SNCR과 SCR은 무엇이 다른가?
배출부과금·총량제 배경부터 원리, 한계, 선정 순서까지
01 · REGULATION
탈질은 왜 필요한가?
탈질이 필요한 이유는 NOx 배출이 농도, 총량, 부과금이라는 세 가지 제도로 동시에 관리되고, 배출량이 많을수록 비용이 늘어나기 때문입니다. 질소산화물(NOx)은 연소 과정에서 생기는 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO₂) 등의 총칭입니다. 배가스 NOx의 대부분은 NO이며, 미세먼지와 오존의 전구물질이어서 배출 규제 대상입니다.
| 제도 | 무엇을 제한하는가 | 사업장에 미치는 영향 |
|---|---|---|
| 배출허용기준(농도) | 배출구 단위의 오염물질 농도 상한. 시설 종류, 규모, 설치시기에 따라 기준이 다릅니다. | 기준을 넘으면 초과부과금이 부과됩니다.[1] |
| 권역 총량관리 | 대기관리권역법에 따라 총량관리사업장에 연도별 배출허용총량을 할당합니다. | 총량을 넘으면 총량초과과징금이 붙고 다음 해 할당량이 줄어듭니다. 총량관리 대상 오염물질의 기본부과금은 면제됩니다.[2][3] |
| 배출부과금 | 질소산화물 1kg당 단가 2,130원(초과부과금 산정기준)에 초과율·지역 계수를 곱해 산정합니다.[1] | 배출량이 많을수록 비용이 늘어납니다. 단가 기준으로 1톤은 약 213만원 규모입니다. |
총량관리는 수도권에서 먼저 시행됐고, 2020년부터 중부권·남부권·동남권 3개 권역으로 넓어져 당시 799개 사업장에 연도별 배출허용총량이 할당됐습니다.[2] 순간 농도만 맞춰서는 부족하고, 연간 배출량 자체를 줄여야 한다는 뜻입니다. 실제 부과 대상 물량과 계수는 사업장 조건에 따라 달라지므로, 위 단가는 규모를 가늠하는 용도로만 보시기 바랍니다.
농도 기준은 「대기환경보전법 시행규칙」 별표 8에 시설 종류와 규모별로 정해져 있습니다. 예를 들어 현행 별표 8에서 폐수·폐기물·폐가스 소각처리시설의 질소산화물 기준은 소각용량 시간당 2톤 이상이 70ppm, 2톤 미만이 90ppm이며, NO₂로 환산하고 표준산소농도 12%로 보정한 값입니다.[4] NOx가 어디서 생기고 왜 NO₂와 산소농도로 환산하는지는 질소산화물(NOx)은 어디서 생기는가?에서 다뤘습니다.
02 · REACTION
탈질은 어떤 반응인가?
탈질(DeNOx)은 암모니아나 요소 같은 환원제로 NOx를 질소(N₂)와 물(H₂O)로 바꾸는 처리입니다. 핵심 반응식은 4NO + 4NH₃ + O₂ → 4N₂ + 6H₂O입니다.
그림 1. 배가스 속 NOx(대표적으로 NO, NO₂)가 환원제인 암모니아(NH₃)와 만나 질소(N₂)와 물(H₂O)로 바뀌는 과정입니다. 빨강은 질소, 진한 파랑은 산소, 하늘색은 수소이며, 반응식은 NO 기준으로 계수와 산소 공급까지 나타낸 개념도입니다.
자료: ㈜마이크로원 자체 기술자료 기반 개념도
촉매는 자신은 소모되지 않으면서 반응에 필요한 활성화 에너지의 장벽을 낮추는 물질입니다. 같은 반응이 더 낮은 온도에서 일어나게 하므로, SCR이 SNCR보다 훨씬 낮은 온도에서 높은 효율을 낼 수 있는 이유가 여기에 있습니다.
아산화질소(N₂O)는 NOx와 별도로 온실가스로 관리됩니다. 환원제로 요소를 쓰는 SNCR에서는 NOx의 일부가 N₂O로 바뀔 수 있다는 점도 EPA 자료에 나옵니다.[5]
03 · COMPARISON
SNCR과 SCR은 원리·온도·효율이 어떻게 다른가?
SNCR은 약 870~1,100°C의 고온 영역에서 일반 현장 효율이 30~50% 수준이고,[5] SCR은 약 250~427°C에서 70~90%를 기대하는 방식입니다.[6] 아래 수치는 미국 EPA 자료 기준이며, 설비와 연료, 부하 조건에 따라 달라집니다.
