1. 서 론

대양을 항해하는 선박에서는 해수(Sea water)와 청수(Fresh water)의 두 가지 종류의 물을 사용한다. 해수는 주로 엔진냉 각 등으로 뜨거워진 청수를 열교환기에서 냉각시키는 유체 로 사용한다. 또한, 2020년 1월 1일부터 발효된 황산화물 (SOx; Sulphur oxide) 배출규제를 만족하기 위해서 엔진후단 에 설치된 스크러버에서도 황산화물을 제거하기 위한 세척 수로 사용되고 있다(IMO, 2020). 청수는 엔진의 냉각수 및 보 일러수, 그리고 선내에서 생활용수로 사용되고 있다. 일반적 으로 청수는 정박 중에 육상으로부터 공급받고 출항하지만, 계속적인 소모가 있어 대양 항해 시에는 조수기(Fresh water generator)를 운전하여 청수를 생산하고 있다. 본 연구에서는 내연기관 및 보일러 등에서 연소 후에 배출되는 배기가스에 포함되어 있는 수분을 냉각하여 청수를 얻을 수 있는 연구 를 소개하고자 한다. 또한, 이러한 배기가스 냉각과정에서 에너지 회수와 수분 제거 뿐만 아니라 배기 내 응축성 미세 먼지 제거 측면에서도 매우 중요하다. 배기 내 응축성 미세 먼지(CPM: Condensable Particulate Matter)는 고온에서는 가스 상태여서 필터링이 되지 않다가 대기 중으로 배출되면 냉각 되면서 초미세먼지화 되며, 여과성 미세먼지(FPM: Filterable Particulate Matter) 배출량의 수배에 이르는 것으로 알려져 있 다. 선박에서 내연기관 및 보일러 등의 연소과정을 통하여 배출되는 배기 내에 포함되어 있는 수분은 이러한 유해 배 기배출물이 대기 중으로 확산되는 것을 방해하여 스모그 (Smog) 및 입자상물질(PM; Particulate Matter)의 형성을 촉진하 는 문제를 발생한다.

미국에서는 군인들의 물공급을 위해서 DARPA(Defense Advanced Project Agency) 프로젝트로 차량용 디젤엔진의 배 기가스 내 수분을 회수하는 프로젝트를 성공적으로 진행하 였으며, 이론적으로 1갤런(gallon)의 디젤 연료로부터 1갤런 의 물회수가 가능하다고 발표하였다(Dusenbury et al., 2003). Zukeran et al.(2013) 연구에서는 선박용 엔진에서 스크러버를 적용하지 않고 배기냉각 열교환기로 배기온도를 20℃까지 냉각 후 생성된 액적과 미세먼지를 전기집진장치(ESP)를 통 해 제거함으로서 SO₂를 76 %, PM을 78 % 제거함을 실험적으 로 보여주었다(Zukeran et al., 2013).

Kim et al.(2019;2021), Jeong(2012), Shuangchen et al.(2017) 연구에서는 석탄과 같은 화석연료를 사용하는 화력발전소 배기에 포함되어 있는 열과 수분을 회수하여 에너지효율 향 상과 물 소비를 저감하는 연구를 발표하였다. 화력발전소 배기에 포함된 수분은 발전소 주변의 일조량 감소 및 겨울 철에는 도로 결빙 등의 많은 문제를 발생시키고 있는 반면, 발전소 운영을 위한 물 소모량은 많기 때문에 배기에 포함 된 물을 회수하여 발전소에서 필요한 용수를 공급할 수 있 으면 바람직할 것이다. Ryu et al.(2018), Shin et al.(2018) 연구 에서 발표했듯이 선박 및 화력발전소 등의 배기에서 발생하 는 열에너지는 유기랭킨사이클(ORC; Organize rankine cycle) 을 이용하여 폐열을 회수할 수 있다.

본 실험에서는 실험실 가스보일러 후단의 배기가스에 배 기냉각과 흡수식이 결합된 하이브리드 백연 및 미세먼지 저 감시스템을 구성하였다. 지금까지 개발된 배기냉각 방식 백 연제거 장치는 냉각 수온에 따라 백연 제거율이 결정되고 포화상태 이상의 수분제거가 어려우며, 흡수제 방식 백연제 거 장치는 흡수제 재생을 위해서 고온의 열에너지를 다량으 로 필요로 하며 장치가 크다는 단점이 있다. 하지만 본 연구 에서는 1단계 배기냉각을 통해 73 %의 수분을 제거하고 흡 수제 방식을 통해 90 % 이상의 수분을 제거함으로서 흡수제 방식 제습시스템의 용량을 60 % 이상 축소가 가능하며, 배기 가스 폐열을 이용하여 발생한 고온수를 흡수제 재생을 위해 사용하여 별도의 열에너지 공급이 필요 없는 장점을 가진 장치이다. 본 논문에서는 기초실험시스템을 소개하고 실험 결과를 고찰하였다.

