밀 영농부산물 소각에 따른 온실가스 배출계수 개발

2.1. 밀 영농부산물

밀은 제 2의 주곡으로 우리나라 밀 소비량은 전체 22,086,000 ton (1인당 35.7 kg)이며, 매해 증가하고 있는 추세이다. 농림축산식품부는 국산 밀의 자급률을 확보하고 생산량을 늘리기 위해 2021년도부터 ‘밀 산업육성 5개년 기본계획’을 시행하고 있으며, ‘전략작물직불제’, ‘밀 산업 육성법’ 등을 통해 밀 산업을 육성·지원하고 있다. 이러한 노력으로 우리나라 밀 재배면적은 2023년 기준 약 11,600 ha로 전년도(8,259 ha) 대비 40.5% 증가하였다(KOSTAT, 2024).

국립농업과학원(National Institute of Agricultural Sciences, 2013)에 따르면, 벼의 경우 수확 후 남은 부산물인 볏짚은 가공되어 축사에서 활용되거나 판매 및 경지에 환원되는 비율이 약 97.3%였고, 소각률은 0.42%로 낮았다. 밀은 대표적 이모작 작물로 경작지가 넓고 수확 직후 파종을 진행하기 때문에 소각률이 높다.

영농부산물 시료 수집은 작물생산량이 전라남도(39.68%) 다음으로 많은 전라북도(39.68%) 완주군에 위치하고 있는 국립식량과학원에서 수집하였다(Table 1). 대상시료는 표준재배법을 통해 재배된 금강밀이며, 농촌진흥청(2020)에서 제시하고 있는 밀 작물의 농작업일정을 참고하여 수확시기에 해당하는 6월에 시료를 수집하였다(Fig. 1).

Table 1.

Current status of national wheat cultivation area and ratio

Fig. 1.

Wheat farming schedule

2.2. 무게 및 수분량 측정

본 연구에서는 연소로의 크기 및 작물의 소각 시간을 고려하여 시료 무게는 0.5 ~ 1 kg로 설정하였고, 점화하여 전소될 때까지의 시간 동안 전량 포집하였다. 수분량 함유율은 Kern사의 High-Standard Moisture Analyzer (Germany)를 사용하여 소수점 첫째 자리까지 측정하였다. 현장 특성을 반영하기 위해 밀 영농부산물을 노지방치, 공동집하장 보관 후 수분 함유율을 측정하였다. 각 시료당 무작위 3곳의 평균 수분량을 측정하였으며, 3회 측정을 반복하였다.

Fig. 2.

Agricultural by-product incineration experimental procedure

2.3. 실험 장치 구성

소각실험 시스템은 실제 노천소각 현장을 모사하기 위해 EPA method 5G (Determination of particulate matter emissions from wood heaters (dilution tunnel sampling location)와 EPA-600/R-96-128 (Evaluation of Emission from the Open Burning Of Land-Clearing Debris) 등을 참고하여 구축하였으며, 소각시스템 장치 구성을 위해 고려한 조건은 Table 2와 같다(Yu et al., 2022).

Table 2.

Conditions for incineration system considerations

소각시스템은 연소동, 측정동, 처리동으로 이루어져 있고, 연소동에는 자동 점화하여 시료를 소각할 수 있는 연소로와 후드, 송풍기 등으로 구성하였고, 측정동에는 실험 장치의 전원 시스템, 유량 조절 장치 등을 구성하여 실험에 대한 통합제어시스템을 구성하였다. 처리동에는 전기집진장치(EP, Electrostatic Precipitator)를 구성하여 소각실험에서 나오는 대기오염물질 배출로 인한 주변 대기오염과 민원을 고려하여 실험을 진행하였다(Fig. 3).

Fig. 3.

Schematic diagram of incineration system

2.4. 실험 조건 및 농도 측정

소각 시 배출가스의 유량 및 온·습도는 KIMO사의 CP Class 201 실시간 측정기를 이용하여 측정하였으며, 측정 위치는 배기관의 굴곡 부분이나 단면 모양이 급격하게 변하는 부분을 피하여 배출가스의 흐름이 안정된 곳을 선정하여 측정하였다. 또한, 시료를 연소시키는 동안 노천 소각 현장 묘사를 위해 연소로의 송풍기를 설치하여 외부 공기가 유입되어 자연스러운 연소가 이루어질 수 있도록 하였다. 소각 가스 채취방법은 Fig. 4와 같이, 측정공에 프루브를 연결하여 질량 유량 제어기(Mass Flow Controller, MFC)를 사용하여 일정유량의 가스를 Tedlar bag (SKC, US)에 포집하는 방식으로 하였다(Jeon et al., 2019).

