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1. 서 론

1.1 선박기인 대기오염물질 배출규제 논의

 입자상물질(Particulate Matter, PM)을 포함한 대기오염 물질 배출 규제에 대한 국제적 논의는 기후변화협약(United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCCC)에서 체계화 되었고, 제 3차 UNFCCC 당사국총회(COP3)에서 체결된 교토의정서(Kyoto Protocol, 1997)에 의거해 선진국을 중심으로 배출 규제가 이루어지고 있는 실정이다(UNFCCC, 2006; IMO, 2009).

 선박기인 대기오염물질 배출 규제에 대한 내용은 유엔해양법협약(United Nations Convention on the Law of the Sea, UNCLOS)에서 최초로 논의되었고, 국제해사기구(International Maritime Organization, IMO)의 MARPOL Annex Ⅵ에서 선박기인 대기오염물질 배출규제에 관한 체계적 기반을 갖추면서, 몬트리올 의정서를 통해 대기오염 배출규제 물질이 지정되었다(IMO, 2012; United Nations Environment Programme, 2000).

 선박이 항해 중 발생하는 대기오염물질의 배출규제 필요성을 언급한 UNFCCC의 교토의정서를 근거로 IMO의 해양환경보호위원회(Marine Environment Protection Committee, MEPC)에서는 선박기인 대기오염물질 배출 규제에 관한 내용을 다루기 시작했다(IMO, 2000).

 특히, 선박의 배기가스에 포함된 PM은 인체에 치명적인 암(cancer) 등의 발병 위험을 증가시키는 것은 물론, 천식과 기관지 질환에 직·간접적인 영향을 미치는 강력한 원인 가운데 하나로 지목된바 있다(World Health Organization, 2012).

1.2 선박기인 PM 배출규제의 논의 경과

 입자상물질(Particulate Matter; PM) 또는 분진(粉塵)은 아황산가스, 질소산화물, 납, 오존, 일산화탄소 등과 함께 수많은 대기오염물질 가운데 한 가지로 크기, 발생원, 성상에 따라 티끌(particle), 에어로솔(aerosol), 먼지(dust), 작은 물방울(droplet), 안개(fog), 증기(fume), 연무(mist), 매연(smoke), 스모그(smog), 검댕(soot) 등으로 구분하며, 장기간 대기 중을 떠다니는 입경 10이하의 미세먼지를 PM₁₀이라 하고, 2.5㎛ 이하인 경우를 극미세 먼지(PM_2.5)라고 한다(Wikipedia Web Site, 2013).

 PM₁₀(Particulate Matter Less than 10㎛)은 입자의 크기가 10㎛이하인 먼지를 말한다. 국가에서 환경기준으로 연평균 50㎛/㎥, 24시간 평균 100㎛/㎥를 기준으로 하고 있으며, 인체의 폐 까지 침투하여 각종 호흡기 질환의 직접적인 원인이 되며, 인체의 면역 기능을 약화시키는 것으로 알려져 있다(Wikipedia Web Site).

 PM_2.5(Particulate Matter Less than 2.5㎛)는 입자의 크기가 2.5㎛이하인 먼지를 말한다. 입자의 크기가 작을수록 건강에 미치는 영향이 크다는 연구 결과에 따라 선진국에서는 미세입자에 대한 기준을 90년대 후반부터 도입하기 시작했다(Wikipedia Web Site, 2013).

 운항중인 선박에서 배출되는 PM의 유해성을 검토하고, 배출규제를 위한 논의가 국제해사기구(IMO)의 해양환경보호위원회(MEPC)를 중심으로 진행 중이다. 주요 논의 경과로, MEPC 53차에서는 PM의 배출규제 검토/선박용 엔진으로 부터의 PM 배출 기준의 연구(검토)/선박으로부터 PM 배출 감소를 위한 권고사항 등을 검토하였고, MEPC 54차에서는 독일과 스웨덴에서 제출한 육상전원 공급관련 표준화 작업 요청에 대한 검토, BLG 10차에서는 질 높은 연료유 사용과 배기가스 세정을 통해 선박에서 발생되는 미세먼지 저감 효과에 대한 공감대를 조성하도록 관련 조사 및 모델링 연구물 등을 중간 작업반 회의에 제출하기도 하였다. MEPC 55차에서는 육전 공급시설의 표준화와 관련하여, MARPOL 부속서 VI에 강제규정으로 삽입하자는 스웨덴의 제안이 있었고, BLG 11차에서는 연료유의 SOx 및 PM 관련 논의사항으로 OPTION B에 PM 규정을 포함하기도 하였다(IMO, 2005; IMO, 2006a; IMO, 2006b).

