1. 서 론

국제해사기구(IMO)는 2008년 10월 해양환경보호위원회 (MEPC) 회의에서 선박 연료유의 황 함유량에 관한 MARPOL 규정을 개정하여 황 함유량이 2012. 1. 1. 이후 3.5%, 2020. 1. 1. 이후 0.5%를 초과하는 연료유를 사용할 경우, 별도의 성 능기준에 충족하는 배기가스정화장치를 의무적으로 설치하 도록 하였다. 황산화물(SOx) 배출규제와 함께 질소산화물 (NOx) 배출규제를 시행하고 있다. 아울러, 블랙카본(Black Carbon; B.C)이 극지방 등 환경에 미치는 악영향이 부각되면 서 블랙카본(Black Carbon; B.C)을 배출규제 범주에 새롭게 포함시키고자하는 논의가 IMO PPR(해양오염방지전문위원 회) 및 MEPC에서 논의됨에 따라 국제항해에 종사하는 선박 에서 규제되는 대기오염물질의 범위가 점차적으로 확대될 것으로 전망된다.

이에 선박에서 발생하는 오염물질의 규제에 대응하기 위 한 많은 활동과 연구들이 이루어지고 있으며, 특히 선박용 디젤 기관에서의 배기 물질 특성에 대한 연구가 활발히 이 루어지고 있다.

선박의 추진용 디젤기관은 특히 저부하에서 연소상태가 좋지 않아 열효율이 낮고, 입자상물질(Particulate matter, PM) 발생량이 증가하는 경향이 높은데 이 점을 개선하기 위하 여, Choi et al.(2016)은 650 kW의 선박용 디젤 엔진을 활용하 여 저부하 조건에서 다양한 연료첨가제가 엔진의 성능 및 배 기가스 배출에 미치는 영향을 파악하였으며, 그 결과로 첨가 제 활용에 따른 입자상물질의 저감에 대하여 확인하였다.

또한, 엔진 실린더 내부로의 연료분사시기와 분사압력을 전자적으로 제어함으로서 연소상태를 최적화하는 기술을 적용하여 열효율 및 PM 발생량을 개선하는 연구도 진행되 었다(Takasugi et al., 2000).

디젤기관에서 발생되는 PM, NOx 및 SOx을 별도의 후처리과 정을 통하여 제거하는 연구도 진행되고 있는데, Balachandran et al.(2015) 등은 마이크로웨이브 플라즈마(Microwave plasma) 를 활용한 후처리장치를 통하여 디젤기관에서 나오는 PM을 90%, NOx을 100% 제거하는 연구를 수행하였다. SOx의 제 거를 위하여 설치 운용에 있어 대형 공간을 요구하는 스크 러버(Scrubber)를 소형화하고 PM과 NOx도 동시에 제거할 수 있는 배기가스세정장치(Exhaust gas cleaning device)가 개발되 고 있다(Son, 2017, Nishida, 2014).

선박에서 발생하는 대기오염물질을 저감하는 기술의 개 발 에 대한 중요성 뿐만 아니라 배출량 산정의 중요성 또한 함께 강조됨에 따라 배출량 산정에 대한 연구도 활발히 진 행되고 있다. 실제 선박의 운항정보와 디젤기관의 대기오염 물질 배출정보를 조사한 자료를 토대로 PM, NOx, SOx 등의 대기오염물질들에 대한 산정하는 방법이 제시되고 있으며 (Defra, 2010;EEA, 2016), 다양한 활동지표를 활용한 배출량 전망방법론이 개발되고 있다(Trozzi, 2010). 최근에는 선박자 동 식별장치(AIS)를 통하여 수집되는 정확도 높은 선박별 운 항정보를 활용하여 배출량을 실시간으로 산정하는 방법이 제시되고 있다(Rakke, 2016).

우리나라에 등록된 선박의 척수 기준으로 전체의 약 50 % 가 디젤기관을 추진기관으로 사용하고 있으며, 이 중 약 90% 정도가 500 KW 이하 고속디젤기관을 사용하고 있다.

이러한 국내 사정을 고려하여 본 연구에서는 국내 연안 선박에서 사용빈도가 높은 500kW 이하 고속디젤기관을 선 정하고 엔진시험 및 배기가스측정이 가능한 테스트베드를 활용하여 연료유 내 황 함유량 변화 및 엔진 부하 변화가 대 기오염물질 배출에 미치는 영향을 분석하였다.

2. 연료유 분석

2.1 연료유 확보 및 사용 연료유 물성치

본 연구에서는 소형선박용 고속디젤기관의 배기가스 내 대기오염물질을 측정하는 시험을 실시하기에 앞서 시험에 사용될 연료유 샘플을 확보하고 시험분석을 실시하였다.

