AI 데이터센터를 비롯한 산업 전반에서 전력 수요가 급증하면서 대규모 전력을 안정적으로 공급할 수 있는 발전 기술에 대한 수요가 늘고 있습니다. 최근 한국의 대미 투자 1호 프로젝트로 가스복합화력발전소 건설 사업이 추진되며, 가스터빈과 복합화력발전에 대한 관심이 더욱 높아졌습니다.

가스터빈은 높은 발전효율과 빠른 출력 조정으로 전력 수요 변화에 대응할 수 있는 발전원입니다. 가스터빈에서 배출되는 고온의 배기가스를 추가 전력 생산에 사용하는 복합화력발전 방식을 적용하면 같은 연료로 더 많은 전력을 생산합니다.

이번 글에서는 가스터빈과 배열회수보일러(Heat Recovery Steam Generator, HRSG), 복합화력발전의 구조를 정리하고, 운전 조건에 따른 배출가스 관리 과제와 희성촉매의 저감 기술을 소개합니다.

가스터빈 발전과 복합화력발전의 구조

가스터빈은 압축한 공기와 연료를 연소해 발생한 고온·고압의 가스로 터빈을 회전시켜 전력을 생산하는 발전설비입니다. 가스터빈 발전은 단순사이클(Simple Cycle)과 복합사이클(Combined Cycle)로 나뉩니다.

표 1. 단순사이클과 복합사이클의 주요 특징 비교

구분	단순사이클	복합사이클
주요 설비	가스터빈	가스터빈 + HRSG + 증기터빈
배기가스 활용	배출	HRSG에서 열 회수
발전 방식	가스터빈 중심	가스터빈 + 증기터빈
발전효율	상대적으로 낮음	상대적으로 높음
장점	구조가 간단하고 기동이 빠름	높은 발전효율

단순사이클은 가스터빈에서 발생한 배기가스를 별도로 회수하지 않는 방식입니다. 구조가 비교적 간단하고 기동이 빨라 전력 수요 변화에 따라 신속한 출력 조정이 가능합니다.

복합사이클은 가스터빈에서 배출되는 고온의 배기가스를 HRSG에서 회수해 증기를 만들고, 이를 증기터빈 발전에 사용하는 방식입니다. 이처럼 가스터빈과 증기터빈을 함께 가동해 전력을 생산하는 발전 시스템을 복합화력발전(Combined Cycle Gas Turbine, CCGT)​이라고 하며, 가스터빈에서 전력을 생산하고 남은 배기가스의 열을 추가 발전에 투입해 단순사이클보다 높은 발전효율을 확보할 수 있습니다.

가스터빈 배출가스는 왜 관리해야 할까?

가스터빈은 연소 과정에서 NOx 등 다양한 배출가스를 발생시키므로 안정적으로 관리해야 합니다. 특히 발전설비에 대한 환경 규제가 강화되면서 배출기준을 충족할 수 있도록 지원하는 기술의 중요성도 커지고 있습니다.

미국 환경보호청(EPA)은 가스터빈을 비롯한 고정식 연소설비의 배출가스를 관리하기 위해 NSPS(New Source Performance Standards)를 운영하고 있습니다. 그중 40 CFR Part 60 Subpart KKKKa는 2026년 1월 개정된 가스터빈 관련 세부 규정으로, 일정 요건에 해당하는 신규 또는 변경·재건설 가스터빈의 배출기준을 정의합니다. 특히 신규 대형·고이용률 천연가스 터빈에는 연소 제어와 SCR을 조합한 방식이 BSER(Best System of Emission Reduction)로 제시됐으며, 70% 초과 부하 조건의 NOx 배출기준이 5 ppm 수준으로 설정됐습니다.

다만 모든 가스터빈에 동일한 기준이 적용되는 것은 아닙니다. 설비 규모와 이용률, 연료 종류, 운전 환경 등에 따라 적용 요건이 달라질 수 있으며, 실제 발전설비를 운영할 때는 주정부와 지방정부의 대기환경 인허가 기준도 함께 확인해야 합니다.

HRSG와 배출가스 후처리 시스템의 관계

가스터빈은 연료를 연소해 전력을 생산하기 때문에 운전 과정에서 다양한 배출가스가 발생합니다. 특히 연소 과정에서 생성되는 질소산화물(NOx)을 비롯해 일산화탄소(CO)와 탄화수소(HC)가 배출될 수 있으며, 선택적 촉매 환원(SCR) 촉매를 적용할 경우 반응에 사용되지 않은 암모니아가 후단으로 배출되는 암모니아 슬립도 관리해야 합니다.

가스터빈은 시동, 부하 변화, 정상 가동 등 운전 구간에 따라 배출 특성이 달라집니다. 따라서 모든 과정에 동일한 방식을 적용하기보다는, 배출가스가 증가하는 조건을 파악하고 운전 특성에 맞는 기술을 선택해야 합니다.

