보고서 정보
주관연구기관 |
(주)애니텍 |
연구책임자 |
이주열
|
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2016-05 |
과제시작연도 |
2015 |
주관부처 |
산업통상자원부 Ministry of Trade, Industry and Energy |
등록번호 |
TRKO201800039589 |
과제고유번호 |
1415140070 |
사업명 |
글로벌전문기술개발(주력및신산업) |
DB 구축일자 |
2018-11-24
|
키워드 |
Ship engine.Exhaust gas removal.Wet treatment.
|
초록
▼
핵심기술
연구의 핵심기술은 습식 기술을 이용하여 1000마력급 중소형 선박에서 배출되는 오염물질을 저감하는 기술을 개발하는 것임.
최종목표
- 선박기인 오염물질 측정방법 확립 및 조사
- 1000마력급 유류 운반선 탱크 내부에서 발생하는 VOCs 회수/처리 시스템 개발
- 습식 스크러버를 이용한 1000마력급 선박용 SOx/NOx 동시처리 시스템 개발
- 습식스크러버 폐세정수 처리 및 해수를 이용한 약액 생산 시스템 개발
- 습식 스크러버를 적용한 배기저감 시스템 평가 및 설계최적화
핵심기술
연구의 핵심기술은 습식 기술을 이용하여 1000마력급 중소형 선박에서 배출되는 오염물질을 저감하는 기술을 개발하는 것임.
최종목표
- 선박기인 오염물질 측정방법 확립 및 조사
- 1000마력급 유류 운반선 탱크 내부에서 발생하는 VOCs 회수/처리 시스템 개발
- 습식 스크러버를 이용한 1000마력급 선박용 SOx/NOx 동시처리 시스템 개발
- 습식스크러버 폐세정수 처리 및 해수를 이용한 약액 생산 시스템 개발
- 습식 스크러버를 적용한 배기저감 시스템 평가 및 설계최적화
- VOCs 회수/처리 시스템 및 SOx/NOx 처리 시스템 현장적용
- 개발된 오염물질 제거 시스템에 대한 대응 방향 및 방안 확립
개발내용 및 결과
- 습식 스크러버를 이용한 선박용 SOx/NOx 동시처리 시스템 개발
⇒ 본 연구에서 습식 스크러버를 이용하여 선박엔진에서 배출되는 SOx/NOx의 동시처리 실험을 수행하였다. lab test 및 plant test 를 통해 도출한 최적 운전 조건으로 IMO 규제에 대응하기 위한 NTC 측정조건에 대한 실험을 진행하였다.
⇒ NTC Mode-4 실험에서 NOx 제거율은 약 90 % 이상의 효율을 보여주었다. 실제 선박에서 배출되는 NOx의 농도는 1,000 ppm 이상으로, NOx 농도가 높을수록 효율 또한 증가되는 이전 실험의 결과로 비추어 보았을 때, 현장실증을 통한 실험 시에도 Tier-3 기준치를 충분히 만족할 것으로 판단되어 1000마력급 선박 설치를 통한 장치 성능평가를 실시하였음.
- 스크러버 폐수 recycling 처리시스템 pilot plant 제작
⇒ Lab 실험을 통해 도출한 최적 조건을 토대로 전기화학적 습식스크러버 폐세정수 처리시스템의 pilot system을 제작하였다. 제작한 습식스크러버 폐세정수 처리 시스템은 인천항 test-bed에 설치하여 현장 실험을 통해 그 성능을 시험성적서를 발급받음으로 입증하였다.
- Test-bed 선정 및 pilot-scale 시스템 실증화 연구
⇒ 연구실 및 만석부두에 구축한 선박엔진 테스트 베드 연구를 통해 습식스크러버 폐세정수 처리에 효과적임을 확인하였으며, 최종적으로 선박용 습식스크러버 시스템과의 일체형 시제품 제작을 통해 실선 실험을 통한 장기운전 데이터를 확보하였음.
