N2020

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 하수슬러지 소각과정에서의 Non-CO₂ 온실가스 (N₂O) 및 대기오염물질 (NOX) 저감 장치 설계..

영문 : Non-CO ₂ greenhouse gas (N₂O) in the process of incineration of sewage sludge ; and Design of Air Pollutants (NOX) Reduction Devices..

과제 팀명

N2020..

지도교수

장서일 교수님

개발기간

2018년 3월 ~ 2018년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 류**(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 민**

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 신**

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 이**

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 정**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

新 기후체제(Post-2020) 대응을 위해 온실가스 저감의 중요성이 대두되고 있다. 온실가스인 은 대기 중에서 자연적으로 저감되는데 약 150년이 소요되며 에 비해 GWP가 310배 높아 온실효과에 기여를 한다. 이와 동시에 하폐수처리분야의 슬러지 소각 비중이 매년 증가하고 있으며 슬러지 소각으로 인해 배출되는 는 폐기물 분야 량의 큰 비중을 차지한다. 또한, 대기오염물질인 의 정부규제가 강화되는 추세와 함께 질소산화물 배출부과금이 2018년 5월 공포되었고, 이에 따라 2019년부터 도입될 예정이다. 따라서 사업장에서 질소산화물을 효율적으로 제거할 수 있는 대기오염물질 저감 기술이 대두되고 있다. 이에 따라, 현재 슬러지 소각에서 배출되는 온실가스 와 대기오염물질 가 적정하게 처리되고 있는지 실태를 살펴보기 위해 서울시 A 물재생센터의 및 저감 장치가 존재하는지 실제 조사해보았다. 실제 및 저감장치는 존재하지 않았고, 이에 착안하여 슬러지 소각에서의 및 발생 기작을 알아보고, 서울시 A 물재생센터 슬러지 소각공정에서의 및 저감을 목표로 정하였다. 일반적인 및 개별 저감 공정을 대신하는 경제적이고 효과적인 동시 저감 공정을 개발하는데 중점을 두고 과제를 수행하고자 한다.

개발 과제의 배경

""가. 개발과제 배경""

◇  의 성질 및 관리의 필요성

6대 온실가스 중 하나인 아산화질소()는 화학적으로 안정한 성질로 인해 대기의 대류권에서는 거의 감소되지 않으며 성층권에서 자외선에 의해 분해되거나 산소와 반응해 와 로 전환된다. 로부터 전환된 와 는 오존과의 연속적인 반응에 의해 오존층을 파괴시키는 것으로 알려져 있다. 가 오존층의 파괴에 미치는 영향은 의 영향의 약 10% 정도이나, 대기 중에서 자연적으로 저감되는데 약 150년이 소요되며 에 비해 GWP가 310배 높아 의 대기 중 배출량을 결코 무시할 수 없다.

◇ 현재 에 대한 인식 수준 및 관리 현황
실질적으로 는 다양한 산업공정에서 배출되고 있는 반면, 그 심각성을 인식하지 못하여 제대로 된 법적 규제가 마련되지 않은 실정으로 현재 한정된 공정, 직접적인 배출원 중 일부에 대해서만 저감기술 개발이 진행되고 있다. 이러한 원인 중 하나로는 대부분의 공정 및 시설에서 준수하여야 하는 법적 기준은 대기오염물질에만 국한되어 있어 현재 대기오염물질로 분류되지 않은 ‘’의 배출유무 자체에 대한 측정조차 진행되지 않고 있다. 

◇ 슬러지 소각에서의  

[그림 1]은 2016 국가 온실가스 인벤토리 보고서에 의한 폐기물 분야 배출량을 나타낸 것이다. 폐기물 분야의 배출원은 폐기물소각, 하‧폐수처리, 기타 부문이며 2014년도 기준 배출량은 1.6백만톤 eq.으로 2014년도 폐기물 분야 총 온실가스 배출량에서 10.4%를 차지한다. 부문별 온실가스 배출량은 폐기물소각 0.3 백만톤 eq., 하‧폐수처리 1.0 백만톤 eq., 기타 0.3 백만톤 eq.이다.

그래프에 의하면 하‧폐수처리 배출량이 전체 폐기물분야 배출량의 64.3%로  발생에 가장 큰 비중을 차지하고 있어 이에 대한 관리가 필요하다. 국무조정실 국무총리비서실 온실가스종합정보센터, 2016 국가 온실가스 인벤토리 보고서, 2016
보고서 내에 하수처리 슬러지 항목이 하수처리 항목 내에 포함되어 있음을 고려한다면, 가장 큰 비중을 차지하는 하‧폐수처리 분야의  발생을 저감하기 위해서는 하수 슬러지 소각에 의한 의 거동 또한 해결해야 할 부분이다. 

[그림 ] 폐기물분야 배출통계 (2016, 국가온실가스 인벤토리보고서)

◇ 하수슬러지 소각 배출원 관리 필요성 2016 하수도통계에 따르면 발생된 하수슬러지를 처리하는데 소각이 19%로 슬러지 처리 방법 중 재활용 다음으로 큰 비중을 차지하며, 최근 15년간 하수슬러지를 소각으로 처리하는 비율은 증가추세이다. 현재 하수슬러지 발생량은 매년 증가하고 있으며 환경부 상하수도정책관실 생활하수과, 2016 하수도통계, 2016 , 이에 대한 매립의 한계가 존재한다는 점을 고려하였을 때 대부분 소각 시설에서는 각 시설별 저감 장치를 설치해야할 필요성이 있다.

[그림 ] 2015년도 하수슬러지 발생 및 처리 현황(2016, 하수도통계)

[그림 ] 연도별 슬러지 소각 비율(2016, 하수도통계)

◇ 대기오염물질 (질소산화물) 배출 허용기준 강화

지난해 7월 ‘석탄 화력발전소 대기오염물질 배출허용기준 조례’ 등이 제정되는 등 대기질 개선을 위한 움직임이 커지고 있다. 석탄, 화력발전소를 시작으로 단계적으로 기타 사업장의 질소산화물 배출허용기준도 강화되고 있다. 현재 하수슬러지 소각시설의 질소산화물 배출허용기준은 70ppm으로 지난해 강화된 배출허용기준 적용 사업장은 아니었으나 추후 강화될 전망이다. 

◇ 대기오염물질 (질소산화물) 배출부담금 도입

  사업장 질소산화물 대기배출부과금 제도 도입, 투데이에너지, 진경남, 2018.05.08., http://www.todayenergy.kr/news/articleView.html?idxno=202874

환경부는 사업장에서 배출되는 질소산화물 에 대해 배출부과금을 도입하는 대기환경 보전법 시행령, 시행규칙 일부 개정안을 2018년 5월 공포하고 내년부터 도입한다. 그동안 먼지, 황산화물 등의 오염물질에만 부과되던 대기배출부과금을 질소산화물에도 부과하도록 한 것이다. 또한 기본부과금이 부과되는 배출허용기준 이내 최소배출농도를 단계적으로 강화할 예정이다. 2020년까지는 사업장의 반기별 평균 배출농도가 배출허용기준 수치의 70% 이상일 경우에만 부과하며 2021년에는 50% 이상, 2022년에는 30% 이상 배출하는 경우로 강화된다.

이와 같이 사업장의 질소산화물 관리가 강화됨에 따라 사업장에서는 질소산화물을 저감하는 기술 및 장치 도입이 필요한 실정이다. 따라서 본 설계과제에서 기존 질소산화물 저감장치가 없는 서울시 A 물재생센터에서  질소산화물을 관리할 수 있도록 설계해보고자 한다.  

