대기오염을 유발하는 오염원으로 황산화물(SO_x)과 질소산화물(NO_x)가 지목되고 있으며, 특히, 황산화물은 유황성분을 함유하는 화석연료의 연소로부터 방출되는 산업 배가스에 포함되어 있어 미세먼지 및 산성비를 유발하는 등의 다양한 환경오염을 야기하는 등의 문제를 나타내고 있다(그림1).

[그림1] 미세먼지 나쁨, 출처 SBS 뉴스

일반적으로 황산화물을 제거하기 위해 공장 또는 화석 연료를 사용하는 발전소에서는 연소 후 처리 방법인 배연탈황 방법을 사용하여 왔다. 배연탈황 방법은 유황가스를 함유하는 화석연료를 연소한 후, 그 배가스를 탈황 처리하는 것을 의미하며, 배가스를 암모니아수, 수산화나트륨 용액, 석회유 등을 통해 세척하여 황산화물을 제거하는 습식법과, 활성탄, 탄산염 등의 입자 또는 분말을 배가스와 접촉시켜, 이산화황을 흡착 또는 반응시킴으로써 황산화물을 제거하는 건식법이 있다.

하지만, 배연탈황 방법을 사용하기 위해서는 배가스를 처리하는 탈황 설비를 따로 구축해야 하며, 탈황 설비의 가동 시 인력과 비용이 많이 들고 탈황 과정이 복잡하다는 문제점을 가지고 있다.

로우카본테크의 본 특허는 화석연료의 연소 시에 단순하고 적용이 쉬우면서 탈황 효과가 우수한 탈황용 촉매, 탈황용 촉매의 제조방법 및 탈황용 촉매를 이용한 탈황 방법에 관한 것이다.

구체적으로 본 특허에 따른 탈황용 촉매는,

(a) SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, TiO₂, MgO, MnO, CaO, Na₂O, K₂O 및 P₂O₃로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 산화물;

(b) Li, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Sr, Cd 및 Pb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속; 및

(c) 사붕산나트륨(Na₂B₄O₇·10H₂O), 수산화나트륨(NaOH), 규산나트륨(Na₂SiO₃) 및 과산화수소(H₂O₂)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 액상 조성물;을 포함한다.

로우카본테크의 탈황용 촉매는 연소물을 연소시키기 전에 전처리하여 추가적인 탈황 시설의 투자 없이 단순하고 적용성이 우수한 효과가 있다.

본 특허의 실시예에서 SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, TiO₂, MgO, MnO, CaO, Na₂O, K₂O 및 P₂O₃를 혼합하여 산화물 미분체를 형성하고, Li, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Sr, Cd 및 Pb를 혼합하여 금속 미분체를 형성하였다. 이들은 반응로에서 사붕산나트륨(Na₂B₄O₇·10H₂O), 수산화나트륨(NaOH), 규산나트륨(Na₂SiO₃) 및 과산화수소(H₂O₂)를 투입하고 교반한 후, 냉각시켜 액상조성물(탈황용 액상 촉매(GTS-W))과, 침전된 분말 조성물(탈황용 분말 촉매(GTS-P))을 분리하였다.

제조된 탈황용 촉매의 탈황 효율을 검증하기 위해 러시아 석탄과 탈황용 촉매를 혼합하여 연소 후 배가스를 분석하였다. 비교예는 촉매를 넣지 않은 러시아 석탄을 사용하였다.

분석결과, 각 SO₂ 평균 총 배출량은 비교예(Raw Coal) 743ppm을 나타내었으며, 실시예 1(GTS-P 3) 403ppm, 실시예 2(GTS-P 5) 271ppm, 실시예 3(GTS-W 0.3) 538ppm, 실시예 4(GTS-W 0.5) 435ppm을 나타내었다.

비교예의 SO₂ 평균 총 배출량과 비교하면, 탈황촉매를 이용한 경우(실시예1 ~ 4)의 SO₂ 평균 총 배출량은 전체적으로 낮아진 것을 확인할수 있었다.

