류영현
(Busan Technical Center of Automotive Parts, Korea Institute of Machinery & Materials)
,
김홍렬
(Training Ship, Mokpo National Maritime University)
,
조규백
(Department of Engine Research Environmental and Energy Systems Research Division, Korea Institute of Machinery & Materials)
,
김홍석
(Department of Engine Research Environmental and Energy Systems Research Division, Korea Institute of Machinery & Materials)
,
남정길
(Division of Marine Engineering, Mokpo National Maritime University)
IMO MEPC에서는 해양환경 보호를 위해서 선박으로부터 배출되는 배기가스 규제를 날로 점점 강화하고 있다. 특히, 2016년부터 건조되어 국제항해를 하는 모든 신조 선박에 대한 질소산화물(NOx) 배출량은 Tier-III 규제를 만족하게 되어 있다. 본 연구에서는 선박용으로 개발된 NOx 저감용 SCR(선택적 환원 촉매) 시스템을 기존 선박의 디젤발전기에 설치하여 NOx 저감성능을 파악하고자 하였다. 본 연구를 위하여 목포해양대학교 실습선 새누리호 디젤발전기의 배기 파이프라인을 개조 공사하여 요소 SCR 시스템을 설치하였으며, 요소 용액(40%) 분사 방법은 수동 모드와 PLC를 통한 자동 모드로 나누어 두 가지 방법으로 실험을 하였다. 수동 모드 방법을 통하여 암모니아 슬립 발생구간을 찾을 수 있었으며, 엔진부하별(25, 35 및 50%)로 최적의 요소 분사량을 조절할 수 있었다. 부하를 Down-Up(25%에서 50%로 올리면서) 시보다도 Up-Down(50%에서 25%로 내리면서) 시에 NOx 저감성능이 더 좋음을 알 수 있었으며, 본 바나듐계 촉매가 사용된 SCR 시스템을 기존 선박의 디젤발전기에 설치하여 질소산화물이 80% 이상 절감됨을 확인할 수 있었다.
IMO MEPC에서는 해양환경 보호를 위해서 선박으로부터 배출되는 배기가스 규제를 날로 점점 강화하고 있다. 특히, 2016년부터 건조되어 국제항해를 하는 모든 신조 선박에 대한 질소산화물(NOx) 배출량은 Tier-III 규제를 만족하게 되어 있다. 본 연구에서는 선박용으로 개발된 NOx 저감용 SCR(선택적 환원 촉매) 시스템을 기존 선박의 디젤발전기에 설치하여 NOx 저감성능을 파악하고자 하였다. 본 연구를 위하여 목포해양대학교 실습선 새누리호 디젤발전기의 배기 파이프라인을 개조 공사하여 요소 SCR 시스템을 설치하였으며, 요소 용액(40%) 분사 방법은 수동 모드와 PLC를 통한 자동 모드로 나누어 두 가지 방법으로 실험을 하였다. 수동 모드 방법을 통하여 암모니아 슬립 발생구간을 찾을 수 있었으며, 엔진부하별(25, 35 및 50%)로 최적의 요소 분사량을 조절할 수 있었다. 부하를 Down-Up(25%에서 50%로 올리면서) 시보다도 Up-Down(50%에서 25%로 내리면서) 시에 NOx 저감성능이 더 좋음을 알 수 있었으며, 본 바나듐계 촉매가 사용된 SCR 시스템을 기존 선박의 디젤발전기에 설치하여 질소산화물이 80% 이상 절감됨을 확인할 수 있었다.
The IMO MEPC has been increasingly strengthening the emission standard for marine environment protection. In particular, nitrogen oxide (NOx) emissions of all ocean-going ships built from 2016 will be required to comply with the Tier-III regulation. In this study, a vanadia based SCR (Selective Cata...
The IMO MEPC has been increasingly strengthening the emission standard for marine environment protection. In particular, nitrogen oxide (NOx) emissions of all ocean-going ships built from 2016 will be required to comply with the Tier-III regulation. In this study, a vanadia based SCR (Selective Catalytic Reduction) system developed for ship application was installed on a diesel engine for power generation of the training ship T/S SAENURI in Mokpo National Maritime University. For the present study, the exhaust pipeline of the generator diesel engine was modified to fit the urea SCR system. This study investigated the NOx reduction performance according to the two kind of injection method of urea solution (40%): Auto mode through the PLC (Programable Logic Control) and Manual mode. We were able to find the ammonia slip conditions when in manual mode method. So, the optimal urea injection quantity can be controlled at each engine load (25, 35, 50%) condition. It was achieved 80% reduction on nitrogen oxide. Furthermore, we found that the NOx reduction performance was better with the load up-down (while down to 25% from 50%) than the load down-up (while up to 50% from 25%) test.
