KR20170033756A - 온실가스, 질소산화물 및 입자상 물질 저감을 위한 연료첨가제 - Google Patents

온실가스, 질소산화물 및 입자상 물질 저감을 위한 연료첨가제 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유용성 금속화합물(Oil soluble metallic compound), 산소 공급제, 분산제, 윤활제, 비이온성 계면활성제 및 청정제(detergent)를 포함하는 조성물 형태의 중질유용 연료첨가제를 제공한다. 본 발명의 연료첨가제를 중질유에 소량(0.025%) 첨가하면 연소시 입자상 물질(PM), 잔류 탄소, 질소산화물 등의 발생을 저감시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 연료첨가제를 중질유에 소량(0.025%) 첨가하면 연소시 최고연소압력은 상승하는 반면 배기온도는 하강하기 때문에 연소 효율을 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 연료첨가제는 중질유를 연료로 하는 대형보일러, 특히 대형디젤기관 등에 매우 유용하다.

Description

온실가스, 질소산화물 및 입자상 물질 저감을 위한 연료첨가제{Fuel additive for reducing greenhouse gases, NOx and particulate matter}
본 발명은 중질유를 연료로 사용하는 내연기관 또는 보일러에서 연소 시 중질유에 첨가되어 온실가스, 질소산화물 및 입자상 물질의 발생을 감소시키고 연소 효율을 향상시킬 수 있는 연료첨가제에 관한 것이다.
IMO MEPC에서는 지구온난화를 늦추기 위해서, 선박에서 배출되는 GHG(Green House Gas)인 CO2를 줄이기 위한 방안으로 선속을 다운시켜 운항할 것을 제안한바 있으며, 해운회사에서도 연료비 절감을 위해서 자발적으로 감속운항(Low steaming)을 하고 있어, 국제항해에 종사하고 있는 대부분의 컨테이너선들이 감속운항을 하고 있다. 또한, 날로 증가되고 있는 해운 물동량 증가로 선박의 연료비 부담이 증가되고 있어 연료비 절감 기술개발이 절실히 요구되고 있다.
국제항해을 하는 2행정 대형 디젤 엔진을 사용하는 대부분의 선박들은 선박용 중질유를 사용하고 있다. 중질유는 동점도가 높기 때문에 100℃ 이상으로 가열을 하지 않으면 사용할 수 없는 단점을 가지고 있다. Ryu et al.은 동점도가 높은 단점을 가진 선박용 중질유의 동점도를 낮추기 위해서 동점도가 낮은 단점을 가진 디메틸에테르와 혼합하여 중질유의 동점도를 낮추기 위한 연구를 시도하였고, 그 결과 중질유의 동점도를 낮추어 가열없이 선박용 디젤 엔진에 적용할 수 있음을 보고한 바 있다. 그 연구에서는 디젤엔진의 대체연료로 주목받고 있는 디메틸에테르를 혼합한 중질유의 사용으로 엔진성능도 개선될 수 있음을 확인하였다. 또한, 다양한 분야에서 디젤엔진용 연료첨가제에 관한 많은 연구와 실증들이 이루어지고 있다.
연료비는 선박을 운항, 관리하는 해운사의 예산 지출에 많은 비중을 차지하고 있으며, 연료비 절감을 위해서 대부분의 국내외 해운회사에서는 선속을 다운시켜 운항하고 있다. 그러나 고출력 엔진이 장착된 상태에서 저 부하 운전을 장시간 지속할 경우에 불완전 연소로 인한 카본 생성과 고장률 증가로 정비 비용이 증가되는 문제점이 발생되고 있다. 또한, 날로 증가하는 선박의 연료비에 대한 부담은 선주에게 연료비 절감 기술 개발이 절실히 요구되고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 중질유의 연소시 잔류 탄소분, 분진 또는 황분 등의 발생을 최소화하거나 연소 효율을 향상시킬 수 있는 연료첨가제의 연구가 간헐적으로 이루어지고 있다. 예를 들어, 대한민국 등록특허공보 제10-0743826호에는 30 내지 60중량%의, 입도가 0.1 내지 10㎛인 수산화마그네슘; 0.1 내지 1중량%의 폴리카르복실산 및/또는 이의 염; 및 나머지 중량%의 물을 포함하는, 역청질 중유/물 에멀션 연료용 연료 첨가제가 개시되어 있다. 또한, 대한민국 등록특허공보 제10-1071204호에는 칼슘, 바륨, 망간 또는 철 중 어느 하나의 금속을 함유한 유용성 금속화합물(Oil soluble metallic compound) 25~55 중량%, 알코올 15~25 중량%, 히드로처리된 경 증류액(Hydrotreated Light Distillate) 10~20 중량%, 등유 (Kerosene) 5~15 중량%, 미네랄 오일(Mineral oil) 5~15 중량%, 및 비이온성 계면활성제 2~8 중량%를 포함하는 조성물로 이루어지고, 상기 미네랄 오일은 히드로처리된 중 파라핀 증류액(Hydrotreated heavy paraffinic distillate) 또는 히드로 처리된 경 파라핀 증류액(Hydrotreated light paraffinic distillate), 용제디왁스된 중 파라핀 증류액(Solvent-dewaxed heavy paraffinic distillate), 용제디왁스된 경 파라핀 증류액(Solvent-dewaxed light paraffinic distillate), 히드로처리 및 디왁스된 중 파라핀 증류액(Hydrotreated and dewaxed heavy paraffinic distillate), 및 히드로처리 및 디왁스된 경 파라핀 증류액(Hydrotreated and dewaxed light paraffinic distillate)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 구성된 것을 특징으로 하는 중유용 연료첨가제가 개시되어 있다.
