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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 2행정 소형엔진에서 배출되는 오염물질별 배출특성을 확인하기 위하여 운영조건에 따른 오염물질별 농도를 측정하기 위한 Pilot 형태의 실험을 실시하였고, 이를 통해 도출된 오염물질별 배출계수와 해외의 배출계수를 비교하여 국내 실정에 맞는 소형엔진 가동 시 배출특성을 파악하고자 하였다.
- 본 연구에서는 2행정 소형엔진의 배출특성을 확인하기 위하여 판매비율이 높은 2종의 장비(Brush cutter, Blower)를 선정하였으며(표 1), Pilot 형태로 소형엔진에 대한 배출특성을 확인하기 위하여 밀폐형 챔버를 제작하여 실험을 수행하였다. 입자상 오염물질(PM10)은 굴뚝먼지 채취장치(ASTEK Stack sampler)를 이용하여 등속흡인하여 시료를 채취하였으며, 가스상 오염물질은 표 2의 전기센서식 실시간 가스분석기(MK 6000)와 검지관식 가스측정기(GASTEK)로 측정하여 비교 후 정합성을 검토하였다.
- 본 연구에서는 국내에서 기술적이나 환경적으로 진행된 연구가 거의 전무한 2행정 소형엔진에 대한 오염물질별 배출특성을 확인하기 위하여 설정된 운영조건에 따라 Pilot 형태의 실험을 실시하였고, 측정된 오염물질의 농도를 통해 분석된 배출계수와 해외에서 적용하고 있는 배출계수 수준을 비교하여 다음과 같은 연구 결과를 얻을 수 있었다.
제안 방법
- Table 1. Equipment specification used in this study.
- 대상 장비의 엔진부하에 따라 배출되는 가스의 양이나 농도가 달라질 것으로 판단하였으나 정량적으로 엔진부하를 설정하는 데 어려움이 있어 운영부하 조절장치(그림 2(A))를 이용하여 엔진가동 시 부하를 1~3 단계로 설정하고, 이에 대한 부하율을 엔진 최대출력의 25%, 50%, 75%로 적용하였다. 설정한 부하별로 배기구로부터 연결된 덕트를 통해 각 측정공에 측정 및 분석장비를 설치(그림 2(B))하였고, CO와 NOx의 경우에는 실시간 가스분석기를 이용하여 오염물질 농도를 5초 간격으로 측정하여 운영에 따른 평균 농도를 분석하였다.
- 5 m의 밀폐형 챔버를 제작하였다(그림 1(A)). 본 연구에서 배출특성을 확인하기 위해 선정한 예초기(Brush cutter)와 브로워(Blower)에서 배출되는 가스의 농도를 측정하기 위해서는 일정한 유속을 유지해야 하기 때문에 배기구 형태를 확인하고(그림 1(B)), 배기구에 직접 연결할 수 있는 직경 0.2 m, 길이 3.5 m의 덕트를 별도로 제작하였다(그림 1(C)).
- 대상 장비의 엔진부하에 따라 배출되는 가스의 양이나 농도가 달라질 것으로 판단하였으나 정량적으로 엔진부하를 설정하는 데 어려움이 있어 운영부하 조절장치(그림 2(A))를 이용하여 엔진가동 시 부하를 1~3 단계로 설정하고, 이에 대한 부하율을 엔진 최대출력의 25%, 50%, 75%로 적용하였다. 설정한 부하별로 배기구로부터 연결된 덕트를 통해 각 측정공에 측정 및 분석장비를 설치(그림 2(B))하였고, CO와 NOx의 경우에는 실시간 가스분석기를 이용하여 오염물질 농도를 5초 간격으로 측정하여 운영에 따른 평균 농도를 분석하였다. 입자상 오염물질(PM10)은 굴뚝먼지 채취장치를 이용하여 여지의 무게차로 1회 운영 시 농도를 분석하였으며(그림 2(C)), VOCs에 대한 분석은 검지관을 사용하여 1회 운영 시 5분 간격으로 채취하여 평균 농도를 분석하였다.