The IMO MEPC has been increasingly strengthening the emission standard for marine environment protection. In particular, nitrogen oxide (NOx) emissions of all ocean-going ships built from 2016 will be required to comply with the Tier-III regulation. In this study, a vanadia based SCR (Selective Catalytic Reduction) system developed for ship application was installed on a diesel engine for power generation of the training ship T/S SAENURI in Mokpo National Maritime University. For the present study, the exhaust pipeline of the generator diesel engine was modified to fit the urea SCR system. This study investigated the NOx reduction performance according to the two kind of injection method of urea solution (40%): Auto mode through the PLC (Programable Logic Control) and Manual mode. We were able to find the ammonia slip conditions when in manual mode method. So, the optimal urea injection quantity can be controlled at each engine load (25, 35, 50%) condition. It was achieved 80% reduction on nitrogen oxide. Furthermore, we found that the NOx reduction performance was better with the load up-down (while down to 25% from 50%) than the load down-up (while up to 50% from 25%) test.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
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.
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.
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 실험해보았다.
제안 방법
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.
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.
실험은 크게 수동 모드 및 자동 모드, 이렇게 두가지 모드로 실험하였다. 또한, 엔진 부하 25%에서 50%로 상승 및 하강하며, 자동 모드로 NOx 저감효율을 계측, 분석하였다. 수동과 자동 모드의 차이점은 다음과 같다.
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 실험해보았다.
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.
요소 환원제를 이용하여 엔진 부하 25, 35, 50% 구간에서 요소 40% 용액을 배기라인에 분사함으로써 NOx 저감효율을 측정하였다. 엔진 부하가 커질수록 반응기 크기를 키워야 하는데, 설치장소가 협소하여 본 연구에서는 50% 부하까지만 실험할 수 있었다.
이론/모형
또한, Figure 7은 NOx 계측기를 보여준다. NOx 계측기는 Continental의 Uninox 24V 모델이며, CAN통신 방식을 사용하였다. 또한, NOx 농도 측정 범위는 0 ~ 1500ppm 이고 허용작동 온도는 20 ~ 800℃, 24V의 전원을 사용한다.
성능/효과
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.
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, 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 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.
후속연구
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.
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.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본 연구에서 사용한 펌프의 제원은 무엇인가?
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.
2016년부터 건조되어 국제항해를 하는 모든 신조 선박에 대한 질소산화물 배출량은 무엇을 만족해야 하는가?
IMO MEPC에서는 해양환경 보호를 위해서 선박으로부터 배출되는 배기가스 규제를 날로 점점 강화하고 있다. 특히, 2016년부터 건조되어 국제항해를 하는 모든 신조 선박에 대한 질소산화물(NOx) 배출량은 Tier-III 규제를 만족하게 되어 있다. 본 연구에서는 선박용으로 개발된 NOx 저감용 SCR(선택적 환원 촉매) 시스템을 기존 선박의 디젤발전기에 설치하여 NOx 저감성능을 파악하고자 하였다.
본 연구에서 요소 용액 분사 방법은 어떻게 나누어 실험했는가?
본 연구에서는 선박용으로 개발된 NOx 저감용 SCR(선택적 환원 촉매) 시스템을 기존 선박의 디젤발전기에 설치하여 NOx 저감성능을 파악하고자 하였다. 본 연구를 위하여 목포해양대학교 실습선 새누리호 디젤발전기의 배기 파이프라인을 개조 공사하여 요소 SCR 시스템을 설치하였으며, 요소 용액(40%) 분사 방법은 수동 모드와 PLC를 통한 자동 모드로 나누어 두 가지 방법으로 실험을 하였다. 수동 모드 방법을 통하여 암모니아 슬립 발생구간을 찾을 수 있었으며, 엔진부하별(25, 35 및 50%)로 최적의 요소 분사량을 조절할 수 있었다.
참고문헌 (10)
MEPC 65/4/3; Air Pollution and Energy Efficiency. "Report of the Correspondence Group," Japan, 2013.
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.
MEPC 66/6/8; Consideration and Adoption of Amendments to Mandatory Instruments, "Tier III NOx emission standards under MARPOL Annex VI:date of entry into force," Russian Federation, 2014.
MEPC 66/6/10; 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," Marshall Islands and Norway, 2014.
J. G. Nam and J. S. Choi, "Dynamic characteristics of a urea SCR system for NOx reduction in diesel engine," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 31, no. 3, pp. 235-242, 2007.
J. G. Nam, "Static characteristics of a urea-SCR system for NOx reduction in diesel engines," International Journal of Automotive Technology, vol. 8, no. 3, pp. 283-288, 2007.
J. G. Nam, "Water injection/urea SCR system experimental results for NOx reduction on a light duty diesel engine," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 32, no. 3, pp. 394-403, 2008.
B. K. Yun, C. M. Kim, M. Y. Kim, G. B. Cho, H. S. Kim, and Y. I. Jeong, "Numerical modeling of vanadia-based commercial urea-SCR plus DOC systems for heavy-duty diesel exhaust aftertreatment systems," Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, vol. 18, no. 2, pp. 24-30, 2010.
J. G. Nam, "A study of NOx performance for Cu-chabazite SCR catalysts by Sulfur poisoning and desulfation," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 37, no. 8, pp. 855-861, 2013.
B. Guan, R. Zhan, H. Lin, and Z. Huang, "Review of state of the art technologies of selective catalytic reduction of NOx from diesel engine exhaust," Applied Thermal Engineering, vol. 66, no. 1-2, pp. 395-414, 2014.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.