[논문]선박 배가스내 SOX/NOX 처리용 습식 스크러버에 대한 연구

최진식; 김재강; 박병현; 이주열

doi:10.12925/jkocs.2017.34.1.183

선박 배가스내 SOX/NOX 처리용 습식 스크러버에 대한 연구
Study on Wet Scrubber for SOX/NOX Treatment in Ship Flue Gas 원문보기

한국유화학회지 = Journal of oil & applied science, v.34 no.1, 2017년, pp.183 - 188

최진식 (경희대학교 환경응용과학과) , 김재강 ((주)애니텍 기술연구소) , 박병현 ((주)애니텍 기술연구소) , 이주열 ((주)애니텍 기술연구소)

초록
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본 연구는 중 소형 선박의 배가스에 포함되어 있는 황산화물 및 질소산화물을 처리하기 위한 습식 스크러버의 처리효율에 관한 내용이다. 실험은 질소산화물 기술문서($NO_X$ Technical Code)의 E3 모드에 준해서 진행하였다. 엔진에서 황산화물을 배출하기 위해서, 연료로 사용되는 경유에 ditertiarybutyldusulfide를 혼합하여 황 함유량을 높인 연료로 실험을 진행하였다. 배가스 내의 질소산화물의 대부분을 차지하는 NO가스는 $NO_2$로 산화시켜 습식 스크러버로 흡수하였으며, 황산화물인 $SO_2$는 세정액에 잘 흡수되어 100% 처리효율을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study deals with $de-SO_X$ and $de-NO_X$ process of a wet scrubber for small size ship engines. The experiment was conducted according to the E3 mode of the $NO_X$ technical code. In order to discharge the sulfur containing flue gas, ditertiarybutyldusulfide was added to the diesel fuel to increase the sulfur content. NO gas, which occupies most of the nitrogen oxides in the exhaust gas, was oxidized into $NO_2$ and absorbed by a wet scrubber. The developed equipment of this work achieved 100% of removal efficiency for highly soluble $SO_2$ gas in an aqueous solution.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

SCR을 대신해서 질소산화물을 처리하기 위해서는 배기가스 내 질소산화물의 대부분을 차지하고 있는 NO를 처리하기 쉬운 NO₂로 전환하는 공정이 필요하다[4]. NO는 용해도와 반응성이 낮아 처리하기 어려운 것으로 알려져 있으며, 본 연구에서는 과산화수소를 이용하여 NO를 건식 산화시킨 후 습식 세정법으로 흡수시켜 제거하려 한다. 건식 산화법은 과산화수소(H₂O₂)를 촉매분해한 후 생성되는 .
그동안 실제 엔진에서 건식 산화법만을 활용한 실험 결과, mode 1에서 과산화수소의 소모량이 많고 분해 후 생성된 수분에 의하여 반응기 내부의 온도가 불안정한 모습을 보여주었다. 따라서 안정적으로 효율을 유지하기 위하여 부하가 큰 조건에서 안정적인 산화효율을 확보할 수 있는 습식산화를 병행하게 되었다.
본 연구는 중·소형 선박의 배가스 내 황산화물 및 질소산화물의 동시저감을 위한 습식 스크러버의 처리효율에 관한 연구다.
본 연구에서는 위의 반응을 이용하여 주요 선박용 엔진 배가스 후처리 장치인 SCR을 대체할 수 있는 SO_X/NO_X 동시 저감 습식 스크러버 공정을 개발하고자 하였다. 실제 엔진의 배기가스 유량 및 농도와 같은 배출특성이 운전조건에 따라 상이하기 때문에, 실험은 IMO에 제시한 질소산화물기술코드(NO_XTecnical Code)를 통하여 질소 산화물 배출량을 계산하는 실험 절차에 준해서 진행하였다.
실제 엔진의 배기가스 유량 및 농도와 같은 배출특성이 운전조건에 따라 상이하기 때문에, 실험은 IMO에 제시한 질소산화물기술코드(NO_XTecnical Code)를 통하여 질소 산화물 배출량을 계산하는 실험 절차에 준해서 진행하였다. 질소산화물기술코드의 엔진 운전조건을 설정하기 위해서 디젤엔진 및 수동력계가 있는 Test Bed에서 엔진을 여러 단계로 부하를 조절하여 배가스의 처리효율을 확인하고자 한다.

