Characteristics of Greenhouse Gas Emissions from Charcoal Kiln

Vol. 4, No. 2, 2013, pp. 115～126

숯가마에서 발생하는 온실가스 배출 특성

Characteristics of Greenhouse Gas Emissions from Charcoal Kiln

이슬기*ㆍ전의찬**^,†ㆍ박성규***ㆍ최상진***

Lee, Seul-Ki*, Jeon, Eui-Chan**^,†, Park, Seong-Kyu*** and Choi, Sang-Jin***

*세종대학교 기후변화협동과정, **세종대학교 환경에너지융합학과,

***(주)케이에프이앤이 코퍼스트 R&D 센터

*Cooperate Course for Climate Change, Sejong University, Seoul, Korea

**Department of Earth & Environmental Sciences, Sejong University, Seoul, Korea

***KOFIRST R&D Center, KF E&E Co. Ltd., Seoul, Korea

요 지

최근 국내 배출원 특성을 고려하여 생물성 연소에 대한 배출목록(emission inventory)을 추가하려 는 연구가 이루어지고 있으나, 국내 현황을 반영한 실증 연구는 현재까지 거의 이루어진 바가 없는 실정이다. 따라서 앞으로 배출목록에 대한 기후⋅대기 통합관리시스템이 진행될 경우, 효과적인 배 출원 관리를 위해 생물성 연소의 온실가스 배출 특성에 대한 연구가 필요한 시점이다.

본 연구에서는 숯가마에서 발생하는 온실가스 배출 특성을 파악하기 위하여 숯가마 모형장치를 이용하여 현장실험을 실시했다. 또한, 참나무의 점화, 탄화, 출탄하는 시기와 내부 온도 변화를 고려 하여 굴뚝에서 배출되는 온실가스(CO2, CH4, N2O)를 직접 포집하여 분석하였다. 온실가스 배출계수 산정 결과, CO2 배출계수는 668 g/kg, CH4 배출계수는 20 g/kg이며, N2O 배출계수는 0.01 g/kg으 로 나타났다. 본 연구에서 개발한 온실가스 배출계수를 사용하여 국가 배출량을 산정한 결과, CO2

배출량은 46,040 ton/yr, CH4 배출량은 1,378 ton/yr, N2O 배출량은 0.69 ton/yr으로 나타났다. GWP 를 이용하여 총 배출량을 산정한 결과, 연간 75,201 ton CO2 eq.으로 나타났으며, 참나무는 바이오 매스에 포함되기 때문에 연소하는 과정에서 발생하는 CO2는 총 배출량에서 제외되므로 숯가마에서 발생하는 국내 순배출량은 연간 29,161 ton CO2 eq.으로 추정되었다.

키워드 : 기후변화, 온실가스, 배출계수, 생물성 연소, 숯가마

ABSTRACT

Recently Korea considers the source of biomass burning emissions reflecting national charac- teristic, so that includes the inventory of emission source but preceding research is rarely imple- mented in Korea. Therefore, a study on characteristics of greenhouse gas emissions from biomass burning is necessary and it also makes the source management effectively when the climate-atmos-

†Corresponding author : E-mail: [email protected]

접수일자: 2013. 1. 14 / 수정일자: 2013. 5. 30 / 채택일자: 2013. 5. 30

pheric management system takes effect.

In this study, using the manufactured charcoal kiln and the number of experiment was three times to get a reliable experiment result. The sampling time was decided by changing degree in char- coal kiln and charcoal manufacturing process.

The results of calculation greenhouse gas emission factor from charcoal kiln were 668 g CO2/ kg, 20 g CH4/kg, 0.01 g N2O/kg.

Using the emission factor developed in this study, estimate the emissions from charcoal kiln in Korea. The results of calculation were 46,040 ton CO2/yr, 1,378 ton CH4/yr, 0.69 ton N2O/yr and greenhouse gas emissions applying GWP are as follows. CH4 emissions was 28,947 ton CO2 eq./

yr, N2O emissions was 214 ton CO2 eq./yr. As a results, Gross emissions of charcoal kiln in Ko- rea was 75,201 ton CO2 eq./yr, but the oak used in this study is included to the biomass so emi- ssions of CO2 are excluded. Therefore the net emissions of charcoal kiln in Korea was 29,161 ton CO2 eq./yr.

Key words : Climate Change, Greenhouse Gas, Biomass Burning, Charcoal Kiln, Emission Factor

1. 서론

기후변화에 대한 국제적 압력에 대응하고 효과 적인 대책을 수립하기 위해서는 배출원에 따른 온실가스의 배출 정도를 정확하게 파악하는 것이 필요하다.

