Feasibility Study of Using Wood Pyrolysis Oil in a Diesel Engine

목질 열분해유의 디젤 엔진 적용성 연구

이석환

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Feasibility Study of Using Wood Pyrolysis Oil in a Diesel Engine Seokhwan Lee, Junhyuk Park, Gihun Lim, Young Choi, Sejong Woo and Kernyong Kang

Key Words: Fast pyrolysis( 급속 열분해 ), Wood pyrolysis oil( 목질 열분해유 ), Biomass( 바이오매스 ), Diesel engine ( 디젤엔진 ), Bio crude oil( 바이오원유 )

Abstract

Fast pyrolysis of biomass is one of the most promising technologies for converting biomass to liquid fuels. The pyrolysis oil, also known as the bio crude oil (BCO), have been regarded as an alternative fuel for petroleum fuels to be used in diesel engine. However, the use of BCO in diesel engine requires modifications due to low energy density, high water contents, low acidity, and high viscosity of the BCO. One of the easiest way to adopt BCO to diesel engine without modifications is the use of BCO/diesel emulsions. In this study, a diesel engine operated with diesel, bio diesel (BD), and BCO/diesel emul- sion was experimentally investigated. Performance and emission characteristics of a diesel engine fuelled by BCO/diesel emulsion were examined. Results showed that stable engine operation was possible with emulsion and engine output power was comparable to diesel and bio diesel operation. Long term validation of adopting BCO in diesel engine is still needed because the oil is acid, with consequent problems of corrosion especially in the injection system.

1. 서 론

지구 온난화의 주범인 화석 연료의 사용을 대체하기

위한 재생 가능한 에너지원 (renewable energy) 에 대한

중요성이 부각되고 있는데 이 중에서 목재 등의 바이오 매스를 이용하여 액체 , ^고체 , ^{기체상의 연료를 제조하는}

기술들이 근래에 연구되고 있다 . 특히 목재가 풍부한 나 라들을 중심으로 목재를 원료로 생산되는 열분해유를 적용한 열병합 발전소가 건설되고 있으며 발전용 엔진

들도 개발되고 있다

. 또한 , 바이오원유를 디젤엔진의

연료로 직접 적용하고자 하는 연구들도 이 근래에 진행

되고 있다

.

열분해유의 물성치는 원료가 되는 바이오매스의 종류 및 생산 공정에 따라서 큰 차이를 보이는데 보통 18-

30% 의 수분이 포함되어 있으며 화석계 연료에 비하여

연료 내에 산소 성분이 많이 포함되어 있다 . 이와 같이 디젤연료와는 물성치가 매우 상이하므로 연료미립화 ,

점화 및 연소 특성 , 배출가스의 배출특성도 다르다 . 열 분해유가 가지는 특성들을 요약하면 다음과 같다

.

●

열분해유는 낮은 세탄가로 인하여 단독으로 사용시 자발화되지 않으므로 파일럿 분사나 세탄가가 높은 연료와 혼합하여 사용하여야 한다 .

●

열분해유의 구성성분 중 산소성분은 42-50% ^{를 이}

루고 있으며 탄소 성분이 비율이 석유계 연료에 비 해서 낮으므로 에너지 함유량도 낮다 . 따라서 동일 한 출력을 얻기 위해서는 많은 양의 연료를 분사해 주어야 한다 .

●

열분해유의 점도는 중유와 경유의 중간 정도에 위 (2011

9

9

~ 2011

9

22

, 2011

9

29

)

*한국기계연구원

†책임저자

,

,

E-mail : [email protected]

TEL : (042)868-7600 FAX : (042)868-7602

치하는데 열분해유의 원재료와 공정에 따라서 차이 가 나며 열분해유 내의 수분함유량 및 연료의 온도 에 의해서 큰 차이가 난다 . 점도가 디젤유에 비하여 높기 때문에 연료의 미립화특성이 저하된다 .

●

열분해유는 산성 (pH 2-3) 의 성질을 가지고 있으므 로 오랜 시간 운전을 하는 경우 분사계가 부식될 수 있으며 연료 내의 높은 수분함유량 또한 분사계 손 상의 요인이다 .

