1. 서 론
세계적으로 선박으로부터 배출되는 대기오염물질로 인한 문제점이 대두되면서 환경오염 방지를 위한 규제가 점점 강 화되고 있다. NAIR(2024)은 우리나라 연안에서 운항 중인 선 박에서도 다양한 대기오염물질(21년 기준, NOx 16.0만톤 PM 2.8만톤)을 배출하고 있으며 미세먼지 저감에 노력하는 타산 업 대비 선박 분야에서의 배출률은 Fig. 1과 같이 매년 증가 하여 항만 인근 도시의 대기질을 악화시키고 있다.
현재 우리나라는 현행법상 선박에서 배출되는 대기오염 물질 중 PM(Particulate Matter, 입자상물질)에 대한 직접적 배 출 기준은 없으며 NOx(Nitrogen oxide, 질소산화물)의 배출량 과 연료 내 황함유량(%)에 대해서만 규제하고 있으며(IMO, 2017a), 연료 내 황 함유량을 통해 입자상물질, 미세먼지의 배출을 간접적으로 관리하고 있다. 반면, 미국과 유럽, 중국 은 질소산화물뿐만 아니라 PM의 중량을 측정하는 방법으로 배출량을 규제하고 있으며, 유럽연합(EU)에서는 내수면 운 항 선박에 대해 PN(Particulate Number, 입자상물질 개수)까지 제한하고 있다(Dieselnet, 2024). 국제적 차원에서는 UN 산하 전문기구인 국제해사기구(IMO)에서 북극항로 개설에 따른 해양환경 보호를 위해 입자상물질 중 기후변화물질로 분류 되고 있는 블랙카본(BC, Black Carbon)의 규제 도입에 대해 논의가 활발하게 이루어지고 있다(IMO, 2022).
한편, 정부는 「미세먼지 저감 및 관리에 관한 특별법」 (’19.02.) 및 「대기관리권역의 대기환경개선에 관한 특별 법」(’20.04.)을 제정·시행하여 대기오염물질 배출원의 종합 적·광역적·체계적 관리체계를 구축하고 있다. 또한 국정과제 인 ‘탄소중립 및 대기오염물질 저감’의 원활한 이행을 위해 환경부는 ‘제2차 대기환경개선 종합계획(‘16~‘25) 수정계획’ 을 수립·연구 중(~’22.12.)에 있고, 해양수산부는 「환경친화 적 선박의 개발 및 보급 촉진에 관한 법률」및 「항만지역 등 대기질 개선에 관한 특별법」을 제정, 시행하여 선박 기 인 미세먼지 저감에 노력하고 있다.
정부의 정책 기조에 발맞추어 연구기관에서는 최근 선박 디젤엔진 기인 대기오염물질을 저감하기 위한 기술개발이 활발히 진행되었다. 대표적인 저감 기술은 SCR(선택적환원 촉매, 질소산화물 저감) 및 스크러버(황산화물 저감), ESP(전 기집진기, 입자상물질 저감), DPF(디젤미립자필터, 입자상물 질 저감) 등이 있다(Ko et al., 2023a). 하지만 연근해 소형선 박 내 배출저감설비를 적용하기 위해서는 공간적 문제를 해 결해야 한다. 상기 설비 중 ESP 및 스크러버의 경우 상대적 으로 설비의 규모가 크고 설치가 어려워 연근해 소형선박 내 적용이 쉽지 않다. 반면에 SCR 및 DPF의 경우 상대적으 로 탑재성이 용이하며 연근해 소형선박 내 접근성이 높다 (Ko et al., 2023b). 이러한 이유로 정부는 ‘선박배출 미세먼지 통합저감 기술개발’ 사업을 통해 PM-NOx 동시저감설비를 개발하였으며 육상에서의 성능 검증만을 통해 실제 선박에 탑재하였다. 선박 탑재 시, 설치 공간 및 위치, 요소수 탱크 용량, 실제 배출가스 온도 분포 확보 등 문제가 발생하였으 며 해상실증 연구가 추가적으로 필요한 상황이다. Kim(2014) 연구보고서에 따르면 R&D와 사업화 연계 중 핵심기술 확보 에도 불구하고 해상실증 미비로 상당수의 기술은 사업화 실 패로 이어진다. 이를 개선하기 위해 개발된 기술을 실제 선 박에 탑재하여 성능 및 안전성을 검증하는 과정인 해상실증 은 반드시 필요하다. 해상실증 수행으로 시행착오를 방지하 여 사업화 실패를 줄이고 시장 진출을 촉진할 수 있다.
