석탄 화력 발전소 - 대기 오염 저감 설비 (1) 탈질 설비

탈질설비는 연소 과정에서 발생하는 질소산화물(NOx)을 제거하기 위한 장치입니다. NOx는 대기 오염을 유발하는 주요 물질 중 하나로, 인체 건강과 환경에 해로운 영향을 미칩니다. 탈질설비는 이러한 NOx를 무해한 물질로 변환하여 배출합니다. 대표적인 탈질 기술로는 선택적 촉매 환원(SCR)과 선택적 비촉매 환원(SNCR)이 있습니다.

선택적 촉매 환원(SCR)

SCR(Selective Catalytic Reduction)은 촉매를 이용해 NOx를 질소(N2)와 물(H2O)로 환원하는 기술입니다.

 

SCR의 작동 원리

1. 암모니아(NH3) 주입 : 배기가스가 SCR 반응기로 들어가기 전에, 암모니아 또는 요소수가 주입됩니다.

2. 촉매층 통과 : 주입된 암모니아와 배기가스는 촉매층을 통과합니다. 이때 촉매가 화학 반응을 촉진시켜 NOx를 N2와 H2O로 변환합니다.

3. 화학 반응: 주요 반응은 다음과 같습니다

 

SCR의 구성 요소

 

1. 암모니아 저장 및 주입 시스템

• 암모니아 저장 탱크 (Ammonia Storage Tank) : 암모니아를 저장하는 탱크로, SCR에는 주로 액화된 무수 암모니아가 사용됩니다. 
• 암모니아 증발기 (Ammonia Vaporizer) : 액화 암모니아를 기체 상태로 변화시키는 장치입니다. 
• 암모니아 축압기 (Ammonia Accumulator) : 증발된 암모니아를 일정한 압력으로 유지하여 안정적인 주입을 가능하게 해주는 장치입니다.
• 희석 공그 블로워 (Dilution Air Blower) : 고농도의 암모니아는 폭발의 위험성이 있습니다. 때문에 기체 상태의 암모니아를 공기와 혼합하여 농도를 희석시키고, 균일한 혼합을 도와주는 장치입니다.
• 암모니아 주입 그리드 (Ammonia Injection Grid, AIG) : 희석된 암모니아는 여러 개의 주입 노즐로 구성되어 있는 Ammonia Injection Grid를 통해서 배기가스 흐름에 균일하게 분사됩니다.

2. 촉매 반응기

• 암모니아와 NOx가 반응하는 촉매층을 포함한 반응기입니다.
• SCR 촉매는 질소산화물과 반응성이 높은 금속 화합물 2가지 이상을 혼합하여 사용합니다. 주로 Vanadium-Titanium 산화물이 사용되며, 고온에서 안정적인 성능을 보장합니다. 
• 촉매는 형태에 따라 Honeycomb, Plate, Corrugated로 구분할 수 있습니다.

SCR의 장점과 단점

 

1. 장점

• 높은 NOx 제거 효율 : 최대 90% 이상의 제거 효율
• 환경 친화적 : 질소와 물로 변환하여 무해한 배출가스
• 다양한 연료 적용 가능 : 석탄, 가스, 바이오매스 등 다양한 연료에 적용 가능

2. 단점

• 초기 설치 비용 : 고도의 기술 요구로 초기 설치 비용이 높음
• 운영 비용 : 암모니아나 요소수의 지속적인 공급과 유지보수 비용 발생
• 암모니아 슬립: 과도한 암모니아 주입 시 미반응 암모니아가 대기로 배출될 수 있음

[출처 : Hitachi Zosen Corporation]

선택적 비촉매 환원(Selective Non-Catalytic Reduction, SNCR)

SNCR(Selective Non-Catalytic Reduction)은 촉매를 사용하지 않고 고온의 배기가스에 암모니아 또는 요소수를 주입하여 NOx를 환원하는 기술입니다.

 

SNCR의 작동 원리

 

1. 암모니아 또는 요소수 주입 : 고온 영역(850-1100°C)의 배기가스에 직접 암모니아 또는 요소수를 주입합니다.

2. 화학 반응 : 주입된 암모니아 또는 요소수가 NOx와 반응하여 질소와 물로 변환됩니다.

 

SNCR의 장점과 단점

 

1. 장점

설치 비용 저렴 : 촉매를 사용하지 않아 초기 설치 비용이 낮음

간단한 운영 : 비교적 간단한 시스템으로 유지보수가 용이

 

2. 단점

낮은 NOx 제거 효율 : 일반적으로 30-50% 수준으로 SCR보다 낮음

엄격한 온도 조건 : 반응이 최적화되는 온도 범위가 좁아, 온도 관리가 필요

 

탈질설비(SCR 및 SNCR)는 질소산화물을 제거하여 대기 오염을 줄이는 중요한 기술입니다.

SCR은 높은 제거 효율을 제공하지만 초기 설치 및 운영 비용이 높으며, SNCR은 비용이 저렴하고 운영이 간단하지만 효율이 낮습니다. 두 기술 모두 환경 보호와 대기질 개선에 중요한 역할을 하며, 각 산업 현장의 요구에 맞게 적절한 기술을 선택하는 것이 중요합니다.