1. 서 론

전 세계적으로 대기오염물질을 저감 시키기 위해서 지속 적으로 노력하였지만 1970년도부터 최근까지 화물 운송량의 증가로 대기오염물질과 온실가스 배출량은 증가하고 있으 며 이는 기후 변화와 질병의 원인으로 보고 있다(Crippa et al., 2021;ICS, 2013).

이와 더불어 해양환경보호위원(MEPC)는 IMO의 초기 전 략에 명시된 목표를 달성하기 위해 그 중 GHG(Green House Gas)연구를 실시하였으며 2020년 제4차 IMO 온실가스 연구 에서는 PM을 포함하는 블랙카본의 배출계수 산정을 통하여 GHG 배출량을 계산하였다. 앞으로는 대기 환경을 개선하기 위해 기본적인 대기오염물질은 물론 CO₂ 및 블랙카본(Black Carbon, BC)의 저감이 필수적이다(Faber et al., 2020;Anenberg et al., 2015).

이에 해운업계는 강화되는 규정에 대비하기 위하여 선박 으로 인한 대기오염물질을 기술적으로 대응하기 시작하였 다. 현재까지 제시된 대응 방법과 장비들로는 저유황유 및 Scrubber, SCR(Selected Catalyst Reaction)시스템, 풍력 에너지, 전기 배터리, 친환경 연료 등이 있고 그 외 다양한 기술 개 발에 투자하고 있다.

이와 같이 주요 배출 물질인 NOx 및 PM(Particulate Matter) 를 동시 저감할 수 있는 장치에 대한 연구는 꾸준히 진행 중 이다. Parthiban et al.(2019)의 연구에서는 DPF(Diesel Particulate Filter)와 NOx Trap을 통해 동시 저감 시스템 모델을 구성하였 고 Kim et al.(2021)에서는 전기집진장치와 스크러버를 구성하 여 배기가스 내 SOx, NOx 및 PM이 감소하는 것을 관찰할 수 있었다. 하지만 이와 같은 연구는 소형 엔진에 국한된 내용 이 다수이며 그중에서 NOx 및 미세먼지에 대한 DPF/SCR를 함께 사용한 선박용 배기 후처리 장치는 육상용 엔진과 비교 했을 때 활발히 진행되지 못하고 있다.

선박 엔진의 경우, 연소 시 윤활유 소모율이 높아 DPF 필 터 설치 시 내부에 Soot Cake가 과도하게 형성된다. Johansen (2015)의 연구에서도 촉매-Soot의 반응으로 촉매와 Soot 사이 에 층이 생겨 필터의 기능을 상실하게 된다는 연구 결과가 있다. 이 Soot 층은 Fujii and Asako(2011) 및 Bagi et al.(2016)의 연구와 같이 배압과 밀접한 관계가 있기때문에 Soot 축적의 흐름에 관해 다양한 케이스로 실험을 진행하였다. Soot는 DPF의 외곽부에서부터 쌓여 Cell Plug 구멍들에서 쉽게 제거 되지 못할 정도로 단단한 덩어리로 응집되어 고착되어 유동 흐름을 막기 때문에 시간이 지날수록 엔진 배압 상승을 유도 하여 엔진 성능 저하 또는 엔진 내부 손상을 일으킬 수 있다.

또한, 설치된 엔진 분사 장치 및 관련 제어 장치 변경이 불가하고 낮은 배압 기준을 만족하기 위하여 DPF/SCR 담체 수량 및 전체 크기가 증가 되어야 하는데 협소한 공간에 설 치되기 위해서 적절한 배치가 이루어져야 한다.

이러한 이유로 López-De Jesús et al.(2016) 및 Conway et al. (2005)의 연구에서처럼 소형 엔진에 국한되어 실험을 진행하 고 저감 효율을 측정하였다. 본 연구에서는 중소형 선박에 적용 가능한 경제적인 DPF/SCR 시스템을 활용하였고 앞서 말한 문제점들을 보완에 필요한 설계를 위해 필터 다공성에 따른 유동 특성과 배압에 대한 데이터를 구축하여 최적의 유동과 배압을 도출하였다.

