1. 연구단 소개
미세먼지 문제는 우리 사회의 가장 큰 관심사 중 하나이다. 1급 발암물질인 미세먼지를 줄이기 위한 정부의 다각적인 노력이 진행되고 있으나 안전하고 깨끗한 대기환경에 대한 국민들의 높은 요구 수준에 는 미치지 못하는 실정이다. 미세먼지로 인한 피해 를 줄이기 위해서는 발생원인 분석, 예측, 측정, 저감 등 다양한 기술이 개발되어야 한다. 이중 국민들이 체감할 수 있는 깨끗한 대기질 확보를 위해서는 효 과적이고 경제적인 미세먼지 저감기술이 개발되고 적용되어야만 한다. 한국에너지기술연구원 미세먼
지연구단은 “국민의 건강한 삶을 위한 깨끗한 대기 질 제공”과 “산업과 환경의 상생을 통한 지속가능 성 장”을 목표로 2020년 2월 설립되었다. 본 연구단에서 는 미세먼지 발생 자체를 줄이는 발생저감기술과 배 출된 미세먼지를 줄이는 배출저감기술 개발을 통해 미세먼지 저감에 대한 Total Solution 제공을 목표로 하고 있다.
2. 연구개요 및 목적
저급연료(저급탄, 바이오매스)를 연소하는 과정 에서 발생하는 초미세먼지를 제어하기 위해서는 발
한국에너지기술연구원 미세먼지연구단
(Fine Dust Research Department, Korea Institute of Energy Research (KIER))
정순관
기후변화연구본부 미세먼지연구단 [email protected]
그림 1. 미세먼지연구단 연구 개요도.
감기술 그룹의 경우, 저급연료 고품위화 기술과 바 이오매스 수소 저장체 전환 기술이 있으며, 배출저 감기술 그룹의 경우, 먼지배출 저감 집진기술, 저 온 탈질 기술, 에너지절감형 VOCs 분리 및 회수 기 술, 미세먼지 상시 원격 감시 및 모니터링 기술을 들 수 있다. 상기 기술들을 적용한 본 사업단의 최종 목 표는 대형/중·소형 사업장의 초미세먼지 발생물질 95% 원천저감과 동시에 최종 배출물질의 초미세먼 지 99% 저감으로 해당 목표를 달성하기 위해 전문 연구진들이 연구개발에 매진하고 있다.
3. 주요연구내용
3.1 발생저감기술(전처리)
석탄 화력발전소 및 중·소형 사업장에서 스팀 과 전력을 생산하는 과정에서 저급연료(저급탄, 바 이오매스)를 사용하기 때문에 고품위 연료를 사용하 는 경우에 비해 미세먼지 배출량이 필연적으로 증가 한다. 따라서 저급연료를 고품위화(upgrading)할 경 우 사용되는 연료 사용량이 감소하기 때문에 원천적 으로 미세먼지 발생량을 줄일 수 있다. 현재 국내 대 부분의 석탄 화력발전소에서는 경제성 확보 및 환경 적 측면을 고려하여 저급탄 혼소 및 바이오매스 전 소 발전소를 운영하고 있으며, 발생되는 미세먼지 는 후처리 설비(집진 등)를 통한 제거에 의존하고 있 는 상황이다. 하지만, 저급연료를 사용할수록 발전 소 동일 출력을 위해 사용되는 연료의 공급이 증가 하기 때문에, 후처리 설비의 부하 증가로 인해 성능 이 저하되는 문제가 발생하고 있다. 본 연구단에서
