저온탈질촉매 기술 개념도.[한국에너지기술연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] OECD 국가 중 초미세먼지 오염도 1위 국가로 지목된 한국의 초미세먼지 주요 발생원은 발전, 제철, 시멘트, 석유화학 등 대형사업장에서 배출되는 질소산화물이다.

국내 연구진이 초미세먼지를 유발하는 질소산화물을 효과적으로 제거할 수 있는 저감기술을 개발했다.

한국에너지기술연구원 미세먼지연구단 정순관 박사 연구진은 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.

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.

기존 상용 촉매는 바나듐(V), 텅스텐(W) 활성금속이 이산화티타늄(TiO2)에 분산된 촉매가 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 및 황산화물을 제거하는 장치의 후단에 위치한다. 이러한 전처리 설비들을 거치며 급격히 낮아진 배기가스는 200℃ 이하의 온도로 선택적촉매환원 설비로 유입돼 최적의 탈질 효율을 보이는 온도영역에 미달한다.

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.

연구팀은 비효율적인 에너지소모를 낮추기 위해 200℃ 이하의 온도 영역에서 우수한 활성을 보이며 황산화물에 대한 내피독성을 갖는 탈질촉매를 개발했다.

연구팀은 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 180도에서도 92%의 탈질 효율을 보이는 세계 최고 수준의 배연탈질촉매를 개발했다.

개발된 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.

광역온도 대응 저온탈질촉매 효율.[한국에너지기술연구원 제공]

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 스케일업 및 모듈 최적화 연구를 추진 중에 있다. 해당 규모의 파일럿 실증이 완료되는 오는 2024년 상용 플랜트 설비에 시험적으로 적용할 수 있을 것으로 예상한다.

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

nbgkoo@heraldcorp.com