[논문]어선용 디젤엔진의 배출가스 저감 필터 개발과 저감 효율

이경훈; 김상근; 김성훈; 양용수; 박성욱

doi:10.3796/ksft.2014.50.1.050

문제 정의

특히, 불완전 연소에서 발생하는 일산화탄소 (CO), 탄화수소에서 발생하는 미 연소 연료, 질소 산화물 (NOx)의 과도한 연소 온도에서 발생하는 오존 (O₃) 및 미립자(PM) 등이 문제이다. 따라서, Fig. 9와 같이 5종 필터에 대한 NOx의 비율을 줄여가면서 NOx의 저장용량을 산출하였으며, 이를 기반으로 일반적으로 사용하는 240kW급 어선용 디젤엔진에서 발생하는 질소산화물에 대하여 적정용량으로 NOx 제거를 위한 성능 최적화의 기반 자료를 확보하였다.
기존 상용 제품들은 판매시장이 다양한 대형선박을 대상으로 개발되어 있으며, 규모가 상당히 크고 가격이 높아 소형 선박에 적합하지 않으며, 디젤 자동차용으로 개발된 기존 상용 제품들은 해상의 환경적인 조건에 적합하지 않다. 따라서, 본 연구에서는 질소산화물 (NOx)를 대상으로 배출량 저감 필터를 개발하기 위한 목적으로, 다양한 타입의 흡착제 성능 검증과 최적의 조건에 맞는 저감필터를 제작하여 240kW급 발전기를 사용하여 엔진 부하량을 30% 이하로 설정하고 기존 연소 배기가스 출력단에 배압을 최소화되도록 저감장치를 설치하여 저감효율을 평가하였다.
이러한 특징으로 선박 및 대형 엔진에 많이 활용되고 있으며, 어선엔진의 약 85%정도로 대부분을 차지하고 있다. 이러한 기후변화 대응과 어선원 복지관련 질소산화물과 황산화물 저감은 필수 사항이므로, 본 연구에서는 이산화탄소를 제외한 유해성 배기가스 질소산화물을 대상으로 5종의 흡착제의 성능 검증과 선박용 저감필터를 제작하여 온실가스 저감 효율을 평가하였다.

