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문제 정의
- 본 연구는 생물성연소 중 숯제조 공정에서 발생하는 악취물질의 배출특징을 파악하고, 효율적인 악취 관리 및 처리장치의 설계를 위한 기초자료를 제시하기 위하여 상용규모의 현장조사와 파일럿 규모의 모형실험을 실시하였다. 실험 분석 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 본 연구는 숯 생산 및 찜질용 숯가마에서 발생하는 악취특성을 파악하기 위하여 실시되었다. 실험은 상용규모 숯가마를 대상으로 한 현장조사를 통하여 악취물질의 발생농도를 분석하였으며, 계산된 악취농도지수를 바탕으로 악취성분의 기여율을 비교 검토하여 악취발생 원인물질을 도출하고자 하였다.
- 본 연구는 숯 생산 및 찜질용 숯가마에서 발생하는 악취특성을 파악하기 위하여 실시되었다. 실험은 상용규모 숯가마를 대상으로 한 현장조사를 통하여 악취물질의 발생농도를 분석하였으며, 계산된 악취농도지수를 바탕으로 악취성분의 기여율을 비교 검토하여 악취발생 원인물질을 도출하고자 하였다. 또한, 숯가마 탄화시간에 따른 악취물질의 발생특성을 파악하기 위하여 별도의 파일럿 규모 숯가마를 제작하여 진행하였다.
제안 방법
- Table 1. Commercial-scale and pilot-scale charcoal kilns tested in this study.
- 악취농도지수(Odor Quotient, OQ)는 분석결과값을 바탕으로 산출되었으며, 개별 악취물질의 최소감지농도(Threshold)를 이용하여 식 1과 같이 계산하였다. 또한 계산된 악취농도지수를 합하여 총 악취농도지수(Sum of Odor Quotient, SOQ)를 구하였다.
- 본 연구에서는 참숯 제조 공장 및 찜질용 숯가마에서 배출되는 악취물질의 배출특성을 파악하기 위하여 상용규모의 숯가마 현장시설을 선정하였으며, 대상시설은 표 1에 정리하였으며 주요 숯가마는 그림 1과 같다. 또한 현장조사 결과를 기초로 하여 보다 상세한 숯가마 운전 형태와 악취물질의 발생 특성을 관찰하고자 파일럿 규모의 숯가마 1기를 제작하였으며, 그 내용을 표 1에 정리하였다. 파일럿 숯가마는 실제 숯가마 크기와 운영상의 안전성을 고려하여 철골로 후레임을 제작하여 내부에 황토 벽돌을 이용하여 제작하였다.
- 실험은 상용규모 숯가마를 대상으로 한 현장조사를 통하여 악취물질의 발생농도를 분석하였으며, 계산된 악취농도지수를 바탕으로 악취성분의 기여율을 비교 검토하여 악취발생 원인물질을 도출하고자 하였다. 또한, 숯가마 탄화시간에 따른 악취물질의 발생특성을 파악하기 위하여 별도의 파일럿 규모 숯가마를 제작하여 진행하였다.
- 악취분석을 위한 시료채취는 맑은 날을 선정하여 숯가마의 최종배출구에서 실시하였다. 또한, 시료는 숯가마의 연소주기를 고려하여 주기적으로 채취하였으며, 채취한 후 실험실로 신속히 운반하여 3회 반복 분석을 실시하였다. 분석항목별 시료채취 및 분석은 악취공정시험방법에 준하여 진행하였다.
- 복합악취와 황화합물은 흡인상자법(10-Liter Bag sampler, Supelco, USA)을 이용하여 시료채취주머니에 5분간 5 L의 공기시료를 포집하였으며, 암모니아는 0.5% 붕산용액 50 mL를 2개의 임핀저에 나누어 담고 직렬로 연결한 후 시료채취펌프(LV-40BR, Sibata, Japan)를 이용하여 5분간 10 L/min의 유량으로 총 50 L의 공기시료를 포집하였다. 알데하이드류는 DNPH카드리지(LpDNPH S10, Supelco, USA)를 이용하여 5분간 1 L/min의 속도로 5 L의 시료를 채취하였다.
- 숯가마 공정에서는 탄화시간과 연소조건이 악취물질의 발생이 영향을 미치며, 이를 실험적으로 파악하고자 파일럿 규모 숯가마 실험을 진행하였다. 표 5는 탄화시간에 따른 복합악취와 15종 지정악취물질의 발생특성을 보여주며, 상용규모 숯가마에서와 유사한 악취발생의 특성을 보여준다.
