서 론

온실가스 감축의무가 현실화되면서, 선박엔진을 포 함한 비도로 분야에서의 배기 정화 요구가 증대되고 있 는 실정이다. 선박 디젤엔진으로부터 배출되는 유해한 배기배출물은 크게 입자상 및 가스상 오염물질로 나눌 수 있으며 이는 연료의 불완전 연소, 고온 고압에서 혼 합물의 반응, 윤활유 및 첨가제의 연소 그리고 연료의 첨가제와 연료 중에 들어있는 유황 성분의 연소 등에 의 해 생성된다. 디젤엔진에서 배출되는 입자상물질은 주 요한 유해물질로서 국제해사기구 및 미국 유럽연합 등 에서는 대기오염 배기배출물로 규정하여 그 배출량에 대한 규제를 시행하고 강화해 나가고 있다. 가스상 오염 물질은 선박의 경우에 현재 국제해사기구는 Tier Ⅰ, Ⅱ 등을 통해 SOx 및 NOx를 규제하고 있고, 향후 점차 강 화될 예정이다 (Oh et al, 2006; Lee and Doo, 2011; Kim et al, 2013). 선박의 경우 SOx농도 저감을 위해 현재 연료 의 황 함유량으로 규제를 하고 있으나, 황 함유량 규제 를 강화시킬 경우, 초저황유를 사용하거나, Global 및 ECA 지역별 엔진 연료를 변환하는 등의 방식으로 선박 을 운전해야 하므로, 경제적으로 실현 불가능하다는 의 견이 있다. 이와 같은 이유로 MEPC에서는 2009년 배기 가스 정화시스템의 가이드라인을 공개하여 SOx 후처리 장치를 설치하여 배기가스 조성으로 동등한 황함유량 의 연료를 사용하는 것으로 간주할 수 있도록 하였다 (Kim et al, 2013). 위와 같은 배기규제 추세에 부합하기 위하여 선박용 배기배출물 처리 장치개발의 필요성이 증대되고 있으며 이러한 입자상 및 가스상 오염물질을 동시 제거하기 위해 세정집진기가 주로 사용된다. 세정 집진기는 분진을 수반하는 가스 등을 미세 액적에 의해 세정하여 제거하는 장치이다. 주요 세정집진기로는 벤 튜리 스크러버, 스프레이 챔버, 충전탑, 분무탑 등이 있 다. 이 중 벤튜리 스크러버는 세정 집진기 중 고효율 (90% 이상)의 장점을 지니지만, 압력손실 (300 mmH₂O 이상)이 타 세정기에 비해 매우 높으며 세정액이 대량으 로 요구되어 운전비가 많이 소요된다는 단점을 가지고 있다. 더욱이 기존 세정집진기의 문제점은 오염물질 처 리 시 분사되는 미세 액적의 장치외부로의 배출 가능성 이 크며, 이를 해결하기 위해 장치 출구에 디미스터 (demister)를 설치하여 액적의 배출을 최소화 되도록 한 다 (Cho and Kim, 1990; Coker, 1993). 그러나 디미스터 설치 시 미세 액적과 함께 응집된 먼지 등에 의하여 디 미스터의 공극이 폐쇄되어 디미스터를 주기적으로 교 체해주어야 하는 문제점이 발생한다.

본 연구는 낮은 압력손실 및 고효율 (95% 이상)을 유 지할 수 있으며 소형 선박 및 어선에 적용 가능한 소형 의 컴팩트형 집진 시스템에 기존의 습식세정기의 문제 점인 디미스터의 설치 없이 미세 액적의 배출을 최소화 할 수 있는 습식 세정 집진장치를 연구·개발하는 것이 주요 목적이다. 따라서 본 연구에서는 물 분사 (water spray) 시스템을 도입하여 입자상 오염물질 저감 성능 을 향상시키고 입자상 오염물질과 SOx의 동시저감이 가능하도록 하였다. 벽면 캐비티 (cavity)를 적용하여 캐 비티 내로 유입된 분진이 재비산 되지 않도록 하여 안 정적이고 높은 집진효율을 가질 수 있게 하였으며, 캐 비티 내로 유입된 미세액적 또한 캐비티 내에 머물게 함 으로써 후단으로의 배출을 최소화할 수 있도록 하였다. 본 시스템의 집진특성을 해석하기 위해 유입유속, 물 분사량 및 분사방식 등의 변수에 따른 실험적 연구를 수 행하였다.

