1. 서 론
세계적으로 선박으로부터 배출되는 대기오염물질로 인한 문제점이 대두되면서 환경오염 방지를 위한 규제가 점점 강화되고 있다. 국내 선박에서 배출되는 대기오염물질 중 특히 미세먼지의 배출량은 점점 증가하고 있다. NAIR(2022)에 따르면 Fig. 1과 같이 2019년 기준, 비도로이동오염원의 대기 오염물질 배출량은 약 65.8만톤으로 전체 배출량 중 약 15 % 를 차지한다. 이 중 선박에서의 배출량은 약 38.5만톤(질소산화물 약 16.3만톤, 입자상물질 약 2.8만톤 등)으로 비도로이동오염원 중 약 59 %를 차지하고 있으며 해마다 배출량은 증가하고 있다. 국내에서는 질소산화물(NOx)의 배출량과 연료 내 황함유량에 대해서만 규제하고 있다(IMO, 2017). 미국과 유럽, 중국은 질소산화물 뿐만 아니라 입자상물질(PM)의 중량 측정방법에 의해 배출량을 규제하고 있으며, 유럽연합 (EU)에서는 내수면 운항 선박에 대해 입자상물질의 개수 (PN)까지 규제하고 있다(Dieselnet, 2022). 국제해사기구(IMO) 에서도 북극항로 개설과 해양환경 보호를 위해 입자상물질 중 기후변화물질로 분류되고 있는 블랙카본(BC)의 규제 도입에 대해 논의가 활발하게 이루어지고 있다(IMO, 2022). 현재 우리나라는 연료 내 황함유량을 제한하여 입자상물질의 배출을 간접적으로 규제하고 있으나, 선박에서 배출되는 입자상물질 중 블랙카본만을 선택적으로 저감할 수 없다.
정부 및 연구기관에서는 선박 디젤엔진 기인 대기오염물질의 저감을 위해 다양한 기술에 대한 연구개발을 진행하고 있으며 대표적인 저감 기술로 Fig. 2와 같이 SCR(선택적환원 촉매, 질소산화물 저감) 및 스크러버(황산화물 저감), ESP(전기집진기, 입자상물질 저감), DPF(디젤미립자필터, 입자상물질 저감) 등이 있다. 이 중 SCR 및 스크러버는 관련 규제 이행을 위해 상용화되어 선박에 탑재 후 운용 중에 있다. 2018 년 「미세먼지 저감 및 관리에 관한 특별법」이 제정되어 미세먼지, 즉 입자상물질 저감에 대한 관심이 높아졌으며 선박용 DPF 등에 대한 연구개발이 활발히 이루어지고 있다 (KLIC, 2022). 이에 해양수산부는 2019년부터 선박에서 배출되는 미세먼지의 통합저감을 위한 기술개발 사업 등을 추진 하였으며 이 중 PM-NOx의 동시저감을 위한 복합형 배출저 감설비 개발 연구를 지원하였다.
연구·개발되어 상용화 단계에 근접한 선박용물건 및 친환경선박 기술의 대부분은 육상에서의 성능 검증만을 통해 실제 선박에 탑재되고 있다. 이로 인해 선박 탑재 후 성능 유지 확보 방안과 육상에서 발견하지 못한 문제점 등이 해결 되지 못하고 있는 상황이다. Kim(2014) 연구보고서에 따르면 R&D와 사업화 연계 중 핵심기술 확보에도 불구하고 해상실증 미비로 상당수의 기술은 사업화 실패로 이어진다. 이를 개선하기 위해 개발된 기술을 실제 선박에 탑재하여 성능 및 안전성을 검증하는 과정인 해상실증은 반드시 필요하다. 해상실증 수행으로 시행착오를 방지하여 사업화 실패를 줄이고 시장 진출을 촉진할 수 있다. 하지만 실제 선박에서의 운용실적(Track record) 확보를 위해 선박 용선과 신기술 탑재를 위한 개조 공사 등 큰 비용이 소요되는 해상실증은 민간업체 주도로 수행이 어려우며 정부 지원이 필요한 상황이다.
본 연구에서는 중소·중견 기자재 업체에서 개발한 PM-NOx 동시저감 배출저감설비의 선박 탑재를 위해 관련 기준 개발과 실선에서의 저감 성능 확인을 위한 대기오염물질 배출량 측정 등 해상실증 연구를 통해 친환경선박 신기 술의 보급·확산에 기여하여 정부 정책 이행과 중소·중견기업의 기술경쟁력 확보와 상용화를 위한 해상실증 연구를 수 행하였다.
