스크Lover
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프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 중·소형 선박에서 SOx, NOx 동시 저감을 위한 SCR-Scrubber 일체형 장치 소형화
영문 : Smaller size of SCR-Scrubber integrated device for simultaneous reduction of SOx and NOx in medium and small ships
과제 팀명
스크Lover
지도교수
장서일 교수님
개발기간
2018년 9월 ~ 2018년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 환경공학부 20158900** 남*연(팀장)
서울시립대학교 환경공학부 20138900** 김*호
서울시립대학교 환경공학부 20148900** 김*은
서울시립대학교 환경공학부 20148900** 김*송
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
◇ 서울·대구 등 내륙지역 대도시에 비해 항만도시에서 선박에 의해 발생하는 대기오염이 점점 심각해지고 있다. ◇ 날로 강화되고 있는 배출가스 규제로 인해 연소 전 처리 기술인 저황연료의 사용만으로 해결할 수 없게 되었고, 후처리공정에 중요성이 높아지게 되었다. ◇ 그 중 황산화물 처리를 위한 스크러버 공정은 부피가 크고 설치비용이 비싸 주로 대형선박에서만 적용되어지며, 중·소형 선박을 위한 상용화가 어려운 실정이다. ◇ SCR에서 NOx와 SOx의 1차적인 처리가 이루어진 후 바로 스크러버에서 SOx의 2차 습식처리가 이루어지게 하여 스크러버의 소형화를 기대해볼 수 있고, 최적화 된 내부구조를 찾아 효율적인 SCR-스크러버 장치를 설계하고자한다.
개발 과제의 배경
◇ 2018년을 기준으로 부산·인천 등 주요 항만도시의 대기오염이 서울·대구 등 내륙지역 대도시에 비해 더 심각한 것으로 나타났다. 항만도시에서 발생하는 대기오염의 주원인은 국립환경과학원의 조사결과, 부산의 미세먼지 발생원의 51.4%를 차지하는 선박이었음을 알 수 있었다. 따라서 정부는 2017년 9월에 미세먼지 관리 종합대책을 발표했지만 대부분 발전소, 자동차, 산업분야에 대한 부분으로 선박은 뚜렷한 배출규제나 저감방안이 없는 실정이다. ◇ 현재 국내 선박의 대기오염물질 배출규제는 주로 「해양환경관리법」을 통하여 시행되고 있는데, 대부분 국제해사기구(IMO)의 MARPOL 협약에서 규정하고 있는 사항을 대부분 그대로 수용하고 있다. 국제해사기구(IMO)는 현재 직접적인 질소산화물(NOx) 배출규제와 선박 연료유의 황 함유량 규제를 통한 간접적인 황산화물(SOx) 배출 규제를 시행하고 있다. 또한 IMO의 ‘선박으로부터 오염방지를 위한 국제협약(MARPOL 73/78) 부속서Ⅵ 수정안’에 의거 2020년까지 전 해역의 해상부분에 대한 대책으로 선박에서 배출되는 연료의 황 함량 기준을 지금의 3.5%에서 0.5%로 강화시켰다. 하지만 이 협약은 국제 항해 선박에 대한 규제를 주로 다루고 있기 때문에 국내 항만 선박에 대한 배출규제가 이와 동일한 수준으로 설정되기는 어려웠다. ◇ 선박 연료유의 황 함유량 규제와 같은 간접적인 방안에서 사용되는 저유황유의 가격이 고유황유의 가격과 비교하여 2배 정도 높아 이는 중장기적 측면에서 볼 때, 경제적으로 손실이 클 것으로 예상되었다. 이에 대한 대안으로 MARPOL 73/78의 부속서 에서는 배기가스 후처리공정으로 습식 스크러버 사용을 권고하고 있으며, 향후 모든 선박에 황산화물 세정장치의 설비는 중요한 요소가 될 것으로 보인다. ◇ 그러나, 한국선주협회가 2백여 회원사를 대상으로 조사한 결과 우리나라 선박 1천16척 중 설치대상이 570여척으로 1만DWT급 이하 소형선 304척은 연료통 안에 설치하는 스크러버를 장착할 공간이 부족해 설치가 불가능하다. ◇ 따라서 중·소형 선박에 적용 가능한 스크러버의 소형화와 황산화물뿐만 아니라 질소산화물을 효율적으로 저감시킬 수 있는 기술의 개발이 필요하다고 판단되었다.
