KR 웹진 163호

1. 개 요

국제해사기구(International Maritime Organization, 이하 IMO)의 전문위원회 중 하나인 해양오염방지대응

전문위원회(Pollution Prevention and Response, 이하 PPR)에서는 2014년부터 선박엔진에서 배출되는 입자상물질(PM: particulate matter)의 구성 성분 중 하나인 블랙카본(BC: black carbon)에 대한 논의를 진행하고 있으며, 2019년 2월(PPR 6)까지 본 의제 논의를 종료할 계획이다. 이와 관련하여 배기가스 내 블랙카본 측정방법의 중요성을 실험 결과와 함께 분석하고자 한다.

 

2. 선박에서 배출되는 입자상물질, 블랙카본과 기후변화

선박에서 배출되는 블랙카본은 육상의 자동차, 철도, 건설기계, 농기계 등에서 배출되는 양보다는 상대적으로 적은 것으로 보고되고 있다. 그러나 북극권 및 고위도 지역을 운항하는 선박에서 배출되는 블랙카본이 빙하, 눈 표면에 침적되어 알베도(albedo) 감소에 의한 설빙 융해를 촉진한다고 알려져 있다. 또한 대기 중에서

부유 상태로 직접 빛을 흡수하거나 대기층과의 상호작용을 통해서 극지방의 기후변화를 촉진시켜 지구온난화를 가속화시킬 수 있다는 가능성이 미국, 캐나다, 노르웨이 등을 중심으로 지속적으로 제기되어 왔다.

따라서 국제해사기구는 선박 기인 대기오염방지와 기후변화로부터의 지구 환경보호를 위하여 본 의제에

대한 논의를 본격화하였다.

일반적으로 선박엔진 등과 같은 내연기관에서 배출되는 입자상물질은 Fig.1과 같이 매연(soot), 재(ash),

질산염(nitrate), 황산염(sulfate), 유기성분(organic component) 등으로 구성되어 있으며, 연료의 종류,

연소온도, 화염 확산속도 및 반응 시간, 연료 미립도 등의 요인에 따라 물리·화학적인 특성이 변화한다고 알려져 있다. 이 중에서 블랙카본과 가장 유사한 성분은 매연으로 볼 수 있으나, 미시적으로 보면 매연도 탄소만으로 구성된 물질이 아니기 때문에 블랙카본과 동등한 물질로 보기에는 어렵다.

 

[Fig. 1. The components of PM from a diesel engine]

 

Fig. 2의 TEM(Transmission Electron Microscopy) 사진과 같이 여러 종류의 탄소 응집체, 엔진에서 배출되는입자상물질을 가시적으로 비교하는 것도 매우 어렵다. 따라서 육상의 자동차, 플랜트와 달리 황 함유량이

높은 중질유(HFO) 등을 사용하는 선박에서 배출되는 블랙카본에 의한 기후변화 영향성 평가, 측정 및 저감

기술을 논의하기 위해서는 블랙카본에 대한 명확한 정의를 정립하는 것이 무엇보다 중요하다.

 

[Fig. 2. The TEM images of carbon agglomerates and PM]

 
IMO에서는 다수 회원국들의 의견과 논의를 거쳐 Bond et al.이 제안하였던 물리적 특성을 기반으로 한 블랙카본의 정의를 사용하는 것으로 MEPC 68에서 결정하였다.

블랙카본은
1) 550 nm 파장에서 적어도 5 m2/g이상의 질량 흡수 단면적을 가지는, 가시광선을 매우 잘 흡수하는 물질,
2) 약 4,000 K에서 증발하며, 매우 높은 온도에서 기본적인 형태를 유지할 수 있어야하는 내화성(refractory)  

   물질,
3) 물, 메탄올 및 아세톤 등의 유기용매, 대기 에어로졸의 다른 성분들에 의해 용해되지 않는 물질,
4) 구(球)형 카본 입자의 응집체로서 존재하는 물질이다.

