| SCR , SNCR - NOx 저감 기술 |
SCR (Selective Catalytic Reduction) - 선택적 환원 촉매
배가스에 환원제(암모니아 등)를 분사 하여 촉매층을 통과시켜 상대적으로 저온인 250~400℃에서 NOx의 환원반응을 효과적으로 진행 시키는 시스템입니다. 주로 보일러, 발전시설, 폐수.폐기물.폐가스 소각처리 시설 등에 적용된다. SCR법은 촉매하에서 NH3, CO, 탄화수소 등의 환원제를 사용하여 NOx를 N2로 전환시키는 기술이다. SCR법은 현재까지 신뢰성이 높고, 정화효율이 높아 상업적 질소산화물 처리기술로 발전하였다. SCR법은 촉매를 이용하는 NOx 저감기술로 촉매는 크게 금속산화물 촉매와 Zeolite로 구별되며, 환원제에 따라 탄화수소 반응법과 암모니아 반응법으로 구별된다.
SNCR (Selective non-Catalytic Reduction)
배가스에 환원제(암모니아 등)을 분사하여 촉매 없이 연소실을 통과하여 850~1,100℃에서 NOx의 환원반응을 통해 처리하는 시스템입니다. 주로 보일러, 발전시설, 폐수.폐기물,폐가스 소각처리 시설 등에 적용된다. SNCR법은 촉매를 사용하지 않고, 반응온도 900 ∼ 1,000℃에서 암모니아를 몰농도 비율(NH3 : NOx= 1 : 1 또는 2 : 1)로 배기가스 또는 연소 대류영역에 주입하여 NOx를 저감하는 방법으로 저감 효율이 40∼60%이다. SNCR법은 설치비용은 저렴하여 유용한 질소산화물 저감방법이나, 적정량의 NH3 주입 및 적정 반응온도 유지 등의 운영상에 많은 어려움이 따른다.
| 대기오염물질 (NOx, SOx 등) |
• NOx의 생성 메카니즘은 Thermal NOx, Fuel NOx, Prompt NOx로 분류된다.
• NOx의 종류 : NO, NO2, N2O, N2O2, N2O3, N2O4, N2O5
| NOx 저감기술 |
SCR 시스템 : 선택적 환원 반응으로 질소산화물(NOx)을 저감시키는 기술이며 환원제와 NOx를 화학반응하여 NOx를 저감하는 기술이다.
대표적인 환원제 : 요소수(UREA) - 암모니아 성분의 수용액
SCR 시스템의 물리적 작동 원리는 간단하다.
1 Pretreatment Tech. for NOX
| NOx 전 처리 공정 | 처리효율 |
| Fuel De-nitrification | 10-20% |
| BOOS(Burners out of services) | very low |
| Fuel Biasing / Reduced Air Preheat | 10-20% |
| FGR, Fuel Gas Recirculation | 10-25% |
| 저녹스버너 - Low NOx Burner, LNB | 30-40% |
| Gas Re-burning | Unknown |
2 대기오염방지시설 별 처리효율 (After-Treatment)
| NOx 후 처리 공정 | 처리효율 |
| SCR (Selective Catalytic Reduction) | 70~90% |
| SNCR (Selective Non-Catalytic Reduction) | 40~50% |
| Plasma | 90% 이상 (높은 시설 투자비) |
| 흡착설비, Activated carbon absorption | 40~80% |
| Wet FGD(Co-Treatment) | Unknown |
※ 경제성과 NOx 저감 효율을 고려할 때에 가장 효과적인 저감기술은 SCR 이다.
| NOx 제거 반응 메카니즘과 촉매 |
1 NOx-NH3 Reaction
2 SO2/SO3 Conversion Rate
O SCR Side Reaction : Creative SO3 plume
① SO3 + H2O H₂SO4 : Source for Chemical Erosion
② NH3 slip → Ammonium Sulfate (AS) or Ammonium Bisulfate (ABS) : Influence to → Increase for Chemical poison and Delta Pressure(APH)
NH3 + SO3 + H2O → NH4HSO4 (ABS)
NH4HSO4 + NH3 → (NH4)2SO4 (AS)
2NH3 + SO3 + H2O → (NH4)2SO4 (AS)
※ NH3의 선택적 반응(온도 영향)
1. 탈질 메커니즘 상에서 환원 반응의 온도 영역대는 200 ~ 400℃, 360℃에서 가장 높은 반응률을 가짐
2. 최소 운전온도는 배기가스 내 SOx와 관련이 있음
• 저온의 경우 NH3는 SOx와 먼저 반응하여 피독물질인 ABS(황산암모늄 생성)됨
• Main Reaction : NH3 + NOx → N2 + H2O
3. 촉매 설계 시 SOx 농도에 따라 최소 운전온도를 제한하고 있음
3 Catalyst Types
| Plate Catalyst | Honeycomb Catalyst | Corrugated Catalyst |
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| • 비표면적이 낮음 • 촉매의 부피가 큼 • 압력손실이 적음 |
• 안정적, 높은 효율 • 제작 비용이 낮음 • 재생 가능 (2~3회) |
• 비표면적이 넓음 • 촉매의 부피가 작음 • 무게가 무거움 |
※ SCR 촉매
금속 산화물 촉매에 사용되는 금속은 사용빈도가 높은 순서로 하여 V, Fe, W, Cu, Mo, Mn, Ce, Ni, Sn 등이 있다. 또한 금속 또는 그 화합물과 질소산화물과의 반응성은 Pt, MeO2, CuO, Fe2O3, Cr2O3, Co2O3, MoO3, NiO, WO3, Ag2O, ZrO2, Al2O3, SiO2, PhO순으로 반응성이 낮아진다. 금속산화물 촉매는 질소산화물과 반응성이 높은 금속 또는 그 화합물을 2 가지 이상을 혼합하여 사용하는데, 사용빈도가 높은 촉매로는 V2O5-Al2O3 촉매,V2O5-SiO2-TiO2 촉매, Pt 촉매, WO3-TiO2 촉매, Fe2O3-TiO2 촉매, CuO-TiO2 촉매, CuO-Al2O3 촉매 등이 있다. Zeolite 촉매는 Y형 Zeolite 촉매, Mordenite 촉매, ZSM-5 촉매 등이 있다. 촉매의 형태는 사용환경에 따라 구형, 미립자형, 평판형, 관형, 림형 등 다양한 형태를 갖으며, 최근에는 벌집모양으로 최적 상태가 이루어지도록 하여 사용하고 있다.