본 발명은 종래의 기술적 배경하에서 도출된 것으로서, 본 발명의 목적은 중질유를 연료로 사용하는 내연기관 또는 보일러에서 연소 시 중질유에 첨가되어 온실가스, 질소산화물 및 입자상 물질의 발생을 감소시키고 연소 효율을 향상시킬 수 있는 연료첨가제를 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면은 유용성 금속화합물(Oil soluble metallic compound), 산소 공급제, 분산제, 윤활제, 비이온성 계면활성제 및 청정제(detergent)를 포함하는 조성물 형태의 중질유용 연료첨가제를 제공한다. 이하, 본 발명의 중질유용 연료첨가제를 구성성분별로 나누어 설명한다.
유용성 금속화합물(Oil soluble metallic compound)
본 발명에 따른 중질유용 연료첨가제의 일 성분인 유용성 금속화합물(Oil soluble metallic compound)은 연료유인 중질유 연소시 산소와의 반응성을 증대시켜 산화를 촉진하고, 아스팔텐분 등 연소성이 낮은 성분의 연소 반응을 촉진하여 매연 및 분진의 생성을 억제하는 연소 촉진제로 작용한다. 본 발명에서 유용성 금속화합물(Oil soluble metallic compound)은 바람직하게는 연소 촉진 반응성이 큰 금속을 함유하고, 동시에 연료유인 중질유에 잘 용해되는(Oil soluble) 특성을 갖는다. 상기 연소 촉진 반응성이 큰 금속으로는 칼슘, 바륨, 망간 또는 철 등이 있다. 한편, 본 발명에서 유용성 금속화합물은 연료유인 중질유에 잘 용해되기 위해서 활성 금속(Active metal) 부분과 유기 리간드(Organic ligand)로 구성되는 것이 바람직한데, 이러한 유용성 금속화합물로는 칼슘 아세틸아세토네이트(Calcium acetylacetonate), 칼슘 나프테네이트(Calcium naphthenate), 칼슘 옥살레이트(Calcium oxlate), 바륨 아세틸아세토네이트(Barium acetylacetonate), 바륨 나프테네이트(Barium naphthenate), 바륨 옥살레이트(Barium oxlate), 망간 아세틸아세토네이트(Manganese acetylacetonate), 망간 나프테네이트(Manganese naphthenate), 망간 옥살레이트(Manganese oxlate), 철 아세틸아세토네이트(Iron acetylacetonate), 철 나프테네이트(Iron naphthenate), 철 옥살레이트(Iron oxlate) 등이 있다. 또한, 본 발명에서 유용성 금속화합물은 다른 관점에서 볼 때 카르복시산의 금속염, 또는 술폰산의 금속염일 수 있다.
본 발명에서 유용성 금속화합물은 연소 촉진 반응성의 상대적 크기를 고려할 때 칼슘을 함유한 유용성 금속화합물인 것이 가장 바람직하고, 예들 들어 술폰산의 칼슘염, 칼슘 아세틸아세토네이트(Calcium acetylacetonate), 칼슘 나프테네이트(naphthenate) 또는 칼슘 옥살레이트(Calcium oxlate)에서 선택되는 1종 이상으로 구성될 수 있다. 상기 술폰산의 칼슘염은 알킬기, 아릴기, 또는 알킬아릴기와 같은 유기 관능기를 포함하며, 이중 알킬아릴기를 포함하는 칼슘 알킬벤젠술포네이트(Calcium alkylbenzenesulfonate)인 것이 바람직하다. 상기 칼슘 알킬벤젠술포네이트의 알킬기는 탄소 수가 8 내지 50인 것을 특징으로 한다. 상기 칼슘 알킬벤젠술포네이트의 구체적인 예로는 대표적인 음이온 계면활성제인 칼슘 도데실벤젠술포네이트(Calcium dodecylbenzenesulfonate)가 있다.
본 발명에 따른 중질유용 연료첨가제에서, 상기 유용성 금속화합물(Oil soluble metallic compound)의 함량은 분진 발생의 최소화 효과 및 다른 구성성분과의 혼용성을 고려할 때 조성물 총 중량을 기준으로 20~25 중량%인 것이 바람직다.
산소 공급제
중질유 연소시 과잉의 연소용 공기를 공급한다 해도 산소의 확산 속도 보다 불균일 표면 반응(Heterogeneous surface reaction)과 같은 연소반응에 의해 소진되는 속도가 빨라 연소반응이 일어나는 계면에서 산소 농도는 희박해져 산소 결핍 현상이 생길 수 있다. 본 발명에 따른 중질유용 연료첨가제의 일 성분인 산소 공급제는 저비점의 화합물인 것이 바람직하다. 저비점 화합물은 버너 분무 액적 내부에서의 기화현상에 의해 연소반응 표면적을 증가시키므로 완전연소에 기여할 수 있다. 본 발명에서 산소 공급제로 사용되는 저비점 화합물은 다이알킬 에테르(dialkyl ether) 화합물, 에틸렌글리콜의 다이알킬 에테르 화합물, 프로필렌글리콜의 다이알킬 에테르 화합물, 부틸렌글리콜 다이알킬 에테르 화합물, 다이알킬 케톤 화합물, 다이알콕시 알칸 화합물 또는 다이알킬 카보네이트 화합물에서 선택되는 1종 이상으로 구성되는 것이 바람직하고, 이때 상기 알킬기, 알콕시기 또는 알칸은 탄소 수가 1 내지 5인 것이 더 바람직하다. 상기 산소 공급제의 구체적인 예로는 메틸프로필 에테르, 다이이소프로필에테르, 에틸메틸에테르, 에틸렌글리콜 다이메틸에테르, 에틸렌글리콜 다이에틸에테르, 프로필렌글리콜 다이메틸에테르, 다이메틸 케톤, 아세틸 아세톤, 메틸프로필 케톤, 에틸메틸케톤, 이소부틸메틸 케톤, 다이메톡시 메탄, 다이메틸 카보네이트, 다이에틸 카보네이트, 다이프로필 카보네이트, 다이이소프로필 카보네이트, 다이부틸 카보네이트, 다이펜틸 카보네이트, 메틸에틸 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트 또는 에틸프로필 카보네이트 등이 있고, 이 중 다이메틸 카보네이트, 다이에틸 카보네이트, 다이프로필 카보네이트, 다이이소프로필 카보네이트, 다이부틸 카보네이트, 다이펜틸 카보네이트, 메틸에틸 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트 또는 에틸프로필 카보네이트에서 선택되는 1종 이상으로 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 중질유용 연료첨가제에서, 상기 산소 공급제의 함량은 함량은 분진 발생의 최소화 효과 및 다른 구성성분과의 혼용성을 고려할 때 조성물 총 중량을 기준으로 30~35 중량%인 것이 바람직하다.
