Research Article

Journal of The Korean Society Combustion. 30 June 2019. 25-33
https://doi.org/10.15231/jksc.2019.24.2.025

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 배출지수⋅배출허용 규제치의 단위 사용 실태 및 상호 호환 전략

  • 3. 기본지수 및 측정지수간의 호환 지수식 정립

  • 4. 상호 호환 배출지수 및 규제치의 유용성 검토

  • 5. 결 론

  • 기호설명

1. 서 론

최근 대기 공해문제는 인체의 유해성, 가시거리 제한 등 여러 가지 문제를 야기함에 따라 큰 사회적 이슈로 대두되어 있다. 우리나라도 1963년 공해방지법 제정을 시작으로 현재까지 약 50년간 대기질 개선을 위해 부단한 노력을 기울여 왔으며, 각종 환경규제는 점점 더 엄격해지고 있다[1]. 특히 미세 먼지는 여과되지 않고 폐와 혈류에 깊숙이 침투하여 영구적인 DNA 돌연변이, 심장 마비 및 조기 사망을 유발할 수도 있는 가장 치명적인 대기 오염 형태이다[2]. 이러한 미세먼지(particulate matter, 이하 PM) 발생과정에 따라 분류하면 다음과 같이 1차 PM, 2차 PM으로 구분된다. 1차 Total PM(이하 TPM)은 연도에서 직접 액체-고체(aerosol) 상태로 배출되는 여과성 입자(Filterable PM)와 연도의 고온 조건에서는 기상(gas phase)이나 배출 직후 주위 공기 등의 냉각 작용에 의해 생성되는 응축성 입자(Condensable PM)를 합한 것이다. 배기가스에 포함된 기상의 NOx, SOx, THC, NH3 등의 물질도 대기 중에서 광화학 반응, 결정핵 생성(Nucleation), 수증기와의 응축 및 응집 등의 복잡한 과정에 의해 2차 PM으로 전환된다고 알려져 있다[3]. 이들 기상의 오염물질을 PM 전구물질(Precursor)이라 분류하며, 최근에는 연도에서 배출되는 TPM과 PM 전구물질까지 합산하여 총 미세먼지 발생량으로 평가하려는 시도도 있다[4].

위와 같은 환경규제에 사용되고 있는 배출지수, 규제치 등에 사용되는 각종 지수들의 단위를 살펴보면 사용 관점, 설비에 따라 매우 다양하다(참고 2장). 이들 지수 중 비율이나 일반적인 측정단위로 제시된 경우에는 그 배출지수의 정량적인 정도를 파악하는데 큰 어려움이 없다. 그러나 일부 배출지수는 그 지수 자체의 정량적 정도를 파악하기가 어려우며, 더욱이 단위가 다른 배출지수 간에는 그들의 정량적 관계를 직접 비교 평가하기가 곤란한 경우가 많다. 따라서 단위가 다른 지수들 간에 연소 조건까지 고려하여 상호 환산이 가능하다면 여러 배출지수 혹은 규제치들의 정량적 관계를 파악할 수 있어 매우 편리할 것이다. 또한 설비에 따른 배출허용 규제치의 경우, 각 오염물질의 규제치에 해당하는 배출량을 총 합산하다면, 이 합산 배출지수는 총 미세먼지 배출지수로도 평가할 수 있을 것이다. 배출지수들의 기본적인 환산법, 예로 연소 조건(O2 %) 변환, 연료질량 당 배출지수, 동력 당 배출지수(specific emission index) 등등을 구하는 방법은 여러 기본 교재에 제시되어 있다[6],[6]. 그러나 현재 많이 사용되는 지수들에 대한 체계적인 환산법 및 활용법에 대해 정리한 보고서는 찾기 어려웠다.

본 연구에서는 위와 같은 배경에서 대기 미세먼지와 관련된 각종 공해물질들의 배출지수 혹은 규제치로 사용되고 있는 단위들의 사용 실태를 조사하고, 이들 단위간의 상호 호환법을 정립하고자 한다. 이 상호 호환법을 이용하여 여러 자료에 제시되어 있는 배출지수, 규제치를 대상으로 동일 조건으로 환산하여 지수들간의 정량적 관계를 비교해 보고자 한다. 또 여러 설비들의 배출허용 규제치를 대상으로 이들 규제치가 총 미세먼지 발생에 대한 상대적인 기여도를 평가하는 방안을 제시하고자 한다. 이와 같은 과정을 통해 배출지수간의 상호 호환법 및 활용법의 유용성을 검증하고자 한다.

