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산업화와 개발의 여파로 발전소, 화학공정, 자동차 등에서 각종 오염물질의 배출이 증가하고 있는 가운데 산성가스인 일산화질소/이산화질소, 온실가스인 아산화질소가 포함된 질소산화물이 지구 환경을 위협하는 물질로 대두되고 있습니다.

일산화질소/이산화질소(NOx)는 산성비와 스모그의 주원인으로 기관지 계통에 악영향을 주고 동식물의 성장을 방해하며 건물을 부식시킵니다.

6대 온실가스 중 하나인 아산화질소는 이산화탄소의 310배에 달하는 온실효과를 지니고 있으며, 앞으로 환경 파괴의 최대 주범이 될 것이라는 예측도 나오고 있습니다.

질소산화물인 일산화질소/이산화질소(NOx)와 아산화질소(N2O)를 저감하기 위한 국내외 기술 경쟁이 치열한데요.

현재까지는 NOx와 N2O를 별개의 공정으로 각각 분리 적용해 운영되고 있으며. 이마저도  대부분이 해외 기술에 의존하고 있는 상황입니다.


■ 동시저감 촉매 개발이 어려운 이유

하나의 촉매가 두 가지 반응을 동시에 이루기는 쉽지 않기 때문입니다.

먼저 촉매는 제거하고자 하는 각각의 반응물질을 동일한 반응조건에서 활성화 시킬 수 있어야 합니다.

그러나 대부분의 경우 반응물질을 활성화시키기 위해서는 비교적 높은 온도가 필요하며, 반응온도를 낮추고자 할 경우에는 두 가지 반응물질을 동시에 활성화시키기 어려워집니다.

또한 반응물질에는 제거하는 물질만 포함된 것이 아니라 수분, 산소, 이산화황 등 다른 물질들을 포함하므로 이에 대한 영향을 두 가지 반응 모두가 받지 않아야 하기 때문에 두 가지 물질을 동시에 저감시키는 기술을 개발하기가 쉽지 않은 것입니다.

이런 이유로 기존에 설치된 NOx 저감 장치에 N2O 저감 장치를 추가하는 경우가 일반적이었으며 해외기술 의존도 역시 높아, 국내에 적용된 NOx 저감기술의 경우 약 80%, N2O의 경우 100% 해외 기술에 의존하고 있었습니다.  


■  오염물질을 제거하는 현재의 공정

아산화질소(N2O)와 일산화질소/이산화질소(NOx)를 저감하려면 현재까지는 NOx 저감 공정과 별개로 N2O 저감 공정 필요합니다.

우선 암모니아를 환원제로 사용하여 NOx를 먼저 저감한 다음, 500℃ 이상의 높은 온도 또는 탄화수소 환원제 사용 조건에서 N2O를 저감시킵니다.

기존 방법으로 N2O 저감할 경우 일산화탄소가 생성되기 때문에 이를 제거하는 공정이 추가적으로 필요합니다.


■ 한국에너지기술연구원, 세계 최초 동시 저감 기술 개발

한국에너지기술연구원은 산성가스와 온실가스 문제를 동시에 해결할 수 있는 『NOx와 N2O 동시저감 촉매 및 공정』 기술을 2010년 10월 경 세계 최초로 개발했습니다.

이 기술은 산성가스인 일산화질소/이산화질소(NOx)를 95% 이상, 온실가스인 아산화질소(N2O)를 약 90% 저감할 수 있습니다.

하나의 반응기에서 NOx와 N2O를 동시에 처리하는 촉매와 공정기술은 반응온도를 350℃로 낮춰 에너지 사용을 최소화 했고, 기존에 촉매로 사용한 귀금속에 비해 1/4~1/5 가격인 구리, 철, 아연과 같은 금속성분과 다른 금속산화물 또는 제올라이트와 같은 다공성 무기물을 촉매로 사용했습니다.

