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한국에너지기술연구원, 산성가스와 온실가스 동시저감 기술 세계 최초 개발
2011-01-10



한국에너지기술연구원(원장 황주호, KIER)은 산성가스와 온실가스 문제를 동시에 해결할 수 있는 'NOx와 N₂O 동시저감 촉매 및 공정'기술을 세계 최초로 개발, 산성가스인 일산화질소/이산화질소(NOx)를 95% 이상, 온실가스인 아산화질소(N₂O)를 약 90% 저감하는 데 성공했다고 밝혔다.
일산화질소/이산화질소는 산성비와 스모그의 주원인으로, 천식 등 기관지 계통에 악영향을 미친다. 또한 동식물의 성장을 방해하며 건물 등을 부식시킨다. 6대 온실가스 중 하나인 아산화질소는 이산화탄소의 310배에 달하는 온실효과를 지니고 있으며, 앞으로 환경 파괴의 최대 주범이 될 것이라는 예측도 나오고 있다.
질소산화물인 일산화질소/이산화질소와 아산화질소를 저감하기 위해 국내외 기술 경쟁이 치열한 가운데, 현재 NOx와 N₂O를 별개의 공정으로 각각 분리 적용해 운영되고 있으며 대부분이 해외 기술에 의존하고 있다.
아산화질소와 일산화질소/이산화질소 저감 기술은 NOx 저감 공정과 별개로 N₂O 저감 공정이 필요했다. 암모니아를 환원제로 사용해 NOx를 먼저 저감한 다음, 500℃ 이상의 높은 온도 또는 탄화수소환원제 사용 조건에서 N₂O 저감시키는 것이다. 이 방법은 N₂O 저감 시 일산화탄소가 생성되며, 이를 제거하기 위한 추가 공정이 필요하다.

동시저감 촉매 개발이 어려운 이유는 하나의 촉매가 두 가지 반응을 동시에 이루기 쉽지 않기 때문이다. 먼저 촉매는 제거하고자 하는 각각의 반응물질을 동일한 반응조건에서 활성화시켜야 한다. 그러나 대부분 반응물질을 활성화시키기 위해서는 비교적 높은 온도가 필요하며, 반응온도를 낮추고자 할 경우에는 두 가지 반응물질을 동시에 활성화시키기 어렵다. 또한 반응물질에는 제거하는 물질만 포함된 것이 아니라 수분, 산소, 이산화황 등 다른 물질을 포함하므로 이에 대한 영향을 두 가지 반응 모두가 받지 않아야 한다.


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이런 이유로 기존에 설치된 NOx 저감 장치에 N₂O 저감 장치를 추가하는 경우가 일반적 이었으며, 해외 기술 의존도 역시 높아 국내에 적용된 NOx 저감 기술의 경우 약 80%, N₂O의 경우 100% 해외기술에 의존하고 있다.
이번에 새로 개발된 동시저감 촉매는 NOx를 단독으로 저감하는 기존의 상용화된 촉매와 N₂O를 단독으로 저감하기 위한 촉매를 비교해도 각각 저감률 95% 이상, 저감률 90% 이상을 나타내 가격 경쟁력도 높은 것으로 평가받고 있다.
NOx와 N₂O를 동시에 처리하는 촉매 및 공정기술은 반응온도를 350℃로 낮춰 에너지 사용을 최소화 했다. 기존에 촉매로 사용한 귀금속에 비해 1/4~1/5 가격인 구리, 철, 아연과 같은 금속성분과 함께 다른 금속산화물 또는 제올라이트와 같은 다공성 무기물을 촉매로 사용했다. 쉽게 분해할 수 있도록 반응을 도와주는 환원제는 공급이 용이하다.
또한 저렴한 암모니아 한 종류만 사용함으로써, 기존 공정대비 초기투자비는 50%, 운전비용은 60~70% 수준으로 떨어져 세계 시장을 선도할 수 있는 높은 경제성을 확보했다.
국내에 이미 적용되어 있는 촉매의 수명이 약 3~5년임을 볼 때, 촉매 교체기에는 기존 공정에 이 기술을 적용해 해외 의존도를 낮추고 환경 규제에 취약한 국내 산업의 문제점을 해결할 기술로 평가받고 있다.

또한 이번에 개발된 공정은 2개의 공정을 하나로 통합하는 원천 기술과 에너지 사용 최소화, 새로운 촉매 개발, 단일 환원제 사용을 통해 공정의 효율성과 경제성을 확보했으며 현재 1건의 국내특허 등록, 2건의 국내특허와 1건의 국외특허가 출원되어 있다.
연구책임자인 문승현 박사는 "그동안 해외 의존도가 높았던 온실가스 감축 기술을 대체할 새로운 동시저감 기술을 개발했으며, 국내 N₂O 발생원을 1만 톤으로 가정할 때, 동시저감 촉매와 공정으로 약 3백만 톤의 이산화탄소와 2만 톤의 NOx 저감효과를 가져올 것"이라고 밝혔다.
N₂O 저감효과는 연간 360억~1,800억 원의 경제적 가치로 추정되며, 법으로 정해져 있는 NOx 배출기준을 만족시켜 규제를 받던 산업부문의 활성화와 개발도상국의 신규 CDM(청정개발체제) 사업추진에 적극참여함으로써 녹색기술수출도 기대되고 있다.
앞으로 이 기술은 화학공정을 비롯해 전자산업, 유동층 연소, 자동차와 같은 이동수단 등 광범위한 배출가스 공정에 적용될 것으로 예상되고 있으며, 국내외 질산생산 공장과 하수슬러지 소각로 등을 대상으로 적용을 검토하고 있다.
이 연구개발 사업은 지식경제부가 주관하고 한국에너지기술평가원이 지원하는 '에너지 · 자원 기술개발사업의 온실가스처리기술개발사업'으로 수행됐으며, 한국화학연구원과 ㈜우석엔지니어링, 그린프라㈜ 등이 참여했다.

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