최근 대기 중 미세먼지 및 PAH 등 유해물질 의 배출원으로 알려진 생물성 연소에 대한 배출 목록(emission inventory)을 추가하려는 노력이 이 루어지고 있다. 생물성 연소는 인위적, 자연적인 원인을 포함하여 자연계에서 일어나는 생체 연소 를 포괄적으로 일컫는 말이다. 생물성 연소는 대 부분 적절한 관리가 이루어지지 않기 때문에 불 완전 연소가 수반되면서 입자상, 가스상의 대기 오염물질을 배출할 뿐만 아니라, CO2, CH4, N2O 등 온실가스를 배출하여 기후변화의 주요한 원인 이 될 수 있다(Levine et al., 1995).

생물성 연소에 대한 연구는 주로 미국을 중심 으로 지역규모의 배출에 대한 연구가 이루어져 왔다. 넓은 지역에 걸쳐 산림 및 초원 등에서 발 생하는 화재에 의한 대기오염물질의 배출과 배경 대기에 대한 영향, 서구의 일반적 생활문화의 하

나로 많이 사용되는 장작을 연소하는 벽난로에서 의 배출과 영향, 관리방안 등에 대한 연구사례가 있다. 그러나 숯을 제조하는 과정에서 발생하는 온실가스 배출 특성에 대한 연구는 부족한 실정 이다. US EPA(1995)에서 산정된 숯의 배출계수 중 CO2, CH4의 배출계수가 포함되어 있으나, 비응 축성 기체인 CO2, CH4는 숯가마 종류, 연소 정도, 투입되는 참나무 종류와 탄화조건에 따라 배출 특성이 매우 다양하게 나타나기 때문에 배출계수 에 대한 신뢰성이 매우 낮은 것으로 나타났다.

최근 국내의 생물성 연소 부문에 대한 연구가 진행되고 있으나, 생물성 연소에 포함되는 농업 잔재물 연소, 생활폐기물 연소, 숯가마, 화목난로, 아궁이 등에 대한 실측을 통한 배출계수 개발 등 에 대한 사항도 지금까지 그 중요성이 매우 강조 되었음에도 불구하고 거의 이루어지지 않았다(경 기개발연구원, 2011). 따라서 앞으로 효과적인 온 실가스 배출원 관리를 위해 생물성 연소 부문의 온실가스 배출 특성에 대한 추가 연구가 필요하 다고 판단된다.

본 연구에서는 생물성 연소 부문 중 나무연소 에 해당하는 숯가마를 중심으로 숯 제조 과정에

서 발생하는 온실가스 배출 특성을 파악하여 배 출계수 및 배출량 산정방법을 고찰하고, 국내 실 정에 맞는 정확한 온실가스 인벤토리 작성에 기 여하고자 한다.

2. 연구 내용 및 방법

본 연구에서는 국내 숯가마에서 발생하는 온실 가스 배출 특성을 고려하여 배출계수와 배출량 산정방식을 도출하였다. 이를 위해 국내에서 일 반적으로 사용되고 있는 숯가마의 현장조사 결과 를 토대로 제작된 숯가마 모형장치를 이용하였으 며, 크기는 가로 3.5 m, 세로 4.0 m, 높이 2.5 m 으로 하였다. 숯가마 모형장치를 이용하여 3회 반복실험을 통해 온실가스 농도 및 배출 특성을 확인하고, 온실가스 배출계수를 산정하였다. 그리 고 이를 이용하여 숯가마의 온실가스 국내 배출 량을 추정하였다.

숯가마에서 숯을 생산하는 과정은 크게 점화, 탄화, 출탄의 시기로 나눌 수 있다. 본 연구에서 는 요외소화법에 의한 백탄을 만드는 과정에서 발생하는 배출가스를 포집하여 분석하였으며, 숯 가마 모형장치를 통하여 배출가스를 발생시키기 위한 참숯 생산과정은 다음과 같다.

본 실험에 사용한 참나무의 종류는 강원도 인 제군에서 벌채한 굴참나무이다. 이 참나무를 숯 가마의 크기를 고려해 절단하고, 그 무게를 정확 하게 달아 기록한다. 가마 내부에 참나무의 뿌리 부분이 위로 가도록 세워 빼곡하게 채워 넣고 가 마 앞부분을 점화구만 남겨놓고 내화 벽돌을 이 용하여 막는다. 불쏘시개를 이용하여 숯가마 입 구부터 연속적으로 약 6 시간 동안 참나무 상부 를 충분하게 점화시킨 후 점화구를 완전히 차단 하고, 약 120∼150 시간 동안 탄화시킨다. 이후 참나무가 탄화과정을 충분히 거쳐 숯의 형태로 변화했다고 판단되면 숯가마 입구를 열고 출탄을 시작한다. 본 연구에서는 백탄을 만드는 과정을 인용하였으므로 출탄하는 즉시 숯을 용기에 넣고

산소를 차단하여 소화한 후 냉각시켰다.

