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문제 정의
- Table 9. CH4 and N2O emission factors of anthracite fired power plants investigated in this study.
- 2단계는 무연탄의 고위발열량을 측정하고 1단계에서 조사한 원소 분석값을 통해서 저위발열량으로 전환한다. 또한, 연료 소비량, 전력 생산량 등의 여러 자료에 대해서 조사한다. 3단계에서는 현장조사를 통해 채취한 배기가스의 CH4와 N2O 농도를 측정하고 현장조사 시의 유량을 표기한다.
- 본 연구에서는 국내 온실가스 배출량의 약 84%를 차지하는 발전 관련 배출원 중에서 무연탄을 연료로 사용하는 2개의 화력 발전소를 전수 조사하였다. 그리고 이들을 중심으로 연료 분석과 굴뚝에서의 온실가스 배출농도에 대한 분석을 실시하였다.
- 그러나 이들 발전소에 대한 배출계수를 산정한 연구는 아직 부족한 실정이다. 본 연구에서는 국내의 온실가스 배출량 산정에 대한 신뢰성을 높이기 위해, 객관성이 높은 국가 고유 배출계수를 산정하고자 하였다. 이를 위해, 하나의 기초 연구로서 무연탄 사용 발전소를 대상으로 CH4와 N2O의 배출계수를 산출하고자 하였다.
- 건식 발열량은 기건식 발열량에서 고유수분을 제외시킨 상태에서 산정하며, 발전소 효율 산정기준으로 사용하고 있다. 본 연구에서는 인수식, 기건식, 건식 발열량을 IPCC에서 제시한 발열량과 함께 제시하였다.
- 본 연구에서는 국내의 온실가스 배출량 산정에 대한 신뢰성을 높이기 위해, 객관성이 높은 국가 고유 배출계수를 산정하고자 하였다. 이를 위해, 하나의 기초 연구로서 무연탄 사용 발전소를 대상으로 CH4와 N2O의 배출계수를 산출하고자 하였다.
제안 방법
- O의 농도 분석은 기체크로마토그래피를 이용하여 분석하였다. CH4 성분의 분석은 GC/FID (DS-6200, Donam)를 이용하였으며, Pye-Unicam 63Ni를 장착한 GC/ECD (CP-3800, Varian)를 통해 N2O 농도를 정량하였다. CH4의 분석을 위해, Porapak-Q컬럼(1.
- CH4 성분의 분석은 GC/FID (DS-6200, Donam)를 이용하였으며, Pye-Unicam 63Ni를 장착한 GC/ECD (CP-3800, Varian)를 통해 N2O 농도를 정량하였다. CH4의 분석을 위해, Porapak-Q컬럼(1.8 m 길이의 Stainless steel, 3.175 mm 외경, Restek사 제작)을, 그리고 N2O 분석을 위해서는 Porapak Q(80/100 mesh) 컬럼을 사용하였다. 운반기체(carrier gas)로는 순도 99.
- 본 연구에서는 국내 온실가스 배출량의 약 84%를 차지하는 발전 관련 배출원 중에서 무연탄을 연료로 사용하는 2개의 화력 발전소를 전수 조사하였다. 그리고 이들을 중심으로 연료 분석과 굴뚝에서의 온실가스 배출농도에 대한 분석을 실시하였다. 이를 토대로 발전소에서 배출되는 CH4와 N2O의 배출계수를 산정하였다.
- 상탄이 종료되면 운전한 컨베이어의 시료채취기에 모은 시료를 바닥에 쏟아서 수분 측정용 시료를 2단 채와 층별 채취 방법으로 신속하게 채취하였다. 나머지 시료를 원추사분법에 의해 축분하고, 최종 축분은 인크리멘트 축분 방법으로 각 컨베이어 벨트별로 1 kg 정도 채취하였다. 연료의 채취는 각 발전소의 협조를 받았으며, 배기가스 시료의 채취 시와 동일한 시간대에 투입된 무연탄을 채취하였다.
- 그러나 CH4와 N2O와 같은 Non-CO2의 배출계수는 연소의 방법, 기술 등 연소 조건에 따라 여러 가지 가변적인 영향을 받을 수 있다(IPCC, 2006). 따라서 본 연구에서는 발전소 배기가스의 농도를 분석하여, 연료의 원소 분석 결과와 발열량 분석 결과를 동시에 이용하여 배출계수를 산정하였다. 실측을 통한 배출계수 산정 방법은 표 6에 제시한 바와 같다.
