(주)한국종합환경연구소

내 용 소규모 용광로에서 석탄 분말 자체를 연소했을 경우, 암모니아를 투입하여 일산화질소를 반응시킨 경우, 고도 연소과정(촉매 없이 선택성이 있는 연소과정)에서 일산화탄소와 온도의 영향이 조사됐다. 다공성 가스 분사 연소기에서의 석유혼합기체, 공기와 NH3(암모나아)의 연소는 O2, CO2, CO, NO, NO2, SO2 등을 생성시킨다.

이 실험에 사용된 4가지 석탄 분말의 입자 직경은 80㎛ 정도이며 1g/min의 일정한 속도로 연료가 공급된다. 선정된 4곳은 중국 금성(Jincheng), 정주(Zhengzhou), 회남(Huainan), 연주(Yanzhou) 지역으로, 4곳에서 추출하여 원료 자체를 분석한 것과 실험 이후 분석한 일산화질소(NO)와 온도의 영향 정도가 조사됐다. 그리고 어느 과정의 연소가 일산화질소 제거에 도움을 주는지 조사됐다.

석탄의 연소 과정의 변량 변수는 15∼25% 범위로 연소열을 투입하고 온도 범위는 1100도에서 1400도였으며 탄소는 연기에 들어 있고 석탄의 정제, 연소 지역에서 화학양론적 비율(stoichiometric ratio) 등이 조사됐다.

25%의 연소열이 투입되는 상황에서 최대 47%의 일산화질소(NO) 감소를 보인 연주(燕州) 지역의 석탄이 순전히 석탄 연소로 얻어졌으며, 효과적인 연소 온도는 1300도이고 연료가 과잉으로 필요함이 화학양론비율로 확인됐다. 석탄의 품질 및 순도는 연소 능력을 향상시킨다.

온도 700∼1100도에서 암모니아를 투입했을 경우 암모니아와 일산화질소의 반응 후 나오는 일산화질소의 정도를 조사한 결과, 저온에서 효과적임을 첨부그림을 통해서 알 수 있다.

그러나 고도 연소과정(SNCR + 연소과정) 중에 72.9%의 일산화질소가 감소됐다. 70% 이상 일산화질소 감소효과를 얻으려면 촉매 없이 선택성이 있는 연소과정(SNCR, selective noncatalytic NOx reduction)으로 화학양론비 NH3/NO가 5 이상을 요구하고 있다. 이러한 고도연소(Advanced Reburning:AR) 과정은 최근에 주목을 받는 방법으로 보통 SNCR 연소과정 중 보통의 암모니아를 이용한다(첨부그림 참고).

메커니즘(mechanism)의 연구에 있어서 일산화탄소(CO)의 산화는 물(H2O)의 분해를 촉진하게 된다. 물(H2O)의 분해와 일산화탄소(CO) 산화과정은 3단계-(1) CO+OH=CO2+H, (2) H+O2=OH+O, (3) O+H2O=OH+OH-로 일어나는데, 여기서 CO는 주로 OH 라디칼을 소모하여 물의 분해를 가속화시키며 형성된 많은 자유 라디칼 산소와 수소는 전체적으로 자기끼리 일련의 반응(self-sustained reaction)을 형성한다. 이러한 라디칼은 고온에서 많아지고 저온에서 적어지게 된다.