선박연료유의 연소과정에서 배출되는 입자상물질의 특성에 관한 연구

Abstract

국제해사기구(IMO)는 선박에서 배출 되는 대기오염 배출물(SOx, NOx, CO2 등)에 대하여 단계적이고 지속적인 규제를 시행하고 있다. 최근에는 Particulate Matter(PM)가 인체 뿐만 아니라 기후변화와 같은 환경적 문제로도 그 유해성이 매우 큰 것으로 보고되고 있다. 특히 PM 가운데서도 블랙 카본(Black Carbon, BC)은 극지방의 온난화와 해빙을 촉진하는 주요 원인 물질로 주목받고 있다.

따라서 연소과정에서 배출되는 PM에 대해 강화되는 국제 규제와 향후 예상되는 새로운 배출 규제에 선제적으로 대응할 필요가 있다. 그러므로 측정 장치 개선 및 저감 기술 개발을 위해서는 선박연료유의 연소과정에서 배출되는 PM에 관한 연구가 필수적이다.

하지만 아직까지 선박 기관에 사용 되는 여러 종류의 연료유가 연소하는 과정에서 배출하는 PM에 대한 기초적인 연구는 이루어지지 않았다. 따라서 본 논문의 목적은 이러한 측정 장치의 개선 및 저감 기술 개발을 위한 기초 연구로서, 선박 엔진에 사용 되는 여러 종류의 연료유들이 연소과정에서 배출하는 PM의 광학적, 화학적, 물리적 특성을 알아보기 위함이다.

본 연구에서는 선박연료유 샘플들이 연소과정에서 배출하는 PM을 채집하였다. 그리고 광학적인 방법을 통해 광소멸계수(Ke)를 계산하였다. 추가로 연료유에서 배출되는 PM은 대부분 탄소 성분으로 이루어져 있으므로 탄소의 구조를 확인할 수 있는 라만 분광법(Raman Spectroscopy)을 적용하여 분석값을 계산하였다. 마지막으로 탄소의 응집 상태와 형상 및 나노 구조를 분석하는데 적합한 고분해능 전자현미경(High Resolution Transmission Electron Microscope: HRTEM) 분석 방법을 이용하여 그 특성을 조사하였다. 그리고 선박연료유의 특성 비교를 위하여 자동차용 초저유황 경유(ULSD)를 포함하여 분석하였다.

광학 분석 결과 경질유 계열의 선박연료유의 경우 유사한 광소멸계수(Ke)를 가지고 있었다. 라만 분석 결과를 통해서는 선박연료유에서 배출되는 PM의 경우 자동차용 ULSD와는 다른 무정형 탄소 구조임을 확인하였다. 선박연료유 샘플에서 배출되는 PM의 형상과 응집 구조에 대한 HRTEM 이미지 분석을 통해 선박연료유 샘플들의 광소멸계수(Ke)의 유사성을 확인하였다. 또한, 입자 크기 비교를 통해 황함유량이 증가할수록 입자 크기가 작아지는 것을 분석하였다. 고배율 이미지에서 프린지 구조가 선박연료유 샘플의 경우 무정형 탄소 구조이고 자동차용 ULSD의 경우 흑연화 탄소 구조임을 확인하여 라만 분석 결과를 뒷받침하였다.

선박 엔진에 사용되는 여러 종류의 연료유에서 생성되는 PM에 대해 광학적/화학적/물리적 핵심 기초 특성을 종합적으로 분석하는 최초의 연구로서, 선박에서 배출되는 PM 측정에 광학 장치를 이용할 경우 평균 무차원 광소멸계수(Ke)의 사용이 가능함을 확인하였다. 또한 선박연료유에서 배출되는 PM의 경우 무정형 탄소 구조임을 분석하였다. 앞으로 관련 연구나 측정 장치 개선 및 저감 장치 개발에 활용될 수 있는 최초의 실험 분석 데이터를 제시하였다.|The International Maritime Organization(IMO) is implementing staged and ongoing regulations on air pollutant emissions(SOx, NOx, CO2 etc.) from ship. Recently, it has been reported that not only is Particulate Matter(PM) harmful body but also it cause great environmental hazard such as climate change. Especially among the PM, Black Carbon(BC) is attracting attention as a major cause of accelerated warming and melting of Polar Regions.

In this way, it is necessary to preemptively respond to international regulations that are strengthened against PM emissions from the combustion process and anticipated New Emission Regulations. Also, in order to improve the measurement system and to develop abatement technology, it is necessary to study the PM emitted from the combustion process of marine fuel oil.

However, there have been no fundamental studies on the optical, chemical and physical properties of PM emitted from combustion processes of various kinds of fuel oil used in marine engines. Therefore, the purpose of this paper is to study the characteristics of PM emitted from various types of fuel oil used in marine engines as a basic research for developing the improvement and abatement technology of this measuring device.

In this study, PM emitted from the combustion process of marine fuel oil samples was collected. The Light Extinction Constant(Ke) was calculated by an optical method. In addition, since the particulate matter emitted from the fuel oil is mostly composed of carbon components, the analysis value is calculated by applying Raman spectroscopy to confirm the carbon structure. Finally, we investigated the properties of carbon by using High Resolution Transmission Electron Microscope(HRTEM) analysis method which is suitable for analysis of aggregation state, shape and nanostructure of carbon.

As a result of the optical analysis, the marine fuel oil samples had similar Light Extinction Constant(Ke). From the Raman analysis results, it was confirmed that the PM emitted from the marine fuel oil is an amorphous carbon structure different from the ULSD for automobile. Finally, similarity of the Light Extinction Constant(Ke) of marine fuel oil samples was confirmed through HRTEM image analysis of PM shape and agglomeration structure discharged from marine fuel oil sample. In addition, the particle size was decreased as the sulfur content increased. In the high magnification image, the fringe structure confirmed the amorphous carbon structure in the case of the marine fuel oil sample and the graphitized carbon structure in the case of the ULSD for the automobile, supporting the Raman analysis result.

This is the first study to fundamentally analyze the optical/chemical/physical characteristics of PM from various types of fuel oil used in marine engines. It was confirmed that the average Light Extinction Constant(Ke) could be used for optical measurement of PM emitted from ships. Also, it was analyzed that the PM emitted from marine fuel oil is amorphous carbon structure. It is the first experimental analysis data on the PM emitted from the ship fuel combustion process and can be used for the development of relevant research and measurement device improvement and reduction device.