[기고] ‘대기환경 개선’, 국가적인 연료 품질 관리 필수
[기고] ‘대기환경 개선’, 국가적인 연료 품질 관리 필수
  • 서용석 한국석유관리원 경영전략팀 팀장
  • 승인 2018.06.15 21:05
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자동차용 연료의 품질기준과 의의

[에너지신문] 세계 각국에서는 자동차 배출가스 및 미세먼지로 인한 대기환경오염을 방지하기 위해 노력하고 있으며, 각 국의 주요 정책방향은 더 나은 자동차 엔진 및 후처리장치 기술을 도입하는 것과 배출가스와 밀접한 관계가 있는 연료 자체의 품질을 강화하는 것으로 구분된다.

특히 자동차용 연료는 그 성상에 따라 환경 및 인체에 미치는 영향뿐만 아니라, 연비 등 성능에 미치는 영향이 크며, 화재 등 안전과도 직접적인 관련이 있으므로 국가적인 차원에서 품질을 관리하는 것이 필수적으로 요구된다.

본고에서는 국내 자동차용 연료의 품질기준 및 주요 항목별 의의에 대해 기술하고자 한다.

◆ 자동차 휘발유, 선제적 대응으로 품질 크게 개선

자동차용 휘발유는 정부 및 석유업계의 협업을 통한 선제적인 대응으로 2009년부터 황함량 10ppm의 초저황휘발유를 보급하기 시작했으며, 이 시기에 증기압, 벤젠함량 등 다른 항목들도 크게 개선됐다.

옥탄값, 증류성상 등은 자동차 성능과 밀접한 관련이 있는 대표적인 항목들이며, 증기압, 황분, 벤젠함량, 올레핀, 산소함량 등은 배출가스 및 환경오염과 관련이 있다.

자동자용 휘발유의 대표적인 성능지표인 옥탄값(옥탄가)은 안티노크성(차량의 노킹을 억제하는 능력)을 나타내는 수치로서, 안티노크성이 높은 이소옥탄(옥탄가100)과 낮은 헵탄(옥탄가 0)을 혼합한 표준 연료와 시료의 안티노크성을 비교해 표준 연료 중의 이소옥탄의 부피백분율을 옥탄가로 나타낸다. 그러므로 옥탄값이 높을수록 안티노크성이 좋고 엔진의 회전효율도 향상된다. 국내에서는 옥탄값에 따라 보통휘발유(91 이상∼94 미만)와 고급휘발유(94 이상)로 구분하고 있다.

증류성상은 액체 혼합물을 증류할 때 온도와 증류되는 액체 양의 관계를 나타내는 지표로서, 연료를 끓임으로써 구성물질의 비점 범위를 확인할 수 있다. 10% 유출온도는 시동성·증기폐쇄, 50% 유출온도는 가속성·연비·매연·냄새, 90% 유출온도는 연비·출력·연소실내 퇴적물 등과 관련된 시험항목이다. 특히 50% 유출온도와 90% 유출온도는 탄화수소 배출과도 관련이 있어 배출가스에도 영향을 미친다.

증기압의 경우 석유제품의 휘발성향을 평가하는 항목으로서 일정온도에서 증발 할 때 발생하는 압력을 나타낸다. 증기압이 너무 낮을 경우 겨울철 연료의 불완전 연소 및 배출가스 발생을 증가시키고, 반대로 너무 높을 경우 여름철 휘발유 증기폐쇄(Vapor Lock, 연료펌프나 연료파이프 내에서 증기기포가 발생해 연료공급이 저해·차단되는 현상)에 따른 시동 꺼짐과 VOCs 로 인한 오존 생성의 원인이 되므로 국내에서는 휘발유 증기압 품질기준을 여름용과 겨울용으로 구분해 관리하고 있다.

