[논문]광산란법을 이용한 국내 석탄화력발전소 굴뚝에서 배출되는 PM10, PM2.5 측정 및 분석

신동호; 김영훈; 홍기정; 이건희; 박인용; 김학준; 김용진; 한방우; 황정호

doi:10.11629/jpaar.2020.16.4.131

광산란법을 이용한 국내 석탄화력발전소 굴뚝에서 배출되는 PM10, PM2.5 측정 및 분석
Measurement and analysis of PM10 and PM2.5 from chimneys of coal-fired power plants using a light scattering method 원문보기

Particle and aerosol research = 한국입자에어로졸학회지, v.16 no.4, 2020년, pp.131 - 140

Abstract ▼ AI-Helper

Air pollutants emitted from chimneys of coal-fired power plants are considered to be a major source of fine particulate matter in the atmosphere. In order to manage fine particle in the chimney of a coal-fired power plant, it is necessary to know the concentration of fine particle emitted in real time, but the current system is difficult. In this study, a real-time measurement system for chimney fine particle was developed, and measurements were performed on six coal-fired power plants. Through the measurements, the mass concentration distribution according to the particle size could be secured. All six chimneys showed bimodal distribution, and the count median diameters of each mode were 0.5 and 1.1 ㎛. In addition, it was compared with the gravimetric measurement method, and it was determined that the relative accuracy for PM10 was within 20%, and the value measured using the developed measuring instrument was reliable. Finally, three power plants were continuously measured for one month, and as a result of comparing the concentration of PM10 according to the amount of power generation, it was confirmed that the PM10 discharged from the chimney increased in the form of an exponential function according to the amount of power generation.

주제어

표/그림 (6)

그림 Figure 1. Schematic of (a) the gravimetric method measurement system and (b) the newly developed diluter system at coal-fired power plant chimneys.
표 Table 1. Measurement information of coal-fired power plant chimneys
그림 Figure 2. Particle size distributions in mass concentrations at coal-fired power plant chimneys. (a), (b), (c), (d), (e), (f) are from power plant A, B, C, D, E, F.
표 Table 2. Mode, MMD, GSD and CMD for mass concentration distributions measured from coal-fired power plant chimneys
그림 Figure 3. Comparison between OPC PM and gravimetric PM measured using EPA and ISO methods at each coal-fired power plant chimney. (a) is PM₁₀ measured using EPA and ISO, (b) is PM₁₀ measured using EPA and OPC and (c) is PM_2.5 using ISO and OPC.
그림 Figure 4. Relation between power generations and OPC PM₁₀ measured for 1 month continuously at D, E and F coal-fired power plants.

