[논문]다양한 원료에 따른 발전용 바이오중유의 윤활 특성 연구

김재곤; 장은정; 전철환; 황인하; 나병기

doi:10.12925/jkocs.2018.35.4.985

다양한 원료에 따른 발전용 바이오중유의 윤활 특성 연구
Study on the Lubricity Characteristics of Bio-heavy Oil for Power Generation by Various feedstocks 원문보기

한국유화학회지 = Journal of oil & applied science, v.35 no.4, 2018년, pp.985 - 994

김재곤 (한국석유관리원 석유기술연구소) , 장은정 (한국석유관리원 석유기술연구소) , 전철환 (한국석유관리원 석유기술연구소) , 황인하 (한국석유관리원 석유기술연구소) , 나병기 (충북대학교 화학공학과)

초록
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바이오중유란 다양한 동 식물성 유지, 지방산 메틸에스테르, 지방산 에틸에스테르 및 그 부산물을 혼합하여 제조된 제품이며, 국내 기력 중유발전기의 연료(B-C)로 사용되고 있다. 그러나 이러한 바이오중유의 원료 조성 때문에 발전기의 보일러로 이송되는 연료펌프, 유량펌프, 인젝터 등의 연료 공급시스템에서 마찰마모를 유발할 경우 심각한 피해를 초래 할 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 발전용 바이오중유의 다양한 원료들의 연료특성과 이에 따른 윤활성을 평가하고, 발전기의 마찰마모 저감을 위한 발전용 바이오중유의 연료 구성 방안을 제시하였다. 발전용 바이오중유 원료물질의 윤활성(HFRR)은 평균 $137{\mu}m$이며, 원료물질에 따라 차이가 있으나 $60{\mu}m{\sim}214{\mu}m$ 분포를 보이고 있다. 이 중 윤활성이 좋은 순서는 Oleo pitch > BD pitch > CNSL > Animal fat > RBDPO > PAO > Dark oil > Food waste oil이다. 발전용 바이오중유의 원료 물질 3종으로 구성된 바이오중유 평가시료 5종에 대한 윤활성은 평균 $151{\mu}m$이며, $101{\mu}m{\sim}185{\mu}m$ 분포를 보이고 있다. 이 중 윤활성이 좋은 순서는 Fuel 1 > Fuel 3 > Fuel 4 > Fuel 2 > Fuel 5이다. 바이오중유 평가시료(평균 $151{\mu}m$)는 C중유($128{\mu}m$) 대비 낮은 윤활성을 나타내었다. 이는 발전용 바이오중유가 지방산 물질로 구성되어 있어 C중유보다 파라핀, 방향족 성분 함량이 낮아 점도가 낮고, 산가가 높기 때문에 산성 성분에 의한 윤활막 형성 저해에 따른 것으로 판단된다. 따라서, 적정 수준의 마찰마모 저감을 위해 윤활성을 증가 시킬 수 있는 바이오중유의 원료로서 Oleo pitch, BD pitch를 60% 이상 함유할 경우 연료 제조 시 윤활성 증가가 예상된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Bio-heavy oil for power generation is a product made by mixing animal fat, vegetable oil and fatty acid methyl ester or its residues and is being used as steam heavy fuel(B-C) for power generation in Korea. However, if the fuel supply system of the fuel pump, the flow pump, the injector, etc., which is transferred to the boiler of the generator due to the composition of the raw material of the bio-heavy oi, causes abrasive wear, it can cause serious damage. Therefore, this study evaluates the fuel characteristics and lubricity properties of various raw materials of bio-heavy oil for power generation, and suggests fuel composition of biofuel for power generation to reduce frictional wear of generator. The average value of lubricity (HFRR abrasion) for bio-heavy oil feedstocks for power generation is $137{\mu}m$, and it varies from $60{\mu}m$ to $214{\mu}m$ depending on the raw materials. The order of lubricity is Oleo pitch> BD pitch> CNSL> Animal fat> RBDPO> PAO> Dark oil> Food waste oil. The average lubricity for the five bio-heavy oil samples is $151{\mu}m$ and the distribution is $101{\mu}m$ to $185{\mu}m$. The order of lubricity is Fuel 1> Fuel 3> Fuel 4> Fuel 2> Fuel 5. Bio-heavy oil samples (average $151{\mu}m$) show lower lubricity than heavy oil C ($128{\mu}m$). It is believed that bio-heavy oil for power generation is composed of fatty acid material, which is lower in paraffin and aromatics content than heavy oil(B-C) and has a low viscosity and high acid value, resulting in inhibition of the formation of lubricating film by acidic component. Therefore, in order to reduce friction and abrasion, it is expected to increase the lubrication of fuel when it contains more than 60% Oleo pitch and BD pitch as raw materials of bio-heavy oil for power generation.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Example of general component chemical structures of bio-heavy oil for power generation.
표 Table 1. Feedstocks of bio-heavy oil for power generation[11]
표 Table 2. Test sample of feedstocks in bio-heavy oil for power generation
표 Table 3. Test sample of bio-heavy oil for power generation
표 Table 4. The quality standard and test method
그림 Fig. 2. High frequency reciprocating rig(HFRR) instrument and microscope
표 Table 5. The physicochemical characteristics of feedstock materials in bio-heavy oil for power generation
표 Table 6. The physicochemical characteristics of bio-heavy oil for power generation
그림 Fig. 3. Lubricity image of feedstocks in biofuel for power generation.
그림 Fig. 4. Lubricity comparison of feedstocks in bio-heavy oil for power generation.
표 Table 7. Determination of lubricity of feedstocks in bio-heavy oil for power generation
그림 Fig. 5. Lubricity image of bio-heavy oil for power generation.
표 Table 8. Determination of lubricity of bio-heavy oil for power generation
그림 Fig. 6. Lubricity comparison of feedstocks in bio-heavy oil for power generation.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 발전용 바이오중유의 다양한 원료들의 연료 특성과 이에 따른 윤활성을 평가하고, 발전기의 마찰 마모 저감을 위해 발전용 바이오중유의 연료 구성 방안을 제시하고자 한다.
그러나 이러한 바이오중유의 원료 조성 때문에 발전기 보일러로 이송되는 연료펌프, 유량펌프, 인젝터 등의 연료 공급시스템에서 마찰 마모를 유발할 경우 심각한 피해를 초래 할 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 발전용 바이오중유의 다양한 원료들의 연료 특성과 이에 따른 윤활성을 평가하고, 발전기의 마찰 마모 저감을 위한 발전용 바이오중유의 연료 구성 방안을 제시하였다.