2. 연구 내용
2.1 PM-NOx 동시저감 배출저감설비 선박 탑재
2.1.1 선박 설치 기준 개발
육상에서 평가를 통해 성능 및 안전성이 검증된 배출저감 설비의 선박 탑재를 위해 ‘실선에서의 설치 기준’을 개발하였으며, 설치 기준은 전기설비 및 방열설비, 작동설비로 구분하였다. 전기설비는 기관실의 바닥보다 하방에 설치하거나 침수될 우려가 있는 것은 적당히 보호된 것이나 방수형 또는 수중형의 것이어야 한다. 또한 폭발 또는 인화하기 쉬운 물질이 발생·축적 또는 저장되는 장소에 설치하는 전기 기계 및 전기기구는 방폭형의 것이어야 한다. 방열설비의 경우 저감설비의 표면온도가 섭씨 220도를 넘는 고온부는 화재의 발생과 취급자에 대한 화상 등의 위험을 방지할 수 있도록 불연성재료에 의한 유효한 피복을 하여야 하며, 이 피복재가 흡유성 및 침유성의 것인 경우에는 당해 피복재를 금속판 또는 유밀성의 재료로 하여야 한다. 연료유 공급장치 및 관장치는 외부로 노출되어 연료유 비산에 의한 화재 발생을 방지할 수 있도록 유효하게 피복 또는 보호설비를 하여야 하고 전원 및 배선장치는 외부로 노출되어 염수 등 에 의한 합선, 누전 및 이에 따른 화재발생을 방지할 수 있도록 유효하게 피복 또는 보호설비를 하여야 한다. 작동설비는 선박의 정적경사(종방향 10도 및 횡방향 15도) 및 동적 경사(횡요상태 22.5도), 선박의 진동 환경에서도 작동되어야 한다. Table 1은 저감설비의 검사 항목을 나타낸다.
2.1.2 선박 설치 도면 개발
배출저감설비의 선박 설치를 위해서는 「선박안전법 시행규칙」별표7과 관련하여 Fig. 4와 같이 도면승인을 위한 일반배치도, 기관배치도 및 복원성 계산을 위한 경하중량계 산서 등을 개발하였다(KLIC, 2021a). 대상 선박 방선을 통해 선박 레이아웃 및 배출저감설비의 설치 위치, 운용에 필요한 소비 전력, 압축 공기 등 기타 유틸리티 설비 활용 여부를 파악하였다. 또한 저감설비 제작 및 설치 시 필요한 정확 한 치수 산정 및 설치 여부 검토를 위해 3D 스캔 작업(Fig. 3)을 수행하였으며 이를 바탕으로 현장에서의 수정 등 불필요한 공정 등을 사전에 방지하였다.
복원성 계산을 위한 경하중향 계산 결과, 저감설비 설치에 따른 선박 중량 변화량은 5.73 ton 증가로 경사시험 시행 및 경하중량 변화로 인한 복원성 계산서 작성은 필요 없는 것으로 확인하였다.
2.1.3 배출저감설비 선박 설치
개발된 개조도면을 바탕으로 배출저감설비의 레이아웃을 구성하였으며 선박 내 설치하였다. 설치 위치는 배기관을 바이패스하여 기존 연돌 옆에 배출저감설비를 탑재하였다 (Photo 1).
CO(일산화탄소), HC(미연탄화수소) 산화 및 NO/NO2 전환, 온도상승 등을 위해 필요한 DOC(디젤산화촉매)는 기관실과 배출저감설비 사이에 기존 배기관을 수정, 제거 후 설치하였다. DPF 내 PM 재생을 위한 HC(연료유) 분사 장치 및 컨트롤 판넬은 선원의 안전 및 설비 보호를 위해 기관실 내 설치하여 안정적인 운용성을 확보하였다. SCR을 통한 질소산화물 제거를 위해 Urea(요소수) 분사장치를 설치하였으며, Urea 분사를 위한 파이프는 외부 배출저감설비 전단에 연결 하였다. 또한 독성 물질인 Urea의 안전한 보관과 관리를 위해 특수 탱크를 제작하여 컨트롤 판넬과 함께 선원의 유동 이 적고 환기가 잘되는 곳에 별도로 위치하였다(Photo 2).
