10 장에너지와환경 고정원배출질소산화물저감기술 VOC( 휘발성유기화합물 ) 제거기술 자동차배출가스의환경적문제와대책
고정원배출질소산화물저감기술 NOx 배출및환경, 인체영향 NOx( 질소산화물 ) 는화석연료의연소로생성 대류권 : 온실가스 성층권 : 오존층파괴물질 도시및공장지대 : 대기오염및광화학스모그 ( 오존, PAN) 의원인물질 * Photochemical smog : 광화학스모그 * PAN : 파옥시아세틸니트레이트 NO, NO 2, NO 3, N 2 O, N 2 O 3, N 2 O 4, N 2 O 5 의 7 종존재 대부분이 NO(90~95%), NO 2 임 ( 통상 NOx) 산소와반응광화학스모그원오존생성 2NO + O 2 2NO 2 NO 2 ( 광화학반응 ) NO + O O 2 + O O 3 오존등광화학산화물 ( 옥시덴트 ) 가광화학스모그생성 인체에유독폐기능저하, 혈액독, 눈수정체자극
고정원배출질소산화물저감기술 각국의 NOx 배출규제현황 미국 1969. 신설발전소 400MW 급 78ppm 시설및기술수준미흡으로 73Mw 급이상 135ppm 으로완화 1990. U.S. Clean Air Act(CAA) 대폭수정공포 대기오염물조정 (VOC, NOx 2 단계엄격규정 ) 170~500 억달러오염원규제목표달성을위한연구개발투자. 일본 1973 배출규제기준설정이후계속강화 대형가스발전소 60ppm 선진공업국중가장엄격 시설규모설치시기에따라 50 여종의규제기준제정시행 유럽 대부분의나라법적구속력없이기준만설정 프랑스, 영국, 이탈리아등기준설정도안됨 독일, 스웨덴배출규제기준법제화시행 우리나라 1963. 공해방지법공포 1977. 환경보전법 1990 년대부터환경보존을위한대기오염물질배출기준강화
고정원배출질소산화물저감기술 고정원에서의저감기술 소극적개념의저감기술 ( 저 NOx 연소기술 ) 연소조건과연소방법변경으로 NOx 형성억제 연소온도낮게유지 연소공기중과잉산소농도적게 연소시간최소화잉여산소와질소결합기회적게 2 단연소법 (Two Stage Combustion or Over fire Air Injection 1 차공기연소공기량의 80~100% 공급 : NOx 저감 2 차과잉공기 1 차연소영역상부공급 : 연료과잉상태연소가스완전연소 배기가스재순환법 (Fuel Gas Recirculation) 노내가스유량증가온도감소가스경질유의연소에효과적 화염의분사방식 화염의형태에따라 NOx 저감효과
고정원배출질소산화물저감기술 적극적개념의저감기술 습식법 NH4+ 로환원액상흡수제로흡수 NO2-, NO3- 로산화액상흡수제로흡수 배기가스중 Sox, Nox 동시제거가능 배기가스중분진의영향을받지않음 장치비가많이듦 흡수에의한부차적인질산폐수처리문제 건식법 촉매분해법» 촉매를사용하여 NOx 를무해한질소와산소로직접분해» 반응이상당히느리므로이온도에알맞은촉매의개발필요 선택적촉매환원법» 촉매층에배기가스와암모니아를동시에통과» 설치비및운전비저렴하고 NOx 의제거효율도높음» 분진및 SO2 농도가높은배기가스에서는촉매의수명이짧고미세한입자상태의제 2 의공해를유발 선택적비촉매환원법» 비선택적환원제를이용하여 NOx 를 H2, CH4 로환원하여제거» NOx 와 SOx 를동시에처리할수있고압력강하가없으며저온에서반응이일어나며설치공간이많이필요치않다.» 운전비가높고방사능에의한안전문제가우려된다.
