미세먼지 관련 정책과 특별법 제정, 질소산화물 저감 기준이 점차 강화되는 가운데 이에 대응할 수 있는 경제적이고 효율적인 질소산화물 저감 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
한국에너지기술연구원은 미세먼지연구단 정순관 박사 연구진이 미세먼지 발생 원인물질인 질소산화물(NOx)의 배출량을 선택적촉매환원 설비에서 200℃ 이하에서도 획기적으로 저감할 수 있는 에너지절감형 광역온도 배연탈질촉매 제조기술을 개발했다고 25일 밝혔다.
발전소나 제철소 등 연소시설에서 발생하는 고온의 질소(N2)와 산소(O2)가 반응해 질소산화물을 생성한다. 질소산화물은 스모그, 산성비, 미세먼지를 유발하는 대표적 환경오염 물질로 인체에 치명적인 질환을 일으켜 한국을 포함한 많은 국가에서 배출량을 규제하고 있으며 그 기준은 점점 강화되고 있다.
이에 산업계 연소시설에서는 선택적촉매환원 방법을 활용해 질소산화물을 인체에 무해한 물과 질소로 전환하는 환경설비를 적용하고 있다. 이때 질소산화물 저감 효율을 좌우하는 핵심 요소는 선택적촉매환원에 장착되는 배연탈질촉매의 성능이다.
상용 촉매는 바나듐(V), 텅스텐(W) 활성금속이 이산화티타늄(TiO2)에 분산된 촉매(V-W/TiO2)가 주로 사용된다. 이 상용 촉매는 300-350℃의 온도영역에서 90% 이상의 최적 탈질 효율을 보이고 있다.
그러나 대부분의 산업공정에서 선택적촉매환원 설비는 유지 및 안정성을 고려해 배기가스에 포함된 먼지(dust) 및 황산화물(SO2)을 제거하는 장치의 후단에 위치한다. 이러한 전처리 설비들을 거치며 급격히 낮아진 배기가스는 200℃ 이하의 온도로 선택적촉매환원 설비로 유입돼 최적의 탈질 효율을 보이는 온도영역에 미달한다.
따라서 상용 선택적촉매환원 설비에서 질소산화물 저감 촉매의 최적 효율을 보이기 위해서는 배기가스의 온도를 300-350℃로 재가열하는 별도의 공정이 필수적이다. 이로 인해 운영비 상승과 최적의 온도를 맞추기 위한 연료 연소로 많은 질소산화물이 추가 배출된다.
이러한 비효율적인 에너지소모를 낮추기 위해 연구진은 200℃ 이하의 온도 영역에서 우수한 활성을 보이며 황산화물에 대한 내피독성을 갖는 탈질촉매를 개발했다.
이는 선택적촉매환원 촉매 연구 분야에서 매우 도전적인 연구로, 저온탈질촉매가 최적의 효율을 보이기 위한 핵심은 바나듐 구조의 활성화사이트 극대화, 탈질 효율을 낮추는 수분의 흡착에너지 저하, FAST-SCR(Selective Catalytic Reaction) 반응을 유도할 수 있는 촉매의 개발이다.
연구진은 새로운 촉매 합성법 개발을 통해 촉매 활성입자인 바나듐 구조의 제어로 탈질 반응에 참여할 수 있는 활성 입자의 수를 극대화했다. 또한 촉매와 반응할 암모니아 대신 수분이 흡착되지 않게 조촉매(촉매의 효율을 높이기 위해 사용하는 물질)를 도입해 수분의 흡착에너지 감소 및 FAST-SCR 반응을 유도함으로써 180℃의 극저온에서도 92%의 탈질 효율을 보이는 세계 최고 수준의 배연탈질촉매를 개발했다.
저온탈질촉매의 경우 배기가스에 포함된 잔여 황산화물(SOx)이 암모니아 환원제 및 수분과 반응해 황산암모늄(ABS(Ammonium bisulfate) 또는 AS(Ammonium sulfate))을 형성한다. 형성된 황산암모늄은 촉매의 활성을 저하시키고 셀을 덮어 원활한 반응이 이뤄지지 않아탈질 효율이 급격히 저하되는 문제점이 있다.
연구진이 개발한 새로운 저온탈질촉매는 황산화물이 존재하는 조건에서도 상용촉매와 비교해 우수한 내피독성을 갖는 것을 확인했다.
신규 탈질촉매는 170-400℃의 광역온도에서 적용이 가능해 별도의 배기가스 재가열 공정이 불필요하기 때문에 최대 63%의 에너지 절감이 가능하다. 이는 더욱 강화되는 대기오염 배출규제에 대응하기 위한 중소사업장 업주들의 환경설비 운영 부담을 줄여주고, 환경규제에 대응할 수 있는 에너지절감형 기술이다.
현재까지 180℃ 영역에서 92% 이상 탈질 효율을 보이는 촉매 개발 사례가 없었고 국내 환경 촉매의 높은 해외 의존도를 탈피하고 미개척 분야인 저온 촉매 분야에서 기술적 우위를 확보함으로써 국내외 시장을 선점을 할 수 있는 파급력이 높은 기술이다.
연구진은 해당 기술의 상용화를 위해 100Nm3/h 규모의 파일럿 실증을 위한 촉매제조 scale-up 및 모듈 최적화 연구를 추진중에 있다. 해당 규모의 파일럿 실증이 완료되는 2023~2024년 상용 플랜트 설비에 시험적으로 적용할 수 있을 것으로 예상한다.
미세먼지연구단의 황선미 선임연구원은 “다종학문의 융합과 몰입 연구를 통해 저온 탈질 촉매 기술을 선점할 수 있었다”며 “탈질촉매 연구분야에서 꿈의 영역인 150℃ 이하에서 우수한 활성을 갖는 촉매개발에 도전해 누구도 따라올 수 없는 기술을 개발하겠다”고 말했다.
연구책임자인 정순관 책임연구원은 “매우 도전적인 목표의 기술로 여겨졌던 극저온 탈질 촉매의 개발을 통해 초미세먼지 원인물질을 경제적이고 효율적으로 제거할 수 있게 됐다”며 “이는 국내 산업부문 배출 미세먼지 저감에 큰 기여를 할 수 있는 혁신적인 기술로 평가된다”고 말했다.
/대전=박희윤 기자 hypark@sedaily.com
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