[논문]선박디젤기관에서 바이오디젤 폐식용유의 연소특성에 대한 실험적 연구

조상곤

doi:10.5916/jkosme.2015.39.4.381

선박디젤기관에서 바이오디젤 폐식용유의 연소특성에 대한 실험적 연구
Experimental Study on Combustion Characteristics of Biodiesel Waste Cooking Oil in Marine Diesel Engine 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.39 no.4, 2015년, pp.381 - 386

조상곤 (Division of Ships operating center, Kunsan National University)

초록
AI-Helper

최근에 환경오염 문제와 대체에너지 문제에 많은 관심을 가지고 있다. 디젤기관은 세계적으로 연료의 경제성 때문에 사용이 증가할 것이다. 그러므로 선박용기관의 대기오염 문제도 여러 분야에서 큰 관심사가 되고 있다. 화석연료로 부터 배출되는 유해 배기가스를 줄이기 위하여 대체연료기술이 개발되고 있다. 이러한 신재생에너지의 바이오디젤연료는 기존 디젤연료를 대체할 친환경 에너지로 각광을 받고 있으며, 일정한 비율로 디젤연료와 혼합하면 기존 디젤기관에 개조 없이 사용가능하다. 본 연구에서 바이오디젤연료가 선박디젤기관의 연소특성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 폐식용유로부터 제조된 바이오디젤유를 엔진에 적용하여 실험을 수행하였다. 폐식용 성분에는 세탄가와 점도가 높은 성분이 있고, 탄소함유량이 적으면서 산소함유량이 잔존하고 있다. 연구 결과 연료소비율은 증가하고, 압력, 압력상승율 및 열발생율은 감소하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Environmental pollution and alternative energy has attracted increasing interest. The use of diesel engines is expected to increase in the world owing to their fuel economy. The problem of air pollution emissions from marine engines is causing a major concern in many areas. An alternative fuel was introduced as an environmentally friendly fuel to reduce the toxic emissions from conventional fossil fuels. Biodiesel fuel, which is a renewable energy is highlighted as environmentally friendly energy. This energy can be operated in regular diesel engines when it is blended with invariable ratios without making changes. In this study, a bio-diesel fuel was produced from waste cooking oil and applied to a marine diesel engine to examine the effects on the characteristics of combustion. Waste cooking oil contains a high cetane number and viscosity component, a low carbon and oxygen content. As a result, the brake specific fuel consumption was increased, and the cylinder pressure, rate pressure rise and rate of heat release were decreased.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

디젤기관에서 배출하는 배기가스가 환경오염의 주원인으로서 이에 대체에너지에 관심이 증가되고 있는데, 선박 기관에서도 대체에너지를 이용하여 환경오염을 저감하는 데 연구하고자 한다. 바이오디젤연료는 친환경 재생에너지로 기존 디젤기관의 개조 없이 사용이 가능하다.
바이오디젤연료는 친환경 재생에너지로 기존 디젤기관의 개조 없이 사용이 가능하다. 본 연구에서 바이오디젤연료가 연소특성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 폐식용유를 이용하여 제조하여, 실용기관에 가능성을 연구하여 가능성을 확인하였다. 그 실험적 분석·고찰한 결과는 다음과 같다.
이러한 친환경 재생바이오연료를 어선에서 사용되었던 기관에 직접 적용하여 지속가능성을 연구하고[10] 또한 바이오연료의 특성인 연료의 고점도, 고세탄가, 연료의 산소 함유량 및 발열량에 미치는 영향에 따라 연소특성에 미치는 영향을 알아보았다.
그래서 폐식용유[9]을 재활용하는 방안으로 산업생산과정과 일반가정 및 유명한 프랜차이즈 가게에서 버려지는 폐식용유를 재활용하면 에너지 재활용면에서 큰 이익이 발생하고, 생산비용을 대폭 절감할 수 있다. 이런 폐식용유를 이용하여 자원 재생 가능한 자원으로 경제적 이익과 환경적인 오염을 감소할 수 있는 폐식용유를 회수하여 직접 정제과정을 거쳐 바이오연료를 생산하여 그 가능성을 연구하고자 한다.