2. 배출지수⋅배출허용 규제치의 단위 사용 실태 및 상호 호환 전략

Table 1은 AP-42 자료[7] 중 보일러 설비를 대상으로 연료 종류에 따른 배출지수를 발췌한 것이다. 본 자료는 EPA(Environmental Protection Agency)가 1972년에 출판한 것으로, 200여개의 대기 오염 시설에 대한 배출지수 및 공정 정보들이 들어 있다. 본 자료의 배출지수는 연료 체적 당 물질(i)의 질량(lb)으로 주어져 있으며, 연료 체적의 단위는 해당 연료에 관습적으로 사용하는 영국 단위를 사용하고, 부가적 정보로는 해당 연료의 발열량만 제시되어 있다. 참고로, 지수에 나오는 S는 연료의 황 함유율(%)을 의미한다. 예를 들어 대상 B-C Oil의 황 함유율 0.25%라면 S에 0.25를 넣어 계산한다. 본 논문에서는 해당연료의 통상적인 황 함유량, 즉 Propane은 0.03%[8], Light Oil은 0.05%[9], B-C Oil은 0.25%[10]를 이용하였다. 본 자료에 제시된 연료체적 당 배출지수는 특정 집단 혹은 지역에서 각종 연료의 총 사용량을 이용하여 오염물질 총 배출량을 산출하는 데에는 매우 편리하다.

Table 1. AP-42 Emission indexes in boiler facilities (1995) [7]

Fuel Emission indexes Heating value
TPM NOx SOx Unit
Natural Gas 7.6 100 0.6 lb/106ft3 9,083.2 kcal/mf3
Propane 0.7 13 0.1(S) lb/103gal 6,095.3 kcal/Lf
Light
Oil
3.3 24 147.7(S) lb/103gal 9326.07 kcal/Lf
B-C
Oil
9.19(S)
+3.22
55 159(S) lb/103gal 9,985.5
kcal/Lf

Table 2는 GE의 배출지수 자료[10],[11]이며, 자료에는 해당 설비에서 사용한 연료의 발열량(Heating value), 밀도(SG), 조성(composition) 정보가 주어져 있으며, 또 연소 조건에 해당하는 배기가스 중 산소농도(O2 %), 시간 당 연료 및 배기가스 양이 주어져 있다. GE는 2004년 API (American Petroleum Institute), GRI(Gas Research Institute) 등의 기관과 공동으로 석유 및 가스 연소 설비에서의 FPM, CPM 등의 PM를 포함한 각종 공해물질의 배출량 및 성분분석 자료를 보고하였다. 본 연구는 PM 규제에 CPM까지 포함한 TPM을 기준으로 규제하려는 움직임에 대비하여 CPM 측정법의 타당성 및 신뢰성 검토 과정에서 얻어진 자료이며, 이 자료에는 PM 전구물질의 배출량 및 성분에 대한 방대한 정보가 제시되어 있다. 본 자료의 배출지수는 배기가스 체적(mEG3), 열량 당 물질(i)의 질량(mg)으로 주어져 있다. 단, 배기가스 체적은 해당 설비의 연소 조건에서의 체적이라, 이들 지수를 직접 비교하여 배출량이 대소 관계를 논하기에는 부적합하다. 다행히 본 자료에는 연료 및 연소 조건에 대한 자세한 정보가 주어져 있어, 이들 자료를 활용하면 제시된 배출지수를 여러 가지 단위로 환산하는 것이 가능하리라 여겨진다. 이에 대해서는 3장에 기술하겠다.

Table 2. GE Emission indexes includes fuel and combustion condition information by facilities (2004) [10],[11]

Equipment Fuel Emission index Heating
value
Fuel
composition
(%)
fuel flow rate EG
flow rate
O2
conc. (%)
SG
TPM NOx SOx Unit
Plant Boiler NG 0.32 110 2.1 mg/mEG3 12,355.48 kcal/kgf CH4:93.83
C2H6:2.21
N2:3.43 etc:0.53
3,857.3
mf3/h
26,164.8
mEG3/h
14.2 0.589
5.3E-5 0.18 0.0033 lb/MMBtu
Process Heater RG 0.0412 161 27.1 mg/mEG3 10,442.87 kcal/mf3 CH4:39.1
C2H6:13.2
C3H8:12.9
H2:15.9 etc:18.9
1,169.9
kgf/h
32,621.9
mEG3/h
8.65 0.858
5.2E-5 0.206 0.0345 lb/MMBtu
Plant Boiler B-C
Oil
14.0 330 52 mg/mEG3 10,957.88 kcal/kgf C:87.1 H:11.6
O:0.71 N:0.253
462.1
kgf/h
6003.45
mEG3/h
10.6 0.940
0.016 0.37 0.059 lb/MMBtu

