(7) 대기 오염물질 배출특성 및 배출저감기술

[대한*이부장]

대기 오염물질 배출특성 및 배출저감기술

1. 대기 오염물질 및 주요 발생원 

오염물질	주요발생원
분진 (particulate)	사막의 먼지, 식물의 꽃가루, 지면의 침식, 화산 폭발, 물보라의 증발 각종 사업장, 금속의 용융, 제련, 열처리시설, 시멘트제조, 소각 열 공급 시설(가정 난방,산업 장 보일러)
암모니아 (NH4)	미생물의 분해 산물, 냉매, 표백, 비료 공장
일산화탄소(CO)	자동차, 각종 사업장의 연소 시설
황산화물(SOX)	화력 발전소, 각종 난방 시설, 정유 공장, 황산제조공장
질소산화물 (NOX)	자동차와 각종 연료의 연소 과정, 질산 제조 공장, 필름, 폭약, 비료
탄화수소 (HC)	자동차, 가스공업, 석유정제, 산업장의 연소 시설
오존 ( O3)	자동차 배기 가스 중 질소산화물이나 탄소와 광화학 반응
납 (Pb)	건전지, 축전지, 인쇄, 자동차, 비행기
크롬 (Cr)	화학비료, 염색, 시멘트, 도금
카드륨 (Cd)	도금, 아연정련, 축전지
수은 (Hg)	폐수

①대기오염의 발생원

   l- 자연적 배출원 – 광물, 동식물, 화산 등의 자연 현상에 의해 발생

   l

   l                                        l - 점오염원 배출원 : 산업시설, 발전소 등의 연소 및

   l                                        l                           공정에 의해 발생

   l                     l-고정배출원  l

   l                     l                  l

   l- 인위적 배출원 l                  l - 면오염원 배출원 : 가정 난방, 매연,공공건물에 의해 발생

                         l

                         l

                         l-이동배출원 : 자동차, 비행기, 선박 등의 매연에 의해 발생

2. 가스상 물질

①황산화물

   -.화석연료 : 0.1∼0.5% 이상의 유황을 함유

   -.연소 시 : 주로 SO2, SO3 형태로 발생(SOx)

   -.인체에 미치는 영향

      흡인 시 비강과 인후에 흡착되어 황산을 생성하여 염증유발

   황산화물(SOX) : 각종 연료, 특히 석탄을 태울 때, 배출되는 대기 오염물질

  SO2 (아황산가스)->무색, 자극성 냄새, SO3 (삼산화유황)

  H2SO3(아황산),H2SO4(황산),CuSO4(유황동),CaSO4(황산칼슘),MgSO4(황산마그네슘)

             SO2 + ½ O2  SO3

             SO2 + H2O  H2SO3

             SO3 + H2O  H2SO4

②질소산화물(NO2, N2O, N2O4, N2O5 등)

