석탄화력 환경오염원·저감설비

왜 배우는가: 석탄화력발전은 국내 발전량의 큰 비중을 차지해 대기·수질·폐기물 오염이 사회적 쟁점이 된다. 기술사 시험에서는 오염원별 저감설비의 기능과 원리를 묻는 문제가 2교시에 반복해서 출제된다. 오염원과 설비를 짝지어 설명하는 능력이 핵심이다.

출제 이력: 제139회 2교시 5번, 제130회 1교시 2번, 제110회 2교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

석탄화력발전소의 환경오염원은 석탄의 저장·연소·배출 및 냉각·폐수처리 과정에서 발생하는 대기·수질·폐기물·소음·온배수 오염이며, 오염원별 저감설비를 연계 운전해 이를 줄인다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 대기오염물질: 먼지, 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx), 수은
• 비산먼지: 석탄 저장·이송 과정에서 날리는 먼지
• 온배수: 냉각수 방류로 높아진 수온의 물
• 탈황폐수: 습식 배연탈황 설비에서 나오는 폐수
• 비산재·바닥재: 연소 후 남는 재 중 굴뚝으로 날아가는 것과 노 바닥에 떨어지는 것
• 탈황석고: 습식 석회석법의 부산물
• SCR·SNCR: 질소산화물을 환원제로 저감하는 방식
• 전기집진기·여과집진기: 배가스 중 먼지를 포집하는 설비

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 석탄을 태워 전기를 만들 때 나오는 공해물질을 굴뚝 밖으로 내보내기 전에 걸러내고, 물과 재도 따로 처리하는 것이다. 석탄은 탄소 외에 황과 질소, 회분(재가 되는 광물질)을 함께 가지고 있어 연소하면 여러 종류의 오염물질이 생긴다.

정식 정의는 다음과 같다. 석탄화력발전소의 환경오염은 석탄 연료 공급, 보일러 연소, 배가스 처리, 발전 후 냉각, 폐수·회 처리 전 과정에서 대기·수질·토양·소음으로 나타나는 영향을 말한다. 대기오염은 굴뚝 배출 가스가 주된 원인이다. 수질오염은 탈황폐수와 정비폐수, 온배수가 원인이다. 폐기물은 비산재, 바닥재, 탈황석고, 슬러지다.

대기오염물질은 법에서 정한 배출허용기준 대상 물질로, 석탄화력에서는 먼지·황산화물·질소산화물이 핵심이다. 이 세 가지가 가장 많이 규제된다. 먼지는 여과성 먼지(배출 시 고체·액체로 나오는 것)와 응축성 먼지(배출 후 대기 중에서 응축되는 것)로 나뉜다. 두 가지를 모두 고려해야 실제 배출량을 정확히 잡을 수 있다.

황산화물(SOx)은 석탄 속 황분이 연소해 생기는 SO₂가 대부분이다. 질소산화물(NOx)은 연료 속 질소가 산화되는 연료형 NOx와 고온 공기 중 질소가 산화되는 열적 NOx로 나뉜다. 석탄화력에서는 연료형 NOx 비중이 크다.

온배수는 냉각수로 쓰고 나간 물의 온도가 높아진 것이다. 수온 상승은 수생태계에 영향을 준다. 석탄은 연소 후 비산재와 바닥재로 나뉘며, 이 재에는 중금속이 들어 있어 취급이 중요하다.

3. 등장 배경과 필요성

석탄은 매장량이 많고 가격이 안정적이어서 기저부하용 발전원으로 널리 쓰여 왔다. 그러나 연소 과정에서 황·질소·먼지가 많이 나와 대기오염의 주요 발생원이 되었다. 석탄화력발전소가 대기 중 수은 배출의 큰 부분을 차지한다는 점도 알려져 있다.

산성비는 황산화물과 질소산화물이 대기 중에서 황산과 질산으로 바뀌어 내리는 현상이다. 이로 인해 토양과 수생태계가 훼손된다. 미세먼지는 주로 연소에서 생긴 미세 입자와 황산염·질산염 등의 2차 생성물로 이루어진다. 이 때문에 굴뚝 배출 단계에서 먼지와 가스상 물질을 함께 줄여야 한다.

