본 연구는 선박에서 배출되는 배기가스의 농도 측정, 연소효율 평가와 국제해사기구에서 권장하는 인덱싱 방법의 검토를 통해 이산화탄소 규제관련 대응전략 수립을 위한 기초자료 확보에 목적을 둔다. 평가된 평균 연소효율은 새 엔진의 경우 98%, 신조선의 경우 96.5%로 조사되었다. 연소효율은 엔진 및 선박의 노후로 점점 감소할 것으로 예상되며, 연소효율이 높으면 배기가스 중에 이산화탄소의 농도가 증가하고 연소효율이 낮으면 불완전연소 생성물의 방출이 증가되기 때문에 문제가 된다. 유해 오염물질을 방출하지 않고 가장 효율적으로 이산화탄소를 제어하기 위해 연료 대체, 연료 저소모 엔진 개발 및 경제적 선속 유지를 위한 해운사간 협조가 필요할 것이다. 국제해사기구의 인덱싱 방법을 검토한 결과, 보다 실제에 가까운 이산화탄소 배출량을 산출하기 위해서는 사용 연료의 탄소 함량을 조사하고 국제해사기구의 권장 수치와 비교하여 지수화 작업을 진행하는 것이 바람직한 것으로 나타났다.
본 연구는 선박에서 배출되는 배기가스의 농도 측정, 연소효율 평가와 국제해사기구에서 권장하는 인덱싱 방법의 검토를 통해 이산화탄소 규제관련 대응전략 수립을 위한 기초자료 확보에 목적을 둔다. 평가된 평균 연소효율은 새 엔진의 경우 98%, 신조선의 경우 96.5%로 조사되었다. 연소효율은 엔진 및 선박의 노후로 점점 감소할 것으로 예상되며, 연소효율이 높으면 배기가스 중에 이산화탄소의 농도가 증가하고 연소효율이 낮으면 불완전연소 생성물의 방출이 증가되기 때문에 문제가 된다. 유해 오염물질을 방출하지 않고 가장 효율적으로 이산화탄소를 제어하기 위해 연료 대체, 연료 저소모 엔진 개발 및 경제적 선속 유지를 위한 해운사간 협조가 필요할 것이다. 국제해사기구의 인덱싱 방법을 검토한 결과, 보다 실제에 가까운 이산화탄소 배출량을 산출하기 위해서는 사용 연료의 탄소 함량을 조사하고 국제해사기구의 권장 수치와 비교하여 지수화 작업을 진행하는 것이 바람직한 것으로 나타났다.
This study dealt with the measurement of exhausted gas concentration, the estimation of a combustion efficiency, and the review of IMO indexing. We concentrated on establishing the basic data to take a counterplan coping with $CO_2$ regulations. The average combustion efficiency was 98% i...
This study dealt with the measurement of exhausted gas concentration, the estimation of a combustion efficiency, and the review of IMO indexing. We concentrated on establishing the basic data to take a counterplan coping with $CO_2$ regulations. The average combustion efficiency was 98% in shop test of new engines and 96.5% in sea trial test of new ships, respectively. It would become lower for the old engine or/and ship. High combustion efficiency results in high $CO_2$ emission and low combustion efficiency results in high emission of incomplete combustion products. The efficient method reducing $CO_2$ emission without an increase in noxious air pollutants would be the development of a substitute fuel and the fuel-efficient and economical engine, and the fair play among shipping agencies in a ship speed. In reviewing of IMO indexing, it is necessary to begin by analyzing the carbon content of a marine fuel for a precise estimates.
This study dealt with the measurement of exhausted gas concentration, the estimation of a combustion efficiency, and the review of IMO indexing. We concentrated on establishing the basic data to take a counterplan coping with $CO_2$ regulations. The average combustion efficiency was 98% in shop test of new engines and 96.5% in sea trial test of new ships, respectively. It would become lower for the old engine or/and ship. High combustion efficiency results in high $CO_2$ emission and low combustion efficiency results in high emission of incomplete combustion products. The efficient method reducing $CO_2$ emission without an increase in noxious air pollutants would be the development of a substitute fuel and the fuel-efficient and economical engine, and the fair play among shipping agencies in a ship speed. In reviewing of IMO indexing, it is necessary to begin by analyzing the carbon content of a marine fuel for a precise estimates.