재료 및 방법

실험장치

본 연구에서 사용된 실험장치 구성을 살펴보면 분진 공급장치, 가스 주입장치, 물 분사 시스템, 캐비티를 적 용한 습식 사이클론 본체, 유입유속·압력손실 및 집진 효율 등을 측정할 수 있는 계측시스템으로 이루어져 있 으며, 유입유속과 압력손실, SO₂ 측정은 각각 열선풍속 계 (model 6162 Kanomax, accuracy ±3%), 압력측정장비 (midi LOGGER GL800 GRAPHTEC, accuracy ±0.25%), SO₂계측장비 (E8500, E Instruments, accuracy ±0.25%)를 사용하여 계측하였다. 시스템 유입유속은 원형 덕트 내 유속을 측정함으로써 산출되었으며, 유속 측정점은 대 기오염 공정시험법에 의해 덕트 단면의 14.6%와 85.4% 되는 지점을 선정하였다. 본 장치의 압력손실은 장치 입·출구의 정압차에 의해 측정되었으며, 사이클론의 이론적 압력손실을 나타내는 다음 식에 의해 평가·해 석될 수 있다 (Cho and Kim, 1990; Coker, 1993).

여기서, K는 실험상수, ρ_a는 가스의 밀도 (g/ cm³), v_i는 사 이클론의 유입유속 (m/ s), H_c는 유입구 높이, B_c는 유입 구의 너비, D_e는 출구의 직경이다.

시스템 집진특성을 파악하기 위해 집진효율은 중량 법 (gravity-metric method)에 의해 장치 입·출구의 중량 농도를 측정하여 아래의 식에 의해 계산하였다 (Cho and Kim, 1990).

여기서, η_t는 총괄집진효율, m_in, m_out은 입·출구 중량농 도 (g/ m³)이다.

Fig. 1은 본 집진장치의 전체 시스템에 관한 모식도이다.

Fig. 2는 실험장치 본체인 벽면 캐비티를 적용한 습식 사이클론의 구조를 나타내며 Table 1은 구체적 치수를 표현한 것이다. 기존의 사이클론의 형상과는 달리 벽면 에 캐비티를 적용하여 포집된 입자가 블랙홀과 유사한 벽면 캐비티 내로 유입·포집되어 분진의 재비산에 의 한 배출을 방지하고 액적의 배출을 최소화할 수 있도록 설계하였다 (Kim, 2013).

Fig. 3은 벽면 캐비티를 적용한 습식 사이클론에서 물 분사구의 위치를 표현한 것이다. 분사구는 분사각이 서 로 겹치지 않게 하고 유출구로의 직접 배출의 가능성을 줄일 수 있도록 위치하였다.

Fig. 4는 입자를 포함한 기류가 벽면 캐비티를 적용한 습식사이클론으로 유입되었을 때의 기류패턴 및 입자 포집 메카니즘을 나타낸 것이다. 사이클론 본체에 접선 으로 유입된 기류는 본체 내부에서 강한 선회류 (Vortex) 를 형성하여, 선회류를 따라 이동하는 충분한 관성 력을 지닌 입자는 강한 원심력에 의해 선회류를 이탈하 여 벽면 캐비티 내로 유입되어 중력에 의해 침강되면서 분진 누적함 (Hopper)에 포집·축적된다. 분사된 미세 액적은 서로간의 응집 현상에 의해 입경이 커지면서 충 분한 관성력에 의해 위의 현상은 더욱 뚜렷이 나타난다. 따라서, 벽면 캐비티가 없는 기존 사이클론의 경우 분진 입자 및 분사 액적은 사이클론 내부 벽면에 포집되면서 다시 튕겨나오면서 재비산 되어 배출될 수 있지만 본 시 스템의 경우 이와 같은 재비산에 의한 배출을 최소화 할 수 있다.

