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벙커 C유를 사용한 에멀젼 연료유의 배기가스 특성
Emission Evaluation of Emulsion Fuel Prepared from Bunker C Oil 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.28 no.2, 2017년, pp.186 - 192  

임흥균 (동국대학교-서울 공과대학 화공생물공학과) ,  이명진 (주식회사 위즈켐) ,  지경엽 (대구한의대학교 한방산업대학 바이오산업융합학부) ,  임종주 (동국대학교-서울 공과대학 화공생물공학과)

초록
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본 연구에서는 OIMS90과 NP12 계면활성제 혼합물을 사용하여 물/벙커 C 오일 비율, 계면활성제 농도 및 조성, 유화 시간, 교반 속도 및 시간, 온도 등을 변화시키면서 유중수적형(water-in-oil, W/O) 에멀젼 연료를 제조하였다. OIMS90과 NP12 계면활성제 혼합물을 사용하여 제조한 에멀젼 연료는 벙커 C 오일에 비하여 미세먼지, $NO_2$, CO, $CO_2$$SO_2$ 등의 연소배기 가스 중의 대기 오염물 방출을 감소시키는데 효과적이며, 특히 계면활성제 조성 OIMS90/NP12 = 4 : 6, 계면활성제 농도 500 ppm, 수분 함량 10%을 사용하여 $80^{\circ}C$에서 제조한 에멀젼 연료가 배기가스 오염물 저감 효과가 가장 큰 것을 확인하였다. 또한 보일러 효율 측정 시험 결과, 에멀젼 연료가 벙커 C 오일과 비교하여 우수한 디젤 엔진 에너지 효율을 나타내었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, water in oil (W/O) emulsion fuel was prepared with surfactant mixture of OIMS90 and NP12 by varying ratio of water to bunker-C oil, surfactant concentration and composition, emulsification time, stirring intensity, temperature and mixing time. Diesel engine performance and exhaust emi...

