국가과학기술연구회가 지원하는 FEP융합연구단(단장 이재구 책임연구원)이 각종 연료의 연소과정에서 발생하는 미세먼지의 발생과 배출을 억제하는 ‘초미세먼지 및 유발물질 제거기술’을 독자적으로 개발했다.

FEP융합연구단은 온실가스 배출 저감 기술 개발을 위한 국가과학기술연구회 미래선도형 융합연구단 사업으로 주관 기관인 에너지기술연구원과 생산기술연구원, 표준과학연구원, 기계연구원, 이외 위탁기관, 기업 등이 참여해 협동 연구를 수행하고 있다.

현재 화력발전소 등 각종 에너지 사용·생산 시설은 미세먼지 제거를 위한 환경설비를 갖추고 있으나, 배출물질의 다양성으로 인해 어려움을 겪고 있다. 이를 극복하기 위해서는 초미세먼지 배출농도를 크게 줄일 수 있는 고성능 집진기술과, 지구온난화 지수가 이산화탄소의 300배에 달하는 아산화질소의 발생도 함께 억제할 수 있는 미래형 환경 설비의 구현이 필요하다.

한국에너지기술연구원과 한국기계연구원은 각각 입자상(1차 초미세먼지)과 가스상(2차 초미세먼지) 물질 제거 분야를 담당해 초미세먼지와 관련 유발물질을 높은 효율로 제거하는 기술을 개발했다. 이 기술을 이용하면 1, 2차 초미세먼지를 기존 배출량 대비 90%이상 줄일 수 있다.

에너지연구원은 입자상 초미세먼지의 배출농도를 줄이기 위해 자체 개발한 이중벽 구조의 저압손 싸이클론과 새로운 방식의 필터 재생시스템을 결합한 신개념 집진시스템을 구축했다. 1차 집진부인 저압손 사이클론에서 유입되는 먼지가 70% 이상 제거된 후 2차 집진부인 백필터 집진기로 유입되기 때문에 여과필터 먼지 부하량이 크게 감소하는 원리다. 이 기술이 적용되면 탈진 공정의 주기가 길어져 필터 수명이 2배 이상 늘어나며 초미세먼지 배출농도가 기존 대비 90% 이상 저감 된다.

일반적인 싸이클론은 운전 시 압력손실이 높아 에너지 소비가 많고, 마모성 분진에 취약하다는 문제점이 있어 연소공정의 후단 환경설비로는 적합하지 않지만, 연구진이 개발한 이중벽 구조의 독특한 저압손 싸이클론은 압력 손실을 70% 이상 감소시켜 에너지 효율을 높이고, 싸이클론 외벽의 기계적 마모도 줄여준다.

또한, 충격기류방식(pulse-jet cleaning)과 역기류 재생방식이 복합된 새로운 필터재생기술을 개발해 초미세먼지 배출농도를 90% 이상 저감하는 동시에, 기존 백필터 재생과정에서 미세먼지가 높은 농도로 배출되는 문제점을 해결했다.

기계연구원은 고온가스재순환(Hi-FGR) 방법과 환원제 열분해 방식을 적용해 가스상 초미세먼지 유발 물질인 질소산화물과 황산화물의 제거 효율을 기존 대비 50%이상 향상시켰으며, 연소과정에서 생성된 수분을 응축시켜 오염물질 제거공정에 재사용함으로써 물 부족 지역에서도 활용이 가능하도록 했다.

기존에는 액체 상태의 환원제를 직접 분사하는 방식을 사용했으나 혼합과 반응 속도가 느려 제거효율이 낮다는 문제가 있었다. 이에 연구진은 고온의 연소가스와 스팀을 이용해 환원제를 저분자형태의 기체 상태로 분무하는 방식을 개발, 유해물질 제거 효율을 향상시키는데 성공했다. 이를 통해 대기 중으로 배출되는 질소산화물과 황산화물의 농도를 0~수ppm 수준까지 낮췄으며, 필요에 따라 질소산화물과 황산화물의 동시 제거와 선택적 제거 모두 가능하게 했다.

FEP 융합연구단 이재구 단장은 “초미세먼지 및 미세먼지 유발물질을 제거하는 단위기술은 많이 소개돼 왔으나, 본 연구에서와 같이 다단복합 및 동시처리가 가능한 고효율 시스템을 개발하고 활용한 사례는 찾아보기 어렵다”며, “국가적 초미세먼지 문제의 해결에 도움이 될 수 있는 실용화 핵심기술을 확보했다는데 큰 의의가 있다”고 밝혔다.

개발된 기술은 국내 약 500기에 이르는 폐기물에너지 자원화 설비에 우선 보급될 계획이며, 중점 배출원으로 지목되는 화력발전설비 적용을 위해서도 해당 발전사들과 활발히 논의 중이다. 국내뿐만 아니라, 초미세먼지 발생의 결정적 원인을 제공하고 있는 중국 석탄연소설비 성능 개선을 위해 국내 환경전문기업 및 중국 현지기업과도 공동 협의를 진행하고 있다.