2.1.4 선박 배출저감설비 설치 검사
선박안전법 제10조(임시검사)에 따라 해양수산부령이 정하는 개조 또는 수리를 위해 임시검사를 수행하였다. 임시 검사는 개조도면 승인여부 확인과 도면 따라 배출저감설비의 설치 상태를 검사하였다(KLIC, 2021a).
임시검사는 2022년 1월 6일, 강원도 동해시 동해항에서 ‘연구용 배출저감설비 설치에 따른 폐기관 변경’ 사유에 따라 선박검사 정부대행기관을 통하여 진행하였다. 임시검사는 개조도면 승인사항을 확인하였으며, 선박안전법 시행규칙 [별표15] 제3호 라목에 따라 경사시험 및 복원성 승인을 면제하였다. 선박검사 정부대행기관 검사원 입회하에 선박 판넬, 기관실 배출가스 폐기관 변경과 해당 저감설비의 설 상태를 점검하고 시공 상태를 확인하였으며 임시검사 결과 ‘양호’를 판정받았다(Fig. 5).
2.2 PM-NOx 동시저감 배출저감설비 해상실증
2.2.1 선박, 배출저감설비 및 측정장비 제원
본 연구에 사용된 선박 및 엔진의 제원은 다음 Table 2 및 Table 3과 같다. 선박(Photo 3)은 국내 연해구역을 운항하는 총 톤수 2,881 톤의 일반화물선이며, 엔진(Photo 4)은 정격출력 1,470kW @ 240 rpm으로 배기량 516.9L 급 과급방식의 엔진이다.
선박에 설치된 배출저감설비는 DOC(디젤산화촉매), SDPF (PM-NOx 동시저감설비), SCR(선택적환원촉매), 및 AOC(암 모니아산화촉매)로 구성되었다. DOC는 불완전연소 생성물 및 별도 분사된 연료의 산화를 통한 배기가스 온도 상승으 로 DPF 내 쌓여있는 PM의 재생에 도움을 줄 수 있으며, NO/NO2 전환을 통해 SCR의 질소산화물 저감에 기여할 수 있다. SDPF는 DPF에 SCR 촉매를 일부 코팅하여 필터형식의 DPF로 PM을 제거하고 촉매로 NOx를 환원하여 동시에 저감 할 수 있는 설비이다. 질소산화물의 저감효율을 증가하기 위해 작은 부피의 SCR을 추가 설치하였으며, 질소산화물 제 거를 위해 사용되는 Urea(암모니아 수용액)의 슬립(반응하지 못하고 배출되는 현상)을 제어하기 위한 AOC를 설치하였다. 선박에 설치된 배출저감설비의 상세 제원 및 레이아웃은 다 음 Table 4 및 Fig. 6과 같다.
배출저감설비의 저감성능 확인을 위해 검교정이 완료된 가스상 및 입자상(매연) 물질 측정장비를 사용하였다.
가스상물질 측정 장비는 NOx technical code 및 ISO-8178의 분석방법을 준용하는 장비를 활용하였다. 배기가스 내 NOx, SO2, CO, CO2 및 O2 농도측정을 위해 Horiba사의 PG-350을 사 용하였으며, THC 농도는 Pollution Analytical Equipment사의 Polaris FID를 이용하여 측정하였다. 측정에 사용된 PG-350와 Polaris FID의 상세 제원은 Table 5와 같다.
입자상물질(매연)을 측정하기 위해 국제해사기구(IMO)에 서 논의하고 있는 측정 방법 중 하나인 FSN을 측정할 수 있 는 AVL사의 smoke meter 415SE를 사용하였으며 상세 제원은 Table 6과 같다(KLIC, 2021b).
2.2.2 시험조건 및 방법
배출저감설비 설치 후 2개월의 시운전을 통해 안정화하였 으며 다음 그림과 같이 배출저감설비의 DOC 전단과 AOC 후단에 설치된 IMO 플랜지에 측정 포트를 설치(Photo 5)하여 가스상 및 입자상(매연) 물질을 측정하였다(IMO, 2017).