본 연구에서는 숯가마에서 배출되는 온실가스 중 CO2, CH4, N2O를 포집하여 분석하였다. Non- CO2(CH4, N2O) 배출계수는 연소기술 및 관리 등 에 따라 영향을 받으므로, 화석연료와 같이 산정 하기 어렵다(IPCC, 2006). 또한, 숯을 제조하는 방법은 참나무의 산화율이 낮기 때문에 연료분석 에 의한 방법으로 CO2 배출계수를 산정하기 어 렵다. 따라서 본 연구에서는 숯가마에서 발생하 는 배출가스 중 CO2, CH4, N2O를 직접 포집하여 실측하고 분석하였다.

숯가마의 배출가스 온도는 일반적으로 약 100

℃ 이상의 고온으로 배출되어지므로, 본 연구에 서는 고온과 높은 배출가스 유속에도 견딜 수 있 는 스테인레스 스틸의 재질인 시료 채취관(010- 4K-SS, Heated Sampling Probe Assembly)을 이 용하였다.

시료 포집 시 20 ℓ용량의 Tedlar bag(SKC, US)을 사용하였으며, 포집 방법은 EPA Method 18(US EPA, 2001)을 적용하였다. 진공가스포집 기(KNJ Engineering, Korea)를 이용해 숯가마의 굴뚝에서 배출되는 배출가스를 숯가마의 점화, 탄화, 출탄시간을 고려하여 Tedlar bag에 시료를 채취하였다. 또한, 배출가스에 포함된 수분을 제 거하기 위하여 진공가스포집기 앞에 수분 흡수병 을 설치하여 온실가스 시료에 수분이 포함되지 않게 하였다.

CO2, CH4, N2O의 배출 특성을 확인하기 위해 서는 배출가스의 유량, 온도, 수분량 등에 대한 현장조사가 필요하다. 따라서 숯가마 모형장치에 서 온실가스의 시료 채취 시 배출가스의 온도, 유속, 숯가마 내부 온도, 수분량 등을 함께 측정 하였다.

본 연구는 숯가마 모형장치를 이용하여 총 3회 의 실험을 실시하였다. 시료를 포집하는 주기는 숯가마의 점화, 탄화, 출탄의 시기와 숯가마 내부 온도의 변화를 고려하여 1회차에는 13회, 2회차

는 28회, 3회차는 12회로 하였다.

CO2는 실시간 가스분석기를 사용하였으며, 이 장비의 검출방법은 전기화학식이고, 검정과 교정 을 완료하여 측정에 사용하였다. CH4의 분석은 THC, CH4, TVOC(NM-THC)를 분석할 수 있는 MODEL-200을 활용하였다. N2O의 분석은 기체 크로마토그래피(Model CP-3800, Varian, USA)를 이용하였으며, 검출기(Detector)는 전자포획형 검 출기(Electron Capture Detector, ECD)를 사용하 여 N2O의 농도를 정량분석하였다.

CO2, CH4의 분석은 현장에서 자동 분석기기를 이용하여 분석하였으며, N2O는 시료채취 후 차광 을 실시하여 실험실로 운반한 후 시료채취 후 24 시간 이내에 분석을 실시하였다. N2O를 정량분석 하기 위하여 1.0, 3.0, 5.0, 10.0 mol/mol의 표준 가스(Rigas, Korea)를 이용하여 검량선을 작성하 였다. 검량선 작성 결과, R²=0.9972 로 우수한 상 관성을 보였다.

2.1 배출계수 산정방법

온실가스 배출계수는 숯가마 모형장치에서 발 생하는 온실가스(CO2, CH4, N2O)의 농도를 실측 하고, 배출가스 유량 및 시료 채취시간과 투입된 참나무 무게 등을 고려하여 산정하였다.

식(1)은 온실가스 배출계수를 산정하는 식이 다. 온실가스 배출 농도에 배기되는 건식 가스 유량을 곱하여 시간당 온실가스 배출량을 계산한 다. 즉, 숯을 제조하는데 걸린 총 시간 동안 배출 된 온실가스 배출량을 모두 합하는 것이다. 그 다음 숯가마에 투입된 참나무 무게로 나누어 참 나무 무게(kg) 당 배출되는 온실가스 량(g)으로 나타내는 배출계수를 산정하였다.

실측을 통한 배출계수 산정과정을 크게 4단계 로 구성하였다. 1단계에서는 실측한 온실가스 농 도와 유량을 입력하고, 배출계수 산정을 위한 단 위환산을 실시한다. 2단계는 투입된 참나무 양을 입력하고, 3단계는 이를 바탕으로 배출량을 산정

한다. 4단계에서는 투입된 참나무 양으로 나누어 배출계수를 산정한다.