- 숯가마에서 배출되는 악취물질의 측정 항목 및 분석방법은 표 2와 같다. 악취분석을 위한 시료채취는 맑은 날을 선정하여 숯가마의 최종배출구에서 실시하였다. 또한, 시료는 숯가마의 연소주기를 고려하여 주기적으로 채취하였으며, 채취한 후 실험실로 신속히 운반하여 3회 반복 분석을 실시하였다.
- 또한 현장조사 결과를 기초로 하여 보다 상세한 숯가마 운전 형태와 악취물질의 발생 특성을 관찰하고자 파일럿 규모의 숯가마 1기를 제작하였으며, 그 내용을 표 1에 정리하였다. 파일럿 숯가마는 실제 숯가마 크기와 운영상의 안전성을 고려하여 철골로 후레임을 제작하여 내부에 황토 벽돌을 이용하여 제작하였다. 파일럿 숯가마 P1은 백탄을 생산하는 숯가마 형태와 실제 숯가마의 규모를 고려하여 3.
대상 데이터
- 본 연구에서는 참숯 제조 공장 및 찜질용 숯가마에서 배출되는 악취물질의 배출특성을 파악하기 위하여 상용규모의 숯가마 현장시설을 선정하였으며, 대상시설은 표 1에 정리하였으며 주요 숯가마는 그림 1과 같다. 또한 현장조사 결과를 기초로 하여 보다 상세한 숯가마 운전 형태와 악취물질의 발생 특성을 관찰하고자 파일럿 규모의 숯가마 1기를 제작하였으며, 그 내용을 표 1에 정리하였다.
- 23 m3이었다, 실제 참나무의 장입량은 약 5톤 규모를 고려하였다. 상용 및 파일럿 규모 숯가마에 투입되는 수종은 참나무를 선정하였다.
- 5% 붕산용액 50 mL를 2개의 임핀저에 나누어 담고 직렬로 연결한 후 시료채취펌프(LV-40BR, Sibata, Japan)를 이용하여 5분간 10 L/min의 유량으로 총 50 L의 공기시료를 포집하였다. 알데하이드류는 DNPH카드리지(LpDNPH S10, Supelco, USA)를 이용하여 5분간 1 L/min의 속도로 5 L의 시료를 채취하였다. 휘발성유기화합물은 고체 흡착관 (Tenax-TA, Supelco, USA)을 이용하여 5분간 0.
- 파일럿 숯가마 P1은 백탄을 생산하는 숯가마 형태와 실제 숯가마의 규모를 고려하여 3.5W×4.0L×2.5H로 제작하였다.
- 알데하이드류는 DNPH카드리지(LpDNPH S10, Supelco, USA)를 이용하여 5분간 1 L/min의 속도로 5 L의 시료를 채취하였다. 휘발성유기화합물은 고체 흡착관 (Tenax-TA, Supelco, USA)을 이용하여 5분간 0.2 L/min의 속도로 1 L의 시료를 채취하였다. 분석결과는 실험값의 평균으로 제시하였다.
데이터처리
- 2 L/min의 속도로 1 L의 시료를 채취하였다. 분석결과는 실험값의 평균으로 제시하였다.
이론/모형
- 또한, 시료는 숯가마의 연소주기를 고려하여 주기적으로 채취하였으며, 채취한 후 실험실로 신속히 운반하여 3회 반복 분석을 실시하였다. 분석항목별 시료채취 및 분석은 악취공정시험방법에 준하여 진행하였다.
성능/효과
- 1. 숯가마에서 배출되는 악취는 탄화시간경과에 따라 뚜렷한 특징을 보였으며, 개별물질의 발생농도는 탄화 초기에는 급격히 증가한 후 서서히 감소하는 특징을 보였다.
- 2. 현장조사와 모형실험에서 복합악취는 시간경과에 구분 없이 모두 10,000배를 초과하는 것으로 나타났으며, 황 화합물 중 황화수소와 메틸머캅탄이 높게 나타났다. 알데하이드류는 아세트알데하이드와 프로피온알데하이드, 부틸알데하이드가 비교적 높은 농도로 검출되었다, VOCs 중 톨루엔, 자일렌, 메틸에틸케톤이 다소 높은 농도 수준을 나타내었다.
- 2개 조사대상 시설에서 17종 지정악취물질을 측정한 결과, 암모니아의 농도는 100 ppb이었으며 황계열물질 중 황화수소, 메틸머캅탄, 디메틸설파이드, 디메틸디설파이드가 비교적 높은 농도로 검출되었다. 알데하이드류는 아세트알데하이드, 프로피온알데하이드, 부틸알데하이드, 이소발레알데하이드가 높은 농도로 검출되었다.
