[다음은 이번 ‘KEPIC 환경기술세미나 세미나’에서 소개된 주제발표 내용을 요약했다.]
◆(특강)미세먼지 문제를 해결하려면=김용표 이화여자대학교 화학신소재공학과 교수
미세먼지 문제는 우리나라 에너지와 사회구조와 밀접하게 연관되어 있을 뿐만 아니라 동북아시아 지역의 기상과 에너지 사용에 의한 영향을 받는다. 지난 20여 년 동안 미세먼지 농도는 꾸준하게 저감되고 있지만 국민의 쾌적하고 안전한 삶에 대한 기대 수준에는 아직 미치지 못하고 있다. 이번 특강에서는 우리나라 미세먼지 문제를 해결하기 위한 우리의 정책과 과학기술 연구개발 방향에 대해 논의한다.
◆미세먼지 저감을 위한 플라즈마 기술=이대훈 한국기계연구원 실장
연소를 기반으로 하는 석탄화력, 가스발전 시스템은 불가피하게 PM, NOx, SOx 와 같은 연소 부산물들을 배출하게 되고 PM과 같은 직접 배출 입자상 물질 이외의 기체상 부산물들도 화학적 경로를 통해 미세먼지로 전환된다는 것이 알려지면서, 미세먼지 저감 대책의 상당부분이 NOx 저감을 위한 방안들로 추진되고 있다. NOx 저감을 위한 가장 실효적인 수단은 SCR(Selective Catalytic Reduction, 선택적 환원 촉매) 방식을 사용하는 것이다. SCR 기술은 촉매에 기반한 환원공정 기술이라, 1) 환원제의 공급, 2) 촉매 반응에 적합한 온도 조성, 3) 필요시 촉매 재생 과 같은 요구조건을 가진다. 하지만 SCR 의 운전에 있어 일반적인 촉매운전 조건에서 벗어나는 환경에 노출이 될 경우 SCR 의 운전을 위해 추가적인 기술적 요소가 필요하다.
가스터빈 연소에 기반하는 복합화력은 우리나라와 같은 운용 환경에서는 잦은 on/off 기동을 하게 되는데, 냉시동 조건이 잦은 반면 냉시동 시 배출 배기가스의 온도가 100~150oC 정도로 SCR을 설치하더라도 냉시동 기간 배출되는 NOx 에 대해서는 저감을 할 수 있는 수단이 없다. 또한 대형 선박 엔진의 Turbo charge 후단에서 배출되는 배기가스는 200oC 정도의 낮은 온도 특성을 가지기 때문에 저온 SCR 촉매의 개발과 더불어 저온반응기구 상 생성되는 ABS(Ammonium bisulphate)를 재생하기 위한 재생기술이 요구된다.
이처럼 SCR 기술의 적용 과정에서 발생하는 다양한 운용 환경에서도 SCR 이 정상적으로 NOx를 제거하는 탈질기술로 활용되기 위해서는 Thermal management(열관리)가 매우 중요한 요소 기술이 된다. 플라즈마 연소 기술은 위와 같은 SCR시스템 요구 조건을 만족 시킬 수 있는 기술이다. 플라즈마 연소 기술은 플라즈마에 의한 높은 화염 안정성을 바탕으로 일반 버너 보다 낮은 운전비용으로 저 NOx 연소, SCR 환원제 공급, 촉매 재생 등을 가능하게 하며 발전소 냉시동, 선박엔진 등 다양한 현장에서 그 성능을 입증한 바 있다. 본 발표에서는 이러한 플라즈마 기반의 다양한 미세먼지 저감 기술 응용 사례를 소개한다.
◆Dry Ice를 이용한 CFBC 보일러의 운전중 튜브 세정 결과=홍성호 (주)지스코 대표이사
현재 국내에서 저질 석탄이나 SRF를 연소하기 위해 다수의 CFBC 보일러가 설치되어 운전되고 있다. 그런데 이들 보일러를 운전한 결과, 보일러 튜브 Fouling 과 고온부식으로 튜브 파손 현상이 자주 발생하여 보일러의 안정적인 운전에 많은 어려움이 많다.
