개념 한 쪽
연소가스 처리에서는 다이옥신 저감용 촉매, 활성탄에 의한 흡착, 백연 방지, 그리고 황산화물 탈황 등 여러 기술이 쓰인다. 각 기술은 목적과 작동 원리가 달라 설비별 특징을 구분하여 이해해야 한다.
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출제기준 단원 「연소가스 처리 설비의 종류및 특징」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 기체 농도 단위 환산 및 제거량 계산 | 1 | 질량농도(mg/Sm3)를 부피농도(mL/Sm3)로 환산하고 제거량을 구하기 |
| 흡수 후 성분 변화로 제거율 산정 | 1 | 혼합가스의 체적분율 변화로 특정 성분의 제거율을 계산하기 |
| 다이옥신 저감 촉매 선택 | 1 | 다이옥신 분해에 유효한 촉매 성분을 가리기 |
다이옥신을 촉매로 산화분해할 때 유효한 촉매는 두 계열로 구분된다. 하나는 TiO2(이산화티타늄)를 담체로 하고 V2O5(오산화바나듐) 계열의 활성물질을 도포한 조합이며, 다른 하나는 Pd(팔라듐)·Pt(백금) 같은 귀금속 촉매이다. 반면 Al2O3(알루미나)는 담체로 널리 쓰이지만 다이옥신 분해 활성은 낮아 다이옥신 제어용 촉매로는 효과적이지 못하다.
활성탄 흡착은 분자 구조와 극성에 따라 흡착도가 달라진다. 극성기를 많이 가진 분자는 물과 친화성이 커서 활성탄 흡착이 저해되고, 불포화(이중결합)·방향족 고리수·할로겐 치환이 많을수록 비극성·소수성 성향이 강해져 활성탄 흡착이 유리하다. 따라서 할로겐 수가 증가하면 극성은 줄고 소수성은 증가하여 활성탄 흡착률이 증가한다.
다이옥신 생성은 연소 조건과 가스의 온도 구간에 크게 좌우된다. 다이옥신은 불완전 연소와 연소 후 250~400℃ 구간에서의 재합성으로 생성되므로, 투입 폐기물의 종류(특히 염소 함유 여부), 배출가스의 온도 관리, 연소공기의 양·분포가 주요 생성 인자가 된다. 질소산화물(NOx) 농도는 다이옥신 생성 인자와는 무관하므로 분류할 때 주의해야 한다.
백연(white plume)은 배출가스 중 수증기가 대기 중에서 응결하여 가시적인 흰 연기가 되는 현상이다. 백연 자체는 대부분 수증기로 구성되어 유해물질과는 구별되지만, 주민의 오염 인식으로 민원이 발생하므로 백연 방지시설은 배가스를 재가열하는 등의 방법으로 수증기 응결을 억제해 가시적 발생을 줄이는 역할을 한다.
연배가스 탈황에는 여러 방법이 실제로 활용된다. 대표적으로 습식 흡수법, 금속산화물(예: ZnO 등)에 의한 흡착법, 미생물을 이용한 생물학적 탈황, 전자빔 등 방사선 조사법이 있으며, 질산염 흡수는 탈황법으로 쓰이지 않는다.
1) Cl2 농도 환산 및 제거량 계산 예시 문제 자료: 측정값 150 mL/Sm3, 목표 35.5 mg/Sm3로 낮추기. 표준상태에서 기체 1몰은 22.4 L(=22,400 mL)이고 Cl2의 몰질량은 약 71 g/mol이므로, 질량 농도를 부피농도로 바꾸는 식은 mg/Sm3 → mL/Sm3 = (mg ÷ 1000 g) × 22400 ÷ (몰질량 g/mol). 35.5 mg/Sm3 = 0.0355 g/Sm3 → 0.0355 × 22400 ÷ 71 = 11.2 mL/Sm3. 따라서 제거해야 할 Cl2 농도 = 150 − 11.2 = 138.8 ≈ 139 mL/Sm3.
2) NH3 제거율 계산 예시 문제 자료: 혼합가스 CO2 30 vol%, NH3 70 vol%에서 흡수 후 배가스의 NH3가 40 vol%가 되었을 때 NH3 제거율. 초기 NH3 분율 70 vol%에서 40 vol%로 감소했으므로 제거된 분율은 (70 − 40) / 70 = 30 / 70 ≈ 0.4286 = 42.86%. 따라서 NH3 제거율은 약 42.9%이다.
소각장 굴뚝에서 배기가스 중의 염소(Cl2)농도를 측정하였더니 150mL/Sm3 이었다. 이 배기가스 중의 염소(Cl2)농도를 35.5mg/Sm3로 줄이기 위하여 제거해야 할 염소(Cl2) 농도(mL/Sm3)는?
정답 ④ · 염소(Cl₂)의 몰질량은 약 71g/mol이므로, 표준상태에서 1mol은 22.4L입니다. 따라서 35.5mg/Sm³의 부피 농도를 환산하면 (35.5×10⁻³g / 71g/mol) × 22.4 × 10³mL = 약 11.2mL/Sm³가 됩니다.
mg/Sm³→mL/Sm³는 질량÷71×22400. 35.5mg=11.2mL이므로 150−11.2=139.
CO2 30 vol%와 NH3 70 vol%의 혼합 폐가스를 산 용액으로 흡수 처리하여 배가스 중 40 vol%의NH3 농도를 얻었을 때 NH3의 제거율은? (단, CO2와 산 용액의 양은 일정하다.)
정답 ② · 불활성 가스의 양을 기준으로 흡수 제거율을 계산하는 문제이다. 혼합가스 100mol을 기준으로 하면 CO2는 30mol로 산 용액에 흡수되지 않아 일정하고, NH3는 70mol이다.
다이옥신을 제어하는 촉매로 효과적이지 못한 것은?
정답 ① · 다이옥신 저감을 위한 촉매산화분해(SCR) 방식에 주로 사용되는 효과적인 촉매로는 이산화티타늄(TiO2)을 담체로 하고 오산화바나듐(V2O5) 등의 활성 물질이 코팅된 촉매와 백(Pd), 백금(Pt) 등의 귀금속 촉매가 있습니다. 알루미나(Al2O3)는 일반적으로 다이옥신 분해용 촉매로는 효과가 낮아 사용되지 않습니다.
다이옥신 촉매는 TiO2 담체 + V2O5 활성물질과 Pd·Pt 귀금속이 유효하며 Al2O3는 부적합하다.
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