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문제 정의
- 의 배출계수는 유사한 수준을 보이고 있다. SO2의 경우는 큰 차이를 보이고 있어서 국내 장작 내 황(S)함량을 검토하기 위하여 표 6과 같이 기존 조사자료(Ministry of Knowledge Economy, 2007)의 국내 수종별 원소함량 조사 결과를 검토하였다.
- 설문 응답 업체를 대상으로 조사한 결과 연간(2008년 4월~2009년 3월) 총 판매량은 9,362대로 조사되었다. 그러나 분석된 총 판매량은 전체 업체의 모든 판매량이 아니기 때문에 조사된 화목난로의 평균 수명 자료와 국내 예상시장규모(연간 국내 예상 판매량)를 통해 국내에서 이용되고 있는 화목난로의 대수를 추정하고자 하였다. 화목난로의 국내 예상시장규모 예상치는 판매업체별로 큰 차이를 보였다.
- 본 연구를 통해 생물성 연소의 상당 부분을 차지한 것으로 예상되는 주거용 화목난로 사용에 의한 오염물질 배출량을 산출하기 위하여 화목난로 사용 대수를 추정하고 현장실험을 통하여 배출계수를 산출하고자 하였다. 이를 위해 미국 환경청에서 제안하고 있는 Method 5G의 기본적인 실험장치의 구성은 동일하게 적용하였으며, 연료에 대한 기본적인 조건은 Method 28에 따랐다.
- 본 연구에서는 생물성 연소 중 상당부분을 차지할 것으로 예상되는 주거용 화목난로에서 발생되는 대기오염물질 배출량을 추정하고자 하였다. 이를 위하여 주거용 화목난로의 이용대수를 추정하고 국내 주거용 화목난로를 이용한 현장실험을 통하여 오염물질별 배출계수를 확인하고, 외국 배출계수와 비교하여 오염물질별 배출량을 추정하고자 하였다.
제안 방법
- 1) 국내 이용되고 있는 화목난로의 대수는 통계자료가 구축되어 있지 않아 화목난로 판매업체를 대상으로 설문조사를 실시하여 추정하였다. 설문내용을 분석한 결과 화목난로의 연간 판매대수는 평균 12,250대, 평균 예상수명은 약 7.
- 4) 본 연구를 통해 산정된 주거용 화목난로의 배출 계수와 활동도 자료를 이용하여 오염물질별 연간 배출량을 추정하였다. 화목난로 이용대수 추정치 5만~ 14.
- 2 kg으로 산출된다. Method 28에 따라 초기 연료(약 15 kg) 투입 후 착화를 시키고, 이를 안정화 시킨 후 Method 5G에서 제안하고 있는 카테고리별 연료투입량에 따라 연료를 투입하고 오염물질의 농도를 측정하였다. 실험에 적용된 카테고리별 연료투입량은 표 2와 같다.
- 수도권은 춘천 지역의 난방도일 자료를 사용하였고, 중부권은 대전광역시, 남부권은 부산광역시의 자료를 사용하였다. 권역별 대표 지역의 난방도일 비율을 평균화하고, 그 비율을 적용하여 지역별 월별 배출비율을 추정하였다. 그림 10은 평균화된 월별 배출비율을 나타낸 것이며, 난방 수요에 따라 1월, 2월, 11월, 12월에 오염물질 배출량이 높게 나타났다.
- 농도 분석 결과와 평균 유량 그리고 배가스 평균온도를 이용하여 시간당 오염물질별 배출량을 산출하였다. 가스상 배출량을 산출하기 위한 식은 다음과 같다.
- 본 실험에서는 통풍조절장치의 설치와 일정 유량을 흡인할 수 있는 송풍기를 장착하여 희석터널 내 유량이 일정하게 유지되도록 하고, 배출가스가 희석터널 후드로 모두 포집되도록 화목난로 배출구에 연통을 추가 설치하여 희석터널 후드와 연통사이의 거리를 10cm 이하로 설치하였다. 또한 두 개의 측정공을 이용하여 오염물질의 농도와 희석터널 내 유속, 온도를 측정하고 이를 보정하여 오염물질별 배출량을 산출하였다. 미세먼지 시료의 채취는 측정공을 통해 희석터널 내부의 유속과 동일하게 Stack Sampler의 채취 유속을 설정하여 농도분석의 오차를 최소화 하였다.
- 또한 두 개의 측정공을 이용하여 오염물질의 농도와 희석터널 내 유속, 온도를 측정하고 이를 보정하여 오염물질별 배출량을 산출하였다. 미세먼지 시료의 채취는 측정공을 통해 희석터널 내부의 유속과 동일하게 Stack Sampler의 채취 유속을 설정하여 농도분석의 오차를 최소화 하였다.
