IMO 2020 선박황산화물 배출규제 및 대응 방안
2019-10-01
org.kosen.entty.User@4ba2bacc
윤정배(yoonjung)
1. IMO 2020 선박황산화물 규제 개요[1]
IMO(국제해사기구, International Maritime Organization) 2020의 주요 내용은 MARPOL(Prevention of Marine Pollution, 해양오염방지협약) Annex VI(부속서 6)에서 2018년 저유황 연료유 대체 가능성 검토 후, 선박황산화물의 배출 규제 적용시기를 2020년 혹은 2025년으로 결정할 것으로 명시하고 있다.
2012년 현재, 모든 해역(global limit)에서 황함유량 3.5% 이하의 연료유를 사용하고 있고, 2015년 현재, SECA(Sulphur Emission Control Area, 황배출규제해역)인 박틱해, 북해, 북아메리카해역 그리고 캐리비안해에서는 황함유량 0.1% 이하의 연료유를 사용하고 있다.
본 리포트에서는 IMO 2020의 적용 시기가 도래함에 따라, 선박 황산화물 배출 규제 현황 및 향후 규제 절차에 대해 조사하여, 규제 강화에 따른 선주사, 해운사 그리소 조선사의 현실적 대응 방안을 제안하고자 한다.
2. IMO 2020 선박황산화물 규제 현황[1, 2]
2018년 4월 MEPC(Marine Environment Committee, 해양환경보호위원회) 72차 회의에서, 2020년 1월 1일부터 황함유량 규제(모든 해역의 경우 3.5% 이하에서 0.5% 이하로 강화, 황배출 규제해역에서는 변동 없음)를 발효하였고, 더불어, 합의를 완료하였다.
IMO 측이 제시한 배출가스 규제 대응 방안은 1) GF Code를 만족시키는 가스(gas) 또는 저유황 연료유 사용, 2) 메탄올(methanol) 등의 대체 연료유 사용 그리고 3) IAPP(International Air Pollution Prevention)에서 승인된 황산화물 배출(SOx emission) 저감장치(예를 들어, 대기방출 탈황스크러버(해상방류 아님) 설치 후 선적국(flag state)에 선박등록 등으로 구성되어 있다.
IMO 측이 제시한 배출가스 규제 대응 방안은 2018년 10월 26일 MEPC 73차 회의에서 정식 채택되었고, 더불어, 2020년 3월 1일부터 탈황스크러버를 장착하지 않은 선박에 대해서, 선박의 추진 또는 운전을 위한 연소 목적의 연료유 운송을 금지하는 규정도 함께 채택되었으며, 2019년 5월 MEPC 74차 회의 결과와 상관없이 선박 황산화물 규제는 시행될 예정이다.
3. IMO 2020 선박황산화물 규제 대응 현황[3]
2019년 현재, SECA 지역을 운항하는 선박은 저유황 연료유용 보조 연료탱크를 설치하였고, SECA 지역으로 들어갈 때 연료를 저유황 연료유로 교체하여 운항하고 있다.
2019년 현재, 스크러버(scrubber) 탈황 효율과 운전의 신뢰성 그리고 국가간 이익 등이 표출되어, 개방형(open mode) 스크러버를 장착한 선박에 대해, 싱가포르 뿐 아니라 벨기에, 미국, 독일 그리고 중국 등이 자국 해역 입항을 금지하고 있다.
2019년 현재, 선주사들은 IMO 2020 규제 대응 방안에 고민하고 있으며, 일반적인 규제 대응 방안으로, 1) 공간이 부족하여 탈황 스크러버를 설치할 수 없는 소형 선박의 경우, 저유황 연료유 사용, 2) 대형 선박의 경우, 저유황 연료유 사용 후 2년 안에 탈황 스크러버 설치 그리고 3) LNG 엔진으로 교체하는 방안 등으로 수렴되고 있다.
그러나, LNG 엔진 교체의 경우, 교체비용이 신조 가격의 20%에 달하는 점과 LNG 연료 공급을 위한 액화가스 벙커링(bunckering, 연료 저장/공급) 설비 부족(국내의 경우 항만/해상용 벙커링 시설은 없는 것으로 파악되고, 벙커링선은 몇 척 운영되는 것으로 파악되며, 전세계 주요 항구 20여개 중 항만 벙커링 시설이 설치된 곳은 7개소로 파악되고 있음)을 감안 할 때, 선주사들은 탈황 스크러버 설치 설치 후, 단계적으로 LNG 엔진으로의 교체를 장기적 관점에서 검토할 것으로 전망 된다.