Fig. 4.

Measurement schematic diagram of incineration gas in measurement place

포집한 가스는 GC-FID (Gas Chromatography Flame Ionization Detector)를 사용하여 분석하였다. GC-FID의 컬럼은 스테인레스강 소재의 Porapack Q 80/100을 사용하였고 운반가스(N2)와 H₂, Air의 유량은 각 25 ml/min, 30 ml/min, 300 ml/min으로 하였다. 오븐과 주입구, 검출기의 온도는 각 120℃, 70℃, 250℃로 설정하였다(Table 3).

Table 3.

Gas chromatography analytical conditions

신뢰도 있는 결과값을 얻기 위해 분석 전 표준시료로 검량선을 작성한 후 직선성 평가를 진행하였다. CH₄ 검량선 R² 값은 0.9998이었고, N₂O 검량선 R²값은 1.000으로 우수한 직선성을 보였다(Fig. 5). 모든 가스 시료는 소각실험 시 포집 직후 당일 분석을 원칙으로 하였다.

Fig. 5.

CH4 and N2O calibration curve using standard samples

2.5. 배출계수 산정식

본 연구에서는 밀 영농부산물 소각에 따른 CH₄, N₂O 배출계수를 산정하기 위하여 식 (1), (2)와 같이 계산하였다. 여기서, C는 GC-FID로 분석한 시료 가스의 농도이며, 단위는 CH₄는 ppm, N₂O는 ppb이다. K는 CH₄의 분자량 16.043 kg, N₂O의 분자량 44.013 kg과 표준상태 기체의 1 kmol당 부피 22.4 m³를 의미한다. Q는 배출가스 유량 값으로 덕트 직경 길이와 유속을 이용하여 산정하였고, W는 실험에 사용된 소각 시료량이다.

• CH₄EF : CH₄ 배출계수 (g/kg)
• C_CH4 : CH₄ 농도 (ppm)
• K : 16.043/22.4 (kg/m³)
• Q_min : 배출유량 (Sm³/min)
• W : 소각량 (kg/min)

• N₂O EF : N₂O 배출계수 (g/kg)
• C_N2O : N₂O 농도 (ppb)
• K : 44.013/22.4 (kg/m³)
• Q_min : 배출유량 (Sm³/min)
• W : 소각량 (kg/min)

3.1. 연소조건 및 영농부산물 특성

밀 영농부산물 소각에 따른 온실가스 배출계수 개발을 위하여 20회의 실험을 진행하였으며, 배출유량은 평균 21.61 m³/min이었고, 평균 소각 시간은 15분이었다. 농업과학원(2013)에 따르면, 부산물의 수분 함유율이 30 ~ 40% 이하 수준에서는 소각 시 온실가스 발생량의 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 본 실험에서 밀 부산물 시료의 수분 함유율의 범위는 Table 4와 같이 5.77% ~ 24.93%이었고, 평균 수분 함유율은 11.7%으로 영농부산물 시료의 수분 함유율이 30%미만으로 온실가스 발생량에 큰 영향을 주지 않았을 것으로 판단된다.

Table 4.

Experimental conditions for wheat incineration

3.2. CH₄, N₂O 농도

20개의 시료를 GC로 측정한 결과, CH₄ 농도의 범위는 23.05 ~ 67.05 ppm으로 평균 농도는 46.41 ppm이며, 표준편차는 17.04 ppm으로 나타났다. N₂O 농도의 범위는 205.28 ~ 488.10 ppb으로 평균 농도는 383.84 ppb이었으며, 표준편차는 102.17 ppb으로 나타났다(Table 5).

Table 5.

Results of wheat incineration experiment concentration measurement

3.3. 배출계수 산정 결과

밀 영농부산물 소각에 따른 CH₄와 N₂O 배출계수는 Table 6와 같으며, 배출계수의 범위는 CH₄의 경우 0.418 ~ 1.390 g/kg, N₂O의 경우 0.015 ~ 0.025 g/kg으로 나타났다. CH₄ 배출계수의 평균은 0.814 g/kg이며, 표준편차는 0.218 g/kg으로 나타났고, N₂O 배출계수의 평균은 0.019 g/kg이며, 표준편차는 0.002 g/kg으로 나타났다.

Table 6.

