- 초미세먼지 획기적으로 줄이는 저비용 기술 개발

- 극저온 질소산화물 저감 효율 향상, 광역온도 운전 에너지절감형 배연탈질기술

- 에너지효율 향상을 통한 환경 설비 운영비 절감과 환경규제 대응 모두 충족

□ 2019년 OECD 국가 중 초미세먼지 오염도 1위 국가로 지목된 한국의 초미세먼지 주요 발생원은 발전, 제철, 시멘트, 석유화학 등 대형사업장에서 배출되는 질소산화물이다.

□ 미세먼지 관련 정책과 특별법 제정, 질소산화물 저감 기준이 점차 강화되는 가운데, 이에 대응할 수 있는 경제적이고 효율적인 질소산화물 저감 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

■ 한국에너지기술연구원(원장 김종남) 미세먼지연구단 정순관 박사 연구진은 미세먼지 발생 원인물질인 질소산화물(NOx)의 배출량을 선택적촉매환원* 설비에서 200℃ 이하에서도 획기적으로 저감할 수 있는 에너지절감형 광역온도 배연탈질촉매 제조기술을 개발했다.

* 선택적촉매환원(Selective Catalytic Reduction,SCR): 화석연료의 사용에 따라 발생하는 질소산화물(예: NO, NO2 등 통칭 NOx, 산성비, 광화학적 스모그 등의 문제를 발생시키는 유해물질)을 대기 중으로 배출되기 전에(배출후단에서) N2와 O2 등 유해하지 않은 물질로 전환시키는 환경설비를 의미한다.

□ 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.

■ 하지만, 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 내피독성*을 갖는 탈질촉매를 개발했다.

* 내피독성: 촉매에 극소량의 다른 물질이 들어가서 촉매에 강하게 흡착하든가 또는 결합하여 촉매의 활성을 감소시키는 현상을 피독현상이라고 하며, 내피독성은 이러한 피독현상에 대해 견디는 성질을 말한다.

□ 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* 반응을 유도할 수 있는 촉매의 개발이다.

* Fast-SCR(Selective Catalytic Reaction): 선택적촉매환원반응에서 반응물 중 NO를 NO2로 일부 전환시켜 SCR 반응속도를 향상시키는 반응 메커니즘이다.

■ 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.

□ 그러나 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 없었으며, 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 추진 중에 있다. 해당 규모의 파일럿 실증이 완료되는 2023~2024년에 상용 플랜트 설비에 시험적으로 적용할 수 있을 것으로 예상한다.

□ 미세먼지연구단의 황선미 선임연구원은 “다종학문의 융합과 몰입 연구를 통해 저온 탈질 촉매 기술을 선점할 수 있었다. 또한 탈질촉매 연구분야에서 꿈의 영역인 150℃ 이하에서 우수한 활성을 갖는 촉매개발에 도전하여 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 되었다. 이는 국내 산업부문 배출 미세먼지 저감에 큰 기여를 할 수 있는 혁신적인 기술로 평가된다.”고 말했다.

□ 한편 이번 연구는 한국에너지기술연구원 주요사업의 일환으로 수행 중이며, 개발 기술의 실증 및 실용화를 위해 환경업체와 다각적 협업을 진행하고 있다. 또한 이번 기술개발을 통해 2건의 원천 특허를 출원했으며, 향후 관련 보급 확산을 위한 실증 연구를 수행 중에 있다.