제안 방법

상대적으로 유량이 낮은 mode 2∼4에서는 .OH^- 라티칼을 이용한 건식 산화법을 작용하고, 효율이 낮은 대용량 고농도 구간인 mode 1에서는 NaClO₂를 이용한 습식 산화법을 건식 산화법과 동시에 적용하고자 한다. 그동안 실제 엔진에서 건식 산화법만을 활용한 실험 결과, mode 1에서 과산화수소의 소모량이 많고 분해 후 생성된 수분에 의하여 반응기 내부의 온도가 불안정한 모습을 보여주었다.
고농도의 대용량의 배기가스를 처리하기 위해서 습식 산화공정도를 활용하였다. 아염소산나트륨 (NaClO₂) 수용액은 산성의 조건에서 ClO₂^-를 생성함에 따라 NO가스를 식(4), (5)와 같이 산화시키는 특성이 있다[7-10].
본 연구에서 사용한 엔진은 약 150마력 급의 현대자동차의 터보디젤엔진이다. 디젤엔진의 모드에 따른 배출가스 농도를 측정하기 위해서, mode 별 약 20분씩 가동을 하며 질소산화물의 농도를 측정하였다. 측정은 배기가스 측정기 (Testo, 350K)를 사용하여 실시간으로 확인하였다.
6)의 암모니아수에 흡수제거 된다. 배가스의 농도를 측정한 분석장치는 Testo 350K를 이용하여 실시간으로 측정 및 저장하였다. 스크러버의 처리용량은 3CMM으로 제작하였으며, 엔진의 배가스 유량을 최대 3 CMM이 유입되도록 조절하여 실험을 진행하였다.
본 연구에서 사용한 습식 스크러버의 제거효율을 측정하기 위해서 수동력계가 구비된 엔진 테스트 베드를 이용하여 성능평가를 실시하였다. 실험장치는 Fig.
본 연구에서의 황산화물은 습식 스크러버의 암모니아 세정수를 순환시켜 흡수 제거하는 방식을 활용하였다. 디젤엔진을 각 mode 별 조건에 맞춰 작동 시킨 후 황산화물의 배출농도를 살펴보면, mode 1 = 1,100 ppm, mode 2 = 900 ppm, mode 3 = 600 ppm, mode 4 = 400 ppm 이 발생하였다.
배가스의 농도를 측정한 분석장치는 Testo 350K를 이용하여 실시간으로 측정 및 저장하였다. 스크러버의 처리용량은 3CMM으로 제작하였으며, 엔진의 배가스 유량을 최대 3 CMM이 유입되도록 조절하여 실험을 진행하였다. 한편, 디젤엔진의 연료로 사용하는 경유는 저유황정책에 의하여 0.
은 프로펠러를 구동하는 주기관 및 프로펠러를 구동하는 보조기관용 Test Cycle로 본 연구를 통 하여 개발되는 장치를 적용하고자 하는 중·소형 선박이 이 기관에 해당된다. 아래 테이블에 제시된 운전 조건을 mode에 따라 순차적으로 변환하며 연속운전을 하면서 습식 스크러버에 대한 효율 평가 실험을 진행하였다
3와 같이 구성하였다. 엔진과 수동력계(Fig. 4)를 이용하여 엔진의 속도 및 출력을 조절하면서 배기가스의 오염물질량을 조절하였다. 배기닥트를 통해 산화반응기를 거치게 된다.
경유를 사용한 엔진의 연소 후 배가스 내 SO₂ 농도가 희박하기 때문에 황산화물 제거 실험을 진행하기 어렵다. 일반 경유 내 황 함유량을 조절하기 위하여 ditertiarybutyldusulfide를 혼합하여 선박용 연료와 유사한 연료조건으로 엔진을 작동시켜 황 화합물 제거실험을 진행하였다.
디젤엔진의 모드에 따른 배출가스 농도를 측정하기 위해서, mode 별 약 20분씩 가동을 하며 질소산화물의 농도를 측정하였다. 측정은 배기가스 측정기 (Testo, 350K)를 사용하여 실시간으로 확인하였다. 엔진의 시험 mode를 변경 후 질소산화물 농도변화를 살펴보면 약 5분이 지나면서 농도가 일정하게 유지되는 것으로 안정화가 된 것을 확인 할 수 있다.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 엔진은 약 150마력 급의 현대자동차의 터보디젤엔진이다. 디젤엔진의 모드에 따른 배출가스 농도를 측정하기 위해서, mode 별 약 20분씩 가동을 하며 질소산화물의 농도를 측정하였다.
본 연구의 습식 스크러버는 2단으로 설계하였으며, 처리용량 3 CMM, 액기비 10 L/min, 충 진층은 0.25 m 두께로 2층으로 제작하였다. 스크러버 하단의 세정액은 펌프로 이송돼 상부의 노즐로 분사되어 충진층에 흐르게 된다.

