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[오토저널] 경유자동차 오염물질 저감기술

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2017-05-12 14:19:10

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수도권 등 대도시에서 대기오염문제가 사회적 이슈로 부각되고 있으며, 특히 최근에는 고농도 미세먼지가 빈발하여 미세먼지 문제 해결을 위한 국가적 차원의 특단의 대책 수립 필요성이 대두됨에 따라 그동안 국무조정실을 중심으로 관계부처 차관회의 등을 거쳐 방안을 마련하였다(2016. 6. 3). 미세먼지 오염도는 2000년대 이후 지속적으로 개선되는 추세였으나 2013년부터 정체되었고, 국민들이 실생활에서 체감하는 오염도는 오히려 높아지는 상황이다. 2013년 국립환경과학원에서 조사한 대기오염물질 배출량 통계를 기초로 하여 입자를 발표하고 있다. 여기서는 대기 중에 직접 배출되는 미세먼지(1차 배출)와 가스상으로 배출되어 대기중에서 화학반응에 의해 생성되는 미세먼지(2차 생성)를 포함한 것이다. 2차 생성 미세먼지는 대기중 NOx 등이 영향을 미치며 미세먼지(PM2.5)의 조성 성분을 분석하여 산정한다. 미세먼지 발생원 중에서 경유자동차가 수도권은 직접배출원의 24%이며, 2차생성원까지 포함하면 29%로 비교적 높은 비중을 차지하여 경유자동차 오염물질 저감이 필요하다.

 

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경유자동차의 저감기술


경유자동차에서 배출되는 오염물질중 질소산화물(NOx)은 2차적 미세먼지 생성원으로서 최근 강화된 유로6 대응기술로 배기가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation) 기술을 희박 질소산화물 트랩 (LNT, Lean NOx Trap) 및 선택적 환원촉매 (SCR, Selective Catalytic Reduction) 기술과 함께 적용하여 저감하고 있다. 특히, 유로5까지 ERG 만으로는 강화되는 NOx 규제를 만족시키기 어려워 LNT 및 SCR 기술 적용이 필수적이다.

 

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경유자동차 SCR 기술


요소수(Urea)를 이용하여 디젤 엔진에서 배출되는 NOx를 선택적으로 저감시키는 Urea-based SCR 기술이 대표적이며, 이 기술은 산업체에서 이미 적용한 것으로 유럽을 중심 4NH3 + 4NO + O2 → 4N2 + 6H2O 4NH3 + 2NO + 2NO2 → 4N2 + 6H2O 촉매제 NOx으로 경유자동차에도 적용하여 사용하고 있다. Urea-SCR은 Urea가 가수분해 반응을 일으켜 암모니아(NH3)와 이산 화탄소(CO2)로 변환된 후, SCR 촉매에서 NOx가 질소화 수 증기로 변환되어 NOx가 저감되는 원리이며 요소수가 필요하다.

 

Urea는 상온에서 액체상이며, 약 150℃ 이상의 온도에 서 열분해되어 암모니아(NH3)를 발생시키고, 이 암모니아는 제올라이트의 촉매를 사용하여 질소산화물을 환원시킨다. Urea를 이용하는 SCR 기술의 장점으로는 다른 배출가스 저감장치인 후처리 기술에 비해 촉매반응을 일으키는 넓은 온도 대역과 내구성이 우수하며 약 60% 이상의 높은 NOx 정화효율이 있다.

 

한편 단점으로는 액체상의 Urea를 공급하기 위한 시스템을 갖추어야 한다. 또한 액체 상태인 Urea를 저장하기 위한 용기 및 분사 장치 등의 부수적 시스템이 있어야 하므로 추가적인 비용이 들어가기 때문에 경제적으로는 불리한 측면이 있다. 기존의 액체 Urea 시스템은 액체를 분사하고 배기가스에서 나오는 열에 의하여 Urea를 기화시켜야 하기 때문에 배출가스 온도가 200℃ 이하의 조건에서 분사하는 경우 Urea가 기화되지 않고 고체 암모늄으로 생성되는 문제점이 있다.

 

그리고 SCR 촉매상에 환원제를 균일하게 분포시키기 위한 세부적인 기술이 필요하다. Urea를 액체 상태로 공급하는 장치로는 Bosch의 Denoxtronic 시스템이 있다. Urea 펌프는 적용하는 시스템 종류에 따라 Urea 탱크는 외장형과 내장형이 있다. Urea 분사압력은 4.5~9bar이며, 분사되는 액적의 크기는 약 75~100SMD를 갖는다. 2003년 유럽에 SCR 기술을 출시한 이후 지속적으로 개선되어 발전되고 있으며, 초기에는 NOx 저감효율이 약 75% 정도였다. 그 이후 꾸준히 개량되어 지금은 저감효율이 약 95%까지 증가되었다. NOx 저감에 있어서 SCR 장치는 높은 정화효율이 갖지만 고비용과 자동차에서 장착 공간의 확보 등의 극복해야 하는 여러가지 관점이 있다.

 

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한편 고체 암모늄을 이용하는 SCR 기술은 가열하면 암모니아로 열분해되는 고체상 Urea 등 고체 암모늄을 이용하는 SCR 기술로써 별도의 인프라의 구축이 필요 없고, 고체상이므로 암모니아 저장용기가 소형시스템으로 간단하여 경제적인 면에서 장점이 있다.

 


경유자동차 LNT 기술

 

NOx를 줄이는 또 다른 기술로는 LNT(Lean NOx Trap)가 있는데, LNT는 SCR과 더불어 NOx 저감용 후처리장치의 일종이다. 경유자동차 배출가스 중 NOx가 배출되면 백금(Pt), 로듐(Rd), 바륨(Ba) 등의 촉매를 이용하며 NO2의 형태로 포 집하고 있다가 일정한 주기로 농후한 영역 혼합기의 탄화수소(HC)와 일산화탄소(CO)의 반응으로 환원하여 정화한다. 그러나 LNT는 Urea SCR에 비해 효율이 낮으나 자동차 연료가 환원제로 사용하므로 따로 환원제 공급망을 구축할 필요가 없지만, 연료 속에 포함된 황에 의해 촉매물질이 피독되고 잦은 NOx 재생의 경우 연비가 저하되는 단점이 있다. 또한 촉매로 이용되는 귀금속인 백금의 가격이 상승함에 따라 LNT의 가격도 높아져 불리하게 작용하고 있다.

 

예전에는 HC-SCR이 20% 정도의 낮은 NOx 저감효율로 실용성이 낮았으나, 요즘에는 디젤엔진에서 낮은 온도에서 연소시 NOx 농도가 낮아짐에 따라 HC 농도는 높아져 효용성이 점차 많아지고 있다. 또한 연료를 개질하여 수소를 만들어 낼 경우 저온에서의 효율을 높일 수 있다.

 

글 / 김종춘 (허즈엔티)
출처 / 오토저널 16년 11월호 (http://www.ksae.org) 
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