석탄은 연소 후 재가 많이 남는다. 재에는 비소, 납, 수은, 카드뮴 같은 중금속이 들어 있어 매립지나 재 저장 연못에서 지하수로 스며들 수 있다. 따라서 대기뿐 아니라 수질과 폐기물까지 함께 다뤄야 하는 필요성이 생긴다.

국내에서는 대기환경보전법이 배출허용기준과 부과금 제도를 두고 있다. 발전시설의 경우 액체·고체연료의 황함유량 기준(0.3퍼센트 이하)을 맞추고 배출허용기준을 준수할 수 있는 시설이면 황산화물 기본부과금이 면제된다. 이 제도는 연료 단계에서 오염을 줄이도록 유도한다. 기준이 강화되면서 탈황·탈질·집진 설비의 도입이 늘었다.

황함유량 0.3퍼센트 이하 기준은 발전시설 연료 사용 시 기본부과금 면제 조건이다. 연료 황분 관리와 배출 설비 설치를 동시에 요구한다는 점이 핵심이다.

4. 구성요소·원리·절차

석탄화력발전소의 환경오염 저감은 연소 전 단계, 연소 중 단계, 연소 후 단계로 나누어 설계한다. 각 단계의 설비는 서로 연결되어 있어 한 설비의 성능 저하가 다음 설비의 부하로 이어진다. 따라서 답안에는 설비 이름만 나열하지 말고 오염원 발생 위치와 제거 원리를 함께 쓴다.

표의 설비는 연소 방식과 배출 가스 조건에 따라 선택된다. 같은 석탄을 쓰더라도 탈질설비의 촉매 상태와 탈황설비의 흡수액 pH에 따라 제거 효율이 달라진다.

집진 원리는 입자 대전과 포집으로 설명한다. 전기집진기는 방전극에서 코로나 방전으로 먼지를 음으로 대전시키고, 집진극에 포집한다. 집진극에 쌓인 먼지는 주기적으로 털어 회수한다. 여과집진기는 여과포의 체거름과 관성 충돌로 입자를 잡는다. 여과포의 압력손실이 커지면 역세정으로 먼지를 털어낸다.

탈황 원리는 습식 석회석법을 기준으로 한다. 배가스 중 SO₂는 물에 녹아 아황산이 되고, 석회석 슬러리의 CaCO₃와 반응해 CaSO₃를 만든다. 이를 산화해 석고(CaSO₄·2H₂O)를 얻는다. 반응식은 다음과 같다.

$\mathrm{SO_2 + CaCO_3 + \frac{1}{2}O_2 + 2H_2O \rightarrow CaSO_4 \cdot 2H_2O + CO_2}$

여기서 SO₂는 황산화물, CaCO₃는 석회석, CaSO₄·2H₂O는 탈황석고다. 석회석 반응에서 CO₂가 추가로 생성되는 점도 함께 적는다.

탈질 원리는 환원제 주입이다. SCR은 촉매층에서 NH₃가 NO를 환원시킨다. 촉매는 관련 기준이 정한 온도 범위에서 활성이 높다. SNCR은 촉매 없이 고온 영역(약 900℃ 부근)에 요소나 암모니아를 분사한다.

NOx 저감은 연소 단계 억제와 배가스 후처리 제거를 함께 써야 한다

절차는 다음과 같다.

• 석탄을 저장고에 밀폐 저장하고 이송부에 집진과 살수를 한다.
• 저NOx 버너와 단계연소로 연소 중 NOx 생성을 줄인다.
• 보일러 후단에서 SCR로 NOx를 제거하고 암모니아 누출을 관리한다.
• 전기집진기 또는 여과집진기로 먼지를 포집한다.
• 습식 탈황설비로 SO₂를 흡수하고 석고를 회수한다.
• 탈황폐수와 정비폐수를 폐수처리설비에서 처리해 방류한다.
• 냉각수는 냉각탑을 거쳐 온도를 낮춘 뒤 방류하고 회는 건식으로 저장한다.

이 절차는 설비 순서와 같다. 답안에는 이 순서에 맞춰 설비를 연결해 쓴다.

5. 관련 법령·기준·표준

대기 오염 관리는 「대기환경보전법」이 기본이다. 이 법은 배출허용기준, 측정기기 부착, 비산배출시설 관리, 청정연료 사용을 규정한다. 발전시설의 황산화물 부과금 면제는 시행령에서 연료 황함유량 기준으로 정한다.