Journal of Climate Change Research 2015, Vol. 6, No. 1, pp. 41~47 DOI: http://dx.doi.org/10.15531/ksccr.2015.6.1.41 * * ** *** **** ***** * ( ), **, ***, ****, ***** Emission Characteristics of Air Pollutants and Black Carbon from Wood-pellet Stove and Boiler Park, Sung Kyu *, Lyu, Kun Jung *, Kim, Daekeun **, Kim, Dong Young ***, Jang, Young Kee **** and Jeon, Eui Chan ***** * KOFIRST R&D Center, KF Co. Ltd., 437-120, Korea ** Dept. of Environmental Engineering, Seoul National University of Science and Technology, Jinju, Korea *** Dept. of Environment, Gyeonggi Research Institute, Suwon, Korea **** Dept. of Environment Energy Engineering, The University of Suwon, Suwon, Korea ***** Dept. of Earth and Environment Sciences, The University of Sejong, Seoul, Korea ABSTRACT This study was carried out simulating domestic utilization conditions of a wood pellet stove and a wood pellet boiler in order to determine emission factors (EFs) of macro-pollutants, i.e., carbon monoxide, nitrogen oxides, sulfur oxides, ammonia, particulate matters (total suspended particulate, PM 10, PM 2.5, black carbon) and trace pollutants (i.e., ten different volatile organic compounds). The composite pollutants EFs for the pellet stove were: for TSP 4.58 g/kg, for PM 10 3.35 g/kg, for PM 2.5 2.48 g/kg, CO 119.23 g/kg, NO 14.40 g/kg, SO 2 0.17 g/kg, TVOC 37.73 g/kg, NH 3 0.02 g/kg and emissions were similar to the pellet boiler appliance: for TSP 4.73 g/kg, for PM 10 3.41 g/kg, for PM 2.5 2.63 g/kg, CO 161.51 g/kg, NO 13.67 g/kg, SO 2 0.19 g/kg, TVOC 45.22 g/kg, NH 3 0.02 g/kg. Key words : Pellet Stove, Pellet Boiler, Biomass Burning, Black Carbon, Emission Factor 1. 서론 생물성연소 (biomass burning) 는인간활동또는자연현상에의하여생체 (biomass) 가연소하는것을의미하며, 농업잔재물의연소와산불등의식생 (vegetation) 의연소를포함한다. 전지구적으로약 90% 의생물성연소는인간활동에서직접적인원인을찾을수있다. 일상생활주변에서흔히확인할수있는생물성연소로는농업잔재물또는생활폐기물등노천소각, 나무등을연료로쓰는아궁이또는펠릿난로, 고기직화구이, 숯제조등이있다. 생물성연소는다양한입자상, 가스상의대기오염물질을배출할뿐만아니라, 이산화탄소, 메탄, 아산화질소등온실가스도대량으로배출하여지구온난화의중요한원인이된 다. 국내의선행연구에서도생물성연소의먼지배출량에대하여심각성을보고하고있다. 일반적으로생물성연소는적절한관리가이루어지지않기때문에불완전연소가수반되면서대기오염물질이다량배출되고, 다이옥신등의유해물질이동시에발생할가능성이높으며, 생활주변에서발생하는경우가많기때문에연소에의해발생된대기오염물질은인간에게직접적으로위해를끼치게된다. 펠릿난로및보일러는목재펠릿을주연료로사용하고있으며, 겨울철난방을목적으로사용된다. 국내의목재펠릿은국제유가상승에따른대체에너지개발, 신재생에너지보급확대, 그리고도시가스가공급되지않는지역에지역난방대안으로생산하기시작하였다. 국립산림과학원 (2013) 은목재펠릿의 Corresponding author : mincheon@chol.com Received December 30, 2014 / Revised February 16, 2015(1st), March 12, 2015(2nd) / Accepted March 24, 2015