2. 실험 장치 및 방법

2.1 수분제거 실험 장치

본 연구에서는 실험실 가스보일러 후단의 배기가스에 배 기냉각과 흡수식이 결합된 하이브리드 백연 및 배기배출물 저감 시스템을 구성하였다. 1단계에서는 배기냉각 방식을 통 해 백연과 응축성 미세먼지가 제거되며, 보일러에서 배출되 는 230℃의 배기가스는 응축이 발생하기 전인 70℃까지 현열 흡수 열교환기를 통해 열이 흡수되고, 잠열흡수 열교환기를 통해 상온 가까이 냉각되도록 2단으로 열교환기를 구성하였 다. Figure 1과 Figure 2는 실험장치의 측면과 정면 모습을 보 여준다. 그리고 1단계 배기냉각 방식으로 응축된 수분을 제 거할 수 있도록 흡수탑 입구 전단에 데미스터를 통과하면서 물을 배출할 수 있도록 구성하였으며, Figure 3에서 보여준다.

2단계에서는 질산칼슘과 중화제 수용액을 분사하여 추가 적으로 수분을 제거하고 배기가스 내에 포함된 액적을 완전 히 제거하기 위하여 데미스터를 통과하게 설계 및 제작하였 다. 1단계 배기냉각 방식 열교환기를 통과한 후와 2단계 흡 수제 방식의 흡수탑을 통과한 후에 배기가스 내 백연 상태 를 육안으로 확인하기 위하여 가시화 창을 구성하였다. Figure 4는 배기가스 내의 백연 상태를 확인하기 위하여 설 치된 가시화 창을 보여준다.

1단계 배기냉각 2단 열교환기에 각각의 냉각수 펌프로 개 별적으로 유량을 제어할 수 있도록 구성하여 냉각수 회수온 도 및 배기냉각을 최적화할 수 있도록 하였으며, 각각의 냉 각수 입․출구 온도 및 유량을 측정하여 회수열량을 계산하 였다. 배기가스 수분제거율을 측정하기 위하여 1차 현열 열 교환기 후단에서 응축이 발생하기 전의 온도(Texh2)와 상대 습도(RH1), 2차 잠열 열교환기 후단에서 냉각방식 수분 제거 후의 온도(Texh3)와 상대습도(RH2), 2단계 흡수제 방식 수분 제거 후의 온도(Texh4)와 상대습도(RH3)를 각각 측정하였다. 1단계 배기냉각 2단 열교환기로 사용된 열교환기는 Shell & Tube 타입 열교환기로서 Tube side에는 배기가스가 통과하고 Shell side에는 냉각수가 흐르며 배기가스를 냉각하게 된다. Figure 5에서는 수분 제거율 측정을 위한 센서 구성도를 보 여주며, Figure 6은 배기냉각 2단 쉘 및 튜브형 열교환기를 보여준다.