 또한, 최근에는 Black Carbon(BC)에 대한 논의가 BLG 16/15/1, MEPC 62/4/3, MEPC 62/4/16, MEPC 62/4/18, MEPC 62/24, MEPC 62/4/24 등에서 다루어졌으며 특히, 노르웨이는 BLG 16/15/1에 ‘국제항해 선박으로부터의 블랙카본 배출-IMO 정의’ 문서를 제출하였고, Black Carbon에 대한 정의, 측정방법 및 제어방법 등에 관한 조사결과를 MEPC 65차 최종보고서에 포함하겠다고 제안한 바 있다(IMO, 2013).

 이와 같이 선박기인 PM 및 BC 규제 등의 논의에 대해 IMO 회원국이자 해운강국인 우리나라 역시 국제 협약의 규제에서 벗어나기 어렵고, 앞으로 협약에서 정한 의무를 지속적으로 이행해야하는 상황임을 고려할 때 선박기인 PM/BC 연구는 반드시 필요할 것으로 사료된다. 그러나 국내에서 실제 운항중인 선박을 이용한 PM/BC의 발생 및 저감 기술(장치)에 관한 연구개발은 거의 전무한 상황이며PM 배출에 관한 실선 계측 및 분석에 대한 연구도 극히 제한적인 상태이다(Choi et al., 2013; Chun et al., 2012).

 따라서 향후 IMO에서 시행할 것으로 예상되는 선박기인 PM 및 BC 배출 규제에 대응하고 저감 기술(장치) 개발 및 인증을 위한 기초 연구로, 현존선의 다양한 운항조건별 PM배출 측정 및 이에 대한 데이터를 구축하는 연구가 선행되어야 할 것으로 판단된다.

 이에 본 연구에서는 선박 주기관에서 배출되는 PM 및 배기가스 현황을 측정하기 위해, 상선(商船)과 구조 및 운항 시스템 등이 매우 유사한 실제 운항중인 한국해양대학교 실습선 한바다호를 대상으로, 운항조건과 주기관 연료유의 변화가 배기가스 내 PM을 비롯해, 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx), 이산화탄소(CO₂) 및 일산화탄소(CO) 배출량에 미치는 영향을 실제 운항할 때 측정하여 그 특성을 검토/고찰 하였다.

2. 측정장비 및 방법

2.1 측정 대상 선박의 개요

 한바다호는 순수 국내기술로 건조된 동양 최대 규모의 실습선으로 외형 및 실내는 여객선 선형을 채택한 세계 최초 ME & MC DUAL 제어 방식의 메인엔진과 기관 무인 자동화 설비(UMA 3)을 갖추어 2005년 STX Ship Yard에서 건조 되었다. 전장(LOA) 약 117미터, 깊이 약 8.5미터(만재흘수 5.9미터), 총톤수(G/T) 6,600 톤급으로 상용속도 17.5노트(knots), 주기관(Main Engine) 최대출력이 176 RPM에서 8,130마력(HP)이며, 상용출력(NCR)은 167RPM에서 6,910마력(HP)이다(Cho et al., 2005).

 Table 1은 측정 대상 선박인 한국해양대학교 실습선 한바다호(T/S HANBADA)의 주요 제원과 실물 이미지를 나타낸 것이다.