Table 3은 설비에 따른 한국의 배출허용 규제치를 나타낸 것이다. 표에서 알 수 있듯이 설비별 규제치의 단위가 매우 다양하다. 보일러, 발전소의 규제치는 측정치에 해당하는 배기가스 체적 당 질량 혹은 부피(ppm)를 사용하고 있어 정량적인 정도를 파악하기 쉽다. 단, 설비마다 배기가스 조건이 서로 다르기 때문에 설비 간에 직접 비교는 부적합하다. 자동차, 선박의 규제치는 해당 기기의 성능을 반영하여 운행 거리 혹은 출력 당 질량(g/km)으로 규정하고 있다. 따라서 규제치의 정량적인 정도를 파악하거나 타 설비와의 정량적 비교가 매우 어렵다. 참고로, 표의 오른쪽 연료 조성 및 기기 성능에 대한 가정치는 금후에 설명하는 배출지수간의 상호 환산에 필요한 자료들이다. 이 자료는 기본적인 교재[6][6], 기기설명서[15],[16], 환경 및 에너지관련 국가기관에서 얻은 통상적인 정보[9]이다. 실제 정확한 호환 배출지수를 구하기 위해서는 해당 설비의 정확한 연료 및 성능 정보를 이용해야 한다.

Table 3. Allowable emission regulated value of Korea by facilities (2014) [9],[12],[13]

Emission index Assumption
PM NOx THC CO SOx Fuel composition Facilities Performance
Boiler
(NG)
- 60 ppm
(4% O2)
- - 50 ppm
(4% O2)
CH4 : 88.0 C2H6 : 7.0
Noble gas : 5.0 [9]
-
Plant
(NG)
10 mg/mEG3
(15% O2)
20 ppm
(15% O2)
- - 20 ppm
(15% O2)
-
Plant
(Coal)
30 mg/mEG3
(6% O2)
50 ppm
(6% O2)
- - 50 ppm
(6% O2)
C137H97O9N [14][ -
Gasoline engine 0.005 g/km
(only GDI)
0.06 g/km 0.1 g/km 1.0 g/km - C8H15[6] 12.3 km/L [15]
Diesel engine 0.005 g/km 0.08 g/km 0.09 g/km 0.5 g/km - C12.3H22.2[6] 16.4 km/L [16]
Marine
(B-C Oil)
0.3 g/kWh 4.7 g/kWh - - C14.6H24.8[6] 30%

위에 제시한 배출지수, 규제치에 대한 자료들에서 알 수 있듯이 현재 사용되는 단위는 매우 다양함을 알 수 있다. 이런 사유로 인해 배출지수 자체의 정량적인 정도를 파악하기 어렵고, 또 지수간의 정량적 관계를 직접 비교하기도 어렵다. 미세먼지 측면에서는 연료나 설비에 따른 공해물질의 총량을 동일 연소조건에서 산출하여 미세먼지 발생에 미치는 기여도를 평가할 필요도 있다. 이를 위해서는 본 연구에서는 Fig. 1과 같은 배출지수간의 체계적인 상호 환산법을 정립하였다.

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Fig. 1.

Flow chart of the interconverting strategy between emission indexes.

Fig. 1은 배출지수들의 상호 호환 전략을 도시한 것이다. 그림 중의 ①번 배출지수는 연료질량 당 물질(i)의 질량을 나타내는 것으로, 원래 무차원이나 유효 숫자를 고려하여(mg or g/kg)의 단위를 사용하기도 한다. 이 지수는 가장 보편적으로 사용되는 것으로 여기서는 간략히 기본지수(Original EI)라고도 표현하겠다. ②번 배출지수(EI per EG Vol.)는 배기가스 체적 당 물질(i)의 질량 혹은 체적을 이용하여 나타내는 것으로, 일반적으로 NOx, SOx 등의 기상 성분은 체적(ppm)을 이용하며, PM과 같은 고상 성분은 질량을 이용한다. 이 지수는 측정 장치에서 바로 얻어지는 것으로 본 논문에서는 간략히 측정지수라고도 표현하겠다. ③번 배출지수(EI per fuel vol.)는 연료체적 당 물질(i)의 질량으로 나타내는 것으로 연료량을 이용하여 오염물질의 총 배출량을 산정하는데 편리하다.

