Research Article

Journal of The Korean Society Combustion. June 2020. 28-35
https://doi.org/10.15231/jksc.2020.25.2.028


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 실험 장치 및 방법

  •   2.1 실험 장치의 구성

  •   2.2 미세먼지의 측정

  •   2.3 실험조건 및 실험 방법

  • 3. 결과 분석

  •   3.1 운전 조건에 따른 PM 배출 특성

  •   3.2 입자상 물질과 NOx의 관계

  • 4. 결 론

1. 서 론

미세먼지는 대기 중에 떠다니는 입자상 물질을 칭하며 그 크기에 따라 유효 지름이 10 µm보다 작은 미세먼지(PM10), 지름 2.5 µm보다 작은 초미세먼지(PM2.5), 지름이 0.1 µm보다 작은 극미세입자(PM0.1)로 나뉜다. 이러한 미세먼지들은 인체의 호흡기나 심혈관에 악영향을 미친다. PM2.5 10 µg/m3 환경에 급성노출 시 심장이나 호흡기 사망률이 증가하는 것으로 알려져 있으며, 1982년부터 2008년까지 미국암협회의 추적관찰에 의하면 PM2.5 물질의 10 µg/m3 증가와 함께 폐암 사망률에도 유의미한 증가가 있었다[1]. 최근에는 PM0.1 이하의 극미세입자에 대한 위험성도 많이 보고되고 있으며, 캐나다 Public Health Ontario의 조사에 따르면 입자에 노출된 경우 울혈성심부전과 심근경색증에 대한 위험도가 증가하였다[2].

최근 국내에서 봄철이면 대기 중 미세먼지 농도가 급격히 증가하고 있으며, 미세먼지 배출원을 규명하고 이를 규제하는 노력이 증대되고 있다. 2016년 서울연구원에서 서울특별시에 발생하는 PM2.5 물질의 배출원을 조사한 결과, 자동차(35%)에 이어 난방 및 발전(27%)이 주요 배출원으로 지목되었으며, 가정용 보일러에서 발생하는 미세먼지에 대한 우려도 증대되고 있다[3]. 아울러 미세먼지의 생성 원인 물질 중 하나로 알려져 있는 NOx 배출을 줄이기 위해 친환경 저녹스(NOx) 보일러나 콘덴싱 보일러의 설치를 권장하는 정책이 진행되고 있다[3]. 특히, 2020년 4월부터 대기관리권역에서는 가정용 보일러 유통업자가 환경부 장관 인증 보일러만을 유통하도록 규제된다[4]. 위 법에 적시된 환경부 장관 인증 보일러란 환경표지 인증기준을 충족하는 보일러로 NOx 배출량 35 mg/kWh (0% 추가 공기로 가정 후 환산 시 약 20 ppm 상당) 이하, 열효율 92% 이상 등의 조건을 만족하여야 한다[5].

추가로 정부는 대기질을 관리하기 위해 환경정책기본법을 통해 대기 중 PM2.5와 PM10의 농도에 대한 환경기준을 채택했다[6]. 환경기준은 세계보건기구(WHO)에서 제시한 2단계 권고기준에 맞게 설정되었으며, 자세한 수치는 Table 1과 같다[6].

Table 1.

Korea fine dust regulation

PM Time Limit
PM 2.5 (𝜇g/m3) Annual 15
24-hour 35
PM 10 (𝜇g/m3) Annual 50
24-hour 100

환경부와 국립환경과학원은 대기오염측정망을 설치하여 국내에서 발생하는 PM2.5를 포함한 유해 대기 물질들을 운영지침에 따라 측정하고 있다. 미세먼지의 경우 주로 수동측정방법으로 중량농도법이 사용되고 PM2.5의 경우 주로 연속자동측정법으로 베타선 흡수법을 사용하여 대기 중 미세먼지의 질량 농도를 측정한다[7]. 중량농도법의 경우 포집한 미세먼지의 정확한 질량을 파악할 수 있다는 장점이 있으나, 오랜 시간 동안 포집을 진행해야 하고, 포집하는 도중에 발생하는 농도 변화를 파악할 수 없고, 화학반응을 하는 물질의 경우 고체상 염류가 생성되어 측정 결과에 오차를 초래할 수 있다는 단점이 있다. 베타선 흡수법은 짧은 시간 간격으로 미세먼지의 질량 농도를 파악할 수 있다는 장점이 있으나, 정확한 질량을 파악하기 어렵고, 중량농도법을 통해 구한 질량과 비교하여 검증 단계를 거쳐야 하는 번거로움이 있다.

