기존 연구에서는 스크러버를 이용한 $NO_2$ 를 제거하기 위해 암모니아 수용액을 적용한다. 하지만 암모니아는 독성 및 악취가 강해 실선 적용에 어려움이 따를 수 있어, 암모니아를 대체할 수 있는 물질을 찾기 위해 이 연구를 진행하였다. 대체 물질로는 수산화나트륨(NaOH), 티오황산나트륨($Na_2S_2O_3$), 요소(Urea)를 사용하였다. 세정액을 제외한 모든 부분은 기존 암모니아를 적용한 실험의 최적 조건과 동일하게 진행하였다. 그 결과 실험에 사용된 세 가지 물질 중 두 물질은 암모니아 용액과 대체가 가능한 것으로 사료되었으며, 최적조건은 각각 NaOH 2.5 %, $Na_2S_2O_3$ 5.0 % 에서 가장 높은 효율을 나타냈다. Urea는 효율이 일정하게 지속되지 않아 대체 물질로는 적합하지 않음을 확인 할 수 있었다.
기존 연구에서는 스크러버를 이용한 $NO_2$ 를 제거하기 위해 암모니아 수용액을 적용한다. 하지만 암모니아는 독성 및 악취가 강해 실선 적용에 어려움이 따를 수 있어, 암모니아를 대체할 수 있는 물질을 찾기 위해 이 연구를 진행하였다. 대체 물질로는 수산화나트륨(NaOH), 티오황산나트륨($Na_2S_2O_3$), 요소(Urea)를 사용하였다. 세정액을 제외한 모든 부분은 기존 암모니아를 적용한 실험의 최적 조건과 동일하게 진행하였다. 그 결과 실험에 사용된 세 가지 물질 중 두 물질은 암모니아 용액과 대체가 가능한 것으로 사료되었으며, 최적조건은 각각 NaOH 2.5 %, $Na_2S_2O_3$ 5.0 % 에서 가장 높은 효율을 나타냈다. Urea는 효율이 일정하게 지속되지 않아 대체 물질로는 적합하지 않음을 확인 할 수 있었다.
In the existing research, the ammonia aqueous solution was used in order to remove the Nitrogen dioxide using the scrubber. However, ammonia is poisonous and stench is extreme. So, the system application follows the difficulty. Experiments were conducted to find a substitute material ammonia. The so...
In the existing research, the ammonia aqueous solution was used in order to remove the Nitrogen dioxide using the scrubber. However, ammonia is poisonous and stench is extreme. So, the system application follows the difficulty. Experiments were conducted to find a substitute material ammonia. The sodium hydroxide(NaOH), sodium thiosulfate ($Na_2S_2O_3$), and urea were used with the substitute substance. The experimental condition proceeded as the optimum conditions in the existing ammonia use. The experimental result NaOH and $Na_2S_2O_3$ was available. NaOH showed the efficiency which is the highest in 2.5%. And $Na_2S_2O_3$ showed the efficiency which is the highest in 5.0%. The efficiency was not fixed and the urea was inappropriate with the substitute substance.
In the existing research, the ammonia aqueous solution was used in order to remove the Nitrogen dioxide using the scrubber. However, ammonia is poisonous and stench is extreme. So, the system application follows the difficulty. Experiments were conducted to find a substitute material ammonia. The sodium hydroxide(NaOH), sodium thiosulfate ($Na_2S_2O_3$), and urea were used with the substitute substance. The experimental condition proceeded as the optimum conditions in the existing ammonia use. The experimental result NaOH and $Na_2S_2O_3$ was available. NaOH showed the efficiency which is the highest in 2.5%. And $Na_2S_2O_3$ showed the efficiency which is the highest in 5.0%. The efficiency was not fixed and the urea was inappropriate with the substitute substance.
