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문제 정의
- 본 연구는 선박유로 사용되는 MDO를, 유화제를 이용하여 에멀젼 연료로 개선하여 사용하였을 경우, 에멀젼 연료의 연소 특성과 출력에 대하여 알아보았다. 엔진동력계를 사용하여 출력을 측정하였으며, 엔진동력계 사진을 Fig.
- 본 연구에서 MDO와 MDO 유화연료를 디젤엔진에 연소실험을 통하여 배출가스와 출력에 미치는 영향에 대해 연구하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 선박유에 유화제를 첨가하여 용해시킨 후 물을 첨가하여, 교반기를 통하여 3~5분 동안 교반을 실시하였다. 그 후 homogenizer를 통하여 균일 혼합을 이룬 후에 ultrasonic generator를 이용하여 유화연료를 제조하였다.
- 1에 나타내었다. 또한 엔진연소 실험을 통하여 배출되는 NOx, SO2는 AVL사의 SESAM FT-IR을 사용하였고, smoke는 diaphragm pump를 사용한 여지반사식 smoke meter (MODEL : AVL415)를 사용하여 각각 측정하였으며, 장치의 계략도를 Fig. 2에 나타내었다.
- 본 연구에서는 유화연료의 제조방법은 물리·화학적 방법을 이용하여 연료를 제조하였다. 선박유에 유화제를 첨가하여 용해시킨 후 물을 첨가하여, 교반기를 통하여 3~5분 동안 교반을 실시하였다. 그 후 homogenizer를 통하여 균일 혼합을 이룬 후에 ultrasonic generator를 이용하여 유화연료를 제조하였다.
- 연소 장비로는 버스용 엔진에 MDO와 MDO로 만든 유화연료를 연소하였으며, 10,000 cc급 대형버스 엔진에 실시하였으며, 사용되어진 엔진 제원은 Table 3과 같다.
- 연소 장비의 제어장치는 engine dynamometer로 하였으며, 유화연료의 연소 시 배출되는 배출가스의 경우 FT-IR (Jasco Co.) 및 diaphragm pump를 사용하여 분석하였으며, FT-IR 은 분해능 0.5~1 cm, S/N Ratio는 30,000 : 1, high intensity ceramic light source를 가진 제품이었다. 선박엔진의 매연은 디젤자동차의 입자상물질로 PM을 측정하는 것과는 달리 가시매연으로 smoke를 측정하므로 diaphragm pump를 사용한 여지반사식 smoke meter (MODEL : AVL415)를 사용하였다.
- 유화연료의 연소실험은 전부하 영역 및 ND-13모드에서 실험을 진행하였고, 전부하 영역에서 rpm은 1,500 rpm, 2,000 rpm이며, 부하영역은 10%, 25%, 50%, 75% 100%이며, ND-13 모드에서의 rpm은 아이들링, 회전수 A, 회전수 B, 회전수 C로 이루어지며, 여기서 회전수 A, B, C는 ND-13모드의 원동기 회전수 설정치가 된다. 부하영역은 10%, 25%, 50%, 75% 100%이었다.
대상 데이터
- 사용되어진 기기로는 가열식 교반기, homogenizer (model; IKA Ultra-Turrax® T 18 basic)와 ultrasonic generator (model; Jeil Ultrasonic Co. Ltd JIW-1500T)이다.
- O 외에 유화제가 사용되어졌다. 사용되어진 유화제의 경우 3600 (Sorbitan monostearate), SP80 (Sorbitan monooleate, Dongnam Chemical Ind. Ltd), SP85 (Sorbitan trioleate, Dongnam Chemical Ind. Ltd, IC Chemical), NP~NP4 (Polyoxyethylene nonylphenol ether, ether derivatives, derivatives, IC Chemical)를 사용하였으며 단일 또는 2가지 이상의 유화제를 혼합하여 유화제를 사용하였다.
- 제조 시 사용되어진 원료로는 선박유, H2O 외에 유화제가 사용되어졌다. 사용되어진 유화제의 경우 3600 (Sorbitan monostearate), SP80 (Sorbitan monooleate, Dongnam Chemical Ind.
이론/모형
- 본 연구에서는 유화연료의 제조방법은 물리·화학적 방법을 이용하여 연료를 제조하였다.
