선택적촉매환원법(SCR)

왜 배우는가: 선택적촉매환원법(SCR)은 질소산화물(NOx) 저감 기술 중 배출 기준을 만족시키는 대표적 후단 처리 방식이므로 설계와 운전의 기본이 된다. 설계, 성능 인자, 촉매 재생을 묻는 문항으로 여러 회차에 걸쳐 출제되어 온 개념이므로 정의와 원리를 정확히 잡아 두어야 한다.

출제 이력: 제108회 4교시 6번, 제101회 2교시 2번, 제99회 2교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

선택적촉매환원법(SCR)은 환원제를 배가스에 주입한 뒤 촉매층에서 질소산화물(NOx)을 질소와 물로 환원시키는 배가스 처리 기술이다.

답안지 첫 줄은 위 정의 문장으로 시작한다. 정의에 나오는 핵심 용어는 다음과 같다.

• 선택적 환원: 환원제가 배가스 속 NOx와 우선 반응하여 이를 질소와 물로 바꾸는 성질이다.
• 환원제: 암모니아(NH3)나 요소수처럼 NOx를 환원시키는 물질이다.
• 촉매층: 환원 반응 속도를 높이기 위해 촉매를 충전한 반응 구간이다.
• 활성온도창: 촉매가 설계된 제거효율을 내는 온도 범위이다.
• 공간속도: 촉매 부피 대비 단위 시간당 처리되는 배가스 유량의 비이다.
• 암모니아 슬립: 반응하지 않고 그대로 배출되는 미반응 암모니아이다.
• 촉매 재생: 피독되거나 열화된 촉매의 활성을 회복하는 조작이다.

2. 개념 풀이

선택적촉매환원법은 배가스에 환원제를 주입한 뒤 촉매층을 통과시켜 NOx를 질소(N2)와 수증기(H2O)로 바꾸는 방법이다. 여기서 '선택적'이라는 말은 환원제가 배가스 속 산소보다 NOx와 우선 반응한다는 뜻이다. 촉매가 반응 속도를 높이므로 촉매가 없는 방식보다 낮은 온도에서도 환원 반응이 충분히 일어난다.

원리는 환원제로 쓰는 암모니아가 NO와 반응하여 질소와 물을 만드는 것이다. 대표 반응식은 다음과 같다.

$4NO + 4NH_3 + O_2 \rightarrow 4N_2 + 6H_2O$

이 식에서 NO와 NH3는 1:1 몰비로 반응한다. 따라서 NOx 1몰을 제거하려면 암모니아 약 1몰이 필요하며, 암모니아 주입량을 몰비로 조절하여 목표 제거효율을 얻는다. 주입량이 부족하면 제거효율이 떨어지고, 과잉으로 주입하면 반응하지 않은 암모니아 슬립이 배출되어 2차 오염과 설비 부식을 일으킨다.

촉매는 산화티타늄(TiO2)을 담체로 하고 오산화바나듐(V2O5)을 활성 성분으로 하는 계열이 대표적이며, 여기에 산화텅스텐(WO3)을 더해 내열성과 활성을 높인다. 촉매는 벌집(허니컴) 형태로 성형되어 촉매층을 이루고, 배가스가 채널을 지나면서 환원 반응이 일어난다. 촉매 반응의 운전 온도는 약 300~400℃ 범위이며, 이 범위를 벗어나면 제거효율이 떨어진다. 저온에서는 암모니아가 반응하지 않고 배출되며, 고온에서는 암모니아가 산화되어 효율이 낮아진다. 그래서 활성온도창을 맞추는 것이 SCR 설계의 출발점이다.

SCR은 촉매를 써서 SNCR보다 낮은 온도에서 NOx를 환원하는 방식이다. 촉매가 없는 SNCR은 약 800~1100℃의 고온 구간에 환원제를 주입해야 반응이 일어난다. 두 방식의 온도 차이는 설치 위치와 설계 조건을 가르는 기준이 된다.

3. 등장 배경과 필요성

연소 과정에서는 고온 조건에서 공기 중 질소가 산화되어 NO가 생성되고, 연료 속 질소 성분도 NOx로 전환된다. 이 NOx는 미세먼지 생성과 산성 침착, 광화학 스모그의 원인이 되므로 배출을 줄이는 것이 대기 관리의 핵심 과제이다.

NOx 저감은 크게 연소단계 저감과 배출 후단 처리로 나뉜다. 연소단계 저감은 연소 온도와 산소 농도를 낮추는 방식이며, 배기가스 재순환(EGR)과 저NOx 버너가 대표적이다. 그러나 연소 조건만 바꾸는 방식은 강화된 배출허용기준을 만족하기 어려운 경우가 많다. 이 때문에 배가스에서 NOx를 직접 제거하는 후단 처리가 필요해졌고, 후단 처리 기술 가운데 촉매를 쓰는 SCR이 발전하였다.

역사적으로 암모니아를 환원제로 쓰는 SCR은 Engelhard 사가 미국 특허를 받은 것으로 알려져 있다. 1960년대 초에는 일본과 미국에서 촉매를 더 저렴하고 내구성 있게 만드는 연구가 이어졌다. IHI가 최초의 대규모 SCR을 설치하였다. 이후 SCR은 발전소와 소각시설뿐 아니라 선박과 디젤 차량 배기관에도 적용되었다.

현재 차량용 SCR은 요소수를 환원제로 사용한다. 요소는 배기열에 의해 가수분해되어 암모니아로 바뀌고, 이 암모니아가 촉매에서 NOx를 환원한다. 유럽 디젤 배기가스 기준인 유로 6을 만족하는 대형 트럭에 주로 쓰이는 이유가 여기에 있다.