- 본 연구에서는 2행정 소형엔진의 배출특성을 확인하기 위하여 판매비율이 높은 2종의 장비(Brush cutter, Blower)를 선정하였으며(표 1), Pilot 형태로 소형엔진에 대한 배출특성을 확인하기 위하여 밀폐형 챔버를 제작하여 실험을 수행하였다. 입자상 오염물질(PM10)은 굴뚝먼지 채취장치(ASTEK Stack sampler)를 이용하여 등속흡인하여 시료를 채취하였으며, 가스상 오염물질은 표 2의 전기센서식 실시간 가스분석기(MK 6000)와 검지관식 가스측정기(GASTEK)로 측정하여 비교 후 정합성을 검토하였다. 휘발성유기화합물 (VOCs, Volatile Organic Compounds)의 경우 EEA(2013)에서 제시하고 있는 VOCs 물질 중 질량 함유율(%)이 높은 물질을 선택하여 측정하였다.
- 설정한 부하별로 배기구로부터 연결된 덕트를 통해 각 측정공에 측정 및 분석장비를 설치(그림 2(B))하였고, CO와 NOx의 경우에는 실시간 가스분석기를 이용하여 오염물질 농도를 5초 간격으로 측정하여 운영에 따른 평균 농도를 분석하였다. 입자상 오염물질(PM10)은 굴뚝먼지 채취장치를 이용하여 여지의 무게차로 1회 운영 시 농도를 분석하였으며(그림 2(C)), VOCs에 대한 분석은 검지관을 사용하여 1회 운영 시 5분 간격으로 채취하여 평균 농도를 분석하였다. 장비를 실제 착용하여 실험하기에는 여러 제약조건 및 위험사항이 있어 엔진부하 조절 장치를 조작하여 일정 부하를 유지할 수 있도록 하고, 설정한 부하별로 최저 10분에서 최고 30분간 운영하면서 측정하였으며, 운영시간당 사용된 연료량을 확인하여 해당 장비의 연비(L/hr)를 분석하였다.
- 입자상 오염물질(PM10)은 굴뚝먼지 채취장치를 이용하여 여지의 무게차로 1회 운영 시 농도를 분석하였으며(그림 2(C)), VOCs에 대한 분석은 검지관을 사용하여 1회 운영 시 5분 간격으로 채취하여 평균 농도를 분석하였다. 장비를 실제 착용하여 실험하기에는 여러 제약조건 및 위험사항이 있어 엔진부하 조절 장치를 조작하여 일정 부하를 유지할 수 있도록 하고, 설정한 부하별로 최저 10분에서 최고 30분간 운영하면서 측정하였으며, 운영시간당 사용된 연료량을 확인하여 해당 장비의 연비(L/hr)를 분석하였다.
- 현장실험 회차별 2행정 소형엔진 장비의 엔진 운영부하에 따른 오염물질별 농도 측정 결과(표 4) 중 CO는 덕트 내 일정 유속을 유지하기 위해 덕트 직경을 조절하는 과정 동안 지속적으로 농도를 측정하였으며, NOx와 PM10의 경우에는 배출가스의 유속을 일정하게 유지한 덕트의 직경이 0.2 m인 시점부터 측정을 실시하였다.
- 현장에서 오염물질별 배출농도를 측정하는 본 실험에 앞서 배출유속의 편차를 확인하여 일정한 수준으로 유지하기 위해 덕트의 직경을 0.1m, 0.05m 0.2m 순으로 변경했고, 최종적으로 덕트의 직경(0.2 m)을 설정하여 오염물질별 농도를 측정하였다. 표 3의 25% 수준의 엔진부하를 설정하였을 때, 배출가스의 유량이 평균 0.
대상 데이터
- 2행정 소형엔진의 가동 시 외부의 환경적인 요인을 최대한 배제하기 위하여 별도의 실험장소를 섭외하고 가로 9 m, 세로 3 m, 높이 2.5 m의 밀폐형 챔버를 제작하였다(그림 1(A)).
