개방형 스크러버는 해수를 사용하여 배기가스 내 오염물질을 제거한다. 일반적으로 해수는 펌프에 의해 공급되며, 해수의 화학적 특성에 따라 스크러버 효율에 영향을 미친다. 개방형 스크러버의 경우 해수의 염분이 높을수록 SOx의 용해도가 증가하여 SOx의 제거효율 또한 높게 나타난다. Karatuğ et al. (2022)에 따르면, 개방형 스크러버의 효율은 93-99% 로 조사되었으나 사용하는 해수의 염분, pH 달라질 수 있다.

개방형 스크러버는 해수를 흡수제로 활용하기 때문에, 흡수제 소비량에 따른 스크러버 운영 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다. 다만, 처리 후 해수를 바다로 버려야하는데 이 과정에서 해상 오염이 발생하므로, 처리수에 대한 규제 해역에서는 사용이 불가능하다는 단점이 존재한다. 실제로 개방형 스크러버의 가동 금지국이 늘어나고 있는 추세이다.

Fig. 4. 
Open loop scrubber system

*출처: ABS Advisory on exhaust gas scrubber systems (2018)

Eom et al. 2019는 폐쇄형 스크러버는 개방형 스크러버와 다르게 해수가 아닌 알칼리성 화학 세정수를 사용하는 방법을 연구했다. 선박의 위치와 관계없이 개방형 스크러버와 동등한 탈황 성능을 나타낸다. 일반적으로 화학 세정 용액으로는 수산화나트륨을 사용하며, 황산화물은 천연 중탄산염과 반응하지 않고, 수산화나트륨과 반응하여, 이산화탄소가 방출되지 않는다. Jee (2022)의 연구에서는 폐쇄형 스크러버의 SOx 처리효율을 98%로 제시하였다. 하지만 폐쇄형 스크러버는 오염물질 제거 후 발생 되는 세척수를 별도로 처리해야 하며, 세정수의 성능이 저하되면 별도로 폐수 처리를 필요로 하게 된다. 또한 세정수를 저장할 별도의 공간이 필요로 하므로 선박 화물 공간이 줄어드는 단점이 있다.

Fig. 5. 
Closed loop scrubber system

*출처: ABS Advisory on exhaust gas scrubber systems (2018)

하이브리드형 스크러버는 개방형 스크러버와 폐쇄형 스크러버의 장점을 활용하기 위하여 제안된 시스템이다. 흡수제로 해수 공급 시스템과 화학 세정수 공급 시스템이 동시에 설계되어 있는 구조이다. 배출규제해역에서는 폐쇄형 스크러버를 가동하고 세척수는 저장한다. 그리고 선박이 비규제지역 해상으로 진입하면 개방형 스크러버로 전환하여 세척수를 배출시킬 수 있다. 또한 기존의 개방형 및 폐쇄형 스크러버의 SOx 처리 효율을 유지한다. 이러한 하이브리드형 스크러버는 황산화물 배출과 반응 후 세척수 배출 기준을 동시에 만족할 수 있기 때문에 최근 많이 사용되고 있는 스크러버 유형이다.

Fig. 6. 
Hybrid scrubber system

*출처: ABS Advisory on exhaust gas scrubber systems (2018)

질소산화물 배출을 저감 하기 위해 가장 많이 적용하는 기술은 연소조건 개선을 통해 Thermal NOx 형성을 억제하는 것이다. 연소조건 개선은 엔진의 연소조건을 조절하여 질소산화물의 발생량을 낮추는 기계적 처리에 의한 전처리 기술로, 2단 연소법(Two Stage Combustion), 배기가스 재순환법(EGR; Exhaust Gas Recirculation), 연료 유화 기술, 연료 및 물 분사 시스템, 이중 연료 엔진 (Dueal Fuel Engine), 연료유 Heavy Fuel Oil(HFO)을 Marine Diesel Oil(MDO)로 전환하는 방법이 있다.

(1) 2단 연소법

먼저 2단 연소법은 단계적 연소법이다. 1차 연소영역에서 연소에 사용되는 공기를 둘로 나누어 전반부에 공기량의 80% ~ 100%를 공급하고 후반부에 나머지 과잉 공기를 공급하여 1차 연소공급 영역에서 질소산화물의 배출을 저감시킨 후, 2차 연소영역에서는 1차 연소영역에서 넘어온 과잉 상태의 연소가스를 완전 연소시킨다. 2단 연소법의 구현하는 데에 비용이 저렴하여 육상 보일러에서 흔히 사용하는 방법이지만, 저감 효율이 30% ~ 50% 정도로 선박 배출 허용기준인 Tier III 수준에 맞추기에는 적합하지 않다 (Ahn et al., 2019).

(2)배기가스 재순환법(EGR)

배기가스 재순환법(EGR)은 연료의 연소과정에서 발생된 배기가스 일부를 냉각시킨 후 연료와 혼합하여 엔진 내부로 재투입시켜 연소 되게 하고 연소 엔진의 배기가스를 재순환시키는 방식으로 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감시킨다. Kumar et al. (2022)에 따르면, 논문에서는 EGR 비율이 10%, 20%, 30%일 때 NO2의 감소율이 각각 32.9%, 50.63%, 54.43%로 보고되었다.