- 3. 숯가마 배출가스가 주변지역의 악취를 유발하는 대표적인 원인물질은 현장조사 및 모형실험 결과에서 황 화합물과 알데하이드류로 추정되었다. 특히, 황 화합물이 악취기여도가 매우 높았으며, 황화합물 중 메틸멀갑탄이 주요 물질로 파악되었다.
- 상용규모 숯가마에서 배출되는 배기가스 중 악취 물질의 농도는 표 3과 같다. 복합악취는 탄화시간에 상관없이 모두 10,000배를 초과하는 것으로 나타났으며, 연구대상시설이 주거지가 인접한 일반 기타지역에 위치하고 있을 경우에는 심각한 악취 민원 가능이 야기될 수 있을 것으로 판단된다.
- 본 연구의 시설에서 검출된 악취물질은 숯가마의 연소물질로 공급된 참나무의 탄화과정에서 발생되는 물질이며, 연소물질인 참나무의 조성과 탄화조건에 따라 악취물질의 조성과 발생특성이 상이할 것으로 판단된다. 표 4는 참나무 및 탄화에 의한 생성물인 숯과 타르의 원소조성을 보여주고 있다.
- 황 화합물 중에는 주로 황화수소와 메틸멀갑탄 농도가 높게 나타났다. 알데하이드류 중에는 주로 아세트알데하이드와 프로피온알데하이드, 뷰티르알데하이드 등이 배출되는 것으로 나타났다. VOCs는 주로 스타이렌과 메틸에틸케톤이 발생하는 것으로 나타났다.
- 2개 조사대상 시설에서 17종 지정악취물질을 측정한 결과, 암모니아의 농도는 100 ppb이었으며 황계열물질 중 황화수소, 메틸머캅탄, 디메틸설파이드, 디메틸디설파이드가 비교적 높은 농도로 검출되었다. 알데하이드류는 아세트알데하이드, 프로피온알데하이드, 부틸알데하이드, 이소발레알데하이드가 높은 농도로 검출되었다. 휘발성유기화합물 중에는 톨루엔이 998 ~109,872 ppb, 자일렌은 15.
- 현장조사와 모형실험에서 복합악취는 시간경과에 구분 없이 모두 10,000배를 초과하는 것으로 나타났으며, 황 화합물 중 황화수소와 메틸머캅탄이 높게 나타났다. 알데하이드류는 아세트알데하이드와 프로피온알데하이드, 부틸알데하이드가 비교적 높은 농도로 검출되었다, VOCs 중 톨루엔, 자일렌, 메틸에틸케톤이 다소 높은 농도 수준을 나타내었다.
- 표 4는 참나무 및 탄화에 의한 생성물인 숯과 타르의 원소조성을 보여주고 있다. 참나무에서 숯으로 탄화하는 과정 중에 황 성분은 절반가량 감소한 반면, 질소 성분은 오히려 함량이 증가하는 것으로 나타났다. 참나무 투입량과 숯생산량을 고려한 탄화과정의 물질수지를 성립할 경우보다 정확한 악취물질의 생성과정과 발생특성을 유추할 수 있을 것으로 판단된다.
- 숯가마 배출가스가 주변지역의 악취를 유발하는 대표적인 원인물질은 현장조사 및 모형실험 결과에서 황 화합물과 알데하이드류로 추정되었다. 특히, 황 화합물이 악취기여도가 매우 높았으며, 황화합물 중 메틸멀갑탄이 주요 물질로 파악되었다.
후속연구
- 이러한 숯가마 배출가스의 특성을 반영하여 숯가마 주변지역의 민원 발생과 환경영향을 최소화시킬 수 있도록 악취물질을 포함한 가스상 대기오염물질과 미연성 입자상오염물질을 처리할 수 있는 방지설비를 구성할 필요가 있다. 또한, 배가스 수분에 포함된 목초액을 회수함으로서 대기 오염물질의 대기배출을 사전에 방지할 수 있는 방안을 모색할 필요가 있으며, 다수의 가연성 가스가 비교적 높은 농도로 존재하고 있는 점을 고려하여 후연소장치를 대기오염방지공정으로 제안해 볼 수 있다.
- 참나무에서 숯으로 탄화하는 과정 중에 황 성분은 절반가량 감소한 반면, 질소 성분은 오히려 함량이 증가하는 것으로 나타났다. 참나무 투입량과 숯생산량을 고려한 탄화과정의 물질수지를 성립할 경우보다 정확한 악취물질의 생성과정과 발생특성을 유추할 수 있을 것으로 판단된다.
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