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문제 정의
본 연구는 배기가스가 대기와 접촉하기 이전 상태의 일산화탄소와 이산화탄소 등의 배출량에 대해 2절에서 설명한 방법에 의해 산정한 결과를 서로 비교하여 신조선 및 새 엔진에 대해 연소 효율의 변화를 살펴보는 것으로 연구에 의의를 둔다.
본 연구는 선박유의 특성을 고찰하고 선박유의 성상 및 배기가스의 농도를 실측하여 연료 중 탄소성분이 이산화탄소로 연소되는 연소 효율을 조사하였으며 국제해사기구에서 권장하는 인덱싱 방법에 대한 검토를 수행하였다.
본 연구에서는 신조선과 신엔진을 대상으로 선박유의 성상 및 배기가스의 농도를 실측하여 연료 중 탄소성분이 이산화탄소로 연소되는 연소 효율을 조사하였으며 국제해사기구에서 권장하는 인덱싱 방법과의 오차 원인을 연소 효율로 규정하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.
제안 방법
다음으로 연소 효율에 의한 이산화탄소 발생량(ton/hr)의 차이를 알아보기 위하여 (1) 실측된 연료의 탄소 함량을 이용하여 배출지수를 재계산하고 여기에 연료소모량을 곱하여 이론적인 이산화탄소 배출량을 산출한 결과와 (2) 탄소/산소 평형법으로 계산한 결과를 비교하였다. 결과는 Table 6과 같다.
여기에서는 자세한 설명을 하지 않으며 질소산화물(NOx) 기술지침(IMO[1998])을 참고하길 바란다. 본 연구에서는 산소기준 탄소/산소 평형법을 이용하여 비배출량을 계산하였으며 2.1절의 방법과 비교하였다.
일산화탄소(CO), 이산화탄소, 산소(O2), 질소산화물은 건기준(diy basis) 농도이며 탄화수소는 습기준(wet basis) 농도이다. 선박 해상시 운전 동안은 엔진 출력 및 속도실험상황에 따라, 엔진 실험에서는 시험모드에 따라 배기가스 분석이 이루어졌다.
대상 데이터
대상 선박은 대형 컨테이너선과 원유 운반선 2척이며 선박에 장착 전 엔진 실험 및 장착 후 선박시운전에 대해 각각 배기가스계 측이 수행되었다. 배기가스 계측과 더불어 계산에 필요한 일부 변수들의 조사가 함께 이루어졌다.
배기가스를 실측하기 위해 엔진 실험 중에는 MEXA 9100F, 해상 시운전 중에는 질소산화물 기술지침(IMO[1998])에 맞도록 일부 수정한 PG-250을 이용하였다. 실험장치는 Fig.
본 연구에서 이용된 대상 엔진은 저속 2행정 디젤 엔진으로 엔 진실험(shop test)에서는 선박용 경유와 유사한 벙커 A유(ISO 8217, DMC)를 해상시운전(sea trial test)에서는 선박용 중유를 사용하였다.
이산화탄소(CO2)는 연료 중 탄소성분이 공기 중 산소와 연소하여 생성되는 연소 생성물로 대기 중에서 긴 파장의 복사선(열)을 흡수하여 지구 온도를 상승시키는 온실기체 중 하나이다. 온실기체는 이산화탄소, 메탄(CHQ, 아산화질소(NzO), 수소불화탄소(HFC), 과불 화탄소(PFC), 육불화황(SFQ이다.
성능/효과
1.선박용경유의 경우 3.17, 선박용 중유의 경우 3.11이라는 배출지수를 일괄적으로 이용하기보다 연료 중 탄소질량비가 조사되고 이 값을 이용하여 정확한 배출지수를 산출하여 이산화탄소 배출량을 추정하는 것이 바람직하다. 즉, 이산화탄소 인덱싱표에는 이산화탄소 지침서 초안(IMO[2004])의 형식과 같이 연료의 탄 소함량이 반드시 기재되어야 할 것이다.
2.신 조선의 경우 연소 효율은 엔진 테스트에서 98%, 해상시운전에서 96.5%로 나타났으며 엔진 및 선박 연령이 증가하면 연소 효율은 더 낮아질 것으로 사료된다.
3.연소효율이 낮아지면 불완전연소 생성물을 발생하고 연소 효율을 증가하게 되면 이산화탄소의 발생이 증가하여 문제가 된다. 선박으로부터 이산화탄소 및 대기오염물질을 저감하는 방법으로는 연료 대체 및 연료저소모 엔진 개발과 적당한 선속 유지 등이 바람직하다.
