The Korean Society Of Automotive Engineers

Current Issue

Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers - Vol. 27 , No. 7

[ Article ]
Transactions of The Korean Society of Automotive Engineers - Vol. 27, No. 2, pp.77-84
Abbreviation: KSAE
ISSN: 1225-6382 (Print) 2234-0149 (Online)
Print publication date 01 Feb 2019
Received 06 Aug 2018 Revised 12 Sep 2018 Accepted 13 Sep 2018
DOI: https://doi.org/10.7467/KSAE.2019.27.2.077

커피박 열분해유-부탄올 혼합연료의 디젤 트랙터 적용 가능성에 관한 연구
임준빈1) ; 윤천석2) ; 이석환*, 3) ; 김기백3)
1)한남대학교 대학원 기계공학과
2)한남대학교 기계공학과
3)한국기계연구원 그린동력연구실

A Feasibility Study of Using Coffee Ground Oil-Butanol Blended Fuel in a Diesel Tractor
Junbeen Yim1) ; Seog Yoon2) ; Seokhwan Lee*, 3) ; Gibaek Kim3)
1)Department of Mechanical Engineering, Graduate School, Hannam University, Daejeon 34430, Korea
2)Department of Mechanical Engineering, Hannam University, Daejeon 34430, Korea
3)Department of Engine Research, Korea Institute of Machinery & Materials, 156 Gajeongbuk-ro, Yuseong-gu, Daejeon 34103, Korea
Correspondence to : *E-mail: E-mail: shlee@kimm.re.kr


Copyright Ⓒ 2019 KSAE / 159-01
This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium provided the original work is properly cited.
Funding Information ▼

Abstract

Coffee ground oil(CGO) has been considered as an alternative fuel for diesel engines. However, the direct use of CGO in diesel engines presents certain problems, such as clogging in the fuel supply system and misfiring due to poor fuel properties, such as high viscosity, high acidity, and low cetane number. To compensate for those problems, CGO was blended with alcohol fuel(n-butanol) and cetane enhancements(PEG 400 and 2-EHN) that could be applied in a diesel tractor. The driving and exhaust emission characteristics of a diesel tractor operating with blended fuel were investigated, and compared to diesel fuels. Experimental results showed that a highly stable driving performance could be achieved with 30 wt % content of CGO blended fuel. Although carbon monoxide(CO) and nitrogen oxide(NOx) emissions slightly increased, particulate matter(PM) emission significantly decreased due to the high oxygen content in the blended fuels.


Keywords: Fast pyrolysis, Coffee ground oil, Biomass, Butanol, Blended fuel, Diesel tractor
키워드: 급속열분해, 커피박 열분해유, 바이오매스, 부탄올, 혼합연료, 디젤 트랙터

1. 서 론

최근 무분별한 화석연료 사용으로 인해 환경오염에 대한 우려가 전 세계적으로 증가하면서 배기규제를 강화하는 동시에 화석연료에 대한 의존도를 줄이기 위해 재생 가능한 에너지원(Renewable energy)을 이용하고자 하는 연구들도 활발히 진행되고 있다. 이 중 바이오매스를 원료로 하여 액체, 기체상의 연료를 제조하는 기술들이 연구되고 있다.1) 이러한 기술들 중에서도 급속열분해(Fast pyrolysis) 공정은 무산소 조건에서 바이오매스를 2초 이내 짧은 시간 동안 열분해하여 기체, 액체상의 연료로 전환시키는 기술이며 반응 온도 및 체류 시간에 따라 기체상의 연료나 열분해유(Pyrolysis oil, PO) 또는 바이오오일(Bio oil)이라고 불리는 액체상의 연료로 전환시킬 수 있다.2,3) 바이오매스를 원료로 생산되는 바이오연료를 내연기관에 적용시킬 경우 탄소 중립(Carbon neutral) 효과를 얻을 수 있는데,4) 일부 연료의 경우 이미 상용화 되어 기존 화석연료를 대체하여 사용되고 있다.5) 풍부한 목재 자원이 있는 북미와 북유럽에서는 폐목재를 원료로 생산된 목질계 열분해유(Wood pyrolysis oil, WPO)를 적용한 열병합 발전소가 건설되었고, 가스터빈6) 및 디젤엔진에 사용하여 발전하는 기술들이 연구되고 있다.7) 또한, 자동차나 선박과 같은 수송용 디젤엔진의 연료로 직접 사용하기 위해 열분해유와 디젤을 유화한 유상액(Emulsion)을 디젤엔진에 적용시켜 연소 및 배출가스 특성을 비교한 연구가 진행되었으며,8) 열분해유를 디젤엔진에 적용하기 위해 세탄가 향상제를 첨가한 혼합연료를 사용하여 디젤과 동등한 수준의 연소 성능을 확보한 연구결과도 보고되고 있다.9)

