1. 서 론

국제항해를 종사하는 선박은 전 세계의 무역량 80 % 이상 의 물동량을 운송하고 있다. 선박은 약 10억 톤(전 세계 CO₂ 배출량의 약 3 %)의 이산화탄소(CO₂) 및 질소산화물(전 세계 NO_x 배출량의 약 15 %), 황산화물(전 세계의 SO_x 배출량의 9 %)의 및 입자상물질(PM), 일산화탄소(CO)를 배출하고 있다 (Eyring et al., 2010;UNCTAD, 2020;Toscano and Murena, 2019).

국제해사기구(IMO)는 배출통제구역(ECA, Emission Control Areas)를 지정하고, MARPOL 부속서 VI을 통하여 환경규제 를 강화함으로써 환경오염을 줄이기 위하여 많은 노력을 하 고 있다. IMO는 2020년 1월 1일부터 황산화물 규제를 발효 시켰고, 이로 인하여 국제항을 운항하는 모든 선박은 황산 화물 규제 만족을 위해 탈황장치(Scrubber)설치, 황함유량 0.5 % 이하의 저유황유 사용, LNG 연료 추진선박으로 개조 와 같은 강화된 황산화물 규제 만족을 위한 방안을 선택하 여 시행하고 있다. 선사들은 선박의 노후화 상태와 경제성 분석 및 2020년 1월 이후 COVID-19 확산으로 인한 저유황유 가격의 급락(Do and Lee, 2020)으로, 최근의 선사들은 저유황 유 사용 62 %, Scrubber 설치 36 %, LNG 연료 2 % 정도로 채 택한 것으로 확인되었다(Ryu, 2019).

선사에서 가장 많이 선택한 저유황유의 사용은 추가적인 장비 설치가 없는 것이 장점이다. McCaffery et al.(2021) 및 Gysel et al.(2017)의 연구에서 저유황유를 사용하는 컨테이너 선박 및 초대형 원유 운반선과 고유황 HFO를 사용하는 선 박과의 배기가스 비교 연구 결과 저유황유를 사용하는 선박 에서 NO_x, SO_x, PM 및 CO 배출량이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 저유황유의 사용은 낮은 점도로 인한 연 료유 펌프의 고착, 연료유 왁스 성분의 고체화 같은 문제가 초래될 수 있다는 단점이 있다(KR, 2018).

두 번째로 많이 선택한 Scrubber 설치의 경우 초기 투자비 용은 많이 소모되나 HFO 사용으로 유지비용이 낮다는 장점 이 있다. 2021년 기준으로 벌크선 1599척, 컨테이너선 962척, 유조선 646척, 케미컬선 569척, 기타 802척, 총 4,578척의 선 박이 Scrubber를 설치하였으며, 2024년까지 Scrubber를 설치한 선박은 4,628척으로 증가할 것으로 확인되었다(ICCT, 2020;DNV GL, 2021). Scrubber를 설치하는 선박의 경우, 연료유는 중유(HFO) 또는 선박용 가스유(MGO)를 사용하고 있으며 HFO는 촉매분해법 공정에 의해서 생산되어 처리공정상의 잔류물을 포함하고 있다. HFO는 일반적으로 증류방식의 MGO보다 더 높은 황, 회분, 금속, 수분 등을 포함하고 있으 며, 연소로 인한 SO_x, PM 배출량은 황 농도에 따라 달라진다 (McCaffery et al., 2021;Winnes and Fridell, 2009; Yusuf et al., 2012). SO_x의 주성분인 이산화황(SO₂)은 배기가스에서 산화 되어 삼산화황(SO₃)이 되며, 배기가스 내 수분과 결합하여 황산염으로 변화되면서 PM 발생량에 영향을 준다(Cordtz et al., 2013). Scrubber의 경우 세정수량 및 처리방식에 따라 70 ~ 90 % 정도의 PM 저감 효율이 있다고 알려져 있으며(LR, 2015), 추후 IMO에 의한 PM 규제가 강화될 경우 선박 내 한 정된 공간에서 효율적으로 PM과 SO_x를 동시에 저감할 수 있는 후처리 설비가 주요한 선택지가 될 것이다.

