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문제 정의
- 이다. 따라서, 본 연구에서는 우리나라 고유 배출계수 마련의 기초 자료를 제공하기 위하여 무연탄을 사용하는 화력발전소를 대상으로 소비연료의 원소분석 및 열량분석에 의한 이산화탄소 배출계수와 배기가스 분석에 의한 이산화탄소 배출계수를 개발하였다.
가설 설정
- 4 단계에서는 C02 배출계수를 산정하고, 5 단계에서는 4 단계의 CO2 배출계수를 이용하여 탄소배출 계수를 산정하게 된다. 각 발전시설의 전력 생산량은 조금씩 다를 수 있으므로 시료채취시와 동일한 조건으로 운전된다고 가정하였고, 배출계수 산정에는 발전시설의 호기별 전력생산량(한국전력공사, 2005)을적용하였다.
제안 방법
- 1 단계에서는 굴뚝에서 배출되는 C02 농도와 배기가스 유량을 조사한다. 2 단계는 소비 연료의 에너지 사용단위의 표준화 과정으로, 열량단위를 TJ로 하여 저위발열량으로 표준화한 후연료의 투입량, 에너지 소비량, 열량 투입량을 조사하고, 3 단계에서는 C02 배출량 및 탄소 배출량을 산정한다. 4 단계에서는 C02 배출계수를 산정하고, 5 단계에서는 4 단계의 CO2 배출계수를 이용하여 탄소배출 계수를 산정하게 된다.
- 상탄이 종료되면 운전된 콘베이어의 시료채취기에 모인 시료를 바닥에 쏟아서 수분 측정용 시료를 2단 채와 층별 채취 방법으로 신속하게 채취하였다. 나머지 시료를 원추사분법에 의해 축분하고 최종 축분은 인크리멘트 축분 방법으로 각 콘베 이 어 벨트별로 1kg 정도 채취하였다. 연료채취는 각 발전소의 협조를 받았으며, 배기가스 시료 채취 시와 동일한 시간대에 투입된 무연탄을 채취하도록 하였다.
- 배기가스 중의 CO? 농도는 현장 측정과 함께 테들러 백을 이용하여 배기가스를 포집한 다음 실험실에서 분석 하였다. CO? 농도의 현장 측정 에는 휴대 용 분석 장치 (Eurotron GreenLine MK2, Italy)를 이용하였으며 , Stack-Sampler (SGS-1, Astek Korea)를 통하여 배기가스 온도, 동압, 산소농도를 동시에 측정하였다.
- 분석 하였다. CO? 농도의 현장 측정 에는 휴대 용 분석 장치 (Eurotron GreenLine MK2, Italy)를 이용하였으며 , Stack-Sampler (SGS-1, Astek Korea)를 통하여 배기가스 온도, 동압, 산소농도를 동시에 측정하였다. 실험실에서의 CO? 농도 분석에는 GC-FID (Donam 6200, Korea)를 이용하였다.
- 굴뚝에서 배출되는 배기가스의 온도는 일반적으로 100°C 이상이지만 채취과정에서 냉각되면서 배기가스 중 수분이 시료 채취 관에서 응축될 수 있다. 따라서 시료채취관에 열선을 설치하여 시료채취관의 온도를 120°C로 가열한 후 수분을 채취하였다. 수분량을 측정하기 위하여 원통형 흡수병에 흡습제로 입상 무수염화칼슘 (Duksan, Korea)을 일정량 채운 후, 무게를 정량하고 CO2 시료 채취에 사용된 시료채취관을 연결하였다.
- 무연탄 시료의 발열량은 실험실에서 자동 열량분석기 (IKA-C2000, Germany)로 분석하였다. 주입 시료는 0.
- 사용된 컬럼은 길이 2 이의 ParaQX 컬럼을 사용하였으며, 운반가스, 산소, Reference 가스의 유량은 각각 140 mL/min, 240 mL/min, 100 mL/min로 설정 하였고, Furnace 온도와 오븐의 온도는 각각 900°C, 70°C로 설정 하였다. 무연탄은 원소분석용 Container에 0.001 mg의 감도를 가진 정밀저울(Mettler Toledo-MX5, Switzerland)을 이용하여 1.5 ~ 2.0 mg을 0.001 mg까지 정 량하여 자동주입 장치를 이용하여 주입하였다.
- 무연탄을 사용하는 화력발전소에서의 co2 배출계수를 연료 분석방법 및 배출농도 분석방법으로 산정하였다. 연료 분석에 의한 co, 배출계수는 탄소 배출량과 산화율 그리고 발전량을 이용하여 산정하였고,co2 배출농도 분석에 의한 배출계수는 C()2 의 배출농도 및 TMS의 배출유량과 발전량을 이용하여 산정하였다.
