초록 ▼

국내의 에너지소비량은 산업발전과 경제성장에 비례하여 지속적으로 증가하여 왔으며, 요구되는 에너지는 화석연료의 사용량을 증가시켜 대기오염물질의 배출을 야기하였다. 특히 대도시나 공단지역을 중심으로 오존에 의한 대기오염현상인 광화학스모그나 산성비 문제가 자주 발생하고 있다. 광화학스모그는 산업활동의 증가와 자동차의 급격한 증가로 질소산화물(NOx)과 탄화수소의 배출량이 증가하고 이들이 대기중에서 햇빛과 광화학반응을 일으켜 나타나는 시정악화 현상으로 질소산화물이 이의 직접적인 생성원인이 된다. 또한 질소산화물은 산성비의 형태로 인체 및

국내의 에너지소비량은 산업발전과 경제성장에 비례하여 지속적으로 증가하여 왔으며, 요구되는 에너지는 화석연료의 사용량을 증가시켜 대기오염물질의 배출을 야기하였다. 특히 대도시나 공단지역을 중심으로 오존에 의한 대기오염현상인 광화학스모그나 산성비 문제가 자주 발생하고 있다. 광화학스모그는 산업활동의 증가와 자동차의 급격한 증가로 질소산화물(NOx)과 탄화수소의 배출량이 증가하고 이들이 대기중에서 햇빛과 광화학반응을 일으켜 나타나는 시정악화 현상으로 질소산화물이 이의 직접적인 생성원인이 된다. 또한 질소산화물은 산성비의 형태로 인체 및 자연에 직접적인 해를 주는 오염의 주된 원인이 된다. 일본, 유럽 및 미국등 선진국에서는 이미 각종 오염물질의 배출규제를 달성하기 위해 환경관련 기술개발에 막대한 R & D 자금을 투입해 오고 있어, 21세기에는 선진국과 개발도상국간의 환경관련 기술의 격차가 더욱 심해질 것으로 보이며, 이러한 시점에서 국내에서도 독자적인 환경기술의 개발이 시급한 실정이다.
정부에서도 21세기에 도시 및 공단지역에서 광화학스모그나 산성비에 의한 대기오염을 개선하기 위해 이의 원인물질인 질소산화물의 저감을 위한 노력을 지속적으로 추진할 방침이며, 법 규제 측면에서도 질소산화물에 대한 배출허용기준이 대폭 강화될 것이 예상되므로(2005년) 법규제에 발맞춰 탈질기술의 국산화 개발이 절실히 요구되고 있다.
보일러, 발전소등과 같은 각종 연소설비에서 배출되는 질소산화물의 제거 및 감소를 위해서는 질소화합물 함량이 낮은 연료를 사용하거나 보일러의 연소 조건을 개선하여 어느 정도의 저감은 가능하나 향후 강화되는 배출허용기준을 만족시키며 기술적 신뢰성을 고려할 때, 높은 탈질율과 안정성으로 선진국에서 가장 널리 상업화된 선택적 촉매환원(Selective Catalytic Reduction; SCR)공정[1]에 의한 저감기술의 채택이 불가피한 실정에 있으며, 기존의 국내 소각로, 보일러 및 연소시설등에 적용된 SCR 설비는 거의 외국기술에 의해 건설된 것이다. 이는 개발된 산 촉매 및 기술에 대한 신뢰성이 아직 확보되어 있지 않기 때문이다.
한국전력공사 전력연구원에서는 “G7 환경공학기술개발 사업”을 통하여 외국 상용촉매 대비 성능과 가격 면에서 우수한 국산 SCR 촉매 “KEPOSE(Korea Electric Postech Seshin)”를 개발하였으며, 상용규모인 6"×6" 크기의 하니콤 촉매의 제조기술을 확보하였다.
인 6"×6" 크기의 하니콤 촉매의 제조기술을 확보하였다.
그러나 최근 국내의 SCR시장은 기술 수요가 증가하고 국산 SCR 촉매가 개발됨에 따라 외국 업체들이 시장 선점을 위해 촉매가격을 낮추고 있는 추세로서, 저가의 원료 사용에 의한 원가절감뿐만 아니라 촉매 생산성 향상 및 생산비 절감 등을 통한 가격경쟁력 확보가 절실히 요구되고 있는 실정이다. 본 연구팀은 개발된 촉매를 대량생산할 수 있는 표준화된 양산공정을 구축하였으며, 양산설비 단위공정 및 주변기기의 설비 이용율을 극대화시키고 경쟁력있는 촉매를 양산하고자, 양산된 촉매의 품질을 점검, 평가할 수 있는 품질관리 기법을 개발, 양산 촉매의 제조원가를 절감시켰으며 양산 수율을 최대화 할 수 있는 기술을 확보하였다. 양산된 촉매들은 임의로 표본 추출하여 압출성형성 뿐 만 아니라 NOx 제거활성, 기계적강도, 물리화학적 특성분석등 체계적인 품질관리와 feedback 과정을 통하여 제조되었으며, 석탄화력발전소 파일럿플랜트를 이용한 실배기가스 조건하에서 수천시간 시험되어, 높은 탈질율과 뛰어난 내마모성을 지닌 우수한 촉매임을 확인하였다.
특히, 남제주화력발전소를 실증시험 대상설비로 선정, 기존 탈질설비의 구조와 설계 변수를 검토하였으며 촉매 충진량, 환원제 주입량, 반응기 온도 및 압력손실등 주요 공정변수 변화를 계산, KEPOSE 촉매를 실적용하였다. 현재 외국촉매의 일부(#3호기) 및 전량(#4호기)을 국산 “KEPOSE”로 대체 공급하여 장기 시험중에 있으며. 성능시험 결과 외국 촉매보다 우수한 성능과 압력 손실을 보여 상용촉매로서 손색이 없음을 확인 할 수 있었다.
또한, 본 연구에서는 독자적인 국산 SCR 기술의 상용화를 위해 SCR 공정설계 기술 개발을 통한 공정 최적화를 중점적으로 추진하였으며, 이를 위한 구체적인 연구내용으로는 개발된 $V_{2}O_{2}/TiO_{2}$계 촉매에 대해 $NH_{3}$ 산화반응까지 고려한 kinetic model을 개발하고 하니콤 반응기의 물리적 형상 및 G-7 과제를 통해 기 개발한 SCR 공정이 적용되는 설비의 형상에 따른 유동장을 고려한 공정설계 및 최적화 연구를 수행하였다.
본 연구를 통하여 실제 산업현장에 공급, 적용할 수 있는 독자적인 촉매 양산기술 및 SCR 공정 설계기술의 개발을 확보하여, 실기 설비에의 설치를 통하여 해외로 유출되는 투자비를 국내 산업현장으로 돌리며 이로 인한 국내산업의 활성화에 기여하고자 하였다.