이론/모형

본 연구는 중·소형 선박의 배가스 내 황산화물 및 질소산화물의 동시저감을 위한 습식 스크러버의 처리효율에 관한 연구다. IMO에서 제시한 질소산화물 기술코드에 제시한 엔진 작동조건에 준하여 실험을 진행하였다. 엔진 및 수동력계를 조건에 맞춰 작동시켰을 때, 점차적으로 오염물질 배출량이 증가하여 질소산화물 발생량이 700∼ 1,200 ppm, 황산화물이 400∼1,100 ppm 이였다.
질소산화물 중 흡수가 어려운 NO가스는 과 산화수소를 촉매분해시켜 생성된 .OH^-라디칼과 NaClO₂를 이용한 습식산화법을 이용하여 NO₂로 전환시킨 후 습식 스크러버로 흡수하였다. 그 결과 배출되는 질소산화물의 농도가 100 ppm 이하로 약 90%이상의 처리효율을 확인하였다.
동시 저감 습식 스크러버 공정을 개발하고자 하였다. 실제 엔진의 배기가스 유량 및 농도와 같은 배출특성이 운전조건에 따라 상이하기 때문에, 실험은 IMO에 제시한 질소산화물기술코드(NO_XTecnical Code)를 통하여 질소 산화물 배출량을 계산하는 실험 절차에 준해서 진행하였다. 질소산화물기술코드의 엔진 운전조건을 설정하기 위해서 디젤엔진 및 수동력계가 있는 Test Bed에서 엔진을 여러 단계로 부하를 조절하여 배가스의 처리효율을 확인하고자 한다.