_{ }



_^{ ×× }

(1)

=Greenhouse gas emission factor (g/kg)

=Greenhouse gas concentration (g/m³)

=Flow rate of exhaust gas(dry basis) (m³/h)

=weight of used oak (kg)

=time (hour)

2.2 배출량 산정방법

본 연구에서 사용한 숯가마 모형은 참나무(굴 참나무)를 이용하여 백탄을 생산하기 위한 것이 다. 백탄은 요외소화법으로 숯가마의 입구를 열 고 출탄하여 강제로 소화시켜 생산되고, 흑탄은 요내 소화법으로 숯가마 내부를 외부의 공기와 차단하여 숯가마 내부에서 소화시켜 생산된다.

본 연구에서는 백탄과 흑탄의 출탄 과정에서 발 생하는 배출가스의 차이는 거의 없을 것으로 가 정하여 국내 참숯 제조 시 발생하는 온실가스 배 출량을 산정하였다. 국내 숯가마에서 발생하는 온실가스 배출량은 본 연구에서 산정한 배출계수 와 국내에서 생산되는 참나무 양을 적용하여 산 정하였다. 국내의 경우, 참나무 백탄과 흑탄의 수 탄율은 각각 10, 20%를 적용하여 참나무 양을 추정하였다(구자운, 2000). 그리고 국내 참숯가마 에서 발생하는 온실가스 배출량을 산정하는 식은 다음과 같다.

 ×× ^ (2)

=GHG emissions of charcoal kiln in Korea (ton/yr)

=GHG emission factor of white charcoal (g/kg)

=Activity data of used oak amount (ton/yr)

_{ }

  

 (3)

=Charcoal production in Korea (kg)

3. 연구결과 3.1 숯가마 모형실험

숯가마 모형장치가 현장에서 사용하는 숯가마 와 유사하게 재현되는지 확인해 보고자 모형실험 을 실시하였다. 실제 숯 공장 숯가마의 수탄율은 백탄이 10∼15%, 흑탄이 20% 정도임(구자운, 2000)을 고려하여 숯가마 모형에서 유사한 수탄 율이 재현되면, 물질수지에 근거하여 실제 숯가 마에서 배출되는 배출가스 중 유해대기오염물질, 목초액 및 목타르, 온실가스가 유사하게 발생하 는 것으로 판단하였다. 그리고 실험에 사용한 참 나무와 생산한 참숯의 발열량 및 원소 조성을 연 구 결과와 비교 분석하여 유사성을 확인하였다.

모형실험 시 숯가 마에 투입 한 참나무 양은 4,915 kg이었으며, 참숯 생산량은 695 kg으로 수 탄율은 약 14%로 나타났다. 따라서 본 연구에서 사용한 숯가마 모형장치는 유사한 수탄율이 재현 되므로 배출가스량과 특성도 실제 숯가마에서 배

Times Gross heating value (kcal/kg)

Elementary composition (%)

C H N S O, Ash

1 7,426 85.41 1.37 0.05 0.00 13.17

2 7,410 85.47 1.27 0.16 0.00 13.10

3 7,435 85.44 1.35 0.10 0.00 13.11

Average 7,424 85.44 1.33 0.11 0.00 13.12

SD 12.66 0.03 0.05 0.06 0.00 0.04

%RSD 0.17 0.04 3.98 53.3 0.00 0.29

Table 1. Calorific value and elemental composition for white charcoal produced

출되는 것과 유사한 것으로 추정하였다.

두 번째 조건을 확인하기 위해 숯가마 모형장 치에 사용한 참나무 및 제조된 참숯의 발열량과 원소분석을 실시하였다. 참나무 및 참숯의 발열 량은 열량계(IKA-C2000, Germany)를 이용하여 측정하였고, 원소 분석은 탄소(C), 수소(H), 질소 (N), 황(S)의 기본 성분이 동시 분석 가능한 자동 원소 분석기(Automatic elemental analyzer: Ther- mo Finnigan-Flash EA 1112, USA)를 사용하였 다. Table 1은 본 연구에서 제조된 참숯(백탄)의 발열량과 원소 조성을 시료 당 3회씩 분석하여 평균값을 제시한 것이다.

분석 결과, 참나무(굴참나무)의 총발열량은 4,392 kcal/kg이었으며, 이를 이용하여 탄화한 참숯의 총발열량은 7,424 kcal/kg으로 나타났다. 원소 조 성 결과, 참나무의 경우 C(탄소) 46.18%, H(수 소) 5.70%, N(질소) 0.03%, S(황) 0.00%, O(산 소), Ash(재) 및 기타는 48.09%이고, 참숯의 경우 C 85.44%, H 1.33%, N 0.11%, S 0.00%, O, Ash 및 기타는 13.12%로 참나무보다 탄소의 함 량이 약 2배 높게 나타났다.

