Journal of Climate Change Research 2017, Vol. 8, No. 2, pp. 163 169 DOI: http://dx.doi.org/10.15531/ksccr.2017.8.2.163 * ** *** **** *, **, ***, **** Development of Non-CO 2 Emission Factor of the Coal Briquette Boiler Song, Garam *, Cho, Changsang **, Lee, Deakyeom *** and Jeon, Eui Chan **** * Dept. of Environment Energy, Sejong University ** Climate Change Research Center, Sejong University *** Cooperate Course for Climate Change, Sejong University **** Dept. of Environment Energy and Geoinformation, Sejong University ABSTRACT In this study, Non-CO 2 emission factors were estimated for the coal briquette boiler, which is the Korean heating system. As a result, the CH 4 and N 2 O emission factors of the coal briquette boiler were estimated to be 11.76 kgch 4 /TJ and 7.44 kgn 2 O/TJ, respectively. The results showed that CH 4 emission factor was 12 times and N 2 O emission factor was 5 times higher than IPCC default value. Also the emission factors developed in this study were compared with a precedent study. The results indicated that were similar to open the air inlet of coal briquette stove because the combustion condition of this study was similar to that of coal briquette stove. Key words: The Coal Briquette Boiler, Non-CO 2, Greenhouse Gas, Emission Factor, Climate Change 1. 서론 우리나라의 2013 년온실가스총배출량은 694.5 백만톤 CO 2 eq 이며, 이중에너지분야의온실가스배출량은약 606.2 백만톤 CO 2 eq으로전년대비약 1.5% 증가하였다. 이중연료연소에의한온실가스배출량은에너지분야온실가스배출량의 99.2 % 를차지하였다. 연료연소에서배출되는온실가스는 CO 2, CH 4, N 2 O 등이며, 총배출량에서차지하는비율은 CO 2 91.5%, CH 4 3.7%, N 2 O 2.0% 로조사되었다 (National Greenhouse Gas Inventory Report of Korea, 2015). 이중 CH 4 와 N 2 O의배출량은 CO 2 배출량에비하여매우작으나, CH 4 와 N 2 O의지구온난화지수 (Global Warming Potential; GWP) 가 CO 2 지구온난화지수의 21배, 310배에달하므로 (National Greenhouse Gas Inventory Report of Korea, 2016), IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change), WRI/WBCSD(World Resources Institute and World Business Council for Sustainable Develop- ment) 등주요기관에서는 CO 2 와더불어 CH 4 와 N 2 O에대한배출량및배출계수를중요한지표로설정하고있다 (IPCC, 2006; WRI/WBCSD 2005). 연료연소에서주로배출되는 CO 2 는연료의탄소함량에의해결정되나, CH 4, N 2 O와같은 Non-CO 2 배출계수는연소방법및연소조건등에따라달라지게된다 (IPCC, 2006). 연탄은에너지총조사보고서에서별도항목으로사용량을조사하고있지만 (Korea Energy Economics Institute, 2014), 우리나라의온실가스인벤토리에서는무연탄사용에따른온실가스배출량에포함하여산정하고있다. 연탄제조시사용되는무연탄은 2014년기준약 188만톤이소비됐으며, 이중가정상업부문에서약 163만톤이소비됐다 (Korea Energy Economics Institute, 2015). 이는전체무연탄사용량의 86% 를차지하고있다. 그러나연탄의연소특성은무연탄의연소특성과상이하며, 산화계수또한다르므로연탄의온실가스배출량을별도로산정하는것이바람직하다 (Lee, 2011). 따라서본연구에서는우리나라의고유연소방식인연탄보일러를대상으 Corresponding author: ecjeon@sejong.ac.kr Received May 19, 2017 / Revised June 15, 2017 / Accepted June 23, 2017