Table 3과 같이 엔진 실험에 이용된 선박용 경유급의 탄소 함량은 84.52〜84.61%로 국제해사기구에서 제안한 85%보다 다소 낮은 값을 보였으며, 선박 해상시운전 연료의 경우는 87.39〜87.4%로 국제해사기구에서 배출지수의 산출에 이용되는 탄소함량 86.5%에 비해 다소 높았다.
계산 결과를 평균값으로 비교해보면 이론적인 이산화탄소 배출량은 탄소/산소 평형법에 의해 계산한 값보다 높게 나타났으며, 엔진 실험 자료에서는 +2.0%, 해상시운전자료에서는 +3.5% 이었다. 이러한 차이를 연소 효율에 의한 영향으로 본다면, 연료 중 탄소의 이산화탄소로의 전환비율(즉, 연소 효율)은 엔진 실험시 98%, 해상시운전시 96.
5%이고, 나머지는 불완전 연소에 의한 일산화탄소 및 탄화수소류의 연소화합물의 발생에 기여한 것으로 추정할 수 있다. 즉 완전 연소를 바탕으로 한 국제해사기구의 인덱싱 방법으로 이산화탄소 배출량을 계산했다면 여기에 연소 효율 96.5-98%를 고려하여야만 실제로 배출되는 배기가스 중 이산화탄소 배출량을 산출할 수 있을 것으로 사료된다.
표를 살펴보면 이산화탄소 발생량은 원유 운반선에 비해 컨테이너선의 엔진에서 약간 높았으며 엔진 출력과 선속에 따라 원유 운반선의 경우 3.23-4.41%, 컨테이너선의 경우 4.63~5.95%의 분포를 보이는 것으로 계측되었다.
한편 계측 결과에서 나타나듯이 선속이 증가하면 이산화탄소 발생 농도가 대체적으로 증가하고 있어 이산화탄소 배출 농도를 감소하기 위해 선속의 감소가 필요함을 입증하였다. 그러나 해운선사의 경쟁적 측면을 고려할 때 선속의 감소가 자사의 불이익을 초래할 수 있기 때문에 공정한 영업 선속에 대한 협의 등 해운선사가 서로 협조할 필요가 있었다.
후속연구
결과적으로 연소 효율 증가만으로는 선박으로부터의 대기오염 물질 저감 문제를 해결할 수 없으며 연료 대체 및 연료저소모 엔진 개발과 적당한 선속 유지가 필요하다.
2절의 실제 계측한 배기가스 자료 및 운항 특성 등을 포함하여 계산되는 탄소/산소 평형법은 불완전연소 상태로 볼 수 있다. 따라서 이론과 실제의 연소 효율 비교가 가능할 것이다.
또한, 이산화탄소 및 질소산화물 이외에도 디젤입자상 물질의 규제가 예상되므로 이에 대한 저감 방안 연구가 수행되어야 할 것이다.
특히 국제해사기구에서 요구하는 현존 운항선박의 이산화탄소 배출량에 대한 연구가 지속적으로 수행되어 할 것이다. 연구의 결과는 향후 예상되는 국제규약 및 정부가 제정하는 각종 규제지침에서 배출량 기준을 설정할 때 해운선사에 유리한 기준을 제시하게 될 것이다.
향후 연소 효율을 비롯하여 배기가스 관련 추가적인 연구가 다양한 선박에 대해 수행된다면, 선령 및 엔진령에 따른 이산화탄소의 배출관리가 가능해질 것이다. 특히 국제해사기구에서 요구하는 현존 운항선박의 이산화탄소 배출량에 대한 연구가 지속적으로 수행되어 할 것이다. 연구의 결과는 향후 예상되는 국제규약 및 정부가 제정하는 각종 규제지침에서 배출량 기준을 설정할 때 해운선사에 유리한 기준을 제시하게 될 것이다.
향후 선박으로부터의 이산화탄소 저감을 위한 여러 가지 운항 특성들에 대한 연구가 지속적으로 수행될 것이다.
향후 연소 효율을 비롯하여 배기가스 관련 추가적인 연구가 다양한 선박에 대해 수행된다면, 선령 및 엔진령에 따른 이산화탄소의 배출관리가 가능해질 것이다. 특히 국제해사기구에서 요구하는 현존 운항선박의 이산화탄소 배출량에 대한 연구가 지속적으로 수행되어 할 것이다.
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