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에너지관리기사 연소설비 · 황산화물·질소산화물 저감

SOx and NOx Reduction

황산화물은 연료 속 황에서, 질소산화물은 주로 뜨거운 화염에서 공기 속 질소가 산화해 생기므로 줄이는 길도 다르다. SOx는 저황 연료와 배연 탈황으로, NOx는 화염 최고 온도를 낮추는 연소 개선과 배연 탈질(SCR · SNCR)로 줄인다. 그림은 공기비에 따른 열적 NOx 상대 생성량 곡선이고, 조금 과잉인 공기비 근처에서 꼭대기를 이뤄요. 연소온도 슬라이더는 곡선 전체의 높이를, 공기비 슬라이더는 곡선 위의 점을 옮겨요.

왜 SOₓ와 NOₓ를 따로 다루는가

황산화물은 연료 속 황에서 나오므로 연료를 바꾸거나 배기가스에서 씻어 내야 줄어든다. 반면 질소산화물은 주로 높은 화염 온도 가 원인이라 연소 방식을 손보는 것이 먼저다. 원인이 다르니 줄이는 전략도 다르다.

👀 생성 원리부터 잡기
①연료 NOx는 연료에 든 질소가 산화해 생기므로 질소가 적은 연료로 줄인다
②열적 NOx(thermal)는 고온에서 공기 속 N₂ + O₂ → 2NO로 생기고, 온도가 크게 좌우한다
③즉발 NOx(prompt)는 화염 앞쪽의 라디칼 반응으로 생기며 비중이 작아요
④황산화물은 연료 황 + O₂ → SO₂(일부 SO₃)로 생기고, 연료 대책과 배연 처리로 줄인다

연소온도와 공기비가 NOx를 좌우한다

1600 °C
1.2
💡 곡선으로 읽는 저감 원리
①연소온도가 높을수록 열적 NOx는 지수적으로 늘어나요
②산소가 많아지면(과잉공기) 처음에는 NOx가 늘지만, 지나치면 화염이 식어 다시 줄어든다
③그래서 NOx는 조금 과잉인 공기비 근처에서 꼭대기를 그려요
④줄이는 핵심 = 화염 최고 온도 낮추기 + 산소 농도 조절

저감 기술: 연소 개선 · 탈질 · 탈황

대기오염물질 저감 기술 분류

SOₓ · NOₓ 저감 기술 체계
⚡ 탈질 두 방식의 차이
①SCR은 촉매(V₂O₅/TiO₂)를 써서 비교적 낮은 온도(300 ~ 400°C)에서도 효율이 높다
②SNCR은 촉매 없이 고온부(850 ~ 1100°C)에 환원제를 바로 뿌려 설비는 간단하지만 효율이 낮다
③둘 다 환원제로 암모니아(NH₃)나 요소를 써요
④맞는 온도 범위를 벗어나면 반응하지 못한 암모니아가 빠져나가는 슬립이 문제가 된다

핵심 반응식과 관계

열적 NOx 생성
N₂ + O₂ → 2NO(고온에서 진행)
화염 최고 온도가 높을수록 급증 → 온도를 낮추는 것이 핵심
탈질(SCR/SNCR)
4NO + 4NH₃ + O₂ → 4N₂ + 6H₂O
암모니아로 NO를 해가 없는 질소로 환원
탈황(습식 석회석고법)
SO₂ + CaCO₃ + ½O₂ + 2H₂O → CaSO₄·2H₂O + CO₂
석회석으로 SO₂를 흡수하고, 부산물은 석고(CaSO₄·2H₂O)

연소 개선은 NOx가 생기기 전에 막는 사전 대책이고, 탈질과 탈황은 이미 생긴 것을 배기에서 걷어 내는 사후 대책이다. 두 대책을 함께 쓰면 배출 기준을 안정적으로 맞출 수 있어요.

정리와 시험에서 묻는 것

🎯 시험에서 묻는 것
①열적 NOx는 화염 온도가 좌우하므로 온도를 낮추는 것이 첫 대책이다
②연소 개선에는 저NOx 버너 · 2단 연소 · 배가스 재순환(FGR) · 농담 연소가 있다
③탈질은 SCR(촉매 · 300 ~ 400°C · 80 ~ 90%)과 SNCR(무촉매 · 850 ~ 1100°C · 40 ~ 70%)로 나뉘어요
④탈황은 습식 석회석고법이 대표이고, 부산물은 석고이며 효율은 90% 이상이다
⑤SOₓ는 연료 황이 원인이라 저황 연료 · 탈황으로, NOₓ는 고온이 원인이라 연소 개선 · 탈질로 줄인다
📝 대표 기출유형
①[기출유형] 열적 NOx를 줄이는 가장 근본적인 방법은? (답: 화염 최고 온도를 낮추는 것, 2단 연소 · 배가스 재순환)
②[기출유형] 촉매를 쓰는 탈질법과 그 온도는? (답: SCR, 약 300 ~ 400°C)
③[기출유형] 습식 석회석고법의 부산물은? (답: 석고 CaSO₄·2H₂O)
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