성능/효과

mode 2∼4는 건식 산화법만 적용하였으며, 스크러버 유입농도는 약 700∼1,200 ppm 이었으며, 처리 후 유출농도는 약 100 ppm으로 전체적으로 약 90%의 제거효율을 확인할 수 있었다.
OH^-라디칼과 NaClO₂를 이용한 습식산화법을 이용하여 NO₂로 전환시킨 후 습식 스크러버로 흡수하였다. 그 결과 배출되는 질소산화물의 농도가 100 ppm 이하로 약 90%이상의 처리효율을 확인하였다. 황산화물은 수분 및 암모니아 수용액에 잘 흡수되어 100%의 높은 처리효율을 보여주었다.
엔진의 시험 mode를 변경 후 질소산화물 농도변화를 살펴보면 약 5분이 지나면서 농도가 일정하게 유지되는 것으로 안정화가 된 것을 확인 할 수 있다. 디젤엔진의 모드에 따른 질소산화물 농도를 살펴보면, mode 4에서 750 ppm, mode 3에서 1,000 ppm, mode 2에서 1,100 그리고 mode 1에서 1,200 ppm 정도 배출되었으며, 엔진의 속도 및 출력에 따라 상승하는 것을 확인할 수 있었다
디젤엔진을 각 mode 별 조건에 맞춰 작동 시킨 후 황산화물의 배출농도를 살펴보면, mode 1 = 1,100 ppm, mode 2 = 900 ppm, mode 3 = 600 ppm, mode 4 = 400 ppm 이 발생하였다. 습식 스크러버로 배기가스를 처리한 후의 농도를 살펴보면 0 ppm, 처리효율 100%에 수렴한 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 결과는 황산화물의 높은 수용성에 기인한 것이다.
mode 2∼4는 건식 산화법만 적용하였으며, 스크러버 유입농도는 약 700∼1,200 ppm 이었으며, 처리 후 유출농도는 약 100 ppm으로 전체적으로 약 90%의 제거효율을 확인할 수 있었다. 실험과정에서 질소산화물의 성상변화를 알아보기 위해서 배기가스 측정장비를 통해서 농도변화를 살펴보면, 줄어든 NO가스가 정량적으로 NO₂로 전환되지 않는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 과산화수소 분해 촉매를 통해 발생된 .
측정은 배기가스 측정기 (Testo, 350K)를 사용하여 실시간으로 확인하였다. 엔진의 시험 mode를 변경 후 질소산화물 농도변화를 살펴보면 약 5분이 지나면서 농도가 일정하게 유지되는 것으로 안정화가 된 것을 확인 할 수 있다. 디젤엔진의 모드에 따른 질소산화물 농도를 살펴보면, mode 4에서 750 ppm, mode 3에서 1,000 ppm, mode 2에서 1,100 그리고 mode 1에서 1,200 ppm 정도 배출되었으며, 엔진의 속도 및 출력에 따라 상승하는 것을 확인할 수 있었다
그 결과 배출되는 질소산화물의 농도가 100 ppm 이하로 약 90%이상의 처리효율을 확인하였다. 황산화물은 수분 및 암모니아 수용액에 잘 흡수되어 100%의 높은 처리효율을 보여주었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선박에서 배출되는 질소산화물(NOX) 및 황산화물(SOX)의 처리기술 개발이 시급한 까닭은 무엇인가?	국제연합(UN) 산하의 국제해사기구(IMO)는 선박에서 발생하는 해양오염 물질 및 배출가스를 규제하고 있다. 2016년부터 현행 2단계에서 3단 계 (Tier-3)로 규제를 강화하겠다는 내용을 발표 하였다. 또한 중국 교통운송부는 장강 삼각주, 주강 삼각주 및 발해만 수역을 ECA(Emission Control Area : 배출규제해역)로 지정하면서 연료 내 황 함유량을 제한하기 시작했으며, 2019년까지 단계적으로 규제를 강화할 예정이다[1]. 이 러한 국제적인 규제에 맞춰 선박에서 배출되는 질소산화물(NOX) 및 황산화물(SOX)의 처리기술 개발이 매우 시급하다고 할 수 있다.
	SCR의 특징은 무엇인가?	선박 엔진에서 배출되는 질소산화물을 처리하는 대표적인 기술인 SCR(Selective Catalytic Reduction)은 대형선박 위주로 설치가 되고 있으며, 초기 설치비용 및 유지비용이 높은 관계로 중소형선박에 적용하기 어려운 실정이다[3]. SCR을 대신해서 질소산화물을 처리하기 위해서는 배기가스 내 질소산화물의 대부분을 차지하고 있는 NO를 처리하기 쉬운 NO2로 전환하는 공정이 필요하다[4].
	본 연구에서 습식 스크러버의 제거효율을 측정하기 위해 실시한 방법은 무엇인가?	본 연구에서 사용한 습식 스크러버의 제거효율을 측정하기 위해서 수동력계가 구비된 엔진 테스트 베드를 이용하여 성능평가를 실시하였다. 실험장치는 Fig.

참고문헌 (10)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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