[논문]연료비 절감을 위한 선박용 연료유 균질기 개발에 관한 연구

한상구; 최정식; 박노성; 김대헌; 류경부; 천강우; 윤석훈; 최재혁

doi:10.7837/kosomes.2012.18.6.584

초록
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본 연구에서는 고정자와 회전자에 의해 발생하는 전단력(Shearing force)을 이용한 선박용 연료유 균질기(Homogenizer) 개발에 관한 연구를 수행하였다. 균질기의 균질화 및 미립화 정도에 대한 성능을 조사하기 위하여 IFO 380 cSt Bunker-C 시료에 전처리(Pre-treatment)를 시행하였다. 전처리한 시료의 슬러지(Sludge) 저감 효과를 확인하기 위하여 유청정기(Oil purifier)를 이용하였다. 실험결과 균질기로 전처리한 시료에서 슬러지양이 약 13 % 감소하는 것을 확인하였다. 또한, 전처리 후 유청정한 시료를 실제 보일러 시스템에서 연소시켜 CO가 감소하는 연소특성 경향을 확인하였다. 이와 같은 결과를 통해 개발된 선박용 연료유 균질기를 실선에 적용할 경우 연료비 및 운항비용 절감 효과가 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we have conducted a work on homogenizer development which is operated by high shearing force generated by stator and rotor inside it. To investigate the performance for homogenization and atomization of homogenizer, Bunker-C (IFO 380 cSt) was used as a fuel for experiment. Pre-treatme...

In this study, we have conducted a work on homogenizer development which is operated by high shearing force generated by stator and rotor inside it. To investigate the performance for homogenization and atomization of homogenizer, Bunker-C (IFO 380 cSt) was used as a fuel for experiment. Pre-treatment of bunker-C was carried out with homogenizer developed in this study. Oil purifier was used to investigate effect of oil sludge reduction after pre-treatment. Experimental result showed that the amount of sludge of fuel oil after pre-treatment with homogenizer has decreased by 13 %. To confirm combustion efficiency, Bunker-C which have pre-treatment with homogenizer and purified after are burned in boiler system. The result showed that CO concentration in exhaust gas was decreased. These results mean that if the homogenizer which is developed in this study for marine fuel oil is applied on real vessels, oil costs and operating costs can be reduced.

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 High shear force를 이용한 고성능 균질기의 개발 및 실선 도입시 수입 대체품을 목적으로 수평형에 비해 작은 공간에서도 설치와 운용이 가능한 수직형 균질기를 설계하고 시제품을 제작하였다. 또한, 성능확인 및 평가를 위해 균질기로 전처리한 시료의 입도분석, 슬러지 저감 효과 및 연소특성 파악을 위한 실험을 수행하였다.
따라서 본 연구에서는 High shear force를 이용한 고성능 균질기의 개발 및 실선 도입시 수입 대체품을 목적으로 수평형에 비해 작은 공간에서도 설치와 운용이 가능한 수직형 균질기를 설계하고 시제품을 제작하였다. 또한, 성능확인 및 평가를 위해 균질기로 전처리한 시료의 입도분석, 슬러지 저감 효과 및 연소특성 파악을 위한 실험을 수행하였다.

제안 방법

또한, 시제품 제작에 앞서 설계된 균질기의 RPM 변화에 따른 고정자/회전자 간극에서 발생하는 전단력 및 작동 유체내부에서 생기는 전단응력 그리고 작동유체의 속도와 압력 분포 확인을 위해 고정자/회전자의 간극 0.3㎜와 0.4㎜에 대하여 수치해석을 수행하였다.
O 등의 연료유 일체와 130～150℃의 온도 범위를 고려하였다. 또한, 시간당 1,500 Liter 이상의 처리용량과 회전자의 분당 최대 회전수를 7,650 RPM(Tip Speed : 20 m/s)으로 설정하였다.
회전자는 열처리된 특수 스테인레스 재질로 제작, 내구성과 내식성을 높였다. 또한, 높은 전단력을 발생시키고, 다수의 전단력이 전달될 수 있도록 형상을 디자인 하여 고효율 장비가 될 수 있도록 설계하였다.
1 톤의 연료유(Bunker-C)를 각각 아무런 전처리를 하지 않고 Oil purifier 만을 이용해 유청정(SJ-700 청정기 사용, 미쓰비시 제품)한 후 생성·배출되는 Sludge양을 Sludge_oil로 명명하고, 균질기를 이용해 전처리한 연료유를 유청정한 후 생성․배출되는 Sludge양을 Sludge_homo.로 명명하여 측정값을 비교하였다.
전처리를 하지 않은 연료유와 균질기로 전처리한 연료유가 혼합되는 것을 막기 위해 별도의 저장탱크를 준비하였고, 유청정 후 배출되는 슬러지를 모두 수거하기 위해 비닐 튜브와 수집 전용용기를 이용하였다. 또한, 슬러지 배출이 완료된 후 Bowl을 개방, 내부 및 Disc에 남아있는 유성분 및 잔류 불순물을 모두 소제한 후 다음 실험을 진행하였다.
전처리를 하지 않은 연료유와 균질기로 전처리한 연료유가 혼합되는 것을 막기 위해 별도의 저장탱크를 준비하였고, 유청정 후 배출되는 슬러지를 모두 수거하기 위해 비닐 튜브와 수집 전용용기를 이용하였다. 또한, 슬러지 배출이 완료된 후 Bowl을 개방, 내부 및 Disc에 남아있는 유성분 및 잔류 불순물을 모두 소제한 후 다음 실험을 진행하였다.
연소실험은 중유용 버너가 장착된 보일러(미우라공업, EX- 1000) 연소 시스템을 구축해 시행하였고, 연소 후 배출되는 배기가스 계측을 통해 연소특성을 확인하였다.
연소 후 배출되는 배기가스는 보일러 연도 중앙에 위치시킨 Probe를 통해 포집, HORIBA, PG-250A(Japan) 장비를 이용해 배기가스의 성분(NO_X, CO, CO₂, O₂) 및 농도(ppm)를 계측하였다.
선박 운항비의 대부분을 차지하고 있는 연료비 절감을 위한 방안으로 고전단력을 이용한 선박용 연료유 균질기를 연구⋅개발하였고, 성능확인 및 평가를 위한 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

