산업용 배기가스처리 소재기술(1)-제6장 공기정화·수처리용 소재기술-신소재경제신문·재료연구소 공동기획 소재기술백서 2016(53)

산업용 배기가스처리 소재기술(1)-제6장 공기정화·수처리용 소재기술-신소재경제신문·재료연구소 공동기획 소재기술백서 2016(53) - 산업용 배기가스처리 소재기술(1)-소재기술백서 2016(53)

기사등록 2018-12-03 17:30:30
수정 2018-12-03 18:18:05

대기오염 감축기술, 산업 성장 동시 발전 必

■ 기술의 정의 및 분류

발전, 중화학, 제철 등의 산업에서 배출되는 유해가스를 처리하는 기술은 과거에는 주로 4종의 대기오염물질 즉, 입자상 오염물질, 아황산가스(SO2), 질소산화물(NOx), 및 휘발성 유기화합물(VOCs, Volatile Organic Compounds)을 처리하는 기술을 일컬었다. 그러나 최근 지구온난화가스인 이산화탄소 및 Non-CO2 온난화가스에 대한 배출 규제가 시작됨에 따라 이들 지구온난화가스의 배출을 저감하는 기술의 적용이라는 새로운 과제가 각 산업에 제시되기 시작하였다. 이에 따라 최근 산업용 배기가스처리 기술의 범위는 앞서 언급된 4종의 대기오염물질뿐만 아니라 지구온난화가스 처리기술까지도 포함된다고 할 수 있다. 전통적인 대기환경 설비기술이 산업에 활용되어온 기간은 상당히 긴 편에 속한다. 예를 들어 입자상 오염물질을 처리하는 전기집진기와 같은 기술은 19세기 말에 개발되어 현재까지 100년 이상 활용되어 왔으며, 그 밖의 대기오염 방지기술도 지난 반세기 이상 산업에서 이용되었다. 이처럼 오랜 기술개발과 활용의 역사를 가진 대기오염 방지기술과 연관된 산업의 성장은 우리나라를 비롯한 선진국의 경우 정체된 상태에 있다고 할 수 있다. 그러나 중국을 비롯한 기타의 개발도상국에서는 빠른 경제성장과 더불어 대기오염 문제가 심각하게 대두되고 있어, 대기오염 방지 기술과 관련된 산업이 여전히 성장하고 있다. 한편, 지구온난화가스의 배출을 줄이는 분야는 기술 개발의 역사는 짧음에도 불구하고 관련 시장이 빠르게 성장하고 있다. 본 글에서는 기존의 대기오염 방지기술과 더불어 새롭게 산업이 성장하고 있는 지구온난화가스의 감축 기술도 함께 다루어 보기로 한다.

1) 입자상 오염물질(PM)

입자상 오염물질은 PM(Particulate Matter)이라고 부르며, 과거에는 PM에 대한 배출규제는 입자의 무게를 기준으로 하였으나, 입자의 크기가 작을수록 인체의 위해도가 크기 때문에 최근에는 입자의 크기를 구분하여 규제를 하고 있다. 현재는 10μm 이하의 크기를 갖는 입자를 미세입자 또는 PM10이라고 하며, 2.5μm 이하의 입자를 초미세입자로 구분하고 있다. 초미세입자는 기체상의 오염물질이 다른 화학물과 반응하여 입자상 물질로 변환되는 경우에 다수 발생되며, 대표적인 반응경로로 질소산화물과 VOCs(Volatile Organic Compounds)가 반응하여 입자상물질인 PAN(peroxyacytyl nitrate)을 생성하는 반응경로를 들 수 있다. 다음의 그림은 우리나라 수도권에서 배출되는 미세먼지로 불리고 있는 PM10의 연도별 배출량을 나타내는 자료로, 본 자료에서 볼 수 있듯이 PM10의 배출은 점차 감소되고 있음을 알 수 있다.

