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문제 정의
- 바이오매스 열분해로 생성된 바이오오일은 수분함량이 많고 그대로 연소할 경우 연소가 어려 우며 매연 증가 등 배출가스의 증가로 이것에 대한 해결방법으로 유화연료로 만들어 배출가스를 줄이고자 시도하였다.
- 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 바이오오일이 첨가된 MDO 유화연료를 디젤엔진에서 연소하여 배출가 스와 출력에 미치는 영향에 대해 살펴보았으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 바이오매스로 톱밥을 사용하고 이것을 열분해하여 생성된 바이오오일을 MDO (Marine Diesel Oil)과 유화시켜 유화연료로 만들어 연소하면서 연소특성과 배출가스 특성을 연구하였다.
제안 방법
- 선박유에 유화제를 첨가하여 용해시킨 후 물을 첨가하여, 교반기를 통하여 3∼5분 동안 교반을 실시하였다. 그 후 homogenizer를 통하여 균일혼합을 이룬 후에 ultrasonic generator를 이용하여 유화 연료를 제조하였다.
- 1에 나타내었다. 또한 엔진연소 실험을 통하여 배출되는 NOx 는 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 바이오매스 재료로 톱밥을 사용하여 Fig. 3의 열분해장치에서 반응시켜 수상생성물인 바이오오일을 얻었다. 톱밥이 스크류를 통하여 분당 100g의 속도로 열분해 반응기로 투입되면 열분해 반응기에서 산소가 없는 상태에서 500℃에서 열분해가 일어나며, 기화된 수증기와 탄화수소 성분 중에 탄소 4개 이상의 물질들이 응축기를 통하면서 응축되어 수상생성물인 바이오오일이 생성된다.
- 선박유에 유화제를 첨가하여 용해시킨 후 물을 첨가하여, 교반기를 통하여 3∼5분 동안 교반을 실시하였다.
- 연소 장비의 제어장치는 engine dynamometer로 하였으며, 유화연료의 연소 시 배출되는 배출 가스의 경우 FT-IR(Jasco Co.) 및 diaphragm pump를 사용하여 분석하였으며, FT-IR은 분해능 0.5∼1cm, S/N Ratio는 30,000 : 1, high intensity ceramic light source를 가진 제품이었다.
- 유화연료의 연소실험은 전부하 영역 및 ND-13모드에서 실험을 진행하였고, 전부하 영역에서 rpm은 1500rpm, 2000rpm이며, 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.
- 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.
- 연소 장비로는 버스용 엔진에 MDO와 MDO + 바이오오일로 만든 유화연료를 연소하였으며, 11,000cc급 대형버스 엔진에 실시하였으며, 사용 되어진 엔진 제원은 Table 4와 같다.
- 제조 시 사용되어진 원료로는 선박유, 바이오 오일 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 바이오오일 함유량이 증가함에 따라 전체적으로 NOx, smoke의 배출량이 감소하는 경향을 보였으며, 출력도 함께 감소하는 것으로 나타났다.
- 2) NOx의 배출량 감소는 바이오오일에 함유된 수분의 기화열로 연소실 내부의 온도를 낮추어 발생되는 것으로 판단되며, smoke 배출량 감소는 바이오오일에 함유된 수분의 미세폭발로 판단된다. 한편 출력의 감소는 유화연료의 바이오오일 중에 함유된 수분의 증가로 인하여 엔진연소 시 발열량 부족에 의해 출력이 감소된 것으로 판단된다.
- 3) 바이오오일 중 함유된 수분의 증가에 따라 기화 잠열의 증가로 인하여 유화연료의 연소시 배출가스의 온도가 감소되는 것으로 나타났다.
- 4) 전 부하 영역에서 실험결과 바이오오일 함유량 10%의 경우 NOx의 총 감소량은 약 15%, smoke의 총 감소량은 약 50%, 그리고 약 12%의 출력손실을 확인하였다.
- 5) 전 부하 영역에서 실험결과 바이오오일 함유량 20%의 경우 NOx의 총 감소량은 약 25%, smoke의 총 감소량은 약 60%, 그리고 약 15%의 출력손실을 확인하였다.
- 6) 바이오오일 함유량 20%의 유화연료 중 순수한 MDO 연료의 사용량은 2000 rpm에서 동일 부하 조건에서 MDO보다 평균 6% 덜 소모되어 약 6%의 연료가 절약된 것으로 나타났다.
- 7에 에멀젼 연료 사용에 의한 질소산화물 저감율을 나타내었다. Fig. 7에서 보는 것과 같이 1500rpm에서 바이오오일 함유량 10% 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 바이오오일 함유량 20%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 확인 할 수 있었으며, 총 25%의 NOx 배출량 감소를 확인하였다. Fig.
- 이것은 바이오오일 함유량 증가에 따른 전체 발열량이 줄어들면서 나타나는 결과로 판단된다. ND-13모드에서 MDO 유화연료를 시험결과 바이오오일 함유량 10% 유화연료의 smoke 감소량은 약 50%, 그리고 약 12%의 출력손실을 확인하였다. 바이오오일 함유량 10%, 20%에 대한 NOx, smoke, 출력에 대한 감소율을 Fig.
- 한편, 2016년부터 적용되는 Tier 3 규제에 대응하기 위하여 질소산화물을 Tier 2 보다 80% 더 저감하여야 하는데, 그러기 위해서는 SCR (Selective Catalytic Reduction) 설비를 적용하여 질소산화물을 제거하여야 한다. 그러나 선박용 연료는 MDO, Bunker-A등 중질유를 사용하므로 중질유 사용에 따른 가시매연(smoke)를 제거해야만 SCR 촉매의 내구성이 유지되므로 본 연구에서는 결과를 보면 이러한 단점도 극복이 가능하여 선박용 연료로도 사용이 가능한 것으로 판단된다.
