[논문]선박용 SCR 시스템에 대한 실험적 연구

남홍식; 허재정; 신동욱; 노범석; 류기탁; 이윤형; 강정구; 이성우

doi:10.3796/ksfot.2020.56.2.183

문제 정의

SCR 시스템 구성품 작동 실험은 NOx 저감성능을 측정하기 전에 SCR 시스템의 구성품들의 정상작동여부와 엔진과의 트러블 확인 및 환원제 분사노즐 위치 확인하기 위한 실험이다. 실험시에는 초기 엔진 부하 변경 시 약 20분간의 충분한 부하변동 시간을 두고 부하를 증가시키고 50% 부하에서 약 40분간의 안정화시간이 필요하다.
본 연구는 질소산화물 저감 장치로서 널리 이용되고 있는 SCR 중 LP SCR (Low Pressure SCR) 시스템에 대하여 실험 장비를 직접 설치하여 IMO NOx Technical Code에 따라 Tier III 성능을 만족하는지에 대한 육상 실증실험을 실시하였으며, 실험에서 측정된 데이터를 분석하여 각 부하 변동에 따른 NOx 배출 특성 및 NOx 저감 효율을 계산하고, 최종적으로 해당 SCR 시스템이 IMO의 Tier III NOx 배출기준을 만족하는 성능을 나타내는지 확인하는데 본 연구의 목적이 있다.
본 연구에서는 엔진의 부하별 NOx 배출 특성과 저압형 SCR 시스템의 성능을 확인하기 위하여 육상의 7860kW급 엔진에 실험용 SCR 시스템의 시제품과 가스분석시스템을 설치하고 실증 실험을 실시하였으며 그 결과는 아래와 같다.
그러나 HP SCR 시스템의 경우 엔진의 설계 초기 단계부터 대상 엔진 및 과급기와의 매칭이 고려되어 설계되어야 하므로 선박용 대형엔진 제작업체를 제외한 국내업체의 독자적인 개발이 어려운 시정이다. 이에 본 연구에서는 기존의 운항중인 선박에 추가로 제작 및 설치가 가능한 LP SCR 시스템의 개발과 육상엔진 실증실험을 통한 NOx 저감 성능에 관한 연구를 실시하였다.