 

3. 선박에서 배출되는 블랙카본의 측정과 특성

PPR에서는 선박에서 배출되는 배기가스 내 블랙카본을 측정하기 위하여 다양한 측정방법을 검토하였다.

자동차 등의 분야에서 사용하고 있는 기존의 입자상물질 질량 측정방법과는 피대상물의 특성이 상이한 점이 중요하게 고려되었다. FSN 측정법(FSN: Filter Smoke Number), 광 음향 분석법(PAS: Photo-Acoustic Spectrometry), 레이저 유도 백열법(LII: Laser Induced Incandescence)이 현재까지 최종 검토된 측정방법이며, 그 중 FSN 측정방법이 가장 널리 활용되고 있다.

 

[Fig. 3. Selectivity of different instruments and measurement methods (AVL GmbH)]

 

Fig. 3과 같이 측정방법에 따라 측정결과에는 매연(soot), 탄화수소(hydrocarbon), 황산염(sulfate), 재(ash),

질소산화물(NOx), 수분 등이 중첩되어 포함될 수 있다. 육상의 자동차엔진에 비해 상대적으로 황 함유량이

높은 연료를 사용하는 선박용 엔진에서 배출되는 입자상물질에는 매연(≈블랙카본), 황산염, 용해성 유기물(SOF: soluble organic fraction) 등이 운전조건에 따라 구성 성분의 비율이 상이할 것으로 예상하였으며, 이를 다음 실험을 통해 분석하였다.

선박 연료유의 황 함유량에 따른 입자상물질 배출특성을 규명하기 위하여 다음과 같이 경유(이하 ULSD: Ultra Low Sulphur Fuel, 10 ppm S이하)와 황 함유량이 높은 고유황 경유(이하 HSD: High Sulphur Fuel, 약 3,400 ppm S)를 이용하였으며, 4행정 고속엔진(두산인프라코어 4V158TIH, 403 kW)을 활용하여 ISO 8178-4:2007에 의거하여 E2, E3 사이클로 실험을 진행하였다. 배기가스 내 입자상물질은 FSN 방법과 ISO 8178의 입자상물질 질량 측정방법을 이용하였으며, 입자상물질의 성분 분석을 통해 화학적 특성을 파악하였다.

Fig. 4에서는 E2 cycle과 E3 cycle의 각 mode에서 측정방법에 따른 결과를 나타내고 있다. 평가모드에 따라 HSD 연료의 FSN이 ULSD 연료와 동등하거나 낮게 나오는 결과를 보이고 있으나, 입자상물질의 질량 측정값은 HSD 연료를 사용했을 경우가 ULSD를 사용했을 때보다 모두 높게 나타나는 것을 관찰할 수 있었다. 이와 같은 결과를 이해하기 위하여 입자상물질 분석기(MEXA-1370PM, Horiba)를 활용하여 입자상물질의 화학적 특성을 분석하였으며, Fig. 5에 그 결과를 나타내고 있다. 두 종류 연료 및 평가모드에 따른 매연입자의 질량변화는 상대적으로 크지 않은 반면에 용해성 유기물 및 황산염은 황 함유량이 높은 연료가 사용될 때 배출량이 상대적으로 높게 나타났으며, 특히 황산염이 질량에 미치는 영향이 큰 것으로 분석되었다. 따라서 황

함유량이 높은 연료를 사용하는 엔진에서 배출되는 입자상물질은 황산염과 용해성 유기물이 입자상물질의 질량에 큰 영향을 미치며, 블랙카본으로 간주할 수 있는 매연은 HSD보다 ULSD 연료를 사용할 때 조금 더

많이 배출됨을 알 수 있었다.

