[논문]화력발전소의 혼합연료 사용에 따른 중금속 배출량 변화 연구

송영호; 김옥; 박상현; 이진헌

doi:10.5668/jehs.2018.44.1.63

화력발전소의 혼합연료 사용에 따른 중금속 배출량 변화 연구
A Study on the Changes in Heavy Metal Emissions when Using Mixed Fuel in a Thermal Power Plant 원문보기

韓國環境保健學會誌 = Journal of environmental health sciences, v.44 no.1, 2018년, pp.63 - 75

송영호 (공주대학교 일반대학원 환경과학과) , 김옥 (공주대학교 환경교육과) , 박상현 (충남연구원) , 이진헌 (공주대학교 환경교육과)

Abstract ▼ AI-Helper

Objectives: The aim of this research is to explore the total heavy metals from a coal-fired power plant burning bituminous coal with wood pellets due to the implementation of the Renewable Portfolio Standard policy (RPS, 10% of electricity from renewable energy resources by 2023). Methods: The research was carried out by collecting archival data and using the USEPA's AP-42 & EMEP/EEA compilation of emission factors for use in calculating emissions. The Monte Carlo method was also applied for carrying out the calculations of measurement uncertainty. Results: In this paper, the results are listed as follows. Sb was measured at 110 kg (2015) and calculated as 165 kg (2019) and 201 kg (2023). Cr was measured at 1,597 kg (2015) and calculated as 1,687 kg (2019) and 1,728 kg (2023). Cu was measured at 2,888 kg (2015) and calculated as 3,133 kg (2019) and 3,264 kg (2023). Pb was measured at 2,580 kg (2015) and calculated as 2,831 kg (2019) and 2,969 kg (2023). Mn was measured at 3,011 kg (2015) and calculated as 15,034 kg (2019) and 23,014 kg (2023). Hg was measured at 510 kg (2015) and calculated as 513 kg (2019) and 537 kg (2023). Ni was measured at 1,720 kg (2015) and calculated as 1,895 kg (2019) and 1,991 kg (2023). Zn was measured at 7,054 kg (2015) and calculated as 9,938 kg (2019) and 11,778 kg (2023). Se was measured at 7,988 kg (2015) and calculated as 7,663 kg (2019) and 7,351 kg (2023). Conclusion: This shows that most heavy metals would increase steadily from 2015 to 2023. However, Se would decrease by 7.9%. This analysis was conducted with EMEP/EEA's emission factors due to the limited emission factors in South Korea. Co-firewood pellets in coal-fired power plants cause the emission of heavy metals. For this reason, emission factors at air pollution control facilities would be presented and the replacement of wood pellets would be needed.

주제어

표/그림 (6)

표 Table 1. New renewable energy percentage of supply per year for RPS* implementation
표 Table 2. Calculation of heavy metals emissions of bituminous and wood pellets by using the emission factor method according to RPS* policy of thermal power plants
그림 Fig 1. Graph of change in emissions by year.
표 Table 3. Calculated emissions of heavy metals using RPS^† application, emission factor method and Monte Carlo simulation at A thermal power plant (Unit: kg/yr)
그림 Fig. 2. Histogram of Monte-Carlo simulation.
그림 Fig. 2. Histogram of Monte-Carlo simulation (continued).

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 배출계수법을 이용하여 석탄화력 발전시설에서 배출되는 중금속 12종의 2015년 현재와 우드 펠릿만을 혼합하여 RPS 제도 이행하였을 경우인 2019년, 2023년 중금속의 배출량을 산정 하였다. 또한 산정된 배출량에 대해서는 불확실성 분석을 수행하여 배출량 산정의 정확성과 신뢰성을 확보하고자 하였다.