통해 유해배출물질(PM2.5, NOx, SOx, CO2 등)을 원 천적으로 저감이 가능하며, 특히 초미세먼지에 대 해 35% 이상 저감이 가능한 기술이다. 두 번째로, 바 이오매스 전/혼소 과정에서 연소 장애(슬래깅, 파울 링, 고온부식 등) 및 초미세먼지 발생의 원인물질로 작용하는 바이오매스에 포함된 알칼리 미네랄 성분 (K, Na, Cl 등)을 제거하기 위한 기술인 저회분 바이 오매스 연료(ABF, Ashless Biomass Fuel)기술과 바이 오매스 반탄화를 위한 역흐름 다중방해판 반응기술 (COMBPyTM, Counterflow Multi Baffle Pyrolysis)을 개 발하고 있다. 해당 기술은 바이오매스 사용(탄소 중 립, Carbon Neutrality) 에 따른 온실가스 감축에 효과 적으로 대응이 가능하며, 초미세먼지를 50% 이상 원 천 저감이 가능하기 때문에 활용도가 높은 기술이 다. 마지막으로 미래에너지원인 수소 연료전지 발전 소와 수소 자동차 등의 시장 활성화를 위한 액상 수 소 저장체(LOHC, Liquid Organic Hydrogen Carrier) 생산 기술을 개발하고 있다. 현재, 수소를 생산하는 원료는 석탄, 천연가스 등 화석연료 기반이 주를 이 루고 있기 때문에, 생산하는 과정에서 발생하는 CO2
로 인하여 Gray 수소라 칭하기도 한다. 또한, 수소를 활용하기 위해서는 고온/고압의 반응기에 저장하거 나, 저장체 형태로 변환해야 하는 에너지를 소요하 게 된다. 이에, 본 연구팀에서는 이산화탄소 중립인 바이오매스를 이용하여 수소로 전환이 가능한 수소 저장체(포름산, Formic acid) 생산 기술 확보로 Green 수소 제조를 통한 초미세먼지 원천저감 95% 이상 달 성을 목표로 연구를 추진 중에 있는 상황이다.
현재 국내의 에너지구조 측면에서, 중·단기적
으로는 화석연료 기반의 에너지를 사용해야하기 때 문에 앞선 하이브리드석탄과 저회분 바이오매스 연 료를 활용하여 초미세먼지를 효과적으로 원천 저감 하고, 중·장기적 측면에서 수소 저장체 생산 효율 을 향상시켜 미래 수소에너지 시대에 효과적으로 대 응하기 위한 연구를 추진하고자 한다. 해당 기술들 을 활용하여 국내뿐만 아니라, 해외 유입 초미세먼 지(중국, 몽골 등)에 대해서도 효과적인 대응을 위한 현지 맞춤형 저감기술 도입으로 국내 강성 중소기업 육성, 일자리 창출 및 외화 획득이 가능할 것이라 기 대하고 있다.
3.2 배출저감기술(후처리)
3.2.1 고효율 집진기술
화력발전소 등 중대형 사업장에서 배출되는 미 세먼지 오염을 최소화하기 위해서는 배출먼지농도 를 대폭 낮춘 고성능 집진기술(집진효율 99.99% 이 상)이 필수적으로 요구된다. 또한 국내외 집진기 시 장에서 경쟁력을 확보하기 위해서는 집진성능은 높 게 유지하면서도 시설비용이 낮아야 한다. 현재 국 내 대부분의 석탄 화력발전소에 적용되는 미세먼지 제어기술은 전기집진기로 99.9% 수준의 높은 집진 효율을 보이나 정부와 지자체에서는 보다 높은 수준 의 배출 저감을 요구하고 있는 상황이다. 미세먼지 를 고효율로 처리하기 위해 습식전기집진기나 복합 형 집진기 등이 개발되어 왔으나, 높은 시설비용과 유지비용, 그리고 추가적인 공간이 필요하기 때문에
실제 시장에는 적용 실적이 미미하다.
