UREA 분사량 조정이 SCR 성능에 미치는 영향에 대한 실험적 연구

Abstract

산업화에 따른 전례 없는 기후변화와 환경오염에 국제사회의 대기오염 배출물질 규제는 지속적으로 강화되고 있는 추세이며, 이는 선박에서의 대기오염 배출물질 또한 예외가 될 수 없었다. 이에 UN 산하 국제해사기구는 MARPOL 부속서 제 Ⅵ장 선박에서의 대기오염 방지를 위한 규칙을 제정하여 대기오염을 규제하고 있으며 동 부속서가 발효되고 있다. 선박에서 발생하는 모든 대기오염물질의 배출을 통제하고 있으며 이러한 추세는 앞으로도 계속 이어질 것으로 전망된다. 규제 대기오염물질 중 하나인 질소산화물(NOx, Nitrogen Oxides)은 선박 추진기관 및 발전기관으로 많이 사용되는 디젤엔진에서 발생한다. NOx 배출가스 역시 MARPOL의 부속서 제 Ⅵ장에 따라 단계적으로 배출량을 저감하여야 하며 과거 TierⅠ배출기준 대비 TierⅢ 배출기준의 경우, 배출량의 80% 저감된 기준을 제시하고 있다. 강도 높은 환경규제에 맞추어 여러 가지 방법의 오염물질 저감 기술이 개발, 적용되었고 NOx 배출량을 약 80% 이상 저감할 수 있는 후처리 장치의 필요성이 대두되게 되었다. 이에 본 연구에서는 선박에 많이 적용되어 사용되고 있는 대표적인 후처리 장치인 SCR에 대해 실험을 진행하였다. 실선의 LP-SCR system 디젤엔진이 여러 가지 조건에서 운전될 때 배기가스를 분석하여 NOx 배출 특성 및 저감 효율을 살펴보고, 기관실 저장 탱크에서 1년 이상 된 요소수(Urea)를 사용했을 때 저감 성능을 확인해 보았다. 배기가스 분석기로 NOx 배출량을 비교하여 본 결과 TierⅡ 및 TierⅢ에서 배출량 기준을 만족하였다. TierⅢ의 경우 모든 실험엔진의 NOx 배출량이 15ppm 이하로 측정되었다. SCR 운전 중 Urea dosing rate를 정량적으로 증가시켜 NOx 배출량 변화를 확인한 결과, 대상 엔진의 모든 실험조건에서 NOx 배출량 변화는 극히 미미하였다. 증가 투입된 요소수는 NOx를 저감하는 용도로 사용되지 않고 암모니아 슬립의 형태로 대기 방출되었다고 유추할 수 있다. SCR 운전 중 Urea dosing rate를 정량적으로 감소시켜 NOx 배출량 변화를 확인한 결과, 모든 실험엔진의 요소수 투입량을 감소시킬수록 NOx 배출량은 증가했으며, 정량 100% (Auto) 투입하였을 때 최고의 저감 성능을 나타내도록 최적화되어 있음을 확인할 수 있었다. SCR 운전 전/후의 NOx(ppm) 저감율은 80%를 훨씬 상회하는 수준의 성능을 보여주었다. 본 실험 결과에 따르면 선박에서 1년 이상 된 요소수(보관온도 25℃~30℃)를 사용하였을 때 그 성능에는 큰 손실이 없는 것을 확인하였다. 향후 SCR 요소수 분사량 제어를 통한 암모니아 슬립 최소화, 전 구간 온도에서도 사용 가능한 요소수 또는 대체재 개발 등 다양한 측면에서 연구가 필요할 것으로 생각되며 본 연구가 아주 작은 도움이 될 수 있기를 바라본다.|Due to unprecedented climate change and environmental pollution caused by industrialization, the air pollutant emission regulations of the international community are continuously being strengthened. And air pollutant emissions from ships could not be an exception. The International Maritime Organization under the UN has established MARPOL Annex VI to prevent air pollution from ships to regulate air pollution, and the Annex is in effect. Emissions of all air pollutants generated from ships are being controlled, and this trend is expected to continue in the future. Nitrogen Oxides (NOx), one of the regulated air pollutants, is generated from diesel engines, which are widely used for ship propulsion and power generation. Nitrogen Oxide emissions must also be reduced step by step according to MARPOL Annex VI, and in the case of Tier III emission standards compared to the previous Tier I emission standards, an 80% reduction in emissions is presented. In accordance with strict environmental regulations, various pollutant reduction technologies have been developed and applied, and the need for a post-treatment device that can reduce Nitrogen Oxide emissions by about 90% or more has emerged. In this study, an experiment was conducted on SCR(Selective Catalytic Reduction), which is a representative post-processing device that is widely applied and used in ships. When the ship's LP-SCR system diesel engine is operated under various conditions, the exhaust gas was analyzed to examine the Nitrogen Oxide emission characteristics and reduction efficiency. The reduction performance of the SCR was checked when using urea solution water stored for more than one year in the storage tank in E/R. As a result of comparing Nitrogen Oxide emissions with an exhaust gas analyzer, the emission standards were satisfied in Tier II and Tier III. In case of Tier III, Nitrogen Oxide emissions from all experimental engines were measured to be less than 15 ppm. As a result of confirming the NOx emission change by quantitatively increasing the urea dosing rate during SCR operation, the NOx emission change of all the experimental engines was extremely insignificant. It can be inferred that the increased input urea was not used for reducing NOx but was released into the atmosphere in the form of ammonia slip. As a result of confirming the NOx emission change by quantitatively reducing the urea dosing rate during SCR operation, the NOx emission increased as the urea input of all experimental engines was reduced. It was confirmed that it was optimized to show the best reduction performance when 100% (Auto) of urea dosing rate was injected. The NOx (ppm) reduction rate before and after SCR operation showed a level of performance well above 80%. According to the results of this experiment, it was confirmed that there was no significant loss in performance when using urea (storage temperature 25 ℃ ~ 30 ℃) with a period of more than one year in a ship. In the future, it is considered that research is needed in various aspects, such as minimizing ammonia slip through control of SCR urea injection amount and developing urea or alternatives that can be used at all temperature ranges. I hope that this study will be of even a little help.