- 건식 발열량은 기건식 발열량에서 고유수분을 제외시켜 산정하며, 발전소 효율을 산정할 때 쓰이는 기준이 된다. 본 연구에서는 건식 발열량을 분석하여 기건식, 인수식으로 환산하였다.
- 본 연구에서는 국내 온실가스 배출량의 약 84%를 차지하는 발전부분 중 무연탄을 연료로 사용하는 2 개의 발전소를 대상으로 연료 분석과 굴뚝에서의 co2 배출농도 분석 결과를 이용하여 co2 배출계수를 산정하였다. 연료분석 결과 대상시설에 따라 건식발열량은 5, 078~6, 000kcal/kg으로 나타났으며, 고유수분을 적용하여 산정된 기건식 발열량의 경우에는 4, 868~5, 800 kcal/kg, 전수분을 적용한 인수식 발열량의 경우에는 4, 658〜5, 618kcal/kg으로 산정되었다.
- 온도 수분량 등의 측정 이 필요하다. 본 연구에서는 우리나라의 대기오염 공정시험방법 또는 이와 동등한 방법을 적용하여 C02 시료채취 시의 배기가스 온도, 수분량, 유속, 압력, 기온 등을 측정하였다(환경부, 2004; Wight, 1994).
- 현장 시료채취 시 투입되는 무연탄을 일정량 채취하여 실험실에서 자동원소분석기 (Thermo Finnigan- Flash EA 1112, US A) 를 이용하여 탄소 (C), 질소 (N), 황 (S), 수소 (H) 등을 분석하였다. 사용된 컬럼은 길이 2 이의 ParaQX 컬럼을 사용하였으며, 운반가스, 산소, Reference 가스의 유량은 각각 140 mL/min, 240 mL/min, 100 mL/min로 설정 하였고, Furnace 온도와 오븐의 온도는 각각 900°C, 70°C로 설정 하였다. 무연탄은 원소분석용 Container에 0.
- 연료의 시료는, 매 교체 시 Coal Center에서 탄종을 확인한 후 석탄야적장에서 보일러로 석탄을 공급하는 석탄운반 콘베이어를 확인하여 시료 채취기를 작동하여 채취하였다. 상탄이 종료되면 운전된 콘베이어의 시료채취기에 모인 시료를 바닥에 쏟아서 수분 측정용 시료를 2단 채와 층별 채취 방법으로 신속하게 채취하였다. 나머지 시료를 원추사분법에 의해 축분하고 최종 축분은 인크리멘트 축분 방법으로 각 콘베 이 어 벨트별로 1kg 정도 채취하였다.
- 따라서 시료채취관에 열선을 설치하여 시료채취관의 온도를 120°C로 가열한 후 수분을 채취하였다. 수분량을 측정하기 위하여 원통형 흡수병에 흡습제로 입상 무수염화칼슘 (Duksan, Korea)을 일정량 채운 후, 무게를 정량하고 CO2 시료 채취에 사용된 시료채취관을 연결하였다. 이때 채취한 가스량은 수분채취장치에 장착된 적산유량계로 0.
- 01 L까지 측정하였다. 시료채취가 끝난 후 흡수 병의 마개를 닫고 채취 후 무게를 측정하였으며, 시료 채취 전후 흡수병의 무게 차이와 채취유량 및 가스 온도를 적용하여 배기가스 중 수분량을 계산하였다.
- 0을 적용하였다. 연료 분석 및 배출농도 분석에 의한 탄소배출 계수는 인수식 발열량을 기준으로 산정하였다.
- 연료 분석에 의한 co, 배출계수는 탄소 배출량과 산화율 그리고 발전량을 이용하여 산정하였고,co2 배출농도 분석에 의한 배출계수는 C()2 의 배출농도 및 TMS의 배출유량과 발전량을 이용하여 산정하였다. 산화율은 IPCC(IPCC, 2006)에서 제시한 1.
- 나머지 시료를 원추사분법에 의해 축분하고 최종 축분은 인크리멘트 축분 방법으로 각 콘베 이 어 벨트별로 1kg 정도 채취하였다. 연료채취는 각 발전소의 협조를 받았으며, 배기가스 시료 채취 시와 동일한 시간대에 투입된 무연탄을 채취하도록 하였다.