본 연구에서는 대형선박 위주의 친환경선박 전환 기술을 탈피하여 연근해 소형선박 내 적용 가능한 PM-NOx 동시저 감 배출저감설비의 선박 탑재와 저감성능 확인, 주요 성능 인자 도출을 통해 친환경선박 신기술의 보급·확산에 기여하 고 정부 정책 이행과 중소·중견기업의 기술경쟁력 확보 및 상용화를 위한 해상실증 연구를 수행하였다.
2. 연구 내용
2.1 배출저감설비 시스템 선박 탑재
2.1.1 배출저감설비 시스템 구성
본 연구에 사용된 배출저감설비 시스템은 디젤엔진에서 배출되는 PM과 NOx를 동시에 저감하는 장치이며 Fig. 2와 같이 본체부 및 제어부로 구성되어 있다. 본체부는 DOC(디 젤산화촉매) 및 DPF, SCR, AOC(암모니아산화촉매)로 구성되 어 있고, 제어부는 제어함 및 제어기, Urea(요소수) 분사장치, HC 분사장치, Urea 탱크, 각종 센서류(Table 1) 등으로 구성 되어 있다.
DOC는 디젤엔진 기인 불완전연소 생성물인 CO, HC 및 별도 HC 분사장치로 분사된 연료의 산화를 통해 배기가스 온도 상승으로 DPF 내 쌓여있는 PM의 재생에 도움을 줄 수 있으며, NO/NO2 전환을 통한 SCR의 질소산화물 저감에 기 여할 수 있다(Ko et al., 2023a). SCR on DPF는 DPF에 SCR 촉 매를 일부 코팅하여 필터 형식의 DPF 벽면에 포집된 PM을 제거하고 촉매로 NOx를 환원하여 동시에 저감할 수 있는 장 치이다. 질소산화물의 저감효율을 증가하기 위해 작은 부피 의 SCR을 추가 설치하였으며, 질소산화물 제거를 위해 사용 되는 Urea의 암모니아 slip(반응하지 못하고 배출되는 현상) 을 방지하기 위한 AOC를 시스템 후단에 설치하였다. Table 2는 배출저감설비 시스템 본체부의 상세 제원과 Fig. 3은 본 체부(좌)와 제어부(우) 각각의 구성 항목들을 나타내고 있다.
2.1.2 배출저감설비 시스템 선박 설치
배출저감설비 시스템의 본체부와 제어부 설치를 위해 필 요한 레이아웃 구성 및 정확한 치수 산정, 설치 위치 검토를 위해 Fig. 4와 같이 3D 스캐닝 작업을 수행하였으며 결과를 바탕으로 현장에서의 수정 등 불필요한 공정들을 사전에 방 지하고 설치 위치를 선정하여 설치 도면을 개발하였다.
개발된 도면을 바탕으로 배출저감설비 시스템은 Photo 1 과 같이 선박 상부 및 조타실에 설치하였다. 시스템은 기존 배기관을 동시에 사용할 수 있도록 탑재되었으며 운항 중 발생할 수 있는 문제점에 대비하고자 기존 배기관을 긴급 시 사용할 수 있도록 by-pass 하여 설치하였다. 설치가 완료 된 후엔 선박안전법 제10조(임시검사)에 따라 해양수산부령 이 정하는 개조 또는 수리를 위해 관련 기관에 선박임시검 사를 수행하였다. 임시검사는 개조도면 승인여부 확인과 도 면에 따라 배출저감설비 시스템의 설치 상태를 검사하였으 며(KLIC, 2021), 선박검사기관으로부터 승인받아 안전성을 확보하였다.
2.2 배출저감설비 시스템 해상실증
2.2.1 선박 및 주기관, 주요 측정장비 제원
본 연구에 사용된 선박 및 주기관의 제원은 다음 Table 3, 4과 같다. 선박(Photo 2)은 국내 연해구역을 운항하는 총 톤 수 21톤의 기타선(통선)이며, 주기관(Photo 3)은 정격출력 367kW @ 1,800rpm으로 국내 등록 디젤기관 선박 중 가장 많 이 사용되는 출력 분포의 주기관을 선정하였다(Ko et al., 2023b). 해상실증기간 동안 주기관에 사용되는 연료는 황 함 유량이 0.03%S 미만으로 공급되는 선박용 경유(MGO)를 사 용하였다.
