KR102002967B1 - 흡인노즐에 단면적 조절장치가 부착된 배기가스 연속 등속 채취 장치와 이를 결합한 배기가스 미세먼지 연속자동측정 시스템 - Google Patents

흡인노즐에 단면적 조절장치가 부착된 배기가스 연속 등속 채취 장치와 이를 결합한 배기가스 미세먼지 연속자동측정 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배기가스에 포함된 입자상 물질을 채취하는 방법에 관한 것으로, 배기가스 배출원의 유속과 등속으로 흡인하기위기 위하여 흡인노즐의 단면적을 자동 조절하여 배출원의 유속과 등속으로 시료를 흡인하도록 함으로써, 입자상 물질의 관성력에 의한 측정오차를 제거함과 동시에 흡인가스 유량을 16.67ℓ/min의 정속으로 입자상 물질을 입경 분리장치(cascade impactor)로 유입하여 PM10 (Particulate Matter Less than 10㎛) 과 PM2.5(Particulate Matter Less than 2.5㎛) 를 연속적으로 분리하여 자동측정하는 흡인노즐에 단면적 조절장치가 부착된 배기가스 연속 등속 채취 장치와 이를 결합한 배기가스 미세먼지 연속자동측정 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 배기가스 중 입자상 물질을 채취 장치와 분리장치의 상충된 조건을 동시에 만족시켜 측정오차를 최소화한 입자상 물질 채취 및 연속 자동 측정을 할 수 있다는 장점이 있다.

Description

흡인노즐에 단면적 조절장치가 부착된 배기가스 연속 등속 채취 장치와 이를 결합한 배기가스 미세먼지 연속자동측정 시스템{An exhaust gas continuous isokinetic sampling apparatus with a sectional area adjustment device attached to the suction nozzle}
본 발명은 흡인노즐에 단면적 조절장치가 부착된 배기가스 연속 등속 채취 장치에 관한 것으로서, 배기가스 유속을 측정하여 측정된 유속과 등속흡인이 유지되도록 시료채취관 전단에 배기가스 유속에 따른 흡인노즐 단면적 비례제어 변경장치를 부착한 것을 특징으로 하는 흡인노즐에 단면적 조절장치가 부착된 배기가스 연속 등속 채취 장치에 관한 것이다.
현재까지는 총입자상 물질(Total suspended Particles)을 측정해오고 있으나, 미세먼지의 중요성이 커지면서 이를 PM10nm 이하로 분리하여 연속측정 하여야 할 중요성이 크게 대두되고 있는 실정이다.
일반 대기나 실내환경의 미세먼지측정은 규격화(미국은 EPA규격, 유럽은 EN12341)되어 PM10nm이하로 분리하여 연속 측정되고 있으나 굴뚝에서 배출되는 배기가스(stack gas) 미세먼지측정은 채취단계와 분리단계에서 서로 모순되는 제약조건이 서로 상충되어 측정오차를 최소화한 정밀한 연속측정이 불가능했다.
한편, 연속 측정을 제약하는 상이한 제약조건은 아래와 같다.
첫 번째로 채취단계로서, 도 5에 나타낸 것과 같이, 입자상 물질을 채취하는 경우 샘플링 유속이 배출원의 유속과 달라지면 관성력에 의한 오차가 발생한다.
이 오차를 최소화하기 위한 방법이 등속 샘플링(Isokinetic Sampling) 이다. 기존의 등속 샘플링은 주 배출원인 굴뚝(STACK)의 설계용량을 계산한 후 굴뚝 배출용량에 가장 적합한 노즐의 구경을 기존의 5개 또는 6개로 이루어진 다수의 노즐 경 중 적합한 한개를 선택하여 수동으로 측정관에 삽입 설치하여 운용하는 방식이다.
고정된 노즐경을 사용하여 채취하는 도중 당연히 배출원인 굴뚝 (STACK ) 의 배기 가스 유속이 수시로 변화하므로 원칙에 의하면 해당 변화된 유속에 적합한 노즐경을 교체하여 주어야 하지만 이미 고정된 노즐은 교체가 불가능하기 때문에 펌프를 이용해 흡인속도를 변화시켜 측정의 오차를 줄이고 있다. 구체적 방법은 배출원 유속과 동일한 유속으로 흡인노즐 통과하는 등속흡인유량(허용범위 95% - 110%) 조건을 만족시키는 범위 내 에서 샘플링 유속을 변화시켜야 한다.
