질소산화물(NOx) 생성원인

 

대기오염물질은 통상 대표적으로 먼지/SOx/NOx가 많이 거론됩니다.

그 중에서도 NOx, 질소산화물은 주로 연료의 연소과정에서 배출되는 중요한 대기오염물 중 하나입니다.

기체상태의 질소산화물은 N2O/NO/N2O3/NO2/N2O4/N2O5 등이 있으나,

이 중에서 대기오염을 일으키는 것은 NO/NO2(일산화질소/이산화질소)로 많이 알려져 있습니다.

NOx라고 표기하는 것은 사실 NO, NO2로 합한 것을 의미하는데,

이는 NO가 NO2로 산화된 다음 측정되기 때문으로 알려져 있습니다.

 

일산화질소 NO 반응식

N2 + O⋅ ⇋ NO + N⋅

N∶ + O2 ⇋ NO + O⋅

N2 + O2 ⇋ 2NO

(Zeldovich, 1946)

 

이산화질소 NO2 반응식

2NO + O2 = 2NO2

 

 

그렇다면 한국에서 NOx의 배출경향은 어떻게 될까요?

- 한국은 NOx 배출량이 배출원 별로 에너지산업 10~13%, 비산업 7%, 제조업 13~15%, 도로이동오염원 30~40%, 비도로이동오염원 20~26%, 폐기물처리 1%를 차지하고 있습니다.

- 미국은 NOx 배출량이 배출원 별로 에너지산업이 약 33%, 산업공정이 약 5%, 이동오염원이 약 57%를 차지합니다.

한국의 질소산화물 배출경향 (단위: 톤/년)
배출원 대분류	2007	2012	2017
	NOx	NOx	NOx
에너지산업 연소	156,304	169,346	114,192
비산업 연소	82,396	87,935	86,803
제조업 연소	155,053	172,761	169,790
생산공정	48,725	59,002	53,618
에너지수송 및 저장
유기용제 사용
도로이동오염원	495,084	345,666	434,038
비도로이동오염원	237,101	225,561	309,309
폐기물처리	13,097	14,782	12,994
농업
기타 면오염원	163	154	214
비산먼지
생물성 연소			8,841
합계	1,187,923	1,075,207	1,189,800

 

Thermal NOx

- 연소에 사용된 공기 중 질소와 산소의 반응으로 생성

- 화염온도(3000~3600℉)에서 신속히 생성됨

- 기대되는 NO/NO2 비율보다 실제 NO/NO2 비율이 현저히 낮은데 N2+O = NO+N 반응식은 연소반응이 완결된 후 일어나지만, 실제로는 뜨거운 화염을 벗어나기 이전에 반응식이 진행되기 때문에 이론과 다름

 

Fuel NOx

- 연료가 유기적으로 결합된 질소를 함유하고 있을 때 연료-NOx가 발생함 (총 NOx 발생량의 50% 이상 차지)

- 보통 연료질소에서 NOx의 전환율은 10~60%

- 전환율 영향인자: 공연비(연료등가비), 연료와 공기와의 혼합도

 

* Prompt NOx라고 해서 연료연소 초기 시 N, CN, HCN 형태로 급속하게 변환되고 나서 NOx로 발생하는 케이스도 있으나 양이 미미해서 대기오염 제어파트에서는 거의 거론되지 않고 있습니다.

 

[참조자료]

1) 대기오염제어설계공학, 4판, 동화기술, 김동술

2) 대기오염, 청문각, 1999, 조광명