제안 방법

3개의 파라미터 중 2개를 고정하고 하나만을 변화시키면서 실험하였다. 동일한 조건하에서 기관회전수의 변동율은 ± 0.
연료온도를 일정하게 유지하기 위하여 연료온도 조절기를(FTCH-0906) 사용하였으며, 흡입공기량의 계측은 오리피스식 공기유량계와 유량계(50MC-4F)를 사용하였다. 그리고 기관의 흡기측에 서지탱크(Surge tank)를 설치하여 흡기의 흐름이 균일하여 지도록 하였다. 또한 배기배출물은 분석기(Signal emirak rag 4873)와 Test 350, 매연은 광투과식(Mexa-130S)를 사용하였다.
그리고 24시간 동안 교반 제조하였다. 그리고 반응 후 24시간 정도 상온에 방치하여 글리세린 층을 바이오연료 층과 분리하기 위하여, 아래 글리세린 층을 따로 배출하였다. 상부 바이오연료 층을 다시 가열하여 약 150℃ 이전까지는 미반응 메탄올을 제거하였고, 바이오연료 층인 340~420℃ 구간에서 증류하였다.
그리고 연소온도는 각 실린더의 연소실내에 열전대(R-type)를 설치하여 측정하였으며, 연료소비율은 용적식 유량계 및 고정도 연료소비량계(FM-257)를 사용하였다. 연료온도를 일정하게 유지하기 위하여 연료온도 조절기를(FTCH-0906) 사용하였으며, 흡입공기량의 계측은 오리피스식 공기유량계와 유량계(50MC-4F)를 사용하였다.
본 실험기관은 선박용 디젤기관으로 주요 제원은 Table 2에 나타내었고, 실험장치도는 Figure 1에 구성하였다. 기관의 출력은 와류형 전기동력계를 사용하여 측정하였고, 연소실의 압력측정은 첫 번째 실린더에 압전식(Piezo-electric type) 압력변환기를 설치하였다.
또 배기가스 분석기와 매연측정기를 “0” 점 조정하고, 표준가스(측정범위 80%인 보정용 가스)농도와 일치하도록 보정실험을 한 후에 각종 배기배출물을 측정하였으며, 동력계는 표준중량(5kg)의 추를 사용하여 압축·인장의 보정실험을 하여 정확한 토오크 값을 확인한 후 동력을 측정하였다.
먼저 침전상태로 방치하여 아래 침전물을 제거하고, 그 다음 부유물을 여과망으로 필터링을 하여 1차 여과망에 응고된 부유물을 정제하였고, 2차로 부직포 필터에 통과시켜서 잔존하는 이물질을 제거하였다.
본 연구에서는 기관회전속도 1,800rpm의 경우에 대하여 기관부하를 0%에서 100%까지 25% 간격으로 유지하면서 바이오연료 혼합비율체적으로 0%~50%까지 10% 간격으로 변화시키면서 실험하였다.
실험을 하는 동안 수냉식 열교환기를 사용하여 기관의 냉각수와 윤활유 온도를 일정하게 유지하였고 기관의 작동 및 연소 상태를 파악하기 위하여 지압선도, 각 부취(배기관 입출구, 냉각수 입출구, 윤활유, 흡입공기)의 온도를 계측하였다. 또 배기가스 분석기와 매연측정기를 “0” 점 조정하고, 표준가스(측정범위 80%인 보정용 가스)농도와 일치하도록 보정실험을 한 후에 각종 배기배출물을 측정하였으며, 동력계는 표준중량(5kg)의 추를 사용하여 압축·인장의 보정실험을 하여 정확한 토오크 값을 확인한 후 동력을 측정하였다.
그리고 연소온도는 각 실린더의 연소실내에 열전대(R-type)를 설치하여 측정하였으며, 연료소비율은 용적식 유량계 및 고정도 연료소비량계(FM-257)를 사용하였다. 연료온도를 일정하게 유지하기 위하여 연료온도 조절기를(FTCH-0906) 사용하였으며, 흡입공기량의 계측은 오리피스식 공기유량계와 유량계(50MC-4F)를 사용하였다. 그리고 기관의 흡기측에 서지탱크(Surge tank)를 설치하여 흡기의 흐름이 균일하여 지도록 하였다.

