질소산화물 처리방법 및 제어기술 알아보기

 

안녕하세요, 오늘은 환경보호를 위한 중요한 이슈 중 하나인 '질소산화물 처리방법 및 제어기술'에 대해 함께 알아보려고 합니다. 공기 중에는 우리의 건강과 환경에 해로운 여러 가지 물질들이 존재하는데요, 그중에서도 질소산화물은 주목받는 오염물질입니다. 그렇다면, 이 질소산화물을 어떻게 처리하고 제어하는지에 대해 알아봅시다.

 

대기오염-질소산화물배출

 

 개요

질소산화물(NOX)은 차량과 공장, 발전소 등에서 배출되는 대기오염물질로, 지구온난화와 산성비, 미세먼지 생성 등의 문제를 일으키는 주범 중 하나입니다. 이를 제거하거나 줄이기 위한 방법들은 대체로 '전처리기술'과 '후처리 기술'로 나뉘며, 이들은 각각 배출 과정에서 질소산화물 생성을 줄이는 방법과 배출된 질소산화물을 처리하는 방법을 말합니다.

 

질소산화물 처리방법 및 제어기술

 

질소산화물로 알려진 7가지는 NO, NO2, NO3, N2O, N2O3, N2O4, N2O5로 이중 NO(Nitricoxide), NO2(Nitrogendioxide)는 많은 양이 대기로 배출되기 때문에 가장 중요한 대기오염물질로 분류된다. NOx는 모든 질소산화물을 통칭하지만, 대기오염분야에서는 일반적으로 NO, NO2를 의미하고 있다.

 

고정배출원에서 발생되는 질소산화물을 제거하는 기술은 연소 전단계에서 연료를 탈질화하는 방법, 연소단계에서 제어하는 방법, 배출된 질소산화물을 후처리 하는 방법으로 나눌 수 있다.

 

 

 연소 전단계에서의 제어기술

 

연소 전단계에서 질소산화물을 제거하는 방법은 사용연료에 포함되어 있는 질소화합물을 제거하는 연료탈질화를 일컫는다. 연료 연소시 발생하는 NOx의 25~50% 정도는 연료에 포함된 질소화합물에 의한 것으로 알려져 있는데, 석탄을 연료로 사용하는 경우에는 그 발생량이 60~80%까지 차지한다.

 

연료의 탈질화방법으로 수소를 이용한 HDN(Hydrodenitrification)이 가장 보편적인 것으로 알려져 있는데, 주로 기름 중에 포함된 유기질소가 수소와 반응하여 암모니아로 전환되어 이루어지는 방법이다.

 

 연소단계에서의 제어기술

 

질소산화물을 억제하기 위한 연소단계에서 제어방법은 연소시 공기의 양을 조절하는 저과잉공기 연소법, 단계적 연소법, 배가스 재순환 기술, 연소 공기의 온도를 낮춰 NOx의 발생량을 저감 하는 수분 주입법, 원하는 air/fuel 비율로 연소되도록 유도하는 Low-NOx burner 등 여러 가지 기술 등이 있다.

 

 

 연소 후의 제어기술

 

연소 전의 연료 탈질이나 연소단계에서의 제어기술로는 NOx의 제거율이 60%를 넘지 못하는 것으로 보고되고 있다. 이러한 수준은 대기환경보전법에서 규정하고 있는 배출허용기준을 준용하기 위한 기준치에 미치지 못하기 때문에 보다 높은 NOx 제거 효율이 필요할 것이다. 이러한 경우에 연소 후의 배기가스 중 NOx를 제거할 필요가 있다.

 

연소 후의 배기가스 중의 NOx를 제거하는 것을 배가스 탈질이라 하는데 그 제거 방법은 크게 습식법과 건식법으로 나뉜다.

 

(1) 습식법

습식법은 방법에 따라 흡수･환원법, 흡수･산화법, 산화･흡수법, 산화･흡수･환원법으로 나뉜다. 이러한 습식법은 큰 틀에서 보면 흡수액등과 같은 액상물질을 이용하여 알칼리 및 산화 등의 화학반응에 기초한 화학적 처리방식을 말한다.

