선박용 엔진에서 MGO, VLSFO 사용이 대기오염물질 배출에 미치는 영향에 대한 실험적 연구

Abstract

최근 전 세계적으로 환경문제가 대두되고 있고 해운시장에서도 환경규제가 강화되면서 국제해사기구(IMO)는 선박에 의한 환경오염에 관해서 이미 1997년부터 MARPOL 73/78 부속서(Annex)를 개정하여 선박으로부터 배출되는 배기가스 규제를 시작하였다. 또한, 2020년 1월부터는 국내에서도 선박 연료유의 황 함유량 상한선을 3.5%에서 0.5%로 강화하는 ‘항만지역 등 대기 질 개선에 관한 특별법’이 시행되었고 이러한 황산화물은 3대 대기오염물질 중 하나로 선박에서 배출되는 양이 전체 배출량의 13%를 차지하고 산성비 유발 및 인체의 호흡기 질환을 유발하는 물질이다. 이에 따라 선박에서는 연료유 내 황 함유량이 적은 저유황유, LNG(액화천연가스)를 선박 연료로 사용한다거나 황산화물 저감장치인 스크러버(Scrubber)를 장착하여 황산화물 배출을 줄이기 위해 노력하고 있다. 뿐만 아니라, 선박에서 기인하는 NOX, SOX, 더불어 극지방 온난화 및 해빙에 영향을 미치는 입자상 물질(PM)에 포함되어 있는 블랙카본(BC) 역시 관심을 높이 두고 있고 관련 연구도 활발히 진행 중이다. 특히 국제 해역을 항해하는 선박 대부분이 연료로써 저질 중유를 사용하는 디젤엔진을 탑재하고 있으므로 선박에서 기인하는 가스 배출물에 의한 환경 오염 문제가 심각하게 인식되고 있다. 클락슨(Clarksons research) 자료에 따르면 2021년도 기준 전 세계 선박 중 90퍼센트 이상이 친환경 선박이 아닌 저유황유를 쓰고 있다고 보고가 되었고 이에 따라 가스 배출물의 SOX, NOX, CO2, PM에 다양한 관점에서의 연구와 논의가 진행되고 있다. 이에 본 연구에서는 실제 운항 중인 상선용 실습 선박의 디젤엔진을 이용하여 연료유인 MGO와 VLSFO 사용에 따라 배기가스 측정과 PM 샘플을 채취한 후, HR-TEM과 RAMAN 분광법, Digital Image Processing 기법을 활용하여 가스분석 및 PM의 흑연화 정도를 정량적으로 분석을 하고 다양한 연구ㆍ개발의 기초 자료를 제시하고자 한다. 먼저 가스분석기로 선박엔진의 배기가스 측정 시 NOX의 경우 연료 내 황 함유량에 따른 큰 변화가 없음을 보였고 SOX는 VLSFO를 사용할 때 MGO를 사용할 때보다 배출량이 더 증가함을 나타냈다. RAMAN 분광법 분석 결과, PM의 G/D ratio가 VLSFO를 사용할 때 MGO를 사용할 때보다 상대적으로 높게 나타났으며, 이는 VLSFO를 사용할 때 생성된 PM이 더욱 흑연화된 구조를 나타냄을 의미한다. 고분해능 전자현미경을 통한 HR-TEM 분석 결과, VLSFO와 MGO를 사용했을 때 생성된 PM은 유사한 형태의 탄소 나노 구조 특성을 가지고 있으나, VLSFO를 사용했을 때 생성된 PM이 MGO를 사용하였을 때 보다 더욱 뚜렷한 라멜라 형상의 Nano-onion 형태를 가지므로 더욱 흑연화 구조를 가졌다 할 수 있으며 명확하고 객관적인 분석을 위해 Digital image processing 기법을 통하여 탄소 Fringe의 곡률과 길이에 대해서 분석하였다. 그 결과, VLSFO를 사용했을 때 생성된 PM에서 탄소 Fringe의 곡률이 1에 가깝고 길이는 더욱 긴 것이 확인되어 흑연계의 구조적인 특성에 가까운 수치로 측정되었다.