- 0001 g까지 정확히 정량하였다. 열량분석기의 수온은 수온조절장치 (KV-500, Germany)를 이용하여 25°C로 설정하여 Isoperibolic Mode로 분석하였다. 열량분석기에 사용된 냉각수는 초순수 제조장치 (Duplex-150H, Korea) 를 사용하여 제조하였다.
- 또, IPCC의 기본배출계수 (default)는 저위발열량을 기준으로 하고 있는데 고위발열량을 저위발열량으로 환산하기 위해서는 연료의 수분함량과 수소 함량에 대한 정보가 필요하다. 현장 시료채취 시 투입되는 무연탄을 일정량 채취하여 실험실에서 자동원소분석기 (Thermo Finnigan- Flash EA 1112, US A) 를 이용하여 탄소 (C), 질소 (N), 황 (S), 수소 (H) 등을 분석하였다. 사용된 컬럼은 길이 2 이의 ParaQX 컬럼을 사용하였으며, 운반가스, 산소, Reference 가스의 유량은 각각 140 mL/min, 240 mL/min, 100 mL/min로 설정 하였고, Furnace 온도와 오븐의 온도는 각각 900°C, 70°C로 설정 하였다.
대상 데이터
- 무연탄을 연료로 사용하는 2개소의 화력발전소를 본 연구의 대상 시설로 하였으며, 상세한 내용은 표 2와 같다. 시설용량은, 발전소 1'이 325, 000 kW, '발전소 2, 가 400, 000 kW이며, 2005년 기준 발전량은 , 발전소「이 l, 579, 184MWh, , 발전소 2, 가 2, 249, 856 MWh였다.
- FID의 특성상 CO?에 대한 검출감도가 없기 때문에, CO?를 CH, 으로 전환시킬 수 있는 메타나이저 (methanizer)를 장착하여 분석하였다. 분석대상의 시료 성분을 분리하기 위해 Porapak-Q컬럼 (1.8 m 길이의 Stainless steel, 3.175 mm 외경, Restek사 제작)을 사용하였다. 오븐 온도를 80°C로 유지하고, 운반기체의 유량을 30 mL/min의 조건을 유지하면서, CC>2를 다른 기체성분과 분리되도록 하였다.
- 일반적으로 배기가스는 10 m/sec 이상의 속도와 100°C 이상의 온도로 배출되므로, 시료채취관 및 시료채취용 배관 등은 이러한 유속과 온도에 견딜 수 있는 스테인레스강 재질로 제작하였다. 시료채취관 길이는 기본적으로 2.5 m의 크기로 제작하였으나, 굴뚝 내경에 따라 2개의 시료 채취 관을 연결하여 사용할 수 있도록 하였다. 또한, 시료 채취 관 및 도관의 부식과 수분 응축으로 인한 여과재의 막힘을 방지하기 위해 시료채취관은 전기가열방식으로 약 120°C까지 가열하였다.
- 시료채취는 1 L 용량의 Te히ar bag(SKC U.S)을 사용하였으며, 오차값을 줄이기 위한 방안의 하나로 매 시료채취 시 3개의 테들러 백에 시료를 연속적으로 각각 채취하였다. 연료의 시료는, 매 교체 시 Coal Center에서 탄종을 확인한 후 석탄야적장에서 보일러로 석탄을 공급하는 석탄운반 콘베이어를 확인하여 시료 채취기를 작동하여 채취하였다.
- S)을 사용하였으며, 오차값을 줄이기 위한 방안의 하나로 매 시료채취 시 3개의 테들러 백에 시료를 연속적으로 각각 채취하였다. 연료의 시료는, 매 교체 시 Coal Center에서 탄종을 확인한 후 석탄야적장에서 보일러로 석탄을 공급하는 석탄운반 콘베이어를 확인하여 시료 채취기를 작동하여 채취하였다. 상탄이 종료되면 운전된 콘베이어의 시료채취기에 모인 시료를 바닥에 쏟아서 수분 측정용 시료를 2단 채와 층별 채취 방법으로 신속하게 채취하였다.
- 열량분석기의 수온은 수온조절장치 (KV-500, Germany)를 이용하여 25°C로 설정하여 Isoperibolic Mode로 분석하였다. 열량분석기에 사용된 냉각수는 초순수 제조장치 (Duplex-150H, Korea) 를 사용하여 제조하였다. 무연탄 발열량 분석의 재현성은 발열량 분석의 표준시료인 Benzoic acid (IKA, 열량 6, 329 ±4.
