WO2020213808A1

WO2020213808A1 - 미세먼지 저감 시스템

Info

Publication number: WO2020213808A1
Application number: PCT/KR2019/017359
Authority: WO
Inventors: 서동환
Original assignee: 주식회사 넥스트이엔씨
Priority date: 2019-04-16
Filing date: 2019-12-10
Publication date: 2020-10-22
Also published as: CN113748300A; US20220176305A1; KR102054253B1

Abstract

본 발명은 대기 중에 부유하고 있는 미세먼지를 저감하는 시스템에 관한 것으로, 좀더 상세하게 설명하자면, 예컨대 교량이나 하천변 등에 나란히 세워서 설치되는 다수개의 크레인과, 상기 크레인의 상단에서 각각 80~130m의 높이까지 비스듬히 물방울 입자를 분사하는 살수노즐과, 상기 살수노즐로 고압의 물을 공급하는 물공급수단과, 이들 각각 제어하는 제어부를 포함하여 구성되고, 미세먼지가 통과하는 지역에다 상기 살수노즐에서 분사되는 물방울 입자로 이루어진 폭 30~60m의 연속적인 인공수벽을 형성함으로써, 적어도 지상 40~60m 이내의 주요 생활공간에 대해서는 미세먼지가 없는 쾌적한 생활공간을 제공할 수 있도록 구성된 미세먼지 저감 시스템에 관한 것이다.

Description

미세먼지 저감 시스템

산업사회의 발달과 함께 석탄이나 석유 등과 같은 화석 연료를 사용하는 공장과 차량의 운행이 증가하면서 대기 중에 존재하는 미세한 입자상의 물질, 즉 미세먼지의 발생이 크게 증가하고 있다. 크기가 수 ㎛ 정도에 불과한 미세먼지는 공기 중에 부유한 상태로 존재하기 때문에 쉽게 제거되지 않으며, 공기의 흐름을 타고 넓은 지역으로 확산하여 여러 가지 심각한 사회적 문제를 일으킨다.

특히 인체로 흡입된 미세먼지는 코나 기관지 등에서 걸러지지 않고 호흡기관 깊숙이 침투하여 천식이나 기관지염, 알레르기성 비염과 같은 호흡기 질환을 일으키거나, 결막염, 안구건조증 같은 안질환, 알레르기성 피부염 등을 발생하기도 한다. 이처럼 미세먼지는 대기 오염의 주범으로써, 현대인들의 건강을 위협하고 동식물의 성장을 저해하는 것은 물론, 반도체 등 첨단산업 분야에도 심각한 피해를 입히는 것으로 보고되고 있다.

이러한 문제점을 해소하기 위하여 과거에는 공장 굴뚝이나 자동차의 배기가스 배출량을 제한하거나, 토목 및 건설공사 현장의 미세먼지 발생량을 제한하는 등 주로 미세먼지의 발생을 억제하는 예방적 대책을 추진해 왔다. 그러나, 이러한 예방적 대책만으로는 다양한 발생 요인에 의해서 점점 늘어나고 있는 미세먼지를 억제하는데 현실적인 한계가 나타나고 있다.

그래서 최근에는 인공 강우나 바람, 필터 등을 이용하여 이미 대기 중에 부유하고 있는 미세먼지들을 인위적으로 제거하려는 보다 적극적인 노력들이 시도되고 있다. 예를 들면, 특허 제10-1517906호(2015년 04월 29일)에는 자동차와 같은 이동수단에 설치하여 미세먼지를 집진 하는 미세먼지 포집장치를 소개하고 있다.

이러한 미세먼지 포집장치는 외부 동력의 지원 없이 상기 이동수단의 주행을 이용하여 대기 중에 부유하고 있는 미세먼지를 제거하는 것이다. 그러나, 수많은 차량에 이러한 미세먼지 포집장치를 설치하기 위해서는 많은 사람들의 협조를 구해야 하기 때문에 실현 가능성이 낮고, 가스 상태의 초미세 먼지를 제거하는 데는 큰 효과를 기대하기도 어렵다.