   -.Hydro-carbon, 일산화탄소, 암모니아

   -.이황화탄소(CS2), 악취, Fluoride

    질소산화물(NOX) :연료의 연소 과정에서 배출되는 중요 대기 오염물질

       NO(일산화질소): 무색, 무취,

    NO2 (이산화질소): 무색, 무취, 부식성, 독성

    N2O, N2O3, N2O4, N2O5

       N2 + O NO +N

       N + O2 NO +O

   -----------------------

       N2 + O2 2NO

③일산화 탄소 (CO) : 불완전 연소시 생성되는 유독성 기체

④탄화수소 (HC) : 폐기물의 소각, 석탄이나 기름, 목재의 불완전 연소에 의해 발생

⑤중금속 물질

  수은 : 증기 또는 분진 형태로 존재

  카드뮴 : 산화 카드뮴 형태로 분진 중에 존재

  납 : 입자형태로 분진 중에 존재

  크롬 : 입자형태로 분진 중에 존재

  구리 : 증기상태로 존재

  비소 : 비소를 공기 중에서 태울 때 발생하는 삼산화 비소

3. 특정 유해 대기오염물질

    납 (Pb) : 자동차 배기 가스 및 건전지, 축전지, 페인트 공장에서 발생

              소화기, 호흡기, 피부 등을 통하여 체내에 침입하여 뇌조직과 간장이나 신장등에 축적

    카드륨 (Cd) : 플라스틱 제품의 소각시 발생 및 심장 혈관 장애나 신경과민 증상 유발

    니켈 (Ni) : 석탄, 디젤유, 석유 찌꺼기 연소시 발생 또한 담배를 피울 때에도 검출됨

                  호흡장애나 폐암 유발

    수은 (Hg): 살충제, 살균제 등에서 발생, 매우 위험

    기타 : 베릴륨(Be), 주석(Sn), 비스무트(Bi), 안티몬(Sb), 알루미늄(Al),티탄(Ti), 바륨(Ba),

            스트론튬(Sr), 크롬(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 구리(Cu)등

4. 대기오염의 종류와 오염원

①1차 오염물질

   -.자연적, 인위적으로 발생한 물질

   -.CO, CO2, SO2, NO, 탄화수소, 부유분진 등

②2차 오염물질

   -.대류권에서 1차 오염물질들이 서로간에, 또는 공기의 구성물질과 반응하여 생성된 물질

   -.SO3, H2SO4, OH•, O3, PANs(peroxyacetyl nitrates), NO2, 대부분의 SO42-와 NO3- 등

③2차 오염물질:1차 오염물이 광화학반응에 의해 생성

◎ 광화학반응

   예) 빛에 의한 NO2 해리

          NO2 + hv (0.4μm) --> NO + O

 ◎ 광화학 스모그

      광화학스모그는 배기 가스에 의해 방출되어 대류권 내에 존재하던 질소 산화물과 탄화수소가

      태양의 자외선에 의해 분해되어 생긴 물질

 *광화학스모그가 형성되는 과정

      자동차 배기 가스에서 배출된 질소 산화물이 자외선에 의해 분해되어 산소 원자를 생성

                                       NOX + hv → NO +O

       이 때 생긴 일산화질소도 산소 분자와 반응하여 산소 원자를 생성이 산소 원자는 산소 분자와

       반응하여 오존을 형성

                                        O + O2 → O3

    *오존은 대기 중의 탄화수소(HC)와 반응하여 스모그를 형성

                                        O3 + HC → smog

④대기오염 방지시설

5. 대기오염물질 배출 저감기술

1)방지시설의 실용범위

2)집진장치 선정 시 고려 사항

①집진할 입자의 특성 검토

   -분진의 입경(Median, Martin)

   -분진의 입도분포(Frequency, Residue)

   -배기가스의 함진농도 및 분진의 부착성

   -발화온도, 마모성, 흡습성, 전기저항 등

②입경분포- 5㎛이하의 입자 : 전기, 여과, 세정집진시설

                10㎛ 내외 입자 : 원심력집진시설

                10㎛ 이상 : 중력집진시설

③비 중- 비중이 적으면 포집이 어렵고 재비산 우려

            중력, 원심력, 관성력 집진장치에 특히 영향

④함진농도- 중력, 원심력, 관성력 집진장치는 함진농도와 집진율 비례

                세정집진장치는 Throat 마모, 노즐막힘 등으로 10g/N㎥ 이하기 적당

                여과집진장치는 30g/N㎥ 이상의 고농도에는 부적합

⑤부착성- 부착성이 커지면 사이틀론의 폐쇄, Bag Filter 눈막힘, 전기집진기 방전극 효율저하

              부착성은 분진의 입경이 작을수록 비표면적이 커짐에 따라 높아짐

⑥전기적 특성- 정상적인 전기집진의 범위는 1015-1010Ω/㎝

                    전기저항은 수분과 온도에 영향을 받음

⑦온 도- 건식집진장치는 노점온도 이상에서 운전가능토록 설계

            세정집진장치는 대기방출후 응집을 방지키 위해 저온에서 운전가능토록 설계

            여과집진장치는 여과포 재질특성을 고려

3)집진장치 선정 목표설정: 배출량, 배출허용기준 등을 고려 처리효율 결정 검토

①기류의 특성 파악

   -.용량, 온도, 수분량, 점성, 밀도

   -.부식, 취기, 폭발성

②장치설비 요건 검토

   -.제품으로서의 회수 가능성

   -.열회수 및 용수이용 가능성

   -.설치공간 제한

   -.2차 오염물 발생 및 처리

③비용 검토 -주차장 및 부속장치, 토지, 구조, 건설비, 시설비 및 운영비 등

4)질소산화물 처리시설

■ Thermal NOx

   - 연소에 사용된 공기 중의 질소가 산소와 반응하여 NOx 형성

   - 온도에 매우 민감하며, 화염온도(1,200℃-1,300℃)에서 빠르게 생성

■ Fuel NOx

   - 폐기물중에 존재하는 유기성 질소가 연소과정에서 산화되어 NOx 생성

■ Prompt NOx

   - CH2, C 이온을 갖고 있는 물질이 질소와 반응하여 carbon-bearing radicals을 생성하고,

     분리된 N이 산소와 반응하여 NOx를 생성

                 CH + N2 ↔ HCN +N, N + O2 ↔ NO +O

      소각로에서 발생하는 NOx는 NO가 전체의 90-95%(용적비)로 대부분을 점유

■ 연소제어법

   - 소각로내에서 연소조건을 조절하여 NOx의 발생량을 저감

     * 저산소연소법 : 소각로의 연소공기 공급량을 감소시켜 효과적인 자기탈초반응을 유도

                           (소각재중의 미연분 증가 및 미연가스의 잔류문제로 제한)

