디젤엔진의 NOx 생성과정과 저감방법에 대하여 설명하시오.

질소산화물은 공기에 있는 질소분자와 산소가 고온상태에서 결합, 생성되는 일산화질소와 이산화질소를 말하는데, 일산화질소가 대부분이다.

디젤엔진의 질소산화물은 고온상태에서 생성되는 Thermal NO와 연료에 포함된 질소가 산화하여 생기는 Fuel NO로 구분되는데 Thermal NO가 대부분이다.

 

NO의 생성은 Zeldovich 메커니즘에 의한 것으로 공기과잉 연소시에 질소분자가 분해되어 생긴다.

N2 + O -> NO + N

이러한 NO의 생성은 강한 흡열반응으로 온도가 높을수록 지수함수의 형태로 증가하며 팽창행정 중 온도가 내려가도 그대로 배출된다.

NO의 발생농도는 연소온도에 크게 지배되며, 반응시간과 산소농도도 중요인자이다.

 

NOx 저감방법

 

압축비 및 부스트 압력을 변경하는 엔진 프로세스 변경이나 수분주입으로 Tier II를 만족시킬 수 있었지만,

Tier III를 만족시키기 위해서는 아래와 같은 방법이 적용되어야 함.

 

1) EGR(Exhaust Gas Recirculation)

디젤엔진에서 발생하는 배기가스를 재순환시켜, 배기가스 온도 및 산소농도를 감소시켜 NOx 생성 억제.

연소온도를 낮추기 위한 별도 냉각장치가 필요하여 복잡하고 장치의 크기가 커지며 엔진 출력 및 효율이 감소되는 단점이 있음.

대형엔진에 주로 적용.

 

2) SCR(Selective Catalytic Reduction)

선택적 촉매환원 기술로 배기가스에 포함된 NOx를 무해한 질소, 물로 바꾸는 기술임.

우레아(Urea, 요소)와 같은 환원제를 사용하여 우수한 탈질효율을 보임.

상용촉매로 주로 바나듐계 촉매가 널리 사용되며, 기술적 경제적으로 가장 우수한 질소산화물 제거기술로 알려짐.

촉매반응을 위해 높은 배기가스 온도 요구함.

소형엔진에 주로 적용.

 

* LNG Fuelled Ship

LNG 연료는 폭발시 온도가 낮기 때문에 NOx 발생량이 기존 HFO 대비하여 적음.

DF Engine 특히 XDF 엔진은 Otto 방식을 채용하기 때문에 NOx 규제치를 만족함.

ME-GI 엔진은 별도의 처리 장비(EGR)가 필요함.

초기투자비용이 많이 듦(LNG 연료탱크, DF 엔진, Fuel Gas Supply System(FGSS))