『신기술 2』 천연가스 발전소 유해물질 잡는 촉매 개발

편집부 기자
입력 2024.05.22 00:00

천연가스 발전소 유해물질 잡는 촉매 개발

CO-UHC-NO2 동시 저감하는 저온 복합산합촉매 기술

한국에너지기술연구원(이하 에너지연) 대기청정연구실 황선미 박사 연구진이 천연가스 발전 가동 초기에 다량 배출되는 유해물질인 일산화탄소(CO), 이산화질소(NO2), 미연탄화수소(UHC)를 동시에 90% 이상의 효율로 저감할 수 있는 촉매를 국내기술로 개발했다. 유해물질들의 산화/환원 반응 특성을 이용하여 동시에 저감할 수 있는 저온 복합산합촉매 기술이다. 이로써 국내 천연가스 발전운전 특성에 기인해 발생하는 유해오염물질 통합 저감이 가능해짐은 물론 해외 의존을 벗어날 수 있게 되었다.

정리 편집부

자료 한국에너지기술연구원

천연가스 발전은 탈석탄으로 인한 전력 부족을 메워줄 수 있는 현실적 대안이자, 석탄에 비해 대기오염물질을 8분의 1 수준으로 배출하는 친환경 발전방식이다. 또 가동과 중단을 유연하게 운영할 수 있어 전력수요 급증 시에도 신속한 대응이 가능하다. 그러나 빈번한 가동 및 중단은 자동차가 공회전할 때 유해물질을 내뿜는 것처럼 환경과 인체에 유해한 다량의 고농도 CO, UHC, NO2를 발생시킨다.

CO는 불완전 연소로 인해 발생하며 무색, 무취의 맹독성 기체이다. UHC 역시 불완전 연소로 발생하는 초미세먼지 주범 중 하나로 호흡기, 암 등 인체에 치명적인 영향을 미친다. NO2는 미세먼지와 노란색 매연인 황연을 유발하는 물질로 호흡기, 혈관계 등 인체에 치명적인 영향을 미친다. 이들은 천연가스 발전운전 중에는 거의 배출되지 않으나, 가동 개시 또는 재가동 시에 CO 최대 2,000ppm, UHC 최대 7,000ppm, NO2 최대 80ppm 가량 배출된다.

천연가스 발전소는 대부분 도심 인근에 위치하여 유해물질 발생 시 지역 주민의 건강에 악영향을 끼칠 수 있다. 이에 환경부는 지난 2019년 가동 초기에 발생되는 CO, UHC를 저감할 수 있는 대책을 마련코자 했으나, 유해물질 저감을 위한 국산 기술도 없어 해외의 값비싼 촉매를 도입하는 것이 유일한 해결책이었다.

이번에 연구진이 개발한 촉매는 150~400℃의 넓은 온도 영역에서 활발하게 반응할 수 있도록 설계되어 천연가스 발전이 가동되는 낮은 온도 영역(150~250℃)에서도 CO, NO2, UHC를 90% 이상 동시 저감할 수 있다. 개발의 핵심은 촉매가 산화반응과 환원반응을 동시에 촉진할 수 있도록 하는 설계 기술이다. 개발된 촉매는 CO와 UHC를 산소와 반응시켜 인체에 무해한 이산화탄소와 물로 전환할 수 있다. 동시에 NO2는 환원반응을 통해 일산화질소로 전환되며, 연구진이 기존에 개발한 ‘질소산화물 저감’ 촉매를 활용하면 90% 이상의 효율로 저감할 수 있다.

기존 해외 산화촉매는 CO와 UHC 저감을 목적으로 개발됐으나 320℃ 이상의 온도에서 작동하기 때문에 기저부하 대응 국내 천연가스 발전의 운전 특성에 기인해 다량 발생하는 기동 초기 낮은 온도(150~250℃)의 배기가스에 포함된 CO와 UHC 저감에는 한계가 있다. 또한 기존 산화촉매는 NO2 저감효과는 없기 때문에 기동 초기에 발생되는 NO2 제거를 위해 별도의 촉매 또는 저감설비 도입이 필요하다.

하지만 이번에 연구진이 개발한 복합산화촉매는 단일 촉매에서 CO, NO2, UHC를 효과적으로 넓은 온도(150~400℃) 범위에서 90% 이상 동시에 저감할 수 있다. 국내 천연가스 발전 운전 특성에 기인해 발생하는 유해오염물질 통합 저감이 가능한 것이다. 또한 기존에 설계된 천연가스 발전 배열회수보일러 내부의 협소한 공간 활용이 가능하여 향후 CO 및 UHC 배출규제도입에 대한 선제적 대응이 가능하고, 설비 주변 공기질 개선을 통한 사회적 갈등 해소에도 기여할 것으로 기대된다.

이에 더해 추가 설비 도입 없이 기존 설비에서 촉매만 교체해 활용할 수 있어 발전업체의 비용 부담 문제도 덜 수 있다. 해외의 상용 촉매는 질소산화물만 저감하는 국산 촉매에 비해 가격이 3배 이상 높으며, 대체재가 없어 해외 기업과의 가격 협상도 어렵다. 이에 이번 국산 촉매 개발로 해외 의존을 벗어나고, 나아가 해외 시장까지 겨냥할 수 있을 것으로 기대를 모은다. 향후 천연가스를 연료로 사용하는 모든 연소설비 후단 청정설비에 적용 가능하며, 시멘트, 제철, 소각로 등의 응용분야와 다양한 형태의 촉매 모듈에 적용될 것으로 보인다.