고정원배출질소산화물저감기술 암모니아 (NH 3 ) 에의한선택적촉매환원법 (Selective Catalytic Reduction) 반응기구 Nox 환원반응 ( 주반응 ) 6NO + 4NH 3 5N 2 + 6H 2 O 6NO + 8NH 3 7N 2 + 12H 2 O 4NO + 4NH 3 + O2 4N 2 + 6H 2 O NH3 산화반응 ( 부반응 ) : 고온활발 4NH 3 + 3O 2 2N 2 + 6H 2 O : 불필요한암모니아소모 4NH 3 + 4O 2 2N 2 O + 6H 2 O 4NH 3 + 5O 2 4NO + 6H 2 O 4NH 3 + 7O 2 4NO 2 + 6H 2 O 부가적반응 : 촉매활성저하 2NH 3 + H 2 O + 2NO 2 NH 2 NO3 + NH 4 NO 2 2SO 2 + O 2 2SO 3 2NH 3 + SO 3 + H 2 O (NH 3 ) 2 SO 4
고정원배출질소산화물저감기술 공정변수의영향 산소 : NO 의환원반응속도증가 암모니아 : 반응온도가높아지면산화에의해 NO 생성문제 NH 3 /NO 비 : 0~1 NO 제거율직선적증가그이상증가추세완화 SO 2 : 황산화물에의한촉매활성저하 SCR 촉매 V 2 O 5 /TiO 2 : 상업화공정에사용 금속산화물로부터제올라이트까지다양하게사용 탄화수소에의한선택적촉매환원 암모니아대신환원제로메타놀, 에틸렌, 알코올등을사용하기위한촉매연구
휘발성유기화합물 (VOC) 제거기술 VOC(Volatile Organic Compound) 대기중에질소산화물과공존하면광화학반응을일으켜오존및 PAN 등을생성하여광화학스모그를유발하는물질의통칭 탄화수소류, 활로겐화탄화수소, 질소, 황함유탄화수소등상온, 상압에서기체상태로존재하는모든유기성물질 ( 반휘발성유기화합물포함 우리나라는벤젠, 휘발유등 31 개물질지정고시 VOC 배출원 자연배출원 메탄 : 습지등에서박테리아의분해 테르펜 : 수목류 에스테르, 케톤 : 초지, 에틴, 프로핀 : 해양생물에의한유기화합물의분해, 생성과정 고정배출원 벤젠톨루엔납사, 에스테르등 : 도장및잉크제조공장 스틸렌, 알데히드, 유기용매등 : 용매접착제합성수지제조공장 벤젠톨루엔알데히드, 유기산등 : 화학공장 아민, 황화합물등 : 악취물질취급공장 기타흡연샤워등개인활동에서도배출 이동배출원 : 자동차기차선박, 비행기등의배기가스배출지점확인이어려움 고정및이동배출원을합쳐서인위적배출원이라고함
휘발성유기화합물 (VOC) 제거기술 VOC 의문제점 오존과같은산화성물질생성암유발 오존생성능력 (POCP : photochemical ozone creation potential) 에칠렌이기준 (POCP = 100) 올레핀및방향족탄화수소류높은 POCP 메탄, 할로겐화탄화수소류낮은 POCP 염소계용제 POCP 는낮지만대기중수명이길어오존층파괴, 온난화, 발암성물질 VOC 그자체로도인체에유해, 특히다고리방향족탄화수소류대기중미량존재암유발
휘발성유기화합물 (VOC) 제거기술 VOC 제거기술 직접연소법 유기용제가스및유기성악취처리 많은양동시제거가능, 95% 이상의효율 장치출구에증기온수열풍등광범위한회수시스템구축이가능 조작이간편별도의인력불필요 대형시스템으로설비확장이어렵다 2 차대기오염물질 (NOx. Dloxin 등 ) 추가처리시설필요촉매연소법 촉매연소법 연소온도가낮아운영비적게들고질소산화물등의 2 차오염물질생성이적다. 소규모시스템운용확장용이 촉매의수명이한정되어있어촉매의교환이필요하다.
휘발성유기화합물 (VOC) 제거기술 흡착법 흡착제를이용흡착회수제거하는방법 활성탄, 활성탄소섬유, 제올라이트등이주로사용됨 설치비가적게드는등소규모소용량처리에적합 활성탄에흡수된 VOC 의재사용등재활용이가능 흡착을통해생긴폐기물의처리가어렵다 미생물이용법 미생물은 VOCs 를에너지원인탄소원, 질소는세포증식에이용 악취및휘발성유해화학물질처리가능 1940 년미국원유시설오염정화에처음사용 최근오염된토양, 슬러지처리, 담수및지하수, 해수오염처리가주요대상 설치및유지비저렴, 여러종류의 VOC 복합제거가능 처리후생성물이환경에무해 고농도물질처리불가능, 염소화합물처리곤란