본 자료를 발표한 환경부의 분석에 따르면 지난 10년간 PM10이 감소추세로 나타난 주된 요인으로는 배출규제 강화, 디젤차 매연여과장치의 보급 및 노후차의 폐차정책을 들 수 있으며, 이밖에도 고유황 연료를 저유황 연료로 대체시킨 정책도 미세먼지 배출량의 감소에 기여한 것으로 보고 있다. <그림 3-6-4-2>는 미세먼지의 발생원을 연도별로 제시한 자료로, 그림에서 보듯이 미세먼지 배출의 기여도가 높은 배출원은 공사장에서 날리는 흙먼지를 포함한 비산먼지이고, 그 다음으로 디젤차 배기가스에서 배출되는 미세입자, 그리고 발전소를 비롯한 산업시설에서 배출되는 입자 순으로 나타나 있다. 본 자료에 의하면 자동차 및 산업설비에서 배출되는 PM의 비중이 작은 것처럼 나타나 있으나, 다음의 자료인 <그림 3-6-4-3>에서 볼 수 있듯이 인체 위해도가 높은 PM2.5의 경우 자동차 및 산업시설의 기여도가 매우 높음을 알 수 있다. 특히 자동차 및 산업시설에서 배출되는 일부 PM의 화학성분은 발암물질로 규정될 정도로 인체 위해도가 높기 때문에 다음 그림과 같이 단순히 배출량만으로 대기오염의 위해도를 평가하지는 않고 있으며, 이에 따라 방지 정책도 비산먼지보다는 자동차 및 산업설비에 주력하고 있다.

입자상 오염물질을 가장 많이 배출하는 산업시설로는 석탄화력 발전소를 꼽을 수 있다. 우리가 흔히 이야기하는 석탄은 연료성분인 탄소 및 탄화수소로만 구성되어 있지 않고 알루미나 및 실리카를 포함하고 있는데, 이들이 연소과정을 거치면서 산화되어 Al2O3, SiO2를 주성분으로 하는 재가 발생한다. 석탄 보일러에서 발생한 재는 입경이 미세하고 고온의 열기에 의해 비산되므로 통상 플라이 애시(Fly Ash)라고 부르고 있다. 한편, 디젤엔진을 활용한 발전시설의 경우는 미연탄소(Unburned Hydrocarbon)가 주성분인 입자상 오염물질을 배출하고 있다. 이와 같이 연료의 종류 또는 공정의 종류에 따라 배출되는 입자상 오염물질의 성분 및 크기는 상당히 다르다.

오늘날 입자상 오염물질이 대기 중으로 배출되는 것을 방지하는 대표적인 기술 가운데 하나인 전기집진기는 약 100년 전 고전압 변압기가 개발되면서 실용화된 기술이다. 19세기 말 영국의 런던은 산업은 물론 난방과 조명에도 석탄을 사용했으며, 이들 다양한 석탄 연소기에서 배출되는 황산 미스트(mist)가 수많은 사람을 사망시키는 사건이 자주 일어났다. 이처럼 대기오염으로 인한 피해를 겪은 영국에서 세계 최초로 실용화된 전기집진기는 황산미스트 배출을 줄이는데 매우 효과적이었으며, 오늘날까지도 전기집진기는 PM 입자를 포집하는 대표적인 기술로 자리 잡게 되었다. PM을 포집하는 기술은 전기집진기 이외에도 사이클론 집진기(cyclone dust collector) 및 여과필터 등이 있고, 이들 기술 가운데 소재기술과 가장 연관성이 높은 기술은 여과필터기술이라고 할 수 있다.

