산소 보정값(O2 reference)의 개념

1. 산소 보정값 (O2 reference) 이란?

환경 규제를 함에 있어서, 환경법의 하위 많은 범주는 오염물질배출량(그 중에서도 배출가스)이 보고되어야 하는 사업장에 기준 산소 농도를 지정하고 있습니다.
예를 들어, 11%의 산소 보정값은 아래 표처럼, 사업장에 따라 지정되어 있습니다.

기준 산소 농도는 용광로에서 유리가 녹는 것과 같은 연소 공정에 지정됩니다.
연소는 공기가 있는 상태에서 연료가 연소되는 과정을 말합니다.
대기중의 산소 농도는 21%이며, 이 산소는 연소과정중에 소모됩니다.
연소되는 연료에 있는 탄소와 수소는 산소와 결합하여 아래 공식에 따라 각각 CO2와 H2O를 생성합니다.

연소 중에 산소가 소비되기 때문에, 굴뚝 하류 (용광로)에 있는 산소의 양은 21% 미만입니다.

용광로의 연료는 연소하기 위해 특정한 양의 공기가 필요합니다. 이 특정 양의 공기를 화학량론적 양(stoichiometric amount) 이라고 합니다. 연료를 연소시키기 위해 화학량론적 양(stoichiometric amount)의 공기가 제공되면, 모든 산소가 소비되고 굴뚝 가스에 0%의 산소가 있게 됩니다. 그러나 연소는 불완전하며, 연소를 개선하기 위해 항상 화학량론적 양(stoichiometric amount) 보다 더 많은 공기를 추가할 필요가 있습니다. 이 추가 공기를 과잉 공기(excess air)라고 합니다. 모든 연료가 연소될 수 있을 만큼 과잉 공기(excess air)를 공급하는 것이 중요합니다. 그러나 너무 많지도, 적지도 않게 알맞게 공급해야 합니다. 그 이유는 과잉 공기(excess air)가 너무 적게 공급되면 모든 연료가 연소되지 않습니다. 이것을 육안으로 확인 할 수 있는 것은 굴뚝에서 나오는 검은 연기입니다. 과도한 공기가 너무 많이 주입되면, 추가로 주입된 공기가 불의 온도를 낮추고, 굴뚝에서 열을 방출하기 때문에 에너지 낭비로 이어 질 수 있습니다

과잉 공기(excess air)가 공급되기 때문에, 연소되지 않은 산소가 남게 됩니다. 따라서 굴뚝 가스에서 0%이상의 산소가 측정 됩니다. 다른 연료를 사용한다면, 다른 연소 효율과 과정이 다르기 때문에 다른 양의 과잉 공기(excess air)가 필요하게 됩니다.

석탄 및 목재(biomass)와 같은 고체 연료(Solid fuels)는 가장 많은 과잉 공기(excess air)를 필요로 하는 원료입니다. 잘 작동되는 석탄 연소로에서는 굴뚝 배출 가스에 7%의 산소가 남아 있을 수 있습니다. 잘 작동되는 나무를 연소하는 연소로에서는 10.5%의 산소가 여전히 남아 있을 수 있습니다. 이것이 법률에서 고체 연료(Solid fuels)를 연소하는 사업장에서 기준 산소 농도를 10%로 명시하는 이유입니다.

고체 연료(Solid fuels)는 큰 조각으로 구성되어 있고, 어느 시점에서든 각 조각의 외부 표면만 연소에 사용되기 때문에 가장 많은 과잉 공기(excess air)가 필요합니다. 연소에 필요한 산소는 boundary layer라고 불리는 연료로 쓰이는 물질 표면에 이루어진 경계층에 막혀 연소 과정중 방해를 받기 때문에, 연소 과정에 더욱 더 많은 산소가 필요하게 됩니다.

액체 연료(Liquid fuels)는 상대적으로 과잉 공기(excess air)를 덜 필요로 합니다.액체 연료(Liquid fuels)가 작은 방울의 형태로 용광로에 분무되고, 공기 중의 연소를 위한 산소가 각 방울에 쉽게 달라 붙을 수 있기 떄문입니다. 이러한 액체 연료(Liquid fuels) 방울은 고체 연료 조각보다 표면적이 더욱 큽니다.

그렇기 때문에, 일반적으로 액체 연료(Liquid fuels)를 연소 원료로 사용하는 배출 가스 굴뚝의 아래 부분은 3% 정도의 산소만 남아 있게 됩니다.

기체 연료(Gaseous fuels)는 연소에 필요한 공기와 거의 완벽하게 섞일 수 있습니다. 각 가스 분자는 반응할 산소 분자와 쉽게 섞일 수 있기 때문입니다. 기체 연료(Gaseous fuels)의 예로는 메테인, LNG 및 LPG가 있습니다. 따라서 기체 연료(Gaseous fuels)를 연소할 때 필요로 하는 과잉 공기(excess air)는 거의 없습니다. 일반적으로 기체 연료(Gaseous fuels)를 연소 원료로 사용하는 배출 가스 굴뚝의 아래 부분은 1.8%의 산소만 남아 있게 됩니다.