세 번째로 LNG 연료 추진선박으로 개조와 같은 대응방법 은 SO_X를 100 % 제거할 수 있는 장점이 있으나, 많은 투자 비용 및 LNG 벙커링 인프라 부족으로 인하여 많은 채택이 이루어지지 않고 있다.

PM 제거에 가장 효율적으로 알려져 있는 전기집진방식은 건식집진방식과 습식집진방식으로 나눌 수 있으며, 전기장 강도에 따라 차이는 있으나 대략적으로 건식전기집진방식 의 경우 약 73 %(1실 기준), 습식전기집진방식의 경우 97 %(1 실 기준) 정도의 PM 제거 효율을 보인다(Kim et al., 2015).

건식전기집진기는 발생하는 분진을 재활용함으로써 처리 비용을 낮출 수 있으며, 여러 실을 연속적으로 설치하여 PM 저감 효율을 높일 수 있는 장점이 있다. 하지만 여러 실을 연속적으로 설치할 경우 설치 공간이 많이 필요하다는 단점 을 가지고 있다.

본 연구에서는 현재 PM 규제의 부재로 실증 연구가 많이 이루어지고 있지 않지만 추후 PM 규제가 강화될 경우를 대 비하여 선박의 한정된 공간에서 높은 PM 저감 효율을 가지 며, 세정액에 의해 물에 용해되는 SO₂, 암모니아(NH₃)와 같 은 배기오염물질도 제거할 수 있는 습식전기집진방식의 기 술(Kim et al., 2015)을 채택하여 PM과 SO_x 저감 성능에 대한 실증 연구를 실시하였다.

2. 실험장치 및 연구방법

2.1 실험장비 및 시험장비 구성

Fig. 1에서 본 연구에서 사용되는 실험 장비, 측정 위치 및 전체적인 개략도를 그림으로 나타내었다. 선박용 4행정 엔 진에서 배출되는 배기가스는 습식전기집진기를 통과하여 대기 중으로 배출되며, 습식 전기집진기의 입/출구에서 미세 먼지측정기(광학식) 및 가스분석기를 이용하여 PM, SO₂, 및 CO₂ 값을 측정하였다. 추가적으로 습식전기집진기 출구에서 PM-2.5 중량농도법 측정 장비를 통하여 PM-2.5 제거 효율을 확인하였다.

Fig. 2는 습식전기집진기의 내부 구조를 간략히 나타내고 있다. 4행정 선박 엔진용 후처리장치이며, 장치 전체의 높이 는 4500 mm이다. 상세 사양에 대해서는 Table 1을 참조 바란 다. 집진기 내부에서의 배기가스 유동 흐름으로 살펴보면 4 행정 디젤엔진에서 발생한 배기가스가 아래쪽에서 유입되 어 1차적으로 퀜칭존에서 배기가스 온도 감소, 2차적으로 습 식전기집진 장치를 거치면서 PM이 처리되는 방식이다.

본 연구에서는 선박의 롤링, 피칭에 의하여 습식전기집진 기가 흔들리더라도 세정액이 세정액 흐름 홈에서 튀어나가 지 않고, 강하하는 상태를 유지하며 스파크를 방지할 수 있 도록 고안된 집진판을 사용하였다.

Fig. 3은 고안된 집진판과 집진판 성능 확인을 위한 기울 임 테스트(좌우 5°, 10°, 15°) 모습이다.

2.2 실험 장치

Fig. 4는 습식전기집진기 및 선박용 디젤엔진을 비롯해 본 연구에서 사용된 장비 사진들이다. Table 1 ~ 5는 본 연구에서 사 용되는 실험 장비의 사양이며 장비의 신뢰성 확보를 위하여, 가 스분석기, PM측정기(광학식)는 교정된 장비를 사용하였다. 엔 진은 5기통 650 kW의 4행정 엔진을 활용하였으며, 엔진의 배 기가스 유량은 5,510 kg/h이다. 황산화물 등 배기가스를 측정하 기 위해 사용된 가스계측기는 FT-IR 방식의 계측기를 이용하 였다. 특히 입자상물질을 측정하기 위해서 투과광감쇄법(Light extinction method) 방식과 중량측정 방식 두 가지를 이용하였다.