다. 개발 과제의 효과

◇ 저감량의 환산 및 탄소배출권 거래 탄소배출권 거래제도는 각 나라마다 온실가스 배출량의 한도를 정해놓고 6대 온실가스 감축 실적을 유엔기후변화협약(UNFCCC)에 등록하면 감축한 양만큼 탄소배출권을 받는 제도이다. 또한 온실가스이므로 개발 과제로 인해 저감되는 의 양을 로 환산하여 탄소배출권을 통해 거래한다면 경제적 이익과 환경 보호 두 가지의 효과를 볼 수 있다.

◇하수슬러지 소각 공정 외의 배출원에 저감 기술 적용 이번 과제에서 제안하는 공정을 가 많이 배출된다고 알려진 아디프산 생성 공정 등 화학공정과 전자산업, 항공, 자동차, 선박 등 이동수단에 적용하여 을 제거한다면 온실가스 감축의 시너지 효과를 얻게 될 것이다.

◇ 및 저감공정 컴팩트화 현재 존재하는 및 의 저감공정은 각각 제거공정과 제거공정이 따로 존재할 뿐만 아니라 는 보다 높은 온도에서 제거되기 때문에 추가적인 가열이 필요하다. 하지만 이번 과제에서 제안하는 및 저감공정은 의 발생을 최소화 하는 공정과 및 을 동시에 저감하는 공정으로 기존 공정보다 공정의 구성요소를 단순화시킬 수 있고, 추가적인 열원이 필요 없어 보다 경제적일 것이다.

라. 개발 과제의 목표와 내용

◇ 개발 과제 대상 설정 및 목표

서울시 A 물재생센터의 하수슬러지 소각과정에서 배출되는 물질 중 질소화합물의 배출 농도 저감을 목표로 설정하였다. 질소 화합물로는 온실가스인 및 질소산화물 를 대표 물질로 선정하였다. 개발 공정을 통해 및 의 90% 이상 저감을 목표로 한다.

◇ 개발 과제 대상의 현 실태

실제 서울시 A 물재생센터의 하수슬러지 소각시설로부터 배출되는 대기오염물질 중 농도는 측정되지 않아 추가적인 저감장치가 설치되어 있지 않다. 실질적으로 슬러지 내 질소 성분이 일정비율 존재하는 것과 슬러지 소각과정에서 가 발생한다는 점을 감안하면 측정되지 않은 는 의 형태로 배출되고 있음을 유추할 수 있다. A 물재생센터에서 하루 동안 발생하는 하수슬러지는 124ton/day로 수분함량은 12.76 wt% 이다. 공업분석 및 원소분석을 토대로 계산한 현재 A 물재재생센터에서 발생하는 발생량은 95.54ppm 이며 은 60ppm 으로 저감 장치가 설치되어 있지 않으므로 여과 없이 대기 중으로 방출되고 있다고 판단하였다.

""나. 개발 과제의 효과""

◇ 저감량의 환산 및 탄소배출권 거래 탄소배출권 거래제도는 각 나라마다 온실가스 배출량의 한도를 정해놓고 6대 온실가스 감축 실적을 유엔기후변화협약(UNFCCC)에 등록하면 감축한 양만큼 탄소배출권을 받는 제도이다. 또한 온실가스이므로 개발 과제로 인해 저감되는 의 양을 로 환산하여 탄소배출권을 통해 거래한다면 경제적 이익과 환경 보호 두 가지의 효과를 볼 수 있다.

◇하수슬러지 소각 공정 외의 배출원에 저감 기술 적용 이번 과제에서 제안하는 공정을 가 많이 배출된다고 알려진 아디프산 생성 공정 등 화학공정과 전자산업, 항공, 자동차, 선박 등 이동수단에 적용하여 을 제거한다면 온실가스 감축의 시너지 효과를 얻게 될 것이다.

◇ 및 저감공정 컴팩트화 현재 존재하는 및 의 저감공정은 각각 제거공정과 제거공정이 따로 존재할 뿐만 아니라 는 보다 높은 온도에서 제거되기 때문에 추가적인 가열이 필요하다. 하지만 이번 과제에서 제안하는 및 저감공정은 의 발생을 최소화 하는 공정과 및 을 동시에 저감하는 공정으로 기존 공정보다 공정의 구성요소를 단순화시킬 수 있고, 추가적인 열원이 필요 없어 보다 경제적일 것이다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 개발 과제 대상 설정 및 목표 서울시 A 물재생센터의 하수슬러지 소각과정에서 배출되는 물질 중 질소화합물의 배출 농도 저감을 목표로 설정하였다. 질소 화합물로는 온실가스인 및 질소산화물 를 대표 물질로 선정하였다. 개발 공정을 통해 및 의 90% 이상 저감을 목표로 한다.

◇ 개발 과제 대상의 현 실태

실제 서울시 A 물재생센터의 하수슬러지 소각시설로부터 배출되는 대기오염물질 중 농도는 측정되지 않아 추가적인 저감장치가 설치되어 있지 않다. 실질적으로 슬러지 내 질소 성분이 일정비율 존재하는 것과 슬러지 소각과정에서 가 발생한다는 점을 감안하면 측정되지 않은 는 의 형태로 배출되고 있음을 유추할 수 있다. A 물재생센터에서 하루 동안 발생하는 하수슬러지는 124ton/day로 수분함량은 12.76 wt% 이다. 공업분석 및 원소분석을 토대로 계산한 현재 A 물재재생센터에서 발생하는 발생량은 95.54ppm 이며 은 60ppm 으로 저감 장치가 설치되어 있지 않으므로 여과 없이 대기 중으로 방출되고 있다고 판단하였다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

가. State of art ◇ 국내의 기술 현황 - 에너지기술연구원 폐기물에너지연구센터 문승현 박사팀 'NOX와 N₂O 동시저감 촉매 및 공정'

[그림 ] NOX와 N₂O 동시저감 촉매 및 공정

'NOX와 N₂O 동시저감 촉매 및 공정'은 하나의 반응기에서 NOX와 N₂O를 동시에 처리하는 공정으로 반응온도를 350℃로 낮춰 에너지 사용을 최소화 하면서도 산성가스인 일산화질소와 이산화질소(NOX)를 95% 이상, 온실가스인 아산화질소(N₂O)를 약 90% 저감할 수 있다는 특징이 있다. 하나의 반응기에서 ‘NOX와 N2O를 동시에 처리하는 촉매 및 공정기술’은 반응온도를 350 ℃로 낮춰 에너지 사용을 최소화 했으며, 기존에 촉매로 사용한 귀금속에 비해 1/4에서 1/5 가격인 구리, 철, 아연과 같은 금속성분과 함께 다른 금속산화물 또는 제올라이트와 같은 다공성 무기물을 촉매로 사용하며, 환원제로는 공급이 용이하고 저렴한 암모니아를 사용해 기존 공정대비 초기투자비는 50%, 운전비용은 60~70% 수준으로 낮출 수 있다는 장점을 갖는다 “NOx와 N2O 동시저감 촉매 및 공정 기술 국내ㆍ외 특허 출원”, 산업뉴스, http://news.yeogie.com/entry/20982, 2011-02-25, 2018-03-24.

. 하지만 하나의 반응기를, 하나의 촉매를 이용해 동시에 두 가지 물질을 저감하기 위해서는 가동조건 설정 및 촉매 활성화가 까다롭다는 어려움이 있다.