휘발성유기화합물 (VOC) 제거기술 광촉매이용법 VOCs + O 2 광촉매 CO 2 + H 2 O + mineral acid 광촉매반응원리 광촉매 ( 반도체 ) 가광자 ( 태양빛 ) 를받아전자 / 전공쌍 (electron/hole pair) 생성 생성전공산화작용, 전자환원작용을통해 VOC를탄산가스와물로분해 광분해반응의예태양광 TiO2 e - + h + 산화 HCHO + H 2 O + 2h + HCOOH + 2H + HCOOH + 2h + CO 2 + 2H + 환원 O 2 + 4e - + 4H + 2H 2 O 광촉매개발현황 광촉매도료개발 ( 일본 ) 건축물의오벽도로의차음벽에도포대기오염물질제거 광촉매형광등개발 ( 일본 ) 방오, 탈취, 살균효과 향후광촉매개발과제 가시광선이용광촉매, 선택적광촉매 ( 특정냄새, 특정오염원등 ) 광촉매코팅유리 ( 가정집냄새, 새집증후군제거등 ) 등
자동차배출가스의환경적문제와대책 차종에따른배출물질의분포 단위 : % 배출물질차종 CO HC NO x SO2 *TSP 택시 30.3 14.1 11.3-5.8 승용차 24.9 27.1 10.0 2.1 6.0 버스 13.5 12.2 31.8 32.3 32.6 트럭 19.8 20.8 46.5 65.6 54.0 오토바이 11.8 25.7 0.4 0.1 1.5 *TSP (Total Suspended Particle): 공기중의총미세먼지 디젤차량의배출가스문제 디젤배기가스 1000 여종의화학물질함유 100 여종규명 분진휘발유차량의 30~100 배발암성물질함유
자동차배출가스의환경적문제와대책 우리나라오염물질방출추이 (1) 1994 1997 2000 2005 SO 2 1,603 1,891 1,104 1,201 NOx 1,192 1,421 1,606 1,933 CO 1,156 1,500 1,528 1,464 HC 146 156 160 174 TSP 429 491 544 641 계 4,526 5,459 4,942 5,413 우리나라오염물질방출추이 (2) 단위 : 천톤 단위 : 천톤 1994 1997 2000 2005 수송 2,152 2,415 2,265 2,412 산업 1,333 1,598 2,453 1,618 발전 643 924 698 850 가정용난방 398 522 56 533 계 4,526 5,459 4,942 5,413
자동차배출가스의환경적문제와대책 대기오염물질종류와인체영향 항목발생원피해환경기준 아황산가스 (SO2) -B-C 유또는석탄의연소 - 디젤자동차배기가스 ( 소량 ) - 눈, 비장, 인후호흡기염증, 위장장애심한겨우만성페기종, 고혈압등 - 식물의성장피해 - 연간 : 0.03ppm -24 시간 :0.14[ppm -1 시간 : 0.25ppm 먼지 (TSP) - 디젤자동차배기가스 - 연료연소, 시멘트공장, 도로 - 기관지염, 천식등호흡기계통질환 - 발암물질 ( 납화함물, benzopyrene 등 ) - 연간 : 150 μg /m 3-24 시간 : 300 μg /m 3 일산화탄소 (CO) - 자동차배기가스 ( 산소부족시 ) 로많이발생 - 혈중헤모글로빈과반응두통, 현기증 - 장기간흡입시기억력, 주의력감퇴, 유산등 -1 개월 : 8ppm -8 시간 : 20ppm 이산화질소 (NO2) - 자동차배기가스, 석탄발전소 - 질산사용표면공정공장 - 코와인후자극, 호흡곤란수반한폐수종염증 -HC 와함께광화학스모그생성 - 연간 : 0.05ppm -24 시간 :0.08[ppm -1 시간 : 0.15ppm 탄화수소 - 자동차연료불완전연소배출 -NO2 존재하에서광반응에의한스모그발생 (HC) - 연소에의한크래킹발생시 오존 (O3) - 자동차배출가스중 NO2, 탄화수소의광화학반응생성 - 초기불쾌한냄새, 눈자극, 점막침해호흡기질환, 암유발등, - 농작물피해 -8 시간 : 0.06ppm -1 시간 : 0.1ppm 납 (Pb) - 자동차배기가스 ( 유연휘발유 ) - 납사용용해시설 - 중독시신경염, 두통, 현기증등 -3 개월 : 1.5 μg /m 3
자동차배출가스의환경적문제와대책 자동차공해로인한주요오염사례 멕시코시티 ('92. 3) 원인 : 도시를감싸고있는차량배기가스, 매연, 분진으로인한오존불량지수가환경위협지표 (200) 을 2 배초과 (398) 피해 : 호흡기질환, 안질환, 폐렴호소, 구토증상속출 조치 : 준계엄상태조치령발동, 도심지내초. 중. 고교휴교령, 도심지내차량의통행금지, 정유업체의 50% 조업단축등 아테네 ('95. 5) 원인 : 차량배기가스에의한대기오염심각 피해 : 매연으로인해매일매일사망률 5% 증가, 매년 1 백만명이상사망의주원인 조치 : 긴급조치령발동, 시내중심부에개인승용차운행금지, 시외곽및주변도로와택시에한해홀짝운행, 공장조업 30% 단축