최근 식용작물, 폐목재를 원료로 생산된 열분해유 이외에도 커피 원두에서 추출하고 남은 커피박을 원료로 생산된 커피박 열분해(Coffee ground oil, CGO)의 활용 가능성에 대한 연구가 진행되고 있다. 국내의 경우 2017년 기준 총 커피 소비량은 230만 팩(60 kg/bag)으로 세계 7위를 기록할 정도로 커피시장이 빠르게 성장하고 있어 기존 화석연료를 대체할 수 있는 신재생에너지원의 원료로 주목받고 있다.10) 커피를 추출할 때 커피 원두의 19 %만이 에스프레소(Espresso)로 추출되고 나머지 81 %는 커피박으로 버려지게 된다.11) 이렇게 버려지는 커피박을 원료로 하여 커피박 열분해유를 제조할 경우 안정적으로 공급이 가능할 뿐만 아니라 생산 비용을 크게 낮출 수 있는 장점을 가지고 있다.

열분해유의 물성치는 원료인 바이오매스의 종류 및 생산 공정에 따라 큰 차이를 보이지만 보통 20 ~ 30 %의 수분함유량과 35 ~ 60 %의 높은 산소 성분을 포함하고 있어 디젤에 비해 발열량이 1/3 수준이다. 열분해유의 낮은 세탄가(5 ~ 25)로 인해 디젤엔진에 단독으로 사용 시 자발화 되지 않으며, 높은 산성(pH 2 ~ 3)과 수분함유량에 의해 장시간 사용하게 되면 연료 공급계 부식을 촉진시킨다. 또한 열분해유에 포함된 타르(Tar)는 중합반응(Polymerization)을 통해 점도가 높은 고체입자를 형성하며, 이는 인젝터나 연료펌프 내부에 고착(Clogging)되어 연료계통 장치들의 성능을 단시간에 저하시키게 된다.6,12,13)

열분해유를 가장 간단하게 디젤엔진에 적용하는 방안으로는 기존의 디젤이나 바이오디젤 연료와 혼합한 혼합유를 사용하는 것이다. 하지만 열분해유와 디젤 및 바이오디젤은 서로 극성(Polarity)이 달라서 완전히 혼합되지 않고 층이 발생하게 된다. 따라서 열분해유와 디젤을 혼합하기 위해서는 적절한 계면활성제(Surfactant)를 첨가한 후 교반작업을 거친 유상액을 만들어야 하는 번거로움이 있다. 또한 장시간 보관할 경우 다시 층이 지며 재교반 작업을 요구하게 된다.14) 유상액을 만들어 사용하는 방법 이외에도 에탄올, 메탄올, 부탄올과 같은 알코올계 연료를 용매(Co-solvent)로 사용하여 혼합하는 것이 더욱 간단한 방법이다. 열분해유와 알코올계 연료를 혼합하게 되면 점도, 산성, 발열량 등 열분해유가 가지고 있는 단점을 보완할 수 있다.15) 하지만 열분해유와 알코올계 연료를 혼합한 혼합연료를 디젤엔진에 사용할 경우 세탄가가 낮아 자발화 되지 않기 때문에 세탄가 향상제를 추가적으로 첨가하여야 한다.16,17)

본 연구에서는 커피박을 원료로 제조된 커피박 열분해유의 단점을 보완하기 위해 알코올계 연료인 n-부탄올과 세탄가 향상제인 PEG 400(Polyethylene glycol 400), 2-EHN(2-Ethylhexyl nitrate)을 혼합한 혼합연료를 제조하여 상용화된 디젤 트랙터에 적용하여 실험을 진행하였다. 엔진회전수를 2300과 3000 rpm으로 각각 고정한 후 가속페달을 최대로 밟아 전부하(Full load)상태를 유지하여 실험을 진행하였으며 실제 주행성능, 가스 및 입자상 배출가스의 배출 특성을 파악하였다.