휘발유의 황분은 휘발유 차량의 배출가스 정화를 위해 장착된 촉매장치의 성능을 저하시키고, 아황산가스 등이 공해 및 연소기 부식을 유발한다. 휘발유는 경유의 황 함량에 비해 상대적으로 대기환경에 미치는 영향이 미미해 규제 강화에 대한 필요성이 크게 부각되지 않았으나, 최근 고청정연료를 둘러싼 사회적 요구가 급격히 증가함에 따라 초저황휘발유의 수요도 증가하고 있다.

벤젠은 방향족화합물 중 가장 분자량이 작은 물질로 방향족 특유의 냄새를 가지고 있는 무색의 휘발성 액체이다. 벤젠은 EPA(미국환경보호청), IARC(국제암연구기관), ACGIH(미국산업위생전문가회의)에서 발암성 물질로 지정했다. 연료 제조시에 노킹현상을 줄이고 옥탄가를 증가시키기 위해 벤젠을 포함한 방향족 화합물을 증가시킬 수 있으나, 이는 배출가스 형태로 호흡기를 통해 인체에 유입될 수 있으므로 국내 에서는 세계적으로 가장 엄격한 기준인 0.7 vol%로 규제하고 있다.

올레핀은 에틸렌 구조를 가지는 지방족 불포화 탄화수소의 총칭으로서, 이중결합이 있고 극히 불안정하며 산화가 잘 되기 때문에 중합반응 및 퇴적물 형성을 촉진시켜 차량문제를 발생시키기도 한다. 미국의 오토오일 프로그램에 따르면, 올레핀 함량을 20%에서 5%로 저감시킬 경우 오존생성 가능성이 약 20~29% 감소하는 것으로 밝혀졌다.

함산소화합물이란 휘발유의 옥탄값 향상 및 대기오염 개선(일산화탄소 배출감소, 미연소 탄화수소 발생 억제 등)을 위해 첨가하는 MTBE, ETBE, TAME 및 바이오에탄올 등 산소원자를 포함하는 물질로서, 휘발유 중의 산소함량이란 전체 휘발유 대비 함산소화합물의 산소량의 비율을 말한다. 현재 국내에서는 대부분 MTBE를 사용하고 있으나, 미국의 경우 바이오연료 혼합의무제도 의무 이행을 위해 바이오에탄올을 사용하고 있으며, 중국의 경우 MTBE와 바이오에탄올을 사용하는 등 각국의 상황에 맞게 선택해 사용하고 있다.

국내 자동차용 휘발유 품질 및 제조기준

관련 법

항목

석유및석유대체연료사업법

대기환경보전법

비고

1호

(보통휘발유)

2호

(고급휘발유)

옥탄값 (리서어치법)

91 이상∼94 미만

94 이상

 

성능

증류

성상

10%유출온도 (℃)

70 이하

 

성능

50%유출온도 (℃)

125 이하

 

90%유출온도 (℃)

170 이하

170 이하

종말점 (℃)

225 이하

 

잔류량 (부피%)

2.0 이하

 

물과 침전물 (부피%)

0.01 이하

 

안전

동판부식 (50℃, 3h)

1 이하

 

안전

증기압 (37.8℃, kPa)

44 이상 ∼ 82 이하

(여름용:44∼60, 겨울용:44∼96)

60 이하

환경

산화안정도 (분)

480 이상

 

안전

세척현존검 (㎎/100mL)

5 이하

 

안전

황분 (㎎/㎏)

10 이하

10 이하

환경

색 (육안식별)

노란색

초록색

 

안전

납 함량 (g/L)

0.013 이하

0.013 이하

환경

인 함량 (g/L)

0.0013 이하

0.0013 이하

환경

방향족화합물 함량 (부피%)

22(19) 이하

22(19) 이하

환경

벤젠 함량 (부피%)

0.7 이하

0.7 이하

환경

올레핀 함량 (부피%)

16(19) 이하

16(19) 이하

환경

산소 함량 (무게%)

2.3 이하

2.3 이하

환경

메탄올 함량 (무게%)

0.1 이하

 

안전

주1) 생산․수입단계검사의 여름용 기준은 6월 1일부터 8월 31까지, 겨울용 기준은 10월 1일부터 다음해 3월 31일까지, 유통단계 검사의 여름용 기준은 7월 1일부터 8월 31일까지, 겨울용 기준은 10월 1일부터 다음해 4월 30일까지 적용한다.