- 배출계수를 산출하기 위하여 오염물질별 배출농도를 실측하여 분석하였다. 오염물질별 측정농도와 배가스 평균온도, 화목난로 가동시간, 그리고 연료투입량을 나타내면 표 3과 같다.
- 또한 희석터널 이음부의 결합을 확실히 하여 배출가스가 새어나오지 않도록 해야 한다. 본 실험에서는 통풍조절장치의 설치와 일정 유량을 흡인할 수 있는 송풍기를 장착하여 희석터널 내 유량이 일정하게 유지되도록 하고, 배출가스가 희석터널 후드로 모두 포집되도록 화목난로 배출구에 연통을 추가 설치하여 희석터널 후드와 연통사이의 거리를 10cm 이하로 설치하였다. 또한 두 개의 측정공을 이용하여 오염물질의 농도와 희석터널 내 유속, 온도를 측정하고 이를 보정하여 오염물질별 배출량을 산출하였다.
- 미세먼지의 경우 시료채취를 위해 여과지를 105℃ 에서 24시간 건조를 시키고 방랭시킨 후 사용하였다. 시료는 1시간당 연소시키는 연료의 양에서 배출되는 미세먼지를 포집하기 위해 기본적으로 1시간 동안 채취를 하였다. 여지의 전/후 무게 차이와 굴뚝먼지 채취장치(ASTEK Sampling System)의 흡인유량으로 실험회차별 미세먼지의 농도를 분석하였다.
- 시료는 1시간당 연소시키는 연료의 양에서 배출되는 미세먼지를 포집하기 위해 기본적으로 1시간 동안 채취를 하였다. 여지의 전/후 무게 차이와 굴뚝먼지 채취장치(ASTEK Sampling System)의 흡인유량으로 실험회차별 미세먼지의 농도를 분석하였다.
- 위 분석 자료를 토대로 장작사용량과 가동(시료채취)시간을 이용하여 배출계수를 산출하였다. 오염물질별 배출계수 산출식은 다음과 같으며, 본 연구를 통해 산출된 CO, NOx, SO2, PM10의 평균 배출계수는 표 4와 같다.
- 오염물질별 측정농도와 배가스 평균온도, 화목난로 가동시간, 그리고 연료투입량을 나타내면 표 3과 같다. 유량은 화목난로의 연소 가스가 충분히 덕트로 모두 빨려 나갈 수 있도록 하고, 측정공에서 유속측정의 불확실성을 줄이기 위하여 덕트 끝에 장착한 송풍기의 흡인유량(950m3/hr)을 일정하게 적용하였다.
- 그래서 국내에서 화목난로를 제작 판매하는 업체를 전화번호부와 인터넷으로 조사한 결과 60여개 업체가 파악되었고, 이를 대상으로 우편과 전화를 통한 설문조사를 실시하였다. 이 조사에서 화목난로의 연간 총 판매대수와 화목난로의 예상 평균 수명, 그리고 연간 국내 총 예상 판매량에 대한 설문을 실시하였다.
- 본 연구에서는 생물성 연소 중 상당부분을 차지할 것으로 예상되는 주거용 화목난로에서 발생되는 대기오염물질 배출량을 추정하고자 하였다. 이를 위하여 주거용 화목난로의 이용대수를 추정하고 국내 주거용 화목난로를 이용한 현장실험을 통하여 오염물질별 배출계수를 확인하고, 외국 배출계수와 비교하여 오염물질별 배출량을 추정하고자 하였다.
- 주거용 화목난로에 의한 대기오염 배출량은 본 연구에서 조사된 오염물질별 배출계수와 활동도 추정치를 적용하여 산출하였다. 화목난로에 의한 오염물질별 배출량 산출결과 표 7과 같이 CO가 12,626~ 36,363 ton/yr, PM10이 1,235~3,557 ton/yr으로 추정되었다.
- 주거용 화목난로에 대한 배출량을 추정하기 위해 가장 중요한 활동도 자료는 국내에서 사용되고 있는 화목난로의 대수이다. 하지만 국내에는 화목난로의 전체적인 시장규모나 판매량에 대한 통계 자료가 구축되어 있지 않기 때문에 설문조사를 실시하여 이용 대수를 추정하였다. 설문조사는 검토 결과 이용자에 대한 조사보다는 제조판매자에 대한 조사가 불확실성을 줄일 수 있다고 판단되었다.