국립중앙과학관(2007)에 의하면 참숯(백탄)의 총발열량은 6,678∼7,336 kcal/kg이며 C 함량은 64∼98%, H 함량은 0.15∼0.95%, N 함량은 0%

이다. 본 연구에서 제조된 백탄의 발열량의 평균

값과 선행 연구에서 가장 높게 나타난 발열량의 차이는 0.01%로 나타나며, 원소 조성 값 중 C 함 량은 범위 안에 포함되며, 그 외 H, N은 미미한 차이를 보이고 있으므로 숯가마 모형장치를 통해 백탄을 만드는 과정이 어느 정도 재현된다는 것 을 확인할 수 있었다.

3.2 온실가스 농도 분석 결과

Fig. 1∼Fig. 3은 1, 2, 3차 실험과정에서 배출 된 온실가스를 포집하여 측정한 농도 결과와 숯 가마 내부 온도 변화를 그래프로 나타낸 것이다.

1차 실험의 CO2 농도는 7.1∼15.5%(평균 11.9

%), CH4 농도는 1,720∼27,800 ppm(평균 9,668.9 ppm), N2O 농도는 2.6∼5.6 ppm(평균 4.4 ppm) 로 분석되었다. 2차 실험의 CO2 농도는 9.1∼

19.1%(평균 14.6%), CH4 농도는 2,500∼53,300 ppm(평균 13,051.6 ppm), N2O 농도는 1.3∼5.1 ppm(평균 3.2 ppm)로 분석되었다. 3차 실험의 CO2 농도는 14.3∼18.5%(평균 15.9%), CH4 농 도는 1,100∼43,600 ppm(평균 11,228 ppm), N2O 농도는 1.6∼2.9 ppm(평균 2.5 ppm)로 분석 되었다.

Fig. 1은 점화 후 시간 경과에 따른 CO2 농도 변화를 나타낸 것이다. 1, 2, 3차의 총 숯 제조시 간은 각각 122, 150, 124 시간으로 일치하지 않 기 때문에, 농도 변화는 점화, 탄화, 출탄의 시간 을 고려하여 비교하였다. CO2 농도는 초기 점화 시에 비교적 높은 농도를 나타내며, 약 6시간이 지난 후 점화구를 닫고 탄화가 시작되면서 농도 가 낮아졌다가 다시 증가하기 시작한다. 점화 이 후 숯가마 내부온도가 300℃ 이상 높아지면 CO2

농도가 증가하였고, 숯가마 내부온도가 500℃까 지 높아지면 CO2 농도는 감소하였다. 숯이 완성 되어 가면 불을 끄기 약 6시간 전에 숯가마 문을 열고 출탄을 시작하여 내부온도가 800℃ 이상 높 아지면 CO2 농도가 다시 증가하였다. 이는 입구 를 열면 대기 중의 산소가 유입되어 완전연소가

일어나기 때문이라고 판단된다.

점화 후 시간 경과에 따른 CH4 농도 변화는 Fig. 2에서 보는 바와 같이, 온도 변화와 거의 유 사한 농도 변화를 보이고 있다. 탄화가 시작되면 서 숯가마 내부온도는 낮아졌다가 다시 높아지기 시작하고, CH4 농도도 낮아졌다가 서서히 증가한 다. 탄화가 지속되면서 출탄 전까지 CH4 농도 또 한 지속적으로 증가한다. 숯가마 입구를 열고 출 탄이 시작되면 숯가마 내부온도가 순간적으로 높 아짐에 따라 CH4 농도 역시 급격히 증가한다. 목 재의 가열온도 300℃, 400℃, 500℃에 따른 열분 해 생성물 중 CH4는 500℃때 가장 높게 나타나 며, 300℃때 가장 낮게 나타난다는 선행 연구(박 상범, 2006)와 유사하게 본 연구에서도 숯가마 내부온도가 500℃ 이상을 유지할 때 CH4 농도가 가장 높게 나타나는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 3은 점화 후 시간 경과에 따른 N2O 농도 변화이다. N2O는 점화하는 6시간 동안 농도가 증 가하다 감소한다. 1, 2차 실험결과는 탄화가 시작 되면서 N2O 농도가 증가하는 추세를 보이다가 점차 불규칙하게 변하는 것을 확인할 수 있었다.

3차실험 결과의 경우는 1, 2차와 다르게 탄화하 는 동안 농도의 변화가 거의 일어나지 않았다.