가설 설정

3. Concept of exhaust gas integrated monitoring device.

제안 방법

50% 부하에서 3 Way 댐퍼의 개폐 상태 변경에 따른 SCR 시스템의 작동상태 및 유량변화를 확인한다. 3 Way 댐퍼 작동실험 후 덕트 버너(duct burner) 점화실험을 실시하여 덕트 버너의 점화상태와 SCR 반응기 전단에서의 온도변화를 확인한다. 75% 부하로 변동 후 배기가스온도가 안정되면 덕트 버너 점화실험을 다시 실시하고 온도보상 값을 확인한다.
엔진이 안정화가 된 후에 60분간 3 Way 댐퍼의 개폐 작동실험을 3회 반복하여 실시한다. 50% 부하에서 3 Way 댐퍼의 개폐 상태 변경에 따른 SCR 시스템의 작동상태 및 유량변화를 확인한다. 3 Way 댐퍼 작동실험 후 덕트 버너(duct burner) 점화실험을 실시하여 덕트 버너의 점화상태와 SCR 반응기 전단에서의 온도변화를 확인한다.
50% 부하에서 3-Way Damper의 위치를 10% 단위로 변경하여 작동실험을 하였으며, 완전 열림 및 닫힘 상태에서의 배관 봉인 상태가 양호함을 모니터링 시스템과 현장 댐퍼궤도를 통해 양호함을 확인하였다.
3 Way 댐퍼 작동실험 후 덕트 버너(duct burner) 점화실험을 실시하여 덕트 버너의 점화상태와 SCR 반응기 전단에서의 온도변화를 확인한다. 75% 부하로 변동 후 배기가스온도가 안정되면 덕트 버너 점화실험을 다시 실시하고 온도보상 값을 확인한다. 엔진 정지 후 수트 블로워(soot blower)의 순차적 작동상태를 확인한다.
SCR 시스템 육상 실증실험은 예비실험인 SCR 시스템 구성품 작동 실험, 엔진 부하별 엔진 파라미터 실험 및 본실험인 NOx 저감성능 및 암모니아 슬립(slip) 확인실험의 3단계로 구분하여 진행하였다.
2에는 SCR 시스템의 기계장치 구성도를 나타내었다. 가스분석을 위하여 엔진 배기 후단과 촉매 반응기 전ㆍ후단에 IMO NOx Technical Code에서 규정한 사양을 만족하는 이동식 분석기 및 이동식 전처리장치의 측정시스템을 구성하였다.
58 mL/min이다. 따라서 도징장치의 유량제어 범위는 IMO NOx Tier Ⅱ 수준을 IMO NOx Tier Ⅲ 수준으로 저감하고자 할 때의 엔진 부하 25%에서 필요한 도징유량의 90% (470 mL/min)를 최소로 하고 IMO NOx Tier Ⅰ 수준을 IMO NOx Tier Ⅲ 수준으로저 감하고자 할 때의 엔진 부하 100%에서 필요한 도징유량의 110% (2,850 mL/min)를 최대로 분사하여 반응기 후단의 NOx 배출농도 및 암모니아 슬립 량을 측정한다. 100% 부터 25%까지 부하를 줄여가며 실험하고, 각 부하별 안정화시간을 포함하여 30분의 측정시간을 가진다.
반응기 본체 내부에 설치된 촉매층 지지대 위에 본체한 면에 설치된 촉매 문(door)을 통해 촉매모듈을 설치하고, 각각의 촉매모듈과 일정 거리를 두고 촉매세정용 노즐 및 파이프를 설치한다. 반응기 본체와 배기 파이프(스택)를 연결하기 위한 리듀서는 배기가스 배압이 작게 걸리도록 설계 제작한다.
본 연구에서는 시제품으로 제작된 저압형 SCR 시스템을 육상의 실험용 엔진에 설치하고 실증실험을 실시하였다. 그리고 해당 SCR의 NOx 저감 성능이 MARPOL 부속서 Ⅵ 제13규칙에서 규정하고 있는 Tier III의 배출기준치를 만족함을 확인하였다.
엔진 부하별 온도 변화 및 엔진 파라미터 실험은 실험대상 엔진의 기본 성능 데이터와 별도로 SCR시스템과 함께 작동될 때의 엔진의 기본 성능을 알기위해 실시되는 실험이다. 실험 시에 각 부하에서 NOx 계산을 위한 파라미터 및 엔진의 배압과 배기가스의 수분함량을 확인한다. 100% 부터 25% 까지 부하를 줄여가며 실험하고, 각 부하별로 데이터 안정화 시간 포함하여 30분의 측정시간을 가진다.
실험장치는 크게 4부분으로 나누었으며, 엔진 및 운전설비, SCR 시스템, 가스분석 시스템, 통합 모니터링시스템으로 구성되었다.
엔진 및 운전설비는 직렬 6기통의 7,860 kW, 2-Stroke, 129 rpm의 선박용 엔진과 수력형 동력계(Fuchino CFSR-20.0, 26,471 kW at 200~400 rpm)를 이용하였으며, 개발된 SCR 시스템의 성능을 측정할 수 있는 3가지 가스분석기 시스템과 제어실에서 SCR 상태를 모니터링할 수 있는 통합 모니터링 시스템을 구성하였다. SCR 시스템은 크게 기계장치, 요소수용액 공급시스템 및 제어시스템으로 구성되며 기계장치는 디젤 엔진의 배기가스가 배출되는 흐름 순서로, 배기가스 바이패스용 3-Way 밸브장치, 배기 파이프(스택), 혼합증발관, 촉매 반응기, 배기 파이프, 2-Way 밸브장치 등으로 구성된다.
엔진 부하를 100%부터 75%, 50%, 25%로 변동하며 파라미터(parameter)를 획득하기 위한 실험을 진행하였으며 실험 중 엔진 파라미터들을 측정하고 측정값을 Table 3에 나타내었다.
엔진의 부하를 100%부터 75%, 50%, 25%로 변동하며 NOx 저감 성능 및 암모니아 슬립을 측정하기 위한 실험을 진행하였으며 실험 중 엔진 파라미터와 환원제 분사량, NOx 저감률을 측정하고 그 측정값을 Table 4에 수치로 표시하였다.
실험시에는 초기 엔진 부하 변경 시 약 20분간의 충분한 부하변동 시간을 두고 부하를 증가시키고 50% 부하에서 약 40분간의 안정화시간이 필요하다. 엔진이 안정화가 된 후에 60분간 3 Way 댐퍼의 개폐 작동실험을 3회 반복하여 실시한다. 50% 부하에서 3 Way 댐퍼의 개폐 상태 변경에 따른 SCR 시스템의 작동상태 및 유량변화를 확인한다.

대상 데이터

1은 일반적인 LP SCR 시스템을 보여준다(MAN, 2018). 주요 구성품으로는 SCR 반응기(reactor), 혼합기(mixer), 분해 장치(decomposition unit, DCU)이며, DCU는 반응기 출구와 혼합기 입구 측에 설치되고, 송풍기(blower), 히터(heater) 그리고 증발기(vaporiser)로 구성되어 있다.