◇ 해외의 기술 현황 - 유럽 최대 슬러지소각시설에서의 N2O 고온 분해(네덜란드)

[ 그림 ] N2O 고온 분해

위 기술은 유럽 최대 규모의 슬러지소각시설을 대상으로 개발된 기술로, 슬러지 소각 전처리 과정인 건조공정에서 dry matter 비율을 30-55%로 완전건조되지 않도록 한다. 45-70 %의 함수율을 가진 슬러지를 사용할 경우, 건조과정에서 사용되는 에너지 소비를 최소한으로 줄일 수 있다는 장점이 있다. 
슬러지 소각과정에서 발생하는 대기오염물질을 처리하는 방법은 다음과 같다. 먼저 유동매체와 반응하는 단계 직후 소석회를 투입하여 생성된 SO2를 CaSO4로 전환하며, CaSO4는 소석회로 회수된다. 또한 NOX는 암모니아계 환원제를 이용한 SCR 반응을 통해 처리되며, N2O의 경우 3초 이상의 체류시간 및 900 ℃ 이상의 반응온도를 통해 N2(g)로 전환된다. 위 장치는 기존공정에서의 Air/fuel = 6%를 4%로 낮추어 N2O 저감효율을 향상시켰으며, 높은 온도(900 ℃ 이상)에서 3초 이상의 긴 체류시간을 통해 N2O를 주로 저감한다. 위 기술은 촉매를 사용하지 않아 운영비용이 저렴하다는 장점이 있으나, 체류시간을 높이기 위해서는 평균 대비 큰 면적의 반응기가 요구되며, 슬러지 건조과정에서 에너지 절약이 이루어 졌다고 판단하기에는 고온의 반응온도를 유지시키기 위한 에너지 사용량이 현저히 많다고 판단되어 국내에 적용하기 위해서는 촉매 분해 방식과 고온 분해 방식에 대한 비교판단이 필요하다.   

◇ 국내 하수슬러지 소각 시 N₂O 및 NOx 배출 저감 기술 도입 현황

국내의 N₂O 저감 기술은 몇몇 산업 공정에서 배출되는 가스에 대해서만 개발되고 있으며, 일부 CDM 사업에서 적용되고 있다. 이같이 CDM 사업에 적용된 N₂O 저감 기술은 산업공정에서 발생되는 특성에 따라 다르게 적용되는데, 처리공정의 적용위치에 따라 primary, secondary, tertiary 등으로 불린다. 이에 대한 사례로 질산 생산 공정에서는 암모니아 산화 단계에서 발생하는 N₂O를 촉매 분해로 처리하는 secondary 기술과 흡수탑 이후에서 촉매분해와 SCR방법을 이용하여 N2O를 저감하는 tertiary 기술을 사용하고 있으며, 그 중 secondary 방법이 폭넓게 이용되고 있다. 그 밖에 아디프산 생산 공정에서는 열분해와 촉매 분해를 이용해 N2O를 처리하고 있다. 반면에 하수슬러지 유동층 소각에서 발생되는 N₂O를 처리하기 위한 공정은 사용되지 않고 있다. 이러한 이유로 N₂O 저감 관련 국내특허 기술에는 산업공정의 후처리 기술로 N₂O를 저감하기 위한 촉매 및 공정 개발이 주를 이루며, 하수슬러지의 소각을 대상으로 한 N₂O 저감 기술은 미미한 실정이다. 
국내의 몇몇 물재생센터는 하수슬러지 처리하기 위해 슬러지 소각시설을 이용하고 있다. 현재 대기오염물질 배출시설에 대해 배출기준 만족을 위한 추가적인 저감시설 설치를 장려하고 있으나, 일부 시설에서는 NOX 검출 농도가 배출허용기준치를 넘기지 않는다는 이유로 이를 설치하지 않고 있다. 하지만 슬러지 소각과정에서의 질소성분 거동을 살펴보았을 때, NOX 로 배출되지 않은 질소성분은 N2O로 유출될 가능성이 있으므로 이에 대한 추가적인 측정 및 관리가 필요할 것으로 보인다. 

• 특허조사 및 특허 전략 분석

특허 1 : 탈황설비 반응로 내부 유출촉매 분리 및 회수장치

본 발명은 탈황설비 반응로 내부 유출촉매 분리 및 회수장치에 관한 것으로, 반응로에서 유출되는 촉매를 분리하는 촉매 분리장치부와, 상기 촉매 분리장치부와 연결되고 이를 통해 분리된 촉매를 재사용하기 위하여 일시 저장하는 촉매 저장장치부와, 상기 촉매 저장장치부로부터 촉매를 인출하여 반응로로 회수하는 촉매 인출장치부와, 상기 촉매 인 출장치부와 연결되고 그 내부에 장입되는 촉매 인출매체인 질소를 승온시키는 질소 승온장치부를 포함하여 구성된다.

본 발명에 따르면, 탈황설비의 반응로 내부에 충진되어 있는 촉매가 설비 운전중 유황이 생산되어 배액되는 관을 통 하여 유출될 때 유출된 촉매를 유황으로부터 분리하여 이를 회수 재사용할 수 있다.

특허 2 : 환경오염물질 배출량을 저감하는 하수슬러지 소각용 유동상 소각로 및 이를 적용한 소각 시스템

본 발명은 유동상 소각로 내에 위치하는 유동사의 하부로부터 2/3 내지 4/5의 높이의 위치로 하수슬러지를 상기 유동상 소각로 내부로 투입하는 제1 하수슬러지 투입부, 상기 제1 하수슬러지 투입부의 상부에 위치하고, 상기 유동상 소각로 일측에 위치하는 1차 공기주입부, 상기 유동상 소각로에 투입되는 하수슬러지를 유동화하기 위한 유동사를 투입하기 위한 유동사 투입부, 상기 유동상 소각로에 투입되는 하수슬러지에서 발생하는 아산화질소의 분해를 돕는 촉매를 공급하기 위한 촉매 투입부, 상기 유동상 소각로에 투입된 유동사에 열을 공급하고, 상기 유동상 소각로로 인입되는 공기를 예열/가열하기 위한 열 공급장치, 상기 유동상 소각로에서 배출되는 배기가스를 배기하기 위한 배기가스 배출부, 및 상기 배기가스 중의 집진된 분진을 상기 유동상 소각로로 재순환시키기 위하여 상기 분진을 재투입하는 분진 투입부를 구비하는 환경오염물질의 배출을 저감하는 하수슬러지 소각 장치 및 이를 적용한 소각 시스템을 제공함으로써, 경제적이면서도 효율적으로 아산화질소, 황 및 분진의 대기 배출량을 최소화할 수 있다.

""특허전략""

기존의 촉매회수장치에 관한 특허로는 입자크기에 따른 촉매 스크린 회수법(특허번호:10-1277078), 유황설비내 촉매의 회수법(특허번호:2003-0043272) 등이 있다. 본 설계에서는 다음과 같은 특허전략을 세워 유동매체로써 활용되는 고가의 촉매를 재사용하고자 하였다.

◇ 풍력선별기를 이용한 촉매회수장치에 관한 것으로서, 유동층소각로에서 사용되는 유동매체내의 촉매를 효율적으로 회수하기 위한 장치
◇ 풍력선별기를 활용하여, 밀도차가 크지 않은 고체상의 유동매체혼합물을 효율적으로 선별할 수 있다는 점에 그 특징이 있다. 
◇ 풍력선별기 후단에 집진기를 설치하여, 가벼운 입자를 효율적으로 포집할 수 있게 하였다.

