Vol. 19, No. 3, pp. 16-21, June 2015
디젤엔진에서 배기가스 재순환 방법을 이용한 아산화질소의 배출률 저감
Reduction of Nitrous Oxide Emission by EGR Method on Diesel Engine
유동훈*†
Dong-Hoon Yoo*†
(Received 20 January 2015, Revision received 29 May 2015, Accepted 29 May 2015)
Abstract: Nitrous oxide(N 2 O) concentration in the atmosphere has been constantly increased by the human activities with industrial growth after the industrial revolution. One of factors to increase N 2 O concentration in the atmosphere is the N 2 O emission caused by the combustion of marine fuel. Especially, a sulfur component included in marine fuel oils is known as increasing the N 2 O formation in diesel combustion. Form this point of view, N 2 O emission from a ship is not negligible. On the other hand, Exhaust gas recirculation(EGR) that have thermal, chemical and dilution effect is effective method for reducing the NOx emission. In this study, an author investigated N 2 O reduction by using EGR on a direct injection diesel engine. The test engine was a 4-stroke diesel engine with maximum output of 12 kW at 2600rpm, and operating condition of the engine was a fixed load of 75%. The experimental oil was a blend-fuel that were adjusted with sulfur ratio of 3.5%, and EGR ratio of 0%, 10%, 20% and 30%. In conclusion, diesel fuel that contained 3.5% sulfur component increased SO 2 emission in exhaust gas, and increment of EGR ratio reduced NO emission. Moreover, N 2 O emission was decreased as over 50% at EGR ratio of 10% and reduced 100% at EGR ratio of 30% compared with N 2 O emission of 0% EGR ratio.
Key Words：Nitrous Oxide, Green House Gas, EGR, Emission, Sulfur Dioxide
*
†
유동훈(교신저자) : 국립연구개발법인 해상기술안전연 구소, 환경/동력계E-mail : [email protected], Tel : +81-90-6067-2415
*
†
Dong-Hoon Yoo(corresponding author) : Environment / Power and Energy Department, National Maritime Research Institute.E-mail : [email protected], Tel : +81-90-6067-2415
1. 서 론
디젤엔진을 동력원으로 사용함에 따라 선박에 서 발생하는 배기배출물에 대한 규제가 IMO (International Maritime Origination) 협약에 의해 점 차 강화되고 있는데, 인간에게 직접적으로 영향을 미치는 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx)의 규제
로부터 지구온난화 물질에 대한 규제로 이행되고
있는 실정이다. 대표적으로 석유계 탄화수소 연료
를 사용하면 필수적으로 발생하는 CO 2 에 대한 규
제는 선박의 연비의 향상과 지구온난화(GHG,
Green House Gas) 방지를 목적으로 하여
EEDI(Energy Efficiency Design Index)와 EEOI
(Energy Efficiency Operational Indicator)의 협약에
의해 이미 시행되고 있으며 배출률 제한치를 점 차 강화하고 있다.
지구온난화에 영향을 미치는 대표적인 물질로 는 이산화탄소, 메탄(CH 4 , Methane), 아산화질소 (N 2 O, Nitrous Oxide) 등이 있는데, 1) 그 중에서도 N 2 O는 선박 운항 시에 발생하는 CO 2 에 비하여 배 출량이 적지만, 지구온난화에 미치는 영향은 CO 2
대비 310배에 달하여 무시할 수 없는 물질로 알려 져 있고, 대기 중 농도는 산업혁명 이후 급격히 증가하고 있다.
