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