그림 2. 위쪽 SNCR은 고온 영역에서 환원제와 NOx가 바로 반응하고, 아래쪽 SCR은 환원제가 섞인 배가스가 촉매층을 지나며 반응합니다. SNCR 쪽에 NOx가 남아 있는 모습은 두 방식의 효율 차이를 나타낸 개념도이며, 실제 효율은 아래 표를 참고해 주세요.
자료: ㈜마이크로원 자체 기술자료 기반 개념도
| 비교 항목 | SNCR(선택적 비촉매 환원) | SCR(선택적 촉매 환원) |
|---|---|---|
| 구조(도식) | ||
| 촉매 | 사용하지 않습니다. | 촉매층을 사용합니다. |
| 반응 위치 | 소각로·보일러 등 고온 영역에 환원제를 직접 분사합니다. | 별도 반응기의 촉매층에서 반응합니다. |
| 운전 온도 | 암모니아 약 870~1,100°C, 요소 약 900~1,150°C[5] | 약 250~427°C(촉매와 배가스 조성에 따라 다름)[6] |
| 탈질 효율 | 일반 현장 적용 30~50%, 시연에서 최대 75%까지 보고[5] | 70~90%. 90% 이상을 설계 목표로 잡는 경우도 있습니다.[6][7] |
| 암모니아 슬립 | 약 5~10ppm 수준으로 제어되는 사례[5] | 미국 허용치는 보통 2~10ppm이며, 잘 설계된 시스템은 2ppm 안팎 이하를 유지합니다.[6][7] |
| 설치 조건 | 별도 반응기 없이 기존 연소 설비에 주입 노즐을 설치합니다. | 반응기 설치 공간이 필요하고, 위치에 따라 재가열이 필요합니다.[7] |
| 투자·운영 | 일반적으로 초기 투자가 낮은 편이며 환원제 사용량 관리가 관건입니다. | 투자가 크고 촉매 교체·유지 비용이 지속적으로 발생합니다. |
| 취약한 점 | 온도창이 좁아 부하 변동에 민감합니다.[5] | 분진과 피독 물질로 촉매 활성이 떨어집니다.[6] |
자료: ㈜마이크로원 자체 기술자료 기반 · 구조 그림은 개념도이며 실제 구조와 치수는 다릅니다.
요소수와 암모니아수는 무엇이 다른가?
환원제 선택은 가격보다 취급과 분무 조건, 부산물 관리가 좌우합니다. EPA 자료는 암모니아가 일반적으로 요소보다 저렴하지만, 대형 보일러에서는 취급이 더 안전하고 분무 확산이 잘 되는 요소가 더 많이 쓰인다고 설명합니다.[5] 암모니아수는 보통 29% 안팎의 수용액으로 운송·저장하고, 요소는 50% 수용액으로 쓰는 것이 일반적입니다.[5][7]
요소를 쓰는 SNCR은 NOx의 일부가 N₂O로 바뀔 수 있고,[5] SCR에서는 요소가 주입 전에 암모니아로 전환되며 요소 시스템의 자본비가 가장 높다고 평가됩니다.[7] 어떤 환원제가 맞는지는 반응 온도, 저장·안전 조건, 슬립 허용치를 함께 보고 정합니다.
04 · LIMITS
각 방식은 현장에서 어디서 한계에 부딪히는가?
SNCR은 효율을 올리려다 슬립이 늘어나는 지점에서, SCR은 공간과 분진 조건에서 한계를 만납니다.
SNCR: 효율을 올리려 환원제를 늘리면 슬립이 늘어난다
SNCR은 반응 온도창이 좁습니다. EPA 자료는 보일러 안에서 위치에 따라 가스 온도가 크게 달라지고, 부하가 낮으면 온도도 내려간다고 설명합니다.[5] 주입 위치가 최적 온도 구간에서 벗어나면 효율이 떨어집니다.