2) 아황산가스(SO2)

SO2는 주로 화석연료에 포함된 황(S) 성분이 고온의 연소과정을 거치면서 생성되는 물질로, SO2는 대기 중에 존재하면 산성비의 원인물질이 되거나 황산미스트로 변하여 호흡기 계통의 질병을 일으키는 것으로 알려져 있다. SO2로 인한 대기오염의 피해는 과거 1950년대 영국의 런던지역에서 컸다고 알려져 있는데, 당시 런던은 산업시설뿐만 아니라 가정에서도 난방용으로 석탄을 사용하였기 때문에 대기 중에 SO2 농도가 높았다. 이처럼 높은 농도의 SO2는 런던의 지역적 특성에 의해 자주 발생한 안개와 결합하여 황산 미스트로 변했으며, 이로 인한 피해는 상상을 초월하였다. 예를 들어 1952년도 겨울 런던을 덮친 황산 미스트는 장기간 사라지지 않고 노약자의 호흡기를 공격했으며, 런던 기상청의 발표에 따르면 당시 사망자 수는 1만 명 이상이었다고 한다. 이와 같은 대규모 사망 사건이 계기가 되어 영국에서는 세계 최초로 대기환경 규제법이 만들어졌다. 아황산가스의 배출을 방지하는 대표적인 기술은 알칼리성 수용액을 활용한 습식 스크러버(Wet Scrubber) 기술로, 본 기술은 거의 70년 이상 산업에서 활용되었다. 또한, SO2는 고(高)유황 연료를 저(低)유황 연료로 대체하는 방법으로도 배출을 효과적으로 줄일 수 있기 때문에 액체 및 천연가스의 경우는 연소기에 연료를 투입하기 전에 탈황하는 방법이 일반화되었다. 현재 우리나라 수도권에서는 황성분이 거의 없는 천연가스를 난방용으로 사용하고 있어 대기 중의 SO2 농도는 과거에 비해 현저히 줄어든 상태이다. 이에 따라 현재 우리나라에서는 SO2 배출에 대한 이슈는 주로 화력발전소에 집중되어 있다.

100년 이상 기술 개발 역사, 현재 정체
Non-CO₂ 온난화가스 규제, 신기술 必

3) 질소산화물(NOx)

NOx는 앞서 소개된 입자상 오염물질이나 SO2와 같이 화석연료의 연소과정을 통해 발생되는 대기오염물질로, NOx는 대기 중에 수분을 비롯한 다른 물질과 반응하여 질산 미스트 및 PAN과 같은 초미세입자를 발생한다. 이들 초미세입자는 그 자체로도 인체에 피해를 줄 수 있으며, 이들 물질이 생성되면서 인체 위해도가 높은 오존 및 알데하이드와 같은 물질들도 함께 생성된다(그림 3-6-4-4). NOx로 인해 발생된 대기오염 현상은 광스모그(Photo-smog)로, 이는 NOx와 VOCs가 대기 중에 동시에 존재할 때 강한 태양광에 의해 화학반응이 시작된다. 광스모그는 앞서 소개된 런던의 스모그와는 달리 캘리포니아나 멕시코와 같이 강한 햇빛이 있는 지역에 심하게 나타나며(그림 3-6-4-5), 우리나라의 경우도 햇볕이 강한 여름철에 자주 나타난다.

우리나라 수도권에서 배출되는 연도별 질소산화물의 추이는 다음의 <그림 3-6-4-6>과 같다. 그림에서 보듯이 NOx 배출량은 점차 감소되는 추세에 있는데, 이는 사업장 및 자동차에서 배출되는 NOx 배출에 대해 최근 지속적인 규제를 강화시킨 데에 따른 것으로 분석되고 있다. 사업장 및 자동차에서 NOx 배출을 감소시키는 기술은 연소 화염의 온도를 조절하는 기술을 시작으로 암모니아 선택적 촉매 환원법(SCR, Selective Catalytic Reduction), 비선택적 촉매법(NSCR, Non-Selective Catalytic Reduction), 암모니아 선택적 비촉매법(SNCR, Selective Non-Catalytic Reduction) 등 매우 다양하다. 여러 종류의 질소산화물 처리기술 가운데 소재기술과 연관성이 높은 기술은 SCR 및 NSCR 기술이며, 특히 산업설비에서는 SCR 기술이 가장 관련 연구가 활발하다.

