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NOx 처리기술

관련기술2016.06.26 12:33

NOx 처리기술  

   

1. 질소 산화물 발생 

ㅇ 질소산화물(NOx)은 주로 연료의 연소과정에서 배출되는 대기오염물질 중의 하나인데 이에는 N2O, NO, N2O3, NO2, N2O4 및 N2O5 등이 있으나 이 가운데 대기오염을 일으키는 것은 NO와 NO2이며 기타 가스는 미량으로 무시해도 된다. 

ㅇ NOx중 NO가 약 90%, NO2가 약 10% 정도를 차지 

ㅇ 질소산화물 생성은 다음의 화학반응에 의해서 생성 

- O2 ↔ 2O 

- O + N2 ↔ NO + N 

- N + O2 ↔ NO + O 

- NO + O ↔ NO2 

ㅇ 연소시 NOx의 생성에 영향을 주는 인자로는 온도, 반응시간, 반응물질의 농도 및 반응물질의 혼합정도이며 연소과정에서 보면 연료와 공기의 비율, 주입공기의 온도 및 연소로 내 온도 등이며 이들 인자를 조절함으로써 발생을 억제 

2. NOx 저감 및 제거방식 

가. 연소조절에 의한 NOx 저감법 

1) 저산소 연소(과잉공기량 감소) 

ㅇ 폐기물 소각시 쓰레기와 공기를 잘 혼합시키고 완전연소를 보장받기 위하여 이론공기량보다 많은 과잉공기량(m=1.5~2.5)을 공급하고 있는데 이것은 연소후에도 공기중의 질소와 반응할 수 있는 산소를 공급하는 형태 

ㅇ 연소용 공기의 과잉공기량을 줄임으로써 질소와 산소가 반응할 기회를 적게하여 질소산화물의 생성을 억제 

ㅇ 그러나 산소 공급량이 적어지면 미연가스가 증가하여 일산화 탄소 및 검댕 발생이 증가할 수 있고 로 내 온도의 상승이라는 문제가 발생 

ㅇ 과잉공기량을 적게하면 NOx의 생성은 감소되나 미연가스는 증가되므로 2차 공기를 주입하여 난류확산에 의한 혼합으로 순간적으로 연소시켜 완전연소가 가능 

ㅇ 로 내 온도상승은 적당한 위치에 냉각용 공기의 도입, 로 내 물 분사, 연소실의 수냉벽화, 배가스의 재 순환 등의 방식을 단독 또는 조합하여 해결 

2) 저온도 연소(연소용 공기온도 조절) 

ㅇ 소각로에서 에너지를 절약하고 건조 및 착화현상을 좋게하기 위하여 공기를 예열하여 주입하게 되는데 이것은 연소온도를 상승시켜 NOx 생성을 촉진 

ㅇ 주입공기를 25℃에서 300℃로 높이면 NOx의 생성량은 약 2배 

ㅇ 따라서 예열온도를 조절하여 NOx의 생성을 조절 

3) 연소부분의 냉각 

ㅇ 소각로의 단위면적당 열 방출량이 크면 연소부분의 온도가 높고 NOx의 생성이 크다. 

ㅇ 연소로에서 주위 표면으로 열전달을 효과적으로 촉진시켜 화염온도를 낮춤으로써 NOx 생성을 저감 

4) 배기가스의 재 순환 

ㅇ 냉각된 배기가스의 일부를 연소실로 재순환시켜 로 내 온도를 하강시키고 산소농도를 낮게 함으로써 NOx 생성을 저감 

5) 2단 연소 

ㅇ 불꽃영역에서 연료의 비를 증가시키고 공기비를 줄이면 불완전 연소 및 복사에 의한 열전달이 증가되어 가스온도 상승이 억제되어 NOx 생성이 억제 

ㅇ 불완전 연소로 인한 미연가스는 2차 공기를 주입하여 완전 연소 

6) 버너 및 연소실의 구조개선 

ㅇ 버너의 형식이나 연소실의 구조를 개량하여 NOx의 발생을 저감시킬 수 있는데 사이클론형 버너는 고 발열량으로 NOx를 많이 생성하므로 사용을 피하는 것이 좋고 연소로 내에서도 버너의 위치에 따라 화염의 형태나 혼합정도가 다르므로 버너의 위치를 잘 선정하여 연소실 내의 온도분포를 균일하게 하고 고온부분을 없애서 NOx의 생성을 억제 

7) 기타 

ㅇ 연소로 내 수증기를 분무하여 산소와 수소로 분해되면서 수반되는 흡열반응으로 로 내 온도를 저하시켜 NOx의 생성을 억제 

나. NOx의 제거 처리기술 

1) 산화 흡수방식 

ㅇ 질소산화물을 O3으로 산화시킨 후 알칼리로 중화 처리하여 무해화 

- 2NO + O3 +H2O 2HNO3 

- 6NO2 + O3 + 3H2O 6HNO3 

- HNO3 +NaOH NaNO3 + H2O 

2) SNCR(Selective Non-Catalytic Reduction, 선택적 무촉매 환원법) 

ㅇ 배출가스 중에 환원제로 암모니아나 요소를 분사하여 고온에서 NOx와 선택적으로 반응을 일으키게 하여 N2와 H2O로 분해 

ㅇ 반응온도 영역은 750℃~950℃이고 반응효율이 높은 온도는 800℃~900℃로서 로 출구온도의 안정화가 중요하다. 