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문제 정의
본 실험에서는 기존 연구에서 사용하였던 독성과 악취가 강한 암모니아를 대체 할 수 있는 물질을 찾기 위해 암모니아를 이용한 실험과 동일한 방식으로 다양한 대체 물질에 대한 실험을 진행한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 실험은 선박엔진에서 배출되는 배가스 내존재하는 NOx 제거에 관한 실험으로, 선박 적용 시 세정액에 대한 다양성을 확보하고자, lab-scale로 실험을 진행하였다. 선박엔진에서 배출되는 NOx는 NO : NO2 = 9 : 1의 비율로 90± 5 % 정도가 NO이지만, 본 습식세정법은 NO를 NO2로 산화시킨 후 적용되는 시스템으로 NO가 NO2로 완전 산화된 상태로 가정을 하고, NO2를 모사가스로 사용하여 실험을 진행하였다.
이에 본 연구에서는 습식 스크러버를 적용한 탈질/탈황 시스템에서의 세정액으로 사용 중인 암모니아와 대체가능한 세정액을 선정하기 위해 다양한 세정액을 이용한 실험을 진행한 결과에 따른 가장 효율적인 대체 물질을 제시하고자 한다.
가설 설정
선박엔진에서 배출되는 NOx는 NO : NO2 = 9 : 1의 비율로 90± 5 % 정도가 NO이지만, 본 습식세정법은 NO를 NO2로 산화시킨 후 적용되는 시스템으로 NO가 NO2로 완전 산화된 상태로 가정을 하고, NO2를 모사가스로 사용하여 실험을 진행하였다.
제안 방법
0 % Urea 이다(모든 시약의 용량은 1 kg 이다). 기체의 유량은 blower를 invertor 조절을 통해 1 m3/min으로 일정하게 유지하였으며, 모사가스의 공급은 MFC(Mass Flow Controller)를 이용해 농도를 1,000 ppm으로 일정하게 유지시켜 주었다. NOx 측정은 연소가스 분석 장비인 Testo 350K(Fig.
주로 배출되는 NO는 용해도 및 반응성이 낮아 제거하기가 매우 어렵다. 따라서 원활한 NO 제거를 위해 건식법을 통해 NO를 NO2로 산화시킨 후 습식 세정법을 이용해 흡수제거하고자 한다. 건식법은 과산화수소(H2O2) 촉매분해를 통해 생성되는OH-Radical과의 반응을 통해 NO를 NO2로 산화 시킨다[10].
평형상수 값을 보면 식(4)를 제외한 모든 반응에서 비가역적 반응이 더 활성화된다. 반응을 가역적으로 활성화시키기 위해 스크러버 시스템을 활용하여 물리적인 반응성을 높여 실험을 진행하였다.
제거 실험을 진행하였다. 위 두 실험과 동일하게 세정액은 1.0, 2.5, 5.0 wt%로 희석하여 실험을 진행하였다. 각희석 세정액의 몰농도는 0.
를 사용하여 실험을 진행하였다. 위 실험과 같이 환원제 티오황산나트륨(Na2S2O3)의 농도에 따른 NO2 흡수율을 확인하기 위해, 각각 1.0, 2.5, 5.0 wt%로 희석하여 실험을 진행하였다. 각 희석 세정액의 몰농도는 0.
총 3단의 스크러버 중 1단만 사용하여 실험을 진행하였다. 유입되는 gas의 유량을 조절하기 위해 blower를 사용하였으며, 각 스크러버 전․후단에서 NO2 농도를 측정하였다. 세정액의 유량은 순간 유량계를 이용해 1-10L/min 으로 조절하였다.
세정액으로 NaOH 를 사용하여 실험을 진행하였다. 환원제(NaOH)의 농도에 따른 NO2 흡수제거율을 확인하기 위해, 각각 1.0, 2.5, 5.0 wt%로 희석하여 사용하였다. 각 희석 세정액의 몰농도는 0.
대상 데이터
Urea(요소)를 사용하여 NO2 제거 실험을 진행하였다. 위 두 실험과 동일하게 세정액은 1.
