가동초기 및 재가동 시 배출하는 CO,-NO2,-UHC 동시저감 가능

국내기업 기술이전 통해 값비싼 해외기술 대체 및 의존도 탈피

에너지기술연구원의 한 연구원이 개발한 촉매의 성능 평가를 위해 석영관 반응기에 촉매를 넣고 있다.

열병합 등 가스발전 가동 직후 발생하는 치명적인 유해물질을 90% 이상 저감하는 기술을 우리 연구진이 개발했다. 특히 국내 기업으로 기술이전을 통해 머잖아 값비싼 촉매 등 해외기술 의존도에서 탈피할 수 있을 전망이다.

한국에너지기술연구원 대기청정연구실 황선미 박사 연구진은 천연가스발전 가동 초기에 다량 배출되는 유해물질인 일산화탄소(CO), 이산화질소(NO2), 미연탄화수소(UHC)를 동시에 90% 이상 저감할 수 있는 촉매를 국내기술로 개발했다.

불완전 연소로 발생하는 일산화탄소는 무색·무취의 맹독성 기체며, 미연탄화수소 역시 초미세먼지 주범 중 하나다. 이산화질소는 미세먼지와 노란색 매연인 황연을 유발하는 물질로 호흡기, 혈관계 등 인체에 치명적인 영향을 미친다.

현재 가스발전은 탈석탄으로 인한 부족한 전력을 메울 수 있는 현실적인 대안이다. 특히 석탄에 비해 대기오염물질을 8분의 1 수준 배출하는 친환경 발전방식으로, 도심 근처의 열병합발전소도 천연가스를 연료로 사용한다. 또 가동과 중단을 유연하게 할 수 있어 전력수요 변동성에도 신속한 대응이 가능하다.

하지만 빈번한 가동과 중단은 오히려 많은 일산화탄소, 미연탄화수소, 이산화질소를 배출한다. 안정화가 이뤄진 이후 정상발전 중에는 거의 배출하지 않으나 가동 개시 또는 재가동 직후 일산화탄소는 최대 2000ppm, 미연탄화수소 7000ppm, 이산화질소 80ppm를 내뿜는다.

특히 가스발전소 상당수가 도심 주변에 위치해 유해물질 발생 시 지역주민 건강에 악영향을 끼칠 수 있다. 이에 지난 2019년 환경부는 가동 초기에 발생되는 일산화탄소, 미연탄화수소의 배출 실태를 조사, 대책 마련을 요구한 바 있다.

하지만 가동 초기 배출되는 유해물질은 아직 규제대상에 포함돼 있지 않다. 대기오염물질 중 질소산화물과 황산화물, 총부유먼지만 규제하고 있기 때문이다. 더욱이 유해물질 저감을 위한 국내 기술도 없어 해외에서 값비싼 촉매를 도입해 것이 유일한 해결책으로 꼽힌다.

인천종합에너지에 적용된 파일럿 실증설비.
 

연구진이 개발한 촉매는 150∼400℃에서 활발하게 반응할 수 있도록 설계돼 가스발전이 가동되는 낮은 온도 영역(150∼250℃)에서도 일산화탄소, 이산화질소, 미연탄화수소를 90% 이상 동시 저감할 수 있다. 연구진은 집단에너지사업자인 인천종합에너지와 천연가스발전 배기가스를 대상으로 한 실증연구를 진행, 촉매 성능과 적용 가능성을 모두 검증 완료했다고 밝혔다.

저감기술의 핵심은 촉매가 산화반응과 환원반응을 동시에 촉진할 수 있도록 하는 설계기술이다. 개발된 촉매는 일산화탄소와 미연탄화수소를 산소와 반응시켜 인체에 무해한 이산화탄소와 물로 전환할 수 있다. 또 이산화질소는 환원반응을 통해 일산화질소로 전환되며, 연구진이 기존에 개발한 ‘질소산화물 저감’ 촉매를 활용하면 90% 이상의 효율로 줄일 수 있다.

해외의 상용 촉매는 320℃의 높은 온도에서 일산화탄소와 미연탄화수소만 저감하는 반면 연구진이 개발한 촉매를 활용하면 150℃의 낮은 온도에서도 이산화질소까지 모두 줄일 수 있다. 아울러 추가설비 도입 없이 기존 설비에 촉매만 교체해도 활용이 가능해 발전업체의 비용부담 문제도 덜었다. 

해외에서 들여오는 상용 촉매는 질소산화물만 저감하는 국산에 비해 가격이 3배 이상 높으나 대체재가 없어 가격 협상이 어렵다. 이같은 상황에서 국산 촉매 개발 및 기술이전으로 수입 의존에서 벗어나는 것은 물론 해외 시장까지 겨냥할 수 있다는 점에서 기대가 크다는 분석이다.

연구책임자인 황선미 에너지연 박사는 “세계적으로 환경규제가 강화되고, 대기오염물질 저감을 위한 기술과 설비에 대한 요구도 가팔라지고 있다”고 말했다. 이어 “국산 촉매기술을 통해 유해물질 배출규제에 대한 선제적 대응이 가능하며, 맞춤형 기술로 발전업체와 주민 모두 수용성을 높일 수 있는 기술”이라고 평가했다.