[논문]발전용 바이오중유의 품질 및 성능 평가 특성 연구

하종한; 장은정; 권용재

doi:10.12925/jkocs.2015.32.3.588

발전용 바이오중유의 품질 및 성능 평가 특성 연구
A Study on the Performance Evaluation and Quality for Power Bio-Fuel Oil 원문보기

한국유화학회지 = Journal of oil & applied science, v.32 no.3, 2015년, pp.588 - 598

하종한 (한국석유관리원 석유기술연구소) , 장은정 (한국석유관리원 석유기술연구소) , 권용재 (서울과학기술대학교 에너지환경대학원 신에너지공학과)

초록
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최근 정부는 신재생에너지 연료 혼합 의무화 제도(RFS)와 신재생에너지 공급 의무화제도(RPS)를 적극 추진하고 있어 신재생에너지 연료의 중요성은 그 어느 때보다도 부각되고 있으며 적극적인 연구가 필요한 때이다. 이의 일환으로 발전용 바이오중유 시범보급사업과 관련 연구가 활발히 진행 중에 있다. 본 연구에서는 바이오중유의 성능평가기준(안) 마련을 위해 중유와 바이오중유의 연료품질 특성 및 산업용 보일러에서 연소 후 배출되는 먼지, 배출가스의 양을 비교 연구하였다. 연구결과 바이오 중유를 사용할 경우 먼지와 황산화물 등 유해배출가스가 현저히 저감 되는 것이 밝혀졌다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the government is actively promoting the RFS(Renewable Fuel Standards) and RPS(Renewable Portfolio Standards). Therefore, the importance of renewable energy fuel is being highlighted more than ever. Now is the time required active research in Korea. Since power bio-fuel oil demonstration project is underway dissemination to meet RPS quota. In this study, we investigated emission performance to make the performance standard draft of bio-fuel oil. In addition, the quality properties of the fuel oil and bio-oil, and after combustion in industrial boilers and compared the amount of exhaust gas. It was reduced emissions of bio-oil in industrial boilers due to bio-fuel properties as compare with fuel oil.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

최근 정부는 국가 온실가스 감축 목표를 2030년 배출전망치(BAU, Business as usual) 대비 37%로 발표하였다. 12월 출범 예정인 新기후체제를 앞두고 국제적인 책임과 에너지 신산업 혁신의 기회로 적극 활용한다는 취지에서 목표를 정한 것이다. 2014년에는 “제2차 에너지기본계획”을 통해 신재생에너지 보급목표를 2035년까지 11%로 설정하였고, 제4차 신재생에너지 기본계획에서는 신재생에너지 연료 혼합 의무화 제도 (RFS) 추진을 위해 바이오디젤의 혼합의무비율 로드맵을 발표하고 바이오에탄올과 바이오가스를 추후 검토하기로 하였다.
석유 및 석유대체연료사업법에는 바이오디젤연료유, 바이오에탄올연료유 등이 석유대체연료로 지정되어 있으며 품질기준과 성능평가기준이 고시되어 있다[5]. 따라서 본 연구에서는 향후, 바이오중유의 보급 활용에 대비하여 성능평가기준 마련을 위한 중유와 바이오중유의 연료품질 특성 비교평가 및 산업용 보일러에서의 연소 후 배출되는 먼지 및 각종 배출가스의 양을 비교 연구하였다.
발전용 바이오중유 시범보급사업의 일환으로 추진하고 있는 본 연구를 통해 일반 중유와 바이오중유의 연료품질 특성 및 산업용 보일러에서의 연소 후 배출되는 먼지, 배출가스의 양을 비교 평가 연구하였다.