본 시스템의 집진특성을 해석하기 위해 입자상 (fly ash) 및 가스상 오염물 (SO₂)로 구분하여 실험조건을 Table 2에 나타내었다. Fig. 5, 6

실험용 분진

실험에 사용한 분진은 화력발전소에서 채취한 fly ash 로 입경분석장비 (GRIMMAerosol DustMonitor & Counters) 를 사용하여 분진의 입경별 분포를 알아보았다. 입 경분석장비는 15개의 채널을 이용하여 분진의 수농도 를 측정한다. 개수기준 평균입경은 0.69 µm이며, 중량 기준 평균입경은 3.98 µm의 fly ash를 사용하였다.

결과 및 고찰

압력손실 특성

본 시스템의 압력손실은 집진효율과 더불어 시스템 설 계의 중요인자가 된다. 압력손실에 영향을 미치는 주요 실험변수로 시스템 유입유속, 물분사량 및 장치구조 등 을 들 수 있다. 압력손실은 식 (1)에 의해 해석될 수 있으 며, 이들 변수에 따라 압력손실 특성이 변화될 수 있다.

Fig. 7은 벽면 캐비티를 적용한 사이클론의 유입유속 υ_in=6, 9, 12, 15, 18, 21 m/ s에 따른 압력손실 변화를 나 타낸다. 유입유속 υ_in=6, 9, 12, 15, 18, 21 m/ s에서 3, 6, 10, 15, 23, 33 mmH₂O의 압력손실을 보인다. 입구유속이 증가할수록 압력손실이 높게 나타나는데 이는 식 (1)에 의해 압력손실은 유속의 제곱에 비례하여 증가됨을 알 수 있다.

Fig. 8은 벽면 캐비티를 적용한 사이클론에 물 분사 시 스템을 부가하여 물 분사량 200 mL/min에서 유입유속 증가에 따른 압력손실의 변화를 나타낸다. 유입유속 υ_in =6, 9, 12, 15, 18, 21 m/ s 일 때 압력손실은 3, 7, 11, 16, 25, 35 mmH₂O로 점차 증가함을 알 수 있다. Fig. 7의 건 식 (dry type) 시스템의 경우에 비해 1~2 mmH₂O정도 압 력손실이 증가하였으며, 이는 물을 분사함으로써 분사 액적과 기류와의 충돌에 의한 저항증가에 따른 영향으 로 판단된다.

입자상 오염물질의 집진 특성

본 연구의 집진효율에 영향을 미치는 중요 변수는 유 입유속, 물 분사량 및 분사방식 등이며 주요 포집 메카 니즘은 Fig. 4에서 보는 바와 같이 임팩션 (impaction) 효 과, 난류 확산, 분진과 미세 액적과의 상호작용 (확산, 차 단, 충돌 등) 등이 될 수 있다.

Fig. 9는 물 분사가 없는 건식 시스템에서, 유입농도 3 g/ m³에서 유입유속에 따른 집진효율을 나타낸 것이다.

유입유속 υ_in=6, 9, 12, 15, 18, 21 m/ s에서 집진효율은 54.1, 67.2, 78.7, 83.8, 88.2, 90.4%로 유입유속이 증가함 에 따라 집진효율이 증가함을 볼 수 있다.

사이클론의 이론적 입경별 효율식은 다음과 같이 나 타낼 수 있다 (Cooper and Alley, 1994).

여기서, η_d는 입경별 효율, N_t는 선회류수, ρ_p는 입자밀 도 (g/ m³), d_p는 입자 직경 (µm), µ는 가스의 점성계수 (g/cm-s)이다.

식 (3)으로부터 사이클론의 50% 효율의 절단입경은 식 (4)로 나타낼 수 있다 (Cooper and Alley, 1994). 여기서, d_p.cut는 절단입경 (µm)이다.

식 (4)에서 보는 바와 같이 유속 증가에 따라 절단입경 이 감소되며, 즉 선회류에 의한 임팩션 효과의 증가에 의해 집진효율은 상승함을 알 수 있다.

