SCR 시스템 설계기준

3.2.1.1 혼합증발관

환원제인 요소수용액의 증발 및 열분해시간은 혼합증발관에서의 배기가 스 유속에 따라 좌우된다. 혼합증발관의 직경은 배기가스의 유속에 직접 관계되므로 관련 자료(일본 미쯔비시사의 사례)를 참고하여 엔진 부하 100%에서 대략 12.5 m/s가 되도록 설계하였다. 또한 혼합증발관의 길이는 SCR 시스템의 육상 실험설비의 설치 위치를 고려하여 최대한 길게 설계 하고 요소수용액의 분사모듈 설치 위치를 변경할 수 있도록 하여 향후 선 박 내 설치 시 최적 길이를 도출하도록 하였다. Fig. 3.3에서 혼합증발관 의 설계 개념도를 표시하였다.

Fig. 3.3 Design concept of mixed evaporator tube

3.2.1.2 촉매반응기

엔진의 부하가 100%로 운전될 때 NOx의 배출량 또한 최대가 되므로 부하 100%로 운전 될 때의 배기가스 유량과 온도를 기준으로 촉매 반응 기의 촉매량을 계산하여 설계하였다.

Table 3.4는 본 SCR 시스템의 실험에 사용되는 엔진과 동일한 모델인 엔진 4기가 IMO NOx Tier 1 인증시험을 시행할 때 측정된 운전 성능을 평균하여 나타낸 표이다. 이 값을 촉매량 계산에서 기준으로 활용하였다.

Table 3.4 Operation performance of 7,860 kW diesel engine

Engine Load [%] 25 50 75 100

Engine Power [kW] 1,965 3,930 5,895 7,860

Engine Speed [rpm] 81 102 117 129

Fuel flow [kg/h] 381.2 713.9 1,037.6 1,411.4 Max. combustion press. [bar] 75.2 104.3 132.4 150.5

Comp. press. [bar] 41.9 68.1 98.8 124.5

Scavenge air temp. before cylinder [℃] 29.3 25.0 29.0 35.5 Scavenge air press. before cylinder [bar] 0.3 1.0 1.9 2.6 Exhaust back press.[mmH2O] 12.0 58.5 143.3 228.3

Ambient temp. [℃] 15.3 15.8 16.3 17.3

Absolute humidity [g/kg] 7.4 7.2 6.7 7.4

Exhaust Outlet temp. [℃] 260.0 250.0 228.8 247.5 Exhaust gas flow [kg/h] 21,814.1 38,515.3 55,151.6 68,788.2 NOx concentration(dry) [ppm] 969.0 930.8 947.3 915.8 CO concentration(dry) [ppm] 106.9 93.6 55.7 62.8 CO2 concentration(dry) [%] 3.8 4.0 4.1 4.4 O₂ concentration(dry) [%] 15.8 15.5 15.4 14.8 THC concentration(dry) [ppmC1] 106.2 116.7 107.3 97.8 Measured NOx Specific Mass flow [g/kWh] 16.3 13.9 13.5 12.1 Measured NOx Mass flow [kg/h] 32.1 54.5 79.3 95.4 ISO Corr. NOx Specific Mass flow [g/kWh] 16.3 13.8 13.4 11.9 ISO Corr. NOx Mass flow [kg/h] 32.1 54.3 78.8 93.4 Perf. Corr. NOx Specific Mass flow [g/kWh] 18.7 16.5 16.4 13.8 Perf. Corr. NOx Mass flow [kg/h] 36.8 64.9 96.4 108.1

3.2.1.3 환원제 유량

Table 3.5는 7,860 kW급 디젤엔진에서 NOx 배출량을 IMO NOx Tier Ⅲ 수준으로 저감하고자 할 때 엔진 부하별 NOx 저감량과 필요한 요소수용 액의 투여량(dosing quantity)을 계산한 것이다. 요소수용액의 농도는 40%

이며 NOx의 배출량 계산은 IMO NOx Technical Code 제5.12.6항의 계산식 을 사용하였다.

