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【포커스】 작지만 국민의 삶 좌우하는 미세먼지
2022년 3월 1일 (화) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2022년 3월호 - 전체 보기 )

작지만 국민의 삶 좌우하는 미세먼지
배출원 다양한 만큼, 저감 기술도 다양

지난 2월 22일 과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(기계연)이 항만하역 장비의 입자상물질(PM), 질소산화물(NOx)를 동시에 저감해 미세먼지를 줄이는 장치를 개발해 현장 실증에 성공했다고 발표했다. 이외에도 기계연은 냉각·흡수 하이브리드 방식, 플라즈마 활용 방식, 정전방식 무필터 집진 기술 등 미세먼지를 저감시키는 다양한 기술을 개발해 왔다. 황사와 미세먼지의 계절을 맞이하여 이와 관련한 기술들을 모아 살펴보았다.

정리 강창대 
기자 자료 기계연

항만하역장비 PM, NOx 저감장치
기계연 부산기계기술연구센터 조규백 센터장은 항만하역 장비에 최적화된 DPF와 SCR이 분리된 형태의 미세먼지 동시저감장치를 개발했다. 이와 함께 탄화규소(SiC) 담체나 금속 담체, 저온 CR 촉매, 요소수 공급 장치 및 암모니아슬립 제어 기술 등을 적용해 미세먼지 제거 효율을 더욱 높였다. 연구팀은 동원로엑스㈜가 운영하는 컨테이너 상하차 작업 차량 ‘리치스태커’(Reach stacker)에 적용해 작년 12월부터 올 2월까지 3개월에 걸쳐 실증을 진행했다. 그 결과, 입자상물질(PM), 질소산화물(NOx) 등 미세먼지의 80% 이상을 줄일 수 있었다고 한다. 아울러 저감 장치의 상태를 확인할 수 있는 OBD 기능, 통합제어장치도 함께 개발해 사용성과 안전성도 높였다.

현재 가동 중인 리치스태커의 대부분은 항만미세먼지관리특별법 이전에 도입돼 별도의 배출가스 저감 장치 없이 운행되고 있는 실정이다. 리치스태커에서 발생하는 미세먼지와 NOx는 부산항 하역 장비 전체 발생량의 4~5%를 차지할 정도다. 이 문제를 해결하기 위해 다양한 기관이 협력하며 신기술 개발과 실증에 머리를 맞댔고, 이번의 성과를 낼 수 있었다. 연구팀은 향후 후속 연구를 통해 DPF와 SCR 일체형 시스템을 개발해 실증에 착수할 계획이라고 밝혔다. 아울러, 운행 중인 다른 리치스태커에도 적용을 확대할 수 있도록 최적화할 계획이라고 한다.

이 연구는 환경부 미세먼지 사각지대 해소 및 저감 실증화 기술개발 사업 ‘중소형 항만하역장비 PM/NOx 동시저감용 SDPF 개발 및 실증과제’의 지원을 받아 수행됐다.
보일러에서 발생하는 배기가스를 1차 냉각, 2차 흡수제 방식으로 제거하는 설비

굴뚝 백연 속 응축성 미세먼지 제거 시스템
기계연은 또, 화력발전소와 폐기물 소각장 등에서 발생하는 흰 연기(白煙) 속 응축성 미세먼지를 액체로 바꿔 제거하는 기술을 개발했다고 지난 1월 26일 발표했다. 백연 속 미세먼지에는 유기탄소와 황산염과 같은 인체에 해로운 성분이 포함돼 있다. 하지만 아직 배출에 대한 별도의 규제가 없어 관리의 빈틈에 놓여 있었다. 이에 기계연 환경시스템연구본부 그린동력연구실 김영민 책임연구원은 굴뚝에서 배출되는 흰 연기에 냉각과 흡수를 동시에 적용해 오염물질을 제거하는 ‘냉각·흡수 하이브리드 응축성 미세먼지 제거 시스템’을 개발했다.

화력발전소나 사업장의 굴뚝에서 내뿜는 흰 연기는 수분이 대부분이지만 일부 인체에 유해한 응축성 미세먼지가 포함돼 있다. 처음, 응축성 미세먼지가 고온으로 대기에 배출될 때는 기체 상태로 존재하지만, 대기 중에서 냉각되면 입자로 변하기 때문에 제거에 어려움이 있었다. 응축성 미세먼지뿐만 아니라, 수분만 포함된 흰 연기도 겨울철에는 도로의 결빙을 유발할 수 있고, 일조량을 감소시키거나 대기 중 오염물질의 확산을 방해하는 등 인근 지역의 환경을 악화시키는 원인이 될 수 있다.