더불어, 2019년 현재, 전세계 선박 3,000여 척 중 LNG 엔진 선박은 3% 정도로 파악되고 있으며, LNG 추진 선박의 증가에 따라, 향후 LNG 엔진에서 배출되는 질소산화물 감축을 위한 선박용 탈질스크러버 장착 또한 증가 할 것으로 예상된다.
4. 배연탈황 기술 현황[4]
배기가스중의 황산화물은 석탄과 석유 등 화석연료의 연소과정에서 발생하게 되고, 연료 (CmHnS) 중에 황 성분이 존재하면, 공기 중의 산소와 반응하여 황산화물(SOx)을 생성하게 되며, 반응식은 식 ①과 같다.
CmHnS + Air(O2+N2) → CO2 + H2O + SOx + NOx ①
이러한 황산화물질을 제거하기 위하여 흡수(absorption), 흡착(adsorption), 산화(oxidation) 그리고 환원(reduction) 등의 원리를 이용해 연소 후 배기가스 중 포함되어있는 SOx를 제거하는 기술을 배연탈황이라 한다.
배연탈황기술은 흡수제의 수분량에 따라 크게 습식법과 건식법으로 구분되며, 흡수제의 재생여부에 따라 다시 재생법과 비재생법으로 분류되고, 특히, 습식법은 물 또는 알칼리성용액의 흡수제를 이용해 기체상태의 SO2를 흡수하여 알칼리성분과 반응 후, 생성된 sludge를 폐기하거나 석고(gypsum)와 같이 시장성 있는 부산물 형태로 처리하는 방법으로, 90%이상의 높은 황산화물 제거효율을 가지며, 이 중 석회석 세정법은 독일, 일본 그리고 미국 등 삼국이 주도하고 있는 가장 보편화된 상용화 기술이라 할 수 있다[표 1.].
또한, 건식법은 황산화물(SOx)과 질소산화물(NOx)을 동시에 제거할 수 있는 기술로, 기존의 탈황/탈질기술을 대체할 차세대기술로 주목받고 있으며, 활성탄과 탄산염 등의 입자 ·분말을 배기가스와 접촉시켜, 이산화황을 흡착 또는 반응 시킴으로써 제거하는 방법이다[표 1.].
표 1. 배연탈황 기술 분류[4]
5. 배연탈황 기술 개발 동향[5]
배기가스 정화정책에 있어서는 환경성과 경제성을 충족시킬 수 있는 복합처리기술의 활용이 권장되고 있으며, 이를 달성하기 위해서는 공정의 단순화, 비용저감, 에너지 절약 그리고 공간 절약 등에 적합한 기술개발이 요구되고 있고, 배연탈황기술도 이러한 기조에 맞추어 질소산화물을 동시에 제거할 수 있는 다음의 기술들이 제안 및 개발되고 있다.
5.1. 흡착(Solid adsorption/regeneration) 공정
고체 흡착제를 순환시켜 연소가스 중의 SO2를 제거하는 기술로, 높은 제거효율이 가능하면 서도 폐수나 폐기물이 발생하지 않으며, 황산 또는 유황과 같은 부산물의 재활용이 가능한 기술에 해당하고, Mitsu-BF 활성탄 공정, Copper Oxide 공정, NOXSO 공정 그리고 SNAP 공정 등이 있다.
5.2. 촉매(Gas/solid catalytic) 공정
SCR(선택적 환원촉매, Selective Catalytic Reduction) 반응기 또는 유동층 형식의 촉매층이 사용되며, 420℃ 정도의 온도에서 NOx를 질소와 물로 환원시켜며, SCR 반응기로부터 배출된 연소가스(SO2)가 SO2 전환장치로 유입되어 Vanadium계 산화촉매에 의해 SO3로 산화된 후 응축기에서 황산으로 회수되는 기술로, 고체 반응제의 재순환이 필요 없고, 95%이상의 높은 제거효율을 가지며, 폐수나 폐슬러지가 발생하지 않는다.