2) 올레핀 함량에 대하여 ( )안의 기준을 적용할 수 있다. 이 경우 방향족화합물함량은 ( )안의 기준을 적용한다.

3) 산소 함량은 MTBE(메틸 t-부틸 에테르), ETBE(에틸 t-부틸 에테르), TAME(Tertiary Amyl Methyl Ether) 및 바이오에탄올에 함유되어 있는 산소량을 말한다.

주1) 올레핀(Olefine) 함량에 대하여 ( ) 안의 기준을 적용할 수 있다. 이 경우 방향족화합물 함량에 대하여도 ( )안의 기준을 적용한다.

2) 증기압 기준은 매년 6월 1일부터 8월 31일까지 제조시설에서 출고되는 제품에 대하여 적용한다.

경유 황분, 밀도·다고리 방향족 등 배출가스 및 환경과 밀접

LPG, 휘발유·경유 비해 규제 강화 필요성 부각되지 않아

◆ 경유의 황분, 전세계적으로 무황수준 요구

경유도 휘발유와 마찬가지로 2009년부터 선진적인 연료를 보급하기 시작했다. 황함량을 30ppm에서 10ppm 이하로 낮췄으며, 다고리방향족, 밀도 등의 다른 품질항목에서도 단기간 내에 높은 수준의 품질규제를 달성했다.

세탄값, 윤활성 등은 성능·안전과 관련이 있으며 황분, 밀도, 다고리방향족 함량 등은 배출가스 및 환경과 밀접한 관련이 있는 항목들이다.

세탄값(세탄가)은 경유의 착화성(연비)을 나타내는 지표로서 세탄값이 높을수록 착화성이 우수하고 운전이 원활해지나, 지나치게 높으면 연소가 불균일해져 매연의 원인이 되기도 하고 연료 소비량이 증대하는 경향을 보인다. 세탄값은 표준연료와 시료의 착화성을 비교해 측정한다.

윤활성은 경유의 저유황화 공정 중 미량의 윤활성 기여물질이 제거돼 윤활성이 낮아져 자동차 부품의 마모 문제가 생기는 것을 방지하기 위해 규제하고 있다. 국내의 경우 2006년 급격한 황분 저감 정책(430ppm→30ppm) 으로 인해 소비자 문제가 빈번하게 발생하자 권장기준에서 의무기준으로 변경됐다.

경유의 대표적인 환경지표인 황분은 자동차 연료의 연소 시 발생하는 아황산가스 등에 의한 산성비 및 경유 차량의 배출가스 저감을 위해 장착하는 후처리장치의 내구성 저하의 원인이 되므로 최근에는 전 세계적으로 무황수준의 연료가 요구되고 있다.

밀도는 15℃에서 시료의 체적당 질량을 뜻하며, 밀도가 높을수록 분자수가 많고 끓는점이 높아짐에 따라 불포화 상태의 탄화수소가 많음을 의미한다. 이에 따라 연료의 불완전연소 가능성이 커지며, 미세먼지도 많이 발생하게 된다. 그러므로 밀도는 균일할수록 연료의 연소상태가 좋아져 배출가스에 미치는 악영향이 최소화된다고 할 수 있다.

다고리방향족은 두 개 이상의 벤젠고리를 가지는 방향족 화합물로서, 자동차 배출가스의 불완전연소에 의해 생성돼 경유 차량의 입자상물질 등에 흡착되거나 가스상으로 존재한다. 미량으로도 암을 유발시킬 수 있는 발암물질이거나 돌연변이를 일으키는 물질로 알려져 있어 품질기준에 추가해 관리하고 있다.