대상 데이터
- 난방도일 자료는 에너지경제연구원의 Energy Info. Korea에서 제공하는 지역별 난방도일 자료(에너지경제연구원, 2008)를 사용하였고, 2007년 전국 난방도일 평균값은 2,404(hour)이다. 이에 따라 산출된 연간 에너지 소비량은 약 122,041 cords(442,348 m3)이며 나무의 평균비중 0.
- 설문조사는 검토 결과 이용자에 대한 조사보다는 제조판매자에 대한 조사가 불확실성을 줄일 수 있다고 판단되었다. 그래서 국내에서 화목난로를 제작 판매하는 업체를 전화번호부와 인터넷으로 조사한 결과 60여개 업체가 파악되었고, 이를 대상으로 우편과 전화를 통한 설문조사를 실시하였다. 이 조사에서 화목난로의 연간 총 판매대수와 화목난로의 예상 평균 수명, 그리고 연간 국내 총 예상 판매량에 대한 설문을 실시하였다.
- 본 실험에 사용된 나무는 일반적으로 국내에서 화목 공급업체를 통하여 가장 많이 판매되는 참나무 장작(그림 5)을 시판되는 형태로 구입하였으며, 장작 하나의 무게는 약 0.5~2.5 kg 정도였다. 또한 연료(장작)의 수분 함량을 측정하기 위해 건조를 실시하였는데 본 연구에 사용된 장작 내 수분함량은 평균 약 16.
- 본 연구에 사용된 화목난로는 국내에서 가장 많이 판매되는 38평형(125.6m2형)으로 그림 6과 같고, 내부 용적이 0.148m3이므로 초기 연료 부하 밀도는 16.6±11.2 kg으로 산출된다.
- 월별 배출량을 추정하기 위해서는 배출량을 시간적으로 배분할 수 있는 인자가 필요하다. 본 연구에서는 화목난로에 의한 월별 배출량을 산출하기 위해 앞서 이용한 난방도일 자료를 적용하였다. 지역의 월별 난방도일은 3개 권역 중 대표 지역의 2007년 난방도일을 적용하였다.
- 지역의 월별 난방도일은 3개 권역 중 대표 지역의 2007년 난방도일을 적용하였다. 수도권은 춘천 지역의 난방도일 자료를 사용하였고, 중부권은 대전광역시, 남부권은 부산광역시의 자료를 사용하였다. 권역별 대표 지역의 난방도일 비율을 평균화하고, 그 비율을 적용하여 지역별 월별 배출비율을 추정하였다.
- 시료를 채취하고 농도를 분석하기 위해 사용된 장비는 그림 7, 그림 8과 같이 연소가스 분석기(KANE MAY, KM-9106)와 굴뚝먼지 채취장치(ASTEK Stack Sampler)를 사용하였다.
- 연료의 열량(BTU/cord)은 EIIP에 제시되어 있는 장작에 대한 열량 값인 2.0×107BTU/Cord를 적용하였다.
- 본 연구에서는 화목난로에 의한 월별 배출량을 산출하기 위해 앞서 이용한 난방도일 자료를 적용하였다. 지역의 월별 난방도일은 3개 권역 중 대표 지역의 2007년 난방도일을 적용하였다. 수도권은 춘천 지역의 난방도일 자료를 사용하였고, 중부권은 대전광역시, 남부권은 부산광역시의 자료를 사용하였다.
- 파악된 60여개의 업체를 대상으로 실시한 설문조사 결과 총 24개 업체가 응답을 하였고, 이 응답 내용으로 분석을 실시하였다. 설문 응답 업체를 대상으로 조사한 결과 연간(2008년 4월~2009년 3월) 총 판매량은 9,362대로 조사되었다.
이론/모형
- 2) 화목난로에 사용되는 장작소비량을 파악하기 위해 미국 환경청의 EIIP에서 제안한 방법론을 적용하여 추정하였다. 방법론의 주요인자인 난방도일은 국내 자료를 적용하였고, 이를 통해 산출된 장작소비량은 화목난로당 약 3.
- 국내 주거용 화목난로에서 연소되는 장작량을 추정하기 위해서는 화목난로 사용에 따른 에너지 소비량을 산출하기 위한 미국 환경청(U.S. EPA)의 EIIP(Emission Inventory Improvement Program) Volume IV의 방법론을 적용하였다. 이 방법론은 주거용 화목난로의 연소로 인해 배출되는 오염물질 배출량을 추정하기 위해 사용되는 것으로 일반적으로 화목난로와 벽난로에 사용되는 화목량을 산정하기 위해 사용된다.