Table 1. General Particulars of T/S HANBADA

2.2 측정장비 개요 및 연료유 사양

 Fig. 1은 주기관 배기가스 내 PM 및 오염물질 측정을 위해 사용된 DSP-507M Isokinetic Sampling System을 보여준다. DSP-507M Isokinetic Sampling System은 배출되는 PM과 가스상(Gas Phase) 물질을 Sampling 하는 이동식 Sampling Unit으로 대기오염공정시험방법에 적합하게 제작되었으며, 각종 Data를 자동으로 환산, 보정하여 평균값을 출력함으로써 측정절차를 간소화할 수 있고, 정밀한 등속흡입이 가능해 열악한 환경에서도 측정이 가능한 내구성과 안정성을 갖춘 장비이다(DOOILL Corp. Web Site, 2013).

Fig. 1. DSP-507M Isokinetic Sampling System.

 Table 2는 측정장비를 배기가스 채취 장소인 배기가스보일러 상부에 설치하여 샘플링하는 모습을 이미지로 나타내었고, 실제 운항 중에 한바다호 주기관에서 사용한 연료유 상세 및 운항일정을 간략히 정리한 것이다.

Table 2. DSP-507M Isokinetic Sampling System Set-up image and Main Engine Fuel conditions

2.3 측정 일정 및 방법

 바다호 주기관 배기가스 내 PM 및 오염물질 측정은 한국해양대학교 실습선 부두를 출항해 울산항에 입항할 때 까지 운항 조건별로 진행되었다. 출항할 때의 주기관 연료유는 Bunker-A였고, 항계를 벗어나 저유황 연료유인 L.R.F.O(3%)로 유종을 변경 한 뒤 울산항에 입항할 때 까지 사용하였다.

 주기관에서 연료의 연소과정을 통해 발생한 배기가스는 1차로 과급기관(Turbo Charger)을 거쳐 폐열 회수 장치인 배기가스 보일러(Exhaust gas Economizer)을 통과한 후 대기 중으로 배출된다. 이와 같은 배기가스 배출 계통을 고려하여, PM 및 오염물질 측정용 배기가스 탐침(Probe)을 Economizer 상부 측에 설치하였다. 또한, 포집된 배기가스는 DSP-507M Isokinetic Sampling System으로 흐르게 하여 측정 및 샘플링이 원활하게 이루어지도록 장치를 구성하였고, 샘플링 된 시료는 전문기관인 ㈜한신환경에 의뢰하여, 정밀 분석 후 발행된 공인성적서를 토대로 성분, 배출량 등을 면밀히 검토해 배출특성을 파악 하였다.

3. 운항 조건별 측정결과, PM 구조 및 고찰

3.1 입/출항시(Maneuvering Condition)

Fig. 2는 주기관 연료유로 Bunker-A를 사용해 부산, KMU 부두를 출항할 때 900sec 동안 측정한 주기관의 RPM 및 소기압력(Scavenging pressure) 변화를 나타낸 것이고, Table 3에 정리된 CaseⅠ은 출항 할 때 측정기간(900sec) 동안의 시료 채취 조건 및 분석결과를 나타낸 것이다. 측정기간 0~900sec 동안 주기관의 RPM이 60~103 범위에서 불규칙하게 변화하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 부두 이안 및 항내 통항여건에 따라 빈번한 조타, 주기관의 시동/정지가 행해지기 때문이다. Fig. 2에서 나타낸 바와 같이, RPM의 변화로 나타나는 주기관의 급격한 부하변동에 따라 과급량을 알 수 있는 소기압력이 RPM 변동과 매우 유사하게 변화하는 것을 확인할 수 있다. 소기압력은 실린더 내부에서 일어나는 연소현상에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있는데, 저하된 소기압력으로 인해 불량한 연소상태가 발생하고, 이때 다량의 PM 및 오염물질이 생성되어 배출 되는 것으로 판단된다.

Fig. 2. M/E RPM and Scavenging Pressure for Measuring Time(In Port, S/B Eng. for Departure).