이때 효율을 보충하려고 환원제를 과량 분사하면 약품비가 늘고 미반응 암모니아가 배출되는 악순환이 생깁니다. 암모니아는 5ppm 이상에서 냄새가 나고 25ppm 이상에서는 건강 우려가 있다고 EPA 자료는 설명합니다.[5] 또 암모니아와 황 성분이 만든 염이 설비를 막거나 오염시킨다는 점은 SCR 자료에서도 다룹니다.[6]
아니요. 일정 수준을 넘으면 NOx 저감 증가분은 작아지고 슬립만 늘 수 있습니다. 주입 위치, 노즐 각도, 부하·산소농도에 연동한 주입량 제어, 필요하면 전산유체해석(CFD)으로 온도 분포를 확인하는 순서가 먼저입니다.
SCR: 공간, 투자, 촉매 열화
SCR은 촉매층을 통과하는 반응 시간을 확보하려면 반응기가 커지고, 촉매량이 늘면 압력손실과 유지 부담도 함께 늘어납니다. 설치 공간이 부족하면 고소 설치와 배관 증가로 구조가 복잡해지고 공사 난이도와 비용이 올라갑니다. 총투자비는 부지, 배관, 재가열, 부대설비에 따라 크게 달라지므로 사업장별 견적으로 비교해야 합니다.
배가스 유입환원제 분사촉매층(다단)처리 가스 배출
1NOx · NH₃ 유입2촉매 표면에서 반응3N₂ · H₂O 배출그림 3. 왼쪽은 환원제를 분사한 배가스가 촉매층을 위에서 아래로 지나가는 SCR 반응기이고, 오른쪽 정사각형은 촉매 한 덩어리의 통로를 확대한 모습입니다. 개념도이며 촉매 단수, 크기, 셀 배열은 현장마다 다릅니다.
자료: ㈜마이크로원 자체 기술자료 기반 · AI 활용 개념도
배가스는 반응기 위쪽으로 들어와 환원제와 섞인 뒤 촉매층을 위에서 아래로 통과합니다. 촉매는 벌집 모양으로 가늘고 긴 채널이 촘촘히 뚫려 있어, 배가스가 채널 벽면을 따라 지나가는 동안 NOx와 환원제가 반응해 질소와 물로 바뀝니다. 같은 반응기 크기에서 반응할 표면을 넓게 확보하려는 구조입니다.
촉매는 쓰는 동안 열화됩니다. EPA 자료는 칼륨·나트륨 같은 알칼리 금속, 비소, 염소, 불소, 납 등을 촉매 피독 물질로 꼽고,[7] 분진이 촉매 표면을 덮거나 막고 입자 충돌과 빠른 가스 흐름이 촉매를 마모시킨다고 설명합니다.[7] 활성이 떨어지면 NOx 제거율은 낮아지고 암모니아 슬립은 높아집니다.[6]
설치 위치에 따라 장단점이 뒤바뀐다
EPA 자료는 SCR 배치를 전단(high-dust), 중간(low-dust), 후단(tail-end)으로 나눕니다.[7] 전단 배치는 집진설비 앞에 반응기를 두는 방식으로 공간이 충분하면 가장 경제적이고 단순한 설계로 평가되지만, 분진과 피독 물질이 그대로 촉매에 닿습니다. 모든 저감설비 뒤에 두는 후단 배치는 촉매가 깨끗한 가스를 받는 대신 배가스를 다시 데워야 하므로 운영비가 크게 늘어납니다.[7] 즉, 촉매를 보호하려면 재가열 비용이, 재가열을 피하려면 촉매 열화 부담이 따르는 상충 관계입니다.
05 · COMBINATION
두 방식은 강화된 기준에서 어떻게 함께 쓰이는가?
강화된 기준에서는 효율이 높은 SCR이 쓰이지만, 집진과 별도 설비로 직렬 운영되는 구조가 일반적입니다. 배가스에서 분진을 먼저 걷어낸 뒤 반응 온도를 맞추고 SCR 반응기를 통과시키는 순서입니다. 소각로 배가스 처리 계통 전체의 순서는 소각로 배가스 처리 계통은 어떤 순서로 구성되는가?에서 정리했습니다.
집진설비는 백필터나 전기집진기가 맡습니다. 두 설비의 차이는 전기집진기(ESP)와 백필터는 무엇이 다른가?에서 다뤘습니다. 폐기물 소각로처럼 연소 영역에서 SNCR로 1차 저감하고, 부족한 분을 SCR로 후단에서 정밀하게 줄이는 조합도 현장 특성에 따라 쓰입니다. 어느 구성이 맞는지는 목표 농도와 배가스 온도, 부지에 달려 있습니다.
06 · SELECTION
선정·점검은 어떤 순서로 하는가?