두 번째로 분리단계로서, 미세분리장치인 cascade impactor(이하 IMPACTOR로 표기함)의 통과유량인 분당 16.67ℓ를 정속으로 통과시켜야만 입자가 분리되어서 후단에서 채취나 연속 측정할 수 있도록 되어 있다.
정리하면, 고정된 노즐면적으로 입자성 물질을 측정오차 없이 채취하려면 매번 변화하는 배기유속에 비례하여 샘플링 ‘변속’ 시켜야 하지만 채취한 입자성 물질을 PM10(Particulate Matter Less than 10㎛) 과 PM2.5(Particulate Matter Less than 2.5㎛) 를 연속적으로 분리하여 자동측정 하기 위해서는 16.67ℓ/min의 ‘정속’으로 입자상 물질을 입경 분리장치 (cascade impactor)로 유입하여야 하기 때문에 서로 모순이 되어 측정이 어려운 것이다.
이 상이한 두 조건을 만족시키기 위해서는 가장 기본적으로 Q(유량) = A(단면적)*V(유속)*K(보정계수)로 정의되며, 종래에는 A(흡인노즐의 단면적)을 고정 정수로 하고 보정계수(K)는 동일한 측정조건(온도,압력)임으로 V(순간유속)이 변함에따라 Q(순간유량)유량을 산출하여 펌프전단에 설치되어 있는 조절벨브를 조절하여 등속흡인을 유도했으나 본 발명은 상기 유량측정공식을 이용해서 첫 번째로 Q(순간유량)는 IMPACTOR의 요구유량인 16.67ℓ/min를 정수로 하여 정속 흡인하도록 설정하고, 두 번째 배출원등속흡인유량은 배출원 유속인 V가 공정 부하에 따라 변동되기 때문에 유속측정기로부터 측정된 유속을 상기 식에 대입하면 쉽게 변수로 요구되는 노즐의 단면적 A를 구할 수 있다.
이를 등속흡인유량 허용오차범위인 95% - 110%범위 내에서 노즐단면적 자동조절기로 A(노즐의 단면적)을 조절하여 적용하면 두 가지 상이한 요구사항을 만족시킬 수 있어 배기가스 중 미세먼지농도를 자동 채취 및 연속측정 할 수 있는 새로운 방법이 가능하게 된다.(여기서, 등속흡인 유량계산식을 산출하는 방법으로 기존방식인 피토튜브와 차압계 그리고 건식가스미터를 사용하면 온도, 압력, 차압, 정압, 가스미터 게이지압등 많은 변수를 적용하여 계산하여야 하나 Thermal mass flowmeter에서는 온도 압력에 관계없이 유량값에 가스밀도만 보정하면 정밀한 유체유속 및 유량을 측정할 수 있다.)
이러한 배기가스에 포함된 물질을 채취하기 위한 장비 중 일실시예로 하기 특허문헌 1의 “배기가스에 포함된 입자상 물질의 채취 장치(대한민국 등록특허공보 제10-1250249호)”가 게시되어 있다.
특허문헌 1: 대한민국 등록특허공보 제10-1250249호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 종래에 측정하고 있는 총 먼지 측정에서는 유속을 피토관(302)과 차압계(305)로 측정하고 단일규격 노즐(301)구경을 대입한 등속흡인유량을 펌프(309)전단에 설치된 유량 조절벨브(308) 를 조절하여 건식가스미터(311)로 적산하여 측정 하였으나, 같은 공정으로 연계되어있는 미세분진을 측정하기 위해서는 미세분진 분리장치인 IMPACTOR의 정속흡인유량 또한 만족시켜야 하기 때문에 이 두 조건을 만족시키기 위한 방법으로 흡인 노즐경 자동조절장치(102)를 부착하여 등속흡인 유량과 정속흡인유량을 동시에 만족시킬 수 있는 흡인노즐에 단면적 조절장치가 부착된 배기가스 연속 등속 채취 장치를 제공하는 것이다.
또한, IMPACTOR(201)(202)에서 요구하는 16.67ℓ/min 정속흡인유량을 맞추기 위해서 흡인장치내의 유량조절변(207)을 이미 사용하고 있는 상태에서 배기가스의 등속흡인유량을 맞추기 위해서는 흡인노즐경의 단면적을 변수로 적용해야만 원활한 등속흡인을 만족시킬 수 있는 흡인노즐에 단면적 조절장치가 부착된 배기가스 연속 등속 채취 장치를 제공하는 것이다.