제안 방법

2 및 Table 1과 같다. 각 시료마다 임의 번호를 지정하고, 시료 1－5의 흡착제를 구성하여 성능 평가를 수행하였다.
또한, 본 연구에서 제작한 NOx 저감필터에 대한 성능을 평가하기 위하여 기존 배기가스 출력단에 배압이 최소화되도록 저감필터 장치를 설치하였으며, 시험기관은 240 kW급 디젤용 이동식 발전기를 사용하여 배출되는 NOx 측정은 엔진의 부하량을 30% 이하로 설정하여 작동하였다. 본 가스 측정장비는 COx 및 NOx 계열 측정은 가능하지만, SOx를 직접적으로 계측하지 못하기 때문에 NOx의 저감량을 예측하여 SOx의 계측량도 간접적인 예측이 가능하다.
또한, 분석대상 NOx 가스의 농도는 초기 10ppm에서 N₂가스로 희석하여 5ppm으로 주입하였다. 또한, 분석가스와 희석가스는 질량유량계 (MFC, Mass Flow Controller)를 사용하여 일정한 유량(500ml/min)으로 흘려보내고, 반응기에 가스 유입 전에 바이패스관을 통해 30분 이상 치환하면서 안정화시킨 후, 3-way 밸브로 가스 이동경로를 바꾸어 반응기 내부에 있는 흡착제와 반응할 수 있게 하고 비분산적외선 측정 방식 휴대용 가스측정 장비를 사용하였다 (KNIT, 2011).
본 시스템의 측정방식은 비분산적외선 측정 (NDIR, Non-dispersive Infrared) 방식을 채택하고 있는데, 광원에서 방출되는 넓은 파장의 IR 복사선이 광학섹터에서 광학필터를 거치며 특정 IR 파장대역을 불활성기체 (질소, 아르곤)가 충전된 기준 셀과 시료가 흐르는 시료 셀을 번갈아 통과시키는 과정에서, 기준 셀은 IR 파장이 모두 통과하고 시료 셀에서는 CO₂에 의해 흡수가 일어나게 된다. 이때의 흡수도를 검출기 (IR detector)에서 검출하고 변환 증폭하여 농도를 측정하는 방법이다.
온실가스 배출저감 필터장치의 저감효율을 검증하기 위하여, IPCC에서 인증하고 환경부에서 형식 승인(ASGAM-2007-5호)된 휴대용 가스측정기 (Vario Plus, MRU co., Germany)를 이용하여 평가하였는데, NOx의 측정은 0－5,000ppm범위이다 (Fig. 1).
시료 1－5의 흡착제 5종에 대한 시료양은 150g으로 실험시 반응기의 4/5이상을 채운상태로 최대한 반응기에 채워 흡착제에 흡착이 용이하도록 제작하였다. 이와 같이 제작된 5종류의 흡착제 소재는 양이온 치환능력이 우수한 모데나이트 (170meq/100g)는 천연의 광물을 이용하여 기공성과 비표면적이 우수한 볼 형태의 필터를 제작하였으며, NOx 저감필터의 목적에 맞도록 Fig. 3과 같이 제작하여 소형 발전기에 장착하여 현장 검증 시스템으로 구성하여 측정하였다.
질소산화물 측정 방법은 대기공정시험방법을 기준으로 비분산적외선 측정 분석계로 연속으로 측정하였다. 실측 계산의 이론적 근거는 대기환경보전법시행령-일일초과배출량 및 일일유량의 산정방법 (제25조 제3항)을 근거로 실측치를 계산하였다 (NFRDI, 2013).
질소산화물 흡착제의 저감 실험 장치의 주요 엔진 제원은 정격속도 1,500rpm, 출력전력 240kW 및 332HP, 연료소비 199g/kWh 및 58L/h의 240kW급 휴대용 발전기를 사용하였으며, 배출가스 측정은 Fig. 4 및 5와 같이 NOx 및 SOx 저감장치를 머플러 장착하고 프로브를 삽입하고 고농도의 배출가스를 전처리 장치를 이용하여 희석한 후, 비분산적외선 측정 방식 휴대용 가스측정 장비를 이용하여 질소산화물 배출량 측정 데이터를 최소 1초 간격으로 측정하여 Fig. 6와 같이 저장하였다.
특히, NO 계열은 적외선 영역인 5.3 µm 부근 광 흡수를 이용하여 시료 가스중의 NO 농도를 비분산형 적외선 분석계를 이용하여 측정한다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 촉매반응제는 NOx 및 SOx 전용 흡착 소재인 활성탄 (activated carbon), 모데나이트, 제올라이트 2종을 다양한 크기와 형상으로 5가지 형태로 제작하였는데, 각 시료별 구성 및 특성은 Fig. 2 및 Table 1과 같다. 각 시료마다 임의 번호를 지정하고, 시료 1－5의 흡착제를 구성하여 성능 평가를 수행하였다.
부가적으로, NOx 혹은 SOx의 배출량 저감 기준에 따라, 저감필터의 기준량을 설정할 필요가 있다. 현재 실험한 장치는 NOx와 SOx의 용량을 1kg씩 사용하여 제작하였다. 그리고, SOx 배출량은 NOx 배출량에 비해 Table 5와 같이 20% 수준 밖에 되지 않는다.

이론/모형

질소산화물 측정 방법은 대기공정시험방법을 기준으로 비분산적외선 측정 분석계로 연속으로 측정하였다. 실측 계산의 이론적 근거는 대기환경보전법시행령-일일초과배출량 및 일일유량의 산정방법 (제25조 제3항)을 근거로 실측치를 계산하였다 (NFRDI, 2013). 측정가스를 가스투과성 격막을 투과시켜 전해조에 있는 전해액 중에 확산 및 흡수시키면, NO와 NO₂는 소정의 산화 전위로 정전위 전해되어 전해전류로부터 NO와 NO₂ 농도를 산정할 수 있다.