- 바이오오일 함유량 20%의 유화연료가 MDO보다 1,500rpm에서 동일한 부하 조건에서 순수한 MDO 소모량을 계산하면 약 5% 덜 소모되었으며, 2,000rpm에서는 동일한 부하 조건에서 순수한 MDO 소모량을 계산하면 약 6% 덜 소모되었다. 따라서 바이오오일 함유량 20%의 유화연료 중 순수한 MDO 연료의 사용량은 동일 부하 조건에서 MDO보다 평균 5.5% 덜 소모되어 그만큼의 MDO가 절약된 것으로 나타났다.
- 바이오오일 함유량 20%의 유화연료가 MDO보다 1,500rpm에서 동일한 부하 조건에서 약 5% 더 소모 되었으며, 2,000rpm에서는 동일한 부하 조건에서 약 3% 더 소모되었다. 따라서 유화연료의 전체사용량은 MDO보다 평균 4% 더 소모된 것으로 나타났다.
- 그러나 전체 NOx 감소량은 부하가 증가할수록 증가하는 것으로 나타났다. 또한 2,000rpm에서 바이오오일 함유량 10%와 20%의 경우 50% 이상의 부하에서 15% 미만의 작은 감소율을 보였지만 저부하 영역인 10%, 25% 부하에서 20% 이상의 높은 NOx 배출량 감소율을 보였다. 1,500rpm에서와 마찬가지로 전체 NOx 감소량은 부하가 증가할수록 증가하는 것으로 나타났다.
- 또한 유화연료는 바이오오일 함유량이 증가할수록 smoke가 감소하는데, NOx와 동일하게 저부하보다, 고 부하에서 더 많이 감소되는 것을 알 수 있었다.
- 13에 나타내었다. 바이오오일 함유량 10%에 비하여 바이오오일 함유량 20%인 유화연료에서 NOx, 출력, smoke가 더 감소하였으며 특히 smoke 감소가 두드러지게 나타났다. Fig.
- 8의 결과를 바탕으로 바이오오일 함유량 20% 유화연료에서 물 함량(10%)을 제외한 순수한 MDO량으로 환산한 결과를 나타낸 것이다. 바이오오일 함유량 20%의 유화연료가 MDO보다 1,500rpm에서 동일한 부하 조건에서 순수한 MDO 소모량을 계산하면 약 5% 덜 소모되었으며, 2,000rpm에서는 동일한 부하 조건에서 순수한 MDO 소모량을 계산하면 약 6% 덜 소모되었다. 따라서 바이오오일 함유량 20%의 유화연료 중 순수한 MDO 연료의 사용량은 동일 부하 조건에서 MDO보다 평균 5.
- 8은 바이오오일 함유량 20%의 유화연료를 1,500rpm과 2,000rpm에서 각 부하별 총 연료 소비량을 MDO만을 사용했을 때와 비교한 것이다. 바이오오일 함유량 20%의 유화연료가 MDO보다 1,500rpm에서 동일한 부하 조건에서 약 5% 더 소모 되었으며, 2,000rpm에서는 동일한 부하 조건에서 약 3% 더 소모되었다. 따라서 유화연료의 전체사용량은 MDO보다 평균 4% 더 소모된 것으로 나타났다.
- 바이오오일 함유량이 높을수록 smoke의 발생량이 줄어들며, 또한 출력도 함수율이 증가함에 따라 감소하는 것으로 나타났다. 이것은 바이오오일 함유량 증가에 따른 전체 발열량이 줄어들면서 나타나는 결과로 판단된다.
- 12에는 Table 5를 바탕으로 매연 발생량을 나타내었다. 바이오오일 함유량이 높을수록 부하가 커질수록 매연 발생량이 줄어드는 것으로 나타났다. 특이한 것은 10% 부하에서 바이오오일이 함유된 에멀젼 연료의 매연 배출량이 더 높은데, 이것은 너무 낮은 온도에서 연소가 충분히 이루어지지 못했기 때문으로 판단된다.
- 5에 1,500rpm에 부하에 따른 NOx의 농도를 나타내었다. 부하가 증가함에 따라 NOx의 농도는 증가하며 1,500rpm에서 100% 부하일 경우 MDO 연료를 사용했을 때 약 860ppm 가량까지 상승하는 것으로 나타났다. 한편 바이오오일이 10% 함유된 에멀젼 연료와 바이오오일이 20% 함유된 에멀젼 연료 모두 MDO 연료보다 NOx 배출량이 적었으며, 바이오오일이 20% 함유된 에멀젼 연료가 바이오오일이 10% 함유된 에멀젼 연료보다 NOx 배출량이 조금 더 적게 나타났다.
- 부하가 증가함에 따라 NOx의 농도는 증가하며 1,500rpm에서 100% 부하일 경우 MDO 연료를 사용했을 때 약 860ppm 가량까지 상승하는 것으로 나타났다. 한편 바이오오일이 10% 함유된 에멀젼 연료와 바이오오일이 20% 함유된 에멀젼 연료 모두 MDO 연료보다 NOx 배출량이 적었으며, 바이오오일이 20% 함유된 에멀젼 연료가 바이오오일이 10% 함유된 에멀젼 연료보다 NOx 배출량이 조금 더 적게 나타났다. Fig.
후속연구
- 2000년대 이후 바이오매스 열분해 관련된 사업은 꾸준한 성장을 보여 왔으며, 최근 유럽에서 건설되고 있는 바이오오일 생산설비는 원천기술을 보유한 여러 기업들의 설비가 증가하고 있으며, 향후 바이오오일 이용 시장이 크게 확대될 것으로 전망된다.
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