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[오토저널] NOx 저감 Urea-SCR 시스템

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2016-11-07 11:25:37

본문

선택적 환원촉매(SCR, Selective Catalytic Reduction)는 배출가스에 요소수인 Urea같은 환원제와 NOX를 반응시켜 NOX를 저감시키는 시스템이다. SCR은 탄화수소(HC), 암모니아(NH3) 등의 사용하는 환원제에 따라 각각 HC-SCR, Urea-SCR로 구분할 수 있다.

 

HC-SCR은 별도의 장치 및 제어기술 없이 연소 후, 배출가스 중의 탄화수소를 환원제로 사용하여 NOX를 저감하는 방식으로 첨가제 없이 직접 배출가스에서 배출되는 가스를 이용하기 때문에 촉매만 설치되므로 비용이 저렴하고, 장치가 매우 단순한 장점이 있다.

 

한편, Urea-SCR은 요소수를 분사하여 요소(CO(NH2)2, Urea)가 NH3로 변환되어 환원제로 사용되면서 배출가스 내 NOX를 선택적으로 환원하여 저감하는 방식으로 HC-SCR에 비해 NOX 저감효율이 높다. 또한, 이러한 방식으로 요소수를 저장하는 탱크, 공급제어유닛(Dosing Control Unit) 등 별도의 공급 장치가 필요하여 구조가 복잡하게 되고, 그에 따라 추가적인 공간이나 비용을 확보해야하는 문제점이 있다. EURO-5 배출허용 기준에서는 주로 버스, 트럭 등 대형 상용 자동차에만 적용되었으나 EURO-6 단계부터 NOX 배출허용기준이 EURO-5에 비해 강화되어 0.08g/km로 중소형 자동차도에도 Urea-SCR 장치가 적용되고 있다.

 

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Urea에 의한 NOx 환원
Urea-SCR은 NH3를 환원제로 사용하여 그림과 같이 NH3가 NOX와 선택적으로 반응을 일으켜 N2와 H2O로 <그림 4>의 화학식과 같이 환원한다. SCR 전단에서 요소수를 분사하여 Urea가 NH3로 변환되어 환원제로 사용되면서 배출가스 내 NOX와 선택적으로 환원반응을 한다. 촉매 반응율을 높이기 위해서는 엔진의 작동조건에 따라 NH3의 분사량을 정확하게 제어해야 한다. NH3 분사량이 낮으면 NOX의 저감효율이 낮아지고, NH3 분사량이 높으면 대기 중으로 NH3의 스립(slip)현상이 일어난다. 이런 현상은 SCR에서 NH3가 촉매반응에서 완전히 소모되지 않고, 대기 중으로 방출되는 것을 NH3 Slip이라고 한다. NH3 Slip은 α ratio(NH3/NOX)가 높을수록 증가하며, 실제 만족할 만한 수준의 NOX 저감효율을 유지하면서, NH3 Slip을 최소화시킬 수 있는 α ratio는 주로 0.9~1로 제어를 한다.

 

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촉매 활성화온도
Urea-SCR에 처음에는 백금(Pt) 촉매를 적용하였으나 백금 촉매는 고온에서의 NOX 저감에 대한 선택성이 낮고, 524K 이하의 낮은 온도에서만 사용될 수 있기 때문에 상용화에 어려움이 있었다. 최근에는 고온에서 작동할 수 있는 Vanadium이나 Zeolite 계열의 촉매가 개발되었다. 이외에도 Titanium(TiO2), Tungsten Trioxide(WO3) 및 Molybdenum Trioxide(MoO3) 등이 Vanadium에 첨가되어 SO3 생성을 억제하고 촉매 수명을 연장하는 역할을 한다. V2O5/TiO2 촉매가 디젤 자동차용으로 적합한 것으로 검토되고 있으나, 일본에서는 Vanadium이 규제물질로 되어있어 다른 촉매의 사용을 검토하고 있다. 저온에서 성능이 급격하게 저하되나 배출가스 중에 NO2 성분이 많으면 성능이 향상되고 저온작동 구간도 확장된다. 따라서 앞부분에 산화촉매를 설치하여 NO를 NO2로 산화하여 NO2 농도를 높이는 방법도 사용된다. 그러나 NO2/NO ratio가 너무 높으면 오히려 성능이 떨어져 NO2/NO≈1 수준으로 유지하는 것이 가장 좋은 것으로 알려져 있다.

 

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NOx 저감효율에 영향을 끼치는 인자

 

●배출가스 온도
배출가스 온도는 NOX 저감효율에 영향을 미치는 가장 중요한 인자로서 일반적으로 기관의 부하에 비례한다. 따라서 배출가스 온도가 높으면 부하도 높기 때문에 기관에서 배출되는 NOX의 농도도 증가하게 된다. DeNOX 촉매가 활성화되기 위해서는 기본적으로 SCR 표면에 환원제인 NH3 또는 HC가 흡착돼야 한다. 많은 인자들이 환원제의 촉매 흡착에 영향을 주지만 가장 중요한 인자가 촉매의 표면 온도이다.