대상 데이터

본 실험기관은 선박용 디젤기관으로 주요 제원은 Table 2에 나타내었고, 실험장치도는 Figure 1에 구성하였다. 기관의 출력은 와류형 전기동력계를 사용하여 측정하였고, 연소실의 압력측정은 첫 번째 실린더에 압전식(Piezo-electric type) 압력변환기를 설치하였다.
최근 학교 식당이나 음식점 등에서 많이 배출하는 업소를 선정하여 그 중에 자주 많이 폐식용유를 배출하는 통닭집을 선정하여 회수를 하였다. 요즘 유명한 프랜차이즈 업소에서 사용하는 식용유의 종류도 다양하여 그 중 유채유를 사용하는 것을 선정하여 20통(360리터) 수집하였다.
최근 학교 식당이나 음식점 등에서 많이 배출하는 업소를 선정하여 그 중에 자주 많이 폐식용유를 배출하는 통닭집을 선정하여 회수를 하였다. 요즘 유명한 프랜차이즈 업소에서 사용하는 식용유의 종류도 다양하여 그 중 유채유를 사용하는 것을 선정하여 20통(360리터) 수집하였다.

이론/모형

글리세린 분석은 ASTM 1615-60법을 사용하였고, 다음 식에 의하여 유지의 전환율이 계산되었다.
그리고 기관의 흡기측에 서지탱크(Surge tank)를 설치하여 흡기의 흐름이 균일하여 지도록 하였다. 또한 배기배출물은 분석기(Signal emirak rag 4873)와 Test 350, 매연은 광투과식(Mexa-130S)를 사용하였다.

성능/효과

1. 연료소비율은 부하가 증가함에 따라 약간씩 감소하는 경향이고, 바이오연료 첨가비율이 증감함에 따라서 약간씩 증가하였다. 디젤경유에 비해서 바이오연료 10% 일 때 부하 100%에서 1.
2. 실린더 압력은 바이오연료 첨가비율이 증가 할수록 감소하는 경향이다. 디젤경유에 비해서 바이오연료 부하 100%의 경우 10%에서 -1.
3. 실린더 압력상승율은 바이오연료 체적비율이 증가하였을 경우에 바이오연료 첨가비율이 증가할수록 감소하는 경향이다. 디젤경유에 비해서 바이오연료 부하 100%에서 10% 경우는 -3.
4. 열발생율은 바이오연료 비율이 증가함에 따라 약간 감소하였다. 디젤경유에 비해서 바이오연료 부하 100%의 경우 10%에서 -3.
5. 매연배출물은 바이오연료 체적비율이 증가하였을 경우에 비율의 따라 감소하였다. 디젤경유에 비해서 바이오연료 부하 100% 경우 10%에서 –1.
그리고 최저 증가율은 부하 75%에서 나타냈었다. 그 이유는 디젤 경유에 비해서 발열량이 14% 정도 바이오연료가 적어서 연료소비량이 증가하였고, 바이오연료가 가지고 있는 탄소량성분에 따라 일치하게 증가하였다. 또한 산소량이 9.
52%로 증가하였다. 그리고 바이오연료를 첨가하였을 경우 평균 증가율은 25%에서 9.17% 증가, 50%에서 4.95% 증가, 75%에서 4.14% 증가, 100%에서 4.70%로 증가하는 경향을 나타내었다. 그리고 최저 증가율은 부하 75%에서 나타냈었다.
연료소비율은 부하가 증가함에 따라 약간씩 감소하는 경향이고, 바이오연료 첨가비율이 증감함에 따라서 약간씩 증가하였다. 디젤경유에 비해서 바이오연료 10% 일 때 부하 100%에서 1.15% 증가, 20% 일 때 부하 100%에서 2.62% 증가, 30% 일 때 부하 100%에서 4.38% 증가, 40% 일 때 부하 100%에서 6.84% 증가, 바이오연료 50% 일 때 부하 100%에서 9.67%로 증가하였다. 그리고 최저 증가율은 부하 75%에서 나타냈었다.
연료소비율은 부하가 증가함에 따라 약간씩 감소하는 경향이고, 바이오연료 첨가비율이 증가함에 따라서 증가하는 경향이다. 디젤경유에 비해서 바이오연료 10% 일 때 부하 25%에서 2.95% 증가, 부하 100%에서 1.15% 증가, 20% 일 때 부하 25%에서 4.36% 증가, 부하 100%에서 2.62% 증가, 30% 일 때 부하 25%에서 9.31% 증가, 부하 100%에서 4.38% 증가, 40% 일 때 부하 25%에서 12.48% 증가, 부하 100%에서 6.84% 증가, 바이오연료 50% 일 때 부하 25%에서 16.73% 증가, 부하 100%에서 8.52%로 증가하였다. 그리고 바이오연료를 첨가하였을 경우 평균 증가율은 25%에서 9.
39%로 감소하였다. 또한 평균 감소율은 -2.62%로 감소하여 바이오연료를 첨가하였을 경우에 실린더 압력은 약간씩 낮아지는 경향을 알 수 있었다.
매연 배출물은 불완전한 연소로 배출되는 원인인데 바이오연료 첨가는 탄소량의 감소와 함산소량이 증가하여 연료입자가 산소와 접촉면이 활성화 되어 양호한 연소가 형성하여 기인하기 때문이다. 본 실험의 결과도 바이오연료 10% 첨가했을 경우보다 감소율이 50%에서 가장 많이 감소하였다. 그것은 바이오연료에 포함되어 있는 산소함유량이 부족한 과농한 영역의 연소를 활성화하였기 때문으로 생각된다[16]