배출저감설비 시스템의 저감성능 확인과 주요인자 도출을 위해 사용되는 측정장비는 교정이 완료된 장비를 사용하였으 며 Photo 4와 같다. 엔진에서 배출되는 배기가스 및 암모니아 slip 측정을 위해 사용된 가스상물질 측정장비는 NOx technical code 및 ISO-8178의 분석방법을 준용하는 장비로 Horiba사의 OBS-ONE을 활용하였으며 상세 제원은 Table 5와 같다.
디젤엔진에서 배출되는 입자상물질(매연)을 측정하기 위 해 국제해사기구(IMO)에서 논의하고 있는 측정방법 중 하나 인 FSN을 측정할 수 있는 AVL사의 smoke meter 415SE를 사 용하였으며 상세 제원은 Table 6과 같다(IMO, 2022).
2.2.2 해상실증 방법 및 시험 조건
배출저감설비 시스템은 선박 내 설치 후 1년 이상 시운전 및 운항을 통해 aging하여 안전한 운용성을 확보하였다. 해 상실증은 운용성 확보 후 실제 운항(제주 한림항↔한림항 인근 풍력단지)을 바탕으로 약 20일간 연속적 운항데이터를 배출저감설비 시스템 내 센서(Fig. 5) 등을 활용하여 모니터 링하고 원격 통신 모듈을 통해 원격 전송 후 주요 데이터를 수집하였다.
주요 데이터 수집을 위한 약 20일간 모니터링 전(1차)·후 (2차), 배출저감설비의 저감성능 확인을 위해 측정장비를 활 용하여 배기가스를 측정하였으며 배기가스 측정을 위한 측 정장비와 배출저감설비 DOC 전단과 AOC 후단에 측정 포트 를 Photo 5과 같이 설치하였다(IMO, 2017b).
배출저감설비 저감성능 확인 시험 조건은 선박이 주로 운 항하는 엔진회전수(Choi et al., 2013)를 고려하여 Table 7, 8과 같이 선정하였으며 각 엔진회전수 시험조건에서 약 5분 이 상 항해하여 엔진이 안정화된 후 가스상물질을 측정하여 기 록된 데이터를 평균하였다. 입자상물질(매연) 측정 역시 엔 진이 안정화된 후 시험조건 별 평균하였다. 1차 시험에서는 Urea 분사량 조절을 통해 NOx 저감효율(α ratio)을 변화하면 서 시험하였으며 2차 시험에서는 1차 시험 결과를 바탕으로 배기가스 온도에 따른 적정 NOx 저감 효율 구간에서 모니터 링 후 배출저감설비의 성능 저하 유무를 확인하였다.
2.2.3 해상실증 시험 결과
해상실증 시험을 통해 얻어진 배출저감설비의 일자별 운 항시간 및 운항거리, Urea 사용량, 온도, 압력 등 모니터링한 주요 데이터를 Table 9에 나타내었다. 또한 모니터링 기간 동안의 주기관 배압 특성, 배출가스 온도 결과를 Fig. 6 및 Fig. 7에 각각 나타내었다.
해상실증 모니터링 기간 중 총 운항시간은 38.4시간이며, 총 운항거리는 325.2 km이다. 일별 평균 배압 및 최대 배압 은 주기관에 영향(60mbar 이하)을 주지 않는 20mbar 이하 수 준에서 유지되었으며, 주기관 배출가스 평균 온도는 200~300℃, 최대 배출가스 온도는 350~400℃ 수준의 특성을 나타냈다. 배압 결과를 바탕으로 선박 내 배출저감설비 시스 템 중 특히 DPF를 설치하더라도 주기관 출력 및 연비에 영 향이 없음을 확인할 수 있었다. 또한 주기관 배출가스 온도 결과를 바탕으로 Fig. 8과 같이 SCR 촉매의 활성화 온도인 250℃ 이상 영역을 확인할 수 있었으며 DPF에 포집된 PM을 자연재생하기 위한 배출가스 온도(300℃)를 확인할 수 있었다.
Table 10, Table 11은 1차 배출저감설비 성능확인 시험 중 회전회전수 1,000rpm에 대한 가스상물질 및 입자상물질에 대한 측정 결과이다. 질소산화물 측정 결과, 62.0~97.8%의 저 감효율을 확인하였으며 낮은 배출가스 온도 특성으로 SCR 촉매 활성화 온도 도달이 어려워 NOx 저감 효율은 시험조건 과 상이함을 알 수 있다.
