샘플링방법에 따른 생활폐기물 소각시설의 CH₄ 배출계수 비교 연구

2.1 연구 대상시설 선정

우리나라의 생활폐기물 소각방식은 스토커방식, 고정상방식, 유동상방식, 열분해방식, 용융방식, 기타방식으로 분류되며, Table 1과 같이 전국 생활폐기물 소각처리시설 178개소 중 스토커방식이 137개소(77%)로 가장 많았다(Ministry of Environment, 2017).

Table 1.

Comparison of domestic waste incineration methods

본 연구는 생활폐기물이 많이 배출되고 비교적 접근이 용이한 서울지역의 생활폐기물 소각처리시설 중 가장 많이 사용되는 스토커 소각시설을 대상시설로 선정하였다. 선정한 시설은 24시간 연속 소각하는 소각량 400 ton/day 규모의 시설이다.

2.2 시료채취 및 분석방법

2.2.2 시료 중 CH₄ 농도 분석방법

간헐포집과 연속포집을 이용하여 포집한 시료는 실험실에서 가스크로마토그래피법(Gas Chromatography, GC)을 이용하여 분석하였다. 가스크로마토그래피법은 기체 시료를 운반가스와 혼합하여 고정상(컬럼)을 통과하게 하여, 그 과정 중 시료와 고정상의 작용에 의해 성분을 분리·정량하는 방법이다. CH₄의 농도 분석은 디텍터로 GC-FID(Gas Chromatography Flame Ionization Detector, FID)를 사용하는 Varian CP-3800을 사용하였으며, 분석 조건은 Table 2와 같다. 컬럼은 스테인레스강 소재의 Porapack Q 80/100를 사용하였고, 운반가스(N2, 99.999%)와 H₂, Air 의 유량은 각각 25 ml/min, 30 ml/min, 300 ml/min으로 설정하였다. 시료 주입구와 오븐, 검출기의 온도는 각각 120℃, 70℃, 250℃로 설정하였다. 연속측정 방법의 CH₄ 농도 분석은 시료채취 기간 동안 대상시설에 CH₄ 연속측정장비를 설치해 현장에서 직접 실시하였다.

Table 2.

Gas Chromatography analysis conditions

2.3 CH₄ 배출계수 산정방법

CH₄ 배출계수 개발을 위한 배출량 산정방법은 ‘온실가스·에너지 목표관리제 지침’에서 제시하고 있는 「굴뚝자동측정기 등 배출가스 연속측정방법을 활용한 배출량 산정방법론」을 사용하였다. 굴뚝연속자동측정기에 의한 배출량 산정방법은 CO₂ 배출량에 대한 산정식만 제시하고 있으므로, 이 식을 활용하여 CH₄ 배출계수를 산정하였다.

본 연구에 활용한 CH₄ 배출계수 산정식은 다음 식 (1)과 같다.

EF_CH4 : CH₄ 배출계수(g-CH₄/ton-waste)
C_CH4 : CH₄의 일 평균농도(ppm) (건연소가스 기준)
K : $$ \frac{16}{22.4}$$(kg/Sm³)
Q_day : 1일 적산 유량(Sm³/day) (건연소가스 기준)
W : 1일 소각량(ton-waste/day)

3.1 시료채취 방법별 CH₄ 농도 분석 결과

간헐포집 시료는 총 2차에 걸쳐 6일간 포집을 실시하였고, 30분 간격으로 시료를 3분간 포집하여 하루에 9개의 시료를 확보하였다. 채취된 시료는 온습도가 유지되는 실험실에서 CH₄의 유실률을 고려하여 분석 전까지 차광을 한 상태로 보관하였으며, GC-FID를 이용하여 분석하였다. CH₄ 농도 분석은 3회 반복 실시하여 평균값을 농도로 사용하였다.