가설 설정

본 연구는 화력발전소의 혼합연료 사용에 따른 중금속 배출량 변화를 연구한 것으로 유연탄을 주 연료로 사용하는 A화력발전소를 대상으로 하였다. 12종 중금속 총 배출량 산정은 유연탄만을 사용하는2015년 현재와 RPS제도 이행을 위하여 2019년 총 전력 생산량의 6%, 2023년의 10%의 전력을 생산하기 위하여 사용하는 연료를 우드펠릿으로 대체하여 유연탄에 혼합하여 사용하는 경우를 가정하여 배출량을 산정하였다. 2015년 현재는 안티몬 배출량이110 kg/yr이었고, 비소 2,519 kg/yr, 베릴륨 129 kg/yr,카드뮴 313 kg/yr, 크롬 1,597 kg/yr, 구리 2,888 kg/yr, 납 2,580 kg/yr, 망간 3,011 kg/yr, 수은 510 kg/yr,니켈 1,720 kg/yr, 셀레늄 7,988 kg/yr 아연 7,054 kg/yr이었다.

제안 방법

배출계수법을 이용하여 연도별 석탄화력 발전시설의 중금속 배출량을 산정하기 위하여, 2015년 현재유연탄만을 연료로 사용한 경우와 2019년 총 전력생산량 중 6%, 2023년의 총 전력생산량 중 10%의 전력을 생산하기 위하여 사용하는 연료를 우드펠릿으로 대체하여 유연탄에 혼합 사용하는 경우의 3가지 대안을 갖고 배출량을 산정하였다. 그리고 불확실성 분석을 위하여 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하였다.
설비 현황 및 연료사용은 ‘A발전사 홈페이지’²³⁾에 제시된 자료와 한국전력통계²⁾를 사용하였고, 전국 발전 설비 현황은 「충청남도 제5차 지역에너지」¹⁾에 제시 된 자료와 한국전력통계²⁾를 이용하였다. 발전시설의 배출원의 분류는 미국 EPA AP-42, 유럽 EMEP/EEA CORINAIR 등의 발전용 보일러 부문 배출원 분류를 적용하고 사용연료 등으로 분류 하였다.
배출계수법을 이용하여 연도별 석탄화력 발전시설의 중금속 배출량을 산정하기 위하여, 2015년 현재유연탄만을 연료로 사용한 경우와 2019년 총 전력생산량 중 6%, 2023년의 총 전력생산량 중 10%의 전력을 생산하기 위하여 사용하는 연료를 우드펠릿으로 대체하여 유연탄에 혼합 사용하는 경우의 3가지 대안을 갖고 배출량을 산정하였다. 그리고 불확실성 분석을 위하여 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하였다.
본 연구는 배출계수법을 이용하여 A화력발전소에서 배출되는 중금속의 배출량을 산정하고 불확실성분석을 수행하였다. 유연탄만을 연료로 사용하는2015년 현재와 2019년 RPS 제도 6% 이행, 2023년10% 이행을 위하여 우드펠릿을 사용하였을 경우 산정된 배출량은 다음과 같다.
본 연구는 배출계수법을 이용하여 석탄화력 발전시설에서 배출되는 중금속 12종의 2015년 현재와 우드 펠릿만을 혼합하여 RPS 제도 이행하였을 경우인 2019년, 2023년 중금속의 배출량을 산정 하였다. 또한 산정된 배출량에 대해서는 불확실성 분석을 수행하여 배출량 산정의 정확성과 신뢰성을 확보하고자 하였다.

대상 데이터

본 연구는 2015년 자료를 기준으로 하였다. 설비 현황 및 연료사용은 ‘A발전사 홈페이지’²³⁾에 제시된 자료와 한국전력통계²⁾를 사용하였고, 전국 발전 설비 현황은 「충청남도 제5차 지역에너지」¹⁾에 제시 된 자료와 한국전력통계²⁾를 이용하였다.
본 연구는 화력발전소의 혼합연료 사용에 따른 중금속 배출량 변화를 연구한 것으로 유연탄을 주 연료로 사용하는 A화력발전소를 대상으로 하였다. 12종 중금속 총 배출량 산정은 유연탄만을 사용하는2015년 현재와 RPS제도 이행을 위하여 2019년 총 전력 생산량의 6%, 2023년의 10%의 전력을 생산하기 위하여 사용하는 연료를 우드펠릿으로 대체하여 유연탄에 혼합하여 사용하는 경우를 가정하여 배출량을 산정하였다.
설비 현황 및 연료사용은 ‘A발전사 홈페이지’23)에 제시된 자료와 한국전력통계2)를 사용하였고, 전국 발전 설비 현황은 「충청남도 제5차 지역에너지」1)에 제시 된 자료와 한국전력통계2)를 이용하였다.
충청남도 내에 소재한 A화력발전소를 연구대상으로 하였다. A화력발전소는 단일규모로는 전국 최대이며, 석탄화력 발전설비가 1~8호기까지 가동되고 있고, 각각 50만 KWh의 전력을 공급하고 있다.