- Pilot-plant 운영을 통한 시스템 개량 및 최적화
⇒ 현장 실증연구를 위하여 습식스크러버 폐세정수 처리시스템의 최종 시제품을 공간 맞춤형으로 일체형 설계 및 제작하여 습식스크러버 시스템과의 연동을 통한 성능 평가를 실시하였다. 또한 한국조선기자재시험연구원에 의뢰하여 신뢰성있는 결과를 도출하고 NOx Technical Code 에 준한 시험을 통한 성적서로 성능을 입증하였다.
⇒ 시험결과, 현장실선인 평택항의 안정호에서는 각 mode별로 실험한 결과, mode1= 82 %, mode2= 96 %, mode3= 96 %, mode4= 97 %의 효율을 확인하였다.
- 수리·통계학적 방법을 이용한 공정 최적화
⇒ 수리·통계학적 실험분석법의 하나인 반응표면분석법을 이용하여 전기화학적 처리 시스템의 반응을 최적화 하였으며, 처리시간 및 전류값과 TSS 제거효율 간의 상관관계를 수식화하여 제시함. 또한 이를 토대로 최적점에서의 제거효율을 도출하였으며, 이는 0.77 A, 20분의 조건에서 처리 시 92.2%의 제거효율을 나타낼 것으로 예측함.
⇒ 도출한 최적 운전조건을 pilot system 설계에 적용하였으며, 실선 실험 운전 조건으로 적용하여 전기화학적 처리효율을 극대화하고자 하였음.
- Scrubber 시제품 배출 물질 측정·분석
⇒ 시제품의 NOx/SOx 동시처리 성능 평가를 위해 NOx Technical Code Mode-4(IMO MARPOL 73/78 ANNEX Ⅵ, 이하 NTC)실험을 공인시험기관(한국융합화학시험연구원) 참여하에 수행하였다
⇒ 엔진 및 처리 시스템이 안정화 된 후 스크러버 후단에서 배가스의 측정·분석을 수행하여 NOx 1.2 g/kWh, SOx 0SO2 ppm/CO2 %(검출안됨)의 조사되어, 2차년도 연구를 통해 개발목표( NOx 3 g/kWh, SOx 40 SO2 ppm/CO2 %)를 달성한 것으로 판명되었으며, 이를 바탕으로 실선 장착 시험을 실시함.
⇒ 3차년도 연구를 통해 폐수 recycling 시스템과 일체형으로 제작한 20 CMM 급 습식스크러버에 대한 평가를 실시하였으며, 최종 성능으로 실선에서의 결과로 처리용량 23 CMM, 소요전력량 1.2 kWh, NOx 1.58 g/kWh, SOx 0SO2 ppm/CO2 %, 의 조사되었으며, 한국조선해양기자재연구원의 테스트베드에서의 시험 결과로 NOx 0.39 g/kWh, SOx 0 SO2 ppm/CO2 %(검출안됨)의 조사되어 Tier-3에 만족하는 최종 성능을 확인함.
⇒해양 환경에 영향을 줄수있는 난분해성 유해물질 처리 연구를 실시하였으며, 전기화학적 시스템을 이용하여 난분해성 물질의 처리가 가능함을 확인함. 또한 이온성 물질의 거동 분석결과 폐세정액 내 다양한 양・음이온이 존재하나 해양환경에 누출되었을 시 문제를 일으킬 수 있는 물질이 없음을 확인함.
- IMO 회의 대응
⇒ 미국령 ECA 지역의 NOx Tier III 시행이 2016년부터 시행되는 것으로 IMO MEPC 회의에서 채택됨에 따라 Tier III 기준을 만족시킬 수 있는 장비 및 선주의 요건만족을 위한 준비가 필요하다.