간헐포집 시료의 1차 측정 CH₄ 농도는 0.364 ppm ~ 0.455 ppm의 분포를 보였으며, 1차 측정 평균농도는 0.411 ppm로 나타났다. 1차 측정 상대표준편차는 1.41% ~ 4.80%의 범위를 보였다. 간헐포집 2차 측정 CH₄ 농도는 0.488 ppm ~ 0.773 ppm의 분포를 보였으며, 2차 측정 평균농도는 0.587 ppm으로 나타났다. 2차 측정 상대표준편차는 3.98% ~ 12.19%의 범위를 보였다. 간헐포집에 따른 CH₄ 농도를 다음 Table 3에 나타냈다.

Table 3.

CH4 concentration in Intermittent collection sample

연속포집 시료는 총 2차에 걸쳐 6일간 포집하였다. 샘플링 일정상 1차 연속포집 시료는 5개, 2차 연속포집 시료 5개를 확보하였다. 채취된 시료는 간헐포집 시료와 마찬가지로 온습도가 유지되는 실험실에서 CH₄의 유실률을 고려하여 분석 전까지 차광을 한 상태로 보관하였으며, GC-FID를 이용하여 분석하였다. CH₄ 농도 분석은 3회 반복 분석을 실시하여 평균값을 농도로 사용하였다.

연속포집 시료의 전체 CH₄ 농도 범위는 0.392 ppm ~ 0.676 ppm으로 나타났으며, 연속포집 1차 측정 평균농도는 0.399 ppm, 2차 측정 평균농도는 0.570 ppm으로 분석되었다. 연속포집 1차 측정 CH₄ 농도의 표준편차는 0.013이고, 상대표준편차는 3.24%로 나타났다. 연속포집 2차 측정의 경우, CH₄ 농도의 표준편차는 0.079이며 상대표준편차는 13.8%로 나타났다. 연속포집시료는 상대적으로 다른 샘플링방법보다 상대표준편차가 비교적 낮게 산정되었으며 이는 포집기간의 평균 농도를 나타내는 연속포집의 특성 때문으로 판단된다. 연속포집에 따른 CH₄ 농도를 다음 Table 4에 나타냈다.

Table 4.

CH4 concentration in Continuous collection sample

연속측정 시료는 총 2차에 걸쳐 6일간 측정을 실시하였다.

연속측정 시료의 경우, 1차 측정 CH₄ 농도 범위는 0.271 ppm ~ 0.461 ppm으로 나타났다. 하지만 1차 측정 1일차, 2일차, 3일차 샘플링의 CH₄ 평균농도는 비교적 큰 차이를 보이지 않았다. 2차 측정 CH₄ 농도 범위는 0.286 ppm ~ 0.762 ppm으로 나타났으며, 2차 측정 중 2일차의 평균 CH₄ 농도가 0.554 ppm으로 가장 높았다. 연속측정 방법에 따른 CH₄ 농도를 다음 Table 5에 나타냈다.

Table 5.

CH4 concentration in Continuous measurement sample

3.2 측정방법에 따른 CH₄ 배출계수 산정

CH₄ 배출계수의 산정은 식 (1)을 사용하였다.

측정방법에 따른 1차 측정 CH₄ 배출계수 산정 결과, 간헐포집에 따른 1차 측정 CH₄ 배출계수 최댓값은 0.179 g-CH₄/ton-waste, 최솟값은 0.154 g-CH₄/ton-waste로 나타났으며, 간헐포집 1차 측정 평균 배출계수는 0.167 g-CH₄/ton-waste로 나타났다. 연속포집에 따른 1차 측정 CH₄ 배출계수 최댓값은 0.164 g-CH₄/ton-waste, 최솟값은 0.157 g-CH₄/ton-waste로 나타났으며, 연속포집 1차 측정 평균 배출계수는 0.161 g-CH₄/ton-waste로 나타났다. 연속측정에 따른 1차 측정 CH₄ 배출계수 최댓값은 0.156 g-CH₄/ton-waste, 최솟값은 0.128 g-CH₄/ton-waste로 나타났으며, 연속측정 1차 측정 평균 배출계수는 0.143 g-CH₄/ton-waste로 나타났다. 각 측정방법에 따른 1차 측정 CH₄ 배출계수 평균값 중에서 최솟값과 최댓값의 차이는 0.024 g-CH₄/ton-waste였다.

