[스크랩] 질소산화물 제거방법
1. 분석자 서문
현대사회는 막대한 양의 에너지를 필요로 하고 있다. 사회에서 필요로 하는 에너지의 대부분은 열에너지로 대부분 유기물질의 산화에 의해 얻는다. 유기물질의 산화물로 여러 가지 형태의 대기오염물질이 발생한다. 이 중 질소산화물의 특징은 SOx, CO 등의 기타 오염물질과 달리 원료에 질소 성분이 없더라도 연소공기에 의해 생성된다는 것이다.
질소산화물은 광화학작용에 의해 이차오염물질을 생성하며, 이는 도시 대기오염의 주요물질 중 하나이다. 연소에 의한 질소산화물은 주로 NO 형태로 배출되고 NO는 대기 중에서 곧 적갈색의 NO2로 전환된다. NO의 독성은 비교적 약하지만 NO2는 NO의 5-10배 정도의 독성을 가지고 있으며, 고농도에서 호흡기 세포를 파괴하고 혈중 헤모글로빈과 결합하여 호흡곤란을 일으킨다. 또한 산성비의 원인이 되기도 하고, 광화학반응의 주요 원인으로 대기 중 오존농도를 증가시키며, PAN, aldehyde 등의 2차 오염물질을 생성하게 하여 광화학 스모그를 유발한다.
우리나라에서는 2005년부터 질소산화물의 배출규제를 강화하고 있다. 따라서 주요 배출시설에서의 배출농도를 저감시켜야 할 필요성이 점차 높아지고 있으며, 그 방안으로 배출원에서의 질소산화물 제어 방안을 강구하여야 할 것이다. 배출원에서의 질소산화물의 저감 방법으로 연료개선과 연소제어기술을 들 수 있으나 연료개선은 경제성의 문제가 있으며, 연소제어는 완전연소를 위한 고온연소가 필수적이므로 일정농도 이상의 제어는 어렵다. 이에 따라 배연탈질기술이 개발되었으며, 처리효율을 높이기 위한 많은 연구가 진행되어 왔다. 그러나 아직까지도 질소산화물의 제거에는 한계가 있어 새로운 기술의 개발을 필요로 하고 있다.
고정원에서 발생되는 NOx를 제거하는 방법은 연료 탈질, 연소 개선, 배가스 처리로 구분할 수 있는데, 연료 탈질과 연소 개선 방법에 의한 NOx의 제거 효율은 60% 이하이므로, 90% 이상의 NOx를 제거하기 위해서는 배가스 처리 기술 개발이 무엇보다 중요하다.
배출원에서 배출된 질소산화물을 제거하는 반응은 물리적 특성에 따라 건식법과 습식법으로 나눌 수 있는데, 습식법으로는 습식 세정법, 산화 흡수법, 액상 환원법, 산화 흡수법 등이 있다. 습식법은 NOx와 SOx의 동시 제거가 가능하고, 배가스 중 입자물질에 의한 영향을 거의 받지 않는다는 장점이 있는 반면, 투자비와 운전비가 많이 들고, 폐수를 처리해야 한다는 문제점이 있다. 이에 반해 건식법은 습식법에 비해 투자비와 유지비가 저렴하고, 공정이 단순하며 NOx 제거율이 높은 장점이 있다. 또한 대용량의 NOx 제거 공정에 적절하며 폐수처리가 필요 없다는 장점이 있는 반면, 배기가스 중에 포함된 분진의 영향을 많이 받으며, ammonium sulfate((NH4)2SO4)나 ammonium bisulfate(NH4HSO4)와 같은 부산물을 배출할 가능성이 높은 단점이 있다. 이러한 건식법으로는 촉매 환원법, 비촉매 환원법, 흡착법, 전자선 조사법 등이 있다.
이 가운데 선택적 촉매 환원법(Selective Catalytic Reduction; SCR)과 선택적 비촉매 환원법(Selective Non-Catalytic Reduction; SNCR)이 가장 보편적으로 사용되고 있는 공정으로, 각각의 공정들은 서로 다른 장단점을 갖는다. SCR 공정은 촉매를 사용함으로써 처리효율을 최대 90%까지 높였으며 250-350℃의 낮은 온도에서 처리를 가능하게 했다. 그러나 높은 설치비, 촉매 교환비, 연료비 등으로 유지관리비가 많이 든다. 국내의 기존 소각로나 비교적 낮은 농도의 NOx를 배출하는 시설에서는 약 40-60%의 제거효율을 가지고 있는 SNCR공법의 적용이 시도되고 있다. SNCR은 반응제 주입장치와 반응제 저장용기만을 요구하는 비교적 간단한 설비이기 때문에 기존의 소각로에 쉽게 설치할 수 있다.
SNCR 공정은 반응온도, 분사노즐의 위치와 속도 그리고 반응제의 종류에 따라서 처리효율이 달라진다. 따라서 적정 반응온도와 노즐의 위치 및 속도를 결정하기 위해 많은 연구가 수행되었다. SNCR의 주요반응은 900-1100℃의 좁은 온도 영역에서 일어나며 일반적으로 950-1000℃에서 최대의 제거효율을 나타낸다. 반응제는 주로 NH3와 urea(NH2CONH2)를 쓰고 있다. 일반적으로 NH3가 urea 보다 높은 효율을 보이지만 반응제의 저장 및 취급관리 그리고 경제적인 면에서는 urea가 장점을 가지고 있다.
SNCR 공정의 문제점은 낮은 처리효율과 더불어 좁은 처리온도 영역이다. 우리나라에서 소각로의 법적 운전온도는 850℃이다. 하지만 SNCR 공정을 적용하기 위해서는 보다 고온영역에서 운전해야 하며 소각로의 설계시에도 고온조건에 따른 장치 설계를 해야 한다. 따라서 발열량이 낮은 생활폐기물이나 슬러지 등을 소각할 때 보조에너지가 필요하며 안정적인 운전이 어렵게 된다. 이에 대한 대안으로 여러 가지 첨가제가 연구되어 왔다. 첨가제로는 유기물질들이 많이 연구되고 있으며 CO, H2O2 등도 자주 사용되고 있다. 이러한 첨가제 투입 시에는 700℃ 정도의 낮은 온도영역에서부터 NOx가 제거되기 때문에 보다 넓은 처리온도 영역을 가질 수 있다.
한편 미반응 암모니아를 효과적으로 처리하고 추가적으로 NOx를 제거하기 위하여 SCR 공정을 SNCR 후단에 설치하여 운전비용과 촉매사용에 따른 비용절감, 반응기의 크기 감소와 더불어 SCR의 부하감소에 따른 촉매의 수명연장 등을 기대할 수 있는 hybrid system을 구성하려는 노력이 시도되고 있다.
본 자료는 SNCR의 연구 결과들을 요약 정리한 것이다.