저온 작동 고효율 촉매기술로 NOx 제거
저온 작동 고효율 촉매기술로 NOx 제거
  • 홍시현 기자
  • 승인 2021.03.25
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에너지연, 에너지절감 광역온도 배연탈질촉매 제조기술 개발
광역온도 대응 저온 탈질 촉매의 효율 및 내구성.
광역온도 대응 저온 탈질 촉매의 효율 및 내구성.

[투데이에너지 홍시현 기자] 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.

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.

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.

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 촉매분야에서 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.

연구책임자인 정순관 책임연구원은 “매우 도전적인 목표의 기술로 여겨졌던 극저온 탈질 촉매의 개발을 통해 초미세먼지 원인물질을 경제적이고 효율적으로 제거할 수 있게 됐다”라며 “이는 국내 산업부문 배출 미세먼지 저감에 큰 기여를 할 수 있는 혁신적인 기술로 평가된다”고 말했다.

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.

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

 


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