분산제
본 발명에 따른 중질유용 연료첨가제의 일 성분인 분산제는 슬러지의 생성을 방지하고, 중질유의 인화점을 낮추고 동점도(kinematic viscosity) 및 표면 장력을 감소시키는 역할을 한다. 중질유의 점도 및 표면 장력이 감소하면 노즐에서 분사 시 연료의 입경이 미립화 및 균질화 되고 연소시 급속연소와 더불어 저온 폭발하여 내연기관의 배기가스 온도를 낮출 수 있다. 본 발명에서 분산제는 히드로처리된 경 증류액(Hydrotreated Light Distillate)인 것을 특징으로 한다.
히드로처리(Hydrotreated)는 오일 등에 수소를 첨가하는 처리방법이다. 또한, 경 증류액은 원유를 증류할 때 먼저 증류되는 가벼운 탄화수소를 의미한다. 히드로처리된 경 증류액(Hydrotreated Light Distillate)은 비등점이 보통 150~300℃이나 여기에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 사용될 수 있는 히드로처리된 경 증류액(Hydrotreated Light Distillate)으로는 CAS 등록번호 64742-47-8, 68921-07-3 등의 제품이 있으나, 여기에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 중질유용 연료첨가제에서, 상기 히드로처리된 경 증류액(Hydrotreated Light Distillate)의 함량은 인화점 및 동점도의 감소 효과, 분진 및 잔류 탄소분 발생의 최소화 효과 및 다른 구성성분과의 혼용성을 고려할 때 조성물 총 중량을 기준으로 15~20 중량%인 것이 바람직하다.
윤활제
본 발명에 따른 중질유용 연료첨가제의 일 성분인 윤활제는 미입자상으로 재분산된 슬러지의 형태를 유지시키고 내연기관 내에서 마찰이 발생하는 것을 억제하는 역할을 한다. 본 발명에서 윤활제는 파라핀계 오일(Paraffinic oil)인 것이 바람직하고, 히드로처리 또는 디왁스처리에 의해 개질된 것이 더 바람직하다. 상기 히드로처리 또는 디왁스처리에 의해 개질된 파라핀계 오일(Paraffinic oil)은 히드로처리된 중 파라핀 증류액(Hydrotreated heavy paraffinic distillate; CAS 등록번호 64742-54-7), 히드로처리된 경 파라핀 증류액(Hydrotreated light paraffinic distillate; CAS 등록번호 64742-55-8), 용제디왁스된 중 파라핀 증류액(Solvent-dewaxed heavy paraffinic distillate; CAS 등록번호 64742-65-0), 용제디왁스된 경 파라핀 증류액(Solvent-dewaxed light paraffinic distillate; CAS 등록번호 64742-56-9), 히드로처리 및 디왁스된 중 파라핀 증류액(Hydrotreated and dewaxed heavy paraffinic distillate; CAS 등록번호 91995-39-0) 또는 히드로처리 및 디왁스된 경 파라핀 증류액(Hydrotreated and dewaxed light paraffinic distillate; CAS 등록번호 91995-40-3)에서 선택되는 1종 이상으로 구성될 수 있으나, 여기에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 중질유용 연료첨가제에서, 상기 윤활제의 함량은 인화점 및 동점도의 감소 효과, 분진 및 잔류 탄소분 발생의 최소화 효과 및 다른 구성성분과의 혼용성을 고려할 때 조성물 총 중량을 기준으로 3~7 중량%인 것이 바람직하다.
비이온성 계면활성제
본 발명에 따른 중질유용 연료첨가제의 일 성분인 비이온성 계면활성제는 슬러지의 생성을 방지하고 생성된 슬러지를 미입자상으로 재분산하는 역할을 한다. 특히 비이온성 계면활성제제는 입체장애에 의한 반발작용을 나타내어 안정한 분산계를 형성하며, 유용성 금속화합물(Oil soluble metallic compound)과 같은 이온성 물질과 같이 사용하면 분산 성능이 크게 향상된다.
본 발명에서 사용되는 비이온성 계면활성제는 에스테르계, 에테르계, 지방산아마이드계, 지방족 아민 유도체 등 그 종류가 크게 제한되지 않으며, 에스테르계 비이온성 계면활성제로는 소르비탄과 지방산의 에스테르, 펜타에리쓰리톨과 지방산의 에스터, 프로필렌글리콜과 지방산의 모노에스테르, 글리세린과 지방산의 모노에스테르, 폴리에틸렌글리콜 소르비탄과 지방산의 에스테르, 폴리에틸렌글리콜 소르비톨과 지방산의 에스테르, 폴리에틸렌글리콜과 지방산의 에스테르 등이 있고, 에테르계 비이온성 계면활성제로는 폴리옥시에틸렌 알킬 에테르, 폴리옥시에틸렌 알킬페닐에테르, 알킬폴리글리코사이드 등이 있고, 지방산 아마이드계 비이온성 계면활성제로는 지방산 디알칸올아마이드, 지방산 모노알칸올아마이드, 폴리옥시에틸렌 지방산 아마아드 등이 있으며, 지방족 아민 유도체 비이온성 계면활성제로는 폴리옥시에틸렌 알킬아민 등이 있다. 본 발명에서 사용되는 비이온성 계면활성제는 인화점 및 동점도의 감소 효과, 분진 및 잔류 탄소분 발생의 최소화 효과 및 다른 구성성분과의 혼용성을 고려할 때 소르비탄과 지방산의 에스테르, 폴리에틸렌글리콜과 지방산의 에스테르 또는 폴리에틸렌글리콜 소르비탄과 지방산의 에스테르에서 선택되는 1종 이상으로 구성되는 것이 바람직하다. 상기 소르비탄과 지방산의 에스테르의 예로는 소르비탄 모노올레이트, 소르비탄 모노라우레이트 등이 있다. 또한, 상기 폴리에틸렌글리콜 소르비탄과 지방산의 에스테르로는 폴리에틸렌글리콜 소르비탄 모노올레이트 등이 있다. 또한, 상기 폴리에틸렌글리콜과 지방산의 에스테르로는 폴리에틸렌글리콜 디라우레이트(Polyethylene glycol dilaurate), 폴리에틸렌글리콜 모노올레이트(Polyethylene glycol monooleate), 폴리에틸렌글리콜 디올레이트(Polyethylene glycol dioleate), 폴리에틸렌그릴콜 모노리신올레이트(Polyethylene glycol monoricinoleate), 폴리에틸렌글리콜 모노스테아레이트(Polyethylene glycol monostearate) 등이 있다.