선박에서 N 2 O의 배출원인으로는 연료 중의 질 소성분에 의한 생성과 황성분에 의한 생성으로 구분할 수 있는데, 디젤엔진을 사용하는 동력원에 서는 질소성분보다 황성분에 의존하여 배출되는 것으로 알려져 있다. 즉, 고온·고압의 연소실을 갖 는 디젤엔진에서는 연료중의 질소성분이 HCN이 나 NCO 등을 경유하여 직접적으로 발생하는 양 보다 SO 2 와 NO의 결합에 의한 이차적 반응에 의 해 생성되는 양이 압도적으로 많다는 것이다. 2,3)
그러므로 디젤엔진에서 N 2 O배출률을 저감하기 위해서는 SO 2 의 생성을 억제하거나 연소 중에 생 성되는 NO를 감소시키는 방법을 생각할 수 있는 데, SO 2 발생은 연료 중의 황성분에 지배를 받기 때문에 저유황 연료를 사용하는 방법과 NO발생 률의 80% 이상이 공기 중의 질소와 산소의 반응 으로 생성되는 열적 NO(Thermal-NO)이기 때문에 EGR시스템이나 에멀젼연료 사용방법과 같이 연 소온도를 낮추어 NO생성을 막는 방법을 생각할 수 있다.
한편 현재 NOx배출률 3차 규제 4) 를 눈앞에 두 고 있는 상황에서 규제에 대응하여 주목 받고 있 는 기술 중에 하나가 배기 재순환(EGR, Exhaust Gas Reduction)방법인데, 5,6) 요소를 환원제로 사용 하는 SCR(Selective Catalytic Reduction)보다 적은 점유면적을 사용하고, 유지비용이 적게 든다는 장 점을 가지고 있어 실용 가능한 NOx저감 방법으로 주목받고 있다.
본 연구에서는 디젤엔진에 있어서 이러한 EGR 방법이 성능 및 배기배출물 특성에 미치는 영향 에 대한 기본적인 실험과 함께 EGR 방법을 사용
하여 연소실 온도를 하락시켰을 경우 NOx뿐만 아 니라 N 2 O의 저감에도 유효한 방법인지를 실험적 으로 평가하였고, 저감되는 원인에 대하여 규명하 였다.
2. 실험장치 및 방법
본 연구에서 사용한 엔진은 AVL사의 무과급 직접분사식 디젤엔진으로써 Table 1에 사양을 나 타내었다. 테스트 엔진의 운전조건은 선박부하 3 승 곡선의 100% 부하를 49 N·m/1500 rpm로 설정 하여 75%부하(41 N·m/1362 rpm)만을 실험대상으 로 하였고, 냉각수온도, 흡기온도 등의 주변조건 또한 거의 같은 조건에서 실시하였다.
Table 1 Test engine specification
Item Test Engine (AVL)
Stroke 4
Cylinder 1
Cooling Type Water Injection Direct injection
Bore 112 mm
Stroke length 110 mm Output 12kW / 2400rpm Compression ratio 18.5
cooler Gas Gas
blower Drain
chamber
Exhaust gas
Fresh air
Dynamometer Test engine
Chamber pressureEGR valve
Engine load control
Smoke
analyzer
Fuel tank Electronic scale
EncoderData acquisition computer
Gas cooler
N
2O analyzer
Gases analyzer Cooling
water
Ex hau st gas sa mp li ng In let ga s sam plin g
Bypass valve
PM filter Flow meter
S am plin g gas
Fig. 1 Schematic diagram of EGR system and gas
sampling
Fig. 1은 본 실험을 위해 제작된 EGR시스템과 흡기와 배기 채취장치의 계통도를 나타낸다. 엔진 으로부터 발생한 배기는 가스송풍기(Gas blower) 의 흡입력에 의하여 가스냉각기, 드레인 체임버를 거쳐 새로운 흡입공기와 혼합되는데, 신기와 섞이 는 재순환 가스의 양은 송풍기 입·출구의 우회밸 브와 가스송풍기 후단에 설치한 전자식 EGR 밸 브에 의해 제어된다. 배기의 채취는 최후로 배출 되는 가스를, 흡기의 채취는 엔진흡입구 직전에서 신기와 재순환 가스가 혼합된 가스를 채취하였다.
N 2 O 분석기는 상관식 적외선 분석법을 사용하는 전용측정기(Thermo Scientific, Model 46C)를 사용 하였고, 일반배기의 측정에는 적외선 분석법 (NDIR)을 사용하는 5성분(CO, CO 2 , NO, SO 2 , O 2 ) 동시 측정기(Thermo Scientific, Model 60i)를 보정 후 사용하였다. 스모크농도는 광 반사식 스모크메 터(Sokken, GSM-3)를 사용하였는데 배기 측정 지 점으로부터 1m 정도 후반부에서 채취하였다.
