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문제 정의
- 본 연구에서는 석탄화력발전소 인근의 4개 지점에서 시료를 채집하여 PM10 물질의 성분을 분석하고, 미국 환경청에서 제공하고 있는 석탄화력발전소 관련 오염원분류표 중 국내 석탄화력발전소에 적합한오염원분류표를 제안하고자 하였다. 또한 이와 같이 선정된 석탄화력발전소의 오염원 분류표와 CMB 8의 모델링 결과를 이용하여 발전소 인근 지역의 대기에 미치는 발전소의 기여 정도를 추정 코자 하였으며, 석탄화력발전소의 저탄시설에서의 비산탄진 발생량을 실험식을 이용하여 추정하고 이를 ISCST3모델을 이용, 확산 농도를 예측함으로써 발전소 주변에서의 입자상 오염물질의 확산연구에 적합한 방법을 제시코자 하였다.
제안 방법
- 제안하고자 하였다. 또한 이와 같이 선정된 석탄화력발전소의 오염원 분류표와 CMB 8의 모델링 결과를 이용하여 발전소 인근 지역의 대기에 미치는 발전소의 기여 정도를 추정 코자 하였으며, 석탄화력발전소의 저탄시설에서의 비산탄진 발생량을 실험식을 이용하여 추정하고 이를 ISCST3모델을 이용, 확산 농도를 예측함으로써 발전소 주변에서의 입자상 오염물질의 확산연구에 적합한 방법을 제시코자 하였다.
- PM10 시료의 채취는 화력발전소 인근의 4개 지점인 학암포해수욕장(a-1), 방갈리 마을(a-2), 이원방조제안의 죽도(a-3), 이원방조제 뚝위(a-4)에서 이루어 졌으며, 발전소로부터 남서쪽으로 14.7km 떨어진 환경부 측정 지 점 (파도리)의 측정 결과와 비교 분석 하였다. 측정지점 및 화력발전소의 위치는 그림 1과 같다.
- 측정지점 및 화력발전소의 위치는 그림 1과 같다. 시료는 각 지점에서 1회, 4시간 연속채취 하였으며, 채취장치로는 High-volume PM10 sampler(KIMOTO, JAPAN)을 이용하였다. 이때 사용한 필터로는 테플론 필터와 탄소성분 분석을 위해 석영필터(Wattman, USA)를 이용하였다.
- PM10의 총 질량은 Tapered Element Oscillating Micro-balance (TEOM)을 이용하여 분석하였다. TEOMe 시료 채취부, 유량분류부, 먼지포집 및 검출부, 유량 조절부, 연산제어부, 샘플링펌프 등으로 구성되어 있으며, 시료 채취부에서 PM10만을 선별하여 30분 간격으로 질량농도를 측정하였다.
- 분석하였다. TEOMe 시료 채취부, 유량분류부, 먼지포집 및 검출부, 유량 조절부, 연산제어부, 샘플링펌프 등으로 구성되어 있으며, 시료 채취부에서 PM10만을 선별하여 30분 간격으로 질량농도를 측정하였다.
