한국에너지기술연구원 미세먼지연구단 정순관 박사 연구진은 미세먼지 발생 원인물질인 질소산화물(NOx)의 배출량을 선택적촉매환원 설비에서 200℃ 이하에서도 획기적으로 저감할 수 있는 에너지절감형 광역온도 배연탈질촉매 제조기술을 개발했다.
발전소나 제철소 등 연소시설에서 발생하는 고온의 질소(N2)와 산소(O2)가 반응해 질소산화물을 생성한다. 질소산화물은 스모그, 산성비, 미세먼지를 유발하는 대표적 환경오염 물질로 인체에 치명적인 질환을 일으켜 한국을 포함한 많은 국가에서 배출량을 규제하고 있으며 그 기준은 점점 강화되고 있다.
상용 선택적촉매환원 설비에서 질소산화물 저감 촉매의 최적 효율을 보이기 위해서는 배기가스의 온도를 300-350℃로 재가열하는 별도의 공정이 필수적이다.
이로 인해 운영비 상승과 최적의 온도를 맞추기 위한 연료 연소로 많은 질소산화물이 추가 배출된다.
이러한 비효율적인 에너지소모를 낮추기 위해 연구진은 200℃ 이하의 온도 영역에서 우수한 활성을 보이며 황산화물에 대한 내피독성을 갖는 탈질촉매를 개발했다.
연구진은 새로운 촉매 합성법 개발을 통해 촉매 활성입자인 바나듐 구조의 제어로 탈질 반응에 참여할 수 있는 활성 입자의 수를 극대화했다.
또한 촉매와 반응할 암모니아 대신 수분이 흡착되지 않게 조촉매(촉매의 효율을 높이기 위해 사용하는 물질)를 도입해 수분의 흡착에너지 감소 및 FAST-SCR 반응을 유도함으로써 180℃의 극저온에서도 92%의 탈질 효율을 보이는 세계 최고 수준의 배연탈질촉매를 개발했다.
연구진이 개발한 새로운 저온탈질촉매는 황산화물이 존재하는 조건에서도 상용촉매와 비교해 우수한 내피독성을 갖는 것을 확인했다.
신규 탈질촉매는 170-400℃의 광역온도에서 적용이 가능해 별도의 배기가스 재가열 공정이 불필요하기 때문에 최대 63%의 에너지 절감이 가능하다.
이는 더욱 강화되는 대기오염 배출규제에 대응하기 위한 중소사업장 업주들의 환경설비 운영 부담을 줄여주고, 환경규제에 대응할 수 있는 에너지절감형 기술이다.
현재까지 180℃ 영역에서 92% 이상 탈질 효율을 보이는 촉매 개발 사례가 없었으며, 국내 환경 촉매의 높은 해외 의존도를 탈피하고, 미개척 분야인 저온 촉매 분야에서 기술적 우위를 확보함으로써 국내외 시장을 선점을 할 수 있는 파급력이 높은 기술이다.
연구진은 해당 기술의 상용화를 위해 100Nm3/h 규모의 파일럿 실증을 위한 촉매제조 scale-up 및 모듈 최적화 연구를 추진 중에 있다.
미세먼지연구단의 황선미 선임연구원은 “다종학문의 융합과 몰입 연구를 통해 저온 탈질 촉매 기술을 선점할 수 있었다. 또한 탈질촉매 연구분야에서 꿈의 영역인 150℃ 이하에서 우수한 활성을 갖는 촉매개발에 도전하여 누구도 따라올 수 없는 기술을 개발하겠다.”고 말했다.