데이터처리

배출량 산정은 Microsoft Office Excel 2010 프로그램을 사용하여 하였다. 그리고 불확실성 분석은@Risk 7.5를 사용하여 배출계수를 정규분포로 하고1,000번을 반복 수행하는 Monte-Carlo simulation 방법을 적용하였으며, 산정된 배출량의 연도별 차이를 확인하기 위하여 IBM SPSS 22를 이용하여 ANOVA분석을 수행하였다.
배출량 산정은 Microsoft Office Excel 2010 프로그램을 사용하여 하였다. 그리고 불확실성 분석은@Risk 7.

이론/모형

유연탄을 연료로 하는 석탄화력 발전시설에서 배출되는 중금속의 배출량 산정식(미국 EPA)은 다음 산정식 (1)과 같다. 산정에 필요한 배출계수는 미국의 EPA AP-42 Emission factor11)를 적용하여 산정하였고, 미국 EPA AP-42에 제시되지 않은 구리, 아연은 유럽 EMEP/EEA CORINAIR의 배출계수를12)적용하였다.

성능/효과

1) 발전 설비 중 화력발전에서 석탄을 주요 열원으로 사용하고 있는 기력발전 시설은 53기가 있으며, 유연탄을 가장 많이 사용하고 있다.²⁾ 석탄은 대부분 저장 및 취급이 용이하고, 가격이 저렴하며, 연소성이 늦어 특수용도에 사용된다.
¹¹⁾미국 EPA에서는 신뢰성 있는 배출량을 산정하기 위하여 AP-42 배출계수를 DB화하였고,¹¹⁾ 유럽 EEA에서도 Air pollutant emission inventory guidebook을 체계화하여 이용하고 있다.¹²⁾ 우리나라도 국립환경과학원에서 배출계수를 개발하고 있지만, 에너지연소부분의 공공발전부문에서 중금속의 배출계수 개발은 부재하다. 따라서 우리나라에서 이들 물질의 배출량을 산정하고자 할 때 부재한 배출계수는 미국EPA AP-42, 유럽 EMEP/EEA의 CORINAIR, 네덜란드 국영연구개발원(TNO, Netherlands Organizationfor Applied Scientific Research) 등의 배출계수를 검토하여 적용토록 하고 있다.
¹⁾ 발전 설비 중 화력발전에서 석탄을 주요 열원으로 사용하고 있는 기력발전 시설은 53기가 있으며, 유연탄을 가장 많이 사용하고 있다.²⁾ 석탄은 대부분 저장 및 취급이 용이하고, 가격이 저렴하며, 연소성이 늦어 특수용도에 사용된다. 또한 연소 장치가 간단하며, 설비비와 인건비가 다른 연료에 비해 적게 드는 장점이 있다.
또한 연소 장치가 간단하며, 설비비와 인건비가 다른 연료에 비해 적게 드는 장점이 있다.³⁾ 석탄화력 발전은 연료의 불완전연소와 다량의 사용으로 인하여 유해대기오염물질(HAPs, hazardous air pollutants)을 배출할 수밖에 없다. HAPs는 독성, 발암성, 생체축적, 대기 중 지속성, 확산 등의 특성을 지니며, 미량으로도 건강과 환경에 악영향을 초래할 수 있다.