이는 N2O 배출농도에 영향을 미치는 외부 및 내 부의 요인이 적게 발생했기 때문으로 판단된다.

또한, N2O 배출농도는 숯가마 내부의 온도변화 영향을 크게 받지 않으며, 온도외의 다른 요인이 작용하고 있다는 것을 확인할 수 있었다.

본 연구에서 측정된 CO2, CH4, N2O 농도의 상대표준편차(RSD; Relative Standard Deviation) 값을 확인한 결과, 각각 19%, 69%, 22%로 숯 제 조 시 숯가마에서 발생하는 온실가스 배출농도는 일정하지 않으며, 이는 숯가마 모형장치에 투입 한 참나무의 점화시기, 탄화시기, 온도에 따른 탄 화도 및 속도, 숯가마 내부의 온도 변화 등이 각 각 차이를 보이기 때문인 것으로 판단된다. 따라 서, 보다 정확한 측정을 위해서는 연속 측정을 이

Fig. 1. CO2 concentration change as elapsed time.

Fig. 2. CH4 concentration change as elapsed time.

Fig. 3. N2O concentration change as elapsed time.

용하여 배출계수를 산정하는 것이 바람직하다.

3.3 배출량 산정 결과

Fig. 4∼Fig. 6은 총 3회의 숯가마 모형실험에 서 측정한 온실가스 농도와 유량 값을 이용하여 시간당 온실가스 배출량을 나타낸 것이다. 실시

간 측정이 불가능하기 때문에, 측정한 시점의 농 도와 유량을 이용하여 숯을 제조하는 동안 발생

Fig. 4. CO2 emissions change as elapsed time.

Fig. 5. CH4 emissions as elapsed time.

Fig. 6. N2O emissions as elapsed time.

한 온실가스 배출량을 추정하였다.

Fig. 4는 점화 후 경과시간에 따른 CO2 배출

량을 나타낸 것으로 숯이 제조되는 시간 동안 배 출된 양을 모두 합하면 총 배출량을 산정할 수 있다. 이와 같이 산정한 배출량을 투입된 참나무 의 무게로 나누어 주면 배출계수를 산정할 수 있 다. CO2 배출량은 초기 점화 시에 증가하다가 탄 화가 시작되면서 감소한다. 탄화를 거쳐 출탄시 기까지는 배출량이 서서히 증가하며, 출탄 후 배 출량이 약간 감소한다.

Fig. 5는 점화 후 경과시간에 따른 CH4 배출 량을 나타낸 것이다. 실험결과, 점화, 탄화, 출탄 의 시기가 구분되어 배출량 변화가 유사하게 나 타났다. 점화 시에는 높게 나타났으며, 숯가마 입 구를 막고 탄화가 시작되면서 배출량이 감소하였 다. 탄화가 진행되면서 서서히 배출량이 증가하 고, 출탄 시 급격히 증가하다가 출탄이 끝나면 감소한다.

Fig. 6은 점화 후 경과시간에 따른 N2O 배출 량을 나타낸 것이다. 3회의 실험결과, 시간 경과

Greenhouse gas

Gross emissions during the making charcoal

(g)

Amount of used oak (kg)

Emission factor (g/kg)

CO2

# 1 3,235,762 4,914.8 658.37

# 2 3,012,395 4,660.8 646.33

# 3 3,232,668 4,614.2 700.59

Average 3,160,275 4,729.9 668.00

CH4

# 1 94,803 4,914.8 19.29

# 2 101,335 4,660.8 21.74

# 3 86,377 4,614.2 18.72

Average 94,172 4,729.9 19.92

N2O

# 1 117.6 4,914.8 0.02

# 2 67.0 4,660.8 0.01

# 3 50.6 4,614.2 0.01

Average 78.4 4,729.9 0.01

Table 2. Greenhouse gas emission factor from charcoal-making kiln in this study

에 따른 N2O 농도변화는 유사성을 보이지 않았 으나, 시간당 배출량 변화의 증가 및 감소는 유 사하게 나타났다. 숯가마에서 발생하는 N2O는 다 른 온실가스에 비해 농도 및 배출량 변화가 적게 나타난다. 또한, 숯가마 내부 온도 변화에 따른 농도 및 배출량 변화도 적게 나타난다.

3.4 배출계수 산정결과

숯가마 모형실험에서의 온실가스 배출은 시간 경과에 따라 농도 변화가 크게 나타나는 것을 확 인할 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 온실가스 배출계수는 모형실험이 진행되는 총 시간 동안의 온실가스 누적 배출량을 활동도인 참나무 양으로 나누어 산정하였다. 총 3회 실시한 숯가마 모형 실험에서 산정한 온실가스별 배출량과 배출계수 는 Table 2에서 보는 바와 같다.

