천연가스 이중연료 디젤엔진의 모드별 유해배출가스 성능에 관한 연구

2.1 실험장치

운항 중인 선박은 청화2호로 해양환경공단에서 운영하고 있는 친환경 선박이다. 청화2호는 2019년 04월 18일 진수하였고, 항만 정화활동 및 유류오염사고 대응 선박으로 활용되고 있다. 해양수산부와 해양환경공단이 공동으로 건조한 청화2호는 소형선박으로는 LNG(liquefied natural gas)와 MGO(marine gas oil)의 이중 연료를 사용하는 친환경 엔진을 탑재한 국내 최초의 선박으로 기록되어 있다. Fig. 1에 항만에 접안해 있는 청화2호의 모습을 나타내었다. 청화2호에 탑재된 이중 연료 엔진은 현대중공업의 힘센 엔진(모델명: 5H22CDFP)으로, Fig. 2에는 청화2호에 탑재된 모습을 사진으로 나타내었고, 기본적인 사양은 Table 1에 나타내었다. Fig. 2의 왼쪽 위에 보이는 노란색 파이프는 LNG 공급라인이며 이를 통해 이중연료로 운전이 가능하다. 5기통에 보어는 220 mm이며, 정격 속도 1,000 rpm에서 1,100 kW의 최고 출력을 낼 수 있다. CPP(controllable pitch propeller)를 사용하기 때문에 엔진 회전수는 1,000 rpm으로 고정되며 회전수의 변동 없이 부하의 변동이 가능하다.

Fig. 1

Schematic diagram of the experimental apparatus

Fig. 2

Schematic diagram of the experimental apparatus

Table 1

Specification of test engine

2.2 실험방법

Fig. 3에는 디젤모드와 가스모드에서의 연료 공급 방식에 대한 개념을 나타내었다. 디젤모드에서는 그림의 위쪽에서 알 수 있듯이 파란색 연료분사밸브를 통해 MGO만을 공급하는 일반적인 디젤엔진과 동일한 개념이고, 가스모드에서는 그림의 아래쪽의 빨간색 파일럿 연료 분사기를 통해 소량의 MGO를 공급하여 착화시킨 후 이 불꽃을 이용하여 노란색 밸브를 통해 공급된 LNG를 연소시키는 개념이다.

Fig. 3

Concept of dual fuel operation7)

실험은 엔진 제조사의 공장에서 실시된 NOx 검사결과를 작성한 보고서인 NTF(NOx technical file)와 비교하기 위해서 동일한 부하를 적용하여 운전하였다. 이는 NTC의 E2모드로 정격속도는 1,000 rpm으로 동일하고, 부하는 100, 75, 50, 25% 부하에서 실험이 진행되었다. 실제 운항에서는 가스모드의 경우, 79%의 부하까지만 운전이 가능하여 100%의 운항은 실시할 수 없었다.

CO₂, NOx, CO, THC와 같은 유해배출가스의 성분을 분석하기 위한 계측장비로 MRU에서 제작한 NOVA prime을 사용하였다. 터보차저 배기가스 라인의 출구로부터 6 m 정도 떨어진 배관 중간에 드레인 라인을 설치하였고, 이곳에서 계측 장비의 흡입부를 연결하여 측정하였다.

3.1 NTF 성능 분석

2008년 개정된 NTC에 따라 선박에 탑재되는 출력 130 kW 이상이 엔진은 정해진 성능평가를 선급으로부터 인정받아야 한다. 따라서 청화2호는 한국선급으로부터 엔진의 NTF를 발급받았으며, 디젤모드에서는 7.8 g/kWh, 가스모드에서는 7.8 g/kWh의 NOx를 배출하여 각각 TierⅡ와 TierⅢ를 만족하였다. 그리고 운항 중의 성능과 비교하기 위하여 NTF 결과로부터 CO₂, NOx, CO의 성능을 분석하였다.

Fig. 4에는 NTF에 계측된 CO₂의 발생량을 나타내었다. 가로축은 엔진의 부하를, 세로축은 CO₂의 발생량(%)을 나타낸다. 빨간색 실선은 NTF 디젤모드를 나타내고, 파란색 점선은 NTF 가스모드를 나타낸다. 25% 부하에서는 디젤모드의 CO₂ 발생량이 4.01%로 가스모드의 CO₂ 발생량이 5.63%보다 훨씬 적었다. 그러나 50% 부하에서는 5.41%와 5.53%으로 거의 대등하게 배출되다가 75% 이상에서는 디젤모드의 발생량이 훨씬 많아졌다. 특히 선박에서 가장 많이 사용하는 부하인 75%에서는 8.78%과 5.29%로 디젤모드의 발생량이 약 60% 증가하였다. 이는 저부하에서는 천연가스의 연소가 완전히 일어날 수 있는 주위 온도가 낮아 불완전 연소에 의해 연료량이 더 필요한 반면 고부하로 갈수록 주위 온도가 높아져 연소가 잘 이루어질 수 있기 때문이다.

Fig. 4

CO2 emission concentration in diesel mode and gas mode at NTF

Fig. 5에는 NTF에 계측된 NOx의 발생량을 나타내었다. 디젤모드의 경우, 부하의 증가에 따라 NOx의 발생량이 지속적으로 증가하는 현상을 나타내는 반면 가스모드에서는 부하의 증가에 따라 75% 부하를 제외하면 거의 일정하게 발생하는 현상을 알 수 있다. 이는 부하의 증가에 따라 폭발적인 연소를 일으키는 디젤모드에서는 연소가스의 온도가 증가하기 때문에 당연히 NOx의 발생량이 증가하게 된다. 반면 가스모드의 경우에는 천연가스가 가솔린엔진처럼 희박연소 조건에서의 화염전파에 의해 연소를 일으키기 때문에 연소압력이 급격하게 증가하지 않으므로 연소온도가 저하하고, 이는 NOx의 발생량 감소로 이어지게 된다. 한편, 디젤모드는 가스모드에 비해 약 2.3~4.7배 많이 배출되었다.