④의 배출지수(EI per energy)는 발열량 당 물질(i)의 질량으로 나타낸 것으로 연료 종류에 따른 오염물질 발생량을 평가하는데 편리할 것으로 판단된다. ⑤의 배출지수는 특정 설비의 성능을 포함하여 공해 성능을 평가하는 것으로, 자동차는 주행거리 당 배출지수(mi/km), 선박은 출력 당 배출지수(mi/kWh)등을 사용한다. 이 지수는 본 논문에서는 간단히 사용지수(Application EI) 라고 표현하겠다.

위 호환 도표에 제시한 바와 같이 임의 지수를 다른 지수로 호환하기 위해서는 우선 ①번 기본지수로 변환한 다음에 이를 다시 원하는 다른 지수로 환산하면 된다. 지수들간의 상호 호환에는 타원 내에 제시한 상호 호환지수(Interconverting factor, ICF)를 사용한다. 본 논문에서는 기본지수에서 타 지수로 변환하는 것을 순방향((forward direction)으로 정의하여, 순방향 변환은 기본지수에 해당 호환지수를 나누면 구해진다. 그 역방향(backward direction)변환은 반대로 호환지수를 곱하면 구해진다. 단, ①번 기본지수와 ②번 측정지수 사이에 필요한 호환지수 ICF (VEG/mf, x%O2), 즉 임의 연소조건에서의 연료 질량 당 배기가스 체적을 구하는 데에는 연료조성 및 연소조건에 대한 정보가 필요하다. 이 호환지수의 계산법에 대해서는 3장에서 자세히 설명한다. 그림의 ③~⑤ 지수와 기본지수간의 호환지수는 각각 해당 연료의 비체적, 발열량, 설비의 성능 정보이다. 단, 설비의 성능정보는 정상 운전을 가정한 것이기 때문에 자동차의 규제치와 같이 비정상적 운전 특성을 고려하는 경우에는 다소 차이가 발생할 수 있다.

3. 기본지수 및 측정지수간의 호환 지수식 정립

앞의 호환 전략 도표에서 설명한 바와 같이 측정지수와 기본지수 간에 필요한 호환지수, 즉 임의 연소조건에서의 연료질량 당 배기가스 체적 ICF(VEG/mf)를 구하는 데에는 다음과 같은 다소 복잡한 과정을 거쳐야 한다. 이 호환지수는 구하기 위해서는 연료조성 및 연소조건(x% O2)에 대한 정보가 필요하며, 이들에 대해 완전연소를 가정한 후 양론관계 반응식을 정리하면 쉽게 구해진다[5]. 본 논문에서는 Table 2의 GE 자료에 주어진 정보들을 대상으로 ICF(VEG/mf)를 구하는 방법을 정립하였다. 이 자료에 연소조건은 배기가스 중의 산소농도로 주어졌으며, 연소조성에 대한 자료로는 연료의 분자 조성비, 연료의 원소분율, 연료질량 혹은 체적 당 배기가스 체적으로 정보가 주어져 있다. 단, 다른 방법에 의해서도 연료조성 혹은 연소조건에 대한 정보를 얻을 수도 있을 것으로 예상된다. 특히 발전, 자동차, 선박 등에서는 불완전연소가 존재하므로 측정값 등을 활용한 ICF(VEG/mf)를 제시하면 보다 정확한 환산이 가능할 것으로 사료된다.

∙ 연료의 분자 조성비가 주어진 경우의 등가연료 (CαHβOγNδ) 구하는 법

Table 2의 NG(natural gas), RG(refinery gas)와 같이 연료를 구성하는 분자(CαiHβiOγiNδi)와 그 몰분율(xi)이 주어진 경우에는 이에 해당하는 등가연료(CαHβOγNδ)를 구하여 사용하였다. 등가연료의 각 원소(C, H, O, N)의 원소수는 식 (1)과 같이 구해지며, 이 연료의 분자량은 식 (2)과 같이 구해진다. 이 등가연료 1 kmol의 임의 연소조건(x% O2)에 대한 양론 반응식은 식 (4)과 같이 구해진다.