Fig. 10은 습식 (wet type) 시스템에서 물분사량 (vertical spray type) 및 유입유속에 따른 효율을 비교하여 나 타낸 것이다. 유입유속 υ_in=6, 9, 12, 15, 18, 21 m/ s에서 집진효율은 물분사량 100 mL/min인 경우 67.9, 79.1, 84.9, 90.3, 93.4, 96.1%이며 물분사량 200 mL/min인 경우 72.0, 83.2, 88.9, 92.4, 95.1, 96.8%로 높은 효율을 나타내 었다. 물 분사량이 증가하면서 집진효율은 증가하며, 물 분사량 200 mL/min에서 건식 시스템에 비해 유입유속 에 따라 6.4~17.9%정도 집진효율이 높게 나타남을 알 수 있다. 이는 액적 분사에 의한 수백 µm입경의 미세 액 적과 분진입자와의 관성충돌, 차단, 확산 등의 포집 메 카니즘이 효과적으로 결합되어 나타난 결과이다. 관성 충돌효과는 식 (5)에서 볼 수 있듯이 분진입자와 미세액 적간의 상대속도가 증가될 때 높아지며, 즉 집진효율 증 대를 의미한다. 단일 액적의 포집효율은 다음 식으로 표 현된다 (Cooper and Alley, 1994).

여기서, k는 실험상수, υ_°는 액적에 대한 입자의 상대속 도 (m/s), υ_t는 입자의 종말속도 (m/ s), g는 중력가속도 (9.8 m/s²), d_d는 액적 직경 (µm)이다.

또한 물 분사량의 증가는 즉, 단일 액적의 정량적 증 가를 의미하며 식 (5)의 단일 액적의 효율이 직렬적으로 집진효율에 기여할 수 있다. 더욱이, 본 시스템은 υ_in= 21 m/ s, 물 분사량 200 mL/min에서 96.8%의 집진효율과 액·가스비 0.081 L/ m³, 압력손실 35 mmH₂O로 기존의 벤츄리 스크러버 (0.3~0.5 L/ m³, 300 mmH₂O 이상)에 비 해 매우 낮은 압력손실로 동력소모를 현저히 줄일 수 있 으며 상대적으로 낮은 액·가스비로 처리 후 폐수의 양 을 줄일 수 있는 이점을 가질 수 있다.

Fig. 11은 습식 시스템에서 물 분사 방식에 따른 집진 효율을 나타낸 것이다. 물분사량 200 mL/min, 유입유속 υ_in=6, 9, 12, 15, 18, 21 m/ s 일 때 사이클론 몸체 벽면에 서 분사되는 수평분사방식 (horizontal spray type)의 경 우 각 유입유속에서 68,0, 79.5, 85.6, 89.0, 92.0, 93.8%, 사 이클론의 출구 부근 상측면에서 하측 중력 방향으로 분 사되는 수직분사방식 (vertical spray type)은 72.0, 83.2, 88.9, 92.4, 95.1, 96.8%로 3~4% 정도의 집진 효율 차이 를 나타내었다. 이는 수직 분사 방식에 비해 수평 분사 방식에 의한 분사 액적은 사이클론 접선 유입구를 통해 형성된 강한 선회류와 충돌하는 경향이 더욱 높아지면 서 선회류 약화를 상대적으로 증대시키기 때문이며, 또 한 식 (5)에 의해 수직 분사 방식의 경우 수평 방식에 비 해 분진 입자와 액적간의 상대속도 가 커지며, 이로 인 해 효율 상승을 초래하는 것으로 판단된다.

가스상 오염물질의 처리 특성

액적분사에 의한 흡수 (absorption) 메카니즘은 가스 상 오염물의 주요 처리방법 중의 하나로 물질 이동 원리 를 이용하여 분리·제거하는 방법이다. 물질이 용액 내 로 이동할 때 물리·화학적 평형관계가 존재하며, 가스 상 오염물을 흡수액과 접촉시킬 때 물리적 평형한계 내 에서 접촉 면적을 크게 하고 접촉시간을 충분히 유지시 키는 것이 중요하다. 물리적 평형관계는 Henry의 법칙 에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다 (Sawyer et al, 2008).

여기서, P_A는 기체분압, H는 Henry 상수, X_A는 액상 중의 가스농도이다.