AI 본문요약
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제안 방법

5 농도를 비교한 결과이다. EPA 방식을 사용하여 PM2.5를 측정하기 위해서는 넓은 크기의 굴뚝 샘플링 포트가 필요한데, 본 연구에서 측정한 각 석탄화력발전소 굴뚝의 샘플링 포트의 크기는 150A (165.2 mm)로 측정이 불가능하여, PM2.5는 ISO의 측정 결과와 비교하였다. Fig.
에어 펌프를 이용하여 측정하고자 하는 굴뚝 내부의 건공기를 샘플링하고 PM sizer에서 입자를 크기 별로 분리해 필터 홀더로 먼지를 포집하였다. EPA방식에서 입경 분리는 싸이클론 방식을 사용하고 있고, 본 연구에서는 굴뚝 샘플링 구경의 크기로 인해 PM10 싸이클론만 설치하여 측정하였다. ISO방식은 다단임팩터 방식을 사용하여 입경을 분리하는 방식으로 PM10 과 PM2.
EPA방식에서 입경 분리는 싸이클론 방식을 사용하고 있고, 본 연구에서는 굴뚝 샘플링 구경의 크기로 인해 PM10 싸이클론만 설치하여 측정하였다. ISO방식은 다단임팩터 방식을 사용하여 입경을 분리하는 방식으로 PM10 과 PM2.5 먼지를 동시에 포집 할 수 있어, ISO를 통해 측정된 PM2.5를 사용하여 개발측정기에서 측정한 PM2.5농도와 비교하였다. 필터에 포집된 먼지는 저울을 이용하여 질량을 측정하고 에어 펌프에서 흡입한 건공기의 부피를 측정하여 질량농도로 환산하였다.
질량 농도 분포에서 Mass median diameter (MMD), Geometry standard deviation (GSD), Count median diameter (CMD) 를구하고 각 발전소 별로 비교하였다. MMD는 질량농도분포 그래프를 Lognormal 크기 분포 및 질량 누적 분포 그래프로 나타낸 후 질량의 전체 합 중 50%가 되는 지점의 입자 크기를 구해 도출하였다. GSD는 아래 식을 이용하여 계산하였다.
4는 D, E, F 발전소에서 개발 측정기를 사용하여 한달 동안 실시간으로 측정한 PM10 농도와 발전량을 비교한 결과이다. PM10은 1분 간격으로 연속 측정하였고, 각 데이터를 30분 간 평균으로 정리하여 시간에 따른 발전량 데이터와 비교하였다. D 발전소의 해당 발전기에서 780 MWh에서 1100 MWh의 발전량을 생산했고, 굴뚝에서 배출되는 PM10의 농도는 1.
5 농도를 비교한 그래프를 나타내고 있다. 각 발전소 별로 평균 8회씩 측정하였고, 전체 49회를 측정하였다. Fig.
, Korea)와 high-efficiency particulate air (HEPA) 필터를 중간에 설치하여 깨끗한 건공기를 공급할 수 있도록 하였다. 다공튜브에 공급하는 2차 희석공기는 고압을 요구하지 않아, 상대적으로 소비전력이 적은 Ring blower (KJB3-400, Kijeonsa, Korea)와 HEPA 필터를 사용하여 공급하도록 하였다. 별도의 Programmable Logic Controller (PLC)에 기반한 제어반을 제작하여 유량 및 온도제어를 하였다.
또한 각 발전소에서 중량법(EPA, ISO)과 OPC를 사용하여 측정한 PM10, PM2.5의 농도 비교를 상대 정확도로 나타냄으로써 객관적인 비교를 하였다. 상대정확도는 대기오염공정시험기준에 표기된 먼지 -굴뚝배출가스에서 연속자동측정 방법(ES01810.
5 농도와 상대정확도를 비교하였다. 마지막으로 각 발전소 별 발전량에 따른 PM10 농도를 비교함으로써 굴뚝에서 측정한 PM10 농도와 발전량 간의 관계를 정리하였다.
다공튜브에 공급하는 2차 희석공기는 고압을 요구하지 않아, 상대적으로 소비전력이 적은 Ring blower (KJB3-400, Kijeonsa, Korea)와 HEPA 필터를 사용하여 공급하도록 하였다. 별도의 Programmable Logic Controller (PLC)에 기반한 제어반을 제작하여 유량 및 온도제어를 하였다. 입자의 농도는 광산란 방식의 입자 개수기(OPC 1.
다봉분포 형태의 그래프에서 각 모드 마다의 MMD와 GSD를 구하기 위해서는 다봉분포안에 존재하는 두 개의 모드를 구분하여 계산하여야 한다. 본 연구에서는 Matlab의 Curve fitting 옵션을 활용하여 각 그래프의 다봉분포를 두 개의 단일분포 그래프를 나타내는 식의 합으로 계산하였고, 이를 이용하여 Fig. 2의 각 그래프 마다 계산된 Fitting curve를 표 시하였다. 이때, Least-Squares method를 사용하였고 #와 같은 가우스 함수의 형태로 나타내었다(Higham and Higham, 2016).
본 연구에서는 각 발전소 굴뚝에서 OPC를 사용하여 실시간으로 측정한 입자에 대한 입경에 따른 질량농도 분포를 분석하였다. 질량 농도 분포에서 Mass median diameter (MMD), Geometry standard deviation (GSD), Count median diameter (CMD) 를구하고 각 발전소 별로 비교하였다.
본 연구에서는 광산란법 측정장비를 사용하여 고온 다습의 환경인 석탄화력발전소 굴뚝에서 미세먼지를 측정하기 위해 개발한 희석장치를(Shin et al., 2019) 사용하여 6곳의 석탄화력발전소 굴뚝에서 배출되는 PM10, PM2.5 농도를 실시간으로 측정하였다. 측정 결과를 이용하여 각 발전소 별로 입자 크기에 따른 질량농도 분포를 비교하였고, 중량 법을 이용한 측정방법으로 측정된 PM10, PM2.
석탄화력발전소 굴뚝 미세먼지를 광산란 계측기를 사용하여 실시간으로 측정하기 위하여 2단 희석 장치를 개발하였고, 이를 활용하여 국내 6곳의 석탄화력발전소에서 실시간으로 PM10, PM2.5를 측정하였다. 입경 크기에 따른 질량농도분포를 비교한 결과, 측정 굴뚝 모두 Bi-modal 분포를 나타내었고, CMD를 계산한 결과 조금씩은 차이가 있지만 0.
1차 희석공기는 이젝터로 공급하였고, 2차 희석공기는 다공튜브로 공급하였다. 압축공기는 압축기(NCP052-T50; Air Maker, Korea)로 발생시켜 이젝터에 공급을 하였고, 이 과정에서 Air dryer (SHD-10, SEHAN Dryer Co. Ltd., Korea)와 high-efficiency particulate air (HEPA) 필터를 중간에 설치하여 깨끗한 건공기를 공급할 수 있도록 하였다. 다공튜브에 공급하는 2차 희석공기는 고압을 요구하지 않아, 상대적으로 소비전력이 적은 Ring blower (KJB3-400, Kijeonsa, Korea)와 HEPA 필터를 사용하여 공급하도록 하였다.
측정 방식은 동일하다. 에어 펌프를 이용하여 측정하고자 하는 굴뚝 내부의 건공기를 샘플링하고 PM sizer에서 입자를 크기 별로 분리해 필터 홀더로 먼지를 포집하였다. EPA방식에서 입경 분리는 싸이클론 방식을 사용하고 있고, 본 연구에서는 굴뚝 샘플링 구경의 크기로 인해 PM10 싸이클론만 설치하여 측정하였다.
, 1957). 이러한 문제를 방지하고 정확한 미세먼지의 농도를 측정하기 위하여 이젝터를 사용한 2단 희석 장치를 통해 굴뚝 내 먼지를 샘플링 하였다. 1차 희석공기는 이젝터로 공급하였고, 2차 희석공기는 다공튜브로 공급하였다.
분포를 분석하였다. 질량 농도 분포에서 Mass median diameter (MMD), Geometry standard deviation (GSD), Count median diameter (CMD) 를구하고 각 발전소 별로 비교하였다. MMD는 질량농도분포 그래프를 Lognormal 크기 분포 및 질량 누적 분포 그래프로 나타낸 후 질량의 전체 합 중 50%가 되는 지점의 입자 크기를 구해 도출하였다.
5 농도를 실시간으로 측정하였다. 측정 결과를 이용하여 각 발전소 별로 입자 크기에 따른 질량농도 분포를 비교하였고, 중량 법을 이용한 측정방법으로 측정된 PM10, PM2.5 농도와 상대정확도를 비교하였다. 마지막으로 각 발전소 별 발전량에 따른 PM10 농도를 비교함으로써 굴뚝에서 측정한 PM10 농도와 발전량 간의 관계를 정리하였다.
5농도와 비교하였다. 필터에 포집된 먼지는 저울을 이용하여 질량을 측정하고 에어 펌프에서 흡입한 건공기의 부피를 측정하여 질량농도로 환산하였다.