5.3. 전자빔(Electron beam irradiation) 공정
연소가스가 전자빔에 의하여 65℃ 정도에서 조사되며, 조사된 에너지는 N2, O2, CO2, 그리고H2O 와 같은 연소가스 성분에 의하여 흡수되며, 더불어, 분자가 이온화되고, 들뜨게 되어 라디칼이 형성 되며, 이 라디칼들은 SO2 및 NOx와 산화반응하여 황산과 질산을 생성하고, 생성된 황산과 질산은 암모니아와 반응하여 Ammonium Sulfate와 Ammonium Nitrate를 생성하게 된다. 특히, SO2, NOx, 분진이 단일공정에 의하여 동시에 제거되는 기술로, 폐수나 폐슬러지의 발생량이 적다.
6. 주안점 및 시사점
본 리포트에서는 IMO 2020의 적용 시기가 도래함에 따라, 선박 황산화물 배출 규제 현황 및 향후 규제 절차에 대해 조사하여, 규제 강화에 따른 선주사, 해운사 그리소 조선사의 현실적 대응 방안을 제안하였고, 도출된 주안점 및 시사점은 다음과 같다.
탈황설비를 선정할 때는 부산물의 이용가치와 공정의 우월성을 검토하고, 폐기물 또는 폐수 의 무해화가 가능하거나, 그 생성량을 최소화할 수 있는 설비를 선택하여야 하고, 더불어, 배출허용 기준과 탈황효율을 검토하고 운전과정의 신뢰도가 높으며, 장치의 설치비 및 운전비, 감가 상각비 그리고 소요면적 등을 고려하여 설비를 선택하여야 한다.
일반적인 배연 탈황 방법 중, 현실적으로 사용 가능한 스크러버 탈황 방식은 습식법에 해당하고, 해수세정(open mode, 개방형) 운전방식과 석회세정(close mode, 밀폐형) 운전방식으로 구분되며, 기술내용과 장단점은 [표 2.]와 같다.
표 2. 해수(Open Mode, 개방형) 세정과 석회(Closed Mode, 밀폐형) 세정 방식 비교[5]
특히, 탈황 스크러버의 운전 방식 중 석회세정(Closed Mode, 밀폐형)은 IMO 2020 선박 황산화물 규제에 대해, 2019년 현재, 현실적으로 대응 가능한 탈황방식으로 사료된다.
그러나, 부산물로 발생되는 아황산 나트륨(Na2SO3) 등 저온부식을 유발시키는 황산화물에 대한 처리방법(슬러지 저장조 내부식성 강화, 예를 들어 마그네슘 합금/도금 강판 사용 및 테프론 수지판 사용 등) 그리고 비재생 가성소다 사용으로 인한 운전비 상승 대응 방법(예를 들어, 재생 가능 흡착제 사용 등)에 관한 추가적인 연구개발이 필요할 것으로 판단된다.
References
1. The 2020 global sulphur limit. IMO, 2019.
2. Implementation of sulphur 2020 limit – carriage ban adopted. IMO, 2018.
3. 2020년 IMO 선박연료유 SO2 기준강화에 따른 영향 전망. 대한석유협회, 2018.
4. IMO 환경규제 동향과 대응 방안. 대한선주협회, 2019.
5. 2020년 황산화물 규제 시행 대비 해운부문 체계적 대응 필요. 한국해양수산계발원, 2019.
IMO(국제해사기구, International Maritime Organization) 2020의 주요 내용은 MARPOL(Prevention of Marine Pollution, 해양오염방지협약) Annex VI(부속서 6)에서 2018년 저유황 연료유 대체 가능성 검토 후, 선박황산화물의 배출 규제 적용시기를 2020년 혹은 2025년으로 결정할 것으로 명시하고 있다.
2012년 현재, 모든 해역(global limit)에서 황함유량 3.5% 이하의 연료유를 사용하고 있고, 2015년 현재, SECA(Sulphur Emission Control Area, 황배출규제해역)인 박틱해, 북해, 북아메리카해역 그리고 캐리비안해에서는 황함유량 0.1% 이하의 연료유를 사용하고 있다.
본 리포트에서는 IMO 2020의 적용 시기가 도래함에 따라, 선박 황산화물 배출 규제 현황 및 향후 규제 절차에 대해 조사하여, 규제 강화에 따른 선주사, 해운사 그리소 조선사의 현실적 대응 방안을 제안하고자 한다.