• 기술 로드맵

◇ Non-CO2 온실가스저감기술 개발사업단에 의하면 현재 우리나라 N2O 저감기술은 선진기술보유국대비 75%이며 목표는 우리기술을 선진기술 보유국 대비 80%를 달성하는데 있다. 2020년 시작되는 파리협정에 의해 5년마다 당사국이 탄소 감축 약속을 지키는지 검토해야 하므로 때문에 하수슬러지 소각에 의해 배출되는 온실가스에서 큰 비중을 차지하는 N2O를 저감하는데 있어 N2O와 NOX동시저감 기술을 적용한다면 온실가스 감축 목표에 큰 기여를 할 것으로 예상된다. 이 후 2030년, 더 나아가 N2O 배출원인 운송수단이나 화학공정에 이 기술을 적용한다면 온실가스 감소에 큰 효과를 볼 수 있을 것이다. 또한 선진국이 개도국의 온실가스 배출 감소에도 기여를 해야 하는 파리협정에 의해 개도국에 N2O 및 NOX 발생 공정에 기술을 수출하는 기회도 가질 것이다.

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

➀ 기존 처리 방법(NH3 & HC-SCR) 개념 : 암모니아계 및 탄화수소 환원제를 이용한 SCR을 통해 단계적으로 NOX 및 N2O를 저감 주 처리지점 : 후단 반응 단계 : SCR 특징 ■ 탄화수소(HC) 환원제를 통한 N2O 처리(500 ℃ 이상) 과정에서 CO 형성되어 추가적인 처리 필요, ■ 2개의 개별 저감 장치를 통해 질소화합물 처리 가능 유동매체 : silica sand 유지/관리 : 촉매, 암모니아수, 탄화수소환원제

② 유동층 다단반응기 개념 : 암모니아계의 환원제와 다공성 유동매체를 혼합한 슬러리 형태를 연소로 내에 분사하여 반응기 내에서 단계적으로 NOX, N2O 처리 주 처리지점 : 소각로 내 반응 단계 : SNCR + SCR 특징 ■ 처리 과정에서 슬러리 내의 환원제가 단계적으로 증발함에 따라 반응영역이 구분되어 NOX, N2O 반응 유동매체 : silica sand 유지/관리 : 촉매, 암모니아수

③ 촉매 유동상식 반응기(CFBR) 개념 : 유동상식 연소로 내 유동매체에 촉매를 혼합하여 슬러지 소각과 동시에 N2O 저감,

후단 SCR 장치 이용하여 최종적으로 NOX 만을 처리

주 처리지점 : 소각로 내 + 후단 반응 단계 : CFBR(Catalytic fluidized bed reactor) + SCR 특징 ■ 반응기에서의 N2O 발생 원천 차단하여 기존의 NOX 저감장치 그대로 사용 가능 유동매체 : silica sand + 촉매 + Ash 유지/관리 : 촉매, 요소수

◇ 기존 처리공법 (NH3 & HC-SCR)

현재 대부분의 하수슬러지 소각공정 후단에는 N2O와 NOX를 저감시키는 공정요소가 따로 존재하지 않는다. 실제 슬러지 소각공정이 아닌 다른 공정에서 발생하는 N2O와 NOX를 저감하기 위한 추가적인 처리는 암모니아계 및 탄화수소(HC) 환원제를 이용한 SCR(선택적촉매환원법)을 2-step으로 도입하여 단계적으로 N2O와 NOX를 저감하는 방식으로 진행된다.  “NOx와 N2O 동시저감 촉매 및 공정 기술 국내ㆍ외 특허 출원”, 산업뉴스, 

http://news.yeogie.com/entry/20982, 2011-02-25, 2018-03-24.

이 때 HC 환원제를 통한 N2O 처리(500 ℃ 이상) 과정에서는 고온에서 HC의 분해 부산물인 CO가 형성되어 이에 대한 추가적인 처리가 요구되어 관리의 불편성이 뒤따른다는 단점이 있다. 

◇ 촉매 유동상식 반응기 (CFBR) 본 반응기는 기존 공정에서 유동매체로 silica sand만을 사용한 경우와 달리 유동매체로 silica sand에 촉매를 혼합하여 사용하였다. 이로 인해 완전연소가 진행되는 유동매체와의 접촉부에서 즉각적인 N2O분해반응이 발생하여 반응기 유출부에서 배출되는 가스 성분 중 N2O의 비율을 낮춰 후단에 NOX만을 단독으로 처리할 수 있도록 하였다. 그 결과 하나의 반응기에서 여러 가지 물질이 혼합되어 처리될 경우 발생할 수 있는 저해효과를 최소화할 수 있으며 연구, 개발된 촉매의 성능을 최대한으로 활용할 수 있다는 장점이 있다.

• 마케팅 전략 제시

Strengths - NOX 및 N2O의 높은 처리 효율 - 현재 가동 중인 반응기의 교체 및 추가 신설 없이 사용 가능 - 열교환기를 이용한 열 회수 및 에너지 저감 - 탄소배출권 거래에 따른 경제적 이익 발생 및 온실가스 감축 목표 달성

Weaknesses - 늘어난 촉매 비용 부담 - 촉매 수명에 따른 촉매 교체 필요 - NOX 저감장치 없을 경우, 별도 설치 필요

Opportunities - 폐기물 해양매립금지에 따라 하수슬러지의 소각 비율 증가 - 신 기후체제(Post 2020)에 따라 온실가스 처리에 대한 관심 증가 및 환경법 강화 - 국내·외에서 슬러지 소각에 대한 N2O 저감장치 연구개발 진행 중으로 아직 상용화되지 못함

Threats - 경쟁사의 다단 반응기 - 법적 규제 없어 N2O 관리에 대한 중요도 인식 낮음

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

가. 기술적 기대효과

◇ N₂O의 저감 효율이 우수한 촉매를 사용하여 N₂O 처리효율 증가
◇ O₂, H₂O, SOx와 같은 방해물질의 존재 조건에서도 N₂O 저감 효율 우수
◇ 유동층 연소로 내부 또는 후단에서 N₂O와 NOx를 동시에 저감
◇ 하수슬러지 유동층 소각 조건에서 90% 이상의 N₂O 제거율 확보
◇ 소각로 규모의 소형화 및 배가스 재가열 에너지의 절감 효과

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

 나. 경제적 및 사회적 파급효과

◇ 대부분 외국으로부터 의존하던 기술도입을 대체해 기술료의 해외 유출 방지
◇ 우리나라 산업 구조(에너지 집약적)의 특성으로 인해 발생하는 세계 환경 규제에 대한 취약성 보완
◇ 전세계적인 기후변화에 대응하고, 향후 국내 온실가스 목표관리제에 크게 기여
◇ 하수슬러지의 소각으로부터 발생되는 N₂O의 저감에 따라, 약 1.7만톤/CO₂-eq/년 온실가스 감축 (A 하수처리장 124 ton sludge/day 기준) 

기술개발 일정 및 추진체계

구성원 및 추진체계

◇ 류** - 자료수집 및 총괄 담당자
◇ 민** - 자료수집 및 보고서 제작 담당
◇ 신** - 자료수집 및 경제성 분석 담당
◇ 이** - 자료수집 및 현장조사 담당
◇ 정** - 자료수집 및 개발사업비 총무 담당

설계

설계사양

제품의 요구사항

 가. 제품 요구사항

본 설계에 있어서 제품의 요구사항을 정하고 필요사항(D)과 희망사항(W)을 명시했다. 이후 AHP 분석을 통해 각 요구사항에 대한 가중치를 산정했다. 가중치 산정 방법은 아이디어 평가 부분에서 자세히 소개하도록 한다.

처리 효율성

D 23%

제품의 경제성

D 16%

제품의 에너지 효율성 

D 12%

제품의 안전성

D 11%

기존 제품과의 호환성

D 15%

촉매 유지관리 용이성

W 11%

제품 외관의 심미성

W 3%

제품의 내구성

D 9%

요 구 사 항에 대한 자세한 설명은 다음과 같다.