측정방법에 따른 2차 측정 CH₄ 배출계수 산정 결과, 간헐포집에 따른 2차 측정 CH₄ 배출계수 최댓값은 0.273 g-CH₄/ton-waste, 최솟값은 0.192 g-CH₄/ton-waste로 나타났으며, 간헐포집 2차 측정 평균 배출계수는 0.236 g-CH₄/ton-waste로 나타났다. 연속포집에 따른 2차 측정 CH₄ 배출계수 최댓값은 0.271 g-CH₄/ton-waste, 최솟값은 0.212 g-CH₄/ton-waste로 나타났으며, 연속포집 2차 측정 평균 배출계수는 0.237 g-CH₄/ton-waste로 나타났다. 연속측정에 따른 2차 측정 CH₄ 배출계수 최댓값은 0.224 g-CH₄/ton-waste, 최솟값은 0.198 g-CH₄/ton-waste로 나타났으며, 연속측정 2차 측정 평균 배출계수는 0.209 g-CH₄/ton-waste로 나타났다. 각 측정방법에 따른 2차 측정 CH₄ 배출계수 평균값 중에서 최솟값과 최댓값의 차이는 0.028 g-CH₄/ton-waste로 1차 측정과 비교했을 때, 0.004 g-CH₄/ton-waste의 차이를 보였다. 측정방법에 따른 배출계수는 다음 Table 6에 나타내었다.

Table 6.

CH4 emission factor by measurement method(Unit: g CH4/ton-waste)

3.3 통계적 기법을 활용한 CH₄ 배출계수의 비교분석

대부분의 통계분석에서는 일반적으로 모집단이 정규성일 따를 것이라는 가정 하에 진행되기 때문에 정규성을 따르지 않는 모집단의 경우 일반적인 검정법과는 달리 비모수 통계 방법을 사용해야한다(Lee and Im, 2011). 본 연구에서는 3가지 측정방법으로 산정된 CH₄ 배출계수 집단의 정규성을 검정하기 위해 통계프로그램 SPSS 21을 사용하였다. SPSS 21에서는 정규성 검정에서 Kolmogorov–Smirnov와 Shapiro-Wilk 방법을 제공한다.

3가지 측정방법에 의한 배출계수는 2000개 이하이므로, Shapiro-Wilk test를 시행하였다(Royston, 1992). 정규성 검정에는 ‘표본이 정규분포를 따른다.’는 귀무가설과 ‘표본이 정규분표를 따르지 않는다.’는 대립가설을 사용하였으며, 유의수준은 0.05이다.

이에 따른 정규성 결과는 다음 Table 7에 나타내었다.

Table 7.

Normality test of CH4 emission factor by measurement method

Shapiro-Wilk test 결과 간헐포집, 연속포집, 연속측정의 유의확률은 각각 순서대로 0.386, 0.228, 0.931로 나타났다. 3가지 방법의 유의확률이 모두 0.05보다 큰 값을 나타내므로 정규성을 가지고 있다고 판단된다. 하지만 표본의 수가 일반적으로 30개 미만일 경우 비모수 통계방법을 이용하여 분석할 수 있으므로(Park et al., 2014), Kruskal-Walis test를 통하여 검정하였다. Kruskal-Walis test에는 ‘3가지 방법의 CH₄ 배출계수분포는 다르지 않다.’는 귀무가설과 ‘3가지 방법의 CH₄ 배출계수분포는 다르다.’는 대립가설을 사용하였으며, 유의수준은 0.05이다.

검정결과, Kruskal-Wallis 검정통계의 유의수준은 0.796으로 유의수준 0.05보다 크기 때문에 귀무가설을 기각하지 못하는 것으로 검정되었다. 따라서 통계적으로 샘플링 방법에 따른 CH₄ 배출계수의 분포는 같다고 볼 수 있으며, 생활폐기물 소각시설에서 간헐포집과 연속포집, 연속측정을 통한 CH₄ 배출계수는 95% 신뢰구간에서 차이가 없는 것으로 판단할 수 있다.