또한, 흡인노즐 구경변경은 공해공정시험법에 요구하는 등속흡인 허용오차 95% - 110% 범위를 벋어나면 즉시 노즐 변경모드로 들어가 계산된 노즐로 교체하거나 자동 노즐면적 조절장치를 가동하여 흡인 요구노즐면적을 계산한 후 바로 비례제어 조절하도록 하는 흡인노즐에 단면적 조절장치가 부착된 배기가스 연속 등속 채취 장치를 제공하는 것이다.
또한, 배출원의 유속과 동일한 속도를 유지하기 위하여 노즐의 단면적을 자동 조절하여 등속 샘플링을 실현함과 동시에 채취 유속을 변화시킬 필요 없이 cascade impactor의 흡인가스 유량을 16.67ℓ/min의 정속 조건을 충족시켜 측정오차를 최소화한 정밀한 배기가스 미세먼지 연속자동측정 시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 흡인노즐에 단면적 조절장치가 부착된 배기가스 연속 등속 채취 장치는, 배기가스 유속을 측정하여 측정된 유속과 등속흡인이 유지되도록 시료채취관 전단에 배기가스 유속에 따른 흡인노즐 단면적 비례제어 변경장치를 부착한 것을 특징으로 한다.
또한, 유속측정기(109)에서 측정하여 계산된 배기가스 등속흡인유량과(210)과 입경 분리장치(201)가 요구하는 정속흡인유량을 충족시키기 위한 특정된 수식에서 요구되는 노즐단면적을 만들기 위하여 위치제어 슬라이드바(105)와 위치제어 조절장치(106)와 노즐 단면적 조절용 노브(102)가 구비되고 정속조건하에서 등속흡인유량을 조절하기 위한 수단으로 노즐구경을 변경시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 등속흡인을 하기 위한 수단으로 서로 규격이 다른 다수의 흡인노즐을 시료채취부에 장착하고 유속에 따른 계산된 노즐을 자동으로 선택하고, 유속에 따라 흡인노즐의 구경을 자동으로 변경시키어 등속흡인 유량을 흡인하는 것을 특징으로 한다.
또한, 배출원 유속, 유량과 자동시료 흡인장치의 유속, 유량계를 동일한 측정방법인 Thermal mass flowmeter 중 boundary-layer 방식을 채택하여(109)(208)로 하여 온도, 압력이나 조성변화에도 측정오차 없이 유량을 측정하여 운용하는 것을 특징으로 한다.
이상, 상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 대기오염 공해공정 시험법에 규정된 배출원 총 먼지 자동측정 방식과 대기오염 미세먼지자동측정법을 연계하여 유량조절방법을 달리하여 적용하여 배출원의 미세먼지농도를 자동측정 할 수있도록 한 것으로 배출원의 미세먼지 농도관리와 데이터축적, 그리고 공정과 연계하여 미세먼지 절감에 효율적이라는 장점이 있다.
도 1은 종래의 배출가스 시료채취장치의 개략도
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 흡인노즐에 단면적 조절장치가 부착된 배기가스 연속 등속 채취 장치의 구성도
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 흡인노즐에 단면적 조절장치가 부착된 배기가스 연속 등속 채취 장치를 포함한 배기가스 미세먼지 연속자동측정 시스템 구성도
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 흡인노즐에 단면적 조절장치가 부착된 배기가스 연속 등속 채취 장치의 구성 중 흡인노즐 변경장치를 나타낸 개략도
도 5는 기존 교환이 가능한 팁이 있는 노즐의 모습을 나타낸 사진
이하에서는 첨부된 도면을 참조로 하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 흡인노즐에 단면적 조절장치가 부착된 배기가스 연속 등속 채취 장치를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 2를 참조하면 시료채취관(이후 Probe로 표기) 전단에 유속센서(103),흡인노즐(101), 흡인노즐단면적 조절노브(102) 그리고 노브 안정용 스프링(107)으로 구성하여 굴뚝배출원에 직접노출되며 Probe 내부는 내산성 재질의 시료채취관을 가온(104)하도록 구성된다.
