일반기술

디젤엔진 배기가스의 질소산화물과 매연을 동시에 제거하기 위한 플라즈마/디젤분진필터/촉매 시스템

대기오염의 주범으로 지목되고 있는 디젤엔진 배기가스의 질소산화물(NOx)과 매연을 동시에 제거하기 위한 플라즈마/디젤분진필터(Diesel Particulate Filter;DPF)/촉매시스템으로서 대기오염의 주원인이 되는 배기가스 중의 NOx와, 매연 등의 PM(Particulate Matter;입자상 물질)을 동시에 제거하는 것을 목적으로 한다. 디젤엔진에서 연소된 후 배출된 배기가스는, 전극역할도 하는 허니콤 형태의 다공성 필터(DPF)를 통과하면서 매연 등의 PM이 걸러진다. 이 과정에서 필터 각 셀의 중앙에 있는 절연체로 코팅된 전극과 필터 전극 사이에서 플라즈마가 발생되고 이 플라즈마에 의하여 배출가스 중의 NO가 NO2로 변환된다. 변환된 NO2는 다시 다공성 필터 전극을 통과하면서 필터에 포집된 매연 등의 PM을 산화, 제거시키며, 이후 남은 잔류 NOx성분은 촉매가 충전된 촉매반응기(Catalytic Reactor)를 지나면서 촉매에 의해 최종적으로 제거된다. 이미 적용되거나 연구중에 있는 자동차 배출가스 처리기술은 필터로 매연을 물리적으로 여과하는 방법과 플라즈마를 발생시켜 배출가스 중의 NO(일산화질소)를 NO2(이산화질소)로 산화시킨 후 매연과 반응시킴으로써 매연과 NOx를 동시에 제거하는 방법, 촉매를 사용하여 탄화수소를 산화시키거나 NOx를 환원시키는 방법 등으로 나눌 수 있다. 하지만 이 중 어느 하나만으로는 배출가스 중의 공해물질을 현저하게 감소시킬 수 없기 때문에 이들을 조합 또는 변형한 다양한 방법이 연구되고 있다. 본 기술은 이들 세가지 방법을 `하나의 장치` 내에서 순차적이 아닌 `동시에` 적용하고 있다는 점에서 연구 중인 다른 기술들과 차이가 있다. 분진필터로 이루어진 장치 내에 전극을 마련하여 플라즈마를 생성시키고 배출가스 출구부분에 촉매반응기를 두어 하나의 장치 내에서 PM여과, NO의 NO2로의 산화에 이은 환원, PM제거 등이 한꺼번에 이루어질 수 있도록 한 것이다 디젤엔진은 가솔린엔진에 비해 약 20~30% 가량의 높은 연료효율과 긴 내구성을 갖는다. 또 CO2, CO, THC 등 지구온난화 유발물질이 가솔린보다 상대적으로 적다. 하지만 디젤엔진에서 배출되는 NOx(광화학 스모그의 원인)나 매연 등의 PM(입자가 미세하고 화학물질을 많이 포함하고 있어서 대기질 저하, 호흡기 질환, 폐암의 원인) 대도시 대기오염의 주범이 되고 있다.따라서 이에 대한 규제가 국제적으로나 국내적으로 점점 강화될 것으로 예상되고 있다. 이로 인한 시장규모도 커질 것으로 예상된다. 국내적으로는 디젤엔진과 린번 가솔린엔진 차량이 약 100만대이고, 1대당 공해물질 저감장치의 가격을 300만원 정도로 잡으면 시장규모가 약 3조원을 웃돈다. 국제적으로도 전세계 디젤엔진, 린번 가솔린 엔진의 차량이 약 1500만대정도로 추정되는데, 이에 따른 시장규모는 45조여원정도다. 최근 비열 플라즈마를 이용한 배출 가스 저감 기술은 세계적으로 매우 많은 관심을 끌고 있으며, Lawrence Livermore Natonal Laboratory, Ford사, Engelhard사 및 독일의 Siemens사 등이 플라즈마 기술을 응용하여 디젤 엔진 뿐만 아니라, Lean-Burn 가솔린 엔진의 배출 가스 중 유해성분을 제거하기 위하여 연구를 수행 중이다. 이에 따라 갈수록 강화될 규제를 만족시키고 유수의 세계적인 회사들과 경쟁할 수 있으며 천문학적 규모의 시장을 장악할 수 있는 기술개발이 시급하다. 본 기술은 연구 중인 다른 기술들보다 한 단계 더 진화된 기술이며, 필터, 플라즈마, 촉매 등 세 가지 구성부분을 하나로 통합시킴으로서 가격경쟁력에서도 앞설 것으로 판단된다.