선택적 환원 촉매 (SCR : Selective Catalytic Reduction)

 DPF 후처리 시스템은 자동차에 별로 관심이 없어도 많이 들어본 시스템이지만 선택적 환원 촉매 SCR(Selective Catalytic Reduction)은 본인에겐 생소한 시스템이다. 오늘은 SCR에 대해서 한번 알아보려고 한다.

 

 EURO 6의의 등장과 함께 요소수를 넣어야 하는 차량들이 증가하게 되었고 기름 이외에 요소수를 추가 비용을 지불하면서까지 넣어야 하는 단점이 있지만 차량의 연료 효율을 증대시켜주는 기술로 우리 생활에 많이 기술에 대한 스터디를 해보고 싶었다.

 

 환경규제로 인해 배기가스 규제가 강화되고 있어 친환경(하이브리드, 전기차) 자동차에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있는 상황이다. 그럼에도 불구하고 디젤 엔진은 높은 연료효율을 가지고 있기 때문에 자동차 연구 분야 전반에서 강화된 규제를 만족하는 후처리 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있어 SCR 신기술에 대한 논문을 스터디하고 싶었다.

 

 질소산화물은 자체 독성도 유해하지만 광화학반응을 통해 미세먼지와 오존 등을 생성한다. 이에 따라 인체에도 안 좋은 영향을 끼칠 수 있다. 2012년 WHO는 디젤 엔진의 배출가스를 1등급 발암물질로 지정했다. (질소산화물은 고온고압의 엔진 연소실에서 발생한다. 공기 중의 질소는 고온고압 환경에서 산소와 결합해 질소산화물을 만든다.)

 

 SCR의 장점, SCR 방식은 EGR 방식보다 엔진의 열효율이 증가하 여 연비적인 측면이 우수하다는 장점이 있다. SCR 시스 템은 배기가스에 있는 질소산화물의 90% 이상을 줄일 수 있는 장치이며, 그 원리는 NOx가 포함된 배기에 암 모니아(NH3)를 첨가하여 SCR을 통과하면서 촉매 반응을 일으켜 아래 화학반응식과 같이 환경오염과 무관한 질소와 물로 환원시켜 대기로 배출하는 것이다. (출처 : 선박용 SCR 시스템에 대한 실험적 연구, 한국해양수산연구원)

SCR System  계략도 'What is a SCR system and where is it located on your car?'

(출처 : Greenchem-adblue, https://www.greenchem-adblue.com/scr-system/))

 

논문 스터디

 : V₂O5-SCR 촉매의 배기가스 저감 성능 향상을 위한 연구(저자, 서충길)

(SCR을 키워드로 여러 논문들을 검색했지만 상세한 내용을 확인할 수 있는 논문이 다양하지 못했다. 내용 대부분이 다소 이해하기가 어려웠지만, SCR에 대한 전반적인 이해를 하는데 참고, 활용하였다.)

 

논문 결론: 자동차 및 선박에서 사용되는 V2O5-SCR 촉매의 NOx 흡장 물질(BaO, Ca, K)과 귀금속 Pt 첨가에 따른 NOx 흡장 특성과 배기가스 저감 성능을 파악한 결과는 다음과 같다.

 

 1) 귀금속 2Pt가 V2O5-SCR 촉매에 포함되었을 경우 5, 6, 7번 Pt가 포함된 촉매는 NO2의 농도가 높고, NO의 농도가 낮아 NOx 흡장량이 증가하였다.

 2) V2O5-SCR 촉매에 NOx 흡장 물질이 포함되면 V2O5의 물리·화학적인 반응을 방해(blocking) 하 여 촉매의 활성을 저하시키므로 de-NOx/CO 성능은 향상되지 않았다.

 3) NOx 흡장 물질이 포함된 5, 6, 7번 SCR 촉매에 귀금속 2Pt가 포함되었을 때 200℃에서 5번 SCR 촉매의 de-NOx 성능은 약 52%로 상승하였지만 전반적으로 de-NOx 성능은 감소하였다.

 4) 산화와 환원 반응의 일어나면, 산화반응이 우세하므로 V2O5-SCR 환원촉매에 NOx 흡장 물질과 귀금속 2Pt가 포함할 때의 효과는 미미하였다

 

[배출가스 저감 기술 개발에 대한 생각]
 코로나 바이러스로 인해 전 서계가 어려움을 겪고 있다. 일시적으로 공장 가동이 줄어들고 사람들의 생산활동, 이동도 줄어들어 대기 환경이 깨끗 해졌다는 이야기를 많이 들어볼 수 있다. 자동차에서 배출되는 매연은 환경오염의 주범으로 항상 이야기되어 왔는데 코로나 이후에 사람들이 환경에 대한 관심이 더 높아지고 이에 따라 더 까다로운 환경규제가 생겨날 것이고 기업들도 신경을 많이 쓸 것으로 예상된다. 이에 따라 NOx를 줄이기 위한 기술 개발에 대한 연구도 활발히 진행될 것이다.

자동차 산업에서 내연기관에 대한 연구는 줄어들고 있지만, 그 수요를 중장비, 선박 등 대형 엔진을 활용하는 산업에서 충족할 것이라고 생각된다.

(출처 : NASA)

[NOx 연간 발생량 및 처리비용]
 NOx는 2016년 기준 1,248,309톤이 발생되었다. 2020년 1월 1일부터 적용되는 질소 산화물 배출 부과금을 단순히 계산해보면 처리 비용만 26억에 가깝다. 막상 계산해 보니 예상보다 비용이 적게 드는 듯하다. 국가에서는 질소산화물을 줄이기 위한 많은 연구를 하고 있다고 했는데 비용 측면에서만 보면 이해가 잘 되지 않는다. 더 상세한 조사가 필요하다. (1kg당 2,130원 부과 – 환경부, 대기관리과), (국가미세먼정보센터 : https://airemiss.nier.go.kr/mbshome/mbs/airemiss/index.do)

 

(이외 참고 스터디한 자료)

-       배기가스 질소산화물 제거를 위한 선택적촉매환원법(SCR) 기술동향 (링크)

-       포스코 ‘코로나19 사태’에도 멈추지 않는 환경 투자 (링크)

-       코네틱리포트 33호] SCR 촉매의 특성 및 기술개발 동향 (링크)

-       코로나 19로 잠시 깨끗해졌지만… 지구 위기 다시 찾아온다 (링크)

-       두산 독보적인 후처리(DPF+SCR) 시스템 기술로 고객 사용가치 극대화 (링크)