고온의 굴뚝 미세먼지도 실시간 측정 가능!

대기질 개선을 위한 기반 구축

- 기계연, 굴뚝에서 발생하는 미세먼지·초미세먼지 실시간 측정기술 국내 최초 개발 -

- 국내 발전소·소각로 적용, 6개월 장기 모니터링 실증 완료 -

□해외 의존성이 높았던 악조건 환경에서의 미세먼지 측정을 국내 독자 기술로 선도할 수 있는 길이 열렸다. 화력발전소, 소각장 등에서 배출되는 미세먼지(PM10)와 초미세먼지(PM2.5)를 실시간으로 모니터링 할 수 있는 전처리 기술이 국내 최초로 개발됐다. 향후 신규 건설되는 사업장뿐만 아니라 기존 사업장에서 배출되는 미세먼지 관측에 널리 활용될 것으로 기대된다.

□과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 류석현, 이하 기계연) 한방우 도시환경연구실장 연구팀은 고온·고농도의 굴뚝 내부 환경을 상온·저농도의 대기환경 수준으로 전환하여 미세먼지(PM10)와 초미세먼지(PM2.5) 등을 크기별로 구분하여 실시간 측정하는 기술을 국내 최초로 개발했다.

<기계연 한방우 도시환경연구실장이 미세먼지 실시간 측정기술에 대해 설명하고 있다>

□연구팀은 ①가변 유속과 압력 대응 등속 흡입 기술, ②정량 흡입 희석 기술, ③액적 분리 기술, ④벽면 손실 억제 기술 등 독자 개발한 총 4가지 핵심기술을 활용해 굴뚝에서 배출되는 미세먼지(PM10)와 초미세먼지(PM2.5)를 총 부유먼지 (TSP)*가 아닌 미세먼지 크기별로 관리할 수 있게 했다. 이 미세먼지 실시간 모니터링 기술은 국내 화력발전소와 소각로에서 지난 6개월간 장기 실증을 통해 성능을 검증받았다. 

   * 총 부유먼지(TSP): 대기 중에 부유하고 있는 총 먼지로, 통상적으로 50 ㎛ 이하의 먼지량을 보임

<굴뚝 미세먼지 측정 기술 비교>

<실시간 연속 미세먼지 및 초미세먼지 모니터링 장치 구성>

□기존에는 고온, 고농도 등 굴뚝 내부의 환경 조건이 열악하여 실시간으로 정확한 미세먼지 측정 데이터를 얻기가 어려웠다. 현재 측정 방식인 광투과 측정법은 굴뚝에서 발생하는 모든 먼지에 빛을 통과시킨 뒤 줄어든 빛의 양을 간접적으로 측정하는 방식이었기에 미세먼지의 정확한 모니터링이 어려웠다. 

□또한 기존 중량 측정법은 일정 시간 미세먼지를 흡입 후 필터 내 중량을 측정하는 방식으로, 농도 데이터를 얻기까지 장시간이 소요되어 실시간 관리에는 한계가 있었다.

□연구팀이 개발한 등속 흡입 기술을 통해 측정 장치에 들어오는 배출 가스의 속도를 느리게 만들어 굴뚝 유속 변화로 발생하는 측정 오차를 줄였다. 미세먼지의 정확한 측정이 가능한 이유다. 

□연구팀은 또 굴뚝 내부 압력, 온도 등 다양한 환경 변화에도 배출 가스의 일정한 양을 추출하기 위해 공기 주입량을 자동으로 제어할 수 있도록 했으며, 일정한 고온의 온도 유지를 통해 응축에 의한 물방울 형태의 액적 생성을 최대한 억제하였다. 많은 구멍이 뚫려있는 튜브에 공기를 주입하여 미세먼지의 벽면 부착도 최소화했다. 

□기계연 한방우 도시환경연구실장은 “사업장 굴뚝에서 배출되는 미세먼지의 정확한 농도와 크기 분포 정보를 실시간으로 얻을 수 있는 최초의 기술”이라며 “실측된 미세먼지 배출량 정보를 토대로 배출원 관리 체계 구축을 위해 노력하겠다”고 말했다.

□이번 연구는 환경부 “다단 희석 샘플링 기술을 이용한 고정오염원 배출시설의 미세먼지 연속측정 기술 실증화” 과제의 지원을 받아 수행됐다. 이 기술은 환경부에서 선정하는 ‘2023년 환경 R&D 우수성과 20선’에 선정된 바 있다.

<국내 화력발전소 실증 현장에 설치되어 연속 측정중인 장비 모습>

<국내 소각장 실증 현장에 설치되어 연속 측정중인 장비 모습>

<국내 시멘트 공장 내 고농도 분진 발생지점 측정 모습>