[논문]석탄 연소 시 발생되는 PM2.5 내 탄소 에어로졸의 화학 조성 연구

장유운; 주흥수; 박기홍; 이지이

doi:10.5572/kosae.2017.33.3.265

석탄 연소 시 발생되는 PM2.5 내 탄소 에어로졸의 화학 조성 연구
Characteristics of Chemical Composition in Carbonaceous Aerosol of PM2.5 Collected at Smoke from Coal Combustion 원문보기

한국대기환경학회지 = Journal of Korean Society for Atmospheric Environment, v.33 no.3, 2017년, pp.265 - 276

장유운 (조선대학교 환경공학과) , 주흥수 (안양대학교 환경에너지공학과) , 박기홍 (광주과학기술원 환경공학과) , 이지이 (조선대학교 환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The $PM_{2.5}$ samples were obtained from coal combustion with the four different combustion temperatures (550, 700, 900 and $1100^{\circ}C$) to understand chemical composition in carbonaceous aerosol. OC concentration was the highest when the combustion temperature was $550^{\circ}C$, while, the highest concentration for EC was shown at $700^{\circ}C$ of the coal combustion temperature. However, OC concentrations were very low and EC was not detected when the temperature was over $900^{\circ}C$. It indicates complete combustion was achieved when the combustion temperature was over $900^{\circ}C$. For six groups of organic compounds, n-alkanes and n-alkanoic acids were predominant at all of the combustion temperature in smoke of coal combustion, while, PAHs was only detected at $550^{\circ}C$. The diagnostic ratios of PAHs calculated in this study were 0.59 for Fluoranthene/(Fluoranthene+Pyrene), reflecting the characteristics of coal combustion. The Carbon number Preference Index (CPI) values of n-alkanes which ranged from 0.9 to 1.3 also showed the characteristics of coal combustion.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구에서는 대기 탄소 에어로졸에서 일반적으로 검출되는 6개 그룹의 유기성분들(PAHs와 n-alkanes, hopanes, dicarboxylic acids, n-alkanoic acids, levoglucosan)을 석탄 연소에서 발생한 PM_2.5에서 분석하여 석탄 연소 배출원에서의 유기성분들의 특징을 파악하고자 하였다.

제안 방법

5은 화력발전소의 미분탄 연소 방식을 모사한 반응챔버를 이용하여 발생시켰다. 석탄 연소의 연소 조건에 따른 PM_2.5 내 탄소 에어로졸의 화학성분 변화를 파악하기 위해 온도 조건을 4가지 (550℃와 700℃, 900℃, 1100℃)로 구분하여 실험을 진행하였다. 시료에서 탄소 에어로졸의 화학 특성을 파악하기 위해 OC와 EC를 분석하였고, 그 외 6개 그룹의 개별 유기성분(PAHs, n-alkanes, hopanes, dicarboxylic acids, n-alkanoic acids, levoglucosan)을 정성, 정량 분석하여 석탄 연소에서 주로 배출되는 유기성분들이 무엇인지를 파악하였다.
5 내 탄소 에어로졸의 화학성분 변화를 파악하기 위해 온도 조건을 4가지 (550℃와 700℃, 900℃, 1100℃)로 구분하여 실험을 진행하였다. 시료에서 탄소 에어로졸의 화학 특성을 파악하기 위해 OC와 EC를 분석하였고, 그 외 6개 그룹의 개별 유기성분(PAHs, n-alkanes, hopanes, dicarboxylic acids, n-alkanoic acids, levoglucosan)을 정성, 정량 분석하여 석탄 연소에서 주로 배출되는 유기성분들이 무엇인지를 파악하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 석탄은 연료용 유연탄으로 경남 하동의 남부화력발전소에서 실제 사용되고 있다. 2011~2013년에 국내에서 사용되고 있는 연료용 유연탄의 인수식 총발열량의 평균값은 5893 kcal/kg이다.

데이터처리

각 성분들의 정성 분석은 표준시료들(Sigma-Aldrich, 49452U)을 사용하여 질량 스펙트럼과 GC-크로마토그램의 머무름 시간을 비교 및 분석하여 확정하였고, 정량 분석에서는 대상 성분들의 내부표준물질에 대한 감응비율을 이용하는 내부표준법을 적용하였다. 본 연구에서 정성 및 정량한 유기성분들은 크게 6개의 그룹의 74종으로, PAHs 14종, n-alkanes 17종, hopanes 6종, dicarboxylic acids 19종, n-alkanoic acids 17종과 levoglucosan이다.

이론/모형

OC와 EC는 Sunset사의 OCEC Model 5 L을 이용하여 분석하였고, 분석 방법은 NIOSH (National Institute of Occupational Safety and Health)의 TOT (Thermal optical transmittance) 5040을 적용하였다(Birch and Cary, 1996). OC와 EC 분석에 대한 정도 관리를 실시하였다(표 1).
석탄 연소실험은 광주과학기술원에서 실제 화력발전소의 미분탄 연속식 석탄 연소 방법(Pulverized coal combustion of continuous type)을 모사한 반응챔버를 이용하여 진행하였다. 석탄 연소실험에 대해 간략하게 소개하면, 석탄 연소실험은 석탄공급장치(Solid aerosol generator SAG 410, TOPAS-GMBH, Germany)를 이용하여 미분탄을 에어로졸 형태로 연소로(Drop tube furnace with quartz tube, Lindberg/Blue M, Model HTF 55342C, Thermo Electron Corp.

