Calcium Oxide를 이용한 N2O 분해 특성에 관한 연구

장효섭, 박영성, 진경태*, 선도원*

대전대학교 환경공학과, 한국에너지기술연구소 에너지환경연구부*

A study of Nitrous Oxide Decomposition

by using Calcium Oxide

H.S. Chang, Y.S. Park, G.T. Jin*, D. Shun*

Department of Environment Engineering, Taejon University

Energy Environment Research Division, KIER*

1. 서론

전 세계적으로 에너지 자원의 한계로 인하여 석탄의 사용 의존도가 높아지고 있다. 따라서 석탄을 이용한 발전으로 인해 환경의 파괴와 오염 문제가 대두되고 있으며, 이러한 해결은 다음 세대의 삶의 질을 결정하는 중요한 사항으로 인식될 것이다.  화석 연료를 이용한 발전에 있어서의 주된 관심 분야는 SOx와 NOx의 제어 기술이다.  특히 유동층 연소로는 다른 연소로에 비해 적은 오염물을 배출한다는 이점을 가지고 있다.  유동층 연소로에서의 SOX저감은 석회석을 주입하므로서 효과적으로 이룰 수 있다.  그리고 유동층 연소로의 조업 온도는 다른 연소로에 비해 낮은 조업 온도를 가지기 때문에 NOX의 발생량은 다른 연소로에 비해 적다.  최근 많은 나라에서 커다란 관심을 가지고 있는 배연가스 중 하나로서, 지구 온난화에 영향을 미치는 가스일 뿐만 아니라 오존층을 파괴하는 물질로 알려지는 N2O는 일반적으로 30∼100ppm 정도가 유동층 연소로에서 배출되고 있다.[1]  N2O의 생성과 분해에 대한 연구는 아직 시작 단계로서 연구 자료가 부족한 상태이다.  따라서 최근에 석회석을 이용한 동시 탈황·탈질에 대한 연구가 이루어지고 있는 상태이며, 이러한 연구결과에 의하면 석회석을 이용하여 탈황·탈질을 동시에 이룰수 있다는 연구결과가 나오고 있다.  따라서 본 연구에서는 N2O에 대한 CaO의 영향과 유동층 연소 조건의 변화에 따른 N2O의 생성과 분해반응에 대한 반응특성을 알아보았다.

2. 이론적 배경

유동층 연소로에 석회석을 주입하므로 SOX저감에 커다란 효과를 얻게되었으며, 동시에 N2O가 감소 되는 연구결과가 발표되었다.  이는 석회석을 주입하였때 석회석이 CaO로 전환되고, CaO는 N2O분해반응에 촉매역할을 함으로 N2O가 감소되는 것으로 알려지고 있다.[2]  또한 서로 다른 분해특성을 보이는 것은 CaO입자의 물리적 성질과 화학적 성질의 변화 에 의한 것이라고 알려져 있다.  그리고 석회석이 존재하는 상태에서 CO에 의한 N2O저감에 대한 연구가 이루어지고 있으며, 상당한 저감 효과를 보이고 있다.  이러한 N2O의 분해반응에 대한 반응식은 다음과 같이 정리 할 수 있다.

[eqn: { N}_{2 }O { catalyst} atop { LRARROW } { N}_{2 }+ { 1} over {2 } { O}_{2 }]

[eqn: { N}_{2 }O + CO { catalyst} atop { LRARROW } { N}_{ 2}+ { CO}_{2 }]

3. 실험 장치 및 방법

본 연구에 사용된 실험 장치를 [Fig. 1]에 나타내었다.  실험 장치는 반응기, 유량 조절부, 예열부, 분석부로 구분된다.  반응기는 가스의 흐름이 상부에서 하부로 진행되는 고정층 반응기로 내경 2cm, 높이 50cm의 quartz tube로 제작되었다.  그리고 반응기 하부에서 20cm에 quartz sintered plate가 설치되어 시료를 지지하도록 하였다.  반응기 상부 10cm에 시료의 순간 주입을 위해서 시료주입부와 밸브를 설치하였다.  반응기내의 온도 분포를 측정하기 위하여 quartz sintered plate를 중심으로 1cm 위로부터 5cm간격으로 3개의 thermocouple를 설치하였다.  반응기 온도 유지는 IR furnace를 이용하였다.  그리고 유량 조절부는 일정 유량과 농도 조절을 위해 regulator와 flow meter로 이루어졌다.  예열부는 반응기로 유입되기 전의 line에 heating band을 이용하여 260℃로 예열된다. 또한 예열부에 syringe pump를 설치하여 수분을 주입하였다.  분석기에서는 반응기로부터 배출되는 O2, CO2, N2O, CO, NOx가스를 연속적으로 분석하고, 분석치를 일정한 시간 간격으로 computer에 기록하였다.  시료는 850℃까지    20℃/min으로 가열후 2시간 동안 소성 시킨 단양 석회석을 이용하였다.  실험 방법은 먼저 시료를 시료주입부에 넣고, Bypass를 흐르는 가스의 초기 농도를 측정한다.  일정한 농도가 되면 반응기를 가열한다.  정상 상태가 되면 시료를 주입하였다.  본 연구의 실험 조건을 [Table 1.]에 나타내었다.

[Table 1.] Experimental Condition

Variables	Experimental Ranges
Sample	CaO 3g
Total flow rate (□/min )	4
Temperature ( ℃ )	850 ∼ 950
N2O ( ppm )	200
CO	50 ∼ 200
H2O	2 ∼ 7
O2	3
CO2	14
N2	balance

4. 결과 및 토론

온도 영향에 대한 실험 결과를 [Fig. 2]에 나타내었다.  이는 시료를 주입하지 않은 상태에서 N2O만을 주입하였을 때 온도에 따른 N2O의 변화를 나타낸 것이다.  N2O의 초기 농도는 200ppm이었다. 그러나 반응기의 반응부 온도가 상승되면서 N2O의 농도는 감소되었으며, 850℃에서 100ppm정도로 유지되었다.  또한 950℃에서 70ppm정도로 유지되었다.  따라서 N2O의 농도 감소는 반응 온도가 높을 수록 많이 일어남을 알 수 있었다.  또한 CO2와 CO의 영향을 알아보기 위해 시료를 주입하지 않은 빈 반응기에 CO2(14%)와 CO(150ppm)를 주입했을 때 결과를 [Fig. 3]과 [Fig. 4]에 나타내었다.  결과에서 보듯이 시료를 주입하지 않았을 때 CO2와 CO의 영향은 거의 없는 것으로 나타났다.  따라서 시료를 주입하지 않은 실험에서 온도에 대한 영향을 제외하고는 별다른 영향을 볼 수가 없었다.[3]

5. 참고문헌

1) Y. Y. Lee, Y. P. Tsuo, and T. Khan, The 6th International                   Workshop on Nitrous Oxide Eminssions, 43∼49 (1994)

2) Tadaaki Shimizu and Makoto Inagaki, Energy & Fuels, Vol. 7,

648∼654 (1993)

3) Peter F. B, Hansen and Kim Dam-Johansen, Fluidized Bed                    Combustion, Vol. 2, 779∼787 (1993)

[Fig. 1] Schematic Diagram of Experimental Appartus

[Fig. 2] Effect of temperature on N2O

[Fig. 3] Effect of CO on N2O

[Fig. 4] Effect of CO2 on N2O