$$\begin{array}{l}\alpha=\sum_{i=1}^nx_ic_i\;,\;\alpha=\sum_{i=1}^nx_ih_i\;,\\\gamma=\sum_{i=1}^nx_io_i\;,\;\delta=\sum_{i=1}^nx_in_i\end{array}$$ (1)
$$M_{ef}=12\times\alpha+\beta+16\times\gamma+14\times\delta$$ (2)

∙ 연료의 원소 분율(질량%)이 주어진 경우의 가상연료(CαHβOγNδ) 구하는 법

Table 2의 B-C oil과 같이 C, H, O, N의 원소 분율(yi) 이 주어진 경우에는, 연료의 분자식은 알 수 없으나, 연료 1 kg (CαHβOγNδ)에 포함된 각 원소의 몰수(α,β,γ,δ)는 식 (3)과 같이 구해진다. 이 연료 1 kg의 임의 연소조건에 대한 양론 반응식도 식 (4)과 같은 구해진다. 단 이 경우의 C, H, O, N의 해당하는 원소의 몰수 α,β,γ,δ는 위의 등가연료의 원소수와는 다름에 주의하기 바란다.

$$\alpha=\frac{y_C}{M_C},\;\beta=\frac{y_H}{M_H},\;\gamma=\frac{y_O}{M_O},\;\delta=\frac{y_N}{M_{N_i}}$$ (3)

∙ 양론 반응식을 이용한 ICF(VEG/mf, x%O2) 구하는 법

위에서 구한 등가연료 혹은 가상연료에 대한 일반적(계수 a는 미지수)인 양론 반응식은 식 (4)과 같이 쓸 수 있다. 또 식 (5)으로 정의되는 배기가스 중의 산소 몰수 x%는 최종적으로 식 (8)과 같이 쓸 수 있다.

$$\begin{array}{l}C_\alpha H_\beta O_\gamma N_\delta+a(O_2+3.76N_2)\\\rightarrow\alpha CO_2+\frac\beta2H_2O+(a-\alpha-\frac\beta4+\frac\gamma2)O_2+(3.76a+\frac\delta2)N_2\end{array}$$ (4)
$$x(\%)=\frac{n_{o_2}}n$$ (5)

여기서, nO2, ntotal은 생성물의 및 산소 몰수(%)로 각각 식 (6), (7)으로 구해진다.

$$n$$ (6)
$$n_{O_2}=a-\alpha-\frac\beta4+\frac\gamma2$$ (7)
$$x(\%)=\frac{a-\alpha-{\displaystyle\frac\beta4}+{\displaystyle\frac\gamma2}}{4.76a-{\displaystyle\frac\beta4}+{\displaystyle\frac\gamma2}+{\displaystyle\frac\delta2}}\times100$$ (8)

위 식 (8)을 이용하면, 양론반응식의 미지수 a는 식 (9)과 같이 구해지며, 배기가스 총 몰수는 식 (10)과 같이 구해진다.

$$\begin{array}{l}a=\frac{100}{100-4.76x}\\\;\;\;\;\;\;\times\left\{\frac x{100}\left(-\frac\beta4+\frac\gamma2+\frac\delta2\right)+\alpha+\frac\beta4-\frac\gamma2\right\}\end{array}$$ (9)
$$n$$ (10)

위 식 (10)을 이용하면, 호환지수 ICF(VEG/mf, x%O2)는 등가연료(1kmol)의 경우는 식 (11), 가상연료(1 kg) 경우는 식 (12)과 같이 구해진다.

$$ICF(V_{EG}/m_f,x\%O_2)=22.4\times n$$ (11)
$$ICF(V_{EG}/m_f,x\%O_2)=22.4\times n$$ (12)

∙ 연료 질량(체적) 당 배기가스 체적을 이용한 ICF(VEG/mf, x%O2) 구하는 법

연료조성 정보로서 GE자료와 같이 임의 측정조건(m% O2)에서의 연료 질량(체적)당 배기가스 체적로 주어지는 경우도 있다. 이 경우에는 임의 측정조건(m% O2)에서의 ICF(VEG/mf, x%O2)를 원하는 측정조건(x% O2)에서의 ICF(VEG/mf, x%O2)로 변환하면 된다. 식 (13)에서 정의하는 위 두 호환지수의 비는 식 (10)과 같이 각각의 산소농도에 해당하는 배기가스 총 몰수를 이용하여 구해진다. 즉 원하는 산소농도에 대한 ICF(VEG/mf, x%O2)는 최종적으로 식 (14)과 같이 구할 수 있다.