성능/효과

이는 무기물의 흡착에 의한 보호막 때문에 미량의 OC가 반응에 참여하지 못하고 잔존하였던 것으로 예상되어진다. 특정 유기성분들의 농도비를 통해 석탄 연소에서 배출된 유기성분들의 석탄 연소 반영여부를 검토한 결과, 석탄 연소의 지표로 사용되고 있는 Flt/(Flt+Pyr)는 550℃의 연소 온도에서 0.59로써, 기존 석탄 연소에 의한 배출특성을 나타내는 지표와 유사한 값을 가졌다. n-alkanes의 Cmax는 연소 온도에 따라 다르게 나타났지만, 공통적으로 C27 이하의 탄소수로 분포하였고, CPI의 범위는 0.
이는 석탄의 불완전 연소에 기인한 것으로 판단된다. 6그룹의 개별 유기성분들은 550℃ 연소 온도에서 모두 검출되었지만, 700℃ 이상의 연소 온도에서는 PAHs와 hopanes, levoglucosan은 검출되지 않았다. 700℃ 이상의 연소 온도에서는 유기성분들의 검출이 잘 이루어지지 않은 이유로는 휘발성 가스 성분의 완전 연소가 진행되었기 때문으로 판단된다.

후속연구

5 내 탄소 에어로졸의 화학 조성을 파악하였다. 따라서, 본연구결과가 석탄 연소에 대한 탄소 에어로졸의 화학종류 특성은 반영할 수 있지만, 화학성분들에 대한 단위배출량에는 차이를 보이는 한계점을 가지고 있다. 본 연구결과에 더해 보다 다양한 석탄 종류 및 연소 조건에서의 석탄 연소에 의한 탄소 에어로졸의 화학 조성 연구가 진행된다면 석탄 연소 배출에 의한 보다 일반적인 특성을 도출할 수 있을 것으로 기대한다.
따라서, 본연구결과가 석탄 연소에 대한 탄소 에어로졸의 화학종류 특성은 반영할 수 있지만, 화학성분들에 대한 단위배출량에는 차이를 보이는 한계점을 가지고 있다. 본 연구결과에 더해 보다 다양한 석탄 종류 및 연소 조건에서의 석탄 연소에 의한 탄소 에어로졸의 화학 조성 연구가 진행된다면 석탄 연소 배출에 의한 보다 일반적인 특성을 도출할 수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	석탄은 석탄화도에 따라 무엇으로 구분되는가?	석탄은 식물의 물리적 및 생화학적 성숙의 변화인 석탄화도에 따라 이탄과 갈탄, 아역청탄, 역청탄으로 구분된다. 석탄은 석탄화도가 높을수록 수분함량이 낮거나 고정탄소와 발열량이 크고(Tillman, 1991), 종류와 성상, 그리고 연소 온도 및 체류 시간에 따라 배출입자의 성상에 큰 차이를 보이는 것으로 보고되고 있다(Wang et al.
	대기 중 초미세먼지의 화학 조성은 어떻게 구분되는가?	대기 중 초미세먼지(PM2.5)의 화학 조성은 크게 황산염과 질산염, 무기 원소 등의 무기 성분과 EC(원 소상 탄 소, elemental carbon)와 OC (유기 탄소, organic carbon) 로 구분되는 탄소성분(탄소 에어로졸)로 구분할 수 있다(Seinfeld and Pankow, 2003). 석탄 연소에서 배출되는 탄소 에어로졸에는 다환방향족탄화수소(Polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)의 함유량이 높으며, 이들은 인체에 발암가능성과 돌연변이유발 등의 악영향을 끼치는 것으로 보고되고 있다(Poschl, 2005; Lighty et al.
	900℃ 연소 온도를 석탄 연소의 완전연소 지표로서 나타낼 수 있을 것이라고 예상된 이유는 무엇인가?	마지막으로, 900℃ 이상의 연소 온도에서는 휘발성 물질 및 char 성분들이 고온에서 빠른 산화 반응을 가지는데, 이로 인한 완전 연소반응이 일어난다. 또한, Wanget al.(2013)에 의하면 일부 연소되지 못한 타르 성분들은 무기물이 흡착에 의해 감싸 보호막을 형성 시켜 연소반응에 참여하지 않게 된다고 설명되어지고 있다. 결과적으로, 900℃ 이상의 연소 온도에서 타르 성분은 무기물의 흡착에 의한 보호막 때문에 연소에 참가하지 못하게 되고, 이 때문에 미량의 OC가 발생할 수 있다. 따라서, 본 연구에서 900℃ 연소 온도를 석탄 연소의 완전연소 지표로서 나타낼 수 있을 것이라 예상된다.

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