 

배출가스 온도가 낮을 경우, 촉매의 표면 온도도 낮기 때문에 환원제가 촉매 표면에 흡착하기가 어려워 촉매 활성화를 위한 기본 조건이 맞지 않아 NOX의 저감효율이 떨어진다. 따라서 낮은 온도에서의 저감효율을 향상시키기 위한 방법은 낮은 온도에서 저감효율이 뛰어난 촉매의 선택과 환원제 분사량의 적절한 제어로 환원제의 Slip을 줄여야 한다.

 

●공간속도[h-1]
SCR 담체 내의 공간속도는 배출가스의 유량과 담체의 체적의 비로 결정되며 담체 내에서 촉매와 NOX의 반응시간을 결정하는 매우 중요한 인자이다. 환원제인 NH3는 촉매 내에서 NOX와 반응하여 N2, H2O의 생성물을 배출하는데 이 반응이 충분히 일어날 수 있는 시간을 확보하는 것이 저감효율을 높일 수 있는 요소이다. 일반적으로 공간속도가 낮을수록 촉매 내에서 NOX와 NH3가 반응할 수 있는 시간이 길어지기 때문에 NOX의 저감효율은 더 좋아진다. 따라서 기관의 특성에 맞는 배기 SCR 담체 체적을 확보하는 것이 NOX 저감효율을 좌우할 수 있다.

 

●α ratio(NH3/NOX)
환원제 양은 NOX 저감효율에 직접적인 영향을 미치는 인자로써 이미 많은 연구를 통하여 NH3:NOX=1:1 또는 2:1 및 NO:NO2:NH3=1:1:3로 분사할 경우 최적인 것으로 나타나 있다. NH3:NO=2:1로 분사할 경우, 저온에서 저감효율은 다소 증가하나 고온에서는 같은 양의 비율에 의한 저감효율 성능과 비슷하며 오히려 과다한 NH3의 분사로 인한 NH3 Slip이 발생하여 2차오염이 생기는 문제가 나타난다.

 

●NO2/NO ratio
디젤기관의 배출가스 중 하나인 NOx는 약 90% 이상이 NO로 이루어져 있다. NO의 제거 경로로는 다음식의 3가지 반응이 대표적이다. 이 중에 가장 중요한 반응은 NH3와 NO가 1:1로 반응하는 식에서의 Standard SCR 반응이다. 같은 양의 NO와 NO2가 NH3와 반응하는 식은 Fast SCR반응으로 Standard SCR 반응보다 매우 빠른 것으로 알려져 있다.

 

특히, 573K 이하의 저온에서 NOX 저감 효과가 좋기 때문에 한정된 공간에 NOX 저감 장치를 설치해야 하는 자동차의 경우, 이 반응을 활용하여 공간 문제를 해결하기 위한 시도가 많이 이루어지고 있다. Fast SCR 반응을 활용하기 위해서 SCR 전단(前端)에 산화 촉매를 설치하여 배기 중의 NO를 NO2로 변환하기도 하는데, NO2가 과도하게 생성되면 반응에 의해서 소모되고 남은 NO2가 Slow SCR 반응하게 된다.

 

Urea-SCR 장치의 연구 및 개발 동향
EURO-6에서는 P M의 경우 무게 규제는 변화되지 않으나 입자수도 제한되며, N OX의 경우 EURO-5와 비교하여 58%를 저감해야 하는 실정이다. 강화되고 있는 배출가스 규제에 대응하기 위한 방법 중 하나로 Urea-SCR 장치의 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 미국은 1990년 Clean Air Act의 개정 이후 Urea-SCR 장치의 적용이 빠르게 확대되고 있으며, 정부 배출 허용기준보다 엄격하게 규제를 하고 있는 캘리포니아 주는 이미 Urea-SCR 장치를 채용하고 있다. 국내에서 Urea-SCR 기술을 자체 보유한 업체는 극소수이며 상용화는 시작 수준이다.

 

EURO-6 및 Tier2 Bin5 배출규제를 만족하는 자동차는 2.5리터급 미만은 LNT(또는 NSC)를 기반으로, 2.5리터급 이상은 Urea-SCR을 기반으로 하고 있다. 특히, Urea-SCR의 경우 요소수 탱크의 장착과 요소수 분사를 위한 공급 시스템 그리고 요소수 보급을 위한 인프라가 필요한 상황이다.

 

이에 따라 유럽의 관련 업계는 우선적으로 개인 운수업체 터미널에 요소수 공급설비를 설치한 후, 주요 트럭 정차장 및 일반 경유 주유소 등으로 확대할 계획을 가지고 있다.

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