Table 2 Fuel properties before adding sulfur additive Item Unit Light oil Density(15℃) g/cm 3 0.8359
Flash point ℃ 76
Viscosity mm 2 /sec 3.554
Pour point ℃ -17.5
Ash % (mass) -
Carbon % (mass) 85.84 Hydrogen % (mass) 13.85
Nitrogen ppm (mass) 0.5 (limit) Oxygen % (mass) 0.7 Sulfur ppm (mass) 6.8 Calorific value MJ/kg 45.84
본 실험에서는 EGR률을 10%, 20% 그리고 30%
로 설정하였는데, 엔진의 흡입구와 배기구에서 채 취·분석한 건조가스 중의 CO 2 농도에 의해 아래 의 식 (1)로 정의한다.
× (1)
전술하였듯이 현재까지 디젤엔진에서 N 2 O 배 출에 크게 영향을 미치는 것으로 알려진 연료중
의 성분은 황성분이기 때문에 DBDS(Di-Tert-Butyl Disulfide, 분자식:C 8 H 18 S 2 , 몰질량:178.35 g/mol, 밀 도:0.9221 g/cm 3 , 순도:99.4%)를 디젤유에 첨가하여 현재의 IMO 황성분 규제치인 3.5% (mass/mass)로 조정하여 사용하였다.
Table 2는 황 첨가제를 첨가하지 않은 기본연료 유의 분석결과를 나타낸다. 기본연료유는 육상 디 젤엔진용 연료로서 황성분을 거의 함유하고 있지 않기 때문에 이로부터 생성되는 N 2 O의 양은 무시 할 수 있을 것으로 생각되고, 윤활유의 연소로부 터 생성되는 N 2 O의 배출량 또한 윤활유 소비율을 고려했을 때 무시될 수 있다고 판단된다.
3. 실험 결과 및 검토
3.1 연료 중 황성분 첨가와 EGR률 변화에 따른 엔진성능 변화
황성분 첨가제의 사용에 의해 연료 조성이 변 화하여 엔진의 성능특성 또한 변화하였기 때문에 Fig. 2에는 기본디젤유와 황성분 첨가제를 첨가한 연료를 사용하였을 경우의 연소실압력과 열발생 률을 나타내었다. 그래프 항목 중 LO는 기본연료 유를, S:3.5은 DBDS를 첨가하여 연료 중의 황성 분농도를 3.5%(m/m)로 조정한 연료임을 의미하며, EGR10, EGR20, EGR30은 EGR률이 각각 10%, 20%, 30%임을 의미한다.
Fig. 2 Combustion chamber pressure and rate of
heat release by sulfur concentration in fuel :
sulfur≒3.5%(mass/mass)
그래프로부터 연소실압력은 첨가제를 사용하지 않았을 경우보다 사용하였을 경우가 압력상승시 기가 빨라지고 최고압력이 낮아졌음을 알 수 있 는데, 본 연구에서 사용된 황성분 첨가제는 기본 연료유보다 착화점이 낮기 때문으로 생각된다.
즉, 두 연소압력 그래프 모두 같은 연료 분사 시기를 갖지만, 기본연료유와 비교하여 황성분 첨 가제는 낮은 착화점을 갖기 때문에 혼합유 역시 황성분 첨가제에 의하여 착화 지연기간이 짧아지 고 착화시기가 앞당겨져 결국 예혼합 연소량이 감소하였기 때문으로 사료된다. 열발생률 그래프 에서는 이러한 앞당겨진 착화시기와 예혼합 연소 기간의 감소를 더욱 뚜렷하게 확인할 수 있는데, 열발생률 상승시기가 빨라지고 최고 열발생률이 감소하고 있음을 알 수 있다. 최근의 선박연료는 점차적으로 중질화 되어 가고 있는 특성이 있는데, 본 실험에서 사용한 DBDS와 같이 낮은 증발온도 와 착화점을 갖는 첨가제를 사용하면 연료의 연 소성 향상과 노킹과 같은 이상연소의 예방을 도 모할 수 있을 것으로 기대된다.