다음으로, 특허 제10-1669791호(2016년 10월 20일)에는, 국지적 인공강우를 이용한 미세먼지 저감장치가 소개되어 있다. 상기 미세먼지 저감장치는 인공강우를 생성하기 위하여 높이 250~350m 정도의 제1 철탑과 제2 철탑이 약 4 Km 간격으로 설치되고, 이들 두 철탑 사이에는 분사노즐이 형성된 살수용 호스와, 구름 형성 공간을 제공하는 제1 스크린 및 제2 스크린이 설치되는 구조로 이루어진다.

또한, 특허 제10-1915694호(2018년 10월 31일)에는, 풍선 등을 이용하여 대형 캔버스를 지면에서 일정 높이로 설치하고, 상기 캔버스의 표면을 따라 물이 흐르도록 함으로써, 대기 중에 부유하면서 이동하는 미세먼지들을 캔버스에 흡착하여 제거하는 미세먼지 제거장치가 소개되어 있다.

그러나 상기 같은 미세먼지 저감 또는 제거들은, 대규모 시설과 엄청난 공간이 필요하고, 나아가 바람에 매우 취약한 구조이기 때문에 조금만 강한 바람이 불어도 설비 자체를 모두 미리 철거해야 하고, 필요시 다시 설치해야 하는 번거러움이 있다.

일반적으로 대기 중 미세먼지는 상공으로 갈수록 기온이 증가하는 대기의 공기층, 즉 기온역전층(temperature inversion layer) 내에 존재하는데, 상기 기온역전층은 지상으로부터 약 1 Km 이내의 높이에 해당한다. 미세먼지는 상기 기온역전층에 갇혀서 대기 중으로 이동 확산되지 못하고, 바람을 따라 일정한 방향으로 수평이동 하면서 지상의 생활공간을 심각하게 오염시킨다.

그런데 현재의 기술적 수준으로 상기 기온역전층 내에 광범위하게 존재하는 미세먼지를 모두 제거하는 것은 사실상 불가능하며, 설사 가능하다 하더라도 막대한 비용이 소요될 것이다. 더구나 사람들이 주로 생활하는 주거공간은 기껏해야 지상에서 높이 100m 이내, 좀 더 압축하면 40~60m 이내에 분포하기 때문에 높이 1 Km에 이르는 미세먼지를 모두 제거하는 것은 비효율적인 해법이라 할 수 있다.

이에 본 발명의 목적은 미세먼지가 많이 통과하는 지역에다 지상에서부터 소정의 높이로 연속적인 인공수벽을 설치하여 해당 구역을 통과하는 미세먼지를 제거 또는 저감함으로써 적어도 사람들의 주요 생활공간인 지상 40~60m 이내에 대해서는 최소한의 시설과 최소한의 비용으로 보다 쾌적한 대기 환경을 제공할 수 있도록 하는 미세먼지 저감 시스템에 관한 것이다.