연구팀은 굴뚝에서 뿜어져 나오는 100 ℃ 이상의 배기가스가 배출되기 전 미리 상온 가까이 냉각시키고, 가스가 기체에서 액체로 변하면 필터로  수분기를 제거하고 응축성 미세먼지도 걸러냈다. 연구팀은 이런 방식으로 수분기와 응축성 미세먼지를 각각 70%, 80% 제거한 다음, 남은 수분을 녹여내는 흡수제를 분사하고, 한 번 더 수분을 흡수하고 제거하게 된다. 최종적으로, 연구팀은 처음 배출됐던 상태보다 수분기와 응축성 미세먼지가 85%까지 제거되는 결과를 얻었다고 한다.

지금까지는 이런 흰 연기를 제거하기 위해 비교적 장치구성이 간단한 냉각방식을 적용했지만, 냉각방식만으로는 제거 효과가 떨어지고, 제거효율이 높은 흡수제 방식은 장치 구성이 복잡할 뿐만 아니라, 흡수제 재사용에 다시 많은 열에너지가 필요하다는 한계가 있었다. 연구팀은 장치 구성이 간단한 냉각방식으로 흰 연기와 그 속의 응축성 미세먼지를 최대한 제거한 다음 흡수제 방식을 적용했다. 흡수제 방식에 드는 부담을 줄이고 냉각 시 회수한 열을 흡수제와 수분을 분리하여 다시 사용하는 재생 과정에 활용한 것이 특징이다.

연구팀은 이 기술을 환경설비업체인 하이스트㈜에 기술이전 했으며, 시스템 용량을 키워서 현장 실증 사업을 추진할 계획이다. 이번 연구는 기계연 기본사업 ‘배기냉각과 흡수식이 결합된 하이브리드 백연/배기배출물 저감 시스템 개발’의 지원을 받아 수행됐다.
차량 하부에 플라즈마 버너를 장착한 모습

산업용 플라즈마 원천기술 선정
기계연의 ‘2021년 최우수 연구성과’에 산업용 플라즈마 원천기술이 선정돼 눈길을 끌었다. 플라즈마연구실 이대훈 실장이 개발한 산업용 플라즈마 원천기술이 환경 및 에너지 분야의 사회 문제 해결에 기여한 점이 인정됐기 때문이다. 기계연은 1993년부터 탁월한 연구 성과를 거둬 과학기술계와 산업계에 기여하고 연구원의 명예를 높인 연구자를 ‘최우수 연구상’ 수상자로 선정해왔다.

이 실장은 산업용 플라즈마 원천기술을 군부대 특수차량과 제설차, 쓰레기차 등 다양한 특수차량에 적용하고 미세먼지 저감 효과를 실증했다. 뿐만 아니라, 저온 SCR과 플라즈마 기화기의 NOx 저감 효과를 복합화력 발전소에서 실증하고, 국내 기업의 반도체 생산 공정에 플라즈마 스크러버 기술을 이전해 온실가스 배출 감축에 기여하기도 했다. 이외에도, 플라즈마 점화장치 기술을 화력발전소에 적용해 착화시간을 단축하고 착화 실패와 긴급정지 등과 같은 불안 요인을 줄일 수 있게 했다.
화력발전소 환경 설비 모사 시스템

습식 촉매 이용해 NOx, SOx 저감
기계연이 국내 기술로 미세먼지 전구물질 제거 기술을 개발했다. NOx와 SOx을 동시에 줄일 수 있는 이 기술로 1년간 실증한 결과, 기존 장비보다 70% 뛰어난 효과를 보였다. 기계연은 고효율 ‘제로에미션’(Zero-emission) 기술의 실증에 성공하면서, 발전소 외에도 폐기물 소각로, 제철소 등 향후 강화되는 규제에 대응이 필요한 일반 산업 분야까지 폭넓게 이 기술이 활용될 것으로 전망했다.

