외열킬른형 열분해용융시설의 N₂O 배출계수 개발

1. 서 론

우리나라의 온실가스 총 배출량은 2013년 기준 694.5 백만tonCO₂eq이며, 이 중 폐기물분야에서 배출되는 온실가스 배출량은 15 백만tonCO₂eq로 국가 온실가스 배출량의 2.2%를 차지하고 있다. 폐기물분야의 온실가스 배출원은 소각, 매립, 하·폐수처리, 기타 등으로 구분하고 있으며, 폐기물분야의 2013년 온실가스 배출량 중 소각부문의 배출량이 46.7%로 가장 큰 비중을 차지하고 있다.

국내 폐기물소각시설은 스토커방식, 유동상방식, 열분해용융방식, 고정상방식 등으로 구분할 수 있다. 국내에서 운영되고 있는 소각방식은 지방자치단체의 시설을 중심으로 2011년 기준 스토커방식이 131개소로 가장 많고, 그 다음으로는 고정상방식이 18개소, 열분해용융방식이 15개소로 조사되었다. 열분해용융시설은 생활폐기물의 안정적·친환경적인 처리를 강화하기 위해 2008년 이후로 꾸준히 증가하고 있다. 폐기물소각부문의 열분해용융시설은 폐기물의 무해처리 및 대기오염의 극소화에 대한 해결책으로 환경적 문제를 해결하기 위해 추진되고 있는 공법이다.

폐기물소각부문에서 배출되는 온실가스 중 CO₂에 대한 연구는 다수 진행되고 있으나(Kim, 2011; Lee, 2012; Lim, 2012; Kang, 2014), N₂O 관련 연구는 매우 부족한 실정이다. 폐기물소각 시설에서 배출되는 온실가스(CO₂, N₂O)에 대한 연구는 주로 스토커소각시설을 중심으로 이루어졌으며, 열분해용융시설에 대한 연구는 미흡하다.

본 연구에서는 열분해용융시설의 N₂O 배출량을 보다 정확하게 산정하기 위해 외열킬른형(R-21) 열분해용융시설의 N₂O 배출계수를 개발하고자 한다. 이를 통해 생활폐기물 부문의 국가 온실가스 인벤토리 신뢰도 향상에 기여하고자 한다.

2. 연구 방법

2.1 대상시설 선정 및 현장조사

본 연구 대상시설은 200 ton-waste/day(100 ton-waste/day × 2) 규모의 외열킬른형 열분해용융시설로 24시간 폐기물을 소각하는 연속방식이다. 대상시설의 공정은 Fig. 1에서 보는 바와 같이 열분해드럼과 용융로를 이용하여 폐기물을 소각하고 있다. 연소가스 냉각설비의 경우 고온공기가열기와 폐열보일러를 이용하여 연소가스를 냉각하고 있다. 연소가스 처리공정은 1차 여과집진기, 반건식 반응탑(SDR), 2차 여과집진기, 가스가열기, 선택적 촉매반응탑(SCR) 순서로 구성되어 있다.

Fig. 1.

Process flow chart of the pyrolysis melting facility.

현장측정은 2016년 3월에서 4월까지 총 2회에 걸쳐 실시하였다. 1차는 3월 29일부터 3월 31일까지, 2차는 4월 26일부터 4월 28일까지 측정하였다.

2.2 N₂O 농도 측정

본 연구에서는 Fig. 2에서 보는 바와 같이 광음향분광법(Photo-Acoustic Spectroscopy; PAS) 측정기를 이용하여 대상시설에서 배출되는 N₂O 농도를 측정하였다. 대상시설에서 배출된 연소가스는 전처리장치를 이용하여 일정온도로 냉각시킨 후 수분을 제거한다. 전처리장치를 거친 연소가스는 1 Liter/min의 유량으로 측정기기에 공급하도록 설정하였으며, 공급된 유량 중 측정기에서 필요로 하는 유량을 제외하고 외부로 배출되도록 설정하였다. LSE-4405는 기기주변 온도가 높을 경우 측정이 정지되는 점을 고려하여 주변온도가 낮고 환기가 원활한 곳에 측정기를 위치시켰다. 전처리장치에서 수분이 완벽하게 제거되지 않기 때문에 흡착제가 채워진 trap을 설치하여 수분과 간섭물질을 제거하였다.