Table 3. Measuring Condition of each Cases with Analysis Results

 Fig. 3은 주기관 연료유로 L.R.F.O(3%)를 사용해 울산항 부두에 입항할 때 900sec 동안 측정한 주기관의 RPM 및 소기압력(Scavenging pressure)의 변화를 나타낸 것이고, Table 3에 정리된 CaseⅡ는 측정기간 동안의 Sampling condition 및 Analysis Results를 기록한 것이다. 항내 진입을 위해 P.O.B(Pilot on Board)에서 주기관을 정지한 뒤 부두 접안을 위한 변침, 조타, 속력 가감 등으로 인해 주기관의 RPM은 60~123 범위에서 불규칙하게 움직였으며, 소기압력 또한 이와 비슷하게 변화하는 것을 알 수 있다.

Fig. 3. M/E RPM and Scavenging Pressure for Measuring Time(In Port, S/B Eng. for Arrival).

 주기관의 부하변동이 빈번한 출항시(CaseⅠ) 및 입항시(CaseⅡ) 배기가스 내 PM 및 오염물질 배출현황을 비교한 결과 출항할 때 배출된 PM은 배출가스 단위체적(㎥) 당 평균 1.80㎎/㎥인 반면, 입항할 때 배출된 PM은 2.41㎎/㎥으로 입항 할 때 약 30% 가량 많이 배출되었다(Table 3의 Particulate Matter (PM, ㎎/㎥)을 Exhaust-gas Flow-rate (S㎥/min)로 나누어 배출가스 단위체적(㎥) 당 평균 PM량 (㎎/㎥)을 산출). 동 기간 측정한 오염물질의 농도는 CaseⅠ에서 SOx 142ppm, NOx 1021ppm, CO₂ 3.6ppm, CO 127ppm이며, CaseⅡ에서는 각각 236ppm, 672ppm, 2.6ppm, 47ppm으로, 측정된 CO 농도를 통해 CaseⅡ가  CaseⅠ보다 우수한 연소상태를 보이고 있음을 유추할 수 있다. 그러나 SOx 농도가 높은 점으로 미루어 볼 때 주기관의 연료유가 Bunker-A보다 황함량 및 기타 불순물 함량이 높은 L.R.F.O(3%)로 변경됨으로써 연소 후 배기가스 내 SOx 농도뿐만 아니라 PM 배출량도 함께 증가된 것으로 판단된다.

3.2 정상항해(R/Up) 중 부하 및 연료유 변경

 측정선 한바다호가 부산항을 출항해 항내 구역을 통과한 뒤 비교적 위험요인이 없으며, 일정한 속도(RPM Fixed)를 유지하며 계속 운항하는 조건(R/Up or Sailing condition)에서 연료유의 유종 변경 및 RPM 변화(출력변동)에 따른 PM 및 오염물질의 배출 상태를 비교하기 위해 Table 3의 Case III, Case IV, Case V와 같은 조건을 설정해 운항하며 측정하였다.

 Case III, Case IV 및 Case V의 PM 배출량은 Table 3에 기록된 각 Case 별 Particulate Matter 측정값을 Exhaust-gas Flow-rate 측정값으로 나누어, 배출가스 단위체적(m³) 당 평균 PM량(mg/m³)을 산출하였다.

 먼저, R/Up Engine 후 정속 운항(RPM Fixed) 상태에서 주기관의 연료유를 Bunker-A에서 L.R.F.O(3 %)로 변경하는 경우로, Table 3의 Case III에 해당하며, Fig. 4는 900 sec인 측정기간동안의 RPM 및 소기압력변화를 그래프로 나타낸 것이다.

Fig. 4. M/E RPM and Scavenging Pressure for Measuring Time(R/Up, RPM Fixed, Changed Fuel).

 주기관의 RPM은 100으로 고정된 상태이나, 해상의 기상환경에 따라 작은 부하변동이 있어 측정된 RPM은 97~103, 소기압력은 0.15~0.17 bar이고, 분석된 PM 배출량은 1.34 mg/m³이었다. 또한, 오염물질의 성분별 농도는 SOx, NOx, CO₂, CO가 각각 130 ppm, 953 ppm, 3.2 ppm, 78 ppm이었다.