연료유 샘플 확보에 앞서 자동차용 경유와 선박용 경유의 가장 큰 차이점이 황 함유량이고, 이는 2차 미세먼지 유발물 질로 알려진 황산화물(SOx)의 발생과 밀접한 연관성이 있을 것이라고 판단하여 다양한 종류의 고유황유를 엔진시험에 활용하고자 하였다.

Table 1은 실험에 사용된 황함유량이 각기 다른 3가지 경유 를 나타내고 있다. 간단히 설명하면, ULSD(Ultra low Sulphur Diesel)는 일반적으로 육상 교통에 사용되고 일반주유소에서 판매되는 저유황 경유이고, MGO A는 일반적으로 국내선박 에서 사용하는 선박용 경유이다. 그리고 MGO B는 황이 포 함된 연료첨가물을 ULSD(Ultra low Sulphur Diesel)에 투입하 여 별도로 제조한 고유황 경유이다.

Table 2는 사용된 연료들의 물성치를 나타낸다. 주요 물성 치에 대해서 살펴보면, 저위발열량(Lower Heat Value, LHV)은 크게 차이가 없는 것을 알 수 있으며, 동점도(Kinetic viscosity) 는 황 함유량 증가에 따라 증가하는 것을 알 수 있다. 특히 황(S) 함유량은 각각 6 mg/kg, 1,014 mg/kg, 10726 mg/kg으로 최 대 180배 이상 차이가 있다. 황 함유량과 동점성계수와 관계 에 있어서는 Lee(2017)의 연구에 의하면 저유황경유(황 함유 량 100 ppm 미만)와 고유황 경유(황 함유량 360 ppm)의 40℃ 동점도(Kinetic viscosity)를 분석한 결과, 저유황경유는 2.894 cSt, 고유황 경유는 3.596 cSt로 나타나 고유황경유가 저유황 경유에 비해 0.709 cSt 높은 것으로 분석되었다. 선박용 엔진 과 같은 압축착화엔진에서는 연료의 착화 특성을 나타내는 세탄가(Cetane index)의 값이 커질수록 압축 착화가 용이하게 일어나 연소 특성이 좋아지며 소음 및 연비, 배출가스 특성 에도 영향을 주는데, 이번 연구에서는 대상 연료 모두 세탄 가 50 전후로 비슷한 값을 가지므로 3종의 연료 모두 엔진 상에서 착화 및 연소에는 문제가 없을 것으로 판단된다. 연 료의 물성치는 한국석유관리원 석유기술연구소에 의뢰하여 분석하였다.

3. 실험 방법 및 장치

3.1 실험 방법

ISO 8178은 다양한 비도로용 엔진에서 배출되는 대기오염 물질의 배출량 및 배출 특성을 평가하기 위해 국제적으로 사용하는 시험 모드로 엔진 동력계를 이용한 정상상태 운전 을 통해 가스상 물질과 입자상 물질을 모두 측정하는 시험 방법이다.

그 중 ISO 8178-4(E 모드)는 선박용 엔진에 대상으로 한 것으로 E2 사이클은 선체 크기에 관계없이 일정한 엔진회전 수를 기준으로 시험하는 방법이며, E3 사이클은 선박 엔진 의 성능곡선을 고려하여 시험하는 방법이다. 따라서 이번 연구에서는 소형 선박 엔진에서 엔진 동력계 상 시험 평가 모드에 하나인 ISO 8178-E2 사이클과 ISO 8178-E3 사이클을 엔진시험모드로 선정하였다.

3.2 실험 장치

Fig. 1은 실험 장치 개략도를 나타낸다. 본 연구에서 사용 된 소형 고속디젤엔진은 현재 연근해 선박에서 사용하는 정 격출력 360 PS의 두산 L126TIH 엔진이다. 실제 선박에 설치 되어 운전해 오던 엔진을 소모품 교체 및 분해 정비하여 엔 진시험에 활용하였다. 두산 L126TIH 엔진은 무부하 최대 엔 진회전수 2,200 rpm에 아이들 운전 시 연료 분사타이밍 BTDC 14±1 CAD를 적용하고, 해수를 냉각수 열교환기로 공급하여 엔진을 냉각하는 간접 냉각 방식의 선박 주기용 6기통 고속 엔진이다.

Table 3은 엔진시험 및 배기가스측정 장치를 구성하는 세 부장비를 정리한 것이다.