그리고 일부 물질은 대기 중에 오랜 기간 체류하면서 오존 또는 광화학 산물 등 2차 오염물질을 생성하며, 악취의 원인물질로도 작용하고 있어 그 중요성이 커지고 있다.⁴⁾석탄화력 발전시설에서 배출되는 HAPs는 각종 중금속, 먼지, NOx, SOx 등이 있으며, 주요 배출원은보일러이다.
47E+01 mg/ton정도 더 크다(Table 3). 그러나 배출계수가 유연탄이 더 큰 것에도 불구하고, 총 배출량이 증가한 원인은 두 연료의 발열량 차이에 따라 우드펠릿의 사용량이 증가하여 3종의 중금속 배출이 증가한 것을 알 수 있었다.
신·재생에너지를 공급하기 위해서 태양광 설치, 우드펠릿, 우드 칩 등 사용량이 증가하고 있다. 그러나 본 연구결과에 의하면 바이오 에너지인 우드펠릿을 유연탄에 혼소할 경우 중금속 배출량이 증가하는 것을 알 수 있었다.
2015년 현재는 안티몬 배출량이110 kg/yr이었고, 비소 2,519 kg/yr, 베릴륨 129 kg/yr,카드뮴 313 kg/yr, 크롬 1,597 kg/yr, 구리 2,888 kg/yr, 납 2,580 kg/yr, 망간 3,011 kg/yr, 수은 510 kg/yr,니켈 1,720 kg/yr, 셀레늄 7,988 kg/yr 아연 7,054 kg/yr이었다. 따라서 유연탄만을 사용할 경우 셀레늄이 전체 배출량 중 가장 많이 배출되는 것으로 나타났으며, 그 다음은 아연이 이었고, 반면 안티몬이 가장 적게 배출되는 것을 알 수 있었다.
이 경우 베릴륨은거의 증가하지 않은 것으로 나타났으며, 그 원인으로는 두 연료의 발열량의 차이에 따라 연료 사용량이 증가하여 배출량 변동 폭이 미미한 것을 알 수 있었다. 망간은 2015년보다 664% 배출량이 증가한 것을 보면 우드펠릿에 다량 함유되어 있어 우드펠릿사용량을 늘릴 경우 배출 증가량이 큰 것을 알 수 있었다. 셀레늄은 우드펠릿 사용량이 증가 할수록 감소폭이 큰 것으로 보아 우드펠릿보다 유연탄에서 더 많이 배출되는 것을 알 수 있었으며, 비소, 베릴륨, 수은, 셀레늄을 제외한 다른 중금속 물질의 배출이증가한 것을 보면 유연탄보다 우드펠릿을 혼소하였을 경우 더 많이 배출되는 것을 알 수 있었다.
배출량 산정결과 안티몬, 망간, 아연은 증가폭이 컸으며, 셀레늄은 감소폭이 크게 나타났다. 안티몬은2015년 현재 110 kg/yr (95% CI; 91~130)를 배출하였으나, 2019년은 165 kg/yr (95% CI; 145~187),2023년에는 201 kg/yr (95% CI; 158~225)로 증가하였다.
망간은 2015년보다 664% 배출량이 증가한 것을 보면 우드펠릿에 다량 함유되어 있어 우드펠릿사용량을 늘릴 경우 배출 증가량이 큰 것을 알 수 있었다. 셀레늄은 우드펠릿 사용량이 증가 할수록 감소폭이 큰 것으로 보아 우드펠릿보다 유연탄에서 더 많이 배출되는 것을 알 수 있었으며, 비소, 베릴륨, 수은, 셀레늄을 제외한 다른 중금속 물질의 배출이증가한 것을 보면 유연탄보다 우드펠릿을 혼소하였을 경우 더 많이 배출되는 것을 알 수 있었다.