 Table 3의 Case IV는 주기관의 연료유로 L.R.F.O(3%)만을 사용하면서 Ordered RPM 100 으로 고정된 상태에서 운항할 때 측정한 경우로, Fig. 5는 측정기간 900 sec 동안의 RPM 및 소기압력변화를 보여준다. 해상기상에 따라 RPM은 99~102, 소기압력은 0.16~0.18 bar 였고, 분석된 PM 배출량은 1.19 mg/m³이었다. 함께 측정된 SOx, NOx, CO₂, CO의 농도는 각각 230 ppm, 865 ppm, 3.1 ppm, 67 ppm으로 확인되었다.

Fig. 5. M/E RPM and Scavenging Pressure for Measuring Time(R/Up, RPM Fixed, L.R.F.O(3 %)).

 Table 3의 Case V는 주기관 연료유를 L.R.F.O(3 %)로 유지하면서 Ordered RPM을 100에서 120까지 약 20 % 증가시키는 상황에서 900 sec 동안 측정한 경우로, Fig. 6은 RPM 및 소기압력 변화를 나타낸 것이다. Ordered RPM이 100 에서 120으로 변경된 후 약 260 sec까지는 주기관 RPM이 100인 상태로 운전되었고, 390 sec까지는 프로그램에 따라 Ordered RPM이 120까지 단계적으로 증가된 뒤, 900 sec까지 120 RPM으로 운전되었다. 이때 측정된 소기압력은 0.18-0.44 bar 로, RPM 증가에 따라 함께 상승하였으며, 측정된 PM 배출량은 1.40 mg/m³ 이었다. 또한, SOx, NOx, CO₂, CO의 농도는 각각 324 ppm, 1009 ppm, 3.9 ppm, 169 ppm이었다.

Fig. 6. M/E RPM and Scavenging Pressure for Measuring Time(R/Up, L.R.O.F(3%), RPM adjusting).

 정상항해 중 연료유 품질 및 주기관의 RPM 변경이 PM 배출량과 오염물질의 농도에 미치는 영향에 관해 본 연구결과를 활용해 비교/검토한 바, 고정된 RPM 및 단일 품질의 연료유만을 사용해 운항하는 경우가 다른 운항 조건에 비해 PM 배출량은 약 13~18 % 적었고, NOx 농도는 약 10~16 % 가량 낮게 배출되는 것으로 확인되었다. 또한, SOx의 배출농도는 동일 품질의 연료유일 때, 고정 RPM 으로 운항하는 경우가 RPM에 변화를 주는 경우보다 약 40 % 가량 낮은 농도로 배출되었다.

 특히, CO 농도는 RPM이 고정된 상태에서 저질 연료유로 변경(Bunker-A→L.R.F.O)하는 경우가 저품질 연료유(L.R.F.O)만으로 운전하는 경우 보다 약 16 % 가량 높아진데 반해, 주기관 RPM을 약 20 % 증가시키는 경우에는 약 152 % 이상 농도가 높아져 연료유 품질에도 영향을 받지만, 주기관의 RPM 변화에 민감하게 반응하는 것을 알 수 있었다.

 주기관 연료유로 L.R.F.O(3 %)를 사용해 정속 항해할 때 배출되는 배기가스 내 PM의 구조를 알아보기 위해 Economizer 하부 측(배기가스가 배기관을 통해 Economizer로 유입되는 부분, Eco -nomizer 상부 측에서 채취하는 경우 Steam tube Fin 등에 쌓여있던 이물질이 붙을 수 있음), 외벽 중앙지점에서 Economizer 안쪽으로 약 600 mm 위치에 Sampling을 위한 TEM grid를 투입하고, 180 sec 동안 배가가스에 노출시켜 채집한 PM을 전자현미경으로 분석하였다. Fig. 7은 TEM grid를 이용해 채취한 PM을 전자현미경으로 분석해 획득한 이미지로, PM의 구조는 불특정한 모습이고, 입경은 약 4~10 μm 정도의 다양한 입경을 가지는 다공질 응집체인 것으로 확인하였다.