본 시스템에서는 용해도가 비교적 높은, 즉 Henry 상 수가 낮은 SO₂ 가스를 선택하여 실험을 수행하였다. Fig. 12는 물분사량 및 유입유속에 따른 SO₂ 제거 특성을 나 타낸 것이다. 유입유속 υ_in=6, 9, 12 m/ s 에서 물분사량 100 mL/min일 때 제거효율은 62.5, 25.0, 12.5%, 물분사 량 200 mL/min일 때 제거효율은 75.0, 62.5, 50%로 유입 유속이 증가할수록 제거효율이 감소하며 물분사량이 증가할수록 제거효율이 증가함을 알 수 있다. 유입유속 증가는 유량증대에 의한 액·가스비의 감소와 시스템 내의 체류시간 즉, 가스－흡수액의 접촉시간을 감소시 켜 제거효율의 저하를 초래하며 물 분사량 증가에 따라 액·가스비가 커지면서 흡수액과 가스의 접촉면적의 증가로 제거효율은 상승하였다.

결 론

선박디젤엔진에서 배출되는 대기오염 물질을 처리하 기 위한 본 시스템은 기존의 사이클론에 물 분사 시스템 과 분진입자 및 분사 액적의 재비산을 최소화 하기 위해 벽면 캐비티를 적용하였다. 더욱이, 본 시스템은 소형 어선 및 선박에도 적용 가능한 소형 장치규모로 고효율 (95%이상)과 낮은 압력손실 (50 mmH₂O이하)을 유지할 수 있는 컴팩트형 집진시스템이다. 본 집진시스템의 압 력손실 및 집진특성을 해석하기 위해 유입유속, 물 분사 량 (액·가스비) 및 분사 방식 등의 다양한 실험변수에 따른 실험을 수행하여 시스템 최적설계를 위한 결과를 얻고자 하였다. 유입유속 증가에 따라 압력손실은 식 (1)에 의해 유속 제곱에 비례해서 증대되며 최고 유속인 υ_in=21 m/ s에서도 압력 손실은 35 mmH₂O로 기존 습식 세정기 (200 mmH₂O이상)에 비해 매우 낮게 나타남으로 써 (Yoo et al, 2003) 즉, 이는 낮은 동력소모로 장치를 구 동시킬 수 있어 별도의 전력발생원 없이 선박엔진의 출 력으로 충분히 장치 운전이 가능할 수 있음을 의미한다.

분진 입자 제거 특성은 유입유속이 높아 질 때 충분한 관성력에 의해 포집효율은 증가되며, υ_in=21 m/ s 에서 건식인 경우 90.4%로 기존 사이클론 효율 (60% 정도)에 비해 매우 높게 나타나며 (Ko and Kim, 2013), 이는 본 시 스템의 분진 재비산 방지를 위한 벽면 캐비티의 형성으 로 분진의 장치 외부로의 배출을 최소화 할 수 있었기 때문이다. 물 분사량 200 mL/min (액·가스비 0.081 L/ m³)일 때 96.8%의 높은 집진효율로 유입유속 및 액· 가스비 증가에 따라 집진효율은 더욱 증대 될 수 있으 며, 본 시스템은 벽면 캐비티 형성에 의해 기존 세정집 진기의 미세액적 배출방지용인 디미스터를 필요로 하 지 않는 이점을 지니고 있다 (Cho and Kim, 1990). 용해 도가 비교적 높은 SO₂ 제거특성은 물 분사량 증가 및 유 입유속감소에 따라 SO₂ 제거효율은 증가되며, υ_in=6 m/ s, 물 분사량 200 mL/min일 때 75%의 비교적 높은 제 거효율을 나타낸다. SO₂ 제거는 입자상 오염물질과는 상반적으로 낮은 유속에서 높은 처리효율을 나타내므 로 동시 집진을 위해 적정한 유입유속의 선정과 그에 따 른 액·가스비의 증가가 필요할 것으로 판단된다. 본 시 스템의 액·가스비는 0.081~0.258 L/ m³으로 기존의 고 효율 (90%이상) 습식 세정기인 벤튜리 스크러버 (Venturi- scrubber)의 액·가스비 (0.3~0.5)에 비해 매우 낮아 (Cho and Kim, 1990; Cooper and Alley, 1994) 적정 유입유 속에서 액·가스비 증가에 의해 입자·가스상 오염물 을 동시에 효과적으로 처리할 수 있을 것으로 사료된다.