- 오븐 온도를 80°C로 유지하고, 운반기체의 유량을 30 mL/min의 조건을 유지하면서, CC>2를 다른 기체성분과 분리되도록 하였다. 주입부, 메타나이저, 검출부의 온도는 각각 100°C, 350°C, 250°C로 하였고, 운반가스는 고순도 질소(99.99% 이상)를 사용하였다. 시료 주입은 1 mL 용량의 가스밀폐주사기 (Hamilton, USA)를 이용하여 채취된 시료 0.
- 채 취징.치 (M-5, Astek Korea)와 전자저 울 (Ohaus adventurer, USA)을 사용하였다. 굴뚝에서 배출되는 배기가스의 온도는 일반적으로 100°C 이상이지만 채취과정에서 냉각되면서 배기가스 중 수분이 시료 채취 관에서 응축될 수 있다.
데이터처리
- 산정하였다. 연료 분석 결과를 이용한 배출계수는 표 6에서 보는 바와 같이 5 단계의 work-sheet를 이용하여 산정하였다. 1 단계에서는 C02 배출량에 가장 큰 영향을 미치는 탄소(C) 함량과 총수분량 그리고 수소(H) 함량 및 수분 값을 조사한다.
이론/모형
- CC>2 배출계수는 IPCC에서 제안한 연료 분석 결과를 이 용한 방법 (IPCC, 1996)과 함께 , 배 기가스의 농도를 분석하여 산정하는 방법을 이용하여 산정하였다. 연료 분석 결과를 이용한 배출계수는 표 6에서 보는 바와 같이 5 단계의 work-sheet를 이용하여 산정하였다.
- CO? 농도의 현장 측정 에는 휴대 용 분석 장치 (Eurotron GreenLine MK2, Italy)를 이용하였으며 , Stack-Sampler (SGS-1, Astek Korea)를 통하여 배기가스 온도, 동압, 산소농도를 동시에 측정하였다. 실험실에서의 CO? 농도 분석에는 GC-FID (Donam 6200, Korea)를 이용하였다. FID의 특성상 CO?에 대한 검출감도가 없기 때문에, CO?를 CH, 으로 전환시킬 수 있는 메타나이저 (methanizer)를 장착하여 분석하였다.
성능/효과
- 또한, 연료 분석에 의한 CO2 배출계수를 IPCC가 제시한 값 98, 300kg/TJ과 비교하면 14% 정도 높고 US EPA (2002)에서 제시한 97, 500 kg/TJ과 비교하면 본 연구결과가 약 15% 정도 높은 것으로 나타났다. CO2 배출농도 분석 에 의한 CO2 배출계수는 97, 099 kg/TJ로서 IPCC의 기본값보다 1.2% 정도 낮았다.
- 연료분석 결과 대상시설에 따라 건식발열량은 5, 078~6, 000kcal/kg으로 나타났으며, 고유수분을 적용하여 산정된 기건식 발열량의 경우에는 4, 868~5, 800 kcal/kg, 전수분을 적용한 인수식 발열량의 경우에는 4, 658〜5, 618kcal/kg으로 산정되었다. 배 기가스 중 CO? 농도를 분석 한 결과 대 상시 설 전체의 평균 배출농도는 약 11.05%로 조사되었다. 연료분석에 의한 인수식 발열량 기준 탄소배출계수는 30.
- 6 kg/GJ로서, 무연탄 화력발전소가 약 24% 높게 나타났다. 또 배출농도 분석에 의한 경우는 무연탄 화력발전소가 26.48kg/GJ, 유연탄 화력발전소가 23.8 kg/GJ로서 무연탄이 유연탄보다 11% 높게 나타났다. 본 연구에서 산정된 탄소배출 계수와 국외의 탄소배출계수를 비교해 보면, IPCC에서 기본 배출계수로 제시하고 있는 26.
- 2% 낮게 산정되었다. 또한, 연료 분석에 의한 CO2 배출계수를 IPCC가 제시한 값 98, 300kg/TJ과 비교하면 14% 정도 높고 US EPA (2002)에서 제시한 97, 500 kg/TJ과 비교하면 본 연구결과가 약 15% 정도 높은 것으로 나타났다. CO2 배출농도 분석 에 의한 CO2 배출계수는 97, 099 kg/TJ로서 IPCC의 기본값보다 1.
- 008로 매우 우수한 재 현성을 보이고 있다. 또한, 원소 분석의 재현성 평가 결과도 표 5에서 보는 바와 같이 절대값의 차(absolute difference)가 BBOT (2, 5- bis (5-tert-butyl-benzoxazolyl) thiophene)를 샘플로하였을 경우 탄소는 0.10-0.37%, 수소의 경우는 0.15〜0.25%이었으며, Sulfanilammide를 샘플로 흐卜 였을 경우 탄소는 2.04%, 수소는 0.25%로서 우수한재현성을 나타냈다.