일반적으로 SCR(Selective Catalytic Reduction, 선택적촉매환원법)에 사용되는 촉매는 촉매 허니컴(honeycomb)타입과 플레이트(plate)타입의 두 가지 형태의 촉매가 있으나 허니컴(honeycomb)타입의 촉매가 기하학적인 표면적이 넓기 때문에 훨씬 경제적이다.
촉매의 형상을 유지하는 기본적인 원료는 이산화티타늄(TiO2)이며, 활성원료로 오산화바나듐(V2O5)과 삼산화텅스텐(WO3)이 첨가된다. 보통 촉매의 활성도는 운전조건이나 화학적인 요인에 의해 낮아지기 때문에 공정 운전조건에 맞는 촉매가 계획되어야 한다. 예를 들면 중유보일러에서 중유에 함유된 바나듐에 의해 촉매 활성도가 상승하여 NOx 제거효율이 상승할 뿐만 아니라 SO2나 SO3의 산화도 촉진되는데, 이러한 운전조건 하에서는 연료특성을 고려하여 활성도를 유지하면서 황산화물의 산화를 최소화하는 촉매가 설계되어야 한다. 촉매의 사용 온도범위를 대략적으로 구분하면, 저온촉매는 160~300℃, 중온촉매는 280~420℃, 고온촉매는 350~450℃ 정도이다.
V2O5-TiO2 촉매의 반응은 NH3가 NH4+로 변하여 V2O5에 흡착되고, NH3 형태로는 Al2O3에 흡착된다. NOx는 NO2 형태로 흡착되어 NH4+ 또는 NH3와 반응하여 N2와 H2O로 전환된다. V2O5-Al2O3 촉매는 산화반응의 효율이 높으나 350℃ 이상에서는 NH3가 NO로 전환이 된다.
4 O SCR Main Reaction
| O SCR Main Reaction |
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5 Mass Transfer
| 외부 물질전달 → 촉매 내부 물질전달 (확산 → 흡착 → 표면반응 → 탈착 → 확산) → 외부 물질전달 | |
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1. 외부 물질전달 2. 촉매 내부 물질 전달 - NH3 (가스상) 확산 3. 촉매의 활성 SITE - NH3(가스상) 흡착 4. NH3 가 흡착 된 SITE - NOx의 (가스상) 확산 및 흡착 5. 표면반응 (NOx + NH3 → N2 + H2O) 6. 촉매의 활성 SITE - N2, H2O 탈착 7. 외부 물질전달 |
| SCR 설치 |
| 요소수 (UREA) |
1 먼저 SCR 시스템은 도징 밸브(Dosing valve)라고 부르는 요소수 분사 인젝터, 요소수 탱크와 공급 모듈, SCR 촉매, 전/후단 NOx 센서 그리고 SCR 시스템 제어기 등으로 구성된다. SCR 시스템에 대해서 최대한 간단하게 설명하자고 한다면, 우선 다른 파트(부품)은 제외하고 도징 밸브와 SCR 촉매만 놓고 원리를 이야기 할 수 있다.
2 요소수 (UREA, CO(NH2)2 )
| 요소수 함량과 반응 | 우레아 22.5%, 물 67.5% |
| (NH2)2CO → NH3+HNCO (흡열 반응) | |
| HNCO + H2O → NH3 + CO2 (가수분해 반응) | |
| 흡장 | 요소수 액적들은 SCR 촉매의 담체에 고루고루 잘 퍼져서 입혀지게 된다. |
| NOx 제거 반응 | SCR 촉매 담체에 의하여 요소수와 NOx가 화학 반응을 일으켜 NOx가 환원 |
| 반응 메카니즘 | 4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O NO + NO2 + 2NH3 → 2N2 + 3H2O 6NO2 + 8NH3 → 7N2+12H2O |
| 참고 문헌 |
| SCR 설치 사진 |
해당 포스팅은 에코프로의 동의를 받아 작성되었음을 알려드립니다.
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