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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 생물성연소 중 숯가마를 중심으로 숯 제조 과정에서 발생하는 대기오염물질의 배출농도 및 배출계수 등의 배출특성을 파악하기 위하여 지역과 가마의 규모 등에 따른 현장조사를 실시하였고, 이를 토대로 효율적인 처리장치의 설계 및 대기환경 개선을 위한 기초자료를 제공하고자 하였다.
- 본 연구는 생물성연소 중 숯제조 공정에서 발생하는 대기오염물질의 배출농도 및 배출계수 등의 배출특성을 파악하고, 효율적인 처리장치의 설계 및 대기환경 개선을 위한 기초자료를 제시하기 위하여 분석한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 본 연구에서는 참숯 제조 공장 및 찜질용 숯가마에서 배출되는 대기오염물질의 배출특성을 파악하기 위하여 대상으로 한 참숯가마는 표 1과 같으며, 주요 숯가마는 그림 1과 같다. 지역별로 숯가마의 분포를 고려하여 경기권(4), 강원권(1), 충청권(1), 영남권(1)로 구분하였으며, 숯가마 형태별로는 숯 제조가 주목적인 백탄용 숯제조 공장과 찜질용 숯가마로 구분하였다.
제안 방법
- 152 (Isokinetic channel probe, Grimm Aerosol Technik, Germany)를 사용하였다. 가스상 대기오염물질을 측정하기 위하여 CO, NO, SO2는 실시간 가스분석기(ENERAC 500, USA)를 사용하였으며, TVOC (NMHC) 분석은 MODEL-200 (제작사, 제작국)을 사용하였다. 목재 연료의 발열량은 발열량 측정기기(IKA-C2000, Germany)를 사용하여 측정하였으며, 원소분석은 자동원소분석기(Thermo fignnigan-Flash EA 1112, USA)를 사용하였다.
- 국내 참숯가마에서 배출되는 대기오염물질의 배출특성을 파악하기 위하여 현장조사를 통하여 숯가마 내부의 탄화시간에 따른 배출농도를 측정 분석하였다. 숯제조 공정의 탄화시간은 탄재의 수분 함유량, 숯가마 크기와 운영상의 특성에 따라 약 4~7일이 소요되고, 찜질용 숯가마의 경우 1~2일이 소요됨을 고려하여 시간경과에 따른 먼지 및 가스상 대기오염 물질의 농도를 측정 분석 하였다.
- 지역별로 숯가마의 분포를 고려하여 경기권(4), 강원권(1), 충청권(1), 영남권(1)로 구분하였으며, 숯가마 형태별로는 숯 제조가 주목적인 백탄용 숯제조 공장과 찜질용 숯가마로 구분하였다. 또한, 숯 가마수를 기준으로 한 규모와 탄화시간(일), 대기오염방지장치, 생산하는 숯의 종류로 구분하여 조사하였다.
- 가스상 대기오염물질을 측정하기 위하여 CO, NO, SO2는 실시간 가스분석기(ENERAC 500, USA)를 사용하였으며, TVOC (NMHC) 분석은 MODEL-200 (제작사, 제작국)을 사용하였다. 목재 연료의 발열량은 발열량 측정기기(IKA-C2000, Germany)를 사용하여 측정하였으며, 원소분석은 자동원소분석기(Thermo fignnigan-Flash EA 1112, USA)를 사용하였다.
- 숯가마에서 발생되는 미세먼지는 굴뚝먼지측정기(Stack sampling system, KNJ, Korea)를 이용하여 등속흡인하여 시료를 채취 하였다. 미세먼지는 PM10 및 PM2.5 Cyclone Kit를 장착하여 15~30분간 등속흡인을 실시하여 시료를 채취하였다. 시료를 채취하기 위해 사용된 여지는 원통형 여지(ADVANTEC, 88R)와 원형 여지(Whatman, QMA, 47 mm)를 사용하였으며, 중량농도를 분석하기 위해 마이크로 천칭(0.
- 본 연구에서는 숯가마에서 배출되는 배출가스 유량과 농도는 점화 및 착화, 탄화, 출탄의 시간경과에 따라 다르기 때문에 탄화 과정을 고려하여 측정주기를 결정하였다. 측정한 시간대별 배출 농도와 유량을 산정하여 배출 시간과 사용한 참나무 무게를 곱하여 산정하고, 이를 누적하여 배출계수로 산정하였다.