다른 세정액 인 Na2S2O3 를 사용하여 실험을 진행하였다. 위 실험과 같이 환원제 티오황산나트륨(Na2S2O3)의 농도에 따른 NO2 흡수율을 확인하기 위해, 각각 1.
본 실험에서 사용한 NO2 는 5 %mol/mol NO2 / N2 를 모사가스로 사용하였다. 세정액은 각각의 물질을 물에 용해시켜 각각 1 %, 2.
대표적으로는 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH), 암모니아(NH3), 아황산나트륨(Na2SO3), 황화나트륨(Na2S) 등의 용액을 단일, 또는 혼합하여 사용한다. 본 실험에서는 대표적인 알칼리 용액인 수산화나트륨(NaOH) 및 티오황산나트륨(Na2S2O3), 그리고 고온이나 수용액 상에서 분해되어 암모니아 가스를 발생시키는 요소 (Urea)를 사용하여 실험을 진행하였다.
세정액으로 NaOH 를 사용하여 실험을 진행하였다. 환원제(NaOH)의 농도에 따른 NO2 흡수제거율을 확인하기 위해, 각각 1.
를 모사가스로 사용하였다. 세정액은 각각의 물질을 물에 용해시켜 각각 1 %, 2.5 %, 5 % 농도로 맞추어 사용하였으며, 사용된 시약은 대정화금에서 제조한 97.0 % Sodium hydroxide, 95.0 % Sodium thiosulfate anhydrous, 98.0 % Urea 이다(모든 시약의 용량은 1 kg 이다). 기체의 유량은 blower를 invertor 조절을 통해 1 m3/min으로 일정하게 유지하였으며, 모사가스의 공급은 MFC(Mass Flow Controller)를 이용해 농도를 1,000 ppm으로 일정하게 유지시켜 주었다.
아래의 Fig. 2은 SOx/NOx 동시 제거용 3단 습식 스크러버로 본 실험에 사용된 장치로 본사에서 직접 제작하였다. 스크러버 내부는 spray &packed type 으로 제작되었으며, 최대 제어 유량은 3 m3/min 이다.
스크러버 내부는 spray &packed type 으로 제작되었으며, 최대 제어 유량은 3 m3/min 이다. 총 3단의 스크러버 중 1단만 사용하여 실험을 진행하였다. 유입되는 gas의 유량을 조절하기 위해 blower를 사용하였으며, 각 스크러버 전․후단에서 NO2 농도를 측정하였다.
이론/모형
산화된 NO2 흡수 제거는 습식 세정법을 사용한다. 습식 세정법에 사용되는 세정액은 암모니아수(NH3·H2O)를 주로 사용하고 있으며, 그 효율은 안정적인 수준을 유지하고 있다[8].
성능/효과
(1) NaOH 는 암모니아를 사용하였을 때와 달리, 일정 농도 이상으로 세정액의 농도가 높아지게 되면 효율이 감소되는 현상을 보였다. 이는 NaOH 수용액의 주요 특징인 점성에 따른 현상을 사료된다.
(3) Urea 를 사용한 실험을 통해서는 일정한 반응성이 확보되지 않아, NH3 를 대체할 수 있는 물질로는 부적합 할 것으로 사료된다. 원활한 분해반응을 위해 촉매를 사용한다거나, 가열을 할 경우, Urea 를 사용한 SCR system 과 차별성이 없어지게 되며, 현재 개발하는 시스템의 concept와 일치하지 않는다.
25 mol/L 의 농도에서는 빠른 반응속도를 보여주었으나, 반응시작 후 3분이 지난시점부터 효율이 감소되는 현상을 나타냈다. 0.625 mol/L 의 농도에서는 빠른 반응속도와 함께 일정한 제거효율을 보여주었으며, 반응이 지속됨에 따라 효율이 증가하였다.