일반적으로 시중에 판매되는 중저가의 미세먼지 측정기의 경우 광산란법을 많이 채택하고 있으나, 빛의 산란 정도와 변환 계산식으로 구한 미세먼지의 질량 농도는 외부 환경의 변화에 따라 부정확한 결과를 초래한다는 단점이 존재한다[8]. 이처럼 미세먼지의 질량 농도 측정을 목적으로 많은 기술이 개발되고 있으나 아직 각각의 기술에 한계가 존재한다.

한편, 도로에서 발생하는 미세먼지의 경우에는 PM1.0 이하의 입자들의 개수가 PM2.5의 개수보다 약 200배 가량 많이 배출되는 것으로 보고된다[9]. 이러한 경우 인체에는 더욱 유해한 결과가 우려되지만, 환경부에서 제시한 미세먼지 배출 기준에는 아직 입자 개수에 대한 규제가 따로 존재하지 않고, PM1.0 이하의 입자에 대해서는 적절한 질량 기준조차 미흡한 실정이다. 이러한 우려는 비교적 청정한 것으로 인식되고 있는 가정용 가스보일러에 대해서도 유효할 것으로 판단된다.

따라서 본 연구에서는 도심 미세먼지 또는 미세먼지 생성물질의 주요 배출원으로 의심받고 있는 가정용 가스보일러의 미세먼지 배출 특성에 대해 고찰하였다. 특히 질량 기준으로는 동일한 미세먼지의 배출에 해당하더라도 더 작은 입자가 발생할 경우에는 입자의 개수가 급격히 증가할 수 있다. 또한, 이러한 결과가 인체에는 더 해로울 수 있다는 점이 우려되어, 이에 대한 근거가 될 수 있는 실험을 구상하였다. 이러한 연구는 가정용 가스보일러의 극미세입자(PM0.1) 배출에 대한 새로운 개수 기준의 필요성 유무를 판단하는 데 도움될 것이다.

2. 실험 장치 및 방법

2.1 실험 장치의 구성

실험 장치의 개략도를 Fig. 1에 나타내었다. 연료는 도시가스의 주성분인 메탄(>99.95%)을 사용하였으며, 산화제는 건조 압축공기를 사용하였다. 연료와 공기의 유량은 질량유량계를 사용하여 제어되었다. 연소기에서 발생한 NOx와 미세먼지를 측정하였는데, 이에 대해서는 이후에 보다 자세히 설명하기로 한다.

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Fig. 1.

Schematic diagram of the burner.

본 연구에서 특정 업체의 가정용 가스보일러를 이용하여 미세먼지 배출 성능을 시험하지 않고, 그 대신에 가정용 가스보일러에 널리 사용되는 예혼합화염 연소기의 근원적인 성능을 모사할 수 있는 시험 연소기를 제작하였다. 시험 연소기의 표면 제작에 일반적으로 사용되는 세 가지 종류의 소재에 대해 동일한 표면적의 원형 연소기를 제작하였다. 버너 상단에서 바라본 세 가지 버너의 표면을 Fig. 2에 제시하였다. 왼쪽부터 화이버텍(주)의 메탈파이버(WFF1-15), 타공판(SFFP-35-4), 소결금속(SFFE- 30)이다[10].

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Fig. 2.

(A) WFF1-15, (B) SFFP-35-4, (C) SFFE-30.