CO2 배출량은 평균 3,160,275 g이며, 이를 참 나무 양을 적용하여 산정된 배출계수는 평균 668.0

g-CO2/kg-oak이다. 그리고 CH4의 배출량은 94,171.5 g, 배출계수는 19.9 g/kg이며, N2O의 배출량은 78.4 g, 배출계수는 0.01 g/kg으로 산정되었다.

US EPA(1995a)에서 산정한 숯가마의 CO2, CH4 배출계수는 각각 55 g-CO2/kg-oak(550 g-CO2/ kg-charcoal), 5.5 g-CH4/kg-oak(55 g-CH4/kg-char- coal)으로서, 본 연구에서 산정한 CO2 배출계수 과는 상당히 차이가 있다. 이와 같이, US EPA와 본 연구의 배출계수 차이를 보이는 것은 비응축 성 기체인 CO2, CH4가 숯가마 종류, 연소조건에 따른 수탄율, 탄화 형태 및 조건에 따라 배출 특 성이 매우 다양하게 나타나기 때문인 것으로 판 단된다(US EPA, 1995b, 1999).

이와 같은 차이는 본 연구에서 산정한 배출계 수와 US EPA(1995a, 1999b) 배출계수의 산정방 식에서도 나타난다고 볼 수 있다. 연구 결과, 시 간 경과에 따라 배출가스의 농도, 유량, 수분량을 고려하여 실측에 근거해 산정한 본 연구의 배출 계수와 물질수지를 이용하여 산정한 US EPA (1995a)의 배출계수 결과가 다르다는 것을 확인 할 수 있었고, 그로 인하여 오차가 발생하였다고 판단된다. 따라서, 숯가마와 같은 탄화과정은 일 반적인 연소과정과는 연소조건이 상당히 다른 점 을 고려한다면, 숯가마에서 배출되는 CO2, CH4, N2O의 배출계수 추정은 물질수지 식에 의한 추 정보다는 실측을 통한 배출계수 추정이 더 타당 하다고 판단된다.

이와 같이 숯가마에서 배출되는 CO2, CH4, N2O는 다양한 요인에 의해 불확도가 높게 나타 날 수 있어, 배출계수의 신뢰성은 낮은 것으로 판단된다. 하지만, 본 연구는 물질수지의 이론적 계산을 활용한 US EPA(1995b, 1999b)에 비하여 시간 경과에 따라 변화하는 배출가스의 농도, 유 량, 수분량을 반영한 실측을 통해 배출계수를 산 정하였으므로 상대적으로 신뢰도가 높을 것으로 판단된다.

3.5 국내 숯가마에서 발생하는 온실가스 배 출량

숯가마에서 발생하는 온실가스 배출량을 산정 하기 위하여 본 연구에서 산정한 배출계수와 숯 제조용 참나무 양을 적용하였다. 숯 제조용 참나 무양은 우리나라의 백탄화 흑탄의 수탄율(각각 10, 20%)과 참나무 숯 생산량(산림청, 2004∼ 2011)을 적용하여 산정한 결과, 국내에서 참나무 숯 제조에 사용되는 참나무 양은 연간 68,922 ton으로 나타났다.

Table 5는 온실가스(CO2, CH4, N2O) 배출계수 와 연간 사용되는 참나무 양을 이용하여 국내 배 출량을 구하고, SAR(Second Assessment Report of the IPCC)에 보고된 GWP(Global Warming Potential)를 사용하여 CO2 eq. 단위로 환산한 것 이다. 그 결과, 국내 숯가마에서 발생하는 CO2

배출량은 46,040 ton/yr, CH4 배출량은 1,378 ton/yr, N2O 배출량은 0.69 ton/yr로 산정되었다.

GWP를 이용하여 산정한 CH4의 배출량은 28,947 ton CO2 eq./yr로서 CO2 배출량의 약 63%를 보 였다. 그리고 N2O는 214 ton CO2 eq./yr로서 CO2

와 CH4에 비해 매우 낮은 배출량을 보였다. 국내 숯가마에서 발생하는 온실가스 배출량은 연간 75,201 ton CO2 eq./yr이다. 그러나 참나무는 바 이오매스에 포함되기 때문에 연소하는 과정에서 발생하는 CO2는 총 배출량에서 제외하여 산정하 기 때문에(IPCC, 1996) CO2를 제외한 숯가마에 서 배출되는 온실가스 국내 순배출량은 29,161 ton CO2 eq./yr로 산정되었다.