2. 실험장치 및 방법
2.1 실험연료

본 연구에서 사용되는 커피박 열분해유는 15.5 kg/h의 생산 능력을 가지는 경사형 슬라이드 반응기에서 커피박을 원료로 급속 열분해 공정을 통해 제조되었다.18,19) 공인분석기관인 한국석유관리원에 의뢰하여 측정된 디젤, 커피박 열분해유, 부탄올, PEG 400, 2-EHN 및 이전 연구에서 사용된 목질계 열분해유의 물성치를 Table 1에 제시하였다.

Table 1 
Fuel properties of test fuels
Fuel LHV
(MJ/kg)
Water
(wt%)
C
(wt%)
H
(wt%)
O
(wt%)
Density
(kg/m3)
Viscosity
(mm2/s at 40°C)
Diesel 42.6 - 86.1 13.9 0.0 821.0 2.7
CGO (Coffee ground oil) 33.9 23.0 54.6 9.6 34.5 1005.0 9.2
WPO (Wood pyrolysis oil) 15.9 33.6 41.0 10.1 48.8 1193.5 9.5
n-butanol 33.1 0.0 64.8 13.6 21.6 810.0 3.6
PEG 400 (Polyethylene glycol 400) 23.2 0.5 52.1 9.2 38.7 1073.0 4.5
2-EHN (2-Ethylhexyl nitrate) 15.8 0.5 54.9 9.7 27.4 960.0 1.8

커피박 열분해유의 경우 디젤에 비해 발열량이 낮지만 이전 연구에서 사용된 목질계 열분해유에 비해 발열량이 2배 이상 높으며, 부탄올과 비슷한 수치의 발열량을 갖는다. 점도는 9.2 mm2/s로 혼합연료를 구성하는 연료 중 가장 높으며, 연료 내 수분함유량과 산소 성분이 23 %, 35 % 포함하고 있어 34 %, 49 % 포함되어 있는 목질계 열분해유에 비해 상대적으로 적지만 여전히 독립적으로 디젤엔진에 사용하기는 부적합하다는 것을 알 수 있다. 하지만 디젤에 비해 커피박 열분해유와 부탄올의 높은 산소성분은 디젤엔진 적용 시 연소안정성을 향상시키고, 연소과정에서 생성된 탄화수소를 산화시켜 입자상물질(Particulate matter, PM)의 배출을 저감시킬 수 있지만 추가적인 산소 공급으로 이론공연비 연소 영역이 증가하여 고온 영역에서 질소산화물(Nitrogen oxide, NOX) 배출량은 증가할 수 있다.14,16,18)

커피박 열분해유의 중합을 방지하고 높은 점도를 낮추기 위해 부탄올을 40 ~ 70 % 혼합하고, 디젤엔진에서 충분한 자발화 성능을 보완하기 위해 세탄가 향상제(PEG 400 및 2-EHN)를 첨가하였다. 또한 연료공급계의 기계적 마모를 줄이기 위해 모든 혼합연료에 윤활제로 사용되는 루브리졸(Lubrizol)을 500 ppm 추가적으로 첨가하였다. 실험에 사용된 혼합연료를 구성하는 각 연료의 혼합비를 Table 2에 제시하였으며, 혼합연료의 혼합비는 모두 질량비율 기준으로 제조되었다. 기본 연료는 부탄올, PEG 400, 2-EHN을 70 : 25 : 5 혼합하여 제조하였으며, 커피박 열분해유를 10 % 간격으로 0 ~ 30 %의 비율로 혼합되었다. 커피박 열분해유의 비율을 증가한 만큼 부탄올의 비율을 감소시켜 혼합연료를 제조하였다.

Table 2 
Composition of blended fuels with different CGO contents
Fuel CGO
(wt%)
n-butanol
(wt%)
PEG 400
(wt%)
2-EHN
(wt%)
CGO 0 0 70 25 5
CGO 10 10 60 25 5
CGO 20 20 50 25 5
CGO 30 30 40 25 5

2.2 실험방법 및 주행경로

실도로 주행 측정을 위한 트랙터 및 실험 장치의 개략도와 트랙터에 장착된 엔진의 주요 사양을 Fig. 1Table 3에 각각 나타내었다. 본 연구에서 사용된 트랙터에는 연료의 품질에 덜 민감한 기계식 연료공급계가 장착되어 있다. 또한 농업용 트랙터의 경우 별도의 국내 배출규제가 없으므로 후처리 장치는 장착되어 있지 않다.