시험조건 충족을 위해 Urea 분사량을 조정한 결과, 90% 이상의 NOx 저감효율을 나타낸 조건에서 미량의 NH3가 배 출되었으나 타산업(자동차) 분야 배출 농도 기준인 10ppm 이하로 확인되어 적용성을 확인할 수 있었다. CO, HC 경우, 배출저감설비 시스템을 지나 저감되었으며 이는 DOC에 의 해 산화된 것을 알 수 있다(Lee et al., 2017). 스모크미터를 이 용한 입자상물질(매연) 측정 결과에서도, 90% 이상의 저감효 율을 확인하였으며 Table 12~15와 같이 1,200 및 1,400rpm 시 험 결과에서도 유사한 저감 성능을 확인하였다.
Table 16, 17과 같이 모니터링 후 2차 배출저감설비 성능 확인 시험에서도 1차와 유사한 저감 성능을 확인하였다. 질 소산화물 측정 결과 68.8~91.7%의 저감 성능으로 예상 효율 과 비슷하였으며 입자상물질(매연) 측정 결과에서도, 95% 이 상의 높은 저감효율을 확인하여 모니터링 전후 배출저감설 비 시스템의 성능 저하는 나타나지 않았다.
Table 18의 엔진회전수 1,000rpm 조건에서 Urea 사용량이 높은 것은 SCR촉매의 활성화 가능 온도가 낮은 조건에서 NOx 저감성능을 올리기 위해 요소수를 과분사한 결과로 엔 진 연료 사용량 대비 요소수 사용량 비율은 3.4%로 나타났 으며, SCR촉매의 활성화 온도보다 높은 280도 이상 조건에 서는 엔진 연료 사용량 대비 요소수 사용량 비율은 2% 이내 로 나타났다.
요소수 과분사 시 NH3 slip이 나타나지 않은 이유는 SCR 촉매의 저온 영역대의 효율 개선과 NH3 slip 방지를 위하여 촉매 기능 중 흡장을 통해 미반응 요소수, 즉 NH3의 배출이 제한되었기 때문이다(Kim et al., 2020).
배출저감설비 시스템 설치 선박의 배출가스 적용 규제 및 노후화 정도, 운항 특성별로 차이가 있으나 본 시스템 작동 특성을 기준으로 대상 선박(Tier2 기준)에 설치되는 요소수 저장 탱크의 용량은 설치된 연료 저장 탱크 용량의 최소 4% 수준이 되어야 요소수 공급이 원활할 것으로 사료된다.
3. 결 론
본 해상실증 연구를 통하여 연근해 소형선박용 PM-NOx 동시저감 배출저감설비 시스템(DPF 및 SCR)의 대기오염물 질 저감성능과 선박 적용성을 확인할 수 있었다.
선박용 배출저감설비의 설계도면 개발 및 시스템 제작과 대상 선박에 설치를 완료하였으며 설치 후 20일 이상 모니 터링을 바탕으로 운항 데이터를 기록, 통신을 통하여 저장 하였다. 운항 데이터 분석 결과 일별 평균 배압은 20mbar 수 준으로 확인되었으며 주기관의 영향을 주지 않은 허용 배압 기준(60mbar)을 만족하여 DPF를 설치하더라도 출력 및 연비 에 영향이 없음을 확인할 수 있었다. 또한 주기관 배기가스 온도 결과를 통해 SCR 활성화 온도인 280℃를 확인하여 실 선에서도 질소산화물 저감 가능성을 확인하였다.
모니터링 전후 1, 2차 배출저감설비 시스템 저감 성능 시 험을 통해 시험조건에 따라 질소산화물은 62.0~97.8%, 입자 상물질(매연)은 93.0~97.4%의 저감 성능을 확인하였다. 또한 DOC의 영향으로 선박 엔진 기인 대기오염물질인 CO, HC의 산화와 AOC를 통한 암모니아(요소수) 저감도 함께 확인하였 다.
배출저감설비 시스템 중 SCR의 저감 효율 기준은 부재한 상황에서 배기가스 온도에 따라 280~300℃에서는 70%, 30 0℃ 이상은 80% 수준으로 설정하여 선박 운용이 필요하며 이에 필요한 Urea(요소수) 탱크 용량은 연료 저장 탱크 용량 대비 최소 4% 수준으로 적용하는 것이 타당하다.