대상 데이터

Table 1은 측정을 수행한 석탄화력발전소 굴뚝의 특징을 나타내고 있다. 6개의 발전소 모두 유연탄을 사용하고 있고 설비용량은 D, E 발전소가 1000MW 급으로 가장 크고 B 발전소가 870 MW급 A, C, F 발전소가 500 MW급이다. 굴뚝 내부 온도는 A, B, C, D, F는 80-100 ℃였고, E는 146 ℃로 다른 발전소 굴뚝에 비해 높았다.
본 연구는 총 6 곳의 국내 각각 다른 지역에 위치한 석탄화력발전소 굴뚝에서 먼지를 측정하였다. Table 1은 측정을 수행한 석탄화력발전소 굴뚝의 특징을 나타내고 있다.

이론/모형

5의 농도 비교를 상대 정확도로 나타냄으로써 객관적인 비교를 하였다. 상대정확도는 대기오염공정시험기준에 표기된 먼지 -굴뚝배출가스에서 연속자동측정 방법(ES01810.1a, 2011)을 사용하였고, 아래 식을 통해 계산하였다.
2의 각 그래프 마다 계산된 Fitting curve를 표 시하였다. 이때, Least-Squares method를 사용하였고 #와 같은 가우스 함수의 형태로 나타내었다(Higham and Higham, 2016).
별도의 Programmable Logic Controller (PLC)에 기반한 제어반을 제작하여 유량 및 온도제어를 하였다. 입자의 농도는 광산란 방식의 입자 개수기(OPC 1.109, Grimm, Germany)를 사용하여 실시간으로 측정하였다(Shin et al., 2020).
중량법 측정은 EPA method 201A (이하 EPA)와 ISO-23210 (이하 ISO) 방법을 사용하였고, 두 방법 모두 입자를 분리하는 방식만 다를 뿐 등속 흡입 샘플링, 건공기 흡입 유량 및 먼지 포집을 통한 질량 측정 방식은 동일하다. 에어 펌프를 이용하여 측정하고자 하는 굴뚝 내부의 건공기를 샘플링하고 PM sizer에서 입자를 크기 별로 분리해 필터 홀더로 먼지를 포집하였다.