이들 중 보일러 튜브 Fouling 현상을 분석한 결과, 보일러 연소실에서 연료가 충분히 연소되지 않아, 미연소 된 연료가 보일러 튜브 (Superheater 등)에서 부착되어 재연소가 발생하면서 튜브에 고착되어 발생하는 것은 분석되고 있다. 이런 현상을 해결하기 위해서는 보일러 연소실과 튜브 사이의 거리를 증가시켜 연료가 충분히 연소되도록 해야 하나, 보일러 개조에 많은 비용이 소요되므로 해결책으로는 사실상 불가능하다. 한편 이들 Fouling 현상을 보일러 Soot Blower 가동주기를 단축시켜 해결하려고 하였으나, 증기를 사용하는 경우, 증기의 질이 좋지 않을 경우, 오히려 분진과 수분이 결합하여 Fouling 현상이 가속되는 경향도 있다.
한편 연료 중에 Cl 성분이 포함된 연료를 사용하는 경우 배기가스 중에 Cl 이온 농도가 높아져 증기를 사용한 Soot Blower를 사용할 경우, HCl 등을 보일러 튜브 표면에 응축시켜 고온부식을 가속화하는 경우가 있다. 따라서 압축공기를 이용한 Soot Blower를 사용하는 곳도 있는데 Cleaning 효과가 우수하지는 않다.
이에 당사에서 개발하여 회전형 GAH 및 GGH에서 탁월한 세정효과가 입증된 Dry Ice Cleaning 기술을 CFBC 보일러 튜브 세정에 적용한 결과, 배기가스 온도가 350℃ 정도인 GAH 보다 높은 온도의 배기가스 조건(600~800℃)에서도 상당한 튜브 세정효과가 있는 것으로 증명돼 향후 CFBC 보일러 튜브 세정에 확대 적용할 계획이다.
◆발전소 굴뚝 미세먼지 실시간 측정기술 개발 및 현장 실증=한국기계연구원 환경기계연구실=한방우 실장
우리가 인체에 해롭다고 알고 있는 미세먼지는 발전소, 제철소, 소각로 등의 산업공정의 연소 과정에서 주로 발생한다. 이러한 산업공정에서 배출되는 오염물질을 관리하기 위해 일부 대형 사업장의 경우 굴뚝에 자동측정기기(TMS)가 설치되어 있다. 하지만 자동측정기기에서 먼지는 미세먼지가 아니라 총부유분진(TSP, total suspended particulate)으로만 측정이 되고 있어 미세먼지 배출량을 직접적으로 모니터링하고 관리하고 있지 못하고 있는 실정이다.
한국기계연구원은 전력연구원과 함께 산업부 과제로 발전소 굴뚝 미세먼지를 실시간으로 측정하고 있는 기술을 개발하고 있어 이를 소개하고자 한다. 굴뚝 환경은 고온, 다습 및 고농도 분위기라서 대기 미세먼지 측정 장치를 굴뚝에 직접 투입하여 측정하기가 불가능하다.
따라서 굴뚝에서 일부 배기가스를 포집하여 상온, 저습 및 저농도의 분위기로 변환시켜주는 희석장치의 개발이 필수적이다.
이번 과제에서는 고온 희석과 상온 희석의 2단 희석 방법과 다공 튜브형 희석방법을 적용하여 큰 입자의 손실이 상대적으로 적은 새로운 희석장치를 개발하였고, 10회 이상의 발전소 현장 시험을 통해 전력 소모량 최소화 방안, 희석 공기의 수분 제어방법, 자동 세척 방법 등 현장에 적합한 시스템으로 지속적으로 보완시켰으며, 올해 2월부터 현재까지 충남과 강원의 두 발전소 굴뚝에 적용하여 장기 실증 운전 특성 파악하고 있다.
이러한 굴뚝 미세먼지 실시간 측정 기술이 산업 현장에 성공적으로 적용될 경우 현장에서 미세먼지 배출 수준을 직접적으로 관찰할 수 있을 뿐만 아니라 비정상 상황에서의 미세먼지 이상 배출 특성을 분석하고 환경 설비의 운전 조정을 통해 미세먼지 배출량을 능동적으로 관리할 수 있을 것으로 보고 있다.