성능/효과
- 1) 유화연료의 함수율이 증가함에 따라 전체적으로 NOx, SO2, smoke가 감소하는 경향을 보였으며, 출력 또한 같이 감소하는 것을 알 수 있었다. 출력의 감소는 유화연료의 함수율 증가로 인하여 엔진연소시 발열량 부족에 의해 출력이 감소된 것으로 판단된다.
- 2) 수분의 증가에 따라 기화 잠열의 증가로 인하여 유화 연료의 연소시 배출가스의 온도가 감소되는 것으로 나타났다.
- 3) 전부하 영역에서 실험결과 함수율 15%의 경우 NOx의 총 감소량은 약 35%, smoke의 총 감소량은 약 12%, SO2의 총 감소량은 약 12%, 그리고 약 16%의 출력손실을 확인하였다.
- 4) 전부하 영역에서 실험결과 함수율 20%의 경우 NOx의 총 감소량은 약 45%, smoke의 총 감소량은 약 59%, SO2의 총 감소량은 약 10%, 그리고 약 21%의 출력손실을 확인하였다.
- 5) ND-13모드에서 MDO 유화연료를 시험결과 함수율 17% 유화연료의 NOx 감소량은 약 24%, smoke의 총 감소량은 약 73%, SO2 감소량은 약 11%, 그리고 약 13%의 출력손실을 확인하였다.
- 6) 유화연료의 전체사용량은 MDO보다 평균 15.9% 더 소모되었으며, 함수율 20%의 유화연료 중 순수한 MDO 연료의 사용량은 동일 부하 조건에서 MDO보다 평균 4.1% 덜 소모되어 약 4.1%의 연료가 절약된 것으로 나타났다.
- 6에 에멀젼 연료 사용에 의한 질소산화물 저감율을 나타내었다. Fig. 6에서 보는 것과 같이 1,500 rpm에서 함수율 15% 및 20%의 경우 저부하 영역인 10%, 25% 부하에서 40% 이상의 NOx 배출량 감소율을 보이고 있으나, 50% 이상 부하 영역에서는 감소율이 줄어드는 것으로 나타났다. 그러나 전체 NOx 감소량은 부하가 증가할수록 증가하는 것으로 나타났다.
- 11은 ND-13 모드에서 함수율 17%의 유화연료의 NOx 배출량을 측정한 결과이다. MDO와 비교하였을 1, 7, 9, 11, 13의 저부하 영역에서는 고부하 영역인 2, 3, 4, 5, 6, 8, 12에 비하여 NOx 배출량의 감소가 적으나, 전체적으로 전 영역에서 NOx의 감소를 확인할 수 있었으며, 총 24.13%의 NOx 배출량 감소를 확인하였다. Fig.
- 이것은 함수율 증가에 따른 전체 발열량이 줄어들면서 나타나는 결과로 판단된다. ND-13모드에서 MDO 유화연료를 시험결과 함수율 17% 유화연료의 smoke 감소량은 약 73%, SO2는 약 11%의 감소, 그리고 약 13%의 출력손실을 확인하였다. 함수율 15%, 20%에 대한 NOx, smoke, 출력에 대한 감소율을 Fig.
- 5% 더 소모되었다. 따라서 유화연료의 전체사용량은 MDO보다 평균 15.9% 더 소모된 것으로 나타났다.
- 그러나 선박용 연료는 MDO, Bunker-A 등 중질유를 사용하여 매연 발생이 심하여 SCR 촉매를 덮어 활성을 저하시키게 된다. 따라서 중질유 사용에 따른 가시매연(smoke)을 제거해야만 SCR 촉매의 내구성이 유지되므로 본 연구에서는 이러한 점에 착안하여 선박용 연료로 MDO를 사용하여 smoke의 저감이 함수율 20%인 경우 최고 73%까지 저감되는 것을 확인하였으며, 부가적으로 질소산화물도 20% 이상 감소 시켜 SCR 장치에서의 부하를 줄여주어 Tier 3 규제에 도움을 주는 효과가 있는 것으로 나타났다.
- 5% 덜 소모되었다. 따라서 함수율 20%의 유화연료 중 순수한 MDO 연료의 사용량은 동일 부하 조건에서 MDO보다 평균 4.1% 덜 소모되어 약 4.1%의 연료가 절약된 것으로 나타났다.