Fig. 3 Combustion chamber pressure and rate of heat release by EGR ratios
Fig. 3에는 첨가제를 첨가한 연료를 사용하고 EGR률을 변경하였을 때 연소실압력과 열발생률 을 나타내었다. 그래프에서 EGR률의 증가와 함께 연소압력은 감소하였는데 흡기 중의 CO 2 혼입으 로 인한 열용량 증가와 흡입 산소농도의 감소가 원인으로 생각된다. 또한 열발생률은 EGR률의 증 가와 함께 열발생 시기가 늦어지고 있고, 최고 열
발생률은 다소 증가하고 있음을 알 수 있는데, Fig. 2와는 반대로 연소실의 온도가 하락함에 따 라 착화지연기간이 증가하여 연소실에 분사된 연 료의 증발기간이 늘어나 예혼합 연소기간 중에 연소되는 연료량이 증가한 것으로 판단된다.
3.2 EGR률 변화에 의한 배기배출물 변화와 N
2
O배출률 저감특성Fig. 4 Variation of carbon monoxide and smoke emission according to sulfur additives and EGR ratios
Fig. 4는 황성분 첨가제를 사용하거나 그렇지 않았을 경우에 EGR률의 변화가 CO와 스모크 배 출률에 미치는 영향에 대하여 나타내었다. CO배 출률은 황성분 첨가제를 첨가하면 다소 감소하였 는데, Fig. 2에서 고찰하였듯이 첨가제의 낮은 증 발온도와 착화점이 연소에 긍정적인 영향을 미쳐 탄소성분의 완전연소에 기여했을 것으로 추측된 다. 또한 EGR률의 증가와 함께 CO배출률은 급속 하게 증가하였는데, 흡입구의 산소가 CO 2 로 치환 되어 산소공급이 감소하였기 때문으로 생각된다.
반면 스모크농도는 황성분 첨가제를 첨가한 연료
를 사용하였을 경우가 그렇지 않은 경우보다 증
가하였는데, 황성분 첨가제가 연료 중의 황성분농
도와 비례한 것으로 알려져 있는 황산화물
(Sulfate, 황산염)을 증가시킨 것으로 추측된다. 또
한 EGR률을 증가시킬수록 스모크농도는 증가하
였는데, 연료소비율이 EGR률 10%에서 0.92%,
20%에서 1.24, 30%에서는 2.7%까지 악화되어 연 비의 악화로 인한 연료량 증가와 공급 산소농도 의 하락이 원인으로 판단된다. 실질적으로 연소하 지 않고 배출된 산소(Residual Oxygen)농도는 EGR 률 0%의 경우 12.0%였던 것에 비하여 EGR률 30%에서는 8.7%까지 하락하였다.
Fig. 5 Variation of nitric oxide according according to sulfur additives and EGR ratios
Fig. 5는 황성분 첨가제의 첨가와 EGR률 변화 에 따른 NO배출을 나타낸다. NO배출률은 황성분 첨가제를 첨가함으로써 다소 저감되었는데, 연료 의 발열량 감소에 따라 화염의 국부적인 온도상 승이 완화되어 열적으로 발생하는 NO가 감소하 였기 때문으로 사료된다. 또한 EGR률의 증가와 함께 급격히 감소하였는데, 황성분 첨가제를 사용 하고 EGR을 수행하지 않았을 때와 비교하여 EGR 률 10%에서 39.9%, EGR률 20%에서 51.2%, 30%
에서 65.1% 감소하였다. 이러한 배출률 감소의 원 인으로는 흡기 중의 CO 2 에 의한 열용량 증가, 연 소화염의 냉각, 공급 산소의 감소가 원인으로 생 각된다.