제안 방법

2014년에는 “제2차 에너지기본계획”을 통해 신재생에너지 보급목표를 2035년까지 11%로 설정하였고, 제4차 신재생에너지 기본계획에서는 신재생에너지 연료 혼합 의무화 제도 (RFS) 추진을 위해 바이오디젤의 혼합의무비율 로드맵을 발표하고 바이오에탄올과 바이오가스를 추후 검토하기로 하였다.
이때, 시간당 발생한 수증기량은 무게를 측정할 수 없기 때문에 공급된 보일러수의 양으로 부하율을 측정한다. 또한 발생된 수증기는 모두 대기 중으로 방출하며 보일러를 연속적으로 운전하였다.
먼지는 20분 동안 같은 속도로 흡인하여 채취하고 동일 연료에 대하여 5회씩 샘플시료를 채취하였다. 시료를 채취하는 동안 배출가스의 온도, 동압, 정압, 건식 가스미터 입‧출구 온도 및 진공 게이지압 등을 기록하며, 시료 채취가 끝난 다음 채취된 건식 가스량을 계산하여 등속흡인계수 (isokinetic sampling rate)를 산출하였다.
3의 비분산적외선 분광광도계 (Photon II, Madur사, 오스트리아)가 사용되었다. 배출가스 분석기를 이용하여 배출가스 중의 산소, 일산화탄소, 이산화탄소, 질소산화물 및 황산화물 농도를 2초 단위로 분석하였으며 먼지 농도 측정 시간 동안의 값으로 평균하였다. 또한, 먼지 농도 측정과 마찬가지로 표준 산소 농도 4%로 보정하였다.
)을 측정하였다. 배출가스 분석을 위한 시료는 보일러 집진 장치 전단에 위치한 연도의 한 지점에서 포집하여 관을 통해 연결된 분석기에서 실시간으로 분석하였다. 배출가스 분석에는 Fig.
수분 측정이 완료된 후에는 시료채취 장치를 이용하여 배출가스 중의 먼지량을 측정하였다. 먼지 포집에는 실리카 섬유제 골무형 여과지(WhatmanTM, GE사, CAT No.
먼지는 20분 동안 같은 속도로 흡인하여 채취하고 동일 연료에 대하여 5회씩 샘플시료를 채취하였다. 시료를 채취하는 동안 배출가스의 온도, 동압, 정압, 건식 가스미터 입‧출구 온도 및 진공 게이지압 등을 기록하며, 시료 채취가 끝난 다음 채취된 건식 가스량을 계산하여 등속흡인계수 (isokinetic sampling rate)를 산출하였다.
시험용 연료를 보일러에서 연소한 후에 배출되는 배출가스 중에서 유해한 성분인 황산화물(SO_x), 질소산화물(NO_x)을 측정하였다. 배출가스 분석을 위한 시료는 보일러 집진 장치 전단에 위치한 연도의 한 지점에서 포집하여 관을 통해 연결된 분석기에서 실시간으로 분석하였다.
흡인관에 결합되어 있는 S자형 피토관과 연결된 경사마노미터로 배출가스의 동압을 측정하였다. 측정된 동압으로 배출가스의 유속을 구하여 배출가스 유속과 동일한 속도(등속 흡인)로 시료가 채취될 수 있도록 진공펌프에 연결된 오리피스 압력을 조정하였다. 배출가스의 동압 측정, 등속 흡인 등을 위한 장치는 CleanAir® Express Method 5 Sample Train(CleanAir사, 미국)을 이용하였으며 Fig.
평가용 바이오중유는 시범보급 고시 상의 품질기준에 나와 있는 항목에 대하여 국가표준시험방법 및 관련 국제표준을 적용하여 품질을 분석하였다. 품질 분석 항목과 시험법은 Table 3와 같다[1][3-4].
1 mg까지 무게를 재고, 여과지 홀더에 넣어 결합한 다음 흡인관을 측정공 안으로 삽입한다. 흡인관에 결합되어 있는 S자형 피토관과 연결된 경사마노미터로 배출가스의 동압을 측정하였다. 측정된 동압으로 배출가스의 유속을 구하여 배출가스 유속과 동일한 속도(등속 흡인)로 시료가 채취될 수 있도록 진공펌프에 연결된 오리피스 압력을 조정하였다.

대상 데이터

1과 같다. 먼지 농도 측정을 위한 배출가스 시료는 집진 장치 앞쪽에 위치한 측정공에서 채취하여 집진기에 의한 오차를 없앴다.
수분 측정이 완료된 후에는 시료채취 장치를 이용하여 배출가스 중의 먼지량을 측정하였다. 먼지 포집에는 실리카 섬유제 골무형 여과지(WhatmanTM, GE사, CAT No. 2812-259)를 사용하였다. 여과지는 110℃에서 3시간 동안 건조한 후에 실리카겔이 들어 있는 데시케이터에서 실온까지 방냉한 후에 0.
본 연구에 사용된 보일러는 시간당 수증기 발생량이 3톤인 노통연관식 보일러(한신보일러사, HNP 705)를 사용하였으며 Table 4에 보일러 제원을 나타내었다.
본 연구에서 사용된 연료는 현재 발전사에서 사용하고 있는 석유계 일반 중유(B-C유)로 황함량 0.3 무게%이하의 규격 제품과 바이오중유를 평가용 연료로 선정하였으며 발전사별 바이오중유 성분 구성은 Table 2와 같다.