연소 후 배출되는 미세먼지를 측정하기 위해 석영관을 씌우고 연소 후 가스가 다른 곳으로 새어나가지 않게 하였다. 미세먼지 포집 장비들의 운전 조건을 고려하여 배출 가스 온도를 낮추기 위해 석영관의 길이는 1 m로 제작했다. 화염의 특성을 관찰하기 위해 두 대의 DSLR 카메라(Nikon)를 설치하여 수평 방향과 상부 방향에서 화염을 촬영하였다. 또한, 화염 주위의 온도장의 정상상태 도달을 판정하기 위해 석영관 표면의 온도 변화를 열화상 카메라(Fluke)를 이용하여 관찰하였다. 연소기 직경에 해당하는 높이에서 석영관의 온도가 30초 동안 1도 이상 변화하지 않을 때를 정상상태(steady state)라고 판단하고 화염을 촬영하였다. 메탈파이버의 수평 방향 사진 중 대표적인 경우들을 Fig. 3에서 확인할 수 있다.

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Fig. 3.

Side view of flames with different flow rates and equivalence ratios.

2.2 미세먼지의 측정

연소조건이 정상상태에 도달했을 때, NOx와 미세먼지 배출량을 각각 측정했다. NOx 배출 특성은 Testo 330 flue gas analyzer를 이용해서 측정하였으며, 미세먼지의 배출 특성을 두 가지 장비를 사용하여 측정했다. 일반적으로 가장 널리 사용되는 방식 중 하나인 레이저를 이용한 산란신호로 미세먼지를 분석하는 TROTEC사의 BQ20을 사용하여 PM2.5와 PM10의 질량을 측정하였으며, PM1.0 이하의 입자는 Cambustion사의 DMS500을 사용하여 크기별 분포를 측정하였다. 각각의 장치 특성을 요약하면 다음과 같다.

• BQ20 (Trotec): 보편적으로 많이 사용되는 광산란법으로 측정한다. 입자가 작으면 빛에 많이 산란되는 원리를 사용하며 30초 동안 측정한 PM2.5와 PM10의 개수와 질량을 출력한다.

• DMS500 MKⅡ (Cambustion): 시간분해능은 최대 10 Hz이며 5~1,000 nm 사이의 입자의 크기별 개수 분포를 측정할 수 있다. 광산란법이 아닌 고전압 코로나 방전을 형성하여 입자상 물질을 표면적에 비례한 전하량으로 대전시킨 후, 전기장이 형성된 원통형 검출부를 통과하여 대전된 입자가 다른 위치에 부착되며 검출부의 전위계가 측정한 전위 값에 따라 입자의 개수를 측정한다.

2.3 실험조건 및 실험 방법

시중의 가정용 보일러는 빠른 연소속도, 유해 물질 저감 등의 장점이 있는 희박 예혼합연소 방식을 많이 쓰고 있다. 일반적으로 혼합기의 유속은 연소속도보다는 빠르되 너무 빠르면 화염지지점이 부상하여 화염이 꺼지게 되므로 적절히 조절해 주어야 한다[11]. 따라서 이에 알맞은 실험 조건을 설정하여 Table 2에 제시하였다. 당량비 0.6에서 1.0까지 연료가 희박한 구간에서 0.1 간격으로 당량비를 증가시켰다. 또한 메탄의 층류 연소 속도를 고려하여 총유량을 상대적으로 고유량이고, 일반적 운전 조건에 해당하는 120, 160 lpm으로 정해 미세먼지 배출 경향성을 파악한 후, 저유량에서의 경향성을 확인하기 위해 20, 30 lpm으로 변화시키며 실험을 진행했다.

Table 2.

Experimental conditions

Fuel methane (CH4)
Oxidizer Air (Dehumidified)
Equivalence ratio 0.6 - 1.0
Total flow rate(lpm) 20, 30, 120, 160
Velocity(cm/s) 2.6, 5.2, 7.8, 31.4, 41.9
Pressure 1 atm

미세먼지 포집을 위해 DMS와 BQ20의 주입구에 동관을 연결하였으며, 두 장치 모두 진공펌프를 이용하여 배기가스를 흡입하면서 30초 동안 측정한 결과의 평균값을 사용했다. BQ20의 경우 동일한 사양의 두 개의 장비를 동시에 사용하여 PM2.5와 PM10의 개수와 질량을 비교 측정하였는데, 두 개의 장비에서 측정된 값의 차이가 크지 않음을 확인하였으며, 두 값의 평균값을 사용하였다.