●

열분해유에는 타르가 포함되어 있는데 중합 작용

(polymerisation) ^{에 의해서 점착성의 물질로 변환된}

다 . 중합작용은 실온에서도 일어나며 특히 90

C 가 넘는 고온에서 매우 빠르게 일어난다 . 이로 인하여

발생되는 중합체 (polymer), 타르 , 고체입자 등은 분

사계에 퇴적되어 성능을 저하시키게 된다 . ^또한 , ^열

분해유가 연소되면 탄소계 퇴적물이 생성되어 분사 계 뿐만 아니라 연소실 , 배기밸브 , 피스톤 등에 퇴적 되어 성능 저하를 일으킨다 .

위에서 언급한 특성들에 의하여 열분해유를 디젤엔진 에 단독으로 사용하는 것은 어렵다 . 따라서 위의 단점을 보완하기 위해 열분해유를 디젤 및 바이오 디젤과 혼합 한 혼합유를 사용하여 디젤 엔진에 적용하는 연구들이

진행되고 있다

. 본 연구에서는 목재에서 생산된 바이

오원유와 디젤을 3:7 ^{로 혼합한 혼합유를 디젤 엔진에}

적용하여 디젤 , 바이오디젤 연료 대비 연소성능 및 주요 배출가스의 배출특성을 파악하였다 .

2. 실험장치 및 구성

2.1 실험연료

본 연구에서 사용된 바이오원유는 톱밥을 재료로 급 속 열분해 반응을 통하여 생산된 것이다

. 생산된 바 이오원유는 열분해유 특유의 짙은 검갈색을 지니고 있

으며 탄 냄새가 심하게 난다 . Table 1 에서는 디젤유 , 바

이오디젤유 , ^{바이오원유} , ^{디젤과 바이오원유를} 3:7 ^{로 혼}

합한 혼합유의 물성치를 나타내었다 . 바이오원유의 경

우 수분이 약 33% 함유되어 있으며 일반 디젤유에 비

하여 발열량이 1/3 ^{수준이고 연료 조성에서 산소 성분}

의 비율이 매우 높다 . 바이오원유는 발열량이 낮고 산성 을 지니고 있으며 밀도도 디젤유에 비해서 훨씬 높으므

로 100% ^{바이오원유를 디젤엔진에 적용하게 되면 짧은}

시간내에 연료공급계의 성능이 저하된다 . 100% 바이오 원유를 사용하기 위해서는 연료공급계를 이루고 있는 소재 교환 , ^{분사기 분공 확장 등의 개조를 거쳐야 한다} .

따라서 기존의 연료공급계의 개조 없이 그대로 이용하 기 위해서는 바이오원유에 디젤을 적정량 혼합한 혼합 유를 적용하는 것이 가장 쉬운 방법이다 . 원유에서 생산 되는 탄소계 연료들은 대부분 서로 잘 혼합되는 반면에 바이오매스에서 생산되는 바이오원유는 화석 연료와 극

성 (polarity) 이 달라서 완전하게 혼합되지 않고 디젤유

와 층이 지게 된다 . ^{두 연료를 완전하게 혼합하기 위해}

서는 적절한 계면활성제를 사용하여야 한다 .

디젤 엔진에 바로 적용하기 위하여 바이오원유와 디 젤유의 비율이 3:7 ^{인 혼합연료를 제조하였다} . ^계면활성

제로 Hypermer B246SF 와 Hypermer 2234 두 가지 약품 을 사용하여 메탄올과 5:2 로 희석한 액체를 5% 첨가 하

Table 1 Base diesel engine specifications

Type LHV

(kJ/g) Water

(%) C

(%) H

(%) O

(%) Density

(kg/m

)

Diesel 45.8 - 85.0 12.6 2.3 821.0

Bio diesel 39.5 0.14 77.4 12.1 10.1 833.3

BCO 15.9 33.62 41.0 10.1 48.8 1193.5

BCO(70%)+Diesel(30%) 34.2 8.92 69.2 10.9 19.8 935.2

Fig. 1 BCO/Diesel emulsions (BCO30)

였으며 70

C, 2,000 rpm ^{의 교반기 회전조건으로} 20 ^분간

교반하여 혼합연료를 만들었다 . Fig. 1 은 바이오원유와

디젤유가 3:7 로 혼합된 BCO30 혼합연료를 나타내고 있

는데 디젤유와 바이오원유가 균일하게 잘 혼합된 것을 확인할 수 있다 . 두 연료가 균일하게 혼합은 되었지만 시간이 약간 경과하게 되면 바이오원유 성분 중 무거운

성분인 촤 (Char) ^{나 미세한 입자들이 바닥에 가라앉아}

있는 것을 볼 수 있었다 .

