본 연구에서는 강화되는 황산화물 및 입자상물질의 배출규제를 만족시키기 위한 후처리장치인 스크러버(scrubber)에 대한 수치해석적 연구를 수행하였다. 먼저 수치 해석을 통하여 기존 스크러버의 문제점을 파악하고, 이러한 문제점들을 개선할 수 있는 새로운 형태의 와류형 스크러버를 설계하여 분석하였다. 그 결과 와류형 스크러버에서 배기가스는 하부에서 와류를 형성하고 그 중 일부는 바닥면을 통과하여 가이드 베인을 따라 배출되는데, 이 때 수직 방향의 압력구배는 크지 않으나 배플의 내 외부에는 압력차가 발생하는 것으로 나타났다. 배기가스 유선의 형태를 확인한 결과, 물이 분사되지 않는 경우에는 물이 분사되는 경우에 비해 가이드 베인을 따라 출구까지 일정하게 유동하였으며, 유동의 형태에 가이드 베인과 노즐의 배열 및 수압 등이 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 와류형 스크러버의 경우 입 출구의 차압이 기존의 스크러버 대비 절반 이하로서 기관의 배압에 미치는 영향이 훨씬 적은 것으로 나타났다.
본 연구에서는 강화되는 황산화물 및 입자상물질의 배출규제를 만족시키기 위한 후처리장치인 스크러버(scrubber)에 대한 수치해석적 연구를 수행하였다. 먼저 수치 해석을 통하여 기존 스크러버의 문제점을 파악하고, 이러한 문제점들을 개선할 수 있는 새로운 형태의 와류형 스크러버를 설계하여 분석하였다. 그 결과 와류형 스크러버에서 배기가스는 하부에서 와류를 형성하고 그 중 일부는 바닥면을 통과하여 가이드 베인을 따라 배출되는데, 이 때 수직 방향의 압력구배는 크지 않으나 배플의 내 외부에는 압력차가 발생하는 것으로 나타났다. 배기가스 유선의 형태를 확인한 결과, 물이 분사되지 않는 경우에는 물이 분사되는 경우에 비해 가이드 베인을 따라 출구까지 일정하게 유동하였으며, 유동의 형태에 가이드 베인과 노즐의 배열 및 수압 등이 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 와류형 스크러버의 경우 입 출구의 차압이 기존의 스크러버 대비 절반 이하로서 기관의 배압에 미치는 영향이 훨씬 적은 것으로 나타났다.
Numerical studies have been carried out on scrubbers, which are after-treatment devices to satisfy strengthened emission regulations for sulfur dioxide and particulate matter. We investigated the problems with existing scrubbers through numerical analysis and designed and analyzed a new swirl-type s...
Numerical studies have been carried out on scrubbers, which are after-treatment devices to satisfy strengthened emission regulations for sulfur dioxide and particulate matter. We investigated the problems with existing scrubbers through numerical analysis and designed and analyzed a new swirl-type scrubber that could solve these problems. As a result, with the swirl-type scrubber, exhaust gas formed a vortex in the lower part of the device, and some of this gas was released along the guide vane through the bottom surface. In this case, the pressure gradient in the vertical direction was not large, but a pressure difference between the inside and outside of the baffle was generated. The shape of the exhaust gas stream was investigated, and when water was not sprayed, the exhaust gas flowed constantly to the outlet along the guide vane, in contrast to when water was sprayed. It was confirmed that the shape of the flow was influenced by the guide vane, nozzle arrangement and water pressure. In the case of the swirl-type scrubber, impact on engine back-pressure was minimal, because differential pressure at the inlet and outlet was less than half of that with a conventional scrubber.
Numerical studies have been carried out on scrubbers, which are after-treatment devices to satisfy strengthened emission regulations for sulfur dioxide and particulate matter. We investigated the problems with existing scrubbers through numerical analysis and designed and analyzed a new swirl-type scrubber that could solve these problems. As a result, with the swirl-type scrubber, exhaust gas formed a vortex in the lower part of the device, and some of this gas was released along the guide vane through the bottom surface. In this case, the pressure gradient in the vertical direction was not large, but a pressure difference between the inside and outside of the baffle was generated. The shape of the exhaust gas stream was investigated, and when water was not sprayed, the exhaust gas flowed constantly to the outlet along the guide vane, in contrast to when water was sprayed. It was confirmed that the shape of the flow was influenced by the guide vane, nozzle arrangement and water pressure. In the case of the swirl-type scrubber, impact on engine back-pressure was minimal, because differential pressure at the inlet and outlet was less than half of that with a conventional scrubber.
