오일/물 유화를 통한 NOx 저감

질소 산화물(NO_x)은 인간의 건강과 환경에 즉각적인 위험을 초래하는 것으로 알려져 있습니다. 이동식 및 고정식 디젤 엔진과 가솔린 엔진은 전 세계 NO_x 배출에 크게 기여하고 있습니다. 연료를 물과 유화하는 것은 엔진의 NO_x 배출을 줄이는 방법입니다. 초음파 유화는 미세한 액적 크기의 연료/물 에멀션을 생성하는 효과적인 수단입니다.

자동차와 트럭, 항공기, 발전기, 지게차, 공조 장치 및 보일러는 석유 제품의 연소로 다량의 입자상 물질(PM)과 NO_x를 발생시킵니다. NO_x는 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO₂)뿐만 아니라 N₂O, NO₃, N₂O₄ 및 N₂O₅의 혼합물을 가리킵니다. 일산화질소와 이산화질소는 지표면 부근의 오존과 스모그 형성에 기여하며 환경과 인간에게 유해합니다. 환경 규제는 배출 허용 기준을 강화하여 대기 오염 물질 배출에 대응합니다. 엔진 배출물에는 연료에 함유된 황 화합물로 인해 이산화황(SO₂)도 포함됩니다. 이 문제는 수소화 탈황 또는 초음파 보조 탈황으로 완화됩니다.

연료/물 에멀션을 이용한 운전

최근 몇 년 동안 물이 NO_x 배출 수준에 미치는 영향에 관한 많은 연구가 수행되었습니다. 1:1에서 19:1까지 다양한 연료:물 부피비에서 연소 특성을 시험했습니다. 대부분의 경우 에멀션 안정화를 위해 부피 기준 1–2퍼센트의 계면활성제를 첨가했습니다.

연소의 기초

연료가 연소하면 열에너지와 기계적 에너지가 발생합니다. 기계적 에너지 부분은 추진이나 발전을 위해 피스톤 또는 터빈을 구동하는 데 사용할 수 있습니다. 대부분의 엔진에서는 열에너지가 사용되지 않습니다. 이로 인해 열역학적 효율이 낮아집니다.

연료 연소 과정에서 발생하는 약 90%의 NO_x는 NO입니다. NO는 주로 대기 중 질소(N₂)의 산화로 형성됩니다. 연료에 첨가된 물은 증발하면서 연소 온도를 낮춥니다. 연료–물 에멀션의 물이 증발하면 주변 연료도 기화됩니다. 이로 인해 연료의 표면적이 증가합니다. 낮아진 온도와 개선된 연료 분포는 NO_{x 생성 감소로 이어집니다}.

초음파 유화

여러 연구에서 연료 연소 시 물을 도입하면 NO_x 배출량이 감소하는 것으로 밝혀졌습니다. 물은 다음 두 가지 방식으로 연료/물 에멀션을 형성하여 첨가할 수 있습니다.

• 비안정화: 분사 전에 인라인 방식으로 연료에 물을 유화
• 안정화: 기존 연료를 그대로 대체할 수 있는 안정한 연료/물 에멀션 제조

Canfield (1999)는 물과 기타 첨가제 사용에 따른 NO_x 저감을 다음과 같이 요약합니다.

• 비안정화 에멀션
  • 물 첨가량 vol%: 10~80%
  • NO_x 저감률: 4~60%
• 안정화 에멀션
  • 물 첨가량 vol%: 25~50%
  • NO_x 저감률: 22~83%

에멀션

에멀션은 일반적으로 오일과 물처럼 서로 섞이지 않는 액체 (상)의 혼합물입니다. 유화 과정에서는 분산상(예: 물)을 액상(예: 오일)에 도입합니다. 높은 전단을 가하면 분산상의 입자 크기(= 액적 크기)가 감소합니다. 입자 크기가 작을수록 생성된 에멀션은 더 안정적입니다. 계면활성제나 안정제를 도입하면 안정성을 추가로 높일 수 있습니다. 위의 그림을 클릭하면 모터 오일(Velocite 3, Mobil Oil, 독일 함부르크)에 물 10%를 초음파로 유화한 결과 예시를 볼 수 있습니다. 이 연구는 Behrend와 Schubert (2000)가 수행했습니다.