개발 과제의 목표 및 내용
◇ 황산화물 제어기술에서 대표적으로 선박에서 배출되는 배기가스 중 SOx는 스크러버에서 흡수제와 접촉하게 되고 일부와 화학적 반응을 하여 그 가스로부터 황산화물을 제거한다. 흡수제의 종류에 따라 해수를 이용하는 오픈 루프 타입(open loop type)과 알칼리성 흡수제를 이용하는 클로즈 루프(closed loop) 스크러버로 나뉜다. 그러나 차지하는 부피가 커 주로 대형선박에 적용가능하며, 설치비용이 높다는 단점이 있다. ◇ 질소산화물의 제어기술에서 대표적인 선택적 촉매환원(Selective Catalytic Reduction: SCR)경제적인 측면에서 가장 효율적인 방법이다. SCR은 상기의 다른 건식법에 비하여 고정자산 투자와 운전비가 저렴하고, ammonia 공급기와 반응기만이 필요한 단순공정이며, 90% 이상의 높은 NOx 전환율을 얻을 수 있고, 또한 폐수 등의 부산물이 없다. 이 기술에 사용되는 촉매는 높은 활성, 질소로의 높은 선택성, 열적 안정성 및 우수한 내구성을 가지고 있어야 한다. 이러한 요구사항을 충족시키기 위하여 현재 연구되는 촉매는 금속산화물 촉매로 값이 비싸다는 단점을 가지고 있다. ◇ 우리는 이러한 제어기술의 단점을 보완하기 위해 SCR장치에서 SOx, NOx를 동시에 저감할 수 있는 촉매를 찾고 효율적인 적용 가능성을 보이고자하며, 이를 통해 1차적으로 SOx를 부분 제거함으로써 2차 단계인 스크러버의 소형화를 기대해볼 수 있을 것이다. 가장 큰 목표인 스크러버를 중*소형 선박에도 적용할 수 있도록 최적화된 내부 구조를 찾아 SCR-스크러버 일체형 세정장치를 고안하고자 한다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
NOx와 를 촉매에 접촉시켜 NOx를 와 로 생성하는 방법으로 경제성, NOx 제거 효율과 공정 특성 등을 비교해봤을 때 가장 우수한 공정으로 알려져 있다. SCR 반응에 사용되는 환원제로 탄화수소(hydrocarbon)를 사용하는 HC-SCR, 수소(hydrogen)를 사용하는 H2-SCR 및 암모니아 (ammonia)를 사용하는 NH3-SCR로 구분할 수 있으며 자세한 내용은 아래와 같다
- HC-SCR : 촉매로 Co 및 Cu를 제올라이트(zeolite)에 이온 교환하여 합성한 촉매들이 우수한 초기 활성을 보이나, 촉매 피독물질에 대한 내구성이 저하되는 문제점을 가지고 있다. 또한, Ag/가 우수한 활성 및 에 대한 내구성으로 인해 연구되어 왔으나 -SCR에 비해서는 상대적으로 낮은 NOx 제거효율 및 에 대한 내구성을 나타내고 있다.
- H2-SCR : 150 ℃ 이하의 낮은 온도에서 높은 활성 및 선택도를 갖는 기술이며 Pt, Pd 및 Rh과 같은 귀금속을 첨가한 촉매들이 주로 연구되었다. 그러나 우수한 활성을 보이는 온도가 80-120 ℃로 매우 좁으며, , CO, 에 의한 활성저하 및 낮은 선택도가 극복해야 할 과제로 남겨져 있다.
- NH3-SCR : 고정원에서 배출되는 NOx를 90% 이상을 제거할 수 있는 기술로써, 가격 경쟁력 및 촉매활성의 안정성 측면에서 현재까지 NOx 제어 기술에 있어서 최적방지기술(Best Available Control Technology, BACT)로 상업화에 있다. -SCR에 사용되는 촉매는 크게 귀금속 촉매, 금속산화물, Cu 또는 Fe가 이온 교환된 제올라이트의 형태로 구분할 수 있다. 제올라이트 촉매는 200-300℃ 또는 500℃ 이상의 고온에서 비교적 우수한 활성을 나타내지만 수분에 의한 활성저하, 에 의한 활성저하 및 배기가스 내의 존재하는 탄화수소에 의한 활성저하 등의 문제점이 있다. 금속산화물 촉매 중, 망간산화물과 세륨산화물을 이용한 촉매는 250℃ 이하의 저온에서 우수한 촉매활성을 나타내는 것으로 알려져 있으며, 이를 저온 SCR 촉매(Low-temperature SCR catalyst; LTC)라 한다. 이들 촉매는 저온에서의 우수한 활성에 비해 에 의한 비활성화가 매우 크게 작용하며, 특히 망간산화물을 활성성분으로 한 촉매는 배기가스에 포함된 수분에 의해 촉매활성이 크게 저하되는 것으로 알려져 있다.
- 특허조사 및 특허 전략 분석
내용
- 기술 로드맵
내용
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
내용
- 마케팅 전략 제시
내용
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
내용
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
내용
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
내용
구성원 및 추진체계
내용
설계
설계사양
제품의 요구사항
내용
설계 사양
내용
개념설계안
내용
이론적 계산 및 시뮬레이션
내용
상세설계 내용
내용
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
내용
포스터
내용
관련사업비 내역서
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완료작품의 평가
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향후계획
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특허 출원 내용
내용