제안 방법

1에서 본 연구에 사용된 바이오중유 원료들의 주요 성분들을 예로 제시하였고, Table 1은 제조 된 원료 시료와 Table 2는 국내 바이오중유 생산사에서 실제로 많이 사용되고 있는 바이오중유 원료물질 3종을 최적 비율로 혼합하여 평가 시료 5종을 제조 하였다. 바이오중유의 원료물질들의 혼합 비율은 실제 바이오중유 생산사들이 제조하여 공급하고 비율을 참고하여 적용하였다.
발전용 바이오중유 및 원료 물질에 대한 연료적 품질 특성은 『발전용 바이오중유 시범보급사업추진에 관한 고시(산업통상자원부 고시 2016-226호)』상의 품질기준 9개 항목에 대해 분석 하였으며, 본 실험에서 적용한 발전용 바이오중유 품질 기준과 시험방법은 Table 4에 나타내었다[6].

대상 데이터

본 연구에 사용된 발전용 바이오중유와 원료물질인 동․식물성 유지들은 국내 발전용 바이오중유 생산업체로부터 공급받았으며, B-C 연료는 정유사에서 황 함량 0.3 무게% 규격으로 공급받았다.
Fig. 1에서 본 연구에 사용된 바이오중유 원료들의 주요 성분들을 예로 제시하였고, Table 1은 제조 된 원료 시료와 Table 2는 국내 바이오중유 생산사에서 실제로 많이 사용되고 있는 바이오중유 원료물질 3종을 최적 비율로 혼합하여 평가 시료 5종을 제조 하였다.
구매한 바이오중유의 원료들은 수분 제거, 금속 함량 제거 등의 전처리 후 제조 되었다. 본 실험에 대조군으로 사용된 발전용 바이오중유는 국내 바이오중유 생산사들이 현재 공급 중인 연료들을 사용하였으며, B-C 연료도 국내 발전사에서 사용 중인 연료를 구매하여 사용하였다. Fig.

이론/모형

바이오중유의 원료와 그 원료 혼합물에 따른 발전용 바이오중유 연료에 대한 윤활성은 PCS instrument(영국)사의 HFRR(High frequency reciprocating rig)를 사용하였으며, KS M ISO 12156 방법에 따라 시료 2 mL를 60 ℃에서 75분 동안 50 Hz의 주파수와 200 g의 하중을 이용하여 금속원판(PCS Instrument사의 지름 1 cm 원판)과 시험구(PCS Instrument사의 외경 6 mm 금속구)를 왕복 마찰에 의해 시험구에 생성된 마모흔(MWSD, Mean Wear Scar Diameter)을 현미경(MEJI TECHNO사의 Infinity1)을 사용하여 측정하였다(Fig. 2).