164 송가람 조창상 이대겸 전의찬 로 Non-CO 2 배출계수를개발하였다. 개발된배출계수는 IPCC 에서제시하고있는무연탄의기본배출계수및선행연구의결과와비교분석하였다. 2. 연구방법 2.1 배기가스시료채취및농도분석방법 본대상연소시설은주로겨울에사용되므로, 현장조사를 2015년 12월, 2016년 1월과 2월에실시하였다. 분석용시료는하루 3회씩 3일간포집하여실험실에서분석을수행하였다. 현장조사대상시설은광진구에있는연탄보일러사용가구로 Fig 1과같다. 연탄보일러에서배출되는배기가스는 Fig 2와같은방법 (US EPA, 2000) 으로시료를채취하였다. 10L Tedlar bag(skc, US) 을 Lung sampler(acen, KOREA) 에연결하고, Lung sampler의음압펌프를이용해내부를진공으로만들어시료를포집하였다. 채취된시료는실험실에서 GC-FID 와 GC-ECD 를이용하여 Non-CO 2 농도를분석하였다. CH 4 분석에는 GC-FID 를사용하였으며, 외경 3.175 mm의 Porapak Q 80/100 mesh 컬럼, 1 m의 Stainless steel 컬럼을사용하였다. 또한, N 2 O 분석에는 GC- ECD를사용하였으며, 컬럼은 Porapak Q 80/100 mesh 을충전한 1/8인치직경의 1 m와 3 m의 Stainless Steel packed 컬럼을사용하였다. GC-FID 와 GC-ECD 의분석조건은 Table 1과같다. CH 4 와 N 2 O의정량분석을위해, CH 4 는총 6개의다른농도인 0.1 ppm, 1 ppm, 5 ppm, 10 ppm, 50 ppm, 100 ppm의표준시 료를제조하여검량선을작성했다. CH 4 의검량선작성결과, Fig 3(a) 에서보는바와같이검량선의 R 2 값은 0.9979 로매우우수한직선성을나타냈다. 또한, N 2 O는총 4개의다른농도인 0.1 ppm, 1 ppm, 5 ppm, 10 ppm의표준시료를제조하여검량선을작성했다. Fig 3(b) 에서보는바와같이, N 2 O 검량선의 R 2 값은 0.9984 로, 매우우수한직선성을나타냈다. 배기가스분석의재현성을확인하기위해각각 1 ppm의 CH 4 와 N 2 O 표준가스 (KRISS, Korea) 를각각 7회씩분석하였다. 그결과, Table 2와같이 CH 4 와 N 2 O의상대표준편자 (RSD) 는각각 2.92%, 3.00% 로우수한재현성을보였다. 2.2 연료분석방법 2.2.1 발열량분석방법발열량은 IKA사의자동열량분석기 (IKA-C2000, Germany) 를사용하여 KS E 3707 석탄류및코크스류의발열량측정방법 에따라분석하였다. 분석용시료는정밀전자저울 (Mettler Toledo-AB204S, Swizerland) 을이용하여 0.0001 g까지정확히정량하였다. 냉각수로는증류수를사용하고, 수온은 25 로설정하여 Isoperibolic at 25 mode 로분석하였다 (ISO 1928, 2009; KS E 3707, 2001; ASTM D 2015-91, 1991). 발열량분석기의재현성은발열량분석의표준시료인 Benzoic acid(ika, 발열량 6,320.4 cal/g) 를분석하여평가하였다. 그결과, 평균표준시료의발열량은 6,358±9 cal/g 이며, 상대표준편차 (RSD) 는 0.14 % 로우수한재현성을나타냈다. Fig. 1. Coal briquette boiler in the study site. Journal of Climate Change Research 2017, Vol. 8, No. 2
가정용연탄보일러의 Non-CO 2 배출계수개발 165 Fig. 2. Schematic diagram of intermittent sampling (US EPA). Table 1. Analysis condition of GC for CH 4 and N 2 O Item GC-FID GC-ECD Column Porapack Q 80/100 Porapack Q 80/100 Carrier gas N 2 (99.999%) N 2 (99.999%) Flow 30 ml/min 20 ml/min Oven 80 70 Temperature Injector 100 120 Detector 250 320 (a) CH 4 Detector range 0 0 2.2.2 원소분석방법 연탄의탄소함량및수소함량은자동원소분석기 (Thermo Finnigan-Flash EA 1112, USA) 를이용하여측정하였다. 노내온도 (Furnace temperature) 는 950, TCD의오븐온도 (Oven temperature) 는 70 로설정하였고, 컬럼은길이 2 m ParaQ-X 를사용하였다. 또한, 운반가스 (He 99.999%, MS Gas Corporation), 산소 (O 2 99.99%, Dong Min Specialty Gases), reference 가스의유량은각각 140 ml/min, 240 ml/min, 100 ml/min 으로설정하였다 (ASTM D 3176-89, 2002; ASTM D 3178-89, 2002). 원소분석기의재현성은원소분석의표준시료인 BBOT (b) N 2 O Fig. 3. Calibration curve with Non-CO 2 standard. (2,5-bis(5-tert-butyl-benzoxazolyl) thiophene : C=72.59%, H= 6.06%, N=6.54%, S=7.43%, O=7.42%) 를사용하여평가하였 http://www.ekscc.re.kr