2.3 실험 방법

선박과 유사한 조건으로 실험을 진행하기 위하여 황함유 량 약 2.1 % 의 HFO를 사용하였다.

디젤엔진 부하를 50 %, 75 %, 100 %로 변화시켰으며, 각 부 하에서 배출되는 배기가스를 습식전기집진기의 입/출구에서 매연측정기(광학식) 및 가스분석기를 활용하여 PM 및 SO₂, CO₂를 측정 하였다. 추가로 엔진 부하 100 %에서 PM-2.5 집 진효율을 확인하기 위하여 PM 측정(중량농도법) 장비를 활 용하여 추가적으로 PM을 측정하였다.

3. 실험 결과 및 고찰

3.1 PM 농도 측정 결과(광학식)

Fig. 5는 엔진부하 50 %, 75 %, 100 %에서 습식전기집진기 의 입/출구에서 배출되는 PM 농도에 대하여 회당 3[sec]간, 20회 측정하여 평균값을 계산하였다.

엔진부하 50 %, 습식전기집진기 입구에서 측정된 PM 농 도 평균값은 6.7[%]이었으며, 출구에서 측정된 PM 농도 평균 값은 0.1[%]이다. 엔진부하 75 %, 습식전기집진기 입구에서 측정된 PM 농도 평균값은 4.8[%]이었으며, 출구에서 측정된 PM 농도 평균값은 0.1[%]이다. 엔진부하 100 %, 습식전기집 진기 입구에서 측정된 PM 농도 평균값은 3.4[%]이었으며, 출 구에서 측정된 PM 농도 평균값은 0.2[%]이다.

Table 6은 엔진 부하별 PM 농도 측정 데이터를 나타내고 있다. 고부하 영역보다 저부하 영역에서 PM이 많이 발생하 는 것을 확인할 수 있었으며, 습식전기집진기의 약 94 ~ 99 % 정도의 높은 PM 저감 효율을 확인할 수 있었다.

3.2 중량농도법을 활용한 입자상물질 측정

초미세먼지(PM-2.5)에 대한 집진효율을 확인하기 위하여 중량농도법 측정장비를 활용하여 측정을 실시하였다. 측정 은 대기오염공정시험기준의 배출가스 중 굴뚝 배출 시료채 취방법을 준용하여 측정하였으며, 엔진 부하 100 %에서만 측정하였다.

Table 7은 중량농도법으로 측정된 PM-2.5 및 수분율을 나 타내고 있다. 습식전기집진기 입구측의 PM-2.5 측정값은 114.6[mg/Sm³], 수분율은 3.51[%]이었으며, 출구측 PM-.2.5측정 값은 21.3[mg/Sm³], 수분율은 5.31[%]으로 확인되었다.

중량농도법으로 측정된 PM-2.5 저감율은 광학식 PM 농도 저감률과 약 10 % 정도의 차이를 확인할 수 있었다. 습식전 기집진기의 입/출구 수분이 51.38 % 증가한 것으로 미루어 출 구측 배기가스에 포함된 수분의 염분 또는 기타 물질이 중량 농도법에서 사용되는 여과지에 영향을 준 것으로 판단된다.

3.3 엔진 부하별 황산화물 및 이산화탄소 측정

습식전기집진기의 퀜칭존에서 배기가스 온도를 낮추는 과정 중 세정액에 의한 SO₂ 저감 효율을 확인하였다.

IMO (MEPC.259(68))의 황산화물 배출 규제 제한치 기준을 활용하기 위하여 SO₂와 CO₂를 동시에 측정하였다.

Table 8은 IMO MEPC 259(68)에서 규정하고 있는 SO₂ 및 CO₂ 배출가스에 의한 연료유 황함유량(0.5 %) 제한치를 나타 내고 있다.

Fig. 6과 Fig. 7은 엔진부하 50 %, 75 %, 100 %에서 습식전기 집진기의 입/출구에서 배출되는 SO₂ 및 CO₂에 대하여 회당 20[sec]간, 20회 측정하여 평균값을 계산하였다.