- VOCs 중 검지관식 가스측정기를 이용하여 측정한 대상물질은 1,3-Butadiene, Acetaldehyde, Acrolein, Benzene, Formaldehyde, Toluene 등 총 6종이며, 이에 대한 운영부하별 측정농도는 표 5와 같다. 1,3-Butadiene과 Toluene의 경우에는 측정할 수 있는 검지관의 농도 범위가 최대 800 ppm, 300 ppm이었으나, 측정 농도가 최대범위를 벗어나는 결과를 확인하였으며, 나머지 4종의 물질은 운영부하를 증가시킬수록 측정농도가 높아지는 것으로 분석되었다(그림 4).
- 입자상 오염물질(PM10)은 굴뚝먼지 채취장치(ASTEK Stack sampler)를 이용하여 등속흡인하여 시료를 채취하였으며, 가스상 오염물질은 표 2의 전기센서식 실시간 가스분석기(MK 6000)와 검지관식 가스측정기(GASTEK)로 측정하여 비교 후 정합성을 검토하였다. 휘발성유기화합물 (VOCs, Volatile Organic Compounds)의 경우 EEA(2013)에서 제시하고 있는 VOCs 물질 중 질량 함유율(%)이 높은 물질을 선택하여 측정하였다.
성능/효과
- 1) 장비 가동에 따른 배출가스의 유량과 연비가 운영부하 25% 수준에서 평균 0.004 m3/sec, 0.38 L/hr, 50%수준에서는 0.005 m3/sec, 0.74 L/hr, 75% 수준에서는 0.012 m3/sec, 1.51 L/hr으로 분석되어 부하를 높일수록 지수함수 형태로 증가되는 것을 확인하였다.
- VOCs 중 검지관식 가스측정기를 이용하여 측정한 대상물질은 1,3-Butadiene, Acetaldehyde, Acrolein, Benzene, Formaldehyde, Toluene 등 총 6종이며, 이에 대한 운영부하별 측정농도는 표 5와 같다. 1,3-Butadiene과 Toluene의 경우에는 측정할 수 있는 검지관의 농도 범위가 최대 800 ppm, 300 ppm이었으나, 측정 농도가 최대범위를 벗어나는 결과를 확인하였으며, 나머지 4종의 물질은 운영부하를 증가시킬수록 측정농도가 높아지는 것으로 분석되었다(그림 4).
- 2) 대상 장비의 출력의 편차가 크지 않아 종합적으로 오염물질별 배출농도를 분석한 결과, CO는 7,667~25,897 ppm으로 굉장히 높은 농도로 배출되는 것을 확인하였고, 운영부하에 따라 농도가 증가하다가 75% 수준의 부하 시에 다시 감소하는 경향을 보였다. 이는 엔진의 부하를 높은 수준으로 유지할 때, 엔진 내 불완전 연소되는 현상이 감소되기 때문이라 판단된다.
- 3) VOCs의 경우 EEA에서 제시하고 있는 질량 함유율이 높은 6종의 물질을 대상으로 검지관식 측정기를 이용하여 농도를 측정하였으며, 측정범위를 벗어난 2종을 제외한 나머지 4종(Acetaldehyde, Acrolein, Benzene, Formaldehyde)는 운영부하가 증가될수록 농도가 증가되는 것을 확인하였다.
- 4) 오염물질별 농도와 배출유량, 연료사용량 등을 토대로 분석된 배출계수는 CO의 경우 평균 816,011 g-CO/ton으로 분석되어 연료사용량의 약 80% 이상이 CO로 배출되는 것을 확인하였고, 운영부하가 높아질수록 로그함수 형태로 증가되는 것을 확인하였다. NOx 와 PM10은 평균 3,801 g-NOx/ton, 3,730 g-PM10/ton으로 분석되어 이를 EEA에 제시되어 있는 Tier 1 수준의 연료 기반 배출계수와 비교하였고, 편차가 크지 않은 것을 확인하였다.