본 발명에 따른 중질유용 연료첨가제에서, 상기 비이온성 계면활성제의 함량은 인화점 및 동점도의 감소 효과, 분진 및 잔류 탄소분 발생의 최소화 효과 및 다른 구성성분과의 혼용성을 고려할 때 조성물 총 중량을 기준으로 8~15 중량%인 것이 바람직하다.
청정제
본 발명에 따른 중질유용 연료첨가제의 일 성분인 청정제는 이차 산화물과 연소 생성물을 분해하여 금속 부품 표면에서의 침전물의 형성을 감소시키는 역할을 한다. 본 발명에서 사용되는 청정제는 공지의 설포네이트(sulfonate)의 알칼리금속염. 설포네이트(sulfonate)의 알칼리토금속염, 페네이트(phenate)의 알카리금속염, 페네이트(phenate)의 알카리토금속염, 살리실레이트(salicylate)의 알칼리금속염, 살리실레이트(salicylate)의 알칼리토금속염, 나프테네이트(naphthenate)의 알카리금속염 또는 나프테네이트(naphthenate)의 알카리토금속염에서 선택되는 1종 이상으로 구성될 수 있다. 상기 알칼리금속 또는 알칼리토금속은 칼슘, 마그네슘, 나트륨 또는 바륨에서 선택되는 것이 바람직하다.
상기 금속염 형태의 청정제는 거의 화학량론적 양(stoichiometric amount)으로 또는 초과하여 금속을 포함할 수도 있다. 후자의 경우, 소위 과염기성 청정제(overbased detergent)로 취급되고 있다. 상기 과염기성 청정제(overbased detergent)는 오일에 녹는 금속염으로 후술하는 연료유 조성물에서 현탁액에 붙잡힌 불용해성 금속염으로 이루어진 미셀(micelle)로 나타난다. 청정제의 과염기화된 특성은 ASTM D2896 표준에 따라 측정된, TBN(Total base number)에 의해 특징화되며, 그램당 KOH의 mg으로 표현된다. 과염기성 청정제(overbased detergent) 자체는 전형적으로 약 150 이상의, 또는 250 또는 450 이상의 TBN 값을 가진다. 본 발명에서 청정제는 다른 구성성분과의 시너지 효과를 고려할 때 과염기성 청정제(Overbased detergent)인 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에서 과염기성 청정제는 TBN이 200 이상인 것이 바람직하고 300 이상인 것이 더 바람직하다. 과염기화 공정은 당업계에 주지되어 있으며, 전형적으로는 유기산 또는 이의 금속염, 금속 화합물을 함유하는 반응 혼합물과 산성 물질을 반응시키는 것을 포함한다. 상기 산성 물질은 이산화탄소 또는 이산화황과 같은 가스일 수 있거나, 또는 붕산일 수 있다. 과염기성 알칼리 금속 술포네이트 및 페네이트의 제조 방법이 미국 특허 제 4,839,094 호에 기재되어 있다. 과염기성 나트륨 술포네이트에 대하여 적절한 방법은 EP-A-235929 에 기재되어 있다. 과염기성 살리실레이트의 제조 방법은 미국 특허 제 5,451,331 호에 기재되어 있다. 또한, 상업적으로 이용할 수 있는 과염기성 청정제로는 Anneng Chemical Co., Ltd.의 T106(Overbased Heavy alkyl benzene synthetic calcium sulfonate; CAS 등록번호 61789-86-4), Chemtura Corporation의 CALCINATE ™ C-300CS, Chevron Chemical Company의 OLOA 246S(Sulfonic acids, petroleum, calcium salts, overbased; CAS 등록번호 68783-96-0) 등이 있다. 또한, CAS 등록번호 68783-96-0의 과염기성 설포네이트계 청정제는 하기 화학식 1의 구조를 가지며, CAS 등록번호 115733-10-3의 과염기성 설포네이트계 청정제는 하기 화학식 2의 구조를 가진다.
[화학식 1]
Figure pat00001
[화학식 2]
Figure pat00002
본 발명에 따른 중질유용 연료첨가제에서, 상기 청정제의 연소 향상 효과, NOx 저감 효과, 분진 및 잔류 탄소분 발생의 최소화 효과 또는 다른 구성성분과의 혼용성을 고려할 때 조성물 총 중량을 기준으로 7~15 중량%인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 다른 측면은 중질유 기반의 연료유에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 중질유 기반의 연료유는 중질유 및 전술한 중질유용 연료첨가제를 포함한다. 이때, 중질유는 그 종류가 크게 제한되지 않으며, A중유, B중유, C중유(또는 벙커C유) 또는 이들의 혼합 중유일 수 있다. 또한, 상기 연료유 내에서 중질유용 연료첨가제의 함량은 크게 제한되지 않으나, 연료첨가제의 인화점 및 동점도의 감소 효과, 분진 및 잔류 탄소분 발생의 최소화 효과, NOx 저감 효과 및 연소 효율 향상 효과, 연료유의 경제성 등을 고려할 때 중질유 100 중량부 당 0.001~0.5 중량부인 것이 바람직하고, 0.005~0.1 중량부인 것이 더 바람직하다.