처리 효율성  N2O, NOX 제거효율이 90% 이상에 부합하는가? 제품의 경제성  공정 가동을 위한 소모품(촉매, 유동매체 등)의 가격이 경제적인가? 제품의 에너지 효율성  공정에서 발생하는 에너지가 적절히 회수되고 있는가? 제품의 안전성  분해 반응 중에 유해한 부산물이 생성되지 않는가? 기존 제품과의 호환성  기존 반응기를 최소한으로 유지하며 공정 수정 및 효율을 향상시킬 수 있는가? 촉매 유지관리 용이성  촉매의 교체 및 소각로 유지관리가 용이한가? 제품 외관의 심미성  제품의 디자인이 심미적 요소를 갖추었는가? 소각장의 악취 문제는 발생하지 않는가? 제품의 내구성  내구연한에 맞게 가동이 가능한가?

설계 사양

QFD (Quality Function Deployment, 품질기능전개) 품질기능전개는 고객의 요구사항과 설계변수의 상관관계를 도출하는 것이다. 제품설계 및 제조에서 고객 요구조건을 만족시킬 수 있는 가장 바람직한 방법을 찾는 행위이다. 품질기능전개의 단계는 다음과 같다.

step1. 고객확인 - 주 고객층은 하수슬러지 소각시설을 운영하고 있는 물재생 센터 및 민간 위탁업체이다.

step2. 고객의 요구조건 결정 - 온실가스 배출권 판매로 인한 경제적인 Benefit이 커야 한다. - 제품 사용 시 공정 설치, 유지, 보수비용이 기존 시설의 공정 유지 및 보수비용과 낮거나 같아야 한다. - 촉매교체 및 유지, 사용이 편리해야 한다. - 처리효율에 비한 촉매 가격이 타당해야 한다. - 처리효율이 배출허용기준을 만족해야 할 뿐만 아니라 강화되는 배출허용기준에 따라 내구연한 이내에 설계를 변경하는 일이 발생하지 않아야 한다.

step3. 각 요구조건에 대한 상대적인 중요도 결정 - 고객의 요구조건에 대한 상대적인 중요도를 수치적으로 표현하였다. 각 요구조건에 대한 가중치를 부여하여 전체의 합을 100으로 유지했다. - 상대적인 측정으로 표시하였으며 아래의 [그림2] 품질기능전개도에 나타냈다. step4. 경쟁사 제품 확인 및 평가 경쟁사의 제품 3가지를 선정했고 각 제품들에 대한 고객들의 만족도를 비교하여 [그림2] 에 나타냈다. - 경쟁제품1 (NH3 & HC SCR) : 기존에 N₂O를 저감하기 위해 사용되고 있는 방법은 반응기 후단에서 NH3를 이용한 SCR 반응기에서 NOx를 먼저 처리 한 후, 탄화수소 환원제를 이용한 또 다른 SCR 반응기에서 N₂O를 단계적으로 저감한다. 그러나 탄화수소 환원제를 통해 N2O를 처리하는 과정에서 CO가 형성되어 추가적인 처리가 필요하며, 고가의 SCR 장치가 두 대나 필요해 고객들의 비용적 부담이 컸다. - 경쟁제품2 (다단반응기) : 2012년 한국에너지기술연구원에서 출원한 ‘유동층 연소로에서 다단반응에 의한 질소산화물 및 아산화질소의 동시 저감방법’ 의 경우 소각로 내에서 반응이 일어나 3단계로 NOx와 N₂O를 저감하여 공정이 단순화되었다는 장점이 있으나, 이 기술을 도입하기 위해서는 기존 반응기를 그대로 사용할 수 없어, 반응기를 보수하거나 새로 설치한다는 단점이 있다. - 경쟁제품3 (네덜란드 소각반응기) : 네덜란드에서 개발된 유럽 최대 슬러지소각시설에서의 N2O 고온 분해는 슬러지 건조 단계에서 함수율을 30-55%로 완전 건조되지 않도록 한다. 소석회를 투입하여 SO₂를 처리하며, NOx는 암모니아계 환원제를 이용한 SCR 반응을 통해 처리하고, N₂O는 3초 이상의 체류시간 및 900℃ 이상의 반응온도를 통해 N₂로 전환시킨다. 이 장치는 촉매를 사용하지 않아 운영비용이 저렴하다는 장점이 있으나, 체류시간을 높이기 위해서는 평균 대비 큰 면적의 반응기가 요구되며, 슬러지 건조과정에서 에너지 절약이 이루어졌다고 판단하기에는 고온의 반응온도를 유지시키기 위한 에너지 사용량이 현저히 많다고 판단되어 국내에 적용하기 위해서는 촉매 분해 방식과 고온 분해 방식에 대한 비교판단이 필요하다.

step5. 설계변수를 작성 - 처리 효율성 - 제품의 경제성 - 제품의 에너지 효율성 - 제품의 안전성 - 기존 제품과의 호환성 - 촉매 유지관리 용이성 - 제품 외관의 심미성 - 제품의 내구성

step6. 고객요구조건과 설계변수 사이의 상관 정도 규명 & 설계 변수들 사이의 관련성 규명

[그림2] 품질기능전개도 step7. 설계변수의 목표 설정 - 설계목적에 대한 내용은 설계목적계통도에 표기된 내용과 같다. - 구체적인 설계변수의 목표값은 추후 설계진행 과정에서 추가적인 평가를 통해 정의할 예정이다.

촉매 유동상식 반응기 (CFBR) N₂O 저감 효율성 - 아산화질소 90% 이상 제거 가능해야 한다. - 이산화황도 제거 가능해야 한다. 온실가스 저감 - 신기후체제에 적합하도록 온실가스를 저감해야 한다. - 온실가스 저감에 따른 편익이 산정되어야 한다. 호환성 - 기존반응기와의 상호연계성이 커야 한다. - 기존 반응기 교체 필요 없어야 한다. NO₂ 저감 효율성 - 대기오염 배출기준 만족하도록 처리해야 한다. - 질소산화물 90% 이상 제거 가능해야 한다. - 강화될 수 있는 배출기준을 충족시켜야 한다. 경제성 - 초기투자비, 촉매유지비, 요소수 투입 비용 대비 편익이 커야 한다. 내구성 - 설계 기준 내구연한 20년 대비 공정 가동이 가능해야 한다.

개념설계안

(1) N2O 저감 [그림 ] 촉매유동상식소각로(CFBR)

슬러지 소각과정에서 발생하는 아산화질소(N2O)는 발생단계에서 촉매 유동상식 소각(Catalytic Fluid Bed Reactor, CFBR) 시스템을 적용하여 저감 가능하다. 이는 반응기 내에 존재하는 유동매체를 이용하여 진행되며, 유동매체는 촉매와 silica sand 혼합물로 구성된다. 이 때 사용되는 silica sand는 반응성이 없다는 특징으로 인해 고온 (700-900℃) 에서도 효과적인 열전달 매체로 사용될 수 있다. 또한 모래는 반응기에 주입되는 고온의 공기를 통해 가열되며, 이 후 슬러지와의 혼합을 통해 완전연소가 진행될 수 있다. 또한 유동매체 내 촉매는 유동매체와의 접촉부에서 연소과정에서 발생하는 N2O에 대해 즉각적인 분해 반응을 일으켜 반응기 후단에서 배출되는 N2O 는 최대 8-90% 저감될 수 있다. 이를 이용해 후단 처리에서는 NOX 만을 단독으로 처리할 수 있도록 하였다. 그 결과 하나의 반응기에서 여러 가지 물질이 혼합되어 처리될 경우 발생할 수 있는 저해효과를 최소화할 수 있으며, 연구, 개발된 촉매의 성능 활용의 최대화를 기대할 수 있다. 이에 대한 반응기 모식도 및 혼합된 촉매 표면에서 발생하는 N2O 분해 반응은 다음과 같다. N2O는 촉매 표면에서 형성된 라디칼을 통해 N2, NOX 성분으로 전환이 가능하며, 이 때 전환된 NOX는 반응과정에서 발생한 NOX 와 함께 후단 처리로 제거될 수 있다.