2. 해석 방법

2.1 모델링

본 연구의 해석 대상은 기존 타장치와 다르게 DPF와 SCR 장치가 일체형 원형 구조로 되어 있고 다수의 필터가 설치 된 형태이다. 또한, 선박의 선미에 횡단으로 설치되어 장치 내부유동 흐름의 해석이 중요하다. 해당 장치는 기존 개별 장치 대비 약 1/2 정도의 공간에 설치할 수 있으며 별도의 뚜껑 구조를 가지지 않기 때문에 유지 보수가 편리해서 500~2000kW급 중소형 선박에 적용 가능할 것으로 보인다. 본 장치에는 타 저감장치와 달리 버너, DOC(Diesel Oxidation Catalyst) 및 AOC(Ammonia Oxidation Catalyst)시스템이 장착되 어 있지만 본 연구에서는 기초 설계를 위한 내부유동 해석 을 중점적으로 진행하기 위해서 위의 세 가지 시스템은 배 제하였다. Fig. 1은 해석에 사용된 후처리 장치의 전체 개략 도와 각 부분의 외형 수치를 나타내고 있다. 엔진에서 배출 된 배기가스는 Burner를 통과하여 DPF+DOC에서 PM이 저감 되고 SCR+AOC에서 요소수와 반응하여 NOx가 저감 되는 일 체형 장치이며 전체의 높이는 3728.5 mm이다. 가장 넓은 부분 의 지름은 2000.494 mm이며 DPF 필터 부분의 높이는 1380 mm, SCR 필터 부분의 높이는 706 mm로 구성되어 있다.

유동 흐름은 장치 전체에 대해서 해석하며, Inlet과 Outlet 양 단의 압력을 측정하여 배압을 계산하였다.

2.2 해석 조건

본 연구에서는 비압축성 및 압축성, 난류 및 층류 유체 흐 름 분석을 위한 Ansys Fluent의 물리적 모델을 활용하였다. 또한, 정상상태의 비압축성 난류 유동을 가정하였고 그에 따라 비압축성 유동에 해당하는 질량 및 운동량 방정식, 난 류 수송방정식을 함께 적용하였다. 담체인 필터에 대해선 다공성 매체로 설정하고 이 조건의 모멘텀 방정식과 에너지 방정식을 적용한다. 다공성 매체에 대한 Cell Zone을 설정하 고 내부는 층류(Laminar)로 가정하여 해석하였으며 본 연구 에서는 담체에 대한 유동 변화를 중점적으로 분석하기 위하 여 버너 부분을 제외하였다. 화학반응을 고려하지 않기 때문 에 배기가스 성분 대신 Air(N₂ 79 %, O2 21 %)를 Fluid Material 로 입력하여 계산하였다.

2.2.1 다공성 매체 조건(Porous Media Condition)

다공성 매체는 충전층, 여과지, 타공판, 유동 분배기 및 Tube Banks 등에서 발생하는 다양한 문제를 해결할 수 있고 Cell Zone에서 관성 저항 및 점성 저항과 공극률을 설정하여 촉매의 격자를 대신할 수 있어 Porous Media Condition을 활용 하였다. 필터 내부의 압력 해석은 Solution Methods와 상관없 이 고유한 압력 보간법을 통해서 계산되며 Standard 초기화 를 가정하여 경계 조건에 따른 비현실적인 초기 속도장이 생성되지 않도록 설정하였다(Park et al., 2022).

담체 필터의 경우 셀 밀도를 나타내는 공극률이 여과 능 력과 유동에 큰 영향을 주기 때문에 DPF 및 SCR 필터의 공 극률을 30 % ~ 70 %로 설정하였다. 본 연구에서는 선박 엔진 의 부하에 따른 유동 흐름이 주요 관점이기 때문에 공극률 과 함께 Inlet의 속도 값 변화를 고려한 해석을 진행하였다. Fig. 2는 필터의 상세 도면이며 Table 1은 필터의 제원을 나 타내고 있다.