이론/모형

배출가스의 동압 측정, 등속 흡인 등을 위한 장치는 CleanAir® Express Method 5 Sample Train(CleanAir사, 미국)을 이용하였으며 Fig. 2의 장치와 같다.
보일러 배출가스 중의 먼지 농도는 대기환경보전법의 대기오염공정시험기준에 따라 측정하였다. 배출가스의 먼지 포집은 반자동식 채취기에 의한 방법을 사용하였으며 시료 채취 장치의 구성도는 Fig. 1과 같다. 먼지 농도 측정을 위한 배출가스 시료는 집진 장치 앞쪽에 위치한 측정공에서 채취하여 집진기에 의한 오차를 없앴다.
먼지의 농도 표시는 표준상태(0℃, 760mmHg)의 건조배출가스 1 Sm³ 중에 함유된 먼지의 중량(mg)으로 표시한다. 보일러 배출가스 중의 먼지 농도는 대기환경보전법의 대기오염공정시험기준에 따라 측정하였다. 배출가스의 먼지 포집은 반자동식 채취기에 의한 방법을 사용하였으며 시료 채취 장치의 구성도는 Fig.

성능/효과

1. 연구결과 바이오중유는 석유계 일반 중유보다 인화점, 산가, 요오드가, 산소함량은 대체로 높고, 황분, 잔류탄소분, 동점도, 밀도, 발열량 등은 낮았다. 이 중 낮은 동점도와 잔류탄소분은 연료의 분산특성을 좋게 하고 코크스 발생을 줄여 배출가스중의 먼지 발생을 감소시키며, 연료중의 낮은 황분은 황산화물 발생을 저감시키는 것으로 보인다.
2. 산업용 보일러를 통한 바이오중유의 배출가스 특성을 평가한 결과 바이오중유를 사용할 경우 먼지는 평균 30%, 질소산화물은 평균 40%까지 감소하였으며, 황산화물은 거의 배출되지 않는 등 유해배출가스가 현저히 감소하는 것이 밝혀졌다. 질소산화물은 연료 자체의 질소가 적은 것과 연소온도에 의해 감소하는 경향을 보이고, 황산화물은 바이오중유에 황분이 거의 없기 때문에 발생하지 않는 것으로 밝혀졌다.
따라서 바이오중유의 발열량은 중유보다 대략 10% 정도 낮다[2]. 본 시험에 사용된 연료소비량은 바이오중유가 일반 중유보다 평균 17% 더 소비되었는데 이는 발열량 차이에 의한 것으로 보인다.
4에 나타내었다. 사진에서 볼 수 있듯이 C중유의 먼지 입자는 검은색을 나타내었고, 바이오중유는 색의 농도가 다르기는 하지만 대체로 황색을 나타내었으며 색깔이 짙을수록 먼지 농도가 증가하였다.
배출가스 중의 먼지의 발생은 연료의 품질기준 가운데 잔류탄소분(Carbon residue)과 점도(Viscosity)와 밀접한 관계가 있다. 중유와 바이오중유의 품질분석 결과에 의하면 중유의 잔류탄소분이 바이오중유보다 최대 13배 높게 나왔다. 잔류탄소분은 연료에 고온을 가했을 때 생성되는 코크상의 물질인데, 휘발유, 경유 같은 경질유보다 중유 같은 중질유에서 더 많이 발생하는 경향이 있다.
산업용 보일러를 통한 바이오중유의 배출가스 특성을 평가한 결과 바이오중유를 사용할 경우 먼지는 평균 30%, 질소산화물은 평균 40%까지 감소하였으며, 황산화물은 거의 배출되지 않는 등 유해배출가스가 현저히 감소하는 것이 밝혀졌다. 질소산화물은 연료 자체의 질소가 적은 것과 연소온도에 의해 감소하는 경향을 보이고, 황산화물은 바이오중유에 황분이 거의 없기 때문에 발생하지 않는 것으로 밝혀졌다.
표에서 알 수 있듯이 3종의 바이오중유가 중유보다 먼지 농도는 물론 황산화물, 질소산화물 등의 유해배출가스가 낮게 측정되었다. 특히 대기오염의 원인물질로 호흡기질환을 일으키며 산성비의 원인이 되는 대표적인 유해물질인 황산화물은 바이오중유의 경우 전혀 배출되지 않았고 폐기종 및 각종 호흡기 질환의 원인이 되는 질소산화물은 평균 40%, 우리 몸 폐 속 깊숙이 침투하여 폐암의 원인이 되는 유해물질인 먼지는 평균 30% 감소되었다. 배출가스 중의 먼지의 발생은 연료의 품질기준 가운데 잔류탄소분(Carbon residue)과 점도(Viscosity)와 밀접한 관계가 있다.
Table 8에는 시험 후의 먼지 농도와 배출가스 성분 변화를 나타내었다. 표에서 알 수 있듯이 3종의 바이오중유가 중유보다 먼지 농도는 물론 황산화물, 질소산화물 등의 유해배출가스가 낮게 측정되었다. 특히 대기오염의 원인물질로 호흡기질환을 일으키며 산성비의 원인이 되는 대표적인 유해물질인 황산화물은 바이오중유의 경우 전혀 배출되지 않았고 폐기종 및 각종 호흡기 질환의 원인이 되는 질소산화물은 평균 40%, 우리 몸 폐 속 깊숙이 침투하여 폐암의 원인이 되는 유해물질인 먼지는 평균 30% 감소되었다.