- 숯가마에서 배출되는 대기오염물질의 배출농도의 현황 측정 항목 및 분석방법은 표 2와 같다. 생물성 연소 중 숯가마에서 배출되는 일반 대기오염물질(TSP, PM10, PM2.5, 입경분포, SO2, NOx, CO)과 총휘발성유기화합물(TVOC), 발열량, 원소조성 등을 측정 분석하였다.
- 숯가마에서 발생되는 미세먼지는 굴뚝먼지측정기(Stack sampling system, KNJ, Korea)를 이용하여 등속흡인하여 시료를 채취 하였다. 미세먼지는 PM10 및 PM2.
- 숯가마에서 배출되는 미세먼지의 배출계수 산출방법은 미세먼지 농도에 덕트에서 배출되는 가스량을 곱하고, 여기에 참숯 제조에 투입한 참나무 무게로 나누어 산출하였다. 배출계수 산출식은 다음과 같다(Park et al.
- 국내 참숯가마에서 배출되는 대기오염물질의 배출특성을 파악하기 위하여 현장조사를 통하여 숯가마 내부의 탄화시간에 따른 배출농도를 측정 분석하였다. 숯제조 공정의 탄화시간은 탄재의 수분 함유량, 숯가마 크기와 운영상의 특성에 따라 약 4~7일이 소요되고, 찜질용 숯가마의 경우 1~2일이 소요됨을 고려하여 시간경과에 따른 먼지 및 가스상 대기오염 물질의 농도를 측정 분석 하였다.
- 본 연구에서는 참숯 제조 공장 및 찜질용 숯가마에서 배출되는 대기오염물질의 배출특성을 파악하기 위하여 대상으로 한 참숯가마는 표 1과 같으며, 주요 숯가마는 그림 1과 같다. 지역별로 숯가마의 분포를 고려하여 경기권(4), 강원권(1), 충청권(1), 영남권(1)로 구분하였으며, 숯가마 형태별로는 숯 제조가 주목적인 백탄용 숯제조 공장과 찜질용 숯가마로 구분하였다. 또한, 숯 가마수를 기준으로 한 규모와 탄화시간(일), 대기오염방지장치, 생산하는 숯의 종류로 구분하여 조사하였다.
- 본 연구에서는 숯가마에서 배출되는 배출가스 유량과 농도는 점화 및 착화, 탄화, 출탄의 시간경과에 따라 다르기 때문에 탄화 과정을 고려하여 측정주기를 결정하였다. 측정한 시간대별 배출 농도와 유량을 산정하여 배출 시간과 사용한 참나무 무게를 곱하여 산정하고, 이를 누적하여 배출계수로 산정하였다.
대상 데이터
- 5 Cyclone Kit를 장착하여 15~30분간 등속흡인을 실시하여 시료를 채취하였다. 시료를 채취하기 위해 사용된 여지는 원통형 여지(ADVANTEC, 88R)와 원형 여지(Whatman, QMA, 47 mm)를 사용하였으며, 중량농도를 분석하기 위해 마이크로 천칭(0.01mg 단위)을 사용하였다. 먼지의 입경별 농도분포 측정에 사용한 측정기는 32채널[0.
이론/모형
- 먼지의 입경별 농도분포 측정에 사용한 측정기는 32채널[0.25~32 μm (31channels), >32 μm]의 먼지입경을 측정할 수 있는 광산란 방식의 Grimm 1.109 (Portable Aerosol Monitor, Grimm Aerosol Technik, Germany)를 사용하였으며, 등속흡인을 위해 Grimm 1.152 (Isokinetic channel probe, Grimm Aerosol Technik, Germany)를 사용하였다.
성능/효과
- - 국내 참숯 제조 과정의 탄화시간은 숯가마 크기와 운영상의 특성에 따라 약 4~7일이 소요되고, 찜질용 숯가마의 경우 1~2일이 소요됨을 고려하여 시간경과에 따른 먼지 및 가스상 대기오염물질의 농도를 측정 분석 하였으며, TSP, PM10, PM2.5 농도는 400~37,000 mg/m3으로 배출허용기준인 100 mg/m3를 초과하는 것으로 나타났다. 먼지의 대부분은 PM10 이하의 미세먼지가 약 95% 이상을 차지하는 것으로 나타났으며, 미세먼지 및 초미세먼지의 관리를 위해서는 숯가마에서 배출되는 먼지에 대한 적절한 처리장치가 반드시 필요한 것으로 판단된다.
