캐비테이션을 통한 더 깨끗하고 효율적인 해상 벙커링

선박 연료 취급 시 슬러지 형성 | 메커니즘, 영향 및 캐비테이션 기반 완화

중유(HFO)와 중간 연료유(IFO) 는 저렴한 비용과 높은 에너지 밀도로 인해 선박 연료로 널리 사용되고 있습니다. 그러나 육상 및 선박의 벙커링 시스템에서 특히 저장 및 취급 중에 슬러지가 형성되는 것이 지속적인 운영상의 문제입니다.
슬러지는 아스팔텐, 왁스, 퇴적물, 물 및 기타 오염 물질로 구성된 점성 반고체 잔류물입니다. 슬러지의 형성은 연료 구성, 보관 온도, 체류 시간 및 취급 관행의 영향을 받습니다. IMO 지침의 경험적 데이터에 따르면 슬러지 발생은 일반적으로 소비된 HFO 부피의 1-3% (톤당 ≈ 0.01-0.03m³) 범위입니다.

1. 슬러지 형성 - 메커니즘 및 구성

1.1 구성

슬러지는 주로 다음과 같이 구성됩니다:

• 아스팔텐 (침전되기 쉬운 무거운 방향족 분획)
• 왁스 (고융점 파라핀 분획)
• 침전물 및 미립자(모래, 녹, 부식 생성물)
• 물 (응결 또는 오염으로 인한)
• 화학 잔류물(처리 화학 물질, 첨가제)
  
  

산업 표준 및 연구(ISO 8217, Concawe, CIMAC)에 따르면, HFO 380에서 슬러지의 일반적인 조성 범위는 다음과 같습니다:

구성 요소	질량(일반적으로)
아스팔텐	50-70 %
왁스	10-20 %
퇴적물	5-15 %
물	1-5 %
기타(잔여물)	5-10 %

1.2 영향을 미치는 파라미터

슬러지 형성에 영향을 미치는 주요 요인은 다음과 같습니다:

• 연료 구성: 높은 아스팔텐 함량 → 높은 슬러지 잠재력
  
• 온도: 왁스 침전점 이하로 냉각하면 슬러지 형성 증가
  
• 보관 시간: 더 오래 보관하면 침전 및 응집이 촉진됨
  
• 오염: 물과 미립자 유입으로 슬러지 형성 가속화
  
• 혼합 효율성: 순환이 원활하지 않아 국부적 축적이 발생함

1.3. 경제적 및 운영상의 영향:

• 사용 가능한 연료량 감소
• 펌프, 필터 및 연료 라인의 막힘
• 유지보수 및 청소 비용 증가
• 불균일 연소 및 엔진 오염 위험

1.4. 슬러지 형성률
슬러지 형성률은 연료 구성, 보관 조건, 취급 관행 등 다양한 요인에 따라 달라집니다. 운영 경험과 IMO 지침에 따르면 연료 정화 및 저장 중 슬러지 발생은 일반적으로 소비된 HFO 부피의 1-3% 범위이지만, 이는 분리기/벙커 잔류물을 의미하며 ISO 8217sediment 사양과 직접 동일시해서는 안 됩니다.

1,000톤의 HFO 380을 저장하는 선박의 경우:

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이러한 추정치는 연료 가치의 직접적인 손실만을 설명한다는 점에 유의해야 합니다. 실제로 슬러지 관리 비용은 MARPOL 부속서 I에 따른 의무 처리, 항만 접수 수수료, 슬롭 처리 요건 등으로 인해 더 높은 경우가 많으며, 이는 단순한 연료 손실 비용을 크게 초과할 수 있습니다.

2. 슬러지 제어 및 처리에 대한 접근 방식

2.1 전통적인 방법

2.

• 가열 및 순환: 연료를 왁스 침전점 이상으로 유지(HFO 380의 경우 ~50~60°C)
• 원심 분리/분리: 물과 무거운 고형물 제거
• 기계적 여과: 엔진 및 벙커링 시스템 보호
• 화학 첨가제: 분산제, 침전물 형성을 줄이기 위한 안정제

제한 사항

제한 사항

• 높은 에너지 및 유지보수 비용
• 대용량 탱크의 균질화에는 효과적이지 않음
• 특히 벙커링 스테이션 또는 선상에서 불완전한 혼합의 위험성

3. 캐비테이션 기반 균질화 잠재력 랩텍
캐비테이션 혼합은 제어된 고압 흐름과 캐비테이션 현상을 사용하여 미세 난류를 생성하여 슬러지 입자를 벌크 연료로 빠르게 분산시킵니다. 아래 그림은 폐플라스틱 열분해 오일의 무거운 침전물을 처리한 랩텍 균질화의 성능을 보여줍니다:

랩텍 캐비테이션 균질화 전

랩텍 균질화 후


RAPTECH 캐비테이션 균질화 후




HFO 380을 사용한 시험에서 RAPTECH 캐비테이션 균질화는 주요 안정성 지표인 총 침전 전위(TSP)를 초기 값 최대 0.10% m/m(ISO 8217 사양 내)에서 0.04% m/m로 줄였습니다(Bureau Veritas 보고서). 이는 측정된 연료 안정성이 최대 60%까지 개선된 것으로, 연료 안정성이 현저히 높아지고 저장 및 엔진 작동 중 슬러지 형성 위험이 현저히 낮아졌음을 나타냅니다.

주요 이점:

• 효율적인 균질화: 국부적인 슬러지 축적 감소
  
  
• 장기적인 안정성: 장기간 보관 시에도 균일한 연료 조성 유지
  
  
• 운영 신뢰성: 막힘 및 유지보수 이벤트 감소
  
  
• 확장 가능한 애플리케이션: 육상의 벙커링 스테이션과 선박에서 모두 구현 가능
  
  
• 경제적 절감: 캐비테이션 균질화는 슬러지 처리 비용을 줄이는 것 외에도 항해당 탱크당 연료 사용률을 최대 0.1-1%까지 개선할 수 있습니다.

연간 20,000t의 HFO를 소비하는 선박의 경우, 이는 연간 약 20~200t의 연료 절감 또는 연간 약 10,000~100,000달러(기준 가격 500달러/t 기준)에 해당합니다. 연료 가격이 상승하거나 소비량이 증가하면 이러한 절감액은 비례적으로 증가합니다. 손실된 연료의 직접적인 가치 외에도 MARPOL 부속서 I 요건에 따른 슬러지 처리는 상당한 비용 요인이 됩니다. 선박은 슬러지를 전용 탱크에 보관하고 수용 시설로만 배출하거나 선상에서 소각해야 합니다. 항구에서 MARPOL을 준수하는 슬러지 처리 비용은 종종 연료 손실 비용을 초과할 수 있으므로 슬러지 최소화가 운영 및 경제적 우선 순위가 더욱 높아집니다.

예시적 영향

캐비테이션 혼합 프로세스를 구현하면 다음과 같은 이점을 얻을 수 있습니다:

• 슬러지 축적 감소: 이 공정은 슬러지 입자를 분산시킴으로써 국부적인 축적을 방지합니다
  
  
• 연료 활용도 향상: 보다 일관된 연료 품질로 엔진 성능 및 효율성 향상
  
  
• 비용 절감: 유지보수 및 청소 필요성 감소로 운영 비용 절감

4. 결론 선박 벙커링에서 슬러지 형성은 상당한 경제적 결과를 초래하는 지속적인 운영 및 규제 과제로 남아 있습니다. 직접적인 연료 손실 외에도 MARPOL 부속서 I은 모든 슬러지를 선상에서 저장, 소각 또는 허가된 수용 시설로 배출하도록 요구하는데, 처리 비용이 종종 손실된 연료의 가치를 초과합니다.

체계적인 연료 관리와 첨단 캐비테이션 기반 균질화를 결합함으로써 운영자는 다음과 같은 이점을 얻을 수 있습니다:

• 장기적인 연료 안정성 유지
• 유지보수, 가동 중지 시간 및 폐기 비용 절감
• 연료 사용률, 엔진 신뢰성 및 운항 안전성 향상
• 환경 위험을 줄이면서 MARPOL 부속서 I 준수 보장

따라서 벙커링 스테이션과 선박에 캐비테이션 균질화를 통합하면 슬러지 관련 문제와 규제 부담을 최소화하면서 보다 안전하고 경제적이며 환경적으로 건전한 해상 연료 취급을 위한 경로를 제공합니다.
저자: Ahmad Saylam 박사 | RAPTECH Eberswalde GmbH

5. 참고 자료

• 국제 표준화 기구(ISO). (2017). ISO 8217:2017 - 석유 제품 - 연료(클래스 F) - 선박용 연료의 사양
• Concawe. (2019). 중유 안정성 및 퇴적물 형성. 보고서 번호 5/19
• CIMAC. (2018). 연료 보고서: 슬러지 형성 및 연료 처리. 국제 연소 엔진 협의회
• RAPTECH GmbH. (2024). 캐비테이션 블렌딩 기술에 대한 내부 기술 보고서