주제어

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문제 정의

  • W/O 에멀젼에 분산된 물 입자의 평균 크기가 1~2 µm인 안정한 상태의 에멀젼을 제조하기 위한 혼합 계면활성제의 조성 및 농도, 물/오일 비율, 교반 속도 등의 최적 조건을 도출하고자 하였다.
  • 본 연구에서는 14일 동안 물의 입자 크기 증가가 10% 미만일 경우를 안정한 상태의 에멀젼으로 고려하였으며, 1~2 µm의 물 입자 평균 크기를 가지는 에멀젼을 제조하기 위한 혼합 계면활성제의 조성 및 농도, 물/오일 비율,교반 속도 등의 최적 조건을 도출하고자 하였다.
  • 본 연구에서는 합성한 OIMS90 계면활성제와 시판되는 NP12 계면활성제의 혼합물을 사용하여 W/O 에멀젼 제형을 제조하고 W/O 에멀젼의 안정성에 미치는 물/오일 비율, 계면활성제 농도 및 조성, 유화시간, 교반 속도 및 시간, 온도 등의 영향에 관하여 살펴보았다. 80 ℃에서 계면활성제 농도 500 ppm, 전체 용액 부피 대비 물 비율 10%, 2000 rpm 교반 속도로 10 min로 고정시킨 상태에서 NP12와 OIMS90계면활성제 혼합물의 조성을 변화시키면서 에멀젼을 제조한 경우, 무게 기준으로 OIMS90/NP12 = 4 : 6인 조건에서 제조한 에멀젼의 안정성이 가장 우수함을 알 수 있었다.
  • 배기가스 배출량 감소에 효율적인 벙커 C 에멀젼 연료의 제조를 위해서는 안정한 W/O 에멀젼의 제조가 필수적이다. 본 연구에서는 합성한 계면활성제와 시판되는 계면활성제의 혼합물을 사용하여 W/O에멀젼 제형을 제조하고 W/O 에멀젼의 안정성에 미치는 물/오일 비율, 계면활성제 농도 및 조성, 유화 시간, 교반 속도 및 시간, 온도 등의 영향에 관하여 살펴보았다. 또한 에멀젼 연소 시 에너지 효율성(보일러 효율, 부하율, 환산 증발량, 환산 증발배수, 보일러 전열면 열부하, 보일러 전열면, 환산 증발률 등) 및 보일러에서 방출되는 배출물(미세먼지, SO2, CO, NO2, CO2) 특성을 측정하고 벙커 C유 연소 시 보일러 효율 및 방출되는 배출물 특성과 비교⋅평가하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
디젤 엔진으로부터 대기 중으로 배출되는 대표적인 오염물은 무엇인가? 전 세계적으로 이동 차량의 오염 물질 배출에 대한 환경 보호 규정이 엄격해짐에 따라 배기가스 배출(exhaust gas emission) 감소가 주요관심사가 되었다. 디젤 엔진으로부터 대기 중으로 배출되는 대표적인 오염물로는 탄화수소(hydrocarbon, HC), 일산화탄소(CO), 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx), 일산화탄소(CO), 미세먼지(particulate matter,PM), 연기(smoke) 등이 있으며, 종종 해로운 다른 형태의 유해 물질로 변환되어 인간의 건강에 심각한 위협이 되고 있다[1-2]. 따라서 디젤 엔진으로부터 배출 오염을 줄이기 위한 방법으로 엔진 설계 개선, 엔진 및 연료 시스템 유지 향상, 배기가스 처리 장치 설치 등이 제안되었으나 오염 물질의 배출을 감소시키는 가장 효과적인 방법 중의 하나는 대체 청정 연료(alternative clean fuel)를 사용하여 대기 오염 발생원의 배출량을 감소시키는 것이다.
에멀젼 연료란 무엇인가? 에멀젼 연료는 표준 연료(standard fuel)에 물과 계면활성제와 같이 분산계의 안정성을 유지하는 특정 첨가제를 추가하여 제조한 에멀젼으로 정의된다[3,13,17]. 디젤유 에멀젼(diesel oil emulsion)은 엔진 내 주입 공기와 함께 물을 액체 또는 증기 형태로 유입함으로써 NOx 환원 및 엔진 온도를 낮추기 위하여 이전부터 시도되어 왔다.
디젤유 에멀젼은 엔진 내 주입 공기와 함께 물을 액체 또는 증기 형태로 유입하는 이유는 무엇인가? 디젤유 에멀젼(diesel oil emulsion)은 엔진 내 주입 공기와 함께 물을 액체 또는 증기 형태로 유입함으로써 NOx 환원 및 엔진 온도를 낮추기 위하여 이전부터 시도되어 왔다. 증발 과정에서의 물의 존재는 연소 효율의 향상뿐 아니라 NOx 및 CO 등의 배기가스와 검은 연기(black smoke), 미세먼지 등과 같은 대기 오염물발생을 억제하는데 효과가 있는 것으로 알려져 있다[10-16,20-23]. 예를 들어, 유중수적형(water-in-oil, W/O) 에멀젼에 존재하는 10%의 수분 함량은 약 10%의 NOx 방출을 감소시키는 것으로 보고되었다[3].
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참고문헌 (24)

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  2. C. Y. Lin and L. W. Chen, Emulsification characteristics of threeand two-phase emulsions prepared by the ultrasonic emulsification method, Fuel Process. Technol., 87, 309-317 (2006). 

  3. J. A. Harbach and V. Agosta, Effects of emulsified fuel on combustion in a four-stroke diesel engine, J. Ship Res., 35 356-363 (1991). 

  4. C. Y. Lin, C. M. Lin, and C. S. Chen, Emulsification characteristics of marine fuel oils with water, J. Ship Res., 39, 86-94 (1995). 

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  13. J. Ghojel and D. Honnery, Al-Khaleefi K, Performance, emissions and heat release characteristics of direct injection diesel engine operating on diesel oil emulsion, Appl. Therm. Eng., 26, 2132-2141 (2006). 

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  16. M. Nadeem, C. Rangkuti, K. Anuar, M. R. U. Haq, I. B. Tan, and S. S. Shah, Diesel engine performance and emission evaluation using emulsified fuels stabilized by conventional and gemini surfactants, Fuel, 85, 2111-2119 (2006). 

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  22. T. Kadota and H. Yamasaki, Recent advances in the combustion of water fuel emulsion, Prog. Energy Combust. Sci., 28, 385-404 (2002). 

  23. R. Ocampo-Battera, R. Villasensor, and A. Diego-Martin, An experimental study of the effect of water content on combustion of heavy fuel oil/water emulsion droplets, Combust. Flame., 126, 1845-1855 (2001). 

  24. S. A. Richmond, J. E. Lindstrom, and J. F. Braddock, Effects of chitin on microbial emulsification, mineralization potential, and toxicity of bunker C fuel oil, Mar. Pollut. Bull., 42, 773-779 (2001). 

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