SNCR·SCR 공정

왜 배우는가: SNCR과 SCR은 질소산화물 저감 설비 설계 문항과 비교 문항에서 함께 묻는 대표 주제이다. 두 공정의 메커니즘과 온도 조건을 구분해 알아야 설계형 답안과 비교형 답안을 모두 쓸 수 있다.

출제 이력: 제114회 1교시 10번, 제111회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

SNCR은 촉매 없이 고온에서, SCR은 촉매를 써서 질소산화물을 질소와 물로 환원하는 공정이다.

답안 첫 줄에는 이 정의를 쓰고, 이어서 두 공정이 환원제와 촉매의 유무로 갈린다는 점을 덧붙인다. 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 질소산화물(NOx): 연소 과정에서 생성되는 NO와 NO2를 통칭하는 대기오염물질이다.
• 선택적 비촉매 환원(SNCR): 촉매 없이 고온의 연소가스에 환원제를 주입하여 질소산화물을 환원하는 방식이다.
• 선택적 촉매 환원(SCR): 촉매층에서 환원제와 질소산화물을 반응시켜 질소와 물로 바꾸는 방식이다.
• 환원제: 질소산화물을 질소로 환원시키는 암모니아, 암모니아수, 요소 등의 물질이다.
• 요소: 물에 잘 녹는 고체로 취급과 보관이 쉬워 환원제로 널리 쓰인다.
• 촉매: 낮은 온도에서도 반응을 촉진하며 SCR 공정의 반응 조건을 결정하는 물질이다.

두 공정은 모두 암모니아나 요소를 환원제로 쓰는 선택적 환원 공정이라는 점에서 같다. 여기서 선택적(selective)이란 환원제가 질소산화물과 우선 반응하고 산소와는 과도하게 반응하지 않는다는 뜻이다. 차이는 촉매의 유무이며, 이 차이가 반응 온도와 저감 효율, 설비 비용을 가른다. 비교 답안에서는 촉매 유무를 먼저 쓰고, 그 결과로 나타나는 온도 조건과 효율 차이를 이어서 쓰는 것이 논리 흐름에 맞다. 두 공정은 보일러, 소각로, 발전 설비와 자동차 배출가스 저감장치에 쓰인다.

2. 개념 풀이

선택적 비촉매 환원(SNCR)은 촉매를 쓰지 않고 800~1100℃ 범위의 고온 연소가스에 암모니아(NH3) 또는 요소를 주입하여 질소산화물을 질소(N2)와 물(H2O)로 분해하는 공정이다. 질소산화물이 고온에서 아미노기(NH2)를 가진 환원제와 선택적으로 반응하므로, 촉매 없이도 무해한 질소로 환원된다. 반응식은 다음과 같다.

$4NO + 4NH_3 + O_2 → 4N_2 + 6H_2O$

SNCR 설비는 요소수 공급설비와 노즐을 보일러 후단의 적정 온도 구간에 설치하는 구조이다. 따라서 연소가스의 온도 분포를 파악하여 노즐 위치를 정하는 것이 설계의 출발점이다. SNCR의 핵심 제약은 온도이다. 온도가 낮으면 암모니아가 반응하지 않고 그대로 빠져나가는 암모니아 슬립이 생기고, 온도가 높으면 암모니아가 일산화질소로 산화되어 효율이 떨어진다. 또한 환원제를 과량 쓰면 미반응 암모니아가 배가스의 염화수소와 만나 염화암모늄의 백연을 만들 수 있으므로 주입량 관리가 필요하다.

선택적 촉매 환원(SCR)은 촉매층을 통과하는 배가스에 환원제를 분무하고, 촉매의 도움으로 질소산화물을 질소와 물로 바꾸는 공정이다. 환원제는 무수 암모니아, 암모니아수, 요소 용액 중에서 고르며, 요소를 쓰면 질소와 물 외에 이산화탄소도 생성된다. SCR에서 NOx와 NH3는 같은 당량으로 반응하므로, 암모니아 투입량을 조절하여 목표 제거효율을 얻을 수 있다. SNCR에 비해 암모니아 사용량이 적다는 것이 특징이다. 촉매 표면에서 반응물이 흡착되어 반응하고 생성물이 떨어져 나오는 과정으로 이해하면 되며, 촉매 활성이 떨어지면 같은 투입량으로도 저감율이 낮아진다.

두 공정의 차이는 반응이 고온 기체 중에서 일어나느냐, 촉매 표면에서 일어나느냐에 있다. SNCR은 온도·체류시간·혼합의 제약을 받고, SCR은 촉매 표면에서 반응이 이루어진다.

3. 등장 배경과 필요성

질소산화물은 연소 과정에서 생성되어 대기오염과 산성비, 광화학 스모그의 원인이 되므로 배출 규제가 강화되어 왔다. 연소 설비의 질소산화물 저감은 연소 단계에서 생성을 억제하는 방법과 배출가스를 처리하는 후처리 방법으로 나뉘며, SNCR과 SCR은 후처리 방법에 속한다.

SCR의 기술 발전은 1957년 미국 Engelhard Corporation이 암모니아를 환원제로 쓰는 방식을 특허로 등록하면서 시작되었다. 1960년대 초에는 일본과 미국에서 더 값싸고 내구성이 높은 촉매를 찾는 연구가 이어졌고, 1978년 IHI가 최초의 대규모 SCR 설비를 설치하였다. 현재 SCR은 유로 6 디젤 배기가스 기준에서 대형 트럭에 주로 적용되는 기술이다.

SNCR은 촉매를 쓰지 않으므로 촉매 구입과 교체 비용이 들지 않는다는 점에서 경제성이 있다. SNCR은 이론상 SCR과 같은 약 90%의 효율을 낼 수 있으나, 온도·체류시간·혼합의 실제 제약 때문에 현장 결과는 대체로 낮다. 암모니아 기준 중앙값 저감율은 61~65%, 요소 기준은 25~60% 수준으로 보고되어 있다. 그럼에도 SNCR은 설비비 측면에서 여전히 경쟁력을 갖는다.

SCR은 먼지와 비산재의 영향을 줄이기 위해 집진장치 뒤에 설치하는 것이 일반적이다. 이 배치는 촉매층이 막히거나 마모되는 것을 막기 위한 것이다. 두 공정을 비교하면 SNCR은 설비비가 낮고 구성이 단순하지만 효율의 상한이 낮고, SCR은 효율이 높은 대신 촉매 비용과 촉매 관리가 필요하다는 점이 대비된다. 설계자는 이 대비를 근거로 배출 기준과 운전 조건에 맞는 방식을 선택한다.