$$\frac{ICF(V_{EG}/m_f,x\%O_2)}{ICF(V_{EG}/m_f,m\%O_2)}=n$$ (13)
$$\begin{array}{l}ICF(V_{EG}/m_f,x\%O_2)\\\;\;\;\;=ICF(V_{EG}/m_f,m\%O_2)\times\frac{\displaystyle\frac{476\alpha+94\beta-188\gamma\_50\delta}{100-4.76x}}{\displaystyle\frac{\displaystyle476\alpha+94\beta-188\gamma\_50\delta}{\displaystyle100-4.76m}}\\\;\;\;\;=ICF(V_{EG}/m_f,m\%O_2)\times\frac{100-4.76m}{100-4.76x}\end{array}$$ (14)

4. 상호 호환 배출지수 및 규제치의 유용성 검토

Fig. 2는 Table 2에서 제시한 GE 배출지수를 도시한 것이다. x축은 연료 종류(연소조건 병기), y축은 차원이 다른 배출량을 동일 좌표로 나타내기 log 좌표로 도시한 배출량이다. 본 배출지수는 Fig. 1에 설명한 ②번의 측정 배출지수에 해당하나, 서로 다른 연소조건(배기가스 중 O2%)에서의 배출지수를 제시한 것이다. 이 배출지수는 특정 설비의 운전조건에서 배출지수 및 이들 변화경향을 제시한다고 할 수 있다. 그러나 이 배출지수를 이용하여 연료종류에 따른 배출지수 특성을 논하기에는 부적절하다고 판단된다.

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Fig. 2.

Original data of GE emission index by fuel (Include combustion conditions).

Fig. 3은 Table 2의 GE 자료에 주어진 연료조성 및 연소조건을 바탕으로 앞에서 설명한 ICF(VEG/mf, x% O2)를 이용하여 각각의 공해물질에 대한 기본 배출지수(mi/mf)구하였다. 이들 지수들은 작은 순(TPM, SOx, NOx)으로 차례로 누적하여 각각의 공해물질의 양은 물론 총 합산량도 파악이 가능하도록 도시한 것이다. 단, 이들 호환지수의 변환에는 공연비 등의 연소조건에 따른 오염물질 생성의 민감도는 무시한 것임을 주의하기 바란다. 본 환산 자료에 의하면 연료에 따른 공해물질의 배출 특성을 파악할 수 있다. 즉, 연료에 따른 각각의 오염물질의 배출 경향도 파악할 수 있다. 또 그림에서와 같이 NG < RG < B-C 순으로 오염물질 총 배출량이 많아지며, 특히 B-C oil의 경우 두 가스 연료보다 약 2배 정도 높게 배출됨을 알 수 있다.

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Fig. 3.

An emission index per mass of fuel converted by interconverting method based on the GE emission index.

이 기본 배출지수는 Fig. 1에서 설명한 바와 같이 다른 단위로 환산하는데 꼭 경유해야 하는 지수로서 상호 호환 지수를 구하는데 중심적인 역할을 한다. 이 기본지수 및 대응하는 상호 호환지수(ICF)를 이용하면 Fig. 1의 모든 단위의 배출지수를 쉽게 구할 수 있다. 그 한 예를 Fig. 4에 제시하였다.

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Fig. 4.

Measurement emission index converted from GE emission index at the same combustion condition.

Fig. 4는 앞의 기본 배출지수(mi/mf)를 이용하여, 정량적 판단이 가장 용이한 동일 연소조건(0% O2)에서의 측정 배출지수(mi/VEG)로 나타낸 것으로 고상인 TPM은 질량으로, 기상인 SOx와 NOx는 질량과 ppm을 병기하여 제시한 것이다. y축은 차원이 다른 배출량을 동일 좌표로 나타내기 위해 log 좌표로 사용 하였으며, 작은 순서(TPM, SOx, NOx)로 차례로 누적하여 각각의 공해물질의 질량 혹은 ppm은 물론 총량도 파악이 가능하도록 도시한 것이다.

