SCR (Selective Catalytic Reduction) - 선택적 촉매 환원법 원리, 탈질, TMS 및 대기총량제 관련 설비, SNCR과 비교

이전 TMS, 대기총량제, 대기환경보전법 관련 포스팅에 이어 오늘은 SCR(Selective Catalytic Reduction, 선택적 촉매 환원법)에 대해 포스팅해보고자 합니다. 

 

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각기 다른 산업분야에 적용되는 대기총량제 및 대기환경보전법으로 사업장 배기가스의 대기오염물질 규제가 강화되었습니다. 이에 따른 배출물질 저감을 위한 다양한 설비들이 도입되고 있는데요.

 

오늘은 그중 하나인 SCR과 SNCR의 개념, 비교 그리고 원리에 대해 알아보겠습니다.

1. SCR과 SNCR? 개념과 원리

▶선택적 촉매 환원법(SCR)

    개념 : 선택적 촉매 환원은 고온 연소반응 중 필수적으로 발생하는 Thermal NOx를 질소와 물로 전환하는 방법입니다. 이때 촉매의 도움을 받기 때문에 암모니아(환원제)는 촉매의 도움을 받아 탈질 반응을 하게 되는데요. 이때 첨가되는 암모니아는 Air와 혼입 되어 5%가량의 혼합 가스로 투입되거나 암모니아수, 요소수 형태로 첨가됩니다. 

   적용 예 : 폐가스 소각시설의 배기 굴뚝, 유틸리티 보일러, 산업용 보일러, 유/무기물질 제조공정 반응로 및 기타 공정, 자동차 배기가스 배출구 등 적용되고 있습니다.

   환원 반응 :  환원 반응은 아래 반응식과 같습니다. 배출 가스가 촉매 챔버를 통과할 때 암모니아 또는 그 외 환원제와 함께 반응합니다.

NOx의 암모니아와 환원반응식

기본 NOx 탈질반응과 SOx의 2차반응

 

   촉매 : SCR 촉매는 티타늄 산화물과 같은 다양한 다공성 세라믹 재료가 지지체로 사용되며 촉매 성분은 일반적으로 바나듐, 몰리브덴, 텅스텐, 제올라이트 등이 사용됩니다. 최근에는 활성탄을 기반으로 한 촉매가 개발되면서 저온에서 NOx를 제거할 수 있게 되었습니다.

촉매 구조는 일반적으로 벌집형 촉매, 판형 촉매가 있으나, 판형 촉매는 Pressure Drop이 낮고 오염에 덜 민감하나 비싼 단점이 있습니다. 반면 벌집 구조형 촉매는 Pressure Drop은 높으나 오염이 쉽게 되고 가격은 저렴합니다.

구분	특징
바나듐 및 텅스텐 비금속 촉매	1. 열 내구성이 낮으나 저렴함 2. 일반적인 산업 유틸리티 보일러 등의 온도범위에서 잘 적용됩니다. 3. 자동차 SCR분야에 주로 사용되며 SO2, SO3도 산화시킬 수 있습니다.
제올라이트	1. 비금속 촉매에 비해 더 높은 온도에서 작동합니다.  2. 온도 내성이 높습니다. 3. SO2산화에 잠재력이 낮습니다. 4. 산화 관련 부식위험을 줄일 수 있습니다.

   구조 : 일반적인 SCR의 구조는 다음과 같습니다.

일반적인 SCR의 구조

① Gas/ Gas열교환기 : NOx가 포함된 주입 가스는 먼저 열교환기 구역으로 들어갑니다. 환원 촉매반응이 일어나기 위해서는 Heater에서 예열이 필요한데 예열 후 촉매반응이 일어나 탈질이 완료된 배기가스는 고온이므로 이 열을 회수하게 됩니다. 일종의 Energy Saving이라 보시면 됩니다.

② Heater : 촉매 환원 반응이 일어나기 위한 특정 온도로 천연가스나 Steam을 이용하여 가스를 가열합니다.

③ Reagent(Ammonia, 요소수, 암모니아수 등) : 환원제를 분사합니다. 

④ SCR System, Reactor Section : 특정 온도에서 촉매와 환원제, NOx와 SOx가 반응하여 탈질, 탈황됩니다.

⑤ Economizer : 배출가스를 목표 온도 수준으로 낮춥니다. 보통 가열이 필요한 공정 유체를 사용하여 열을 회수합니다.

     TMS가 후단에 부착되어 있다면 TMS의 Sample측정방식(Hot, Cold방식)에 따라 그 용량이 결정됩니다.

⑥ Fan&Stack : ID Fan 등 배출을 위한 회전기기와 Vent Gas를 측정할 수 있는 굴뚝 부분입니다. NOx, SOx가 원하는 수준까지 제거되었는지 확인해야겠지요.

 

 

▶선택적 비촉매 환원법(SNCR, Selective Non-Catalytic Reduction)

 개념 : 촉매가 없이 환원 반응을 일으키는 방식으로, 800~900℃의 높은 온도를 요구하며, 제거효율은 40~50% 정도로 SCR보다 효율이 낮습니다. 또한 1,000℃이상의 고온에서 질소산화물이 다시 발생하여(Thermal NOx) 온도제어가 힘들다는 단점이 있습니다. 

하지만, 설치와 유지비가 적고, 소용량의 NOx탈질에 사용됩니다. 

 

2. SCR과 SNCR비교

구분	SCR(Selective Catalytic Reduction)	SNCR(Selective Non-Catalytic Reduction)
장점	1. 제거율이 높다. 2. 공정이 단순하다. 3. 미반응 암모니아가 적다. 4. 백연현상이 없다. 5. 가열비용이 적다.	1. 설치비용이 적다. 2. 다양한 가스 종류에 적용 가능하다. 3. 운전과 보수가 쉽다. 4. 설치공간이 적다.
단점	1. 촉매가 비싸다. 2. 촉매수명이 운전조건에 따라 달라진다. 3. 촉매에 의한 압력손실이 크다. 4. 먼지 및 SOx농도에 따라 Performance가 달라진다. 5. 촉매 설치공간이 필요하여 크기가 커진다. 6. 촉매 교체시 교체비용이 발생한다.	1. 제거율이 낮다. 2. 암모니아 미반응량이 높다. 3. 운전온도가 높아 백연현상 발생 가능성이 있다. 4. 연소온도 제어가 어렵다.
제거효율	90%	30~60%
운전온도	300~450℃	800～900℃
필요면적	촉매탑 설치공간 필요, 40m3이상의 공간 필요	소용량으로 제작 가능

 

 

강화되는 대기규제에 따라 SCR, SNCR과 같은 건식 탈질설비 외에도 세정탑 등의 습식설비, 다양한 촉매를 이용한 신식 설비들도 연구되고 있다고 합니다. 

 

이상으로 SCR, SNCR의 기본 원리와 장점, 단점 및 설비 구조에 대해 알아보았습니다. 대기총량제 규제에 대비하여 적절한 설비를 고려해 보시길 바랍니다.