2. IMO 2020 선박황산화물 규제 현황[1, 2]
2018년 4월 MEPC(Marine Environment Committee, 해양환경보호위원회) 72차 회의에서, 2020년 1월 1일부터 황함유량 규제(모든 해역의 경우 3.5% 이하에서 0.5% 이하로 강화, 황배출 규제해역에서는 변동 없음)를 발효하였고, 더불어, 합의를 완료하였다.
IMO 측이 제시한 배출가스 규제 대응 방안은 1) GF Code를 만족시키는 가스(gas) 또는 저유황 연료유 사용, 2) 메탄올(methanol) 등의 대체 연료유 사용 그리고 3) IAPP(International Air Pollution Prevention)에서 승인된 황산화물 배출(SOx emission) 저감장치(예를 들어, 대기방출 탈황스크러버(해상방류 아님) 설치 후 선적국(flag state)에 선박등록 등으로 구성되어 있다.
IMO 측이 제시한 배출가스 규제 대응 방안은 2018년 10월 26일 MEPC 73차 회의에서 정식 채택되었고, 더불어, 2020년 3월 1일부터 탈황스크러버를 장착하지 않은 선박에 대해서, 선박의 추진 또는 운전을 위한 연소 목적의 연료유 운송을 금지하는 규정도 함께 채택되었으며, 2019년 5월 MEPC 74차 회의 결과와 상관없이 선박 황산화물 규제는 시행될 예정이다.
3. IMO 2020 선박황산화물 규제 대응 현황[3]
2019년 현재, SECA 지역을 운항하는 선박은 저유황 연료유용 보조 연료탱크를 설치하였고, SECA 지역으로 들어갈 때 연료를 저유황 연료유로 교체하여 운항하고 있다.
2019년 현재, 스크러버(scrubber) 탈황 효율과 운전의 신뢰성 그리고 국가간 이익 등이 표출되어, 개방형(open mode) 스크러버를 장착한 선박에 대해, 싱가포르 뿐 아니라 벨기에, 미국, 독일 그리고 중국 등이 자국 해역 입항을 금지하고 있다.
2019년 현재, 선주사들은 IMO 2020 규제 대응 방안에 고민하고 있으며, 일반적인 규제 대응 방안으로, 1) 공간이 부족하여 탈황 스크러버를 설치할 수 없는 소형 선박의 경우, 저유황 연료유 사용, 2) 대형 선박의 경우, 저유황 연료유 사용 후 2년 안에 탈황 스크러버 설치 그리고 3) LNG 엔진으로 교체하는 방안 등으로 수렴되고 있다.
그러나, LNG 엔진 교체의 경우, 교체비용이 신조 가격의 20%에 달하는 점과 LNG 연료 공급을 위한 액화가스 벙커링(bunckering, 연료 저장/공급) 설비 부족(국내의 경우 항만/해상용 벙커링 시설은 없는 것으로 파악되고, 벙커링선은 몇 척 운영되는 것으로 파악되며, 전세계 주요 항구 20여개 중 항만 벙커링 시설이 설치된 곳은 7개소로 파악되고 있음)을 감안 할 때, 선주사들은 탈황 스크러버 설치 설치 후, 단계적으로 LNG 엔진으로의 교체를 장기적 관점에서 검토할 것으로 전망 된다.
더불어, 2019년 현재, 전세계 선박 3,000여 척 중 LNG 엔진 선박은 3% 정도로 파악되고 있으며, LNG 추진 선박의 증가에 따라, 향후 LNG 엔진에서 배출되는 질소산화물 감축을 위한 선박용 탈질스크러버 장착 또한 증가 할 것으로 예상된다.
4. 배연탈황 기술 현황[4]
배기가스중의 황산화물은 석탄과 석유 등 화석연료의 연소과정에서 발생하게 되고, 연료 (CmHnS) 중에 황 성분이 존재하면, 공기 중의 산소와 반응하여 황산화물(SOx)을 생성하게 되며, 반응식은 식 ①과 같다.
CmHnS + Air(O2+N2) → CO2 + H2O + SOx + NOx ①
이러한 황산화물질을 제거하기 위하여 흡수(absorption), 흡착(adsorption), 산화(oxidation) 그리고 환원(reduction) 등의 원리를 이용해 연소 후 배기가스 중 포함되어있는 SOx를 제거하는 기술을 배연탈황이라 한다.
