The Size Effect of TiO₂ Nanoparticles as a Promising Fuel Additive for Diesel and Waste Tyre Pyrolysis Oil Blend: Assessment of Thermodynamic, Environmental, and Economic Parameters

기술 요약: 디젤 및 폐타이어 열분해유 혼합 연료용 TiO₂ 나노입자의 크기 효과

문제 제기
본 연구는 화석 연료 고갈과 환경 오염이라는 이중 과제를 다루며, 특히 폐타이어 관리와 내연기관(ICE) 성능 최적화에 초점을 맞춘다. 폐타이어 열분해유(WTPO)는 잠재적인 재생 가능 연료원이지만, 낮은 발열량, 높은 점도, 그리고 CO, HC, NOx의 높은 배출량과 같은 기술적 단점을 가지고 있다. 나노입자 첨가제가 연소 개선에 유망하다는 점은 입증되었으나, 기존 문헌에서는 나노입자의 '크기'가 WTPO-디젤 혼합 연료의 열역학적, 경제적, 환경적 성능에 미치는 구체적인 영향에 대한 종합적인 평가가 부족하다. 본 연구는 다양한 크기(13 nm, 28 nm, 38 nm)의 이산화티타늄(TiO₂) 나노입자가 다양한 엔진 부하 범위에서 20% WTPO-디젤 혼합물(P20)에 미치는 영향을 평가함으로써 이 공백을 메우고자 한다.

연구 방법론
본 연구는 다각적인 실험적 및 분석적 접근 방식을 채택하였다:

• 실험 설정: 테스트는 일정한 속도인 1500 rpm으로 작동하는 단기통 4행정 직분사 Kirloskar TV1 디젤 엔진에서 수행되었다.
• 연료 혼합물: 다섯 가지 연료 혼합물이 테스트되었다: 순수 디젤(D100), 20% WTPO 혼합물(P20), 그리고 세 가지 서로 다른 크기의 TiO₂ 나노입자가 첨가된 P20 혼합물(P20Ti13, P20Ti28, P20Ti38). 나노입자는 안정성을 확보하기 위해 초음파 혼합을 사용하여 분산되었다.
• 운전 조건: 성능 및 배출 테스트는 네 가지 엔진 부하(25%, 50%, 75%, 100%) 조건에서 수행되었다.
• 분석 프레임워크: 표준 성능 지표(제동 열효율, 비연료 소비율) 및 배출물(CO, HC, NOx, CO₂) 외에도, 본 연구는 다음과 같은 고급 열역학 및 지속 가능성 분석을 적용하였다:
  • 제1법칙 및 제2법칙 분석: 에너지 및 엑서지(exergy) 분석을 수행하여 열효율, 엑서지 효율 및 엑서지 파괴를 결정하였다.
  • 엑서지경제적 분석(Exergoeconomic Analysis): 연료의 비용 효율성을 평가하여 단위 전력당 비용($/GJ) 및 상대적 비용 차이를 계산하였다.
  • 엑서지환경적 분석(Exergoenvironmental Analysis): 전 과정 평가(LCA) 원칙을 사용하여 환경 영향을 평가하고, 환경 영향 비율 및 엑서지환경 계수를 계산하였다.
  • 지속 가능성 지수(SI): 연료 혼합물의 전반적인 지속 가능성을 결정하기 위해 계산되었다.

주요 결과

• 연료 소비 및 효율: TiO₂ 나노입자 첨가는 순수 디젤에 비해 연료 소비를 증가시켰다. 구체적으로, 나노입자의 크기가 커질수록 연료 소비가 증가했다. 결과적으로, 열분해유와 나노입자의 첨가는 열효율과 엑서지 효율을 모두 감소시켰다. 50% 부하에서 D100의 열효율은 24.053%였으나, P20Ti38의 경우 22.500%로 떨어졌다. 마찬가지로, 엑서지 효율은 동일한 조건에서 21.88%(D100)에서 20.56%(P20Ti38)로 감소하였다.
• 배출물:
  • CO 및 HC: TiO₂ 나노입자 첨가는 첨가제가 없는 P20 혼합물에 비해 일산화탄소(CO) 및 탄화수소(HC) 배출량을 유의미하게 감소시켰다. 또한, 나노입자의 크기가 커질수록 이러한 배출량이 더욱 감소했다. 예를 들어, 75% 부하에서 HC 배출량은 P20의 344.6 ppm에서 P20Ti38의 285.3 ppm으로 감소했다.
  • NOx 및 CO₂: 반대로, 나노입자 첨가 및 엔진 부하 증가에 따라 NOx 및 CO₂ 배출량은 증가했다. 더 큰 나노입자 크기는 더 높은 NOx 배출량과 상관관계가 있었다.
• 열역학적 및 경제적 성능: 열분해유와 나노입자의 첨가는 열 손실과 엑서지 파괴를 증가시켰다. 경제적 측면에서, WTPO의 낮은 가격 덕분에 P20 혼합물이 가장 낮은 연료 비용 비율을 제공했으나, 나노입자 첨가는 전반적인 전력 추출 비용을 증가시켰다. 엔진 샤프트로부터의 가장 낮은 전력 비용은 전 부하(full load)에서의 P20 혼합물에서 관찰되었다(107.53 $/GJ).
• 환경 영향: 환경 영향 비율은 나노입자 크기에 따라 증가했다. 엑서지환경 계수는 나노입자 크기가 커짐에 따라 감소하였는데, 이는 더 큰 입자가 시스템 출력 대비 더 높은 환경적 부담을 나타냄을 의미한다.

의의 및 주장
본 논문은 TiO₂ 나노입자를 WTPO-디젤 혼합물에 첨가하는 것이 특정 배출 특성(CO 및 HC 감소)을 개선하지만, 동시에 연료 소비 증가, 열 및 엑서지 효율 감소, 그리고 높은 NOx/CO₂ 배출과 같은 열역학적 불이익을 초래한다고 주장한다. 본 연구는 나노입자의 크기가 핵심 변수임을 강조한다. 즉, 더 큰 입자(38 nm)는 작은 크기(13 nm)에 비해 일반적으로 연료 소비와 열 손실이 더 높았으나, CO와 HC를 줄이는 데에는 약간 더 효과적이었다.

저자들은 본 연구가 대안 연료 연구에서 흔히 결여되는 열역학, 경제 및 환경적 관점을 통합한 종합적인 평가를 제공한다고 주장한다. 저자들은 P20 혼합물에 나노입자를 사용하는 것이 배출 제어 측면에서 잠재력을 보여주지만, 효율과 비용 측면의 트레이드오프(trade-offs)를 신중하게 관리해야 한다고 결론짓는다. 본 연구는 이러한 연료들이 상업적으로 생존하기 위해서는 향가 연구가 나노입자 분산의 안정성을 해결하고, 요람에서 무덤까지(cradle-to-grave)의 전 과정 수명 주기 분석을 수행하며, 미시적 규모의 연소 거동을 모델링하기 위한 전산유체역학(CFD)을 활용해야 함을 강조한다. 이 연구는 성능 이득과 경제적, 환경적 현실 사이의 균형을 맞추면서 나노기술을 통해 폐기물 유래 연료의 사용을 최적화하기 위한 단계로서 자리매김하고 있다.