본 배출지수를 이용하면 각종 공해물질의 연료에 따른 배출 특성을 정량적으로 논의할 수도 있다고 판단된다. 우선 TPM 배출량 보면, RG가 가장 낮으며, NG도 비교적 낮으나, B-C oil은 28 mg/mEG3으로 매우 높아짐을 알 수 있다. SOx는 NG는 황(S) 성분이 거의 없어 2.3 ppm으로 매우 낮으며, RG는 16 ppm 정도가 발생된다. 반면, B-C oil의 경우는 SOx가 37 ppm으로 매우 높게 나타나고 있다. 또 NOx도 ppm 지수를 이용하면 연료에 따른 배출량의 정도를 직감적으로 파악할 수 있으며, 이들 NOx 배출량은 연료 종류에 관계없이 총 오염물질 배출량의 80% 이상을 차지함을 알 수 있어 미세먼지 발생에 가장 중요한 인자임을 알 수 있다. 또 총 오염물질 배출량은 RG와 NG는 서로 유사하며, B-C Oil의 경우 앞의 가스 연료 보다 약 2.5배 많아짐을 알 수 있다.

Fig. 5는 Table 1의 AP-42에서 주어진 배출지수(호환 도표의 ③번 지수)를 도식화 한 것이다. 단, 원 자료의 체적에 대한 단위로는 연료 고유의 영국단위(lb, ft3, gal)를 사용하였으나, 본 그림에서는 한국에서 일반적으로 사용하는 (g, m3, L)로 변경하였다. 본 자료는 특정 집단 혹은 지역의 총 연료 사용량을 이용하여 총 오염물질 배출량을 산정하기에 매우 편리할 것으로 판단되나, 이들 배출지수를 이용하여 연료에 따른 정량적 관계를 평가하기 매우 어렵다. 이 자료에는 연료에 대한 정보로서 발열량만 주어져 있어 주어진 자료만을 이용하여 열량 당 배출지수(EI per energy) 이외의 타 배출지수로 상호 호환하는 것은 필요정보가 부족하여 불가능하다.

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Fig. 5.

Original AP-42 Emission index by fuel in boiler equipment (Including fuel volume unit).

Fig. 6은 위 AP-42 지수를 연료에 대한 조성 자료를 GE 자료에서 차용하여, 기본지수(Original EI)로 환산한 후 배기가스 동일 연소조건(0% O2)에서의 ②번 측정 배출지수(mg/mEG or ppm)로 환산하여 도시한 것이다. 본 자료를 이용하면 AP-42 배출지수 자료를 이용해서도 앞서 설명한 각종 공해물질의 배출 정도를 직감할 수 있으며, 또 연료 종류에 따른 공해물질 배출특성 및 정량적인 관계를 파악할 수 있다. 불행하게도 AP-42 배출지수 자료에는 연료조성에 준하는 정보, 즉 분자조성비, 원소분율 혹은 연료질량 당 배기가스 체적과 같은 정보가 없어 그림과 같이 환산하는 것은 불가능하다. 따라서 대기 오염물질에 관한 배출지수를 제시할 때에는 위와 같은 연료조성을 도출할 수 있는 정보를 반드시 병기하여 제시하는 것이 바람직함을 알 수 있다.

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Fig. 6.

easurement emission index converted from AP-42 emission index at the same combustion condition.

Fig. 7은 Table 3의 설비별 배출허용 규제치를 동일 연소조건의 측정지수로 환산한 것이다. Table 3에 제시한 보일러, 발전소의 규제치는 자료[9]에서 얻은 해당 연료의 전형적인 연료조성을 이용하여 우선 기본지수(①)로 환산 후에 이를 다시 ②번 측정지수(O2 0%)로 환산하였다. 자동차, 선박의 규제치는 ⑤번 사용지수로 나타내져 있어 자료[15],[16]에서 구한 대표적 성능 정보를 이용하여 ①번의 기본지수로 환산한 다음에 이를 다시 ②의 측정지수로 환산한 것이다.

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Fig. 7.

An emission index expressed as a measurement index under the same conditions based on the regulation index by facilities.

우선, PM 지수를 살펴보면 발전소(NG, Coal)는 약 35~42 mg/mEG3으로 오히려 자동차의 8~9 mg/mEG3 보다 약 4~5배 높게 설정되어 있음을 알 수 있다. NOx는 가솔린 엔진이 약 45 ppm으로 가장 낮으며, 나머지 설비는 약 70 ppm 수준으로 설정되어 있으며, NG 보일러가 약 74 ppm으로 오히려 조금 높게 설정되어 있음을 알 수 있다. SOx는 액체 연료의 경우 황 함량으로 규제하고 있어 가스 및 고체 연료 설비에만 설정되어 있으며, 이들 SOx 지수는 약 70 ppm 동일 수준으로 설정되어 있다. 이처럼 PM, NOx, SOx의 배출지수를 동일 연소조건의 측정지수로 환산해 나타내면 그 배출량 자체의 정량적인 정도도 파악이 가능하며, 설비간의 배출량 대소 관계도 직접 비교할 수 있음을 알 수 있다.