Fig. 2.

Flue gas sampling schematic diagram of the pyrolysis melting facility.

2.3 정도관리(QA/QC)

본 연구에서 사용할 광음향분광법(PAS)측정기의 정도관리를 위해 농도변화에 따른 응답시간과 직선성, 반복성을 평가하였다. N₂O 농도에 따른 반응속도 평가는 N₂O 표준가스 0.1 ppm, 0.5 ppm, 1 ppm(Rigas, Korea)의 농도변화에 따른 증가 응답시간과 감소 응답시간을 구분하여 측정하였다. 증가 응답시간의 경우, 저농도에서 고농도로 변화할 경우 측정기기가 목표농도의 95%에 도달하는 지점까지의 시간을 기준으로 하였다. 감소 응답시간의 경우, 고농도에서 저농도로 변화시켰을 때 측정기기 목표농도의 5% 이내에 도달한 시점까지의 시간을 기준으로 하였다(Sah et al., 2008). 직선성의 경우 표준가스를 측정하여 확인하였고, 반복성의 경우 한 농도의 표준가스를 10회 측정하여 확인하였다.

2.3.1 Photoacoustic Spectroscopy(PAS) 방법의 응답시간

Photoacoustic Spectroscopy(PAS) 방법은 연속 측정하는 방법이기 때문에 농도변화에 따른 응답성이 우수해야 한다. 최초응답시간의 경우 3분 20초대로 나타났으며, 표준가스의 농도를 증가하였을 때 목표 농도까지 안정화되는데 7분 10초의 시간이 걸렸다. 고농도에서 저농도로 N₂O 농도를 변화시킨 경우의 증가 응답시간은 7분 정도로 나타났으며, 저농도에서 고농도로 N₂O 농도를 변화시킨 경우의 감소 반응시간은 증가 응답시간과 큰 차이를 나타내지 않았다. Fig. 3은 측정 농도에 따른 반응시간을 나타낸 것이다.

Fig. 3.

The response time of the PAS due to the change in the flue gas concentration.

2.3.2. Photoacoustic Spectroscopy(PAS) 방법의 직선성 평가

본 연구에서는 정도관리(QA/QC)를 위해 서로 다른 농도의 N₂O 표준가스를 5회 이상 측정하였다. 표준가스의 농도는 각각 0.1 ppm, 0.25 ppm, 0.5 ppm, 1 ppm이며, 1 ppm을 제외한 모든 농도는 1 ppm의 표준가스(Rigas, Korea)를 희석하여 측정하였다. 4개의 표준가스를 5회 반복 측정하고, 검량선을 작성하여 직선성을 확인하였다. 확인 결과, Fig. 4와 같이 R²값이 0.99 이상으로 매우 우수한 직선성을 나타냈다.

Fig. 4.

Evaluation of the linearity of the PAS.

2.3.3 Photoacoustic Spectroscopy(PAS) 방법의 반복성 평가

PAS 방법의 반복성 평가는 Table 1에서 보는 바와 같이 1 ppm 표준가스(Rigas, Korea)를 10회 반복 측정하여 평가하였다. 측정결과, 평균 농도는 1.047 ppm으로 나타났으며, 표준편차의 경우 0.014, 상대표준편차는 1.31%를 나타냈으며, 표준가스의 농도보다 평균 0.05 ppm 높게 측정되었다.

Table 1

Reproducibility of N2O concentration

PAS 방법의 상대표준편차는 선행연구(M.GOMES DA SILVA, 2006)의 반복성 결과와 유사한 1%로 나타났으며, ISO 1564에서 제시하고 있는 재현성 3%보다 낮게 측정되어 우수한 반복성을 나타냈다.

3. 연구 결과

3.1 N₂O 농도 측정 결과

본 대상시설 연소가스의 N₂O 농도는 광음향분광법을 이용한 실시간측정기(LSE monitors, LSE-4405)를 이용하여 측정하였다. 측정은 2016년 3월부터 2016년 4월까지 총 6회에 걸쳐 측정하였다. 측정 결과, N₂O 최소농도는 0.013 ppm 최고농도는 0.733 ppm으로 나타났으며, N₂O 농도의 평균값은 0.263 ppm이었다.

