Special Report - 2부 지구를 죽이는 11가지 에너지 오염물질

연소 시 발생하는 치명적인 독극물들

오염물질은 크게 가스상 물질, 분진(粉塵), 매연, 악취로 나눌 수 있고 대표적인 것으로는 황산

화물, 질소산화물, 일산화탄소, 분진과 2차 오염물질인 오존과 과산화물이 있다.

1. 황산화물(黃酸化物)

이는 대부분 연료 중의 황(黃: Sulfur)분이 연소 시 공기 중의 산소와 결합하여 생성되고 대기 중으로 배출된다. 황분이 산화하면 먼저 이산화황(=아황산가스: SO2)이 되고 더 산화하면 삼산화황(=황산가스: SO3)이 되는데 이를 통틀어 황산화물이라 하고 SOx(SO2와 SO3)로 나타낸다. SO2는 공기 중에서 쉽게 SO3로 산화하고 이는 공기 중 수분과 반응하여 미세한 황산(黃酸: H2S04) 방울이 된다. 황산화물가스는 무색의 강한 자극성 기체로 어떤 농도 이상이면 호흡기에 유독하고 저농도에서도 저항성이 약한 식물에 해를 주어 고사시킨다.

또 황산화물은 질소산화물과 함께 산성비(酸性雨: Acid Rain)를 내리게 하는 원인이 되어 빌딩과 금속구조물을 부식시키고 동식물에 해를 끼친다. 산성비는 좁게는 어느 도시나 공단지역에 한정된 피해를 주지만 황산화물이 대량 배출되면 넓게 때로는 피해지역이 국경을 넘는 광역으로 확산한다. 그리하여 호수, 지표수, 지하수의 산성화로 수중동식물을 죽게 하고 산림과 농토를 황폐화한다.

황산화물은 질소산화물과 더불어 주로 발전소 제련(製鍊: Smelting)산업과 수송기관에서 석탄과 석유를 연소시킬 때 발생한다. 황산화물에 의한 대기오염 저감대책에는 사전적(事前的) 및 사후적 방법이 있는데 전자는 저황연료(저황 원유나 석탄) 또는 청정연료(천연가스, LPG)를 선택하거나 석유제품을 미리 탈황(脫黃: Desulfurization)하는 원천적 방법이 가장 바람직한 것이고 후자는 중유나 석탄의 연소로 생긴 연도가스(煙道가스: Flue Gas) 중의 아황산가스를 탈황한 뒤 굴뚝으로 배출하는 이른바 배연탈황(排煙脫黃) 법으로 경제성 면에서 대규모시설에만 적용 가능한 한계가 있다.

2. 질소산화물(室素酸化物)

질소산화물은 모든 보통방식의 고온연소에서 생성되어 대기 중으로 배출되는데 대부분은 공기 중 질소에 연유하나 약간은 연료 중 질소의 산화로 생긴다. 질소는 산화하면 여러 가지 질소산화물 즉, 일산화질소(NO), 삼산화이질소(N2O3), 이산화질소(NO2) 등이 생기는데 이들을 통틀어 NOx로 나타낸다. NOx는 공기 중에서 쉽게 산화하여 NO2로 변하고 물에 녹으면 질산(窒酸: HNO3)이 되므로 황산화물과 마찬가지로 산성비의 발생원이 된다. 질소산화물은 유해하여 직접적으로 인간의 호흡기를 자극하여 염증을 일으키고 식물에 손상을 주는가 하면, 간접적으로는 광화학스모그 반응에서 핵심적 역할을 한다. 다만 소기(笑氣)로도 알려진 아산화질소(N2O)는 마취제로 쓰이고 NOx에 포함되지 않는다.

3. 탄화수소류

이것은 휘발성 유기화합물(VOC: Volatile Organic Compound)라고도 한다. 휘발유 등 석유제품의 사용 중 증발되는 휘발성 물질은 물론 석유, 알코올, 기타 유기산 등의 불완전연소로 생기는 각종 미연소물질 등이 포함된다. 여기에는 메탄류는 물론 알데하이드, 케톤류와 벤젠, 벤조피렌 등 각종 다핵탄화수소(PAH)가 포함되어 있는데 그 중 어떤 것은 발암물질이고 대개 매우 자극적이고 냄새가 심하다.

탄화수소는 PAH류 외에는 인체에 유해성이 없으나 질소산화물과 함께 햇빛을 받으면 광화학반응을 일으켜 이차적으로 오존, PAN 등의 오염물질을 생성하여 시정장애, 눈병, 호흡기장애나 식물에 손상을 초래한다. 따라서 현재는 대기 중의 탄화수소농도 대신 간접적으로 오존농도를 규제한다.

4. 일산화탄소

이것은 주로 연료가 불충분한 산소공급하에 연소(불완전연소)할 때 생성되고 또 이산화탄소가 적열(赤熱)된 탄소와 접촉할 때 생긴다. 일산화탄소(CO)는 무색, 무취의 유독한 기체로 사람이 소량을 흡입하여도 중독을 일으키고 자칫하면 목숨을 잃는다. 이것을 흡입하면 산소(O2) 대신 혈액 중 헤모글로빈(Hb)과 결합하여 CO-Hb를 형성하는데 CO는 산소(O2)와 비교하면 Hb과의 결합능력이 200배 이상으로 커서 헤모글로빈의 산소운반능력을 매우 감소시킨다.

주된 발생원은 주택난방과 자동차의 배기가스이다. 과거 겨울철에 우리나라 가정에서 많은 중독자와 사망자를 내었던 연탄가스의 주범이 바로 일산화탄소이고 그때 함께 코를 찌르는 냄새의 주인공은 아황산가스이다.