42 박성규 유근정 김대근 김동영 장영기 전의찬 규격 품질기준에대하여 고체바이오연료중목재펠릿의품질향상및유통질서확립을위해국내에서생산되거나, 외국에서수입되는목재펠릿의규격및품질기준을정하는것을목적으로한다. 라고명시하고있다. 본연구에서는펠릿난로및보일러에서배출되는대기오염물질의배출특성을파악하고자하였으며, 이를위하여국내에서가장보편적으로많이활용하고있는펠릿난로및보일러의모형을활용하였다. 2. 연구방법 2.1 현황조사펠릿난로및보일러사용대수는연간펠릿사용량을이용하여추정한결과, 전국펠릿난로사용대수는 46,735대이며, 펠릿보일러사용대수는 11,116 대로나타났다. 또한펠릿난로및보일러사용자를대상으로실시한설문조사결과, 펠릿난로 1 대당 1일평균연료사용량은 12.8 kg/day(95% 신뢰수준에 ± 10.7% 오차범위 ) 이며, 펠릿보일러의 1일평균연료사용량은 32.5 kg/day(95% 신뢰수준에 ±31.8% 오차범위 ) 로나타났다. 펠릿난로및보일러의 1대당연간평균연료사용량은월별로사용비율이다르기때문에월별사용비율을적용하여산출하였으며, 각각 1,831.5 kg/yr, 4,505.6 kg/yr로나타났다. Table 1. Wood pellet consumption by stove and boiler appliances Month Pellet-stove Pellet-boiler (kg/day) (kg/yr) (%) (kg/day) (kg/yr) (%) Jan. 12.8 395.3 16.2 32.5 1,007.5 21.8 Feb. 11.8 330.3 16.2 28.5 798.3 19.1 Mar. 8.2 255.0 12.3 19.5 604.1 13.1 Apr. 1.6 48.1 6.0 9.1 273.7 6.1 May. 0.7 21.8 3.8 1.1 32.9 0.7 Jun. 0.2 6.1 1.0 0.0 0.3 0.0 Jul. 0.1 2.1 0.3 0.0 0.3 0.0 Aug. 0.3 8.6 0.8 0.0 0.3 0.0 Sep. 0.9 28.1 3.9 0.1 3.2 0.1 Oct. 4.1 126.3 9.5 10.0 311.5 6.7 Nov. 8.3 248.0 13.6 17.1 511.5 11.4 Dec. 11.7 361.7 16.2 31.0 961.9 20.8 Total 60.6 1,831.5 100.0 148.9 4,505.6 100.0 Table 2. Description of the tested appliances 2.2 측정항목및분석방법 Item Burning duration Number of experimental runs Fuel input 펠릿난로및보일러의배출계수를산정하기위하여시중에유통되고있는펠릿연료를사용하였으며, 시장조사를통하여가장보편적인제품을선택하여 Table 2와같이실시하였다. 펠릿난로및보일러사용시발생하는배출가스의입자상및가스상오염물질을측정하기위하여각각의측정장비를사용하였으며, 재현성확보를위하여 수집 계근 연소 측정및분석 항량및칭량 배출가스분석 의순으로동일하게수행하였다. 입자상오염물질은총 3개의등속흡인시료채취장치 (stack sampler) 를이용하여연소가스중에서총먼지 (Total Suspended Particle; TSP), PM 10, PM 2.5 를각각채취하였다. 시료채취장치에는 TSP 홀더, PM 10 Cyclone Kit, PM 2.5 Cyclone Kit를각각장착하였다. 시료채취용여지는원통형여지 (ADVANTEC 88R) 와원형여지 (Whatman QMA 47 mm) 가사용되었으며, 중량농도를분석하기위해마이크로천칭 (1 10 5 mg 단위 ) 를사용하였다. 먼지의입경분포는입도분석기 (Grimm aerosol technik, German) 를사용하여측정하였다. Pellet stove 30 min 6 2 kg/run Pellet boiler 30 min 6 2 kg/run (a) Pellet stove (b) Pellet boiler Fig. 1. The tested commercial scale stove and boiler. Journal of Climate Change Research 2015, Vol. 6, No. 1
