『2017 올해의 10대 기계기술』

기술개발기관 한국기계연구원

기술/제품명 Tier Ⅲ 대응 선박용 배기가스 후처리시스템

기술의 정의선박 엔진 배기가스의 후처리를 위해 촉매를 이용하여 암모니아와 배기

가스에 포함된 NOx를 질소와 물로 환원 및 분리하는 시스템

핵심기술내용

(기술적 난이도)

- 선박용 배기가스 후처리시스템 설계기술(상)- 선박용 배기가스 후처리시스템 육상(1만마력) 및 해상(3800마력) 실증시험(상)- 선박용 2행정 디젤엔진용 저온 촉매 반응기 개발(중)- 촉매반응을 위한 최적 요소수 분무 장치 개발(중)- SCR 반응기의 효율 상승을 위한 해석기술 개발(하)

파급효과

- 전세계 저속엔진용 SCR 시장규모는 1조원으로 예상되어 국산화개발시 1,300억원/년의 수익창출이 기대됨(10억원/대일 경우)

- 자동차 및 플랜트 분야에 한정적으로 적용되는 SCR 관련 기술의 선박 적용에 따른 시장 선점 가능성과 독자 기술 확보 가능함

- 핵심부품 국산화를 통한 조선 기자재 산업 육성 효과

주요 기술 개발

실적

- 대형 선박용 SCR 자체 설계기술 개발- 배기가스 환경과 촉매사양에 따른 SCR 자동설계 프로그램 구축- SCR 반응기 요소수 분무 노즐 및 제어시스템 개발- 국내최초 SCR 육상 및 해상 실증시험 완료- 기술계약 4건(2.7억+경상 2%), 특허 출원/등록 2/16건, 논문 게재/발표

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첨부1. SCR 시스템 육상 및 해상 실증시험 수행

■ 1만 마력 급 선박에 적용하여 육상 시험을 거친 결과 IMO의 Tier Ⅲ 규제를 만족하

는 결과를 얻었음

■ 또한, 국해양수산연수원의 실습선 한반도호의 3800 마력급 엔진에 적용한 결과 바

다 위에서도 규제를 만족시키며 신뢰성을 확보하는데 성공

■ IMO NOx technical code에서 요구하는 절차 및 방법에 맞게 육상 및 해상 실증시

험까지 수행하여 실선에 직접 납품 가능한 제품화 단계까지 완료.

<10,000 마력급 엔진용 SCR 육상 실증시험 수행 모습>

<한반도호(3,800 마력급) 엔진 SCR 해상 실증시험 수행 모습>

첨부2. SCR 시스템 3D 자동설계 프로그램 제작

■ 본 연구를 통해 SCR 시스템의 설계기술을 확보하였으며, 이를 쉽게 활용할 수 있도

록 배기가스 환경 및 촉매 사양 등의 변수를 입력하면 자동으로 3D 모델과 2D 도

면을 생성하는 프로그램 개발.

■ 선박은 설치공간이 매우 제한적이기 때문에 이를 고려한 최적설계가 필요함. 위 자

동설계 프로그램을 통해 선박에 적합한 SCR의 최적 크기와 사양을 선정할 수 있음.

<자동설계 프로그램을 이용한 SCR 3D 모델>

<10,000 마력급 엔진이 장착된 선박 내 최적설치를 위한 3D 모델>

첨부3. 선박용 SCR 제어시스템 및 노즐개발

■ 선박 운항 중 엔진 부하에 따라 오염물질(NOx) 방출량이 변화하는데, IMO 규정에

서 제한하는 허용기준을 만족하도록 SCR 장치를 제어하는 시스템을 개발함.

■ 본 제어시스템 선박의 main controller와 별도로 설치되며, 운영 안정성을 고려하여

이중화된 시스템으로 구성함.