Fig. 1 
Photo of on-road tractor test setup

Table 3 
Specification of the test engine
Specification Resource
Model (Company) E673L-F (Shibaura)
Displacement 761 cc
Cylinder 3
Intake system Natural aspiration
Compression ratio 23.5
Rated speed 3200 rpm
Rated power 13.4 kW

측정기기에 필요한 전원을 공급하기 위해 인버터무소음발전기(EU20i, Honda Co.)를 사용하였으며, 흡입되는 공기의 양을 측정하기 위해 흡기관에 층류 유량계(Meriam Inst. Co.)를 설치하였다. 트랙터의 차속은 GPS를 이용하여 실시간으로 측정하였으며, 연료량은 일정 시간 동안 소모된 연료의 양을 저울을 이용해서 측정하였다. 미연탄화수소(HC; 검출 한계 : 2,000 ppm), 일산화탄소(CO; 검출 한계 : 10 %), 이산화탄소(CO2; 검출 한계 : 20 %) 및 질소산화물(NOX; 검출 한계 : 1,000 ppm)의 배출가스를 측정하기 위해 휴대용 배기가스분석기(DELTA 1600-V, MRU Co.)를 사용하였으며, 입자상물질(PM)의 질량농도를 측정하기 위해 광산란 방식의 에어로졸 모니터(Dusttrak DRX 8533, TSI Co.)를 사용하였다. 또한 입자상물질의 개수농도와 입경별 개수농도분포를 측정하기 위해 5.6 ~ 560 nm의 입경 크기를 가지는 입자들을 1초에 한 번씩 측정할 수 있는 FMPS(Fast Mobility Particle Sizer, TSI Co, 3091)를 사용하였다. 배기관 후단에서 샘플링된 가스를 에어로졸 모니터와 FMPS로 바로 측정할 경우 농후한 오염물질의 농도 때문에 장비의 고장으로 이어질 수 있어 배출가스를 100 ~ 1,000 배 희석 가능한 Diluter(DEED-100, Dekati Co.)를 사용하여 약 100:1로 희석된 배기가스를 에어로졸 모니터와 FMPS를 이용하여 분석하였다.

Fig. 2에 나타낸 실험 주행경로는 총 5 km로 구성되어 있으며, 한국기계연구원을 출발하여 대덕대학교, 한스코 기술연구소, 성덕중학교, 자운대 네거리, 충렬사 삼거리, 한국기계연구원으로 돌아오는 순서로 구성하였다. 커피박 열분해유에 포함된 침전물로부터 연료공급계를 보호하기 위해 디젤을 사용하여 실험 전후 엔진을 10분 동안 운전하였으며, 연료 교체 시 연료라인 및 분사계에 남아있는 연료들을 완전히 제거하여 잔류연료들과의 혼합을 방지하였다. 실험 종료 후에는 연료공급계 내에 남아있는 응고 물질을 분해 및 세척하기 위해 커피박 열분해유가 포함되지 않은 기본 혼합연료를 사용하여 엔진을 세척하였다.


Fig. 2 
Map of test route for diesel tractor


3. 결과 및 고찰
3.1 주행성능

엔진회전수 2300과 3000 rpm 조건에서 디젤 및 혼합연료를 사용하여 주행한 결과를 Table 4에 나타내었다. 주행 결과 평균주행속도는 각각 7.94, 8.64 km/h로 연료에 상관없이 동등한 수준의 속도로 운전되었다. 연료 분사량으로 부하를 조절하는 디젤엔진의 특성으로 인하여 동등한 주행속도를 유지하기 위해 디젤보다 발열량이 낮은 혼합연료의 소모량이 증가할 것으로 예상된다. CGO 0, 10, 20, 30 혼합연료 모두 실 도로 조건에서 주행 시 연료공급계 막힘 현상이나 시동 꺼짐 등과 같은 이상 현상 없이 정상적으로 주행됨을 확인하였다.