- 무기원 소성분(V, Ce, Mn, Cu, Zn, Mg, Cd, Ni, Ca, Si, Cr, Co, Al, K, Na, Pd, Se, Fe, Ba, Ti)을 분석하기 위하여 포집에 사용한 테플론 필터를 60 ml의 저압 teflo digestion vessel에 넣고 4시간 동안 150~ 180℃ 까지 가열한 뒤 상온까지 식히고 물을 증발시켜 1% 의 질산-염산을 첨가하여 원자방출 분광법 (ICP-AES: DRE ICP, Leeman Labs Inc.)로 성분 분석을 하였다. 수용성 이 온의 성분 분석은 이온크로마토그래 피 (ion chromatography; IC: Dionex사, Model DX-400)를 이용하여 분석하였고 이온의 검출은 전도도계 (conductivity detector) 를 이용하였다
- )로 성분 분석을 하였다. 수용성 이 온의 성분 분석은 이온크로마토그래 피 (ion chromatography; IC: Dionex사, Model DX-400)를 이용하여 분석하였고 이온의 검출은 전도도계 (conductivity detector) 를 이용하였다
- 탄소성분 분석을 위하여 약 550℃에서 12시간 가열 처리한 석영필터를 이용, 24시간 동안 채집하였다. 입자상 물질의 탄소성분을 정량화하기 위해서 가열에 의해 유기탄소(OC: organic carbon)와 원소탄소(EC: elemental carbon)를 분리하는 열분리법을 이용하였으며, 분석기기로는 원소분석기 (Elemental Analyser, Fisons사제, model-EA 1108)를 사용하였다
- 입경별로 포집된 입자상 물질의 탄소분석은 포집 면을 직경 12mm의 펀처로 각각 2개씩 타출(OC 2 개 와 EC 2개)하였다. 타출된 것 중 하나는 350℃로 조정된 전기로 (Syboron사제, mosel-4800。)에서 5분간 가열하여 OC를 산화분해 제거한 후, 원소분석기에 도입하여 EC를 측정하였다.
- 나머지 하나는 그대로 분석기에 도 입시켜 TC를 구하였다. 그리고 나서기와 EC의 농도차로 OC를 구하였다. 탄소성분분석을 위하여 약 550℃에서 12시간 가열 처리한 석영필터를 이용, 24시간 동안 시료를 포집하였다.
- 미국 환경청(USEPA) 에서 제공하는 오염원의 성분에 관한 DB프로그램인 Speciate의 석탄화력발전소와 관련된 오염원 분류표 15가지 중 No. 90012번을 이용하여 석탄회 (Fly ash)에 대한 성분별 질량을 분석하여 그림 8에 나타내었다. 석탄회의 경우에는 Si (42.
- USEPA에서 추천하는 수용 모델인 CMB8모델을 이용하여 각 오염원에서 기인된 오염물질이 주변 환경농도에 미치는 영향을 분석하였다. 모델에 필요한 오염원분류표를 선정하기 위하여 인자분석을 실시, 각 성분별 상관도를 분석하여 오염원을 추정하고, 추정된 오염원에 대하여 Speciate에서 제공하는 오염원별 오염원분류표를 각기 적용하여 CMB8모델링을 수행하였다.
- 미치는 영향을 분석하였다. 모델에 필요한 오염원분류표를 선정하기 위하여 인자분석을 실시, 각 성분별 상관도를 분석하여 오염원을 추정하고, 추정된 오염원에 대하여 Speciate에서 제공하는 오염원별 오염원분류표를 각기 적용하여 CMB8모델링을 수행하였다. 모델링 후 결과의 타당성을 검토하여, 결과가 타당하지 않을 경우 다른 오염원분류표를 적용하는 반복적 분석 방법으로 한 오염원에 대하여 가장 적합한 오염원분류표를 결정하였다.
- 모델에 필요한 오염원분류표를 선정하기 위하여 인자분석을 실시, 각 성분별 상관도를 분석하여 오염원을 추정하고, 추정된 오염원에 대하여 Speciate에서 제공하는 오염원별 오염원분류표를 각기 적용하여 CMB8모델링을 수행하였다. 모델링 후 결과의 타당성을 검토하여, 결과가 타당하지 않을 경우 다른 오염원분류표를 적용하는 반복적 분석 방법으로 한 오염원에 대하여 가장 적합한 오염원분류표를 결정하였다. 오염원으로는 요인분석결과를 참고하여 (NHQ2SO4와 NH4NO3와 같은 이온염과, 이동오염 원 (Mobile source; move), 발전소 (Coal power plant), 석탄회 (Fly ash), 해염 (Marine), 토양 (Geological source), 동식물성 폐기물 (Biomass burning)을 선정하였다.
- 본 연구에서는 석탄화력발전소 인근의 4개 지점에서 측정된 PM10의 성분분석 결과와 발전소로부터 남서쪽으로 14.7km 떨어진 파도리 지점에서 측정된 PM10의 성분분석 자료를 이용한 요인 분석을 통해 오염원을 산정하고, 그리그 CMB-8모델을 활용하여 각 오염원의 기여 정도를 분석하였다.