본 발명의 연료첨가제를 중질유에 소량(0.025%) 첨가하면 연소시 입자상 물질(PM), 잔류 탄소, 질소산화물 등의 발생을 저감시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 연료첨가제를 중질유에 소량(0.025%) 첨가하면 연소시 최고연소압력은 상승하는 반면 배기온도는 하강하기 때문에 연소 효율을 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 연료첨가제는 중질유를 연료로 하는 대형보일러, 특히 대형디젤기관 등에 매우 유용하다.
도 1은 본 발명의 출원인이 연료첨가제의 효과를 실험한 장소인 육상 화력발전소의 전경이다.
도 2는 본 발명의 출원인이 연료첨가제의 효과를 실험할 때 사용된 K-type 엔진의 사진이다.
도 3은 본 연구에서 사용된 엔진의 12,000시간 운전 후 정비를 하기 위해서 해체한 배기밸브이며, 도 4는 같은 시기에 발출된 피스톤이다.
도 5는 본 연구에서 사용된 첨가제 주입 밸브를 보여주고 있으며, 도 6은 정량펌프(Dosing pump)를 포함한 제어반이다.
도 7은 본 연구에서 사용된 질량유량계이며, 도 8은 본 연구에서 사용한 엔진에 대한 실험장치 개략도이다.
도 9는 본 연구에서 연료첨가제 첨가 여부에 따른 각각의 부하에서 출력의 증가 및 감소 비율을 보여주는 도표이다.
도 10은 본 연구에서 연료첨가제 첨가 여부에 따른 연료소비율의 결과를 보여주는 도표이다.
도 11은 본 연구에서 연료첨가제 첨가 여부에 따른 엔진의 최고연소압력의 결과를 보여주는 도표이다.
도 12는 본 연구에서 연료첨가제 첨가 여부에 따른 각 부하에서 엔진의 연소 후 배기온도를 보여주는 도표이다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 기술적 특징을 명확하게 예시하기 위한 것 일뿐, 본 발명의 보호범위를 한정하는 것은 아니다.
본 발명의 출원인은 소정의 연료 첨가제(유용성 칼슘계 유기금속화합물을 일 성분으로 포함)를 선박용 중질유에 투입하여 연료비 절감을 시도하였다. 구체적으로 소정의 연료첨가제(유용성 칼슘계 유기금속화합물을 일 성분으로 포함)를 일정량 투입(사용 연료량의 0.025%) 하여 연료비를 절감하는 방법을 시도하였다. 실험의 정확도를 위해서 육상 발전소에 설치된 2행정 대형 디젤엔진을 실험 대상으로 하였다. 실험 엔진의 부하는 저, 중 및 고 부하(50, 75, 100%)로 나누어서 실시하였으며, 연료 첨가제의 투입 전과 투입 후의 엔진성능(출력, 연료소비율, 최고연소압력(P-max), 배기온도)을 비교 분석하였다. 본 실험을 통해서 연료첨가제를 투입함으로써 저 부하(50%)에서 2% 이상의 연료비 절감 효과를 확인할 수 있었으며, 최고연소압력은 상승하는 반면에 배기온도는 하강함을 알 수 있었다. 이하, 본 발명의 출원인이 수행한 연구를 구체적으로 설명한다.
1. 실험에 사용한 연료첨가제의 제조
칼슘 알킬벤젠술포네이트(Benzenesulfonic acid, mono-C15-30-branched alkyl and di-C11-13-branched and linear alkyl derivs., calcium salts; CAS 등록번호 71486-79-8) 23 중량부, 다이메틸 카보네이트(Dimethyl carbonate) 32 중량부, 히드로처리된 경 증류액(Hydrotreated Light Distillate; CAS 등록번호 64742-47-8) 18 중량부, 히드로처리된 중 파라핀 증류액(Hydrotreated heavy paraffinic distillate; CAS 등록번호 64742-54-7) 5 중량부, 소르비탄 모노올레이트(Sorbitan monooleate; CAS 등록번호 1338-43-8) 12 중량부 및 과염기성 칼슘 설포네이트계 청정제(Benzenesulfonic acid, C14-24-branched and linear alkyl derivatives, calcium salts, overbased; CAS 등록번호 115733-10-3) 10 중량부를 혼합하고 교반하여 유용성 칼슘계 유기금속화합물을 함유하는 연료첨가제를 제조하였다.
2. 실험장치 및 방법
본 연구에서는 실험의 정확도를 위해서 육상 화력발전소에 설치된 2행정 대형 디젤엔진을 실험 대상으로 하였으며, 연료첨가제는 사용 연료량의 0.025% 비율로 투입하면서 실험을 실시하였다. 실험 엔진의 부하는 배기온도가 안정된 열적 평형을 가진 후에 실험을 진행하였으며 저, 중 및 고 부하(50, 75, 100%)의 세 단계로 나누어서 실험을 하였고, Load Limiter로 ±3% 이내로 일정하게 유지하며, 발전기 출력단 전압을 정격전압으로 유지하면서 운전하였다. 그리고 연료첨가제의 투입 전과 투입 후의 엔진성능(출력, 연료소비율, 최고연소압력(P-max), 배기온도)을 비교 분석하였다. 도 1은 육상 화력발전소의 전경이다. 표 1은 본 연구에서 사용된 실험엔진의 제원을 보여주고 있으며, 도 2는 본 실험에서 사용된 K-type 엔진의 사진이다. 성능 실험을 위한 적용 대상 설비는 두산엔진(주)에서 제작 설치한 Diesel engine generator 설비로서 40MW급 발전기이다. 도 3 및 도 4를 통해서, 본 실험에서 사용된 엔진의 사이즈를 볼 수 있다. 도 3은 본 연구에서 사용된 엔진의 12,000시간 운전 후 정비를 하기 위해서 해체한 배기밸브이며, 도 4는 같은 시기에 발출된 피스톤이다. 그리고 표 2는 본 연구에서 사용된 연료들의 성상을 나타내고 있으며, 연료첨가제를 선박용 중질유에 투입하기 전의 중질유와 연료첨가제를 0.025% 비율로 투입한 후의 중질유의 연료 성상을 보여준다. 연료첨가제는 유용성 칼슘계 유기금속화합물을 함유하는 첨가제를 사용하였다. 각각의 연료에 대한 연료 성분분석은 연료의 정확한 성분분석을 위하여 실험 중에 샘플 3개를 채취하여 국내 연료 전문 분석 기관에 의뢰하여 분석하였다.