2.2.1.1 다공성 매질의 운동량 방정식

Ansys Fluent의 다공성 매질 모델은 기본적으로 운동량을 고려한 Standard Fluid Flow 방정식으로 계산되며 이 운동량 방정식에는 점성 저항 및 관성 저항이 포함되어 있다. 이는 담체 필터가 수많은 셀로 이루어져 있어 벽체에 대한 저항 값이 반영된 것이다. 담체 벽체의 저항 항은 다음과 같이 설 명할 수 있다.

여기에서 ΔP 는 유체가 셀을 통과할 때 발생하는 총 압력 손실(Pa)이며 L 은 다공성 매질의 두께(m)이다. K 는 점성 저 항 계수, μ는 유체의 동적 점도(Pa·s), υ는 유속(m/s)이며 ρ 는 유체의 밀도(kg/m³)이다(Yao et al., 2015).

2.2.2 경계 조건(Boundary Condition)

밀도는 이상기체 방정식으로 계산하였고 시간은 유동이 안정될 때까지 계산할 수 있도록 정상상태를 가정하여 해석 하였다.

시뮬레이션 구성을 위한 경계 조건은 Table 2와 같이 공극 률이 30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 %일 때와 입구 온도를 350℃, 431℃, 550℃, 650℃로 설정하였고 각각의 온도에서 입구 속도 를 7.4 m/s, 10.3 m/s, 13.1 m/s, 26.2 m/s로 설정하여 총 80 케이 스를 계산하였다. 입구 속도는 실증 예정 엔진의 부하에 따 른 것으로 50 %, 75 %, 100 %일 때의 속도이며 26.2 m/s는 과부 하에 대한 조건으로 100 % 부하일 때보다 2배로 설정하였다.

3. 결 과

3.1 온도에 따른 배압

선박의 엔진의 경우 육상 엔진과 달리 대용량 엔진이기 때문에 엔진의 부하에 따라 배기가스 온도에 차이를 보이며 본 연구 대상인 장치에는 버너가 설치될 예정이기 때문에 온도가 배압에 미치는 영향을 분석하였다. 최적의 DPF 담체 의 공극률은 약 40 %, SCR의 공극률 60~65 % 전후이므로 평 균 50 %의 공극률을 기준으로 DPF 및 SCR의 공극률을 30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 %로 설정했다(Jin et al., 2015;Payri et al., 2011). 또한, 1800 kW급 엔진의 Perfomance Data를 참고하여 각 50 %, 75 %, 100 % 부하에 따른 배기가스 유량을 통해 Inlet 속 도를 계산하여 배압 변화를 파악하였다.

Fig. 3과 Table 3은 각 공극률에서 온도에 따른 배압을 나 타내고 있다. 모든 공극률에서 온도가 증가함에 따라 배압 이 감소하는 경향이지만 압력 차이는 최소 0.9 mbar 및 최대 8.9 mbar로 매우 미세한 차이를 보인다.

하지만 공극률 30 %, 40 % 및 50 %인 경우, 입구속도가 26.2 m/s일 때 앞서 결과와 반대로 온도가 증가할수록 배압이 증가 하는 경향을 보인다. 이는 엔진 부하 100 %의 유량보다 초과하 는 유량이 입구로 들어가면서 배압이 상승하고 온도까지 상승 하면서 유량의 속도가 더 증가하게 되어 나타나는 형상이다.

3.2 속도에 따른 배압

앞에서 언급한 바와 같이 엔진의 부하에 따른 배기가스 유량은 변화한다. Performance Data의 50 %, 75 %, 100 % 부하 에 서 배기가스 유량에 따른 Inlet 속도와 고 부하에 따른 배 압을 파악하기 위해 Performance Data 이외에 100 %의 유량일 때 보다 2배인 26.2 m/s 케이스를 추가하였다.

