Win Tech는 공공연구기관의 연구성과 확산을 위해 국가과학기술연구회(NST)와 공동으로 우수 공공기술을 선별하여 게재하고 있습니다.
▲ 이대훈 책임연구원 한국기계연구원 환경시스템 연구본부 플라즈마연구실
환경 문제가 이렇게 온 국민의 관심거리가 된 적이 있었을까, 미세먼지는 어느샌가 온 국민의 신경을 곤두세우는 골칫덩이가 되었다.
미세먼지의 절반 정도는 국내에서 발생하는 것으로 나타나고 있고 이러한 미세먼지의 2/3 정도는 2차 발생을 통해 형성된다고 알려져 있다.
2차 발생 미세먼지의 대표적 주범이 연소과정에서 발생하는 황산화물 질소산화물(NOx)인 것을 고려한다면, 발전소, 자동차를 포함하는 모든 연소 장치에서 이들 물질의 발생을 억제/저감하는 것이 가장 효용성 높은 미세먼지 대책임을 짐작할 수 있다.
황의 경우는 연료의 전처리를 통해 황산화물의 발생을 제어할 수가 있지만 공기를 사용하는 연소 과정의 경우 질소산화물은 연소 과정에서 생성되기 때문에 플라즈마연구실원천적인 발생이 줄어들도록 연소 과정을 제어하거나 연소 생성물에 대한 후처리를 통해 제거해야 한다.
질소산화물의 발생 경로는 1) Prompt NOx, 2) Fuel NOx, 3) Thermal NOx 등 세 가지로 알려져 있는데, 고온의 연소분위기에서 발생하는 Thermal NOx가 대부분을 차지한다.
배기가스 재순환(EGR, FGR), 다단연소 등을 통해 연소 과정에서 NOx를 제거하기 위한 기술들이 사용되고 있지만, 강화되고 있는 NOx 규제를 만족시키기 위해서는 후처리 과정이 불가피하다.
연소 후처리를 통해 NOx를 제거하기 위한 가장 효과적인 방법은 선택적 환원촉매법(SCR)이다. 환원촉매상에서 NOx를 환원제와 반응시켜 N₂로 환원하는 것이다.
환원제로 가장 좋은 성능을 가지고 있고 또 널리 사용되고 있는 것은 암모니아이다.
독성과 폭발성으로 인해 암모니아를 직접 공급하는 것은 일부 고정원으로 한정되어 있고 그 외에는 요소수((NH2)2CO·H2O)를 환원제로 사용하되 요소수로부터 암모니아로 전환시키는 과정을 포함시키게 된다.
최근에는 암모니아의 저장/이동상 위험성으로 인해 발전소와 같은 고정원에서도 암모니아수로부터 요소수로 환원제가 바뀌어가고 있다.
NOx 저감을 위한 플라즈마 기술로는 우선 연소 과정에서 발생하는 NOx를 억제하기 위한 플라즈마 저NOx 연소 기술을 들 수 있고, 후처리에 적용되는 대표적 기술로는 SCR 시스템 운전을 위한 플라즈마 Thermal Management 기술을 들 수 있다.
플라즈마 저NOx 연소 기술은 연소기 내에 플라즈마 개질기를 설치하여 버너로 공급되는 연료의 일부를 개질하여 수소를 포함한 고온의 합성가스를 공급하여 화염에서 발생하는 NOx를 저감하는 기술이다.
해당기술은 기존의 버너 구조나 형태를 변경시키지 않으면서도 효과적으로 NOx를 저감할 수 있는 기술적 가능성을 입증하였다.
270,000㎉/hr 급 용량의 버너에 해당 기술을 실증한 사례를 보면, 기존의 버너 Head 내부에 100㏄ 정도의 부피를 가지는 플라즈마 개질기를 설치하여 버너로 공급되는 연료의 3~10% 정도를 개질기로 분기해서 공급하고, 버너로 유입되는 공기를 일부 플라즈마 개질기로 유입시켜 개질기에서 부분산화 개질 반응이 일어나도록 유도한다(그림 1 두 버너 구조 비교)
이렇게 설치된 플라즈마 개질기는 연료와 개질기 운전 조건에 따라 부피비 5~30% 정도의 수소를 포함하는 고온의 개질가스를 연료/공기 공급부로 토출하게 된다.
화염이 버너의 끝단에 부착되어 안정화되는 기존 버너와 달리, 개조된 버너의 경우 고온의 수소에 의해 그림 2에 나와 있는 것과 같이 주화염이 부상된 상태로 안정화된다.
이렇게 될 경우 1) 그림 3에 나온 바와 같이 버너 끝단에 형성되는 고온의 화염대가 사라지고, 화염의 기저(Flame Root)가 넓은 면적에 걸쳐 형성되면서 고온영역이 사라지며, 2) 공기/연료 혼합기가 화염면에 도달하기 전에 혼합이 될 수 있는 여지가 발생하면서 부분 예혼합 화염의 특성을 가지게 된다.
화염 구조에 발생하는 이 두 가지 효과로 인해 Thermal NOx가 발생하는 고온의 화염대가 대폭 감소하면서, NOx 발생이 감소하게 된다. 고온의 화염대가 감소하는 양상은 그림 3의 비교에서도 확실하게 나타난다.
보일러에 기존 버너와 개조된 플라즈마 버너를 설치해서 비교 운전한 결과에 따르면, 그림 3에 나와 있는 바와 같이 이러한 플라즈마 개질 운전을 통해 NOx 발생량을 70% 이상, 운전 조건에 따라 9ppm까지 감소할 수 있는 것으로 보고되었다.