166 송가람 조창상 이대겸 전의찬 Table 2. Results of reproducibility test using standard gas CH 4 concentration (ppm) N 2 O concentration (ppm) 1 0.37 0.56 2 0.36 0.56 3 0.36 0.57 4 0.36 0.58 5 0.35 0.53 Standard Unkown 6 0.34 0.56 7 0.34 0.52 Mean 0.36 0.56 Standard deviation (SD) Relative standard deviation (RSD, %) 0.01 0.02 2.92 3.00 다. 표준시료분석결과, 탄소함량은원소함량을입력한표준 시료 (standard) 에서는 72.52%, 원소함량을입력하지않고분 석한시료 (unknown) 에서는 73.10% 로분석되었으며, 수소함 량은각각 6.09%, 6.10% 로분석되었다. Fig. 4 에서보는바와 같이, 표준시료와미지시료 (unknown) 의차이는탄소함량의경 우 0.57%, 수소함량의경우 0.01% 로우수한재현성을나타냈다. 2.3 Non-CO 2 배출계수개발방법 연료의원소분석및발열량분석결과와가정용연탄보일 러배기가스중 CH 4 와 N 2 O 의농도측정결과를이용하여배 Table 3. Repetition test of calorific value analysis using standard sample Sample Mass of standard (g) Gross calorific value (cal/g) 1 0.4652 6,368 2 0.4906 6,346 3 0.4881 6,360 Mean 6,358 Standard deviation (SD) 9.09 Relative standard deviation (RSD, %) 0.14 Fig. 4. Repetition test of elemental analysis for carbon and hydrogen. 출계수를산정하였다. Non-CO 2 배출계수산정에사용한워크 시트는 Table 4 와같다. 1 단계에서는원소분석기를이용하여 수소 (Hydrogen) 함량, 탄소 (Carbon) 함량등을분석하였으며, 건조기를이용하여총수분함량을분석하였다. 그리고수소 함량과총수분함량을이용하여, 연탄의총발열량을순발열량 으로환산하였다. 2 단계에서는연탄보일러의배기가스를실 험실에서 GC-FID 와 GC-ECD 를이용하여 CH 4 와 N 2 O 농도를 분석하였다. 3 단계에서는배기가스중의산소농도를이용하 여이론산소요구량, 이론공기량, 과잉공기비등을산정하였 다. 4 단계에서는 3 단계의매개변수들을이용하여이론건조배 기가스량을산정하였으며, 5 단계에서는 1 4 단계에서구한 값들을이용하여 CH 4 와 N 2 O 의배출계수를산정하였다. 3. 결과및고찰 3.1 Non-CO 2 농도분석결과 연탄보일러의 Non-CO 2 의농도분석결과를 Table 5 에나타 내었다. CH 4 배출농도는평균 2.14 ppm 으로나타났으며, 표 준오차와상대표준편차는각각 0.36 ppm, 16.85% 로분석되 었다. N 2 O 배출농도는평균 0.49 ppm 으로나타났으며, 표준오 차와상대표준편차는각각 0.06 ppm, 11.78% 로분석되었다. 연탄보일러의 CH 4 배출농도는 N 2 O 배출농도보다더크고, 변 동도약간더큰것으로분석되었다. 3.2 연료분석결과 본연구에서는 2015 년 12 월부터 2016 년 2 월까지, 총 3 회에 걸쳐현장조사를실시하였으며, 현장에서채취한연탄시료를 0.15 mm 이하로분쇄하여건식총발열량을발열량분석기로 Journal of Climate Change Research 2017, Vol. 8, No. 2