ㅇ 미국령 ECA는 기존의 협약대로 2016년부터 시행될 예정이므로, 2016년 이후에 건조될 예정인 선박들은 오염물질 저감장비의 탑재가 요구됨
ㅇ 향후 지정될 ECA 지역의 발효일자는 각기 상이할 예정이므로, 관련 ECA의 제안 및 채택에 대한 철저한 Follow-up 필요
⇒ 국제규제가 점점 더 강화되어 가고 있으며, 그에 대응하기 위한 조선소, 선사 및 기자제 업체의 기술연구가 가시화 되었다. 지금까지 대형선박에 설치되는 엔진을 위주로 배기가스 저감기술이 개발이 많이 진행되었지만, 향후 배출통제지역 확대가 될 것이며 환경오염에 대한 관심이 급증하면서 저마력, 중소형선박에 대한 규제 또한 진행될 것으로 판단된다.
- 개발 시스템에 대한 국제기술기준 적합성 평가
⇒ 중소형 선박엔진은 1,000마력급 이하 엔진으로 중고속 엔진이며, 대부분이 4행정 One cycle, Trunk type엔진이다. 후처리장치 개발에 있어서 NOx 저감용으로 SCR(Selective Catalytic Reduction) 시스템을 주로 사용하는데, 본 연구를 통해서 개발한 후처리장치와 마찬가지로 사용연료와 배기가스 온도에 영향을 받는다. 또한 SOx 저감용으로는 Scrubber시스템을 사용하는데, Scrubber 시스템 성능은 주로 사용연료의 황 함유량에 영향을 받으며, 휘발성유기화합물(VOCs) 회수장치 또한 사용연료의 영향을 크게 받는다.
- 국내규제 조사 및 국내기술기준 적합성 평가
⇒ 본 연구는 선박으로부터 발생되는 대기오염물질(NOx, SOx, VOCs) 관련 규제 기준이 현재 적용되지 않지만 향후에 적용될 가능성이 많은 선박을 대상으로 계획한 것이다. 각종 국제회의 및 조선소, 엔진제조사 측에서도 대한민국 해역 또한 향후 배출통제지역으로 편입될 가능성이 많다고 예상하고 있기 때문이다. 그러므로 국내 연안을 운항하는 선박에 설치되는 엔진에 대한 규제 또한 강화될 소지가 많다.
- 선박복원성 영향여부 검토
⇒ 149톤 일반선에 개발되는 장치를 설치하였을 경우에 대한 중량변화에 따른 복원성 결과를 검토한 결과 만재흘 수선기준에 따라 화물적재를 할 경우 개발제품 중량 1톤까지 선박의 안전성(복원성)에 영향이 없음
- ACF를 적용한 유류탱크 발생 VOCs 회수 장치 성능 평가
⇒ 본 연구에서는 ACF를 적용한 VOCs 회수·재생 장치의 모듈 개발에 필요한 측정·분석을 수행하였다. 1차년도에는 실제 선박 현장의 VOCs 개별항목 측정을 완료하였으므로, 2차년도 현장 측정은 유증기의 농도를 대표하는 총탄화수소(이하 THC: Total Hydrocarbon) 항목을 측정하였고, 3차년도에는 현장선박 유증기 배출구에 설치된 유증기 회수장치로부터 배출되는 유증기를 분석하였다.
⇒ 현장 측정은 연구개발을 위해 제작한 선박 유류탱크 모사 장치에 본 연차에 개발한 ACF를 장착하여 THC 측정을 수행하였으며, 측정 결과는 선박 운항 조건을 모사한 좌·우 운동 시에는 약 800 ~ 1,200 ppm, ACF 모듈을 설치 후에는 THC 농도가 90 ~ 110 ppm로 조사되었다.
⇒ 따라서 개발한 ACF 모듈은 선박 유증기를 효과적으로 회수하는 것으로 판단된다.
- ACF를 적용한 유류탱크 발생 VOCs 회수 장치 성능평가
⇒ 본 연구를 통해 개발된 ACF 흡착제의 성능평가를 수행하였으며, 공인시험규격인 KS M 1802를 준용하여 톨루엔 흡착능을 측정하였다. 그 결과 본 연구의 정량적 성과목표를 달성한 것으로 조사되었다
⇒ 선박 유류탱크 조건을 모사한 롤링장치에 대한 현장측정을 수행하였다. 현장 측정은 유증기의 농도를 대표하는 총탄화수소(이하 THC: Total Hydrocarbon) 항목을 측정하고, ACF의 현장 적용성을 위한 설계방향을 제시하였다.