CH4 and N2O emission factor for incineration of wheat by-products

3.4. 배출계수 비교

본 연구에서 산정한 밀 영농부산물 소각에 따른 CH₄와 N₂O 배출계수는 각각 0.816 g/kg, 0.019 g/kg으로 나타났다. 현재 우리나라에서 사용하고 있는 1996 IPCC GL의 배출계수의 경우 단위 없이 상수값으로 제시하고 있어 본 연구의 배출계수와 비교할 수 없었으며, 2006 IPCC GL에서는 ‘식생 유형별 연소-농업잔재물’에서 5가지 물질(CO₂, CO, CH₄, N₂O, NOx)에 대해 배출계수를 제시하고 있어 Table 7과 같이 비교하였다(IPCC (1996, 2000)). 본 연구의 배출계수와 2006 IPCC GL 배출계수를 비교하였을 때, CH₄는 0.816 g/kg과 2.7 g/kg으로 본 연구의 배출계수가 약 0.30배 낮았고, N₂O는 0.019 g/kg과 0.070 g/kg으로 약 0.27배 낮은 값을 나타냈다.

Table 7.

Comparison of this study with 2006 IPCC GL emission factors

2022 국가 온실가스 인벤토리 보고서(National Greenhouse Gas Inventory Report of Korea, 2022)에 따르면, 밀 작물을 제외한 7가지 작물에 대해 탄소 함유율은 국립농업과학원(2008)의 작물종별 탄소 함유율을 적용하였고, 이를 1996 IPCC GL의 질소/탄소 함유비율에 적용한 값을 질소 함유율로 사용하고 있다. 밀 작물의 경우 IPCC GPG 2000 (Good Practice Guidance and Uncertainty Management in National Greenhouse Gas Inventories)의 탄소 및 질소 함유율을 사용하고 있다. 밀 작물의 탄소 함유율은 0.4853으로 영농부산물 소각 부문 8가지 배출원 작물 중 가장 높았고, 질소 함유율은 0.0028로 가장 낮았다(Table 8). 이와 같이 작물의 특성에 따라 탄소 및 질소 함유율이 다르며, 배출계수의 영향을 미치는 것으로 판단된다.

Table 8.

Carbon content and nitrogen content by crop type in agricultural residue burning

3.5. 불확도 산정

2006 IPCC GL에서는 tier 2 불확도 산정 방법으로 몬테카를로 시뮬레이션(monte carlo simulation)을 제시하고 있다. 몬테카를로 시뮬레이션은 무작위 추출된 난수들을 이용하여 함수값을 계산하는 방법이다. 본 연구에는 앞서 산정한 배출계수를 대상으로 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 온실가스 배출계수 불확도를 평가하였으며, 다음과 같은 4단계로 시뮬레이션을 진행하였다.

• 1단계 : 부문별 불확도(확률밀도함수, 불확도 범위) 입력
• 2단계 : 확률밀도함수로부터 변수값 선택
• 3단계 : 배출량 및 흡수량을 산출
• 4단계 : 결과에 대한 반복을 실행하고 감시

Table 9와 같이 CH₄ 배출계수의 중앙값은 0.816 g/kg이었으며, 하위 2.5%의 배출계수는 0.374 g/kg, 상위 97.5%의 배출계수는 1.261 g/kg로 나타났다. 95% 신뢰구간에서 불확도 범위는 –54.1% ~ +54.5%였고, 감마분포로 나타났다. N₂O 배출계수의 중앙값은 0.019 g/kg이었으며, 하위 2.5%의 배출계수는 0.013 g/kg, 상위 97.5%의 배출계수는 0.023 g/kg로 나타났다. 95% 신뢰구간에서 불확도 범위는 -26.9% ~ +27.0%였고, 감마분포로 나타났다(Fig. 6).

Table 9.

Uncertainty range and comparison of emission coefficients

Fig. 6.

Calculation results of uncertainty of emissions factor of CH4 and N2O

IPCC GPG 2000에 따르면, CH₄, N₂O 배출계수의 불확도는 약 ±20%이지만, 영농부산물 소각 분야 활동 데이터의 정확도가 낮고, 매년 연소되는 작물별 소각량의 차이가 있어 불확도 산정의 어려움이 있다고 하였다.

2006 IPCC GL에서는 영농부산물 소각 분야 CH₄, N₂O 배출계수에 대해 불확도 범위를 산정하지 않고 있기 때문에, 본 연구에서 산정한 배출계수와 2.5%, 95% 배출계수를 함께 제시한다면, 보다 신뢰성 있는 배출량을 산정할 수 있을 것으로 사료된다.