- 시료를 채취하기 위해서는 Method 5G 방법으로 실시하였으며, 이에 따른 착화과정이나 연료에 대한 조건은 Method 28(U.S. EPA, 2006)에 따라 실시하였다. Method 5G는 주거용 화목난방 기구로부터의 오염물질 배출농도를 측정하기 위한 방법으로 그림 1과 같은 실험장치를 통해 측정하며, 희석터널 내부의 통풍조절장치(damper)를 사용하여 일정 유량을 유지 하여야 한다.
- 본 연구를 통해 생물성 연소의 상당 부분을 차지한 것으로 예상되는 주거용 화목난로 사용에 의한 오염물질 배출량을 산출하기 위하여 화목난로 사용 대수를 추정하고 현장실험을 통하여 배출계수를 산출하고자 하였다. 이를 위해 미국 환경청에서 제안하고 있는 Method 5G의 기본적인 실험장치의 구성은 동일하게 적용하였으며, 연료에 대한 기본적인 조건은 Method 28에 따랐다. 조사 결과 다음과 같은 연구 결과를 얻을 수 있었다.
- 화목난로에서 배출되는 오염물질을 측정하기 위해 U.S.A particle test method(TTN EMC Method 5G-PM Wood Heaters from a Dilution Tunnel) (U.S. EPA, 2007)를 적용하였다. 이 방법은 미국에서 화목난로를 판매하기 이전에 실시하는 인증 실험방법으로 EPA 품질인증 실험실에서 대기오염 배출량 산출에 적용하고 있다.
성능/효과
- 3) 미국 AP-42의 화목난로 대기오염물질 배출계수와 본 실험을 통해 산출된 배출계수를 비교한 결과 NOx와 PM10, CO는 유사한 배출계수가 산정되었다. SOx의 경우 국내 나무의 황(S)함량 원소 분석자료를 검토한 결과 미국의 배출계수보다 본 실험에서의 SOx 배출계수가 더 국내 특성을 반영하는 것으로 판단되었다.
- PM10 배출량 산출결과는 약 11.6~134.7 g/hr로 분석되었으며, 시료채취 시간이 1시간인 분석 자료를 기초로 분석하면 평균적으로 약 43.5 g/hr의 PM10이 배출되었다.
- , CO는 유사한 배출계수가 산정되었다. SOx의 경우 국내 나무의 황(S)함량 원소 분석자료를 검토한 결과 미국의 배출계수보다 본 실험에서의 SOx 배출계수가 더 국내 특성을 반영하는 것으로 판단되었다. 본 실험을 통해 분석된 오염물질별 배출계수는 NOx가 0.
- 따라서 조사된 업체를 대상으로 연간 화목난로 판매량이 100대 이상인 판매업체의 자료 중 극한치(최소값과 최대값)를 제외하고 평균값을 산출하였는데 국내 예상 시장규모는 6,300~18,200(12,250±0.5σ)대/년으로 추정되었다.
- 5 kg 정도였다. 또한 연료(장작)의 수분 함량을 측정하기 위해 건조를 실시하였는데 본 연구에 사용된 장작 내 수분함량은 평균 약 16.3% 로 분석되었다.
- 미세먼지 시료 채취는 측정 기준시간(1시간)을 만족시키는 시료 21개에 대하여 분석하였고, 분석된 미세먼지의 농도는 그림 9와 같이 12.2~141.7 mg/m3으로 평균 농도는 약 45.7 mg/m3으로 분석되었다. 시료에 따라 큰 농도 차이를 보이는 것은 실제 화목난로를 사용할 때와 유사하게 다양한 조건들을 반영하기 위하여 화목의 전체 양은 실험 조건을 충족시키도록 하였으나 화목크기는 조금씩 달리하여 다양하게 연소시켰기 때문으로 생각된다.
- 2) 화목난로에 사용되는 장작소비량을 파악하기 위해 미국 환경청의 EIIP에서 제안한 방법론을 적용하여 추정하였다. 방법론의 주요인자인 난방도일은 국내 자료를 적용하였고, 이를 통해 산출된 장작소비량은 화목난로당 약 3.2 ton/년, 전국 규모로는 약 160~ 461천ton/년으로 추정되었다.
- SOx의 경우 국내 나무의 황(S)함량 원소 분석자료를 검토한 결과 미국의 배출계수보다 본 실험에서의 SOx 배출계수가 더 국내 특성을 반영하는 것으로 판단되었다. 본 실험을 통해 분석된 오염물질별 배출계수는 NOx가 0.5 g/kg, CO가 78.8 g/kg, PM10이 7.7 g/kg 그리고 SO2가 6.9 g/kg으로 산출되었다.