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문제 정의
본 연구에서는 선박기인 대기오염물질 중 SOx, PM 등의 규제강화에 대응하기 위해 수치해석을 통하여 기존 스크러버의 문제점을 파악하였고, 이러한 문제점들을 개선할 수 있는 새로운 형태의 와류형 스크러버에 대한 연구를 수행하였다. 그 결론은 다음과 같다.
이에 본 연구에서는 선박기인 대기오염물질 규제강화에 대응하기 위한 기술의 하나로 IMO에서도 권장하고 있는 스크러버를 이용하는 방안을 연구하였으며, 이를 위해 수치해 석을 통하여 기존 스크러버의 문제점 등을 파악하였고, 이러한 문제점들을 개선할 수 있는 새로운 형태의 와류형 스크러버에 대한 수치적 연구를 수행하였다.
가설 설정
배기가스는 실제 조건과 유사하도록 질소 77 %, 이산화탄소 13 %, 산소 5 %, 수증기 5 %의 혼합가스로 가정하였으며, 물의 수증기로의 상변화를 고려하여 계산하였다. 가스의 입구 온도는 350 , 질량유량은 1.05 kg/s로 가정하였다. 그리고 기존의 일반적인 스크러버는 물이 분사되는 노즐 위쪽에 demister가 존재하는데 본 해석에서는 이 부분을 계산하기 위하여, 여기에 0.
정상 상태 조건을 이용하였고, 난류 모델은 k-Epsilon 모델을 적용하였다. 배기가스는 실제 조건과 유사하도록 질소 77 %, 이산화탄소 13 %, 산소 5 %, 수증기 5 %의 혼합가스로 가정하였으며, 물의 수증기로의 상변화를 고려하여 계산하였다. 가스의 입구 온도는 350 , 질량유량은 1.
제안 방법
기존 스크러버의 수치해석 방법과 조건은 동일하나, 와류형 스크러버의 경우 demister가 존재하지 않으므로 porosity 조건은 적용하지 않았다. 또한 본연구에서는 입출구의 압력 차이를 조사하는 것이 주요 내용이므로 와류형 스크러버에서는 스크러버의 세정 능력에 큰 영향을 미치는 노즐분사압력을 0 kPa과 600 kPa 두 경우로 하여 해석을 수행하고 그 차이를 살펴보았다.
대상 데이터
하부에서 배기가 유입되어 상부로 배출되는 구조를 가진 일반적으로 선박에서 사용되는 스크러버를 대상으로 해석을 진행하였다. 본 계산에서는 스크러버 전체를 계산하기에는 물리적, 시간적으로 많은 어려움이 있어 스크러버의 4분의 1만을 대상으로 계산을 수행하였다.
이론/모형
확산항은 Element shape function의 미분형태로 각 적분점의 위치에서 구배계수를 계산함으로써 결정된다. Upwind, Quick 등 몇 가지 기법에 의해 대류항이 평가될 수 있으나, 본 연구에서는 대류항에 대해 2차 정확도의 Upwind biased approach에 기초한 High resolution 기법을 사용하였다.
본 연구에서 활용된 CFX는 Implicit, Pressure-based 방법을 사용하며, 여기에는 (P, ui, H) 의 주요 독립 변수들이 사용되었다. 일반적으로 범용 상용코드는 위의 변수에 대해 해석을 수행하며, 압축성 유동에 대해서는 적절한 압력과 속도의 연동을 보장해 주기 위한 계산이 추가된다.
0 CFX가 사용되었다(ANSYS CFX 13). 정상 상태 조건을 이용하였고, 난류 모델은 k-Epsilon 모델을 적용하였다. 배기가스는 실제 조건과 유사하도록 질소 77 %, 이산화탄소 13 %, 산소 5 %, 수증기 5 %의 혼합가스로 가정하였으며, 물의 수증기로의 상변화를 고려하여 계산하였다.