- 4) 오염물질별 농도와 배출유량, 연료사용량 등을 토대로 분석된 배출계수는 CO의 경우 평균 816,011 g-CO/ton으로 분석되어 연료사용량의 약 80% 이상이 CO로 배출되는 것을 확인하였고, 운영부하가 높아질수록 로그함수 형태로 증가되는 것을 확인하였다. NOx 와 PM10은 평균 3,801 g-NOx/ton, 3,730 g-PM10/ton으로 분석되어 이를 EEA에 제시되어 있는 Tier 1 수준의 연료 기반 배출계수와 비교하였고, 편차가 크지 않은 것을 확인하였다.
- 이는 엔진의 부하를 높은 수준으로 유지할 때, 엔진 내 불완전 연소되는 현상이 감소되기 때문이라 판단된다. NOx와 PM10은 각각 46~93 ppm, 62~145 mg/Sm3의 농도수준을 보였으며, 엔진부하를 증가시킬수록 농도가 높아지는 경향을 보였다.
- 이는 연료사용량의 약 80% 이상이 CO로 배출되는 것을 의미하기 때문에 굉장히 높은 수준임을 알 수 있고, 평균적으로 운영부하가 높아질수록 배출계수는 지속적으로 증가하는 경향을 보였다. NOx와 PM10의 경우에는 평균 배출계수가 3,801 g/ton, 3,730 g/ton으로 분석되었으며, 운영부하가 높아질수록 배출계수 수준이 감소하다가 다시 증가하는 형태로 나타났다(그림 5).
- 대상 장비의 출력의 편차가 크지 않아 종합적으로 엔진부하에 따른 CO의 배출농도를 분석한 결과, 7,667~25,897 ppm 정도로 굉장히 높게 측정되었으며, 부하율이 50% 수준을 유지했을 때의 평균 농도가 가장 높게 나타났다. 엔진부하를 75% 수준으로 증가시키면 농도가 다시 감소하는 경향을 보였는데(그림 3(A)) 이는 엔진의 부하를 높은 수준으로 유지하면 엔진 내 불완전 연소되는 현상이 감소하기 때문이라고 판단된다.
- 오염물질별 분자량과 연료의 비중(0.72 kg/L)을 고려하여 오염물질별 배출계수를 분석하였으며, CO의 배출계수는 평균 816,011 g/ton으로 산출되었다. 이는 연료사용량의 약 80% 이상이 CO로 배출되는 것을 의미하기 때문에 굉장히 높은 수준임을 알 수 있고, 평균적으로 운영부하가 높아질수록 배출계수는 지속적으로 증가하는 경향을 보였다.
- 표 7은 현장실험을 통해 분석된 오염물질별 배출계수를 EEA의 Tier 1 수준의 연료 기반 배출계수 중 “Gasoline - 2 stroke”로 제시되어 있는 배출계수와 비교한 결과이다. 오염물질별로 배출계수 수준이 크게 상이하지 않은 것을 확인하였고, 현장실험을 통해 분석된 PM10 배출계수의 수준은 EEA 수준과 거의 유사하게 나타났다(그림 6). CO와 NOx의 경우에는 약 1.
- 72 kg/L)을 고려하여 오염물질별 배출계수를 분석하였으며, CO의 배출계수는 평균 816,011 g/ton으로 산출되었다. 이는 연료사용량의 약 80% 이상이 CO로 배출되는 것을 의미하기 때문에 굉장히 높은 수준임을 알 수 있고, 평균적으로 운영부하가 높아질수록 배출계수는 지속적으로 증가하는 경향을 보였다. NOx와 PM10의 경우에는 평균 배출계수가 3,801 g/ton, 3,730 g/ton으로 분석되었으며, 운영부하가 높아질수록 배출계수 수준이 감소하다가 다시 증가하는 형태로 나타났다(그림 5).
- 2 m)을 설정하여 오염물질별 농도를 측정하였다. 표 3의 25% 수준의 엔진부하를 설정하였을 때, 배출가스의 유량이 평균 0.004 m3/sec이었고, 가동시간에 따른 연료소비량은 약 0.38L/hr로 분석되었다.
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