Table 4 
Driving characteristics of various test fuels at 2300, 3000 rpm
Engine speed
(rpm)
Fuel Time
(s)
Distance
(km)
Avg. speed
(km/h)
2300 Diesel 2284 5.02 7.91
CGO 0 2282 5.03 7.94
CGO 10 2294 5.07 7.96
CGO 20 2268 5.00 7.94
CGO 30 2282 5.04 7.95
3000 Diesel 2108 5.06 8.64
CGO 0 2110 5.04 8.60
CGO 10 2104 5.03 8.62
CGO 20 2100 4.99 8.55
CGO 30 2102 5.06 8.67

3.2 연료소비율

Fig. 3은 엔진회전수에 따른 트랙터의 연료소비율(Fuel consumption)을 시험 연료별로 나타낸 그래프이다. Table 1에서 보는 바와 같이 디젤의 저위발열량은 42.6 MJ/kg로 시험 연료 중 가장 높기 때문에 동일 부하를 만족하기 위한 연료량이 적으므로 디젤의 연료소비율은 2300 rpm 조건에서 223.3 g/km・h로 가장 낮다. 반면 커피박 열분해유의 저위발열량은 33.9 MJ/kg, 부탄올은 33.1 MJ/kg으로 두 연료의 발열량 차이가 크지 않기 때문에 CGO 0, 10, 20, 30의 연료소비율은 302.9, 321.6, 330.9, 330.6 g/km・h로 혼합연료간의 연료소비율 차이는 크지 않았다. 3000 rpm 조건에서의 연료소비율 역시 2300 rpm의 결과와 동일한 경향을 나타낸다.


Fig. 3 
Fuel consumption (FC) of various test fuels at 2300, 3000 rpm, full load

3.3 배출가스 온도

Fig. 4는 엔진회전수에 따른 배출가스의 온도를 시험 연료별로 나타낸 그래프이다. 엔진회전수 2300과 3000 rpm 조건에서 주행한 결과 시험 연료와 상관없이 동등한 수준의 온도가 측정되었다. 커피박 열분해유에 포함된 수분성분과 함산소성분은 배출가스 온도에 각기 다른 영향을 미치게 된다. 연료 내의 수분성분은 연소가 되는 과정에서 증발되면서 연소열을 뺏어오기 때문에 배출가스의 온도를 낮추게 되고, 산소성분은 연소 활성화를 촉진시켜 배출가스의 온도를 높이는 역할을 한다. 이 두 성분으로 인한 효과가 서로 상쇄되기 때문에 시험 연료에 상관없이 배출가스가 동등한 수준의 온도로 배출된 것으로 판단된다.


Fig. 4 
Exhaust gas temperature of various test fuels at 2300, 3000 rpm, full load

3.4 가스상 배출가스 배출특성
3.4.1 일산화탄소(CO)

Fig. 5는 엔진회전수에 따라서 시험 연료별로 측정한 일산화탄소 배출결과를 나타낸 그래프이다. CO의 배출특성은 일반적으로 연소실 내에 존재하는 농후한 혼합기 및 분무되는 연료의 미립화(Atomization) 특성에 큰 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 혼합연료의 경우 디젤에 비하여 산소 성분이 높아서 농후한 혼합기가 감소하므로 CO가 저감될 가능성도 있지만 혼합연료를 구성하고 있는 연료 중 2-EHN을 제외하고는 모두 디젤보다 점도가 높기 때문에 연료의 미립화 특성이 저하되어 디젤에 비해 높은 CO 배출량을 나타내고 있다. 커피박 열분해유가 포함되지 않은 CGO0의 경우 디젤과 동등한 수준의 CO 배출량을 나타내었다. 커피박 열분해유의 비율이 증가하는 경우 상대적으로 부탄올의 비율이 감소하여 전체적인 연료의 점도가 증가하게 되고 연료의 미립화 특성이 저하되기 때문에 CO 배출량은 증가하였다. 또한 엔진회전수가 증가하면서 CO 배출량은 증가하는데 이는 엔진회전수가 증가함에 따라 최대부하가 증가하게 되고 연소실 내 분무되는 연료량의 증가로 인해 국부적으로 농후한 혼합기가 증가하기 때문에 CO의 배출량이 증가한 것으로 판단된다.


Fig. 5 
Avg. CO emission of various test fuels at 2300, 3000 rpm, engine load

3.4.2 이산화탄소(CO2)

Fig. 6은 엔진회전수에 따라서 시험 연료별로 측정한 이산화탄소 배출결과를 나타낸 그래프이다. 측정 결과 이산화탄소 배출량은 시험 연료와 상관없이 동등한 수준으로 배출되었다. 이는 운전 조건을 시험 연료와 상관없이 모두 전부하 상태를 유지하여 진행되었기 때문으로 생각된다. 다만, 엔진회전수를 2300에서 3000 rpm으로 높이면서 도달하는 최대부하 역시 증가하여 CO2 배출량도 증가하였다.