배기가스 재순환 시스템의 기본 원리는 재순환되는 배기가스의 낮은 산소 함량과 높은 열용량이 연소실의 최고 온도를 낮춰줌으로 Thermal NOx의 형성을 제한하는 것이다. 그러나 배기가스 재순환 시스템은 질소산화물의 배출량은 줄어드는 장점이 있지만 연료 소비율이 증가하여 전체적인 효율이 감소한다는 단점이 있다.

(3) 연료 유화 기술

연료 유화 기술은 물과 연료유를 혼합해 유화유를 미리 형성시키고, 이후 노즐 연소를 통해 실린더를 분사하는 방식이다. 유화유는 원래 기름보다 발열량이 적고, 물을 첨가함으로써, 유화유의 잠열이 기름보다 커지면서 실린더 내 온도가 크게 떨어진다. 유화유를 태우면 실린더 내 탄소 및 탄소 입자를 줄일 수 있어 연소실 내 hot point를 효과적으로 제거할 수 있다. 2차 분무는 유화유의 미세 폭발 효과로 인해 혼합물을 더욱 균질화하여 실린더 내 국부적인 고온 영역 형성을 억제한다. 연소 후 유화유에 의해 생성된 과열 증기는 연소실에 분포하는데, 이는 실린더 내의 산소 희석 효과와 동일히며, 실린더 내의 국부적인 산소 풍부 구역 형성을 억제할 수 있다. 이를 통해 연료 소비량과 NOx 배출량을 동시에 줄일 수 있다. 또한, 이러한 가연물을 유화 수성 에멀젼으로 태우면 비유화 가연성에 비해 불꽃 길이가 줄어들 수 있다. 화염 길이가 짧으면 연소가 효율적이며 균질화되어 국소 고온 영역 형성과 NOx 배출량이 감소한다. 이 기술은 연료 분무 장치가 필요하고, 연료 분무로 인해 연소 효율이 떨어지고, 연료 소모량 증가로 인해 비용 증가의 단점이 있다.

(4) 연료 및 물 분사 시스템

주로 내연기관에서 사용되는 연료 유화 기술과는 반대로 연료 및 물 분사 시스템은 가스터빈 엔진과 일부 디젤 엔진에서 사용되어 엔진의 성능과 열효율을 증가시킨다. 연료 분사 시스템은 연료가 적당히 높은 수준에 도달하도록 만든다. 엔진 작동 조건에 따른 압력, 특정 규칙 및 엔진 연소실의 적절한 위치에 대한 특정 양의 연료 분사가 엔진 연소 프로세스를 최적화할 수 있다. 분사 시스템의 성능은 디젤 엔진의 연소에 직접적인 영향을 미친다. 분사 계통의 운전을 개선하면 디젤 엔진 운전의 효율을 향상하게 시키고, 연료 소비를 줄이며, 오염 물질 배출량을 제어할 수 있다. 연료 분사 시스템은 유지 보수 비용이 많이 들지만, 최적화하면 해양 디젤 엔진의 NOx 배출량을 감소할 수 있다.

물 분사 시스템은 낮은 열량과 증발, 흡열 특성으로 인해 오염물질 배출량을 줄일 수 효과적인 방법으로 제안되었다. 연소 혼합물에 물을 사용하면 단위 부피 또는 전하 질량 당 산소 농도가 감소하게 된다. 또한 실린더에 물을 주입하면 피크 압력과 온도를 낮출 수 있어 NOx 발생을 억제할 수 있다. 하지만 이런 물 분사 시스템은 많은 양의 물을 소비해야 하고, 퍼니스 내 체류 시간을 감소시켜 보일러 효율이 저하될 수 있다. 마지막으로 물방울의 크기가 균일하지 않으면, 물방울이 완전히 증발하지 않을 수 있고, 이로 인해 열분해가 충분하지 않을 수 있다는 단점이 있다.

(5) 이중 연료 엔진 (Dueal Fuel Engine)

이중 연료 엔진은 천연가스가 상대적으로 낮은 NOx, SOx, PM, CO₂의 원인이 되는 청정연료이기 때문에 요구조건을 충족시킬 수 있는 잠재력이 있다. 최근 몇 년간 비용효율 향상과 환경규제의 충족을 위한 해결책으로 이중연료 엔진을 사용해왔다. 일본에서는 LNG를 탑재한 고운전이 가능한 해양 이중 연료 엔진이 적용되었으며, 실험 결과 NOx, SOx, CO₂ 각각 43%, 100%, 25% 절감할 수 있는 것으로 나타났다 (Watanabe, 2015). 이중 연료 엔진의 열효율을 감소시키지 않고 매우 낮은 NOx 및 플루 가스 배출량을 낮춰주는 방법을 연구 또한 진행되었다. (Ishida et al., 2010) 최소의 디젤 주입과 높은 EGR 비로 천연가스나 메탄올을 미리 혼합함으로써 낮은 부하와 높은 부하에서 NOx와 플루 가스의 균형이 크게 향상될 수 있다는 것을 발견했다. NOx 배출량 제어와 관련하여, 이중 연료 엔진은 디젤 모드에서 IMO Tier Ⅱ NOx 배출량 규제와 가스모드에서 Tier Ⅱ 배출량 규제를 충족한다 (Okubo and Kuwahara, 2020).