- 열량분석기에 사용된 냉각수는 초순수 제조장치 (Duplex-150H, Korea) 를 사용하여 제조하였다. 무연탄 발열량 분석의 재현성은 발열량 분석의 표준시료인 Benzoic acid (IKA, 열량 6, 329 ±4.78 cal/g)를 5회 반복 분석하여 평가하였는데, 표 4에서 보는 바와 같이 상대표준오차 (RSE) 0.008로 매우 우수한 재 현성을 보이고 있다. 또한, 원소 분석의 재현성 평가 결과도 표 5에서 보는 바와 같이 절대값의 차(absolute difference)가 BBOT (2, 5- bis (5-tert-butyl-benzoxazolyl) thiophene)를 샘플로하였을 경우 탄소는 0.
- 발열량을 측정한 결과, 건식 발열량은 대상시설에 따라 5, 078〜6, 000kcal/kg을 보이고 있으며, 고유수분을 적용하여 산정된 기건식의 경우에는 4, 868 - 5, 800 kcal/kg, 전수분을 적용한 인수식의 경우에는 4, 658~5, 618kcal/kgA5. 산정되었다.
- 또 연료분석에 의한 무연탄 화력발전소의 탄소배출 계수를 유연탄 화력발전소와 비교하면, 무연탄 화력발전소의 경우가 약 24% 정도 높은 값은 갖는 것으로 밝혀졌다. 본 연구에서 산정 된 무연탄 화력발전소의 배출계수는 IPCC의 기본 탄소배출계수 26.8 kg/GJ 보다 연료 분석에 의한 배출계수는 약 14% 높게 나타났고 배출농도 분석에 의한 배출계수는 약 1.2% 낮게 산정되었다. 앞으로 기후변화협약 관련 국제협상에서 우리나라가 우위를 점하기 위해서는 다양한 연료와 에너지 소비시설을 대상으로 우리나라 고유의 배출계수를 개발하는 연구가 보다 활성화되어야 할 것이다.
- 8 kg/GJ로서 무연탄이 유연탄보다 11% 높게 나타났다. 본 연구에서 산정된 탄소배출 계수와 국외의 탄소배출계수를 비교해 보면, IPCC에서 기본 배출계수로 제시하고 있는 26.8kg/GJ와 비교하여, 연료분석에 의한 탄소배출계수는 약 14% 높게 산정되었으나, CO? 분석에 의한 배출계수는 약 1.2% 낮게 산정되었다.
- 시료채취 시 측정된 배기가스 온도를 살펴보면, 가장 높은 온도는 '발전소 2-「의 151.4°C, 가장 낮은 온도는, 발전소 1'의 90.60°C로서 약 60.8°C의 차이를 나타내었다. 배기가스 중의 수분량은 연소과정에서발생되는 황산화물을 제거하기 위한 습식탈황 시설을 설치한 곳과 설치하지 않은 곳이 큰 차이를 보였는데, 탈황시설이 설치된 '발전소 1'은 84.
- 연료 분석에 의한 탄소배출계수는 30.45kg/GJ로서 배출농도 분석 결과를 적용한 탄소배출계수 26.48 kg/GJ 보다 약 15% 높게 산정되었다(표 10).
- 산정하였다. 연료분석 결과 대상시설에 따라 건식발열량은 5, 078~6, 000kcal/kg으로 나타났으며, 고유수분을 적용하여 산정된 기건식 발열량의 경우에는 4, 868~5, 800 kcal/kg, 전수분을 적용한 인수식 발열량의 경우에는 4, 658〜5, 618kcal/kg으로 산정되었다. 배 기가스 중 CO? 농도를 분석 한 결과 대 상시 설 전체의 평균 배출농도는 약 11.
- 결과는 표 8과 같다. 탄소는 건식기준으로 62.3〜68.2%의 분포를 보이고 있으며, 수소는 최저 1.12%, 최고 3.06%의 구성성분비를 보이고 있는 것으로 조사되었다. 공업분석에 의해 분석된 휘발성분과 고정탄소의 경우 각 발전소 별로 1.
후속연구
- 2% 낮게 산정되었다. 앞으로 기후변화협약 관련 국제협상에서 우리나라가 우위를 점하기 위해서는 다양한 연료와 에너지 소비시설을 대상으로 우리나라 고유의 배출계수를 개발하는 연구가 보다 활성화되어야 할 것이다.
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