목표 효율에서 출발해 온도, 공간, 분진 조건 순으로 좁혀 가면 선택지가 빠르게 줄어듭니다.
- 목표 농도와 필요 효율: 현재 배출농도와 적용 기준(농도·총량)에서 필요한 저감률을 역산합니다. 필요한 저감률이 30~50% 안이면 SNCR도 후보가 되고, 그보다 높으면 SCR이나 두 방식의 조합을 검토합니다.
- 배가스 온도 분포: 환원제를 넣을 수 있는 위치의 온도가 SNCR 온도창에 들어오는지, 후단에서 SCR 반응 온도까지 재가열이 필요한지 실측합니다. 부하 변동 구간도 함께 봅니다.
- 설치 공간과 배관: 반응기, 재가열 설비, 환원제 저장·주입 설비를 놓을 부지와 접근성을 확인합니다.
- 분진과 피독 물질: 알칼리 금속, 염소, 황 성분과 분진 농도를 확인해 촉매를 어디에 둘지 정합니다.
- 환원제와 슬립 허용치: 요소수와 암모니아수 중 저장·안전 조건에 맞는 쪽을 고르고, 허용 가능한 암모니아 슬립을 정합니다.
- 비용 비교: 투자비와 운영비(환원제, 재가열, 촉매 교체)를 부과금·총량 부담과 같은 기간으로 비교합니다.
- 운전 중 점검: 암모니아 슬립, 압력손실, 효율 변화를 정기적으로 확인합니다. 슬립이 늘거나 효율이 떨어지면 주입 위치, 촉매 상태, 온도부터 점검합니다.
평균 부하의 온도만 보고 정하는 경우입니다. 기동·정지와 저부하 구간의 온도까지 확인해야 합니다.
FAQ
자주 묻는 질문
SNCR 효율이 SCR보다 낮은 이유는 무엇인가요?
촉매 없이 고온에서만 반응시키기 때문입니다. 반응이 일어나는 온도 구간이 좁고, 환원제와 NOx가 충분히 섞이는지에 효율이 크게 좌우됩니다. EPA 자료는 일반 현장에서 30~50% 수준으로 설명합니다.[5]
SCR은 왜 반응기와 재가열이 필요한가요?
촉매가 작동하는 온도 범위를 맞추고 반응 시간을 확보하기 위해서입니다. 반응기를 집진설비 뒤에 두면 배가스가 식어 있어 다시 데워야 하고, 앞에 두면 분진과 피독 물질에 노출됩니다.[7]
요소수와 암모니아수 중 무엇을 써야 하나요?
정답은 현장 조건에 따라 다릅니다. 암모니아는 일반적으로 요소보다 저렴하지만, 취급 안전과 분무 확산 때문에 대형 보일러에서는 요소가 많이 쓰입니다. 저장·안전 조건과 반응 온도를 기준으로 정합니다.[5]
총량관리 대상 사업장은 기본부과금이 면제되나요?
네. 총량관리 대상 오염물질의 기본부과금은 면제됩니다. 다만 허용총량을 넘으면 총량초과과징금이 붙고 다음 해 할당량이 줄어듭니다.[3]
SNCR과 SCR을 함께 쓸 수 있나요?
네. 연소 영역에서 SNCR로 1차 저감하고 후단에서 SCR로 잔여 NOx를 줄이는 조합을 현장 특성에 따라 쓸 수 있습니다. 투자비와 운영비는 단독 운전 때보다 늘어나므로 목표 농도에 맞춰 비교해야 합니다.
- 국가법령정보센터, 「대기환경보전법 시행령」 별표 4 초과부과금 산정기준
- 서울신문, 「사업장 대기오염물질 총량관리, 5년간 38.8% 감축」, 2020.10.20.
- 이투데이, 「대기오염물질 총량제 전국 확대…799개 사업장 적용」, 2020.10.20.
- 국가법령정보센터, 「대기환경보전법 시행규칙」 별표 8 대기오염물질의 배출허용기준
- US EPA, 「Air Pollution Control Cost Manual, Section 4.2 Chapter 1 Selective Noncatalytic Reduction」, 2002
- US EPA, 「Air Pollution Control Technology Fact Sheet: Selective Catalytic Reduction (SCR)」
- US EPA, 「Air Pollution Control Cost Manual 7th Edition, Chapter 2 Selective Catalytic Reduction」, 2019