또한 Fig. 6에는 SO 2 발생률을 나타내고 있는데, 황성분 첨가제를 첨가하면 급격히 상승하였으며, EGR률 20%까지 유지되었고, 30%에서 다소 증가 하였다. 윤활유 중의 유황성분을 무시하였을 때 배기 중의 SO 2 는 연료 중의 황성분농도에 의존하 기 3) 때문에 황성분 첨가제를 첨가하였을 경우 SO 2 발생률은 급격히 상승하였다고 판단된다. 또한
EGR률 30%에서 다소의 SO 2 발생률 증가원인은 연 비의 악화와 EGR냉각기의 냉각한계 초과로 인한 흡기 중에 다소의 SO 2 혼입이 원인으로 사료된다.
하지만 혼입된 SO 2 가 연소에 미치는 영향에 대하 여는 검토되지 않은 상황으로 추후 부가적인 실 험을 통해 검토되어져야 할 것이다.
Fig. 6 Variation of sulfur dioxide according to sulfur additives and EGR ratios
Fig. 7 Variation of nitrous oxide according to sulfur additives and EGR ratios
Fig. 7에는 황성분 첨가제와 EGR률의 변화가 N 2 O 배출률에 미치는 영향에 대하여 나타내었다.
YOO 3) 에 따르면 디젤엔진에서 N 2 O배출률은 배기
중의 NO와 SO 2 의 배출률에 따라 변화한다고 보
고 하였는데, 본 실험에서도 황성분 첨가제를 첨
가한 연료를 사용하였을 경우가 그렇지 않은 연
료보다 3배 가량 증가하였다. 하지만 EGR률 10%
를 실시하였을 경우 황성분 증가에 따른 N 2 O배출 률을 60.1% 감소시킬 수 있었고, EGR률을 30%
실시하였을 경우에는 첨가제를 첨가하지 않은 연 료를 사용하였을 경우와 비슷한 배출률을 나타냈 다. 이것은 Fig. 6에서처럼 SO 2 배출률이 유지되거 나 조금 상승하여도 Fig. 5의 NO배출률이 감소하 였기 때문으로 판단되는데, 이러한 SO 2 와 NO에 의한 N 2 O생성반응을 식 (2)에 나타내었다.
↔ (２)
즉, 디젤엔진에 있어서 N 2 O배출률은 SO 2 와 NO 배출률에 절대적인 지배를 받는데, EGR에 의하여 흡기 중의 CO 2 증가로 인한 열용량 증가와 산소 농도의 감소로 화염의 온도가 하락하여 전체적인 연소실의 온도가 하강함에 따라 열적 NO의 생성 이 억제되어 이러한 NO생성률 감소가 N 2 O의 저 감으로 이어진 것으로 판단된다. 그러므로 고 유 황 연료를 사용하는 디젤엔진에서 EGR 시스템을 사용하면 NO 뿐만 아니라 N 2 O배출률 또한 획기 적으로 저감할 수 있다고 사료된다.
4. 결 론
본 연구에서는 황성분 첨가제를 사용하여 황 함유율을 3.5%로 하는 고유황 연료를 제작하였고, 디젤엔진에서 EGR률의 변화가 연소실압력, 열발 생률, 배기배출물에 미치는 영향에 대하여 조사하 였다. 특히 고 유황 연료를 사용할 때 배출되기 쉬운 N 2 O에 대하여 EGR방법의 사용이 N 2 O배출 률에 미치는 영향에 대하여 조사하여 다음과 같 은 결과를 얻었다.
(1) 황성분 첨가제 DBDS를 첨가하여 연료의 조 성을 변화시키면 기본연료유를 사용하였을 때보 다 착화 지연기간이 짧아지고 열발생률 시작시기 가 빨라지며, EGR률의 증가와 함께 연소압력은 낮아지고 열발생률은 다소 증가한다.
(2) 연료 중의 황성분의 증가는 배기 중의 SO 2
발생률을 급격히 증가시킨다.
(3) EGR률의 증가는 CO, 스모크를 증가시키는 반면, NO발생률을 급격히 저하시킨다.
(4) EGR률의 증가는 황성분 첨가에 따른 N 2 O 발생률을 현격하게 저하시키는데, EGR률 10%에 서 60.1%의 저감률을 나타내었고, EGR률 30%에 서는 황성분을 첨가하지 않았을 때의 발생률과 비슷한 수치를 나타내었다.
References