국내 자동차용 경유 품질 및 제조기준

관련 법

항목

석유및석유대체연료사업법

대기환경보전법

비고

유동점 (℃)

0 이하

(겨울용 : -18 이하)

 

안전

인화점 (℃)

40 이상

 

안전

동점도 (40℃, mm2/s)

1.9 이상∼5.5 이하

 

성능

증류성상 (90%유출온도, ℃)

360 이하

 

성능

10% 잔유중 잔류탄소분 (무게%)

0.15 이하

0.15 이하

환경

물과 침전물 (부피%)

0.02 이하

 

안전

황분 (㎎/㎏)

10 이하

10 이하

환경

회분 (무게%)

0.02 이하

 

환경

세탄값 (세탄지수)

52 이상

52 이상

성능

동판부식 (100℃, 3h)

1 이하

 

안전

필터막힘 점 (℃)

-18 이하

 

안전

윤활성@60℃ (HFRR 마모흔경, ㎛)

400 이하

400 이하

안전

밀도@15℃ (kg/m3)

815 이상 ∼ 835 이하

815 이상 ∼ 835 이하

환경

다고리방향족 함량 (무게%)

5 이하

5 이하

환경

방향족화합물 함량 (무게%)

30 이하

30 이하

환경

바이오디젤 함량 (부피%)

2 이상 5 이하

 

 

주1) 유동점에 대한 겨울용 기준의 경우 생산․수입단계검사는 10월 1일부터 다음해 3월 31일까지, 유통단계검사는 11월 1일부터 다음해 3월 31일까지 적용한다. 다만, 자동차용의 경우 혹한기(11월 15일부터 다음해 2월 28일까지를 말한다)의 생산․수입단계검사 및 유통단계검사(12월 1일부터 적용한다)는 -23℃이하를 적용하고, 3월 16일부터 3월 31일까지 생산․수입단계 및 유통단계검사 모두 -13℃이하를 적용한다.

2) 필터막힘점은 11월 15일부터 다음해 2월 15일까지 생산․수입단계검사에만 적용한다.

3) 윤활성, 다고리방향족 함량 및 방향족화합물 함량은 생산․수입단계검사에 한정하여 적용한다.

4) 혹한기(11월 15일부터 다음해 2월 28일까지 말한다)에는 위 표에도 불구하고 세탄값(또는 세탄지수)를 48 이상으로 적용한다.

주1) 혹한기(매년 11월 15일부터 다음 해 2월 말일까지를 말한다)에는 위 표에도 불구하고 세탄지수(또는 세탄가)를 48 이상으로 적용한다. 다만, 유통시설(일반대리점, 주유소 및 일반판매소를 말한다)에 대하여는 혹한기 적용시기를 3월 31일까지로 한다.

◆ LPG, 규제강화 필요성 낮으나 황함량 규제 강화 시작

LPG는 휘발유나 경유에 비해 규제강화 필요성이 상대적으로 부각되지 않았으나, LPG 연료에도 촉매장치의 성능에 영향을 주는 황함량이 주요 관심항목이 되면서 규제가 강화되기 시작했다.

부타디엔은 불안정한 결합구조로 다른 물질과 쉽게 반응해 이물질이 생성되므로 연소기기 및 엔진의 성능보호를 위해 검사를 실시한다. 또한 발암물질로 알려져 환경 관련 측면에서 규제되기도 한다.

황함량의 경우 휘발유와 마찬가지로 연소시 아황산가스의 생성으로 인한 대기오염과 부식을 초래하며, 부취제의 주요성분으로 과량 혼합될 경우 악취를 발생시킬 수 있다. 2016년 40ppm에서 30ppm으로 강화됐다.