목재펠릿난로와보일러사용에의한대기오염물질과블랙카본의배출특성 43 가스상오염물질중 CO, NO, NO 2, SO 2 는실시간가스분석기 (ENERAC 500, USA) 를사용하여연소가스에서직접측정하였다. 그리고 TVOC 및 VOCs 는진공가스포집기를사용하여시료채취주머니 (Tedlar bag) 에포집하여실험실이동후분석하였으며, TVOC 는 FID-200 을이용하여분석하였다. VOCs는포집가스중 3 L를분취하여고체흡착관 (Tenax-TA, Supelco, USA) 를이용하여전량흡착시킨후열탈착장치 (Thermal desorber) 가장착된가스크로마토그래피 (Gas Chromatograph; GC) 및질량분석기 (Mass Spectrometer; MS) 를사용하여 VOCs의성분을분석하였다. 암모니아분석은연소가스를붕산 (0.5 w%) 흡수액에흡수하여인도페놀법으로분석하였다. 발열량은자동열량계 (C2000 bassic version, IKA, Germany) 를사용하여분석되었으며, 원소조성은자동원소분석기 (EA1112, Thermo Fisher Scientific, USA) 를사용하여분석하였다. 오염물질별배출계수는식 (1) 의방법으로산정하였다. 오염물질농도 (mg/m 3 ) 는실측에의한값이며, 총유량 (m 3 ) 은배출구직경 (m 2 ), 유속 (m/s), 측정시간 (min) 을이용하여계산하였고, 연료투입량은실험당시펠릿사용량이다. 배출계수 (g/kg) = 오염물질농도 (mg/m 3 ) 총유량 (m 3 ) 10 3 연료투입량 (kg) (1) 3. 연구결과 3.1 연료의발열량및원소조성펠릿난로및보일러에사용된연료는 2종류의펠릿으로각각 3회씩측정하였다. 펠릿난로의연소실평균출구온도는 363.2, 펠릿보일러의연소실평균출구온도는 110.8 로나타났다. 펠릿난로및보일러의연료수분함유량은각각 10.5%, 13.2% 로나타났으며, 발열량은 4,580.7 kcal/kg 으로나타났다. 또한, 펠릿난로및보일러에사용한연료 ( 펠릿 ) 의원소조성은탄소가 52.48%, 수소 5.82%, 질소 0.06%, 황 0.00%, 산소및기타 41.65% 로나타났다. 3.2 입자상대기오염물질배출계수펠릿난로및보일러의 TSP, PM 10, PM 2.5 의농도및배출계수결과는 Table 5와같다. 펠릿난로의 TSP, PM 10, PM 2.5 의농도는각각 451.96 mg/m 3, 315.67 mg/m 3, 233.97 mg/m 3 로나타났으며, 펠릿보일러의 TSP, PM 10, PM 2.5 의농도는각각 33.47 mg/m 3, 24.45 mg/m 3, 18.65 mg/m 3 로나타났다. 또한, 펠릿난로의 TSP, PM 10, PM 2.5 의배출계수는각각 4.58 g/kg, 3.35 g/kg, 2.48 g/kg으로나타났으며, 펠릿보일러의 TSP, PM 10, PM 2.5 의배출계수는각각 4.73 g/kg, 3.41 g/kg, 2.63 g/kg으로나타났다. Fig. 2는측정된개수농도데이터를질량농도로환산하였으 Table 3. Analytical methods for stove and boiler appliances Emission pollutant Analysis equipment Particulate matters TSP PM 10, PM 2.5 Particle size distribution Stack sampler Stack sampler with PM 10 & PM 2.5 cyclone kit Number concentration Gaseous air pollutants SOx, NOx, CO, CO 2, O 2 Gas analyzer Hazardous air pollutants Others TVOC VOCs Caloric value, moisture, elementary composition FID GC-MS Table 4. Characteristics of the tested wood pellet Sample Moisture content (w/w%) Caloric value (kcal/kg) Elementary composition(%) C H N S Others Pellet stove 10.5 Pellet boiler 13.2 4,580.7 52.48 5.82 0.06 ND 41.65 http://www.ekscc.re.kr