특히, 탈황용 촉매의 혼합량이 증가할수록 SO₂ 배출 저감효율이 커지는 것을 확인할 수 있었으며, 촉매의 형태에 따라 분말 형태의 탈황용 분말 촉매를 혼합한 실시예 1 ~ 2의 SO₂ 배출 저감효율이 큰 것으로 나타났으나, 액상형태의 탈황용 액상 촉매를 혼합한 실시예 3 ~ 4에 비해 혼합비가 10배 이상 높은 것을 감안하면, 혼합비에 따른 저감특성을 고려해볼 때 실시예 3 ~ 4에 사용된 탈황용 액상 촉매의 SO₂ 배출 저감효율이 더 큰 것으로 예측할 수 있다(그림2).

[그림2] SO₂ 평균 총 배출량 특성실험 결과

로우카본테크의 본 기술은 후처리 탈황 저리보다 효과가 우수하고, 산업 배기가스 내에서 발생하는 미세먼지 저감에 효과적이다. 이에 황산화물 배출 극소화 연소 전처리 탈황소재 기술을 활용하여 선박유(LCLS), 석탄화력발전(GTS) 중유보일러 등에 적용할 수 있는 제품을 상용화하였는바, 다양한 분야의 산업가스로 인한 미세먼지가 효과적으로 저감할 수 있을 것으로 기대된다.

미연분 배출(Unburned carbon) 비율의 경우, 촉매의 효율을 판가름하기에 매우 중요한 확인 요소로서, 연소물의 연소 시에 황산화물의 배출량이 적어지는 이유가 미연소된 연소물의 양, 즉 미연분이 많아져 황산화물의 배출량이 적어지는 것인지, 아니면, 미연분의 양이 같거나 적으면서 황산화물의 배출량이 적어지는지, 즉 촉매의 탈황효과로 인한 것인지를 알 수 있다.

비교예(Raw coal)의 경우, 미연분 배출 비율이 31.1%로 나타났으며, 실시예 1(GTS-P 3)는 30.4%, 실시예 2(GTS-P 5)는 34%, 실시예 3(GTS-W 0.3)은 21.1% 및 실시예 4(GTS-W 0.5)는 19.5%로 나타났다(그림3).

비교예와 비교하면 실시예 1 및 실시예 2는 미연분 배출 비율이 비교예와 동일하거나 약간 많은 비율을 나타내었으며, 이는 연소물의 연소 시에 미연소된 연소물에 의한 것이 아닌, 촉매의 영향에 의한 것임을 알 수 있다. 또한, 탈황용 액상 촉매를 사용한 실시예 3 및 실시예 4는 비교예보다 낮은 미연분 배출 비율을 나타내어 탈황 효과와 함께 연소물의 연소 비율을 향상시키는 조연 효과가 나타난 것으로 예측할 수 있다.

[그림3] 비교예 및 실시예 1 ~ 4의 미연분 배출 비율

지금까지의 실험예 1 ~ 3에서 알 수 있듯이, 실시예 1 ~ 실시예 4의 탈황용 촉매는 연소물(러시아 석탄, 비교예)과 혼합하여 연소 시 탈황효과가 최소 28%에서 최대 70%의 저감효율을 나타내었으며, 실험예 3에서 확인한 바와 같이, 황산화물의 저감 효과가 연소물의 미연소에 의한 것이 아닌, 실제 탈황용 촉매의 효과에 의한 것임을 확인할 수 있었다.

특허법인 ECM

변리사 최자영

jychoi@ecmpatent.com

02-568-2675

참조,

미세먼지 없는 세상~~ 연소 전처리 탈황 처리제 / 로우카본테크, 조달청 블로그, 2021년 1월 22일

전국 대부분 초미세먼지 · 미세먼지 '나쁨'…비상저감조치 발령, SBS 뉴스, 2021년 11월 21일