이론/모형

SCR 시스템의 육상엔진 실증 실험을 실시하고 각 실험의 배출가스 측정은 IMO NOx Technical Code의 제5장의 NOx 배출 측정 절차에 따라 진행하였으며 그 결과는 다음과 같다.
1항의 밀도계수를 적용하였으며 Table 5에 순수배기가스에 대한 밀도계수를 나타내었다. 배기가스의 배출질량유량과 습도보정계수는 NOx Technical Code 부록 6과 NOxTechnical Code 제5장 5.12.4.6항의 중간 공기냉각기를 장착한 압축점화엔진의 습도보정 계산식을 사용하여 계산하였다. NOx Technical Code 제5장에 명시된 NOx 배출량의 계산식을 식 (5)에 나타내었다.

성능/효과

1. 실험에서 측정한 데이터를 NOx 배출량 계산식에 대입하여 계산한 결과 본 SCR 장치를 사용할 때의 NOx 배출량은 2.27 g/kWh로 확인되었다. NOx 배출통제해역에서 운항 시 적용되는 Tier III의 NOx 배출 규제기준이 기관의 분당회전수가 130 미만일 때 3.
9는 반응기 입구와 출구의 NOx 배출 농도의 비를 취하여 각 부하별 NOx 저감율을 그래프 나타낸 것이다. 100%의 부하에서 86.2%로 최대 저감 효율을 나타내었고 25%의 부하에서 85.5%가 저감 되었다. 평균적으로는 85.
2. 촉매 반응기 입구와 출구의 NOx 배출 농도를 비교하여 각 부하별 NOx 저감율을 계산한 결과 각 부하별로 거의 일정한 비율의 저감율을 나타내었으며 평균적으로 85.8%의 비율로 NOx가 저감됨을 확인하였다. 이로서 환원제의 분사가 각 부하별로 정상적으로 제어되는 것을 확인하였다.
3. 반응기 입구에서의 각 부하별 NOx 배출 농도를 관찰한 결과, 저부하 상태에서 낮은 배출 농도를 보이다가 75% 부하에서 배출 농도가 직선적으로 증가하고 엔진의 연소상태가 안정화 되는 100% 부하에서는 NOx의 배출농도가 75% 부하 시의 NOx 배출 농도보다 약간 감소함을 알 수 있었다.
4. 반응기 출구의 암모니아 배출 농도는 평균적으로 약 4 ppm 정도의 농도를 나타내고 있다. 각 부하별 암모니아 배출 농도를 환원제 첨가율과 비교하면 50%에서 100% 부하까지는 환원제의 첨가율과 비례하는 반면 25% 부하에서 첨가율이 가장 낮음에도 암모니아의 배출 농도가 가장 높은 수준을 보이고 있음을 알 수 있었다.
반응기 출구의 암모니아 배출 농도는 평균적으로 약 4 ppm 정도의 농도를 나타내고 있다. 각 부하별 암모니아 배출 농도를 환원제 첨가율과 비교하면 50%에서 100% 부하까지는 환원제의 첨가율과 비례하는 반면 25% 부하에서 첨가율이 가장 낮음에도 암모니아의 배출 농도가 가장 높은 수준을 보이고 있음을 알 수 있었다. 이는 저부하 상태에서 배기가스 온도가 낮으므로 요소수의 암모니아 변환 및 환원반응이 활발하게 일어나지 않아 암모니아 슬립이 증가한 것으로 예상되며 이를 개선하기 위한 방안에 대한 연구가 필요한 것으로 생각된다.
10에 그래프로 나타내었다. 각 부하별로 반응기 출구의 암모니아 배출 농도를 보면 50% 부하에서 2.2 ppm으로 가장 낮은 배출 농도를 나타내었으며 25% 부하에서 5.5 ppm으로 가장 높은 배출 농도를 나타내었다. 전체적인 암모니아 배출 농도는 모든 부하에서 10ppm 이하로 측정되었으며 평균적으로 약 4 ppm 정도의 농도를 나타내고 있다.
7에 그래프로 나타내었다. 그래프를 보면 기관부하 25%에서 1028 ppm으로 낮은 수준을 보이다가 50%와 75%의 부하에서 직선적으로 증가하였다. 엔진의 연소상태가 안정화 되는 100% 부하에서는 NOx의 배출농도가 1124 ppm으로 75% 부하 시의 NOx 배출 농도보다 약간 감소하였다.
4 g/kWh 이하이다. 그러므로 해당 SCR 시스템의 NOx 저감성능이 MARPOL 부속서 Ⅵ 제13규칙에서 규정하고 있는 Tier III의 배출 기준치를 만족하는 것을 확인하였다.