- - 숯가마 제조 공장의 현장조사에 의한 지역별 대기오염물질의 배출계수는 평균적으로 TSP 42.4 g-PM/kg-oak, PM10 40.3 g-PM/kg-oak, PM2.5 38.2 g-PM/kgoak, CO 182.5 g-CO/kg-oak, NO 1.0 g-NO/kg-oak, SO2 0.2 g-SO2/kg-oak, TVOC (NMHC) 104.4 g-TVOC/kg-oak으로 각각 산정되었다. 숯가마 배출가스 중의 수분량 배출계수는 490.
- - 숯가마에서 배출되는 탄화시간 경과에 따른 먼지 및 수분량의 배출량은 초기에 급격하게 증가하다가 중반부터 급격하게 감소하는 경향으로 나타났으며, CO의 경우 점화 및 착화 초기에 급격히 증가하였다가 감소하여 말기까지 꾸준히 증가하는 것으로 나타났다. 그리고, NO와 SO2의 경우 초기 점화 및 착화 시에만 배출되었으며, 그 이후에 배출되지 않는 것으로 나타났다.
- - 현장조사 결과, 일부 숯가마는 대기오염방지시설을 갖추고 있지만, 처리장치가 제대로 가동되지 못하고 있었으며, 참숯 제조 과정에서 발생되는 배출가스에는 점성이 높은 목타르가 대기오염방지장치에 점착되어 많은 문제를 일으키고 있었다. 따라서, 생물성연소 중 참숯 제조 과정에서 발생하는 입자상 대기오염물질 및 가스상 대기오염물질을 처리하기 위한 대기오염방지장치의 설계 및 운영을 위해서는 목타르 제거에 대한 전처리 장치가 반드시 필요할 것으로 판단된다.
- 6%까지 나타났으며, 점화 초기에는 낮은 수분량을 나타내고, 그 이후 수분량이 매우 빠르게 증가한 후 서서히 감소하는 것으로 나타났다. 가스상 대기오염물질은 CO 2~5%, NO는 0~900 ppm, SO2는 0~110 ppm, TVOC는 820~10,000 ppm 수준으로 배출되는 것으로 나타났다.
- 따라서, 숯가마 배출가스 중의 미세먼지에는 다량의 타르와 pH 3 정도의 산성 수용액인 목초액을 포함하고 있기에 이 미세먼지의 제거를 위한 처리장치는 점성이 높은 타르를 포함한 미세먼지가 처리장치에 미치는 여러 가지 문제를 유발할 수 있는 점과 산성 수용액이 처리장치의 산 부식을 유발 할 수 있는 조건을 충분히 고려해야 할 것으로 판단된다.
- 본 연구의 현장조사 결과 숯가마에서 배출되는 대기오염물질의 배출계수는 표 12와 같다. 먼지의 배출농도 수준은 413~37,443 mg/m3으로 나타났으며, 먼지의 배출계수는 38.2~42.4 g-PM/kg-oak으로 나타났다. 숯가마에서 배출되는 미세먼지의 배출계수는 Kim et al.
- 6 mg/m3로 나타났다. 미세먼지의 중량법에 의한 TSP 중의 PM10이 약 95.0%, PM2.5가 약 90.2%를 차지하는 것으로 나타났다.
- 대상으로 한 숯가마에서 생산된 참숯의 발열량과 원소조성은 표 4와 같다. 생산된 참숯의 발열량은 평균 약 7,038.7 kcal/kg으로 나타났으며, 참숯의 원소조성은 탄소가 약 83.70%, 수소가 약 0.66%, 질소가 약 0.20%, 황은 약 0.00%, 산소 및 기타가 약 15.44%로 나타났다. 또한, 참나무를 탄화한 백탄인 참숯의 횡단면 확대 사진은 그림 2와 같으며, 큰 비표면적을 형성함을 확인 할 수 있다.
- 먼지의 대부분은 PM10 이하의 미세먼지가 약 95% 이상을 차지하는 것으로 나타났으며, 미세먼지 및 초미세먼지의 관리를 위해서는 숯가마에서 배출되는 먼지에 대한 적절한 처리장치가 반드시 필요한 것으로 판단된다. 수분량은 최대 68.6%까지 나타났으며, 점화 초기에는 낮은 수분량을 나타내고, 그 이후 수분량이 매우 빠르게 증가한 후 서서히 감소하는 것으로 나타났다. 가스상 대기오염물질은 CO 2~5%, NO는 0~900 ppm, SO2는 0~110 ppm, TVOC는 820~10,000 ppm 수준으로 배출되는 것으로 나타났다.