Fig. 7. TEM image of PM from M/E Exhaust Emission.

4. 결 론

 실제 운항중인 선박에서 주기관의 운전조건 변화가 주기관 배기가스 내 입자상물질 및 오염물질 배출량에 미치는 영향을 파악하였다.

 그 결과를 요약하면다음과 같다.

 1) 선박 입·출항시 측정한 입자상물질(PM)의 배출량은 배기가스 단위체적(m³) 당 평균 2.41 mg/m³(입항시) 및 1.80 mg/m³(출항시)이었다. 출항 할 때 주기관의 기동/정지 빈도보다 입항 할 때의 빈도가 낮았음을 고려할 때, PM 배출량에서 약 30 % 가량 차이가 나는 원인이 출항 당시 사용한 연료유 (Bunker-A)와 입항할 때 사용한 연료유(L.R.F.O(3 %))의 품질차이임을 확인 하였다. 또한, 입항 및 출항할 때 주기관에서 배출되는 배기가스 내 오염물질의 주요 성분별 농도는 황산화물(SOx)을 제외하고, NOx, CO₂, CO 모두에서 입항할 때 측정한 농도가 낮게 나타나고, SOx만 높은 수치를 보였는데, L.R.F.O(3 %)에 함유된 황 함량이 Bunker-A에 비해 높았던데 기인한 것으로 판단된다.

 2) 정속 운항 중 주기관의 RPM을 100으로 고정한 상태에서, 연료유를 Bunker-A에서 L.R.F.O(3 %)로 변경하는 동안 측정한 PM 배출량은 1.34 mg/m³ 이었고, 이때 소기압력은 0.15 bar~0.17 bar, SOx, NOx, CO₂, CO의 농도는 각각 130 ppm, 953 ppm, 3.2 ppm, 78 ppm이었다. 이는 주기관의 RPM 변화가 거의 없는 상태에서 배출되는 PM의 배출량은 품질이 상이한 연료유가 혼합되어 실린더 내부로 분사될 때 무화 상태, 관통력 등이 변하고 이때 연소가 일어나면서 한 가지 연료유만 사용할 때 보다 더 많은 양이 생성/배출되는 것으로 추정된다.

 3) 주기관 연료유를 L.R.F.O(3 %)로 고정하고, RPM을 100으로 고정해 측정한 PM 배출량은 1.19 mg/m³이었고, RPM을 100에서 120까지 증가시킨 후 120 RPM을 유지하면서 측정한 PM 배출량은 1.40 mg/m³으로, RPM 변화가 주기관의 연료소모량과 소기압력 증가를 야기 시켜, 이로 인해 PM 배출량이 증가함을 확인하였다.

 특히, 측정된 CO 농도를 다른 운전조건에서 측정한 값들과 비교한 결과, 품질이 상이한 연료유가 혼합(Bunker-A to L.R.F.O 3 %) 되어 공급되는 연료유 변경시가, 단일 성상의 저품질유(L.R.F.O 3 %)로 운전될 때 보다 CO 농도가 약 16 % 가량 높아지는데 반해, RPM을 100에서 120으로 변경하는 경우에는 CO 농도가 약 152 % 이상 높아지는 것으로 나타나, 주기관에서 배출되는 CO 농도는 연료유의 품질에도 영향을 받지만, 본 연구에서는 주기관의 RPM 변화에 다소 민감하게 반응하는 것을 알 수 있었다.

 4) 배출되는 PM의 구조를 확인하기 위해 TEM grid를 이용해 채집한 입자상물질을 전자현미경으로 분석한 결과, PM은 불특정한 형상으로, 약 4~10 μm 정도의 다양한 입경을 가지는 다공질 응집체인 것을 확인하였다.

후 기

 본 연구는 국토해양부의 해양안전 및 해양교통시설기술개발사업의 "선박배출 대기오염원(PM, BC) 기후변화 영향평가 및 저감기술 개발"지원으로 수행되었으며, 이에 감사드립니다.