성능/효과

8). 그 결과, 본 연구에서 개발된 NOx 저감필터의 저감효율은 평균 80.01%로 높게 나타났다.
7과 같이 그래프로 나타내었다. 그 결과, 시료 3은 다른 시료와는 달리 10－20분 사이에서 NOx가 급속하게 저감 되어 20분을 경과하는 시점부터 100% 저감하는 흡착효율을 확인하였으나, 그 외 시료에 대한 흡착 저감 성능은 10% 미만으로 효율이 낮게 나타났다. 황산화물에 대한 흡착제 5종에 대한 결과도 질소산화물과 유사하게 시료 3이 가장 높은 흡착효율을 가지는 것으로 확인되었으며, 그 외 시료에 대한 흡착효율은 낮게 평가되었다.
그 결과, 저감필터를 적용한 모데나이트 소재는 활성탄과 제올라이트 소재에 비해 흡착효율이 10분을 경과하는 시점에서 흡착효율이 나타나기 시작하여 20분을 경과하면서 100% 질소산화물의 흡착효율이 지속적인 것으로 나타났으며, 양이온 치환능력이 우수한 모데나이트는 비표면적이 우수한 볼 형태의 필터를 제작하여 NOx 저감필터의 저감효율은 80% 성능을 가지는 것으로 확인하였다.
본 연구에서 저감필터로 적용한 모데나이트 소재는 기존의 화학필터로 주로 활용되고 있는 활성탄(110meq/100g) 보다 치환능력이 우수하고, 100－200°C 정도에서 경도성을 유지하기 때문에 수분이 많은 해상에서 적용될 경우, 내구성이 우수하여 환경적인 영향을 최소화 할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 기존 NOx 및 SOx 저감 방식은 비표면적이 적어서 저감 성능이 저하되지만, 볼의 형태로 비표면적을 증가하므로 제품의 크기 및 용량을 줄이더라도 우수한 성능을 유지할 수 있다는 장점과 함께, 기존 페브릭 소재의 필터가 차압에 의해 엔진 부화가 발생하는 문제점을 용량별로 볼 크기를 다양하게 제작하여 공극률을 높여 부하를 줄일 수 있다는 장점이 있는 것으로 확인되었다.
또한, 본 연구에서 제작한 NOx 저감필터에 대한 성능을 평가하기 위하여 기존 배기가스 출력단에 배압이 최소화되도록 저감필터 장치를 설치하였으며, 시험기관은 240 kW급 디젤용 이동식 발전기를 사용하여 배출되는 NOx 측정은 엔진의 부하량을 30% 이하로 설정하여 작동하였다. 본 가스 측정장비는 COx 및 NOx 계열 측정은 가능하지만, SOx를 직접적으로 계측하지 못하기 때문에 NOx의 저감량을 예측하여 SOx의 계측량도 간접적인 예측이 가능하다. 저감장치의 유무에 따라 저감 효율을 100분 동안 측정한 결과, 저감필터를 적용하지 않은 경우 100분동안 엔진부하량 30%에서 측정한 NOx 평균 배출량은 17.
본 연구에서 저감필터로 적용한 모데나이트 소재는 기존의 화학필터로 주로 활용되고 있는 활성탄(110meq/100g) 보다 치환능력이 우수하고, 100－200°C 정도에서 경도성을 유지하기 때문에 수분이 많은 해상에서 적용될 경우, 내구성이 우수하여 환경적인 영향을 최소화 할 수 있다는 장점이 있다.
본 가스 측정장비는 COx 및 NOx 계열 측정은 가능하지만, SOx를 직접적으로 계측하지 못하기 때문에 NOx의 저감량을 예측하여 SOx의 계측량도 간접적인 예측이 가능하다. 저감장치의 유무에 따라 저감 효율을 100분 동안 측정한 결과, 저감필터를 적용하지 않은 경우 100분동안 엔진부하량 30%에서 측정한 NOx 평균 배출량은 17.6ppm이었으며, 저감필터를 적용한 경우 평균 3.51ppm으로 유지되는 것으로 평가되었다 (Fig. 8). 그 결과, 본 연구에서 개발된 NOx 저감필터의 저감효율은 평균 80.
한편, 일반적인 배기가스 저감장치를 장착 했을 때의 촉매 공극률이 다른 제품보다 높다고 하더라고 기존 필터 없이 배기가스를 대기 중으로 배출하는 기존 선박의 형태보다 엔진의 부하가 걸리는 것을 확인 할 수 있었다. 현재 운행되고 있는 육상 디젤 승용차에서는 매연저감필터 (DPF, Diesel Particulate Filter)를 장착하여 유해물질 배기가스 매연을 제거하고 있다.
그 결과, 시료 3은 다른 시료와는 달리 10－20분 사이에서 NOx가 급속하게 저감 되어 20분을 경과하는 시점부터 100% 저감하는 흡착효율을 확인하였으나, 그 외 시료에 대한 흡착 저감 성능은 10% 미만으로 효율이 낮게 나타났다. 황산화물에 대한 흡착제 5종에 대한 결과도 질소산화물과 유사하게 시료 3이 가장 높은 흡착효율을 가지는 것으로 확인되었으며, 그 외 시료에 대한 흡착효율은 낮게 평가되었다.