시험 조건(Table 8)은 선박이 주로 운항하는 엔진회전수 (Choi et al., 2013)를 고려하여 160 rpm(Idle), 130 rpm 및 180 rpm으로 선정하였다. 항만대기질관리구역 내 입항으로 160 rpm (Idle) 조건에서는 황 함유량이 0.043 %인 MGO 연료를 사용 하였으며 130 rpm 및 180 rpm 조건에서는 황 함유량이 0.42 % 인 LSFO 연료를 사용하였다. 시험 방법은 각 시험조건에서 약 10~15분간 항해하여 엔진이 안정화된 후 가스상물질을 측정하여 1분간 기록된 데이터를 평균하였다. 입자상물질 (매연)의 측정은 엔진이 안정화된 후 시험 조건별 각 3번씩 측정하여 평균하였으며 선박이 운항하는 동안 배기가스 압력을 측정하여 엔진의 안전성을 확인하였고 시험의 세부 일 정은 Table 7에 나타내었다.
가스상 및 입자상(매연) 물질의 저감효율은 아래와 같은 식(1)을 활용하여 배출저감설비의 전·후단 측정값을 바탕으 로 계산하였다.
2.2.3 시험결과
해상실증 시험을 통해 얻어진 배출저감설비의 전·후단 측정 결과 및 배기가스 압력, 저감효율은 Table 9, Fig. 7, Table 11, Fig. 8 및 Table 13과 같으며, 「대기환경보전법」제48조 의2 및 동법 시행규칙 제67조의3에 따라 배출가스 인증시험 대행기관으로 지정된 한국기계연구원의 제3자입회 검증을 통하여 데이터의 신뢰성을 확보하였다.
본 해상실증 연구를 통하여 선박에 설치된 PM-NOx 배출 저감설비의 NOx 저감효율은 Table 10과 같이 모든 시험 조건에서 90 % 이상 나타났으며 입자상물질(매연) 저감효율은 Table 12와 같이 모든 시험 조건에서 95 % 이상 나타났다. 또한 선박엔진 기인 대기오염물질 중 CO는 47~87 %, THC는 37~77 %의 저감효율을 확인하였으며 해상실증 중 측정된 배 기가스 압력은 Fig. 9와 같이 모든 조건에서 50mbar 이하인 엔진의 허용배압을 만족하였다.
3. 결 론
1,000kW급 이하 중고속 엔진이 설치된 선박에서의 배출저 감설비 해상실증 연구 사례는 다수 확인하였으나 1,000kW급 이상 저속엔진이 설치된 선박에서의 배출저감설비 해상실증 연구 사례는 미미하였으며 본 연구를 통해 1,500kW급 저 속디젤엔진 선박에서 PM-NOx 동시저감설비의 저감 성능을 확인할 수 있었다.
친환경선박 신기술 등 연구개발 중인 배출저감설비의 선박 내 설치를 위해 선박 설치 및 성능 확인 기준이 필요하여 선박안전법 및 선박검사기준 등을 활용해 최소 설치 기준을 마련하였다. 또한 개조도면 개발 및 도면 승인을 통해 배출 저감설비의 선박 설치 기반을 마련하였으며 이를 바탕으로 정부대행기관의 선박검사를 통해 해상실증 연구를 위한 안전성을 확보하였다.
해상실증 연구를 통한 성능확인 결과, 모든 시험 조건에서 NOx의 경우 90 % 이상, 입자상물질(매연)의 경우 95 % 이상의 저감효율을 확인하였으며 엔진 성능의 영향을 줄 수 있는 배기가스 압력은 허용배압 기준인 50mbar 이하를 만족 하였다. 또한 DOC의 영향으로 선박 엔진 기인 대기오염물질 인 CO, HC의 산화를 통한 저감도 함께 확인하였다(Lee et al., 2017). 다만, 촉매의 황 피독 등 aging으로 인해 성능은 저하 될 수 있으며 이는 주기적인 성능 확인을 통해 클리닝 등의 수행이 필요하다.
결론적으로 친환경선박 신기술 등의 선박 탑재를 위하여 해상실증을 통한 Track recod 확보와 성능 확인이 필수적이며 실증 결과를 바탕으로 신기술 보급/사업화의 시행착오를 방지할 수 있다. 또한 본 연구를 통하여 저속디젤엔진 선박 의 질소산화물 및 입자상물질 저감을 위한 대응 기술로 SCR 과 DPF 설비의 적용 가능성을 확인할 수 있었다.