4. 결론 및 고찰

온실가스 저감을 위한 주된 대책은 에너지 사 용의 효율화와 신재생에너지의 확대 보급을 통해 화석연료를 줄여나가는데 있다. 이와 함께 숯이 나 나무연료와 같은 바이오매스에 의한 생물성 연 소도 화석연료의 사용량을 줄일 수 있다는 면에

GHG Emission factor (g/kg)

Amount of used oak (ton/yr)

Emissions

(ton/yr) GWP Emissions

(ton CO2 eq./yr)

CO2 668

68,922

46,040 1 46,040

CH4 20 1,378 21 28,947

N2O 0.01 0.69 310 214

Gross emissions 75,201

Net emissions 29,161

Table 3. GHG emissions from charcoal kiln in Korea

서 관심을 갖고 있다.

생물성 연소는 입자상, 가스상의 대기오염물질 을 배출할 뿐만 아니라, CO2, CH4, N2O 등 온실 가스도 배출하여 기후변화에 영향을 미치게 된 다. 이에 따라 최근 국내 배출원 특성을 고려하 여 생물성 연소에 대한 배출목록을 추가하려는 연구가 이루어지고 있으나, 국내 현황을 반영한 실증 연구는 거의 이루어진 바가 없다.

따라서, 본 연구에서는 국내 참숯가마에서 발 생하는 온실가스 배출 특성을 파악하기 위하여 숯가마 모형장치를 이용하였으며, 보다 신뢰성 있는 온실가스 배출 특성을 확인하기 위해 총 3 회의 모형실험을 실시했다.

숯가마 모형장치의 배출가스 중 온실가스를 포 집하여 농도를 측정한 결과, 1차 숯가마 모형장 치의 CO2 농도는 평균 11.9%, CH4 농도는 평균 9,668.9 ppm, N2O 농도는 평균 4.4 ppm로 분석 되었다. 2차 숯가마 모형장치의 CO2 농도는 평균 14.6%, CH4 농도는 평균 13,051.6 ppm, N2O 농 도는 평균 3.2 ppm로 분석되었다. 3차 숯가마 모 형장치의 CO2 농도는 평균 15.9%, CH4 농도는 평균 11,228 ppm, N2O 농도는 평균 2.5 ppm로 분석되었다. 본 연구에서는 숯가마의 점화 후 경 과시간에 따른 농도 변화와 숯가마 내부의 온도 변화를 비교하였으며, 측정한 온실가스 중 CH4

농도 변화는 온도 변화와 가장 유사한 추이를 보 였다.

배기가스 중의 온실가스 농도는 시간 경과에

따라 변화하기 때문에 시간경과에 따른 배출량을 고려하여 배출계수를 산정하였다. 온실가스 배출 계수 산정 결과, CO2 배출계수는 평균 668 g/kg, CH4 배출계수는 19.9 g/kg이며, N2O 배출계수는 0.01 g/kg으로 산정되었다.

본 연구에서 개발한 온실가스 배출계수를 사용 하여 국가 배출량을 산정한 결과, CO2 배출량은 46,040 ton/yr, CH4 배출량은 1,378 ton/yr, N2O 배출량은 0.69 ton/yr로 산정되었다. 그리고 GWP를 이용하여 산정한 결과, CH4는 28,947 ton CO2

eq./yr, N2O는 214 ton CO2 eq./yr로서, 국내 숯가 마에서 발생하는 온실가스 배출량은 연간 75,201 ton CO2 eq.이다. 그러나 참나무는 바이오매스에 포함되기 때문에 연소하는 과정에서 발생하는 CO2는 총배출량에서 제외되므로 CO2 배출량을 제외한 국내 순배출량은 연간 29,161 ton CO2

eq.으로 추정된다.

숯가마에서 발생하는 온실가스 배출량을 보다 정확하게 산정하기 위해서는 국내의 다양한 숯가 마를 대상으로 배출계수를 개발하여 대표성을 확 보해야 하며, 실험에 사용한 참나무의 성상 차이 를 고려하여 실험의 범위를 확대하는 것이 필요 하다고 판단된다.

선행 연구에 따르면 실측에 의한 연구보다 탄 소물질수지(carbon balance model)를 사용하여 산정 된 사례가 주로 나타나므로 대기⋅기후 통합관리 가 이루어지기 시작한다면 실측과 이론적 계산의 비교를 통해, 보다 신뢰도 높은 온실가스 배출량

을 산정할 수 있으며, 이를 바탕으로 보다 정확 한 온실가스 배출량 파악 및 감축 목표를 수립할 수 있을 것으로 판단된다.

사 사

본 연구는 환경부의 2011년 차세대 에코이노 베이션기술개발사업(401-112-018)의 지원으로 수 행되었으며, 이에 감사드립니다.

본 연구는 2013년도 산업통상자원부의 재원으 로 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제(No. 20094010200030)입니다.

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