- 따라서 시료채취관에 열선을 설치하여, 시료채취관의 온도를 120℃ 조건으로 유지하면서 수분을 채취하였다.
- 또한 furnace 온도와 오븐의 온도는 각각 900과 70℃ 로 설정하였다.
- 이를 표 9에 제시하였다. 또한, 산정된 무연탄 화력발전소의 배출계수를 상호비교하기 위하여 IPCC를 비롯한 다른 국가의 국가인벤토리보고서에 제시된 배출계수와 비교하여 보았다.
- 무연탄 발열량 분석의 재현성은 발열량 분석의 표준시료인 Benzoic acid (IKA, 열량 6,329±4.78 cal/g)를 5회 반복 분석하여 평가하였다.
- 무연탄 화력발전소의 CH4와 N2O 배출계수를 표 6의 worksheet를 활용하여 산정하였다. 본 연구에서 산정된 CH4 배출계수와 N2O 배출계수는 각각 0.
- 또한 furnace 온도와 오븐의 온도는 각각 900과 70℃ 로 설정하였다. 무연탄은 원소분석용 Container에 0.001 mg의 감도를 가진 정밀저울(Mettler Toledo-MX5, Switzerland)을 이용하여, 1.5~2.0 mg로 정량한 후, 자동주입장치로 주입하였다. 또한, 원소분석의 재현성 평가 결과, 표 4에서처럼 절대 값의 차(absolute difference)가 BBOT(2,5-bis (5-tertbutyl-benzoxazolyl) thiophene)를 샘플로 하였을 경우, 탄소 0.
- 무연탄의 발열량은 자동열량 분석기(IKA-C2000, Germany)를 사용하여 분석하였으며, 시료는 0.1 mg 의 감도를 가진 전자저울(Mettler Toledo-AB204S, Switzerland)을 이용하여 정량하였다. 발열량은 수온 조절장치(KV-500, Germany)를 이용하여 냉각수 수온을 25ㅍ로 설정한 후, 열량분석기를 Isoperibolic Mode로 설정하여 분석하였다.
- 1 mg 의 감도를 가진 전자저울(Mettler Toledo-AB204S, Switzerland)을 이용하여 정량하였다. 발열량은 수온 조절장치(KV-500, Germany)를 이용하여 냉각수 수온을 25ㅍ로 설정한 후, 열량분석기를 Isoperibolic Mode로 설정하여 분석하였다. 열량분석기에 사용한 냉각수는 초순수 제조장치(Duplex-150H, Korea)로 제조하였다.
- 시료채취가 끝난 후, 흡수병의 마개를 닫고 채취 후 무게를 측정하였다. 배기가스 중 수분의 양은 시료채취 전후 흡수병의 무게 차이와 채취유량 및 가스온도를 적용하여 계산하였다.
- , 2006)를 따라 Coal Center에서 탄종 및 석탄야적장에서 보일러로 석탄을 공급하는 석탄운반 컨베이어를 확인하고, 시료채취기를 작동시켰다. 상탄이 종료되면 운전한 컨베이어의 시료채취기에 모은 시료를 바닥에 쏟아서 수분 측정용 시료를 2단 채와 층별 채취 방법으로 신속하게 채취하였다. 나머지 시료를 원추사분법에 의해 축분하고, 최종 축분은 인크리멘트 축분 방법으로 각 컨베이어 벨트별로 1 kg 정도 채취하였다.
- 따라서 시료채취관에 열선을 설치하여, 시료채취관의 온도를 120℃ 조건으로 유지하면서 수분을 채취하였다. 수분량을 측정하기 위하여, 원통형 흡수병에 흡습제로 입상 무수염화칼슘(Duksan, Korea)을 일정량 채운 후, 온실가스 채취용 시료채취관에 연결하였다. 이때 채취한 가스량은 수분채취장치에 장착한 적산유량계로 0.
- 시료 주입은 1 mL 용량의 가스밀폐주사기(Hamilton, USA)를 이용하여, 채취한 시료 0.5 mL를 분취하여 직접 GC에 주입하는 방식을 이용하였다. 농도 분석의 정도관리는 선행연구(Jeong et al.