44 박성규 유근정 김대근 김동영 장영기 전의찬 Table 5. Particulate emissions from stove and boiler appliances Sample Concentration (mg/m 3 ) Emission factor (g/kg) TSP PM 10 PM 2.5 TSP PM 10 PM 2.5 Pellet stove 451.96 315.67 233.97 4.58 3.35 2.48 Pellet boiler 33.47 24.45 18.65 4.73 3.41 2.63 (a) Pellet stove (b) Pellet boiler Fig. 2. Particle size distribution of emission. 며, 연소가스내입자상물질의입경분포특성을보여준다. 입 자상물질의입자분포는 1 μm 이하의입자에의해좌우되는것 을확인할수있다. 또한, Table 6 에제시된중량농도의측정값 을토대로산정된입경분율을살펴보면, 펠릿난로의경우총 먼지중 PM 10 이차지하는비율은 69.8% 로나타났으며, PM 2.5 의 경우 51.8% 로나타났다. 펠릿보일러의경우, 총먼지중 PM 10 이차지하는비율은 73.1% 로나타났으며, PM 2.5 의경우 55.7% 로나타났다. 3.3 가스상대기오염물질배출계수 펠릿난로및보일러사용에서배출되는가스상대기오염물 Table 6. Ratios of PM 10 and PM 2.5 to TSP from stove and boiler appliances Sample Particle size distribution (PM/TSP) 1) TSP PM 10 PM 2.5 Pellet stove 1.000±0.00 0.698±0.06 0.518±0.02 Pellet boiler 1.000±0.00 0.731±0.09 0.557±0.04 1) Calculated based on the measurement of mass concentration. Table 7. Emission factors of gaseous pollutants from stove and boiler appliances Sample Emission factor (g/kg) CO NO SOx TVOC NH 3 Pellet stove 119.23 14.40 0.17 37.73 0.02 Pellet boiler 161.51 13.67 1.19 45.22 0.02 질에서는 CO, NO, SO 2, VOCs, NH 3 등이검출되었다. 펠릿난 로의 CO, NO, SO 2, TVOC, NH 3 의배출계수는각각 119.23 g/kg, 14.40 g/kg, 0.17 g/kg, 37.73 g/kg, 0.02 g/kg 으로산출되었 으며, 펠릿보일러는각각 161.51 g/kg, 13.67 g/kg, 0.19 g/kg, 45.22 g/kg, 0.02 g/kg 으로산출되었다. 연소는착화 (ignition), 불꽃연소 (flaming), 훈소 (smoldering) 과정으로구분된다. 훈소 는연소조건이취약한마지막연소단계로서연소온도가낮고, 연소공기와바이오매스와의혼합이불충분하고, 연소가스의체 류시간이짧은특징이있다. 따라서훈소과정에서불완전연소 물인 CO, 암모니아, 비메탄계탄화수소등이발생될가능성이 매우높다. 펠릿난로및보일러 ( 장작 ) 의배출가스중 VOCs 배출계수는 Table 8 과같다. Journal of Climate Change Research 2015, Vol. 6, No. 1
목재펠릿난로와보일러사용에의한대기오염물질과블랙카본의배출특성 45 Table 8. Emission factors of volatile organic compounds from stove and boiler appliances Item Benzene Toluene Emission factor (g/kg) p-xylene Chlorobenzene Ethylbenzene m,o- Xylene Stylene 1,3-Dichloro -benzene 1,4-Dichloro -benzene 1,2-Dichloro -benzene Pellet stove 1.86 1.72 1.62 1.46 1.38 1.44 2.12 2.66 3.36 3.72 Pellet boiler 3.11 1.16 0.77 0.84 0.43 0.34 0.28 0.41 0.33 0.41 3.4 블랙카본배출계수 블랙카본은연료의불완전연소에의하여배출되며, 기후변 화를유발하는원인물질이다. 펠릿난로및보일러사용에의한 배출가스중블랙카본의배출계수는 Table 9 와같다. PM 10 을 기준으로블랙카본의배출계수는펠릿난로, 펠릿보일러에서 각각 0.63 g/kg, 0.78 g/kg 으로나타났다. 