성능/효과

% 이하 수준으로 나타났으며, 연료의 저온 성능을 가지고 있는 유동점은 CNSL만 영하 온도인 –36℃를 보였다.
유동점은 시료 모두 비슷한 경향을 보이나, 주로 팜유계열(시료 1, 2 및 5) 원료가 혼합 될 때 더 높게 나타났다. 밀도는 B-C 연료보다 낮은 915 kg/m³~ 935 kg/m³의 분포를 보이며, 전산가는 평가 시료 5종이 5 ~ 22 mg KOH/g 사이로 비교대상 B-C 연료 보다 높은 경향을 보였다. 요오드가는 평가 시료 중 시료 5가 매우 높았다.
바이오중유의 원료 물질 3종으로 구성된 바이오중유 평가 시료 5종에 대한 윤활성은 평균 151 μm이며, 101 μm ~ 185 μm 분포를 보이고 있다.
이 중 윤활성이 좋은 순서는 Fuel 1 > Fuel 3 > Fuel 4 > Fuel 2 > Fuel 5이다. 앞서 바이오중유 원료물질의 윤활성 결과에서 보았듯이 평가 시료에 원료물질 중 윤활성 좋은 Oleo pitch, BD pitch, CNSL의 원료를 포함하거나 함량이 높을 경우 윤활성 좋은 것으로 나타났다. 한편, 바이오중유 평가 시료 중 금속 물질(Si, Al, Fe)이 많이 함유된 Fuel 5가 마모흔을 증가시켜 윤활성 떨어지는 결과를 보여주고 있다.
발전용 바이오중유의 원료물질 8종에 대한 품질평가를 수행하여 연료 특성을 Table 5에 나타내었다. 인화점은 321 ℃ ~ 181 ℃의 분포를 보이고 있으며, 고비점인 트리글리세라이드 성분을 주로 많이 함유하고 있는 RBDPO가 321 ℃로 제일 높았으며, 유리지방산을 많이 함유하고 있는 음폐유(Food waste oil)가 181 ℃로 제일 낮았다. 동점도는 바이오디젤 생산 중 증류 공정의 잔존물인 바이오디젤 피치가 가장 높았는데, 이는 고온에서 이합체 등 높은 고비점 지방산을 함유하고 있기 때문이다.
밀도는 899 kg/㎥ ~ 965 kg/㎥의 분포를 보이며, 전산가는 PAO, dark oil가 다른 원료보다 높았는데, 이는 유리지방산(free fatty acid)를 많이 함유하고 있기 때문이다. 지방산 오일의 이중결합의 수를 알 수 있는 척도인 요오드가는 dark oil, BD pitch, food waste oil이 높았다. 금속 성분 중 바나듐은 검출되지 않았으며, Si, Al, Fe은 Oleo pitch가 가장 높게 나타났다.
이는 바이오중유의 원료물질 중 식물성유지나 바이오디젤 제조 공정의 잔존물로 생기는 pitch 계열이 열적산화 등으로 인해 고분자성 물질이 윤활성을 향상 시켜주며, CNSL은 방향족 지방산유지로 구성되어 이로 인해 방향족이 윤활막을 형성하여 마모를 감소 시켜주기 때문에 윤활성이 다소 좋은 것으로 판단된다. 한편, 바이오중유 원료물질인 PAO와 Dark oil은 산가 높아 산성 성분에 의한 윤활막의 형성을 저해하여 윤활성 다른 원료 물질과 비교 시 좋지 않은 것으로 분석되었다. 이는 일반적인 동·식물성 유지 기반의 물질에서 보여주는 결과와 비슷한 경향을 보여주고 있다[22].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	발전차액지원제도는 무엇인가?	신·재생에너지 시장 확대의 필요성은 화석연료 고갈로 인한 유류가격 급등에 대한 대안, 전 지구적 환경문제인 온실가스 감축 필요성 등으로 그 중요성이 점차 강조되고 있으며, 이러한 이유로 각 국 정부는 바이오에너지 등을 포함한 신재생에너지 보급 확대를 위한 다양한 제도와 정책적 지원을 하고 있다[1-5]. 국내에서는 2011년까지는 신·재생에너지 발전에 의하여 공급한 전기의 전력거래가격이 산업통상자원부 장관이 고시한 기준가격보다 낮은 경우 그 차액을 지원해주는 발전차액지원제도(Feed-In Tariff, FIT)중심으로 신·재생에너지 산업을 성장시키고 확대·보급하였다. 그러나 정부의 재정적 부담이 커져 예산상의 제약이 발생하고 정부 지원 의존도가 높아지면서 기술개발촉진 기능이 미흡해지는 문제 등으로 2012년부터는 시장원리에 따른 기업 간의 경쟁을 통해 산업 성장 및 확대·보급이 이루어질 수 있는 신·재생에너지 공급의무화제도 (Renewable Portfolio Standard, RPS)를 도입하였다.
	RPS 제도는 무엇인가?	2012년부터 시행된 RPS 제도는 발전 사업자가 총 발전량의 일정 비율을 신재생에너지로 공급하는 것을 의무화하는 제도이다. 따라서 발전사에서는 의무공급량 이행을 위해 다양한 에너지원을 활용하고 있으며 그의 일환으로 C-중유를 대체 할 수 있는 바이오중유를 검토하고 있다.
	바이오중유의 원료로 사용되는 성분들은 트리글리세라이드나 지방산 형태로 이루어져 있는데 그로 인한 단점은 무엇인가?	바이오중유의 원료로 사용되는 성분들은 트리글리세라이드나 지방산 형태로 이루어져 적당한 윤활특성을 가지고 있다[16-24]. 그러나, 구조적으로 불포화 지방산의 이중결합으로 인해 낮은 산화안 정도를 갖거나 포화 지방산으로 인해 낮은 저온특성을 가지는 단점을 가지고 있기도 하다(Fig.1).

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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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