- 탄화과정에 따른 미세먼지의 배출농도는 대부분 배출허용기준인 100 mg/m3를 초과하는 것으로 나타났다. 수분량은 최대 68.6%까지 나타났으며, 점화 초기에는 수분량이 낮게 나타났고, 그 이후 수분량이 매우 빠르게 증가한 후 서서히 감소하는 것으로 나타났다. 하지만, 지역별, 숯가마별 미세먼지의 농도와 수분량의 측정 결과와 범위의 폭이 큰 것은 숯가마가 주로 찜질용 숯가마인지, 숯 제조용인지에 따라 탄화과정이 매우 상의하고, 가마의 크기에 따른 탄재인 참나무 투입량의 차이, 탄화기술의 차이 등으로 기인하는 것으로 판단된다.
- )의 농도 현황은 표 7과 같다. 숯가마의 탄화과정에서 배출되는 CO의 경우 2~5%의 매우 높은 수준으로 배출되는 것으로 나타났으며, 이에 대한 적절한 처리장치가 필요할 것으로 판단된다. NO의 경우 15~839 ppm 수준으로 배출되는 것으로 나타났으며, 주로 점화 및 착화 초기에는 배출허용기준 200 ppm을 초과하는 것으로 나타났다.
- 4 g-TVOC/kg-oak으로 나타났다. 이 현장조사를 토대로 개발한 숯가마에서 배출되는 대기오염물질의 배출계수는 각각의 숯가마별로 다소 편차가 크게 나타났다. 이는 각 지역별 숯을 생산하는 기술의 차이와 가마의 형태, 사용하는 탄재인 참나무의 종류와 수분 함유량(건조의 정도) 등의 여러 요인에 따라 다양한 것으로 판단된다.
- 찜질용 참숯가마(HN #1)에서 배출되는 미세먼지의 시간 경과에 따른 농도변화는 그림 3과 같다. 전체 탄화시간 48시간 중에서 점화 초기에는 농도는 낮았지만, 탄화가 진행되면서 12시간이 경과한 시점에서 최고 농도가 나타났고, 이후 24시간이 경과하는 시점까지 고농도를 유지하다가 점차 낮은 농도로 배출되는 것으로 나타났다. 중량법에 의한 미세먼지의 입경별 측정 결과(표 6)는 HN#1에서 측정한 시간대별 측정결과를 평균한 결과로 TSP의 농도는 11,202.
- 전체 탄화시간 48시간 중에서 점화 초기에는 농도는 낮았지만, 탄화가 진행되면서 12시간이 경과한 시점에서 최고 농도가 나타났고, 이후 24시간이 경과하는 시점까지 고농도를 유지하다가 점차 낮은 농도로 배출되는 것으로 나타났다. 중량법에 의한 미세먼지의 입경별 측정 결과(표 6)는 HN#1에서 측정한 시간대별 측정결과를 평균한 결과로 TSP의 농도는 11,202.6 mg/m3, PM10의 농도 10,642.5 mg/m3, PM2.5의 농도 10,100.6 mg/m3로 나타났다. 미세먼지의 중량법에 의한 TSP 중의 PM10이 약 95.
- TVOC의 경우 820~9,620ppm으로 나타났다. 찜질용 숯가마의 시간경과에 따른 TVOC의 농도 변화는 초기 점화 및 착화시기에 급격히 높게 배출되다가 탄화가 개시 된 후 약 24시간이 경과 했을 때 가장 높게 배출되는 것으로 나타났다. TVOC는 주로 리그닌 성분이 분해되는 280℃ 이상에서 빠른 속도로 열분해가 일어날 때 CH4, C2H4 등의 탄화수소계의 물질이 증가하는 하는 것으로 알려져 있다.
- 9 kcal/kg으로 나타냈다. 참나무의 원소 조성은 탄소가 약 44.90%, 수소가 약 5.59%, 질소가 약 0.10%, 황은 약 0.00%, 산소 및 기타가 약 49.41%로 나타났다.
- 숯가마 배출가스에서 배출되는 TVOC의 시간 경과에 따른 배출량은 그림 10과 같다. 탄화시간 경과에 따른 배출량은 TVOC는 점화 및 착화 초기에 급격히 증가하였다가 감소하여 중반까지 꾸준히 증가하다가 감소하는 것으로 나타났다.
