KR 웹진 169호

1. 개요

국제해사기구(IMO; International Maritime Organization)에서는 국제 물류의 90 % 이상을 차지하고 있는 국제 해운분야에 대하여 해양환경 보호를 위한 규제를 시행하고 있으며, 최근 선박에서 배출되는 대기오염원 관련 규제를 강화하고 있다. 주요 규제 대기오염원인 질소산화물과 황산화물 외에, 연료 중의 황 함유량 제한을 통하여 간접적으로 규제하였던 입자상물질과 관련하여 구성 성분 중 블랙카본(BC; Black Carbon)에 한하여 규제 도입을 해양오염방지대응전문위원회(PPR; Pollution Prevention and Response)를 통하여 논의하고 있다.

해양환경보호위원회(MEPC; Marine Environment Protection Committee) 68차 회의를 통하여 Bond et al.이 제안하였던 물리적 특성에 기반을 둔 블랙카본에 대한 정의를 사용하는 것으로 결정하였다. 규제 예정물질인 블랙카본의 정의 도출 후, 블랙카본 측정방법을 정립하기 위해 회원국들에게 자발적으로 진행한 블랙카본 측정결과를 제출 요청하였다.

이와 관련하여 KR 그린쉽 기자재 시험인증센터에서 보유하고 있는 선박용 저속엔진 테스트베드를 이용하여 선박의 주 추진엔진으로 사용되고 있는 저속 2행정 기관에서 배출되는 블랙카본의 측정·분석결과를 소개하고자 한다.

2. 선박에서 배출되는 블랙카본의 특성과 측정 방법

IMO에서 규제를 하고자 하는 블랙카본은 탄소에 기반을 둔 연료의 연소 과정 중, 화염에서만 형성되는

탄소계 물질로 물리적인 특성은 아래와 같다.

   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 있어야 하는 내화(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 물질

블랙카본의 물리적 특성에 기반을 둔 측정방법으로는 FSN 측정법(Filter Smoke Number), 광음향 분석법(Photo-Acoustic Spectrometry), 레이저 유도 백열법(Laser Induced Incandescence)이 검토되고 있으나, 측정방법 중 별도의 공기 희석이 필요하지 않은 FSN 측정법과 공기 희석비가 상대적으로 낮은 광음향 분석법에 대한 측정연구가 주를 이루고 있다.

[Fig. 1. Principle of Filter smoke number and Photo-acoustic methods]

PPR에서는 블랙카본 측정방법을 이용한 자발적인 측정결과를 회원국에 요청하여, 각 국 및 유럽내연기관제조자협회(EUROMOT) 등은 블랙카본 측정 프로토콜을 이용하여 선박엔진 테스트 베드 및 실제 선박에서 측정한 데이터를 제출하고 있다.

특히 EUROMOT에서는 PPR 의제문서(PPR 4/9)를 통해 31대의 선박엔진(저속, 중속)에서의 FSN 방법을 이용한 BC 측정결과 관련하여 발표하였다. 그 중 저속엔진의 경우 0.009에서 0.179 FSN의 BC 배출 특성을 나타내었다.

[Fig. 2. FSN values from two-stroke diesel engine]

3. 선박용 저속 2행정 기관 배출 블랙카본 측정

[Fig. 3. Low speed engine test bed and experimental setup,
a) photograph of low speed engine test bench at KR TCC, b) schematic diagram of experimental setup]

PPR의 자발적인 블랙카본 측정 요청에 따라 KR에서도 그린쉽 기자재 시험인증 센터(TCC)의 저속엔진 테스트 베드를 활용하여 원양항해에 이용되는 선박의 주 추진 기관으로 이용되는 저속 2행정 기관에서 배출되는 블랙카본을 측정하였다. 저속엔진은 7,400 kW(@ 129 rpm)의 최고출력을 가지며, 수동력계와 축을 통하여 연결되어 엔진의 출력을 측정 및 제어하였다.

선박 기관에서의 배기배출물을 측정하기 위한 주기인 ISO 8178 및 NTC(NOx Technical Code)의 E3(프로펠러를 구동하는 주기 및 보기보조엔진의 시험주기) 조건을 이용하였다. 연료는 B-A 0.3 %를 사용하였으며, 블랙카본의 배출 특성을 파악하기 위하여 Filter Smoke Number 측정법이 적용된 스모크미터(415 SE, AVL)와 광음향법(PAS)이 적용된 Micro Soot Sensor(MSSplus, AVL)로 soot 농도를 측정하였다.

특히 스모크미터의 FSN 측정 범위는 0~10으로 FSN이 높다는 것은 블랙카본의 배출 정도가 높다는 것을 의미한다. 또한 희석장치(DEED, Dekati)와 SMPS(TSI)를 이용하여 저속 2행정 기관에서 배출되는 미세 입자의 사이즈별 수 농도를 측정하였다.

[Table. 1. Experimental conditions]  

[Fig. 4. FSN and soot concentration values of 2-stroke marine engine]

FSN 및 광음향법(PAS)을 이용한 BC 측정결과 저 부하 구간인 4 Mode(25% load)에서 가장 높은 배출 특성을 보였다. 동 결과는 EUROMOT에서 제시한 결과와 유사한 특성을 보였으며, 이는 저 부하 구간에서 보조 블로워를 이용하여 연소공기를 공급하는 선박용 저속 2행정 기관의 특성에 기인한 것으로 보인다. 또한 EUROMOT의 측정결과 중 일부는 본 결과보다 다소 높은 BC 배출 특성을 보이는데, 이는 사용 연료를 황 함유량이 높은 고유황 연료(2.4% S)의 사용에 기인한 것으로 보인다.

추가적으로 SMPS를 이용하여 저속 2행정 기관에서 배출되는 미세 입자의 크기별 수 농도를 측정한 결과 저 부하 구간인 Mode 4의 운전조건에서 축적모드(accumulation mode, Dp > 50nm)에 분포하는 미세 입자의 수가 타 모드에 비하여 높았다. 이는 동일한 운전조건에서 측정한 FSN 및 PAS 방법을 이용하여 블랙카본을 측정한 결과, 저부하 운전조건에서 FSN 측정값 및 soot 농도가 다른 운전조건에 비해 높은 것은 입자가 상대적으로 큰 영역에서의 수 농도 증가에 따른 결과로 판단된다. 이에 대한 원인으로는 다른 운전 조건에 비하여 연소실 내부에서 분사된 연료와 연소공기가 연소과정 중 상대적으로 농후한 구역에서 조대모드 입자가 만들어진 것으로 보인다.

[Fig. 5. Particle size distribution of 2-st marine engine]

선박의 주 추진용으로 활용되는 저속 2행정 기관의 경우, 장비의 최대 측정가능 FSN의 10%보다 낮은 측정값(0.5 미만)들을 확인할 수 있었다. 다만 블랙카본 규제가 시행될 경우, 블랙카본을 저감할 수 있는 후처리시스템의 장치들이 추가적으로 장착될 수 있으며, 후처리시스템 후단에서 측정하는 FSN 측정값은 측정기의 최소 측정값을 나타낼 수 있고, 측정 신뢰성에 대한 논란이 있을 수 있다.

이에 FSN 방법이 블랙카본을 측정할 수 있는 대표 측정법으로 정립된다면, 회원국 및 측정기 제조자 등 관련 기관과의 협의 하에 측정영역의 조정 또는 낮은 FSN 측정값에 대한 세세한 교정이 필요할 것으로 사료된다.