6. 이동원배출질소산화물제거 디젤자동차는연비가높고상대적으로값싼연료를사용하기때문에트럭, 버스등상용차와레저용승용차용으로제조되고있다. 특히탄소배출량에따라자동차세를부과하는유럽에서는탄소배출량이상대적으로적은디젤자동차의생산을증대시키고있으며이로인해외국산디젤승용차의비중이증가하고있는추세이다 ( 참조 : 한국에너지공단 (www.bpms.kemco.or.kr) 에서자동차 CO 2 배출량정보를제공함. 디젤자동차의경우디젤연료의 CO 2 배출지수는높으나연비가우수하기때문에단위주행거리당 CO 2 배출량 [g/km] 은작게나타남. 일반적으로이산화탄소배출량은디젤차 < 가스차량 < 휘발유차량순임.) 2015년통계자료에따르면우리나라에서는 2015년당시의개별소비세인하와캠핑문화확산의영향으로 2014년대비레저용차량은약 7.7% 증가한 156만대가판매되었다. < 표 6-1> 국산차차급별판매비중추이 [%] 구분 경형 소형 중형 대형 SUV CDV 2014 15.4 18.7 17.0 14.9 27.8 6.1 2015 13.1 15.8 15.8 14.0 34.1 7.3 SUV : sports utility vehicle, CDV : car derived van ( 참조 : 산업통상자원부, 2015 년자동차산업, 2016.1.11.) 디젤차의가장큰문제는많은미세먼지와질소산화물을배출한다는것이다. 미세먼지의경우제조업연소에의한것이가장많으며두번째가자동차를비롯한이동오염원인것으로나타났다. 2012년조사된자료에의하면자동차와같은도로이동오염원의경우 PM10의 12%, PM2.5의 16% 를차지하는것으로나타났다. 선박이나건설장비와같이비도로이동오염원의경우 PM10의 13%, PM2.5의 17% 를점하는것으로보고되었다. 특히이동오염원에서배출되는미세먼지의대부분은 PM2.5로그비중이 92% 에이르기때문에반드시제거하여야한다. 2차미세먼지를유발하는질소산화물과일산화탄소는자동차등에의한도로이동오염원배출량이전체배출량의 49% 와 63% 를차지하여가장높은배출기여율을보이고있다.
[ 그림 6-1] 이동원배출미세먼지분포 ( 참조 : 환경부, 미세먼지, 도대체뭘까?, 2016.04) 디젤엔진에서배출되는유해물질로는가스상물질과입자상물질 (particulate matter) 로구성되어있다. 입자상물질은주로철 (iron), 검댕 (soot), 타르 (tar) 및탄소계물질 (carboneous material) 등으로구성되어있다. 디젤엔진에서배출되는입자크기는대부분 1μm이하로알려져있으며이렇게작은입자들은큰입자에비해상대적으로넓은비표면적을가지고있어발암성, 돌연변이원성을가진물질이쉽게흡착되는것으로알려져있다. 2.5μm이하인미세디젤분진 (DEP PM2.5) 는 ployaromatic hydrocarbon(pah), heterocyclic compounds, phenols 등이포함되어돌연변이물질, 발암물질및기타독성물질을함유하고있으며인체에대한독성이매우커서환경관리대상의주요입자상물질로취급받고있다. [ 국립환경과학원, 경유자동에서발생되는미세먼지 (PM2.5) 의인체위해성영향평가, 2011.12] 여러가지배출오염물중
가장큰이슈로부각되고있는미세먼지와질소산화물은공교롭게도 trade off 관계에있다. 후처리장치없이엔진만을가지고이두가지물질을동시에제거할수없다. 분진배출을줄이기위해연소온도를높이면질소산화물 (thermal NOx) 의배출이증가하고질소산화물을줄이기위해연소온도는낮추면분진배출이늘어나게된다. 따라서이를처리할수있는적절한후처리장치가필요하다. 분진배출은 DPF(Diesel Particulate Filter) 라고불리는매연저감장치를통해제거한다. DPF는필터를이용하여물리적으로입자상물질을포집하는것으로대부분 corderite나 silicon carbide로제조한 honeycomb monolith를사용한다. 