또한 플라즈마 운전을 통한 NOx의 저감 과정에서 추가적인 CO 배출의 상승이나 화염불안정성은 나타나지 않는 것으로 확인되었다.
플라즈마를 발생시키기 위해 사용되는 전력 소요는 300~500W 정도로 버너 열용량의 0.1~0.3% 값을 가지며, 플라즈마 반응기 설치에 따른 버너 운전 비용상의 차이는 사실상 없는 것으로 나타났다.
플라즈마를 SCR 시스템의 Thermal Management를 위해 사용하는 목적은 1) 요소수를 암모니아로 분해하기 위한 온도 조건의 형성, 2) 경우에 따라 SCR의 저온 운전에 따른 촉매 비활성화를 재생하기 위한 용도를 들 수 있다.
자동차와 같이 요소수의 고압 분사가 가능한 경우는 분사되는 액적의 크기가 수~수십㎛로 공급되는 요소수의 증발 및 분해를 위한 시간적, 공간적 요구 조건이 크지 않아서 200~300℃ 조건, 길지 않은 배기관 내에서도 SCR 운전에 무리가 없지만 그외 선박, 발전소 등 고압 분사가 적용 되지 않는 경우는 분사되는 요소수의 액적 크기가 수십~수백㎛ 이상으로 증발과 분해에 상당한 온도와 시간이 필요하게 된다.
때문에 빠른 시간 내에 요소수를 증발, 열분해 시키기 위해 보통 500℃ 이상의 온도 조건을 만들어 주게 된다.
선박 엔진, 특히 저속 엔진(2 Stroke)의 경우는 통상 엔진 배출단(Turbo-charger 후단)의 온도가 200~220℃ 범위이고, 복합화력 발전의 경우도 300~400℃이기 때문에 요소수의 증발, 분해를 위해 별도의 열원을 통해 배기가스 온도를 올려줘야 한다.
대형 엔진과 발전소의 경우 배기가스 량이 많기 때문에 전체 배기가스를 가열하지 않고 그림 4와 같이 일부 배기가스를 분기하여 가열 후 요소수를 분사하는 방식으로 운전하게 된다.
배기가스의 가열 수단은 버너를 사용하게 된다. 전기 히터를 사용할 수도 있지만, 배기가스 유속과 전열 면적 등을 고려하면 전기 히터의 크기가 과도해지고 과도한 전기 사용량으로 별도의 발전을 위한 보기엔진이 요구된다.
때문에 버너를 사용해서 배기가스를 가열하는 것이 가장 효과적인 방법이 된다.
일반적인 덕트 버너의 경우, 과잉 공기비를 1.1~1.3 범위에서 운전하게 되고 버너의 운전 열용량 범위(Turn Down Ratio)를 1:5 이상으로 넓게 잡기가 어려운 한계가 있다.
SCR 적용 엔진의 크기가 40㎿ 이상으로 커지고 운전 부하 조건이 커질 경우, 덕트 버너로는 Turn Down Ratio 대응이 어렵고, 화염의 길이가 과도하게 길어지는 문제점이 발생한다.
이러한 어려움을 해결할 수 있는 기술적 방안이 플라즈마 버너이다.
플라즈마 버너는 매우 넓은 공연비 범위에서 안정적으로 화염을 유지할 수 있는 특성으로 인해 덕트 버너 운전시 운전 과잉 공기비를 1 이하 조건에서도 안정적으로 운전이 가능하고, Turn Down Ratio를 1:10 정도까지 운전할 수 있다. 이로 인해 실제 버너 운전시 운전 비용도 절감이 가능하다.
SCR 시스템에서 버너의 두 번째 기능은 촉매의 재생이다. 저속 선박엔진의 경우 SCR 운전 온도가 200~230℃ 범위가 된다.
이 경우 저온 SCR 촉매를 이용하여 적정한 수준의 탈질율을 얻을 수가 있지만, 낮은 온도 범위로 인해 화학평형상 본질적으로 암모늄염(ABS)의 발생을 막을 수가 없다.
때문에 암모늄염의 가역적 분해를 위해 주기적으로 촉매를 400℃ 이상의 고온 조건에 노출시키는 촉매 재생을 수행해야 한다.
이 경우 촉매 재생 운전시 운전 비용을 절감하기 위해, 촉매를 재생시킨 유동을 재순환하여 열량소비를 절감할 수 있다.
하지만 이미 버너를 통해 연소된 고온의 재생 기체가 순환하는 경우 순환 유동에서의 산소 농도가 점차 낮아지게 되는데, 플라즈마 버너의 경우, 버너로 유입되는 재생 기체의 산소 농도가 수 % 정도의 매우 낮은 조건에서도 안정적으로 화염의 유지가 가능한 장점을 가지고 있으므로 촉매의 재생에 가장 적합한 열원으로 기능할 수 있다.
미세먼지의 주 발생원인인 NOx를 저감시키기 위한 연소 및 후처리 기술에서의 플라즈마 적용 사례를 살펴보았다.
플라즈마 버너는 넓은 운전 공연비로 인해 부분 산화 개질 반응으로부터 희박 연소까지 운전이 가능하며 이러한 특성으로 인해 수소의 발생, 낮은 산소 농도에서의 운전 등 부가적인 기능을 제공하여 초저NOx 운전이 가능한 버너, SCR 시스템에서의 Thermal Management 등에 유용하게 활용될 수 있으며, 실제 플라즈마 버너 적용된 선박 및 발전소에서의 SCR 시스템이 실증 단계를 통해 상용화를 앞두고 있다.
내년 봄 즈음 미세먼지가 많아질 때가 되었을 때 플라즈마 기술을 통해 조금은 더 마음 놓고 호흡할 수 있는 바깥나들이가 가능하기를 기대해 본다.