◈ 기술 개발 현황
펄스 플라즈마를 이용한 공해제거에 관한 연구는 미국, 일본, 이탈리아, 러시아, 중국 등지에서 활발히 진행되고 있다. 이에 기존 국외에서 연구된 디젤엔진 배기가스 처리장치에 대한 자료 조사를 하여 소개하려 한다.

1. 이탈리아의 연구기관인 'Centro Sviluppo Materiali'(CSM)은 "Self-Cleaning Eletrostatic Muffler"라는 새로운 장치를 개발하고 특허를 냈으며, 미립자 자동연소(automatic combustion of particulate)에 의한 정전기 집진(electrostatic precipitation)을 하는 원리이다. 대략적인 그림이 figure 1-1에 있다.



Fig. 1-1. Self-cleaning muffler.


MEA는 실린더 형식의 직류 집진기(cylinder-type direct-flow precipitator)이며 주로 코로나발생기와 집진전극 바늘로 구성된 전극봉으로 이루어져 있다. Gas의 이동에서 전자는 gas 분자와 미립자 모두를 이온화시킨다. 그러므로 음이온화 된 고체입자는 집진전극 쪽으로 가속된다.
이 장치는 또한 중앙전극봉의 돋아난 침과 집진기 사이의 discharge arc로 생기는 자동연소에 의해 채집되는 미립자들을 제거할 수 있다. 퇴적되는 soot때문에 절연물체에 생성될 수 있는 오염물질을 방지하기 위해 압축기로 바람을 불어넣고 있다. 장치의 길이는 약 1m, 지름은 150mm, 적용되는 전압은 30kV, arcing 초기 전압은 32kV, 소비전력은 230W이다.
이 장치는 3000cc 경량급 디젤엔진에서 성공적으로 실험되었으며 평균 매연 제거율이 60%에 이른다. MEA 머플러는 예외적인 조건 없이 시내버스와 시외버스에서 각각 12000와 30000km 이내로 실험되어졌다.
MEA 머플러의 장점
- 간단한 구조
- 적은 절연체(isolator)
- 높은 신뢰도

MEA 머플러의 단점
- 집진된 soot의 예기치 못한 방출에 대한 높은 위험성
- 높은 제거효율을 얻기 위해 필요한 장치의 긴 길이
- 정상적인 작용에 요구되는 추가적인 압축기(compressor)
- 자체정화작용 중의 부산물 발생
- 배기가스 속도를 줄이기 위한 고전압이 필요
2. 미국의 'Southwest Research Institute'에서는 디젤엔진의 배기가스에서 미립자(particulate)와 NOx를 동시에 감소시키기 위한 장치를 개발했다. 여기서는 강유전성 반응기(ferroelectric bed reactor)를 사용하였다.


Figure 1-2. Ferroelectric bed reactor

1 - envelope
2 - isolator
3 - high voltage AC power supply
4 - ferroelectric bed (diameter 2...5 mm)
5 - container with beads
6 - mesh electrode
7 - contact ring

강유전성 반응기는 non-thermal 플라즈마의 한 유형이다. 이 반응기는 고전압 AC power supply를 사용하며, 고 유전체의 세라믹 조각으로 채워져 있는 packed-bed를 가지고 있다. 고 주파수의 AC 전압이 작용할 때, 그 조각은 극성화되며, 강한 자기장이 각각의 접촉점 주위에 형성된다. 많은 pulsed 방전은 접촉점 주위 또는 공간 사이에서 non-thermal 플라즈마를 유지한다. 그 방전에너지는 그 세라믹 조각의 유전 상수를 바꾸거나, 전압 파동을 수정함으로써 조절이 가능하다.
플라즈마 반응기 배드(bed)는 높은 유전 상수의 구슬들로 채워진 실린더 모양의 콘테이너로 구성되어있다. 그 배드(bed)는 non-thermal 플라즈마가 생성되는 바륨 티탄산염 타입의 세라믹 물질로 이루어져있다. 이 플라즈마는 반응하고 그 가스들과 디젤엔진으로부터의 배기 가스 흐름에서의 미립자 배출을 제거할만한 능력을 가지고 있다. 60%의 미립자의 제거 효율와 50%의 NOx 제거에 이르고 있다. 그 장치는 Toyota사의 2200cc easy-duty 기관과 Dodge사의 5900cc heavy-duty 기관에서 시험되었다.