Fig. 6 
Avg. CO2 emission of various test fuels at 2300, 3000 rpm, full load

3.4.3 질소산화물(NOX)

Fig. 7은 엔진회전수에 따라서 시험 연료별로 측정한 질소산화물 배출결과를 나타낸 그래프이다. NOX의 배출특성은 일반적으로 연소온도와 연료 내 포함된 산소성분에 큰 영향을 받는 것으로 알려져 있다.16,20) 디젤에 비하여 혼합연료를 사용하는 경우 NOX 배출량이 높고, 커피박 열분해유의 비율이 증가할수록 배출량은 증가하는 경향을 보였다. 이는 커피박 열분해유의 비율이 증가할수록 연료 내 산소성분이 증가하여 연소실 내에서 NOX 형성을 촉진시켜 NOX 배출량이 증가한 것이다. 커피박 열분해유에 포함된 수분성분은 연소 과정에서 열을 흡수하여 연소온도를 낮출 수 있으므로 NOX를 저감할 수 있지만 수분성분에 의한 효과보다는 함산소 성분에 의한 효과가 더 지배적인 것으로 판단된다. 커피박 열분해유가 포함되지 않은 CGO0의 경우에는 수분성분에 의한 연소온도 냉각효과를 얻을 수 없으므로 CGO10에 비해 2,300 rpm 조건에서 NOX 배출량이 높게 나타났다.


Fig. 7 
Avg. NOX emission of various test fuels at 2300, 3000 rpm, full load

3.5 입자상물질(PM) 배출특성
3.5.1 입자상물질 질량농도

Fig. 8은 FMPS를 사용하여 측정한 각 연료별 입자상물질(PM)의 배출량을 나타낸 그래프이다. 일반적으로 디젤엔진에서 PM은 연소실 내 농후한 혼합기 영역에서 다량 발생한다. 디젤의 경우 엔진회전수가 증가하면서 연소실 내 분무되는 연료량이 증가하게 되고 이로 인해 농후한 혼합기가 다량 존재하여 PM 농도는 증가하였다. 하지만 혼합연료의 경우 디젤에 비해 PM이 상당히 적게 배출되었다. 이는 혼합연료를 구성하고 있는 커피박 열분해유와 부탄올의 높은 산소성분이 연소 시 연소실 내 국부적으로 존재하는 농후한 영역을 이론공연비 혹은 희박한 영역으로 바꿔주며, 연소 과정에서 생성된 탄화수소를 산화시키기 때문이다. 또한 함산소 연료를 사용하여 연소할 경우 산소 원자에 결합된 탄소 원자는 서로 결합되지 않아 검댕(Soot) 생성에 관여하지 않은 것으로 알려져 있다.21) 기본 연료에 비해서 커피박 열분해유를 첨가하는 경우 PM이 증가하는 경향을 보이는데 이는 열분해유에 포함된 타르와 같은 고분자물질들이 연소 시 카본 찌꺼기를 생성하는 경향을 보이는데 이에 따른 현상이라고 사료된다.


Fig. 8 
Particle matter(PM) mass of various test fuels at 2300, 3000 rpm, full load

3.5.2 입자상물질 입경별 수농도 분포

Fig. 9는 엔진회전수에 따라서 시험 연료별로 측정한 입자상물질의 입경별 수농도 분포를 나타낸 그래프이다. 혼합연료의 경우 대부분의 입자가 50 nm 이하의 입경 크기를 갖는 핵 모드(Nuclei mode) 영역에 존재하며, 핵 모드 영역에 위치하는 입자는 디젤에 비해 높은 수농도를 보이고 있다. 이는 혼합연료를 구성하고 있는 커피박 열분해유와 부탄올의 높은 산소성분이 검댕(Soot)을 구성하는 탄소결합을 분열시켜 더 작은 크기의 검댕 입자로 배출된 것으로 판단된다. 또한 커피박 열분해유의 비율이 증가할수록 연료 내 고분자물질의 증가로 인하여 30 nm 부근의 최빈값을 가지는 핵 모드 영역의 입자 수농도가 급격하게 증가하는 것을 확인하였다. 비록 핵모드 영역의 입경 크기를 가지지만 수농도가 급격하게 증가하여 Fig. 8에서 보는바와 같이 PM 배출량의 증가에 영향을 미친 것으로 판단된다.