대상 데이터
- 모델링 후 결과의 타당성을 검토하여, 결과가 타당하지 않을 경우 다른 오염원분류표를 적용하는 반복적 분석 방법으로 한 오염원에 대하여 가장 적합한 오염원분류표를 결정하였다. 오염원으로는 요인분석결과를 참고하여 (NHQ2SO4와 NH4NO3와 같은 이온염과, 이동오염 원 (Mobile source; move), 발전소 (Coal power plant), 석탄회 (Fly ash), 해염 (Marine), 토양 (Geological source), 동식물성 폐기물 (Biomass burning)을 선정하였다.
- 0 m/s로 간주하여 계산하도록 권고하고 있다. 한편, ISCST3에서는 지형자료를 입력할 수 있도록 구성되어 있어 본 연구에서는 국립지리원에서 제공하는 1:25,000의 수치지도를 읽어 작성한 200 m 간격의 지형 고도 자료를 이용하였다. 그리고 기상자료로는 태안화력발전단지 인근의 이원자동기상관측소(AWS)에서 1992년 2월부터 2001년 12월까지 측정한 자료를 일평균하여 사용하였다.
- 한편, ISCST3에서는 지형자료를 입력할 수 있도록 구성되어 있어 본 연구에서는 국립지리원에서 제공하는 1:25,000의 수치지도를 읽어 작성한 200 m 간격의 지형 고도 자료를 이용하였다. 그리고 기상자료로는 태안화력발전단지 인근의 이원자동기상관측소(AWS)에서 1992년 2월부터 2001년 12월까지 측정한 자료를 일평균하여 사용하였다. 이 기간 동안의 기상자료를 분석한 결과, 표 10 및 그림 10에서 보는 바와 같이 평균 풍속은 2.
데이터처리
- 요인분석 (factor analysis)은 통계분석용으로 널리 알려진 SPSS-6라는 software를 사용하였다. SPSS(Statistical Package for the Social Science)는 원래 사회과학 분야의 자료 분석을 위한 컴퓨터 프로그램들의 모음집 이었으나, 현재에는 과학 뿐 아니라 전 분야에서 자료의 통계적 분석을 위하여 사용하는 프로그램이다.
이론/모형
- 채집하였다. 입자상 물질의 탄소성분을 정량화하기 위해서 가열에 의해 유기탄소(OC: organic carbon)와 원소탄소(EC: elemental carbon)를 분리하는 열분리법을 이용하였으며, 분석기기로는 원소분석기 (Elemental Analyser, Fisons사제, model-EA 1108)를 사용하였다
- 탄소성분분석을 위하여 약 550℃에서 12시간 가열 처리한 석영필터를 이용, 24시간 동안 시료를 포집하였다. 탄소성분은 원소분석기와 Thermal-Optical Analyzer (TO A)를 사용하여 Selective Thermal Manganese dioxide Oxidation 방법으로 분석하였다. 표 2에는 분석에 사용한 기기를 요약하여 나타내었다.
- 유사한 연구가 태동되고 있다. 본 연구에서는 일본의 Ichikawa(1990)는 운탄 및 저탄과정, 저탄시설에서의 발진과정에 대한 수식실험과, 저탄장에서의 발진계수 및 운탄기에서의 발진 계수와 관련된 풍동실험 결과 등을 이용하여 실험식을 만들었는데 이를 한국전력기술 (1996)에서 BPDM (Blowing Particle Dispersion Model)로 개발하였는데 이를 이용하여 화력발전소 저탄시설에서의 비산탄진 발생량을 추정하였다. BPDM에서는 비산탄진의 발생을 크게 석탄하역 시의 발진, 저탄작업시의 발진, 석탄 운반시의 발진, 석탄 저장시의 발진 및 상탄시의 발진과 기기작업시 발생하는 발진으로 분류하여 계산하고 있다.