기계연 환경시스템연구본부 환경기계연구실 김학준 책임연구원 연구팀은 한국남부발전㈜과 협력해 2020년 9월부터 2021년 9월까지 1년 동안 경남 하동 화력발전소에 발전 용량(500 ㎿급) 1/1,000 규모의 제거 장비를 장착하고 실증을 실시했다. 연구팀이 개발한 습식 촉매를 이용한 NOx, SOx 동시 저감 장비를 기존 SOx 저감 설비에 추가 장착한 결과 세계적으로 최저 배출 농도 수준인 5 ppm 이하를 달성했다고 한다.
 
이는 NOx 배출량을 설치 이전보다 70% 더 절감한 것이다. 디젤 승용차 1대가 1분 동안 NOx가 포함된 배기가스를 5 ㎥ 배출한다고 가정하면, 디젤 자동차 6,000대가 배출하는 양을 줄인 것과 같다(500 ㎿급 발전소 규모 기준). 연구팀이 확보하고 있는 원천기술인 정전방식 무필터 집진 기술까지 적용해 NOx와 SOx는 물론 초미세먼지까지 제거할 수 있었다고 한다.

이 기술은 화력발전소에서 발생하는 연기 속 오염물을 물속 덩어리 형태로 걸러낼 수 있는 기술이다. 먼저 NOx의 비수용성 일산화질소(NO)에 오존을 분사하여 이산화질소(NO2)로 만든 다음 습식 촉매가 녹아있는 SOx 환원제를 분무해 NOx와 SOx를 동시에 녹여 덩어리 형태의 염으로 환원시키는 방식이다.

특히, 이 기술은 60 ℃ 이하의 매우 낮은 가스 온도에서도 NOx를 제거할 수 있다. 이는 기존 촉매 방식이 300 ℃ 이상의 고온에서만 작동할 수 있는 한계를 보완하는 탁월한 기술이다. IT 제조공정과 같이 배기가스 온도가 낮아 촉매 방식의 저감 장치를 적용할 수 없는 산업 분야에도 활용할 수 있다.

연구팀은 이번 실증 결과를 바탕으로 발전소뿐만 아니라, 폐기물 소각로 시설, 제철소, IT 제조공정 등 강화된 환경 규제 대응이 시급한 대기오염물질 배출시설을 대상으로 실제 설비 규모의 상용화 연구를 추진하고 있다. 한편 이번 연구는 기계연 기본사업 ‘미세먼지 및 온실가스 대응 미래발전/동력시스템 초청정 기계기술 개발’ 사업의 지원을 받아 수행됐다.
브레이크 마모 발생 미세먼지와 배기구 배출 미세먼지 측정결과 비교

브레이크 마모도 미세먼지 배출원
한편, 자동차 주행 중 브레이크 마모로 발생하는 미세먼지가 자동차 배기구로 배출되는 미세먼지 보다 2배 이상 많은 것으로 측정돼 이목을 끌기도 했다. 기계연은 자동차 주행 중 브레이크 마모로 발생하는 미세먼지를 측정하는 시뮬레이터를 개발했다. 브레이크 마모 발생 미세먼지 측정은 국내에서 처음 시도된 것으로 향후 공인 측정법 및 배출기준 등 관련 환경제도 마련에 활용될 것으로 기대된다.

기계연 환경시스템연구본부 그린동력연구실 이석환 박사 연구팀은 브레이크 마모 시 발생하는 미세먼지를 측정한 결과 자동차 1대 당 미세먼지 PM10 기준 2.7 ㎎/㎞, PM2.5 기준 2.2 ㎎/㎞ 수준의 미세먼지가 발생한다고 밝혔다.

이는 DPF(매연저감장치)가 장착돼 유로6 규제를 만족하는 디젤차와 GDI(직접분사식 가솔린) 엔진이 장착된 가솔린차에서 배출되는 미세먼지보다 2배 이상 높은 수치다. 연구팀은 브레이크 마모 미세먼지 측정을 위해 차량의 관성 모멘텀을 일반 승용차에 해당하는 50.4 ㎏·㎡로 구현하고 최신 주행 사이클인 WLTC모드에서 브레이크 마모로 발생하는 미세먼지를 측정했다.

이 연구는 지난해 타이어 마모 미세먼지 측정을 위한 시뮬레이터를 개발한 데 이은 것이다. 향후 이를 활용하면 비배출 미세먼지의 원인 규명과 관련 환경제도 마련에 도움이 될 것으로 전망된다. 한편 이번 연구는 환경부 친환경자동차사업단의 지원을 받아 수행됐다.

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