위 모든 환경 규제 물질들은 대기 중에서 복잡한 화학적, 물리적 현상에 의해 최종적으로는 미세먼지로 전환된다고 알려져 있다. 비록 발전소의 경우 steady 조건에서, 자동차의 경우 driving cycle에서 transient 조건이 포함되어 직접적인 비교에는 한계가 있지만 각각의 공해물질이 미세먼지에 대한 기여도가 동일하다고 가정하면, Fig. 7에 제시된 오염물질 총량은 미세먼지에 미치는 영향 비례한다고 할 수 있다. 이런 관점에서 오염물질 총량을 비교해 보면, 선박은 1,900 mg/mEG3 정도로 타 설비들 보다 약 6배 정도 매우 높게 설정되어 있다. 선박을 제외한 보일러, 발전소, 자동차 등의 배출량은 300 mg/mEG3 전후로 거의 동등함을 알 수 있다. 조금 더 엄밀하게 비교하면 가솔린엔진이 255 mg/mEG3 가장 낮으며, 석탄 발전소가 386 mg/ mEG3로 가장 높다. 그리고 청정 연료로 알려진 NG 발전소도 석탄 발전소와 거의 유사한 수준으로 설정되어 있음을 알 수 있다.

5. 결 론

본 연구에서는 미세먼지를 포함한 각종 공해물질들의 배출지수 혹은 규제치로 사용되고 있는 단위들의 사용 실태를 조사하고, 이들 단위들간의 상호 호환법을 체계적으로 정립하였다. 이 호환법을 이용하여 여러 자료에 제시되어 있는 배출지수와 규제치를 동일 연소 조건의 측정 배출지수(mg/mEG or ppm)로 환산한 각종 공해물질 혹은 총량의 배출지수를 이용하여 호환지수들의 유용성을 검토하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 현재 사용되는 오염물질 배출지수 단위는 매우 다양하며, 배출지수 그 자체의 정량적인 정도나 단위가 다른 배출지수 정량적 관계를 파악하기가 어렵다는 것을 알았다. 이러한 불편함을 해소하기 위해서는 지수들간의 상호 호환법을 체계적으로 정립할 필요가 있다.

2) 본 연구에서는 각종 배출지수간의 상호 호환법을 제시하여 그 유용성을 확인 할 수 있었다. 이 상호 호환법은 각종 지수를 우선 기본지수(mi/mf)로 환산하고, 이 지수와 단위간의 상호 호환지수(ICF)를 이용하면 모든 단위의 지수로 상호 환산이 가능하다.

3) 기본 지수에서 공해물질의 정량적 논의에 편리한 측정지수[mi(Vi)/VEG,x% O2]로 환산하기 위해서는 연료조성 및 연소조건에 준하는 정보가 필요하다. 연소조건은 배기가스 중의 산소농도가 일반적으로 이용되며, 연료조성에 대한 정보로는 연료의 분자 분율 혹은 원소 분율, 또는 연료질량 당 배기가스 체적과 같은 정보가 필요하다.

4) 임의 배출지수를 동일 연소조건의 측정지수로 환산하여 고상인 PM을 질량으로, 기상인 SOx, NOx는 질량과 ppm을 병기하고, log 좌표 이용하여 배출량이 작은 순서대로 누적 합산한 배출지수 도표를 이용하면, 각종 오염물질의 배출지수의 정량적인 관계를 파악하는데 매우 유리하다.

5) 각종 공해물질들이 미세먼지에 대한 기여도가 동일하다고 가정하고 측정지수로 환산한 오염물들의 총량을 이용하면, 각종 설비에서의 규제치가 미세먼지에 미치는 영향을 판단할 수도 있다.

기호설명

Alphabet

ICF : interconverting factor
PM : particulate matter
TPM : total particulate matter
FPM : filterable particulate matter
CPM : condensable particulate matter
THC : total hydro carbon
EI : emission index

Subscripts

EG : Exhaust gas
f : Fuel
i : Chemical species
x% :Arbitrary oxygen concentration of exhaust gas
m% : Measured oxygen concentration of exhaust gas

Acknowledgements

본 연구는 한국가스공사 대학협력 과제 “가스연료의 미세먼지(FPM+CPM) 현황 조사 및 대응-저감 방안 연구”(56723-01)의 지원을 받아 수행한 연구의 일환입니다.

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