가정용연탄보일러의 Non-CO 2 배출계수개발 167 Table 4. The work-sheet for estimating the Non-CO 2 emission factors Step 1 (Fuel data) Step 2 (Exhaust data) Step 3 (Parameter) Step 4 (Amount of theoretical dried combustion gas) Step 5 (Emission factor) Item Elementary analysis Carbon Hydrogen Oxygen Nitrogen Surfer Net calorific value Sub-Item A B C D E F Unit %(wt) %(wt) %(wt) %(wt) %(wt) MJ/kg Item Concentration (CH 4, N 2 O) Exhaust oxygen concentration Sub-Item G H Unit ppm %(vol) Item Theoretical oxygen (O 0 ) Theoretical air (A 0 ) Excess air ratio (m) Sub-Item I J K Unit m 3 /kg m 3 /kg - Calculation 1.867 A+5.6 (B C/8)+0.7 E I/0.21 21/(21 H) Item Amount of theoretical dried combustion gas(g 0d ) Sub-Item Unit Calculation Item Sub-Item Unit Calculation L m 3 /kg (1 0.21) J+1.867 A+0.7 E+0.8 D Non-CO 2 Emission factor M kgnon-co 2 /TJ [{L+(K I) J} G (16/22.4)] F Table 5. Non-CO 2 concentration analysis of coal briquette Fuels type Combustion process Date CH 4 (ppm) N 2 O (ppm) Number of samples Dec. 16 th, 2015 1.66 0.56 9 Coal briquette Boiler Jan. 14 th, 2106 2.53 0.42 9 Feb. 11 th, 2016 2.22 0.48 9 Mean 2.14 0.49 - Standard deviation (SD) 0.36 0.06 - Relative standard deviation (RSD, %) 16.85 11.78 - 분석하였다. 시료를분석한결과는 Table 6에제시하였다. 총 3개의시료를분석한연탄의평균건식총발열량은 3,097 kcal/ kg으로나타났다. 분석결과, 연탄의평균탄소함량은 53.72 %, 평균수소함량은 0.82% 로나타났다. 연탄의총발열량을순발열량으로산정하기위해서는연탄의수소함량과총수분함량이필요하다. 총수분함량의경우평균값의편차가크므로, 평균값대신중간값인 0.80% 를적용하여배출계수를산정하 였다. 질소함량또한, 실험값들의편차가크므로평균값대신중간값인 0.08% 를적용하여, 분석한결과와함께 Table 6에나타내었다. 3.3 연탄보일러의 Non-CO 2 배출계수개발워크시트를이용하여연탄보일러의 Non-CO 2 배출계수를개발한결과, CH 4 의배출계수는 11.77 kgch 4 /TJ로분석되었 http://www.ekscc.re.kr
168 송가람 조창상 이대겸 전의찬 Table 6. Result of fuel analysis of coal briquette Category Gross calorific value, dry basis (kcal/kg) C (%) H (%) O (%) N (%) S (%) Total moisture (%) 1 st 3,063 50.53 0.85 0.10 0.3 0.09 2.74 2 nd 3,131 55.31 0.81 0.10 0.08 0.11 0.98 3 rd 3,097 55.31 0.81 0.10 0.08 0.11 1.86 Mean 3,097 53.72 0.82 0.10 0.15 0.10 1.86 Median 3,097 55.31 0.81 0.10 0.08 0.11 0.80 고, N 2 O의배출계수는 7.43 kgn 2 O/TJ로분석되었다. 본연구에서산정된연탄보일러의 Non-CO 2 배출계수를 2006 IPCC 가이드라인에서제시하고있는무연탄의 Non-CO 2 기본배출계수및선행연구의결과와비교하여 Table 7에제시하였다. 본연구와 2006 IPCC 가이드라인의무연탄기본배출계수및선행연구 (Kim, 2013) 의 Non-CO 2 배출계수를비교한결과, 개발된연탄보일러의 Non-CO 2 배출계수는연탄난로의공기주입구를열었을때와매우유사하게나타났다. 이는연탄보일러의연소조건이연탄난로의공기주입구를열었을때의조건과유사하기때문으로판단된다. 본연구결과의 Non-CO 2 배출계수는 2006 IPCC 가이드라인에서제시한무연탄의기본배출계수보다크게나타났다. 이는일반적으로연소공기량이부족하거나, 연소온도가낮은불완전연소에의해생성되는 CH 4 의발생특성 (Korea Energy Agency, 2008) 에따른결과라판단된다. N 2 O의경우, 일반연소시설과는달리주기적으로연탄을교체하는연탄보일러의연소특성이반영된결과라판단된다. 4. 결론 본연구에서는우리나라의고유난방방식인연탄보일러를대상으로 Non-CO 2 배출계수를산정하였다. 연탄보일러의 Non- CO 2 배출계수를산정하기위하여, 가정에설치된연탄보일러 의배기가스를채취하여 Non-CO 2 농도를분석하고, 대상연탄보일러의연탄을실험실에서분쇄한뒤발열량, 원소함량, 그리고수분함량등을분석하였다. 분석결과, 연탄의건식총발열량은 3,097 kcal/kg, 탄소함량은 53.72%, 수소함량은 0.82%, 총수분함량은 1.86% 로분석되었다. 