 카보네이트의 전환에 의해 결합될 수 있었다.
니트레이트/니트라이트 비(단위: 중량%)는 유의하게 변하지 않았고, 이를 상응하는 이온의 습윤 화학 분석으로 확인하였다.
실시예
3
천일염(500 g: NaNO3 300 g, KNO3 200 g)을 Na2O/Na2O2(80:20, 5 g)와 혼합하고 스테인레스 강 용기에서 400℃로 가열하였다. 이후 물-무함유 및 이산화탄소-무함유 공기(5 L)와 혼합된 NO(10.4 g)를 1 시간의 기간에 걸쳐서 용융물 내로 도입하였다. 가수분해 후, 염 용융물의 하이드록사이드 함량은 검출치 미만이었다(< 0.1 g/100 g). 따라서, 이 실험에서, NO 등가물(4.6 g)은 옥사이드의 전환에 의해 결합될 수 있었다.
니트레이트/니트라이트 비(단위: 중량%)는 유의하게 변하지 않았고, 이를 상응하는 이온의 습윤 화학 분석으로 확인하였다.
실시예
4
천일염(500 g; NaNO3 300 g, KNO3 200 g)을 NaOH(5 g)와 혼합하고 스테인레스 강 용기에서 300℃로 가열하였다. 이후, 물-무함유 및 이산화탄소-무함유 공기(50 L)로 많이 희석된 NO2(12.8 g)를 용융물 내로 도입하였다. 가수분해 후, 염 용융물의 하이드록사이드 함량은 0.1 g/100 g이었다. 따라서, 이 실험에서, NO2 등가물(4.4 g)은 하이드록사이드의 전환에 의해 결합될 수 있었다.
니트레이트/니트라이트 비(단위: 중량%)는 유의하게 변하지 않았고, 이를 상응하는 이온의 습윤 화학 분석으로 확인하였다.
실시예
5
하이텍(등록상표)(500 g; NaNO3 35 g, KNO3 265 g, NaNO2 200 g)을 NaOH(8 g)와 혼합하고 스테인레스 강 용기에서 200℃로 가열하였다. 이후, 물-무함유 및 이산화탄소-무함유 공기(10 L)로 많이 희석된 NO(15.3 g)를 용융물 내로 도입하였다. 가수분해 후, 용융물의 하이드록사이드 함량은 검출치 미만이었다(< 0.1 g/100 g). 이 실험에서, NO 등가물(6 g)은 하이드록사이드의 전환에 의해 결합될 수 있었다.
니트레이트/니트라이트 비(단위: 중량%)는 유의하게 변하지 않았고, 이를 상응하는 이온의 습윤 화학 분석으로 확인하였다.
실시예 1 내지 5는 본 발명에 따른 알칼리 금속 화합물 (B)가 니트레이트/니트라이트 비 변화 없이 고온에서 질소 옥사이드와 결합함을 나타낸다.
실시예
6
본 발명에 따른 알칼리 금속 화합물 (B)가 없는 비교 실험
하이텍(등록상표)(100 g; NaNO3 7 g, KNO3 53 g, NaNO2 40 g)을 스테인레스 강 튜브에서 595℃로 가열하고, 이 온도에서(±5 K) 2.5 시간 동안 유지하였다. 2개의 세척 병 내로 형성된 가스를 전달하기 위해 아르곤(10 L/시간)을 용융물 상에 통과시켰다. 2개의 세척 병을 3% 과산화수소 용액으로 채웠다(각각 135.6 g 및 151.2 g). 총 질소 함량의 분석은 염 용융물로부터 발산된 용액에서 각각 22 mg/kg 및 5 mg/kg을 나타내는 바, 7.7 mg의 질소 또는 16.6 mg의 NO의 총량에 상응하였다.
본 발명에 따른 실험
동일한 실험 설정에서, 하이텍(등록상표)(100 g; NaNO3 7 g, KNO3 53 g, NaNO2 40 g)과 함께 Na2CO3(1 g)을 600℃로 가열하고, 이 온도에서(±5 K) 두번째 실험 중 2.5 시간 동안 유지하였다. 2개의 세척 병 내로 형성된 가스를 전달하기 위해 아르곤(10 L/시간)을 용융물 상에 통과시켰다. 2개의 세척 병을 3% 과산화수소 용액으로 채웠다(각각 148.2 g 및 149.4 g). 총 질소 함량의 분석은 염 용융물로부터 발산된 용액에서 각각 9 mg/kg 및 7 mg/kg을 나타내는 바, 4.8 mg의 질소 또는 10.2 mg의 NO의 총량에 상응하였다.
따라서, 이는 하이텍(등록상표) 중 첨가제로서 1% 나트륨 카보네이트가 약 40 중량% 만큼 질소 옥사이드의 유리를 감소시킴을 나타낼 수 있다.