Fig. 4와 Table 4는 각 유량에 따른 속도를 입력하여 배압 의 변화를 관찰하였고 모든 공극률에서 50 %, 75 % 및 100 % 부하일 때 한국선급 배압 기준(68 mbar) 이하인 것을 볼 수 있다. 하지만 엔진 2대 이상의 고 부하를 가정한 26.2 m/s 속 도에서는 과도한 유량으로 장치 입구의 압력이 상승하기 때 문에 배압 기준을 초과하는 것을 볼 수 있다.

3.3 공극률에 따른 배압

선박 엔진은 실린더 내 윤활유 소모율이 높아 Soot Cake가 담체 Cell 내부에 축적되므로 공극률에 변화가 있다. 이를 가 정하여 공극률을 30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 %로 설정하였고 이는 장치 사용 시 시간이 지남에 따라 Soot Cake가 쌓여 엔 진 배압에 어떠한 영향을 주는지 알 수 있다. 공극률에 따른 변화를 보기 위해 Inlet 속도는 100 % 부하일 때 13.1 m/s 기준 으로 설정하였다.

Fig. 5는 엔진 부하 100 %일 때 각 공극률에 따른 배압을 나타내고 있다. 장치 입구 온도가 350℃ 및 431℃일 때는 공 극률이 증가함에 따라 배압도 증가하고 550℃ 및 650℃일 때 는 공극률이 증가하면서 배압이 감소함을 알 수 있다.

이와 같이 공극률에 따라 배압이 변화하는 현상을 다음과 같이 설명할 수 있다. 공극률이 일정 수준 이상 높아졌을 경 우, 유체 흐름이 떨어지는 근거는 다공성 매체를 통과하는 공탑속도(Superficial Velocity)와 공극률과의 관계에서 찾을 수 있다. 공탑속도는 다공성 매체 속을 흐르는 유체의 대략적 인 평균 속도를 의미하며 다공질 유동해석에 적용할 수 있 도록 확장된 Darcy-Weisbach 관계식에서 공탑속도 υ는 다음 과 같이 정의된다.

즉, 공탑속도는 체적유량(q)이 증가함에 따라 비례적으로 증가하고 담체 단면적(A ) 및 공극률(ε)이 증가할수록 공탑 속도는 감소한다. 공극률이 증가하게 되면 전체 단면적 중 가용 면적이 증가하기 때문에 결과적으로 유체가 담체 표면 과 접촉하는 면적이 증가하는 효과가 나타난다.

이로 인하여 일부 조건에서 공극률이 증가하면 유체 속도 는 감소하고 배압의 수치도 감소하게 되지만 일정 이상의 공극률에서는 지나친 유속 감소로 인해 Dead zone에서의 유 체 정체 현상이 일어나기 때문에 배압이 오히려 상승하게 된다(Park et al., 2022;Shin and Park, 2017).

3.4 필터 위치 및 공극률에 따른 유동 균일도

본 연구의 결과로 중심부에서의 단면을 기준으로 속도 분 포를 보았을 때 Fig. 6과 같이 공극률 40 %와 70 %에서 DPF 필터의 최하단에 유체 흐름이 집중되는 것을 알 수 있다.

다른 단면에서도 같은 현상이 발생하는지 관찰하기 위하 여 CFD Post의 Plane 입력 시 Definition에서 Point and Normal 을 활성화하여 나머지 필터의 Velocity vector를 나타내기 위 해 ZX Plane을 -y축 및 +y축 방향으로 각각 옮겨 2개의 단면 을 추가하였다. 중심부와 달리 추가된 단면에서 속도 분포가 균일하게 분포하는 것을 알 수 있었고 공극률 30 %, 40 % 및 50 %에서 비슷한 균일도를 공극률 60 % 및 70 %에서 거의 같은 균일도를 나타내었다. Fig. 7은 대표적인 두 공극률 40 % 와 70 %의 속도 분포를 나타낸다.

4. 결 론

본 연구에서는 선박용 PM/NOx 동시저감 장치의 기초 설 계를 위한 유동해석을 진행하였다. 장치 Inlet의 온도 및 속 도와 담체의 공극률에 따른 배압의 변화, 그리고 담체 위치 에 따른 유동 균일도를 파악하였고 그 결과는 다음과 같다.