Fig. 9 
Particle number size distributions of various test fuels at (a) 2300, (b) 3000 rpm, full load

디젤의 경우 대부분의 입자가 50 ~ 1000 nm의 입경 크기를 가지는 축적모드(Accumulation mode) 영역에서 더 높은 수농도를 보이는데 이 영역에 위치하는 입자는 작은 입자들이 서로 뭉치는 응집현상(Agglomeration)이 진행되어 생성된 Soot 입자로서 입자상 물질의 질량농도에 상대적으로 큰 영향을 미치는 입자들이다. 따라서 Fig. 8과 같이 디젤이 혼합연료에 비하여 현저히 높은 PM 질량농도를 보이는 것도 축적 모드 영역에서 입자의 수농도가 높았기 때문이라고 판단된다.


4. 결 론

디젤의 대체 연료로서 제안된 커피박 열분해유/부탄올 혼합연료의 디젤 엔진 적용 가능성에 대한 연구를 수행하였으며, 디젤 트랙터에서 주행성능 및 배출가스 특성을 측정한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

  • 1) 커피박 열분해유가 포함된 혼합연료를 디젤 트랙터에 적용하여 실도로 주행 조건에서 실험한 결과 이상 현상 없이 주행되어 실차 주행가능성을 확인하였다.
  • 2) 주행 거리 당 연료소비율을 측정한 결과 발열량이 높은 디젤의 연료소비율이 제일 낮게 측정되었으며, 커피박 열분해유와 부탄올의 발열량 차이는 크지 않기 때문에 혼합연료간의 연료소비율은 동등 수준을 나타내었다.
  • 3) 커피박 열분해유에 포함된 수분성분과 함산소성분의 영향으로 시험 연료에 상관없이 동등한 수준의 배출가스 온도로 배출되었다.
  • 4) 혼합연료의 높은 점도로 인해 연료 분사 시 미립화 특성이 저하되어 CO 배출량이 디젤에 비해 높게 측정되었다.
  • 5) 커피박 열분해유에 포함된 수분성분과 산소성분이 NOX 형성에 상반관계(Trade-off)임에도 불구하고 산소성분이 더 지배적으로 작용하여 혼합연료의 NOX 배출량이 디젤에 비해 높게 측정되었다.
  • 6) 혼합연료의 경우 디젤에 비해 PM 배출량이 상당히 적게 측정되었다. 이는 커피박 열분해유와 부탄올의 높은 산소성분이 연소실 내 국부적으로 농후한 영역을 희박하게 만들고, 이미 생성된 검댕을 산화시키기 때문이다.
  • 7) 혼합연료의 경우 연료 내 포함된 산소성분이 검댕을 구성하는 탄소결합을 분열시켜 더 작은 크기의 입자로 배출되어 핵 모드 영역에 집중되었으며, 입자의 수농도는 디젤에 비해 높게 측정되었다. 반면 디젤의 경우 탄소 결합에 의해 발생하는 입자들로 인해 축적 모드 영역에서 높은 입자의 수농도를 보였으며, 이 영역에 존재하는 입자들은 입자상물질의 질량 농도를 결정한다.

Acknowledgments

A part of this paper presented at the KSAE 2018 Spring Conference

본 연구는 한국기계연구원의 융합사업인 “안정화공정이 결합된 급속열분해를 통한 바이오원유 제조와 초임계유체를 이용한 바이오원유의 촉매탈산소 기술개발” 사업 및 일부 2018년도 정부(과학기술정보통신부, 환경부, 산업통상자원부)의 재원으로 한국연구재단-탄소자원화 국가전략프로젝트사업(2017M3D8A2086042)의 지원을 받아 수행되었습니다.


