Study of fuel additives for residual fuel oil applicable to ships

Abstract

최근 주요 해운회사 들은 연료비 절감을 목적으로, 선박용 연료 첨가제의 본선 적용에 많은 관심을 가지고 있다. 선박은 경제적이면서도 원하는 성능을 발휘할 수 있는 연료유가 에너지원으로 공급되어야 선박의 운항 안정성이나 경제성을 확보할 수 있다. 실제로 연료첨가제를 적용하는 사용자들이 첨가제 적용을 검토하는 배경으로는 유지보수 비용의 감소, 연료 절감 및 유해 배출가스 감소를 가장 대표적인 이유로 들고 있다.

선박에 설치된 대부분의 디젤엔진이 연료유 품질에 대한 민감성이 다소 떨어지긴 하나, 이 또한 초기 개발이나 설계 단계에서부터 매뉴얼에 명시된 최적의 연료유가 공급되는 조건에서 충분히 안정적으로 그리고 효율적으로 운전될 수 있도록 고려되었음은 부정할 수 없다. 기관의 설계 기준과 시장에서 구할 수 있는 연료유의 품질이 완벽히 일치할 수는 없다. 실제로 시장에는 다양한 종류의 연료가 존재하며 이들의 기본 물성이 천차만별 일 뿐 아니라, 화학적 성상도 다양하다. ISO에서 선박 기관에 적용할 수 있는 선박용 연료유의 품질 기준을 정하여 통용하고 있긴 하나, 실제 선박에서 수급 받거나 본선에서 자체 제조하여 사용하는 연료유의 성상은 ISO의 표준치 범위를 벗어나는 경우가 종종 발생하고 있다. 본 연구에서는 고급유로 간주할 수 있는 증류유를 배제하고, 실제 원양항해 선박이 주로 사용하고 있는 잔사유에 연료 첨가제가 미치는 영향에 대해 연구하였다.

잔사유용 연료첨가제를 실제 엔진에서 첨가하여 운전함으로써 객관적인 성능 검증을 시도하였으며, 분산 안정제와 연소 촉매의 반응 메커니즘에 대한 기계공학적인 측면에서의 반응 모델 제안을 시도하였다. 또한, 광학적 분석을 통한 반응 메커니즘 검증에 연구의 촛점을 맞췄다.

잔사유는 상압 증류, 감압 증류, 촉매 분해, 열 분해 등의 정제과정을 통해 고품질의 증류 연료유를 추출해 내고 남은 잔존 연료유를 의미한다. 잔사유의 품질은 아이러니하게도 정제 기술이 고도화 되어감에 따라 악화되어 가고 있다. 이유는 상품적 가치가 높은 연료유를 정제 과정에서 최대한 추출하기 위해 열분해, 촉매 분해 공정이 고도화 되면서 원유가 받게 되는 물리화학적 스트레스가 크게 증대되었기 때문이다. 또한, 촉매 분해의 반응 효율을 높이기 위해 사용한 최대 반응면적의 촉매는 잔사유에 미소 입자로 남아 엔진의 연료 및 연소시스템에 심각한 손상을 야기할 수 있다. 잔사유는 나프텐계 탄화수소 (CnH2n – 환형구조)로 알려져 있다. 이는, 파라핀계 보다도 더 안정한 구조이다. 주요 구성 물질은 아스팔텐이며, 아스팔텐은 연소시 반응속도가 느리고 연료 분사 시 액적의 크기가 미소화 되기 어려운 특성이 있다. 따라서, 연소 후 카본 누적층이 생성되거나 입자상 물질이 생성되기 쉬운 특성을 가지고 있다.

연료첨가제 기술은 인류가 기관을 개발한 이래로 함께 성장해 온 기술이다. 과거로부터, 옥탄가 향상제, 윤활성 향상제 등 다양한 형태로 활용되어 오고 있다. 다만, 대부분 자동차 산업을 위주로 함께 발전해 왔으며, 잔사유에 적용 가능한 첨가제의 개발이 이뤄진 건 역사가 오래되지 않았음에 주목할 필요가 있다. 현재 선박에 적용 가능한 대표적인 종류의 연료 첨가제로는 분산 안정제, 탄소 적층 방지제, 해유화제, 유동성 향상제, 윤활성 향상제, 연소 촉매, 부식 방지제 및 다기능 첨가제를 들 수 있겠다. 그 중에서도 시장에서 가장 많은 활용을 보이고 있는 첨가제는 분산 안정제가 있으며 그 뒤를 이어 연소 촉매가 또한 많이 사용되고 있다. 본 연구는 분산 안정제의 반응 메커니즘을 문헌 연구를 통하여 확인하고 그 메커니즘을 검증하였다. 또한 연소 촉매의 반응 메커니즘을 문헌 및 실험 결과에 주목하여 도출하고 이 또한 광 분석 기술로 검증하였다.