2.2 응축성 미세먼지 측정 장치

본 연구에서는 수분제거와 더불어 응축성 미세먼지를 배 기열 및 물회수 시스템 전․후단에서 측정하여 배기냉각에 따른 응축성 미세먼지 제거효과를 분석하였다. 응축성 미세 먼지 측정 및 분석은 각각 세 차례에 걸쳐 실시하였다. 본 연구에서 사용된 연료는 천연가스이므로 응축성 미세먼지 배출량이 작아서 샘플링 시간이 하루가 소요되므로 6일간에 걸쳐 샘플링이 이루어졌으며, 응축성 미세먼지 분석에는 3 주 이상이 소요되었다. 응축성 미세먼지의 측정방법은 발생 원에서 배출되는 가스상 물질이 희석 및 냉각하는 과정을 모사한 것으로 크게 희석장치를 이용한 희석법과 냉각기와 임핀저(Impinger)를 이용한 냉각법이 있다. 본 연구에서는 U.S. EPA Method 202의 측정법인 냉각방법(Cold-Impinger Sampling Method)을 사용하였다. Figure 7에서는 응축성 미세 먼지의 측정 실험 장치를 보여준다. 배기관에서 배출된 가 스는 여과성 미세먼지를 분리하고 가스상의 물질만 통과시 켜 냉각기(Condenser)를 거쳐 응축수(Water drop)가 생성된다. 이 응축수는 4개의 임핀저(흡수병)에 통과하면서 임핀저 1번 과 임핀저 2번에 포집이 되며 가스상 물질이 입자화된 응축 성 미세먼지는 필터 홀더에 포집이 된다. 이때 배기온도를 30℃ 이하로 유지되도록 한다. 냉각기를 거쳐 생성된 응축성 먼지는 응축성 먼지 홀더 전단에 위치하는 임핀저 1번과 임 핀저 2번에 부착되거나 그 안에 생긴 응축수에 용해된다. 여 기서 응축성 먼지는 임핀저 내의 응축수를 증발시키고 남는 잔유물과 고체 혹은 액적을 포집한 필터의 먼지를 합쳐서 구하는 것이다(U.S. EPA, 2016).

3. 결과 및 고찰

3.1 배기가스 내 수분 제거 실험결과

Figure 8 그래프에서는 배기냉각 열교환기 및 흡수탑 통과 후의 배기가스 온도변화를 보여준다. 가스보일러 후단의 배 기가스 온도(Texh1)는 230℃이며, 1단계 현열회수 열교환기 를 통해 70℃(Texh2), 잠열회수 열교환기를 통해 24℃(Texh3), 2단계 흡수탑을 통해 18℃(Texh4)로 냉각되게 된다.

Figure 9에서는 현열회수 열교환기 전후의 냉각수 온도 변 화와 회수 열량을 보여준다. 1단계 현열회수 열교환기를 통 과하면서 냉각수는 12℃(Tw1_in)에서 84℃(Tw1_out)로 가열 되며, 냉각수 유량과 엔탈피 차이로부터 회수되는 열량은 14.4 kW(Qw1_out)로 분석되었다.

Figure 10은 잠열회수 열교환기 전후의 냉각수 온도 변화 와 회수 열량이다. 1단계 현열회수 열교환기를 통과하면서 냉각수는 12℃(Tw2_in)에서 28℃(Tw2_out)로 가열되며 회수 되는 열량은 12.2 kW(Qw2_out)로 분석되었다. 회수된 잠열은 온도는 낮지만 열량은 크기 때문에 히트펌프 등을 통해 승 온하여 활용될 수 있다.

Figure 11에서는 배기냉각 열교환기와 흡수탑의 후단 상대 습도의 변화를 보여준다. 1단계 현열회수 열교환기를 통과하 면서 배기온도는 70℃로 냉각되었고, 상대습도(RH1)는 37 % 가 되었다. 그리고 잠열회수 열교환기를 통과하면서 배기온 도는 24℃로 냉각되었고 상대습도(RH2)는 100 %로 (48℃부 터 응축이 시작되어 상대습도는 100 % 유지) 측정되었으며, 흡수탑 통과 후 추가적인 수분 제거로 배기온도 18℃에서 상대습도(RH3)는 65 %로 측정되었다.

Figure 12에서는 배기냉각의 열교환기와 흡수탑 후단의 수 증기 분압변화를 보여준다. 1단계 현열회수 열교환기를 통 과하면서 배기온도는 70℃로 냉각되었고 상대습도(RH1)는 37 %, 그리고 수증기 분압(Pw1)은 0.113 bar로 측정되었다. 잠 열 회수 열교환기를 통과하면서 배기온도는 24℃로 냉각되 었으며 상대습도(RH2)는 100 %, 수증기 분압(Pw2)은 0.03 bar 로 측정되었다. 마지막으로 흡수탑을 통과한 후의 추가적인 수분 제거로 배기온도 18℃에서 상대습도(RH3)는 65 %, 수증 기 분압(Pw3)은 0.012 bar로 측정되었다.