 

(2) 건식법

건식법은 습식법과 마찬가지로 물질의 화학적 성질을 이용하는 선택적 무촉매환원법, 선택적 촉매환원법등, 또한 흡착법, 복사법등의 여러 가지 방법이 있다. 이러한 건식법은 NOx와 관련하여 현재 많은 연구와 실용화가 진행되고 있다.

 

(3) 선택적 촉매환원법(Selctive catalytic reduction)

암모니아수 혹은 요소수 등을 배기가스 속에 흡입하며, 그 가스를 촉매(Catalyst)로 접촉시켜 NOx를 N2와 H2O로 분해하는 방법이다. 배출되는 질소산화물(NOx)의 대부분은 NO의 형태로 존재하며, 200~400℃범위에서 촉매를 통과하면서 반응제와 반응하게 된다. 이온도 범위에서는 반응제가 O2 등과는 거의 반응하지 않고 NO와 선택적으로 반응하기 때문에 선택적 촉매환원법이라 하며, 대표적인 반응식을 표시하면 다음과 같다.

 

∙ 4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O

∙ NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 + 3H2O

∙ 2NO2 +4NH3 + O2 → 3N2 + 6H2O

∙ 6NO2 + 8NH3 → 7N2 + 12H2O

 

촉매를 재생하는 방식으로 열풍을 사용하는 법이 실용화되고 있고 SCR은 연소관리를 전제로 하며, 1몰 비는 약 80~90%의 제거 효율을 갖는다. 주요 설비로는 암모니아 혹은 요소 주입설비, 촉매탈질, 탈다이옥신설비, 가스열교환기 등이다.

 

SCR에 주로 사용되는 촉매는 화학적 조성과 기하학적 모양에 따라 매우 다양하지만 현재 사용되고 있는 것은 산화티타늄계와 제올라이트계, 산화철계 그리고 활성탄계열이다. 일본의 경우는 대부분 (V2 O5/TiO2) 계통의 촉매를 사용하고 있다. 촉매의 종류와 적용 가능한 온도 범위를 살펴보면, 산화티타늄 계통은 270~400℃, 제올라이트는 300~430℃, 산화철은 380~430℃, 활성탄은 100~500℃정도이다.

 

 

(4) 선택적 비촉매환원법(SNCR, Selective Non-Catalytic Reduction)

선택적비촉매환원법은 NOx 제어기술의 하나로써 촉매를 사용하지 않고 고온의 배기가스를 암모니아, 암모니아수, 요소수 등의 환원제를 직접 분사하여 NOx를 N2와 H2O로 분해하는 방법을 말한다.

 

선택적촉매환원법과 비교할 때 별도의 반응기나 고가의 촉매를 사용하지 않기 때문에 공정이 비교적 단순하고, 기존설비에도 비교적 쉽게 적용이 가능하므로 투자비용이 적은 것이 특징이다. 그러나 반응온도가 약 900~1,000℃ 정도이고 NOx 제거효율도 40~70% 정도로 낮은 단점을 가지고 있다.

 

∙ 4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O

 

SNCR에서 NOx제거효율에 미치는 대표적 인자는 온도, 반응시간, 초기 NOx의 농도, NOx의 농도에 대한 환원제의 투입비율(NH3/NO), 산소농도등이 있고, 이외에도 설비의 형태나 규모 등 엔지니어링 측면에서의 고려도 중요하다.

 

 마치며

질소산화물은 우리 생활 속에서 빠질 수 없는 에너지 사용으로 인해 발생하는 오염물질입니다. 그러나 현대의 과학기술은 이를 효과적으로 저감하고 처리하는 방법을 제공하고 있습니다. 이러한 기술들이 제대로 활용되고, 그 효과가 지속적으로 모니터링되고 조절된다면, 우리는 환경보호와 에너지 효율성을 동시에 추구할 수 있을 것입니다. 이를 위해서는 기술의 발전뿐만 아니라, 그에 따른 사회적인 인식과 제도적인 지원도 필요하다는 것을 잊지 말아야 합니다. 감사합니다.