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1. 개요



에너지를 생산하는 발전소에서는 경제발전과 인구 증가에 의한 에너지 소비 증가에 따라 화석연료를 에너지원으로 하여 많은 전기에너지와 열에너지를 생산하고 있다. 그에 따라 필연적으로 대기오염물질의 배출량 또한 증가하고 있으며, 주요 대기오염물질은 미세먼지(PM10, PM2.5), 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx), 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs) 등이 있다. 국가미세먼지정보센터의 통계자료(그림 1)

1. 개요



에너지를 생산하는 발전소에서는 경제발전과 인구 증가에 의한 에너지 소비 증가에 따라 화석연료를 에너지원으로 하여 많은 전기에너지와 열에너지를 생산하고 있다. 그에 따라 필연적으로 대기오염물질의 배출량 또한 증가하고 있으며, 주요 대기오염물질은 미세먼지(PM10, PM2.5), 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx), 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs) 등이 있다. 국가미세먼지정보센터의 통계자료(그림 1)를 보면 2016년 기준으로 질소산화물이 1,248,309톤으로 가장 많은 배출량을 보이고 있으며, 휘발성유기화합물이 1,024,029톤, 일산화탄소가 795,044톤 등을 보이고 있다[1]. 그림 2에서 에너지연소산업의 대기오염물질 배출량은 질소산화물이 145,445톤, 황산화물이 91,696톤, 일산화탄소가 58,579톤의 배출량을 보이며, 질소산화물의 배출량이 높은 비중을 차지하고 있음을 확인할 수 있다.

2015년까지만 해도 대기오염물질 PM10에 해당하는 미세먼지에 대한 제거 기술이 주요 관심사였지만, 초미세먼지의 유해성이 부각되면서 PM2.5 이하의 초미세먼지와 그 유발물질의 배출 저감에 대한 노력도 계속되고 있다. 질소산화물은 대표적인 초미세먼지 2차 생성 물질으로 주목받고 있으며, 교통 및 산업계 전반에 걸쳐 배출에 대한 규제가 시행되고 있다. 최근에는 대기관리권역의 대기환경 개선에 관한 특별법이 2019년 4월에 제정되고, 2020년 4월부터 시행을 앞두고 전국 대부분의 대기오염물질 배출 사업장에서의 질소산화물 배출 규제가 강화되었다[2].



그림 1. 2016년 대기오염 배출량 통계[1] (단위: 톤)

그림 2. 2016년 에너지산업 연소 부문 대기오염물질 배출량 통계[1] (단위: 톤)



질소산화물은 대부분 대기 중의 질소 분자나 연료 중의 질소 성분이 고온의 화염에 산화되어서 발생하며, 발생 초기에는 거의 대부분이 NO 상태이지만 대기 중으로 배출되면 대기 중의 산소에 의해서 서서히 NO2로 산화된다. 대기 중으로 배출된 NOx는 기침, 가래, 호흡기장애 등 인체에 미치는 영향이 크고 자외선, 분진 등과 반응하여 광화학 스모그의 원인이 된다. 또한 공기 중의 수분에 용해되어 산성비로 전환함에 따라 삼림, 수목, 농작물 등에도 피해를 주게 된다.

질소산화물은 생성 기작에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.



• Thermal NOx: 연소용 공기 중의 질소가 고온에서 산화되어 생성

• Prompt NOx: 탄화수소계 연료의 급격한 연소에 의해 생성

• Fuel NOx: 연료에 포함되어 있는 질소화합물이 산화되어 생성



Thermal NOx는 1,300℃ 이상의 고온에서 화석연료를 연소 시 공기 중의 질소와 산소가 반응하여 형성된다. Thermal NOx의 생성에는 연소온도, 연소영역의 산소 농도, 연소가스가 고온 영역에 머무는 체류시간 등이 중요한 영향을 미치기 때문에 연소장치의 NOx 저감 방법은 이러한 영향인자를 제어하는 것으로 구성된다. Thermal NOx 생성량은 화염의 체류시간이 길수록, 온도가 높을수록 그리고 공기비가 높을수록 증가하게 된다. 따라서 Thermal NOx의 생성을 억제하기 위해서는 ① 연소온도의 저하, ② 연소영역의 O2 농도의 저하, ③ 고온 영역에서 연소가스 체류시간의 단축 등이 필수적이다.