자동차배출가스의환경적문제와대책 로스앤젤레스 ( 95.8-9 월 ) 원인 : 차량배기가스에의한광화학스모그 피해 : 이상고온 (38 1 주일간 ), 다수의천식및기관지염발생, 65 세이상노인사망자급증 (70 명 317 명 ), 시정거리는 1.6 0.8 km 정도, 고무제품손상, 건축물손상, 과일손상, 눈. 코. 기도의점막자극 자동차배기가스조절장치의개발부착계기 한국 (91.12.10) 원인 : 구로동전철불통 (30 분간 ) 차량배기가스로인한전기선부식 피해 : 도심지내전차선및급전선이지방에비해 2.2 배정도조기부식으로교체에따른경제적손실초래 서울스모그우려 광화학스모그 ( 햇빛의자외선 + 차량오염물질 ) 맑은날에도안개낀것같은상태 ( 시정장애 ) 연 60 일발생
자동차배출가스의환경적문제와대책 각국의자동차배출가스규제 미국 세계에서가장엄격한규제및관리제도 생산전단계 : 자동차제작자시제품생산배출가스관련인증 양산단계 : 일정대수임의발췌배출가스측정 운행과정 : - 차종별, 주행거리별로일정량선정평가, 규제치초과시제작자원인이면결함시정조치, - 정기검사및노상단속실시초과배출시정비명령또는벌과금, - 유효기간내제작자책임인경우성능보증제도채용 캘리포니아주 LA 스모그사건이후연방정부보다한단계앞서강력규제하고있으나지형특성상어려움 일본 1966 가솔린자동차일산화탄소규제시작 1973 본격적배출가스규제실시 미국의대기정화법통과 (1972, 머스키상원의원 ) 계기연구몰두 1975 산화촉매장치개발실용화 : CO, HC 기존치 1/10, NOx 50% 규제강화 1978 삼원촉매장치, 배기가스재순환장치 (EGR 장치 ) 개발자동차배출오염가스 1/10 로감소 (CO, HC, NOx) 배출가스산소검지기개발함께부착배기가스적정처리및연비향상에기여
자동차배출가스의환경적문제와대책 한국 1980: 규제시작, 1973 일본수준 1984: 가솔린차규제강화, 디젤시작, 1974 일본규제치적용 1987: 미국, 일본의엄격규제기준도입, 삼원촉매장치부착해야만만족 1988: 디젤질소산화물규제다소강화, 일본미국에비해낮은수준 현재우리나라가솔린자동차미국규제기준및관리제도고려제작 배출가스관련부품성능보증 : 8 만 Km 또는 5 년 디젤자동차보유비율이높으나배출가스방지기술선진국에비해많이낮은수준임 : 연구필요
자동차배출가스의환경적문제와대책 가솔린자동차배출가스방지기술 산화촉매장치 삼원촉매장치 촉매이용배기가스중 CO, HC, NOx의 3원가스를동시에제거 3원가스는연료공기혼합물의불완전연소및공기중질소의산화등으로발생 반응식 산화반응 : CO + O 2 CO 2, HC + O 2 H 2 O + CO 2 환원반응 : NO + CO N 2 + CO 2, NO + HC N2 + H 2 O + CO 2 촉매물질 : 백금, 로듐, 루테늄등 설치위치 : 촉매의저온반응성이용배기통에장착 이론공연비 (A/F ratio=14.7) 가중요 A/F> 14.7 경우 : CO, HC 정화잘됨, NOx 잘안됨 A/F< 14.7 경우 : CO, HC 정화잘안됨, NOx 잘됨 산소감지기 : 전자제어장치를통해이론공연비에맞도록조절 배기가스재순환장치 : NO x 발생억제 삼원촉매장치부착자동차운전시주의점 전자장치에대한철저한정비점검및조심운전 유연휘발유사용절대금지 : 납에의한촉매기능상실 난폭운전, 점화계통불량등으로탄화수소공급과다급격한산화열에의한촉매장치손상
자동차배출가스의환경적문제와대책 디젤자동차배출가스방지기술 삼원촉매장치부착가솔린자동차의보급으로디젤자동차큰공해배출원으로등장 디젤배출가스중입자상물질 (TSP) 인체유해 연소시요구산소량이많아가솔린자동차방지기술사용곤란 엔진의연소조건개선유해배출가스저감 연소실, 연료분사장치, 연료분사장치개량 연료분사시기조정, 흡배기개선 전자식연료분사장치, 배기가스재순환장치사용 여과장치 : 입자상물질규제만족목적 대체에너지에의한배출가스방지기술 알코올 : 에타놀 브라질실용화, 메탄올 미국연구중 수소 : 유럽수소버스운행, 천연가스 전기자동차 축전지이용 : 시내용짧은거리실용화주행거리제한문제점개선연구 태양열이용 : 연구개발중 하이브리드차 (HEV) : 가솔린엔진과전기모터를동력으로병용 일본도요다 프리우스 세계최초의양산 HEV
聖 ( 성스러울성 ) 愛 ( 사랑애 ) 우리의모습을보면머리는하늘을향해있고발은땅을딛고서있음을생각하라. 이상과현실이조화롭지않으면우리는서있을수없다.
언행에서향기가나는 사람이되기를,