ㅇ 분무노즐은 질소산화물과 최적으로 반응할 수 있는 온도영역인 850℃ 부근의 로벽에 2개의 분무노즐을 설치하여 분무하는데 질소산화물과 암모니아 Slip을 고려하여 화학 양론비로 1:5를 적용 

ㅇ 약품을 과량 사용하면 미반응, 미분해의 암모니아가 배출가스의 HCl과 반응하여 NH4Cl의 백연이 발생 

ㅇ 반응식 

- 2NO + 2NH4OH + O2 N2 + H2O 

- 2NO2 + 4NH4OH + O2 3N2 + 10H2O 

- 2(NH2)2CO + 4NO + O2 4N2 + 2CO2 + 4H2O 

- 4(NH2)2CO + 3NO2 + 3O2 11N2 +4CO2 + 8H2O 

3) SCR(Selective Catalytic Reduction, 선택적 촉매 환원법) 

ㅇ 암모니아를 환원제로 사용하여 NOx의 화학반응을 촉매에 의하여 촉진시키는 방법으로 촉매로는 TiO2 등이 사용 

ㅇ 반응온도는 270~350℃가 적당 

ㅇ 연소가스 중의 NOx를 N2와 H2O로 환원 

ㅇ 질소산화물과 같은 당량의 암모니아를 주입시키면 촉매 하에서 선택적으로 반응 

ㅇ 연소가스는 SCR을 거치면서 200℃로 냉각되어 연돌을 통하여 대기로 방출함으로써 백연발생 방지 

ㅇ 반응식 

- 6NO + 4NH3 5N2 + 6H2O 

- 6NO2 + 8NH3 7N2 + 12H2O 

4) 기타 처리방법 

가) 건식법 

ㅇ 흡착법 : 활성탄, Silica gel에 의한 흡착으로서 NO2는 흡착되나 NO의 흡착은 어렵다. 

ㅇ 전자선 조사법 : 배 가스중에 암모니아를 첨가하고 α, β, γ, χ선을 조사하여 SOx, NOx 등을 고상으로 포집 제거 

ㅇ 용융염 흡수법 : 가스중의 NO를 용윰염에 흡수하는 방법 

- 6NO2 + 2M2CO2 3N2 + 2CO2 + 4MNO3 

- 6NO + M2CO3 3N2 + 2CO3 + MNO3 

ㅇ 접촉 환원법 

- CO에 의한 접촉 환원법 : 반응속도가 크고 SO2의 제거도 가능 

2NO + 2CO N2 + 2CO2 

NO2 + CO NO +CO2 

- HC에 의한 환원법 : Acetylene계, Olefin계, 방향족, Paraffin계 

4NO2 + CH4 4NO + CO2 + 2H2O 

4NO + CH4 2N2 +CO2 + 2H2O 

- H2에 의한 환원법 

2NO + 2H2 N2 + 2H2O 

2NO + 5H2 2NH3 + H2O 

나) 습식법 

ㅇ 직접 흡수법 : 물, Alkali 흡수법, 황산 흡수법 

- 물, Alkali 흡수법 : NO2는 제거, NO는 불가능 

- 황산 흡수법 : NO + H2SO4 H2SO4NO 

ㅇ 산화 흡수법 : NO가 대부분이므로 산화제나 촉매를 이용하여 흡수 

- 산화제 : O3, ClO2, NaOCl, NaClO2, KMnO4, H2O2, Cl2, HNO3 

- 문제점 : 산화제의 가격이 비싸고 2차 오염이 문제 

ㅇ 산화 흡수 환원법 : NOx가 N2까지 분해 

- 환원제 : Na2S2O3, Na2S, 요소 등 

ㅇ 액상 흡수 환원법 

- 환원제 : Na2SCO3 

ㅇ 착염 흡수 환원법 : NO를 산화하지 않고 흡수 

- NO + FeSO4 Fe(NO)SO4 

   

출처: <http://www.greenvi.pe.kr/cgi-bin/technote/read.cgi?board=incineration&y_number=10&nnew=1>

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