본 발명에 따른 미세먼지 저감 시스템은, 신장 또는 수축이 가능한 다수개의 붐대로 이루어지고, 하단부가 고정된 상태에서 각도 조절 및 회전이 가능하도록 세워서 설치되는 다수개의 크레인과; 상기 크레인의 상단에 설치되어 상기 크레인의 하단으로부터 각각 80~130m의 높이까지 물방울 입자를 분사하는 것으로, 상기 물방울 입자의 분사각도 및 분사거리가 서로 다른 다수개의 노즐로 구성되는 살수노즐과; 상기 크레인의 하단에서 상기 살수노즐로 고압의 물을 공급하는 물공급수단과; 상기 크레인과 상기 살수노즐 및 상기 물공급수단을 각각 제어하는 제어부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 미세먼지 저감 시스템은, 상기 크레인이 소정의 간격을 두고 연속적으로 나란히 설치되어 상기 살수노즐에서 분사되는 물방울 입자가 자유낙하 하면서 폭 30~60m의 연속적인 인공수벽을 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 미세먼지 저감 시스템은, 상기 살수노즐을 통해 분사되는 물방울 입자를 이용하여, 바람을 타고 미세먼지가 통과하는 지역에다 예컨대 수 km 내지 수십 km의 구간에 걸쳐서 높이가 약 100m 정도에 이르는 연속적인 인공수벽을 형성함으로써, 바람의 진행방향을 따라 상기 인공수벽의 반대쪽에 위치하는 구역에서는 적어도 지상 40~60m 이내의 주요 생활공간에 대해서는 미세먼지가 없는 쾌적한 생활공간을 확보할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따른 미세먼지 저감 시스템은, 미세먼지를 제거하는 고유의 기능 이외에도 부수적으로 하천물을 정화하는 효과와 함께, 여름철에는 도시의 열섬효과를 억제할 수도 있고, 나아가 야간에는 상기 인공수벽에다 레이저와 함께 다양한 조명을 발사하여 관광자원으로 활용할 수도 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 미세먼지 저감 시스템의 구성도,

도 2는 도 1의 살수노즐에서 분사되는 물방울 입자(W)가 인공수벽을 형성하는 상태를 나타낸 설명도,

도 3은 교량을 따라 본 발명의 미세먼지 저감 시스템이 설치되어 있는 상태를 예시한 가상도,

도 4는 하천변에 본 발명의 미세먼지 저감 시스템이 설치되어 있는 상태를 예시한 가상도이다.

이하, 첨부한 도면을 이용하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 다만, 첨부 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시한 것이므로 이들 실시예에 의해서 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니다. 또한 본 발명을 실시하는데 꼭 필요한 구성이라 하더라도 종래기술에 소개되어 있거나, 통상의 기술자가 공지기술로부터 용이하게 실시할 수 있는 사항에 대해서는 구체적인 설명을 생략한다.

본 발명에 따른 미세먼지 저감 시스템은 도 1에서 보는 바와 같이, 높이와 각도 조절 및 회전이 가능하도록 세워서 설치되는 다수개의 크레인(10)과, 상기 크레인(10)의 상단에 각각 설치되는 살수노즐(20)과, 상기 살수노즐(20)로 고압의 물을 공급하는 물공급수단(30)과, 이들을 제어하는 제어부(40)를 포함하여 구성된다.

먼저 상기 크레인(10)은, 직경이 서로 다른 다수개의 붐대가 순차적으로 연결되어 전체적인 길이가 신장 또는 수축 가능한 구조로 이루어지며, 직경이 작은 붐대를 직경이 큰 붐대 속으로 순차적으로 수납할 수 있도록 구성된 것이 바람직하다. 그래서 상기 붐대를 모두 신장했을 때 상기 크레인(10)은 최대 높이가 40~60m, 바람직하기로는 50~55m 인 것이 적당하다.

그리고 상기 크레인(10)을 구성하는 각 붐대의 길이는 약 7m 정도로 하여 모든 붐대를 직경이 가장 큰 최하단 붐대 속으로 모두 수납한 상태에서는 상기 크레인(10)의 높이가 약 10m 정도로 수축 되도록 구성하는 것이 바람직하다.

다음으로 상기 살수노즐(20)은 상기 크레인(10)의 상단에서 물방울 입자(W)를 분사하는 것으로, 물방울 입자(W)의 분사 높이가 상기 크레인(10)의 하단, 즉 지상으로부터 80~130m의 높이에 이르도록 분사한다. 예컨대 상기 크레인(10)의 높이가 50m 일 경우, 상기 살수노즐(20)의 물 분사높이는 크레인(10)의 상단에서 30~80m가 될 수 있다. 이때, 상기 물방울 입자(W)의 분사 높이가 크레인(10)의 하단에서 80m 미만이면, 미세먼지를 제거하는 효과가 부족하고, 반대로 130m를 초과하면, 운용비용의 증가에 따른 효과 상승이 미미하여 비효율적이다.