이는 PM 10 중블랙카 본의비중이펠릿난로의경우 18.4% 로나타났으며, 펠릿보일 러의경우 20.1% 를차지하는것으로나타났다. 3.5 배출계수비교 펠릿난로와펠릿보일러부문의오염물질별배출계수는본 연구결과와 U.S. EPA(2001), EIIP 의 Residential Wood Combus- tion 배출계수를비교하였다. 비교분석결과, 입자상오염물질 Table 9. Emission of black carbon from stove and boiler appliances Item OC EC TC PM 10 TC/PM g/kg % Pellet stove 0.41 0.22 0.63 3.41 18.4 Pellet boiler 0.47 0.31 0.78 3.91 20.1 Table 10. Summary of emission factors of macropollutants (unit : g/kg) Item PM 10 NOx SOx CO VOC NH 3 EIIP (pellet stove) * 1.9 6.3 0.2 17.9 - - Pellet stove 3.3 14.4 0.2 119.2 37.7 0.02 Pellet boiler 3.4 11.9 0.2 450.7 48.8 0.02 * Reference : U.S. EPA(2001), EIIP, Residential Wood Com- bustion. 의경우, PM 10 은 EIIP 의배출계수보다본연구결과값이약 1.7 배높게나타났다. 가스상오염물질의경우, NOx 는 AP-42 의배 출계수보다본연구결과값이펠릿난로 (1.8 배 ), 펠릿보일러 (2.3 배 ) 정도높은수치로나타났다. CO 는 AP-42 의배출계수보 다본연구결과값이펠릿난로 (6.7 배 ), 펠릿보일러 (25 배 ) 정도 높은수치로나타났다. 이는펠릿난로의구조및형태, 연료특 성, 연소환경, 연소효율등에차이인것으로판단된다. 4. 결론 본연구에서는주로동절기실내난방을목적으로사용하는 Fig. 3. Summary of emission factors of macropollutants. http://www.ekscc.re.kr
46 박성규 유근정 김대근 김동영 장영기 전의찬 펠릿난로및보일러에서배출되는대기오염물질의배출특성을파악하고자하였으며, 이를위하여국내에서가장보편적으로많이사용되고있는펠릿난로및보일러의모형을활용하였다. 펠릿난로및보일러사용시발생하는배출가스의입자상및가스상오염물질을측정하기위하여각각의측정장비를사용하였으며, 재현성확보를위하여 수집 계근 연소 측정및분석 항량및칭량 배출가스분석 의순으로동일하게수행하였다. 1) 펠릿난로의연소실평균출구온도는 363.2, 펠릿보일러의연소실평균출구온도는 110.8 로나타났다. 펠릿난로및보일러의연료수분함유량은각각 10.5%, 13.2% 로나타났으며, 발열량은 4,580.7 kcal/kg 으로나타났다. 또한, 펠릿난로및보일러에사용한연료 ( 펠릿 ) 의원소조성은탄소가 52.48%, 수소 5.82%, 질소 0.06%, 황 0.00%, 산소및기타 41.65% 로나타났다. 2) 펠릿난로의 TSP, PM 10, PM 2.5 의농도는각각 451.96 mg/m 3, 315.67 mg/m 3, 233.97 mg/m 3 로나타났으며, 펠릿보일러의 TSP, PM 10, PM 2.5 의농도는각각 33.47 mg/m 3, 24.45 mg/m 3, 18.65 mg/m 3 로나타났다. 또한, 펠릿난로의 TSP, PM 10, PM 2.5 의배출계수는각각 4.58 g/kg, 3.35 g/kg, 2.48 g/kg으로나타났으며, 펠릿보일러의 TSP, PM 10, PM 2.5 의배출계수는각각 4.73 g/kg, 3.41 g/kg, 2.63 g/kg으로나타났다. 3) 펠릿난로및보일러사용에서배출되는가스상대기오염물질에서는 CO, NO, SO 2, VOCs, NH 3 등이검출되었다. 펠릿난로의 CO, NO, SO 2, TVOC, NH 3 의배출계수는각각 119.23 g/kg, 14.40 g/kg, 0.17 g/kg, 37.73 g/kg, 0.02 g/kg으로산출되었으며, 펠릿보일러는각각 161.51 g/kg, 13.67 g/kg, 0.19 g/kg, 45.22 g/kg, 0.02 g/kg으로산출되었다. 4) 펠릿난로및보일러사용에의한배출가스중블랙카본의배출계수는 PM 10 을기준으로블랙카본의배출계수는각각 0.63 g/kg, 0.78 g/kg으로나타났다. 이는 PM 10 중블랙카본의비중이펠릿난로의경우 18.4% 로나타났으며, 펠릿보일러의경우 20.1% 를차지하는것으로나타났다. 