Fig. 5

NOx specific concentration in diesel mode and gas mode at NTF

Fig. 6에는 NTF에 계측된 CO의 발생량을 나타내었다. 디젤모드에서는 저부하에서 68 ppm으로 시작하여 고부하에서는 41 ppm으로 낮아지는 경향을 나타내고 있다. CO는 불완전 연소에 의해 배출되는 물질이기에 고부하로 갈수록 주위 온도가 높아져 적게 배출되며, 디젤모드에서는 특히 적게 배출된다. 반면 가스모드에서는 저부하에서 875 ppm을 배출하고 부하게 증가하면서 점점 줄어들다가 고부하에서 420 ppm이 배출되었다. 가스모드에서는 가솔린엔진처럼 화염전파로 인한 낮은 화염온도, 연소실 벽면 근처의 퀜칭 등의 특성 때문에 디젤모드에 비해 CO의 배출이 많아진다. 그리고 부하의 증가할수록 연소압력과 주위 온도가 증가하기 때문에 연소가 잘 일어나 CO의 배출량이 줄어든다.

Fig. 6

CO specific concentration in diesel mode and gas mode at NTF

3.2 선박 운항 중 특성

Fig. 7에는 선박의 운항 중에 계측한 CO₂의 배출량을 나타내었다. 앞서 설명한 것처럼 가스모드의 경우는 운항 중에는 출력이 79%의 부하까지만 가능하여 가스모드에 대해서는 100%의 부하는 없고 79%의 부하만 있다. 빨간색 실선은 항해 중 디젤모드를 나타내고, 파란색 점선은 항해 중 가스모드를 나타낸다. 먼저 NTF의 결과와 마찬가지로 저부하를 제외하고 가스모드의 경우가 디젤모드에 비해 CO₂가 적게 배출되는 경향을 나타내고 있다. 그러나 그 차이는 더 적게 나타났다. 또한 Fig. 2의 NTF 결과에 비해 운항 중의 계측 결과가 조금 더 많이 CO₂를 배출하는 결과를 나타내고 있다. 이는 NTF를 계측한 제조사 공장과 실제 해양을 운항할 때의 주위 환경 차이 때문인 것으로 사료된다.

Fig. 7

CO2 emission concentration in diesel mode and gas mode on sailing

Fig. 8에는 선박의 운항 중에 계측한 NOx의 배출량을 나타내었다. Fig. 3의 NTF와 마찬가지로 디젤모드에서는 부하의 증가에 따라 NOx가 증가하는 반면 가스모드에서는 부하의 증가에 관계 없이 거의 일정한 NOx의 배출량을 보여 주고 있다. 그리고 NTF의 거의 비슷한 배출량을 나타내고 있다. 한편, 디젤모드는 가스모드에 비해 약 3.4~5.0배 많이 배출되어 NTF보다는 약간 더 많은 배출 차이를 나타내고 있다.

Fig. 8

NOx emission concentration in diesel mode and gas mode on sailing

Fig. 9에는 선박의 운항 중에 계측한 CO의 배출량을 나타내었다. 디젤모드에서는 저부하에서 66 ppm으로 시작하여 고부하에서는 54 ppm으로 낮아지는 경향을 나타내고 있다. 가스모드에서는 저부하에서 962 ppm을 배출하고 부하게 증가하면서 점점 줄어들다가 고부하에서 784 ppm이 배출되었다. Fig. 6에 나타낸 NTF와 비교하면, 디젤모드는 거의 비슷한 값을 나타내지만 가스모드에서는 거의 200 ppm 정도 많이 배출하고 있다. 이는 운항 환경이 연소에 악영향을 미치는 것으로 사료된다. 즉 수증기와 공기의 정압비열이 1.9배 정도 차이가 나기에 수분이 많은 운항 시 연소온도가 낮아지기 때문이다. 수분과 염분이 연소에 미치는 영향을 차후 연구하면 더욱 명확히 밝힐 수 있을 것으로 사료된다.

Fig. 9

CO emission concentration in diesel mode and gas mode on sailing

이는 Fig. 10에 나타낸 NTF와 운항 중 계측한 THC의 결과로도 알 수 있다. NTF의 디젤모드에서는 30ppm 이하였으며, 운항 중에는 거의 측정이 되지 않았다. NTF와 운항 중의 계측기가 달라 낮은 THC의 결과값은 확인이 어렵지만, 가스모드에서는 NTF에 비해 운항 중의 THC가 많이 배출되는 것을 확인할 수 있다. 운항 중에는 바다의 특성상 비열이 높은 수증기와 염분 등의 이물질이 주위 공기에 많이 포함될 수 있어 연소가 잘 이루어지지 않는 확률이 높아지는 것이 원인으로 사료된다. 이런 이유로 Fig. 4와 Fig. 7을 통해 제시한 CO₂의 배출량도 운항 중에 더 많이 배출된 것으로 사료된다.

Fig. 10

THC emission concentration in diesel mode and gas mode both at NTF and on sailing

Author contributions

S. C. Hwang; Project Administration, J. M. Park and S. W. Kim;　data aquistion　S. H. Jung; Supervision.