- 28%)이며, 화목난로에서 사용되는 장작 중량의 대부분은 내목이다. 사용되는 장작이 95% 연소되는 것으로 가정할 경우 물질수지법에 의한 국내 화목의 SO2 배출계수는 5.0 g-SO2/kg-wood으로 예상되어 미국의 배출계수(0.2 g-SO2/kg-wood)보다 본 실험의 결과(6.9 g-SO2/kg-wood)가 더 국내 특성을 반영하고 있는 것으로 판단된다.
- 1) 국내 이용되고 있는 화목난로의 대수는 통계자료가 구축되어 있지 않아 화목난로 판매업체를 대상으로 설문조사를 실시하여 추정하였다. 설문내용을 분석한 결과 화목난로의 연간 판매대수는 평균 12,250대, 평균 예상수명은 약 7.9년으로 분석되었다. 이를 토대로 2007년을 기준으로 주거용 화목난로의 이용대수는 약 5.
- 하지만 국내에는 화목난로의 전체적인 시장규모나 판매량에 대한 통계 자료가 구축되어 있지 않기 때문에 설문조사를 실시하여 이용 대수를 추정하였다. 설문조사는 검토 결과 이용자에 대한 조사보다는 제조판매자에 대한 조사가 불확실성을 줄일 수 있다고 판단되었다. 그래서 국내에서 화목난로를 제작 판매하는 업체를 전화번호부와 인터넷으로 조사한 결과 60여개 업체가 파악되었고, 이를 대상으로 우편과 전화를 통한 설문조사를 실시하였다.
- 시료 채취는 총 43회 실시하였으며 측정회차별 오염물질별 농도는 실험시간과 연료 투입량에 따라 다소 큰 차이를 보였다. CO의 경우 49.
- 5σ)대/년으로 추정되었다. 한편 화목난로의 수명은 화목난로 모델에 따라 차이를 보였는데 화목난로의 예상 평균 수명은 약 7.9년으로 산출되었다. 평균 수명과 예상 시장규모로 국내에서 연간 가용되고 있는 주거용 화목난로의 대수를 추정하면 약 5.
- 4) 본 연구를 통해 산정된 주거용 화목난로의 배출 계수와 활동도 자료를 이용하여 오염물질별 연간 배출량을 추정하였다. 화목난로 이용대수 추정치 5만~ 14.4만대에 의한 전국 규모의 대기오염 배출량은 일산화탄소(CO)가 약 12,600~36,400 ton/yr, 황산화물 (SO2)이 1,100~3,200 ton/yr로 추정되었으며, 미세먼지(PM10)는 약 1,200~3,600 ton/yr로 추정되었다.
후속연구
- 5) 본 연구는 화목난로를 제작 판매하는 국내업체를 대상으로 전화 및 설문조사를 실시하여 화목난로 이용대수를 추정하였기 때문에 불확실성이 존재한다. 앞으로 정확한 화목난로의 판매자료나 이용대수에 대한 조사가 이루어진다면 더욱 신뢰도가 개선된 배출량을 산출할 수 있을 것이다.
- 특히 본 연구는 주거용 화목난로에 초점을 맞추었기 때문에 앞으로 농업용이나 산업용 화목난로에 대한 조사가 필요하다. 또한 본 연구에서는 대표적인 화목난로 한 종류만을 고려하였으나 화목난로 종류에 따른 차이를 고려하기 위해서는 앞으로 다양한 화목난로에 대한 실험이 필요하다.
- 5) 본 연구는 화목난로를 제작 판매하는 국내업체를 대상으로 전화 및 설문조사를 실시하여 화목난로 이용대수를 추정하였기 때문에 불확실성이 존재한다. 앞으로 정확한 화목난로의 판매자료나 이용대수에 대한 조사가 이루어진다면 더욱 신뢰도가 개선된 배출량을 산출할 수 있을 것이다. 특히 본 연구는 주거용 화목난로에 초점을 맞추었기 때문에 앞으로 농업용이나 산업용 화목난로에 대한 조사가 필요하다.
- 앞으로 정확한 화목난로의 판매자료나 이용대수에 대한 조사가 이루어진다면 더욱 신뢰도가 개선된 배출량을 산출할 수 있을 것이다. 특히 본 연구는 주거용 화목난로에 초점을 맞추었기 때문에 앞으로 농업용이나 산업용 화목난로에 대한 조사가 필요하다. 또한 본 연구에서는 대표적인 화목난로 한 종류만을 고려하였으나 화목난로 종류에 따른 차이를 고려하기 위해서는 앞으로 다양한 화목난로에 대한 실험이 필요하다.
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