다음으로 상기 물공급수단(30)은, 예컨대 저수조(31)와 고압펌프(32), 이송호스(33) 및 호스드럼(34)을 포함하여 구성될 수 있다.

상기 저수조(31)는 상기 살수노즐(20)을 통해 분사되는 물, 즉 살수용수를 저장해 두는 곳으로, 상기 크레인(10)의 하단 부근에 설치되며, 일정한 수위를 유지할 수 있도록 수위조절밸브가 설치되어 있다. 상기 고압펌프(32)는 상기 저수조(31) 옆에 설치되며, 상기 저수조(31)에 저장되어 있는 살수용수가 상기 살수노즐(20)을 통해 분사되도록 수압을 제공하는 기능을 한다.

다음으로, 상기 이송호스(33)는 상기 고압펌프(32)에서 압출되는 살수용수를 상기 살수노즐(20)로 이송하는 기능을 하는 것으로, 상기 크레인(10)의 붐대를 따라 설치되어 있다. 상기 호스드럼(34)은 상기 크레인(10)의 붐대가 신장 또는 수축함에 따라 상기 이송호스(33)를 감거나 풀어서 그 길이를 적절히 조절해 주는 기능을 한다.

마지막으로 제어부(40)는, 상기 크레인(10)의 신축과 각도, 상기 살수노즐(20)의 분사각도 및 분사거리, 상기 물공급수단(30)의 고압펌프(32)와 호스드럼(34) 등을 각각 제어하는 기능을 한다. 특히 상기 크레인(10)이 연속적으로 설치된 경우, 몇 개의 단위 그룹으로 분리하여 각 단위 그룹별로 통합 운영하는 시스템을 구축할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 크레인(10)은 교량이나 하천변에 30~60m의 간격을 두고 나란히 설치되는 것이 바람직하다. 상기 크레인(10)은 교량이나 하천변에 설치하면, 상기 살수노즐(20)로 공급되는 살수용수의 확보가 용이하고, 또한 상기 살수노즐(20)에서 배출되는 물을 다시 하천으로 되돌려 보낼 수 있으며, 하천물을 정화하는 부수적인 효과도 얻을 수 있다.

이때 상기 크레인(10)은 하단부가 고정된 상태에서 높이, 각도 및 회전 조절이 가능하기 때문에 상기 크레인(10)이 설치된 장소의 지리적인 여건이나, 본 발명의 시스템을 운용할 당시의 풍향 및 풍속 등을 고려하여 상기 살수노즐(20)에서 배출되는 물이 다시 하천으로 떨어지도록 용이하게 조절할 수 있다.

다만, 상기 크레인(10)은 바람이 불어오는 반대 방향으로 각각 70~85도의 각도로 비스듬히 세워진 상태에서 바람이 불어오는 반대 방향으로 물방울 입자(W)를 살수를 하는 것이 바람직하다. 만일 바람이 불어오는 방향으로 살수를 하게 되면, 상기 살수노즐(20)에서 배출되는 물이 상기 크레인(10)의 하단에 설치된 물공급수단(30) 및 제어부(40) 위로 떨어질 뿐 아니라, 물방울 입자(W)에 의해서 형성된 인공수벽의 폭이 좁아질 수 있기 때문이다.

특히 동절기에는 상기 살수노즐(20)에서 배출되는 물이 결빙될 우려가 있기 때문에 상기 물방울 입자(W)들이 다시 하천으로 떨어지도록 살수 방향을 조절하는 것이 매우 중요하다. 이를 위해서 상기 크레인(10)의 상단에는 풍향계 및 풍속계를 설치할 수도 있다.

본 발명의 미세먼지 저감 시스템을 운용하지 않을 때는, 상기 크레인(10)의 붐대를 모두 접어서 교량이나 하천변에 나란히 세워 둘 수도 있고, 미관상의 거부감을 최소화 하기 위하여 접혀진 붐대를 나란히 눕혀 둘 수도 있다.