Figure 13에서는 배기냉각 열교환기와 흡수탑 후단의 수분 제거율을 보여준다. 수증기 분압으로부터 배기가스의 수분 제거율을 계산해 보면, 1단계 배기냉각 방식으로 73 %(Rw1), 2단계 흡수제 방식으로 90 %(Rw2)가 제거되는 것으로 측정 되었다. 천연가스 연료를 사용할 경우 연료 사용량 1kg에 대 해서 수분 발생량은 2.65 kg으로 100 kW(효율 84% 기준) 보일 러 기준으로 8.9 kg/hr에 해당되며, 90 % 수분을 회수할 경우 8.0 kg/hr의 물을 회수할 수 있다. 출력 1 MW(효율 40 %) 천연 가스 엔진 기준으로 할 때 수분 발생량은 186.2 kg/hr에 해당 되며, 90 % 수분을 회수할 경우 167.6 kg/hr의 물을 회수할 수 있다.

본 실험이 진행된 겨울철에는 12℃의 냉각수 확보가 가능 하여 1단계 배기 냉각방식에 의한 수분 제거율이 73 %로 높 았지만 대기온도가 높아지게 되면 냉각수 온도가 상승하여 배기냉각 방식에 의한 수분 제거율은 낮아지고 흡수제 방식 에 의한 수분 제거율이 상승할 것으로 예상된다.

Figure 14의 사진에서는 배기냉각 열교환기와 흡수탑 후단 을 통과한 후에 가시화 창을 통해 수분이 제거됨을 확인할 수 있었다. 상단의 사진이 배기가스에 포함되어 응축된 수 분을 육안으로 확인할 수 있는 사진이며, 하단의 사진은 배 기가스 내에 포함되어 있는 수분이 제거된 것을 확인할 수 있는 사진이다. 배기냉각 열교환기 후단과 흡수탑 후단에 설치된 가시화 창을 통해 배기가스 내 백연상태를 확인해 보면 배기냉각 열교환기 후단에서 응축된 물이 흘러서 데미 스터로 이동함을 확인할 수 있었고, 흡수탑 후단에서는 백 연을 전혀 볼 수 없음을 확인하였다. 가시화 창을 통해 배기 냉각 및 흡수제방식 수분제거 효과를 확인할 수 있었다.

3.2 응축성 미세먼지 측정 및 분석

배기열 및 물회수 발전시스템의 전․후단에서 총 세 차례 에 걸쳐 응축성 미세먼지를 측정하여 배기냉각에 따른 응축 성 미세먼지 제거효과를 분석하였다. 그 결과는 Table 1에서 보여준다. 보일러에서 배출된 배기가스가 배기냉각 열교환 기와 흡수탑 후단을 통과하여 응축성 미세먼지가 제거된 것 을 확인할 수 있다. 세 차례 측정하여 약 87 % 제거됐음을 확인할 수 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 실험실 가스보일러 후단의 배기가스에 배 기냉각과 흡수식이 결합된 하이브리드 백연 및 배기배출물 저감 시스템을 구성하였다.

1단계에서는 배기냉각 방식을 통해 백연과 응축성 미세먼 지가 제거되었으며, 보일러에서 배출되는 230℃의 배기가스 는 응축이 발생하기 전인 70℃까지 현열흡수 열교환기를 통 해 열이 흡수되었고 잠열흡수 열교환기를 통하여 상온 가까 이까지 냉각되도록 2단으로 열교환기를 구성하였다.

2단계에서는 질산칼슘과 중화제 수용액을 분사하여 추가 적으로 수분을 제거하였고 배기가스 내에 포함된 액적을 완 전히 제거하기 위하여 데미스터를 통과하게 하였다.

1단계 현열회수 열교환기를 통과하면서 배기온도는 70℃ 로 냉각되었고 상대습도(RH1)는 37 %, 수증기 분압(Pw1)은 0.113 bar로 측정되었다. 그리고 잠열회수 열교환기를 통과하 면서 배기온도는 24℃로 냉각되었고 상대습도(RH2)는 100 %, 수증기 분압(Pw2)은 0.03 bar, 그리고 흡수탑을 통과한 후 추 가적인 수분 제거로 배기온도 18℃에서 상대습도(RH3)는 65 %, 수증기 분압(Pw3)은 0.012 bar로 측정되었다.

수증기 분압으로부터 배기가스의 수분제거율을 계산해 보면, 1단계 배기냉각 방식으로 73 %(Rw1), 2단계 흡수제 방 식으로 90 %(Rw2)가 제거되는 것으로 측정되었다.

향후 계속적인 연구를 통해서 실험실에서만 시행되었던 연구를 실증사업을 통하여 확대연구를 수행할 예정이다.