(6) 연료 전환

이 외에 선박에 사용되는 연료유를 전환하는 방법이 있는데 중유(HFO)에서 Marine Diesel Oil(MDO)로 전환 사용하는 방법이 있다. HFO를 연료유로 사용하면 Thermal NOx의 발생을 가중시켜 질소산화물의 발생량이 증가하므로, 따라서 연료유를 HFO에서 MDO로 바꾸어 사용하게 되면 질소산화물의 발생량을 감소시킬 수 있다.

후처리 기술은 생성된 질소산화물을 분리하는 방법이다. 환원제와 촉매의 화학적 반응으로 배기가스 내의 질소산화물 배출을 저감하는 기술로 주로 선택적 촉매 환원(SCR; Selective Catalytic Reduction) 시스템이 사용된다. 선택적 촉매 환원 시스템은 배기가스에 포함되어 있는 질소산화물을 암모니아(NH₃), 촉매 등을 사용하여 질소(N), 물(H₂O)로 환원 및 분리하는 방법으로 질소산화물을 저감시킨다. 선택적 촉매 환원 시스템에서 연소 후 배출가스에 포함된 질소산화물은 촉매를 통과하기 전에 요소(urea), 암모니아(NH₃), 알코올 또는 탄화수소 화합물 등 환원제와 반응하여 환경에 유해하지 않은 질소와 물로 전환하게 되며, 암모니아를 적용한 반응식은 다음과 같다.

선박용 디젤기관의 출력방식은 연소실에 공기를 과잉으로 공급하여 사용하는데 공기를 과잉으로 공급해주는 과급기를 사용하기 위한 동력은 선박의 실린더에서 생성된 배기가스의 열을 활용한다. 추진력을 생산하는 엔진은 load가 상승할수록 실린더에서 배출되는 배기가스 온도는 상승하지만 과급기를 통과한 배출가스의 온도는 공기를 과잉으로 공급함에 따라 낮아지는 현상이 발생하게 된다. 이런 현상으로 과급기 후단에 설치되는 SCR은 배기가스 온도가 낮아 요소를 완전히 암모니아로 전환할 수 없어서 질소산화물의 저감을 저해하는 요인이며, 생성된 암모늄염 역시 저온에 의한 응축으로 촉매의 기공을 막거나 반응기 후단의 공기 예열기의 표면을 오염시켜 성능을 저하시킬 수 있다. 따라서 SCR 시스템 적용 시 중요하게 확인해야하는 부분은 배출되는 배기가스의 온도 조건에서 요소가 암모니아로 완전히 전환될 수 있는지 여부이다. SCR 시스템은 과급기 전단에 설치하는 HP (High Pressure) SCR 방식과 과급기 후단에 설치하는 LP(Low Pressure) SCR 방식으로 나누어진다.

질소산화물을 더욱 더 효과적인 제거방법에 대한 개발 과정의 선행연구들이 이어져 왔다. Okada et al. (2001)은 man b&w 4t50mx 연구 엔진에 7의 분사 타이밍 지연을 적용하였고, 약 30%의 NOx 감소와 약 7%의 소비 증가를 달성하였다. Li et al. (2010)은 또한 질소산화물 배출에 대한 연료 분사 전진각의 영향을 분석하였다. Al-Sened and Karini (2001)는 사전 주입을 사용하여 지연 기간을 단축하고 연소 초기 단계에서 온도와 압력을 감소시켜 NOx를 감소시킬 수 있음과 미립자 배출의 감소를 발견했다. Fankhauser and Heim (2001)은 사전 주입이 연료 소비량이 약간 증가하여 NOx를 감소시킨다는 것을 발견했고, Sulzer RT-Flex 커먼 레일 엔진 (삼중 분사를 통해 연료 전하가 연속적으로 짧은 개별 분무 방식)을 연구했다. 순차적 주입을 통해 실린더의 3개 노즐 각각이 서로 다른 타이밍으로 작동되며, 그 결과 약 30%의 NOx 감소와 약 8%의 연료 소비 증가를 보였다. Lamas and Rodríguez (2012)는 해양 엔진에서 NOx를 줄이기 위한 다양한 방법에 대해서 기술하였다. 적절한 타이밍에 파일럿 분사를 추가함으로써 NOx 배출량을 줄이고 동시에 연료를 절약할 수 있으며, 물 분사 (water injection), Exhaust gas recirculation (EGR) 등 다양한 방법에서의 NOx 감소를 언급하였다.