후속연구

기존 디젤엔진에서 사용되는 PM제거 필터들은 DPF필터 및 CPF라고도 하며, 배기가스에서 미립자를 촉매로 흡착하여 다시 태워 보내는 방식으로서 기존 선박에 사용하려면 추가적인 장비와 비용이 추가된다. 또한, 기존 디젤승용차 전용 방식으로 개발되었기 때문에 소형화되어 있고 가격 경쟁력도 높은 장점이 있으나, 염분과 수분에 취약하다는 단점은 내구성의 문제가 발생할 수 있으므로 향후 해양 환경에 적합한 PM제거 필터의 개발은 필요하다고 사료되며, 지속적인 개발과 성능 검증을 통해 실제 선박에서의 저감장치의 효용성과 제품의 용량별 유지 성능 및 내구성에 관한 추가적인 연구가 필요하다.
이러한 장점을 극대화하여 효율을 높이기 위해서 다양한 볼 형태의 크기와 제품에 관한 기술적인 장점을 활용할 수 있는 추가적인 연구가 필요하다. 또한, 기존 페브릭 소재의 입자상물질 (PM, Particulate Filter)를 사용해 연소에서 발생하는 PM을 제거하였지만 이로 인해 발생되는 부하를 최소화시켜야 하며, 엔진 시동을 걸거나 운행 중에 지속적인 부하가 발생하면 PM 의 발생이 많아지고 이로 인한 PM이 촉매의 공극을 막아 효율 감소 요인을 제거하는 것에 적용될 것으로 사료 된다.
본 저감 필터를 적용한 경우, 기존 필터의 부화보다 70%이상 줄일 수 있다는 장점을 가지고 있는데, 이것은 정격출력의 큰 감소 없이 친환경적인 저감필터를 적용할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 장점을 극대화하여 효율을 높이기 위해서 다양한 볼 형태의 크기와 제품에 관한 기술적인 장점을 활용할 수 있는 추가적인 연구가 필요하다. 또한, 기존 페브릭 소재의 입자상물질 (PM, Particulate Filter)를 사용해 연소에서 발생하는 PM을 제거하였지만 이로 인해 발생되는 부하를 최소화시켜야 하며, 엔진 시동을 걸거나 운행 중에 지속적인 부하가 발생하면 PM 의 발생이 많아지고 이로 인한 PM이 촉매의 공극을 막아 효율 감소 요인을 제거하는 것에 적용될 것으로 사료 된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	환경오염과 관련된 디젤엔진의 특징은 무엇인가?	이 가운데 이산화탄소가 전체 온실가스 배출량의 약 80%이상을 차지하고 있다. 디젤엔진은 출력 대비 일산화탄소 및 탄화 수소 배출량이 적은 장점이 있으나, NOx 배출물이 현저히 많은 단점이 있다. 또한, 대부분 소형 어선이 130kW 이상의 디젤엔진을 사용하고 있어서 어업환경 규제가 시행될 경우 선주들의 부담과 국내 수산업의 피해가 예상된다.
	적외선 분석계는 어떤 종류들로 나눌 수 있는가?	이러한 비분산적외선 측정 분석계는 비파괴 측정 방식의 하나로서 배출가스 채취유량의 영향을 받지 않고 유지관리가 용이하다는 장점이 있다 (NFRDI, 2013). 또한, 적외선 분석계는 CO, SO2, NOx 등을 주로 측정하며 구성되는 광원의 수와 광로에 따라 단광원, 복광원, 단광속 (single beam), 복광속 (double beam)으로 나누어진다. 광원에서 방사된 적외선은 초퍼 (chopper)에 의해서 일정한 주기로 단속하여 시료 셀과 기준 셀로 들어가게 되며, 시료 셀에서는 시료가스 중에 함유된 측정성분에 의해 적외선이 흡수되어지고 불활성가스로 봉입된 기준 셀에서는 적외선이 흡수되지 않은 상태로 통과된다.
	적외선 분석계의 시료 측 검출부가 적외선에 의해 미량 변화를 갖게 되는 이유는 무엇인가?	또한, 적외선 분석계는 CO, SO2, NOx 등을 주로 측정하며 구성되는 광원의 수와 광로에 따라 단광원, 복광원, 단광속 (single beam), 복광속 (double beam)으로 나누어진다. 광원에서 방사된 적외선은 초퍼 (chopper)에 의해서 일정한 주기로 단속하여 시료 셀과 기준 셀로 들어가게 되며, 시료 셀에서는 시료가스 중에 함유된 측정성분에 의해 적외선이 흡수되어지고 불활성가스로 봉입된 기준 셀에서는 적외선이 흡수되지 않은 상태로 통과된다. 따라서, 시료 측 검출부가 적외선에 의해서 미량 변화를 갖게 된다.

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