Item Description
Engine type Low speed two stroke cycle, 12K80MC-S
Bore × Stroke 800㎜ ×2300㎜
Combustion type Direct injection type
No. of cylinders 12
MCR output 41,320 ㎾
MCR rpm 109.1 rpm
Mean effective pressure 16.4 ㎏f/㎠
Mean piston speed 8.36 m/s
Weight 1,413 ton
Turbo charger rpm 11,000 rpm
Firing order 1-5-12-7-2-6-10-3-8-4-11-9
Item Heavy fuel oil Added fuel oil
Density at 15℃, g/㎖ 0.9384 0.9378
Ash, mass% 0.042 0.030
Sulfur, mass% 0.254 0.273
Viscosity at 100℃, ㎟/s 24.27 23.39
Water by distillation, volume% 0.10 0.20
Nitrogen, mass% 0.33 0.32
Gross calorific value, ㎉/㎏ 10,550 10,546
Net calorific value, ㎉/㎏ 9,940 9,934
Carbon, mass% 86.68 86.56
Hydrogen, mass% 12.04 12.07
Oxygen, mass% 0.65 0.75
* Heavy fuel oil : 연료첨가제를 투입하기 전의 중질유
* Added fuel oil : 연료첨가제를 0.025% 비율로 투입한 중질유
연료첨가제 주입설비는 Control tank 주변에 자동으로 일정량을 공급할 수 있는 정량펌프(Dosing pump)를 설치하였으며, 공급위치는 연료 Control tank 상부로 공급할 수 있도록 공급배관을 연결하였다. 도 5는 연료첨가제 주입 밸브를 보여주고 있으며, 도 6은 Dosing pump를 포함한 제어반이다. 또한, 엔진출력은 현장(Local) 적산전력량계 및 제어실(Control room) 계기에서 측정하였으며, 연료소모량은 연료유 공급 라인 측에 설치된 현장 질량유량계 검침을 참조하였다. 표 3은 Dosing pump와 질량유량계 사양을 보여준다. 엔진출력 및 연료소비율 계산 시, 성능에 미치는 각 항목은 제작사가 제시한 보정곡선과 계산식을 적용하여 계산하였다. 도 7은 질량유량계이며, 도 8은 본 연구에서 사용한 엔진에 대한 실험장치 개략도이다.
Item Description
Dosing pump CMG Techwin, AX1-12 model, 110 ㎖/min
Mass flowmeter Endress Hauser, IP67/NEMA/TYPE4X model
3. 실험결과 및 고찰
3.1 엔진출력(Engine power output)
엔진출력은 저, 중 및 고 부하(50, 75, 100%)의 세 단계로 나누어서 측정하였다. 엔진부하 50%의 저 부하에서는 4번 측정한 평균값을 표시하였고, 엔진부하 75%의 중 부하와 100%의 고 부하에서는 7번 측정한 평균값을 표시하였다. 표 4는 각각의 부하에서 출력의 증가 및 감소 비율을 보여주고 있으며, 도 9는 그 결과를 도표로 나타낸 것이다. 50%의 저 부하에서는 출력이 약 2.1% 감소하였으나, 75%의 중 부하와 100%의 고 부하에서는 약 1.6, 0.4% 각각 상승하였다. 이러한 결과는 75% 부하 이상에서 연료첨가제 효과로 미연분을 완전 연소함으로써 출력이 향상되었다고 판단된다. 본 엔진 출력 값은 측정된 출력 값을 설계 Gen power factor 값으로 보정한 값이다. 이 결과를 통해 중질유에 연료첨가제를 투입하였을 경우 저 부하에서보다는 중, 고 부하 영역에서 엔진 출력이 향상됨을 알게 되었다.
Load(%) HFO(㎾) Added fuel(㎾) Difference Ratio(%)
50 21,186 20,748 -438 -2.11
75 30,521 31,016 495 1.60
100 40,460 40,605 145 0.36
* HFO : 연료첨가제를 투입하기 전의 중질유
* Added fuel : 연료첨가제를 0.025% 비율로 투입한 중질유
3.2 연료소비율(Fuel consumption rate)
표 5와 도 10은 연료소비율의 결과를 보여준다. 엔진부하 50%의 저 부하에서는 4번 측정한 평균값을 표시하였고, 엔진부하 75와 100%의 중, 고 부하에서는 7번 측정한 평균값을 표시하였다. 저 부하에서는 연료소비율이 약 2.2% 감소하였으며, 중, 고 부하에서는 약 0.7, 0.8% 각각 감소하였다. 이러한 결과는 연소 촉진의 결과 때문이라고 판단된다. 즉, 중질유에 연료첨가제를 투입함으로써 전 부하에서 연비가 개선됨을 확인하였다. 특히, 중, 고 부하영역에서보다는 저 부하에서 연료소비 감소율이 더 높았다.