후속연구

하지만 실험 결과 모든 부분에서 그런 경향을 보이지 않았다. 바이오연료에 포함되어 있는 성분이 세탄가와 점도, 발열량과 산소 함유량 등이 연료의 미립화 및 분무특성 조건에 따라 영향을 미친다는 연구가 있고, 이 부분에는 앞으로 더 연구가 되리라 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	바이오연료로 폐식용유를 재활용하는 방안의 장점은 무엇인가?	그래서 폐식용유[9]을 재활용하는 방안으로 산업생산과정과 일반가정 및 유명한 프랜차이즈 가게에서 버려지는 폐식용유를 재활용하면 에너지 재활용면에서 큰 이익이 발생하고, 생산비용을 대폭 절감할 수 있다. 이런 폐식용유를 이용하여 자원 재생 가능한 자원으로 경제적 이익과 환경적인 오염을 감소할 수 있는 폐식용유를 회수하여 직접 정제과정을 거쳐 바이오연료를 생산하여 그 가능성을 연구하고자 한다.
	바이오연료가 가지는 한계는 무엇인가?	그리고 바이오연료는 디젤기관을 변형하지 않아도 된다는 연구가 있고[6][7], 연료의 성분도 물성치가 비슷하여 독성이 없고 세탄가가 높은 장점을 가지고 있을 뿐만 아니라 연료에 산소를 포함하고 있어 배출가스를 저감 할 수 있다고 알려져 있다[8]. 하지만 생산과 판매하는 시스템이 시장가격에 의한 곡물가격 변동성이 커지면서 시장경제의 문제가 발생할 수도 있다.
	바이오연료의 장점은 무엇인가?	친환경적인 에너지를 생산하기 위한 연구는 자연으로부터 재배하여 얻을 수 있으며, 이런 재생 가능한 바이오연료 에너지에 관심을 갖게 되었다. 자연에서 재배하는 식물인 유체유[3], 대두유[4], 팜[5] 등이 있는데, 이런 바이오연료는 배출가스를 저감하는데 효과적이면서 또한 재배하는 과정에서 CO2를 흡수하기 때문에 온실가스를 저감하는데 효과적이다. 그리고 바이오연료는 디젤기관을 변형하지 않아도 된다는 연구가 있고[6][7], 연료의 성분도 물성치가 비슷하여 독성이 없고 세탄가가 높은 장점을 가지고 있을 뿐만 아니라 연료에 산소를 포함하고 있어 배출가스를 저감 할 수 있다고 알려져 있다[8]. 하지만 생산과 판매하는 시스템이 시장가격에 의한 곡물가격 변동성이 커지면서 시장경제의 문제가 발생할 수도 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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