기존 선박의 디젤발전기용 SCR 시스템 설치에 관한 연구

1. 서 론

IMO(International Maritime Organization, 국제해사기구) MEPC(Marine Environment Protection Committee, 해양환경보호 위원회) 에서는 해양대기오염 규제 관련해서 매년 한 두차례씩 런던에서 회의를 개최해 오고 있다.

지난 65차 IMO MEPC 회의에서 미국은 NOx 배출규제 Tier III를 만족하는 기술현황에 대한 최종보고서를 제출하였으며, 2016년 규제 발효에 문제없음을 언급하였으나[1], 러시아 등은 이에 동의하지 않고 2021년으로 발효시점을 5년 연장하는 개정안이 제출되었다. 그러나 2014년 3월 말에 진행된 IMO MEPC 66차에서 이에 대한 관련문서가 많이 제출되었으며[2]-[4], 회의결과 미국 및 캐나다령 ECAs(Emission Control Areas)에 2016년 1월 1일부터 NOx Tier III 요건을 채택하기로 하였다. 또한 현재 논의되고 있거나 향후 지정될 ECAs에 대해서는 IMO 승인후 채택된 날부터 적용하기로 하였다.

2016년부터 건조되고 국제항해를 하는 신조선에 적용될 Tier III 규제를 만족하기 위해서는 이중연료 (액체-가스연료) 엔진을 탑재하거나, 디젤 엔진에 SCR(Selective Catalytic Reduction, 선택적 촉매 환원법) 시스템을 탑재하는 방법이 주로 거론 되고 있다. 질소산화물 감소를 위한 SCR 시스템에 관한 많은 연구 및 실증이 이루어져 왔으며[5]-[10], 본 연구에서는 선박용으로 개발된 SCR 시스템을 기존 선박의 디젤발전기용으로 탑재하여 SCR 시스템의 성능을 확인하고자 하였다. 본 연구를 위해서 목포해양대학교 실습선 새누리호의 디젤발전기에 SCR 시스템을 장착하였으며, 관련 배기파이프라인의 개조공사를 시행하였다.

그런 후에, 요소 환원제를 투입하여 엔진부하별 NOx 변화량을 계측, 분석하였다 . 엔진 부하는 25, 35, 50%의 세가지의 부하로 적용하여 보았으며, 80% 이상의 NOx 저감율을 확인할 수 있었다. 엔진의 부하는 발전기를 두 대 병렬 운전하여 실험대상 엔진의 부하를 조정하였다.

Table 1은 목포해양대학교 실습선 새누리호의 제원을 보여주고 있으며, Figure 1은 새누리호의 사진이다.

Table 1:

Ship's particulars

Figure 1:

Photograph of T/S SAENURI

2. 디젤발전기에 SCR 설치

목포해양대학교 새누리호 NO. 2 발전기의 배기 파이프 라인에 SCR 시스템을 설치하기 위해서 기존의 과급기 이후의 배기 직관 파이프를 탈거하고 배기가 SCR을 통과할 수 있는 파이프 라인과 SCR을 통과할 수 없는 바이패스 라인의 두가지 파이프 라인을 설치 하였다. Figure 2는 배기파이프라인 개조공사전의 모습이다.

Figure 2:

Before modifying the exhaust gas pipe

Figure 3에서는 배기파이프라인 개조 공사후의 모습을 보이고 있으며, 바나듐계 촉매를 삽입한 SCR 시스템을 배기 파이프에 설치하였다. 또한, 요소 환원제를 요소 주입 펌프를 이용하여 4bar의 압축공기와 예혼합하여, 반응기 입구에 공급하였다. Table 2는 실험 엔진의 제원을 보여준다. 이 엔진은 과급기와 에어쿨러를 탑재한 수직형 4행정 디젤엔진이다. 직접분사식 연소타입이며 6기통을 가진 엔진이다. 또한, 0.3%의 황을 함유한 MDO (Marine Diesel Oil)을 연료로 사용 하였다. Figure 4는 디젤발전기의 배기파이프라인에 설치된 SCR시스템의 레이아웃을 보여준다. 그리고, Figure 5는 본 연구에서 사용된 SCR 반응기의 형상을 보여준다. 반응기의 총 중량은 촉매를 포함하여 200㎏f이다. 본 연구에서 설계하여 사용한 촉매의 제원은 셀밀도가 100[cpsi]이고, 공간 속도가 28517[h^-1], 면속도는 18.52[m/h], 체적 0.0759[㎥]이다. Figure 6은 SCR 시스템에 대한 PLC 판넬이며, SCR 시스템 모니터링 장치이다. 이 판넬의 스크린은 터치방식 스크린이며, 수동, 자동모드를 선택할 수 있고, 각종 계측값을 확인할 수 있다. 또한, Figure 7은 NOx 계측기를 보여준다. NOx 계측기는 Continental의 Uninox 24V 모델이며, CAN통신 방식을 사용하였다. 또한, NOx 농도 측정 범위는 0 ~ 1500ppm 이고 허용 작동 온도는 20 ~ 800 ℃, 24V의 전원을 사용한다. 본 NOx 계측기는 반응기 입구와 출구에 각각 설치하여 각각의 NOx 배출량을 측정하였으며, NOx의 감소율을 비교분석하였다. 반응기 전, 후단의 온도 및 배압도 측정하였다.

Figure 3:

After modifying the exhaust gas pipe

Table 2:

Test engine specifications

Figure 4:

A schematic diagram of the SCR system

Figure 5:

The SCR reactor

Figure 6:

A PLC panel for the SCR system

Figure 7:

A NOx analysis equipment

3. 요소 환원제를 이용한 실험장치 및 방법

3.1 요소 환원제를 이용한 실험장치

요소와 압축공기를 예혼합하여 반응기에 환원제로 공급하기 위해서 요소 주입 펌프를 설치하여 사용하였으며, 펌프의 제원은 다음과 같다. 펌프는 UDA2 7.5 모델을 사용하였으며, 외관 사이즈는 185 × 145 × 247㎜이다. 또한, 요소 유량은 40 ~ 7500ml/h 이며, 공기 분사량은 최대 20 L/min이다. 공기 분사압력은 4bar 이며, 전원은 24V를 사용하였다. Figure 8은 본 실험에서 사용한 요소 주입 펌프의 개략도를 보여준다. 펌프에 4bar의 압축공기를 공급하여 요소 탱크로부터 흡입한 요소를 압축공기와 혼합하여 분사 노즐을 통해서 반응기에 혼합된 환원제를 분사한다. 환원제 유량은 에어 솔레노이드 밸브를 통해서 조절할 수 있었으며, 분사되고 남은 요소는 다시 요소 탱크로 리턴된다. Figure 9는 요소 탱크의 실제 사진을 보여주고 있다.

Figure 8:

A schematic diagram of the urea dosing pump

Figure 9:

A urea tank

4. 실험결과 및 고찰

4.1 수동 모드 시험

엔진 부하 25, 35, 50%의 세 구간에서 선박에서 주로 사용하는 요소 40% 용액을 분사하여 NOx 저감효율을 계측하였다. Table 3은 수동 모드에서 SCR 반응기 입·출구 온도, 입·출구 NOx 발생량 및 NOx 저감율을 보여준다. 엔진 부하 35% 에서 NOx 저감 최고 효율 85%가 나타났으며, 25, 50% 에서는 81%의 저감효율이 나타났다. 이는 35% 에서 촉매 성능이 가장 우수하다고 생각할 수 있다. NOx 저감효율 결과를 보면, 전 부하영역에서 요소가 암모니아로의 변환이 충분히 된 것으로 판단된다.

Table 3:

Results of manual mode test

4.2 자동 모드 시험

자동 모드 에서는 두 가지 경우를 대상으로 실험하였다. 첫 번째는 엔진 부하 25% 에서 50%로 상승하면서, NOx를 계측하였고, 두 번째는 엔진 부하 50% 에서 25%로 하강하면서, NOx를 계측하였다. 엔진 부하를 상승시키며 계측한 경우에는 엔진 부하 35% 에서 82%의 NOx 저감률을 보였으며, 엔진 부하를 하강시키며 계측한 경우에는 엔진 부하 35% 에서 88%의 NOx 저감률을 보였다. 엔진 부하를 상승시킨 경우 보다도 하강시키면서 실험하는 경우에 NOx 저감률이 더 크게 나타났으며, 이는 엔진 부하를 상승시킨 경우보다 하강시킨 경우의 촉매 성능이 더 우수함을 알 수 있었다. Table 4와 5는 각각 요소 환원제가 자동 모드일 경우에 엔진 부하를 상승시킨 경우와 하강시킨 경우의 반응기 온도와 NOx 저감률을 보여준다.