N2O → NO + N• ……ⓐ N2O → N2 + O• ……ⓑ N2O → 2N• + O• ……ⓒ O• + N• → NO ……ⓓ N• + 2O• → NO2 ……ⓔ N• + N• → N2 ……ⓕ O• + O• → O2 ……ⓖ [표 ] N2O 제거 원리

(2) NO2 저감

유동상식 하수슬러지 소각 시에 배출되는 NOx의 농도는 평균적으로 약 60ppm 정도이다. 이에 적합한 설계 공정을 설정하기 개념설계에서 AHP 분석을 통하여 결정한 SCR(선택적 촉매 환원법)을 이용한 질소산화물을 처리하기로 한다. 

<SCR (선택적 촉매 환원법)을 이용한 NOx 처리 기술> 촉매의 존재 하에 암모니아, 요소수 등의 환원제 가스를 주입하여 상대적으로 낮은 반응온도조건(400℃ 이하)에서 NOx를 물과 N2로 환원시키는 기술이다. 본 설계에서는 서울시 A 물재생센터의 기존 공정을 고려하여 배기가스 열원에 의한 직접기화의 방식의 SCR을 적용하며 환원제로는 요소수를 선택한다.

[그림 ] SCR 장치 구조

[그림 ] SCR 시스템

4NO + 4 NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O ……ⓐ NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 + 3H2O ……ⓑ 2NO2 + 4NH3 + O2 → 3N2 + 6H2O ……ⓒ 6NO2 + 8NH3 → 7N2 + 12H2O ……ⓓ [표 ] NOx 제거 원리

질소를 제거하는 탈질과정 중 일어나는 반응은 [표 11]과 같다. ⓐ, ⓑ, ⓒ 반응이 주로 일어나며 특히 SCR의 주 반응은 ⓐ 반응이라고 할 수 있다.

[그림 ] SCR 공정 메커니즘

이론적 계산 및 시뮬레이션

향후 상세설계에서의 기본 조건을 설정하기 위해 A 하수처리장 슬러지 발생량 124ton/day을 기준으로 배가스 용량, 반응기 용량, N2O, NO2 발생량을 산정하였으며, 기본적인 슬러지 성상 분석 값은 다음과 같다. 이 때, 휘발분과 고정탄소는 가연분으로 실제 슬러지 소각과정에서 연소되는 주된 성분으로 분류하였다.

성분 함량(wt%) 수분 12.76 휘발분 56.53 회분 21.03 고정탄소 9.68 [표 ] 공업분석 결과

C 0.3447 H 0.0495 O 0.2574 N 0.0603 S 0.0018 W 0.1276 [표 ] 원소분석 결과

(1) N2O저감: 촉매 유동상식 소각로 (CFBR. Catalytic Fluid Bed Reactor) 1) 반응기 설계 위 공업분석 및 원소분석 결과를 토대로 소각로 내에서 발생하는 배가스량 및 N2O, NO2의 발생농도를 계산하였다. 계산에 사용된 배가스량 산정방법 및 반응조건은 다음과 같다. [표 6]을 통해 슬러지 소각을 위한 반응기 용량을 계산하였으며, 투입 슬러지량을 고려한 최종 반응기 용량은 [표 7]에서, 슬러지 소각을 통한 N2O, NO2 발생농도는 [표 8]에서 확인 가능하다.

실제 공기량, A = 배가스량, GW = A + 5.6H + 0.7O + 0.8N + 1.244W

공기비, m 1.1 유입 공기량, Sm3/kg 3.88 총 슬러지, ton/hr 5.17 가스 발생량, Sm3/sec 4.55 슬러지 가연분, ton/hr 3.42 출구 가스 유속, m3/sec 18.72

체류시간, sec 1.0 [표 ] 슬러지 소각 조건

BED (L * W * H), m3 2.0 * ２.0 * ２.0 FREE BOARD (L * W * H), m3 2.0 * ２.0 * ５.0 반응기 용량, BED + FREE BOARD 2.0 * ２.0 * ７.0 [표 ] 반응기 용량

N2O NO2 배출계수 595.0 g/ton Sludge

배출량 37.56 Sm3/d

배출농도 95.54 ppm 60 ppm [표 ] 슬러지 소각에 따른 Nitrous gas 발생 농도

[그림 ] N2O 공급농도에 따른 N2O 전환율의 변화

[그림 ] N2O 공급농도에 따른 NO농도의 변화

유동매체와의 접촉을 통해, 소각과정에서 발생한 N2O 100 % 전환 (800℃ 이상) 최저 농도로 갈수록 N2O의 NO 전환 비율 높아짐

95ppm의 조건에서는 170-190ppm NO 발생

(90-100% 전환) [표 ] N2O 공급농도에 따른 N2O, NO농도의 변화

800 ℃ 이상의 소각로 내 유동매체와의 혼합 조건에서는 N2O의 농도가 높을수록 NOX로의 전환 비율이 낮아져, N2 로의 이상적 전환이 가능하다. 반면 본 소각로에서 발생가능한 N2O 농도는 약 95 ppm으로 N2로 전환되기에는 극히 낮은 농도로 판단되어 이는 결과적으로 100% NOX 물질로 전환될 것이라 예측 가능하다. N2O 가 NOX 로 100 % 전환된다면, 190 ppm 의 NOX 를 형성하여 Sludge 소각에서 발생한 60 ppm의 NOX 와 혼합되어 최종적으로 소각로 후단에서의 NOx 농도는 250 ppm로 높아질 것으로 보인다.

[그림 ] 하수슬러지 유동층 소각에 따른 소각로 내 발생 가스 분포

하수슬러지 유동층 소각에 따른 소각로 내 발생가스 분포를 보면 반응기 높이가 올라갈수록 N2O와 NOx 제거 효율이 급격히 저하된다. 즉 반응기 높이 중 free board가 차지하는 비중이 너무 클 경우 산소 농도의 감소 및 온도 하락으로 인해 N2O농도가 다시 상승한다. 따라서 반응기의 높이가 너무 높지 않도록 적절한 설계가 필요하다. 산소 농도가 높아짐에 따라 모든 물질의 농도가 급격히 낮아진다. 물질의 농도 저하가 유동층 내 모든 영역에서 고르게 이루어져야 적절한 설계가 되므로 단을 나누어 공기를 공급하도록 한다. 또한 과잉공기비를 높일 경우 후단 사이클론의 압력 및 온도에 영향을 미치므로 한 번에 많은 양의 공기를 주입하지 않고, 유동과 공기 주입구를 2개로 나누어 설계하여 후단의 공정에 무리가 가지 않도록 한다.