입도분석을 위해 총 3가지 시료를 채취하였다. 시료명 A 시료는 아무런 전처리를 시행하지 않은 Bunker-C, 시료명 B 시료는 균질기의 회전자/고정자 간극 0.
입도분석을 위해 총 3가지 시료를 채취하였다. 시료명 A 시료는 아무런 전처리를 시행하지 않은 Bunker-C, 시료명 B 시료는 균질기의 회전자/고정자 간극 0.2㎜에서 전처리 후 채취한 것이며 시료명 C 시료는 간극 0.3㎜에서 전처리 후 채취한 것이다. 채취된 시료의 입도분석은 국제공인시험기관인 한국고분자시험연구소(주)에 의뢰하였다.
실험에는 Table 1과 같은 Bunker-C, 각각 약 0.02 톤씩에 아무런 전처리를 하지 않은 순수 Bunker-C (B_oil), Oil purifier 만을 이용해 유청정한 Bunker-C (B_puri) 및 균질기로 전처리한 후 유청정기로 청정한 Bunker-C (B_homo.)를 사용하였다.

데이터처리

Table 3은 시료명 A, B, C 의 입도분석 결과를 나타낸 것이다. 분석범위를 0.017㎛~ 2000㎛(분산용매 : Hexane)로 하여 레이저 회절 및 산란법으로 입도분석을 수행하였다.

이론/모형

수치해석은 한국과학기술정보연구원(KISTI)에 의뢰, KISTI가 보유중인 슈퍼컴퓨터(GAIA)와 유한체적법에 기반한 상용 Code, FLUENT 6.3 버전을 이용하였다.

성능/효과

대조군인 시료명 A의 입도분석 결과와 고정자/회전자 간극 0.2㎜의 균질기로 전처리한 시료명 B를 살펴보면, 입도 분석을 위해 채취한 시료의 10 %에서 입자크기가 2.686㎛에서 2.507㎛로 미립화 효과가 약 6.6 % 증가한데 비해 채취한 시료의 90 %에서의 입자크기는 22.300㎛에서 8.258㎛로 미립화 효과는 약 63 %로 크게 증가된다. 또한, 시료명 B와 C를 통해 균질기의 간극이 연료유 입자의 미립화 및 균질화에 영향을 미치고 있음을 알 수 있다.
258㎛로 미립화 효과는 약 63 %로 크게 증가된다. 또한, 시료명 B와 C를 통해 균질기의 간극이 연료유 입자의 미립화 및 균질화에 영향을 미치고 있음을 알 수 있다.
또한, 전처리한 연료유의 입자크기 및 입자의 분포상태가 더 우수한 것으로 판단된다.
1. IFO 380 cSt 등급의 Bunker-C를 개발된 균질기를 이용해 전처리한 후 유청기에서 생성·배출된 Sludge 양이 약 13 % 감소하였다.
개발된 균질기로 연료유를 전처리하고 유청정기를 통해 청정하는 경우 생성․배출되는 되는 슬러지 양이 190 g(약 13 %) 적음을 확인하였다.
이와 같은 결과를 통해 전처리 없이 유청정만을 시행한 연료유에 함유된 큰 입자는 유청정 과정에서 슬러지로 걸러져 배출되는 반면, 전처리를 통해 입자가 잘게 부서지고, 일정한 크기의 입자들로 균일하게 분포된 연료유의 경우에는 유청정 과정에서 걸러지지 않아 실제 사용할 연료의 양이 저감된 슬러지양 만큼 증가하는 효과를 가져올 것으로 판단된다.
Boil, Bpuri 및 Bhomo를 비교한 결과, Bhomo가 Boil 비해 일산화탄소(CO)의 농도가 최대 36 % 가량 낮았다. 이는 Bhomo의 경우 연료유는 물론이며 연료유 내의 슬러지 등이 다른 경우와 비교해 균질화 및 미립화 정도가 우수하여 보일러에서 연소될 때 공기와의 혼합특성이 향상되고 점성이 감소하여 노즐에서의 분무특성이 좋아진 것에 기인하는 것으로 판단된다.
2. 개발된 균질기의 회전자/고정자의 간극을 0.2㎜로 설정하고 전처리한 연료유의 입도를 분석한 결과 전처리하지 않은 연료유에 비해 Diameter at 10 %에서의 입자크기가 2.686㎛에서 2.507㎛로, Diameter at 90 %에서의 입자 크기는 22.300㎛에서 8.258㎛로 줄어들어 미립화 효과는약 63 %로 크게 증가됨을 확인하였다.
3. 연소실험 결과, 균질기로 전처리한 후 유청정한 연료유의 CO 농도는 평균 62 ppm이고, 전처리 없이 유청정한 연료의 CO 농도는 평균 91 ppm으로 전처리 없이 유청정만한 연료유의 배기가스 중 CO 농도보다 최대 36 % 가량 낮았다.