배연탈황기술은 흡수제의 수분량에 따라 크게 습식법과 건식법으로 구분되며, 흡수제의 재생여부에 따라 다시 재생법과 비재생법으로 분류되고, 특히, 습식법은 물 또는 알칼리성용액의 흡수제를 이용해 기체상태의 SO2를 흡수하여 알칼리성분과 반응 후, 생성된 sludge를 폐기하거나 석고(gypsum)와 같이 시장성 있는 부산물 형태로 처리하는 방법으로, 90%이상의 높은 황산화물 제거효율을 가지며, 이 중 석회석 세정법은 독일, 일본 그리고 미국 등 삼국이 주도하고 있는 가장 보편화된 상용화 기술이라 할 수 있다[표 1.].
또한, 건식법은 황산화물(SOx)과 질소산화물(NOx)을 동시에 제거할 수 있는 기술로, 기존의 탈황/탈질기술을 대체할 차세대기술로 주목받고 있으며, 활성탄과 탄산염 등의 입자 ·분말을 배기가스와 접촉시켜, 이산화황을 흡착 또는 반응 시킴으로써 제거하는 방법이다[표 1.].
표 1. 배연탈황 기술 분류[4]
분 류 | 기 술 | 비 고 | |
습식법 | 비재생법 | 석회석 세정 | ? 높은 제거 효율로, 가장 많이 사용됨 |
석회 세정 | ? 높은 제거 효율로, 가장 많이 사용됨 | ||
이중염기(Dual Alkali) | |||
해수 세정 | ? 매우 낮은 제거효율 | ||
재생법 | Wellman-Lord(W-L) | ||
산화마그네슘(MgO) | |||
구연산(Citrate) | |||
건식법 | 비재생법 | 흡착제 직접 주입 | ? Furnace, Duct 등의 설비가 필요함 |
Spray Drying | ? 반 건식법에 해당함 | ||
재생법 | 활성탄흡착 | ||
Aqueous Carbonate | |||
Shell Flue Gas Treatment | ? NOx, SOx 동시 제거 가능함 | ||
NOXSO | ? NOx, SOx 동시 제거 가능함 |
5. 배연탈황 기술 개발 동향[5]
배기가스 정화정책에 있어서는 환경성과 경제성을 충족시킬 수 있는 복합처리기술의 활용이 권장되고 있으며, 이를 달성하기 위해서는 공정의 단순화, 비용저감, 에너지 절약 그리고 공간 절약 등에 적합한 기술개발이 요구되고 있고, 배연탈황기술도 이러한 기조에 맞추어 질소산화물을 동시에 제거할 수 있는 다음의 기술들이 제안 및 개발되고 있다.
5.1. 흡착(Solid adsorption/regeneration) 공정
고체 흡착제를 순환시켜 연소가스 중의 SO2를 제거하는 기술로, 높은 제거효율이 가능하면 서도 폐수나 폐기물이 발생하지 않으며, 황산 또는 유황과 같은 부산물의 재활용이 가능한 기술에 해당하고, Mitsu-BF 활성탄 공정, Copper Oxide 공정, NOXSO 공정 그리고 SNAP 공정 등이 있다.
5.2. 촉매(Gas/solid catalytic) 공정
SCR(선택적 환원촉매, Selective Catalytic Reduction) 반응기 또는 유동층 형식의 촉매층이 사용되며, 420℃ 정도의 온도에서 NOx를 질소와 물로 환원시켜며, SCR 반응기로부터 배출된 연소가스(SO2)가 SO2 전환장치로 유입되어 Vanadium계 산화촉매에 의해 SO3로 산화된 후 응축기에서 황산으로 회수되는 기술로, 고체 반응제의 재순환이 필요 없고, 95%이상의 높은 제거효율을 가지며, 폐수나 폐슬러지가 발생하지 않는다.