구조는통상적인촉매지지체와유사하나각끝단이막혀있는채널형태로구성되어있다. 끝이막혀있기때문에배기가스는채널과채널사이벽으로통해밖으로배출되며입자상물질은벽에포집된다. 미세먼지는제거효율은 99% 이상으로설계되었으나디젤자동차배출가스의입자상물질이고체가아닌부분이포함되어있기때문에약 90% 이상의효율을보이는것으로보고되고있다. 입자상물질이필터에계속해서포집될경우압력손실이크게증가하기때문에주기적으로필터를재생시켜야한다. 재생은방법에따라 passive system과 active system으로나눌수있다. passive system 은 DPF 전단에산화촉매층이설치되어있고이산화촉매층에서 CO나탄화수소를산화시키며, NO의일부를 NO 2 로산화시킨다. 이때생성된 NO 2 는필터에포집된입자상물질과반응하여입자상물질을제거한다. active system은필터사이의압력손실이설정값이상으로되면연료를분사하여필터층온도를 600 이상으로상승시켜포집된입자상물질을산화시키는방법이다. [ 그림 6-2. DPF 구조및 passive regeneration system] ( 출처 : Johnson Matthey, ect.jmcatalysts.com)
디젤자동차에서발생되는질소산화물을제거할수있는방법은 5장에서소개한선택적촉매환원법 (SCR) 과 EGR(Exhaust Gas Recirculation), LNT(lean-burn NOx trap) 등을들수있다. EGR은엔진에서연소된배기가스의일부를다시엔진으로되돌려보내재처리하는방식으로배기가스의순환에의해엔진연소실의온도를낮춰질소산화물생성을줄이는방법이다. LNT는다른표현으로 NSR(NOx storage & reduction) 이라고도하며, 산소과잉인상태의배출가스에포함된 NO가 Pt, Pd, Rh 과같은귀금속계원소에의해서산화반응을거쳐 NO2로산화되고 Barium에흡장되어 Ba(NO 3 ) 2 로저장된다. LNT 촉매내흡장물질에일정량이상의 NOx가흡장되어재생이필요할때주기적으로연료과잉조건을조성하여 HC 및 CO를생성시키며이때생성된 HC, CO가흡장된 NOx를 N 2 로환원시켜재생하는방법이다. 그러나 NO 의산화역할을수행하는귀금속계원소의경우매우고가이며, 배기가스내에포함된 SO 2 는촉매활성원소인귀금속상에서 SO 3 로쉽게산화되어흡장물질또는 Al 2 O 3 와같은지지체와반응하여황산염을생성하고이는촉매표면에축적된다. 생성된황산염은촉매표면에안정하게화학결합하여촉매반응에서의환원분위기로는쉽게분해되지않아촉매활성저하원인으로서작용된다 [ 권동욱, 배기가스질소산화물제거를위한선택적촉매환원법기술동향, 공업화학전망, 19권5호, 2016]. LNT는저감장치공간이작고가격이저렴한장점이있으나 SCR 보다저감효과가낮은것으로보고되고있다.
[ 그림 6-3] Euro 6 대응디젤승용차의질소산화물제거기술비교. (ref. Liuhanzi Yang et. al., NOx control technologies for EURO 6 diesel passenger cars, ICCT, 2015. 09) 우리나라의경우디젤자동차배출허용기준은유럽연합기준을적용한다. 현재제조하는디젤승용차는보다강화된 Euro-6 규제를받고있다. Euro-6 의질소산화물배출허용기준은 80mg/km이다. 이러한규제치는 2014년 9월부터 EU의제조되는새로운디젤승용차에적용되고있다. 이는 Euro-5의 180 mg/km보다보다크게강화된규제치이다. 또한실험실측정값이아닌실제운전조건 (RDE : real-driving emissions) 에서이동형측정장치 (PEMS : Portable emissions measurement systems) 를설치하여평가하기때문에기존자동차제조업체에서는보다높은수준의기술개발을적용하고있다. [ 그림 6-4] 디젤자동차에적용되는 Euro 기준.