바이오디젤 및 바이오디젤 혼합연료의 저온물성 향상에 관한 연구 = A study on the improvement of the cold properties of biodiesel and biodiesel-blended fuels

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

South Korea is obligated to reduce greenhouse gases according to the "Paris Agreement", which is the new climate change regime, and regionally, the problems of fine dust are becoming worse. As a countermeasure to the aspects of fuel for transportation regarding the two environmental problems currently being faced, it is necessary to reduce environmental pollution released from diesel cars, and for this purpose, the expansion of the supply of biodiesel can be considered. Since it can be promptly applied without additional infrastructure, the expansion of the supply of biodiesel can be regarded as the most realistic countermeasure.
Although in South Korea a certain amount of biodiesel is already blended in diesel and distributed according to the Renewable Fuel Standards(RFS) in the transportation sector implemented on July 31, 2015, since biodiesel has poor cold properties compared to diesel, start-up failure of the vehicle may occur due to a decrease in cold flow property and Plugging of the filters in winter, and thus it is difficult to continually increase the blending ratio. Therefore, in this study, the following contents were confirmed through experiments in order to improve the cold properties of biodiesel and biodiesel-blended fuel: “Limitation of additional blending of biodiesel in diesel for cold weather, influence on cold properties by blending biodiesel or adding a WAFI(Wax Anti-Settling Flow Improver) in diesel base for cold weather and the resulting changes in density and kinematic viscosity, and the composition and changes in cold properties of Palm BD using distillation.”
First, it was confirmed that the maximum additional blending ratios of biodiesel satisfying the legal quality standards for the cold properties of diesel for cold weather were up to 5% for Palm BD and 20% for UCO BD(Used Cooking Oil BD). In addition, WAFI exhibited a more significant effect of improving the cold properties in diesel blended with UCO BD. In the overall analysis, there was almost no change in the CP(Cloud Point), but the PP(Pour Point) and the CFPP(Cold Filter Plugging Point) were improved, and among these, the PP was improved to the greatest extent. The influence of adding WAFI to each biodiesel-blended fuel on density was insignificant, and the kinematic viscosity did not satisfy the quality standards when 50,000 ppm of WAFI was added in BD100. In addition, Palm BD, which has cold properties, was subjected to an experiment in which the composition of the saturated fatty acids was changed through distillation, and the cold properties were tested. As a result, the overall amount of the saturated fatty acids was decreased by 30% or more in the residue sample after 95%-cut distillation, compared to the amount before distillation. Accordingly, it was analyzed that the CP and the PP were decreased by 14℃ to be 4℃ and 2℃, respectively, and the CFPP was decreased by 15℃ to be 2℃, which indicated that cold properties were significantly improved.

국문 초록 (Abstract)