⇒ 선박 엔진룸 장착형 ACF 모듈은 SPS-KACA002-132 시험규격을 적용하여 성능평가를 수행하여, 모듈의 설계·개발에 적용하였다
⇒ 스팀 회수장치의 흡착 및 응축 작용에 대한 현장 적용성을 평가하여 장치의 설계·개발에 활용하였으며, 최종적으로 회수된 연료를 재사용이 여부를 판단하기 위해 회수 연료의 성분 분석을 실시하였다.
기술개발 배경
- 국제해사기구의 선박 배기가스 배출기준 강화에 따라 스웨덴, 미국, 독일 등의 선진국을 중심으로 선박관련 환경규제를 강화하고, 친환경 선박 및 기자재 개발을 활발히 진행 중이며, EU, 일본 등 조선기자재 관련 선진국들은 차세대 녹색 선박기술 선점을 위해 시험 · 인증표준화를 이용한 기술 장벽을 구축하여 조선 · 해운산업 시장 재편을 시도 중임.
- 또한 IMO의 해양오염 방지협약(MARPOL 73/78) 부속서Ⅵ에 의해 선박배기가스에 포함된 NOx와 SOx의 배출제한을 강화한 기준 IMO Tier Ⅲ는 현재 적용중인 Tier Ⅲ의 NOx 배출량 대비 80% 이상까지 저감을 요구하고 있음.
- 엔진 배기가스의 NOx를 저감시키는 기술로는 전처리 방식과 후처리 방식이 있다. 전처리 방식과 후처리 방식의 NOx 저감율에 관한 내용을 보면 전처리 방식은 후처리 방식에 비해 저 투자비용으로 NOx를 저감시킬 수 있지만 Tier Ⅲ 기준을 만족 시키지 못한다. 따라서 비교적 설비 투자비용이 많이 들지만 Tier Ⅲ 기준을 만족시키기 위해 후처리 방식을 이용할 수밖에 없는 실정임.
- 본 연구를 통해 개발하고자 하는 대상기술은 국제해사기구(IMO)에서 시행하는 선박에서 발생하는 대기오염 규제에 효과적으로 대응하기 위한 SOx/NOx 동시처리기술 및 VOCs 회수 기술을 포함한 오염물질 배출저감 시스템 개발에 관한 것임.
- 뿐만 아니라, 개발된 시스템의 현장 적용성 확립을 위한 개발 시스템의 중소형 선박 탑재에 따른 선박 안전성 평가 및 오염물질 처리에 따른 부산물 회수/재활용 등의 후처리 기술까지 포함한 미래지향적인 규제대응 기술을 개발하고자 함.
- 국제해사기구(IMO)는 2016년부터 현행 2단계에서 3단계로 규제를 강화할 것이 계획되어 있어 국제법 적용시기에 맞추어 관련 기술을 개발하는 것이 매우 시급한 실정임.
- 이를 위해, 본 연구에서는 아래의 오염제어 및 선박관련 전문 연구진 구성을 바탕으로 국제해사기구(IMO) 규제를 만족시킬 수 있는 컴팩트한 모듈형태의 오염물질 배출저감 시스템 개발을 수행하고자 하였음.
핵심개발 기술의 의의
- 국내외적으로 선박에서 배출되는 가스 처리를 위한 기술은 주로 대형선박에 포커스를 맞추어 개발이 되어 왔으며, 이는 대형화/공간확보/운영비용 등의 문제로 인해 중소형 선박에의 적용이 불가한 것으로 나타남.
- 본 연구에서 개발된 습식기술을 이용한 배출가스 처리기술은 규제해역에서 운항되는 중소형 선박 적용이 가능하고 성능 역시 건식기술에 비하여 월등히 높은 수준을 가지고 있음. 또한, 선박에서 배출되는 다량의 입자상에 직접적인 대처가 어려운 건식기술에 비하여 입자상이 유입됨에도 간단한 전처리를 통해 장치운전이 용이하기 때문에 추후 규제에 의한 사업화가 다수 발생할 것으로 예상됨.