연료 중에는 C5H5N이나 C9H7N 등의 질소화합물이 0.02～0.3% 정도 포함되어 있다. 이 질소화합물은 연소 과정의 중간생성물인 암모니아(NH3)나 시안(CN) 또는 시안화합물(HCN)로 열분해되고, 이것들이 O2나 OH 라디칼과 반응하여 NO로 전환되는 현상이 발생하며, 이것을 Fuel NOx라 한다. 이 Fuel NOx는 열분해 과정에서 생성되기 때문에 비교적 저온에서도 생성되며, 공기비가 낮을수록 NOx로의 변환율이 낮다. 따라서 Fuel NO의 생성을 억제하기 위해서는 ① 연료 중의 질소 성분을 낮추고, ② 연소영역의 O2 농도를 저하시켜야 한다.

연료 개선 방법으로 청정연료를 사용하는 것이 NOx 발생에는 유리하다. 연료 종류별로 석탄(고체)>석유(액체)>LNG(기체) 순으로 NOx를 발생시키며, 연료 중 질소 함유량[3]에 비례한다. 수도권에는 수도권특별법에 의해 청정연료인 LNG 발전소만 건설하도록 법제화되어 있고, 수도권총량관리제에 의해 발전소별로 NOx 할당량을 배정하여 엄격히 관리하고 있다.



표 1. 연료별 질소 함유량

(출처: 조웅석, 화력발전소 SCR 우레아 기화기 막힘현상 최소화 방안에 관한 연구, 2017.)



PM2.5 이하 초미세먼지의 2차 원인물질인 NOx를 제거하는 방법은 크게 NOx 생성억제기술과 배연탈질기술로 구분할 수 있다. NOx 생성억제기술로는 연소 개선과 연료 교체가 있으며, 연소 개선은 과잉공기량을 조절하는 방법과 연소 설비를 개선하는 방법이 있다. 과잉공기량 조절은 일부 버너에서 공기가 부족한 희박연소를 시행하고, 다른 버너에서는 완전연소를 위해 과잉공기를 주입하는 방법이 있다. 일반적으로 과잉산소 농도 1% 감소 시 약 25~30ppm의 NOx가 감소된다. 석탄화력에서는 과잉공기 조절을 위해 OFA(Over Fire Air)를 설치해 1차 불완전연소, 2차 완전연소를 하여 효율을 상승시키고 NOx를 감소시킨다. 버너 형식에서도 대향류 버너보다는 Tangential Firing이나 Corner Firing 채택 시 약 150~200ppm의 NOx를 감소시킬 수 있다[3]. 배연탈질기술으로는 건식법과 습식법이 있다. 건식법에는 탈질효율이 좋은 선택적 촉매환원법, 선택적 비촉매환원법, 활성탄흡착법, 접촉분해법, 전자선 조사법 등이 있으며, 습식법에는 흡수법, 습식배연탈질법 등이 있으나 습식법은 탈질효율이 낮아 일반적으로 사용되지는 않는다.

탈질기술은 앞서 조사된 기술과 같이 연소 과정에서 발생되는 질소산화물의 농도를 낮추는 연소제어 기법과 배출된 질소산화물을 저감하는 후처리기술인 선택적 촉매환원 기법과 선택적 무촉매환원 기법으로 구분된다. 국내 수도권 대기환경 개선에 관한 특별법에서는 질소산화물의 최적방지기술로 저녹스 버너, 선택적 촉매환원장치, 선택적 비촉매환원장치를 명시하고 있다. 이는 가장 보편적으로 사용되고 있으며, 세부적인 기술 또한 연구개발을 통해 발전해가고 있다. 본 리포트에서는 최적방지기술로 분류된 기술의 동향을 소개하고자 한다.



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