■ 배기가스에 포함된 NOx와의 환원반응을 위해 분무되는 요소수 용액(Urea)의 분해

율을 높여 SCR 시스템의 반응 효율을 높이기 위해 분무 입자의 크기를 최소화할

수 있는 이유체 노즐 개발

<SCR 제어시스템 주요 화면구성>

<개발된 Urea 용액 분무 노즐>

첨부4. SCR 반응의 효율 상승을 위한 해석기술 개발

1) 유동균일도

<10,000 마력급 SCR의 해석결과, 좌:내부 유속분포, 우: 첫 번째 촉매의 유동균일도>

2) 요소수 용액의 암모니아 전환율

<노즐분사각과 Static mixer적용에 따른 전환율 결과>

3) 열 및 유동해석

<SCR 내부 열 및 유동장 해석 결과>

No. 특허명 비고 No. 특허명 비고1 부하가변식 성능측정 장치 등록 12 병진형 촉매 세정부를 포함하는 촉매 반응기 등록

2다중 고깔형 망 필터와 그을음 제거장치가 장착된 디젤 엔진의 배기가스 처리장치

등록 13배기가스 질소저감용 SCR 요소수용액 용량 계산 프로그램

등록

3디젤엔진의 NOx 저감용 하이브리드 인젝터 및 이를 구비한 Urea-SCR 시스템

등록 14 배기가스 질소저감용 촉매반응기 계산 프로그램 등록

4배기가스와 암모니아의 혼합 증대를 위한 이중 선회류 생성 구조를 채택한 선박용 배기가스 유해성분 저감장치

등록 15질소산화물 저감용 선택적환원촉매반응기 계산 프로그램

등록

5촉매 모니터링이 가능한 선박용 SCR시스템

등록 16 선택적 촉매환원 반응기 진동 모니터링 프로그램 등록

6SCR 반응기용 촉매의 교체편이 및 진동감쇠를 위한 촉매 모듈이송 장치

등록 17 덕트 버너를 포함하는 선박용 SCR시스템 출원

7다공 노즐을 이용한 요소 분말 분사 질소산화물 정화시스템

등록 18 요소수 미립화 촉진을 위한 선박용 SCR시스템 출원

8 부하 가변식 회전기기 성능 측정 장치 등록 19배기가스 후처리 설비 표면온도측정 무선 적외선 온도센서 노드 구동 프로그램

등록

9선택적 촉매환원 반응기의 자동설계 시스템

등록 20 촉매 영상가시화 프로그램 등록

10 우레아 수용액 도징시스템 및 방법 등록 21SCR 배기가스에서 분사되는 Urea 수용액의 NH3 전환율 계산 프로그램

등록

11회전형 촉매 세정부를 포함하는 촉매 반응기

등록 22Air 유동에서 분사되는 Urea 수용액의 NH3 전환율 계산 프로그램

등록

No. 명칭 업체명 금액

1 선박 SCR 시스템 저온촉매 적용기술 ㈜나노 30,220 천원

2 SCR 시스템용 분사 제어장치 및 기술 영도산업전자 8,470 천원 + 경상 1.5%

3 친환경선박 배기가스 후처리시스템 기술 ㈜덱코 221,760 천원 + 경상 2.%

4 선박 SCR 시스템용 전계장 제어설비 기술 씨메카 13,596 천원 + 경상 1.5%

첨부5. 과제 수행을 통한 실적

1) 특허

2) 논문(게재)

No. 제목 비고 No. 제목 비고1 녹색선박 SCR시스템 개발 게재 8 촉매반응기 내부 유동특성에 관한 수치해석 게재

2 선박용 SCR 국내외 현황 및 시장동향 게재 95,000마력급 선박엔진용 SCR반응기 유동 균일도에 관한 수치해석

게재

3선박용 질소산화물 저감장치 개발의 필요성 및 규제현황

게재 10Effects of various factors on the conversion efficiency of urea selective catalytic reduction system

게재

4 SCR 시스템 촉매 기술동향 게재 11500ps급 선박 SCR 반응기에서 디퓨저 각도와 면적비에 따른 유동균일도 수치해석

게재

5 가변 유량 Urea 분사 모듈 개발 게재 12 고정설비감시를 위한 무선센서네트워크 형태분석 게재

6 Urea 분사 제어장치 설계 게재 13500ps급 선박 SCR 반응기의 유동균일도 향상을 위한 형상 및 가이드베인 설계에 대한 수치해석적 연구

게재

7 SCR 시스템 적용 NOx sensor 현황 게재 14500ps급 선박 혼합증발관 길이와 각도 변화에 따른 유동균일도에 대한 수치해석적 연구

게재

*발표 논문 상세내용은 필요시 제출

3) 기술이전