5.3. 전자빔(Electron beam irradiation) 공정
연소가스가 전자빔에 의하여 65℃ 정도에서 조사되며, 조사된 에너지는 N2, O2, CO2, 그리고H2O 와 같은 연소가스 성분에 의하여 흡수되며, 더불어, 분자가 이온화되고, 들뜨게 되어 라디칼이 형성 되며, 이 라디칼들은 SO2 및 NOx와 산화반응하여 황산과 질산을 생성하고, 생성된 황산과 질산은 암모니아와 반응하여 Ammonium Sulfate와 Ammonium Nitrate를 생성하게 된다. 특히, SO2, NOx, 분진이 단일공정에 의하여 동시에 제거되는 기술로, 폐수나 폐슬러지의 발생량이 적다.
6. 주안점 및 시사점
본 리포트에서는 IMO 2020의 적용 시기가 도래함에 따라, 선박 황산화물 배출 규제 현황 및 향후 규제 절차에 대해 조사하여, 규제 강화에 따른 선주사, 해운사 그리소 조선사의 현실적 대응 방안을 제안하였고, 도출된 주안점 및 시사점은 다음과 같다.
탈황설비를 선정할 때는 부산물의 이용가치와 공정의 우월성을 검토하고, 폐기물 또는 폐수 의 무해화가 가능하거나, 그 생성량을 최소화할 수 있는 설비를 선택하여야 하고, 더불어, 배출허용 기준과 탈황효율을 검토하고 운전과정의 신뢰도가 높으며, 장치의 설치비 및 운전비, 감가 상각비 그리고 소요면적 등을 고려하여 설비를 선택하여야 한다.
일반적인 배연 탈황 방법 중, 현실적으로 사용 가능한 스크러버 탈황 방식은 습식법에 해당하고, 해수세정(open mode, 개방형) 운전방식과 석회세정(close mode, 밀폐형) 운전방식으로 구분되며, 기술내용과 장단점은 [표 2.]와 같다.
표 2. 해수(Open Mode, 개방형) 세정과 석회(Closed Mode, 밀폐형) 세정 방식 비교[5]
제 품 | 선박용 탈황 설비 | |
해수세정(Open Mode, 개방형) | 석회세정(Closed Mode, 밀폐형) | |
형 상 | ||
기 술 내 용 |
? 해수를 액적화하고, 워터 커튼을 형성시킨 후, 증가된 표면적으로부터 SO2를 흡수함 ? SO2가 흡수된 해수를 해상에 방류함 |
? 수용액상의 가성소다(NaOH) 또는 NH3 수용액을 흡수탑으로 주입시켜 가스중의 SO2를 흡수함 ? 흡수액은 순환조에 저장되며, 일정량을 정출기에 보내고 가성소다를 첨가하여 중화시킴 ? 부산물로 아황산나트륨(Na2SO3), 황산암모늄 또는 아황산암모늄이 회수됨 |
장단점 | ? SO2 제거효율이 매우 낮으나, 운전 및 유지 비용이 낮음 | ? 탈황효율이 90% 이상으로 높지만, 높은 설치비용과 암모니아의 높은 증기압에 따른 흡수액의 손실이 많아, 운전 및 유지 비용이 높음 ? 배기가스의 처리온도 유지를 위해 냉각 및 재가열이 필요하고, 일부 공정에서 다량의 폐수가 발생함 |
특히, 탈황 스크러버의 운전 방식 중 석회세정(Closed Mode, 밀폐형)은 IMO 2020 선박 황산화물 규제에 대해, 2019년 현재, 현실적으로 대응 가능한 탈황방식으로 사료된다.
그러나, 부산물로 발생되는 아황산 나트륨(Na2SO3) 등 저온부식을 유발시키는 황산화물에 대한 처리방법(슬러지 저장조 내부식성 강화, 예를 들어 마그네슘 합금/도금 강판 사용 및 테프론 수지판 사용 등) 그리고 비재생 가성소다 사용으로 인한 운전비 상승 대응 방법(예를 들어, 재생 가능 흡착제 사용 등)에 관한 추가적인 연구개발이 필요할 것으로 판단된다.
References
1. The 2020 global sulphur limit. IMO, 2019.
2. Implementation of sulphur 2020 limit – carriage ban adopted. IMO, 2018.
3. 2020년 IMO 선박연료유 SO2 기준강화에 따른 영향 전망. 대한석유협회, 2018.
4. IMO 환경규제 동향과 대응 방안. 대한선주협회, 2019.
5. 2020년 황산화물 규제 시행 대비 해운부문 체계적 대응 필요. 한국해양수산계발원, 2019.