엔진부하 50 %, 습식전기집진기 입구에서 측정된 SO₂의 평 균값은 412.61[ppm], CO₂ 평균값은 4.38[vol-%]이었으며, 출구 에서의 SO₂의 평균값은 76.89[ppm], CO₂ 평균값은 3.96[vol-%] 이었다.

엔진부하 75 %, 습식전기집진기 입구에서 측정된 SO₂의 평 균값은 413.57[ppm], CO₂ 평균값은 4.60[vol-%]이었으며, 출구 에서의 SO₂의 평균값은 123.63[ppm], CO₂ 평균값은 4.29[vol-%] 이었다.

엔진부하 100 %, 습식전기집진기 입구에서 측정된 SO₂의 평균값은 406.27[ppm], CO₂ 평균값은 4.64[vol-%]이었으며, 출구 에서의 SO₂의 평균값은 179.66[ppm], CO₂ 평균값은 4.52[vol-%] 이었다.

Table 9는 엔진부하별 습식전기집진기의 입/출구에서 측정 된 SO₂의 평균값으로 각 부하에서의 저감률을 나타낸다. 결 과에서 알 수 있듯이 입구에서 측정된 각 부하에서의 SO₂ 농도 측정 결과를 통하여, SO₂ 농도는 엔진 부하와는 관계가 없으며 연료유에 포함된 황함유량에 의하여 결정되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 출구에서 부하가 50 %에서 100 %로 증가함에 따라 저감률은 81.36 %에서 55.78 %로 낮아지는 경 향을 확인할 수 있었다. 이는 엔진 부하가 증가함에 따라 배 기가스 유량이 증가하였고, 퀜칭존에서 일정한 유량의 세정 액에 SO₂가 충분히 용해되지 않은 것으로 판단된다.

Table 10은 엔진부하별 습식전기집진기의 입/출구에서 측 정된 CO₂의 평균값으로 각 부하에서의 저감률을 계산하였으 며, 입/출구 측정 결과 저감률이 크지 않은 것으로 확인할 수 있었다.

Table 11은 Table 9와 Table 10의 습식전기집진기의 출구에 서의 SO₂와 CO₂ 평균값을 이용하여, Table 8의 배출가스를 통 한 연료유 황함유량 배출률 계산한 결과, 엔진부하 50 %에서 는 19.42[% m/m]로 황함유량 0.5 % 배출률 기준인 21.7[% m/m] 에 대하여 만족하는 반면, 엔진부하 75 %, 100 %에서는 각각 28.82[% m/m]와 39.75[% m/m]로 기준치를 초과하는 것으로 확인되었다. 이것은 본 연구의 대상인 집진기의 퀜칭존 세 정액 유량이 엔진의 75 % 이상의 고부하 영역에서 발생하는 SO₂을 용해하기에 적기 때문이라 생각된다.

시험 결과를 통하여 습식전기집진기의 입자상물질과 황 산화물 동시 저감 성능을 확인하였다. 하지만, 세정액 유량 이 일정한 본 실험 장치의 특성상 습식전기집진기에서 황산 화물 저감 효율이 엔진 고부하 영역에서 IMO 규제를 만족하 지 못하였다. 그러나 전 부하 영역에서 실측 데이터를 통해 높은 입자상물질 저감률을 확인할 수 있었다.

4. 결 론

본 연구는 650 kW 4행정 엔진을 활용하여 습식전기집진기 의 황산화물 및 입자상물질 저감 효율 및 성능에 대하여 실 험하였다.

그 결과를 요약하면 다음과 같다

본 연구에서 PM, SO₂의 실측된 데이터를 바탕으로 세정수 유량 조절 또는 퀜칭존의 반응 시간 및 구조 개선과 같은 후 속 연구가 진행된다면 입자상물질 저감 효율뿐만 아니라 황 산화물 규제도 만족할 수 있는 습식전기집기 기술을 확보할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 입자상물질 중량농도 측정 법에서 식별된 수분에 의한 문제점들을 해결할 수 있는 방 안이 연구된다면 추후 유사한 성능 검증 연구에서 신뢰성 있는 데이터 확보할 수 있을 것으로 기대된다.