후속연구

또한, 고정자와 회전자의 간극이 좁은 부분에서 속도와 압력이 매우 높은 것을 볼 수 있는데, 이는 회전자가 고속으로 회전하면서 고정자 사이에 큰 전단력이 발생됨을 뜻한다. 크게 발생하는 전단력으로 인해 연료유 입자의 균질화 및 미립화 효과가 우수할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	회전자의 RPM이 커짐에 따라 나타나는 현상은?	회전자의 RPM이 커짐에 따라 Shearing stress가 선형적으로 증가함을 볼 수 있고, 중심에서 멀리 떨어져 있는 간극에서 전단력이 크게 나타나는데, 이는 같은 각속도에서 중심과의 거리가 멀어지기 때문에 회전자의 선속도가 커지고 이에 따라 속도 구배가 커지기 때문이다.
	연료유 입자를 균질화 및 미립화 하는 방법은?	연료유 입자를 균질화 및 미립화 하는 방법에는 화학적 첨가제를 투입하거나, 초음파를 연료유에 직접 조사하여 입자를 분쇄·유화시키는 방법, 교반 가열장치(Mixing Clean Heater, M.C.H)와 Oil purifier를 조합하는 방법 그리고 고정자와 회전자 간극(Clearance)에서 발생하는 매우 큰 전단력 (High shear force)을 이용하는 등의 물리적 방법이 있다.
	연료유 입자를 균질화 및 미립화 하는 방법 중 좋은 방법은?	, 2007). 그러나 고정자와 고속으로 움직이는 회전자의 간극에서 발생되는 큰 전단력을 연료유에 직접 가하는 방식의 균질기의 경우, 연료유 입자의 균질도 및 미립도가 매우 우수한 것으로 알려져 있다 (S.I.

참고문헌 (9)

Han, Won-Hui, Jeong-Gil Nam and Don-Chool Lee(2007), A Study on the Variation of Physical & Chemical Properties with Refining Treatment and Additive Mixture for Marine Fuel Oil, Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety, Vol. 13, No. 1, pp. 39-45.
Han, Won-Hui, Man-Sik Ha and Jin-yeol Lee(2003), A Study on the Refining Performance Improvement of Marine Sludge Fuel Oil(I)(for the temperature and pressure effects in metal filtering element), Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety, Vol. 9, No. 1, pp. 93-98.
Hwang, Ki-Hyung and Heon-Dong Lee(2008), The Impact of High Oil Prices on Fisheries Industry and Korea's Response, Korea Maritime Institute, A Study of Policy 2008-02 (ocasional), pp. 6-70.
Jeon, Hyo-Jung and Don-Chool Lee(2005), Diesel Engine and Gas Turbine for Ship, Dongmyungsa, pp. 88-98.
Lee, Jin-yeol, Man-Sik Ha and Won-Hui Han(1999), An Ultrasonic Breaking Action on the Homogeneous Effect of Marine Oil Particles, Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety, Vol. 5, No. 2, pp. 67-78.
Lee, In-Ae(2012), Shipping Rip, Current Address, Maritime Korea, May, p. 32.
Rischmann, Juergen and B. Eng.(2006a), The Role of the Homogenizer in Modern Shipping, Lloyd's Register Technical Association:Paper No. VII, Session 2005-2006, pp. 6-32.
Rischmann, Juergen and B. Eng.(2006b), The Role of the Homogenizer in Modern Shipping, Lloyd's Register Technical Association:Paper No. VII, Session 2005-2006, pp. 16-21.
S.I.T Corp.(2004), Documentation reporting the overall efficiency of all CD92TM Systems by example of a power station on the island Madeira, pp. 1-4.

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