분산안정제를 잔사유 탱크에 첨가하게 되면, 분산 안정제가 연료유에 침윤하게 되는 과정이 있고, 침윤한 안정제는 응축 경향이 강한 아스팔텐 입자들을 분리시키게 된다. 침윤 과정 및 분리과정이 완료되면, 마지막은 침윤 및 분리 과정을 지속적으로 유지하는 메커니즘이 필요함을 확인 하였다. 분산성을 분석한 결과에 따르자면, 분산제의 3가지 반응 메커니즘 중 침윤 및 분리과정을 유지하는 성능 차이가 존재함이 실험에 의해 밝혀졌으며, 이에 대한 대응이 필요하다.

연소 촉매의 효과를 검증하고 메커니즘을 분석하기 위하여 엔진 연료 소모량 계측, 배출가스 계측, 정적 연소기 계측, 열 계측, 광 계측 등의 분석을 활용하였다.

연료 소모량 계측 결과는 첨가제가 연소 촉매이건 분산성 향상제 이건 간에 무관하게 연료 소모량 저감에 효과를 줄 수 있음을 확인하였다. 이는 잔사유의 특성으로부터 설명 할 수 있다. 잔사유 속에 다량 함유된 아스팔텐은 응집성향이 강하나 분산성 향상제가 응집을 방지하였고, 이는 결국 연료유내 가용 에너지 분율이 증가되었기 때문이다. 연소 촉매는 반응성이 좋은 금속이나 전이금속을 주요 구성성분으로 활용하고 있다. 이들은 연소 초기에 활성 래디컬 생성에 기여하여 활발한 연소 화학반응을 조장하게 되어 연소가 촉진되는 것으로 보인다. 또한, 연소 후에도 배출가스 온도가 충분히 높다면 촉매 활성을 유지하여 탄소 적층의 방지, 중질의 탄소분 감소 등의 효과가 있어 보이며, 결국 입자상 물질의 저감에도 효율적으로 작용할 수 있다.

배출가스 관점에서는 연소 활성화로 인하여 질소산화물 배출이 증가함이 관찰되었다. 더불어, 첨가제 불포함 연료에 비해 이산화탄소 배출 농도는 증가하였고 산소 배출 농도는 감소하였다. 이는 분자량이 큰 잔사유의 연소에 산소가 적극 개입할 수 있도록 자유래디컬이 충분히 효과적으로 작용했고, 그 결과로 많은 양의 이산화탄소가 생성되었음이다.

광 계측 결과에서는 연소촉매 첨가제들이 비정질의 탄소 구조를 배출하였고, 첨가제가 포함되어 있지 않거나 효과가 의문시되었던 첨가제에서 흑연(graphite)구조가 계측되었다. 이는 첨가제의 영향으로 인하여 유용한 탄소성분을 엔진의 연소과정 중에 다 소진하였기에 나타난 결과로 보인다.

본 연구를 통해 고찰한 결과를 종합함으로써, 선박 잔사유용 연료 첨가제의 메커니즘을 일부 규명할 수 있었다. 궁극적으로 첨가제가 긍정적으로 작용하고 있으나, 본 연구는 4 행정 사이클(stroke cycle) 디젤엔진에서 수행되었고, 관련 문헌에 의하면 세탄가의 영향이 적거나 전혀 영향을 받지 않는 것으로 알려진 2 행정 사이클 엔진에 연소 활성 목적으로 첨가제 사용은 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다. 다만, 상용 엔진중에서 잔사유를 사용하되 행정이 짧아 평균 피스톤 속도가 상대적으로 높은 일부 4 행정 사이클 엔진에서는 연소 촉매 혹은 분산제가 사용 목적에 부합하게 사용될 수 있다. 미연 탄소의 배출 감소, 입자상 물질 감소 등의 연소 개선으로 인한 효과는 기대할 수 있으나, 질소산화물은 첨가제 제조사가 제시하고 있는 반응 메커니즘으론 저감할 수 없다고 판단된다.