- 1절에서 계산한 비산탄진 발생량의 확산 후 농도계산을 위하여 미국 환경청에서 Gaussian 확산모델로 추천하고 있는 ISCST3모델을 이용하였다. ISCST3 모델에서 사용하는 기본 확산식은 Pasquill-Gifford의 확산식을 이용하여 풍하측(X, m 단위) 및 직각방향(y, m 단위)의 매시간 농도를 식(9)와 같이 계산한다
- 5.1절에서 계산한 비산탄진 발생량의 확산 후 농도계산을 위하여 미국 환경청에서 Gaussian 확산모델로 추천하고 있는 ISCST3모델을 이용하였다. ISCST3 모델에서 사용하는 기본 확산식은 Pasquill-Gifford의 확산식을 이용하여 풍하측(X, m 단위) 및 직각방향(y, m 단위)의 매시간 농도를 식(9)와 같이 계산한다
성능/효과
- 발전소 주변 4개 지점에 대한 무기원소, 수용성 이온, OC, EC 등에 대한 성분분석 결과를 보면 타 성분에 비하여 OC, EC의 비율이 월韦.히 많이 분석되었으며, 특히 a-2지점의 경우는 탄소성분이 34.
- 또한, 대규모 석탄화력발전소이므로 저탄시설에서 날리는 탄진과, 회처리장의 노출면에서 발생하는 비산회가 에어로솔에 포함되어 나타나고 있다고 볼 수 있다. 본 연구에서 PM10을 채집한 지역은 화력발전소 이외에는 뚜렷한 오염원이 없는 청정한 해안지역으로서, 교통량도 매우 적은 지역이며, 특히 대기 중에 EC를 배출할 만한 오염원으로는 석탄화력발전소가 유일하다. 성분 분석 결과도, 화력발전소 인근 지점에서 무기탄소의 성분이 높게 나타난 것으로 보아 저탄장 등에서 발생한 비산탄진의 영향으로 유추 해석할 수 있다.
- 본 연구에서 PM10을 채집한 지역은 화력발전소 이외에는 뚜렷한 오염원이 없는 청정한 해안지역으로서, 교통량도 매우 적은 지역이며, 특히 대기 중에 EC를 배출할 만한 오염원으로는 석탄화력발전소가 유일하다. 성분 분석 결과도, 화력발전소 인근 지점에서 무기탄소의 성분이 높게 나타난 것으로 보아 저탄장 등에서 발생한 비산탄진의 영향으로 유추 해석할 수 있다.
- 또한 탄소의 질량에 대한 5개 지점전부에 대한 분율은 비교적 낮게 나왔으나, 발전소인근의 4개 지점에 대하여 전체 탄소량 (Total carbon) 과 일차탄소 (Primary Carbon) 에 대한 질량의 상관도를 분석한 결과, 0.9 이상의 높은 상관도를 보였다 이온성분별로 보면, C「의 경우 Na+와 Mg" 와 높은 상관도를 보여 이들은 주로 해염에서 기인된것으로 판단할 수 있다.
- 이를 소개하였다. 각 오염원 분류표에서 제공되는 항목과 본 연구에서 분석한 시료의 분석성분을 비교하여 상관도를 표 6에 나타내었는데 상관도가 84.5% 정도인 No.11202번의 오염원 분류표가 국내석탄화력발전소의 오염 원분류표로로 적합한 것으로 판단되어 선정하였다.
- 지점별 발전소로 인한 기여율을 보면, a-1 지점이 가장 높아 52% 정도를 보이고 있으며, 다른 지점들에서도 35% 이상의 높은 기여율을 보이나 a-2 지점의 경우에는 24% 정도로 다소 낮은 분포를 보였다. 이것은 앞에서 언급한 바와 같이 a-2지점의 경우 주거지역과 농경지에 인접하여 상대적으로 동식물 성폐기물의 기여율이 높기 때문일 것으로 추정되나 Si의 분석이 이루어지지 않아 단언하기는 어렵다.