본 연구단에서는 발전소, 제철, 시멘트 등 대형 사 업장에 적용하기 위한 목적으로, 성능과 경제성을 모두 갖춘 집진기술을 개발하고 있다. 본 연구단에 서 개발 중인 집진기술은 싸이클론과 여과집진기술 이 결합된 형태의 집진기술로서, 전처리 역할을 하 는 싸이클론은 기존 기술대비 압력손실을 큰 폭으로 낮춘 저압손 싸이클론을 적용하고 있으며 최종 집진 장치인 여과집진기에는 필터의 탈진효율을 높이면 서도 탈진 시 배출되는 먼지농도를 기존 대비 1/10 이하로 낮출 수 있는 필터 복합재생기술이 적용되고 있다. 일반적인 싸이클론의 경우 높은 집진효율을 얻기 위해서는 압력손실이 높아지기 때문에 운전비 용이 상승하는 단점이 있으며, 처리가스의 높은 회 전속도로 인해 싸이클론의 벽면이 마모되고 훼손됨 으로써 싸이클론 본래의 기능을 상실한다. 본 연구 단의 저압손 싸이클론은 원통형 외벽이 이중벽으로 되어있고 내부 원통에는 슬릿이 형성되어 있다. 유 입되는 처리가스의 일부는 내부 원통의 슬릿을 통해 이중벽 사이에서 처리됨으로써 싸이클론 내부의 회 전유동으로 인한 압력손실을 낮출 수 있으며, 이중 벽 구조로 인해 먼지입자로 인한 마모 문제를 해결 할 수 있다. 본 싸이클론-여과집진 조합형 집진기술 에서는 전처리 집진장치인 저압손 싸이클론에 유입 되는 먼지의 상당부분이 제거된 후 여과집진기로 유 입되기 때문에 집진필터에 대한 먼지 부하량이 크게 감소하여 필터 표면에 부착된 분진을 주기적으로 털 어내는 과정인 탈진공정의 조작 주기가 증가하고 이
그림 2. 미세먼지 발생 원천저감 기술.
로 인해 먼지배출이 감소하면서도 필터 사용수명이 향상된다. 또한 본 연구단에서 새로운 방식의 필터 탈진기술을 개발하였다. 기존의 충격기류 탈진방식 은 필터의 탈진효율이 높을수록 먼지배출량이 증가 하게 된다. 본 연구단에서는 필터의 탈진효율을 높 이면서도 먼지배출을 기존 충격기류 방식과 비교 시 1/10 이하로 낮출 수 있는 필터 복합재생기술을 개발 하였다. 본 기술은 기존 대비 50% 수준의 낮은 필터 탈진공기압 조건에서도 안정적인 탈진이 가능하며 낮은 압력의 공기를 분사하기 때문에 필터에 가해지 는 물리적인 충격이 완화되어 필터 수명을 향상시킬 수 있다.
본 연구단에서 수행하고 있는 또 다른 집진기 술 연구는 석탄 화력발전소에서 현재 운영중인 건 식 전기집진기의 성능 개선용 집진기술(Retrofit Electrostatic Precipitator, ReEP)이다. ReEP 기술은 전 체 설비 계통의 변화를 최소화하고 기 설치된 전기 집진기의 10 % 이내의 공간을 활용하여 기존 대비 추가적인 집진효율 90% 이상 개선시킬 수 있는 기 술이다. 또한 설비의 구조를 단순화하여 설치비용을 줄이고, 장치 자체의 압력부하를 20 mmH2O 이하로 최소화하여 신규 집진장치 설치 시 압력손실 증가로 인한 전체 설비 계통의 안정성 변동 문제를 해결하 고자 하였다. ReEP 집진기술은 기존 기술에 비해 경 제적이고, 유지 보수가 편리하며, 기존 전기집진기 의 후단에 설치되므로 본 장치에 문제가 발생되더라 도 기존 전기집진기를 정상적으로 운전할 수 있다는 장점이 있으며, 우수한 기술력과 경제성을 바탕으로
석탄 화력발전소를 비롯하여 전기집진기가 적용되 고 있는 중대형 사업장의 먼지배출을 획기적으로 저 감하는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