- 폐세정수 처리 및 재순환 시스템은 전기화학적 처리기술을 적용하여 처리시간이 빠르고 전기화학적 반응기 및 전극의 사이즈에 제약이 없어 협소한 선박 내 유휴공간에 맞춤형 설계가 가능함.
- 국외에서의 기술에 대한 홍보를 실시한 결과, 국외에서도 선사들의 관심이 높은 것으로 파악되어 추후 개발기술을 적용한 장치의 수출이 충분히 가능한 것으로 보임.
적용 분야
- 본 개발기술은 기본적으로 국제해사기구에서 발효한 해양배출규제에 대응하여 중소형 선박에서의 배출가스 저감을 위한 기술로 적용이 가능함.
- 기존의 대형선박에서 역시 건식으로 배출가스 저감을 위한 기술이 개발이 진행되고 있으나, 운영비용 등의 문제로 경제성이 매우 낮은 것으로 나타나 본 습식기술을 이용한 대형 선박 배출가스 저감기술의 적용이 가능함.
- 선박에서의 제한적인 공간을 고려한 배출가스 저감을 위한 기술이나 육상에서의 적용성이 충분히 있으며, 발전소, 소각장 등의 배출가스 저감을 위한 맞춤형 기술로 적용이 가능함.
- 전기분해를 이용한 폐세정수 처리기술은 폐수 성상에 따라 다양한 전기화학적 처리기술을 적용할 수 있으므로, 기존 설치되어 운영중인 습식스크러버 시스템에 맞춤형으로 설계・제작이 가능하며, 선박용 뿐 아니라 육상에 적용한 습식스크러버 시스템에도 적용이 가능함.
(출처 : 최종보고서 초록 4p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 제출문 ... 2
- 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 3
- 기술개발사업 주요 연구성과 ... 15
- 목차 ... 24
- 제 1 장 서론 ... 26
- 제 1 절 과제의 개요 ... 26
- 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법) ... 27
- 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 27
- 제 2 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 29
- 제 3 절 수행 결과의 보안등급 ... 39
- 제 4 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리현황 ... 39
- 제 3 장 결과 ... 40
- 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 40
- 1. 연구개발 추진 일정 ... 40
- 2. 연구개발 추진 실적 ... 43
- 3. 기술개발 결과의 유형 및 무형 성과 ... 44
- 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 297
- 1. 각 기관/기업별 역할 및 추진 내역 ... 297
- 제 3 절 고용 창출 효과 ... 300
- 제 4 절 자체보안관리진단표 ... 301
- 제 4 장 사업화 계획 ... 302
- 제 1 절 시장 현황 및 전망 ... 302
- 제 2 절 사업화 계획 ... 307
- 제 3 절 향후 추가 기술 개발 계획 (개발기술 응용 등) ... 310
- 부록 ... 311
- 부록2. 선박 및 엔진현황 통계 조사 및 분석 ... 312
- 부록3. 대기오염 관련 대응 동향 ... 329
- 부록4. 오염물질별 규제현황 ... 347
- 부록5. 습식 저감장치 구조에 따른 유체 유동 시뮬레이션 ... 363
- 부록6. 선박용 Wet-scrubber 관련 시장동향 정리 ... 393
- 부록7. 선박용 VOC 제거기술 관련 시장동향 정리 ... 397
- 부록8. 질소산화물(NOx) 배출저감장치 기술기준 ... 403
- 부록9. 황산화물(SOx) 배출저감장치 기술기준 ... 410
- 부록10. 휘발성유기화합물(VOCs) 배출저감장치 기술기준 ... 414
- 부록11. 개발기술 해외 홍보를 위한 자료 및 현장 ... 416
- 부록12. 개발 장치의 운전 매뉴얼 ... 428
- 부록14. 과제도출 국외 논문 게재 ... 434
- 끝페이지 ... 477
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