5. 분진(粉塵=먼지)

먼지는 대기나 연도(煙道)가스 중에 장시간 부유하는 미세한 고체나 액체의 입자상(粒子狀) 물질을 말한다. 인체의 건강에 미치는 악영향은 그 화학적 조성에 따라 폐 세포에 대한 영향이 입자의 크기에 따라 폐의 흡착부위가 달라진다. 보통 공기 중 입자의 직경은 0.001~500μ 범위에 퍼져 있으나 0.1~10μ가 가장 많다. 1μ(미크론)=10-3mm=104Å이다.

입자상 물질 중 고체에는 Fume(석유, 담배의 연기) < 1μ < Dust(석탄재)가, 액체에는 Mist(황산안개) < 10μ < Spray가, 또 대기 중에는 Smog < 2μ <구름/안개(Fog) 등이 있다. 분진의 영향은 건강장애, 대기 중 화학작용증진, 시정장애, 침강(沈降) 승진, 안개와 구름의 형성, 태양에너지 감소 등을 들 수 있다. 화석연료와 관련된 분진으로는 석탄의 수송·저장·분쇄 먼지와 연소 시 연도가스에 섞여 나는 재와 미연소분, 석유류의 불완전연소로 말미암은 검댕(媒煙: Soot) 등이 있고 이런 먼지의 대기 중 분산을 방지하기 위하여 다양한 집진장치(集鹿裝置: Dust Collector)가 사용되고 있다.

6. 오존과 과산화물

오존(Ozone O3)은 정상적 공기 중에 소량(약 0.02lpm) 포함되어 있고 여름날 번개가 칠 때 생성된다. 매우 강력한 산화력을 갖고 있어 유기물 부패 시 발생하는 악취물질을 제거시키는 데 이용되는데 이때 농도가 10~20ppm으로 사람이 이런 농도에 노출되면 즉시 사망한다. 가정용 공기청정기는 0.1ppm 정도의 저농도 오존을 실내공기 중에 발생시켜 냄새를 상당히 줄여준다. 오존과 PAN(Peroxoacetylnitrate) 등 과산화물(Oxidants)은 일반적으로 자극성이 있고 동식물에 손상을 초래한다. 이들 물질은 공기 중의 질소산화물, 일산화탄소 및 탄화수소나 기타 유기물증기가 햇빛을 받아 광화학 반응을 일으켜서 생성된다. 자동차 배기가스는 대개 NOx, CO 및 탄화수소를 함유하므로 자동차가 많고 일조량이 풍부한 대도시에서 광화학스모그가 생길 우려가 크다.

두산중공업, 5,132억원 국내 첫 석탄가스화 실증플랜트 수주

두산중공업(사장 박지원)은 한국서부발전(사장 김문덕)과 5,132억원 규모의 국내 첫 석탄가스화 실증플랜트 건설 계약을 체결했다고 밝혔다. 

석탄가스화 플랜트는 석탄에서 수소, 일산화탄소를 주 성분으로 하는 합성가스를 추출해 이를 연료로 전력을 생산하는 발전플랜트임. 석탄가스화 기술은 세계적으로 5개 실증 플랜트만 운영될 정도로 아직 상용화 되지 않은 고난이도 기술이다. 

석탄가스화 발전은 친환경 발전 기술이라는 점이 특징임. 배출되는 이산화탄소를 포집하는 데 드는 비용이 기존 석탄화력발전소와 비교할 때 30~50%에 지나지 않음. 또한 석탄화력발전소에서 발생되는 황산화물(SOx)이나 분진 같은 오염물질 배출을 극소화 시킬 수 있는 석탄 청정화 발전 기술이다. 

석탄은 전 세계에 골고루 분포돼 있고 석유보다 저렴한데다 가채연수(150년 이상)가 석유(40년)보다 길다는 점도 선진국들이 석탄가스화 발전소에 주목하는 이유 중 하나임. 오염물질 배출을 비롯한 기존 석탄화력발전의 단점을 극소화하는 석탄가스화 기술이 상용화하면 석탄으로 석유와 천연가스를 대체할 여지가 많아지는 것이다.

한국에선 2006년부터 지식경제부가 주관하는 신재생에너지 연구개발사업의 일환으로 시작돼 그 동안 에너지기술평가원 주관으로 한국서부발전, 두산중공업 등이 기술을 개발해왔다.  

차세대 발전기술로 각광받으면서 선진국들은 앞다퉈 석탄가스화 발전의 상용화를 추진하고 있다. 현재 미국, 일본, 네덜란드 등에 5개의 실증플랜트가 운영되고 있으며, GE, MHI 등 글로벌 발전설비 업체들이 상용화 및 시장선점 경쟁을 벌이고 있다. 

세계적으로 석탄가스화 발전 시장은 2030년까지 400GW 1200조원으로 *추정되는 블루 오션이며, 국내에선 2020년까지 15기 10GW 석탄가스화 플랜트 건설이 예상됨.(*미국 에너지 리서치 회사인 EER, ‘Global IGCC Power Markets and Strategies 2007’ 참조)

이날 계약에 따라 두산중공업은 가스화기, 합성가스냉각기 등 핵심 기자재의 설계, 제작을 비롯해 설치 시운전에 이르는 전 과정을 일괄 수행해 2015년 말 준공 예정이다. 

두산중공업 서동수 부사장(Power BG장)은 “태안 석탄가스화 발전이 실증에 성공할 경우, 국내에서 후속호기 제작은 물론이고 해외 수출도 기대된다”면서 “해상풍력발전, 발전용 연료전지 등과 함께 차세대 성장동력으로 육성할 것”이라고 말했다. 

<출처: 두산중공업>