4) 휘발성 유기화합물(VOCs)

휘발성 유기화합물은 대표적으로 벤젠(Benzene), 톨루엔(Toluene), 자일렌(Xylene) 등을 들 수 있으나, 이 밖에도 수많은 종류의 화합물이 있다. VOCs의 주된 배출처는 석유화학공장, 자동차의 미연탄화수소(Unburned Hydrocarbon), 주유 및 저유소, 도색작업을 하는 시설, 세탁소 등 매우 다양하게 분포되어 있다. 환경부에서 발표한 자료에서 볼 수 있듯이, VOCs 역시 강한 규제로 인해 다음의 그림과 같이 점차 줄어드는 추세이다. 최근 VOCs 배출이 급격히 감소하고 있는 요인은 주유소나 저유소에서 유증기 회수설비를 장착했기 때문으로 분석된다.

VOCs 저감기술은 배출농도 및 배출량에 따라서 1) 응축 및 회수, 2) 흡착 및 재생, 3) 촉매산화, 4) 소각, 5) 바이오처리 등의 방법이 있다. VOCs의 농도가 높을 경우는 소각을 통해 처리하고, 여기서 발생된 열을 회수해서 사용하는 방법이 경제성이 높으나, 농도가 낮을수록 촉매산화 또는 흡착법을 사용하게 된다. 농도가 수 ppm이하로 낮거나 배출유량이 작을 경우는 저온 플라즈마 공정을 고려할 수도 있다.

5) 지구온난화가스

지구의 온도는 낮 동안 태양으로부터 방출된 열에너지가 복사 열전달(radiative heat transfer)을 통해 지표면의 온도를 올려주면서 상승하지만, 반대로 밤에는 지표면의 열이 상대적으로 온도가 낮은 우주 공간으로 빠져나가는 메커니즘이 반복되면서 일정한 온도를 유지하게 된다. <그림 3-6-4-8>에서 보듯이 낮 동안 지구온도를 상승시키는 복사열은 비교적 파장이 짧은 빛, 예를 들면 가시광선을 통해 태양으로부터 전달되며, 이들 비교적 짧은 파장의 빛은 대기층을 형성하고 있는 여러 분자나 입자에도 산란되지 않고 지구에 잘 전달된다. 한편, 지구로부터 열이 우주 공간으로 빠져나가는 경우는 상대적으로 파장이 긴 빛의 역할이 중요하나, 이들 파장이 긴 빛은 온실가스라고 불리는 이산화탄소, 산소/오존, 메탄, N2O 등에 의해 흡수되거나 산란되는 특성을 갖고 있다. 이에 따라 온실가스로 인해 지표면의 열은 차단되어 궁극적으로는 지구의 온도를 상승시킨다. 이와 같은 온실가스에 의한 지구온난화현상은 마치 온실에 들어온 열이 유리나 비닐에 의해 차단되어 외부로 빠져나가지 못하고, 그 결과로 실내 온도가 높게 지속되는 것과 유사한 현상이라고 할 수 있다.

위의 그림에서 볼 수 있듯이 지구온난화에 크게 영향을 미치는 온실가스는 이산화탄소만이 아니라 물 분자를 비롯한 여러 종류가 있다. 이에 따라 물 분자를 제외한 온실가스에 대해 배출규제가 시작되었으며, 온실가스는 크게 이산화탄소(CO2)와 Non-CO2 가스로 구분하여 규제하고 있다.

