SCR (Selective Catalytic Reduction) 시스템

SCR 시스템은 배기가스에 있는 질소산화물의 90% 이상을 저감할 수 있는 장치이며, 그 원리는 암모니아(NH3)를 배기가스에 첨가하여 SCR 장치를 통과하면 촉매반응을 일으켜 아래 화학 반응식과 같이 N₂와 H₂O로 환원된다.

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암모니아는 증발기에서 스팀으로 가열되어 고온의 배기와 접촉 시 발화의 위험을 줄이기 위해 NH3/Air 혼합기에서 공기와 혼합된다. NH3/Air 혼합가스는 혼합기에서 배기와 혼합되어 반응기로 보내진다. 반응기에서 촉매가 반응하여 NOx는 질소와 물로 환원되어 과급기 터빈을 통해 대기로 방출된다. 촉매의 반응성이 가장 좋은 온도는 290℃에서 450℃이며 온도가 너무 높으면 발화의 위험성이 있고, 너무 낮으면 반응하지 않기 때문에 부식과 암모니아의 오염을 유발한다[31].

반응물질로 사용하는 암모니아는 독성을 가지기 때문에 보관과 관리의 어려움 그리고 부식의 우려가 있다. 따라서, 현재는 암모니아 SCR을 사용하기보다 요소(urea) SCR을 주로 사용하고 선박에 적용되고 있다.

Fig. 2.7은 요소(urea)수를 사용하는 SCR 시스템의 요소수의 반응과 NOx 환원과정을 보여주고 있다. 공기와 함께 우레아는 배기가스 중에 분사되고 열에 의해 아래 화학식과 같이 이산화탄소와 암모니아로 분해된다.

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촉매 반응기를 거쳐 NO_x와 NH₃는 N₂와 H₂O로 환원된다.

Fig. 2.7 Reduction process of NOx in urea SCR system[36]

Fig. 2.8은 2행정 기관에 장착된 SCR 시스템의 계통도를 보여주고 있다.

배기가스리시버에서 방출된 배기가스는 증발기/혼합기에서 우레아와 혼합되고 SCR 반응기에서 촉매에 의해 환원과정을 거쳐 배기가스 터빈을 거쳐 대기중으로 방출되고 있다. SCR 반응기를 거친 배기가스의 온도 T4는 배기가스 리시버의 온도 T1과 차이가 발생한다. 반응기를 거친 온도 T4가 터빈으로 들어가면서 터빈의 에너지가 감소하게 된다. 따라서, 감소된 배기가스 에너지에 의해 과급기의 터빈일이 감소하고 이는 연료소모율의 감소로 이어진다. 제작사에서는 T1과 T2의 온도 차이를 50℃ 이내로 유지할 때 엔진성능에 영향을 최소화할 수 있다고 가이드 한다[32].

Fig. 2.8 Overview of SCR system for two-stroke marine diesel engine [32]

Fig. 2.9는 실제 선박에 Fig. 2.8의 개념도에 의해 설치된 SCR 시스템의 T1의 온도 상승에 따른 연료소모율 감소에 대한 영향을 보여주고 있다. 최저 IMO load point(25%

engine load)에서 SCR 반응기는 촉매가 반응할 수 있는 온도 약 330℃를 넘지 않기 때문에 Fig 2.6의 V1을 통해 T1의 온도를 올려준다. Fig. 2.8에서 T1의 온도를 약 75℃

증가시켰을 때 조절밸브 약 24%를 열어야 하며 이 대 연료소모율은 2.4 g/kW·h 증가하고 있다. 즉, SCR은 반응기의 온도가 중요하기 때문에 과급기의 효율을 고려하여 반응기에 유입되는 가스의 온도를 제어할 필요가 있다.

Fig. 2.9 Influence of increased T1 in SCR system [32]