3.2.2 에너지절약형 고투과성 복합분리막 기술 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs)은 그 자체의 성질로도 유해할 수 있고 대기 중에서 질소산화물과 광화학 반응을 일으켜 오존, 미세먼지 등 2차 오염물질을 형성하는 전구물질로 작용할 수 있다. 이러한 VOCs는 대부분의 산업 현장 에서 배출되지만, 그 중에서도 도장시설이 국내 전 체 VOCs 발생량의 약 34%로 가장 큰 배출원으로 이 에 대한 비용효과적인 기술 개발이 필요하다. 도장 시설에서 배출되는 VOCs는 분진 및 수분 등을 함유 하고 있는 것이 특징이며 대부분 하부에 습식 세정 장치를 이용하여 제거하고 있다. 그러나 수분에 의 해 배출가스 처리량의 증가, VOCs 농도 희석, 수분 과 VOCs 사이의 경쟁적 상호작용으로 인해 습식세 정 장치의 효율이 감소한다고 보고되고 있다. 따라 서 VOCs 제거 효율 향상 및 처리비용 저감을 위해서 는 수분 전처리 공정이 도입된 신개념의 VOCs 제거 장치 개발이 필요하다. 본 연구단에서는 수분 전처 리 분리막을 장착한 VOCs 분리/농축용 저에너지형 복합 분리막 기술 개발을 진행 중이다. 수분 전처리 분리막은 친수성 물질(고분자, 나노입자 등)을 중공 사막 표면에 코팅하여 제조하며, 수분만을 선택적으 로 제거하여 유입가스에서 수분의 농도를 감소시켜 일정한 습도를 유지하는 역할을 한다. 본 연구단에
그림 3. 고성능 저비용 조합형 집진기(좌) 및 Retrofit EP 집진기술 적용예(우).
서는 수년간 수분분리용 분리막에 대한 연구를 수행 하여 기술이전 등 많은 연구 성과를 창출하였다. 수 분이 제거된 VOCs 함유 배가스는 고무상 고분자 물 질을 중공사막 표면에 코팅하여 제조한 VOCs 분리/
농축 분리막 반응기에서 효과적으로 제거된다. 본 연구진이 개발하고 있는 VOCs제거 분리막은 비표 면적이 크고 기공 크기가 매우 작은 소수성 나노입 자를 첨가하여 우수한 VOCs 제거 효율을 보일 것으 로 기대된다. 본 연구결과는 기존의 전력다소비 열 처리/흡착처리방식 대비 에너지 소비량을 30% 이상 절감할 수 있는 기술로 평가되며, 도장 공정, 석유화 학 산업, 인쇄 및 출판시설 등 다양한 VOCs 발생 공 정에 활용이 가능하여 대기오염물 저감에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 수분 처리 기술을 위한 분리막 제습 기술은 냉각과정이 필요 없기 때 문에 화학물질을 사용하지 않아 기존 기술 대비 환 경 친화적 기술이며, 물 재이용을 통해 운전비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 백연의 시각적 공해로 인한 환경문제 및 민원문제를 해결할 수 있기 때문 에 최종적으로 우리나라 국민의 삶의 질 향상에 기 여하게 될 것이다.
3.2.3 고효율 저온 탈질촉매 기술
미세먼지는 1차 발생원과 2차 발생원으로 구분되 는데, 특히 발전소나 차량에서 가스 상태로 배출된 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 등이 대기 중의 수
증기, 암모니아, 오존 등과 결합하는 화학 반응을 통 해 생성되는 2차 발생원에 의한 비율이 전체 미세먼 지 발생량의 2/3를 차지하고 있다. 2차 발생원 중 질 소산화물은 산성비 유발, 광화학 스모그, 오존층 파 괴 등 대기 환경에 미치는 영향이 매우 심각하기 때 문에, 질소산화물에 대한 배출 규제가 매년 강화되 는 추세이다. 질소산화물은 화석연료 기반의 산업 및 수송 분야에서 가장 많이 배출되고 있기 때문에, 배출 특성에 따른 질소산화물 저감 설비 적용을 통 해 질소산화물 배출량을 낮추기 위한 기술 개발이 필수적이다.