3. 결과 분석

3.1 운전 조건에 따른 PM 배출 특성

Fig. 4는 가정용 가스보일러에 널리 사용되는 메탈파이버를 버너에 장착하고 실험했을 때, 연료와 산화제의 총유량에 따른 미세먼지 배출량 변화를 관찰한 결과이다. 버너에 연료를 흘려주지 않고 공기만 흘려주는 경우를 따로 DMS500으로 측정하여 보일러가 운전되기 전과 후에 어느 정도 차이가 발생하는지도 관측했다. 메탄의 층류 화염 속도와 비슷한 유속을 가지는 고유량 조건에서 실험을 진행하였다.

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Fig. 4.

Gas boiler metal fiber PM emission characteristics; (a) 160 lpm, (b) 120 lpm.

총유량이 160 lpm일 때 메탈파이버 표면의 유속은 약 41.9 cm/s이며, 당량비가 1일 때 메탄의 층류 화염 속도보다 조금 큰 값을 가진다. 총유량이 120 lpm일 때는 표면에서 유속이 약 31.4 cm/s이며, 당량비 0.8일 때 메탄의 층류 화염 속도와 비슷한 값을 가진다[12]. 160 lpm 조건에서 실험한 결과를 주변 공기와 비교했을 때 10 nm 부근의 크기를 가지는 입자들의 개수가 줄어드는 경향성을 보였으나, 그 원인은 분명하지 않다. 다만, 전체적으로 주변 공기와 비교하여 추가적인 입자상 물질들이 생성되지 않는 것을 확인했다.

일반적인 운전 조건 외에도 메탈파이버 연소기는 표면을 적열하여 복사열전달을 높이는 목적으로도 흔히 사용된다. 적열 모드에서는 상대적으로 저유량 조건에서도 운전되는데, Fig. 3에 20 lpm과 30 lpm에서의 화염의 형상이 제시되었다. 이러한 적열 조건에서 미세먼지 배출 경향성을 실험한 결과가 Fig. 5이다. 저유량 조건에서 특징적인 결과는 100 nm 부근과 그 이상의 크기를 가지는 입자상 물질의 개수 변화는 크게 나타나지 않았으나, 크기가 약 30 nm 이하인 초미세 입자상 물질의 수가 급격히 증가하는 경향을 확인할 수 있었으며, 당량비가 이론 혼합비에 근접할수록 그 경향이 더욱 두드러졌다.

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Fig. 5.

Gas boiler metal fiber PM emission characteristics; (a) 30 lpm (b) 20 lpm.

예혼합 가스 버너의 적열모드에서의 입자상 배출 결과와 디젤 엔진에서 배출되는 배기가스를 Fig. 6에 비교하였다. 디젤 엔진의 배출가스는 두 가지의 상용 희석장치(Porous tube dilutor, ejector dilutor)로 희석하여 얻은 결과[13]이다. 30 nm 이상의 입자의 수는 디젤엔진에서 확연히 컸지만, 30 nm 이하의 크기를 가지는 입자들의 개수는 디젤엔진 뿐만 아니라 가스보일러의 적열 모드에서도 확연히 증가하며, 그래프의 경향성도 서로 비슷하게 나타남을 확인했다.

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Fig. 6.

Comparison with Diesel engine flue gas.

가정에 실제로 공급되는 도시가스는 메탄 이외에도 에탄, 프로판, 부탄 등의 탄화수소가 포함되어 있다. 그러나 천연가스를 구성하는 탄화수소의 조성은 천연가스의 산출지에 따라 변화하므로 특정한 대표 조성을 선택하기는 쉽지 않다[14]. 따라서 본 연구에서는 도시가스 성분의 85% 이상을 차지하는 메탄만을 연료로 하여 가정용 가스보일러의 PM1.0 배출 특성을 모사하였다[15].

압축 점화 엔진의 경우 에탄과 프로판의 함량이 높을수록 미세먼지 배출량이 증가하였으나 질소와 수소가 포함되는 경우 그 영향이 줄어들었다고 보고된 바 있다[16]. 이를 고려하면, 도시가스를 연료로 하는 가정용 가스보일러의 경우 미세먼지의 발생량은 소량 증가할 수 있으리라 생각된다.