후속연구

때문에 자원이 부족한 국내 사정상 원료물질의 적절한 확보는 무엇보다 중요하다. 따라서 향후 안정된 원료 수급을 통해 적절한 품질의 제품이 공급될 경우 애초 취지와 부합하는 친환경적인 바이오연료 보급이 가능할 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	바이오중유란 무엇인가?	바이오중유란 동·식물성 유지나 알코올 등을 유지와 반응시켜 만든 지방산에스테르를 혼합·제조하여 생산한 제품이다. 원료로는 주로 팜 열매로부터 기름을 추출하고 남은 공정 부산물과 동물성유지 및 바이오디젤 공정 부산물(pitch) 등이 활용된다.
	신재생에너지 공급의무화제도란 무엇인가?	한편, 2012년부터 시행된 신재생에너지 공급의무화제도(RPS, Renewable Portfolio Standard)는 발전 사업자가 총 발전량의 일정 비율을 신재생에너지로 공급하는 것을 의무화하는 제도이다. 따라서 발전사에서는 의무공급량 이행을 위해 다양한 에너지원을 활용하고 있으며 그의 일환으로 바이오중유를 검토하고 있다.
	바이오중유의 원료로는 어떤 것이 활용되는가?	바이오중유란 동·식물성 유지나 알코올 등을 유지와 반응시켜 만든 지방산에스테르를 혼합·제조하여 생산한 제품이다. 원료로는 주로 팜 열매로부터 기름을 추출하고 남은 공정 부산물과 동물성유지 및 바이오디젤 공정 부산물(pitch) 등이 활용된다. 국내에서 사용하는 주요 원료 물질은팜 오일 계통의 팜 원유(CPO), 정제 탈취 팜유 (RBDPO), 팜 지방산(PFAD), 팜 스테아린, 팜산유(PAO) 등과 동물성유지인 우지, 돈지, 그리고 바이오디젤(BD), 바이오디젤 피치(BD pitch) 등이 사용된다.

참고문헌 (10)

Notification on the pilot dissemination projects of bio-fuel oil, Notification No. 2014-1 of the Ministry of Trade, Industry & Energy.
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E. J. Jang, J. Y. Park, K. I. Min, E. S. Yim, J. H. Ha, B. H. Lee, A Study on the Quality Characteristics of Power Bio-Fuel Oil for Alternative Fuel oil, J. of Korean Oil Chemists' Soc. 31, 564-569 (2014).
E. J. Jang, M. E. Lee, J. Y. Park, K. I. Min, E. S Yim, J. H. Ha, B. H. Lee, A Study on the Quality Characteristics of feedstocks for Power Bio-Fuel Oil, J. of Korean Oil Chemists' Soc. 32, 137 (2015).
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S. Baek, H. Kim, H. Park, Y. J. Kim, T. Kim and S. H. Ko, The Four Power Plants Field Demonstration Research on Combustion Characteristic of the Bio Oil for Fuel Switching, J. Korean Soc. Combust. 20(1) 17-22 (2015).
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ACEA, AUTO ALLIANCE, CMG, JAMA, World Wide Fuel Charter(2013).
K. Lee, J. Lee, B. Son, K. Oh, Control Technique of Nitrogen Oxides from Combustion Fuel Gases, Dongwha Technology (2011).
W. G. Lim, J. W Doe, I. H. Hwang, J. H. Ha, S. S. Lee, CO2 Emission Characteristics of Bunker C Fuel Oil by Sulfur Contents, J. of Korean Society for Atmospheric Environment. 31, 377 (2015).

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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