<반응기 설계>

 FREE BOARD가 차지하는 비중 너무 클 경우 산소 농도의 감수 및 온도의 하락으로 인해 N2O 농도 다시 상승 → 반응기 높이 너무 높지 않을 것  산소 농도 높아짐에 따른 모든 물질의 농도 급격히 낮아짐 / 과잉공기비 높일 경우 후단 공정에 영향 → 단을 나누어 공기 공급

2) 유동매체 산정 제올라이트 구성물질은 Si, Al로 유동사와 유사한 구성을 하고 있어 유동층 연소로의 유동매체로 활용 가능하다. FAU를 제외한 나머지 zeolite계열의 시료는 650 ℃ 이상에서 100%에 가까운 N2O 전환율을 보이고 850 ℃의 고온이 지속되어도 안정적인 활성을 보여서 N2O 저감을 위한 유동매체로서의 적용 가능성이 매우 높은 것으로 판단된다. 극성을 띠는 N2O의 효과적 제거를 위해서는 전기적 반응 필요하기 때문에 유동매체에 철 이온을 담지시킨다. 또한 framework의 직경이 N2O 길이와 적합하여야 효과적인 반응 기대할 수 있다. 제올라이트의 종류는 zeolite B와 zeolite M을 각각 혹은 혼합하여 사용하며, 유기바인더와 무기바인더, 증류수를 혼합하여 압출 성형용 반죽을 준비하였다. 이때, 원하는 압축강도와 밀도를 얻기 위하여 각 원료의 혼합비를 조절하였다. 압출식 구형 성형방법으로 얻어진 유동매체를 cold mode test 수행을 통해 최소유동화속도를 조사한 결과 약 0.4 mm의 유동사는 0.44 m/s의 최소 유동화 속도를 나타내었으며, 제조된 6 mm의 구형 제올라이트 유동매체는 2.11 m/s로 도출되었다. 유동화를 위해서는 상대적으로 매우 높은 유속이 요구된다. 그러나 6 mm의 제올라이트 유동매체를 유동사와 혼합하여 사용하면, 유동사를 사용한 경우와 매우 유사한 유동현상을 관찰할 수 있다. 2 mm이하의 제올라이트 유동매체를 사용한 경우, 유동사와 유사한 0.6 m/s 이하의 최소유동화속도를 얻어, 유동사와 유사한 유동화 현상을 얻을 수 있을 것으로 예상되었다. 제올라이트 유동매체를 사용할 경우, 크기가 1 mm 이하의 유동매체 사용에서 N2O를 약 100 ppm까지 저감할 수 있는 것으로 나타났다. freeboard 부근에 추가적인 N2O 저감용 촉매를 장착할 경우, N2O의 농도는 약 50 ppm이하로 나타났다. 사용된 제올라이트 유동매체를 회수하여 N2O 반응 실험을 재수행한 결과, N2O에 대한 활성에 대한 비활성화가 관찰되지 않아 조사된 운전조건에서는 제올라이트 유동매체에 큰 영향이 없는 것으로 판단되었다.

<유동매체용 촉매 선정 조건>

조건1. 유동층 연소로내 유동매체로 활용 가능성 : 유동사와 유사한 구성 (Si, Al 등) 조건2. 고온에서의 안정적인 활성 조건3. 전기적 반응을 이용해 극성 N2O의 효과적 제거 → Fe 이온 담지 조건4. 유동매체의 Framework의 직경이 N2O 길이와 적합할 것 조건5. 압출식 구형 성형방법으로 얻어진 유동매체의 최소유동화속도 조사 조건7. N2O 저감 효율 조건8. 촉매 회수가 용이하고 재사용이 가능할 것

[그림 ] 촉매 충진량에 따른 N2O 전환율의 변화

4L/min의 유량에서 800 ℃에서 N2O 100% 전환을 보이는 최소 촉매 필요량은 0.3g 이다. 본 설계에서의 유량은 4.55 Sm3/sec이며 분해반응은 촉매의 공극(Sm3/g) 내에서 진행되기 때문에 유량이 증가함에 따라 요구되는 촉매량은 비례할 것이라 판단하여 최종적으로 82.18 kg의 촉매가 이론상 투입된다. 1.2의 여유율을 고려하여 최종 100kg의 2mm 구형 유동매체(밀도 2.0g/ml)가 사용될 예정이다. 또한, 연구결과 촉매의 비활성화가 관찰되지 않았음을 고려하여 추가적인 교체비용은 산정하지 않았다. 하지만, 하수슬러지 불연분에 대한 배출이 필요하므로 이에 대한 회수장치 설치가 필요하다. 위와 같은 불연분 및 유동매체를 회수하여 불연분 제거 처리를 실시 할 경우, 회수율을 고려하여 소각로 내 유동매체의 연속적 투입이 요구된다.

3) 불연분 회수장치

[그림 ] 불연분 회수 장치

2 mm 구형 유동매체 82.15kg 사용 예정이나, 여유율 20%와 완전 소각을 고려하여 최종적으로 100 kg을 사용하도록 한다. 유동매체의 밀도 2.0 g/cm3이므로 0.05 m3 의 용량 차지한다. 촉매 용량 대비 Ash 차지하는 용량이 크므로 불연분 회수를 위해서 전체량을 회수하도록 한다. 회수량은 총 5 ton/hr sludge X 0.21(Ash content) = 1 ton/hr Ash이며, 슬러지 불연분 비중 2.6에 의해 Ash 유량 0.385 m3/hr을 도출하였다. 5 ton/hr sludge, 1 ton/hr Ash 에 대한 유동매체량 0.1ton/hr이며, 촉매가 활성을 잃지 않는 특징을 고려하여 100% 재생 후 재투입 되도록 설계한다. 불연분 체류시간을 1시간으로 가정 시에 총 촉매 투입 용량은 0.1ton이며 필요 1차 촉매 저장조 용량은 0.8m3이므로 여유율을 고려하여 1mX1mX1m로 설계하도록 한다. (2) NOX 저감: SCR(선택적 촉매 환원법)을 이용한 질소산화물 저감

배가스를 탈질 촉매에 통과시켜 선택적으로 질소산화물을 질소와 물로 환원시켜 저감시키는 방안이다. 환원제로 요소수를 선택하고 공정온도 350℃에서 반응시킨다. 앞의 소각로에서 질소산화물로 전환된 아산화질소까지 고려하여 최종적으로 약 250ppm 질소산화물을 현 대기오염기준(70ppm)보다 더 보수적인 기준인 5ppm이하까지 저감시키고자한다.

[그림 ] N2020 SCR 공정

1) 환원제 설정 환원제로는 암모니아와 요소수가 주로 사용된다. 그러나 암모니아는 화관법상 유독물질, 산안법상 특정 화학물질 제3류로 지정되어있는 등 보관시 안전상의 문제가 있다 따라서 보관이 쉬우며 안전한 물질인 요소수(40%)를 상온 저장탱크에 밀봉하여 보관한 후 기화시켜 사용하고자 한다. 요소수는 150도 이상에서 기화하여 암모니아가 된 후 환원제로써의 역할을 할 수 있다. 환원제는 열교환기로부터 배출된 약 400도의 고온부 flue gas 중 일부를 인출하여 기화열원으로 사용하도록 한다. 인출된 기화열원용 배가스는 고온순환가스 순환 fan을 통해 기화기로 요소수 기화열원을 공급한다. 요소수는 기화된후 scr의 암모니아 분사그리드에서 균등하게 분사되어 환원제로 작용한다.

환원제는 암모니아 슬립현상을 일으켜 또 다른 대기오염물질로 작용할 수 있다. 때문에 적정량이 주입되어야하며 적정비율은 총 질소산화물 몰비: 기화된 NH3 몰비 = 1:1 이다. 최종적으로 질소로 환원되는 반응식은 다음과 같다. 

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

이를 소각로 후단 배기가스량 4.55 S m3/sec (350도에서 37380 m3/hr) , 처리전 질소화합물 농도 250ppm, 요소수 40% 기준으로 산정해보면 요소수는 약 30m3/hr (@ 350℃) 유량의 암모니아가스로 환산된다. 기화될 때 약 1700배정도 부피가 커진다는 것을 고려하면 필요한 요소수의 주입량은 약 17L/hr 이다.

