650kw급 황산화물 저감장치의 최적화에 대한 연구

Abstract

The regulations on sulfur oxides emitted from marine diesel engines have

been strengthened, and a lot of research on the abatement technology is

under way. Typical abatement technologies include scrubbers, which include

cyclones, venturi, jet scrubbers, packed towers, and spray towers. Among

them, the spray tower has to be bulky due to the nature of the scrubber,

but when it is bulky, it can not be used for small and medium sized

vessels. In order to overcome these drawbacks, it is necessary to study the

internal structure of the scrubber which can reduce the volume and

improve the performance.

Therefore, in this study, basic study was carried out to analyze pressure

and flow according to deformation of internal structure of scrubber by

installing guide angle and baffle inside a simplified scrubber through

computational fluid analysis (CFD). Based on these basic studies, we present

a new internal structure of wet scrubber and investigate pressure,

temperature, velocity and water distribution to find the optimal internal

structure while deforming the shape.

In basic research, the pressure drop and the average length of flow

were measured by varying the angle of the guide and the structure of

baffle in an inline scrubber for a 650kW engine. The guide angle was

analyzed by increasing the angle from 0° to 75° in 15° increments. The

structure was analyzed by varying the length of baffle, spacing between

baffles, number of baffles, and distance from the inlet of the baffle.

Experimental results showed that the values of the guide angle, spacing

between baffles, number of baffles, and distance from the inlet of the

baffle were 30°, 420mm, 200 mm, 4, and 1000 mm, respectively.

In this study, characteristics of pressure, velocity, temperature, and

water distribution according to changes of internal structure of rectangular

wet scrubber for 10MW diesel engine were analyzed. An external scrubber,

a guide vane, a hole plate, and a packing in the structure of the

conventional scrubber are sequentially added to analyze. As the result of

the analysis, the pressure on the front end of the scrubber was reduced

and the exhaust gas flow was uniformed by installing the external scrubber,

and most of the heat exchange was completed before the inner scrubber.

By installing the guide vane and hole plate, exhaust gas was uniformly

dispersed and active particles were trapped in the external scrubber. It was

confirmed that the cleaning water was distributed widely in the packing

region, the uniform and low temperature distribution was observed after

the packing region, and the residence time of the exhaust gas was

prolonged by the flow rate reduced in the scrubber.|선박 디젤 엔진에서 필연적으로 발생되어지는 황산화물(SOx)과 질소산화물(NOx)은 스모그의 원인이 되어 인체에 유해하게 작용하거나, 주요한 대기오염 물질로써 산성비의 원인이 되어 기체 자체로 사람에게 유해하게 작용해 호흡기 질환을 일으키게 된다(Ko et al., 2014). 이러한 이유로 질소산화물과 황산화물의 배출규제가 점차 강화되고 있으며, 저감기술에 대한 관심이 높아지고 있다.

황산화물의 경우 연료내의 황 함량을 우선적으로 제한하였으며, 국제연합(UN)산하의 국제해사기구(IMO)에서는 배출규제 지역(sECA)의 경우 2015년부터 황 함량 0.1%, sECA이외의 지역에 대해 2020년부터 황 함량 0.5%로 제안한다는 내용을 발표하였다. 이에 따라 선박에서 배출되는 가스 내 포함되어 있는 황산화물을 제거하기위한 전, 후처리 저감 기술에 대한 연구개발이 활발히 이루어지고 있다.

질소산화물의 경우 2000년 1월 1일 이후로 시행된 Tier 1, 2011년 1월 1일 이후로 시행된 Tier 2, 2016년 1월 1일 이후에 시행된 Tier 3에 이르기까지 계속해서 배출규제를 강화하고 있는 실정이며, 점차 적용대상도 확대해 나갈 것으로 생각된다. Tier 3이전의 NOx 규제의 경우 분사 최적화, 피스톤 형상 최적화등 엔진의 운전조건을 최적화하는 방법으로 규제를 만족 시켰지만, Tier 3 이후의 규제는 전,후처리 과정이 선행되어야만 만족할 수 있을 만큼 강화되어 규제 만족을 위해 다양한 기술이 연구 개발되고 있는 실정이다(김성윤, 2016).

