3P·3R·3T

왜 배우는가: 3P·3R·3T는 대기오염을 발생원에서 줄이는 관점을 정리한 기본 원칙이라 설계와 운전 조건을 정하는 데 직접 쓰인다. 용어의 정의뿐 아니라 연소 조건이 배출가스 생성에 미치는 영향을 함께 묻는 문제로 출제되는 개념이므로 상호 관계를 함께 이해해야 한다.

출제 이력: 제123회 1교시 10번, 제89회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

3P·3R·3T는 대기오염물질을 발생원에서 줄이기 위한 예방, 자원 순환, 연소 조건 관리의 세 원칙 묶음이다.

답안 첫 줄에는 위 정의를 그대로 쓰고, 이어서 세 묶음이 공정, 자원 흐름, 연소 과정이라는 서로 다른 단계에서 작동한다는 점을 덧붙인다. 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 3P는 발생 원인 단계에서 오염을 줄이는 오염 예방 원칙이다.
• 3R은 감량화, 재사용, 재활용으로 이루어진 자원 순환 원칙이다.
• 3T는 온도, 난류, 체류시간으로 이루어진 연소 조건이다.

2. 개념 풀이

3P·3R·3T는 대기오염 방지를 배출 이후의 처리가 아니라 발생 단계에서부터 접근하기 위해 정리된 원칙 묶음이다. 배출가스를 제거하는 설비에 의존하기 전에 원료와 연료의 사용, 자원의 흐름, 연소 조건을 먼저 조정하여 오염물질이 생성되는 양 자체를 줄이는 것이 목적이다.

연소가 일어나려면 연소의 3요소, 즉 연소할 물질, 발화점 이상의 온도, 산소가 갖춰져야 한다. 3T는 온도, 난류, 체류시간의 세 변수로, 가연물과 산소가 만난 뒤 연소가 얼마나 완전하게 이루어지는지를 정한다.

온도는 반응 속도를 높여 연소를 촉진한다. 난류는 연료와 공기를 섞어 미연소 가스를 줄이고, 체류시간은 반응이 끝날 때까지 고온 상태를 유지하는 시간을 확보한다. 세 변수는 서로 독립적으로 움직이지 않으며, 한 변수를 높이면 다른 변수의 영향도 함께 바뀐다.

3T는 연소 효율과 오염물질 생성을 함께 좌우하는 조건이다.

3T는 완전연소를 돕는 조건이면서 동시에 열적 질소산화물(Thermal NOx)의 생성을 늘리는 조건이다. 열적 NOx는 고온에서 공기 중 질소가 산소와 반응해 생기며, 생성 속도가 온도에 따라 증가한다. 고온, 긴 체류시간, 강한 혼합은 완전연소에 유리하지만 같은 조건이 열적 NOx의 생성도 촉진하므로, 완전연소와 NOx 억제 사이의 절충이 연소 설계의 핵심이 된다.

과잉 공기도 같은 방향으로 작용한다. 과잉 산소를 최소로 유지하면 같은 배기가스 온도에서 NOx 수준이 가장 낮아지지만, 산소가 부족하면 미연소분이 늘어난다. 따라서 공기와 연료의 공급량은 배기가스 산소 농도와 미연소분 측정을 함께 보며 조정해야 한다.

연료를 잘게 부수면 표면적이 늘어 산소와 접촉이 쉬워지고 온도도 빨리 올라가므로 연소가 잘 일어난다. 이 효과는 난류 혼합과 함께 미연소분을 줄이는 방향으로 작용한다.

3R은 자원의 흐름 측면에서 오염을 줄이는 원칙이다. 감량화는 같은 생산량을 얻는 데 필요한 연료와 원료의 사용을 줄여 배출 총량을 낮추고, 재사용과 재활용은 폐기와 소각 과정에서 생기는 배출을 줄인다.

3P는 공정과 설비의 발생원 자체를 바꾸는 접근이다. 연소 과정에서는 연료와 공기의 공급 방식을 바꾸는 것이 여기에 해당하며, 다단 연소가 대표적인 예이므로 3T 관리와 함께 검토된다.

3. 등장 배경과 필요성

연료를 연소하면 이산화탄소와 수증기가 주로 생기지만, 실제 배출가스에는 일산화탄소, 그을음, 질소산화물, 황 산화물, 미연소 탄화수소도 함께 포함된다. 산소가 부족해 불완전 연소가 일어나면 일산화탄소와 벤젠 같은 유해 물질이 추가로 배출된다. 이 때문에 배출 단계의 농도를 낮추는 것과 함께 생성 단계부터 연소 조건을 관리할 필요가 생겼다.

배출된 오염물질을 뒤에서 처리하는 설비는 투자비와 운전비가 크고, 대상 물질이 많을수록 설비 구성이 복잡해진다. 그래서 연소 환경을 바꾸어 발생량을 먼저 낮추는 방법이 비용 측면에서 효율적인 수단으로 검토된다. 질소산화물 저감에서 연료와 공기를 단계적으로 공급하는 다단 연소가 그 예이다.