1차 조사(3/29∼3/31) 기간의 N₂O 일 평균농도는 0.216∼0.231 ppm의 범위로 측정되었으며, 전체평균농도는 0.223 ppm, 표준편차는 0.039, 상대표준편차는 17.38%로 나타났다.

2차 조사(4/26∼4/29) 기간의 N₂O 일 평균농도는 0.259∼0.368 ppm의 범위로 측정되었으며, 전체평균농도는 0.302 ppm, 표준편차는 0.093 ppm, 상대표준편차는 30.31%로 나타났다. 측정결과는 Table 2에 정리하였다.

Table 2

N2O concentration by PAS method (Unit: ppm)

3.2 N₂O 배출계수 개발

Table 4에서 보는 바와 같이, N₂O 배출계수 개발 결과는 0.829 gN₂O/ton-waste로 나타났다. 대상시설의 로내온도는 1,231∼1,408℃로서 스토커소각시설에 비해 평균온도가 높기 때문에 N₂O 농도가 낮게 나타난 것으로 판단된다.

Table 3

The N2O emission factor of the pyrolysis melting facility

1차 조사(3/29∼3/31)의 평균 N₂O 배출계수는 0.741 gN₂O/ton-waste로 산정되었다. 2차 조사(4/26∼4/28)의 평균 N₂O 배출계수는 0.893 gN₂O/ton-waste로 산정되었다. 전체 평균 N₂O 배출계수는 0.829 gN₂O/ton-waste로 나타났다.

대상시설의 폐기물소각량은 전체 측정일 기준으로 평균 87 ton/day이며, 1차 조사(3/29∼3/31)의 일 평균 소각량은 86.7 ton-waste/day, 2차 조사(4/26∼4/28)의 일 평균 소각량은 86.3 ton-waste/day로 거의 차이를 보이지 않았다.

Clean SYS를 통해 확보한 유량의 경우, 1차 조사는 145,120 Sm³/day, 2차 조사는 127,349 Sm³/day로 1차 조사의 평균 유량이 2차 조사의 평균 유량보다 더 크게 나타났다. 평균 로내온도는 1차 조사의 경우 평균 1,323℃이며, 최소 1,241℃에서 최대 1,408℃의 온도분포를 나타냈다. 2차 조사의 평균 로내온도는 1,316℃로 나타났으며, 최소 1,231℃에서 최대 1,394℃ 온도를 나타냈다.

본 연구에서 조사한 외열킬른형 열분해용융시설의 N₂O 농도는 평균 0.263 ppm이며, 선행연구인 샤프트로 열분해용융시설의 평균 N₂O 농도인 2.96 ppm과 비교하여 약 11배 이상 작은 값을 보였다(Lee et al., 2015).

Table 4에서 보는 바와 같이 평균 로내 온도의 경우 외열킬른형이 1,316.5℃, 샤프트로 방식이 991℃로 약 300℃ 이상의 차이를 보이며, 굴뚝에서 배출되는 NOx 농도의 경우, 각각 34.64 ppm, 28.29 ppm으로 외열킬른형이 평균 6 ppm 이상 높게 나타났다.

Table 4

Average N2O and NOx concentration of flue gas and the furnace temperature of pyrolysis melting facilities