- 그러나 전체 NOx 감소량은 부하가 증가할수록 증가하는 것으로 나타났다. 또한 2,000 rpm에서 함수율 15%와 20%의 경우 50% 이상의 부하에서 13% 미만의 작은 감소율을 보였지만 저부하 영역인 10%, 25% 부하에서 20% 이상의 높은 NOx 배출량 감소율을 보였다. 1,500 rpm에서와 마찬가지로 전체 NOx 감소량은 부하가 증가할수록 증가하는 것으로 나타났다.
- 또한 유화연료는 함수율이 증가할수록 smoke, SO2가 감소하는데, NOx와 동일하게 저부하보다, 고부하에서 더 많이 감소되는 것을 알 수 있었다.
- 4에 1,500 rpm에 부하에 따른 NOx의 농도를 나타내었다. 부하가 증가함에 따라 NOx의 농도는 증가하며 1,500 rpm에서 100% 부하일 경우 MDO 연료를 사용했을 때 약 860 ppm 가량 까지 상승하는 것으로 나타났다. 한편 물이 15% 함유된 에멀젼 연료와 물이 20% 함유된 에멀젼 연료 모두 MDO 연료보다 NOx 배출량이 적었으며, 물이 20% 함유된 에멀젼 연료가 물이 15% 함유된 에멀젼 연료보다 NOx 배출량이 조금 더 적게 나타났다.
- 9는 동일한 부하조건에서 MDO와 함수율 20% 유화 연료를 2,000 rpm에서 배출가스 중 함수율 20%에 대한 수증기양을 제외한 질소산화물을 측정한 자료이다. 즉 Fig. 7의 각 모드별 연료소모량에 따라 배출가스 중 함수율 20%에 대한 수증기양을 제외한 NOx의 저감율을 측정한 자료 인데, MDO를 사용했을 때와 비교하면 부하별로 약 8~20%정도 감소되는 것으로 나타나, Fig. 8의 순수 연료사용량과 비교했을 때 실제 사용된 연료도 MDO보다는 함수율 20%인 유화연료가 더 적었으며 NOx 배출량도 실질적으로 적게 배출됨을 보여주었다.
- 부하가 증가함에 따라 NOx의 농도는 증가하며 1,500 rpm에서 100% 부하일 경우 MDO 연료를 사용했을 때 약 860 ppm 가량 까지 상승하는 것으로 나타났다. 한편 물이 15% 함유된 에멀젼 연료와 물이 20% 함유된 에멀젼 연료 모두 MDO 연료보다 NOx 배출량이 적었으며, 물이 20% 함유된 에멀젼 연료가 물이 15% 함유된 에멀젼 연료보다 NOx 배출량이 조금 더 적게 나타났다. Fig.
- 12에 나타내었다. 함수율 15%에 비하여 함수율 20%인 유환연료에서 NOx, 출력, smoke가 더 감소하였으며 특히 smoke 감소가 두드러지게 나타났다.
- 7의 결과를 바탕으로 함수율 20% 유화연료에서 물 함량을 제외한 순수한 MDO량으로 환산한 결과를 나타낸 것이다. 함수율 20%의 유화연료가 MDO보다 1,500 rpm에서 동일한 부하 조건에서 순수한 MDO 소모량을 계산하면 약 2.8% 덜 소모 되었으며, 2,000 rpm에서는 동일한 부하 조건에서 순수한 MDO 소모량을 계산하면 약 5.5% 덜 소모되었다. 따라서 함수율 20%의 유화연료 중 순수한 MDO 연료의 사용량은 동일 부하 조건에서 MDO보다 평균 4.
- 7은 함수율 20%의 유화연료를 1,500 rpm과 2,000 rpm 에서 각 부하별 총 연료 소비량을 MDO만을 사용했을 때와 비교한 것이다. 함수율 20%의 유화연료가 MDO보다 1,500 rpm에서 동일한 부하 조건에서 약 17.3% 더 소모 되었으며, 2,000 rpm에서는 동일한 부하 조건에서 약 14.5% 더 소모되었다. 따라서 유화연료의 전체사용량은 MDO보다 평균 15.
- 또한 함수율 20%의 경우 smoke의 총 감소량은 약 59%, 그리고 약 21%의 출력손실을 확인하였다. 함수율이 높을수록 smoke의 발생량이 줄어들며, 또한 출력도 함수율이 증가함에 따라 감소하는 것으로 나타났다. 이것은 함수율 증가에 따른 전체 발열량이 줄어들면서 나타나는 결과로 판단된다.
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