- 01 L 간격까지 측정하였다. 시료채취가 끝난 후, 흡수병의 마개를 닫고 채취 후 무게를 측정하였다. 배기가스 중 수분의 양은 시료채취 전후 흡수병의 무게 차이와 채취유량 및 가스온도를 적용하여 계산하였다.
- 온실가스 농도 분석은 Tedlar bag을 이용하여 배기가스를 채취한 후 실험실에서 분석하였다. 시료채취와 함께 Stack-Sampler (SGS-1, Astek Korea)를 통하여 배기가스 온도, 동압, 산소농도를 동시에 측정하였다.
- 실험실에서의 CH4와 N2O의 농도 분석은 기체크로마토그래피를 이용하여 분석하였다. CH4 성분의 분석은 GC/FID (DS-6200, Donam)를 이용하였으며, Pye-Unicam 63Ni를 장착한 GC/ECD (CP-3800, Varian)를 통해 N2O 농도를 정량하였다.
- 시료채취의 측정 오차를 줄이고 확인하기 위하여, 매 시료채취 시 Tedlar bag 3개를 이용하여 시료를 연속적으로 채취하였다. 연료 채취는 선행연구(Jeon et al., 2007, 2006; Jeong et al., 2006)를 따라 Coal Center에서 탄종 및 석탄야적장에서 보일러로 석탄을 공급하는 석탄운반 컨베이어를 확인하고, 시료채취기를 작동시켰다. 상탄이 종료되면 운전한 컨베이어의 시료채취기에 모은 시료를 바닥에 쏟아서 수분 측정용 시료를 2단 채와 층별 채취 방법으로 신속하게 채취하였다.
- 온실가스 농도 분석은 Tedlar bag을 이용하여 배기가스를 채취한 후 실험실에서 분석하였다. 시료채취와 함께 Stack-Sampler (SGS-1, Astek Korea)를 통하여 배기가스 온도, 동압, 산소농도를 동시에 측정하였다.
- 그리고 이들을 중심으로 연료 분석과 굴뚝에서의 온실가스 배출농도에 대한 분석을 실시하였다. 이를 토대로 발전소에서 배출되는 CH4와 N2O의 배출계수를 산정하였다.
- 현장 시료채취 시 투입하는 무연탄을 일정량 채취하여, 실험실에서 자동원소분석기(Thermo Finnigan Flash EA 1112, USA)로 탄소(C), 질소(N), 황(S), 수소(H) 등을 분석하였다. 이때 사용한 컬럼은 길이 2 m의 ParaQX 컬럼을 사용하였다.
대상 데이터
- 발전소의 배기가스 중의 수분을 채취하기 위하여, 수분량 채취장치 (M-5, Astek Korea)와 전자저울 (Ohaus adventurer, USA)을 사용하였다. 배기가스의 온도는 일반적으로 100℃ 이상이지만 채취과정의 냉각으로 배기가스 중의 수분이 시료채취관에서 응축될 수 있다.
- 본 연구는 우리나라에서 무연탄을 사용하는 화력발전소 2곳을 연구 대상시설로 선정하였다. 대상시설로 선정된 시설에 대한 설비용량을 비롯한 발전량 등의 상세한 정보는 표 2에 제시한 바와 같다.
- 특히 핀란드는 보다 세밀하게 설비용량을 고려하여 배출계수를 제시하였다. 본 연구의 대상시설에 해당하는 설비용량이 15 MW보다 클 때의 배출계수를 비교 대상 배출계수로 결정하였다 (Statistics Finland, 2007).
- 온실가스 시료채취관은 시료채취 장치인 Lung sampler를 연결하여 시료를 채취하였다. 시료채취는 1 L 용량의 Tedlar bag (SKC US)을 사용하였다. 시료채취의 측정 오차를 줄이고 확인하기 위하여, 매 시료채취 시 Tedlar bag 3개를 이용하여 시료를 연속적으로 채취하였다.
- 시료채취는 1 L 용량의 Tedlar bag (SKC US)을 사용하였다. 시료채취의 측정 오차를 줄이고 확인하기 위하여, 매 시료채취 시 Tedlar bag 3개를 이용하여 시료를 연속적으로 채취하였다. 연료 채취는 선행연구(Jeon et al.