또한, 상기 살수노즐(20)은 물방울 입자의 분사각도 및 분사거리가 서로 다른 2~4개의 노즐로 구성되는 것이 바람직하다. 도 2에서 보는 바와 같이, 각 분사노즐의 분사압력이 동일한 조건에서 물방울 입자의 분사거리는 분사각도에 반비례한다. 즉 분사각도가 높아지면 분사거리가 짧아지고, 분사거리가 낮아지면 분사거리가 길어질다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 살수노즐(20)은 3개로 구성되고, 상기 살수노즐(20)에서 분사되는 물방울 입자(W)는 자유낙하 하면서 폭 30~60m의 연속적인 인공수벽을 형성하도록 구성하는 것이 바람직하다. 상기 인공수벽의 폭이 30m 미만이면 미세먼지 제거 효과가 떨어질 수 있고, 반대로 60m를 초과하면 운용비용이 증가할 수 있다.

한편, 상기 크레인(10)의 상단에는 추가적으로, 압축공기를 분사하는 에어제트(air jet)가 설치될 수도 있다. 상기 에어제트는 상기 살수노즐(20)에서 분사되는 물방울 입자(W)들을 풍향과 지역에 따라 원하는 방향으로 분사시켜서 효과적인 인공수벽을 형성하게 해 주는 기능을 한다.

이론적으로, 상기 살수노즐(20)을 통해서 지상 면적 1m²당 하루에 2.85톤의 물을 살수했을 때, 지상 면적 1m²내에 하루 동안 떨어지는 물방울 입자(W)의 수는 물방울 입자(W)의 직경에 따라 다음 [ 표 1 ]과 같이 변화한다.

직경(cm)	0.5	0.3	0.2	0.1	0.05	0.02
물방울 수	570,240	950,400	1,425,600	2,851,200	5,702,400	14,256,000
참고	호우	소나기		보통 비		약한 비

상기 [표 1]에서 보는 바와 같이, 물방울 입자(W)의 직경이 커질수록 단위면적 내에 떨어지는 물방울 입자(W)의 수가 감소하고, 나아가 떨어지는 속도가 빨라지기 때문에 미세먼지를 제거하는 효과는 저하된다. 그러나 물방울 입자(W)의 직경이 너무 작아지면, 바람의 영향으로 흩날릴 수 있기 때문에 효과적인 인공수벽을 형성할 수 없다.

따라서 본 발명에서는 상기 살수노즐(20)을 통해서 분사되는 물방울 입자(W)들 중에서 직경이 0.02~0.3cm인 물방울 입자(W)의 분포도가 80% 이상 되도록 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 살수노즐(20)을 통해서 물방울 입자(W)를 분사할 때, 풍절음(風節音)으로 인한 소음이 발생하는 것을 방지하기 위하여 상기 살수노즐(20)에다 소음방지캡을 탈부착 가능하게 설치 할 수도 있다.

일반적으로 미세먼지는 아주 미세하고 가볍기 때문에 대기 중에서 아주 느린 속도로 침강한다. Stock 법칙을 활용하여 바람이 전혀 없는 상태에서 이론적으로 미세먼지의 침강속도를 산출한 결과, 입자 크기가 PM 2.5인 미세먼지는 시간당 0.82m의 속도로 침강하고, 입자 크기가 PM 10인 미세먼지는 시간당 13.1m의 속도로 침강하는 것으로 나타났다.

따라서 초당 1.6m의 바람이 불 경우, 이론적으로 PM 10의 미세먼지는 10km를 통과하는 동안 22.2m를 침강하고, 30km 통과하는 동안 66.6m를 침강한다. 그리고 PM2.5의 미세먼지는 10km를 통과하는 동안 1.4m, 30km를 통과하는 동안 4.2m씩 각각 침강한다. 그러나 자연 상태에서는 바람과 상승 기류 등의 영향으로 훨씬 더 느리게 침강하면서 장거리를 이동한다.