본 연구의 외열킬른형 열분해용융기술과 선행연구인 샤프트로방식 열분해용융기술의 배출계수가 다르게 나타난 것은 로내온도와 산소농도의 차이에 따른 것으로 추정된다. 본 연구의 대상시설은 저산소 상태에서 평균 1,300℃에서 운전되고 있으며, 선행연구의 대상시설은 순산소를 투입하여 평균 992 ℃에서 공정이 이루어지고 있다. 기술별 일 단위 소각량을 비교해 보면 큰 차이를 나타내지는 않지만, N₂O 배출계수는 선행연구가 약 18배 이상 높게 나타났다. 이것은 외열킬른형 열분해용융시설의 노내 평균온도가 약 1,300℃이고, 샤프트로의 노내 평균온도가 약 990℃인데, 폐기물소각 시설에서 배출되는 N₂O 농도가 990∼1,030℃에서 최대로 생성되며, 1,030℃ 이상에서는 감소하는 특성을 가지고 있기 때문이다(Jeong MS, 2012). 또한, N₂O 농도는 소각 시 투입되는 O₂ 농도에 따라서 변화가 있는 것으로 알려져 있으며(Kim JM, 2011), O₂ 농도가 낮을수록 NOx 분해율이 증가하고, N₂O 생성률이 감소하는 특징(이우찬 외, 2012)을 보이고 있다. 이에 따라 저산소를 사용하는 대상시설의 N₂O 배출계수가 순산소를 사용하는 선행연구보다 N₂O 배출계수가 작게 나타나는 것으로 분석된다. 더불어 본 연구의 탈질시설인 SNCR이 설치된 경우, SCR이 설치된 경우보다 N₂O 배출농도가 약 1.5배 높게 나타남을 보여주는 선행연구결과(Mario Grosso, 2013; Sanwon Park et al., 2011)도 있으므로, 탈질시설의 차이도 N₂O 배출계수에 영향을 미쳤을 것으로 추정된다.

Table 5

Comparison of N2O emission factor of the waste incineration facility

4. 결 론

본 연구에서는 PAS 방법을 이용하여 외열킬른형 열분해용융시설의 N₂O 배출농도를 측정하고, 대상시설의 N₂O 배출계수를 개발하였다. 대상시설의 소각용량은 200 ton-waste/day (100 ton-waste/day × 2)이며, 평균 소각량은 87 ton-waste/day (2호기)이다.

본 연구는 2016년 3월부터 4월까지 2차에 걸쳐 N₂O 농도를 측정하였다. 굴뚝측정공에 N₂O 연속측정기기인 LSE-4405를 설치하고, PAS 방법을 이용하여 24시간 연속 측정하였다. 측정시, 전처리기기(냉각, 펌프)를 이용하여, 배기가스의 수분을 제거하여 측정기기에 공급하고, 전처리기기와 측정기기 사이에 흡착제가 채워진 trap을 설치하여 2단계에 걸쳐 수분과 간섭물질을 제거하였다.

본 연구에서 측정된 열분해용융시설의 N₂O 배출농도는 평균 0.263 ppm으로 나타났으며, 0.013∼0.733 ppm 범위의 배출농도 분포를 나타냈다. 이를 바탕으로 외열킬른형 열분해용융시설의 N₂O 배출계수는 0.829 gN₂O/ton-waste로 산정되었다.

2006 IPCC G/L에 표기된 폐기물소각시설의 N₂O 배출계수는 스토커 방식, 유동상 방식의 배출계수만 제시하고 있으며, 열분해용융시설의 N₂O 배출계수는 제시하고 있지 않다. 선행연구(Lee et al., 2015)의 N₂O 배출계수와 본 연구의 N₂O 배출계수를 비교해 보면 열분해용융기술에 따라서 배출농도가 다르다는 것을 알 수 있다. 이는 열분해용융시설의 종류에 따라 N₂O 배출계수에 영향을 미치는 로내 온도와 과잉공기(산소)량이 다르기 때문인 것으로 추정된다. 본 연구 결과를 통해 같은 종류의 소각기술방식과 비슷한 수준의 소각량을 처리해도 순산소 투입 여부, 로내 운전온도에 따라 시설에서 배출되는 N₂O 배출농도의 차이는 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 같은 종류의 시설임에도 적용기술에 따라 온실가스 배출농도차가 크게 날 것으로 예상되며, 추후에 이러한 연구를 통해 시설 수가 증가하고 있는 열분해용융시설의 온실가스 배출량을 보다 정확하게 산정할 수 있을 것으로 판단된다.

이와 같은 열분해용융소각시설의 배출계수 연구는 폐기물소각부문의 온실가스 인벤토리 신뢰도를 향상시키는데 도움이 될 것으로 판단된다. 또한, 파리 기후변화협약에 따라 앞으로 2023년부터 5년마다 이행점검이 진행될 예정이므로, 사업장폐기물 소각시설의 온실가스 배출계수 개발은 폐기물 소각분야 온실가스 인벤토리 신뢰도 향상 측면에서 중요한 요소라고 판단된다.

Acknowledgments

본 연구는 환경부 ｢기후변화특성화대학원사업｣의 지원으로 수행되었습니다.

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