- 나머지 시료를 원추사분법에 의해 축분하고, 최종 축분은 인크리멘트 축분 방법으로 각 컨베이어 벨트별로 1 kg 정도 채취하였다. 연료의 채취는 각 발전소의 협조를 받았으며, 배기가스 시료의 채취 시와 동일한 시간대에 투입된 무연탄을 채취하였다.
- 발열량은 수온 조절장치(KV-500, Germany)를 이용하여 냉각수 수온을 25ㅍ로 설정한 후, 열량분석기를 Isoperibolic Mode로 설정하여 분석하였다. 열량분석기에 사용한 냉각수는 초순수 제조장치(Duplex-150H, Korea)로 제조하였다. 무연탄 발열량 분석의 재현성은 발열량 분석의 표준시료인 Benzoic acid (IKA, 열량 6,329±4.
- 온실가스 시료채취관은 시료채취 장치인 Lung sampler를 연결하여 시료를 채취하였다. 시료채취는 1 L 용량의 Tedlar bag (SKC US)을 사용하였다.
- 175 mm 외경, Restek사 제작)을, 그리고 N2O 분석을 위해서는 Porapak Q(80/100 mesh) 컬럼을 사용하였다. 운반기체(carrier gas)로는 순도 99.999%(FID) 와 99.9999%(ECD) N2가스를 사용하였다.
- 현장 시료채취 시 투입하는 무연탄을 일정량 채취하여, 실험실에서 자동원소분석기(Thermo Finnigan Flash EA 1112, USA)로 탄소(C), 질소(N), 황(S), 수소(H) 등을 분석하였다. 이때 사용한 컬럼은 길이 2 m의 ParaQX 컬럼을 사용하였다. 운반가스로 사용한 헬륨의 유량은 140 mL/min로 설정하였다.
이론/모형
- 5 mL를 분취하여 직접 GC에 주입하는 방식을 이용하였다. 농도 분석의 정도관리는 선행연구(Jeong et al., 2006)를 따라 진행하였다.
- O 온실가스의 농도를 측정하고, 추가적으로 배기가스의 유량, 온도, 수분량 등에 대한 정보가 필요하다. 본 연구에서는 국내의 대기오염 공정시험방법과 또는 이에 준하는 방법을 적용하여, 온실가스 시료의 채취 시 배기가스 온도, 수분량, 유속, 압력, 기온 등을 측정하였다(The Ministry of Environment, 2004; Wight, 1994; US EPA, 2001).
성능/효과
- 67) ppm이었다. CH4과 N2O 배출농도 분석 결과, 발전소 별로 배출농도에 비교적 큰 차이를 보였으며, 무연탄이라는 동일한 에너지원을 사용하였음에도 불구하고 일부 배기구에서는 다소 높은 배출농도 차이를 보이는 것으로 조사되었다. 이는 Non-CO2의 배출농도가 연소 조건, 연료 사용량, 유량 등 많은 주변 인자들에 보다 더 복합적으로 영향을 받기 때문인 것으로 사료된다.
- 0 kg/TJ보다 약 25% 정도 낮게 나타났다. N2O 배출계수는 2006 IPCC에서 제시한 배출계수 1.5 kg/TJ 보다 약 30% 정도 높게 산정되었고 핀란드 NIR보고서 배출계수보다는 약 2배 정도 높게 산정되었다.
- N2O 배출계수를 살펴보면, 본 연구에서 산정된 배출계수 값은 1.98 (±0.43) kg/TJ로 2006 IPCC에서 제시한 배출계수 값인 1.5 kg/TJ보다 본 연구의 결과가 약 1.3배 정도 큰 값을 보였고 핀란드의 배출계수는 1.0 kg/TJ로 본 연구의 결과보다 절반에 가까운 배출계수 값을 제시하였다.
- 0 mg로 정량한 후, 자동주입장치로 주입하였다. 또한, 원소분석의 재현성 평가 결과, 표 4에서처럼 절대 값의 차(absolute difference)가 BBOT(2,5-bis (5-tertbutyl-benzoxazolyl) thiophene)를 샘플로 하였을 경우, 탄소 0.10~0.37%, 수소 0.15~0.25% 수준으로 나타났고, Sulfanilammide를 샘플로 하였을 경우, 탄소와 수소는 각각 2.04, 0.25%로서 우수한 재현성을 나타냈다.