2.2 실험방법

실험에 사용된 엔진 시스템의 제원을 Table 2 에 나타

내었다 . 엔진은 배기량 2,874cc, 압축비 22 인 간접분사

식 (Indirect injection) 압축착화 엔진을 사용하였으며 ,

바이오원유 내에 포함된 촤 (char) ^{등의 입자가 연료분}

사계에 고착될 수 있으므로 분사 시스템은 퇴적물에 민 감한 커먼레일 분사시스템이 아닌 기계식 펌프 및 분사 기가 장착된 시스템을 사용하였다 . Fig. 2 ^{는 실험장치의}

개략도를 나타내고 있다 . 디젤 엔진의 동력 특성 제어를

위하여 230 kW 급 EC 동력계 (Schenk 사 ) 를 사용하였으

며 , ^{연소 특성 분석을 위하여} 1 ^{번 실린더의 글로우 플러}

그 위치에 압력 센서 (Kistler, 6052C) 와 이의 설치를 위

한 어뎁터 (Kistler 6542Q27) 를 장착하여 엔코더 신호와

동기시켜 연소실 압력을 크랭크각 1 ^{도 단위로 측정하였}

으며 , 이를 바탕으로 열방출 곡선을 계산하였다 . 흡입

공기량 측정을 위해 흡기 레져버 (resorvoir) 의 상단에 층

류 유량계 (Meriam Inst. Co.) ^{를 설치하였다} . ^{연료량과 공}

연비는 각각 코리올리 효과를 이용한 연료 유량계

(DASAN R&D) 와 광대역 공연비 센서 (LA4, ETAS) 를

이용하여 측정하였다 . ^{가스상 배기배출물 분석을 위하}

여 배기가스 분석기 (AVL AMA i-60) 를 사용하였으며 ,

검댕을 측정하기 위해서는 광투과 방식의 매연측정장치 인 Opacimeter(AVL) ^{을 사용하였다} .

실험은 디젤유 , 100% 대두유로 만들어진 바이오디젤

유 , 바이오원유와 디젤이 3:7 로 혼합된 혼합유에 대하여

1,500 rpm 의 엔진 회전 속도 조건에서 부하 변화 (BMEP

0.1~0.6 MPa) ^{에 따른 연소 특성과 배출가스 배출특성을}

측정하였다 . 각 연료의 연소 특성 및 배기배출물 특성을 살펴보기 위해 연료 교체 시 연료분사계 및 연료라인에 남아 있는 연료들을 완전히 제거하여 엔진 내에 남아있 는 잔류 연료들과의 혼합을 방지하였다 . 바이오원유를 사용하여 엔진을 구동하게 되면 연료펌프와 분사기 내 부에 코크가 생기며 탄소계열의 퇴적물이 연소실 및 배 기밸브에 퇴적되어 엔진이 파손될 가능성이 있다 . 따라 서 본 연구에서는 혼합유로 엔진을 10 분 이상 운전하지 않았으며 혼합유로 운전 후 디젤유를 사용하여 엔진 및 분사계를 세척해주었다 .

3. 실험결과

3.1 엔진 연소 특성

엔진회전속도 1,500 rpm ^조건에서 BMEP 0.2 MPa ^조

건에서 디젤유 , 바이오디젤유 , 바이오원유 / 디젤 혼합유 의 세 가지 연료를 사용하였을 경우의 연소실 압력과 열발생율을 나타낸 연소 특성을 Fig. 3 ^{에 나타내었다} .

압력선도를 살펴보면 디젤유 , 바이오디젤유 , 바이오 원유 / 디젤 혼합유를 사용하는 경우에는 연소압의 최대 값이 거의 동일함을 알 수 있다 . 바이오원유 / 디젤 혼합 유의 경우 타 연료에 비해서 세탄값이 낮기 때문에 자 발화 성능이 떨어져서 동일한 분사시기에서 연료를 분 사하지만 연소 지연 시간이 더 늘어난 것을 확인할 수 있으며 연소실 최고 압력은 약간 더 높은 것으로 측정 되었다 . 이러한 압력 증가는 바이오원유 / 디젤 혼합유의 낮은 발열량에 기인한 결과로 동일 속도 , 부하 조건을 만족시키기 위해 연료 분사량의 증가와 연료 내의 산소

Table 2 Base diesel engine specifications

Specifications Resources

Displacement 2,874 cc

Intake system Natural aspiration

Max. Power 70 kW@4000 rpm

Max. Torque 185 N-m@3000 rpm

BoreStroke 89.0 × 92.4 mm

Compression ratio 22

Fig. 2 Schematic diagram of experimental apparatus

함유량 증가에 따른 결과로 판단된다 .