특히 엔진으로부터 배출되는 대기오염물질의 양과 PM의 양을 측정하기 위해 엔진시험 시스템에 오스트리아 AVL사 의 FTIR(Fourier Transformation Infra Red)과 SPC 장비를 배기 라인 후단에 각각 장착해서 사용하였다. FTIR은 레이저를 이용한 가스성분 분석을 통해 NOx, SOx, CO, CO₂ 등을 측정 할 수 있으며 별도의 FID 모듈을 장착하여 THC 역시 측정이 가능한 장비이다. SPC는 샘플링한 배기가스를 희석한 후 여 지를 통과시켜 걸러진 PM의 무게를 측정하는 PM mass 측정 장비로 유럽과 미국의 배출가스 법규/기준에 만족하는 인증 된 장비이다.

4. 실험 결과 및 분석

4.1 실험 결과

연료 조성에 따른 대기오염물질 배출량 및 배출패턴을 비 교, 분석하기 위해 E2, E3 사이클의 각 모드별 운전 조건(엔 진회전수 및 출력)을 ULSD와 황 211 ppm이 포함된 MGO A, 황 10,726 ppm이 포함된 MGO B 모두에 대해 동일하게 적용 하였다. 이번 연구에서 사용한 두산 L126TIH 엔진이 노후된 중고엔진인 점을 고려하여 정격 출력과 정격 출력에서의 엔 진회전수를 각각 75%, 85% 수준으로 낮추었고, E2, E3 사이 클의 각 모드별 엔진회전수 및 출력에 대한 조건을 Fig. 2와 같이 정리하였다. E2 사이클의 경우 엔진 rpm을 1700으로 고 정하여 시험을 수행하였다.

이러한 조건으로 E2 및 E3 사이클 운전에 따른 대기오염 물질 측정결과는 다음과 같다.

4.1.1 ISO 8178-E2 cycle 운전 시 측정결과

E2 사이클 운전 후 얻은 엔진 회전수, 출력, NOx 측정 결 과를 시간에 따라 Fig. 3과 같이 나타내었다. Fig. 3에서 볼 수 있는 것처럼 엔진 회전수(1,700 rpm)와 각 모드별 출력값 이 잘 유지하는 것을 확인할 수 있었다. NOx 역시 각 모드 별로 배출량이 변화하는 모습을 관찰할 수 있었으며 부하가 증가할수록 더 많은 NOx가 배출됨을 확인할 수 있었다.

다음은 각 연료에 대해 E2 사이클 운전 시 측정된 대기오 염 물질인 THC, CO, PM에 대해 각 모드별 가중치를 고려하 여 얻은 배출량 및 배출 패턴 결과를 Fig. 4와 같이 정리하였 다. 대기오염물질 배출량의 경우 시험 당일의 온도, 압력, 습 도 등의 주위 환경에 민감한 영향을 받기 때문에 이를 보정 하기 위해 “제작자동차배출허용기준·소음허용기준검사방법 및 절차에 관한규정”(환경부고시 제2008-151호)에서 규정하 고 있는 배기가스 측정량 습도 보정방법을 적용하여 K_W 계 수를 계산하고 배출량 산정에 반영하였으며, 추후 DD6CAM 엔진의 배출량과 정량적으로 비교하기 위해 단위 출력당 배 출량인 g/kWh로 환산하였다.

Fig. 4에서 볼 수 있는 것처럼 연료 내 황 함유량이 증가 할수록 THC와 CO가 감소하는데, 이는 황이 더 많이 포함된 고유황유일수록 점도가 증가하기 때문에 연료분사 후 착화 되기까지 더 많은 시간이 걸리고 그로 인해 예혼합 정도가 증가하기 때문이다. 연료분사시기가 최적화되어 있는 전자 식 엔진의 경우 이 같은 착화지연은 예혼합도를 증가시키는 효과보다 연소가 지연되어 효율이 감소하는 부정적인 효과 가 발생할 수도 있으나, 대상엔진과 같은 기계식엔진의 경 우 연료분사시기가 최적화되어 있지 않기 때문에 예혼합도 증가가 연소특성을 향상시켜 THC와 CO가 감소하는 방향으 로 작용한 것으로 판단된다.

입자상물질(PM)의 경우 황 함유량이 증가할수록 크게 증 가하여 ULSD에 비해 MGO A는 약 1.12배, MGO B는 약 1.84 배 더 많이 배출하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 증가된 황성분에 의해 황산염(Sulfate) 성분이 증가되어 입자상물질 의 생성에 기여하였기 때문이다.

Fig. 5는 각 연료에 대해 E2 사이클 운전 시 측정된 NOx와 SOx 배출량과 배출 패턴을 각 사이클별 가중치를 고려하여 측정한 결과이다. THC, CO 등과 마찬가지로 주위 환경변수 를 “제작자동차배출허용기준·소음허용 기준검사 방법 및 절 차에 관한규정(환경부고시 제2008-151호)”에서 규정하고 있 는 배기가스 측정량 습도 보정 방법을 적용하여 K_W 계수로 보정한 후 단위 출력당 배출량인 g/kWh로 환산하였다.