본 연구에서는 시제품으로 제작된 저압형 SCR 시스템을 육상의 실험용 엔진에 설치하고 실증실험을 실시하였다. 그리고 해당 SCR의 NOx 저감 성능이 MARPOL 부속서 Ⅵ 제13규칙에서 규정하고 있는 Tier III의 배출기준치를 만족함을 확인하였다.
반응기 출구에서의 NOx 배출 농도는 반응기 입구에서의 농도와 비교하여 현저히 낮은 수준으로 나타났으며 기관부하 75%에서 159 ppm으로 가장 높았고 25%에서 149 ppm으로 가장 낮았으며 10 ppm 정도의 편차를 보여 일정한 수준의 농도를 나타내었다.
실험 대상 엔진은 NOx 배출기준 Tier I으로 설계된 엔진으로 각 배기가스의 농도와 NOx 배출량을 계산한 결과 Tier I 기준(17.0 g/kWh)과 비슷한 수준인 16.705 g/kWh의 NOx 배출률을 나타냄을 확인할 수 있었다.
엔진 부하별 엔진 파라미터 획득 실험 결과 배기가스의 온도는 248℃에서 223℃ 정도로 변화되고 있으며, 75% 부하에서 가장 낮은 온도를 보이고, 25% 부하에서 가장 높은 온도를 나타내는 것을 알 수 있다. 이는 엔진의 공장 시운전 보고서(shop test report)와 유사한 결과로 엔진 본래의 배기가스 온도특성을 유지하고 있음을 알 수 있다.
27 g/kWh로 확인되었다. 이는 기관의 분당회전수가 130 미만인 엔진을 설치한 선박이 NOx 배출 통제해역에서의 운항시에 적용되는 Tier III의 NOx 배출 규제기준 3.4 g/kWh 대비 낮게 확인되어 해당 SCR 시스템이 Tier III 기준을 만족하는 질소산화물 저감 성능을 나타냄을 알 수 있다.
전체적인 암모니아 배출 농도는 모든 부하에서 10ppm 이하로 측정되었으며 평균적으로 약 4 ppm 정도의 농도를 나타내고 있다. 이를 환원제 첨가율과 비교하여 보면 50%에서 100% 부하까지는 환원제의 첨가율과 비례하여 암모니아 슬립이 발생하는 반면 25% 부하에서 첨가율이 가장 낮음에도 암모니아의 배출 농도가 가장 높은 수준을 보이고 있다. 이는 저부하 상태에서 배기가스 온도가 낮아 요소수의 암모니아 변환 및 환원반응이 활발하게 일어나지 않아 암모니아 슬립이 증가하였다.
5 ppm으로 가장 높은 배출 농도를 나타내었다. 전체적인 암모니아 배출 농도는 모든 부하에서 10ppm 이하로 측정되었으며 평균적으로 약 4 ppm 정도의 농도를 나타내고 있다. 이를 환원제 첨가율과 비교하여 보면 50%에서 100% 부하까지는 환원제의 첨가율과 비례하여 암모니아 슬립이 발생하는 반면 25% 부하에서 첨가율이 가장 낮음에도 암모니아의 배출 농도가 가장 높은 수준을 보이고 있다.
최종적으로 본 실험에서 획득한 데이터를 식 (4)와 식 (5)에 대입하여 계산한 결과 SCR 장치를 사용할 때의 NOx 배출량은 2.27 g/kWh로 확인되었다. 이는 기관의 분당회전수가 130 미만인 엔진을 설치한 선박이 NOx 배출 통제해역에서의 운항시에 적용되는 Tier III의 NOx 배출 규제기준 3.
5%가 저감 되었다. 평균적으로는 85.8%의 NOx 농도 저감율을 보여 부하별로 거의 일정한 NOx 농도 저감율을 나타내었다.

후속연구

각 부하별 암모니아 배출 농도를 환원제 첨가율과 비교하면 50%에서 100% 부하까지는 환원제의 첨가율과 비례하는 반면 25% 부하에서 첨가율이 가장 낮음에도 암모니아의 배출 농도가 가장 높은 수준을 보이고 있음을 알 수 있었다. 이는 저부하 상태에서 배기가스 온도가 낮으므로 요소수의 암모니아 변환 및 환원반응이 활발하게 일어나지 않아 암모니아 슬립이 증가한 것으로 예상되며 이를 개선하기 위한 방안에 대한 연구가 필요한 것으로 생각된다.

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