열발생률 계산 결과를 살펴보면 디젤유 , 바이오디젤 유의 경우 간접분사식 디젤엔진의 전형적인 열발생률 곡선을 보여주고 있지만 혼합유의 경우에는 열방출율 곡선의 피크값이 두 군데에서 나타나는 것을 확인하였 다 . 이는 혼합유의 경우 바이오원유와 디젤이 에멀젼 상 태로 혼합되어 있기 때문에 두 연료가 각기 독립적으로 연소된 것으로 판단된다 . 바이오원유와 디젤유의 연소 메커니즘은 다른 양상을 보인다 . 디젤유의 경우 자발점

화에 의한 노란색 불꽃을 가지는 연소 (sooty burning of

ignition) 현상만 발생하지만 바이오원유의 경우 먼저 파

란색 불꽃을 가지는 1 차 연소 (microexplosion) 를 일으킨

후 노란색 불꽃을 가지는 2 ^{차 연소} (sooty burning of

droplet fragments) 를 일으킨다

. 따라서 혼합유의 경우 디젤유와 다르게 초반에 연소 현상이 발생하는 것이다 .

상대적으로 고부하 조건인 BMEP 0.6 MPa 조건에서도

위와 동일한 경향을 보여주었다 .

이 현상을 정확하게 이해하기 위하여 열방출율 곡선

에서 연소되는 연료의 10% 에너지 발산점을 지칭하는

MFB10 ^{시기와 전체적인 연소지연시간을 측정하였으며}

이 결과를 Fig. 4 에 나타내었다 . 낮아진 세탄가에 의해

서 전체적인 연소시간은 바이원유 / 디젤 혼합유가 가장 길게 측정이 되었지만 연소 시작 시점은 가장 빠르게 나타났다 . 모든 실험에서 분사시기를 동일하게 고정하 였으므로 이는 혼합유에 포함된 바이오원유의 특성에 의해서 발생하는 현상으로 파악된다 . ^{바이오원유의 경}

우 디젤유와는 연소 메카니즘이 다르므로 1 차 연소

(microexplosion) 에 의하여 디젤유에 비하여 연소 시작

시점이 빠른 것이다 .

연료 소비율 (brake specific fuel consumption) 과 연료 전환 효율 (fuel conversion efficiency) 을 Fig. 5 에 나타내

었다 . Table 1 에서 살펴본 바와 같이 , 디젤유에 비해서

Fig. 3 Combustion pressure and heat release rate accord-

ing to fuels (1,500 rpm, bmep 0.2 MPa) Fig. 4 MFB10 timing and combustion duration of test fuels

according to engine loads

바이오디젤유 및 바이오원유의 저위발열량은 낮다 . 따 라서 바이오디젤유 및 바이오원유 / 디젤 혼합유가 포함 된 연료의 경우 동일 속도 부하 조건을 충족시키기 위 해서 더 많은 연료를 소비하는 것을 확인 할 수 있다 .

혼합연료의 경우 바이오디젤을 사용하는 경우와 거의 동일한 수준의 연료소비율을 보이며 디젤 대비 30% 정 도 높은 출력당 연료소비율을 보여주고 있다 . ^연료소비

율과 저위발열량과의 비로 계산할 수 있는 연료 전환 효율은 디젤유가 가장 높게 측정되었으며 혼합연료는 디젤유보다 약간 낮은 수준으로 측정되었다 .

3.2 배출가스 측정 결과

바이오디젤유 및 바이오원유 / ^{디젤 혼합유를 사용하는}

경우 발생하는 미연탄화수소 (THC), 일산화탄소 (CO),

질소산화물 (NOx), 검댕 (soot) 의 배출량을 디젤유와 대

비하여 비교한 결과값을 Fig. 6~9 에 나타내었다 . 디젤연

료의 THC 배출물 특성과 비교한 결과 바이오디젤유 및

혼합연료의 경우 THC 가 증가하는 경향을 보여주고 있 다 . ^{특히 바이오원유} / ^{디젤 혼합유의 경우 고부하 조건으}

로 갈수록 배출량은 급증하며 디젤 대비 200% 넘는 배

출량을 보였다 . 이는 혼합연료의 경우 세탄가가 가장 낮 으므로 연소 지연 시간이 증가하여 미연된 연료들이 증 가하기 때문에 발생하는 현상으로 파악된다 . CO 의 경 우에도 디젤에 비해서 나머지 연료들의 배출량이 높은 경향을 보이고 있는데 CO ^{의 경우에는 엔진 연소실로}

분사된 연료의 미립화 성능과 관련이 높은데 디젤 연료 에 비해서 나머지 연료들의 점도가 높아서 미립화 성능 이 좋지 않아서 CO ^{의 발생량이 높은 것으로 판단된다} .