한편, Probe 후단은 Thermal mass flowmeter(109)와 흡인가스 정온장치(110)로 구성되며 노브조절용 슬라이드바(105)와 위치제어장치(106)가 결합되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 시료채취 장치는 IMPACTOR(201)(202)가 요구하는 정속흡인조건을 유지하면서 배기가스흡인속도를 등속으로 하는 것이 핵심이며, 이 두가지 요구조건을 만족시키기 위한 수단으로 정속흡인유량(16.67ℓ/min)을 정수로 하고 Thermal mass flowmeter(109)에서 측정된 유속신호를 받아 지시 및 제어부(210)에서 등속흡인 유량을 계산한 다음 변수인 흡인노즐 단면적을 산출하면 흡인노즐(101)의 단면적을 조절용 노브(102)로 좌, 우로 수평이동하면서 흡인면적을 정확하게 조절하여 등속흡인과 연동할 수 있는 것이 가능하다.
이 과정에서 노브위치 조절은 노브와 연결된 위치제어 슬라이드바(105)와 위치제어 장치(106)로 구성되며 제어부(210)에서 계산되어 지시한 값을 정밀 조절하여 적용한다. 참고로, 등속흡인유량의 중요성은 배출원에서 시료가스를 흡인하는 과정에서 배출유속보다 흡인유속이 크면 주변의 가벼운 입자 중심으로 흡인되고 큰입자는 관성에 의해 흡인이 되지 않아 실 농도보다 낮은 값으로 측정되고 반대로 늦게 흡인하면 측정값이 높게 측정된다. 따라서, 배출원 농도와 균등한 측정을 위해서 공정시험법에서는 배출유속과 노즐흡인속도를 95% - 110% 범위로 규정되어 있다.
도 3은 본 발명에 따른 시료채취 및 자동 흡인 장치를 포함한 시스템 구성도로서, 시료채취장치로부터 유입된 시료가스는 먼저 PM10 IMPACTOR(201)를 통과한후 PM2.5 IMPACTOR(202)를 통과하게 된다. 입자분리장치(IMPACTOR)는 입자의 관성충돌 법칙을 적용하여 유체흐름방향을 급격하게 변경시키면 큰입자는 중력과 관성력에의해 직진성을 갖고 포집판에 충돌하여 포집되지만 가벼운 입자는 유체와 함께 나가게 되는 원리를 이용하기 때문에 유체의 인입속도와 장치의 구조 및 치수에 대한 설계가 매우 중요하다.
IMPACTOR에서 분리된 미세분진을 포함한 시료가스는 시료 포집필터(203)에서 규격여과지로 포집한 다음 총 흡인유량과 먼지무게차를 중량측정법으로 하여 미세먼지농도를 구하는 시료채취 공정이다.
한편, 본 발명은 중량법에 의한 시료채취뿐만 아니라 포집휠터구(203)를 빼내고 직선관으로 대체한 다음 연속자동측정장치로 유도하는 것이 바람직하다.
굴뚝 배출원에서는 다양한 입경으로 구성된 먼지가 배출된다. 그 중 대부분인 70마이크로미터 이상의 큰입자는 입자 자중력에 의해 멀지 않은 곳에 자연 낙하되나 이하의 미세입자는 공중에 부유하면서 여러 가지 문제를 일으키게 된다. 이중 PM2.5 이하의 미세분진은 다른 화합물과 쉽게 반응하여 2차 오염을 일으키고 또한 사람의 폐포를 통과하여 국민보건에 심각한 영향을 끼치는 것으로 되어 있어 관리의 필요성 요구된다.
한편, IMPACTOR를 통과한 시료가스는 미세먼지측정 센서(204)가 장착된인 베타선 먼지 측정기를 통과하면서 먼지농도가 자동측정되어 데이터를 판넬 PC로 전송한다.
이때, IMPACTOR(201)(202)의 정속 흡인유량을 조절하기 위해 흡인펌프(209)에서 흡인한 시료가스를 Thermal mass flowmeter(208)가 유량을 측정하여 순간유량신호를 지시제어장치(210)에 전송하면 연동으로 유량조절밸브(207)를 조절하여 분당 16.67ℓ 정속흡인 하도록 제어한다.
한편, 도 1은 종래의 굴뚝가스 시료채취 장치 구성도이며, 시료채취관 전단에는 흡인노즐(301), 피토튜브(302), 온도측정 센서(303)로 구성되며, 분진(TSP총 입자싱물질)측정시 적정흡인노즐을 선정하여 고정취부하고, 피토튜브와 배기가스온도를 측정(304)하여 차압측정기(305)로부터 측정된 값을 대입하여 굴뚝 유속을 측정하고 선정(4,6,8,10,12 파이 중에서)된 노즐과 유속을 대입하여 등속흡인유량이 산출되면 건식가스미터(311)로부터 입력된 유량신호를 받아 등속흡인이 되도록 펌프(309) 전단에 설치되어있는 유량조절밸브(308)를 조절하며 흡인한다.