     * 로내수분사법 : 소각로내의 연소부에 물을 분무하여 NOx의 발생을 저감

     * 배가스재순환법 : 소각로의 연소 및 온도의 억제로 NOx의 발생을 저감

■ 촉매탈질법(SCR)

   - 촉매반응탑을 설치하여 배가스중에 분사되는 암모니아를 환원제로 하여 NOx의 환원반응을

      촉매의 존재하에 효과적으로 진행

■ 무촉매환원법(SNCR)

- 소각로내의 고온부에 암모니아 등의 환원제를 분사하여 NOx를 N2와 O2로 분해

5)휘발성유기화합물 처리기술

가)연소법(직접연소법)

    직접연소법은 VOCs을 함유한 배기가스를 고온에서 연소 방법으로 신뢰성이 높음.

    이 방법은 도시가스, 등유 등 보조연료가 필요하므로 운전비용이 많이 들고, 고온과 일정한

    체류시간에서 처리되어야 하므로 일반적으로 유량이 적은 고농도의 배기가스 처리에 적합하며,

    배기가스 온도가 높을수록 효율적임. 또한, 이 방법은 촉매연소법에 비해 유지비가 매우 크지만,

    관리가 쉬우며 촉매독의 문제로 촉매연소법을 적용하기 곤란한 경우에도 처리가 가능함.

나) 촉매산화(연소)법

    직접연소법과 같이 악취성분을 산화분해하여 탈취하는 방법이지만, 촉매산화법은 촉매를 이용하여

    비교적 저온(250~350℃)에서 산화시키는 것이 특징.

    따라서, 운영비(연료비)는 직접연소법에 비해 경감할 수 있는 장점.

    촉매독으로 인한 기능저하나 폭발위험성 등의 문제가 있으므로, 촉매독 성분에 대한 고려와 폭발을

    방지하기 위해서는 설계, 미세먼지 등에 대한 전처리가 중요함.

    촉매산화법은 보통 저온에서 산화시키기 때문에 Thermal NOx가 생성되지 않는다는 장점이 있음

    또한, 연소시에 발생하는 반응열을 이용함.

    탈취장치에 들어오는 악취를 열교환기로 예열하는 경우에는 보조연료가 필요 없음.

다) 축열연소법(RTO)

축열연소법은 직접연소법에서 폐열회수가 이루어지지 않을 경우 과다한 연료사용을 인한 운영비가

문제되는 점을 보완하기 위한 기술로, 열을 축적하고 있는 축열제에 악취가스를 통과시켜 산화시키는 방법.

축열연소장치는 축열제가 열을 축적하고 있으므로, 유량이 작은 가스의 경우에는 유지관리비가 큰 장점이 있음.  이 방법은 직접연소법이나 촉매연소법의 적용대상 분야와 비슷한 석유화학, 인쇄․도장

관련 업종, 유기용제 다량사용 업종 등에서 발생하는 악취처리에 적합하다

라) 축열촉매연소법(RCO)

축열촉매연소법은 휘발성 유기화합 및 악취 등을 세라믹 축열체를 이용하여 가열한 후, 촉매층을 통과시켜 산화가 일어나게 하여 무해한 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)로 분해시키는 설비로서 Burner, 세라믹축열제,

Catalyst,연소실, Damper System으로 구성.

축열식 촉매연소법은 배기가스의 폐열을 최대한 회수하여 이를 흡기가스 예열에 이용하는 것이며,

이 폐열 회수를 극대화 하기 위하여 열교환기을 사용하지 않고 표면적이 넓은 ceramic을 직접

가열 및 냉각하는 Regeneration 방법을 사용

축열식 촉매연소(RCO, Regenerative Catalytic Oxidation)은 상기한 축열 소각기의 원리를 이용하며

산화 온도를 낮추기 위하여 축열재 상부에 산화촉매를 사용하는 방법으로 산화온도는 촉매 종류나

유기물에 따라 차이가 있으나 350~500oC 내외에서 운전

마) 휘발성유기화합물 처리기술