우리나라는 新기후변화체제인 「파리협정(Paris Agreement)」에 의해 온실가스 감축의무가 있으며 지역적으로는 미세먼지 문제까지 심화되고 있다. 당면한 두 가지 환경문제에 대해 수송용 연료측면의 대응방안으로서 경유차의 저공해화가 필요하며 이를 위해 바이오디젤의 보급 확대를 생각해 볼 수 있다. 이는 추가적인 인프라 없이 신속히 적용 가능하기 때문에 가장 현실적인 대응방안이라고 할 수 있다. 우리나라는 이미 2015년 7월 31일 시행된 수송부문 신재생에너지 연료 혼합의무화제도(RFS; Renewable Fuel Standards)에 의해 경유 중 바이오디젤이 일정량 혼합되어 유통되고 있으나 바이오디젤은 경유와 비교해 저온물성이 열악하여 겨울철 유동성 감소 및 필터막힘으로 차량의 시동불량이 발생할 수 있으며 때문에 혼합비율을 계속적으로 늘리는 것에는 어려움이 따른다. 따라서 본 연구에서는 바이오디젤 및 바이오디젤 혼합연료의 저온물성 향상을 위해 다음과 같은 내용들을 실험을 통해 확인하였다. “1. 혹한기용 경유의 바이오디젤 추가 혼합 한계, 2. 혹한기용 경유 Base에 대한 바이오디젤 혼합의 영향 및 유동성향상제에 의한 저온물성 개선, 3. 이에 따른 밀도와 동점도 변화, 4. 증류를 이용한 Palm BD의 조성 및 저온물성 변화”
먼저, 혹한기용 경유의 법적 저온물성 품질기준을 충족하는 바이오디젤의 최대 추가 혼합비율은 Palm BD가 5%, UCO BD(Used Cooking Oil BD)는 20%로 확인되었다. 또한 유동성향상제(WAFI; Wax Anti-settling Flow Improver)는 UCO BD가 혼합된 경유에서 더욱 뚜렷한 저온물성 개선효과를 나타냈다. 전체 분석에서 담점은 거의 변화가 없었으나 유동점과 저온필터막힘점은 향상되었고 이 중 유동점이 가장 큰 폭으로 향상되었다. 각 바이오디젤 혼합연료의 WAFI 첨가에 대한 밀도영향은 미미하였고 동점도는 BD100에서 WAFI가 50,000ppm 첨가되었을 때 품질기준에서 벗어났다. 그리고 저온물성이 열악한 Palm BD의 포화지방산 조성을 변화시키기 위해 증류를 적용하고 조성변화를 유도하여 저온물성을 실험하였는데 95%-cut distillation 후 Residue sample에서 전체 포화지방산이 증류전과 비교하여 30% 이상 감소하였고 이에 따라 담점과 유동점이 14℃씩 강하되어 각각 4℃, 2℃, 그리고 저온필터막힘점이 15℃강하된 2℃로 분석되어 저온물성이 크게 향상되었다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1. 연구의 배경 및 목적 1
• 2. 바이오디젤 소개 5
• 1) 바이오디젤의 특성 및 장점 5
• 2) 국내 보급현황 및 국산화 비중 7
• 3. 바이오디젤 관련 국가정책 및 제도 8
• 1) 신재생에너지 연료 혼합의무화제도 8
• 2) 석유 및 석유대체연료 사업법 품질기준 9
• Ⅱ. 이론적 고찰 12
• 1. 선행연구 및 관련문헌 고찰 12
• 2. 바이오디젤 혼합연료의 저온물성 영향 요인 13
• 1) 원료별 지방산 조성에 따른 차이점 13
• 2) 저온유동성 향상제의 종류 및 역할과 작용 15
• Ⅲ. 연구방법 및 실험 17
• 1. 연구방법 17
• 2. 실험장치 및 실험방법 17
• 1) 담점(Cloud Point) 측정 18
• 2) 유동점(Pour Point) 측정 19
• 3) 저온필터막힘점(Cold Filter Plugging Point) 측정 20
• 4) Base sample 정성분석 및 Biodiesel 정량분석 21
• 5) 탄화수소분포 비교실험 22
• 6) Palm BD Fractional distillation 23
• 7) Density 측정 23
• 8) Kinematic viscosity 측정 24
• 3. 시료의 준비 25
• Ⅳ. 실험결과 고찰 29
• 1. Base sample의 물성분석 및 구조분석 29
• 1) 저온물성 및 밀도, 동점도 분석 29
• 2) 탄화수소 분포 비교 31
• 3) Base sample의 FT-IR 정성분석 및 Biodiesel 정량분석 32
• 2. 저온물성 개선에 관한 실험 35
• 1) 혹한기용 경유에 대한 Palm BD와 UCO BD 추가 혼합의 한계 35
• (1) Winter Spec. petro-diesel의 Palm BD 추가 혼합 영향 35
• (2) Winter Spec. petro-diesel의 UCO BD 추가 혼합 영향 36
• 2) 혹한기용 경유 Base에 대한 Palm BD와 UCO BD 혼합의 영향 37
• (1) Winter Spec. petro-diesel Base의 Palm BD 혼합 영향 37
• (2) Winter Spec. petro-diesel Base의 UCO BD 혼합 영향 38
• 3) 유동성향상제(WAFI)를 이용한 성능개선 및 BD100에의 적용 39
• (1) Palm BD 혼합 sample의 WAFI 첨가 영향 40
• (2) UCO BD 혼합 sample의 WAFI 첨가 영향 44
• (3) Palm BD100과 UCO BD100의 WAFI 첨가 영향 48
• 4) 증류를 이용한 Palm BD의 포화지방산 최소화 및 성능개선 50
• (1) Palm BD와 UCO BD의 조성분석 50
• (2) 30%-cut에서 residue와 recovery(C16 Rich) sample 비교 52
• (3) 60%-cut에서 residue와 recovery sample 비교 55
• (4) 95%-cut에서 residue(C18 Rich)와 recovery sample 비교 58
• 3. BD 혼합 및 고 함량 WAFI 첨가에 따른 밀도, 동점도 영향 62
• 1) BD 혼합에 따른 영향 62
• 2) WAFI 첨가에 따른 영향 64
• (1) Palm BD 혼합연료의 WAFI 첨가에 따른 영향 64
• (2) UCO BD 혼합연료의 WAFI 첨가에 따른 영향 67
• Ⅴ. 결론 70
• 참고문헌 73
• 영문초록(Abstract) 77