실시예
7
본 발명에 따른 알칼리 금속 화합물 (B)가 없는 비교 실험
천일염(100 g; NaNO3 60 g, KNO3 40 g)을 스테인레스 강 튜브에서 2 시간의 기간에 걸쳐서 600℃로 가열하고, 이 온도에서(±5 K) 1 시간 동안 유지하였다. 스크러빙 타워 내로 형성된 가스 차단을 도입하기 위해 물-무함유 및 이산화탄소-무함유 공기(5 L/시간)를 용융물 상에 통과시켰다. 실험의 종료 후, 장치를 30분 동안 아르곤으로 플러싱하였다. 스크러빙 타워를 KMnO4(0.1 mol/L)와 함께 물 중 NaOH(0.2 mol/L)로 구성된 스크러빙 용액(57 g)으로 채웠다. 총 질소 함량의 분석은 염 용융물로부터 발산된 용액에서 51 mg/kg을 나타내는 바, 2.9 mg의 질소 또는 6.2 mg의 NO의 총량에 상응하였다.
본 발명에 따른 실험
동일한 실험 설정에서, 천일염(100 g)과 함께 Na2CO3(1 g; 0.11 질량%의 탄소에 상응함)을 스테인레스 강 튜브에서 2 시간의 기간에 걸쳐서 600℃로 가열하고, 이 온도에서(±5 K) 두번째 실험 중 1 시간 동안 유지하였다. 스크러빙 타워 내로 형성된 가스 차단을 도입하기 위해 물-무함유 및 이산화탄소-무함유 공기(5 L/시간)를 용융물 상에 통과시켰다. 실험의 종료 후, 장치를 30분 동안 아르곤으로 플러싱하였다. 스크러빙 타워를 KMnO4(0.1 mol/L)와 함께 물 중 NaOH(0.2 mol/L)로 구성된 스크러빙 용액(56 g)으로 채웠다. 총 질소 함량의 분석은 염 용융물로부터 발산된 용액에서 34 mg/kg을 나타내는 바, 1.9 mg의 질소 또는 4.1 mg의 NO의 총량에 상응하였다.
따라서, 이는 천일염 중 첨가제로서 1% 나트륨 카보네이트가 약 30% 만큼 질소 옥사이드의 유리를 감소시킴을 나타낼 수 있다.
실시예 6 및 7은 본 발명에 따른 알칼리 금속 화합물 (B)가 매우 높은 온도에서 질소 옥사이드의 유리를 많이 감소시킴을 나타낸다.
Claims (15)
- (A) 니트레이트 염 조성물을 기준으로 총 98 내지 99.84 중량%의, 알칼리 금속 니트레이트 및 알칼리 금속 니트라이트; 및
(B) 니트레이트 염 조성물을 기준으로 총 0.16 내지 2 중량%의, (B1) 알칼리 금속 옥사이드, (B2) 알칼리 금속 카보네이트, (B3) 250℃ 내지 600℃의 온도에서 알칼리 금속 옥사이드 또는 알칼리 금속 카보네이트로 분해되는 알칼리 금속 화합물, (B5) 알칼리 금속 퍼옥사이드 Met2O2(이때, Met는 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐 또는 세슘이다), 및 (B6) 알칼리 금속 수퍼옥사이드 MetO2(이때, Met는 나트륨, 칼륨, 루비듐 또는 세슘이다)로 이루어진 군으로부터 선택된 알칼리 금속 화합물
을 필수 성분으로서 포함하고,
성분 (A)는, 성분 (A)를 기준으로 총 50 중량% 이하의 알칼리 금속 니트라이트를 포함하는
니트레이트 염 조성물. - 제 1 항에 있어서,
성분 (B)가 알칼리 금속 카보네이트인 니트레이트 염 조성물. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
성분 (B)가 0.2 내지 2 중량%의 양으로 포함되되, 조성물의 총 중량%는 100 중량%를 넘지 않는, 니트레이트 염 조성물. - 삭제
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
성분 (A)의 알칼리 금속 니트레이트가, 성분 (A)의 알칼리 금속 니트레이트를 기준으로, (A1) 20 내지 55 중량%의 칼륨 니트레이트, 및 (A2) 45 내지 80 중량%의 나트륨 니트레이트로 구성되는 니트레이트 염 조성물. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
알칼리 금속 카보네이트가 나트륨 카보네이트 Na2CO3 및 칼륨 카보네이트 K2CO3으로 이루어진 군으로부터 선택되는 니트레이트 염 조성물. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
알칼리 금속 카보네이트가 나트륨 카보네이트 Na2CO3인 니트레이트 염 조성물. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
용융 형태의 니트레이트 염 조성물. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
열 전달 매질 및/또는 열 저장 매질로서 사용되는 니트레이트 염 조성물. - 제 9 항에 있어서,
니트레이트 염 조성물이 용융 형태로 존재하는 니트레이트 염 조성물. - 제 9 항에 있어서,
열 및/또는 전기를 생성하기 위한 발전소, 화학 공정 공학 및 금속 경화 공장에서 사용되는 니트레이트 염 조성물. - 제 11 항에 있어서,
태양 열 발전소에서 사용되는 니트레이트 염 조성물. - 제 12 항에 있어서,
태양 열 발전소에서 열 전달 매질로서 사용되는 니트레이트 염 조성물. - 제 13 항에 있어서,
태양 열 발전소에서 열 저장 매질로서 사용되는 니트레이트 염 조성물. - 제 11 항에 있어서,
화학 제조 공장의 가열 반응 장치를 위한 열 전달 매질로서 사용되는 니트레이트 염 조성물.
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