이때, 먼지는 총 입자상물질(TSP)을 측정하기 때문에 중간에 시료채취 필터(306)를 취부하고 산출된 등속흡인량을 펌프전단의 밸브로 조절하여 측정하는 구조로 되어있다.
즉, 종래기술과 본 발명과의 차이점은 본 발명은 펌프전단에 설치된 유량조절밸브(207)를 정속(16.67ℓ/min)으로 흡인하며 동시에 등속흡인을 하기위한 수단으로 흡인노즐단면적을 변경시키는 방법이며 기존의 먼지(총먼지)측정방법은 산출된 흡인유량을 조절밸브(308)로 조절하여 흡인하는 것이다.
한편, 본 발명은 중량법에 의한 시료채취뿐만 아니라 포집휠터구(203)를 빼내고 직선관으로 대체한 다음 연속자동측정장치로 유도한다.
인펙터를 통과한 시료가스는 미세먼지측정 센서(204)가 장착된 베타라인 먼지 측정기를 통과하면서 먼지농도가 자동측정되어 데이터를 판넬 PC로 전송한다.
이때, 미세입자 분리장치(201)(202)의 정속 흡인유량을 조절하기위해 흡인펌프(209)가 흡인한 시료가스를 Thermal mass fliwmeter(208)가 유량을 측정하여 순간유량신호를 지시제어장치(210)에 전송하면 연동으로 유량조절밸브(207)를 조절하여 분당 16.67ℓ 정속흡인 하도록 제어한다.
도면과 명세서에서 최적 실시 예들이 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
101: 흡인노즐 102: 노즐 단면적 조절노브
103: 유속측정센서(온도센서포함) 104: 시료채취관 가열장치
105: 노브 위치제어 구동변(슬라이드바)
106: 노브 위치제어 장치 107: 노브고정용 스프링
108: 시료채취튜브(내 산성재질) 109: 시료채취필터(Teflon 47mm)
110: 흡인가스 정온장치 111: 굴뚝가스 흐름방향
201: PM10 입경 분리장치 202: PM 2.5 입경분리장치
203: 시료 포집 필터(Teflon 47mm) 204: 베타레이 먼지측정기
205: PM10 분리먼지 제거장치 206: PM2.5 분리먼지 제거장치
207: 정속유량 조절밸브
208: 열식 질량유량계(Thermal mass flowmeter)
209: 가스 흡인펌프 210: 데이터표시 및 제어장치(판넬PC)
301: 흡인 노즐(4,6,8,10,12mm구경중 선택사용)
302: 피토 튜브 303: 온도측정 센서
304: 굴뚝온도 지시계 305: 차압측정기(유속측정용)
306: 총 먼지시료 채취 필터 307: 베타선 총 먼지측정기
308: 등속흡인유량 조절밸브 309: 흡인펌프
310: 온도및정압측정센서 311: 건식 가스미터
312: 표시 및 제어장치(판넬PC)

Claims (4)

  1. 배기가스 연속 등속 채취 장치로서,
    굴뚝 내 배기가스를 흡인하도록 구성되되, 전단에 노즐 단면적 조절노브(102)가 구비되는 흡인노즐(101);
    상기 굴뚝 외부에 배치되되, 상기 흡인노즐(101)에 의해 흡인된 배기가스에서 미세먼지를 분리하여 채취하도록 구성되는 입경분리장치(201, 202); 및
    상기 흡인노즐(101)에 구비된 상기 노즐 단면적 조절노브(102)의 위치를 제어하도록 구성되는 노브 위치제어장치(106)를 포함하고,
    상기 노즐 단면적 조절노브(102)가 구비되는 상기 흡인노즐(101)의 전단은 트랙(track) 형상을 갖고, 상기 노브 위치제어장치(106)는, 위치제어 슬라이드바(105)를 통해 일단이 반원 형상을 갖는 상기 노즐 단면적 조절노브(102)의 위치를 제어함으로써 상기 굴뚝 내 배기가스의 유속과 등속흡인을 유지하면서 동시에 상기 입경분리장치(201, 202)가 요구하는 정속흡인을 구현하는 것을 특징으로 하는,
    배기가스 연속 등속 채취 장치.
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  3. 삭제
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