5) 펠릿난로와펠릿보일러부문의오염물질별배출계수는본연구결과와 U.S. EPA(2001), EIIP의 Residential Wood Combustion 배출계수를비교하였다. 비교분석결과, 입자상오염물질의경우 PM 10 은 EIIP의배출계수보다본연구결과값이약 1.7배높게나타났다. 가스상오염물질의경우, NOx 는 AP- 42의배출계수보다본연구결과값이펠릿난로 (1.8배 ), 펠릿보일러 (2.3배 ) 정도높은수치로나타났다. CO는 AP-42 의배출계수보다본연구결과값이펠릿난로 (6.7배 ), 펠릿보일러 (25배) 정도높은수치로나타났다. 사사 본연구는환경부의 2012 년차세대에코이노베이션기술개발사업 (411-113-011) 의지원으로수행되었으며, 이에감사드립니다. REFERENCES CARB. 2005. Emission Inventory Methodology-San Joaquin Valley Unified Air Pollution Control District : Agricultural Burning. Kim DY. 2011. Analysis of air pollutants emissions from biomass burning in Seoul metropolitan area. Gyeonggi Research Institute. Kim PS, Jang YK, Kim J, Shin YI, Kim Js, An JY. 2010. A study on estimation of air pollutants estimation from residental wood stove. Journal of Korean Society for Atmospheric Environment 26(3):276-285. NASA Langley Research Center. 2001. Biomass burning: A hot issue in global change, FS-2001-02-56-LaRC. National Institute of Environment Research (NIER). 2009. CAPSS(Clean Air Policy Support System). National Institute of Environment Research (NIER). 2009. A study on the estimation and contribution rate for PM 2.5. Park SK, Choi SJ, Ryu GJ, Hong YS, Kim DY, Jang YK. 2013a. Development of emission factors on black carbon from wood-stove and boiler. Proceeding of the 2 nd meeting of The Korean Society of Climate Change Research, p 308. Park SK, Choi SJ, Ryu GJ, Hong YS, Kim DY, Jang YK. 2013b. Development of emission factors on black carbon from wood-pellet stove and boiler. Proceeding of the 2 nd meeting of The Korean Society of Climate Change Research, p 309. Park SK, Choi SJ, Park GJ, Kim JY, Bong CG, Park SJ, Kim JH, Hwang UH. 2011. Collection characteristics of particulate matters from biomass burning by control devices : Mainly commercial meat cooking. Journal of Korean Society for Atmospheric Environment 27(6):641-649. Statistics Korea. 2013. Agricultural Census Report. Statistics Korea. 2013. Statistic of wood-pellet. U.S. EPA. 2007. TTN EMC Method 5G-PM Wood Heaters from a Dilution Tunnel. U.S. EPA. 2007. Emission Inventory Improvement Program Journal of Climate Change Research 2015, Vol. 6, No. 1
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