Load(%) HFO(g/㎾h) Added fuel(g/㎾h) Difference Ratio(%)
50 207.430 202.833 -4.597 -2.27
75 186.395 185.103 -1.292 -0.70
100 188.422 186.913 -1.509 -0.81
* HFO : 연료첨가제를 투입하기 전의 중질유
* Added fuel : 연료첨가제를 0.025% 비율로 투입한 중질유
3.3 최고연소압력(P-max)
표 6과 도 11은 엔진의 최고연소압력의 결과를 보여준다. 각각의 값은 실린더 12기통을 모두 측정한 후, 평균값을 표시하였다. 저 부하에서는 최고연소압력이 약 3.0% 상승하였으며, 중, 고 부하에서는 약 6.6, 0.9% 각각 상승하였다. 즉, 선박용 중질유에 연료첨가제를 투입함으로써 전 부하에서 최고연소압력이 상승함을 확인하였다. 특히, 엔진의 상용 부하인 75%의 중 부하에서 많은 상승률을 보여준다. 이것은 표 2에서 보여주듯이 연료첨가제에 포함되어있는 산소의 작용으로 엔진 연소를 활발하게 촉진시켜 연소성 향상에 따른 것으로 분석된다.
Load(%) HFO(Bar) Added fuel(Bar) Difference Ratio(%)
50 86.25 88.83 2.58 2.90
75 114.83 122.91 8.08 6.57
100 139.83 141.08 1.25 0.89
* HFO : 연료첨가제를 투입하기 전의 중질유
* Added fuel : 연료첨가제를 0.025% 비율로 투입한 중질유
3.4 배기온도(Exhaust temperature)
표 7과 도 12는 각 부하에서 엔진의 연소 후 배기온도를 보여준다. 각각의 값은 실린더 12기통을 모두 측정한 후, 평균값을 표시하였다. 저 부하에서는 배기온도가 약 2.7% 감소하였으며, 중, 고 부하에서는 약 2.4, 0.6% 감소하였다. 즉, 중질유에 연료첨가제를 투입함으로써 전 부하에서 배기온도가 감소함을 확인하였다. 이것은 중질유에 포함된 아스팔텐, 슬러지를 연료첨가제에 포함된 분산제에 의해서 잘 분산시켜 연료 분사시 연료의 미립화 및 균질화 효과를 가져와 안정된 연소가 될 수 있도록 했다고 판단된다.
Load(%) HFO(℃) Added fuel(℃) Difference Ratio(%)
50 337.08 328.08 -9.00 -2.74
75 326.42 318.83 -7.59 -2.38
100 343.08 341.17 -1.91 -0.56
* HFO : 연료첨가제를 투입하기 전의 중질유
* Added fuel : 연료첨가제를 0.025% 비율로 투입한 중질유
4. 결론
본 연구에서는 2행정 고출력 대형 디젤엔진에 해양, 기상환경조건에 영향을 받지 않는 육상에서 표준화된 계측장비를 사용하여 실험하였다. 선박용 중질유의 연료첨가제에 대하여 투입 전과 투입 후 엔진의 성능(엔진 출력, 연료소비율, 최대연소압력, 배기온도)을 비교 분석하기 위하여 엔진의 저, 중 및 고 부하 (50, 75, 100%)에서 실험을 실시하였으며, 다음과 같은 연구 결과를 얻을 수 있었다.
(1) 엔진부하 50%인 저 부하에서는 출력이 약 2.1% 감소하였으나, 엔진부하 75%의 중 부하와 100%의 고 부하 영역에서는 약 1.6, 0.4% 각각 상승하였다. 이 결과를 통해 중질유에 연료첨가제를 투입하였을 경우 저 부하에서보다는 중, 고 부하 영역에서 엔진 출력이 향상됨을 알게 되었다.
(2) 연료소비율은 저 부하에서는 연료소비율이 약 2.2% 감소하였으며, 중, 고 부하에서는 약 0.7, 0.8% 각각 감소하였다. 즉, 중질유에 연료첨가제를 투입함으로써 전 부하에서 연비가 개선됨을 확인하였다. 특히, 중, 고 부하 영역에서보다는 저 부하에서 연료소비 감소율이 더 높았다.
(3) 최고연소압력은 저 부하에서 약 3.0% 상승하였으며, 중, 고 부하에서는 약 6.6, 0.9% 각각 상승하였다. 즉, 선박용 중질유에 연료첨가제를 투입함으로써 전 부하에서 최고연소압력이 상승함을 확인하였다.
(4) 배기온도 계측결과, 저 부하에서 약 2.7% 감소하였으며, 중 부하에서는 약 2.4%, 고 부하에서는 약 0.6% 감소하였다. 즉, 중질유에 연료첨가제를 투입함으로써 전 부하에서 배기온도가 감소함을 확인하였다. 이것은 연료첨가제가 엔진 연소에 영향을 주어, 안정된 연소가 될 수 있도록 했다고 판단된다.
본 연구를 통해서, 현재 운전되고 있는 2행정 고출력 대형 디젤엔진에서 사용되고 있는 선박용 중질유에 유용성 칼슘계 유기금속화학물을 함유하는 소정의 연료첨가제를 투입함으로써 저 부하(50%)에서는 2% 이상의 연료비 절감 효과를 확인할 수 있었으며, 최고연소압력은 상승하는 반면에 배기온도는 하강함을 알 수 있었다. 이러한 결과를 통해서 엔진성능이 향상된다고 생각된다. 따라서, 선박용 중질유를 사용하는 2행정 대형 디젤엔진에 연료첨가제 주입을 통해서 연료비 절감이 가능하다고 판단된다.
5. 추가 실험
상기 연구 외에 연료첨가제의 첨가에 따른 배기 배출물의 변화를 관찰하였고, 그 결과를 하기 표 8 및 표 9에 나타내었다. 표 8은 연료첨가제 첨가 여부에 따른 질소산화물(NOx)의 배출 변화를 나타낸 것이고, 표 9는 연료첨가제 첨가 여부에 따른 입자상 물질(Particulate Matter, PM)의 배출 변화를 나타낸 것이다. 표 8 및 표 9에서 보이는 바와 같이 본 발명의 연료첨가제를 중질유에 첨가하고 연소시키는 경우 질소산화물 및 입자상 물질의 발생이 크게 감소하였다.