성능/효과

5 농도를 신뢰할 수 있다고 판단하였다. 각 발전소 별로 ISO 대비 PM2.5의 상대정확도는 B 발전소에서 F 발전소 순으로 15.7, 15.7, 18.5, 17.3, 17.8%이고, 전체 상대정확도는 17%로 PM2.5 농도또한 개발계측기를 사용하여 측정한 농도가 신뢰할 수 있다고 판단된다.
3(b)는 EPA 방식을 사용하여 측정한 PM10과 개발측정기를 사용하여 측정한 PM10을 비교한 결과이다. 각 발전소 순서대로 9.3, 12.7, 11.3, 19.8, 7.4, 17.3%의 상대 정확도를 나타내고 있고, 전체적으로 상대정확도는 13.0%이다. 전체적으로 상대정확도가 20% 내로 개발 측정기로 측정한 결과와 중량법 결과가 잘 맞는다고 할 수 있다.
공통적으로 1 ㎛ 이하의 입자들의 GSD가 평균적으로 1.33으로 1 ㎛ 이상 입자의 GSD인 1.68 보다 작았고, CMD 또한 0.5, 1.1 ㎛로 모든 발전소에서 유사하게 나타났다. 0.
중량법 측정 방법과 비교한 결과 모든 발전소의 상대정확도가 20% 내로 개발측정기를 사용하여 측정한 결과를 신뢰할 수 있는 수준으로 판단된다. 마지막으로 연속적으로 장기간 측정하였고, 이를 발전량 변화에 따른 PM10으로 표현하였을 때 발전량에 따라 지수적으로 PM10의 농도가 증가하는 현상이 3곳의 발전소에서 나타나는 것을 확인하였다.
모든 발전소에서 1 ㎛ 전후로 두 개의 모드를 갖는 다중분포 그래프로 나타났고 각 입경 별 질량농도의 차이만 있을 뿐 GSD, CMD가 거의 유사하였다. 공통적으로 1 ㎛ 이하의 입자들의 GSD가 평균적으로 1.
8 mg/m3까지 배출되었다. 발전량 대비 발생 PM10 농도를 비교하면 D, E, F 발전소 순으로 PM10 발생 농도가 높아지는 것을 확인할 수 있다. D 발전소의 해당 발전기는 2015년에 가동을 시작하였고, E 발전소의 발전기는 2016년에 가동을 시작하였고, F 발전소의 발전기는 2009년에 가동을 시작하였다.
5-10 ㎛ 입자가 바로 굴뚝으로 배출되기 때문에 전기집진기와 굴뚝 사이에 FGD가 존재하는 D 발전소에 비해 높은 PM10 농도가 측정되는 것으로 판단된다. 세 발전소 모두 발전량 대비 PM10이 지수 함수에 따라 변화하는 것을 알 수 있고 이를 통해 발전량에 따른 PM10 발생량을 예상할 수 있다.
5를 측정하였다. 입경 크기에 따른 질량농도분포를 비교한 결과, 측정 굴뚝 모두 Bi-modal 분포를 나타내었고, CMD를 계산한 결과 조금씩은 차이가 있지만 0.5, 1.1 ㎛로 거의 유사하였다. 중량법 측정 방법과 비교한 결과 모든 발전소의 상대정확도가 20% 내로 개발측정기를 사용하여 측정한 결과를 신뢰할 수 있는 수준으로 판단된다.
A 발전소의 경우 ISO방식을 통한 중량법 측정을 하지 못하였다. 전체 발전소에 대해 상대정확도를 계산하면 21.3%로 EPA 방식으로 측정한 농도와 ISO방식으로 측정한 농도가 유사한 것을 통해 본 연구에서 측정한 중량법 측정 결과에 대해 신뢰할 수 있다고 판단된다. Fig.
0%이다. 전체적으로 상대정확도가 20% 내로 개발 측정기로 측정한 결과와 중량법 결과가 잘 맞는다고 할 수 있다. EPA와 ISO를 비교한 결과보다 더 농도가 잘 맞는 것을 확인할 수 있는데, 이는 중량 법의 경우 측정 후 농도를 산출하는 과정에서 오차가 발생할 확률이 더 높기 때문이다.
1 ㎛로 거의 유사하였다. 중량법 측정 방법과 비교한 결과 모든 발전소의 상대정확도가 20% 내로 개발측정기를 사용하여 측정한 결과를 신뢰할 수 있는 수준으로 판단된다. 마지막으로 연속적으로 장기간 측정하였고, 이를 발전량 변화에 따른 PM10으로 표현하였을 때 발전량에 따라 지수적으로 PM10의 농도가 증가하는 현상이 3곳의 발전소에서 나타나는 것을 확인하였다.

후속연구

화력발전소 굴뚝에서 개발 희석장치를 이용하여 연속적으로 PM10, PM2.5를 측정하는 것이 가능함을 확인하였고, 실시간으로 배출되는 미세먼지 측정을 통해 굴뚝 배출 미세먼지에 대한 특성을 확인함으로써 환경설비의 운용 및 관리에 많은 정보를 제공할 수 있을 것으로 예상된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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