- 무연탄의 휘발분이 낮게 나타난 것은 탄화도가 높아서 휘발성 물질의 함량이 낮게 함유된 특성을 반영한 것으로 사료된다(Korea Energy Management Corporation, 2005). 발열량을 측정한 결과, 건식 발열량은 대상시설에 따라 5,078~6,000 kcal/kg으로 나타났다. 고유 수분을 적용하여 산정한 기건식의 경우에는 4,868~5,800 kcal/kg으로 나타났다.
- 배기가스 중 CH4와 N2O 농도를 분석한 결과, 대상 시설 전체의 CH4와 N2O 평균 배출농도는 약 1.93(±0.36) ppm과 2.89 (±0.67) ppm으로 나타났다.
- 본 연구를 통해서 산정된 CH4 배출계수는 0.78 (±0.31) kg/TJ로 2006 IPCC에서 제시한 배출계수인 1.0 kg/TJ의 약 78% 정도였다.
- 43) kg/TJ로 나타났다. 본 연구에서 산정한 무연탄 화력발전소의 CH4 배출계수는 2006 IPCC와 핀란드 NIR에서 제시한 배출계수인 1.0 kg/TJ보다 약 25% 정도 낮게 나타났다. N2O 배출계수는 2006 IPCC에서 제시한 배출계수 1.
- 이렇게 측정한 발열량을 IPCC에서 제시한 발열량과 비교하여, 그림 1에 나타내었다. 본 연구에서 측정한 값이 IPCC에 대비하여 인수식, 기건식, 건식의 경우 각각 71.9%, 75.0%, 78.7% 정도의 값을 보였다.
- 연료분석을 실시한 결과, 대상시설에 따라 건식 발열량은 5,078~6,000 kcal/kg으로 나타났다. 고유수분을 적용하여 산정한 기건식 발열량의 경우에는 4,868~5,800 kcal/kg, 전수분을 적용한 인수식 발열량의 경우에는 4,658~5,618 kcal/kg으로 나타났다.
- 78 cal/g)를 5회 반복 분석하여 평가하였다. 재현성 결과는 표 4에 제시하였으며, 상대표준오차(RSE)의 경우 0.008로 매우 우수한 재현성을 보였음을 확인할 수 있었다.
- 0 kg/TJ의 약 78% 정도였다. 핀란드 국가보고서에 제시된 배출계수도 2006 IPCC의 default 배출계수와 같은 1.0 kg/TJ로 본 연구의 연구결과가 약 22% 낮게 산정되었다. N2O 배출계수를 살펴보면, 본 연구에서 산정된 배출계수 값은 1.
후속연구
- 따라서 향후 보다 정확한 온실가스 배출량 산정을 위해서는 국내의 다양한 소비 연료와 에너지 소비시설을 대상으로 각각의 특성을 반영할 수 있는 국가고유배출계수를 산정하여야 할 것이다. 또한, 이를 MRV 과정에 부합할 수 있는 관리체계가 필요할 것이다.
- 따라서 향후 보다 정확한 온실가스 배출량 산정을 위해서는 국내의 다양한 소비 연료와 에너지 소비시설을 대상으로 각각의 특성을 반영할 수 있는 국가고유배출계수를 산정하여야 할 것이다. 또한, 이를 MRV 과정에 부합할 수 있는 관리체계가 필요할 것이다. 이러한 다양한 데이터를 바탕으로 신뢰성 있는 온실가스 배출계수를 국가 온실가스 보고서 작성 시 적용한다면, 향후 국제 기후변화협상 등에서 국가 신뢰도를 향상시킬 수 있는 기초자료로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 또한, 이를 MRV 과정에 부합할 수 있는 관리체계가 필요할 것이다. 이러한 다양한 데이터를 바탕으로 신뢰성 있는 온실가스 배출계수를 국가 온실가스 보고서 작성 시 적용한다면, 향후 국제 기후변화협상 등에서 국가 신뢰도를 향상시킬 수 있는 기초자료로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
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