부하 연료첨가제 투입 전 NOx 배출량(g/㎾h) 연료첨가제 투입 후 NOx 배출량(g/㎾h) 연료첨가제 투입에 따른 NOx 배출량 감소율(%)
50% 16.6 12.6 -24
75% 21.5 11.7 -46
100% 22.4 14.3 -36
연료첨가제 투입에 따른 NOx 배출량 평균 감소율(%) -35
부하 연료첨가제 투입 전 PM 배출량(㎎/㎥) 연료첨가제 투입 후 PM 배출량(㎎/㎥) 연료첨가제 투입에 따른 PM 배출량 감소율(%)
50% 64.1 27.3 -57.4
75% 100.8 40.9 -59.4
100% 108.6 43.8 -59.7
연료첨가제 투입에 따른 PM 배출량 평균 감소율(%) -58.8
이상에서와 같이 본 발명을 상기의 실시예를 통해 설명하였지만 본 발명이 반드시 여기에만 한정되는 것은 아니며 본 발명의 범주와 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 본 발명에 첨부된 특허청구의 범위에 속하는 모든 실시 형태를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 유용성 금속화합물(Oil soluble metallic compound), 산소 공급제, 분산제, 윤활제, 비이온성 계면활성제 및 청정제(detergent)를 포함하는 조성물 형태이고,
    상기 유용성 금속화합물은 칼슘, 바륨, 망간 또는 철 중 어느 하나의 금속을 함유하고,
    상기 산소 공급제는 다이알킬 에테르(dialkyl ether) 화합물, 에틸렌글리콜의 다이알킬 에테르 화합물, 프로필렌글리콜의 다이알킬 에테르 화합물, 부틸렌글리콜 다이알킬 에테르 화합물, 다이알킬 케톤 화합물, 다이알콕시 알칸 화합물 또는 다이알킬 카보네이트 화합물에서 선택되는 1종 이상으로 구성되고,
    상기 분산제는 히드로처리된 경 증류액(Hydrotreated Light Distillate)이고,
    상기 윤활제는 히드로처리된 중 파라핀 증류액(Hydrotreated heavy paraffinic distillate), 히드로처리된 경 파라핀 증류액(Hydrotreated light paraffinic distillate), 용제디왁스된 중 파라핀 증류액(Solvent-dewaxed heavy paraffinic distillate), 용제디왁스된 경 파라핀 증류액(Solvent-dewaxed light paraffinic distillate), 히드로처리 및 디왁스된 중 파라핀 증류액(Hydrotreated and dewaxed heavy paraffinic distillate) 또는 히드로처리 및 디왁스된 경 파라핀 증류액(Hydrotreated and dewaxed light paraffinic distillate)에서 선택되는 1종 이상으로 구성되고,
    상기 청정제는 설포네이트(sulfonate)의 알칼리금속염. 설포네이트(sulfonate)의 알칼리토금속염, 페네이트(phenate)의 알카리금속염, 페네이트(phenate)의 알카리토금속염, 살리실레이트(salicylate)의 알칼리금속염, 살리실레이트(salicylate)의 알칼리토금속염, 나프테네이트(naphthenate)의 알카리금속염 또는 나프테네이트(naphthenate)의 알카리토금속염에서 선택되는 1종 이상으로 구성되고,
    상기 산소 공급제를 구성하는 화합물의 알킬기, 알콕시기 또는 알칸은 탄소 수가 1 내지 5인 것을 특징으로 하는 중질유용 연료첨가제.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유용성 금속화합물은 술폰산의 칼슘염, 칼슘 아세틸아세토네이트(Calcium acetylacetonate), 칼슘 나프테네이트(Calcium naphthenate) 또는 칼슘 옥살레이트(Calcium oxlate)에서 선택되는 1종 이상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 중질유용 연료첨가제.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유용성 금속화합물은 칼슘 알킬벤젠술포네이트(Calcium alkylbenzenesulfonate)이고, 상기 알킬기는 탄소 수가 8 내지 50인 것을 특징으로 하는 중질유용 연료첨가제.
  4. 제1항에 있어서, 상기 산소 공급제는 다이메틸 카보네이트, 다이에틸 카보네이트, 다이프로필 카보네이트, 다이이소프로필 카보네이트, 다이부틸 카보네이트, 다이펜틸 카보네이트, 메틸에틸 카보네이트, 메틸프로필 카보네이트 또는 에틸프로필 카보네이트에서 선택되는 1종 이상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 중질유용 연료첨가제.
  5. 제1항에 있어서, 상기 비이온성 계면활성제는 소르비탄과 지방산의 에스테르, 폴리에틸렌글리콜과 지방산의 에스테르, 폴리에틸렌글리콜 소르비탄과 지방산의 에스테르에서 선택되는 1종 이상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 중질유용 연료첨가제.
  6. 제5항에 있어서, 상기 비이온성 계면활성제는 소르비탄 모노올레이트, 소르비탄 모노라우레이트 또는 폴리에틸렌글리콜 소르비탄 모노올레이트에서 선택되는 1종 이상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 중질유용 연료첨가제.
  7. 제1항에 있어서, 상기 청정제는 과염기성 청정제(Overbased detergent)인 것을 특징으로 하는 중질유용 연료첨가제.
  8. 제1항에 있어서, 조성물 전체 중량을 기준으로 유용성 금속화합물(Oil soluble metallic compound) 20~25 중량%, 산소 공급제 30~35 중량%, 분산제 15~20 중량%, 윤활제 3~7 중량%, 비이온성 계면활성제 8~15 중량% 및 청정제(detergent) 7~15 중량%을 포함하는 것을 특징으로 하는 중질유용 연료첨가제.
  9. 중질유 및 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 중질유용 연료첨가제를 포함하는 연료유.
  10. 제9항에 있어서, 상기 연료유 내에서 중질유용 연료첨가제의 함량은 중질유 100 중량부 당 0.001~0.5 중량부인 것을 특징으로 하는 연료유.
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