게다가 쉽게 분해할 수 있도록 반응을 도와주는 환원제는 공급이 용이하고 저렴한 암모니아 한 종류만 사용함으로써 기존 공정대비 초기투자비는 50%, 운전비용은 60~70% 수준으로 떨어뜨려 세계 시장을 선도할 수 있는 높은 경제성을 확보했습니다. 

기존 공정

KIER의 동시저감 공정

▪ NOx 환원제로 암모니아 사용

▪ NOx와 N2O 동시 저감에 암모니아

환원제 사용

▪ N2O 환원제로 탄화수소

혹은 500℃ 이상의 고온 가열

▪ 350 ℃의 상대적으로 낮은 온도에서

NOx와 N2O 동시 저감

▪ DeNOx와 DeN2O용 2개 반응기

▪ DeNOx/DeN2O용 1개 반응기

▪ 탄화수소 환원제 사용

▪ 저렴한 암모니아 환원제 사용

▪ 환원제 사용을 위한 새로운 시설 추가

필요(보관용기, 공급시설, 인프라 등)

▪ 질산 생산 공정의 원료로 공급 용이


이번에 새로 개발된 동시저감 촉매는 NOx를 단독으로 저감하는 기존의 상용화된 촉매와 비교해도 동등한 성능(저감률 95% 이상)을 나타내며, N2O를 단독으로 저감하기 위한 상용 촉매와 비교하여도 대등한 성능 (저감률 90%이상)을 나타내어, 가격 경쟁력도 높은 것으로 평가받고 있다.

국내에 이미 적용되어 있는 촉매의 수명이 약 3~5년임을 볼 때, 촉매 교체기에는 기존 공정에 이 기술을 적용해 해외 의존도를 낮추고 환경 규제에 취약한 국내 산업의 문제점을 해결할 기술로 평가받고 있습니다.

또한 이번에 개발된 공정은 2개의 공정을 하나로 통합하는 원천 기술과 에너지사용 최소화, 새로운 촉매의 개발, 단일 환원제 사용을 통해 공정의 효율성과 경제성을 확보했으며 현재 1건의 국내특허 등록, 2건의 국내특허와 1건의 국외특허가 출원된 상태입니다. 

연구책임자인 에너지연구원 문승현 박사는 "그 동안 해외 의존도가 높았던 온실가스 감축 기술을 대체할 새로운 동시저감 기술을 개발했으며 국내 N2O 발생원을 1만 톤으로 가정할 때, 동시저감 촉매와 공정으로 약 3백만 톤의 이산화탄소와 2만 톤의 NOx 저감 효과를 가져 올 것"이라고 밝혔습니다.

실제 N2O 저감효과는 연간 360억~1800억 원의 경제적 가치로 추정되며, 법으로 정해져 있는 NOx 배출 기준을 만족시켜 규제를 받던 산업부문의 활성화와 개발도상국의 신규 CDM(청정개발체제) 사업 추진에 적극 참여함으로써 녹색기술 수출도 기대되고 있습니다.

앞으로 이 기술은 화학공정을 비롯해 전자산업, 유동층 연소, 자동차와 같은 이동수단 등 광범위한 배출가스 공정에 적용될 것으로 예상되고 있으며, 국내외 질산생산 공장과 하수슬러지 소각로 등을 대상으로 적용을 검토되고 있습니다.

이 연구개발 사업은 지식경제부가 주관하고 한국에너지기술평가원이 지원하는 '에너지 자원 기술개발사업의 온실가스처리기술개발사업'으로 수행됐으며, 한국화학연구원과 (주)우석엔지니어링, 그린프라(주) 등이 참여했습니다.

posted by 글쓴이 과학이야기

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  1. 꼬치 2010.12.31 09:11  Addr Edit/Del Reply

    우와~ 대단한걸요.
    상용화가 빨리 잘~ 되길 바랍니다.

  2. 같은 방식의 자동차 배기가스 저감장치가 개발되면 노벨상 안부러운 대박이라고 박사님이 말씀하시더군요.

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