3. Chiba Institute of Technology(일본)는 디젤 배기 가스에서 NOx와 soot를 동시에 제거하는 장치를 개발하여 시험하였다.
이 장치에서는 에 의한 표면 활성화 탄소섬유가 사용되었다. 질소제거 과정은 다음의 반응을 따른다.

는 실제 기능적인 중간재로써 예상되어지며, 는 발열반응이다.
이 반응의 온도는 약 이다.
Soot 제거는 또한 대전된 미립자를 집진하는 방법을 이용한다. 전기적으로 중성인 soot 미립자들은 흐름의 위는 (-)으로 대전되어있고 아래는 (+)로 대전되어있는 스테인리스 스틸 net를 통과하는 동안 (-)로 대전된다. 양전하를 띄고 있는 필터(positive filter)는 집진에 사용되며, 각각 다공성의 탄소섬유, 구리 도금 섬유(Cu-coated fabric), 그리고 60-200 스텐인리스 스틸 망사들로 구성된다. 이용되는 전압은 직류 12∼100V이다.


Figure 1-5. NOx reduction and soot removal equipment

장점 : - 저전압 사용
- 낮은 power consumption
- Soot와 NOx의 동시 제거

단점 : - 복잡한 디자인
- 장치의 높은 단가
- 짧은 수명
- 높은 배압

2. 본사의 경우
1996년부터 지금까지 700cc 디젤엔진에서 NOx 및 soot 동시 저감에 대한 실증 test를 거쳐 그 가능성을 엿보았다. 또한 2단계 실험에 돌입하여 플라즈마 장치를 실장착한 9인승 승합차 pretest를 마쳤다. 그러나, 아직 보완해야 할 사항들이 많이 남아 있어 체계적인 실험을 통해 해결해 나가야 한다.
= 펄스하전을 이용한 미세분진 포집용 전기집진기

◐ DC bias 전압에 ㎲ pulse를 중첩하여 입자 하전 성능을 높임으로써 미세분진 및 고저항 분진 동시 집진

□ 99.9% 이상 고효율 집진
□ 분진 상태에 관계없이 모든 분진 동시 집진
□ 입자크기 1㎛ 이하 미세분진 99% 이상 고효율 집진
□ 분진저항 1012Ω㎝ 이상의 고저항 분진 99% 이상 고효율 집진
□ 집진기 크기 30% 이상 축소
□ 기존 전기 집진기 성능 개선을 통한 비용절감


1970년대 이후 환경오염이 사회문제로 대두되면서 안전한 환경을 확보하기 위한 예방적 측면에서 세계 각국이 폭넓은 관심을 가지기 시작했다. 또한 그린정책과 그린경영전략에 부심하고 있고 삶의 질, 환경의 질 확보문제로 보편화 되어가고 있다. 이러한 세계흐름 속에 최근 우리나라에서도 환경문제에 대해 논의되기 시작하고 있다.
각종 산업현장에서 배출되는 유해가스 및 분진으로 인한 대기오염이 날로 늘어나면서 관련업계들은 일선 환경관리인들의 최대 관심사로 부각되고 있는 산업폐기물이나 대기오염물질 등을 처리하기 위한 새로운 집진기 개발에 총력을 다하고 있다. 현재까지의 집진 설비는 유지 보수 및 운용비의 잇점으로 전기집진기가 가장 일반화되어 있으나 DC를 이용한 전기집진기로는 0.1μ이하의 미세분진 및 1013Ωcm 이상의 고저항분진의 집진에는 효율적이지 못하여 bag filter등의 집진방식을 택하고 있으며 이는 유지 보수 및 운용에 많은 재원이 소모된다.
이에 선진국에서는 펄스하전을 이용한 전기집진기를 개발하여 기존의 전기집진기로는 집진하기 어려운 고저항 및 미세분진을 제거할 수 있음을 보여주고 있으며, 펄스하전 전기집진기는 기존의 전기집진기에 방전극 및 power supply만 교체함으로써 일반분진의 집진효율을 높이는 동시에 미세분진 및 고저항분진도 모두 포집할 수 있는 첨단 집진기술이므로 그 개발이 시급히 요구되고 있다.