증기압은 LPG 수송 및 저장의 안전성과 실용 성능의 지표로서, 동절기 시동성 불량 시 Backfire(흡입이나 배기 시스템에서 공기·연료 혼합 가스의 폭발에 의해 생기는 소음) 발생의 원인이 되며 촉매의 내구성 손상 및 배출가스 악화를 야기한다.

잔류물질은 연소실 내로 공급될 경우 불완전연소를 일으키거나 연료 탱크, 기화기 등의 자동차 부품과 LPG 용기, 압력조정기 등에 타르상으로 축적돼 연료 공급을 저해한다.

국내 자동차용 LPG 품질 및 제조기준

관련 법

항목

석유및석유대체연료사업법

대기환경보전법

비고

여름용

겨울용

여름용

겨울용

조 성

(mol%)

C₃탄화수소

10 이하

25 이상

35 이하

10 이하

25 이상

35 이하

성능

C4 탄화수소

85 이상

60 이상

 

부타디엔

0.5 이하

 

황함량 (mg/kg)

30 이하

30 이하

환경

증기압(40℃, ㎫)

1.27 이하

1.27 이하

안전

밀도(15℃, ㎏/㎥)

500 이상 ~ 620 이하

500 이상 ~ 620 이하

환경

잔류물질(mL)

0.05 이하

0.05 이하

성능

동판부식(40℃, 1h)

1 이하

1 이하

성능

주1) C3탄화수소 : 탄소수 3개를 갖는 탄화수소 성분의 총량

2) C4탄화수소 : 탄소수 4개를 갖는 탄화수소 성분의 총량

3) 황분의 경우 부취제 첨가 후를 적용한다.

4) 겨울용은 11월부터 다음해 3월까지, 여름용은 4월부터 10월까지 적용한다. 다만, 유통단계는 제품교체 소요기간을 감안하여 11월 및 4월에 여름용 또는 겨울용을 적용하며, 여름용과 겨울용의 교체로 인해 발생하는 10mol% 초과, 25mol% 미만의 C3탄화수소 조성비는 품질기준에 적합한 것으로 본다.

5) 2호(자동차용 및 캐비넷히터용) 중 이소부탄 30mol%이상인 경우 겨울용 C₃탄화수소 혼합비율 하한을 5mol%로 한다.

6) 대형 승합차용, 산업용 및 공업원료용의 경우 C₃탄화수소와 C₄탄화수소 조성은 적용하지 아니한다.

7) 제주지역은 2호, 겨울용의 위 기준을 적용치 아니할 수 있으며, 기타 특수용도로 인하여 위 기준을 적용하기가 곤란할 경우 산업통상자원부장관과 별도 협의, 조정한다.

주1) 겨울용은 11월 1일부터 3월 31일까지, 여름용은 4월 1일부터 10월 31일까지 적용한다.

2) 제품이 교체되는 시기인 11월과 4월에는 유통사업자(충전사업자, 집단공급사업자 및 판매사업자)에 대해서만 프로판 함량을 35mol%이하로 적용한다.

◆ 대기환경 중요성 확산…정부-연료업체 협업으로 국가적 차원 노력해야

전 세계적으로 대기환경의 중요성에 대한 인식이 확산되면서 국내 자동차용 연료의 품질기준도 환경과 관련된 항목들이 중점적으로 강화돼 왔다. 현재 우리나라는 세계 최고 수준의 자동차용 연료 품질을 유지하고 있으며, 이러한 노력을 통해 대기질 개선의 효과도 보아 온 것이 사실이다.

앞으로도 정부의 국정과제인 미세먼지 걱정 없는 쾌적한 대기환경 조성을 위해서는 경유차의 배출가스 저감을 위한 보다 체계적이고 엄격한 품질관리와 더불어 휘발유, 경유 대체 바이오연료와 같은 신재생에너지의 보급 및 확대에 힘써야 할 것이다.


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