총수분함량및수소함량을이용하여건식총발열량을인수식순발열량으로환산하였다. 배기가스중 Non-CO 2 농도를분석한결과, 연탄보일러의 CH 4 농도는 1.66 2.53 ppm의범위로나타났으며, N 2 O 농도는 0.42 0.56 ppm의범위로나타났다. 연구결과, 연탄보일러의 CH 4 와 N 2 O 배출계수는각각 11.77 kgch 4 /TJ, 7.43 kgn 2 O/TJ로산정되었다. 이값을 2006 IPCC 가이드라인에서제시하고있는무연탄의기본배출계수와비교한결과, IPCC 기본배출계수보다 CH 4 의경우약 12배, N 2 O 의경우약 5배정도높은것으로나타났다. 이것은연탄보일러의경우, 일반연소시설과는달리장시간불완전연소가지속되며, 주기적으로연탄을교체해야하는연소특성에따른결과라판단된다. 또한, 본연구에서개발한배출계수를연탄난로를대상으로한선행연구와비교한결과, 연탄난로의공기주입구를열었을때와유사하게나타났다. 이것은본연구의연소조건이연탄난로의공기주입구를열었을때의조건과유사하기때문으로판단된다. 우리나라의온실가스인벤토리신뢰도를높이기위해서는, 연탄보일러뿐만아니라, 연탄아궁이와연탄난로등과같이, 다 Table 7. Comparison of emission factors in this study, IPCC and the other study Category This study IPCC The other study 1) Anthracite Open the air inlet Close the air inlet CH 4 Emission factor (kgch 4 /TJ) 11.77±1.72 1 11.28±0.70 18.14±1.67 N 2 O Emission factor (kgn 2 O/TJ) 7.43±1.15 1.5 6.25±0.57 2.98±0.35 1) Kim (2013). Journal of Climate Change Research 2017, Vol. 8, No. 2
가정용연탄보일러의 Non-CO 2 배출계수개발 169 양한연소시설에서의연탄배출계수개발과관련된연구가수행되어야할것이다. 사사 이연구는환경부기후변화특성화대학원사업의지원으로수행되었습니다. REFERENCES ASTM D 2015-91. 1991. Standard test method for gross calorific value of coal and coke by the adiabatic bomb calorimeter. ASTM D 3176-89. 2002. Standard practice for ultimate analysis of coal and coke. ASTM D 3178-89. 2002. Standard test method for carbon and hydrogen in the analysis sample of coal and coke. GIR. 2015. 2015 national greenhouse gas inventory report of Korea(in Korean). GIR. 2016. 2016 national greenhouse gas inventory report of Korea(in Korean). ISO 1928. 2009. Solid mineral fuel - determination of gross calorific value by the bomb calorimetric method and calculation of net calorific value. IPCC. 2006. The 2006 IPCC guidelines for national greenhouse gas inventories. Korea Energy Agency. 2008. Development of country specified greenhouse gas emission factor(i) (in Korean). KS E 3707. 2001. Determination of calorific value of coal and coke. Korea Energy Economics Institute. 2014. 2014 energy consumption survey(in Korean). Korea Energy Economics Institute. 2015. 2015 yearbook of energy statistics(in Korean). Kim SJ. 2013. Development of non-co 2 emission factor of coal briquette. Sejong University. Lee JW. 2011. Development of greenhouse gas (CO 2 ) emission factor for coal briquette in Korea. Sejong University. US EPA. 2000. Air-sampling method 1, 2, 3. WRI/WBCSD. 2005. A corporate accounting and reporting standard. CSI. http://www.ekscc.re.kr