촉매는 HRSG 내부나 후단 배기가스 시스템에 배치할 수 있으며, 배기가스 온도와 유량, 저감 대상 오염물질, 촉매의 활성 온도 범위 등을 면밀히 고려해 설계에 반영합니다. 대표적으로 산화촉매(OC), 암모니아 주입 그리드(AIG), SCR 촉매 등이 적용될 수 있습니다.

표 2. 가스터빈 운전 조건별 주요 배출가스 과제와 대응 방향

운전 조건	주요 배출가스 과제	주요 대응 방향
시동·저부하	CO·HC 증가	빠른 저온 활성
시동·부하 변화	NO₂ 및 황연	NO₂ 형성 특성 관리
정상 운전	NOx	SCR을 통한 NOx 저감
SCR 후단	잔류 암모니아	암모니아 슬립 관리
고온 운전	NOx 및 높은 배기가스 온도	고온 활성 및 열적 내구성

가스터빈 시동 시 발생하는 CO·HC와 황연, 어떻게 해결할까?

가스터빈 시동 및 저부하 운전 시에는 연료가 충분히 산화되지 못하면서 CO와 HC 배출량이 증가합니다. 또한 배기가스 내 이산화질소(NO₂) 농도가 높아지면 배출가스가 황색이나 갈색으로 보이는 황연(Yellow Plume)이 발생합니다. 시동과 저부하 구간에서는 낮은 온도에서도 빠르게 활성화되는 촉매를 적용해 CO와 HC를 줄이는 동시에, NO₂ 형성을 적절히 관리해야 합니다.

산화촉매를 통한 CO·HC 저감

CO와 HC는 산화촉매(OC)를 통해 저감할 수 있으며, 시동 구간에서는 낮은 배기가스 온도에서도 빠르게 반응하는 Light-off 특성이 중요합니다.

희성촉매는 저온에서도 빠르게 반응이 시작되도록 촉매를 최적화하고, 허니컴(Honeycomb), 메탈 코러게이트(Metal Corrugated) 등 다양한 촉매 구조를 통해 배기가스 유량, 압력손실 등 발전설비의 운전 조건에 맞는 촉매를 적용할 수 있습니다. 이를 바탕으로 가스터빈의 운전 조건이 급격하게 변하는 상황에서도 CO와 HC를 최소화합니다.

NO₂ 저감 기술을 통한 발전소 황연 문제 해결

황연은 배기가스 내 NO₂ 농도가 높아지면서 발생하는 현상입니다. 특히 가스터빈의 시동 및 부하 변동 구간에서 NO₂가 급증하므로, 황연을 효과적으로 줄이기 위해서는 CO·HC뿐만 아니라 NO₂ 생성 특성까지 연계하여 검토해야 합니다.

희성촉매는 산화촉매 설계 시 CO·HC 산화 성능은 물론, NO₂ 형성에 미치는 영향까지 종합적으로 반영합니다. 특히 AIG 전단에 산화촉매를 배치해, 암모니아의 과도한 산화로 인한 추가 NOx 생성을 최소화했습니다.

또한 Smart SCR을 적용해 시동 및 저부하 구간의 NO₂를 저감하며, 실제 국내 복합화력발전소에 황연 저감 기술을 적용한 경험을 보유하고 있습니다.

NOx 저감과 암모니아 슬립의 동시 제어가 필요한 이유

가스터빈의 연소 과정에서는 고온으로 인해 NOx가 발생합니다. NOx 배출을 줄이기 위해서는 연소 단계에서 생성을 억제하는 기술과 더불어, SCR 시스템을 적용해 배기가스에 포함된 NOx를 사후 처리하는 방식을 병행해야 합니다.

SCR은 암모니아를 환원제로 활용해 NOx를 질소(N₂)와 물(H₂O)로 전환합니다. 이때 암모니아 주입량이 부족하면 NOx 저감 성능이 떨어지고, 반대로 과도하게 주입되면 반응하지 못한 암모니아가 후단으로 배출됩니다.

Smart SCR 솔루션, 다양한 환경에서도 안정적인 성능 구현

SCR 촉매의 성능은 배기가스 온도, NOx 농도, 공간속도 등 여러 요인의 영향을 받습니다. 특히 가스터빈은 운전 상태에 따라 온도와 유량이 급격히 달라지므로, 설비의 운전 특성에 맞춘 정밀 솔루션 설계가 필수적입니다.

희성촉매의 Smart SCR은 암모니아의 흡착 특성을 극대화하여 안정적인 NOx 저감 성능을 발휘합니다. 기존 바나듐계 SCR과 비교한 시험에서도 우수한 NO 및 NO₂ 저감 성능을 확인했으며, 시동 및 저부하 구간의 NO₂ 저감을 통해 황연 관리에도 적용할 수 있습니다.