질소산화물 배출 저감을 위한 가장 일반적인 배 연탈질 기술은 암모니아(NH3)를 환원제로 사용하 여 금속산화물 촉매 존재 하에 NOx를 인체에 무해 한 질소(N2)와 물(H2O)로 분해하는 선택적 촉매환 원법(selective catalytic reduction, SCR)이다. NH3- SCR은 90% 이상의 높은 탈질 효율을 나타내고 있 지만, 상용 V2O5-WO3(MoO3)/TiO2 촉매의 최적 구 동 온도 범위가 350-400℃ 전후 영역에 국한되어 있 어 배가스 온도가 낮은 산업 공정(제철, 시멘트, 소 각로 등)에 적용하기 위해서는 배가스 온도를 승온 시키기 위한 추가적인 에너지가 소모되는 단점을 갖 고 있다. 따라서 SCR 기술 개발의 핵심은 배가스 배 출 온도와 비슷한 저온 영역(≤180℃)에서 우수한 탈 질 효율을 보이는 촉매의 개발이다. 저온에서의 활 성 저하와 더불어 배가스 내에 존재하는 황산화물,
그림 4. VOCs 분리/농축을 위한 저에너지형 복합분리막 시스템.
먼지(dust), 수분(H2O) 등에 의한 촉매의 비활성화, 환원제인 암모니아와 황산화물의 반응으로 형성된 ABS(Ammonium bisulfate)에 의한 피독 현상 등은 촉 매 개발에 있어 극복해야 할 난제이다. 또한 환원제 인 암모니아 저장 및 취급에 대한 안전성 문제와 미 반응 암모니아 배출에 대한 문제점들을 해결하기 위 해서는 궁극적으로 비암모니아계 환원제를 적용할 수 있는 저온 SCR 촉매의 개발이 필수적이다.
본 연구단에서는 상용 NH3-SCR 촉매 대비 낮은 구동 온도(≤180℃) 범위에서 황산화물에 대한 내피 독성 및 90% 이상의 탈질 효율을 보이는 우수한 저 온 탈질촉매 개발을 위한 연구를 수행 중이다. 현재 까지 황산화물이 존재하는 200℃ 이하 영역에서 90%
이상의 높은 탈질 효율을 보이는 촉매가 개발된 사 례가 없었기 때문에, 본 연구단에서 해당 촉매를 개 발한다면 산업부문 탈질 설비 운전 비용 60% 이상 절감을 통한 미세먼지 저감과 더불어 신규 SCR 촉매 시장 진입을 통해 막대한 경제적 효과를 창출할 것 으로 기대한다. 현재 미세먼지연구단에서 개발 중인 저온 탈질 촉매는 180℃에서 80% 이상의 탈질 효율 을 나타내고 있으며, 20 ppm 수준의 SO2 존재 하에 서도 탈질 성능 저하가 없는 것을 확인하였다. 현재 까지 180℃ 영역에서 수분과 황산화물이 함께 존재 하는 경우 80% 이상 탈질 효율을 보이는 촉매에 대
한 보고는 없다. 미세먼지연구단에서는 탈질 촉매의 저온 활성 증진과 더불어, 배가스에 포함된 수분에 의한 성능 저하 문제를 해결하기 위한 촉매 개발 방 향 및 비암모니아계 환원제 적용을 위한 저온 촉매 개발 연구도 함께 진행 중에 있다.
4. 연구 파급효과
본 연구단에서 개발하고 있는 미세먼지 저감을 위한 전·후 처리기술(Pre-to-Post) 개발을 통하여 대형/중·소형 사업장의 미세먼지 배출 농도를 획기 적으로 줄일 수 있을 것으로 판단한다. 이를 통해 국 민들이 안심하고 숨 쉴 수 있고, 건강에 위협받지 않 는 환경을 조성할 수 있을 것으로 예측된다. 또한, 국 내뿐만 아니라 해외 유입 초미세먼지(중국, 몽골 등) 에 대해서도 효과적인 대응을 위한 현지 맞춤형 저 감기술 도입으로 국내 강성 중소기업 육성, 일자리 창출 및 외화 획득이 가능할 것이라 판단하고 있다.
주소: 대전광역시 유성구 가정로 152 한국에너지기술연구원
전화: 042-860-3623 E-mail: [email protected]
Homepage: https://www.kier.re.kr/?K=00MaRRZq2
그림 5. KIER De-NOx 촉매의 탈질 효율 및 촉매 형상.