엔진의 회전속도는 129 rpm 이므로 Tier Ⅱ의 NOx 배출 기준치는 14.4 g/kWh이고 Tier Ⅲ 기준치는 3.4 g/kWh이다. 각 기준치를 만족하도록 Table 3.4의 동일 모델 엔진의 부하별 NOx 배출량 변화 및 NOx Technical Code의 가중치를 적용하여 부하별로 NOx 배출량을 배분하면 Tier Ⅱ의 경우 엔진 부하 25%에서 NOx 배출량은 15.4 g/kWh(30,030 g/h), 엔진 부하 100%에서 13.9 g/kWh(108,420 g/h)이며, Tier Ⅲ의 경우 엔진 부하 25%에서 4.4 g/kWh(8,580 g/h), 엔진 부하 100%에서 2.9 g/kWh(22,620 g/h)이다.

각 엔진 부하의 Tier Ⅲ에서 NOx 질량유량(g/h)값에서 Tier Ⅱ의 NOx 질량유량(g/h)값을 빼면 부하별 저감해야 하는 NOx의 질량유량(g/h)값을 구할 수 있으며, 엔진 부하 25%에서 21,450 g/h, 100%에서 85,800 g/h이 다. 따라서 NOx 저감에 요구되는 요소수용액의 투여량은 엔진 부하 25%

에서 524.03 mL/min, 엔진 부하 100%에서 2,096.13 mL/min이다.

같은 방법으로 Tier Ⅰ의 NOx 배출량을 Tier Ⅲ 수준으로 저감할 경우 요구되는 요소수용액의 유량은 엔진 부하 25%에서 647.9 mL/min, 엔진 부하 100%에서 2,591.58 mL/min로 계산된다.

이 계산결과를 바탕으로 도징장치의 환원제 유량제어 범위는 엔진 부하 25%에서 Tier Ⅱ의 NOx 배출량을 Tier Ⅲ 수준으로 저감하고자 할 때 필 요한 환원제 유량의 90%(470 mL/min)를 최소로 하고 엔진 부하 100%에서 Tier Ⅰ의 NOx 배출량을 Tier Ⅲ 수준으로 저감하고자 할 때 필요한 유량 의 110%(2,850 mL/min)를 최대로 설계하였다.

Table 3.5 Dosing flow rate calculation of urea for 7,860 kW diesel engine Load % 25.00 50.00 75.00 80.00

Power kW 1,950 3,900 5,850 7,800

Weighting factor 0.15 0.15 0.50 0.20 Tier Ⅰ

(NOx Limit 17.00 g/kWh)

NOx flow rate g/kWh 18.00 17.50 17.00 16.50 g/h 35,100 68,250 99,450 128,700 Spec. NOx flow rate g/kWh 16.96

Tier Ⅱ

(NOx Limit 14.40 g/kWh)

NOx flow rate g/kWh 15.40 14.90 14.40 13.90 g/h 30,030 58,110 84,240 108,420 Spec. NOx flow rate g/kWh 14.36

Tier Ⅲ

(NOx Limit 3.40 g/kWh)

NOx flow rate g/kWh 4.40 3.90 3.40 2.90 g/h 8,580 15,210 19,890 22,620 Spec. NOx flow rate g/kWh 3.36

Tier Ⅱ

↓ Tier Ⅲ

Reduction Nox g/h 21,450 42,900 64,350 85,800

Needed urea

g/h 34,964 69,927 104,891 139,854 g/min 583 1,165 1,748 2,331

g/s 9.71 19.42 29.14 38.85 Needed

urea water solution

Liter/h 31.442 62.884 94.326 125.768 mL/h 524.03 1,048.07 1,572.10 2,096.13 mL/s 8.73 17.47 26.20 34.94

Tier 1

↓ Tier Ⅲ

Reduction Nox g/h 26,520 53,040 79,560 106,080

Needed urea

g/h 43,228 86,455 129,683 172,910 g/min 720 1,441 2,161 2,882

g/s 12.01 24.02 36.02 48.03 Needed

urea water solution

Liter/h 38.874 77.747 116.621 155.495 mL/h 647.90 1,295.79 1,943.69 2,591.58 mL/s 10.80 21.60 32.39 43.19