References
1. M. Ringer, V. Putsche, and J. Scahill, Large-Scale Pyrolysis Oil Production: A Technology Assessment and Economic Analysis, Technical Report, NREL/TP-510-37779, (2006).
2. S. Y. No, “Application of Bio-oils from Lignocellulosic Biomass to Transportation, Heat and Power Generation-A Review”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 40, p1108-1125, (2014).
3. D. Mohan, C. U. Pittman, and P. H. Steele, “Pyrolysis of Wood/Biomass for Bio-oil: A Critical Review”, Energy & Fuels, 20(3), p848-889, (2006).
4. R. A. Sedjo, “Comparative Life Cycle Assessments: Carbon Neutrality and Wood Biomass Energy”, Discussion Paper, (2013).
5. G. R. Timilsina, and A. Shrestha, “How Much Hope Should We Have for Biofuels?”, Energy, 36(4), p2055-2069, (2011).
6. D. Chiaramonti, A. Oasmaa, and Y. Solantausta, “Power Generation Using Fast Pyrolysis Liquids from Biomass”, Renewable and & Sustainable Energy Reviews, 11(6), p1056-1086, (2007).
7. Y. Solantausta, N. Nylund, M. Westerholm, T. Koljonen, and A. Oasmaa, “Wood-pyrolysis Oil as Fuel in a Diesel-power Generation”, Bioresource Technology, 46, p177-188, (1993).
8. C. Bertoli, J. D’Alessio, N. Giacomo, M. Lazzaro, P. Massoli, and V. Moccia, “Running Light-Duty DI Diesel Engines with Wood Pyrolysis Oil”, SAE 2000-01-2975, (2000).
9. R. Prakash, R. K. Singh, and S. Murugan, “Performance and Emission Studies in a Diesel Engine Using Bio Oil-Diesel Blends”, 2nd International Conference on Environmental Science and Technology, 6(2), p428-433, (2011).
10. International Coffee Organization, Word Coffee Consumption, http://www.ico.org/prices/new-consumption-table.pdf, (2018).
11. Z. Al-Hamamre, S. Foerster, F. Hartmann, M. Kroger, and M. Kaltschmitt, “Oil Extracted from Spent Coffee Grounds as a Renewable Source for Fatty Acid Methyl Ester Manufacturing”, Fuel, 96(1), p70-76, (2012).
12. D. Chiaramonti, M. Bonini, E. Fratini, G. Tondi, K. Gartner, A. V. Bridgwater, H. P. Grimm, I. Soldaini, A. Webster, and P. Baglioni, “Development of Emulsions from Biomass Pyrolysis Liquid and Diesel and Their Use in Engines-Part 2: Tests in Diesel Engines”, Biomass & Bioenergy, 25(1), p101-111, (2003).
13. B. V. Beld, E. Holle, and J. Florijn, “The Use of Pyrolysis Oil and Pyrolysis Oil Derived Fuels in Diesel Engines for CHP Applications”, Applied Energy, 102, p190-197, (2013).
14. S. H. Lee, J. H. Park, Y. Choi, S. J. Woo, and K. Y. Kang, “Performance and Emission Characteristics of a Diesel Engine Operated with Wood Pyrolysis Oil”, Transactions of KSAE, 20(5), p102-112, (2012).
15. A. Acala, and A. V. Bridgwater, “Upgrading Fast Pyrolysis Liquids: Blending Bio-oil, Biodiesel and (bio) Alcohols”, TCbiomass, Chicago, (2011).
16. T. Y. Kim, and S. H. Lee, “Combustion and Emission Characteristics of Wood Pyrolysis Oil-Butanol Blended Fuel in a DI Diesel Engine”, Int. J. Automotive Technology, 16(6), p903-912, (2015).
17. S. H. Lee, and T. Y. Kim, “Feasibility Study of Using Wood Pyrolysis Oil-ethanol Blended Fuel with Diesel Pilot Injection in a Diesel Engine”, Fuel, 162, p65-73, (2015).
18. J. B. Yim, S. H. Lee, G. B. Kim, and C. S. Yoon, “A Study on the Driving and Emission Characteristics of Diesel Tractor Operated with Coffee Ground Oil-Butanol Blended Fuel”, KSAE Spring Conference Proceedings, p219, (2018).
19. Y. S. Choi, S. K. Choi, S. J. Kim, Y. W. Jeong, R. Soysa, and T. Rahman, “Fast Pyrolysis of Coffee Ground in a Tilted-Slide Reactor and Characteristics of Biocrude Oil”, Environmental Progress & Sustainable Energy, 36(3), p655-661, (2017).
20. J. B. Heywood, Internal combustion engine fundamentals, McGraw-Hill, New York, (1988).
21. C. K. Westbrook, W. J. Pitz, and H. J. Curran, “Chemical Kinetic Modeling Study of the Effects of Oxygenated Hydrocarbons on Soot Emissions for Diesel Engines”, The Journal of Physical Chemistry A, 110(21), p6912-6922, (2006).