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생기원, 넓은 온도(240~420℃)에 적용 가능한 탈질촉매기술 개발

현대제철 당진제철소 소결로 파일럿 공정에 실증, 운영비 30% 절감 기대

□ 촉매(Catalyst)는 자신은 변하지 않으면서 화학반응 속도를 조절해 주는 물질로, 원하는 화합물을 빠르게 생성하면 시간과 비용, 환경오염을 줄일 수 있어 대부분의 화학제품에 사용된다.

□ 한국생산기술연구원(원장 이상목, 이하 생기원)이 광범위한 온도 범위에서 질소산화물(NOx)을 제거할 수 있는 탈질촉매기술 개발에 성공했다.

ㅇ 생기원 산업환경그린딜사업단 김홍대 박사 연구팀은 기존 350~380℃ 보다 넓은 240∼420℃ 온도 범위에서 모두 적용 가능한 ‘WTW(Wide Temperature Window) 탈질촉매기술’을 개발했다고 밝혔다.

ㅇ 개발 기술을 대표적 질소산화물 배출 업종인 철강사업장에 실증한 결과 연료비 등의 운영비가 30% 줄어들 것으로 예측돼 보다 넓은 범위의 사업장 적용을 추진 중이다.

□ 탈질촉매는 주로 초미세먼지 유발 물질인 질소산화물(NOx)을 인체에 무해한 질소와 물로 환원하는 데 사용된다.

ㅇ 기존 탈질촉매는 350∼380℃에서 최적의 탈질 효율을 보이는데, 제철소 소결로의 경우 황산화물을 제거하는 전처리 과정과 낮은 배기가스 온도로 인해 최소 300℃ 이상으로 재가열하는 공정이 필요하다.

ㅇ 이 때문에 에너지 사용량 뿐 아니라 질소산화물의 반응을 촉진하는 환원제 투입량이 증가하고, 각종 가스성분에 따른 오염으로 촉매의 수명이 짧아지는 등 운영비 상승 요인이 되어 왔다.

□ 김홍대 박사 연구팀은 먼저 촉매 활성물질의 분산성을 높이는 방식으로 경제성과 효율성을 확보했다.

ㅇ 이를 위해 NOx 제거를 위한 촉매 조성으로 바나듐(V)-텅스턴(W)계 산 화물을 사용하고, 지지체로는 이산화티타늄(TiO2)을 선택했다.

ㅇ 연구팀은 촉매 활성물질로 채택한 바나듐-텅스텐을 수 나노미터 크기 로 최대한 작게 쪼갠 뒤 분산시키는 방식으로 값비싼 전이금속 사용량 을 줄이면서 촉매가 반응하는 표면적을 넓혔다.

ㅇ 이때 주촉매인 바나듐-텅스텐 산화물은 작게 쪼갤 경우 이후 공정에 서 다시 결합해 커지는 특성이 있어 육방정계 질화붕소(h-BN)를 이 차원 평면재료(2D-material)로 활용, 그 위에 나노크기로 잘게 쪼갠 바나듐-텅스텐 산화물을 분산시켜 문제를 해결했다.

□ 또한 촉매적 식각법(Catalytic Etching)으로 산화수를 제어해 촉매의 활성 온도 범위를 240~420℃까지 확장했다.

ㅇ 연구팀은 열처리 과정에서 바나듐이 전자를 잘 주고받을 수 있도록 산화수를 조절함으로써 NOx와 선택적 반응이 가능하도록 제어했다.

ㅇ 산화수 제어를 위해서는 촉매적 식각법을 도입, 기존 바나듐 대비 불 안정한 V4+의 비율을 21.3%에서 41.6%까지 증가시켜 NOx와의 반응성 을 높이고, 이를 기반으로 촉매 활성 온도 범위를 240∼420℃까지 넓혔다.

□ 개발된 ‘WTW 탈질촉매기술’은 기존 상용화 제품의 촉매 조성은 그대로 유지하면서, 촉매의 크기를 스케일 업(Sclae up)해 현장 실증을 통해 실용화 가능성을 검증했다.

ㅇ 실제로 지난해 현대제철 당진제철소 소결로 파일럿 공정에 6인치 크 기의 WTW 제거 탈질촉매를 220℃ 저온에서 30일간 실증한 결과 초 기 92%였던 촉매의 활성도가 91%로 나타났다.

ㅇ 240∼420℃에서 100일간 현장 실증을 진행한 결과에서도 초기 효율 91%를 그대로 유지해 촉매의 높은 내구성과 활성도를 입증했다.

□ 김홍대 박사는 “국내 미세먼지 유발 물질의 40% 이상이 산업현장에서 발생하고 있어 철강, 석유화학, 시멘트 등 미세먼지를 다량 배출하는 주요 업종별로 공정맞춤형 미세먼지 저감 원천기술을 확보하고, 현장 실증을 완료했다”고 설명하며 “개발된 탈질촉매기술은 내구성과 활성도를 유지하면서 30%가량 운영비 절감이 가능해 촉매제조사에 기술 이전을 완료하고, 보다 광범위한 철강사업장 적용을 추진 중”이라고 밝혔다.