Table 4:

Results of auto mode test: Engine load increase test

Table 5:

Results of auto mode test: Engine load decrease test

4.3 수동 모드에서의 암모니아 슬립 발생 구간

요소 환원제를 수동 모드로 운전하였을 경우 암모니아 슬립 구간이 발생하였으며, 암모니아 슬립 구간에서는 암모니아 분사량을 늘려도 오히려 NOx 저감률이 낮아짐을 알 수 있다. 이 실험을 통해서 각 엔진 부하별 최적의 요소 분사량을 알 수 있었다. Figure 10, 11 및 12 에서는 각각의 엔진 부하별 암모니아 분사량에 따른 NOx 감소량과 암모니아 슬립 발생 구간을 보여준다.

Figure 10:

De-NOx efficiency according to urea injection rate at engine load 25%

Figure 11:

De-NOx efficiency according to urea injection rate at engine load 35%

Figure 12:

De-NOx efficiency according to urea injection rate at engine load 50%

5. 결 론

본 연구에서는 현재, 운행되고 있는 기존 선박의 디젤발전기에 SCR 시스템을 추가로 설치하여, NOx를 저감시키기 위한 실험을 하였다. 실제 선박을 대상으로 실험을 하기 위해서, 목포해양대학교 실습선 새누리호 디젤발전기의 기존 배기 파이프라인 개조공사를 통하여 SCR 반응기를 설치하였으며, 선박에서 주로 사용하는 요소 40% 용액의 분사 방법을 수동과 자동 모드로 나누어서 각각에 대해서 실험해 보았다.

본 연구를 통해서, 현재 운항하고 있는 기존 선박에 배기 파이프 라인 개조 및 변경 공사를 통해 SCR 시스템의 설치 및 운영 가능성을 확인하였다. 또한, 바나듐계 촉매를 탑재한 SCR 시스템을 설치한 후, 요소 환원제를 분사하였을 때, NOx가 80% 이상 절감될 수 있음을 확인하였다. 또한, 암모니아 슬립 발생 구간을 알 수 있게 되어, 최적의 요소를 분사할 수 있게 되었다. 또한, 자동 모드 상태에서 엔진 로드 Up & Down (or Down & Up) 평가 시 엔진 부하 50%에서 25%로 변경 시 NOx 저감 효율이 상대적으로 우수함을 확인하였다. 이것은 엔진부하 50%에서 발생하는 온도가 촉매 반응을 활성화 시키는 것으로 판단된다.

본 연구에서는 요소 40% 용액의 환원제만으로 실험을 하였으나, 차후에는 암모니아 가스 및 고체암모늄을 환원제로 사용하는 실험을 추가로 진행할 계획이다. 고체암모늄을 환원제로 사용하면 액체 요소 환원제보다 암모니아 함유 비율이 높고, 가스 상태로 공급되기 때문에 분산이 쉽고 반응거리가 짧은 장점을 가지고 있다. 특히, 선박에서는 황천항해 등의 열악한 환경이 있음을 고려하면, 액체 및 기체형태의 환원제는 누설의 위험이 있다고 볼 수 있다. 그렇기 때문에 고체 형태의 환원제 연구가 추가로 필요하다고 판단된다.

또한, 본 연구에서는 신품의 SCR 반응기를 사용하여 실험을 실시하였으나, 차후에는 SCR 반응기를 장시간 사용한 후에 추가 실험을 통하여 황 피독 현상에 따른 NOx 저감율 비교 연구가 추가로 필요하다고 판단된다.

References

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• MEPC 66/6/6; Consideration and Adoption of Amendments to Mandatory Instruments, “Comments to the approval at MEPC 65 of amendments to the effective date of the NOx Tier III standards”, Canada, Denmark, Germany, Japan and the United States, (2014).
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