성능/효과
(1) 기존의 스크러버의 입·출구 압력차는 volume porosity 0.95에서 134.2 kPa인데 반해, 와류형 스크러버는 노즐의 수압이 증가함에 따라 차압도 증가하는 경향을 보이며 설계점인 수압 600 kPa에서 입구와 출구의 차압은 약 60 kPa로 기존의 스크러버보다 낮았다. 이는 주기관 가까이 스크러버를 설치하는 경우를 가정할 때, 와류형 스크러버가 기관에 대한 배압의 영향이 적어 기관에 무리가 적을 수 있다는 것을 의미한다.
(2) 와류형 스크러버에 유입된 배기가스는 하부에서 와류를 형성하고 그 중 일부는 바닥면을 통과하여 가이드 베인을 따라서 출구로 배출되는데, 이 때 수직방향의 압력구배는 크지 않고 대신 배플을 중심으로 내·외부 압력차가 발생하게 되며 단면적의 감소로 인하여 출구직전의 압력이 감소하였다.
(3) 배기가스 유선의 형태를 확인한 결과, 배기가스는 물이 분사되지 않는 경우에는 물이 분사되는 경우에 비해 가이드 베인을 따라 출구까지 일정하게 유동한다. 또한 배플 내부에서는 가이드 베인을 따라 유동하는 배기가스에 의해 회전류를 형성하며 배출되고 있으며, 유동의 형태에 가이드 베인, 노즐의 배열 및 수압 등이 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
후속연구
, 2007). 이에 보다 컴팩트하면서 처리용량은 크며 저비용으로 제작이 가능한 스크러버의 개발이 필요할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
선박용 스크러버의 단점은 무엇인가?
앞서 설명한 바와 같이 스크러버는 여러 가지 많은 장점을 가지고 있음에도 불구하고 선박으로의 적용에 있어서는 여러 가지 단점을 지니고 있다. 대표적으로 육상에 비해 공간이 제한적인 선박에서 적용에 있어 그 규모가 크다는 점과 그에 따라 가격이 비싸다는 것이다(Han et al., 2007).
선박용 스크러버는 무엇인가?
선박용 스크러버란 배기가스에 염기성 함유 매질(해수 또는 청수)을 분사하여 가스 중의 SOx, PM을 제거하는 장치를 의미한다. 즉, 스크러버로 인입 된 배기가스에 물(물+흡수제)을 분사시켜 충진물 표면에서 배기가스와 물이 접촉 반응하도록 하여 배기가스 중의 오염물질을 흡수, 제거한 후 비교적 깨끗한 배기가스를 대기 중으로 방출하도록 되어 있다.
스크러버의 이점은 무엇인가?
, 2015). 스크러버는 SOx를 90 %까지 제거할 수 있을 뿐만 아니라 PM도 최대 90 %까지 제거가 가능한 것으로 알려져 있다. 또한 IMO 보고에 의하면 스크러버에 의하여 선박기인 블랙카본(Black Carbon)도 40 % 정도 제거가 가능한 것으로 밝혀지는 등, SOx 뿐만이 아니라 PM 전체의 제어를 고려한다면 다른 대기오염물질 저감 기술보다 스크러버가 더 우수한 성능을 가진다는 것은 이미 많은 자료에 의해 알려져 있다(Son et al.
Han, B. W., H. J Kim, Y. J. Kim and K. S. Han(2007), Journal of Korean Society for Atmospheric Environment, Vol. 12, No. 6, pp. 345-346.
Jung, R. T.(2011), Recent International Development on the Technical and Operational Measures of IMO's $CO_2$ Emission Control from Ships, Journal of the Korean Society for Marine Environment & Energy, Vol. 14, No. 1, pp. 65-71.
Kang, K. J., S. H. Kim and E. C. Kim(2004), A Study on the NOx Emission Status and Reduction Technologies of Domestic Marine Engine, Journal of the Korean Society for Marine Environment & Energy, Vol. 7, No. 2, pp. 57-63.
Kim, I. C., C. G. Kim, S. J. Park, D. Y. Cho and Y. H. Lee(2015), Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 39, No. 7, pp. 773-778.
Son, K., J. Y. Lee and K. H. Park(2015), The effect of Spray Flow Rate, Aspect Ratio, and Filling Rate of Wet Scrubber on Smoke Reduction, Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 39, No. 3, pp. 217-222.
Song, H. C., J. U. Lee and J. S. Choi(2003), A Study on the Estimation of Discharge Amount of NOx Emission from Ships in Port of Busan, Journal of the Korean Society for Marine Environment & Energy, Vol. 14, No. 1, pp. 65-71.
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