스크Lover

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

1. 선택적 촉매 환원법(SCR)

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.

2. 선박 엔진용 배기가스 정화 시스템 연구현황

1) 기존 NOx 저감기술들이 가지는 취약성의 해결방안으로 UV/ 기법을 이용한 습식흡수  탈질법을 이용하기 위해 과산화수소의 광분해 속도 및 수산화라디칼 생성속도를 규명하고, 회분식 반응기를 이용하여 NO의 산화 및 흡수속도를 산정하여 최종적으로 여러 조건에서 UV/H2O2 스크러버 연계 시스템의 NOx 제거효율에 대한 연구가 진행되었다.(강지순, 2016)
2) 스크러버의 특성상 부피가 커질 수밖에 없어 선체의 공간이 부족한 중소형 선박에 사용이 어려운 시점이다. 중소형 선박에 설치하기 위한 인라인 스크러버의 내부구조를 변형하여 부피를 줄이는 동시에 성능을 높이고자 다양한 조건에서의 실험을 통해 최적의 내부 설계와 최적 조건에서의 배기유량 적정량을 제시하였다.(이상민·박권하, 2018)

• 특허조사 및 특허 전략 분석

• 기술 로드맵

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

1. 선박용 탈활설비(습식 스크러버)

스크러버에서 황산화 화합물을 제거하기 위해 흡수제와 배기가스를 접촉시킨다. 일반적인 흡수제로써 바닷물 또는 정수된 물을 이용한다. 선박에 이용하는 습식 스크러버에는 해수를 이용하는 오픈 루프 스크러버(Open loop scrubber system), 선박 내에서 청수를 재순환하여 이용하는 클로즈 루프 스크러버(Closed loop scrubber system) 그리고 두 시스템의 장점을 활용하기 위해 일부 제조업체에서 제안한 하이브리드 스크러버 시스템(Hybrid scrubber system)이 있다.

2. 선박용 탈질설비(SCR System)

국내 대형 선박용 SCR 탈질 시스템을 갖춘 대표적 기업 (주)파나시아. SCR System으로 유입되는 가스의 압력을 분산시켜 가스의 흐름을 균일하게 하게 한다. 노즐의 내부 관으로는 요소가 주입되고 외부관은 압축공기가 흐르도록 제작되어 분사되는 요소(Urea solution)가 요소 중합체로 형성되는 것을 막고 Pyrolysis Duct에서 암모니아 가스로 전환이 되게 한다. 반응조 내에서 배기가스를 필터링 시키고, 이를 부스터 버너를 통해 2차 산화를 시키는 세라믹 또는 메탈필터와 질소산화물이 암모니아와 함께 촉매들의 표면에서 환원반응을 일으켜 최종적으로 N2와 H2O로 만들어진다. Monitoring & Control System을 설치하여 적정량의 요소 용액 준비와 공급을 위하여 SCR의 모든 기능을 표시해주고 제어할 수 있게 해야 한다.

• 마케팅 전략 제시(SWOT분석)

Strengths(강점)

-NOx와 SOx의 동시 제거 가능

-선체공간이 부족한 중소형 선박에 설치 가능

-장기적인 관점에서 스크러버 장착으로 인한 연료 운항비 감소로 투자비용 회수 가능

Weaknesses(약점)

-SCR 촉매 유지 관리의 필요성

-소형화를 위한 스크러버 구조 제한

Opportunities(기회)

-국제 선박기구(IMO)의 습식 스크러버 사용 권고

-2020년 해양 선박 배기가스 규제 강화 예정

Threats(위협)

-노후선박의 경우 비경제적

-기술 발전을 위한 국내 스크러버 시장의 규모가 한정적

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇대형 선박에만 적용되어지고 있는 스크러버를 소형화 하여 중﹡소형 선박에도 적용하여 선박 대기정화 범위 확대
◇동심원을 기준으로 내부 원통에는 스크러버 외부에는 SCR을 적용하여 작은 부피로 선박 대기오염 물질 정화효율 증진  
◇SCR과 스크러버를 결합시켜 SOx 처리뿐만 아니라 NOx 처리 효율까지 향상
◇소형화된 스크러버의 효율 증진을 위해 최적화된 내부 구조 설계

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇좁은 공간에 설치할 수 있어 대형선박뿐만 아니라 중﹡소형 선박에서도 적용 가능하기 때문에 상품 적용범위 확대
◇SCR과 스크러버를 함께 설치하기 때문에 SOx, NOx 부분에서의 IMO 규정을 충족 
◇SCR과 스크러버 일체형 설치로 설치﹡운영 비용이 절감이 되기 때문에 매출 증대
◇최적화된 구조를 이용하여 대기오염물질 제거 효율을 높여 해양 대기 정화에 기여

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

◇남효연: 총괄 담당 및 상세 설계
◇김소은: 보고서 제작 담당 및 상세 설계
◇김예송: 경제성 분석 담당 및 상세 설계
◇김민호: 프로토 타입 제품 제작 담당 및 상세 설계

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계 사양

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

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용