배출가스 NOx 저감 기술

오늘은 NOx 저감 기술에 대해 알려드리고자 합니다.

NOx 저감 기술 외에도 NOx 저감 설비 또한 알려드리고 있습니다.

NOx 제거 방법 및 NOx 제거 설비가 궁금하신 분들은 끝까지 읽어주시면 도움이 될 것 같습니다.

NOx란

질소산화물(NOx)은 대기 중의 질소와 산소가 고온 및 고압의 조건에서 반응하여 생성되는 화합물입니다. NOx는 대기오염의 주요 원인 중 하나로 간주되며 여러 가지 부정적인 영향을 가지고 있습니다. 이러한 악영향은 다음과 같습니다:

대기오염 및 스모그 형성:
- NOx는 대기 중의 다른 물질과 반응하여 오존(O3) 및 미세먼지 등의 대기 오염물질을 생성할 수 있습니다. 특히, 이러한 반응은 자동차 및 공업 활동에서 발생하는 NOx가 큰 역할을 합니다.
산성비:
- NOx는 대기 중의 물과 반응하여 질산(HNO3)을 생성하며, 이는 비를 산성화시키는 요인이 됩니다. 산비는 자연 환경 및 수생태계에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.
인간 건강 영향:
- NOx는 호흡기에 유해한 영향을 미칠 수 있습니다. 특히, NO2(이산화질소)는 기도를 자극하고, 폐렴, 기관지염, 천식 등 호흡기 질환을 유발할 수 있습니다.
토양 및 수질 오염:
- 대기 중 NOx가 지표면에 침전되면 질산화물로 변하게 되며, 이는 토양 및 수질에 영향을 미칠 수 있습니다. 토양의 질산 함량 증가는 생태계에 영향을 미치며, 농업에서도 문제가 될 수 있습니다.
온실 가스:
- 일부 NOx 종류는 온실 가스로 작용합니다. 특히, 이산화질소(N2O)는 대기 중에서 오랜 기간동안 존속하여 온실 효과에 기여합니다.

과잉 공기 연소 (Low-excess-air operation):
- 연료의 완전연소를 위해 일반적으로 20~30%의 과잉 공기를 공급하는 것을 줄여 NOx의 발생량을 감소시키는 방법입니다.
- 과잉 공기의 양이 줄면 배가스의 열손실이 감소하여 연소 효율이 상승합니다.
단계적 연소 (Staged combustion):
- 연료 및 공기를 여러 단계로 나누어 공급하여 연소하는 방법으로, 연소에 필요한 공기의 양을 조절하여 NOx를 줄입니다.
- Over-fire air injection, Fuel staging method, Low-NOx burner 등이 이 방법에 속합니다.
배가스 재순환 (Flue gas recirculation):
- 연소 온도를 낮춰 thermal NOx의 발생을 저감하기 위해 일부 배기가스를 연소 공정에 다시 주입하는 방법입니다.
- 배가스가 재순환되어 연소 공기를 희석시키면 NOx의 배출량이 감소됩니다.
수분 주입 (Water injection):
- 수분을 주입하여 연소 공기가 연소 발생 구간에 도달하기 전에 열량을 흡수하여 연소 공기의 온도를 낮춰 NOx의 발생량을 저감하는 방법입니다.
공기 예열 온도 감소 (Reduction of the air preheat temperature):
- 보일러에 주입되는 공기의 예열 온도를 낮춤으로써 NOx의 배출량을 줄이는 방법입니다.

작동 원리:
- SCR은 암모니아(또는 요소)를 배기가스에 투입하고, 촉매와 반응시켜 NOx를 N2와 H2O로 분해합니다.
- 주요 반응식은 4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O 및 다른 반응식들로 나타낼 수 있습니다.
선택적 촉매환원법의 특징:
- 200~400℃ 범위에서 작동하며, 이 온도 범위에서는 반응제가 O2 등과 거의 반응하지 않고 NO와 선택적으로 반응합니다.
- 촉매를 재생하는 방식으로 열풍을 사용하는 등 다양한 방법이 실용화되고 있습니다.
- SCR은 연소 관리를 전제로 하며, 1몰 비는 약 80~90%의 NOx 제거 효율을 갖습니다.
주요 설비:
- 주요 설비로는 암모니아 혹은 요소 주입설비, 촉매탈질, 탈다이옥신설비, 가스열교환기 등이 사용됩니다.
촉매 종류 및 온도 범위:
- SCR에 사용되는 촉매는 화학적 조성과 기하학적 모양에 따라 다양합니다.
- 산화티타늄 계통은 270~ 400℃, 제올라이트는 300~430℃, 산화철은 380~430℃, 활성탄은 100~500℃ 정도에서 적용 가능합니다.
- 현재는 대부분 (V2O5/TiO2) 계통의 촉매를 사용하고 있습니다.

작동 원리:
- SNCR은 촉매 없이 환원제를 직접 분사하여 배기가스 중의 NOx를 분해합니다.
- 주요 반응식은 4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O 입니다.
특징:
- 촉매나 별도의 반응기를 사용하지 않아 공정이 비교적 단순하고, 기존 설비에 적용이 용이하여 투자비용이 상대적으로 적습니다.
- 그러나 반응 온도가 약 900~1,000℃ 정도로 높아 NOx 제거 효율이 40~70% 정도로 상대적으로 낮은 단점이 있습니다.
NOx 제거 효율에 영향을 미치는 요인:
- 온도: 적절한 온도 범위에서 반응이 일어나야 효과적으로 NOx를 제거할 수 있습니다.
- 반응 시간: 충분한 반응 시간이 필요하며, 적절한 환원제의 투입이 필요합니다.
- 초기 NOx 농도: NOx 농도가 높을수록 효과적인 제거가 어려울 수 있습니다.
- 환원제 투입비율(NH3/NO): 적절한 환원제의 양이 필요하며, 효율은 이 비율에 의존합니다.
- 산소 농도: 반응에 필요한 산소의 양이 중요합니다.
기타 고려 사항:
- 설비의 형태나 규모 등 엔지니어링 측면에서의 고려도 중요합니다.
- 전반적으로 투자비용이 적지만, 성능 및 효율성 측면에서는 제한이 있을 수 있습니다.

1. 첫 번째로 간단한 방법은 저NOx 버너로 변경하여 배출되는 NOx 자체를 없애는 것 입니다.

2. Burner 교체가 불가하다면, SNCR, SCR을 고려해볼 수 있습니다.

3. SNCR은 설비가 간단하여 투자비가 낮은 반면 SCR에 비해 NOx 제거 효율이 낮습니다.

고온에서 반응이 필요하기 때문에 공정 내 고온부가 필요합니다.

4. SCR은 촉매를 이용해 비교적 저온에서 고효율로 NOx를 제거합니다.

다만, 설비가 신설되다 보니, 구조적인 측면, Flue Gas 내 차압 증가 등을 고려해야됩니다.