- 또한, 화력발전소 인근 4개 지점의 시료에서 수용성 이온성분이 적게 검출되어 이온염 분석 시 상대적으로 표준오차가 커졌으며, 본 연구에서 사용한 분석항목 중 Si이 누락됨에 다라, 석탄회 (Fly ash) 기여율이 가장 낮은 것으로 모델링 되었으며, 토양(Geological source)의 비율도 10% 미만으로 분석되었다. 그리고 해염 (Marine source)의 경우에는 4% 미만의 기여정도를 보이고 있으며 a-3지점과 a-4지점은 다른 두 지점에 비하여 다소 높은 기여 정도를 보이고 있다.
- 2절에서 언급한 방법으로 계산한 비산탄진 발생량과 각 지점에서 계산된 농도를 표 11에 나타내었다 . 태안화력발전소의 저탄시설에서 연평균비산탄진 발생량은 4.8g/s로서 이를 이용하여 각 지점에서의 확산 농도를 계산한 결과 49.8-57.9|ig/m3의 농도분포를 보이는 것으로 계산되었다. 이는 표 12에서 보는 바와 같이 정값과 비교할 경우 상관도가 30% 미만으로 낮게 예측되었으며, 저탄시설에서만의 발진량을 가정하고 예측한 결과임에도 불구하고, 측정값보다 2배 이상 높게 계산되어 Gaussian 확산모델을 이용하여, 발전소로 인한 에어로졸의 대기 영향평가를 할 경우 지나치게 높게 확산농도가 예측될 우려가 있음을 보여준다.
- 9|ig/m3의 농도분포를 보이는 것으로 계산되었다. 이는 표 12에서 보는 바와 같이 정값과 비교할 경우 상관도가 30% 미만으로 낮게 예측되었으며, 저탄시설에서만의 발진량을 가정하고 예측한 결과임에도 불구하고, 측정값보다 2배 이상 높게 계산되어 Gaussian 확산모델을 이용하여, 발전소로 인한 에어로졸의 대기 영향평가를 할 경우 지나치게 높게 확산농도가 예측될 우려가 있음을 보여준다.
- 실성 등의 문제가 있으므로 평가하고자 하는 지역에서 1~2회의 입자상 물질의 농도를 측정하고 성분분석을 하여, 수용 모델로 배출원별 기여도를 평가하는 방법이 보다 타당할 것으로 판단된다.
- 수용 모델링을 위한 오염원분표를 결정하기 위하여 미국 환경청에서 제시한 15가지의 화력발전소 오염원분류표에 대하여 각기상관도 분석을 한 결과, No.11202번의 상관도가 84.5%로 높게 분석되어 이를 채택하고 CMB8모델로 오염원별 기여도를 계산하였다. 그 결과, 각 지점별로 화력발전소에 의한 기여율은 23.
- 9 网/n? 미만으로 낮게 나타나, 화력발전소의 오염원분류표의 선택 이 유의함을 보여주었다. 한편, Ichikawa의 비산탄진 발생량 실험식을 이용하여 화력발전소 저탄시설에서 발생하는 비산탄진량을 계산하고 미국환경청에서 추천하는 Gaussian 확산모델인 ISCST3를 이용하여 각 지점에서의 확산농도를 계산한 결과, 49.8~57.9 Rg/n?으로 계산되어 실제 측정값의 평균치 28.1寐血3에 비하여 약 2배이상 높게 계산되었다.
- 본 연구는 대단위 배출원의 기여 정도를 예측하는 방법을 고찰한 것으로서 특정 수용점에서의 기여정도를 평가하기 위해서는 배출량 산정 및 확산 해석상 부정확도가 많이 내포된 Gaussian 확산모델보다는 수용 모델을 이용할 경우보다 타당한 결론을 도출할 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
- 성분비 분석 결과와 .유사한 오염원분류표가 No.11202번이라는 것이고, 향후 이를 검증하려면 이와 같이 발전소 주변에서의 PM10 측정 및 성분의 분석연구가 수행되어야 할 것이기 때문이다.
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