석탄 연소 오염물질·탈황

왜 배우는가: 석탄은 발전과 산업 열원으로 여전히 널리 쓰여, 연소 과정에서 나오는 오염물질을 어떻게 줄일지가 대기 분야의 핵심 과제이다. 시험에서는 오염물질의 종류를 먼저 열거하고 특정 물질의 저감 방안을 잇달아 묻는 방식으로 나오므로, 종류와 생성 원리를 정확히 구분해 두어야 한다.

출제 이력: 제123회 4교시 6번, 제111회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

석탄 연소 오염물질은 석탄 속 황·질소·회분 성분이 연소 중 가스와 입자로 바뀌어 배출되는 물질이다. 석탄 연소 오염물질의 주된 종류는 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx), 미세먼지(PM)이며, 이산화탄소와 수은 같은 중금속도 함께 배출된다. 이 가운데 황산화물을 줄이는 기술을 탈황이라 하며, 답안의 첫 줄에는 위 정의를 그대로 쓴 뒤 대상 물질을 나열하면 된다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 석탄 연소 오염물질은 연소 과정에서 생기는 가스상과 입자상 물질의 총칭이다.
• 황산화물(SOx)은 석탄의 황 성분이 산화되어 생기며 대부분 아황산가스(SO2)이다.
• 질소산화물(NOx)은 고온 연소에서 생기는 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)를 함께 가리킨다.
• 미세먼지(PM)는 연소 후 남는 회분과 응축되어 생긴 입자로 이루어진 고체 입자상 물질이다.
• 회분은 석탄의 무기 성분이 연소 후 남는 재이다.
• 원천탈황은 연소 전에 연료의 황 함량을 낮추는 방법이다.
• 배연탈황은 연소 후 연도가스에서 황산화물을 제거하는 방법이다.

2. 개념 풀이

석탄 연소 오염물질은 석탄의 구성 성분이 연소 과정에서 어떤 형태로 바뀌는지에서 출발하는 개념이다. 석탄은 탄소와 수소를 주성분으로 하지만, 황과 질소 성분을 함께 포함하고 연소 후에 남는 광물질인 회분도 가진다. 연소 중 탄소와 수소는 이산화탄소와 수증기로 빠져나가고, 황과 질소는 각각 황산화물과 질소산화물로 전환되며, 회분은 입자 형태로 대기에 실려 나간다. 따라서 석탄 연소 오염물질의 종류와 양은 연료 성분과 연소 조건이 함께 결정한다.

원리 측면에서 황산화물은 연료 속 황이 산소와 결합해 생성되는 현상이다. 석탄에 포함된 황은 연소 과정에서 대부분 아황산가스(SO2)로 바뀌어 대기 중에 방출되며, 황 함량이 높은 석탄일수록 황산화물 배출량이 많아진다. 질소산화물은 두 경로로 생긴다. 하나는 공기 중의 질소가 고온에서 산화되는 경로이고, 다른 하나는 연료 속 질소가 산화되는 경로이다. 고온 연소에서는 공기 중 질소에서 유래한 질소산화물이 대부분을 차지하므로, 연소 온도가 높아질수록 질소산화물 생성이 늘어나는 것이 일반적이다. 유동층 연소는 연소 중 탈황을 함께 수행하여 황산화물 배출을 줄이는 방식으로 알려져 있다.

입자상 물질은 회분이 연소 중 날려 올라가 생기는 비산회(fly ash)가 중심이다. 비산회는 미세먼지의 주된 구성 요소이며, 연소 후 온도가 내려가면서 응축되는 입자도 미세먼지에 포함된다. 석탄 속 수은과 납 같은 미량 금속은 연소 중 기화되어 가스나 미세입자에 붙은 채 배출된다. 이산화탄소는 온실가스이므로 오염물질과는 별도로 관리되는 대상이다. 미세먼지의 집진 방식은 뒤의 장치 절에서 다룬다.

대기 중에서는 2차 반응이 일어난다. 황산화물과 질소산화물은 대기 중에서 미세입자와 지표면 오존을 만들고, 산성비의 원인이 되어 건물과 금속 구조물을 부식시키며, 호수와 토양을 산성화하여 수생생물과 산림에 피해를 준다.

탈황은 황산화물을 줄이는 기술로, 두 방법으로 나뉜다. 원천탈황은 연소 전에 연료의 황을 줄이는 방법이며, 저황 연료를 선택하거나 석탄을 선별·세정하여 황과 회분을 미리 제거하는 방법이 여기에 속한다. 원천탈황은 황산화물을 발생원에서 줄이는 가장 바람직한 방법으로 평가된다. 배연탈황은 연소 후 연도가스 속 황산화물을 흡수제와 반응시켜 제거하는 방법이다. 석회석 슬러리를 쓰는 습식 공정에서는 아황산칼슘이 생성되며, 이를 강제 산화하면 석고가 부산물로 얻어진다. 다만 배연탈황은 설비 비용이 커서 대규모 연소 시설에서 주로 적용된다는 한계가 있다.

3. 등장 배경과 필요성

석탄은 상대적으로 값이 싸고 쉽게 구할 수 있어 발전소와 산업 열원으로 널리 쓰여 왔다. 우리나라는 1970년대 이후 급속한 산업화와 도시 인구 집중이 진행되면서 황 함량이 높은 화석연료와 연탄 같은 고체연료 사용이 크게 늘었다. 이 시기 대도시의 아황산가스 오염도가 높아졌고, 이것이 연료 규제와 배출허용기준을 중심으로 한 대기관리 정책이 도입된 배경이다.

현행 연료 규제 제도는 저황연료유 공급과 사용 확대, 고체연료 사용 제한, 청정연료 사용 의무화 등으로 구성된다. 연료 규제는 연소 전 단계에서 황을 줄이는 수단이므로, 연소 후 처리 설비보다 먼저 적용되는 사전 예방적 대기관리 수단으로 설명된다. 이 제도의 시행 이후 서울 등 대도시의 아황산가스 오염도가 크게 개선된 것으로 나타났다.