NOx의 경우 황 함유량과 큰 상관관계가 없는 것처럼 보 이는데, 이는 고유황유의 낮은 세탄가는 착화지연을 통해 NOx 발생을 감소시키는 방향으로 작용하는 반면 단위 부피 당 더 높은 발열량은 동일 부피의 연료 분사 시 연소온도를 높여 NOx를 증가시키는 쪽으로 작용하기 때문으로 보인다.

약 6 ppm의 황이 함유된 ULSD의 경우 SOx가 거의 배출되지 않지만 약 211 ppm의 황이 함유된 MGO A의 경우 0.09 g/kWh, MGO B의 경우 2.756 g/kWh의 SOx가 배출되었다. 이때 MGO B는 MGO A에 비해 연료 내에 약 50배의 황을 포함하고 있 음에도 배출되는 SOx의 양은 약 30배 정도임을 알 수 있는 데 이는 나머지 황이 가스상 물질인 SOx가 아닌 입자상 물 질인 Sulfate의 형태로 배출된 것으로 추정된다. 왜냐하면 Fig. 4에서 고유황유 사용 시 배출되는 입자상물질이 크게 증가하였기 때문이다.

Fig. 6은 E2 시험 모드에서 연료에 따른 연료소모율(Specific Fuel Consumption, SFC) 변화 결과를 나타낸 그림으로 황 함 유량이 증가할수록 연료소모율이 작아짐을 볼 수 있었다. 이는 황함유량이 증가할수록 동점도도 증가하는 경향을 Table 2의 연료유 샘플 분석결과에서 확인할 수 있는데, 본 연구에 사용된 엔진의 경우 연료 분사압력이 일정한 상태에 서 연료의 동점도가 증가하면 분무 평균입경이 커져 연소상 태 개선에 긍정적인 요인으로 작용한 것으로 판단된다(Kim et al., 2004).

4.1.2 ISO 8178-E3 cycle 운전 시 측정결과

Fig. 7 에서 볼 수 있는 것처럼 E3 사이클의 경우 각 모드 별로 동시에 변화하는 엔진 회전수와 출력이 제대로 따라가 는 것을 알 수 있다. 다만 각 모드별 천이과정이 스로틀 개 도가 감소한 후 엔진 회전수를 제어하는 순서로 이루어졌기 때문에 먼저 스로틀 감소로 출력이 낮아졌다가 엔진 회전수 도 함께 감소하면서 출력을 회복하는 형태의 모드 운전 진 행 모습을 보였다. 참고로 NOx의 경우 배기가스 온도가 더 높은 E2 사이클에서 더 많이 배출되었다.

E3 사이클 운전 시 각 연료별 측정된 대기오염물질인 THC, CO, SOx에 대해 각 모드별 가중치 및 환경 보정 계수 를 고려하여 얻은 배출량 및 배출 패턴 결과를 Fig. 8과 같이 나타내었다. 이는 E2 사이클 시험 결과와 마찬가지로 황 함 유량이 증가할수록 THC와 CO 배출량은 감소하는 반면 SOx 배출량은 증가하는 것을 보여주고 있다.

상기와 같이 정리한 E2, E3 사이클 시험 결과로부터 연료 내 황 함유량 변화에 따른 연료 물성 및 대기오염물질 배출 패턴을 분석해보면 다음과 같다.

E2 와 E3 사이클 모두에 대해 황이 더 많이 포함된 연료 를 사용하면 THC와 CO의 단위 출력 당 배출량은 감소하는 반면 PM과 SOx 배출량은 크게 증가한다.

고유황 연료에 포함된 황 성분은 연료의 점성을 증가시키 고 황산염(Sulfate)을 발생시킨다. 특히 고유황 연료 사용 시 증가된 황 성분이 가스상 물질인 황산화물(SOx) 뿐만 아니 라 황산염(Sulfate) 성분이 함유된 입자상 물질로도 많이 배 출된다. 따라서 실제 황산화물(SOx) 측정량은 연료 내 증가 된 황의 양만큼 증가하지는 않는 모습을 보였다.

NOx의 경우 연료의 황 함유량 변화에도 배출량의 큰 변 화를 보이지 않았다.

5. 결 론

본 연구에서는 선박용 엔진에서 발생한 대기오염물질의 특성을 파악하기 위하여 360 PS 두산 L126TIH 엔진을 이용 한 E2, E3 사이클 시험을 수행하였다. 특히 연료 내 황 함유 량 변화에 따른 대기오염물질의 배출 특성에 대하여 조사하 였다. 본 연구의 결론을 요약하면 다음과 같다.