초음파

액체에 고강도 초음파를 처리하면 액체 매질로 전파되는 음파가 고압(압축) 주기와 저압(희박) 주기를 번갈아 발생시키며, 주기가 반복되는 속도는 주파수에 따라 달라집니다. 저압 주기 동안 고강도 초음파는 액체에 작은 진공 기포나 공동을 생성합니다. 기포가 더 이상 에너지를 흡수할 수 없는 부피에 도달하면 고압 주기 동안 격렬하게 붕괴합니다. 이 현상을 캐비테이션이라고 합니다. 내파 중에는 국소적으로 매우 높은 온도(약 5,000K)와 압력(약 2,000atm)에 도달합니다. 캐비테이션 기포의 내파는 속도가 최대 280m/s에 이르는 액체 제트도 발생시킵니다.

초음파는 매우 균질한 에멀션인 유중수(w/o) 및 수중유(o/w) 에멀션을 높은 캐비테이션 전단으로 생성하는 것으로 입증되었습니다. 초음파 처리 매개변수는 정밀하게 제어할 수 있으므로 입자 크기와 분포도 원하는 대로 조절하고 반복해서 구현할 수 있습니다. 일반적으로 초음파는 플로우 셀 반응기에 적용됩니다. 따라서 에멀션을 인라인 방식으로 연속 제조할 수 있습니다. 이러한 이유로 초음파 처리는 안정화 및 비안정화 에멀션 제조에 사용할 수 있습니다.

아래 표는 다양한 초음파 출력 수준에서의 일반적인 처리 용량을 보여 줍니다.

초음파 탈기 및 소포

초음파는 에멀션 혼합물 내 공기 기포의 양을 줄이는 데에도 도움이 됩니다. 오른쪽 사진은 초음파 처리가 기포 함량에 미치는 영향을 보여 줍니다(왼쪽에서 오른쪽으로 5초 간격의 진행 사진). 기포 함량의 변화는 분사 시점의 변동을 일으키므로, 초음파 처리를 통한 탈기, 탈공기 및 소포는 엔진 성능을 개선합니다.

초음파 공정 장비

Hielscher는 대용량 초음파 장치의 세계적인 선도 공급업체입니다. Hielscher는 단일 장치당 최대 16kW 출력의 초음파 처리기를 제조하므로, 플랜트 규모나 처리 용량에 제한이 없습니다. 여러 16kW 시스템으로 구성된 클러스터가 기존 연료를 그대로 대체할 수 있는 연료의 대량 제조에 사용되고 있습니다. 산업용 연료 처리에는 많은 초음파 에너지가 필요하지 않습니다. 실제 에너지 요구량은 벤치톱 규모에서 1kW 초음파 처리기를 사용하여 확인할 수 있습니다. 이러한 벤치톱 시험의 모든 결과는 쉽게 스케일업할 수 있습니다.

초음파 처리 비용

초음파 처리는 효과적인 가공 기술입니다. 초음파 처리 비용은 주로 초음파 장치에 대한 투자비,
유틸리티 비용 및 유지보수 비용으로 구성됩니다. 뛰어난 에너지 효율 ( 도표 참조)을 갖춘 Hielscher 초음파 장치는 유틸리티 비용을 줄이는 데 도움이 됩니다.

참고 문헌

Behrend, O., Schubert, H. (2000): 초음파 유화에 대한 연속상 점도의 영향, 수록: Ultrasonics Sonochemistry 7 (2000) 77-85.

Canfield, A., C. (1999): 디젤–물 에멀션 연소가 디젤 엔진 NO_x 배출에 미치는 영향, 수록: University of Florida 대학원에 제출한 석사 학위 논문, 1999.