3.2 입자상 물질과 NOx의 관계

DMS500을 이용하여 적열모드의 연소 조건에서 구한 크기별 입자 수에 대한 정보의 경향성을 비교하기 위해, 5~10 nm, 10~100 nm, 100~1000 nm 구간에 해당하는 입자 개수를 각각 구했다. BQ20을 이용해 얻은 PM2.5와 PM10의 개수 데이터를 포함하여 전체 결과를 Table 3에 제시하였다. 일반적인 운전 조건에 가까운 당량비 0.9에 대하여 연소기 표면소재의 종류와 총 유량에 따른 입자상 물질의 개수를 나타낸 결과이다. 배출 개수가 107 이상일 경우에는 진한 색으로 나타내었는데, 그래프들의 경향과 마찬가지로 유량이 클수록 100 nm 이하의 입자상 물질들이 많이 배출됨을 알 수 있다. 30 lpm일 때 전체적으로 가장 많은 극미세 입자가 생성되었는데, 표면소재의 종류별로 결과를 비교해보면 보일러에 사용되는 메탈파이버에서 입자상 물질이 가장 많이 배출되고, 나머지 타공판과 소결금속판에서는 비교적 적은 수의 입자상 물질이 배출되는 것을 확인할 수 있다.

Table 3.

Number of PM at Φ=0.9

Φ=0.9 Particle diameter [nm]
metal Q 5-10 10-100 100-1000 2.5 10
metal fiber 10 6.2E+06 5.2E+06 5.0E+06 99 5
20 1.4E+09 4.4E+08 3.0E+06 99 5
30 4.7E+09 1.0E+10 9.7E+05 99 5
perforate 10 1.9E+06 5.9E+06 2.0E+06 113 5
20 5.5E+07 2.0E+06 1.0E+06 85 4
30 4.1E+08 1.6E+07 1.5E+06 56 2
sintered mat 10 1.3E+06 3.2E+07 5.2E+04 85 4
20 2.8E+08 5.5E+06 1.2E+03 71 3
30 1.8E+09 9.6E+08 1.5E+06 127 6
Air 9.4E+05 2.0E+06 1.1E+06 85 4

작지만 그 개수는 많은 입자들(PM0.1 이하)과 크지만 그 개수는 적은 입자들 중 무엇이 미세먼지의 총 질량에 더욱 주요한 영향을 미치는지 알기 위해 미세먼지 크기에 따라 그 질량을 환산하여 비교했다. PM2.5와 PM10의 경우 BQ20을 사용하여 개수와 질량 모두 측정할 수 있었으나, DMS 500으로 측정한 데이터의 경우 개수에 대한 데이터만 제공하기 때문에 개수 데이터에 기반하여 대략적인 질량 데이터를 산출하였다. Cambustion 사에서 사용하는 DMS500의 질량 환산식은 다음과 같다[17].

$$M(\mu g)=C_{den}\times D_p^{n_P}$$ (1)

식 (1)에서 Dp는 입자의 지름을 뜻하며, Cden는 밀도상수, nP는 부피환산 지수를 뜻한다. 가솔린 엔진의 경우 Cden=5.2E-16, nP=3이며, 디젤 엔진에서는 Cden=2.2E-15, nP=2.65이다. 이러한 값들을 본 연구에서 그대로 사용되는 것은 합리적이지 않아서, BQ20에서 측정한 질량 데이터를 사용하여 새롭게 도출한 값인 Cden=1.4664E-13, nP=2.5570를 사용하였다.

Fig. 7은 가장 대표적인 경우로 메탈파이버 버너에서 DMS500으로 측정한 PM0.1이하의 극미세입자들의 질량 및 개수를 DMS500으로 측정되는 모든 범위의 입자의 총 질량 및 개수로 나누어 각각의 당량비에 대해 총유량별로 나타낸 것이다. 극미세입자는 그 크기가 작아 질량 기여도는 심각하게 생각하지 않는 경우가 많지만, 미세입자 개수의 증가가 지수적으로 증가하는 경우에 한해서는 극미세입자들의 전체 질량에서 차지하는 비중이 무시하지 못할 수준으로 커지는 것을 확인했다. 즉, 크기가 작으나 급격히 배출되는 PM0.1 이하의 미세입자에 대한 고려가 이루어져야 정확한 미세먼지 규제를 성립할 수 있다고 판단된다.