Abstract ▼

The environmental conditions in Korea are getting worse during the past two decades due to the fast industrialization and then one of the major problems is reduction and control of environmental pollution. In particular, public and governmental awareness of environmental pollution has grown steadily

The environmental conditions in Korea are getting worse during the past two decades due to the fast industrialization and then one of the major problems is reduction and control of environmental pollution. In particular, public and governmental awareness of environmental pollution has grown steadily, with as accompanying increase in the regulation of pollution and the development in emission control technology since 1990 in Korea.
NOx, primarily emitted from combustion facilities, are well known to cause serious air pollution problems such as acid rain and photochemical smog as well as harmful effects on human being, animals and botanies. Hence, the emission control of NOx from the stationary combustion facilities is an important subject of industrial development in Korea, Among the various post-treatment technologies, selective catalytic reduction(SCR) of NOx by $NH_{3}$ has been most widely commercialized in the world, since it is known to be the most effective technology for NOx removal in view of economic and technological aspects. The commercial SCR catalyst was first developed in Japan in the late 1970s and commercialized in the 1980s. The developed countries such as Japan, Germany and USA have developed their own commercial SCR catalysts and possess the majority of SCR world markets.
As previously noticed, the domestic regulation for the emissions of air pollutants including NOx will be strengthened from the year of 2005. Moreover, the environmental problem becomes a barrier in international trade. Therefore, the SCR market is expected to abruptly expand, since the SCR is the most effective technology for the reduction of NOx emissions. The development of our own SCR catalyst and technology is urgent to secure the exportation technology in the area of environmental industry as well as to reduce the dependency of the foreign SCR technologies on the demestic SCR market.
KEPRI has already developed SCR catalyst "KEPOSE(Korea Electric Postech Seshin)" which has a comparable performance and cost competitiveness over the commercial foreign catalysts through G7-project conducted in last 7 years.
The purpose of this study is to develop manufaturing technology of the SCR catalyst "KEPOSE" for the mass production and establish the design technology applicable to the real industrial plant and attribute to the activation of related industry.

목차 Contents

• 표지 ...1
• 제출문 ...2
• 요약문 ...3
• SUMMARY ...11
• CONTENTS ...18
• 목차 ...20
• List of Tables ...22
• List of Figures ...25
• 제1장 서론 ...42
• 제2장 국내외 기술개발현황 ...45
• 1. 국내 ...45
• 2. 국외 ...46
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ...47
• 제1절 문헌연구 ...47
• 1. SCR 반응 Mechanism ...47
• 2. V2O5/TiO2계 촉매 상에서의 반응속도론 ...50
• 3. Monolith 촉매 반응기 modeling ...51
• 4. TiO2에 담지된 V2O5의 표면구조 ...59
• 5. V2O5/TiO2 촉매에서 WO3의 역할 ...63
• 6. V2O5/TiO2 촉매에서 BaO의 역할 ...66
• 7. V2O5/TiO2 촉매의 활성저하 ...71
• 제2절 실 험 ...74
• 1. Honeycomb 촉매반응기 제조 ...74
• 2. 실험장치 ...75
• 3. 촉매 특성분석 ...81
• 제3절 연구결과 ...84
• 1. 상용 SCR 촉매의 양산기술 표준화 ...84
• 2. Low dust system용 하니콤 촉매 개발 ...122
• 3. SCR 공정 설계 및 최적화 기술 개발 ...138
• 4. KEPOSE 촉매에서의 promoter 영향 및 sulfur tolerance 연구 ...225
• 5. KEPOSE 촉매의 성능평가 ...291
• 6. 품질관리(Quality Control)를 통한 촉매성능 개선 및 제조조건 최적화 ...300
• 7. 남제주화력발전소 실적용을 통한 성능평가 ...315
• 제4절 결 론 ...349
• 제4장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도 ...352
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ...354
• 제6장 참고문헌 ...355