특히 바이오원유의 경우 연료의 증발특성도 좋지 않으 므로 THC 와 CO 의 배출량이 디젤유에 비해서 증가하게 된다 .

Fig. 5 Brake specific fuel consumption and fuel conver- sion efficiency of test fuels according to engine loads

Fig. 6 Relative THC emission of BD and BCO30 to die- sel according to engine loads

Fig. 7 Relative CO emission of BD and BCO30 to diesel

according to engine loads

NOx 배출 특성의 경우 , 디젤에 비하여 바이오디젤을 사용하면 연료 내의 산소 함유량이 높기 때문에 연소실

내에서의 NOx 형성을 촉진시켜 NOx 배출량이 5~10%

증가하는 경향을 보였다 . 바이오원유 / 디젤의 혼합유의 경우 연료 내 수분함유율이 9% ^{정도로 다른 연료에 비}

해서 월등히 높으며 이 경우 연소를 일으키기 위해서 더 많은 열에너지를 흡수하여야 한다 . 이로 인하여

Thermal NOx ^{의 발생량이 낮아져서 디젤에 비하여} NOx

의 배출량은 70~80% 수준으로 측정되었다 . 검댕의 배

출 특성의 경우 바이오디젤유는 연료의 분자식에서 C-

C ^{결합 사이에} O ^{분자가 포함되어 있으므로 탄소 성분}

이 뭉쳐진 형태의 검댕으로 변환되는 양이 적기 때문에

검댕 배출량은 디젤 대비 60% 이하로 측정되었다 . 바이

오원유 / 디젤 혼합유를 사용하는 경우에는 나머지 연료

에 비하여 연료의 성분 중 산소 성분이 20% ^{가까이 되}

기 때문에 검댕 배출량이 가장 낮게 측정되었다 .

4. 결 론

디젤유의 대체연료로써 근래에 연구가 진행되고 있는 목재 열분해유를 사용하여 디젤엔진에서 엔진의 연소성 능 및 배출가스 배출량을 측정하였으며 다음과 같은 결 론을 얻을 수 있었다 .

1) 열발생률 계산 결과를 살펴보면 바이오원유 / 디젤 혼합유의 경우에는 열방출율 곡선의 피크값이 두 군데 에서 나타나는 것을 확인하였다 . 이는 혼합유의 경우 바 이오원유와 디젤이 에멀젼 상태로 혼합되어 있기 때문 에 두 연료가 각기 독립적으로 연소된 것으로 판단된다 . 2) 낮아진 세탄가에 의해서 전체적인 연소시간은 바 이원유 / ^{디젤 혼합유가 가장 길게 측정이 되었지만 연소}

시작 시점은 가장 빠르게 나타났다 . 바이오원유의 경우 디젤유와는 연소 메카니즘이 다르므로 1 차 연소 (micro-

explosion) ^{에 의하여 디젤유에 비하여 연소 시작 시점이}

빠른 것이다 .

3) 바이오원유가 포함된 연료를 연소하는 경우 점화 지연시기가 증가하고 연료의 미립화성능이 저하되며 ,

연료의 증발특성도 좋지 않으므로 THC 와 CO 의 배출량 은 디젤 대비 증가한다 .

4) NOx 의 경우 바이오원유 / 디젤 혼합유는 수분함유

율이 높으므로 Thermal NOx ^{의 배출량이 감소하여 디젤}

에 비하여 감소한다 . 바이오원유 / 디젤 혼합유의 구성 성 분에서 산소성분이 20% 를 차지하므로 연소 시 검댕의

배출량도 디젤에 비하여 50% ^{이하로 저감된다} .

후 기

본 연구는 한국기계연구원의 일반사업인 “ 미활용에 너지 청정 고밀도화 기계기술 기반구축 ” 사업의 연구비 지원으로 수행되었으며 , ^{이에 감사의 뜻을 표합니다} .

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Fig. 8 Relative NOx emission of BD and BCO30 to die-

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according to engine loads

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