NaOH 는 농도가 높아짐에 따라 점성이 강해지는 특징을 가지고 있는데, 이와 같이 점성이 높아진 세정액은 NOx 와의 반응을 위해 넓을 접촉 면적을 확보하기가 어려워진다. 결론적으로 넓은 접촉 면적을 확보하지 못해, 반응성이 떨어져 농도가 높아짐에 따라 효율이 감소하는 것으로 사료된다. 더불어, 다른 연구에서 NaOH 수용액을 사용한 NOx 제거 실험[9]에 비해 다소 효율이 낮게 나타났으나, 이는 시스템 및 유입되는 가스의 조건이 달라 생기는 차이로 사료된다.
농도가 높을수록 NOx 제거 효율은 높게 나타났으나, 가장 높은 농도인 0.831 mol/L 에서도 효율이 75 – 95 % 로 매우 큰 편차를 보여주었다.
625 mol/L 의 농도에서 가장 높은 80 ± 3 % 의 제거효율을 나타내었다. 농도가 높을수록 높은 제거효율을 나타낼 것으로 예측이 되었으나, 1.25 mol/L 의 농도에서 효율이 시간이 지남에 따라 높아졌으나, 초기 반응 속도가 매우 느려 빠르게 오염물질을 제거해야하는 시스템에 적합하지 않았으며, 0.25 mol/L 의 농도에서는 빠른 반응속도를 보여주었으나, 반응시작 후 3분이 지난시점부터 효율이 감소되는 현상을 나타냈다. 0.
세정액의 농도가 높아짐에 따라 NOx 제거 효율이 증가하였으며, 반응속도 또한 매우 빨라 반응 시작 후 짧은 시간에 높은 제거 효율에 도달하는 것을 확인할 수 있었다. 더불어 0.316 mol/L 에서의 NOx 제거효율은반응시간이 지남에 따라 약 90 % 의 높은 제거효율을 보여 주었다. 하지만, 반응생성물로 황 가스가 배출될 수 있다는 점과 고가의 가격(암모니아와 비교하였을 때)에 따른 경제성 부분을 생각하면 암모니아를 대체 할 수 있는 물질로는 부적절 하다고 사료된다.
모든 농도에서 10분간의 실험에서 농도가 일정하게 유지되었으며, 0.316 mol/L 의 농도에서 90 ± 3 %가 넘는 높은 효율을 보여주었다.
모든 농도에서 60 % 이상의 제거효율을 나타냈으며, 0.625 mol/L 의 농도에서 가장 높은 80 ± 3 % 의 제거효율을 나타내었다.
6는 Na2S2O3 농도에 따른 NOx 흡수 제거 효율을 시간에 따라 나타낸 것이다. 모든 농도에서 70 % 이상의 제거효율을 나타냈으며, NaOH를 사용한 실험과는 대조적으로 가장 높은 농도인 0.316 mol/L 의 농도에서 가장 높은 효율을 보였다. 모든 농도에서 10분간의 실험에서 농도가 일정하게 유지되었으며, 0.
를 사용한 실험의 경우, 암모니아와 유사한 결과를 보였다. 세정액의 농도가 높아짐에 따라 NOx 제거 효율이 증가하였으며, 반응속도 또한 매우 빨라 반응 시작 후 짧은 시간에 높은 제거 효율에 도달하는 것을 확인할 수 있었다. 더불어 0.
제거효율로 보았을 때 NaOH 에 비해 10 %가량 높은 제거효율을 나타냈으며, NaOH 에 비해 Na2S2O3 가 NH3 대체 용액으로 더 적합해 보인다. 하지만 두 물질간의 가격차이가 크고, 반응 후 생성되는 황 가스의 제거를 위한 후처리 과정이 별도로 필요하여 시스템에 도입 전 NO2 흡수 제거 효율에 따른 경제성 검토가 필요할 것으로 사료된다.