- 숯가마에서 배출되는 탄화시간 경과에 따른 먼지의 배출량은 그림 7과 같다. 탄화시간 경과에 따른 배출량은 초기에 급격하게 증가하다가 중반부터 급격하게 감소하는 경향으로 나타났다. 수분량의 시간경과에 따른 배출량은 그림 8과 같다.
- 또한, 숯가마에서 배출되는 대기오염물질의 처리를 위한 처리장치의 설계를 위한 미세먼지 및 가스상 대기오염물질의 농도 수준과 부하량 등이 고려되어야 한다. 특히, 가마 1기당 배출가스 유량은 약 2.3~2.7 m3/min로 파악되었고, 배출가스의 온도는 80~250℃로 파악되었다. 다량으로 배출되는 수분량은 목초액으로 pH 3 정도로 파악되었다.
- 숯가마 제조 공장의 현장조사에 의한 지역별 PM및 수분량의 배출계수는 표 9와 같다. 평균적으로 TSP의 배출계수는 42.4 g-PM/kg-oak, PM10의 배출계수는 40.3 g-PM/kg-oak, PM2.5의 배출계수는 38.2 g-PM/kg-oak으로 각각 산정되었다. 숯가마 배출가스 중의 수분량 배출계수는 490.
- 수분량의 시간경과에 따른 배출량은 그림 8과 같다. 현장조사 결과 숯가마에서 산정한 시간 경과에 따른 배출량은 초기에 급격하게 증가하다가 중반부터 급격하게 감소하는 경향으로 나타났다.
- 현장조사를 토대로 개발된 숯가마에서 배출되는 미세먼지의 배출량은 2010년에 생산된 참숯 생산량을 백탄의 경우 12.5%, 검탄의 경우 17.5%의 수탄율 고려하여 참나무 사용량을 백탄에 의해 사용된 양은 49,154톤, 검탄에 의해 사용된 양은 17,444톤으로 총 66,600톤으로 산정하였다. 이 참나무 사용량에 미세먼지(TSP)의 배출계수 42.
후속연구
- - 현장조사 결과, 일부 숯가마는 대기오염방지시설을 갖추고 있지만, 처리장치가 제대로 가동되지 못하고 있었으며, 참숯 제조 과정에서 발생되는 배출가스에는 점성이 높은 목타르가 대기오염방지장치에 점착되어 많은 문제를 일으키고 있었다. 따라서, 생물성연소 중 참숯 제조 과정에서 발생하는 입자상 대기오염물질 및 가스상 대기오염물질을 처리하기 위한 대기오염방지장치의 설계 및 운영을 위해서는 목타르 제거에 대한 전처리 장치가 반드시 필요할 것으로 판단된다.
- 따라서, 숯가마에서 배출되는 미세먼지 배출량을 정확하게 산정하기 위해서는 통계자료 포함되지 않는 찜질용 숯가마에 사용되는 참나무량 등에 대한 활동도 조사가 필요하며, 미세먼지 배출량의 시∙공간적 해상도를 높이기 위한 숯제조 공장에 대한 활동도 조사가 필요 할 것으로 판단된다. 본 연구의 배출계수는 현장조사를 토대로 개발된 것으로 모형실험 등을 통한 정확한 배출계수도 추가로 개발될 필요가 있다고 판단된다.
- 따라서, 숯가마에서 배출되는 미세먼지 배출량을 정확하게 산정하기 위해서는 통계자료 포함되지 않는 찜질용 숯가마에 사용되는 참나무량 등에 대한 활동도 조사가 필요하며, 미세먼지 배출량의 시∙공간적 해상도를 높이기 위한 숯제조 공장에 대한 활동도 조사가 필요 할 것으로 판단된다. 본 연구의 배출계수는 현장조사를 토대로 개발된 것으로 모형실험 등을 통한 정확한 배출계수도 추가로 개발될 필요가 있다고 판단된다.
- - 현장조사를 토대로 개발된 배출계수와 2010년의 숯 생산량 통계 자료를 이용한 숯가마에서 배출되는 미세먼지의 배출량은 약 2,824톤으로 추정되었다. 숯가마에서 배출되는 미세먼지 배출량을 정확하게 산정하기 위해서는 통계자료 포함되지 않는 찜질용 숯가마에 대한 활동도 조사가 필요하며, 미세먼지 배출량의 시∙공간적 해상도를 높이기 위한 숯제조 공장에 대한 활동도 조사가 필요 할 것으로 판단된다.
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