대부분의 분야에서는 과잉 공기(excess air)가 과도하게 주입되면, 굴뚝 밖으로 열을 방출하기 때문에 에너지의 낭비를 줄이기 위해, 가능한 한 적은 과잉 공기(excess air)를 주입하는 것이 바람직 합니다.

대부분의 열은 제조 공정에 사용되기 위해 생성되나, 연소의 목적이 연소가 열을 생성하지 않고 다른 목적으로 발생하는 경우가 있습니다. 이러한 분야 중 하나는 터빈엔진입니다. 많은 양의 과잉 공기(excess air)로 인한 열 손실은 이러한 분야에서는 중요하지 않기 때문입니다. 소각로와 화장터 또한 공정에 필요한 열을 생성하는 목적으로 연소가 일어나지 않는 예가 될수 있습니다. 해당 분야에서의 연소는 폐기물이나 유기물을 파괴하기 위해 발생합니다. 다시 말하지만, 배출가스의 산소 함량은 이렇듯이, 분야마다 상이 할 수 있습니다.

2. 산소 보정값 (O2 reference)의 목적성

굴뚝에서 배출되는 배출가스는 최적의 양보다 많은 과잉 공기(excess air)를 연소로에 주입하는 경우 배출가스가 희석 될 수 있습니다. 배출가스가 희석되면, 분석자 들은 실제 배출농도보다 낮은 농도로 오분석 할 수 있으며, 굴뚝의 실제 배출 가스농도와 매우 상이하게 됩니다.

희석을 방지하기 위해 대기오염방지법률은 연소과정에 대한 산소 기준을 규정하며, 산소 보정값을 적용하도록 규제하고 있습니다. 기준 산소 농도는 이러한 프로세스가 정상적으로 작동하는 경우 굴뚝에서 측정되는 일반적인 산소 농도를 기반으로 합니다. 보일러, 용광로, 소각로, 터빈엔진은 규제되는 연소 공정의 대표적인 예입니다. 불행히도, 비연소 공정에서 배출되는 배출가스의 희석을 막을 수 있는 해결책은 현재 없습니다.

기준 산소 농도의 설정의 목적은 배출가스가 희석되는 것을 배제하여 굴뚝에서 측정된 배출량을 법규에서 지정한 배출량의 한계와 비교 할 수 있도록 하는 것입니다.

3. 산소 보정의 실시

대기오염방지법에 기준 산소 농도가 지정되어 있으면, 희석을 배제하고 최종 배출량을 계산하기 위해 배출량에 산소 보정 계수를 곱해야 합니다.

산소 보정 계수는 다음과 같습니다.

이 계수를 사용하면 희석이 발생되지 않았을 경우와 마찬가지로 배출량을 알 수 있습니다.

4. 적용

연소가 발생하고 굴뚝 가스의 산소를 소비 할 때마다, 기준 산소 농도를 적용 할 수 있습니다. 연소가 발생하지 않으면, 산소가 소비되지 않으며, 굴뚝 내부의 산소 농도는 21%로 유지됩니다. 수식에 21%를 삽입하면 0이 되기 때문에 수식의 결과가 나올 수 없습니다.

이러한 이유로 산소를 소비하지 않는 공정은 기준 산소 농도의 적용을 받지 않습니다. 아래의 예는 이것을 보여줍니다. 연소가 발생하지 않는 융융 아연 도금 공정을 나타냅니다.

마지막으로, 실제로 연소 과정이지만 산소 기준으로 규제되지 않는 몇 가지 과정이 있습니다.

법률이 적용할 산소 기준을 요구하지 않는 이유는 연소 후 희석 공기를 추가하는 것이 실제로 공정 요구사항이기 때문입니다. 희석 공기는 800~1,000ºC까지 올라갈 수 있는 고온 연소 가스의 온도를 낮추는 데 필요합니다. 모래와 같은 광물을 건조할 때 건조기의 과도하게 높은 온도로 인해 모래가 녹습니다(소결). 나무를 건조할 때 지나치게 높은 온도는 나무를 태울 수 있습니다.

이러한 이유로 뜨거운 연소 가스는 재료를 태우거나 녹이지 않고 젖은 재료를 건조시키기 위해 최적의 온도에 도달할 때까지 주변 공기로 희석해야 합니다. 이러한 이유로 기준 산소 농도 적용은 건조 공정에 거의 적용되지 않습니다.

5. 적용의 예

예를 들어 설탕 공장의 연소되는 보일러에서 측정한 배출가스는 16% 산소와 300mg/Nm3의 가스상 물질을 방출합니다. 아래 첨부한 표를 보면, 이 분야의 산소 기준은 고체 연료가 연소되고 있기 때문에 기준 산소 농도는 10%입니다.

산소 기준을 적용한 후 가스상 물질의 실제 배출 가스를 계산 해 보았을 때 아래와 같습니다.

산소 보정을 위한 계수는 2.2로 위와 같이 계산이 되고,

‘굴뚝에서의 측정값 x 계산된 산소보정계수 = 실제 배출량‘ 이라는 위의 공식을 통해 계산하면 최종적으로 답은 660mg/Nm3로 아래와 같습니다.