6) 이산화탄소(CO2)

이산화탄소의 절대 다수는 화석연료를 연소시켜 열 및 추진 에너지를 얻는 과정에서 배출되고 있다. 이에 따라 이산화탄소의 배출을 줄이는 방법으로는 1) 화석연료를 사용하지 않고 에너지를 얻는 방법 즉, 화석연료에서 신재생에너지로 대체하는 방법, 2) 연소기에서 배출되는 이산화탄소를 포집해서 지하에 저장하는 방법(CCS, Carbon Capture & Storage), 3) 포집된 이산화탄소를 다른 화합물로 전환시켜 이용하는 방법, 4) 비교적 이산화탄소 배출이 적은 연료를 사용하는 방법(예: 석탄에서 천연가스로의 대체), 5) 에너지 이용 효율을 높여 이산화탄소 배출을 줄이는 방법 등을 들 수 있다. 다음의 그림은 향후 전 세계 에너지 사용량을 에너지원별로 전망한 자료로 그림에서 보듯이 신재생에너지의 활용은 증가하지만, 앞으로도 상당기간 화석연료는 가장 많이 사용되는 에너지원임에는 변함이 없다.

이상의 전망을 고려해볼 때, 신재생 에너지의 활용을 증가시키는 것만으로는 이산화탄소를 획기적으로 줄이는 것은 불가능하다. 이에 따라 CCS 기술이 하나의 대안으로 고려될 수 있으나, 본 기술은 고정 배출원에만 적용할 수 있고 또한 석탄연료인 경우에 한해서 비용대비 효과가 높은 기술인 것으로 알려져 있어 해당 기술의 적용이 제한적이라는 문제점이 있다. 앞의 그림에서 주목할 내용 가운데 하나는 2010년도 이후 석탄의 사용량 증가율이 낮아지고 있으며, 이와는 달리 천연가스 연료 사용량의 증가 추세는 앞으로도 지속될 전망이다. 이는 미국 및 중국에서의 셰일가스 생산량의 증가, 석탄발전소로부터 배출되는 PM, SO2, NOx에 대한 강력한 규제, 그리고 석탄 대비 천연가스 연료는 이산화탄소 배출량이 1/2에 불과하다는 특성 등이 반영된 것으로 보인다. 이 밖에도 기초연구로서 이산화탄소를 부가가치가 높은 화합물로 전환시키는 연구가 다수 진행되고 있으나, 고온의 열화학 반응을 통해 생성된 매우 안정적인 화학물질인 이산화탄소를 별도의 에너지를 투입해서 다른 물질로 전환시키는 반응은 경제성을 확보하기가 극히 어려운 것으로 알려져 있다.

이상에서 보듯이 이산화탄소를 줄이는 방법은 대규모로 산업의 에너지 수급체계를 바꾸어야만 하는 신재생에너지의 보급, 천연가스와 같은 저탄소 연료의 활용, 그리고 에너지 효율의 극대화 이외에는 뚜렷한 대책이 없는 상황이다. 현재까지 알려진 여러 보고에 의하면 저탄소 연료의 활용 및 에너지 효율향상을 통한 이산화탄소 배출감축 기여도는 향후 수십 년간 50∼60%에 이를 것으로 알려져 있어, 당분간은 이들 두 종류의 기술이 실질적인 이산화탄소 저감기술이 될 가능성이 크다.

7) Non-CO2 가스

다음의 <그림 3-6-4-10>에서 보듯이 지구온난화에 영향을 미치는 가스는 이산화탄소가 가장 크지만, 이외에도 CH4, N2O, 그리고 냉장고 및 에어컨의 냉매인 HFCs(Halofluorocompounds), 반도체 공정의 에칭가스인 PFCs(Perfluoro compounds), 절연가스인 SF6 등이 지구온난화에 영향을 미치는 가스로 규정되어 있다. 여기서 이산화탄소를 제외한 온실가스를 Non-CO2 가스로 분류하고 있다. Non-CO2 가스는 <표 3-6-4-1>에서 보듯이 대기 중에서 장기간 분해되지 않고 머물면서 온실가스의 역할을 하고 있어, 배출량 자체는 많지 않으나 규제를 하고 있는 물질이다.