황산화물 규제를 만족하기 위한 저감 기술로는 대표적으로 습식 스크러버가 있다. 습식 스크러버를 이용한 황산화물 처리기술은 저렴한 고유황유 연료를 그대로 사용할 수 있고, 낮은 운영비용으로 인하여 선호하는 것으로 알려져 있다. 물 또는 해양에서 공급할 수 있는 해수를 이용하여 엔진의 배기가스를 세정할 수 있는 장점도 있다(Lee et al., 2014). 이러한 장점들에 의해 습식 스크러버에 대한 많은 연구들이 진행되고 있다. Lee, et al. (2015)는 스프레이형 스크러버의 배출가스에 포함된 액적의 제어방법에 관한 전산해석적 연구를 수행하였으며, Ko, at al. (2007)는 충진층식 스크러버의 스프레이 시스템 최적 설계에 대한 수치해석적 연구를 하였고, Son, at al. (2015)는 습식 스크러버의 분무유량, 형상비 및 충진율 변화가 스모크 저감에 미치는 영향에 대해 연구하였다. Han, at al. (2007)는 충진제의 종류에 따른 습식 스크러버의 가스상 물질 제거 특성에 대해 연구하였으며, Heo (2016)는 수치해석을 이용한 중,대형 스크러버 시스템 내 유체유동 및 열적 특성 분석에 대한 연구를 진행하였으며 Kim, et al. (2015)는 CFD 해석 및 PIV 실험을 통한 연료유 스크러버의 노즐 위치 선정에 대한 연구를 수행하였다. 그리고 Choi, et al. (2017)는 선박 배기가스 내 SOx/NOx 처리용 습식 스크러버에 대한 연구를 수행하였으며, Pourmohammadbagher, et al. (2011)는 스월모양의 습식 스크러버로 오염물질을 제거하는 연구를 수행하였고, Douglas, et al. (1976)는 미립자를 위한 저에너지 습식 스크러버의 작동 매개 변수에 대한 연구를 진행하였다. 그리고 Yoo, et al. (2003)는 충진층식 세정집진기의 집진특성에 대한 실험을 수행하였으며, Hassan, et al. (2017)는 원심 분리식 습식 스크러버 내부의 세정액 흐름 패턴의 흐름 시각화 및 모델링에 대한 연구를 수행하였다.

선박 디젤 엔진에서 배출되는 황산화물에 대한 규제가 강화되어, 그 저감 기술에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 대표적인 저감 기술로는 스크러버가 있는데 그 종류로는 사이클론, 벤츄리, 제트 스크러버, 충전탑, 분무탑 등이 있다. 그 중 분무탑의 경우 스크러버 특성상 부피가 커질 수 밖에 없는데, 부피가 커지면 중소형 선박에 사용할 수 없게 된다. 이러한 단점을 보완하기 위해 부피를 줄이는 동시에 성능을 높일 수 있는 스크러버 내부 구조에 대한 연구가 필요한 실정이다.

따라서, 3장에서는 전산 유체 해석(CFD)를 통해 단순화된 스크러버 내부에 가이드 각도와 배플을 설치해 스크러버 내부 구조 변형에 따른 압력과 유동에 대해 분석하는 기초연구를 수행하였으며, 이에 따른 압력강하와 유동의 길이를 분석하여 유동의 경향을 파악하는 동시에 최적의 내부 구조를 찾고자 하였다. 그리고 4장에서는 습식 스크러버의 새로운 내부구조를 제시하고 형상을 변형시켜 유동특성을 분석하였으며, 이에 따른 압력, 온도, 속도, 물 분포의 분석을 통해 최적의 내부 구조를 찾고자 한다.