2) 탈질촉매 산정

탈질 효율 및 차압에 우수한 촉매의 선택이 필수적이며, 국내 복합화력 발전소의 경우 대부분 HoneyComb 촉매가 설치되어 있다. SCR용 촉매는 높은 촉매 활성, 질소의 높은 선택성, 배기가스중의 수분 및 CO등에 우수한 내구성을 가지고 있어야 하며, 이를 만족시키기 위해 다양한 종류가 연구되어지고 있다. 현재까지 상용화된 촉매로는 V2O5/TiO2 (바나듐/티타늄)계 촉매가 대표적이며, 바나듐계의 촉매는 250~450℃ 영역에서 최적 활성을 보이고 있다. 
N2O2O의 설계에서 사용할 탈질촉매는 V2O5/TiO2 기반의 허니컴 촉매로 pich size 10m, 밀도 cpsi 20으로 현재 상용화된 셀인 60×60 cell을 사용한다. 해당 허니컴 촉매는 한국전력공사 전력연구원의 개발 촉매와 연구결과를 토대로 산정했다.  
  

[그림 ] SCR 탈질촉매 1차원

[그림 ] SCR 탈질 촉매 3차원

[그림 ] SCR 내부 설계도

배가스 유입 Duct SCR 내부 유량 37380m3/hr 37410m3/hr 속도 유속: 18m/sec 공간속도: 4000/hr 내부직경 0.8m 2.12m 이상 [표 ] SCR 설계 소각로 후단에서 사이클론과 열교환기를 거쳐 SCR내부로 유입하는 배가스는 350도에서 37380m3/hr 의 유량을 가지며 이때의 적정유속은 18m/sec SCR 배연탈질 촉매 및 설비 실증화 연구, 한국전력공사 전력연구원, 2004 외 1개 논문

이다. 이 배가스는 SCR내부의 탈질촉매의 공극에 의한 압력강하 발생으로 유속이 저하된다. 따라서 이 압력저하를 일정이상 낮추기 위해 배관은 깔때기모양으로 커진다. 따라서 원활한 유속을 지속시키며 탈질효율을 높이기 위한 유입구 직경 및 내부 직경을 산정하면 다음과 같다.
이때 유입구의 배가스의 밀도는 350도에서 0.5702g/L이고 SCR 설비 전 후단의 차압은 39mmH2O 전력연구원, 2004
로 압력강하를 최소화시켰다. 
촉매 모듈은 공간속도 4000/hr를 적용하여 2.12m (L) X 2.12m (H) X 2.08m (W) 의 허니콤 촉매 모듈로 설치하였고 2단으로 설치하여 질소산화물 저감효율을 극대화 시켰다. 

3) 탈질 설비의 성능확인

탈질설비의 성능을 고려하기 위해 다음과 같은 4가지의 조건을 적용하였다. 

1) 탈질 설비의 후단 질소산화물 농도가 대기기준인 70ppm 이하인가 2) 탈질 설비 후단의 암모니아 슬립의 농도가 30ppm 이하인가 3) 탈질 설비 전후단의 차압이 40mmH2O 이하인가 4) 탈질 설비의 촉매 수명이 50000hr or 7년 이상인가 탈질 설비 후단에서 질소산화물은 90%이상의 효율을 나타낸다. 또한 본 설계에서 2단으로 촉매모듈을 설치하여 이론적으로는 최종적으로 250ppm에서 2.5ppm까지 저감가능하다. 즉 하수슬러지 소각시설의 대기기준인 70ppm보다 매우 적은 농도까지 저감시킬 수 있으며 이는 아산화질소가 질소산화물로 전환되었다는 점을 고려할 때 아산화질소와 질소산화물이 동시에 저감시켰다는데 의의가 있다

[그림 ] 반응온도에 따른 NOx 저감 효율

탈질 설비 후단에서 암모니아 슬립농도는 온도에 따라 다음그림과 같다. 350도 운전조건, 허니컴촉매 밀도 20cpsi, 공간속도 10000/h에서의 실험결과 전력연구원, 2004

에서 암모니아 슬립은 평균 5~30ppm 으로 나온 것을 볼 수 있다 본 설계에서는 공간속도를 4000/hr로 낮추고 요소수의 몰비에 따른 적정주입량을 산정하는 등의 설계를 토대로 암모니아 슬립량은 더욱 줄어들 것이라고 판단하였다.
         

[그림 ] 촉매 밀도 Cpsi20, 공간속도 10000/h 일 때 암모니아 slip량

또한 위의 공정조건과 촉매모듈의 사용에서 탈질 설비의 전/ 후단 차압은 39mmH2O이하로 kay와 London의 모델을 적용했다. 이는 촉매모듈 2단을 고려한 차압으로 계산되었다. 
마지막으로 촉매의 수명을 늘리기 위해 제매기 등을 설치하고자하며 예상 기대 촉매 수명은 50000hr 또는 7년으로 설정하였다. 예상수명에는 현장에서의 자료와 참고문헌 전력연구원, 2004
등을 참고하였으며 이에 대한 추가적인 연구가 필요한 실정이다.

(3) 열교환기

[그림 ] Heat balance 하수슬러지 성분 조성과 가정변수를 이용하여 입열과 출열을 비교하여 heat balance를 통해 소각로 출구가스의 온도를 산출하였다. [표 ] heat balance 가정변수

[표 ] 입열 총계

[표 ] 출열 총계

입열과 출열 총계로 산정한 소각로 출구가스 온도는 약 949℃가 된다. 이 소각로 출구가스를 상온의 공기와 열 교환하여 출구가스 온도를 낮추어 후단의 공정에 무리가 가지 않도록 하고, 상온의 공기는 온도를 증가시켜 유동층 소각로에 재 주입하여 연소가스 예열을 위한 에너지 소비를 감소시키고자 한다. 열교환기에서의 흐름에 의한 배치는 대향류식과 평행류식으로 나눌 수 있다. 대향류식은 고온 유체와 저온 유체가 열교환기의 반대쪽으로 들어가서 서로 반대방향으로 흐르며, 평행류식은 고온 유체와 저온 유체가 열교환기의 같은 쪽으로 들어가 같은 방향으로 흐른다. 이번 설계에서 적용하는 열교환기에서의 유체흐름에 대한 배치는 대향류식을 적용하며, 쉘앤튜브 열교환기를 이용하여 Tube에는 연소가스가 통과하고, shell에는 상온의 air가 통과하여 연소가스의 온도는 낮추고, 상온의 공기의 온도를 증가시켜 데워진 공기를 다시 유동층 소각로로 주입하여 공기예열에 의한 에너지를 감소시키고자 한다.

[그림 ] 열교환기의 열 교환에 따른 종류

열교환기에서의 전열면적 산정을 통해([표 14]) 열교환기를 설계하도록 한다.

[표 ] 열교환기 전열면적 산정

결과적으로 열교환기의 필요 전열면적은 95.95m2이다. 이 때 길이 1m, 외경 0.012m, 내경 0.01m인 Tube 1272개로 설계하며, Shell은 길이 1.5m, 직경 1.0m으로 설계한다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

평 가 항 목 평 가 방 법 적용기준 개 발 목표치 비중 (%) 1. 촉매 반응 효율

촉매반응을 통해 질소화합물이 적절히 분해되었는가
질소 화합물의 전환율 (X(%))

95% 이상 20 2. 촉매의 경제성

촉매 비용 및 교체주기가 경제적인가

시중에 사용되는 촉매와의 촉매가격 및 교체주기 비교 기존대비 향상비율 40 3. 온실가스감축

본 설계를 통해 달성할 수 있는 온실가스 감축량
CO2 환산 기준 온실가스 감축량

국내 감축목표 달성 25 4. 대기오염물질 배출기준

최종 배출 물질이 대기오염물질 배출기준을 준수하는가

대기오염물질 배출기준 기준만족 15