그래서 중국에서 발생한 미세먼지가 서해 바다로 떨어지지 않고 우리나라까지 계속 밀려오는 것이다. 따라서 예컨대 서풍을 타고 중국발 미세먼지가 유입되는 도시의 외곽지역에다 본 발명의 미세먼지 저감 시스템을 이용하여 수 km 내지 수십 km에 걸쳐서 높이 100m 정도의 인공수벽을 설치할 경우, 적어도 지상 40~60m 이내의 주요 생활공간에 대해서는 해당 도시로 유입되는 미세먼지를 효과적으로 제거할 수 있고, 따라서 훨씬 쾌적한 주거환경을 유지할 수 있을 것으로 기대된다.

도 3은 교량을 따라 본 발명의 미세먼지 저감 시스템이 설치되어 있는 상태를 예시한 가상도이고, 도 4는 하천변에 본 발명의 미세먼지 저감 시스템이 설치되어 있는 상태를 예시한 가상도이다.

본 발명의 미세먼지 저감 시스템은 도 3 및 도 4에서 보는 바와 같이, 야간에는 상기 인공수벽에다 다양한 조명등을 설치하여 관광 상품으로 활용할 수도 있고, 여름철에는 도시의 열섬 효과로 인한 국지적인 기온 상승을 억제하는 부수적인 효과를 얻을 수도 있다.

<부호의 설명>

10; 크레인 20; 살수노즐

30; 물공급수단 31; 저수조

32; 고압펌프 33; 이송호스

34; 호스드럼 40; 제어부

W; 물방울 입자

Claims

신장 또는 수축이 가능한 다수개의 붐대로 이루어지고, 하단부가 고정된 상태에서 각도 조절 및 회전이 가능하도록 세워서 설치되는 다수개의 크레인과;

상기 크레인의 상단에 설치되어 상기 크레인의 하단으로부터 각각 80~130m의 높이까지 물방울 입자를 분사하는 것으로, 상기 물방울 입자의 분사각도 및 분사거리가 서로 다른 다수개의 노즐로 구성되는 살수노즐과;

상기 크레인의 하단에서 상기 살수노즐로 고압의 물을 공급하는 물공급수단과;

상기 크레인과 상기 살수노즐 및 상기 물공급수단을 각각 제어하는 제어부; 를 포함하고,

상기 크레인은 다수개가 소정의 간격을 두고 연속적으로 나란히 설치되어 상기 살수노즐에서 분사되는 물방울 입자가 자유낙하 하면서 폭 30~60m의 연속적인 인공수벽을 형성하는 것을 특징으로 하는 미세먼지 저감 시스템.
제1항에 있어서, 상기 크레인은 상기 붐대가 모두 신장된 상태에서의 최대 높이가 40~60m인 것을 특징으로 하는 미세먼지 저감 시스템.
제1항에 있어서, 상기 크레인은 교량이나 하천변에 30~60m의 간격을 두고 나란히 설치되는 것을 특징으로 하는 미세먼지 저감 시스템.
제1항에 있어서, 상기 살수노즐에서 분사되는 물방울 입자는 직경이 0.02~0.3cm인 물방울 입자의 분포도가 80% 이상인 것을 특징으로 하는 미세먼지 저감 시스템.
제1항에 있어서, 상기 크레인의 상단에는 압축공기를 분사하여 상기 살수노즐에서 분사되는 물방울 입자들을 분사시켜 주는 에어제트(air jet)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 미세먼지 저감 시스템.
제1항에 있어서, 상기 물공급수단은, 상기 크레인의 하단 부근에 설치되는 저수조 및 고압펌프와; 상기 고압펌프에서 압출되는 용수를 상기 살수노즐로 이송하는 것으로 상기 크레인을 따라 설치되어 있는 이송호스와; 상기 크레인의 하단 부근에 설치되어 상기 크레인이 신축함에 따라 상기 이송호스의 길이를 조절해 주는 호스드럼; 을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 미세먼지 저감 시스템.