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Fig. 7.

Mass and Number ratio of ultra-fine particles (<PM0.1) for the gas boiler metal fiber.

Testo 330 연소 가스 분석기로 측정한 배출 가스의 NOx 배출량은 Fig. 8과 같다. 가스보일러용 메탈파이버를 장착한 버너에서 측정한 결과로 프로브에서 연소 가스가 아닌 주변 공기가 희석되는 효과를 환산하여 나타냈다. 유량이 증가하고 당량비가 커질수록 NOx 배출이 증가하는 경향성을 보이는 것을 확인했다. 총유량이 클 때 당량비 0.8 이하의 조건에서 현재 NOx 규제를 만족함을 확인할 수 있었고 실제 보일러는 연소 희박 조건에서 운전되어야 한다고 판단할 수 있다. 하지만 환경표지 인증 가스보일러는 열효율 92%를 달성해야 하므로 당량비 0.8 조건보다 더 높은 당량비로 운전할 필요가 있다. 따라서 저 NOx와 고효율 목표를 동시에 달성하기 위해서는 더 많은 연소 기술이 연구될 필요가 있다.

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Fig. 8.

NOx emission for the gas boiler metal fiber.

한 가지 언급할만한 경우로 유량이 적은 적열모드에서는 당량비 1 조건에서도 NOx가 17 ppm으로 적게 배출되었는데, 이는 국내에서 2020년부터 규제하는 보일러의 NOx 배출 1등급 기준인 20 ppm 보다 낮아서, NOx 규제만 고려할 때에는 저유량에서 진행한 실험 조건들이 모두 보일러 규제에 적합한 운전 조건인 것을 확인할 수 있었다. 하지만 이처럼 NOx 규제를 만족함에도 불구하고 여전히 입자상 물질은 상당량이 배출될 수 있으므로, 향후 극미세 입자의 인체의 유해성이 검증된다면 이에 대한 새로운 규제가 필요할 수도 있다고 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 도시가스를 사용하는 가정용 가스보일러의 미세먼지 특성을 파악하기 위해 가정용 가스보일러 연소기의 일반적 특징을 모사할 수 있는 메탄-공기 예혼합연소기에 대해 미세먼지의 발생 및 배출 특성을 실험적으로 측정하였다.

2020년부터 대기관리권역에서 유통되는 가스보일러의 경우 NOx 배출량을 35 mg/kWh 이하로 규제하고 있는데, 본 연구에서 연소기의 표면 소재를 세 가지로 변경하고 당량비와 유량을 변화시키며 실험한 결과, 당량비 0.8 이하의 일반적인 운전조건에서 NOx 규제를 만족할 수 있으며, 이러한 조건에서는 기존의 대기환경 기준에 해당하는 PM10, PM2.5의 기준과 NOx 기준 역시 대부분 만족함을 확인하였다.

하지만 유량이 적은 적열모드 조건에서 PM0.1(100 nm 이하의 크기)에 해당하는 극미세입자 물질들의 개수가 기하급수적으로 커질 수 있음을 확인했다. 이러한 극미세입자의 질량은 PM2.5와 PM10에도 일부 영향을 미칠 수 있는 수준이며, 배출되는 개수가 다른 입자상 물질보다 압도적으로 클 수 있기 때문에 인체에는 더 큰 해를 끼칠 가능성이 존재함을 보고하였다.

향후 이 부분에 대한 의학적 판단이 필요하며, 인체 위해성이 확인될 경우에는 가스연소기의 적열 모드에서 PM0.1 이하의 극미세입자에 대한 추가적인 규제를 고려할 필요가 있다고 제안한다.

Acknowledgements

이 논문은 KAIST에서 지원하는 2020년도 글로벌 특이점 연구사업(N11200029)으로 수행된 연구이다.

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