[Fig. 4. Comparisons between FSN method and weight method for PM measurements]

 

 

[Fig. 5. The analysis of chemical components of PM from a 4-stroke marine engine]

 

 

[Fig. 6. The analysis of components of PM from a 2-stroke marine engine]

Fig. 6에서는 0.29%S의 황 함유량을 가진 선박용 연료(bunker-A grade)를 이용하여 7,400 kW의 2행정 저속엔진에서 배출되는 입자상물질의 특성을 비교, 분석한 결과를 나타내고 있다. 평가모드는 ISO 8178의 E3

사이클을 적용하였다. 본 측정에서는 FSN과 PAS 측정방법을 동시에 적용하였으며, 두 측정 결과를 비교하기 위하여 제조사에서 제공하는 실험식을 통해 FSN 값을 질량단위로 변환하였다. 화학적 성분 분석은 앞서 수행한 것과 동일하게 진행하였다.

두 가지 측정방법의 결과를 비교하면, mode 4를 제외하고 입자상물질의 배출량이 유사하게 측정되고 있는 것으로 볼 수 있다. 또한 입자상물질의 성분분석 결과를 보면 용해성 유기물, 황산염의 비율이 매연보다 상대적으로 높은 경향을 나타내고 있음을 확인할 수 있으며, 이러한 성분들이 입자상물질의 질량에 많은 영향을 미치고 있다고 유추할 수 있다. Mode 4에서 용해성 유기물이 상대적으로 높게 배출되는 특성을 보이고 있는데, 이는 엔진이 저부하 영역에서 운전시에 고부하 영역에 비해 미연탄화수소가 상대적으로 많이 발생하는 것과 관련 있는 것으로 이해할 수 있다.

이와 같은 실험결과를 통해 황 함유량이 높은 선박 연료유를 사용하는 디젤엔진에서 배출되는 입자상물질은 경유(ULSD)를 사용하는 엔진에서 배출되는 입자상물질의 특성과 큰 차이가 있음을 알 수 있으며, 입자상물질의 측정 시 특히 황산염, 용해성 유기물의 영향에 대해 깊이 고려해야 할 것으로 판단된다. 국제항해선박들은 황 함유량이 높은 중유를 사용하므로 ISO 8178의 입자상물질의 질량 측정을 통해 블랙카본 배출량을 산정하는 방법은 적절하지 않은 것으로 사료되며, 이와 같은 이유로 IMO에서는 배기가스 내 블랙카본의 측정방법을 빛의 흡수(FSN 방법), 입자 진동(PAS 방법), 에너지 복사(LII 방법) 원리를 가진 방법으로 한정하고 있다.

그러나 앞의 실험결과에 나타나 있듯이 매연과 유사한 블랙카본은 배기가스 내에 독립적으로 존재하는 것이 아니라 입자상물질의 구성성분으로 존재한다. 입자상물질 내 블랙카본을 선택적으로 측정하는 데에는 한계가 있으므로 이에 대한 추가적인 검토가 수반되어야 한다. 또한 선박배출 입자상물질의 FSN 값은 장비의

전체 측정영역 중 주로 낮은 구간에서 측정되므로, FSN 값의 질량단위 환산을 위한 실험식은 해당 측정 구간에 대해 충분한 신뢰성을 가질 수 있도록 신중히 결정되어야 한다.

  
[참고문헌]
- Bond T.C. et al., “Bounding the role of Black Carbon in the climate system: A scientific assessment,”

  Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 118, pp.5380-5552, 2013
- Report to Congress on Black Carbon, Department of the Interior, Environment, and Related Agencies,

  Appropriations Act, 2010
- Bond T.C., Zarzycki C., Flanner M.G., and Koch D.M., “Quantifying immediate radiative forcing by black

  carbon and organic matter with the Specific Forcing Pulse.” Atmospheric Chemistry and Physics, 11,

  pp.1505-1525, 2011
- Sand M., Berntsen T. K., Seland Ø., and Kristjánsson J. E., “Arctic surface temperature change to

  emissions of black carbon within Arctic or midlatitudes,” Journal of Geophysical Research: Atmospheres,

  118, pp.7788-7798, 2013