후단 잔류 물질까지 완벽 제어, Hybrid 촉매

Smart SCR을 통해 정밀하게 제어하더라도 미량의 암모니아 슬립은 후단 배출가스 관리의 최종 과제입니다. 희성촉매의 Hybrid 촉매는 SCR 후단에 배치되어 잔류 암모니아를 처리하는 동시에, CO·HC·NOx 등 복합적인 배출물질까지 제어합니다.

설비 조건과 운전 특성을 고려한 맞춤형 통합 촉매 솔루션

희성촉매는 산화촉매, SCR, Smart SCR, Hybrid 촉매, High-Temperature SCR 등 다양한 제품 포트폴리오를 바탕으로 각 발전설비의 조건에 맞는 촉매 시스템을 구성합니다. 시동과 저부하 구간의 CO·HC 및 황연부터 정상 운전 시 NOx, SCR 후단의 암모니아 슬립, 고온 운전 환경까지 운전 구간별 배출 특성에 맞춰 필요한 촉매 기술을 적용합니다.

고온 배기가스에 대응하는 High-Temperature SCR

가스터빈은 기존 SCR의 운전 온도 범위를 넘어설 수 있어 높은 배기가스 온도 환경에서도 활성과 내구성을 유지하는 기술이 필요합니다. 희성촉매의 ‘High-Temperature SCR’은 기존 바나듐계 SCR이 고온에서 노출되기 쉬운 열화 및 성능 저하 문제를 개선하여, 최대 750℃에 달하는 고온 조건에서도 탁월한 성능을 발휘합니다. 온도별 성능 평가와 엄격한 수열 열화 시험을 통해 우수한 효율과 내구성을 확인했으며, 고온 배기가스가 발생하는 단순사이클 가스터빈 등에 최적화된 기술력을 적용할 수 있습니다.

설비에 맞춰 선택하는 다양한 촉매 구조

촉매의 구조도 발전설비의 운전 효율에 영향을 미칩니다. 희성촉매는 허니컴(Honeycomb), GF 코러게이트(GF Corrugated), 메탈 코러게이트(Metal Corrugated) 등 다양한 구조를 바탕으로 배기가스 유량과 온도, 압력손실, 설치 공간 등을 고려해 설비에 적합한 시스템을 구성합니다.

희성촉매는 변화하는 발전 환경과 까다로운 규제 기준에 대응하는 솔루션을 제공하며 친환경 발전 설비 운영의 신뢰할 수 있는 파트너입니다.

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FAQ

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Q1. 복합화력발전이란 무엇인가요?

복합화력발전은 가스터빈과 증기터빈을 함께 가동해 전력을 생산하는 발전 방식입니다. 먼저 가스터빈에서 전력을 생산하고, 이때 발생한 고온의 배기가스 열을 HRSG가 회수해 증기를 만듭니다. 이 증기로 증기터빈을 가동해 추가로 전력을 생산하기 때문에 가스터빈만 가동하는 단순사이클보다 높은 발전효율 확보가 가능합니다.

Q2. 가스터빈에서는 어떤 배출가스를 관리해야 하나요?

가스터빈에서는 연소 과정에서 NOx를 비롯해 CO와 HC 등이 발생합니다. 또한 시동이나 부하 변화 과정에서는 NO₂ 농도 증가에 따른 황연이 나타날 수 있으며, SCR을 적용한 설비에서는 반응 후 남은 암모니아 슬립도 함께 관리해야 합니다.

Q3. 가스터빈 시동 시 CO와 HC 배출이 증가하는 이유는 무엇인가요?

시동 및 저부하 구간에서는 연소 조건이 충분히 안정되지 않아 연료가 완전히 산화되지 못하면서 CO와 HC 배출이 증가합니다. 따라서 낮은 배기가스 온도에서도 빠르게 활성화되는 산화촉매를 적용해 CO와 HC를 효과적으로 줄이는 것이 중요합니다.

Q4. 가스터빈에서 발생하는 황연은 무엇인가요?

황연은 배기가스 내 NO₂ 농도가 높아지면서 배출가스가 황색이나 갈색으로 보이는 현상입니다. 가스터빈의 시동이나 부하 변화 과정에서 나타날 수 있으며, 황연을 줄이려면 NO₂ 생성 특성을 고려해 산화촉매와 SCR 시스템을 설계해야 합니다.

Q5. 가스터빈의 운전 조건에 따라 촉매 시스템도 달라져야 하나요?

가스터빈은 시동과 저부하, 정상 운전, 고온 운전 등 조건에 따라 배기가스의 온도와 유량, 주요 오염물질이 달라집니다. 산화촉매, SCR, Smart SCR, Hybrid 촉매, High-Temperature SCR 가운데 필요한 기술을 설비 조건에 맞춰 구성하고, 촉매의 활성 온도와 압력손실, 설치 위치 등을 함께 고려해야 합니다.