후속연구

이는 직접측정 시 운전조건 및 유연탄의 원산지 등에 크게 영향을 받아 차이가 난 것으로 판단된다. A석탄화력발전소의 발전시설에서 배출되는 중금속이 연소과정에서 합성되어 새로 형성된 물질이 아니고, 석탄 자체에 함유된 조성 성분이므로 수입국인 호주, 러시아, 미국, 인도네시아, 남아프리카공화국, 콜롬비아등 원산지별로 연소 시 저감시설 설치 전후 대한 배출계수 개발이 요구된다.
RPS제도 이행을 위하여 석탄화력 발전소에서 유연탄을 사용하는 것 보다 우드펠릿 등 목재원료를 혼소하는 것이 오히려 대부분의 중금속 물질을 더 많이 배출되게 되므로 적게 배출하는 다른 신·재생에너지로 대체 활용하는 것이 타당할 것으로 보이며, 우드펠릿도 유연탄과 같이 원산지별로 연소 시 저감시설 설치 전·후에 대한 배출계수 개발이 요구되며, 배출계수의 신뢰성이 담보될 때에 보다 정확한 평가가 이루어질 수 있으며, 불확실성은 저감된다.
국내의 화력발전소에서 배출되는 중금속에 대한신뢰성 있는 배출계수 산정을 위하여 수입되는 유연탄 및 우드펠릿을 원산지별로 배출계수를 산정하고, 아울러 현장 실측을 통한 표준화된 배출계수를 개발할 수 있도록 우리나라에서는 지속적인 연구를 위한지원과 투자가 이루어져야 할 것이다. 특히 석탄화력발전소 건설시 배출허용 기준 이내로 배출된다고 하여 지금까지 설치한 일반적인 방지시설 설치보다는 중금속 배출 총량이 많으므로 대부분 제어가 가능한 방지시설의 추가 설치가 필요하다.
따라서 중금속 배출량을 더 적게 배출하는 다른 신·재생 에너지로 대체 활용하여야 할 것이다.
따라서 중금속 배출량을 더 적게 배출하는 다른 신·재생 에너지로 대체 활용하여야 할 것이다. 또한 배출되는 중금속 중비소, 베릴륨, 카드뮴, 크롬, 니켈 등은 IARC에서 지정한 발암물질로⁷⁾ 체계적인 관리가 요구되며, 유연탄 및 우드펠릿 사용 시 연료의 원산지, 생산지역의토양오염 정도 등을 명확히 규명 후 사용하여야 할 것이다.
특히 석탄화력발전소 건설시 배출허용 기준 이내로 배출된다고 하여 지금까지 설치한 일반적인 방지시설 설치보다는 중금속 배출 총량이 많으므로 대부분 제어가 가능한 방지시설의 추가 설치가 필요하다. 또한, 외부로 배출량을 줄여 대기환경 악화를 미연에 방지하고, 궁극적으로 국민건강에 나쁜 영향이 미치지 않도록 합리적인 배출계수를 산정하여야 하며, 발전소와 관련한 각종 제도의 개선, 발전시설에 대한 체계적인 관리가 필요하다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	석탄을 연료로 사용하는 시설에서 배출량 저감을 위한 노력을 수행하는 이유는?	석탄은 기름이나 천연가스보다 많은 중금속을 함유하고 있고, 이러한 중금속 성분들은 석탄 연소 시복잡하게 변화하면서 휘발된다. 휘발경로 및 정도는연료의 중금속 농도, 무기물과의 결합 정도, 보일러형식, 시설의 기술적 특성에 따라 좌우된다(E.
	석탄화력 발전의 단점은 무엇입니까?	또한 연소 장치가 간단하며, 설비비와 인건비가 다른 연료에 비해 적게 드는 장점이 있다.3) 석탄화력 발전은 연료의 불완전연소와 다량의 사용으로 인하여 유해대기오염물질(HAPs, hazardous air pollutants)을 배출할 수밖에없다. HAPs는 독성, 발암성, 생체축적, 대기 중 지속성, 확산 등의 특성을 지니며, 미량으로도 건강과환경에 악영향을 초래할 수 있다.
	HAPs의 특징은 무엇입니까?	3) 석탄화력 발전은 연료의 불완전연소와 다량의 사용으로 인하여 유해대기오염물질(HAPs, hazardous air pollutants)을 배출할 수밖에없다. HAPs는 독성, 발암성, 생체축적, 대기 중 지속성, 확산 등의 특성을 지니며, 미량으로도 건강과환경에 악영향을 초래할 수 있다. 그리고 일부 물질은 대기 중에 오랜 기간 체류하면서 오존 또는 광화학 산물 등 2차 오염물질을 생성하며, 악취의 원인물질로도 작용하고 있어 그 중요성이 커지고 있다.4)석탄화력 발전시설에서 배출되는 HAPs는 각종 중금속, 먼지, NOx, SOx 등이 있으며, 주요 배출원은보일러이다.

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용어 설명 출처 목록 (6)

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