선택적비촉매환원법(SNCR)

왜 배우는가: SNCR은 촉매 없이 질소산화물을 줄이므로 설비비가 낮아 중소형 보일러와 소각로에서 널리 쓰인다. 온도창, 반응식, 암모니아 슬립을 묶어 묻는 문항이 많아 자주 등장하는 개념이다.

출제 이력: 제102회 2교시 6번, 제96회 1교시 6번, 제89회 1교시 12번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에는 다음 정의를 쓴다.

SNCR은 촉매 없이 고온의 연소가스에 환원제를 주입하여 질소산화물을 질소와 물로 환원하는 배연 탈질 기술이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 선택적비촉매환원법(SNCR): 촉매 없이 선택적으로 질소산화물을 환원하는 방식으로, 이 개념의 정식 명칭이다.
• 질소산화물: 연소 과정에서 생성되는 NO와 NO2의 총칭이며 NOx로 표기한다.
• 환원제: 질소산화물과 반응하는 암모니아(NH3)와 요소((NH2)2CO)를 말한다.
• 온도창(temperature window): 환원 반응이 효율적으로 일어나는 연소가스 온도 구간이다.
• 암모니아 슬립(ammonia slip): 반응하지 못한 암모니아가 배출가스와 함께 빠져나가는 현상이다.
• 당량비(NSR): 질소산화물 몰수에 대한 환원제 주입 몰수의 비이다.

2. 개념 풀이

SNCR은 촉매를 쓰지 않고 보일러나 소각로 후단의 고온 배가스에 환원제를 직접 주입하여 질소산화물을 질소와 수증기로 바꾸는 기술이다. 여기서 선택적이란 환원제가 산소와의 반응보다 질소산화물과 우선 반응하여 분해하는 성질을 말한다. 따라서 SNCR의 핵심은 촉매 대신 온도 조건으로 반응을 일으키는 데 있다.

원리는 다음과 같다. 고온에서 환원제가 열분해되어 생성된 라디칼이 NO와 반응하여 질소와 수증기로 분해된다. 암모니아는 질소산화물과 직접 반응하고, 요소는 고온에서 분해되어 암모니아 계열 물질을 만든 뒤 같은 경로로 반응한다. 촉매 표면 반응이 없으므로 반응 속도는 온도, 체류시간, 환원제와 배가스의 혼합 상태에 좌우된다.

온도 조건이 핵심이다. 반응이 일어나는 온도창은 관련 기술 문헌이 정한 구간이며, 이보다 온도가 낮으면 환원제가 반응하지 못하고 그대로 배출된다. 반대로 온도가 높으면 암모니아가 산화되어 일산화질소를 오히려 생성하므로 저감 효율이 떨어진다. SNCR의 효율은 온도창 안에서 환원제를 주입하는지에 따라 결정된다. 따라서 온도창은 환원제를 넣는 위치, 즉 보일러 내부 노즐의 위치를 정하는 기준이 된다.

반응식은 다음과 같다. 암모니아를 환원제로 쓸 때의 반응은 다음과 같다.

$4NO + 4NH_3 + O_2 → 4N_2 + 6H_2O$

요소를 환원제로 쓸 때의 반응은 다음과 같다.

$4NO + 2(NH_2)_2CO + O_2 → 4N_2 + 4H_2O + 2CO_2$

두 식 모두 질소산화물의 N이 N2로 환원되며, 각 원소의 개수가 좌변과 우변에서 같도록 맞춘 균형식이다.

환원제 주입량은 당량비로 관리한다. 당량비는 주입한 환원제의 몰수를 입구 질소산화물의 몰수로 나눈 값이며, 식으로 쓰면 다음과 같다.

$NSR = 환원제 몰수 ÷ NOx 몰수$

NSR은 당량비, 환원제 몰수는 주입한 암모니아 또는 요소의 몰수, NOx 몰수는 반응기 입구 질소산화물의 몰수이다. 당량비가 높아지면 저감율은 오르지만 미반응 암모니아가 늘어 암모니아 슬립이 커지므로, 당량비는 목표 저감율과 슬립 허용치 사이에서 정한다.

암모니아 슬립은 환원제를 낭비하는 손실이다. 배가스 속 염화수소와 결합하면 염화암모늄 백연이 발생하고, 암모니아 자체가 독성 물질이므로 대기 배출이 제한된다. SNCR의 질소산화물 저감율은 운전 조건에 따라 달라지며 관련 기술 문헌이 정한 범위 수준이다.

3. 등장 배경과 필요성

질소산화물은 연료가 연소할 때 고온에서 공기 중 질소가 산화되거나 연료에 포함된 질소가 산화되어 생성된다. 질소산화물은 광화학 스모그와 산성비의 원인이 되고 미세먼지의 전구물질로도 작용하므로, 배출 규제가 점차 강화되어 왔다. 이에 따라 보일러, 소각로, 발전설비에서 배출가스 중 질소산화물을 줄이는 배연 탈질 기술이 필수 설비로 자리 잡았다.

배연 탈질 기술은 연소 자체를 조절하는 연소단계 저감과 배가스를 후처리하는 방식으로 나뉜다. 후처리 방식의 대표는 선택적촉매환원법(SCR)으로, 촉매를 사용하여 높은 효율로 질소산화물을 줄인다. 그러나 SCR은 촉매 구입과 교체 비용이 크고, 촉매가 피독되거나 마모되면 성능이 떨어지는 단점이 있다.