후속연구
(4) 위 실험결과를 바탕으로 탈질/탈황 시스템에서 NO2 흡수 제거를 위한 세정액으로 NH3 사용함에 있어, 독성 및 악취에 의한 문제가 발생하여 세정액을 교체해야 할 경우, NOx 제거효율 및 경제성 검토를 통해 세정액을 선정하고, 시스템 조건(액기비, 반응시간 등) 조절 등을 통한 NOx 흡수 제거 효율 확보에 따른 시스템 최적화가 가능할 것으로 사료된다.
본 실험에서 도출된 결과를 통해 추후 선박에서 배출되는 배기가스내 존재하는 NOx 제거를 위한 습식 스크러버 공정 적용에 큰 도움이 될 것으로 사료된다.
)와 독성 때문에 안전성의 문제와 더불어 악취제거를 위한 시스템을 추가하여야 한다는 시스템 상의 부담이 생기게 된다. 시스템 후단에 암모니아 제거를 위해 별도의 장치를 도입하여 악취문제는 해결이 가능하나, 추후 선박 적용 시 사용자의 편의를 위해 다양한 세정액의 NO2 제거에 대한 data가 필요하다.
원활한 분해반응을 위해 촉매를 사용한다거나, 가열을 할 경우, Urea 를 사용한 SCR system 과 차별성이 없어지게 되며, 현재 개발하는 시스템의 concept와 일치하지 않는다. 추후 고온에서 오염물질을 제거해야 하는 경우 적용할 수 있을 것으로 사료된다.
가 NH3 대체 용액으로 더 적합해 보인다. 하지만 두 물질간의 가격차이가 크고, 반응 후 생성되는 황 가스의 제거를 위한 후처리 과정이 별도로 필요하여 시스템에 도입 전 NO2 흡수 제거 효율에 따른 경제성 검토가 필요할 것으로 사료된다.
효율을 일정하게 유지하기 위해서는 NO2 gas 흡수제거에 따라 소모되는 solution을 지속적으로 공급하여 농도를 유지시켜야한다. 하지만, 본 실험은 암모니아 수용액을 대체할 수 있는 세정액을 제시하기 위한 것으로, 각 solution별 농도에 따른 제거효율만을 확인하였으며, 지속적인 효율 확보를 위한 조건은 차후 시스템 도입 시 pilot plant 조건에서 테스트 할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
탈질 및 탈황 시스템인 SCR 시스템의 특징은 무엇인가?
현재 개발이 진행되거나 완료된 탈질·탈황 시스템은 대형 선박의 기준에 맞춰져 있으며, 처리효율이 입증된 SCR(Selective CatalyticReduction) 계열의 시스템이 주를 이루고 있다. SCR 시스템의 경우 대형선박의 적용에는 큰 문제가 없으나, 초기 설치비용과 유지비용이 높고 설비의 크기가 커 중․소형 선박에 도입하기가 어렵다. 이러한 상황에서 국제법 적용시기에 맞추어 중․소형 선박에 적용할 수 있는 관련 기술을 개발하는 것이 매우 시급한 실정이다.
습식 세정법에 사용되는 세정액으로 암모니아수를 대체할 물질의 연구가 필요한 이유는 무엇인가?
습식 세정법에 사용되는 세정액은 암모니아수(NH3·H2O)를 주로 사용하고 있으며, 그 효율은 안정적인 수준을 유지하고 있다[8]. 하지만 암모니아는 자체의 독성 및 고유의 악취가 강해, 대체할 수 있는 물질에 대한 연구가 필요하다.
질소산화물 제거를 위한 과정 중 건식법은 어떤 방식인가?
따라서 원활한 NO 제거를 위해 건식법을 통해 NO를 NO2로 산화시킨 후 습식 세정법을 이용해 흡수제거하고자 한다. 건식법은 과산화수소(H2O2) 촉매분해를 통해 생성되는OH-Radical과의 반응을 통해 NO를 NO2로 산화 시킨다[10].
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